(57)【要約】【課題】耐熱性、機械的強度に優れ、かつ熱伝導率が低く、装置待機中の熱洩れを防止して、画像形成装置の省エネルギー化を実現できる定着ベルトを提供する。【解決手段】本発明の定着ベルトは、ポリイミド樹脂層を有する定着ベルトであって、前記ポリイミド樹脂層中に独立気泡を含有し、ベルトの熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリイミド樹脂層を有する定着ベルトであって、前記ポリイミド樹脂層中に独立気泡を含有し、ベルトの熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする定着ベルト。
【請求項２】
前記独立気泡が中空充填材により形成されていることを特徴とする請求項１記載の定着ベルト。
【請求項３】
前記ポリイミド樹脂層表面に離型外層を有することを特徴とする請求項１又は２記載の定着ベルト。
【請求項４】
中空充填材または発泡剤を含有するポリアミド酸溶液を所定形状に成形し、溶媒の除去後に、イミド転化反応を行うことを特徴とする定着ベルトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複写機、レーザービームプリンタ、ファクシミリなどの電子写真方式画像形成装置に用いられ、複写紙などを搬送または定着させる部材に関する。さらに詳しくは待機時の消費電力の省エネルギー化を可能にするベルト部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電子写真方式で像を形成記録する電子写真方式画像形成装置として、複写機、レーザービームプリンタ、ファクシミリまたはこれらの複合機が知られている。この種の装置では、画像形成の高速化や省エネルギー化を目的として、エンドレスベルトを用いた定着方式が採用されている。上述のようなベルト定着方式等に用いるエンドレスベルトとしては、耐熱性や機械強度に優れたポリイミド樹脂内層とフッ素樹脂外層とからなる複合管状体が知られている（特許文献１を参照）。ベルト定着方式に用いられるエンドレスベルトについては、耐熱性や機械的強度に優れていることが要求される。
【特許文献１】特開平３−１３０１４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電子写真方式画像形成装置の定着ユニット部は、大きく分けて、ローラとローラにより画像を定着させる従来タイプとローラとベルトにより画像を定着させるタイプがあり、ローラとベルトにより画像を定着させるタイプでは、ベルト内部にヒータを設置する方式と加熱ローラにベルトを沿わせてベルト外部にヒータを設置する方式がある。ベルト定着方式を採用する画像形成装置においては、消費電力の半分が定着ユニット部で消費され、その多くが待機時間の保温に費やされているため、待機中における省エネルギー化が強く求められている。
そこで、本発明の目的は、耐熱性、機械的強度に優れ、かつ熱伝導率が低く、装置待機中の熱洩れを防止して、画像形成装置の省エネルギー化を実現できる定着ベルトを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者は、定着ユニット部の省エネルギー化、待機時間の熱の洩れを克服するために、定着ベルトの組成、充填剤等について鋭意研究を重ねた結果、以下の特性を有する定着ベルトにより所期の目的を達成しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００５】
すなわち、本発明の定着ベルトは、ポリイミド樹脂層を有する定着ベルトであって、前記ポリイミド樹脂層中に独立気泡を含有し、ベルトの熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする。
【０００６】
本発明のベルトは、ポリイミド樹脂層に独立気泡を有し熱伝導率が低いため、このベルトを画像形成装置の定着ユニット部に装着した場合、保温の際の熱洩れを抑制して、待機中における消費電力を低減し、装置の省エネルギー化を実現することができる。特に、本発明は、ベルト外部にヒータを設置する方式を採用する画像形成装置の省エネルギー化を効果的に行うことができる。
【０００７】
前記ベルトにおいて、前記独立気泡が中空充填材により形成されていることが好ましい。中空充填材を使用することにより、独立気泡の大きさ（孔径）や樹脂中の空隙量の制御が容易となり、所望の熱伝導性を有する定着ベルトを形成することができる。
【０００８】
また、前記ベルトは、ベルト外周面に離型外層を有することが好ましい。このような態様であると、トナー汚れやオフセットを防止でき、トナー定着性に優れた定着ベルトを提供できる。また、離型外層を設置することでさまざまな仕様に対応可能となる。
【０００９】
