JP4796177B2 - 定着装置及びこの定着装置を用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は定着装置に関するものであり、特にセラミックヒータを備えた定着装置、及びこの定着装置を備えた画像形成装置に用に関するものである。

複写機、プリンタ等の電子写真方式の画像形成装置に用いられる定着装置として、熱ローラ定着方式の定着装置が多用されている。熱ローラ定着方式の定着装置は、互いに圧接されたローラ対（定着ローラ及び加圧ローラ）と、このローラ対の両方あるいはいずれか一方の内部に配置されたハロゲンヒータ等からなる加熱手段とを備えている。そして、この加熱手段によりローラ対を所定の温度（定着温度）に加熱した後、未定着トナー画像が形成された記録紙をローラ対の圧接部（定着ニップ部）に給紙し、圧接部を通過させることで熱と圧力によりトナー画像の定着を行う。

ところで、カラー画像形成装置に備えられる定着装置では、定着ローラ表層にシリコンゴム等からなる弾性層を設けた弾性ローラを用いることが一般的である。定着ローラを弾性ローラとすることで、定着ローラ表面が、未定着トナー画像の凹凸に対応して弾性変形し、トナー画像面を覆い包むように接触する。そのため、モノクロに比べてトナー量の多いカラーの未定着トナー画像に対して、良好に加熱定着を行うことが可能となる。また、定着ニップ部での弾性層の歪み解放効果により、モノクロに比べてオフセットしやすいカラートナーに対して離型性を向上することができる。さらに、定着ニップ部のニップ形状が上（定着ローラ側）に凸（所謂、逆ニップ形状）となることから、用紙の剥離性能を向上させることができ、剥離爪等の剥離手段を用いずとも用紙の剥離が可能となり（セルフストリッピング）、剥離手段に起因する画像欠陥を解消することができる。

ここで、このようなカラー画像形成装置に備えられる定着装置において、高速化に対応するには、定着ニップ部のニップ幅を広くする必要がある。ニップ幅を広くする方法として、定着ローラの弾性層を厚くする方法や定着ローラ径を大きくする方法等がある。

しかしながら、弾性層の熱伝導性は低いため、弾性層を厚くした定着ローラでは、従来のように定着ローラ内部に加熱手段を設けると、プロセス速度を高速化した場合に、熱供給が不十分となり、定着ローラの温度が追従しなくなるといった問題がある。他方、定着ローラ径を大きくすると、定着ニップ部を形成する各ローラの曲率が小さくなり定着ニップ部を広くすることができる。しかし、各ローラの熱容量が大きくなり、ウォームアップ時間が長くなったり、消費電力が増大したりするといった問題がある。

このような問題を解決するために、近年、カラー画像形成装置に備えられる定着装置として、例えば特許文献１には、外部加熱ベルトを用いて定着ローラを外部から加熱する外部ベルト加熱定着方式の定着装置が開示されている。この外部ベルト加熱定着方式の定着装置では、定着ローラを外部から効率的に加熱でき、ウォームアップ時間を短くすることができる。また、例えば特許文献２には、加熱手段である加熱ローラを定着ローラの外部に配置し、定着ローラと加熱ローラとの間に定着ベルトを架け渡し、定着ベルトを介して定着ローラと加圧ローラを圧接させた構成のベルト定着方式の定着装置（ベルト定着装置）が開示されている。このベルト定着装置では、熱容量が小さい定着ベルトを加熱するためウォームアップ時間を短くすることができる。また、いずれの定着方式においても、定着ローラにハロゲンランプ等の熱源を内蔵する必要がないため、スポンジゴム等からなる低硬度の弾性層を厚く設けることができ、広いニップ幅を確保することができる。

また、ベルト定着装置において、加熱手段に湾曲した面状ヒータを用いた面状発熱ベルト定着方式の定着装置（面状発熱ベルト定着装置）が、特許文献３や特許文献４等に開示されている。この面状発熱ベルト定着装置では、従来の加熱ローラに比べて、加熱手段の熱容量も小さくなると同時に、加熱手段としての面状ヒータが直接発熱する。このことから、ハロゲンランプを用いて間接的に加熱ローラを加熱する従来のベルト定着方式に比べて熱応答性も向上し、ウォームアップ時間の更なる短縮や更なる省エネ化が達成できる。

特開２００７−２１２８９６号公報（平成１９年８月２３日公開） 特開平１０−３０７４９６号公報（平成１０年１１月１７日公開） 特開２００３−２８７９６９号公報（平成１５年１０月１０日公開） 特開２００６−２９３０５１号公報（平成１８年１０月２６日公開）

しかしながら、従来のベルト定着装置や面状発熱ベルト定着装置においては、次のような課題がある。すなわち、ベルト定着装置では加熱ローラ内に熱源であるハロゲンヒータを複数本挿入する必要があるため、加熱ローラの小径化に制約があり、その結果、ウォームアップ時間の短縮に限界がある。

また、面状発熱ベルト定着装置では、面状ヒータを湾曲させて形成する必要があるため、ヒータとしてはフレキシブルなポリイミドヒータ（ポリイミドシート上にＳＵＳやニクロムからなる発熱体をエッチングで作成したヒータ）が主に提案されている。しかし、温度の制御上のトラブル等でヒータが暴走した場合にポリイミドが溶けて発煙、発火、漏電等が発生する危険性があり、安全面で問題がある。そのため、面状発熱ベルト定着装置はこれまで実用化された実績は無い。また、面状発熱ベルト定着装置では、ベルト定着装置をベースに加熱ローラを半円筒状にした形の面状ヒータが主に提案されている。そのため、面状ヒータの熱容量としてはベルト定着装置の加熱ローラに比べて大幅に削減できているわけではなく、ウォームアップ時間の短縮効果としては限られたものとなる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安全性に優れ、ウォームアップ時間の短縮が可能な定着装置及びこの定着装置を用いた画像形成装置を提供することである。

