(57)【要約】【課題】  外部加熱方式の定着装置において、定着ローラの弾性層と高熱伝導フィラが添加されたフッ素樹脂層の接着力を強化し、耐久性に優れ、熱効率も高い定着装置を提供する。【解決手段】  内部に低熱伝導性の弾性層を有し、その外側に高熱伝導性の弾性層と高熱伝導性フィラが添加されたフッ素樹脂層が順次形成された定着ローラにおいて、高熱伝導性の弾性層と高熱伝導フィラが添加されたフッ素樹脂の間に薄い金属層を設ける。【選択図】  図１
2008032816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに圧接させて定着ニップを形成させた回転定着部材と回転加圧部材を有し、少なくとも回転定着部材を外側から加熱する加熱手段を有し、定着ニップ部でトナー像を担持した画像記録媒体を挟持搬送してトナー像を定着させる定着装置において、
前記回転定着部材が、内部に0.15W/mK以下の熱伝導率を有する断熱弾性体を有し、その外側に、少なくとも前記断熱弾性体よりも高い熱伝導率を有する弾性体、金属層および離型層が順次形成された構成を有し、前記離型層には少なくとも離型層の基材よりも高い熱伝導率を有するフィラーが添加されていることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
互いに圧接させて定着ニップを形成させた回転定着部材と回転加圧部材を有し、少なくとも回転定着部材を外側から加熱する加熱手段を有し、定着ニップ部でトナー像を担持した画像記録媒体を挟持搬送してトナー像を定着させる定着装置において、
前記回転定着部材が、内部に0.15W/mK以下の熱伝導率を有する断熱弾性体を有し、その外側に、金属層および離型層が順次形成された構成を有し、前記離型層には少なくとも離型層の基材よりも高い熱伝導率を有するフィラーが添加されていることを特徴とする定着装置。
【請求項３】
前記フィラーは前記離型層に対し、10容量%以上50容量%以下の範囲で添加されていることを特徴とする請求項1および2に記載の定着装置。
【請求項４】
前記フィラーが10W/mK以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項1および2に記載の定着装置。
【請求項５】
回転定着部材の内部に形成された前記断熱弾性層が、オルガノポリシロキサン組成物に中空フィラを配合した配合物、あるいは、オルガノポリシロキサン組成物に吸水性ポリマーおよび水を配合した配合物を形成後に焼成および硬化して形成されていることを特徴とする請求項1および2に記載の定着装置。
【請求項６】
前記金属層の厚みが10μm以下であることを特徴とする請求項1および2に記載の定着装置。
【請求項７】
前記加熱手段は前記回転定着部材と協同して加熱ニップ部を形成するプレート状のヒータを有していることを特徴とする請求項１および2に記載の定着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複写機やプリンタ、ファクシミリなどの電子写真方式の作像プロセスを採用した画像形成装置における加熱定着装置に関するものである。
【０００２】
より詳しくは、圧接させてニップ部を形成させた第１と第２の回転定着部材を有し、少なくとも一方の回転定着部材を外側から加熱する加熱手段で加熱し、ニップ部でトナー像を担持した画像記録媒体を挟持搬送してトナー像を定着させる、定着部材外部加熱方式の定着装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
複写機、プリンタ、ファクシミリ等の電子写真方式を採用する画像形成装置における定着装置において、転写紙、ＯＨＰ等の記録材上に転写された未定着トナー像を記録材上に定着させる定着装置には加熱定着装置が広く利用されている。加熱定着装置としては加熱された定着ローラに加圧ローラを圧接させ、記録材を両ローラで挟持搬送しながら未定着トナー像を加熱溶融して未定着トナー像の定着を行う熱ローラ方式のものが広く用いられてきた。図5にその熱ローラ方式の定着装置の概略図を示す。
【０００４】
定着ローラはアルミニウムやステンレス製の中空芯金79の中にハロゲンランプなどの加熱体80を設け、外表面にはトナーのオフセットを防止するためのフッ素樹脂などの離型層81を備えたものである。また、加圧ローラは芯金82の外部にシリコーンゴムなどを形成した弾性層83あるいはシリコーンゴムを発泡して成るスポンジ弾性層を形成し、さらにその外層には定着ローラと同様のフッ素樹脂などの離型性層84が形成されている。
【０００５】
また、高速機あるいはカラートナーを用いた画像形成装置の場合、トナーの定着性を十分に満足させるために、中空芯金の外表面にシリコーンゴム等の厚み2mm程度の弾性層を設けることにより、軟らかくなった定着ローラ表面でトナーを包み込むことで、記録材およびトナーへの熱の伝播効率を向上させている。
【０００６】
しかしながら、近年の環境問題の一つとして消費電力の低減が強く望まれる一方で、市場のニーズから高画質および高速での画像出力が望まれている。そこでこのような消費電力の低減と高速・高画質の要求に応えるために、前記熱ローラ方式の定着装置に対して種々の改善が試みられている。
【０００７】
1つは定着ローラの昇温時間を短縮し消費電力を小さくする目的で、加熱体を定着ローラや加圧ローラの外表面に配置させ、外表面のみを加熱することで、低消費電力で熱効率のよい定着装置の一例が提案されている(参考文献1および2)。このような定着ローラの外表面に配置させる加熱体は、定着ローラに対して接触状態にあるものと非接触状態にあるものに大別されるが、接触式のほうが熱の伝播効率が高い。
【０００８】
一方で特にスタンバイ時に加熱定着装置に電力を供給せず、消費電力を極力抑えた方法、詳しくはヒータ部と加圧ローラの間に熱容量の小さい薄肉フィルムを介して記録材上のトナー像を定着するフィルム加熱方式による定着装置の一例が提案されている(参考文献3〜6)。
【０００９】
図6にフィルム加熱方式の一例の概略図を示す。この装置は加熱体としてのセラミックヒーター85とこのヒーター85を断熱支持する支持体であるステー86とヒーター85を支持させたステー86に巻きつかせた耐熱樹脂材からなる薄肉円筒形状の定着フィルム87と定着フィルム87をはさんでヒーター85と圧接してニップ部91を形成する加圧ローラ88などからなる。
【００１０】
加圧ローラ88の回転駆動がなされ、これに伴い定着フィルム87が従動回転し、ヒーター85に通電がなされて所定の温度に温調されている状態においてニップ部91に未定着トナー像89を載せた記録材90が搬送され、ニップ部91に導入され、定着フィルム87といっしょにニップ部91を挟持搬送させることによりヒーター85の熱を定着フィルム87を介して記録材90に付与して未定着トナー像89を定着する。
【００１１】
定着フィルム87は薄肉で熱容量が小さく、かつ熱応答性が良いため、ヒーター85に通電がなされて所定の温度に温調されるまでに要する時間が短く、これに伴う省電力が実現される。このようなフィルム加熱方式の定着装置を用いたプリンターや複写機等の各種画像形成装置は加熱効率の高さや立ち上がりの速さにより待機中の予備加熱の不要や、ウェイトタイムの短縮化など、従来の熱ローラ方式の定着装置と比較して多くの利点を有している。
【００１２】
しかしながら、上述した従来方式の定着装置でも、立上り時の昇温時間の短縮、消費電力の低減、さらには高速、高画質といった全てにおいて優れた性能を両立させることは非常に困難である。例えば、フィルム加熱方式を考えた場合、立上り時間の短縮と消費電力の低減に関しては非常に優れているが、高速化させた場合に次のような問題がある。
【００１３】
まず、定着フィルムにポリイミドなどの有機性耐熱樹脂を用いているため、熱伝導性が悪く、高速化した際に記録材に十分な熱量を供給することが不可能である。つまり、実用上問題ない可能な限り多くの熱量を加熱ヒータにより発熱させても、その熱が薄肉フィルムにより遮断されてしまい、記録材およびトナー像に効率的に供給することができない。
【００１４】
また、高速化したときに顕著に表れる問題として、画像の劣化がある。記録材上に形成された未定着トナー像が高画質であっても、定着装置が原因となって画質を劣化させることが少なくない。特に、前述のフィルム加熱方式では定着フィルムが加圧ローラの回転駆動により従動回転するため、高速化に伴ってフィルムの速度が加圧ローラの回転速度に対して遅れるという問題点があり、画質の劣化につながる。
【００１５】
また、表面の凹凸が粗い記録材を加熱定着する場合、金属製のチューブなどは表面が固いため、紙の凹部への接触が悪くなり、十分な熱が記録材に伝達できず、トナー画像表面がガサガサする。このような問題は、熱ローラ方式の定着装置においても発生する問題であり、図に示すような表面に弾性層を有さず、金属芯金に離型層を設けたのみの定着ローラ(ハードローラ)では、高速化するに連れて画像のガサツキが顕著に表れるようになる。
【００１６】
