JP2014134696A - 電子写真定着用定着部材、定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】厚紙等を定着するときに生じる大きな変形によっても塑性変形することのない定着部材の提供。
【解決手段】基体上に、弾性層、最表面離型層が積層された電子写真定着用定着部材であって、
前記弾性層は、連続層であり、かつ最表面離型層側に繊維状のフィラーが偏在したものであることを特徴とする電子写真定着用定着部材。
【選択図】図１

Description

本発明は、トナー定着用定着部材および定着装置に関する。

複写機、プリンタ等の電子写真方式のカラー画像形成装置は、記録媒体上に４色（シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック）のトナーからなるカラー画像を形成する画像形成部と、形成されたカラー画像を記録媒体上に定着させる定着装置を備えている。定着装置は、記録媒体上のカラー画像を加熱して定着させる定着部材と、定着部材と定着ニップを形成する加圧部材を有し、記録媒体が定着ニップを通過する際に、トナー像を加熱加圧して記録媒体上に定着させる。

定着部材は、一般に、ローラ形状又はベルト形状であり、金属ローラ又は樹脂製のシームレスベルト上に、シリコーンゴム等の合成ゴムを含む弾性層が形成されており、ヒータを有する。しかしながら、弾性層の熱伝導性が小さく、熱容量が大きいことから、昇温時間が長くなるという問題があり、熱伝導性向上のために、離型層または弾性層にフィラーを含有させることが提案されている。

また、カラー画像を定着する際には、カラートナーを包み込み溶融・混色させる弾力性が定着部材に要求されるため、フッ素樹脂等の弾力性が小さい材料で形成される離型層は、薄くなる傾向がある。

特許文献１の特開２００５−２９２２１８号公報には、炭素繊維を含有するシリコーンゴムからなる弾性層の外周にフッ素樹脂を被覆し、熱伝導性及びシリコーンゴムの形状安定性を向上させた定着器用ローラが開示されている。

また、特許文献２の特開２０１０−０９２００８号公報には、弾性層に配合する充填剤とＣＮＴとの配合比を所定の範囲内にすることで、弾力を有し、熱伝導性を向上させ機械的定着強度に優れるとする定着用ベルトが開示されている。

しかし、これらの定着部材は、弾性層全体に炭素繊維やカーボンナノチューブを均一に分散するものであるため、弾性層が固くなり、表面凹凸の大きい記録媒体を用いると凹凸に追従できず定着不良が生じることがある。

また、特許文献３の特開２０１０−１７０１３２号公報には、基体、弾性層、フッ化カーボンナノチューブを含有するフッ素樹脂からなる離型層を有する定着部材が記載され、該定着部材は、熱伝導率が向上し、機械的強度が向上し寿命を延長できる旨が記載されている。
しかし、離型層が固いため、弾性層と離型層との変形量の差が大きくなり、離型層の剥がれが生じ易く、剥がれ防止のためには弾性層を薄くして変形量を小さくする必要があり、定着加熱時の表面追従性が十分でない。

また、離型層と弾性層との間に中間層（または、プライマー層）を設け、該中間層にフィラーを含有させたものがある。
特許文献４の特開２０１０−０６６５０９号公報には、フッ素樹脂を含む表層に接するプライマー層にフッ素樹脂及び無機フィラーを含有させ、該無機フィラーの粒度分布を所望の範囲にした定着ベルトが開示されている。
また、特許文献５の特開２００９−１０３８８２号公報には、離型層と弾性層とを接着する接着剤層に、熱伝導性が高い熱伝導異方性を有するフィラーを加圧ローラ長手方向に並べた加圧ローラが開示されている。
また、特許文献６の特開２００７−１７９００９号公報には、弾性層と離型層との間にフラーレン、ＣＮＴ等の炭素クラスターを含むフッ素樹脂の中間層を設けた定着部材が開示されている。

