JPH0380281A - 加熱ロールおよび加熱定着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、を子写真装置若しくは静電印刷装置等の画像
形成装置において１紙その他の担持体上に形成したトナ
ー像を加熱定着させる場合に使用する加熱ロール、およ
び相互に圧接状態で回転する１対のロール間において前
記担持体上のトナー像を加熱定着する加熱定着装置に関
する。

〔従来の技術〕

画像形成装置における定着装置としては、内部に赤外線
ランプ、ハロゲンランプ若しくはニクロム線等の熱源を
設けた良熱伝導性の金属コアの表面に、非粘着性の耐熱
層を被覆してなる加熱ロールと１表面に耐熱弾性体層を
被覆してなる加圧ロールとを対向配設した熱ロール型の
加熱定着装置が知られている。

上記の加熱定着装置において、担持体上に形成したトナ
ーを定着する場合には、まず、熱源に給電して加熱ロー
ルの表面を定着に必要な温度に加熱し、加熱ロールと加
圧ロールとを適宜の圧力で圧接させて回転させ、トナー
像を担持した担持体を両ロール間に通過させれば、トナ
ー像を担持体上に定着することができるのである。

このような加熱定着装置においては、良質の定着画体を
得る上でオフセットが発生しないことと。

定着性を向上させるためにニップ幅を確保することが重
要である。

オフセットを防止するために、ポリテトラフルオロエチ
レン樹脂（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシ樹脂（
ＰＦＡ）などの離型性の良い樹脂で表面を被覆した加熱
ロールが使用されている。

ところがこのような加熱ロールは１弾性が少ないため、
定着性の点で十分とは言えず、又表面に傷が発生し易い
という欠点がある。上記欠点を除去し、定着性を向上さ
せるため、ロール表面に弾性体層と、この弾性体層の表
面に前記のような離型性のよい樹脂表面層を設けた加熱
ロールが提案されている（特開昭６１−３６７７７号、
同６１−８４６７０号、同６４−２４２８４号、同６４
−３１１７９号、特公平１−２４３１１号公報等参照）
、またこのような加熱ロールを使用した加熱定着装置も
提案されている（例えば米国特許第４，８１４，８１９
号明細書参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の構成により、ロール対間にニップ幅を確保するこ
とができ、定着性を向上させることができるのであるが
１弾性体層を構成する材料はシリコーンゴム等の樹脂材
料であるため１本質的に熱伝導性が小であり、熱伝導率
は１．６　Ｘ　１０−’　ｃａｌ／’Ｃ１５ｅｔ−ｃ−
未満の値である。従って加熱ロールに内蔵させた発熱源
からの熱を迅速かつ効率的にトナー像担持体に伝達する
ことが困難であるという問題点がある。このため弾性体
層の厚さを小にせざるを得す、定着性を向上させるため
のニップ幅を確保するためには、ロール対間の圧接力を
大にしなければならず、駆動トルクの増大のみならず９
弾性体の硬度上昇を図る必要もあり、これらに起因して
信頼性および寿命を低下させるという問題点がある。一
方加熱ロール若しくは加熱定着装置の立上り特性および
熱伝導性を若干犠牲にして、前記弾性体層の厚さを大に
形成した場合には。

ニップ幅が確保されると共に、ロール対間の圧接力も小
になり寿命の増大が図れるが、下記のような問題点があ
る。すなわち加熱ロールの表面への熱供給が遅延するた
め、トナー像担持体を圧接搬送した際の加熱ロールの表
面温度の低下が著しく。

定着性が低下する。このため予め上記表面温度の低下を
見込んで設定温度を高くすることによって定着性を確保
する必要がある。一方加熱ロールの発熱源を内蔵する芯
材と弾性体との界面温度は前記表面温度より高い温度で
あるのが通常であるから、上記トナー像担持体を圧接搬
送する際には更に温度が上昇し１表面温度より５０°Ｃ
以上も上昇する０表面温度は一般に２００°Ｃ程度に設
定する場合が多いため、上記界面温度は２５０″Ｃ以上
に上昇することとなる。このように界面温度が上昇する
と、芯材と弾性体層間に接着剤として介在しているプラ
イマーが変質し２弾性体層が芯材から剥離することとな
り、加熱ロール若しくは加熱定着装置の機能を喪失する
という問題点がある。

