JP2018063397A - 摺動部材、定着装置、画像形成装置、および、摺動部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間使用においても、駆動モーターの駆動トルクの上昇を抑制し、摺動部材の寿命の向上を図ることが可能な摺動部材、定着装置、画像形成装置、および、摺動部材の製造方法を提供する。【解決手段】この摺動部材１２０は、金属プレート１２１を含み、金属プレート１２１の表面には多数の凸部１２２を有し、凸部１２２は、定着ベルトが金属プレート１２１に向けて押圧部材により押圧された際に、定着ベルトの内面が、隣接する凸部１２２の間に露出する金属プレート１２１の表面に接触しない間隔で配置され、定着ベルトの内面と、金属プレート１２１の表面に設けられた凸部１２２との直接接触面積比Ａｓが、０．５以下である。【選択図】図３

Description

この発明は、摺動部材、定着装置、画像形成装置、および、摺動部材の製造方法に関する。

画像形成装置においては、媒体（用紙等）に転写されたトナー画像は、画像定着装置を用いて加熱加圧されて媒体に定着される。この画像定着装置においては、加熱された定着ベルトと加圧ローラーとの間（ニップ部）をトナー画像が転写された媒体を搬送通過させることで、トナー画像の媒体への定着を行なう。加圧ローラーに対向する定着ベルトの内側には、定着ベルトを加圧ローラー側に押し付けるための摺動部材が設けられている。

この摺動部材は、一般的には、ＧＣ（ガラスクロス）基材にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン：polytetrafluoroethylene）層が形成させた構成を有している。ＰＴＦＥ層は、低摩擦性を有し、ＧＣ由来の凹凸により、ニップ部におけるベルト内面と摺動部材との直接接触面積比（Ａｓ）が０．５以下と低い。潤滑材を使用する場合は、ニップ部が高荷重であっても、凹部が潤滑材の通り道となることで潤滑剤枯渇を抑制することで良好な摺動特性を示す。

定着装置に用いられる摺動部材を開示する特許文献としては、特開２００９−９３１７２号公報（特許文献１）、特開２００９−２５１２５３号公報（特許文献２）が挙げられる。

特開２００９−９３１７２号公報 特開２００９−２５１２５３号公報

従来のＰＴＦＥを用いた摺動部材は、ＰＴＦＥが有する自己潤滑性がゆえ、高荷重、高速下において、へき開による摩耗が凸部で発生しやすい。その結果、凸部の消失、摩耗粉の発生により、駆動時間とともに駆動モーターの駆動トルクが上昇し、摺動部材の寿命が短くなるといった課題が発生する。

近年、商業印刷領域においても省エネ、低コストの要望が高まり、高荷重、高速度条件下においても、定着装置を構成する定着部品の交換頻度の低減、サービスコスト低減の観点より、定着装置の寿命の向上が求められている。

さらに、摺動部材の熱伝導性が低い場合には、たとえば摺動部の近傍に熱源を設置する構成の定着装置の場合、熱伝達性が悪くなる。連続通紙時のベルト端部温度上昇による端部破損が発生し、省エネ性、寿命の向上の観点より、高熱伝導性の摺動部材も求められている。

この発明は上記課題を解決するためになされたものである。第１の目的は、長時間使用においても、駆動モーターの駆動トルクの上昇を抑制し、摺動部材の寿命の向上を図ることが可能な摺動部材、定着装置、画像形成装置、および、摺動部材の製造方法を提供することにある。

第２の目的は、摺動部の近傍に熱源を有する定着装置において、高い熱伝導性および均熱性を有することにより、省エネ性の向上、ベルト端部破損の抑制により、長時間使用においても性能劣化が少ない摺動部材、定着装置、画像形成装置、および、摺動部材の製造方法を提供することにある。

この摺動部材においては、無限軌道を有する定着ベルトの内部に配置されて、定着ベルトの内面をローラーに向けて押圧する押圧部材と、上記定着ベルトと上記押圧部材との間に配置される摺動部材であって、当該摺動部材は、金属プレートを含み、上記金属プレートの表面には多数の凸部を有し、上記凸部は、上記定着ベルトが上記金属プレートに向けて上記押圧部材により押圧された際に、上記定着ベルトの内面が、隣接する上記凸部の間に露出する上記金属プレートの表面に接触しない間隔で配置され、上記定着ベルトの内面と、上記金属プレートの表面に設けられた上記凸部との直接接触面積比が、０．５以下である。

他の形態においては、少なくとも上記凸部の表面粗さＲａが、０．１μｍ以下の鏡面である。

他の形態においては、少なくとも上記突起部には、上記定着ベルトの内表面より硬度の高い高硬度膜が被覆されている。

他の形態においては、上記高硬度膜は、表面粗さＲａが、０．２μｍ以下の鏡面である。

他の形態においては、上記高硬度膜は、ダイヤモンドライクカーボン膜である。
他の形態においては、上記凸部は、半球状である。

他の形態においては、上記金属プレートは、上記定着ベルト側にＲ状に突き出た形状である。

他の形態においては、上記金属プレートは、上記定着ベルト側にＲ状に突き出た形状である。

他の形態においては、上記金属プレートは、アルミニウム、または、アルミニウム合金である。

他の形態においては、上記アルミニウム、または、上記アルミニウム合金プレートは、ホットチャンバー法によって得られたものである。

この定着装置においては、ローラーと、無限軌道を有する定着ベルトと、上記定着ベルトの内部に配置され、上記定着ベルトの内面を上記ローラーに向けて押圧する押圧部材と、上記定着ベルトと上記押圧部材との間に配置される上述のいずれかに記載の摺動部材と、を備える。