以上のような問題から考えると、幅広い速度に対応させるためには定着ローラとして弾性層を有することが必須条件となる。この条件に基づいて定着装置を選択すると、従来の弾性層を有する熱ローラ方式の定着装置では定着ローラの昇温時間が圧倒的に長く、スタンバイ時にも電力の供給を必要とするために消費電力が大きくなり、環境や市場のニーズに対しては不利な構成である。
【００１７】
また、図7に示すような外部から定着ローラ表面を加熱する方式では、従来の熱ローラ方式と比較すれば昇温時間の短縮および消費電力の低減はなされているが、フィルム加熱方式のそれと比較すると劣る。その原因は、定着ローラ表面を加熱するための加熱部材(以下、ヒートローラと呼ぶ)が中空芯金内にハロゲンヒータなどを有する構成の場合、芯金がハロゲンヒータの輻射熱により昇温することからヒートローラ自身を暖めるのに時間を要してしまうからである。
【００１８】
以上により、消費電力の低減、短い立上り時間、高速化、高画質な画像出力、が可能な定着方装置は熱ローラ方式やフィルム加熱方式のような従来から提案されている方式では不可能であった。
【００１９】
そこでこれらの特性を実現する定着方式として、図8に示すような弾性層を有する定着ローラとその定着ローラに外部表面から接触して加熱ニップを形成する加熱部材と、定着ローラに圧接して定着ニップ部を形成する加圧部材とを有し、上記定着ニップ部に未定着トナー画像が形成された記録材を狭持搬送させることで加熱定着を行うものが提案されている(参考文献7)。
【００２０】
また、上記加熱部材に具備される加熱ヒータは低熱容量タイプのプレート形状であり、加熱ニップ部に摺擦して定着ローラに伝熱する。このような構成にすることで、従来のようなヒートローラによって定着ローラ表面を加熱する構成よりも、加熱ニップ部でのエネルギー密度を高くすることが出来るので、定着ローラ表面を効率よく加熱することが可能となる。定着ローラは発泡体や中空フィラーを有する弾性体で構成されているため、効率よくローラ表面を急加熱することが可能である。
【００２１】
さらに図8に示されるような定着方式の定着効率を高める構成として、低熱伝導性の弾性体で構成された定着ローラの表面もしくは表面近傍に高熱伝導性の弾性体を設けた定着ローラを用いるという提案がなされている(参考文献8)。
【００２２】
この提案に寄れば、定着のためにもっとも必要な定着ローラ表面近傍の熱量を大きくすることが出来るようになり、より熱効率の高い定着動作を行うことが可能となる。
【００２３】
図9に参考文献8における定着ローラ表面近傍の第一の形態の概略図を示す。定着ローラ120は金属芯金121上に低熱伝導性のシリコーンゴムからなる弾性層122が設けられており、さらにその上に高熱伝導性のシリコーンゴムからなる弾性層123およびフッ素樹脂からなる表面離型層124が設けられている。
【００２４】
この構成では高熱伝導性の弾性層123に不図示の外部加熱装置からの熱を充分にため込み、定着ニップに入るまでの間は低熱伝導層122でその熱が定着ローラ内面側に拡散することを防ぎつつ移動し、定着ニップ内においては用紙に対して蓄熱した熱を放出する。このプロセスが定着処理の間に間断なく続けられる。
【００２５】
また、図10に示すのは参考文献8における定着ローラ表面近傍の第二の形態の概略図である。定着ローラ125は金属芯金126上に低熱伝導性のシリコーンゴムからなる弾性層127設けられており、さらにその上に高熱伝導性のシリコーンゴムからなる弾性層128が設けられているのは図9に示される概略図と同じであるが、その上表面離型層が設けられていない点で異なっている。
【００２６】
この構成においても図9に示される定着ローラと同じ熱のやり取りが定着処理の間に行われるが、その際に熱伝導率の低いフッ素樹脂層が存在しないため、より高い熱効率を達成することができるのである。
【００２７】
以上、図9や図10に示されるような層構成の定着ローラを外部加熱方式の定着装置に用いることで、より定着効率が高まり、立上り時間の短縮および消費電力の低減、高速化に対応した高画質の画像出力など、全ての要求を両立することが可能となる。
【特許文献１】特開平10-301417号公報
【特許文献２】特開平11-073050号公報
【特許文献３】特開昭6521382号公報
【特許文献４】特開平2-157878号公報
【特許文献５】特開平4-44075号公報
【特許文献６】特開平4-204980公報
【特許文献７】特開2003-186327号公報
【特許文献８】特開2002-123117号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
しかしながら、上述の定着方式には次のような課題がある。
【００２９】
まず、図10に示されるような最表面に高熱伝導性の弾性層を有する定着ローラを用いた場合、離型層を有さないために、未定着画像がオフセットしたり、定着ローラが汚れやすいという問題がある。また、印字率の高い未定着画像が搬送されてきた場合、定着ローラに巻きつき、ジャムが生じる可能性も考えられる。いずれにしても未定着画像におけるトナーが定着ローラに転移しないようにしっかり離型してやることが重要であるが、その方法として例えばオイルを塗布するなどの方法は、効率の観点から考えると適さない方法である。参考文献7および8や本提案による外部加熱方式定着装置の定着ローラには基本的に熱をローラ内部に拡散させないように低熱伝導性かつ低熱容量のゴムが基層として設けられている。このような低熱容量のゴムを用いた定着ローラに例えばオイル塗布用の部材を当接させれば、熱がその部材に奪われ、著しく効率を下げてしまうこととなる。
【００３０】
その観点からすると図9に示されるように最表層に離型層を設けてやる構成にすれば、上記のような問題は防止することが可能である。このような構成とすれば外部加熱源から熱を供給されるときには、離型層直下の高熱伝導性の弾性層に熱を蓄え、定着ニップまで運んでくることが可能となる。このとき、高熱伝導層の下には断熱性の高い低熱伝導性の弾性層を設けているため、熱の逃げが少なく、効率よく蓄熱層に熱が蓄えられる。定着ニップ内では蓄熱層の熱伝導率が高いため、効率よく紙やトナーへ熱が放出される。このように離型性を保ちつつ、本来の目的を達成することができる。
【００３１】
しかし、この構成にも問題がある。それは熱源と高熱伝導層、高熱伝導層と紙およびトナーの間の熱のやり取りが全て離型層を通して行われているという点である。一般的に離型層に用いられるフッ素樹脂の熱伝導率は0.2W/mK程度であり、熱の移動を阻害する要因となりうる。
【００３２】
外部加熱装置から定着ローラに熱を供給するプロセスにおいて、上記のように熱の移動を阻害する層を通してその下層の高熱伝導層に熱を付与するためには、例えば、より外部加熱装置ヒータの温度を上げてやる必要がでてくる。ヒータの温度が上がれば、そのヒータを支持する部材の耐熱性やヒータの周りに巻きついて回転するフィルムの摺動グリスの耐熱性にも影響を与えることになり、ヒータの温度がそれらを越えるようなことがあれば、この構成自体が成立しなくなる可能性もある。
【００３３】
また、定着ローラから紙やトナーに熱を供給するプロセスにおいては、高熱伝導層からの熱の移動が阻害されるため、紙やトナー上への拡散に時間がかかってしまい、効率が落ちてしまう。これを解決するためには、例えば拡散の時間を稼ぐために定着ニップを広げてやる必要がでてくるが、そのためには定着ローラおよび加圧ローラの弾性層を大きくつぶすように圧力をかけたり、弾性層の硬度を軟らかくしなくてはならない。そのような構成では耐久性が劣ってしまうため、定着装置の寿命を短くする原因となる。
【００３４】
したがって、高熱伝導層が表面に露出している方が大きく効率が上がるのだが、未定着のトナーと直接接する部分であるため、離型層を設けておかなければ、やはり前述のように、トナーが定着ローラに転移し、オフセットやローラ汚れ、巻きつきジャムなどの問題を引き起こしてしまう。
【００３５】
この問題も満足するためには、フッ素樹脂の熱伝導率も上げることが必要となる。樹脂の熱伝導率を高めるためには高熱伝導性を有するフィラーを添加してやればよい。高熱伝導性フィラーとしては窒化ホウ素(BN)やアルミナ(Al2O3)およびアルミニウム(Al) 、グラファイトやダイヤモンドなどが挙げられる。これらのフィラーを添加することで樹脂内に熱が伝わる速度の大きい経路ができ、樹脂の熱伝導率が改善される。
【００３６】
しかしながら、熱伝導フィラーを添加したフッ素樹脂はシリコーンゴムとの相性が悪く、良好な膜としてのフッ素樹脂層をシリコーンゴム上に形成することが困難である。本発明者らが経験したことによれば、フィラー添加されたフッ素樹脂材料をゴム上に塗布し、焼成すると、フィラー同士が凝集してしまい、これが原因となり、フッ素樹脂層がひび割れてしまった。その結果、下地ゴム層との接着性や、フッ素樹脂層そのものの強度が落ち、耐久性を大きく損ねることとなってしまった。さらに、ひび割れた表面ではトナーや紙との密着性が悪く、熱効率も損ねる原因となった。
【００３７】
