(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯金上に発熱性相転移物質を設け、この発熱性相転移物質の発熱を利用してトナー定着可能温度にまで温度上昇させるようにした発熱定着ローラにおいて、
前記発熱性相転移物質に、非晶質から結晶へ相転移することにより発熱する結晶性熱可塑性樹脂を主成分とした物質を用いることを特徴とする発熱定着ローラ。
【請求項２】前記結晶性熱可塑性樹脂は、その融点がトナー定着温度以上であり、結晶化温度が常温以上且つトナー定着温度以下であることを特徴とする請求項１に記載の発熱定着ローラ。
【請求項３】
前記結晶性熱可塑性樹脂は、非使用時に非晶質であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発熱定着ローラ。
【請求項４】
前記結晶性熱可塑性樹脂は、ポリエステルであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発熱定着ローラ。
【請求項５】
前記結晶性熱可塑性樹脂は、ポリエチレンテレフタレート若しくはポリブチレンテレフタレートであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発熱定着ローラ。
【請求項６】
芯金上に結晶性熱可塑性樹脂を主成分とした発熱性相転移物質を設け、この発熱性相転移物質が非晶質から結晶に相転移することにより生ずる発熱を利用してトナー定着可能とした後、非使用状態とする際には、前記結晶性熱可塑性樹脂を一旦溶融した後、融点以下まで毎分５０℃以上の速度で冷却することにより非晶質状態にすることを特徴とする発熱定着ローラの冷却方法。
【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、プリンター、ファクシミリ等の画像形成装置に用いられる定着ローラ、特に、トナー定着可能温度とするために相転移発熱を利用した発熱定着ローラに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、複写機、プリンター、ファクシミリ等の画像形成装置には、トナーを転写紙に定着させるために定着ローラが用いられている。
【０００３】
また、このような定着ローラには、例えば、電源ＯＦＦから電源ＯＮとした場合に、定着ローラがトナー定着可能温度にまで上昇する迄の時間を短縮するために定着ローラの芯金上に発熱性相転移物質を設け、この発熱性相転移物質の発熱を利用してトナー定着可能温度にまで温度上昇させるようにした発熱定着ローラも知られている（特開平７−１４０８２３号公報等参照）。
【０００４】
即ち、発熱性相転移物質は非晶質の状態では結晶質の状態よりもエネルギー状態が高く、準安定（メタステイブル）状態となっており、熱や放射線、化学物質との接触等によりより安定（ステイブル）状態に変化していく。
【０００５】
この状態の変化、いわゆる相転移を起こす際、過剰のエネルギーが熱として放出されるが、急激に相転移を起こすと、その物質および周りは著しく温度が上昇する。
【０００６】
他方、発熱定着ローラとして用いるためには、非晶質状態と結晶状態を繰り返し相転移させる必要がある。非晶質状態を作り出す方法としては幾つかの手段があるが、一般的には溶融して液相に変化させる方法が行われる。これは、液相に変化することで結晶の際の秩序ある構造が崩れるからである。
【０００７】
ところが、一般の物質は溶融状態から冷却していくと、融点以下になると急激に発熱して凝固（結晶化）してしまう。この原理を利用しているのが、蓄熱材であるが、発熱凝固した物質は発熱定着ローラには使用できない。
【０００８】