しかしながら、近年の電子写真の分野においては、多種多様な記録媒体に対して画像を形成したいという要望が大きく、特に、厚紙への対応が求められている。
これらの定着部材は、定着部材は弾性層と、中間層または離型層との固さの差が大きいため、厚紙を用いると、厚紙の端部での変形による応力が弾性層との接着部（界面）に集中し、中間層や離型層の塑性変形や、弾性層と中間層や離型層との剥離が生じ易い。

また、特許文献７の特開２０１０−１５２３０３号公報には、空隙を有するフロロシリコーンゴムに炭素繊維を均一に分散させた表面弾性層を有する定着部材開示され、特許文献８の特開２０１１−２３７６８１号公報には、フロロシリコーンゴムを含む発泡弾性層中に、フッ素樹脂により表面処理された炭素繊維を分散させることが開示されている。
しかし、離型層が摩耗すると表面に炭素繊維が露出し易く、離型性が低下してしまう。

したがって、本願発明は、厚紙等を定着するときに生じる大きな変形によっても塑性変形することのない定着部材の提供を目的とする。

本発明者らが鋭意検討した結果、最表面離型層側に繊維状のフィラーを含有する連続した弾性層により、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、上記課題は本発明の下記（１）〜（８）によって解決される。
（１）「基体上に、弾性層、最表面離型層が積層された電子写真定着用定着部材であって、
前記弾性層は、連続層であり、かつ最表面離型層側に繊維状のフィラーが偏在したものであることを特徴とする電子写真定着用定着部」、
（２）「前記繊維状のフィラーは、炭素繊維であることを特徴とする前記第（１）項に記載の電子写真定着用定着部材」、
（３）「前記炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維であることを特徴とする前記第（２）項に記載の電子写真定着用定着部材」、
（４）「前記繊維状のフィラーは、ガラス繊維であることを特徴とする前記第（１）項に記載の電子写真定着用定着部材」、
（５）「前記弾性層の弾性材料が、シリコーンゴムであることを特徴とする前記第（１）項乃至第（４）項のいずれかに記載の電子写真定着用定着部材」、
（６）「前記最表面離型層は、フッ素系高分子材料を含有することを特徴とする前記第（１）項乃至第（５）項のいずれかに記載の電子写真定着用定着部材」、
（７）「前記第（１）項乃至第（６）項のいずれかに記載の電子写真定着用定着部材を有することを特徴とする電子写真用定着装置」、
（８）「現像装置と定着装置とを有し、被定着媒体上に形成したトナー像を定着させる画像形成装置であって、前記定着装置が前記第（７）項に記載の定着装置であることを特徴とする画像形成装置」、

以下の詳細かつ具体的な説明から理解されるように、本発明によれば、厚紙等を定着しても塑性変形することのない定着部材が提供される。

定着用定着部材構成例を示す図である。 定着用定着部材の表面近傍の拡大図である。 従来構成での紙端部での応力印加状態を示す図である。 本発明構成での紙端部での応力印加状態を示す図である。 定着装置の例を示す図である。 画像形成装置の例を示す図である。

本発明の定着部材について説明する。
本発明の電子写真定着用定着部材の構成例の概略図を図１に、また表面近傍の概略図を図２に示す。本発明の電子写真定着用定着部材は、基体１上に、弾性層２、最表面離型層４が積層されたものであり、前記弾性層は、連続層であり、かつ、最表面離型層側に繊維状のフィラー３が偏在したものである。
本発明において「連続層」とは、フィラーを除く弾性材料部分が同一組成であることを意味する。

図３に、最表面離型層４やプライマー層（中間層）５にフィラーを分散させた定着部材で厚紙を定着した際の模式図を示す。厚紙がある箇所の弾性層２は、力を受けて大きく変形するが厚紙がない箇所は殆ど変形しないため、厚紙端部で段差（大きな歪）が生じる。
そして、最表面離型層４やプライマー層５は、塑性変形し易い材料で形成されることが多く、加えてフィラーを含有するために弾力性が低く、厚紙端部の段差によって局所的に大きな応力を受けて塑性変形してしまい、定着部材表面に筋・溝が発生して定着時に異常画像が生じてしまう。

