JP3207749B2 - 定着ローラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は複写機、 ファクシミ
リ、プリンタ等の画像形成装置に設けられる定着装置を
構成する定着ローラ（加熱定着ローラ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来の複写機の一例を示す概略説
明図である。この図において２１は複写機本体、２２は
カバー、２３は給紙部、２３ａは記録シート、２４は表
面に感光層２４ａを有する感光体、２５は転写装置、２
５ａは搬送ローラ、２５ｂは無端ベルト、２６は定着装
置、３０は補助ローラである。定着装置２６は加圧ロー
ラ２７と定着ローラ２８とを備えている。定着ローラ２
８は加圧ローラ２７に接触し、加圧ローラ２７の回転に
従動して回転し、ニップ部２９を形成する。定着ローラ
２８は、ハロゲンランプなどのヒータ（図示せず）を内
蔵した、アルミニウムなどによる円筒状の芯金２８ａ
と、芯金２８ａの外周面に設けられた、フッ素樹脂など
によるトナー粘着防止用の保護層２８ｂとを備えて構成
されている。加圧ローラ２７は、アルミニウム等の金属
材料からなる芯金２７ａの外周面にゴム等の弾性体２７
ｂを装着して構成されている。

【０００３】上記複写機において、給紙部２３にセット
された記録シート２３ａは、所定のタイミングで感光体
２４に向けて給送される。感光体２４に形成されたトナ
ー像は転写装置２５により記録シート２３ａに転写さ
れ、この記録シート２３ａは定着装置２６のニップ部２
９に送られ、ここで記録シート２３ａが定着ローラ２８
の外周面により加熱されてトナー像が定着される。

【０００４】ところが上記定着装置では、定着ローラ２
８のヒータに電源が投入されてから定着ローラ２８の外
周面が定着に必要な温度に達するまでに、比較的長いウ
ォームアップ時間がかかっていた。この不具合を解消す
るため、主電源を投入したときに定着ローラ２８を予備
加熱する方法が一般に採用されてきた。しかし、この方
法では電力を浪費してしまうという新たな問題が発生し
た。

【０００５】特開平７−１４０８２３号公報には、ウォ
ームアップ時間を短縮することが可能な定着ローラが開
示されている。この定着ローラは、上記問題点を解決し
ようとするもので、例えば図７および図８に示すよう
に、ヒータ（図示せず）を内蔵した芯金３１を有する電
子写真定着用の定着ローラにおいて、芯金３１と保護層
３３との中間に、周期律表（長周期型）の３Ｂ族乃至６
Ｂ族に属する元素の一種以上から選択された非晶質材料
よりなる発熱層３２を設けたことを特徴とするものであ
る。

【０００６】上記非晶質材料は、結晶質と非晶質との間
で相転移が可能な材料であって、加熱により非晶質が結
晶化する際に結晶化熱を放出する性質を有するもの、す
なわち発熱性相転移物質である。このような非晶質材料
の具体例としてはセレン、セレン・テルル合金などが挙
げられる。

【０００７】上記公報に記載された定着ローラでは、定
着装置の起動時に上記ヒータが通電により発熱すると、
発熱層（非晶質材料層）３２が加熱されて結晶化温度に
達したときに結晶化熱を放出する。このため、定着ロー
ラの外周面が急速に定着可能温度に到達するので、その
ウォームアップ時間を短縮することができる。その後
は、ヒータの発熱によって定着ローラ外周面の温度が制
御され、上記のように定着操作が行われる。定着時にお
いては、発熱層３２は結晶化した状態に維持される。

【０００８】定着装置を使用した後には、ヒータに大き
な電力を一時的に供給することにより、結晶化した発熱
層３２をその融点以上の温度に加熱して溶融し、ついで
電源を切って急冷すれば、液状の発熱層３２は非晶質化
する。この状態の発熱層３２を再びヒータで加熱すれ
ば、同様にして結晶化熱の放出により定着ローラを迅速
に加熱することができる。

