(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス金属と黒鉛化炭素繊維の織物状シートとを一体的に形成した中空の炭素繊維強化金属コアロールのロール軸方向両端部はマトリックス金属からなり、該両端部の少なくとも内周面が切削加工されてフランジの外周面と接着剤を介して接合されており、前記中空の炭素繊維強化金属コアロールの少なくとも外表面にフッ素含有樹脂及び／またはフッ素ゴムからなる離型層が設けられていることを特徴とする電子写真用定着ロール。
【請求項２】
マトリックス金属が、アルミニウム、または鉄であることを特徴とする請求項１に記載の電子写真用定着ロール。
【請求項３】
炭素繊維強化金属コアロールの表面と離型層との間にシリコーンゴムからなる弾性体層を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子写真用定着ロール。
【請求項４】
未定着トナー像を通過させる定着ニップ域を形成するために、加熱ロールと加圧ロールの少なくとも一方を備えた定着装置において、加熱ロールと加圧ロールの少なくとも一方が請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電子写真用定着ロールからなることを特徴とする定着装置。
【請求項５】
前記加熱ロールと前記加圧ロールが圧接対向する定着用ロール対を有し、両ロールの接触部分で形成される定着ニップ域に未定着トナー像を通過させ、熱と圧力により定着する定着装置において、両ロールのうち少なくとも加熱ロールが請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電子写真用定着ロールからなることを特徴とする請求項４に記載の定着装置。
【請求項６】
加熱ロールと該加熱ロールを圧接する加圧ベルトおよび該加圧ベルトを背後から加圧する加圧ロールとを備え、前記加熱ロールおよび前記加圧ベルトにより形成されるニップ域に未定着トナー像を通過させ、熱及び圧力によって定着する加熱加圧型定着装置において、前記加熱ロールが請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電子写真用定着ロールからなることを特徴とする定着装置。
【請求項７】
少なくとも表面が耐熱性及び離型性を有する加熱ベルトと該加熱ベルトを内側より圧接する加圧部材および該加圧部材に対抗する位置に加圧ロールを備え、前記加熱ベルト、前記加圧部材および前記加圧ロールにより形成されるニップ域に未定着トナー像を通過させ、熱及び圧力によって定着する加熱加圧型定着装置において、前記加圧ロールが請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電子写真用定着ロールからなることを特徴とする定着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は粉体トナーを用いた電子写真複写装置、電子写真プリンタなどの画像形成装置の定着装置に用いられる定着ロールに関する。さらに本発明は定着装置に係わり、特に装置の小型化並びにウォームアップタイムを大巾に短縮し、省エネルギを可能とする定着装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子写真プロセスを利用した複写機等においては、記録シート上に形成された未定着トナー像を定着して永久画像にする必要があり、その定着法として溶剤定着法、圧力定着法、及び加熱定着法が知られている。
しかし溶剤定着法は、溶剤蒸気が発散し、臭気や衛生上の問題が多いという欠点を有しており、一方、圧力定着法についても他の定着法と較べて定着性が悪く、かつ圧力感応性トナーが高価である欠点を有しており、共に広く実用化されていないが現状である。
このため、未定着トナー像の定着には、一般に加熱によってトナーを溶融させ、記録シート上に融着させる加熱定着法が広く採用されている。
【０００３】
そしてこの加熱定着装置としては、円筒状芯金の内部にヒータアンプを備え、その外周面に耐熱性離型層を形成した定着ロールと、この定着ロールに対し圧接配置され、円筒状芯金の外周面に耐熱弾性体層を形成した加圧ロールとから構成され、これらのロール間に未定着トナー像が形成されたシートを挿通させて定着を行う加熱定着ロール方式のものが知られており、これは他の加熱定着法である熱風定着方式やオーブン定着方式と較べて熱効率が高いため、低電力、高速性に優れ、しかも、紙詰まりによる火災の危険性も少ないことなどから、現在最も広く利用されている。
