(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラメントと不活性ガスを含む気体とを内部に有するガラス管を備え、
トナー像をシート上に定着する定着装置に用いられるヒータにおいて、
上記フィラメントの色温度が２５００Ｋ以上であり、
上記不活性ガスは、クリプトン又はキセノンが主成分であり、
上記ガラス管内における上記気体の全圧が１気圧以上５気圧以下であることを特徴とするヒータ。
【請求項２】
請求項１記載のヒータを内蔵する加熱ローラ。
【請求項３】
請求項２記載の加熱ローラにおいて、筒状で厚みが０．４ｍｍであることを特徴とする加熱ローラ。
【請求項４】
請求項２又は３記載の加熱ローラを備える定着装置。
【請求項５】
請求項４記載の定着装置を備える画像形成装置。
【請求項６】
請求項５記載の画像形成装置において、上記加熱ローラを１０秒以下で定着温度に昇温させることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒータ及びこれを備えた加熱ローラ及びこれらを備えた定着装置及びこれらを備えた複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複写機では、像担持体としての感光体に、原稿を読み取った画像情報に基づいて静電潜像を形成し、この静電潜像を現像手段によりトナー像として可視像化し、トナー像を転写紙に転写した後、熱ローラ方式又はベルト定着方式の定着装置で定着するようになっている。定着装置の熱源としては、ハロゲンヒータ等の輻射ヒータ、言い換えると輻射熱源が使用されている。輻射ヒータは、ガラス管内にフィラメントと不活性ガスが封入された構成を有しており、不活性ガスとしては一般に窒素やアルゴン（Ａｒ）が用いられている。輻射ヒータを用いた定着装置は、低コストであること、安全性が高いことなどから、複写機等の画像形成装置で広く使用されている。
【０００３】
熱ローラ方式の定着装置は、加熱ローラと、この加熱ローラとの間で定着ニップ部を形成する加圧ローラとを有しており、定着ニップ部でトナー像を担持した転写紙を挟持・搬送して熱と圧力により定着を行うようになっている。加熱ローラの内部には、かかる輻射ヒータが設けられている。加熱ローラは、輻射ヒータの輻射熱により加熱されて昇温し、転写紙を加熱するもので、かかる加熱方式はいわゆる間接加熱方式と呼ばれている。この方式は、加熱ローラの内面もしくは外面に発熱層を設けて加熱ローラ表面を発熱させるいわゆる直接加熱方式に比べ、加熱ローラが所定の定着温度に昇温するまでの立ち上がり時間が遅い。
【０００４】
近年においては、加熱ローラが肉厚０．８５ｍｍ程度のアルミニウム製もしくは鉄製の薄肉パイプを基体として構成された省エネタイプの定着装置も開発されているが、それでも直接加熱方式に比べて加熱ローラが所定の定着温度に昇温するまでの立ち上がり時間は遅い。
【０００５】
一方、輻射ヒータの一例としてのハロゲンヒータは、タングステンフィラメントをガラス管で覆う構成を有し、ガラス管内には窒素やアルゴンなどの不活性ガス、ヨウ素、臭素、塩素などを含んだ微量のハロゲン物質が封入されている。通常、タングステンは融点以下で蒸発が始まり、徐々に細くなって切れてしまうが、ハロゲンヒータの場合、ガラス管内にハロゲンガスが封入されているため、フィラメントから蒸発したタングステンがハロゲンガスとの反応と分解を繰り返すハロゲンサイクルにより必要な耐久性能を得ている。ガラス管はハロゲンサイクルを維持するに必要な高温に耐えるため、石英ガラスが使用されている。なお、近年、環境対策から、ハロゲン物質を封入しない輻射ヒータや、遠赤外線の輻射を得るためにフィラメントを炭素にした輻射ヒータなども開発されている。
【０００６】
