JP4371887B2 - 定着部材及び定着装置 - Google Patents
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Description
少なくとも基材と、弾性層と、表層とを有し、
(1)該弾性層は熱伝導性フィラーを含み、該弾性層の厚み方向断面における熱伝導性フィラーの面積率が30〜65%であり、
(2)該熱伝導性フィラーの粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線において2つのピークを有し、
(3)該2つのピークとなる粒子径のうち小さい方の粒子径dp1と大きい方の粒子径dp2との比dp1/dp2が、0.06〜0.5であり、
(4)前記弾性層はマトリックス材料として付加反応型シリコーンゴムを硬化させたものを含有し、
(5)該弾性層の温度180℃、振幅10μm、振動数1Hzでの動的粘弾性測定におけるtanδが0.06〜0.2であることを特徴とする定着部材に関する。
本発明の好適な定着部材の一構成例を図1に示す。
11は基材、12は弾性層、13は表層である。11の基材は、金属または耐熱樹脂からなりローラ状またはベルト形状のいずれの場合であっても良い。具体的には、厚みが数mm程度のアルミまたは鉄からなるローラ芯金や、厚みが数10μm程度のニッケル、ステンレス鋼(SUS)またはポリイミド樹脂からなるベルト基体などを例示できる。
図2に弾性層12の一例を示した。弾性層12は、マトリックス材料21の間に分散した熱伝導性フィラー22を有する。この弾性層のマトリックス材料としては主に付加反応型シリコーンゴムを用いる必要がある。付加型シリコーンゴムを使用することによって、低硬度で寸法安定性に優れた定着部材を得ることができる。弾性層としては、少なくともこのマトリックス材料であるシリコーンゴムと、このマトリックス材料中に分散された熱伝導性フィラーを含んでおり、更に本発明の効果を逸脱しない程度に各種添加剤が含まれていても構わない。
付加反応型シリコーンゴムは、ビニル基などのアルケニル基を有するオルガノポリシロキサン(以下、ポリシロキサン(A)と記載する。)と、ケイ素原子結合水素原子を有するハイドロジェンオルガノポリシロキサン(以下、ポリシロキサン(B)と記載する。)を成分として含んでいる。アルケニル基は、白金系などの触蝶の存在下で、加熱などの手段により、ケイ素原子結合水素原子部位と反応し結合する。この結合は架橋と呼ばれ、この反応は、架橋反応と呼ばれる。架橋反応の進行により、シリコーンゴム材料は硬化し、シリコーンゴムとなる。付加型シリコーンゴムは、それぞれ単数種又は複数種のポリシロキサン(A)及びポリシロキサン(B)を原料として成形されても良い。
熱伝導性フィラーとしては特に限定されるものではないが無機物(熱伝導性無機フィラー)であることが好ましい。無機物は一般的に入手しやすく付加型シリコーンゴムへの配合も容易であり、優れた熱伝導性を有することができる。更に、熱伝導性無機フィラーとしては熱伝導率が10W/m・K以上であることが好ましい。このような熱伝導性無機フィラーとしては具体的には結晶性シリカ(熱伝導率10W/m・K)、アルミナ(20〜40W/m・K)、酸化亜鉛(54W/m・K)、窒化ホウ素(60W/m・K)、窒化アルミ(70〜270W/m・K)、炭化珪素(270W/m・K)が例示できる。
13の表層には、耐熱性やトナーの付着のし難さが求められる。表層の構成材料は特に限定されるわけではないが、様々な定着部材の特性を踏まえるとフッ素樹脂を用いることが好ましい。フッ素樹脂を用いることによって、トナー付着を起こさず耐久性にも優れた定着部材とすることができる。また、このとき表層の厚みを5〜50μmにすることで、本発明の効果がより効果的に引き出される。
この定着部材の製造方法は特に限定されるものでなく、公知の方法を駆使して製造可能である。以下に本発明の定着部材の製造方法の一例を示す。まず、基材を用意する。次に、基材上にプライマーを塗布する。プライマーとしては例えば、シリコーンプライマー(例えば商品名:DY39−051、東レダウコーニングシリコーン株式会社)を用いることができる。このプライマーを塗布した基材を円筒金型内に所定の隙間が出来るように同心円位置に配置する。次に、弾性層形成用材料(ポリシロキサン(A)、ポリシロキサン(B)、熱伝導性フィラーその他の添加物を混合した組成物)を調製した後、金型内に注型し、加熱硬化して弾性層を形成する。加熱硬化の温度は100〜200℃が好ましく、時間は10〜240分が好ましい。この後、弾性層を形成した基材を金型から取り出し、弾性層表面にシリコーンプライマーを塗布し、この弾性層の外径よりも、僅かに大きな内径を有し、内面が脱フッ素処理された熱収縮型フッ素樹脂チューブを、弾性層上に被覆し加熱することで、本発明実施の定着部材を製造することが出来る。
(1)弾性層の厚み方向断面における熱伝導性フィラーの面積率
本発明の実施にあたり重要なパラメータとその計測方法について以下に説明する。
