(57)【要約】【課題】  本発明は、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く、断熱効率が高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面を加熱する加熱源を具備し、加熱ローラの内部空間に、空気より低熱伝導率の気体を充填する。【選択図】        図１
2010256393.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面を加熱する加熱源を具備し、前記加熱ローラの内部空間に、空気より低熱伝導率の気体を充填することを特徴とする定着装置。
【請求項２】
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、前記加熱源で前記液体を加熱することを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項３】
前記加熱ローラの内部の空間に、柔軟性及び弾性を有する変形可能な気密容器であって前記加熱ローラの内部圧力に応じて容積が可変する容積可変部材を設け、該容積可変部材によって前記気体は非加熱時の温度から定着時の前記液体の液温と同じ温度範囲にわたって一定の圧力であることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
【請求項４】
前記気体は、定着時の液温と同じ温度で、前記液体の飽和蒸気圧以上の圧力であることを特徴とする請求項１〜３記載のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項５】
前記液体に前記加熱源が浸漬していることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項６】
前記加熱源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５記載の定着装置。
【請求項７】
前記加熱源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１〜６のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項８】
複数の前記液温センサを前記各加熱源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７記載の定着装置。
【請求項９】
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１〜８のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１０】
前記加熱源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１〜８のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１１】
前記加熱源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１〜８のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１２】
前記加熱源の一部配線は螺旋状になす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１〜１２のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１４】
前記液体は、イオン液体であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１５】
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１〜１４のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１６】
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加熱源又は前記液温センサ、前記加熱源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、前記架橋部の前記加熱源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１〜１５のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１７】
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１６記載の定着装置。
【請求項１８】
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１６又は１７に記載の定着装置。
【請求項１９】
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１〜１８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。しかし、加熱個所がニップ個所の局所であるため、周囲の温度変化に影響を受けやすい。一方、周囲の温度変化に影響を受けにくくするために、特許文献１、２には断熱構造が提案されている。また、加熱ローラの放熱を少なくし、加熱電力を低減させるために、特許文献２には加熱ローラ周辺を熱伝導率の小さいガスで断熱する方法が提案されている。
【０００４】
しかし、上記特許文献１では、加熱ローラを外部の加熱部材で加熱し、加熱ローラと反対側への放熱を低減するために、加熱部材の発熱体に断熱材を具備したものであり、ニップ個所を加熱する構造ではなく、加熱ローラの内部の空間への伝熱は断熱していない。つまり、ニップ個所を加熱する構造でない。また、上記特許文献２は定着フィルムを加熱するヒータを覆うヒータ支持体が断熱性を有しているが、定着フィルム自体を断熱していない。更に、上記特許文献３は、加熱ローラ内部全周に断熱ガス層を設けているが、加熱源は加熱ローラ外部に設けられており、ニップ個所の加熱でなく、結局のところニップ個所の断熱でない。
【０００５】
そこで、ニップ個所を加熱する従来の定着装置について図面を用いて以下に説明する。
