JP2015031755A - 定着加圧ロール及び定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低硬度及び低熱容量のシリコーンゴムを備えた定着加圧ロール及び定着装置を提供する。
【解決手段】定着装置の定着部に用いられる加圧ロール１は、芯体１０と、芯体１０の周囲に設けられた弾性層１１とを具備し、弾性層１１は、シリコーンゴム原料と、ガラスバルーンと、前記シリコーンゴム原料と前記ガラスバルーンとの密着力を弱める離型剤とを混合した後、シリコーンゴム原料を硬化することにより得られたシリコーンゴムで構成され、シリコーンゴムは、加圧によるガラスバルーンの破壊で形成された空隙を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、定着加圧ロール及びそれを具備する定着装置に関し、画像形成装置に搭載して好適に用いられる。

複写機、ファクシミリ、レーザビームプリンター等の画像形成装置には定着装置が搭載されている。定着装置の定着機構では、加熱された定着ロール等の定着部材がこれと対向する加圧ロールの回転によって従動回転される。このような定着機構では通紙時に圧力と熱によってトナーを固着させるため、加圧ロールと定着部材との間のニップ部を大きく設けることが必要であり、加圧ロールに低硬度のシリコーンゴムを用いることで定着幅を広く確保することができる。このため、加圧ロールには、低硬度で且つ熱源からの熱を失いにくい低熱容量の発泡シリコーンゴムが用いられている。

このような発泡シリコーンゴムを更に低硬度化するため、シリコーンゴムにマイクロ樹脂バルーン又はガラスバルーンを配合し、これらのバルーンでセルを形成する手法が提案されている（特許文献１，２参照）。

しかしながら、マイクロ樹脂バルーンでセルを形成する手法では、樹脂バルーンの破壊によるセルの形成が不均一になされ、十分な低硬度化が図れないという問題がある。また、ガラスバルーンでセルを形成する手法では、ガラスバルーンの充填量に比例して硬度が上昇するため、低硬度化と低熱容量化の両立が達成できないという問題がある。

特開２００７−０６５４２４号公報 特開２００５−０９１７３５号公報

本発明は、このような事情に鑑み、低硬度及び低熱容量のシリコーンゴムを備えた定着加圧ロール及び定着装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、定着装置の定着部に用いられる定着加圧ロールであって、芯体と、該芯体の周囲に設けられた弾性層とを具備し、前記弾性層は、シリコーンゴム原料と、ガラスバルーンと、前記シリコーンゴム原料と前記ガラスバルーンとの密着力を弱める離型剤とを混合した後、前記シリコーンゴム原料を硬化することにより得られたシリコーンゴムで構成され、前記シリコーンゴムは、加圧による前記ガラスバルーンの破壊で形成された空隙を含むことを特徴とする定着加圧ロールにある。

かかる発明によれば、シリコーンゴムがガラスバルーンの破壊で形成された空隙を含むことにより低硬度となり、ガラス（ガラスバルーン）を含むことにより低熱容量となるため、低硬度及び低熱容量の定着加圧ロールが実現される。

ここで、前記加圧は、水圧であることが好ましい。

これによれば、ガラスバルーンの多くを割れた状態にすることができ、多くの空隙を含むことにより、シリコーンゴムがさらに低硬度となる。

ここで、前記離型剤は、フッ素樹脂及びオイルの少なくとも一方であることが好ましい。

これによれば、離型剤の存在により、ガラスバルーンがシリコーンゴムから剥離されやすくなり、加圧で割れやすくなる。これにより、シリコーンゴムがより一層低硬度となる。

ここで、前記弾性層の周囲に設けられた離型層を具備することが好ましい。

これによれば、定着性に優れた定着加圧ロールとなる。

本発明の他の態様は、前記何れかの態様に記載する定着加圧ロールを具備することを特徴とする定着装置にある。

かかる発明によれば、低硬度及び低熱容量のシリコーンゴムを備えた定着加圧ロールを具備するため、定着性に優れた信頼性の高い定着装置となる。

本発明によれば、低硬度及び低熱容量のシリコーンゴムを備えた定着加圧ロール及び定着装置が実現される。

実施形態１に係る加圧ロールの横断面図及び縦断面図。 水圧でガラスバルーンが破壊される工程を説明するための概念図。 実施形態１に係る加圧ロールを具備する定着装置の断面図。 実施形態２に係る定着ロール及び加圧ロールを具備する定着装置の断面図。 実施形態３に係る定着ロール及び加圧ロールを具備する定着装置の断面図。 実施形態４に係る定着ロール及び加圧ロールを具備する定着装置の断面図。