熱伝導性フィラーの面積率は、弾性層を超硬カミソリ刃(形状:片刃、フェザー安全剃刀株式会社)で厚み方向断面が現れるように切断し、白金蒸着後に走査型電子顕微鏡(SEM)(商品型式:JSM−5900、日本電子株式会社)で観察した画像から計測を行った。
(1)と同様の方法により弾性層の厚み方向断面の2値化を行った。次に、個々の粒子(黒の部分)の面積から円形近似したときの直径を求め、0.01μm〜500μmまでの範囲を対数スケールで100分割した粒子径領域(図3に概念図を図示)について各粒子径における個数を集計した。次に、この個数を、熱伝導性フィラーを球形と仮定したときの体積に換算し(つまり、粒子径Dにける個数がnのときの、体積基準の頻度値はπD3/6となる。)、体積基準の頻度分布曲線を得た(図4に概念図を図示)。
上記の方法によって得られた頻度分布曲線から、2つのピークを示す粒子径のうち小さい方の粒子径をdp1[μm]、その頻度値をhp1[体積%]とし、大きい方の粒子径をdp2[μm]、その頻度値をhp2[体積%]として求めた(図5に概念図を図示)。
本発明の効果を証明するため、弾性層の特性として熱伝導率と硬度を測定した。これら特性の測定には、定着部材とは別に、弾性層用形成材料を用いて弾性層のみからなるサンプルを、φ30mm×12mmの円柱状サンプルとして製作して用いた。熱伝導率は、ホットディスク法熱物性測定装置(型式:TPA−501、京都電子工業株式会社製)により25℃の室温環境下で測定した。また、硬度は、アスカーC型硬度計(高分子計器株式会社製)により25℃の室温環境下、1kgfの荷重で密着後1秒以内の数値を読み取った。
図6に本発明の定着装置の一例を示す。61は、定着部材を記録材の上側に配した上ローラであり、62は、上ローラとの間に記録材61を挟持して記録材61を加圧するように加圧部材を配した下ローラである。図6の定着装置では加圧部材も定着部材とし、下ローラは上ローラと同様の構成とした。なお、上ローラと下ローラは異なる構成のローラであっても良く、上ローラと下ローラの何れか一方にのみ本発明の定着部材を用いても良い。ローラ内にはヒータ(図示せず)を配し、サーミスタ(図示せず)を通して所定の温度に調節した。
また、上下ローラに挟まれた部分をトナー定着ニップと呼び、トナー像が形成された紙などの記録材63はこのニップにて所定の速度で狭持搬送され、熱と圧力を受けることで、トナー像が記録材63に定着し、定着画像を得る。
本発明実施の具体的な実施例1として、次のようなシリコーンゴム原液1を配合した。
まず、付加反応型のシリコーンゴム原液A、B液を準備した。A液中には触媒である白金化合物が微量含有され、付加反応サイトのひとつであるビニル基をシロキサン結合側鎖に有するポリシロキサン化合物を主体とする組成物で構成されている。また、B液はもうひとつの付加反応サイトであるケイ素原子結合の水素を有するポリシロキサン化合物を主体とする組成物で構成されている。A,B液中には、本発明における熱伝導性を左右しないほどに微量な酸化鉄が含まれている。これらのシリコーンゴム原液の粘度は、A液が13Pa・s、B液が14Pa・sであった(何れもBH型回転粘度系で25℃の室温環境下で測定)。このシリコーンゴム原液のA、B液を重量比で1:1の割合で混合してシリコーンゴム原液1とした。このシリコーンゴム原液1を加熱硬化したサンプルの硬度を測定したところ7であった。
本発明の具体的な実施例2として、体積比としてシリコーンゴム原液1:フィラー1:フィラー2を、50:5:45とする以外は実施例1と同じ条件で弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表1に示した。
本発明の効果を証明するため、実施例1及び2と比較すべき具体的な比較例1として、次のような弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。比較するための配合の基準としては、(1)熱伝導率がほぼ同じであること、(2)面積率がほぼ同じであること、を満たすように配合した。すなわち、熱伝導率を同じくしたときに、本発明を実施することで如何に低硬度化がなされるかを証明するための配合基準である。
実施例1及び実施例2に対して比較すべき具体的な比較例2として、実施例1の配合材料のうちシリコーンゴム原液1とフィラー2のみを選択し、体積比として、シリコーンゴム原液1:フィラー2を、50:50の割合で配合し、弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。このフィラー2は、粒子径の体積基準の頻度分布曲線について1つのピークを有する。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表2に示した。この弾性層の熱伝導率は、1.2W/m・Kであった。
