JP2004062053A

JP2004062053A - 加熱装置および画像形成装置

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Publication number: JP2004062053A
Application number: JP2002223442A
Authority: JP
Inventors: Kiyonari Ogawa; 小川　研也; Motoi Kato; 加藤　基; Tadashi Furuya; 古屋　正
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】オンデマンド化、高速化を可能にし、加熱部材を安定して駆動し長期にわたり良好な加熱性が得られ、加熱定着装置にあっては光沢ムラのない良好なカラー画像出力を可能にした、安全な加熱装置を提供する。
【解決手段】輻射光を吸収して発熱する発熱層を有する、フィルムもしくはベルト状の、回動可能な加熱部材３と、加熱部材の内部に備えた輻射発熱源１と、加熱部材の内面と摺動する摺動面を有する保持部材２と、保持部材の摺動面との間に加熱部材を挟んでニップ部Ｎを形成する加圧部材５とを具備し、ニップ部を形成する保持部材２の摺動面が加圧部材５の軸線に対しクラウン形状を有し、加圧部材５を回転駆動させることでニップ部において加熱部材を保持部材の摺動面に内面を摺動させながら回転させ、ニップ部の加熱部材と加圧部材との間に被加熱材Ｐを挟持搬送しつつ加熱部材の熱で被加熱材を加熱する加熱装置。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電子写真方式・静電記録方式等の画像形成装置において、加熱溶融性の樹脂等よりなるトナーを用いて、被記録材（紙、印刷紙、転写材シート、ＯＨＴシート、光沢紙、光沢フィルム、エレクトロファックス紙、静電記録紙等）の面に転写方式もしくは直接方式で目的の画像情報に対応した未定着トナー画像を形成担持させ、該未定着トナー画像を、該画像を担持している被記録材面上に永久固着画像として加熱定着処理する定着装置として用いて好適な加熱装置、および該加熱装置を搭載した画像形成装置に関する。
【０００２】
ここで、本発明の加熱装置は、上記例の加熱定着装置に限られず、その他、未定着トナー画像を被記録材面上に仮定着する像加熱装置、画像を担持した被記録材を再加熱してつや等の表面性を改質する像加熱装置、被記録材以外のシート状の被加熱材を通紙して、乾燥、加熱ラミネート、熱プレスしわ取り、熱プレスカール取り等をする加熱処理装置等としても使用できる。
【０００３】
【従来の技術】
以下、加熱装置として画像形成装置の加熱定着装置を例にして説明する。
【０００４】
複写機やプリンター、ＦＡＸ等に用いられる電子写真方式等の画像形成装置において、近年重要性を増してきた課題として、所謂省エネに対する要請に対応することが挙げられる。上記に列挙した装置に用いられている従来のトナー像の加熱定着装置は、トナーを融解して被記録材としての用紙に固着させる方式であるために、電力を直接熱エネルギーとして消費しており、かかる電力は、装置本体全体で使用される電力消費の大きな部分を占めている。
【０００５】
これに対し、定着装置の消費電力を低減するための一つの方向性として、オンデマンド化（通常はヒータに電流を流さず、例えば、画像形成の時のみにヒータを入れるリアルタイム化）が図られている。具体的には、加熱部材である定着部材を、薄肉ローラあるいは薄いベルト状若しくはフィルム状にすることで、従来の肉厚の加熱ローラに比べて格段に熱容量を小さくして、装置の立ち上がりを早くすると同時に、その間の消費電力を抑えるものである。
【０００６】
オンデマンド化を図ることで、プリント信号を受け取ると、待ち時間が殆どない状態で直ぐにプリントが開始されるようになるため、従来の加熱ローラを定着部材として用いた場合のように、非プリント時においても定着部材をプリント温度近辺の高温に保温しておくといった必要がなくなり、常温かせいぜい適度な低温に保てばよくなる。定着装置の保温時における放熱は、環境温度と、定着部材の設定温度の温度差に比例して大きくなるが、かかる放熱によってプリントしていない状態でも常時電力が消費される。従って、間欠的にプリントを繰り返すような移動状況下においては、定着装置をオンデマンド化することによって非常に大きな節電効果がもたらされる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、定着部材にフィルムを用いた所謂サーフ方式においては、下記に述べるようにカラートナー像を良好な状態に定着することが難しく、薄層フィルムを使用するため、特に被記録材上のトナー量が多いカラー画像の形成においては均一な定着性を得ることが困難であるという問題があった。カラートナー像の定着においては、普通紙に画像を形成した場合に紙表面の凹凸に応じてトナー像の溶融具合が変化してしまい、定着画像表面に光沢むら所謂“す”が発生したり、ＯＨＰ（オーバーヘッドプロジェクター）用フィルムを被記録材として用いた際においてはトナー像の凹凸に応じてＯＨＰの透過性が変化しやすく、高品位な画像を得ることが難しかった。
【０００８】
そこで定着画像の表面を滑らかにする目的で、定着フィルムに従来のローラ定着と同様の弾性層を最小限設ける事も可能である。一例として１００〜３００μｍ前後のシリコーンゴム等からなる弾性層を設けることが出来るが、これに対し従来のサーフ定着においては、せいぜい４〜６ｍｍ程度のニップ距離にて、定着フィルム背面のセラミックヒータ等の発熱源にフィルムを当接させて接触伝熱によりフィルム加熱を行うため、上記厚さの弾性層をフィルムに設けた場合には、フィルム熱応答性が遅くなってしまうという問題が生じた。
【０００９】