従来より、ハロゲンヒータの熱放射と損失の割合は、定常状態すなわち定着温度状態での実験値として常識的に把握されている。その割合を具体的に説明すると、図４に示すように、加熱ローラ内面に輻射される赤外放射が約８６％、可視放射が約７％、端子損失が約２％、ガラス管での損失が約５％となっている。輻射ヒータを熱源とする間接加熱方式の定着装置は、上述のように低コストであり、安全性が高いなどの利点を有するが、直接加熱方式に比べて加熱ローラが所定の定着温度に昇温するまでの立ち上がり時間が遅く、２０ｓｅｃ以上の立ち上がり時間を要しているのが現状である。
【０００７】
しかし輻射ヒータを備えた定着装置の立ち上がり時間を速くすることができれば、上記利点を活かしながら、このような定着装置を有する画像形成装置の使用性の向上を図れるとともに、未使用時の電源オフ制御による省エネルギー化を達成することができる。そこで輻射ヒータを備えた定着装置の立ち上がり時間について本発明者等が分析を行った結果、以下のことが判明した。
【０００８】
▲１▼輻射ヒータ自体が立ち上がるまで、すなわち、フィラメントの色温度が、フィラメントの放射が安定する２５００Ｋに達するまでに、所定の時間を要すること。１００Ｖ、１２００Ｗのハロゲンヒータでは立ち上がり時間は約１．７秒である。この分だけ加熱ローラの昇温は遅れる。フィラメント自身の立ち上がり時間はフィラメントの熱容量が大きいほど長くなる。すなわち、フィラメントの線径が大きいほど、フィラメントの長さが長いほど、フィラメントの熱容量は大きくなり、フィラメント自身の立ち上がり時間は長くなる。
【０００９】
▲２▼本来、輻射熱源に投入されたエネルギーのうち全てがフィラメントから放射され、加熱部材すなわち加熱ローラの内面で全て輻射されて熱となれば損失がないのであるが、実際はそうはならない。高温のフィラメントは周囲のガスに対流の形で熱を奪われる。また、フィラメントからの輻射のうち一部はガラス管を透過する際に吸収される。これらにより輻射熱源に投入されたエネルギーのうちの何割かが封入ガス及びガラス管の温度上昇に費やされている。本発明者等は、立ち上がり時のハロゲンヒータのガラス管の温度上昇の測定により、投入電力のうちの約１／４が損失となっていることが判った。
【００１０】
図５に、薄肉加熱ローラを用いた省エネタイプの定着装置の加熱ローラ芯金と輻射ヒータのガラス管の温度上昇及び輻射ヒータへの入力電力量を示す。電源オンから約１ｓｅｃの間、温度上昇の遅れが見られる。これはフィラメントのタングステンが定常状態に達するまでの時間であり、電力がその間変化しているのは、タングステンの抵抗の温度依存すなわちＰＴＣ特性によるものである。なお、定常状態に達した後すなわち定常時の電力の安定した領域におけるフィラメントの色温度が定格の色温度として設定されている。
【００１１】
また同図から明らかなように、加熱ローラ芯金が定着温度の１８０℃に達するまでの約１０ｓｅｃで、ガラス管壁は約２３０℃にまで達している。この温度上昇速度とガラスの熱容量から、ガラス管内で吸収されたエネルギー量は、以下の式から約２７０Ｗであると推測される。
熱容量（Ｊ／Ｋ）×温度上昇速度（Ｋ／ｓｅｃ）＝発熱量（Ｗ）
電力は１２００Ｗであるため、タングステンから放射されるエネルギーのうちの約１／４がガラス管に吸収されることによるロスということになる。
【００１２】
図６は、ガラス管と加熱ローラ間の温度差と輻射による熱伝達量の関係を示すグラフである。ガラス管と加熱ローラとの温度差が小さい立ち上がりの時間内においては、ガラス管から加熱ローラへの輻射による熱伝達は無視してよく、ガラス管自体を温めることは全くのロスと考えてよい。但し、ガラス管の温度は、図７に示すように、そのまま制御を行わなければ２分間で６００℃前後まで上昇を続けるため、このような温度になればガラス管から加熱ローラへの輻射も十分大きいものと思われる。
【００１３】