本発明実施の具体的な実施例3として、次のような弾性層形成用材料を得た。まず、熱伝導性フィラーとして、平均粒子径が12μm(フィラー3)の、球状アルミナ(昭和電工株式会社製)を準備した。これらの粒度分布としては粒度分布が狭いものを準備した。次に、実施例1の配合材料のうちシリコーンゴム原液1とフィラー1を選択し、体積比として、シリコーンゴム原液1:フィラー1:フィラー3を、50:35:15の割合で配合する以外は実施例1と同じ条件で弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。これらのフィラー1及び3は、粒子径の体積基準の頻度分布曲線についてそれぞれ2μmと12μmにピークを有するため、これらのフィラー1及び3を用いて成形された弾性層は、粒子径の頻度分布曲線において2つのピークを有している。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表1に示した。
本発明実施の具体的な実施例4として、体積比として、シリコーンゴム原液1:フィラー1:フィラー3を、50:5:45とする以外は実施例3と同じ条件で弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表1に示した。
実施例3及び実施例4に対して比較すべき具体的な比較例3として、実施例3の配合材料のうちシリコーンゴム原液1とフィラー3のみを選択し、体積比として、シリコーンゴム原液1:フィラー3を、50:50の割合で配合し、弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。このフィラー3は、粒子径の体積基準の頻度分布曲線について1つのピークを有する。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表2に示した。この弾性層の熱伝導率は、1.1W/m・Kであった。
以上の結果から、比較例1及び比較例3に対して、実施例3及び実施例4は、熱伝導率が同じとなるように原料組成を調整したとき、弾性層の低硬度化を達成することができ、本発明の効果を検証することができた。
本発明をより好適に実施できる具体的な実施例5として、体積比として、シリコーンゴム原液1:フィラー1:フィラー3を、50:15:35とする以外は実施例3と同じ条件で弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表1に示した。
比較例4として、実施例5の配合材料のうちシリコーンゴム原液1とフィラー1のみを選択し、体積比として、シリコーンゴム原液1:フィラー1を、60:40の割合で配合し、弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表2に示した。この弾性層の熱伝導率は、0.7W/m・Kであった。
本発明のうち、面積基準のフィラーの面積率の寄与を確認するため、具体的な実施例6として、体積比でシリコーンゴム原液1:フィラー1:フィラー3を、40:18:42とする以外は実施例5と同じ条件で弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表1に示した。
この弾性層の熱伝導率は、1.5W/m・Kであった。本実施例の弾性層の硬度の比較例5に対する低硬度化効果は−21であり、本発明の効果が実証された。
実施例6に対して比較すべき具体的な比較例5として、実施例6の配合材料のうちシリコーンゴム原液1とフィラー1のみを選択し、体積比として、シリコーンゴム原液1:フィラー1を、40:60の割合で配合し、弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表2に示した。この弾性層の熱伝導率は、1.5W/m・Kであった。
本発明のうち、面積率の上限を確認するため、比較すべき具体的な比較例6として、比較例5の配合材料のうち、体積比として、シリコーンゴム原液1:フィラー1を、20:80の割合で配合し、弾性層形成用材料を得ようとした。しかしながら、材料粘度に起因すると思われる混合・成型の困難さが生じ、弾性層形成は極めて難しかった。
また、以下ではtanδを0.06〜0.2に限定することによる効果について検証した。
本発明のうち、tanδ限定の効果を検証するため、実施例5に対して比較すべき具体的な比較例7として、比較例3の配合材料のうち、シリコーンゴム原液1について、最終的な弾性層としての硬度が、実施例5の弾性層と同じ硬度になるようにA液、B液の配合比を調整し、それ以外の成分については比較例3と同じ配合をして弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。
本発明のうち、tanδ限定の効果を検証するため、実施例6に対して比較すべき具体的な比較例8として、比較例5の配合材料のうち、シリコーンゴム原液1について、最終的な弾性層としての硬度が実施例6の弾性層と同じ硬度になるようにA液、B液の配合比を調整し、それ以外の成分は比較例5と同じ配合をして弾性層形成用形成材料を得て、定着部材を成形した。
