JP3667651B2 - 弾性及び断熱性を備えたローラ及びこれを用いた加熱装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、乾式電子写真機器における加熱装置、湿式電子写真機器及びインクジェットプリンタにおける乾燥装置、並びにリライタブルメディア用消去装置等で好適に用いられる弾性及び断熱性を備えたローラ及びこれを用いた加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加熱装置の一種である定着装置に用いられる定着ローラには、熱効率及びいわゆるニップ圧の均一化の観点から、断熱性及び弾性を備えていることが望まれる。
【０００３】
従来、アルミニウム等の中空芯金よりなる定着ローラの内部にハロゲンランプを配置し、ハロゲンランプを発熱させて定着ローラを所定の温度に設定する構成のものがあったが、この構成においては、ハロゲンランプによる熱変換率が低く、また、ハロゲンランプによる間接的な加熱であるため、ハロゲンランプから定着ローラの中空芯金への熱伝達効率が低かった。また、中空芯金内部の空気に対する放熱が避けられなかった。
【０００４】
さらに、強度上の問題から、定着ローラ芯金の肉厚を薄くすることには限界があり、定着ローラの熱容量が大きかった。
【０００５】
これらにより、定着ローラの加熱開始時の立ち上がりが遅くなり、ウォームアップ時間が長いといった問題があった。
【０００６】
そこで、このような問題を解決するものして、特開昭５９−４６６６８号公報には、中空壁を鏡面にし、真空にした金属ローラの外周に内側から、発熱層、熱伝導層、オフセット防止層（被覆層）を順次形成した定着ローラが開示されている。
【０００７】
このような構成の定着ローラにおいては、定着ローラ自体に発熱層が設けられ、定着ローラが発熱するため、熱変換効率、熱伝達効率に優れており、定着ローラ中心部に位置する金属ローラの中空壁内部が真空であるため、中空部での空気を介しての放熱がないことから、加熱開始時の立ち上がりが速く、ウォームアップ時間の短縮が図れる、とされている。
【０００８】
ところが、上記特開昭５９−４６６６８号公報に開示されている定着ローラにおいては、依然として、強度上の問題から、定着ローラの熱容量の低減化は図れていない。
【０００９】
ここで、一般に、ウォームアップ時間の短縮には、熱変換効率、熱伝達効率の向上や、中空部への空気放熱防止よりも、定着ローラの熱容量低減の方が効果があるとされている。特に、カラー用定着ローラにおいては、オフセット防止層（被覆層）として、厚肉（１〜２ｍｍ）のシリコンゴム層が一般的に用いられるが、この被覆層の熱容量は芯金以上に大きくなることが多い。
【００１０】
よって、ウォームアップの短縮には被覆層の低熱容量化が必要不可欠であるが、上記の定着ローラの構成ではこの点が何ら改善されていない。
【００１１】
また、定着装置では表面に弾性体層を有し、定着ローラと圧接することで所定のニップ幅を確保するための加圧ローラが使用される。このとき、定着ローラから加圧ローラへの熱拡散による加熱効率の低下も、定着装置のウォームアップ時間を短縮するための弊害となっているが、上記構成のローラにおいては、弾性を備えていないため、このような弾性を必要とするローラには適用できなかった。
【００１２】
そこで、特開平８−１２９３１３号公報には、内部に弾性体層を備え、その外部に厚さ１０〜１５０μｍの金属スリーブを設けた加熱ローラにおいて、該金属スリーブを外部から加熱する構成が記載されている。
【００１３】
この構成では、加熱ローラが薄い金属スリーブで形成されているので、熱容量を小さくできるためウォームアップ時間を短縮でき、また、金属スリーブは適度な剛性を有しており、芯金の上に固定された弾性体層の上に固定されているので、耐久性に優れている、とされている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−１２９３１３号公報に開示されている定着ローラにおいては、金属スリーブは非常に薄肉で熱容量は非常に小さいものの、金属スリーブに与えられた熱、又は金属スリーブで発生した熱が、内部の弾性体層に逃げるために、例えば中空芯金を鉄製とすることで肉厚０．３〜０．５ｍｍ程度にまで薄肉化を図った従来型の定着ローラと比較すると、加熱効率は低く、その結果として、ウォームアップ時間としてはほとんど変わらなった。
【００１５】
特に、金属スリーブと弾性体層との固定に接着剤を使用すると、金属スリーブの熱容量に接着剤の熱容量が付加され、金属スリーブの見かけの熱容量が増加するとともに、弾性体層への熱伝導性もよくなることから、加熱効率が更に悪くなる。といった課題があった。
【００１６】
この発明の目的は、断熱性に優れ、加熱による立ち上がりが速く、弾性を必要とするローラにも適用可能な弾性及び断熱性を備えたローラ及びこれを用いた加熱装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明は以下の構成を備えている。
【００１８】
（１）中心軸を含む芯材と、該芯材外周に形成された弾性体層と、該弾性体層の外周に形成された金属スリーブとを備えたローラにおいて、
該弾性体層は、その外周に設けられた前記金属スリーブを含む被覆部材により密閉されているとともに、それぞれの空気密度が大気中の空気密度よりも低い複数の気泡を有する発泡体であることを特徴とする。
