JP2003317898A - 加熱装置ならびに画像形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 非通紙部昇温による局部的熱的ピークの緩和
引いては熱的損傷の防止、かつ熱の逃げを防止すること
で定着の熱効率を効果的に改善する。 【解決手段】 加熱部材と加熱部材支持体の間に熱伝導
異方性をもつ部材を挟持させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は加熱部材、加熱装置
および画像形成装置に関し、特に電子写真技術において
加熱定着に使用される加熱装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば電子写真、プリンタ、ファクシミ
リなどの画像形成装置の画像加熱定着装置、すなわち電
子写真、静電記録、磁気記録などの適宜の画像形成プロ
セス手段により加熱定着性のトナー剤を転写材（印刷
紙、エレクトロファックスシート、静電記録シートな
ど）に間接的もしくは直接的に形成担持、すなわち転写
させた目的の画像情報に適応した未定着トナー像を転写
材面に加熱定着させるための装置として、一般的に熱ロ
ーラ方式が多用された。

【０００３】熱ローラ方式の加熱装置は、ハロゲンヒー
タなどの内蔵熱源を用いて所定の加熱温度に維持させた
定着ローラとこれに圧接させた加圧ローラとの定着ニッ
プ部に転写材を導入して挟持搬送し、定着ローラから熱
を供給することで未定着画像を加熱定着させるものであ
る。

【０００４】この熱ローラ方式を用いた加熱装置の概略
図を図６に示す。内部に発熱体７を備えた定着ローラ８
と、それに圧接する加圧ローラ９により定着ニップ部Ｎ
が形成され、この定着ニップ部Ｎを、未定着画像を担持
した転写材Ｐが通過することによって定着が行われる。
定着ローラの温度は温度検知素子６によって監視され、
発熱体７の通電を制御することによって定着温度を確保
する。

【０００５】しかし熱ローラ方式の加熱装置は、定着ロ
ーラの熱容量が大きいためにニップ部が定着温度に到達
するためのウエイトタイムが長く、また、ウエイトタイ
ムを短縮するために待機中に定着ローラを高温に維持す
ると消費エネルギーが大きくなるという問題がある。

【０００６】これらの問題を解決するためにフィルム加
熱方式が考案され、実用化されている（特開昭６３−３
１３１８２号公報、特開平２−１５７８７８号公報）。

【０００７】フィルム加熱方式の加熱装置は、低熱容量
の加熱部材や薄膜の定着フィルムを用いることができる
ために定着ニップ部を定着温度に短時間で到達すること
ができ、かつ待機中も通電加熱を行う必要がなく、ウエ
イトタイムの短縮化、省電力化に利点がある。

【０００８】図７は現在実用化されているフィルム加熱
方式の加熱装置の概略図である。１は基板上に通電によ
って発熱する発熱体を具備した加熱部材で、２は該加熱
部材を支持する加熱部材支持体、３は断熱性の定着フィ
ルム、４は定着フィルム３を介して加熱部材１と圧接し
て定着ニップ部Ｎを形成する加圧ローラである。加熱部
材１の温度は温度検知素子６によって監視され、発熱体
の通電を制御することによって定着温度を確保する。

【０００９】トナー剤Ｔによって形成させる未定着画像
を担持した転写材Ｐは定着ニップ部Ｎに導入される。加
圧ローラ４の回転駆動によって転写材Ｐは挟持搬送され
る。加熱部材１から定着フィルム３を介して転写ニップ
部Ｎに熱が供給され、トナー剤Ｔは転写材Ｐに定着され
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしフィルム加熱式
の加熱装置において、次のような課題がある前述のフィ
ルム加熱方式加熱装置において、加熱部材支持体の熱伝
導率が大きいとき、加熱部材から加熱部材支持体への熱
の逃げが多くなり、定着ニップ部Ｎひいては転写材を効
率よく加熱することができない。

【００１１】その結果、加熱部材の温度上昇のための時
間すなわちウエイトタイムを長く設定する必要があり、
電力消費量が増大する問題が生じる。

【００１２】そこで実施例として、加熱部材から加熱部
材支持体への熱の逃げを防止することを目的に、加熱部
材支持体の熱伝導率を低下させたものがある（特願平１
１−１２２１７５）。この実施例は、ウエイトタイムの
短縮化や省電力性に優れた加熱装置である。

