JP6164902B2 - 画像加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、弾性層を有する加熱部材と搬送部材のニップ部で記録材を加熱処理する画像加熱装置、詳しくは記録材の加熱処理能力を損なうことなく加熱部材の表面温度の温度調整の目標温度を低下させ得る加熱部材の層構成に完成する。

像担持体に担持させたトナー像を記録材に転写し、トナー像が転写された記録材を画像加熱装置の一例である定着装置のニップ部で加熱加圧して記録材に画像を定着させる画像形成装置が広く用いられている。画像加熱装置は、加熱部材（ローラ部材又はベルト部材）に搬送部材（ローラ部材又はベルト部材）を当接させて記録材のニップ部を形成する。加熱部材は、加熱部材の強度を担う基層（円筒部材又はベルト部材）の上にゴム弾性を有する弾性層を配置して記録材表面の凹凸への追従性を高めている（特許文献１、２）。

特許文献１では、弾性層のシリコンゴム材料にアルミナ、シリカ等の酸化金属系熱伝導性充填材を混合して定着ベルトの厚み方向の熱伝導率を高めている。特許文献２では、弾性層の上に、溶融したトナーに対する離型性が高いフッ素樹脂系の離型層を配置している。離型層のフッ素樹脂材料に金、ニッケルなどの金属系熱伝導性充填材を混合して離型層の熱伝導率を高めている。

特開２００７−２１９３７１号公報 特開２００５−３０２６９１号公報

伝熱工学 相原利雄著 裳華房 ３１〜３５ページ 電子写真技術の基礎と応用 １９８８年 コロナ社 １９２〜２１０ページ

画像加熱装置において、加熱処理された画像の品質と加熱処理速度が同じであれば、加熱部材の表面温度は低いほど望ましい。加熱部材の表面温度が低いほど、表面全体の放射熱が減るので、加熱部材の表面温度を維持するために必要な電力を節約できる。加熱部材の表面温度が低いほど、加熱部材の表面の離型層の摩耗速度が低下するので、加熱部材の交換寿命が伸びる。

特許文献２に示されるように、離型層の熱伝導率を大きくした場合、温度調整の目標温度を下げて加熱部材の表面温度を下げ得ることが確認された。しかし、特許文献２に示される離型層の厚みでは、その効果が十分とは言えず、加熱処理された画像の品質と加熱処理速度を確保するためには、温度調整の目標温度にある程度の上積みが必要になって、加熱部材の表面温度を十分に低下させることができない。

本発明は、離型層自体から記録材へ効率的な熱供給を行って、ニップ部を通過する際の弾性層からの非効率的な熱供給の割合を減らすことにより、加熱部材全体の表面温度を十分に低下させることができる画像加熱装置を提供することを目的としている。

本発明の画像加熱装置は、加熱源と、前記加熱源に加熱される加熱部材と、前記加熱部材に当接して記録材を搬送するニップ部を形成する搬送部材と、を備え、前記加熱部材は、前記加熱源に加熱される基層と、前記基層上に配置される弾性層と、前記弾性層上に配置される離型層と、を有するものである。そして、
前記弾性層の熱伝導率をλ _２ ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とし、
前記弾性層の熱容量をＣ _２ ［Ｊ／（ｍ ^３ ・Ｋ）］とし、
前記弾性層の熱浸透率をｂ _２ ［Ｊ／（ｍ ^２ ・Ｋ・ｓ ^０．５ ）］（＝（λ _２ Ｃ _２ ） ^０．５ ）とし、
前記弾性層の厚みをｄ _２ ［ｍ］とし、
前記離型層の熱伝導率をλ _３ ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とし、
前記離型層の熱容量をＣ _３ ［Ｊ／（ｍ ^３ ・Ｋ）］とし、
前記離型層の熱浸透率をｂ _３ ［Ｊ／（ｍ ^２ ・Ｋ・ｓ ^０．５ ）］（＝（λ _３ Ｃ _３ ） ^０．５ ）とし、
前記離型層の厚みをｄ _３ ［ｍ］とし、
前記離型層の熱拡散率をα _３ ［ｍ ^２ ／ｓ］とし、
前記ニップ部の記録材滞在時間をｔ［ｓ］としたとき、
ｂ _３ ＞ｂ _２ かつ （α _３ ・ｔ） ^０．５ ≦ｄ _３
の関係が成り立つと共に、
前記加熱部材は円筒状であり、
前記基層の内径をｒ _１ ［ｍ］とし、
前記弾性層の内径をｒ _２ ［ｍ］とし、
前記離型層の内径をｒ _３ ［ｍ］とし、
前記基層の熱伝導率をλ _１ ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とし、
前記加熱部材の回転軸線方向の長さをＬａ［ｍ］とし、
前記加熱部材の回転軸線方向の単位長さ当たりの前記加熱源への投入電力をＱ［Ｗ／ｍ］とし、
前記加熱部材の表面平均温度をＴ _３ａｖｅ ［℃］とし、
前記加熱部材の内面平均温度をＴ _０ａｖｅ ［℃］としたとき、
次式の関係が成り立つことを特徴とする。

別の本発明の画像加熱装置は、加熱源と、前記加熱源に加熱される加熱部材と、前記加熱部材に当接して記録材を搬送するニップ部を形成する搬送部材と、を備え、前記加熱部材は、前記加熱源側から記録材に接する表面まで１から順に層番号を付した合計ｎ層の多層構成を有するものである。そして、
ｊ番目（ｊ＝１〜ｎ）の層の熱伝導率をλ _ｊ ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とし、
ｊ番目（ｊ＝１〜ｎ）の層の熱容量をＣ _ｊ ［Ｊ／（ｍ ^３ ・Ｋ）］とし、
ｊ番目（ｊ＝１〜ｎ）の層の熱浸透率をｂ _ｊ ［Ｊ／（ｍ ^２ ・Ｋ・ｓ ^０．５ ）］（＝（λ _ｊ Ｃ _ｊ ） ^０．５ ）とし、
ｊ番目（ｊ＝１〜ｎ）の層の厚みをｄ _ｊ ［ｍ］とし、
ｎ番目の層の厚みをｄ _ｎ ［ｍ］とし、
ｎ番目の層の熱拡散率をα _ｎ ［ｍ ^２ ／ｓ］とし、
前記ニップ部の記録材滞在時間をｔ［ｓ］としたとき、
ｂ _ｎ ＞ｂ _ｎー１ かつ （α _ｎ ・ｔ） ^０．５ ≦ｄ _ｎ
の関係が成り立つと共に、
円筒状に形成された前記加熱部材のｊ番目の層の内径をｒ _ｊ ［ｍ］とし、
前記加熱部材の回転軸線方向の長さをＬａ［ｍ］とし、
前記加熱部材の回転軸線方向の単位長さ当たりの前記加熱源への投入電力をＱ［Ｗ／ｍ］とし、
前記加熱部材の表面平均温度をＴ _ｎａｖｅ ［℃］とし、
前記加熱部材の内面平均温度をＴ _０ａｖｅ ［℃］としたとき、
次式の関係が成り立つことを特徴とする。

本発明の画像加熱装置では、加熱部材の周面の一部分がニップ部を通過する際に、単位体積当たり熱容量の大きな離型層にほぼ限定されて熱移動が発生するため、単位体積当たり熱容量の小さな弾性層からの非効率的な熱移動に頼らなくて済む。

加熱部材がニップ部を通過する際に、離型層自体から記録材へ効率的な熱供給を行って、離型層に対する弾性層からの非効率的な熱供給に頼る割合を減らすので、加熱部材全体の表面温度を十分に低く設定できる。

