JP3712086B2

JP3712086B2 - 定着用ベルト及び定着装置

Info

Publication number: JP3712086B2
Application number: JP17866396A
Authority: JP
Inventors: 秀樹柏原; 昌宏宮本; 泰博福本; 敏彦滝口; 昭西村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-06-20
Filing date: 1996-06-20
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2016-06-20
Also published as: JPH1010893A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真複写機、ファクシミリ、プリンター等の装置において、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定着用ベルトに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真複写機、ファクシミリ、プリンター等において、印刷・複写の最終段階では、転写材（例、転写紙）上のトナーを加熱溶融して、転写紙上に定着させる。例えば、電子写真複写機では、▲１▼潜像担持体（例、感光体ドラム）上に像露光を行って静電潜像を形成する工程、▲２▼静電潜像に現像剤（トナー）を付着させて可視像（トナー画像）とする工程、▲３▼転写紙上にトナー画像を転写し、感光体ドラムから転写紙を分離する工程、▲４▼未定着のトナー画像を加熱等の方法で転写紙上に定着させる工程を経て複写が行われる。
【０００３】
定着方法としては、熱定着方式が一般的であり、従来、図１に示すような熱ローラー定着法が汎用されている。熱ローラー定着法では、内部に熱ヒーター２を持ち、外周を離型性の良いゴムまたは樹脂で被覆したヒートローラー１とゴムローラー５からなる一対のローラーを圧接させ、そのローラー間にトナー画像３が形成された転写紙４を通過させてトナーを加熱溶融し、トナーを転写紙上に融着させている。熱ローラー定着法は、ヒートローラー全体が所定の温度に保持されるため高速化に適しているが、その反面、待ち時間が長いという欠点を有している。即ち、装置の運転開始時に、ヒートローラーを所定の温度にまで加熱する時間が必要であるため、電源投入から運転可能となるまでの間に待ち時間が発生する。しかも、ヒートローラー全体を加熱しなければならないため、消費電力も大きい。
【０００４】
そこで、近年、図２に示すように、フィルム状のエンドレスベルトを介して、ヒーターにより、転写紙上のトナーを加熱する定着方法が提案されている。このエンドレスベルト定着法では、定着用ベルト６とゴムローラー１０を圧接させ、この間にトナー画像が形成された転写紙９を通過させヒーター７により加熱し、トナー８を転写紙９に融着して定着させる。この定着法では、薄いフィルム状のベルトを介するだけで、ヒーターにより実質的に直接加熱するため、加熱部が短時間で所定の温度に達し、電源投入時の待ち時間がほぼゼロとなる。さらに、必要部分のみを加熱するため、消費電力も少ないという利点がある。
【０００５】
従来、エンドレスベルト定着法に用いられる定着用ベルトとしては、耐熱性、弾力性、強度、ベルト内面の絶縁性、ベルト外面の離型性などを考慮して、ポリイミド製のエンドレスベルトの外面にフッ素樹脂のコーティング層を設けたものが用いられている。
ところで、図２に示すようなエンドレスベルト定着法に用いられる定着用ベルトは、一般に、着色剤としてカーボンブラックを含有する単色トナーのみを定着するモノクロ用レーザービームプリンターに用いられている。ところが、従来の定着用ベルトを、赤、黄、青、黒の４色のトナーを定着するフルカラー用レーザービームプリンターに用いた場合には、ベルトに弾力性がなく、カラートナーを十分に包み込むことができないため、トナーを溶融させることが困難で、満足できる定着を行うことができない。すなわち、フルカラーのトナー画像を定着させるには、単にトナーを軟化して加圧しながら定着させる単色トナーの定着の場合とは異なり、複数種のカラートナーを溶融に近い状態で混色するため、トナーを溶融状態にまですることが求められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、弾力性があり、カラートナーを包み込んで、鮮明な画像定着が可能な定着用ベルトを提供することにある。