これは異なる色のトナーが複数層重なりあって形成されているカラートナー像の固着には大量の熱流が必要であるため更に厳しく、フィルム上に上記弾性層を設けた際には紙等の被記録材がニップを通過する間に、ヒータからの熱流をフィルム表面まで十分に送り込むことが出来ず、トナー表層しか溶融できなくなり定着不良を生じやすい。
【００１０】
これに対してシリコーンゴム等からなる弾性層の熱伝導を上げるために弾性層中にフィラーを添加することも考えられるが、ゴムの硬度が上がって弾性が低下し、フィルムに弾性層を設けたことによる効果が損なわれてしまう。
【００１１】
そこで本発明の目的は、オンデマンド化、高速化を可能にし、しかも加熱部材を安定して駆動し長期にわたり良好な加熱性が得られ、加熱定着装置にあっては光沢ムラのない良好なカラー画像出力を可能にした、安全な加熱装置を提供することにある。
【００１２】
又、本発明の目的は、装置の小型化、ならびに放熱ロスがより低減された経済性に優れる加熱装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は下記の構成を特徴とする加熱装置及び画像形成装置である。
【００１４】
（１）輻射光を吸収して発熱する発熱層を有する、フィルムもしくはベルト状の、回動可能な加熱部材と、
前記加熱部材の内部に備えた輻射発熱源と、
前記加熱部材の内面と摺動する摺動面を有する保持部材と、
前記保持部材の前記摺動面との間に前記加熱部材を挟んでニップ部を形成する加圧部材と、
を具備しており、前記ニップ部を形成する前記保持部材の前記摺動面が前記加圧部材の軸線に対しクラウン形状を有し、前記加圧部材を回転駆動させることで前記ニップ部において前記加熱部材を前記保持部材の摺動面に内面を摺動させながら回転させ、前記ニップ部の前記加熱部材と前記加圧部材との間に被加熱材を挟持搬送しつつ前記加熱部材の熱で被加熱材を加熱する事を特徴とする加熱装置。
【００１５】
（２）前記加熱部材が輻射光に対して透過性を有する基層を前記発熱層の内側に具備する事を特徴とする（１）に記載の加熱装置。
【００１６】
（３）前記加熱部材が前記輻射光に対して透過性を有する弾性層を、前記基層と前記発熱層の中間に具備する事を特徴とする（２）に記載の加熱装置。
【００１７】
（４）前記加熱部材の前記基層が少なくともポリイミド樹脂を含む材料より形成される事を特徴とする（２）又は（３）に記載の加熱装置。
【００１８】
（５）前記加熱部材における弾性層が少なくともシリコーン系のゴム層を含む事を特徴とする（３）又は（４）に記載の加熱装置。
【００１９】
（６）前記加熱部材における前記発熱層が少なくとも導電性のカーボン粒子を含有する事を特徴とする（１）から（５）の何れかに記載の加熱装置。
【００２０】
（７）前記加熱部材が表層にフッ素系樹脂からなる離型層を有する事を特徴とする（１）から（６）の何れかに記載の加熱装置。
【００２１】
（８）前記保持部材が横断面コの字形状をした金属板より形成されることを特徴とする（１）から（７）の何れかに記載の加熱装置。
【００２２】
（９）前記保持部材が、少なくとも、第１の支持部分と、ニップ形成部となる第２の支持部分の２部材より構成され、第２の支持部分は第１の支持部分よりも熱伝導率の高い材質材で構成されている事を特徴とする（１）から（８）の何れかに記載の加熱装置。
【００２３】
（１０）前記保持部材の第１の支持部分と第２の支持部分が金属より形成される事を特徴とする（９）に記載の加熱装置。
【００２４】
（１１）前記保持部材が少なくとも透光性のセラミックスから構成される部分を有する事を特徴とする（１）から（１０）の何れかに記載の加熱装置。
【００２５】
（１２）前記被加熱材が像を担持した被記録材である事を特徴とする（１）から（１１）の何れかに記載の加熱装置。
【００２６】
（１３）被記録材上のトナー像を加熱溶融して定着する定着装置である事を特徴とする（１）から（１２）の何れかに記載の加熱装置。
【００２７】
（１４）被記録材に未定着画像を形成担持させる作像手段と、被記録材に形成担持させた未定着画像を定着させる定着手段を有し、前記定着手段が（１）から（１３）の何れかに記載の加熱装置である事を特徴とする画像形成装置。
【００２８】
〈作　用〉
１）加熱部材として、輻射光を吸収して発熱する発熱層を有するフィルムもしくはベルト状部材を用い、これに輻射発熱源の輻射光を与えて発熱させる、輻射を用いた加熱装置においては、フィルムもしくはベルト状部材である加熱部材による大幅な低熱容量化と、放射伝熱による表面加熱により、加熱装置のオンデマンド化と、加熱定着装置にあってはカラー画像における良好な定着性が両立できる。
【００２９】
即ち、加熱部材として、輻射光を吸収して発熱する発熱層を有するフィルムもしくはベルト状部材を用いて加熱装置のオンデマンド化、クイックスタートが容易になると共に、加圧（定着）領域を拡大するため加熱部材の小型化・小熱容量化も出来る。主にニップ部以外において加熱部材を直接加熱し、ニップ部においては加熱された加熱部材の熱容量により被加熱材を加熱すると共に、保持部材が確実に加圧し効果的に加熱する。また加熱部材として薄肉フィルムを用い加熱装置を低熱容量化した際でも、フィルムに適正な張力を与える事でフィルムやしわや折れを発生することなく長期にわたり安定したフィルム駆動を達成できる。
【００３０】
２）加熱部材として、輻射透過性及び輻射吸収性を有する多層構成フィルム若しくはベルトを用いることにより、内部輻射源を用いているにもかかわらず、直接に加熱部材の表面を加熱することが可能になり、この結果通常の内面加熱に対して表面加熱を行うことで加熱部材表面の熱応答性を向上させることができた。
【００３１】
３）また加熱部材の内部側に輻射源を配置することで、安全かつ放熱によるロスも少なくしつつ、加熱部材表面を加熱する事ができるようになり、加熱定着装置にあっては熱応答性の良好な高速かつ高品位カラー画像が安定して定着されることが可能となった。
【００３２】
