JP2017207642A

JP2017207642A - 加圧ローラ

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Publication number: JP2017207642A
Application number: JP2016100199A
Authority: JP
Inventors: 康嘉大庭; Yasuyoshi Oba; 研田川; Ken Tagawa; 保貴大畑; Yasutaka Ohata
Original assignee: Nissei Electric Co Ltd
Current assignee: Nissei Electric Co Ltd
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2036-05-19
Also published as: JP6371330B2

Abstract

【課題】定着動作時に加熱されても、熱膨張による外径増大が抑制され、結果として安定した定着画像が得られる加圧ローラを提供することにある。【解決手段】芯金１上に形成されたスポンジ状弾性層２の外周に、スポンジ状弾性層２よりも小さい線膨張係数を有する熱膨張抑制層３を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真複写機、ファクシミリ、あるいはプリンタ等の画像形成装置において、転写紙などの転写材上に転写されたトナー画像を加熱により定着する定着部に用いられる加圧ローラに関する。

トナー像を定着する定着装置として、ヒータを内蔵した加熱ローラ（ヒートローラ）と定着ローラ、これらのローラに張架されるエンドレスの定着ベルト、及び加圧ローラからなるベルト定着方式の装置が、ウォーミングアップ時間の短縮、並びに省エネの観点から、盛んに使用されるようになって来ている。
さらに、動作速度の高速化や画質向上への要求も以前にもまして、強くなってきている。
これらの要求に対応する為には、定着動作時において、定着ベルトと加圧ローラとにより形成されるニップ部の幅の変化を少なくすることが必要となる。

このような定着装置に使用される加圧ローラは、定着動作のために加熱されることによって、熱膨張が発生し、外径が増大する。定着装置の立ち上がり時と、立ち上がってから時間が経過した時では、加圧ローラの加熱状態が異なり、熱膨張による外径の増加の度合いも異なる。すなわち、定着動作中に加圧ローラの外径が徐々に増加することになり、これに伴って加圧ローラの周速も変化する。この周速の変化によって印刷物の画質にムラが発生することがある。

このような定着装置に使用するローラの外径膨張による影響を少なくする方法として、特許文献１が知られている。
特許文献１に記載の発明は芯金の周面にスポンジ層と表面被覆層を形成したローラのスポンジ層に、芯金の長手方向に平行かつ芯金の周方向に多数の貫通孔、あるいは螺旋状の貫通穴を設けることで、スポンジ層の気泡内部の加熱された気体が貫通孔から逃げることができ、スポンジ層の熱膨張の原因であるスポンジ層の気泡内部の気体の熱膨張を抑制し、ローラの外径変化を小さくしている。

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、ローラの外径を均一に熱膨張させることで問題を解決するという発想に基だったもので、特許文献１の実施例１、２を見る限り、０．６〜０．８ｍｍ程度の熱膨張は発生している。たとえ熱膨張が均一であったとしても、ローラの外径変化は定着画像の乱れなどの原因となるため、可能な限り熱膨張自体を抑制するのが好ましい。

ローラの外径変化に対する対策を取った発明として、芯金中央部に蓄熱壁を形成し、蓄熱壁を境として放熱用中空路が左右非対称に設けた特許文献２も存在するが、構造が複雑であり、製造には手間が掛かる。

特開平２−２８２２８３号公報特開２００５―２４２１００号公報

従って、本発明の課題は、製造が容易であり、定着動作のために加熱されても、外径変化が抑制され、安定した定着画像を実現可能とする加圧ローラを提供することにある。

本発明者らは、加圧ローラの熱膨張の最大の原因となっているスポンジ状弾性層の熱膨張を抑制する方法を鋭意検討した結果、スポンジ状弾性層の上に熱膨張抑制層を設けることで、上記の課題を解決するに至った。

本発明は、芯金上にスポンジ状弾性層と離型層が形成された、定着装置に使用される加圧ローラであって、スポンジ状弾性層と該離型層の間に、スポンジ状弾性層の熱膨張を抑制する熱膨張抑制層が設けられていることを特徴とする。

