JP2005345850A - 加熱ローラ、加熱装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発生した熱を効率的に加熱ローラ表面に伝達することで、ウォームアップ時間の短縮を図るとともに、カラー画像などの剥離性が困難とされている未定着画像に対しても、良好な剥離性を確保する。
【解決手段】 加熱ローラ１は、芯金１１上に、弾性断熱層１２を形成した弾性ローラＡと、薄膜の基材（発熱層）１３上に離型層１５を積層させた無端状の円筒部材Ｂとで構成され、弾性ローラＡと円筒部材Ｂとが着脱可能に構成されており、かつ、弾性ローラＡと円筒部材Ｂとの間に若干の隙間が形成されている。そして、定着装置を稼動させて加熱ローラ１を回転させたとき、円筒部材Ｂと弾性ローラＡとの内径差によって生じた円筒部材ＢのたわみＢ１が、入紙側に発生する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、加熱ローラ及びこれを備えた加熱装置並びに画像形成装置に関するものであり、特に、省エネルギーで短時間でウォームアップができ、かつ、被加熱材に均一に加熱できる加熱ローラ、加熱装置及び画像形成装置に関する。

従来から、加熱装置の一種である定着装置としては、アルミニウム等の中空芯金よりなる定着ローラの内部にハロゲンランプを配置し、ハロゲンランプを発熱させて定着ローラを所定の温度に設定する構成であるハロゲンランプ方式が多用されている。ハロゲンランプ方式は、定着装置を構成する上で非常に簡易的かつ安価に構成することができるため、従来より多くの画像形成装置に適用されている。

また、近年カラー画像形成装置における定着装置が多く適用されているが、その中で特に、装置の簡易化、ローラの長寿命化等の目的でオイルレスカラー定着システムが提案されている。このオイルレスカラー定着装置の構成は、上下ローラとも芯金の外側に厚肉（２〜３mm）のゴムを形成し、最外層に離型性を有する離型層から構成されているのが一般的である。

しかし、ハロゲンランプ方式では、加熱開始時の立ち上がりが遅くなり、ウォームアップ時間が長いといった問題がある。そこで、定着ローラの芯金を薄肉化して低熱容量化を図り、ウォームアップ時間を短縮することが考えられるが、そうすると今度は、定着ローラのたわみが大きくなりすぎて長手方向中央部の圧力が弱くなり、定着不良を招くこととなるため、低熱容量化には限界がある。特に、カラー画像形成装置のローラ方式の定着装置にあっては、芯金の外部に１〜３mmの厚肉の弾性層があるので、たとえ芯金を薄肉化し低熱容量化を図ったとしても、弾性層の熱容量が大きいため、ウォームアップ時間に多大な時間を要することになる。また、弾性層の肉厚を薄くすると定着不良が起こるので肉厚を薄くするのに限界がある。

そこで、近年では、省エネルギーを達成するためウォームアップ時間の短縮をねらった加熱装置や省エネルギーの熱定着装置等が提案されている(例えば、特許文献1，特許文献２等参照)。
特許文献１に記載の加熱装置は、内部に弾性層を備え、その外部に厚さ１０〜１５０μｍの発熱層を設けた加熱ローラにおいて、該発熱層を外部から加熱する構成が記載されている。この方式の特徴を、以下に列記する。

（１）加熱ローラが、薄い発熱層で形成されているので、熱容量を小さくできる。これにより、ウォームアップ時間を短縮できる。（２）発熱層は適度な剛性を有しており、芯金の上に固定された弾性層の上に固定されているので、耐久性に優れている。（３）加熱ローラ内部の弾性と加圧ローラの弾性とによりニップ幅を選択する自由度が高くなり、画像形成装置の高速化が可能である。（４）加圧ローラの軸の撓みは加熱ローラ内部の弾性により緩和され、長手方向でニップ幅が均一に保たれる。よって、転写材等の被加熱材に対する負荷が均一になり波打ち等が解消される。（５）発熱層の適度な剛性により長手方向のニップ幅が均一に形成しようとする働きがある。よって、加熱ローラの表面硬度に比べ加圧部材の表面硬度を同等か、高く設定することにより、フラットなニップ部で被加熱部材が加熱ローラの曲率によってできるカールの発生を防ぐことができる。

また、特許文献２には、ヒーターが内蔵された加熱ローラと、この加熱ローラの外径より内径が大きく薄肉かつ管状に形成された弾性変形可能な薄肉管状体とからなり、この薄肉管状体を加熱ローラの外周に遊嵌した構造の加熱ローラが記載されている。この方式によれば、加熱ローラの外周に薄肉管状体を遊嵌して加圧ローラと外接させることにより、薄肉管状体の介在によって加熱ローラと加圧ローラとの見かけ上の接触面積（ニップ幅）が増大するため、比較的小径の加熱ローラ、加圧ローラを用いても見かけ上広いニップ幅を形成させることができる。これにより、加熱定着装置の小型化及び低消費電力化を達成することができる。
特開平８−１２９３１３号公報 特開平６−７５４９３号公報

しかしながら、上記特許文献１のものでは、従来のハロゲンランプ方式に比べ、ウォームアップ時間の短縮は可能であるが、発熱層で発生した熱の一部が内側の弾性層に逃げてしまうため、ウォームアップ時間のロスが生じるといった問題があった。

また、上記構成にしたがって未定着像に通紙すると記録紙が加熱ローラに巻きつき、剥離性を確保することが非常に困難である。特に、薄紙を用いてカラー未定着像を定着する場合には、トナー層を最大４層重ねて定着する必要があり、剥離性の問題がより顕著となる。

また、上記特許文献２のものでは、加熱ローラの外径よりも薄肉管状体の内径のほうが大きいため、薄肉管状体と加熱ローラとの間に空気層が存在し、そのため断熱効果が高く、ウォームアップ時間にも有利である。しかし、内部から加熱する必要があるため、本来は、薄肉管状体のみ加熱したいのであるが、加熱する必要のない内部の加熱ローラを加熱し、その熱を間接的に薄肉管状体に伝熱させて加熱しているので、非常に効率が悪いといった問題があった。