以下に、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。

（実施形態１）
本発明に係る定着加圧ロールは、画像形成装置の定着部において未定着トナー像を熱と圧力で記録媒体に定着するために用いられるものであり、後述する加圧ロール及び定着ロール等が例示される。本実施形態では、定着加圧ロールの一例として、加圧ロールを例示する。

図１は、本実施形態に係る加圧ロールの横断面図及び縦断面図である。加圧ロール１は、芯体１０と、芯体１０の周囲に設けられた弾性層１１と、弾性層１１の周囲に設けられた離型層１２とを具備する。

本発明に係る弾性層１１は、シリコーンゴム原料と、ガラスバルーンと、シリコーンゴム原料とガラスバルーンとの密着力を弱める離型剤とを混合した後、シリコーンゴム原料を硬化することにより得られたシリコーンゴムで構成される。かかるシリコーンゴムは、加圧によるガラスバルーンの破壊で形成された空隙を含む。具体的に、弾性層１１は、ガラスバルーンと、シリコーンゴム原料とガラスバルーンとの密着力を弱める離型剤とが混合されたシリコーンゴム原料を加熱（一次硬化）してシリコーンゴムとし、このシリコーンゴムを加圧して、含有されるガラスバルーンを破壊させ、さらにシリコーンゴムを加熱（二次硬化）することにより得られる。

ここで、加圧とは、ガラスバルーンを破壊するためにシリコーンゴムに圧力をかけることをいう。破壊とは、通常は、ガラスバルーンが割れた状態になることをいうが、例えば、ひび割れる又は収縮する等、加圧によりシリコーンゴムを硬化する前の状態とは異なった状態になることも含む。本発明では、加圧によりガラスバルーンを破壊させることで、ガラスバルーンの大部分を割れた状態にすることができる。

シリコーンゴムを加圧することで、含有されるガラスバルーンの破壊が生じ、ガラスバルーンが存在していた部分は空隙となる。即ち、ガラスバルーンの破壊で形成された空隙とは、シリコーンゴムを加圧する前にはガラスバルーンが存在し、加圧した後にガラスバルーンが破壊されることで形成される空間をいう。

ガラスバルーンは、シリコーンゴム原料の一次硬化後は、シリコーンゴム中にそのままの状態で存在するが、シリコーンゴムを加圧することで破壊される。このような加圧による破壊は、シリコーンゴム全体に亘って生じ、ガラスバルーンの大部分を割れた状態にすることができる。このような破壊で形成された空隙は、分散具合のばらつきが小さく、均一に形成される。

離型剤は、シリコーンゴム原料とガラスバルーンとの密着力を弱める作用を有する。このため、離型剤を含有するシリコーンゴムを加圧すると、ガラスバルーンがシリコーンゴムから剥離されやすくなり、ガラスバルーンが割れることによる破壊を促進することができる。これにより、弾性層１１中には、ガラスバルーンが割れてできた空隙がより多く形成されるため、弾性層１１は多孔性に優れた低硬度の層となる。また、弾性層１１は、ガラスを主成分とするガラスバルーンを含有するため、熱容量を小さくすることができる。

よって、本発明によれば、低硬度及び低熱容量を同時に達成できる弾性層１１を実現することができる。このような低硬度及び低熱容量の弾性層１１を具備する加圧ロール１は、ニップ幅を広く確保でき、定着性に優れたものとなる。

加圧ロール１を構成する芯体１０は、金属又は樹脂材料からなる。金属又は樹脂材料は、加圧ロール１の芯体として用いることができるものであれば、特に制限はない。また、芯体１０の形状についても制限はなく、中空であっても、中空でなくてもよい。

