JP4963244B2

JP4963244B2 - 定着装置およびこれを備えた画像形成装置

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Publication number: JP4963244B2
Application number: JP2007065877A
Authority: JP
Inventors: 真司山名; 建治朝倉; 敏章香川
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Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2027-03-14
Also published as: JP2008225256A

Description

本発明は、電子写真方式の画像形成装置に用いられる定着装置、およびこれを備えた電子写真方式の画像形成装置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は、一般的に、互いに圧接されたローラ対（定着ローラ及び加圧ローラ）からなる。このローラ対の両方或いはいずれか一方の内部に配置されたハロゲンヒータにより、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圧接部（定着ニップ部）に通過させて、熱と圧力によりトナー画像の定着を行う構成（熱ローラ定着方式を用いた構成）が多用されている。

特に、カラー用の定着装置においては、定着ローラ表層にシリコー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を解放する効果があるため、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に凸（所謂、逆ニップ形状）となることから、記録紙の剥離性能が向上し、剥離爪等の剥離手段を用いずとも記録紙の剥離が可能となり（セルフストリップ）、剥離手段に起因する画像欠陥を解消することができる。

しかし、弾性層を具備させた定着ローラは、弾性層自体の熱伝導性が非常に劣る。そのため、定着ローラ内部に加熱手段を設けた場合、熱伝達効率が低下し、ウォームアップ時間が長くなったり、高速化した場合に定着ローラ温度が追従しなくなったりする、といった問題がある。

このような問題を解決するものとして、定着ローラ表面に外部加熱装置を当接し、定着ローラを外部から加熱する構成（外部加熱定着方式を用いた構成）が知られている。特に、近年、外部加熱装置として無端ベルトを用いた構成（外部ベルト加熱定着方式を用いた構成）が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

上記外部ベルト加熱定着方式を用いた構成では、外部加熱装置の熱源から定着ローラ表面まで複数の部材（無端ベルトおよび、該無端ベルトを懸架し熱源を内部に備える支持ローラ）を介して熱が伝わる。そのため、熱源と定着ローラ表面との間に温度勾配が生じる。具体的には、熱源＞支持ローラ＞無端ベルト＞定着ローラ表面という温度勾配が形成される。このように外部加熱装置は定着ローラの温度よりも高い温度になるので、従来の定着装置を用いた構成に比べて定着装置内の温度が高くなり、定着装置からの放熱による現像や転写プロセスの温度上昇に対する対策が必要となる。

そこで、従来の熱対策として、定着装置内の加熱空気を開口部から定着装置外部に設けたＦＡＮによって複写機外部へ排出するものがある。これによって、定着装置からの放熱による現像や転写プロセスの温度上昇を防いでいた。しかしながら、定着装置内部の熱を外部に逃がすため、加熱効率が低下し、消費電力が増えるという課題があった。

そのため、定着ローラ、加圧ローラ等を囲む定着器カバーの内面にセラミック層を設け、定着装置内の輻射熱を反射することで定着装置外の温度上昇を抑える方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。また、従来、断熱材の内側に熱反射部材を設けたカバーでローラ対を覆う定着装置がある（例えば、特許文献４参照）。また、内部が中空のカバーを用いる定着装置（例えば、特許文献５参照）、表面に熱反射板をもつ中空のカバーを用いる定着装置（例えば、特許文献６参照）、内側表面が熱反射層で内部に複数の空気室を設けたカバーを用いる定着装置（例えば、特許文献７参照）、がある。さらに、定着器内の給紙側の通路に断熱層を備える定着装置がある（例えば、特許文献８参照）。
特開２００４−１９８６５９号公報（公開日：平成１６年７月１５日）特開２００５−１８９４２７号公報（公開日：平成１７年７月１４日）特開２００５−３７０１号公報（公開日：平成１７年１月６日）特開昭６０−４３６７７号公報（公開日：昭和６０年３月８日）特開平４−６６９８８号公報（公開日：平成４年３月３日）特開平５−１８８８０５号公報（公開日：平成５年７月３０日）特開平６−２２２６９７号公報（公開日：平成６年８月１２日）特開平９−３４２８３号公報（公開日：平成９年２月７日）

しかしながら、定着装置外の温度上昇の理由として、輻射熱による定着装置内面温度の上昇の他に、空気を介した熱伝導、定着器カバーの内面から外面へ伝わる熱伝導によるものがある。そのため、輻射熱を反射するセラミック層を定着器カバー内面に設けても、セラミック層の輻射熱吸収分と、空気を介する熱伝導によってセラミックが加熱される。そして熱伝導により、セラミック層から定着器カバー本体に熱が伝わり、定着装置外部へ熱を伝えてしまうという課題がある。

また、特許文献４に開示された定着装置では、定着ローラから熱を奪う熱反射部材が定着ローラ表面よりも温度が高くなることは無いので、熱反射部材から定着ローラへの熱の移動は殆ど生じない。そのため定着ローラのウォームアップ時間の短縮効果はほとんどない。

また、特許文献５−７に開示された定着装置では、カバーに空気層を有しているが、カバーを薄くすることもできず、大きな断熱作用も得られない。

このように、従来の定着装置では、定着装置の外部に熱を伝えにくくし、効率よく輻射熱を反射することができるものはない。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、外部に熱を伝えにくくし、効率よく輻射熱を反射することが可能な定着装置を提供することを目的とする。また消費電力を削減し、さらに復帰時間を短縮することが可能な定着装置および画像形成装置を提供することにある。

本発明に係る定着装置は、上記課題を解決するために、定着部材と、加圧部材と、少なくとも１つが内部に加熱源を有する複数の支持ローラに回転可能に張架されたベルトを加熱して被加熱部材である上記定着部材および加圧部材の少なくとも一方の周面に当接させることで上記被加熱部材を加熱する外部加熱装置とを備え、上記定着部材と上記加圧部材とが記録材を挟持しながら搬送することで当該記録材上の未定着画像を当該記録材に定着させる定着装置において、少なくとも上記定着部材、上記加圧部材、および上記外部加熱装置を被覆する被覆カバーを備え、上記被覆カバーの内側には、熱反射可能な断熱層が形成されていることを特徴としている。

