(57)【要約】加熱ローラ（２１）は、外側から内側に向かって、電磁誘導発熱する発熱層（２２）、断熱層（２３）、および支持層（２４）をこの順に有する。支持層（２４）は固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の材料からなる。これにより、発熱層（２２）の肉厚を誘導電流が流れる厚さである表皮深さより薄くして、磁束が発熱層（２２）を貫通して支持層（２４）にまで到達しても、支持層（２４）が渦電流により発熱するのを抑えることができる。従って、発熱層（２２）の熱容量を小さくできること、及び、支持層（２４）の発熱が抑えられ、発熱層（２２）のみを効率よく加熱できることにより、ウォームアップ時間の短縮が可能となる。また、加熱ローラ（２１）を支持する軸受等が熱により損傷するのを防止できる。
2003039198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側から内側に向かって、電磁誘導発熱する発熱層、断熱層、および支持層をこの順に有するローラ状の加熱ローラであって、前記支持層が固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の材料を含むことを特徴とする加熱ローラ。
【請求項２】
前記発熱層が磁性材料からなり、厚さが１〜８０μｍである請求項１に記載の加熱ローラ。
【請求項３】
前記発熱層が非磁性材料からなり、厚さが１〜２０μｍである請求項１に記載の加熱ローラ。
【請求項４】
前記断熱層が熱伝導率が０．９Ｗ／ｍ・Ｋ以下の発泡状の弾性体からなる請求項１に記載の加熱ローラ。
【請求項５】
前記支持層がセラミックスからなることを特徴とする請求項１に記載の加熱ローラ。
【請求項６】
前記支持層が、少なくとも酸化物磁性体を含む材料からなる請求項１に記載の加熱ローラ。
【請求項７】
前記支持層は、回転軸と、その表面に形成された遮蔽層とからなり、前記遮蔽層は少なくとも酸化物磁性体を含む材料からなる請求項１に記載の加熱ローラ。
【請求項８】
前記回転軸は固有抵抗が３×１０−６Ωｍ以下の金属からなる請求項７に記載の加熱ローラ。
【請求項９】
前記回転軸は非磁性金属からなる請求項７に記載の加熱ローラ。
【請求項１０】
前記支持層の直径は、長手方向の中央部で大きく両端に向かって漸減している請求項１に記載の加熱ローラ。
【請求項１１】
請求項１に記載の加熱ローラと、
前記発熱層を外部から励磁して加熱する励磁手段と、
前記加熱ローラに圧接してニップ部を形成する加圧手段とを有し、
前記ニップ部に画像を担持した被記録材を通過させて画像を熱定着させることを特徴とする像加熱装置。
【請求項１２】
電磁誘導発熱する発熱層を有する加熱ベルトと、
前記発熱層を外部から励磁して加熱する励磁手段と、
前記加熱ベルトに内接して前記加熱ベルトを回転可能に支持する支持ローラと、
前記加熱ベルトに外接してニップ部を形成する加圧手段とを有し、
前記ニップ部に画像を担持した被記録材を通過させて画像を熱定着させる像加熱装置であって、
前記支持ローラは固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の材料を含むことを特徴とする像加熱装置。
【請求項１３】
被記録材に未定着画像を形成し担持させる画像形成手段と、前記未定着画像を前記被記録材に熱定着させる像加熱装置とを有する画像形成装置であって、前記像加熱装置が請求項１１又は１２に記載の像加熱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
本発明は、電磁誘導を利用して渦電流を発生させて加熱される加熱ローラに関する。また、本発明は、電子写真装置、静電記録装置等の画像形成装置において未定着画像を加熱して熱定着する定着装置として好適に使用される像加熱装置に関する。更に、本発明は、このような像加熱装置を備えた画像形成装置に関する。
背景技術
加熱定着装置に代表される像加熱装置として、従来からローラ加熱方式、ベルト加熱方式等の接触加熱方式が一般に用いられている。
近年、省電力化やウォームアップ時間の短縮化の要求から、電磁誘導加熱方式を採用したローラ加熱方式やベルト加熱方式が提案されている。
図１４に電磁誘導により加熱される加熱ローラを備える従来の像加熱装置の一例を示す（例えば、特開平１１−２８８１９０号公報参照）。
図１４中、８２０は加熱ローラであり、内側から外側に向かって、金属製の支持層８２４、支持層８２４の外側に一体に成型された耐熱性発泡ゴムからなる弾性層８２３、金属製チューブからなる発熱層８２１、及び発熱層８２１の外側に設けられた離型層８２２を備える。８２７は耐熱性樹脂からなる中空円筒状の加圧ローラであり、その内側に励磁コイル８２５が巻回されたフェライトコア８２６が設置されている。フェライトコア８２６が加圧ローラ８２７を介して加熱ローラ８２０を加圧することによりニップ部８２９が形成される。加熱ローラ８２０及び加圧ローラ８２７がそれぞれ矢印方向に回転しながら励磁コイル８２５に高周波電流が流されると、交番磁界Ｈが発生し、加熱ローラ８２０の発熱層８２１が電磁誘導加熱されて急速に昇温し所定の温度に達する。この状態で所定の加熱を継続しながら被記録材８４０をニップ部８２９に挿入し通過させることで、被記録材８４０上に形成されたトナー像８４２を被記録材８４０上に定着させる。
また、上記の図１４のように誘導発熱層８２１を有する加熱ローラ８２０を用いたローラ加熱方式の他に、誘導発熱層を備えたエンドレスベルトを用いたベルト加熱方式が提案されている。図１５に電磁誘導により加熱されるエンドレスの加熱ベルトを用いた従来の像加熱装置の一例を示す（例えば特開平１０−７４００７号公報参照）。
図１５において、９６０は高周波磁界を発生させる励磁手段としてのコイルアッセンブリである。９１０はコイルアッセンブリ９６０が発生する高周波磁界によって発熱する金属スリーブ（加熱ベルト）であり、ニッケルやステンレスの薄層からなるエンドレスチューブの表面にフッ素樹脂がコーティングされたものである。金属スリーブ９１０の内側に内部加圧ローラ９２０が挿入され、金属スリーブ９１０の外側に外部加圧ローラ９３０が設置され、外部加圧ローラ９３０が金属スリーブ９１０を挟んで内部加圧ローラ９２０に押圧されることによりニップ部９５０が形成される。金属スリーブ９１０、内部加圧ローラ９２０、外部加圧ローラ９３０がそれぞれ矢印方向に回転しながらコイルアッセンブリ９６０に高周波電流が流されると、金属スリーブ９１０が電磁誘導加熱されて急速に昇温し所定の温度に達する。この状態で所定の加熱を継続しながら被記録材９４０をニップ部９５０に挿入し通過させることで、被記録材９４０上に形成されたトナー像を被記録材９４０上に定着させる。
図１４、図１５に示した電磁誘導加熱方式の像加熱装置においてウォームアップ時間の一層の短縮化を図るには、誘導加熱される発熱層の低熱容量化、つまり発熱層の厚みの低減が必要である。
しかしながら、図１４のローラ加熱方式の像加熱装置において、励磁コイル８２５に印加する電流の周波数を同一のままで発熱層８２１の厚みを薄くして所望の熱容量を得ようとすると、該厚みを誘導電流が流れる厚さである表皮深さより薄くする必要があり、発熱層８２１を貫通して発熱層８２１から漏れ出る磁束（漏れ磁束）が多くなり、支持層８２４に渦電流が発生して加熱される。その結果、支持層８２４を支持する軸受が加熱されて、軸受が劣化や損傷したり、発熱層８２１の発熱に寄与する電力の割合が減少して、却ってウォームアップ時間が長くなったりするなどの問題がある。
同様に、図１５のベルト加熱方式の像加熱装置において、コイルアッセンブリ９６０に印可する電流の周波数を同一のままで金属スリーブ９１０の発熱層の厚みを薄くして所望の熱容量を得ようとすると、該厚みを誘導電流が流れる厚さである表皮深さより薄くする必要があり、発熱層を貫通して漏れ出る漏れ磁束が内部加圧ローラ９２０に達し、内部加圧ローラ９２０内に渦電流が発生して加熱される。その結果、内部加圧ローラ９２０を支持する軸受が加熱されて、軸受が劣化や損傷したり、発熱層の発熱に寄与する電力の割合が減少して、却ってウォームアップ時間が長くなったりするなどの問題がある。
この問題を防止するためには表皮深さを発熱層の厚さより小さくすればよい。ところが、表皮深さを小さくするためには、印加電流の周波数を高くする必要があり、励磁回路が高価になり、漏洩する電磁波ノイズが増加するなどの問題が生じる。