他の形態においては、上記定着ベルトは、ベルト基材を含み、上記ベルト基材は、電子線照射により架橋されたフッ素樹脂である。

この画像形成装置は、上述のいずれかに記載の定着装置を備える。
この摺動部材の製造方法は、無限軌道を有する定着ベルトの内部に配置されて、定着ベルトの内面をローラーに向けて押圧する押圧部材と、上記定着ベルトと上記押圧部材との間に配置される摺動部材であって、当該摺動部材は、金属プレートを含み、上記金属プレートの表面には多数の凸部を有し、上記凸部は、上記定着ベルトが上記金属プレートに向けて上記押圧部材により押圧された際に、上記定着ベルトの内面が、隣接する上記凸部の間に露出する上記金属プレートの表面に接触しない間隔で配置され、上記定着ベルトの内面と、上記金属プレートの表面に設けられた上記凸部との直接接触面積比が、０．５以下である摺動部材の製造方法であって、金属プレートを製造する工程は、上記凸部を作製するための凹部を有する金型を用いて、ホットチャンバー法により作製される工程を含む。

他の形態においては、上記金属プレートを製造する工程は、さらに、上記金属プレートの表面を研磨工程にて鏡面仕上げを施す工程と、その後、高硬度膜を成膜する工程と、を含む。

この発明によれば、第１に、長時間使用においても、駆動モーターの駆動トルクの上昇を抑制し、摺動部材の寿命の向上を図ることが可能な摺動部材、定着装置、画像形成装置、および、摺動部材の製造方法を提供する。

第２に、摺動部の近傍に熱源を有する定着装置において、高い熱伝導性および均熱性を有することにより、省エネ性の向上、ベルト端部破損の抑制により、長時間使用においても性能劣化が少ない摺動部材、定着装置、画像形成装置、および、摺動部材の製造方法を提供する。

実施の形態１における画像形成装置の概略構成を示す斜視図である。 実施の形態１における定着装置の横断面図である。 実施の形態１における摺動部材の構成を示す概念図である。 図３中のＩＶで囲まれた領域の部分拡大図である。 実施の形態１における摺動部材の平面図である。 実施の形態１における摺動部材凸部の寸法を示す図である。 金属材料の特性（熱伝導率等）を表す比較表である。 各種ＤＬＣの硬度等のパラメータを示す比較表である。 膜種と基材と関係を示す比較表である。 実施の形態１における摺動部材の基材の形状を示す図である。 実施の形態１における摺動部材の基材の形状を示す他の図である。 実施の形態１における定着ベルトの断面構造を示す図である。 実施の形態１における定着ベルトの他の断面構造を示す図である。 実施の形態１における摺動部材の基材の平面図である。 実施の形態１におけるＮｏ．１からＮｏ．８，Ｒ１からＲ４の摺動部材の構成を示す図である。 実施例１から実施例９、比較例１０から比較例１４の評価結果を示す図である。 実施例１から実施例９、および、比較例１０から比較例１４における定着装置の耐久結果を示す図である。 図１７と同じ内容で、比較例１０から比較例１４の耐久結果のみを拡大して示した図である。 図１７と同じ内容で、実施例１から実施例９、および、比較例１３、比較例１４の耐久結果のみを拡大して示した図である。 実施例１の評価に用いた凸部の配列を示す平面図である。 実施例１の評価に用いた凸部の配列を示す側面図である。 実施例１の摺動部材における入口側から出口側でのニップ荷重を示す図である。 実施例１の凸部の直径が４００μｍの場合の「Ａｓ」を示す図である。 実施例１の凸部の直径が５００μｍの場合の「Ａｓ」を示す図である。 実施例１の凸部の直径が６００μｍの場合の「Ａｓ」を示す図である。 実施例１の凸部の直径が１０００μｍの場合の「Ａｓ」を示す図である。 実施例２の評価に用いた凸部の配列を示す平面図である。 実施例２の評価に用いた凸部の配列を示す側面図である。 実施例２の凸部の直径が４００μｍの場合の「Ａｓ」を示す図である。 実施例２の凸部の直径が５００μｍの場合の「Ａｓ」を示す図である。 実施例２の凸部の直径が６００μｍの場合の「Ａｓ」を示す図である。 実施の形態２における定着装置の他の構成を示す図である。 実施の形態２における定着装置のさらに他の構成を示す図である。 実施の形態２における定着装置のさらに他の構成を示す図である。 実施の形態２における定着装置のさらに他の構成を示す図である。 実施の形態２における定着装置のさらに他の構成を示す図である。

本発明に基づいた各実施の形態における、摺動部材、定着装置、画像形成装置、および、摺動部材の製造方法について、以下、図を参照しながら説明する。以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。また、図面においては、実際の寸法の比率に従って図示しておらず、構造の理解を容易にするために、構造が明確となるように比率を変更して図示している箇所がある。

（実施の形態１：画像形成装置１０）
図１を参照して、本実施の形態における画像形成装置１０の概略構成について説明する。図１は、画像形成装置１０の概略構成を示す斜視図である。画像形成装置としては、たとえばＭＦＰ、プリンター、複写機、またはファクシミリなどが挙げられる。

