JP5233129B2

JP5233129B2 - 加熱ローラ、定着装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP5233129B2
Application number: JP2007035512A
Authority: JP
Inventors: 智明菅原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2027-02-15
Also published as: JP2008197585A

Description

本発明は、トナー加熱して記録材に定着するための加熱部材、これを備えた加熱ローラ、定着装置、画像形成装置に関する。

従来、高画質を目的とする電子写真複写機、プリンタ、特にカラー電子写真による出力を行う装置においては、トナーへの柔軟な密着性確保、耐熱性のため加熱部材としてシリコーンゴムを使用することが多い。しかし、これら耐熱性ゴム材料は熱伝導性が低く、熱源からの熱を被記録材に伝える際には熱抵抗層となる。カラー画像では、特に柔らかいゴム層が画質向上の点で、重要である。しかし、熱容量が大きく、熱抵抗が高いため立ち上がりの時間が遅くなる。また、高速機の場合にも熱供給が間に合わなくなる。
このような不具合を解決するための技術として、特許文献１、２には、フィラーを用いて熱伝導率を向上させることが開示されている。
特開２００６−１３３５７６公報特開２００５−２９２２１８公報

しかしながら、特許文献１、２に記載の技術にあっては、加熱部材の密度を低くできないので、低密度化によって低熱容量とし、立ち上がりの時間を短縮することは出来ない。
すなわち、シリコーンゴム内で発泡剤や発泡粒子などの発泡体を発泡させることにより密度を下げて、熱容量を小さくし、かつ熱伝導性を高くした加熱部材は開発されてこなかった。
これには、大きく２つの理由がある。
ひとつには、発泡倍率（気泡がない状態の体積Ｖｓを分母とし、気泡の体積ＶｆとＶｓの和を分子としたもの）を上げていくと急激に熱伝導性が低下することがある。これは、もとの物質の熱伝導性が変わらない場合に発生する。（たとえば、熱物性ハンドブック養賢堂Ｃ．２ｐ．１７９のＥｕｃｋｅｎの式参照）
また、発泡倍率を上げていくと、相対的に壁面が薄くなっていくため強度が低下する。
これらの問題のため、高温環境下で変形を繰り返される加熱部材において、低熱容量（低密度）と高熱伝導率及び耐熱性を会わせ備える加熱部材を開発することは困難であった。
そこで、本発明は画像形成装置の定着装置の高速立ち上げを目的とした、低熱容量（低密度）かつ高熱伝導率の加熱部材、これを用いた定着装置、画像形成装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、加熱源としてのヒータと、前記ヒータに接する金属の円筒体である芯金と、前記芯金の外表面に設けられ、記録材上に担持されるトナー像を加熱及び加圧して該トナー像を定着させるための加熱部材と、を備えた加熱部材と、を備えた加熱ローラにおいて、前記加熱部材は、シリコーンゴムから構成されると共に、前記シリコーンゴムの内部には空孔部を設けられ、前記空孔部の間隙のシリコーンゴムには、前記間隙よりも長く、５０乃至１５０ミクロンの長さを備えたピッチ系炭素繊維が設けられ、前記空孔部の間隙において、前記炭素繊維同士の接触を形成し、前記ヒータから当該加熱部材の外表面に向かう方向に熱伝導のパスを形成する加熱ローラを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、前記芯金は、厚さが０．５ｍｍ以下であって、当該芯金の内面に複数の周回凸部を一体に形成したことを特徴とする請求項１に記載の加熱ローラを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、最表面にフッ素系高分子よりなる層をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱ローラを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか一項に記載の加熱ローラを備えた定着装置を特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の定着装置を備えた画像形成装置を特徴とする。

