(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン繊維を内在するプリプレグ材よりなる表面層と、該表面層の内側に配設され電気供給部に連絡する、カーボン繊維を内部に並設するプリプレグ材よりなる発熱部とを備えたヒーティングローラであって、
発熱部はプリプレグ材を積層し、積層するプリプレグ材は一層目のプリプレグ材に内在するカーボン繊維の並設方向に対して、カーボン繊維の並設方向を異ならせて積層するとともに、発熱部は積層するプリプレグ材間のカーボン繊維の積層角度により電気抵抗値を調整することを特徴とするヒーティングローラ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィルム、布地、紙等を熱処理するローラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カレンダローラ、ラミネータローラ、定着ローラ等の熱ローラは、金属パイプの内部にヒータを埋め込み間接的に外周のパイプを加熱する方法を採用していたが、表面温度が不均一になりやすく、フィルム等の熱加工には不向きであった。
そこで、表面の熱分布状態の均一化を向上させるため、パイプ内に液体等の熱媒を循環させる方法、および熱媒循環方法に誘導加熱方法を組み合わせた方法等がとられているが、これらの方法は付帯装置が煩雑となり、またパイプ重量も増大し、駆動系も含め極めて高価なものとなってしまった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、均一な表面温度を有し、軽量であるヒーティングローラを安価に提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明のヒーティングローラは、高い引っ張り強度および高い弾性率を有するカーボン繊維を内在するプリプレグ材よりなる表面層と、表面層の内側に配設され電気供給部に連絡する高い電気抵抗値を有するカーボン繊維を内在するプリプレグ材よりなる発熱部とを基本的構成として備えている。
【０００５】
そして、発熱部はプリプレグ材を積層し、積層するプリプレグ材は一層目のプリプレグ材に内在するカーボン繊維の並設方向に対して、カーボン繊維の並設方向を異ならせて積層するとともに、発熱部は積層するプリプレグ材間のカーボン繊維の積層角度により電気抵抗値を調整する構成を具備する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明のヒーティングローラの実施の形態を図面により説明する。
実施の形態１
図１はヒーティングローラ１０の平面図、図２は図１Ａ部の断面図、図３は図１Ｂ部の断面図である。
ヒーティングローラ１０は中心軸１１と、中心軸１１の周縁に配設するヒートパイプ１３と、電気供給部３０を有する。
ヒートパイプ１３は中心軸１１に対してベアリング１２を介して回転自在に配設されている。
ヒートパイプ１３は筒状のパイプ本体１５とパイプ本体１５を中心軸１１に取り付ける取付部１７とよりなる。
【０００７】
ヒートパイプ１３のパイプ本体１５は、この実施例においては、内径寸法γを９６φ、周長Ｗは３０２ｍｍとするパイプであって、内側の第１の層に硝子クロスプリプレグよりなる絶縁第１の層１５１を配設する。絶縁第１の層１５１の上面に高抵抗値を有するカーボンプリプレグ材よりなる発熱層１５３を積層する。
発熱層１５３を構成するカーボンプリプレグ材は、高い電気抵抗値を有するカーボン繊維を均一に同一方向に併設している。
【０００８】
発熱層１５３の上面には絶縁第２の層１５５を介して高強度を有するカーボンプリプレグ材を１０層積層している。
【０００９】
絶縁第１の層１５１の取付部方向両端部分には電極層２０を配設している。
電極層２０は金属材料よりなりなり、絶縁第１の層１５１に埋設され、一面を発熱層１５３に接触している。
各プリプレグは耐熱性の高いエポキシ、ポリイミド等の熱硬化性樹脂が含浸されており、各プリプレグをマンドレル（芯金）に積層後、ポリエステルテープ等の熱収縮性のテープを、パイプ状の積層体の外周に捲き付け、温度１８０℃で２時間加熱硬化を実行し、パイプ本体１５を構成する。
