(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の金属基体の内周面に絶縁層を介して発熱層が形成され、加圧ローラと共に回転しながら印刷用紙を挟持しトナーを印刷用紙に融着させる発熱定着ローラにおいて、
前記金属基体は、Ｏ材化したアルミニウム合金で形成され、
かつ前記発熱層は炭素繊維とバインダーからなることを特徴とする発熱定着ローラ。
【請求項２】
円筒状の金属基体の内周面に絶縁層を介して発熱層が形成され、かつ前記金属基体の外周面に離型層が形成されて、加圧ローラと共に回転しながら印刷用紙を挟持しトナーを印刷用紙に融着させる発熱定着ローラにおいて、
前記金属基体は、Ｏ材化したアルミニウム合金で形成され、
かつ前記発熱層は炭素繊維とバインダーからなることを特徴とする発熱定着ローラ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の発熱定着ローラにおいて、
前記アルミニウム合金は、ＪＩＳに規定されたＡ７０７２であることを特徴とする発熱定着ローラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複写機、ファクシミリ、及びプリンターなどの電子写真装置に搭載される発熱定着ローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の各種電子写真装置は、環境規制、環境保護意識の高まりから、不使用時に定着ヒータがオフとなる機能を備えたものが多くなっている。このような省エネ型の電子写真装置においては、使用者が装置本体に接近すると、その接近をセンサが感知して、定着ヒータを自動的に昇温させる機能が付加されているのが一般的である。
【０００３】
また、上記のような省エネ型の電子写真装置では、定着ヒータをオンさせたときに定着部を迅速に昇温させる必要があるので、定着ヒータによって加熱される定着ローラの熱容量は小さい方が望ましい。例えば、ローラ中心軸上に配置されたハロゲンヒータで金属基体を加熱する方式の定着ローラでは、円筒状の金属基体は薄肉化されて肉厚が１ｍｍ以下となっている。また、金属基体の内周面に設けられた発熱層により金属基体を直接加熱するようにして、金属基体を迅速に昇温させる方式の定着ローラでも、同様に金属基体の薄肉化することで、さらに迅速な昇温が達成されている。
【０００４】
しかし、上記のように金属基体を薄肉化して昇温の迅速化を図った定着ローラは、いずれも端部温度上昇という技術課題を抱えている。端部温度上昇とは電子写真装置の最大通紙幅（例：Ａ３縦）に対して、小さい幅の用紙（例：Ｂ５縦）を連続して通紙した場合に、中央では用紙による熱の消費分だけヒータから熱が供給され一定の範囲の温度が保持されるが、両端では用紙による熱の消費が無いために、熱が加圧ローラと定着ローラに蓄積し温度が上昇する現象のことである。これにより、軸受け部材の耐熱寿命の低下、及び端部温度上昇直後に大きな幅の用紙を通紙した場合に、設定温度より高温となっている端部での定着異常（ホットオフセット）及び搬送異常が発生する。
【０００５】
端部温度上昇という問題は、従来の電子写真装置でも起きていた現象であるが、昇温の迅速化を図った定着ローラは、金属基体の薄肉化により、中央と端部間での熱の移動量が小さくなっているために、端部温度上昇が特に顕著となって現れる。
【０００６】
そこで、金属基体を熱伝導率の大きな銅で構成して、中央と端部間での熱の移動量をできるだけ大きくし、これにより、金属基体が薄肉化された場合でも、端部温度上昇を小さくするようにした定着ローラが既に提案されている。
【０００７】
