JP5183350B2 - 定着装置及びそれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機に用いる定着装置及びそれを備えた画像形成装置に関するものである。

定着装置は、定着ローラと、定着ローラを加熱するヒータと、定着ローラに圧接する加圧ローラとを備えて、トナー像を転写した用紙が定着ローラと加圧ローラの定着ニップを通り、両ローラにより加熱、加圧されてトナー像が用紙に定着される。

このような、定着装置においては、定着ローラの長手方向における温度分布を均一にすることが望ましいが、実際にそのような制御は難しい。例えば、加熱源を内包するローラの両端部は開口をもつため、熱がこの開口から逃げてしまいローラ両端の温度が低くなりがちである。このため、特に定着前の待機状態から定着動作に入ったばかりの時点でローラ両端にて定着性が不十分となる。また、通紙される用紙のサイズがローラ長に対し小さいと、紙が通過しないローラ面（非通紙部）では、熱がローラに蓄積されてしまいローラ温度が異常に昇温する。このため、ローラの周面に接触配置された分離爪、クリーニング手段、またシリコンゴム等からなる弾性層やフッ素樹脂等からなる離型層が異常昇温する部分にて熱損傷を受けてしまう。

そこで、特許文献１では、定着ローラの内部に、ヒータとして二本のハロゲンランプが設けられ、第１ヒータは非通紙側の配熱量を他の部分より小さく設定されていて、これに対し、第２ヒータは逆に非通紙側の配熱量を他の部分より大きく設定されている。待機状態では、第１ヒータが消灯し、第２ヒータのみでローラ温度を維持するように制御して、印刷中では、第２ヒータが消灯し、第１ヒータによって、定着ローラが所定の温度になるように制御される。このように制御することによって、待機状態においては、定着ローラは第２ヒータで温度制御されているので、ローラ端部の配熱量の余分量がローラ端面からの放熱量を補償し、ローラの温度分布は、ローラの端部が中央より幾分高くなる。このような状態から大きなサイズの紙で印刷を開始すると、第１ヒータで温度制御が始まるので、ローラの端部の温度は中央に比べて低下していくが、印刷開始時の温度がローラ端部において高められているので、ローラ端部に定着不良が生ずることはない。小さいサイズの紙で印刷する場合、非通紙部においては余剰の熱が蓄積されて行く傾向にあるが、第１ヒータの配熱分布が非通紙側において他の部分より配熱量を小さくしているため、ローラ端面からの放熱と相俟って蓄積されるので、非通紙部における昇温は許容される範囲内に留まるようになる。

しかしながら、上述した従来技術では、第１及び第２ヒータの配熱量が長手方向に均一なものでなく、さらに第１ヒータと第２ヒータにおいて、中央部と端部の配熱量を互いに異ならせなくてはならないので、特別なヒータを製作することになり製造コストが高くなる。また、画像形成の待機状態と印刷開始状態で第１ヒータと第２ヒータとの温度制御を異ならせなくてはならず、制御が煩雑になり、また通紙部と非通紙部との温度を互いに許容範囲にバランスさせることが難しいという不都合があった。

近年、画像形成装置のウォームアップ時間の短縮や省エネルギー化への要求が高まる中で、定着装置の熱源として、ハロゲンヒータに替えて、電磁誘導加熱方式の熱源を採用することが提案されている。しかし、電磁誘導加熱方式においても、ハロゲンランプ等のヒータ方式と同様に、誘導加熱される定着ローラは、その端部を支持する軸受けから装置フレームへの伝熱が生じることや、空気中への放熱の比率が大きいこと等により、ローラの中央部（通紙部）に比べて端部の温度が低下しやすく、定着ローラの軸方向（長手方向）の温度分布が不均一となるという問題点があった。

そこで、特許文献２では、中空の定着ローラの内部に、誘導加熱用の励磁コイルを有する誘導加熱部が設けられ、定着ローラ周面に、誘導加熱部の発生させる磁束によって誘導加熱される磁性誘導発熱材が設けられている。この誘導加熱部は、定着ローラの磁性誘導発熱材とほぼ等しい軸方向長さを備え、定着ローラの内周面との間に所定の間隔をおいて、定着ローラの中心軸に平行に配置されている。定着ローラの内周面と誘導加熱部の外周面との隙間には、円筒状の非磁性金属からなる磁気遮蔽板が定着ローラの端部から出入り自在に挿入されるようになっている。この磁気遮蔽板は、通紙時に用紙の両側部まで誘導加熱部を覆い、磁性誘導発熱材の誘導加熱を抑制することができるようなもので、その軸方向の長さは、最小の通紙部に対応する長さとなっている。そして、ウォームアップ時、待機時及び印刷時、さらに印刷時には用紙幅に応じて、磁気遮蔽板の軸方向位置を変ることができるように、ステッピングモータを駆動制御して、定着ローラ端部の加熱温度が調節されることにより、定着ローラの軸方向の温度分布を均一にしている。

しかしながら、上述した従来技術では、磁気遮蔽板と、それを駆動するステッピンブモータと、駆動制御手段とを用意する必要があるので、部品数が多くなるという問題があるほか、これらの部材を定着装置に配設すると、装置構造が煩雑になり、大型化するという問題がある。ここまで、ローラ方式の定着装置における課題を説明してきたが、ローラ方式以外でも、例えば無端状の定着ベルトをローラによって張架し、定着ベルトと加圧ローラにより、未定着トナー像を用紙に溶融定着する定着方式においても、ローラ方式と同じような課題がある。
特開平５−１３４５７５号公報（段落［００１３］−［００１９］、図２） 特開２００８−１４９６６号公報（段落［００２４］−［００２６］、図２）

