定着ローラ、およびこれを備えた画像形成装置

【課題】レーザプリンタ、複写機、ファクシミリ装置などに使用される電子写真方式の画像形成装置に用いられる定着ローラであり、弾力性、耐熱性などの定着性能にかかわる機能を低下することなく、ローラ寿命を延ばし、プリンタや複写機の高速化、長寿命化に対応する定着ローラの提供。
【解決手段】電子写真方式の画像形成装置において、記録体上に転写したトナーを定着させるためのローラであって、ローラ軸体の周囲に形成した弾性体層、好ましくは独立気泡を有するシリコーン樹脂系成形体である弾性体層の端部に保護部材、好ましく弾性体層と一体成形されている保護部材を備えた定着ローラ。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は定着ローラ、およびこれを備えた画像形成装置、詳しくはレーザプリンタ等の電子写真方式による画像形成装置に用いられるトナーの定着ローラ、およびこれを備えた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザプリンタ、複写機、ファクシミリ装置などには、電子写真方式を利用した各種の画像形成装置が採用されている。電子写真方式を利用した画像形成装置は、例えば図４にはモノクロプリンタの概要を示したが、図の中央部の感光ドラムに記憶された潜像に現像ローラからトナーを供給して現像し、このトナーを感光ドラム下部で接する記録体に転写する。トナーが転写された記録体は図の左方に移動し、加圧ローラおよび定着ローラによって転写されたトナーが圧着、固定され、記録体上に画像や文字が完全に定着される。
この定着ローラの機能は、定着ベルトおよび加圧ローラと協働して記録体を挟みつけて搬送しながら、その間に記録体上のトナーを加熱加圧してトナーの被覆層を破壊し、トナー中のカーボンや顔料を溶融した樹脂等で記録体上に定着させることである。
このため、定着ローラには常にトナー破壊のための圧力と、樹脂の溶融定着のための熱がかかっている。さらに、記録体をおよそ１００ｍｍ／秒のスピードで搬送させて上記の定着作用を行うため、定着ローラは弾力性があり加圧ローラとの当接面にへこみが生じるようになっている。これにより、搬送されてきた記録体が定着ローラ上に十分な時間接して、トナー中の樹脂が溶融し、記録体上に画像や文字を定着させることができる。このため、通常は、定着ローラは金属製の軸体にスポンジ状の発泡ウレタン樹脂や発泡シリコーン樹脂製の弾性体層を形成した、図６に示すようなローラが使用されている（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１８９３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通常使われているプリンタ等は連続式プリントではなく、Ａ４用紙、Ｂ４用紙といった記録体を一枚ずつ断続的にプリントするものである。そのため、プリンタ等の画像形成装置の中のほとんどのローラは断続的に働いている。最近は、プリンタや複写機のプリントの高速化が進み、記録体の搬送速度は１００ｍｍ／秒を超えるようになってきた。そのため、定着ローラには加圧回転、停止による強い加速度が何万回と掛ってくる。例えば、１０万枚印刷可能なプリンタでは合計１５万回の回転、停止サイクルの負荷に耐えられる定着ローラが必要である。定着ローラの場合、弾性体層は十分な弾性を確保するため発泡体である場合が多いので、このような過酷な負荷に耐えることが重要な課題である。本発明では、今後予想される更なる高速プリント化、多数枚印刷可能化のために、従来以上に耐久性のある高強度の定着ローラ、及びこれを利用した画像形成装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
