JP5963404B2 - 像加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電子写真方式の複写機、レーザービームプリンタなどの画像形成装置に搭載される画像定着装置として用いて好適な像加熱装置に関するものである。

像加熱装置には、記録材に形成された未定着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再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（画像改質装置）などが挙げられる。

従来、電子写真複写機、ファクシミリ、プリンタ等の電子写真プロセスを利用した機器に使用される像加熱装置（定着装置）としては熱ローラ方式が一般的に用いられている。これは、定着ローラ（像加熱用回転体）と、この定着ローラと相互圧接して定着ニップ部を形成する加圧ローラを有する。そして、その両ローラのどちらか一方、あるいは両方を内部から加熱し、未定着画像を担持した記録材を定着ニップ部で挟持搬送して未定着画像を加熱加圧により記録材に固着画像として定着させるものである。

熱ローラ方式の定着装置で高速の画像形成装置に対応するためには、定着ニップ部に関して記録材に十分に熱を与えるための記録材搬送方向におけるニップ幅を稼ぐ必要がある。また、記録材の画像ムラを軽減するためにも、定着ローラは弾性層を有する必要がある。しかし、従来の弾性層を有する熱ローラ方式の定着装置では、定着ローラの熱容量が大きく、熱伝導の良くない弾性層を介して内面からの伝熱により定着ローラ表面を所定温度に昇温させる。そのために、１枚目の記録材が定着完了するまでの時間（ファースト・プリント・アウト・タイム、以下「ＦＰＯＴ」という）が長い。

上記の問題の対策として、外部加熱方式の定着装置が特許文献１に提案されている。この定着装置は、定着ローラと、定着ローラと共にシート搬送ニップ部（定着ニップ部）を形成するバックアップ部材と、定着ローラの外周面を加熱する加熱手段と、を有している。定着性を確保するためのニップ幅を得るために定着ローラが弾性層を有しており、定着ローラ表面を素早く定着可能温度に昇温させるために定着ローラ表面側から加熱している。

また、素早い定着ローラ表面温度の昇温を実現するために、定着ローラは離型層である表層の下に薄い高熱伝導層を設けてあり、高熱伝導層の次層は断熱層をもつ構成になっている。

このように、定着ローラの熱容量を小さくすることで、より素早い昇温を可能にしている。さらに、バックアップ部材としては、加圧ローラやエンドレスベルトを介して定着ローラと共にシート搬送ニップ部を形成する加圧パッドなどが考えられ、バックアップ部材の熱容量を小さくすることでＦＰＯＴをさらに短くすることが可能である。

特開２００４−１０１６０８号公報

本発明は上記特許文献１の技術を更に発展させたものである。その目的とするところは、像加熱用回転体のより素早い昇温を可能にするために像加熱用回転体の熱容量が小さくても、早いＦＰＯＴを維持したままで、像加熱用回転体の非通紙部昇温などの温度ムラによる影響を軽減することにある。

上記の目的を達成するための本発明に係る像加熱装置の代表的な構成は、芯金と、前記芯金の外側に形成されたゴム層と、を有するローラと、前記ローラを加熱するための加熱部材と、エンドレスベルトと、前記ベルトの内面に接触し前記ローラと共にニップ部を形成するパッドと、を有するバックアップユニットと、を備え、前記ニップ部においてトナー像が形成された記録材を搬送しつつ前記ローラの熱によって前記トナー像を加熱する像加熱装置において、前記パッドは金属で形成されており、前記ニップ部における記録材の搬送方向において、前記ベルトと前記ローラとの接触領域である前記ニップ部は全て前記パッドと前記ベルトとの接触領域とオーバラップすることを特徴とする。

本発明によれば、像加熱用回転体のより素早い昇温を可能にするために像加熱用回転体の熱容量が小さくても、像加熱用回転体とバックアップ部材との間の熱交換性が向上し、像加熱用回転体のニップ内温度差を緩和できる。したがって、早いＦＰＯＴを維持したままで、像加熱用回転体の非通紙部昇温などの温度ムラによる影響を軽減することにある。

実施例１の定着装置を備えた画像形成装置の概略構成を示す断面図 実施例１の定着装置の概略構成を示す模式的横断面図 図２の定着装置の加熱ニップ部近傍の拡大図と温度制御系のブロック図 無限試料中に仮定された熱源からの熱の広がりの説明図 ヒータ線上昇温度と経過時間の関係図 測定装置ＱＴＭ−５００のプローブ（ＰＤ−１３）の構成図 製品見かけ熱伝導率測定方法を示す断面図 実施例１における実験用定着装置の定着ローラ温度測定位置 実施例２に係る定着装置の構成を示す断面図

［実施例１］
（１）画像形成部
図１は、本発明に係る像加熱装置を定着装置７として搭載した画像形成装置１の一例の概略構成を示す模式的断面図である。この装置１は電子写真方式のレーザービームプリンタ（以下、プリンタと略称する）である。プリンタ１には、プリンタの外部に設けられたホストコンピュータ等の画像情報提供装置（外部ホスト装置：図示せず）から画像情報が入力する。そして、プリンタ１は、入力した画像情報に応じた画像をシート状の記録材（記録媒体）Ｐに形成して記録するという一連の画像形成プロセスを公知の電子写真方式にて行う。