本実施の形態における画像形成装置１０は、ＭＦＰであり、操作パネル１と、スキャナー部２と、ＡＤＦ（Ａｕｔｏ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ Ｆｅｅｄｅｒ）４と、プリントエンジン部６と、排紙トレイ８と、複数の給紙トレイ９とを主に備えている。

ＡＤＦ４は、画像形成装置１０の最上部に設けられている。ＡＤＦ４は、読み取り対象となる原稿をスキャナー部２に送る。スキャナー部２は、ＡＤＦ４の下に設けられている。スキャナー部２は、原稿を光学的に読取って画像データを得る。排紙トレイ８は、スキャナー部２の下部であって、プリントエンジン部６の上面に設けられている。排紙トレイ８には、画像が形成された用紙が排出される。

プリントエンジン部６は、画像形成装置１０の中央部に設けられている。プリントエンジン部６は、画像データに基づいて用紙上に画像を印刷する画像定着装置を含む。複数の給紙トレイ９は、プリントエンジン部６の下部に設けられている。複数の給紙トレイ９の各々には、画像形成の対象となる用紙が収納されている。操作パネル１は、スキャナー部２の前面側（ユーザーが対向する側）に装着されている。操作パネル１は、各種情報を表示し、各種操作を受け付ける。

（定着装置１００）
図２を参照して、プリントエンジン部６に採用される定着装置１００の構成について説明する。図２は、定着装置１００の概略構成を示す横断面図である。定着装置１００は、定着ローラー１１０と内部に加熱装置１４０ｈを有する加熱ローラー１４０とを含む。定着ローラー１１０の表面は、ポリイミド等を用いた弾性変形可能な材料で構成されている。加熱ローラー１４０には、無限軌道を有する定着ベルト１５０が巻き掛けられている。

定着ローラー１１０に対向する定着ベルト１５０の内側には、定着ベルト１５０を定着ローラー１１０側に押圧するために摺動部材１２０が配置されている。摺動部材１２０は、押圧部材１３０によって定着ローラー１１０側に押圧されている。

上記構成を有する定着装置１００においては、定着ベルト１５０と定着ローラー１１０との間においてニップ部が形成され、定着ベルト１５０の回転に伴ない加熱ローラー１４０も従動回転し、媒体（用紙等）Ｐを搬送（図中矢印Ｆ方向に示すベルト搬送方向）しながら、ニップ部で媒体（用紙等）上のトーナー画像の加熱定着が行なわれる。

（摺動部材１２０）
図３から図６を参照して、摺動部材１２０の構成について説明する。図３は、摺動部材１２０の構成を示す概念図、図４は、図３中のＩＶで囲まれた領域の部分拡大図、図５は、摺動部材１２０の平面図、図６は、凸部の寸法を示す図である。

図３を参照して、摺動部材１２０は、紙面に対して垂直方向に延びるように設けられている。摺動部材１２０は、摺動面（上面）が湾曲状（Ｒ形状）に設けられた基材１２１と、基材１２１の底面に設けられたセラミックヒーター等からなる加熱部材１２３とを有する。本実施の形態では、基材１２１には、アルミを用いている。加熱部材１２３は、必須の構成ではない。基材１２１の表面には、凸部１２２が設けられている。この凸部１２２の表面は、低摩擦係数材料の高硬度膜で被覆されている。

高硬度膜は、低摩擦係数材料として、たとえば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜等が用いられる。低摩擦係数材料を用いることで、定着ベルト１５０の内面との接触時におけるせん断応力を低減させることができる。ＤＬＣは、グラファイト構造（ｓｐ２型結晶）にダイヤモンド構造（ｓｐ３型結晶）を部分的に有した構造であり、低い摩擦係数、高い耐摩耗性を有する。

図４および図５を参照して、凸部１２２は平面視において円形の半球状であり、凸部１２２の直径Ｗは、約５００μｍ、隣接する凸部１２２との間隔はＰは、約５００μｍ、凸部１２２の高さＨは、約２０μｍから５０μｍであるとよい。図５に示すように、平面視においては、千鳥格子状に配置されている。なお、凸部１２２の好ましい形状、大きさ（Ｗ）、高さ（Ｈ）、および、配置間隔（Ｐ）については、後述する。

高硬度膜に低摩擦係数材料を用い、せん断応力（固体接触面の凝着力を切るための面内に働く力））を低減させる方法としては、以下の（１）から（６）の要件が挙げられる。

（１）基材１２１の摺動面（上面）を定着ベルト側に突出するＲ形状とし、摺動面のせん断応力（塑性変形）を小とし、せん断力（固体接触面の凝着力を切る力）を小とする。（２）突出し量（厚み）を小とし、厚み方向の塑性変形量を小とし、スリップを小とする。（３）摺動面に凸部を付け、摺動面の接触面積を下げ、非接触部（空間）を作る。（４）材質の摩擦係数を下げ、摺動部の付着力を下げる。（５）凸部の表面粗さを低くし（鏡面）、摺動部の接触面積（Ａｓ）を下げる。（６）摺動部の強度（剛性、硬度）を高め、塑性変形を小とし、耐摩耗性を向上させる。

（１）から（３）の要件は、基材１２１の材質、形状を選択することで対応できる。（４）から（６）の要件において、最も優れた高硬度膜の材料は、ダイヤモンドもしくはＤＬＣである。（５）、（６）を満たす材質としては、めっき（硬質Ｃｒ、ニッケルなど）がある。

