JP6904753B2 - 定着装置及び定着装置で用いるヒータ - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤプリンタ等の画像形成装置に搭載される定着装置及びその定着装置で用いられるヒータに関するものである。

画像形成装置に具備される定着装置として、消費電力が小さく且つウォームアップ時間が短いという特徴を有するフィルムを用いた定着装置が知られている。この定着装置は、アルミナや窒化アルミのセラミックで形成された基板と、基板上に形成された発熱抵抗体と、を備えるヒータを有し、フィルムを介したヒータの熱を利用して画像を記録材に定着する。

ところで、この定着装置には、ヒータが故障した場合に備えてヒータの異常昇温を感知してヒータへの電力供給を遮断する電力遮断部材がヒータに接触するように設けられている。電力遮断部材としては温度ヒューズやサーモスイッチもしくはサーミスタが用いられる。

しかしながら、電力遮断部材が接触するヒータの領域は、電力遮断部材が接触していない領域よりもヒータの温度が低くなりやすい。その結果、電力遮断部材が接触するヒータの領域と、接触しないヒータの領域と、の間で定着むらになるもしくは電力遮断部材が接触する領域で定着不良が発生する場合がある。

そこで、電力遮断部材近傍の発熱抵抗体の幅を電力遮断部材から離れたヒータの領域にある発熱抵抗体の幅よりも狭くして、発熱抵抗体の発熱量を局所的に大きくする構成が開示されている。

特開２００４−１７０９５０号公報

近年の画像形成装置のクイックスタートの要求の高まりによって、ヒータに更に大きな電力が供給可能である装置が求められている。このような装置においてヒータの無制御状態が発生した場合に備えて、ヒータに発生する熱応力を更に抑制できる定着装置が求められている。

本発明の第１の側面は、筒状のフィルムと、前記フィルムの内部空間に配置され、電力が供給されることで発熱するヒータであって、細長い板状の基板と、前記基板上に設けられ、前記基板の長手方向に沿って延びた第１の発熱抵抗体と、前記基板上に設けられ、前記基板の短手方向において前記第１の発熱抵抗体と隙間をあけて並び且つ前記基板の長手方向に沿って延びた第２の発熱抵抗体と、を有するヒータと、前記ヒータに接触し、前記ヒータの温度に応じて前記ヒータへの電力供給を遮断する電力遮断部材と、を備え、前記フィルムを介した前記ヒータの熱により画像を記録材に定着する定着装置において、前記電力遮断部材は、前記基板の短手方向において、前記ヒータに対する前記電力遮断部材の接触領域が前記隙間とオーバラップするように前記ヒータに接触し、前記長手方向において前記接触領域とオーバラップする前記第１の発熱抵抗体の領域を第１の領域、前記長手方向において前記第１の領域と連続し前記接触領域とオーバラップしない前記第１の発熱抵抗体の領域を第２の領域、とした場合、前記短手方向における前記第１の領域の幅は、前記第２の領域の幅よりも狭く、前記第１の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第１のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第２のアウトラインとを有し、前記第２の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第３のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第４のアウトラインとを有し、前記短手方向において、前記第１のアウトラインは、前記第３のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であり、前記第２のアウトラインは、前記第４のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であることを特徴とするものである。

本発明の第２の側面は、ヒータであって、細長い板状の基板と、前記基板の短手中央よりも前記基板の短手方向の一端側の領域において前記基板の長手方向に沿って延びた第１の発熱抵抗体と、前記基板の短手中央よりも前記基板の短手方向の他端側の領域において前記基板の長手方向に沿って延びた第２の発熱抵抗体と、前記長手方向において前記ヒータに接触し前記ヒータの温度に応じて前記ヒータへの電力供給を遮断する電力遮断部材とオーバラップする前記第１の発熱抵抗体の領域を第１の領域、前記長手方向において前記第１の領域と連続し前記第１の領域とオーバラップしない前記第１の発熱抵抗体の領域を第２の領域、とした場合、前記短手方向における前記第１の領域の幅は、前記第２の領域の幅よりも狭く、前記第１の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第１のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第２のアウトラインとを有し、前記第２の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第３のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第４のアウトラインとを有し、前記短手方向において、前記第１のアウトラインは、前記第３のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であり、前記第２のアウトラインは、前記第４のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であることを特徴とするものである。

本発明によって、定着装置で用いるヒータが無制御状態に陥った場合において、ヒータに発生する熱応力を更に抑制することが可能になる。

実施例１に係る画像形成装置の概略構成を示す図である。 実施例１に係る定着装置の概略構成を示す図である。 実施例１に係るヒータを示す図である。 実施例１に係るヒータの表面温度分布を示す図である。 実施例１に係るヒータの熱応力の数値解析結果を示す図である。 実施例２に係るヒータを示す図である。 実施例２に係るヒータの境界部における電流の流れを示す図である。 変形例１に係るヒータを説明する図である。 比較例に係るヒータを説明する図である。

