JP4784272B2 - 加熱ロールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリンタ、複写機、ファクシミリ等の画像記録装置において用いられ、記録媒体上に担持された未定着トナー像を加熱及び加圧して記録媒体に定着させるための加熱ロール及びその製造方法に関する。

トナーを用いて可視像を形成する画像形成装置の定着装置としては、加熱回転体としての加熱ロールと加圧回転体としての加圧ロールとを有するものが広く用いられている。この定着装置では、加熱ロールと加圧ロールとが互いに圧接された状態で回転駆動され、圧接部（ニップ部）に記録媒体を送り込んで、この記録媒体に担持されている未定着トナー像を加熱・圧着するものである。
上記加熱ロールは、アルミニウムなどの中空円筒状の芯金と、その内部に設けられた加熱源、例えばハロゲンランプとを有しており、加熱ロールの周面がトナー像の定着に適した温度に加熱される。

このような加熱ロールは、画像形成装置の使用開始時には、所定の温度まで予備加熱（ウオームアップ）を行う必要があり、この予備加熱時間の短縮が求められている。また、加熱のための電力消費量を少なく抑えることも要請される。このため、加熱ロールは、円筒状の芯金の肉厚を薄くし、熱容量を小さくするとともに、内蔵された加熱源から円筒状の芯金への熱移動を効率よく行うことが必要となっている。

このような状況において、特許文献１及び特許文献２には、加熱ロールの内側の表面積を大きくして加熱効率を向上させる技術が開示されている。
特許文献１に記載の加熱ロールは、円筒状となった加熱ロール（ヒートロール）の内面に接触させて、波状に加工された金属板を配置し、内周面の面積を大きくして加熱源から放射される熱エネルギーの吸収効率を向上させるものである。
また、特許文献２に記載の加熱ロールは、内面に該加熱ロール（定着ローラ）の軸線に平行な縦リブとこの縦リブと直交するリング状の円周リブとを設け、加熱ロールの内側の表面積を大きくしている。これにより加熱の効率を向上させ、ウオームアップ時間の短縮を実現しようとするものである。

特開平８−１０６２２７号公報 特開２００１−１６６６２３号公報

しかし、上記のような従来の加熱ロールでは、次のような解決が望まれる課題がある。
上記のように金属からなる円筒状の加熱ロールの内周面にリブを設けたり、波状の金属板を接着するためには、精度の高い作業が必要となり、作業工数も多くなって製作費用が嵩むことになる。特に、熱容量を小さくしてウオームアップ時間を短縮することが求められているため、加熱ロールの円筒状芯金の肉厚が薄くなっており、芯金の内側の表面積を大きくする加工がさらに難しくなっている。

本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、内側の表面積が大きく加熱源からの熱吸収効率が良好である加熱ロールを、簡単な製作工程で得ることができる加熱ロールの製造方法を提供することである。

上記問題を解決するために、 未定着トナー像を加熱及び加圧し、転写体上に圧着する加熱ロールの製造方法であって、 中空円筒状の芯金の内側に塊状の加工材と、該加工材と分離された状態の粒状材料、粉状材料又は薄片状材料である添加材とを収容して該芯金の中空部分に閉じ込め、 該芯金を繰り返し運動させることによって前記加工材を前記芯金の内周面に衝突させ、該衝突のエネルギーによって該芯金の内周面に凹凸を形成するとともに、前記添加材を前記芯金の内周面に圧着し、該添加材の層を形成する加熱ロールの製造方法を提供する。

この加熱ロールの製造方法では、塊状の加工材の衝突によって内周面に多数の凹凸を形成するととともに、内周面に被覆層を設けることができる。

上記被覆層は、上記加工材の衝突によって粒状材料、粉状材料又は薄片状材料等が圧着されたものとなっている。つまり、加工材を芯金の内周面に収容して運動させるときに、上記粒状部材等を円筒状芯金の内側に収容しておくことにより、加工材の衝突時に上記粒状材料等が芯金の内周面との間で粉砕又は延伸され、内周面に圧着されたものとなる。したがって、内周面に凹凸を形成する工程と内周面の被覆層を形成する工程とを同時に行うことができる。そして、加熱ロールに必要な特性に応じて被覆層の材料を適宜に選択することにより、所望の特性を有した加熱ロールが得られる。