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡単な装置構成でウォームアップ時間を短くし、また定着時に加熱部の長手方向の温度分布を均一にする定着装置及びそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、熱源によって加熱される熱ローラを有する加熱部と前記加熱部に圧接する加圧部とを備え、前記加熱部と前記加圧部とにより形成されるニップ部で用紙に転写されたトナー像を溶融定着する定着装置において、前記熱ローラは、熱伝導率の大きい内部ローラと、前記内部ローラの外周部に対面する外部ローラとを備え、前記内部ローラの線膨張係数は前記外部ローラの線膨張係数より大きく、且つ前記外部ローラの内周部は、ウォームアップ開始時、前記内部ローラの外周部に隙間を有して対面するとともに、前記熱ローラの長手方向端部の前記隙間は長手方向中央部の前記隙間より小さいことを特徴としている。

この構成によれば、装置の電源オンにより熱源が駆動されると、熱ローラは昇温していく。ウォームアップ開始の熱ローラの温度が低いときには、外部ローラは隙間を有する内部ローラとは独立して昇温する。熱ローラが定着温度等の所定の温度になると、外部ローラと内部ローラの線膨張係数の差に応じて、内部ローラの外周部が外部ローラの内周部に当接する。内部ローラは外部ローラに当接すると、内部ローラは熱伝導率が大きいので、外部ローラの高温部の熱が内部ローラに移動、蓄積される。

また、熱ローラが昇温していくと、内部ローラの端部は内部ローラの中央部より低い温度で外部ローラに当接し、外部ローラの端部の熱が内部ローラに移動、蓄積される。

また、本発明は、上記構成の定着装置において、前記隙間は、１ｍｍ以下であることを特徴としている。この構成によれば、定着温度近傍より低い温度では、外部ローラの内周部は内部ローラの外周部に対して隙間を有し、定着温度近傍の温度を超えると、内部ローラの外周部が外部ローラの内周部に当接する。

また、本発明は、上記構成の定着装置において、前記加熱部は、前記加圧部に対向して配置される定着部材と、前記定着部材と前記外部ローラとの間に張架される無端状の定着ベルトとを備え、前記定着ベルトと前記加圧部とがニップ部を形成することを特徴としている。

また、本発明は、上記構成の定着装置において、前記外部ローラは磁性誘導発熱材からなり、前記熱源は、磁束を発生させて該磁束によって前記磁性誘導発熱材を誘導加熱する誘導加熱部を備え、前記誘導加熱部は前記定着ベルトの外周で前記熱ローラに対向配置されることを特徴としている。

また、本発明は、上記構成の定着装置において、前記外部ローラは前記加圧部に対向して配置され、前記外部ローラと前記加圧部とがニップ部を形成することを特徴としている。

また、本発明は、上記構成の定着装置において、前記外部ローラは磁性誘導発熱材からなり、前記熱源は、磁束を発生させて該磁束によって前記磁性誘導発熱材を誘導加熱する誘導加熱部を備え、前記誘導加熱部は前記熱ローラの内側に配置されることを特徴としている。

また、本発明の画像形成装置は、上記の構成の定着装置が搭載されたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、装置の電源オンにより熱源が駆動されると、熱ローラは昇温していく。ウォームアップ開始の熱ローラの温度が低いときには、外部ローラは、隙間を有する内部ローラとは独立して、熱源によって昇温させられるので、早く昇温して、ウォームアップ時間を短くすることができる。熱ローラが定着温度近傍の温度になると、外部ローラと内部ローラの線膨張係数の差に応じて、内部ローラの外周部が外部ローラの内周部に当接する。内部ローラは外部ローラに当接すると、内部ローラは熱伝導率が大きいので、外部ローラの高温部の熱が内部ローラに移動、蓄積され、外部ローラの温度ムラが抑制され、定着時に加熱部の長手方向の温度分布を均一にすることができる。

また、請求項１に記載の発明によれば、熱ローラが昇温していくと、内部ローラの長手方向端部は内部ローラ長手方向中央部より低い温度で外部ローラに当接し、外部ローラの端部の熱が内部ローラに移動、蓄積されるので、小さいサイズの紙で印刷する場合、端部の過昇温を防止することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、定着温度近傍より低い温度では、外部ローラの内周部は内部ローラの外周部に対して隙間を有し、定着温度近傍の温度を超えると、内部ローラの外周部が外部ローラの内周部に当接するので、ウォームアップ時間を短縮させることができ、外部ローラの温度分布の均一化に支障をきたすおそれがない。

また、請求項３に記載の発明によれば、装置の電源オンにより熱源が駆動されると、熱ローラ及び定着ベルトは昇温していく。ウォームアップ開始の熱ローラの温度が低いときには、外部ローラは隙間を有する内部ローラとは独立して昇温するので、外部ローラ及び定着ベルトは早く昇温して、ウォームアップ時間を短くすることができる。熱ローラが定着温度等の所定の温度になると、外部ローラと内部ローラの線膨張係数の差に応じて、内部ローラの外周部が外部ローラの内周部に当接する。内部ローラは外部ローラに当接すると、内部ローラは熱伝導率が大きいので、外部ローラの高温部の熱が内部ローラに移動、蓄積され、外部ローラの温度ムラが抑制され、外部ローラ及び定着ベルトの長手方向の温度分布を均一にすることができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、外部ローラは磁性誘導発熱材からなり、熱源は、磁束を発生させて該磁束によって磁性誘導発熱材を誘導加熱する誘導加熱部を備え、誘導加熱部は定着ベルトの外周で前記熱ローラに対面配置されるので、ウォームアップ時間の短縮や省電力にすることができる。

また、請求項５に記載の発明によれば、装置の電源オンにより熱源が駆動されると、熱ローラは昇温していく。ウォームアップ開始の熱ローラの温度が低いときには、外部ローラは隙間を有する内部ローラとは独立して昇温するので、外部ローラは早く昇温して、ウォームアップ時間を短くすることができる。熱ローラが定着温度等の所定の温度になると、外部ローラと内部ローラの線膨張係数の差に応じて、内部ローラの外周部が外部ローラの内周部に当接する。内部ローラは外部ローラに当接すると、内部ローラは熱伝導率が大きいので、外部ローラの高温部の熱が内部ローラに移動、蓄積され、外部ローラの温度ムラが抑制され、外部ローラの長手方向の温度分布を均一にすることができる。

