JP2020194156A - 定着部材、定着装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
Description
定着部材の弾性層はその弾性機能と同時に、高い熱伝導性を要求されている。そのため、弾性層には、シリコーンゴムの如きゴム中に熱伝導性フィラーとして熱伝導性が高い無機充填材が配合されている。しかしながら、より高い熱伝導性を弾性層に持たせるために弾性層中の熱伝導性フィラーの配合量を多くすると弾性層が固くなり、弾性層の弾性が低下する場合がある。
特許文献1では、弾性層に含まれる熱伝導性フィラーを大粒径フィラーと小粒径フィラーとのブレンドにすることで、比較的少ないフィラー配合量で、弾性層の低硬度と高熱伝導性を両立させた定着部材が開示されている。
また、特許文献2では、炭素繊維フィラーを厚み方向に配向することで、弾性層を高熱伝導化させた定着ローラが開示されている。
さらに、特許文献3では、合成樹脂中に熱伝導性フィラーを充填させた樹脂組成物に、電場を用いることで電界印加方向にフィラーを配向させて、フィラー配合量を増やすことなく、高熱伝導性を付与した樹脂組成物が開示されている。ここで言う配向とは、アスペクト比を有するフィラーの長辺が電界印加方向に向きを揃えることを指す。
また、本発明者らは、特許文献1に係る弾性層について、フィラーの体積配合量を50体積%超とし、かつ、架橋剤の量を低減することにより、例えば、JIS A 硬度(JIS K6253)で、15°の如き柔らかさとした。その結果、そのような弾性層は、例えば200℃の如き高温に加熱した状態で繰り返し圧縮した場合、弾性層の破断や塑性変形が生じることがあった。
また、特許文献2に係る発明においては、炭素繊維を厚み方向に配向させるために弾性層の厚みを1〜5mm程度にする必要があり、500μm以下の薄肉の弾性層を有する定着部材に対しては熱伝導率を向上させることが困難であった。
さらに、特許文献3に開示されている技術を定着部材の弾性層に適用した場合は、配向前は図1(a)に示す状態で混合されていたフィラーの全てが厚み方向に配向し、図1(b)に示すようなフィラー配向状態になった。そのため、硬度が高くなり、また弾性層内にフィラーが粗な部分と密な部分が生じ、硬度ムラが発生した。そのため、定着部材への当該技術の適用は困難であった。
本開示の一態様は、厚み方向の熱伝導性が高く、高温状態における繰り返しの圧縮によっても破壊や塑性変形が生じにくく、かつ低硬度な弾性層を有する定着部材の提供に向けたものである。
また、本開示の他の態様は、高品位な電子写真画像の形成に資する熱定着装置の提供に向けたものである。さらに、本開示の他の態様は、高品位な電子写真画像を形成することができる画像形成装置の提供に向けたものである。
基材と、
該基材の外周上の、無機酸化物を含むフィラーを含む弾性層と、を有し、
(1)該弾性層の厚み−周方向の第1断面の二値化像、および、該弾性層の厚み−軸方向の第2断面の二値化像において、
該フィラーのうち、該フィラーの形状を楕円近似したときに
長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラーの面積割合をAと、
長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの面積割合をBとしたとき、
1.0≦(A/B)≦2.0、かつ、0.40≦(A+B)≦0.50であり、
(2)長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの該弾性層の厚み方向に対する平均配向角度θAveが、50°≦ θAve ≦90°
である定着部材が提供される。
さらに、本開示の他の態様によれば、感光体と、該感光体を帯電させる帯電装置と、帯電した感光体を露光して静電潜像を形成する露光装置と、該感光体に形成された静電潜像をトナーで現像してトナー像を形成する現像装置と、該感光体に形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、上記熱定着装置と、を有する画像形成装置が提供される。
本発明者らは、厚み方向の熱伝導性が高く、高温状態における繰り返しの圧縮によっても破壊や塑性変形が生じにくく、かつ低硬度な弾性層を備えた定着部材を得ることを目的として検討を行った。その結果、熱伝導性フィラーが特定の分散状態である弾性層が、上記の目的の達成に有効であることを見出した。
この定着部材は、少なくとも、基材と、該基材の外周上に設けられた無機酸化物を含むフィラーを含む弾性層と、を有する。そして、
(1)該弾性層の厚み−周方向の第1断面の二値化像、および、該弾性層の厚み−軸方向の第2断面の二値化像において、
該フィラーのうち、該フィラーの形状を楕円近似したときに、
長軸と短軸の比(長軸/短軸)が1.5未満の無機酸化物を含むフィラー(以降、「第1のフィラー」ともいう)の面積割合をAとし、
長軸/短軸が1.5以上の無機酸化物を含むフィラー(以降、「第2のフィラー」ともいう)の面積割合をBとしたとき、
1.0≦(A/B)≦2.0、かつ、0.40≦(A+B)≦0.50であり、
(2)長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの該弾性層の厚み方向に対する平均配向角度θAveが、50°≦θAve≦90°
である。
フィラーの形状を楕円近似したときの長軸/短軸、平均配向角度θAve、及び面積割合は後述する画像処理より求めることができる。なお、面積割合はフィラー配合量の体積%と同義である。
そして、アスペクト比が1.5以上である第2のフィラーは、弾性層の厚み方向に平均配向角度θAveが、50°≦θAve≦90°となるように配向している。これにより、弾性層中のフィラーの総含有量を過度に増加させることなく、厚み方向の熱伝導性を十分に高めることができる。また、フィラーの総含有量を抑えることにより、弾性層の硬度の過度の上昇を抑えることができる。その結果、厚み方向の高い熱伝導性と低硬度とが両立された弾性層を得ることができる。なお、図1及び図2においては、図の上下方向が弾性層の厚み方向である。