Ｓｅ（セレン）等のカルコゲン系元素およびその合金（例えば、ＳｅＴｅ（セレン・テルル合金））は、容易に非晶質状態を実現することができ、結晶化も加熱のみで容易に進行する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような発熱定着ローラに用いられている発熱性相転移物質は、一般に急冷することによって非晶質化する物質であれば適用可能であり、特に、周期率表（長周期型）のＩＩＩＢ族〜ＶＩＢ族に属する元素は多元系で非晶質化可能領域が良く知られている。そして、その中でもＳｅ（セレン）を主成分としたカルコゲンやカルゴケナイドは極めて良好に結晶化して発熱する。
【００１０】
しかしながら、Ｓｅ系の物質は無機物であるため、相転移発熱定着における非晶質状態を作り出すためには、一旦相転移発熱物質を溶融しなければならず、その溶融した相転移発熱物質が流動落下しないためにも、芯金上に設けた発熱性相転移物質を保護層で覆う必要がある。
【００１１】
この保護層は発熱定着ローラの別の理由からも必要である。即ち、加熱による軟化したトナーがホット，コールド，静電オフセットを起こさないような離型性の好い材質であることが必須条件であり、現在の技術レベルでは、この最良の特性を備えている物質はフッ素系の樹脂しかない。
【００１２】
そこで、従来では（特開平７−１４０８２３号公報）、Ｓｅ等のカルコゲン系合金の相転移発熱層の上にペルフルオロアルコキシフッ素樹脂（以下、単に『ＰＦＡ』と称する。）の保護層を設けている。
【００１３】
ところが、上述したように、有機物であるフッ素樹脂とは、熱膨張係数の違いや、その他諸々の特性（密度差、密着性の相性等）に違いがあり、これらの違いにより加熱昇温時や冷却時にローラ表面に皺が寄る等のような不具合を回避するために様々な手段を講じなければならず、製造工程が煩雑となるという問題が生じていた。
【００１４】
また、Ｓｅは毒物指定物質であるため、例えば、発熱定着ローラを廃棄処分する場合には、その処分が面倒であるという問題もある。
【００１５】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、製造工程での煩雑性を解消し得て、しかも、その処分を容易に行うことができる発熱定着ローラ提供することを目的とする。
【００１６】
本発明はこれら、無機物の発熱性相転移物質を用いることによる不具合を解消するためのものであり、請求項１に記載の発明は、芯金上に発熱性相転移物質を設け、この発熱性相転移物質の発熱を利用してトナー定着可能温度にまで温度上昇させるようにした発熱定着ローラにおいて、
前記発熱性相転移物質に、非晶質から結晶へ相転移することにより発熱する結晶性熱可塑性樹脂を主成分とした物質を用いることを要旨とする。
【００１７】
また、有機物でも様々な非晶質物質が知られているが、非晶質のまま融点を越えて融解する物質は本原理の発熱定着ローラに用いることはできないため、結晶性熱可塑性樹脂は、その融点がトナー定着温度以上であり、結晶化温度が常温以上且つトナー定着温度以下であることが好ましい。
【００１８】
なお、発熱定着ローラに適用できる条件としては、常温からトナー定着温度約１８０℃までに結晶化が起こり、融点がトナー定着温度以上でなるべく低めである必要がある。
【００１９】
さらに、その使用目的を考慮すると、繰り返しの使用が可能でなければならないので、熱硬化性物質も対象とはならない。従って、本原理の発熱定着ローラに用いることのできる物質としては、結晶性の物質であると共に、非使用時には非晶質化する熱可塑性の樹脂がより好ましい。
【００２０】
そして、こうした物質としては、ポリエステル系樹脂、特に、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレート等が適している。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
