(57)【要約】【課題】本発明は、熱伝達効率を向上させ、装置の小型化、低コスト化が可能な、大電力でも破損のない省エネルギーで安価な加熱体、およびこれを備えた定着装置、画像形成装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る加熱体、定着装置、画像形成装置の代表的な構成は、発熱線５１と、発熱線５１を包み込むように配置される筒状のパイプ５０と、を有し、発熱線５１とパイプ５０内側との距離は、０ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱線と、
前記発熱線を包み込むように配置される筒状の絶縁支持体と、を有し、
前記発熱線と前記絶縁支持体内側との距離は、０ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であることを特徴とする加熱体。
【請求項２】
前記絶縁支持体は熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫより大きいことを特徴とする請求項１に記載の加熱体。
【請求項３】
前記絶縁支持体は酸化アルミ、または窒化アルミであることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱体。
【請求項４】
前記絶縁支持体は厚みが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３に記載の加熱体。
【請求項５】
前記発熱線はステンレス線、またはニクロム線であることを特徴とする請求項１から４に記載の加熱体。
【請求項６】
前記絶縁支持体は円筒状であることを特徴とする請求項１から５に記載の加熱体。
【請求項７】
前記発熱線は円柱状で外径０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から６に記載の加熱体。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の加熱体と、
前記加熱体と接触する回転体と
前記回転体とともに記録材を挟持搬送する搬送ニップ部を形成するバックアップ手段と、を有し、
前記ニップ部に導入された記録材を狭持搬送し、前記加熱体の熱エネルギーを記録材に付与することを特徴とする定着装置。
【請求項９】
前記回転体はフィルム状で、前記加熱体を包みこむように構成され、記録材に前記フィルムを介して熱を伝えることを特徴とする請求項８に記載の定着装置。
【請求項１０】
前記回転体は複数の層からできたローラ状で、前記加熱体によって外部から加熱されることを特徴とする請求項８に記載の定着装置。
【請求項１１】
前記加熱体を複数設けることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項１２】
トナー像を担持する像担持体と、前記像担持体を帯電する帯電手段と、画像信号により前記像担持体上に静電潜像を形成する露光手段と、前記静電潜像をトナー像として現像する現像手段と、前記トナー像を記録材へ転写する転写手段と、請求項８乃至１１のいずれかに記載の定着装置と、を有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、電子写真記録技術や静電記録技術を用いたプリンタやファクシミリ、複写機等の画像形成装置及びこれに用いる加熱体、定着装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば画像の加熱定着等のための記録材の定着装置には、所定の温度に維持された加熱ローラと、加熱ローラに圧接する加圧ローラとによって被加熱材としての記録材を挟持搬送しつつ加熱する熱ローラ方式が多用されている。また、このほかにもフラッシュ加熱方式、オープン加熱方式、熱板加熱方式等種々の方式、構成のものが知られており、実用されている。
【０００３】
最近では、このような方式に代わって、加熱体の熱を定着フィルムを介して記録材へ付与することで記録材面に形成担持されている未定着画像を記録材面に加熱定着させるフィルム加熱方式が考案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
この定着装置の加熱体としては、セラミックス基板上に抵抗発熱体を形成し、給電により抵抗発熱体を発熱させ、記録材を加熱する構成が一般的である。加熱体の温度は加熱体に当接あるいは接着されたサーミスタ等の検温素子で検知され、その検知温度を基に所定の温度になるようにＣＰＵで温度制御している。
【０００５】
このようなフィルム加熱方式の定着装置ないしは画像加熱定着装置においては、加熱体として低熱容量の加熱体を用いることができる。このため、従来の接触加熱方式である熱ローラ方式、ベルト加熱方式等の装置に比べ省電力及びウェイトタイムの短縮化（クイックスタート）が可能になる。
【０００６】
次に、図１６を参照して、加熱装置としての定着装置１１の一例について詳述する。図１６は記録材Ｐの搬送方向（矢印Ｋ方向）に定着装置１１の沿った縦断面図である。
【０００７】
