(57)【要約】【課題】熱伝導性および電気伝導性が良好であり、黒色である定着ベルトおよび定着ローラを提供することを提供する。【解決手段】弾性層を有し被加熱部材と接触することで該被加熱部材を加熱する加熱部材において、該弾性層は、熱伝導性と電気伝導性を有する炭素のみからなる材料と、弾性を有する高分子材料からなることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性層を有し被加熱部材と接触することで該被加熱部材を加熱する加熱部材において、
該弾性層は、熱伝導性と電気伝導性を有する炭素のみからなる材料と、弾性を有する高分子材料からなることを特徴とする加熱部材。
【請求項２】
前記熱伝導性と電気伝導性を有する炭素のみからなる材料は、天然素材由来の成分からなる高分子溶液に、カーボンナノチューブを分散させ、焼成し、炭化させたものであることを特徴とする請求項１記載の加熱部材。
【請求項３】
前記高分子溶液がシルク溶液であることを特徴とする請求項１〜２いずれか１項記載の加熱部材。
【請求項４】
前記熱伝導性と電気伝導性を有する炭素のみからなる材料は、黒色であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の加熱部材。
【請求項５】
前記高分子材料がシリコーンゴムであることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の加熱部材。
【請求項６】
前記加熱部材がベルト状またはローラ状であることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の加熱部材。
【請求項７】
前記加熱部材は被加熱部材である記録材上のトナー画像を記録材上に定着させる定着装置の一部であることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の加熱部材。
【請求項８】
前記加熱部材は定着ベルトであることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項記載の加熱部材。
【請求項９】
前記加熱部材は定着ローラであることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項記載の加熱部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複写機等の画像形成装置に用いられ、未定着のトナー画像を記録材上に定着させる定着装置に内蔵される定着ベルトおよび定着ローラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複写機等の画像形成装置は、用紙等の記録材上に転写された未定着のトナー画像を加熱および加圧することによりトナー画像を記録材上に定着させる定着装置を備えている。このような定着装置に内蔵され、直接記録材に接触し、未定着のトナー画像を定着させる装置として定着ベルトや定着ローラがある。
【０００３】
代表的な定着ベルトの構造は、耐熱性の樹脂（例えばポリイミド）からなる耐熱層と、その外周に弾性体（例えばシリコーンゴム）からなる弾性層と、記録材およびトナーが定着ベルトに付着することを防止する（例えばフッ素樹脂）からなる剥離層の３層からなる。このような定着ベルトは、耐熱層と接触し加熱するヒートローラにより加熱され、それと同時に耐熱層と接触し記録材上のトナー画像を加圧する加圧ローラにより記録材上の未定着トナー画像を加熱および加圧することにより記録材上に定着させる。
【０００４】
なお、定着ベルトは加熱する上での待ち時間短縮と省電力の目的のため、できるだけ薄く形成されるととも、各層に用いられる材質自体の熱伝導率性能を高める工夫がされている。そのうち材質自体の熱伝導率性能を高める工夫として、熱伝導率性能が高い窒化ホウ素を含有するポリイミド樹脂製の管状内層と、シリコーンゴムまたはフッ素ゴムに窒化ホウ素を含有する管状外層を備える複合管状物が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
一方定着ローラは内部に発熱体を有し、直接自身を加熱および記録材上のトナー画像を加圧する点で定着ベルトと異なるが、加熱する上での待ち時間短縮と省電力の目的のため各層に用いられる材質自体の熱伝導率性能を高める工夫がされている点は定着ベルトと同様である。