本発明の構成によれば、加熱部材を構成するシリコーンゴムに含ませた炭素繊維は熱伝導のパスとなり、さらに空孔を設けたことにより、低熱容量となって温度上昇が高くなり、また、炭素繊維によってシリコーンゴムが補強されることで圧縮永久歪を低減することが可能な加熱部材を提供することが可能となった。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る加熱部材、定着装置を適用した画像形成装置の概略構成図である。
画像形成装置１は、帯電装置２、感光体３、書き込み系４、現像装置５、転写装置６、加圧ローラ８及び加熱ローラ９からなる熱定着方式の定着装置７、クリーニング手段１０から構成される画像形成装置である。
画像形成装置１においては、帯電ローラ２によって表面を一様に帯電された感光体３に、書き込み系４による光走査を行い静電潜像を形成する。現像装置５は、感光体３上に形成された静電潜像にトナーを供給する。トナーの付着によって静電潜像はトナー像として顕像化され、転写ローラ６及び感光体３間に形成されるニップ部を通過する記録材Ｐに転写される。
記録材Ｐ上の未定着トナーは、記録材Ｐが加熱ローラ９及び加圧ローラ８によって構成されるニップ部を通過する際に、加熱及び加圧されて記録材Ｐ上に定着される。このようにして、画像形成装置１における画像形成が完了する。
そして、感光体３上に残留したトナーがクリーニング手段１０によって除去され、次の画像形成動作に備えられる。

図２は、図１における定着装置をより詳細に示す図である。
図２に示すように、定着装置２は、加熱ローラ９及び加圧ローラ８から構成されている。
加圧ローラ８は、加熱ローラ９とのニップ部を通過する記録材Ｐに押圧するように加圧機構１０である弾性体によって付勢されている。
加熱ローラ９は、金属の円筒体である芯金（ローラ芯金）１１と、その外表面に備える加熱部材１３からなり、さらに芯金１１は、加熱源としてのヒータ１２を備えている。
定着装置７は、加圧ローラ８及び加熱ローラ９間に形成されるニップに記録材Ｐを通過させ、加圧ローラ８による加圧、加熱ローラ９による加熱によって記録材Ｐ上に未定着トナーＴを定着させる。
図３は、本発明に係る加熱ローラの表面部分の断面図である。
加熱ローラ９において、上述したように芯金１１の外表面には加熱部材１３が形成されている。
加熱部材１３は、シリコーンゴム層１４、ＰＦＡ層１５によって構成され、ヒータ１２からの熱は、芯金１１、シリコーンゴム層１４を伝わってＰＦＡ層１５まで伝わっていく。

図４は、図３におけるシリコーンゴム層を拡大して説明する図である。
マトリックス相としてのシリコーンゴム層１４は、内部に炭素繊維１８を含んでおり、内部にさらに空孔部（気泡）１６を含んでいる。
矢印１７は主な熱流を示しており、図示していないヒータからの熱が、効率よく芯金１１から、間のシリコーンゴム層１４を通過して外表面のフッ素樹脂層１５（この例ではＰＦＡ層）まで、流れていることを模式的に示している。
図４に示すように、高熱伝導率の炭素繊維１８が気泡１６に平行に壁面部分に配向されている。そのため、高い熱伝導率を得ることができる。また、炭素繊維１８同士の接触部分も増えるため熱抵抗を非常に小さくすることが可能である。
すなわち、炭素繊維１８が熱伝導のパスとなり、それ以外の部分が気泡による空孔となることで、低熱容量となり、温度上昇が早くなる。さらに、炭素繊維１８によりシリコーンゴム層１４が補強されることにより、圧縮永久歪みが低減される効果がある。
ここで、炭素繊維１８としては、ピッチ系の日本グラファイトファイバー（株）社製品名：炭素繊維ミルド品番：ＸＮ−１００−０５Ｍ（５０ミクロン）、ＸＮ−１００−１５Ｍ（１５０ミクロン）等が最適である。これらは、熱伝導率５００Ｗ／ｍＫとされている。これに対し、ＰＡＮ系の熱伝導率は、最大でも５０Ｗ／ｍＫである。
すなわち、ピッチ系の炭素繊維を用いることにより、ＰＡＮ系の炭素繊維に比べて１桁以上高い熱伝導率により本発明の構成に必要な熱伝導率を確保することが出来る。