さらに、発熱層がニップ部で加圧ローラ（図１４の加圧ローラ８２７，図１５の外部加圧ローラ９３０）によって繰り返し変形するため、発熱層をニッケル電鋳にて形成した場合には、発熱層の機械的な耐久性が問題となる。また、発熱層をステンレス鋼で形成した場合には、耐久性は改善されるがウォームアップ時間が長くなるという問題がある。
発明の開示
本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたものであり、ウォームアップ時間が短く、軸芯が加熱されて軸受の劣化や損傷が生じることがなく、加熱のために高周波電源を必要としない加熱ローラを提供することを目的とする。また、本発明は、漏洩する電磁波ノイズが少なく、急速加熱が可能で、軸受の熱劣化の少ない像加熱装置を提供することを目的とする。更に、本発明は、ウォームアップ時間が短く、定着画質の優れた画像形成装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記の目的を達成するために以下の構成とする。
本発明の加熱ローラは、外側から内側に向かって、電磁誘導発熱する発熱層、断熱層、および支持層をこの順に有するローラ状の加熱ローラであって、前記支持層が固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の材料を含むことを特徴とする。
次に、本発明の第１の像加熱装置は、上記本発明の加熱ローラと、前記発熱層を外部から励磁して加熱する励磁手段と、前記加熱ローラに圧接してニップ部を形成する加圧手段とを有し、前記ニップ部に画像を担持した被記録材を通過させて画像を熱定着させることを特徴とする。
また、本発明の第２の像加熱装置は、電磁誘導発熱する発熱層を有する加熱ベルトと、前記発熱層を外部から励磁して加熱する励磁手段と、前記加熱ベルトに内接して前記加熱ベルトを回転可能に支持する支持ローラと、前記加熱ベルトに外接してニップ部を形成する加圧手段とを有し、前記ニップ部に画像を担持した被記録材を通過させて画像を熱定着させる像加熱装置であって、前記支持ローラは固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の材料を含むことを特徴とする。
更に、本発明の画像形成装置は、被記録材に未定着画像を形成し担持させる画像形成手段と、前記未定着画像を前記被記録材に熱定着させる像加熱装置とを有する画像形成装置であって、前記像加熱装置が上記の本発明の第１又は第２の像加熱装置であることを特徴とする。
発明を実施するための最良の形態
［実施の形態Ｉ］
図５は像加熱装置を定着装置として用いた本発明の画像形成装置の一例の断面図である。本実施の形態Ｉの画像形成装置に搭載される像加熱装置はローラ加熱方式の電磁誘導加熱装置である。以下にこの装置の構成と動作を説明する。
１は電子写真感光体（以下「感光ドラム」という）である。感光ドラム１は矢印の方向に所定の周速度で回転駆動されながら、その表面が帯電器２によりマイナスの所定の暗電位Ｖ０に一様に帯電される。
３はレーザビームスキャナであり、図示しない画像読取装置やコンピュータ等のホスト装置から入力される画像情報の時系列電気デジタル画素信号に対応して変調されたレーザビームを出力する。上記のように一様に帯電された感光ドラム１の表面が、このレーザビームで走査され露光されて、露光部分は電位絶対値が小さくなって明電位ＶＬとなり、感光ドラム１面に静電潜像が形成される。
次いでその潜像は現像器４によりマイナスに帯電した粉体トナーで反転現像されて顕像化される。
現像器４は回転駆動される現像ローラ４ａを有し、そのローラ外周面にマイナスの電荷をもったトナーの薄層が形成されて感光ドラム１面と対向している。現像ローラ４ａには、その絶対値が感光ドラム１の暗電位Ｖ０より小さく、明電位ＶＬより大きな現像バイアス電圧が印加されている。これにより、現像ローラ４ａ上のトナーが感光ドラム１の明電位ＶＬの部分にのみ転移して潜像が顕像化される。
一方、給紙部１０からは被記録材（例えば、紙）１１が一枚ずつ給送され、レジストローラ対１２、１３の間を通過して、感光ドラム１とこれに当接させた転写ローラ１４とからなる転写部へ、感光体ドラム１の回転と同期した適切なタイミングで送られる。転写バイアス電圧が印加された転写ローラ１４の作用によって、感光ドラム１上のトナー像は被記録材１１に順次転写される。転写部を通った被記録材１１は感光ドラム１から分離され、定着装置１５へ導入され、転写トナー像の定着が行われる。定着されて像が固定された被記録材１１は排紙トレイ１６へ出力される。
被記録材が分離した後の感光ドラム１の面はクリーニング装置１７で転写残りトナー等の残留物が除去されて清浄にされ、繰り返し次の作像に供される。
上記定着装置１５は、加熱ローラと、加熱ローラを電磁誘導加熱する励磁手段と、加熱ローラに圧接してニップ部を形成する加圧手段とを有する。
本発明の加熱ローラは、上記定着装置１５の加熱ローラとして好適に使用することができ、外側から内側に向かって、電磁誘導発熱する発熱層、断熱層、および支持層をこの順に有するローラ状の加熱ローラであって、前記支持層が固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の材料を含む。
かかる加熱ローラによれば、支持層が固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の高固有抵抗の材料からなるので、発熱層の肉厚を誘導電流が流れる厚さである表皮深さより薄くして、磁束が発熱層を貫通して支持層にまで到達しても、支持層が渦電流により発熱するのを抑えることができる。従って、加熱ローラを支持する軸受等が損傷するのを防止できる。
また、発熱層の肉厚を薄くして発熱層の熱容量を小さくできること、及び、支持層の発熱が抑えられ、発熱層のみを効率よく加熱できることにより、ウォームアップ時間の短縮が可能となる。
従って、励磁磁界を発生させるための電流の周波数を高くする必要がなく、励磁回路のスイッチングロスが増加しない。また、励磁回路のコストアップや漏洩する電磁波ノイズが増加することもない。
また、発熱層を薄くすることが出来るので、発熱層がニップ部で変形することにより発生する応力が、発熱層の肉厚の低下に比例して低減し、発熱層の耐久性が向上する。
また、発熱層が、断熱層及び支持層と一体に回転するので、ベルト加熱方式と比較して、発熱層の蛇行を防止できる。
さらに、励磁手段を加熱ローラの外部に設置できるので、励磁手段を構成する励磁コイル等が高温にさらされることがなく、安定して加熱することができる。
ここで、支持層を構成する固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の材料としては、フェライト、セラミックス、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＩ（ポリイミド）などを例示することができる。支持層を構成する該材料の固有抵抗は好ましくは１Ωｍ以上である。
上記本発明の加熱ローラの発熱層は、磁性材料からなり、厚さが１〜８０μｍであることが好ましい。ここで磁性材料とは強磁性体を意味し、例えば、鉄、パーマロイ、ニッケル、クロム、コバルト、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４１６）などを例示することができる。
発熱層を磁性材料を用いて構成することにより、厚さが１〜８０μｍと薄くても、効率よく発熱させることができる。従って、発熱層の熱容量が減少し、ウォームアップ時間の短縮が可能である。また、励磁回路の電流周波数を高くする必要がなくなるので、コストアップを防止できる。また、発熱層の肉厚を薄くできるので、発熱層の剛性が小さくなって、加圧ローラに沿って変形が容易で、被記録材の分離性が極めて良好となる。さらに、発熱層の薄肉化によって、加圧ローラに沿った変形を繰り返しても、発生応力が小さくなり、発熱層の耐久性が向上する。なお、発熱層の厚みが１μｍ未満になると、発熱層の機械的強度が低下するので好ましくない。
あるいは、上記本発明の加熱ローラの発熱層は、非磁性材料からなり、厚さが１〜２０μｍであっても良い。ここで非磁性材料とは常磁性体及び反磁性体を意味し、例えば、アルミニウム、金、銀、銅、黄銅、りん青銅などを例示することができる。
発熱層が非磁性材料であっても、厚さが１〜２０μｍと薄くすることにより、励磁回路の電流周波数が低くても発熱させることが可能となる。従って、発熱層の薄肉化による低熱容量化によって、ウォームアップ時間の更なる短縮が可能である。また、励磁回路の電流周波数を高くする必要がなくなるので、コストアップを防止できる。また、発熱層の肉厚を薄くできるので、発熱層の剛性が小さくなって、変形が容易で、被記録材の分離性が極めて良好となる。また、発熱層の耐久性が向上する。なお、発熱層の厚みが１μｍ未満になると、発熱層の機械的強度が低下するので好ましくない。