【００１３】しかし、前記実施例の加熱部材支持体の熱
伝導率は低いため、以下のような問題が生じる。

【００１４】加熱装置の長手方向に注目する（図８に図
示）。発熱体１−２の長手寸法は、普通紙として定めた
転写材の加熱部材長手方向の定着性が満たされるように
設計される。温度検知素子６は加熱部材の発熱が定着温
度に十分であるかを検知することを目的としているた
め、転写材通紙部に配置される。

【００１５】しかし、それよりも幅の小さなサイズ（小
サイズ紙）を通紙したとき、定着ニップ部の通紙部Ｎ−
１の熱は転写材Ｐに奪われるが、非通紙部Ｎ−２では熱
は奪われず、加熱部材１、加熱部材支持体２、定着フィ
ルム３、加熱ローラ４に蓄熱され、非通紙部での昇温が
起こる（非通紙部昇温）。さらにその転写材が封筒や厚
紙であるとき、ニップ部の転写材端部では定着フィルム
３と加圧ローラ４との接触が得られず、特に加熱部材支
持体２への熱伝導が極めて高くなり、転写材端部付近で
局部的に蓄熱が進行する。特に連続通紙時ではこの蓄熱
が大きくなって熱的ピークをもち、温度検知素子６によ
って発熱を制御している通紙部に比較して非常に大きく
なる。

【００１６】前記従来例では、用いられる加熱支持体を
樹脂、セラミックス、金属、ガラスなどの複合材料を用
いて低熱伝導性となる構成としてきた。このとき熱的ピ
ークはよりシャープな分布となりかつピーク値も高くな
る。

【００１７】また、高速化に伴う発熱量アップなど通紙
部と非通紙部の温度差が大きくなる要素を持つ状況でも
熱的ピークのピーク値は高くなる。

【００１８】このように通紙部の温度検知素子部と非通
紙部とくに熱的ピークとの温度差が大きくなったとき、
加熱部材支持体、加熱部材に熱的損傷の起因となる可能
性をもつ。

【００１９】加熱部材の背面の温度分布を均一化するこ
とを目的とした先願された公報として特開平０５−２８
９５５５がある。この公報では加熱部材の背面に１００
ｋｃａｌ／ｍｈｒ℃以上の熱伝導率を有する高熱伝導部
材としてアルミプレートを配置している。この場合、加
熱部材裏面における面方向への熱伝導率が高まるととも
に、加熱部材裏面から加熱部材支持体方向への熱伝導率
も高くなる。

【００２０】そこで本発明は、加熱部材と加熱部材支持
体の間に熱伝導異方部材を配置し、加熱部材支持体への
熱伝導を低下させかつ加熱部材面方向の熱伝導率を高め
ることで、非通紙部昇温による加熱部材支持体 の局部
的熱的ピークの緩和、ひいては熱的損傷を防止し、かつ
熱の逃げを抑制して定着の熱効率を効果的に改善する加
熱装置および画像形成装置の提供を目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の加熱部材、加熱
装置および画像形成装置は、上記課題を解決するために
以下の構成を取るものである。

【００２２】本発明では加熱部材と加熱部材支持体の間
に、加熱部材から加熱部材支持体への熱伝導を小さくか
つ加熱部材と接する面での熱伝導を大きくする構成で熱
伝導異方体部材を配置するものである。加熱部材支持体
と高熱伝導部材あるいは熱伝導異方体部材との接面にお
いて、加熱部材支持体へと逃げる熱量は非常に小さくな
ることで熱効率が良く、かつ熱的ピークの形状はさらに
フラットになることで熱的破損の抑制により効果的であ
る。

【００２３】なお、加熱装置を構成する部材に熱伝導異
方性を持たせる先願された公報として、特願平１１−１
７４９０５、特願平１０−３２９６９０がある。前者は
加熱フューザ部材（前記特許内では加熱装置に使われる
部材の意）のエラストマー層に（熱伝導）異方性を持っ
た物質を、発熱部が発した熱をより（加熱）装置横断方
向（発熱体、熱ローラ→加圧ローラ方向）への熱伝導を
助長させる構成としており、後者は熱ローラ方式の熱ロ
ーラに熱伝導異方性を持たせる構成に限定している。