シリコーンゴム層１４は、このような炭素繊維１８と、発泡体としての発泡剤または発泡粒子、あるいは樹脂バルーンを２液型の付加型液状シリコーン（未加硫付加型シリコーンゴム）の主剤側に分散して形成されている。あらかじめ内面に接着層を形成したＰＦＡチューブとその内側に０．５ｍｍの内面に凸部補強（リブと呼ぶ）を設けた芯金１１をセットしその間に、加硫剤と混合しながら、注入液としてＰＦＡチューブと芯金の間に注入する。あらかじめ内面に接着層を形成したＰＦＡチューブとその内側に０．５ｍｍの内面に凸部補強を設けた芯金１１をセットしその間に注入し、１次加熱により発泡体としての発泡剤あるいは発泡粒子を発泡させ、２次加熱によってさらに固定する。
この過程で炭素繊維１８を含む流動性のある液状シリコーンを発泡させることにより炭素繊維１８が流れによって動かされ、発泡によって生じた気泡１６の壁面に対して平行に炭素繊維１８が配向することにより熱の経路が形成される。さらに、炭素繊維１８の方向性がそろうことにより、強度が向上して圧縮永久歪みが低減される効果がある。
また、同様に炭素繊維１８を含む流動性のある液状シリコーンに樹脂バルーンを混入することにより、泡の壁面に対し、平行に炭素繊維が配向することにより、熱の流路が形成される。さらに、方向性がそろうことにより、強度が向上し、圧縮永久歪みが低減される。
同様に作製したシリコーン未架橋液を芯金１１に塗布架橋し、フッ素樹脂のコート層を作製、または、フッ素樹脂チューブにより被覆してフッ素樹脂層１５としてもよい。

本発明において用いられるフッ素樹脂としては、焼成による溶融成膜性のよい、比較的融点の低いもの（好ましくは２５０〜３００℃）が好ましく選択される。具体的には、低分子量ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフロオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアアルキアルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）の微粉末が挙げられる。低分子量ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粉末は、ルブロンＬ−５、Ｌ−２（ダイキン工業）、ＭＰ１１００、１２００、１３００、ＴＬＰ−１０Ｆ−１（三井デュポンフロロケミカル）が知られている。テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）粉末は、５３２−８０００（デュポン）が知られている。テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）は、ＭＰ−１０、ＭＰ１０２、（三井デュポンフロロケミカル）が知られている。特にＭＦＲ（メルトフローレート）が小さい流動性の低いものとして、ＭＰ１０３、ＭＰ３００（三井デュポンフロロケミカル）、ＡＣ−５６００、ＡＣ５５３９（ダイキン工業）等が本発明には向いている。

また、発泡剤としては、アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）等、発泡粒子としては、松本油化製薬のＦ−３０、Ｆ−３０ＶＳ、Ｆ−４６、Ｆ−５０、Ｆ−５５等がある。また、樹脂バルーンとしては、松本油化製薬のＦ−８０ＥＤ等がある。
炭素繊維１８には、合成繊維のアクリル長繊維からつくるＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維と、石炭タール、石油ピッチからつくるピッチ系炭素繊維がある。
ＰＡＮ系炭素繊維は、ＰＡＮプリカーサー（ポリアクリロニトリル繊維）を炭素化して得られるもので、高強度・高弾性率の性質をもつ。
ピッチ系炭素繊維は、ピッチプリカーサー（コールタールまたは石油重質分を原料として得られるピッチ繊維）を炭素化して得られるもので、製法の諸条件で、低弾性率から超高弾性率・高強度の広範囲の性質が得られる。超高弾性率品は、高剛性用途のほか、優れた熱伝導率や導電性の特性がある。
すなわち、上述したように、ピッチ系の炭素繊維を用いることにより、ＰＡＮ系の炭素繊維に比べて１桁以上高い熱伝導率により本発明の構成に必要な熱伝導率を確保することが出来る。