本発明の定着装置は、上記課題を解決するために、定着部材と、加熱部材と、これら定着部材と加熱部材とに張架されて回転し、前記加熱部材にて加熱される無端状の定着ベルトと、当該定着ベルトを介して前記定着部材に圧接され、この圧接部において前記定着ベルトとともに定着ニップ部を形成する加圧部材とを備え、前記定着ニップ部を通過する記録材上の未定着画像を前記記録材に定着させる定着装置において、前記加熱部材は、前記定着ベルトの内周面との接触面が湾曲した凸面であり、この凸面の反対側の面が平坦面となっている蒲鉾形を有する保持部材と、前記保持部材の平坦面に設けられたセラミックヒータと、を備えることを特徴としている。

上記構成によると、定着ベルトの加熱手段に、セラミックヒータを用いるため、定着温度の制御上のトラブル等があった場合でも、ポリイミドヒータのように発煙、発火、漏電等が発生する危険性は極めて少なく、安全性に優れている。また、定着ベルトの内周面との接触面が湾曲した凸面であり、この凸面の反対側の面が平坦面となっている蒲鉾形を有する保持部材を介して、保持部材の平坦面に設けられたセラミックヒータの熱が、定着ベルトに伝達される。よって、加熱ローラを用いた従来の定着装置よりも熱伝達に優れ、ウォームアップ時間の短縮させることができる。また、セラミックヒータが直接定着ベルトと摺動しないため、セラミックヒータのライフを長くすることができる。

本発明の定着装置は、上記構成に加え、定着速度をＶ(ｍｍ／ｓ)、前記加熱部材と前記定着ベルトとの接触幅をＷ（ｍｍ）、前記定着ベルトの熱伝導率をλ（Ｗ／ｍＫ）としたとき、下記の関係式を満たしてもよい。

０．０２６７×（Ｗ／Ｖ）^{−１．0382}≦λ≦０．０５１２×（Ｗ／Ｖ）^{−１．0845}
上記構成によると、定着ベルトの熱伝導率λと、定着速度と、加熱部材と前記定着ベルトとの接触幅Ｗとの関係を上記の範囲内にすることで、加熱部材の加熱ニップ幅が必要最低限の長さに規定できる。つまり、必要最低限の加熱ニップ幅を有する大きさの加熱部材を形成することで、無駄が発生せず、加熱部材の熱容量が不必要に大きくなることを防止できる。よって、よりウォームアップ時間を短縮しつつ、加熱部材の温度が異常に高くなるのを抑制することができる。

本発明の定着装置では、上記構成に加え、前記保持部材は、前記定着部材よりも大きな曲率半径を有していてもよい。

平板状のセラミックヒータを定着ベルトに密着して当接するのは困難である。そのため、上記構成により、保持部材に定着部材よりも大きな曲率半径を持たせ、その凸面を定着ベルトに当接させることで、定着ベルトに対して加熱部材を密着させることができ、定着ベルトへの熱の伝達効率を上げることができる。

本発明の定着装置では、上記構成に加え、前記保持部材は、熱伝導率の高い材料で構成されていてもよい。

上記構成によると、保持部材が熱伝導の高い性材料で構成されていれば、セラミックヒータで発生した熱を定着ベルトに効率よく伝達することが可能となる。ここで熱伝導の高い性材料とは、金属であってもよい。

本発明の定着装置は、上記構成に加え、前記加熱部材が前記定着ベルトのテンションにより撓むのを抑制するための補強部材を有していてもよい。

加熱部材の熱容量が小さいと機械的強度が低くなり、定着ベルトのテンションによって撓み、加熱部材が定着ベルトにきちんと密着しなくなる恐れがある。そこで上記構成により、撓みを防止するための補強部材を設けることで、加熱部材が撓むのを防止することができる。よって、長期間の使用に耐えうる定着装置を提供することができる。

本発明の定着装置は、上記構成に加え、前記加熱部材と前記補強部材との間に断熱部材を備えていてもよい。

上記構成によると、断熱部材が加熱部材と補強部材との間に備えられているため、加熱部材の熱が補強部材に逃げることによる熱効率の低下を抑制することができる。

本発明の定着装置では、上記構成に加え、前記断熱部材は、シリコンゴムまたはフッ素ゴムから成ってもよい。

上記構成によると、断熱部材がシリコンゴムやフッ素ゴムであるため、耐熱性及び断熱性に優れる。このように、シリコンゴムやフッ素ゴムは断熱部材として好適である。

本発明の定着装置は、上記構成に加え、前記保持部材は前記定着ベルトと接する前記凸面にコート層を備えていてもよい。このように、コート層を備えることで、定着ベルトの摺動性を向上させることができる。

本発明の画像形成装置は、上記課題を解決するために、本発明のいずれかの定着装置を備えたことを特徴としている。この構成により、安全性に優れ、ウォームアップ時間の短縮させた定着装置を有する画像形成装置を提供することができる。

本発明の定着装置では、以上のように、前記加熱部材は、前記定着ベルトの内周面との接触面が湾曲した凸面であり、この凸面の反対側の面が平坦面となっている蒲鉾形を有する保持部材と、前記保持部材の平坦面に設けられたセラミックヒータと、を備える。

上記構成によると、定着ベルトの加熱手段に、セラミックヒータを用いるため、定着温度の制御上のトラブル等があった場合でも、ポリイミドヒータのように発煙、発火、漏電等が発生する危険性は極めて少なく、安全性に優れている。また、定着ベルトの内周面との接触面が湾曲した凸面であり、この凸面の反対側の面が平坦面となっている蒲鉾形を有する保持部材を介して、保持部材の平坦面に設けられたセラミックヒータの熱が、定着ベルトに伝達される。よって、加熱ローラを用いた従来の定着装置よりも熱伝達に優れ、ウォームアップ時間の短縮させることができる。また、セラミックヒータが直接定着ベルトと摺動しないため、セラミックヒータのライフを長くすることができる。