本発明は係る問題点を解決すべく創案されたもので、その目的は、発生した熱を効率的に加熱ローラ表面に伝達することで、ウォームアップ時間の短縮を図るとともに、カラー画像などの剥離性が困難とされている未定着画像に対しても、良好な剥離性を確保することのできる省エネルギーの加熱ローラ及びそれを備える加熱装置並びに画像形成装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の加熱ローラは、芯金上に弾性断熱層を有する弾性ローラと、発熱または加熱される薄膜の基材上に離型層が少なくとも形成されている可撓性の筒状部材とからなる加熱ローラであって、前記弾性ローラと前記筒状部材とが分離可能に設けられており、かつ、前記弾性ローラと前記筒状部材との間に、若干の隙間が形成されている。

加熱された筒状部材の熱を加熱ローラの外側にだけ伝達するため、筒状部材の内部には、断熱性を有する弾性断熱層が設けられている。しかし、弾性断熱層を設けていても、筒状部材の内面と弾性断熱層が密着すると、内部にも熱が奪われてしまう。そこで、本発明では、内部の弾性ローラと筒状部材とを分離可能に構成し、かつ、筒状部材と弾性ローラとの間に隙間（空気層）を形成している。このように隙間（空気層）を設けることで、密着している場合に比べ、断熱効果が大きくなる。そして、この断熱効果により、短いウォームアップ時間で所定の温度まで加熱ローラ表面温度を加熱することができる。

また、本発明の加熱ローラによれば、前記弾性ローラの外径（Φ１）と前記筒状部材の内径（Φ２）との内径差ｄ（＝Φ２−Φ１）が下式
０＜ｄ（＝Φ２−Φ１）＜２mm
の関係を満たしていることが好ましい。この場合、前記加熱ローラの駆動時、前記弾性ローラと前記筒状部材との間の少なくとも一部の領域に、内径差に基づく空気層が形成され、筒状部材がたわむことになる。

仮に、内径差が０以下になると、用紙の自己剥離性が良好でないため、強制剥離させるための補助部材が必要となる。しかし、内径差が上記範囲内であると、上記の断熱効果が上がると同時に自己剥離性が改善される。これは、定着装置を稼動させて加熱ローラを回転させたとき、図４に示すように筒状部材のたわみ（空気層）が入紙側のみに発生し、ニップ部の出口付近の曲率が確保されているためである。

一方、内径差が２ｍｍ以上になると、筒状部材は剛性がないため、定着装置を稼動させて加熱ローラを回転させたとき、図５に示すように、ニップ部近傍（入紙側と排紙側）に筒状部材のたるみが生じる。そのため、未定着トナー像を載せた用紙（記録紙）がニップ領域から出た瞬間、筒状部材にたるみが生じているため筒状部材から離れず、加熱ローラに巻きついてしまうので、用紙剥離性が悪くなる。

さらに詳細に説明すると、定着装置を稼動させて加熱ローラを回転させたとき、内径差が０＜ｄ＜２ｍｍの場合、ローラ回転方向に対して、入紙側のみ筒状部材がたるみ、排紙側付近は曲率が確保されているので剥離性が良い。一方、内径差が２ｍｍ以上のときは、図５に示すように、入紙側、排紙側ともにたるみが生じ剥離性が悪くなる。

また、本発明の加熱ローラによれば、加熱ローラとしての前記筒状部材の表面硬度と前記弾性ローラの表面硬度との硬度差が、加熱ローラと加熱ローラに圧接される加圧部材との圧接部分であるニップ部の形状が下向き形状となるような硬度差に設定されていることを特徴とする。この場合、前記筒状部材を構成する基材は樹脂ベースとする。さらに具体的に説明すると、加熱ローラとしての表面硬度（ｔ１）と弾性ローラの表面硬度（ｔ２）との硬度差ｔ３（＝ｔ１−ｔ２）が下式、
０°≦ｔ３<５０°
の関係を満たしていることが好ましい。

すなわち、加熱ローラの表面硬度をできるだけ低硬度にすることで、加圧部材との圧接によって形成されるニップ形状も下向きにすることができる。また、加熱ローラの表面硬度は、内部にある弾性断熱層の表面硬度が大きく影響している。しかし、上記加熱ローラの表面硬度と弾性ローラの表面硬度差が５０°以上あると、筒状部材が硬すぎるため、内部の弾性断熱層がたとえ低硬度であっても加熱ローラとしての表面硬度が硬くなるため、ニップ形状は、下向きニップが弱くなり、用紙剥離性を確保することが困難となる。

また、本発明の加熱装置は、上記各構成の加熱ローラで構成された加熱回転部材と、加熱回転部材に圧接される加圧部材と、外部から前記加熱回転部材を加熱する加熱手段とを少なくとも備え、前記加熱回転部材と前記加圧部材が圧接されることによって形成されるニップ部で未定着トナー像を定着することを特徴とする。このように、加熱回転部材の外部に加熱手段を設けることにより、加熱回転部材表層のみ加熱されるので、効率的に加熱を行うことができる。

また、本発明の加熱装置によれば、前記加熱回転部材を構成する弾性断熱層の表面硬度と前記加圧部材の表面硬度との関係が、前記ニップ部の形状が下向き形状となるような関係に設定されている。具体的には、前記弾性断熱層の表面硬度が前記加圧部材の表面硬度より低く設定されている。このような表面硬度の関係とすることで、ニップ形状が下向きになるので、用紙剥離性（特にカラー未定着像のようなトナー層が４層重ねられた場合の剥離性）が良好になる。

また、本発明の加熱装置によれば、前記筒状部材が発熱層、弾性層、離型層の少なくとも３層で構成されていることが好ましい。すなわち、カラー未定着像を定着する際には、トナー層を最大４層重ねて定着する必要があり、場所によってはトナー層があるところとないところがあるため、トナー表面には凹凸が存在する。また、用紙自体も紙の種類により大きな凹凸があるため、これらの凹凸に追従して定着させるためには、離型層表面が柔軟にトナーを包み込む構成にする必要がある。そのため、本発明では、離型層と発熱層との間に弾性層を有する構造としている。

