(57)【要約】【課題】画像形成の累積に伴って場所ごとの離型層の厚みのばらつきが大きくなっても、加熱部材表面における定着性のばらつきが抑制されて、光沢ムラや部分的な画像の強度低下が発生しにくい画像加熱装置を提供する。【解決手段】定着ローラ６０は、弾性層６２の離型層６１と反対側の面が金属円筒部材に接合された加熱ローラである。弾性層６２は、ゴム材料に当該ゴム材料よりも熱伝導率が高い材料のフィラーを分散させた材料により形成される。離型層６１は、フッ素樹脂材料に当該フッ素樹脂材料よりも熱伝導率が高い材料のフィラーを分散させた材料により形成される。離型層６１の熱浸透率をＢｓとし、弾性層６２の熱浸透率をＢｅとしたとき、−０．０４  ＜（Ｂｅ−Ｂｓ）／  Ｂｅ  ＜  ０．０４  である。【選択図】図３
2015138211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トナー画像を担持した記録材のトナー画像面に接してトナー画像を加熱する加熱部材であって、
前記トナー画像面に接する離型層と、
前記離型層における前記トナー画像面に接する面の反対側に接合されて前記離型層が接合された反対側の面を通じて加熱される弾性層と、を備え、
前記離型層の熱浸透率をＢｓとし、前記弾性層の熱浸透率をＢｅとしたとき、
−０．０４  ＜（Ｂｅ−Ｂｓ）／  Ｂｅ  ＜  ０．０４
であることを特徴とする加熱部材。
【請求項２】
前記離型層は、前記トナー画像面に接する第一離型層と、前記第一離型層に接合されて前記第一離型層が接合された反対側の面を通じて加熱される第二離型層と、を備え、
前記第一離型層の厚みをｔ１とし、前記第二離型層の厚みをｔ２とし、前記第一離型層の熱浸透率をＢｓ１とし、前記第二離型層の熱浸透率をＢｓ２としたとき、
ｔ１  ＜  ｔ２
Ｂｓ１  ＜  Ｂｓ  ＜  Ｂｓ２
であることを特徴とする請求項１に記載の加熱部材。
【請求項３】
前記弾性層は、前記離型層に接合された第一弾性層と、前記第一弾性層に接合されて前記第一弾性層が接合された反対側の面を通じて加熱される第二弾性層と、を備え、
前記第一弾性層の熱浸透率をＢｅ１とし、前記第二弾性層の熱浸透率をＢｅ２としたとき、
Ｂｅ２≒Ｂｅ１
であることを特徴とする請求項１又は２に記載の加熱部材。
【請求項４】
Ｂｅ＝Ｂｓ
であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の加熱部材。
【請求項５】
前記離型層は、フッ素樹脂材料に当該フッ素樹脂材料よりも熱伝導率が高い材料のフィラーを分散させた材料により形成され、
前記弾性層は、ゴム材料に当該ゴム材料よりも熱伝導率が高い材料のフィラーを分散させた材料により形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の加熱部材。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の加熱部材と、
前記加熱部材に当接して記録材のニップ部を形成するニップ形成回転体と、を備えることを特徴とする画像加熱装置。
【請求項７】
前記加熱部材は、前記弾性層における前記離型層に接合された反対側の面が金属円筒部材に接合された加熱ローラであることを特徴とする請求項６に記載の画像加熱装置。
【請求項８】
前記加熱部材は、前記弾性層における前記離型層に接合された反対側の面が無端ベルト基材に接合された加熱ベルトであることを特徴とする請求項７に記載の画像加熱装置。
【請求項９】
トナー画像を担持した記録材のトナー画像面に接してトナー画像を加熱する加熱部材であって、
前記トナー画像面に接する離型層と、
前記離型層における前記トナー画像面に接する面の反対側に接合された第一弾性層と、
前記第一弾性層における前記離型層が接合された反対側の面に接合されて前記第一弾性層が接合された反対側の面を通じて加熱される第二弾性層と、を備え、
前記第一弾性層の熱浸透率をＢｅ１とし、前記第二弾性層の熱浸透率をＢｅ２としたとき、
Ｂｅ２≒Ｂｅ１
であることを特徴とする加熱部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像加熱装置に設けられて、トナー画像を担持した記録材に接してトナー画像を加熱処理する加熱部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
トナー画像を転写された記録材を画像加熱装置の一例である定着装置により加熱加圧してトナー画像を記録材に定着させる画像形成装置が広く用いられている。画像加熱装置は、一般的に、加熱部材にニップ形成回転体を当接させて、記録材を挟持搬送するニップ部を形成している。加熱部材の一例は、トナー画像を担持した記録材に接する離型層下に、ゴム材料で形成されて離型層の反対側から加熱される弾性層を配置している。
【０００３】
この場合、加熱部材の弾性層は離型層に比較して圧倒的に厚いため、加熱部材の熱抵抗の大部分は弾性層の熱伝導率に起因している。加熱部材の熱抵抗が大きいと、加熱部材が記録材に接した際の表面温度の低下が大きくなるため、弾性層の熱伝導率は低いほうが好ましいとされている。そこで、弾性層を形成するゴム材料にアルミナ等の高熱伝導率のフィラーを分散させて材料の熱伝導率を高くしている（特許文献１、非特許文献１）。