また、金属基体の内周面に熱伝導率の大きな炭素繊維の層（発熱層）を設けた定着ローラも提案されている。このような定着ローラにおいても、金属基体が薄肉化された場合に、端部温度上昇を小さく抑えることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術のように金属基体を銅で構成した場合、銅は表面が酸化し易いために、金属基体表面に防錆処理を施さなければならないという欠点がある。また、金属基体を銅で構成すると、金属基体の外表面に離型層としてフッ素樹脂層を形成する際に、一般に用いられる水系のプライマーではなく、溶剤系のプライマーが必要となる。それは、水系のプライマーを用いると銅が腐食しやすくなり、万一、腐食したときには金属基体とフッ素樹脂との密着力が低下する恐れがあるからである。
【０００９】
また、金属基体の内周面に炭素繊維の層を設けた場合、通常、炭素繊維は温度上昇に伴って抵抗が減少する（以下、温度係数が負と称する）ために、端部温度上昇によって端部の抵抗が下がり、全体の消費電力が端部温度上昇のない場合より大きくなってしまうという欠点がある（ただし、この時相対的に抵抗が大きい通紙部が優先的に発熱し、端部温度上昇を補正する利点も同時に有している）。このような場合、実際の製品においては、最大消費電力を端部温度上昇が生じた状態の電力に設定することとなる。したがって、端部温度上昇のない立ち上がり時には最大消費電力を投入することができなくなり、端部温度上昇が小さいものに比べ、立ち上がり時間が長くなってしまう。つまり、端部温度上昇により、従来考えられた問題点に加えて、温度係数が負である発熱層が形成された直接発熱型の定着ローラは、寿命が短くなり、立ち上がりも遅くなってしまうという欠点を有している。
【００１０】
本発明の目的は、防錆処理が不要で且つフッ素樹脂との密着力も比較的大きな材料で金属基体を形成することにより、端部温度上昇が小さく、しかも迅速な昇温が可能な発熱定着ローラを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、円筒状の金属基体の内周面に絶縁層を介して発熱層が形成され、加圧ローラと共に回転しながら印刷用紙を挟持しトナーを印刷用紙に融着させる発熱定着ローラにおいて、前記金属基体は、Ｏ材化したアルミニウム合金で形成され、かつ前記発熱層は炭素繊維とバインダーからなることを特徴としている。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、円筒状の金属基体の内周面に絶縁層を介して発熱層が形成され、かつ前記金属基体の外周面に離型層が形成されて、加圧ローラと共に回転しながら印刷用紙を挟持しトナーを印刷用紙に融着させる発熱定着ローラにおいて、前記金属基体は、Ｏ材化したアルミニウム合金で形成され、かつ前記発熱層は炭素繊維とバインダーからなることを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、前記アルミニウム合金がＪＩＳに規定されたＡ７０７２であることを特徴としている。
【００１４】
上記構成のようにＯ材化したアルミニウム合金は熱伝導率が大きいため、迅速な昇温が可能であると同時に、金属基体が薄肉化されても、中央と端部間での熱の移動量を大きくすることができ、端部温度上昇を小さく抑えることが可能となる。また、Ｏ材化したアルミニウム合金で金属基体を形成すれば、金属基体の防錆処理が不要となるとともに、フッ素樹脂で形成された離型層との密着力の低下を防ぐことができる。
また、炭素繊維とバインダーからなる発熱層、または強化繊維とバインダーからなる補強層を設けたことにより、Ｏ材化による強度低下を補って、安定した通紙及び安定した定着率が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
図１は、本発明に係る発熱定着ローラの断面図である。図１に示すように、本発明に係る発熱定着ローラ１は、中空円筒形状の金属基体２、金属基体２の内周面に絶縁層３を介して形成された発熱層４、及び金属基体２の外周面に形成された離型層５からなっている。金属基体２は、Ｏ材化されたアルミニウム合金で形成されている。Ｏ材化とは、ＪＩＳに規定の焼きなまされ再結晶化した状態、または最初から結晶化した状態を指している。また発熱層４は炭素繊維などの抵抗発熱体で形成され、離型層５は、トナーの融着を防ぐために、非粘着性に優れたフッ素樹脂で形成されている。