高速プリンタにおいて、図６に示すような従来の定着ローラを寿命以上に使用すると、図７に示すように定着ローラ端部５に亀裂７が見られる。この亀裂７は、弾性体層３の軸体２との接続部分付近に発生している。さらに、この定着ローラの弾性体層３を軸体２に沿って切断してみると、弾性体層３の端部５付近の亀裂が大きく、数センチ内部まで亀裂が続き、その先にはさらに数センチ内部まで弾性体層３の発泡層の破壊が見られた。しかし、弾性体層３の中央部付近には変化がなかった。このことから、定着ローラは、高温下で十数万回に及ぶ加圧回転停止負荷がかかり、最も直径が小さく加圧回転の負荷の大きい弾性体層の内側が破壊しやすく、さらに、弾性体層の端部５付近に応力が集中し、ここから破壊が始まることがわかった。
【０００６】
そこで、弾性体層３の端部５付近に保護部材を取り付け応力の集中を防ぐことにより、弾性体層３の端部５付近からの破壊を防止すれば定着ローラの寿命が延びることを見出し、下記の発明を完成した。
（１）電子写真方式の画像形成装置において、記録体上に転写したトナーを定着させるためのローラであって、ローラ軸体の周囲に形成した弾性体層の端部に保護部材を備えた定着ローラ。
（２）弾性体層が独立気泡を有するシリコーン樹脂系成形体である（１）に記載の定着ローラ。
（３）保護部材が弾性体層と一体成形されている（１）または（２）に記載の定着ローラ。
（４）保護部材の厚さが２〜１０ｍｍである（１）〜（３）のいずれかに記載の定着ローラ。
（５）（１）〜（４）のいずれかに記載の定着ローラを備えた画像形成装置。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の定着ローラは、レーザプリンタ、複写機、ファクシミリ装置などに使用される電子写真方式の画像形成装置に用いられるものであり、弾力性、耐熱性、耐変形性などの前記画像形成装置におけるトナーの定着性能にかかわる機能を低下することなく、ローラの寿命を延ばし、プリンタや複写機の高速化、長寿命化に対応する定着ローラである。したがって、本発明の画像形成装置は高速で画像を形成することができ、しかも長期間にわたって使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の定着ローラは、ローラ軸体の周囲に形成した弾性体層の端部に保護部材を備えている。図１、図２、図３に本発明の定着ローラの例を示している。図１は本発明の定着ローラの斜視図であり、図２はその端部付近の軸方向断面図である。図３は本発明の定着ローラに設置した保護部材のいくつかの基本的な形状例を示している。図６には従来の定着ローラの斜視図を示しているがこれと比較すれば判るように、本発明の定着ローラには保護部材４が付加されている点が従来と異なっている。本発明の定着ローラにおける軸体２および弾性体層３は従来の定着ローラと同じ形状、材質でもよい。保護部材４は弾性体層３と同じか類似の弾性体で出来ており、弾性体層３の端部５および軸体２に密着している。保護部材４は、弾性体層３の端部５および軸体２に接着剤等で接着したり、融着したりしてもよいが、弾性体層３の成形時に弾性体層３と一体成形すれば密着性のすぐれた構造となる。さらに、保護部材４を弾性体層３と同じ材質で作製すれば製造工程も簡単になり好適である。
【０００９】
保護部材４の形状は、弾性体層３の端部５を覆い、軸体２と密着していればどのようなものでもよい。さらに詳しくは、該端部５の軸体２周辺を覆っていれば、端部５の外周部周辺は覆わなくてもよい。図７および上述の弾性体層３の破壊状況の説明からもわかるように、弾性体層３の発泡層の破壊は端部５の軸体２周辺に始まり、軸体２に沿って中央部に進行していく。保護部材４の形状は、このような弾性体層３の破壊開始を防ぐことができるものであればよい。図３には具体的な保護部材４の形状の例が示してある。定着ローラを横から見た場合、図３の（Ａ）は図１、図２と同じ形状で長方形、（Ｂ）は台形、（Ｃ）は（Ａ）の形状の外側のコーナー部を外に凸に切り欠いた形状、（Ｄ）は（Ｃ）とは逆に外側のコーナー部を外に凹に切り欠いた形状である。なお、図示したそれぞれの保護部材４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、端部５の外周部を覆っていないが、定着ローラにはベルトを掛けて使用する場合があり、このベルトの鍔が弾性体層３の端部５の外周部１〜３ｍｍに接している。このような場合、端部５の外周部に保護部材４があるとベルトの作動を妨害する恐れがあるので、保護部材４は弾性体層３の端部５の外周部およそ１〜４ｍｍには設置しないことが好ましい。このようにしても、弾性体層３の破損は端部５の軸体２付近で起き易いので保護部材４の効果に問題はない。