上記構成によると、少なくとも上記定着部材、上記加圧部材、および上記外部加熱装置を被覆する被覆カバーの内側には、熱反射可能な断熱層が形成されているので、定着装置の外部に熱を伝えにくくすることができ、定着部材や外部加熱装置などの加熱部材からの輻射熱を、吸収せずに効率よく反射することができる。そのため、熱源（支持ローラ、ベルト）からの熱を、接触に加え、輻射熱の利用によっても、被加熱部材に与えることができる。よって、被加熱部材のウォームアップ時間の短縮を図ることができる。

ここで、上記構成では、被加熱部材表面よりも外側に定着温度よりも温度が高くなる部材（支持ローラ、ベルト）を備えており、これらにより、従来よりも被加熱部材表面の昇温に寄与し、ウォームアップ時間の短縮が図ることができる。しかしながら、温度が高い部材が被覆カバー内部にあるので、従来よりも被覆カバー内面温度が高くなる。そのため、本発明の上記構成のように、熱反射可能な断熱層を設けて、外部へ熱が放射されるのを防ぐことが好ましく、定着装置の外部に熱を伝えにくくすることができる。

さらに、定着部材や外部加熱装置などの加熱部材で生じた熱は、輻射、空気による伝熱、部材による伝熱によって、定着カバーを加熱し、定着装置表面温度が高くなり、外部の装置や部材（周辺プロセス）に悪影響を及ぼすことになる。しかし、上記構成によると、被覆カバーの加熱が抑えられるため、定着装置外部へ熱を伝えにくくすることができる。そのため、外部の装置や部材に熱により与える悪影響を抑制することができる。

本発明に係る定着装置では、上記断熱層は、熱を反射する材料からなり、気泡を含んでいてもよい。

上記構成によると、断熱層により、定着部材や外部加熱装置などの加熱部材からの輻射熱が吸収されずに反射され、さらに気泡部分で熱伝導が抑制される。よって、定着カバーの加熱をより抑え、より効率よく輻射熱を反射させることができる。

本発明に係る定着装置では、上記断熱層は、外形１０〜２００μｍの中空セラミックビーズを有していてもよい。

上記構成によると、被覆カバーの内側に中空セラミックビーズを含む断熱層を備えることで、セラミックにより輻射熱が吸収されずに反射される。さらにビーズの中空（真空）部分で熱伝導が抑制される。よって、入手しやすい材料で、効果的に定着カバーへの伝熱を抑えることができる。

上記構成のように、断熱層は、外形１０〜２００μｍの中空セラミックビーズを有するので、気泡が小さく、空気分子の平均自由工程を大きく上回らない大きさで、熱伝導性を抑えることができる。また、気泡が小さく、真空であるので、従来の技術よりも薄くてより大きな断熱作用が得られる。さらに、被覆カバーの薄型に貢献し、装置の小型化、軽量化に貢献し、コストダウンを図ることができる。

また、本発明に係る定着装置では、上記断熱層は、０．３〜１００ｎｍ径の多孔質構造を有するセラミックからなっていてもよい。

上記構成によると、被覆カバーの内側にセラミック多孔質断熱層を備えることで、セラミックにより輻射熱が吸収されずに反射される。さらに多孔質で区切られた微小空間を形成することで、熱を伝える空気分子同士の衝突が減少し、熱伝導が抑制される。よって、被覆カバーへの伝熱を効果的に抑えることができる。なお、多孔質の大きさは空気分子の大きさ以上で空気分子の平均自由工程を大きく上回らない大きさであるのが好ましい。

上記構成のように、０．３〜１００ｎｍ径の多孔質であると、気泡が小さく、空気分子の平均自由工程を大きく上回らない大きさで、熱伝導性を抑えることができ、従来の技術よりも薄くてより大きな断熱作用が得られる。さらに、被覆カバーの薄型に貢献し、装置の小型化、軽量化に貢献し、コストダウンを図ることができる。

また、本発明に係る定着装置では、上記構成に加え、上記断熱層の、層厚（ｍ）を熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）で除した熱抵抗値は、０．０３〜０．３３ｍ^２・ｋ／Ｗであってもよい。

断熱層の熱抵抗値が０．０３ｍ^２・ｋ／Ｗより小さいと（熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋである場合、層厚１ｍｍより小さいと）、定着カバーに容易に熱を伝えてしまう。他方、熱抵抗０．３３ｍ^２・ｋ／Ｗを超えると（熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋである場合、層厚１０ｍｍを超えると）、消費電力が上昇傾向に転じる。これは、断熱層に奪われる熱量が大きくなるためである。よって、熱抵抗が０．３３を超えるのは、定着カバー表面温度は下がるが、消費電力が増大するために好ましくない。

本願の上記構成のように、断熱層の熱抵抗値が、０．０３〜０．３３ｍ^２・ｋ／Ｗの範囲であると、断熱効果と消費電力低減との両立を図ることができる。

また、本発明に係る定着装置では、上記構成に加え、上記外部加熱装置を覆う外部加熱カバーを備え、該外部加熱カバーの上記外部加熱装置側表面には、気泡を含む断熱層が形成されていてもよい。

上記構成によると、外部加熱装置から発生する熱を、外部加熱カバーの内側である程度閉じ込めることができるため、定着カバーに伝わる熱量を減少させることができる。さらに定着装置の断熱効果を高めることができる。定着装置内で最も温度が高くなるのは外部加熱手段であるので、上記構成により、効果的に断熱することができる。