図１６に示す定着装置１１は、大別して、定着フィルム２５、加圧ローラ２６、温度検知素子２１を主要構成部材としている。定着フィルム２５は、トナーを加熱する加熱体としての加熱手段２０と接触して回転する。加圧ローラ２６は、この定着フィルム２５と相互圧接して定着ニップ部Ｎ（搬送ニップ部）を形成する弾性層を有する。温度検知素子２１は、加熱手段２０の温度を検知する。
【０００８】
温度制御手段は、サーミスタ（温度検知素子）２１、ＣＰＵからなる。サーミスタ２１は、ヒータ裏面、あるいは定着フィルム２５の表面に取り付けられている。ＣＰＵは、サーミスタ２１が検出する温度に基づいてトライアック２４を制御し、ヒータ２０に対し通電を行う。
【０００９】
上述のように、定着装置１１は、定着フィルム２５の矢印Ｒ２５方向の回転により記録材Ｐを定着ニップ部Ｎにて狭持搬送しつつ、ヒータ２０の熱エネルギーによって記録材Ｐ上のトナーを加熱する。この際、加圧ローラ２６の回転を制御することにより、記録材Ｐの送りを適宜に制御することができる。また、温度制御手段によってヒータ２０の温度を適宜に制御することができる。
【００１０】
さらに、他に外部加熱方式の定着装置を、図１５を参照して詳述する。加熱手段には、図１５に示すような板状のセラミックヒータ１２０を押し当てる方法、あるいは、非接触のハロゲンヒータや定着ローラを発熱させる誘導加熱方式がある。
【００１１】
定着ローラ３０は、金属製の芯金３１の外周面に、シリコーンゴム等の弾性を有する耐熱性の弾性層３２を設け、弾性層３２の外周面に離型層３３を設けたものである。定着ローラ３０は、離型層３３の外周面とバックアップ手段９１との間で定着ニップ部Ｎを構成している。
【００１２】
上述のように、定着装置は、定着ローラ３０の矢印方向の回転により記録材Ｐを定着ニップ部Ｎにて狭持搬送しつつ、ヒータ２０の熱エネルギーを定着ローラ３０に蓄えることによって記録材Ｐ上のトナーを加熱する。この際、定着ローラ３０の回転を制御することにより、記録材Ｐの送りを適宜に制御することができる。また、温度制御手段２１によってヒータ２０の温度を適宜に制御することができる。（特許文献２参照）
【特許文献１】特開平４−４４０７５
【特許文献２】特開平８−１２９３１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
近年、電子写真方式のプリンタ（画像形成装置）は省エネルギー化が求められており、特に多くの電力を消費する定着装置の消費電力低減がポイントとなっている。さらに小型化、低コスト化が求められている。
【００１４】
上述した加熱手段をもつ定着装置において、従来から定着フィルムや定着ローラの熱容量を小さくする、あるいは熱伝達を向上させるような構成もすでに提案されている。これにより、少ない電力で定着性を向上させたり、トナー画像のグロスを高くさせることができる。
【００１５】
しかしながら、上述したような従来の加熱手段においては、例えば非接触方式では定着ローラへの熱伝達効率が悪く、大電力を必要としてウォームアップ時間の増大にも繋がった。
【００１６】
誘導加熱方式では装置自体が大きくなり、さらに部品点数が多くなるため高コストとなる。
【００１７】
外部加熱方式（ヒータを押し当てる方法）では、ヒータと定着ローラの表面が擦れるため、磨耗性、耐久性、駆動トルク増大といった問題が生じる。このためヒータ表面に摺動性の良いコート、例えばフッ素コートが必要となった。しかし摺動性の良いコートは熱伝導率が低く、ヒータから定着ローラに熱を伝える妨げとなる。このため、ヒータの発熱源から定着ローラに熱が伝わるまでに損失が大きく、ヒータ基板や保持部材へ熱が逃げることにより、定着効率（トナーに伝わる熱効率）が悪くなった。逆に磨耗性、耐久性向上のために押し当てる圧力を下げると密着性が悪くなる、あるいは熱を伝える接触面積が小さくなることで熱伝達効率が悪くなった。
【００１８】
そこで熱容量を小さくし、熱伝達効率を向上させるため、加熱体として熱容量の小さな発熱線、例えばニクロム線を直接定着ローラに接触させる方式を考えた。
【００１９】
しかし、発熱線の断面方向において定着ローラとの接触部では、発熱線から次々に熱が奪われるのに対して、非接触部（背面側）では空気により断熱されるため、発熱線内での温度差が大きくなった。さらに発熱線の長手方向の定着ローラ接触領域定において、定着ローラに対して少しでも発熱線が浮いてしまうと温度差は広がり、発熱分布が不均一で所望の温度を得ることができなかった。このため大電力を投入した場合に局所的な過昇温が生じて断線などの破損に至るため、大電力を投入することができず、定着ローラに多くの熱量を伝えることができなかった。
【００２０】
そこで本発明は、熱伝達効率を向上させ、装置の小型化、低コスト化が可能な、大電力でも破損のない省エネルギーで安価な加熱体、およびこれを備えた定着装置、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】
【００２１】
上記課題を解決するために本発明に係る加熱体、定着装置、画像形成装置の代表的な構成は、発熱線と、前記発熱線を包み込むように配置される筒状の絶縁支持体と、を有し、前記発熱線と前記絶縁支持体内側との距離は、０ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、熱伝達効率を向上させ、装置の小型化、低コスト化、大電力でも破損のない省エネルギー化を図ることができる。
【００２３】
