(57)【要約】【課題】  本発明は、加熱ローラの必要な定着ニップ個所を迅速に加熱でき、加熱電力に無駄が少ない定着装置及び画像形成装置を提供する。【解決手段】  本発明の定着装置は、加熱ローラと加圧ローラと対峙して当接して形成する定着ニップにおける加熱ローラの内部箇所に液体を設け、該液体中に浸漬させて液体を加熱するヒータを具備している。このヒータによって加熱した液体をもって定着ニップの加熱ローラの内面を加熱することで、加熱ローラと加圧ローラで挟持するトナー像担持部材上のトナー像又は記録媒体上の未定着トナー像を加圧加熱して記録媒体上に定着させる。【選択図】        図１
2010250040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トナー像担持部材上のトナー像を加熱溶融して記録媒体上に圧着し定着し、あるいは記録媒体上に転写された未定着トナー像を加圧加熱して定着する定着装置において、
加熱ローラと加圧ローラと対峙して当接して形成する定着ニップにおける前記加熱ローラの内部箇所に液体を設け、該液体中に浸漬させて前記液体を加熱するヒータを具備することを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記ヒータに隣接して前記液体の温度を測定する液温センサを前記液体中に浸漬させて設けることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項３】
前記ヒータを前記加熱ローラの幅方向で複数配置することを特徴とする請求項２記載の定着装置。
【請求項４】
複数の前記液温センサを前記各ヒータの近傍の液体中に浸漬させて設け、前記液体の各領域の温度を測定することを特徴とする請求項３記載の定着装置。
【請求項５】
前記液体の量は、前記定着ニップ幅に相当する前記加熱ローラ内部の領域を満たす量であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項６】
前記ヒータ又は前記液温センサは、前記加熱ローラの内面と一定距離を保持し、固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項７】
前記ヒータ又は前記液温センサは、前記加熱ローラの内面と一定距離を保持し、振り子構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項８】
前記ヒータの一部配線は螺旋状になすことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項９】
前記定着ニップのニップ幅方向の位置に応じて前記加圧ローラの位置を移動する位置調整機構を具備していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１０】
前記液体は、イオン液体であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１１】
前記液体は、比重の異なる混合しない複数の液体で構成され、比重の大きい液体の上部の、比重の小さい液体は加熱温度より沸点が高く蒸気圧が小さい液体であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１２】
定着ニップ付近の加熱ローラ内部に、基板の空洞上に架橋し、かつ少なくとも前記ヒータ又は前記液温センサ、前記ヒータ又は前記液温センサを支持する支持板を含む架橋部を有する加熱ユニットを具備し、前記架橋部の前記ヒータ又は前記液温センサを前記液体に浸漬させることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１３】
前記加熱ユニットを前記加熱ローラの幅方向で複数配置することを特徴とする請求項１２記載の定着装置。
【請求項１４】
前記加熱ユニットを微細加工で構成することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の定着装置。
【請求項１５】
トナーで静電記録プロセスを行い記録媒体上に未定着トナー画像を形成する画像形成手段と、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の定着装置により未定着トナー画像を記録媒体に定着させる定着手段とを具備することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は定着装置及び画像形成装置に関し、詳細には画像形成装置のトナー加熱定着プロセスにおいて、用紙と加圧ローラの定着ニップ個所のみを選択して加熱定着する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
