JP5002988B2 - 定着ローラ、定着装置、及び定着ローラの製造方法 - Google Patents
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Description
一方、高速領域の機種においては、ニップ幅を広くとるなどして良好な定着状態を確保すべく、定着ローラと加圧ローラとを高圧下で圧接することが行われる。従って、高速領域の機種で用いられる定着ローラの筒状芯金には、より高い剛性を有することが求められる。
一方、特許文献2には、優れた剛性を有する定着ローラが記載されているが、同一肉厚の場合に更に高い剛性を有する芯金を用いた定着ローラが望まれていた。また、合金元素によっては、省資源性の観点から、剛性を高めるには有効と云えども添加が拒まれている元素があった。更に、高剛性の素材にあっては残留応力が大きくなる傾向となるため、センタレス研磨等を行う際に変形し易く、良好な研磨を行うことができない場合があった。
また、本発明の他の目的は、高速領域において良好な定着性と省エネ性とを両立する定着ローラを備えた定着装置を提供することにある。
更に、本発明の別の目的は、高速領域において良好な定着性と省エネ性とを両立する定着ローラの製造方法を提供することにある。
ここで、定着ローラは、筒状体を芯金としてその表面に外形層を有することを特徴とすることができる。
図1は、本実施の形態における定着装置1の構成を示す側面図である。図1に示すように、被転写体(記録材)上に担持されたトナー像を定着する定着装置1は、記録材の表面に担持されたトナー像に当接してトナー像を加熱する定着ローラ11と、この定着ローラ11に対向して圧接配置された加圧ローラ12とにより主要部が構成されている。
一方、加圧ローラ12は、芯金121の外周面に耐熱性弾性体層122と、更にその外周面に耐熱性樹脂被膜あるいは耐熱性ゴム被膜による離型層123とが積層して形成されたものである。
そして、定着ローラ11と加圧ローラ12との圧接部(ニップ部)Nに、未定着のトナー像を担持した記録材を通過させて、未定着トナー像に対して加熱と加圧とを行うことによって、記録材にトナー像を定着することができる。
なお、ニップ部Nの上流側近傍には、定着ローラ11近傍まで搬送される記録材をニップ部Nに送り込む搬送シュート2が配設されている。また、ニップ部Nの下流側近傍には、剥離補助部材3が配設され、定着ローラ11から剥離された記録材を完全に定着ローラ11から分離する。
また、このような芯金111は、C元素を0.18質量%以下、Si元素を0.55質量%以下、Mn元素を1.6質量%以下、P元素を0.03質量%以下、S元素を0.015質量%以下、及びTi元素を含有する高強度鋼管に熱処理を施して形成することができる。
なお、本実施の形態において、「鋼」とは、Fe元素と他の元素との合金を意味する。
(1)C元素の含量としては、0.18質量%以下、好ましくは0.153質量%以下、より好ましくは0.066質量%以下であり、下限としては通常0.01質量%以上、好ましくは0.015質量%以上、より好ましくは0.02質量%以上である。
(2)Si元素の含量としては、0.55質量%以下、好ましくは0.195質量%以下、より好ましくは0.026質量%以下であり、下限としては通常0.01質量%以上、好ましくは0.015質量%以上、より好ましくは0.02質量%以上である。
(3)Mn元素の含量としては、1.6質量%以下、好ましくは0.140質量%以下、より好ましくは0.75質量%以下であり、下限としては通常0.01質量%以上、好ましくは0.015質量%以上、より好ましくは0.02質量%以上である。
(4)P元素の含量としては、0.03質量%以下、好ましくは0.015質量%以下、より好ましくは0.012質量%以下であり、下限としては通常0.005質量%以上、好ましくは0.0075質量%以上、より好ましくは0.01質量%以上である。
(5)S元素の含量としては、0.015質量%以下、好ましくは0.004質量%以下であり、下限としては通常0.0005質量%以上、好ましくは0.001質量%以上、より好ましくは0.002質量%以上である。
(6)Ti元素の含量としては、通常、微量である。
(7)Nb元素の含量としては、好ましくは0%(検出限界以下)である。Nb元素の添加は、鋼の剛性を向上させる方法として有効ではあるが、天然資源としての存在量が限られていることから、上記割合が過度に大きいことは望ましくない。
(8)Mo元素の含量としては、好ましくは0%(検出限界以下)である。
まず、上記高強度鋼管の各種鋼材特性として、引っ張り強さとしては、通常780N/mm2以上、好ましくは800N/mm2以上であり、通常910N/mm2以下、好ましくは850N/mm2以下である。鋼材の引っ張り強さが過度に大きいと、管の真円度不良やフレが大きいなど加工が困難な場合がある。また、過度に小さいと、管の強度が低下して塑性変形等が発生し、特に高速な機器に使用される定着ローラとしては不適当な場合や、使用が不可能な場合がある。