また、本発明に係る定着装置では、上記構成に加え、上記外部加熱カバーと上記ベルトとの間に、蓄熱部材を備えていてもよい。

上記構成によると、蓄熱部材が外部加熱装置からの放熱を受け、得られた熱量をベルトの加熱に使うことができる。よって、定着動作を開始するとき、ベルトの加熱を助けることができ、定着動作への復帰時間を短縮できる。

また、本発明に係る定着装置では、上記構成に加え、上記ベルトの温度が上記蓄熱部材の温度より高い場合、上記ベルトと上記蓄熱部材とが離間し、上記ベルトの温度が上記蓄熱部材の温度より低い場合、上記ベルトと上記蓄熱部材とが当接するよう、上記蓄熱部材を移動させる蓄熱部材移動手段を備えていてもよい。

上記構成によると、蓄熱部材移動手段により蓄熱部材を移動させることで、蓄熱部材がベルトの熱を奪わずに、蓄熱部材の温度が高いときだけ、ベルトに熱を与えることができる。このように適切にベルトに熱を与えることができる。定着動作を開始するときに、蓄熱ローラをベルトに当接させることでベルトの加熱を助けることができ、定着動作への復帰時間を短縮できる。

本発明に係る画像形成装置は、上記課題を解決するために、上記の何れかに記載の定着装置を備えたことを特徴としている。この場合においても上述した効果と略同一の効果を奏し、高品位な画像を形成することができる。

以上のように、本発明の定着装置は、少なくとも上記定着部材、上記加圧部材、および上記外部加熱装置を被覆する被覆カバーを備え、上記被覆カバーの内側には、熱反射可能な断熱層が形成されている。

本発明の一実施形態について説明する。まず、図２を参照して本実施形態の定着装置が備えられている画像形成装置１について説明する。図２は、画像形成装置１の内部構造を示した模式図である。画像形成装置１は、乾式電子写真方式のカラー画像形成装置であり、ネットワークを介して接続される各端末装置から送信される画像データまたはスキャナによって読み取られた画像データに基づいて、用紙（記録材、転写媒体、記録紙）Ｐに対してカラー画像またはモノクロ画像を形成するプリンタである。

画像形成装置１は、乾式電子写真方式かつ４連タンデム方式のカラープリンタであって、１次転写部５０、２次転写部３６、用紙搬送部３０、定着装置４０、供給トレイ２０を備えている。

１次転写部５０は、黄色画像転写部５０Ｙ、マゼンタ画像転写部５０Ｍ、シアン画像転写部５０Ｃ、黒画像転写部５０Ｂの各１次転写部から構成される。

これら１次転写部５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂは、各々、実質的に同一の構成を有しており、画像データに基づいて、用紙Ｐに対してそれぞれ黄色画像、マゼンタ画像、シアン画像、黒画像を転写するものである。

各１次転写部５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂは、感光体ドラム５１を備えており、さらに、帯電器５２、現像ユニット５４、１次転写ローラ５５およびクリーニング装置５６を、感光体ドラムの周囲に沿って配置している。また、ＬＳＵ（レーザビームスキャナユニット）５３の筐体は、各１次転写部で共通となっている。

１次転写部５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂの感光体ドラム５１は、感光性材料を表面に有するドラム形状の転写ローラであり、矢印Ｆ方向に回転駆動する。帯電器５２は、感光体ドラム５１の表面を一様（均一）に帯電するためのものである。

ＬＳＵ５３は、レーザユニット５３１、集光レンズ５３２、ミラー５３３を備えている。ＬＳＵ５３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、シアン成分およ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、レーザユニット５３１から各ビームが出射され、集光レンズ５３２によって集光され、ミラー５３３にて反射されて、帯電された感光体ドラム５１を露光し、静電潜像を生成するようになっている。

１次転写部５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂの現像ユニット５４は、現像ローラ５７を有しており、それぞれ黄色、マゼンタ、シアン、黒色のトナー（現像剤）を備えている。そして、これらのトナーによって、感光体ドラム５１上に生成された静電潜像を現像し、トナー像（顕像）を生成する機能を有している。なお、上記の現像剤としては、例えば、非磁性一成分現像剤（非磁性トナー）、非磁性二成分現像剤（非磁性トナーおよびキャリア）、磁性現像剤（磁性トナー）等の現像剤を用いることができる。

１次転写部５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂの１次転写ローラ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、このバイアス電圧を１次転写ベルト３３に与えることによって感光体ドラム５１上のトナー像を１次転写ベルト３３に転写するためのものである。

１次転写部５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂのクリーニング装置５６は、用紙Ｐへの画像転写後に感光体ドラム５１上に残留しているトナーを除去するものである。以上のような、１次転写ベルト３３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。なお、１次転写ベルト３３に付着した余分なトナーは、クリーニング装置５９により取り除かれるようになっている。

１次転写ベルト３３上に形成されたトナー像は、２次転写ベルト３４上に静電吸着された用紙Ｐに転写される。２次転写部３６の２次転写ローラ３５は、トナーとは逆極性のバイアス電圧が印加されており、このバイアス電圧を２次転写ベルト３４上の用紙Ｐに与えることによって、１次転写ベルト３３上のトナー像を用紙Ｐに転写するためのものである。

用紙Ｐは用紙搬送部３０及び２次転写部３６において、モノクロ画像形成時（モノクロモード）３５５ｍｍ／ｓ、カラー画像形成時（カラーモード）１７５ｍｍ／ｓ）に制御されて搬送されるようになっている。

そして２次転写部３６でトナー像が転写された用紙Ｐは、定着装置４０に搬送される。なお、２次転写によって用紙Ｐに転写された後のトナー像は、用紙Ｐに対して未定着の状態である。