また、本発明の加熱装置によれば、記録紙の剥離を補助する剥離補助部材を、前記加熱回転部材の排紙側において前記加熱回転部材に近接して配置した構成としている。このように、剥離補助部材を加熱ローラ（加熱回転部材）に近接することによって、加熱ローラに巻きつきぎみに排出された用紙を剥離補助部材によって強制的に剥離させることができるので、非オフセット域を拡大させることができる。また、剥離補助部材は、加熱ローラに当接していないので、剥離時、加熱ローラ表面に剥離補助部材による傷がつかず、加熱ローラの耐久性が確保できる。これに対し、弾性ローラ外径と筒状部材の内径が所定量確保できない加熱ローラ（従来の加熱ローラ）では、剥離補助部材を用いても定着領域が拡大しない。すなわち、従来の加熱ローラでは巻きつきぎみの用紙を無理やり強制剥離させようとしても、近接位置に設置した剥離補助部材では紙を引っ掛けることができず、巻きついてしまう。用紙を無理やり剥離しようとすれば、剥離補助部材を加熱ローラに当接させる必要がある。

また、本発明の加熱装置によれば、前記加熱回転部材の両端に、前記筒状部材の蛇行を防止するための寄り防止ガイド部材を設けた構成としている。筒状部材と弾性ローラとは摺擦状態で回転しているため、筒状部材は荷重ばらつきや周長差等により部材軸方向の片一方に寄りが生じる。この寄りを防止するために筒状部材のエッジに寄り防止用のガイド部材を設けることで、筒状部材の寄りを制御することが可能である。

特に、内径差が上記の範囲内（０＜ｄ（＝Φ２−Φ１）＜２）であると、寄り防止ガイド部材の外径は加熱ローラの外径とほぼ同等で制御可能である。一方、内径差が２mmを超えると、筒状部材の蛇行を抑制することが困難となる。

また、本発明の加熱装置によれば、前記加熱手段は、前記加熱回転部材に交番磁界を印加して誘導電流を発生させる誘導加熱手段であることが好ましい。加熱手段としては、ハロゲンランプなどを用いたランプ加熱方式、セラミックヒータや誘導コイルを用いた誘導加熱方式が使用可能であるが、加熱回転部材を短時間で均一に加熱するためには、加熱回転部材を覆うように（半周程度）加熱手段を配置することが必要である。誘導加熱方式を使用すると、この条件を満たしつつ、容易に実現することができる。

なお、上記各構成の加熱装置を画像形成装置に搭載することで、広範囲にわたる加熱装置の設定温度に対して、良好な品質の画像を形成することができる。

本発明の加熱ローラ及びこれを備えた加熱装置によれば、内部の弾性ローラと筒状部材とを分離可能に設けた構成としたので、加熱ローラの駆動時に筒状部材と弾性ローラとの間の少なくとも一部の領域に空気層ができるため、弾性ローラと筒状部材とが密着している従来の加熱ローラの場合に比べ、断熱効果が大きくなる。そして、この断熱効果により、短いウォームアップ時間で所定の温度まで加熱ローラの表面温度を加熱することができる。

また、本発明の画像形成装置によれば、このような加熱装置を備えることで、広範囲にわたる加熱装置の設定温度に対して、良好な品質の画像を形成することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

−画像形成装置全体の説明−
図１は、本発明の加熱ローラが適用された加熱装置を備えた画像形成装置の主要部の構成を示している。ただし、図１は、乾式電子写真方式のカラー画像形成装置の内部構造を示している。

このカラー画像形成装置は、例えばネットワーク上の各端末装置から送信される画像データ等に基づいて、所定の用紙（記録紙）に対して多色または単色の画像を形成するものであり、可視像形成ユニット５０（５０Ｙ・５０Ｍ・５０Ｃ・５０Ｂ）、記録紙搬送手段３０、定着装置（加熱装置）４０、供給トレイ５７を備えている。

すなわち、このカラー画像形成装置は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂ）の各色に対応して、４つの可視像形成ユニット５０Ｙ・５０Ｍ・５０Ｃ・５０Ｂが並設されている。つまり、可視像形成ユニット５０Ｙは、イエロー（Ｙ）のトナーを用いて画像形成を行い、可視像形成ユニット５０Ｍは、マゼンダ（Ｍ）のトナーを用いて画像形成を行い、可視像形成ユニット５０Ｃは、シアン（Ｃ）のトナーを用いて画像形成を行い、可視像形成ユニット５０Ｂは、ブラック（Ｂ）のトナーを用いて画像形成を行う。具体的な配置としては、記録紙８の供給トレイ５７と定着装置４０とを繋ぐ記録紙の搬送路に沿って４組の可視像形成ユニット５０Ｙ・５０Ｍ・５０Ｃ・５０Ｂを配設した、いわゆるタンデム式である。

各可視像形成ユニット５０Ｙ・５０Ｍ・５０Ｃ・５０Ｂは、それぞれ実質的に同一の構成を有している。すなわち、感光体ドラム５１の周囲に、帯電器５２、レーザ光照射手段５３、現像器５４、転写ローラ５５及びクリーナユニット５６がそれぞれ配置されており、搬送される記録紙８に各色トナーを多重転写する。

感光体ドラム５１は、形成される画像を担持するものである。帯電器５２は、感光体ドラム５１表面を所定の電位に均一に帯電させるものである。レーザ光照射手段５３は、画像形成装置に入力された画像データに応じて、帯電器５２によって帯電した感光体ドラム５１表面を露光して、該感光体ドラム５１表面に静電潜像を形成するものである。現像器５２は、感光体ドラム５１表面に形成された静電潜像を、各色のトナーによって顕像化するものである。転写ローラ５５は、トナーとは逆極性のバイアス電圧が印加されており、後述する記録紙搬送手段３０により搬送された記録紙８に、形成されたトナー像を転写させるものである。ドラムクリーナユニット５６は、現像器５２での現像処理、及び感光体ドラム５１に形成された画像の転写後に、感光体ドラム５１表面に残留したトナーを除去・回収するものである。このような記録紙８に対するトナー像の転写は、４色について４回繰り返される。

