JP2016099368A - 画像加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トナー像Ｔを担持したシートＰをニップ部Ｎで挟持搬送してトナー像を加熱する画像加熱装置４０において、端部昇温を低減し、かつ、さまざまな幅サイズのシートに対応が可能な画像加熱装置を提供する。【解決手段】筒状の第１の回転体４１と、その内側に固設された、筒状の金属部材４７発熱体４３および発熱体からの輻射熱を金属部材の内面に向けて反射する反射部材４３と、金属部材の内面に当接するバックアップ部材４６と、これと対向する位置において第１の回転体を介して金属部材４７と当接して第１の回転体との間にニップ部を形成する第２の回転体４４と、を有する。バックアップ部材４６は、装置に使用可能な最大幅シートよりも幅が小さいシートが連続的に導入されることにより生じる端部昇温に応じて、シート非通過部に対応するニップ部及びニップ部近傍部における金属部材４７と第１の回転体との接触領域の面積が減少する方向に熱変形を生じる。【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真方式などの複写機、プリンタ、ファックス、それらの複合機等の画像形成装置に搭載される定着装置として用いれば好適な画像加熱装置に関する。

記録媒体としてのシート（以下、用紙と記す）に担持された未定着のトナー像を固着像として加熱定着させる定着装置は各種方式のものが知られている。

特許文献１には、ウォームアップ時間が短いオンデマンド方式のハロゲン定着装置が開示されている。この定着装置は、定着部材としての無端状の定着ベルト、定着ベルトの内周面の一部又は全部に対向するように固設された略円筒状の金属部材（対向部材）、金属部材を加熱するために金属部材に内設されたハロゲンヒーター（加熱手段）を有する。また、定着ベルトに圧接してニップ部を形成する加圧回転体としての加圧ローラを有する。定着ベルトがヒーターによって加熱された金属部材によって加熱されて、ニップ部に向けて搬送された用紙上のトナー像がニップ部にて熱と圧力とを受けて定着される。

この定着装置の長所として、定着ベルトの低熱容量化によるウォームアップ時間の短縮が挙げられる。しかしながら、装置に使用可能な最大幅サイズの用紙よりも幅が小さい小サイズ用紙（小サイズシート）を連続的に通紙（導入）した場合にいわゆる非通紙部昇温（端部昇温）が発生する。

即ち、定着ベルト長手において用紙が通過しない非通紙部領域においては、用紙の加熱によって熱が消費されず、熱が蓄積されてしまう。そのために、非通紙部領域の温度が、所定温度に維持管理されている通紙部よりも昇温していき、定着ベルト等の劣化、生産性ダウン等の課題がある。

特許文献１では、金属部材の軸方向の通紙領域と非通紙領域とで異なる材質もしくは厚みを形成することで、非通紙領域の熱を通紙領域へ伝達することで端部昇温に対応している。

特開２０１１−１８６３０７号公報

特許文献１に記載される技術においては、生産性が高い場合、異なる材料を用いると、十分な熱を用紙へ供給できないケースが出る。また、端部の熱伝導率を高くする場合、長手方向でトナーが形成されている比率が異なり、十分熱を提供するこができない場合がある。

本発明は上記の技術の課題に鑑みて提案されたものであり、端部昇温を低減し、かつ、さまざまな幅サイズのシートに対応が可能な画像加熱装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明に係る画像加熱装置の代表的な構成は、トナー像を担持したシートをニップ部で挟持搬送してトナー像を加熱する画像加熱装置であって、筒状の第１の回転体と、前記第１の回転体の内側に固設された筒状の金属部材と、前記金属部材の内側に固設された発熱体と、前記金属部材の内側に固設され、前記発熱体からの輻射熱を前記金属部材の内面に向けて反射する反射部材と、前記金属部材の内面に当接するバックアップ部材と、前記バックアップ部材と対向する位置において前記第１の回転体を介して前記金属部材と当接して前記第１の回転体との間に前記ニップ部を形成する第２の回転体と、を有し、前記バックアップ部材は、装置に使用可能な最大幅のシートよりも幅が小さいシートが連続的に導入されることにより生じる端部昇温に応じて、シート非通過部に対応するニップ部及びニップ部近傍部における前記金属部材と前記第１の回転体との接触領域の面積が減少する方向に熱変形を生じる構成であることを特徴とする。

本発明によれば、第１の回転体や第２の回転体の端部昇温を低減し、かつ、さまざまな幅サイズのシートに対応が可能な画像加熱装置を提供することができる。

実施例における定着装置の要部の拡大横断面模式図である。 実施例における画像形成装置の概略図である。 定着装置の要部の中途部分省略の縦断正面模式図である。 加熱ユニットの分解斜視図である。 定着ベルトの層構成模式図である。 図１におけるニップ部近辺の更なる拡大模式図である。 昇温時の模式図である。 加圧パッドの長手に沿う下層と上層の断面模式図である。 ニップ部長手中央部における拡大横断面模式図である。 温時の模式図である。 比較例の実験結果である。 実施例における実験結果である。

次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（実施例）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例］
（１）画像形成部
図２は本発明に従う画像加熱装置を定着装置４０として搭載した画像形成装置１の一例の構成略図である。この画像形成装置１は中間転写方式、タンデム型の４色フルカラーの電子写真レーザープリンタであり、シートＰにフルカラートナー像を形成してプリントアウトすることができる。シートＰはトナー像が形成され得る記録材（記録媒体）であり、普通紙、光沢紙、樹脂製シート、厚紙、葉書、封筒、ＯＨＰシートなどが挙げられる。以下、用紙と記す。定着装置４０以外のプリンタ構成は公知に属するので以下のプリンタ構成の説明は簡単にとどめる。