次に、本発明の発熱定着ローラの実施の形態を複写機に適用し、図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１（Ａ）において、１は複写機である。この複写機１は、装置本体２に着脱可能に装着される給紙カセット３と、給紙カセット３内にセットされた転写紙Ｐを装置本体２内に送り出す給紙ローラ４と、表面に感光層５ａを設け且つ図示を略すトナー供給装置から供給されたトナーが感光層５ａに形成された像に対応して付着するドラム式感光体５と、感光体５に付着したトナー像を送り出された転写紙Ｐの一方の面に転写させる転写装置６と、トナー転写後の転写紙Ｐを定着部７に案内する補助ローラ８，８とを備えている。
【００２３】
定着部７は、アルミニウムや鉄等の芯金の外周にゴム等の弾性体を装着した加圧ローラ９と、加圧ローラ９の回転に従動して回転するように加圧ローラ９と接触する定着ローラ１０とを備え、補助ローラ８，８によって案内されたトナー転写後の転写紙Ｐは、この定着ローラ１０の熱によって転写紙Ｐに定着されて排出口２ａから排出される。
【００２４】
定着ローラ１０は、図１（Ｂ）に示すように、熱伝導率の良好なアルミニウム合金等の金属からなる芯金１１と、芯金１１の外表面に設けられた結晶性熱可塑性樹脂を主成分とした発熱性相転移物質１２と、発熱性相転移物質１２を覆う保護層１３と、芯金１１の内表面に設けられた発熱体１４とを備えている。尚、この発熱体１４は、配線１４ａ，１４ａからの電源供給により発熱するが、図に示したような筒上のもののほか、ハロゲンランプ等でもよい。
【００２５】
【実施例１】
次に、このような発熱定着ローラ１０の実施例を説明する。
【００２６】
今回、発熱性相転移物質１２に結晶性熱可塑性樹脂を主成分とした物質を採用するに当たり、ＰＥＴの熱特性を測定し、文献（講談社刊『新版  熱分析』／培風館刊『高分子学会編  高分子ハンドブック』）に出ている非晶質ＰＥＴの熱特性パターンが本当に現われるかどうかを確認した。
【００２７】
その結果を表１に示す。尚、表１において、Ｔｇはガラス転移点、Ｔｃｉは結晶化パターンの開始温度、Ｔｃｐは結晶化パターンのピーク温度、Ｔｃｆは結晶化パターンの終了温度、Ｔｍは融解開始温度、Ｔｍｆは融点、Ｔｄは融解ピーク温度、Ｔｓは凝固開始点である。
【００２８】
【表１】
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文献では、ガラス転移点はＳｅよりもやや高めであるが、結晶化パターン、融点は、略Ｓｅと同様の温度に出現しており、もし、これが事実で容易に非晶質化できるのならば、Ｓｅ系以外でも発熱定着ローラの実現の可能性があることを示す。
【００２９】
そこで、試料は手元で容易に調達できるＰＥＴとして、普段使用しているマイラーのシートを用いた。結果は、表１に示したように、文献と似たような吸発熱パターンが再現した。
【００３０】
すなわち、融点は、その開始温度が約２３０℃前後であり、文献の融点２８０℃は、文献では有機物の熱特性でよく用いられている融解ピーク温度の値を採用していると推測され、本測定値である２５０〜２７０℃と略一致しているから材料の差異等を考慮すれば妥当であると推測される。
【００３１】
また、降温時の凝固発熱は、その開始点は測定値２１０〜２３０℃であり、昇温時の融解開始点と一致しており、凝固の際の過冷却が起こっていなければ、これが真の融点と考えて良いであろう。
【００３２】
結晶化発熱パターンは加熱溶融後炉の蓋をオープンし水中もしくは空気中に取り出す位の急冷で次の昇温で発生し、自然放冷（約３０℃／分）レベルではまだ降温時に凝固発熱してしまって非晶質化していない。
【００３３】
非晶質化したＰＥＴの結晶化パターンは、開始温度が約１００℃、ピーク温度が２０℃、終了温度が１３０〜１５０℃であり、４ＮレベルのＳｅとほぼ似通っている。
【００３４】
一方、表２に示すように、結晶化発熱潜熱は、略融解潜熱と等しいが、融解潜熱は約４０ｃａｌ／ｇであり、文献での３８．２ｃａｌ／ｇ（１６０Ｊ／ｇ）と一致しており、Ｓｅの１５ｃａｌ／ｇよりも大きくて好都合な特性である。