加熱定着プロセスにおいては、トナーが転写された用紙が加熱ローラと加圧ローラとのニップ個所に挿入され、加熱ローラからの接触伝熱によりトナーが軟化し、表面に弾性材料が形成された加圧ローラによりトナーが用紙に圧接され、用紙にトナーが溶着し定着される。従来から、この加熱定着プロセスに関する省電力のために、定着開始までの予熱をしておく待機電力に対して、待機電力を削減するために、予熱をせず印刷開始時間を短く加熱温度の迅速な立ち上げをする方法が検討されてきた。その一つの方法として、加熱ローラのローラ部材の肉厚を薄くし熱容量を削減していた。ところが、新たな課題として、連続印刷による通紙で加熱ローラの温度が降下しやすいことや、小さなサイズの用紙への印刷によりローラ端部の非通紙個所の温度上昇が発生し、加熱温度制御が困難であった。
【０００３】
そこで、ニップ個所の熱容量の増加や伝熱のしやすさを備えた、流動液体を媒介した加熱機構が開発されている。また、液体の温度を検出し、加熱制御する機構が開発されている。その一つとして、特許文献１は、熱容量補完体として、定着時の定着ローラ温度において液体である熱容量補完体を直接定着ローラに接することにより、簡単な機構で熱容量補完体と定着ローラとの間の熱抵抗を小さくし、通紙による定着ローラの温度落込みに、定着ローラに迅速に熱を補うものである。よって、加熱ローラ内部に液体が封入されていて、液体外部のヒータにより加熱される。また、ニップ個所を選択的に加熱することができる。
【０００４】
また、特許文献２では、ローラ本体内部の空間に封入された流動体による熱容量補完体は高い蓄熱性と熱伝導性を有し、回転に伴い、ニップ部を含む内周面部分に回転方向に広がり、流動循環しつつヒータからの熱を良好に吸収するように、ローラ本体内周面に粗面化処理を施されている。
【０００５】
更に、特許文献３は、発生した熱の少なくとも一部をニップ部側に伝達する発熱部と、発熱部の加熱温度範囲で相が変化する材質で形成され、発熱部の熱によって潜熱を蓄積し、蓄積された潜熱をニップ部側に供給する。発熱部は、外部からの電源の印加によって熱を発生させ、発生した熱の少なくとも一部をニップ部側に伝達する役割を行う。ここで、発熱部から熱を発生させる方式は、電熱線やランプを用いるなど多様な具現が可能である。発熱部の前面、より具体的には、発熱部と定着ベルトの内周面との間にはニップ形成部が具備され、定着ベルトが加圧ローラと共に印刷紙を挟むニップ部を形成し、発熱部を保護する役割を行う。これとともに、ニップ形成部は、発熱部から発生した熱を定着ベルトのニップ部側に伝達する。
【０００６】
また、特許文献４には、熱電導性の高い固体または液体を充填する加熱ローラが提案されている。更に、特許文献５には、定着ローラ内に液体の熱容量補完体と、当該熱容量補完体の温度を測る温度センサとを設けた定着装置が提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１では、ハロゲンヒータが定着ローラの回転軸とほぼ同位置に設置されているので距離に効率が依存し、ニップ個所への距離があり、また加熱に有効な赤外線よりも加熱に寄与しない可視光を多く照射するため、熱効率が低いという問題がある。更に、ハロゲンヒータの温度を高くする必要があり温度勾配が大きく温度分布が生じやすく、ヒータの寿命や過熱した場合に対応させる防火保安温度に配慮が必要になる。また、加熱ローラ内部にハロゲンヒータを格納するためには、加熱ローラのサイズが大きくなる。
【０００８】
また、上記特許文献２では、熱を吸収しやすくするために、加熱ローラ内部は粗面化され表面積を増やしているとともに、液体の流動性を制限しニップ手前の加熱を目指すための粗面化しているが、この粗面化は、液体の流動において乱流の発生を考慮したものではない。液体の均熱性や熱交換効率を向上させる流動循環にかならずしも効果的ではなく、層流を意図してより円滑に循環させるほうが伝熱効率は向上する。
【０００９】
更に、上記特許文献３は、定着ベルトのニップに対峙する個所に、液体を加熱するための発熱部と、発熱部と直接接触し、液体となる相変化部材があるが、発熱部と定着ベルトの内周面との間にはニップ形成部の配置になっているため、液体と定着ベルトとの間に、部材及び当該部材と定着ベルトとの間の空隙が介在していて、液体が定着ベルトの内面を直接加熱するものではないので、伝熱効率が低い。
【００１０】
また、上記特許文献４では、加熱ローラ内部に液体が封入されていて、液体中のニクロム線ヒータにより加熱されるが、ニップに限定して加熱するのではなく、加熱不要な個所も含めて加熱ローラ全体を加熱するので、電力にロスを生じる。
【００１１】
更に、上記特許文献５によれば、液体の温度を測る温度センサが加熱ローラ内部の液体に接して設置されているが、液体と液体を取り巻く雰囲気との境界で測定しているので、液体の内部温度を測定する場合に比較し、ニップ温度検出精度は低い。