【００１９】
この構成においては、前記弾性体層は、その外周に設けられた前記金属スリーブを含む被覆部材により密閉されており、かつ、それぞれの空気密度が大気中の空気密度よりも低い複数の気泡を有する発泡体であることから、該ローラ生産時における該発泡体の気泡内の空気密度が長期間にわたって低い状態のまま維持される。
【００２０】
また、空気密度が低い状態では、気泡中の空気を介して熱が伝わりにくくなるため、弾性体層全体として断熱性が向上する。
【００２１】
（２）前記複数の気泡は、その一部又は全部が連続気泡であることを特徴とする。
【００２２】
この構成においては、前記複数の気泡は、その一部又は全部が連続気泡であることから、前記弾性体層を構成する発泡体層の内部にいたるまで各気泡が連続しているため、前記弾性体層における発泡体の気泡の真空引き等による空気密度の低下作業が容易になる。
【００２３】
（３）前記複数の気泡は、その一部又は全部が独立気泡であることを特徴とする。
【００２４】
この構成においては、前記複数の気泡は、その一部又は全部が独立気泡であることから、それぞれの気泡の気密性が高く空気の出入りが微小であるため、気泡の空気密度を低下させた後の弾性体層の密閉作業等における該ローラの取り扱いが容易になる。
【００２５】
（４）前記複数の気泡は、その一部又は全部の径が空気の平均自由行程以下であることを特徴とする。
【００２６】
この構成においては、前記複数の気泡は、その一部又は全部の径が空気の平均自由行程以下であることから、気泡内に残留する気体分子が他の気体分子と衝突することが稀であるため、該気体を介しての熱伝導がされにくく、弾性体層全体として断熱性が向上する。なお、平均自由行程とは、気体分子が他の分子と衝突せずに自由に飛び廻る距離をいい、これが短い程気体の熱伝導が活発になる、とされている。
【００２７】
（５）前記芯材は、中空状のシャフトであり、前記弾性体層との当接面と芯材内部とを連通させる複数の貫通孔を設けたことを特徴とする。
【００２８】
この構成においては、前記芯材は、中空状のシャフトであり、前記弾性体層との当接面と芯材内部とを連通させる複数の貫通孔を設けたことから、発泡体の気泡が芯材の貫通孔及び中空部を介して外部に連通する。このため、芯材の中空部及び貫通孔を用いて外部から前記空気密度の低下作業、前記弾性体層の密閉作業、及び所定期間経過後の再脱気作業が容易に行ない得る。
【００２９】
また、シャフトの軸方向に関して均一に脱気処理が行なわれるため、気泡の真空度がより均一化される。
【００３０】
（６）前記芯材は、その中空部に空気を吸収する吸気剤を有することを特徴とする。
【００３１】
この構成においては、前記芯材は、その中空部に空気を吸収する吸気剤を有することから、前記空気密度の低下作業後に気泡内に空気が残留していた場合や長期間の使用により気泡内に空気が侵入した場合等においても、該吸気剤が空気を吸収し、熱の伝導に寄与する気泡内の空気密度が低下するため、弾性体層全体としての断熱性が向上する。
【００３２】
（７）前記弾性体層の端面部が柔軟性を有するシーリング材により、発熱層となる前記金属スリーブと一体となってシールされることを特徴とする。
【００３３】
この構成においては、前記弾性体層の端面部が柔軟性を有するシーリング材により、発熱層となる前記金属スリーブと一体となってシールされることから、該シーリング材をシールすることにより弾性体層の弾性効果が損なわれることがない。
【００３４】
さらに、シーリング材が発熱層と一体となっているため、発熱層を発泡弾性体層と接着しなくても、発熱層の位置ずれが防止され、発熱層から発泡弾性体層への熱拡散が効果的に防止される。
【００３５】
（８）前記シーリング材は、シリコン系接着剤であることを特徴とする。
【００３６】
この構成においては、前記シーリング材は、シリコン系接着剤であることから、柔軟性を有し、耐熱性にも優れるため、弾性体層の弾性効果が損なわれることがなく、金属スリーブの発熱時においても、金属スリーブの温度に耐えられるため、シーリング材として機能が十分に担保される。
【００３７】
また、通常、弾性体層として用いられることになるシリコンゴムとの接着性にも優れるため、シーリング材の接着状態が良好になる。
【００３８】
（９）（１）〜（８）に記載のローラを、加熱ローラ又は加圧ローラの少なくとも一方に用いたことを特徴とする。
【００３９】
この構成においては、上述の弾性及び断熱性を備えたローラを定着装置等の加熱装置に適用することから、例えば用紙上の未定着のトナー像を定着させるために金属スリーブを加熱する際には、これに接している弾性体層の断熱性が高いため、発熱層で発生した熱が弾性体層に逃げにくく熱効率が向上し、該加熱装置のいわゆるウォーミングアップ時間が短縮する。
【００４０】
また、弾性体層の気泡内の空気が熱膨張することによるこれらのローラ径の変化が防止されるため、これらのローラによって処理される被加熱媒体等の処理に支障が生じること、例えば搬送される用紙にしわが発生すること等が防止される。
【００４１】
（１０）単数又は複数のローラに張架される加熱ベルトと、この加熱ベルトに圧接する加圧ローラと、前記加熱ベルトを加熱する加熱手段とを備えた加熱装置において、
前記ローラの少なくともひとつは、（１）〜（８）のいずれかに記載のローラであることを特徴とする。
