JP5721460B2 - 画像加熱装置およびこれに用いられるローラ - Google Patents

Description

本発明は、複写機やＬＢＰ等、電子写真方式・静電記録方式等の作像プロセスを採用した画像形成装置に使用される画像加熱装置およびこれに用いられるローラに関する。画像加熱装置としては、記録材上に形成した未定着トナー画像を固着画像として加熱定着する定着装置や、記録材に定着された画像を加熱することにより画像の光沢度を増大させる光沢度増大装置等を挙げることができる。

電子写真方式の複写機や電子写真プリンター等の画像形成装置には、記録材上に形成されたトナー像を加熱定着する画像加熱装置としての加熱定着装置が搭載されている。従来、加熱定着装置には、所定の温度に維持された加熱ローラーと、弾性層を有して前記加熱ローラーに圧接する加圧ローラとによって、記録材を挟持搬送しつつ加熱する熱ローラー方式が多用されている。近年、加熱定着装置の省電力化を実現できる加熱方式として、フィルム加熱方式が提案されている。

フィルム加熱方式とは、加熱体の熱を定着フィルムを介在して記録材へ付与することで記録材面に形成担持されている未定着画像を記録材面に加熱定着させる構成の画像加熱定着方式である。そして、加熱体と、加熱体の支持体と、加熱体に対向圧接しつつ搬送される定着部材である耐熱性の定着フィルムと、定着フィルムを介在して記録材を加熱体に密着させる加圧ローラを有する。この加熱装置の加熱体は、一般的にセラミックス基板上に抵抗発熱体を形成したセラミックヒーターを通電により発熱させる構成であり、記録材を加熱する。

加熱体の温度は、加熱体に当接あるいは接着されたサーミスター等の検温素子で検知され、その検知温度を基に記録材が所定の温度になるように制御される。このようなフィルム加熱方式の加熱定着装置は低熱容量の加熱体及び定着部材を用いることができる。よって、従来の熱ローラ方式の加熱定着装置に比べ、加熱体を素早く昇温できる。即ち、定着部材が通電による加熱開始から画像加熱に適する温度となって、記録材の１枚目が定着ニップ部に挿入されるまでの時間（以下、立上げ時間と表記する）の短縮化や省電力化を可能にする。

一方で、近年さらなる立上げ時間の短縮化と省電力化を追求する為、加圧ローラの弾性層を低熱伝導化、低熱容量化した構成が考案されている（特許文献１）。この構成では、加圧ローラの表面から内部への熱拡散を妨げることができる為、加熱体の素早い昇温に加えて、加圧ローラ表面も素早く昇温できるので、さらなる立上げ時間の短縮化が可能となる。

また、長手方向に高い熱伝導率の表面側弾性層を備え、更に表面側弾性層の下側に、表面側弾性層よりも低い熱伝導率の第２の弾性層を設けた加圧ローラが知られる（特許文献２）。

特開２００２−１４８９８８号公報 特開２００９−０３１７７２号公報

しかしながら、上記のように加熱定着装置の加圧ローラの弾性層を低熱伝導化、及び低熱容量化した場合、加圧ローラ内部への熱拡散は妨げられる。よって、加熱体長手幅に比べて長手幅が狭い記録材（以下、小サイズ紙と表記する）を連続通紙させて加熱定着すると、定着フィルムと加圧ローラの圧接で形成される定着ニップ部の長手方向において、以下の問題が生ずる。即ち、小サイズ紙の通過しない領域（以下、非通紙領域と表記する）が過度に昇温する現象（以下、非通紙部昇温と表記する）が発生する。

直前の小サイズ紙の連続通紙により非通紙部昇温した状態で、小サイズ紙よりも幅が広い記録材をプリントすると、その記録材において直前の連続通紙による非通紙部昇温した領域と対応する定着フィルム及び加圧ローラの領域が必要以上に加熱される。そのため、ホットオフセット等による画像上の不良が発生する場合がある。特に、加熱体として低熱容量のセラミックヒーターを用いたフィルム加熱タイプの場合、加熱体及び定着部材の熱容量が従来の熱ローラ方式に比べて小さいので、定着部材及び加圧ローラの非通紙部昇温も大きくなる。

その為、予め設定された時間で、段階的に加熱体の設定温度を下げるモード、又は小サイズ紙を連続通紙させる給紙の間隔を長くし、紙間距離を広げるモード（以下、スループットダウン制御と表記する。）に移行しなければ非通紙部昇温を抑制できない。よって、小サイズ紙では、１分間の通紙枚数を大幅に減らす必要があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、暖まり易くて冷め易く、かつ冷めても冷め過ぎない画像加熱装置およびこれに用いられるローラを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る画像加熱装置は、加熱部材と、前記加熱部材と共にニップ部を形成するローラと、を備え、前記ニップ部で画像を担持した記録材を搬送しながら前記画像を加熱する画像加熱装置において、前記ローラは、少なくとも、芯金と、第１の弾性層と、前記第１の弾性層と前記芯金との間に設けられた第２の弾性層と、を有し、前記第１の弾性層は発泡性のゴムまたは内部に気体を含む充填材を混入したゴムで形成され、前記第２の弾性層は熱伝導性フィラーを含有したソリッドゴムで形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係るローラは、記録材に形成された画像を加熱する画像加熱装置で用いるローラにおいて、前記ローラは、少なくとも、芯金と、第１の弾性層と、前記第１の弾性層と前記芯金との間に設けられた第２の弾性層と、を有し、前記第１の弾性層は発泡性のゴムまたは内部に気体を含む充填材を混入したゴムで形成され、前記第２の弾性層は熱伝導性フィラーを含有したソリッドゴムで形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、画像加熱に際し、立上げ時間を短縮化すると共に、非通紙部昇温を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る画像加熱装置の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る画像加熱装置を搭載した画像形成装置であるレーザープリンターの要部を示す概略構成図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る画像加熱装置における加熱体を含む構成図、（ｂ）は加熱体の摺動面側および通電制御を行う回路の説明図、（ｃ）は加熱体の摺動面と反対側の説明図である。 本発明の実施形態に係る加圧ローラの異なる時刻における厚さ方向の熱拡散の説明図である。 （ａ）は立上げ時における実施例１、比較例１、比較例２に係る加圧ローラの厚さ方向の温度断面図、（ｂ）は所定時間経過後における実施例１、比較例１、比較例２に係る加圧ローラの厚さ方向の温度断面図である。 実施例１、比較例１、比較例２に係る加圧ローラの通紙部・非通紙部の温度を示す図である。 実施例１、比較例１、比較例２に係る加圧ローラの非通紙部温度の時間推移図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に関し、立上げ時における実施例２を実施例１、比較例１と比較した加圧ローラの厚さ方向の温度断面図、（ｂ）は所定時間経過後における実施例２を実施例１、比較例１と比較した加圧ローラの厚さ方向の温度断面図である。 従来例に係る加圧ローラの概略断面図である。