本発明の一実施形態の定着装置の加熱部材が形成されている部位の断面構成を示す拡大図である。 本発明の一実施形態の画像形成装置の概略構成図である。 上記定着装置の構成を示す断面図である。 上記定着装置が有するのヒータの断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、上記ヒータの構成を示す表面図である。 定着ベルトの熱伝導率λを変えたときの、加熱部材の温度と加熱時間との関係を示すグラフである。 熱伝導率λと加熱時間との関係を示すグラフである。 加熱部材の制御温度を１９０℃としたときの加熱ニップ部における定着ベルトの温度変化を示すグラフである。 熱伝導率λと有効加熱時間ｔｅとの関係を示すグラフである。

本発明の実施の一形態について図面に基づいて説明する。以下、本発明に係る定着装置及びそれを備えた画像形成装置についての一実施形態を、具体的に説明する。

（画像形成装置）
まず、本実施形態の画像形成装置の構成について説明する。図２は、本実施形態のヒータを備えた定着装置を備えた画像形成装置１００の概略構成を示す断面図である。画像形成装置１００は、いわゆるタンデム式で、かつ、中間転写方式のプリンタであり、フルカラー画像を形成できるカラー複合機である。本実施形態では、本発明に係る画像形成装置をカラー複合機／複写機及びカラープリンタに適用することを主体として説明するが、本発明に係る画像形成装置は、モノクロ複合機／複写機及びモノクロプリンタに対しても適用することが可能である。

画像形成装置１００は、図２に示すように、光学系ユニットＥ、４組の可視画像形成ユニットｐａ、ｐｂ、ｐｃ、ｐｄ、中間転写ベルト１１、二次転写ユニット１４、定着装置（定着ユニット）１５、内部給紙ユニット１６及び手差し給紙ユニット１７を備えている。

可視画像形成ユニットｐａでは、像担持体となる感光体１０１ａの周囲に、帯電装置１０３ａ、現像ユニット１０２ａ、クリーニングユニット１０４ａが配置している。そして、一次転写ユニット１３ａが中間転写ベルト１１を介して配置している。他の３組の可視画像形成ユニットｐｂ、ｐｃ、ｐｄも可視画像形成ユニットｐａと同様の構成であり、同じ構成部材には、同じ数字の部材番号と、各可視画像形成ユニットに対応した英字（ｂ，ｃ，ｄ）とを付すものとする。可視画像形成ユニットｐａ，ｐｂ，ｐｃ，ｐｄには、それぞれ、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂ）の各色トナーが収容されている。

光学系ユニットＥは光源４からのビームが４つの感光体１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄに届くように配置されている。光学系ユニットＥには、それぞれ画像データにおける黄色成分、マゼンタ成分、シアン成分及び黒色成分に対応する画素信号が入力されるようになっている。そして、この入力された画像信号に基づいて、光源４から各ビームが出射され、ミラー８にて折り返されて、帯電された感光体１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄを露光し、静電潜像を生成する。

中間転写ベルト１１はテンションローラ１１ａ、１１ｂによりたわむことなく配置される。また、中間転写ベルト１１のテンションローラ１１ｂ側に、中間転写ベルト上の残トナーを回収する廃トナーＢＯＸ１２、テンションローラ１１ａ側に二次転写ユニット１４が、それぞれ中間転写ベルト１１に当接して配置されている。

定着装置１５は、記録紙Ｐの表面に形成された未定着のトナー画像を、熱及び圧力によって記録紙Ｐ上に定着させる装置である。定着装置１５は、定着ローラ３０と加圧ローラ３１とを備え、これらは図示しない加圧手段により所定の圧力で圧接され、二次転写ユニット１４の下流に配置されている。本実施形態では、面状発熱ベルト定着方式の定着装置１５を備えており、詳細については後述する。

画像形成装置１００における画像形成の工程は以下のようになる。感光体１０１ａ表面を帯電装置１０３ａで一様に帯電した後、光学系ユニットＥにより感光体１０１ａ表面を画像情報に応じてレーザー露光し、静電潜像を形成する。本実施携帯の帯電装置１０３ａとしては、感光体１０１ａ表面を一様に、またオゾンを極力発生させることなく帯電するために、帯電ローラ方式を採用している。その後、現像ユニット１０２ａにより感光体１０１ａ上の静電潜像に対しトナー画像を現像し、この顕像化されたトナー画像をトナーとは逆極性のバイアス電圧が印加された一次転写ユニット１３ａにより中間転写ベルト１１上に転写する。

他の３組の可視画像形成ユニットｐｂ、ｐｃ、ｐｄも同様に動作し、順次中間転写ベルト１１上にトナー画像を転写する。中間転写ベルト１１上のトナー画像は二次転写ユニット１４の直前で転写前帯電装置２１によって帯電された後、中間転写ベルト１１上のトナー画像は二次転写ユニット１４まで搬送される。そして、別途、内部給紙ユニット１６の給紙ローラ１６ａ、または手差し給紙ユニット１７の給紙ローラ１７ａから給紙された記録紙は搬送ローラｒ、１９によって搬送され、二次転写ユニット１４にてトナーとは逆極性のバイアス電圧が印加されて、トナー画像が転写される。記録紙Ｐ上のトナー画像は定着装置１５に搬送され、定着装置１５を通過するときに十分に加熱・加圧されて記録紙上に融着する。そして、定着装置１５によってトナー画像の定着処理が行われた後の記録紙は、搬送ローラ１８ａにて画像形成装置１００の外部に排出される。これにより、画像形成処理が終了する。