本発明の弾性層２は、図４に示すように、最表面離型層側に繊維状のフィラー３が偏在するため、最表面離型層側は固く、基体側は弾力性が高い。そして、被定着媒体６から受けた局所的な力は、繊維状のフィラー３のランダムな重なりにより、広範囲に分散されるため、本発明の弾性層２は、局所的な変形が生じない一方で、繊維状のフィラー３が分散されている箇所も弾力性を有するため、適度に変形し被転写媒体の表面凹凸に追従できる。さらに接着界面がない連続層であるため、局所的な応力を受けても繊維状のフィラー３が存在する部分と存在しない部分との剥離が生じず、さらに繊維状のフィラー３が存在する部分の塑性変形が生じない。
加えて、最表面離型層４や、弾性層２と最表面離型層４との間に設けられるプライマー層５は、塑性変形し易い材料で形成されるが、上記のように、局所的な応力を受けても弾性層に局所的な変形が生じないため、最表面離型層４及びプライマー層５が弾性層２の変形に追従でき、最表面離型層４及びプライマー層５の変形・剥離が防止され、異常画像の発生が防止される。

＜弾性層＞
本発明の弾性層は、弾性材料として合成ゴムを主成分とし、最表面離型層側に繊維状のフィラー３を有するものであり、必要に応じて充填剤等の汎用の添加材を含有してもよい。
前記合成ゴムとしては、シリコーンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコーンゴム等が挙げられ、これらは２種以上を混合してもよいが、シリコーンゴムであることが好ましい。

前記繊維状のフィラーとしては、炭素繊維、ガラス繊維が挙げられ、前記炭素繊維としては、合成繊維のアクリル長繊維からつくるＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維石炭タール・石油ピッチからつくるピッチ系炭素繊維が挙げられ、これらは混合して用いてもよい。

ＰＡＮ系炭素繊維は、ＰＡＮプリカーサー(ポリアクリロニトリル繊維)を炭素化して得られるもので、高強度・高弾性率の性質を持ち、ピッチ系炭素繊維は、ピッチプリカーサー(コールタールまたは石油重質分を原料として得られるピッチ繊維)を炭素化して得られるもので、製法の諸条件で、低弾性率から超高弾性率・高強度の広範囲の性質が得られる。 超高弾性率品は、熱伝導率や導電性に優れ、好ましく使用できる。

前記繊維状のフィラーの平均長さは、３０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以上２５０μｍ以下であることが好ましい。３０μｍ未満では、応力分散性が低下し、局所的な変形が生じることがあり、３００μｍを超えると弾性層の最表面離型層側に均一に分散するのが困難になる。

前記繊維状のフィラーの含有量は、繊維状フィラーの種類にもよるが合成ゴム１００に対し、１０以上３０以下であることが好ましい。１０未満では、繊維状のフィラーを添加した効果が十分でないことがあり、３０を超えると弾性層内部まで繊維状のフィラーが入り込み、弾性層の弾力性が低下することがある。

本発明の弾性層の厚さは、定着する被定着媒体の厚さにもよるが、２５０μｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。２５０μｍ未満では、変形量が小さく表面凹凸のある被定着媒体を十分定着できないことがあり、５ｍｍを超えると昇温時間が長くなることがある。

前記弾性層は、スプレーコート、ブレードコート、ディッピングコート等、公知の塗工方法により合成ゴム溶液を塗工し、塗工された合成ゴム層を硬化する前に繊維状のフィラーを付着させ、なじませた後に加硫することで形成される。

＜最表面離型層＞
最表面離型層は、定着用定着部材に離型性・耐摩耗性を付与するものであり、主成分としてフッ素系高分子材料により形成される。ここで主成分とは、フッ素系高分子材料の特性が十分に発揮される割合で含まれることを意味する。

フッ素系高分子材料としては、焼成による溶融成膜性のよい、比較的融点の低いもの（好ましくは２５０〜３００℃）が好ましく使用できる。
具体的には、低分子量ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフロオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアアルキアルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）の微粉末やチューブが挙げられる。