［実施例１］
本実施例における画像形成装置、定着装置、およびヒータの構成および効果に関して以下に詳述する。

＜画像形成装置＞
図１は本実施例における画像形成装置の概略構成図である。

感光ドラム１は、感光材料をアルミニウムやニッケルなどのシリンダ状の基盤上に形成したものである。感光ドラム１は、最初に、矢印の方向に回転駆動され、その表面は帯電装置としての帯電ローラ２によって一様帯電される。次に、レーザースキャナ３より、画像情報に応じて制御されたレーザー光による走査露光が施され、静電潜像が形成される。この静電潜像は、現像装置４で現像及び可視化される。

可視化されたトナー像は、転写装置としての転写ローラ５により、所定のタイミングで搬送された記録材Ｐ上に感光ドラム１上より転写される。ここで感光ドラム１上のトナー像の画像形成位置と記録材の先端の書き出し位置が合致するようにセンサ８にて記録材の先端を検知し、タイミングを合わせている。所定のタイミングで搬送された記録材Ｐは感光ドラム１と転写ローラ５に一定の加圧力で挟持搬送される。このトナー像が転写された記録材Ｐは定着装置６へと搬送され、加圧状態で加熱されることで永久画像として記録材に定着される。一方、感光ドラム１上に残存する転写残りの残留トナーは、クリーニング装置７により感光ドラム１表面より除去される。定着装置６で定着された記録材Ｐは、排紙ローラ対９ａ、９ｂによって搬送され、機外に排紙される。

＜定着装置＞
図２は本実施例における定着装置６の概略構成の模式図である。図２（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、定着装置６の横断面図及び斜視図である。この定着装置６は、互いに圧接してニップ部Ｎを形成するフィルムアセンブリ１０及び加圧ローラ２０を有するフィルム加熱方式の定着装置である。フィルムアセンブリ１０は主に筒状の定着フィルム１６と、ヒータ１１とヒータ１１を支持する支持部材としてのヒータホルダ１５、および加圧バネ１９より加圧力を受けてヒータホルダ１５を加圧ローラ２０に抗して押圧する金属ステー１７から構成される。金属ステー１７は定着部材の長手方向に渡って、略均一な幅の定着ニップ幅Ｎを安定して形成する為に逆Ｕの字形状に形成されている。金属ステー１７は、その長手方向の両端がヒータホルダ１６から突き出ていて、両端部にあるバネ受け部１７ａがバネ受け部材を介して加圧バネ１９によって加圧される。荷重はステー足部１７ｂを介してヒータホルダ１５の長手方向に渡って均一に伝達される。

ヒータホルダ１５は液晶ポリマー、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等の耐熱性樹脂により形成される。ヒータ１１裏面を断熱することでヒータ１１から定着フィルム１６への熱供給が良くなる。そのため、ヒータホルダ１５の熱伝導率は低い方が望ましく、樹脂層中にガラスファイバー、ガラスバルーンやシリカバルーン等のフィラーを内包してあっても良い。本実施例ではガラスファイバーを配合した液晶ポリマーを用いており、熱伝導率は０．４Ｗ／ｍＫ程度である。また、ヒータホルダ１５は定着フィルム１６の回転を案内する役目も持つ。ヒータホルダ１５は溝穴が設けられており、その溝穴にヒータ１１を嵌合させることにより保持する構成である。ヒータホルダ１５の溝穴には部分的に貫通穴が設けられており不図示の温度検知素子と電力遮断部材１８はこの穴部に配置され、ヒータ１１の裏面に直接接触している。

定着フィルム１６は、クイックスタートを可能にするために総厚２００μｍ以下の厚みの耐熱性フィルムである。ポリイミド、ポリアミドイミド、ＰＥＥＫ等の耐熱性樹脂やステンレス、ニッケル等の金属ベルトを基層として形成されている。このうち、前者の耐熱性樹脂に関しては熱伝導性を向上させるために、ＢＮ、アルミナ、Ａｌ等の高熱伝導性粉末を混入してあっても良い。また、長寿命の定着装置を構成するために充分な強度を持ち、耐久性に優れた定着フィルム１６として、総厚２０μｍ以上の厚みが必要である。よって定着フィルム１６の総厚としては２０μｍ以上２００μｍ以下が最適である。さらにオフセット防止や記録材の分離性を確保するために表層にはＰＴＦＥやＰＦＡ等のフッ素樹脂、シリコーン樹脂等の離型性の良好な耐熱樹脂を混合ないし単独で被覆して離型層を形成してある。ここで、ＰＴＦＥはポリテトラフルオロエチレンであり、ＰＦＡ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である。被覆の方法としては、ディッピング、スプレー塗布などによるコーティング、あるいはチューブ被服などの方法がある。本例では、基層ポリイミド製で厚み５５μｍ、その上に接着層を設け、表層は導電材を付与したＰＦＡを厚み１２μｍでコーティングし、総厚は７０μｍ、直径は１８ｍｍとし、基層には高熱伝導性のフィラーを配合することにより高熱伝導化をはかっている。

