(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯電像を用いる電子写真装置の熱定着装置で使用されるセラミックスローラであって、金属製の軸芯と、該軸芯の外周に形成されるゾノトライト結晶を含有するセラミックス製の円筒体層からなり、該円筒体層は、軸芯長手方向に圧縮されて該軸芯に固定され、且つ該ゾノトライト結晶の二次粒子が該軸芯長手方向に対して垂直方向に配向するように押し潰されていることを特徴とするセラミックスローラ。
【請求項２】
前記セラミックスの軸芯長手方向の圧縮弾性率は、該軸芯長手方向に対して垂直方向の圧縮弾性率より小さいことを特徴とする請求項１に記載のセラミックスローラ。
【請求項３】
前記円筒体層は、軸芯長手方向に沿って、少なくとも２つに分割されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックスローラ。
【請求項４】
前記軸芯長手方向の圧縮長さが、該軸芯の熱膨張による長さの伸び以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のセラミックスローラ。
【請求項５】
前記軸芯と該円筒体層との間に、応力緩和層を設けることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載のセラミックスローラ。
【請求項６】
前記円筒体層の外周に、フッ素樹脂からなる表面層をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のセラミックローラ。
【請求項７】
前記ゾノトライト結晶は、直径１０〜１５０μｍの球状の二次粒子を形成することを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載のセラミックスローラ。
【請求項８】
前記円筒体層は、嵩密度０．０５〜０．７ｇ/ｃｍ３、熱伝導率０．０１〜０．１５Ｗ/(ｍ・Ｋ)であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のセラミックスローラ。
【請求項９】
ゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料と水とを混合してスラリーを調製するスラリー調製工程と、スラリーから板状又は柱状の成形体を湿式プレス成形又は抄造によって得る成形工程と、成形体に該ゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に孔を空け、中空部を備えた成形片を得る工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有することを特徴とするセラミックスローラの製造方法。
【請求項１０】
ゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料と水とを混合してスラリーを調製するスラリー調製工程と、スラリーから湿式プレス成形法によりゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に貫通する中空部を備えた円筒状の成形片を得る成形工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有することを特徴とするセラミックスローラの製造方法。
【請求項１１】
前記成形工程は、成形型内に軸芯を配置する工程と、成形型と軸芯との間にスラリーを流し込む工程と、成形型内で軸芯長手方向に加圧して成形片を得る工程とを有することを特徴とする請求項１０に記載のセラミックスローラの製造方法。
【請求項１２】
ゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料を調製して粉末状混合物を得る原料調製工程と、粉末状混合物を加圧して板状又は柱状の成形体を成形する成形工程と、該ゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に孔を空け、中空部を備えた成形片を得る工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有することを特徴とするセラミックスローラの製造方法。
【請求項１３】
ゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料を調製して粉末状混合物を得る原料調製工程と、粉末状混合物を加圧してゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に貫通する中空部を備えた円筒状の成形片を成形する成形工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有することを特徴とするセラミックスローラの製造方法。
【請求項１４】
前記成形工程は、成形型内に軸芯を配置する工程と、成形型と軸芯との間に粉末混合物を供給する工程と、成形型内で軸芯長手方向に加圧して成形片を得る工程とを有することを特徴とする請求項１３記載のセラミックスローラの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製の軸芯と、該軸芯の外周に形成される円筒体層を備えるセラミックスローラ及びその製造方法に関し、特に帯電像を用いる電子複写機やプリンタなどの電子写真装置に搭載される熱定着装置に使用されるセラミックスローラ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
静電複写機、レーザープリンタなどの電子写真装置は、暗中で一様に帯電した感光体表面に光学像を投影すると、感光体表面には光学像に対応した静電気潜像が形成され、その表面に現像剤である帯電トナーを散布して静電気的に付着させて画像を現像し、この感光体表面に前記トナーの帯電とは反対の極性に帯電させた印刷紙の表面を重ねて該トナーを紙面に転写し、この紙面上のトナーを熱定着ローラにより加圧下、加熱、溶融して紙面上に熱定着することにより、画像を複写させるものである。