上記のような加熱ロールの製造工程において、円筒状の芯金の内側に収容しておく加工材は、表面が芯金の内周面よりも滑らかに仕上げられたものが望ましい。加工材が芯金の内周面に衝突したときに、被覆層を形成する材料が滑らかに仕上げられた加工材の表面には付着しにくくなり、芯金の内周面に強く付着して効率よく被覆層を形成する。
また、芯金は、両端部の運動軌跡がほぼ８の字状となるように繰り返し運動させ、両端部でその運動の位相がずれているものとするのがよい。このように運動させることによって、芯金の内周面にほぼ均等な機会で加工材を衝突させることができ、内周面にほぼ均一に凹凸を形成することができる。また、これにより内周面の被覆層を均一に形成することができる。

芯金内側に収容する加工材は、球形とするのが一般的であるが、放射状に凸部が張り出した形状とし、これらの凸部の先端部分が丸く滑らかな曲面となっているものであってもよい。このような凸部を有する形状では、加工材の質量を大きくするとともに衝突する凸部の先端部分の曲率半径を小さくすることができる。したがって、凸部の先端部分と芯金の内周面との間に作用する衝突圧が大きくなり、有効に凹部を形成することができるともに、被覆層を形成する材料も強く内周面に打ち付けられる。これによって強固な被覆層が形成される。

上記のように加工材を芯金の内側に収容して激しく運動させると、衝突エネルギーによって温度が上昇する。そして、内側に収容した粒状材料等が発火するおそれが生じる場合がある。このような場合には、芯金の内側に不活性ガスを収容し、密閉して運動させることができる。これにより被覆層を形成するための材料が発火するのを有効に防止することができる。

以上説明したように、本願発明に係る加熱ロールの製造方法では、芯金の中空部分に加工材及び添加材を収容して、繰り返し運動させることにより、芯金の内周面に凹凸を形成しながら、同時に該凹凸に沿って添加材が圧着された被覆層を形成することができるので、加熱源からの熱伝達効率のよい加熱ロールを簡単な工程で製造することができる。

以下、本願発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本願発明に係る方法で製造された加熱ロールが用いられる定着装置を示す概略断面図である。図２は、加熱ロールの拡大断面図である。
この定着装置１０は、トナー像が転写された記録紙Ｐを加熱する加熱ロール１と、この加熱ロール１に平行に圧接され、加熱ロール１に従動して回転する加圧ロール２とで主要部が構成されている。

このような定着装置１０は、加熱ロール１と加圧ロール２との間に未定着トナー像が転写された記録紙Ｐが送り込まれる。そして、回転駆動される加熱ロール１と加圧ロール２とのニップ部に記録紙Ｐを挟み込んで搬送する。このとき、加熱ロール１の熱によりトナー像が加熱され、溶融したトナー像は記録紙Ｐに圧着されて定着画像が形成される。

上記加熱ロール１は、金属製の円筒状芯金１ａを備えており、この円筒状芯金１ａの外周面に表面離型層１ｂが形成されている。また、円筒状芯金１ａの内周面には凹凸が形成されており、この凹凸の形状に沿って被覆層１ｄが積層されている。円筒状の芯金１ａの内部にはハロゲンランプ１ｃが配置され、定着に必要な熱の供給を行うものとなっている。円筒状の芯金１ａの両端部はフランジ（図示せず）によって支持され、このフランジに固着された支持軸により画像形成装置又は定着装置のフレームに支持されている。そして、駆動装置（図示しない）により、所定の速度で回転駆動されるものとなっている。

加熱ロール１の円筒状芯金１ａは、熱伝導性や剛性にすぐれたアルミニウム、鉄及びステンレス等の金属等を用いることができ、外径が２０ｍｍ〜８０ｍｍ程度で、厚さは０．６ｍｍ〜２０ｍｍ程度とすることができる。この芯金１ａの内周面に形成された凹凸は、鋼等の硬質材料からなる塊状の加工材を芯金１ａの中空部分に収容し、芯金１ａをくり返し運動させて、加工材が芯金の内表面に衝突するときのエネルギーにより形成されたものである。