本発明の加圧ローラに使用する熱膨張抑制層は、スポンジ状弾性層よりも小さい線膨張係数を有する熱可塑性樹脂材料で形成されている。

本発明の加圧ローラに使用する熱膨張抑制層の材料は、定着動作のために加熱された状態において、熱膨張抑制層の少なくとも一部分がガラス転移温度を超えるように選択されていることが好ましい。

上記の構成を採る本発明によれば、以下のような顕著な作用・効果が奏される。

（ａ）熱膨張抑制層を設けることで、加熱時におけるスポンジ状弾性層の熱膨張が抑制され、加圧ローラの外径増大を抑制することができる。

（ｂ）熱膨張抑制層をスポンジ状弾性層よりも線膨張係数が低い熱可塑性樹脂材料で形成することで、より高いスポンジ状弾性層の熱膨張抑制効果が得られる。

（ｃ）熱膨張抑制層を、定着動作のために加熱された状態において、熱膨張抑制層の少なくとも一部分がガラス転移温度を超えるように選択された材料で形成することで、定着動作時には熱膨張抑制層の弾性率の増大や剛性の低下が起こり、スポンジ状弾性層に膨張力が蓄積した際には、熱膨張抑制層が変形することで、膨張力を緩和できる。

（ｄ）以上の効果から、スポンジ状弾性層がクラウン形状、あるいは逆クラウン形状である場合でも、クラウン形状、逆クラウン形状によって得られる効果を維持しつつ、加圧ローラの外径増大を抑制することができる。

本発明の加圧ローラの一例を示す縦断面図である。本発明の加圧ローラの一例を示す横断面図である。スポンジ状弾性層をクラウン形状とした、本発明である。スポンジ状弾性層を逆クラウン形状とした、本発明である

以下、本発明について図１、２を参照しながら説明する。
図１及び図２では、本発明の加圧ローラ５の一例を示し、１は芯金、２は芯金１の外周に被覆されたスポンジ状弾性層、３はスポンジ状弾性層２の外周に被覆された熱膨張抑制層、４は熱膨張抑制層３の外周に被覆された離型層である。

本発明の最大の特徴は、スポンジ状弾性層２の外周に、スポンジ状弾性層２の熱膨張を抑制する熱膨張抑制層３を設けることである。熱膨張抑制層３を設けることで、加熱時におけるスポンジ状弾性層２の熱膨張が抑制され、加圧ローラ５の外径増大を抑制することができる。

また、本発明においては、熱膨張抑制層３をスポンジ状弾性層２よりも線膨張係数が低い熱可塑性樹脂材料で形成する。
熱膨張抑制層３の線膨張係数がスポンジ状弾性層２よりも低い、すなわち、スポンジ状弾性層２が熱膨張しにくい材料で覆われることで、スポンジ状弾性層２の熱膨張はさらに抑制され、加圧ローラ５の抑制効果が向上する。

さらに、本発明においては、熱膨張抑制層３が、定着動作のために加熱された状態において、熱膨張抑制層３の少なくとも一部分がガラス転移温度を超えるように選択された材料で形成されていることが好ましい。
この特徴は、熱膨張抑制層３を構成する材料として、加圧ローラ５を使用する定着装置の定着温度よりも低いガラス転移温度を有する材料を使用することと、言い換えることができる。

本発明は、熱膨張しやすい材料で構成されたスポンジ状弾性層２を、熱膨張しにくい材料で構成された熱膨張抑制層３で覆うことで、スポンジ状弾性層２の膨張を押さえ込むことで加圧ローラ５の外径増大を抑制しているが、スポンジ状弾性層２自体には膨張しようとする力が蓄積されるため、この力の蓄積が進むと、熱膨張抑制層３が耐え切れなくなり、スポンジ状弾性層２、熱膨張抑制層３の破壊や異常変形などが発生し、加圧ローラ５の機能が損なわれる恐れがある。