２は画像形成部であり、４つの画像形成ユニット３（３Ｙ、３Ｍ、３Ｃ、３Ｋ）と中間転写ベルトユニット１０を有する。各画像形成ユニット３は、それぞれ、回転ドラム型の感光体４、帯電部材５、レーザースキャナ６、現像器７、一次転写部材８、感光体クリーナ９等を有し、イエロー（Ｙ）色、マゼンタ（Ｍ）色、シアン（Ｃ）色、ブラック（Ｋ）色のトナー像を形成する。そして、各画像形成ユニット３の感光体４から中間転写ベルト１１に対して上記４色のトナー像が順次に所定に重畳されて一次転写され、中間転写ベルト１１上にフルカラートナー像が形成される。

そのフルカラートナー像が中間転写ベルト１１と二次転写ローラ１２との圧接部である二次転写ニップ部において用紙Ｐに対して二次転写される。用紙Ｐは用紙カセット１９または同２０もしくはマルチ給紙トレイ２１から一枚分離給紙され、レジストローラ対２２ａを含む搬送機構２２より二次転写ニップ部に対して所定の制御タイミングで導入される。そして、トナー像の二次転写を受けた用紙Ｐが定着装置４０に導入されてトナー像の熱圧定着を受ける。

定着装置４０を出た用紙Ｐは予めのモード選択に応じてフラッパ１３により第１経路１４側または第２経路１５側に進路切り替えされる。第１経路１４に導入された用紙Ｐは装置上面側のフェイスダウントレイ１６に排出される。また、第２経路１５に導入された用紙Ｐは装置側面側のフェイスアップトレイ１７に排出される。

両面画像形成モードの場合は定着装置４０を出た第１面画像形成済みの用紙Ｐが一旦第１経路１４に導入されてからスイッチバック搬送されて第３の経路（再循環路）１８に導入される。そして、再び搬送機構２２を経由して画像形成部２の二次転写ニップ部に対して表裏反転された状態で搬送される。これにより、両面画像形成された用紙がフェイスダウントレイ１６またはフェイスアップトレイ１７に排出される。

本例の画像形成装置１において用紙Ｐの装置内搬送はいわゆる中央基準搬送でなされる。この用紙搬送は、装置に使用可能（通紙可能）な大小どのような幅の用紙であっても、用紙の幅方向の中心線を用紙搬送路の幅方向中央に合わせて通紙する形態のことである。

（２）定着装置
（２−１）全体的な概略構成
本実施例の定着装置４０は、ベルト加熱方式、加圧ローラ駆動方式（テンションレスタイプ）の画像加熱装置である。図１は定着装置４０の要部の拡大横断面模式図、図３は定着装置４０の要部の中途部分省略の縦断正面模式図である。

ここで、本実施例において、定着装置４０若しくはその構成部材に関して、正面側とは用紙入口側から見た面、背面側とはその反対側（用紙出口側）の面、左右とは装置を正面側から見て左（一端側）または右（他端側）である。上下とは重力方向において上または下である。上流側と下流側は用紙搬送方向ａに関して上流側と下流側である。長手方向（または幅方向）や用紙幅方向とは、用紙搬送路面において、用紙搬送方向ａに直交する方向に実質平行な方向である。短手方向とは用紙搬送路面において、用紙搬送方向ａに実質平行な方向である。

この定着装置４０は、筒状（エンドレス）の第１の回転体としての定着ベルト（定着部材：無端ベルト）４１を備えた加熱ユニット（ベルトユニット）４Ａを有する。また、定着ベルト４１との間にニップ部Ｎ１を形成してトナー像Ｔを担持した用紙Ｐを挟持搬送する第２の回転体としての加圧ローラ４４を有する。また、それらを収容した筐体６０を有する。

図４は加熱ユニット４Ａの分解斜視図である。加熱ユニット４Ａは、熱を伝達する加熱部材としての薄肉で可撓性を有する筒状の定着ベルト４１、筒状（パイプ状、略円筒体）の金属部材（加熱部材）４７、バックアップ部材としての加圧パッド（加圧部材、押し付け部材）４６を有する。また、断熱部材（断熱材）４８ａ、補強ステー４８、発熱体としてのヒーター４３、反射板（反射部材）４２、左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒ等を有する。上記において左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒ以外の部材は左右方向に長い部材である。

定着ベルト４１は、図５の層構成模式図に示ように、内周面側から外周面側に順に、内面コート層４１ｄ、基層（基材金属層）４１ａ、弾性層４１ｂ、表層（離型層）４１ｃが順次に積層されている複合層ベルトである。定着ベルト４１はこの４層全体の厚さが１ｍｍ以下に設定されており、自由状態では自身の弾発性によりほぼ円筒形状を呈する。上記各層の構成材料については（２−３）項に記載した。定着ベルト４１の直径は１５〜１２０ｍｍになるように設定される。本実施例の定着ベルト４１は内径：２５ｍｍ、長さ（幅Ｗ４１）：３２５ｍｍである。