【０００４】
非特許文献１には、低熱伝導率の高分子材料層に高熱伝導率のフィラーを分散させた場合の材料層の熱伝導率を求める方法が記載されている。特許文献１では、弾性層にフィラーを分散させて弾性層の熱伝導率を高めた際に、弾性層の離型層に隣接する浅い領域のフィラー密度を深い領域よりも低くすることで、定着画像の光沢ムラを軽減できることが記載されている。
【０００５】
非特許文献３には、離型層を形成する材料にＡｌ２Ｏ３のフィラーを体積分率として３０％加えることで離型層の熱伝導率を２倍に高めた実験結果が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−６３７２３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】電子技術総合研究所  第１７６号  電子技術総合研究所調査報告  高分子材料の熱伝導率Ｐ３２−３７
【非特許文献２】日本ゴム協会誌  第７０巻  第３号  （１９９７）
【非特許文献３】日経エレクトロニクス  ２００２．１２．１６  Ｐ１３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高熱伝導率のフィラーを分散させた弾性層の表面に離型層を配置した場合、新品状態では加熱部材の表面全体で一様な定着がされていても、加熱部材の寿命末期になると、出力画像に光沢ムラや画像の摩擦強度の低下が発生し易くなることが判明した。離型層は、画像形成の累積に伴って次第に摩耗して厚さが薄くなる。画像形成の累積に伴う離型層の摩耗の進行は、場所によって異なる。そして、弾性層と離型層の熱伝導率の差が大きい場合、離型層の厚みの変化に伴って、次第に加熱部材の表面温度分布のばらつきが大きくなっていた。
【０００９】
本発明は、画像形成の累積に伴って場所ごとの離型層の厚みのばらつきが大きくなっても、加熱部材表面における定着性のばらつきが抑制されて、光沢ムラや部分的な画像の強度低下が発生しにくい画像加熱装置の加熱部材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
熱浸透率（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｆｆｕｓｉｖｉｔｙ）は、互いに温度が異なる層が接しているときの伝熱を計算するときに使われる物性値である。離型層の熱伝導率をλｓとし、密度をρｓとし、定積比熱をＣｓとしたとき、離型層の熱浸透率Ｂｓは、次式のように定義される。
Ｂｓ＝（λｓ×ρｓ×Ｃｓ）１／２
【００１１】
同様に、弾性層の熱伝導率をλｅとし、密度をρｅとし、定積比熱をＣｅとしたとき、離型層の熱浸透率Ｂｅは、次式のように定義される。
Ｂｅ＝（λｅ×ρｅ×Ｃｅ）１／２
【００１２】
本発明の加熱部材は、トナー画像を担持した記録材のトナー画像面に接してトナー画像を加熱するものである。そして、前記トナー画像面に接する離型層と、前記離型層における前記トナー画像面に接する面の反対側に接合されて前記離型層が接合された反対側の面を通じて加熱される弾性層と、を備え、前記離型層の熱浸透率をＢｓとし、前記弾性層の熱浸透率をＢｅとしたとき、−０．０４  ＜（Ｂｅ−Ｂｓ）／  Ｂｅ  ＜  ０．０４の関係を満たしている。
【発明の効果】
【００１３】
一般的に、隣接する２つの層ｘ、ｙの熱浸透率（Ｂｘ、Ｂｙ）が等しいとき、熱伝導率（λ）及び体積熱容量（ρ・Ｃｖ）が異なっていても、熱の拡散は両層間に境界面が存在しないのと同様に振る舞う。そのため、±４％の範囲でＢｅ≒Ｂｓであれば、離型層の厚みのばらつきが拡大しても、離型層と弾性層の合計の熱の拡散抵抗のばらつきはあまり変化しない。±４％の数値範囲は、後述するように、実際の定着装置における実験結果に基づいている。
【００１４】
そのため、画像形成の累積に伴って加熱部材表面の場所ごとの離型層の厚みのばらつきが大きくなっても、表面全体における定着性のばらつきが抑制されて、光沢ムラや部分的な画像の強度低下が発生しにくい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】画像形成装置の構成の説明図である。
【図２】定着装置の構成の説明図である。
【図３】定着装置におけるトナー加熱のモデルの説明図である。
【図４】ニップ部に記録材が進入した際の定着ローラ表面温度の変化の説明図である。
【図５】トナー／記録材界面温度と定着性の関係の説明図である。
【図６】離型層の熱浸透率と最低定着温度の関係の説明図である。
【図７】離型層の熱浸透率と最低定着温度差との関係の説明図である。
【図８】変形例２における定着ローラの構成の説明図である。
【図９】実施の形態２の定着ローラの構成の説明図である。
【図１０】フィラーの種類による熱浸透率の差の説明図である。
【図１１】加熱ベルトの実施形態の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
＜実施の形態１＞
（画像形成装置）
図１は画像形成装置の構成の説明図である。図１に示すように、画像形成装置１００は、中間転写ベルト９に沿ってイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄを配列したタンデム型中間転写方式のフルカラープリンタである。
【００１８】