そこで、熱膨張抑制層３を、定着動作のために加熱された状態において、熱膨張抑制層３の少なくとも一部分がガラス転移温度を超えるように選択された材料で形成することで、定着動作時に熱膨張抑制層３はゴム状態の特性、すなわち弾性率の増大や剛性の低下が発現し、熱膨張抑制層３自体がスポンジ状弾性層２の形状変化に追従して変形する余地が生まれる。
このため、熱膨張抑制層３は通常はスポンジ状弾性層２の膨張を押さえ込む一方で、スポンジ状弾性層２に膨張力が蓄積した際には、破壊や異常変形が発生する前に、スポンジ状弾性層２が熱膨張抑制層３ごと膨張することによって、膨張力を緩和できるため、加圧ローラ５の機能を維持することができる。

スポンジ状弾性層２が熱膨張抑制層３ごと膨張しても、熱膨張抑制層３が無い時と比較して熱膨張による加圧ローラ５の外径変化は小さくなるため、熱膨張抑制層３を設けることによる効果は得られる。

熱膨張抑制層３を、定着動作のために加熱された状態において、熱膨張抑制層３の少なくとも一部分がガラス転移温度を超えるように選択された材料で形成し、熱膨張抑制層３自体がスポンジ状弾性層２の形状変化に追従して変形する余地を持たせることは、スポンジ状弾性層２をいわゆるクラウン形状、逆クラウン形状とする際に好ましい態様である。

クラウン形状、逆クラウン形状は、定着装置などに使用されるローラにおいて、ニップ圧の適正化、紙しわ防止などを目的として、ローラの長さ方向中心部の外径を変化させたもので、図３に示したローラの長さ方向中心部の外径を太くしたものがクラウン形状、図４に示した外径を細くしたものが逆クラウン形状として知られている。

本発明のようなスポンジ状弾性層２を有するローラにおいては、スポンジ状弾性層２の形状を研磨などによって成形することによって、クラウン形状、逆クラウン形状を得ており、スポンジ状弾性層２の肉厚がローラの長さ方向の各部において一定となっていないことが多い。このため、スポンジ状弾性層２の熱膨張もローラの長さ方向で不均一となる。

熱膨張抑制層３を、定着動作のために加熱された状態において、熱膨張抑制層３の少なくとも一部分がガラス転移温度を超えるように選択された材料で形成し、熱膨張抑制層３自体がスポンジ状弾性層２の形状変化に追従して変形する余地を持たせることで、スポンジ状弾性層２の熱膨張がローラの長さ方向で不均一となるクラウン形状、逆クラウン形状の加圧ローラ５でも、加圧ローラ５の外径増大を抑制しつつ、局所的なスポンジ状弾性層２の膨張力を緩和することができる。

すなわち、クラウン形状、逆クラウン形状の加圧ローラ５においては、熱膨張抑制層３を、定着動作のために加熱された状態において、熱膨張抑制層３の少なくとも一部分がガラス転移温度を超えるように選択された材料で形成することで、熱膨張抑制層３のクラウン形状、逆クラウン形状への追従性が高まり、クラウン形状、逆クラウン形状によって得られる紙しわ防止といった効果を得つつ、加圧ローラ５の外径増大を抑制することができる。

本発明をスポンジ状弾性層２がクラウン形状となっている加圧ローラ５に適用する際は、スポンジ状弾性層２の表面の盛り上がり高さが０．５ｍｍ未満であることが好ましい。
スポンジ状弾性層２の表面の盛り上がり高さが０．５ｍｍ未満であることで、熱膨張抑制層３のクラウン形状に対する追従性が高まる。

同様に、本発明をスポンジ状弾性層２が逆クラウン形状となっている加圧ローラ５に適用する際は、逆クラウン形状によるスポンジ状弾性層２の表面の凹みが、０．５ｍｍ未満であることが好ましい。