記録紙搬送手段３０は、駆動ローラ３１、アイドリングローラ３２、搬送ベルト３３からなり、記録紙８に可視像形成ユニット５０にてトナー像が形成されるように、記録紙８を搬送するものである。駆動ローラ３１及びアイドリングローラ３２は、無端状の搬送ベルト３３を架張するものであり、駆動ローラ３１が所定の周速度に制御されて回転することで、無端状の搬送ベルト３３を回転させている。搬送ベルト３３は、外側表面に静電気を発生させており、記録紙８を静電吸着させながら、搬送している。

記録紙８は、このようにして搬送ベルト３３に搬送されながらトナー像を転写された後、駆動ローラ３１の曲率により搬送ベルト３３から剥離され、定着装置４０に搬送される。定着装置４０は、記録紙８に適度な熱と圧力とを与えることにより、トナーを溶解して記録紙に固定することで、堅牢な画像を形成する。

−定着装置（加熱装置）の説明−
図２は、定着装置（加熱装置）４０のより詳細な構成を示している。

この定着装置４０は、誘導加熱方式によって加熱されるものである。加熱手段としては、ハロゲンランプなどを用いたランプ加熱方式、誘導コイルを用いた誘導加熱方式が使用可能であるが、短時間で均一に加熱して定着させるには、以下に示すような誘電コイルを用いた誘導加熱方式とすることが好ましい。

すなわち、この定着装置４０は、加熱ローラ（加熱部材）１、加圧ローラ（加圧部材）２、磁界発生部３、励磁回路４、駆動部５、制御部６によって構成されている。定着装置４０は、表面に未定着のトナー７ａが付着した記録紙８である被加熱材９を、一定温度に加熱された当該加熱ローラ１と加圧ローラ２との当接部（ニップ部）Ｎに通紙することで、トナー７ａを溶融させて記録紙８に押し付け、記録紙８に画像を定着させるものである。なお、定着後には、記録紙８にトナー７ｂが溶着された状態となり、光沢が出る。

＜加熱ローラ１の説明＞
まず、加熱ローラ１について詳細に説明する。

加熱ローラ１は、芯金１１上に、弾性断熱層１２を形成した弾性ローラＡと、薄膜の基材（発熱層）１３上に離型層１５を積層させた無端状で可撓性を有する筒状部材（以下、「円筒部材」と称する）Ｂとで構成され、弾性ローラＡと円筒部材Ｂとが着脱可能に構成されている。

ここで、円筒部材Ｂは、発熱層１３上に離型層１５を積層させた構成であるが、カラー画像を定着する場合には、定着画像上に光沢むらが生じるので、発熱層１３と離型層１５の間に弾性層を設けてもよい。本実施形態では、弾性層１４を設けている。

弾性ローラＡの芯金１１に図示しないギアを取り付け、駆動部５によりギアを介して弾性ローラＡを回転させることで、円筒部材Ｂを回転させることが可能である。また、加圧ローラ２を駆動源として、円筒部材Ｂ及び弾性ローラＡを回転させてもよい。

（弾性ローラＡの説明）
次に、弾性ローラＡについて詳細に説明する。

弾性ローラＡの芯金１１は、外径２８ｍｍの中空のアルミニウム円筒を使用している。ただし、素材や形状はこれに限られるものではなく、例えば、鉄製の金属からなるものでもよい。また、芯金１１の形状は、中空でなくても（例えば、中実でも）かまわないが、芯金１１からの放熱が抑制されるので中空の方が望ましい。

弾性断熱層１２は、厚さ５．５ｍｍの断熱性・耐熱性を有する発泡性シリコーンスポンジを使用している。弾性ローラＡと円筒部材Ｂとを着脱可能とするために、弾性ローラＡの外径は円筒部材Ｂの内径より１ｍｍ小さい構成となっている。このときの表面硬度は、アスカーC硬度計で２５度である。ところで、表面硬度が１０度以下になると、耐久試験により、ローラの表面硬度の変化が著しくなり、初期の表面硬度を保持するのが困難になるため、少なくとも表面硬度は１０度以上必要である。

この弾性断熱層１２は、加熱ローラ１の表面に柔軟性を与え、加熱ローラ１と加圧ローラ２との間に形成されるニップ部Ｎに歪みを生じさせ、またニップ部Ｎを広く（ワイドニップに）できる。しかも、弾性断熱層１２は断熱性を有しているため、発熱層１３から熱が伝達されるべき方向、すなわち発熱層１３から表面に向かう方向とは反対側に熱が伝達されるのを防ぐので、熱の伝達効率が上がる。特に、弾性断熱層１２の外径は、円筒部材Ｂの内径よりも小さいので、ニップ部Ｎ以外での周方向では、円筒部材Ｂの内面と弾性ローラＡの外周面とが強固に密着することがないため、発熱層１３で発生した熱が弾性断熱層１２に伝達されるのを極力減らすことができる。

また、弾性断熱層１２の厚さは、加熱ローラ１の熱容量増大に寄与しないので、この厚さの調整により熱容量を増大させずに柔軟性を調整できる。このように形成した弾性ローラの外径は、３９．０ｍｍである。

ここで、弾性ローラＡの外径を測定する手段について説明する。

弾性ローラＡの外径を測定する装置として、ここではレーザスキャンマイクロメータ（Mitutoyo社製）を用いる。これは、高速で走査されるレーザビームにより非接触で弾性ローラＡの外径寸法を測定（読み取りは、０．００１ｍｍまで読み取ることができ、その測定精度は、±０．００１ｍｍである。）する高精度レーザ測定システムである。

（円筒部材Ｂの説明）
次に、円筒部材Ｂについて詳細に説明する。

円筒部材Ｂの基材である発熱層１３は、樹脂ベース(もしくはゴムベース)に金属粉末を分散させたものを使用している。具体的には、厚み８０μｍの耐熱性を有するポリイミド樹脂をベースとした基材に銀等の金属微粒子を分散させたものを使用しており、交番磁界が印加されることにより発熱する発熱体である。発熱層１３の材料や厚さとしては、このような誘導加熱が可能なものであればこれに限られるものではない。発熱層１３の材質としては、磁性を有する導電性材料では、鉄、ＳＵＳ４３０ステンレス材等でもよいが、特に比透磁率が高い珪素鋼板や電磁鋼板、ニッケル鋼等であることが好ましい。また、非磁性体の導電性材料であっても、ＳＵＳ３０４ステンレス材など抵抗値の高い材料であれば誘導加熱できるのでこれを使用してもよい。

