(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、固体光源１０’と、固体光源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。固体光源１０’は電子状態間遷移による発光現象を利用した発光ダイオード（LED）素子あるいはレーザダイオード（LD）素子であり、他方、加熱ローラ２０の基材２１は固体光源１０’から放射される光を吸収する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子状態間遷移による発光現象を利用した固体光源と、
該固体光源から放射される光を吸収する定着部材と
を具備する加熱定着装置。
【請求項２】
前記固体光源は、AlGaN、GaN、InGaN、InN、ZnS、ZnSe、SiC、GaP、GaAsP、GaAs、InGaAs、InAs、AlGaInP、AlGaAs、InGaAsP及びInPの１つ以上を含む材料よりなる請求項１に記載の加熱定着装置。
【請求項３】
前記固体光源は発光ダイオード素子及びレーザダイオード素子のいずれか一方よりなる請求項２に記載の加熱定着装置。
【請求項４】
前記固体光源は線状に配列された複数の固体光源ユニットよりなり、各固体光源ユニットは個別的に制御される請求項１に記載の加熱定着装置。
【請求項５】
前記固体光源は該固体光源から放射される光を前記定着部材のニップ部の回転方向後方の照射範囲に指向させる指向性固体光源である請求項１に記載の加熱定着装置。
【請求項６】
前記定着部材は、ポリイミド樹脂、銅（Cu）及び金（Au）の１つよりなる基材を具備する請求項１に記載の加熱定着装置。
【請求項７】
前記定着部材は、
基材と、
該基材の内側表面に設けられ、前記固体光源から放射される光の波長より大きい所定波長よりも短波長側で小さい吸光度を有しかつ該所定波長よりも長波長側で大きい吸光度を有する選択吸収層と
を具備する請求項１に記載の加熱定着装置。
【請求項８】
前記所定波長は1〜5μmである請求項７に記載の加熱定着装置。
【請求項９】
前記選択吸収層は、銅（Cu）、金（Au）及びカーボンブラックの１つよりなる請求項７に記載の加熱定着装置。
【請求項１０】
前記選択吸収層は、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７に記載の加熱定着装置。
【請求項１１】
前記基材はアルミニウムよりなり、
前記選択吸収層は該アルミニウムの陽極酸化層よりなる請求項７に記載の加熱定着装置。
【請求項１２】
前記基材はステンレスよりなり、
前記選択吸収層は該ステンレスの表面層よりなる請求項７に記載の加熱定着装置。
【請求項１３】
前記基材は金属よりなり、
前記選択吸収層は該金属の多孔質金属よりなる請求項７に記載の加熱定着装置。
【請求項１４】
前記選択吸収層はフォトニック結晶構造よりなる請求項７に記載の加熱定着装置。
【請求項１５】
前記選択吸収層は前記所定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７に記載の加熱定着装置。
【請求項１６】
前記選択吸収層は、さらに、反射防止層を具備する請求項７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１６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１６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）。
【０００８】
さらにまた、加熱ローラの肉厚を薄くして加熱ローラの熱容量を小さくすることにより加熱ローラの立上り及び立下り時間を短縮させている（参照：特許文献３）。
【０００９】
さらにまた、発熱源として熱容量が小さいセラミックヒータを用い、セラミックヒータの温度を検知して通電量を制御し、立上り時のオーバシュート、アンダシュートをなくすことにより消費電力を低減させている（参照：特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【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
【特許文献３】特開２００３−２８０４３０号公報
【特許文献４】特開２００６−１５４２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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、セラミックヒータが通電加熱されてハロゲンランプ、セラミックヒータから放射される黒体輻射に近似した光の波長領域と、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、定着部材の加熱に不必要な光も放射され、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。
【００１２】