（３）については、画像に影響が出ない程度の大きさで、かつ、荷重によって凸部が潰れたり相手面（対向の弾性部材も含む）が変形して密着しない適度のサイズが必要でありる。凸部の大きさとしては、高さ（Ｒｚ）が約２０μｍから５０μｍ程度、幅（Ｓｍ）が約４００μｍから６００μｍ程度、凸部はＲ形状が好ましい。

（Ａｓの評価方法）
ここで、Ａｓの評価方法について説明する。Ａｓは、定着ベルト１５０の内面と摺動部材１２０の凸部１２２との直接接触面積比を示す。

摺動部材１２０に油性マジックを一様に塗り、定着装置１００に摺動部材１２０を装着し、所定時間の駆動後、摺動部材１２０を取り出し、塗布したマジックの削れた部分の投影面積を光学顕微鏡写真より算出し、摺動部材１２０の投影面積よりその比率を算出する。

Ａｓを「定着ベルトの内面と摺動部材の凸部との直接接触面積比」、Ｓａを「定着ベルトの内面と摺動部材の凸部との直接接触面積」、および、Ｓｂを「摺動部材の凸部の投影面積」と定義する。

Ａｓは０．５以下、好ましくは０．３以下、更に好ましくは０．２以下であるとよい。Ａｓを０．５以下とすることで、定着ベルトと摺動部材との直接接触面積が低下し、特に起動時のトルクを抑制でき、摺動部材の摩耗を低減できるため、寿命が向上する。

（Ａｓを０．５以下とするための好ましい凸部１２２の形状、大きさ）
凸部１２２はＡｓを低減させる目的より半球状が好ましい。平面状にすると、平面部が全て接触し、Ａｓが増大する。突起を角状にすると、Ａｓは低減するが、定着ベルトの内面を傷つける懸念がある。

Ａｓを低減させる目的より、半球状の凸部１２２の直径は約４００μｍから約６００μｍ、高さ約２０μｍから約５０μｍが好ましい。凸部１２２の高さが約５０μｍを超えると、凸部１２２のトナー画像への影響が懸念され、約２０μｍ未満の場合、凹部（隣接する凸部１２２同士の間）にも定着ベルトの内面が接触する懸念があり、Ａｓを低減できなくなる。定着ベルトの内面の凹部への接触を防ぎＡｓを低減する目的より、凸部１２２は平面視で円形であることが好ましい。好ましい凸部１２２間の距離（間隔）は、半球状の凸部１２２の軸方向の間隔が６００μｍ以下、半球状の凸部１２２の周方向の間隔が６００μｍ以下がよい。

このように、Ａｓの低減（０．５以下）を目的とすることから、（ａ）定着ベルトの内面が凸部間の凹部に接触しない、（ｂ）定着ベルトの内面との直接接触部が凸部１２２の一部分とする、ことが導かれ、まとめると、凸部１２２の形状は、平面視において円形の半球状がよく、凸部１２２の高さは、約２０μｍから約５０μｍ、凸部１２２の直径は、約４００μｍから約６００μｍ、凸部１２２の間隔は、約６００μｍ以下がよい。

（凸部１２２を有する基材１２１の製造方法）
アルミニウム合金を基材１２１として用いる場合は、ホットチャンバー（ＨＣ）法（連続鋳造法）にて作製する。通常の射出成形と同様に、金型に凸部１２２のパターンを作製し、ＨＣ法により金型に溶かしたアルミニウム合金を流し込むことで作製できる。

アルミニウム合金以外の高融点金属、たとえば、ＳＵＳ、チタン合金、ニッケル、低合金鋼などを基材１２１として用いる場合は、メタルインジェクションモールド（ＭＩＭ）法によって作製することが出来る。アルミニウム合金に限定されず純度１００％アルミニウム（純アルミ）であってもよい。

成形性、加工性、生産性の観点より、基材１２１への凸部１２２の形成としては、ＨＣ法がより好ましく、製造面からは、アルミは、熱伝導率が高く、成形しやすい。融点は、約６６０℃、熱伝導率λは、１００ｗ／ｍ℃から２１０ｗ／ｍ℃であり、熱伝導性、融点、コストの観点より、アルミニウム合金が好適に用いられる。たとえば、図７に示すように、合金名ＤＭＳ−１であれば、熱伝導率は、２１０ｗ／ｍ℃、合金名ＨＴ−１であれば、熱伝導率は、１７０ｗ／ｍ℃程度となる。

（研磨処理）
摺動部材１２０の定着ベルトに対する摩擦トルクを低減するには、Ａｓの低減のみならず、接触部の表面粗さを小さくし、鏡面加工することが好ましい。表面粗さＲａが好ましくは０．２以下、より好ましくは０．１以下であるとよい。表面に高硬度膜を被膜すれば鏡面性が得られるが、下地の表面粗さを反映するため、より鏡面性を上げるためには、下地の鏡面性を上げる必要がある。

そこで、高硬度膜を被覆する前の凸部１２２を有する基材１２１の表面に対して鏡面加工を施すとよい。具体的な鏡面加工の方法は、鏡面研磨加工となり、たとえば、バフ研磨法、フィルム研磨法、ベルト研磨法などがあげられる。鏡面性の精度と均一性より、研磨剤を用いたバフ研磨法が好適である。表面粗さ（Ｒａ）を、０．１μｍ以下に仕上げるように研磨を行なうとよい。より好ましくは、表面粗さ（Ｒａ）は、０．０１μｍ以下であるとよい。