プリンタ１は、潜像担持体としてのドラム状の回転自在な電子写真感光体（以下、感光体と略記する）２と、一次帯電機構８と、現像装置３と、を保持するプロセスカートリッジ４を備えている。また、画像情報提供装置から入力した画像情報に応じた露光処理工程により感光体２の外周面に前記画像情報に応じた静電潜像を形成するレーザスキャナユニット（以下、スキャナと略記する）５を備えている。また、記録材Ｐに画像を転写する処理を施すロール状の回転自在な転写体６と、画像転写処理済みの記録材Ｐに加熱及び加圧により定着処理を施す像加熱装置としての定着装置７を備えている。

一次帯電機構８は、スキャナ５による露光処理工程前において商用電源等から規定のバイアスが印加されることにより、回転している感光体２の外周面を規定電位分布に帯電せしめるようになっている。スキャナ５は、画像情報提供装置からの画像情報の時系列的電気デジタル画素信号に応じて変調されたレーザＬａを出力する。そして、そのレーザＬａにより、プロセスカートリッジに設けられた窓４ａを通して、感光体２の外周面の帯電処理済みの部位が走査露光される。これにより、前記画像情報に応じた静電潜像が感光体２の外周面に形成されようになっている。

次に、プリンタ１における一連の画像形成プロセスに関して説明する。プリンタに設けられたスタートボタン等（図示せず）が押されるなどにより、感光体２の回転駆動が開始される。感光体２は矢印Ｋ１の時計方向に規定の周速度にて回転駆動される。これと共に、規定のバイアスが印加されている一次帯電機構８により感光体２の外周面が規定の電位分布に帯電せしめられる。

次に、画像情報提供装置からの画像情報に応じて感光体２の外周面の帯電処理済みの部位がスキャナ５により走査露光される。これにより、前記画像情報に応じた静電潜像が感光体２の前記部位に形成される。その静電潜像が現像装置３の現像剤により現像されてトナー画像（トナー像）として可視像化される。

一方、所定のタイミングにて駆動された給紙ローラ１２により給紙カセット１１から記録材Ｐが一枚分離給送される。給紙カセット１１には複数枚の記録材Ｐを積載収容してある。給紙カセット１１から給送された記録材Ｐは搬送ローラ１３により所定の制御タイミングにて感光体２と転写体６との間に形成された転写ニップ部へと給送され、転写ニップ部を挟持搬送されていく。この挟持搬送過程において感光体２側の前記トナー画像が転写体６により記録材Ｐ側に順次に転写される。

そして、転写処理済みの記録材Ｐは、定着装置７によりトナー画像（未定着画像）の加熱定着処理が施されたのち、回転自在に支持された搬送ローラ１４を経由して排紙ローラ１５により機外へと排紙される。排紙された記録材Ｐは、プリンタ上面に取り付けられたトレイ上に積載される。以上により、一連の画像形成プロセスが終了することとなる。一方、転写後の感光体上の残留トナーは非図示のクリーニング機構によって回収される。

（２）定着装置７
図２は定着装置７の概略構成を示す模式的横断面図である。図３は図２の定着装置の加熱ニップ部近傍の拡大図と温度制御系のブロック図である。

以下の説明において、定着装置またはこれを構成している部材の長手方向とは、回転体の軸線方向（スラスト方向）、又は記録材搬送路面内において記録材搬送方向ａに直交する方向又はその方向に並行な方向である。また、短手方向とは記録材搬送方向ａに並行な方向である。記録材の幅サイズあるいは記録材の通紙幅とは、記録材面において記録材搬送方向ａに直交する方向の記録材寸法である。

定着装置７は、外部加熱方式で、バックアップ部材としてエンドレスベルトと加圧パッドを有するものを用いた像加熱装置である。断熱層を有する像加熱用回転体としての定着ローラ３０を有する。また、定着ローラ３０を外側から加熱する加熱手段としての板状ヒータ２１を有する。また、エンドレスベルト６０とこのベルトを介してローラ３０とともに定着ニップ部（ニップ）Ｎｔを形成する加圧パッド５０を有するバックアップ部材４０を有する。そして、定着ニップ部Ｎｔにより記録材Ｐを挟持搬送しつつローラ３０の熱で記録材上の像ｔを加熱する装置である。

（２−１）定着ローラ３０
定着ローラ３０は外径１７．５〜１８ｍｍの弾性を有するローラである。芯金３１の外周面に対して同心一体に内側から外側に順次に、断熱層（基層）３２と、断熱層３２よりも熱伝導性の高い熱伝導層（高熱伝導層:中間層）３３と、表層（最外層）である離型層３４と、を積層した複合体である。

本実施例において、芯金３１は外径１０ｍｍの鉄、ＳＵＳ、アルミニウム等からなる円柱状若しくは略円柱状の金属棒材である。断熱層３２は肉厚が３．５ｍｍの断熱性の高いシリコーンゴム（気泡ゴム）等を主成分とする弾性層である。高熱伝導層３３は肉厚が２００μｍのアルミナゴム等を主成分とした高熱伝導ゴム層である。離型層３４は肉厚１０μｍのＰＴＦＥ、ＰＦＡ又はＦＥＰ等などを主成分とする離型性が高い材料層である。

ローラ３０は、素早い表面温度の昇温を実現するために、上記のように、離型層３４である表層の下に薄い高熱伝導層３３を設けてあり、高熱伝導層の次層は断熱層３２をもつ構成になっている。

ローラ３０は芯金３１の両端部を回転可能に軸受け支持させて不図示の装置筐体に配設されている。そして、ローラ３０は不図示の駆動機構から芯金３１のローラ軸線方向に対する端部に駆動力を受けることにより矢印Ｒ３０の時計方向に所定の速度で回転駆動されるようになっている。

