(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
未定着現像剤を表面に担持した記録材に接触しながら熱定着する、熱源としてハロゲンヒータを内装した加熱ローラであって、
該加熱ローラを構成するローラ体中に少なくとも結晶化グラファイトシートからなる熱伝導層を備え、上記結晶化グラファイトシートは、ローラ体の周方向で隙間を持たせるよう分割して配置されていることを特徴とする加熱ローラ。
【請求項２】
上記結晶化グラファイトシートは、ローラ体の長手方向で複数に分割されて配置されていることを特徴とする請求項１記載の加熱ローラ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の加熱ローラを用いる定着装置であって、
上記加熱ローラに対向配置されて記録材を加熱ローラに向け圧接ながら搬送可能な圧接手段とを備え、
上記加熱ローラは、上記記録材との非接触部分の熱を上記記録材との接触部分へ移動させる構成を備えていることを特徴とする定着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱ローラおよびこれを用いた定着装置に関し、さらに詳しくは、加熱効率を向上させて定着性を改善するための構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、複写機やプリンタなどの画像形成装置においては、転写シートなどの記録材上に転写されたトナー像を定着して記録物が得られるようになっている。
このため、画像形成装置には、転写後に記録材上のトナー像を定着するための定着装置が設けられ、定着装置には、トナーを軟化溶融させて定着可能な熱ローラ方式を採用したものがある。
【０００３】
定着装置の構成としては、一対のローラを備え、一方のローラが内部に熱源を有する加熱ローラとされ、他方のローラがシートを加熱ローラに向けて加圧する加圧ローラとされた構成がある。
加熱ローラは、内部にヒータを備えた肉厚２ｍｍ以上の金属製ローラであり、加圧ローラは、表面にゴムなどの弾性層を備えた金属性のローラであることが基本的な構成として知られている。
加熱ローラに加圧ローラを当接させることで両ローラの当接位置にシートの挟持が可能なニップ部を形成し、そのニップ部において加熱ローラからの伝熱によって記録紙やＯＨＰなどの記録材上に担持されているトナーを融着することができる。
【０００４】
しかし、このような構成の加熱ローラを備えた定着装置では、加熱ローラでの熱容量がきわめて大きい。このため、ローラの表面温度が所定の定着温度に達するまでの立ち上げに数分の時間が必要となり、画像出力動作を速やかに実行することができない場合があった。
【０００５】
画像出力動作を速やかに実行するためには、例えば、定着装置の非使用時においても加熱ローラの表面温度をある程度の温度、この場合には、定着持の温度よりもわずかに低くなる温度に維持する待機時余熱を行うことが必要となるが、消費電力の増加を招く虞がある。
【０００６】
消費電力の増加を招かないようにして画像出力動作を速やかに行うようにする方法として、ローラの肉厚を薄くすることで熱容量を小さくし、定着温度までの立ち上げ時間を短くする方式がある。このような薄肉ローラを用いる方式では、加熱ローラとして肉厚が１ｍｍ以下というきわめて薄い金属製のローラが用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
定着装置の加熱ローラによって定着されるトナーを担持した記録材は、サイズが種々あり、これら複数種類のサイズのシートに対して加熱ローラは常時同じ条件で稼働し、その表面温度を所定の定着温度に維持するようになっている。
【０００８】
しかし、上記両ローラ同士が接触しているニップ部において記録材がローラと接触する範囲、時にローラの軸方向で接触する範囲はシートサイズによって異なる。
例えば、最大Ａ３サイズの縦送りが可能な軸方向の長さ（通紙幅２９７ｍｍ）を有する加熱ローラを備えた定着装置の場合でいうと、Ａ４縦（幅２１０ｍｍ）や封筒（幅１０５ｍｍ）などの幅が狭い記録材を挟持搬送させると加熱ローラの軸方向で非通紙部分が発生してしまう。