図１５は従来の定着装置の構成を示す断面図である。同図に示す従来の定着装置１は、加熱ローラ１１の内部に、液体１２と、液体１２と対向し離間した位置で液体を加熱するハロゲンヒータ１３とを設けた定着装置である。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、ハロゲンヒータ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によって支持されており、よって加熱ローラ１１が回転しても、ハロゲンヒータ１３は所定位置に固定されている。また、ハロゲンヒータ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。このような構成を有する従来の定着装置１は、加圧ローラ１９と加熱ローラ１１が当接するニップ個所において、搬送される用紙上のトナーを溶融平滑化するために、ハロゲンヒータ１３により直接又は熱反射板２０に反射された熱でニップ付近の液体１２を加熱し、加熱された液体１２をもって加熱ローラ１１のニップ個所付近を加熱している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図１５に示す従来の定着装置において定着ニップ個所が加熱される際、図１５の図中の矢印で模式的に示すように、加熱源のハロゲンヒータからの熱は直接に又は熱反射板を介しての間接に液体を加熱する以外に、加熱ローラの面や加熱ローラの内部の空間への熱拡散による加熱も生じる。よって、加熱ローラのニップ個所が高温度になると加熱ローラに沿って伝熱し、加熱ローラの温度分布が変化してくると共に、加熱ローラから輻射熱が散逸し、無駄になり、結局ニップ個所の温度に影響を与えてしまう。
【０００７】
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ニップ個所を迅速に加熱でき、加熱電力に無駄が少なく、断熱効率が高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】
【０００８】
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面を加熱する加熱源を具備し、加熱ローラの内部空間に、空気より低熱伝導率の気体を充填することに特徴がある。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く、断熱効率が高い定着装置を提供できる。
【０００９】
また、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、加熱源で液体を加熱することにより、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くなる。
【００１０】
更に、加熱ローラの内部の空間に、柔軟性及び弾性を有する変形可能な気密容器であって加熱ローラの内部圧力に応じて容積が可変する容積可変部材を設け、該容積可変部材によって気体は非加熱時の温度から定着時の液体の液温と同じ温度範囲にわたって一定の圧力である。よって、気体は加熱時に膨張した容積分、容積可変部材の容積が減じ、加熱ローラ内部の全体空間の容積が変化しないため、周囲環境の温度の影響を受けても加熱ローラの内部の空間容積は変わらず低伝熱状態を維持できる。
【００１１】
また、気体は、定着時の液温と同じ温度で、液体の飽和蒸気圧以上の圧力であることにより、液体の蒸発が小さく、伝熱ロスを小さくして定着ニップ個所付近のみ加熱することによって、加熱電力を低減することができる。
【００１２】
更に、液体に加熱源が浸漬していることにより、加熱ローラの温度が安定し、不要な個所を無駄に加熱せず、加熱が必要な定着ニップ個所付近を集中して迅速に加熱でき、結果加熱電力を低減できる。
【００１３】
また、加熱源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加熱源の温度を精度良く測定することができる。
【００１４】
更に、加熱源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加熱源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。
【００１５】
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。
【００１６】
更に、加熱源又は液温センサは、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、固定された加熱源や液温センサ周囲を流動する液体と加熱源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。
【００１７】
また、加熱源又は液温センサは、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。
【００１８】
更に、加熱源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加熱源は高精度の位置を維持できる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、かつ少なくとも加熱源又は液温センサ、加熱源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、架橋部の加熱源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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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】
【００２６】
本発明の定着装置は、加熱ローラの内部空間に、空気より低熱伝導率の気体を充填している。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く、断熱効率が高い定着装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【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断面図である。
【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】本発明の第８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９】本発明の第９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１０】図９の加熱ユニットの構成を示す図である。
【図１１】図９の加熱ユニットの別の構成を示す断面図である。
【図１２】図９の加熱ユニットの別の構成を示す図である。
【図１３】図９の加熱ユニットの別の構成を示す断面図である。
【図１４】図１３の加熱ユニットの別の構成を示す図である。
【図１５】従来の定着装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００；定着装置、
１１；加熱ローラ、１２，１２−１，１２−２；液体、
１３；ハロゲンヒータ、１８；ステー、１９；加圧ローラ、
２１；気体、３１；ヒータ、３２；電源部、３３；電源供給線、
３４；密閉蓋、５１；調節範囲枠、６１；回転軸兼電気導入端子、
６２；電気接点、６３；バランサ、７１；断熱部材、
８１；容積可変部材、８２；支持コイル、９１，１０９；液温センサ、
９２；温度計測部、９３；制御部、１０１；整流板、１０２；基板、