さらに、発熱層１３として樹脂ベースの基材を用いる場合、耐熱性の高い樹脂であればよく、例えば、ポリアミド、ポリイミドアミド等が挙げられる。また、樹脂中に分散させる金属微粒子の材質としては、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス等がある。また、これ以外の方法として、樹脂基材上に蒸着やめっきにより金属薄膜を形成することで発熱層を形成してもよい。

また、発熱層１３の厚さとしては、加熱ローラ１表面の温度が昇温し始めるまでの時間を短縮するために、その肉厚を１０μｍ以上１５０μｍ以下の厚さに薄肉化することが好ましい。厚さが１０μｍより小さいと、発熱層１３の耐久性が不足し、回転中に破損するおそれがある。一方、厚さが１５０μｍより大きいと、熱容量が大きくなりウォームアップ時間が長くなってしまう。

弾性層１４は、被加熱材９が加圧ローラ２により加熱ローラ１に押圧されたときに、被加熱材９の表面の凹凸に追従して離型層１５を変形させ、加熱ローラ１から熱が均一に伝わるようにするものである。カラー未定着像を定着する際には、トナー層を最大４層重ねて定着する必要があり、場所によっては、トナー層があるところとないところがあるため、トナー表面には凹凸が存在する。また、記録紙自体も紙の種類により大きな凹凸があるため、これらの凹凸に追従して定着させるには、離型層表面が柔軟にトナーを包み込む構成にする必要がある。そのため、離型層１５と発熱層１３の間に弾性層１４を有する必要がある。弾性層１４は、本実施形態では、厚さ２５０μｍ、ゴム硬度２０度（ＪＩＳ−Ａ）のシリコーンゴムを使用しているが、これに限られるものではない。

弾性層１４の材料としては、耐熱性に優れ、ゴム弾性を有するものであればよく、例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコーンゴム等が挙げられる。この中でも、特にゴム弾性が優れているシリコーンゴムを用いるのが望ましい。

弾性層１４の厚さとしては、５０μｍ以上４００μｍ以下とすることが好ましい。弾性層１４が４００μｍより大きい場合、加熱部材自体の熱容量が大きくなるので、ウォームアップ時間がより長くなり、また、加熱のためのエネルギーが大きくなる。また、５０μmより小さいとトナー表面の凹凸に追従することができなくなるので、表面を均一に溶融させることができなくなるため、光沢むらが発生する。

離型層１５の材料としては、耐熱性、耐久性に優れ、トナーとの付着力が弱いものであればよく、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレンとペルフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体）や、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素系材料を使用してもよい。本実施形態では、厚さ約２０μｍのＰＦＡを用いている。

このようにして構成された円筒部材Ｂの表面硬度は６５度（アスカーC硬度）であり、内径は４０．０ｍｍである。

ここで、円筒部材Ｂの内径を測定する手段について説明する。

内径を測定する方法として、円筒部材Ｂのトータル厚みをデジタルマイクロメータで測定（読み取りは、０．００１ｍｍまで読み取ることができ、測定精度は、±０．００１ｍｍである。）する。その後、上記レーザスキャンマイクロメータで円筒部材Ｂの外径を測定し、先ほど測定したトータル厚みを差し引いて円筒部材Ｂの内径を算出する。また、別の方法として、円筒形状としたテーパーゲージを円筒部材Ｂの内部に挿入して目視で内径を読み取る（読み取りは、０．１ｍｍまで可能であり測定精度は、±０.０５ｍｍである。）方法もある。

以上が円筒部材Ｂの説明である。

このようにして構成された円筒部材Ｂと弾性ローラＡは、上記の駆動部５によって回転駆動される。

一方、円筒部材Ｂと弾性ローラＡとは摺擦状態で回転しているため、円筒部材Ｂは荷重ばらつきや周長差等によりベルト軸方向の片一方に寄りが生じる。

そのため、本実施形態では、図６に示すよう、加熱ローラ２の両端（図６では右端のみ図示している）に、円筒部材Ｂの蛇行を防止するために、寄り防止ガイド部材６０が設置されている。

寄り防止ガイド部材６０は、加熱ローラ２の外径と同等もしくは若干大きな外径を有するフランジ部６１と、このフランジ部６１の外側に突き出た芯金固定部６２とからなる。芯金固定部６２は、円柱形状に形成されており、その中心部には雌ねじ孔６２ａが形成されている。一方、芯金１１の端部外周面には雄ねじ部１１ａが形成されており、この雄ねじ部１１ａに芯金固定部６２の雌ねじ孔６２ａを螺合することで、フランジ部６１を加熱ローラ２の端面に密着固定させている。ただし、芯金固定部６２と芯金１１とが強固に固定される構造であれば、必ずしも雌ねじ孔６２ａと雄ねじ部１１ａとの螺合構造に限られるものではなく、例えば、強制嵌入等でもよい。これにより、寄り防止ガイド部材６０は、芯金１１の軸方向への移動が規制された状態で、加熱ローラ２とともに同行回転する。そのため、円筒部材Ｂが蛇行（芯金１１の軸芯方向への移動）してフランジ部６１に接触してもフランジ部６１は動かないので、円筒部材Ｂの蛇行を防止できる。

＜加圧ローラ２の説明＞
次に、加圧ローラ２について詳細に説明する。

加圧ローラ２は、芯金２１に弾性層２２を積層したものである。この加圧ローラ２は、図示しない弾性部材（バネ等）の作用によって加熱ローラ１に圧接され、加熱ローラ１との間に接触ニップ部Ｎを形成している。そして、このニップ部Ｎに記録紙８が通紙された場合に、記録紙８を加熱ローラ１に押し付け、記録紙８及びトナー７に良好に熱が伝わるようにするという役割を果たしている。

加圧ローラ２の芯金２１は、本実施形態では鉄製であり、外径が２０．０ｍｍのものを用いているが、材料や大きさはこれに限られるものではなく、例えば、ステンレスもしくはアルミニウムからなるものであってもよい。