また、請求項６に記載の発明によれば、外部ローラは磁性誘導発熱材からなり、熱源は、磁束を発生させて該磁束によって磁性誘導発熱材を誘導加熱する誘導加熱部を備え、誘導加熱部は熱ローラの内側に配置されるので、ウォームアップ時間の短縮や省電力にすることができる。

また、請求項７に記載の発明によれば、簡単な装置構成でウォームアップ時間を短くし、また定着時に加熱部の長手方向の温度分布を均一にする定着装置を備える画像形成装置にすることができる。

以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は、この実施形態に限定されない。本発明の実施形態は発明の最も好ましい形態を示すものであり、また発明の用途やここで示す用語等はこれに限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係るモノクロ画像を形成する画像形成装置の全体構成を示す概略平面図である。図１に示すように、画像形成装置１は、その下部に配設された給紙部２と、この給紙部２の右方に配設された用紙搬送部３と、この用紙搬送部３の上方に配設された画像形成部４と、この画像形成部４の左方に配設された定着装置５と、これらの画像形成部４及び定着装置５の上方に配設された画像読取部６を備えている。

給紙部２は、用紙９が収容された複数（本実施形態においては４つ）の給紙カセット７を備えており、給紙ローラ８の回転動作により、複数の給紙カセット７のうち選択された給紙カセット７から用紙９が１枚ずつ確実に用紙搬送部３側に送り出される。

用紙搬送部３に送られた用紙９は、用紙供給経路１０を経由して画像形成部４に向けて搬送される。この画像形成部４は、電子写真方式によって、用紙９にトナー像を形成するものであり、所定の方向（図中の矢印方向）に回転可能に軸支された像担持体である感光体１１と、この感光体１１の周囲にその回転方向に沿って、帯電装置１２、露光装置１３、現像装置１４、転写装置１５、クリーニング装置１６及び除電装置１７を備えている。

帯電装置１２は、高電圧が印加される帯電ワイヤを備えており、この帯電ワイヤからのコロナ放電によって感光体１１表面に所定電位を与えると、感光体１１表面が一様に帯電させられる。そして、画像読取部６によって読み取られた原稿の画像データに基づく光が、露光装置１３により、感光体１１に照射されると、感光体１１の表面電位が選択的に減衰されて、この感光体１１表面に静電潜像が形成される。次いで、現像装置１４によって感光体１１表面の静電潜像にトナーが付着され、トナー像が形成される。このトナー像が転写装置１５によって感光体１１と転写装置１５との間に供給された用紙９に転写される。

トナー像が転写された用紙９は、画像形成部４の用紙搬送方向の下流側に配置された定着装置５に向けて搬送される。定着装置５では、加熱部及び加圧部によって、用紙９が加熱加圧され、用紙９上にトナー像が溶融定着される。次いで、定着された用紙９は、排出ローラ対２０によって排出トレイ２１上に排出される。一方、転写装置１５による転写後、感光体１１表面に残留しているトナーは、クリーニング装置１６により除去され、また感光体１１表面の残留電荷は、除電装置１７により除去される。そして、感光体１１は帯電装置１２によって再び帯電され、以下同様にして画像形成が行われることになる。

定着装置５について詳しく説明する。図２は、上述の画像形成装置１に用いられる定着装置５の概略の構成を示す断面平面図である。

定着装置５は、電磁誘導加熱方式を用いたベルト定着方式であり、加圧部としての加圧ローラ１９と、加圧ローラ１９に対面して配置される加熱部１８を備える。加熱部１８は、無端状の定着ベルト２６と、この定着ベルト２６に内包される定着ローラ２３と、この定着ローラ２３とともに定着ベルト２６を張架する熱ローラ５０とを備える。

また、定着装置５は、定着ベルト２６の外周で熱ローラ５０に対向して配される熱源としての誘導加熱部３０と、誘導加熱部３０に接続される電源４１と、定着ベルト２６の外周面の温度を検知するサーミスタ２５及びサーミスタ２５の検知温度に基づいて電源４１を調整する制御部４３とを備える。加圧ローラ１９と、定着ローラ２３及び熱ローラ５０は定着装置５の筐体（図略）に回転可能に軸支され、誘導加熱部３０及びサーミスタ２５は筐体（図略）に固定保持されている。

加圧ローラ１９は、モータ等の駆動源（図略）によって図２の矢印方向に回転駆動して、さらに定着ローラ２３をその中心方向に加圧する。これにより、加圧ローラ１９が定着ベルト２６を介して定着ローラ２３に圧接し、定着ベルト２６と定着ローラ２３とが図２の矢印方向に回転し、定着ベルト２６と加圧ローラ１９との当接する部分にニップ部Ｎが形成される。このニップ部Ｎにおいて、用紙９が挟持され、挟持された用紙９を加熱及び加圧させることにより、用紙９上の粉体状態のトナーが溶融定着される。

誘導加熱部３０は、励磁コイル３７とホビン３８とコア３９とを備え、電磁誘導により熱ローラ５０及び定着ベルト２６を加熱するものであり、熱ローラ５０の長手方向に延びて、定着ベルト２６の外周で熱ローラ５０の半円を囲うように対向して配される。

銅線の励磁コイル３７は、ホビン３８に巻回され、コア３９の中央部の周りを長手方向に周回するように、熱ローラ５０外周の半円にわたって渦巻状に配設されている。また励磁コイル３７は、電源４１に接続されていて、電源４１から供給される高周波電流により磁束を発生させる。励磁コイル３７から発せられる磁束は、図２の紙面に平行な方向に発せられ、熱ローラ５０及び定着ベルト２６の後述する各磁性誘導発熱材を貫通する。磁性誘導発熱材の磁束の周りに渦電流が生じ、磁性誘導発熱材内の電気抵抗によってジュール熱が発生して、磁性誘導発熱材が発熱することになる。磁性誘導発熱材の発熱によって、熱ローラ５０及び定着ベルト２６が加熱される。制御部４３は、電源４１とサーミスタ２５を接続して、サーミスタ２５の検知する温度に基づいて、定着ベルト２６が所定の温度になるように電源４１の電力を制御している。