１０３；加熱ユニット、１０４；支持・電気導線部、
１０５；電極、１０６；ヒータ支持板、１０７，１０８；台座。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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断面図である。同図において、図１５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１０は、加熱ローラ１１の内部に、空気より熱伝熱率が小さい気体２１を充填し、加熱源であるハロゲンヒータ１３、加熱ローラ１１と加熱ローラ１１の内部の空間との伝熱を低減している。また、液体１２が蒸発することによって熱が運搬されないように、蒸発させないための液体１２に接する気体２１でもある。加熱ローラ１１の内部の空間が１００℃である場合、１００℃において熱伝導率ｍＷ／（ｍＫ）は、空気（大気成分）が３０に対し、空気より熱伝導率が小さい気体として、ＣＯ２（二酸化炭素）は２３、Ａｒ(アルゴン)は２１、Ｃｒ(クリプトン)は１１、フロンおよび代替フロン類（ＣＦＣｓ）は１８〜１０であって、適宜選択できるが、取り扱いやすさ、安全性、環境影響の低減、コストの観点から、Ａｒ(アルゴン)が好ましい。また、加熱ローラ内部の空間を真空状態にしておくことでも良い。更に、加熱ローラ内部のハロゲンヒータ１３及び熱反射板２０の付近を除くスペースに、Ａｒガスなどの気体２１を充填するか真空（減圧）にするかにより、輻射熱の散逸が低減でき、加熱ローラ１１を所定の温度にできる。
【００３０】
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は、加熱ローラ１１の内部に、空気より熱伝熱率が小さい気体２１を充填し、液体１２中に浸漬させたヒータ３１を設けた定着装置である。このように、加熱源であるヒータ３１、加熱ローラ１１と加熱ローラ１１の内部の空間との伝熱を低減すると共に、液体１２とヒータ３１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、ヒータ３１には、固定軸１７の内部を通し、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。また、図１の（ｂ）に示すように、液体中にヒータ３１を設置した加熱ローラ１１と電源部３２とが電源供給線３３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及び気体２１を閉じ込めるために密閉蓋３４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２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３１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３１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３１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３１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、加熱ローラ１１の幅方向でヒータ３１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してもよい。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３１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３１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３１が液中に常時埋設されるように、ヒータ３１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、液体１２の表面に加わる気体２１の圧力が、液体１２の飽和蒸気圧以上であれば液体は蒸発しないので、定着時の液温と同じ温度にて、液体１２の飽和蒸気圧以上の圧力になるように、加熱ローラ内部の空間へ気体２１を充填する。この気体２１は、液体１２への溶解度が小さく、また液体１２から伝熱が少なくなるように、特に定着温度付近で熱伝導率の小さく、または定着温度付近で熱伝導率の温度依存性の小さいアルゴンガスやクリプトンガスが適している。よって、液体１２の蒸発が小さく、伝熱ロスを小さくしてニップ個所付近のみ加熱することによって、加熱電力を低減することができる。蒸気圧の制限が緩和されることにより、利用できる液体の種類が増え便宜性が増す。
【００３３】
また、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。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。
【００３４】
更に、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。
【００３５】
また、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、加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。
【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２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４０において、図２の第２の実施の形態の定着装置３０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３１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３１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。更に、加熱ローラ内部の空間へ液体から放熱する量を低減するために、Ａｒガスなどの気体２１を充填するか真空（減圧）にするかにより、輻射熱の散逸が低減でき、加熱ローラ１１を所定の温度にできる。
【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２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５０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５１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。