また、内周面の被覆層１ｄは、使用目的に応じた特性を有する材料、例えば、炭素系材料、防錆剤、銅系材料、アルミ系材料等によって形成されたものである。層厚は、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ程度とするのが望ましく、この円筒状芯金１ａの内周面上に形成された凹凸の形状に沿って積層されている。

本実施形態では、円筒状の芯金１ａには外径が３５ｍｍのアルミニウムの円筒状部材を用い、その肉厚は３．０ｍｍとしている。表面離型層１ｂは、厚さが３０μｍとなっており、炭化ケイ素粉末を分散したＰＴＦＥ樹脂を芯金１ａの外周面に粉体塗装した後、焼き付けて形成している。内周面の被覆層１ｄは、カーボンからなる添加材が凹凸の形状に沿って圧着されたものであり、その層厚は０．１ｍｍとなっている。

上記加熱ロール１では、芯金１ａの内周面に形成された凹凸により、芯金１ａの内側の表面積が増大しているので、加熱ロール１に内蔵されているハロゲンランプ１ｃから放射される熱エネルギーを効率よく吸収し、加熱ロール１の周面を効率よく加熱することができる。さらに、この凹凸に沿って、カーボンを圧着した被覆層１ｄが形成されているので、ハロゲンランプ１ｃからの放射熱は反射し難くなり、効率よく加熱ロール１に伝達される。

一方、前記加圧ロール２は、金属で形成された円筒状芯金２ａの外周面にスポンジやゴムなどの弾性層２ｂを形成し、その上にフッ素樹脂からなる離型層２ｃを積層したものである。本実施形態では、金属製の芯金２ａに弾性層２ｂとして厚さ１２ｍｍのシリコーンゴムの層を形成し、３０μｍのカーボンを分散した導電性ＰＦＡ樹脂チューブで被覆して離型層２ｃとしている。

次に、本願発明に係る加熱ロール１の製造方法を説明する。
図３は、図１に示す定着装置１０に用いられる加熱ロール１の製造方法を示す概略図である。
この製造方法では、円筒状の芯金１ａの中空部分に加工材である鋼球３と添加材であるカーボン４を収容する。そして、芯金１ａの両端部に密閉用キャップ５を嵌め合わせて鋼球３及びカーボン４を閉じこめる。このとき鋼球３は、１個でも良いが、加工の効率を良好なものとするために複数を入れるのが望ましい。また、その数は後述のように芯金１ａを運動させるときに、内周面との衝突が効率よく生じる数を適宜に選択するのがよい。

上記加工材が収容された芯金１ａを繰り返し運動させ、鋼球３を芯金１ａの内周面に衝突させる。このとき、芯金１ａの両端部の運動軌跡が略８の字を描くものとし、その位相が両端部でずれるように運動させる。このような運動軌跡とすることにより、図４（ａ）に示すように鋼球３が芯金１ａの内周面に繰り返し衝突し、その衝突エネルギーによって芯金１ａの内周面に凹部を形成する。また、図４（ｂ）に示すように衝突時にカーボン４の粉状体が鋼球３と芯金１ａの内周面との間に介在され、カーボン４が芯金１ａの内周面に圧着されて層を形成する。そして、このような衝突が芯金１ａの周方向及び軸線方向にほぼ均等な機会で生じ、芯金１ａの内周面全体にわたって、ほぼ均等な凹凸が形成されるとともに、その表面に均等なカーボン４の被覆層が形成される。

上記工程で、加工材である鋼球３の衝突エネルギーにより芯金１ａの内周面に効率よく凹凸を形成するためには、加工材として芯金１ａを構成する材料よりも硬度の高いものを用い、外径は芯金１ａの内径の約１／４とするのが望ましい。また、鋼球３の表面は、芯金１ａの内表面よりも滑らかなものであることが望まれる。これにより、添加材であるカーボン４が鋼球３の衝突エネルギーにより粉砕されると同時に芯金１ａの内周面に延伸しながら圧接され、鋼球３の表面に付着するのを防止することができる。