加圧ローラ１９は、合成樹脂、金属その他材料から構成される円筒形状の基材１９ａと、基材１９ａ上に形成されニップ部Ｎへ弾性を付与するシリコンゴムの弾性層１９ｂと、この弾性層１９ｂの表面を覆って、ニップ部Ｎで未定着トナー像を溶融定着する際の離型性を向上させるフッ素樹脂製の離型層１９ｃとを備える。

定着ローラ２３は、ステンレス鋼製で円筒形状の基材２３ａと、基材２３ａ上に形成されニップ部Ｎへ弾性を付与するスポンジゴム製の弾性層２３ｂとを備える。

定着ベルト２６は、定着ローラ２３に接する側から順に、磁性誘導発熱層２６ａと、弾性層２６ｂ及び離型層２６ｃとが積層されて構成される。磁性誘導発熱層２６ａはニッケルで形成され、定着ベルト２６に可撓性を付与する。また、磁性誘導発熱層２６ａは、誘導加熱部３０から発せられる磁束を貫通させ、その磁束の周りに発生する渦電流によって発熱して、定着ベルト２６を所定の温度に昇温させる。弾性層２６ｂは定着ベルト２６に弾性を付与するシリコンゴムで形成され、離型層２６ｃは、ニップ部Ｎで未定着トナー像を溶融定着する際の離型性を向上させるのに、フッ素樹脂で形成される。

熱ローラ５０は外部ローラ５１と内部ローラ５２を備える。熱ローラ５０を図３に基づいて詳しく説明する。図３は、熱ローラの軸線から上側半分の構成を概略的に示す断面側面図であり、下側半分も上側部と同じ構成である。

熱ローラ５０は、磁性誘導発熱材からなる外部ローラ５１と、熱伝導率の大きい材料からなる内部ローラ５２と、外部ローラ５１と内部ローラ５２を保持する保持部材５３を備える。

外部ローラ５１は、磁性誘導発熱材である鉄によって円筒形状に形成され、その外側部５１ｂで定着ベルト２６を張架し、その内周部５１ａの両端部で保持部材５３のフランジ部５３ａに保持される。磁性誘導発熱部材（鉄材）は、誘導加熱部３０（図２参照）から発せられる磁束を貫通させ、その磁束の周りに発生する渦電流によって発熱して、外部ローラ５１は所定の温度に昇温する。

内部ローラ５２は、前述のように熱伝導性の大きく、且つ外部ローラ５１より線膨張係数の大きい、例えばアルミニウム等の金属で形成される。また、内部ローラ５２は、段差のある円筒形状に形成され、外周部５２ａと保持部５２ｂを有する。外周部５２ａは、内部ローラ５２の長手方向の中央部から側部における、定着する用紙幅Ｗの範囲に設けられ、保持部５２ｂは、外周部５２ａより外径が小さく、内部ローラ５２の両端側に設けられる。

保持部５２ｂは保持部材５３のフランジ部５３ｂに保持される。尚、保持部材５３は、弾性変形の大きいプラスチックで形成され、外部ローラ５１と内部ローラ５２の熱膨張によって径方向に寸法変化があっても、弾性変形の範囲内で保持しうるように、外部ローラ５１と内部ローラ５２を嵌装している。また、保持部材５３の側面部５３ｃは定着ベルト２６の回転時の蛇行を防止している。

内部ローラ５２の外周部５２ａは、外部ローラ５１の内周部５１ａと隙間Ｄを有して対面している。この隙間Ｄは、内周部５１ａ（外部ローラ５１）と外周部５２ａ（内部ローラ５２）との直径の寸法差である。ウォームアップ開始時の常温状態において、この隙間Ｄは所定の寸法に設定される。熱ローラ５０は誘導加熱部３０（図２参照）によって、ウォームアップ開始時から徐々に加熱され、外部ローラ５１と内部ローラ５２は、隙間Ｄ離間していると、それぞれ独立して昇温する。外部ローラ５１は、誘導加熱部３０（図２参照）による磁性誘導によって発熱し、昇温していく。内部ローラ５２は外部ローラ５１の昇温にともなう放熱によって昇温していく。

ウォームアップ開始時の常温状態から定着温度近傍まで昇温していくと、内部ローラ５２と外部ローラ５１の線膨張係数の差異に応じて、隙間Ｄが徐々に小さくなり、定着温度近傍の所定温度になると、外周部５２ａは内周部５１ａに当接する。

内部ローラ５２が外部ローラ５１に当接すると、内部ローラ５２の熱伝導率が相対的に大きいので、外部ローラ５１に温度の高い部位があると、外部ローラ５１の高温部の熱が内部ローラ５２に移動し、内部ローラ５２はその熱を蓄積し、外部ローラ５１の長手方向の温度ムラが抑制される。

上記第１実施形態によれば、定着装置５は、誘導加熱部３０によって加熱される熱ローラ５０と、加圧ローラ１９に圧接される定着ローラ２３と、定着ローラ２３と熱ローラ５０との間に張架される無端状の定着ベルト２６とを備え、定着ベルト２６と加圧ローラ１９により形成されるニップ部Ｎで用紙９に転写されたトナー像を溶融定着する。熱ローラ５０は、熱伝導率の大きい内部ローラ５２と、この内部ローラ５２の外周部５２ａに対面する外部ローラ５１とを備え、内部ローラ５２の線膨張係数は外部ローラ５１の線膨張係数より大きく、且つ外部ローラ５１の内周部５１ａは、ウォームアップ開始時、内部ローラ５２の外周部５２ａに隙間Ｄを有して対面する。

