JP4132696B2 - 定着器用ローラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真方式を用いた複写機、プリンター、ファクシミリ等の画像形成装置で用いられる定着器用ローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真方式を用いた複写機、プリンター、ファクシミリ等の加熱定着方式として、従来、図４に示すものが知られている。
図中の付番１は定着ローラを示し、加圧ローラ２とともに対で使用される。前記定着ローラ１は、内部にヒーター３を有する中空芯金４の表面にフッ素樹脂、シリコーンゴム等からなる離型層５が設けられている。前記加圧ローラ２は、芯金６の表面にシリコーンゴム等からなる弾性層７を設けた構成となっている。このように定着ローラ１と加圧ローラ２の一対のローラで構成されるニップ部に未定着画像８を通過させることで定着を行っていた。
【０００３】
近年、装置の省エネルギー化を目標に、定着ローラの中空芯金肉厚を従来と比べて薄くすることで立ち上がり時間を短縮したり、図５に示すようにポリイミド等の薄肉耐熱性樹脂表面にフッ素樹脂等の離型層を設けた定着ベルト９を介してヒーター１０により加熱する方式も行われている。この方式によれば、熱容量の小さい薄肉の耐熱ベルトを用いるため立ち上がり時間が特に短縮できる利点がある。加圧ローラ１１としては、芯金６の周面にシリコーンスポンジ（下層）１２、フッ素樹脂チューブ（表面層）１３を順次形成した低熱伝導性のものを用いている。これは、定着ローラ、定着ベルト９から熱を奪いづらく、立ち上がり時間をより短くするためである。
【０００４】
低熱伝導層として用いられる前記シリコーンスポンジは、一般にミラブルシリコーンゴム（ＨＴＶシリコーンゴム）に有機発泡剤と加硫剤を配合し２００〜３５０℃の高温で加硫、発泡を行う方法で製造しており、原料ゴムの可塑度のバラツキ、発泡剤のバラツキ、夏期は発泡が大きくなり冬期は発泡が小さくなる等の季節的要因によるバラツキが大きく、発泡率や熱伝導率を安定させることが困難な一面をもっている。
【０００５】
これを改良する方法として、例えば特開平１０−６０１５１に見られるような液状ゴムに予め熱膨張させたマイクロバルーンを混合してスポンジ層を形成する方法がある。この方法によれば、樹脂マイクロバルーンが予め熱膨張させてあるため、配合率によって弾性層の空隙率をコントロールできるので、安定した熱伝導率が得られる利点がある。
【０００６】
そこで、定着器用ローラとしても樹脂マイクロバルーンが混合された液状ゴムから形成された弾性体で下層を構成し、表面離型層としてフッ素樹脂系の離型層を設けた定着器用ローラの開発も行われている。
【０００７】
しかし、樹脂マイクロバルーンを含有する弾性層を設けたローラを定着器用ローラとして用いると、ローラ表面の硬度やローラ外径が使用中に変化してしまうという問題が発生する。これは、定着器用ローラの使用条件やローラの表面硬度等によって差があるものの、通常は機械に組み込んでから数千枚程度の定着枚数までに発生し、それ以上の定着枚数ではローラ表面硬度、外径ともに安定して略一定になる傾向がある。
【０００８】
定着画像の安定化のためには、定着温度とともに定着時間の管理が重要な因子であり、ニップ幅が長期にわたって一定に保たれることが必要であるが、樹脂バルーンを含有した層を設けたローラでは表面硬度が変化するのに伴いニップ幅も変化するため、機械の出荷時の画質状態が短時間で変化してしまう問題があった。
【０００９】
また、前記の定着ベルトを用いた定着方法（図５）では加圧ローラ１１によって定着ベルト９の駆動も行っており、このような定着装置の加圧ローラとして樹脂マイクロバルーンを含有する弾性層を設けたローラを用いると、外径の変化によって用紙の搬送スピードが変化してしまう問題があった。
【００１０】