【００１２】
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、加熱ローラの必要な定着ニップ個所を迅速に加熱でき、加熱電力に無駄が少ない定着装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記問題点を解決するために、本発明の定着装置はトナー像担持部材上のトナー像を加熱溶融して記録媒体上に圧着し定着し、あるいは記録媒体上に転写された未定着トナー像を加圧加熱して定着する。そして、本発明の定着装置は、加熱ローラと加圧ローラと対峙して当接して形成する定着ニップにおける加熱ローラの内部箇所に液体を設け、該液体中に浸漬させて液体を加熱するヒータを具備している。このヒータによって加熱した液体をもって定着ニップの加熱ローラの内面を加熱することで、加熱ローラと加圧ローラで挟持するトナー像担持部材上のトナー像又は記録媒体上の未定着トナー像を加圧加熱して記録媒体上に定着させる。よって、加熱ローラの必要なニップ個所を迅速に加熱でき、加熱電力に無駄が少ない定着装置を提供できる。
【００１４】
また、ヒータに隣接して液体の温度を測定する液温センサを液体中に浸漬させて設けることにより、加熱ローラの定着ニップの温度やヒータの温度を精度良く測定することができる。
【００１５】
更に、ヒータを加熱ローラの幅方向で複数配置し、また複数の液温センサを各ヒータの近傍の液体中に浸漬させて設け、液体の各領域の温度を測定することにより、加熱電力に無駄が少なくなり、例えば小さなサイズの記録媒体への定着の場合加熱ローラ端部の非通紙個所の温度上昇が発生せず、加熱温度制御が容易になり、更には画像配置状態の特性に応じた定着性能を得ることもできる。
【００１６】
また、液体の量は定着ニップ幅に相当する加熱ローラ内部の領域を満たす量であることにより、加熱が不要な個所を無駄に加熱せず、液量が多くないので加熱が必要な定着ニップ個所を迅速に加熱でき、加熱電力に無駄が少なくなる。
【００１７】
更に、ヒータ又は液温センサは、加熱ローラの内面と一定距離を保持し、固定されている。よって、固定されたヒータや液温センサ周囲を流動する液体とヒータ又は液温センサとの接触が促進し、伝熱効率の向上や液温の均一化ができる。
【００１８】
また、ヒータ又は液温センサは、加熱ローラの内面と一定距離を保持し、振り子構造を有している。よって、定着装置の姿勢範囲を広げられ、液体の位置の変化に対応でき、液体に関する姿勢制限が緩和され利用範囲が広がる。
【００１９】
更に、ヒータの一部配線は螺旋状になすことにより、非加熱時と加熱時において熱膨張の影響があっても変形や位置ズレを引き起こさないので、加熱ローラ内の液体中においてヒータは高精度の位置を維持できる。
【００２０】
また、定着ニップのニップ幅方向の位置に応じて加圧ローラの位置を移動する位置調整機構を具備していることにより、定着装置の姿勢範囲を広げられ、液体の位置の変化に対応でき、液体に関する姿勢制限が緩和され利用範囲が広がる。
【００２１】
更に、液体はイオン液体であることにより、イオン液体は蒸気圧の小さい液体であるため、液体の熱がニップ個所以外に伝熱しにくくなることにより、迅速に定着温度に達し、加熱電力に無駄が少なくなる。
【００２２】
また、液体は、比重の異なる混合しない複数の液体で構成され、比重の大きい液体の上部の、比重の小さい液体は加熱温度より沸点が高く蒸気圧が小さい液体を選択し、このような比重の異なる混合しない複数の液体を加熱ローラの内部箇所に設けることにより、比重の大きい液体の蒸発及び放熱を低減できる。
【００２３】
更に、定着ニップ付近の加熱ローラ内部に、基板の空洞上に架橋し、かつ少なくともヒータ又は液温センサ、ヒータ又は液温センサを支持する支持板を含む架橋部を有する加熱ユニットを具備し、架橋部のヒータ又は液温センサを液体に浸漬させる。よって、小型で、より加熱電力効率の優れた、より温度制御精度の優れた定着装置が得られる。また、整流板も集積できるので、液体との熱交換効率が向上する。
【００２４】
また、加熱ユニットを加熱ローラの幅方向で複数配置することにより、加熱電力に無駄が少なくなり、加熱温度制御が容易になり、更には画像配置状態の特性に応じた定着性能を得ることもできる。
【００２５】
更に、加熱ユニットを微細加工で構成することが好ましい。
【００２６】