定着装置４０は、用紙Ｐに転写された未定着のトナー像を当該用紙Ｐに熱圧着させるものである。具体的に、定着装置４０には定着ローラ（定着部材）６０と加圧ローラ（定着部材）７０とが備えられている。そして、２次転写部３６から所定の定着速度（プロセス速度；例えば、モノクロモード３５５ｍｍ／ｓ、カラーモード１７５ｍｍ／ｓ）および複写速度（１分あたりのコピー枚数；例えばＡ４横送りでモノクロモード７０枚/分、カラーモード４０枚／分）で搬送されてきた用紙Ｐは、定着ローラ６０と加圧ローラ７０との間に形成されている定着ニップ部Ｎに送り込まれる。さらに、定着ローラ６０と加圧ローラ７０とが用紙Ｐを挟持しながら搬送する。このとき、用紙Ｐ上のトナー像（未定着画像）は定着ローラ６０の周面の熱によって溶融し、定着ローラ６０と加圧ローラ７０とによって加圧されて、用紙Ｐに固定された堅牢な画像として定着する。

そして、定着装置４０によってトナー像の定着処理が行われた後の用紙Ｐは、搬送ローラ４１にて搬送され、画像形成装置１の外部の排紙トレイ（不図示）に排出される。これにより、画像形成処理が終了する。なお、定着装置４０の具体的構成については後で詳細に説明する。

また、画像形成装置１は、用紙Ｐに対して各１次転写部５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂが画像転写を行ってカラー画像（多色画像）を形成するカラーモード（多色モード）と、黒画像転写部５０Ｂのみが画像転写を行ってモノクロ画像（単色画像）を形成するモノクロモード（単色モード）とを実行できる。具体的に説明すると、画像形成装置１に備えられている制御部（制御用集積回路基板またはコンピュータ，不図示）は、利用者からの入力指示に応じて、カラーモードまたはモノクロモードのうちのいずれかのモードを選択し、選択したモードに応じた画像形成を実行するように各１次転写部５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂを制御するようになっている。

さらに、上記制御部は、カラーモード時においては、例えば、搬送速度３５５ｍｍ／Ｓ（プロセス速度ともいう）で用紙Ｐを搬送し、モノクロモード時においては、例えば、搬送速度１７５ｍｍ／Ｓで用紙Ｐを搬送するように画像形成装置１の用紙搬送手段（用紙搬送部３０，定着ローラ６０，加圧ローラ７０等）を制御する。

次に、定着装置４０の内部について具体的に説明する。図３は、定着装置４０の内部の概略構成を示す模式図である。定着装置４０は、上述した定着ローラ（定着部材）６０および加圧ローラ（定着部材）６０の他、外部加熱装置８０、制御装置９０、回転駆動装置９１、加熱電力供給部９９、外部加熱装置移動装置１１０を有している。なお、図３では定着ローラ６０の表面をクリーニングするためのウェブクリーニング装置は図示していない。

制御装置９０は、温度制御部９０ａ、回転制御部９０ｂ、移動制御部９０ｃを備えており、無端ベルト８３の表面温度、定着ローラ６０の表面温度、加圧ローラ７０の表面温度、定着ローラ６０の回転駆動、外部加熱装置移動装置１１０による外部加熱装置の位置の移動などを制御する。

加熱電力供給部９９は、以下で説明するハロゲンランプ６４・７４・８６ａ・８６ｂに接続し、これらのハロゲンランプに加熱のための電力を供給するものであり、温度制御部９０ａによって制御される。温度制御部９０ａは、以下で説明するサーミスタ６５・７５・８５ａ・８５ｂ、加熱電力供給部９９に接続している。温度制御部９０ａは、サーミスタ６５・７５・８５ａ・８５ｂの温度検出結果や画像形成モード等に基づいて、加熱電力供給部９９から各ハロゲンランプへの供給電力を切り替えることで、各ハロゲンランプの発熱量を制御し、無端ベルト８３、定着ローラ６０、加圧ローラ７０の温度を所定の温度となるよう制御する。

回転駆動装置９１は、定着ローラ６０を回転駆動するものであり、例えばモータ等から構成される。回転駆動装置９１は、回転制御部９０ｂに接続しており、回転駆動装置９１の動作は、制御装置９０の回転制御部９０ｂによって制御される。回転制御部９０ｂは、回転駆動装置９１の動作を制御することで、定着ローラ６０の回転速度を制御する。

外部加熱装置移動装置１１０は、移動制御部９０ｃの制御により、外部加熱装置８０に備えられる支持ローラ８１・８２と定着ローラ６０との相対位置を変化させる。移動制御部９０ｃは、この支持ローラ８１・８２と定着ローラ６０との相対位置の制御により、無端ベルト８３と定着ローラ６０との接触幅（加熱ニップ幅）を変化させて、外部加熱装置８０から定着ローラ６０への熱供給量を制御する。

定着ローラ６０は、図３に示されるＧ方向に回転するローラであり、金属製の中空円筒形状の芯金６１、この芯金６１の外周面を覆う弾性層６２、弾性層６２を覆って形成される離型層６３から構成される。

芯金６１は、例えば外径４６ｍｍのアルミニウムからなるものであり、筒状の形状をしている。ただし、芯金６１の素材は、アルミニウムに限定されるものではなく、例えば、鉄やステンレス等からなるものであってもよい。弾性層６２は、例えば厚さ３ｍｍであって、耐熱性を有するシリコーンゴム（ＪＩＳ−Ａ硬度２０度）からなる。離型層６３は、例えば厚み約３０μｍの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）チューブからなる。なお、離型層６３の材料としては、耐熱性、耐久性に優れ、トナーとの離型性が優れているものであればよく、ＰＦＡの他、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。このような構成の定着ローラ６０の外径は５０ｍｍであって、定着ローラ６０の表面硬度は６８度（アスカーＣ硬度）である。なお、定着ローラ６０表面の回転軸方向の幅は、本実施形態では３２０ｍｍである。

定着ローラ６０の周面には当該周面の温度を検出するサーミスタ６５が接触しており、芯金６１の内部には、電力が供給されることによって熱輻射を行うハロゲンランプ（ヒータランプ）６４が設置されている。ハロゲンランプ６４は定着ローラ６０の熱源であり、ハロゲンランプ６４に電力供給が行われるとハロゲンランプ６４によって定着ローラ６０内部が所定の温度（本実施形態では１８０℃）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用紙Ｐを加熱するようになっている。