本発明の画像加熱装置では、弾性層の耐熱温度以下で運転できるように離型層厚みを設定するため、加熱部材の耐久寿命を損なうことがない。

画像形成装置の構成の説明図である。 定着装置の構成の説明図である。 ニップ部における直径方向の温度分布の変化の説明図である。 離型層の厚みの検討の説明図である。 離型層の熱拡散長の検討の説明図である。 離型層の厚みが３０μｍの場合の深さ方向の温度分布の説明図である。 離型層の厚みと最低定着温度の関係の説明図である。 定着ローラの各層のパラメータの説明図である。 定着ローラの一周回転における表面温度の変化の説明図である。 離型層の厚みの上限値の説明図である。 供給電力と離型層の最大許容厚みの関係の説明図である。 実施例２の定着装置の構成の説明図である。 定着ベルトの一周回転における表面温度の変化の説明図である。 定着ベルトの一周回転における内面温度の変化の説明図である。 離型層の厚みの上限値の説明図である。 供給電力と離型層の最大許容厚みの関係の説明図である。 実施例３の定着装置の構成の説明図である。 実施例４の定着装置の構成の説明図である。 実施例５の定着装置の構成の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（画像形成装置）
図１は画像形成装置の構成の説明図である。図１に示すように、画像形成装置１００は、中間転写ベルト２１に沿ってイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成部１２Ｙ、１２Ｍ、１２Ｃ、１２Ｋを配列したタンデム型中間転写方式のフルカラープリンタである。

画像形成部１２Ｙでは、感光ドラム１３（Ｙ）にイエロートナー像が形成されて中間転写ベルト２１に転写される。画像形成部１２Ｍでは、感光ドラム１３（Ｍ）にマゼンタトナー像が形成されて中間転写ベルト２１に転写される。画像形成部１２Ｃ、１２Ｋでは、感光ドラム１３（Ｃ）、１３（Ｋ）にそれぞれシアントナー像、ブラックトナー像が形成されて中間転写ベルト２１に転写される。

中間転写ベルト２１に担持された四色のトナー像は、二次転写部Ｔ２へ搬送されて記録材Ｐへ一括二次転写される。記録材カセット１１Ａから取り出された記録材は、分離ローラ１１Ｂで１枚ずつに分離されてレジストローラ１１Ｃへ搬送される。レジストローラ１１Ｃは、中間転写ベルト２１のトナー像にタイミングを合わせて記録材Ｐを二次転写部Ｔ２へ給送する。

二次転写ローラ２３は、二次転写内ローラを兼ねる駆動ローラ１９上の中間転写ベルト２１に当接して二次転写部Ｔ２を形成する。定着装置１０は、記録材Ｐを加熱加圧して記録材Ｐに画像を定着させる。二次転写部Ｔ２を通過してトナー像を二次転写された記録材Ｐは、中間転写ベルト２１から曲率分離して定着装置１０へ送り込まれ、定着装置１０で画像が定着された記録材Ｐが機体外へ排出される。

（画像形成部）
画像形成部１２Ｙ、１２Ｍ、１２Ｃ、１２Ｋは、それぞれの現像装置で用いるトナーの色がイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックと異なる以外は、実質的に同一に構成される。以下では、ブラックの画像形成部１２Ｋについてトナー像の形成プロセスを説明し、他の画像形成部１２Ｙ、１２Ｍ、１Ｃに関する重複した説明を省略する。

画像形成部１２Ｋは、感光ドラム１３の周囲に、帯電ローラ１４、露光装置１５、現像装置１６、一次転写ローラ１８ｄ、及びドラムクリーニング装置１７を配置している。感光ドラム１３は、感光層を表面に有して所定のプロセススピードで回転する。帯電ローラ１４は、感光ドラム１３の表面を一様な電位に帯電させる。露光装置１５は、レーザービームを回転ミラーで走査して、感光ドラム１３の表面に画像の静電像を書き込む。

現像装置１６は、感光ドラム１３にトナーを移転させて静電像をトナー像に現像する。一次転写ローラ１８ｄは、電圧を印加されて、感光ドラム１３に担持されたトナー像を中間転写ベルト２１へ転写する。ドラムクリーニング装置１７は、クリーニングブレードを感光ドラム１３に摺擦させて感光ドラム１３に残った転写残トナーを回収する。

中間転写ベルト２１は、駆動ローラ１９とテンションローラ２０と一次転写ローラ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄに掛け渡して支持され、駆動ローラ１９に駆動されて矢印方向に回転する。ベルトクリーニング装置２２は、二次転写部Ｔ２を通過した中間転写ベルト２１上の転写残トナーを回収する。二次転写ローラ２３は、中間転写ベルト２１に従動回転する。

＜実施例１＞
図２に示すように、加熱部材の一例である定着ローラ１は、加熱源の一例であるハロゲンランプ３に加熱される。搬送部材の一例である加圧ローラ２は、定着ローラ１に当接して記録材を搬送するニップ部Ｎを形成する。基層１ｃは、ハロゲンランプ３に加熱される。弾性層１ｂは、基層上に配置される。離型層１ａは、弾性層上に配置される。離型層１ａの熱浸透率は、弾性層１ｂの熱浸透率よりも大きい。

離型層１ａの熱拡散率をαとし、ニップ部Ｎの記録材滞在時間をｔとしたとき、離型層１ａの厚さｄは、次式である。数式は後で説明する。

トナーが定着ローラ１へ移転するトナーオフセットを防止するために、同一温度において、離型層１ａには該離型層の表面の溶融トナーに対する接触角が、弾性層１ｂの表面の溶融トナーに対する接触角よりも大きい層を設ける。

（定着装置）
図２は定着装置の構成の説明図である。図２に示すように、定着装置１０は、定着ローラ１に加圧ローラ２を当接させたニップ部Ｎで、トナー像を転写された記録材Ｐを加熱加圧して、記録材Ｐに画像を定着させる。

定着ローラ１は、長さが３００ｍｍ、直径が３０ｍｍである。定着ローラ１は、厚さ１ｍｍの鋼管の基層１ｃの上にシリコンゴムの弾性層１ｂを形成している。弾性層１ｂは、定着ローラ１の表面に柔軟性を持たせて、記録材表面の凹凸に倣わせる。弾性層１ｂの厚みや硬度を調整することで、ニップ部Ｎの回転方向長さ（ニップ幅）や定着画像の画質調整を行うことができる。弾性層１ｂの表面は、溶融したトナーに対する接触角度がシリコンゴムよりも大きいフッ素樹脂系のゴム材料を用いた離型層１ａに覆われている。離型層１ａは、溶融したトナーに対する離型性を発揮する。

加圧ローラ２は、長さが３００ｍｍ、直径が３０ｍｍである。加圧ローラ２は、厚さ１ｍｍの鋼管の基層２ｃの上に厚さ２００μｍのシリコンゴムの弾性層２ｂを形成している。弾性層２ｂは、加圧ローラ２の表面に柔軟性を持たせて、定着ローラ１と記録材表面の接触状態を改善する。弾性層２ｂの表面は、厚み５０μｍのフッ素樹脂（ＰＦＡ）の離型層２ａに覆われている。離型層２ａは、記録材Ｐの分離を容易にする。

定着ローラ１は、駆動モータ１３０に駆動されて矢印Ｒ１方向に回転する。加圧ローラ２は、接離機構１４０によって定着ローラ１に対して当接及び離間が可能である。加圧ローラ２は、接離機構１４０によって定着ローラ１に向かって加圧されて、定着ローラ１に圧接してニップ部を形成する。

加圧ローラ２は、定着ローラ１から離間しているときは、駆動モータ１３０に駆動されて矢印Ｒ２方向に回転する。加圧ローラ２は、定着ローラ１に圧接しているときは、不図示のワンウエイクラッチによって駆動モータ１３０の駆動から分離されて、定着ローラ１の回転に従動して回転する。

ハロゲンランプ３は、定着ローラ１の中心軸上に配置されて定着ローラ１の基層１ｃを内側から加熱する。ハロゲンランプ３の発光部長は３２４ｍｍである。温度制御部１２０は、不図示の交流電源回路を制御して、ハロゲンランプ３に通電して、輻射熱を発生させる。ハロゲンランプ３の輻射熱は、定着ローラ１の基層１ｃを加熱して定着ローラ１を昇温させる。

