(57)【要約】【課題】外部加熱装置からの熱を効率的に定着部材に伝達することができ、より熱効率の高い外部加熱方式の定着装置及び斯かる定着装置を備えた画像形成装置を提供する。【解決手段】定着部材２０の表面における外部加熱装置７０による熱伝達領域３５において、外部加熱装置７０の発熱量を定着部材２０の表面の移動方向の上流側よりも下流側において大きくする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定着部材と、前記定着部材の表面と当接して圧接部を形成する加圧部材と、前記定着部材の表面を外部から加熱する加熱体を備えた外部加熱装置と、を有し、
前記定着部材と前記加圧部材との圧接部に、未定着トナー画像を担持した記録材を導入して加熱定着を行う定着装置において、
前記定着部材の表面における前記外部加熱装置による熱伝達領域において、前記外部加熱装置の発熱量が前記定着部材の表面の移動方向の上流側よりも下流側において大きいことを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記外部加熱装置の前記加熱体は、耐熱性の摺動部材を介して前記定着部材の表面に当接し、前記定着部材の表面を加熱することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
【請求項３】
前記摺動部材は、耐熱性を有するシート状の部材であることを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
【請求項４】
前記摺動部材は、前記定着部材の表面に沿った形状の熱伝導性の部材であることを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
【請求項５】
記録材に未定着トナー画像を形成する画像形成手段と、この未定着トナー画像を記録材に熱定着させる定着装置とを備えた画像形成装置において、
前記定着装置は、請求項１〜４のいずれかの項に記載の定着装置であ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、電子写真技術や静電記録技術を用いたプリンタ、複写機、ファクシミリ等の画像形成装置に搭載され、記録材上の未定着画像を加熱定着する定着装置、及び、斯かる定着装置を使用した画像形成装置に関する。特に、定着部材と、定着部材表面と当接する加圧部材と、定着部材表面を外部から加熱する外部加熱装置とを有し、定着部材と加圧部材との圧接部に、未定着トナー像を担持した記録材を導入し、加熱定着を行う定着装置及び画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複写機、プリンタ、ファクシミリ等の電子写真方式を採用する画像形成装置において、転写紙、ＯＨＰ等の記録材上に転写された未定着トナー像を記録材上に定着させる定着装置には加熱定着装置が広く利用されている。加熱定着装置としては加熱された定着ローラ（定着部材）に加圧ローラ（加圧部材）を圧接させ、記録材を両ローラで挟持搬送しながら未定着トナー像を加熱溶融して未定着トナー像の定着を行う熱ローラ方式のものが広く用いられてきた。本願添付の図９に、その熱ローラ方式の定着装置の概略図を示す。
【０００３】
本例にて、定着ローラ５０は、アルミニウムやステンレス製の中空芯金５１の中にハロゲンランプなどの加熱体（熱源）５３を設け、外表面にはトナーのオフセットを防止するためのフッ素樹脂などの離型層５２を備えたものである。また、加圧ローラ６０は、芯金６１の外部にシリコーンゴムなどを形成した弾性層６２或いはシリコーンゴムを発泡して成るスポンジ弾性層６２を形成し、更にその外層には定着ローラ５０と同様のフッ素樹脂などの離型層６３が形成されている。
【０００４】
また、高速機或いはカラートナーを用いた画像形成装置の場合、定着ローラ５０は、トナーの定着性を十分に満足させるために、中空芯金の５１の外表面に、離型層５２の代わりにシリコーンゴム等の厚み２ｍｍ程度の弾性層を設ける。この構成により、軟らかくなった定着ローラ表面でトナーを包み込むことで、記録材及びトナーへの熱の伝播効率を向上させている。
【０００５】
しかしながら、この熱ローラ定着方式では、定着ローラ５０の加熱開始後、定着ローラ表面が定着温度に達するまでの時間（ウォームアップ時間）が長かった。これは、定着ローラ５０の内面に配置した熱源５３からの熱が定着ローラ表面まで伝達されるまで時間がかかってしまうからである。
【０００６】
従って、使い勝手の点から、待機時も定着ローラ５０を予熱する必要があり、ウォームアップ時及び待機時において、大きな電力を消費してしまうという問題がある。
【０００７】
そこで、このような問題を解決するものとして、外部から定着ローラ５０を加熱する構成の定着装置（以下、「外部加熱定着装置」と称する。）が提案されている。
【０００８】
定着ローラ５０を外部から加熱する方式は、種々の形態が提案されており、例えば、特許文献１、２、３等には、本願添付の図１０に示すように、外部加熱装置７０を備え、定着ローラ外周面に小径の加熱ローラ７１を接触させるものが提案されている。
【０００９】
この場合には、外部加熱装置７０の小径の加熱ローラ７１は、内蔵したハロゲンヒータ等の熱源７２により短い時間で昇温される。それによって、中空芯金５１の外面にシリコーンゴムや発泡シリコーンゴム等より形成された弾性層５２を有する定着ローラ５０の表面は、加圧ローラ６０とは反対側に配置された加熱ローラ７１で直接加熱される。そのために定着ローラ５０の表面の昇温スピードを速くすることができる。
【００１０】
さらに、熱効率を向上させられる外部加熱定着装置の例が特許文献４に提案されている。
【００１１】
特許文献４の外部加熱定着装置では、本願添付の図１１に示すように、外部加熱装置７０の熱源として熱容量の小さいプレート状のヒータ７３を用いる。断熱ステイホルダー７４に担持されたプレート状のヒータ７３が定着ローラ５０に摺動接触し、定着ローラ５０を加熱する。ヒータ７３の発熱量は、温度検知素子７５を介して行われる。