電力遮断部材１８は、ヒータの異常温度を感知した場合に、ヒータ１１への電力供給を遮断する装置であり、所定の加圧力でヒータ１１の裏面に接触している。電力遮断部材１８として、サーモスイッチ、温度ヒューズ、及びサーミスタを用いることができる。本実施例では、２２６℃でペレットが溶融・スプリング機構が動作することで電流を遮断することができる温度ヒューズを用いた。電力遮断部材１８は最小通紙域内に設けられ、ヒータ１１の短手中央の位置に、４００ｇｆの加圧力によって付勢されて接触している。本実施例の電力遮断部材１８の形状は、円筒形の金属筐体の長手方向の長さが１０ｍｍ、幅が約４ｍｍである。電力遮断部材１８は、ヒータ１１が異常温度になった時に素早く昇温し、ヒータへの電力供給を遮断する必要があるため、外筒が金属で形成されている。電力遮断部材１８は、ヒータ１１の裏面に、熱伝導グリス（たとえば、東レダウコーニング社製ＳＣ−１０２、熱伝導率は０．９Ｗ／ｍＫ）を介して設置され、電力遮断部材１８の一部がヒータ１１に対して浮くことによって生じる動作不良及び動作の遅延を防止している。

加圧ローラ２０はステンレスやアルミニウム等の金属製芯金２０ａの外側に弾性層２０ｂ、さらにその上に離型層２０ｃを形成した弾性ローラである。弾性層２０ｂとしては、シリコーンゴムやフッ素ゴム等の耐熱ゴムで形成した弾性ソリッドゴム、あるいはより断熱効果を持たせるためにシリコーンゴムを発泡して形成した弾性スポンジゴムが用いられる。その他、弾性層２０ｂとして、シリコーンゴム層内に中空の樹脂フィラー（マイクロバルーン等）を分散させ、断熱効果を高めた弾性気泡ゴム等を用いても良い。この弾性層２０ｂの外側に、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の離型層２０ｃを形成する。本実施例では、加圧ローラ２０の直径１４．２ｍｍ、シリコーンバルーンゴム層の厚み２．５ｍｍ、離型層はＰＦＡで厚み２０μｍであり、製品硬度はアスカーＣ硬度で４９度としている。

加圧ローラ２０は芯金２０ａの端部に設けられた不図示の駆動ギアにより、図２（ａ）の矢印の方向に回転する駆動力を得る。駆動力は制御手段を統制する不図示のＣＰＵからの指令に従い、不図示のモータより伝達される。この加圧ローラの回転駆動に伴って、定着フィルム１６は加圧ローラ２０との摩擦力により従動回転する。定着フィルム１６とヒータ１１との間には、フッ素系やシリコーン系の耐熱性グリス等の潤滑材を介在させることにより、摩擦抵抗を低く抑え、滑らかに定着フィルム１６が回転可能となる。定着ニップ部Ｎは、加圧ローラ２０とヒータ１１とが定着フィルム１６を介して形成する。

また、ヒータ１１の温度制御は基板１２の裏面に設けた不図示のサーミスタ等温度検知素子の信号に応じて、ＣＰＵがヒータ１１に印加する電圧のデューティー比や波数等を決定し適切に制御する。このヒータ制御によって、定着ニップＮの温度を所望の温度に保つことができる。未定着トナー画像を保持した記録材Ｐは所定のタイミングに適宜供給され、定着ニップＮ内に搬送され順次、加熱定着が行われる。

＜ヒータ＞
本実施例の定着装置で使用されるヒータ１１に関し、図３（ａ）を用いて説明する。なお、以下説明において短手方向とは、記録材Ｐの搬送方向を意味し、長手方向とは記録材Ｐの搬送面において、搬送方向と直交する方向を意味する。

ヒータ１１は、定着フィルム１６の内面に接触することによりニップ部Ｎの加熱を行う細長い板状の部材である。ヒータ１１は、基板１２の表面には、導体１３及び基板１２の長手方向に沿って延びた厚み約１０μｍ程度の発熱抵抗体１４がスクリーン印刷等によって形成されている。基板１２はアルミナや窒化アルミ等の絶縁性セラミックで形成され、発熱抵抗体１４は、Ａｇ／Ｐｄ（銀パラジウム）、ＲｕＯ_２、Ｔａ_２Ｎ等で形成されている。発熱抵抗体１４は、ヒータ１１の長手方向に延びた発熱抵抗体１４ａ（第１の発熱抵抗体）と、発熱抵抗体１４ａとヒータ１１の短手方向に並びヒータ１１の長手方向に延びた発熱抵抗体１４ｂ（第２の発熱抵抗体）と、を有する。発熱抵抗体１４ａ及び１４ｂを各々、ヒータ１１（基板１２）の短手両端部に設けることが好ましい。それらをヒータ１１の長手方向に亘ってヒータ１１の短手中央に近い位置に配置すると、ヒータ１１の短手中央と端部との温度差が大きくなり、温度ムラが大きくなるためである。よって、本実施例では、短手方向に関し基板１２の短手中央よりも一端側に発熱抵抗体１４ａを形成し、他端側に発熱抵抗体１４ｂを形成している。発熱抵抗体１４ａと１４ｂとの間には隙間がある。