温度センサ１２１は、ニップ部Ｎの直前位置で定着ローラ１の表面温度を検知する。温度センサ１２１から出力される温度に関する電気的な情報が温度制御部１２０へ入力する。温度制御部１２０は、温度センサ１２１の検知温度が温度調整の目標温度（定着温度）に維持されるように、交流電源回路の出力を制御して、ハロゲンランプ３に対する供給電力を調整する。このようにして、定着ローラ１の表面が予め設定されている定着温度に立ち上がって定着温度に維持される。

（加熱ローラのパラメータの説明）
図３はニップ部における直径方向の温度分布の変化の説明図である。ここでは、非特許文献１に示される伝熱工学の関係式を用いて、加熱部材と搬送部材のニップ部における伝熱現象を記述し、使用する各種パラメータを説明する。

図２に示すように、定着ローラ１上の点ｐ１がニップ部Ｎへ突入して通過する過程における点ｐ１の定着ローラ１直径方向の温度分布の変化を考える。定着ローラ１上の点ｐ１は、ニップ部Ｎを通過して温度低下した後、ほぼ一周回転にわたってハロゲンランプ３からの熱供給を受けて温度調整の目標温度まで温度を回復して、再びニップ部Ｎへ突入して記録材Ｐに熱を奪い取られる。

図３の（ａ）に示すように、定着ローラ１上の点ｐ１が時刻ｔ＝０でニップ部Ｎへ突入して記録材Ｐに接触した瞬間、点ｐ１の温度はＴｂに低下する。その後、ニップ部Ｎ内を移動して時間がｔ１、ｔ２、ｔ３と進むにつれて、記録材Ｐと定着ローラ１の温度分布が次第になだらかになる。ここでは、記録材Ｐと定着ローラ１が半無限固体と想定している。記録材Ｐと定着ローラ１は、半無限固体ではないが、定着ローラ１の点ｐ１がニップ部Ｎに滞在する時間は短く、滞在中に熱影響が及ぶ範囲は表層部分の領域に限られるため、半無限固体とみなして差支えない。

図３の（ｂ）に示すように、定着ローラ１内部には非定常熱伝導が生じ温度は時々刻々と変化する。点ｐ１における定着ローラ１と記録材Ｐの界面温度は、温度Ｔｂで一定であるが、温度分布がなだらかになるに連れて、定着ローラ１側の平均温度が次第に低下するため、定着ローラ１から記録材Ｐへの熱流量が減少する。平均温度が低くなり過ぎると、定着ローラ１の記録材Ｐに対する加熱能力が不足して、トナー像の溶融、定着が不十分になる可能性が出てくる。

定着ローラ１内部の温度分布は、接触してからの時間ｔと深さ方向の位置ｘとの関数になる。位置ｘは、定着ローラ１とトナー画像との接触界面を原点に取った座標系である。初期温度がＴｈであった定着ローラ１の界面温度がＴｂに固定された状況を境界条件として非定常熱伝導方程式を解けば、定着ローラ１内部での温度の非定常な変化を次式により求めることができる。

ここで、式（４）における「ｅｒｆｃ」は相補誤差関数を、α_ｈ［ｍ^２／ｓｅｃ］は定着ローラ１の表面層の熱拡散率を示す。式（５）のｘは、接触時間ｔにおいて定着ローラ１の温度Ｔ_ｈが境界温度Ｔ_ｂに対して１６％変化する接触界面からの深さを表す。この温度分布変化の浸透深さを熱拡散長Ｌと呼ぶ。次式で定義される熱拡散長Ｌは、伝熱工学において非定常熱伝導が生じる際の温度影響の及ぶ範囲の指標として一般的に用いられている。

式（４）の非定常熱伝導によって定着ローラ１から記録材Ｐへ流入する熱流束ｑ［Ｊ／ｍ^２］は、次式のように求められる。

式（７）から明らかなように、ｂ_ｈが大きい定着ローラ１ほど記録材Ｐへ熱エネルギーを与え易く、その結果、効率的にトナーを溶融、定着できる。また、記録材Ｐへ与える熱量とトナーの定着性との間には正の相関があるため、ｂ_ｈの大きな材料を定着ローラ１の表層に用いれば、トナーの定着性を維持しつつ定着ローラ１の温度を低温化することができる。

以上のように、熱拡散長Ｌは、非定常熱伝導時の温度影響の及ぶ範囲を、また熱浸透率ｂ_ｈは、物質のエネルギー授受能力の大きさを表す指標となる。

（厚みの影響の検討）
図４は離型層の厚みの検討の説明図である。

表１に示すように、定着ローラ１の離型層１ａの厚みｄと熱浸透率ｂ （ここでは熱伝導率λ_ｈ）を振って、トナーの定着性の検討を行って、トナーの最低定着温度に対する熱浸透率ｂの影響を調べた。定着ローラ１の温度調整の目標温度の低温化に有効な定着条件を調べた。

トナーの最低定着温度は、定着後の画像に所定量の折り曲げと摩擦を加えて行う破壊試験において、試験後の記録材上のトナー残存率が９割を超えるために最低限必要な、ニップ直前での定着ローラ１の表面温度である。

非特許文献２に示されるように、トナー定着性は、加圧力、ニップ部の通過時間、ニップ部でのトナー粘度の関数として表される定着強度と相関関係がある。このような相関関係に基づいて、定着条件を反映した熱伝導シミュレーションからニップ部Ｎでのトナー温度（粘度）を見積もってトナーの定着性を評価し、各定着条件における最低定着温度を求めた。

図４に示すように、離型層の熱浸透率ｂが大きくなるほど最低定着温度が低くて済む。図４の横軸は定着ローラ１の離型層１ａの熱浸透率ｂ、縦軸はトナーの最低定着温度である。これは、熱浸透率ｂが大きいほど、トナーへの熱エネルギーの付与が効率的になるためである。

また、離型層の厚みｄに関して比較すると、弾性層の熱浸透率ｂ （図４中の破線）を境にして、最低定着温度の低温化に有利な離型層の厚みｄの傾向が入れ替わっており、明確な閾値が存在する。つまり、弾性層の熱浸透率ｂが離型層の熱浸透率ｂよりも大きい範囲では離型層の厚みｄが薄い方が最低定着温度の低温化に有利である。逆に、弾性層の熱浸透率ｂが離型層の熱浸透率ｂよりも小さい範囲では離型層の厚みｄが厚い方が最低定着温度の低温化に有利である。

（熱拡散長の影響の検討）
図５は離型層の熱拡散長の検討の説明図である。図６は離型層の厚みが３０μｍの場合の深さ方向の温度分布の説明図である。

表２に示すように、離型層１ａの厚みが３０μｍと２００μｍとの場合について、定着ローラ１の離型層１ａの熱伝導率λと熱容量ρ_ｃを振ってトナーの定着性の検討を行い、トナーの最低定着温度に対する熱拡散長Ｌの影響を調べた。定着ローラ１の温度調整の目標温度の低温化に有効な定着条件を調べた。

図５の（ｂ）に示すように、離型層１ａの厚みｄが２００μｍの場合、最低定着温度は、離型層の熱浸透率ｂが大きいほど低くなる。離型層の熱浸透率ｂを大きくするために熱伝導率λを大きくした場合でも、熱容量ρ_ｃを大きくした場合でも、最低定着温度は等しくなる。離型層１ａが厚い場合、熱伝導率λを大きくしても、弾性層１ｂの熱浸透率ｂまで影響が及ばないため、離型層１ａの熱浸透率ｂを大きくした効果が大きく現れて、最低定着温度を十分に低下できる。

図５の（ａ）に示すように、離型層１ａの厚みｄが３０μｍの場合、最低定着温度は、離型層の熱浸透率ｂが大きいほど低くなる。離型層１ａの熱浸透率ｂを大きくするために熱伝導率λを大きくした場合、熱容量ρ_ｃを大きくした場合よりも最低定着温度は高くなる。離型層１ａが薄い場合、熱伝導率λを大きくすると、弾性層１ｂの熱浸透率ｂの影響が大きくなるので、離型層の熱浸透率ｂを大きくした効果が薄れて最低定着温度を十分に低下させることができない。