楕円近似の方法としては、最小二乗法による近似を利用することができる。
定着部材の弾性層に配合される熱伝導性フィラーの材料として一般的に用いられるものとしては、アルミナやシリカ、酸化亜鉛、酸化マグネシウムの如き不定形の無機酸化物が多く、誘電分極を推進力とする電場による配向との親和性が高い。特許文献3に開示されている電場配向技術は平行平板電極間に、熱伝導性フィラーを分散させた硬化性液体を挟み込み、交流電場を数十分〜数時間印加すると同時に、熱等で硬化させるものである。これにより、フィラーを誘電泳動させて、電極間方向にフィラーを配向させた硬化物を得ている。
しかしながら、上記のような方法では、図1(b)に示すように、配合されたフィラーがすべて厚み方向に配向し、硬度上昇や硬度ムラを招来する場合がある。
一方、長軸/短軸が1.5以上である第2のフィラーは、未硬化の弾性層の外表面に電荷を付与工程により、図3に示すように誘電分極による配向トルクにより回転し、配向する。その結果、長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーは、図2(a)に示す分散状態から、図2(b)に示すような分散状態に変化する。そのため、硬化後の弾性層においては、配向した、長軸/短軸が1.5以上の第2フィラーによって形成された熱伝導パスにより、熱伝導性がより向上することとなる。このことにより、当該弾性層中の熱伝導性フィラーの含有量の増加を抑えつつ、厚さ方向の高い熱伝導性を高めることができる。その結果、弾性層の柔軟性も維持される。
その後、該組成物層を硬化させる。その結果、アスペクト比の大きいフィラーが厚み方向に配向し、効率的に熱が伝わる熱伝導パスが形成された弾性層が形成される。
本開示の一実施形態に係る定着部材及び熱定着装置について以下に具体的な構成に基づき詳細に説明する。
本開示の一態様に係る定着部材の詳細について図面を用いて説明する。
図4(a)及び図4(b)は、本態様に係る定着部材を示す概略断面模式図である。図4(a)はエンドレス形状を有する定着部材(以降、「定着ベルト」ともいう)の周方向に直交する方向の断面を表し、図4(b)はローラ形状を有する定着部材(以降、「定着ロール」ともいう)の周方向に直交する方向の断面を表す。なお、エンドレス形状とは、定着ベルトが、周方向に回転移動することで、同じ部位が何度も(エンドレスに)定着ニップ部を通過できる形状である。
図4(a)及び図4(b)において、シリコーンゴムをバインダーとして含む弾性層4が基体3の外周面を被覆している。図4(a)及び図4(b)においては、半径方向が弾性層の厚み方向となる。
このように、本実施形態に係る定着部材は、基体3および基体3の上のシリコーンゴムを含む弾性層4を有する。
また、該定着部材は、シリコーンゴムを含む弾性層4と表層6との間に、接着層5を有することもでき、この場合、表層6は、シリコーンゴムを含む弾性層4の外周面に接着層5により固定される。
図4(a)に示す定着ベルトに用いられる基体3としては、ニッケルやステンレスの如き金属を含むエンドレス形状の基体、ポリイミドの如き樹脂を含むエンドレス形状の基体が挙げられる。
ここで、定着ベルトの加熱に電磁誘導加熱方式を用いる場合は、発熱効率が高いニッケルや鉄を主に含む基体が好適に用いられる。
基体3の外面(弾性層側の面)には、弾性層との接着性を向上させる機能を付与するための層を設けることができる。すなわち、弾性層4は、基体3の外周面上に設けられればよく、弾性層4と基体3との間に他の層を設けることができる。また、基体3の内面(上記外面とは反対側の面)には、耐摩耗性や潤滑性などの機能を付与するための層をさらに設けることができる。なお、ベルト形態である場合は、以下の製造工程中、スリーブの内部に中子を挿入して取り扱う。
シリコーンゴムを含む弾性層4は、定着時に定着部材が紙の凹凸に追従するための優れた柔軟性を付与する層として機能する。シリコーンゴムは、非通紙部領域で240℃程度の高温になる環境においても柔軟性を保持できる高い耐熱性を有しているため好ましい。また、シリコーンゴムは、ゴム硬化前に表面を帯電させてフィラーを配向させるため、電気絶縁性であることが好ましい。このようなシリコーンゴムとしては、例えば後述のように付加硬化型の液状シリコーンゴムの硬化物が用い得る。
フィラーの種類については、フィラー自体の熱伝導率、比熱容量、密度、粒径、形状、比誘電率等を考慮して選択される。熱伝導性フィラーの材質としては、アルミナ(Al2O3)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化マグネシウム(MgO)、シリカ(SiO2)等が挙げられる。これらのフィラーは単独で用いても混合して用いてもよい。
また、金属フィラー及び炭素繊維フィラーは、電気抵抗値が低いため、電場を印加したときに誘電分極を起こしにくくなるため、単独で使用する分には不適である。ただし、酸化膜を形成する表面処理を行うことで電気抵抗値を制御できる場合はこの限りではない。
1.0≦(A/B)≦2.0、かつ、0.40≦(A+B)≦0.50
である。
弾性層中の各フィラー群の面積割合比(A/B)は、1以上2以下とする。A/Bが1未満の時は耐久性が劣る場合がある。また、A/Bが2を超える場合は、熱伝導率が劣る場合がある。
弾性層中の各フィラー群の面積割合の和(A+B)は、0.4以上0.5以下とする。A+Bを0.4以上とすることで、弾性層の高熱伝導化が見込め、A+Bを0.5以下とすることで弾性層の過度の硬度上昇を抑制することができる。
また、長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの例としては、例えば、以下のものが挙げられる。