本発明の他の目的は、弾力性のある定着用ベルトを配置したフルカラーのトナー画像の定着が可能な定着装置を提供することにある。
本発明者らは、前記従来技術の問題点を解決するために鋭意研究した結果、薄肉の金属チューブまたは耐熱プラスチックチューブの外面に耐熱エラストマー層を形成し、さらにその外面にシリコーンゴムまたはフッ素樹脂の層を形成した積層構造のエンドレスベルトを作成すると共に、耐熱エラストマー層が特定の硬度を有するように調整し、かつ、荷重方向歪みと荷重垂直歪みが特定の範囲内にある弾力性を持ったエンドレスベルトが、フルカラーのトナー画像の定着用ベルトとして優れた特性を示すことを見いだした。
【０００７】
また、この定着用ベルトの内側にインダクションヒーティング用コイルを配置した定着装置が、加熱定着を効率的に行う上で好ましいことを見いだした。さらに、バックアップローラーにより該定着用ベルトを全長にわたって直径方向に押しつけて断面形状を円形から楕円形に変形させながら、定着用ベルトと加圧ローラーとの間に転写材を通過させて、ヒーターにより定着用ベルトを介して、転写材上のトナーを加熱融着させるように構成した定着装置が、フルカラーのトナー画像の定着装置として特に好ましいことを見いだした。
本発明は、これらの知見に基づいて完成するに至ったものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、エンドレスベルトからなる定着用ベルトにおいて、定着用ベルトが、（Ａ）厚さ１５〜４００μｍで外径１５〜１５０ｍｍの金属チューブまたは耐熱プラスチックチューブの外面に、（Ｂ）ゴム１００重量部に対して熱伝導度を向上させる充填剤５〜５０重量部を含有するゴム組成物から形成された、熱伝導度が５×１０ ^−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・Ｋ以上で、厚さ５０μｍ〜５ｍｍで、ＪＩＳ−Ａ硬度９０以下の耐熱エラストマー層が配置され、さらにその外面に、（Ｃ）厚さ１０〜２００μｍのシリコーンゴムまたはフッ素樹脂の層が形成された積層構造を有するとともに、定着ベルトの弾力性を表す指標として、
（ｉ）定着用ベルトの全長にわたって、同じ長さのローラにより、その直径方向に荷重（１２ｇ／ｃｍ）を与えたとき、式（１）
荷重方向歪みγＴ＝φＴ／φ （１）
〔ただし、φは、荷重を与える前の定着用ベルトの径（ｍｍ）であり、φＴは、荷重を与えたときの荷重方向の定着用ベルトの径（ｍｍ）である。〕
で表わされる荷重方向歪みγＴが０．５００〜０．９９５で、かつ、式（２）
荷重垂直歪みγＹ＝φＹ／φ （２）
〔ただし、φは、荷重を与える前の定着用ベルトの径（ｍｍ）であり、φＹは、荷重を与えたときの荷重方向に対して垂直方向の定着用ベルトの径（ｍｍ）である。〕
で表わされる荷重垂直歪みγＹが１．００５〜１．４００であり、さらに、
（ｉｉ）式（３）
歪み指数θ＝γＹ／γＴ（３）
〔ただし、γＴは、上記式（１）で表わされる荷重方向歪みであり、γＹは、上記式（２）で表される荷重垂直歪みである。〕
で表わされる歪み指数θが１．０１０〜２．５００である
との特性を有することを特徴とする定着用ベルトが提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、上記の定着用ベルトの内側にインダクションヒーティング用コイルを配置し、インダクションヒーティングにより定着用ベルトを介して転写材上のトナーを加熱融着させるように構成した定着装置が提供される。