上記本発明の加熱ローラの前記断熱層は、熱伝導率が０．９Ｗ／ｍ・Ｋ以下の発泡状の弾性体からなることが好ましい。このような断熱層の材料として、シリコーンゴム、フッ素ゴム、フッ素樹脂を例示することができる。断熱層が、熱伝導性の低い発泡状の弾性体からなるので、発熱層の熱が断熱層や支持層に伝達されにくくなり、ウォームアップ時間の短縮が可能となる。
上記本発明の加熱ローラの支持層は、セラミックスを用いて構成することができる。ここで使用できるセラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素などを例示することができる。セラミックスは高剛性、高耐熱性を有するので、このようなセラミックスを用いて支持層を構成することにより、支持層の変形が少なく、被記録材の幅方向に均一なニップ部を形成することができる。また、長時間使用時にもこのようなニップ部を安定して維持できる。また、セラミックスは成形における形状の自由度が比較的大きいので、所望する形状の支持層を容易に得られる。また、セラミックスは高固有抵抗を有するので、発熱せず、軸受等の損傷がなく、ウォームアップ時間を短縮化できる。
また、上記本発明の加熱ローラの支持層は、少なくとも酸化物磁性体を含む材料から構成されていても良い。ここで使用できる酸化物磁性体としては、ニッケル亜鉛フェライト、バリウム系フェライトを例示することができる。また、これらのフェライト粉末をゴムやプラスチックなどと混合して固化させた複合磁性体であっても良い。酸化物磁性体は、高剛性で、形状の自由度が比較的大きく、安価である。また、その大きな透磁率により、励磁手段との磁気的結合が強くなり、ウォームアップ時間の短縮化が可能である。また、酸化物磁性体は磁束を確実に通過させるが、固有抵抗が大きいので、励磁磁界によって発熱することがない。
また、上記本発明の加熱ローラの支持層は、回転軸と、その表面に形成された遮蔽層とからなり、該遮蔽層は少なくとも酸化物磁性体を含む材料からなることが好ましい。ここで使用できる酸化物磁性体としては、ニッケル亜鉛フェライト、バリウム系フェライトを例示することができる。また、これらのフェライト粉末をゴムやプラスチックなどと混合して固化させた複合磁性体であっても良い。遮蔽層が酸化物磁性体を含む材料よりなるため、遮蔽層の透磁率が向上し、発熱層を貫通した磁束は遮蔽層内を通過し、磁束が回転軸内を通過することがない。したがって、回転軸の材質にかかわらず、回転軸の発熱を防止できる。また、遮蔽層の励磁手段との磁気的結合が強くなり、誘導加熱出力が大きくでき、ウォームアップ時間の短縮化が可能となる。
上記の場合において、回転軸は固有抵抗が３×１０−６Ωｍ以下の金属からなることが好ましい。遮蔽層の存在により回転軸内に磁束が通過するのを防止できるので、回転軸の材料として低固有抵抗値を有する安価で高剛性の金属材料を用いることができる。その結果、低コストで、被記録材の幅方向に均一なニップ部が得られる。このような低固有抵抗値の回転軸材料としては、アルミニウム、黄銅、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４１６）などを例示することができる。
また、上記回転軸は非磁性金属からなることが好ましい。ここで非磁性金属とは常磁性体及び反磁性体を意味し、例えば、アルミニウム、黄銅、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）などを例示することができる。上述したように、回転軸の表面に酸化物磁性体を含む材料からなる遮蔽層が設けられるので、回転軸に達する磁束が減少する。従って、回転軸を、非磁性（更には好ましくは低固有抵抗）の金属材料、つまり一般的な金属材料で構成しても、回転軸の発熱は僅かとなり、軸受の損傷等が防止される。また、一般的な金属材料で回転軸を構成することにより、小径でも回転軸の剛性を高くすることができ、また、加熱ローラの低価格化が可能となる。
また、上記本発明の加熱ローラの支持層の直径は、長手方向の中央部で大きく両端に向かって漸減していることが好ましい。これにより、支持層の中央部の剛性が向上し、曲げモーメントやたわみが減少し、被記録材の幅方向において均一なニップ部を得ることができる。さらに、断熱層の厚みは、長手方向の中央部で薄く、両端部で厚くなるので、加熱ローラの外表面の硬度は、長手方向の中央部で高く、両端部で低くなる。従って、この硬度分布が、ニップ部での押圧力がたわみによって長手方向における中央部で低下するのを補って、被記録材の幅方向においてより一層均一なニップ長と押圧力とを得ることができる。
本発明の像加熱装置は、上記本発明の加熱ローラと、前記発熱層を外部から励磁して加熱する励磁手段と、前記加熱ローラに圧接してニップ部を形成する加圧手段とを有し、前記ニップ部に画像を担持した被記録材を通過させて画像を熱定着させる。
これにより、加熱ローラの軸受部が損傷することなく、加熱ローラを急速加熱でき、漏洩する電磁波ノイズが少ない像加熱装置を提供することが出来る。
また、本発明の画像形成装置は、被記録材に未定着画像を形成し担持させる画像形成手段と、前記未定着画像を前記被記録材に熱定着させる像加熱装置とを有する画像形成装置であって、前記像加熱装置が上記の本発明の像加熱装置である。
これにより、ウォームアップ時間が短く、定着画質の優れた画像形成装置を得ることができる。
以下に、本発明の加熱ローラと、上記定着装置１５として使用される本発明の像加熱装置の実施の形態を、具体例（実施例）を示しながら詳細に説明する。
（実施の形態Ｉ−１）
図１は図５に示した上記画像形成装置に用いられる、本発明の実施の形態Ｉ−１の定着装置としての像加熱装置の断面図である。図２は図１の矢印ＩＩ方向からみた励磁手段の構成図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線（加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａと励磁コイル３６の卷回中心軸３６ａとを含む面）での矢視断面図である。図４は加熱ローラ２１の発熱層２２を含む表層部の層構成を示す断面図である。
２１は加熱ローラで、表面側から順に、薄肉導電材よりなる発熱層２２、低熱伝導材よりなる断熱層２３、及び回転軸となる支持層２４が互いに密着して構成されている。
図４に示すように発熱層２２の表面には薄肉の弾性層２６が形成され、さらにその表面に離型層２７が形成されている。
発熱層２２は磁性材料、特に磁性を有する金属からなる。その厚さは１〜８０μｍが好ましい。実施例では発熱層２２として、磁性ステンレス鋼ＳＵＳ４３０を厚さ４０μｍの薄肉無端ベルト状に形成したものを用いた。
弾性層２６は被記録材との密着をよくするために設けられる。実施例ではシリコーンゴムよりなり、厚さ２００μｍ、硬度２０度（ＪＩＳ−Ａ）とした。弾性層２６は設けなくても支障はないが、カラー画像の場合には設けることが望ましい。弾性層２６の厚さは２００μｍに限定されるものではなく、５０μｍから５００μｍの範囲が望ましい。上記の範囲より厚いと、熱容量が大きくなりすぎてウォームアップ時間が遅くなる。上記の範囲より薄いと、被記録材との密着性の効果がなくなる。弾性層２６の材質は、シリコーンゴムに限らず、他の耐熱性のゴムや樹脂を使用しても良い。
離型層２７はＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）、やＰＦＡ（四フッ化エチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体）等のフッ素系の樹脂よりなる。実施例では厚さ３０μｍのフッ素系樹脂層とした。
支持層２４は高固有抵抗を有する材料からなる。具体的には、支持層２４の固有抵抗は１×１０−５Ωｍ以上である。更に、支持層２４の比透磁率は１０００以上であることが好ましい。実施例では、支持層２４は、固有抵抗６．５Ωｍ、比透磁率２２００の酸化物磁性体であるフェライトからなり、その直径は２０ｍｍとした。
断熱層２３は低熱伝導性の発泡状の弾性体からなり、硬度は２０〜５５度（ＡＳＫＥＲ−Ｃ）が望ましい。実施例では、断熱層２３はシリコーンゴムの発泡体（熱伝導率：０．２４Ｗ／ｍ・Ｋ）よりなり、硬度４５度（ＡＳＫＥＲ−Ｃ）、厚さ５ｍｍとし、弾力性を有していた。