アルミナとしては、「LS−130」(商品名、日本軽金属社製)、酸化亜鉛としては、「パナテトラWZ−05F1」(商品名、アムテック社製)、酸化マグネシウムとしては、「RF−10C−FC」(商品名、宇部マテリアルズ社製)、酸化ケイ素(シリカ)としては、「S6−5」(商品名、丸東社製)。
すなわち、本開示に係る無機酸化物を含むフィラーとしては、好ましくは、アルミナ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム及び酸化ケイ素からなる群から選択される少なくとも1つである。
弾性層の第1断面及び第2断面において測定されるフィラーの面積割合は、弾性層中のフィラーの体積割合に対応し、長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラーと長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーとの体積配合割合を調整することによって調整することができる。しかし厳密な形状分布が分からない場合には、後述の画像処理で最終的に面積割合比を算出する。
付加硬化型液状シリコーンゴムは、(a)不飽和脂肪族基を有するオルガノポリシロキサン、(b)ケイ素に結合した活性水素を有するオルガノポリシロキサン、(c)触媒(例えば白金化合物)、および(d)硬化遅延剤を含むことができる。
(a)は硬化反応時に架橋点として機能する。(b)は架橋剤である。(c)は硬化反応を促進するための触媒である。(d)は反応開始時間を制御するためのインヒビター(硬化遅延剤)である。
さらに、これらに加え、耐熱性、補強性等を付与するために、それぞれの目的にあった充填剤を混練・分散することもできる。以下に(a)〜(d)について説明する。
不飽和脂肪族基を有するオルガノポリシロキサン(以降、a成分と称することがある)は、ビニル基等の不飽和脂肪族基を有するオルガノポリシロキサンであればいずれのものも用いることができる。例えば、下記式1と式2に示すものをa成分として用いることができる。
また、式1と式2において、R2で表される不飽和脂肪族基としては、ビニル基、アリル基、3−ブテニル基等を例示することができるが、ビニル基であることが好ましい。
ケイ素に結合した活性水素を有するオルガノポリシロキサン(以降、b成分と称することがある)は、白金化合物の触媒作用により、a成分中の不飽和脂肪族基との反応によって架橋構造を形成させる架橋剤である。
b成分は、Si−H結合を有するオルガノポリシロキサンであれば、いずれのものも用いることができるが、例えば、以下の条件を満たすものを好適に用いることができる。なお、b成分は、1種を単独で用いてもよく、また、2種以上を併用してもよい。
・シロキサン骨格(−Si−O−Si−)は、直鎖状、分岐状および環状のいずれであってもよい。
・Si−H結合は、分子中のどのシロキサン単位に存在してもよい。
たとえば、下記式3と式4に示す直鎖状のオルガノポリシロキサンをb成分として用いることができる。
なお、R1は式1と式2で説明したとおり、不飽和脂肪族を含まない非置換炭化水素基であるが、メチル基であることが好ましい。
ヒドロシリル化(付加硬化)触媒としては、例えば、白金化合物を用いることができる。具体的には、白金カルボニルシクロビニルメチルシロキサン錯体、1,3−ジビニルテトラメチルジシロキサン白金錯体等を挙げることができる。以下、これをc成分と称することがある。
ヒドロシリル化(付加硬化)の硬化反応速度を調整するために、硬化遅延剤と呼ばれるものを配合することができる。具体的には、2−メチル−3−ブチン−2−オール、1−エチニル−1−シクロヘキサノール等を挙げることができる。以下、これをd成分と称することがある。
以下、一実施形態としてコロナ帯電器とそれを用いた弾性層への電場付与工程について説明する。コロナ帯電方式にはコロナワイヤーと被帯電体との間にグリッド電極を持つスコロトロン方式と、グリッド電極を持たないコロトロン方式があるが、被帯電体の表面電位の制御性が優れるという観点から、スコロトロン方式が好ましい。
グリッドに印加する電圧の符号はワイヤに印加する電圧の符号と等しくすれば、マイナスでもプラスでも電界の方向は逆になるものの、得られる効果は同じである。熱伝導性のフィラーの種類によっては、不定形フィラーの配向が形成されにくい場合があり、この場合はグリッド206に印加する電圧を大きくすることが好ましい。これはシリコーンゴム成分と熱伝導性のフィラーの誘電率が関係していると推測される。シリコーンゴムとフィラーの誘電率差が大きい場合は比較的小さな印加電圧で第2のフィラーを配向させることが可能である。一方、グリッド206に印加する電圧が大きすぎる場合、組成物層504の表面電荷による静電反発力が大きくなることで液面流動が起こり、組成物層504の表面性が低下する場合がある。したがって、グリッド206に印加する電圧は、絶対値として0.6kV〜2kVの範囲がさらに好ましい範囲である。
弾性層中の第2のフィラーの平均配向角度θAveの確認は、弾性層の断面画像から得られる二値化像を用いて、画像解析を行うことで可能となる。
事前準備として、測定用断面を形成する。
図6に示す、弾性層4の厚み方向−周方向(「厚み−周方向」とも記載する。)の第1断面4Aから5箇、厚み方向−軸方向(「厚み−軸方向」とも記載する。)の第2断面4Bから5箇、予め鋭利なナイフやはさみ等により断面試料片を取得することが好ましい。その後、イオンビームを用いた断面形成方法を用いることが好ましい。イオンビームを用いた断面形成方法を用いることで、断面研磨加工で発生しやすいフィラーの脱落や研磨剤などの余分な成分の混入を防ぐことができる上、研磨痕の少ない断面を形成することができる。イオンビームによる断面形成加工には、一例としてクロスセクションポリッシャを用いることができる。