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吸光スペクトルは、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、加熱効率が低くなり、消費電力が大きくなるという課題もある。
【００１３】
さらに、発熱源たとえばハロゲンランプ、セラミックヒータの発熱部を制御するのが困難であり、従って、トナーを定着させる対象の大きさに関係なく、定着部材を加熱して定着部材の不必要な部分も加熱することになり、この結果、加熱効率が低くなり、消費電力が大きくなるという課題がある。
【００１４】
さらにまた、発熱源たとえばハロゲンランプ、セラミックヒータは指向性を有していないので、定着部材全体を加熱してトナーを定着していない定着部材の不必要な部分も加熱するので、やはり、加熱効率が低くなり、消費電力が大きくなるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、電子状態間遷移による発光現象を利用した固体光源と、固体光源から放射される光を吸収する定着部材とを具備するものである。
【００１６】
また、上述の加熱定着装置においては、固体光源は線状に配列された複数の固体光源ユニットよりなり、各固体光源ユニットは個別的に制御される。
【００１７】
さらに、上述の加熱定着装置においては、固体光源はこの固体光源から放射される光を定着部材のニップ部の回転方向後方の照射範囲に指向させる指向性固体光源である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電子状態間遷移による発光現象を利用した固体光源の光の放射は抑制しつつ、定着部材により固体光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。
【００１９】
また、固体光源を複数の固体光源ユニットを個別的制御することにより、トナーを定着させる対象の大きさに応じて定着部材を加熱することができるので、さらに、加熱効率を向上でき、従って、消費電力を低減できる。さらにまた、指向性固体光源を用いることによりトナーを定着させる必要のない部分の加熱が不要となり、さらに、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】
【００２０】
【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の固体光源をInGaN/GaNを主成分とするLED素子とした場合の発光スペクトルを示すグラフである。
【図３】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吸光スペクトルを示すグラフである。
【図４】図１の固体光源の詳細を示す上面図である。
【図５】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６】図５の加熱ローラの基材としてのアルミニウムの吸光スペクトルを示すグラフである。
【図７】図５の選択吸収層に対する実施例１を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は吸光スペクトルを示すグラフである。
【図８】図５の選択吸収層に対する実施例２を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は吸光スペクトルを示すグラフである。
【図９】図５の選択吸収層に対する実施例３を示す断面図である。
【図１０】図５の選択吸収層に対する実施例４を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は吸光スペクトルを示すグラフである。
【図１１】図５の選択吸収層に対する実施例５を示す断面図である。
【図１２】図５の選択吸収層に対する実施例６を示す断面図である。
【図１３】図５の選択吸収層に対する実施例７を示す断面図である。
【図１４】図５の選択吸収層に対する実施例８を示す断面図である。
【図１５】図１の加熱定着装置の変更例を示す断面図である。
【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吸光スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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１６の発熱源１０の代りに、電子状態間遷移による発光現象を利用した固体光源１０’を設けてあり、この場合、加熱ローラ２０の基材２１は固体光源１０’の光を吸収する材料よりなる。
【００２２】
固体光源１０’はAlGaN、GaN、InGaN、InN、ZnS、ZnSe、SiC、GaP、GaAsP、GaAs、InGaAs、InAs、AlGaInP、AlGaAs、InGaAsP、InP等よりなる発光ダイオード（LED）素子あるいはレーザダイオード（LD）素子である。尚、固体光源１０’には、この固体光源によって励起される蛍光体を含んでもよく、この場合には、蛍光体の光も固体光源１０’の光を構成する。
【００２３】
