(57)【要約】【課題】予熱状態における加熱部材の温度ムラの防止。【解決手段】加熱部材１と、前記加熱部材に対し圧接しニップ部を形成する加圧部材２と、前記加熱部材近傍にあり前記加熱部材を加熱する加熱源１１と、前記加熱部材からの熱放射を抑える断熱部材３０とを有する加熱装置であって、前記加熱源は前記加熱部材の円筒形状の円周上一部分を加熱し、前記断熱部材は、前記加熱部材の近傍に熱伝導層３１を有することを特徴とする加熱装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱部材と、前記加熱部材に対し圧接しニップ部を形成する加圧部材と、前記加熱部材近傍にあり前記加熱部材を加熱する加熱源と、前記加熱部材からの熱放射を抑える断熱部材とを有する加熱装置であって、
前記加熱源は前記加熱部材の円筒形状の円周上一部分を加熱し、前記断熱部材は、前記加熱部材の近傍に熱伝導層を有することを特徴とする加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば複写機、プリンタ或いはファクシミリなどの画像形成装置に搭載される画像加熱定着装置として用いて好適な加熱装置に関する。
【０００２】
より具体的には、加熱部材と、前記加熱部材に対し圧接しニップ部を形成する加圧部材と、前記加熱部材近傍にあり前記加熱部材を加熱する加熱源と、を有し、ニップ部に導入されて搬送される記録媒体を加熱部材の熱で加熱する加熱装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
電子写真式の複写機などには、搬送される記録媒体である記録材上に転写された未定着画像（トナー像）の現像剤（トナー）を、熱によって融解して当該記録材上に融着させる加熱装置が設けられている。
【０００４】
この加熱装置においては、高速昇温させるために、加熱媒体である定着ローラを薄肉小径化したもの、樹脂フィルムの回転体に対しその内側から加熱体を圧接したもの、薄肉金属の回転体を誘導加熱により加熱するものなどが知られているが、いずれも加熱媒体である回転体の熱容量を小さくし、加熱効率の良い熱源で加熱しようとしたものである。
【０００５】
また、非接触の加熱体を用いたものもあるが、コストやエネルギー効率の点から、複写機などの画像形成装置では、薄肉の回転体を記録材に接触させて記録材上の現像剤を加熱溶融させるタイプの加熱装置が多く提案されている。
【０００６】
また、加熱媒体である定着ローラを加熱する加熱源としてハロゲンヒータ等の光源を用い、該光源から発した光を反射体やレンズを用いて、定着ローラ内面の所定範囲に集光させ、加熱効率を向上させる方法もこれまでに提案されている（例えば、特許文献１もしくは特許文献２参照）。
【０００７】
また、熱効率を向上させる手段として、加熱源として高周波誘導を利用した誘導加熱方式の定着装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。この誘導加熱定着装置は、金属導体からなる中空の定着ローラの内部にコイルが同心状に配置されており、このコイルに高周波電流を流して生じた高周波磁界により定着ローラに誘導渦電流を発生させ、定着ローラ自体の表皮抵抗によって定着ローラそのものをジュール発熱させるようになっている。この誘導加熱方式の定着装置によれば、電気−熱変換効率がきわめて向上するため、さらなるウォームアップタイムの短縮化が可能となる。この方式においては、加熱効率を上げるためには定着ローラの全域に高周波磁界を作用させるよりも、所定領域のみに磁界を集中させ、加熱する方が高い加熱効率が得られる。
【特許文献１】
特開平５−１６５３５４号公報
【特許文献２】
特開平７−２７１２２７号公報
【特許文献３】
特開昭５９−３３７８７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記誘導加熱方式の定着装置では加熱効率が高いために立ち上げ時間が早く、該定着装置を加熱装置として中低速機（〜５０ｃｐｍ）の画像形成装置に搭載した場合、画像形成開始とともに加熱装置に電力を入力すれば、加熱装置は定着可能温度にまで立ち上げることができる。しかし、高速機（５０ｃｐｍ〜）の画像形成装置に搭載した場合、画像形成開始から画像形成終了までの時間が短く、未定着画像を転写した記録材が加熱装置に搬送されるときには、加熱装置の温度は定着可能温度までに達していない。このため、高速機においては通常予熱モードを有することになる。
