(57)【要約】【課題】加熱効率が高く消費電力が小さい加熱定着装置を提供すること。【解決手段】加熱定着装置は、選択放射加熱源１０’と、選択放射加熱源１０’を中心軸とし、加熱圧着に適した温度に加熱される加熱ローラ２０と、加熱ローラ２０に圧接する加圧ローラ３０とによって構成されている。圧接された加熱ローラ２０と加圧ローラ３０とは適当なニップ部４０を形成する。トナー像５０ａが形成された記録媒体５０はこのニップ部４０によって挟持され、この結果、トナー像５０ａは熱及び圧力によって記録媒体５０に加熱定着される。加熱ローラ２０は、基材２１、弾性層２２及び表面層２３よりなる。また、加圧ローラ３０は、基材３１及び弾性層３２よりなる。選択放射加熱源１０’に含まれる選択放射制御層は、所定の赤外波長λPよりも短波長側の光を吸収し、他方、この赤外波長λPよりも長波長側の光を反射するように作用する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定着部材と、
該定着部材の光吸収特性に対応して所定の赤外波長より短波長側で強くかつ該所定の赤外波長より長波長側で弱い放射強度を有する選択放射加熱源と
を具備する加熱定着装置。
【請求項２】
前記選択放射加熱源は放射体を具備し、
該放射体は、
加熱基材と、
該加熱基材上に形成され、前記所定の赤外波長より短波長側で小さくかつ該所定の赤外波長より長波長側で大きい反射率を有する選択放射制御層と
を具備する請求項１に記載の加熱定着装置。
【請求項３】
前記所定の赤外波長より短波長側の波長領域は前記定着部材の内面が光を吸収する波長領域を少なくとも含む請求項１に記載の加熱定着装置。
【請求項４】
前記所定の赤外波長は1μm以上5μm以下である請求項１に記載の加熱定着装置。
【請求項５】
前記所定の赤外波長は3μm以上4μm以下である請求項１に記載の加熱定着装置。
【請求項６】
前記加熱基材は、W、Mo、Ta、Au、Cu、Cr、Ni、Fe、Pt、TaC、TiN、ZrN及びHfNの１つあるいはこれらの合金である請求項２に記載の加熱定着装置。
【請求項７】
前記選択放射制御層の前記所定の赤外波長より長波長側での反射率は95％以上である請求項２に記載の加熱定着装置。
【請求項８】
前記選択放射制御層は、金属あるいはその合金、金属酸化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属フッ化物、金属硫化物、金属リン化物、有機物、及び誘電体中に金属及び半導体の少なくとも１つを分散させたサーメットの単層あるいは積層体よりなる請求項２に記載の加熱定着装置。
【請求項９】
前記選択放射制御層は前記所定の赤外波長よりも短波長側の光を吸収するための吸収材を添加した白色散乱体層よりなる請求項２に記載の加熱定着装置。
【請求項１０】
前記加熱基材は金属よりなり、
前記選択放射制御層は該金属の多孔質金属よりなる請求項２に記載の加熱定着装置。
【請求項１１】
前記加熱基材は金属もしくは半導体よりなり、
前記選択放射制御層はフォトニック結晶構造よりなる請求項２に記載の加熱定着装置。
【請求項１２】
前記放射体は、さらに、前記選択放射制御層上に設けられた反射防止層を具備する請求項２に記載の加熱定着装置。
【請求項１３】
前記選択放射加熱源は、さらに、前記放射体を封止するために前記所定の赤外波長より短波長側の光を通過するバルブを具備する請求項２に記載の加熱定着装置。
【請求項１４】
前記バルブは無水合成石英ガラスよりなる請求項１３に記載の加熱定着装置。
【請求項１５】
前記定着部材は前記所定の赤外波長より短波長側で小さくかつ該所定の赤外波長より長波長側で大きい反射率を有する選択吸収層を具備する請求項１に記載の加熱定着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ装置等の電子写真装置に用いられる加熱定着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、上述の電子写真装置においては、感光体ドラム等に形成されたトナー像を記録媒体に転写し、記録媒体に転写されたトナー像を加熱定着装置によって定着し、排出トレイに排出される。
【０００３】
図１７は従来の加熱定着装置を示す断面図である（参照：特許文献１の図１、特許文献２の図９）。
【０００４】
図１７において、加熱定着装置は、ハロゲンランプ等の発熱源１０と、発熱源１０を中心軸とし、加熱圧着に適した温度に加熱される加熱ローラ２０と、加熱ローラ２０に圧接する加圧ローラ３０とによって構成されている。圧接された加熱ローラ２０と加圧ローラ３０とは適当なニップ部４０を形成し、駆動手段（図示せず）によって回転駆動される。トナー像５０ａが形成された記録媒体５０はこのニップ部４０によって挟持され、この結果、トナー像５０ａは熱及び圧力によって記録媒体５０に加熱定着される。