【００１６】
上記の発熱定着ローラ１は、図２に示すような定着装置において、加圧ローラ６と共に使用される。図２において、発熱定着ローラ１は、その両端部が定着ローラ軸受け７で回転自在に支持され、一端側に設けられたギア８がモータ（図示省略）で駆動されて回転する。一方、加圧ローラ６は発熱定着ローラ１に平行に配置されている。加圧ローラ６は、その両端部が加圧ローラ軸受け９で回転自在に支持されている。そして、発熱定着ローラ１は、加圧ローラと共に回転しながら印刷用紙を挟持することにより、その印刷用紙の表面にトナーを融着させることができる。また図２において、１０は発熱定着ローラ１の両端部近くに設けられた電極リング、１１は電極ブラシである。
【００１７】
アルミニウム合金は、図３に示すように、焼き鈍し温度により、つまり結晶化により強度が低下する。また同時に、結晶化により熱伝導率は増加する。結晶化は表１に示すような熱処理で容易に達成できる。なお、アルミニウム合金素材の作製時の熱条件により、最初から結晶化させることも可能である。
【００１８】
【表１】
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また、発熱定着ローラ１は、多くの場合、その外周面に離型層としてフッ素樹脂を３５０℃〜４００℃で３０分〜６０分程度で焼き付けているため、Ｏ材化は進行しているが、図４に示すように完全には結晶化していない。これは加熱時間がやや短いことと２６０℃まで毎時２８℃以下の徐冷（３４０→２６０℃でも２時間５１分かかる）が行われていないことによる。
【００１９】
【実施例】
次に、図２で示した定着装置を用いて通紙試験を行ったので、その結果について説明する。定着装置としては最大Ａ３の縦通紙までを意図したものを用いた。
【００２０】
まず発熱定着ローラ１は、直径３０ｍｍ、長さ３６０ｍｍ、肉厚０．５ｍｍのアルミ基体に８００Ｗのハロゲンヒータを組み合わせたものである。表面には離型層５としてＰＦＡ樹脂の層を設けた。そして、発熱定着ローラ１の内周面にイミド樹脂からなる絶縁層３を設け、更にその内周面に炭素繊維からなる発熱層（長さ３００ｍｍ、面積２７２ｃｍ２、バインダーとしてイミド樹脂を含む）４を形成した。また、発熱定着ローラ１の両端には幅５ｍｍの銅製のリングを固定して電極１０とした。発熱層４の抵抗は、同一出願人により既に出願済みの特願平７―２８４１５２号に開示の式に基づき繊維の幅・角度を決定し、１００Ｖ印加時１８０℃（設定１７０℃に対し、１０℃の余裕を見た値）で消費電力８００Ｗとなる１２．５Ωとした。
【００２１】
定着ローラ軸受け７は、一般に定着装置の軸受けに用いられているフッ素樹脂製の耐熱２３０℃のものを用い、離型層５の外側に配置した。加圧ローラ６は発熱定着ローラ１の方向にばねを用いて片側３０Ｎで加圧した。発熱層４への通電は、両端の電極に摺動させる電極ブラシ１１から行った。また発熱定着ローラ１の一端部に固定されたギア８を介して、発熱定着ローラ１を回転駆動した。温度制御は発熱定着ローラ１の中央にサーミスタを当てて行った。線速は１４０ｍｍ／Ｓとした。
【００２２】
加圧ローラ６は、直径１０ｍｍ、長さ３４０ｍｍの金属製軸に、肉厚１０ｍｍのシリコーンゴムおよび膜厚５０μｍのＰＦＡチューブを中央３２０ｍｍにわたって被覆したものを用いた。
【００２３】
この定着装置を用いて、各種基体により加熱実験を行った。またＢ５用紙の縦方向の連続通紙実験も行った。端部温度上昇はいずれの場合も２００枚通紙で飽和したため、このときの値を端部温度上昇とした。Ｂ５連続通紙直後にＡ３を３０枚通紙し、通紙異常を確認した。さらにこの定着装置を１７０℃で５００時間放置した後、Ａ３の通紙試験を行い通紙異常を確認した。温度分布はサーモグラフィーを用いて観察した。
【００２４】