前記低分子量ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）としては、ルブロンＬ−５、Ｌ−２（ダイキン工業）、ＭＰ１１００、１２００、１３００、ＴＬＰ−１０Ｆ−１（三井デュポンフロロケミカル）が挙げられ、前記テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）としては、５３２−８０００（デュポン）が挙げられる。
テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）としては、ＭＰ−１０、ＭＰ１０２、（三井デュポンフロロケミカル）が挙げられ、ＭＰ１０３、ＭＰ３００（三井デュポンフロロケミカル）、ＡＣ-５６００、ＡＣ５５３９ （ダイキン工業）は、特にＭＦＲ（メルトフローレート）が小さく、流動性の低く好ましく使用できる。

最表面離型層には、離型性・耐摩耗性を損なわない範囲であれば、目的に応じて充填剤、酸化防止剤、顔料、染料、界面活性剤、可塑剤、増粘剤、ワックス、オイル等の添加剤を任意に添加することができるが、その総量は、最表面離型層全体の１〜１０重量％ 程度に抑えることが好ましい。

最表面離型層の厚さは、１μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。１μｍ未満では耐久性が低下することがあり、１５μｍを超えると、フッ素系高分子材料は弾力性が低いため被定着媒体の表面凹凸への追従性が低下することがある。

最表面離型層は、熱収縮チューブを接着することや、最表面離型層塗工液をスプレーコート等によって塗工することで塗布層を形成し、その後、フッ素系樹脂の融点以上の温度まで加熱して溶融・焼成することにより形成することができる。また、フッ素系樹脂の粉体塗料を用いた電着塗装等でも形成可能である。

＜基体＞
基体としては、ベルトまたはローラを使用することができ、ベルトである場合には、例えば、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、フッ素系樹脂等の樹脂、又はニッケルやステンレス等の金属からなるシームレスベルトが好ましく用いられる。 また、ローラである場合には、例えば、アルミニウム、ステンレススチール、真鍮などの金属からなるパイプが好ましく用いられる。

＜プライマー層（中間層）＞
本発明の定着用定着部材は、必要に応じて、基体と弾性層との間、及び／または弾性層と最表面離型層との間に層間の接着性を高めるプライマー層を設けることができる。

＜定着装置＞
本発明の定着装置の一例を図５に示す。定着装置は、内部にヒータ１１を有する定着用定着部材１０、加圧ローラ１４を有し、該加圧ローラは加圧機構１５により定着用定着部材１０に圧接する。
前記定着用定着部材と加圧ローラ１４との間にトナー像１２が乗った被定着媒体１３を通すことで定着を行う。

＜画像形成装置＞
本発明の画像形成装置の一例を図６に示す。感光体２０はドラム状の形状を示しているが、シート状、エンドレスベルト状のものであってもよい。感光体の周りには、帯電装置、画像露光装置２３、現像装置２１、転写装置２６、クリーニング装置２４が配置される。
感光体２０を帯電し、画像露光装置２３で静電潜像を形成し、現像装置２１によりトナー像を形成する。感光体２０上に現像されたトナー像１２は、転写装置２６により被定着媒体１３に転写され、本発明の定着装置２７により定着されて画像が形成される。

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
未硬化付加型液状シリコーン（ＤＹ３５−２０８３）を、アルミニウムの中空芯金（リブ付き厚さ０．４ｍｍ）にプライマーを介し、塗布した。この芯金を横にし、ゆっくり回転させ、硬化前のシリコーンゴムに対し、ピッチ系炭素繊維（日本グラファイトファイバー：ＸＮ−１００、繊維長５０μｍ）の粉体を圧縮空気で巻き上げて、シリコーンゴムの表面に付着させ、そのまま２０分ほど回転させて、表面に炭素繊維をなじませてから、１２０℃、３０ｍｉｎで加熱し、厚さ５００μｍの弾性層を形成した。
なお、炭素繊維の配合量は、プロセスごとに重さを量り、付着繊維量を推定した。
その外側にプライマー層を付けた厚さ１０μｍのＰＦＡ樹脂チューブを接着し、２００℃４ｈで二次加硫し、［定着用定着部材１］を形成した。