《第１の実施形態》
（画像形成装置）
以下、図面を参照し本発明の第１の実施形態を説明する。図２は本実施形態に従う画像形成装置例の概略構成図である。本実施形態の画像形成装置は、転写式電子写真方式のレーザープリンターである。１は像担持体としての電子写真感光体ドラムであり、矢示の時計方向に所定の周速度（以下、プロセススピードと表記する）をもって回転駆動される。
２は接触帯電ローラー等の帯電手段であり、この帯電手段により感光体ドラム１が所定の極性及び電位に一様に帯電処理される。

３は画像露光手段としてのレーザービームスキャナであり、不図示のイメージスキャナやコンピューター等の外部機器から入力する目的の画像情報の時系列電気デジタル画素信号に対応してオンオフ変調したレーザー光Ｌを出力する。そして、レーザー光Ｌでドラム１の帯電処理面を走査露光する。この走査露光によりドラム１の露光明部の電荷が除電されてドラム１に目的の画像情報に対応した静電潜像が形成される。

４は現像装置であり、現像スリーブ４ａからドラム１に現像剤（トナー）が供給されてドラム１の静電潜像が可転写像であるトナー像として順次現像される。レーザープリンターの場合、一般的に、静電潜像の露光明部にトナーを付着させて現像する反転現像方式が用いられる。

５は給紙カセットであり、記録材Ｐを積載収納させてある。所定のタイミングで給紙ローラー６が駆動されて給紙カセット５内の記録材Ｐが一枚ずつ分離給紙される。そして、レジストローラー７、シートパス８ａを通って、ドラム１と転写部材としての転写ローラー９との当接ニップ部である転写部位Ｔに上述した記録材給紙搬送手段により所定のタイミングで導入される。すなわち、ドラム１上のトナー像の先端部が転写部位Ｔに到達するのに合わせて、記録材Ｐの先端部が転写部位Ｔに到達するようにレジストローラー７で記録材Ｐの搬送が制御される。

転写部位Ｔに導入された記録材Ｐはこの転写部位Ｔを挟持搬送され、その間、転写ローラー９には不図示の転写バイアス印加電源から所定電圧値に制御された転写電圧が印加される。転写ローラー９にはトナーと逆極性の転写バイアスが印加されることで転写部位Ｔにおいてドラム１上のトナー像が記録材Ｐの表面に静電的に転写される。転写部位Ｔにおいてトナー像の転写を受けた記録材Ｐは、ドラム１から分離してシートパス８ｂを通って加熱定着装置１１へ搬送導入され、未定着画像の加熱及び加圧定着処理を受ける。本実施形態における加熱定着装置１１の詳細な構成については後述する。

一方、記録材Ｐに対してトナー像を転写した後、ドラム１はクリーニング装置１０で転写残トナーや紙粉等の除去を受けて清浄面化され、繰り返して作像に供される。また加熱定着装置１１を通った記録材Ｐは、シートパス８ｃ側に進路案内されて排紙口１３から排紙トレイ１４上に排出される。

（画像加熱装置）
次に、本実施形態に係わる画像加熱装置としての加熱定着装置１１について説明する。図１は本実施形態における、フィルム加熱方式の加熱定着装置の概略構成図である。この装置はテンションレスタイプのフィルム加熱方式の加熱定着装置である。加熱定着装置１１は、定着フィルムとして無端（エンドレス）ベルト状もしくは円筒状のものを用い、該フィルムの周長の少なくとも一部は常にテンションレス（テンションが加わらない状態）とし、フィルムは加圧体の回転駆動力で回転駆動する。

２１はステーであり、加熱体保持部材兼フィルムガイド部材としての耐熱性・剛性部材である。２３は加熱体としてのセラミックヒーターであり、上記のステー２１の下面にステー長手に沿って配設して保持させてある。２２はエンドレス（円筒状）の定着フィルムであり、加熱体２３を含むフィルムガイド部材であるステー２１に外嵌させてある。このエンドレスの定着フィルム２２の内周長を、加熱体２３を含むステー２１の外周長よりも例えば３ｍｍ程度大きくすることで、定着フィルム２２は周長に余裕を持って外嵌している。