【０００４】
ところで、従来の定着ロール方式の定着装置においては、定着ロールの表面温度を室温から所定の設定温度まで上昇させるのに必要な時間( 以下ウォームアップタイムと言う) は1 〜10分という長い時間を必要としていた。ウォームアップタイムは単純にはロールの熱容量と投入電力関係で決定される。
つまり、ロール熱容量が小さくて投入電力が大きければウォームアップタイムは短縮できるが、ロール熱容量はロール剛性により、また投入電力は機械の消費電力からの制約上限界が存在する。よって、一般的には定着専用に投入可能な電力は300W〜1200W 程度であり、この範囲でウォームアップを短縮するにはロール熱容量を小さくするのが最も効果的である。しかし、ロール熱容量を小さくするために、ロール径やロールコアの肉厚を減少していくと、ロールの強度も弱くなる傾向にある。
因みに、ロール熱容量はロール径の2 乗に比例するのに対し、ロール剛性はロール径の4 乗に比例する。このため、あるロール径以下になると急激にロール剛性が小さくなって、ロールが大きく撓んでしまい、定着に必要な荷重が得られなくなる。
【０００５】
これらを解決する為に、各種ロール強度補強技術や各種ロール橈み補正技術が提案されている。例えば、特開昭59-30571号公報や実開昭59-128665 号公報は小熱容量の薄板により構成されるスリーブの内部に、熱絶縁体を介してスリーブを支持する1 ケまたは2 ケ以上の内ワクを両支持間に配して可撓性を有するようにしたロール強度補強技術が提案され、特開昭56-60471号公報は、加圧軸に円盤を支点部材として嵌め込み、上下の中空パイプロール対の中にこの加圧軸をに入れて両端部に荷重をかけ加圧部軸を撓ませ、中空パイプロール対に均一な圧力を得るようにしたロール橈み補正技術が提案されている。この他、特開平4-44074 号公報、特開平4-44075 号公報、特開平4-372974号公報は、エンドレスフィルムやベルトの内側に固定した加熱圧接部材を配置し均一な加熱加圧部を得ようとする技術が開示されており、特開平6-43775 号公報は、内部に抵抗発熱体を収容する中空のヒートロールにプレッシャー部材を一定圧力で押しつけ、抵抗発熱体はヒートロールの内周面に対応する円弧状の凸部を形成した伝熱プレートを有しており、熱は伝熱プレートを介して、ヒートロールを加熱する構造のものか開示されている。これらの技術はいずれも、金属ロールそのものの強度を向上させたものではないので、長期的には金属疲労による短ライフ問題がある。
【０００６】
一方、ロールを炭素繊維などの強化繊維により機械的強度を大きくしたロールや定着装置が開示されている。例えば、実開昭61-024765 号公報には、記録シート上の未定着像を、一対の相接回転するロール間のニップ部にして圧力定着させる定着装置において、前記ロールのうち少なくとも一方が炭素繊維強化表面層を有する技術が開示されており、炭素繊維強化表面層とは樹脂マトリックスに炭素繊維を分散強化させたものである。しかし、この定着装置で使用される圧力定着用のトナーは、ワックスを主体とするものや常温付近の温度で液体状の樹脂とオイルの混合物を常温で固体である樹脂層で覆ったマイクロカプセルトナー等の特殊トナーが必要であり、一般的にはあまり用いられていない。
【０００７】
また  実公昭58-48684号公報では、絶縁性・耐熱性を有するロール本体と、このロール本体上に高分子材料のバインダーを用いて炭素繊維を一定方向に揃えて一体的に形成してなる発熱体と、この発熱体を被覆する離型性層とからなる熱定着ロールーが開示されている。
前記熱定着ロールも樹脂層を強化しているので金属ロール以上の機械的強度にすることは難しく上述の加熱定着装置に使用しても定着ロールコアの薄肉化ができない。また熱伝導率も金属に比べ悪くなり加熱時間の短縮とはならない。
【０００８】
また、特開平6-207614号公報では、表面に樹脂皮膜を一体的に形成してなる炭素繊維強化樹脂性製ロールにおいて、炭素繊維強化樹脂を構成する樹脂の2 次転位点(Tg)未満の温度で焼付け硬化が可能な共重合性含フッ素系モノマーとシリコンマクロモノマー及び他の共重合可能なビニル系単量体を共重合して得られるフッ素・シリコン含有ポリマーを、表面に一体的に被覆形成せしめたことを特徴とするインキ剥離性良好な炭素繊維強化樹脂性製ロールが開示されている。この炭素繊維強化樹脂性製ロールも樹脂層を強化しているので金属ロール以上の機械的強度にすることは難しく上述の加熱定着装置に使用しても定着ロール薄肉化ができない。上の例では樹脂を炭素繊維により強化したロールであるので、樹脂自体の耐熱温度が必要であり使用樹脂が熱硬化性の耐熱樹脂などに限定され、炭素繊維と一体化するための製造コストも高くなる。
