(57)【要約】【課題】加熱ローラの昇温特性を低下させず、熱効率が高く、短時間で所定の定着可能温度に昇温させることができる定着装置を提供する。【解決手段】加熱ローラ１０は円筒状の芯金１１の上に、断熱体層１２、抵抗発熱基材層１５、弾性体層１７、および離型層１８の各層が多層に積層された構成を備える。一方、加圧ベルト２０はベルト基材層の上に弾性体層、離型層の各層が多層に積層された構成を備え、加圧パッド２５で加熱ローラ１０に押圧される。加熱ローラの熱はローラ表面に効率よく伝達され、加圧ベルトもその内側に配置される加圧パッド２５に伝達されにくいから、加熱ローラの昇温特性を低下させず、短時間で所定の定着可能温度に昇温させることができる。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも芯金の上に配置された断熱体層を介して発熱体層が積層配置された多層の積層構造を備えた加熱ローラと、
少なくともベルト基材層の上に配置された断熱体層を介して弾性体層が積層配置された多層の積層構造を備えた加圧ベルトと
を備えたことを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記発熱体層は、抵抗発熱体層を備えていることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項３】
前記発熱体層は、誘導加熱発熱体層を備えていることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項４】
前記発熱体層は、多層の積層構造を支持する基材層を兼ねていることを特徴とする請求項２又は３記載の定着装置。
【請求項５】
前記加圧ベルトは環状の加圧ベルトで、その内側に加圧ベルトを加熱ローラに押圧する押圧部材が配置されていること
を特徴とする請求項１記載の定着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子写真方式の複写機やプリンタ等の画像形成装置に使用される定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子写真方式の複写機やプリンタ等の画像形成装置では、感光体を均一に帯電させ、その上に画像を露光して画像潜像を形成する。そして形成された画像潜像をトナーで現像して画像のトナー像を形成し、これを記録媒体に転写し、、或いは中間転写ベルトに転写した上でさらに記録媒体に転写し、記録媒体に転写されたトナー像を定着装置により加熱定着処理して画像形成が行われる。
【０００３】
この種の定着装置では、従来は内部に熱源を備えた加熱ローラと加圧ローラとから構成されるローラ定着装置が一般的であったが、このようなローラ定着装置では、実際に定着処理が行われる加熱ローラと加圧ローラとの接触部であるニップ部の幅を十分に確保するためには、ローラ径を大きくすると共に、ニップ部に十分な荷重を加える必要がある。
【０００４】
このためには、ローラの剛性を維持するためにローラの芯金に十分な厚みのあるものを使用することになるが、これが加熱ローラの熱容量を増大させるので短時間で定着可能な温度に上昇させることが困難であった。
【０００５】
この対策として、熱容量の小さい定着ベルトを使用する定着装置が提案されている。定着ベルトを加熱するためには内部にハロゲンランプ等の熱源を備えた金属ローラに定着ベルトを巻き掛け、金属ローラから定着ベルトに熱を伝達するもの、定着ベルトを直接誘導加熱するもの等がある。
【０００６】
また、加熱ローラに抵抗発熱層を設けるもの（特許文献１、特許文献２参照）や、加熱ローラに電磁誘導により発熱するニッケル材或いは磁性ステンレス材等からなる発熱層を設けて、電磁誘導加熱により発熱層を加熱するもの等も提案されている（特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−５２７７４号公報。
【０００８】
【特許文献２】
特開２０００−１８１２６０号公報。
【０００９】
【特許文献３】
