JP2001282020A

JP2001282020A - 定着装置

Info

Publication number: JP2001282020A
Application number: JP2000098547A
Authority: JP
Inventors: Jun Yura; 純由良; Takashi Fujita; 貴史藤田; Hirokazu Ikegami; 廣和池上; Atsushi Nakato; 淳中藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-12

Abstract

(57)【要約】【課題】輻射熱源を有する定着装置における立ち上が
り時の遅れを低減し、立ち上がり時間が１０秒以下のレ
ベルにおいてさらに立ち上がり時間を短くする。【解決手段】加熱ローラ（定着ローラ）１０の熱容量
を、立ち上がり時間が１０秒以下となるレベルにし、ガ
ラス管２８に封入される不活性ガスをクリプトン又はキ
セノンを主成分としたものとし、タングステンフィラメ
ント２９を細線化してその色温度を２５００Ｋ以上とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、輻射熱源を有する
定着装置及びこの定着装置を備えた複写機、プリンタ、
ファクシミリ等の画像形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、複写機では、像担持体としての
感光体に、原稿を読み取った画像情報に基づいて静電潜
像を形成し、この静電潜像を現像手段によりトナー像と
して可視像化し、トナー像を転写紙に転写した後、熱ロ
ーラ方式又はベルト定着方式の定着装置で定着するよう
になっている。定着装置の輻射熱源としては、一般にハ
ロゲンヒータが使用されている。ハロゲンヒータは、タ
ングステンフィラメントをガラス管で覆う構成を有し、
ガラス管内には窒素やアルゴンなどの不活性ガス、ヨウ
素、臭素、塩素などを含んだ微量のハロゲン物質が封入
されている。

【０００３】通常、タングステンは融点以下で蒸発が始
まり、徐々に細くなって切れてしまうが、ハロゲンヒー
タの場合、ガラス管内にハロゲンガスが封入されている
ため、フィラメントから蒸発したタングステンがハロゲ
ンガスとの反応と分解を繰り返すハロゲンサイクルによ
り必要な耐久性能を得ている。近年においては、環境対
策から、ハロゲン物質を封入しないものや、遠赤外線の
輻射を得るためにフィラメントを炭素にしたものなども
開発されている。このような輻射熱源を用いた定着装置
は、低コストであること、安全性が高いことなどから、
複写機等の画像形成装置で広く使用されている。ガラス
管はハロゲンサイクルを維持するに必要な高温に耐える
ため、石英ガラスが使用されている。

【０００４】ハロゲンヒータの熱放射と損失の割合は、
従来より、定常状態すなわち定着温度状態での実験値と
して常識的に把握されている。その割合を具体的に説明
すると、図１０に示すように、加熱ローラ内面に輻射さ
れる赤外放射が約８６％、可視放射が約７％、端子損失
が約２％、ガラス管での損失が約５％となっている。

【０００５】熱ローラ方式の定着装置は、加熱ローラ
と、この加熱ローラとの間で定着ニップ部を形成する加
圧ローラを有しており、定着ニップ部でトナー像を担持
した転写紙を挟持・搬送して熱と圧力により定着を行う
ようになっている。加熱ローラの内部に輻射熱源が設け
られており、輻射熱源の輻射熱により加熱ローラを加熱
するもので、いわゆる間接加熱方式と呼ばれている。こ
の方式は、加熱ローラの内面もしくは外面に発熱層を設
けて加熱ローラ表面を発熱させるいわゆる直接加熱方式
に比べ、加熱ローラが所定の定着温度（設定温度）に昇
温するまでの立ち上がり時間が遅い。

【０００６】近年においては、加熱ローラが肉厚０．５
ｍｍ程度のアルミニウム製もしくは鉄製の薄肉パイプを
基体として構成された省エネタイプの定着装置も開発さ
れており、加熱ローラの立ち上がり時間（定着可能な設
定温度への立ち上がり時間）を１０秒程度とする省エネ
タイプの定着装置も開発されている。立ち上がり時間が
短いので、待機時に通電して予熱する必要がなく、未使
用時には電源をオフする制御が行えるので、省エネルギ
ー化を図ることができる。

【０００７】特開平１１−１７４８９９号公報には、定
電圧回路を設けて電圧変動を抑え、色温度が２４００Ｋ
以上の加熱手段を用いる定着装置が記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】輻射熱源を有する間接
加熱方式の定着装置は、上述のように低コストであり、
安全性が高いなどの利点を有するが、直接加熱方式に比
べて加熱ローラが所定の定着温度に昇温するまでの立ち
上がり時間が遅く、１０秒よりもさらに短くすることが
要望されている。熱ローラ方式の定着装置の立ち上がり
時間は主に加熱部材である定着ローラの熱容量に依存し
ており、立ち上がり時間短縮のためには定着ローラの小
径化や薄肉化が一般的であるが、小径化及び薄肉化によ
り剛性が低下するため、最低強度を確保しつつ熱容量を
小さくするのには限界がある。輻射熱源を有する定着装
置の立ち上がり時間短縮について本発明者等が分析を行
った結果、以下のことが判明した。輻射熱源自体の立ち上がり時間、すなわち、放射が安
定するフィラメント温度２４００Ｋに達するまでの時間
を要すること。１００Ｖ、１２００Ｗ仕様のハロゲンヒ
ータでは、ヒータ自身の立ち上がり時間は２秒近くかか
る。本来、輻射熱源に投入されたエネルギーのうち全てが
フィラメントから放射され、加熱部材（定着ローラ）の
内面で全て輻射されて熱となれば損失がないのである
が、実際はそうはならない。高温のフィラメントは周囲
のガスに対流の形で熱を奪われる。また、フィラメント
からの輻射のうち一部はガラス管を透過する際に吸収さ
れる。これらにより輻射熱源に投入されたエネルギーの
うちの何割かが封入ガス及びガラス管の温度上昇に費や
されている。本発明者等は、立ち上がり時のハロゲンヒ
ータのガラス管の温度上昇の測定により、投入電力のう
ちの約１／４が損失となっていることが判った。