【０００９】このように、上記非晶質材料は、「加熱に
よる結晶化・発熱→加熱溶融による液化→急冷による非
晶化→加熱による結晶化・発熱」の加熱・冷却サイクル
に応じて相変化するものである。したがって、上記公報
記載の定着ローラでは、液状の非晶質材料が外部に漏れ
るのを防止するために、離型層を兼ねる保護層により液
状の非晶質材料を封止した構造になっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記構造の
定着ローラでは、非晶質材料を溶融する際、加熱温度を
融点または、その近傍に厳密に制御すれば問題ないが、
加熱温度が高すぎた場合には、液化した非晶質材料の粘
度低下が大きくなり、保護層の内部で自重により流動化
して定着ローラの下部に集まる。このため、定着ローラ
の下部側では非晶質材料層の厚さが大きくなり、上部で
は薄くなる結果、定着ローラの外周面温度にムラが発生
する。そして、記録シートでは、上記温度ムラに起因し
てトナーの定着状態にムラが生じ、定着しない部分が発
生する場合があった。また、非晶質材料を封止している
空間内の気圧が不均一になっているときには、気圧が高
い部分で非晶質材料層の厚さが薄くなり、気圧が低い部
分で非晶質材料層の厚さが大きくなり、上記と同様の問
題が発生するおそれがあった。さらに、温度ムラにより
定着ローラが変形する心配もあった。

【００１１】したがって本発明の目的は、芯金と保護層
との中間に非晶質材料層、すなわち結晶加熱を放出する
発熱層を設けた定着ローラにおいて、不測の原因等によ
り非晶質材料を溶融に必要な温度よりも相当高めに加熱
した場合、または非晶質材料を封止している空間内の気
圧が不均一になっている場合でも、外周面に温度ムラが
発生しない定着ローラを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の定着ローラは、
液化した非晶質材料が、これを封止している空間内で流
動するのを抑制するための堰堤状凸部を、（１）芯金外
周面に固着した部材により、（２）保護層内周面に固着
した部材により、それぞれ形成したものである。

【００１３】請求項１に記載の定着ローラは、芯金と保
護層との中間に、結晶質と非晶質との間で相転移が可能
な相転移物質からなる発熱層が封止して設けられ、加熱
による相転移物質の相転移の際に発生する熱により外周
面の温度上昇が促進されるように構成された定着ローラ
において、芯金の外周面側に、かつ芯金の周方向に複数
の凸部が設けられ、芯金外周面側の凸部が、芯金外周面
に固着された材料により形成されており、該材料は、結
晶化状態の相転移物質の熱伝導率と同等の熱伝導率を有
するものであることを特徴とする。 請求項２に記載の定
着ローラは、請求項１に記載のものにおいて、芯金外周
面側の凸部では、芯金の軸直角断面における形状が、下
底が芯金側に位置する台形であるか、または底辺が芯金
側に位置し頂角が鋭角三角形であり、かつ、その高さが
発熱層の厚さよりも小さいことを特徴とする。

【００１４】請求項３に記載の定着ローラは、芯金と保
護層との中間に、結晶質と非晶質との間で相転移が可能
な相転移物質からなる発熱層が封止して設けられ、加熱
による相転移物質の相転移の際に発生する熱により外周
面の温度上昇が促進されるように構成された定着ローラ
において、保護層の内周面側に、かつ保護層の周方向に
複数の凸部が設けられ、保護層の内周面側の凸部が、保
護層内周面に固着された材料により形成されており、該
材料は、結晶化状態の相転移物質の熱伝導率と同等の熱
伝導率を有するものであることを特徴とする。請求項４
に記載の定着ローラは、請求項３に記載のものにおい
て、保護層内周面側の凸部では、芯金の軸直角断面にお
ける形状が、下底が保護層側に位置する台形であるか、
または底辺が保護層側に位置し頂角が鋭角の鋭角三角形
であり、かつ、その高さが発熱層の厚さよりも小さいこ
とを特徴とする。