特開２０００−２１４７１４号公報。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した定着ベルトに熱を伝達するもの、定着ベルトを直接誘導加熱するもの、或いは加熱ローラ自体に発熱層を設けて加熱する構成の加熱ローラ等においても、定着圧を加えるために定着ベルトに加圧ローラを接触させると、加圧ローラが定着ベルトから熱を奪ってしまうため、定着ベルト或いは加熱ローラの昇温特性を低下させてしまうという不都合があった。この発明は、上記課題を解決することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、少なくとも芯金の上に配置された断熱体層を介して発熱体層が積層配置された多層の積層構造を備えた加熱ローラと、少なくともベルト基材層の上に配置された断熱体層を介して弾性体層が積層配置された多層の積層構造を備えた加圧ベルトとを備えたことを特徴とする定着装置である。
【００１２】
そして、前記発熱体層は、抵抗発熱体層を備えたものとすることができ、また、前記発熱体層は、誘導加熱発熱体層を備えたものとすることもできる。
【００１３】
そして、前記発熱体層は、多層の積層構造を支持する基材層を兼ねるように構成することができる。
【００１４】
また、前記加圧ベルトは環状の加圧ベルトで、その内側に加圧ベルトを加熱ローラに押圧する押圧部材が配置されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を説明する。この発明の実施の形態の定着装置は加熱ローラと、加圧ベルトとから構成されるものである。まず、複数の実施の形態がある加熱ローラの構成を説明し、続いて加圧ベルトの構成、そして加熱ローラと加圧ベルトとで構成される定着装置について説明する。
【００１６】
図１は、この発明の第１の実施の形態の加熱ローラ１０の層構成を説明する断面図である。加熱ローラ１０は、円筒状の芯金１１の上に、断熱体層１２、抵抗発熱体層１３、基材層１４、弾性体層１７、および離型層１８の各層が、この順序で多層に積層された構成を備えている。
【００１７】
芯金１１は、必要とされる剛性を確保できる厚みを備えた鉄或いはアルミニウムから構成される円筒体である。断熱体層１２は、抵抗発熱体層１３で発熱した熱が芯金１１に伝達されることを防ぎ、熱が効率よく加熱ローラ１０の表面に伝達されるようにするものであり、また、抵抗発熱体層１３を芯金１１から電気的に絶縁する機能が要求されるから、シリコンゴムのスポンジが使用される。この他、発泡セラミック材なども利用することができる。
【００１８】
抵抗発熱体層１３は、電流の供給によりジュール熱を発生する層で、耐熱性が２００℃以上、好ましくは３００℃以上で、体積抵抗値が１０−３〜１０７  Ω・ｃｍ、好ましくは１０−１〜１０１  Ω・ｃｍの範囲のものである。
【００１９】
抵抗発熱体層１３を構成する材料は、導電性セラミック、導電性カーボン、金属粉体等の種々の導電性材料と、絶縁性セラミックや耐熱性樹脂等の絶縁性材料とをそれぞれ１乃至数種類混合し、若しくは化合して構成され、所定の体積抵抗値となるように導電性材料を調整する。
【００２０】
この実施の形態では、導電性材料として、Ｃ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｗ、Ｉｎ等のカーボンや金属材料の他、ＶＯ２  、Ｒｕ２  Ｏ、ＴａＮ、ＳｉＣ、ＺｒＯ２  、ＩｎＯ、Ｔａ２  Ｎ、ＺｒＮ、ＮｂＮ、ＶＮ、ＴｉＢ２  、ＺｒＢ２  、ＨｆＢ２  、ＴａＢ２  、ＭｏＢ２  、ＣｒＢ２  、Ｂ４  Ｃ、ＭｏＢ、ＺｒＣ、ＶＣ、ＴｉＣ等の化合物が挙げられる。
【００２１】
また、耐熱性樹脂としては、ポリイミド樹脂、ポリアラミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリイミドアミド樹脂、ポリエステル−イミド樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリ−ｐ−キシリレン樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂、或いはこれらの誘導体よりなる樹脂や種々の変性樹脂を挙げることができる。
【００２２】
さらに、抵抗値制御や結着のために使用される絶縁性材料としては、ＡｌＮ、ＳｉＮ４  、Ａｌ２  Ｏ３  、ＭｇＯ、ＶＯ２  、ＳｉＯ２  、ＺｒＯ２  、Ｂｉ２  Ｏ３  、ＴｉＯ２  、ＭｏＯ２  、ＷＯ２  、ＮｂＯ２  、ＲｅＯ３  等のセラミック材料や上記耐熱性樹脂が使用される。