【００１０】
従来の定着ローラが、長期間の使用により図７に示すように破壊が起こるのは、定着ローラの一部が加圧ローラと圧接された状態で加圧回転または停止の負荷がかかり、弾性体層３のうち負荷が最も大きくなる軸体２周辺が破壊されるものと考えられる。その中でも、弾性体層３の端部５においては、弾性体層３の中央部と異なり、片側に弾性体層がないため最も破壊されやすい構造であると考えられる。弾性体層３の端部５の一部が破壊され、さらにそこに亀裂が生じると、その周辺に負荷が集中しそこから中央部へ破壊が進んでいくものと考えられる。そこで、この端部５の破壊されやすい部分に保護部材４を設置して、保護部材４に負荷の一部を担わせることにより弾性体層３中央部と同じような負荷状態にすることで、弾性体層３の端部５付近の材質の最初の破壊を防ぐことができる。なお、保護部材４は加圧ローラと圧接しておらず、弾性体層３のように外周部から軸へ向かう荷重は掛かっていない。そのため、定着ローラの回転開始、停止に対して直接大きな負荷が掛かることはないので、保護部材４の端部８が弾性体層３と同じような作用で破壊されることは少ない。現実的には、保護部材の軸方向の厚さが２ｍｍ以上、好ましくは５ｍｍ以上あれば上記のような破壊は起こり難い。なお、機能面からは保護部材は厚いほうがよいが、２０ｍｍを超えれば効果は変わらなくなる。一方、不必要に厚くするとローラが長くなりすぎて使用上不便なときもあり、１０ｍｍ以下としておくことが好ましい。
【００１１】
保護部材４は弾性体層３の変形に連動して変形するような弾性体であることが好ましい。しかし、弾性体層３にかかる負荷を十分吸収できない場合があるので、弾性体層３以上の剛性の弾性体が好ましい。例えば、保護部材４は弾性体層３と同じ材質で一体成形すれば、保護部材４と弾性体層３との密着性がよく剛性もあり負荷を十分吸収でき好適である。あるいは、弾性体層３より破壊強度の高いゴムや樹脂を使用することもできる。この場合、弾性体層３より剛性が大きめなら保護部材の厚さを薄くできる。
【００１２】
本発明の定着ローラは、従来の定着ローラと同様の材質でほぼ同様の製造法で製造し、その製造工程中に上述のような保護部材を付加すればよい。本発明の定着ローラの好ましい材質と製造方法とを以下に説明する。
軸体２は棒状であればよく円筒または円柱が多く用いられる。その材質は、金属材料としては、鋼，ステンレス，銅，リン青銅，洋白などが、樹脂材料としては、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリスチレン，ポリ塩化ビニル，ポリ塩化ビニリデン，ポリウレタン，ポリアミド，ポリアセタール，ポリカーボネート，ポリエチレンテレフタレート，ポリイミド，ポリアミドイミド，ポリエステル，フェノール樹脂，メラミン樹脂，シリコーン樹脂，エポキシ樹脂，アクリル樹脂，メタクリル樹脂，尿素樹脂等が、ガラス繊維や炭素繊維の繊維強化プラスチックなどが使用できる。
【００１３】
弾性体層３には独立気泡の発泡シリコーンゴム、発泡ウレタンゴムなどが好適に用いられる。特に、独立気泡を有する発泡シリコーンゴムは耐熱性、耐久性、耐残留歪み特性等から画像形成装置の高速運転にも耐えられる好適な材質である。以下に発泡シリコーンゴムによる弾性体層３の形成方法を説明する。
１．発泡シリコーンゴム材料
１）シリコーンゴムコンパウンド：