弾性層１１を構成するシリコーンゴムは、加熱により硬化して弾性体を生成するシリコーンゴムであれば特に制限されない。具体的には、液状シリコーンゴムやミラブル型シリコーンゴムが挙げられるが、液状シリコーンゴムが好ましい。このようなシリコーンゴムは市販されているものを用いることができ、勿論、２種類以上を併用してもよい。

シリコーンゴム原料に混合されるガラスバルーンは、ガラスを主成分とする微小中空球のことである。本実施形態に係るガラスバルーンは、加圧によりガラスバルーンの外殻が破壊され、弾性層１１中で空隙を形成する。このようなガラスバルーンの耐圧強度は、２０．０ＭＰａ以下が好ましく、１０．０ＭＰａ以下がさらに好ましい。加圧力は、ガラスバルーンを破壊できる強さであれば特に制限はなく、ガラスバルーンの種類等により適宜選択することができる。なお、加圧力は、通常、１．０ＭＰａ〜４０．０ＭＰａが好ましく、５．０ＭＰａ〜２５．０ＭＰａがより好ましい。加圧方法としては、水、油等の液体による加圧や、空気、ヘリウム、窒素、二酸化炭素、水素及び酸素等の気体による加圧が挙げられる。加圧方法は、液圧が好ましく、これらの中でも水圧がより好ましい。本実施形態では、水圧によりガラスバルーンを破壊する。

ガラスバルーンの平均粒径は、約５μｍ〜１３５μｍの範囲にある。ガラスバルーンの破壊により形成された空隙の内径は、破壊前の平均粒径と同程度である。例えば、平均粒径５μｍ〜７０μｍのガラスバルーンを用いた場合、ガラスバルーンの破壊により形成された空隙の内径は、約５μｍ〜７０μｍの範囲となる。

ここで、本実施形態のガラスバルーンの平均粒径とは、レーザー回折散乱式粒度分布計により測定されたメジアン径（Ｄ５０）の値のことである。上述したガラスバルーンは、市販されているものを用いることができ、１種単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

ガラスバルーンの配合量は、粒径等に応じて適宜選択することができる。ガラスバルーンの配合量は、通常、シリコーンゴム１００体積部に対して、１０体積部〜５０体積部が好ましい。これは、弾性層１１中でガラスバルーンが均一に安定して分散できる量である。

離型剤は、シリコーンゴム原料とガラスバルーンとの密着力を弱めるものであれば特に制限はなく、例えば、フッ素樹脂、シリコーン樹脂及びオイル等が挙げられる。フッ素樹脂としては、後述する離型層１２で用いられるものと同様なものを用いることができる。シリコーン樹脂としては、例えば、縮合反応型、付加反応型、紫外線若しくは電子線硬化型のものが挙げられる。オイルとしては、シリコーンオイル、フッ素オイル及び各種変性オイルが挙げられる。これらの中でも、シリコーンゴム原料とガラスバルーンとの離型性に鑑みると、フッ素樹脂及びオイルの少なくとも一方が好ましい。

弾性層１１の厚さは、例えば、０．５ｍｍ〜２０ｍｍであり、好ましくは、２ｍｍ〜６ｍｍである。これは、トナーの定着性を向上させ、画像の高画質化を図るためである。

離型層１２は、高い離型性の合成樹脂材料からなるのが好ましく、フッ素樹脂等を挙げることができる。フッ素樹脂としては、パーフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）等を挙げることができ、特にパーフルオロアルコキシフッ素樹脂（ＰＦＡ）が好ましい。離型層１２の厚さは、加圧ロールに高い離型性を付与できる厚さであれば、特に制限はないが、例えば、１μｍ〜１００μｍであり、好ましくは、３０μｍ〜７０μｍである。なお、離型層１２は設けなくてもよい。離型層１２を設けない場合は、例えば、後述する実施形態３に示すような定着ベルト２０の定着ロール３０Ａとして用いることが好ましい（図５参照）。