【特許文献１】特開２０００−１４７９２８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、定着ベルトや定着ローラにおける問題として「静電オフセット現象」がある。これはトナーを定着する際に定着ベルト上にトナーが付着して残ってしまい、後続の記録材を汚す現象である。これを防止するためには、トナーが定着ベルトから反発し、記録材側に押し付けられる方向に電界を形成するようバイアス電圧を印加する方式がよく用いられている。具体的には、記録材をアースに接続するような電極部材を新たに設け、該電極部材と定着ベルトとの間にバイアス電圧を印加し、定着ベルトから記録材を通ってアースへと流れる電流経路を形成することにより「静電オフセット現象」を防止するものである。
【０００７】
そのような場合、定着ベルトを構成する最外層である剥離層のみならず、その内側の弾性層も電気的に低抵抗化することが定着ベルトの構成上望ましい。しかし、従来例のように熱伝導率性能を高めるため窒化ホウ素を用いた場合では、窒化ホウ素自体の電気抵抗値が高いためシリコーンゴムなどに混錬して定着ベルトに用いた場合も電気抵抗値が高くなってしまい「静電オフセット現象」を防止することができない可能性があった。
【０００８】
また、複写機は光学機器を含み、光学処理及び光学色補正をする部分に使用される部品は光を反射しないように黒色であることが望まれるが、窒化ホウ素は白色であり光学機器に隣接する可能性がある定着ベルトに使用するのは好ましくなかった。
【０００９】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、
熱伝導性および電気伝導性が良好であり、黒色である定着ベルトおよび定着ローラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため請求項１の発明は、弾性層を有し被加熱部材と接触することで該被加熱部材を加熱する加熱部材において、該弾性層は、熱伝導性と電気伝導性を有する炭素のみからなる材料と、弾性を有する高分子材料からなることを特徴とする。
請求項２の発明は、前記熱伝導性と電気伝導性を有する炭素のみからなる材料は、天然素材由来の成分からなる高分子溶液に、カーボンナノチューブを分散させ、焼成し、炭化させたものであることを特徴とする。
請求項３の発明は、前記高分子溶液がシルク溶液であることを特徴とする。
請求項４の発明は、前記熱伝導性と電気伝導性を有する炭素のみからなる材料は、黒色であることを特徴とする。
請求項５の発明は、前記高分子材料がシリコーンゴムであることを特徴とする。
請求項６の発明は、前記加熱部材がベルト状またはローラ状であることを特徴とする。
請求項７の発明は、前記加熱部材は被加熱部材である記録材上のトナー画像を記録材上に定着させる定着装置の一部であることを特徴とする。
請求項８の発明は、前記加熱部材は定着ベルトであることを特徴とする。
請求項９の発明は、前記加熱部材は定着ローラであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では熱伝導性および電気伝導性が良好であり、黒色である定着ベルトおよび定着ローラを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明に係る好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、定着ベルト１０の構造の一例を示す説明図である。
１１は耐熱性樹脂からなる耐熱層１１である。この耐熱層１１の外周面に弾性層１２が形成され、さらにその外周面に剥離層１３が形成されて定着ベルト１０が構成される。なお、ここでは管状として図示しているが、定着装置に装着した際には管状はもちろん、楕円状として利用される場合もある。
耐熱層１１の内側には図示しないヒートローラが耐熱層１１に対して圧接するように配置されている。このヒートローラはアルミ製の中空ローラで内部にヒータを有している。ヒータとしてはハロゲンヒータを用いているがこれに限るものではなく、IHでもよい。また、耐熱層１１の内側には前記ヒートローラと接触しない位置に図示しない加圧ローラAが耐熱層１１と圧接するように配置されている。この加圧ローラは鉄製の芯金の外面にシリコーンゴムの層を有している。
また、この加圧ローラAと記録材を挟んだ位置にもう一つの加圧ローラBが配置されている。一般に記録材の定着後の剥離性を向上させるために、相対的に加圧ローラBより、耐熱層１１の内側にある加圧ローラAを柔らかく形成している。また、加圧ローラBはバネ材等を用いて常にもう一つの加圧ローラAを加圧しているがこれに限るものではなく、バネ材等を備えるのはどちらの加圧ローラでも良い。また、今回は２つの加圧ローラで記録材を挟持する形態としたがこれに限るものではなく、２つのなんらかの支持部材間に掛け渡されている定着ベルトの引張状態の掛渡部に、記録材を挟んで加圧ローラを圧接させるような形態でも良い。
【００１３】