後工程で発泡剤、架橋剤等をロールミル等で混練りできるよう、一般にミラブル型シリコーンゴム、ＨＣＲ（熱加硫シリコーンゴム：ＨｅａｔＣｕｒｅｄＲｕｂｂｅｒ）、ＨＶＲ（ＨｅａｔＶｕｌｃａｎｉｚｉｎｇＲｕｂｂｅｒ）などと呼ばれるビニル基含有シリコーン生ゴムが好適に使用できる。
２）補強性シリカ充填材：
補強性シリカ充填材としては煙霧質シリカ、沈降性シリカ等が用いられ、一般式がＲ−Ｓｉ（ＯＲ’）_３で表されるシランカップリング剤で表面が処理された、補強効果の高い表面処理シリカ充填材が好ましい。Ｒ，Ｒ’は官能基で、グリシジル基、ビニル基、アミノプロピル基、メタクリロキシ基、Ｎ−フェニルアミノプロピル基、メルカプト基等、Ｒ’はメチル基又はエチル基（ＯＲ’がメトキシ基又はエトキシ基）である。例えば、表面処理剤としてはＫＢＭ１００３、ＫＢＥ４０２（商品名；信越化学工業株式会社製）等の商業的ルートで入手可能なものが挙げられる。
３）その他添加剤：
必要に応じて、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラック、炭酸カルシウム等の充填材、着色剤、耐熱性向上剤、難燃性向上剤、受酸剤、熱伝導性向上剤等の添加剤や離型剤、アルコキシシラン、ジフェニルシランジオール、カーボンファンクショナルシラン、両末端シラノール基封鎖低分子シロキサン等の分散剤、耐熱性向上剤や硬度を調整するために粉砕石英、珪藻土等の非補強性シリカなどを添加してもよい。
【００１４】
２．発泡剤等の添加
シリコーンゴムコンパウンドに付加反応架橋剤、有機過酸化物架橋剤、発泡剤、付加反応触媒、反応抑制剤等を適宜配合する。発泡剤の添加量の目安は、発泡架橋後の発泡シリコーンゴムのアスカーＣ硬度が２５〜５５Ｈｓとなるように添加すると、定着ローラ用途には適している。
架橋に用いる付加反応用架橋剤は、一分子中に２個以上のＳｉＨ基を有する付加反応型の架橋剤として公知のオルガノハイドロジェンポリシロキサンを使用することができる。このオルガノハイドロジェンポリシロキサンとしては、直鎖状、環状、分枝状のいずれであってもよい。オルガノハイドロジェンポリシロキサンの配合量は、ベースシリコーンゴムコンパウンド１００質量部に対して０．０１〜２０質量部配合することが好ましい。さらに有機過酸化物架橋剤は単独で架橋させることも可能であるが、補助架橋剤として併用すれば、ゴムの強度や歪み等の物性向上に効果が有り、これにはベンゾイルパーオキサイド、ビス−２,４−ジクロロベンゾイルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ジ−ｔ−ブチルパーオキサイド、２,５−ジメチル−２,５−ビス（ｔ−ブチルパーオキシ）ヘキサン等がある。
反応抑制剤としては、メチルビニルシクロテトラシロキサン、アセチレンアルコール類、シロキサン変性アセチレンアルコール、ハイドロパーオキサイド等の公知の反応抑制剤を添加することが好ましい。
また、前記シリコーンゴムコンパウンドには付加反応用硬化促進剤を添加することができる。付加反応用硬化促進剤としては、白金化合物系触媒等が挙げられる。白金触媒としては、例えば、塩化白金酸、アルコール変性塩化白金酸、白金を白金黒、アルミナ、シリカ又はカーボンなどの固体触媒に担持させたもの、白金とオレフィン、エチレン、アルコール又はビニルシロキサンとの各錯体あるいは塩化白金酸とオレフィン、エチレン、アルコール又はビニルシロキサンとの各錯体等が挙げられる。
付加反応触媒は、従来から知られているいずれでもよく、具体的には白金族の金属単体及びその化合物を用いることができる。例えば、シリカ、アルミナ又はシリカゲルのような担体上に吸着された微粒子状白金金属、塩化第二白金、塩化白金酸、塩化白金酸６水塩とオレフィン又はジビニルジメチルポリシロキサンとの錯体、塩化白金酸６水塩のアルコール溶液等の白金系触媒、パラジウム触媒、ロジウム触媒などが挙げられる。これら触媒の添加量は触媒量であり、通常、白金系金属量に換算して１〜１，０００ｐｐｍの範囲で使用されるが、好ましくは１０〜５００ｐｐｍの範囲が適当である。１ｐｐｍより少ないと架橋反応が十分促進されず、硬化が不十分となる場合があり、１，０００ｐｐｍより多く加えても反応性に対する影響も少なく、また不経済である。