この構成によると、装置の電源オンにより誘導加熱部３０が駆動されると、熱ローラ５０は昇温していく。ウォームアップ開始時の熱ローラ５０の温度が低いときには、外部ローラ５１は、隙間Ｄを有する内部ローラ５２とは独立して、誘導加熱部３０によって昇温させられるので、早く昇温して、ウォームアップ時間を短くすることができる。熱ローラ５０が定着温度近傍の温度になると、外部ローラ５１と内部ローラ５２の線膨張係数の差に応じて、内部ローラ５２の外周部５２ａが外部ローラ５１の内周部５１ａに当接する。内部ローラ５２が外部ローラ５１に当接すると、内部ローラ５２は熱伝導率が大きいので、外部ローラ５１の高温部の熱が内部ローラ５２に移動、蓄積され、外部ローラ５１の長手方向の温度ムラが抑制されることにより、外部ローラ５１の長手方向の温度分布を均一にすることができる。

尚、上記第１第実施形態では、ベルト定着方式において、熱源としての誘導加熱部３０が熱ローラ５０の外周側に配置される構成を示したが、本発明はこれに限らず、ベルト定着方式において、熱源としての誘導加熱部が熱ローラの内側に配置される構成してもよい。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る熱ローラの構成を概略的に示す断面側面図である。尚、図４は、熱ローラの定着用紙幅の範囲で、熱ローラの軸線から上側半分の構成を概略的に示す断面側面図であり、下側半分も上側部と同じ構成である。第１実施形態と異なる、下部ローラの構成について主に説明し、以降、第１実施形態と同じ部分の説明を省略する。

熱ローラ５０は、磁性誘導発熱材からなる外部ローラ５１と、熱伝導率の大きい材料からなる内部ローラ５２とを備え、外部ローラ５１と内部ローラ５２は図示しない保持部材に保持される。

外部ローラ５１は、磁性誘導発熱材である鉄によって円筒形状に形成され、その外側部５１ｂで定着ベルト２６を張架する。磁性誘導発熱部材は、誘導加熱部３０（図２参照）から発せられる磁束を貫通させ、その磁束の周りに発生する渦電流によって発熱して、外部ローラ５１は所定の温度に昇温する。

内部ローラ５２は、熱伝導性の大きく、且つ外部ローラ５１より線膨張係数の大きい、例えばアルミニウム等の金属で円筒形状に形成される。外周部５２ａは、定着する用紙幅の範囲に設けられ、長手方向端部の外径が中央部の外径より大きいクラウン形状をなし、長手方向端部で隙間Ｄ１を有して、また中央部で隙間Ｄ２を有して、外部ローラ５１の内周部５１ａと対面している。隙間Ｄ１は隙間Ｄ２より小さい。

熱ローラ５０は誘導加熱部３０（図２参照）によって、ウォームアップ開始時から徐々に加熱され、外部ローラ５１と内部ローラ５２は、隙間Ｄ１、Ｄ２離間していると、それぞれ独立して昇温する。外部ローラ５１は、誘導加熱部３０（図２参照）による磁性誘導によって発熱し、昇温していく。内部ローラ５２は外部ローラ５１の昇温にともなう放熱によって昇温していく。

ウォームアップ開始時の常温状態から定着温度近傍まで昇温していくと、内部ローラ５２と外部ローラ５１の線膨張係数の差異に応じて、隙間Ｄ１、Ｄ２が徐々に小さくなり、定着温度近傍の所定温度になると、外周部５２ａは、まず長手方向端部が外部ローラ５１の内周部５１ａに当接し、熱ローラ５０の温度上昇とともに、徐々に中央部に向けて、内周部５１ａに当接する。

内部ローラ５２の端部が外部ローラ５１に当接すると、内部ローラ５２の熱伝導率が相対的に大きいので、内部ローラ５２の端部では、外部ローラ５１の端部に蓄積された熱を内部ローラ５２に移動させる。そして、熱ローラ５０の温度上昇とともに、外部ローラ５１が徐々に中央部に向けて、内部ローラ５２に当接すると、外部ローラ５１の中央部側に蓄積された熱を内部ローラ５２に移動させ、外部ローラ５１の長手方向の温度ムラが抑制される。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態に係る熱ローラの構成を概略的に示す断面側面図である。尚、図５は、熱ローラの定着用紙幅の範囲で、熱ローラの軸線から上側半分の構成を概略的に示す断面側面図であり、下側半分も上側部と同じ構成である。

熱ローラ５０は、磁性誘導発熱材からなる外部ローラ５１と、熱伝導率の大きい材料からなる内部ローラ５２とを備え、外部ローラ５１と内部ローラ５２は図示しない保持部材に保持される。

外部ローラ５１は、磁性誘導発熱材である鉄によって円筒形状を形成され、その外側部５１ｂで定着ベルト２６を張架する。磁性誘導発熱部材は、誘導加熱部３０（図２参照）から発せられる磁束を貫通させ、その磁束の周りに発生する渦電流によって発熱して、外部ローラ５１は所定の温度に昇温する。

内部ローラ５２は、熱伝導性の大きく、且つ外部ローラ５１より線膨張係数の大きい、例えばアルミニウム等の金属で円筒形状に形成される。外周部５２ａは、定着する用紙幅の範囲に設けられ、長手方向端部の外径が中央部の外径より大きい段差を有し、長手方向端部で隙間Ｄ１を有して、また中央部で隙間Ｄ２を有して、外部ローラ５１の内周部５１ａと対面している。隙間Ｄ１は隙間Ｄ２より小さい。