なお、本実施形態では、ハロゲンランプ６４を１本内蔵しているが、これに限らず、例えば、用紙サイズに応じて最適な温度分布を形成できるように、回転軸方向に発熱分布を分散した複数のハロゲンランプを用いてもよい。また、本実施形態では、定着ローラ６０の長手方向中央部にサーミスタ６５が接触するように配置しているが、これに限らず、定着ローラ６０の長手方向端部（非通紙領域）に設置してもよい。また、ハロゲンランプを２本設置するなどして中央部と端部で発熱量が異なる場合等には、中央部と端部の両方に設置してもよい。

加圧ローラ７０は、図３に示すＨ方向に回転するローラであり、金属製の中空円筒形状の芯金７１、この芯金７１の外周面を覆う弾性層７２、弾性層７２を覆って形成される離型層７３、を備えている。

芯金７１は、例えば外径４６ｍｍであって、アルミニウムからなるものである。ただし、芯金７１の素材は、アルミニウムに限定されるものではなく、鉄やステンレスからなるものであってもよい。弾性層７２は、例えば厚さ２ｍｍであって、耐熱性を有するシリコーンゴムからなる。離型層７３は、例えば厚み約３０μｍのＰＦＡチューブからなる。なお、離型層７３の材料としては、耐熱性、耐久性に優れ、トナーとの離型性が優れるものであればよく、ＰＦＡの他、ＰＴＦＥ等のフッ素系材料を使用してもよい。このような構成の加圧ローラ７０の外径は５０ｍｍであって、加圧ローラ７０の表面硬度は７５度（アスカーＣ硬度）である。

そして、加圧ローラ７０は、図示していない弾性部材（バネ）によって、定着ローラ６０に所定の荷重（ここでは６００Ｎ）で圧接される。これにより、定着ローラ６０周面と加圧ローラ７０周面との間に定着ニップ部Ｎ（定着ローラ６０と加圧ローラ７０とが当接する部分、ここでは用紙搬送方向の幅９ｍｍ）が形成される。また、加圧ローラ７０は、定着ローラ６０の回転に従動して定着ローラ６０とは逆方向（定着ニップ部における両ローラ表面の移動方向は同じ）に回転する。なお、本実施形態では、加圧ローラ７０は定着ローラ６０に従動回転する構成としているが、これに限らず、定着ローラ６０とは異なる回転駆動手段によって回転駆動される構成であってもよい。

また、加圧ローラ７０の周面には当該周面の温度を検出するサーミスタ７５が接触しており、芯金７１の内部には、電力供給によって熱輻射を行うハロゲンランプ（ヒータランプ）７４が設置されている。ハロゲンランプ７４は加圧ローラ７０の熱源であり、ハロゲンランプ７４に電力供給が行われると加圧ローラ７０表面が所定の温度（本実施形態では１５０℃）に加熱されるようになっている。

なお、本実施形態では、定着ローラ６０のゴム硬度（６８度）より加圧ローラ７０のゴム硬度（７５度）を高くしているが、これは、加圧ローラ７０と定着ローラ６０との間に形成される定着ニップ部Ｎを逆ニップ形状（加圧ローラ７０の形状は殆ど変わらず定着ローラ６０が若干凹む形態）にするためである。このようにして得られた定着ニップ部Ｎのニップ幅（定着ローラ６０の周方向に沿った幅）は、本実施形態では８．５ｍｍである。

ここで、加圧ローラ７０と定着ローラ６０との間の定着ニップ部Ｎを逆ニップ形状にしている理由を説明する。定着ニップ部Ｎが逆ニップ形状であると、定着ニップ部Ｎを通過した用紙Ｐは、加圧ローラ７０周面に沿った方向に排出されるため、用紙Ｐが定着ニップ部Ｎから排出される際に、自己剥離（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）し易くなるからである。なお、定着ローラ６０の表面硬度より加圧ローラ７０の表面硬度が低いと、定着ローラ６０と加圧ローラ７０との間の定着ニップ部Ｎは、定着ローラ６０の形状が殆ど変わらず加圧ローラ７０が若干凹む形態になり、定着ニップ部Ｎを通過した用紙Ｐは定着ローラ６０周面に沿った方向に排出される。そのため、自己剥離が生じにくい。

外部加熱装置８０は、第１支持ローラ（第１加熱ローラ）８１、第２支持ローラ（第２加熱ローラ）８２、無端ベルト（外部加熱ベルト）８３を備えている。なお、以下の説明において、第１支持ローラと第２支持ローラとを区別しない場合には、単に支持ローラと称する。無端ベルト８３は、裏面（内周面）側が各支持ローラ８１・８２の周面に当接するように各支持ローラ８１・８２に張架されている。無端ベルト８３は、定着ローラ６０に対して定着ニップ部Ｎの上流側に設けられており、支持ローラ８１・８２により、所定の押圧力（本実施形態では４０Ｎ）で定着ローラ６０に圧接される。これにより、定着ローラ６０との間に加熱ニップ部ｎ（無端ベルト８３と定着ローラ６０との当接部；定着ローラ６０の円周方向の幅２０ｍｍ）が形成される。

また、無端ベルト８３は、回転する定着ローラ６０の周面に当接することにより、定着ローラ６０に従動回転するようになっている。これにより、各支持ローラ８１・８２は、定着ローラ６０の回転方向と逆方向（図２のＫ方向）に回転する。つまり、制御装置９０が定着ローラ６０の回転駆動装置９１を制御して定着ローラ６０を回転駆動させると、無端ベルト８３と定着ローラ６０とが接している部分での摩擦力によって無端ベルト８３が定着ローラ６０に従動して移動し、支持ローラ８１・８２および無端ベルト８３が回転するようになっている。