【０００３】
熱定着ローラにより紙面上のトナーを熱定着する熱定着装置部分としては、通常、熱定着ローラと加圧ローラの２つのローラで構成されたもの、あるいは、熱定着ローラと加圧ローラと搬送ローラの３つのローラで構成され、熱定着ローラまたは加圧ローラのうち何れか一方と、搬送ローラとの間に巻装される無端ベルトを有するものが知られている。すなわち、印刷紙は、その裏面側から加圧ローラ又は無端ベルトを介した加圧ローラで支持され、表面側から加熱された熱定着ローラにより加圧、加熱させて紙面上のトナーが融着して熱定着される。熱定着ローラの温度は、一般的に１５０〜２００℃程度であるが、ローラ昇温時には、オーバーシュートにより、一時的にそれ以上の温度に達する場合も考えられる。
【０００４】
熱定着ローラにより紙面上のトナーを融着させるために、融着可能な高温に加熱されるが、熱定着操作が行われる際、常に熱定着温度より遥かに低温の印刷紙や加圧ローラ、あるいは無端ベルトと接触し、回転するため、その瞬間に、多量の熱エネルギーが奪い取られて冷却される。このため、熱定着ローラは、このような接触による冷却を見込んで、より高い温度に加熱しておく必要があり、消費電力が増大してしまう。従って、加圧ローラには、熱伝導率の小さな性質、すなわち、断熱性が要求される。また、加圧ローラは、高温の熱定着ローラと接触するため、耐熱性も要求される。このような加圧ローラとして、軸芯と、該軸芯の外周に形成される多孔質セラミックスの円筒体層からなる加圧セラミックスローラが提案されている（特開２００４−８６２１９号公報）。
【０００５】
しかしながら、このような加圧セラミックスローラにおいて、軸芯が金属製の場合、熱定着ローラが加熱される際、金属製の軸芯とセラミックス製の円筒体層との熱膨張の差による応力を緩和できず、円筒体層に亀裂を生じさせる可能性がある。金属のうち、例えばステンレス鋼の熱膨張率は約１０〜２０×１０−６／Ｋであり、セラミックスの熱膨張率は約３〜８×１０−６／Ｋであり、温度上昇に伴う熱膨張の差はしばしばセラミックスの円筒体層に亀裂や欠損を生じさせるという問題がある。
【０００６】
特開平２−２６１９２２号公報には、金属製の軸芯とセラミックス層からなる複合ローラにおいて、ローラ加熱時における、金属とセラミックス層の熱膨張の差により生じる応力を、中間層となる粘弾性体で緩和して、セラミックス層の亀裂を防ぐことが開示されている。しかし、この複合ローラにおける中間層となる粘弾性体は、４０〜１２０℃のような比較的低温での使用であるため、耐熱性のないゴム類であるか、ゴム類より硬質な樹脂類である。また、粘弾性体からなる中間層には接着の機能はないため、別途、エポキシ系やシリコーン系などの接着剤を使用した接着層を設けており、製造工程を複雑にしている。
【０００７】
一方、特開昭５４−７４９５０号公報には、正温度特性サーミスタからなる複数個の円筒部材を連結して構成した熱ロールが開示されている。しかし、該熱ロールにおいて複数個の円筒部材を連結するのは、正温度特性サーミスタの加工性がよくないことから、加工の容易な短い寸法の円筒部材を所要長に応じて複数連結したものであり、セラミックスローラにおける金属製の軸芯とセラミックス製の円筒体層との熱膨張の差による応力歪の問題を解決するものではない。
【特許文献１】特開２００４−８６２１９号公報
【特許文献２】特開平２−２６１９２２号公報
【特許文献３】特開昭５４−７４９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は、金属製の軸芯と、該軸芯の外周に形成される多孔質セラミックスの円筒体層とを備えるセラミックスローラにおいて、２００℃を超えるような温度に加熱されても、円筒体層に亀裂を発生させないセラミックスローラ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、ゾノトライト結晶を含む円筒体層を、軸芯長手方向に圧縮して軸芯に固定し、且つゾノトライト結晶の二次粒子を押し潰して、軸芯長手方向に対して垂直方向に配向させたセラミックスローラであれば、ローラが加熱されて金属製の軸芯が熱膨張しても、円筒体層が弾性変形して追従するため、円筒体層に亀裂を生じさせることがない。また、圧縮弾性率が小さい、すなわち圧縮弾性範囲が大きい特性を圧縮方向に利用し、ローラ表面強度としては圧縮弾性率が高い強度特性を選択的に利用することができることなどを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明は、帯電像を用いる電子写真装置の熱定着装置で使用されるセラミックスローラであって、金属製の軸芯と、該軸芯の外周に形成されるゾノトライト結晶を含有するセラミックス製の円筒体層からなり、該円筒体層は、軸芯長手方向に圧縮されて該軸芯に固定され、且つ該ゾノトライト結晶の二次粒子が該軸芯長手方向に対して垂直方向に配向するように押し潰されていることを特徴とするセラミックスローラを提供するものである。
【００１１】
また、本発明は、ゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料と水とを混合してスラリーを調製するスラリー調製工程と、スラリーから板状又は柱状の成形体を湿式プレス成形又は抄造によって得る成形工程と、成形体に該ゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に孔を空け、中空部を備えた成形片を得る工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有することを特徴とするセラミックスローラの製造方法を提供するものである。
【００１２】