さらに、本発明によれば、上記の定着用ベルトの上にバックアップローラーを配置し、定着用ベルトの下には加圧ローラーを配置し、定着用ベルトの内側にはヒーターを配置し、そして、バックアップローラーにより該定着用ベルトを全長にわたって直径方向に押しつけて断面形状を円形から楕円形に変形させながら、定着用ベルトと加圧ローラーとの間に転写材を通過させて、ヒーターにより定着用ベルトを介して、転写材上のトナーを加熱融着させるように構成した定着装置が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
定着用ベルト
＜内層＞
本発明では、定着用ベルトの最内層に、薄肉の金属チューブまたは耐熱プラスチックチューブを配置する。薄肉の金属チューブは、あたかも金属箔を円柱状にしたようなものであって、厚さが、通常、１５〜４００μｍ、好ましくは２０〜３００μｍ程度のものであり、一般の金属パイプのように硬いものではなく、直径方向に弾力性があるものである。したがって、定着用ベルトは弾力性を有するものであり、この弾力性を示す指標として、後述の荷重歪みを定義する。
金属チューブの材質は、鉄、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、これらの合金などが用いられる。熱伝導の面からは、アルミニウム及びアルミニウム合金が望ましい。インダクションヒーターによって定着用ベルト自身に渦電流を発生させ、電磁誘導加熱することにより、迅速かつ効率の良い加熱が可能となるが、この場合の材質は、磁性のある鉄やフェライト型ステンレス、ニッケルが望ましい。
【００１１】
本発明の定着用ベルトの最内層には、耐熱プラスチックチューブを用いることができる。この場合、耐熱プラスチックを厚さが、通常、１５〜４００μｍ、好ましくは２０〜３００μｍ程度の円柱形状に成形する。厚さが薄過ぎると耐久性に劣り、逆に、大き過ぎると、定着用ベルトの弾力性が不足するおそれがある。耐熱プラスチックチューブの材質は、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリベンズイミダゾールなどが用いられるが、耐熱性や耐久性の点で、特にポリイミドが望ましい。
最内層のチューブの外径は、定着装置の大きさによって適宜定めることができるが、通常、１５〜１５０ｍｍ、好ましくは２０〜１００ｍｍ程度である。チューブの長さ、したがって、定着用ベルトの長さは、一般に、転写紙の大きさに応じて定められる。
【００１２】
＜中間層＞
本発明の定着用ベルトの中間層には、耐熱エラストマー層が配置される。耐熱エラストマーとしては、耐熱性に優れるフッ素ゴムまたはシリコーンゴムが望ましい。これらのゴムには、シリカ、アルミナ、ボロンナイトライドなどの熱伝導度を向上させる充填剤を配合し、熱伝導度を５×１０^−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・Ｋ以上、好ましくは１×１０^−３ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・Ｋ以上にすることが望ましい。これにより、チューブの内側に配したヒーターからの熱を迅速に定着用ベルトの外表面に供給することができる。
一方、充填剤の配合によって耐熱エラストマー層の硬度が上昇し過ぎると、定着用ベルトがトナーを包み込めなくなり、カラートナーを用いた場合に定着不良が発生してしまう。そこで、柔らかいゴム材料を用い、また、充填剤の配合割合を調整して、耐熱エラストマー層の硬度（ＪＩＳＡ硬度）を９０以下、好ましくは７０以下にする。また、耐熱エラストマーを１８０℃で２２時間熱処理したときの圧縮永久歪みが２０％より大きいと、荷重が加えられたときに耐熱エラストマー層の厚さにバラツキが発生し、定着できない部分が発生するおそれがあるため、この圧縮永久歪みは、２０％以下、好ましくは１０％以下とすることが望ましい。
なお、熱伝導度を向上させるための充填剤の配合割合は、前記の好ましい熱伝導度や硬度、ゴムの種類などを考慮して適宜定めることができるが、ゴム１００重量部に対して、５〜５０重量部、好ましくは１０〜３０重量部程度である。耐熱エラストマー層の厚みは、熱伝導度や弾力性を考慮して適宜定めることができるが、５０μｍ〜５ｍｍ、好ましくは１００μｍ〜３ｍｍ程度である。