【００１２】
又、本例では、加圧部材６０は、可撓性の回転体６４を、ホルダー６５に保持された摺動部材６６を介して定着ローラ５０に当接させる構造とされている。
【００１３】
この構成においては、ヒータ７３そのものの熱容量が小さいために迅速にヒータ７３が立ち上がる。更には、図１０に示す上述の小径の熱ローラ７１で加熱するタイプとは異なり、定着ローラ５０との接触面が摺動状態で固定されているために、ヒータ７３からの熱が、接触部から持ち去られることがない。そのため、より効率的に熱を伝達することが可能となる。
【００１４】
また、上述のような接触タイプの熱源ではなく、輻射熱源を用いた非接触タイプの外部加熱定着装置が特許文献５、６等に提案されている。
【００１５】
この非接触タイプの外部加熱定着装置は、本願添付の図１２に示すように、外部加熱装置７０として、ハロゲンランプ等の加熱体（熱源）７６を湾曲した反射板７７で内包した構造のものとされる。また、反射板７７の開口切り欠き部７８に位置して、中空芯金５１の外面にシリコーンゴムや発泡シリコーンゴム等より形成された弾性層５２を有する定着ローラ５０を配置させ、加熱体７６により外表面のみを加熱する。定着ローラ５０の表面温度が、温度検知手段５８により検知される。また、本例で、加圧ローラ６０は、図９と同様の構成とされている。
【００１６】
この加熱定着装置の場合でも、外部から定着ローラ５０を加熱するため定着ローラ５０の表面を急激に昇温させることが可能となり、ウォームアップ時間が、図９に示した熱ローラ定着装置に比べ短縮される。定着ローラ５０の昇温時間を短縮することで消費電力を小さくすることができる。
【００１７】
これらのように、外部から定着ローラ表面を急加熱する方法は、内部に熱源がある熱ローラ方式と比較して、立ち上り時間を短くでき、待機時に消費する電力も低減できるという効果を有している。
【００１８】
しかしながら、上述の定着方式には次のような課題がある。
【００１９】
ウォームアップタイムを短縮するために、定着ローラ５０の弾性層を発泡シリコーンゴム等のスポンジ状に形成し、表面に離型層としてＰＦＡチューブを被覆したようなローラを用いた場合には、確かにウォームアップタイムは短縮される。しかしながら、定着ローラ５０と加圧ローラ６０との圧接部、即ち、定着ニップ部Ｎにおいて記録材上のトナー画像を定着可能となる定着ローラ表面温度は、高く設定する必要がある。
【００２０】
これは、定着ローラ５０が断熱性を優先するあまり、熱容量が小さくなり、定着ニップ部Ｎで加熱定着に必要な熱量を十分に確保することが困難になることによる。
【００２１】
また、定着ローラ表面が断熱性を有するため、外部加熱装置７０からの熱量の受渡しが積極的に行われないことから、外部加熱ヒータ温度を定着ローラ表面温度に比べて十分に高い温度に維持する必要があった。このため、外部加熱ヒータ保持部材や外部加熱ヒータ周囲の部材においては、高い耐熱性能が要求されていた。特に、ヒータ裏面に配置する、安全素子などはより高温で作動する素子を選択する必要があり、より高価な素子を使用しなければならなくなっていた。
【００２２】
また、図１２に示すような非接触タイプの熱源を使用した外部加熱装置７０に限っていえば、輻射熱源７６に大きな電力を投入しなければならなかった。これにより、輻射熱源及び輻射熱源周辺の温度が非常に高温になり、例えば、ジャムなどにより記録材が定着ローラ５０に巻きついてしまったり、定着装置の回転が何らかの問題で停止してしまったりした場合に、記録材が非常な高温に曝されてしまう虞があった。
【００２３】
これを回避する方法として、特許文献７では、定着ローラの弾性層を２層に分け、下層を断熱層、最上層を高熱伝導シリコーンゴム層とすることを提案しており、高熱伝導シリコーンゴム層で蓄熱することで、上記の課題を解決せんとしている。
【００２４】
しかし、トナーへの離型性を確保するためには、更に、定着ローラ表層に離型層としてフッ素樹脂層を形成する必要がある。
【００２５】
通常、フッ素樹脂層は熱伝導率が低く、本発明者らの研究によれば、該フッ素樹脂層が例え１０μｍ〜２０μｍ程度の薄い層で形成されていたとしても、該フッ素樹脂層が熱のバリア層となってしまい、次のような課題が発生することが分かった。
【００２６】
すなわち、外部加熱装置からの熱を定着ローラの蓄熱層である高熱伝導弾性層まで拡散するのに時間がかかる。そのため、定着ローラの蓄熱層である高熱伝導弾性層に十分な熱量を拡散するためには、外部加熱ヒータの温度を高く設定し、定着ローラ表面の温度もそれに従い、結局のところ高い温度に維持しなくてはならなくなってしまう。
【００２７】
これを解決する方法の一つとして、熱のバリア層となっているフッ素樹脂層の高熱伝導化が考えられる。フッ素樹脂層の熱伝導率を高くすることで外部加熱装置からの熱が定着ローラに移動しやすくしてやれば、外部加熱ヒータの温度を低く設定しても、効率的に定着ローラに熱を伝えることが出来るようになる。樹脂の高熱伝導化は主に熱伝導フィラーの混入という方法が考えられ、種々のフィラー混入によって熱伝導率が改善されるのを本発明者らも又確認している。
【００２８】
しかし、弊害も大きく、その最大のものは、離型性の低下である。また、フィラーの混入によって樹脂の柔軟性や表面性にも影響が与えられ、耐久性や接着性の低下などにもつながる。また、柔軟性が損なわれるということは、製造後のハンドリングのしにくさにもつながり、製造方法や、製造の歩留まりなどにも影響が及んでしまう。
【００２９】
従って、これらの弊害と、熱伝導率を両立するような混入量でフィラーの設計することが求められるため、上記問題に対して、フィラーの混入という方法のみで解決することは出来ない。
【特許文献１】特開平０４−１５９５８５号公報
【特許文献２】特開平０９−２０４１１４号公報
【特許文献３】特開平１０−３０１４３４号公報
【特許文献４】特開２００３−１８６３２７号公報
【特許文献５】特開平７−１５２２７１号公報
【特許文献６】特開平９−５４５１０号公報