【０００９】立ち上がり時間が遅い理由についてのヒ
ータ自身の立ち上がり時間について具体的に説明する。
図１１は、ハロゲンヒータの立ち上がり特性を示す図で
ある。図１１から明らかなように、電源オンから出力の
９０％に達するまで２秒近く（約１．７秒）かかってい
る。これはフィラメント自身が昇温するまでのフィラメ
ント自身の立ち上がり時間、すなわちフィラメントが安
定する色温度に達する時間であり、この分だけハロゲン
ヒータの立ち上がりは遅れる。これはフィラメントの熱
容量、すなわち体積に依存しており、フィラメントが細
いほど、また短いほど立ち上がり時間が短いことにな
る。

【００１０】上記のような立ち上がり時間が１０秒程度
の省エネタイプの定着装置が開発されるまでは、定着温
度への立ち上がり時間は数十秒であったので、これに対
するヒータ自体の立ち上がり時間である約１．７秒の占
める割合は小さい。しかしながら、立ち上がり時間が１
０秒程度の省エネタイプの定着装置においてはその占め
る割合は大きく、それ故に立ち上がり時間を１０秒より
もさらに短くすることにおいて、改良の余地が存在する
ことを意味している。

【００１１】立ち上がり時間が遅い理由について、さ
らに具体的に説明する。図１２に、薄肉加熱ローラを用
いた省エネタイプの定着装置の加熱ローラ芯金とハロゲ
ンヒータのガラス管の温度上昇及びハロゲンヒータへの
入力電力量を示す。電源オンから約１ｓｅｃの間、温度
上昇の遅れが見られる。これはフィラメントのタングス
テンが定常状態に達するまでの時間であり、電力がその
間変化しているのは、タングステンの抵抗の温度依存
（ＰＴＣ特性）によるものである。それ以降の電力の安
定した領域におけるフィラメントの色温度を定格の色温
度として設定している。また、加熱ローラ芯金が定着温
度の１８０℃に達するまでの約１０ｓｅｃでガラス管壁
は約２３０℃にまで達している。この温度上昇速度とガ
ラスの熱容量から、ガラス管内で吸収されたエネルギー
量は、以下の式から約２７０Ｗであると推測される。熱容量（Ｊ／Ｋ）×温度上昇速度（Ｋ／ｓｅｃ）＝発熱
量（Ｗ）電力は１２００Ｗであるため、タングステンから放射さ
れるエネルギーのうちの約１／４がガラス管に吸収され
ることによるロスということになる。

【００１２】図１３は、ガラス管と加熱ローラ間の温度
差と輻射による熱伝達量の関係を示すグラフである。ガ
ラス管と加熱ローラの温度差が２００℃を超えた辺りか
ら熱伝達量が急激に増すことが判る。ガラス管から加熱
ローラへの熱伝達については、輻射による熱伝達は温度
の４乗の差に比例するので、温度差が大きくなれば輻射
の影響が大きくなるが、ガラス管と加熱ローラとの温度
差が小さい立ち上がりの時間内においては、ガラス管か
ら加熱ローラへの輻射による熱伝達は無視してよく、ガ
ラス管自体を温めることは全くのロスと考えてよい。但
し、ガラス管の温度は、図１４に示すように、そのまま
制御を行わなければ２分間で６００℃前後まで上昇を続
けるため、このような温度になればガラス管から加熱ロ
ーラへの輻射も十分大きいものと思われる。

【００１３】従って、ガラス管から加熱ローラへの輻射
がほとんど無い立ち上がり時間の短い定着装置において
は、ガラス管及びガラス管内のガスの影響が特に大きい
ということができる。従来は、ハロゲンヒータのガラス
管での損失は放射全体の５％程度と考えられてきてお
り、その割合の低さから技術的に避けられないものとし
て容認されてきた。しかしながら、それは上述のように
輻射ヒータの温度が安定する定常状態での損失であり、
高速で加熱ローラを立ち上げる省エネタイプの定着装置
における立ち上がり時のガラス管及び封入ガスへの損失
は、図１５に示すように、２５％程度であり、定常状態
の５倍程度であることが今回の実験で判った。この立ち
上がり時におけるガラス管での損失の割合は、輻射ヒー
タを用いた定着装置の立ち上がり時間を短くすることに
関し、技術的に十分に改良の余地が存在することを意味
するものである。