【００１３】
＜外層＞
本発明の定着用ベルトの外層には、トナーの離型性を高めるために、シリコーンゴムまたはフッ素樹脂の層を設ける。トナーの離型にシリコーンオイルを多量に塗布する場合には、シリコーンオイルとのなじみが良いシリコーンゴムを用いる。この場合のシリコーンゴムとしては、レベリングにより平滑な表面が得られるＲＴＶ型シリコーンゴムが好ましい。一方、トナーの離型のためにシリコーンオイルを用いないか、あるいは少量しか塗布しない場合には、離型性を高めるためフッ素樹脂を用いる。フッ素樹脂としては、四弗化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、四弗化エチレン−パーフロロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）、四弗化エチレン−六弗化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）などが挙げられるが、特に耐熱性の点からＰＴＦＥを用いるのが望ましい。
外層の厚みは、通常、１０〜２００μｍ、好ましくは２０〜１００μｍ程度である。
【００１４】
＜定着用ベルトの特性＞
本発明の定着用ベルトは、例えば、内層のチューブの外面に、充填剤や加硫剤を配合した耐熱エラストマーをプレス加硫し、表面を研磨した後、ＲＴＶ型シリコーンゴムやフッ素樹脂の分散液を塗布し、熱処理して硬化または燒結させることにより得ることができる。また、充填剤や加硫剤を配合した耐熱エラストマーから熱収縮性チューブを作成し、これを内層のチューブの外面に被覆して、熱収縮させることにより、耐熱エラストマー層を形成してもよい。各層間の接着性を向上させるために、表面処理を施したり、プライマー層を設けてもよい。
本発明の定着用ベルトは、図３に示すように、薄肉の金属チューブまたは耐熱プラスチックチューブ１１の外面に耐熱エラストマー層１２が形成され、さらにその外面にシリコーンゴムまたはフッ素樹脂の層１３が形成された積層構造を有している。
【００１５】
本発明の定着用ベルトは、カラートナーを包み込んで、鮮明な画像定着が可能なように、弾力性を有することが必要である。本発明では、定着用ベルトの弾力性を表す指標として、歪みγ及び歪み指数θを定義する。図４に示すように、直径φの定着用ベルト１４の全長にわたって、同じ長さ（例えば、２５ｃｍ）で重さ３００ｇのローラー１５により、定着用ベルト１４の直径方向に荷重（１２ｇ／ｃｍ）を与え、荷重方向の径がφＴで、荷重と垂直方向の径がφＹの楕円形状に変形させる。このときの径の変化を式（１）及び（２）で表す。
荷重方向歪みγＴ＝φＴ／φ （１）
荷重垂直歪みγＹ＝φＹ／φ （２）
ここで、φは、荷重を与える前の定着用ベルトの径（ｍｍ）であり、φＴは、荷重を与えたときの荷重方向の定着用ベルトの径（ｍｍ）である。また、φＹは、荷重を与えたときの荷重方向に対して垂直方向の定着用ベルトの径（ｍｍ）である。〕
【００１６】
荷重方向歪みγＴが０．５００〜０．９９５であり、かつ、荷重垂直歪みγＹが１．００５〜１．４００であることが必要である。γＴが小さ過ぎたり、γＹが大き過ぎると、弾力性が大きく、定着性が良好であるものの、定着時に定着用ベルトに波打ち現象が発生し、連続定着時に定着用ベルトの破断が発生して、耐久性に問題が生じる。γＴが大き過ぎたり、γＹが小さ過ぎると、耐久性は良好であるものの、定着用ベルトの弾力性が小さく、良好な定着画像を得ることができない。
また、歪み指数θを次式（３）で表す。
歪み指数θ＝γＹ／γＴ（３）
この歪み指数θは、１．０１０〜２．５００の範囲であることが好ましい。歪み指数θが小さ過ぎると定着性に劣り、逆に、大き過ぎると耐久性に問題を生じる。
【００１７】
定着装置