定着ベルト４１は外径が２０ｍｍのパイプ状の金属部材（以下、金属パイプと記す）４７に対してルーズに外嵌されている。金属パイプ４７の長さ（幅Ｗ４７）は定着ベルト４１よりも長い３３０ｍｍとしている。金属パイプ４７は定着ベルト４１の加熱部材、定着ベルト４１の回転ガイド部材として機能する。

金属パイプ４７の材料としては、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、鉄、等の金属熱伝導体（熱伝導性を有する金属）を用いることができる。中でも単位体積の熱容量比（密度×比熱）が比較的小さいフェライト系ステンレス鋼が好適である。金属パイプ４７は、厚みを薄くすることで、定着装置４０のウォームアップ時間を短縮することができる。金属パイプ４７の厚さは１ｍｍ以下が好ましい。

金属パイプ４７の内側には、加圧パッド４６、断熱材４８ａ、補強ステー４８、ヒーター４３、反射板４２が配設されている。加圧パッド４６は金属パイプ４７の内面に当接する部材であり、断熱材４８ａを介して補強ステー４８の下面側に保持されている。この加圧パッド４６の詳細構成については（２−４）項で説明する。

補強ステー４８は鉄鋼材などの高剛性部材であり、長さは金属パイプ４７よりも長く、左右の両端部はそれぞれ金属パイプ４７の左右の両端部から外側に突出している。断熱材４８ａは加熱された金属部材４７の熱が補強ステー４８に移動するのを抑制して効果的に金属パイプ４７を加熱することを可能にする。断熱材４８ａの材料としては、断熱性に優れたスポンジゴムや、空泡を有するセラミック等を用いることができる。加圧パッド４６と断熱材４８ａの長さは３３５ｍｍにしてある。反射板４２の長さは定着ベルト４１の長さ（幅Ｗ４１）とほぼ同じにしてある。

反射板４２の内側にはヒーター（熱源、加熱手段、発熱体）としてのハロゲンヒーター４３が配設されている。カーボンヒーターなど他の発熱体（加熱体）とすることもできる。反射板４２はヒーター４３からの輻射熱を金属パイプ４７の内面に向けて反射する。左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒは耐熱性樹脂成型品であり、それぞれ、金属パイプ４７の左右の両端部から外側に突出している補強ステー両端部分に対して嵌着されている。即ち、補強ステー４８の左右の両端部分は、それぞれ、左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒに形成されている穴部４９ｂに嵌入されている。

また、金属パイプ４７の両端部は、それぞれ、左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒに形成されている穴部４９ｃに嵌入されている。また、ヒーター４３の左右の端部の金口４３ａは、それぞれ、左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒに配設されているソケット（コネクタ）６２に嵌入されて当該ソケット６２と電気的に接続している。定着ベルト４１は左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒの対向鍔座部４９ａ間において、金属パイプ４７にルーズに外嵌されている。

以上の定着ベルト４１、金属パイプ４７、加圧パッド４６、断熱材４８ａ、補強ステー４８、ヒーター４３、反射板４２、左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒの組み立て体（アセンブリ）が加熱ユニット４Ａである。

加圧ローラ４４は、中空構造の芯金４４ａの外周面に、シリコーンゴム、フッ素ゴム等の耐熱ゴム、あるいはシリコーンゴムの発泡体の弾性層４４ｂが形成されている。更に、この弾性層４４ｂの外周面にＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の離形層を設けることもできる。芯金４４ａの左右両端部には、それぞれ、軸部４４ｃが実質同心に一体に装着されている。本実施例の加圧ローラ４４は外径が２５ｍｍ、ローラ部の長さ（幅Ｗ４４）が３２０ｍｍにしてある。

加圧ローラ４４は、左右の軸部４４ｄが、それぞれ、筐体６０の左右の側板６０Ｌ・６０Ｒ間に軸受部材（ベアリング）６１を介して回転可能に保持（両持ち式）されて配設されている。右側の軸部４４ｄの端部には駆動ギアＧが実質同心に一体に配設されている。

加熱ユニット４Ａは加圧パッド４６側を下向きにして、加圧ローラ４４の上側において加圧ローラ４４に実質平行に配列して、筐体６０の左右の側板６０Ｌ・６０Ｒ間に配設されている。即ち、加熱ユニット４Ａの左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒにそれぞれ設けられている縦溝部４９ｄ（図４）が左右の側板６０Ｌ・６０Ｒにそれぞれ設けられた縦ガイドスリット６０Ｌ−ａ・６０Ｒ−ａの縦縁部に係合している。これにより、左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒは、それぞれ、左右の側板６０Ｌ・６０Ｒに対して上下方向にスライド移動可能に保持されている。

そして、左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒの受圧部４９ｅに対してそれぞれ加圧ばね６３により所定の押し下げ付勢力Ｆを作用させている。本実施例ではフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒの受圧部４９ｅにそれぞれ１４７Ｎ（１５ｋｇｆ）（総圧２９４Ｎ：３０ｋｇｆ）の押し下げ付勢力（加圧力）Ｆを付与している。

これにより、補強ステー４８、断熱部材４８ａ、加圧パッド４６を介して金属パイプ４７に押し下げ力が作用し、この金属パイプ４７により定着ベルト４１が加圧ローラ４４の上面に所定の押圧力で圧接される。この圧接による定着ベルト４１の弾性層と加圧ローラ４４の弾性層４４ｂの弾性変形により定着ベルト４１と加圧ローラ４４との間に短手方向において所定幅のニップ部Ｎ１が形成される。即ち、加圧ローラ４４は加圧パッド４６と対向する位置において定着ベルト４１を介して金属パイプ４７と当接して定着ベルト４１との間にニップ部Ｎ１を形成している。