発泡剤は、従来より知られているいずれのものでもよく、具体的には、アゾジカルボンアミド、アゾビス−イソブチロニトリルなどの有機アゾ化合物が好適に使用される。特に、ジメチル−１,１’−アゾビス（１−シクロヘキサンカルボキシレート）が好適に使用できるが、これに限定するものではない。発泡剤の含有量は、発泡剤の種類によって相違するが、通常、加硫前のシリコーンゴムコンパウンドに対し、０．１〜１０重量％の範囲、特に０．５乃至１０重量％が好ましい。これは、０．１重量％未満では十分に発泡せず、逆に１０重量％を超えると、発泡弾性体としての形態を維持出来なくなり、機械的強度の低下を招くからである。尚、ジメチル−１，１'−アゾ−ビス（１−シクロヘキサンカルボキシレート）を発泡剤とした場合には、０．５乃至５重量％であることが好ましい。
【００１５】
３．発泡、成形
シリコーンゴムコンパウンドに上記添加剤を加えながら２本ロール、３本ロール、ロールミル、バンバリーミキサー、ドウミキサー（ニーダー）などのゴム混練り機を用いて均一に混練することにより、発泡架橋前のシリコーンゴム配合物が得られる。このようにして調製されたシリコーンゴム配合物は、加熱して発泡架橋させることにより、残留歪みが残り難く、弾性復元性に優れた独立気泡の発泡シリコーンゴムを容易に得ることができる。その発泡架橋方法は発泡剤の分解及びシリコーンゴムの架橋に十分な熱を加えられる方法であればよく、またその成形法も押出成形による連続加熱成形、プレス、インジェクションによる型成形等、特に制限されるものではない。この場合、加熱温度は１００〜５００℃、特に２００〜４００℃、加熱時間は数分〜１時間、特に５分〜３０分であることが好ましい。また、ゴム物性を安定させるために１８０〜２５０℃で１〜２４時間程度２次架橋することがより好ましい。
成形時には軸体と弾性体層を一体成形することが好ましい。また、保護部材も一体成形してしまえばよい。特に、保護部材を弾性体層と同じ材質で作製する場合は一体成形が好都合である。
【００１６】
このようにして得られた本発明の定着ローラは電子写真方式の画像形成装置に好適に使用でき、定着ローラの寿命が延び、画像形成装置のメンテナンスが軽減される。さらに高速化が進んだプリンタや複写機、ファクシミリなどの電子写真方式の画像形成装置に使用しても十分な寿命と性能を発揮できる。
【実施例】
【００１７】
（実施例１）
シリコーンゴムコンパウンド「ＫＥ−９０４ＦＵ」（信越化学工業株式会社製：商品名）１００質量部に対して、付加反応架橋剤「Ｃ−１５３Ａ」（信越化学工業株式会社製：商品名）２.０質量部、発泡剤「ＫＥＰ−１３」（信越化学工業株式会社製：商品名）３.０質量部、他に白金触媒、架橋補助剤を適量加え２本ロールにてシリコーンゴム配合物を調製した。また金属製軸体（φ１２×３００ｍｍ、ＳＵＭ２２，無電解ニッケルメッキ）をトルエン洗浄し、プライマー「Ｎｏ．１０１Ａ／Ｂ」（信越化学工業株式会社製、商品名）を塗布した。
プライマー処理した金属製軸体を、ギアーオーブン中、１８０℃の温度にて３０分焼成処理し、常温にて３０分以上冷却し、プライマー処理した金属製軸体とシリコーンゴム配合物とを、押出成形機にて一体分出し、それをＩＲ炉にて２５０℃で１０分間熱処理し、スポンジローラ原形（長さ２５０ｍｍ）を形成した。それをさらにギアーオーブンにて２００℃の温度にて７時間熱処理し、常温にて１時間放置した後、円筒研削盤にて直径３０ｍｍに研削した。さらに、スポンジの両端部を幅１０ｍｍ、直径２２ｍｍ、図３−（Ａ）の４ａと同じ形状の保護部材となるように研削加工した。製造した定着ローラについて後述の耐久性試験をした。その結果を表１に記す。
（実施例２）
保護部材を幅２ｍｍ、直径２２ｍｍ、図３−（Ａ）の４ａと同じ形状に加工した以外は、実施例１と同様に定着ローラを製造した。製造した定着ローラについて耐久性試験結果を表１に記す。