定着可能条件までの立ち上りが速い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
[第一実施形態]
本発明に係る加熱体、定着装置、画像形成装置の第一実施形態について、図を用いて説明する。図１（ａ）は長手方向の断面図（図１（ｂ）のＢ−Ｂの断面）である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａの断面である。図１７は画像形成装置の一例であるレーザプリンタの概略構成を示す図である。
【００２５】
（画像形成装置）
図１７において、像担持体であるドラム型の電子写真感光体１（以下、感光ドラムと記す）は、装置本体Ｍによって回転自在に支持されており、不図示の駆動手投によって矢印Ｒ１方向に所定のプロセススピードで回転駆動されるようになっている。なお、この感光ドラム１の周囲には、その回転方向に沿って順に帯電手段（帯電ローラ）２、露光手段（走査手段）３、現像装置（現像手段）４、転写装置（転写手段）５、クリーニング装置６が配設されている。
【００２６】
また図１７において、給送カセット７は装置本体Ｍの下部に配置され、紙等のシート状の記録材Ｐが収納されている。記録材Ｐは搬送経路に沿って上流側から順に、給送装置（給送手段）１５、搬送ローラ８、トップセンサ９、転写装置５、搬送板金１０、定着装置（定着手段）１１、搬送ローラ１２、排出ローラ１３の順に搬送される。
【００２７】
次に、このように構成されたレーザプリンタにおける画像形成動作について説明する。画像形成動作が開始されると、まず駆動手段によって矢印Ｒ１方向に回転駆動された感光ドラム１は、帯電ローラ２によって所定の極性、所定の電位に一様に帯電される。
【００２８】
そして、このように表面が帯電された後の感光ドラム１は、その表面に対しレーザ光学系等の露光装置３によって画像情報に基づいた画像露光Ｌがなされ、この結果、露光部分の電荷が除去されて静電潜像が形成される。
【００２９】
次に、この静電潜像は、現像装置４によって現像され、感光ドラム上にトナー像が形成される。なお、この現像装置４は現像ローラ４ａを有しており、この現像ローラ４ａに現像バイアスを印加し、感光ドラム１上の静電潜像にトナーを付着させることで、トナー像としての現像（顕像化）を行うようにしている。
【００３０】
一方、このようなトナー像形成動作に並行して給送カセット７に収納されている記録材Ｐは、給送装置１５、搬送ローラ８によって給送・搬送される。そして、トップセンサ９を通過した後、感光ドラム１と転写ローラ５との間のニップ（以下、転写ニップ部という）に搬送される。
【００３１】
なお、このとき記録材Ｐはトップセンサ９によって先端が検知され、感光ドラム１上のトナー像と同期がとられるようになっている。これにより、記録材Ｐが転写ニップ部に搬送されると、転写ローラ５に印加される転写バイアスにより感光ドラム上のトナー像が記録材Ｐ上の所定の位置に転写される。
【００３２】
次に、転写によって表面に未定着トナー像を担持した記録材Ｐは、搬送板金１０に沿って定着装置１１を構成する定着回転体（定着ローラ３０）と、この定着回転体に圧接する加圧部材（バックアップ手段９１）とにより構成される定着ニップに搬送される。そして、未定着トナー像が加熱・加圧されて記録材表面に定着される。なお、このようにしてトナー像が定着された後の記録材Ｐは、搬送ローラ１２、排出ローラ１３によって装置本体Ｍ上面に設けられた排出トレイ１４上に搬送・排出される。
【００３３】
一方、トナー像転写後の感光ドラム１は、記録材Ｐに転写されずに表面に残ったトナーがクリーニング装置６のクリーニングブレード６ａによって除去され、次の画像形成に備える。以上の動作を繰り返すことで、次々と画像形成を行うことができる。
【００３４】
（定着装置１１）
図６に示すように、本実施形態の定着装置１１は、定着ローラ３０、バックアップ手段９１、パイプ状の加熱体Ａを有している。
【００３５】
加熱体Ａと定着ローラ３０の接触幅（加熱部）は約０．５ｍｍで形成されているが、軽圧でも単位面積当りの圧力が高いため、表面の密着性が良くなり、熱伝達に優れている。さらに本実施形態では加熱体自体の立ち上りが速いため、定着ローラ３０の表面温度の立ち上りも速くなる。そして電力１００Ｗ投入時の定着ローラ３０の表面温度は約１５秒で定着装置として必要な目標温度の１２０℃に達する。
【００３６】
加熱体Ａに温度検知素子２１を当接または近接させる、あるいは定着ローラ３０の表面温度をモニターすることで、定着ローラ３０の表面を所望の温度に保つことができる。ここでは支持部材や周辺部材の耐熱性を考慮して、加熱体表面が２００℃以下になるよう制御している。これにより、少ない電力で定着ローラ３０とバックアップ部材９１の間を搬送される記録材上の未定着トナーを溶融して、固着させることが可能となる。
【００３７】
加熱源のニクロム線に対してパイプ５０を定着ローラ３０に従動回転させる構成としてもよい。これにより表面の熱ムラがより小さくなり、定着ローラ表面の削れ等も無くなる。
【００３８】
（加熱体Ａ）
図１に示すように、加熱体Ａは、円筒状のセラミックパイプ５０、抵抗体からなる円柱状の発熱線５１（発熱部）、発熱線５１の長手方向両端に設けた非発熱部から構成されている。加熱体Ａは、総抵抗を約８Ωとしている。