図６に示すように、離型層１ａの厚みｄが３０μｍ、熱浸透率ｂが１４００［Ｊ／（ｍ^２・Ｋ・ｓｅｃ^０．５）］として、熱伝導率λを大きくした場合の温度分布は実線のようになり、熱容量ρ_ｃを大きくした場合の温度分布は破線のようになる。ニップ部Ｎの通過時間ｔは１０ｍｓｅｃであるため、ニップ部Ｎで定着ローラ１の表面が１０ｍｓｅｃの冷却を受けた時点における深さｘ方向の温度分布を比較している。熱伝導率λを大きくした場合も、熱容量ρ_ｃを大きくした場合も、記録材側の温度分布は等しくなるので、トナー画像の定着性は等しくなる。

しかし、定着ローラ１側では、熱容量ρ_ｃを大きくした場合（破線）と熱伝導率λを大きくした場合（実線）とで温度分布が大きく異なる。熱容量ρ_ｃを大きくした場合、熱拡散長Ｌが３０μｍであるため、ニップ部Ｎを通過する１０ｍｓｅｃの間に冷却の及ぶ深さはほぼ離型層１ａの厚み３０μｍ内に収まる。しかし、熱伝導率λを大きくした場合、熱拡散長Ｌが１５０μｍであるため、ニップ部Ｎを通過する１０ｍｓｅｃの間に冷却の及ぶ深さは離型層１ａを超えて弾性層１ｂにまで及ぶ。

（電力消費の課題）
図６に示すように、同じ定着性を得るために必要な定着ローラ１の温度調整の目標温度は、熱伝導率λを大きくした場合、１７６℃となって、熱容量ρ_ｃを大きくした場合及び離型層１ａの厚みが２００μｍの場合の１６７℃よりも高くなる。つまり、同じ出力画像の定着性を等しく確保するために、離型層１ａの厚みが３０μｍの場合は、離型層１ａの厚みが２００μｍの場合よりも定着ローラ１の表面温度をより高温に維持しておく必要がある。定着ローラ１の表面温度を高温に維持すると、定着ローラ１の放熱が激しくなるため、電力消費が高まる。定着ローラ１の表面温度を高温に維持すると、定着ローラ１の各層の熱劣化が促進される。

（離型層の厚みの下限値）
図７は離型層の厚みと最低定着温度の関係の説明図である。

表３に示すように、ニップ部の通過時間ｔと離型層１ａの厚みとを振って、上述したように出力画像の定着性を評価して、それぞれ最低定着温度を調べた。実験結果に基づいて最低定着温度、熱拡散長Ｌ、離型層１ａの厚みｄ、ニップ部Ｎの通過時間ｔとの関係を一般化した。

図７の（ａ）に示すように、いずれのニップ部の通過時間ｔにおいても、離型層１ａの厚みが熱拡散長Ｌを超えたあたりから最低定着温度が所定の温度に飽和している。そこで、それぞれのニップ部の通過時間１０〜１００ｍｓｅｃに関して最低定着温度のデータから飽和した所定の温度を差し引いて規格化し、すべてのニップ部の通過時間ｔのデータを１つのグラフにした。

図７の（ｂ）に示すように、ニップ部の通過時間ｔが異なる場合においても熱拡散長Ｌによって最低定着温度の傾向が整理できる。また、実際には、離型層１ａの厚みが熱拡散長Ｌの５０％を超えたあたりから最低定着温度が飽和温度に達している。このため、離型層１ａの熱拡散率をα［ｍ／ｓｅｃ］とし、ニップ部Ｎの記録材滞在時間をｔ［ｓｅｃ］として、離型層１ａの厚みｄを熱拡散長Ｌの５０％以上である次式で示す厚みにすることで、離型層１ａの伝熱特性を最大限に生かすことができる。

ここで、定着ローラ１がｎ層構成である場合について一般化して表す。定着ローラ１は、加熱源側から記録材に接する表面まで１から順に層番号を付した合計ｎ層の多層構成を有するとする。ｊ番目（ｊ＝１〜ｎ）の層の熱浸透率をｂ_ｊ、熱拡散率をα_ｊ、厚みをｄ_ｊ、ニップ部Ｎの記録材滞在時間をｔとし、ｂ_ｎ＞ｂ_ｎ−１においてｎ番目の層の厚さｄ_ｎを次式で表す厚みにする。

加熱部材の層数が何層あろうとも、ニップ部Ｎでの加熱部材と記録材の熱量の授受は、基本的には式（４）に従い、ｎ層構成に一般化しても式（９）のような同様の関係で離型層厚みを規定することができる。

ただし、層と層の間には接着層としてのプライマー層が存在する場合があるが、通常プライマー層は弾性層や離型層に対して十分に薄いため、層としては無視する。つまり、各層での熱量の授受量が視点の中心となる本発明においては、プライマー層の熱的寄与は小さく、層番号としては勘定しないこととする。また、以降においても同様に、プライマー層は層として勘定しない。

また、弾性層の成形過程によっては、弾性層の表面や界面に弾性層のバルク中とはフィラー分散量の異なるスキン層が形成される場合があるが、スキン層は弾性層厚みに対して十分薄いため、層としては無視する。つまり、各層での熱量の授受量が視点の中心となる本発明においては、スキン層の熱的寄与は小さく、層番号としては勘定しないこととする。また、以降においても同様に、スキン層は層として勘定しない。

（離型層の厚みの上限値）
図８は定着ローラの各層のパラメータの説明図である。図９は定着ローラの一周回転における表面温度の変化の説明図である。図１０は離型層の厚みの上限値の説明図である。図１１は供給電力と離型層の最大許容厚みの関係の説明図である。

図８に示すように、離型層１ａの伝熱特性を最大限生かすためには、式（６）の関係に基づき厚みｄ_３を設計すればよい。しかし、離型層１ａの厚みが増すと定着ローラ１の総熱抵抗が増大して、弾性層１ｂの温度が耐熱温度を超える可能性がある。そこで、ハロゲンランプ３による加熱量が最も大きい運転状態でも、定着ローラ１の各層がそれぞれの耐熱温度を超えないように、離型層１ａの厚みｄ_３の上限値を規定する必要がある。定着ローラ１の内周面と外周面とで最も温度差が大きく、かつ内周面の温度が高温になるのは、画像間隔を０にして連続画像形成を続けている場合である。このような連続画像形成において定着ローラ１の各層が耐熱温度以下になるように離型層１ａの厚みｄ_３を設定すれば、その他の定着条件において問題は生じないと考えられる。

図８に示すように、定着ローラ１の中心から投入されたハロゲンランプ３の放射エネルギーは、定着ローラ１の各層を内側から外側へ向かって放射状に伝わる。定着ローラ１の内側から基層１ｃ、弾性層１ｂ、離型層１ａと構成される。各層を加熱源側から記録材と接する表面側へ向けて番号ｊを付す（ｊ＝１：基層１ｃ、ｊ＝２：弾性層１ｂ、ｊ＝３：離型層１ａ）。各層の内径をｒ_ｊ（ｊ：１〜３）、厚みをｄ_ｊ（ｊ：１〜３）、熱伝導率をλ_ｊ（ｊ：１〜３）とする。また、各層の外周面の温度をＴ_ｊ（ｊ：１〜３）とし、最も内側の層の内周面の温度をＴ_０とする。定着ローラ１の紙面奥行き方向の長さをＬａ［ｍ］とする。ハロゲンランプ３から放射される単位長さ当たりの電力（以降「電力」と称す）をＱ［Ｗ／ｍ］とする。この状態は、円筒状物質の定常熱伝導現象としてモデル化することができる。

円筒状の定着ローラ１中心から電力Ｑ［Ｗ／ｍ］を与えた場合、最も内側の層の内周面の温度Ｔ_０と記録材Ｐに接する外周面の温度Ｔ_３との間には式（１０）の関係が成立する。式（１０）を離型層１ａの厚みｄ_３について解くと、式（１１）が得られる。

定着ローラ１において最も温度が高くなるのは、加熱源であるハロゲンランプ３に最も近い一番内側の内周面の温度Ｔ_０である。このため、式（１１）に基づいて、定着ローラ１の内周面温度Ｔ_０が耐熱限界温度以下になる離型層１ａの厚み以下に設計すれば、定着ローラ１の耐熱性問題は解消できる。