発熱抵抗体１４は導体１３を介し不図示の電極部と接続しており、外部から電力供給可能に構成される。発熱抵抗体１４は、発熱抵抗体１４ａと１４ｂとが長手方向において導体１３と反対側の端部で導体を介して電気的に接続されており、長手方向で発熱抵抗体１４ａを折り返した構成を採用している。

このヒータ１１の定着フィルム１６と接する面には、熱効率を損なわない範囲で発熱抵抗体１４を保護する保護層を設ける。保護層の厚みは表面性を損なわない範囲で十分に薄いことが望ましく、ガラスやフッ素樹脂コート等を施す。本実施例においては、基板１２として、厚み１ｍｍ、短手方向幅５．８３ｍｍ、長手方向長さ２７０ｍｍのアルミナを採用し、その基板１２の上に銀パラジウムの発熱抵抗体１４を概ね幅０．９ｍｍ、長手方向長さ２１８ｍｍに渡り形成している。発熱抵抗体１４を保護する保護層として厚み６０μｍのガラスをコートしている。総抵抗値は１９Ωであり、定格電圧１２０Ｖ入力時において投入電力は７５８Ｗとなる。

＜発熱抵抗体パターン＞
図９（ｂ）に比較例のヒータの電力遮断部材の接触部周辺の構成を示し、図３（ｂ）に本実施例のヒータ１１の電力遮断部材の接触部周辺の構成を示す。

電力遮断部材１８がヒータ１１と接触する接触領域Ｂと、接触領域Bとヒータ１１の長手方向でオーバラップするヒータ１１の領域Ａと、ではヒータ１１の熱が電力遮断部材１８へ逃げるため、その分の熱を補う必要がある。比較例及び本実施例において用いる電力遮断部材１８の場合、ヒータ１１の領域Ａは、長手方向において領域Ａと連続する領域であって接触領域Ｂとオーバラップしないヒータ１１の領域Ｃよりも１９％多く発熱させる必要がある。

そこで、比較例及び本実施例では、発熱抵抗体１４をスクリーン印刷により均一な厚みで形成しているため、発熱抵抗体１４の短手幅を調整することで発熱量を調整している。図９（ｂ）の比較例と図３（ｂ）の本実施例のヒータ１１は共に、次の構成を有する。長手方向において接触領域Ｂとオーバラップする発熱抵抗体１４ａの部分１４ａ−１（第１の部分）の幅が部分１４ａ−１と連続し接触領域Ｂとオーバラップしない部分１４ａ−２（第２の部分）よりも狭い構成である。更に、長手方向において接触領域Ｂとオーバラップする発熱抵抗体１４ｂの部分１４ｂ−１（第３の部分）の幅が部分１４ｂ−１と連続し接触領域Ｂとオーバラップしない部分１４ｂ−２（第４の部分）よりも狭い構成である。このように発熱抵抗体１４の短手幅を狭くすることで発熱量を増加させている。尚、ヒータ１１の領域Ａで増やす必要のある発熱量は、電力遮断部材１８の熱容量、表面材質や熱伝導率などの各種熱特性によって適宜調整する。

比較例においては、発熱抵抗体１４ａ及び１４ｂの部分１４ａ−１及び１４ｂ−１の短手幅はそれぞれ、部分１４ａ−２及び１４ｂ−２よりも１９％狭い。発熱抵抗体１４ａ及び１４ｂの部分１４ａ−２及び１４ｂ−２の短手幅は０．９ｍｍ、発熱抵抗体１４ａ及び１４ｂの部分１４ａ−１及び１４ｂ−１の短手幅は０．７５６ｍｍである。

ここで、比較例のヒータ１１に電力供給をした場合のヒータ１１の表面の温度分布としては、発熱抵抗体１４がある部分に温度ピークが生じるため、ヒータ１１の短手両端部の温度が高くなり、ヒータ１１の領域Ａの温度ピークは、領域Ｃよりも更に高温になる。一方、ヒータ１１の裏面にある領域Ｂは、電力遮断部材１８へ熱が逃げるので局所的に温度が低くなる。この結果、比較例においては、電力遮断部材１８によるヒータ１１全体の温度低下は免れるものの、ヒータ１１の領域Ａにおいては発熱抵抗体１４が高温になり、領域Ｂにおいては局所的に低温になる。その為、基板１２には温度差による熱応力が発生し、ヒータ１１の破損が生じる場合があるという課題がある。

次に、図３（ｂ）を用いて本実施例における発熱抵抗体１４のパターンを説明する。ここで、電力遮断部材１８に近い側で長手方向に延びた発熱抵抗体１４ａのアウトラインをＬｉｎ１４ａ（内側アウトライン）、電力遮断部材１８から遠い側で長手方向に延びた発熱抵抗体１４ａのアウトラインをＬｏｕｔ１４ｂ（外側アウトライン）とする。本実施例は、発熱抵抗体１４ａの部分１４ａ−１のアウトラインＬｉｎ１４ａの少なくとも一部が、部分１４ａ−２のアウトラインＬｉｎ１４ａよりも電力遮断部材１８に近い位置に設けられている。更に、発熱抵抗体１４ａの部分１４ａ−１のアウトラインＬｏｕｔ１４ａの少なくとも一部が部分１４ａ−２のアウトラインＬｏｕｔ１４ａよりも電力遮断部材１８に近い位置に設けられている。