（２−２）板状ヒータ２１
ローラ３０を外側から加熱する外部加熱手段である板状ヒータ２１（加熱体）は本実施例においてはローラ３０の長手に沿って長いセラミックヒータである。このヒータ２１は、厚み１．０ｍｍの細長いセラミック基板２１ａの一方面側（表面側）に長手に沿って通電発熱抵抗層２１ｂを形成してある。抵抗層２１ｂは本実施例では銀とパラジウムの発熱体ペーストを厚み１０μｍでスクリーン印刷し、焼成して形成した。

そして、基板２１ａの抵抗層形成面には抵抗層２１ｂを保護する為に保護層２１ｃとして厚み３０μｍの絶縁ガラス層を形成し、さらに厚み１０μｍのＰＦＡ樹脂からなる摺動層２１ｄを設けている。

基板２１ａの他方面側（裏面側）の長手方向中央部には温度検知手段としてヒータ温度制御用のサーミスタ２２が当接されている。

ヒータ２１はホルダー２３としての、中空樹脂を含有する断熱性で剛性を有する細長い液晶ポリマー部材によって保持される。ホルダー２３には長手に沿ってヒータ嵌め込み溝２３ａが形成されており、ヒータ２１はその溝２３ａに抵抗層形成面側を外向きにして嵌め込まれて保持されている。

ホルダー２３はローラ３０の上側においてヒータ２１を保持した側をローラ３０に対面させて並行に配列されている。そして、ホルダー２３は不図示の加圧機構によりヒータ２１がローラ３０の上面に対してローラ３０の弾性に抗して所定の圧力で圧接するように押圧付勢されている。これにより、ローラ３０の上面側においてローラ３０とヒータ２１との間にローラ回転方向に関して所定幅の加熱ニップ部（加熱接触領域部）Ｎｈが形成される。本実施例においては、ヒータ２１とローラ３０の間に１４ｋｇｆの加圧力を付加して加熱ニップ部Ｎｈを幅７ｍｍで形成している。

（２−３）バックアップ部材４０
バックアップ部材４０はエンドレスベルト（エンドレスフィルム：円筒状の可撓性部材）６０とこのベルトを介してローラ３０とともに定着ニップ部Ｎｔを形成する加圧パッド５０を有する。

本実施例においてベルト６０はポリイミド等を主成分とした外径１８ｍｍ・厚み６０μｍの基層６１とその外周面に表層としてコートされた厚み１０μｍのＰＦＡの離型層６２との複合層ベルトである。

パッド５０の材料としてはベルト６０を介して定着ニップ部Ｎｔを形成しニップ内温度を均一化させるために、熱伝導性に優れた材料が望ましい。かつ必要以上の熱を奪わないように適度な熱容量をもち、さらに定着ニップ部Ｎｔについて長手方向に均一なニップ形状となる機械的強度も必要である。そこで本実施例では、パッド５０は、材料としてＳＵＳや鉄、アルミといった金属材料を用いていて、幅７．５ｍｍ・厚み１ｍｍの板状に形成した。

パッド５０はホルダー５１としての、中空樹脂を含有する断熱性で剛性を有する横断面略半円形樋状の液晶ポリマー部材によって保持される。ホルダー５１の外面側には長手に沿ってパッド嵌め込み溝５１ａが形成されており、ヒータ２１はその溝５１ａに嵌め込まれて保持されている。またホルダー５１の内側には横断面Ｕ字状の鉄部材である剛性ステイ（支持体）５２が配設されている。ベルト６０は上記のようにパッド５０とステイ５２を配設したホルダー５１に対してルーズに外嵌されている。

バックアップ部材４０はローラ３０の下側（ヒータ２１の側とは１８０°反対側）においてパッド５０側をローラ３０に対面させて並行に配列されている。即ち、ヒータ２１とパッド５０は、ローラ３０を中にしてローラ径方向で対向して配置されている。そして、ステイ５２は不図示の加圧機構によりパッド５０がベルト６０を介してローラ３０の下面に対してローラ３０の弾性に抗して所定の圧力で圧接するように押圧付勢されている。これにより、ローラ３０の下面側においてローラ３０とベルト６０との間に定着ローラ回転方向に関して所定幅の定着ニップ部Ｎｔが形成される。

本実施例では、ローラ３０とパッド５０の間に１４ｋｇｆの加圧力を付加して定着ニップ部Ｎｔを幅７ｍｍで形成している。

（２−４）定着装置７の加熱定着動作
定着装置７が像加熱定着の一連の動作に入る直前、不図示の紙サイズ検知機、または信号により次に通紙される記録材Ｐの幅サイズが検知される。

ローラ３０は芯金３１の端部に設けられた不図示の駆動ギアが不図示の駆動機構から駆動力を受けることにより矢印Ｒ３０の時計方向に所定の速度で回転駆動される。ローラ３０は上面側の加熱ニップ部Ｎｈにおいてヒータ２１の下面に対して密着して摺動しながら回転する。

また、バックアップ部材４０のベルト６０は定着ニップ部Ｎｔにおけるローラ３０との摩擦力による回転モーメントで内面がパッド５０に密着して摺動しながらホルダー５１の外回りをローラ３０の回転に従動して矢印Ｒ６０の反時計方向に回転する。ホルダー５１はベルト６０の回転ガイド部材としても機能している。

