エレクトロニクス

高強度高熱伝導ポリイミド定着チューブの開発
中島晋吾・内＊場鈴

木良昌・菅原木澤一

浩勇介・御守潤・溝口直樹晃

Development of High Strength and High Thermal Conductive Fixing-Film Sleeve ─ by Shingo Nakajima, Yusuke
Uchiba, Naoki Onmori, Yoshimasa Suzuki, Jun Sugawara, Akira Mizoguchi and Kazuhiro Kizawa ─ To meet thegrowing market demand for energy-saving business machines, Canon Inc. developed on-demand power-effective
laser beam printers (LBPs) using their new toner-fixing method. Since 1993, Sumitomo Electric has manufactured
fixing-film sleeves, indispensable components for the LBPs. Recently, the authors have developed an advanced
fixing-film sleeve applicable to high-speed printing systems. This sleeve is made of composite materials consisting ofhighly thermal conductive carbon nanofiber and tough polyimide resin. In this paper, the authors report thedevelopment of the sleeve in detail.
Keywords: laser beam printers, fixing-film sleeves, polyimide, carbon nanofiber

1.

緒

言

現在、省エネルギーによる環境負荷の低減は、多くの電子機器において共通の課題であり、OA 機器に関しても、その例外ではない。電子写真方式を採用したレーザービーがあり（スタンバイ状態）、消費電力が大きくなってしまう（図 2、クイックモード）。

一方、この予熱をやめることにより消費電力量を低減すムプリンター（以下 LBP）では、消費電力の 70 ％近くがることができるが、印刷を開始してから完了するまでの時トナーを紙に熱圧着させる定着器に使用されており、その間は大幅に長くなってしまう（図 2、省エネモード）。

大半を占めるスタンバイ状態での消費電力を低減することが省エネルギーの観点から重要な課題であった。
一般のローラ定着器（図 1（a））では、ローラ内部に設置この二律背反の関係にある省エネルギーと印刷開始時間の両立を達成したのが、キヤノン㈱が開発したオンデマンド型フィルム定着器である。

されたハロゲンヒーターの輻射熱により 1 ～ 3mm 厚の金属オンデマンド型フィルム定着器は、セラミックヒーター製ローラを 150 ℃から 180 ℃に加熱している。この加熱さにより発生した熱を熱容量の小さい数十 µm 厚のポリイミれた金属ローラと加圧ローラの間にトナーの付着した記録ドフィルムを介して直接トナーに伝えることができるた

紙が通過することにより、トナーが記録紙に熱定着される。

め、消費電力をローラ定着器より大幅に抑えたまま、印刷

この為、ローラ定着器で印刷を開始してから完了するまでの時間を短くするには、常時ローラを加熱しておく必要

セラミックヒーター

トナー

トナー

記録紙トナーポリイミド
定着チューブ
トナー

記録紙
加圧ローラ

（a）ローラ定着器

図1

加圧ローラ

印刷開始時間省エネモード金属ローラ

ハロゲンヒーター

ローラ定着器
クイックモード
フィルム定着器（b）フィルム定着器

ローラ定着器とフィルム定着器の構造比較

総消費電力量図2

LBP の総消費電力量と待ち時間の関係

2 0 1 1 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 8 号 −（ 79 ）−（1）開始時間を短くすることが可能である（図 1 – b、2）。

当社では、このポリイミドフィルムの表面にトナーの付

当社がキヤノン㈱向けに生産していた従来機用定着チューブの構成を表 1 に示す。この定着チューブは、’ 96 年

着を防ぐためのフッ素樹脂※ 1 をコーティングしたポリイミに、当時の低速機（印刷速度 4 枚／分）から、印刷速度のド定着チューブ（以下定着チューブ）を生産しているが、高速化（印刷速度 16 枚／分）に対応するために、窒化ホ

近年の高速印刷化に対応するためには、定着チューブの強ウ素※4（以下 BN）フィラーを配合した定着チューブである度（捻れ強度、突刺強度）をできるだけ維持したまま、①が（2）、’ 06 年には、高まるユーザーのニーズを背景に、更熱伝導率を向上させる、もしくは、②厚みを薄くすることなる高速印刷化（印刷速度 35 枚／分）に対応することがにより熱容量を更に低減させる、といった要素技術の開発できる定着チューブの開発を要請されていた。

が必須であった。
本報告では、ポリイミド樹脂 ※ 2 とカーボンナノファイバー※ 3（以下 CNF）の複合材料を用いることにより①、②を達成したため、以下、詳細について述べる。

3.

