JP3849268B2

JP3849268B2 - 定着装置用フッ素樹脂被覆ローラとその製造方法

Info

Publication number: JP3849268B2
Application number: JP36691397A
Authority: JP
Inventors: 和哉高遠; 鈴木幸太郎
Original assignee: Nitto Kogyo Corp
Current assignee: Nitto Kogyo Corp
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2017-12-26
Also published as: JPH11194640A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、ファクシミリ、レーザービームプリンタ等の未定着トナー像を定着する定着装置に用いられるフッ素樹脂被覆ローラとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複写機やレーザービームプリンタ等は、記録媒体である紙の上に形成された未定着トナー画像を、定着装置内の加熱ローラと加圧ローラとによって形成されたニップ部で、熱と圧力によって定着していた。そのため、定着装置で使用される加熱ローラの表面は、トナーと直接接するので、トナーによるオフセットを防止する目的で、非粘着性物質が被覆されていた。そして、この非粘着性物質として、ＰＦＡやＰＴＦＥといったフッ素樹脂が使用されていた。
【０００３】
ところが、フッ素樹脂は芯金に使用している金属との接着が難しく、金属と確実に接着させるためには、金属の表面にプライマーを塗布する必要があった。そのため、フッ素樹脂の被覆ローラは金属芯金の表面に３〜１０μｍのプライマー層を設けてから１０〜２５μｍのフッ素樹脂層を設けていた。この結果、一般に芯金の上のプライマー層とフッ素樹脂層の総膜厚は２０〜３０μｍの厚さとなっていた。
【０００４】
近年、省エネの問題等から加熱ローラは定着する時だけ、すばやくハロゲンヒーターにより必要とする定着温度となるような、熱伝導の優れたものが要求されるようになってきた。ところが、従来からある加熱ローラは、芯金の上には総膜厚が２０〜３０μｍの厚さの熱伝導の悪いフッ素樹脂層とプライマー層があるため、ハロゲンヒーターの熱が加熱ローラの表面に効率よく伝わらず、加熱ローラが必要な温度になる立ち上がりまでの時間が遅い等の問題が発生した。そして、この問題を回避するために、総膜厚で２０μｍ以下の加熱ローラが要求された。
【０００５】
このように、フッ素樹脂層の膜厚を薄くする要求を満足する為に、研磨による削り込みが行われたが、プライマーとフッ素樹脂との被膜は、スプレー塗装により形成されているので、形成された被膜の厚さは部分的に均等でなく、ローラ全体が均等な膜厚になるような研磨加工で、熱伝導の問題のでにくい総膜厚が２０μｍ以下に仕上げるのは、精度的に困難であった。また、塗装していたフッ素樹脂の厚さを薄くする方法もあったが、耐久面でフッ素樹脂層の厚さが１０μｍ以上ないと摩耗に対する信頼性が薄くなるため、プライマーを３〜１０μｍ塗布している限りは、塗装膜厚を薄くする方法も難しかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このプライマーの問題を解決する方法として、特公平６−１００８７７号に記載された、スプレー塗装によりフッ素樹脂系固体潤滑剤を含有する熱硬化性樹脂を被覆する方法がある。そして、この方法により総膜厚２０μｍ以下の加熱ローラが作れるので、熱伝導の問題も解決ができる。しかし、この技術を使用すると、上記公告公報記載の発明者が自ら認めている通り、ローラ表面に微小な凹凸が発生する事になる。この様にローラ表面に発生した微小な凹凸が、定着圧力の低い複写機等では、黒ベタ部の光沢ムラとして画像にでてしまうという、別の問題が発生してしまい。解決が要望されている。
【０００７】