【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。同図の（ａ）は透視斜視図であり、同図の（ｂ）は軸方向の断面図である。同図において、図２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６０において、図２の第２の実施の形態の定着装置３０と異なる構成要素として、ヒータ３１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６１を固定し、電源部３２と電源供給線３３が接続されているリング型の電気接点６２を回転軸兼電気導入端子６１に設け、リング型の電気接点６２に取り付けたステー１８でヒータ３１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３１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３１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６３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３１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３１は液体１２に浸漬した状態を保持できる。更に、加熱ローラ内部の空間へ液体から放熱する量を低減するために、Ａｒガスなどの気体２１を充填するか真空（減圧）にするかにより、輻射熱の散逸が低減でき、加熱ローラ１１を所定の温度にできる。なお、図４と同じく、加圧ローラの回転軸に、加圧ローラの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。
【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。同図において、図２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７０において、加熱ローラ１１に円筒状の断熱部材７１が設けられ、加熱ローラ１１の内面と断熱部材７１の間隙のニップに対峙する付近に、液体１２を充填し、ヒータ３１を液体１２に浸漬させた構造からなっている。また、加熱ローラ１１の内面と断熱部材７１の間隙には気体２１が充填されている。このように、加熱ローラ内部の空間において、加熱ローラ１１と断熱部材７１が近接した、極薄い間隙の空間も伝熱を低減させるために、Ａｒガスを充填するか真空（減圧）にするかにより、輻射熱の散逸が低減でき、加熱ローラ１１を所定の温度にできる。なお、断熱部材７１は固定されていて、断熱部材面に取り付けたヒータ３１は液体中のニップに対峙する付近にある。また、ヒータ３１が液中に常時埋設されるように、ヒータ３１のサイズ、液体の深さを設定する必要があるが、液体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の量を決定する。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、液量を少なくすることも求められる。熱容量を小さくするために液量を少なく、あるいは液層の厚みを薄くすると、ニップ幅が狭くなるので、断熱部材７１と加熱ローラ１１の内面との間隔を狭めて、断熱部材７１を液体容積補完部材として液層を押し広げ、ニップ幅を大きくすることができる。
【００４０】
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。同図において、図５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８０において、図２の第２の実施の形態の定着装置３０と異なる構成要素として、加熱ローラ１１の内部の圧力を一定にする容積可変部材８１を設けている。つまり、加熱ローラ１１の内部の空間に柔軟性かつ弾性を有する気密の容積可変部材８１を設置し、容積可変部材８１は軸受け及び支持コイル８２で支持されていて、非加熱時の温度において、支持コイル８２によって伸張され、加熱ローラ１１と容積可変部材８１の間の気体２１の圧力よりも、容積可変部材８１の内部の気体２１の圧力は減圧されている。容積可変部材８１は、気密性、耐熱性があり、表面が伸縮性を有する薄い蛇腹（ベローズ）の断面形状を有するステンレスなどの金属箔からなる気密容器である。
【００４１】
このような構成を有する本実施の形態の定着装置によれば、加熱時に、加熱ローラ１１と容積可変部材８１の間の気体２１が膨張した容積分、容積可変部材８１の内部の容積が減じ、支持コイル８２が圧縮され、非加熱時から加熱時に渡って、加熱ローラ１１と容積可変部材８１の間の気体２１の圧力は変化しない。なお、加熱ローラ１１と容積可変部材８１の間の気体２１の膨張する容積を小さくすると、容積可変部材８１の容積変化量は小さくできるので、迅速に、加熱ローラ１１と容積可変部材８１の間の気体２１の圧力の調整を行うことができる。
【００４２】
なお、図７に示す断熱部材７１と加熱ローラ２１の内部に占める容積割合のように、容積可変部材８１はできるだけ容積割合は大きい方が望ましい。また、これらの気体として、特に定着温度付近で熱伝導率の小さいガス、または定着温度付近で熱伝導率の温度依存性の小さいアルゴンガスやクリプトンガスを充填する。これによって、加熱ローラを気密にして内部にガスを充填しても、非加熱時から加熱時に渡って、加熱ローラに加わる内圧は一定なので加熱ローラは寸法変化を起こし難い。更に、肉薄ローラで弾性の小さい素材からなる材料を用いる場合は、非加熱時から加熱時に渡って、温度変化、熱膨張や圧力変動を繰り返し受けるため、脆性疲労を起こしやすいのであるが、圧力変動が小さくなるので耐久性がよくなる。
【００４３】
図８は本発明の第８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２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９０において、図２の第２の実施の形態の定着装置３０と異なる構成要素として、ヒータ３１を液体１２に浸漬させる共に液温センサ９１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９１は、ヒータ線と平行してヒータ３１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９１により測定した液温に基づいてヒータ３１の電力を定着に必要な液温になるようにヒータ３１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９１から温度計測部９２で検出した温度を、制御部９３で所定の制御信号の値に変換し電源部３２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３１に電力を供給する。このように本実施の形態の定着装置９０は簡単な構造なので、狭い場所にヒータ３１と液温センサ９１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８１を設けてもよい。なお、液温センサ９１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。加熱ローラ内部の空間へ液体から放熱する量を低減させるために、Ａｒガスを充填するか真空（減圧）にするかにより、輻射熱の散逸が低減でき、加熱ローラを所定の温度にできる。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