定着チューブの熱伝導率向上
3−1

LBP の印刷速度を

熱伝導率向上方法の検討

より高速化するためには、セラミックヒーターより発生し2.

た熱を、より速くトナーに伝えれば良い。このためには、開発の背景定着チューブの熱伝導率を向上させる必要がある。

定着チューブには、紙づまり等の際に受ける周方向へのそこで、まず従来機用の定着チューブに熱伝導性フィ捻りの力に耐え、座屈しないための捻り強度と、ステープラーとして用いていた BN の配合量を増やすことを検討した

ラーの針等の異物の噛みこみに耐え、破断しないための突が、単にフィラーの配合量を増やすだけでは、熱伝導率は刺強度が必要である（図 3）。また、定着時には、常にセラ向上するものの、突刺強度と相関のある、引張強度が低下期耐熱性が必要とされる。このため、定着チューブのベー率の高いフィラーを用いることにより、フィラーの配合量ミックヒーターによる加熱を受けるため、200 ℃以上の長してしまう問題が生じた（図 4）。そこで、BN より熱伝導

ス樹脂の材料は、捻り強度、突刺強度、耐熱性に優れたポを増やすことなく、定着チューブの熱伝導率を向上させるリイミド樹脂を使用している。

方法が最も有効であると判断し、開発を進めることとした。

35試験針

300.60250.50

200.40

引張強度

1510

定着チューブ0.70

熱伝導率

0.30

1520253035

熱伝導率（W/mK）

突刺強度
引張強度（kgf/mm2）

捻り強度

0.20

BN配合量（vol%）定着チューブに用いるポリイミドフィルム

図3

図4

捻り強度と突刺強度

3−2

表1

名称

能

熱伝導性フィラーの選定

まず、各種フィラーの中から本用途に最適なフィラーを選定することとした。

従来機用定着チューブの構成

機

BN 充填量と引張強度、熱伝導率

厚み（µm）材

質

トップ層

定着チューブへのトナー付着抑制

10

フッ素樹脂＋
カーボン

プライマ層

トップ層／ベース層の接着、静電気のアースへの誘導

4フッ素樹脂＋接着成分＋カーボン

ベース層

強度保持67ポリイミド＋窒化ホウ素−（ 80 ）− 高強度高熱伝導ポリイミド定着チューブの開発（1）熱伝導率測定方法
熱伝導率の測定は、周期的加熱法による熱拡散率測定装置を用いた。この装置により熱拡散率αを測定し、式（1）より定着チューブの厚み方向の熱伝導率λを算出した。ここで、ρは密度、Cp は比熱である。
λ＝ρ・ Cp ・α........................................（1）（2）熱伝導率測定結果

表3

ポリイミド樹脂に各種熱伝導性フィラーを 25vol ％配合

手法分類

した定着チューブの熱伝導率を評価した結果、CNF を配合し た も の が 1.48W/mK と 、 従 来 機 用 定 着 チ ュ ー ブ（BN25vol ％配合、0.54W/mK）の約 2.7 倍の熱伝導率を表面処理示したため（表 2）、熱伝導性フィラーとして、CNF を選定することとした。

CNF フィラーの配合量と熱伝導率の関係を図 5 に示す。

分散向上剤
添加

フィラーの増量により熱伝導率が著しく向上するのが判る。

表2形状

SiO2

球状

2.00.36

Al2O3

球状

3.00.42

SiC

破砕形状

3.20.54

TiO2針0.27ø × 5.2L*0.36

黒鉛

鱗片状

3.00.56

BN

鱗片状1.00.54

CNF

繊維状150nmø × 8.0L*

1.48状

具体例

表面化学処理／修飾

酸化処理、プラズマ処理、オゾン／ UV 処理

表面ポリマー被覆

ポリビニルアルコール
ポリビニルピロリドン

溶剤添加

アセトン、トルエン、メタノール、エタノール

界面活性剤添加非イオン界面活性剤、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性

超音波混合・分散
分散・混合強化技術
高シェア混合・分散

各種フィラー配合定着チューブの熱伝導率

フィラー種

CNF の分散方法

超音波照射による分散機
ロールミル、高速ミキサー

平均粒径（µm） 熱伝導率（W/mK）

ポリイミド焼成条件である約 400 ℃で分解してしまうた
め、分散性向上による強度向上の効果が得られないばかりか、逆に、ポリイミドの強度低下を引き起こしてしまう。
また、ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸の溶液（以下ポリイミドワニス）は高粘度であるため超音波による分散性向上には向かない。そこで、CNF の分散性を向上

