JP2023019046A - 定着ベルトおよび定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 定着ベルトの内面摺動層全体が不均一な面粗さによって定着ベルトの一部分で粗さが小さいことによるトルクアップや、粗さが大きいことによる摺動層の削れといった問題が発生してしまう課題があった。【解決手段】 定着部材は、少なくとも外側から表面層、基層、樹脂からなる摺動層の３層からなる無端状の定着部材において、前記摺動層の厚みが８～２０μｍであり、前記摺動層が前記基層と接していない面側にベナール対流型のセル構造を有し、前記摺動層にＤ５０が４．５μｍ以下且つアスペクト比５０未満の添加剤を有する。【選択図】 図５

Description

本発明は、電子写真画像形成装置の加熱定着装置に用いられる定着ベルト及び定着装置に関する。

電子写真装置用の定着装置においては、従来、定着ローラ方式が一般的であったが、定着ローラの熱容量が大きいために加熱に時間がかかり、始動時の待ち時間が長く、消費電力も大きいことから、近年では、熱伝達効率が高く、装置の立ち上がりが速いオンデマンド方式として、熱容量の小さい定着ベルトを介して、ヒータの熱により転写紙上のトナーを加熱するベルト加熱方式の定着装置が採用されるようになった。

ベルト定着装置は特許文献１および２に記載されるような、固定支持された加熱体として例えばセラミックヒータと、該加熱体と摺動する伝熱部材としての定着ベルトと、該定着ベルトを介して前記加熱体に圧接して定着ニップ部を形成する加圧部材としての弾性加圧ローラを有し、定着ニップ部の定着ベルトと弾性加圧ローラとの間で未定着トナー像を担持した記録材を挟持搬送させて定着ベルトを介した該加熱体からの熱により未定着トナー像を記録材上に加熱溶融定着させるものである。

定着ベルトの基本構成としては、少なくとも、熱容量の小さい薄肉の円筒状基体と、定着時にトナー画像と用紙の凹凸に対して均一な圧力を与えるためのシリコーンゴム弾性層と、トナーとの離型性を保つためのフッ素樹脂離型層とを備えている。円筒状基体が耐熱性樹脂からなる場合、円筒状基体自体の内周面が加熱体との摺動層となるが、円筒状基体が金属からなる場合は、加熱体との摺動性を保つための耐熱性樹脂からなる内面摺動層を備えることが多く、内層から外層に向かって、内面摺動層、円筒状基体、シリコーンゴム弾性層、フッ素樹脂離型層、という構成となっている。

ベルト定着装置は、定着ベルト内部に固定支持された加熱体が設けられ、該加熱体と弾性加圧ローラとの間に定着ベルトと被定着部材が挟持搬送され定着する方式であるため、定着ベルトの内周面と固定支持された加熱体との間に摩擦磨耗を生じる。その結果、耐久が進むにつれ、スティックスリップと呼ばれる自励振動（以下フィルム鳴き）や、トルクアップといった問題が発生してしまう。

これらへの対策として、特許文献３では定着ベルトの内面の摺動層に摺動性のフィラーを添加することで内面の粗くして問題を解決している。

また、内面の面粗さを発生させるためにフィラーを添加することで摺動層の樹脂を形成する工程で、ベナール・マランゴニ対流を発生させ内面にセルを作ることで面粗さを発現させるといった手段が提案されている。

特開昭６３－３１３１８２号公報 特開平２－１５７８７８号公報 特開２０１４－２２８７２９号公報

しかし、添加剤によってベナール・マランゴニ対流で作られたセルは、添加剤のアスペクトが大きいと塗工時の膜厚みに依存して面粗さが変わってしまい、製造時に厚みが振れることで、粗さが安定しないといった課題があった。また、製造時に厚みが不均一になることで、定着ベルトの内面摺動層全体が不均一な面粗さによって定着ベルトの一部分で粗さが小さいことによるトルクアップや、粗さが大きいことによる摺動層の削れといった問題が発生してしまう課題があった。