その状態において、制御手段としての温度制御部８０（図３）が通電駆動手段としてのトライアック素子８１をＯＮし、ＡＣ電源８３（商用電源）よりヒータ２１の基板２１ａの長手端部に設けられた不図示の電極部を通じて抵抗層２１ｂへの通電を開始する。抵抗層２１ｂは通電されることで発熱し、その抵抗層２１ｂの発熱に応じてヒータ２１が昇温する。ヒータ２１は、ヒータ自体が低熱容量である為、温度立ち上がりが速い。そのヒータ２１の立ち上がり温度は基板２１ａの裏面に設けられたサーミスタ２２により検知され、その検知信号を温度制御部８０が取り込む。

温度制御部８０は、その検知信号に基づきトライアック素子８１をＯＮ／ＯＦＦして抵抗層２１ｂへの通電を制御することにより、ヒータ２１を所定の温度（目標温度）に維持する温度制御を行う。そのヒータ２１の熱で回転中のローラ３０の表面が加熱されることによって、ローラ３０の表面は記録材Ｐのトナーを溶融し記録材Ｐ上に定着させる定着可能温度に保たれる。

ヒータ２１の温度制御方式としては、検知信号に応じて、抵抗層２１ｂに印加される商用電源電圧のデューティー比や波数等を適切に制御することで、ヒータ２１を所定の温度に温度制御する。ヒータ２１の温度制御を行う他の構成としては、ローラ３０の表面の温度を温度検知手段（図示せず）で検知し、その検知信号に基づき温度制御部８０によりトライアック素子８１をＯＮ／ＯＦＦして抵抗層２１ｂへの通電を制御する。これによって、ヒータ２１を所定の温度に維持するようにしてもよい。

ローラ３０の表面が定着可能温度に立ち上って温調された状態で、未定着トナー像（未定着画像）ｔを担持した記録材Ｐが定着ニップ部Ｎｔに導入される。その記録材Ｐは定着ニップ部Ｎｔにおいてローラ３０の表面とベルト６０とにより挟持搬送される。そして、その搬送過程において記録材Ｐ上の未定着トナー像ｔがローラ３０の熱とニップ圧で記録材Ｐ上に固着画像として加熱定着される。

上記のようにローラ３０の表面を定着可能温度とするようにヒータ２１を温度制御する事によって、記録材Ｐの定着性を一定に保つことができるとともに、記録材Ｐに対し熱を与えすぎることによって発生するホットオフセットなどの画像不良も防止できる。

（３）温度ムラ対策
（３−１）温度ムラのメカニズム
ローラ３０の熱伝導率が大きいと、ローラ自身でローラ内の熱を素早く均一化することができるが、熱伝導率が小さいと、素早く温度差を均一化することができないため、ローラ長手で温度差（温度ムラ）が生じやすい。このように、温度ムラはローラ３０の熱伝導率に密接に関係している。

従来技術のような熱容量の小さい定着ローラを用いた外部加熱方式の場合、定着ローラの熱容量が小さいために定着ローラ長手で温度ムラが発生しやすくなってしまう。例えば定着装置に最大通紙領域より幅の狭い記録材（幅狭記録材）が連続的に通紙される場合、定着ローラは幅狭記録材と非接触の部分（非通紙部）の温度が幅狭記録材と接触する部分（通紙部）の温度よりも高温になる。したがって、幅狭記録材の通紙終了後に幅狭記録材よりも幅広の記録材が通紙されると、上記温度差により定着率に違いを生じて画質不良を生じるという問題（非通紙部昇温）がある。

この問題は、定着ローラの熱容量が小さいほうが顕著である。そのため、熱ローラ方式に比べ外部加熱方式の方が不利である。また、外部加熱方式の中でもＦＰＯＴの早い、加圧パッドを用いる構成ではさらに顕著であり、ＦＰＯＴ短縮と非通紙部昇温はトレードオフの関係にある。従来技術では、定着ローラ長手の温度差が定着率に影響しない温度差になるまで待つことでこの問題を回避しているが、このためにプリントスピードをダウンさせなければならない。

定着ローラの熱容量を大きくすることで、定着ローラの熱を均一にする対策が考えられるが、定着ローラを十分な定着温度に達するのに時間がかかってしまい、外部加熱方式のメリットである定着ローラをすばやく昇温させることができなくなってしまう。

（３−２）温度ムラ防止のメカニズム
上記の定着装置７において、ローラ３０の熱がバックアップ部材４０の有するベルト６０を介してパッド５０に伝達されると、パッド５０は熱平衡状態を保とうとしてパッド内の熱を均一化させようとする。この現象の速度はパッド５０の熱伝導率に依存しており、パッド５０の熱伝導率が大きいほど、急速に熱の均一化が行われる。

バックアップ部材４０の熱伝導率がローラ３０の熱伝導率を上回っている場合、パッド５０がベルト６０を介してニップ部Ｎｔ中でローラ３０と熱交換を行いやすい。そのため、例えばローラ長手方向に温度差が生じていても、パッド５０によってその温度差を小さくするように促される。このため、ローラ３０の長手方向の温度ムラは小さいものに維持される。従って、非通紙部昇温が発生するような場合でも、パッド５０がローラ３０の非通紙部と通紙部の温度差を小さくし、非通紙部が著しく昇温するようなことが防止される。

このように温度ムラはローラ３０とバックアップ部材４０との双方の熱エネルギーの伝え易さに依存している。本発明においては上記熱エネルギーの伝え易さを「製品見かけ熱伝導率（Ｗ／ｍｋ）」と定義する。

本実施例はバックアップ部材４０の定着ニップ部Ｎｔにおける製品見かけ熱伝導率が定着ローラ３０の製品見かけ熱伝導率よりも大きいことを特徴としており、上記のメカニズムによりローラ３０の温度ムラを防止している。