画像形成装置１００は、通信可能に接続した外部ホスト装置から入力されたカラー色分解画像信号に基づいて、画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄを動作させて、記録材上にフルカラー画像を形成して出力する。外部ホスト装置は、コンピュータ、イメージリーダー等である。
【００１９】
画像形成部Ｐａでは、感光ドラム３ａにイエロートナー像が形成されて中間転写ベルト９に一次転写される。画像形成部Ｐｂでは、感光ドラム３ｂにマゼンタトナー像が形成されて中間転写ベルト９に一次転写される。画像形成部Ｐｃ、Ｐｄでは、感光ドラム３ｃ、３ｄにそれぞれシアントナー像、ブラックトナー像が形成されて、中間転写ベルト９に一次転写される。
【００２０】
記録材Ｐは、記録材カセット１０から１枚ずつ取り出されてレジストローラ１２で待機する。レジストローラ１２は、中間転写ベルト９上のトナー像にタイミングを合わせて記録材Ｐを二次転写部Ｔ２へ給送する。二次転写部Ｔ２を搬送されて中間転写ベルト９から四色のトナー像を二次転写された記録材Ｐは、定着装置２０へ搬送される。記録材Ｐは、定着装置２０で加熱加圧を受けてトナー像を定着された後に機体外部へ排出される。
【００２１】
画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄは、現像装置１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄで用いるトナーの色がイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックと異なる以外は、実質的に同一に構成される。以下では、画像形成部Ｐａについて説明し、画像形成部Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄに関する重複した説明を省略する。
【００２２】
（画像形成部）
画像形成部Ｐａは、感光ドラム３ａの周囲に、コロナ帯電器２ａ、露光装置５ａ、現像装置１ａ、一次転写ローラ６ａ、及びドラムクリーニング装置４ａを配置している。感光ドラム３ａは、アルミニウムの円筒材料の表面に感光層が形成されている。
【００２３】
コロナ帯電器２ａは、感光ドラム３ａの表面を一様な電位に帯電させる。露光装置５ａは、レーザービームを走査して感光ドラム３ａに画像の静電像を書き込む。現像装置１ａは、静電像を現像して感光ドラム３ａにトナー像を形成する。一次転写ローラ６ａは、電圧を印加されて感光ドラム３ａのトナー像を中間転写ベルト９へ一次転写させる。
【００２４】
二次転写ローラ１１は、対向ローラ１３に支持された中間転写ベルト９に当接して二次転写部Ｔ２を形成する。
【００２５】
ドラムクリーニング装置４ａは、感光ドラム３ａにクリーニングブレードを摺擦させて、中間転写ベルト９への転写を逃れて感光ドラム３ａに付着した転写残トナーを回収する。ベルトクリーニング装置３０は、二次転写部Ｔ２で記録材への転写を逃れて中間転写ベルト９に付着した転写残トナーを回収する。
【００２６】
（定着装置）
図２は定着装置の構成の説明図である。図２に示すように、定着装置２０は、定着ローラ６０に加圧ローラ７０を当接させて記録材Ｐのニップ部Ｎを形成する。ニップ形成回転体の一例である加圧ローラ７０は、定着ローラ６０に当接して記録材Ｐのニップ部を形成する。
【００２７】
定着ローラ６０は、ステンレスの中空芯金６３の外周を覆って弾性層６２を配置し、弾性層６２の外周を覆って離型層６１を配置して外径３０ｍｍに形成されている。中空芯金６３は、アルミニウム、チタン、その他の金属材料等でも形成可能である。
【００２８】
弾性層６２は、耐熱性を備えた弾性を付与するためにシリコーンゴムが一般的に用いられる。弾性層６２は、記録材の表面の凹凸に追従して凹所にも十分トナーを押し付けられるように、シリコーンゴムを発泡させたスポンジ組織を有し、厚みが２００μｍ〜３ｍｍ程度である。
【００２９】
離型層６１は、トナーと定着ローラ６０の離型性を向上させるために、耐熱性のある表面エネルギの小さい材料として、フッ素樹脂やシリコーン樹脂などが一般的に用いられる。これは、定着ローラ６０上にトナーが残ると、トナーが記録材へ再付着して画像欠陥を引き起こすので、定着ローラ６０上にトナーを残さないためである。
【００３０】
しかし、離型層６１は、離型性を優先して材料を選択しているため、一般的には弾性層６２よりも熱伝導率が低い。
【００３１】
定着ローラ６０の弾性層６２と離型層６１の界面、及び弾性層６２と中空芯金６３の界面には接着剤が配置されている。しかし、接着剤の熱物性値は弾性層に近く、厚さは離型層に比べても十分に薄いため、一般的には熱抵抗としての影響はほとんどない。
【００３２】
加圧ローラ７０は、金属材料の芯金７３の外周を覆って弾性層７２を配置し、弾性層７２の外周を覆って離型層７１を配置して外径３０ｍｍに形成されている。芯金７３は、アルミニウムの円筒材料で形成される。弾性層７２は、シリコーンゴムで形成されて厚みが１００〜１０００μｍである。離型層７１は、フッ素樹脂が用いられている。
【００３３】