（定着装置）
次に、本実施形態の定着装置１５の構成について図１及び３を用いて説明する。図１は定着装置１５の備える加熱手段の構成を示す断面図、図３は定着装置１５の構成を示す断面図である。

図３に示すように、定着装置１５は、定着ローラ（定着部材）３０と、加圧ローラ（加圧部材）３１と、無端状の定着ベルト３２と、定着ベルトを懸架し加熱するための加熱部材３３を有する加熱手段と、加圧ローラ３１を加熱するための熱源であるヒータランプ３４と、定着ベルト３２及び加圧ローラ３１の各々の温度を検出する温度検出手段を構成する温度センサとして、サーミスタ３５Ａ，Ｂ，Ｃとを備えている。

定着装置１５は、記録紙Ｐの表面に形成された未定着のトナー画像（トナーＴ）を、熱及び圧力によって記録紙Ｐ上に定着させるものである。本実施形態の定着装置１５は、定着ベルト３２が直接記録紙Ｐ上のトナー像を加熱し、加熱部材３３が定着ニップ部Ｎには配置されていない定着方式である、面状発熱ベルト定着方式の定着装置である。未定着のトナー画像は、例えば、非磁性一成分現像剤（非磁性トナー）、磁性現像剤（磁性トナー）、非磁性二成分現像剤（非磁性トナー及びキャリア）に含まれるトナー等のトナーＴによって形成される。

定着ローラ３０及び加圧ローラ３１は、所定の荷重（例えば、本実施形態では３９２Ｎ）で互いに圧接されて、両ローラ間に、定着ローラ３０と加圧ローラ３１とが互いに当接する部分である定着ニップ部Ｎを形成している。なお、本実施形態では、ニップ幅（定着ニップ部Ｎの記録紙搬送方向の幅）を７．５ｍｍとしているが、この数値に限定されない。この定着ニップ部Ｎに未定着トナー画像を形成した記録紙Ｐを搬送し、定着ニップ部Ｎを通過させることで、トナー画像が加熱溶融されて記録紙Ｐにトナー画像が定着される。記録紙Ｐが定着ニップ部Ｎを通過するときには、定着ベルト３２は記録紙Ｐのトナー画像形成面に当接する一方、加圧ローラ３１は記録紙Ｐにおけるトナー画像形成面とは反対側の面に当接する。

定着ローラ３０は、定着ベルト３２を介して、加圧ローラ３１に圧接することで定着ニップ部Ｎを形成すると同時に、定着ベルト３２の外周面との摩擦抵抗によって回転駆動することにより定着ベルト３２を搬送する。定着ローラ３０としては、例えば、内側から順に芯金３０ａ、弾性層３０ｂが形成された２層構造のものを用いることができる。芯金３０ａには、たとえば、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム、銅等の金属或いはそれらの合金等が用いられる。また、弾性層３０ｂにはシリコンゴム、フッ素ゴム等の耐熱性を有し、弾性変形可能なゴム材料が適している。なお、本実施形態では、定着ローラ３０の直径は３０ｍｍであり、芯金３０ａに直径１５ｍｍの中空あるいは中実のステンレス鋼、弾性層３０ｂに厚さ７．５ｍｍのシリコンスポンジゴムを用いる。ただしこれらの数値に限定されない。

加圧ローラ３１には、例えば、内側から順に芯金３１ａ、弾性層３１ｂ、離型層３１ｃが形成された３層構造のものを用いることができる。芯金３１ａには、たとえば、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム、銅等の金属或いはそれらの合金等が用いられる。また、弾性層３１ｂにはシリコンゴム、フッ素ゴム等の耐熱性を有し、弾性変形可能なゴム材料が用いられる。また、離型層３１ｃには、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレンとパー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）等のフッ素樹脂が適している。なお、本実施形態では、加圧ローラ３１の直径は３０ｍｍであり、芯金３１ａに直径２８ｍｍで肉厚１ｍｍの鉄合金（ＳＴＫＭ）、弾性層３１ｂに厚さ１ｍｍのシリコンソリッドゴム、離型層３１ｃに厚さ３０μｍのＰＦＡチューブを用いている。

また、加圧ローラ３１の内部には、加圧ローラ３１を内部から加熱するヒータランプ３４が配置されている。制御手段（図示せず）が電源回路（図示せず）からヒータランプ３４に電力を供給（通電）させることにより、ヒータランプ３４が発光し、ヒータランプ３４から赤外線が放射される。これにより、加圧ローラ３１の内周面が赤外線を吸収して加熱され、加圧ローラ３１全体が加熱される。なお、本実施形態では、定格電力４００Ｗのヒータランプ３４を使用している。また、加圧ローラ３１の内面は、前記ヒータランプ３４が放射する赤外線を吸収しやすくする為に、赤外線の波長域に良好な吸収特性を有する耐熱黒色塗装を施してもよい。

定着ベルト３２は、加熱部材３３が発生する熱によって所定の温度に加熱され、定着ニップ部Ｎを通過する未定着トナー画像が形成された記録紙Ｐを加熱するためのものである。本実施形態では、定着ベルト３２は、直径４５ｍｍであり、加熱部材３３と定着ローラ３０とによって懸架され、定着ローラ３０に所定の角度θ１で巻きかかっている。この角度θ１は、定着ベルト３２が定着ローラ３０と接触している部分の角度であり、定着ベルト３２が定着ローラ３０の表面から離れる両ポイントそれぞれに、定着ローラ３０の回転中心より延ばした２本の線分の成す角度である。本実施形態では、θ１＝１８５°である。