図２は図１の固体光源１０’をInGaN/GaNを主成分とするLED素子とした場合の発光スペクトルを示すグラフである。この場合の固体光源１０’は405nmのピーク波長を有する。他方、図３は図１の加熱ローラ２０の基材２１をポリイミド樹脂とした場合の吸光スペクトルを示すグラフである。この場合の基材２１は600 nmより短波長側の光をほとんど吸収する。従って、この場合、固体光源１０’から放射される光はほとんど基材２１に吸収されることになる。
【００２４】
図４は図１の固体光源１０’の詳細を示す上面図である。
【００２５】
図４に示すごとく、固体光源１０’は線状に配列された複数の固体光源ユニット１０’ａよりなる。この場合、各固体光源ユニット１０’ａがLED素子あるいはLD素子である。固体光源ユニット１０’ａが電気的に直列に接続された場合には、トナーを定着させる対象の大きさに関係なく光が照射される。他方、固体光源ユニット１０’ａが電気的に並列に接続された場合には、固体光源ユニット１０’ａを個別的制御することにより、トナーを定着させる対象の大きさに合わせて固体光源ユニット１０’ａの照射位置を制御できる。尚、図４においては、固体光源ユニット１０’ａは１列であるが、２列以上配列してもよい。
【００２６】
図５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５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。
【００２７】
基材２１は、少なくとも所定の赤外波長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。この場合、基材２１としてアルミニウムとした場合の吸光スペクトルを示す図６において、アルミニウムよりなる基材２１は全波長領域に亘って光を吸収しない。基材２１としてステンレスを用いた場合も同様である。従って、基材２１としてアルミニウム、ステンレス等を基材２１として用いた場合に、固体光源１０’の光を効率よく吸収するために、選択吸収層２４を設けてある。
【００２８】
次に、図５の選択吸収層２４の実施例を説明する。
【００２９】
図５の選択吸収層２４に対する実施例１は、図７の（Ａ）に示すごとく、選択吸収層２４をCu層により構成する。この場合の選択吸収層２４の吸光スペクトル分布は、図７の（Ｂ）に示すごとく、波長600nmより短波長側の光の吸収を示す。従って、波長600nmより短波長側の光のみたとえば図２のピーク波長405nmを有する固体光源１０’から放射される光はほとんど吸収され、加熱ローラ２０’を効率よく加熱することができる。尚、基材２１がCu層よりなる場合には、基材２１がCu選択吸収層２４を兼ねる。
【００３０】
図５の選択吸収層２４に対する実施例２は、図８の（Ａ）に示すごとく、選択吸収層２４をAu層により構成する。この場合の選択吸収層２４の吸光スペクトル分布は、図８の（Ｂ）に示すごとく、波長550nmより短波長側の光の吸収を示す。従って、波長550nmより短波長側の光のみたとえば図２のピーク波長405nmを有する固体光源１０’から放射される光はほとんど吸収され、加熱ローラ２０’を効率よく加熱することができる。尚、基材２１がAu層よりなる場合には、基材２１がAu選択吸収層２４を兼ねる。
【００３１】
図５の選択吸収層２４に対する実施例３は、図９に示すごとく、選択吸収層２４をカーボンブラック層により構成する。この場合も選択吸収層２４の吸光スペクトル分布は、405nmより大きいある波長より短波長側の光の吸収を示す。従って、たとえば図２のピーク波長405nmを有する固体光源１０’から放射される光はほとんど吸収され、加熱ローラ２０’を効率よく加熱することができる。
【００３２】
図５の選択吸収層２４に対する実施例４は、図１０の（Ａ）に示すごとく、選択吸収層２４を厚さ約60nmのCr2O3/Crサーメット層２４−１、厚さ約40nmのCr2O3層２４−２及び厚さ約60nmのCaF2反射防止層２４−３により構成する。この場合の選択吸収層２４の吸光スペクトルは、図１０の（Ｂ）に示すごとく、波長2μmよりも短波長側の光に対して大きい吸光度を示し、他方、波長2μmよりも長波長側の光に対して小さい吸光度を示す。従って、波長2μmより短波長側の光のみたとえば図２のピーク波長405nmを有する固体光源１０’から放射される光はほとんど吸収され、加熱ローラ２０’を効率よく加熱することができる。尚、CaF2反射防止層２４−３は省略することもできる。
【００３３】
図１０の（Ａ）のCr2O3/Crサーメット層２４−１は、基層２１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挿入し、これらターゲット棒と被成膜面との間に高周波電圧を印加して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。
【００３４】
また、サーメットは、一般には、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で構成される。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。