【０００９】
ところが、上述の誘導加熱方式の加熱装置においては、定着ローラの一部のみ加熱されており、さらに薄肉の定着ローラを用いているため、加熱されている部分と加熱されていない部分で熱膨張の程度が異なるため、定着ローラ起動時に安定した駆動ができないことがあった。そして、これにより通紙初期における紙しわや画像不良が発生することがあった。
【００１０】
これに対し、予熱中に定着ローラを回転させていれば、通紙初期における紙しわや画像不良は発生しないが、騒音の発生、待機時電力の増大、モータの耐久劣化等が発生する。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みて為されたもので、予熱状態における加熱部材の温度ムラを防止できる加熱装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の加熱装置は、加熱部材と、前記加熱部材に対し圧接しニップ部を形成する加圧部材と、前記加熱部材近傍にあり前記加熱部材を加熱する加熱源と、前記加熱部材からの熱放射を抑える断熱部材とを有する加熱装置であって、前記加熱源は前記加熱部材の円筒形状の円周上一部分を加熱し、前記断熱部材は、前記加熱部材の近傍に熱伝導層を有することを特徴とする加熱装置、である。
【００１３】
上記構成において、前記加熱源で加熱部材の円筒形状の円周上一部分を加熱（予熱）したときの該加熱部材からの熱放射を断熱部材で抑えて放熱を防止し、その熱が該断熱部材の熱伝導層に伝わる。この熱伝導層の伝熱作用により加熱部材の周方向の温度分布差を小さくすることができ、よって、予熱状態における加熱部材の温度ムラが解消される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る誘導加熱方式の定着装置（加熱装置）の概略構成を示す断面図である。
【００１６】
定着ローラ１は外径４０［ｍｍ］、厚さ０．７［ｍｍ］、長さ３４０［ｍｍ］の薄肉円筒状の鉄製の芯金シリンダに表面の離型性を高めるために、当該ローラの長手方向において通紙域である中央部の３２０［ｍｍ］の領域に例えばＰＴＦＥ１０〜５０［μｍ］や、ＰＦＡ１０〜５０［μｍ］の層を設けている。
【００１７】
加圧ローラ２は、中空芯金１４と、その外周面に形成される５ｍｍ厚の表面離型性耐熱ゴム層（面長３２５［ｍｍ］）である弾性層１５とからなる。この加圧ローラ２の長手方向の両端には軸受部が形成され、図示しない定着ユニットフレームに回転自在に取り付けられている。
【００１８】
定着ローラ１と加圧ローラ２は共に定着ユニットフレームに回転自在に支持されていて、定着ローラ１のみを回転駆動する構成になっている。加圧ローラ２は定着ローラ１の表面に圧接していて、圧接部（定着ニップ部）Ｎでの摩擦力で従動回転する様に配置してある。また加圧ローラ２は定着ローラ１の回転軸の径方向にバネなどを用いた図示しない機構によって加圧されている。加圧ローラ２は約２９４Ｎ（約３０［Ｋｇ重］）で荷重されており、その場合、圧接部Ｎの幅（ニップ幅）は約６［ｍｍ］になる。しかし都合によっては荷重を変化させてニップ幅を変えてもよい。
【００１９】
定着ローラ１の中空部には、加熱源として、励磁コイル３とＴ型コア４を備える電磁誘導発熱性部材１１が配置されている。本実施例では、第１のコア４０１及びニップ部方向に磁力線を導く第２のコア４０２によりＴ型コア４を形成し、励磁コイル３を定着ローラ１の内面に沿わせるように近接配置している。励磁コイル３はコア４に巻き付ける様にＰＰＳ，ＰＥＥＫ、フェノール樹脂等の耐熱性樹脂からなるホルダー５の内部に配設されている。
【００２０】
上記定着ニップ部内での加熱原理を図２で説明する。
【００２１】
励磁回路１６によって励磁コイル３に印加される電流で発生する磁束は、高透磁率コア４に導かれて定着ローラ１の芯金に磁束４３と渦電流４４を発生させる。この渦電流４４と定着ローラの固有抵抗によって熱が発生する。一例として、励磁コイル３には１０〜１００［ｋＨｚ］の交流電流が印加される。交流電流によって誘導された磁界は導電層である定着ローラ１の内面に渦電流を流し、ジュール熱を発生させる。この発熱を増加させるためには励磁コイル３の巻き数を増やしたり、Ｔ型コア４をフェライト、パーマロイといった高透磁率で残留磁束密度の低いものを用いたり、交流電流の周波数を高くすると良い。
【００２２】