即ち、本発明によれば、加熱部材の熱勾配が通常ローラ加熱の内面加熱と異なり、表面温度が高く、内面にいくにつれて低くなっていることから、サーミスタが同一温度の熱設定の場合であっても、加熱部材の内面付近の温度はより低い状態にあり、熱の利用効率が高いので、上記の優れた加熱装置が提供される。
【００３３】
４）又、本発明によれば、温調におけるリップルを低減して、加熱定着装置にあっては光沢ムラのない定着性の安定した画像を得られる。
【００３４】
５）更に、本発明によれば、外部熱源を用いた表面加熱に比べて小型化がはかれ、低熱容量化が可能である上、熱源を加熱部材の内部に蔵しているために外部への放熱ロスをより低減できる、優れた加熱装置が提供される。
【００３５】
６）また、本発明によれば、加熱部材としての、輻射光を吸収して発熱する発熱層を有するフィルムもしくはベルト状部材を内部から保持する保持部材の形状を加圧部材軸方向に対してクラウン形状としたため、加熱部材表面に張力を発生して薄肉の加熱部材においてもしわを生じることなく、安定した加熱部材駆動が可能となった。
【００３６】
７）また保持部材を金属薄板より形成することで、加熱部材へ照射された輻射光を加熱部材側に反射せしめ、より高速に加熱部材表面を加熱できるようになった。さらに保持部材をクラウン形状とすることで輻射光を加熱部材回転軸方向に関して中央側に反射することができ、端部からの漏れ光を低減し、より放熱ロスの少ない高効率な加熱装置を提供できるようになった。
【００３７】
８）加熱部材が輻射光に対して透過性を有する基層を発熱層の内側に具備する構成により、輻射光が加熱部材基層を透過することで表面の発熱層を直接加熱する事が出来るため、加熱部材の厚みが増加した際に熱伝導による加熱特性の劣化もなく、加熱部材強度を増大し、長期にわたり加熱部材シワ、折れの発生しにくい安定した加熱装置を提供する。
【００３８】
９）また加熱部材が基層と発熱層間に介在し、発熱体からの赤外線を透過する弾性層を具備する構成により、輻射光が弾性層を透過することで表面の発熱層を直接加熱するため、熱伝導による加熱特性の劣化もなく、加熱定着装置にあっては加熱部材が被記録材上のトナー表面の凹凸に対応して柔軟に接触加熱することが出来るようになり、とりわけカラー画像におけるグロス均一性と、ＯＨＰ画像における色再現性を有する高品位な画像出力が可能となった。
【００３９】
１０）保持部材が横断面コの字形状をした金属板より形成される構成により、加圧方向および摺擦方向に対して優れた機械強度を少ない熱容量で達成する。したがって立ち上がりの早いオンデマンドな加熱装置を実現する。さらに被加熱材加熱領域において圧接する金属製の保持部材は優れた熱伝導特性により加熱部材長手方向に発生する温度むらを低減し、長期にわたり安定した加熱装置を提供する。
【００４０】
１１）加熱部材が少なくともポリイミド樹脂を含む材料より形成される構成により、ポリイミド樹脂は良好な可撓性を有すると共に輻射光源から放出された赤外線を透過するため、輻射光により直接加熱部材の外側に存在する弾性層もしくは離型層を加熱することで、加熱過程における熱抵抗をさらに低減し、加熱定着装置にあっては高速なカラー画像形成を可能とする。
【００４１】
１２）弾性層として酸化鉄を分散したシリコーン系のゴム層を含む構成により、シリコーンゴムは優れた耐熱性と柔軟性を有すると共に、輻射光源の発生した赤外線に対して高い透過性を持ち、加熱部材外側に存在する離型層を効率的に加熱する事が可能となる。
【００４２】
また加熱定着装置にあってはカラー画像等におけるトナー像表面の凹凸が顕著な際にも、トナー像を均一に加圧しより一層の定着性とグロスの均一性を備えた高画質化が達成される。
【００４３】
１３）加熱部材に吸収層としてシリコーン系のゴム層ともしくはフッ素系樹脂からなる離型層中にカーボンブラックを分散する構成により、カーボンブラックはシリコーンゴム、フッ素樹脂の双方において良好な分散性と、赤外線吸収性を有するため、効果的に加熱部材の外側に存在する弾性層もしくは離型層を発熱することが可能となり、連続プリント時に熱を奪われた加熱部材の表層近傍を急速に加熱することが可能となる。かつ加熱定着装置にあっては表面の離型層は被記録材上のトナーが加熱部材に付着するとともに、導電性により静電オフセットも防止し、被記録材上の画像を乱す事なく定着する事が可能となる。
【００４４】
１４）加熱部材が表層にフッ素系樹脂からなる離型層を有する構成により、加熱定着装置にあっては優れた離型性により被記録材上のトナーを乱すことなく定着する。
【００４５】
１５）保持部材が、少なくとも、第１の支持部分と、ニップ形成部となる第２の支持部分の２部材より構成され、第２の支持部分は第１の支持部分よりも熱伝導率の高い材質材で構成されている構成により、熱伝導の低い第１の支持部はニップ部からの熱量流入を防ぎ、ニップ部を高速に立ち上げることを可能にする。また熱伝導が低い第１の支持部分は機械的強度を上げることが比較的容易であり、加圧方向に平行な側板を支持部とすることで撓み量を抑えて均一な加圧を実現する。またニップ部においては第２の支持部分による良好な熱伝導性によりニップ部での温度ムラを抑制する。
【００４６】
１６）保持部材が少なくとも透光性のセラミックスから構成される部分を有する構成により、保持部材を透光性とすることでニップ部内においても輻射加熱を行い、加熱装置の熱応答性を向上する。
【００４７】
【発明の実施の形態】
〈実施例１〉
（１）画像形成装置例
図１は本発明に従う加熱装置を定着装置として搭載している画像形成装置の一例の構成模式図である。
【００４８】
本例の画像形成装置は電子写真プロセス利用のフルカラーレーザープリンタ（カラー画像形成装置）である。
【００４９】
図１において、８は感光ドラムであり、アルミシリンダの外周面に有機感光体（ＯＰＣ）又はアモルファスシリコン等の光導電体を塗布して構成することが可能である。
【００５０】