記録材などの被加熱部材を連続的に挟持搬送していくと、加熱ローラの軸方向で記録材とローラとが接触しない非通紙部分では被加熱部材による熱の吸収が行われないためにその部分での温度が徐々に上昇する。このため、次のような問題が発生する虞があった。
【０００９】
小サイズの記録材を連続的に定着した場合には、そのサイズを外れた加熱ローラと加圧ローラとの接触位置の温度が極めて高くなる。このため、小サイズの記録材の搬送に次いで、そのサイズの記録材よりも大きなサイズの記録材を定着しようとした場合には、今まで高温となっていた非通紙部の領域に記録材上のトナーが接触するとトナーが溶融状態となり、いわゆる、ローラ表面に溶融トナーが転移してしまう現象であるホットオフセットが発生する。また、ホットオフセットが発生する箇所のローラ部分が耐熱温度を超えて破損してしまう虞もある。
【００１０】
非通紙部での異常な温度上昇を防止するため、加熱ローラ内のヒータを各サイズに対応した領域を加熱できるように複数配置する構成が考えられている。例えば、Ａ３サイズの記録材に対応するように約３００ｍｍの軸方向領域を加熱するヒータとＡ４サイズの記録材に対応するように約２１０ｍｍの軸方向領域を加熱するヒータとを設け、各サイズ毎にヒータを選択して非通紙部での温度上昇が起こらないように加熱することが考えられている。
【００１１】
またこれとは別に、不用意に非通紙部分の温度が上昇するのを防止するために、小サイズの記録材が所定枚数定着されると、それまでの搬送速度以下に切り替えるようにして非通紙部での温度上昇を抑制する構成も提案されている（例えば、特開平６−１８６８７５号公報）。
しかし、このような複数のヒータを用いた場合には選択的にヒータの動作状態を切り替える必要があり、ヒータの数が多くなることも含めて構成が複雑化したりコスト上昇を招く虞がある。
また搬送速度を切り替えるようにした場合においても上述した不具合に加えて定着のための搬送速度を低下させることで記録材の生産性が低下してしまうことにもなる。
【００１２】
一方、上述したローラ側での熱量調整に代えてローラの素材自体を熱伝導のよいものとし、具体的にはグラファイト製のローラ構造を用いることが提案されている（例えば、特開閉５−３０７３３３号公報）。
しかし、このようなローラは、グラファイト繊維を巻いて円筒状としているため、繊維同士は分離した状態であるのでローラの軸方向での熱伝導性に限界があり、しかも軸方向でのたわみ変形が生じやすいことから、加熱ローラとしての剛性や熱供給性を発揮することができない。
【００１３】
本発明の目的は、上記従来の加熱ローラおよびこれを用いた定着装置における問題に鑑み、非通紙部領域での異常な温度上昇を低減できるようにして温度分布を均一化することにより定着される記録材のサイズの違いに拘わらず、ホットオフセットや加熱ローラとしての剛性および熱供給性を良好なものとすることができる構成を備えた加熱ローラおよびこれを用いた定着装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、未定着現像剤を表面に担持した記録材に接触しながら熱定着する、熱源としてハロゲンヒータを内装した加熱ローラであって、該加熱ローラを構成するローラ体中に少なくとも結晶化グラファイトシートからなる熱伝導層を備え、上記結晶化グラファイトシートは、ローラ体の周方向で隙間を持たせるよう分割して配置されていることを特徴としている。
【００１９】
請求項２記載の発明は、上記結晶化グラファイトシートは、ローラ体の長手方向で複数に分割されて配置されていることを特徴としている。
【００２１】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の加熱ローラを用いる定着装置であって、上記加熱ローラに対向配置されて記録材を加熱ローラに向け圧接ながら搬送可能な圧接手段とを備え、上記加熱ローラは、上記記録材との非接触部分の熱を上記記録材との接触部分へ移動させる構成を備えていることを特徴としている。
【００２２】
【実施例】
以下、図示実施例により本発明の詳細を説明する。
