(57)【要約】【課題】定着ローラのローラ軸方向について適切な加温が可能であることからファーストプリントタイムが短くて済み、またローラ軸方向の均等温状態化が早く、その維持が容易であるため、連続プリント性能の良いこと。【解決手段】画像形成装置の加熱定着装置１に用いる定着ローラ２であって、銅成分を主成分とし、少なくとも、５ｗｔ％以上の鉄成分を含む銅鉄合金からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像形成装置の加熱定着装置に用いる定着ローラであって、
銅成分を主成分とし、少なくとも、５ｗｔ％以上の鉄成分を含む銅鉄合金からなる
ことを特徴とする定着ローラ。
【請求項２】
中空環状に形成されていること
を特徴とする請求項１記載の定着ローラ。
【請求項３】
回転軸方向中央部の鉄成分比率が端部よりも高いこと
を特徴とする請求項１又は２記載の定着ローラ。
【請求項４】
画像形成装置の加熱定着装置であって、
銅成分を主成分とし、少なくとも５ｗｔ％以上の鉄成分を含む銅鉄合金からなり、中空環状に形成された定着ローラと、前記定着ローラの内周側又は外周側に配置された磁束発生手段とを具備し、前記磁束発生手段の電磁誘導加熱により、前記定着ローラを加熱することを特徴とする加熱定着装置。
【請求項５】
画像形成装置の加熱定着装置であって、
銅成分を主成分とし、少なくとも５ｗｔ％以上の鉄成分を含む銅鉄合金からなり、中空環状に形成された定着ローラと、前記定着ローラの内周側に配置されたハロゲンヒータとを具備し、前記ハロゲンヒータの照射熱により、前記定着ローラを加熱することを特徴とする加熱定着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複写機やレーザープリンタに代表される電子写真方式、静電記録方式などの画像形成装置に用いられる定着ローラ及び加熱定着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
紙などの記録材にトナー画像を形成し、これを加熱定着装置により定着させることにより、画像を形成する画像形成装置が知られている。このような画像形成装置の加熱定着装置では、内蔵された加熱手段により加熱される定着ローラ又は定着ベルトと、これらに加圧接触して定着ニップを形成する加圧ローラとを具備し、この定着ニップにトナーによる画像が転写された記録材を通すことで、記録材に画像を定着させる方式が採用されている。
【０００３】
画像形成装置の加熱定着装置としては、定着ローラ又は定着ベルトを発熱させ又は加温する加熱手段として、電磁誘導加熱を用いるものやハロゲンヒータなどの熱照射加熱を用いるものがある。
【０００４】
電磁誘導加熱を用いるものにおいては、定着ローラ又は定着ベルトを電磁誘導により発熱する素材にて形成する必要がある。この場合、エネルギー効率及び強度の観点から定着ローラ又は定着ベルトの素材として、鉄素材を用いることが好ましいが、昇温が早い反面熱伝導性が悪いため、定着ローラ又は定着ベルトの軸方向の温度ムラが問題となる。
【０００５】
ハロゲンヒータなどの熱線照射加熱を用いるものにおいては、定着ローラ又は定着ベルトを吸熱、昇温が早い素材で形成することが好ましい。この場合、熱伝導度の観点から定着ローラ又は定着ベルトの素材として、銀素材や銅素材を用いることが好ましいが、コストや強度不足が問題となる。
このような問題を解決するため、多様な研究、開発が行われている。
【０００６】
例えば、特許文献１に開示された画像定着用ヒートローラ（定着ローラ）では、ＳｉＣを適量複合したアルミニウム又はアルミニウム合金によりヒートローラを形成することで、剛性及び強度に優れ、薄肉化による熱容量の低減を可能とし、ウエイトタイムの短縮を実現する技術が開示されている。
【０００７】