【００１４】そこで、本発明は、立ち上がり時の輻射熱
源における熱損失を最小限にすることで、加熱部材が設
定温度へ到達する立ち上がり時間を一段と短くでき、あ
るいは同じ立ち上がり時間でも加熱部材の肉厚を厚く設
定して強度を向上でき、あるいは同じ立ち上がり時間で
も輻射熱源への投入熱量を低く設定できる、省エネタイ
プの定着装置及びその定着装置を備えた画像形成装置の
提供を、その目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明では、内部に輻射熱源を有する
円筒状加熱部材を備えた定着装置において、上記円筒状
加熱部材が設定温度に到達するまでの昇温時間が１０秒
以内であり、上記輻射熱源の定常時における色温度が２
５００Ｋ以上である、という構成を採っている。ここ
で、色温度２５００Ｋ以上とは、輻射熱源の色温度の設
定の中心値が２５００Ｋ以上であることを意味する。

【００１６】請求項２記載の発明では、内部に輻射熱源
を有する加熱部材を備えた定着装置において、上記加熱
部材が設定温度に到達するまでの昇温時間が１０秒以内
であり、上記輻射熱源への定格の印加電圧が１２０Ｖ以
下であり、該輻射熱源の定常時における色温度が２５０
０Ｋ以上である、という構成を採っている。

【００１７】請求項３記載の発明では、内部に輻射熱源
を有する加熱部材を備えた定着装置において、上記加熱
部材の比熱Ｃ（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）と、密度ρ（ｋｇ／ｍ
³ ）と、体積Ｖ（ｍ³ ）と、該加熱部材の設定温度まで
の温度上昇差ΔＴ（Ｋ）と、該輻射熱源へ投入する電力
Ｐ（Ｗ）とが以下の式を満たす関係にあり、 ρ×Ｃ×Ｖ×ΔＴ／Ｐ≦１０該輻射熱源の定常時における色温度が２５００Ｋ以上で
ある、という構成を採っている。

【００１８】請求項４記載の発明では、請求項２又は３
記載の定着装置において、上記輻射熱源が、ガラス管内
にフィラメントと不活性ガスが封入された構成を有し、
上記不活性ガスはアルゴン（Ａｒ）よりも熱伝導率の低
いものを主成分としている、という構成を採っている。

【００１９】請求項５記載の発明では、請求項２又は３
記載の定着装置において、上記輻射熱源が、ガラス管内
にフィラメントと不活性ガスが封入された構成を有し、
上記不活性ガスはアルゴン（Ａｒ）よりも分子量の大き
いものを主成分としている、という構成を採っている。

【００２０】請求項６記載の発明では、請求項４又は５
記載の定着装置において、上記不活性ガスがクリプトン
（Ｋｒ）を主成分としている、という構成を採ってい
る。

【００２１】請求項７記載の発明では、請求項４又は５
記載の定着装置において、上記不活性ガスがキセノン
（Ｘｅ）を主成分としている、という構成を採ってい
る。

【００２２】請求項８記載の発明では、請求項１記載の
定着装置いおいて、上記輻射熱源が、ガラス管内にフィ
ラメントが封入された構成を有し、上記色温度が上記フ
ィラメントの細線化によって達成される、という構成を
採っている。

【００２３】請求項９記載の発明では、請求項１乃至８
のうちの一つに記載の定着装置において、上記加熱部材
が薄肉の金属パイプである、という構成を採っている。

【００２４】請求項１０記載の発明では、請求項１乃至
８のうちの一つに記載の定着装置において、上記加熱部
材が円筒状のベルトである、という構成を採っている。

【００２５】請求項１１記載の発明では、内部に輻射熱
源を有する加熱部材を備えた定着装置を有する画像形成
装置において、上記定着装置が請求項１乃至１０のうち
の一つに記載のものである、という構成を採っている。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて説明する。まず、図１に基づいて、画像形成装
置としての複写機の全体構成の概略を説明する。矢印方
向に回転する感光体１の周りには、帯電手段２、クリー
ニング手段３、レーザ光学系によるレーザビームＬ、ト
ナーを供給して感光体１上の潜像を顕像化する現像スリ
ーブ５を含む現像部７、及び転写手段６が配置されてい
る。装置下部には矢印ａ方向に着脱可能な給紙カセット
１０が設けられている。給紙カセット１０内に収容され
た用紙Ｐは、中板１１で支えられ、図示しないスプリン
グの力によってアーム１２を介して給紙ローラ１３に押
し付けられている。後述する制御手段３７から指令が発
せられて給紙ローラ１３が回転することによって給紙カ
セット１０内の最上紙は、分離パッド１４で重送を防止
されながら下流側のレジストローラ対１５まで搬送され
る。