また、本発明は、ゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料と水とを混合してスラリーを調製するスラリー調製工程と、スラリーから湿式プレス成形法によりゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に貫通する中空部を備えた円筒状の成形片を得る成形工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有することを特徴とするセラミックスローラの製造方法を提供するものである。
【００１３】
また、本発明は、ゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料を調製して粉末状混合物を得る原料調製工程と、粉末状混合物を加圧して板状又は柱状の成形体を成形する成形工程と、該ゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に孔を空け、中空部を備えた成形片を得る工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有することを特徴とするセラミックスローラの製造方法を提供するものである。
【００１４】
また、本発明は、ゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料を調製して粉末状混合物を得る原料調製工程と、粉末状混合物を加圧してゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に貫通する中空部を備えた円筒状の成形片を成形する成形工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有することを特徴とするセラミックスローラの製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のセラミックスローラによれば、円筒体層を形成するセラミックスは、軸芯長手方向における圧縮弾性により、ローラが加熱されて金属製の軸芯が軸芯長手方向に熱膨張しても、円筒体層が弾性変形して追従するため、円筒体層に熱膨張の差に起因する応力が発生せず亀裂を生じさせることがない。また、圧縮弾性率が小さい、すなわち圧縮弾性範囲が広い特性を圧縮方向に利用することができ、ローラ表面強度としては圧縮弾性率が高い強度特性を選択的に利用することができる。本発明のセラミックスローラの製造方法によれば、比較的簡易な工程により、新規な構造のセラミックスローラを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のセラミックスローラは、中心から外側に向けて順に、金属製の軸芯、及びセラミックス製の円筒体層からなる。なお、本発明において、セラミックスとは非金属無機材料を主成分とする材料を言う。本発明において、軸芯としては、使用に耐える剛性を有する金属であれば、特に制限されず、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、真鍮、炭素鋼などが挙げられる。本発明は、軸芯が金属製で、その外周の円筒体層がセラミックス製の場合における加熱時の熱膨張の差による円筒体層の亀裂を防止するものである。
【００１７】
本発明において、軸芯の外周に形成されるセラミックス製の円筒体層としては、特に制限されず、低熱伝導率及び低熱容量で表される高断熱性、高耐熱性、高強度のものが好適であり、具体的には、ゾノトライト結晶の二次粒子が押し潰された扁平状（以下、「扁平ゾノトライト二次粒子」とも言う。）のものを含むセラミックスである。
【００１８】
円筒体層である扁平ゾノトライト二次粒子を含むセラミックスを以下に説明する。ゾノトライト結晶は、ケイ酸質原料とカルシウム原料を水の存在下で水熱反応せしめて生成したケイ酸カルシウムの結晶のひとつである。ゾノトライト結晶からなる成形体は、軽量で比強度が非常に大きく、耐熱性と断熱性に優れている。また、ゾノトライト結晶は、集合し且つ結合して二次粒子を形成している。このような結晶は、円筒体層表面をＸ線回折することにより容易に特定することができる。
【００１９】
ゾノトライト結晶の二次粒子は、明確な球形状で、粒子表面には針状のゾノトライト結晶が栗のいが状に析出しており、内部が空洞またはそれに近い状態となっている。従って、この二次粒子を用いて成形した場合、非常に嵩高く、熱伝導率及び熱容量が低いものとなる。また、この二次粒子の自己硬化性により、相互に結合しているため、軽量であっても優れた強度も有している。また、扁平ゾノトライト二次粒子は、製造過程における加圧等の操作により形成される。
【００２０】
円筒体層は、扁平ゾノトライト二次粒子以外に、補強材、充填材、補強繊維、軽量骨材等が必要に応じて任意の配合割合で添加されていてもよい。補強材としては、セメント、石膏等が挙げられ、充填材としては、タルク、珪藻土、フライアッシュ等が挙げられ、補強繊維としては、ガラス繊維、セラミックス繊維、アルミナ繊維、ワラストナイト、パルプ、ポリプロピレン繊維、アラミド繊維、カーボン繊維等が挙げられ、軽量骨材としては、マイクロシリカ、パーライト、シラスバルーン、ガラスバルーン等が挙げられる。また、その配合量としては、例えば、ゾノトライト結晶の二次粒子１００質量部に対して、補強材０〜２０質量部、好ましくは１０〜２０質量部、充填材０〜２０質量部、好ましくは５〜１０質量部、補強繊維０〜２０質量部、好ましくは５〜１０質量部、軽量骨材０〜２０質量部、好ましくは５〜１０質量部である。
【００２１】
本発明のセラミックスローラの一例を図１を参照して説明する。図１（Ａ）はセラミックスローラの断面図、（Ｂ）は図１のセラミックスローラで使用する円筒体層の断面図である。セラミックスローラ１０は、中心から外側に向けて順に、金属製の軸芯４及びセラミックスの円筒体層１からなる。軸芯４は軸芯４に装着された円筒体層を両側から所定の押圧力で挟持することができるフランジ２と、ジャーナル部３とからなる。円筒体層１は、同じ物性且つ同じ大きさの６つの分割円筒体層１ａ〜１ｆが端面同士付き合わされて繋がったものであり、軸芯４の長手方向に圧縮されて軸芯４に固定される。なお、本発明において、円筒体層１は分割されたものである必要はなく、また分割円筒体層を使用する場合、分割個数に制限はなく、分割円筒体層の軸芯長手方向の長さ寸法は互いに異なっていてもよい。