特許文献２に開示された画像形成装置の加熱装置（加熱定着装置）では、励磁コイルの発生磁束の作用によって電磁誘導発熱する素材で形成された定着ローラの発熱によって被加熱材（紙）を加熱する電磁誘導方式の加熱装置であって、励磁コイルから定着ローラに対する作用磁束に対して、被加熱材の搬送方向に直交する加熱部長手方向に関する磁束密度分布を変化させる磁束遮蔽板を有し、この磁束遮蔽板は、加熱部長手方向の中央部における作用磁束を、長手方向の端部における作用磁束よりも少なくなるようにすることにより、誘導発熱体の長手方向の温度分布を均一化する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２９６０１０号公報
【特許文献２】特開２００６−１１９４１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示されたヒートローラでは、ＳｉＣの添加により、強度及び剛性の向上が望め、これにより、ヒートローラを薄肉で形成できることから、低熱容量化することができ、加熱時間の短縮が期待できるが、ベース素材がアルミニウムであるため、電磁誘導方式の加熱装置用ヒートローラとして使用する場合には、発熱効率が悪い。また、硬度的にも十分でないため、あまり高い圧力で加圧ローラを当接させることができない。
【００１０】
特許文献２に開示された加熱装置では、励磁コイルから定着ローラに対する作用磁束に対して、磁束遮蔽板を用いて、磁束を遮蔽することで、定着ローラの長手方向の発熱量を調整することとしているため、遮蔽された磁束分のエネルギーは捨てることになる。また、磁束遮蔽板のない部位の過加熱を避けるため、定着ローラの最も加熱の遅い部位を基準に磁束の発生をコントロール必要があるので、コールドスタート時には、定着ローラの長手方向の温度分布が均一化するまでのウエイトタイムが発生し、ファーストプリントまでに要する時間、すなわちファーストプリントタイムの短縮が難しい、などの問題がある。
【００１１】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、定着ローラのローラ軸方向について適切な加温が可能であることからファーストプリントタイムが短くて済み、またローラ軸方向の均等温状態化が早く、その維持が容易であるため、連続プリント性能の良い定着ローラ及び加熱定着装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明の一形態に係る定着ローラは、銅成分を主成分とし、少なくとも、５ｗｔ％以上の鉄成分を含む銅鉄合金からなることを特徴とする。
【００１３】
更に、本発明の一形態に係る定着ローラを用いた加熱定着装置は、銅成分を主成分とし、少なくとも５ｗｔ％以上の鉄成分を含む銅鉄合金からなり、中空環状に形成された定着ローラと、前記定着ローラの内周側又は外周側に配置された磁束発生手段とを具備し、前記磁束発生手段の電磁誘導加熱により、前記定着ローラを加熱することを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明の一形態に係る定着ローラを用いた加熱定着装置は、銅成分を主成分とし、少なくとも５ｗｔ％以上の鉄成分を含む銅鉄合金からなり、中空環状に形成された定着ローラと、前記定着ローラの内周側に配置されたハロゲンヒータとを具備し、前記ハロゲンヒータの照射熱により、前記定着ローラを加熱することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、熱伝導度の高い銅成分が基材となるため、加熱手段によって加熱された熱を定着ローラ全体に無駄なく伝導できる。このため、短時間で定着ローラ全体を均等温状態にでき、ファーストプリントタイムを短くすることができる。また、記録紙へのトナー定着によって熱が奪われても、定着ローラ全体の熱伝導度が良いため、次回プリント可能時間までの復帰時間を短くすることができる。すなわち、連続プリント性能が高い。これに加えて、含有される鉄成分によって、高い強度を有する定着ローラとすることができるため、十分な圧力で加圧ローラを当接させることができる。
【００１６】
更に、定着ローラ自体が、強度を有するため、熱容量の低い、薄肉の中空環状に形成することができ、これにより、加熱手段によって付与された熱エネルギーにより、短時間で定着ローラ全体を均等温状態にすることができる。
【００１７】