得られた画像を市販の画像ソフトにより、フィラー部分を白く、シリコーンゴム部分を黒くなるように、白黒二値化処理を行う(図7(b))。二値化の手法としては、例えば大津法を用いることができる。
そして、第1画像及び第2画像の各々から、長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラー7Aの面積割合をAとし、長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラー7Bの面積割合をBとしたときのA/Bを算出する。
λ=α×Cp×ρ
ここで、λは弾性層の厚み方向の熱伝導率(W/(m・K))、αは厚み方向の熱拡散率(m2/s)、Cpは定圧比熱(J/(kg・K))、ρは密度(kg/m3)である。
なお、各パラメータの測定方法は実施例において詳述する。
硬度は、例えば日本産業規格(JIS) K7312に基づいて測定、あるいはマイクロゴム硬度計(MD−1TYPE−C硬度計、高分子計器株式会社製)を用いて測定することができる。
引張弾性率は、弾性層から打ち抜き型(JIS K6251:2004にて規定されるダンベル状8号型)により試料片を切り出し、測定箇所の厚みを測定する。次に、切り出した試料片を、例えば引張試験機(装置名:ストログラフEII−L1、(株)東洋精機製作所製)を用いて、室温で引張り速度200mm/minで引っ張ることにより引張応力を測定する。引張弾性率は、測定結果から横軸に試料片の歪み、縦軸に引張り応力をとったグラフを作成し、歪みが0〜10%の範囲において測定データを線形近似したときの傾きとする。
図4に示す接着層5は、弾性層4と表層(離型層)6とを接着するための接着剤の層である。接着剤としては、自己接着成分を含む付加硬化型液状シリコーンゴム混合物を含む接着剤を好適に用い得る。具体的には、ビニル基に代表される不飽和脂肪族基を分子鎖中に複数有するオルガノポリシロキサンと、ハイドロジェンオルガノポリシロキサンおよび架橋触媒としての白金化合物とを含有する。そして、付加反応により硬化する。このような接着剤としては、既知のものを使用することができる。
自己接着成分の例は、以下のものを含む。
・ケイ素原子数が2個以上30個以下、好ましくは4個以上20個以下の、環状または直鎖状のシロキサン等の有機ケイ素化合物、
・分子中に酸素原子を含んでもよい、非ケイ素系(すなわち、分子中にケイ素原子を含有しない)有機化合物。該有機化合物は、好ましくは、1価以上4価以下、より好ましくは、2価以上4価以下のフェニレン構造等の芳香環を、好ましくは1分子中に1個以上4個以下、より好ましくは1個以上2個以下含有する。かつ、ヒドロシリル化付加反応に寄与しうる官能基(例えば、アルケニル基、アクリロキシ基、メタクリロキシ基)を1分子中に少なくとも1個、好ましくは2個以上4個以下含有する。
このような付加硬化型シリコーンゴム接着剤は市販もされており、容易に入手することができる。
接着層の厚みは20μm以下であることが好ましい。20μm以下とすることで定着部材の熱抵抗を小さく設定でき、内面側(基体側)からの熱を効率的に未定着トナーや紙の如き記録媒体に伝えることができる。
表層6は、フッ素樹脂からなり、成形方法としてはチューブ法やコート法が用いられる。以下に例示する樹脂をチューブ状に成形したものを被覆する、チューブ法について例示する。
・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)、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)等。上記例示列挙した樹脂材料中、成形性やトナー離型性に優れるという観点からPFAが好ましい。
フッ素樹脂チューブの内面は、予め、ナトリウム処理やエキシマレーザ処理、アンモニア処理等を施すことで、接着性を向上させることができる。
フッ素樹脂チューブの被覆方法は特に限定されないが、付加硬化型シリコーンゴム接着剤を潤滑材として被覆する方法や、フッ素樹脂チューブを外側から拡張し、被覆する方法などを用いることができる。
本実施形態に係る熱定着装置は、一対の加熱されたローラとローラ、ベルトとローラ、ベルトとベルト、といった回転体が互いに圧接されるように構成されている。熱定着装置の種類は、熱定着装置が搭載される画像形成装置全体としてのプロセス速度、大きさ等の条件を勘案して適宜選択される。
熱定着装置においては、加熱された定着部材と加圧部材とを圧接することで定着ニップNを形成し、この定着ニップNに未定着トナーによって画像が形成された、被加熱体となる記録媒体Sを挟持搬送させる。未定着トナーによって形成された画像をトナー像tと称する。これにより、トナー像tを加熱、加圧する。その結果、トナー像tは溶融・混色され、その後、冷却されることによって記録媒体上に画像が定着される。
本実施形態に係る画像形成装置は、
感光体と、
該感光体を帯電させる帯電装置と、
帯電した感光体を露光して静電潜像を形成する露光装置と、
該感光体に形成された静電潜像をトナーで現像してトナー像を形成する現像装置と、
該感光体に形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、
上記の熱定着装置と、を有する。
図9は一対の定着ベルト11と加圧ベルト12といった回転体が圧接されている、いわゆるツインベルト方式の熱定着装置であり、定着部材として定着ベルトを備えた熱定着装置の一例の断面模式図である。
加圧側ローラ20は、例えば、外径が20mmで、内径が16mmである厚さ2mmの鉄合金製とされた低摺動性の剛性ローラである。テンションローラ19、加圧側ローラ20の寸法も同様に、加圧ベルト12の寸法に合わせて選択されたものである。
ここで、定着ベルト11と加圧ベルト12との間にニップ部Nを形成するために、加圧側ローラ20は、回転軸の左右両端側が不図示の加圧機構により矢印Fの方向に所定の加圧力にて加熱側ローラ18に向けて加圧されている。