更に、上記鋼材の伸びとしては、通常10%以上、好ましくは12%以上である。鋼材の伸びが過度に大きい場合や過度に小さい場合、引っ張り強さの時の場合と同様な不具合を生じる可能性がある。
即ち、まず、外径35mmの鋼管を研磨し、外径34.4mm、厚み0.4mm(両端部の厚みは0.6mm)、長さ380mmの円筒形状の鋼管を測定対象として用いた。そして、上記鋼管を試験機にクランプしたときのつぶれを防止するため、鋼管の両端部に、長さ80mmの鉄棒を挿入後、試験機にバイスでクランプし、万能試験機(UEH−30型、島津製作所社製)の油圧調整つまみを調整しつつ、荷重計を観察しながら急激な荷重上昇がないように徐々に上記鋼管に荷重を加える方法で測定した。なお、引張速度は30〜40mm/minの範囲であった。その後、材料(鋼管)の破断時での荷重、及び、伸びを記録すると共に、当該荷重値と試験前に計測した鋼管の厚みから求めた鋼管の断面積とから、引っ張り強さを計算により求めた。
ここで、圧下率(%)=[(入側板厚−出側板厚)/入側板厚]×100である。
また、そのようにして得られた鋼材中に観察される、フェライト結晶の粒径としては、通常5μm以下、好ましくは4μm以下、より好ましくは2μm以下である。フェライト結晶の粒径が過度に大きいと、低温状態での粘り強さに欠ける場合がある。
なお、本実施の形態において用いられる高強度鋼管の鋼材としては、市販品を用いることができる。
中でも、熱処理温度が450℃以上であると、高強度鋼管中に含まれていた残留応力が急激に低減するため好適である。
更に、熱処理温度が550℃以上であると、高強度鋼管中に含まれていた残留応力がほぼ解消されるため好適である。
なお、上記熱処理の環境としては、酸素を遮断した熱処理炉環境が、芯金111の出来栄えを確保する観点から好適である。
なお、本実施の形態において、センタレス研磨とは、その外周面を周方向に沿って研磨する処理のことをいう。研磨部の場所としては、その外周面全面であっても良いし、例えば中央部や端部など、外周面の一部のみであっても良い。
そして、溝部(凹部又はつつみ状)Cは、センタレス研磨によって形成されたものであり、溝部(凹部又はつつみ状)Cの最も深い位置から円筒端面に向けて、溝部(凹部又はつつみ状)Cの深さがなだらかに浅くなる断面形状を有するものである。なお、図2に示す通り、溝部(凹部又はつつみ状)Cの最も深い部分(肉厚の最も小さい部分)の側壁厚みがy1であり、溝部(凹部又はつつみ状)Cの形成されていない部分(肉厚の最も大きい部分)の側壁厚みがy2である。
また、上記y2の値としては、通常0.5mm以上、好ましくは0.6mm以上であり、上限として、通常1.0mm以下、好ましくは0.9mm以下である。
y1,y2の値が過度に大きいと、定着ローラの熱容量が大きくなり、リカバリータイムや省エネ性の観点から好ましくない。一方、上記肉厚が過度に小さいと、定着ローラの剛性に劣る場合がある。
なお、本実施の形態において「減面率」とは、伸管前後での鋼管断面積の減少率のことであり、伸管工程の加工率を表わしている。具体的には、伸管前の管の断面における管の部分の断面積に対する、伸管後の管の断面における管の部分の断面積の比を百分率で表したものである。
本実施の形態において、センタレス研磨後の真円度としては、通常40μm以下、好ましくは30μm以下、より好ましくは20μm以下である。
即ち、熱容量が小さいため、ウォームアップタイムやリカバリータイムが短く、省エネ性に優れると共に、高剛性であるため、高速印刷用の画像形成装置等に用いた場合にも被転写体の通過時間(トナーに対する加熱時間)を長く取ることができ、良好な定着性を実現することが可能となる。
ここで、筒状体を形成する素材として高剛性の素材を採用する場合には、素材中に残留応力が内在し易い傾向となり、内在する残留応力が大きな場合には筒状体のプロファイル加工時に筒状体が変形し、砥石の研磨面の形状が適切に反映されず、円筒度も損なわれる場合がある。
然るに、本実施の形態においては、適切な熱処理がなされているために残留応力が低減されており、所望の加工形状を実現し易く、プロファイル加工時に円筒度が損なわれる可能性が低い。
C元素を0.18質量%以下、Si元素を0.55質量%以下、Mn元素を1.6質量%以下、P元素を0.03質量%以下、S元素を0.015質量%以下、及びTi元素を含有するFe系材料を素管(原管)として用い、減面率約18%(φ29.00mmからφ26.22mmへ変化)で伸管した。伸管後の肉厚は0.74mmであった。なお、冷間伸管時の伸管速度は500mm/秒〜600mm/秒であった。
その後、表1に示す条件にて熱処理を行い、筒状体を得た。得られた筒状体のプロファイル加工性について評価した。結果を表1に示した。
次に、上記プロファイル加工を施して得られた筒状体を用い、図1に示す態様にて定着装置を形成して、その高速定着性と省エネ性とを評価した。結果を表1に併記した。
筒状体の外周表面に対してレーザーを照射し、軸方向に沿って、ロール長全長に渡りレーザーを照射した際の、直後の開き幅をノギス等用いて測定した。