更に、加熱手段として、電磁誘導加熱を用いた場合には、包含される鉄成分が直接発熱するため、ファーストプリントタイム、連続通紙時の次回プリント可能時間までの復帰時間をより短縮することができる。この場合、上記に加え、定着ローラに包含される鉄成分比率を回転軸方向端部より回転軸方向中央部を高くすることで、中央部の発熱量を多くすることができ、より連続プリント性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の定着ローラによれば、高い熱伝導性に加え、高い剛性を有するため、薄肉中空状に形成可能であり、低熱容量化が可能であることに加え、定着ローラのローラ軸方向について、均等な加温、通紙後の短時間での復帰が可能である。また、この定着ローラを用いた加熱定着装置では、エネルギー効率のよい加熱定着装置とすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る定着ローラ及び加熱定着装置の横断面図である。
【図２】図１に示した定着ローラの部分Aの断面拡大図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係る定着ローラであって、図１に示す部分Ａと同じ部位の拡大断面図である。
【図４】本発明の更に別の実施形態に係る定着ローラのローラ軸方向に沿った断面図である。
【図５】本発明の更に別の実施形態に係る加熱定着装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２１】
＜加熱定着装置の構成＞
図１は、本発明に係る一実施形態の定着ローラ及びこの定着ローラを組み込んだ加熱定着装置の概略構成を示す横断面図あり、図２は、図１に示した定着ローラの部分Aの断面拡大図である。
図１に示す加熱定着装置１は、中空円環状に形成された定着ローラ２が組み込まれ、この定着ローラ２の中空部３には、当該定着ローラ２を加熱する加熱手段４が更に組み込まれている。この定着ローラ２の下方には、当該定着ローラ２の外周面に加圧接触するように加圧ローラ８が配置されている。この加圧ローラ８は、金属などの硬質材を芯金９とし、外周面を例えばシリコーンゴム等の耐熱性の弾性体１０にて構成されている。このため、加圧ローラ８により、より強く定着ローラ２に圧接可能であり、ニップ１１をより広くとることができる。
【００２２】
上記加熱定着装置１は、電磁誘導加熱方式のものであって、加熱手段４は、磁束発生手段として、励磁コイル５と、この励磁コイル５が巻回されたコア６とを備え、更にこの磁束発生手段を定着ローラ２の中空部３に位置決め固定する保持部材７とからなり、この磁束発生手段で発生させた磁束により、定着ローラ２を加熱（自己発熱）する。
この加熱された定着ローラ２と、図示せぬ付勢手段にて押圧された加圧ローラ８との圧接面、すなわちニップ１１に、図中右方向から左方向に向けて搬送される記録紙１２を送り込み、定着ローラ２を回転させつつ、記録紙１２を加熱、加圧することで、図示せぬ転写装置にて記録紙１２上に未定着トナー１３で形成された画像を記録紙１２に定着させる。
【００２３】
＜定着ローラの構成＞
上記定着ローラ２は、中実の円柱状とすることもできるが、図２に示すように、加熱手段４を内蔵可能な中空環状体１４とすることが好ましい。更に、好ましくは、記録紙１２及び溶融トナーとの剥離性を高めるため、上記中空環状体１４の外周面に剥離層１５を備えることとしても良い。
【００２４】
上記定着ローラ２（中空環状体１４）は、銅成分を主成分とし、少なくとも、５ｗｔ％以上の鉄成分を含む銅鉄合金から形成される。鉄成分が５ｗｔ％に満たない場合は、画像形成装置の加圧ローラ８から受ける付勢力により定着ローラ全体の変形や記録紙とともに巻き込まれる微細ゴミなどにより定着ローラ表面に損傷を生じるおそれがある。定着ローラの表面にハードコート層を設けて表面硬度をアップし、微細ゴミなどによる損傷の防止を図ることができるが、素材自体の強度が不足するため、薄厚の中空環状体として使用することは困難となる。また、加熱手段として、磁束発生手段を用いる場合には、定着ローラの素材中の鉄成分が少なすぎるため、十分な発熱が得られない。
【００２５】