【００２７】用紙Ｐはレジストローラ対１５により感光
体１上の画像と同期するようにタイミングをとられて転
写手段６に向けて送り出される。転写手段６によって感
光体１から画像を転写された用紙Ｐは、さらに定着装置
１６に搬送され、加熱部材としての加熱ローラ（定着ロ
ーラという場合がある）１８とこれに圧接対向する加圧
ローラ１９とで形成されたニップ部を通され、熱と圧力
により画像を定着される。定着済みの用紙Ｐは、排紙ロ
ーラ対２０によって画像面を下にして排紙口２１より排
紙トレイ２２上に排出されてスタックされる。排出され
る用紙のサイズに対応するため、排紙ストッパ２５は矢
印ｂ方向にスライド可能となっている。

【００２８】装置右側に操作面が配置されており、操作
パネル３０が外装部３１の上部前面（図１の装置上右
側）で突き出ている。また、給紙トレイ３２がピン３３
により回動可能に取り付けられている。図中左側に配置
されたケース３４内には、電源３５やプリント板３６
（エンジンドライバーボード）等の電送、制御部が収納
される。また、制御手段３７（コントローラボード）も
収納されている。排紙トレイ２２を構成しているカバー
３８は、回動支点３９を中心に開放可能となっている。

【００２９】定着装置１６は、図２に示すように、立ち
上がり時間が１０秒以内の熱容量を有する加熱ローラ１
８と、これに図示しないスプリングの付勢力で押し当て
られた加圧ローラ１９を有している。加熱ローラ１８
は、断熱ブッシュ５１，５１、軸受５２，５２を介して
定着側板５０，５０に取り付けられており、図示しない
駆動源に係合した歯車５３により回転駆動される。加熱
ローラ１８の内部には輻射熱源としてのハロゲンヒータ
２３が設けられており、ハロゲンヒータ２３の端部はヒ
ータ保持部材２４により保持されている。加熱ローラ１
８の表面には温度センサ６０が当接され、温度センサ６
０により検出された信号は入力回路６１を経てＣＰＵ６
３に取り込まれ、ＣＰＵ６３は検出した加熱ローラ１８
の温度を基にドライバ６２を介してハロゲンヒータ２３
への通電を制御するように構成されている。通常は画像
形成装置の電源が投入されると、ドライバ６２を介して
ハロゲンヒータ２３へ電流が流れ、加熱ローラ１８の温
度は１８０℃前後の設定温度まで急激に上昇する。

【００３０】図３に示すように、加熱ローラ１８は、ア
ルミニウム製の薄肉パイプ２７を基体としており、その
外径は３０ｍｍ、厚みは０．４ｍｍである。加熱ローラ
１８の外面には、定着後の用紙Ｐの分離性を向上させる
ためにフッ素系の表面離型層２６が形成されている。加
圧ローラ１９は、芯金４０と、弾性材料としての発泡シ
リコンゴム層４２を有している。ハロゲンヒータ２３
は、タングステンフィラメント２９をガラス管２８で覆
う構成を有し、ガラス管２８内には不活性ガスと、ヨウ
素、臭素、塩素などの微量のハロゲン物質が封入されて
いる。本実施形態では不活性ガスとして、クリプトン
（Ｋｒ）を主成分としたものを使用している。

【００３１】また、タングステンフィラメント２９の定
着時における色温度を２５００Ｋ以上としている。色温
度は、フィラメントの線径、長さ、封入ガスの種類、入
力電力によって決まる。色温度とは、ある放射体の光色
に等しい光色を持つ完全放射体の温度であり、色温度計
により測定される。ハロゲンヒータ２３の定格（電圧、
電力）が決まれば抵抗が決まるため、タングステンフィ
ラメント２９の線径と長さを調整することになる。抵抗
は長さに比例し、断面積に反比例するので、例えば線径
が８０％のフィラメントを使用すれば同じ抵抗のヒータ
を作製するのに長さは６４％（＝０．８＾２）となり、
熱容量（＝体積）は５１．２％（＝０．８＾３）とな
る。線径を８０％にすれば、同じ発熱量でフィラメント
を同等の温度とするのに要する時間が約半分となるので
ある。色温度は、発熱長さと発熱及び冷却量に依存し、
入力電圧電力、フィラメントの線径、長さ、封入ガスの
種類によって決まる。同じヒータでも電圧を上げれば発
熱量が上がって色温度は高くなるし、同じフィラメント
でも巻き密度によって色温度は異なる。但し、本実施形
態で用いる輻射熱源の場合は、定格電圧電力と全体の長
さが決定されており、巻き密度もある範囲内に限定され
るため、使用するフィラメントの線径によって色温度が
定まるといってもよい。フィラメントの線径を細くする
ことが輻射熱源の色温度を上げることと同じことを指し
ている。本実施形態では従来の２４００Ｋ用のフィラメ
ントの線径を１５％程度小さくし、色温度を２５５０Ｋ
としている。線径が８５％とすることでフィラメントの
熱容量は約６０％にまで低減した計算となる。色温度の
変化量としては数％だが、フィラメントの熱容量を約４
０％低減し、フィラメントの立ち上がり時間を約４０％
短縮できることになる。