駆動ギアＧに対して制御部１００で制御されるモータ（駆動源）Ｍの駆動力が駆動伝達機構（不図示）を介して伝達される。これにより、加圧ローラ４４は駆動回転体として図１において矢印Ｒ４４の反時計方向に所定の周速度にて回転駆動される。

この加圧ローラ４４の回転駆動による加圧ローラ４４と定着ベルト４１の外面とのニップ部Ｎ１における摩擦力で定着ベルト４１に回転力（回転トルク）が作用する。これにより、定着ベルト４１が、その内面がニップ部Ｎにおいて金属パイプ４７の表面（下向き面）に密着して摺動しつつ図１において矢印Ｒ４１の時計方向に加圧ローラ４４の回転周速度にほぼ対応した周速度で従動回転する。この定着ベルト４１の従動回転を滑らかなものにするために、定着ベルト４１と金属パイプ４７の相互摺接部には潤滑剤（不図示）を介在（塗布）させることが好ましい。

左右のフランジ部材４９Ｌ・４９Ｒの鍔座部４９ａは回転する定着ベルト３１が金属パイプ４７の長手に沿って左方または右方に寄り移動したときの寄り側のベルト端部を受け止めて寄り移動を規制する。金属部パイプ４７は定着ベルト３１の回転ガイド部材としても機能する。

また、金属パイプ４７は定着ベルト４１の加熱部材として機能する。即ち、金属パイプ４７の外周面は定着ベルト４１の内周面に対向している。そして、金属パイプ４７と定着ベルト４１はニップ部Ｎ１とニップ部Ｎ１を中にして定着ベルト回転方向上流側のニップ部近傍領域Ａと定着ベルト回転方向下流側のニップ部近傍領域Ｂとにおいて摺接するように構成されている。即ち、定着ベルト４１はその内面が上記のニップ部Ｎ１とニップ部近傍領域Ａ及び同Ｂにおいて金属部材４７の外面に摺接しながら回転する。

金属パイプ４７の内部に配置されているヒーター４３は制御部１００で制御される電源部１０１からソケット６２・６２を介して電力供給を受けて発熱する。金属パイプ４７はヒーター４３の輻射熱により加熱されて回転する定着ベルト４１を加熱する（熱を伝える）。すなわち、金属パイプ４７がヒーター４３によって直接的に加熱され、この金属パイプ４７を介して回転する定着ベルト４１がヒーター４３によって間接的に加熱されることになる。

４５ａは定着ベルト４１の長手中央部に配置された第１の温度センサであり、大小どの幅サイズの用紙も通過する定着ベルト４１の通紙部の表面温度を検知（計測）する。４５ｂは定着ベルト４１の端部に配置された第２の温度センサであり、装置に使用可能な最大通紙幅（最大幅）よりも幅が小さい用紙（小サイズ用紙）が通紙されたときの定着ベルト４１の非通紙部（シート非通過部）の表面温度を検知する。本例において第１と第２の温度センサ４５ａ、４５ｂは共に接触式サーミスタである。第１と第２の温度センサ４５ａ、４５ｂの温度検知情報は制御部１００に入力する。

ＷＰｍａｘは最大通紙幅（最大通紙可能幅）である。本実施例ではＡ３Ｒ：２９７ｍｍである。ＷＰＬは最大画像保障幅（画像保障領域）である。ヒーター４３の有効発熱長さは最大通紙幅ＷＰｍａｘよりも少し大きい設定にしている。

上記の定着装置４０の構成をまとめると次のとおりである。トナー像Ｔを担持した用紙Ｐをニップ部Ｎ１で挟持搬送してトナー像Ｔを加熱する装置である。筒状の第１の回転体としての定着ベルト４１と、この定着ベルト４１の内側に固設された筒状の金属部材としての金属パイプ４７を有する。この金属パイプ４７の内側に固設された発熱体としてのヒーター４３と、金属パイプ４７の内側に固設され、ヒーター４３からの輻射熱を金属パイプ４７の内面に向けて反射する反射部材としての反射板４２を有する。

また、金属パイプ４７の内面に当接するバックアップ部材としての加圧パッド４６を有する。この加圧パッド４６と対向する位置において定着ベルト４１を介して金属パイプ４７と当接して定着ベルト４１との間にニップ部Ｎ１を形成する第２の回転体としての加圧ローラ４４を有する。そして、金属パイプ４７は周方向においてニップ部Ｎ１を中にして定着ベルト回転方向上流側のニップ部近傍領域Ａと定着ベルト回転方向下流側のニップ部近傍領域Ｂとにおいて定着ベルト内面と摺接するように構成されている。

（２−２）定着動作
制御部１００は画像形成開始信号に基づいてモータＭを起動して加圧ローラ４４の回転駆動を開始する。また、電源部１０１からヒーター４３に対する電力供給を開始する。これにより、定着ベルト４１が従動回転するとともにヒーター４３で加熱される金属パイプ４７の熱により加熱される。制御部１００は、第１の温度センサ４５ａの検知温度情報に基づいて、定着ベルト４１の表面温度が所定の定着温度に立ち上げられ、その定着温度が維持されるようにヒーター４３に対する供給電力を制御して定着ベルト４１の表面温度を温調する。