本発明の定着ベルトの製造方法は、中空充填材または発泡剤を含有するポリアミド酸溶液を所定形状に成形し、溶媒の除去後に、イミド転化反応を行うことを特徴とする。中空充填材または発泡剤をポリアミド酸溶液に含有させることにより、ポリイミド樹脂層に独立気泡を形成することができ、所望の熱伝導率を有する定着ベルトを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明について、以下詳細に説明する。
本発明の定着ベルトは、ポリイミド樹脂層を有する定着ベルトであって、前記ポリイミド樹脂層中に独立気泡を含有する。
【００１１】
前記独立気泡の気泡寸法はベルトの厚みにより適宜規定されるが、通常ベルト厚の０．５〜５０％の範囲であることが好ましく、より好ましくは２．０〜２５％の範囲である。前記独立気泡の存在量はベルトに要求される強度により左右されるが、少なくとも、厚さ方向への投影面積に対してすべての面積が独立気泡により覆われていることが好ましく、そのため、独立気泡は小径であることが好ましい。具体的には、気泡の孔径が０．１〜５μｍ、より好ましくは０．５〜１μｍである。樹脂層の空隙率としては、１０〜７５％、より好ましくは３５〜７０％である。なお、独立気泡は、樹脂層全体に均一に分布していても、ベルト外周面近傍にのみ分布していてもよい。
【００１２】
ポリイミド樹脂層中の独立気泡は、中空充填材や発泡剤等を使用することにより形成することができるが、気泡の孔径や樹脂中の空隙量の制御が容易な点で、前記独立気泡が中空充填材により形成されていることが好ましい。
【００１３】
前記中空充填剤としては、中空ガラス球（マイクロガラスバルーン）、シラスバルーン、等を挙げることができ、無機系フィラーが、耐熱性の点で好ましい。中空充填材の平均粒径としては、０．１〜５μｍが好ましく、０．５〜１μｍがより好ましい。また、中空充填剤の添加量としては、特に制限はないが、ポリイミド樹脂固形分１００重量部に対して、１０〜１５０重量部添加することが好ましい。中空充填材の添加量が、１０重量部未満であると断熱性に乏しいベルトとなり、１５０重量部を超えると耐久性、柔軟性不足となる。
【００１４】
前記発泡剤としては、炭酸アンモニウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸アンモニウム、ジアゾアミノベンゼン、ジニトロソペンタメチレンテトラミン、ｐ，ｐ’−オキシビス（ベンゼンスルホニルヒドラジド）（ＯＢＳＨ）、ベンゼン・スルホニルヒドラジド（ＢＳＨ）、トルエン・スルホニルヒドラジド（ＴＳＨ）等が挙げられる。また発泡剤とともに発泡助剤を添加してもよい。前記発泡助剤としては、サリチル酸、尿素化合物等が挙げられる。これら発泡剤及び発泡助剤を添加することで、添加された発泡剤が分解、発泡し、樹脂層内部に微細な気泡を形成することができる。
【００１５】
発泡剤の添加量としては、ポリイミド樹脂固形分１００重量部に対して、１〜２００重量部添加することが好ましい。発泡剤の添加量が、１重量部未満では良好な発泡が得られず、一方２００重量部を越えると気泡が過度に形成されてベルトの強度及び耐磨耗性に悪影響を及ぼす。
【００１６】
本発明のベルトの熱伝導率は、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、より好ましくは０．４５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲である。前記熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋを超えると、保温のための消費電力が多くなる。
【００１７】
前記ポリイミド樹脂層の厚みは、用いられる装置の設計により適宜選択されるが、通常１０〜１００μｍであり、好ましくは２０〜６０μｍである。また、ポリイミド樹脂層は、単層から構成されてもよし、複数層から構成されていてもよい。
【００１８】
ポリイミド樹脂層には、定着ベルト等の分野において使用される公知のポリイミド樹脂が限定なく使用可能であり、耐熱性および機械強度の点から、とりわけ、芳香族ポリイミド樹脂の使用が好ましい。
【００１９】
ポリイミド樹脂層は、ポリアミド酸溶液を所定形状に成形し、溶媒の除去後に、イミド転化反応を行うことにより形成される。ポリアミド酸溶液は、ポリイミドの前駆体であるポリアミド酸を含有するものであって、例えばテトラカルボン酸二無水物あるいはその誘導体とジアミンとの略等モルを有機極性溶媒中で反応させて得ることができる。
【００２０】