実施例において、加熱ローラ２１の直径は３０ｍｍであり、その有効長はＪＩＳ規格のＡ４用紙の幅（短辺長さ）に対して余裕を持たせた長さとした。発熱層２２の幅（加熱ローラ２１の回転中心軸方向の長さ）は断熱層２３の幅より僅かに短く形成されている（図３参照）。
実施例では、発熱層２２を断熱層２３に接着した。但し、断熱層２３が弾力性を有するため、エンドレスベルト状の発熱層２２を断熱層２３の外周に接着することなく嵌め込んで固定することも可能である。
図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩでの矢視断面図で、定着装置全体を横方向からみた構成をあらわしている。
加熱ローラ２１は、その最下層である支持層２４の両端が側板２９、２９’に取り付けられた軸受２８、２８’に支持されることにより、回転可能に保持されている。また加熱ローラ２１は、図示しない装置本体の駆動手段によって、支持層２４に一体的に固定された歯車３０を介して回転駆動される。
３６は励磁手段を構成する励磁コイルであり、加熱ローラ２１の外周の円筒面に対向して配置され、表面を絶縁した外径０．１５ｍｍの銅線からなる線材を６０本束ねた線束を９回周回して形成されている。
励磁コイル３６の線束は、加熱ローラ２１の円筒面の回転中心軸２１ａ方向の端部ではその外周面に沿って円弧状に配置され、それ以外の部分では該円筒面の母線方向に沿って配置されている。加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａと直交する断面図である図１に示すように、励磁コイル３６の線束は、加熱ローラ２１の円筒面を覆うように、加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａを中心軸とする仮想の円筒面上に、重ねることなく（但し、加熱ローラ２１の端部を除く）密着して配置されている。また加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａを含む断面図である図３に示すように、加熱ローラ２１の端部に対向する部分では、励磁コイル３６の線束を２列に並べて積み重ねて盛り上がっている。従って、励磁コイル３６は、全体として鞍の様な形状に形成されている。ここで、励磁コイル３６の卷回中心軸３６ａは加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａと略直交し、加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａ方向の略中心点を通る直線であり、励磁コイル３６は該卷回中心軸３６ａに対してほぼ対称に形成されている。線束は表面の接着剤により互いに接着され、図示した形状を保っている。励磁コイル３６は加熱ローラ２１の外周面から約２ｍｍの間隔を設けて対向している。図１の断面図において、励磁コイル３６が加熱ローラ２１の外周面と対向する角度範囲は、加熱ローラの回転中心軸２１ａに対して約１８０度と広い範囲である。
３７は前記励磁コイル３６とともに励磁手段を構成する背面コアであり、励磁コイル３６の卷回中心軸３６ａを通り、加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａと平行に配置された棒状の中心コア３８と、励磁コイル３６に対して加熱ローラ２１とは反対側に、励磁コイル３６と離間して配置された略Ｕ字状のＵ字コア３９とからなる。中心コア３８とＵ字コア３９とは磁気的に接続されている。図１に示すように、Ｕ字コア３９は、加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａと励磁コイル３６の卷回中心軸３６ａとを含む面に対して略対称な、Ｕ字状である。このようなＵ字コア３９は、図２、図３に示すように、加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａ方向に離間して複数個配置されている。実施例では、Ｕ字コア３９の、加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａ方向の幅は１０ｍｍで、このようなＵ字コア３９を２６ｍｍ間隔で合計７個配置した。Ｕ字コア３９は、励磁コイル３６からの外部に漏れる磁束を捕捉する。
図１に示すように、各Ｕ字コア３９の両先端は、励磁コイル３６と対向しない範囲まで延長され、励磁コイル３６を介さずに発熱ローラ２１と対向する対向部Ｆが形成されている。一方、対向部Ｆとは異なり、Ｕ字コア３９の、励磁コイル３６を介して加熱ローラ２１と対向する部分を透磁部Ｔと呼ぶ。また、中心コア３８は、励磁コイル３６を介さずに加熱ローラ２１と対向し、かつ、Ｕ字コア３９よりも加熱ローラ２１側に突出して対向部Ｎを形成している。突出した中心コア３８の対向部Ｎは、励磁コイル３６の卷回中心の中空部内に挿入されている。実施例では中心コア３８の断面形状は４ｍｍ×１０ｍｍとした。
背面コア３７の材料として、例えばフェライトを用いることができる。背面コア３７の材料としては、フェライトやパーマロイ等の高透磁率で固有抵抗の高い材料が望ましいが、透磁率が多少低くても磁性材であれば用いることができる。
４０は、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などの耐熱温度の高い樹脂からなる断熱部材であり、実施例では厚さは１ｍｍとした。
再び図１において、加圧手段となる加圧ローラ３１は金属軸３２の表面にシリコーンゴムよりなる弾性層３３を積層してなる。弾性層３３は硬度５０度（ＪＩＳ−Ａ）であり、加熱ローラ２１に対して全体で約２００Ｎの力で圧接されニップ部３４を形成している。
加圧ローラ３１の有効長は加熱ローラ２１の有効長とほぼ同一であるが、発熱層２２の幅より僅かに長い（図３参照）。従って、発熱層２２は、加熱ローラ２１の断熱層２３と加圧ローラ３１との間で全幅にわたって均一に加圧される。加圧ローラ３１は、金属軸３２の両端の軸受３５，３５’により回転可能に支持された従動ローラである。
加圧ローラ３１の弾性層３３の硬度が、加熱ローラ２１の表面硬度より大きいので、図１に示すように、ニップ部３４では加熱ローラ２１の発熱層２２及び断熱層２３が加圧ローラ３１の外周面に沿って凹状に変形している。実施例において、ニップ部３４におけるニップ長Ｌｎ（ニップ部３４における加熱ローラ２１の表面変形部の、被記録材１１の進行方向１１ａに沿った長さ（図１参照））は約５．５ｍｍであった。加圧ローラ３１によって加熱ローラ２１には非常に大きな押圧力が加えられるが、中実の支持層２４がその押圧力を支えているため加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａに対するたわみ量はわずかに抑えられていること、及び、薄い発熱層２２が断熱層２３を介して支持層２４によって支持されていることにより、ニップ部３４におけるニップ長Ｌｎは、加熱ローラ２１の回転中心軸方向において略一定である。
また、ニップ部３４において加熱ローラ２１の外表面が加圧ローラ３１の外表面に沿って凹状に変形しているため、ニップ部３４から出て来る被記録材１１の進行方向が加熱ローラ２１の外表面となす角度が大きくなるので、被記録材１１の加熱ローラ２１からの剥離性が極めてよい。
加圧ローラ３１の弾性層３３の材質は、上記のシリコーンゴムの他に、フッ素ゴム、フッ素樹脂等の耐熱性樹脂やゴムで構成しても良い。また加圧ローラ３１の表面には耐摩耗性や離型性を高めるために、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ等の樹脂あるいはゴムを単独あるいは混合で被覆してもよい。熱の放散を防ぐため、加圧ローラ３１は熱伝導性の小さい材料で構成されることが望ましい。
図１において、４１は温度検知センサであり、加熱ローラ２１の表面に接触しながら摺動し、ニップ部３４の直前の加熱ローラ２１の表面の温度を検知し、図示しない制御回路にフィードバックする。実施例では、動作時に、これにより励磁回路４２の励磁電力を調節することによって、加熱ローラ２１のニップ部３４の直前の加熱ローラ２１の表面温度を摂氏１７０度にコントロールした。本実施の形態では、ウォームアップ時間を短縮するという目的を達成するために、発熱層２２の熱容量を極力小さく設定している。
上記の加熱ローラ２１と励磁コイル３６及び背面コア３７からなる励磁手段とによって、加熱ローラ２１の発熱層２２に渦電流を生じさせて発熱させる。以下にその作用を図６を用いて説明する。