【００２３】
抵抗発熱体層を構成する好ましい材料としては、例えば、カーボン分散ポリイミド樹脂、Ｎｉ粉体分散シリコーン樹脂、Ｔａ−ＳｉＯ２  混合セラミック材、Ｒｕ−ＳｉＯ２  材などが挙げられる。抵抗発熱体層の膜厚は通常２０μｍ以下、好ましくは１〜５μｍの範囲がよい。膜厚が２０μｍを越えると入力電力に対する発熱効率が低下してエネルギー消費が増大するという不都合が生じる。
【００２４】
基材層１４は、抵抗発熱体層１３、弾性体層１７、離型層１８を形成するベースとなる層である。基材層１４の材料は、抵抗発熱体層１３を絶縁する必要からポリイミド樹脂及びその変性化合物、ポリアラミド樹脂及びその変性化合物、若しくはシリコーン樹脂及びその変性化合物などのポリマー、或いはこれらのものを主成分とする材料を主体とする。
【００２５】
基材層１４の厚さは、必要とする熱伝導性や機械的強度などの条件を満たすために３０〜１００μｍの範囲内にあることが好ましい。また、基材層１４の体積抵抗値は１×１０５  Ω・ｃｍ以上、好ましくは１×１０８  Ω・ｃｍ以上、さらに１×１０１５Ω・ｃｍ以上であるものがよい。
【００２６】
弾性体層１７は、ゴム硬度の低い柔らかいものが好ましく、例えばＪＩＳ−Ａ硬度１〜７０度、好ましくは５〜４０度のシリコーンゴムなどが好適である。弾性体層１７の厚さは、好ましくは５０〜５００μｍ、さらに好ましくは１００〜３００μｍの範囲内である。
【００２７】
弾性体層１７の厚さが５０μｍより薄い場合は、定着ベルトに十分な弾性が付与されないため、トナーを包み込むように定着させることができず、従ってトナーを均一に溶融させることができないため、定着ムラや光沢ムラの原因になり、高い画像品質を得ることができない。また、熱容量が不足する場合があるので、トナー付着量が多いカラー画像の定着処理では、十分にトナーを溶融させることができず、定着不良の原因となる場合がある。
【００２８】
弾性体層１７の厚さが５００μｍより厚い場合は、定着ベルトの熱応答性が損なわれるので好ましくない。
【００２９】
弾性体層１７の体積抵抗値は１×１０５  Ω・ｃｍ以上、好ましくは１×１０８  Ω・ｃｍ以上、さらに１×１０１２・ｃｍ以上であるものがよい。弾性体層１７の熱伝導率は、表面への熱伝達を良好にするために、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらに好ましくは０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるものがよい。ただし、画質よりも熱特性を優先する場合は弾性体層を設けなくともよい。
【００３０】
離型層１８は、例えばＰＴＦＥ、ＰＦＡ、或いはＦＥＰなどのフッ素樹脂が好適であり、或いはこれらの樹脂を２種以上混合したものも同様に使用することができる。離型層１８の厚さは、好ましくは５〜５０μｍ、さらに好ましくは１０〜３０μｍの範囲内である。
【００３１】
離型層１８の厚さが５μｍより薄い場合は耐久性が低下し、５０μｍより厚い場合は弾性体層１７を設けた効果がなくなり、共に好ましくない。
【００３２】
図２は、この発明の第２の実施の形態の加熱ローラ１０の層構成を説明する断面図である。第２の実施の形態の加熱ローラ１０は、図１に示す第１の実施の形態の基材層１４と抵抗発熱体層１３とを一体とした抵抗発熱基材層１５を設け、抵抗発熱体層１３と基材層１４を省いたものである。図１に示す第１の実施の形態のものと同一の層には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３３】
この構成では、抵抗発熱基材層１５が抵抗発熱体でもあるので、ポリイミドなどの絶縁性樹脂に導電性材料を分散させたもので抵抗発熱基材層１５を構成するもの、ポリイミドなどの絶縁性樹脂で構成した基材の表面にニッケル、ステンレス等の薄膜を接着して抵抗発熱基材層１５を構成するもの、或いはニッケル、ステンレス等の薄膜の両面にポリイミドなどの絶縁性樹脂で構成した被膜を設けて抵抗発熱基材層１５を構成するもの等がある。
【００３４】