無端ベルト８３は、例えば厚み９０μｍのポリイミド（宇部興産製、商品名：ユーピレックスＳ）からなる基材の表面に、離型層としてＰＴＦＥとＰＦＡがブレンドされたフッ素樹脂が２０μｍ厚でコーティングされたベルト部材である。ただし、無端ベルト８３の構成は、これに限定されるものではなく、ニッケル、ステンレス、鉄などの金属製のベルト部材を用いてもよい。また、無端ベルト８３の内径も３０ｍｍに限定されるものではない。なお、無端ベルト８３の離型層の材料としては、耐熱性、耐久性に優れ、トナーとの離型性に優れていればよく、例えば、ＰＴＦＥあるいはＰＦＡを単独で使用してもよい。なお、室温（２０℃）における無端ベルト８３の内径は、本実施形態では３０ｍｍ（内周長９４ｍｍ）であるが、この数値に限定されない。また、無端ベルト８３の幅（支持ローラ８１・８２の軸方向の幅）は、本実施形態では室温で３２０ｍｍである。

各支持ローラ８１・８２は、例えば外径１５ｍｍのアルミニウム製の芯金の表面に、離型層としてＰＴＦＥとＰＦＡがブレンドされたフッ素樹脂が例えば２０μｍ厚でコーティングされたローラである。なお、この離型層の材料としては、耐熱性、耐久性に優れ、トナーとの離型性に優れていればよく、例えば、ＰＦＡ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することができる。また、支持ローラ８１・８２間の軸間距離は、本実施形態では２３．０ｍｍである。

また、各支持ローラ８１・８２は、外部加熱装置移動装置１１０により定着ローラ６０の周面に所定の荷重（例えば２０Ｎ）で押圧される。これにより、無端ベルト８３表面は定着ローラ６０周面に接触し、無端ベルト８３表面と定着ローラ６０周面との間にニップ部が形成される。なお、無端ベルト８３表面と定着ローラ６０周面との間のニップ幅（定着ローラ６０周方向に沿った幅）は２０ｍｍである。

無端ベルト８３における第１支持ローラ８１との接触部の外面には、この無端ベルト８３の表面温度を検出するサーミスタ８５ａが接触している。また、第１支持ローラ８１内部には、電力供給によって発熱するハロゲンランプ（ヒータランプ）８６ａが設けられている。また、無端ベルト８３における第２支持ローラ８２との接触部の外面には、この無端ベルト８３の表面温度を検出するサーミスタ８５ｂが接触しており、第２支持ローラ８２の内部には、電力供給によって発熱するハロゲンランプ（ヒータランプ）８６ｂが設けられている。ハロゲンランプ８６ａ・８６ｂは無端ベルト８３の熱源であり、ハロゲンランプ８６ａ・８６ｂに電力供給が行われると、ハロゲンランプ８６ａ・８６ｂから熱が輻射され、支持ローラ８１・８２を介して無端ベルト８３が所定の温度（本実施形態では２２０℃）に加熱される。そして、無端ベルト８３は、定着ローラ６０の外部から定着ローラ６０周面に接触しているため、この接触箇所を介して定着ローラ６０周面を加熱することができる。本実施形態では、上記のような２本の薄肉小径の支持ローラ８１・８２と薄膜の無端ベルト８３とを用いているため、無端ベルト８３の温度を早く昇温させることができる。

さらに、図１を用いて定着装置４０の、上記で説明した以外の構成、特に定着カバー（被覆カバー）について説明する。定着装置４０は、定着ローラ６０、加圧ローラ７０、外部加熱装置８０を囲んで覆う、定着カバー４２を備えている。定着カバーの構成については、後段で詳細に説明する。

また、定着カバー４２で囲まれた内部には、定着ローラ６０表面の残トナーを取り除くためのクリーニングウェブ４３が備えられている。バックアップローラ４４によって定着ローラ６０に圧接している。本実施形態では、クリーニングウェブ４３は厚さ４０μｍ、目付１０ｇ／ｍ^２の不織布を用い、用紙搬送４枚毎に０．７ｍｍずつ巻き取ってゆくものとする。

また、外部加熱装置８０の周りには、外部加熱装置８０を支持するための外部加熱フレーム（外部加熱カバー）８７が備えられている。外部加熱フレーム８７は、本実施形態では、ＳＥＣＣ（電気亜鉛メッキ鋼板４０Ｗ／ｍ・Ｋ）からなり、厚みは１ｍｍであるが、これに限定されることはなく、例えば、厚み１ｍｍのＳＵＳ（１６Ｗ／ｍ・Ｋ）、等でもよい。この外部加熱フレーム８７は外部加熱装置８０を支持するのに必要な強度で設計される。なお、この外部加熱フレーム８７は、外部加熱装置８０で発生する過度の輻射熱からクリーニングウェブ４３を保護する役割も果たす。例えば、クリーニングウェブ４３に対して過度に加熱した場合に発生するオイルの噴出し等の不具合を、予防することができる。

定着カバー４２は、ここでは、グラスファイバー強化の難燃性ＰＥＴ樹脂から成る。厚み１〜３ｍｍ、熱伝導率は０．１〜０．３Ｗ／ｍ・Ｋであるのが好ましい。

定着カバー４２の内側表面には、断熱材（熱反射可能な断熱層）４２１がコーティングされている。本実施形態では、この断熱材４２１として、図４に示すように内部が真空の中空セラミックビーズ４２１ａをバインダー４２１ｂに混ぜたものを、定着カバー４２内面に吹き付けてコーティングしている。中空セラミックビーズ４２１ａの主原料はシリカからなり、外形１０〜２００μｍのものが入手しやすいため好ましいが、これに限定されることはない。バインダー４２１ｂは、塗装材として一般的な水溶性アクリルを用いることができる。また、本実施形態では、断熱材４２１は厚さ２ｍｍであるとするが、この数値には限定されない。