図６において、ある瞬間に励磁コイル３６により生じた磁束は、中心コア３８と加熱ローラ２１との対向部Ｎから加熱ローラ２１の発熱層２２内に入り、発熱層２２内を通過し、対向部ＦよりＵ字コア３９内に入り、Ｕ字コア３９内を通過して、中心コア３８に戻る。発熱層２２の厚さが表皮深さ以上のときは、発熱層２２の磁性のために、図の点線Ｄ、Ｄ’に示すようにほとんどの磁束は発熱層２２内を通過する。磁束が生成消滅を繰り返すことによって発生する渦電流は、表皮効果によってほとんど発熱層２２内にのみ発生し、発熱層２２内にジュール熱が発生する。
ここで表皮深さは、磁束の通る部材の材質と交流磁界の周波数によって決まる。計算によれば、磁性ステンレス鋼ＳＵＳ４３０を用い、励磁電流の周波数が２５ｋＨｚのとき、表皮深さは０．２５ｍｍ程度になる。発熱層２２の厚さがこの表皮深さと同等かそれ以上であれば、渦電流はほとんど発熱層２２内で発生する。したがって、磁束は支持層２４にはほとんど到達しないから、支持層２４を例えば鉄鋼材料で構成しても、支持層２４内にはほとんど渦電流が発生しない。従って、支持層２４が発熱することがなく、また、発熱層２２の発熱に大きな影響を及ぼすこともない。
しかし、発熱層２２の厚さを表皮深さ以上の厚みに設定すると、発熱層２２の熱容量が大きくなって、ウォームアップ時間を短縮化することができない。本実施例では、熱容量を小さくするために発熱層２２の厚みは４０μｍとした。表皮深さを発熱層２２の厚みである４０μｍ以下とするためには、電流周波数を約９００ｋＨｚとする必要があるが、励磁回路４２のスイッチングロスやコストアップおよび外部に漏洩する電磁波ノイズ等が問題となり、実用は困難である。
従って、電流周波数範囲は、実用的な２０〜１００ｋＨｚであることが望ましく、２０〜５０ｋＨｚがより望ましい。このとき、発熱層２２を厚さが４０μｍの磁性ステンレス鋼ＳＵＳ４３０からなる層とすると、発熱層２２の厚さが表皮深さより薄いので、励磁手段によって、発熱層２２内を通過する磁束（図６の点線Ｄ，Ｄ’）に加えて、発熱層２２を貫通し支持層２４内を通過する磁束（図６の点線Ｅ，Ｅ’）が発生するものと考えられる。このような場合でも、支持層２４に到達する磁束による支持層２４の発熱が問題とならず、かつ、ウォームアップ時間の短縮を実現するための支持層２４の条件を検討した。具体的には、上記の実施例の条件の下で、支持層２４を、鉄（固有抵抗：９．４×１０−８Ωｍ）、アルミニウム（固有抵抗：２．５×１０−８Ωｍ）、耐熱樹脂としてのＰＰＳ（固有抵抗：１×１０１８Ωｍ）、及びフェライト（固有抵抗：６．５Ωｍ）の４通りに変えて加熱ローラ２１を作成し、電流周波数を２５ｋＨｚとして、加熱ローラ２１の表面が摂氏１７０度に到達するまでに要するウォームアップ時間と支持層２４の端部（軸受２８，２８’部分）の温度上昇を実験により求めた。その結果を表１に示す。
2003039198.tif 000003
この結果から明らかなように、支持層２４としてフェライトを使用した場合、ウォームアップ時間が短く、支持層２４の発熱もなく、安定した定着性が得られた。
これに対して、耐熱樹脂ＰＰＳを使用した場合、ウォームアップ時間と支持層２４の発熱はフェライトの場合と殆ど同じであったが、剛性が不十分でたわみがやや大きく、ニップ部３４の幅方向（加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａ方向）のニップ圧力不均一性が見られた。さらに、連続使用した場合には、発熱層２２の熱が断熱層２３を通って支持層２４に伝わり、支持層２４がそのガラス転移点以上に加熱されると急激に支持層２４のたわみが増加して、幅方向におけるニップ圧力が不均一となった。
アルミニウムを使用した場合、励磁手段との磁気的な結合が悪く、電流を一定にすると、印加できる電力が小さくなり、ウォームアップ時間が長くなった。また、支持層２４の発熱も見られた。
鉄を使用した場合、発熱層２２を貫通して支持層２４へ磁束が達する。このため、ウォームアップ時間が長くなり、また、支持層２４の温度上昇が大きく、軸受等の損傷の危険性が認められた。
なお、上記の実験では、発熱層２２として磁性ステンレス鋼ＳＵＳ４３０を用いたが、鉄、ニッケル等の他の磁性金属でも同様の効果を得ることが可能である。
そこで、支持層２４の材料をフェライトとして、以上のように構成した定着装置を回転駆動しながら、まず常温から２５ｋＨｚで８００Ｗの電力を投入しウォームアップを開始した。温度検知センサ４１の出力をモニタすると、電力投入開始後約１５秒で加熱ローラ２１の表面が摂氏１７０度に達した。
この定着装置を備えた図５の画像形成装置において、トナー像を転写された被記録材１１を、図１に示すように矢印１１ａの方向から突入させ、被記録材１１上のトナーを定着した。
本実施の形態では、ウォームアップ時間を短縮するという目的を達成するために、発熱層２２の厚さを表皮深さ以下に薄くし、この発熱層２２を外部から電磁誘導により効率よく加熱する。発熱層２２を薄肉（実施例では４０μｍ）に形成したので、発熱層２２の剛性が小さい。従って、加圧ローラ３１の外周面に沿って変形が容易で、被記録材１１との剥離性が極めて良好である。さらに、発熱層２２の肉厚を薄肉化することによって、発熱層２２が加圧ローラ３１の外周面に沿った変形を繰り返しても、変形時に発熱層２２内に発生する応力もその肉厚に比例して小さくなる。従って、発熱層２２の耐久性が向上する。
また、一般に、加熱ローラの熱容量が少なくなるほど、ニップ部を通過するときの加熱ローラの表面温度は被記録材等に吸熱されて激しく低下する。ところが、本実施の形態では、発熱層２２より外側の弾性層２６と、発熱層２２より内側の断熱層２３とがある程度の熱量を蓄えるので、温度低下が少なく均一な温度で定着が可能である。
また、本実施の形態では、励磁コイル３６や背面コア３７よりなる励磁手段は加熱ローラ２１の外側に設置されているので、励磁手段等が発熱部の温度の影響を受けて昇温しにくく、発熱量を安定に保つことができる。
また、一般に、プロセス速度が大きくなると、定着に必要なニップ長Ｌｎとニップ圧力とを確保するために、加熱ローラ２１と加圧ローラ３１との間に強い圧力が必要となってくる。本実施の形態では、この圧力を弾性体からなる断熱層２３を介して、支持層２４で受けるため、支持層２４のたわみは比較的小さくニップ長Ｌｎが幅方向に均一で、かつ広いニップ領域が得られる。
以上により、本実施の形態では、ウォームアップ時間が短く、かつ十分なニップ長とニップ圧力とにより優れた定着性の得られる加熱ローラおよび像加熱装置を提供できる。また、発熱層２２が断熱層２３及び支持層２４と一体として回転するので、発熱層２２の摩耗や動作抵抗が低減され、また、発熱層２２の蛇行も生じない。
（実施の形態Ｉ−２）
次に実施の形態Ｉ−２の定着装置としての像加熱装置を図７、図８および図９を用いて説明する。実施の形態Ｉ−２において、実施の形態Ｉ−１の像加熱装置と同様の構成で同じ役割をする部材には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。本実施の形態では、加圧ローラ３１、励磁コイル３６、背面コア３７などの構成は実施の形態Ｉ−１と同様である。
本実施の形態に係る実施例では、発熱層２２として、非磁性ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を塑性加工にて厚さ４０μｍの無端ベルト状に形成したものを用いた。ＳＵＳ３０４は本来非磁性であるが、塑性加工により磁性が生じている。また、ＳＵＳ３０４は、本来の特性である機械的な変形に対する耐久性がＳＵＳ４３０やニッケル等の材料に比較して優れており、機械的な変形を繰り返す誘導加熱ローラに適している。
支持層２４は、図７および図８のように、回転軸５１と、回転軸５１の表面に形成された酸化物磁性体を含む遮蔽層５２とから構成される。実施例では、回転軸５１の材料として非磁性のステンレス銅ＳＵＳ３０４を用い、この表面に、遮蔽層５２として、酸化物磁性体であるフェライトを１ｍｍの厚さで形成した。図８に示すように、遮蔽層５２は、加熱ローラ２１の同転中心軸２１ａ方向において、励磁コイル３６が卷回されている範囲より広い範囲にわたって形成されている。遮蔽層５２の固有抵抗は１Ωｍ以上が望ましく、実施例では６．５Ωｍとした。また、遮蔽層５２の比透磁率は１０００以上が望ましく、実施例では２２００とした。遮蔽層５２の厚みは上記の実施例の値よりも薄くても、厚くても同様の効果を得ることは可能であり、薄層のフェライトをメッキ法にて形成することも可能である。またフェライトの粉末を樹脂中に分散させて形成したものでも良く、少なくとも酸化物磁性体を含む材料で構成されていれば同様の効果が得られる。