（高硬度コート）
定着ベルト１５０の内面に設けられる層（ＰＩ層）の硬度は、一般的には、１００Ｈｖから２００Ｈｖであり、アルミニウム合金の硬度は５０Ｈｖから１６０Ｈｖであるため、摺動部材の突起部がアルミニウム合金のみの場合、摩耗が著しくなり、長寿命化を確保できない。これより、高硬度のコート層が摺動部材の少なくとも突起部に形成されれば、駆動モーターの駆動トルクの上昇を抑制し、摺動部材の寿命の向上を図ることが可能となる。

高硬度のコート層としては、金属プレート、特にアルミニウムプレートに被覆可能であれば特に限定されるものではない。たとえば、硬質クロムめっき（８００Ｈｖから９００Ｈｖ）、ニッケルめっき（４００Ｈｖから１，０００Ｈｖ）などのめっき、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ １，０００Ｈｖ以上）、ＭｏＳ_２(二硫化モリブデン）と金属の複合材（５００Ｈｖ以上）などのコーティングが挙げられる。こららの中でも、低摩擦性も併せ持つ、ＤＬＣコーティング（０．０５μｍから０．１２μｍ）、ＭｏＳ_２系コーティング（０．０２μｍから０．０６μｍ）コーティングが好ましく、量産実績、ドライ・オイル潤滑のどちらにも適合可能で汎用性が高いなどの点より、ＤＬＣコーティングがより好ましい。

図８に示す、オーエスジーコーティングサービス（株）社製の製品名、ＤＬＣ−ＳＵＰＥＲＨＡＲＤを用いた場合には、６０００Ｈｖの硬度が得られ、ＤＬＣ−ＬＵＢＵＣ（登録商標）αを用いた場合には、２５００Ｈｖの硬度が得られ、ＤＬＣ−ＬＵＢＵＣ（登録商標）βを用いた場合には、１５００Ｈｖの硬度が得られる。

また、図９に示すように、基材１２１には、低ＳｉＡｌ合金（Ａ３００３，Ａ５０５２，Ａ５０５６）を用いることで、ＤＬＣを被覆した場合には、良好な表面粗さを得ることができる。ＤＬＣの被覆には、化学蒸着法（ＣＶＤ法）が用いられる。

（表面粗さ）
表面粗さ測定機（東京精密社製、ＳＵＲＦＣＯＭ ４８０Ａ）を用い、カットオフ値は、０．８、測定箇所は１０カ所、一カ所当たりの測定長は０．３として、凸部１２２の表面粗さを測定し、計測データを合算して測定長を３ｍｍとして、Ｒａを算出する。

（ビッカース硬度）
ビッカース硬度計（ＮＥＣ社製、ＭＨ−４０００）を用い、圧子として三角錐ダイヤモンドを使用し、測定（押し込み）深さ１μｍ、押し込み速度１０．５ｎｍ／ｓｅｃにて測定を行なう。

（摺動部材１２０の形状）
図１０および図１１に、摺動部材１２０の基材１２１を示す。図１０および図１１には、形状の異なる基材１２１（主に基材の厚さ、Ｒ形状の大きさ）を例示している。基材１２１は、図示の垂直方向に延びる形態であり、図示の右方向から左方向に向かって定着ベルト１５０が摺動する。

定着ベルト１５０の内面との密着性を低減させる目的でベルト搬送方向（図２中のＦ方向）に対し、入口側および／又は出口側がＲ形状を有することが好ましい。入口側および／又は出口側をＲ形状とすることで、定着ベルト１５０の内面との隙間が確保でき、定着ベルト１５０の内面との密着性を低減でき、空気や定着ベルト１５０の内面に塗布された潤滑剤が摺動部材１２０に入り込みやすくなり、定着ベルト１５０の内面との凝着力を低減することで摩擦力が低下し、摩擦トルクの低減を図る。

（定着ベルト１５０）
定着ベルト１５０は、図１２に示すように、基材ベルト１５０ａと離型層１５０ｂとの２層構成、または、図１３に示すように、基材ベルト１５０ａ、弾性層１５０ｃ、および、離型層１５０ｂの３層構成などのものが用いられる。基材ベルト１５０ａは、耐熱性と機械的強度を併せ持つ材料であれば、特に限定されないが、熱硬化性ポリイミドが一般的に用いられている。

さらに、近年ではポリマーのシートやチューブに電子線を直接照射することでポリマー分子鎖を架橋させて、耐熱性や機械的強度を向上させる技術が提案されている。たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）チューブ、ＰＦＡ（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）チューブを電子線架橋させれば、基材ベルトと離型層とが１層で形成された定着ベルト得られる。ＰＴＦＥチューブを電子線架橋させ、その上に弾性層、離型層を構成すれば、従来の３層の定着ベルトも１層で作製することができる。従来のポリイミド基材テープに比べ、耐熱性、機械的強度は略同等で、低摩擦性が飛躍的に向上できるため、本実施の形態の定着ベルトには好適なベルト基材となる。