ステー２１はポリイミド（以下ＰＩと表記する）、ポリイミドアミド（以下ＰＡＩと表記する）、ポリエーテルエーテルケトン（以下ＰＥＥＫと表記する）、プリフェニレンサルファイド（以下ＰＰＳと表記する）を用いる。あるいは、液晶ポリマー（以下ＬＣＰと表記する）等の高耐熱性樹脂や、これらの樹脂とセラミックス、金属、ガラス等との複合材料等で構成できる。本実施形態ではＬＣＰを用いる。

フィルム２２は熱容量を小さくして立上げ時間を短縮化させる為に、フィルム膜厚は１００μｍ以下、好ましくは２０μｍ以上５０μｍ以下の耐熱性のあるポリテトラフルオロエチレン（以下ＰＴＦＥと表記する）を用いる。または、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（以下ＰＦＡと表記する）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（以下ＦＥＰと表記する）等の単層フィルムを使用できる。或いはＰＩ、ＰＡＩ、ＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＰＳ等のフィルムの外周表面にＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ等をコーティングティングした複合層フィルムを使用できる。本実施形態では膜厚６０μｍのＰＩフィルムの外周表面にＰＦＡ１２μｍをコーティングし、フィルム２２の外径は２４ｍｍとした。

（加圧ローラ）
加圧ローラ２４０は加熱体２３との間にフィルム２２を介在して圧接される領域（以下、定着ニップ部Ｎと表記する）を形成し、かつフィルム２２を回転駆動させるフィルム外面接触駆動する機能を有する。この加圧ローラ２４０は、鉄やアルミニウム等を主成分とする円柱状もしくはパイプ状の金属層である芯金２４１の外周面に、弾性層２４２を２〜４ｍｍの厚みで形成し、その外周面にＰＦＡやＰＴＦＥ等の離型層２４３を形成している。加圧ローラ２４０は、不図示の駆動系により矢印ｂの方向に所定の周速度で回転駆動される。

この加圧ローラ２４０の回転駆動により、定着ニップ部Ｎにおける加圧ローラ２４０とフィルム２２の外面との摩擦力でフィルム２２に回転力が作用する。そして、フィルム２２はその内面側が定着ニップ部Ｎにおいて加熱体２３の表面に密着して摺動しながらステー２１の外回りを加圧ローラ２４０の回転周速度とほぼ同じ周速度で従動回転する。

図３（ａ）では加熱体２３のフィルム２２と摺動する側の面（以下、フィルム摺動面と表記する）及び、フィルム摺動面と反対側の面（以下、非フィルム摺動面と表記する）の位置関係を表してある。また図３（ｂ）では加熱体２３のフィルム摺動面及び加熱体２３へ通電制御を行う回路図を表し、図３（ｃ）では本実施形態における加熱体２３の非フィルム摺動面を表す。この加熱体２３は、記録材Ｐの搬送方向ａに対して直角方向を長手とする細長の耐熱性且つ絶縁性且つ高熱伝導性の基板２７で構成される。

フィルム摺動面側において、基板２７は、長手に沿って抵抗発熱体２６が形成具備される。具体的には、抵抗発熱体２６を形成した加熱体表面を保護させた耐熱性のオーバーコート層２８と、前記抵抗発熱体２６の長手端部の通電用電極２９及び３０等から構成される全体に低熱容量の加熱体である。基板２７は、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックス材料が用いられる。本実施形態では幅１０．７ｍｍ、長さ３７６．３ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミナ基板を使用している。本実施形態の抵抗発熱体２６は、銀パラジウムとガラス粉末と有機結着剤を混練して調合したペーストをスクリーン印刷により、加熱体基板２７上に線帯状に形成して得たものである。

抵抗発熱体の材料としては、銀パラジウム以外にＲｕＯ_２、Ｔａ_２Ｎ等の電気抵抗材料を用いても良い。通電用電極２９及び３０は、本実施形態において銀パラジウムのスクリーン印刷パターンを用いた。オーバーコート層２８は本実施形態のおいて、６０μｍの耐熱性ガラス層を用いた。

非フィルム摺動面側において、検温素子２５０及び２５１は加熱体２３の温度を検知するために設けられる。本実施形態では、検温素子２５０及び２５１として加熱体２３から分離した外部当接型のサーミスターを用いている。ここで呼ぶ外部当接型のサーミスター構成とは、例えば高耐熱性のＬＣＰ等からなる支持部材上に断熱層を設け、その上にチップサーミスターの素子を固定し、素子を非フィルム摺動面側に向けて所定の加圧力により加熱体裏面に当接する構成のことである。本実施形態では、断熱層としてセラミックスペーパーを積層したものを用いた。

検温素子２５０は、いかなるサイズの記録材が通紙されても常に通紙領域となる位置に配置され、制御系であるＣＰＵ３１に通じている。この検温素子２５０をメインサーミスターと呼ぶ。一方、検温素子２５１は、Ｂ５サイズ（幅１８２ｍｍ）よりも幅が狭い記録材が通紙された時に、非通紙領域となる位置に配置され、ＣＰＵ３１に通じている。この検温素子２５１をサブサーミスターと呼ぶ。この加熱体２３は、オーバーコート層２８を形成具備されるフィルム摺動面側を下向きに露呈させて、ステー２１の下面側に保持させて固定配設してある。

以上の構成をとることにより、加熱体及び定着部材を熱ローラー方式に比べて低熱容量にすることがでる。よって立上げ時間の短縮化が可能となる。加熱体２３は、抵抗発熱体の長手端部の通電用電極２９及び３０に対して、電源３３から通電することにより抵抗発熱体２６が長手全長にわたって発熱し昇温する。その昇温が検温素子２５０で検知され、検温素子２５０の出力をＡ／Ｄ変換しＣＰＵ３１に取り込み、その情報に基づいてトライアック３２により抵抗発熱体２６に通電する電力を位相制御あるいは波数制御等により制御して、加熱体２３の温度制御がなされる。