次に、本実施形態の加圧ロールを製造する方法について説明する。

本実施形態では、シリコーンゴム原料として液状シリコーンゴムを用いて加圧ロール１を製造する場合について例示する。まず、液状シリコーンゴムに、ガラスバルーンと、シリコーンゴム原料とガラスバルーンとの密着力を弱める離型剤とを混合して、シリコーンゴム組成物を調製する。

次に、金型に芯体１０を配置し、芯体１０の周りにシリコーンゴム組成物を充填し、シリコーンゴム組成物を加熱し（一次硬化）、冷却して金型から脱型する。具体的には、液状シリコーンゴムの硬化温度以上で、ガラスバルーン殻、即ち、熱可塑性高分子の軟化温度以下で加熱し、ガラスバルーンを破壊させずに、シリコーンゴム組成物を硬化させてシリコーンゴムとする。

次いで、シリコーンゴムを圧力容器に入れて水圧をかけ、ガラスバルーンの多くを割れた状態に破壊させる。

ここで、水圧によるガラスバルーンの破壊工程について説明する。図２に、ガラスバルーンが破壊される工程を説明するための概念図を示す。まず、シリコーンゴム組成物を一次硬化した後のシリコーンゴム１０１を圧力容器１０２に入れ、圧力容器１０２を水で満たす（図２（ａ））。次に、圧力容器１０２内を水圧で加圧する。この水圧処理により、シリコーンゴム１０１は圧縮され、ガラスバルーン１０３の多くが割れて空隙１０５となる（図２（ｂ））。次に、圧力容器１０２を大気圧に戻し、水を抜く（図２（ｃ））。次いで、圧力容器１０２内からシリコーンゴム１０１を取り出し、恒温槽１０４にて加熱することで、圧縮されたシリコーンゴム１０１を元の状態に戻す（図２（ｄ））。シリコーンゴム１０１が元の状態に戻される際、ガラスバルーン１０３が割れてできた空隙１０５は、水圧がかけられる前の体積になるまで膨張する。これにより、水圧がかけられる前にガラスバルーン１０３が存在していた部分は空隙１０５となる。（図２（ｅ））。その後、シリコーンゴム１０１をさらに加熱して、弾性層１１を作製する（二次硬化）。

次に、弾性層１１の周囲に離型層１２を形成する。離型層１２は、ＰＦＡチューブを用いる他、例えばコーティング液の塗布により形成してもよい。なお、一次硬化後のシリコーンゴム１０１上に離型層１２を形成した後に、水圧処理及び二次硬化を行ってもよい。

水圧処理は、一次硬化後のシリコーンゴム１０１に行うのが好ましいが、シリコーンゴム組成物の硬化（一次硬化）と同時に行っても良く、二次硬化の後に行っても良い。また、水圧時の加圧条件及び加圧回数を適宜調整することにより、ガラスバルーンの破壊のタイミングや破壊の状態を制御することが可能である。このように加圧方法及び加圧回数は制限されない。

次に、定着装置について説明する。図３に、本実施形態に係る定着装置の断面図を示す。図３に示すように、定着装置２は、加圧ロール１と、加圧ロール１に対向して配置される定着ベルト２０と、加圧ロール１に対向する位置で定着ベルト２０を内側から加圧ロール１に対して押圧して所定のニップ部を形成する押圧部材２１と、定着ベルト２０を所定温度まで加熱する加熱手段２２とを具備するものである。

定着ベルト２０は、対向する加圧ロール１との圧接により所定のニップ部を形成できるものであればよく、例えば、シームレス電鋳ベルトを少なくとも一層有する金属基体と、金属基体の外周面に形成された弾性層と、弾性層の外周面に形成された離型層とを具備する。

押圧部材２１は、ゴム等の弾性体、樹脂及び金属等から構成される。表面には、必要に応じてフッ素樹脂等からなる層が形成されたり、摺動シートや溝等が設けられていてもよい。なお、摺動シートの表面に凹凸加工が施されていてもよい。

加熱手段２２は、定着ベルト２０を加熱できるものであればよく、定着ベルト２０の外側に設けられていてもよい。加熱手段２２としては、ハロゲンヒーター、電熱線ヒーター、赤外線ヒーター、励磁コイル（熱源）による電磁誘導発熱等を挙げることができる。