図９を用いて、加熱ローラ２１の発熱層２２を渦電流により加熱する作用について説明する。実施の形態Ｉ−１と同様に発熱層２２の厚みが表皮深さより薄いため、励磁手段による磁束は、発熱層２２内を通過する磁束（点線Ｄ，Ｄ’）と、発熱層２２を貫通し遮蔽層５２内を通過する磁束（点線Ｅ，Ｅ’）とに分けられる。ここで、遮蔽層５２は、磁性を有するため、磁束が遮蔽層５２を突き抜けて回転軸５１にまで及ぶことはない。また、遮蔽層５２は高固有抵抗を有するため（実施例では６．５Ωｍ）、遮蔽層５２内を磁束が通過しても遮蔽層５２が発熱することは殆どない。また、加熱ローラ２１の回転中心軸２１ａ方向において、遮蔽層５２の形成範囲は励磁コイル３６の設置範囲より広いので、遮蔽層５２が形成されていない回転軸５１の両端部分から回転軸５１内へ磁束が回り込みむようなこともない。従って、回転軸５１が加熱され、軸受等が損傷することがない。また、遮蔽層５２は磁性を有するので、励磁手段との磁気的な結合が強くなり、印加電力が大きくなる。従って、発熱層２２の発熱が十分で、また、ウォームアップ時間を短縮できる。
本実施の形態に係る実施例は、上記以外は実施の形態Ｉ−１に係る実施例と同様である。
本実施の形態の効果を確認するために、上記の実施例の支持層２４を用いた加熱ローラ２１を作成して、電流周波数を２５ｋＨｚとして、発熱層２２のウォームアップ時間と支持層２４の端部（軸受２８，２８’部分）の温度上昇を求めた。第２実施例として、上記の実施例において、回転軸５１の材料をアルミニウムに変える以外は同様にして、同様の実験を行なった。その結果を表２に示す。
2003039198.tif 000004
この結果から明らかなように、支持層２４を２層とし、励磁コイル３６に近い層に磁性と高固有抵抗を有するフェライトよりなる遮蔽層５２を形成すると、実施の形態Ｉ−１の表１に示した、支持層２４を鉄やアルミニウムの単層構成にした場合と比較して、ウォームアップ時間が短くなり、支持層２４の発熱も抑えられる。
また、表２において、回転軸５１の材料をＳＵＳ３０４及びアルミニウムとした２つの実施例間には、電磁誘導加熱出力や回転軸５１の温度に僅かの差が認められる。これは、これらの実施例における遮蔽層５２の厚さが１ｍｍと比較的薄いため、遮蔽層５２内を通過する磁束の一部が遮蔽層５２を貫通して回転軸５１内を通過している可能性を示唆している。しかしながら、両実施例間の電磁誘導加熱出力や回転軸５１の温度における差は、僅かなものであり実用上は問題となるレベルではなく、また遮蔽層５２の厚さを変えることにより改善可能である。
回転軸５１の材料をＳＵＳ３０４として、以上のように構成した定着装置を回転駆動しながら、まず常温から２５ｋＨｚで８００Ｗの電力を投入しウォームアップを開始した。温度検知センサ４１の出力をモニタすると、電力投入開始後約１８秒で加熱ローラ２１の表面が摂氏１７０度に達した。次いで、連続して通紙を続けた場合、回転軸５１の両端部（軸受２８，２８’部分）の温度は約摂氏５０度となった。
以上のように、本実施の形態によれば、機械的な剛性が高く安価な金属材料を回転軸５１の材料として用いても、その表面に上記のような遮蔽層５２を設けることにより、遮蔽層５２内を磁束が通過するので、回転軸５１が渦電流で加熱されることは殆どない。従って、軸受等が損傷することがない。また、発熱層２２を集中して加熱可能であるので、ウォームアップ時間の短縮が可能である。
（実施の形態Ｉ−３）
次に実施の形態Ｉ−３の定着装置としての像加熱装置を図７を用いて説明する。実施の形態Ｉ−３において、実施の形態Ｉ−１の像加熱装置と同様の構成で同じ役割をする部材には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。本実施の形態では、加圧ローラ２１、励磁コイル３６、背面コア３７などの構成は実施の形態Ｉ−２と同様である。
本実施の形態では、発熱層２２として非磁性材料を用いている。その厚さは１〜２０μｍが好ましい。実施例では、発熱層２２として、断熱層２３の表面に銅をメッキ等により１５μｍの厚さに形成した。さらにその表面に離型層２７を形成した。
これ以外の構成は実施の形態Ｉ−２と同様である。
図９を用いて、加熱ローラ２１の発熱層２２を渦電流により加熱する作用について説明する。実施の形態Ｉ−２と同様に発熱層２２の厚みが表皮深さより薄いため、励磁手段による磁束は、発熱層２２内を通過する磁束（点線Ｄ，Ｄ’）と、発熱層２２を貫通し遮蔽層５２内を通過する磁束（点線Ｅ，Ｅ’）とに分けられる。ここで、発熱層２２の厚さは１〜２０μｍ（実施例では１５μｍ）と薄いため、その固有抵抗が低いにも関わらず、次式であらわされる表皮抵抗が大きくなり、発熱する。
固有抵抗をρ、表皮深さすなわち肉厚をδとすると表皮抵抗Ｒｓは
Ｒｓ＝ρ／δ
であらわされる。電流周波数が２５ｋＨｚのとき、誘導加熱しやすい鉄では、表皮深さは約０．１ｍｍとなり、そのときの表皮抵抗Ｒｓは９．４×１０−４Ωとなる。一方、銅の固有抵抗は１．７×１０−８Ωｍであり、肉厚を１５μｍとすると表皮抵抗Ｒｓは１１．３×１０−４Ωとなり、鉄とほぼ同等の表皮抵抗となり、誘導加熱が可能となる。このとき、発熱層２２の熱容量は前記の実施の形態Ｉ−２の実施例に示した発熱層２２の熱容量の約３分の１となる。
従って、本実施の形態によれば、電流周波数を一般に多用されている２５ｋＨｚに設定することができ、励磁回路４２のスイッチングロスが増加せず、またコストアップすることがない。また、漏洩する電磁波ノイズが増加することもない。更に、発熱層２２の熱容量を小さくできることにより、ウォームアップ時間の更なる短縮が可能となる。
（実施の形態Ｉ−４）
次に実施の形態Ｉ−４の定着装置としての像加熱装置を図１０を用いて説明する。実施の形態Ｉ−４において、実施の形態Ｉ−１の像加熱装置と同様の構成で同じ役割をする部材には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。本実施の形態では、加圧ローラ３１、励磁コイル３６、背面コア３７などの構成は実施の形態Ｉ−１と同様である。
本実施の形態では、図１０のように支持層２４を、高固有抵抗を有し、機械的な剛性が高く、耐熱温度が高いセラミックスで構成している。実施例ではアルミナ（固有抵抗：２×１０１７Ωｍ）を用いた。更に、回転中心軸２１ａ方向において支持層２４の中央部の直径Ｄ１を最大とし、両端部にいくに従って直径を漸減させている。なお、断熱層２３の両端部付近での支持層２４の直径をＤ２（Ｄ２＜Ｄ１）とする。一方、断熱層２３の外径は回転中心軸２１ａ方向において一定である。従って、支持層２４の直径の変化に伴って、断熱層２３の厚さは回転中心軸２１ａ方向において変化している。
一般に２つのローラを対向させてお互いに圧接する構成では、ローラの曲げモーメントやたわみは回転中心軸方向において中央付近が最大となる。従って、図１に示したニップ長Ｌｎは、中央部で小さく、両端部で大きくなる傾向があり、回転中心軸２１ａ方向（被記録材の幅方向）においてニップの不均一性が生じる。その結果、定着不良や光沢のムラ、紙シワ等の不具合が生じやすい。
本実施の形態では、支持層２４の直径を回転中心軸２１ａ方向において中央部で最大とし、両端に向かって漸減させてあるので、中央部の剛性が向上し、曲げモーメントやたわみが減少し、ニップの不均一性が減少する。さらに、断熱層２３の厚みが回転中心軸２１ａ方向において一定ではなく、中央部で薄く両端部で厚くなっている。その結果、加熱ローラ２１の外表面における硬度は中央部で高く、両端部で低くなる。従って、この硬度分布が、ニップ部での押圧力がたわみによって回転中心軸２１ａ方向における中央部で低下するのを補って、より一層均一なニップ長と押圧力が得られる。これらにより、定着不良や光沢のムラ、紙シワ等を解消することができる。
本実施の形態のような直径が変化する支持層２４は、アルミナなどのセラミックを用いて、粉末成形にて比較的容易に製作することが可能である。
上記以外は実施の形態Ｉ−１の実施例と同様にして定着装置を構成して、回転駆動しながら、まず常温から２５ｋＨｚで８００Ｗの電力を投入しウォームアップを開始した。温度検知センサ４１の出力をモニタすると、実施の形態Ｉ−１に示した表１における支持層２４がＰＰＳからなる場合と同様に、電力投入開始後約１８秒で加熱ローラ２１の表面が摂氏１７０度になった。連続して使用した場合、支持層２４がＰＰＳからなる場合のように支持層２４のたわみが急激に増加することがなく、安定して定着ができ、支持層２４の両端部の温度はほとんど上昇しなかった。