【００３５】
【表２】
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非晶質化ＰＥＴのガラス転移点（温度）は、その開始温度が６４〜７０℃、終了温度が７０〜８０℃であり、文献と一致している。
【００３６】
以上のように、ＰＥＴの溶融急冷による非晶質化が確認され、ＳｅやＳｅＴｅ等の無機物系以外の有機物系であっても非晶質の結晶化発熱反応も実証することができた。
【００３７】
そこで、発熱性相転移物質１２に、ポリエチレンテレフタレート（以下、『ＰＥＴ』と称する。）のシートを用いて外径４０ｍｍのアルミニウム性の芯金１１の外表面に巻きつけて１５０℃で予備加熱してカールさせた後、さらにその上に導電性ＰＦＡチューブの保護層１３を被せて発熱定着ローラ１０を作成した。
【００３８】
この発熱定着ローラ１０を、加熱炉にセットして減圧しながら、ＰＥＴの融点以上ＰＦＡの融点以下の温度３００℃で加熱し、その後、冷却ガスを注入して急冷却した。
【００３９】
【実施例２】
次に、発熱性相転移物質１２に、ポリブチレンテレフタレート（以下、『ＰＢＴ』と称する。）のシートを用いて外径４０ｍｍのアルミニウム性の芯金１１の外表面に巻きつけて超音波溶着後、さらにその上に導電性のポリ四フッ化エチレン（以下、『ＰＴＦＥ』と称する。）チューブの保護層１３を被せて発熱定着ローラ１０を作成した。
【００４０】
この発熱定着ローラ１０を、加熱炉にセットして減圧しながら、ＰＢＴの融点以上ＰＴＦＥの融点以下の温度３００℃で加熱し、その後空気中に取り出して急冷却した。
【００４１】
【比較例１】
また、実施例１，２で作成した発熱定着ローラ１０との比較のため、実施例１と同様にして、加熱後冷却速度が毎分５０℃未満の徐冷処理のＰＥＴの中間層からなる発熱定着ローラ１０を作成した。
【００４２】
【比較例２】
さらに、実施例１，２で作成した発熱定着ローラ１０との比較のため、実施例２と同様にして、加熱後冷却速度が毎分５０℃未満の徐冷処理のＰＢＴの中間層からなる発熱定着ローラ１０を作成した。
【００４３】
【比較例３】
また、実施例１，２と同様の芯金１１上に、Ｔｅ（テルル）８重量％（５．１ｍｏｌ％）のＳｅＴｅ合金を真空蒸着によって厚さ０．０６ｍｍの相転移層を形成し、その上に実施例１と同材のＰＦＡからなる保護層１３を有する発熱定着ローラ１０（従来に相当する）を作成した。
【００４４】
そして、これら実施例１，２および比較例１，２，３の発熱定着ローラ１０をリコー社製電子写真複写機Ｍ２１０の定着装置に組込み、ヒーター電力９６０Ｗで加熱しながら発熱定着ローラ１１の表面温度の上昇状況を調べた。
【００４５】
その結果を図２のグラフ図に示す。図２のグラフ図において、線分Ａは実施例１の発熱定着ローラ１０を用いた場合の温度上昇と時間との関係結果を示し、線分Ｂは実施例２の発熱定着ローラ１０を用いた場合の温度上昇と時間との関係結果を示し、線分Ｃは比較例１，２の発熱定着ローラ１０を用いた場合の温度上昇と時間との関係結果を示し、線分Ｄは比較例３の発熱定着ローラ１０を用いた場合の温度上昇と時間との関係結果を示す。
【００４６】
このグラフ図に示すように、比較のＳｅＴｅ系に比べてＰＥＴやＰＢＴ系では何れも昇温の始まりは同じかやや遅めであるが、所定温度への到達時間は早めになっていることが判る。また、比較例１，２（線分Ｃ）は、比較例３（線分Ｄ）よりも昇温が遅いということも判る。
【００４７】
次に、同複写機の電源を一旦切って再度、電源を入れて繰り返し環境下での昇温を調べて見た。その結果を表３に示す。
【００４８】
【表３】
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この表３に示すように、電源を切る前に、一旦発熱定着ローラ１０を２８０℃にまで加熱（溶融するまで）した後、毎分５０℃以上で冷却（強制急冷）した場合は、初回同様の昇温を示したが、一旦加熱しない場合や一旦加熱した後に自然放冷とした場合は、初回の比較例１，２と同様に昇温が遅くなっていることが判った。