熱ローラ５０は誘導加熱部３０（図２参照）によって、ウォームアップ開始時から徐々に加熱され、外部ローラ５１と内部ローラ５２は、隙間Ｄ１、Ｄ２離間していると、それぞれ独立して昇温する。外部ローラ５１は、誘導加熱部３０（図２参照）による磁性誘導によって発熱し、昇温していく。内部ローラ５２は外部ローラ５１の昇温にともなう放熱によって昇温していく。

ウォームアップ開始時の常温状態から定着温度近傍まで昇温していくと、内部ローラ５２と外部ローラ５１の線膨張係数の差異に応じて、隙間Ｄ１、Ｄ２が徐々に小さくなり、定着温度近傍の所定温度になると、外周部５２ａは、まず長手方向端部が外部ローラ５１の内周部５１ａに当接し、熱ローラ５０がさらに温度上昇すると、外周部５２ａの中央部が内周部５１ａに当接する。

内部ローラ５２の端部が外部ローラ５１に当接すると、内部ローラ５２の熱伝導率が相対的に大きいので、内部ローラ５２の端部では、外部ローラ５１の端部に蓄積された熱を内部ローラ５２に移動させる。そして、熱ローラ５０の温度上昇とともに、外部ローラ５１の中央部が内部ローラ５２に当接すると、外部ローラ５１の中央部の蓄積された熱を内部ローラ５２に移動させ、外部ローラ５１の長手方向の温度ムラが抑制される。

次に、熱ローラ５０の昇温により、外部ローラ５１と内部ローラ５２との隙間Ｄが小さくなって当接するが、そのことについて図６に基づいて詳しく説明する。図６は、熱ローラの昇温によって、外部ローラの内径寸法と内部ローラの外径寸法とが変化する状態を示すグラフである。図４のグラフの横軸は熱ローラの温度（℃）を示し、その縦軸は熱ローラの直径（外部ローラの内径、内部ローラの外径、単位はｍｍ）を示す。

外部ローラに対して３通りのサイズの内部ローラを用意した。外部ローラの内径を２９ｍｍに設定し、内部ローラＡは外径２８．５ｍｍに設定し、内部ローラＢは外径２８．４ｍｍに設定し、内部ローラＣは外径２８．３ｍｍに設定した。さらに各内部ローラＡ〜Ｃは長手方向の中央部にクラウン量０．１ｍｍ（中央部が外径で０．１ｍｍ小さい）設定してある。尚、これらの外部及び内部ローラの寸法は、ウォームアップ開始時（２０℃）のものである。このとき、外部ローラとの各隙間Ｄ（直径の寸法差）は、内部ローラＡで０．５ｍｍ、内部ローラＢで０．６ｍｍ、内部ローラＣで０．７ｍｍとなる。外部ローラは鉄製で、内部ローラＡ〜Ｃはアルミニウム製である。

図６から明らかなように、昇温していくと、内部ローラＡは略１６０℃で外部ローラに当接し、内部ローラＢは略１８０℃で外部ローラに当接し、内部ローラＣは略２００℃で外部ローラに当接することになる。

この結果、外部ローラと内部ローラＢを組み合わせた熱ローラを用いた定着装置は、外部ローラと内部ローラをウォームアップ開始時から当接させた熱ローラを用いた装置に比べて、ウォームアップ時間を略１５秒短縮することができ、またＡ５サイズ用紙を５００枚定着したとき、外部ローラ端部の過昇温を略１０℃下げることができる。

内部ローラＢのように、略１８０℃（定着温度）で外部ローラに当接し、ウォームアップ時間の短縮とローラ端部過昇温の抑制との両方を満足させるのがよいが、画像形成装置の製品仕様によっては、ウォームアップ時間を一層短縮すること、または、種々の用紙サイズに対してもローラ温度分布を一層均一にすることの、どちらかを優先して要求されることがある。この場合には、内部ローラと外部ローラの当接する温度を略１８０℃から所定の範囲で設定するのがよい。

ウォームアップ時間の短縮を優先させるときは、内部ローラと外部ローラの当接する温度を略１８０℃より上昇させるのがよい。そのために隙間Ｄを大きくする。隙間Ｄを１ｍｍ以下の範囲で大きくするのなら、ウォームアップ時間を一層短縮することができ、外部ローラの温度分布の均一化に支障をきたすおそれがない。

一方、ローラ温度分布の均一化を優先させるときは、内部ローラと外部ローラの当接する温度を略１８０℃より下げるのがよい。そのために隙間Ｄを小さくする。隙間Ｄを０．５ｍｍ以上の範囲で小さくするのなら、ローラ温度分布の均一化が一層図られ、ウォームアップ時間の短縮に支障をきたすおそれがない。

上記第２及び第３実施形態によれば、長手方向端部の隙間Ｄ１は長手方向中央部の隙間Ｄ２より小さい。

この構成によると、熱ローラ５０が昇温していくと、内部ローラ５２の長手方向端部は内部ローラ５２長手方向中央部より低い温度で外部ローラ５１に当接し、外部ローラ５１の端部の熱が内部ローラ５２に移動、蓄積されるので、小さいサイズの紙で印刷する場合、端部の過昇温を防止することができる。

尚、上記第２及び第３実施形態では、長手方向端部の隙間Ｄ１が長手方向中央部の隙間Ｄ２より小さくなるように、外部ローラ５１を円筒形状にし、内部ローラ５２の外周部５２ａをクラウン形状、または段差を有する形状にする構成を示したが、本発明はこれに限らず、内部ローラを円筒形状にし、外部ローラの内周部をクラウン形状または段差を有する形状にしてもよい。この場合も上記同様の効果を奏する。

（第４実施形態）
第４実施形態は、第１〜第３実施形態における電磁誘導加熱方式を用いたベルト定着方式に替えて、電磁誘導加熱方式を用いたローラ定着方式に適用したものである。図７は、本発明の第４実施形態に係る定着装置の構成を概略的に示す断面平面図である。図８は、定着装置の熱ローラの構成を概略的に示す断面側面図である。