弾性層２２は、記録紙８に対して均等に加圧させるためのものであり、本実施形態では、厚さ５ｍｍの耐熱性のシリコーンゴムを用いている。しかし、このような機能を果たすものであれば、材料や厚さはこれに限られるものではない。

加圧ローラ２の各層は強固に密着されており、加圧ローラ２の外径は３０．０ｍｍとなっている。なお、加圧ローラ２にも、加熱ローラ１の離型層１５と同様に、トナー７の付着を防止する目的で、表面にＰＦＡやＰＴＦＥからなる離型層が形成されていてもよい。このようにして作成された加圧ローラ２の表面硬度は、８０度（アスカーC硬度）であった。ここで、加圧ローラ２の表面硬度は、加熱ローラ１の弾性断熱層１２の表面硬度より高い方がよい。なぜなら、加熱ローラ１と加圧ローラ２とを圧接して形成したニップ部Ｎの形状を下向きにさせることができるので、カラー画像を定着する際に、自己剥離（すなわち、剥離爪などの強制剥離補助手段を必要とせず紙のこしで剥離）がしやすくなり、剥離爪などに極力頼らず剥離することができる。一方、加熱ローラ１の弾性断熱層１２の表面硬度より加圧ローラ２の表面硬度が低いと、ニップ部Ｎの形状が上向きになるため、ニップ部Ｎから排出された記録紙８は、加熱ローラ１表面に沿って排出されるため、十分な自己剥離性能が得られない。

＜磁界発生部３の説明＞
次に、磁界発生部３について説明する。

加熱ローラ１に交番電界を印加して発熱させる磁界発生部３は、誘導コイルから構成されており、加熱ローラ１の外周部を半周程度取り囲むように構成されている。このように構成することで、誘導コイルに曲率が存在することとなり、磁束が誘導コイルの曲率円の中心側に集中するので、渦電流の発生量が多くなる。これにより、発熱層１３の発熱量が大きくなるので、加熱ローラ１の表面温度が迅速に昇温して、ウォームアップ時間の短縮化が図れる。

誘導コイルは、本実施形態では、耐熱性を考慮してアルミニウム単線を使用し、その表面を絶縁層（例えば、酸化膜等）で覆ったものを使用している。ただし、誘導コイルは、銅線もしくは銅ベースの複合部材線であってもよいし、リッツ線（エナメル線等を撚り線にしたもの）であってもよい。なお、何れの線材でも、誘導コイルでのジュール損を抑えるために、誘導コイルの全抵抗値を０．５Ω以下、望ましくは０．１Ω以下とすることが好ましい。また、誘導コイルは１つ配置してもよく、また定着させる記録紙のサイズに応じて複数個配置してもよい。

励磁回路４は、磁界発生部３の誘導コイルに高周波電流を流すものであり、これにより、交番磁界を発生させて加熱ローラ１に印加する。加熱ローラ１に交番磁界を印加させると、加熱ローラ１の発熱層１３が発熱する。

制御部６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等から構成され、励磁回路４に流す高周波電流を制御する。これにより、加熱ローラ１の温度が一定温度に制御される。なお、ニップ部入り口近傍の加熱ローラ１の外周には、サーミスタ１０が配設されており、加熱ローラ１の表面温度を検知して検知信号を出力するようになっている。制御部６は、このサーミスタ１０の検知信号に応じて、励磁回路４を制御し、加熱ローラ１の温度を一定温度に制御する。

また、駆動部５は、加熱ローラ１を回転駆動させるものであり、記録紙８の搬送に応じて加熱ローラ１を回転させることで、未定着トナー７ａを載せた記録紙８画像を搬送しながら、トナー７ａを熱と圧力により記録紙８に定着させる。なお、駆動部５の動作は制御部６によって制御される。

上記構成の定着装置において、円筒部材Ｂを同一条件とし、弾性ローラＡの外径のみを３８．０〜４０．０ｍｍに変更して、剥離性を評価する実験を行った。

剥離性の評価は、次に記載する未定着画像サンプルを定着装置に通紙して、サンプルが排紙側から問題なく剥離（すなわち定着ローラ（加熱ローラ）２に巻きつかず剥離）すれば、「○」とし、定着ローラ（加熱ローラ）２に巻きつきぎみに排紙し、トナーが剥がれる等画像欠陥が生じたものを「●」、定着ローラ（加熱ローラ）２に巻きついた場合を「×」、問題なく剥離したが、画像がホットオフセット（ニップ通過中にトナーが溶融しすぎたために、ニップ通過後に記録紙上のトナーの一部が定着ローラ上に残る現象）したものを「HO」とした。また、コールドオフセット（ニップ通過中にトナーが十分溶融せず、ニップ通過後に記録紙上のトナーが、記録紙に定着せず、定着ローラ上に移る現象）が発生したものを「CO」とした。このような測定方法で非オフセット域を検討した。ここで、「○」のついた温度領域を非オフセット域とする。

次に、未定着画像サンプルの作成方法について説明する。

トナーは、ワックスを内包したカラー用オイルレストナー（ポリエステル樹脂、スチレンアクリル樹脂）を使用した。トナーの粒径は８．５μｍであり、このトナーの記録紙の単位面積毎の付着量は１．５ｍｇ／ｃｍ２である。記録紙は、６５ｇの普通紙を使用した。プロセス速度は、１２０ｍｍ／ｓであり、加熱ローラ１の表面温度（定着温度）は１３０℃〜１９０℃まで１０℃ごとに設定温度を変更して実験を行った。

上記条件で検討した結果、弾性ローラＡの外径が４０．０ｍｍのとき、すなわち円筒部材Ｂとの内径差ｄ（円筒部材Ｂの内径−弾性ローラＡの外径）が０のとき（図３に示す状態）、１４０℃では安定して剥離したが、１５０℃以上の温度では、良好な剥離性能が得られなかった。

次に、弾性ローラＡの外径が、３９．０ｍｍのとき、すなわち円筒部材Ｂとの内径差ｄが１．０mmのとき、１３０℃〜１７０℃まで安定して剥離することができ、１８０℃では、巻きつきが発生した。