中空芯金６３の内部には、ハロゲンランプの加熱体６５が設けられている。定着ローラ６０の表面には、サーミスタを用いた温度検知部材６６が当接して配置される。温度制御回路６７は、温度検知部材６６によって検知された定着ローラ６０の表面温度に基づき、ハロゲンランプのＯＮ／ＯＦＦによる加熱体６５の通電制御を実行して、定着ローラ６０の表面温度を所望の温度に保つ。
【００３４】
（トナー／記録材界面温度と定着性の関係）
図３は定着装置におけるトナー加熱のモデルの説明図である。図４はニップ部に記録材が進入した際の定着ローラ表面温度の変化の説明図である。図５はトナー／記録材界面温度と定着性の関係の説明図である。
【００３５】
図３の（ａ）に示すように、熱ローラ方式の定着装置２０では、定着ローラ６０の中空芯金６３の内部に加熱体が設けられ、中空芯金６３と離型層６１との間にシリコーンゴムなどを材料とする弾性層６２が設けられている。そして、記録材Ｐの紙に担持された未定着トナーがニップ部Ｎを通過する際に、弾性層６２が紙表面の凹凸に沿って変形してトナーに対して均一に熱と圧力を与える。
【００３６】
上述したように、定着ローラ６０の離型層６１は、トナーとの離型性を最優先に設計しているため、離型層６１に高い熱伝導性を付与することは考慮されていない。そのため、一般に、離型層６１に用いられるフッ素樹脂の熱伝導性は、弾性層６２の熱伝導性に比べて低い。
【００３７】
そして、離型層６１の熱伝導性が弾性層６２の熱伝導性と大きく異なると、離型層６１の厚さの違いに応じてその内側にある弾性層６２の伝熱特性の表れ方が異なってくる。このため、定着ローラ６０の表面の場所ごとの熱抵抗にばらつきが発生して、冷たい記録材Ｐに接触した際に定着ローラ６０の表面温度のばらつきが出現してしまう。つまり、弾性層６２の熱伝導を考慮するだけでは定着ローラ６０の表面温度を均一に制御することが不可能となり、定着過程で画像不良が発生してしまう可能性がある。
【００３８】
図４に示すように、表面温度Ｔｈに温度調整された定着ローラ６０の表面温度は、ニップ部Ｎで記録材に接触すると指数関数的に低下する。一方、定着ローラ６０に接触したトナー粒子が加熱されて紙・トナー界面温度は指数関数的に上昇するが、定着ローラ６０の表面温度に達するはるか以前の段階でニップ部Ｎを通過してしまうので、その後は外気に冷却されて温度低下する。このような加熱プロセスにおけるトナー像の定着性を予測するために、トナーが十分溶けて紙に定着する工程を考えた場合、紙・トナー界面温度が定着性と相関があることが容易に想像される。
【００３９】
そこで、定着装置２０の定着ローラ６０の温度調整の目標温度と搬送速度とを異ならせて、トナー像が転写された記録材を定着処理して、実際のニップ部Ｎで多種類の異なる紙・トナー界面温度にまで加熱された多数の画像サンプルを作成した。トナー載り量が０．６［ｍｇ／ｃｍ２］となるハーフトーン画像を普通紙に形成した。そして、それぞれの画像サンプルの定着画像の耐摩耗性によって定着性を評価して、紙・トナー界面温度と定着性との関係を調べた。
【００４０】
図５にプロットされたそれぞれの画像サンプルにおける紙・トナー界面温度は、図３の（ｂ）に示すように、熱伝導の一次元モデルを設定して計算により求めた値である。定着ローラ６０の温度調整の目標温度と搬送速度とにより紙・トナー界面上の一点がニップ部を通過中に加熱されてニップ部Ｎの出口までに達した紙・トナー界面温度である。計算に用いた各部材の物性値を表１に示す。
【００４１】
【表１】
2015138211.tif 000003
【００４２】
上記物性値を用いて、図４に示す非定常熱伝導計算を実験と同じ加熱時間（ニップ部通過時間）で行い、加熱直後の紙・トナー界面温度を計算した。図３の（ｂ）に示すように、１次元平面にそれぞれの部材、紙、トナーを配置したモデルに基づいて一次元非定常熱伝導方程式を用いて熱計算し、数値実験にて紙・トナー界面温度を算出した。
【００４３】
これは、紙・トナー界面温度がトナーの種類に応じた所定温度に達すると紙に定着がされるというモデルであり、定着装置２０における実際の定着現象に近いものとして理解可能である。
【００４４】
図５にプロットされたそれぞれの画像サンプルにおける定着画像の耐摩耗性は、定着画像を砂消しゴムで摩擦した後の画像の残存率［％］である。画像サンプルの定着画像を砂消しゴムで５往復擦り、擦った画像を顕微鏡にて観察して、□５ｍｍ２に残る定着トナーの面積を求めて残存率を計算した。ここでは、画像の残存率が９０％以上を合格とした。
【００４５】
図５に示すように、紙・トナー界面温度と定着性との間には相関がある。定着画像の耐摩耗性は、紙・トナー界面温度がニップ部Ｎにおいて９２℃以上に加熱されることで合格レベルを満たし、紙・トナー界面温度が９２℃未満では不足する。
【００４６】
（離型層と弾性層の熱浸透率）
熱浸透率（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｆｆｕｓｉｖｉｔｙ）は、互いに温度が異なる層が接しているときの伝熱を計算するときに使われる物性値である。離型層の熱伝導率をλｓとし、密度をρｓとし、定積比熱をＣｓとしたとき、離型層の熱浸透率Ｂｓは、次式のように定義される。
Ｂｓ＝（λｓ×ρｓ×Ｃｓ）１／２
【００４７】
同様に、弾性層の熱伝導率をλｅとし、密度をρｅとし、定積比熱をＣｅとしたとき、離型層の熱浸透率Ｂｅは、次式のように定義される。
Ｂｅ＝（λｅ×ρｅ×Ｃｅ）１／２
【００４８】