そこで本発明は上記の問題を解決し、離型性と高熱伝導性の両方を兼ね備えた表面層を有する定着ローラを実現し、熱効率の高い外部加熱方式の定着装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本出願によれば、上記目的は互いに圧接させて定着ニップを形成させた回転定着部材と回転加圧部材を有し、少なくとも回転定着部材を外側から加熱する加熱手段を有し、定着ニップ部でトナー像を担持した画像記録媒体を挟持搬送してトナー像を定着させる定着装置において、前記回転定着部材が、内部に0.15W/mK以下の熱伝導率を有する断熱弾性体を有し、その外側に、少なくとも前記断熱弾性体よりも高い熱伝導率を有する弾性体、金属層および離型層が順次形成された構成を有し、前記離型層には少なくとも離型層の基材よりも高い熱伝導率を有するフィラーが添加されているという第一の発明によって達成される。
【００３９】
また、本出願によれば、上記目的は、互いに圧接させて定着ニップを形成させた回転定着部材と回転加圧部材を有し、少なくとも回転定着部材を外側から加熱する加熱手段を有し、定着ニップ部でトナー像を担持した画像記録媒体を挟持搬送してトナー像を定着させる定着装置において、前記回転定着部材が、内部に0.15W/mK以下の熱伝導率を有する断熱弾性体を有し、その外側に、金属層および離型層が順次形成された構成を有し、前記離型層には少なくとも離型層の基材よりも高い熱伝導率を有するフィラーが添加されているという第二の発明によって達成される。
【００４０】
また、本出願によれば、上記目的は、第一および第二の発明において、前記フィラーは前記離型層に対し、10〜50容量%の範囲で添加されているという第三の発明によって達成される。
【００４１】
また、本出願によれば、上記目的は、第一および第二の発明において、前記フィラーが10W/mK以上の熱伝導率を有するという第四の発明によって達成される。
【００４２】
また、本出願によれば、上記目的は、第一および第二の発明において、回転定着部材の内部に形成された前記断熱弾性層が、オルガノポリシロキサン組成物に中空フィラを配合した配合物、あるいは、オルガノポリシロキサン組成物に吸水性ポリマーおよび水を配合した配合物を形成後に焼成および硬化して形成されているという第五の発明によって達成される。
【００４３】
また、本出願によれば、上記目的は、第一および第二の発明において、前記金属層の厚みが10μm以下であるという第六の発明によって達成される。
【００４４】
また、本出願によれば、上記目的は、第一および第二の発明において、前記加熱手段は前記回転定着部材と協同して加熱ニップ部を形成するプレート状のヒータを有しているという第七の発明によって達成される。
【発明の効果】
【００４５】
本発明による構成とすることで、離型性と高熱伝導性を兼ね備えた表面層を有する定着ローラを実現することができ、熱効率の高い外部加熱方式の定着装置を提供することが可能となる。
【００４６】
本発明の内容は、熱伝導フィラーを添加した高熱伝導性フッ素樹脂層とゴム層の間に、薄い金属層を設けるというものである。
【００４７】
金属は、その表面エネルギーを考えて分類すると、高エネルギー物質として分類される。対して、シリコーンゴムは低エネルギー物質に分類される。例えば表面エネルギーが高い材料の表面に液滴を垂らすと、液滴はその形状を崩し、表面に広がろうとする。いわゆる、接触角が小さく、濡れ性が高い状態になる。表面エネルギーが低い材料の表面では逆に液滴はその形状を保持しようとし、接触角が大きく、濡れ性が低い状態となる。
【００４８】
フッ素樹脂をコーティングする基層としては濡れ性の良い材料の方が望ましい。フッ素樹脂が良く濡れたほうが良好な膜が形成でき、フッ素樹脂内に分散されたフィラーも凝集することなく安定するからである。本発明者らが検討を行ったところ、シリコーンゴム上には成膜が困難であった熱伝導フィラー添加のフッ素樹脂が、ステンレス板上には良好に成膜された。フィラー同士の凝集も無く、ひび割れのない表面を持ったフッ素樹脂層が形成された。
【００４９】
また、金属とシリコーンゴムの接着は、例えば、ローラの芯金とゴムの接着に用いられている接着剤を使うことで強度の高い接着を行うことができる。本提案における金属層はフッ素樹脂とシリコーンゴムの接着のための中間層であるという性質から、厚みはごく薄いものでもその役割を果たすことができる。したがって、メッキや蒸着法などでも目的にかなう金属層をシリコーンゴム上に形成することが可能である。
【００５０】
また、本発明で提案しているように、金属層が10μm以下の薄いものであれば、弾性層の上に設けたとしても、弾性層の柔軟性を損なわず、高画質の画像を提供することができる。
【００５１】
以上説明したように、本発明によれば、表面エネルギーが高く、異物質との接着が容易な金属をシリコーンゴム層と高熱伝導性フッ素樹脂層の間に設けることで、フッ素樹脂層を、良好な表面性を保ちつつ、下地層と高い強度で接着することが可能となる。
【００５２】
したがって離型性と高熱伝導性の両方を兼ね備えた表面層を有する定着ローラを実現することが可能となり、ひいては熱効率の高い外部加熱方式の定着装置を提供することが可能となるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
（実施例１）
《実施例1における定着装置構成の説明》
図1(a)に本実施例１における定着装置の構造を示す。本実施例の定着装置は、互いに圧接させてニップ部24を形成させた第１と第２の定着回転体（定着部材）としての定着ローラ1と加圧ローラ7を有し、定着ローラ1を外部加熱手段13で加熱し、ニップ部24でトナー画像11を担持した記録材12を挟持搬送してトナー画像を記録材12に定着させる定着部材外部加熱方式の定着装置である。
【００５４】
定着ローラ1は外径約20mmであり、直径13mmのステンレス製の芯金2の外側に厚みおよそ3mmの低熱伝導性シリコーンゴムで形成された弾性層3を設け、さらにその外側に厚さ80μmの高熱伝導性シリコーンゴムからなる弾性層4、厚み8μmの金属層5および厚さ10μmのフッ素樹脂からなる離型層6を順次設けた構成から成る。
【００５５】
3の低熱伝導性の弾性層はシリコーンゴム組成物であり、熱硬化性オルガノポリシロキサン組成物100重量部に平均粒子径が500μｍ以下の中空フィラを0.1〜200重量部配合してなるシリコーンゴム組成物を加熱硬化して形成される。ここで、中空フィラとしては、硬化物内に気体部分を持つことでスポンジゴムのように熱伝導率を低下させるもので、マイクロバルーン材等があり、このような材料としては、ガラスバルーン、シリカバルーン、カーボンバルーン、フェノールバルーン、アクリロニトリルバルーン、塩化ビニリデンバルーン、アルミナバルーン、ジルコニアバルーン、シラスバルーンなど、いかなるものでもかまわない。無機系マイクロバルーンの具体例を以下に挙げるが本発明はこれらに限定されない。シラスバルーンとしては、イヂチ化成（株）製のウインライト（ウインライトは登録商標）、三機工業（株）製のサンキライト（サンキライトは登録商標）、ガラスバルーンとしては、日本板硝子（株）製のカルーン（カルーンは登録商標）、旭ガラス（株）製のセルスター（セルスターは登録商標）、３Ｍ（株）製のグラスバブルズフィラ、シリカバルーンとしては、旭硝子（株）製のＱ−ＣＥＬ、フライアッシュバルーンとしては、ＰＦＡＭＡＲＫＥＴＩＮＧ（株）製のＣＥＲＯＳＰＨＥＲＥＳ、アルミナバルーンとしては、昭和電工（株）製のＢＷ、ジルコニアバルーンとしては、ＺＩＲＣＯＡ（株）製のＨＯＬＬＯＷ  ＺＩＲＣＯＮＩＵＭ  ＳＰＨＥＥＳ、カーボンバルーンとしては、呉羽化学（株）製クレカスフェアなどである。これらの中では、中空フィラ自体が弾性を有するもの、即ち、熱可塑性樹脂製中空バルーン、特に塩化ビニリデン、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステルの重合物或いはこれらのうち、２種以上の共重合物などからなるものが好適である。さらには、熱膨張マイクロバルーン材として、松本油脂製薬株式会社のマツモトマイクロスフェア-Fシリーズ（マツモトマイクロスフェアは登録商標）、エクスパンセル社のエクスパンセルシリーズ（エクスパンセルは登録商標）等などを挙げることができ、熱膨張マイクロバルーンの場合には、未膨張の樹脂マイクロカプセルは通常その直径が約1〜50μmであり、これを適切な加熱温度で膨張させ直径が約10〜500μm程度のほぼ真球に近い球体とすることができる。また、中空フィラの強度を持たせるため等の理由で、表面に無機フィラ等を付着させたものでもよい。この場合、シリコーンゴム組成物内で十分な熱伝導性の低下を行うには、中空フィラの真比重が0.01〜1.0であることが好ましく、より好ましくは0.01〜0.5である。但し、熱膨張マイクロバルーンを用いる場合には、未膨張時のマイクロバルーンの真比重は0.5〜1.4程度が好ましい。真比重が小さすぎると配合・取り扱いが難しいばかりか、中空フィラの耐圧強度が不十分で成形時に破壊してしまい、軽量化、熱伝導率の低下ができなくなってしまう。また、比重が大きすぎると、中空フィラの殻の厚さが大きく、熱伝導性の低下が十分とはならない場合が生じる。また、中空フィラの平均粒子径は、500μｍ以下、好ましくは300μｍ以下で、平均粒子径が大きすぎると成形時の射出圧力により中空フィラが破壊されてしまい、熱伝導率が高く���ってしまったり、ロール成形後の表面の粗さが大きくなってしまうなどの問題が生じる。中空フィラの平均粒子径の下限は特に制限されないが、通常、10μｍ、特に20μｍである。なお、ここでの平均粒子径は、通常、レーザー光回折法による重量平均値（又はメジアン径）として求めることができる。上記中空フィラの配合量は、熱硬化性オルガノポリシロキサン組成物100重量部に対し0.1〜200重量部であり、好ましくは0.2〜150重量部、より好ましくは0.5〜100重量部である。この場合、中空フィラの熱定着ロール用シリコーンゴム組成物中での含有量が体積比で10〜80％、特に15〜75％となるように配合することが好ましい。体積割合が少なすぎると熱伝導率の低下が不十分で、また多すぎると成形、配合が難しいだけでなく成形物もゴム弾性のない脆いものとなってしまうおそれがある。また、熱膨張マイクロバルーンを未膨張でオルガノポリシロキサン組成物に混入させる場合には、マイクロバルーンが熱膨張することを考慮してオルガノポリシロキサン組成物100重量部に対して未膨張のマイクロバルーンを0.1〜10重量部程度混入、加熱硬化させることで断熱性の良好な断熱層を形成できる。