上記のように加工された芯金１ａには、外周面に炭化ケイ素粉末を分散したＰＴＦＥ樹脂を粉体塗装して表面離型層１ｂを形成する。そして、加熱源であるハロゲンランプ１ｃを内側に配置するとともに、両端部にフランジ及び支持軸を取り付けて加熱ロール１とする。この加熱ロール１は、従来の加熱ロールと同様に定着装置の枠体に支持させ、加圧ロールと圧接して用いることができる。

なお、本実施形態では、添加材としてカーボンの粒状材料を用い、カーボンの被覆層を形成することによってハロゲンランプからの放射熱を吸収しやすいものとしているが、カーボンに代えてアルミニウムや銅等の熱伝導率が高い材料の粉状体を用いることができる。芯金１ａより熱伝導率の高い材料からなる被覆層を内周面に形成することにより、加熱ロールを均等に加熱し、定着装置１０のウオーミングアップに有する時間を短縮することができる。また、添加材として防錆材を用い、加熱ロール１の内周面の防食を施すこともできる。

さらに、鋼球３の衝突エネルギーによって芯金１ａ及び鋼球の温度が上昇し、カーボンやアルミニウムの粉状体が発火するおそれがあるときには、芯金１ａの中空部分に不活性ガスを封入して発火を防止することができる。
また、本実施形態では、芯金１ａの両端が略８の字を描くように繰り返して運動させて加工材３を均一に芯金１ａの内周面に衝突させているが、芯金１ａの内側に収容されている鋼球３が効率よく均一に内周面と衝突する運動であれば、他の動きを採用してもよい。

一方、衝突によって形成する凹部の大きさ、曲率、深さ等を適切なものとするためには、芯金１ａの運動量を適切に調整するとともに、加工材の形状及び質量等を適切に選択する必要がある。加工材の形状は球形とするのが一般的であるが、例えば、複数の凸部を周面にほぼ均等に有する塊状の加工材を使用することもできる。このような形状の加工材を使用することにより、曲率の小さい凸部に衝突のエネルギーを集中して、芯金１ａが硬質の材料で形成されている場合にも、効率よく凹凸を形成することができる。

本願発明に係る方法で製造された加熱ロールが用いられる定着装置を示す概略断面図である。 本願発明に係る方法で製造された加熱ロールの一例を示す拡大断面図である。 図２に示す加熱ロールの製造方法を示す概略図である。 円筒状の芯金の内周面に凹部が形成される状態及び被覆層が形成される状態を示す概略図である。

１：加熱ロール、 １ａ：円筒状芯金、 １ｂ：表面離型層、 １ｃ：ハロゲンランプ、
１ｄ：被覆層、 ２：加圧ロール、 ２ａ：円筒状芯金、 ２ｂ：弾性層、 ２ｃ：表面離型層、 ３：鋼球（加工材）、 ４：カーボン（添加材）、 ５：密閉用キャップ、
１０：定着装置

Claims (5)

1. 未定着トナー像を加熱及び加圧し、転写体上に圧着する加熱ロールの製造方法であって、
   中空円筒状の芯金の内側に塊状の加工材と、該加工材と分離された状態の粒状材料、粉状材料又は薄片状材料である添加材とを収容して該芯金の中空部分に閉じ込め、
   該芯金を繰り返し運動させることによって前記加工材を前記芯金の内周面に衝突させ、該衝突のエネルギーによって該芯金の内周面に凹凸を形成するとともに、前記添加材を前記芯金の内周面に圧着し、該添加材の層を形成することを特徴とする加熱ロールの製造方法。
2. 前記芯金は、両端部の運動軌跡がそれぞれ略８の字状となるように運動し、両端部の運動の位相がずれていることを特徴とする請求項１に記載の加熱ロールの製造方法。
3. 前記加工材は、表面が前記円筒状芯金の内周面よりも滑らかであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加熱ロールの製造方法。
4. 前記加工材の形状は、球状又は凸部を複数有する塊状であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の加熱ロールの製造方法。
5. 前記芯金の中空部分に存在する空気を不活性ガスに置換し、密閉した状態で運動させることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載の加熱ロールの製造方法。

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