そこで、本発明は上記のような問題を解決し、芯金の表面に熱伝導の問題が発生しにくい総膜厚２０μｍ以下のフッ素樹脂層を形成するとともに、黒ベタ部で光沢ムラのでないような平滑な表面を有するフッ素樹脂ローラとその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決し、目的を達成するために、本発明の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラは、請求項１によれば、パイプ状の中空金属芯金の表面に、ポリアミドイミド又はポリイミドと粒径が１μｍ以下のフッ素樹脂との混合物をプライマー層なしで厚さ２０μｍ以下に被覆してなることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラは、請求項２によれば、パイプ状の中空金属芯金と、この芯金の表面にディップ塗装により直接に塗布され、ポリアミドイミド又はポリイミドと粒径が１μｍ以下のフッ素樹脂との混合物を含む厚さ２０μｍ以下の被覆層とを備えることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラは、請求項３によれば、前記ポリアミドイミド又はポリイミドに対して前記フッ素樹脂が重量比で４乃至１０の範囲で混合されている事を特徴としている。
【００１１】
また、本発明の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラは、請求項４によれば、前記フッ素樹脂がＰＴＦＥ又はＰＦＡであることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラは、請求項５によれば、前記フッ素樹脂ローラの表面粗さがＲｚ４μｍ以下であることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラの製造方法は、請求項６によれば、パイプ状の中空金属芯金の表面に、ポリアミドイミド又はポリイミドと粒径が１μｍ以下のフッ素樹脂との混合物をプライマー層なしで厚さ２０μｍ以下にディップ塗装し、３５０〜４００℃で焼成することを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラの製造方法は、請求項７によれば、前記フッ素樹脂がＰＴＦＥ又はＰＦＡであることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラの製造方法は、請求項８によれば、前記ポリアミドイミドに対して前記フッ素樹脂を重量比で４乃至１０の範囲で混合して前記混合物を調製する事を特徴としている。
【００１６】
また、本発明の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラの製造方法は、請求項９によれば、前記混合物の液粘度が、５０乃至１５０ｃｐの範囲にある事を特徴としている。
【００１７】
また、本発明の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラの製造方法は、請求項１０によれば、前記ディップ塗装に際し、前記芯金の引き上げ速度を０．５乃至１０ｍｍ／ｓｅｃの範囲に設定することを特徴とを特徴としている。
【００１８】
【発明の概要】
本発明の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラは中空円筒のパイプ状の芯金に、熱硬化性樹脂であるポリアミドイミド又はポリイミドと平均粒径が１μｍ以下の乳化重合等で合成したフッ素樹脂の混合物をディップ塗装でコーティングし、焼成したものである。
【００１９】
本発明に使用する芯金は、アルミ製の中空円筒のパイプ状のものを使用する。鉄製の芯金も使用できるが、薄肉の場合は芯金の精度が出にくく、錆びやすいのであまり好ましくはない。芯金の外径は１２〜３０ｍｍで、芯金の厚さとしては０．４〜１．５ｍｍくらいのものを使用する。これはあまり薄いと芯金としての強度が不足するし、厚いと熱容量が大きくなって立ち上がり温度に時間がかかってしまうので、好ましくない。