各物性値の測定手法としては、熱伝導率、比熱、密度をそれぞれ別個に求めて上式から算出したり、直接、熱浸透率を測定したりする。熱伝導率を測定する装置としては、熱伝導率測定装置モバイルＭ１０（（株）アイフェイズ）やホットディスク測定装置ＴＰＳ１５００（京都電子工業（株））を利用できる。表層部材が薄い場合には何層にも重ねて測定する。この場合は界面に空気が入らないように注意する。密度に関してはアルキメデス法、比熱に関しては示差走査熱量測定装置ＤＳＣ（メトラートレード）を使用することができる。
【００４９】
また、熱拡散率を用いて、熱浸透率＝熱伝導率／（熱拡散率）１／２の関係から熱浸透率を求めてもよい。熱拡散率測定装置としては、レーザフラッシュ法や熱拡散率測定装置モバイル１Ｕ（（株）アイフェイズ）を用いることができる。それぞれの装置を用いる場合には、センサーの大きさに合わせてローラからサンプルを切り出したり、別個測定用のサンプルを作成したりする。これらの装置は、室温から定着に用いられる温度まで上げて、物性測定が可能である。
【００５０】
（離型層の熱浸透率と最低定着温度の関係）
図６は離型層の熱浸透率と最低定着温度の関係の説明図である。図３の（ｂ）のモデルを用いて、画像形成装置１００における実際の画像形成条件下で、離型層６１の熱浸透率Ｂｓと厚さの組み合わせを異ならせて、紙・トナー界面温度を９２℃にするための定着ローラ６０の温度調整の目標温度を計算した。
【００５１】
図４に示すように、定着装置２０のニップ部Ｎの出口で紙・トナー界面温度が９２℃まで上昇して定着画像の耐摩耗性が合格レベルと評価されるための定着ローラ６０の温度調整の目標温度である。定着基準を満たす定着ローラ６０の表面温度を最低定着温度［℃］と呼ぶ。
【００５２】
演算において、離型層６１の厚みＤｓと弾性層６２の厚みＤｅとの合計厚みＤを２５０［μｍ］とした。熱浸透率Ｂｓは、４４７〜２０００［Ｊ／（ｍ２・Ｋ・ｓ０．５）］に異ならせ、厚みＤｓは、１０μｍ〜２００μｍに異ならせて、それぞれの組み合わせで紙・トナー界面温度を９２℃にするための定着ローラ６０の温度調整の目標温度を計算した。計算に用いた各部材の物性値を表２に示す。
【００５３】
【表２】
2015138211.tif 000004
【００５４】
紙・トナー界面温度が９２℃に達すると定着が完了するモデルを用いて、離型層６１の熱浸透率Ｂｓと厚みＤｓを変えて最低定着温度［℃］を計算によって算出した結果を図６に示す。図６の横軸は離型層の熱浸透率Ｂｓを、縦軸は最低定着温度［℃］を示す。離型層の厚さを１０、２０、３０、５０、１００、１６０、２００μｍと変化させ、最低定着温度［℃］を示す。定着ローラにおいて一般的に用いられるシリコーンゴムの熱浸透率Ｂｅを点線で示した。
【００５５】
図６に示すように、離型層６１の熱浸透率Ｂｓが大きくなるほど最低定着温度が低くなる。離型層６１の熱浸透率Ｂｓが弾性層６２の熱浸透率Ｂｅよりも低い通常の条件では、離型層６１の厚みが大きいほど最低定着温度［℃］が高くなる。一般に耐久性を向上させるためには、摩耗しても使えるように離型層６１を厚くするが、画像形成の累積に伴って離型層の厚さが減少すると、図６に示すように、最低定着温度［℃］が変化してしまう。
【００５６】
そして、離型層６１の熱浸透率Ｂｓを弾性層６２の熱浸透率Ｂｅと等しくすると、離型層６１の厚さを変えても最低定着温度［℃］が変化しない。
【００５７】
（離型層の熱浸透率の調整）
離型層６１としては、一般的に離型性のあるフッ素樹脂を用いる。とくにＰＴＦＥ、ＰＦＡなどが望ましい。離型層６１の密度ρ、比熱ｃは、ともに材料固有値であり、厚さに対して大きくは変化しない。離型層６１が高分子材料の場合、引き延ばしなどで分子が並ぶと、分子の並んだ方向に熱伝導率λが高くなる傾向がある。
【００５８】
定着ローラ６０の離型層６１に用いられるフッ素樹脂の場合、厚さ方向の熱浸透率Ｂｓが内部の熱を外側に逃がすために重要であり、その値は以下となる。
ＰＴＦＥ：  代表値で７００［Ｊ／（ｍ２・Ｋ・ｓ０．５）］
ＰＦＡ  ：  代表値で５８０［Ｊ／（ｍ２・Ｋ・ｓ０．５）］
【００５９】
フッ素樹脂材料の熱浸透率Ｂｓを制御する場合、フィラーの添加が一般的である。フィラーとしてはＳｉＣ、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、カーボン等を用いることができる。実施の形態１では、フッ素樹脂材料にアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）フィラーを添加している。この場合、添加するフィラーの体積分率に応じて全体の熱伝導率λが上昇する。
【００６０】
しかし、離型層のフッ素樹脂材料にＡｌ２Ｏ３フィラーを体積分率として３０％以上添加した場合、離型層の表面の溶融トナーに対する離型性能が低下する。また、離型層の硬さが増して記録材の表面に対する追従性が低下し、離型層が脆くなるおそれもある。
【００６１】
このため、離型層のフッ素樹脂材料に対するフィラーの添加量は、体積分率として３０％程度が限界と考えられている。しかし、弾性層のシリコーンゴム材料にＡｌ２Ｏ３フィラーを体積分率として３０％加えた場合、弾性層の熱伝導率は２倍になることが実験的に確かめられている。
【００６２】