【００１５】

【００１６】請求項１、請求項３の定着ローラにおいて
は、液化した相転移物質が発熱層を封止する環状空間内
を流動するのが、該環状空間内に存在する凸部により抑
制されるため、上記した従来の問題点が解決される。換
言すると、定着ローラのウオームアップ時およびトナー
定着時において、発熱層（発熱層は、前者の場合には非
晶状態から結晶状態に変化する。後者の場合には結晶状
態にある。）が、定着ローラ全体にわたって均一厚さに
維持されていれば従来の問題点は解消されるが、液状の
発熱層が上記環状空間内を流動した後には、非晶状態の
発熱層の厚さにムラが、したがって非晶状態から結晶状
態に変化する際（ウオームアップ時）、および結晶化が
終了した後の発熱層（トナー定着時）の厚さにもムラが
発生する。このためウオームアップ時およびトナー定着
時において、定着ローラの加熱温度が不均一となり、上
記した従来の問題点が発生する。

【００１７】請求項１〜請求項４において、相転移物質
は、溶融状態のものを急冷したときに非晶化する性質を
有する物質であり、該物質としては、特開平７−１４０
８２３号公報に列挙されたものが採用できる。具体的に
は、周期律表の３Ｂ族乃至６Ｂ族に属する元素の一種以
上から選択されたもの、例えばカルコゲン、カルコゲナ
イド化合物、セレン、セレン・テルル合金、ゲルマニウ
ム・テルル合金、インジウム・セレン合金、インジウム
・テルル合金、アンチモン・セレン合金、アンチモン・
テルル合金などが採用できる。相転移物質として、結晶
性の熱可塑性高分子であって非晶質可能領域を有するも
の、例えばポリエステル系樹脂（ＰＥＴなど）を使用す
ることもできる。これらの相転移物質は、結晶化温度が
８０〜２００°Ｃの範囲内にあるものが好ましい。ま
た、定着温度が約１８０°Ｃであること、および結晶化
に際し集中して発熱することが好ましいことを考慮する
とセレン、またはセレン・テルル合金が特に望ましい。

【００１８】芯金としては、従来使用されている熱伝導
率の高い金属、例えばアルミニウムが採用できる。保護
層は、トナーの粘着を防止できる材料（離型性樹脂）、
例えばフッ素樹脂のみで形成してもよいし、熱伝導率の
高い金属、例えばアルミニウムからからなる下地層の表
面に離型性樹脂層を設けて形成することもできる。

【００１９】請求項１に定着ローラでは、芯金外周面側
の凸部を芯金外周面に固着した材料により形成し、この
材料として、熱伝導率および熱容量が、結晶化状態の相
転移物質のそれらと同等であり、凸部の熱伝導率および
熱容量をこのように規定したので、定着時において、芯
金に内蔵されたヒータにより定着ローラの外周面全体
を、より均一に加熱することができる。熱伝導率または
熱容量が、結晶化状態の相転移物質のそれらと大きく相
違する場合には、保護層に（したがって定着ローラの外
周面に）変形や突起が発生するおそれがある。

【００２０】また上記凸部は、相転移物質と違って、請
求項１に記載の定着ローラにおいて芯金外周面側の凸部
では、幅ができるだけ狭いことが好ましい。（１）芯金
の軸直角断面における形状が、下部が芯金側に位置する
台形であるか、または底辺が芯金側に位置し、頂角が鋭
角の鋭角三角形であるもの、（２）高さが発熱層の厚さ
よりも低いものが好ましい。（２）の場合、凸部の高さ
は発熱層の厚さにできるだけ近いことが望ましい。

【００２１】上記（１）が好ましいのは、芯金の外周面
側に凸部を形成する場合、その加工が容易になるうえ、
相転移物質の発熱により定着ローラの外周面を迅速に加
熱するには、凸部の幅が小さいほど好ましいからであ
る。（２）が望ましいのは、凸部の高さが発熱層の厚さ
に近ければ近いほど、液化した相転移物質の流動防止効
果が上がり、また、凸部の高さが発熱層の厚さと一致し
た場合、または凸部の高さが、結晶化した相転移発熱層
の厚さよりも高い場合、この凸部および、凸部の直上部
分では相転移発熱層が存在しないため、相転移発熱層の
結晶化による発熱は生じないので、相転移物質の封止に
よる効果が不十分になったり、定着ローラに温度ムラが
発生したりする。