定着装置５は、加圧ローラ１９と、加圧ローラ１９に対向して配置される加熱部１８を備える。加熱部１８は熱ローラ６０で構成される。

また、定着装置５は、筒状の熱ローラ６０の内側に配される熱源としての誘導加熱部３０と、誘導加熱部３０に接続される電源４１と、熱ローラ６０の温度を検知するサーミスタ２５及びサーミスタ２５の検知温度に基づいて電源４１を調整する制御部４３とを備える。加圧ローラ１９と熱ローラ６０は定着装置５の筐体（図略）に回転可能に軸支され、誘導加熱部３０及びサーミスタ２５は筐体（図略）に固定保持されている。

加圧ローラ１９は、モータ等の駆動源（図略）によって図７の矢印方向に回転駆動して、さらに熱ローラ６０をその中心方向に加圧する。これにより、加圧ローラ１９が熱ローラ６０に圧接し、熱ローラ６０が図７の矢印方向に回転し、熱ローラ６０と加圧ローラ１９との当接する部分にニップ部Ｎが形成される。このニップ部Ｎにおいて、用紙９が挟持され、挟持された用紙９を加熱及び加圧させることにより、用紙９上の粉体状態のトナーが溶融定着される。

誘導加熱部３０は、励磁コイル３１とホビン３３とコア３５とを備え、電磁誘導により熱ローラ６０を加熱するものであり、熱ローラ６０内での長手方向に延びて、円筒状の熱ローラ６０の内周全域に対向して配される。

銅線の励磁コイル３１は、ホビン３３の外周に、熱ローラ６０の長手方向に同じコイル巻き密度で熱ローラ６０周方向に周回するように巻回されている。また励磁コイル３１は、電源４１に接続されていて、電源４１から供給される高周波電流により磁束を発生させる。励磁コイル３１から発せられる磁束は、図７の紙面に垂直な方向に発せられ、熱ローラ６０の後述する磁性誘導発熱材を貫通する。磁性誘導発熱材の磁束の周りに渦電流が生じ、磁性誘導発熱材内の電気抵抗によってジュール熱が発生して、磁性誘導発熱材が発熱することになる。磁性誘導発熱材の発熱によって、熱ローラ６０が加熱される。制御部４３は、電源４１とサーミスタ２５を接続して、サーミスタ２５の検知する温度に基づいて、熱ローラ６０が所定の温度になるように電源４１の電力を制御している。

加圧ローラ１９は、合成樹脂、金属その他材料から構成される円筒形状の基材１９ａと、基材１９ａ上に形成されニップ部Ｎへ弾性を付与するシリコンゴムの弾性層１９ｂと、この弾性層１９ｂの表面を覆って、ニップ部Ｎで未定着トナー像を溶融定着する際の離型性を向上させるフッ素樹脂製の離型層１９ｃとを備える。

熱ローラ６０は外部ローラ６１と内部ローラ６２を備える。熱ローラ６０を図８に基づいて詳しく説明する。図８は、熱ローラの軸線から上側半分の構成を概略的に示す断面側面図であり、下側半分も上側部と同じ構成である。

熱ローラ６０は、磁性誘導発熱材からなる外部ローラ６１と、熱伝導率の大きい材料からなる内部ローラ６２と、外部ローラ６１と内部ローラ６２を保持する保持部材６３を備える。

外部ローラ６１は、磁性誘導発熱材である鉄によって円筒形状に形成され、その外側部６１ｂで加圧ローラ１９（図７参照）に圧接し、その内周部６１ａの両端部で保持部材６３のフランジ部６３ａに保持される。磁性誘導発熱部材（鉄材）は、誘導加熱部３０（図７参照）から発せられる磁束を貫通させ、その磁束の周りに発生する渦電流によって発熱して、外部ローラ６１は所定の温度に昇温する。

内部ローラ６２は、前述のように熱伝導性の大きく、且つ外部ローラ６１より線膨張係数の大きい、例えばアルミニウム等の金属で形成される。また、内部ローラ６２は、段差のある円筒形状に形成され、外周部６２ａと保持部６２ｂを有する。外周部６２ａは、長手方向の中央部から側部における、定着する用紙幅Ｗの範囲に設けられ、保持部６２ｂは、外周部６２ａより外径が小さく、内部ローラ６２の両端側に設けられる。

保持部６２ｂは保持部材６３のフランジ部６３ｂに保持される。尚、保持部材６３は、弾性変形の大きいプラスチックで形成され、外部ローラ６１と内部ローラ６２の熱膨張によって径方向に寸法変化があっても、弾性変形の範囲内で保持しうるように、外部ローラ６１と内部ローラ６２を嵌装している。

内部ローラ６２の外周部６２ａは、外部ローラ６１の内周部６１ａと隙間Ｄを有して対面している。この隙間Ｄは、内周部６１ａ（外部ローラ６１）と外周部６２ａ（内部ローラ６２）との直径の寸法差である。ウォームアップ開始時の常温状態において、この隙間Ｄは所定の寸法に設定される。熱ローラ６０は誘導加熱部３０（図７参照）によって、ウォームアップ開始時から徐々に加熱され、外部ローラ６１と内部ローラ６２は、隙間Ｄ離間していると、それぞれ独立して昇温する。外部ローラ６１は、誘導加熱部３０（図７参照）による磁性誘導によって発熱し、昇温していく。内部ローラ６２は外部ローラ６１の昇温にともなう放熱によって昇温していく。

ウォームアップ開始時の常温状態から定着温度近傍まで昇温していくと、内部ローラ６２と外部ローラ６１の線膨張係数の差異に応じて、隙間Ｄが徐々に小さくなり、定着温度近傍の所定温度になると、外周部６２ａは外部ローラ６１の内周部６１ａに当接する。

内部ローラ６２が外部ローラ６１に当接すると、内部ローラ６２の熱伝導率が相対的に大きいので、外部ローラ６１に温度の高い部位があると、外部ローラ６１の高温部の熱が内部ローラ６２に移動し、内部ローラ６２はその熱を蓄積し、外部ローラ６１の長手方向の温度ムラが抑制される。