本発明は上記従来技術に存在する問題点を解決し、芯材
と弾性体層との界面温度の上昇を防止し得ると共に、定
着性を充分に確保し得る加熱ロールおよび加熱定着装置
を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を遠戚するため、まず第１の発明においては、
熱伝導性の大なる材料により中空円筒状に形成した芯材
の表面に耐熱性を有する弾性体層と離型性を有する樹脂
表面層を設けてなる加熱ロールにおいて１弾性体層の厚
さを１．０ｍｍ以上に形成すると共に、その熱伝導率を
１．６Ｘ１０−’ｃａｌ／’Ｃ・ｓｅｃ−ｃｍ以上に形
成する。という技術的手段を採用した。

また第２の発明においては、熱伝導性の大なる材料によ
り中空円筒状に形成した芯材の表面に耐熱性を有する弾
性体層と離型性を有する樹脂表面層を設けた加熱ロール
と２円筒状に形成した芯材の表面に耐熱性を有する弾性
体層と離型性を有する樹脂表面層を設けた加圧ロールと
を圧接させ。

上記両ロール間に形成された平坦なニップ部にトナー像
担持体を搬送することによりトナー像を加熱定着する加
熱定着装置において、加熱ロールの弾性体層の厚さを１
．０　ｍ　ｍ以上に形成すると共に。

その熱伝導率を１．６　Ｘ　１０−”　ｃａｔ　／　”
Ｃ−ｓｅｔ−ｃｍ以上に形成する。という技術的手段を
採用した。

なお上記両発明において１弾性体層を熱伝導性の大なる
材料からなる粉末を充填してなるシリコーンゴム、特に
熱加硫型シリコーンゴムで形成すると好ましい。

本発明において２弾性体層の厚さが１．０ｍｍ未満では
、熱伝導性の点においては好ましいが、ロール対の圧接
によるニップ幅を確保できず、定着性が低下するため好
ましくない、また定着性向上のために、ロール対の圧接
力を大にする必要があり、駆動トルクの増大、寿命の低
下を招来するため好ましくない、ただし９弾性体層の厚
さが２．０ｍｍ以上であると２弾性体層と樹脂（例えば
フッ素樹脂）表面層との間の界面温度が高くなりすぎて
（例えばフッ素樹脂の耐熱温度である３００℃を超えて
）しまうので０弾性体層の厚さは２．０ｍｍ未満である
ことが望ましい０弾性体層のより好ましい厚さは１．０
〜１．６ｍｍの範囲である。

次に弾性体層の熱伝導率が１．６　Ｘ　ｌ　（Ｉ”　ｃ
ａｌ／°Ｃ・５ｅｃ−ｃｔａ未満であると、定着性向上
のための弾性体層の肉厚確保が困難であると共に、トナ
ー像担持体の圧接搬送時における加熱ロール表面温度低
下および芯材と弾性体層との界面温度の上昇を招来し１
弾性体層の剥離その他の事故を誘発する原因となるため
不都合である。好ましい熱伝導率の範囲は（２，０〜３
．０）　ＸＩ　０−３ｃａｔ／”ＣＨｓｅｃ−ｃ−であ
り、より好ましくは（２，３〜２．７）ｘｌ　０−３ｃ
ａｌ　／　’Ｃ−Ｃ−５ｅｔ−である。