樹脂バルーンを含有する層を設けたローラの硬度変化や外径変化が起こる原因として弾性層内部に樹脂マイクロバルーンが略球形の状態で残っており、使用に伴い徐々にマイクロバルーンが破壊することで変化が起こるものと考えられる。これを改良するため、単に樹脂マイクロバルーンを含有する弾性層を光熱で処理しても何ら効果は得られないこともはっきりしている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、熱伝導率の安定した、硬度変化や外径変化が小さい高耐久性の定着器用ローラを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決するために様々な試験を試みた。その手段の１つとして、実際の定着器と同様に加圧加熱処理を施してから使用することが考えられる。しかし、この場合、約１０００枚の定着枚数でも１時間近い時間がかかるため価格の点から量産工程として使用することには問題がある。
【００１３】
そこで、加圧力と温度を上げることで時間の短縮を試みたが、温度を上げすぎると下層の弾性層の熱劣化が急速に進み、弾性層の物性が極端に低下するため、定着器用ローラとしての耐久性に問題が出てしまう。一方、加圧力を上げ過ぎると、物性の低い弾性体層に破壊が進みこれも定着器用ローラとしての耐久性に問題が生じてしまうことがあり、短時間の処理によって硬度変化や外径変化を十分抑えることはできなかった。こうした点を考慮して本発明者らは、シリコーンゴム弾性層の形成後に、表面温度、線圧、加圧力を適宜な範囲で加熱圧着処理することにより、下記の発明を提案するに至った。
【００１４】
即ち、本発明に係る定着器用ローラは、芯金の周面に樹脂製マイクロバルーンを含有するシリコーンゴム弾性層を少なくとも１層設け、最外層に表面離型層を有した定着器用ローラであり、樹脂製マイクロバルーンを含有した液状シリコーンゴムを加熱硬化前記シリコーンゴム弾性層を形成した後に、表面温度１８０〜２８０℃、線圧１〜１．５ｋＮ／ｍの条件で加熱圧着処理を施して前記樹脂製マイクロバルーンを破壊したことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る定着器用ローラは、前記シリコーンゴム弾性層を形成した後で、かつ前記加熱圧着処理を施す前に、２５０〜３５０℃の温度で５〜３０分加熱処理を行うことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に詳しく説明する。
本発明において、ローラ表面硬度と外径をより安定化させるためには、２５０〜３５０℃の温度で５〜３０分加熱処理を行った後、更に再度表面温度１８０〜２８０℃で線圧０．３〜２ｋＮ／ｍの条件で１５秒〜５分の加熱圧着処理を施すことが好ましい。ここで、定着器用ローラを２５０〜３５０℃の温度で５〜３０分加熱処理を行う工程及び／又は定着器用ローラの表面温度１８０〜２８０℃で線圧０．３〜２ｋＮ／ｍで１５秒〜５分の加熱圧着処理を行う工程は、シリコーンゴム弾性体層の形成後であれば、任意の段階で行うことができる。
【００１７】
表面層としての離型層を形成する前の樹脂マイクロバルーンを含有するシリコーンゴム弾性体層に前記加熱圧着処理、あるいは加熱処理及び加熱圧着処理を施し、その後表面離型層を形成することで本発明の定着器用ローラとすることも可能である。また、樹脂マイクロバルーンを含有するシリコーンゴム弾性体層を少なくとも１層設け、表面層としての離型層を形成した後に前記加熱圧着処理、あるいは加熱処理及び加熱圧着処理を施して本発明の定着器用ローラとすることも可能である。
【００１８】
更に、２５０〜３５０℃の温度で５〜３０分間の加熱処理を樹脂マイクロバルーンを含有したシリコーンゴム弾性体層に一旦行ってから又は前記加熱処理を行うと同時に、表面離型層を形成し、その後ローラ表面温度１８０〜２８０℃で線圧０．３〜２ｋＮ／ｍで１５秒〜５分の加熱圧着処理を施し、本発明の定着器用ローラとすることも可能である。
【００１９】
本発明において、加熱圧着処理は表面温度を上記のように設定でき、かつ加圧力を均一に加えることができればどのような方法でもよく、特に限定されるものではない。例えば、表面が一定温度に制御された回転する金属ローラに本発明のローラを圧着させて連れ周りさせる方法等がある。金属ローラ表面は、離型性、キズ防止のためめっき処理されていることが更に好ましい。加圧力のより好ましい条件は、線圧０．５〜１．５ｋＮ／ｍである。