【００１０】
ここで、カーボン繊維の特性を表１に示す。
【表１】
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【００１１】
この表に示すように、（１）に示す高い電気抵抗値を有するカーボン繊維は（２）に示す通常のカーボン繊維に比較して固有抵抗値は約４０倍以上の値となっている。
（２）に示す通常のカーボン繊維は固有抵抗値は低いけれど、高い強度（引っ張り強度、引っ張り弾性）を有しており、高い電気抵抗値を有するカーボン繊維に比較して引っ張り強度においては５倍以上、引っ張り弾性は３．５倍となっている。
【００１３】
次に、これらの特性を有するカーボン繊維を同方向に並設して加熱硬化させたプリプレグ材の特性をみる。
【表２】
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【００１４】
高強度カーボン繊維を内在するプリプレグ材は、高抵抗値を有するカーボン繊維を内在するプリプレグ材に比較して、引っ張り弾性率は３倍程度強い。また、高抵抗値を有するカーボン繊維よりなるプリプレグ材は通常のカーボン繊維よりなるプリプレグ材に比較して４倍以上の電気抵抗値を有している。
そこで、この発明のヒーティングローラ１０のパイプ本体１５は、高い電気抵抗値を有するプリプレグ材を発熱層１５３とし、高弾性、高強度特性を有するプリプレグ材を表面層１５７として、補強している。
【００１５】
このように構成されるパイプ本体１５を取付部１７に取り付ける。
取付部１７は、中心軸１１のベアリング１２に連結され、パイプ本体１５を支持する支持部１７１と、支持部１７１に載置され、電極２０と電気供給部３０とを電気的に連絡する金属板１７３と、パイプ本体１５の端縁部分を被覆するカバー１７５を有している。
電気供給部３０と金属板１７３はベアリング３３を介して連結されており、ヒートパイプ１３は中心軸１１、電気供給部３０に対してベアリング１２，３３により回転自在に構成されている。
【００１６】
この構成よりなるヒーティングローラ１０は、電気供給部３０から電極２０に電圧を掛けた場合、高い抵抗値を有する発熱層１５３が発熱する。
この場合の電極２０間の発熱層１５３の電気抵抗値は次のようになる。
１６．９×１０００／３０２＝５６Ω    （Ｌ＝１０００、Ｗ＝３０２）
ここで、電気供給部３０の供給電圧を１００Ｖとすると、５６Ωの抵抗値を有する発熱層１５３の消費電力量は、発電量約１８０Ｗとなる。
【００１７】
また、この構成よりなるパイプ本体１３の重量は１ｍ当たり約９９０ｇである。また、同一剛性のパイプ（外径１００φ、内径９７．５６φ）を鉄で製作した場合、１ｍ当たりの重量は２．９５Ｋｇであった。
【００１８】
すなわち、本発明のパイプ本体は鉄製のパイプに比較して、約６４％の軽量化となっている。
この構成よりなるヒートパイプ１３は電気供給部３０から電気が供給されたとき、金属板１７３を介して電極２０に通電され、電気抵抗値が高い発熱層１５３を発熱させる。発熱層１５３の熱は熱伝導により表面層１５７を加熱する。
例えば、電気供給部３０の供給電圧１００Ｖのとき、表面層１５７の温度は１８０℃となった。
このように、この実施の形態におけるヒーティングローラ１０は、高い抵抗値を有するカーボン繊維を加熱硬化させた合成樹脂素材を発熱層１５３に用いることにより、確実で均一な加熱が実行できると共に、軽量となり、操作がしやすい。
【００１９】
実施の形態２
この実施の形態は発熱層の積層構造を変更している。
図５はこの実施の形態のヒーティングローラの構成断面図、第６図は発熱層の積層状態の説明図である。
ヒーティングローラ５０は筒状のパイプ本体５５とパイプ本体５５を中心軸１１に取り付ける取付部５７とよりなるヒートパイプ５３と、ヒートパイプ５３に電気を供給する電気供給部３００を有している。
【００２０】
ヒートパイプ５３はキー７０を介して、中心軸１１に一体的に取り付けられており、モータ等により駆動ローラとなっている。