この定着装置状態において画像形成部２側から未定着のトナー像Ｔを担持している用紙Ｐが定着装置４０に導入され、ニップ部Ｎ１で挟持搬送される。これによりトナー像Ｔおよび用紙Ｐが定着ベルト４１の熱とニップ部圧により加熱加圧されることでトナー像Ｔが用紙Ｐに対して固着画像として定着される。ニップ部Ｎ１を挟持搬送された用紙Ｐはニップ部Ｎ１の用紙出口において定着ベルト４１の面から曲率分離して定着装置４０から排出搬送されていく。

（２−３）定着ベルト４１の層構成材料
基層４１ａはクイックスタート性を向上させるために、厚さとして１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下２０μｍ以上の耐熱性材料を使用できる。例えば、ＳＵＳ、ニッケルなどの筒状の金属フィルムを使用できる。本実施例では、厚さが３０μｍ、直径が２５ｍｍの円筒状ニッケル金属フィルムを用いた。

弾性層４１ｂは、熱容量を小さくしてクイックスタート製を向上させるために、厚さとしては１０００μｍ以下、好ましくは５００μｍ以下のゴム材料を使用できる。例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴム等が挙げられる。本実施例では、ゴム硬度１０度（ＪＩＳ−Ａ）、熱伝導率１．３Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ３００μｍのシリコーンゴムを用いた。

離型層４１ｃは厚さ１００μｍ以下、好ましくは２０〜７０μｍのフッ素樹脂材料を使用できる。たとえば、例えばフッ素樹脂層としては、例えばＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡなどが挙げられる。本実施例では、厚さ３０μｍのＰＦＡチューブを用いた。

内面コート層４１ｄは、金属パイプ４７と摺接するため耐熱性を持つ樹脂層やセラミックス、金属などを使用できる。エンジニアリングプラスティックや、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などが挙げられる。例えば、ポリイミド、ポリイミドアミド、ＰＥＥＫ、ポリ四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン／六フッ化プロピレン共重合体樹脂（ＦＥＰ）、四フッ化エチレン／パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂（ＰＦＡ）などである。

（２−４）端部昇温対策
本実施例では各種幅サイズの用紙に対応する端部昇温対策として、加圧パッド４６の構成を次のようにしている。即ち、小サイズ用紙の連続通紙により生じる端部昇温に応じて、非通紙部に対応するニップ部及びニップ部近傍部における金属パイプ４７と定着ベルト４１との接触領域（内ニップ）の面積が減少する方向に熱変形を生じる構成としている。より具体的には、加圧パッド４６の少なくとも一部が熱膨張係数の異なる複数の金属層が積層されたバイメタル構造（自己収縮部材）であることにより上記の熱変形を生じる構成としている。

本実施例の特徴である加圧パッド４６の構成について図６を用いて説明する。図６は図１の装置の横断面模式図におけるニップ部近辺の更なる拡大模式図である。加圧パッド４６、金属パイプ４７、定着ベルト４１、用紙Ｐ、加圧ローラ４４が示されている。

加圧パッド４６は熱膨張係数の異なる金属層が積層された内外２層構造（バイメタル構造）である。即ち、熱膨張係数が互いに異なる、加圧パッド下層４６Ｂと加圧パッド上層４６Ａとが接合されている構成である。加圧パッド下層４６Ｂが金属パイプ４７の内面に当接する側である。加圧パッド上層４６Ａがそれとを反対側であり、断熱材４８ａを介して補強ステー４８に保持される側である。尚、本実施例は加圧パッド４６を２層構成で説明しているが、３層以上の多層構成にすることも可能である。

この加圧パッド４６は短手幅がＬＡ１であり、その幅の中心位置Ｐ１より上流下流ほ相対位置に固定されている。また、この加圧パット４６により金属パイプ４７を所定の圧で加圧して金属パイプ４７を定着ベルト４１を介して加圧ローラ４４に当接させている。金属パイプ４７は定着ベルト４１と接触することでヒーター４３から供給された金属パイプ４７の熱を定着ベルト４１、さらには、用紙Ｐ上の現像剤Ｔへ供給している。

加圧パッド４６について更に説明する。加圧パッド下層４６Ｂは厚みＷＢで、加圧パッド上層４６Ａは厚みＷＣで形成されている。ニップ部Ｎ１及びニップ部近傍部におけるにおける金属パイプ４７と定着ベルト４１との接触領域（内ニップ）が金属パイプ４７から定着ベルト４１への直接的な熱伝達部である。この熱伝達部の熱伝達短手幅Ｎ３のニップ範囲で金属パイプ４７から定着ベルト４１へ熱を伝導している。尚、本実施例では、熱伝達短手幅Ｎ３は中心位置Ｐ１から上流下流とも同じく対称であり、それぞれのケースに応じて最適化が望ましい。

この熱伝達短手幅Ｎ３により金属パイプ４７から定着ベルト４１へ、そして、ニップ幅Ｎ２ないしＮ１の領域にて用紙紙Ｐへ熱を供給している。また金属パイプ４７は、水平面（ニップＮ１の面）Ｈ３からなす角度、たとえば、金属パイプ４７は角度θ１になるように材料選定を行っている。また、角度θ１は、中心位置Ｐ１から距離Ｎ２のポイントと、熱伝達短手幅Ｎ３と定着ベルト４１との接するポイントを結んだ線と、図面上水平面Ｈ３とのなす角度である。この角度θ１が大きいほど定着ベルト４１と用紙Ｐとの接触面積が小さくなる。逆に小さいと、接触面積が増加する。