すなわち、検温素子２５０の検知温度が所定の設定温度より低いと加熱体２３が昇温するように、設定温度より高いと降温するように通電を制御することで、加熱体２３は定着時、一定温度に保たれる。なお、本実施形態では波数制御により出力を０〜１００％まで６．６７％刻みの１６段階で変化させている。出力１００％は加熱体２３に全通電したときの出力を示す。一方で検温素子２５１は非通紙部昇温のような加熱体２３の異常昇温のみを検知し、段階的に設定温度が切り替えられる。

加熱体２３の温度が加熱開始から所定の立ち上がり時間で立ち上がり、フィルム２２が画像加熱に適する温度となる。そして、加圧ローラ２４０の回転によるフィルム２２の回転周速度が定常化した状態において、定着ニップ部Ｎに画像定着すべき記録材Ｐが転写部位Ｔより導入される。そして、記録材Ｐがフィルム２２と一緒に定着ニップ部Ｎを挟持搬送されることにより加熱体２３の熱がフィルム２２を介して記録材Ｐに付与され画像担持面の未定着画像が固着画像へと加熱定着される。定着ニップ部Ｎを通った記録材Ｐはフィルム２２の面から分離されて搬送される。

（加圧ローラの厚さ方向の詳細構成）
図１の下側に、本実施形態で用いた加圧ローラ２４０の構成の概略断面図を示す。表面から順次、第１の層である離型層２４３、定着ニップ部Ｎに対向する側に位置する第２の層であり第１の弾性層である断熱層２４２ａ、定着ニップ部Ｎの側とは反対側に位置する第３の層であり第２の弾性層である蓄熱層２４２ｂ、芯金２４１で構成される。尚、第２の層と第３の層を合わせて弾性層２４２が形成される。加圧ローラ２４０の長手方向の長さは３１８．９ｍｍであり、外径はφ３０ｍｍ、芯金２４１はアルミニウムを円柱状に成形したものでφ２１．９ｍｍとした。また、第２の層２４２ａの厚みはｄ_２＝１ｍｍ、第３の層２４２ｂの厚みはｄ_３＝３ｍｍ、第１の層２４３は厚み３０μｍとした。

まず、第２の層であり第１の弾性層である断熱層２４２ａは、シリコーンゴム中にφ８０〜φ２００μｍ程度の中空樹脂玉（以後、樹脂マイクロバルーンと記す）を配合して成形したものである。密度はρ₂＝６．１０×１０^-7ｋｇ／ｍｍ³、厚み方向の熱伝導率はλ ₂ ＝１．７１×１０^-4Ｗ／ｍｍ・℃、単位重量当たりの熱容量はＣｐ＝１．４１５×１０³Ｊ／ｋｇ・℃であり、第２の層厚み１ｍｍ当たりの総熱容量はＣ２＝２．５０×１０¹Ｊ／℃である。ここで、密度ρは島津製作所製のアキュピック１３４０を用いて測定し、単位重量当たりの熱容量Ｃｐはパーキンエルマー社製のＤＳＣ８０００を用いて測定した。

又、厚み方向の熱伝導率λは、アルバック理工社製のフーリエ変換型温度波熱拡散率測定装置で測定される熱拡散率αと、Ｃｐ、ρからλ＝α×Ｃｐ×ρで算出した。後述の物性値はすべて同様の測定方法であり、以下説明は省略する。

次に、第３の層であり第２の弾性層である蓄熱層２４２ｂは、シリコーンゴム中にアルミナや酸化亜鉛等の熱伝導フィラーを配合した耐熱性弾性体を用いたソリッドゴムで成形されている。蓄熱層２４２ｂの密度はρ₃＝１．２２×１０^-6ｋｇ／ｍｍ³、厚み方向の熱伝導率はλ ₃ ＝３．５０×１０^-4Ｗ／ｍｍ・℃である。また、ソリッドゴムの単位重量当たりの熱容量はＣｐ＝１．３３×１０³Ｊ／ｋｇ・℃であり、厚み３ｍｍ当たりの総熱容量はＣ３＝１．２１×１０²Ｊ／℃である。

次に、２４３の離型層は、ＰＦＡチューブで被覆させたもので、密度はρ_１＝２．１７×１０^−６ｋｇ／ｍｍ^３、厚み方向の熱伝導率はλ１＝１．４５×１０^−４Ｗ／ｍｍ・℃であり、単位重量当たりの熱容量は、Ｃｐ＝９．６０×１０^２Ｊ ／ｋｇ・℃である。また、離型層２４３の厚み３０μｍ当たりの総熱容量はＣ１＝１．８７ Ｊ／℃である。本実施形態において、各層の厚み方向の熱伝導率はλ_１＜λ_３且つλ_２＜λ_３の関係を満たしている。

一方、図９に本発明の範囲外である比較例１及び比較例２で用いた従来の加圧ローラ２４０の構成の概略断面図を示す。比較例１は、加圧ローラ２４０の外径と芯金２４１の外径と第１の層２４３の離型層は実施例１と同様の構成とし、第２の層である弾性層２４２を厚み４ｍｍの樹脂マイクロバルーンとし、第３の層を省いた構成とする。比較例２は、弾性層２４２を厚み４ｍｍのソリッドゴムとし、その他の構成は比較例１と同様とする。表１に実施例１と比較例１、比較例２の構成を比較した表を示す。