【００５６】
一方、熱硬化性オルガノポリシロキサン組成物としては、シリコーンゴム層を形成する公知の組成の熱硬化性オルガノポリシロキサン組成物を使用することができ、有機過酸化物硬化型のものでも付加反応硬化型のものでもよい。また、このオルガノポリシロキサン組成物の構造は基本的には直鎖状構造を有するが、部分的には分岐状構造、環状構造などであってもよい。分子量については、特に限定なく、粘度の低い液状のものから、粘度の高い生ゴム状のものまで使用できるが、硬化してゴム状弾性体になるためには、２５℃での粘度が、100センチポイズ以上であり、通常100〜1,000,000、特に500〜100,000であることが好ましい。
【００５７】
上記熱硬化性オルガノポリシロキサン組成物には、その他の成分として、必要に応じて、シリカ微粒子、炭酸カルシウムのような充填剤、補強剤となるシリコーン系のレジン、カーボンブラック、導電性亜鉛華、金属粉等の導電剤、窒素含有化合物やアセチレン化合物、リン化合物、ニトリル化合物、カルボキシレート、錫化合物、水銀化合物、硫黄化合物等のヒドロシリル化反応制御剤、酸化鉄、酸化セリウムのような耐熱剤、ジメチルシリコーンオイル等の内部離型剤、接着性付与剤、チクソ性付与剤、連泡化剤としてのトリエチレングリコール等を配合することは任意とされる。
【００５８】
ここで、本発明のシリコーンゴム組成物は、その硬化物（シリコーンゴム）の熱伝導度が0.15W/mK以下、好ましくは0.13W/mK以下であることが望ましく、かかる熱伝導度を達成するように配合組成を調整することが好ましい。熱伝導度が0.15W/mKより高いと、本発明の目的を達成し得ない。
【００５９】
定着ローラ1の熱容量が大きく、熱伝導率が少しでも大きいと、外表面から受ける熱を吸収しやすく、表面温度が上昇しにくくなる。できるだけ低熱容量で熱伝導率が低く、断熱効果の高い材質のほうが定着ローラに適しており、本実施例１のように気泡を内部に含むゴムを使用することが望ましい。本実施例１で使用したシリコーン製バルーンゴムの熱伝導率は0.12W/mKであり、通常のソリッドゴムと比較して半分以下の熱伝導率を示す。
【００６０】
なお、上記断熱シリコーンゴム層の厚さは特に制限されないが、有効な断熱性を有し、かつ熱容量が大きくなりすぎず、小径の定着ローラ1を構成するためには、2.0〜5.0ｍｍ、好ましくは2.5〜4.0mmとすることが好ましい。
【００６１】
また、断熱層を形成するシリコーンゴム組成物として、従来より広く使用されているスポンジ状シリコーンゴム層を挙げることができる。これはシリコーンゴムを発泡処理した弾性層であり、本実施例でも使用することは可能である。該発泡シリコーンゴムは、熱分解型発泡剤を添加する方法や硬化時に副生する水素ガスを発泡剤として発泡体を成形する方法などがある。ところが、熱分解型発泡剤を添加する方法は、その分解ガスの毒性や臭いが問題とされており、また硬化触媒に白金触媒を使用するものでは発泡剤による硬化阻害が問題とされていた。さらに、硬化時に副生する水素ガスを利用する方法においては、水素ガスの爆発性、未硬化物の保存時の取り扱いに注意を要するなどの問題があった。しかも、射出成形のような金型内で発泡させる成形においては、微小かつ均一なセルを有する発泡シリコーンゴムを得ることが難しいという問題があった。微小かつ均一なセルの形成が困難なため、発泡シリコーンゴム中のセル径は不均一に成形されやすく、セルの壁厚も不均一で強度のバラツキが大きかった。このことから、小径の定着ローラや定着ベルトとして形成した場合に、小さな曲率半径で定着部材にテンションをかけ続けると強度の弱いセル壁が破れ、破泡に至ることが確認されている。また、発泡シリコーンゴムでは、耐久性と断熱性を両立することが困難になっていた。すなわち不均一な発泡径の発泡シリコーンゴムの場合には、断熱性を増すために発泡倍率を上げると弾性層を構成するセル壁がさらに薄くなり、耐久によって破泡がさらに起こりやすくなるという不具合が生じやすくなってしまう。よって、本実施例において発泡シリコーンゴムを定着ローラあるいは定着ベルトの断熱層として使用する場合には、画像形成装置の速度や加熱定着装置の寿命がある程度の範囲でのみ使用可能となる。以上のことから、定着部材に使用する断熱層としては、画像形成装置の高速化、加熱定着装置の長寿命化という観点から前述したマイクロバルーン等のバルーンや吸水性ポリマーが含有されたオルガノポリシロキサンを主成分とする液状シリコーン組成物より形成した方が適している。
【００６２】
4の高熱伝導性の弾性層はソリッド(発泡されていない中実)のシリコーンゴムからなり、熱伝導率を上げるために高熱伝導性の粒子(アルミナ、窒化アルミ、石英等)が添加されている。本実施例1ではアルミナ粒子を用いている。熱伝導率は高ければ高いほど良く、本実施例1で用いているシリコーンゴムはその熱伝導率が1.0W/mKのものを使用している。厚みも厚いほど蓄熱効果が得られるが、熱容量も増えるため、厚すぎると返って定着効率を損ねることとなる。また、この層の厚みは記録材12の搬送速度によっても変化させることが望ましい。これは搬送速度によって熱のやり取りが行われる層の厚みが異なってくるからである。本発明者らが計算した結果によれば、搬送速度が遅い場合には定着ローラの表面からより深い部分までに存在する熱が定着に寄与するが、搬送速度が速くなるに従い、より表面から浅い部分の熱のみが定着に寄与するようになることがわかっている。すなわち搬送速度が速い場合には蓄熱層としてのソリッドシリコーンゴム層は薄いもので十分であり、もし必要以上に厚い層を設けると、熱容量が増大し返って効率を損ねることになるのである。後述する本実施例1における紙搬送速度は311mm/secであり、この速度での最適な厚みが計算によると80μｍなのである。
【００６３】
5の金属層はアルミニウムからなり、蒸着によって4の高熱伝導性弾性層の上に形成した。蒸着にはステンレス製のチャンバーを用い、内部に本実施例１で用いている定着ローラおよび加熱源と膜材料であるアルミニウム片を配したチャンバーをロータリーポンプおよびターボ分子ポンプを用いて排気を行い、内部の真空度を1×10-5Torrとした。加熱源に通電し、加熱源内のアルミニウム片を蒸発させ、定着ローラ表面に瞬時に蒸着させた。10μm以下の厚みを狙いアルミニウム片の大きさを調節した。蒸着後、アルミニウム層の厚みを測定すると約8μmであった。この程度の金属層の厚みであれば、下地の弾性層3および4の柔軟性を損なわない。
【００６４】
6のフッ素樹脂層は熱伝導フィラーとしてBN(窒化ホウ素)をフッ素樹脂層に対して40容量%程度添加している。これにより、0.5W/mKの熱伝導率を実現している。BN粒子を含むフッ素樹脂材料を水系分散剤に混ぜ、これを定着ローラ表面のアルミニウム層上に塗布する。その後380℃の温度で焼成し、アルミニウム層上に成膜した。厚みは10μmであり、均一な膜を得ることができた。また、表面にひび割れは全く観察されず、良好な表面性も有している。
【００６５】
加圧ローラ7ははステンレス製の芯金8の外側に厚みおよそ3mm、外型約20mmのシリコーンゴムで形成された弾性層9を、さらにその外側に厚さ30μmのフッ素樹脂からなる離型層10を設けた構成から成る。
【００６６】
加圧ローラ7に用いられる弾性層9の材質としても、できるだけ低熱容量で熱伝導率が低く、断熱効果の高い材質が望ましい。そのため、本実施例１では定着ローラ1に用いられている弾性層3と全く同様の材質で加圧ローラ7の弾性層9を形成した。
【００６７】
定着ローラと加圧ローラは互いに軸方向に並列になるように配列され、総圧30kgで圧接されている。このとき定着ローラと加圧ローラの間にはニップ部が形成される。本実施例におけるニップ24の幅はおよそ8mmであった。
【００６８】
定着ローラ1が不図示の駆動系により矢印の時計方向に回転駆動され、加圧ローラ7は定着ローラ1の回転方向に従動して回転し、ニップ部24に未定着トナー像11を載せた記録材12が導入されたときに定着ローラ1と協同して記録材12を挟持搬送する。本実施例では記録材12の搬送速度は311mm/secとしている。