本実施形態に係る定着装置２は、上述したように低硬度及び低熱容量が同時に達成された加圧ロール１を具備するものである。これにより、定着性に優れた信頼性の高い定着装置を実現することができる。

（実施形態２）
実施形態２では、定着加圧ロールの一例として、定着ロール及び加圧ロールを例示する。なお、実施形態１と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図４に、実施形態２に係る定着ロール及び加圧ロールを具備する定着装置の断面図を示す。図４に示すように、定着装置２Ａは、加圧ロール１と、加圧ロール１に対向して配置される定着ベルト２０と、押圧部材の代わりに、定着ベルト２０を内側から加圧ロール１に対して押圧する定着ロール３０とを具備する。定着ロール３０には、図示されない加熱手段が外側に配置されている。本実施形態の定着加圧ロールは、図４に示す定着ロール３０としても、加圧ロール１としても使用することができる。

（実施形態３）
実施形態３では、定着加圧ロールの一例として、定着ロール及び加圧ロールを例示する。なお、実施形態１と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図５に、実施形態３に係る定着ロール及び加圧ロールを具備する定着装置の断面図を示す。図５に示すように、定着装置２Ｂは、加圧ロール１と、加圧ロール１に対向して配置される定着ベルト２０と、定着ベルト２０を内側から加圧ロール１に対して押圧する定着ロール３０Ａと、加熱手段２２を内蔵する加熱ロール２３とを具備する。定着ベルト２０の内側には、定着ロール３０Ａと加熱ロール２３とが配置され、これらの定着ロール３０Ａと加熱ロール２３とで定着ベルト２０を回転駆動するものである。本実施形態の定着加圧ロールは、図５に示す定着ロール３０Ａとしても、加圧ロール１としても使用することができる。

（実施形態４）
実施形態４では、定着加圧ロールの一例として、定着ロール及び加圧ロールを例示する。実施形態１と同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図６に、実施形態４に係る定着ロール及び加圧ロールを具備する定着装置の断面図を示す。図６に示すように、定着装置２Ｃは、加圧ロール１と、加圧ロール１に対向して配置される定着ロール３０Ｂとを具備する。定着ロール３０Ｂには、図示されない加熱手段が内蔵されている。本実施形態の定着加圧ロールは、図６に示す定着ロール３０Ｂとしても、加圧ロール１としても使用することができる。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明を限定するものではない。

（実施例１）
以下の手順で、加圧ロール１を製造した。液状シリコーンゴム（東レダウコーニング製：ＤＹ３５−７９６）１００質量部に、ガラスバルーン（住友スリーエム製：Ｋ２５）２７．５質量部と、離型剤（ＡＧＣセイミケミカル製：モールドスパットＭＲＷ−６８３３）２７．５質量部とを混合し、シリコーンゴム組成物を調製した。なお、ガラスバルーンと離型剤は予め混合して９０℃×６０分間乾燥したものを液状シリコーンゴムに添加した。

次に、液状シリコーンゴム用プライマー（モメンティブ製：ＸＰ８１−４０５）を塗布乾燥した直径１８ｍｍの鉄製芯体を下フランジに立て、金型と上フランジを載せ固定した。その後、下フランジ側から注型機にて調製したシリコーンゴム組成物を金型に注ぎ込み、９０℃の恒温槽に９０分間入れて加熱し、液状シリコーンゴムを硬化させてシリコーンゴムとした（一次硬化）。その後、冷却して脱型した加圧ロールの半製品を圧力容器に入れ、圧力容器を水で満たし、２０ＭＰａの水圧で１０分間圧縮した後、水を除いて大気圧に戻した。次いで、シリコーンゴムをさらに２１０℃の恒温槽で８時間加熱した（二次硬化）。

その後、シリコーンゴムの表面に接着剤を塗布しＰＦＡチューブを被せた。これにより、芯体１０と、シリコーンゴムからなる弾性層１１と、ＰＦＡチューブからなる離型層１２とを備えた外径φ３０ｍｍの加圧ロール１を得た。