（厚み方向の熱拡散の時定数）
本実施形態の加圧ローラ構成について詳細に説明する。まず始めに第２の層単独での厚み方向の熱拡散の時定数τ［ｓ］の定義を説明する。一般に時定数とは、システムが最終値の約６３．２％に達するまでの時間をいうが、熱回路における時定数τは、τ＝Ｒ’×Ｃ’で定義される。ここで、面積Ｓ［ｍｍ^２］、厚みｄ［ｍｍ］の弾性体の厚み方向の熱抵抗Ｒ’［℃／Ｗ］及び熱容量Ｃ’［Ｊ／℃］は以下の式で表される。

ここでρ［ｋｇ／ｍｍ^３］は体積密度、Ｃｐ［Ｊ／ｋｇ・℃］は単位重量当たりの熱容量である。したがって、時定数τ［ｓ］は以下の式で表される。

この時定数τ［ｓ］は、その層に蓄えられる熱量が最終的に蓄えられる熱量の１／ｅ（約６３．２％）に到達するまでの時間として定義される。図４に加圧ローラ表面をｘ＝０とし、ｘ＝０に熱が供給され始める時間をｔ＝０とした場合の、厚さ方向をｘ方向とした場合の温度分布を模式的に示す。ここでは説明を簡単にする為、第１の層である離型層２４３の影響を無視したモデルで考える。［１］時刻ｔ＜τ_２では供給される熱は第２の層から第３の層まで熱拡散しない。よって供給される熱量は第２の層の熱容量に蓄えられ、第２の層が昇温する。

その後、［２］時刻ｔ＞τ_２では、第３の層まで熱拡散が及ぶ。この第２の層２４２ａは断熱層である為、加熱体２３から供給される熱量は第２の層に蓄熱され、急速に昇温できる。定着部材が通電による加熱開始から画像加熱に適する温度となって、記録材の１枚目が定着ニップ部に挿入されるまでの時間（立上げ時間ｔ１）を比較例１と同等とする為には、立上げ時間までの間は、第３の層まで熱拡散していない条件が必要となる。表２に、立上げ時間ｔ_１と第２の層における厚み方向の熱拡散の時定数τ_２を、本実施形態、比較例１、比較例２で比較した実験結果を示す。

実験条件は、加熱定着装置１１を室温環境に十分馴染ませた後、加熱体２３に最大電力で１３００Ｗ投入し、検温素子２５０で２１５℃に保たれるように電力を制御し、プロセススピードは１８６．４ｍｍ／ｓとした。本実施例では比較例１と同様にｔ_１≦τ_２
の関係を満足している。よって_ｔ１≦_τで規定する事が立上げ時間を比較例１と同等とする為の必要条件になる。一方で比較例２においてもｔ１≦τの条件は満たされるが、立上げ時間がｔ_１＝５．６ｓであり、比較例１に比べて立上げ時間が長くなる。

その第１の理由は、比較例２では第２の層の厚み方向の熱伝導率λ_２が比較例１に比べて大きい為、加圧ローラ２４０内部への熱拡散が速くなることで、表面の昇温が抑制された為である。第２の理由は、断熱層２４２ａの単位体積当たりの熱容量（８．６６×１０^−４［Ｊ／℃・ｍｍ^３］）が小さい為である。

本実施例では、断熱層２４２ａが素早く昇温し、立上げ時間が短縮化できる。第２の層２４２ａを、この様な小さい熱容量にする為には、発泡性のゴム、又は内部に気体を含む充填材を混入した断熱性のゴムとすることが好ましい。よって立上げ時間を短縮化する為には、第２の層は発泡性のゴム、又は内部に気体を含む充填材を混入した断熱性のゴムであり且つ、ｔ_１≦τ_２とすることが好ましい。

ここで、第１の層である離型層２４３を無視して良い理由を説明する。本実施例における厚み３０μｍでの厚み方向の時定数はτ_１＝０．０１３ｓである。これは第２の層単独での厚み方向の時定数τ_２＝５．１ｓに比べて極めて小さい。よって、加圧ローラ表面に供給される熱が第３の層に及ぶまでの時間は、第１の層を無視した場合と同等になる。

第１の層の厚みｄ_１は、厚くすると加圧ローラ２４０の硬度が高くなり、定着ニップ部Ｎを広く取れなくなる。そのため、１００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下である。その範囲では、τ_１はτ_２に比べて極めて小さい。よって今後、離型層２４３の影響は無視して考える。

その後、ｔ＞τ₂で第３の層（第２の弾性層）２４２ｂまで熱拡散するが、第３の層では厚み方向の熱伝導率がλ₂＜λ₃ （ここで、λ ₂ は第２の層（第１の弾性層）の熱伝導率、λ ₃ は第３の層（第２の弾性層）の熱伝導率）の関係を満たす為、第３の層は第２の層に比べて加圧ローラ２４０の内部への熱拡散がより大きくなる。よって、第２の層の急速な昇温は第３の層の熱伝導率λ₃によって抑制される為、実施例１が比較例１に比べて非通紙部昇温に有利となる。一方、比較例２は、第２の層の厚み方向の熱伝導率λ₂が実施例１に比べて大きい為、比較例２が実施例１に比べて非通紙部昇温に有利となる。

（時定数τの妥当性）
次に、τ_２が上述の［１］、［２］の閾値として妥当であるか、陰解法を用いた伝熱計算で検証を行った。尚、本実施形態では、加圧ローラ２４０の外径に比べて第２の層２４２ａの厚みが薄い為、１次元の近似計算で検証を行った。計算は以下の熱拡散方程式に従った。