【００２０】
熱硬化性樹脂であるポリアミドイミド又はポリイミドと平均粒径が１μｍ以下の乳化重合等で合成したフッ素樹脂の混合物の配合は、ポリアミドイミド又はポリイミドに対してフッ素樹脂を重量比で４〜１０の範囲で混合したものが使用でき、重量比が５〜８の範囲が特に好ましい。重量比が４以下になるとフッ素樹脂による表面離型性の効果が減少するので好ましくない。使用するフッ素樹脂としては、ＰＴＦＥかＰＦＡが好ましく、表面を平滑にするために１μｍ以下の粒径のものを使用する必要がある。また、定着ローラの静電オフセット対策として、必要に応じてカーボン等の導電物質を含有させて、導電性の塗料として使用することも出来る。また、芯金への接着性を向上させるために、バインダー成分を配合してもよい。
【００２１】
ローラ表面に被覆したポリアミドイミド又はポリイミドとフッ素樹脂の混合物層の膜厚は、熱伝導の関係から２０μｍ以下にする必要があるので、好ましい膜厚としては１２〜１７μｍ程度が良い。また、表面粗さとしては、Ｒｚ４μｍ以下にしないと、表面の粗さが黒ベタ画像の光沢ムラとなる可能性があるので、Ｒｚ２〜３μｍ程度にするのが好ましい。
【００２２】
塗装方法としてはディップ塗装が好ましい。これはスプレー塗装は芯金を横置きにして、円周方向に回転させてから、スプレーガンを芯金と平行に移動させながら塗料を霧状に噴射して塗装しているので、部分部分での塗着効率が変わり、狙った膜厚に対しての誤差を少なくすることが難しいからである。また、この塗装法は、空気の圧力で塗料を霧状にして吹き付けているため、塗料中の固形分は、スプレーガンのノズルから噴射されて芯金に付着する間に、表面が完全に濡れた状態と半乾燥状態との２種類が混ざった状態となる。そのため、固形分の表面が完全に濡れた状態で付着した部分は、表面張力によって平滑な表面となるが、半乾燥状態で付着した部分は、固形分の表面が完全に濡れた状態で付着した部分と比べて表面張力がうまく働かないため、微少な凸面となってしまい、スプレー塗装で表面が平滑なローラを作るのが難しい理由の一つとなっている。
【００２３】
それに対してディップ塗装は、芯金を縦置きにして塗料の入った容器に沈め、一定の速度で引き上げる塗装方法なので、塗料の比重と塗料の液粘度と芯金の引き上げ速度とが一定であれば、付着量、表面の平滑さ等が、表面張力で決まるために何本でも同じ表面状態を持つローラを作ることができる。スプレー塗装の欠点である微少な凸面が出来るという問題も解決できる。
【００２４】
ディップ塗装する際の引き上げ速度は０．５〜１０ｍｍ／ｓｅｃの範囲で行うが、４〜８ｍｍ／ｓｅｃあたりが条件としては好ましい。そして、あまり早すぎると塗料が均一に芯金に塗れないので、１０ｍｍ／ｓｅｃより早くすることは難しく、あまり遅すぎると量産性がなくなるので０．５ｍｍより遅くすることは好ましくない。
【００２５】
塗装に使うポリアミドイミド又はポリイミドとフッ素樹脂の混合物の液粘度としては、５０〜１５０ｃｐの範囲が使用でき、８０ｃｐあたりが最も好ましい。そして、１５０ｃｐより粘度が高いと塗膜として厚くなりすぎてクラックが入り使用できず、５０ｃｐより低いと必要な膜厚をにることができない。
【００２６】
このように、ディップ塗装したローラの焼成条件は、３５０〜４００℃で行うが、フッ素樹脂の種類がＰＦＡの場合は３６０℃、ＰＴＦＥの場合は４００℃が好ましい。これは３５０℃以下ではフッ素樹脂が充分に溶融しないため被膜の強度や芯金との接着が不十分となるためである。また、４００℃以上ではフッ素樹脂の熱分解が始まるので好ましくない。
【００２７】
【発明を実施する形態】
試験例
ポリアミドイミドとフッ素樹脂との混合比の最適な条件を決めるための試験例として、混合比を変えたローラを作成して、塗膜の接着強度を測定し、これにより、ポリアミドイミドとフッ素樹脂との混合比の最適な条件を決定した。この試験例では、フッ素樹脂としてＰＴＦＥを使用するものとする。