【特許文献７】特開２００２−１２３１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
そこで、本発明の目的は、外部加熱装置からの熱を効率的に定着部材に伝達し、より熱効率の高い外部加熱方式の定着装置及び斯かる定着装置を備えた画像形成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的は本発明に係る定着装置及び画像形成装置にて達成される。要約すれば、本発明の第一の態様によると、定着部材と、前記定着部材の表面と当接して圧接部を形成する加圧部材と、前記定着部材の表面を外部から加熱する加熱体を備えた外部加熱装置と、を有し、
前記定着部材と前記加圧部材との圧接部に、未定着トナー画像を担持した記録材を導入して加熱定着を行う定着装置において、
前記定着部材の表面における前記外部加熱装置による熱伝達領域において、前記外部加熱装置の発熱量が前記定着部材の表面の移動方向の上流側よりも下流側において大きいことを特徴とする定着装置が提供される。
【００３２】
本発明の第二の態様によると、記録材に未定着トナー画像を形成する画像形成手段と、この未定着トナー画像を記録材に熱定着させる定着装置とを備えた画像形成装置において、
前記定着装置は、上記構成の定着装置であることを特徴とする画像形成装置が提供される。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、定着部材の表面における外部加熱装置による熱伝達領域において、外部加熱装置の発熱量が定着部材の表面の移動方向の上流側よりも下流側において大きくされる。これにより、熱伝達領域内において温度上昇する定着部材表面に対して、外部加熱装置表面との温度差を大きくしつづけることができ、加熱伝達領域内において、定着部材表面に効率的に熱を伝えることができる。
【００３４】
従って、本発明の外部加熱方式の定着装置は、外部加熱ヒータによる定着ローラの加熱効率を向上させ、ウォームアップタイムが短く、オンデマンド性に優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明に係る定着装置及び画像形成装置を図面に則して更に詳しく説明する。
【００３６】
実施例１
（画像形成装置の全体構成）
図１に、本発明に係る定着装置が適用される画像形成装置１００の一実施例の概略構成を示す。
【００３７】
本実施例において、画像形成装置１００は、給紙トレイ１、シート積載台２、給紙ローラ３からなるシート給送装置を備えている。給紙トレイ１内のシート積載台２に積載された記録材３７は、給紙ローラ３により最上位の記録材から一枚ずつピックアップされ、搬送ローラ４、搬送コロ５によってレジスト部へと送られる。記録材３７はレジストローラ６とレジストコロ７からなるレジスト部で搬送方向を揃えられた後、画像形成プロセス手段にて構成される画像形成部へと給送される。
【００３８】
画像形成部は、像担持体としてのドラム状の電子写真感光体（以下、「感光ドラム」という。）８０を備えている。感光ドラム８０の回りには、画像形成プロセス手段としての感光ドラム８０を帯電させる帯電器８１、感光ドラム上の潜像をトナーで現像する現像器８２、感光ドラム上の残留トナーを除去し、収容するクリーナー８３等が配置されている。これら画像形成プロセス手段は、トナーカートリッジ９としてユニット化して構成されている。露光手段としてのレーザスキャナユニット１０は、多面体ミラー、多面体ミラー回転用モータ、レーザユニット等がユニット化されて構成されている。
【００３９】
レーザスキャナユニット１０から画像情報に基づくレーザ光Ｌが照射され、帯電器８１にて一様に帯電された感光ドラム８０を露光し、感光ドラム８０には画像情報に基づいた潜像画像が電子写真方式で形成される。この潜像は現像器８１により現像剤としてのトナーにより現像され、この現像されたトナー像は転写ローラ１２により、感光ドラム８０上から搬送される記録材３７に転写される。
【００４０】
トナー像の転写を終えた記録材３７は、定着装置２０に搬送され、ここで転写されたトナー像が加熱定着される。定着装置２０は、定着ローラ５０と、加圧部材６０と、外部加熱装置７０とを備えている。その後、記録材Ｐは、中間排紙ローラ１５、排紙ローラ１６等からなる排紙ユニットにより排紙トレイ１７上に排紙される。
【００４１】
また、画像形成装置本体１００Ａの側面には、機内の画像形成部、電装基板等の昇温箇所を冷却するための冷却ファン１８が取り付けられており、適宜ファン１８を回転することで外気を機内に取り込むことで冷却する。また、冷却ファン１８の近傍には、サーミスタ等の温度検知手段１９が取り付けられている。温度検知手段１９は、冷却ファン１８によって機外の空気を取り込んだ際に、画像形成装置１００が設置されている環境の温度を検知し、その検知結果に基づいて加熱定着装置２０の温度制御シーケンスにフィードバックする。
【００４２】
以上の画像形成装置１００において、記録材上の未定着トナー画像を永久画像として記録材上に加熱定着する定着装置の構成を次に説明する。
【００４３】
（定着装置）
図２に、本実施例１における定着装置２０の構造を示す。本実施例の定着装置２０は、互いに圧接させて圧接部、即ち、定着ニップ部２８を形成させた定着部材としての定着ローラ５０と、加圧部材としての加圧ローラ６０を有している。更に、定着装置２０は、定着ローラ５０を加熱する外部加熱手段である外部加熱装置７０を備えている。即ち、本実施例の定着装置２０は、定着部材外部加熱方式の定着装置である。斯かる構成にて、ニップ部２８に未定着トナー画像３６を担持した記録材３７を導入し、挟持搬送してこの未定着トナー画像を記録材３７に定着させる。
【００４４】
本実施例にて、ローラ形状とされる定着部材、即ち、定着ローラ５０は、外径約１８ｍｍである。詳しくは、直径１２ｍｍのステンレス製の芯金２１の外側に厚みおよそ３ｍｍの低熱伝導性シリコーンゴムで形成された弾性層２２を設け、更にその外側に厚さ３０μｍのフッ素樹脂からなる離型層２３を順次設けた構成とされる。
【００４５】