ところで、１層目が金属製の基層１ｃの場合、耐熱性が問題になるのは２層目の弾性層１ｂであるため、弾性層１ｂの温度Ｔ_１が弾性層１ｂの耐熱限界温度以下になるように離型層１ａの厚みを設計する必要がある。しかし、金属の熱伝導率は非常に大きいので金属層内での温度分布はほとんどなく、実質Ｔ_１≒Ｔ_０となるため、Ｔ_０が弾性層の耐熱限界温度以下になる離型層１ａの厚みを設計すればよい。

また、層構成が変わる場合においても、式（１１）を応用して層を追加することで、同様の設計が可能である。

ここで、定着ローラ１がｎ層構成である場合について一般化して表す。定着ローラ１は加熱源側から記録材に接する表面まで１から順に層番号を付した合計ｎ層の多層構成を有するとする。ｊ番目（ｊ＝１〜ｎ）の層の内径をｒ_ｊ、厚みをｄ_ｊ、熱伝導率をλ_ｊ、ｊ
層目の外周面温度をＴ_ｊ，１層目の内周面温度をＴ_０とし、ｎ層目の厚みを次式で表す厚みにする。

表４に示すように、図２の定着装置１０について定着ローラ１の各層の厚みおよび熱物性値を設定して、定着ローラ１を二次元断面でモデル化した熱伝導シミュレーションを行って、定着ローラ１の内周面温度Ｔ_０を評価した。定着ローラ１の離型層１ａの厚みを振って、定着ローラ１の各層の厚みｄ_１、ｄ_２、ｄ_３と定着ローラ１の内周面温度Ｔ_０との関係を調べた。

図９に示すように、電力Ｑ＝２７７８［Ｗ／ｍ］、離型層１ａの厚さｄ_３＝５０μｍにおいて、通常状態の定着ローラ１の一周回転の表面温度変化をシミュレーションした。定常状態は、定着ローラ１の一周回転の表面温度変化が一定に繰り返されるまで、連続紙（画像間隔＝０）を定着処理した状態である。横軸にニップ部Ｎへ突入開始位置からの回転角を、縦軸に定着ローラ１表面上の一点の温度を取っている。

図８に示すように、上述した式（１１）は、厳密には円筒系において回転方向に等方的な定常熱伝導現象が生じている状態を記述しているが、実際の定着ローラ１では図９に示すように、表面温度が冷却と再加熱のサイクルを繰り返す。そこで、ここでは、表面温度Ｔ_３を表面温度の平均値に取った。尚、表面温度Ｔ _３ の平均値は、Ｔ _３ａｖｅ ［℃］とも表し、定着ローラ１の内面温度の平均値は、Ｔ _０ａｖｅ ［℃］とも表す。

ここで、ハロゲンランプ３は、定着ローラ１の回転方向の全体を均一に加熱する。定着ローラ１の内周面の平均温度が定着ローラ１のｎ−１番目の層の耐熱温度未満となるように運転条件を設定している。このとき、定着ローラ１内面の温度Ｔ_０は、金属の熱伝導率が大きいため、一周にわたってほぼ一定値の２２０℃であり、定着ローラ１内面の温度Ｔ_０の平均値とほぼ等しくなる。図１０に示すように、この状態で、離型層１ａの厚さｄを５０〜６００μｍに振って、定着ローラ１の内面と表面の平均温度の熱伝導シミュレーションを行った。

図１０に示すように、定着ローラ１の内面と表面の平均温度は、いずれも離型層１ａの厚みｄ（ｄ_３）に対して線形関係を有する。したがって、弾性層１ｂのゴムの耐熱温度を２３０℃と想定すると、離型層１ａの厚みｄ（ｄ_３）は、２５２μｍ以下にする必要がある。

続いて、同様の熱伝導シミュレーションによる検討を他の一般的な電力Ｑにおいて行い、図１１に示すように、それぞれの電力において定着ローラ１の内周面温度Ｔ_０を２３０℃以下にするための離型層１ａの最大許容厚み（×印）を求めた。

図１１に示すように、熱伝導シミュレーションによる結果（×印）は、上記の式（６）に基づく解析解と非常によく一致していることがわかった。したがって、定着ローラ１の表面温度が不均一であっても、その平均値を代表値として用いることで、式（１１）により離型層１ａの厚みを見積もることができる。

以上より、式（８）と式（１１）を合わせた次式（１４）のように定着ローラ１の離型層１ａの厚さｄ_３を規定することで、離型層１ａの伝熱特性を最大限に生かしつつ、定着ローラ１の耐熱限界温度以下に内周面温度を抑えることができる。

また、定着ローラ１がｎ層構成である場合について一般化すると、式（９）と式（１２）を合わせて次式（１５）のようになる。次式（１５）のように、定着ローラ１のｎ番目の層の厚さｄｎを規定することで、ｎ番目の層の伝熱特性を生かしつつ、定着ローラ１の２番目の層の耐熱限界温度以下に内周面温度を抑えることができる。

（実施例１の具体的構成）
図２に示すように、定着ローラ１は、長さが３００ｍｍ、直径が３０ｍｍである。定着ローラ１は、厚み１ｍｍの鉄製の基層１ｃの上に厚み２００μｍのシリコンゴム製の弾性層１ｂを形成している。弾性層１ｂは、定着ローラ１に柔軟性を持たせるためのものであり、厚みや硬度を調整することで、ニップ部Ｎの搬送方向の幅や出力画像の画質調整を行う。定着ローラ１の離型層１ａの直下に配置された弾性層１ｂの弾性係数は、離型層１ａの弾性係数よりも小さく、同一温度において、離型層１ａの表面の溶融トナーに対する接触角は、弾性層１ｂの表面の溶融トナーに対する接触角よりも大きい。ｎ−１番目の層の弾性係数は、ｎ番目の層の弾性係数よりも小さく、同一温度において、ｎ番目の層の表面の溶融トナーに対する接触角は、ｎ−１番目の層の表面の溶融トナーに対する接触角よりも大きい。

弾性層１ｂの表面は、厚み１００μｍのフッ素ゴム製の離型層１ａに覆われている。離型層１ａには高熱伝導性の無機フィラーを添加しているため、フッ素ゴム材料の熱伝導率が高められている。定着ローラ１の離型層１ａには、高熱伝導性の無機系充填材（無機フィラー）を混合して、離型層１ａの単位体積当たり熱容量と熱伝導率とを共に高めている。

加圧ローラ２は、長さが３００ｍｍ、直径が３０ｍｍである。加圧ローラ２は、厚み１ｍｍの鉄製の基層２ｃの上に厚み２００μｍのシリコンゴム製の弾性層２ｂを形成している。弾性層２ｂは、厚み５０μｍのフッ素樹脂（ＰＦＡ）の離型層２ａに覆われている。定着ローラ１および加圧ローラ２の各層の熱物性値を表５に示す。

各層の密度は、液浸法による密度測定装置を用いて測定した。また比熱は示差走査熱量計ＤＳＣを用い測定し、密度と比熱の積から熱容量を求めた。熱伝導率はａｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍｏｂｉｌｅ２（株式会社アイフェイズ）を用いて測定した。

定着装置１０は、ニップ部Ｎの圧力が０．４ＭＰａ、ニップ部Ｎの回転方向の幅が４ｍｍ、定着ローラ１の周速度は４００ｍｍ／ｓｅｃ、ニップ部Ｎの通過時間は０．００４÷０．４＝１０ｍｓｅｃである。ハロゲンランプ３から定着ローラ１へ与えられる電力はＱ＝２５３４［Ｗ／ｍ］である。連続紙の加熱処理において定着ローラ１の表面温度が定常状態になると、定着ローラ１の表面のニップ部Ｎの直前温度が約１８０℃になる。