スポンジ状弾性層２の材料としては、本発明のような加圧ローラ５に広く使用されているシリコーンゴムを適宜選択して使用すれば良い。
固形状、液状ゴムのいずれでも良く、芯金１への被覆方法も押出成型法、注型法等各種被覆方法が使用できる。

スポンジ状弾性層２をスポンジ状に形成する方法は、ミラブル型シリコーンゴムに加熱発泡剤を混合し、ゴムを架橋させる段階で発泡剤を分解ガス化させ、気泡を発生させてスポンジ化する方法、中空フィラーを使用する方法、水を含有する吸水性ポリマーを液状シリコーンゴムに混合し、水を蒸発させて空洞を形成する方法など、従来知られているシリコーンゴムのスポンジ化方法を適宜選択して使用すれば良い。

スポンジ状弾性層２の硬度は所望するニップ状態にも拠るが、ＪＩＳＡ０度〜８０度の範囲にあることが好ましく、スポンジ状弾性層２の厚さは、断熱性、熱容量（蓄熱性）、硬度を考慮して決定されることになるが、通常０．３ｍｍ〜３０ｍｍの範囲にあることが望ましく、５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。

熱膨張抑制層３の材料としては、線膨張係数がスポンジ状弾性層２よりも小さい、熱可塑性樹脂材料を適宜選択して使用すれば良い。
スポンジ状弾性層２にシリコーンゴムを使用する際は、シリコーンゴムの線膨張係数は２５０〜４００×１０^−６／℃であるため、線膨張係数が概ね１オーダー小さく、かつ強度、耐熱性などにも優れた各種のエンジニアリングプラスチックが熱膨張抑制層３の材料として好適に使用できる。

加えて、熱膨張抑制層３の材料は、定着動作のために加熱された状態において、熱膨張抑制層３の少なくとも一部分がガラス転移温度を超えるように選択されているのが好ましい。
一般的な定着装置においては、定着温度は２００℃前後であるため、定着動作のために加熱された状態において熱膨張抑制層３の少なくとも一部分がガラス転移温度を超えるようにするには、ガラス転移温度が２００℃より小さい材料を使用するのが好ましい。

以上述べたような線膨張係数、ガラス転移温度を満たす熱可塑性樹脂材料としては、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ポリアミド、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミド、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）などが挙げられる。このような材料をチューブ状に成形したものを、スポンジ状弾性層２上に被覆して熱膨張抑制層３として利用する。

熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂や金属材料と異なり、押出し成型によって容易にチューブ状に成形できるため、チューブ状の押出し成型品を所定の長さに切断することで、熱膨張抑制層３を安価かつ効率よく得られる点で好ましい材料である。
加えて、熱可塑性樹脂のチューブ状押出し成型品は肉厚、内外径の変動を少なくすることができるため、寸法が安定した熱膨張抑制層３を得ることができ、結果としてスポンジ状弾性層２の熱膨張を均一に抑制することができる点でも好ましい。

なお、上述した材料は定着温度が２００℃前後の一般的な定着装置に加圧ローラ５を使用する際に好ましい材料であり、定着温度の変化によって好ましい材料が変わるのは言うまでもない。
近年は消費電力の削減を目的として、定着温度の低温化が進められているが、定着温度が低い場合は上述した材料に限定されず、適宜適切なガラス転移温度を有する材料を選択すれば良い。

熱膨張抑制層３の厚さは、所望する外径増大抑制機能、加圧ローラ５の寸法に応じて適宜設定すればよい。一般的な定着装置に使用される、外径がφ２０〜８０ｍｍ程度の加圧ローラ５においては、１０〜２００μｍ程度の厚さが好ましい。