【０００９】
金属を炭素繊維により強化したロールとしては、特開平7-206241号公報にはマトリックス金属が黒鉛化炭素繊維にて強化された金属製パイプまたは金属製中実軸の表面に、前記マトリックス金属とは異なる材質の被覆層が形成されてなる繊維強化金属製ロールが開示されている。この繊維強化金属製ロールの場合、金属コアロール以上の機械的強度にすることが容易でかつ耐熱性十分であるという長所を有している。このため上述の加熱定着装置に使用すると定着ロール薄肉化ができ加熱時間の短縮が図れる。
しかし高速印刷機、フィルムコーティングマシン等の業界に用いられる、コンタクトロール、搬送ロール、ニップロールのなどにおいて使用されるロールであるため、上述の加熱定着装置に使用するとトナーのオフセットが生じやすい。
【００１０】
以上述べたように従来技術においては、ロール材の機械的強度を大きくしながら、ロールの肉厚を薄くすることにより定着ロールの熱容量を十分小さくし、かつオフセットの発生を防止できる定着ロールはなかった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、上述の従来技術の問題点を鑑みて、従来のアルミニウムや鉄製の金属ロールに比べロール厚さを薄くしても同等以上の機械的強度を有することができ、かつトナーのオフセットを防止できる電子写真用定着ロールを提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、未定着トナー像を通過させる定着ニップ域を形成するために、加熱ロールと加圧ロールの少なくとも一方を備えた定着装置において、従来よりも定着ロールの熱容量を小さくして加熱時間を短くした消費電力の少ない電子写真用の定着装置を提供することにある。
【００１２】
本発明に係る電子写真用定着ロールは、マトリックス金属と黒鉛化炭素繊維の織物状シートとを一体的に形成した中空の炭素繊維強化金属コアロールのロール軸方向両端部はマトリックス金属からなり、該両端部の少なくとも内周面が切削加工されてフランジの外周面と接着剤を介して接合されており、前記中空の炭素繊維強化金属コアロールの少なくとも外表面にフッ素含有樹脂及び／またはフッ素ゴムからなる離型層が設けられていることを特徴とする電子写真用定着ロールである。
また、本発明に係る定着装置は、（１）未定着トナー像を通過させる定着ニップ域を形成するために、加熱ロールと加圧ロールを備えた装置において、加熱ロールと加圧ローの少なくとも一方を前記電子写真用定着ロールの構成としたものであり、（２）加熱ロールと該加熱ロールを圧接する加圧ベルトおよび該加圧ベルトを背後から加圧する加圧ロールとを備え、前記加熱ロールおよび前記加圧ベルトにより形成されるニップ域に未定着トナー像を通過させ、熱及び圧力によって定着する加熱加圧型定着装置において、前記加熱ロールを前記電子写真用定着ロールの構成としたものである。
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
本発明の定着ロールは、マトリックス金属と黒鉛化炭素繊維の織物状シートとを一体的に形成した中空の炭素繊維強化金属コアロールのロール軸方向両端部はマトリックス金属からなり、該両端部の少なくとも内周面が切削加工されてフランジの外周面と接着剤を介して接合されており、前記中空の炭素繊維強化金属コアロールの少なくとも外表面にフッ素含有樹脂及び／またはフッ素ゴムからなる離型層が設けられている。
【００１４】
前記黒鉛化炭素繊維強化金属コアロールは、炭素鋼など中子ロールに黒鉛化炭素繊維の織物状シートを巻付け、公知の方法で一体化する。例えば、溶融した金属マトリックス金型に高圧で流し込み鋳造成型する高圧鋳造法、または金型に黒鉛化炭素繊維の織物状シートを入れた後、高圧で溶融した金属マトリックス金型に高圧で流し込むスクイーズキャティング法、あるい中子ロールなどに黒鉛化炭素繊維の織物状シートを巻付け、この上に気相金属を蒸着する低圧プラズマ析出法などで金属と黒鉛化炭素繊維の織物を一体的に形成することができる。ここで、金属マトリックスには、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、銅、マグネシウムまたはマグネシウム合金、チタンまたはチタン合金、等が利用できる。これらの金属の中で、加工性と耐熱性を重視する場合には、鉄、銅などが好適に用いられる。黒鉛化炭素繊維の織物を一体形成の容易さから融点の比較的低いアルミニウム、アルミニウム合金が好ましく、機械的強度を大きくする観点からはアルミニウムとチタンやマグネシウムの合金、鉄などが好ましい。したがって、加工性、コスト等を考慮すると、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄が好ましい。