また、別の発明としての画像形成装置は、トナーで静電記録プロセスを行い記録媒体上に未定着トナー画像を形成する画像形成手段と、上記定着装置により未定着トナー画像を記録媒体に定着させる定着手段とを具備することに特徴がある。よって、省エネ効果の高い画像形成装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の定着装置は、定着ニップにおける加熱ローラの内部箇所に液体と、該液体中に浸漬させて液体を加熱するヒータとを有している。よって、加熱ローラの必要なニップ個所を迅速に加熱でき、加熱電力に無駄が少ない定着装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る定着装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の第７の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。
【図８】図７の加熱ユニットの構成を示す図である。
【図９】図８の加熱ユニットの別の構成を示す断面図である。
【図１０】図７の加熱ユニットの別の構成を示す図である。
【図１１】図７の加熱ユニットの別の構成を示す断面図である。
【図１２】図１１の加熱ユニットの別の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０、３０、４０、５０、６０、７０、８０；定着装置、
１１；加熱ローラ、１２，１２−１，１２−２；液体、
１３；ヒータ、１８；ステー、１９；加圧ローラ、２０；電源部、
２１；電源供給線、２２；密閉蓋、４１；調節範囲枠、
５１；回転軸兼電気導入端子、５２；電気接点、５３；バランサ、
７１，８９；液温センサ、７２；温度計測部、７３；制御部、
８１；整流板、８２；基板、８３；加熱ユニット、
８４；支持・電気導線部、８５；電極、８６；ヒータ支持板、
８７，８８；台座。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る定着装置の構成を示す図である。同図の（ａ）は断面図であり、同図の（ｂ）は透視斜視図である。同図に示す本実施の形態の定着装置１０は、加熱ローラ１１の内部に、液体１２と、液体中に浸漬させたヒータ１３とを設けた定着装置である。このように、液体１２とヒータ１３が直接接触しているので伝熱ロスは少なく、伝熱も迅速である。なお、加熱ローラ１１は外側に接した回転輪１４及び回転支持輪１５、１６によって回転する。また、ヒータ１３は回転する加熱ローラ１１の中心軸であって固定されている固定軸１７に取り付けられたステー１８によって張架されており、よって加熱ローラ１１が回転しても、ヒータ１３は液体中の所定位置に固定されている。また、ヒータ１３には、固定軸内部を通し、電気導通を兼ねたステー１８を介して電力が供給されるようになっている。更に、図１の（ｂ）に示すように、液体中にヒータ１３を設置した加熱ローラ１１と電源部２０とが電源供給線２１で配線されている。加熱ローラ１１の両サイドは加熱ローラ１１の内部に液体１２を閉じ込めるために密閉蓋２２で封止され、更には中心の固定軸１７の周りのシールリングにおいて回転摺動する構造をなしている。
【００３１】
このような構成を有する本実施の形態の定着装置の動作について以下に説明する。
定着中や定着準備期間以外では加熱ローラ１１の回転が行われないので内部の液体１２は図１の（ａ）中の破線で示す水平状態であり、液中の端部にヒータ１３があることになる。このような状態から定着準備に入り加熱ローラ１１が回転すると、内部の液体１２は、液体の粘性、液体に作用する重力、加熱ローラ内面の摩擦、ヒータ１３との流体抵抗により、水平状態より図中で示す角度θに傾く位置まで移動し、ヒータ１３は液体中の中央にあることなる。よって、加熱ローラ１１の回転中心と加圧ローラ１９の回転中心を結ぶ垂直線より、角度θの傾きを持って加熱ローラ１１と加圧ローラ１９とが対峙する定着ニップ個所を設定し、ヒータ１３も加熱ローラ１１と加圧ローラ１９とが対峙する位置に設定される。これにより、液体１２の流動している領域と定着ニップ個所が対峙することになるので、定着における加熱電力のロスが少なくなる。また、加熱ローラ１１の幅方向における温度分布を均一にするために、図１の（ｂ）に示すように、加熱ローラ１１の幅方向でヒータ１２を複数に分割して、各分割部分ごとにステー１８を介して電力を調節して供給できるようになっている。例えば、加熱ローラ１１の長手方向の幅より小さなサイズの用紙が通紙される場合には、加熱ローラ１１の全幅に均等にヒータ１３への電力供給を行うと、非通紙領域では通紙領域より高温度になって、後続の定着に影響を及ぼすと共に電力も無駄になる。用紙サイズに対応させて、通紙領域のヒータ電力を印加することにより、均一な温度分布や省電力が図られる。また、加熱ローラ１１の回転始動時は、液体１２が流動し、ヒータ１３の熱がより伝導拡散しやすくなり、迅速に所定の均一な液温度になる。なお、ヒータ１３が液中に常時埋設されるように、ヒータ１３のサイズ、液体１２の深さを設定する必要があるが、液体１２により加熱されるニップ個所の所定温度範囲に従い、液体１２の量を決定すればよい。また、迅速に所定温度へ到達させるためには、液体１２の比熱容量や熱伝導率を鑑み、液量を少なくすればよい。