以下に、実験結果をもとに本発明をさらに詳細に説明する。
［実施例Ａ］
Ｆ−８０ＥＤとＸＮ−１００−０５Ｍ（５０ミクロン）の複合粉体を付加型液状シリコーンの中に分散したものを作製する。芯金１１としてのアルミニウムの中空芯金にプライマーを介して、粉体を分散したシリコーンゴム層１４を厚さ２ｍｍで形成し、発泡体としての複合粉体を発泡させて気泡１６を形成し、１次加硫（硬化）させる。さらに２次加硫させ、その外側にＰＦＡ樹脂チューブ（ＰＦＡ樹脂層）を接着し、外径をφ４０（ｍｍ）とした加熱ローラ９を作製した。これを、（株）リコー製複写機ＭＦ４５７０の定着ユニットにセットし、１０００（Ｗ）ハロゲンヒータによる１６０℃までの温度上昇時間（秒）を測定した。温度測定は、加熱ローラ９の上部の部分に熱電対を設けて行った。配合は、重量部により行ったが、Ｆ−８０ＥＤは、気泡として、発泡倍率による体積で換算した。ＰＦＡ樹脂層（フッ素樹脂層）１５は、三井・デュポンフロロケミカル株式会社製のＨＰＰｌｕｓ９５０ＨＰの型番の材料によるものを用いた場合、球晶が小さくなり表面粗さが向上する。芯金１１の厚さはリブ付き０．４ｍｍである。
（表１）

表１において、実施例１、２、３では１６０℃までに３０秒以内で立ち上がっている。比較例１と３では立ち上がりが遅く、比較例２では、圧縮永久歪が大きく１００時間での１６０℃加熱加圧保持で加熱ローラ９の変形が見られる。
ここで、発泡倍率が１．５倍以下では、熱容量が大きいためにニップを大きくするための厚さを確保出来ない。また、発泡倍率が３．０以上のときは、かなりの気泡が連泡となってしまい強度が低下し、圧縮永久歪みが大きくなる。
しかし、１．５倍以上、３．０倍以下の範囲であれば、低熱容量と強度が満たされ、十分な定着動作が可能である。

［実施例Ｂ］
Ｆ−３０とＸＮ−１００−０５Ｍ、ＸＮ−１００−１５Ｍの複合粉体を付加型液状シリコーンの中に分散したものを作製する。芯金１１としてのアルミニウムの中空芯金にプライマーを介し、粉体分散シリコーン層を厚さ２ｍｍ形成し、複合粉体を発泡させシリコーン層を１次加硫させる。このときの温度を１３０℃として、Ｆ−３０を発泡させる。さらに、２次加硫させ、その外側にＰＦＡ樹脂チューブ（ＰＦＡ樹脂層）１５を接着し、外径をφ４０（ｍｍ）とした加熱ローラ９を作製した。これを、（株）リコー製複写機ＭＦ４５７０の定着ユニットにセットし、１０００（Ｗ）ハロゲンヒータによる１６０℃までの温度上昇時間（秒）を測定した。配合は、重量部により行ったが、Ｆ−３０は、発泡後の気泡として発泡倍率による体積で換算した。ここで、芯金１１の厚さはリブ付き０．４ｍｍである。
（表２）

表２において、実施例４、５、６では加熱ローラ９は１３０℃までに３０秒以内で立ち上がっている。比較例４と６では立ち上がりが遅く、比較例５では、圧縮永久歪が大きく１００時間での１６０℃加熱加圧保持で加熱ローラの変形が見られる。
また、発泡倍率が１．５倍以下では、熱容量が大きいためにニップを大きくするための厚さを確保出来ない。また、発泡倍率が３．０以上のときは、かなりの気泡１６が連泡となってしまい強度が低下し、圧縮永久歪みが大きくなってしまう。発泡倍率が１．５倍以上、３．０倍以下の範囲であれば、低熱容量と強度が満たされ、十分な定着動作が可能である。