本発明の定着装置は、上記の弾力性を有する定着用ベルトを定着部に配置したものである。好ましい定着装置としては、例えば、前記の定着用ベルトの内側にインダクションヒーティング用コイルを配置し、インダクションヒーティングにより定着用ベルトを介して転写材上のトナーを加熱融着させるように構成した定着装置を挙げることができる。この場合、内層の金属チューブの材質を、磁性のある鉄やフェライト型ステンレス、ニッケルにすることが好ましい。
また、他の好ましい定着装置としては、図５に示すように、前記の定着用ベルト１７の上にバックアップローラー１６を配置し、定着用ベルトの下には加圧ローラー１８を配置し、定着用ベルトの内側にはヒーター１９を配置し、そして、バックアップローラー１６により該定着用ベルト１７を全長にわたって直径方向に押しつけて断面形状を円形から楕円形に変形させながら、定着用ベルト１７と加圧ローラー１８との間に転写材２１を通過させて、ヒーター１９により定着用ベルト１７を介して、転写材上のトナー２０を加熱融着させるように構成した定着装置を挙げることができる。ヒーターとしては、前述のインダクションヒーティング用コイルを用いてもよい。本発明の定着用ベルトの弾力性を活かしたこの定着装置により、カラートナーをより効果的に包み込んで、鮮明な定着画像を形成することができる。
定着用ベルトの外面には、トナーの離型性を高めるために、シリコーンオイルを塗布するように構成することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明についてより具体的に説明する。
【００１９】
［実施例１］
厚さ３００μｍ、外径６１ｍｍのニッケルチューブの外面に、耐熱エラストマーとして、フッ素ゴム（ダイキン社製Ｇ−７０１）１００重量部に対して、アルミナ粉２０重量部と加硫剤２重量部を配合したゴム組成物を１７０℃で３０分間金型プレスして、耐熱エラストマー層を形成した。この耐熱エラストマー層を研削して０．５ｍｍ厚さに調節した後、その外面に、シリコーンゴム（信越化学製ＲＴＶシリコーンＫＥ１９３５）を厚み１００μｍになるように塗布し、熱処理して硬化させた。耐熱エラストマー層の硬度（ＪＩＳＡ）は、６０で、熱伝導度は、１×１０^-3ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・Ｋであった。
こうして製作した定着用ベルトを図５に示すようなユニットに取り付け、上から押えゴムローラー（バックアップローラー）１６で荷重をかけ、カラートナーの定着試験を行った。
【００２０】
＜定着性＞
定着性の評価は、図６に示すように、転写紙２４のカラー定着画像の上にシルボン紙２３を置き、その上から５ｃｍ角の２００ｇのおもり２２を載せて５回こすった。こする前後の定着画像を色差計で測定し、明度の低下を測定し、以下の基準で評価した。
◎：明度低下が２５％以下、
○：明度低下が２５％超過、５０％以下、
×：明度低下が５０％超過。
＜耐久性＞
耐久性の評価は、前述のユニットで１万枚の定着試験を行い、以下の基準で評価した。
○：定着画像、定着ベルトともに異常なし、
×：定着した紙にシワが入る、定着ベルトが破損するなどの異状あり。
【００２１】
［実施例２〜８、及び比較例１〜４］
実施例１において、厚さ３００μｍ、外径６１ｍｍのニッケルチューブに代えて、表１に示す厚さと外径を有する各材質の基材チューブを用いたこと以外は、実施例１と同様に操作して定着用ベルトを作製し、同様に評価した。
これらの各実施例及び比較例の結果を表１に一括して示す。
【００２２】
【表１】

表１の結果から明らかなように、荷重方向歪みγＴが０．５００〜０．９９５で、かつ、荷重垂直歪みγＹが１．００５〜１．４００の範囲で、良好な定着性と耐久性が得られた。さらに、歪み指数θが１．０１０〜２．５００の範囲が望ましいことがわかった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、適度の弾力性を有する特定構造の定着用ベルトが提供され、それによって、カラートナーを包み込んで、鮮明な画像定着が可能となった。また、本発明によれば、このような弾力性のある定着用ベルトを配置したフルカラーのトナー画像の定着が可能な定着装置が提供される。したがって、本発明の定着用ベルト及び定着装置によれば、待ち時間が少なく、しかもフルカラーのトナー画像の定着が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の熱ローラー定着法の説明図である。