【００２０】
また、加熱処理は、弾性層形成後の任意の段階で２５０〜３５０℃の温度で５〜３０分の加熱を行うものであり、例えばオーブンを用いてバッチ式に処理する方法や連続加熱炉で連続的に加熱処理する方法等がある。
【００２１】
本発明の定着器用ローラに使用される弾性体層は耐熱性や加工性の点からシリコーンゴムに樹脂マイクロバルーンを含有させたものを用いるが、粘度の高い原料ゴムに樹脂マイクロバルーンを配合すると、シリコーンゴム配合物の粘度が上り過ぎて、成形圧力による樹脂マイクロバルーンの変化や破壊が起こりやすくなるので、粘度の低い液状シリコーンゴムを用いることが好ましく、硬化性や耐熱性の点で優れた液状付加反応型シリコーンゴム（ＬＴＶシリコーンゴム）を用いることが更に好ましい。
【００２２】
本発明に使用する樹脂製マイクロバルーンには、低沸点炭化水素を内包する熱可塑性樹脂球体を予め熱膨張させたものを使用することが好ましい。予め熱膨張させてある樹脂製マイクロバルーンをシリコーンゴムに配合し、樹脂マイクロバルーンを構成する熱可塑性樹脂の溶融温度より低い温度で弾性層を硬化させることによって、より安定したローラ硬度や熱伝導率を有する定着器用ローラが製造できる。
【００２３】
本発明において、樹脂製マイクロバルーンに使用する熱可塑性樹脂として、例えばアクリロニトリル樹脂、塩化ビニリデン樹脂等の共重合物が挙げられるが、液状付加反応型シリコーンゴムの硬化温度で安定している熱可塑性樹脂であればよく、特に限定されるものではない。
【００２４】
樹脂マイクロバルーンを液状付加反応型シリコーンに多量に含有させると熱伝導率は下がるが、一方樹脂バルーンの配合を増やすと弾性層としての物性も下がってしまうという問題もある。定着器用ローラとしての耐久性が低下するばかりか、定着器用ローラの製造中に弾性層が破壊してしまい、ローラの製作が困難になってしまう。
【００２５】
本発明者は定着器用ローラとしての低熱伝導性を維持しつつ、定着器用ローラとして耐久性や加工性で問題の発生しない樹脂製マイクロバルーンを含有するシリコーンゴム弾性層として、熱伝導率０．１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、かつ引張強さが０．４ＭＰａ以上であることを見出した。
【００２６】
本発明の定着器用ローラの表面の離型層は高温で長時間安定した離型層が得られるものであり、例えばＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ等のフッ素樹脂からなるチューブを被覆する方法、フッ素樹脂の粉体やラテックスをコーティングして離型層とする方法、フッ素樹脂を含有する耐熱性ゴムをコーティングして離型層を形成する方法等があり、又接着性や耐久性を考えてこれらを積層して使用することも有効である。
【００２７】
本発明の定着器用ローラは樹脂製マイクロバルーンを含有するシリコーンゴム弾性層にカーボンブラックや金属粉等の導電性付与剤を配合することにより体積抵抗率を下げ、定着器用ローラの帯電を抑えて画質の向上や通紙性を改良することももちろん可能であり、同様に表面離型層内に導電性付与剤を配合して体積抵抗率を下げることも可能である。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の各実施例及び比較例に係る定着器用ローラについて、その製造方法を併記して説明する。
【００２９】
（実施例１〜３、比較例１〜３）
まず、本実施例に係る定着器用ローラ３０について、図１を参照して説明する。図中の符番３１は、アルミ材からなる外径１４ｍｍの芯金を示す。この芯金３１の外周面には、樹脂製マイクロバルーン（商品名：エクスパンセル０９２ＤＥ−１２０、ケマ．ノーベル社製）を含有する液状付加反応型シリコーンゴムからなる弾性層３２が形成されている。この弾性層３２の周面には、フッ素樹脂からなる表面離型層３３が形成されている。このように、本実施例に係る定着期用ローラ３０は、芯金３１の周面に弾性層３２、表面離型層３３を順次形成した構成となっている。