【０００５】
加熱ローラ２０は、基材２１、弾性層２２及び表面層２３よりなる。また、加圧ローラ３０は、基材３１及び弾性層３２よりなる。基材２１、３１はアルミニウム等の金属あるいはポリイミド樹脂等の耐熱性樹脂よりなり、弾性層２２、３２はゴム、シリコーン樹脂等よりなり、表面層２３は低付着性のフッ素樹脂等よりなる。
【０００６】
また、無端状の加熱ベルトを設けると共に、加熱ベルトを介して圧接される一対の回転部材を設け、これにより、ニップ部を長くし、加熱定着時間を長くすることも知られている（参照：特許文献１）。この場合、加熱ベルトと他の部材との接触面積を少なくすることにより、発熱源によって加熱された加熱ベルトの熱が他の部材に奪われるのを抑制している。
【０００７】
さらに、加熱ローラの内面に波状に加工された金属板を設けて加熱ローラの内周面の面積を大きくし、これにより、発熱源から放射される光の吸収効率を向上させている（参照：特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２４６０８４号公報（特許第３７５５５１６号公報）
【特許文献２】特開平８−１０６２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の従来の加熱定着装置においては、発熱源たとえばハロゲンランプから放射される光の波長領域と、加熱ローラ、加熱ベルト、波状金属板等の定着部材の吸収光の波長領域とは必ずしも一致していなく、この結果、定着部材が発熱源から放射される光を効率よく吸収できず、従って、定着部材の加熱効率が低く、消費電力が大きいという課題がある。
【００１０】
また、発熱源たとえばハロゲンランプはハロゲンランプを封止する無水合成の石英ガラスの封止バルブも同時に加熱する。たとえば、無水合成の石英ガラスの光吸収スペクトルは、図１７に示すごとく、波長4μmより長波長側で急激に大きくなる。他方、ハロゲンランプは黒体輻射に近似した光を放射し、波長4μmより長波長側の光を含む。従って、この長波長側の光はハロゲンランプのフィラメントの熱容量より大きい熱容量を有する石英ガラスの封止バルブに吸収され、この結果、発熱源の立上り及び立下り時間が長くなるという課題もある。また、発熱源から放射される光の一部は封止バルブに吸収されてしまうので、加熱効率が悪くなり、消費電力が大きくなるという課題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の課題を解決するために、本発明に係る加熱定着装置は、定着部材と、この定着部材の光吸収特性に対応して所定の赤外波長より短波長側で強くかつ所定の赤外波長より長波長側で弱い光の放射強度を有する選択放射加熱源とを具備するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、所定の赤外波長より長波長側の光の放射は抑制しつつ、定着部材により選択放射加熱源からの放射光を効率よく吸収できるので、加熱効率を向上でき、従って、消費電力を低減できる。
【００１３】
また、選択放射加熱源の封止バルブの加熱も防止でき、この結果、選択放射加熱源の立上り及び立下り時間を短縮できる。さらに、発熱源から放射される光を効率良く定着部材に照射できるので、加熱効率を向上でき、従って、消費電力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る加熱定着装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１の加熱ローラの基材をポリイミド樹脂とした場合の光吸収特性を示すグラフである。
【図３】図１の加熱ローラの弾性層をシリコーン樹脂とした場合の光吸収特性を示すグラフである。
【図４】図１の選択放射加熱源の詳細を示し、（Ａ）は放電管型の断面図、（Ｂ）は電球管型の断面図である。
【図５】図４の放射体の第１の例を示す部分拡大断面図である。
【図６】図４の放射体の第２の例を示す部分拡大断面図である。
【図７】図５の放射体に対する実施例１を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は反射率特性を示す。
【図８】図５の放射体に対する実施例２を示す断面図である。
【図９】図５の放射体に対する実施例３を示す断面図である。
【図１０】図６の放射体に対する実施例４を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は反射率特性を示す。