【００３９】
パイプ５０は、外径φ０．７ｍｍ、内径φ０．２５ｍｍ（肉厚２２５μｍ）で、全長２２４ｍｍの酸化アルミ（アルミナ）を用いている。パイプ５０は、筒状の絶縁支持体であり、円柱状の発熱線５１を包み込んでいる。
【００４０】
発熱線５１には、全長２２５ｍｍ、φ０．２ｍｍのニクロム線を用いている。非発熱部は圧着部材を用いて、ニクロム線に銅線などの電気抵抗の低いものを直接接続する、あるいは同一材料（ニクロム）を太くすることで抵抗値を小さくして発熱を防ぐよう形成してもよい。
【００４１】
発熱線５１の外径（抵抗値）は、必要電力や投入電圧によって決定され、これに伴い熱膨張を考慮して、パイプ５０の内外径が決定される。本実施形態では発熱線５１の外径とパイプ５０の内径の差は約５０μｍとしている。
【００４２】
ここでニクロムの熱膨張係数は約１３×１０−６／℃より、外径φ０．２ｍｍでは常温（２５℃）から５２５℃までの変化で、約１μｍ膨張する（全長は２２５ｍｍから約１．５ｍｍ膨張する）。これに対してアルミナの熱膨張係数は約半分となるので、より隙間を小さくすることは可能である。
【００４３】
本実施形態ではこの隙間、すなわち発熱線５１とパイプ５０との距離は０μｍ（接触）から約５０μｍに保たれる。これにより発熱線５１に発熱ムラが発生して、局所的に過昇温しても、発熱線５１はパイプ５０と接触、あるいは近接により発熱箇所は急速に熱が奪われる。発熱線５１周りには全面にわたりパイプ５０が存在するため、熱膨張の繰返しにより部分的な過昇温なく、パイプ５０を均等に加熱することができる。また、発熱源から発する熱はパイプ５０以外に逃げ場がないため、発熱線５１の表面から放出された熱は全てパイプ５０に伝熱され、放熱や発熱損失が少ない。
【００４４】
上述の如く構成された加熱体Ａの表面温度分布を図２に示す。縦軸を温度（℃）、横軸を長手方向位置として、発熱線５１単品と、これをパイプ５０で包みこんだ時の表面温度を示している。図２（ａ）は１００Ｗの電力を投入した時の１０秒後を示している。図２（ｂ）は５００Ｗの電力を投入した２秒後を示している。
【００４５】
図２（ａ）に示すように、１００Ｗ投入時、発熱線５１単品では３００℃前後で１００℃近くの温度ムラが生じていた。しかし、円筒状とした熱伝導の良い（熱伝導率：約３５Ｗ／ｍＫ）パイプ５０で包み込むことで温度ムラは無く約２００℃で安定する。
【００４６】
図２（ｂ）に示すように、５００Ｗ投入時でも、発熱線５１単品では６００℃前後で長手方向に１００℃近くの温度ムラが生じていた。しかし、円筒状としたパイプ５０で包み込むことで温度ムラは、ほとんど無くなり、約４００℃で安定する。
【００４７】
ここでアルミナの純度を下げたパイプ（熱伝導率：２０Ｗ／ｍＫ）を同時に比較する。このパイプは、パイプ５０（熱伝導率：約３５Ｗ／ｍＫ）に比べて、熱伝導率が下がることで立ち上りが遅くなると同時に温度ムラも大きくなる。一方、５００Ｗ投入、２秒後の条件で、２１Ｗ／ｍＫのパイプを用いると、温度ムラが９８℃となった。
【００４８】
従って、５００Ｗ投入、２秒後の条件で、温度ムラを１００℃以下に抑えるためには、２０Ｗ／ｍＫより大きいの熱伝導率を有する円筒状としたパイプを用いなければならない。
【００４９】
また温度制御をおこなっても、温度モニターしている箇所としていない箇所とで、上記温度差が生じ続けると、局所的な過昇温となって断線に至る。発熱線５１単品では１００Ｗ以上の連続投入で断線に至りやすい。熱伝導率２０Ｗ／ｍＫ以下のパイプでは５００Ｗ以上の連続投入で断線に至りやすい。
【００５０】
以上より、発熱線５１を熱伝導率２０Ｗ／ｍＫより大きいの円筒状としたパイプ５０で包み、パイプ表面を温度制御することで過昇温による断線はなくなり、安定した温度分布を保つことができる。
【００５１】
＜従来の加熱体（実験１）＞
図１３に従来の加熱体の一例である板状ヒータ２００を示す。この板状ヒータ２００は、幅５ｍｍ／厚み０．６５ｍｍ／全長２７０ｍｍのアルミナ基板２０１に発熱体２０２と非発熱体２０４、保護膜２０３を印刷、焼成したものである。保護膜２０３は絶縁性を確保する必要があるため、ガラス等で５０μｍ以上の厚みが必要となる。
【００５２】
ここで第一実施形態と同様に１００Ｗ／５００Ｗ投入時の表面温度を図１４に示す。図１４（ａ）は１００Ｗの電力を投入した時の１０秒後を示している。図１４（ｂ）は５００Ｗの電力を投入した２秒後を示している。
【００５３】
熱容量は、アルミナ基板２０１（比熱：約０．８Ｊ／ｇＫ）、保護膜２０３であるガラス（比熱：約０．８Ｊ／ｇＫ）と、ほぼ同等なため断面積で比較ができる。パイプ５０は外径φ０．７ｍｍ、内径φ０．２５ｍｍであり、パイプ５０の断面積は｛（０．７ｍｍ÷２×０．７ｍｍ÷２×π）−（０．２５ｍｍ÷２×０．２５ｍｍ÷２×π）｝≒０．３８ｍｍ２となる。これに対して、従来の板状ヒータ２００は、基板２０１が幅５ｍｍ、厚み０．６５ｍｍで断面積３．２５ｍｍ２、ガラス２０３が幅５ｍｍ、厚み０．０５ｍｍで断面積０．２５ｍｍ２で、合計断面積３．５ｍｍ２である。従来の板状ヒータ２００の断面積は第一実施形態の加熱体Ａの断面積の約９倍となり、熱容量はこの断面積に比例している。
【００５４】