低熱伝導性の弾性層２２は、シリコーンゴム層内に中空のフィラーを分散させ、硬化物内に気体部分を持たせ、断熱作用を高めた弾性層（気泡ゴム層）からなる。
【００４６】
この中空フィラーにはマイクロバルーン材等があり、このような材料としては、ガラスバルーン、シリカバルーン、カーボンバルーン、フェノールバルーン、アクリロニトリルバルーン、塩化ビニリデンバルーン、アルミナバルーン、ジルコニアバルーン、シラスバルーンなど、如何なるものでも構わない。
【００４７】
本実施例におけるシリコーンゴム層は、その硬化物（シリコーンゴム）の熱伝導度が０．１５Ｗ／ｍＫ以下、好ましくは０．１３Ｗ／ｍＫ以下であることが望ましく、かかる熱伝導度を達成するように調整することが好ましい。熱伝導度が高いと、外部加熱装置７０からの熱を内部に吸収しやすく、定着ローラ表面の温度が上昇しにくくなるため、出来るだけ低熱容量で熱伝導率が低く、断熱効果が高い方が定着ローラ５０の立上りに有利である。
【００４８】
ローラ形状とされる加圧部材、即ち、加圧ローラ６０は、前述した定着ローラ５０と同じ構成となっており、外径約１８ｍｍとされる。詳しくは、直径１２ｍｍのステンレス製の芯金２５の外側に厚みおよそ３ｍｍの低熱伝導性シリコーンゴムで形成された弾性層２６を設け、更にその外側に厚さ３０μｍのフッ素樹脂からなる離型層２７を順次設けた構成とされる。
【００４９】
本実施例では、以上に述べたように、定着部材５０においても、加圧部材６０においてもローラ形状の部材を例に説明を行うが、その形状はローラのみに限定されるものではない。
【００５０】
本実施例において、加圧ローラ６０は、定着ローラ５０と軸方向において並列になるように配列され、総圧９８Ｎで定着ローラ５０に圧接されている。このときに定着ローラ５０と加圧ローラ６０の間には定着ニップ部２８が形成されるが、このニップ幅Ｗ１はおよそ５ｍｍであった。
【００５１】
外部加熱装置７０は、定着ローラ５０を定着ローラ５０の表面側から加熱する手段であり、従来公知のフィルム加熱方式のセラミックヒータユニットの一部を使用している。
【００５２】
すなわち、本実施例にて、外部加熱装置７０は、加熱体としてのセラミックヒータ３０と、このヒータ３０を断熱支持する支持体である断熱ステイホルダー３１、及び、断熱ステイホルダーをバックアップする金属ステー３２を備えている。又、セラミックヒータ３０の定着ローラ側の面の反対面には、サーミスタなどの温度検知素子３３及び温度ヒューズなどの安全素子（不図示）などが設置されている。
【００５３】
図３（ａ）及び図３（ｂ）にセラミックヒータ３０の概略図を示す。図３（ａ）に示すのは、セラミックヒータ３０の断面概略図であり、図３（ｂ）に示されるＣ−Ｄの線で切った断面図を示している。図３（ｂ）には、図３（ａ）に示すセラミックヒータ３０のＢ面を示している。
【００５４】
セラミックヒータ３０は、アルミナや窒化アルミ等の絶縁性セラミックスを基板３８にもつ板状加熱用ヒータである。ヒータ３０は、その表面に、長手方向に沿って、例えばＡｇ／Ｐｄ（銀パラジウム）等の発熱体である通電発熱抵抗層３９をスクリーン印刷等により、厚み１０μｍ程度、幅１〜５ｍｍ程度の線状若しくは細帯状に塗工して形成してある。本実施例では、これに限定されるものではないが、長手方向に沿って平行に２本のパターンとされる通電発熱抵抗層３９が形成されている。
【００５５】
加熱体であるヒータ３０の定着ローラ側（表面側）には、熱効率を損なわない範囲で発熱体の通電発熱抵抗層３９を保護する保護摺動層４０が設けてある。この保護摺動層４０の材質としては主にガラスコートが挙げられるが、ポリイミドやフッ素樹脂、などの材質を用いても良い。本実施例においては、基板３８にアルミナ、通電発熱抵抗層３９の材料として銀パラジウム、保護摺動層４０としてガラスコートを用いた。
【００５６】
基板３８のある一方の長手方向端部付近には、３．７ｍｍ×３．７ｍｍ程度の大きさのＡｇ／Ｐｔ電極４１が２つ形成されている。本実施例で２本パターンとされる通電発熱抵抗層３９の一端と電極４１は、各々、電極１８と同じ材料でなる導電層４２ａで接続されており、導通状態となっている。２本パターンとされる通電発熱抵抗層３９の他端は互いに導電層４２ｂで接続されている。
【００５７】
セラミックヒータ３０においては、その通電発熱抵抗層３９のパターンを種々変更することで、定着部材の移動方向、即ち、定着ローラ５０の回転方向にて上流側と下流側の発熱量に変化を持たせることが出来る。すなわち、基板内において、下流側のみに通電発熱抵抗層３９を形成すれば、下流側の発熱量を大きくすることが出来るし、逆に上流側のみに通電発熱抵抗層３９を形成すれば、上流側の発熱量を大きくすることが出来る。これ以外にも、上流側に幅の広い通電発熱抵抗層３９、下流側に幅の狭い通電発熱抵抗層３９を設ければその比抵抗の違いにより、下流側の発熱量の多い２本パターンを形成することが出来る。また、その逆では上流側の発熱量の多い２本パターンを形成することも可能である。
【００５８】
本実施例においては、これらのパターンを変更することで上流側と下流側の発熱量に変化を与え、そのときの定着ローラ昇温速度の違いを比較する。これについては残りの部材の説明を終えた後に記述する。
【００５９】
セラミックヒータ３０を保持する断熱ステイホルダー３１は、液晶ポリマー、フェノール樹脂、ＰＰＳ、ＰＥＥＫなどの耐熱性樹脂によって形成され、熱伝導率が低いほど定着ローラ表面の加熱に際する熱効率が高くなる。よって樹脂層の中に中空のフィラー、例えばガラスバルーン、シリカバルーンなどを内包してあっても良い。
【００６０】
セラミックヒータ３０の定着ローラ５０の反対面には、上述したように、通電発熱抵抗層３９の発熱に応じて昇温したセラミックス基板３８の温度を検知するためのサーミスタ３３が配置されており、セラミックヒータ３０の温度制御をする。
【００６１】
また、上記サーミスタ３３と同様の位置に配置された安全素子（不図示）は、所定の温度で作動する温度ヒューズであり、ヒータの異常昇温時にヒータに供給される電力をカットし、ヒータが非常な高温になる危険な状態を予防する目的で配置されている。