温度センサー６は定着ローラ１の表面の長手方向中央部に当接するように配置され、温度センサー６の検出信号をもとにＣＰＵ及びＲＯＭやＲＡＭなどのメモリなどからなる制御部（図示せず）によって励磁コイル３への電力供給を増減させることで、定着ローラ１の表面温度が所定の一定温度になる様自動制御される。温度センサー６として、例えばサーミスタが用いられる。
【００２３】
断熱部材３０は定着ローラ１と加圧ローラ２とが圧接するニップ部を除いた範囲に、定着ローラ１と近接してその外周面を覆うように図示しない支持機構によって支持されている。この断熱部材３０は熱伝導性の異なる３つの層からなる積層構造をしており、定着ローラ１に近接した熱伝導層３１とその外側に接着された第１断熱層３２、さらにその外側に形成された第２断熱層３３、およびこれらを密着して一体として支持する枠体３４より構成されている。この断熱部材３０の定着ローラ１と対向する面は、該定着ローラの周面と０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの距離をおいて近接するような曲率を有している。
【００２４】
第１断熱層３２としては、２２０℃までの高い耐熱温度を有する厚さ２．０ｍｍのポリエチレンテレフタレート発泡体が用いられ、第２断熱層３３としては平均厚さが４ｍｍで約０．０３５Ｗ／ｍ℃（０．０３ｋｃａｌ／ｍＨｒ℃）以下の低熱伝導率のポリプロピレン発泡体が用いられる。熱伝導層３１は厚さ約３ｍｍのアルミが用いられており、定着ローラ１に対向する面はシリコーン樹脂等からなる黒色耐熱塗料で黒塗りされている。
【００２５】
次に上記定着装置の動作について、説明する。未定着のトナー画像８を担持している転写材（記録材）９は搬送ガイド７により矢印にて示すＰ方向に搬送され、入口ガイド２０に案内され、回転作動状態の定着ローラ１と加圧ローラ２との圧接部（ニップ部）Ｎに挟持されて画像は加熱定着される。定着後の転写材９は定着ローラ１に先端が接するように配置された分離爪１０により定着ローラ１から剥され、排紙下ガイド２１及び排紙上ガイド２２により案内されて、上排紙ローラ２３と下排紙ローラ２４により送られ定着装置から排紙される。
【００２６】
このような定着装置では、断熱部材３０が定着ローラ１の周面に近接して設けられており、この断熱部材３０は第１、第２の二つの断熱層３２，３３の断熱効果により、定着ローラ１からの熱放射を抑える優れた放熱防止効果を発揮する。さらに定着ローラ１の予熱状態にあっては、熱伝導層３１の伝熱作用により、該ローラの円周方向の温度分布差を小さくでき、定着ローラ１の周方向の温度ムラを解消することが出来る。
【００２７】
次に本形態例の定着装置および比較の為の定着装置を用いて予熱状態における定着ローラ１の温度分布を測定した実験について説明する。
【００２８】
（実験条件）
この実験では図１に示す断熱部材３０を定着ローラ１近傍に配置した場合（実施例）、熱伝導層３１のかわりに、定着ローラと近接する面にアルミ箔等の熱反射性が高い薄膜を備えたのものを配置した場合（比較例１）、および断熱部材を有さない場合（比較例２）の３者を比較した。定着ローラ内部のコア配置はＴ型配置としている。この場合、定着ローラ近傍の磁束は図３のようになっており、定着ローラ芯金に発生する熱の分布は図４のようになる。サーミスタ６で検知される温度が１８０℃になるように制御された電力が誘導コイル３に印加されるように高周波電流を作用させ、約１５分ほど予熱させた後の定着ローラ表面の温度を図５に示す１２点で測定した。
【００２９】
この実験の結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１によれば本実施例のように断熱部材が定着ローラと対向する面に黒色塗装した熱伝導部材（熱伝導層）を配した場合、定着ローラの円周方向で温度分布の差が５℃（例えば、１８０℃−１７５℃）以下と少ないのに対して、熱伝導部材の代わりに反射率の高いアルミ箔を配置した比較例１の場合、約１５℃（例えば、１８０℃−１６５℃）ほどの温度ムラが生じる。さらに断熱部材を配さない比較例２の場合は、最大で２５℃（例えば、１７９℃−１５４℃）もの温度ムラが生じており、予熱終了後に温度ムラが解消するまでに３０秒以上の空回転を要した。また空回転を開始する際に定着ローラが不規則な回転をし、温度ムラを解消させずに記録材としての紙を搬送させると紙しわが生じた。
【００３２】
比較例１のように温度差が１５℃ほどの場合でも、温度ムラが解消するためには１０秒ほどを要し、ファーストコピーが出力されるまでの時間が長く要されることになる。