定着ベルト３２は、定着ローラ３０の回転時には、定着ローラ３０に従動して回転するようになっている。定着ベルト３２としては、例えば、特に図示してはいないが、ポリイミド、ポリアミド、及びアラミド樹脂等の耐熱樹脂或いはステンレスやニッケル等の圧延や電鋳によって製作された金属材料からなる中空円筒状の基材の表面に、弾性層として耐熱性及び弾性に優れたエラストマー材料（例えばシリコンゴム）が形成される。さらにその表面に離型層として耐熱性及び離型性に優れた樹脂材料（例えばＰＦＡやＰＴＦＥ等のフッ素樹脂）が形成される。このような３層構成のものを用いることができる。弾性層及び離型層は、定着ベルト３２の外周側に形成される。なお、基材にポリイミド等の耐熱樹脂を用いる場合、フッ素樹脂を内添してもよい。内添することで、加熱部材３３との摩擦抵抗をさらに低減することができ、加熱部材３３との摺動負荷を更に低減することができる。なお、本実施例の定着ベルト３２は、基材に厚さ７０μｍのポリイミド、弾性層に厚さ１５０μｍのシリコンゴム、離型層に厚さ２０μｍのＰＦＡチューブを用いている。離型層は、ＰＦＡチューブだけでなく、ＰＦＡやＰＴＦＥなどをコーティングしてもよい。

加熱部材３３は、定着ベルト３２と接して、定着ベルト３２を所定の温度に加熱するものである。図１に示すように、加熱部材３３には、加熱部材３３に所定の電力を供給する電源５３が接続されている。加熱部材３３及び電源５３から加熱手段が構成される。

加熱部材３３は、保持部材４０、セラミックヒータ４１、断熱シート５０、及び押え部材５１から成る。保持部材４０は円弧状の断面形状からなり、保持部材４０の定着ベルト３２と接する面とは反対面にセラミックヒータ４１が形成されている。このセラミックヒータ４１の構成についての詳細は後述する。

保持部材４０は、定着ベルト３２の内周面との接触面が湾曲した凸面であり、この凸面の反対側の面が平坦面となっている蒲鉾形を有している。保持部材４０は、その長手方向が定着ベルト３２の幅方向に対応して配置される。本実施形態では、保持部材４０はセラミックヒータ４１で発生した熱を定着ベルト３２に効率よく伝達させるために、熱伝導率に優れるアルミ合金が用いられている。また、定着ベルト３２との接触幅（加熱ニップ部Ｍの幅、加熱ニップ幅）は１７．５ｍｍに設定されている。また、保持部材４０の定着ベルト３２と摺動する面には、定着ベルトの摺動性を向上させるためにコート層４０ａが形成されている。本実施形態ではコート層４０ａは、厚さ２０μｍのＰＴＦＥコートである。

セラミックヒータ４１は、保持部材４０の凸面の反対側の面、つまり、定着ベルト３２と接する面とは反対面に設けられている。本実施形態では、セラミックヒータ４１は、断熱シート５０を介して、押え部材５１によって加圧されることで、保持部材４０に対して固定されている。

押え部材５１は、加熱部材３３が定着ベルト３２のテンションにより撓むのを抑制するためのものである。本実施形態では、押え部材は厚さ１ｍｍのステンレス材からなり、撓みに対する強度を確保するため、図４に示すように断面がコの字形状をしている。

断熱シート５０は、セラミックヒータ４１で発生した熱が押え部材５１に極力逃げないようにするためのものである。断熱シート５０は、本実施形態では、厚さ１ｍｍのフッ素ゴムから成る。

（ヒータの構造）
次に、定着装置１５が有するセラミックヒータ４１の構成について図４及び５を用いて説明する。図４はセラミックヒータ４１の構成を示す断面図、図５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、セラミックヒータ４１を構成する保護基板４１ａ、メインヒータ基板４１ｂ、サブヒータ基板４１ｃ、及びベース基板４１ｄの正面図である。

セラミックヒータ４１は、本実施形態では、セラミック材料から成る基礎基板（絶縁基板）４２ａ〜４２ｄに抵抗体が形成された長尺板状のセラミックヒータであり、セラミックヒータ４１のサイズ（幅Ｗ、長さＬ、厚さＨ）は、Ｗ＝１２．３ｍｍ、Ｌ＝３６０ｍｍ、Ｈ＝０．８ｍｍとなっている。

図４及び５に示すように、セラミックヒータ４１は、保護基板４１ａ、メインヒータ基板４１ｂ、サブヒータ基板４１ｃ、ベース基板４１ｄの４つがこの順番で積層されて貼り合わせた平板状に形成される。これら各基板のベースとなる基礎基板４２ａ〜４２ｄを構成するセラミック材料としては、純度の高いアルミナ、結晶化ガラス、フォルステライト及びステアタイト、ガラスとアルミナの複合材料である低温同時焼結セラミックス（Low Temperature Co-fired Ceramic：ＬＴＣＣ）などのセラミック材料を使用することができる。また、各基板の厚さはいずれも０．２ｍｍであり、セラミックヒータ４１としてのトータルの厚さは０．８ｍｍである。

図５（ｂ）に示すように、メインヒータ基板４１ｂのメイン発熱体４９は基礎基板４２ｂの長手方向（セラミックヒータ４１の長手方向と同じ）における中央部である発熱領域（主発熱領域Ｂ）を発熱させるための抵抗体である。メイン発熱体４９は、基礎基板（絶縁基板）４２ｂの表面に基礎基板４２ｂと一体化して形成される。図５（ｂ）に示す主発熱領域Ｂは、本実施形態では長手方向の幅が２００ｍｍである。メイン発熱体４９を構成する材料としては、例えば金、タングステン、銀、銀パラジウム、ステンレスなどのように、導電性を有するものであれば特に制限なく使用することができる。ただし、通電・発熱によって溶融するなどの変形を起こさないものであることが条件となる。本実施形態では、メイン発熱体４９は銀パラジウムから成る材料で構成される。本実施形態のメイン発熱体４９の形状は、線幅が０．７９ｍｍであり、主発熱領域Ｂで４回Ｕターンすることで平行した５本の帯状発熱体が形成された形状となっている。