熱伝導率が２倍になると、熱浸透率Ｂ＝（λ・ρ・ｃ）１／２は、密度ρと比熱ｃとが同じと仮定すると最低でも１．４倍に増加する。ＰＦＡの熱浸透率が低いものでも５８０［Ｊ／（ｍ２・Ｋ・ｓ０．５）］であり、それが１．４倍になれば、８１９［Ｊ／（ｍ２・Ｋ・ｓ０．５）］となる。
【００６３】
この値はシリコーンゴムの熱浸透率Ｂ＝７４７［Ｊ／（ｍ２・Ｋ・ｓ０．５）］を超えている。つまり、Ａｌ２Ｏ３フィラーを用いて、離型層の離型性を低下させずに、シリコーンゴムと離型層の熱浸透率Ｂを同じ値に調整することが可能である。そこで、実施の形態１では、Ａｌ２Ｏ３フィラーを体積分率として２３％加えて、弾性層の熱浸透率Ｂｅ＝８２０［Ｊ／（ｍ２・Ｋ・ｓ０．５）］と離型層の熱浸透率Ｂｓをほぼ同じ値に調整した。
【００６４】
（熱浸透率の数値範囲）
図７は離型層の熱浸透率と最低定着温度差との関係の説明図である。図７に示すように、離型層６１の厚さが異なることによって最低定着温度差ΔＴｍが変化する。
【００６５】
最低定着温度差ΔＴｍとは、図６に示すように、離型層６１の熱浸透率Ｂｓが一定のとき、離型層６１の厚さが１０μｍのときの最低定着温度Ｔｍと、離型層６１の厚さが２００μｍのときの最低定着温度Ｔｍとの差分を示す。
【００６６】
たとえば、図６に示すように、離型層６１の熱浸透率Ｂｓが１０００［Ｊ／（ｍ２・Ｋ・ｓ０．５）］の場合、厚さ１０μｍの最低定着温度が１９３℃、厚さ２００μｍの最低定着温度が１８２℃なので、最低定着温度差ΔＴｍは１１℃となる。
【００６７】
最低定着温度差ΔＴｍは、摩耗や製造上の誤差によって離型層６１の厚みにばらつきが生じた際の紙・トナー界面温度の変動幅に対応している。このため、最低定着温度差ΔＴｍの変動幅は小さくするのが望ましく、５℃以内とすることが望ましい。定着装置２０において、最低定着温度差ΔＴｍが５℃以上になると定着画像の光沢に差異が生じたり、カラートナーの場合には混色不良を起こしたりするためである。
【００６８】
図７に示すように、離型層６１の熱浸透率Ｂｓが弾性層６２の熱浸透率Ｂｅに近づくにつれて、離型層６１の厚さによって変化する最低定着温度差ΔＴｍが小さくなる。最低定着温度差ΔＴｍが±５℃の範囲を定着画像の光沢ムラの許容範囲と設定した場合、離型層６１の熱浸透率は、弾性層６２の熱浸透率Ｂｅを中心とする±５％の範囲に設定すればよい。したがって、図７の矢印で示した範囲Ｅｂを数式で表すと次式になる。
【００６９】
【数１】
2015138211.tif 000005
（Ｂｅ＝Ｂｓの関係）
【００７０】
実施の形態１では、弾性層６２の熱浸透率Ｂｅと離型層６１の熱浸透率Ｂｓとを等しく設定した。このような思想に基づいて、図３の（ｂ）のモデルを用いて、画像形成装置１００における実際の画像形成条件下で、紙・トナー界面温度を９２℃にするための定着ローラ６０の温度調整の目標温度を計算した。計算結果を表３に示す。
【００７１】
【表３】
2015138211.tif 000006
【００７２】
表３に示すように、比較例１、２では、離型層６１の熱浸透率Ｂｓと弾性層６２の熱浸透率Ｂｅとが１６％異なるため、離型層６１の厚さが１５μｍの比較例１と３０μｍの比較例２とでは最低定着温度差ΔＴｍが５℃を大幅に超えてしまう。離型層６１の厚さが１５μｍの比較例１では最低定着温度Ｔｍが１６２℃であるのに対して、厚さが３０μｍの比較例２では最低定着温度Ｔｍが１７２℃である。このため、離型層６１の厚さが３０μｍの定着ローラ６０で画像形成を累積して離型層６１の厚さが部分的に１５μｍまで摩耗すると定着ローラ６０の表面に大きな温度ムラが形成されて定着画像の光沢ムラが目立ってしまう。離型層６１の部分的な摩耗が発生した時に、定着後の印刷物に部分的な光沢度のムラや混色不良などが生じてしまう。
【００７３】
これに対して、実施例１、２では、離型層６１の熱浸透率Ｂｓと弾性層６２の熱浸透率Ｂｅとが等しく設定されているため、離型層６１の厚さが１５μｍの実施例１と３０μｍの実施例２とでは最低定着温度差ΔＴｍも等しくなる。最低定着温度ΔＴｍが離型層６１の厚さに関係なく一定となった。このため、従って、離型層６１の厚さが３０μｍの定着ローラ６０で画像形成を累積して離型層６１の厚さが部分的に１５μｍまで摩耗したとしても、定着ローラ６０の表面にはほとんど温度ムラが形成されず、均一な光沢度の定着画像が得られる。
【００７４】
以上説明したように、図３において、加熱部材の一例である定着ローラ６０は、トナー画像を担持した記録材のトナー画像面に接してトナー画像を加熱する。定着ローラ６０は、弾性層６２の離型層６１と反対側の面が金属円筒部材に接合された加熱ローラである。
【００７５】
一方、離型層の一例である離型層６１は、フッ素樹脂材料に当該フッ素樹脂材料よりも熱伝導率が高い材料のフィラーを分散させた材料により形成される。離型層６１は、記録材のトナー画像面に接する。弾性層の一例である弾性層６２は、ゴム材料に当該ゴム材料よりも熱伝導率が高い材料のフィラーを分散させた材料により形成される。弾性層６２は、離型層６１における記録材のトナー画像面に接する面の反対側に接合されて離型層６１が接合された反対側の面を通じて加熱される。
【００７６】
（実施の形態１の効果）
実施の形態１では、離型層６１の熱浸透率をＢｓとし、弾性層６２の熱浸透率をＢｅとしたとき、Ｂｅ＝Ｂｓ、すなわち、−０．０４  ＜（Ｂｅ−Ｂｓ）／  Ｂｅ  ＜  ０．０４  である。このため、画像形成の累積に伴って定着ローラ６０の表面の場所ごとの離型層の厚みのばらつきが大きくなっても、表面全体における定着性のばらつきが抑制されて、光沢ムラや部分的な画像の強度低下が発生しにくい。