発熱抵抗体１４ａが前述した構成であれば後述する効果は奏するが、本実施例では更に、発熱抵抗体１４ｂのアウトラインの構成も発熱抵抗体１４ａと同様にしている。つまり、発熱抵抗体１４ｂの部分１４ｂ−１のアウトラインＬｉｎ１４ｂの少なくとも一部が、部分１４ｂ−２のアウトラインＬｉｎ１４ｂよりも電力遮断部材１８に近い位置に設けられている。更に、発熱抵抗体１４ｂの部分１４ｂ−１のアウトラインＬｏｕｔ１４ｂの少なくとも一部が部分１４ｂ−２のアウトラインＬｏｕｔ１４ｂよりも電力遮断部材１８に近い位置に設けられている。本実施例のように、電力遮断部材１８が基板１２の短手中央に接触する構成の場合、ヒータ１１は以下のような構成であれば良い。発熱抵抗体１４ａ−１の基板１２の短手中央に近い側及び遠い側のアウトラインＬｉｎ１４ａ及びＬｏｕｔ１４ａがそれぞれ、発熱抵抗体１４ａ−２のアウトラインＬｉｎ１４ａ及びＬｏｕｔ１４ａよりも基板の短手中央に近い位置にある構成である。

本実施例で採用した発熱抵抗体１４の短手幅及び長手長さを以下に示す。尚、本実施例においては、発熱抵抗体１４ａと１４ｂは同じ長さ、幅を有する。Ｄ１：０．９ｍｍ、Ｄ２：０．７５６ｍｍ、Ｄ３：２．６３ｍｍ、Ｄ４：１．７３ｍｍ、Ｗ１：９．２４４ｍｍ、Ｗ２：１０．７５６ｍｍである。また、発熱抵抗体１４の部分１４ａ−１の内側アウトラインと、部分１４ａ−２の内側アウトラインと、の距離Ｓ（Ｌ１−Ｌ２）は０．４５ｍｍである。本実施例においても比較例と同様に、発熱抵抗体１４ａの部分１４ａ−１の短手幅Ｄ１を部分１４ａ−２の短手幅Ｄ２に対して１９％狭くすることによって、ヒータ１１の領域Ａの発熱量を領域Ｃに対して１９％高くしている。

ここで、図３（ｂ）における仮想線Ｃ１及びＣ２はそれぞれ、接触領域Ｂの長手方向の中央を通り、ヒータ１１の短手方向（記録材の搬送方向）に延びる仮想線、ヒータ１１の短手中央を通りヒータ１１の長手方向に延びる仮想線、である。本実施例の電力遮断部材１８近傍の発熱抵抗体１４のパターンは、仮想線Ｃ１及びＣ２に対して対称である。

＜効果＞
本実施例の効果を確認するために、本実施例及び比較例のヒータ１１を用いて、ヒータ１１の表面の温度分布の測定及び比較、シミュレーションによる熱応力比較、実機におけるヒータ１１の異常昇温時における電力遮断部材18の動作評価試験を行った。

図４はヒータ１１の表面における温度分布の測定結果である。ここでは、室温２５℃湿度５０％の環境においてヒータ１１単品に１２０Ｖの電圧を印加給電することで発熱させ、その全体像をサーモグラフィーによって測定している。図４は電力供給開始から６秒経過時点における測定結果である。電力遮断部材の接触領域Ｂとオーバラップするヒータ１１の領域Ａの表面温度分布と、長手方向で領域Ａと連続し接触領域Ｂとオーバラップしない領域Ｃにおけるヒータ１１の短手方向の温度分布である。

ヒータ１１の領域Ｃにおいては、比較例と本実施例とで発熱抵抗体１４ａ及び１４ｂの位置が同じため、温度分布においても差異はない。ヒータ１１の領域Ａについては、本実施例は比較例よりも発熱抵抗体１４の発熱ピークの位置が中央部にシフトし、接触領域Ｂに相当するヒータ１１の短手中央の温度が高くなっているのが確認できた。ヒータ１１単品での試験だが、電力遮断部材１８が接触するヒータ１１の短手中央の温度が上がっていることから、ヒータ１１の短手中央に熱が移動しやすくなっていることが分かる。

ヒータ１１が異常昇温した時にヒータ１１に生じる熱応力についてシミュレーションを用いて比較を行った。定着装置全体をモデル化し、ヒータ１１の異常昇温時における伝熱解析を実施することでヒータ１１の熱応力状態を求めた。本実施例と比較例のヒータを適用したモデルにおいて、定着フィルム１６の回転を停止した状態で１４０Ｖ相当である１０３２Ｗの電力供給を６秒間行った場合のヒータ１１（基板１２）の裏面における温度および熱応力の計算結果を図５に示す。尚、定着フィルム１６の回転が停止した状態で評価を行うのは、ヒータ１１の熱が加圧ローラ２０に奪われ難い厳しい条件の評価をするためである。