【００３２】従来の定着装置において、２４００Ｋを中
心値としたハロゲンヒータを使用していたのは、従来の
加熱ローラは熱容量が大きく、立ち上がり時間に数十秒
を要していたので、ハロゲンヒータのフィラメントの２
秒近い立ち上がり時間は考察の対象とならなかった。同
じ定格であれば、色温度が低いほど寿命は長くなるた
め、従来はハロゲンヒータの色温度を２４００Ｋ程度ま
でとしていた。このような定着装置を備えた従来の複写
機は立ち上がり時間が遅く、複写機を使用しないときも
常にハロゲンヒータを点灯し、加熱ローラを一定温度以
上に維持してコピー時の待ち時間をなくすようにしてお
く必要があった。また、待機時には加熱ローラを一定温
度以上に維持しているため、フィラメントの温度もある
程度以上は高く、それ故にフィラメントの立ち上がりも
気にならなかった。

【００３３】立ち上がり時間が１０秒程度の立ち上がり
の速い省エネタイプの定着装置では、待機時にヒータを
オフする制御によって省エネルギー化に応えている。立
ち上がり時間が短いので待機時に加熱ローラを加熱して
おく必要がなく、不使用時にはハロゲンヒータをオフす
ることができる。これにより、装置寿命までのハロゲン
ヒータの点灯時間は大幅に短くなり、ハロゲンヒータの
色温度を高くしてもヒータの寿命を従来と同等又はそれ
以上とすることがとができる。

【００３４】図４は、本実施形態におけるハロゲンヒー
タ２３と従来のハロゲンヒータの発光の立ち上がり特性
を示す実験グラフである。従来のハロゲンヒータが出力
の９０％まで立ち上がるのに約１．７秒かかっているの
に対し、本実施形態（本発明）のハロゲンヒータ２３は
約１秒しかかかっていない。フィラメントを細くして熱
容量を小さくしたことにより、フィラメントの立ち上が
り特性が明らかに向上しているのが判る。同じ電圧、電
力条件では、フィラメントを細くすることは、輻射熱源
の色温度を上げることと同じである。

【００３５】図５は、本実施形態のハロゲンヒータ２３
を用いた場合の加熱ローラ１８の立ち上がりと、従来の
ハロゲンヒータを用いた場合の加熱ローラの立ち上がり
の比較を示す実験グラフである。図５から、本実施形態
のハロゲンヒータ２３の方が初期の立ち上がりが速いの
が判る。図６は、初期の立ち上がりの違いを明確にする
ために、図５における本実施形態の加熱ローラ１８と従
来の加熱ローラの昇温カーブの傾きを縦軸にとって表し
たグラフである。図６から、立ち上がり直後における本
実施形態のハロゲンヒータ２３の温度上昇率が高いこ
と、約１０秒以降の両者の差が無くなっていることが判
る。これは、フィラメントを細くして色温度を高くした
本実施形態のハロゲンヒータ２３は、立ち上がり時間が
約１０秒以内の定着装置においてその立ち上がり特性の
効果を発揮できるできることを意味している。換言すれ
ば、立ち上がり時間が約１０秒以上の定着装置において
はその立ち上がり特性の効果を十分に発揮できないとい
うことである。

【００３６】上述のように、本実施形態では従来の２４
００Ｋ用のフィラメントの線径を１５％程度小さくし、
色温度を２５００Ｋ以上としているが、このフィラメン
トの線径の細線化率は、ハロゲンヒータ２３のガラス管
２８内に封入されている不活性ガスとも関係している。
タングステンフィラメント２９の発光におけるガラス管
２８での熱ロスは、ガラス管２８自体の昇温に消費され
るロスと、封入ガスの対流熱損失からなる。従来では封
入ガスとして一般にアルゴンが使用されているが、本実
施形態では封入ガスの対流熱損失を抑制する観点から、
不活性ガスにクリプトンを主成分としたものを使用して
いる。

【００３７】図７は、封入ガスの熱伝導率の比較グラフ
である。クリプトンはアルゴンに比べて熱伝導率が低い
ので、ガラス管２８内でのガスによるタングステンフィ
ラメント２９の発光の冷却が抑制され、その分色温度が
高まる。不活性ガスをクリプトンを主成分としたものと
することにより、ガラス管及びガスへの熱損失を抑え、
加熱部材への輻射の割合を高めて立ち上がり特性を向上
させることができる。不活性ガスをクリプトンより熱伝
導率の低いキセノンを主成分としたものにすれば、より
一層立ち上がり特性を向上させることができる。ガラス
管２８内の不活性ガスによる対流熱損失を抑制する場
合、分子量の観点から不活性ガスの種類を選定してもよ
い。分子量が大きければ大きいほど対流熱損失を抑制で
き、タングステンフィラメント２９の発光効率を高め、
加熱部材の立ち上がりを早めることができる。分子量の
大きいガスは対流が抑制できることに加えて、タングス
テンフィラメント２９の蒸発を抑制する効果（「照明ハ
ンドブック」社団法人照明学会編株式会社オーム社
ｐ．１５７あるいは特開平７−６５７９８号公報）もあ
り、高寿命化を達成できる大きな利点がある。封入ガ
ス、フィラメントの色温度を変えた実験結果を表１に示
す。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１から、フィラメントを細くして色温度
を上げた輻射熱源は寿命が従来より短くなる傾向にある
が、分子量の大きなガスと組み合わせることで、従来と
同等の寿命で立ち上がり特性を向上させることができる
ことが判る。封入ガスと色温度を変えた場合の昇温時間
（定着装置の立ち上がり時間）の違いを調べた実験結果
を表２に示す。