【００３２】
ここで、用紙にトナーが定着されるにあたり、例えばトナーの軟化温度が１５０℃の場合、加熱ローラ、用紙、加圧ローラの熱物性値、定着圧力や定着時間によって、おおむね液温は１８０℃から２２０℃の範囲である。液体の性質に求められる条件は、熱伝導率が大きく、沸点が高く、蒸気圧が小さいものであって、また、均一な温度分布のために、液体の粘性は小さく流動性は高い方が望ましい。この場合、グリコール系のフルード、シリコーン系オイルやフッ素系オイルであれば沸点が２２０℃以上であるものが選択される。加熱電力を低減させ、迅速に所定温度に到達させるために、特にニップ個所を集中して加熱させる必要がある場合は、蒸気に潜熱が奪われないように蒸気圧が小さい液体を選択する。すなわち、液体が蒸発してしまうと、加熱しようとするニップ個所以外に熱が運ばれ、加熱電力が無駄になる。また、予熱をせず印刷開始時間を短く加熱温度の迅速な立ち上げをする方法として、加熱ローラのローラ部材の肉厚を薄くし熱容量を削減していたので、加熱ローラは液体を充填する気密構造である場合、加熱により内部の蒸気圧が高まると変形しやすい。この場合、イオン性液体は、イオンのみで構成される室温付近に融点を有する液体状態の塩（常温溶融塩）であって、イオン性液体がもつ特徴としては、イオンのみからなる液体は幅広い温度域で液状、しかも蒸気圧がほぼ０であり、高温下でも蒸発しない。溶媒を含まないのに比較的低粘度性であり、高い比熱容量をもつので、熱伝導媒体として適する。また、安全性の高いグリーンケミストリーとして地球環境にやさしい化学品である。イオン液体としては、陽イオンの、イミダゾリウム系、ピリジウム系、脂環式アミン系、脂肪族アミン系、脂肪族ホスホニウム系と、陰イオンの、ＢＦ４−、ＰＦ６−等の無機イオン系、ＣＦ３ＳＯ２−、（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ−、ＣＦ３ＣＯ２−等のフッ素系陰イオンとの組合せ他様々な構造からなっている常温溶融塩であり、これらが利用できる。
【００３３】
また、特に、熱伝導率が大きい液体としては、ＡｌやＡｇなどの金属微粒子やカーボンナノチューブ微粒子を分散させた液体が使用できる。更に、地球の環境影響を低減するための植物由来物質であれば、グリセリンは飽和蒸気圧下で沸点２９０℃熱伝導率３００ｍＷ／ｍ・Ｋ（２３０℃）という熱物性値で、高沸点、高熱伝導率であり、あるいは、大豆油のメチルエステル（商品名：SOY GOLD1000 /AG Environment Products(AEP)社製で沸点３３３℃）なども利用できる。
【００３４】
更に、ヒータとしては、ニクロム線やカンタル線の抵抗加熱による簡単な構造の電熱線が利用できる。そして、ヒータと液体は直接接触しているので伝熱効率が良く、電力は少なく、電源部を小さくできる。また、ヒータと液体は直接接触していることにより、液体に効率良く対流を発生させられるので、攪拌が促進され温度分布が均一になる。更には、ヒータの発熱温度は、加熱した液温度付近で良く、おおむね２５０℃から３００℃であるため、ヒータの安定性や寿命に有利であり、万一の過熱不具合に対して安全性が高い。もし、従来のようにヒータがハロゲンランプであれば、電熱線より構造が複雑であって、電力の熱変換効率において熱以外の不要な輻射エネルギーを消費し、液体と直接接していないため伝熱効率が低く、赤外線の輻射で加熱するためにランプ付近は４５０℃以上にもなり、電力は大きく、安定性や寿命に配慮を要し、過熱不具合対処への余裕が少ない。また、簡単な構造の電熱線と比較し、ハロゲンランプや電磁誘導加熱装置のように大型の加熱器は熱容量が大きいので、長時間の連続定着を行うと、大型の加熱器自身が温度上昇し、これらの加熱器の動作状態が変化するし、大きな熱容量によってニップ個所への影響もあり、開始から終了まで一定の定着性能を得ることは容易ではない。よって、加熱ヒータ及び周辺部材の熱容量はできるだけ小さいほうが望ましい。
【００３５】
図２は本発明の第２の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の定着装置３０において、図１の第１の実施の形態の定着装置１０と異なる構成要素として、ヒータ１３における図中破線で囲んだ領域のヒータ線が螺旋状をなしている点である。本発明において、液体１２が極少量であって液体中にヒータ１３が浸漬しているため、ヒータ１３の位置精度は精密でなければならないが、ヒータ１３は熱膨張するので変形し位置精度が確保できない。よって、変形しない工夫が必要である。そこで、変形を吸収する仕組みとして、ヒータ１３を張架する際ステー１８に弾性力を与える方法もあるが、図２に示すように、ヒータ１３の両端部の領域を螺旋状になすことでヒータ１３の熱膨張あるいは熱収縮を螺旋状の領域で吸収することにより、ヒータ１３の位置精度を維持することができる。