なお、定着ベルトには非接触の除電ブラシ(不図示)、加圧ベルトには接触の除電ブラシ(不図示)を各々設けている。
図10は、本開示の一態様に係る、エンドレス形状を有する電子写真定着部材、すなわち、定着ベルト11と、加圧ローラ33と、定着ベルト11の内部に配置された、該定着ベルトを非輻射熱(non-radiant heating)によって加熱するための加熱体であるセラミックヒータ31とを具備する加熱ベルト−加圧ローラ方式の熱定着装置の例を示す模式図である。なお、本開示に係る熱定着装置において、該定着ベルトを加熱するためのヒータとしては、本態様に示す非輻射熱で該定着ベルトを加熱するヒータに限定されるものではない。例えば、輻射熱によって該定着ベルトを加熱することができる、ハロゲンヒータの如きヒータを用いることもできる。
図10において、円筒状もしくはエンドレス状の定着ベルト11として、上述のようなベルトが用いられる。定着ベルト11は、耐熱性・断熱性のベルトガイド30によって保持されている。ベルトガイド30が定着ベルト11と接触する位置(ベルトガイド30の下面のほぼ中央部)に、定着ベルト11を加熱するセラミックヒータ31が、ガイド長手方向(紙面に垂直な方向)に沿って形成具備させた溝部に嵌入して固定支持させている。そして、定着ベルト11はベルトガイド30にルーズに外嵌されている。また、加圧用剛性ステイ32はベルトガイド30の内側に挿通してある。
プリントスタート信号に基づいて加圧ローラ33の回転が開始され、またセラミックヒータ31のヒートアップが開始される。加圧ローラ33の回転による定着ベルト11の回転周速度が定常化し、セラミックヒータの上面に設けた温度検知素子34の温度が所定温度に昇温した瞬間に、定着ベルト11と加圧ローラ33との間の定着ニップ部Nに記録媒体Sが導入され、加熱される。所定温度とは、例えば180℃である。被加熱材としての未定着トナー画像tを担持した記録媒体Sはトナー像担持面側を定着ベルト11側にして導入される。そして、記録媒体Sは定着ニップ部Nにおいて定着ベルト11を介してセラミックヒータ31の下面に密着し、定着ベルト11と一緒に定着ニップ部Nを移動通過していく。その移動通過の過程において、定着ベルト11の熱が記録媒体Sに付与され、トナー画像tが記録媒体S面に加熱定着される。定着ニップ部Nを通過した記録媒体Sは定着ベルト11の外面から分離して搬送される。
セラミックヒータ31は、ベルトガイド30の下面のほぼ中央部にガイド長手に沿って形成具備させた溝部に、保護層31c側を上向きに嵌入して固定支持させてある。ヒータ基板31aの下面に摺動部材31dを設け、定着ベルト11と接触する定着ニップ部Nにおいて、この摺動部材31dの下面と定着ベルト11の内面とが相互接触して摺動することが好ましい。
以上のように、本開示の一態様によれば、上記のような定着部材が配置された熱定着装置が提供される。したがって定着性能に優れ、かつ高画質な画像を定着させることができる定着部材を配置した熱定着装置を提供することができる。
以上説明したように、本開示の一態様によれば、厚み方向の熱伝導性が高く、高温状態における繰り返しの圧縮によっても破壊や塑性変形が生じにくく、低硬度な弾性層を有する定着部材が提供される。また本開示の他の態様によれば、定着性に優れ、高品位な電子写真画像を形成でき、かつ通紙耐久性に優れる熱定着装置及び画像形成装置が提供される。
[硬度ムラ比較試験]
平行平板電極で作製した弾性層サンプルと、本開示の実施例であるコロナ帯電器で作製した弾性層サンプルとで硬度ムラの比較を行った。
まず、a成分として分子鎖両末端にのみ不飽和脂肪族基であるビニル基を有し、その他不飽和脂肪族基を含まない非置換炭化水素基としてメチル基を有するシリコーンゴムを98.6質量部準備した。このシリコーンゴム(商品名:DMS−V35、Gelest社製、粘度5,000mm2/s)を以降「Vi」と称する。
次いで、d成分として硬化遅延剤である1−エチニル−1−シクロヘキサノール(東京化成工業(株)製)0.2質量部を同質量のトルエンに溶解したものを、混合物1中に添加して混合物2を得た。
上記シリコーンゴム組成物を厚み500μmのアクリルスペーサーと酸化インジウムスズ(以下「ITO」と称する)ガラス電極で挟み込み、一辺の長さ50mmの正方形かつ厚み500μmのサンプル片を作製した。
ITOガラス電極に電源を接続し、交流電圧950V、周波数60Hzを印加させながら、温度80℃の環境下に2時間静置してシリコーンゴムを硬化させた。その後、電極からシリコーンゴム硬化物を剥がし、温度200℃の環境下に30分間静置して二次硬化を行い、平行平板電極サンプルを得た。
ステンレス鋼製のフィルム(以降、「SUSフィルム」ともいう)上に、スリットコーター装置を用いて上記シリコーンゴム組成物の厚み500μmの未硬化膜を形成した。そのSUSフィルムを円筒形の中子に貼り付け、回転させながらコロナ帯電器で帯電処理を行った。条件は、回転速度100rpm、コロナ帯電器のワイヤへの供給電流が−150μA、グリッド電極電位が−950V、帯電時間20秒、グリッド電極と未硬化膜との距離が4mmであった。
この帯電させた未硬化サンプルを160℃の電気炉で1分間加熱した(一次硬化)後、200℃の電気炉で30分間加熱して(二次硬化)、シリコーンゴム組成物を硬化させることによりコロナ帯電サンプルを得た。
得られた各サンプルについて、一辺の長さが50mmの正方形となるように成形し、マイクロゴム硬度計(MD−1TYPE−C硬度計、高分子計器株式会社製)を用いて面内の10箇所にてゴム硬度を測定し、ゴム硬度の平均値と標準偏差を算出した。
結果は、以下のとおりであった。
コロナ帯電サンプル :ゴム硬度平均値64.1°、標準偏差1.7°
平行平板電極サンプル:ゴム硬度平均値65.5°、標準偏差7.3°
平行平板電極サンプルは硬度ムラが大きく、定着部材への適用は困難であることがわかった。
(1)液状付加硬化型シリコーンゴム組成物の調製
硬度ムラ比較試験と同様にして、液状付加硬化型シリコーンゴム組成物を得た。