以上の考察から、ガラス管から加熱ローラへの輻射がほとんど無い立ち上がり時間の短い定着装置においては、ガラス管及びガラス管内のガスの影響が特に大きいということができる。従来は、輻射ヒータのガラス管での損失は放射全体の５％程度と考えられてきており、その割合の低さから技術的に避けられないものとして容認されてきた。しかしながら、それは上述のように輻射ヒータの温度が安定する定常状態での損失であり、高速で加熱ローラを立ち上げる省エネタイプの定着装置における立ち上がり時のガラス管及び封入ガスへの熱損失は、図８に示すように、２５％程度であり、定常状態の５倍程度であることが今回の実験で判った。
【００１４】
この立ち上がり時におけるガラス管での損失の割合は、輻射ヒータを用いた定着装置の立ち上がり時間を短くすることに関し、技術的に十分に改良の余地が存在することを意味するものである。従来は定着温度への立ち上がり時間は数十秒であったので、電源投入直後の輻射ヒータ自体の立ち上がり時間である１．７秒は立ち上がり全体に占める割合は小さい。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、定着温度への立ち上がりを１０秒程度まで短くした省エネタイプの定着装置では、電源投入直後の輻射ヒータ自体の立ち上がり時間が大きな意味を持つことになる。また従来より輻射ヒータの長寿命化も問題となっていた。
【００１６】
そこで、本発明は、熱損失が少なく輻射熱源自身の立ち上がり及び定常状態への立ち上がりが速く、また長期間使用できるヒータ及びこれを備えた加熱ローラ及びこれらを備えた定着装置及びこれらを備えた複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置の提供を、その目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、フィラメントと不活性ガスを含む気体とを内部に有するガラス管を備え、トナー像をシート上に定着する定着装置に用いられるヒータにおいて、上記フィラメントの色温度が２５００Ｋ以上であり、上記不活性ガスは、クリプトン又はキセノンが主成分であり、上記ガラス管内における上記気体の全圧が１気圧以上５気圧以下であることを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のヒータを内蔵する加熱ローラにある。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の加熱ローラにおいて、筒状で厚みが０．４ｍｍであることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載の加熱ローラを備える定着装置にある。
【００２１】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の定着装置を備える画像形成装置にある。
【００２２】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の画像形成装置において、上記加熱ローラを１０秒以下で定着温度に昇温させることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る画像形成装置としての複写機の全体構成の概略を示している。矢印ａ方向に回転する感光体１の周りには、帯電手段２、クリーニング手段３、レーザ光学系によるレーザビームＬ、トナーを供給して感光体１上の潜像を顕像化する現像スリーブ５を含む現像部７、及び転写手段６が配置されている。
【００２７】
装置１００の下部には矢印ｂ方向に着脱可能な給紙カセット１０が設けられている。給紙カセット１０内に収容されたシートとしての用紙Ｐは、中板１１で支えられ、不図示のスプリングの力によってアーム１２を介して給紙ローラ１３に押し付けられている。不図示の制御部から指令が発せられて給紙ローラ１３が回転することによって給紙カセット１０内の最上紙は、分離パッド１４で重送を防止されながら下流側のレジストローラ対１５まで搬送される。用紙Ｐはレジストローラ対１５により感光体１上の画像と同期するようにタイミングをとられて転写手段６に向けて送り出される。
【００２８】