本発明において好ましいポリイミド樹脂を構成する上記テトラカルボン酸二無水物としては、具体的には、ピロメリット酸二無水物、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，６，７−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、１，２，５，６−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、２，２’−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）プロパン二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）スルホン二無水物、ペリレン−３，４，９，１０−テトラカルボン酸二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）エーテル二無水物、エチレンテトラカルボン酸二無水物等が挙げられるが、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物が好ましい。
【００２１】
また、このようなテトラカルボン酸二無水物と反応させるジアミンの具体例としては、４，４’−ジアミノジフェニルエーテル、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、３，３’−ジアミノジフェニルメタン、３，３’−ジクロロベンジジン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、３，３’−ジアミノジフェニルスルホン、１，５−ジアミノナフタレン、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、３，３’−ジメチル−４，４’−ビフェニルジアミン、ベンジジン、３，３’−ジメチルベンジジン、３，３’−ジメトキシベンジジン、４，４’−ジアミノジフェニルスルホン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、４，４’−ジアミノジフェニルプロパン、２，４−ビス（β−アミノ−t −ブチル）トルエン、ビス（ｐ−β−アミノ−ｔ−ブチルフェニル）エーテル、ビス（ｐ−β−メチル−t −アミノフェニル）ベンゼン、ビス−ｐ−（１，１−ジメチル−５−アミノ−ペンチル）ベンゼン、１−イソプロピル−２，４−ｍ−フェニレンジアミン、ｍ−キシリレンジアミン、ｐ−キシリレンジアミン、ジ（ｐ−アミノシクロヘキシル）メタン、ヘキサメチレンジアミン、ヘプタメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、ジアミノプロピルテトラメチレン、３−メチルへプタメチレンジアミン、４，４−ジメチルヘプタメチレンジアミン、２，１１−ジアミノドデカン、１，２−ビス−３−アミノプロポキシエタン、２，２−ジメチルプロピレンジアミン、３−メトキシヘキサメチレンジアミン、２，５−ジメチルヘプタメチレンジアミン、３−メチルへプタメチレンジアミン、５−メチルノナメチレンジアミン、２，１１−ジアミノドデカン、２，１７−ジアミノエイコサデカン、１，４−ジアミノシクロヘキサン、１，１０−ジアミノ−１，１０−ジメチルデカン、１，１２−ジアミノオクタデカン、２，２−ビス〔４−（４−アミノフェノキシ）フェニル〕プロパン、ピペラジン、
Ｈ2Ｎ（ＣＨ2）3Ｏ（ＣＨ2）2ＯＣＨ2ＮＨ2、
Ｈ2Ｎ（ＣＨ2）Ｓ（ＣＨ2）3ＮＨ2、
Ｈ2Ｎ（ＣＨ2）3Ｎ（ＣＨ2）2（ＣＨ2）3ＮＨ2、
等があげられるが、ｐ−フェニレンジアミンが好ましい。
【００２２】
これらテトラカルボン酸二無水物あるいはその誘導体およびジアミンは、それぞれ１種類以上を適宜に選定し反応させることができる。ジアミンとしては、特に芳香族ジアミンを主成分として使用することが望ましい。
【００２３】
上記テトラカルボン酸二無水物とジアミンを反応させる際に用いられる有機極性溶媒は、その官能基がテトラカルボン酸二無水物またはジアミンと反応しない双極子を有するものである。そして、系に対して不活性であり、かつ生成物であるポリアミド酸に対して溶媒として作用しなければならない。しかも、反応成分の少なくとも−方、好ましくは両者に対して溶媒として作用しなければならない。上記有機極性溶媒としては、特にＮ，Ｎ−ジアルキルアミド類が有用であり、例えばこれの低分子量のものであるＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド等が挙げられる。これらは蒸発、置換または拡散によりポリアミド酸およびポリアミド酸成形品から容易に除去することができる。また、上記以外の有機極性溶媒として、Ｎ，Ｎ−ジエチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルメトキシアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホルトリアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ピリジン、テトラメチレンスルホン、ジメチルテトラメチレンスルホン等が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、併せて使用しても差し支えない。さらに、上記有機極性溶媒にクレゾール、フェノール、キシレノール等のフェノール類、ベンゾニトリル、ジオキサン、ブチロラクトン、キシレン、シクロヘキサン、ヘキサン、ベンゼン、トルエン等を単独でもしくは併せて混合することもできる。ただし、生成するポリアミド酸の加水分解による低分子量化を防ぐため、水の使用は避けることが好ましい。