［実施例２］
実施例１において、ピッチ系炭素繊維をピッチ系炭素繊維（日本グラファイトファイバー：ＸＮ−１００、繊維長１５０μｍ）に代える他は実施例１と同様にして［定着用定着部材２］を形成した。

［実施例３］
実施例１において、ピッチ系炭素繊維をピッチ系炭素繊維（日本グラファイトファイバー：ＸＮ−１００、繊維長２５０μｍ）に代える他は実施例１と同様にして［定着用定着部材３］を形成した。

［実施例４］
実施例１において、ピッチ系炭素繊維をＰＡＮ系炭素繊維（東レ：トレカミルドファイバーＭＬＤ−３００、繊維長１３０μｍ）に代える他は実施例１と同様にして［定着用定着部材４］を形成した。

［実施例５］
実施例１において、ピッチ系炭素繊維をガラス繊維（旭ファイバーガラス：ＭＬＤ−３００、繊維長１００μｍ）に代える他は実施例１と同様にして［定着用定着部材５］を形成した。

［比較例１］
実施例１において、ピッチ系炭素繊維を加えない他は実施例１と同様にして［定着用定着部材６］を形成した。

［比較例2］
○プライマー層に無機フィラーを添加
無機フィラー（アルミナ：住友化学社製ＡA−２：形状は球形、最大径Ｍの平均は2μｍ）を、超音波分散を用いてデモールＮ（花王社製、無機フィラー分散剤）を含有する水中に分散させ、得られた分散液をデュポン社製のプライマー８５５Ｎ−０２３に配合し、撹拌機で撹拌してプライマー液を得た。 （無機フィラーのプライマー樹脂に対する配合量30Vol%）
比較例１と同様に、シリコーンゴム層（弾性層）を形成し、ゴムを1次焼成後、前記のプライマー液に浸漬して引き揚げ（ディッピング法）、基材の外周面にプライマー液を塗布した。
その後、１００℃で３０分間加熱してプライマー液を固体化し、基材の外周に厚さ３μｍのプライマー層を形成した。その外側に厚さ１０μｍのＰＦＡ樹脂チューブを接着し、２００℃４ｈで二次加硫し［定着用定着部材７］を形成した。

定着用定着部材１〜７を（株）リコー製複写機 ＭＦ４５７０の定着ユニットにセットし、トナーベタ画像で、リコー フルカラーコピー用紙タイプ６０００（９０Ｗ、紙厚：１２０μｍ）をそれぞれ５０ｋ通紙し、通紙後の定着用定着部材について以下の方法で段差測定、通紙前のマルテンス硬さ、紙端部温度上昇差を測定した。評価結果と弾性層の組成とを合わせて表１に示す。
繊維状フィラーの配合量は、芯金とプライマーの重さを予め測定したものと、シリコーンゴム塗布後の重さの差をシリコーンゴムの重さとし、同様に繊維を付着させたものから、シリコーンゴムを付着させた芯金の重さを引き、繊維の重さとした。
配合量は、シリコーンゴムを１００と換算し、例えば、実施例１では、シリコーンゴムの重さ１００に対し、炭素繊維の重さが２１の比となり、弾性層では、２１/（１００＋２１）の重量比で炭素繊維が入っていることとなる。しかし、当然のことながら、炭素繊維の付着させた工法上、炭素繊維は、表面に付着しており、単に弾性層全体に対する重量比という意味合いである。

［段差測定］
通紙後の段差測定は、紙端部５ｍｍの部分をキーエンスＶＫ９５００レーザー顕微鏡により、谷のピーク深さを測定した。

［マルテンス硬さ］
実際に膜になったものを想定する深さに対し、その変形し難さである硬さ測定をマルテンス硬さ試験（ＩＳＯ １４５７７）により評価した。
具体的には、温度２５℃の環境下で、フィッシャースコープＨ１００Ｃを用い、最表面から５μｍの部分で行った。
この設定は、今回の実施例が１０μｍの最表面離型層を形成したためその膜を突き破らない設定である。
なお、今回最表面離型層として用いたＰＦＡチューブ（３０μｍ品）は、５μｍでの硬さは、６．７Ｎ/ｍｍ^２であり、また、弾性体として用いたシリコーンゴム（東レ製：ＤＹ３５−２０８３、厚さ１００μｍ）の５μｍでの硬さは、０.３５ Ｎ/ｍｍ^２であった。