一般に、銅素材は、熱伝導性が良い反面、素材強度が低い。そのため、特に、中空環状体に形成する場合には、加圧ローラ８から受ける押圧に対して変形が生じない程度に強度を確保するために、管厚の厚い環状にせざるを得ない。管厚を厚くすると、熱容量が大きくなるため、定着可能温度までに要する電気エネルギーが多く必要となり、また、昇温に要する時間も長くなる。
【００２６】
これに対し、本発明の定着ローラ２（中空環状体１４）は、銅成分を主成分とし、少なくとも、５ｗｔ％以上の鉄成分を含む銅鉄合金を用いるものであり、銅成分を主成分としながら鉄成分を含んでいるため、良好な熱伝導性を有しながら、強度を高めることができる。すなわち、薄肉の中空環状体とすることができるので、熱容量が小さく、定着可能温度までに要する電気エネルギーを抑えることができ、また、昇温に要する時間も短くすることができる。
【００２７】
更に、加熱手段として、電磁誘導方式を用いた場合には、定着ローラ２が包含する鉄成分が自己発熱するので、定着ローラ２をローラ軸方向に長いものであっても、均一等温を維持しやすい。また、熱伝導性がよいので、磁束発生手段をローラ軸方向に分割配置しても、磁束発生手段の無い部位に熱が素早く伝導するので、均一等温を維持しやすい。
【００２８】
上記剥離層１５は、フッ素系コーティングが好ましく、フッ素樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシポリマー樹脂（ＰＦＡ）、ポリ（テトラフルオロエチレン?コ?パーフルオロプロピルビニルエーテル）、フッ化エチレンプロピレンコポリマー（ＦＥＰ）及びそれらの組み合わせからなる群から選択することができる。特に、硬度及び耐久性の面から、パーフルオロアルコキシポリマー樹脂（ＰＦＡ）が好ましい。
【００２９】
なお、上記説明において、加圧ローラ８の配置方向、記録紙１２の配送方向を規定しているが、本発明を適用する画像形成装置などの構成に合わせて変更することができることはもちろんである。例えば、定着ローラ２と加圧ローラ８の上下位置を交換してもよいし、記録紙１２の搬送方向を下方から上方に搬送してもよい。また、上記説明は、記録紙１２への定着方法であるが、記録紙を布などに置き換えることも可能であることはもちろんである。また、上記加熱手段４は、磁束発生手段をハロゲンヒータなどの熱線照射手段に置き換えて、定着ローラ２を照射熱によって加熱することしてもよい。
【００３０】
ここで、本発明に用いる銅鉄合金のテストピースを作成し、熱伝導率及びビッカース硬さを測定した結果を表１に提示する。また、参考として、ＪＩＳハンドブック鉄鋼、機械工学便覧より引用した鉄合金（ＳＴＫＭ材）、銅材、アルミニウム材の熱伝導率及びビッカース硬さをそれぞれ比較例１、比較例２、比較例３として、掲示した。
物性試験においては、銅成分９５ｗｔ％、鉄成分５ｗｔ％の銅鉄合金からなるテストピースに基づく測定結果を実験例１とし、銅成分７０ｗｔ％、鉄成分３０ｗｔ％の銅鉄合金からなるテストピースに基づく測定結果を実験例２とし銅成分３０ｗｔ％、鉄成分７０ｗｔ％の銅鉄合金からなるテストピースに基づく測定結果を実験例３とした。
まず、テストピースとして、上記各配合率の銅鉄合金（株式会社タカヤマジャパン製ＣＦＡ９５，ＣＦＡ７０）を用意し、切削加工にて、直径１０ｍｍ、厚さ１ｍｍのテストピースを作成した。
熱伝導率は、レーザーフラッシュ法を用いて、算出した。ビッカース硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に従って、測定した。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
表１によれば、実験例１は、比較例２（銅材）に劣るものの比較例１（鉄合金）に比べて十分高い熱伝導率を有し、更に、比較例１（鉄合金）に近い硬度、すなわち強度を有している。また、実験例２は、実験例１に比べて、熱伝導率が劣るものの、高い硬度を有している。この場合、鉄成分が高いことから、電磁誘導による高い発熱効率が期待できる。また、実験例３は、実験例１に比べて、熱伝導率が劣るが、比較例１（鉄合金）に比べて、相当に高い硬度を有している。更に、電磁誘導による高い発熱効率が期待できる。従って、従来の鉄製定着ローラに比べて、熱伝導率が高いうえ、相当に高い硬度を有しているため、薄肉の中空環状体とすることができる。よって、電磁誘導による高い発熱効率が期待できるとともに、熱容量が低いため加温時間を短縮することができる。