さらにメインヒータ基板４１ｂの両端部には給電端子部４７ｂが形成されている。主発熱領域Ｂに形成されたメイン発熱体４９は、メインヒータ基板４１ｂの両端部の非発熱領域（従発熱領域Ａ，Ｃ）において延長されて給電端子部４７ｂと接続している。給電端子部４７ｂを構成する材料としては、たとえば金、タングステン、銀、銀パラジウム、ステンレスなどのように、導電性を有するものであれば特に制限なく使用することができる。本実施形態では、給電端子部４７ｂはメイン発熱体４９と同じ銀パラジウムから成る材料で構成される。

図５（ｃ）に示すように、サブヒータ基板４１ｃのサブ発熱体４８は基礎基板（絶縁基板）４２ｃの長手方向（セラミックヒータ４１の長手方向と同じ）における両端部の発熱領域（主発熱領域Ｄ，Ｆ）を発熱させるためのものである。図５（ｃ）に示す主発熱領域Ｄ，Ｆは、本実施形態ではそれぞれ長手方向の幅が６０ｍｍである。また、サブ発熱体４８同士は、サブヒータ基板の中央の領域である非発熱領域（従発熱領域Ｅ）で接続している。サブ発熱体４８は、基礎基板４２ｃの表面に基礎基板４２ｃと一体化して形成される。

サブ発熱体４８を構成する材料としては、メイン発熱体４９と同様に、例えばタングステン、銀、銀パラジウム、ステンレスのように導電性を有するものであれば、特に制限なく使用することができる。ただし、通電・発熱によって溶融するなどの変形を起こさないものであることが条件となる。本実施形態では、サブ発熱体４８はメイン発熱体４９と同じ銀パラジウムから成る材料で構成される。サブ発熱体４８の形状は、本実施形態では、線幅が０．４４ｍｍであり、発熱領域で６回Ｕターンすることで平行した７本の帯状発熱体が形成された形となっている。

さらにサブヒータ基板４１ｃの両端部には給電端子部４７ｃが形成され、サブ発熱体４８と接続されている。給電端子部４７ｃを構成する材料としては、たとえば金、タングステン、銀、銀パラジウム、ステンレスなどのように、導電性を有するものであれば特に制限なく使用することができる。本実施形態では、給電端子部４７ｂはメイン発熱体４９と同じ銀パラジウムから成る材料で構成される。

保護基板４１ａ及びメインヒータ基板４１ｂの両端部には、４種類の基板を積層した場合に給電端子部が露出するよう給電用の開口部（給電用キャビティ）が設けられている。具体的には、保護基板４１ａは、基礎基板４２ａに、給電端子部４７ｂ及び給電端子部４７ｃを露出する開口部４３ａが設けられた構成である。また、メインヒータ基板４１ｂには、給電端子部４７ｃを露出する開口部４３ｂが設けられている。

ベース基板４１ｄは、何も設けられていない基礎基板４２ａがそのまま用いられる。

（ヒータの製造方法）
次にセラミックヒータ４１の製造方法について、以下に説明する。ヒータの製造に際しては、最初に、本実施形態では、基礎基板４２ａ〜４２ｄとして、厚さ０．２ｍｍのＬＴＣＣから成るグリーンシートを、例えば幅４００ｍｍ×長さ４００ｍｍに切断する。そして、このグリーンシート（基礎基板４２ａ〜４２ｄ）を用いて、厚さ０．２ｍｍの４種類の基板（保護基板４１ａ、メインヒータ基板４１ｂ、サブヒータ基板４１ｃ、ベース基板４１ｄ）を各々作成していく。具体的には、メインヒータ基板４１ｂの場合は、銀パラジウムを主成分とするメイン発熱体４９及び給電端子部４７ｂをグリーンシートの上面にスクリーン印刷で形成し、メイン発熱体４９及び給電端子部４７ｂをグリーンシートと一体化させる。

同じくサブヒータ基板４１ｃの場合は、銀パラジウムを主成分とするサブ発熱体４８及び給電端子部４７ｃをグリーンシートの上面にスクリーン印刷で形成し、サブ発熱体４８及び給電端子部４７ｃをグリーンシートと一体化させる。その後、打ち抜き型を用いて、メインヒータ用グリーンシート（基礎基板４２ｃ）及び、保護基板用グリーンシート（基礎基板４２ａ）の各々所定の位置に給電用開口部を形成する。なお、ベース基板用グリーンシート（基礎基板４２ｄ）については、図５（ｄ）に示すように発熱体や開口部などを設ける必要がないため、ここでは加工は不要である。

セラミックヒータ４１の最終サイズは上述のように１２．３ｍｍ×３６０ｍｍ×０．８ｍｍであり、１枚のグリーンシート（４００ｍｍ×４００ｍｍ）の中に複数のヒータが形成されることになる。なお、本実施形態のサイズとすると、１枚のグリーンシートから９個のセラミック発熱体が得られる。
次に、上記４種類のグリーンシートを位置合わせし、上から保護基板４１ａ、メインヒータ基板４１ｂ、サブヒータ基板４１ｃ、ベース基板４１ｄの順番で重ね合わせた後、プレスジグを用いて圧着（温水等方圧プレス：ＷＩＰ）を行う。なお、このように圧着したセラミックヒータ４１を、保持部材４０に貼り付ける際には、ベース基板４１ｄが保持部材４０に全面接触するようにする。

次に、積層されたグリーンシートに対し、複数のセラミック発熱体の外形に合わせた金型により、所定の大きさ（１２．３ｍｍ×３６０ｍｍ）に切断する。その後これらを加熱炉に入れて、非酸化性雰囲気下で８００〜９００℃で焼成する。このようにして、４種類の基板が積層されたセラミックヒータ４１を作成することができる。