【００３３】
本実施例において、熱伝導層３１は比較的肉厚なアルミ板を用いたが、アルミ以外にも、セラミックス、銅などを用いてもかまわないが熱伝導率が１Ｗ／ｍ℃以上のものが好ましい。またアルミ板の厚さとしては１ｍｍ以上のものを用いることが望ましい。
【００３４】
また、本実施例の定着装置に用いた断熱部材３０は比較例１の定着装置に用いた断熱部材と比べて、断熱性能が劣ることはない。
【００３５】
本形態例に示す定着装置においては、電磁誘導発熱性部材１１で定着ローラ１の円筒形状の円周上一部分を予熱したときの該ローラからの熱放射を断熱部材３０の断熱層３２，３３で抑えて放熱を防止し、その熱を断熱部材の熱伝導層３１に伝える。このときの熱伝導層による伝熱作用によって上記ローラの周方向の温度分布差が小さくなり、よって、定着ローラの温度ムラが解消される。したがって、予熱中に定着ローラを回転しなくても、通紙初期における紙しわや画像不良の発生を防止することができる。
［実施の形態２］
次に、本発明の他の実施の形態を図６、図７に基づいて説明する。図６及び図７は、本発明の実施の形態２に係る定着装置の概略構成を示す断面図である。なお、図中前記実施の形態１と同一のものは同一番号を付して説明は省略する。
【００３６】
本形態例では、加熱源としてハロゲンヒータ１１０を用いたものである。図６においては定着ローラ１の中空部にハロゲンヒータ１１０及び反射笠１１１を配置し、該ハロゲンヒータから発せられた光を反射笠１１１により定着ローラの内周面においてニップ部Ｎ手前の一部分に集光させたものである。また、図７は定着ローラ１の中空部にハロゲンヒータ１１０、反射鏡１１２及びレンズ１１３を配置し、該ハロゲンヒータ１１０から発せられた光を反射鏡１１２で反射させた後、レンズ１１３により定着ローラの内周面においてニップ部Ｎに対応する部分に集光させたものである。いずれの定着装置においても、断熱部材３０の定着ローラ側には熱伝導層３１が介在する。このような構成の定着装置においても、前述した実施の形態１の定着装置と同様な作用を得ることができ、よって、予熱状態における定着ローラ１の温度ムラを解消できる。
【００３７】
［実施の形態３］
図８は、本発明の実施の形態３に係る定着装置の概略構成を示す断面図である。なお、図中前記実施の形態と同一のものは同一番号を付して説明は省略する。本形態例において断熱部材３０は予熱状態のときに定着ローラ１近傍に近接するが、コピー時及びオフ時には定着ローラ１から離れる構成をとる。一構成例として、断熱部材３０を定着ユニットフレームに任意の機構を介して移動可能に取り付け、該機構により定着ローラ１の予熱時に断熱部材３０を定着ローラ１に近接させ、コピー時及びオフ時には断熱部材３０を定着ローラ１から離隔させる構成とすることができる。これにより、断熱部材３０の放熱防止効果によって立ち上げ時間が短縮され、通紙時電力が削減できるとともに、同部材３０の熱伝導層３１による伝熱作用によって予熱時の定着ローラ１の周方向の温度ムラを解消することができる。
〔その他〕
ａ）加熱源としては例示の電磁誘導発熱性部材１１やハロゲンヒータ１１０に限られるものでなく、その他、例えば、セラミックヒータ、ＳＵＳヒータなどを適宜用いることもできる。
【００３８】
ｂ）加圧部材は、例示のローラ体の代わりに、エンドレスベルト体にすることもできる。
【００３９】
ｃ）本発明の加熱装置は実施形態例の定着装置としてに限らず、画像を担持した記録材を加熱してつや等の表面性を改質する像加熱装置、仮定着する像加熱装置、その他、被加熱材の加熱乾燥装置、加熱ラミネート装置など、広く被加熱材を加熱処理する手段・装置として使用できる。
【００４０】
以上、本発明の様々な例と実施例が示され説明されたが、当業者であれば、本発明の趣旨と範囲は本明細書内の特定の説明と図に限定されるのではなく、本願特許請求の範囲に全て述べられた様々の修正と変更に及ぶことが理解されるであろう。
【００４１】
本発明の実施態様の例を以下に列挙する。
【００４２】
〔実施形態１〕加熱部材と、前記加熱部材に対し圧接しニップ部を形成する加圧部材と、前記加熱部材近傍にあり前記加熱部材を加熱する加熱源と、前記加熱部材からの熱放射を抑える断熱部材とを有する加熱装置であって、前記加熱源は前記加熱部材の円筒形状の円周上一部分のみを加熱し、前記断熱部材は、前記加熱部材の近傍に熱伝導層を有することを特徴とする加熱装置。
【００４３】