【００２８】
先ず、外径が１５．８ｍｍで肉厚が０．７ｍｍのアルミ製の中空パイプ状芯金を用意して、脱脂、洗浄、ブラストを行ってから、膜厚が１０μｍとなるように、ポリアミドイミドの量を変えてＰＴＦＥの量を一定にした液粘度が８０ｃｐの塗料を使用して、図１に示す試験装置（ディップ装置）１０を用いて、引き上げ速度８ｍｍ／ｓｅｃでディップ塗装を行い、電気炉で４００℃で３０分間焼成して、符号Ａ乃至Ｆで示す６種類のフッ素樹脂被覆ローラ（以下、単にローラと呼ぶ。）１２を作成した。
【００２９】
即ち、このローラ１２は、図２に示すように、芯金１２Ａと、この芯金１２Ａの外周に全面に渡り直接に、換言すれば、プライマー層無しで、ディップ塗装されたフッ素樹脂被覆層（以下、単に被覆層と呼ぶ。）１２Ｂとを備えて構成されている。
【００３０】
そして、このローラ１２の中央に円周方向に１０ｍｍの幅の切れ目を入れてから、株式会社島津製作所製のオートグラフで、引っ張り速度５０ｍｍ／ｍｉｎで塗膜の接着強度（ｋｇｆ／ｃｍ）を測定した。この測定結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
この表１の結果より、ポリアミドイミドに対するフッ素樹脂の重量比が５．３と８との場合は、接着強度が強く、塗膜が破断するほどの良好な結果となった。その他の重量比では、塗膜が破断するほどの良好な接着はしていないことから、ポリアミドイミドとＰＴＦＥとの混合比は、ＰＴＦＥの量がポリアミドイミドより５乃至８倍程度多い方が良いという結果を得た。
【００３３】
ここで、上述した試験装置１０の概略構成を、図１を参照して説明する。
【００３４】
この試験装置１０は、基台１４と、この基台１４の４隅に起立した状態で固定された支柱兼用のガイドロッド１６と、これらガイドロッド１６の上端部分が連結された天板１８とを備えている。これらガイドロッド１６には、昇降台２０が上下方向に沿って移動可能に支持されている。
【００３５】
一方、基台１４の下面には、回転速度を可変とされた駆動モータ２２が取り付けられており、基台１４と天板１８との間には、ボールネジ棒２４が起立して移動台２０を貫通した状態で、自身の中心軸線回りに回動自在に軸支されている。そして、このボールネジ棒２４と駆動モータ２２のモータ軸とは、図示しないカップリング部材を介して、一体回転するように連結されている。尚、基台１４のボールネジ棒２４が貫通する部分には、これと螺合するボールネジ溝が螺刻されており、これにより、ボールネジ棒２４の時計方向または反時計方向回転に応じて、昇降台２０は昇降駆動されることになる。
【００３６】
上述した昇降台２０は、一側に延出しており、この延出片２０Ａの下面には、エアーピッカ２６が取り付けられており、上述した芯金１２Ａは、このエアーピッカ２６を介して、上下方向に延出する状態で、昇降台２０に取り付けられることになる。
【００３７】
また、このエアーピッカ２６が取り付けられた部位の垂直下方には、ディップ液（塗料）が満たされたディップ槽２８が配設されている。このディップ槽２８には、図示していないが、この中のディップ液（塗料）の温度を一定に保つための恒温機構が備えられている。ここで、上述した駆動モータ２２及びエアーピッカ２６は、図示しない制御装置により、その駆動タイミング及び昇降台２０の昇降速度を制御されている。
【００３８】
このように試験装置１０は構成されているので、上述した試験例及び後述する実施例において、芯金１２Ａの外周面に直接に塗料をディップ塗装したローラ１２を得ることが出来る。
【００３９】
次に、上述した試験例における試験結果に基づき、実際にディップ塗装とスプレー塗装とで同じ塗料を使用した場合に、塗装面の表面状態に差が出るか否かを、表面粗さ計、光沢度計、電子顕微鏡でそれぞれ確認する実施例１及び比較例１を行った。
【００４０】
実施例１