【００３５】
図５の選択吸収層２４に対する実施例５は、図１１に示すごとく、基材２１をAlにより構成し、Al基材２１を陽極酸化して選択吸収層２４をAl陽極酸化層により構成する。Al陽極酸化層は多孔質構造となり、この多孔質構造の孔径及び孔深さを陽極酸化条件で調整すれば、この場合も、選択吸収層の吸光スペクトルは、波長1〜5μmよりも短波長側の光に対して大きい吸光度を示し、他方、波長1〜5μmよりも長波長側の光に対して小さい吸光度を示す。従って、実施例４と同様に、固体光源１０’から放射される光はほとんど吸収され、加熱ローラ２０’を効率よく加熱できる。
【００３６】
図５の選択吸収層２４に対する実施例６は、図１２に示すごとく、基材２１をステンレスにより構成し、ステンレスの基材２１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選択吸収層２４をステンレス表面層により構成する。この電気化学処理の雰囲気、加熱処理の加熱温度を調整すれば、この場合も、選択吸収層２４の吸光スペクトルは、波長1〜5μmよりも短波長側の光に対して大きい吸光度を示し、他方、波長1〜5μmよりも長波長側の光に対して小さい吸光度を示す。従って、実施例４と同様に、固体光源１０’から放射される光はほとんど吸収され、加熱ローラ２０’を効率よく加熱できる。
【００３７】
図５の選択吸収層２４に対する実施例７は、図１３に示すごとく、基材２１をアルミニウム、ステンレス等の金属により構成し、金属の基材２１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、選択吸収層２４の吸光スペクトルは、波長1〜5μmよりも短波長側の光に対して大きい吸光度を示し、他方、波長1〜5μmよりも長波長側の光に対して小さい吸光度を示す。従って、実施例４と同様に、固体光源１０’から放射される光はほとんど吸収され、加熱ローラ２０’を効率よく加熱できる。尚、実施例７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。
【００３８】
図５の選択吸収層２４に対する実施例８は、図１４に示すごとく、基材２１をアルミニウム、ステンレス等の金属層により構成し、選択吸収層２４を基材２１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、選択吸収層２４の吸光スペクトルは、波長1〜5μmよりも短波長側の光に対して大きい吸光度を示し、他方、波長1〜5μmよりも長波長側の光に対して小さい吸光度を示す。従って、実施例４と同様に、固体光源１０’から放射される光はほとんど吸収され、加熱ローラ２０’を効率よく加熱できる。
【００３９】
また、図５の選択吸収層２４は、白色散乱体層であってもよい。白色散乱体層には、波長1〜5μmより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。
【００４０】
図１５は図１の加熱定着装置の変更例を示す断面図である。図１５においては、図１の固体光源１０’の代りに、指向性固体光源１０”を設けてある。指向性固体光源１０”は指向性がよいLED素子あるいはLD素子によって構成され、たとえばLED素子あるいはLD素子の表面にレンズを設けて指向性固体光源１０”の光を矢印Ｘに示すごとく加熱ローラ２０’のニップ部４０の回転方向後方の加熱ローラ２０’の照射範囲に指向させることにより、加熱ローラ２０’の温度がニップ部４０において最高となって加熱定着に十分な値たとえば200℃となるようにする。これにより、定着部材の不必要な部分の加熱をせずに済み、消費電力を低減できる。
【００４１】
尚、図１５の変更例は図５の加熱定着装置にも適用できる。
【００４２】
また、上述の実施の形態においては、固体光源１０’、指向性固体光源１０”の発熱を加熱ローラ２０’以外の定着部材たとえば加圧ローラ３０、加熱ベルトの加熱にも利用できる。たとえば、ヒートパイプ等の熱伝導部材を用いて固体光源１０’、指向性固体光源１０”で発生した熱を受熱し、加圧ローラ３０、加熱ベルト等へ放熱して熱を供給する。さらに、固体光源１０’、指向性固体光源１０”の発熱を熱電変換素子等を用いて電気に変更し、この電気を利用して固体光源１０’、指向性固体光源１０”を動作させてもよい。
【００４３】
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】
【００４４】
１０：発熱源
１０’：固体光源
１０’ａ：固体光源ユニット
１０”：指向性固体光源
２０、２０’：加熱ローラ
２１：基材
２２：弾性層
２３：表面層
２４：選択吸収層
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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【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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