【００２２】請求項３に記載の定着ローラでは、保護層
内周面側の凸部を、保護層内周面に固着された材料によ
り形成、この材料として、熱伝導率および熱容量が、結
晶化状態の相転移物質のそれらと同等であり、凸部の熱
伝導率および熱容量をこのように規定したので、請求項
１に記載の定着ローラと同様の効果を奏する。また、保
護層内周面側の凸部では、芯金の軸直角断面における形
状が、下底が保護層側に位置する台形であるか、または
底辺が保護層側に位置し頂角が鋭角の鋭角三角形であ
り、かつ、その高さが発熱層の厚さよりも小さくするこ
とがより良い理由についても上述した通りである。

【００２３】請求項１〜請求項４に記載の定着ローラで
は、記録シート上のトナー像の定着時において、結晶化
した固体状の発熱層が定着ローラと一体的に回転するよ
うに構成することが好ましい。その理由は、定着ローラ
の外周面を、常に所定の定着温度に安定して均一に加熱
することができるため、ムラのない高品質の画像を得る
ことが可能になるからである。

【００２４】定着ローラの回転時に発熱層が芯金・保護
層間の環状空間内でガタつくと、芯金に内蔵されたヒー
タからの熱が定着ローラの保護層に的確に伝熱されなく
なり、定着ローラの外周面に温度ムラが発生するおそれ
がある。発熱層の上記ガタつきを確実に防止するには、
結晶化した固体状の発熱層が、凸部により形成された凹
部に食い込んでいる状態にすることが好ましい。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照しなが
ら説明する。 実施例１ 外径が４０ｍｍ、表面粗さＲz が１μｍ以下である外径
研削上がりのアルミニウム芯金の表面をサンドペーパで
軸方向に擦って粗し、Ｒｍａｘを５０μｍとした（芯金
外周面に凸部を形成）。１５０℃で予備加熱してカール
させた、膜厚１００μｍのポリエチレンテレフタレート
（ＰＥＴ）シート（商品名：マイラー、デュポン社製）
を上記芯金の表面に巻きつけ、さらにその上に導電性Ｐ
ＦＡ樹脂の熱収縮チューブ（ＰＦＡは、ペルフロロアル
コキシフッ化プラスチック）を被せた。

【００２６】このローラを加熱炉にセットし、炉内を減
圧しながらＰＥＴの融点より高く、ＰＦＡの融点より低
い３００℃に加熱し、その後炉内に冷却ガスを注入して
急冷却し、定着ローラを作製した。これを試料Ｎｏ．１
とした。図１はこの試料の軸直角断面形状を示し、図２
は図１のＡ部拡大図である。すなわち、発熱層２が溶融
・固化後（非晶化）のＰＥＴにより形成され、離型層を
兼ねた保護層３がＰＦＡチューブにより形成されてい
る。発熱層２の上部は保護層３の内周面に密着し、下部
は断面が鋭角三角形状の凸部１１により形成された凹凸
面に密着している。また凸部１１の高さは、非晶化状態
の発熱層２の厚さｔよりも低くなっている。

【００２７】実施例２ 外径が４０ｍｍ、表面粗さＲz が１μｍ以下である外径
研削上がりのアルミニウム芯金の表面に、かつ、芯金の
軸線に沿って、導電性分散剤を分散した熱硬化性樹脂の
接着剤を細線状に塗布することにより、芯金の周方向に
複数の堤部（凸部）を形成した。１５０℃で予備加熱し
てカールさせた、膜厚１００μｍのＰＥＴシート（実施
例１と同一）を帯状に切断し、その幅を上記凸部同士間
の間隔よりわずかに小さくした。この帯状シートを上記
凸部同士間の隙間に挿入して貼り付けた。この芯金に導
電性ＰＦＡチューブ（実施例１と同一）を被せ、実施例
１と同様に減圧加熱して定着ローラを作製し、これを試
料Ｎｏ．２とした。