耐熱層１１は耐熱性樹脂からなる。耐熱性樹脂としてはポリエステル、ポリエチレン、ポリエーテル、ポリイミド、ポリアミドなどであり、今回はポリイミドを選択した。また、必用に応じてカーボンブラック、酸化アルミまたは酸化ケイ素などの熱伝導性フィラーを耐熱樹脂に添加しても良い。その場合、特に後述するようなシルクとカーボンナノチューブ（以下ＣＮＴと省略する）の焼成炭素粉（請求項における熱伝導性と電気伝導性を有する炭素のみからなる材料であり、以下ＣＮＴ複合粉という）が良い。なお、ここでのカーボンナノチューブはカーボンナノファイバーやカーボンナノホーンなどを含む概念として用いている。
【００１４】
ベルト状への形成方法として液状のポリイミド樹脂をエンドレスベルト上に、ドクターブレードなどで均一に厚みを調整しながら塗布し、熱風などにより乾燥・半硬化させる。その際複数回にわけて目的の厚みになるように塗布・乾燥させても良い。その後エンドレスベルトより引き剥がし、幅方向の長さなどを調整した後、加熱炉にて加熱硬化することによりベルト状のポリイミド樹脂製の耐熱層１１を形成した。
【００１５】
弾性層１２は耐熱性と弾性を有する素材からなる。そのような素材としてシリコーンゴムが良い。本発明は弾性層として用いられるシリコーンゴムに、後述するようなＣＮＴ複合粉を配合することを特徴としている。
【００１６】
ＣＮＴ複合粉の作成方法としては、まずシルク原料を加水分解等することでシルク溶液を作成する。シルク溶液は、シルク原料を塩化カルシウム水溶液に添加し、加熱溶解し、さらにタンパク質分解酵素を添加して加水分解することによって形成できる。シルク素材とは、家蚕あるいは野蚕からなる織物、編物、粉体、綿、糸等の総称である。これらを単独もしくは併用して用いることができる。
【００１７】
上記シルク溶液にＣＮＴを添加する。添加量は特に限定されないが、シルク溶液に対し、１〜３０wt％の範囲で添加できる。
シルク溶液にＣＮＴを分散させるには、シルク溶液に超音波を印加するとよい。
【００１８】
ＣＮＴを分散させたシルク溶液をポリプロピレン等の支持フィルム上に広げ、常温中であるいは加温して乾燥させる。乾燥させた混合材料を支持フィルム上から剥ぎ取る。
あるいは上記シルク溶液をスプレードライし、粒状の混合材料としてもよい。
【００１９】
上記の混合材料を非酸化性雰囲気中で５００℃〜３０００℃ほどの温度で焼成し、次いで粉砕してＣＮＴ複合粉に形成する。
焼成、粉砕は複数回繰り返し、所要粒度のＣＮＴ複合粉に形成するとよい。
このＣＮＴ複合粉は、シルク素材の炭化物をバインダーとしてＣＮＴが結着されて均一に混入した構造のものであり、熱伝導性と電気伝導性に優れた焼成炭素粉となっている。
【００２０】
このＣＮＴ複合粉をシリコーンゴム溶液に配合し、耐熱層１１の外面にそれをスプレー塗布し、加熱炉にて加熱硬化することによりベルト状のシリコーンゴム層である弾性層１２を耐熱層１１の外面に形成した。
【００２１】
剥離層１３はトナーの離型性や転写性およびトナーのクリーニング性を改善するためフッ素樹脂からなる。フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ、ＰＦＡなどがある。今回はＰＴＦＥを選択した。また、耐熱層１１と同様に必用に応じて熱伝導性フィラーや、上述したようなＣＮＴ複合粉をＰＴＦＥ溶液に配合しても良い。
【００２２】
剥離層１３の形成方法として、耐熱層１１と断熱層１２からなる複数層の外面にＰＴＦＥ溶液をスプレー塗布し、加熱炉にて加熱硬化することにより剥離層１３を耐熱層１１と断熱層１２からなる複数層の外面に形成した。
【００２３】
このようにして形成された定着ベルト１０は熱伝導性と電気伝導性に優れており、定着装置に装着した際にも「静電オフセット現象」が生じることがなかった。また、ＣＮＴ複合粉はその製造過程において高温で焼成されることにより炭素のみからなるため黒色である。よって光学機器が隣接する可能性がある定着ベルトとして使用した場合も良好であった。
なお、ＣＮＴ複合粉は炭素のみとしているが、これは成分の多くが炭素ということであり、実際にはシルク由来の窒素などが残されている。これらの残留物は主に焼成温度によりその量が異なる。また、熱伝導性や電気伝導性に対して好適に作用する場合もあり場合により焼成温度を制御して残留させても良い。
【実施例】
【００２４】
実施例１：
１）シルク溶液の作成
最初にシルク溶液を作った。
塩化カルシウム水和物の65ｗｔ％水溶液中に、シルク原料240ｇを添加し、溶液温度を95℃に保持しつつ加熱溶解を6時間行った。タンパク質分解酵素を投入し60℃にて24時間処理し加水分解した。
次いで、分解が終了した溶解液をろ過して未溶解物をろ別した後、ろ液を分子分画300の透析膜を用いて脱塩して得られたシルク溶液をさらに濃縮して35ｗｔ％のシルク溶液にした。
【００２５】
２）シルク溶液とＣＮＴを混合・乾燥