【００３６】
図３は本発明の第３の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の定着装置４０によれば、加熱ローラ１１の内部の液体１２の角度量は、定着温度、定着速度、光沢度などのトナー定着形状、また用紙の厚みや用紙温度、環境温度情報を制御パラメータとして可変する。そこで、本実施の形態の定着装置４０では、加熱ローラ１１の表面から等距離の位置で角度を可変調整するための調節範囲枠４１を設け、加熱ローラ１１の内部の液体１１の位置に追従して加圧ローラ１９の回転軸の位置を可変することができる。よって、上記制御パラメータに応じた適切な定着を行うことできる。
【００３７】
図４は本発明の第４の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の定着装置５０において、図１の第１の実施の形態の定着装置１０と異なる構成要素として、ヒータ１３は重力と液体１２から受ける流動抵抗力とによりフリースイングさせる振り子構造となっている。詳細には、加熱ローラ１１に回転軸兼電気導入端子５１を固定し、電源部２０と電源供給線２１が接続されているリング型の電気接点５２を回転軸兼電気導入端子５１に設け、リング型の電気接点５２に取り付けたステー１８でヒータ１３を懸架した振り子構造になっている。なお、重力作用や液体の流動性、ヒータ１３による流動性を含めて、加熱ローラ１１の回転時、あるいは非回転時にヒータ１３が液体１２に浸漬するようにし、必要であればステー１８にバランサ５３を設けてもよい。この場合、画像形成装置を設置した場合に所定の姿勢でない、つまり傾いた設置をした場合に、液体１２とヒータ１３の場所が所定の個所からはずれてしまう場合が発生したとしても、本実施の形態のように振り子構造なので液体１２とともに重力作用により、ヒータ１３は液体１２に浸漬した状態を保持できる。なお、図３と同じく、加圧ローラの回転軸に、加圧ローラ回転軸の位置を角度調節設定する調節範囲枠を設置して姿勢に対応してもよい。
【００３８】
図５は本発明の第５の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示し、加熱ローラのみの構成を示す。同図に示す本実施の形態の定着装置６０において、図１の第１の実施の形態の定着装置１０と異なる構成要素として、加熱ローラ１１の内部に、２層の液体１２−１、１２−２と、下層の液体１２−１中に浸漬させたヒータ１３とを設けた点である。液体の微量な蒸発によって潜熱として、加熱ローラ内部の空間に熱が拡散するなどの沸点の低い液体を用い、水溶液とオイルのように分離する２種の液体を用いる。ヒータ１３が浸漬している下層の液体１２−１は、上層の液体１２−２より比重が大きい液体である。また、上層の液体１２−２は、沸点が高く蒸気圧が小さい液体によって、液体からの放熱を低減し、下層の液体１２−１は、熱伝導率が大きい液体を選択することによって、より迅速な伝熱を行う。このような液体に求められる条件に合致した材料が組み合わされ、１種類の液体より性能を向上させることができる。
【００３９】
図６は本発明の第６の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示し、加熱ローラのみの構成を示す。同図に示す本実施の形態の定着装置７０において、図１の第１の実施の形態の定着装置１０と異なる構成要素として、ヒータ１３を液体１２に浸漬させる共に液温センサ７１も液体１２に浸漬させるように設けている点である。液温センサ７１は、ヒータ線と平行してヒータと同一のニクロム線材料をステー１８により張架し、この場合ニクロムの抵抗値、温度係数により容易に液温を測定できるものである。このように、液温センサ７１により測定した液温に基づいてヒータ１３の電力を定着に必要な液温になるようにヒータ１３の電力を調整する。詳細には、液体中に設置した液温センサ７１から温度計測部７２で検出した温度を、制御部７３で所定の制御信号の値に変換し電源部２０の供給電力を調節し、液体１２が所定温度となるようにヒータ１３に電力を供給する。このように本実施の形態の定着装置７０は簡単な構造なので、狭い場所にヒータ１３と液温センサ７１を併設することが可能である。なお、加熱ローラ１１の幅方向では温度分布が生じやすいので、加熱ローラ１１の幅方向の複数の液温測定個所に液温センサ１１を設けてもよい。なお、液温センサ７１には、アルメル線とクロメル線を接合した熱電対線や、サーミスタ素子や抵抗温度係数の大きい材料による感温素子も利用できる。
【００４０】