幅１ｍｍ、厚さ４ｍｍの長方形の弾性層に厚さ方向をｘ方向とした場合に、ｘ＝０から単位時間当たり熱量ｄｑ／ｄｔ＝０．０１５Ｗ／ｍｍ^２を一定で与えた場合（第２種の境界条件）の厚さ方向の温度分布を比較した。ここでλは熱伝導、Ｔは温度、ｘは座標である。本計算では、幅方向は断熱条件とし、ｘ＝４ｍｍにおいて２５℃で一定に保たれる境界条件とした。物性値に関しては、まず、本実施形態に対応した計算では０≦ｘ≦１では２４２ａと同物性値を与え、１ｍｍ≦ｘ≦４ｍｍでは２４２ｂと同物性値を与える。

次に、比較例１、比較例２に対応した計算では０ｍｍ≦ｘ≦４ｍｍに２４２と同物性値を与えた。ここで固定された熱量の値（ｄｑ／ｄｔ＝０．０１５Ｗ／ｍｍ^２）は実験条件で与えた電力（１３００Ｗ）を加熱体基板の面積（１０．７ｍｍ×３７６．３ｍｍ）で割った値の約１／１０とした。図５（ａ）は立上げ時間である、ｔ＝２．５ｓ（＜τ_２＝５．１ｓ）における加圧ローラ厚み方向の温度プロファイルを示している。ｔ＜τ_２では、実施例１の加圧ローラ表面温度は９４℃であって、比較例１と同等であり比較例２の６３℃よりも高いことがわかる。

一方、図５（ｂ）は、ｔ＝６．５ｓにおける加圧ローラ厚み方向の温度プロファイルである。ここで、ｔ＝６．５ｓはτ_２＝５．１ｓ以降の任意の時間を選択した。加圧ローラの表面温度を比較すると、時刻ｔ＞τ_２において、本実施例（１２９℃）は、比較例１（１３７℃）に比べて小さくなる。これは、第３の層へ熱が拡散し、第２の層の温度上昇が緩和したからである。以上の様に、時定数τ_２は、第２の層全域に熱拡散し、第３の層へ熱拡散が開始する時間を特徴付ける指標であることがわかる。

（非通紙部温度の比較）
次に、本実施例、比較例１、比較例２において、実際に通紙して非通紙領域の加圧ローラ表面温度をＮＥＣ Ａｖｉｏ赤外線テクノロジー社製ＴＨ９１００ＭＲ／ＷＲを用いて測定比較した。実験条件は、加熱体２３に最大電力で１３００Ｗ投入し、検温素子２５０で２１５℃に保たれるように電力制御し、プロセススピードは１８６．４ｍｍ／ｓとした。

通紙条件として、記録材Ｐは、ゼロックス社製Ｂｕｓｉｎｅｓｓ４２００（坪量７５ｇ／ｍ^３）、ＬＴＲサイズ（２１６ｍｍ×２７９ｍｍ）を用い、通紙方向はＬＴＲの縦（２７９ｍｍ）が通紙方向と平行とした（以下、縦方向と記す）。また、スループット２０ｐｐｍの出力で２０枚通紙した。図６に、２０枚通紙直後における、長手方向をｚ軸方向とした加圧ローラ表面温度分布を示す。温度分布は加圧ローラ中心に関して略対称となる為、ｚ＝０を加圧ローラ長手方向の中心とし、０ｍｍ≦ｚ≦１６０ｍｍの領域のみを示す。

ＬＴＲサイズの通紙領域に対応する０ｍｍ≦ｚ≦１０８ｍｍの領域に比べ、ｚ≧１０８ｍｍの非通紙領域の方が昇温している。又、非通紙領域では比較例１が最も温度が高く、実施例１、比較例２の順に昇温が抑制されている。

上記関係となる理由は、比較例１において、加圧ローラの第２の層２４２が断熱層で且つ時定数が大きい為、内部への熱拡散が遅くなることによる。又、実施例１に関しては第２の層での熱拡散は遅くなるが、第２の層のτ_２が比較例１のτ_２に比べて小さい為、熱伝導率の大きい第３の層へ速く到達できる為である。比較例２が最も抑制される理由は、第２の層が断熱層でない為、加圧ローラ内部へ素早く熱拡散するからである。

次に、図７に加熱体の通電開始から記録材Ｐを２０枚通紙するまでの時間で、加圧ローラ表面の非通紙領域の温度を測定比較した。ここでは、図６において最も高温となったｚ＝１３０．５ｍｍでの温度を比較した。立ち上がりの挙動は、比較例１、実施例１で略同じであるが、時間経過と共に非通紙部昇温は、比較例１が２１７℃、実施例１が１９８℃、比較例２が１７９℃の順に抑制され、特に実施例１は比較例２に漸近する傾向になる。このグラフからも、実施例１は立上がりが比較例１と同等であり、非通紙昇温は比較例１よりも抑制できる構成であることがわかる。

次に以下のような構成において、立上げ時間ｔ_１と非通紙部昇温を比較した。ここで、
実験例Ａ、Ｂ、Ｃは本発明の範囲内であり、より好ましい形態である本実施例との比較を行うための形態である。

（実験例Ａ）
第１の層である離型層２４３、芯金２４１は実施形態１と共通で、第２の層である断熱層２４２ａの厚み０．５ｍｍ、第３の層である蓄熱層２４２ｂの厚み２．５ｍｍの構成とする。

（実験例Ｂ）
第１の層である離型層２４３、芯金２４１は実施形態１と共通で、第２の層である断熱層２４２ａの厚み２ｍｍ、第３の層である蓄熱層２４２ｂの厚み２ｍｍの構成とする。

（実験例Ｃ）
第１の層である離型層２４３、芯金２４１は実施形態１と共通で、第２の層である断熱層２４２ａの厚み３ｍｍ、第３の層である蓄熱層２４２ｂの厚み１ｍｍの構成とする。
表３にそれぞれの構成と物性値を比較した表を示す。