【００２２】
セラミックスローラ１０における、軸芯４に装着された後の軸芯長手方向の長さｌ１は、軸芯４に装着される前の軸芯長手方向の長さｌ０より小である。すなわち、ｌ１＜ｌ０であり、ｌ０−ｌ１＝Δｌは圧縮長さである。圧縮長さΔｌとしては、特に制限されないが、軸芯長手方向における熱膨張による長さの伸び以上、好ましくは軸芯長手方向における軸芯とセラミックスとの熱膨張による長さの伸びの差以上であることが好ましく、更に圧縮長さΔｌは円筒体層１の弾性範囲内であることが、本発明の効果が顕著に表れる点で好ましい。圧縮長さΔｌの上限値は、圧縮長さ方向における材料の応力-歪曲線（ＳＳ曲線）から得られる弾性限界点であり、公知の計算手法で得ることができる。
【００２３】
具体的には、例えば軸芯４の軸芯が熱膨張率１７．３×１０−６／ＫのＳＵＳであり、円筒体層が嵩密度０．３ｇ/ｃｍ３、熱膨張率３×１０−６／Ｋのセラミックス製からなる常温で３１１ｍｍの長さのセラミックスローラの場合、２００℃では熱膨張によりＳＵＳが０．９１ｍｍ膨張し、セラミックスが０．１６ｍｍ膨張し、その差０．７５ｍｍの歪を生じることなる。このため、圧縮長さΔｌは０．７５ｍｍを越える長さとする。通常、圧縮長さΔｌは１．０ｍｍ以上であれば、熱膨張率の大きい金属と熱膨張率の小さい金属で生じる熱歪みをカバーできる。圧縮長さΔｌが長い場合は、熱膨張時にも圧縮方向に応力がかかりローラ構造強度としては好ましいが、圧縮長さΔｌは長過ぎると、セラミックスの弾性限界を超えてしまい、軸芯の熱膨張に円筒体層の弾性変形が追従できなくなる。
【００２４】
また、円筒体層１中の扁平ゾノトライト二次粒子は軸芯４の長手方向に対して垂直方向に配向している。扁平ゾノトライト二次粒子の配向とは、扁平状の長手方向が延出する方向を言う。この扁平ゾノトライト二次粒子の特定配向に伴う円筒体層１の特性を図２〜図４を参照して説明する。図２は嵩密度０．２３、０．３３及び０．４３ｇ/ｃｍ３の３つのセラミックスの嵩密度と圧縮強度の関係を示す図、図３は同様のセラミックスの嵩密度と圧縮弾性率の関係を示す図、図４は圧縮長さと面圧（軸芯圧縮時の面圧）の関係を示す図である。それぞれの図において、符号◆は軸芯長手方向における関係を、符号■は軸芯長手方向に対して垂直方向における関係をそれぞれ示す。図２から明らかなように、同じ嵩密度の場合、軸芯長手方向に対して垂直方向における圧縮強度が、軸芯長手方向における圧縮強度よりも高いことから、例えば熱ローラなどの他のローラとの接触使用においてローラ表面強度の高い耐久性のあるローラが得られる。また、図３から明らかなように、同じ嵩密度の場合、軸芯長手方向に対して垂直方向における弾性率が、軸芯長手方向における弾性率よりも高いことから、軸芯長手方向における歪、すなわち弾性が大きいことが判る。また、図４から明らかなように、同じ面圧の場合、軸芯長手方向の圧縮長さは、軸芯長手方向に対して垂直方向における圧縮長さよりも大きいことから、同じ圧縮長さを採る場合、軸芯長手方向では面圧は少なくて済む。従って、ローラを組み付ける場合、軸芯長手方向においては、圧縮長さを大きく採り易い。このように、本発明のセラミックスローラにおいて、扁平ゾノトライト二次粒子の特定配向に伴う円筒体層は、軸芯長手方向に対して垂直方向において圧縮強度が高く、軸芯長手方向の圧縮弾性率は、軸芯長手方向に対して垂直方向の圧縮弾性率より小さい、すなわち、軸芯長手方向では弾性範囲が大きく、圧縮長さを大きくとれる有利な特性を有することになる。
【００２５】
円筒体層１中、扁平ゾノトライト二次粒子が軸芯４の長手方向に対して垂直方向に配向していることは、セラミックスのＳＥＭ写真で観察することができ、また、圧縮弾性率が、軸芯長手方向と、軸芯長手方向に対して垂直方向とは大きく異なることから、この圧縮弾性率を測定することによっても確認することができる。
【００２６】
円筒体層のセラミックスの嵩密度は、０．０５〜０．７ｇ／ｃｍ３であり、好ましくは０．２〜０．４ｇ／ｃｍ３である。また、円筒体層のセラミックスの熱容量は、０．０４〜０．６５Ｊ／（Ｋ・ｃｍ３）であり、好ましくは０．０４〜０．４Ｊ／（Ｋ・ｃｍ３）である。また、円筒体層のセラミックスの熱伝導率は、０．０１〜０．１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、好ましくは０．０６〜０．０９Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
【００２７】
熱容量（ＫＪ／ｃｍ３）は、試料を粉砕し、そのうちの５０ｇを、高温試料投下型比熱測定装置を用いて比熱を測定し、嵩密度の値から算出することができる。また、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）は、幅１００ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、長さ５０ｍｍの平面板状の試験体における表面を、ＪＩＳ Ｒ２６１８ 非定常熱線法に準じて、迅速熱伝導率計ＱＴＭ−５００（京都電子工業株式会社製）により、室温で測定したものである。なお、上記の円筒体層は異なった嵩密度や熱容量のセラミックス層から構成されていてもよい。たとえば、外周面に近い部分はその内部より比較的低い熱容量のセラミックス層とすることもできる。
【００２８】
本発明のセラミックスローラにおいて、軸芯と円筒体層との間に、応力緩和層を設けることが、高温度に加熱されても、更に安定して円筒体層に亀裂を発生させることがない点で好ましい。応力緩和層としては、特に制限されないが、硬度が、デュロメータＡで１０〜９０、好ましくは２０〜５０、更に好ましくは２０〜３０の接着層であることが、接着と熱応力緩和を共に達成できる点で好ましい。一般的に、ゴムの柔軟性（弾性）の指標は、ゴム硬度で表される。接着層の硬度がデュロメータＡで１０未満であると、接着性が低下し、また、デュロメータＡで９０を超えると、熱膨張の差に起因する応力を緩和する程度の弾性が発現しない。デュロメータＡは、ＪＩＳ  Ｋ６２５３（加硫ゴム及び熱可塑性ゴムの硬さ試験方法）に規定される方法で測定することができ、デュロメータ硬さ試験のタイプＡ（中硬さ用試験）として規定されるものである。このような接着層としては、シリコーンゴムが挙げられる。