ヒートパイプ５３のパイプ本体５５は、例えば、内径寸法γを９６φ、周長Ｗを３０２ｍｍとするパイプであって、発熱層は硝子クロスプリプレグよりなる内側第１の層５５１と、内側第１の層５５１と同様な素材で形成される絶縁第２層５５７とで挾持されている。
【００２１】
発熱層は高抵抗値を有するカーボンプリプレグ材よりなる第１の発熱層５５３と、高抵抗値を有するカーボンプリプレグ材よりなる第２の発熱層５５５が積層されて形成されている。
そして、第１の発熱層５５３と第２の発熱層５５５は、カーボン繊維の並設方向を異ならせて積層している。
すなわち、第１の発熱層５５３はカーボン繊維の並設方向を矢印αで示すように、θ＝＋６０°、第２の発熱層１５５のカーボン繊維の並設方向は矢印βで示すように、θ＝−６０°となるように積層する。……図６参照
【００２２】
ここで、積層するカーボンプリプレグ材のカーボン繊維の並設角による電気抵抗値の変化をみる。……図７参照
このグラフによると、積層するカーボン繊維プリプレグ材の第１層と第２層のカーボン繊維の角度（θ）が大きくなると、積層体の抵抗値は大きくなっている。そして、この実施の形態で実行する角度θを６０度とした場合、積層体の抵抗値は４０となっている。
【００２３】
さらに、第２の発熱層５５５の上面に絶縁第２の層５５７を介して高強度を有するプリプレグ材を積層して表面層５５９を構成し、実施の形態１と同様に熱収縮性のテープを積層パイプの外周に捲き付け、温度１８０℃で２時間加熱硬化してパイプ本体５５を形成している。
【００２４】
このヒーティングローラ５０においても、絶縁第１の層５５１の両端部分には電極層６０を配設している。そして、電極間隔Ｌを１０００ｍｍ、電極の長さＷを３０２ｍｍとしたとき、電極６０間の発熱層５５３，５５５の抵抗値を図７のグラフを参照して計算すると、第１の発熱層５５３と第２の発熱層５５５の積層角度θを６０度としたとき、
４０×１０００／３０２＝１３２Ω
となる。
そして、このヒーティングローラ５０の電気供給部３００への供給電圧を１００Ｖとすると、金属板５７３を介して電極６０間の発熱層の消費電力量は約７６Ｗであった。
【００２５】
この実施の形態では発熱層を高抵抗カーボン繊維プリプレグ材を２層構造とし、カーボン繊維の積層角度を６０度した例を示したが、電極間の発熱層の抵抗値はカーボン繊維の積層角度を調整する、あるいは高抵抗カーボン繊維プリプレグ材の層厚を調整する、または積層数を変えることにより、任意の抵抗値を得ることができる。
さらに、ヒーテイングローラの剛性は、表面層（表層側）の高弾性、高強度のプリプレグ材の厚さを変えることにより、任意の強度、剛性が得られる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のヒーティングローラは、発熱体として、高抵抗率を有するカーボン繊維を所定の厚み、角度に積層したものを用いることにより発熱部の簡素化及び軽量化の向上を図っている。
更に高強度、高弾性率カーボン繊維を表面補強材として配設することによりヒーティングローラの強度、剛性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒーティングローラの平面図。
【図２】図１Ａ部の断面図。
【図３】図１Ｂ部の構成説明図。
【図４】発熱層の説明図。
【図５】実施の形態２のヒーティングローラの要部の構成説明図。
【図６】実施の形態２の発熱層の説明図。
【図７】発熱層の積層角による発熱層の抵抗値の変化を表すグラフ。
【符号の説明】
１０、５０  ヒーティングローラ
１１  中心軸
１２  ベアリング
１３、５３  ヒートパイプ
１５、５５  パイプ本体
１５１、５５１  絶縁第１の層
１５３、５５３、５５５  発熱層
１５５、５５７  絶縁第２の層
１５７、５５９  表面層
１７  取付部
１７１  支持部
１７３、５７３  金属板
１７５  カバー
２０、６０  電極
３０、３００  電気供給部
７０  キー
【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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