本発明の目的は、定着ベルトの一部分でのトルクアップや定着ベルトの一部分での摺動層の削れを防止することができる定着装置を提供することにある。

筆者らが鋭意検討を行った結果、以下のようにすることで、膜厚みに依存せずに一定の面粗さを発現させることを可能とした。

すなわち、本発明の定着部材は、少なくとも外側から表面層、基層、樹脂からなる摺動層、の３層からなる無端状の定着部材において、前記摺動層の厚みが８～２０μｍであり、前記摺動層が前記基層と接していない面側にベナール対流型のセル構造を有し、前記摺動層にＤ５０が４．５μｍ以下且つアスペクト比５０未満の添加剤を有することを特徴とする。

本発明によれば、厚みによらず均一な粗さを持つ摺動層を形成することで、均一な面粗さによって定着ベルトの一部分でのトルクアップや摺動層の削れが定着ベルトの一部分で発生を防ぐことができる。

本実施例に用いた画像形成装置の概略断面図である。 本実施例に用いた定着装置の概略断面図である。 本実施例に用いた定着ベルトの概略図である。 本実施例に用いたリングコート装置の模式図である。 本実施例の諸元をまとめた図である。

次に、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明の範囲はこの形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を損ねない範囲で変更されたものも本発明に含まれる。

（１）画像形成装置の構成概略；
図１は、本実施例で用いた画像形成装置の概略断面図である。１０１は像担持体としての感光ドラムであり、矢印の反時計方向に所定のプロセス速度（周速度）で回転駆動される。感光ドラム１０１はその回転過程で帯電ローラ等の帯電装置１０２により所定極性に帯電処理される。

次いで、その帯電処理面にレーザ光学系１１０から出力されるレーザ光１０３により、入力された画像情報に基づき露光処理される。レーザ光学系１１０は不図示の画像読み取り装置等の画像信号発生装置からの目的画像情報の時系列電気デジタル画素信号に対応して変調（オン／オフ）したレーザ光１０３を出力して感光ドラム１０１面を走査露光するものである。その結果、この走査露光により感光ドラム１０１面には画像情報に対応した静電潜像が形成される。１０９はレーザ光学系１１０からの出力レーザ光１０３を感光ドラム１０１の露光位置に偏向させるミラーである。

そして、感光ドラム上に形成された静電潜像は、現像装置１０４のうちのイエロー現像器１０４Ｙによりイエロートナーにて可視像化される。このイエロートナー像は感光ドラム１０１と中間転写ドラム１０５との接触部である１次転写部Ｔ１において中間転写ドラム１０５面に転写される。なお、感光ドラム１０１面上に残留するトナーはクリーナ１０７によりクリーニングされる。上記のような帯電・露光・現像・一次転写・清掃のプロセスサイクルが、マゼンタトナー像（現像器１０４Ｍが作動）、シアントナー像（現像器１０４Ｃが作動）、ブラックトナー像（現像器１０４Ｋが作動）を形成すべく、同様に繰り返される。このようにして中間転写ドラム１０５上に順次重ねて形成された各色のトナー像は、転写ローラ１０６との接触部である二次転写部Ｔ２において、記録材Ｐ上に一括して二次転写される。中間転写ドラム１０５上に残留するトナーはトナークリーナ１０８によりクリーニングされる。

なお、このクリーナ１０８は、中間転写ドラム１０５に対し接離可能とされており、中間転写ドラム１０５をクリーニングする時に限り中間転写ドラム１０５に接触した状態となるように構成されている。また、転写ローラ１０６も、中間転写ドラム１０５に対し接離可能とされており、二次転写時に限り中間転写ドラム１０５に接触した状態となるように構成されている。二次転写部Ｔ２を通過した記録材Ｐは、画像加熱装置としての定着装置１００に導入され、その上に担持した未定着トナー像の定着処理（画像加熱処理）を受ける。そして、定着処理を受けた記録材Ｐは、機外に排出されて、一連の画像形成動作が終了する。