上記した構成の断熱材４２１では、断熱性能として、熱伝導率は０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ、輻射熱の反射率は９０％の値となる。断熱材４２１の熱伝導率は、０．０１〜０．１Ｗ／ｍ・Ｋ、輻射熱の反射率は７０〜１００％であるのが好ましい。耐熱温度はバインダー４２１ｂの材料によって異なるが、水溶性アクリルの場合、１５０℃〜２００℃程度となる。

次に、グラスファイバー強化の難燃性ＰＥＴ樹脂から成る定着カバー４２の厚みが３ｍｍ、熱伝導率が０．２Ｗ／ｍ・Ｋ、上記した中空セラミックビーズ４２１ａを含む断熱材４２１の熱伝導率が０．０３Ｗ／ｍ・Ｋである場合の、断熱材４２１の厚み（層厚）とそれによる断熱効果、省電力効果について、表１を用いて説明する。

定着動作中の定着装置４０の内部の温度は１００℃以上となる。ここで、表１に示すように、断熱材４２１が無いときの定着カバー４２の外側表面温度は６０℃に達する。断熱材４２１を厚くしてゆくと表面温度、消費電力ともに低下するが、ある厚み以上になると消費電力が増大する。これは、断熱材４２１の熱容量が大きくなり、ハロゲンランプ６４・７４・８６ａ・８６ｂの熱が断熱材に奪われてしまうからである。従って、熱伝導率０．０３Ｗ／ｍ・Ｋの断熱材の場合、厚みは１〜１０ｍｍ程度が好ましい。厚み（ｍ）を熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）で除した熱抵抗値で言い換えれば、０．０３〜０．３３ｍ^２・ｋ／Ｗであるのが好ましい。

ここで、断熱材４２１としては、上記した中空セラミックビーズ４２１ａを含むもの以外にも、例えば、真空断熱シート、発泡ウレタン、セラミックベースの多孔質シート材、空気層を含むグラスウールなどを用いることができる。

断熱材４２１の他の例を、図９を用いて説明する。定着カバー４２の内側表面には、０．３〜１００ｎｍの多孔質で形成された断熱材（熱反射可能な断熱層）４２１’が設けられる。このような隔壁の中で、熱を伝える空気分子同士の衝突が減少し、熱伝導率が低下する。よって、定着カバー４２への伝熱を抑えることができる。なお、断熱材４２１’の厚みは、１〜１０ｍｍであるのが好ましい。また、多孔質の大きさは空気分子の大きさ以上で空気分子の平均自由工程を大きく上回らない大きさであるのが好ましい。

上記した本実施形態では、定着カバー４２の内側表面に、熱を反射する材料からなる熱反射可能な断熱材４２１のみが設けられているが、定着カバー４２の内側に、表面から順に、熱反射層、断熱層が設けられていてもよい。定着カバーと断熱材との間に熱反射層が設けられていてもよい。この場合には、熱反射層は、例えば、アルミシート等からなるものが好ましく、厚みは０．０１〜０．１ｍｍ程度が好ましい。また、熱反射性を有する断熱材にさらに熱反射層を設けても構わない。

次に、本実施の形態の変形例について説明する。定着装置４０内で最も温度が高くなるのは外部加熱装置８０である（例えば、温度２２０℃になる）。外部加熱装置８０から発生する熱を閉じ込めて、定着カバー４２に熱が伝わらないようにすると、さらに定着装置４０の断熱効果を高めることができる。例えば、図５に示すように、外部加熱フレーム８７の内側に断熱層８７１を形成することで、さらに定着カバー４２に熱が伝わらないようにすることができる。

断熱層８７１は、前述の中空セラミックビーズを用いた断熱材が好ましい。バインダーは耐熱温度３００℃までのものを選ぶのが好ましい。また、断熱層８７１の厚みは、例えば、０．５ｍｍ〜３ｍｍであることが好ましい。これによれば、外部加熱装置８０で生じた輻射熱の殆どを断熱層８７１で反射させることができる。その結果、無端ベルト８３の加熱効率が向上し、消費電力の削減に繋がる。また、外部加熱フレーム８７へ伝わる熱伝導を弱め、外部加熱フレーム８７の温度が下がり、定着カバー４２の温度上昇を防ぐことができる。

さらに、図６に示すように、蓄熱ローラ８８が無端ベルト８３と外部加熱フレーム８７の間に設けられていてもよい。蓄熱ローラ８８は、シリコーンゴムにカーボンを分散させて表面を黒色とし、輻射熱を吸収しかつ熱を保持しやすくしてある。蓄熱ローラ８８は、例えば、図７（ａ）に示すように、芯金８８ａの周りに蓄熱層８８ｂが形成されているものや、図７（ｂ）に示すように、パイプ８８ｄの内側に蓄熱材８８ｃが設けられているものが、好ましい。芯金８８ａは、例えば、Ａｌからなり、径が０．５〜２ｍｍであってもよい。蓄熱層８８ｂは、例えば、厚さ１〜５ｍｍのシリコーンゴムスポンジ（発泡性シリコーンゴム）からなるものでもよいが、これに限定されない。パイプ８８ｄは、Ａｌからなり、０．５〜２ｍｍであってもよい。また、蓄熱材８８ｃとしては、例えば、水、パラフィン、酸化マグネシウム等が挙げられる。