図７の（ａ）に示すように、ニップ部Ｎの通過時間１０ｍｓｅｃにて、離型層１ａの厚みｄ＝１００μｍのとき、最低定着温度は１７６℃であるため、実施例１のパラメータ設定により、連続紙上のトナーは十分に定着されている。このときの定着ローラ内面の温度は２０５℃であるため、一般的なシリコンゴムの耐熱温度である２３０℃と比べて十分低く、弾性層１ｂは十分な耐久寿命を発揮できる。

（実施例１の効果）
記録材に効率よく未定着トナー画像を定着させるには、定着ローラ１の内部に配置されたハロゲンランプ３からの熱をトナー像と接する定着ローラ１の表面に向けて効率よく導く必要がある。つまり、定着ローラ１の内部から表面に向けての熱抵抗を小さくすることが重要である。弾性層１ｂの伝熱特性を向上させるためには、弾性層１ｂそれ自体に高熱伝導性のフィラーを添加すればよい（特許文献１）。高熱伝導性のフィラーによって弾性層１ｂの熱伝導率が向上して、記録材上のトナーが効率的に加熱される。

弾性層１ｂの外側に離型層１ａが積層されている場合、離型層１ａが熱抵抗層として働くため、離型層１ａの厚みによっては弾性層１ｂの高熱伝導率化の効果を十分に生かすことができない。そこで、離型層１ａに高熱伝導性フィラーを添加して、離型層１ａの熱伝導率を高めることが考えられる（特許文献２）。これにより、離型層１ａによるトナーのオフセット性能を良好に保ちつつ、記録材への加熱効率を高めて、定着ローラ１の温度調整の目標温度を引き下げることができる。

しかし、離型層１ａの熱伝導率が高くなると、離型層１ａの厚みに関して新たな課題が生じる。定着ローラ１が内側から基層１ｃ／弾性層１ｂ／離型層１ａで構成され、弾性層１ｂよりも離型層１ａの熱浸透率が高い場合、離型層１ａの厚みを離型層１ａの熱拡散長Ｌの５０％以上にしなければ、離型層１ａの伝熱特性を十分に生かせない。そこで、実施例１では、弾性層１ｂよりも離型層１ａの熱浸透率を大きく設定するとともに、離型層１ａの厚みｄを熱拡散長Ｌの５０％以上に設定している。これにより、効率的なトナー定着条件を実現して、定着ローラ１の温度調整の目標温度を低温化している。

ところで、離型層１ａの厚みｄを熱拡散長Ｌの５０％を超えて闇雲に厚くすると、弾性層１ｂの熱抵抗を加算した定着ローラ１の総熱抵抗が増大する。その結果、トナー溶融に必要な温度まで定着ローラ１の表面温度を上げると、弾性層１ｂが耐熱温度の２３０℃を超えてしまう可能性が出てくる。そこで、実施例１の定着装置１０は、離型層１ａの熱浸透率を大きく設定するとともに、厚みの上限値を適正に設定することで、定着ローラ１の離型層１ｂを耐熱温度の２３０℃以下で利用して、過熱による寿命低下を阻止している。

＜比較例１＞
図１０に示すように、離型層１ａの厚みｄを変えても、定常状態では、定着ローラ１の表面温度はほぼ一定である。比較例１は、離型層１ａの厚みｄ＝２０μｍである。図６、図７に示すように、比較例１では、質量が不足して離型層１ａが十分な蓄熱性能を発揮できないため、定着ローラ１の表面からトナーへの熱流量が不足して、トナーの溶融が不十分となって、出力画像の定着性が不足する結果となった。

＜比較例２＞
図１０に示すように、離型層１ａの厚みｄを変えても、定常状態では、定着ローラ１の表面温度はほぼ一定である。比較例２は、離型層１ａの厚みｄ＝６００μｍである。比較例２では、離型層１ａの表面温度は実施例１とほぼ同じであるが、基層１ｃおよび弾性層２ｂの内周面の温度が２３０℃を超えて、定着ローラ１の耐久寿命が著しく低下した。

＜実施例２＞
実施例２では、図１に示す画像形成装置１００において、図１に示すローラ定着装置の定着装置１０を図１２に示す定着装置１０Ｂに置き換えている。定着装置１０Ｂは、定着ベルトに加圧ローラを当接して記録材のニップ部を形成するベルト定着装置である。

（定着装置）
図１２は実施例２の定着装置の構成の説明図である。図１に示すように、定着装置１０Ｂは、二次転写部Ｔ２にてトナー像を転写された記録材Ｐを加熱加圧して画像を記録材Ｐに定着させる。

図１２に示すように、定着装置１０Ｂは、定着ベルト９３と加圧ローラ９４の間に形成されるニップ部Ｎにて記録材Ｐを加圧加熱して、記録材Ｐに出力画像を定着させる。

定着ベルト９３は、回転方向に直角な幅方向の長さが３００ｍｍ、直径が３０ｍｍである。定着ベルト９３は、金属製の基層９３ｃ、ゴム材料の弾性層９３ｂ、フッ素系ゴム材料による離型層９３ａにより構成される。定着ベルト９３は、厚み０．０５ｍｍのニッケル製の基層９３ｃの外側に厚み２００μｍのシリコンゴム製の弾性層９３ｂを形成している。弾性層９３ｂは、定着ローラ１に柔軟性を持たせる。弾性層９３ｂの厚みや硬度を調整することで、ニップ部Ｎの回転方向の長さや、出力画像の画質調整を行うことができる。

加圧ローラ９４は、駆動モータ１３０に駆動されて矢印Ｒ２方向に回転する。定着ベルト９３は、加圧ローラ９４の回転に伴って従動して矢印Ｒ１方向に回転する。加圧ローラ９４は、回転方向に直角な幅方向の長さが３００ｍｍ、直径が３０ｍｍである。加圧ローラ９４は、厚み１ｍｍの鉄製の基層９４ｃの上に厚み２００μｍのシリコンゴム製の弾性層９４ｂを形成している。弾性層９４ｂの表面は、厚み５０μｍのフッ素樹脂（ＰＦＡ）製の離型層９４ａに覆われている。

定着ベルト９３の内部空間には、加圧ステー９３ｄと加圧パッド９３ｅが非回転に配置される。加圧ステー９３ｄに荷重をかけることで加圧パッド９３ｅを加圧ローラ９４に対して加圧し、定着ベルト９３と加圧ローラ９４との間にニップ部Ｎを形成する。加圧パッド９３ｅは、長さ３２４ｍｍである。加圧ステー９３ｄは、両端部を不図示の加圧機構に付勢されて、加圧ローラ９４に向かう荷重をかけられて、加圧パッド９３ｅを定着ベルト９３に向かって押圧する。加圧パッド９３ｅに押圧された定着ベルト９３と加圧ローラ９４との間に記録材Ｐのニップ部Ｎが形成される。加圧パッド９３ｅは、定着ベルト９３の内周面を摺擦する。定着ベルト９３の内面にシリコングリスを塗布して、加圧パッド９３ｅと定着ベルト９３の内周面との間の摺動性を確保している。

誘導加熱ユニット９２は、定着ベルト９３の外側に配置される。誘導加熱ユニット９２は、コイル９２ｂに電流を流して磁束を発生させる。温度制御部１２０は、不図示の励磁回路を制御してコイル９２ｂに通電する。

磁束磁性体コア９２ａは、コイル９２ｂが発生した磁束を所望の方向へ導いて、定着ベルト９３に入射させる。コイル９２ｂは、励磁回路から供給される交流電流によって交番磁束を発生する。コイル９２ｂが発生した交番磁束の磁界は、磁性体コア９２ａに導かれて、定着ベルト９３の基層９３ｃに作用して、定着ベルト９３の基層９３ｃに渦電流を発生させる。

渦電流は、基層９３ｃの固有抵抗によってジュール熱を発生させる。コイル９２ｂに対して交流電流を供給することで、発生磁束の電磁誘導作用により定着ベルト９３が発熱して、定着ベルト９３が誘導加熱され、定着ベルト９３の表面温度を上昇させる。