図３は、この発明の第３の実施の形態の加熱ローラ１０の層構成を説明する断面図である。第３の実施の形態の加熱ローラ１０は、誘導加熱で発熱する誘導加熱基材層１６を設けたものである。図１に示す第１の実施の形態の基材層１４と抵抗発熱体層１３とに代えて誘導加熱基材層１６を設けたもので、図１に示す第１の実施の形態のものとは、誘導加熱基材層１６が相違するだけで、その他の層は変わらないので、図１に示す第１の実施の形態のものと同一の層には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３５】
誘導加熱基材層１６は、誘導加熱により発熱する層でもあるので、ポリイミドなどの絶縁性樹脂に誘導加熱により発熱する材料、例えばニッケル、ステンレス等の磁性材の粉体を分散させたもので誘導加熱基材層１６を構成するもの、ポリイミドなどの絶縁性樹脂で構成した基材の表面にニッケル、ステンレス等の誘導加熱により発熱する磁性材薄膜を接着して誘導加熱基材層１６を構成するもの、ニッケル、ステンレス等の誘導加熱により発熱する磁性材薄膜の両面にポリイミドなどの絶縁性樹脂で構成した被膜を設けて誘導加熱基材層１６を構成するもの等がある。
【００３６】
次に、加圧ベルトの構成を説明する。
【００３７】
図４は、この発明の実施の形態の加圧ベルトの構成を示す断面図である。加圧ベルト２０は、ベルト基材層２１、弾性体層２２、および離型層２３の各層が、この順序で多層に積層された構成を備えている。
【００３８】
ベルト基材層２１は、ポリイミド樹脂及びその変性化合物、ポリアラミド樹脂及びその変性化合物、若しくはシリコーン樹脂及びその変性化合物などのポリマー、或いはこれらのものを主成分とする材料を主体として構成される。
【００３９】
ベルト基材層２１の厚さは、必要な熱伝導性や機械的強度などの条件を満たすために３０〜１００μｍの範囲内にあることが好ましい。また、ベルト基材層２１の体積抵抗値は１×１０５  Ω・ｃｍ以上、好ましくは１×１０８  Ω・ｃｍ以上、さらに１×１０１５Ω・ｃｍ以上であるものがよい。
【００４０】
弾性体層２２は、ゴム硬度の低い柔らかいものが好ましく、例えばＪＩＳ−Ａ硬度１〜７０度、好ましくは５〜４０度のシリコーンゴムなどが好適である。弾性体層２２の厚さは、好ましくは５０〜５００μｍ、さらに好ましくは１００〜３００μｍの範囲内である。
【００４１】
また、弾性体層２２の体積抵抗値は１×１０５  Ω・ｃｍ以上、好ましくは１×１０８  Ω・ｃｍ以上、さらに１×１０１２Ω・ｃｍ以上であるものがよい。弾性体層２２の熱伝導率は表面への熱伝達を良好にするため、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上、好ましくは０．２Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらに好ましくは０．３Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるものがよい。ただし、画質よりも熱特性を優先する場合は弾性体層を設けなくともよい。
【００４２】
離型層２３は、例えばＰＴＦＥ、ＰＦＡ、或いはＦＥＰなどのフッ素樹脂が好適であり、或いはこれらの樹脂を２種以上混合したものも同様に使用することができる。離型層２３の厚さは、好ましくは５〜５０μｍ、さらに好ましくは１０〜３０μｍの範囲内である。
【００４３】
図５は、先に第２の実施の形態として説明した加熱ローラ１０と、加圧ベルト２０とで構成した定着装置３０の構成を説明する断面図である。加熱ローラ１０は抵抗発熱基材層１５を備えた層構成のものである。また、加圧ベルト２０は、加圧パッド２５により加熱ローラ１０に押圧される。
【００４４】
加圧パッド２５は、加熱ローラ１０から加圧ベルト２０を経由して加圧パッド２５が奪う熱量を小さくするため、加圧ベルト２０側は断熱性材料であることが望ましい。例えば、セラミック、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの耐熱樹脂、シリコンゴム等が挙げられる。
【００４５】