【００４２】
この構成においては、上述の弾性及び断熱性を備えたローラを単数又は複数のローラに張架される加熱ベルトと、この加熱ベルトに圧接する加圧ローラと、前記加熱ベルトを加熱する加熱手段とを備えた加熱装置に適用することから、加熱ベルトの支持部材となるこれらのローラに加熱ベルトの熱が放出されにくく、この加熱装置の熱効率が向上し、いわゆるウォーミングアップ時間が短縮する。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の実施形態の説明をする。
【００４４】
本発明の加熱装置を、乾式電子写真器における定着装置に適用した実施の一形態について説明する。
【００４５】
図１は本発明が適用される画像形成装置の構成の一部を示している。
【００４６】
本発明が適用される乾式電子写真方式のカラー画像形成装置は、図１に示すように、４色の画像形成ユニット１０を記録媒体搬送路に沿って配列したいわゆるタンデム式のプリンタである。
【００４７】
被加熱材である用紙７２の供給トレイ２０と定着装置１とを繋ぐ用紙の搬送路に沿って、４組の画像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、及び１０Ｂを配置し、無端状ベルトの用紙搬送手段３０によって搬送される用紙７２に各色トナーを多重転写した後、定着装置１によってこれを定着してフルカラー画像を形成するものである。
【００４８】
上記記録用紙搬送手段３０は、駆動ローラ３１及びアイドリングローラ３２によって張架されるとともに所定の周速度に制御されて回動する無端状の搬送ベルト３３を有しており、このベルト上に用紙７２を静電吸着させて搬送する。
【００４９】
また、各画像形成ユニット１０は、像を担持する感光体ドラム１１と、その周囲に帯電ローラ１２、レーザスキャナユニット１３、現像装置１４、転写ローラ１５、及び清掃装置１６を配置しており、各画像形成ユニット１０の現像装置１４には、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｍ）、ブラック（Ｂ）の各トナーが収容されている。
【００５０】
そして、各画像形成ユニットは、以下の工程により、トナー画像を用紙７２上に画像形成処理を行なう。
【００５１】
具体的には、感光体ドラム１１表面を帯電ローラ１２で一様に帯電した後、レーザスキャナユニット１３により感光体ドラム１１表面を画像情報に応じて露光して静電潜像を形成する。
【００５２】
その後、現像装置１４により感光体ドラム１１の表面にトナーを供給して静電潜像をトナー像に顕像化し、この顕像化されたトナー画像をトナーとは逆極性のバイアス電圧が印加された転写ローラ１５により、搬送手段上を搬送される用紙７２に順次転写する。
【００５３】
その後、用紙７２は駆動ローラ３１の曲率により、搬送ベルトから剥離され、定着装置１に搬送される。この定着装置において、所定の温度に保たれた加熱ローラにより適度な温度と圧力が与えられ、用紙７２上の未定着のトナー７１は溶解して用紙７２に固定され堅牢な画像となる。
【００５４】
図２は本発明の定着装置の構成を示す図である。この定着装置１は、案内されてくる用紙上のトナー７１を溶融するために加熱する加熱ローラ５０と、この用紙に所定の圧力を与えてトナー像を定着させる加圧ローラ６０と、加熱のための磁界を発生させる励磁回路４２と、加熱ローラ５０を回転駆動する駆動手段４４と、これらの定着装置１における動作の制御を行なう制御回路４３とから構成されている。
【００５５】
この定着装置１は発熱層である金属スリーブ４６を有する加熱ローラ５０を、その外部に配置した加熱手段である磁界発生手段４１により加熱し、一定温度で加熱された該加熱ローラ５０と加圧ローラ６０とのニップ部に未定着のトナー像を有する用紙を通紙することで用紙に画像を定着させるものである。
【００５６】
加熱ローラ５０は、アルミニウム、鉄又はステンレス等の金属からなる芯金４０（芯材、誘導加熱による発熱を防止するため、アルミニウムがより望ましい。）上に発泡シリコンゴムからなる弾性体層４７と金属スリーブ４６が順次形成された構成である。
【００５７】
金属スリーブ４６は、誘電加熱作用により発熱する発熱体であり、表面温度の立ち上がり時間を短縮するために、その肉厚は、４０μｍ〜５０μｍと薄肉化されている。
【００５８】
金属スリーブ４６の基材の材質は、誘導加熱で加熱するため、鉄やＳＵＳ４３０ステンレス材等、磁性を有する導電性部材であれば良い。特に比透磁率が高ければ良く、珪素鋼板や電磁鋼板、ニッケル鋼等であっても良い。
【００５９】
また、非磁性体であっても、ＳＵＳ３０４ステンレス材等抵抗値の高い材料であれば誘導加熱できるのでこれらを使用することもできる。更に、セラミックス等の非磁性の金属スリーブ４６であっても、非透磁率の高い前記材料が導電性を有するように配置されているような構成であればこれを採用することができる。
【００６０】
ここでは、金属スリーブ４６の基材に電鋳法により作成した厚さ４０μｍのニッケルを使用している。また、発熱量を増大させるために金属スリーブ４６を複数層からなるスリーブで構成しても良い。
【００６１】