【００６９】
本実施例において外部加熱手段13は定着ローラ1を外部から加熱する手段であり、従来公知のフィルム加熱方式のセラミックヒーターユニットの一部を使用している。すなわち、この外部加熱手段13は、加熱体としてのセラミックヒーター14と、このヒーターを断熱支持する支持体であるステー15と、ヒーター14を支持させたステー15に巻きつかせたステンレスからなる薄肉円筒形状のフィルム16からなる。
【００７０】
ここで図1(b)および図1(c)のセラミックヒータ−14の概略図を用いてセラミックヒーター14の説明を行う。セラミックヒーター14は長手方向長さ285mm、幅8.75mmの窒化アルミを基板にもち(図1b中17)、Ag/Pd(銀パラジウム)等の通電発熱抵抗体層18をスクリーン印刷により厚み10μm程度、長手方向長さ225mm、幅376mm程度の細帯状で折り返したパターンで塗布された構造となっている。幅方向に対する基板中心を中心線として線対称になるように塗布されている。基板17のある一方の長手方向端部付近には3.7mm×3.7mmの大きさのAg/Pt電極19が2つ形成されており、通電発熱抵抗層18と電極19は電極19と同じ材料でなる導電層20で接続されており、導通状態となっている。
【００７１】
図1(c)は図1(b)にAおよびBで示される断面をC側から見た断面図である。Ag/Pd通電発熱抵抗体層18は厚み50μmのガラスからなる保護層21によって保護されている。また、その反対の面は厚み13μmのガラスからなる摺動保護層22が塗布されている。
【００７２】
また、セラミックヒーター14は裏面発熱タイプのヒータであり、主として窒化アルミからなる基板面を加熱面としている。したがって、基板面が定着ローラ1と接するよう構成するため、ステー15と接着される面はAg/Pd通電発熱抵抗体層18およびガラスからなる保護層21が塗布されている面である。
【００７３】
フィルム16は厚み25μmのステンレス基材の上に8μmのフッ素コートが施された直径18mmの無端フィルムである。定着ローラ1の回転駆動がなされると、これに伴い従動回転する。
【００７４】
この外部加熱手段13をヒーター14側を定着ローラ1に対して軸方向に並行になるように配列し、総圧10kg(98N)で定着ローラ1に圧接させてある。このとき定着ローラ1とヒーター14によりニップ部25が形成される。本実施例1におけるニップ25の幅はおよそ5.5mmであった。
【００７５】
定着ローラ1が回転駆動されると、定着ローラ1は外部加熱手段13のヒーター14と摺動摩擦しながら回転状態となる。その後、ヒーター14に通電がなされて発熱し、定着ローラ1の表面が加熱される。定着ローラ1の外部加熱手段13およびニップ部24の間の周上に温度検知手段23、詳しくはNTCサーミスタが当接されており、定着ローラ1の表面温度をモニターするように構成されている。この温度検知手段23により定着ローラ温度検知情報が不図示の制御回路に入力する。制御回路は温度検知手段23から入力する定着ローラの検知温度が所定の温度（定着温度）に維持されるように外部加熱手段13の、ヒーター14に対する電力供給を制御する。これにより定着ローラ1の表面温度は所定の温度に温調される。
【００７６】
《定着ローラ層構成の違いによる定着強度、オフセットレベルおよび画像への影響》
本実施例１における構成にて、定着強度の測定およびオフセットのテストを行った。また、金属層の存在による画像への影響を見るために、全面ハーフトーンパターンを印字し、画像不良であるガサツキのレベルをチェックした。
【００７７】
定着強度とは未定着画像を定着装置で定着し、定着された画像がどれだけの力で記録材上に定着しているかを表し、濃度低下率（単位：％）をもって表される。次に濃度低下率の測定方法を述べる。
【００７８】
未定着画像は、黒およびハーフトーン（灰色）の５ｍｍ角の画像がレターサイズ用紙の上に９ヶ所配されたものを用いる。
【００７９】
未定着画像のハーフトーンパターンは画素密度６００ｄｐｉを３×３のマトリックスで形成し、これを１ドット１スペースで千鳥状に形成したパターンである。
【００８０】
定着装置通紙後の画像のハーフトーンの濃度を濃度測定器（マクベス社製）にて測定後、専用の擦り試験機で画像を擦り、擦り後のハーフトーンの濃度を再び測定し、濃度の低下率を計算する。
【００８１】
擦り試験機は静電気により用紙を固定する台の上に用紙上に９ヶ所配された５ｍｍ角の黒およびハーフトーンパターンに合わせて200ｇの金属製の重りをのせる構造となっている。用紙と重りの間にはシルボンＣ紙（小津産業社製）が挟まれている。用紙を固定する台は紙の長手方向に往復運動できるようになっており、このとき画像はシルボンＣ紙に擦られて欠落する。本例では５往復させて画像を擦った。
【００８２】
この濃度の低下率はレターサイズ用紙上の９ヶ所のハーフトーン画像全てに関して計算し、平均値を算出し、その条件での定着強度をあらわす指標とする。
【００８３】
今回の測定は室温２３℃、湿度５０％に保たれた実験室内で行い、記録材としては坪量９０ｇのラフ紙（Ｆｏｘ  Ｒｉｖｅｒ  Ｐａｐｅｒ社製  フォックスリバーボンド）を用いた。
【００８４】
また、オフセットのテストは定着強度の測定と兼ねて行った。
【００８５】
オフセットとは、用紙上の未定着トナーが定着ローラに転移し、定着ローラが一周したあと、その転移トナーが再び用紙上に転移された画像不良のことをいい、低温時の定着不良時に生じるもの、定着ローラの帯電による静電的なもの、および定着ローラの温度が高すぎるときに生じる高温オフセットに大別できる。
【００８６】
定着強度を測定するのに使う黒およびハーフトーンの5mm角パターンがもしオフセットすれば、定着ローラの直径が20mmであるため、その画像の約60mm後方の用紙上にオフセットによる画像不良が現れるはずである。
【００８７】
また、ガサツキをチェックするために使用したハーフトーンパターンは画素密度600dpiにおいて、2ドット3スペースの横線パターンをレターサイズ用紙の画像領域一杯に描かせたものである。もし、印字面側の定着部材が硬ければ、トナーと均一に接触せず、密着が良い部分や悪い部分が生じてくる。密着が良いとトナーが良く溶け、密着が悪いとトナーはあまり溶けない。このような定着ムラが画像不良として現れたものをガサツキと呼んでいる。本実施例1では金属層が設けられているため、もし弾性層の柔軟性が損なわれていれば、ハーフトーンを印字したときに、このような原因で生ずるガサツキが観察されるかもしれない。そのため、レベルのチェックを行った。
【００８８】
以上を念頭に起き、検討を行った結果を詳述する。まず、定着強度とオフセットについて述べる。
【００８９】
定着ローラ温度が150℃のときにはオフセットが発生した。311mm/secというスピードから考えると130℃という定着ローラは低いほうの温度であると考えられるため、低温によるオフセットである。このときの濃度低下率は13.6%であった。
【００９０】
160℃のときにはオフセットは発生しなかった。以後、190℃まで温度を上げたが、オフセットは発生しなかった。160℃における濃度低下率は8.7％であった。以後、190℃まで温度を上げたが、濃度低下率は温度とともに減少する傾向を示した。
【００９１】
ここで比較のために、図9に示される構成の定着ローラを用いた定着装置における評価を従来例1として行った。
【００９２】
図2に従来例1の定着装置の概略図を示す。定着ローラ26は外径約20mmであり、直径13mmのステンレス製の芯金27の外側に厚みおよそ3mmの低熱伝導性シリコーンゴムで形成された弾性層28を設け、さらにその外側に厚さ80μmの高熱伝導性シリコーンゴムからなる弾性層29、および厚さ10μmのフッ素樹脂からなる離型層30を順次設けた構成から成る。また、離型層30と弾性層29の間には接着のために、不図示の厚み5μｍ程度のプライマ-層を設けている。
【００９３】
28の低熱伝導性の弾性層は実施例1で使用した材料と同じものを使用している。シリコーンゴムを発泡して形成されたスポンジゴム、あるいはシリコーンゴム内に中空フィラーを分散させて断熱効果を高めたバルーンゴムなどから成る。
【００９４】
29の高熱伝導性の弾性層はソリッド(発泡されていない中実)のシリコーンゴムからなり、これも実施例1で使用した材料と同じものを使用している。熱伝導率を上げるために高熱伝導性の粒子(アルミナ、窒化アルミ、石英等)が添加されている。本実施例1ではアルミナ粒子を用いている。熱伝導率は高ければ高いほど良く、従来例1で用いているシリコーンゴムはその熱伝導率が1.0W/mKのものを使用している。
【００９５】
30のフッ素樹脂層は実施例1と異なり、熱伝導フィラーが添加されていない。このため熱伝導率は実施例1のフッ素樹脂層6よりも低く、フッ素樹脂層が持つそのままの熱伝導率(約0.2W/mK)となっている。
【００９６】
実施例1と従来例1ではその他の構成、例えば、加圧ローラ、加熱手段などの部材は全て同様のものを用い、圧力も等しくかけた。したがってここでは詳述をしないこととする。