【００２４】
前記ポリイミド樹脂は、フッ素樹脂粉末を含有していてもよい。フッ素樹脂としては、公知のフッ素樹脂粉末であれば限定なく使用可能である。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−へキサフルオロエチレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）等が挙げられる。なかでも、耐熱性に優れたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の使用が好ましい。
【００２５】
前記フッ素樹脂粉末の添加量としては、通常、ポリイミド樹脂固形分１００重量部に対して、１〜２０重量部であり、１〜５重量部が好ましい。このような範囲の添加量とすることにより、ベルトとしての機械強度と可とう性を保つことができる。
【００２６】
本発明の定着ベルトは、ポリイミド樹脂層の表面に離型外層を有することが好ましい。また、ポリイミド層と離型外層との間にプライマー層を設けてもよい。
【００２７】
前記離型外層としては、シリコンゴム、フッ素ゴム、フッ素樹脂などを挙げることができる。とりわけ、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂がトナー汚れに対して効果的であるが、公知のフッ素樹脂は限定なく使用可能である。具体的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）等があげられ、これらを単独または２種以上を併用して用いてもよい。
【００２８】
前記離型外層は導電材料を含有していてもよい。前記導電材料としては、導電性または半導電性物質が用いられ、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、Ａｌ、Ｎｉなどの金属、酸化スズ等の酸化金属化合物、グラファイト、チタン酸カリウム等が使用できるが、少量の添加で所望の表面抵抗率を発現することができるカーボンブラックが好ましい。導電材料の配合は、溶媒中にあらかじめ分散させることにより行なうことができる。
【００２９】
前記プライマー層に用いられる材料は、ポリイミド樹脂層と離型外層を接着することができる材料であれば、特に制限されることはないが、具体例として、ポリイミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、フッ素系樹脂等があげられる。
【００３０】
プライマー層の表面抵抗率の制御は、プライマー層の量（厚み）によって可能である。接着層としての機能を失わない範囲で、前記導電材料を添加しても構わない。
これら各層の厚みは、用いられる装置の設計により適宜選択されるが、プライマー層としては０．１〜５μｍが好ましく、離型外層としては０．５〜１μｍが好ましい。
【００３１】
本発明の定着ベルトは、例えば下記工程により製造することができる。
【００３２】
ポリイミド樹脂層中に単独気泡を形成する方法としては、中空充填材を含有するポリアミド酸溶液を所定形状に成形し、溶媒の除去後に、イミド転化反応を行うことにより形成する方法、ポリアミド酸溶液に発泡剤を含有させ溶媒除去時に加熱発泡させる方法、ポリアミド酸溶液にエアーバブリングしながら攪拌して気泡含有した溶液を所定形状に形成する方法や、所定形状に形成後、超臨界状態で溶媒を発泡させながら除去することにより形成する方法等を挙げることができる。
【００３３】
まず成形用金型として円筒状金型を準備し、円筒状金型内周面あるいは外周面に前記中空充填材を含有するポリアミド酸溶液、あるいは前記発泡要素を含有するポリアミド酸溶液を塗布する。樹脂層を複数層で構成する場合、下層の樹脂層を乾燥或いは半硬化させた後、さらに前記ポリアミド酸溶液を塗布してもよい。
【００３４】