１）で作成したシルク溶液とＶＧＣＦ−Ｈ（登録商標  昭和電工社製）を以下の方法で分散・乾燥した。
ステンレスビーカーにシルク溶液を3085g入れる。その後、樹脂製フタにＶＧＣＦ−Ｈを100g入れ、少しずつシルク溶液中に加えてガラス棒で分散させていく。100g入れたら再び100g秤量、分散させ、計200g入れる。その後、超音波洗浄器で5分間、ガラス棒で撹拌しながら分散させた。
次いで、ポリプロピレンシートに約20gの混合液を規定の範囲(450cm２ ： 25cm × 18cm)に塗布した。乾燥機のステンレス棚1枚にポリプロピレンシートを4枚載せ、ステンレス棚を計10枚、ポリプロピレンシートを計40枚乾燥機に入れ105℃で約1時間乾燥させた。乾燥機からポリプロピレンシートを出し、約10秒後に折り曲げてポリプロピレンシートから膜を剥し、静電気でポリプロピレンシートに付着している膜（混合材料）をステンレスへらで回収した。計40枚のポリプロピレンシートから膜を回収した。
【００２６】
３）一次焼成
２）で作成した混合材料を以下の方法で焼成した。
ステンレストレイ1個当たり、膜を600g入れ約4kgの膜を必要な数のトレイに入れる台車でそれらを運び、一次焼成炉のカゴにグラファイト板1枚にトレイを2個の割合で並べた。窒素雰囲気化750℃で6時間保持して焼成し、室温になるまで冷却した。
【００２７】
４）粉砕
３）で焼成した混合材料を以下の方法で粉砕した。
目開きが大のざるを通るまで乳鉢で粉砕し、ボールミルで1日粉砕した。次いで、目開き45μmのふるいで約200gずつ分級し、樹脂容器に回収した。通らなかった粉は再度ボールミルで24時間粉砕し、ふるいで分級の工程を繰り返した。
【００２８】
５）二次焼成
４）で粉砕した混合材料粉を以下の方法で焼成した。
アルゴン雰囲気化2400℃を3時間保持して焼成し、室温になるまで冷却した。
【００２９】
６）分級
５）で焼成した混合材料粉を目開き32μmのふるいで分級した。
【００３０】
７）シリコーンゴム溶液と混合
６）で分級した混合材料粉（ＣＮＴ複合粉）をシリコーンゴム溶液に50wt%混合した。
【００３１】
ここでＣＮＴ複合粉入りのシリコーンゴムの各種特性を測定するため、加熱炉にて１７０℃で５分加熱し、さらに２００℃で２時間程度加熱した。それを３ｃｍ×３ｃｍ×５ｍｍのシート状に形成した。
【００３２】
比較例１：
また、ＣＮＴ複合粉を配合しない場合、つまりシリコーンゴムだけの各種特性も比較例として同様にシート状に形成した。
【００３３】
実施例１と比較例１の測定結果を表１に示す。
【表１】
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【００３４】
表１の測定結果から熱伝導性、電気伝導性ともに優れていることがわかる。これにより弾性層として定着ベルトや定着ローラにした場合、トナー定着温度に到達する時間が大幅に短縮され、かつ「静電オフセット現象」に対して有効であることがわかる。
【００３５】
実施例２：
定着ベルトを以下の方法で形成した。
１）耐熱層の形成
ポリイミド溶液を一定速度で回転するエンドレスベルト上に、ドクターブレードで均一に厚みを調整しながら塗布した。この際、エンドレスベルトは後工程で半硬化したポリイミド樹脂を引き剥がすことを考慮しシリコーンゴム製である。その後およそ１００℃の熱風を吹きつけて乾燥・半硬化させる。その後エンドレスベルトより引き剥がし、幅方向の長さなどを調整するため切断した。それをおよそ３８０℃で、４０分間加熱炉にて加熱硬化させた。
そのようにして厚みがおよそ５０μｍのポリイミド樹脂製の耐熱層を形成した。
【００３６】
２）弾性層の形成
実施例１で作成したＣＮＴ複合粉入りのシリコーンゴム溶液を、上述の耐熱層の外面にスプレー塗布した。それを１７０℃で５分加熱し、さらに２００℃で２時間程度加熱した。
そのようにして厚みがおよそ１５０μｍのＣＮＴ複合粉入りのシリコーンゴム製の弾性層を形成した。
【００３７】
３）剥離層の形成
上述の耐熱層と断熱層からなる複数層の外面にＰＴＦＥ溶液をスプレー塗布した。それを１７０℃で１５分間加熱炉にて加熱硬化した。
そのようにして厚みがおよそ２０μｍの剥離層を形成した。
【００３８】
このようにして形成した定着ベルトをテスト複写機に装着し、トナーの定着試験を行ったが「静電オフセット現象」は発生しなかった。また、黒色であるため光学機器が隣接する場合でも良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】定着ベルトの構造図
【符号の説明】
【００４０】
１０  定着ベルト
１１  耐熱層
１２  弾性層
１３  剥離層
【図１】
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