【００２９】
本発明のセラミックスローラにおいて、円筒体層の外周には、更にＰＦＡ樹脂のフイルムなどのフッ素樹脂層やシリコーンゴム層、ガラス層などの無機質の表面層を被覆することができる。
【００３０】
次に、本発明のセラミックスローラの製造方法について説明する。本発明のセラミックスローラの製造方法としては、湿式方法と乾式方法が挙げられる。湿式方法としては、ゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料と水とを混合してスラリーを調製するスラリー調製工程と、スラリーから板状又は柱状の成形体を湿式プレス成形又は抄造によって得る成形工程と、成形体に該ゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に孔を空け、中空部を備えた成形片を得る工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有する製造方法（第１の製造方法）及びゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料と水とを混合してスラリーを調製するスラリー調製工程と、スラリーから湿式プレス成形法によりゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に貫通する中空部を備えた円筒状の成形片を得る成形工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有する製造方法（第２の製造方法）が挙げられる。
【００３１】
また、乾式方法としては、ゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料を調製して粉末状混合物を得る原料調製工程と、粉末状混合物を加圧して板状又は柱状の成形体を成形する成形工程と、該ゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に孔を空け、中空部を備えた成形片を得る工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有する製造方法（第３の製造方法）及びゾノトライト結晶の二次粒子を含む原材料を調製して粉末状混合物を得る原料調製工程と、粉末状混合物を加圧してゾノトライト結晶の二次粒子の配向方向に対して垂直に貫通する中空部を備えた円筒状の成形片を成形する成形工程と、成形片の中空部に軸芯を通し且つ成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程とを有する製造方法（第４の製造方法）が挙げられる。
【００３２】
第１の製造方法のスラリー調製工程において、ゾノトライト結晶の二次粒子は、ケイ酸カルシウムのゾノトライト結晶を得る結晶化工程を経て得られるものである。結晶化工程において、ゾノトライト結晶を生成させるには、オートクレーブ中の温度条件、圧力条件、攪拌条件を適宜設定すればよい。ゾノトライト結晶の一次粒子は針状結晶を形成し、該一次粒子は、直径１０〜１５０μｍの球状の二次粒子を形成する。また、一次粒子は、集合してさらに結合して内部が空洞またはそれに近い状態の球状の二次粒子を形成し、二次粒子の表面には針状のゾノトライト結晶が栗のいが状に析出する。なお、一次粒子および二次粒子の形態は走査型電子顕微鏡等により確認できる。
【００３３】
ケイ酸カルシウム結晶として好適なゾノトライト結晶を得るためには、ケイ酸質原料と石灰質原料とを、ケイ酸質原料と石灰質原料の合計に対して通常２０〜４０倍量の多量の水と攪拌しながらオートクレーブ中で、飽和蒸気圧７〜２０ｋｇ/ｃｍ２、好ましくは１３〜１７ｋｇ/ｃｍ２で水熱合成させる。また、ケイ酸質原料と石灰質原料とは、ＣａＯ/ＳｉＯ２をモル比で通常０．８〜１．２、好ましくは０．９〜１．１に調整すればよい。
【００３４】
ケイ酸質原料としては、成分としてＳｉＯ２が含まれていれば、特に制限はされず、例えば、珪石、溶融シリカ等が挙げられる。このうち、結晶質のもの、特に珪石を用いることが、ゾノトライト結晶を生成させることができる点で好ましい。また、平均粒径５〜１５μｍの微粉末を用いることが好ましい。石灰質原料としては、成分としてＣａＯが含まれていれば、特に制限はされず、例えば、消石灰、生石灰等が挙げられる。このうち、生石灰を用いることが、ゾノトライト結晶を十分に成長させることができる点で好ましい。
【００３５】
スラリー調製工程において、スラリーには、ゾノトライト結晶の二次粒子の他に、任意成分として補強材、充填材、補強繊維又は軽量骨材がさらに含まれていてもよい。こうした任意成分を添加することにより、さらに強度の高いゾノトライト結晶の二次粒子含有成形体を得ることができる。無機繊維、補強材、充填材及び軽量骨材は、前記円筒体層であるセラミックスの説明で記載されたものと同様のものが挙げられる。
【００３６】