【００４９】
さらに、比較例３のＳｅＴｅ系の場合は、このヒートサイクルを繰り返し行っていると発熱定着ローラ１０の表面に僅かではあるが縞状の皺が発生したが、実施例１，２の発熱定着ローラ１０の場合には１万回以上繰り返しても何ら異常は発生しなかった。
【００５０】
これらに使用したＰＥＴとＰＢＴを上述した複写機内で行なったのに対応して加熱溶融した試料を示差熱分析ＤＴＡに懸けたところ、毎分５０℃未満の速度で冷却した場合はガラス転移点や結晶化発熱パターンが検出されず毎分５０℃以上の速度で冷却するとガラス転移点や結晶化発熱パターンが明瞭に観察された。
【００５１】
このように、非晶質化したＰＥＴやＰＢＴは、発熱定着ローラ１０の相転移発熱体（発熱性相転移物質１２）として良好に用いることができると判明した。しかも、発熱性相転移物質１２としてのＰＥＴやＰＢＴは、保護層１３と同様に有機物であることから、相転移による密度変化や熱膨張率の差が小さく、長期使用での変形等もＳｅ系よりも有利であることが判る。しかも、ＰＥＴやＰＢＴは廃棄処分も容易である。
【００５２】
尚、有機物の結晶化相転移（発熱性相転移物質１２）の発熱を利用した発熱定着ローラ１０にあっては、ウォーミングアップ時間を短縮し、耐久性も向上させることができるが、結晶核剤の添加や導電材の添加でさらに効果的に発熱昇温させることも可能である。
【００５３】
このように、発熱性相転移物質１２として、有機物の非晶質体を使用することで、保護層１３のフッ素樹脂との各種熱特性の相性がよくなり、発熱定着ローラ１０の品質が良くなり、しかも、加増品質の向上、耐久性が向上する。
【００５４】
尚、発熱定着ローラ１０の機能は昇温冷却のヒートサイクルが必要であり、昇温による結晶化、融解、冷却によって非晶質化する物質、即ち、熱可塑性の物質がより好ましい。
【００５５】
また、常温において、即ち、非使用時においては、非晶質状態でないと加熱したときに発熱しないので、非使用時に非晶質状態となり得るものが好ましい。
【００５６】
そこで、ポリエステルは熱可塑性で結晶性の樹脂であり、融点が明瞭で非晶質化が容易であるため、発熱性相転移物質１２として使用するのに適している。
【００５７】
また、ＰＥＴは融点が２６０℃付近で、ガラス転移点（温度）が約８０℃であり、昇温時に良好な結晶化発熱反応を示すので適している。
【００５８】
同様に、ＰＢＴも融点が２２０℃付近で、ガラス転移点（温度）が約２２℃であり、昇温時に良好な結晶化発熱反応を示すので適している。
【００５９】
そして、これらＰＥＴやＰＢＴを発熱性相転移物質１２として使用するに際しては、ＰＥＴやＰＢＴの溶融による非晶質化の急冷条件は、毎分約５０℃以上であることが好ましい。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の発熱定着ローラにあっては、発熱性相転移物質に結晶性熱可塑性樹脂を主成分とした物質を用いていることにより、製造工程での煩雑性を解消し得て、しかも、その処分を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わる発熱定着ローラを示し、（Ａ）は画像形成装置である複写機の模式図、（Ｂ）は発熱定着ローラの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係わる発熱定着ローラの昇熱特性を比較するグラフ図である。
【符号の説明】
１０…発熱定着ローラ
１１…芯金
１２…発熱性相転移物質
【図１】
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【図２】
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