【００２４】本発明はフィルム加熱方式における加熱部
材支持体上の加熱部材に接する面に、加熱部材からの熱
流を小さくかつ加熱部材と接する面での熱流を大きくす
る構成で熱伝導異方体部材を配置するものであるので、
上記２つの公報とは異なる。

【００２５】

【発明の実施の形態】（実施例）以下、図面に沿って本
発明の実施例について説明する。

【００２６】なお、本実施例で用いた加熱装置は前記従
来用いられてきたフィルム加熱方式を用いた加熱装置
（図７）の加熱部材支持体として本発明の加熱部材支持
体を搭載したものである。

【００２７】この装置は特開平４−４４０７５〜４４０
８３号公報、同４−２０４９８０〜２０４９８４号公報
などに開示のいわゆるテンションレスタイプの装置であ
る。

【００２８】このテンションレスタイプの装置は定着フ
ィルムとしてエンドレスベルト状もしくは円筒状のもの
を用い、該定着フィルムの周長の少なくとも一部を常に
テンションフリー（張力が加わらない状態）とし、定着
フィルムを加圧ローラなどの加圧部材の回転駆動力で従
動駆動するようにした装置である。

【００２９】〈実施例１〉本実施例１に係る加熱装置の
一例の概略構成図を図１に示す。

【００３０】１は加熱体基板上に発熱体を具備した加熱
部材、２は加熱部材１の支持とフィルムガイド部材とし
ての働きを兼ねる加熱部材支持体、３は耐熱性で円筒状
の定着フィルム、４は定着フィルム３を介して加熱部材
１に圧接する加圧ローラ、５は加熱部材１と加熱部材支
持体２の間に配置した熱伝導異方部材である。

【００３１】加熱部材１は、加熱体基板１−１、該加熱
体基板１−１の片面に形成具備された発熱体１−２、導
電部１−３、電極部１−４、発熱体保護層１−５によっ
て構成される。

【００３２】加熱体基板１−１の材料として、耐熱性、
電気絶縁性、低熱容量、高剛性の材料である窒化アルミ
ニウムを用いた。炭化珪素、酸化アルミニウムもしくは
ＳＵＳ等の金属材料に絶縁層を構成させたものなどでも
よい。加熱体基板２の寸法は、転写材Ｐの搬送に対し直
交方向を長手方向として、長さ２７０ｍｍ、幅８．７５
ｍｍ、厚み１ｍｍのものを使用している。

【００３３】発熱体１−２として抵抗発熱体である銀パ
ラジウム（Ａｇ・Ｐｂ）をスクリーン印刷などによりパ
ターン塗工したが、Ｔａ２Ｎなど他の抵抗発熱物質でも
構わない。ここでは１本の発熱体の寸法は、加熱体基板
１−１の長さ方向に対し、長さ２２５ｍｍ、幅２ｍｍ、
厚み１０μｍとし、パラレルに２本配置した。

【００３４】導電部１−３、電極部１−４は、図２のよ
うな回路を組んで電極部１−４から電力を発熱体１−２
に供給するもので、Ａｇなどの導電材料ペーストをスク
リーン印刷などにより加熱体基板１−１上にパターン塗
工した。

【００３５】発熱体保護層１−５は発熱体１−２の上を
被覆するガラス質の保護層で、発熱体１−２を機械的破
壊、化学的侵食から保護し、かつ電気的絶縁を保つため
のものである。

【００３６】加熱部材支持体２の材料として断熱性、高
耐熱性、剛性のものが好ましく、本実施例では液晶ポリ
マーをもちいたが、ポリフィニレンサルファイド（ＰＰ
Ｓ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ
イミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）などでも
構わない。また、それらの樹脂とセラミックスや金属、
ガラスなどとの複合材料でもよい。

【００３７】定着フィルム３はウエイトタイムを短縮す
る目的で熱容量を小さくする。フィルム膜厚を１００μ
ｍ以下、好ましくは５０μｍ以下２０μｍ以上の耐熱性
のあるＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰなどの単層フィルムあ
るいはポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡ
Ｉ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ＰＥ
Ｓ、ポリフィニレンサルファイド（ＰＰＳ）などのフィ
ルム基層の外周表面にＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰなどを
コートした複合層フィルムを使用できる。本実施例では
膜圧約４０μｍのポリイミド円筒状フィルムの外周表面
にＰＴＦＥをコートしたものを用いた。