【００３０】
次に、こうした構成の定着器ローラの製造方法について図２を参照して説明する。
まず、表面に接着剤（図示せず）を塗布したアルミ材からなる外径１４ｍｍの芯金３１を、内径２０．３ｍｍの金型３４内に装着した。つづいて、芯金３１と金型３４の隙間に下方から樹脂製マイクロバルーン（商品名：エクスパンセル０９２ＤＥ−１２０、ケマ．ノーベル社製）を含有する液状付加反応型シリコーンゴム３５を注入し、金型３４を１２０℃で２０分加熱し液状付加反応型シリコーンゴム３５を硬化させてローラを得た。
【００３１】
次に、このローラを冷却した後、金型３４から外し、２００℃で２時間ポストキュアーを行って弾性層３２を形成した。次いで、弾性層３２の表面にプライマー（図示せず）を約３μｍコーティングした後、表面にフッ素樹脂を含有するフッ素ゴムラテックス（ＧＬＳ２１３、ダイキン工業製）を約３５μｍコーティングした。更に、このローラを２７０℃、１５分オーブン内で加熱処理し、フッ素ゴムラテックスの硬化を行って表面離型層３３を形成するとともに弾性層３２の加熱処理とした。
【００３２】
次に、このローラを表面温度が２３０℃に維持された回転する金属ローラに線圧１ｋＮ／ｍで７０秒間圧着、連れ周りさせて加熱圧着処理を施し、外径約２０ｍｍの定着器用ローラ３０を得た。このとき、液状付加反応型シリコーンゴムの物性と樹脂製マイクロバルーンの配合量を変えて弾性層３２の引張強さ・熱伝導率を変化させ実施例１〜３とした。
このように、上記実施例１〜３に係る定着器用ローラ３０は、芯金３１の周面に樹脂製マイクロバルーンを含有する液状付加反応型シリコーンゴムからなる弾性層３２、フッ素樹脂からなる表面離型層３３を順次形成し、かつ表面離型層３３の形成後、ローラに表面温度２３０℃、線圧１ｋＮ／ｍで７０秒間加熱圧着処理を施した構成となっている。
また、同じ方法で比較例１、２、３についてもローラを製作した。但し、比較例１は、加熱圧着処理を行わなかった。
【００３３】
これらの定着器用ローラを、８ｐｐｍのベルト定着方式を用いたレーザービームプリンターの加圧ローラとして通紙試験を行ったところ、実施例１〜３の定着器用ローラについては目標の５万枚通紙まで問題は発生しなかった。更に、試験前と試験後のローラ外径変化、硬度変化についても測定したが、画質変化や通紙速度の変化に問題が発生しないと考えられる外径変化±０．１５ｍｍ、硬度変化±２度（Ａｓｋｅｒ Ｃ硬度計）以内に入っており問題なかった。
【００３４】
比較例１は加熱圧着処理を施さないローラであり、通紙試験約１０００枚で紙送り速度が大幅に変化してしまい、試験をストップした。外径変化、硬度変化ともに大きな値であった。
【００３５】
比較例２の定着器用ローラは、弾性層の物性が低いために加熱圧着処理時に弾性層に亀裂が発生し、通紙試験約２０００枚で弾性層が破壊してしまった。比較例３は、熱伝導率が高いため目標の立ち上がり時間（７秒）を達成できず、通紙試験は行わなかった。
【００３６】
下記表１は、実施例１〜３及び比較例１〜３における弾性層の熱伝導率、弾性層の引張り強さ、加熱圧着処理、立ち上がり時間、通紙試験枚数、外径変化、硬度変化を示す。
【００３７】
【表１】

【００３８】
（実施例４〜９）
まず、上記実施例１〜３と同じ方法で、芯金３１と金型３４の隙間に下方から樹脂製マイクロバルーンを含有する液状付加反応型シリコーンゴム３５を注入し、金型３４を１３０℃で２０分加熱しシリコーンゴムを硬化させた。次に、このローラを冷却し金型３４から外し、弾性層３２を形成した。このとき用いた弾性層３２は熱伝導率０．１３Ｗ／（ｍ・Ｋ）で引張り強さ０．５５ＭＰａのものを使用した。
【００３９】
次に、このローラを下記表２のように加熱処理条件を変えて処理した後、冷却し、弾性層表面に接着剤を塗布した。つづいて、このローラを図３に示す中空パイプ３６内に装着した弾性層外径より約１ｍｍ細い内径のＰＦＡチューブ（材質９５０ＨＰ，三井デュポンフロロケミカル製）３７内に挿入した後、接着剤を硬化させ、離型層を形成して定着器用ローラを製作した。このローラを下記表２の加熱圧着処理条件で実施例４〜９の定着器用ローラとした。但し、実施例４は加熱圧着処理だけを行った定着器用ローラである。