【００２８】上記接着剤の熱伝導率は、ＰＥＴシートの
それと同等の約１０Ｗ／ｍＫである。図３は、この試料
の軸直角断面形状を拡大して示したもので、発熱層２が
溶融・固化後のＰＥＴにより形成され、保護層３が上記
ＰＦＡチューブにより形成されている。芯金１外周面側
の凸部は、芯金外周面に固着された上記接着剤により形
成されている。この試料では形状が互いに異なる凸部１
１ａ，１１ｂが形成されているが、前者は断面形状が、
下底が芯金側に位置する台形であり、後者は底辺が芯金
側に位置し頂角が鋭角の鋭角三角形になっている。発熱
層２の上部は保護層３の内周面に密着し、下部は凸部１
１ａ，１１ｂによる凹凸面に密着している。また凸部１
１の高さは、非晶化状態の発熱層２の厚さｔよりもわず
かに低くなっている。

【００２９】実施例３ 外径が４０ｍｍ、表面粗さＲz が１μｍ以下である外径
研削上がりのアルミニウム芯金の表面に、１５０℃で予
備加熱してカールさせた膜厚１００μｍのＰＥＴシート
（実施例１と同一）を巻き付けた。その上に、片面に凹
凸を形成した導電性ＰＦＡチューブ（材質は実施例１と
同一）を、上記凹凸部を芯金側に向けて被せた。以下、
実施例１と同様に減圧加熱して定着ローラを作製し、こ
れを試料Ｎｏ．３とした。

【００３０】図４はこの試料の軸直角断面形状を示し、
図５は図１のＢ部拡大図であり、凸部１１が導電性ＰＦ
Ａチューブからなる保護層３の内周面に形成されてい
る。発熱層２は溶融・固化後のＰＥＴにより形成されて
いる。また、発熱層２の上部は凸部１１による凹凸面に
密着し、下部は芯金１の外周面に密着している。

【００３１】つぎに、従来の定着ローラに係る比較例に
ついて説明する。 比較例１ 外径が４０ｍｍ、表面粗さＲz が１μｍ以下である外径
研削上がりのアルミニウム芯金の表面に、１５０℃で予
備加熱してカールさせた膜厚１００μｍのＰＥＴシート
（実施例１と同一）を巻き付けた。その上に、凹凸を形
成していない通常状態の導電性ＰＦＡチューブ（材質は
実施例１と同一）を被せた。以下、実施例１と同様に減
圧加熱して定着ローラを作製し、これを試料Ｎｏ．４と
した。この試料の軸直角断面形状は、図８に示すとおり
で芯金外周面側、保護層内周面側のいずれにも凸部は形
成されていない。

【００３２】試料Ｎｏ．１〜４の定着ローラを、それぞ
れ個別にリコー（株）製の電子写真複写機Ｍ２１０の定
着装置に組み込み、芯金に内蔵されたヒータに電力１２
００Ｗを供給して発熱させ、保護層を通常の加熱温度よ
り約２０℃高い異常高温に加熱し、ローラの表面状況
（異常昇温によるローラ発熱層の流動化変形状況）を調
べた。なお、定着ローラの通常の加熱条件は、昇温加熱
時では９６０Ｗ、初期化溶融時では１１００Ｗである。