ここで、液温センサに関し、ニップ個所でのトナーの定着時の温度を検出することとの関連について述べる。ニップ個所でのトナーの定着時の温度を検出することは、カラートナーを定着する際に定着性及び光沢を安定させるために定着部材同様に加圧部材を十分に加熱し、白黒画像を定着する場合に必要なニップ時間の１．５倍〜２倍の時間で十分にカラートナーと紙を加熱するため、トナーだけでなく記録媒体を裏面まで温めることとなり余分なエネルギーを消費している。定着工程で消費されるエネルギーのうち、純粋にトナーを加熱するのに費やされるエネルギーはせいぜい１割であり、あとは定着部材の放熱などが１〜２割、残りの約７〜８割が紙を加熱することに費やされている。従って、カラー出力時の消費電力を抑える、つまりカラー画像形成に際しての時間当たり出力枚数を上げるためには、いかに紙（記録媒体）を加熱せずにトナーを加熱溶融するかがポイントとなる。紙を加熱せずに定着するためには、短いニップ時間でトナーが載っている紙表面のみを加熱して定着することが有効である。しかし、短時間でトナーを加熱するためトナー内の温度勾配が大きくなり、定着不良やホットオフセットなどの不具合が発生しやすい。そこで、加熱が必要な個所、タイミングを見極めて、トナーに必要なだけの熱を加える方法が考えられる。しかしながら、このようなトナーの定着に必要な、トナーへの熱や付着力を与える制御について、更にはトナーが定着においてどのような温度になり、どのような加圧圧力を受けているかが判っていない。いかに記録媒体を加熱せずにトナーを加熱溶融するかがポイントとなる上で、トナーに加える圧力を調節するために定着時のトナーの圧力を検出し、トナーに加える熱を調節するために定着時のトナーの温度を検出することが必要になり、これを定着器に適する仕組みとして設置することが求められるが、加熱ローラにサーミスタなどを当接させて温度測定する従来の方法では、ニップ個所に精度良く当接させることはできない。また、加熱ローラ内部からニップ個所をハロゲンランプや電磁誘導により加熱する場合、例えば加熱ローラ内部においてサーミスタなどを加熱ローラ内面に当接させて温度測定する方法では、加熱源からの伝熱経路内で加熱ローラの手前の温度検出になり、かつ伝熱を遮蔽することにもなり、スマートな方法とは言いがたい。一方、液は流動性があるので液中では均熱性が高く、ニップ個所に対峙し近接しているので、ひいてはニップ個所でのトナーの定着時の温度を検出するものとして、加熱ローラにサーミスタなどを当接させて温度測定するよりも、トナーの温度に対する測定精度が高いといえる。
【００４１】
次に、本発明の定着装置における微細加工技術による熱システムの構造について説明する。小型の加熱ローラや少量の液体を充填した際、液体中にヒータが浸漬するためには、ヒータの位置精度は精密でなければならない。また、効率良く、温度分布を精度良く加熱することが望まれる。以下に、これらのために加工精度を可能にするヒータを示す。
【００４２】
図７は本発明の第７の実施の形態に係る定着装置の構成を示す断面図である。同図に示す本実施の形態の定着装置８０によれば、加熱ローラ１１内のニップ個所に対峙させて、液体１２に浸漬させたヒータ１３及び整流板８１を支える架橋部と基板８２を有する加熱ユニット８３が固定軸１７に支持・電気導線部８４を介して取り付けられている。また、伝熱ロスや流動抵抗を小さくするために、液体１２がヒータ１３以外の構造物と接触伝熱しないように、液面と基板８２の間に空隙を確保している。液体１２を層流にして液体１２とヒータ１３の熱交換効率を上げ、液体１２の流動性を確保し温度分布を均一にするため、整流板８１が併設されている。ヒータ１３が液体１２に浸漬するために、ヒータ１３と基板８２との間に、液体１２が貫流する流路を形成し液体１２を流動させる。
【００４３】
図８は図７の加熱ユニットの構成を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、同図の（ｃ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図、同図の（ｄ）は同図の（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図、同図の（ｅ）は同図の（ａ）のＤ−Ｄ’線断面図である。同図において図７と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）に示すように、用紙搬送方向を横切る方向に、加熱ローラの幅の両端部でヒータ１３と整流板８１とを固定する。ヒータ１３の両端部には支持・電気導線部と接続する配線（図示せず）をつなぐ電極８５が形成されている。整流板８１はヒータ１３の両側に設置しても良い。整流板８１とヒータ１３との間にヒータ１３を支持するヒータ支持板８６を接続しヒータ１３や整流板８１の平面性、強度を保持する。少量の液体に精度良く浸漬するためのヒータ１３は平面性が優れている必要があり、図８の（ｅ）に示すように、平面性が優れた基板８２に、基板８２とヒータ１３の間隔精度が高くなるように同じ厚みの台座８７を介して、ヒータ１３を固定する。また、ヒータ１３と同じように、台座８７を介して、ヒータ１３と隔てて平行に整流板８１を設置している。更に、図８の（ｄ）に示すように、液体に効率良く伝熱できるように、層状のヒータ１３の両面に液体が流動するように、層状のヒータ１３との間に液体が貫流する流路を設けた構造となっている。