この実施例１では、試験例で使用した芯金１２Ａを使って、脱脂、洗浄、ブラストを行ってから、膜厚が１０μｍとなるように、ポリアミドイミドとＰＴＦＥとの重量比が８で、液粘度が８０ｃｐの塗料を調製し、この塗料を試験装置１０のディップ槽２８に満たして、駆動モータ２２による昇降台２０の上昇速度、即ち、外周に塗料がディップされた芯金１２Ａの引き上げ速度が８ｍｍ／ｓｅｃとなる状態でディップ塗装を行い、その後、電気炉で４００℃で３０分間焼成して、ディップ塗装のローラ１２を作成した。
【００４１】
比較例１
実施例１で使用した塗料の液粘度を２００ｃｐにして、塗装方法をスプレー塗装に変更した以外は、実施例１と同様の加工方法でスプレー塗装用のローラを作成した。尚、塗料の粘度を２００ｃｐに変更したのは、８０ｃｐでは粘度が低すぎて、スプレー塗装がうまく実施できないからである。
【００４２】
上述した実施例１及び比較例１で作成したローラを、東京精密社製のサーフコムの５７５Ａ表面粗さ計に、ピックアップとしてＥ−ＤＴ−Ｓ０１Ａをセットして、ＣＵＴＯＦＦが０．８ｍｍ、測定距離が２．５ｍｍ、送り速度０．３ｍｍ／ｓｅｃという測定条件で、各ローラの表面を３カ所ずつ測定した。その測定結果を表２に示す
【００４３】
【表２】

【００４４】
この表２の結果より、表面粗さ計では、塗装方法の違いによる表面の微少な凸面を測定することが出来ず、実施例１と比較例１との間に明確な差異は出なかった。
【００４５】
一方、実施例１と比較例１とで作成したローラを、日本電色工業社製の光沢度計のＶＧＳ−１０１ＤＰで入射角７５度、受光角７５度という条件で、ＪＩＳＺ８７４１において規定されている試験方法を用いて、５カ所の測定位置で測定した。その試験結果を表３に示す。
【００４６】
【表３】

【００４７】
この表３の結果より、実施例１のディップ塗装の方が、比較例１のスプレー塗装の場合よりも、光沢度が大きいという結果を得た。ここで、光沢度は、光を被測定物に当てて、反射した光の量を測定しているので、光沢度が大きい方が、被測定物の表面が平滑で乱反射が少ないことを意味している。従って、光沢度の大きいディップ塗装の方が、スプレー塗装と比較して、表面が平滑であるとの結論が得られた。
【００４８】
また、実施例１と比較例１とで作成したローラを切断し、電子顕微鏡を用いて、夫々の塗装面の表面の状態を写真撮影した。夫々の結果を、図３及び図４に示す。図３は、実施例１のディップ塗装したローラの表面を１００倍に拡大して写真撮影したものである。一方、図４は、比較例１のスプレー塗装したローラの表面を１００倍に拡大して写真撮影したものである。
【００４９】
これら図３及び図４より、実施例１のディップ塗装で作成したローラの表面は目視観察で平滑であるのに対し、比較例１のスプレー塗装で作成したローラの表面は、目視観察で細かな凸部が無数に存在しており、スプレー塗装では表面が平滑なローラを作成することが困難であることが判る。また、この結果より、表面の平滑性の差が、光沢度の差として測定できていたことが明確となった。
【００５０】
実機試験
上述した実施例１と比較例１とでそれぞれ作成したローラを、実機に組み込んで、黒ベタ画像の光沢ムラが発生するか否かを確認した。ここで、実機として、ブラザー工業社製のレーザービームプリンタＨＬ−７２０に、実施例１と比較例１とのローラを、順次、定着ローラとして組み込んで、Ａ４サイズの用紙の中央に、１０ｃｍ×１０ｃｍの黒ベタ部が設けられた試験チャートをＯＨＰフィルムでプリントして、黒ベタ部に光沢ムラがあるか否かを試験した。
【００５１】
この実機試験の結果、実施例１のディップ塗装で作成したローラは、黒ベタ部に光沢ムラは発生しなかったが、比較例１のスプレー塗装で作成したローラは、黒ベタ部に無数の抜けた様な光沢ムラが発生した。この結果からも、例え同じ成分の塗料を使用したとしても、塗装する方法によって、ローラとしての明確な性能差が出てしまうことが、明らかとなった。
【００５２】
【変形例の説明】