図１は、本発明実施例による加熱ローラが用いられる定着装置の構成を示す模式図であり、同図において、定着装置１は、一対のローラを備えている。
一方のローラ２が記録材Ｓ上に担持されている未定着状態の現像剤であるトナーＴと接触する回転可能な加熱ローラであり、他方のローラ３が加熱ローラ３と対向当接して記録材Ｓを加熱ローラに向けて加圧しながら挟持搬送可能な加圧ローラである。
【００２３】
加熱ローラ２は、回転伝達手段４により記録材Ｓを搬送できる方向に回転できるようになっており、周面の一部に当接する加圧ローラ３を連動回転させることができる。
加圧ローラ３は、図示しない加圧手段により記録材Ｓを加熱ローラ２に向けて押圧しながら回転できるようになっており、加熱ローラ２との接触位置に記録材Ｓを挟持搬送するためのニップ幅Ｎが形成できるようになっている。
【００２４】
加熱ローラ２の構成としては、１ｍｍ以下の肉厚を有するパイプ状に形成された鉄やアルミニュウムからなるローラ体が用いられている。この構成としては、上記材料の他に、ガラスやセラミックスおよび耐熱性の樹脂などをローラ体全体あるいは部分的に用いることも可能である。また薄肉とすることに限らないことももちろんである。
加熱ローラ２の内部には、ハロゲンヒータなどの輻射熱により加熱する構成の熱源Ｈが配置されており、表面を所定の定着温度に設定できるようになっている。上記熱源Ｈとしては、ハロゲンヒータに限らず他の形式のものであってもよく、また、熱源Ｈは内蔵するだけでなく、ローラ体表層部に埋設して発熱層とすることも可能である。
【００２５】
加圧ローラ３の構成としては、アルミニュウムなどの金属製の芯金が用いられ、その表面にシリコンゴムなどの高弾性層が設けられ、加熱ローラ２との圧接部分でニップ幅Ｎを確保できるようになっている。
【００２６】
加熱ローラ２と加圧ローラ３とは、互いに当接しながら回転するようになっており、ニップ幅Ｎにおいて加熱ローラ２からの熱が記録材Ｓに供給されて記録材上のトナーが加熱溶解され、定着される。加熱ローラ２における定着領域は、図２に示すように、加圧ローラ３が接触する軸方向の領域である。
【００２７】
図３は、加熱ローラ２を構成するローラ体の部分的な断面図であり、同図においてローラ体は、基体部２Ａとその表面に位置する離型層２Ｂとを備えている。
基体部２Ａは、上述した金属あるいはその他の材料を混成した部分であり、その表面側（図３（Ｂ）参照）あるいは裏面側（図３（Ａ）参照）には、結晶化グラファイトシートを用いた熱伝導層５が配置されている。
【００２８】
熱伝導層５をなす結晶化グラファイトは、シームレスなシート状とされることで基体部２Ａに隣接して連続面状の円筒体で構成され、基体部２Ａに対して図示しない接着層を介して一体化されている。
【００２９】
ここで熱伝導層５に用いられる結晶化グラファイトシートについて説明すると、結晶化処理されたグラファイトシートは、分散化処理されたグラファイトシートと異なり、銅よりも高い熱伝導性を備えている特徴がある。
このため、熱伝導率が低い鉄を用いた加熱ローラでは、記録材Ｓと接触しない領域である非通紙部での温度が上昇した場合、その熱の移動が得にくく、この結果として非通紙部での温度が異常に上昇しやすい。
【００３０】
これに対し、結晶化グラファイトシートでは、熱の移動が円滑に行え、加熱ローラ２の軸方向での温度を均一化することができる。これにより、記録材Ｓと接触して熱の受授が行われている箇所に向けて非通紙部からの熱の移動が円滑に行われて非通紙部での異常な温度上昇が抑制され、加熱ローラ２の軸方向での温度分布が均一化される。
なお、熱伝導率に関し、結晶化グラファイトシートと鉄（Ｆｅ）とアルミニュウム（Ａｌ）とを比較した結果を表１に示す（理科年表より）。
【００３１】
【表１】
0003961169.tif 000002
【００３２】
図３において離型層２Ｂは、ＰＴＦＥやＰＦＥなどのフッ素系樹脂を用いた被覆層やシリコンゴム層などが用いられる。
【００３３】