【図２】従来の定着ベルトを用いた定着法の説明図である。
【図３】本発明の定着用ベルトの構成を示す断面図である。
【図４】定着用ベルトの荷重方向歪みγＴ及び荷重垂直歪みγＹを測定する方法を示す説明図である。
【図５】本発明の定着装置の一例を示す説明図である。
【図６】定着性の評価法を示す説明図である。
【符号の説明】
１：定着ローラー
２：ヒーター
３：トナー
４：転写紙
５：加圧ローラー
６：定着用ベルト
７：ヒーター
８：トナー
９：転写紙
１０：加圧ローラー
１１：薄肉の金属チューブまたは耐熱プラスチックチューブ
１２：耐熱エラストマー層
１３：シリコーンゴムまたはフッ素樹脂の層
１４：定着用ベルト
１５：ローラー
１６：バックアップローラー
１７：定着用ベルト
１８：加圧ローラー
１９：ヒーター
２０：トナー
２１：転写紙
２２：おもり
２３：シルボン紙
２４：転写紙

Claims

エンドレスベルトからなる定着用ベルトにおいて、定着用ベルトが、（Ａ）厚さ１５〜４００μｍで外径１５〜１５０ｍｍの金属チューブまたは耐熱プラスチックチューブの外面に、（Ｂ）ゴム１００重量部に対して熱伝導度を向上させる充填剤５〜５０重量部を含有するゴム組成物から形成された、熱伝導度が５×１０ ^−４ｃａｌ／ｃｍ・ｓ・Ｋ以上で、厚さ５０μｍ〜５ｍｍで、ＪＩＳ−Ａ硬度９０以下の耐熱エラストマー層が配置され、さらにその外面に、（Ｃ）厚さ１０〜２００μｍのシリコーンゴムまたはフッ素樹脂の層が形成された積層構造を有するとともに、定着ベルトの弾力性を表す指標として、
（ｉ）定着用ベルトの全長にわたって、同じ長さのローラにより、その直径方向に荷重（１２ｇ／ｃｍ）を与えたとき、式（１）
荷重方向歪みγＴ＝φＴ／φ （１）
〔ただし、φは、荷重を与える前の定着用ベルトの径（ｍｍ）であり、φＴは、荷重を与えたときの荷重方向の定着用ベルトの径（ｍｍ）である。〕
で表わされる荷重方向歪みγＴが０．５００〜０．９９５で、かつ、式（２）
荷重垂直歪みγＹ＝φＹ／φ （２）
〔ただし、φは、荷重を与える前の定着用ベルトの径（ｍｍ）であり、φＹは、荷重を与えたときの荷重方向に対して垂直方向の定着用ベルトの径（ｍｍ）である。〕
で表わされる荷重垂直歪みγＹが１．００５〜１．４００であり、さらに、
（ｉｉ）式（３）
歪み指数θ＝γＹ／γＴ（３）
〔ただし、γＴは、上記式（１）で表わされる荷重方向歪みであり、γＹは、上記式（２）で表される荷重垂直歪みである。〕
で表わされる歪み指数θが１．０１０〜２．５００である
との特性を有することを特徴とする定着用ベルト。
金属チューブが、鉄、フェライト系ステンレス、ニッケル、またはこれらの合金から形成されたものである請求項１記載の定着用ベルト。
耐熱エラストマー層が、熱収縮性の耐熱エラストマーチューブから形成されたものである請求項１または２記載の定着用ベルト。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の定着用ベルトの内側にインダクションヒーティング用コイルを配置し、インダクションヒーティングにより定着用ベルトを介して転写材上のトナーを加熱融着させるように構成した定着装置。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の定着用ベルトの上にバックアップローラーを配置し、定着用ベルトの下には加圧ローラーを配置し、定着用ベルトの内側にはヒーターを配置し、そして、バックアップローラーにより該定着用ベルトを全長にわたって直径方向に押しつけて断面形状を円形から楕円形に変形させながら、定着用ベルトと加圧ローラーとの間に転写材を通過させて、ヒーターにより定着用ベルトを介して、転写材上のトナーを加熱融着させるように構成した定着装置。