上記構成によれば、前記加熱源で加熱部材の円筒形状の円周上一部分のみを加熱（予熱）したときの該加熱部材からの熱放射を断熱部材で抑えて放熱を防止し、その熱が該断熱部材の熱伝導層に伝わる。この熱伝導層の伝熱作用により加熱部材の周方向の温度分布差を小さくすることができ、よって、予熱状態における加熱部材の温度ムラが解消される。
【００４４】
〔実施形態２〕前記加熱部材は、薄肉円筒状に形成されていることを特徴とする実施形態１に記載の加熱装置。
【００４５】
〔実施形態３〕前記加熱部材は、誘導電流により発熱し、前記加熱源は電力を入力することで磁束を発生させる磁束発生手段であることを特徴とする実施形態１または２に記載の加熱装置。
【００４６】
上記構成によれば、予熱状態における加熱部材周方向の温度ムラを解消した、加熱効率の高い加熱装置を得ることができる。
【００４７】
〔実施形態４〕前記熱伝導層の加熱部材に対向する面が黒色であることを特徴とする実施形態１乃至３のいずれかに記載の加熱装置。
【００４８】
上記構成によれば、熱伝導層と加熱部材の間の熱交換が促進されるため、加熱部材の周方向の温度ムラの解消効果を高めることができる。
【００４９】
〔実施形態５〕前記熱伝導層は厚みが１ｍｍ以上５ｍｍ以下のアルミニウムまたは銅により形成されることを特徴とする実施形態１乃至４のいずれかに記載の加熱装置。
【００５０】
上記構成によれば、簡易に、加熱部材の周方向の温度ムラの解消効果を得ることができる。
【００５１】
〔実施形態６〕所定温度に加熱された加熱部材を保温する断熱部材であって、加熱部材の近傍に熱伝導層を有することを特徴とする断熱部材。
【００５２】
上記断熱部材によれば、加熱部材を断熱保温でき、予熱状態における加熱部材の周方向の温度ムラを解消できる。
【００５３】
〔実施形態７〕前記熱伝導層の加熱部材に対向する面が黒色であることを特徴とする実施形態６に記載の断熱部材。
【００５４】
上記断熱部材によれば、熱伝導層と加熱部材の間の熱交換を促進できるので、加熱部材の周方向の温度ムラの解消効果の向上を図れる。
【００５５】
〔実施形態８〕前記熱伝導層は厚みが１ｍｍ以上５ｍｍ以下のアルミニウムまたは銅により形成されることを特徴とする実施形態６または７に記載の断熱部材。
【００５６】
上記断熱部材によれば、簡易に、加熱部材の周方向の温度ムラの解消効果を得ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の加熱装置によれば、加熱部材と、前記加熱部材に対し圧接しニップ部を形成する加圧部材と、前記加熱部材近傍にあり前記加熱部材を加熱する加熱源と、前記加熱部材からの熱放射を抑える断熱部材とを有する加熱装置であって、前記加熱源は前記加熱部材の円筒形状の円周上一部分を加熱し、前記断熱部材は、前記加熱部材の近傍に熱伝導層を有するので、予熱状態における加熱ローラの周方向の温度ムラを解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる定着装置の概略断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる定着装置の加熱原理を説明する図である。
【図３】実施の形態１にかかる定着装置の発熱時の磁力分布を示した模式図である。
【図４】実施の形態１にかかる定着装置の予熱時の温度分布を示した模式図である。
【図５】実施の形態１にかかる定着装置と比較例の定着装置との温度測定点を示した模式図である。
【図６】実施の形態２にかかる定着装置の概略断面図である。
【図７】実施の形態２にかかる定着装置の概略断面図である。
【図８】実施の形態３にかかる定着装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１：定着ローラ、２：加圧ローラ、３：誘導コイル、４：励磁コア、
６：サーミスタ、１１：電磁誘導発熱性部材、３０：断熱部材、
３１：熱伝導層、３２：第１断熱層、３３：第２断熱層、
３４：枠体、１１０：ハロゲンヒータ、１１１：反射笠、
１１２：反射鏡、１１３：レンズ
【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】
2004258100.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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