【００３３】その結果、試料Ｎｏ．１（実施例１）〜試
料Ｎｏ．３（実施例３）では、いずれも変形等の異常は
見られなかった。これに対し、試料Ｎｏ．４（比較例
１）では、ローラを回転させながら加熱したときには、
ローラ下部に脹らみが、上部に凹みと皺がそれぞれ発生
した。ローラを回転させないで加熱したときには、ロー
ラ下部の脹らみ、上部の凹み・皺は顕著であった。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の定着ロ
ーラは、相転移物質からなる発熱層を設けた定着ローラ
において、芯金の外周面側に、かつ、その周方向に複数
の凸部を設けたものであるので、この定着ローラでは、
不測の原因等で相転移物質が溶融温度よりも相当高めに
加熱された場合、または相転移物質が封止されている環
状空間内の気圧が不均一になった場合においても、液化
した相転移物質の流動変形がなくなるから、定着ローラ
の外周面を均一に加熱することができ、従って、ローラ
が部分的に変形したり、突起が発生したりすることがな
くなり、安定して高品質の画像を得ることができる。ま
た、上記凸部を、芯金外周面に固着した材料により形成
し、この材料にはその熱伝導率が、結晶化状態の相転移
物質の熱伝導率と同等のものを用いたので、定着時にお
いて、芯金に内蔵されたヒータによって定着ローラの外
周面全体を、より均一に加熱することができる。請求項
２に記載の定着ローラは、上記凸部の断面形状を台形ま
たは鋭角三角形としたので、相転移物質の発熱により定
着ローラの外周面を迅速にでき、また、凸部の高さを、
発熱層の厚さよりも低くし、かつ、発熱層の厚さにでき
るだけ近づけたので、液化した相転移物質の流動防止効
果が上がり、定着ローラの外周面温度の均一性が向上す
る。更に、請求項３に記載の定着ローラは、相転移物質
からなる発熱層を設けた定着ローラにおいて、保護層の
内周面側に、かつ、その周方向に複数の凸部を設け、上
記凸部を保護層内周面側に固着した材料により形成し、
この材料にはその熱伝導率が、結晶化状態の相転移物質
の熱伝導率と同等のものを用いたので、請求項１に記載
の定着ローラと同様の効果を奏する。請求項４に記載の
定着ローラは、上記凸部の断面形状を台形または鋭角三
角形とし、また、凸部の高さを、発熱層の厚さよりも低
くし、かつ、発熱層の厚さにできるだけ近づけたので、
請求項２に記載の定着ローラと同様の効果を奏する。な
お、本発明のように堰堤状凸部を形成する技術は、ロー
ラ等に封止された液体の流動化を防止するための手段と
して、広く応用することができる。

【００３５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る定着ローラの横断面図
（軸直角断面図）である。

【図２】図１のＡ部拡大図である。

【図３】別の実施例に係る定着ローラの横断面図であっ
て、一部を拡大して示したものである。

【図４】更に別の実施例に係る定着ローラの横断面図で
ある。

【図５】図４のＢ部拡大図である。

【図６】従来の複写機の構造を示す概略説明図である。

【図７】ウォームアップ時間の短縮を可能にした定着ロ
ーラの従来例を示す縦断面図である。

【図８】図７の横断面図である。

【符号の説明】

１，３１ 芯金 ２，３２ 発熱層 ３，３３ 保護層 １１，１１ａ，１１ｂ 凸部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−140823（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−68582（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−50456（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03G 13/20 G03G 15/20 F16C 13/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 芯金と保護層との中間に、結晶質と非晶
   質との間で相転移が可能な相転移物質からなる発熱層が
   封止して設けられ、加熱による相転移物質の相転移の際
   に発生する熱により外周面の温度上昇が促進されるよう
   に構成された定着ローラにおいて、 芯金の外周面側に、かつ芯金の周方向に複数の凸部が設
   けられ、芯金外周面側の凸部が、芯金外周面に固着され
   た材料により形成されており、該材料は、結晶化状態の
   相転移物質の熱伝導率と同等の熱伝導率を有するもので
   あることを特徴とする定着ローラ。
2. 【請求項２】 芯金外周面側の凸部では、芯金の軸直角
   断面における形状が、下底が芯金側に位置する台形であ
   るか、または底辺が芯金側に位置し頂角が鋭角三角形で
   あり、かつ、その高さが発熱層の厚さよりも小さいこと
   を特徴とする請求項１に記載の定着ローラ。
3. 【請求項３】 芯金と保護層との中間に、結晶質と非晶
   質との間で相転移が可能な相転移物質からなる発熱層が
   封止して設けられ、加熱による相転移物質の相転移の際
   に発生する熱により外周面の温度上昇が促進されるよう
   に構成された定着ローラにおいて、 保護層の内周面側に、かつ保護層の周方向に複数の凸部
   が設けられ、保護層の内周面側の凸部が、保護層内周面
   に固着された材料により形成されており、該材料は、結
   晶化状態の相転移物質の熱伝導率と同等の熱伝導率を有
   するものであることを特徴とする定着ローラ。
4. 【請求項４】 保護層内周面側の凸部では、芯金の軸直
   角断面における形状が、下底が保護層側に位置する台形
   であるか、または底辺が保護層側に位置し頂角が鋭角の
   鋭角三角形であり、かつ、その高さが発熱層の厚さより
   も小さいことを特徴とする請求項３に記載の定着ロー
   ラ。