上記構成において、それぞれ立上げ時間ｔ_１と第２の層の厚み方向の熱拡散の時定数τ_２を比較した結果を表４に示す。

まず実験例Ａにおいては、立上げ時間ｔ_１が実施例１に比べて長くなる。その原因は、第２の層２４２ａの厚みを実施例１に比べて薄くすることで、ｔ＝ｔ_１になる以前に熱が第２の層から第３の層へ拡散し、その後第３の層のλ_３がλ_３＞λ_２であることにより、第２の層の温度上昇が緩和された為である。次に実験例Ｂ、実験例Ｃにおいては、ｔ_１

τ_２の関係が満たされる為、実施例１と同等の立上げ時間となるが、非通紙部昇温に関しては、実験例Ｂが実験例Ｃに比べて抑制される。その原因は、実験例Ｂが実験例Ｃに比べて第２の層の時定数τ_２が小さいことにより、第３の層まで速く熱拡散した為である。

（スループットダウン）
本実施形態では、加熱体基板２７の長手幅３７６．３ｍｍに対して、ＬＴＲサイズの幅（２１６ｍｍ）が小さい為、検温素子２５１の検知温度に応じて段階的にスループットダウン制御が行われる。そして、紙間距離を広げることで非通紙部昇温に起因するホットオフセットを抑制する。即ち、サブサーミスターの検知温度の設定温度は加熱体２３の通電開始から順次Ｔ_１、Ｔ_２…（Ｔ_１＜Ｔ_２＜…）と増加し、それぞれの設定温度に達するまでの１分間当たりのスループット［ｐｐｍ］はＰ_１、Ｐ_２…Ｐ_ｎ（Ｐ_１＞Ｐ_２＞…＞Ｐ_ｎ）と順次減少する。このスループットの順次減少の制御は、制御系であるＣＰＵ３１（図３（ｂ））が行う。

サブサーミスターの検知温度の第１の設定温度はＴ_１＝２２０℃であり、それまでの間、第１のスループットはＰ_１＝２０ｐｐｍに保たれる。この時の紙間距離は２８０ｍｍである。その後サブサーミスターがＴ_１＝２２０℃を超えると、第２の検知温度の設定温度はＴ_２＝２３５℃に設定され、紙間距離は４６７ｍｍに広げられ、第２のスループットＰ_２＝１５ｐｐｍに低下する。ここで、第１の検知温度の設定温度がＴ_１＝２２０℃を超えるのは３枚目通紙後であり、加熱体２３への通電開始から１１．５ｓ後となる。

表５に第１のスループットＰ_１及び第２のスループットＰ_２、第２のスループットＰ_２へ移行する時間ｔ_２及びτ_２を実験比較した結果を示す。実験条件は、加熱定着装置１１を室温環境に十分馴染ませた後、室温状態で加熱体２３に最大電力で１３００Ｗ投入し、検温素子２５０で２１５℃に保たれるように電力を制御し、プロセススピードを１８６．４ｍｍ／ｓとして連続プリントを行った。又、通紙条件として、記録材Ｐは、ゼロックス社製Ｂｕｓｉｎｅｓｓ４２００を用い、縦方向に通紙した条件でのスループットを実験比較している。

表５から、第２の層（第１の弾性層）の熱拡散の時定数τ_２は実施例１が最も短く、実験例Ｂ、実験例Ｃは実施例１より長いが、比較例１より短いことが分かる。即ち、非通紙部昇温は実施例１、実験例Ｂ、実験例Ｃ、比較例１の順に抑制され、スループットダウンもこの順で抑制される。

ただし、実験例Ｂ、Ｃや比較例１のように、第２の層（第１の弾性層）の厚みｄ_２が厚い構成ならば、第２の層（第１の弾性層）の全域に熱拡散するよりも早く、第２のスループットへ移行しなければ非通紙部昇温は抑制できない。即ち、ｔ_２＜τ_２を満たす時間でＰ_１からＰ_２へ移行しなければならない。一方、実施例１のように第２の層の厚みｄ_２が薄い構成ならば、厚み方向に素早く熱拡散するので、第２の層全域に熱拡散した後にＰ_１からＰ_２へ移行することで非通紙部昇温を抑制できる。又、断熱層である第２の層を薄くするほど、その熱容量の影響を小さくできる為、Ｐ_２を最大化できる。

よって、非通紙部昇温に起因するスループットダウンを最小化する為にはτ_２＜ｔ_２を満たすことが望ましい。また表５の構成の中で、比較例２のスループットＰ_２が最も大きい。その原因は第２の層が断熱層でないことにより、加圧ローラ表面の昇温が抑制された為である。しかしながら、比較例２では立上げ時間を短縮化できない。

以上のように、実施例１では、第２の層が断熱層であって、λ１＜λ３且つλ２＜λ３ 且つｔ_１≦τ_２≦ｔ_２を満たすことにより、立上げ時間を短縮化するだけでなく、非通紙部昇温に起因するスループットダウンも最も抑制することができる。

《第２の実施形態》
以下、本発明に係る第２の実施形態について実施例２を説明する。加熱定着装置までの画像形成プロセスは実施例１と同様である為、説明は省略する。加圧ローラ２４０は、第２の層である２４２ａ（第１の弾性層）を厚みを１ｍｍの樹脂マイクロバルーンを配合して成形した断熱層とする。一方第３の層である２４２ｂ（第２の弾性層）を厚みを３ｍｍの熱伝導フィラーとカーボンナノファイバーが分散されている蓄熱層とする。２４２ａの断熱層の熱伝導率と熱容量は実施例１と同様である。２４２ｂの高熱伝導層は厚み方向での熱伝導率λ３＝５．０×１０^−４Ｗ／ｍｍ・℃であり、総熱容量はＣ３＝１．１５×１０^２Ｊ／℃の構成である。