図５（ａ）はヒータ１１の領域Ａの長手中央における基板１２裏面の短手方向の温度分布である。比較例の発熱抵抗体１４は、基板１２の短手端部に配置されており、その状態で発熱量を大きくしているため、基板１２の短手端部の温度が高く、接触領域Ｂは温度が相対的に低くなっている。一方、本実施例では接触領域Ｂに近い部分に発熱抵抗体１４を寄せて接触領域Ｂに熱を供給できるようにしたため、接触領域Ｂの温度低下は比較例よりも抑制されている。

次に、図５（ｂ）はヒータ１１の領域Ａの中央部における基板１２の裏面の短手方向の熱応力（最大主応力）の分布である。比較例と本実施例とでは、熱応力が接触領域Ｂにおいて最大値になることは同じであるが、最大値が異なる。熱応力の最大値は、比較例が４５３ＭＰａであるのに対し、本実施例では３１８ＭＰａであり、本実施例の構成は、比較例よりも熱応力を抑制できている。

次に、実機における比較検証実験として本実施例と比較例のヒータ１１を用い、電力遮断部材の動作評価試験を行った。この試験は加圧ローラ２０が回転を停止した状態でヒータ１１に電力を供給することでヒータ１１を異常昇温させる評価である。電力遮断部材は別回路により遮断動作に至るまでの時間を測定する。定着装置を設置した環境は室温２５℃、湿度５０％である。電源電圧のばらつき、ヒータ抵抗のばらつきなどを勘案し、電源電圧を調節して投入電力が１１７５Ｗとなるようにした。

本実施例のヒータ１１と比較例のヒータ１１を用いて上記試験を行ったところ、電力遮断部材１８の動作は６〜６．５秒程度で動作するのに対し、ヒータ１１の破損時間は比較例のヒータ１１では４．５〜５．５秒程度であった。これに対し、本実施例のヒータ１１を用いると、ヒータ１１の破損時間は１５〜１６秒程度であり、電力遮断部材動作時間に対して十分なマージンがあることを確認できた。実際の装置において、ヒータ１１のＡＣラインに対して直列に電力遮断部材１８を介した回路が配置されるため、本実施例のヒータにおいては仮に無制御状態に陥って電源電圧がヒータ１１に印加されたとしても安全に停止できる。

ヒータ１１の破損位置に注目すると、比較例では５つのサンプルのいずれも接触領域Ｂであり、基板１２に発生していた高い熱応力の影響が伺えたが、本実施例においては特定部位に破損が集中するようなことは見られなかった。本実施例により接触領域Ｂの熱応力が緩和されたことで早期の破損の発生が抑えられ、仮に無制御状態の異常昇温が起こった場合でも安全にヒータ１１への電力供給を遮断できるようになっていることが示されている。

尚、本実施例では２本の発熱抵抗体１４を持つヒータ１１を例示したがこれに限定されない。例えば４本の発熱抵抗体１４を備えるヒータ１１において、その内２本以上の発熱抵抗体１４のヒータ１１の領域Ａにおける位置を、接触領域Ｂに近い位置に配置する構成でも良い。また、本実施例における発熱抵抗体１４は基板の長手中央及び短手中央に対し対称形状であるが、本実施例はこれに限定されない。電力遮断部材１８の接触領域Ｂの長手中央及び短手中央に対し対称形状にしても良い。

［実施例２］
本実施例は、実施例１に対してヒータ１１の発熱抵抗体１４のパターンのみが異なる。これ以外の構成については実施例１と同様であるため省略する。

＜本実施例の発熱抵抗体パターン＞
図６は、本実施例に係るヒータ１１の電力遮断部材１８の接触領域Ｂの周辺領域（長手幅２０ｍｍ）における発熱抵抗体１４のパターンを示す図である。本実施例においては、実施例１と同様に、発熱抵抗体１４ａの領域Ａにある部分１４ａ−１のアウトラインＬｉｎ１４ａの少なくとも一部が、部分１４ａ−２のアウトラインＬｉｎ１４ａよりも電力遮断部材１８に近い位置に設けられている。更に、発熱抵抗体１４ａの部分１４ａ−１のアウトラインＬｏｕｔ１４ａの少なくとも一部が部分１４ａ−２のアウトラインＬｏｕｔ１４ａよりも電力遮断部材１８に近い位置に設けられている。