（２）定着装置の構成概略；
図２は、定着装置１００の概略断面図である。１は弾性層を備えた円筒状の定着ベルト（エンドレスベルト）である。６は定着ベルトとの間で定着ニップ部１４を形成する加圧部材としての加圧ローラである。２は加熱体としての定着ヒータであり、４は耐熱性を有するフィルムガイド兼ヒータホルダである。定着ヒータ２は、フィルムガイド兼ヒータホルダ４の下面に該フィルムガイド兼ヒータホルダ４の長手に沿って固定されており、定着ベルト１とその加熱面が摺動可能な構成とされている。

そして、定着ベルト１はこのフィルムガイド兼ヒータホルダ４に若干の自由度を持って外嵌されている。フィルムガイド兼ヒータホルダ４は、耐熱性の高い液晶ポリマー樹脂で形成されており、定着ヒータ２を保持するとともに定着ベルト１を記録材Ｐと分離させるための形状にする役割を果たしている。加圧ローラ６は、ステンレス製の芯金上に、厚み約３ｍｍのシリコーンゴム層、さらに厚み約４０μｍのＰＦＡ樹脂チューブが順に積層された多層構造とされている。この加圧ローラ６の芯金の両端部が装置フレーム１３の不図示の奥側と手前側の側板間に回転可能に軸受保持されている。この加圧ローラ６の上側に、定着ヒータ２、フィルムガイド兼ヒータホルダ４、定着ベルトステイ５、定着ベルト１を備えた定着ユニットが設置される。

この定着ユニットは、定着ヒータ２側を下向きにして加圧ローラ６に平行に設置されている。定着ベルトステイ５の両端部は不図示の加圧機構によりその一端側が１５６．８Ｎ（１６ｋｇｆ）、総圧３１３．６Ｎ（３２ｋｇｆ）の力で加圧ローラ６に付勢されている。その結果、定着ヒータ２の下面（加熱面）を、定着ベルト１を介して加圧ローラ６の弾性層に抗して所定の押圧力をもって圧接させ、定着に必要な所定幅の定着ニップ部１４が形成されている。３は、温度検知手段としてのサーミスタである。サーミスタ３（ヒータ温度センサ）は、熱源である定着ヒータ２の裏面（加熱面とは反対側の面）に設置され、定着ヒータ２の温度を検知する機能を担っている。加圧ローラ６は矢印の方向に所定の周速度で回転駆動される。これと圧接された関係にある定着ベルト１は加圧ローラ６によって従動し所定の速度で回転する。このとき、定着ベルト１の内面が定着ヒータ２の下面に密着して摺動しながらフィルムガイド兼ヒータホルダ４の外回りを矢印の方向に従動回転状態になる。

定着ベルト１内面には後述する半固形状潤滑剤が塗布され、フィルムガイド兼ヒータホルダ４と定着ベルト１内面との摺動性を確保している。サーミスタ３は、定着ヒータ２の裏面に接触するよう配置され、Ａ／Ｄコンバータ９を介して制御手段としての制御回路部（ＣＰＵ）１０に接続されている。この制御回路部（ＣＰＵ）１０はそれぞれのサーミスタからの出力を所定の周期でサンプリングしており、このように得られた温度情報を温度制御に反映させる構成となっている。つまり、制御回路部（ＣＰＵ）１０は、サーミスタ３の出力をもとに、定着ヒータ２の温調制御内容を決定し、電力供給部であるヒータ駆動回路部１１によって、定着ヒータ２の温度が目標温度（設定温度）となるように定着ヒータ２への通電を制御する役割を果たしている。

また、制御回路部（ＣＰＵ）１０は、後述する定着ベルト寿命見積もりシーケンスの制御をする役割も果たしており、加圧ローラ６の駆動モータとＡ／Ｄコンバータ９を介して接続されている。定着ヒータは、アルミナの基板と、この上に、銀・パラジウム合金を含んだ導電ペーストをスクリーン印刷法によって均一な１０μｍ程度の厚さの膜状に塗布された抵抗発熱体を有している。さらに、この上に、耐圧ガラスによるガラスコートが施された、セラミックヒータとされている。