また、金属スリーブ４６の外周面には、ニップ部７０で加熱され粘度が低下したトナー７１が加熱ローラ５０に付着するのを防止するために、ポリテトラフルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという。）、テトラフルオロエチレンとペルフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体（以下、ＰＦＡという。）等のフッ素樹脂、又は、シリコンゴム、フッ素ゴム、フロロシリコンゴム等の弾性体、若しくはこれらが複数積層された離型層４５が被覆されている。
【００６２】
本実施例では、被覆層として層厚１５０μｍのシリコンゴム層を形成している。上述のように金属スリーブ４６は非常に薄く、それだけでは十分な機械的強度が得られない。
【００６３】
そこで、本実施例における加熱ローラ５０においては、金属スリーブ４６を固定、支持するために、金属スリーブ４６の内側に発泡弾性体の弾性体層４７が設けられている。金属スリーブ４６からの熱逃げを極力防止すると同時に、金属スリーブ４６の温度に耐えられるように、弾性体層４７には断熱性及び耐熱性に優れる発泡シリコンゴムが用いられており、厚さとしては例えば６ｍｍのものが使用される。
【００６４】
加熱ローラ５０と接触し、用紙を通過させるニップ部７０を形成するための加圧ローラ６０は、鉄、ステンレス、又はアルミニウムの芯金４０上に、シリコンゴム等の弾性体層４７を有するように構成されている。
【００６５】
この加圧ローラ６０の表面には、ＰＦＡやＰＴＦＥからなる離型層４５が形成されていても良い。
【００６６】
加圧ローラ６０は図示しないバネ等の弾性部材によって、加熱ローラ５０に圧接されており、これにより加熱ローラ５０との間に、幅６．５ｍｍ程度の接触ニップ部７０が形成される。
【００６７】
加熱ローラ５０を加熱する誘導加熱手段である磁界発生手段４１は、図３に示す誘導コイルから構成されており、加熱ローラ５０の外周部を取り囲むように構成されている。このように構成すると曲率が存在するため、誘導コイルの中心側に磁束が集中し、渦電流の発生量が多くなるため、加熱ローラ５０の表面温度をすばやく立ち上げるのに都合が良い。
【００６８】
誘導コイルの材質には、ここでは、耐熱性を考慮して、酸化膜等の表面絶縁層を有するアルミニウム単線を使用しているが、銅線又は銅ベースの複合部材線であっても良いし、エナメル線等を撚り線にしたリッツ線であっても良い。
【００６９】
いずれの線材を使用するにしても、コイルでのジュール損を抑えるためには、誘導コイルの全抵抗値は、０．５Ω以下、望ましくは０．１Ω以下とすべきである。また、誘導コイルを、定着させる用紙のサイズに応じて複数個配置しても良い。
【００７０】
この誘導コイルに、図２中の励磁回路４２からより高周波電流を流すことで生じる交番磁界により、加熱ローラ５０が誘導加熱される。このとき、ニップ部７０近傍には、サーミスタ４８が配置されており、サーミスタ４８の検知信号に応じて、図示しないＣＰＵ等を備えた制御手段が励磁回路を制御し、これにより加熱ローラ５０の温度は一定温度に制御される。
【００７１】
このように一定温度に制御された加熱ローラ５０を、駆動手段４３により回転させることで、ニップ部７０に未定着画像を通紙させ、この画像を熱と圧力とにより紙に定着させる。また、このときトナー７１の特性に応じて、加熱ローラ５０表面にシリコンオイル等からなるオフセット防止剤を塗布してもよい。
【００７２】
次に、加熱ローラ５０について、図４を用いて説明する。
【００７３】
図４は本実施形態における加熱ローラ５０の正面断面図である。上述のように、弾性体層４７は発泡シリコンゴムからなるが、通常、発泡シリコンゴムはその気泡５２内部に大気中と同じ密度の空気を有している。この場合、発泡シリコンゴムの熱伝導率としては、約０．０７（Ｗ／ｍ°Ｃ）程度であり、空気の熱伝導率０．０２５７（Ｗ／ｍ°Ｃ）より大きく断熱性が良くないため、金属スリーブ４６から弾性体層４７に逃げる熱量は、従来のような中空芯金４０を用いた加熱ローラ５０において芯金４０から中空部の空気に放出される熱量に比べて大きいことが知られている。
【００７４】
このような場合には、薄層の金属スリーブ４６を用いることで加熱体を低熱容量化した本発明の加熱ローラ５０の特徴・効果を相殺してしまい、ウォームアップ時間としては、従来型で芯金４０材料に例えばアルミニウムに比べて強度的に優れる鉄系材料を用いて芯金４０を薄肉化した加熱ローラとほとんど変わらない。
【００７５】
ここで、一般的に、弾性体層４７に逃げる熱のうち、約６０％が弾性体材料、すなわち本実施形態においてシリコンゴム自体を伝わる熱であり、残りの約４０％が弾性発泡体内の気泡中の空気を介して伝わる熱である、とされている。
【００７６】
従って、発泡シリコンゴムの気泡５２内部の空気密度を大気中の空気密度よりも低くすれば、発泡シリコンゴムの熱伝導率を低くすることができ、弾性体層４７の断熱性をさらに向上することができる。
【００７７】
そこで、本実施形態における加熱ローラ５０においては、製造工程時に弾性体層４７である発泡シリコンゴムの気泡５２内部にある空気の脱気処理を施している。具体的には、芯金４０上に弾性体層４７が形成されたローラ（以下、弾性ローラという。）を作製し、また、これとは別工程で金属スリーブ４６上に離型層４５を形成し、加熱ローラ５０製作装置を用いて金属スリーブ４６内に弾性ローラを挿入する。
【００７８】