【００１５】
また、通常、強化繊維としては、黒鉛化炭素繊維の他、Roron 、SiC 、Al2 O 3、Be、W 等が挙げられるが、繊維の外径が太いと金属の肉厚の薄いものでは、厚みムラとなるため、本発明においては、繊維の外径が小さい黒鉛化炭素繊維が使用される。黒鉛化炭素繊維の織物状シートは、高温度(2000 ℃）で炭化焼成して不純物を取り除いた直径5 〜10μm の黒鉛化炭素繊維を1000〜20000 本程度を束ねた糸を織物状に編み合わせシート状にしたものが好ましい。黒鉛化炭素繊維の織物状シートは、成型作業の容易性のため、1000本単位の織物が良い。具体的には三菱レイヨン社製パイロフィル、東レ社製トレカなどの織物状シートが使用できる。繊維の方向性は、必ずしも重要でなく、要は炭素繊維を一定方向に揃えて配置した点が重要である。それゆえ、炭素繊維の方向は、コアロールに対し直交する方向であっても良く、更には斜行する方向であってもよい。
【００１６】
前記黒鉛化炭素繊維強化金属ロール中の黒鉛化炭素繊維の重量比は、10〜70wt% が好ましく、より好ましくは30〜50wt% である。重量比が10wt% 未満であると機械的強度を大きくすることができず、重量比が70wt% を越えると炭素繊維間を結合する金属マトリックスが少なくなり炭素繊維間の結束力が弱くなり、機械的衝撃でロールに亀裂などの破損が生じやすくなるためである。
上述の方法で作製された黒鉛化炭素繊維強化金属ロールは、仕上がり寸法に近い大きさで外径の真円度を出すため高速回転研磨ロールなどで表面加工とロール端部のフランジ接合部分の内径の真円度を出すため同様な加工を行う。このようにして黒鉛化炭素繊維強化金属ロールが作製され定着コアロールができる。
【００１７】
この際、炭素繊維は硬いので加工により炭素繊維を削り表面を平滑にすることは、コアロール肉厚が0.2 〜3.0mm と薄い場合、研磨加工などの表面加工でロールに大きな負荷を加えるとができないため難しい。ロールの外面にはさらに低表面エネルギーの離型層を設けるため平滑性はあまり必要ないが、ロール端部のフランジ接合部分のロール内面は、フランジ接合の強度を強くするため、加工後に炭素繊維が残って平滑性がないことは好ましくない。従って中空ロールの端部のフランジ接合部分を除く部分で炭素繊維の織物状シートが金属と一体的に形成され、フランジ接合部分が金属のみからなると、内面加工が容易になり好ましい。
【００１８】
中空の炭素繊維強化金属コアロールの表面に形成される離型層は、フッ素含有樹脂及び／またはフッ素からなる。この離型層は、炭素繊維強化金属コアロールの表面に耐熱プライマーを塗布した後、各種公知のスプレー塗装、コーティング、チュービングなどの方法で形成できる。離型層の表面エネルギーとして約25dyn/cm以下のものが望ましく、フッ化カーボンやパーフロロカーボン等が6dyn/cm であることが報告されており、離型層には、これらのカーボンを含むものであってもよい。フッ素含有樹脂層を形成する場合には、厚さは熱伝導性を悪くしないために薄い方が好ましく、長期使用による磨耗やキズが発生してもフッ素含有樹脂層が残って定着コアロール表面がむき出しにならないためには厚いほうが好ましい。これらの点から、離型層は通常10〜40μm 程度が好ましい。
【００１９】
フッ素含有樹脂層は、4 フッ化エチレン樹脂(PTFE 樹脂) 、4 フッ化エチレン- パーフルオロアルコキシエチレンン共重合体(PFA樹脂) 、4 フッ化エチレン-6フッ化エチレンプロピレン共重合体(PFE樹脂) 、アモルファス環状フッ素樹脂などの離型性及び耐熱性にすぐれたフッ素樹脂を主体としたものであり、これらの樹脂に耐磨耗性の向上のためフッ化炭素粒子、カーボン粒子、シリカ粒子などの無機粒子を混合したものも使用できる。これらのフッ素樹脂混合物を静電塗装あるいは特殊溶媒で希釈溶液化してスプレーコ- ティング、ロールコート法、ディップ法、スピン法、その他でコートし、焼付け硬化して使用する。あるいは、熱収縮性の4 フッ化エチレン- パーフルオロアルコキシエチレンン共重合体(PFA樹脂) のチューブを加熱収縮させてフッ素含有樹脂層を炭素繊維強化金属コアロールの表面に形成した定着ロールを得ることもできる。
【００２０】