本実施例の実施例１と異なる構成としては、発熱抵抗体１４ａ及び１４ｂはそれぞれ、領域Ａと領域Ｃの境界近傍において、領域Ｃから領域Ａへ向かうにつれて電力遮断部材１８に徐々に近づくように斜めに延びた部分（境界部）を有する点である。領域Ａと領域Ｃの境界部とは、発熱抵抗体１４ａの部分１４ａ−１と部分１４ａ−２又は発熱抵抗体１４ｂの部分１４ｂ−１と部分１４ｂ−２の境界部と同義である。この境界部において発熱抵抗体１４ａ及び１４ｂの延びる方向と、ヒータ１１の長手方向と、のなす角θは、本実施例においては１３５°としている。また、本実施例において、発熱抵抗体１４ａ及び１４ｂの短手幅及び長手幅は、以下のように構成している。Ｄ１：０．９ｍｍ、Ｄ２：０．７５６ｍｍ、Ｄ３：２．６３ｍｍ、Ｄ４：１．７３ｍｍ、Ｄ５：０．９ｍｍ、Ｗ１：８．９６８ｍｍ、Ｗ２：１０．１５６ｍｍ、Ｗ３：１０．０００ｍｍ、Ｗ４：１０．９００ｍｍである。更に、発熱抵抗体１４ａの部分１４ａ−１の内側アウトラインと、部分１４ａ−２の内側アウトラインと、の距離Ｓ（Ｌ１−Ｌ２）は０．４５ｍｍである。境界部の発熱抵抗体１４の幅Ｄ５は、０．９ｍｍとしている。つまり、発熱抵抗体１４ａの短手幅は、境界部の方が部分１４ａ−１よりも広く、発熱量を抑制している。

＜効果＞
本実施例においても、ヒータ１１の領域Ａにおいて、発熱抵抗体１４ａの部分１４ａ−１と、発熱抵抗体１４ｂの部分１４ｂ−１と、を接触領域Ｂに近い位置に設けることで、接触領域Ｂの温度低下が小さくなり、熱応力が抑えられる。

また、本実施例における更なる効果として、領域Ａと領域Ｃの境界部近傍における発熱抵抗体１４の局所的な発熱を低減し、長手方向の記録材に与える熱量を均一化することが可能になる。ここで言う境界部は、発熱抵抗体１４ａの部分１４ａ−１と部分１４ａ−２の境界部もしくは発熱抵抗体１４ｂの部分１４ｂ−１と部分１４ｂ−２との境界部でもある。図７はヒータ１１の境界部における電流の流れを示す模式図であり、電流の流れを図中矢印で表している。図７（ａ）及び図７（ｂ）はそれぞれ、実施例１及び２の電流の流れを表している。図７（ａ）では、ヒータ１１の境界部において電流が流れる経路が直角に曲がっているため、内側に凹形状の角付近の屈曲部Ｅ１およびＥ２で電流の集中が発生しやすい。この電流集中が発生すると、電流集中が発生した領域で発熱密度が部分的に高くなる場合がある。これに対して、本実施例の発熱抵抗体層１４を流れる電流は、図７（ｂ）のように電流が流れる経路が緩やかであるため電流集中が発生し難い。そのため、実施例１よりもヒータ１１においては局所的に発熱量が大きくなることが少なく、均一な発熱密度が得られる。
つまり、長手方向の単位長さ当たりの発熱量を考えた場合、実施例１では境界部近傍における発熱量が大きくなりやすいのに対して、実施例２ではそれを抑制することができる。本実施例では画像に均一な熱量を与えて記録材に定着することができるため、より良好な画像を得ることができる。

尚、本実施例では、この境界部において発熱抵抗体１４ａ及び１４ｂの延びる方向と、ヒータ１１の長手方向と、のなす角θを１３５°としたもののこれに限定されない。ヒータのより均一な発熱分布を得るためになす角θを大きくしても良い。

＜変形例１＞
実施例２においては、発熱抵抗体の境界部近傍において所定の角度でスロープを形成したが、実施例２の変形例１では、発熱抵抗体１４の屈曲部を曲線形状としている。尚、発熱抵抗体の境界部以外の構成については実施例２と同様である。

図８は変形例１における発熱抵抗体１４を表す。本実施例では実施例２のなす角θを４５°としたものに対して、発熱抵抗体１４の屈曲部を半径４．５ｍｍの円弧状にしたものである。

変形例１においても、電力遮断部材接触領域Ａの発熱抵抗体１４を近づけて配置しているため、熱応力を低減することができる。また、屈曲部を円弧形状とすることで、電流の流れがスムーズになるため、電流集中を更に抑制し、より均一なヒータの発熱密度を得ることができる。

６ 定着装置
１１ ヒータ
１２ 基板
１４ 発熱抵抗体
１６ 定着フィルム
１８ 電力遮断部材
２０ 加圧ローラ
Ａ、Ｂ、Ｃ ヒータの領域

Claims (12)