本発明における弾性体層はメチルビニル系シリコーン生
ゴムとシリカその他を含有するゴムコンパウンドを架橋
させて、架橋密度を６Ｘ１０−’ｍｏｌｅ／ｃｃ以上と
するのが好ましい、上記メチルビニル系シリコーン生ゴ
ムすなわち弾性体層の外表面には後述するようなオフセ
ット防止のための樹脂表面層を被着するのであるが、架
橋密度が小であると樹脂表面層の焼成時において弾性体
層を形成するゴムコンパウンドの架橋が切断されるため
不都合である。次に上記メチルビニル系シリコーン生ゴ
ム自体の熱伝導率は４　Ｘ　１０−’　ｃａｔ／　’Ｃ
・５ｅｃ−Ｃ１１程度であるが、このシリコーン生ゴム
１００重量部に対してカーボンブラック、金属酸化物（
アルミナ、酸化ニッケル、酸化コバルト等）、窒化物（
Ｔ　ｉ　Ｎ　、　Ｃｒ　Ｎ　、　Ｓ　ｉ　ｚ　Ｎ　４等
）、炭化物（Ｂ、Ｃ，ＴｉＣ，ＨｆＣ等）等の熱伝導性
の大なる材料からなる粉末２０〜２２０重量部の添加混
合により、　　（１，６〜３．０）　Ｘ　１０−”　ｃ
ａｌ／”Ｃ・ｓｅｔ−ｃｗｒにまで向上させることがで
きる。なお充填材としては、上記シリカ（補強用充填材
）やけいそう土２石英粉末等の増量充填材以外に酸化鉄
（ＦｅｚＯｉ）、酸化チタン、珪石等の粉末があり。

０．１〜８０重量部の添加混合によりシリコーン生ゴム
の硬度、耐熱性等の特性を調整することができる。また
上記構成の弾性体層形成に使用される架橋材および架橋
触媒としては１例えば特開昭６０１４４７７６号、同６
１−４１１６３号公報に記載されるような公知の材料を
使用することができる。

次に本発明における加熱ロールにおいては２弾性体層の
表面に、オフセット防止のため、ポリテトラフルオロエ
チレン樹脂（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシ樹脂
（ＰＦＡ）、フッ素化エチレン・プロピレン樹脂（ＦＥ
Ｐ）等の低表面エネルギーの樹脂からなる耐熱性および
離型性を有する樹脂表面層を設けである。樹脂表面層の
厚さは５〜５０μｍの範囲が望ましい。

更に上記加熱ロールおよびこの加熱ロールと圧接すべき
加圧ロールの表面硬度はＨｓ８５°以下。

好ましくはＨｓ８０°以下とするのが好ましい。

表面硬度が上記の値を超えると、所定の圧接力を印加し
ても所望のニップ幅を確保できないため不都合である。

この場合において圧接力を増大さセてニップ幅を確保し
ても、トナー像担持体の変形を惹起し、寿命の低下、し
わその他の不本意な現象を生ずるため好ましくない、な
お上記表面硬度（Ａ形スプリング硬度：　ＪＩＳ　Ｋ　
６３０１）は、市販の硬度計（高分子計器型、型式ＪＡ
）によって測定した値である。

また上記加熱ロールと加圧ロールとを使用して封筒のよ
うな担持体上のトナー倣を定着する場合には、しわ発生
防止のため平坦なニップを形成することが望ましい、こ
のためには、加熱ロールと加圧ロールの外径２表面硬度
をでき得る限り揃えてやる必要がある（米国特許第４，
８１４．８１９号明細書参照）。

〔作用〕

上記の構成により２発熱源からの熱を迅速かつ効率的に
トナー像担持体に伝達することができると共に１弾性体
層の変形により定着性を向上させ得る所定のニップ幅を
確保できるのである。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す要部横断面図である。第
１図において１，２は各々加熱ロールおよび加圧ロール
であり、軸線を略平行にかつ矢印方向に回転自在に形威
すると共に９両ロールを圧接状態に配設しである。１１
．２１は各々芯材であり１例えばアルミニウム合金、軟
鋼、ステンレス鋼等の熱伝導性の大なる材料により中空
円筒状に形成する。１２．２２は各々弾性体層、１３゜
２３は各々樹脂表面層であり、芯材１１，２１の表面に
同軸的に順次被着する。１４は発熱源である。