本発明に使用する芯金１の材料としては、アルミニウムなど、本発明のような加圧ローラ５に広く使用されている芯金材料を適宜選択して使用すれば良い。

本発明では必要に応じ、熱膨張抑制層３の外周に離型層４を設けても良い。離型層４の材料としては、フッ素樹脂、シリコーン樹脂など、離型層の材料として知られているものを適宜選択して使用すれば良い。
離型層４の形成方法も、チューブ状に成形したものを熱膨張抑制層３上に被覆する、あるいは液状にしたものを熱膨張抑制層３上にコーティングするなど、離型層の形成方法として知られているものを適宜選択して使用すれば良い。
なお、図１、２、３、４は離型層４を設けた場合の図である。

本発明においては、芯金１を含めた各層間の固定強度を上げるために、プライマー、ＲＴＶゴム接着剤等を適宜併用しても良い。

加圧ローラ５をクラウン形状、あるいは逆クラウン形状とする場合は、スポンジ状弾性層２を形成した後、スポンジ状弾性層２を研磨して所望の形状に加工すれば良い。

以下、本発明の加圧ローラの実施例について説明する。

［実施例］
芯金１として、長さ２３０ｍｍ、外径φ１３ｍｍのアルミニウム棒を使用した。

未加硫のシリコーンゴムに、加硫剤、発泡剤、及び顔料を添加したシリコーンゴム材料を押出し成形機にて、チューブ状に押出し成形した。その後、所定の条件にて加熱・加硫して、長さ２００ｍｍにカットして、スポンジ状弾性層２とした。

芯金１上に接着剤を塗布した後、作成したスポンジ状弾性層２を被覆し、所定の条件にて接着剤を加熱硬化させ、スポンジ状弾性層２の固定を完了した。
スポンジ状弾性層２の固定完了後、その表面を研磨して、スポンジ状弾性層２の外径をφ２５．１ｍｍに仕上げた。スポンジ状弾性層２の肉厚は約６ｍｍで、形状は円筒形状である。

外径φ２５．１ｍｍとしたスポンジ状弾性層２上に接着剤を塗布した後、熱膨張抑制層３として、ＰＥＥＫ材料（ビクトレックスジャパン株式会社製、商品名「３８１Ｇ」）を押出し成型機にて肉厚１００μｍのチューブ状に押出し成形したものを被覆し、所定の条件にて接着剤を加熱硬化させ、熱膨張抑制層３の固定を完了した。

ＰＥＥＫの線膨張係数はガラス転移温度以下で５０×１０^−６／℃前後、ガラス転移温度以上で１００×１０^−６／℃前後、ガラス転移温度は１４３℃である。

熱膨張抑制層３上にプライマーを塗布し、離型層４として肉厚３０μｍの熱収縮性ＰＦＡチューブを被覆し、所定の条件にて加熱・収縮を行って離型層４の固定を完了し、本発明の加圧ローラが完成した。完成した加圧ローラの外径は概ねφ２５．３〜２５．４ｍｍとなった。

［比較例］
比較例として、熱膨張抑制層３を省略するとともに、完成時の外径が概ねφ２４．８〜φ２４．９ｍｍとなっている以外は、実施例と同様に作成した加圧ローラを準備した。
実施例と比較して、スポンジ状弾性層２の肉厚は僅かながら薄くなるため、スポンジ状弾性層２の熱膨張による外径の増加量は、通常ならば実施例よりも少なくなる設計である。

熱膨張抑制層３による加圧ローラの熱膨張抑制効果を確認するため、次の実験を行った。
作成した実施例及び比較例の加圧ローラの外径を常温状態（２３℃）で測定した後、所定の温度に設定したオーブンで１時間加熱する。加熱後、オーブンから取り出して３０秒後にレーザー外径測定器で測定し、加熱前からの外径変化量を計算した。結果を表１〜４に示す。