（３−３）製品見かけ熱伝導率測定
本実施例における製品見かけ熱伝導率の測定は「非定常熱線法」と呼ばれる方法を用いる。具体的には、測定装置ＱＴＭ−５００（京都電子工業株式会社）を用いた非定常熱線法（プローブ法）により、単一の層から成る物質の熱伝導率を求めるのと同じ手順に従って製品見かけ熱伝導率を測定した。

１）非定常熱線法
非定常熱線法は、定常法と異なり、熱移動の過度現象を利用して熱伝導率を求めるものである。固体の場合についてその測定原理を説明する。２枚の試料の接合面の中央に挟まれた直線状の金属抵抗線（熱線、ヒータ線）に通電するとジュール熱が発生し、線に垂直な面内で放射状に拡がり、熱線に接した試料の温度は急速に上昇する。この場合、試料内の熱拡散の難易によりその温度上昇の様子は試料によって種々異なる。

この上昇率の時間依存性が試料の熱伝導率に関係するものとして、これから熱伝導率を知ろうとするのがこの測定法の原理である。この方法での熱伝導率の算出式は、理論式から次のようにして得られる。まず、無限に拡がった媒体中に太さのない無限長さの直線状熱源（熱線）を仮定する。これより放散される熱は、図４のように、熱線に直交する面内で２次元的に拡散するものとすると、熱線からの距離ｒの点における温度変化は次のように表わされる。

ただし、Ｔ：温度、ｔ：時間、ｋ：熱拡散率である。ただし

となる。ρ：密度、Ｃｐ：比熱容量
（１）式を次の３つの条件、

で解くと、次式がえられる。

ここに、ｑ：熱源からの放散熱量、λ：熱伝導率で、Ｅｉは指数積分であり下式

で与えられる。

上式のＣ＝０．５７７２…でオイラー定数と呼ばれるものである。ｒ²／４ｋｔが十分に小さい場合は（３）式の第３項以下が省略でき、−Ｅｉ（−ｘ）＝−Ｃ−ｌｎｘとなり、（２）式は、

となる。（４）式は、熱線に接した試料温度（Ｔ）を、時間を対数軸（ｌｏｇｔ）にとった片対数グラフにプロットすれば図５のように直線になり、このＴ−ｌｏｇｔの勾配中に熱伝導率が含まれていることを示している。従って、（４）式の成立している範囲内での任意の時間、ｔ₁、ｔ₂における温度をＴ₁、Ｔ₂とすれば、

となるから、電気抵抗Ｒ（Ω／ｍ）の金属線にＩ（Ａ）の電流を通電してこれを熱源とし、ｔ₁〜ｔ₂間（秒または分）の熱源近傍の上昇温度Ｔ₂−Ｔ₁を測定すれば、熱伝導率λは次式から算出される。

上昇温度（Ｔ）の測定場所は、ヒータ線に近いことが望ましいので、実際には、ヒータ線と接した試料中、すなわち、熱電対の温接点の先端をヒータ線に接した状態で測定を行う。

２）プローブ
プローブの理想的な測定方法としては図４のように無限と見なせる試料の中心に熱線（以下、ヒータ線と記す）を通す必要があるが、被測定物（試料）の形状によっては破壊が必要である。

測定装置ＱＴＭ−５００のプローブ（ＰＤ−１３）は被測定物（試料）を非破壊で測定することができるように、図６のように、直線状に張られたヒータ線７１と熱電対７２と断熱材７３により構成されている。図６の（ａ）の理想的な測定方法に対し、（ｂ）が実際の測定構成である。試料にヒータ線７１を接触させ、断熱材７３でヒータ線７１の周囲を断熱する。定電流を流せば、ヒータ線７１に発生した熱は周囲に伝導で伝熱する。プローブの断熱材７３は熱伝導率が非常に小さい材質で構成されているため、ヒータ線７１の表面温度変化は試料の熱伝導率に依存する。

ヒータ線７１の単位長さの単位時間あたりの放出熱量をｑ（Ｗａｔｔ／ｍ）、時間ｔ１より時間ｔ２までのヒータ線７１の表面温度の上昇分をΔＴとすると、プローブＰＤ−１３を用いた測定装置ＱＴＭ−５００での熱伝導率は下記の式で与えられる。

熱伝導率＝１８．３３・ｑ／ΔＴ・ｌｏｇ（ｔ₁／ｔ₂） （Ｗ／ｍｋ）
このことより、時間ｔの対数を横軸に、温度上昇ΔＴを縦軸にとってプロットすると直線が得られ、この勾配から熱伝導率が求められる。こうして求めた熱伝導率を「製品見かけ熱伝導率」として用いる。なお、製品見かけ熱伝導率という名称を用いたのは以下の理由による。

上記の測定方法において、試料が単一の材質で構成され、かつ試料のサイズが厚さ方向（ヒータから遠ざかる方向）に無限に大きければ試料の熱容量は影響しないとされている。しかしながら、実測値では製品見かけ熱伝導率に熱容量は影響している。これは試料の熱容量が無限と見なせない有限の大きさであると、試料の熱容量が小さいほど試料内の温度上昇勾配大きくなり、Ｔ−ｌｏｇｔ直線が試料を無限とした場合と比べ、ずれることに起因する。

試料が無限とみなせる大きさ（プローブＰＤ−１３では１００×５０×２０以上）になれば、その値は材質の純粋な熱伝導率となるが、それ以下の体積である場合、試料の熱容量の影響をうけることになる。