そして、この金属スリーブ４６が被さった状態で弾性ローラを真空装置内に入れ、弾性体層４７端部より、弾性体層４７の気泡内部に存在する空気の脱気を行なう。脱気が完了した後、弾性体層４７端部をシーリング材５１を用いて金属スリーブ４６と一体的にシールし、弾性体層４７を密閉する。
【００７９】
ここで、弾性体層４７は加圧ローラ６０との圧接により変形し、ニップを形成する必要があることから、シーリング材５１に用いられる材料としては、柔軟性を有し、弾性体層４７の変形に追従して変形することが必要であり、また、金属スリーブ４６と一体となって弾性体層４７をシールするため、発熱した金属スリーブ４６の温度に十分耐えられる耐熱性を有していることがより望ましい。
【００８０】
従って、本実施形態ではシーリング材５１としてシリコン系接着剤を用いている。シリコン系接着剤は柔軟性を有し、また、耐熱性にも優れることから、シーリング材５１として好適である。
【００８１】
また、気泡５２の構造としては、脱気効率や気泡内の真空度を極力向上させたい場合は、各気泡の一部又は全部が繋がった連続気泡状態となるように、シリコンゴムの発泡条件を設定すると良い。弾性体層４７をこのように構成することで脱気に要する時間が短縮され、また、気泡内部の真空度がより高くなる。このようにして、製作した加熱ローラ５０の弾性体層４７の熱伝導率を測定すると、その値は０．０５（Ｗ／ｍ°Ｃ）であり、脱気処理を施していない加熱ローラ５０の熱伝導率の値の０．０７２（Ｗ／ｍ°Ｃ）に比べ、断熱性が向上していることが確認できた。
【００８２】
一方、シールドする際の作業性を向上させたい場合は、気泡５２の構造として、各気泡の一部又は全部が独立した独立気泡状態となるように、シリコンゴムの発泡条件を設定すると良い。独立気泡はある程度の気密性を備えるが、完璧な機密性を持つわけではないため、真空装置内に放置されると、連続気泡に比べて時間はかかるものの、徐々に気泡内の気体は吸引され、脱気される。
【００８３】
そして、脱気後、弾性ローラを大気中に取り出しても、気泡内部に再度気体が侵入するのにも時間を要するため、シールド作業前においても、真空状態がある程度維持される。その結果、シーリング材によるシールド作業を真空装置外である大気中で行なうことができ、作業性を改善することができる。
【００８４】
独立気泡の弾性ローラを真空装置で３０分間脱気を行なった後、真空装置から取り出し、約３分間でシールドを行なった場合、真空装置内で処理したローラと同等の熱伝導率０．０５（Ｗ／ｍ°Ｃ）に抑えることができることが確認された。
【００８５】
また、本発明による弾性ローラの生産性を向上するためには、脱気時間を極力短くする必要があるが、この場合、気泡内が完全に真空とはならず、若干の空気が残ってしまう。一般的には、工業的に容易に得られる真空圧力としては、０．５Ｔｏｒｒ程度である。このような場合においても、極力、弾性ローラの断熱性を維持するために、気泡の平均直径としては空気の平均自由工程より小さいことが好ましい。平均自由工程とは、気体分子が他の分子と衝突せずに自由に飛び廻る距離であり、これが短い程気体の熱伝導が活発になる。尚、平均自由行程は一般的に次式で表される。
【００８６】
Ｌ＝２．３３×１０^-20 Ｔ／（Ｐ×σ² ）
Ｌ：平均自由行程（ｃｍ）
Ｔ：温度（Ｋ）
Ｐ：圧力（Ｔｏｒｒ）
σ：気体分子半径（ｃｍ）
よって、それぞれの気泡で構成された壁間距離、つまり空隙間距離の方が、平均自由行程より短くなると、気体同士がぶつかる確率がほとんど無視できるオーダーとなり、断熱性が向上する。従って、本実施形態では、平均セル径を、空気の平均自由行程（本実施形態の場合には約１３０μｍ）より小さい１００μｍとしている。
【００８７】
ここで、図５は本発明に係る加熱装置１の第２の実施形態における加熱ローラ５０の正面断面図である。なお、本実施形態においては加熱ローラ５０以外の構成は、第１の実施形態における構成と同一である。
【００８８】
さらに、本実施形態における加熱ローラ５０は、芯金４０を除いて、第１の実施形態のものと同一の構成である。但し、芯金４０は、アルミニウムからなる中空円筒形状をしており、外面から内面へ貫かれた、弾性体層４７と芯金４０の中空部とを連通する多数の貫通孔４９を有する点において第１の実施形態と相違する。
【００８９】
次に、加熱ローラ５０の製造方法について説明する。芯金４０上に弾性体層４７が挿入、接着されたローラ（以下、弾性ローラという。）を作製し、また、これとは別工程で金属スリーブ４６上に離型層４５を形成し、加熱ローラ５０製造装置を用いて金属スリーブ４６内に弾性ローラの挿入を行なう。
【００９０】
次に、弾性体層４７端部をシリコン系接着剤からなるシーリング材５１を用いて金属スリーブ４６を一体的にシールする。そして、この金属スリーブ４６が被さった状態で弾性ローラを真空装置内に入れ、真空引きを行なう。その結果、弾性体層４７の気泡内部に存在する空気は、気泡５２から芯金４０の貫通孔４９、そして芯金４０の貫通孔４９から中空部を経由して、芯金４０両端の開口部というルートにより脱気される。脱気が完了した後、芯金４０両端の開口部にシールドキャップ５３を挿入し、芯金４０内部を密閉する。その後、加熱ローラ５０を真空装置外に取り出す。すると、シールドキャップ５３は芯金４０内外の気圧差により、芯金４０に強固に加圧され、芯金４０内部の密閉性がより向上する。
【００９１】