【００６２】
以上の部材から構成される外部加熱装置７０は、セラミックヒータ３０を定着ローラ５０側にして、不図示の加圧手段によって定着ローラ５０に対して耐熱性を有するシート状の摺動部材、即ち、耐熱性摺動シート３４を介して加圧される。これにより、セラミックヒータ３０と定着ローラ５０の間に熱伝達領域、即ち、加熱領域３５を形成している。本実施例において、外部加熱装置７０は、定着ローラ５０に対し、総圧９８Ｎで圧接されており、加熱領域３５の幅Ｗ２はおよそ５．０ｍｍである。
【００６３】
本実施例で使用している耐熱性摺動シート３４は、厚み３０μｍのポリイミドシートで形成されている。熱伝導改善を目的としたフィラーが混入されており、セラミックヒータ３０からの熱を定着ローラ５０に効率よく伝達するように構成されている。
【００６４】
本実施例における耐熱性摺動シート３４の材質は、上記のポリイミドに限定されることはなく、他の樹脂材料、例えば、ＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＰＳ、等を使用しても良い。また、樹脂材料以外でも、アルミニウムやステンレス、リン青銅等の金属材料で構成することも好ましい。
【００６５】
樹脂材料を使用する場合には前述のように熱伝導率改善のためのフィラーを混入することが望ましい。その材料としては、例えば、ＢＮやアルミ、アルミナ、窒化アルミなどが考えられるが、もちろんその他の材料であっても構わない。
【００６６】
耐熱性摺動シート３４が当接する定着ローラ５０側には摺動性の良好なＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ等が薄くコートされていることが望ましい。本実施例においては厚み６〜８μｍのＰＦＡ樹脂をコートしている。
【００６７】
また、熱を効率に伝えるために耐熱性摺動シート３４のセラミックヒータ３０との接触面及び定着ローラ５０との接触面の表面粗さは小さい方が好ましい。また、セラミックヒータ３０と耐熱性摺動シート３４の間には熱伝達の改善のために熱伝導性に優れた耐熱性グリスを介在させるのも好ましい。
【００６８】
本実施例における耐熱性摺動シート３４は、その両方の端部が断熱ステイホルダー３１に巻き付けられ、断熱ステイホルダー３１をバックアップする金属ステー３２との間に挟み込まれることで固定されている。
【００６９】
これらの耐熱性摺動シート３４の固定部材は、プリント中、非プリント中問わず同じ位置で耐熱性摺動シート３４を固定しており、定着ローラ５０の回転中には耐熱性摺動シート３４は定着ローラ５０と摺擦された状態で固定されている。
【００７０】
以上のような構成において、定着ローラ５０が回転駆動されると、定着ローラ５０は外部加熱装置７０のヒータ３０と耐熱性摺動シート３４を介して摺動摩擦しながら回転状態となる。加圧ローラ６０は、それに伴い従動回転する。その後、セラミックヒータ３０に通電がなされて発熱し、定着ローラ５０の表面が加熱される。セラミックヒータ３０の定着ローラ５０の反対面に設けられたサーミスタ３３により温度検知情報が不図示の制御回路に入力する。制御回路はサーミスタ３３から入力するセラミックヒータ３０の検知温度が所定の温度（定着温度）に維持されるように外部加熱装置７０の、ヒータ３０に対する電力供給を制御する。これにより定着ローラ５０の表面温度は所定の温度に温調される。
【００７１】
次に、本実施例における定着装置２０の、所定の時間における定着ローラ５０の昇温能力を確認した。詳しくは、上述したセラミックヒータ３０の発熱層パターンを種々変更し、そのときの定着ローラ５０の温度変化を測定し、比較を行った。
【００７２】
先ず、表１を参照して、実験に用いたセラミックヒータ３０の通電発熱抵抗層３９のパターンについて説明する。
【００７３】
使用したセラミックス基板３８は、アルミナであり、図３（ｂ）にて、長手方向長さＬが２７０ｍｍ、記録材の通紙方向の幅（以下、「基板幅」と称する。）Ｗは６．０ｍｍのものを使用した。通電発熱抵抗層３９のパターンを変更し、実施例１のヒータ３０として（１）、（２）のヒータを、比較例として、（３）、（４）、（５）のヒータを作製した。表１にヒータ一覧を示す。
【００７４】
【表１】
2010145665.tif 000003
【００７５】
先ず、（１）〜（５）のヒータに共通する項目から説明する。
【００７６】
全てのヒータ３０の保護摺動層３４にはガラスコートを用い、その厚みは約５０μｍである。複数のパターンを配置している場合には直列に接続し、抵抗は全てのヒータで２５Ωになるように調整している。材料は銀パラジウムを使用し、その配合比を変更することで抵抗値を調整した。また、セラミックヒータ３０の温度を検知するサーミスタ３３は全てセラミックス基板３８の基板幅方向の中心位置に配置した。
【００７７】
ヒータ（１）では、１．０ｍｍ幅の通電発熱抵抗層（発熱体）３９が１本、基板３８の基板幅方向の中心から見て、下流側の領域に配置されている。本実施例においては、定着ローラ５０と、セラミックヒータ３０が形成する加熱領域３５の幅Ｗ２が５．０ｍｍであり、下流側に配置された発熱体３９も加熱領域内に含まれるようになっている。加熱領域内におけるヒータ表面温度分布は若干、発熱パターンが存在するところにピークを有するものの、発熱体３９が存在する下流側から上流側に向かって温度が低減するような温度勾配が得られる。加熱領域内において、上流側と下流側の発熱比率が０：１となる。
【００７８】
ヒータ（２）では、通電発熱抵抗層（発熱体）３９を２本配置し、上流側と下流側の発熱体３９の幅を変えて、発熱量に変化を与えている。発熱体３９の幅は、上流側の発熱体の幅を１．５ｍｍ、下流側の発熱体の幅を０．７５ｍｍとしている。これにより、上流側と下流側の発熱体の発熱比率が１：２となるように調整している。
【００７９】
ヒータ（３）では、６．０ｍｍの基板幅に対して、１．０ｍｍの幅を持つ通電発熱抵抗層（発熱体）３９を２本配置している。加熱領域内におけるヒータ表面温度分布は若干、発熱パターンが存在するところにピークを有するものの、ほぼ全域に渡って大きな温度勾配の無い、均一な発熱がなされる状態となる。