次に、小サイズ用紙が連続的に通紙されることで生じる端部昇温（非通紙昇温）により、図６の通常状態時（非端部昇温時）の金属パイプ４７が急激な昇温をした場合における加圧パッド部分の状態を図７に示す。この加圧パッド部分も金属パイプ４７の昇温に対応して昇温する。そのため、バイメタル構造である加圧パッド４６が熱変形して反りを生じる。そのため、通常、たとえばスタンバイ状態である図６に比べ、角度θ１が大きくなっている。これは、熱により加圧パッド４６が変形する材料、特に加圧パッド上層４６Ａと加圧パッド下層４６Ｂの材料の熱誇張係数が異なるためである。

それでは、熱膨張係数による変形量の一例を、表１にて説明する。一般的に材料は熱を与えると膨張する。本実施例では、加圧パッド下層４６Ｂに熱膨張係数の高いアルミニウムを用いている。一方、加圧パッド上層４６Ａは、強度が高くかつ、熱膨張係数が低い炭化ケイ素を用いている。熱を与えた時に変化量は下記のように計算される。

ここで、伸び量ΔＬは、膨張係数αと長さＬと温度上昇ΔＴの積で計算できる。たとえば、３００℃まで上昇した場合、加圧パッド下層４６Ｂのアルミニウムは、長さ（たとえば幅ＬＡ２が）１５ｍｍの場合、０．１０３ｍｍ変位する。一方、加圧パッド上層４６Ａの炭化ケイ素は、０．０２９７ｍｍである。それぞれの差分０．０７ｍｍが変化量に相当する。

次に変位角度について表２を用いて説明する。

加圧パッド上層４６Ａと加圧パッド下層４６Ｂに対して、温度を３００℃与えた時の長さの変位つまり、ねじれる角度は、ＣＯＳ関数で表現できる。変位量つまり長さが０．０７〜０．０８ｍｍ変化したとき、角度は、約６°ずれることになる。このように、熱をあたえることで、材料の膨張により加圧パッド４６の角度をずらすことができる。尚、本材料は、温度が低下すると元の角度に戻ることが確認されている。

このように異なる材料を用いることで、材料を熱により変形させることができる。では、上記の材料を用いることで、どの程度加圧パッド４６の変位量の変化により、金属パイプ４７と定着ベルト４１の接触幅（内ニップ幅）であるニップＮ３が変化するか説明する。

まず、上記説明では、加圧パッド下層４６Ｂをアルミ、加圧パッド上層４６Ａを炭化ケイ素で計算している。ここでは、より剛性が強く、加圧力に適応するため、加圧パッド上層４６Ａを銅と鉄の合金、加圧パッド下層４６Ｂをステンレス、の材料を採用した。

ここで、一般的な、温度の上昇によって物体の長さ・体積が膨張（熱膨張）する割合である線膨張率（×１０＾−６／Ｋ）として、アルミ２３．０、炭化ケイ素６、ステンレス１７、銅と鉄の合金１２、である。上記材料において、下層よりも上層の膨張係数を小さくすることが重要である。

まず、熱膨張量は、線膨張係数から計算できる。鉄と銅の合金１２．１Ｅ−６／Ｋ、ステンレス１７．２Ｅ−６／Ｋである。ここから長さを４０ｍｍ、上層と下層の温度差Δを２５度とした場合、加圧パッド端部側が約５度、上方へずれる。これは、ステンレスの方が鉄と銅の合金にくらべ変形しやすいためである。図面上垂直方向の長さに換算すると４ｍｍ上方へ端部が移動することになる。図７の場合、ニップＮ３の変化量に相当する。

上記より、たとえば、端部で通紙されず、定着ベルト４１の端部温度が長手中心位置よりも上昇すると、４ｍｍ上方、図７の水平面Ｈ２と、加圧パッド底面接線のなす角度θ２が１０度増え反ることになる。結果、金属パイプ４７が上方へシフトするため、金属パイプ４７と定着ベルト４１の接触幅（内ニップ幅）が約１０％減少する。金属パイプ径がφ２０ｍｍ、総圧で２９４Ｎ（３０ｋｇｆ）で加圧を付加した場合、金属パイプ４７と定着ベルト４１の接触するニップ幅（内ニップ幅）Ｎ３が４ｍｍとすると約３．５ｍｍ、全体のニップは８ｍｍから７ｍｍまで減少する。

結果、端部昇温部では、金属パイプ４７から定着ベルト４１への熱供給も同様１０％ダウン、たとえば、定着ベルト４１の温度が約２００℃の場合１８０℃へ低下する。本実施例では、金属パイプ４７の昇温は、ヒーター４３からの熱と、昇温した定着ベルト４１の熱がともに、通紙されない領域（非通紙部）で蓄積することが原因と考えている。つまり、なるべく、温度が上昇した定着ベルト４１と金属パイプ４７を接触させなければ、定着ベルト４１への熱供給を減少することができる。

このように、加圧パッド４６に関して、端部昇温に応じて、非通紙部に対応するニップ部及びニップ部近傍部における金属パイプ４７と定着ベルト４１との接触領域（内ニップ）Ｎ３の面積が減少する方向に熱変形を生じる構成とする。これにより、定着ベルト４１や加圧ローラ４４の端部昇温を低減し、かつ、さまざまな幅サイズの用紙の端部昇温に対応することができる。