成形工程は、スラリーから板状又は柱状の成形体を、湿式プレス又は抄造により得る工程である。また、該成形工程は、ゾノトライト結晶の二次粒子を扁平にして且つ該扁平ゾノトライト二次粒子の配向を一定方向にする工程である。ゾノトライト二次粒子の扁平状における長手方向の大きさは１００〜１２０μｍであり、厚み方向の大きさは２０〜４０μｍである。所望の成形体の密度が０．５ｇ/ｃｍ３未満の場合には、水量が多いスラリー状の状態より成形する湿式プレス（脱水プレス）成形法が好適である。湿式プレス成形法によれば、ゾノトライト二次粒子の自己硬化性作用により、嵩密度０．０５〜０．５ｇ/ｃｍ３といった比較的低密度であっても、熱伝導率０．０１〜０．１Ｗ/(ｍ・Ｋ)かつ圧縮強度１〜１０Ｍｐａ、さらには、熱伝導率０．０６〜０．０９Ｗ/(ｍ・Ｋ)かつ圧縮強度３〜５Ｍｐａの成形体を得ることができる。成形体の密度は、スラリー中のゾノトライト結晶二次粒子の嵩高さ、脱水成形時の成形圧力を変更することにより調整すればよい。例えば、ゾノトライト結晶二次粒子を嵩高くすると比較的嵩密度が低い成形体を得ることができる。ゾノトライト結晶二次粒子の嵩密度は、出発原料、スラリーの濃度や攪拌条件等を適宜変更して調整される。成形圧力は通常１〜１００ｋｇｆ/ｃｍ２、好ましくは１０〜７０ｋｇｆ/ｃｍ２、時間は通常１〜３０分、好ましくは５〜１０分かけて行うのがよい。なお、扁平ゾノトライト二次粒子の配向方向は、湿式プレス法の場合、プレス方向に対して垂直方向であり、抄造法の場合、水が抄造機から重力落下する方向に対して垂直方向である。また、板状の成形体は抄造または湿式プレスにより得られ、柱状の成形体は湿式プレスにより得られる。柱状は四角柱等の多角柱、円柱などが挙げられる。上記方法により得られた成形体は、公知の技術により乾燥することができる。乾燥条件は、通常５０〜３００℃で１〜２４時間、好ましくは１５０〜２５０℃で３〜１０時間かけるのが好ましい。
【００３７】
中空部を備えた成形片を得る工程は、前記成形工程で得られた成形体に扁平ゾノトライト二次粒子の配向方向に対して垂直に孔を空ける工程であり、その一例を図５を参照して説明する。図５は湿式プレス法で得られた板状の成形体に孔を空ける工程を説明する図である。図５中、符号Ｘで示す方向、すなわち板状の成形体５の厚み方向が板状の成形体５のプレス方向である。従って、板状の成形体５中、扁平ゾノトライト二次粒子はプレス方向に対して垂直方向に配向している。そして、図５中、平面視における一辺が、円筒体層の外径と同じか、またはそれよりやや大きい寸法の四角形５５を有する柱状の成形片６ａ、６ｂ・・において、該四角形の中心に軸芯４が嵌る内径を有する中空部７ａ、７ｂ・・を空ける。当該工程においては、板状の成形体５に中空部７ａ、７ｂ・・を空けた後、切断線５１、５２に沿って切断して成形片６ａ、６ｂ・・を得てもよく、また、板状の成形体５を切断線５１、５２に沿って切断して成形片６ａ、６ｂ・・を得た後、中空部７ａ、７ｂ・・を空けてもよい。次いで、例えば図６に示すように、金属製の軸芯４に対して、成形片６ａを挿入し、次いで成形片６ｂをその次ぎに挿入し、順次所定個数の成形片を挿入し、軸芯長手方向に圧縮固定し、次いで、成形片６ａ〜６ｆの外周を切削加工して、６つの分割円筒体層が端面で繋がった円筒形状の成形体を得る。従来のセラミックスローラにおいて、円筒体層は一体物であったため、図１２に示すように、板状の成形体５のプレス方向Ｘに対して垂直方向に中空部７１を形成する必要があった。この場合、ローラを形成すると、円周方向における扁平ゾノトライト二次粒子の配向は異方性があり、不均一であった。また、長手方向に中空部を形成する加工は容易ではない。これに対し、本発明によれば、円周方向における扁平ゾノトライト二次粒子の配向に異方性はなく、均一である。また、長さが短い中空部を形成することは容易である。また、長さが短い成形片は、円筒状の湿式プレス成形からも得ることができる。
【００３８】
成形片１ａ〜１ｆを軸芯長手方向に所定の圧縮長さΔｌとなるように圧縮して固定する方法（図１及び図６参照）としては、例えば雌螺子がきられたフランジをねじ込む方法、または圧入された成形片とローレット加工で軸芯に形成される凹凸との固定方法等が挙げられる。これにより、セラミックスローラ１０は、フランジ２間の圧縮力と軸芯４の周面４１と円筒体層１の内周面１１との押圧力により回転トルクを発生することができる。従って、軸芯４と円筒体層１間の接着剤は使用せずともよい。なお、軸芯の周面と円筒体層１の内周面との押圧力は、フランジ２間の圧縮により、円筒体層１は軸芯長手方向のみならず、軸芯長手方向に対して垂直方向にも圧縮力を与えることになり、軸芯の周面と円筒体層１の内周面との押圧力は強いものとなる。
【００３９】
第１の製造方法において、焼成(オートクレーブ)工程は任意の工程であるが、焼成工程を行う場合、焼成後に成形片を得ることが、寸法変化が生じない点で好ましい。また、成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程する際、軸芯と成形片との間に、例えばシリコーンゴムなどの接着剤を注入して、応力緩和層を形成することができる。また、軸芯に成形片を装着した後、円筒体層の外周に、更にＰＦＡ樹脂のフイルムなどのフッ素樹脂層、シリコーンゴム層、ガラス層などの表面層を、公知の方法により被覆することができる。
【００４０】
次ぎに、第２の製造方法を説明する。第２の製造方法において、第１の製造方法と同一構成要素については同様であるため、その説明を省略し、異なる点について説明する。すなわち、第２の製造方法において、第１の製造方法と異なる点は、スラリー調製工程と、成形片を軸芯長手方向に圧縮して固定する工程との間の工程を、スラリーから湿式プレス成形により扁平ゾノトライト二次粒子の配向方向に対して垂直に貫通する中空部を備えた円筒状の成形片を得る成形工程とした点にある。
【００４１】
当該成形工程においては、中空部を備えた円筒状の成形片を直接得るものである。かかる成形工程は、成形型内に軸芯を配置する工程と、成形型と軸芯との間にスラリーを流し込む工程と、成形型内で軸芯長手方向に加圧して成形片を得る工程とを有する軸芯一体成形方法が挙げられる。当該工程の一例を図７を参照して説明する。成形型９は、円筒状の外筒９３の径方向の中心で且つ軸方向に延出する軸芯９１と、軸芯９１を貫通し軸方向に移動自在に設置される一対の円板状のプレス板９２とを有する。プレス板９２はスラリーを成形及び脱水するもので、多孔構造である。外筒９３、軸芯９１及び成形板９２で囲まれる空間にスラリーを流し込み、成形型内でプレス板９２により軸芯長手方向（符号Ｘ方向）に加圧して脱水しながら成形片１ａを得る。なお、成形片１ａを得た後、図８に示すように、更に成形片１ａとプレス板９２間の空間にスラリーを流し込み、軸芯長手方向（符号Ｘ方向）に加圧して脱水しながら成形片１ｂを得、この操作を順次行って、成形型内で円筒状の成形片１ａ、１ｂ・・を得ることができる。