【００８０】
ヒータ（４）では、ヒータ（１）と同じように通電発熱抵抗層（発熱体）３９を２本配置しているが、上流側の発熱体と下流側の発熱体の幅をそれぞれ０．７５ｍｍと１．５ｍｍとしている。これにより、発熱量に変化を持たせ、上流側と下流側の発熱体の発熱比率が２：１となるように調整している。
【００８１】
ヒータ（５）では、６．０ｍｍの基板幅に対して１．０ｍｍの通電発熱抵抗層（発熱体）３９を１本配置している。それは、基板３８の基板幅方向の中心から見て、上流側の領域に位置しており、加熱領域が形成されたときには、その上流側の部分にしか発熱体３９が存在しない状態となる。下流側には発熱体３９が存在しないため、上流と下流の発熱比率は１：０である。
【００８２】
以上、上流側及び下流側の発熱量を変化させた５種類のヒータ３０を作製した。これらのヒータ３０を本実施例の定着装置２０に組み込み、実験を行った。定着ローラ５０を室温から立ち上げたとき、１５０℃まで達する時間をモニターした。セラミックヒータ３０には５００Ｗの電力を投入し、定着ローラ５０及びそれに従動回転する加圧ローラ６０の回転速度を１１５ｍｍ／ｓｅｃで回転させた。定着ローラ５０の表面温度は非接触温度センサ−（型番：ＩＴ５５０Ｓ、堀場製作所製）にてモニターした。また、ヒータの裏面に配置した温度検知素子３３が、２００℃に達すると、サーミスタ３３からの温度情報により、そのままの温度で温調するように、制御回路を組み立てた。結果を表２にまとめる。
【００８３】
【表２】
2010145665.tif 000004
【００８４】
ヒータ（１）は、通電発熱抵抗層３９を下流側のみに配置し、上流側と下流側の発熱比率を０：１にしたものであった。このとき定着ローラ表面温度が１５０℃に達する時間は５．６ｓｅｃであった。
【００８５】
ヒータ（２）は、上流側及び下流側の通電発熱抵抗層３９の幅を変化させ、下流側の発熱量を大きくしたものであった。そのときの上流及び下流の発熱体３９の発熱比率は１：２であった。このとき、定着ローラ温度が１５０℃に達する時間は５．８ｓｅｃで、ヒータ（１）よりも０．２ｓｅｃ遅い結果となった。
【００８６】
ヒータ（３）は、通電発熱抵抗層３９を上流側及び下流側の両方に配置し、その発熱比率は１：１であった。このときの定着ローラ温度が１５０℃に達する時間は６．０ｓｅｃで、本実施例１におけるヒータ構成（１）及び（２）よりも遅い結果となった。
【００８７】
ヒータ（４）は、上流側及び下流側の通電発熱抵抗層３９の幅を変化させ、上流側の発熱量を大きくしたものであった。そのときの上流及び下流の発熱体３９の発熱比率は２：１であった。このとき、定着ローラ温度が１５０℃に達する時間は６．２ｓｅｃで、実施例１のヒータ（１）及び（２）、比較例のヒータ（３）よりも遅い結果となった。
【００８８】
ヒータ（５）は、通電発熱抵抗層を上流側のみに配置し、上流側の発熱量をさらに大きくしたものであった。このとき定着ローラが１５０℃に達する時間は６．４ｓｅｃで、本実験で用いたヒータの中で定着ローラの表面温度上昇が一番遅い結果となった。
【００８９】
以上、定着ローラ温度１５０℃を指標にしてみると、上流及び下流に発熱体３９を有し、ほぼ均一に発熱していると考えられるヒータよりも、上流側のみに発熱体３９を有し、上流側の発熱量が大きいヒータは、ローラ昇温速度が劣ることが分かった。また、その逆に、下流側のみに発熱体３９を有し、下流側の発熱量が大きいヒータは、ローラ昇温速度が速くなることが分かった。
【００９０】
次に、ヒータ表面の温度分布を、有限要素法を用いた伝熱シミュレーションを使用して検証した。ヒータ（１）、（３）、（５）において、通電開始から６秒後の、ヒータ表面温度分布のシミュレーションを行った結果を図４に示す。グラフ中、左側が、加熱領域３５の上流側、右側が、加熱領域３５の下流側となっている。
【００９１】
ヒータ（１）は、下流のみに発熱体３９を配置することで、上流と下流の発熱体比率が０：１となったヒータである。上流側から下流側にいくほど、温度が上昇していく傾向を確認できる。
【００９２】
ヒータ（３）は、上流と下流の発熱比率が１：１のヒータである。全体的には下流側の方が温度が高くなっていること、また発熱体位置付近に温度ピークが見られることを除けば、おおむね均一な温度となっている。
【００９３】
ヒータ（５）は、上流側のみに発熱体３９を配置することで、上流と下流の発熱比率が１：０となったヒータである。上流側の発熱体３９が位置する部分に温度ピークをもち、下流側にいくほど温度が下がっていく傾向を確認することができる。
【００９４】
シミュレーションにより、発熱比率を変えることで、ヒータの表面温度を、発熱比率の高い部分において、より高くすることができることが確認できた。従って、発熱比率を加熱領域３５の下流側において大きくすることで、定着ローラ表面温度との差を大きく保つことが出来、より定着ローラ５０を効率的に加熱することができることが分かった。
【００９５】
ヒータ（２）及び（４）については結果を示していないが、ヒータ（２）についてはヒータ（１）とヒータ（３）の中間的な温度分布が得られ、ヒータ（４）についてはヒータ（１）とヒータ（５）の中間的な温度分布が得られる。
【００９６】
以上の実験及びシミュレーション結果を概念的に示した図５を用いて説明すると、以下の通りになる。
【００９７】
図５に示しているのは、ヒータにある電力Ｗが投入され、回転する定着ローラ５０の表面が加熱されているときの、定着ローラ表面上のある一点が加熱ニップ部３５を通過する際の温度上昇を模式的に示したものである。図５中、右方向に、定着ローラ表面が移動しているものとする。すなわち、左側が上流であり、右側が下流である。
【００９８】
先ず、均一発熱をしている状態を考える。発熱体３９の配置にもよるが、発熱体３９を配置できない端部において温度が若干下がり、中央で若干高くなるという温度分布がおおむね一般的である。図５に示しているのは、発熱体３９が２本存在するヒータについて考えている。均一発熱であるため、ヒータ表面は平均すればほぼＡ℃一定になっているものと考える。そこに、温度がＢ℃である、定着ローラ表面上の一点が、加熱ニップ部３５