この構成の定着装置３０は、図示しない駆動装置により加熱ローラ１０を駆動し、加熱ローラ１０の回転により加圧ベルト２０が移動する。駆動時に加圧ベルト２０の滑りが大きいと画像乱れが発生するため、特に加圧ベルト２０の内側に加圧パッド２５を配置し、加圧ベルト２０の内面が加圧パッド２５の表面を摺動する構成の場合は、接触面の摩擦状態に留意する必要がある。加圧ベルト２０の内面の摩擦係数を低くするほか、加圧パッド２５の表面をＰＦＡ、ＰＴＦＥなどのフッ素樹脂等の摩擦係数の小さい被膜で被覆したり、低摩擦係数の摺動シートを加圧ベルト２０と加圧パッド２５との接触面に挿入するなどの工夫が必要である。さらに、摩擦係数を低くする手段として、グリースやオイルを摺動面に塗布することも有効である。
【００４６】
図６は、先に第３の実施の形態形態として説明した加熱ローラ１０と、加圧ベルト２０とで構成した定着装置４０の構成を説明する断面図である。加熱ローラ１０は誘導加熱基材層１６を備えた層構成のものである。加熱ローラ１０の誘導加熱材に渦電流を発生させるための電磁誘導コイル２８は、加熱ローラ１０の外側に配置するものとする。また、加圧ベルト２０は、インナーローラ２７により加熱ローラ１０に押圧される。
【００４７】
インナーローラ２７は、加熱ローラ１０から加圧ベルト２０を経由してインナーローラ２７が奪う熱量を小さくするため、加圧ベルト２０側は断熱性材料であることが望ましい。例えば、鉄、アルミニウムなどで構成されたインナーローラ２７の表面を、セラミック、シリコンゴム等で被覆するのがよい。
【００４８】
図５に示す定着装置３０では抵抗発熱基材層１５を備えた加熱ローラ１０と加圧パッド２５とを組み合わせ、図６に示す定着装置４０では誘導加熱基材層１６を備えた加熱ローラ１０とインナーローラ２７とを組み合わせているが、定着装置はこの組み合わせに限られるものではなく、両者を入れ替えてもよいことは言うまでもない。
【００４９】
上記したこの発明の実施の形態には、以下に記載する発明も含まれる。
（１）請求項１記載の定着装置において、加熱ローラの発熱体層は、導電性材料と絶縁性材料との混合物又は化合物で構成されることを特徴とする定着装置。
（２）請求項１記載の定着装置において、加熱ローラの発熱体層は、絶縁性樹脂で構成した基材の表面に磁性材の薄膜を接着して構成されることを特徴とする定着装置。
（３）請求項１記載の定着装置において、加熱ローラの発熱体層は、磁性材の薄膜の両面に絶縁性樹脂被膜を設けて構成されることを特徴とする定着装置。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳細に説明したとおり、この発明に係る定着装置は、少なくとも芯金の上に配置された断熱体層を介して発熱体層が積層配置された多層の積層構造を備えた加熱ローラと、少なくともベルト基材層の上に配置された断熱体層を介して弾性体層が積層配置された多層の積層構造を備えた加圧ベルトとを備えたことを特徴とするものである。
【００５１】
この構成により、加熱ローラの熱は芯金側には伝達されにくく、ローラ表面に効率よく伝達される。また、加熱ローラに接触する加圧ベルトもその内側に配置される押圧部材には伝達されにくいから、加熱ローラの昇温特性を低下させず、熱効率が高く、短時間で所定の定着可能温度に昇温させることができる定着装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の加熱ローラの層構成を説明する断面図。
【図２】第２の実施の形態の加熱ローラの層構成を説明する断面図。
【図３】第３の実施の形態の加熱ローラの層構成を説明する断面図。
【図４】加圧ベルトの構成を示す断面図。
【図５】定着装置の構成を説明する断面図（その１）。
【図６】定着装置の構成を説明する断面図（その２）。
【符号の説明】
１０  加熱ローラ
１１  芯金
１２  断熱体層
１３  抵抗発熱体層
１４  基材層
１５  抵抗発熱基材層
１６  誘導加熱基材層
１７  弾性体層
１８  離型層
２０  加圧ベルト
２１  ベルト基材層
２２  弾性体層
２３  離型層
２５  加圧パッド
２７  インナーローラ
２８  電磁誘導コイル
３０  定着装置
４０  定着装置
【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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