感光ドラム８は不図示の駆動手段によって図示矢印の時計方向に所定速度（例：５０〜３００ｍｍ／ｓｅｃ）で駆動され、帯電器９にて表面を暗部電位（例：−７００Ｖ）に帯電される。
【００５１】
次に露光装置（レーザースキャナ）１０により感光ドラム８上はマゼンタの画像模様に従い露光され、画像部のみ表面電位を明部電位（例：−１５０Ｖ）に低下せしめて静電潜像が形成される。
【００５２】
回転支持体１２に支持された現像装置１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄはそれぞれマゼンタ、シアン、イエロー、ブラック各色の現像材を含む。ここで各色現像材は懸濁重合法により合成され、球形で高い現像・転写効率を有する重量平均径６μｍのネガ帯電性トナーである。
【００５３】
該静電潜像はまずマゼンタの現像器１１ａが感光ドラム８と対向するように３００μｍの間隙を以って配備され、一例としてＤＣ−５００ＶにＡＣ２ｋＶｐｐを重畳した現像バイアスによって現像されマゼンタトナー像として顕像化される。
【００５４】
顕像化された感光ドラム８上のマゼンタトナー像は１０^６〜１０^９Ωに導電処理されたＰＶｄＦ等の中抵抗部材からなる中間転写ドラム１３に図示されていない転写電源から供給されるの転写バイアス（＋０．５〜２ｋＶ）を以って転写される。
【００５５】
中間転写ドラム１３上にＡ４サイズ１ページ分のマゼンタ画像を転写すると回転支持体１２が回転し、以上の工程をシアン、イエロー、ブラック各色について逐次行い、中間転写ドラム１３上に複数色のトナー像を形成する。
【００５６】
一方、ピックアップローラ１４はブラックトナー像と同期して転写紙カセット１５から被記録材としての転写紙Ｐを給紙する。転写ローラ１９に２次転写バイアス（＋１〜２ｋＶ）を印加することにより、転写紙Ｐには中間転写ドラム１３上に重畳形成された、マゼンタ、シアン、イエロー、ブラックの合成カラートナー像が転写され、定着装置１６に搬入される。
【００５７】
合成カラートナー画像を転写された転写材Ｐは、搬送手段により定着装置１６に搬送されて定着され、カラー印刷物として機外に排出されて排紙トレイ２０上に積載される。
【００５８】
なお、中間転写ドラム１３上の転写残トナーは帯電器１８によりポジ極性に帯電された後、感光ドラム８上に回収され、感光ドラム８上の転写残トナーと同様にクリーニング装置１７によって清掃される。
【００５９】
（２）定着装置１６
１）装置の全体的概略構成
図２は定着装置１６の概略構成を示す模式図である。この定着装置１６は、加熱部材として、輻射光を吸収して発熱する発熱層を有するフィルムもしくはベルト状部材を用い、これに輻射発熱源の輻射光を与えて発熱させる、輻射を用いた加熱装置であり、フィルムもしくはベルト状部材である加熱部材による大幅な低熱容量化と、放射伝熱による表面加熱により、加熱装置のオンデマンド化と、加熱定着装置にあってはカラー画像における良好な定着性が両立できる。
【００６０】
３は加熱部材としての輻射光を吸収して発熱する発熱層を有する円筒状（エンドレスベルト状）の可撓性のあるフィルムもしくはベルト状部材である。以下、これを加熱フィルムと記す。
【００６１】
２は上記の円筒状の加熱フィルム３の内部に挿通した保持部材であり、横断面コの字形状をした金属板より形成される剛性チャンネル部材である。以下支持ステイと記す。加熱フィルム３はこの支持ステイ２によって回転自在に支持される。
【００６２】
１は同じく円筒状の加熱フィルム３の内部に挿通した輻射発熱源としての出力５００〜１０００Ｗのハロゲンランプ（ハロゲンヒータ）であり、円筒状の加熱フィルム３の内部のほぼ中央に位置させてある。
【００６３】
５は加圧部材としての弾性加圧ローラである。この加圧ローラ５と上記の支持ステイ２は、横断面コの字形状の支持ステイ２の下面を加熱フィルム内面摺動面としてこの摺動面と加圧ローラ５との間に加熱フィルム３を挟ませて、加圧ローラ５の弾性に抗して総圧９．８〜５８８Ｎ（１〜５０ｋｇｆ）加圧して所定幅のニップ部（定着ニップ部）Ｎを形成させた状態にして配設してある。
【００６４】
加圧ローラ５は厚さ１〜１０ｍｍのシリコーンゴム層を芯金上に設ける事で形成されており、表層にはトナー汚染防止用のフッ素樹脂層を有している。加圧ローラ５は図示されていない駆動装置によって所定速度（５０〜３００ｍｍ／ｓｅｃ）で矢印の反時計方向に回転駆動される。
【００６５】
この加圧ローラ５の回転駆動により、定着ニップ部Ｎにおいて加圧ローラ５と加熱フィルム３の外面との摩擦力で加熱フィルム３に回転トルクが作用し、加熱フィルム３の内周面が、定着ニップ部Ｎにおいて支持ステイ２の摺動面に密着してこの摺動面を摺動しながら矢印の時計方向に加圧ローラ５の回転周速度にほぼ等しい周速度にて従動回転状態になる（加圧回転体駆動方式）。加熱フィルムの摺動性向上と摩耗防止のため耐熱グリスを加熱フィルム３の内面に塗布してもよい。
【００６６】
また、輻射発熱源としてのハロゲンランプ１に通電がなされることで、発生輻射光を加熱フィルム３の発熱層が吸収して発熱する。即ち加熱フィルム３は加熱される。加熱フィルム３の表面温度が温度検知手段であるサーミスタ４により検出され、その検出温度情報が不図示の温調回路にフィードバックされる。温調回路はサーミスタ４からの検出温度情報が所定の定着温度に維持されるようにハロゲンランプ１に対する電力供給を制御する。
【００６７】
サーミスタ４としては接触式だけでなく、非接触式のサーモパイル等を用いてもよく、オフセットトナーが蓄積してサーミスタが誤動作したり、蓄積したトナーが転写紙に落下して画像汚染することも防止できる。
【００６８】