定着ベルト９３の表面温度は、温度センサ１２１によって検知される。温度センサ１２１は、検知温度に関する電気的な情報を温度制御部１２０へ入力する。温度制御部１２０は、温度センサ１２１からの温度情報に基づいて、定着ベルト９３が温度調整の目標温度（定着温度）に維持されるように、コイル９２ｂに供給する交流電流を制御する。温度制御部１２０は、不図示の励磁回路からコイル９２ｂに供給される電力を制御することで、定着ベルト９３が予め設定されている定着温度に立ち上がって温度調整される。

（加熱ベルトのパラメータの説明）
図１３は定着ベルトの一周回転における表面温度の変化の説明図である。図１４は定着ベルトの一周回転における内面温度の変化の説明図である。図１５は離型層の厚みの上限値の説明図である。図１６は供給電力と離型層の最大許容厚みの関係の説明図である。

図１３に示すように、定着ベルト９３の表面温度の変化が定常状態になった状態で定着ベルト９３の表面温度の変化パターンを熱伝導シミュレーションした。電力Ｑ＝２７７８［Ｗ／ｍ］、離型層９３ａの厚みｄ＝１００μｍにおいて、連続紙（画像間隔＝０）を加熱処理して定着ベルト９３の表面温度の変化が一定に繰り返される状態である。横軸にニップ部Ｎの先頭位置からの回転角を取り、縦軸に定着ベルト９３の表面温度を取っている。破線は、一周回転における表面温度の平均値である。

図１４に示すように、定着ベルト９３の表面温度の変化が定常状態になった状態で定着ベルト９３の内面温度の変化パターンの熱伝導シミュレーションを行った。図１３と同一条件とし、横軸にニップ部の先頭位置からの回転角を取り、縦軸に定着ベルト９３の内面温度を取っている。破線は、表面温度の場合と同様に、内面温度の平均値である。

図１５に示すように、定着ベルト９３の離型層９３ａの厚みｄと定着ベルト９３の内面温度の関係を調べた。表６は、定着ベルト９３及び加圧ローラ９４の層構成および熱物性値を示す。表６に示すように、離型層９３ａの厚みを５０〜６００μｍに振って熱伝導シミュレーションの検討を行った。加圧ローラ９４の層構成は表４と同じである。

図１５に示すように、定着ベルト９３の内面平均温度と表面平均温度は、いずれも離型層９３ａの厚みｄに対して線形関係が成り立つ。しかし、図１２に示すように、誘導加熱ユニット９２は、定着ベルト９３の一周回転における所定の角度範囲で、基層９３ｃを部分的に誘導加熱するため、図１４に示すように、定着ベルト９３は部分的に内面平均温度よりもかなり高い温度に晒される。そのため、図１４に示す内面温度の最高温度についても、熱伝導シミュレーションして、離型層９３ａの厚みｄに対して線形関係が成り立つことを確認した。

したがって、実施例２では、定着ベルト９３の内面平均温度の線形関係の代わりに、内面温度の最高温度の線形関数に基づいて定着ベルト９３を耐熱限界温度以下にするために必要な離型層の厚みを見積もった。図１５に示すように、内面温度の最高温度Ｔ_０ｍａｘがシリコンゴムの耐熱限界温度２３０℃以下に維持されるためには、離型層９３ａの厚みｄ＜１０６μｍに設定すればよい。

このような熱伝導シミュレーションを１８００〜２８００［Ｗ／ｍ］の範囲の他の電力においても行って、図１６に示すように、それぞれの電力において定着ベルト９３の内面温度を２３０℃以下にするための離型層９３ａの最大許容厚みを求めた。

図１６に示すように、実施例１と同様に、熱伝導シミュレーション結果（図中の×）は、上述の式（１１）に基づく解析解（図中の○）と非常によく一致していることが判明した。

したがって、定着ベルト９３の表面温度及び内面温度が不均一であっても、式（１１）を用いて、離型層９３ａの最大許容厚みをかなり正確に見積もることができる。定着ベルト９３が部分的に加熱される場合、部分的な加熱のエネルギー密度によって内面の最高温度Ｔ_０ｍａｘが変わるので、その時々の加熱源構成に応じてあらかじめ内面平均温度と内面最高温度の関係を調べておけばよい。

加熱部材がｎ層ある場合について一般化すれば次式のようにまとめることができる。式中、α_ｎは離型層の熱拡散率、ｂ_ｎは離型層の熱浸透率、ｂ_ｎ−１は弾性層の熱浸透率である。

ここで、誘導加熱装置９２は、定着ベルト９３の回転方向の一部分のみを偏って加熱する。定着ベルト９３の内周面の最大温度が定着ベルト９３のｎ−１番目の層の耐熱温度未満となるように運転条件を設定している。

以上より、実施例２では、ベルト定着装置において、離型層の伝熱特性を最大限に生かしつつ、内面最高温度を２３０℃以下に抑えるため、定着ベルトの内面温度をシリコンゴム材料の耐熱限界温度以下に抑えることができる。

（実施例２の具体的構成）
図１２に示すように、定着装置１０Ｂは、ニップ部Ｎの加圧力が０．４ＭＰａ、ニップ部Ｎの回転方向の幅が４ｍｍ、ニップ部Ｎの回転速度は４００ｍｍ／ｓｅｃ、ニップ部Ｎの通過時間ｔは、１０ｍｓｅｃである。

弾性層９３ｂの表面は、厚み１００μｍのフッ素ゴム製の離型層９３ａに覆われている。離型層９３ａには高熱伝導の無機フィラーを添加して、フッ素ゴムの熱伝導率を上げている。表７に、定着ベルト９３および加圧ローラ９４の各層の熱物性値を示す。

各層の密度は、液浸法による密度測定装置を用いて測定した。また比熱は示差走査熱量計ＤＳＣを用い測定し、密度と比熱の積から熱容量を求めた。熱伝導率はａｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍｏｂｉｌｅ２（株式会社アイフェイズ）を用いて測定した。

誘導加熱ユニット９２から定着ベルト９３へ与えられる電力はＱ＝２５３４［Ｗ／ｍ］である。連続紙の加熱処理を行って定着ベルト９３の温度が定常状態になると、ニップ部Ｎの直前位置における定着ベルト９３の表面温度が約１７９℃になる。

図７の（ａ）に示すように、ニップ部Ｎの通過時間１０ｍｓｅｃにおいて、離型層９３ａの厚みが１００μｍのとき最低定着温度は１７６℃であり、本設定によりトナー像は十分に定着される。

一方、定着ベルト９３は誘導加熱ユニット９２の対向部が部分的に加熱されるため、内面温度には図１４と同じような分布ができる。このときの定着ベルト９３の内面平均温度は２０３℃、内面最高温度は２０９℃であり、一般的なシリコンゴムの耐熱温度である２３０℃と比べて十分低く維持される。

＜比較例３＞
図１５に示すように、定常状態では、離型層９３ａ厚みｄを変えても定着ベルト９３の表面温度が変わらない。そこで、比較例３では、離型層９３ａの厚みｄを２０μｍまで薄くした。すると、図６、図７に示すように、定着ベルト９３の熱供給余力が低下して
トナー像への供給熱量が不足し、出力画像の定着性が不十分になった。

＜比較例４＞
比較例４では、定着ベルト９３の熱供給余力を増すために、離型層９３ａの厚みｄを５６０μｍにした。比較例４では、離型層９３ａの表面温度は実施例２とほぼ同じであるが、基層９３ｃおよび弾性層９３ｂの最高温度が２３０℃を超えてしまい、定着ベルト９３の耐久寿命が著しく低下した。

＜実施例３〜５＞
図１７は実施例３の定着装置の構成の説明図である。図１８は実施例４の定着装置の構成の説明図である。図１９は実施例５の定着装置の構成の説明図である。

実施例２では加熱部材の一周回転の一部分の加熱源として誘導加熱装置を用いた。しかし、加熱部材の一周回転の一部分を加熱する加熱源は、誘導加熱装置には限らない。

図１７に示すように、実施例３の定着装置１０Ｃでは、セラミックヒータ３０を定着ベルト９３の内面に押し当ててニップ部Ｎの定着ベルト９３のみを局所的に加熱する。

図１８に示すように、実施例４の定着装置１０Ｄでは、定着ローラ１の内部にハロゲンランプ３Ｄと輻射熱反射部材４Ｄを備えて、ニップ部Ｎの定着ローラ１のみを局所的に加熱する。