【００９７】
実施例1と従来例1の定着ローラで異なっているのは表面離型層の熱伝導率が違う点、および金属層が設けられていない点である。従来例1の表面離型層30には熱伝導フィラーが添加されていないため、熱伝導率が上がっておらず、フッ素樹脂そのままの熱伝導率(約0.2W/mK)となっている。
【００９８】
以上のような従来例1の構成において実施例1と同じ条件で定着強度とオフセットのテストを行った。
【００９９】
定着ローラが160℃のときの濃度低下率は30％を示し、定着強度は低かった。オフセットも発生していた。170℃のときの濃度低下率は15％を示した。オフセットは発生しなかった。180℃のときの濃度低下率は9.7％を示した。オフセットは発生せず、以後190℃でも発生しなかった。
【０１００】
さらに従来例2を実施し、実施例1との比較を行った。
【０１０１】
図3に従来例2の定着装置の概略図を示す。定着ローラ44は外径約20mmであり、直径13mmのステンレス製の芯金45の外側に厚みおよそ3mmの低熱伝導性シリコーンゴムで形成された弾性層46を設け、さらにその外側に厚さ80μmの高熱伝導性シリコーンゴムからなる弾性層47を順次設けた構成から成る。
【０１０２】
46の低熱伝導性の弾性層は実施例1で使用した材料と同じものを使用している。シリコーンゴムを発泡して形成されたスポンジゴム、あるいはシリコーンゴム内に中空フィラーを分散させて断熱効果を高めたバルーンゴムなどから成る。
【０１０３】
47の高熱伝導性の弾性層はソリッド(発泡されていない中実)のシリコーンゴムからなり、これも実施例1で使用した材料と同じものを使用している。熱伝導率を上げるために高熱伝導性の粒子(アルミナ、窒化アルミ、石英等)が添加されている。本実施例1ではアルミナ粒子を用いている。熱伝導率は高ければ高いほど良く、従来例1で用いているシリコーンゴムはその熱伝導率が1.0W/mKのものを使用している。
【０１０４】
実施例1と従来例2では、その他の構成、例えば、加圧ローラ、加熱手段などの部材は全て同様のものを用い、圧力も等しくかけた。したがってここでは詳述をしないこととする。
【０１０５】
実施例1と従来例2の定着ローラで異なっているのは金属層および表面離型層が設けられていない点である。したがって、従来例2では高熱伝導性弾性層が最表面に露出している構成となっている。高熱伝導弾性層の材料としては実施例1と同じものを使用している。
【０１０６】
以上のような従来例2の構成において実施例1と同じ条件で定着強度とオフセットのテストを行った。
【０１０７】
定着ローラが140℃のときはオフセットが激しく、濃度低下率を測定することはできなかった150℃のときにもレベルの悪いオフセットが発生していたが、濃度低下率を測定したところ、5.5%であった。以後、定着ローラの温度を上げていくと、オフセットが完全に無くなる温度は190℃であった。
【０１０８】
以上の結果を表1にまとめる。
【０１０９】
【表１】
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※表1中、定着％とは濃度低下率のことを表している。
【０１１０】
※表1中、オフセットが×表示のものはオフセットが発生しており、○表示のものはオフセットが発生していないことを指す。
【０１１１】
まず、定着強度の考察を行う。本実施例における検討を行った環境にて、濃度低下率１０％であれば、通常、指で強く擦っても紙からトナーが落ちないレベルであり、十分に実用に耐えうる水準にある。その濃度低下率10％を実現する定着ローラ温度は実施例1においては160℃、従来例1においては180℃であった。
【０１１２】
これは表面離型層の熱伝導率が異なっているためである。実施例1で定着動作を行うときの熱量授受のプロセスは次のようになっている。外部加熱源からの熱を離型層直下の高熱伝導性の弾性層に熱を蓄え、定着ニップまで持ちきたす。このとき、高熱伝導層の下には断熱性の高い低熱伝導性の弾性層を設けているため、熱の逃げが少なく、効率よく蓄熱層に熱が蓄えられる。定着ニップ内では蓄熱層の熱伝導率が高いため、効率よく紙やトナーへ熱が放出される。
【０１１３】
このプロセスにおいて、外部加熱装置から高熱伝導性弾性層、高熱伝導性弾性層から紙およびトナーへの熱の授受の際に、表面離型層を介して行われるわけだが、実施例1では熱伝導性を高めたフッ素樹脂層を使用しているため、熱の授受を阻害することなく、上記プロセスが進行する。さらに接着のための中間層である金属層も熱伝導率が高いため、このプロセスにおいて阻害要因とならない。
【０１１４】
一方、従来例1においては表面離型層の熱伝導率が実施例1と比較して低いため、熱の授受の際の阻害要因となり、熱効率を下げてしまっている。これにより実施例1と同じ定着強度10％を実現するのにより高い定着ローラ温度が必要となり、20℃アップの180℃という値になっているのである。
【０１１５】
従来例2においては定着ローラ温度が150℃においても濃度低下率5.5％をしめし、強い定着強度を示した。オフセットが激しいため10％をしめす温度は明らかにならなかったが、さらに低い温度であることは充分に予想される。実施例2においては金属層および表面離型層を有していない。このため、1.0W/mKという高い熱伝導率を有する高熱伝導性弾性層が露出しており、これにより定着強度が高まっているのである。すなわち、外部加熱装置から熱を受け取る際や、紙およびトナーに熱を放出する際に、実施例1および従来例1で介していた表面離型層や金属層がなく、直接蓄熱層としての高熱伝導性弾性層との熱の受け渡しをすることが可能となっている。これにより大きく熱効率が改善され、実施例1や従来例2と同じ温度ならば大きく定着強度を上げる結果となっているのである。
【０１１６】
次にオフセットの考察を行う。実施例1においてはオフセットが無くなる温度は160℃であった。これは濃度低下率10％を示す温度とほぼ同じであり、実用的な定着強度を示す温度においてはオフセットが生じないことを示す。次に従来例1ではオフセットが無くなる温度は170℃であった。これは定着強度10％を示す180℃よりも若干低い温度であるが、これも実用的な定着性を示す温度においてはオフセットが生じないことを示している。
【０１１７】
従来例2ではオフセットが発生しなくなる温度は190℃であった。そのときの濃度低下率が1.9％であり、濃度低下率10％が実用的レベルであると考えると、過剰に定着強度が高い温度域であることがわかる。そのような温度まで高めないとオフセットが改善しないのはやはり表面に離型層を有していないためである。このようなローラを用いると過剰に温度を上げる必要があり、効率の良い定着動作を行うことができない。
【０１１８】
次に、ガサツキの検討結果について述べる。
【０１１９】
実施例1において、濃度低下率10%を実現した定着ローラ温度160℃という条件で２ドット３スペースのハーフトーンパターンを印字したところ、定着ムラと思えるような画像不良は観察されず、ガサツキは発生しなかった。
【０１２０】
従来例1においては、濃度低下率10%を実現した定着ローラ温度180℃という条件で２ドット３スペースのハーフトーンパターンを印字したが、やはりガサツキは発生しなかった。
【０１２１】
従来例2においては、オフセットが発生しない定着ローラ190℃という条件で２ドット３スペースのハーフトーンパターンを印字したところ、やはりガサツキの発生はなかった。
【０１２２】
実施例1では金属層を設けているものの、その厚みが8μmと薄く、下地の弾性層の柔軟性を損なっていないため、ガサツキのレベルが従来例1および2と同等であった。
【０１２３】
以上、実施例1のように離型性と高熱伝導性を兼ね備えた表面層と、外部加熱装置からの熱を蓄熱し、定着ニップまでもちきたすことのでき、さらに定着ニップ内で効率よく熱を放出することのできる高熱伝導弾性層を有する定着ローラを用いることで、熱効率の高い外部加熱方式の定着装置を提供することが可能となるのである。その際には表面層と高熱伝導弾性層の間に金属層を設けることで良好な表面と接着強度を有する表面層を形成することが可能となる。また、金属層の厚みが薄ければ、その下層の弾性層の柔軟性を損なわず、高画質の画像を提供するという目的も達成される。
【０１２４】
《フィラー種類および添加量の定着温度およびオフセットレベルへの影響》
これまでの記述により、フッ素樹脂層の熱伝導率が熱効率に及ぼす影響が確認された。フッ素樹脂層の熱伝導率は主に添加されるフィラーの熱伝導率と添加量によって決定される。したがって、選択されたフィラーの熱伝導率と添加量は本発明における定着装置の熱効率を決定付ける重要な因子となる。また、フィラーの添加量はオフセットにも影響を与える。フィラー添加されたフッ素樹脂は、添加されていないフッ素樹脂と比較して離型性が劣る。フィラー添加量を多くすればより離型性は劣っていくため、フィラー添加で熱伝導率の向上を図る場合、その添加量でのオフセットレベルを把握しておく必要がある。そこで、ここでは、添加するフィラーの種類と添加量を変化させ、定着強度およびオフセットレベルへの影響を調べた。
【０１２５】
検討に用いたフィラーと、そのフィラーがもつ熱伝導率の値を表2にまとめる。