図１４（ａ）に示すように、従来の板状ヒータ２００では基板２０１自体の熱容量が大きいため、少ない電力（１００Ｗ投入時）では、表面温度の立ち上りが遅くなる。さらに保護膜２０３であるガラスは熱伝導が悪い（熱伝導率：約２Ｗ／ｍＫ）ため、長手における発熱ムラを緩和するまでには至らない。特に、図１４（ｂ）に示すように５００Ｗ投入時には表面温度ムラが大きくなる。
【００５５】
＜従来の加熱体との比較（実験２）＞
図３は本実施形態の加熱体Ａと従来の板状ヒータ２００の立ち上りを比較した図である。横軸に時間を、縦軸に表面温度の平均をとり、電力を振った時のデータを示す。
【００５６】
図３に示すように、本実施形態のパイプ５０は、熱伝導率が良く（約３５Ｗ／ｍＫ）、厚みが２２５μｍと薄いため、１ｃｍ２当りの熱伝導は、約１５．６Ｗ／Ｋと非常に高熱伝導となる。これにより少ない電力でも表面温度の立ち上りが速くなる。
【００５７】
同電力で比較しても１００Ｗ投入１０秒後に、従来例は約１５０℃だったものが、本実施形態では、約２００℃となり５０℃以上高温となる。５００Ｗ投入２秒後においては、従来例は約２００℃だったものが、本実施形態によって約４００℃と倍の温度に達する。さらには本実施形態の電力を少なくしても、本実施形態の３００Ｗ投入で従来の５００Ｗよりも高温になることがわかる。
【００５８】
本実施形態では加熱体Ａを支持部材などで固定する時には、支持部材や周辺部材の耐熱性を考慮して、加熱体表面が２００℃以下になるように電力制御している。２００℃で温度制御をおこなうとリップルで示すような波形（約２００℃の波で示されるグラフ）となる。
【００５９】
＜パイプ５０の肉厚、発熱線５１の外径に対する加熱体Ａの表面温度の立ち上り（実験３）＞
図４はパイプ５０の肉厚及び発熱線５１の外径に対する加熱体Ａの表面温度の立ち上りを示す図である。図４（ａ）はパイプ５０の肉厚を振ったデータ（内径は０．２５ｍｍで一定）を示している。横軸に肉厚、縦軸に立ち上り時間（加熱体表面が平均で２００℃に達するまでの時間）を示している。
【００６０】
図４（ａ）に示すように、パイプ５０の肉厚（厚み）を厚くした場合、加熱体の表面温度の立ち上りが遅くなる。データからわかるように肉厚０．５ｍｍを越えたあたりから急激に立ち上りが遅くなる。肉厚０．６２５ｍｍでは、肉厚０．２２５ｍｍの立ち上がり時間の倍以上の時間がかかる。これは肉厚が０．６２５ｍｍになるとアルミナの断面積が、大きくなるためである。具体的には、肉厚が０．６２５ｍｍになると、外径φ１．５ｍｍ、内径φ０．２５ｍｍで｛（１．５ｍｍ÷２×１．５ｍｍ÷２×π）−（０．２５ｍｍ÷２×０．２５ｍｍ÷２×π）｝≒１．７ｍｍ２となる。これは、断面積０．３８ｍｍ２（肉厚０．２２５ｍｍ）の約４．５倍である。
【００６１】
図４（ｂ）は発熱線５１の外径を振ったデータ（パイプ５０の肉厚は０．２２５ｍｍで一定）を示している。図４（ｂ）に示すように、発熱線５１の外径を大きくした場合、外径が０．３ｍｍを超えた辺りから急激に立ち上りが遅くなることがわかる。従って、発熱線５１を円柱状で外径０．３ｍｍ以下とすることで、立ち上りを早くすることができる。
【００６２】
これは発熱線５１の表面積が増加して、発熱線５１表面からの単位面積当りの発熱量が減少するからである。さらに発熱線５１の外径が大きくなるに伴い、パイプ５０の表面積も増加して、パイプ５０表面からの単位面積当りの発熱量も減少するからである。さらに発熱線５１、パイプ５０共に断面積が半径の２乗に比例して大きくなり、これに伴いパイプ５０の熱容量が急激に大きくなることも効いているからである。
【００６３】
パイプ５０、発熱線５１は必要なスペックや構成によって強度や耐久性を考慮した肉厚、外径に設定することができる。
【００６４】
＜パイプ５０内面と発熱線５１とのギャップに対する加熱体Ａの立ち上がり（実験４）＞
図５（ａ）はパイプ５０と発熱線５１の断面図である。図５（ｂ）はパイプ５０内面と発熱線５１との距離（ギャップ）の状態による立ち上り状況を示す図である。横軸に最大距離（μｍ）縦軸に立ち上り時間（秒）を示している。
【００６５】
本実施形態ではφ０．２ｍｍのニクロム線（発熱線５１）と、内径φ０．２５ｍｍのパイプ５０を用いているため、互いの距離は最大で約５０μｍ、最小では接触するため距離０ｍｍとなる。このような構成において、図５（ａ）に示すように、各方向をギャップ（Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３・Ｇ４）とした時に、各ギャップＧ１〜Ｇ４は０μｍから約５０μｍ（０ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下）まで考えられる。
【００６６】
ここで、最大５０μｍ（上記条件）の加熱体と、最大２５μｍ（パイプ５０の内径φ０．２２５ｍｍで肉厚は同等）の加熱体で、発熱線５１とパイプ５０の位置関係を変えて加熱体の表面の立ち上がりを計測する。その結果、発熱線５１とパイプ５０の位置関係があらゆる状態でも加熱体の表面温度の立ち上りは、ほぼ同等となる。
【００６７】
しかし、図５（ｂ）に示すように、ギャップの最大距離が５０μｍを超えたあたりから急激に立ち上りが遅くなることがわかる。そして、最大距離１００μｍ（内径φ０．３５ｍｍで肉厚は同等）では、接触が不安定になるため局所的な過昇温が発生し、発熱線５１が破断する不具合が生じた。パイプ５０の表面で温度制御をおこなっても、発熱線５１がパイプ５０に接触あるいは近接していない箇所があると、局所的に１０００℃以上に達して、発熱線５１の限界温度を超えることがある。