【００３８】加圧ローラ４は断熱性・弾性のローラで、
不図示の軸受け手段・不勢手段により所定の押圧力で定
着フィルム３を介して加熱部材１に圧接し、定着ニップ
部Ｎを形成している。加圧ローラの材質は多用される中
実のシリコーンゴムや、あるいは断熱性のものでもよ
い。

【００３９】熱伝導異方部材５は大きな熱伝導異方性を
もつグラファイトで形成する。グラファイトは、炭素原
子の縮合六員環層面がａｂ面で平面状に広がり、この層
面がｃ軸方向に幾重にも積み重なった、いわゆるグラフ
ァイト型結晶構造を持っている（図３）。炭素原子間の
結合は、ａｂ面で正三角形をなす隣接する３つの炭素原
子と共有結合をしており、ｃ軸方向の炭素原子とはファ
ン・デル・ワールス結合をなす。共有結合はファン・デ
ル・ワールス結合に比べて非常に強い結合であり、その
ため、ａｂ面方向とｃ軸方向では電気的・熱的物性など
で大きな異方性をもつ。ここで熱伝導はａｂ面方向の方
がｃ軸方向よりも非常に大きい。

【００４０】なお、本実施例１のように利用できうるグ
ラファイト材料の一例が特開平８−２３１８３号公報に
示されている。

【００４１】同公報に掲載されるグラファイト材料は以
下のものである。素材としてグラファイト結晶の配向の
そろった高結晶グラファイト、特にロッキング特性（理
学電機社製ロータフレックスＲＵ−２００Ｂ型Ｘ線回折
装置で測定した、グラファイト（０００２）線のピー
ク）が２０度以下のものであればよく、炭化水素系ガス
を用いＣＶＤ法によって炭素原子を基板上に積層させて
からアニーリングして得られたもの、特定の高分子化合
物のフィルムをグラファイト化したものを上げることが
できる。

【００４２】ここで特定の高分子化合物として、各種ポ
リオキサジアゾール（ＰＯＤ）、ポリベンゾジアゾール
（ＰＢＴ）、ポリベンゾビスチアゾール（ＰＢＢＴ）、
ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＢＯ）、各種ポリイミド
（ＰＩ）、各種ポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンベ
ンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリフェニレンベンゾビ
スイミダゾール（ＰＢＢＩ）、ポリチアゾール（Ｐ
Ｔ）、ポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）からなる
群の中から少なくとも一つを使用することができる。

【００４３】今回用いたグラファイトは０．１ｍｍ厚の
シート材で、松下電器（株）製、商品名パナソニックグ
ラファイトシート（商品登録）、品名ＰＧＳグラファイ
トシート、品番ＥＹＧＸ１８２５１０である。その面方
向、厚み方向の熱的・電気的性質を金属と比較したもの
を表１に示す。このグラファイトシートは７００℃程度
まで酸化することのない、耐熱性の優れたものである。

【００４４】本実施例のように用いる熱伝導異方部材の
熱伝導異方性は大きいほど望ましい。表１のように、本
実施例で用いたシート状グラファイトの面方向の熱伝導
度は厚み方向に対して１２０倍である。

【００４５】上記シート状の熱伝導異方部材は、加熱部
材と加熱部材支持体との間に挟持させた。

【００４６】熱伝導異方部材の寸法は、幅、長さは加熱
部材支持体の、加熱部材を嵌める溝と同寸とし、厚みは
０．１ｍｍとした。

【００４７】上記熱伝導異方部材の物性、寸法はそれを
用いる加熱装置ならびに画像形成装置の設計構想によっ
て規定されるものである。例えば熱伝導の異方性をより
高めたいときは高純度あるいは単結晶グラファイトを用
いること、または厚みを増すことが好ましい。ウエイト
タイムを短縮化するためには熱容量を小さく、あるいは
厚みを薄くすることが好ましい。また、定着ニップや加
熱部材を幅広にしたときはそれに合わせて熱伝導異方部
材の幅も適度に広くすべきである。