転写手段６によって感光体１からトナー像としての画像Ｔ（図３参照）を転写された用紙Ｐは、さらに定着装置１６に搬送され、加熱部材としての加熱ローラ１８（定着ローラという場合もある）とこれに圧接対向する加圧ローラ１９とで形成されたニップ部を通され、用紙Ｐおよび画像Ｔが加熱されるとともに加圧されることで、画像Ｔを定着される。定着済みの用紙Ｐは、排紙ローラ対２０によって画像面を下にして排紙口２１より排紙トレイ２２上に排出されてスタックされる。排出される用紙のサイズに対応するため、排紙ストッパ２５は矢印ｃ方向にスライド可能となっている。
【００２９】
装置１００右側に操作面が配置されており、オペレーションパネルとしての操作パネル３０が外装部３１の上部前面すなわち図１の装置１００上右側に突き出ている。また、給紙トレイ３２がピン３３により回動可能に取り付けられている。図中左側に配置されたケース３４内には、電源３５やエンジンドライバーボードとしてのプリント板３６等の電送、制御部が収納される。また、コントローラボードとしての制御手段３７も収納されている。排紙トレイ２２を構成しているカバー３８は、回動支点３９を中心に開放可能となっている。
【００３０】
定着装置１６は、図２に示すように、加熱ローラ１８と、これに図示しないスプリングの付勢力で押し当てられた加圧ローラ１９を有している。加熱ローラ１８は、アルミニウム製の中空円筒状の薄肉パイプ２７を基体としており、その外径は４０ｍｍ、厚みは０．４ｍｍである。薄肉パイプ２７の外面には、定着後の用紙Ｐの分離性を向上させるためにフッ素系の表面離型層２６が形成されている。加圧ローラ１９は、芯金４０と、弾性材料としての発泡シリコンゴム層４２を有している。
【００３１】
ヒータとしての輻射ヒータ２３は、薄肉パイプ２７内の空間に配設されており、発熱体としてのタングステンフィラメント２９をガラス管２８で覆う構成を有し、ガラス管２８内にはタングステンフィラメント２９の酸化を防ぐ窒素や、不活性ガス、及びヨウ素、臭素、塩素などを含むハロゲン物質を成分とする気体が封入されている。気体の全圧は１気圧以上に設定されている。上述した制御部の制御により不図示の通電手段がタングステンフィラメント２９への通電を行い発熱させると、輻射ヒータ２３は昇温する。この昇温は次に述べるように速やかに行われる。加熱ローラ１８は輻射ヒータ２３を熱源として昇温し、上述したように用紙Ｐ及び用紙Ｐ上の画像Ｔを加熱する。輻射ヒータ２３が速やかに昇温することで加熱ローラ２３の温度も速やかに上昇する。
【００３２】
本実施形態では不活性ガスとして、クリプトン（Ｋｒ）を主成分としたものを使用している。上述のように、フィラメントからの放射のうち約１／４がガラス管及びガラス管内のガスに吸収されて損失となり、これが立ち上がり時間を遅くする要因の一つであるが、本実施形態ではガラス管内のガスによる対流による熱伝達に係る損失に着目し、その改善を図ったものである。すなわち、不活性ガスによるガラス管２８内での熱移動を抑制し、ガラス管２８でのエネルギーロスを極力少なくしようというものである。そのために、不活性ガスの成分と、ガラス管２８内の気体の全圧を上述のように最適化しており、これによってエネルギーロスの低減に関し大きな効果を得ている。
【００３３】
なお、従来においては、色温度が３０００Ｋを超える照明用ランプで２、３気圧の封入が行われる例があるが、ガラス管２８内の気体の全圧についてはほとんど考慮されず、気体の封入は１気圧未満で行われていた。また、従来の輻射ヒータでは、不活性ガスとして一般に窒素やアルゴンが用いられているが、本実施形態のように熱伝導率が低いクリプトンを使用することにより、ガラス管２８内でのガスの熱伝導性に起因するエネルギーロスを低減できる。同様の作用を奏する不活性ガスとしてはキセノンがあり、不活性ガスとしてキセノンを用いることもできる。エネルギーロスを低減し立ち上がりを向上するという作用およびコストに関し、ともに、アルゴン≪クリプトン＜キセノンという関係がある。