【００４０】
これらの定着器用ローラを実施例１〜３と同じように８ｐｐｍのレーザービームプリンターの加圧ローラとして通紙試験を行ったところ、実施例４〜９の定着器用ローラはいずれも目標の５万枚通紙まで問題の発生がなく使用できた。試験前と試験後のローラ外径とローラ硬度の変化量を測定したが、問題の発生しない値であった。
【００４１】
【表２】

【００４２】
（比較例４〜７）
実施例４〜９と同じの方法でローラを製作したが、加熱処理条件と加熱圧着処理条件を下記表３に変えて比較例４〜７とした。
ここで、比較例４は、加熱圧着処理のときの圧力が大きすぎるため、処理中にローラ弾性層が破壊してしまった。比較例５は、加熱処理温度が高すぎるため、弾性層の劣化が極端に進み、加熱圧着処理中に弾性層と離型層の間が剥離してしまった。比較例６は、加熱圧着処理温度が高すぎるため、処理後ローラ表面にＰＦＡチューブの大きなシワが発生してしまい使用できなかった。
【００４３】
残りの比較例７、８の定着器用ローラについて、実施例と同じベルト定着方式レーザービームプリンターの加圧ローラとして通紙試験を行ったが、いずれも短時間で紙送り時間が大きく変化してしまい試験を中止した。これらの定着器用ローラは試験前と試験後のローラ外径とローラ硬度の変化量を測定したが大きな値となっていた。この原因は、比較例７の場合は加熱圧着力が０．２ｋＮ／ｍと小さく、また比較例８の場合は加熱圧着処理時の温度が１６０℃と低いことによる。
【００４４】
【表３】

【００４５】
なお、上記実施例では、１層のシリコーンゴム弾性層が芯金の周面に形成されている場合についてのみ述べたが、これに限らず、２層以上のシリコーンゴム弾性層が芯金の周面に形成されていてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、樹脂製マイクロバルーンを配合したシリコーンゴムの弾性層の形成後に、表面温度１８０〜２８０℃、線圧０．３〜２ｋＮ／ｍの条件で１５秒〜５分の加熱圧着処理を施すことにより、熱伝導率の安定した、硬度変化や外径変化が小さい高耐久性の定着器用ローラを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１〜３に係る定着器用ローラの断面図。
【図２】図１の定着器用ローラを製造するための装置の説明図。
【図３】本発明の実施例４〜９に係る定着器用ローラを製造するための装置の説明図。
【図４】従来の定着器用ローラの説明図。
【図５】従来の定着器用ローラの説明図。
【符号の説明】
３０…定着器用ローラ、
３１…芯金、
３２…弾性層、
３３…表面離型層、
３４…金型、
３５…シリコーンゴム、
３６…中空パイプ、
３７…チューブ。

Claims (4)

1. 芯金の周面に樹脂製マイクロバルーンを含有するシリコーンゴム弾性層を少なくとも１層設け、最外層に表面離型層を有した定着器用ローラであり、樹脂製マイクロバルーンを含有した液状シリコーンゴムを加熱硬化して前記シリコーンゴム弾性層を形成した後に、表面温度１８０〜２８０℃、線圧１〜１．５ｋＮ／ｍの条件で加熱圧着処理を施して前記樹脂製マイクロバルーンを破壊したことを特徴とする定着器用ローラ。
2. 前記シリコーンゴム弾性層を形成した後で、かつ前記加熱圧着処理を施す前に、２５０〜３５０℃の温度で５〜３０分加熱処理を行うことを特徴とする請求項１記載の定着器用ローラ。
3. 前記シリコーンゴム弾性層が液状付加反応型シリコーンゴムからなり、熱伝導率が０．１６Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、かつ引張強さが０．４ＭＰａ以上である請求項１、２のいずれかに記載の定着器用ローラ。
4. 前記樹脂製マイクロバルーンが液状炭化水素を内包する熱可塑性樹脂粒子を予め熱膨張させたもの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定着器用ローラ。

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