加熱ローラ５０を以上のような構成とすることにより、通常、真空装置内での非常に手間と時間を要する作業が、芯金４０の両端にシールドキャップ５３を挿入するだけの真空装置内でも容易に行なえる簡易な作業となる。本構成の加熱ローラ５０では、シーリング材５１によるシール作業を脱気処理前に真空装置外で行なうことができるため、生産性の向上を図ることができる。
【００９２】
第１の実施形態の加熱ローラ５０では、弾性体層４７端部から脱気されるため、加熱ローラ５０端部と中央部で気泡内部の真空度が不均一となりやすい。一方、本実施形態の加熱ローラ５０では、軸方向に関して均一に脱気処理されるため、気泡の真空度をより均一とすることができる。
【００９３】
加熱ローラ５０を長時間使用すると再度、気泡内に徐々に空気が侵入し、断熱性が低下することが考えられる。このような場合においても、本実施形態の加熱ローラ５０では、シールドキャップ５３の取り外しが可能であるため、再度真空装置内で脱気処理することにより、断熱性を復帰させることができるため、長期間に渡って使用することができる。
【００９４】
更に、予め、芯金４０内部に活性炭、水酸化カルシウム、塩化カルシウム、ゼオライト、シリカ系微粉末等の吸気剤であるゲッター剤を挿入しておくことで、長期間の使用により多少気泡内に空気が侵入しても、この空気はゲッター剤により吸収されるため、長期間断熱性を維持することができる。
【００９５】
ここで図６は、本発明による弾性ローラの使用状態を示す図である。同図は、本発明による弾性ローラを熱ローラ定着装置の加圧ローラ６０に適用した例を示している。本実施形態における、熱ローラ定着装置１はアルミニウム、鉄等の金属からなる中空芯金４０の表面にフッ素樹脂等からなる離型層４５が設けられた加熱ローラ５０と、この定着ローラに圧接する加圧ローラ６０とを備え、加熱ローラ５０内部に配置されたハロゲンランプ等のヒータ５４からの赤外線により、加熱ローラ５０の加熱を行なう構成である。
【００９６】
加熱ローラ５０の周囲には、加熱ローラ５０と加圧ローラ６０との当接部となるニップ部７０の上流側に加熱ローラ５０の表面温度を検知し、所定の温度にコントロールするためのサーミスタ等からなる温度センサ４８、ニップ部７０の下流側には加熱ローラ５０への用紙の巻き付きを防止するための剥離爪５５、また加熱ローラ５０の上方には加熱ローラ５０の異常昇温を防止するためのサーモスタット等からなる安全装置５６が配置されている。
【００９７】
図７は、本実施形態に適用される加圧ローラ６０の構成を示している。
【００９８】
加圧ローラ６０は、鉄又はステンレス等の金属からなる芯金４０上に発泡シリコンゴムからなる弾性体層４７とＰＦＡチューブとをシーリング部材５１により、一体的にシールして構成されている。このため、弾性体層４７は密閉状態となっている。
【００９９】
このようにして、製作した加圧ローラ６０の弾性体層４７の熱伝導率を測定したところ、０．０５（Ｗ／ｍ°Ｃ）であり、脱気処理を施していない加圧ローラの熱伝導率の値である０．０７２（Ｗ／ｍ°Ｃ）に比べ、断熱性が向上している。これにより、加熱ローラ５０から加圧ローラ６０に逃げる熱量を低減することができ、定着装置のウォームアップ時間を短縮することができるとともに、定着動作時の熱効率を向上することができる。
【０１００】
また、図８は、本発明による弾性ローラをベルト定着装置の加熱ローラ５０に適用した状態を示す図である。本実施形態におけるベルト式定着装置は、加熱ローラ５０、支持部材としてのバックアップローラ８０、加圧ローラ６０、テンションローラ８０、加熱ベルトとしてのエンドレスベルト５９、ヒータ５４及び温度センサ４８を備えている。
【０１０１】
エンドレスベルト５９は、厚さ４０μｍのニッケル又はステンレス等の金属製基板の外表面に離型層４５をしてシリコンゴムやフッ素樹脂等が被覆された２重構造であり、バックアップローラ８０及び加熱ローラ５０に対し、１８０°近い巻き付け角で張架されている。
【０１０２】
テンションローラ５８は、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス等からなる、芯金４０の表面にシリコンオイルが含侵されたノーメックスフェルト（登録商標）等の耐熱性の被覆層が螺旋状に貼付されたものであり、エンドレスベルト５９に所定の張力を付加するとともに、エンドレスベルト５９のクリーニング及びオイル塗布を兼用する。
【０１０３】
加熱ローラ５０はアルミニウム、鉄、又はステンレス等からなる金属製中空芯金４０の表面にフッ素ゴムからなる、被覆層が形成されており、加熱ローラ５０内部にはハロゲンランプからなるヒータ５４が配置されている。また、加熱ローラ５０の表面位置におけるエンドレスベルト５９との接触範囲の反対側には、温度センサであるサーミスタ４８が当接しており、加熱ローラ５０の表面温度を検知するようになっている。
【０１０４】
加圧ローラ６０は、アルミニウム、鉄又はステンレスからなる金属製芯金４０にシリコンゴムからなる弾性体層４７を設けた構成であり、図示しないコイルばねによりエンドレスベルト５９を介してバックアップローラ８０に圧接することにより、所定の幅のニップ部７０を形成している。
【０１０５】