本実施例は以上のような構成であるから、加熱ローラ２と加圧ローラ３との接触位置に向けて記録材Ｓが搬送されてくると、ニップ幅Ｎにおいて挟持搬送され、その過程で記録材Ｓ上のトナーＴが加熱ローラ２からの熱を受けることで軟化・溶解されて記録材Ｓ上に定着される。トナーＴは定着装置１を通過し終わると温度降下して冷却されることにより固化し記録材Ｓ上に完全に定着される。
【００３４】
加熱ローラ２は、熱容量が小さいので、所定の定着温度に達するまでの立ち上がり時間が短くてすむ。このため、待機時にあらかじめ昇温させておく必要がなく、省エネルギー化が可能となる。
【００３５】
記録材Ｓがニップ幅Ｎを通過するとき、加熱ローラ２の軸方向においては、記録材Ｓと接触する領域である通紙位置と、接触しない領域である非通紙位置とで温度が異なってくる。本実施例では、結晶化グラファイトシートを用いた熱伝導層５における熱伝導率により、温度降下している通紙位置に対して非通紙位置からの熱の移動が起こり、加熱ローラ２の軸方向における温度が均一化される。換言すれば、温度上昇が著しい非通紙位置での熱が通紙位置に移動することで非通紙位置での温度上昇が抑制される。この結果、非通紙位置での温度上昇が低減されて加熱ローラ２の軸方向での温度分布が均一化されるので、非通紙位置に接触できるサイズの記録材が搬送されてきた場合でも異常な温度上昇によるホットオフセットを防止することができ、しかも、軸方向での異常な温度上昇による熱変形の発生を防止することもできる。
【００３６】
次に、上記結晶化グラファイトシートを用いた熱伝導層５の設置構造について説明する。
図４は、熱伝導層５をなす結晶化グラファイトシート（便宜上、図中においては結晶化グラファイトシートを符号５で示している）の構成を示す図であり、同図において、結晶化グラファイトシート５は、加熱ローラ２の周方向でローラ体の軸線に平行する分割面によって分割され、加熱ローラ２の基体部２Ａに対して巻き付けられるようになっている。
このような構成は、加熱ローラ２の基体部２Ａに対してシームレスな状態で設置することが困難な場合、あるいは、加工精度の関係でローラ体の径と結晶化グラファイトシート５の径とが大きく異なるとシート５自体がローラ体から浮き上がってしまう虞があるような場合に適用される。
【００３７】
周方向で分割された結晶化グラファイトシート５は、分割部を接合できるようにローラ体の基体部２Ａに対して矢印で示す方向に力を加えることできつく巻き付けることが可能となり、上述した不具合を解消でき、しかも、これにより、シームレスとした場合に比べて加工コストを低減させることが可能となる。
なお、図４（Ａ）は、１枚の結晶化グラファイトシート５における周方向で１カ所に分割面を設けた場合を示しており、図４（Ｂ）は結晶化グラファイトシート５における周方向で複数、実施例では２カ所で分割した場合をそれぞれ示している。
【００３８】
次に熱伝導層５の構成に関する変形例を図５により説明する。
図５（Ａ）において熱伝導層５をなす結晶化グラファイトシート（便宜上、図５において結晶化グラファイトシートを符号５で示す）は、加熱ローラ２のローラ体における軸線に対して斜めに分割面５Ａが形成されている。換言すれば、ローラ体の周方向でニップ幅Ｎの領域を横断することができる分割面５Ａを備えている。
【００３９】
図４に示した結晶化グラファイトシート５は、その分割面が単純にローラ体の軸線方向に平行した分割面とされている。これに対して、図５に示す結晶化グラファイトシート５では、分割面が斜めであるので、次の理由によりニップ幅領域での熱伝達を良好なものとすることができる。
すなわち、図５（Ｂ）は図４に示した場合と同様に、ローラ体の軸線に平行する分割面（便宜上、符号５Ａ’で示す）を形成した場合を示しており、この場合には、分割面５Ａ’の位置がニップ幅Ｎの領域（図中、破線で示す）での軸線方向に一致してしまう。このため、分割面５Ａ’を接合した場合の接合位置を境にして加熱ローラ２のローラ体における周方向で伝達される熱の移動量が、図４（Ｂ）中、細い矢印と太い矢印とで示すように、一方の分割領域からのものと他方の分割領域のものとで差が生じることがある。これは、分割面５Ａ’を接合した場合、接合位置での伝熱特性が悪く、熱の移動が起こりにくいことが原因と考えられる。このため、分割面５Ａ’をはさんだ両側では、温度分布が均一とならず、記録材Ｓに対する熱の移動が不均一となり、定着性が悪化することがある。