基体として、内径55mm、幅420mm、厚さ65μmのニッケル電鋳製エンドレスベルトを用意した。なお、一連の製造工程中、エンドレスベルトは、その内部に中子を挿入して取り扱った。
基体の外周面に、プライマー(商品名:DY39−051A/B;東レ・ダウコーニング(株)製)を乾燥質量が50mgとなるように略均一に塗布し、溶媒を乾燥させた後160℃設定の電気炉で30分間の焼付け処理を行った。
次に、コロナ帯電器を、未硬化エンドレスベルトの母線に沿って対向配置し、未硬化エンドレスベルトを100rpmで回転させながら、硬化前の弾性層の表面を帯電させた。条件は、コロナ帯電器の放電ワイヤへの供給電流が−150μA、グリッド電極電位が−950V、帯電時間20秒、グリッド電極とベルトの距離が4mmとした。
次に、硬化したエンドレスベルトの弾性層の表面に、接着層として付加硬化型シリコーンゴム接着剤(商品名:SE1819CV A/B;東レ・ダウコーニング(株)製)を厚さがおよそ20μm程度になるように略均一に塗布して接着剤層を形成した。次いで、該接着層上に、離型層として内径52mm、厚み40μmのフッ素樹脂チューブ(商品名:NSE;グンゼ(株)製)を拡径しつつ積層した。その後、フッ素樹脂チューブの上からベルト表面を均一に扱くことにより、過剰の接着剤を弾性層とフッ素樹脂チューブとの間から扱き出し、接着剤層の厚さが5μm程度まで薄くなるようにした。
このエンドレスベルトを200℃に設定した電気炉にて1時間加熱することで接着剤を硬化させて当該フッ素樹脂チューブを弾性層上に固定した。得られたエンドレスベルトの両端部を切断し、幅が368mmの定着ベルトを得た。
(3−1)弾性層の厚み方向断面におけるフィラーの面積割合と配向性の評価
作製した定着ベルトの弾性層から、厚み−周方向の第1断面から5箇所、厚み−軸方向の第2断面から5箇所の計10箇所を5mm×5mmのサイズに切り出し、イオンビームによる観察断面形成を行った。断面形成にはクロスセクションポリッシャ(商品名:SM09010;日本電子(株)製)を用い、アルゴンガス雰囲気中で印加電圧を4.5Vに設定し、11時間に亘って基体側から定着ベルトの厚み方向に対してイオンビームを照射して観察断面を作製した。
基体側から定着ベルトの厚み方向に対してイオンビームを照射したのは、表層側から照射すると表層のフッ素樹脂の削りカスが表面に付着するためである。得られた観察断面をレーザー顕微鏡(商品名:OLS3000、オリンパス(株)製)で、50倍対物レンズを用いて観察し、150μm×100μmサイズの断面画像を得た。
得られた二値化像から、長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラーの面積割合Aが0.30、長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの面積割合Bが0.16であることがわかった。
次に、長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーに対して平均配向角度θAveを画像処理により算出した結果、平均配向角度θAveは60°であった。
弾性層の厚み方向の熱伝導率λは、以下の式から算出した。
λ=α×Cp×ρ
式中、λは弾性層の厚み方向の熱伝導率(W/(m・K))、αは厚み方向の熱拡散率(m2/s)、Cpは定圧比熱(J/(kg・K))、ρは密度(kg/m3)である。ここで、厚み方向の熱拡散率αと定圧比熱Cpと密度ρの値は以下の方法により求めた。
弾性層の厚み方向の熱拡散率αは、周期加熱法熱物性測定装置(商品名:FTC−1、アドバンス理工(株)製)を用いて、室温(25℃)で測定した。弾性層から面積が8mm×12mmの試料片にカッターで切り取り、計5個の試料片を作製し、それぞれの試料片の厚みをデジタル測長器(商品名:DIGIMICRO(登録商標) MF−501 フラット測定子φ4mm;(株)ニコン製)を用いて測定した。次に、それぞれの試料片に対し、計5回測定し、その平均値(m2/s)を求めた。なお、測定は1kgの重りを使用して試料片を加圧しながら行った。
その結果、シリコーンゴム弾性層の厚み方向の熱拡散率αは6.33×10−7m2/sであった。
弾性層の定圧比熱は、示差走査熱量測定装置(商品名:DSC823e、メトラー・トレド(株)製)を用いて測定した。
具体的には、試料用のパン及び参照用のパンとして、アルミニウム製のパンを用いた。まず、ブランク測定として、両方のパンが空の状態で、10分間、15℃の定温に保った後、215℃まで10℃/分の昇温速度で昇温し、さらに10分間、215℃の定温で保つプログラムで測定を実施した。次に、定圧比熱が既知である10mgの合成サファイアを基準物質に用い、同じプログラムで測定を行った。
次いで、基準物質の合成サファイアと同量の10mgの測定試料を弾性層から切り出した後、試料パンにセットし、同じプログラムで測定を実施した。これらの測定結果を上記示差走査熱量測定装置に付属の比熱解析ソフトウェアを用いて解析し、5回の測定結果の平均値から、25℃における定圧比熱CPを算出した。
その結果、シリコーンゴム弾性層の定圧比熱は、0.94J/(g・K)であった。
弾性層の密度は、乾式自動密度計(商品名:アキュピック1330−01、(株)島津製作所製)を用いて測定した。
具体的には、10cm3の試料セルを用い、セル容積のおおよそ8割程度を満たすように試料片を弾性層から切り出し、この試料片の質量を測定した後、試料セルに入れた。この試料セルを装置内の測定部にセットし、測定用のガスとしてヘリウムを用い、ガス置換の後、容積測定を10回実施した。各回について試料片の質量と測定された容積から、弾性層の密度を算出し、その平均値を求めた。
その結果、シリコーンゴム弾性層の密度は2.35g/cm3であった。