【００４０】

【表２】

【００４１】表２から、フィラメントの線径を細くし熱
容量を小さくした、色温度の高い輻射熱源を使用するこ
とにより、昇温時間を短くすることができ、さらに不活
性ガスをクリプトン又はキセノンとすることにより、昇
温時間を１０秒以下のレベルにおいてより一層短くする
ことができることが判る。

【００４２】ハロゲンヒータ２３のタングステンフィラ
メント２９は、抵抗が小さいほど線径は大きくなる。こ
のため、同じ定格電力でも１００Ｖ系と２００Ｖ系で
は、１００Ｖ系の方がヒータ抵抗は小さくなり、線径が
大きくなる傾向にある。すなわち、フィラメントの熱容
量が大きく、フィラメント自身の立ち上がり時間が長く
なる傾向にある。従って、フィラメントの線径を小さく
し、色温度を高くした場合の上記効果は、１００Ｖ系で
ある１２０Ｖ以下の定格のハロゲンヒータにおいて、さ
らにその効果が大きくなる。これにより、本実施形態で
は、ハロゲンヒータ２３への印加電圧を１２０Ｖ以下と
している。

【００４３】加熱部材の昇温時間はその熱容量（比熱・
密度・体積）と、設定温度と、輻射熱源への投入電力に
よって推測される。図８に示すように、加熱部材（＝定
着ローラ、＝加熱ローラ１８）の設定温度までの昇温時
間１０ｓｅｃを達成するための構成は計算による推測さ
れるが、その組み合わせはいろいろと考えられる。本実
施形態におけるタングステンフィラメント２９を細くし
て色温度を高くした場合の効果は、立ち上がり時間が約
１０秒までの定着装置において発揮されるため、加熱部
材の比熱Ｃ（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）と、密度ρ（ｋｇ／ｍ³ ）
と、体積Ｖ（ｍ³ ）と、加熱部材の設定温度までの温度
上昇差ΔＴ（Ｋ）と、輻射熱源へ投入する電力Ｐ（Ｗ）
とが以下の式を満たす関係になるようにしている。 ρ×Ｃ×Ｖ×ΔＴ／Ｐ≦１０

【００４４】特開平１１−１７４８９９号公報に記載さ
れた技術では、色温度が２４００Ｋ以上であることによ
って漠然と発光効率（Ｌｍ／Ｗ）が高くなるとしか記載
されておらず、本実施形態のようにタングステンフィラ
メント２９の線径を細くして熱容量を低減したことによ
る立ち上がり特性、なかでも１０秒以内の立ち上がりに
おける効果についての技術ではない。また、定電圧回路
の設置が前提となる。本実施形態のものは、フィラメン
トの色温度を２５００Ｋ以上とすることで従来に比べて
点灯寿命は短縮されるものの、待機時に電源をオフする
省エネタイプの定着装置であれば、点灯時間は大幅に短
くなるため、定電圧回路がなくても２５００Ｋ以上の色
温度で輻射熱源及び定着装置として十分な寿命を得るこ
とができる。その上で、フィラメント線径が細く立ち上
がり特性に優れた輻射熱源を、その効果が最大限活かせ
る１０秒以内の立ち上がり定着ローラと組み合わせるこ
とで、省エネルギー型の定着装置とすることができる。
また、封入ガスとして分子量の大きな不活性ガスと組み
合わせることで、線径を細くして色温度を高めた複写熱
源であっても、従来と同等の寿命を満足する定着装置と
することができる。

【００４５】上記各実施形態では熱ローラ方式の定着装
置を示したが、図９に示すようなベルト定着方式の定着
装置においても同様に実施することができる。図９にお
いて、上記実施形態と同一部分は同一符号で示してい
る。弾性層７０ａを有する定着ローラ７０と熱ローラ１
８との間に加熱部材としての定着ベルト７２が掛け回さ
れ、定着ローラ７０に定着ベルト７２を介して加圧ロー
ラ１９が圧接されている。定着ベルト７２が加熱ローラ
１８により加熱され、トナー像を担持した用紙Ｐが定着
ニップ部に進入することにより定着がなされる。加熱ロ
ーラ１８の立ち上がり特性による定着装置の立ち上がり
時間の速さは上記各実施形態と同様である。図９では、
輻射熱源から熱ローラ１８を介して定着ベルト７２を加
熱しているが、輻射熱源からの輻射により定着ベルト７
２を直接加熱してもよい。

【００４６】上記各実施形態では輻射熱源としてハロゲ
ンヒータ２３を用いたが、輻射熱源としては必ずしもハ
ロゲン物質が封入されたものである必要はなく、輻射に
よって加熱ローラを昇温させ得るものであればよい。ハ
ロゲン物質が封入されたものでない場合にも、クリプト
ン又はキセノンを主成分とする不活性ガスを用いること
により、対流熱損失の抑制機能を得ることができる。