同様に内径差が０．５ｍｍ、１．５ｍｍの条件でも１３０℃〜１７０℃まで安定して剥離することができ、１８０℃では、巻きつきが発生した結果となった。これは、図４に示すように、定着装置を稼動させて加熱ローラ１を回転させたとき、円筒部材Ｂと弾性ローラＡとの内径差によって生じた円筒部材ＢのたわみＢ１が、入紙側（図４中の右側）に発生する場合のみ剥離性において同様の傾向が現れた。すなわち、排紙側は、弾性ローラＡの曲率に沿って円筒部材Ｂが曲率を形成しているので、定着後の記録紙８は、記録紙８自体のこしにより剥離する。

次に、弾性ローラＡの外径が３８．０ｍｍのとき、すなわち円筒部材Ｂとの内径差ｄが２．０ｍｍのとき、１４０℃以上の温度では、下表１に示すように、良好な剥離性能が得られなかった。

このとき、図５に示すように、加熱ローラ回転時、内径差によって生じた円筒部材ＢのたるみＢ１，Ｂ２は、入紙側（図５中右側）と排紙側（図５中左側）に生じているため、未定着トナー像を載せた記録紙８がニップ部Ｎの領域から出た瞬間、記録紙８が、たるんでいる円筒部材Ｂから離れず加熱ローラ１に巻きつく。このように、加熱ローラ１の回転時、円筒部材Ｂのたるみが排紙側にまで現れると、円筒部材Ｂの曲率が小さくなるため、紙のこしで剥離することができず、紙が巻きつくと考えられる。

この結果から、弾性ローラＡの外径と円筒部材Ｂの内径との差（内径差）が０＜ｄ＜２ｍｍのとき、最も広い非オフセット域が得られた。

さらに上記実験において、図７に示すように、加熱ローラ１の排紙側に剥離補助部材である剥離板７１を近接配置して同様の実験を行った。具体的には、剥離板７１は、加熱ローラ１の排紙側に配置されており、加熱ローラ１の表面と剥離板７１の先端７１ａとのギャップが１ｍｍに保持されている。剥離板７１の先端部は楔形状となっており、ニップ部Ｎの領域から出てきた記録紙８の先端部に係止し易い形状となっている。この剥離板７１は、加熱ローラ１の軸方向（紙面に垂直な方向）に沿って均一な距離に配置されている。本実施例１では、厚み０．２ｍｍのＳＵＳ板上にフッ素コーティング（ＰＴＦＥ）を施した剥離板を用いた。

その結果、下表２に示すように、弾性ローラＡの外径が３８．０ｍｍ、すなわち内径差が２．０ｍｍのときと、弾性ローラＡの外径が４０．０ｍｍ、すなわち、内径差が０mmのときは、剥離性は改善しなかったが、内径差が１mmのときは、１８０℃においても良好な剥離性能が得られたため、非オフセット域が拡大した。

すなわち、剥離板７１を加熱ローラ１に近接配置することによって、加熱ローラ１に巻きつきぎみに排出された記録紙を剥離板７１によって強制的に剥離させることができるので、非オフセット域を拡大させることができる。また、剥離板７１は、加熱ローラ１に当接していないので、加熱ローラ１表面に、剥離板７１による傷がつかず、加熱ローラ１の耐久性が確保できる。一方、内径差が０ｍｍもしくは２ｍｍのとき、剥離板７１を用いても定着領域が拡大しない（すなわち、巻きつきぎみの記録紙を無理やり強制剥離させようとしても、近接位置に設置した剥離板７１では紙の先端を引っ掛けることができず巻きついてしまう）。もし仮に、紙を無理やり剥離しようとすれば、剥離板７１の先端７１ａを加熱ローラ１に当接させる必要があるので、耐久性に問題が生じる。

また、上述した蛇行防止用の寄り防止ガイド部材６０を設置した場合に、内径差が０＜ｄ＜２ｍｍの範囲では問題なく円筒部材Ｂの寄りを防止できたが、内径差が２ｍｍを超えた場合には、円筒部材Ｂの蛇行を抑制することが困難であった。

上記構成の定着装置において、弾性ローラAを同一とし、円筒部材Bの発熱層１３の材質をポリイミドから、ニッケル（厚み４０μm、３０μｍ）、に変更して（ただし、弾性層14及び離型層１５は同一）、剥離性の実験を行った。実験方法は実施例１と同様であるので、省略する。

発熱層１３がニッケルの厚み４０μmのとき、加熱ローラ１の表面硬度ｔ１が７５°（アスカーC）であり、弾性ローラＡの表面硬度（ｔ２＝２５°）との硬度差ｔ３は、５０°であった。一方、ニッケルの厚み３０μｍのときも同様に測定した結果、加熱ローラ１の表面硬度ｔ１が７０°であり、硬度差ｔ３は、４５°であった。このときの剥離性の結果を下表３に示す。

ニッケルの厚みが４０μｍのとき、非オフセット域は存在しなかったのに対して、ニッケルの厚みが３０μmのとき、非オフセット域は１４０℃〜１６０℃と拡大し、さらに表面硬度差を小さくするため材質をポリイミドに変更すると硬度差ｔ３は４０°になり、非オフセット域が１４０℃〜１７０℃に拡大した。

これは、加熱ローラ１の表面硬度をできるだけ低硬度にすることで、加圧ローラ２との圧接によって形成されるニップ部Ｎの形状も下向きになることができるので、自己剥離性が向上した結果である。ところで、加熱ローラ１の表面硬度は、内部にある弾性断熱層１２の表面硬度が大きく影響している。しかし、上記したように加熱ローラ１の表面硬度と弾性ローラＡの表面硬度差が５０°以上あると、円筒部材Ｂ自体が硬すぎるため、内部の弾性断熱層１２がたとえ低硬度であっても、加熱ローラ１としての表面硬度が硬くなるため、ニップ部Ｎの形状は下向きニップが弱くなり、用紙剥離性が確保することが困難になる。

このことから、弾性ローラＡの表面硬度ｔ２と加熱ローラ１の表面硬度ｔ１との硬度差ｔ３との関係において、０°＜ｔ３＜５０°であることが好ましい。より好ましくは、０°＜ｔ３≦４５°である。さらに好ましくは、０°＜ｔ３≦４０°である。