（定着制御方法）
次に本実施形態の定着装置１５の制御方法について、図１及び３を用いて詳細に説明する。図１に示すように、セラミックヒータ４１を加熱するための電源５３はメイン用及びサブ用の２つの電圧可変電源５３ａ，５３ｂから成る。そして、セラミックヒータ４１の両端部に形成された給電用開口部を通じて、メインヒータ基板４１ｂの給電端子部４７ｂにはメイン用の電圧可変電源５３ａ、サブヒータ基板４１ｃの給電端子部４７ｃにはサブ用の電圧可変電源５３ｂがそれぞれ接続されている。このように、メイン発熱体４９及びサブ発熱体４８に対し、独立に所定の電力が供給されるよう構成されている。なお、本実施形態におけるセラミックヒータ４１の定格出力は、メインヒータ基板７５０Ｗ、サブヒータ基板４５０Ｗのトータル１，２００Ｗである。このように、２つの電圧可変電源５３ａ，５３ｂによりセラミックヒータ４１に最大１，２００Ｗが供給されてセラミックヒータ４１が発熱する。そして、セラミックヒータ４１で発生した熱エネルギーは保持部材４０を介して定着ベルト３２に伝達する。

定着ベルト３２の周面には温度検知手段としてのサーミスタ３５Ａ，Ｂ、加圧ローラ３１の周面にはサーミスタ３５Ｃが各々配設されており、それぞれの表面温度を検出するようになっている。なお、定着装置１５の長手方向の位置に関して、サーミスタ３５Ａはメイン発熱体４９の発熱領域（主発熱領域Ｂ）、サーミスタ３５Ｂはサブ発熱体４８の発熱領域（主発熱領域Ｄ，Ｆ）、サーミスタ３５Ｃは中央部に配置されている。そして、各サーミスタ３５Ａ，Ｂ，Ｃにより検出された温度データに基づいて、温度制御手段としての制御回路（図示せず）が定着ベルト３２、加圧ローラ３１の表面温度を所定の温度にするように、セラミックヒータ４１のメインヒータ基板４１ｂ、サブヒータ基板４１ｃ及びヒータランプ３４への供給電力（通電）を制御する。なお、本実施形態ではサーミスタ３５Ａ，Ｂ，Ｃは接触式サーミスタを用いている。

ここで、本実施形態では、メインヒータ基板４１ｂの主発熱領域Ｂ及びサブヒータ基板４１ｃの従発熱領域ＥがＡ４サイズの横幅に合わせたサイズ（２００ｍｍ）に形成されているので、上記のような制御を行うことで、次のように、適切に加熱することができる。例えば、Ａ３縦送りやＡ４横送りなどの幅広の用紙を通紙した場合は、メイン発熱体４９及びサブ発熱体４８の両方を駆動し、幅広の用紙の通紙領域を全て加熱するようにする。また、Ａ４縦送りやＢ５縦送りなどの幅狭の用紙を通紙する場合は、メイン発熱体４９のみを駆動させることで、メインヒータ基板４１ｂの主発熱領域Ｂが加熱され、従発熱領域Ａ，Ｃはほとんど加熱されない。また、サブヒータ基板４１ｃでは発熱しない。よって非通紙部（従発熱領域Ａ，Ｃに対応する領域）の異常昇温が抑制される。

（定着ベルトの加熱特性）
次に定着ベルト３２の加熱特性について、２次元熱伝導解析によるシミュレーションを行った。具体的には、表１に示すような熱伝導率の異なる４種類の定着ベルト３２を想定し、定着ベルト３２の初期温度（加熱部材に接触する直前の温度）を１６０℃として、定着ベルト３２を加熱ニップ部で１９０℃まで加熱するための加熱部材３３の温度及び加熱時間の関係について計算した。

なお、表１に示すように４種類の定着ベルト３２の熱伝導率λとしては、離型層（PFAチューブ）や基材（ポリイミド）の熱伝導率は一定とし、弾性層（シリコンゴム）の熱伝導率λのみを変化させた。加熱部材３３の温度及び加熱時間の関係についての結果を図６に示す。また、加熱部材３３の加熱ニップ幅をＷ（ｍｍ）、定着ベルト３２の搬送速度（定着速度）をＶ（ｍｍ／ｓ）とすると加熱時間はＷ／Ｖ（ｓ）で表せる。

図６より加熱時間Ｗ／Ｖ（ｓ）が短くなるほど加熱部材の制御温度を高く設定する必要があるが、定着ベルトの熱伝導率が高いほど、加熱部材の制御温度を低く抑えることができることがわかる。ここで、加熱部材３３の保持部材４０はアルミ製であり２１５℃を超える温度ではクリープが発生するため、加熱部材３３の耐熱温度としては２１５℃である。このことから、加熱部材３３の温度を２１５℃以下に抑えるために必要な加熱時間Ｗ／Ｖと、定着ベルト３２の熱伝導率λの関係をグラフ化すると図７のようになり、下記の式（１）で近似できることがわかる。

λ=０．０２６７×（Ｗ／Ｖ）^{−１．0382} ・・・（１）
従って、下記の式（２）を満たすように、定着ベルト３２の熱伝導率λ及び加熱部材３３の加熱ニップ幅Ｗを設定すれば、加熱部材３３の温度を耐熱温度（２１５℃）以下に抑制することができる。

λ≧０．０２６７×（Ｗ／Ｖ）^{−１．0382} ・・・（２）
次に定着ベルトの熱伝導率λ及び加熱部材の加熱ニップ幅Ｗの上限についてシミュレーションにより検討を行った。図８は加熱部材３３の制御温度を１９０℃としたときの加熱ニップ部Ｍにおける定着ベルト３２の温度変化を計算した結果である。なお、加熱部材３３の制御は、前述したように、サーミスタ３５Ａ、Ｂの検出温度に基づいて行った。