なお、上記の実施の形態Ｉ−１〜Ｉ−４においては、励磁手段が、鞍型の励磁コイル３６と背面コア３７とから構成される例を示したが、本発明の励磁手段は交番磁界を発生させることができれば何らこれに限定されない。また加圧手段が、回転可能な加圧ローラ３１から構成される例を示したが、本発明の加圧手段はこれに限定されず、例えば加熱ローラ２１に圧接しながら固定される加圧ガイドを用いても良い。
［実施の形態ＩＩ］
図１１は像加熱装置を定着装置として用いた本発明の画像形成装置の一例の断面図である。本実施の形態ＩＩの画像形成装置に搭載される像加熱装置はベルト加熱方式の電磁誘導加熱装置である。以下にこの装置の構成と動作を説明する。
図１１において、１１５は電子写真感光体（以下、「感光ドラム」という）である。感光ドラム１１５は矢印の方向に所定の周速度で回転駆動されながら、その表面が帯電器１１６によりマイナスの暗電位Ｖ０に一様に帯電される。１１７はレーザビームスキャナであり、画像情報の信号に対応したレーザビーム１１８を出力する。帯電された感光ドラム１１５の表面を、このレーザビーム１１８が走査し露光する。これにより、感光ドラム１１５の露光部分は電位絶対値が低下して明電位ＶＬとなり、静電潜像が形成される。この潜像は現像器１１９の負帯電のトナーにより現像されて顕像化される。
現像器１１９は回転駆動される現像ローラ１２０を有する。現像ローラ１２０は、その外周面にトナーの薄層が形成され、感光ドラム１１５と対向している。現像ローラ１２０にはその絶対値が感光ドラム１１５の暗電位Ｖ０より小さく、明電位ＶＬより大きな現像バイアス電圧が印加されている。
一方、給紙部１２１からは被記録材１１が一枚ずつ給送され、一対のレジストローラ１２２の間を通過し、感光ドラム１１５と転写ローラ１２３とからなるニップ部へ、感光ドラム１１５の回転と同期した適切なタイミングで送られる。転写バイアス電圧の印加された転写ローラ１２３によって、感光ドラム１１５上のトナー像は被記録材１１に順次転写される。被記録材１１と分離後の感光ドラム１１５の外周面は、クリーニング装置１２４で転写残りトナー等の残留物が除去され、繰り返し次の作像に供される。
１２５は定着ガイドであり、転写後の被記録材１１を定着装置１２６へ案内する。被記録材１１は感光ドラム１１５から分離され、定着装置１２６へ搬送され、転写トナー像の定着が行われる。１２７は排紙ガイドであり、定着装置１２６を通過した被記録材１１を装置外部へ案内する。被記録材１１を案内する定着ガイド１２５及び排紙ガイド１２７はＡＢＳなどの樹脂またはアルミニウムなどの非磁性の金属材料で構成されている。定着されて像が固定された被記録材１１は排紙トレイ１２８へ排出される。
１２９は装置本体の底板であり、１３０は装置本体の天板、１３１は本体シャーシであり、これらは一体として装置本体の強度を担うものである。これらの強度部材は、磁性材料である鋼を基材として亜鉛メッキを施した材料で構成されている。
１３２は冷却ファンであり、装置内に気流を発生させる。１３３はアルミなどの非磁性の材料からなるコイルカバーであり、定着装置１２６を構成する励磁コイル３６及び背面コア３７を覆うように構成されている。
上記定着装置１２６は、電磁誘導発熱する発熱層を有する加熱ベルトと、前記発熱層を外部から励磁して加熱する励磁手段と、前記加熱ベルトに内接して前記加熱ベルトを回転可能に支持する支持ローラと、前記加熱ベルトに外接してニップ部を形成する加圧手段とを有する。そして、前記ニップ部に画像を担持した被記録材１１を通過させて画像を熱定着させる。
ここで、前記支持ローラは固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の材料を含む。
これにより、加熱ベルトの発熱層の肉厚を誘導電流が流れる厚さである表皮深さより薄くして、磁束が発熱層を貫通して支持ローラにまで到達しても、支持ローラが渦電流により発熱するのを抑えることができる。従って、支持ローラを支持する軸受等が損傷するのを防止できる。
また、発熱層の肉厚を薄くして発熱層の熱容量を小さくできること、及び、支持ローラの発熱が抑えられ、発熱層のみを効率よく加熱できることにより、ウォームアップ時間の短縮が可能となる。
従って、励磁磁界を発生させるための電流の周波数を高くする必要がなく、励磁回路のスイッチングロスが増加しない。また、励磁回路のコストアップや漏洩する電磁波ノイズが増加することもない。
また、発熱層を薄くすることが出来るので、発熱層がニップ部で変形することにより発生する応力が、発熱層の肉厚の低下に比例して低減し、発熱層の耐久性が向上する。
さらに、励磁手段を加熱ベルトの外部に設置できるので、励磁手段を構成する励磁コイル等が高温にさらされることがなく、安定して加熱することができる。
ここで、支持ローラを構成する固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の材料としては、フェライト、セラミックス、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＩ（ポリイミド）などを例示することができる。支持ローラを構成する該材料の固有抵抗は好ましくは１Ωｍ以上である。
また、本発明の画像形成装置は、被記録材に未定着画像を形成し担持させる画像形成手段と、前記未定着画像を前記被記録材に熱定着させる像加熱装置とを有する画像形成装置であって、前記像加熱装置が上記の本発明の像加熱装置である。
これにより、ウォームアップ時間が短く、定着画質の優れた画像形成装置を得ることができる。
以下に、上記定着装置１２６として使用される本発明の像加熱装置の実施の形態を、具体例（実施例）を示しながら詳細に説明する。
（実施の形態ＩＩ−１）
図１２は図１１に示した上記画像形成装置に用いられる、本発明の実施の形態ＩＩ−１の定着装置としての像加熱装置の断面図である。本実施の形態において、実施の形態Ｉ−１の像加熱装置と同様の構成で同じ役割をする部材には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。本実施の形態では、励磁コイル３６及び背面コア３７を含む励磁手段、断熱部材４０、加圧ローラ３１の構成は実施の形態Ｉ−１と同様である。
図１２において、薄肉の加熱ベルト１４０は、誘導発熱層（以下、単に「発熱層」という）を備えたエンドレスベルトである。発熱層の表面には、弾性層及び離型層がこの順に形成されている。実施例では、発熱層は、Ｎｉを電鋳によって作成した厚さ４０μｍのエンドレスベルトである。
弾性層は被記録材１１との密着をよくするために設けられる。実施例では厚さ２００μｍ、硬度２０度（ＪＩＳ−Ａ）のシリコーンゴム層とした。弾性層は設けなくても支障はないが、カラー画像の場合には設けることが望ましい。弾性層の厚さは２００μｍに限定されるものではなく、５０μｍ〜５００μｍの範囲が望ましい。上記の範囲より厚いと、熱容量が大きくなりすぎてウォームアップ時間が長くなる。上記の範囲より薄いと、被記録材１１との密着性の効果がなくなる。弾性層の材質は、シリコーンゴムに限らず、他の耐熱性のゴムや樹脂を使用しても良い。
離型層はＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）、ＰＦＡ（四フッ化エチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体）等のフッ素系の樹脂よりなる。実施例では厚さ３０μｍのフッ素系樹脂層とした。
１５０は直径２０ｍｍの支持ローラ、１６０は表面が低硬度（ＡＳＫＥＲ−Ｃ４５度）の弾力性を有する発泡体であるシリコーンゴムによって被覆された直径２０ｍｍの低熱伝導性の定着ローラである。加熱ベルト１４０は、支持ローラ１５０と定着ローラ１６０との間に所定の張力が付与されて懸架されており、矢印１４０ａの方向に回転移動する。支持ローラ１５０の両端には、加熱ベルト１４０の蛇行を防止するためのリブ（図示せず）が設けられている。
加圧部材としての加圧ローラ３１は、加熱ベルト１４０を介して定着ローラ１６０に対して圧接されており、これにより加熱ベルト１４０と加圧ローラ３１との間でニップ部３４が形成されている。
支持ローラ１５０は、外側より断熱層１５２と支持層１５１とからなる。支持層１５１は高固有抵抗を有する材料からなる。具体的には、支持層１５１の固有抵抗は１×１０−５Ωｍ以上である。更に、支持層１５１の比透磁率は１０００以上であることが好ましい。実施例では、支持層１５１は、固有抵抗６．５Ωｍ、比透磁率２２００の酸化物磁性体であるフェライトからなり、その直径は２０ｍｍとした。また、断熱層１５２は低熱伝導性の発泡状の弾性体からなり、硬度は２０〜５５度（ＡＳＫＥＲ−Ｃ）が望ましい。実施例では、断熱層はシリコーンゴムの発泡体よりなり、硬度４５度（ＡＳＫＥＲ−Ｃ）、厚さ５ｍｍとし、弾力性を有していた。