またローラ３０やバックアップ部材４０は一体の物質ではなく、いくつかの層構成になっているために、本実施例の測定方法では、特定の層の材質の熱伝導率を測定することはできない。しかし、いくつかの層を一体的な熱伝達源とみなすことで、この方法による熱伝導率測定の値を、製品見かけ熱伝導率として定義することが可能である。

なお、上述のように製品見かけ熱伝導率は試料の熱伝導率に加え試料の熱容量も反映された値となる。この事は非通紙部昇温のみならず、後述するスリープＦＰＯＴに関しても、製品見かけ熱伝導率が影響する理由となる。

３）測定方法
今回の測定ではバックアップ部材４０の製品見かけ熱伝導率を測定するために図７の（ａ）のように装置ＱＴＭ−５００用のプローブ（ＰＤ−１３）を用いる。ヒータ線７１とヒータ線７１の温度を測定する熱電対７２を測定対象に接触させる。そして、プローブの断熱材７３を介して加圧部材７４で一定の圧（１０ｋｇｆ）をかけた。また測定は測定装置ＱＴＭ−５００のノーマルモードを用いて、試料の材質に応じて電流値を選択し測定を行った。

まずバックアップ部材４０の製品見かけ熱伝導率を測定する方法（図７の（ａ））について述べる。上記のプローブをバックアップ部材４０の構成の定着ニップ部相当部の上に乗せ一定の圧を加えて測定した。パッド５０の材質による熱伝導への影響を測定するために、パッド５０のみを交換し、それぞれの定着ニップ域におけるバックアップ部材表面の製品見かけ熱伝導率を測定した。

ローラ３０の製品見かけ熱伝導率を測定するためには上記と同様に図７の（ｂ）のような構成で測定をした。なお、バックアップ部材４０及びローラ３０の長手長さは全て２３３ｍｍとした。

４）測定結果
パッド５０の材質を以下の種類用意し、各パッドを入れた際のバックアップ部材４０の製品見かけ熱伝導率を測定した。結果を表１に示す。ローラ３０の製品見かけ熱伝導率測定結果を表２に示す。

（３−４）実験による確認
次にローラ３０やバックアップ部材４０の製品見かけ熱伝導率が、定着装置７のＦＰＯＴ、非通紙部昇温との関係についてどのような効果があるのかを実験により確認した。

実験に使用した画像形成装置のプロセススピードは１００ｍｍ／ｓｅｃであり、１分間に１６枚のプリントを実施するレーザービームプリンタを用いて実験を行った。実験には本実施例の定着装置７を用いた。

また、比較として比較用定着装置７Ａ〜７Ｆを用意した。本実施例の定着装置７と共通する部材及び部分には再度の説明を省略する。比較用定着装置７Ａ〜７Ｅは、定着ローラ３０、バックアップ部材４０の製品見かけ熱伝導率を表３のように構成した他は本実施例の定着装置７と同じ構成である。

本実験における画像形成装置は、例えば、坪量８０ｇ／ｍ²紙を定着させる定着モードにおいて、ヒータ２１は、目標温度２００〜２１０℃で制御される。図８は本実験時におけるローラ３０の温度測定位置を表している。ローラ３０の非通紙部Ｔｈの温度測定位置Ｓｈと通紙部Ｔｔの温度測定位置ＳｔにＫ熱電対（アンリツ社製）を押し当てて、温度を測定した
＜実験１＞
この画像形成装置を用い、気温１５℃、湿度１５％の環境下において、一般的なＬＢＰ印刷用紙、坪量８０ｇ／ｍ²、Ａ４（幅２１０ｍｍ、縦２９７ｍｍ）サイズ紙を用いる。雰囲気環境温度に冷やされた状態（スリープ状態）の定着装置７に所定電力を投入し、印字率５％の文字画像を１枚プリントして、用紙が十分に機外に排出されるまでの時間（スリープＦＰＯＴ）の測定を行った。以上の条件で本実施例の定着装置７と比較用定着装置７Ａ〜７ＦとでＦＰＯＴ比較を行った。

ここで、スリープＦＰＯＴとは、スリープ状態の定着装置７に所定の電力を投入し、プリント開始信号から記録材１枚目の定着動作が完了して搬出されるまでの時間をさす。定着動作はローラ３０の表面温度が１８０℃に達した時点から開始されるため、ローラ３０の表面温度の立ち上がりが速いほどスリープＦＰＯＴを短縮することができる。スリープＦｐｏｔは本体構成や定着器体積などによって目標値は左右されるが、今回は２０秒以下を目標スリープＦｐｏｔとした。

＜実験２＞
実験１と同じ実験環境において、坪量８０ｇ／ｍ²、Ａ５（幅１４８ｍｍ縦２１０ｍｍ）サイズ紙を用い、印字率５％の文字画像を１００枚プリントした。この直後に図８のようにローラ３０の非通紙部Ｔｈの温度測定位置Ｓｈと通紙部Ｔｔの温度測定位置Ｓｔの温度差を測定した。また連続プリント直後、Ａ５より幅広で、Ａ５サイズ通紙時には非通紙部になる定着ローラ領域が通紙部になるＬＥＴＴＥＲサイズ紙を流すことで、非通紙部昇温による画質不良が起きるかどうかを確認した。

実験１の目標スリープＦｐｏｔ達成と実験２の非通紙部昇温による画質不良防止を両立できているかを判定した。結果を表４に示す

実験１、２に用いた定着装置構成の中で、目標スリープＦｐｏｔ２０ｓ以下と非通紙部昇温による画像不良の発生防止を両立させている構成は実施例１と７Ｂ、７Ｅである。また、バックアップ部材４０の製品見かけ熱伝導率が定着ローラ３０の製品見かけ熱伝導率より大きい構成になっているのは実施例１と７Ｂ、７Ｅである。その他の構成では、スリープＦｐｏｔ短縮と非通紙部昇温による画像不良防止を両立させることはできない。