フッ素ゴムを使用する場合には、汎用のものが使用できる。フッ素ゴムとしては、フッ化ビニリデン系ゴム、四フッ化エチレン/ プロピレン系ゴム、四フッ化エチレン/ パーフロロメチルビニルエーテルゴム、フォスファゼン系ゴム、フロロポリエーテル等及びその他のフッ素ゴムが利用できる。これらは、それぞれ単独でもまたは2 種以上組み合せてもよい。そしてこれらのゴムには無機あるいは有機の各種充填剤が利用できる。
【００２１】
無機充填剤としては、カーボンブラック、酸化チタン、シリカ、炭化ケイ素、タルク、マイカ、カオリン、酸化鉄、炭酸カルシウム、ケイ酸カルシウム、酸化マグネシウム、黒鉛、窒化ケイ素、窒化ホウ素、酸化鉄、酸化アルミニウム、炭酸マグネシウム等があげられる。また有機充填剤としては、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンスルフィド等が利用できる。
その他離型層の下に、弾性層としてシリコーンゴムやフッ素ゴム、フロロシリコーンゴムなども形成することもできる。
【００２２】
図１は、本発明の電子写真用定着ロールの好ましい一実施の形態を示す断面図であり、図中、１は炭素繊維強化アルミコアロール、２は炭素繊維強化アルミ層、３はアルミ層、４は加熱源、５はフランジ、６はシリコーンゴム層、７はフッ素ゴム離型層である。
【００２３】
次に本発明の電子写真用定着装置の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。
図２は、本発明の電子写真用定着装置の好ましい一実施の形態を示す概略的構成図である。この定着装置はカラー像を得るのに好適であり、上記した電子写真用定着ロールとしての構成からなる加熱ロール２１とこれに圧接対向する加圧ロール２５とから主として構成されている。したがって、定着ロール２１は、マトリクス金属と黒鉛化炭素繊維の織物状シートとを一体的に形成した中空の炭素繊維強化金属コアロール２２の内部にヒータランプ２９を備え、炭素繊維強化金属コアロール２２の外周面に弾性体層２３ａと耐熱性のある低表面エネルギーの離型層２３ｂが形成されている。また、加圧ロール２５は、円筒状芯金２６の外周面に耐熱弾性体層２７が形成され、この耐熱弾性体層２７上に表面被覆層２８が形成されている。
なお、図１中、３０は加熱源、３１は離型剤塗布装置、３２はインレットシュート、３３はアウトレットシュートである。
【００２４】
この定着装置では、加熱ロール２１と加圧ロール２５により定着ニップ域が形成される。この際、加熱ロール２１と加圧ロール２５の圧力として、1 〜15Kg/cm2、好ましくは3 〜10Kg/cm2を印加し、未定着トナー像３５の形成されたシート３４を挿通させて定着を行う加熱定着ロール方式のもので、シートが定着ロールに巻き付くことを防止するための分離爪や、定着ロールに付着したオフセットトナーを清掃するためのクリーング装置を配置しても良い。また、加圧ロール２５も加熱ロールと同様な構成からなるロールとすることもできる。
【００２５】
図３は本発明の定着装置の他の好ましい実施の形態を示す概略的構成図であり、この装置は、白黒画像を得るのに好適な定着装置である。
図３において、４１は加熱ロール、４２は加圧ロール、４３はアルミコアロール、４４はシリコーンゴム弾性層、４５は分離爪、４６はクリーニングウエブ、４７は温度センサー、４８は未定着トナー像、４９は用紙をそれぞれ示す。
この定着装置においては、加熱ロール４１は、弾性を有するトナー像を定着するため、ロール表面はある程度の硬度を有することが好ましく、そのため、シリコーンゴムからなる弾性体層は必ずしも必要ではない。したがって、加熱ロール４１は炭素繊維強化金属コアロール４１ａ外周面にフッ素系樹脂またはフッ素系ゴムからなる離型層４１ｂを有するロール構成でよく、加圧ロール４２側は、アルミコアロール４３にシリコーンゴム等の弾性体層４４を有していてもよく、また、炭素繊維強化金属コアロール外周面にシリコーンゴム等の弾性体層を有していてもよい。
【００２６】
図４は本発明の定着装置の更に他の好ましい実施の形態を示す概略的構成図である。図４において、５１は加熱ロール、５２は加圧ロール、５３はテンションコントロールロール、５４は搬送ベルト、５５は加熱ランプである。
加熱ロール５１は、炭素繊維強化金属コアロール５１ａ外周面にシリコーンゴムからなる弾性体層５１ｂ、フッ素系樹脂またはフッ素系ゴムからなる離型層５１ｃを有するロール構成からなる。
【００２７】