【００６８】
以上より、パイプ５０の肉厚を０．５ｍｍ以下、発熱線５１の外径を０．３ｍｍ以下、発熱線５１とパイプ５０のギャップを０ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下にすることで、低電力で素早く温度上昇する、温度ムラのない加熱体を提供することが可能となる。
【００６９】
本実施形態では、アルミナ（熱伝導率：約３５Ｗ／ｍＫ）を用いているが、使用条件や構成よっては、さらに熱伝導の良い窒化アルミ（熱伝導率：約２００Ｗ／ｍＫ）を用いることで、加熱体Ａの表面温度の立ち上りを速くし、表面温度ムラを減少させることができる。
【００７０】
また、本実施形態では、ニクロム線を用いているが、使用条件や構成よっては、屈曲強度の優れたステンレス線を用いることで、加熱体Ａの耐久性を高めることができる。
【００７１】
＜従来の定着装置との比較（実験５）＞
図７は従来例と本実施形態における１００Ｗ投入時の定着ローラの表面温度の立ち上りを示す図である。従来例として、従来の加熱体（板状ヒータ２００）を用いた定着装置を採用する。
【００７２】
従来の定着装置では、特に電力投入から５秒後あたりまでの加熱体自体の立ち上りが遅いため、これに伴い定着ローラの表面温度の立ち上りも遅くなり、目標温度１２０℃に達するまでに、約２５秒を必要とする。
【００７３】
本実施形態の定着装置１１では、加熱体自体が電力投入直後に素早く立ち上がるために、定着ローラ表面温度の立ち上りも速く、目標温度まで約１５秒で立ち上げることができる。記録材Ｐを給送・搬送、排出するタイミングが、従来の定着装置に比べて約１０秒速くなるため、ファースト・プリント・アウト・タイム（以下、ＦＰＯＴと記す）を約１０秒短縮することができる。
【００７４】
なお、本実施形態では外部加熱方式の定着器を用いて説明したが、低熱容量の定着器（例えば、図１６に示すようなフィルム加熱方式等）なら、本発明を用いて、例えば図８に示すように最適化することができる。ここで、フィルム加熱方式の定着装置は、定着フィルムが加熱体Ａを包みこむように構成され、記録材Ｐにフィルムを介して熱を伝える。
【００７５】
＜パイプ５０の肉厚、発熱線５１の外径に対する定着ローラ３０の表面温度の立ち上り（実験６）＞
図９はパイプ５０の肉厚及び発熱線５１の外径に対する定着ローラ３０の表面温度の立ち上りを示す図である。
【００７６】
図９（ａ）は本実施形態における肉厚２２５μｍと肉厚１．２５ｍｍの場合の立ち上りを比較（発熱線φ０．２ｍｍ）した図である。横軸に時間、縦軸に定着ローラの表面温度を示している。図９（ａ）に示すように、肉厚を厚くした場合、定着ローラ３０の表面温度の立ち上りが遅くなる。
【００７７】
図９（ｂ）は肉厚を振った場合の立ち上りを比較した図である。横軸に肉厚、縦軸に立ち上り時間（目標温度１２０℃に達するまで）を示している。図９（ｂ）に示すように、肉厚１ｍｍを越えたあたりから急激に立ち上りが遅くなる。これは肉厚が１．２５ｍｍになるとパイプ５０の断面積が、外径φ２．７５ｍｍ、内径φ０．２５ｍｍで｛（２．７５ｍｍ÷２×２．７５ｍｍ÷２×π）−（０．２５ｍｍ÷２×０．２５ｍｍ÷２×π）｝≒５．９ｍｍ２となる。これは、断面積０．３８ｍｍ２（肉厚０．２２５ｍｍ）の約１６倍である。
【００７８】
しかしながら、断面積を従来の加熱体の一例である板状ヒータ２００、幅５ｍｍ、厚み０．６５ｍｍの断面積３．２５ｍｍ２と同等にした場合、、肉厚は０．９ｍｍとなるが、従来に比べて立ち上りが速くなっている。外径φ２．０５ｍｍ、内径φ０．２５ｍｍで、断面積｛（２．０５ｍｍ÷２×２．０５ｍｍ÷２×π）−（０．２５ｍｍ÷２×０．２５ｍｍ÷２×π）｝≒３．２５ｍｍ２で肉厚０．９ｍｍである。
【００７９】
これは発熱線５１周り全面にわたりパイプ５０が存在するため、発熱源から発する熱はパイプ５０以外に逃げ場がなく、発熱線５１の表面から放出された熱は全てパイプ５０に伝熱され、放熱や発熱損失が少ないためである。さらに部分的な過昇温なく、パイプ５０を均等に加熱することができ、パイプ５０に熱が効率良く伝わり、定着ローラ３０への伝熱効率が良くなるためである。
【００８０】
さらに本実施形態の加熱体Ａの熱伝導が１ｃｍ２当り約１６Ｗ／Ｋに対して、従来の加熱体では基板（アルミナ）は熱伝導率：約３５Ｗ／ｍＫで、厚み０．６５ｍのため１ｃｍ２当りの熱伝導は、約５．４Ｗ／Ｋとなる。さらに保護膜（ガラス）が、熱伝導率：約２Ｗ／ｍＫで、厚みが約５０μｍのため１ｃｍ２当りの熱伝導は、約４Ｗ／Ｋと、加熱体Ａの熱伝導（約１６Ｗ／Ｋ）の約４分の１である。
【００８１】
これにより定着ローラ３０に基板（アルミナ）面、保護膜（ガラス）面のどちらを接触させても熱伝導が悪く、さらに定着ローラ３０以外の接触箇所（支持部材など）への放熱も大きいため、定着ローラの表面温度の立ち上りが遅くなっていた。
【００８２】
図９（ｃ）は発熱線５１の外径を振った場合の立ち上りを比較した図である。図９（ｃ）に示すように、発熱線５１の外径が０．３ｍｍを超えた辺りから急激に立ち上りが遅くなることがわかる。
【００８３】