この結果から、バックアップ部材４０の製品見かけ熱伝導率がローラ３０の製品見かけ熱伝導率より大きい構成であれば素早いスリープＦｐｏｔと非通紙部昇温による画像不良の発生防止を両立できることがわかる。

スリープＦｐｏｔに対する寄与度はバックアップ部材４０の製品見かけ熱伝導率よりもローラ３０のそれのほうが大きく、実施例１と７Ｂ、７Ｅの中ではローラ３０の製品見かけ熱伝導率が一番小さい実施例１が最も早いＦｐｏｔを実現している。

目標スリープＦｐｏｔをどの位にするかは機種ごとのスペックによって左右されるが、ローラ３０の製品見かけ熱伝導率が大きくなりすぎると、スリープＦｐｏｔが非常に遅くなる。したがって、プリント開始まではローラ３０への電力投入は行わない省エネタイプの定着装置とするためには、スリープＦＰＯＴを２０秒程度以下に抑える必要があり、ローラ３０の製品見かけ熱伝導率は０．６（Ｗ／ｍｋ）以下が好ましい。

ローラ３０の製品見かけ熱伝導率が０．６（Ｗ／ｍｋ）以下では定着ローラ自身で非通紙部と通紙部の温度差を均一にする力が少なくなる。バックアップ部材４０の製品見かけ熱伝導率がローラ３０の製品見かけ熱伝導率を上回っていれば、バックアップ部材４０がローラ３０の温度ムラを均一化し、非通紙部と通紙部の温度差を小さくすることができる。

実験１、２の結果より、実施例１の構成であれば、スリープＦｐｏｔ短縮と非通紙部昇温による画像不良防止をバランス良く両立させることが可能であるとわかった。

［実施例２］
図９に第２の実施例の定着装置７の概略構成を示す模式的横断面図である。本実施例２の定着装置７は定着ローラ３０の外部加熱手段２１Ａとして誘導加熱手段（磁界発生手段）を用いていることが特徴である。

本実施例の定着装置７において、ローラ３０は、実施例１の定着装置７におけるローラ３０の高熱伝導層３３を電磁誘導発熱性の金属スリーブ３３Ａにしている。スリーブ３３Ａは後述するようにローラ３０の外側に非接触に対向して配設された磁界発生手段２１Ａによる磁界の作用で誘導加熱される。

スリーブ３３Ａの材質は、例えば鉄やＳＵＳ等の誘導加熱により発熱可能な磁性を有する導電性部材からなり、特に、比透磁率が高ければよく、例えば珪素鋼板や電磁鋼板、ニッケル鋼も好適に用いられる。また、非磁性体であっても、誘導加熱が可能なＳＵＳ３０４のＳＵＳ等のように抵抗値の高い材料も好適に用いられる。さらに、例えばセラミック等の非磁性のベース部材であっても、比透磁率の高い材料が導電性を有するように配置してなる構成であれば、その使用も可能である。

また、スリーブ３３Ａは、ローラ３０の表面温度の立ち上り時間を短縮するために、その肉厚が４０〜１００μｍに薄肉化されている。本実施例においては、スリーブ３３Ａとして厚さが５０μｍの磁性ステンレス材（ＳＵＳ４３０）を使用している。また、この場合、発熱量を増大させるために、スリーブ３３Ａを複数の導電体層にて形成することも可能である。

カラートナーを均一に定着するためにスリーブ３３Ａと離型層３４の間に必要に応じて１００〜４００μｍ程度のＳｉゴム層を設けても良い。断熱層３２は、肉厚が３ｍｍの断熱性の高いシリコーンゴム（気泡ゴム）等を主成分とする層にしている。離型層３４は１０μｍのＰＦＡの層にしている。その他のローラ構成は実施例１のローラ３０と同様である。

ローラ３０を外部から加熱する磁界発生手段２１Ａは、ローラ３０の上半周面側に非接触に対向して配設されており、誘導コイル１２１とフェライトコア１２２を有する。コイル１２１はローラ３０の上半周面を取り囲むように巻回して配置されている。このようにローラ３０の上半周面を取り囲むように配置すると曲率が存在するため、コイル１２１の中心部側に磁束が集中し、ローラ３０のスリーブ３３Ａに渦電流の発生量が多くなる。これにより、ローラ３０の表面温度を素速く立ち上げることが可能になる。

コイル１２１の材質として、本実施例では、耐熱性を考慮して、表面に絶縁層（例えば酸化膜）を形成したアルミニウム単線を用いているが、銅線もしくは銅ベースの複合部材線、あるいは、エナメル線等を撚り線にしたリッツ線であっても良い。この場合、いずれの線材を選択しても、コイルでのジュール損を抑えるためには、コイル１２１の全抵抗値は、０．５Ω以下、好ましくは、０．１Ω以下である方が良い。

さらに、コイル１２１は、記録材Ｐのサイズに応じて複数に分列して配置することも可能である。この場合、コイル１２１は、ローラ３０の外周部を少なくとも半周程度の範囲で取り囲むように配置され、これにより、ローラ３０を短時間で均一に加熱することが可能になる。