所定の制御タイミングにて、加圧ローラ５の回転駆動が開始され、これに伴い加熱フィルム３が従動回転状態になり、またハロゲンランプ１に対する電力供給がなされて、加熱フィルム３が所定の定着温度に加熱温調された状態において、定着ニップ部Ｎの加熱フィルム３と加圧ローラ５との間に未定着トナー像Ｔを担持した被記録材としての転写紙Ｐが導入される。加熱フィルム３が転写紙Ｐの未定着トナー像担持面に接する。定着ニップ部Ｎに導入された転写紙Ｐはこの定着ニップ部Ｎを挟持搬送されて加熱フィルム３の熱とニップ圧により転写紙Ｐ面に永久固着画像として加熱・加圧定着される。定着ニップ部Ｎを出た転写紙Ｐは加熱フィルム３面から曲率分離されて排出搬送される。
【００６９】
２）輻射発熱源１
輻射発熱源１としては、赤外線を効率よく、且つ高速に輻射すれば種類は問わず、ハロゲンヒータ以外にもキセノンランプ等を使うことも可能であるが、本実施例におけるハロゲンランプ１は波長０．８μｍ以上の赤外線を投入電力の８５％以上の高効率で放射することが可能であり、また熱容量の小さなタングステンフィラメントを加熱することで輻射するため、高速な立上げと応答性を得る事を可能とする。
【００７０】
本実施例ではハロゲンランプ１の発熱体のコイルをほぼ均等に巻くことで、セグメント化することなく画像域全域にわたり設置している。したがって発熱体をセグメント化した際のコイル間に生じる非コイル部での輻射光量低下を防ぎ、定着画像における長手方向での発熱体コイル跡（グロスむら、定着性むら）の発生を防止している。ハロゲンランプ１には前述したように加熱フィルム３の表面温度を検出するサーミスタ４の検出温度情報に従い電力が供給され、投入電力の約９０％が赤外領域の波長である出力光として輻射される。
【００７１】
３）加熱フィルム３
図３の（ａ）は加熱フィルム３の層構成を示す模式図である。加熱フィルム３は、耐熱・摺動性に優れた厚さ２０〜２００μｍの耐熱基層３ａ上に、厚さ５０〜１０００μｍの弾性層３ｂ、そして更に、輻射光を吸収して発熱する発熱層としての、厚さ５〜５０μｍの赤外線吸収層３ｃ、を設けた３層構成のシームレスフィルムである。本実施例において発熱層３ｃは離型層中に赤外線吸収物質を分散させた吸収離型層である。耐熱基層３ａ側が加熱フィルム３の内面側で支持ステイ２の摺動面に接する。赤外線吸収層（吸収離型層）３ｃ側が加熱フィルム３の外面側であり、転写材Ｐの未定着トナー像担持面に接する。
【００７２】
▲１▼．フィルム基層３ａとしては、ポリイミド、ポリアミドイミド、アラミド等の耐熱性樹脂を用いることが出来、特にポリイミドフィルムは優れた機械強度と耐熱性を有すると共に、ハロゲンランプ１の放射する波長３μｍ以下の赤外光を８０％以上透過するため、本発明における表面加熱の効果をより効果的に得ることが出来る。
【００７３】
▲２▼．弾性層３ｂとしては、ＬＴＶ、ＨＴＶ、ＲＴＶ等各種シリコーンゴム、もしくはフッ素ゴム等の耐熱性が高いゴム或いはスポンジが形成されており、柔らかく且つ永久歪の小さいものが用いられる。
【００７４】
ここで、トナー表面の凹凸に対応するだけの柔軟性を得るために、弾性層３ｂの硬度としては、アスカーＣ硬度で６０°以下の物が好ましい。またシリコーンゴムによる弾性層も波長３μｍ以下の赤外光を８０％以上透過し、効率的に表面加熱することが可能となる。
【００７５】
本実施例では加熱フィルム３の耐熱基層としてのポリイミド基層３ａ上に設けられた弾性層としてのシリコーンゴム層３ｂは厚さ５０〜１０００μｍで形成されており、カラー画像における厚いトナー層に対しても均一な加圧がなされるように設定される。
【００７６】
ハードローラ／フィルムにおけるカラー画像においては、定着画像中に多色トナー層と単色トナー層が近傍に存在すると単色トナー層部分への加圧が十分になされずに定着不良やＯＨＰにおける透過性不良が生じ易くなるのに対して、本実施例における弾性層３ｂを設けた加熱フィルム３ではトナー層の凹凸に対応するため多色トナー層と単色トナー層の双方への加圧が可能となり、したがってカラー定着画像においても均一な定着性とＯＨＰにおける高い透過性が得られた。
【００７７】
さらに弾性層３ｂ中には機械強度、電気抵抗や熱伝導率を調整するために微粒子を適宜分散しても良く、シリカ、酸化錫、酸化チタン、酸化亜鉛等の微粒子を分散することでゴムの圧縮永久歪を軽減する事が出来る。輻射光量を減衰させないためには輻射光の散乱を抑える必要があり、透明微粒子の粒径を透過する赤外線の波長以下とする事が好ましく、さらに好ましくは０．３μｍ以下であることが好ましい。
【００７８】
また本実施例においては弾性層３ｂ中を熱伝導ではなく主に輻射により熱伝達を行うため、加熱部材表面に赤外線の吸収層３ｃを設けて加熱フィルム表面を発熱させている。
【００７９】
▲３▼．吸収層３ｃとしては、従来のＰＦＡ、ＰＴＦＥ等フッ素樹脂からなる離型層中に赤外線吸収物質であるところのカーボンブラック、グラファイト、または酸化鉄等の各種金属酸化物粒子を分散することで赤外光を良好に吸収する事が出来る。
【００８０】
また赤外線吸収物質としてカーボンブラック等の導電体を用いることで表面の電気抵抗を低抵抗化することも出来、１０^６〜１０^１４Ω／ｃｍ程度に制御することで、摺動に伴い発生したフィルム上の摩擦電荷を例えばフィルム端部に設けた不図示の導電ブラシ等より逃がし、紙上のトナーが静電気によりフィルム付着するいわゆる静電オフセットを防止することも可能である。
【００８１】
▲４▼．ここで加熱フィルム３中の輻射光量と温度分布について図３の（ｂ）を用いて説明する。
【００８２】
縦軸はフィルム断面における厚さ方向の位置ｙ、横軸は輻射光量（実線）と温度Ｔ（破線）を表している。加熱フィルム内部にあるハロゲンランプ１が照射した輻射光は、基層３ａ、弾性層３ｂ中ではあまり減衰せず、加熱フィルム表面にある離型層３ｃにおいてその７０％以上を吸収されている。したがってフィルム表面側が高速に加熱されることになる（破線Ａ）。
【００８３】
一方、従来の定着ニップにおいて熱伝導により同様のフィルムを加熱すると、破線Ａと同等の温度をフィルム表面にて得るためには破線Ｂに示したようにフィルム内面を表面温度より相当高く（２０〜５０℃）設定する必要があった。