なお、過剰に鉄成分を高くすると、熱伝導性が低下するとともに、電磁誘導加熱時における発熱性が高くなり過ぎるため、磁束発生手段の磁束発生量を調節する制御機構（制御回路や制御ソフトウエア）や磁束遮蔽手段などを追加する必要が生じるので、好ましくない。
【００３３】
（他の実施形態）
図３は、本発明に係る別の実施形態であって、図１に示す定着ローラの拡大図における部分Ａと同じ部位の拡大断面図である。なお、説明の理解を容易にするため、別の実施形態においても、上記実施形態と同様の部品・部位を示す場合には、同じ符号を用いることとする。
上記定着ローラ１６は、芯金１７を基材とし、その外周面に銅鉄合金からなる薄膜層１８を有し、更に、その外周面にＰＦＡからなら剥離層１５を有している。
本実施形態においては、芯金１７として、熱伝導性がよく、銅材に比べて安価なアルミニウム合金を用いて強度を確保し、薄膜として銅鉄合金からなる薄膜層１８を設けているので、熱伝導性及び発熱効率を犠牲にすることなく、安価に定着ローラを構成することができる。
【００３４】
図４は、本発明の別の実施形態に係る定着ローラ１９のローラ軸方向に沿う断面図である。定着ローラ１９は、ローラ軸方向の中央領域ａとし、この中央領域ａの外方端から更に外方の領域を領域ｂとし、この領域ｂの外方端より定着ローラ１９の両端部までの領域をｃとしたとき、中央領域ａ＞領域ｃ＞領域ｂの順に、主成分に対する鉄成分の重量パーセントを変化させたものである。これは、大きさの異なる２種類の記録紙を用いる画像形成装置で用いる場合に適する。
特に、記録紙小２０のローラ軸方向端部が領域ｂの範囲内に来るように調整し、記録紙大２１のローラ軸方向端部を領域ｃに来るように調整することが好ましい。例えば、記録紙小２０として、Ａ４サイズ記録紙を用い、記録紙大２１として、Ａ３サイズ記録紙を用いる場合、一般に、記録紙の中央部に未定着トナー１３が配される場合が多く、その定着に熱が奪われるため、中央領域ａの鉄成分を高くして発熱性を高めることが好ましい。また、一般に、Ａ３サイズの記録紙よりＡ４サイズ記録紙の方が使用頻度が高いため、中央領域ａの発熱性を高めることで、通紙速度を向上させることができる。また、定着ローラ１９の端部は、軸支持部材などに接触するため、放熱性が高くなるため、放熱による温度低下を抑える程度に領域ｃの鉄成分を高めて発熱性を高めておくことが好ましい。
上記は、特にＡ４サイズ及びＡ３サイズに対応する画像形成装置に好ましい定着ローラであるが、本発明は、これに限定されず、対応する記録紙の種類、サイズに対応し、自由に鉄成分の重量パーセントを変化させることが可能である。
【００３５】
図５は、本発明の別の実施形態に係る定着ローラ２２を用いた電磁誘導方式の加熱定着装置２３である。この加熱手段２４は、定着ローラ２２の外周面の一部に沿うように配置している。加熱手段２４は、磁束発生手段として、励磁コイル２５と、この励磁コイル２５が巻回されたコア２６とを備え、更にこの磁束発生手段を定着ローラ２２の外周面に位置決め固定する保持部材２７とからなり、この磁束発生手段で発生させた磁束により、定着ローラ２２を加熱（自己発熱）する。
この加熱定着装置２３によれば、記録紙１２に当接する定着ローラ２２の外周面に極めて近い位置に磁束発生手段を配置することができるため、効率よく定着ローラ２２を加熱することができる。
【００３６】
上記実施形態においては、それぞれ個別の形態に限定されるものではなく、発明要旨を逸脱しない範囲で、構成を変更することができることはもちろんである。
【符号の説明】
【００３７】
１、２３・・・加熱定着装置
２、１６、２２・・・定着ローラ
４、２４・・・加熱手段
【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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