【０１２６】
【表２】
2008032816.tif 000004
これらのフィラーが選定されたのは、主にフッ素樹脂への分散性による。比重があまりにフッ素樹脂よりも大きい(もしくは小さい)と、分散させにくいためである。すなわちフッ素樹脂が持つ比重(2.17g/cm3)になるべく近い値を有するものを選定した。
【０１２７】
ただし、分散の方法によっては、フッ素樹脂の比重よりも大きいもしくは小さい比重を持つ材料でも分散できる可能性があるため、フッ素樹脂に添加されるフィラーの種類は必ずしも比重によって限定されるものではない。
【０１２８】
本実施例1で使用した定着ローラ1のフッ素樹脂層に表中に記載の４種類のフィラーをそれぞれ8〜55容量%添加した定着ローラを作成し、図1(a)に示される構成の定着装置に組み込んだ。今回作製した定着ローラにおいては、フッ素樹脂に入れるフィラーの種類および添加量以外は全て本実施例1と同じ構成である。また、今回の検討に用いた定着装置も本実施例1と同じ構成であるため、ここでは説明を省く。
【０１２９】
以上の定着ローラにおいて定着温度とオフセットレベルの確認を行った。今回の指標としている定着温度とは、今回の測定は室温２３℃、湿度５０％に保たれた実験室内にて、坪量９０ｇのラフ紙（Ｆｏｘ  Ｒｉｖｅｒ  Ｐａｐｅｒ社製  フォックスリバーボンド）にプリントされたハーフトーンの5mm角パターンの濃度低下率が平均で10%となる温度である。
【０１３０】
条件および方法は本実施例1中に述べられているものと同じものである。結果を表3にまとめる。
【０１３１】
表3中のoffset欄に示されている○印はオフセットが全く発生しなかったことを示し、△は許容できるレベル、×はレベルが悪く、許容できないレベルを表している。
【０１３２】
【表３】
2008032816.tif 000005
まず、定着温度の考察から述べる。
【０１３３】
フィラーの添加量が8容量%の場合には全て定着温度が200℃を示した。フィラーの添加量を10容量%に増加させると窒化ホウ素およびアルミニウムにおいて定着温度が190℃に下がり、フィラー添加の効果が現れ始めた。20容量%に増加させると、アルミナにおいても定着温度が下がり始め、30容量%に増やすと結晶性シリカにおいても定着温度の低減が見られた。
【０１３４】
フィラーの熱伝導率が高くなるほど定着温度が下がり、熱効率が改善されていく傾向が示された。これは同じ添加量でもフィラーの熱伝導率が高いほど、フッ素樹脂層の熱伝導率が改善されるためであり、高い熱伝導率を有するフィラーを使用することで、より熱効率が高い定着装置を提供できる。ただし、添加量が8容量%では定着温度に変化が無く、フィラー添加による熱効率向上の効果は無いことがわかった。
【０１３５】
本実施例では使用しなかったが、この表3中になく、さらに高い熱伝導率を示す材料も存在する。例えばダイヤモンドは1000〜2000W/mKの熱伝導率を有し、その比重は約3.5g/cm3である。このような材料をフィラーとして使用すればさらに低い温度で定着せしめることが可能となり、より熱効率の高い定着装置を提供できる。
【０１３６】
次に、添加量の考察を述べる。表3に示される結果より、40容量%までは添加量を増やすほど定着温度が低減された。また、その定着温度におけるオフセットは発生しなかった。しかし、添加量が50容量%となると、定着温度がさらに低減されるものの、その温度において許容範囲であるものの、若干のオフセットの発生が観察された。さらに55容量%に増加させると、オフセットレベルは悪化し、許容範囲を越えるレベルのオフセットが発生した。
【０１３７】
添加量をふやすことでより、熱伝達の経路が増え、フッ素樹脂の熱伝導率が改善されるが、添加量が多すぎるとフッ素樹脂がもつ離型性が損なわれ、オフセットレベルが悪化してしまう。
【０１３８】
以上、フィラーの熱伝導率および添加量により、フッ素樹脂層の熱伝導率が変化することが確認された。フィラーの熱伝導率は高いほどフッ素樹脂層の熱伝導率が高くなり、添加量も多くなるほどフッ素樹脂層の熱伝導率が高くなり、熱効率が高くなることが示された。しかし、添加量が多すぎるとフッ素樹脂の離型性が損なわれ、オフセットなどの画像不良が発生することも確認された。添加量としては10容量%から熱効率の改善が見られ、50容量％以上添加するとオフセットの悪化が観察された。
【０１３９】
《低熱伝導性弾性層の熱伝導率の効率への影響》
本実施例1中では定着ローラ1における低熱伝導性弾性層3の熱伝導率が0.12W/mKであった。これはその直上の高熱伝導性弾性層4に含まれる熱が定着ローラ1の内部側に拡散しにくくし、熱効率を高めるためであった。
【０１４０】
本実施例1中では0.12W/mKで統一していたために、この層の果たす役割をこれまでに確認していない。そこで、本実施例1における最後の検討として、低熱伝導性弾性層3の熱伝導率を変化させたローラを作製し、その効果を確かめたのでここで述べる。
【０１４１】
本実施例1において、低熱伝導性弾性層3はシリコーンゴム内に中空フィラーを分散させたバルーンゴムである。この中空フィラーによる空隙の存在により、熱の伝導が抑えられ、低熱伝導のゴムが実現される。したがって、この中空フィラーの量を変化させ、空隙の量を変化させれば、熱伝導率が変化する。すなわち、空隙の量が多くなれば熱伝導率は低くなり、空隙の量が少なくなればよりソリッドゴムに近くなり、熱伝導率が高くなる。また、空隙の量が多くなればそれだけ熱容量も小さくなり、逆に空隙の量が少なくなれば熱容量も大きくなる。熱伝導率が小さいときにはそれだけ熱容量も小さく、熱伝導率が大きいときにはそれだけ熱容量も大きいという状態になるのである。
【０１４２】
無論、熱伝導率が小さく、熱容量も小さいほうが効率が高くなる。
【０１４３】
今回は、その中空フィラーの量を振って、低熱伝導性弾性層3の熱伝導率を変化させた。これに伴い、熱容量も変化しているが、それは熱伝導率の変化とともに必然的に変化するものとして、今回は特別留意していない。
【０１４４】
また、今回の検討で熱効率を測る指標としては定着強度や定着温度ではなく、定着装置の立ち上がりに要する時間を使用した。これは定着ローラの内部側に熱が多く拡散して熱効率を下げようとも、定着に必要な定着ローラ表面温度は変化しないからである。むしろ、定着ローラの内部側に熱が逃げにくくなる効果を見るのであれば、定着ローラが所定の温度まで立ち上がる時間のほうにその効果が現れるはずである。
【０１４５】
以上のことを念頭におき、図1に示される定着装置のうち、低熱伝導性弾性層3の熱伝導率を0.12W/mKから0.3W/mKまで変化させた構成を作製し、立上りに要する時間を調べた。
【０１４６】
実験は室温２３℃、湿度５０％に保たれた実験室内にて行った。定着ローラを311mm/secの速度で回転させ、ヒーターには1000W通電し、定着ローラ1の表面温度が160℃に達するまでの時間を測定した。結果を表4にまとめる。
【０１４７】
【表４】
2008032816.tif 000006
表4中、バルーンゴムにおいて0.25W/mKと0.30W/mKを示すゴムをフィラー量調整のみでは作製できなかったため、同じ材料を用いたソリッドゴムで代用した。
【０１４８】
熱伝導率が大きくなるに従い、定着装置の立上り時間が長くなる傾向となった。特に0.2W/mK以上の値となると、ほぼ空隙がない状態であり、ソリッドゴムに近くなってくる。
【０１４９】
ソリッドゴムにおいても0.2W/mK程度の熱伝導率を示すものがあるため、特にこの熱伝導率付近においてバルーンゴムとソリッドゴムの明確な差は存在しない。
【０１５０】
以上、表4の示される結果より、定着ローラ内部に熱の拡散を防ぐ、もしくは遅くするような熱伝導率の低い層を設けることで熱がより定着ローラ表面に偏在するようになり、立上り時間を早くすることが可能であることがわかった。また、熱伝導率の値でいえば、0.15W/mK程度であれば、立上り時間が早く、ファーストプリントアウトタイムも速い定着装置を提供することができる。
【０１５１】
（実施例２）
図4に本実施例2における定着装置の構造を示す。本実施例の定着装置は、互いに圧接させてニップ部911を形成させた第１と第２の定着回転体（定着部材）としての定着ローラ61と加圧ローラ66を有し、定着ローラ61を外部加熱手段72で加熱し、ニップ部77でトナー画像70を担持した記録材71を挟持搬送してトナー画像を記録材71に定着させる定着部材外部加熱方式の定着装置である。
【０１５２】
本実施例2における構成は、定着ローラ61を除いて実施例1で述べた構成と同じであるため、定着ローラ61以外の構成については詳述を行わないこととする。
【０１５３】
定着ローラ61は外径約20mmであり、直径13mmのステンレス製の芯金62の外側に厚みおよそ3mmの低熱伝導性シリコーンゴムで形成された弾性層63を設け、さらにその外側に厚み8μmの金属層64および厚さ30μmのフッ素樹脂からなる離型層65を順次設けた構成から成る。
【０１５４】