図５は本発明の定着装置の更に他の好ましい実施の形態を示す概略的構成図であり、熱転写ベルト型定着装置を示す。図５において、６１はポリイミドなどの耐熱性ベルトを支持体として、その上に離型層としてPFA などの低表面エネルギー層を形成したものであり、６２および６５は加圧ロールである。６３は加圧ロール６２の中にあって、テフロンなどの低摩擦部材からなる６３a を先端部に位置した加圧部材である。６４は加熱ランプ、６７はコアロール、６６はシリコーンゴム層、６８は剥離爪、６９はインレットシュート、７０は未定着トナー、７１は用紙である。
加圧ロール６２は、外表面を炭素繊維強化コアロールの表面に２０μｍ厚さのフッ素ゴムからなるゴム層を有し、加圧ロール６５は炭素繊維強化コアロールの表面にシリコーンゴム層からなる弾性体層を有している。
【００２８】
図６は本発明の定着装置の更に他の好ましい実施の形態を示す概略的構成図であり、ベルトとロールの中間的な厚みのロール型定着装置を示す。８２および８６は炭素繊維強化コアロールであり、それらの表面にフッ素ゴム、フッ素樹脂等がコートされた離型層８１、８５が形成されている。８３，８７はテフロンなどの低摩擦部材からなる８３a 、８７a を先端部に位置した加圧部材である。８４は加熱ランプ、８８は剥離爪、８９はインレットシシュート、９０は未定着トナー、９１は用紙である。
【００２９】
（作用）
本発明の定着ロールは炭素繊維強化金属コアロールによって形成されるので、従来の加熱定着装置に用いられていたアルミ製、鉄製ロールに比べ曲げ弾性率などの機械的強度が向上するため、定着ロールの両端部に加えられ荷重が同じでも軸方向のロールの撓みや円周方向のロールの歪みが小さくなるため、厚さを薄く設定することができる。厚さを薄くすることによって定着ロールの熱容量を小さくしてウオームアップ加熱時間を短縮することができ、これによって従来の加熱定着装置より消費電力が少なくできる。
また、中空ロールのフランジ接合部分を除く部分で炭素繊維の織物状シートが金属と一体的に形成され、フランジ接合部分が金属のみからなるので、この金属部分の内面加工が容易となり、結果的に定着ロールの製造が容易となる。
【００３０】
本発明の定着ロールを用いた加熱定着装置は、特に高速の画像形成装置において消費電力の削減量が大きくなり有効である。これは以下に述べる事情による。定着ロール必要な曲げ弾性などの機械的強度は、定着ロールの直径と定着ロールに加わる荷重とでだいたい決まってくる。通常の加熱定着装置では定着ロールの直径は15〜100mm で、定着ロールに加わる荷重は3 〜300kgfの範囲にある。これらの値は特に画像形成装置の複写速度によって大きく異なり、また使用可能な最大の用紙の幅、トナーの材料などによっても多少異なる。一般的に画像形成装置の速度が大きくなればなるほど用紙の定着ニップ部の通過時間であるDwell Timeがあまり短くならないように定着ロールの直径を大きくしたり、またトナーを用紙に付着させる力を大きくするため、定着ロールに加わる荷重を増やし、定着ニップ部の圧力を大きくする必要がある。定着ロールの直径や定着ロールに加わる荷重が大きくなると、定着コアロールに必要な曲げ弾性などの機械的強度を大きくしないと、ロールの薄肉化が困難である。また、定着ロール表面を定着可能な設定温度するためのウオームアップ加熱時間は、同じ材質であればコアロールの厚さによって決まってくるので、よりコアロールの厚さが薄いほどウオームアップ加熱時間が短くなってくる。本発明の炭素繊維強化金属ロールの場合も、マトリックス金属の熱伝導率と比べあまり変わらないので、コアロールの厚さを薄くすることにより、ウオームアップ加熱時間を短くできる。
【００３１】
画像形成装置の速度が遅いものであれば、たとえば約80mm/s以下のスピードであれば、定着ロール直径は15〜20mmで荷重は10kgf 以下、定着ニップ部の圧力は1kgf/cm2程度の範囲に設定できる。この場合、定着ロールは従来のアルミ製ロールでコアロール厚さを1.5mm 以下に設定することができ、約60秒以下の待ち時間で定着可能な設定温度にすることができ、ウオームアップ加熱時間での消費電力は少ない。
【００３２】
しかし、画像形成装置の速度が300mm/s 以上の高速になると定着ロールに加わる荷重は約100 〜300kgfで、圧力は定着ニップ部の圧力として、5 〜10kgf/cm2 程度の範囲に設定にされる。この場合、定着コアロールの直径は約30mm以上必要となり、従来のアルミ製ロールにすると約4mm 以上の厚さに設定しなければならず、定着ロール表面を定着可能な設定温度するために約4 分以上のウオームアップ加熱時間がかかる。このため、高速機では通常画像形成を行っていない場合でも、定着ロールを所定の温度に加熱してスタンバイモードに設定されている。このため高速機では通常画像形成を行っていない場合でも、余分な電力が消費されている。