【００７７】
すなわち、一般的に、製造工程や使用時の耐久劣化にて発生する最表層の厚さの変化に対して、定着ローラ６０の離型層６１は厚さをある程度大きくして設計される。実施の形態１では、弾性層６２と離型層６１の熱浸透率を同じにしたため、厚さの許容値を設定しなくても、定着ローラ６０の表面温度はあまり変わらないため、定着不良が起きにくい。
【００７８】
実施の形態１では、離型層６１の厚さムラが発生しても画像全体の定着温度を一定にすることが可能となるため、離型層の設計に幅を持たせる効果がある。使用中に離型層６１が削れて薄くなったり、張力によって厚さが変わったりしても、定着温度を変える必要がない。定着装置の寿命に応じて離型層の厚さが変化しても定着装置の定着温度を変える必要がない。
【００７９】
実施の形態１では、離型層６１の熱伝導性と弾性層６２の熱伝導性との違いによって画像の場所ごとの定着温度が異なってしまう課題が解決するため、高速かつ省エネルギの定着処理を行うことができる。
【００８０】
（変形例１）
図３の（ａ）に示すように、弾性層６２のシリコーンゴムは、柔らかさの他に内部の加熱源からの熱を外側に伝えるために高熱伝導性を備える必要がある。そのため、シリコーンゴム内にフィラーとしてＳｉＣ、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＳｉＯ２、カーボン等が添加される。これらの物質は、数種類を混合して用いてもよい。
【００８１】
しかし、弾性層６２内のフィラーは、シリコーンゴムに比べて数倍から数十倍の熱伝導性を有するために、場合によっては定着後のトナーに光沢ムラを与えてしまうことがある。この解決のために、密度分布を厚さ方向につけることによって、離型層６１側の弾性層の浅い領域の熱伝導性を下げて光沢ムラを抑制してもよい。
【００８２】
弾性層６２は、熱浸透率Ｂｅを大きくして熱伝導性を高めるために、一般的なシリコーンゴムにフィラーを添加してもよい。フィラーを添加することによって密度ρと熱伝導率ｃが高くなり、結果的に熱浸透率Ｂｅが高くなる。この場合、離型層６１は、フィラーの種類と含有量とを調整して、熱浸透率Ｂｓをさらに高めて、弾性層６２の熱浸透率Ｂｅに一致させることが望ましい。
【００８３】
（変形例２）
図８は変形例２における定着ローラの構成の説明図である。図８に示すように、離型層６１に用いるフッ素樹脂材料にフィラーを添加して熱浸透率Ｂｓを制御する場合、フィラーの添加量を増すと離型層６１の表面の溶融トナーに対する離型性が低下する可能性がある。この場合、物体表面の撥水性は、材料表面から数１０ｎｍの範囲の性質で決定されるという法則を利用することができる。
【００８４】
つまり、離型層６１の表面から数１０ｎｍの範囲の表層は、フィラーを含まないフッ素樹脂材料のみの第１離型層６１ａとし、第１層６１ａの下にフィラーを高濃度に含有させたフッ素樹脂材料の第２離型層６１ｂを配置する。数１０ｎｍであれば、フッ素樹脂材料のみの熱伝導率λｉが高くても伝熱抵抗的には無視できるため、離型層６１の離型性と熱伝導性とを両立させることが可能となる。
【００８５】
以上説明したように、変形例２では、離型層６１は、記録材のトナー画像面に接する第一離型層６１ａと、第一離型層６１ａに接合されて第一離型層６１ａが接合された反対側の面を通じて加熱される第二離型層６１ｂと、を有する。第一離型層６１ａの厚みをｔ１とし、第二離型層６１ｂの厚みをｔ２とし、第一離型層の熱浸透率をＢｓ１とし、第二離型層の熱浸透率をＢｓ２としたとき、ｔ１  ＜  ｔ２  かつ、Ｂｓ１  ＜  Ｂｓ  ＜  Ｂｓ２  である。さらに具体的には、Ｂｓ−Ｂｓ１  ＞  Ｂｓ２−Ｂｓである。
【００８６】
＜実施の形態２＞
図９は実施の形態２の定着ローラの構成の説明図である。図１０はフィラーの種類による熱浸透率の差の説明図である。
【００８７】
実施の形態１では、定着ローラ６０の離型層６１と弾性層６２の二層構造に関して説明したが、弾性層６２が熱的性質を異ならせた複数の層で構成される場合でも、本発明を実施できる。
【００８８】
図９に示すように、定着ローラ６０の弾性層６２がそれぞれ熱伝導率λｉ、ρｉ、比熱ｃｉが異なる複数の層ｉ（＝１、２、３、・・・ｎ）を有する。弾性層６２の合計の弾性を調整するために、弾性層６２を複数の層ｉで構成している。
【００８９】
弾性層６２の各層ｉの熱浸透率Ｂｉを等しく揃えるために、二種類のフィラーを弾性層６２の各層ｉに添加することができる。各層ｉにおいて二種類のフィラーの配分量を調整することによって、各層ｉの熱浸透率Ｂｉを等しく揃えつつ、定着ローラ６０の全体として所望の弾性を取得することができる。
【００９０】
弾性層６２の各層ｉにおいて二種類以上のフィラーを段階的に添加した場合を考察する。上述した非特許文献１によると、充填剤（フィラー）を分散させた高分子材料層の熱伝導率予測式としてＲａｙｌｅｉｇｈ−Ｍａｘｗｅｌｌの式が紹介されている。
【００９１】
【数２】
2015138211.tif 000007
【００９２】
ここで、比熱容量（ρｃ）は、質量保存則により、体積分率ｖを用いて表すと次式で表すことができる。