図８より、定着ベルト３２の温度は最終的には加熱部材３３の制御温度である１９０℃で飽和するが、飽和するまでの時間は定着ベルト３２の熱伝導率λによって異なることがわかる。ここで定着ベルト３２の温度が飽和してしまえば、それ以上加熱部材３３によって加熱しても意味がない。このことから、本実施形態では、時定数の考え方を取り入れて、飽和温度を１００％としたとき６３％まで昇温するまでの時間を有効加熱時間ｔｅ（ｓ）と定義し、下記（３）式の関係が成り立つ加熱ニップ幅Ｗに設定すれば、加熱ニップ幅Ｗを必要以上に長くすることによる加熱部材３３の熱容量の増加を抑制できるものとした。

Ｗ／Ｖ≦ｔｅ ・・・（３）
ここで、上述のように定着ベルト３２の熱伝導率λ（Ｗ／ｍＫ）によって有効加熱時間ｔe（ｓ）が異なることから、図８の結果からλとｔｅとの関係をグラフ化すると図９のようになり、下記の式（４）で近似できることがわかる。

λ=０．０５１２×ｔｅ^{−１．0845} ・・・（４）
従って、式（３）及び（４）より、下記の式（５）を満たすように加熱部材の加熱ニップ幅Ｗを設定すれば、加熱ニップ幅Ｗを必要以上に長く設定してしまうことがなくなる。

λ≦０．０５１２×（Ｗ／Ｖ）^{−１．0845} ・・・（５）
式（２）〜（５）をまとめると以下の式（６）のようになる。

０．０２６７×（Ｗ／Ｖ）^{−１．0382}≦λ≦０．０５１２×（Ｗ／Ｖ）^{−１．0845}（６）
この式（６）の条件を満足すれば、加熱部材３３の加熱ニップ幅Ｗが必要最低限の長さに規定できるため、加熱部材３３の熱容量が不必要に大きくなることを防止でき、ウォームアップ時間を短縮しつつ、加熱部材３３の温度が異常に高くなるのを抑制することができる。

なお、加熱ニップ幅Ｗは、加熱部材３３と定着ベルト３２の接触幅であるので、定着速度Ｖには影響されない。加熱ニップ幅Ｗが同じでも定着速度Ｖが変われば、加熱時間Ｗ／Ｖは変わる。

本実施形態においては、定着ベルト３２の熱伝導率λ＝０．５８９（Ｗ/ｍＫ）、定着速度Ｖ＝２２５ｍｍ/ｓであることから、
式（２）より、
Ｗ≧Ｖ×（０．０２６７／λ）＾（１／１．０３８２）≧１１．４（ｍｍ）
式（３）より、
Ｗ≦Ｖ×（０．０５１２／λ）＾（１／１．０８４５）≦２３．７（ｍｍ）
となる。なお、式中の＾は、べき乗を表す。よって、加熱ニップ幅Ｗはその中間の１７．５ｍｍに設定している。

以上、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に開示した範囲で、種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、プリンタ、複写機、ファクシミリ、ＭＦＰ（Multi Function Printer）等の電子写真方式の画像形成装置に備えられる定着装置に適用可能である。

１５ 定着装置
３０ 定着ローラ（定着部材）
３１ 加圧ローラ（加圧部材）
３２ 定着ベルト
３３ 加熱部材
３５Ａ，３５Ｂ、３５Ｃ，３５Ｄ サーミスタ
４０ 保持部材
４０ａ コート層
４１ セラミックヒータ
４１ａ 保護基板
４１ｂ メインヒータ基板
４１ｃ サブヒータ基板
４１ｄ ベース基板
４２ａ〜４２ｄ 基礎基板（絶縁基板）
５０ 断熱シート（断熱部材）
５１ 押え部材（補強部材）
５３ 電源
５３ａ メイン用電圧可変電源
５３ｂ サブ用電圧可変電源
１００ 画像形成装置
Ｍ 加熱ニップ部
Ｎ 定着ニップ部
Ｐ 記録紙
Ｔ トナー

Claims (9)

1. 定着部材と、加熱部材と、これら定着部材と加熱部材とに張架されて回転し、前記加熱部材にて加熱される無端状の定着ベルトと、当該定着ベルトを介して前記定着部材に圧接され、この圧接部において前記定着ベルトとともに定着ニップ部を形成する加圧部材とを備え、前記定着ニップ部を通過する記録材上の未定着画像を前記記録材に定着させる定着装置において、
   前記加熱部材は、
   前記定着ベルトの内周面との接触面が湾曲した凸面であり、この凸面の反対側の面が平坦面となっている蒲鉾形を有する保持部材と、
   前記保持部材の平坦面に設けられたセラミックヒータと、を備えることを特徴とする定着装置。
2. 定着速度をＶ(ｍｍ／ｓ)、前記加熱部材と前記定着ベルトとの接触幅をＷ（ｍｍ）、前記定着ベルトの熱伝導率をλ（Ｗ／ｍＫ）としたとき、下記の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
   ０．０２６７×（Ｗ／Ｖ）^{−１．0382}≦λ≦０．０５１２×（Ｗ／Ｖ）^{−１．0845}
3. 前記保持部材は、前記定着部材よりも大きな曲率半径を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の定着装置。
4. 前記保持部材は、熱伝導率の高い材料で構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の定着装置。
5. 前記加熱部材が前記定着ベルトのテンションにより撓むのを抑制するための補強部材を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の定着装置。
6. 前記加熱部材と前記補強部材との間に断熱部材を備えたことを特徴とする請求項５に記載の定着装置。
7. 前記断熱部材は、シリコンゴムまたはフッ素ゴムから成ることを特徴とする請求項６記載の定着装置。
8. 前記保持部材は前記定着ベルトと接する前記凸面にコート層を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の定着装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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