バックアップ部材４０は実施例１の定着装置７のそれと同様の構成である。ローラ３０の下側（磁界発生手段２１Ａの側とは１８０°反対側）に配設されている。そして、ローラ３０とベルト６０との間に定着ローラ回転方向に関して所定幅の定着ニップ部Ｎｔを形成している。本実施例では定着ニップ部Ｎｔを幅６ｍｍ程度で形成している。

ローラ３０が回転駆動されると、コイル１２１に対して、中央演算装置（ＣＰＵ）等にて構成される制御手段１２３にて制御される励磁回路１２４より高周波電流がながされる。これによりコイル１２１に交番磁界を発生し、この交番磁界の作用によりローラ３０のスリーブ３３Ａが誘導加熱されて発熱する。

励磁回路１２４には、ローラ３０の定着ニップ部Ｎｔの入口側近傍に配置された温度検知手段としてのサーミスタ１２５が接続されている。このサーミスタ１２５は、その検知信号に応じて、制御手段１２３を介して励磁回路１２４を制御し、これにより、ローラ３０の温度は、所定の設定温度（例えば、１８０℃）に制御される。

ローラ３０の表面が定着可能温度に立ち上って温調された状態で、未定着トナー像ｔを担持した記録材Ｐが定着ニップ部Ｎｔに導入される。その記録材Ｐは定着ニップ部Ｎｔにおいてローラ３０の表面とベルト６０とにより挟持搬送される。そして、その搬送過程において記録材Ｐ上の未定着トナー像ｔがローラ３０の熱とニップ圧で記録材Ｐ上に固着画像として加熱定着される。

１）製品見かけ熱伝導率測定
実施例２のローラ３０の製品見かけ熱伝導率を測定した。測定方法は実施例１と同様であるので省略する。結果を表５に示す。

２）実験による確認
実施例２の構成においても実施例１と同様の効果があるのか、確認した。実験内容は実施例１の実験１と実験２と同様であり、説明を省略する。実験においてバックアップ部材４０のパッド５０は実施例１におけるアルミ板と同じものを使用した。実験に使用した構成を表６に示す。実験結果を表７に示す。

以上の様な定着装置構成においても、実施例１と同様の効果が得られた。即ち、ローラ３０の製品見かけ熱伝導率よりも、バックアップ部材４０の定着ニップ部における製品見かけ熱伝導率を大きくすることで、Ｆｐｏｔ短縮と非通紙部昇温による画像不良防止を両立することができることがわかった。

［その他の事項］
１）以上、実施例１及び実施例２の定着装置７ではローラ３０を外側から加熱する加熱手段として、板状ヒータ２１や誘導加熱手段２１Ａを用い、ローラ３０の表層を加熱する構成を例として、説明を行った。

しかし、ローラ３０を外側から加熱する加熱手段はそれらの構成に限定されるものではない。例えば、ヒータは板状である必要はなく、ローラ表面に沿う曲面形状であっても良い。ヒータ２１の保護層２１ｄの替わりに、ヒータ２１のローラ側（表面側）に保護シートを設け、ヒータ２１とローラ３０表面の間に介在しながら加熱ニップ部Ｎｈを形成する構成としても良い。また、エンドレスフィルムをヒータ２１とローラ３０の間に介在させて加熱ニップ部Ｎｈを形成する構成としても良い。また、ハロゲンランプを用いて定着ローラ表面を非接触で加熱しても良く、その方法は問わない。

２）本発明に係る像加熱装置は、実施例の未定着画像の定着装置７としての使用に限られない。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を増大させる光沢増大装置（画像改質装置）としても有効に使用することができる。

３）画像形成装置において、記録材（Ｐ）に未定着画像（ｔ）を形成する画像形成手段は実施例の転写方式の電子写真プロセスに限られない。感光紙を用いる直接方式の電子写真プロセスであってもよい。また、転写方式または直接方式の静電記録プロセスや磁気記録プロセスであってもよい。

７・・像加熱装置（定着装置）、３０・・像加熱用回転体（定着ローラ）、３２・・断熱層、２１，２１Ａ・・加熱手段（板状ヒータ、磁界発生手段）、４０・・バックアップ部材、６０・・エンドレスベルト、３０・・加圧パッド、Ｎｔ・・ニップ（定着ニップ部）、Ｐ・・記録材、ｔ・・像（未定着トナー像）

Claims (5)

1. 芯金と、前記芯金の外側に形成されたゴム層と、を有するローラと、
   前記ローラを加熱するための加熱部材と、
   エンドレスベルトと、前記ベルトの内面に接触し前記ローラと共にニップ部を形成するパッドと、を有するバックアップユニットと、
   を備え、前記ニップ部においてトナー像が形成された記録材を搬送しつつ前記ローラの熱によって前記トナー像を加熱する像加熱装置において、
   前記パッドは金属で形成されており、
   前記ニップ部における記録材の搬送方向において、前記ベルトと前記ローラとの接触領域である前記ニップ部は全て前記パッドと前記ベルトとの接触領域とオーバラップすることを特徴とする像加熱装置。
2. 前記バックアップユニットは、前記ベルトの内側において、金属で形成され且つ前記バックアップユニットを補強するための補強部材を有し、前記パッドと前記補強部材との間に樹脂部材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の像加熱装置。
3. 前記バックアップユニットの表面のうち前記ニップ部を形成する領域の見かけの熱伝導率は、前記ローラの見かけ熱伝導率よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の像加熱装置。
4. 前記ゴム層は、第１のゴム層と、前記第１のゴム層の外側に形成され、前記第１のゴム層よりも熱伝導率が高い第２のゴム層と、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の像加熱装置。
5. 前記加熱部材は、前記ローラの外周面に接触していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の像加熱装置。