【００３３】
従って、本発明の定着ロールを用いた加熱定着装置は、特に高速の画像形成装置において消費電力の削減量が大きくなり有効である。
また、本発明の定着ロールの表面には、フッ素含有樹脂及び／またはフッ素ゴムからなるトナーの離型性にすぐれた低表面エネルギー離型層を設けてあるので、従来の熱定着トナーを用いても、オフセットが発生しない。
【００３４】
【実施例】
実施例１
次に本発明の一実施例について説明する。
(1) コアロールの作成
図１を基にコアロールの製造方法を説明する。定着ロールの製造方法は、まず炭素鋼製の中子( 外径37.0mm, 長さ400mm)の周囲に5 〜7 ミクロン径の炭素繊維6000本を1 束に引き揃えたリボン状の炭素繊維シート(CO6644B, 平織、トレカ、東レ社製) を中子の両端部分15mm（図１中のアルミ層３の部分）を避けて、周方向にスパイラル状に10重( 約2mm 厚) に巻付け、これを外径が44.05mm 、長さが400mm の鋳型の中にセットした後、アルミニウムの溶湯を注入加圧して鋳造し、外径44.0mm、長さ400mm の中実軸を作成した。繊維含有量は約33重量% と計算された。その後、上記中子を脱芯して、内径37.0mm、外径44.05mm 、厚さ3.5mm 、長さ370mm の炭素繊維強化アルミコア１のスリーブを作成した。両端15mmのアルミ層３の部分を切削加工し内径の真円度を出し、さらにこの部分を粉末状の炭素鋼で鏡面仕上げをした。この後、肉厚5mm 、外径37.0mm、炭素鋼S45C製のフランジ５をコアロールの両端部分に接着剤で接合し、炭素繊維強化アルミコアロールを作成した。
【００３５】
(2) 強度比較
この強化コアロールと、同じ材質のアルミで同じ寸法の未強化アルミコアロールとを曲げ剛性試験で比較テストした。未強化アルミコアロールの曲げ弾性率が5000Kg/mm2、比弾性が1.8 ×103 mmであったのに対し、上記強化コアロールは、曲げ弾性率が27000Kg/mm2 、比弾性が10×103 mmであり、曲げ弾性率、比弾性とも5 倍となっていることが分かった。
【００３６】
(3) 定着ロールの作成
その後、炭素繊維強化中空ロールを炭素鋼製ブラシロールで外径が44. 0mm をなるように研磨加工し、外径の真円度を出し、シリコーンゴム下地層をコートする準備とした。弾性体層としてのシリコーンゴムは、ゴム硬度55度のHTV 系シリコーンゴムを3mm の厚さに被覆し、ベースロールとした。さらに、その表面にフッ素ゴム用プライマーを塗布し、2 元系パーオキサイド系フっ素ゴムG-802(ダイキン工業社製) を40μm の厚さに形成し、弾性層がシリコンゴム、離型層がフっ素ゴムからなる加熱ロールを作成した。表面を研磨加工し光沢仕上げを行い、外径約50.0mm、内径44mm、長さ400mm の定着ロールを得た。
【００３７】
(4) 加圧ロールの作成
コアロールの上のシリコーンゴム弾性層の厚みを1mm とする以外は定着ロールと全く同様にして加圧ロールを作成した。
(5) 実機定着装置によるウオーミングア時間測定とコピーテスト
上記定着ロールと加圧ロールを図２に掲げた定着装置にインストールし、ウオーミングアップ時間測定とコピーテストを行った。コピー排出速度は150mm/sec で、荷重は130Kgfで2 つのロールが作り出すニップ幅は6.0mm 、定着ロールおよび加圧ロールのハロゲンランプ加熱手段の電力は650Wおよび525Wを投入し、設定温度を155 ℃とした。まず、室温20℃から設定温度までのウオーミングアップ時間は310 秒と大幅に短縮されて計測された。また、ニップ6.0mm に設定しても端部での異常な凹みやニップ形状は見られず、実際に未定着トナー画像を搬送しても問題なく定着することができた。
【００３８】
比較例1
(1) コアロールの作成
実施例1 と同じアルミ材料、同じ外径で厚みだけが異なり、7.5mm(内径は29mm) のコアロールを作成した。
(2) 強度比較
厚みの異なる未強化アルミコアロールと強化アルミコアロールを曲げ剛性試験で比較テストした。厚みが7.5mm の未強化コアロールの曲げ弾性率が21000Kg/mm2 、比弾性が7.8 ×103mm であったのに対し、厚みが3.5mm で強化アルミコアロールは、曲げ弾性率が27000Kg/mm2 、比弾性が10×103 mmであり、曲げ弾性率、比弾性とも約1.3 倍となっていることが分かった。