内に突入してきたとする。突入直後のヒータ３０と定着ローラ５０の温度差は△Ｔ1で、このとき、Ｑ1という大きさの熱量がヒータ３０から定着ローラ５０に供給される。これにより定着ローラ表面が昇温してゆく。ヒータがＡ℃一定であるのに対し、加熱ニップ内で定着ローラ温度が上昇していくため、ヒータ３０と定着ローラ５０の温度差は小さくなってゆき、ニップ出口では入口での温度差△Ｔ1よりも小さい、△ｔ1となる。このときにヒータ３０から定着ローラ５０に供給される熱量は初期のＱ1よりも小さいｑ1である。
【００９９】
すなわち、定着ローラ表面温度は、加熱ニップの初期において大きく昇温するものの、定着ローラ表面温度が上昇していくに従ってヒータとの温度差が小さくなり、移動する熱量が小さくなるため、定着ローラ表面の温度上昇速度が鈍る。そのため、図５に示すように、ヒータ３０の上流側から下流側に移動するに従い、温度上昇の傾きが小さくなってゆくのである。
【０１００】
一方、下流発熱量が上流発熱量よりも大きいヒータ３０を使用した場合を考える。このとき、ヒータの表面温度は均一でなく、勾配が生じており、仮に、下流側が（Ａ＋ａ）℃、上流側が（Ａ−ａ）℃になっているとする。同じ電力Ｗが投入されているため、上流から下流まで平均すればＡ℃である。
【０１０１】
均一発熱時に考えたときと同じように、温度がＢ℃である、定着ローラ表面上の一点が、加熱ニップ内に突入してきたとする。上流側のヒータ温度は（Ａ−ａ）℃で、突入直後のヒータ３０と定着ローラ５０の温度差は△Ｔ2である。このときのヒータ３０から定着ローラ５０へ移動する熱量はＱ2である。均一発熱時と比較してヒータ温度が低いため、△Ｔ2は△Ｔ1よりも小さい。従って、Ｑ2もＱ1より小さいため、加熱ニップ３５の上流側での定着ローラ昇温速度は、均一発熱時と比較して、遅くなる。
【０１０２】
定着ローラ５０の回転により、定着ローラ表面の一点が加熱ニップ内を上流から下流に移動するにしたがい、定着ローラ温度が上昇してゆく。ヒータ温度と定着ローラ温度との差は小さくなってゆき、定着ローラ５０の温度上昇の傾きは徐々に小さくなってゆく。
【０１０３】
しかし、下流発熱量が上流発熱量よりも大きいヒータ３０では、ヒータ表面温度に傾きが生じている。これにより、ヒータ全域で均一に発熱されている場合と比較して、下流側においても、ヒータ３０と定着ローラ５０の温度差を大きく保つことが出来る。特に下流端でのヒータ３０と定着ローラ５０の温度差を△ｔ2としたとき、もし△ｔ1＝△ｔ2ならば、ヒータ温度が高い分、均一発熱と比較して定着ローラ温度を高く出来るということになる。また、△ｔ1＜△ｔ2であっても、このときの熱の流れｑ2はｑ1よりも大きいことになり、均一発熱の場合よりも大きい熱量がヒータから定着ローラに流れることになる。よって、少なくとも均一発熱時よりも、定着ローラ温度を高くすることが出来る。
【０１０４】
以上の熱移動が立ち上げ動作時に繰り返され、結果的には同じ電力、同じ時間を立ち上げに要しても、下流発熱量を大きくした方が効果的に定着ローラを温めることができ、定着ローラ温度をより高くすることが出来る。
【０１０５】
以上、本実施例１において、ヒータ３０の発熱量を上流側よりも下流側において大きくすることで、定着ローラ５０の昇温速度を速められることが分かった。これにより、より立ち上がりの速い、外部加熱方式の定着装置を構成することが可能となる。
【０１０６】
つまり、本実施例の外部加熱方式の定着装置は、外部加熱ヒータによる定着ローラの加熱効率を向上させ、ウォームアップタイムが短く、オンデマンド性に優れている。
【０１０７】
実施例２
次に、本発明に係る定着装置の他の実施例について説明する。
【０１０８】
図６に示す本実施例２における定着装置２０の全体構成は、図２、図３を参照して説明した実施例１における定着装置２０と同様であるため、同じ構成及び機能をなす部材には同じ参照番号を付し、実施例１の説明を援用し、ここでの再度の説明は省略する。
【０１０９】
本実施例２においては、外部加熱装置であるヒータユニット７０の位置を、ヒータユニット７０と定着ローラ５０で形成する加熱領域３５の上流方向又は下流方向にずらす構成とする。このようにすることで、加熱領域内の発熱分布に変化を与えることができる。
【０１１０】
すなわち、図６に示すように、ヒータユニット７０を加熱領域３５の上流側にずらせば、加熱領域３５の上流側に発熱ピークを移動させることができるし、図示してはいないが、ヒータユニット７０を加熱領域３５の下流側にずらせば、加熱領域３５の下流側に発熱ピークをずらすことができる。
【０１１１】
その発熱ピークは、ヒータユニット７０のずらし量を大きくするほど大きく移動する。しかし、余りヒータユニット７０を大きくずらすと、ヒータ３０の発熱体３９が加熱領域３５から外れてしまう可能性もでてくる。ヒータ３０の発熱体３９が加熱領域３５から外れてしまうと、発熱体３９の熱が定着ローラ５０に奪われにくくなり、その部分が異常に昇温してしまう可能性がある。それを軽減するために、例えばヒータ３０と定着ローラ５０の間に挟む摺動部材３４の材質を熱伝導率の高い金属などで構成することも考えられるが、やはり、発熱体３９が加熱領域３５から外れる状態は好ましくない。
【０１１２】
従って、ヒータユニット７０のずらし量は、ヒータ上の発熱体パターンの寸法によっても決まってくる。
【０１１３】
上記の構成は、外部加熱装置、即ち、ヒータユニット７０を定着ローラ５０に圧接させ、定着ローラ５０の弾性層を圧縮することで、ヒータ３０の形状に合った形状の加熱ニップ（熱伝達領域）３５を形成する構成について記述した。
【０１１４】
一方、熱伝達領域、即ち、加熱領域３５を定着ローラ５０の曲率に沿わせた形状となるように構成することも好ましい。
【０１１５】