［比較例Ａ］
Ｆ−３０とＸＮ−１００−０５Ｍ、ＸＮ−１００−１５Ｍの複合粉体を付加型液状シリコーンの中に分散したものを作製する。アルミニウムの中空芯金にプライマーを介し、粉体分散シリコーン層を厚さ２ｍｍ発泡し形成し一気に１８０℃で２次加硫させると同時に、Ｆ−３０を発泡させた。その外側にＰＦＡ樹脂チューブを接着し、外径をφ４０（ｍｍ）にした加熱ローラ８を作製した。これを、（株）リコー製複写機ＭＦ４５７０の定着ユニットにセットし、１０００（Ｗ）ハロゲンヒータによる１６０℃までの温度上昇時間（秒）を測定した。配合は、重量部により行ったが、Ｆ−３０は、発泡後の気泡として発泡倍率による体積で換算した。ここで、芯金厚さはリブ付き０．４ｍｍである。
（表３）

実施例５、６と表３に示す比較例７、８を比較すると１次加硫時に粉体を発泡させ、固定し、２次加硫した方が、圧縮永久歪が非常に小さいことがわかる。

［実施例Ｃ］
（表４）

実施例５の加熱部材を芯金の厚さを変えて作製した。表４に示すように、芯金厚さが０．５ｍｍ以下の場合に温度上昇時間が２０秒以下となっている。加熱ローラ中心のヒータから加熱されるのはまず、芯金であるため、この芯金の熱容量も重要となる。芯金が０．５ｍｍ以下の厚さであれば、１０数秒程度の立ち上げとなるが、たわみに対する強度がおちてしまう。そのため、周回凸部によって補強されたものと組み合わせることにより、強度を保ちつつ、速い立ち上げの定着装置を提供出来る効果を得られる。

［実施例Ｄ］
実施例５のローラを（株）リコー製ＭＦ４５７０の定着ユニットに装着し、１００００枚、（株）リコー製ｉｍａｇｉｏＭＰＣ４５００の黒ベタ画像を通し、ローラ表面のトナー付着量と紙の巻き付きを見た（表５）。この結果、表面粗さ（十点平均粗さ：ＪＩＳＢ０６０１−１９９４）Ｒｚが５μｍ以下であれば、効果があることが確認された。７μｍのものは、７３２５枚で、ジャムが多発したため実験を取りやめている。
（表５）

［実施例Ｅ］
（株）リコー製ＩＰＳＩＯＣｏｌｏｒ８１００で作成した未定着画像の通紙テストを行った。このＩＰＳＩＯＣｏｌｏｒ８１００のトナーは、離型性が不十分なため加熱ローラにシリコンオイルを塗布するためにシリコンオイルを含侵されたオイル塗布部材（離型剤塗布手段）を追加している。このＩＰＳＩＯＣｏｌｏｒ８１００に１０，０００枚、黒ベタ画像を通し、ローラ表面のトナーの付着状態を観察した。特に大きな付着は観察されず。通常のものと何ら変わりがなかった。塗布部材を外したものは、６０，０００枚で加熱ローラへのトナーの顕著な付着がみられた。
離型剤を用いることによりトナーと、トナーに接する加熱ローラ（加熱部材）の離型性を向上できることがわかる。