【００８４】
したがって本構成をとることにより加熱フィルム内面温度を低下することが可能となり、熱伝導を用いた従来の定着装置よりも加熱フィルム表面を定着温度まで加熱するのに必要な熱量が低下し省エネが達成されると共に、加熱フィルム３とりわけ弾性層３ｂの長寿命化も図られる。
【００８５】
さらに本実施例に拠れば加熱フィルム３と加圧ローラ５の定着ニップ部Ｎ以外の領域でフィルム自体を加熱するため定着ニップ部Ｎへの輻射光量は減少するが、加熱フィルム３中の弾性層３ｂは熱伝導性が悪く断熱効果をもたらす。したがって定着ニップ部Ｎを構成する支持ステイ２の温度は加熱フィルム内面からは積極的に上昇させる必要がなく、加熱されたフィルム３を定着ニップ部Ｎに搬入する事でフィルム表面に蓄えられた熱量によって転写材Ｐを十分に加熱し、連続プリント時にも良好な定着性が実現される。
【００８６】
すなわち本実施例における定着装置に寄れば、加熱部材としての加熱フィルム３における保持部材としての支持ステイ２を金属部材により形成し、加圧ローラ５と圧接する事で定着ニップ部Ｎを形成したため、簡易な構成で介在する加熱フィルム３を加圧ローラ５に対して従動駆動とすることが出来、定着装置の小熱容量化と高速な立上げ（オンデマンド化）が達成できる。
【００８７】
４）支持ステイ２
保持部材としての支持ステイ２は、定着ニップ部Ｎを形成するための加熱フィルム内面摺動面を構成する底面部ａと、加圧ローラ５による加圧に対して強度を持たせ撓みを抑えるため側板部ｂ・ｂより形成された横断面コの字形状とされており、該支持ステイ２の端部は図示されていない定着装置筐体に固定されている。
【００８８】
ここで、支持ステイ２の加熱フィルム内面摺動面を構成する底面部ａは、図４に示したように、加圧ローラ５の軸方向に対して凸型を形成するクラウン形状とされる。これは可撓性を有する薄肉の加熱フィルム３は高速に回転するとしわを生じやすく、フィルムに生じたしわは定着不良を発生するおそれがあり、長期的にはフィルムが折れて破断してしまうこともある。
【００８９】
支持ステイ２をストレート形状（クラウン量０）とした場合は、空回転１時間（フィルム１７０℃、速度１００ｍｍ／ｓ、加圧量９８Ｎ（１０ｋｇ））でフィルムが破断したのに対し、本実施例ではクラウン量を０．５ｍｍ設けたところ、空回転を１０時間してもフィルムに以上は見られなかった。したがって本実施例では支持ステイ２をクラウン形状とする事でフィルム表面に中央から端部に向かう張力を発生しフィルムしわの発生を抑える事が出来た
ここでクラウン量としては十分な張力を得るために０．１ｍｍ以上設ける事が好ましく、またクラウン量が大きすぎると定着ニップ部Ｎに搬入された転写材Ｐを均等に加圧できなくなり、光沢ムラや定着不良を生じるため、２ｍｍ以下が好ましい。
【００９０】
また支持ステイ２を金属部材で構成する事でハロゲンランプ１からの輻射光を反射し、支持ステイ２の昇温を防ぐと共に加熱フィルム３へより多くの赤外線を照射し、加熱部材としての加熱フィルム表面を高速に加熱する事も可能となるが、ここで支持ステイ２にクラウン形状を持たせることで更に加熱効率を高めることが出来る。これは図３の破線で示したように、ハロゲンランプ１から発生された輻射光のうち本実施例では約３０％が支持ステイ２に向けて輻射されていたが、支持ステイ２により加熱フィルム３側に反射する際に、支持ステイ端部においてはやや中央側に向けて反射する事が可能となるためである。端部からの光の漏れを低下できるため、結果として、加熱部材としての加熱フィルム３からの放熱を数％改善できた。
【００９１】
保持部材としての支持ステイ２としてはステンレス、鉄、アルミニウム、銅、マグネシウムといった金属材料もしくはその合金を用いることが出来、加圧ローラ５の加圧に耐え得る機械強度と、定着ニップ部Ｎにおける温度分布を均一化するための熱伝導性を提供する。
【００９２】
さらに支持ステイ底面を研磨やメッキ、コートによって鏡面状に仕上げたり、或いは反射膜をコートすることで支持ステイ２の反射効率を高め本実施例における効果を高めることも可能である。
【００９３】
また支持ステイ２は金属または合金の板材から形成され、外形抜き、穴あけ、曲げといったプレス加工を用いることで低コストにて大量生産することが可能である。
【００９４】
さらに支持ステイ２としては定着ニップ部Ｎを形成する底板部ａと、加圧方向に平行な側板部ｂ・ｂとを分離してツーピース構造とすることもできる。その際に底板部ａにはニップ温度分布を均一化するため、アルミニウム・銅といった高熱伝導性の材料、また側板部ｂ・ｂにはより高圧力を印加できるようにステンレス等の高強度材を用いると効果的である。
【００９５】
また定着ニップ部Ｎに高熱伝導部材を配することで、加熱フィルム長手方向の温度分布を均一化することができる為、小サイズ紙等を連続通紙した際にも加熱フィルム上に温度むらが発生することなく、信頼性が高いオンデマンドな定着装置が実現された。
【００９６】
なお、本実施例では加熱フィルム３として、基層３ａ、弾性層３ｂ、発熱層３ｃからなる３層構成としたが、その中間に例えば導電プライマ−層や接着層を入れて４層以上の構成としても本実施例における効果を得る事ができる。
【００９７】
〈実施例２〉
本実施例は加熱フィルムを保持する支持ステイを２本設けてフィルムの安定性を向上すると共に、支持ステイを透光性部材により形成し輻射発熱源からの輻射光を無駄なくフィルムに照射し加熱効率を高めたものである。
【００９８】
以下図５により説明する。（ａ）は加熱フィルム端部側面から見た概略断面模型図、（ｂ）は概略縦断面模型図であり、簡略のため実施例１と同様の部品には同一の記号をつけてある。
【００９９】
加熱フィルム２４内には保持部材として第１と第２の２つの支持ステイ２ａと２ｂが存在し、加熱フィルム２４と軽接触して回動可能に張架しフィルム形状を規定している。加熱フィルム２４は実施例１と同様にハロゲンランプ１を内包し、第１の支持ステイ２ａによって加圧ローラ５と圧接され定着ニップ部Ｎを形成している。