本実施の形態によれば、励磁手段からの交番磁束が加熱ベルト１４０の発熱層内に渦電流を生じさせ発熱層を誘導発熱させる。発熱した加熱ベルト１４０はニップ部３４にて被記録材１１及びこの上に形成されたトナー像９を加熱して、トナー像９を被記録材１１上に定着させる。
加熱ベルト１４０の発熱層を貫通した漏れ磁束が支持ローラ１５０に達しても、支持層１５１の固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上であるので支持層１５１が加熱されるのが防止される。
実施例では、以上のように構成した像加熱装置を回転駆動しながら、まず常温から２５ｋＨｚで８００Ｗの電力を投入しウォームアップを開始した。温度検知センサ４１の出力をモニタすると、電力投入開始後約１５秒で加熱ベルト１４０の表面が摂氏１７０度に達した。また、支持ローラ１５０の支持層１５１の発熱はなく、支持ローラ１５０の軸受等が損傷することはなかった。
なお、本実施の形態の加熱ベルト１４０の発熱層としては、上記した実施の形態Ｉ−１〜Ｉ−４において加熱ローラ２１の発熱層２２として説明した構成を用いることができ、それによって実施の形態Ｉ−１〜Ｉ−４と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態の支持ローラ１５０の支持層１５１及び断熱層１５２としては、上記した実施の形態Ｉ−１〜Ｉ−４において加熱ローラ２１の支持層２４及び断熱層２３として説明した構成を用いることが可能であり、それによって実施の形態Ｉ−１〜Ｉ−４と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態の定着ローラ１６０が、実施の形態Ｉ−４で説明したように、支持層とその外表面に形成された弾性層とを備え、該支持層の直径が長手方向の中央部で大きく、両端に向かって漸減していてもよく、これにより実施の形態Ｉ−４と同様の効果が得られる。
さらに、本実施の形態では、加熱ベルト１４０に発熱層を設け、加熱ベルト１４０のみを誘導発熱させる構成を説明したが、加熱ベルト１４０と支持ローラ１５０の両方を誘導発熱させる構成としても、同様の効果が得られる。すなわち、支持ローラ１５０の表層又は表層近傍に誘導発熱層を設け、支持層１５１を固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の材料で構成する。例えば、支持ローラ１５０の誘導発熱層を炭素鋼等の鉄系合金よりなる薄肉のパイプで構成すると、加熱ベルト１４０及び支持ローラ１５０の両方が誘導発熱される。この場合、支持ローラ１５０の熱容量により、ウォームアップ時間は少し遅くなるが、加熱ベルト１４０の幅より狭い幅の被記録材１１を連続通紙した場合に、加熱ベルト１４０の一部分のみが被記録材１１によって熱を奪われることにより生じる加熱ベルト１４０の幅方向の温度ムラが、支持ローラ１５０を介した幅方向の熱伝達により軽減される。なお、この場合も、支持ローラ１５０の支持層１５１が固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上の材料からなるので、支持層１５１が発熱するのが防止される。
（実施の形態ＩＩ−２）
図１１に示した画像形成装置の定着装置１２６として使用される本発明の実施の形態ＩＩ−２の像加熱装置を実施例とともに詳細に説明する。
図１３は実施の形態ＩＩ−２の像加熱装置としての定着装置の断面図である。本実施の形態において、実施の形態Ｉ−１の像加熱装置と同様の構成で同じ役割をする部材には同一の符号を付してそれらについての説明を省略する。本実施の形態では、励磁コイル３６及び背面コア３７を含む励磁手段、断熱部材４０、加圧ローラ３１の構成は実施の形態Ｉ−１と同様である。また、加熱ベルト１４０及び支持ローラ１５０は実施の形態ＩＩ−１と同様である。
本実施の形態は、加熱ベルト１４０を支持ローラ１５０とベルトガイド１７０とにより回転可能に懸架している点、及び支持ローラ１５０が加熱ベルト１４０を介して加圧ローラ３１に圧接している点で、実施の形態ＩＩ−１と異なる。ベルトガイド１７０は摺動性が良好な樹脂材料などからなる。
本実施の形態ＩＩ−２によれば、実施の形態ＩＩ−１と同様に、励磁手段からの交番磁束が加熱ベルト１４０の発熱層内に渦電流を生じさせ発熱層を誘導発熱させる。発熱した加熱ベルト１４０はニップ部３４にて被記録材１１及びこの上に形成されたトナー像９を加熱して、トナー像９を被記録材１１上に定着させる。
加熱ベルト１４０の発熱層を貫通した漏れ磁束がベルトガイド１７０を貫通し支持ローラ１５０に達しても、支持層１５１の固有抵抗が１×１０−５Ωｍ以上であるので支持層１５１が加熱されるのが防止される。
実施例では、以上のように構成した像加熱装置を回転駆動しながら、まず常温から２５ｋＨｚで８００Ｗの電力を投入しウォームアップを開始した。温度検知センサ４１の出力をモニタすると、電力投入開始後約１８秒で加熱ベルト１４０の表面が摂氏１７０度に達した。また、支持ローラ１５０の支持層１５１の発熱はなく、支持ローラ１５０の軸受等が損傷することはなかった。
なお、本実施の形態の加熱ベルト１４０の発熱層としては、上記した実施の形態Ｉ−１〜Ｉ−４において加熱ローラ２１の発熱層２２として説明した構成を用いることができ、それによって実施の形態Ｉ−１〜Ｉ−４と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態の支持ローラ１５０の支持層１５１及び断熱層１５２としては、上記した実施の形態Ｉ−１〜Ｉ−４において加熱ローラ２１の支持層２４及び断熱層２３として説明した構成を用いることが可能であり、それによって実施の形態Ｉ−１〜Ｉ−４と同様の効果が得られる。
なお、上記の実施の形態ＩＩ−１〜ＩＩ−２においては、励磁手段が、鞍型の励磁コイル３６と背面コア３７とから構成される例を示したが、本発明の励磁手段は交番磁界を発生させることができれば何らこれに限定されない。また加圧手段が、回転可能な加圧ローラ３１から構成される例を示したが、本発明の加圧手段はこれに限定されず、例えば加熱ベルト１４０に圧接しながら固定される加圧ガイドを用いても良い。
以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態Ｉ−１に係る像加熱装置の断面図である。
図２は、図１の矢印ＩＩ方向からみた励磁手段の構成図である。
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線での本発明の実施の形態Ｉ−１に係る像加熱装置の断面図である。
図４は、本発明の実施の形態Ｉ−１に係る像加熱装置に用いられる加熱ローラの発熱層を含む表層部の部分断面図である。
図５は、本発明の実施の形態Ｉに係る画像形成装置の概略構成を示した断面図である。
図６は、本発明の実施の形態Ｉ−１に係る像加熱装置において、励磁手段が電磁誘導により加熱ローラを発熱させるしくみを説明するための断面図である。
図７は、本発明の実施の形態Ｉ−２、Ｉ−３に係る像加熱装置の断面図である。
図８は、本発明の実施の形態Ｉ−２、Ｉ−３に係る像加熱装置の断面図である。
図９は、本発明の実施の形態Ｉ−２、Ｉ−３に係る像加熱装置において、励磁手段が電磁誘導により加熱ローラを発熱させるしくみを説明するための断面図である。
図１０は、本発明の実施の形態Ｉ−４の像加熱装置の断面図である。
図１１は、本発明の実施の形態ＩＩに係る画像形成装置の概略構成を示した断面図である。
図１２は、本発明の実施の形態ＩＩ−１に係る像加熱装置の断面図である。
図１３は、本発明の実施の形態ＩＩ−２に係る像加熱装置の断面図である。
図１４は、電磁誘導により加熱される加熱ローラを備える従来の像加熱装置の概略構成を示した断面図である。
図１５は、電磁誘導により加熱される加熱ベルトを備える従来の像加熱装置の概略構成を示した断面図である。
【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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【国際調査報告】
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