［実施例Ｆ］
実施例１の加熱ローラにおいて、表面粗さＲｚが２μｍ以下としたものを作製した。ＭＦ４５７０の定着ユニットを用いた定着試験機を作製し、ｉｍａｇｉｏＭＰＣ４５００において、未定着画像への加圧力を変えて、このローラに対して通紙した。
表６に示すように、加圧力が２．９（Ｎ／ｃｍ^２）以下では、定着性が非常に悪く、１９．６（Ｎ／ｃｍ^２）以上では、加熱ローラへのトナー付着が見られた。紙の巻き付きは、トナー付着状態がさらに悪化し巻き付きが発生したものである。
また、３９．２Ｎ／ｃｍ^２以上の加圧力であれば、トナーの持つワックス、またはシリコンオイルなどの離型剤が、トナー樹脂と加熱部材との間から出て行ってしまい、離型剤による離型性を維持できない。
加圧力が３９．２（Ｎ／ｃｍ^２）以下であれば紙の巻き付きは見られない。定着性は、定着後のべた画像に面の布を擦りつけ顕著に布にトナーが付いてものを定着不良として簡易判定した。
トナーの定着性は、かける圧力に依存し、特に、４．９Ｎ／ｃｍ^２以上の加圧力とすることにより、トナー画像の定着性が向上することがわかる。

（表６）

以上の実験の結果、炭素繊維、特にピッチ系の炭素繊維と発泡剤による本発明の完成に至った。熱伝導率の向上には炭素繊維の配向性が重要となる。さらに必要となるのが各炭素繊維間の熱抵抗の低減である。さらに、圧縮応力により各繊維同士を押しつけることが重要である。また、加硫時に各繊維間を近づけて繊維間での熱抵抗を削減することも重要である。炭素繊維は、シリコーンゴムとの接着性がよく、発泡化したシリコーンゴムの薄い壁面の引っ張り強度を増すことができる。また、適当な工程を経ることにより、より高熱伝導率にできることがわかった。また、空孔（気泡）の壁面の強化により、復元性を向上させ、圧縮永久歪を小さくできる。
このような、熱伝導性がよく、ゴム硬度の低いローラにより熱伝達が均一に行われ、かつ膜強度の高い加熱部材を適用することにより、効率が良く、耐久性の高い定着装置を得ることが出来る。また、この定着装置を適用して、信頼性の高く、エネルギー効率のよい画像形成装置を提供出来る。
なお、上記した実施例５における条件において、温度上昇時間及び圧縮永久歪ついて優れた、最適な加熱部材、定着装置、画像形成装置を得ることができる。

本発明に係る加熱部材、定着装置を適用した画像形成装置の概略構成図。図１における定着装置をより詳細に示す図。本発明に係る加熱ローラの表面部分の断面図。図３におけるシリコーンゴム層を拡大して説明する図。

符号の説明

１画像形成装置、２帯電装置、３感光体、４書き込み系、５現像装置、６転写装置、７定着装置、８加圧ローラ、９加熱ローラ、１０クリーニング手段、１１芯金、１２ヒータ、１３加熱部材、１４シリコーンゴム（層）、１５ＰＦＡ層、１６空孔部、１８炭素繊維、Ｔ未定着トナー、Ｐ記録材

Claims

加熱源としてのヒータと、
前記ヒータに接する金属の円筒体である芯金と、
前記芯金の外表面に設けられ、記録材上に担持されるトナー像を加熱及び加圧して該トナー像を定着させるための加熱部材と、を備えた加熱部材と、
を備えた加熱ローラにおいて、
前記加熱部材は、
シリコーンゴムから構成されると共に、前記シリコーンゴムの内部には空孔部を設けられ、
前記空孔部の間隙のシリコーンゴムには、
前記間隙よりも長く、５０乃至１５０ミクロンの長さを備えたピッチ系炭素繊維が設けられ、
前記空孔部の間隙において、前記炭素繊維同士の接触を形成し、
前記ヒータから当該加熱部材の外表面に向かう方向に熱伝導のパスを形成することを特徴とする加熱ローラ。
前記芯金は、厚さが０．５ｍｍ以下であって、当該芯金の内面に複数の周回凸部を一体に形成したことを特徴とする請求項１に記載の加熱ローラ。
最表面にフッ素系高分子よりなる層をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱ローラ。
請求項１乃至３の何れか一項に記載の加熱ローラを備えたことを特徴とする定着装置。
請求項４に記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。