(3) 定着ロール及び加圧ロールの作成
実施例1 と全く同様に、上記のコアロールの表面にシリコーンゴム弾性層、フッ素ゴム離型層を順次形成させ、定着ロールおよび加圧ロールを作成した。
(5) 実機定着装置によるウオーミングア時間測定とコピーテスト
上記定着ロールと加圧ロールを図２に掲げた定着装置にインストールし、ウオーミングアップ時間測定とコピーテストを行った。各種条件は実施例1 と同じとした。ニップ6.0mm に設定しても端部での異常な凹みやニップ形状は見られず、実際に未定着トナー画像を搬送しても問題なく定着することができた。しかし、ウオーミングアップ時間は420 秒と大幅に長く計測された。
【００３９】
次に図２の構成の定着装置において、加熱ロールはコア上の上にＨＴＶ硬度６０°のＳｉゴム（３ｍｍ）の層を設け、更にその外表面にフリーオイルを５％含有したＨＴＶ系Ｓｉゴムを５０μｍ形成したロール（１）と、加熱ロールはコア上の上にＨＴＶ硬度６０°のＳｉゴム（３ｍｍ）の層を設け、更にその外表面にフッ素ゴムを４０μｍ形成したロール（２）とをそれぞれ作製し、耐摩耗性の比較テストをした。ｍ／ｃの速度は、１００ｍｍ／ｓｅｃ、チップ巾は各々６．０ｍｍとなるように調整し、トナーはＡｃｏｌａｒ用シアントナーをトナー量０．７ｍｇ／ｃｍ2 のせ、用紙はフジゼロックス（株）製Ｊ紙を使用した。設定温度は１６０℃とし、用紙を縦送りとし、ロールの巾中で用紙が触れる部分と触れない部分を作り、それぞれの摩耗の程度を測定した。
なお、離型剤はＡｃｏｌａｒ用Ｆｕｓｅｒオイルを１０μｌ／Ａ４コピーの量で供給した。その結果、２０００００コピー後のロール表面の通紙部と非通紙部の段差（用紙の摩耗のよるもの）は次の通りであった。
【００４０】
【表１】
0003929581.tif 000002
表１から、外表面がＳｉゴムのロールに比べて、外表面がフッ素ゴムのロールの方が耐摩耗性が高い。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の炭素繊維強化金属コアロールの少なくとも外表面に、フッ素含有樹脂及び／またはフッ素ゴムからなる離型層を設けた定着ロール及びそれを備えた定着装置は、コアロールの厚みを減らし熱容量を減らしながらも、強度を維持できるので、ウオームアップ加熱に要するエネルギー消費を減らすことができ、また、オフセットを防止することができる。また、本発明は、ロールとベルト両者のくみ合わせによる各種定着装置に対しても応用可能である。また、中空ロールのフランジ接合部分を除く部分で炭素繊維の織物状シートが金属と一体的に形成され、フランジ接合部分が金属のみからなるので、この金属部分の内面加工が容易であるため、定着ロールの製造を簡便に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の定着ロールの好ましい一実施の形態を示す概略的断面図である。
【図２】本発明の定着装置の好ましい一実施の形態を示す概略的構成図である。
【図３】本発明の定着装置の好ましい他の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図４】本発明の定着装置の好ましい更に他の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図５】本発明の定着装置の好ましい更に他の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図６】本発明の定着装置の好ましい更に他の実施の形態を示す概略的構成図である。
【符号の説明】
１      炭素繊維強化アルミコアロール
２      シリコーンゴム弾性体層
３      アルミ層
４      加熱源
５      フランジ
６      炭素繊維強化アルミ層
７      フッ素ゴム離型層
２１    加熱ロール
２５    加圧ロール
４１    加熱ロール
４２    加圧ロール
５１    加熱ロール
５２    加圧ロール
５４    搬送ベルト
６１    耐熱性ベルト
６２    加圧ロール
６３    加圧部材
６５    加圧ロール
８１    離型層
８２    炭素繊維強化コアロール
８３    押圧部材
８５    離型層
８６    炭素繊維強化コアロール
８７    押圧部材
【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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