これは発熱線５１の表面積が増加して、発熱線５１表面からの単位面積当りの発熱量が減少するからである。さらに発熱線５１の外径が大きくなるに伴い、パイプ５０の表面積も増加して、パイプ５０表面からの単位面積当りの発熱量も減少するからである。さらに発熱線５１、パイプ５０共に断面積が半径の２乗に比例して大きくなり、これに伴いパイプ５０の熱容量が急激に大きくなることも影響しているからである。
【００８４】
パイプ５０、発熱線５１は必要なスペックや構成によって強度や耐久性を考慮した肉厚、外径に設定することができる。
【００８５】
＜パイプ５０内面と発熱線５１とのギャップに対する定着ローラ３０の立ち上がり（実験７）＞
図１０（ａ）はパイプ５０内面と発熱線５１との距離（ギャップ）をに対する定着ローラ３０の表面温度の立ち上りを示す図である。図１０（ａ）に示すように、本実施形態ではφ０．２ｍｍのニクロム線（発熱線５１）と、内径φ０．２５ｍｍのパイプ５０を用いている。このため、互いの距離は最大で約５０μｍ、最小では接触するため距離０ｍｍとなる。ギャップが最大５０μｍ（上記条件）と最大１００μｍ（内径φ０．３ｍｍで肉厚は同等）の場合で比較しているが、定着ローラ３０の立ち上りは、ほぼ同等となる。
【００８６】
図１０（ｂ）はギャップの最大距離を振った場合の定着ローラ３０の表面温度の立ち上りを示す図である。横軸に最大距離（μｍ）、縦軸に立ち上り時間（秒）を示している。図１０（ｂ）に示すように、ギャップの最大距離を大きくしても、定着ローラ３０の表面温度の立ち上り時間がほぼ同等となることがわかる。これはパイプ５０が定着ローラ３０に熱を奪われるため、発熱線５１とパイプ５０の温度差が大きくなり、最大距離が大きくても熱の移動がおこるためである。
【００８７】
しかし、最大１２５μｍ（内径φ０．３５ｍｍで肉厚は同等）では、接触が不安定になるため局所的な過昇温が発生し、５００Ｗ投入時には耐久によって発熱線５１が破断する不具合が生じた。
【００８８】
よって、パイプ５０の肉厚を１ｍｍ以下、発熱線５１の外径を０．３ｍｍ以下、発熱線５１とパイプ５０のギャップを１００μｍ以下にすることで、低電力で素早く立ち上がる定着装置を提供することができる。
【００８９】
[第二実施形態]
次に本発明に係る加熱体、定着装置、画像形成装置の第二実施形態について図を用いて説明する。図１１は本実施形態の加熱体Ａを複数用いた本実施形態の定着装置１１１の構成図である。図１１（ａ）は外部加熱方式の定着装置であり、図１１（ｂ）はフィルム加熱方式の定着装置である。上記第一実施形態と説明の重複する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００９０】
図１１に示すように、本実施形態の定着装置は、上記第一実施形態の定着装置１１の加熱体Ａを複数用いたものである。
【００９１】
本実施形態では支持部材や周辺部材の耐熱性を考慮して、加熱体表面が２００℃以下になるよう制御すると、加熱体Ａに大きな電力を投入することができなかった。これに対し、図１１に示すように、本実施形態の定着装置１１１では、加熱体Ａを３本用いて、定着ローラ３０を加熱する構成とした。これにより、加熱体Ａには各々１００Ｗづつの電力が投入されて、合計で３００Ｗの大きな電力を投入することができる。
【００９２】
図１１（ａ）に示す定着装置１１１では、加熱体Ａの温度が低い状態（約１５０℃）でも定着ローラ３０の表面温度を目標の１２０℃に達することができる。これは発熱源（加熱体）から定着ローラ３０へ複数回の熱伝達が可能となるため、大きな温度差を設けなくても多くの熱量を伝えることが可能となるためである。これによりプリントスピードを速くすることが可能となる。
【００９３】
さらに加熱体Ａを複数にすることで、それぞれの加熱体Ａは、さらに低い圧力で定着ローラ３０との接触幅を細くすることもできる。これはそれぞれの加熱体Ａが発熱する熱量と、定着ローラ３０に熱伝達すべき熱量によって適宜設定することができ、本実施形態では各０．３ｍｍ（１００Ｗ）×３本としている。この軽圧化によって発熱線５１や加熱体支持部材の局所的なストレスが少なくなり、従動回転させた時には特に発熱線５１、加熱体支持部材、定着装置１１１として耐久性向上にも繋がる。
【００９４】
＜加熱体Ａの数、電力に対する立ち上り（実験８）＞
図１２（ａ）は加熱体の表面温度の立ち上りを示す図である。図１２（ｂ）は定着ローラの表面温度の立ち上りを示す図である。縦軸に温度（℃）、横軸に時間（秒）をとり、第一実施形態（加熱体Ａが１本）の電力振り（１００Ｗ／３００Ｗ）と本実施形態（加熱体Ａが３本：１００Ｗ×３本）の立ち上りを示している。
【００９５】
第一実施形態の構成で電力１００Ｗを投入した時に、定着ローラ３０の表面温度が定着可能温度に達するために約１５秒かかっており、この時、加熱体の表面温度は１５０℃に達していた。立ち上げから１５秒後に記録材Ｐが定着装置１１に突入し、記録材Ｐが定着装置１１を通過（スピード３７ｍｍ／ｓｅｃでＡ４（２９７ｍｍ）の出力に約８秒）完了する、すなわち定着動作終了となるＦＰＯＴ（First Print Out Time：1枚目の出力時間 ）が、２３秒となっていた。
【００９６】
ここで図１２（ａ）に示すように、加熱体自体の立ち上げを速くするために、第一実施形態（加熱体１本）の構成で３倍の電力にあたる３００Ｗを投入する。この時、加熱体Ａの表面温度は約５秒で２７０℃に達する。