【００４０】
これに対し、図５（Ａ）に示すように分割面５Ａがニップ幅領域を横断する構成とした場合には、図５（Ｃ）に示すように、ニップ幅領域での軸線方向と一致する接合部の割合を少なくできる。このため、結晶化グラファイトシート５の接合位置がニップ幅領域に差し掛かった場合でも、結晶化グラファイトシート５では、熱の移動が可能な領域が広くなっている状態でニップ幅領域に対面することができるので、接合位置近傍での温度差が生じにくくなる。従って、ニップ幅領域に差し掛かった接合位置近傍での温度分布を均一に保つことができるので、記録材Ｓに対する熱の移動が均一化されて定着性を損なうようなことがなくなる。
【００４１】
次に熱伝導層に関する変形実施例について図６および図７において説明する。
図６は、熱伝導層５を構成する結晶化グラファイトシート（便宜上、図６において符号５で示す）をローラ体の周方向で隙間を持たせるように分割して設けた構成を示している。この場合の結晶化グラファイトシート５は、ローラ体の軸方向に平行する長さとして、ほぼローラ体の軸方向長さを覆い得る長さに設定され、周方向ではその長さよりも短くされた短冊状に構成されて周方向に隙間を設けて隣り合わせた状態で配置されている。
【００４２】
本実施例は以上のような構成であるから、ローラ体が鉄ではなくアルミニュウムのように比較的熱伝導率が高いものが用いられる場合、あるいは、ローラ体の肉厚が厚く、ローラ体自体での熱移動が比較的良好な場合に適用される。
これにより、加熱ローラ２のローラ体では、図６中、細い矢印で示すように熱が周方向に伝わり、結晶化グラファイトシート５に熱が移動すると、結晶化グラファイトシート５において、図６中、太い矢印で示すように軸方向に伝達されるので、周方向および軸方向で温度ムラを生じることがなく、ローラ体での非通紙部での温度の異常な上昇を防ぐことができる。
【００４３】
本実施例によれば、周方向に伝達される熱が結晶化グラファイトシート５によって軸方向にも伝達されるので、周方向での結晶化グラファイトシート５の使用量を少なくすることができ、コスト低減化が可能となる。
さらに、熱源としてハロゲンヒータを用いた場合には、加熱ローラ２のローラ体を直接加熱することができる領域が得られるので、結晶化グラファイトシート５が熱源の前方でローラ体に一体化されている場合に比べて加熱ローラ２の表面温度を所定の定着温度に設定するまでの立ち上がり時間が多少なりとも早められることが発明者の観察により確認された。
【００４４】
結晶化グラファイトシート５を分割する構成としては、図７に示すように、加熱ローラ２におけるローラ体の軸方向において分割したものを用いることも可能である。
【００４５】
次に、上記熱伝導層５に結晶化グラファイトシートを用いた場合の熱源に関する別実施例を図８において説明する。
図８に示す実施例では、熱源Ｈ（図１参照）として、コイルＣを用いた誘導加熱源が用いられている。コイルＣは、加熱ローラ２のローラ体内部に配置されたボビンＢに捲装されて設けられている。
【００４６】
本実施例では、コイルＣに通電することで加熱ローラ２のローラ体を誘導加熱することができる。これにより、厚さ方向での熱伝導率が悪いとされている結晶化グラファイトシートをローラ体の内側面で熱源Ｈの前方に位置させた場合でも、誘導加熱によってローラ体に誘導起電力を生起させて自己誘導加熱させることができる。この結果、ハロゲンヒータを熱源とした場合と比較して、熱伝導率が悪いとされる結晶化グラファイトシートの厚さ方向への伝熱を行わせる必要がないので、ローラ体の表面温度を所定の定着温度にするまでの立ち上がり時間を短縮することが可能となる。
【００４７】