熱伝導性フィラーとして、平均粒子径が4μm(フィラー4;昭和電工株式会社製)と、フィラー3の球状アルミナを用いた。これらのフィラー4及び3は、粒子径の体積基準の頻度分布曲線についてそれぞれ4μmと12μmにピークを有するため、これらのフィラー4及び3を用いて成形された弾性層は、粒子径の頻度分布曲線において2つのピークを有している。これらのフィラーを用いて体積比として、シリコーンゴム原液1:フィラー4:フィラー3を、50:15:35とする以外は実施例1と同じ条件で弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表1に示した。
また、この弾性層の熱伝導率は、1.1W/m・Kであった。本実施例の弾性層の硬度は24であり、比較例3に対する低硬度化効果は−8であり、本発明の効果が実証された。
体積比でシリコーンゴム原液1:フィラー1:フィラー3を、70:9:21とする以外は実施例5と同じ条件で弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表1に示した。
この弾性層の熱伝導率は、0.5W/m・Kであった。後述する比較例9からの低硬度化効果は6であった。また、tanδ=0.06であった。
弾性層形成用材料としてシリコーンゴム原液1とフィラー1のみを用い、体積比でシリコーンゴム原液1:フィラー1を70:30とする以外は実施例8と同じ条件で弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表2に示した。また、この弾性層の熱伝導率は、0.5W/m・Kであった。
体積比でシリコーンゴム原液1:フィラー1:フィラー3を、35:20:45とする以外は実施例5と同じ条件で弾性層形成用材料を得て、定着部材を成形した。この弾性層中のフィラーの面積率と粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線のピークの粒子径を表1に示した。
この弾性層の熱伝導率は、1.8W/m・Kであった。また、tanδ=0.2であった。
弾性層形成用材料としてシリコーンゴム原液1とフィラー1のみを用い、体積比でシリコーンゴム原液1:フィラー1を35:65とする以外は実施例9と同じ条件で弾性層形成用材料を得たが高粘度化したため、弾性層の混合、成形を行うことができなかった。
12 弾性層
13 表層
21 マトリックス材料
22 熱伝導性フィラー
61 上ローラ
62 下ローラ
Claims (10)
- 未定着トナー像を形成した記録材を加圧、加熱することにより、該未定着トナー像を定着画像として記録材に定着させる定着部材であって、
少なくとも基材と、弾性層と、表層とを有し、
(1)該弾性層は熱伝導性フィラーを含み、該弾性層の厚み方向断面における熱伝導性フィラーの面積率が30〜65%であり、
(2)該熱伝導性フィラーの粒子径に対する体積基準の頻度分布曲線において2つのピークを有し、
(3)該2つのピークとなる粒子径のうち小さい方の粒子径dp1と大きい方の粒子径dp2との比dp1/dp2が、0.06〜0.5であり、
(4)前記弾性層はマトリックス材料として付加反応型シリコーンゴムを硬化させたものを含有し、
(5)該弾性層の温度180℃、振幅10μm、振動数1Hzでの動的粘弾性測定におけるtanδが0.06〜0.2であることを特徴とする定着部材。 - 前記頻度分布曲線における粒子径dp1での頻度値hp1と、該粒子径dp2での頻度値hp2の比hp1/hp2が0.1〜3であることを特徴とする請求項1記載の定着部材。
- 前記hp1/hp2が、0.2〜1であることを特徴とする請求項2記載の定着部材。
- 前記熱伝導性フィラーが、無機物であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の定着部材。
- 前記熱伝導性フィラーの熱伝導率が、10W/m・K以上であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の定着部材。
- 前記弾性層の厚みが、100〜2500μmであることを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の定着部材。
- 前記表層がフッ素樹脂を含有し、且つ、該表層の厚みが5〜50μmであることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の定着部材。
- 前記dp1が0.6〜35μmの範囲にあり、前記dp2が10〜70μmの範囲にあることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の定着部材。
- 前記dp1が3.7〜6.0μmの範囲にあり、前記dp2が12〜63μmの範囲にあることを特徴とする請求項8に記載の定着部材。
- 少なくとも定着部材と、加圧部材とによりニップ部を形成し、未定着トナー像が形成された記録材を該ニップ部において加圧、加熱することにより、該未定着トナー像を定着画像として記録材に定着させる定着装置であって、
該定着部材が請求項1〜9の何れか1項に記載の定着部材であることを特徴とする定着装置。
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