ここで、当該「開き量」なる指標は、筒状体中に残存する残留応力を簡易的に測定する手法である。なお、開き量と残留応力との相関について、図3に示した。
[加工性(真円度)]
センタレス研磨を行い(プロファイル加工)、以下の基準にて評価した。
◎:センタレス研磨を良好に行うことができ、得られた筒状体の円筒度は15μm未満であった。
○:センタレス研磨を良好に行うことができ、得られた筒状体の円筒度は15μm以上25μm未満であった。
△:センタレス研磨を行うことはできたが、得られた筒状体の円筒度は25μm以上であった。
×:センタレス研磨を行う際の筒状体の変形が大きく、センタレス研磨を行うことができなかった。
[プロファイル加工の有無]
上記センタレス研磨を行っている場合には「有り」と表記した。
[高速定着性]
トナー像を形成した記録材を定着装置に通過させ、目視により、以下の基準で評価した。
◎:ライン速度250mm/秒以上においても、均一で良好な定着が可能であった。
○:ライン速度200mm/秒以上250mm/秒未満において、均一で良好な定着が可能であった。
△:ライン速度100mm/秒以上200mm/秒未満において、均一で良好な定着が可能であった。
×:ライン速度100mm/秒未満においても、均一な定着は、不可能であった。
[省エネ性]
定着ローラの昇温を開始してから、定着ローラ表面が200℃になるまでの時間を測定し、以下の基準で評価した。
◎:定着ローラ表面が所定温度になるまでの時間が12秒未満であった。
○:定着ローラ表面が所定温度になるまでの時間が12秒以上15秒未満であった。
△:定着ローラ表面が所定温度になるまでの時間が15秒以上30秒未満であった。
×:定着ローラ表面が所定温度になるまでの時間が30秒以上であった。
(a)実施例と比較例との比較から、熱処理を加えた筒状体についてはセンタレス研磨を良好に行うことができる。即ち、実施例においては、定着ローラ用芯金として良好な形状を有する筒状体を得ることができた。
(b)実施例1〜4と実施例5との比較から、熱処理温度によって、残留応力値が変化した。特に熱処理温度450℃付近に変極点が観察された(図4参照)。
(c)実施例1,2と実施例3〜5との比較から、熱処理温度が550℃以上であると観察される残留応力値がほぼ消失し(図4参照)、プロファイル加工後に、特に円筒度の高い筒状体を得ることができた。熱処理温度が550℃〜600℃であった筒状体を用いた定着ローラは、特に優れた高速定着性を示すものであった。
Claims (9)
- 熱源より加熱され、像を定着させる定着ローラであって、
熱処理を施した後に、高強度鋼管中に観察される残留応力が、1.2Kgf/mm 2 以下である当該高強度鋼管からなる筒状体を備え、
前記筒状体は、C元素を0.18質量%以下、Si元素を0.55質量%以下、Mn元素を1.6質量%以下、P元素を0.03質量%以下、S元素を0.015質量%以下、及びTi元素を含有することを特徴とする定着ローラ。 - 前記熱処理の温度は、400℃以上750℃未満であることを特徴とする請求項1記載の定着ローラ。
- 前記筒状体は、その外周面に周方向に沿って形成された溝部(凹部又はつつみ状)を有することを特徴とする請求項1又は2記載の定着ローラ。
- 前記溝部(凹部又はつつみ状)において、前記筒状体の肉厚は、少なくとも部分的に0.5mm以下であることを特徴とする請求項3記載の定着ローラ。
- 前記高強度鋼管の鋼材は、引っ張り強さが780N/mm2以上、降伏応力が550N/mm2以上、伸びが10%以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の定着ローラ。
- 前記高強度鋼管の鋼材は、圧下率50%以下で圧延した後、強冷却して形成されたものであって、前記鋼材中に観察されるフェライト結晶の粒径は、5μm以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の定着ローラ。
- 被転写体上に担持されたトナー像を定着する定着装置であって、
熱源と、
前記熱源より加熱される定着ローラと、を備え、
前記定着ローラは、C元素を0.18質量%以下、Si元素を0.55質量%以下、Mn元素を1.6質量%以下、P元素を0.03質量%以下、S元素を0.015質量%以下、及びTi元素を含有する高強度鋼管に熱処理を施し、当該熱処理を施した後に観察される残留応力が1.2Kgf/mm 2 以下である当該高強度鋼管からなる筒状体を備えることを特徴とする定着装置。 - 前記定着ローラは、前記筒状体を芯金としてその表面に外形層を有することを特徴とする請求項7記載の定着装置。
- C元素を0.18質量%以下、Si元素を0.55質量%以下、Mn元素を1.6質量%以下、P元素を0.03質量%以下、S元素を0.015質量%以下、及びTi元素を含有する高強度鋼管に熱処理を施し、当該熱処理を施した後に観察される残留応力が1.2Kgf/mm 2 以下である当該高強度鋼管からなる筒状体を形成する工程を有することを特徴とする定着ローラの製造方法。
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