まず、各種合金において従来工法（調質された合金にフッ素樹脂を３８０℃４０分で焼き付ける方法）によるＯ材化していない金属基体と、焼き鈍し等によりＯ材化した金属基体とを比較した。その結果を表２に示す。なお表２において、ハロゲンヒータを用いた例には添字−１が、炭素繊維発熱体を用いた例には添字−２が各々付けられている。
【００２５】
【表２】
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連続通紙時の異常の×は、Ｂ５用紙の縦方向の連続通紙直後に、Ａ３を通紙した際の端部の温度がトナーの定着温度領域外によるホットオフセットの発生である。また比較例３の場合は、端部温度が軸受けの耐熱温度２３０℃を超えており、定着ローラ軸受けが発熱定着ローラに一部融着していた。比較例３−２では、内部に配置した発熱層も端部で部分的に金属基体から剥離が発生していた。
【００２６】
いずれの場合もＯ材化した基体を用いたものが同一合金を用いるものでは、端部温度上昇が小さいことが判った。また、炭素繊維を貼り付けたものは昇温時間が短いとともに、５００時間後にも変形せず、通紙異常も発生しなかった。これは炭素繊維の補強効果によるものと考えられる。Ａ７０７２の場合のみ端部温度上昇も小さく、炭素繊維なしでも５００時間後の通紙異常が発生しなかった。これは、図５に示す各種アルミニウム合金の強度と熱伝導率の関係から、類似のＡ７０００番台の合金と比較してもＡ７０７２０材が突出して高強度・高熱伝導であることによると考えられる。
【００２７】
５００時間後の通紙で異常がみられたものは、ローラのふれが０．１ｍｍ（実験前０．０５ｍｍ以下）を超えており、加圧力による曲がりが発生していた。強度的に弱い材質に曲がりが発生した。これらの材質に対して、金属基体内面に強度的に優れるガラス繊維（３５０ＭＰａ）およびアルミナ繊維（２４０ＭＰａ）をイミド樹脂で接着した補強層厚さ０．１ｍｍを設けたサンプルで同様な評価を行ったところ、昇温時間は補強層が加わった分熱容量が増加したため、０．５〜０．７秒長くなったもののいずれの場合も通紙異常は発生しなかった。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１及び請求項２記載の発明によれば、結晶化し熱伝導率の最も大きな０材化したアルミニウム合金で金属基体を形成したので、迅速な昇温が可能であるとともに、金属基体が薄肉化されても端部温度上昇を回避することができる。また同時に、金属基体の防錆処理が不要となるとともに、フッ素樹脂で形成された離型層との密着力の低下を防ぐこともできる。
また、炭素繊維とバインダーからなる発熱層を設けたことにより、Ｏ材化による強度低下を補い、安定した通紙及び安定した定着率が可能となる。また、より一層迅速な昇温が可能となる。
【００３１】
請求項３に記載の発明によれば、Ｏ材化しても十分な強度を有する金属基体を実現でき、これにより、端部温度上昇を最も低減できるとともにＯ材化による強度低下を補い、安定した通紙及び安定した定着が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発熱定着ローラの断面図である。
【図２】本発明に係る発熱定着ローラが搭載された定着装置の概略図である。
【図３】アルミニウム合金の強度と熱伝導率の、熱処理による変化を示した図である。
【図４】フッ素樹脂焼き付け工程による金属基体の強度変化を示した図である。
【図５】各種アルミニウム合金の熱伝導率と強度との関係を示した図である。
【符号の説明】
１  発熱定着ローラ
２  金属基体
３  絶縁層
４  発熱層
５  離型層
６  加圧ローラ
７  定着ローラ軸受け
８  ギア
９  加圧ローラ軸受け
１０  電極リング
１１  電極ブラシ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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