（摺動部材の製造）
以下、図１４を参照して、具体的な摺動部材の製造について説明する。

「摺動部材 Ｎｏ．１」としての基材１２１（金属プレート）の製造について説明する。図１４に示すように、基材１２１の長手方向の長さ（Ｌ１）は、３６０ｍｍ、短手方向の長さ（Ｗ１）は、３０ｍｍ、上面（摺動面）には、Ｒ２５の曲面を設け、入口側と出口側とには、５Ｒの曲面を設けている。断面形状としては、図１０に示す形状と同じである。このような形状の基材１２１の製造が可能な金型を製作した。さらに、基材１２１の上面に以下の仕様の半球状の凸部１２２を作製するための凹部を有する金型に作製した。

（凸部の仕様）
高さ０．０３ｍｍ、直径０．５ｍｍ、間隔０．５ｍｍ、凸部１２２の形成範囲は、長さ（Ｌ２）３５０ｍｍ（両端（Ｓ１）５ｍｍ以外）、幅（Ｓ２）２０ｍｍ（入口側１０ｍｍから出口側まで）の領域である。

アルミニウム合金（Ａ３００３）をホットチャンバー法により融点（約７００℃）以上で上記金型に流し込み、冷却後、脱型し、微細な半球状の凸部１２２を多数有するアルミニウム合金（Ａ３００３）の基材１２１を作製した。

（基材１２１の鏡面研磨加工）
半球状の凸部１２２が形成された基材１２１をマイクログラインダーを用いバフ研磨法にて粗研磨、中研磨、仕上げ研磨１，２を段階的に行ない、凸部１２２の表面粗さＲａが０．０１となるよう鏡面研磨加工を施した。

粗研磨では、バフにサイザイルバフを用い、研磨剤としてサイザー４６を使用した。中研磨では、バフにサイザイルバフを用い、研磨剤としてプリンスライムを使用した。仕上げ研磨１では、バフに綿バフを用い、研磨剤としてアロックスを使用した。仕上げ研磨２では、バフに綿バフを用い、研磨剤として液体コンパウンドＬＣ−３０３を使用した。

（高硬度膜の被覆）
ＵＢＭ（ＵｎＢａｌａｎｃｅｄ Ｍａｇｎｅｔｏｒｏｎ）スパッタ法にて鏡面研磨加工を施した半球状の凸部１２２を有する基材１２１の上面に高硬度膜として、ＤＬＣ膜を被覆した。６インチ径ＵＢＭスパッタ源（ターゲット：カーボン）を用い、Ａｒガス圧：０．４Ｐａ、投入ＤＣ電力：約６Ｗ／ｃｍ^２、成膜速度：約３０ｎｍ／ｍｉｎ、基板バイアス電圧：０から２００Ｖの範囲で印加し、膜厚が約２μｍになるようＤＬＣ膜の成膜を行なった。

ＤＬＣ膜の前処理として、基材１２１に対して、ＤＬＣ膜と基材１２１との密着性を向上させる下地層の形成を行なった。基材１２１の上に下地層として、Ｗ（タングステン）密着層（膜厚：約５０ｎｍ）およびＷとＣの塑性を連続的に変化させたＷ−Ｃ傾斜組成層（膜厚：約２００ｎｍ）をスパッタ法にて作製した。高硬度膜の膜厚は、高分解能ＴＥＭ観察およびＥＤＸによる元素同定の組合せにより測定した。高硬度膜の成膜後の凸部１２２の表面粗さ（Ｒａ）は、０．１であった。

（Ａｓ（定着ベルト１５０の内面と凸部１２２との直接接触面積比）の測定）
図１５に、Ｎｏ．１からＮｏ．８、および比較例のＲ１からＲ４の摺動部材１２０のＡｓを示す。得られたＮｏ．１の摺動部材１２０のＡｓを測定したところ、「０．２２」であった。

（摺動部材 Ｎｏ．２からＮｏ．８、Ｒ１からＲ４の作製）
図１５中に記載の仕様以外は、摺動部材Ｎｏ１と同様の製造方法にて摺動部材Ｎｏ．２からＮｏ．８、Ｒ１からＲ４を作製した。ＤＬＣ膜の膜厚は約２μｍ、被膜前後のＲａ、Ａｓは、図１５中に記載のとおりである。

（定着装置１００での耐久評価）
図１５に記載の各摺動部材に対し、図１５に記載のベルト基材、潤滑剤を図２に示した定着装置１００と同じ構成の「２軸上ベルトパッド定着テスター」の摺動部に装着して、通紙耐久評価を行なった。「２軸上ベルトパッド定着テスター」の駆動速度は４００ｍｍ／ｓ、定着温度は１６０℃、ニップ荷重は５００Ｎ、ニップ幅は２０ｍｍである。評価結果を、実施例１から実施例９、比較例１０から比較例１４として、図１６に示す。

図１６中で、実施例９は、ベルト基材に電子線照射により架橋させたＰＴＦＥチューブを用い、潤滑剤は使用していないドライ潤滑系にて評価を行なった。比較例１４は、「ｍａｇｉｃｏｌｏｒ（登録商標）４７５０ＤＮ」の定着装置に標準装備されているＰＴＦＥ系摺動部材を用いて評価を行なった。

（評価結果）
図１７に、実施例１から実施例９、および、比較例１０から比較例１４における定着装置の耐久結果を示す。図１８は、図１７と同じ内容で、比較例１０から比較例１４の耐久結果のみを拡大して表示しており、図１９は、図１７と同じ内容で、実施例１から実施例９、および、比較例１３、比較例１４の耐久結果のみを拡大して表示したものである。