（３）定着ベルトの構成概略；
図３は本実施例で得られた定着ベルト1の概略図である。１ｃは円筒状基体 、１ｂは円筒状基体１ｃの内周面に配された内面摺動層であり、接着剤層を介して配してある。１ａは内面摺動層に配合された針状の形状異方性フィラーであり、定着ベルトの長手方向に沿って配してある。１ｄは円筒状基体１ｃの外周面を被覆したシリコーンゴム弾性層であり、プライマー層を介して配してある。１ｅはフッ素樹脂表層としてのフッ素樹脂チューブであり、シリコーンゴム弾性層１ｄ上にシリコーンゴム接着剤層を介して配してある。

以下に具体的に説明する。

（４）円筒状基体；
定着ベルトには耐熱性が要求される為、円筒状基体１ｃは、耐熱、耐屈曲性に配慮されたものを用いるのが好ましい。例えば、金属基体としては、特開２００２－２５８６４８、特ＷＯ０５／０５４９６０、特開２００５―１２１８２５などのようにニッケル電鋳やステンレス鋼といった金属材料を用いることができる。本実施例では、ステンレス鋼の３０４を使用した。

（５）内面摺動層；
内面摺動層１ｂとしては、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂のような高耐久性、高耐熱性を持つ樹脂が適している。特に、製造の容易さ、耐熱性、弾性率、強度等の面から、ポリイミド樹脂が好ましく、本実施例でもポリイミド樹脂を内面摺動層として用いた。

また、摺動性能改善のために、グラファイト、二硫化モリブデン、フッ素樹脂、などの粒子を添加することが望ましい。製造の容易さ、耐熱性、潤滑性、などの面から、雲母が好ましく、本実施例でも雲母を添加剤として用いた。

（５－１）ポリイミド前駆体溶液
ポリイミド内面摺動層は芳香族テトラカルボン酸二無水物或いはその誘導体と、芳香族ジアミンとの略等モルを有機極性溶媒中で反応させて得られるポリイミド前駆体溶液を、前記円筒状基体の内面に塗布、乾燥、加熱し、脱水閉環反応により形成される。

芳香族テトラカルボン酸の代表例としては、ピロメリット酸二無水物、３，３’，４，４‘－ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４‘－ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、２，３，６，７，－ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、などが挙げられる。これら芳香族テトラカルボン酸は、単独あるいは２種以上組合せて用いることが出来る。

芳香族ジアミンとしての代表例としては、４，４‘－ジアミノジフェニルエーテル、パラフェニレンジアミン、ベンジジンなどが挙げられる。これら芳香族ジアミンは、単独あるいは２種以上組合せて用いることが出来る。

前記の有機極性溶媒としては、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、Ｎ－メチル－２－ピロリドン、フェノール、Ｏ－，Ｍ－，Ｐ－クレゾール、などが挙げられる。

（５－２）添加剤
添加剤としては、摺動層に凹凸を発生させる目的から、粒子径を選定する必要がある。粒子径としては、８～２０μｍの摺動層膜厚に対してセルの発現の観点から４．５μｍ未満の粒径が望ましい。

また、摺動層に潤滑性を発生させる目的から、潤滑能を有する材質を選定する必要がある。また、摩耗性および摺動層から脱離した場合に、摺動関係部材の摩耗を誘発しないことも求められるため、適度な硬さを選定する必要がある。これらの条件を考慮し、添加剤としては、４フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）、グラファイト、二硫化モリブデン、雲母、などが好適である。

（５－３）ポリイミド樹脂摺動層の形成
塗工方法はリングコート法等の方法が可能である。図４はリングコート法の塗工装置の概略図である。基盤２１上に支柱２０１、２０２が形成されている。塗工ヘッド２２は、支柱２０１上に塗工ヘッド２２が固定されており、塗工液供給装置が接続（不図示）されている。

支柱２０２には、円筒状基体２４を保持するワークハンド２５がワーク移動装置２６形成されている。支柱２０２上に設けられたモータによりワーク移動装置２６は、上下に移動することができ、ワーク移動装置の形成されたワークハンド２５もワーク移動装置２６の移動により上下に移動することができる。