【図１１】本発明に係る加熱定着装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図１２】図１１の加熱ローラの第１の例を示す部分拡大断面図である。
【図１３】図１１の加熱ローラの第２の例を示す部分拡大断面図である。
【図１４】図１２の加熱ローラに対する実施例５を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は反射率特性を示す。
【図１５】図１３の加熱ローラに対する実施例６を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は反射率特性を示す。
【図１６】従来の加熱定着装置を示す断面図である。
【図１７】図１６の無水合成の石英ガラスの封止バルブの光吸収特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は本発明に係る加熱定着装置の第１の実施の形態を示す断面図である。図１においては、図１７の加熱源１０の代りに、選択放射加熱源１０’を設けてある。選択放射加熱源１０’は所定の赤外波長λPよりも短波長側の光を放射し、他方、所定の赤外波長λPよりも長波長側の光を放射しないように作用する後述の選択放射制御層１１を含んでいる。この結果、選択放射加熱源１０’の放射強度は、加熱ローラ２０の吸収特性に適合して、所定の赤外波長λPより短波長側で強く、他方、所定の赤外波長λPより長波長側で弱い。
【００１６】
加熱ローラ２０の吸収特性は、基材２１がポリイミド樹脂よりなる場合の図２に示す吸収特性と、弾性層２２がシリコーン樹脂よりなる場合の図３に示す吸収特性によって決定される。すなわち、選択放射加熱源１０’の光は、図２の光吸収特性を有するポリイミド樹脂の基材２１によって吸収され、さらに基材２１によって吸収されなかった光は図３の光吸収特性を有するシリコーン樹脂の弾性層２２によって吸収される。この場合、図２のポリイミド樹脂の吸収特性は3320cm-1（波長3μm）付近のピークを有し、図３のシリコーン樹脂の吸収特性は2950cm-1（波長3.4μm）付近のピークを有する。従って、この場合、上述の所定の赤外波長λPは1μm以上5μm以下、好ましくは、2μm以上4μm以下とし、たとえば約3.5μmとする。これにより、少なくとも上述のピーク波長が赤外波長λPより短波長側の波長領域に含まれるようにする。つまり、加熱ローラ２０が光を吸収する波長領域が赤外波長λPよりも短波長側の波長領域に含まれるようにする。
【００１７】
図４は図１の選択放射加熱源の詳細を示し、（Ａ）は放電管型の断面図、（Ｂ）は電球管型の断面図である。
【００１８】
図４において、放射体１１の光の反射率は所定の赤外波長λPより短波長側で小さくかつ所定の赤外波長λPより長波長側で大きい。この場合、放射率ε(λ)、反射率R(λ)は、キルヒホッフの法則：
ε(λ) = 1 - R(λ)
に従う。従って、放射体１１においては、所定の赤外波長λPより短波長側（λ＜λP）で、放射率ε(λ)を大きくし、つまり、反射率R(λ)を小さくし、他方、所定の赤外波長λPよりも長波長側（λ＞λP）で、放射率ε(λ)を小さくし、つまり、反射率R(λ)を大きくする。放射体１１は所定の赤外波長λPより短波長側の光を通過する無水合成の石英（SiO2）ガラスを主成分とする封止バルブ１２によって封止されている。尚、無水合成の石英ガラスの光吸収特性は、図１７に示すごとく、波長4μmより長波長側で急激に大きくなり、波長4μmより短波長側では小さい。従って、放射体１１の光は封止バルブ１２に吸収されにくい。また、封止バルブ１２のシール部１２ａには、金属箔よりなる気密封止用金属１３が設けられ、放射体１１と外部リード線１４とを電気的に接続する。
【００１９】
図５は図４の放射体１１の第１の例を示す部分拡大断面図である。図５に示すように、放射体１１は加熱基材１１ａ及び加熱基材１１ａ上に形成された選択放射制御層１１ｂよりなる。
【００２０】
加熱基材１１ａは、高融点たとえば融点が800K以上の材料で、反射率が少なくとも所定の赤外波長λPよりも長波長側で高い材料、たとえば、W、Mo、Ta、Au、Cu、Cr、Ni、Fe、Pt、TaC、TiN、ZrN及びHfNの１つあるいはこれらの合金により構成される。
【００２１】