【００４２】
第３の製造方法において、第１の製造方法と同一構成要素については同様であるため、その説明を省略し、異なる点について説明する。すなわち、第３の製造方法において、第１の製造方法と異なる点は、水を使用しない乾式としたこと、及び加圧方法を乾式プレスを用いたことにある。すなわち、原料調製工程において使用する原料としては、第１の製造方法で用いる原料と同じであり、スラリーを乾燥して得られる粉体である。また、各原料の配合量も、前記セラミックスにおける配合記載と同じである。結晶化工程で得られるゾノトライト結晶の二次粒子は加圧により扁平状に配向し、ゾノトライト針状結晶のからみあいで強度が発現するため、乾式による成形方法であっても、成形可能である。
【００４３】
第３の製造方法において、密度の調整は、成形圧力、ゾノトライト結晶の二次粒子、充填材、軽量骨材を組み合わせて調整すればよい。原料調製工程で使用する混合装置としては、混練装置が使用でき、例えば、ヘンシェルミキサー、双腕型ニーダ、高速ミキサー、バタフライミキサー等挙げられるが、公知のものであれば適宜使用することができる。なお、扁平ゾノトライト二次粒子の配向方向は、加圧方向に対して垂直方向である。
【００４４】
第４の製造方法において、第２の製造方法と同一構成要素については同様であるため、その説明を省略し、異なる点について説明する。すなわち、第４の製造方法において、第２の製造方法と異なる点は、水を使用しない乾式としたことにある。すなわち、乾燥された粉末状のゾノトライト結晶の二次粒子は、強固に結びつく性質があるため、図７及び図８に記載の円筒状の成形型を使用することができる。また、第４の製造方法の成形工程は、成形型内に軸芯を配置する工程と、成形型と軸芯との間に粉末混合物を供給する工程と、成形型内で軸芯長手方向に加圧して成形片を得る工程とを有する軸芯一体成形方法を採ることもできる。なお、扁平ゾノトライト二次粒子の配向方向は、第３の製造方法と同様に、加圧方向に対して垂直方向である。
【００４５】
本発明のセラミックスローラは、嵩密度が小さく、熱容量および熱伝導率が小さいため、断熱性が優れる。このため、電子複写機やプリンタなどの電子写真装置に搭載される熱定着装置に使用される断熱性が要求されるセラミックスローラに使用することができる。すなわち、本発明のセラミックスローラが使用できる用途としては、種々な名称で呼ばれている、例えば、加圧ローラ、搬送ローラ、補助ローラ、ドライブローラ、剥離ローラ、テンションローラ、駆動ローラ、ガイドローラ等が挙げられる。
【００４６】
次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。なお、実施例および比較例において、表１に記載の各評価項目は以下の試験法により測定した。
【００４７】
（１） 嵩密度（ｇ／ｃｍ３）：試験片の質量と形状寸法から算出される体積とから算出した。
（２）圧縮強度：プレス面圧縮強度はプレス面方向における圧縮強度であり、層間圧縮強度はプレス面方向に対して垂直方向における圧縮強度であり、それぞれＪＩＳＲ１６０８に準拠して測定したものである。
（３）圧縮弾性率：プレス面圧縮弾性率はプレス面方向における圧縮弾性率であり、層間圧縮弾性率はプレス面方向に対して垂直方向における圧縮弾性率であり、それぞれ弾性領域での歪みと応力より算出した（（応力σ／歪みε）（ＭＰa））ものである。
（４）ゴム硬度：試験片として、直径４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円柱状の試験片を別に作製し、ＪＩＳ  Ｋ６２５３のデュロメータ硬さ試験における、タイプＡの中硬さ用試験方法に準拠して測定したものである。
（５）ローラ加熱試験；送風定温恒温器（「ＤＮ６１０」ヤマト科学社製）内にローラを置き、昇温速度４０℃/時間で所定の加熱温度まで加熱し、１時間保持した後、降温速度４０℃/時間で１００℃まで降温し、恒温器からローラを取り出し、円筒体層の亀裂の有無を目視観察する。なお、所定の加熱温度は１００、２００及び３００℃の各温度である。
（６）回転加熱試験；ハロゲンランプ内蔵の加熱ローラに、試料であるセラミックスローラを圧接回転加熱する装置を使用し、加熱ローラの加熱温度２００℃、回転数１００ｒｐｍ、総荷重３０、６０、９０ｋｇｆの条件下、１００時間稼動させ、円筒体層の破壊の状況を観察する。
【実施例１】
【００４８】
（ゾノトライト結晶の生成）
石灰質原料としての生石灰（１５０メッシュの足立生石灰）を２４倍量の９０℃の熱水に投入し、１６０ｒｐｍで回転する攪拌翼で攪拌しながら３０分間消化して石灰乳を得た。次いで、得られた石灰乳にケイ酸質原料としての珪石粉末（伊豆珪石特粉Ｄ）をＣａＯ/ＳｉＯ２モル比が１．０となるように添加し、同時に、生石灰と珪石粉末との合計量の３０倍量の水を加えて均一なスラリーとし、オートクレーブ中、１２０ｒｐｍで攪拌しながら、圧力１６ｋｇ/ｃｍ２で４時間水熱反応させた。得られたスラリー中の固形物は実質的にゾノトライト結晶からなり、一次粒子である針状結晶が多数集合した直径３０〜１３０μｍの球状の二次粒子を形成していた。
【００４９】
（スラリーの調整）
該スラリーにゾノトライト結晶の二次粒子１００重量部に対して７重量部のポルトランドセメント（「普通ポルトランドセメント」；宇部三菱セメント社製）、５重量部のガラス繊維（「ＥＣＳ１３１−３３Ｇ」；日本電気硝子社製）、固形分換算で１００ｐｐｍの凝集剤（「サンフロックＮ−ＯＰ」三洋化成工業社製）を添加して混合して脱水プレス成形用のスラリーを得た。該スラリーを型枠に流し込み、成形圧力１０ｋｇｆ/ｃｍ２で湿式プレス成形したのち、２００℃で２４時間乾燥して、長さ３００ｍｍ、幅３００ｍｍ、厚さ６０ｍｍの板状の成形体を得た。
【００５０】
（セラミックスローラの製造）