フィラー配合量： 25vol%＊針状、繊維状フィラーに関しては、径と長さを記載させるには、物理的剪断力による分散方法が最適と考え、3 本ロールミル※5 による分散方法を採用することとした。
（2）剪断応力による CNF の切断と熱伝導率
押出成形機を用いた剪断力によるポリマー中への CNF 分
散では、剪断力を大きくすることで、導電率が向上するが、熱伝導率（W/mK）

4

剪断力がある一定値を超えると、逆に導電率の低下が起こることが知られている（4）。これは、一定の剪断力までは、3

CNF 凝集体の解砕による導電パスの形成により導電率が向上するが、剪断力がある一定値を超えると、CNF 自体の切2断が生じ、導電パスが減少していくためである。3 本ロールミルによる CNF の分散においても、同様な現象が生じ、10熱伝導率が低下する可能性があると考えた。3 本ロールミ
01020304050

CNF配合量（vol%）ルの処理回数と熱伝導率の関係を図 6 に示す。3 本ロール

ミルの処理回数が 0 回（プロペラ撹拌機による撹拌のみ）の場合（0.66W/mK）に比べ、処理回数が 1 回のものは熱図5

CNF フィラーの分散方法（1）分散方法の選定

CNF などのナノマテリアルの分散性は、それを用いた複合材料の物性を大きく左右する。CNF フィラーの分散性を向上させる方法としては、酸化処理、プラズマ処理、表面ポリマー被覆といった表面化学処理や、界面活性剤等の分散性向上剤の添加、超音波による分散やロールミルの使用（3）。
といった物理的な混合、分散強化が知られている（表 3）0.75

熱伝導率（W/mK）

3−3

CNF フィラー配合量と熱伝導率の関係

0.700.650.600.550.500回

しかし、酸化処理やプラズマ処理は、バッチ処理となるた

3回

5回

3本ロール処理回数

め、大量の CNF を扱う工業用途には適用が難しく、表面ポリマー被覆や、分散性向上剤の添加では、残留した成分が、1回

図6

3 本ロール処理回数と熱伝導率

2 0 1 1 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 8 号 −（ 81 ）−伝導率が向上しているが（0.70W/mK）、処理回数が 3 回

金型

ポリイミドワニスを越えると、徐々に熱伝導率が低下し、処理回数が 5 回のものでは、熱伝導率が 0.65W/mK にまで低下することが判った。
次に、上記のポリイミドワニスを希釈し、取り出した周方向

CNF の平均鎖長を測定した結果を図 7 に示す。CNF の平均鎖長は、3 本ロールミルの処理回数が 0 回では 4.6µm でディスペンサーあるのに対し、処理回数 5 回のものでは約 4.0µm となり、処理を行う毎に CNF が 3 本ロールミルの剪断力により切断され、短くなっているのが判った。

軸方向

これら二つの結果より、3 本ロールミルの処理回数は 1

図8回までは CNF の鎖長は短くなるものの CNF 分散性向上のポリイミドワニス塗布方法効果が大きく、熱伝導率が向上する。しかし、3 本ロール
ミルの処理回数が、それ以上になると、CNF の切断による熱伝導パス減少の影響が大きくなり、熱伝導率が低下してしまうことが判った。

×3,000平均鎖長（µm）

5.04.54.03.5

周方向

3.00回

1回

3回

5回

3本ロール処理回数

図74.

3 本ロール処理回数と CNF の平均鎖長

写真 1表4CNF 配合定着チューブの機械特性（1）CNF の配向による捻り強度の向上

伸 び（%）

当社では、金型にポリイミドワニスをディスペンサー※ 6により塗布している（図 8）。この時、CNF のようなアス受ける内圧のため、塗布方向であるチューブの周方向に配向する（写真 1）。

各フィラー配合ポリイミドの伸びと弾性率

BN25vol%配合品

CNF25vol%配合品

周方向2014軸方向25260.800.54740818

周／軸比

ペクト比の高いフィラーは、ディスペンサーのノズルから弾性率（kgf/mm2)

周方向
軸方向

周／軸比

BN を 25vol ％配合した定着チューブと CNF を 25vol ％CNF 配合定着チューブの断面

6825391.091.52

配合した定着チューブの周方向と軸方向（周方向に垂直な方向）の伸びと弾性率を表 4 に示す。CNF を配合した定着チューブでは、BN を配合した定着チューブと比較し、周方向の弾性率が高く、軸方向の伸びが高くなり、異方性が強く出ていることが判る。捻り強度は、周方向の弾性率が高く、チューブの膜厚が厚くなる程高くなることから、5.