上記第４実施形態によれば、定着装置５は、誘導加熱部３０によって加熱される熱ローラ６０と熱ローラ６０に圧接する加圧ローラ１９とを備え、熱ローラ６０と加圧ローラ１９により形成されるニップ部Ｎで用紙９に転写されたトナー像を溶融定着する。熱ローラ６０は、熱伝導率の大きい内部ローラ６２と、この内部ローラ６２の外周部６２ａに対面する外部ローラ６１とを備え、内部ローラ６２の線膨張係数は外部ローラ６１の線膨張係数より大きく、且つ外部ローラ６１の内周部６１ａは、ウォームアップ開始時、内部ローラ６２の外周部６２ａに隙間Ｄを有して対面する。

この構成によると、装置の電源オンにより誘導加熱部３０が駆動されると、熱ローラ６０は昇温していく。ウォームアップ開始の熱ローラ６０の温度が低いときには、外部ローラ６１は、隙間Ｄを有する内部ローラ６２とは独立して、誘導加熱部３０によって昇温させられるので、早く昇温して、ウォームアップ時間を短くすることができる。熱ローラ６０が定着温度近傍の温度になると、外部ローラ６１と内部ローラ６２の線膨張係数の差に応じて、内部ローラ６２の外周部６２ａが外部ローラ６１の内周部６１ａに当接する。内部ローラ６２は外部ローラ６１に当接すると、内部ローラ６２は熱伝導率が大きいので、外部ローラ６１の高温部の熱が内部ローラ６２に移動、蓄積され、外部ローラ６１の長手方向の温度ムラが抑制されることにより、外部ローラ６１の長手方向の温度分布を均一にすることができる。

尚、上記第４実施形態では、外部ローラ６１の内周部６１ａと内部ローラ６２の外周部６２ａは、長手方向に均一に隙間Ｄを有して対面する構成を示したが、本発明はこれに限らず、外部ローラの内周部と内部ローラの外周部のどちらかをクラウン形状、または段差を有する形状にして、長手方向の端部の隙間が中央部の隙間より小さくなる構成にしてもよい。この場合も、小さいサイズの紙で印刷する場合、端部の過昇温を防止することができる。

上記実施形態では、熱源を誘導加熱部３０で構成したが、本発明はこれに限らず、熱源としてハロゲンヒータを用い、ベルト定着方またはローラ定着方式等において、熱源によって、熱ローラの外部ローラを主に加熱するように構成してもよい。

本発明は、電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機に用いる定着装置及びそれを備えた画像形成装置に利用することができる。

は、本発明の第１実施形態に係る画像形成装置の全体構成を示す概略平面図である。 は、本発明の第１実施形態に係る定着装置の構成を概略的に示す平面図である。 は、本発明の第１実施形態に係る定着装置の熱ローラの構成を概略的に示す断面側面図である。 は、本発明の第２実施形態に係る熱ローラの要部構成を概略的に示す断面側面図である。 は、本発明の第３実施形態に係る熱ローラの要部構成を概略的に示す断面側面図である。 は、本発明の第２、第３実施形態に係る温度による熱ローラの直径寸法変化を示す図である。 は、本発明の第４実施形態に係る定着装置の構成を概略的に示す断面平面図である。 は、本発明の第４実施形態に係る定着装置の熱ローラの構成を概略的に示す断面側面図である。

符号の説明

１ 画像形成装置
５ 定着装置
１８ 加熱部
１９ 加圧ローラ（加圧部）
２３ 定着ローラ（定着部材）
２５ サーミスタ
２６ 定着ベルト
３０ 誘導加熱部（熱源）
５０、６０ 熱ローラ
５１、６１ 外部ローラ
５１ａ、６１ａ 内周部
５２、６２ 内部ローラ
５２ａ、６２ａ 外周部
５２ｂ、６２ｂ 保持部
５３、６３ 保持部材
５３ａ、５３ｂ、６３ａ、６３ｂ フランジ部
Ｄ 隙間

Claims (7)

1. 熱源によって加熱される熱ローラを有する加熱部と前記加熱部に圧接する加圧部とを備え、前記加熱部と前記加圧部とにより形成されるニップ部で用紙に転写されたトナー像を溶融定着する定着装置において、
   前記熱ローラは、熱伝導率の大きい内部ローラと、前記内部ローラの外周部に対面する外部ローラとを備え、
   前記内部ローラの線膨張係数は前記外部ローラの線膨張係数より大きく、且つ前記外部ローラの内周部は、ウォームアップ開始時、前記内部ローラの外周部に隙間を有して対面するとともに、前記熱ローラの長手方向端部の前記隙間は長手方向中央部の前記隙間より小さいことを特徴とする定着装置。
2. 前記隙間は、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記加熱部は、前記加圧部に対向して配置される定着部材と、前記定着部材と前記外部ローラとの間に張架される無端状の定着ベルトとを備え、前記定着ベルトと前記加圧部とがニップ部を形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の定着装置。
4. 前記外部ローラは磁性誘導発熱材からなり、前記熱源は、磁束を発生させて該磁束によって前記磁性誘導発熱材を誘導加熱する誘導加熱部を備え、前記誘導加熱部は前記定着ベルトの外周で前記熱ローラに対向配置されることを特徴とする請求項３に記載の定着装置。
5. 前記外部ローラは前記加圧部に対向して配置され、前記外部ローラと前記加圧部とがニップ部を形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の定着装置。
6. 前記外部ローラは磁性誘導発熱材からなり、前記熱源は、磁束を発生させて該磁束によって前記磁性誘導発熱材を誘導加熱する誘導加熱部を備え、前記誘導加熱部は前記熱ローラの内側に配置されることを特徴とする請求項５に記載の定着装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載の定着装置が搭載された画像形成装置。

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