以上のように構成された定着装置１において、加熱ローラ５０はヒータ５４により所定の温度に加熱コントロールされるとともに、図示しない駆動手段によって回転する。そして、加熱ローラ５０の回転に従動してエンドレスベルト、バックアップローラ、加圧ローラ６０が回転し、ニップ部７０に未定着トナー画像が形成された用紙が搬送されることで定着が行なわれる。
【０１０６】
次に本発明が適用されるバックアップローラについて図９を用いて説明する。バックアップローラは、鉄又はステンレス等の金属からなる芯金４０上に発泡シリコンゴムからなる弾性体層４７とＰＦＡチューブからなる被覆層が順次形成された構成である。また、製造工程中において、真空装置により弾性体層４７内の気泡内部に存在する空気が脱気処理されており、脱気後、再度気泡内に空気が侵入しないよう、脱気が完了した後、弾性体層４７端部がシーリング材によりＰＦＡチューブと一体的にシールされており、これにより弾性体層４７は密閉状態となっている。
【０１０７】
このようにして製作したバックアップローラの弾性体層４７の熱伝導率を測定したところ、０．０５（Ｗ／ｍ°Ｃ）であり、脱気処理を施していない従来のバックアップローラの熱伝導率の値である０．０７２（Ｗ／ｍ°Ｃ）に比べて断熱性が向上していることが確認できた。
【０１０８】
その結果、エンドレスベルト５９からバックアップローラ８０に逃げる熱量を低減することができ、定着装置１のウォームアップ時間を短縮することができるとともに、定着動作時の熱効率を向上することができる。
【０１０９】
次に、本発明による弾性ローラを用いた定着装置１により、実際に実験によりウォームアップ時間（昇温特性）及び消費電力について測定した結果について示す。実際に用いた定着装置１は、図１０に示すように、加熱ローラ５０と加圧ローラ６０との両方に本発明の弾性ローラを用いている。
【０１１０】
図１１は、実験条件として、投入電力８００Ｗ、ローラ周速度２００ｍｍ／ｓとしたときのウォームアップ時間の測定結果を示すものである。
【０１１１】
定着温度である１９０°Ｃまで昇温させるために要する時間、いわゆるウォームアップ時間は、本実施形態の定着装置で１４．６秒、比較例の定着装置で１８．６秒となり、これより、弾性ローラの真空断熱化を図ることでウォームアップ時間が約２０％短縮されることが示されている。
【０１１２】
また、測定によりウォームアップ時及び１９０°Ｃで３０秒間温度制御した時の消費電力量は、ウォームアップ時消費電力量が０．８９Ｗｈ、そして１９０°Ｃにおいて３０秒温度制御時の消費電力量が０．４２Ｗｈ低減しており、定着装置の弾性ローラの真空断熱化を図ることで、消費電力も低減されることが分かった。
【０１１３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、
（１）前記弾性体層は、その外周に設けられた前記金属スリーブを含む被覆部材により密閉されており、かつ、それぞれの空気密度が大気中の空気密度よりも低い複数の気泡を有する発泡体であることから、該ローラ生産時における該発泡体の気泡内の空気密度を長期間にわたって低い状態のまま維持することができる。
【０１１４】
また、空気密度が低い状態では、気泡中の空気を介して熱が伝わりにくくなるため、弾性体層全体として断熱性を向上させることができる。
【０１１５】
（２）前記複数の気泡は、その一部又は全部が連続気泡であることから、前記弾性体層を構成する発泡体層の内部にいたるまで各気泡が連続しているため、前記弾性体層における発泡体の気泡の真空引き等による空気密度の低下作業を容易に行なうことができる。
【０１１６】
（３）前記複数の気泡は、その一部又は全部が独立気泡であることから、それぞれの気泡の気密性が高く空気の出入りが微小であるため、気泡の空気密度を低下させた後の弾性体層の密閉作業等における該ローラの取り扱いを容易にすることができる。
【０１１７】
（４）前記複数の気泡は、その一部又は全部の径が空気の平均自由行程以下であることから、気泡内に残留する気体分子が他の気体分子と衝突することが稀であるため、該気体を介しての熱伝導がされにくく、弾性体層全体として断熱性を向上させることができる。
【０１１８】
（５）前記芯材は、中空状のシャフトであり、前記弾性体層との当接面と芯材内部とを連通させる複数の貫通孔を設けたことから、発泡体の気泡が芯材の貫通孔及び中空部を介して外部に連通するため、芯材の中空部及び貫通孔を用いて外部から前記空気密度の低下作業、前記弾性体層の密閉作業、及び所定期間経過後の再脱気作業を容易に行なうことができる。
【０１１９】
また、シャフトの軸方向に関して均一に脱気処理が行なわれるため、気泡の真空度をより均一化することができる。
【０１２０】
（６）前記芯材は、その中空部に空気を吸収する吸気剤を有することから、前記空気密度の低下作業後に気泡内に空気が残留していた場合や長期間の使用により気泡内に空気が侵入した場合等においても、該吸気剤が空気を吸収し、熱の伝導に寄与する気泡内の空気密度が低下するため、弾性体層全体としての断熱性を向上させることができる。
【０１２１】
（７）前記弾性体層の端面部が柔軟性を有するシーリング材により、発熱層となる前記金属スリーブと一体となってシールされることから、該シーリング材をシールすることにより弾性体層の弾性効果が損なわれることを防止できる。
【０１２２】
さらに、シーリング材が発熱層と一体となっているため、発熱層を発泡弾性体層と接着しなくても、発熱層の位置ずれが防止され、発熱層から発泡弾性体層への熱拡散を効果的に防止できる。