【００４７】

【発明の効果】請求項１，９，１０又は１１記載の発明
によれば、加熱部材が設定温度に到達するまでの昇温時
間（立ち上がり時間）を１０秒以内とし、輻射熱源の色
温度を２５００Ｋ以上としたので、輻射熱源の立ち上が
り時間の速さを得ることができ、その結果、設定温度に
到達するまでの昇温時間をさらに短くすることができ
る。これにより、より一層使用性の向上を図れるととも
に省エネルギー化を図ることができる。例えば、従来の
輻射熱源を使った場合に比べて１０％昇温が速い場合
は、同じ立ち上がり時間を達成するための加熱部材（定
着ローラ）の肉厚を１０％厚く設計することができる。
これにより、定着ローラの耐久性向上やコストダウンを
図ることができる。また、同じ立ち上がり時間を達成す
るための投入電力を１０％低減することもできる。これ
により、装置の消費電力を低減し、省エネルギー化を図
ることができる。また、本発明に係る輻射熱源は、熱源
自体の立ち上がりが速いため、従来のハロゲンヒータよ
りも定常時のオン・オフにおける応答性に優れており、
通紙時の加熱部材（定着ローラ）の温度リップルを改善
することができる。さらに、輻射熱源では電源オン時の
突入電流が大きいことも問題の一つとなっているが、本
発明の輻射熱源は立ち上がりが速いため、突入電流の持
続時間も短くなっており、電気的ノイズなどの影響が小
さい。

【００４８】請求項２，９，１０又は１１記載の発明に
よれば、加熱部材が設定温度に到達するまでの昇温時間
（立ち上がり時間）が１０秒以内の定着装置において、
輻射熱源の色温度を２５００Ｋ以上とし、輻射熱源への
定格の印加電圧を１２０Ｖ以下としたので、輻射熱源の
立ち上がり特性を有効に得ることができる。これによ
り、設定温度に到達するまでの昇温時間をさらに短くす
ることができ、より一層使用性の向上を図れるとともに
省エネルギー化を図ることができる。例えば、従来の輻
射熱源を使った場合に比べて１０％昇温が速い場合は、
同じ立ち上がり時間を達成するための加熱部材（定着ロ
ーラ）の肉厚を１０％厚く設計することができる。これ
により、定着ローラの耐久性向上やコストダウンを図る
ことができる。また、同じ立ち上がり時間を達成するた
めの投入電力を１０％低減することもできる。これによ
り、装置の消費電力を低減し、省エネルギー化を図るこ
とができる。また、本発明に係る輻射熱源は、熱源自体
の立ち上がりが速いため、従来のハロゲンヒータよりも
定常時のオン・オフにおける応答性に優れており、通紙
時の加熱部材（定着ローラ）の温度リップルを改善する
ことができる。さらに、輻射熱源では電源オン時の突入
電流が大きいことも問題の一つとなっているが、本発明
の輻射熱源は立ち上がりが速いため、突入電流の持続時
間も短くなっており、電気的ノイズなどの影響が小さ
い。

【００４９】請求項３，９，１０又は１１記載の発明に
よれば、加熱部材の比熱Ｃ（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）と、密度ρ
（ｋｇ／ｍ³ ）と、体積Ｖ（ｍ³ ）と、該加熱部材の設
定温度までの温度上昇差ΔＴ（Ｋ）と、該輻射熱源へ投
入する電力Ｐ（Ｗ）とが以下の式を満たす関係にあり、 ρ×Ｃ×Ｖ×ΔＴ／Ｐ≦１０輻射熱源の定常時における色温度が２５００Ｋ以上であ
る構成としたので、輻射熱源の立ち上がり特性を有効に
得ることができる。これにより、設定温度に到達するま
での昇温時間をさらに短くすることができ、より一層使
用性の向上を図れるとともに省エネルギー化を図ること
ができる。例えば、従来の輻射熱源を使った場合に比べ
て１０％昇温が速い場合は、同じ立ち上がり時間を達成
するための加熱部材（定着ローラ）の肉厚を１０％厚く
設計することができる。これにより、定着ローラの耐久
性向上やコストダウンを図ることができる。また、同じ
立ち上がり時間を達成するための投入電力を１０％低減
することもできる。これにより、装置の消費電力を低減
し、省エネルギー化を図ることができる。また、本発明
に係る輻射熱源は、熱源自体の立ち上がりが速いため、
従来のハロゲンヒータよりも定常時のオン・オフにおけ
る応答性に優れており、通紙時の加熱部材（定着ロー
ラ）の温度リップルを改善することができる。さらに、
輻射熱源では電源オン時の突入電流が大きいことも問題
の一つとなっているが、本発明の輻射熱源は立ち上がり
が速いため、突入電流の持続時間も短くなっており、電
気的ノイズなどの影響が小さい。

【００５０】請求項４，５，６，７，８，９，１０又は
１１記載の発明によれば、輻射熱源における封入ガスに
よる熱損失を抑制できるので、輻射熱源の発光効率を高
めることができる。また、分子量の大きなガスと組み合
わせることで、従来と同等の寿命でありながら立ち上が
り特性を向上でき、タングステンフィラメントの蒸発を
抑えて耐久性能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る画像形成装置として
の複写機の全体概要正面図である。