例えば、ヒータ３０と定着ローラ５０の間に介在させる、実施例１で説明した耐熱性摺動シートとされる摺動部材３４の代わりに、図７に示すように、定着ローラ５０の曲率に合った曲率を有する曲面板金などで構成する摺動部材４３とすることもできる。その曲面板金４３の定着ローラ５０と接する反対側の面にヒータ３０を配置する。このようにすることで定着ローラ５０の弾性層を圧縮して、ヒータ３０の形状に沿った加熱領域３５を形成する場合と比較して、定着ローラ５０の回転方向に沿った加熱領域長をより長く形成することが可能となる。
【０１１６】
曲面板金４３をヒータ３０と定着ローラ５０の間に介在させることによって、ヒータ幅Ｗよりも大きい加熱領域３５を形成することが可能となった。例えば、長い加熱領域３５を構成することができれば、より発熱ピークの位置を加熱領域３５の中心から大きくずらすことが出来るようになる。例えば、図８に示すように、加熱領域３５が下流側に長い構成とすることにより、加熱領域３５の上流側と下流側の発熱量の比率を大きく変化させることができる。
【０１１７】
図８では、上述のように、曲面板金４３の形状を、定着ローラ５０の回転方向の上流側に張り出した形状とした。このことにより、ヒータ３０の位置を不図示の支持部材の変更などにより変更するのではなく、曲面板金４３と定着ローラ５０で形成する加熱領域３５をヒータ３０よりも定着ローラ５０の上流側に広げることで、相対的にヒータ３０を加熱領域３５の下流側に位置させる構成となった。
【０１１８】
加熱領域３５の上流側の領域は、ヒータ３０からの熱を曲面板金４３で伝熱することで、定着ローラ５０に熱を付与する。一方、加熱領域３５の下流側の領域ではヒータ３０との距離が近くなるために、より優先的に熱が定着ローラ５０に付与される。従って、加熱領域３５の上流側の領域よりも、下流側の領域の方が、定着ローラ５０に与える熱量が大きい構成となる。
【０１１９】
この曲面板金４３の形状は種々考えられ、必要な回転速度や定着器立上り速度によって変化させることが好ましい。また、形状は曲面に限定されるものではなく、定着ローラ５０の外表面に沿った形状の部材とされる。例えば、その他に、複数の平面を組み合わせた多角形形状であってもよい。また平面と曲面で構成される形状であっても良いし、平面形状の部材を湾曲させた形状であっても良い。また、材質はなるべく熱伝導性に優れたものが好ましいが、金属に限定されるものではない。例えばアルミナや窒化アルミなどの良熱伝導性を有するセラミックス材料であっても良いし、ポリイミドなどの樹脂材料であっても構わない。
【０１２０】
以上、本実施例２のように、ヒータユニット７０の位置を変更するか、若しくは、ヒータ３０と定着ローラ５０の間に介在する摺動部材４３の形状等を変更することができる。この構成によって、ヒータ３０と定着ローラ５０で形成する加熱領域３５の下流側の発熱量を、上流側の発熱量と比較して大きくすることが出来る。このことにより、より定着ローラ５０に熱を効率的に伝えることができる。
【０１２１】
つまり、本実施例の外部加熱方式の定着装置は、実施例１と同様に、外部加熱ヒータによる定着ローラの加熱効率を向上させ、ウォームアップタイムが短く、オンデマンド性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明に係る画像形成装置の一実施例の概略構成図である。
【図２】本発明に係る外部加熱式定着装置の一実施例の概略構成図である。
【図３】セラミックヒータの概略図であり、図３（ａ）は図３（ｂ）のＣ−Ｄ断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ面を示す平面図である。
【図４】実施例１におけるヒータ表面温度のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】実施例１の効果の説明図である。
【図６】本発明に係る外部加熱式定着装置の他の実施例の概略構成図である。
【図７】本発明に係る外部加熱式定着装置の他の実施例の概略構成図である。
【図８】本発明に係る外部加熱式定着装置の他の実施例における熱伝達領域近傍の概略構成図である。
【図９】従来例である外部加熱方式の熱ローラ定着装置の概略図である。
【図１０】従来例である加熱ローラを用いた外部加熱方式の熱ローラ定着装置の概略図である。
【図１１】従来例であるプレート状のヒータを用いた外部加熱方式の熱ローラ定着装置の概略図である。
【図１２】従来例である輻射熱源を用いた外部加熱方式の定着装置の概略図である。
【符号の説明】
【０１２３】
２０        定着装置
２８        定着ニップ部（圧接部）
３０        セラミックヒータ（加熱体）
３３        サーミスタ（温度検知素子）
３４        耐熱摺動シート（摺動部材）
３５        加熱領域（熱伝達領域）
３７        記録材
３８        基板
３９        通電発熱抵抗層（発熱体）
４３        曲面板金（摺動部材）
５０        定着ローラ（定着部材）
６０        加圧ローラ（加圧部材）
７０        外部加熱装置（ヒータユニット）
８０        感光ドラム（像担持体）
８１        帯電器
８２        現像器
８３        クリーナー
１００      画像形成装置
１００Ａ    画像形成装置本体
【図１】
2010145665.tif 000005
【図２】
2010145665.tif 000006
【図３】
2010145665.tif 000007
【図４】
2010145665.tif 000008
【図５】
2010145665.tif 000009
【図６】
2010145665.tif 000010
【図７】
2010145665.tif 000011
【図８】
2010145665.tif 000012
【図９】
2010145665.tif 000013
【図１０】
2010145665.tif 000014
【図１１】
2010145665.tif 000015
【図１２】
2010145665.tif 000016