図９は本発明の第９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１００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３１及び整流板１０１を支える架橋部と基板１０２を有する加熱ユニット１０３が固定軸１７に支持・電気導線部１０４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３１以外の構造物と接触伝熱しないように、液面と基板１０２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３１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１０１が併設されている。ヒータ３１が液体１２に浸漬するために、ヒータ３１と基板１０２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。加熱ローラ内部の空間へ液体から放熱する量を低減させるために、Ａｒガスを充填するか真空（減圧）にするかにより、輻射熱の散逸が低減でき、加熱ローラを所定の温度にできる。
【００４７】
図１０は図９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９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３１と整流板１０１とを固定する。ヒータ３１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１０５が形成されている。整流板１０１はヒータ３１の両側に設置しても良い。整流板１０１とヒータ３１との間にヒータ３１を支持するヒータ支持板１０６を接続しヒータ３１や整流板１０１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３１は平面性が優れている必要があり、図１０の（ｅ）に示すように、平面性が優れた基板１０２に、基板１０２とヒータ３１の間隔精度が高くなるように同じ厚みの台座１０７を介して、ヒータ３１を固定する。また、ヒータ３１と同じように、台座１０７を介して、ヒータ３１と隔てて平行に整流板１０１を設置している。更に、図１０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３１の両面に液体が流動するように、層状のヒータ３１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。
【００４８】
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１０１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。
【００４９】
図１１は図９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９の（ｂ）に示す基板１０２と台座１０７を一体成型した台座１０８の上にヒータ３１や電極１０５を設けている。台座１０８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３１を張架する。更に、台座１０８の凹部に、図１の熱反射板２０と同じ役割の反射膜を一体に形成する。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。
【００５０】
図１２は図９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１０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３１、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１０２に、台座１０７としてＡｌやＮｉなどの板を接合し、ヒータ３１としてＮｉＣｒやカンタルの箔及び整流板１０１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３１の電極１０５、ヒータ３１、整流板１０１をエッチングでパターン形成し、次に台座１０７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。
【００５１】
図１３は図９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１０９とヒータ３１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。
【００５２】
図１４は図１３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１３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１０９を設けた例であり、微細加工で複数の液温センサ１０９とヒータ３１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１０９とヒータ３１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。
【００５３】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５４】
【特許文献１】特開２０００−０８９５９６号公報
【特許文献２】特開平０６−０６７５５６号公報
【特許文献３】特開２００１−１３５４７２号公報
【図１】
2010256393.tif 000003
【図２】
2010256393.tif 000004
【図３】
2010256393.tif 000005
【図４】
2010256393.tif 000006
【図５】
2010256393.tif 000007
【図６】
2010256393.tif 000008
【図７】
2010256393.tif 000009
【図８】
2010256393.tif 000010
【図９】
2010256393.tif 000011
【図１０】
2010256393.tif 000012
【図１１】
2010256393.tif 000013
【図１２】
2010256393.tif 000014
【図１３】
2010256393.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2010256393.tif 000017