（実施例３）
保護部材を幅１ｍｍ、直径２２ｍｍ、図３−（Ａ）の４ａと同じ形状に加工した以外は実施例１と同様に定着ローラを製造した。製造した定着ローラについて耐久性試験結果を表１に記す。
（比較例１）
保護部材を設けない以外は、実施例１と同様に定着ローラを製造した。製造した定着ローラについて耐久性試験結果を表１に記す。
【００１８】
（評価）
１）耐久性試験：
画像形成装置の定着ローラと加圧加熱ローラとの組合せ部分のみを模して作製した、図８に示すような耐久性試験装置１３に、実施例１〜３、および比較例１で製造した定着ローラを設置して、それぞれＡ４用紙１５万枚のプリントに相当する連続加圧回転試験を実施した。定着ローラ１５は、１８０℃に加熱した加熱加圧ローラ１７との接触部分の外径が３ｍｍへこむよう押圧調整用部品１４で押圧して圧力を掛け、６３００ｍｍ／分の紙送り回転速度に対応させ、回転、停止サイクルを２０回／分で１５万回繰り返した。
２）評価結果
試験終了後、保護部材４および弾性体層３を軸体の軸方向に沿って切断して弾性体層３の破損状況を測定する。評価基準は下記の通りであり、定着ローラとして使用できる場合は◎、○、△であり、定着ローラとして使用できない場合は×である。
◎：亀裂が保護部材の軸方向の厚みの５０％以内
○：亀裂が保護部材の軸方向の厚みの５１％〜１００％
△：定着ローラ本体部分の端部から１０ｍｍ以内
×：亀裂が定着ローラ本体部分の端部から１０ｍｍ以上
【００１９】
【表１】

【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明の定着ローラは、従来の定着ローラと同じように使用でき、長期にわたる記録体への文字等の転写が確実にでき、これを使用したプリンタや複写機等のメンテナンスを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は本発明の定着ローラの斜視図である。
【図２】図２は本発明の定着ローラの端部の軸に沿った断面図である。
【図３】図３は本発明の４種の定着ローラの端部の正面図である。（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）はそれぞれ保護部材の形状が異なっている。
【図４】図４はモノクロプリンタの模式図である。
【図５】図５は定着部の模式図である。
【図６】図６は従来の定着ローラの斜視図である。
【図７】図７は寿命が来た従来の定着ローラの端部の軸に沿った断面図である。
【図８】図８は耐久性試験装置の模式図である。
【符号の説明】
【００２２】
１：定着ローラ、２：軸体、３：弾性体層、 4，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ：保護部材、５：弾性体層の端部、６：定着ローラ、７：弾性体層の亀裂、８：保護部材の端部９：定着ベルト、１０：加熱ローラ、１１：記録体、１２：加圧ローラ、１３：耐久性試験装置、１４：押圧調整用部品、１５：定着ローラ、１６ベアリング、１７：加熱加圧ローラ、１８：ヒータ、１９：熱拡散防止板

【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子写真方式の画像形成装置において、記録体上に転写したトナーを定着させるためのローラであって、ローラ軸体の周囲に形成した弾性体層の端部に保護部材を備えた定着ローラ。
【請求項２】
前記弾性体層が独立気泡を有するシリコーン樹脂系成形体である請求項１に記載の定着ローラ。
【請求項３】
前記保護部材が前記弾性体層と一体成形されている請求項１または２に記載の定着ローラ。
【請求項４】
前記保護部材の厚さが２〜１０ｍｍである請求項１〜３のいずれかに記載の定着ローラ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の定着ローラを備えた画像形成装置。

【図１】