図８は上記説明した熱変形材料である加圧パッド４６の長手に沿う上層４６Ａと下層４６Ｂの断面模式図である。長手中心位置Ｐ２に対して左側（Ｆ側：一端側）と右側（Ｒ側：他端側）とも端部に行くほど加圧パッド下層４６Ｂの厚みＷＢが増え、かつ、加圧パッド上層４６Ａの厚みＷＣが減っていることが分かる。下層４６Ｂの厚みは、たとえば、長手中心位置Ｐ２から距離Ｌ４６Ａまでは同じであり、Ｐ３までの距離Ｌ４６Ｂでは増加、さらに同じ増加勾配でＬ４６Ｃまで厚みを変化させている。距離Ｌ４６Ａ＜Ｌ４６Ｂ＜Ｌ４６Ｃである。

これは、本実施例の画像中心位置をＰ２にしているため、小サイズを流す場合、中心を通紙する。そのため、中心位置は、端部Ｆ，Ｒ側にくらべ、熱の消費が激しい。よって、加圧パッド上層４６Ａと下層４６Ｂの厚みを変えている。

上記メカニズムを説明したとおり、加圧パッド下層４６Ｂが厚いと、昇温により反りが発生し、加圧パット４６の変形により、金属パイプ４７と定着ベルト４１の接触ニップ幅が小さくなる。つまり、このような系の場合、端部に行くほど、温度に対するニップ感度を強くしている。これは、昇温が端部から発生するため、少しの昇温でもニップをコントロールすることで、生産性を維持することが可能になる。

図９に図８のＰ２位置における加圧パッド４６の変化を示す。図８の通り、加圧パッド上層４６Ａの厚さＷＣは、図６にくらべ、厚く、かつ加圧パッド下層４６Ｂの厚さＷＢは、薄くなっている。尚、厚みＷＣとＷＢの合計は固定である。これは、厚みが変わることで圧力が変化し、材料の摩耗が変化、寿命が低下するため、加圧パッド４６の長手に沿う厚みはほぼ同じにしている。図９において、熱を従来よりも高い温度に設定した時の加圧パッド状態を図１０に示す。端部を説明した図７に比べ、角度θ２が小さくなっている。理由は上記説明したとおりである。

では、本実施例の実験データについて、比較例を図１１、本実施例を図１２に示す。尚、動作条件としては、加圧条件を総圧で２９４Ｎ（３０ｋｇｆ）、定着ベルト４１および加圧ローラ４４の回転速度を２５０ｍｍ／ｓ、ヒーター４３への投入電力を８００Ｗとした。

比較例装置の構成を説明する。加圧パッド４６は自己収縮材料（バイメタル構造）でない単一金属部材である。環境は２３℃５５％、画像は熱を奪われやすい全面べた黒である。装置の電源をいれて、立ち上がった状態である通紙前と、小サイズ用紙ここではＢ５サイズを連続１０００枚通紙しているときに、５００枚目を通紙中、１０００枚目を通紙後半として、定着ベルト４１の長手に沿う温度分布を非接触温度計で測定した。結果を図１１に示す。横軸は、長手方向Ｆ側Ｒ側、画像中心を０とした場合の位置、縦軸は、定着ベルト表面の温度である。尚温度は、通常、作像温度を１００％としている。

結果、通紙前は、長手方向で１００％のままである。通紙し始めて１５００枚に到達すると、中心温度は９５％まで低下、端部位置−３００ｍｍでは、１１０％まで上昇している。中心は、温度調整による供給熱が足りていないのが原因である。端部位置の温度は、用紙が通紙されないため、熱がたまり蓄積されている。さらに、通紙続け１０００枚目になると１２０％、たとえば、２００度中心の場合、２４０度まで上昇する。ベルト破損、周囲部品破損等を生じさせやすい温度に近づいてくる。

加圧パッド４６として前述のような自己収縮部材を用いた本実施例の結果を図１２に示す。比較例と同じ設定は省略する。本実施例では、加圧パッド４６の材質に上記説明した鉄とステンレスを用いている。厚みは、合計で１．５ｍｍになるようにしている。尚、加圧パッド下層４６Ｂは、厚みＷＢが長手中央部では、０．２５ｍｍ、端部では、１．２５ｍｍとした。逆に、加圧パッド上層４６Ａは、厚みＷＣが長手中央部では、１．２５ｍｍ、端部では、０．２５ｍｍとした。そのほか構成は、比較例と同じである。

通紙前温度は、比較例と同じである。しかし通紙し始めると、中央温度は低下、端部は、それほど上昇せず、−３５０ｍｍの位置で１０５％までしか上昇しない。更に、通紙すると、端部は１００％で落ち着いている。これは、温度上昇によりニップが小さくなり供給熱が減ったためである。このように、自己収縮材料を用いることで、端部昇温を低減させることができる。尚、本材料は、温度が低下すると元のニップになるように設計されている。

それでは、熱により加圧パッド端部の反りに対する加圧力の変化について説明する。上記のとおり、加圧パッド４６には加圧ばね６３（図３）により総圧で２９４Ｎ（３０ｋｇｆ）を与えている。加圧パッド４６の熱による反りは、この総圧の方向と逆である。どれくらい対応可能か、つまり、加圧パッド４６の熱による反りが、加圧力に勝るかどうかヤング率から計算する。