【００９７】
しかし、加熱体Ａの支持部材や周辺部材の耐熱性を考慮して、加熱体表面が２００℃以下になるように電力制御すると、実際には２００℃に達した時点で、それ以上温度上昇しない制御をするためリップルで示すような波形（約２００℃の波で示されるグラフ）となる。
【００９８】
これにより、図１２（ｂ）に示すように、定着ローラ３０の表面温度のように制御する前（初期の約３秒）の立ち上りは速いが、その後定着可能温度に達するまで、約９秒必要となる。これは電力１００Ｗ投入時より数秒速くなるだけである。
【００９９】
次に本実施形態の３本の加熱体Ａの表面温度を見てみると、約７秒で２００℃に達し、温度制御に入る。この時の定着ローラ３０の表面温度をみると、約６秒で１２０℃に達していることがわかる。このように、本実施形態により同電力で定着ローラ３０の表面温度が定着可能温度に達するまでの時間が半分以下になっていることがわかる。
【０１００】
さらに第一実施形態では記録紙に必要熱量を与えるのに時間がかかっていたため、印字速度（以下、スループットと記す）が、７ｐｐｍ（１分間当りの出力枚数）であったが、これに対して、本実施形態では各加熱体Ａの表面温度が２００℃以下に制御するのに、ほぼフル通電（１００Ｗ投入）することができるので、通紙スピードアップ（１１０ｍｍ／ｓｅｃ）により、ＦＰＯＴを約８秒まで短縮、スループットを２０ｐｐｍまでスピードアップできる。
【０１０１】
もちろん、加熱体Ａを増やして、総投入可能電力を増やすことで、さらなるスペックアップが可能となる。なお、図１１（ｂ）に示すような構成でも同様の効果を発揮することはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】第一実施形態に係る加熱体を構成図である。
【図２】第一実施形態に係る加熱体の投入電力による各発熱分布を示す図である。
【図３】第一実施形態に係る加熱体と従来の加熱体の立ち上りの比較図である。
【図４】第一実施形態に係る絶縁支持体と発熱線寸法による立ち上りの比較図である。
【図５】第一実施形態に係る発熱線と絶縁支持体の隙間による立ち上りの比較図である。
【図６】第一実施形態に係る定着装置を示す図である。
【図７】第一実施形態と従来例の定着ローラの表面温度立ち上りの比較図である。
【図８】第一実施形態の定着装置の他の構成を示す図である。
【図９】第一実施形態に係る絶縁支持体寸法による立ち上りの比較図である。
【図１０】第一実施形態に係る発熱線と絶縁支持体の隙間による立ち上りの比較図である。
【図１１】第二実施形態に係る定着装置の断面図である。
【図１２】第二実施形態に係る加熱体及び定着ローラの立ち上りの比較図である。
【図１３】従来の加熱体の概略構成図である。
【図１４】従来の加熱体の投入電力による各発熱分布を示す図である。
【図１５】従来の定着装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図１６】従来の定着装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図１７】第一実施形態に係る画像形成装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【０１０３】
Ａ…加熱体、Ｌ…画像露光、Ｍ…装置本体、Ｎ…定着ニップ部、Ｐ…記録材、１…感光ドラム、２…帯電ローラ、３…露光装置、４…現像装置、４ａ…現像ローラ、５…転写装置、６…クリーニング装置、６ａ…クリーニングブレード、７…給送カセット、８…搬送ローラ、９…トップセンサ、１０…搬送板金、１１…定着装置、１２…搬送ローラ、１３…排出ローラ、１４…排出トレイ、１５…給送装置、２０…加熱手段、２１…温度検知素子、２４…トライアック、２５…定着フィルム（回転体）、２６…加圧ローラ（バックアップ手段）、３０…定着ローラ（回転体）、３１…芯金、３２…弾性層、３３…離型層、５０…パイプ（絶縁支持体）、５１…発熱線、９１…バックアップ手段、１１１…定着装置、１２０…セラミックヒータ、２００…板状ヒータ、２０１…アルミナ基板、２０２…発熱体、２０３…保護膜、２０４…非発熱体
【図１】
2008016363.tif 000003
【図２】
2008016363.tif 000004
【図３】
2008016363.tif 000005
【図４】
2008016363.tif 000006
【図５】
2008016363.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008016363.tif 000009
【図８】
2008016363.tif 000010
【図９】
2008016363.tif 000011
【図１０】
2008016363.tif 000012
【図１１】
2008016363.tif 000013
【図１２】
2008016363.tif 000014
【図１３】
2008016363.tif 000015
【図１４】
2008016363.tif 000016
【図１５】
2008016363.tif 000017
【図１６】
2008016363.tif 000018
【図１７】
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