【００４８】（比較例）従来の加熱装置と本実施例１の
加熱装置の加熱部材支持体温度分布を比較した。

【００４９】従来例では加熱部材と加熱部材支持体の間
に、本実施例１では熱伝導異方部材と加熱部材支持体の
間に温度検知素子としての熱電対を多数配置して温度を
測定した。特に非通紙部昇温による熱ピークの位置はあ
らかじめ把握し、温度検知素子を配置している。測定し
た温度分布を図４に、その時の通紙中央部と熱的ピーク
の温度を表２に示す。測定は、転写材としてＢ５封筒を
用い、非通紙部温度が十分に飽和する所定枚数を連続通
紙したときに行った。図では縦軸に温度（℃）を、横軸
に通紙部中央からの定着ニップ部長手方向の距離（ｍ
ｍ）をとった。ここで９１ｍｍ付近が転写材端部であ
る。破線が従来品の、実線が本発明品の加熱部材裏面温
度分布である。

【００５０】このように、熱的ピークの温度は従来例に
比べて１８℃低下した。転写材端部の熱的ピークを効果
的に緩和していることがわかる。また、温度分布曲線が
低温方向にシフトしていることから、加熱部材支持体へ
の熱の逃げが小さくなっていることが分かる。従って定
着のための熱効率も改善されている。

【００５１】〈実施例２〉本実施例２では、加熱部材と
熱伝導異方部材の接触面において、少なくとも加熱部材
に具備される発熱体の裏面は非接触とした。

【００５２】図５に本実施例２に係る加熱装置の概略図
を示す。

【００５３】加熱部材支持体の加熱部材を固定する溝に
ザグリ部２−２を設け、そのザグリ部に沿うように熱伝
導異方部材を敷き、さらにその上から加熱部材支持体を
配置して挟持させた。このとき、熱伝導異方部材と加熱
部材支持体との間の熱的ピークは実施例１と同様に緩和
されている。さらに、加熱部材表面の立ち上がり時間
（所定の温度（室温）から異なる所定の温度（必要とさ
れる定着温度）まで昇温する時間）を測定すると、実施
例１よりも短縮されていた。すなわち、加熱部材から加
熱部材支持体への熱の逃げをさらに抑制する効果を得る
ことができた。

【００５４】

【表１】

【００５５】

【表２】

【００５６】

【発明の効果】以上のように、加熱部材と加熱部材支持
体の間に熱伝導異方部材を配置することで、非通紙部昇
温による蓄熱、ひいては熱的破壊を効果的に抑制するこ
とができる。また、加熱部材支持体への熱の逃げを抑制
することで定着のための熱効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例１に係る加熱装置の概略図である。

【図２】本実施例で用いた加熱部材の概略図である。

【図３】グラファイト型結晶構造を示す図である。

【図４】温度分布の比較図である。

【図５】本発明の実施例２に係る加熱部材支持体の概略
図である。

【図６】従来例の熱ローラ方式を用いた加熱装置の概略
図である。

【図７】従来例のフィルム加熱方式を用いた加熱装置の
概略図である。

【図８】加熱装置の長手方向の様子を示す図である。

【符号の説明】

１ 加熱部材 １−１ 加熱体基板 １−２ 発熱体 １−３ 導電部 １−４ 電極部 １−５ 発熱体保護層 ２ 加熱部材支持体 ２−２ ザグリ部 ３ 定着フィルム ４ 加圧ローラ ５ 熱伝導異方部材 ６ 温度検知素子 ７ 発熱体 ８ 定着ローラ ９ 加圧ローラ Ｎ 定着ニップ部 Ｎ−１ 小サイズ紙通紙部 Ｎ−２ 非通紙部 Ｐ 転写材 Ｔ トナー剤

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱体基板と該加熱体基板上に設けられ
   た発熱体とを有する加熱部材と、該加熱部材を支持する
   加熱部材支持体と、該加熱部材支持体の周囲を回転する
   円筒状のフィルムと、該フィルムを介して該加熱部材と
   圧接する加圧ローラとを有する加熱装置において、 該加熱部材と該加熱部材支持体の間に熱伝導異方部材を
   有することを特徴とする上記の加熱装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の加熱装置において、 熱伝導異方部材の材料としてグラファイトを用いること
   を特徴とする加熱装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の加熱装置において、 熱伝導異方部材のシート状グラファイトの面方向の熱伝
   導度は厚み方向に対して１２０倍程度であることを特徴
   とする加熱装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の加熱装置において、 熱伝導異方部材と前記加熱部材との間に非接触領域が形
   成されることを特徴とする加熱装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の加熱装置において、 前記加熱部材の発熱体の背面と熱伝導異方部材は少なく
   とも非接触であるを特徴とする加熱装置。