弾性層が低硬度であることを確認するために、弾性層の引張り弾性率を測定した。具体的には、弾性層から打ち抜き型(JIS K6251:2004にて規定されるダンベル状8号型)により試料片を切り出し、測定箇所である中央付近の厚みを測定した。次に、切り出した試料片を、引張試験機(装置名:ストログラフEII−L1、(株)東洋精機製作所製)を用いて、引張り速度200mm/min、室温にて試験した。なお、引張り弾性率は、測定結果から横軸に試料片の歪み、縦軸に引張り応力をとったグラフを作成し、歪みが0〜10%の範囲において測定データを線形近似したときの傾きとした。
その結果、弾性層の引張り弾性率は0.63MPaであった。
得られた定着ベルトから、サイズが50mm×50mmのサンプル片を4個切り出し、各サンプル片をステンレス板(SUS板)40(図11)上に支持して4つの試験片を形成した。
この試験片4個について、図11に示す治具を用いて高温耐圧性を評価した。この治具ではヒータ41とサーミスタ42とによってサンプル(定着ベルト11)の表面温度を高温に設定した状態で押し付けコロ43(幅10mm、直径15mm)を相対的に左右に往復移動させて、高温耐圧性を評価できるようになっている。
この試験においては、各試験片の表面の温度240℃とし、荷重15Nで、押し付けコロ43を相対的に左右に往復移動させ、サンプル片が破壊、または塑性変形するまでの時間の平均値を求めた。また、試験時間が10時間経過した時点でサンプル片に破壊や塑性変形が生じなかった場合は、耐久性が良好であると評価して試験を終了した。
その結果、本実施例では10時間経過してもサンプル片の破壊や塑性変形が発生せず耐久性は良好だった。
前記のようにして得られた定着ベルトを、電子写真方式の複写機(商品名:imagePRESS(登録商標) C850、キヤノン(株)製)の熱定着装置に組み込んだ。
この熱定着装置を装着した複写機を用いて、厚紙の定着性試験を行った。また、普通紙を用いて定着性評価、画質評価、及び通紙耐久試験を行った。
その結果、標準よりも10℃下げた185℃温調でもトナーが紙に定着しており、定着ベルト弾性層の熱伝導性が非常に優れていることがわかった。
その結果、弾性層の低硬度や硬度ムラが無いことに起因して、光沢ムラがなく、画質は極めて優れていた。弾性層の硬度が高かったり、硬度ムラがあったりすると、紙繊維の凹凸への追従性が損なわれ、光沢ムラが生じるが、そのような光沢ムラは生じなかった。
本実施例においては60万枚を超えても画像不良が発生しなかったため、耐久性が良好であると判断した。
フィラーの球状アルミナと不定形アルミナの混合比率を調整し、長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラーの面積割合A、長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの面積割合Bのそれぞれを表1に示す値とした。この点以外は実施例1と同様にして、定着ベルトを作製し、評価した。
フィラーの球状アルミナと不定形アルミナの混合比率を調整するとともに、球状フィラーのシリカ(商品名:トスパール、東芝シリコーン(株)製)を添加した。
そして、長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラー(アルミナ+シリカ)の面積割合Aを0.25とし、長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラー(アルミナ)の面積割合Bを0.17とした。
上記の点以外は実施例1と同様にして、定着ベルトを作製し、評価した。
フィラーとして球状に近い酸化マグネシウム(商品名:SL−WR、神島化学工業(株)製)と不定形の酸化マグネシウム(商品名:RF−10C−FC、宇部マテリアルズ(株)製)を用いた。
そして、長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラーの面積割合Aを0.20とし、長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの面積割合Bを0.20とした。
上記の点以外は実施例1と同様にして、定着ベルトを作製し、評価した。
フィラーとして球状に近い酸化亜鉛(商品名:LPZINC−11;堺化学工業(株)製)と不定形の酸化亜鉛(商品名:パナテトラWZ−05F1、松下アムテック(株)製)を用いた。
そして、長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラーの面積割合Aを0.25とし、長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの面積割合Bを0.20とした。
上記の点以外は実施例1と同様にして、定着ベルトを作製し、評価した。
電場付与を行わなかったこと以外は実施例1と同様にして、定着ベルトを作製し、評価した。
電場付与を行わず、かつ、フィラーの球状アルミナと不定形アルミナの混合比率を調整し、長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラーの面積割合Aを0.30とし、長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの面積割合Bを0.25とした。
上記の点以外は実施例1と同様にして、定着ベルトを作製し、評価した。
フィラーの球状アルミナと不定形アルミナの混合比率を調整し、長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラーの面積割合A、長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの面積割合Bのそれぞれを表1に示す値とした。この点以外は実施例1と同様にして、定着ベルトを作製し、評価した。
(1)定着性
ランクA:標準温調(195℃)よりも15℃下げた温調にてトナーが紙に定着した。