【００３４】
ここで、アルゴン、クリプトン、キセノンの熱伝導率を比較すると、アルゴンよりもクリプトンが低く、クリプトンよりもキセノンが低い。換言すれば、アルゴンよりもクリプトンが分子量が大きく、クリプトンよりもキセノンが分子量が大きい。対流熱損失は、温度差（フィラメント−ガラス内面）×損失長さ×Ｎｕ（ヌッセルト数）×ガスの熱伝導率で求まる。ガラス内面温度は正確に測定できないため、ガラス内面温度とガスの種類によりＮｕ数も変化するため、定量的な議論は困難であるが、熱伝導率の差を基準とすれば対流熱損失の低減対策におけるガス選定が明確且つ容易となる。
【００３５】
ガラス管２８内でのガスによる対流熱損失を抑制する場合、分子量の観点から不活性ガスを選定してもよい。分子量の大きいガスは対流が抑制できることに加えて、タングステンフィラメント２９の蒸発を抑制する効果（「照明ハンドブック」社団法人照明学会編  株式会社オーム社ｐ．１５７あるいは特開平７−６５７９８号公報）もあり、高寿命化を達成できる利点もあるからである。
【００３６】
このように、本実施形態では、クリプトンまたはキセノンのような分子量の大きいガスを用いていることにより、タングステンフィラメント２９の蒸発を抑制し、高寿命化を達成する効果を奏するが、封入ガスの全圧が高いことも同様の効果に寄与している。ただし、封入ガスの圧力を上げすぎても、ガラス管２８の破損、封入ガスのリークなどを招きやすくなるおそれがあるため、本実施形態では、封入ガス圧が高くなりすぎないように抑えること、具体的には、かかる気体の全圧を５気圧以下とすることで、かかる不具合を回避している。
【００３７】
また、本実施形態では、輻射ヒータ２３自体の立ち上がり遅れを低減することを目的としており、タングステンフィラメント２９の細線化によって、タングステンフィラメント２９の色温度を、加熱ローラ１８を１０秒以下で定着温度に昇温させ得る温度としている。具体的には、タングステンフィラメント２９の定常時の色温度を２５００Ｋ以上としている。
【００３８】
色温度とは、ある放射体の光色に等しい光色を持つ完全放射体の温度であり、色温度計により測定される。色温度は、フィラメントの線径、長さ、封入ガスの種類、入力電力によって決まる。輻射ヒータ２３の定格すなわち電圧、電力が決まれば抵抗が決まるため、タングステンフィラメント２９の線径と長さを調整することになる。抵抗は長さに比例し、断面積に反比例するので、例えば線径が８０％のフィラメントを使用すれば同じ抵抗のヒータを作製するのに長さは６４％（＝０．８＾２）となり、熱容量、言い換えると体積は４０．９６％（＝０．８＾４）となる。線径を８０％にすれば、同じ発熱量でフィラメントを同等の温度とするのに要する時間が約４０％となるのである。
【００３９】
フィラメントの線径が小さいほど長さが短くなるが、抵抗が同じであれば全体の発熱量は同じであるので、フィラメント線径が小さいほど単位長さ当たりの発熱量は大きくなり、色温度は高くなる。入力電力が同じ場合、タングステンフィラメント２９を細くして熱容量を小さくすると、フィラメントの色温度が上昇し、同時に、タングステンフィラメント２９の蒸発が促進され、寿命低下を招くおそれがあるが、本実施形態ではガラス管２８内に封入された気体の全圧が高く設定されているので、フィラメントの色温度を２５００Ｋ以上に設定しても寿命低下は抑制されている。
【００４０】
本実施形態では、ガス圧が高いこと、分子量の大きい不活性ガスを用いることによりタングステンフィラメント２９の蒸発が抑制され、従来と同等の寿命を維持しながら、立ち上がり時間を短くすることができる。本実施形態では、タングステンフィラメント２９の定常時の色温度を２５００Ｋとするべく、タングステンフィラメント２９の線径を小さくしたが、輻射ヒータ２３自身の立ち上がり時間の速さのみを得るには、入力電力を大きくすることによって色温度を高くしても良い。
【００４１】