【図２】定着装置の概要側面図である。

【図３】定着装置の概要正面図である。

【図４】ハロゲンヒータの立ち上がり特性における従来
との比較グラフである。

【図５】加熱ローラの立ち上がり特性における従来との
比較グラフである。

【図６】立ち上がり初期における従来との比較グラフで
ある。

【図７】不活性ガスの熱伝導率を示すグラフである。

【図８】加熱部材の熱容量と立ち上がり時間の関係を示
すグラフである。

【図９】他の実施形態における定着装置の概要正面図で
ある。

【図１０】定常状態におけるハロゲンヒータの熱放射と
損失の割合を示すグラフである。

【図１１】ハロゲンヒータの立ち上がり特性を示すグラ
フである。

【図１２】従来における薄肉加熱ローラを用いた省エネ
タイプの定着装置の加熱ローラとガラス管の温度上昇の
関係及びハロゲンヒータへの入力電力量を示すグラフで
ある。

【図１３】ガラス管と加熱ローラ間の温度差と輻射によ
る熱伝達量の関係を示すグラフである。

【図１４】ガラス管の温度上昇を示すグラフである。

【図１５】立ち上がり時における輻射ヒータの熱放射と
損失の割合を示すグラフである。

【符号の説明】

１８加熱部材としての加熱ローラ２３輻射熱源としてのハロゲンヒータ２８ガラス管２９タングステンフィラメント

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池上廣和東京都大田区中馬込１丁目３番６号・株式会社リコー内 (72)発明者中藤淳東京都大田区中馬込１丁目３番６号・株式会社リコー内Ｆターム(参考） 2H033 AA30 BA11 BA12 BA25 BB18 3K058 AA02 AA42 AA72 AA73 AA81 BA18 CA12 CA23 CA46 CA61 CE17 DA02 DA13 DA22 3K092 PP18 QA01 QB24 QC22 RA03 RB14 RC02 RD10 SS32 UA04 VV16 VV22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に輻射熱源を有する円筒状加熱部材を
備えた定着装置において、上記円筒状加熱部材が設定温度に到達するまでの昇温時
間が１０秒以内であり、上記輻射熱源の定常時における
色温度が２５００Ｋ以上であることを特徴とする定着装
置。
【請求項２】内部に輻射熱源を有する加熱部材を備えた
定着装置において、上記加熱部材が設定温度に到達するまでの昇温時間が１
０秒以内であり、上記輻射熱源への定格の印加電圧が１
２０Ｖ以下であり、該輻射熱源の定常時における色温度
が２５００Ｋ以上であることを特徴とする定着装置。
【請求項３】内部に輻射熱源を有する加熱部材を備えた
定着装置において、上記加熱部材の比熱Ｃ（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）と、密度ρ（ｋ
ｇ／ｍ³ ）と、体積Ｖ（ｍ³ ）と、該加熱部材の設定温
度までの温度上昇差ΔＴ（Ｋ）と、該輻射熱源へ投入す
る電力Ｐ（Ｗ）とが以下の式を満たす関係にあり、 ρ×Ｃ×Ｖ×ΔＴ／Ｐ≦１０該輻射熱源の定常時における色温度が２５００Ｋ以上で
あることを特徴とする定着装置。
【請求項４】請求項２又は３記載の定着装置において、上記輻射熱源が、ガラス管内にフィラメントと不活性ガ
スが封入された構成を有し、上記不活性ガスはアルゴン
（Ａｒ）よりも熱伝導率の低いものを主成分としている
ことを特徴としている定着装置。
【請求項５】請求項２又は３記載の定着装置において、上記輻射熱源が、ガラス管内にフィラメントと不活性ガ
スが封入された構成を有し、上記不活性ガスはアルゴン
（Ａｒ）よりも分子量の大きいものを主成分としている
ことを特徴とする定着装置。
【請求項６】請求項４又は５記載の定着装置において、上記不活性ガスがクリプトン（Ｋｒ）を主成分としてい
ることを特徴とする定着装置。
【請求項７】請求項４又は５記載の定着装置において、上記不活性ガスがキセノン（Ｘｅ）を主成分としている
ことを特徴とする定着装置。
【請求項８】請求項１記載の定着装置いおいて、上記輻射熱源が、ガラス管内にフィラメントが封入され
た構成を有し、上記色温度が上記フィラメントの細線化
によって達成されることを特徴とする定着装置。
【請求項９】請求項１乃至８のうちの一つに記載の定着
装置において、上記加熱部材が薄肉の金属パイプであることを特徴とす
る定着装置。
【請求項１０】請求項１乃至８のうちの一つに記載の定
着装置において、上記加熱部材が円筒状のベルトであることを特徴とする
定着装置。
【請求項１１】内部に輻射熱源を有する加熱部材を備え
た定着装置を有する画像形成装置において、上記定着装置が請求項１乃至１０のうちの一つに記載の
ものであることを特徴とする画像形成装置。