【０１００】
また第１および第２の支持ステイ２ａ、２ｂは非回転とされ定着装置に固定されるため、定着ニップ部Ｎにおいて回転する加熱フィルム２４の内面と摺擦される。したがってシリコーングリース等の潤滑剤を塗布する事が好ましく、加熱フィルム２４および支持ステイの磨耗を防止し、かつ定着装置の駆動トルクも低減出来る。
【０１０１】
前記実施例１では加熱フィルム３において発熱層３ｃは離型層中に赤外線吸収物質を分散させて発熱層と離型層を兼用させた吸収離型層であるが、本実施例の加熱フィルム２４では赤外線吸収層と離型層を別途に設けている。以下図６により加熱フィルム２４について説明する。
【０１０２】
加熱フィルム２４は、実施例１と同様のポリイミド等の基層２４ａ、シリコーンゴムによる弾性層２４ｂを有し、さらに弾性層２４ｂ上に赤外線吸収層としてシリコーンゴム中に酸化鉄を分散した赤外吸収層２４ｃと、離型層２４ｄであるパーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ等のフッ素系樹脂を離型層と最外層として設けた。
【０１０３】
前述の実施例１と異なり、赤外吸収層２４ｃを別途設けることで、離型層２４ｄ中にカーボンブラック等の赤外吸収剤を分散する必要がなくなる。したがって最表層におけるテフロン（登録商標）、ＰＦＡ、ＦＥＰ等のフッ素樹脂の比率を上げることができ、長期使用時にも良好な離型性を維持することで定着装置の寿命を延ばすことが可能となった。
【０１０４】
また本実施例では定着ニップ部Ｎ内においても加熱フィルム２４を加熱および加圧するために、第１の支持ステイ２ａを側板部２１ａ、底面部２２ａ、そしてクラウン部２３ａの３部品から形成している。
【０１０５】
ここで側板部２１ａとしては実施例１と同様の金属薄板を使用することができ、第１の支持ステイ２ａを両端部から加圧（９．８〜４９０Ｎ（１〜５０ｋｇｆ））した際の、撓み、ねじれに対する十分な強度を持たせる。本実施例では側板部２２ａとして厚さ１ｔのステンレスを用いた。
【０１０６】
つぎに底面部２２ａとしては十分な耐熱性と機械強度を持つと共に、ハロゲンヒータから放射される赤外光を効率よく透過する材料が好ましく、耐熱ガラス、石英、アルミナ等のセラミックスや、ポリイミド、ポリアミドといった耐熱樹脂を用いることが出来る。本実施例では底面部２２ａとして厚さ１ｔの耐熱ガラス（パイレックス（登録商標））を用いた。
【０１０７】
次にクラウン部２３ａとしては底面部同様に耐熱性、機械強度、透光性を有すると共に、定着ニップ部Ｎ内における圧力分布を均等にするため弾性・柔軟性を有するゴムもしくはスポンジ材料を用いている。本実施例ではシリカ粒子を分散したＬＴＶを弾性層として１ｍｍのクラウンを支持ステイ底面に設けた（図５の（ｂ））。
【０１０８】
またクラウン部２３ａの屈折率を空気よりも大きくする事でレンズ効果により端部の輻射光は軸方向中央側に曲げられるため、実施例１と同様に加熱フィルム端部からの光の逃げを低減し、効率を向上することができる。
【０１０９】
また薄肉の加熱フィルム２４は加熱時に高速回転すると圧や温度に分布が生じやすく、フィルム上に周速差が生じてフィルムの蛇行やシワを発生しやすく、時として破壊に至ることがあったが、本実施例では第１の支持ステイ２ａ（２１ａ、２２ａ、２３ａ）と同等の第２の支持ステイ２ｂ（２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ）を加熱フィルムの端部に設けることで、フィルムを張架している。
【０１１０】
ここで第２の支持ステイ２ｂ（２１ｂ、２２ｂ、２３ｂ）は本実施例では加圧ローラ５と圧接されていないため、定着ニップ部Ｎを形成する第１の支持ステイ２ａ（２１ａ、２２ａ、２３ａ）とは構成を変更することが好ましく、第１の支持ステイ２ａのクラウン部２３ａは平面形状とすることで定着ニップ部Ｎをより広く形成し、定着性能を向上しているのに対し、第２の支持ステイ２ｂのクラウン部２３ｂは同様のシリコーンゴムで形成されているものの曲面形状とされ、フィルム回転時における摩擦・摩耗を低減し、定着装置の低トルク化と長寿命化を図っている。すなわち本実施例においては第１と第２の２個の支持ステイ２ａ・２ｂと不図示の端部突き当て部材により加熱フィルム２４の直進性を高め、加熱フィルム２４を高速に駆動した際の安定性を向上した。
【０１１１】
なお、本実施例では支持ステイを２本用いたが、支持ステイを実施例１同様に１本としても実施可能であり、加熱フィルムの高速安定性には劣るものの、前述の定着ニップ部内を輻射し且つ加熱フィルム端部からの光のロスを低減する効果は得ることができる。
【０１１２】
また、本実施例では第１の支持ステイ２ａの底面部２２ａとクラウン部２３ａを別の部材で設け、機械強度と弾性を両立したが底面部２２ａの材料を例えば研磨等によりクラウン形状とすることで一体成型することも可能であり、画像の均一性は若干劣るものの本発明における効果により高速な画像形成が可能である。
【０１１３】
〈実施例３〉
本実施例は加熱フィルムにクラウン形状を設け、さらに良好な加熱効率とフィルムの回転安定性を向上したものである。以下図７により本実施例における定着装置を説明する。
【０１１４】
加熱フィルム２５は実施例１と同様にハロゲンランプ１を内包し、クラウン形状とされた支持ステイ２によって加圧ローラ５と圧接され定着ニップ部を形成している。
【０１１５】
加熱フィルム２５は基本的に実施例１と同様の基層、弾性層、吸収離型層の３層構成であるが、本実施例では基層である直径３０ｍｍ・厚さ１００μｍのポリイミドを成型時に中央における直径を４００μｍ太くすることでクラウン形状としている。また本実施例ではポリイミドの基層上に弾性層としてシリコーンゴムを５００μｍ、吸収離型層として粒径０．１μｍの酸化鉄を分散したＦＥＰを厚さ５０μｍでコートした。