上記構成では、ハロゲンヒータを用いた場合のように、結晶化グラファイトシートにおいて輻射熱を吸収しやすいような処理が必要なくなるので、この処理に必要なコストの低減が可能となる。しかも加熱ローラ２のローラ体自体の温度を上昇させることにより厚さ方向での熱伝導率の悪い結晶化グラファイトシートを用いても、表面での加熱効率を高めるとともに、その効率が高められた後に得られる結晶化グラファイトシートによる温度分布の均一化により定着効率を低下させないようにすることができる。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、結晶化グラファイトをローラ体の周方向で複数に分割して配置しているので、ローラ体の軸方向への熱伝達が行えることによりローラ体の周方向及び軸方向での温度ムラの発生が防止できると共に、軸方向において非通紙部での熱が移動して非通紙部での異常な温度上昇を防止することができる。しかも、周方向での結晶化グラファイトの使用量を少なくできることによりコスト低減が可能となる。さらに、結晶化グラファイトを熱源の前方でローラ体と一体化されている場合に比べてローラ体の加熱ローラの表面温度を所定の定着温度に設定するまでの立ち上がり時間が多少なりとも早めることができる。
【００５２】
請求項２記載の発明によれば、加熱ローラ周面で隙間を持たせて配置したり複数に分割して配置することにより結晶化グラファイトシートの占有面積を少なくすることができる。これにより、熱源からの輻射熱による加熱ローラ表面の温度を上昇させる際には結晶化グラファイトシートのないローラ体自体を加熱することができ、輻射熱を受ける方向での熱伝導性が悪い結晶化グラファイトシートを用いた場合でも昇温時間を短縮することができる。しかも昇温後には結晶化グラファイトシートの熱伝導率を利用して温度分布を均一化することが可能となる。
【００５４】
請求項３記載の発明によれば、加熱ローラに結晶化グラファイトシートを用いたので、結晶化グラファイト繊維を用いた場合と違って熱伝導面が連続面状をなすことができ、熱伝導性を良好なものとして非通紙部での異常な温度上昇を防止することができる。これにより、非通紙部に記録材が接触した場合のホットオフセットや熱変形を未然に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例による加熱ローラが用いられ定着装置の構成を説明するための模式図である。
【図２】図１に示した定着装置の正面図である。
【図３】本発明実施例による加熱ローラの要部構造を説明するための図であり、（Ａ）は熱伝導層をなす結晶化グラファイトシートがローラ体の内側面に位置している場合を、（Ｂ）は上記結晶化グラファイトシートがローラ体の表面側に位置している場合をそれぞれ示している。
【図４】本発明実施例による加熱ローラに用いられる熱伝導層を成す結晶化グラファイトシートの構造を説明するための図であり、（Ａ）は分割面が周方向で１カ所である場合を、（Ｂ）は分割面が周方向で２カ所である場合をそれぞれ示している。
【図５】本発明実施例による加熱ローラに用いられる熱伝導層を成す結晶化グラファイトシートの分割構造に関する構成および作用を示す図であり、（Ａ）は構成を示す斜視図、（Ｂ）は（Ａ）に示した構成と異なる場合の作用を、（Ｃ）は（Ａ）に示した構成での作用をそれぞれ示している。
【図６】本発明実施例による加熱ローラの熱伝導層に関する別実施例を説明するため模式図である。
【図７】本発明実施例による加熱ローラの熱伝導層に関する他の実施例を説明するための模式図である。
【図８】本発明実施例による加熱ローラにおける熱源に関する変形例を説明するための部分的な図である。
【符号の説明】
１          定着装置
２          加熱ローラ
２Ａ        基体部
２Ｂ        離型層
３          加圧ローラ
５          熱伝導層を成す結晶化グラファイトシート
Ｈ          熱源
Ｃ          熱源の一例をなす誘導加熱用コイル
Ｓ          記録材
Ｔ          未定着現像剤であるトナー
【図１】
0003961169.tif 000003
【図２】
0003961169.tif 000004
【図３】
0003961169.tif 000005
【図４】
0003961169.tif 000006
【図５】
0003961169.tif 000007
【図６】
0003961169.tif 000008
【図７】
0003961169.tif 000009
【図８】
0003961169.tif 000010