塗工ヘッド２２の外周囲に円柱の軸と直行するスリット（不図示）が形成されており、該スリット部から均等に添加剤配合したポリイミド前駆体溶液２３が供給され、円筒状基体２４を塗工ヘッド２２の外周に沿って移動させ、円筒状基体２４の内面の塗工を行なう。この装置において、摺動層の厚みは塗布量によって決定し、クリアランス、ポリイミド前駆体溶液２３の供給速度、ワーク移動装置２６の移動速度を変更することで任意の塗布量（膜厚さ）を得ることができる。

塗工後は、内面塗工された円筒状基体を、例えば８０℃から１５０℃の熱風循環炉に５分から３０分焼成することで溶剤分を乾燥後、２００℃から２４０℃での熱風循環炉内に５分から６０分焼成、３５０℃から４００℃の熱風循環炉内に１０分から６０分焼成することでワニスの突沸を防いだ均一なポリイミド内面摺動層を形成することができる。

円筒状基体自体にポリイミド樹脂を用いる場合に関しても、基本的には同様で、従来から知られた製造方法、すなわち、円筒状芯体の外面若しくは内面にポリイミド前駆体溶液を塗布し、ポリイミド前駆体溶液の塗布層を乾燥後、芯体表面に付着した状態で加熱硬化（イミド化）するか、あるいは管状物としての構造を保持し得る強度まで固化した時点で、芯体表面から塗布層を取り外し、次の工程で加熱硬化する方法で作製可能である。

本発明に関する、添加剤について記載する。本実施例では前記添加材として、ＭＫ－１００（片倉コープアグリ）の雲母を使用した。ＭＫ－１００はアスペクト比が３０~５０であり、粒径はＤ５０が４．５μｍである。雲母量をポリイミド前駆体溶液を１００部としたときに４．５部添加した。前記ポリイミド前駆体溶液はＵ-ワニス-Ａ、Ｕ-ワニス-Ｓ３０１とＵ-ワニス-Ｓ（宇部興産）を５：３：２の割合で混合したものを使用した。塗工後は、内面塗工された円筒状基体を、例えば１５０℃の熱風循環炉に５分焼成することで溶剤分を乾燥後、２００℃で熱風循環炉内に６０分焼成、３５０℃で熱風循環炉内に６０分焼成をおこない、ポリイミド樹脂摺動層を形成した。

本実施例の評価結果を図５に示す。比較例としてアスペクト比が５０以上、粒径はＤ５０が５μｍであるＰＤＭ－５Ｂ（トピー工業）を使用した。比較例の焼成条件は本実施例と同様である。前記摺動層の厚みを１０、１２、１４μｍと振った時の面粗さＲａの結果である。比較例は厚みが厚くなるにつれ、Ｒａが大きくなる傾向にあるが、本実施例では厚みに依存せずに一定の粗さである。

本実施例および比較例の定着ベルトを製作、評価したことで、摺動層の厚みに依存せずに内面粗さを均一とすることが確認できた。

１ 定着ベルト
１ｅ 表面樹脂層（フッ素樹脂）
１ｄ 弾性層（シリコーンゴム）
１ｃ 円筒状基材
１ｂ 内面樹脂層
１ａ 添加剤
２２ リングコートノズル（塗布液吐出部）
２３ ポリイミド前駆体溶液
２４ 定着ベルト基材
２７ 駆動モータ
１００ 定着装置
ｔ 未溶融トナー
Ｐ 記録材

Claims (4)

1. 少なくとも外側から表面層、基層、樹脂からなる摺動層、の３層からなる無端状の定着部材において、
   前記摺動層の厚みが８～２０μｍであり、前記摺動層が前記基層と接していない面側に表面方向からの投影平均直径５０μｍ以上２００μｍ未満のベナール対流型のセル構造を有し、
   前記摺動層にＤ５０が４．５ μｍ以下且つアスペクト比５０未満の添加剤を有することを特徴とする定着部材。
2. 添加剤が雲母であることを特徴とする請求項１の定着部材。
3. 樹脂層はポリイミド樹脂であることを特徴とする請求項１の定着部材。
4. 添加剤は摺動層の樹脂部に対して５重量％以上４０重量％以下であるあることを特徴とする請求項１の定着部材。
   

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