上記実施形態では熱ローラ方式の定着装置を示したが、図３に示すようなベルト定着方式の定着装置においても同様に実施することができる。同図において、上記実施形態と同一部分は同一符号で示している。弾性層７０ａを有する定着ローラ７０と加熱部材としての加熱ローラ１８との間には、定着ベルト７２が掛け回され、定着ローラ７０に定着ベルト７２を介して加圧ローラ１９が圧接されている。定着ベルト７２が加熱ローラ１８により加熱され、トナー像を担持した用紙Ｐが定着ニップ部に進入することにより定着がなされる。本実施形態では、加熱ローラ１８を介して定着ベルト７２を加熱しているが、輻射ヒータ２３からの輻射により定着ベルト７２を直接加熱してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、フィラメントと不活性ガスを含む気体とを内部に有するガラス管を備え、トナー像をシート上に定着する定着装置に用いられるヒータにおいて、上記フィラメントの色温度が２５００Ｋ以上であり、上記不活性ガスは、クリプトン又はキセノンが主成分であり、上記ガラス管内における上記気体の全圧が１気圧以上５気圧以下であるので、ガラス管内における気体の対流及び熱伝導性に起因する熱損失を抑制しフィラメントの定常状態への立ち上がりが速く、またガラス管の壁に奪われる熱のロスを減少させること及び色温度を適正化することで１０秒以下で昇温することが可能であるなど昇温時間を短縮できるとともに消費エネルギーを抑制することができ、また同時に分子量の大きな不活性ガスによりフィラメントの蒸発を抑制して長寿命とすることができるヒータを提供することができる。ガラス管内における気体の全圧が５気圧以下であるので、ガラス管の破損、気体のリーク等を防止しつつ、消費エネルギーを抑えながらも立ち上がりが速く、昇温時間を短縮して定着装置の立ち上がりを速やかに行うことができるとともに長寿命とすることができるヒータを提供することができる。
【００４３】
本発明は、請求項１記載のヒータを内蔵する加熱ローラにあるので、かかる効果を奏するヒータを有し、昇温時間を短縮した加熱ローラを提供することができる。
【００４４】
本発明は、請求項２又は３記載の加熱ローラを備える定着装置にあるので、かかる効果を奏する加熱ローラを有し、昇温時間を短縮して立ち上がりを速やかに行うことができる定着装置を提供することができる。
【００４５】
本発明は、請求項４記載の定着装置を備える画像形成装置にあるので、かかる効果を奏する定着装置を有し、昇温に関する立ち上がりが速やかな画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る画像形成装置としての複写機の全体概要正面図である。
【図２】図１に示した定着装置の概要正面図である。
【図３】定着装置の他の実施形態における概要正面図である。
【図４】定常状態における輻射ヒータの熱放射と損失の割合を示すグラフである。
【図５】従来における薄肉加熱ローラを用いた省エネタイプの定着装置の加熱ローラとガラス管の温度上昇の関係及び輻射ヒータへの入力電力量を示すグラフである。
【図６】ガラス管と加熱ローラ間の温度差と輻射による熱伝達量の関係を示すグラフである。
【図７】ガラス管の温度上昇を示すグラフである。
【図８】立ち上がり時における輻射ヒータの熱放射と損失の割合を示すグラフである。
【符号の説明】
１６    定着装置
１８    加熱部材
２３    ヒータ
２８    ガラス管
２９    発熱体
１００    画像形成装置
Ｐ    シート
Ｔ    トナー像
【図１】
0003993985.tif 000002
【図２】
0003993985.tif 000003
【図３】
0003993985.tif 000004
【図４】
0003993985.tif 000005
【図５】
0003993985.tif 000006
【図６】
0003993985.tif 000007
【図７】
0003993985.tif 000008
【図８】
0003993985.tif 000009