選択放射制御層１１ｂは、金属あるいはその合金、金属酸化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属フッ化物、金属硫化物、金属リン化物、有機物、及び酸化物や窒化物等の誘電体中に金属あるいは半導体の微粒子を含んだサーメットにより構成される。この場合、これらの材料の単層または２層以上の積層体でもよい。積層体には、複数種類のサーメットも含まれる。さらに、選択放射制御層１１ｂは、白色散乱体層であってもよい。白色散乱体層には、所定の赤外波長λPよりも短波長側の光を吸収するための吸収材が添加されている。
【００２２】
図６は図４の放射体１１の第２の例を示す部分拡大断面図である。図６の放射体１１においては、図５の選択放射制御層１１ｂ上に反射防止層１１ｃを付加してある。これにより、所定の赤外波長λPよりも短波長側での光の反射率がさらに低くなる。
【００２３】
図４の放射体１１から放射される光は封止バルブ１２に吸収されることなく、加熱ローラ２０を効率よく加熱できる。つまり、選択放射加熱源１０’の放射体１１以外の部分は放射加熱されないので、選択放射加熱源１０’の熱容量を小さくできる。また、加熱ローラ２０の立上り及び立下り時間を短縮できる。
【００２４】
次に、図４の放射体１１の実施例を説明する。
【００２５】
図５の放射体１１に対する実施例１は、図７の（Ａ）に示すごとく、加熱基材１１ａをWにより構成し、選択放射制御層１１ｂを厚さ約65nmのCr2O3/Crサーメット層１１ｂ−１及び厚さ約90nmのCr2O3層１１ｂ−２により構成する。この場合の放射体１１の反射スペクトル分布は、図７の（Ｂ）に示すごとく、赤外波長λP=3.5μmよりも短波長側の光に対して小さい反射率を示し、他方、赤外波長λP=3.5μmよりも長波長側の光に対して大きい反射率95%以上を示す。
【００２６】
図７の（Ａ）のCr2O3/Crサーメット層１１ｂ−１は、W加熱基材１１ａ上に、金属Crと誘電体Cr2O3とを同時にスパッタリングすることにより形成される。尚、Cr2O3/Crサーメット層１１ｂ−１は低温でも密着が達成されるイオンプレーティング法によっても成膜される。
【００２７】
図５の放射体１１に対する実施例２は、図８に示すごとく、加熱基材１１ａを金属により構成し、選択放射制御層１１ｂをArイオン照射して選択放射制御層１１ｂを多孔質金属層により構成する。この多孔質金属層の孔径及び孔深さをArイオンのエネルギー等で調整すれば、この場合も、放射体１１の反射スペクトル分布は、赤外波長λP=3.5μmよりも短波長側の光に対して小さい反射率を示し、他方、赤外波長λP=3.5μmよりも長波長側の光に対して大きい反射率を示す。尚、実施例４においては、Arイオン照射法の代りに、発泡法、ガス注入法、溶融法、めっき法、焼結法等を用いることができる。
【００２８】
図５の放射体１１に対する実施例３は、図９に示すごとく、加熱基材１１ａを金属（あるいは半導体）層により構成し、選択放射制御層１１ｂを加熱基材１１ａ上に形成したフォトニック結晶構造により構成する。フォトニック結晶構造は高屈折率材料と低屈折率材料とを周期的に積層したもので、このフォトニック結晶構造の周期及び／または厚さを調整すれば、この場合も、放射体１１の反射スペクトル分布は、赤外波長λP=3.5μmよりも短波長側の光に対して小さい反射率を示し、他方、赤外波長λP=3.5μmよりも長波長側の光に対して大きい反射率を示す。
【００２９】
図６の放射体１１に対する実施例４は、図１０の（Ａ）に示すごとく、加熱基材１１ａをWにより構成し、選択放射制御層１１ｂを厚さ約65nmのCr2O3/Crサーメット層１１ｂ−１及び厚さ約45nmのCr2O3層１１ｂ−２により構成し、反射防止層１１ｃを厚さ約75nmのAl2O3で構成する。この場合の放射体１１の反射スペクトル分布は、図１０の（Ｂ）に示すごとく、赤外波長λP=3.5μmよりも短波長側の光に対してさらに小さい反射率を示す。
【００３０】
図１１は本発明に係る加熱定着装置の第２の実施の形態を示す断面図である。図１１においては、図１の加熱ローラ２０を加熱ローラ２０’に置換してあり、この加熱ローラ２０’においては、図１の加熱ローラの基材２１の内面に選択吸収層２４を付加してある。
【００３１】
選択吸収層２４は、所定の赤外波長λPより短波長側の光を吸収し、他方、この赤外波長λPより長波長側の光を反射するように作用する。
【００３２】
図１２は図１１の加熱ローラ２０’の第１の例を示す部分拡大断面図である。図１４に示すように、選択吸収層２４は基層２４ａ及び吸収制御層２４ｂよりなる。
【００３３】
基層２４ａは、少なくとも所定の赤外波長λPよりも長波長側で反射率が高い材料、たとえば、Au、Ag、Al、Cu、Ni、W、Ta、TaC、TiN、ZrN、HfN、ステンレス等の金属、あるいは半導体により構成される。尚、基材２１が基層２４ａと同一材料を含んでいれば、基材２１が基層２４ａの作用をする。