次に上記加熱ロール１の製造方法について記述する。ま
ず直径２９．０ｍｍのアルミニウム合金製の芯材１１の
表面をクロロセン等によって脱脂し。

乾燥した後、プライマーとして例えばオルガノポリシロ
キサン液を刷毛によって塗布し、７０〜１００℃の温度
で乾燥・焼付を行なった０次に熱伝導性の大なる材料か
らなる粉末を充填してなるシート状のシリコーン生ゴム
を前記芯材１１の表面に巻付け、プレス成形後、加硫し
、外周を研削して肉厚１．０ｍｍの弾性体層１２を形威
した。

表はシリコーン生ゴム中に添加混合する充填材と熱伝導
率および硬度の値を示す、なお表中の配合量はシリコー
ン生ゴム１００重量部に対する重量部である。

表から明らかなように、充填材の材質と配合量により９
弾性体層１２の熱伝導率と硬度を調整することができる
。本実施例においては、Ｎα３により弾性体層１２を形
成した。

次に上記弾性体層１２の表面に平均粒径２〜１５０μｍ
のＰＦＡ樹脂粉体を静電塗装によって被着し、３００°
〜３７０°Ｃ１１０〜６０分の焼成により厚さ２０μｍ
の樹脂表面層１３を形成した。

一方加圧ロール２は上記充填材を含有しないシリコーン
生ゴムにより、加熱ロールｌと同様にして硬度Ｈｓ７１
の弾性体層２２（厚さは弾性体層１２と同一）を形威し
、更にＰＦＡ樹脂からなる樹脂表面層２３（厚さは樹脂
表面層１３と同一）を形成した。

次に比較例として従来同様のシリコーンゴムからなる弾
性体層２２（熱伝導率１．５ｘ　１０−３ｃａｌ／”Ｃ
・ｓｅｃ　−ｃｍ　）を有する加熱ロール１を製造して
定着試験を行なった。

第２図および第３図は各々比較例および本発明の実施例
における温度と時間との関係を示す図である。両図にお
いて曲線ａ、ｂは各々加熱ロールの芯材温度および表面
温度を示す。まず第２図において、加熱ロールの表面温
度を示す曲線すは。

始動直後の２１４“Ｃから待機中のｗｌにおいて２１７
〜２２１°Ｃ間で変動する。次に定着中のｐにおいては
、トナー像担持体に熱が移動することにより、２０１〜
２０７°Ｃに温度が降下し、定着後の待機中ｗ、におい
て再び２１７〜２２０　’Ｃに復帰する。一方加熱ロー
ルの芯材温度ａは。

始動直後の３０４°ＣからＷｌにおいては２２８〜２３
４°Ｃの変動に留まるが、定着中のｐにおいては、２５
５〜２６１°Ｃに上昇する。そして定着後のＷ、におい
て再び２２６〜２３１°Ｃに推移する。

すなわち第１図に示す弾性体層１２における熱伝導率が
低いため、定着に伴なう熱の移動が不円滑となり、定着
中のｐにおいては曲線ａ、ｂ間に４８〜６０℃の温度差
を生じることになる。このため加熱ロール１を構成する
芯材１１の異常温度上昇を招来し、前記のような問題を
惹起するのである。

これに対し、第３図においては加熱ロールの表面温度を
示す曲線すの変動は、始動直後の温度２１４°Ｃを除け
ば、待機中のＷ、、Ｗ＝において２０５〜２０８℃、定
着中のｐにおいて２０１〜２０８°Ｃに留まっている。

一方加熱ロールの芯材温度を示す曲線ａは、始動直後の
２６２°Ｃは格別として、待機中のＷ、において２１０
〜２１５°Ｃ１ｗ２において２０９〜２１４°Ｃであり
、定着中のｐにおいても２２２〜２３１°Ｃの上昇に留
まる。

更に定着中のＰにおける曲線ａ、ｂ間の温度差は１３〜
３０°Ｃに過ぎず、前記第２図における４８〜６０’Ｃ
と比較して大幅に低減している。すなわち定着時におけ
るトナー像担持体への熱の移動が極めて円滑かつ迅速に
行なわれていることを示しており、加熱ロール１を構成
する弾性体１１ｉ１２の熱伝導率を大に形成した結果で
あると認められる。