63の低熱伝導性の弾性層はシリコーンゴムを発泡して形成されたスポンジゴム、あるいはシリコーンゴム内に中空フィラーを分散させて断熱効果を高めたバルーンゴムなどから成る。定着ローラ61の熱容量が大きく、熱伝導率が少しでも大きいと、外表面から受ける熱を吸収しやすく、表面温度が上昇しにくくなる。できるだけ低熱容量で熱伝導率が低く、断熱効果の高い材質のほうが定着ローラに適しており、本実施例2のように気泡を内部に含むゴムを使用することが望ましい。本実施例１で使用したシリコーン製バルーンゴムの熱伝導率は0.12W/mKであり、通常のソリッドゴムと比較して半分以下の熱伝導率を示す。
【０１５５】
64の金属層はアルミニウムからなり、蒸着によって63の低熱伝導性弾性層の上に形成した。蒸着にはステンレス製のチャンバーを用い、内部に本実施例１で用いている定着ローラおよび加熱源と膜材料であるアルミニウム片を配したチャンバーをロータリーポンプおよびターボ分子ポンプを用いて排気を行い、内部の真空度を1×10-5Torrとした。加熱源に通電し、加熱源内のアルミニウム片を蒸発させ、定着ローラ表面に瞬時に蒸着させた。10μm以下の厚みを狙いアルミニウム片の大きさを調節した。蒸着後、アルミニウム層の厚みを測定すると約8μmであった。
【０１５６】
65のフッ素樹脂層は熱伝導フィラーとしてBN(窒化ホウ素)を40Vol%添加している。これにより、0.5W/mKの熱伝導率を実現している。BN粒子を含むフッ素樹脂材料を水系分散剤に混ぜ、これを定着ローラ表面のアルミニウム層上に塗布する。その後380℃の温度で焼成し、アルミニウム層上に成膜した。厚みは50μmであり、均一な膜を得ることができた。また、表面にひび割れは全く観察されず、良好な表面性も有している。
【０１５７】
また、65のフッ素樹脂層は上述のようなコーティングではなく、あらかじめチューブ状に成形したものをローラに被せるという手法でも形成できる。耐久性という点では、コーティングで形成されたフッ素樹脂層よりも、チューブ成形されたフッ素樹脂層のほうが優れる。
【０１５８】
以上の構成において、実施例1と同じ条件にて、定着強度とオフセットのテストを行った。
【０１５９】
定着ローラ温度が140℃のときには低温オフセットが発生した。このときの濃度低下率は14.0%であった。
【０１６０】
150℃のときにはオフセットは発生しなかった。以後、190℃まで温度を上げたが、オフセットは発生しなかった。150℃における濃度低下率は9.3％であった。以後、190℃まで温度を上げたが、濃度低下率は温度とともに減少する傾向を示した。
【０１６１】
以上の検討より、実施例2における構成では150℃程度で実用的な定着強度を示し、さらにその温度ではオフセットの発生も無いことがわかった。
【０１６２】
実施例2においては最表面に存在するフッ素樹脂層65が離型層であるとともに、外部加熱装置72からの熱を蓄え、定着ニップ77まで運ぶ蓄熱層の役割も果たしている。
【０１６３】
そのため比較的厚い層であることが好ましく、本実施例2では50μmのフッ素樹脂層を形成した。また、熱伝導率0.5W/mKであることに加え、定着ローラの最表面に蓄熱層が存在するために、熱の授受の効率を高めることが可能となった。
【０１６４】
本実施例2におけるフッ素樹脂層は蓄熱層としての役割もになっているため、フッ素樹脂層の厚みが薄いと蓄熱の効果が弱くなり、効率が下がるものと考えられる。
【０１６５】
そこでフッ素樹脂層の厚みを変えた比較例1および比較例2を実施し、定着強度にどのような変化が現れるか検討を行った。
【０１６６】
比較例1の構成は、実施例2の構成から熱伝導フィラー添加のフッ素樹脂層の厚みを30μmに変更したものである。それ以外の変更は無いため、ここでは詳しく述べない。
【０１６７】
この構成において実施例2と同条件にて定着強度とオフセットのテストを行った。
【０１６８】
定着ローラ温度が140℃のときには低温オフセットが発生した。このときの濃度低下率は28％であった。
【０１６９】
150℃のときにも低温オフセットが発生したが、程度は軽微であった。このときの濃度低下率は14.5%であった。
【０１７０】
160℃のときにはオフセットは発生しなかった。このときの濃度低下率は9.3%であった。以後、190℃まで定着ローラの温度を高めたが、オフセットは発生せず、濃度低下率も温度とともに下がる傾向を示した。
【０１７１】
比較例2の構成は、実施例2の構成から熱伝導フィラー添加のフッ素樹脂層の厚みを変更したものである。比較例1では30μmに変更したが、比較例2では10μmとして。それ以外の変更は無いため、ここでは詳しく述べない。
【０１７２】
この構成において実施例2と同条件にて定着強度とオフセットのテストを行った。
【０１７３】
定着ローラ温度が160℃のときには低温オフセットが発生した。このときの濃度低下率は35％であり、非常に定着強度が弱かった。
【０１７４】
170℃のときにも低温オフセットが発生したが、程度は160℃よりも良かった。このときの濃度低下率は22%であった。
【０１７５】
180℃のときにはオフセットは発生しなかった。このときの濃度低下率は15.6%であった。190℃でもオフセットが発生せず、濃度低下率は9.9%を示した。
【０１７６】
以上の結果を表５にまとめる。
【０１７７】
【表５】
2008032816.tif 000007
※表５中、定着％とは濃度低下率のことを表している。
【０１７８】
※表５中、オフセットが×表示のものはオフセットが発生しており、○表示のものはオフセットが発生していないことを指す。
【０１７９】
フッ素樹脂層が50μmの実施例2ではこの層がフィラー添加により熱伝導率が上がっているのに加え、蓄熱するに十分な厚みを有していることから、外部加熱装置からの熱を定着ニップまで保持した後、放出するというプロセスを安定して行えるため、熱効率が高い。150℃の定着ローラ温度でオフセットの発生が無く、定着強度も実用的なレベルとなった。
【０１８０】
比較例1ではフッ素樹脂層が30μmと薄くなったため、熱容量が小さくなり、蓄えることのできる熱量が下がったため、実施例2と比較して、同レベルの定着強度を達成するには定着ローラ温度を上げなくてはならなくなった。実施例2と同じ定着強度(濃度低下率10%以下)を示す温度は160℃となり、10℃高くなった。
【０１８１】
比較例2ではさらにフッ素樹脂層が薄くなり、10μmとなった。蓄熱できる熱量がさらに少なくなり、定着ローラ温度をさらに上げなくては実施例2と同レベルの定着強度を実現できなくなった。濃度低下率10％を達成するためには定着ローラ温度を190℃まで上げることが必要となった。
【０１８２】
以上、実施例2のように離型性と高熱伝導性を兼ね備えた表面層にある程度の厚みを与えることで熱容量を増し、蓄熱層としての役割を与えることでと、外部加熱装置からの熱を蓄熱し、定着ニップまでもちきたすことのでき、さらに定着ニップ内で効率よく熱を放出することのできる、熱効率の高い外部加熱方式の定着装置を提供することが可能となるのである。特に蓄熱層が最表面に位置することで、より高い熱効率を実現している。
【０１８３】
また、離型層にある程度の厚みを持たせることで、離型層形成方法に自由度を与えることが可能となる。本実施例2のように50μｍの厚みを有する離型層であれば、その形成手法は、コーティングのみではなく、あらかじめチューブ状に加工し、その後ローラに被せるという手法での形成も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１８４】
【図１】(a) 本発明の加熱定着装置の概略図(実施例１)  (b) セラミックヒーター14の概略図1  (c) セラミックヒーター14の概略図2
【図２】従来例である外部加熱方式の定着装置の概略図1(従来例1)
【図３】従来例である外部加熱方式の定着装置の概略図2(従来例2)
【図４】本発明の加熱定着装置の概略図(実施例2)
【図５】従来例である熱ローラ方式の定着装置の概略図
【図６】従来例であるフィルム加熱方式の定着装置の概略図
【図７】従来例である外部加熱方式の熱ローラ定着装置の概略図
【図８】従来例である外部加熱方式の定着装置の概略図
【図９】従来例である外部加熱方式の定着装置に用いられる定着ローラの概略図1
【図１０】従来例である外部加熱方式の定着装置に用いられる定着ローラの概略図2
【符号の説明】
【０１８５】
1  定着ローラ
2  定着ローラ芯金
3  低熱伝導性弾性層
4  高熱伝導性弾性層
5  金属層
6  離型層
7  加圧ローラ
8  加圧ローラ芯金
9  弾性層
10  離型層
13  外部加熱手段
14  ヒーター
15  ステー
16  回転フィルム
24  定着ニップ
25  加熱ニップ
【図１】
2008032816.tif 000008
【図２】
2008032816.tif 000009
【図３】
2008032816.tif 000010
【図４】
2008032816.tif 000011
【図５】
2008032816.tif 000012
【図６】
2008032816.tif 000013
【図７】
2008032816.tif 000014
【図８】
2008032816.tif 000015
【図９】
2008032816.tif 000016
【図１０】
2008032816.tif 000017