表１は加熱温度を８０℃とした場合の結果である。比較例では加熱によって平均０．２０ｍｍの外径増加が確認されたのに対し、実施例では平均０．０５ｍｍの外径増加に留まり、熱膨張抑制層３による熱膨張抑制効果が確認できた。
スポンジ状弾性層２の肉厚は、僅かではあるが実施例の方が厚いため、通常ならば実施例の外径増加量が比較例よりも大きくなる傾向になるところ、熱膨張抑制層３の存在によって実施例の外径増加量が比較例よりも小さくなったと言える。

表２は加熱温度を１２０℃とした場合の結果である。比較例では加熱によって平均０．３５ｍｍの外径増加が確認されたのに対し、実施例では平均０．０８ｍｍの外径増加に留まり、熱膨張抑制層３による熱膨張抑制効果が、温度上昇時に顕著に現れることが確認できた。

表３は加熱温度を１６０℃とした場合の結果であり、熱膨張抑制層３として使用したＰＥＥＫのガラス転移温度を越えた状態での結果である。比較例では加熱によって平均０．４９ｍｍの外径増加が確認されたのに対し、実施例では平均０．１２ｍｍの外径増加に留まっている。熱膨張抑制層３の外観に目立った変化は無く、熱膨張抑制効果が維持されていることが確認できた。

表４は加熱温度を２００℃とした場合の結果である。比較例では加熱によって平均０．７１ｍｍの外径増加が確認されたのに対し、実施例では平均０．２０ｍｍの外径増加に留まっている。スポンジ状弾性層２の膨張力によって、熱膨張抑制層３に相当の負荷が掛かっている状態であるが、熱膨張抑制層３の外観に目立った変化はなく、ガラス転移温度を越えてゴム状態となった熱膨張抑制層３がスポンジ状弾性層２の形状変化に追従しつつ、スポンジ状弾性層２の膨張を抑制していることが確認できた。

以上の結果から、加熱前外径をＤ［ｍｍ］、加熱後外径をＤ’［ｍｍ］、定着動作のために加圧ローラが加熱された状態の温度と常温（２３℃）の温度差をΔＴ［℃］とした際に、本発明の加圧ローラの加熱前外径Ｄに対する加熱後外径Ｄ’の比Ｄ’／Ｄは、１．２５×１０^−４ΔＴ＋０．９９８以下の値となり、印刷物の画質ムラ等の不具合が出ない範囲の外径変化に留まっている。

本発明の加圧ローラは、定着装置の加圧ローラとしてだけでなく、定着ローラ、プリンタのローラなど、各種印刷機器のローラとして好適に適用できる。

１芯金
２スポンジ状弾性層
３熱膨張抑制層
４離形層
５加圧ローラ
６クラウン形状部
７逆クラウン形状部

Claims

芯金の外周にスポンジ状弾性層が形成された、定着装置に使用される加圧ローラであって、該スポンジ状弾性層の外周に、該スポンジ状弾性層の熱膨張を抑制する熱膨張抑制層が設けられており、該熱膨張抑制層は該スポンジ状弾性層よりも小さい線膨張係数を有する熱可塑性樹脂材料で形成されていることを特徴とする加圧ローラ。
該熱膨張抑制層の外周に、離型層が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の加圧ローラ。
定着動作のために加熱された状態において、該熱膨張抑制層の少なくとも一部分がガラス転移温度を超えるように、該熱膨張抑制層を形成する材料が選択されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の加圧ローラ。
該熱膨張抑制層は、ＰＥＥＫ、ポリアミド、ＰＰＳ、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミド、ＰＴＦＥ、ＰＥＴのいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の加圧ローラ。
該熱膨張抑制層の厚さは１０〜２００μｍであることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の加圧ローラ。
該スポンジ状弾性層は、シリコーンゴムであることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の加圧ローラ。
該スポンジ状弾性層は、クラウン形状、もしくは逆クラウン形状であることを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の加圧ローラ。
該クラウン形状による該スポンジ状弾性層の表面の盛り上がり高さが、０．５ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項７に記載の加圧ローラ。
該逆クラウン形状による該スポンジ状弾性層の表面の凹みが、０．５ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項７に記載の加圧ローラ。