ランクB:標準温調(195℃)よりも10℃下げた温調にてトナーが紙に定着した。
ランクD:標準温調(195℃)よりも10℃下げた温調にてトナーが紙に定着しなかった。
(2)画質
ランクA:光沢ムラがなく極めて優れていた。
ランクB:光沢ムラがなく優れていた。
ランクC:やや光沢ムラがあった。
ランクD:光沢ムラがあった。
− :画質未評価
電場を付与していない比較例1は長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーが配向していない(平均配向角度θAveが50°未満)。
一方、電場を付与した実施例1は長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーが厚み方向に配向して(平均配向角度θAveが50°以上90°以下)、厚み方向の熱伝導率が高くなった。
具体的には、すべての実施例において、厚み方向の熱伝導率は1.30W/(m・K)以上であり定着性が良く、特に厚み方向の熱伝導率が1.60W/(m・K)以上のものはさらに定着性が良い。
一方、厚み方向の熱伝導率が1.30W/(m・K)未満である比較例1,3,5では定着性が低かった。
その結果、実施例1〜7に係る定着部材は、定着ニップにおいて記録媒体である紙の繊維の凹凸に追従することができ、トナーの軟化・溶融ムラが発生しにくく、高画質な画像が得られることがわかる。
一方、引張弾性率が1.20MPaを超える比較例2では高画質な画像が得られなかった。
2 コロナ帯電器
3 基体
4 弾性層
4A 第1断面
4B 第2断面
5 接着層
6 表層
7 フィラー
7A 長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラー
7B 長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラー
11 定着ベルト
12 加圧ベルト
13 誘導加熱部材
13a 誘導コイル
13b 励磁コア
13c コイルホルダー
14 励磁回路
15 温度検知素子
16 制御回路部
17 ローラ
18 加熱側ローラ
19 テンションローラ
20 加圧側ローラ
21 定着パッド
22 加圧パッド
23、24 摺動シート
25 分離部材
30 ベルトガイド
31 セラミックヒータ
31a ヒータ基板
31b 発熱層
31c 保護層
31d 摺動部材
32 ステイ
33 加圧ローラ
33a 芯金
33b 弾性層
34 温度検知素子
40 ステンレス板
41 ヒータ
42 サーミスタ
43 押し付けコロ
N 定着ニップ
t 未定着トナー
S 記録媒体
M モータ
Claims (9)
- 基材と、
該基材の外周上に設けられた弾性層と、を有する電子写真定着部材であって、
該弾性層は、無機酸化物を含むフィラーを含み、
(1)該弾性層の厚み−周方向の第1断面の二値化像、および、該弾性層の厚み−軸方向の第2断面の二値化像において、
該フィラーのうち、該フィラーの形状を楕円近似したときに
長軸/短軸が1.5未満の第1のフィラーの面積割合をAとし、
長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの面積割合をBとしたとき、
1.0≦(A/B)≦2.0、かつ、0.40≦(A+B)≦0.50であり、
(2)長軸/短軸が1.5以上の第2のフィラーの該弾性層の厚み方向に対する平均配向角度θAveが、50°≦θAve≦90°
であることを特徴とする電子写真定着部材。 - 前記弾性層の厚み方向の熱伝導率が1.30W/(m・K)以上2.00W/(m・K)未満である請求項1に記載の電子写真定着部材。
- 前記フィラーが、アルミナ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム及び酸化ケイ素からなる群から選択される少なくとも一つを含む請求項1又は2に記載の電子写真定着部材。
- 前記弾性層が、シリコーンゴムをバインダーとして含む請求項1〜3のいずれか一項に記載の電子写真定着部材。
- 前記電子写真定着部材が、エンドレス形状を有する定着ベルトである請求項1〜4のいずれか一項に記載の電子写真定着部材。
- 前記電子写真定着部材が、非輻射熱によって加熱された定着ベルトを用いて記録媒体上の未定着トナー像を定着する定着装置の該定着ベルトとして用いられるものである請求項5に記載の電子写真定着部材。
- 記録媒体上の未定着トナー像を電子写真定着部材で加熱して該記録媒体上に定着させる定着装置であって、
該電子写真定着部材が、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電子写真定着部材であることを特徴とする定着装置。 - 前記電子写真定着部材が、請求項5または6に記載の定着ベルトであって、
該定着装置が、該定着ベルトと、該定着ベルトに対向して配置されている加圧部材と共に定着ニップを形成し、
該定着ベルトを非輻射熱で加熱するヒータが該定着ベルトの内周面に接している請求項7に記載の定着装置。 - 感光体と、
該感光体を帯電させる帯電装置と、
帯電した感光体を露光して静電潜像を形成する露光装置と、
該感光体に形成された静電潜像をトナーで現像してトナー像を形成する現像装置と、
該感光体に形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、
定着装置と、
を有する画像形成装置であって、
該定着装置が、記録媒体上の未定着トナー像を電子写真定着部材で加熱して該記録媒体上に定着させる定着装置であって、
該電子写真定着部材が、請求項1〜6のいずれか一項に記載の電子写真定着部材である
ことを特徴とする画像形成装置。
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2020
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