本実施例３では、本発明の加熱ローラ（円筒部材と弾性ローラとが分離可能に構成されており、かつ円筒部材と弾性ローラとの間に隙間（空気層）が形成されている）を有する加熱装置を備えた画像形成装置（本発明）と、従来の加熱ローラ（円筒部材と弾性ローラとが分離されていない一体のもの）を有する加熱装置を備えた画像形成装置（比較例）とを用いて、ウォームアップ時間についての実験を行った。

実験では、加熱ローラの表面温度が室温から１７０℃に到達するまでの時間（ｓ）を、以下の条件で測定した。

測定条件
（１） 投入電力：１１００Ｗ
（２） 回転速度：１１７ｍｍ／ｓ
（３） 弾性ローラ：外径Φ３９ｍｍ（硬度：２５°）
（４） 加圧ローラ
外径：Φ３０ｍｍ
アルミニウムの芯金／シリコーンゴム層、０．５ｍｍ／ＰＦＡチューブ、３０μｍ
（５） 円筒部材
発熱層：ポリイミドベースに銀を分散、８０μｍ
弾性層：シリコーンゴム、２５０μｍ
離型層：ＰＦＡチューブ、２０μｍ
内径：本発明、Φ４０ｍｍ／比較例、Φ３９ｍｍ
上記測定条件によりウォームアップ時間を測定した結果、本発明のものでは２７（ｓ）、比較例のものでは３５（ｓ）であった。

本発明の加熱ローラが適用された加熱装置を備えた画像形成装置の主要部の構成を示す概略断面図である。 定着装置（加熱装置）のより詳細な構成を示す概略断面図である。 加熱ローラ駆動時において、円筒部材と弾性ローラとの間に隙間が無い場合の状態を示す概略断面図である。 加熱ローラ駆動時において、円筒部材と弾性ローラとの間に適度な隙間が有る場合の状態を示す概略断面図である。図２に示す定着装置における加熱ローラの概略断面図である。 加熱ローラ駆動時において、円筒部材と弾性ローラとの間の隙間が大きすぎる場合の状態を示す概略断面図である。 加熱ローラに寄り防止ガイド部材を設置した状態を示す概略断面図である。 加熱ローラの近傍に剥離板を設置した状態を示す概略断面図である

符号の説明

１ 加熱ローラ
２ 加圧ローラ
３ 磁界発生部
４ 励磁回路
５ 駆動部
６ 制御部
７ａ 未定着のトナー
７ｂ 定着後のトナー
８ 記録紙
９ 被加熱部材
１０ サーミスタ
１１ 芯金
１１ａ 雄ねじ部
１２ 弾性断熱層
１３ 発熱層（基材）
１４ 弾性層
１５ 離型層
２１ 芯金
２２ 弾性層
３０ 記録紙搬送手段
４０ 定着装置（加熱装置）
５０ 可視像形成ユニット
６０ 寄り防止ガイド部材
６１ フランジ部
６２ 芯金固定部
６２ａ 雌ねじ孔
７１ 剥離板
７１ａ 先端
Ａ 弾性ローラ
Ｂ 円筒部材（筒状部材）
Ｎ ニップ部

Claims (15)

1. 芯金上に弾性断熱層を有する弾性ローラと、発熱または加熱される薄膜の基材上に離型層が少なくとも形成されている可撓性の筒状部材とからなる加熱ローラであって、
   前記弾性ローラと前記筒状部材とが分離可能に設けられていることを特徴とする加熱ローラ。
2. 前記弾性ローラと前記筒状部材との間に若干の隙間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱ローラ。
3. 前記弾性ローラの外径（Φ１）と前記筒状部材の内径（Φ２）との内径差ｄ（＝Φ２−Φ１）が下式、
   ０＜ｄ（＝Φ２−Φ１）＜２mm
   の関係を満たしていることを特徴とする請求項２に記載の加熱ローラ。
4. 前記加熱ローラの駆動時、前記弾性ローラと前記筒状部材との間の少なくとも一部の領域に空気層が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の加熱ローラ。
5. 加熱ローラとしての前記筒状部材の表面硬度と前記弾性ローラの表面硬度との硬度差が、加熱ローラと加熱ローラに圧接される加圧部材との圧接部分であるニップ部の形状が下向き形状となるような硬度差に設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の加熱ローラ。
6. 前記筒状部材を構成する基材が樹脂ベースであることを特徴とする請求項５に記載の加熱ローラ。
7. 加熱ローラとしての表面硬度（ｔ１）と弾性ローラの表面硬度（ｔ２）との硬度差ｔ３（＝ｔ１−ｔ２）が下式、
   ０°≦ｔ３<５０°
   の関係を満たすことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の加熱ローラ。
8. 前記請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の加熱ローラで構成された加熱回転部材と、加熱回転部材に圧接される加圧部材と、外部から前記加熱回転部材を加熱する加熱手段とを少なくとも備え、前記加熱回転部材と前記加圧部材が圧接されることによって形成されるニップ部で未定着トナー像を定着することを特徴とする加熱装置。
9. 前記加熱回転部材を構成する弾性断熱層の表面硬度と前記加圧部材の表面硬度との関係が、前記ニップ部の形状が下向き形状となるような関係に設定されていることを特徴とする請求項８に記載の加熱装置。
10. 前記弾性断熱層の表面硬度が前記加圧部材の表面硬度より低く設定されていることを特徴とする請求項９に記載の加熱装置。
11. 前記筒状部材が発熱層、弾性層、離型層の少なくとも３層からなることを特徴とする請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載の加熱装置。
12. 記録紙の剥離を補助する剥離補助部材が、前記加熱回転部材の排紙側において前記加熱回転部材に近接して配置されていることを特徴とする請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載の加熱装置。
13. 前記加熱回転部材の両端に、前記筒状部材の蛇行を防止するための寄り防止ガイド部材が設けられていることを特徴とする請求項８ないし請求項１２のいずれかに記載の加熱装置。
14. 前記加熱手段が、前記加熱回転部材に交番磁界を印加して誘導電流を発生させる誘導加熱手段であることを特徴とする請求項８ないし請求項１３のいずれかに記載の加熱装置。
15. 前記請求項８ないし請求項１４のいずれかに記載の加熱装置を備えることを特徴とする画像形成装置。
    

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