【００３４】
吸収制御層２４ｂは、金属あるいはその合金、金属酸化物、金属窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属フッ化物、金属硫化物、金属リン化物、有機物、及び酸化物や窒化物等の誘電体中に金属あるいは半導体の微粒子を含んだサーメットにより構成される。この場合、これらの材料の単層または２層以上の積層体でもよい。積層体には、複数種類のサーメットも含まれる。さらに、吸収制御層２４ｂは、白色散乱体層であってもよい。白色散乱体層には、所定の赤外波長λPよりも短波長側の光を吸収するための吸収材が添加されている。
【００３５】
図１３は図１１の加熱ローラ２０’の第２の例を示す部分拡大断面図である。図１３の選択吸収層２４においては、図１２の吸収制御層２４ｂ上に反射防止層２４ｃを付加してある。これにより、所定の赤外波長λPよりも短波長側での光の反射率がさらに低くなる。
【００３６】
次に、加熱ローラ２０’の選択吸収層２４の実施例を説明する。
【００３７】
図１２の選択吸収層２４に対する実施例５は、図１４の（Ａ）に示すごとく、基層２４ａを厚さ約100nmのNiにより構成し、選択制御層２４ｂを厚さ約80nmのCr2O3/Crサーメット層２４ｂ−１及び厚さ約40nmのCr2O3層２４ｂ−２により構成する。この場合の選択吸収層２４の反射スペクトル分布は、図１４の（Ｂ）に示すごとく、赤外波長λP=3.5μmよりも短波長側の光に対して小さい反射率を示し、他方、赤外波長λP=3.5μmよりも長波長側の光に対して大きい反射率を示す。
【００３８】
図１４の（Ａ）のCr2O3/Crサーメット層２４ｂ−１は、基層２４ａ上に、金属Crと誘電体Cr2O3とを同時にスパッタリングすることにより形成される。たとえば、加熱ローラ２０’のように、円筒状の基材２１内に金属Cr及び誘電体Cr2O3の各ターゲット棒をスパッタリングすることにより形成される。さらに、基材２１がポリイミド樹脂の高温処理が困難な材料を用いる場合には、Cr2O3/Crサーメット層２４ｂ−１は低温でも密着が達成されるイオンプレーティング法によって成膜される。
【００３９】
尚、図１２の選択吸収層２４では、基層２４ａをAlにより構成し、Al基層２４ａを陽極酸化して吸収制御層２４ｂをAl陽極酸化層により構成してもよい。この場合、Al陽極酸化層２４ｂの表面は多孔質構造となる。また、基層２４ａをステンレスにより構成し、ステンレス基層２４ａをパルス印加等により電気化学的処理もしくは加熱処理して吸収制御層２４ｂをステンレス表面層により構成してもよい。さらに、基層２４ａを金属により構成し、金属基層２４ａをArイオン照射して選択吸収層２４を多孔質金属層により構成してもよい。尚、この場合、Arイオン照射法の代りに、発泡法、ガス注入法、溶融法、めっき法、焼結法等を用いることができる。さらにまた、基層２４ａを金属（あるいは半導体）層により構成し、吸収制御層２４ｂを基層２４ａ上に形成したフォトニック結晶構造により構成してもよい。
【００４０】
図１３の選択吸収層２４に対する実施例６は、図１５の（Ａ）に示すごとく、基層２４ａを厚さ約100nmのNiにより構成し、吸収制御層２４ｂを厚さ約80nmのCr2O3/Crサーメット層２４ｂ−１及び厚さ約35nmのCr2O3層２４ｂ−２により構成し、反射防止層２４ｃを厚さ約80nmのCaF2で構成する。この場合の選択吸収層２４の反射スペクトル分布は、図１５の（Ｂ）に示すごとく、赤外波長λP=3.5μmよりも短波長側の光に対してさらに小さい反射率を示す。
【００４１】
上述の実施の形態においては、定着部材として加熱ローラを設けているが、本発明は定着部材としての加熱ベルト、板状金属板にも適用できる。
【００４２】
また、本発明は上述の実施の形態の目的の範囲内のいかなる変更にも適用し得る。
【符号の説明】
【００４３】
１０：発熱源
１０’：選択放射加熱源
１１：放射体
１１ａ：加熱基材
１１ｂ、１１ｂ−１、１１ｂ−２：選択放射制御層
１１ｃ：反射防止層
１２：封止バルブ
１３：気密封止用金属
１４：外部リード線
２０、２０’：加熱ローラ
２１：基材
２２：弾性層
２３：表面層
２４：選択吸収層
２４ａ：基層
２４ｂ、２４ｂ−１、２４ｂ−２：吸収制御層
２４ｃ：反射防止層
３０：加圧ローラ
３１：基材
３２：弾性層
４０：ニップ部
５０：記録媒体 
５０ａ：トナー像
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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