まず、熱膨張量は上記のとおり、熱膨張係数から算出される。長さＬＡ２を２０ｍｍ、熱上昇温度をΔ２５度とすると、反り角度θ２は、約２．５°反る。高さ方向に換算すると２ｍｍに相当する。

次に、パッド押し圧によるひずみを計算する。加圧パット４６の総厚みＷＢ＋ＷＣは２ｍｍ、ヤング率が材質換算で９８ＧＰａ、総圧が３２０Ｎ、長手幅が３２０ｍｍ、長さＬＡ２が２０ｍｍとした場合、押し圧ひずみは０．５ｍｍになる。

結果、熱による熱膨張量２．０ｍｍに対して０．５ｍｍ分反りが戻るため、差分である１．５ｍｍのみ反りが発生することになる。つまり、熱による反りは、加圧力より強いため、十分、ニップ幅Ｎ３をコントロールすることができ、温度が上昇すると理論的にニップ幅Ｎ３が減ることが証明さる。

また、本件では、加圧パッド４６の短手方向のみの反りについて説明したが、長手方向でも反りが発生する場合がある。結果、昇温が発生しやすい端部では、より定着ベルト４１と金属パイプ４７との接触ニップ（内ニップ）Ｎ３の面積がより小さくなるため、効果が増大することが実験で確認されている。

加圧パッド端部は、温度により熱収縮膨張する自己修復材料を用いることで、端部の温度が上がると、収縮し、金属パイプ４７と定着ベルト４１との接触面積を減らし、端部温度上昇を防ぐ。また、温度が一定以下になると、定着ベルト４１に接触させることで、端部昇温を低減し、かつ、さまざまな紙のサイズに対応が可能になる。

尚、本実施例で用いた材料は、温度が低下すると、自然に元に戻る形状記憶材料であり、小サイズ用紙の通紙後や、電源ＯＦＦ後、周囲温度、反射板温度が低下すると、通常の形状、角度へ戻ることが確認されている。即ち、端部昇温に応じて生じた加圧パッド４６の熱変形はその後の温度低下により変形前状態へ戻る。このように、自己収縮材料の加圧パッド４６を用いることで、各種幅サイズの用紙に対応して非通紙昇温（端部昇温）を低減することができる。

［その他の事項］
ここで、本発明が前記各実施例の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、前記各実施例の形態の中で示唆した以外にも、前記各実施例の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、前記構成部材の数、位置、形状等は前記各実施例の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。

１）例えば、実施例では、第１の回転体４１として、駆動回転体としての第２の回転体４４の回転駆動で従動回転する筒状のベルトを用いた装置で説明した。これに限定されず、第１の回転体４１は剛性を有する筒状の駆動回転体の形態にすることもできる。

２）第２の回転体４４を回転可能な無端ベルト体の形態にすることもできる。

３）本発明の画像加熱装置は実施例のようにシートＰに担持された未定着トナー像Ｔを加熱加圧して固着画像として加熱定着する定着装置としての使用に限定されない。シートに一旦定着された或いは仮定着された画像（定着済み画像又は半定着画像）を加熱加圧して光沢度を向上させるなどの画像の表面性を調整する加熱処理装置としても有効である。

４）画像形成装置の画像形成部は電子写真方式に限られない。静電記録方式や磁気記録方式の画像形成部であってもよい。また、転写方式に限られず、シートに対して直接方式で未定着画像を形成する構成のものであってもよい。

４０・・画像加熱装置、Ｐ・・シート、Ｔ・・トナー像、４１・・筒状の第１の回転体、４７・・筒状の金属部材、４３・・発熱体、４２・・反射部材、４６・・バックアップ部材、４４・・第２の回転体、Ｎ・・ニップ部

Claims (6)

1. トナー像を担持したシートをニップ部で挟持搬送してトナー像を加熱する画像加熱装置であって、
   筒状の第１の回転体と、
   前記第１の回転体の内側に固設された筒状の金属部材と、
   前記金属部材の内側に固設された発熱体と、
   前記金属部材の内側に固設され、前記発熱体からの輻射熱を前記金属部材の内面に向けて反射する反射部材と、
   前記金属部材の内面に当接するバックアップ部材と、
   前記バックアップ部材と対向する位置において前記第１の回転体を介して前記金属部材と当接して前記第１の回転体との間に前記ニップ部を形成する第２の回転体と、を有し、
   前記バックアップ部材は、装置に使用可能な最大幅のシートよりも幅が小さいシートが連続的に導入されることにより生じる端部昇温に応じて、シート非通過部に対応するニップ部及びニップ部近傍部における前記金属部材と前記第１の回転体との接触領域の面積が減少する方向に熱変形を生じる構成であることを特徴とする画像加熱装置。
2. 前記バックアップ部材の少なくとも一部が熱膨張係数の異なる複数の金属層が積層されたバイメタル構造であることにより前記熱変形を生じることを特徴とする請求項１に記載の画像加熱装置。
3. 前記バックアップ部材は短手方向と長手方向の少なくとも一つの方向に前記熱変形を生じることを特徴とする請求項１または２に記載の画像加熱装置。
4. 前記熱変形は温度低下により変形前状態へ戻ることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の画像加熱装置。
5. 前記第１の回転体が可撓性を有する無端ベルトであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の画像加熱装置。
6. 前記第２の回転体が駆動されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の画像加熱装置。