図１５から図１９を参照して、実施例１から実施例９は、初期から２，０００Ｋ枚時までのモーター駆動トルクが０．１８から０．７５Ｎｍの範囲で安定して推移しており、耐久時のモーター駆動トルク変化が小さく、高い長寿命性能を示した。

比較例１０から比較例１２は、初期のトルクが高く耐久が進むにつれてモーター駆動トルクが上昇した。比較例１３、および、比較例１４は、初期トルクは低いものの耐久が進むにつれてモーター駆動トルクが急上昇した。比較例１０から比較例１４は、異音が発生し、評価途中（１，０００Ｋ枚前後）で定着ローラーが破損したたため、定着ローラーを交換して評価を継続させた。

摺動部材Ｎｏ．１からＮｏ．８を搭載した実施例１から９は、摺動部材Ｒ１からＲ４およびＰＴＦＥ系を搭載した比較例１０から１４に対し、２倍以上の長寿命性能が確認された。

図１５から図１９に示す評価結果から、摺動部材のＡｓを０．５以下とし、表面粗さＲａが０．１以下となる高硬度膜の凸部への形成が、定着装置の高ライフ化に効果的であることが確認できた。

（実施例）
以下、実施例１および実施例２として、上記実施の形態における「Ａｓ」の決定プロセスについて説明する。なお、各実施例の説明中において、「Ａｓ」は、直接接触面積比Ａ／Ｓを表す。「Ａ」は接触面積（ｍｍ^２）を表す。「Ｓ」はニップ部投影面積を表し、各実施例では２５ｍｍ^２である。「接触比」は、一凸あたりの直接接触する面の直径比を表す。「Ｒ」は、一凸の直接接触する面の平均直径を表す。「Ａ／一凸」は、一凸の直接接触する面面積を表す。「接触面積」は、２５ｍｍ^２あたりの直接接触面積を表す。

（実施例１）
図２０から図２６を参照して、実施例１について説明する。図２０は実施例１の評価に用いた凸部の配列を示す平面図、図２１は、実施例１の評価に用いた凸部の配列を示す側面図、図２２は、摺動部材における入口側から出口側でのニップ荷重を示す図、図２３から図２６は、凸部の直径が、４００μｍ、５００μｍ、６００μｍ、１０００μｍの場合の「Ａｓ」を示す図である。

図２０および図２１を参照して、実施例１では、基材１２１の大きさ（ニップ部投影面積）は（Ｗ１×Ｗ１）は、５ｍｍ×５ｍｍ（２５ｍｍ^２）である。凸部１２２は千鳥格子状に配置されている。凸部１２２の配置ピッチＰは、凸部の直径Ｄに応じて、隣接する凸部の間に形成される凹部に定着ローラーの内面が接触しない凸部の最小構成となるように設定されている。図２２に示すように、摺動部材における入口側から出口側でのニップ荷重は、出口側の近傍でピーク値を持つ。

図２３を参照して、凸部１２２の直径Ｄが、４００μｍの場合には、「Ａｓ」は、０．０２３〜０．３９２の値となる。

図２４を参照して、凸部１２２の直径Ｄが、５００μｍの場合には、「Ａｓ」は、０．０２５〜０．３９３の値となる。

図２５を参照して、凸部１２２の直径Ｄが、６００μｍの場合には、「Ａｓ」は、０．０２３〜０．３６２の値となる。

図２６を参照して、凸部１２２の直径Ｄが、１０００μｍの場合には、「Ａｓ」は、０．４９３〜０．７７０の値となる。

以上の結果から、図２０に示す凸部１２２の配置を採用する場合には、「Ａｓ」の数値範囲が０．５以下となる、凸部１２２の直径Ｄが、４００μｍから６００μｍが好ましいと言える。

（実施例２）
図２７から図３１を参照して、実施例２について説明する。図２７は実施例２の評価に用いた凸部の配列を示す平面図、図２８は、実施例２の評価に用いた凸部の配列を示す側面図、図２９から図３１は、凸部の直径が、４００μｍ、５００μｍ、６００μｍの場合における、「Ａｓ」を求めたものである。

図２７および図２８を参照して、実施例２では、基材１２１の大きさ（ニップ部投影面積）は（Ｗ１×Ｗ１）は、５ｍｍ×５ｍｍ（２５ｍｍ^２）である。凸部１２２は行列状に規則正しく配置されている。凸部１２２の配置ピッチＰは、凸部の直径Ｄに応じて、隣接する凸部の間に形成される凹部に定着ローラーの内面が接触しない凸部の最小構成となるように設定されている。

図２９を参照して、凸部１２２の直径Ｄが、４００μｍの場合には、「Ａｓ」は、０．０４５〜０．７２４の値となる。

図３０を参照して、凸部１２２の直径Ｄが、５００μｍの場合には、「Ａｓ」は、０．０４９〜０．７８５の値となる。

図３１を参照して、凸部１２２の直径Ｄが、６００μｍの場合には、「Ａｓ」は、０．０７１〜１．１３１の値となる。

以上の結果から、図２７に示す凸部１２２の配置を採用する場合には、「Ａｓ」の数値範囲が０．５以上となるケースが散見されることから、好ましくは、図２０に示す凸部１２２の配置パターンの方が好ましいと言える。