得られた板状の成形体から、図５に示すように、プレス方向に内径穴を加工して、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、長さ（厚み）６０ｍｍの角柱状物に内径２９．０ｍｍの中空部を形成した成形片を５個作製した。次いで、ステンレス製の軸芯にこの５個の成形片の中空部を挿入して、５個の分割成形片が繋がったものを得た。次いで、圧縮長さ３ｍｍとなるように、フランジを圧入した。成形片が軸芯に固定したことを確認した後に、成形体片の外径を研削して肉厚５．４７ｍｍの円筒体層を得た。圧縮長さ３ｍｍは、ステンレス製の軸芯の３００℃の熱歪みより大きく、当該セラミックスの弾性限界より小さいものである。また、円筒体層の周面に厚さ３０μｍのＰＦＡチューブをシリコーンゴム接着剤で接着して、外径４０ｍｍ、長さ２９７ｍｍのセラミックスローラを得た。
【００５１】
板状の成形体について、前記の方法で嵩密度、熱伝導率、プレス面圧縮強度、プレス面圧縮弾性率、層間圧縮強度及び層間圧縮弾性強度を測定し、また、セラミックスローラについて、ローラ加熱試験及び回転加熱試験を行い、それらの結果を表１に記載した。その結果、実施例１はローラ加熱試験において、３００℃まで加熱しても円筒体層に亀裂は生じなかった。また、回転加熱試験において、実用上、この条件をクリアーすれば問題なしとされる２００℃の３０ｋｇｆの荷重下では円筒体層の破壊は観察されなかった。また、図５の板状の成形体の上から見た、すなわち、面５５から見たＳＥＭ写真を図９に示し、図５の板状の成形体の正面から見た、すなわち、面５６から見たＳＥＭ写真を図１０に示す。図９のＳＥＭ写真から、扁平状ゾノトライト二次粒子の扁平状の面が観察され、図１０では、扁平状ゾノトライト二次粒子の扁平状に側面が観察されることから、扁平状の長手方向が加圧方向に対して垂直方向に配向していることが判る。
【実施例２】
【００５２】
実施例１の板状の成形体の嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ３に代えて、０．３３ｇ／ｃｍ３としたものである。すなわち、スラリー流し込み量を多くし及び成形圧力を１０ｋｇｆ／ｃｍ２に代えて４０ｋｇｆ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。その結果を表１に記載した。その結果、実施例２はローラ加熱試験において、３００℃まで加熱しても円筒体層に亀裂は生じなかった。また、回転加熱試験において、２００℃の３０ｋｇｆ及び６０ｋｇｆの荷重下ではそれぞれ円筒体層の破壊は観察されなかった。
【実施例３】
【００５３】
実施例１の板状の成形体の嵩密度０．２５ｇ／ｃｍ３に代えて、０．４３ｇ／ｃｍ３としたものである。すなわち、すなわち、スラリー流し込み量を多くし及び成形圧力を１０ｋｇｆ／ｃｍ２に代えて７０ｋｇｆ／ｃｍ２とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。その結果を表１に記載した。その結果、実施例３はローラ加熱試験において、３００℃まで加熱しても円筒体層に亀裂は生じなかった。また、回転加熱試験において、２００℃の３０ｋｇｆ、６０ｋｇｆ及び９０ｋｇｆの荷重下ではそれぞれ円筒体層の破壊は観察されなかった。
【００５４】
比較例１
実施例２と同様の方法で得られた板状の成形体から、図１１に示すように、プレス方向に対して垂直方向に内径穴を加工して、縦５０ｍｍ、横５０ｍｍ、長さ２９７ｍｍの角柱状物に内径２９．３ｍｍの中空部を形成した成形体を作製し、次いで、ステンレス製の外径２９ｍｍの軸芯をこの成形体の中空部に挿入した。この際、軸芯の周面にシリコーンゴム接着剤を塗布して、常温硬化により軸芯と円筒体層を接着させた。成形片が軸芯に固着したことを確認したのちに、成形体片の外径を研削して肉厚５．３２ｍｍの円筒体層を得た。また、円筒体層の周面に厚さ３０μｍのＰＦＡチューブをシリコーンゴム接着剤で接着して、外径４０ｍｍ、長さ２９７ｍｍのセラミックスローラを得た。
【００５５】
板状の成形体について、実施例１と同様に諸物性を測定し、また、セラミックスローラについて、ローラ加熱試験及び回転加熱試験に供し、それらの結果を表１に記載した。その結果、比較例１はローラ加熱試験において、２００℃において円筒体層に亀裂が生じ、回転加熱試験においても、６０ｋｇｆの荷重で層間での破壊が起こった。
【００５６】
【表１】
0004620623.tif 000002
【００５７】
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】（Ａ）はセラミックスローラの断面図、（Ｂ）は（Ａ）のセラミックスローラで使用する円筒体層の断面図。
【図２】ゾノトライト結晶の二次粒子の特定配向に伴うセラミックスの特性であって、嵩密度と圧縮強度の関係を示す図。
【図３】嵩密度と圧縮弾性率の関係を示す図。
【図４】圧縮長さと面圧（軸芯長手方向の圧縮時の面圧）の関係を示す図。
【図５】湿式プレス法で得られた板状の成形体に孔を空ける工程を説明する図。
【図６】図５で得られた成形片を軸芯に組み付ける工程を説明する図。
【図７】軸芯一体成形方法を説明する図。
【図８】軸芯一体成形方法を説明する他の図。
【図９】実施例で得られた角柱の成形体のＳＥＭ写真。
【図１０】実施例で得られた角柱の成形体の他のＳＥＭ写真。
【図１１】比較例１で得られた板状の成形体の穴加工を説明する図。
【符号の説明】
【００５９】
１    円筒体層
１ａ〜１ｆ    分割円筒体層
２    フランジ
３    ジャーナル部
４    金属製の軸芯
５    成形体
６ａ、６ｂ    柱状の成形片
７ａ、７ｂ    中空部
９      成形型
１０    セラミックスローラ
９１    軸芯
９２    プレス板
９３    円筒状の外筒
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0004620623.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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