【０１１６】
図７の破線に示したように、ハロゲンランプ１から放射された輻射光が加熱フィルム２５の内面に照射したさいには数％の光量がフィルムに入射されず、反射されているが、本実施例に拠れば加熱フィルム２５にクラウン形状を設けフィルム中央側に反射する事で、その後支持ステイ２等で２次反射された際にも端部から漏れ光としてロスする確率を低減し、定着装置としての加熱効率を改善できる。
【０１１７】
また加熱フィルム２５は加熱時に圧や温度に分布が生じると周速差が生じ蛇行してシワを発生したり、端部つき当て部材との衝突により割れたりして、時として破壊に至ることがあったが、本実施例では加熱フィルム２５にクラウン形状を設け、支持ステイ２のクラウン形状に沿わせることでフィルムの直進性をさらに高め、加熱フィルム２５を高速に駆動した際の安定性を向上した。
【０１１８】
ここで加熱フィルム２５のクラウン量としては支持ステイ２のクラウン量よりも小さい事が好ましく、支持ステイ２よりも大きなクラウン量とすると加熱フィルム２５の中央にしわが生じやすくなった。
【０１１９】
すなわち本発明における第３の実施例に拠れば、内部に輻射光源を具備した薄肉の加熱フィルム２５を加圧部材５により圧接し、駆動する構成において、加熱フィルム２５をクラウン形状とした。本構成をとることで加熱フィルム内面にて輻射光が反射される際にも加熱フィルム端部から中央側に反射されるため、端部からの光の漏れを低減し、定着装置の加熱効率を改善できた。また支持ステイ２にもクラウン形状を設ける事で加熱フィルムが斜行した際のフィルム張力を高め、薄肉の加熱フィルム２５でも蛇行や割れを生ずることなく安定して回転することが可能となり、したがって高速かつ安定したオンデマンド定着装置が供給できるようになった。
【０１２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、オンデマンド化、高速化を可能にし、しかも加熱部材を安定して駆動し長期にわたり良好な加熱性が得られ、加熱定着装置にあっては光沢ムラのない良好なカラー画像出力を可能にした、安全な加熱装置を提供することができる。
【０１２１】
又、装置の小型化、ならびに放熱ロスがより低減された経済性に優れる加熱装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における画像形成装置の概略構成模型図である。
【図２】実施例１における定着装置の概略構成模型図である。
【図３】実施例１における加熱フィルムの層構成模型図と、加熱フィルム断面方向の温度分布図である。
【図４】実施例１の加熱フィルムにおける輻射光の作用説明図である。
【図５】実施例２における定着装置の概略構成模型図である。
【図６】実施例２における加熱フィルムの層構成模型図である。
【図７】実施例３における定着装置の概略構成模型図である
【符号の説明】
１：ハロゲンランプ、２：保持部材、３：加熱フィルム、３ａ：基層、３ｂ：弾性層、３ｃ：吸収離型層、４：サーミスタ、５：加圧ローラ

Claims

輻射光を吸収して発熱する発熱層を有する、フィルムもしくはベルト状の、回動可能な加熱部材と、
前記加熱部材の内部に備えた輻射発熱源と、
前記加熱部材の内面と摺動する摺動面を有する保持部材と、
前記保持部材の前記摺動面との間に前記加熱部材を挟んでニップ部を形成する加圧部材と、
を具備しており、前記ニップ部を形成する前記保持部材の前記摺動面が前記加圧部材の軸線に対しクラウン形状を有し、前記加圧部材を回転駆動させることで前記ニップ部において前記加熱部材を前記保持部材の摺動面に内面を摺動させながら回転させ、前記ニップ部の前記加熱部材と前記加圧部材との間に被加熱材を挟持搬送しつつ前記加熱部材の熱で被加熱材を加熱する事を特徴とする加熱装置。
前記加熱部材が輻射光に対して透過性を有する基層を前記発熱層の内側に具備する事を特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
前記加熱部材が前記輻射光に対して透過性を有する弾性層を、前記基層と前記発熱層の中間に具備する事を特徴とする請求項２に記載の加熱装置。
前記加熱部材の前記基層が少なくともポリイミド樹脂を含む材料より形成される事を特徴とする請求項２又は３に記載の加熱装置。
前記加熱部材における弾性層が少なくともシリコーン系のゴム層を含む事を特徴とする請求項３又は４に記載の加熱装置。
前記加熱部材における前記発熱層が少なくとも導電性のカーボン粒子を含有する事を特徴とする請求項１から５の何れかに記載の加熱装置。
前記加熱部材が表層にフッ素系樹脂からなる離型層を有する事を特徴とする請求項１から６の何れかに記載の加熱装置。
前記保持部材が横断面コの字形状をした金属板より形成されることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の加熱装置。
前記保持部材が、少なくとも、第１の支持部分と、ニップ形成部となる第２の支持部分の２部材より構成され、第２の支持部分は第１の支持部分よりも熱伝導率の高い材質材で構成されている事を特徴とする請求項１から８の何れかに記載の加熱装置。
前記保持部材の第１の支持部分と第２の支持部分が金属より形成される事を特徴とする請求項９に記載の加熱装置。
前記保持部材が少なくとも透光性のセラミックスから構成される部分を有する事を特徴とする請求項１から１０の何れかに記載の加熱装置。
前記被加熱材が像を担持した被記録材である事を特徴とする請求項１から１１の何れかに記載の加熱装置。
被記録材上のトナー像を加熱溶融して定着する定着装置である事を特徴とする請求項１から１２の何れかに記載の加熱装置。
被記録材に未定着画像を形成担持させる作像手段と、被記録材に形成担持させた未定着画像を定着させる定着手段を有し、前記定着手段が請求項１から１３の何れかに記載の加熱装置である事を特徴とする画像形成装置。