（実施の形態２：定着装置の他の構成）
図２に定着装置１００の一例を示したが、必ずしもこの構成の定着装置１００に限定されるものではない。図３２から図３５に他の定着装置の概略構成について説明する。図３２に示す定着装置１００Ａは、基本的構成は、図２に示す定着装置１００と同じであるが、押圧部材１３０の内部にさらに加熱装置１４０ｈが設けられている。

図３３に示す定着装置１００Ｂは、円環状の軌道を有する定着ベルト１５０の内部に摺動部材１２０が配置されている。

図３４に示す定着装置１００Ｃは、円環状の軌道を有する定着ベルト１５０の内部に摺動部材１２０が配置されている。押圧部材１３０の内部にさらに加熱装置１４０ｈが設けられ、摺動部材１２０が押圧部材１３０を介して加熱装置１４０ｈにより加熱されている。

図３５に示す定着装置１００Ｄは、円環状の軌道を有する定着ベルト１５０の内部に摺動部材１２０が配置されている。摺動部材１２０の内部に、加熱装置１２０ｈが設けられている。

図３６に示す定着装置１００Ｅの基本的構成は、図２に示す定着装置１００と同じであるが、摺動部材１２０の内部に、加熱装置１２０ｈが設けられている。

以上、上記各実施の形態における摺動部材、定着装置、画像形成装置、および、摺動部材の製造方法によれば、高圧、高速仕様の定着装置の長時間使用においても、駆動モーターの駆動トルクの上昇を抑制し、摺動部材の寿命の向上を図ることを可能とする。また、小型化、軽量、省エネ性、低コスト化などの達成への寄与も期待できる。

さらに、摺動部の近傍に熱源を有する定着装置において、高い熱伝導性および均熱性を有することにより、省エネ性の向上、ベルト端部破損の抑制により、長時間使用においても性能劣化を少なくすることを可能とする。

今回開示された各実施の形態および各実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 操作パネル、２ スキャナー部、６ プリントエンジン部、８ 排紙トレイ、９ 給紙トレイ、１０ 画像形成装置、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ 定着装置、１１０ 定着ローラー、１２０ 摺動部材、１２０ｈ，１４０ｈ 加熱装置、１２１ 基材、１２２ 凸部、１２３ 加熱部材、１３０ 押圧部材、１４０ 加熱ローラー、１５０ 定着ベルト、１５０ａ 基材ベルト、１５０ｂ 離型層、１５０ｃ 弾性層。

Claims (15)

1. 無限軌道を有する定着ベルトの内部に配置されて、前記定着ベルトの内面をローラーに向けて押圧する押圧部材と、前記定着ベルトと前記押圧部材との間に配置される摺動部材であって、
   当該摺動部材は、金属プレートを含み、
   前記金属プレートの表面には多数の凸部を有し、
   前記凸部は、前記定着ベルトが前記金属プレートに向けて前記押圧部材により押圧された際に、前記定着ベルトの内面が、隣接する前記凸部の間に露出する前記金属プレートの表面に接触しない間隔で配置され、
   前記定着ベルトの内面と、前記金属プレートの表面に設けられた前記凸部との直接接触面積比が、０．５以下である、摺動部材。
2. 少なくとも前記凸部の表面粗さＲａが、０．１μｍ以下の鏡面である、請求項１に記載の摺動部材。
3. 少なくとも前記突起部には、前記定着ベルトの内表面より硬度の高い高硬度膜が被覆されている、請求項１または請求項２に記載の摺動部材。
4. 前記高硬度膜は、表面粗さＲａが、０．２μｍ以下の鏡面である、請求項３に記載の摺動部材。
5. 前記高硬度膜は、ダイヤモンドライクカーボン膜である、請求項３または請求項４に記載の摺動部材。
6. 前記凸部は、半球状である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の摺動部材。
7. 前記金属プレートの前記定着ベルト搬送方向の入口側およびまたは出口側がＲ形状を有する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の摺動部材。
8. 前記金属プレートは、前記定着ベルト側にＲ状に突き出た形状である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の摺動部材。
9. 前記金属プレートは、アルミニウム、または、アルミニウム合金である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の摺動部材。
10. 前記アルミニウム、または、前記アルミニウム合金プレートは、ホットチャンバー法によって得られたものである、請求項９に記載の摺動部材。
11. ローラーと、
    無限軌道を有する定着ベルトと、
    前記定着ベルトの内部に配置され、前記定着ベルトの内面を前記ローラーに向けて押圧する押圧部材と、
    前記定着ベルトと前記押圧部材との間に配置される請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の摺動部材と、
    を備える、定着装置。
12. 前記定着ベルトは、ベルト基材を含み、
    前記ベルト基材は、電子線照射により架橋されたフッ素樹脂である、請求項１１に記載の定着装置。
13. 請求項１１または請求項１２に記載の定着装置を備える、画像形成装置。
14. 請求項１に記載の摺動部材の製造方法であって、
    前記金属プレートを製造する工程は、前記凸部を作製するための凹部を有する金型を用いて、ホットチャンバー法により作製される工程を含む、摺動部材の製造方法。
15. 前記金属プレートを製造する工程は、
    さらに、前記金属プレートの表面を研磨工程にて鏡面仕上げを施す工程と、
    その後、高硬度膜を成膜する工程と、
    を含む、摺動部材の製造方法。