本発明における加熱ロール１および加圧ロール２との間
の圧接力は線圧で０．８　ｋ　ｇ　／　ｃ　ｍ以上とす
ることが望ましく、より好ましくは１．２ｋｇ／ｃｍ以
上である。ただし線圧が大きすぎると、この構造ではゴ
ムの塑性変形による寿命低下にもつながるため、１０ｋ
ｇ／ｃｍ以下がよい。特に１００　ｍｍ／ｓｅｃ以上の
定着速度において良好な定着性を確保するためには、線
圧を１．２　ｋ　ｇ　／ｃｍ以上とする必要がある。

本実施例においては弾性体層をシリコーンゴムで形成し
た例を示したが、加熱ロールおよび加圧ロールの弾性体
層はシリコーンゴムに限らず、公知の他の材料１例えば
フッ素ゴム又はフッ素ゴムとフッ素樹脂との混合物であ
ってもよい。また弾性体層を２層とする９例えばシリコ
ーンゴム層の上にフッ素ゴム層（フッ素樹脂を含んでい
てもよい）を形成してもよい。このような構造は価格的
には不利であるが、ロールの強度的な面では有利である
。すなわち芯材の表面にシリコーンゴム層を形成しその
上にフッ素樹脂含有フッ素ゴム層を形成し次いで焼成し
た後に１表面フ・ン素樹脂層を形成すると、フッ素ゴム
層の表面にはフッ素樹脂層が現出しているので１表面フ
ッ素樹脂層の剥離が生しにくくなる。また加熱ロールと
加圧ロールとの位置関係を上下逆にしてもよく、更にロ
ール対を加熱ロールのみで形成してもよい。

〔発明の効果〕

本発明は以上記述のような構成および作用であるから、
下記の効果を奏し得る。

（１）弾性体層を熱伝導率の大なる材料によって形成し
たものであるから、肉厚を大に形成でき。

定着圧力を低くしても二ンプ輻を確保することができる
。

（２）芯材界面温度が低下するため、異常温度上昇を防
止し得ると共に、加熱ロールの寿命を向上させ得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す要部横断面図。 第２図および第３図は各々比較例および本発明の実施例
における温度と時間との関係を示す図である。 １：加熱ロール、２：加圧ロール、１２．２２二弾性体
層。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱伝導性の大なる材料により中空円筒状に形成し
   た芯材の表面に耐熱性を有する弾性体層と離型性を有す
   る樹脂表面層を設けてなる加熱ロールにおいて、弾性体
   層の厚さを１．０ｍｍ以上に形成すると共に、その熱伝
   導率を１．６×１０＾−＾３ｃａｌ／℃・ｓｅｃ・ｃｍ
   以上に形成したことを特徴とする加熱ロール。
2. （２）弾性体層を熱伝導性の大なる材料からなる粉末を
   充填してなるシリコーンゴムで形成した請求項（１）記
   載の加熱ロール。
3. （３）熱伝導性の大なる材料により中空円筒状に形成し
   た芯材の表面に耐熱性を有する弾性体層と離型性を有す
   る樹脂表面層を設けた加熱ロールと、円筒状に形成した
   芯材の表面に耐熱性を有する弾性体層と離型性を有する
   樹脂表面層を設けた加圧ロールとを圧接させ、上記両ロ
   ール間に形成された平坦なニップ部にトナー像担持体を
   搬送することによりトナー像を加熱定着する加熱定着装
   置において、加熱ロールの弾性体層の厚さを１．０ｍｍ
   以上に形成すると共に、その熱伝導率を１．６×１０＾
   −＾３ｃａｌ／℃・ｓｅｃ・ｃｍ以上に形成したことを
   特徴とする加熱定着装置。
4. （４）弾性体層を熱伝導性の大なる材料からなる粉末を
   充填してなるシリコーンゴムで形成した請求項（３）記
   載の加熱定着装置。