1. 筒状のフィルムと、
   前記フィルムの内部空間に配置され、電力が供給されることで発熱するヒータであって、細長い板状の基板と、前記基板上に設けられ、前記基板の長手方向に沿って延びた第１の発熱抵抗体と、前記基板上に設けられ、前記基板の短手方向において前記第１の発熱抵抗体と隙間をあけて並び且つ前記基板の長手方向に沿って延びた第２の発熱抵抗体と、を有するヒータと、
   前記ヒータに接触し、前記ヒータの温度に応じて前記ヒータへの電力供給を遮断する電力遮断部材と、を備え、前記フィルムを介した前記ヒータの熱により画像を記録材に定着する定着装置において、
   前記電力遮断部材は、前記基板の短手方向において、前記ヒータに対する前記電力遮断部材の接触領域が前記隙間とオーバラップするように前記ヒータに接触し、
   前記長手方向において前記接触領域とオーバラップする前記第１の発熱抵抗体の領域を第１の領域、前記長手方向において前記第１の領域と連続し前記接触領域とオーバラップしない前記第１の発熱抵抗体の領域を第２の領域、とした場合、
   前記短手方向における前記第１の領域の幅は、前記第２の領域の幅よりも狭く、
   前記第１の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第１のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第２のアウトラインとを有し、前記第２の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第３のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第４のアウトラインとを有し、
   前記短手方向において、前記第１のアウトラインは、前記第３のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であり、前記第２のアウトラインは、前記第４のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であることを特徴とする定着装置。
2. 前記長手方向において前記ヒータの前記接触領域とオーバラップする前記第２の発熱抵抗体の領域を第３の領域、前記長手方向において前記第３の領域と連続し前記接触領域とオーバラップしない前記第２の発熱抵抗体の領域を第４の領域、とした場合、
   前記短手方向における前記第３の領域の幅は、前記第４の領域の幅よりも狭く、
   前記第３の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第５のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第６のアウトラインとを有し、前記第４の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第７のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第８のアウトラインとを有し、
   前記短手方向において、前記第５のアウトラインは、前記第７のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であり、前記第６のアウトラインは、前記第８のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記長手方向において、前記第１の発熱抵抗体の前記第１の領域と、前記第２の領域と、の境界部近傍は、前記長手方向において前記第２の領域から前記第１の領域に向かうにつれて、前記短手方向に関し前記第１の発熱抵抗体が徐々に前記電力遮断部材に近づくように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記長手方向において、前記第２の発熱抵抗体の前記第３の領域と、前記第４の領域と、の境界部近傍は、前記長手方向において前記第３の領域から前記第４の領域に向かうにつれて、前記短手方向に関し前記第２の発熱抵抗体が徐々に前記電力遮断部材に近づくように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
5. 前記電力遮断部材は、温度フューズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の定着装置。
6. 前記ヒータは前記フィルムに接触することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の定着装置。
7. 前記フィルムの外周面に接触する加圧ローラであって、前記フィルムとの間にニップ部を形成する加圧ローラを有し、
   前記ヒータと前記加圧ローラによって前記フィルムを挟持しており、記録材上に形成された画像は前記ニップ部で前記フィルムを介して加熱されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の定着装置。
8. 記録材に画像を形成する画像形成手段と、
   画像が形成された記録材を定着する請求項１〜７のいずれか１項に記載の定着装置と、を備えることを特徴とする画像形成装置。
9. ヒータであって、
   細長い板状の基板と、
   前記基板の短手中央よりも前記基板の短手方向の一端側の領域において前記基板の長手方向に沿って延びた第１の発熱抵抗体と、
   前記基板の短手中央よりも前記基板の短手方向の他端側の領域において前記基板の長手方向に沿って延びた第２の発熱抵抗体と、
   前記長手方向において前記ヒータに接触し前記ヒータの温度に応じて前記ヒータへの電力供給を遮断する電力遮断部材とオーバラップする前記第１の発熱抵抗体の領域を第１の領域、前記長手方向において前記第１の領域と連続し前記第１の領域とオーバラップしない前記第１の発熱抵抗体の領域を第２の領域、とした場合、
   前記短手方向における前記第１の領域の幅は、前記第２の領域の幅よりも狭く、
   前記第１の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第１のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第２のアウトラインとを有し、前記第２の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第３のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第４のアウトラインとを有し、
   前記短手方向において、前記第１のアウトラインは、前記第３のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であり、前記第２のアウトラインは、前記第４のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であることを特徴とするヒータ。
10. 前記長手方向において前記電力遮断部材とオーバラップする前記第２の発熱抵抗体の領域を第３の領域、前記長手方向において、前記第３の領域と連続し前記第３の領域とオーバラップしない前記第２の発熱抵抗体の領域を第４の領域、とした場合、
    前記短手方向における前記第３の領域の幅は、前記第４の領域の幅よりも狭く、
    前記第３の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第５のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第６のアウトラインとを有し、前記第４の領域は、前記短手方向において、前記電力遮断部材に近い側の第７のアウトラインと前記電力遮断部材から遠い側の第８のアウトラインとを有し、
    前記短手方向において、前記第５のアウトラインは、前記第７のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であり、前記第６のアウトラインは、前記第８のアウトラインよりも前記電力遮断部材に近い側にずれた位置であることを特徴とする請求項９に記載のヒータ。
11. 前記長手方向において、前記第１の発熱抵抗体の前記第１の領域と、前記第２の領域と、の境界部近傍は、前記長手方向において前記第２の領域から前記第１の領域に向かうにつれて、前記短手方向に関し前記第１の発熱抵抗体が徐々に前記電力遮断部材に近づくように構成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載のヒータ。
12. 前記長手方向において、前記第２の発熱抵抗体の前記第３の領域と、前記第４の領域と、の境界部近傍は、前記長手方向において前記第３の領域から前記第４の領域に向かうにつれて、前記短手方向に関し前記第２の発熱抵抗体が徐々に前記電力遮断部材に近づくように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のヒータ。

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