また、２４３の離型層は実施例１と同様である。本実施形態において、各層の厚み方向の熱伝導率はλ_１＜λ_３且つλ_２＜λ_３の関係を満たしている。表６に構成を比較した表を示す。

表６の構成の中で、立上げ時間に関しては実施例２、実施例１、比較例１が共に同等であり、非通紙部昇温の抑制は実施例２が最も効果が大きい。

上記関係となる理由について以下説明する。図８（ａ）に、実施例２と実施例１、比較例１に対応する、ｔ＝２．５ｓ＜τ_２での１次元伝熱計算による温度分布を示す。計算条件は実施例１の計算と同じである。実施例２、実施例１共に時定数τ_２＝５．６ｓである。一方、比較例１の立上げ時間はｔ_１＝２．５ｓである為、ｔ_１≦τ_２の関係が満たされている。よって、立上げ時間までの間、熱が第２の層から第３の層まで熱拡散していない為、実施例２は比較例１や実施例１と同等の立上げ時間となる。

一方、図８（ｂ）に、実施例２と実施例１、比較例１に対応する、ｔ＝６．５ｓ＞τ_２での１次元伝熱計算による温度分布を示す。非通紙部昇温に関しては、ｔ＞τ_２で実施例２が実施例１よりも有利になる。その理由は、実施例２の熱伝導率λ_３が実施例１に比べて大きいからである。第３の層の熱拡散を大きくすることにより、第２の層を昇温させた熱が第３の層へ拡散し、第２の層の昇温を実施例１よりも素早く緩和させたからである。したがって、スループットダウンも実施例１に比べて有利となる。実際にｔ_２＝１１．５ｓでありτ_２＜ｔ_２ の関係は満たされている。

（変形例）
上述した実施形態では、加熱部材を回転可能な無端ベルトとしたが、本発明はこれに限らず回転可能な画像加熱ローラとしても良い。また、無端ベルトに関して無端ベルトの内側に設けられるヒータによって加熱されるとしたが、本発明はこれに限らず、無端ベルトは通電により自己発熱されるものであっても良い。また、無端ベルトは無端ベルトの外側に設けられる励磁コイルによって電磁的に発熱されるものであっても良い。

上述した実施形態では、加圧部材が回転可能部材であるとしたが、本発明はこれに限らずパッド型の非回転部材（加圧パッド）であっても良い。

なお、上述した実施形態、変形例の各技術事項を本発明の範囲内で適宜組合せて使用することも勿論可能である。

１・・感光ドラム、２・・帯電ローラ、３・・レーザービームスキャナ、４・・現像装置、５・・給紙カセット、９・・転写ローラ、１０・・クリーニング装置、１１・・加熱定着装置、１３・・排紙口、１４・・排紙トレイ、２１・・ステー、２２・・定着フィルム、２３・・加熱体、２４０・・加圧ローラ、２４１・・芯金、２４２・・弾性層、２４２ａ・・断熱層、２４２ｂ・・蓄熱層、２４３・・離型層、２５０、２５１・・検温素子、２６・・抵抗発熱体、２７・・加熱体基板、２８・・オーバーコート層、２９、３０・・通電用電極、３１・・ＣＰＵ、３３・・ＡＣ電源、３４・・入口ガイド、Ｎ・・定着ニップ部、Ｐ・・記録材、Ｔ・・転写部位、ａ・・記録材搬送方向、ｂ・・加圧ローラ回転方向

Claims (8)

1. 加熱部材と、
   前記加熱部材と共にニップ部を形成するローラと、
   を備え、前記ニップ部で画像を担持した記録材を搬送しながら前記画像を加熱する画像加熱装置において、
   前記ローラは、少なくとも、芯金と、第１の弾性層と、前記第１の弾性層と前記芯金との間に設けられた第２の弾性層と、を有し、
   前記第１の弾性層は発泡性のゴムまたは内部に気体を含む充填材を混入したゴムで形成され、前記第２の弾性層は熱伝導性フィラーを含有したソリッドゴムで形成されていることを特徴とする画像加熱装置。
2. 前記第１の弾性層の厚み方向の熱伝導率をλ１、前記第２の弾性層の厚み方向の熱伝導率をλ２とするとき、λ１＜λ２の関係を有することを特徴とする請求項１に記載の画像加熱装置。
3. 前記熱伝導性フィラーは、アルミナもしくは酸化亜鉛であ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. 前記加熱部材は筒状のベルトであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項に記載の画像加熱装置。
5. 前記ベルトは前記ベルトの内側に設けられたヒータによって加熱されることを特徴とする請求項４に記載の画像加熱装置。
6. 前記ヒータは前記ベルトの内面に接触し、前記ローラと共に前記ニップ部を形成することを特徴とする請求項５に記載の画像加熱装置。
7. 記録材に形成された画像を加熱する画像加熱装置で用いるローラにおいて、
   前記ローラは、少なくとも、芯金と、第１の弾性層と、前記第１の弾性層と前記芯金との間に設けられた第２の弾性層と、を有し、
   前記第１の弾性層は発泡性のゴムまたは内部に気体を含む充填材を混入したゴムで形成され、前記第２の弾性層は熱伝導性フィラーを含有したソリッドゴムで形成されていることを特徴とするローラ。
8. 前記熱伝導性フィラーは、アルミナもしくは酸化亜鉛であることを特徴とする請求項７に記載のローラ。