【００４４】
ここで、構成材料の一例を示すと、基板や台座は耐熱性を有する、例えばガラスやセラミック、Ａｌ、Ｎｉ、ＳＵＳなどの金属であり、電極はＡｌ、Ｎｉ、ＳＵＳなどの金属、ヒータ支持板や整流板８１はＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、セラミックなどの電気絶縁材料やＡｌ、Ｎｉなどの金属、ヒータ１３及び電極８５はニクロム、カンタル、ＳｉＣ、ＴａＮ、ＢＮ、カーボン、Ｓｉ、Ｃｕが適用できる。
【００４５】
図９は図８の加熱ユニットの別の構成を示す断面図である。同図に示すように、図８の（ｂ）に示す基板８２と台座８７を一体成型した台座８８の上にヒータ１３や電極８５を設けている。台座８８は一枚の基板に凹部を設けるか、台座を形成する、または鋳型により台座つき基板構造を形成し、その凸部または台座間にヒータ１３を張架する。このような構造により、構造の精度や耐久性を確保しつつ、より簡便な低コストに製造可能となる。
【００４６】
図１０は図７の加熱ユニットの別の構成を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＥ−Ｅ’線断面図、同図の（ｃ）は同図の（ａ）のＦ−Ｆ’線断面図である。同図において、図８と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す加熱ユニットは複数のヒータを設けた例であり、微細加工で複数のヒータ１３、ここではローラ端部と中央部の３箇所にそれぞれ対応するヒータ配置である。ガラスやセラミックの基板８２に、台座８７としてＡｌやＮｉなどの板を接合し、ヒータ１３としてＮｉＣｒやカンタルの箔及び整流板８１となるセラミックシートを積層する。更に、ヒータ電極パターンであるＣｕ層を形成する。これらの積層部材に対し、ヒータ１３の電極８５、ヒータ１３、整流板８１をエッチングでパターン形成し、次に台座８７を残して台座層をエッチング除去すれば、所定の構造が完成する。
【００４７】
図１１は図７の加熱ユニットの別の構成を示す断面図である。同図に示すように、液温センサ８９とヒータ１３とを集積一体化した加熱ユニットである。このような構造により、構造の精度や耐久性を確保しつつ、より簡便な低コストに製造可能となる。
【００４８】
図１２は図１１の加熱ユニットの別の構成を示す図である。同図において、図１１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す加熱ユニットは複数の液温センサを設けた例であり、微細加工で複数の液温センサとヒータとを集積一体化した加熱ユニットである。このように、領域分割配置が微細加工方法では可能であり、複数の液温センサとヒータを集積させることにより、複数個所を個々に精密に温度制御できる。また、加熱ローラ面に沿って温度分布を生じ易いので、加熱ローラ面に沿って端部と中央部の領域を分割制御できる。また、液体中に設置した液温センサから温度計測部で検出した温度を、制御部で所定の制御信号の値に変換し電源部の供給電力を調節し、液体が所定温度となるようにヒータに電力を供給する。よって、液温センサによりヒータの電力を定着に必要な液温になるようにヒータ電力を調整できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４９】
【特許文献１】特開平０９−３１１５７５号公報
【特許文献２】特開２００１−００５３２２号公報
【特許文献３】特開２００８−１４６０６７号公報
【特許文献４】特開２００２−１１０３１５号公報
【特許文献５】特開平１０−２０７２８７号公報
【図１】
2010250040.tif 000003
【図２】
2010250040.tif 000004
【図３】
2010250040.tif 000005
【図４】
2010250040.tif 000006
【図５】
2010250040.tif 000007
【図６】
2010250040.tif 000008
【図７】
2010250040.tif 000009
【図８】
2010250040.tif 000010
【図９】
2010250040.tif 000011
【図１０】
2010250040.tif 000012
【図１１】
2010250040.tif 000013
【図１２】
2010250040.tif 000014