そして、図８に示すように、蓄熱ローラ８８は、無端ベルト８３に離接可能な構成されている。この蓄熱ローラ８８の離接は図示しているように、偏芯カム８９ｂの回転で制御する。なお、蓄熱ローラ８８と偏芯カム８９ｂとは、アーム８９ａを介して接続している。定着動作時には無端ベルト８３は支持ローラ８１・８２によって加熱され、２２０℃まで上昇する。このとき蓄熱ローラ８８を無端ベルト８３から離し、無端ベルト８３の熱を蓄熱ローラ８８が直接奪わないようにする。しかしながら蓄熱ローラ８８は無端ベルト８３などからの輻射熱や空気を介した熱伝導によって加熱される。次に低電力モードなどで電力をカットしている状態では、無端ベルト８３は定着装置４０内の温度とほぼ等しくなるまで温度が低下する。この状態で定着動作に入ったとき、蓄熱ローラ８８を無端ベルト８３に当接させると、無端ベルト８３の加熱を助けることができ、定着動作への復帰時間が短縮できる。以下の表２に、無端ベルト８３と蓄熱ローラ８８との温度の関係とそのときの離接の状態を示す。蓄熱ローラ８８の温度が高いときだけ無端ベルト８３に接し、蓄熱ローラ８８の温度が無端ベルト８３よりも低いときは、無端ベルト８３の温度を奪わないために、離間するようにする。なお、無端ベルト８３と蓄熱ローラ８８との温度は、ここでは、接触式サーミスタで温度を測定する。

以上、本実施形態の定着装置４０を用いれば、定着装置４０の外表面の温度を下げることができ、その結果、図２に示す周辺プロセス（定着装置４０外部の装置や部材）の温度上昇を抑えることができる。特に現像ユニット５４内のトナーは温度が上がるとトナーの流動性が悪化し、またＬＳＵ５３の光学系は、温度変化によって、位置ずれやボケが生じてしまう。本実施形態の定着装置４０を用いることで、これらの問題を防ぐことができる。よって、本実施の形態の画像形成装置１を用いることで、高品位な画像を形成することができる。

以上の本実施形態では、定着装置４０の加熱源として、ハロゲンランプが定着ローラ６０および加圧ローラ７０に備えられているが、定着ローラ６０および加圧ローら７０のどちらか一方にだけハロゲンランプが備えられていてもよい。また、外部加熱装置８０の支持ローラ８１・８２の両方に加熱源が設けられているが、外部加熱装置８０の支持ローラの数は限定されず、その中の少なくとも１つに加熱源を有していればよい。また、外部加熱装置８０が加圧ローラ７０を加圧するように設けられていてもよい。

また、本実施形態では１次転写ベルトと２次転写ベルトとを用いる画像形成装置について説明したが、画像形成装置の構成はこれに限るものではない。本発明は、電子写真方式の画像形成装置であれば適用でき、例えば、搬送ベルトを用いて用紙を搬送する構成であってもよく、感光体から用紙Ｐに転写する構成であってもよい。また、単色画像を形成するものであっても、多色画像を形成するものであってもよい。

また、上記各実施形態では、ローラ形状の定着部材（定着ローラ）および加圧部材（加圧ローラ）を用いているが、これに限るものではなく、例えばベルト状のものなどを用いてもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、上述した実施形態において開示された各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、例えば、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、また、その画像形成装置に適用可能である。

本発明の一実施形態にかかる定着装置の構成を示す図である。上記定着装置を備えた画像形成装置の構成を示す図である。上記定着装置の動作制御を説明するための図である。上記定着装置の定着カバーの構成を示す図である。本発明の他の実施形態にかかる定着装置の構成を示す図である。本発明のさらに他の実施形態にかかる定着装置の構成を示す図である。図６に示す定着装置の蓄熱ローラの構成を示す図である。図６に示す定着装置の蓄熱ローラの移動を説明するための図である。定着カバーの他の構成を示す図である。

符号の説明

１画像形成装置
４０定着装置
４２定着カバー
６０定着ローラ（被加熱部材）
６２弾性層
７０加圧ローラ（被加熱部材）
７２弾性層
８０外部加熱装置
８１第１支持ローラ（支持ローラ）
８２第２支持ローラ（支持ローラ）
８３無端ベルト（ベルト）
８７外部加熱フレーム（外部加熱カバー）
８８蓄熱ローラ（蓄熱部材）
８９ａ偏芯カム（蓄熱部材移動手段）
８９ｂアーム
４２１断熱材（断熱層）
４２１’ 断熱材（断熱層）
４２１ａ中空セラミックビーズ
４２１ｂバインダー

Claims

定着部材と、加圧部材と、少なくとも１つに加熱源を有する複数の支持ローラに回転可能に張架されたベルトを加熱して被加熱部材である上記定着部材および加圧部材の少なくとも一方の周面に当接させることで上記被加熱部材を加熱する外部加熱装置とを備え、上記定着部材と上記加圧部材とが記録材を挟持しながら搬送することで当該記録材上の未定着画像を当該記録材に定着させる定着装置において、
少なくとも上記定着部材、上記加圧部材、および上記外部加熱装置を被覆する被覆カバーを備え、
上記被覆カバーの内側には、熱反射可能な断熱層が形成され、
上記断熱層は、熱を反射する材料からなり、気泡を含み、
さらに、上記断熱層は、上記気泡が０．３〜１００ｎｍ径の多孔質構造によって形成されるセラミックからなることを特徴とする定着装置。
上記断熱層は、上記気泡を形成するための外形１０〜２００μｍの中空セラミックビーズを含むことを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
上記断熱層の、層厚（ｍ）を熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）で除した熱抵抗値は、０．０３〜０．３３ｍ^２・ｋ／Ｗであ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。
上記外部加熱装置を覆う外部加熱カバーを備え、該外部加熱カバーの上記外部加熱装置側表面には、気泡を含む断熱層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の定着装置。
上記外部加熱カバーと上記ベルトとの間に、蓄熱部材を備えたことを特徴とする請求項４に記載の定着装置。
上記ベルトの温度が上記蓄熱部材の温度より高い場合、上記ベルトと上記蓄熱部材とが離間し、上記ベルトの温度が上記蓄熱部材の温度より低い場合、上記ベルトと上記蓄熱部材とが当接するよう、上記蓄熱部材を移動させる蓄熱部材移動手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の定着装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の定着装置を備えていることを特徴とする画像形成装置。