図１９に示すように、実施例５の定着装置１０Ｅでは、定着ローラ１の内部のハロゲンランプ３Ｅの配置位置を定着ローラ１の中心位置からずらして、ニップ部Ｎの定着ローラ１のみを局所的に加熱する。

このような加熱部材の内面を部分的に加熱する方式の定着装置では、実施例２と同様の数式に基づいて加熱部材の温度を低下させることができる。

本発明は、加熱部材の表面に蓄熱層を設けて加熱部材の１回転において蓄熱層の除熱と加熱が繰り返される限りにおいて、実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実施できる。従って、加熱部材が弾性層と離型層とを有する画像加熱装置であれば、ローラ／ローラ定着装置、ベルト／ベルト定着装置、ベルト／ローラ定着装置、ローラ／ベルト定着装置のいずれでも実施可能である。画像加熱装置は、定着装置には限らず、定着済画像又は半定着画像を加熱処理する画像表面処理装置でも実施できる。

画像加熱装置は、画像形成装置に搭載される形態に限らず、単独の処理ユニット、他の処理ユニットに連結するコンポーネントとして実施してもよい。本実施形態では、トナー像の形成／転写に係る主要部のみを説明するが、本発明は、必要な機器、装備、筐体構造を加えて、プリンタ、各種印刷機、複写機、ＦＡＸ、複合機等、種々の用途で実施できる。

１ 定着ローラ、１ａ、２ａ、９３ａ、９４ａ 離型層
１ｂ、２ｂ、９３ｂ、９４ｂ 弾性層
１ｃ、２ｃ、９３ｃ、９４ｃ 基層
２ 加圧ローラ、３ ハロゲンランプ、１１ 中間転写ユニット
１２Ｙ、１２Ｍ、１２Ｃ、１２Ｋ 画像形成部
１３ 感光ドラム、１４ 帯電ローラ、１５ 露光装置
１６ 現像装置、１７ ドラムクリーニング装置
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ 一次転写ローラ
１９ 駆動ローラ、２０ テンションローラ、２１ 中間転写ベルト
２３ 転写ローラ、９１ 定着装置、９２ 誘導加熱装置
９２ａ 磁性体コア、９２ｂ コイル、９３ 定着ベルト
９３ｄ 加圧ステー、９３ｅ 加圧パッド、９４ 加圧ローラ
Ｐ 記録材

Claims (6)

1. 加熱源と、前記加熱源に加熱される加熱部材と、前記加熱部材に当接して記録材を搬送するニップ部を形成する搬送部材と、を備え、
   前記加熱部材は、前記加熱源に加熱される基層と、前記基層上に配置される弾性層と、前記弾性層上に配置される離型層と、を有し、
   前記弾性層の熱伝導率をλ _２ ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とし、
   前記弾性層の熱容量をＣ _２ ［Ｊ／（ｍ ^３ ・Ｋ）］とし、
   前記弾性層の熱浸透率をｂ _２ ［Ｊ／（ｍ ^２ ・Ｋ・ｓ ^０．５ ）］（＝（λ _２ Ｃ _２ ） ^０．５ ）とし、
   前記弾性層の厚みをｄ _２ ［ｍ］とし、
   前記離型層の熱伝導率をλ _３ ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とし、
   前記離型層の熱容量をＣ _３ ［Ｊ／（ｍ ^３ ・Ｋ）］とし、
   前記離型層の熱浸透率をｂ _３ ［Ｊ／（ｍ ^２ ・Ｋ・ｓ ^０．５ ）］（＝（λ _３ Ｃ _３ ） ^０．５ ）とし、
   前記離型層の厚みをｄ _３ ［ｍ］とし、
   前記離型層の熱拡散率をα _３ ［ｍ ^２ ／ｓ］とし、
   前記ニップ部の記録材滞在時間をｔ［ｓ］としたとき、
   ｂ _３ ＞ｂ _２ かつ （α _３ ・ｔ） ^０．５ ≦ｄ _３
   の関係が成り立つと共に、
   前記加熱部材は円筒状であり、
   前記基層の内径をｒ _１ ［ｍ］とし、
   前記弾性層の内径をｒ _２ ［ｍ］とし、
   前記離型層の内径をｒ _３ ［ｍ］とし、
   前記基層の熱伝導率をλ _１ ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とし、
   前記加熱部材の回転軸線方向の長さをＬａ［ｍ］とし、
   前記加熱部材の回転軸線方向の単位長さ当たりの前記加熱源への投入電力をＱ［Ｗ／ｍ］とし、
   前記加熱部材の表面平均温度をＴ _３ａｖｅ ［℃］とし、
   前記加熱部材の内面平均温度をＴ _０ａｖｅ ［℃］としたとき、
   次式の関係が成り立つことを特徴とする画像加熱装置。
   

   
2. 前記離型層の直下に配置された弾性層の弾性係数は、前記離型層の弾性係数よりも小さく、
   同一温度において、該離型層の表面の溶融トナーに対する接触角は、該弾性層の表面の溶融トナーに対する接触角よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の画像加熱装置。
3. 加熱源と、前記加熱源に加熱される加熱部材と、前記加熱部材に当接して記録材を搬送するニップ部を形成する搬送部材と、を備え、
   前記加熱部材は、前記加熱源側から記録材に接する表面まで１から順に層番号を付した合計ｎ層の多層構成を有し、
   ｊ番目（ｊ＝１〜ｎ）の層の熱伝導率をλ _ｊ ［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］とし、
   ｊ番目（ｊ＝１〜ｎ）の層の熱容量をＣ _ｊ ［Ｊ／（ｍ ^３ ・Ｋ）］とし、
   ｊ番目（ｊ＝１〜ｎ）の層の熱浸透率をｂ _ｊ ［Ｊ／（ｍ ^２ ・Ｋ・ｓ ^０．５ ）］（＝（λ _ｊ Ｃ _ｊ ） ^０．５ ）とし、
   ｊ番目（ｊ＝１〜ｎ）の層の厚みをｄ _ｊ ［ｍ］とし、
   ｎ番目の層の厚みをｄ _ｎ ［ｍ］とし、
   ｎ番目の層の熱拡散率をα _ｎ ［ｍ ^２ ／ｓ］とし、
   前記ニップ部の記録材滞在時間をｔ［ｓ］としたとき、
   ｂ _ｎ ＞ｂ _ｎー１ かつ （α _ｎ ・ｔ） ^０．５ ≦ｄ _ｎ
   の関係が成り立つと共に、
   円筒状に形成された前記加熱部材のｊ番目の層の内径をｒ _ｊ ［ｍ］とし、
   前記加熱部材の回転軸線方向の長さをＬａ［ｍ］とし、
   前記加熱部材の回転軸線方向の単位長さ当たりの前記加熱源への投入電力をＱ［Ｗ／ｍ］とし、
   前記加熱部材の表面平均温度をＴ _ｎａｖｅ ［℃］とし、
   前記加熱部材の内面平均温度をＴ _０ａｖｅ ［℃］としたとき、
   次式の関係が成り立つことを特徴とする画像加熱装置。
   

   
4. 前記ｎ−１番目の層の弾性係数は、前記ｎ番目の層の弾性係数よりも小さく、
   同一温度において、該ｎ番目の層の表面の溶融トナーに対する接触角は、該ｎ−１番目の層の表面の溶融トナーに対する接触角よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の画像加熱装置。
5. 前記加熱源は、前記加熱部材の回転方向の全体を均一に加熱し、
   請求項１又は３に記載の数式に規定される運転状態において、前記加熱部材の内周面の平均温度が前記加熱部材の内側から２番目の層の耐熱温度未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像加熱装置。
6. 前記加熱源は、前記加熱部材の回転方向の一部分のみを加熱し、
   請求項１又は３に記載の数式に規定される運転状態において、前記加熱部材の内周面の最大温度が前記加熱部材の内側から２番目の層の耐熱温度未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像加熱装置。

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