また、加圧ロール１の作製と共に、以下の手順でシリコーンゴムからなるテストピースを作製した。実施例１と同様の手順で調製したシリコーンゴム組成物を、１２ｍｍ厚のテストピース型に流し込み、９０℃の恒温槽に９０分間入れて加熱し、液状シリコーンゴムを硬化させてシリコーンゴムとした（一次硬化）。その後、脱型したテストピースを圧力容器に入れ、圧力容器を水で満たし、２０ＭＰａの水圧で１０分間圧縮した後、水を除いて大気圧に戻した。次いで、２１０℃の恒温槽で８時間加熱した（二次硬化）。

（比較例１）
比較例１では、水圧処理を行わない以外は実施例１と同様の工程でシリコーンゴムからなるテストピースを作製した。

（比較例２）
比較例２では、離型剤を混合しない以外は実施例１と同様の工程でシリコーンゴムからなるテストピースを作製した。

（比較例３）
比較例３では、水圧処理を行わず、離型剤を混合しない以外は実施例１と同様の工程でシリコーンゴムからなるテストピースを作製した。

（試験例１）
実施例１、比較例１〜３に基づき作製したテストピース（以下、「弾性体」という。）のアスカーＣ硬度を測定した。

アスカーＣ硬度の測定はアスカーＣ硬度計（高分子計器社製）を用いて行った。表１に、実施例１、比較例１〜３のシリコーンゴム組成物の構成、アスカーＣ硬度の測定結果を示す。

実施例１と比較例１の比較から、水圧処理を行った実施例１の弾性体は、水圧処理を行わなかった比較例１よりも硬度が半分に低減した。また、実施例１と比較例２の比較から、離型剤を含有する実施例１の弾性体は、離型剤を含有しない比較例２よりも硬度が低くなった。また、実施例１と比較例３の比較から、離型剤を含有し、且つ水圧処理を行った実施例１の弾性体は、離型剤を含有せず、且つ水圧処理を行わなかった比較例３よりも硬度が半分に低減した。

以上の結果から、離型剤を含有する弾性体に水圧処理を行うことで、弾性体は低硬度となることがわかった。これは、離型剤を含有することでガラスバルーンがシリコーンゴムから剥離されやすくなり、水圧処理を行うことによりガラスバルーンが割れることによる破壊が促進されたためである。さらに弾性体はガラスを含有するため熱容量を小さくすることができる。よって、本発明によれば、低硬度及び低熱容量を同時に達成できる弾性体を得ることができる。このような弾性体を具備する加圧ロール及び定着装置は、定着性に優れ信頼性の高いものとなる。

１ 加圧ロール
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 定着装置
１０ 芯体
１１ 弾性層
１２ 離型層
２０ 定着ベルト
２１ 押圧部材
２２ 加熱手段
２３ 加熱ロール
３０，３０Ａ，３０Ｂ 定着ロール
１０１ シリコーンゴム
１０２ 圧力容器
１０３ ガラスバルーン
１０４ 恒温槽
１０５ 空隙

Claims (5)

1. 定着装置の定着部に用いられる定着加圧ロールであって、
   芯体と、該芯体の周囲に設けられた弾性層とを具備し、
   前記弾性層は、シリコーンゴム原料と、ガラスバルーンと、前記シリコーンゴム原料と前記ガラスバルーンとの密着力を弱める離型剤とを混合した後、前記シリコーンゴム原料を硬化することにより得られたシリコーンゴムで構成され、
   前記シリコーンゴムは、加圧による前記ガラスバルーンの破壊で形成された空隙を含むことを特徴とする定着加圧ロール。
2. 請求項１に記載する定着加圧ロールにおいて、
   前記加圧は、水圧であることを特徴とする定着加圧ロール。
3. 請求項１又は２に記載する定着加圧ロールにおいて、
   前記離型剤は、フッ素樹脂及びオイルの少なくとも一方であることを特徴とする定着加圧ロール。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載する定着加圧ロールにおいて、
   前記弾性層の周囲に設けられた離型層を具備することを特徴とする定着加圧ロール。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載する定着加圧ロールを具備することを特徴とする定着装置。