【００９３】
【数３】
2015138211.tif 000008
【００９４】
よって、複合弾性層の各層ｉの熱浸透率Ｂｉは次式により表わすことができる。
【００９５】
【数４】
2015138211.tif 000009
【００９６】
ここで、数式中の各記号の意味を以下に示す。
Ｂｉ：熱浸透率＝（λｉρｉｃｉ）１／２
λｉ：熱伝導率
ρｉ：密度
ｃｉ：比熱
ｖ：フィラーの体積分率
【００９７】
表４に各種材料の代表的な物性値を示す。
【００９８】
【表４】
2015138211.tif 000010
【００９９】
表４の物性値と式４とを用いてシリコーンゴムに各種フィラーを添加したときの熱浸透率と体積分率の結果を図１０に示す。
【０１００】
図９に示すように、実施の形態２では、弾性層６２がｉ＝１の第一弾性層６２ａとｉ＝２の第二弾性層６２ｂとで構成される。そして、第一弾性層６２ａと第二弾性層６２ｂとにアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とシリカ（ＳｉＯ２）の二種類のフィラーを分散させて熱浸透率を高めている。このとき、それぞれの添加率を制御すれば両層の熱浸透率を一定とすることが可能である。
【０１０１】
図１０に示すように、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）とシリカ（ＳｉＯ２）とではフィラー体積率と熱浸透率Ｂとの関係が異なる。たとえば、離型層の熱浸透率Ｂｓを前述の８２０［Ｊ／（ｍ２・Ｋ・ｓ０．５）］とする。この場合、複数の層からなる弾性層６２のフィラー体積分率を、アルミナ０．１３（１３ｖｏｌ％）、シリカ０．１７（１７ｖｏｌ％）と添加すれば、熱浸透率は８２０［Ｊ／（ｍ２・Ｋ・ｓ０．５）］に揃えて等しく設定できる。
【０１０２】
以上説明したように、弾性層６２が複数層で構成される場合でも、本発明を実施できる。実施の形態２では、弾性層６２は、離型層６１に接合された第一弾性層６２ａと、第一弾性層６２ａに接合されて第一弾性層６２ａが接合された反対側の面を通じて加熱される第二弾性層６２ｂと、を有する。第一弾性層６２ａの熱浸透率をＢｅ１とし、第二弾性層６２ｂの熱浸透率をＢｅ２としたとき、Ｂｅ２≒Ｂｅ１  である。
【０１０３】
＜その他の実施形態＞
本発明は、加熱部材の離型層と弾性層とで熱浸透率がほぼ等しく設定されている限りにおいて、実施の形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施の形態でも実施できる。
【０１０４】
したがって、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が無い限りは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【０１０５】
実施の形態１、２は、主に定着ローラに関して述べたが、定着ベルトに対しても本発明は実施可能である。図１１に示すように、加熱部材の別の一例である定着ベルト６０Ｂは、弾性層６２の離型層６１と反対側の界面が無端ベルト基材６３Ｅに接合された加熱ベルトである。
【０１０６】
実施の形態１、２は、加熱部材の加熱源としてハロゲンランプを採用したが、弾性層よりも内側に発熱部のある構成であれば本発明は実施可能である。セラミックスヒータを用いたベルト定着装置や、ＩＨ加熱方式によってベルト部材の弾性層下に発熱金属層を設けた定着装置についても本発明は実施可能である。ローラ部材やベルト部材を未定着トナー像に接触させてトナーを熱変形させて定着させる接触式の定着装置のみならず、半定着画像又は定着画像を加熱する画像加熱装置においても本発明を実施できる。
【０１０７】
画像形成装置は、１ドラム型／タンデム型の区別なく実施できる。感光体の数、帯電方式、静電潜像の形成方式、転写方式、定着方式等の区別無く実施できる。ここでは、トナー像の形成／転写に係る主要部のみを説明しているが、本発明は、必要な機器、装備、筐体構造を加えて、プリンタ、各種印刷機、複写機、ＦＡＸ、複合機等、種々の用途の画像形成装置で実施できる。
【符号の説明】
【０１０８】
９  中間転写ベルト、１１  二次転写ローラ、２０  定着装置
６０  定着ローラ、６１  離型層、６２  弾性層、６３  中空芯金
６５  加熱体、６６  温度検知部材
６７  温度制御回路
７０  加圧ローラ、７１  離型層、７２  弾性層、７３  芯金
１００  画像形成装置
Ｐ  記録材、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ  画像形成部
Ｔ２  二次転写部
【図１】
2015138211.tif 000011
【図２】
2015138211.tif 000012
【図３】
2015138211.tif 000013
【図４】
2015138211.tif 000014
【図５】
2015138211.tif 000015
【図６】
2015138211.tif 000016
【図７】
2015138211.tif 000017
【図８】
2015138211.tif 000018
【図９】
2015138211.tif 000019
【図１０】
2015138211.tif 000020
【図１１】
2015138211.tif 000021