【０１２３】
（８）前記シーリング材は、シリコン系接着剤であることから、柔軟性を有し、耐熱性にも優れるため、弾性体層の弾性効果が損なわれることがなく、金属スリーブの発熱時においても、金属スリーブの温度に耐えられるため、シーリング材として機能を十分に担保することができる。
【０１２４】
また、通常、弾性体層として用いられることになるシリコンゴムとの接着性にも優れるため、シーリング材の接着状態を良好にすることができる。
【０１２５】
（９）上述の弾性及び断熱性を備えたローラを定着装置等の加熱装置に適用することから、例えば用紙上の未定着のトナー像を定着させるために金属スリーブを加熱する際には、これに接している弾性体層の断熱性が高いため、発熱層で発生した熱が弾性体層に逃げにくく熱効率が向上し、該加熱装置のいわゆるウォーミングアップ時間を短縮することができる。
【０１２６】
また、弾性体層の気泡内の空気が熱膨張することによるこれらのローラ径の変化が防止されるため、これらのローラによって処理される被加熱媒体等の処理に支障が生じること、例えば搬送される用紙にしわが発生すること等を防止することができる。
【０１２７】
（１０）上述の弾性及び断熱性を備えたローラを単数又は複数のローラに張架される加熱ベルトと、この加熱ベルトに圧接する加圧ローラと、前記加熱ベルトを加熱する加熱手段とを備えた加熱装置に適用することから、加熱ベルトの支持部材となるこれらのローラに加熱ベルトの熱が放出されにくく、この加熱装置の熱効率が向上し、いわゆるウォーミングアップ時間を短縮することができる。
【０１２８】
よって、断熱性に優れ、加熱による立ち上がりが速く、弾性を必要とするローラにも適用可能な弾性及び断熱性を備えたローラ及びこれを用いた加熱装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される画像形成装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の加熱装置の構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の過熱手段の構成を示す図である。
【図４】本発明の加熱ローラの構成の一例を示す図である。
【図５】本発明の加熱ローラの構成の一例を示す図である。
【図６】本発明の加圧ローラの使用状態を示す図である。
【図７】本発明の加圧ローラの構成の一例を示す図である。
【図８】本発明の弾性ローラの使用状態を示す図である。
【図９】本発明のバックアップローラの構成の一例を示す図である。
【図１０】本発明の弾性ローラの使用状態を示す図である。
【図１１】本発明におけるウォームアップ時間の測定結果を示すものである。
【符号の説明】
１−定着装置
４０−芯金
４１−加熱手段
４２−励磁回路
４３−制御手段
４４−駆動手段
４５−離型層
４６−金属スリーブ
４７−弾性体層
４８−温度センサ
４９−貫通孔
５０−加熱ローラ
６０−加圧ローラ

Claims (10)

1. 中心軸を含む芯材と、該芯材外周に形成された弾性体層と、該弾性体層の外周に形成された金属スリーブとを備えたローラにおいて、
   該弾性体層は、その外周に設けられた前記金属スリーブを含む被覆部材により密閉されているとともに、それぞれの空気密度が大気中の空気密度よりも低い複数の気泡を有する発泡体であることを特徴とする弾性及び断熱性を備えたローラ。
2. 前記複数の気泡は、その一部又は全部が連続気泡であることを特徴とする請求項１に記載の弾性及び断熱性を備えたローラ。
3. 前記複数の気泡は、その一部又は全部が独立気泡であることを特徴とする請求項１に記載の弾性及び断熱性を備えたローラ。
4. 前記複数の気泡は、その一部又は全部の径が空気の平均自由行程以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の弾性及び断熱性を備えたローラ。
5. 前記芯材は、中空状のシャフトであり、前記弾性体層との当接面と芯材内部とを連通させる複数の貫通孔を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の弾性及び断熱性を備えたローラ。
6. 前記芯材は、その中空部に空気を吸収する吸気剤を有することを特徴とする請求項５に記載の弾性及び断熱性を備えたローラ。
7. 前記弾性体層の端面部が柔軟性を有するシーリング材により、発熱層となる前記金属スリーブと一体となってシールされることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の弾性及び断熱性を備えたローラ。
8. 前記シーリング材は、シリコン系接着剤であることを特徴とする請求項７に記載の弾性及び断熱性を備えたローラ。
9. 請求項１〜８に記載のローラを、加熱ローラ又は加圧ローラの少なくとも一方に用いたことを特徴とする加熱装置。
10. 単数又は複数のローラに張架される加熱ベルトと、この加熱ベルトに圧接する加圧ローラと、前記加熱ベルトを加熱する加熱手段とを備えた加熱装置において、
    前記ローラの少なくともひとつは、請求項１〜８のいずれかに記載のローラであることを特徴とする加熱装置。

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