上記ポリアミド酸溶液は、使用する際に、溶液粘度が高い場合には適当な溶媒で希釈して粘度を低くして用いることができる。例えば、ポリアミド酸溶液の粘度は、塗布厚み、塗布方法、塗布条件、溶液温度等に応じて設定されるが通常０．０１〜１０００Ｐａ・ｓ（塗布作業時の温度でＢ型粘度計にて測定した粘度）に設定される。また、成形金型となる円筒状金型としては、従来から定着ベルトの製造に用いられるものであればどのようなものであっても差し支えなく、材質としては耐熱性の観点から、金属、ガラス、セラミックス等各種のものが例示される。円筒状金型へのポリアミド酸溶液の塗布方法としては、ポリアミド酸溶液中に円筒状金型を浸漬して外面に塗布膜を形成しこれを円筒状ダイス等で成膜する方法や、円筒状金型内面の片端部にポリアミド酸溶液を供給した後、この円筒状金型と一定のクリアランスを有する走行体（弾丸状、球状）を走行させる方法、円筒状金型を軸周りに回転させ、内面にポリアミド酸溶液を供給し、遠心力により均一な皮膜とする方法等が挙げられる。
【００３５】
前記ポリアミド酸溶液を成形金型に塗布後、塗布皮膜が少なくともそれ自身支持できるまで乾燥、硬化させ、更にこの時点で発泡条件に進めるか、あるいはイミド転化が終了するまで加熱することにより、独立気泡を含有するポリイミド樹脂層を形成することができる。樹脂層を複数層で構成する場合、下層の樹脂層を乾燥或いは半硬化させて、上層の樹脂層におけるイミド転化と共に、下層の樹脂層をイミド転化が終了するまで加熱してもよい。得られたベルトを円筒状金型より剥離して取り出し、上記ベルトの外周面に、直接離型外層を形成してもよく、上記ベルトの外周面にプライマーを塗布してプライマー層を形成した後、その外周面に離型外層を形成してもよい。円筒状金型からポリイミド樹脂層を剥離する方法としては、例えば円筒状金型端部の周壁面に予め設けられた微小貫通孔に空気を圧送する方法等が挙げられる。なお、ポリイミド樹脂層を形成する円筒状金型内周面等に予めシリコーン樹脂等による離型処理を施しておけば、管状内層の剥離作業性が向上し、好ましい。
【００３６】
前記プライマー層は、例えば得られたポリイミド樹脂層外表面にプライマー溶液を塗布する方法により形成することができる。塗布方法としては、例えばロールコート、刷毛塗り、スプレーコート等が挙げられる。
【００３７】
前記離型外層は、前記ポリイミド樹脂層または前記プライマー層の外表面に被着する方法、溶液状（ディスパージョンを含む）のフッ素樹脂を前記ポリイミド樹脂層または前記プライマー層の外表面に被覆する方法等により形成することができる。溶液状のフッ素樹脂溶液を被覆する方法としては、例えばスプレーコート、スピンコート、ロールコート、刷毛塗り等の方法が考えられる。塗布と加熱の手順としては、離型外層にボイドが発生するのを防ぐため、フッ素樹脂外層を塗布してフッ素樹脂溶液中の溶媒を除去した後、フッ素樹脂の融点以上に昇温してフッ素樹脂外層を形成することができる。また、この時ポリイミド樹脂層のイミド転化を同時に行ってもよい。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明の構造と効果を具体的に示す実施例について説明する。なお、実施例等における試験・評価項目は下記のようにして測定を行った。
【００３９】
＜評価試験方法＞
１．熱伝導率
厚さ０．１ｍｍのベルト片について、熱伝導率測定装置（京都電子社製）を使用して測定した。
【００４０】
＜実施例１＞
Ｎ−メチル−２−ピロリドン７２３ｇ中に平均粒径３０μｍのグラスバブルズ（住友スリーエム社製）１９ｇを分散し、これにｐ−フェニレンジアミン４１ｇと３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物１１２ｇを溶解（固形分濃度２０ｗｔ％）し、窒素雰囲気中において室温で攪拌しながら反応させて、３０００ポイズのポリアミド酸溶液を得た。内径３０ｍｍの円筒状金型の内面に上記ポリアミド酸溶液を塗布後、弾丸状走行体を自重により落下させた後、塗膜中の気泡を除く脱泡を行い、均一な塗膜面を得た。次いで該金型を１５０℃から段階的に加熱して溶媒除去後、室温で金型から剥離し、厚さ８０μｍのシームレスベルトを得た。ＰＦＡディスパージョン（固形分濃度３５ｗｔ％）を１２時間攪拌してフッ素コート液を得た。上記のようにして得られたベルトに、スプレーによってプライマーをコートした上にフッ素コートして、有効長５００ｍｍの耐熱成形型に挿入して４００℃、２０分間焼成を行い、閉環水の除去、イミド転化完結反応を行い、１０μｍのフッ素樹脂離型外層を有する定着ベルトを得た。得られたベルトの熱伝導率は０．４Ｗ／ｍ・Ｋであった。このベルトを定着ユニットに搭載し、待機時間の平均消費電力を算出したところ、１６１Ｗ／ｈであった。
【００４１】
＜比較例１＞
ポリアミド酸溶液中にグラスバブルズを添加しなかった以外は実施例１と同様にして、１０μｍのフッ素樹脂離型外層を有する定着ベルトを得た。得られたベルトの熱伝導率は０．７Ｗ／ｍ・Ｋであった。このベルトを定着ユニットに搭載し、待機時間の平均消費電力を算出したところ、１２２Ｗ／ｈであった。