開発品の特性開発した定着チューブの特性と構成を表 5 に示す。開発

CNF を配合した定着チューブは、CNF の配向により周方品には、熱伝導率、捻り強度、突刺強度とコストのバラン向の捻りに強いという特長も持つものと考えられる。

スを考慮し、BN と CNF を併用している。この開発品では、−（ 82 ）− 高強度高熱伝導ポリイミド定着チューブの開発

同一厚みでの捻り強度と突刺強度を損なうことなく、熱伝※3導率を従来品より約 30 ％向上し、かつ、膜厚を 11µm 薄炭素によって作られるグラフェンシート（グラファイトのくすることにより、熱容量を約 16 ％低減することに成功

１枚面）が多層の同軸管状になった物質。

カーボンナノファイバーした。これによって開発品の定着性は大幅に向上しており、実機評価にて 35 枚／分の高速印刷にも十分耐えうること※4を確認した。

窒素とホウ素からなる固形の化合物。電気絶縁体では最高窒化ホウ素レベルの熱伝導率を持つ。
表5項目
材

トップ層

質

厚み（µm）
材

構成 プライマ層

質

開発品

従来品

フッ素樹脂＋カーボン

フッ素樹脂＋カーボン

1210

フッ素樹脂＋接着 フッ素樹脂＋接着
成分＋カーボン 成分＋カーボン

厚み（µm）
材

ベース層※5

開発品の特性と構成

質

厚み（µm）
熱伝導率（W/mK）

回転数の異なる３本のロールから構成された分散機。ロー
ル間圧力を利用した圧縮作用と、速度の異なるロール間での剪断作用により分散を行う。
※6

ディスペンサー

液体定量吐出装置のこと。

44ポリイミド＋
BN ＋ CNF

ポリイミド＋ BN

56670.700.54

参（1）高田憲一、NIKKEI MATERIALS ＆ TECHNOLOGY、No.138、pp.80-83（1994）

捻り強度（cNm）

1822

突刺強度（N）

18.5

20.0

16 枚／分良好良好35 枚／分

良好不良

画像性能

３本ロールミル考文献（2）溝口晃、広幡俊郎、羽深正弘、上岡勇夫、西村昭、加藤千明、SEI テ
クニカルレビュー第 151 号、pp146-150（1997）（3）小池常夫、ネットワークポリマー、vol.28、No.2、pp50-63（2007）（4）高瀬博文、古川真基、岸肇、村上淳、成形加工、17（1）、50（2005）

6.

結

言

以上述べたように、従来機（印刷速度： 16 枚／分）に使用されていた定着チューブに比べ、熱伝導率を大幅に向執筆者 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------中島

晋 吾＊：エレクトロニクス・材料研究所
高分子材料技術研究部
定着チューブの開発に従事

内場

勇 介 ：住友電工ファインポリマー㈱製造部

御守直 樹 ：住友電工ファインポリマー㈱

機能品技術部

鈴木良 昌 ：住友電工ファインポリマー㈱製造部

上させ、且つ、薄膜化により熱容量を低減させた結果、高速印刷機（印刷速度： 35 枚／分）でも十分な定着性の得られる定着チューブの開発に成功した。
今回開発した定着チューブは、キヤノン㈱に正式に採用され、’ 08 年 6 月より量産を開始している。
今後も LBP のさらなる高速化、カラー化という市場ニーズに対応した新しい定着部品の開発を進めていきたい。

菅原

潤 ：エレクトロニクス・材料研究所 高分子材料技術研究部
高分子合成技術グループ グループ長

溝口

晃 ：エレクトロニクス・材料研究所主幹

木澤

用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
※1

フッ素樹脂

主査

工場長

高分子材料技術研究部

一 浩 ： Sumitomo Electric Interconnect Products (VIETNAM), Ltd.
社長------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者

フッ素を含むオレフィンを重合して得られる合成樹脂の総称。耐熱性、耐薬品性の高さや摩擦係数の小さいことが特徴。
※2ポリイミド樹脂

繰り返し単位にイミド結合を含む合成樹脂の総称。高分子中で最高レベルの高い熱的、機械的、化学的性質を持つ。

2 0 1 1 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 7 8 号 −（ 83 ）−