この発明は、上述した実施例の試験例及び実施例の構成に限定されることなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した試験例及び実施例において、塗料のフッ素樹脂と混合される成分として、ポリアミドイミドを用いるように説明したが、この発明はこのような構成に限定されることなく、ポリアミドイミドの替わりに、ポリイミドを用いるようにしてもよいことは言うまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明によれば、芯金の表面に熱伝導の問題が発生しにくい総膜厚２０μｍ以下のフッ素樹脂層を形成するとともに、黒ベタ部で光沢ムラのでないような平滑な表面を有するフッ素樹脂ローラとその製造方法が提供されることになる。
【００５４】
即ち、ポリアミドイミドと粒径が１μｍ以下のフッ素樹脂との混合物をディップ塗装することにより、従来のスプレー塗装方法では実現し得なかった、表面が平滑で、２０μｍ以下のフッ素樹脂の薄膜を形成することが可能となる。そして、熱応答性が良く、黒ベタ部に光沢ムラのでない高性能のフッ素樹脂被覆ローラを、プライマー塗装無しで製造することが出来る、新規な技術が提供されることになる。
【００５５】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係わる定着装置用フッ素樹脂被覆ロールの構成を示す断面図である。
【図２】試験装置としてのディップ塗装装置の構成を概略的に示す正面図である。
【図３】実施例１における、塗料をディップ塗装したロール表面の表面状態を、電子顕微鏡で撮影した写真により示す図である。
【図４】比較例１における、塗料をスプレー塗装したロール表面の表面状態を、電子顕微鏡で撮影した写真により示す図である。
【符号の説明】
１０試験装置（ディップ装置）
１２定着装置用フッ素樹脂被覆ローラ
１２Ａ芯金
１２Ｂ被覆層
１４基台
１６ガイドロッド
１８天板
２０昇降台
２０Ａ延出片
２２駆動モータ
２４ボールネジ棒
２６エアーピッカ
２８ディップ槽

Claims

パイプ状の中空金属芯金の表面に、ポリアミドイミド又はポリイミドと粒径が１μｍ以下のフッ素樹脂との混合物をプライマー層なしで厚さ２０μｍ以下に被覆し、前記ポリアミドイミド又はポリイミドに対して前記フッ素樹脂が重量比で５．３乃至８の範囲で混合されている事を特徴とする定着装置用フッ素樹脂被覆ローラ。
パイプ状の中空金属芯金と、
この芯金の表面にディップ塗装により直接に塗布された、ポリアミドイミド又はポリイミドと粒径が１μｍ以下のフッ素樹脂との混合物を含む厚さ２０μｍ以下の被覆層と、
を備え、
前記ポリアミドイミド又はポリイミドに対して前記フッ素樹脂が重量比で５．３乃至８の範囲で混合されている事を特徴とする定着装置用フッ素樹脂被覆ローラ。
前記フッ素樹脂がＰＴＦＥ又はＰＦＡであることを特徴とする請求項前記１又は２に記載の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラ。
前記フッ素樹脂ローラの表面粗さがＲｚ４μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラ。
パイプ状の中空金属芯金の表面に、ポリアミドイミド又はポリイミドと粒径が１μｍ以下のフッ素樹脂との混合物であって、前記ポリアミドイミド又はポリイミドに対して前記フッ素樹脂を重量比で５．３乃至８の範囲で混合して調整した混合物をプライマー層なしで厚さ２０μｍ以下にディップ塗装し、３５０〜４００℃で焼成することを特徴とする定着装置用フッ素樹脂被覆ローラの製造方法。
前記フッ素樹脂がＰＴＦＥ又はＰＦＡであることを特徴とする請求項５に記載の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラの製造方法。
前記混合物の液粘度が、５０乃至１５０ｃｐの範囲にある事を特徴とする請求項５に記載の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラの製造方法。
前記ディップ塗装に際し、前記芯金の引き上げ速度を０．５乃至１０ｍｍ／ｓｅｃの範囲に設定することを特徴とする請求項５に記載の定着装置用フッ素樹脂被覆ローラの製造方法。