［紙端部温度上昇差］
紙端部温度上昇差は、紙端部を中心として、内外両側10mmの部分のニップ出口部分に熱電対を設け、通紙開始後１０分後の温度差を測定した。

［耐摩耗性評価］
印刷用紙エッジ部摩擦摩耗に起因した定着部材表層の傷による異常画像の有無を測定した。
１：画像定着性を著しく阻害し部分的に定着不良が認められる。
２：摩耗跡に起因する光沢差があり異常画像である。
３：摩耗跡に起因する光沢差が認められるが許容レベル
４：異常なし

比較例１、２では、画像評価ランクが異常画像レベルである。これは、段差測定の値と対応している。このように、通紙により厚紙での異常画像発生することがわかる。
それに対し、実施例１〜５は、段差が非常に小さく、その結果、画像評価ランクにも異常画像が現れていない。
マルテンス硬さの結果は、従来例が図３に示される形になっており、本発明が図４に示される形になっていることに対応する。マルテンス硬さは、プローブの単位接触面積に対する力の大きさで表せるため、実施例のものは、繊維状フィラーにより、変形しにくくなっていることが分かる。上からの力を繊維が受ける形になるために変形するための力が大きくなっている。
また、弾性層と繊維状フィラーは一体であるため、例えば、特許文献６（特開２００９−１０３８８２号公報）のような例では、接着界面から剥がれる場合があるのに対して、応力が分散されるため破壊されにくい。
さらに、副次的な効果として、実施例１〜３のような高熱伝導のピッチ系炭素繊維を用いた場合、紙端部での温度上昇も抑えられている。

１ 基体
２ 弾性層
３ 繊維状のフィラー
４ 最表面離型層
５ プライマー層（中間層）
６ 被定着媒体
１０ 定着用定着部材
１１ ヒータ
１２ トナー像
１３ 被定着媒体
１４ 加圧ローラ
１５ 加圧機構
２０ 感光体
２１ 現像装置
２２ 帯電装置
２３ 露光装置
２４ クリーニング装置
２５ 除電装置
２６ 転写装置
２７ 定着装置

特開２００５−２９２２１８号公報 特開２０１０−０９２００８号公報 特開２０１０−１７０１３２号公報 特開２０１０−０６６５０９号公報 特開２００９−１０３８８２号公報 特開２００７−１７９００９号公報 特開２０１０−１５２３０３号公報 特開２０１１−２３７６８１号公報

Claims (8)

1. 基体上に、弾性層、最表面離型層が積層された電子写真定着用定着部材であって、
   前記弾性層は、連続層であり、かつ最表面離型層側に繊維状のフィラーが偏在したものであることを特徴とする電子写真定着用定着部材。
2. 前記繊維状のフィラーは、炭素繊維であることを特徴とする請求項１に記載の電子写真定着用定着部材。
3. 前記炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維であることを特徴とする請求項２に記載の電子写真定着用定着部材。
4. 前記繊維状のフィラーは、ガラス繊維であることを特徴とする請求項１に記載の電子写真定着用定着部材。
5. 前記弾性層の弾性材料が、シリコーンゴムであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電子写真定着用定着部材。
6. 前記最表面離型層は、フッ素系高分子材料を含有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子写真定着用定着部材。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の電子写真定着用定着部材を有することを特徴とする電子写真用定着装置。
8. 現像装置と定着装置とを有し、被定着媒体上に形成したトナー像を定着させる画像形成装置であって、前記定着装置が請求項７に記載の定着装置であることを特徴とする画像形成装置。

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