JP4454582B2 - 加熱装置の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、乾式電子写真機器における定着装置、湿式電子写真機器における乾燥装置、インクジェットプリンタにおける乾燥装置、リライタブルメディア用消去装置等に好適な加熱装置及び画像形成装置に関する。

複写機、プリンタ等の電子写真機器に用いられる代表的な加熱装置の一種である定着装置としては、従来、一般的に、アルミニウム等の中空芯金よりなる定着ローラの内部にハロゲンヒータ等からなる加熱手段を配置し、ハロゲンヒータを発熱させて定着ローラを所定の温度（定着温度）に設定する構成が多用されている。

しかしながら、この方式では、加熱開始後、定着ローラが所定の定着温度に到達するまでの時間、いわゆるウオームアップ時間が長いため、使い勝手を向上させる上から、待機中においても定着ローラを予熱しておく必要があり、そのために、待機時の消費電力が大になるという問題があった。

そこで、近年、定着ローラにアルミニウムよりも強度的に優れた鉄系材料を用いて定着ローラを薄肉化することで低熱容量化を図り、ウオームアップ時間を短縮しようとする試みがなされるようになった。しかし、この場合、定着ローラの軸方向の熱移動性が低下し、定着ローラ長に比べて小さいサイズの記録紙を連続通紙すると、記録紙が通過しない部分（非通紙部）の定着ローラ表面温度が異常に上昇してしまういわゆる非通紙部異常昇温が生じやすくなるという問題があった。

そこで、このような問題を解決するために、例えば、加熱領域の異なる複数（主に２本）のヒータを用いて、記録紙のサイズに応じて、定着ローラを選択的に加熱するようにした定着装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このように複数のヒータを用いた加熱方式には、基本的に、以下の２つの方式がある。まず、第１の方式では、図２４（ａ）に示すように、中央加熱用ヒータ２３４ａと全幅加熱用ヒータ２３５ｃとを組合せ、大サイズの記録紙を通紙するときには、全幅加熱用ヒータ２３５ｃのみで加熱を行い、小サイズ紙通紙時は、中央加熱用ヒータ２３４ａのみで加熱を行うようにする。

しかしながら、この第１の方式においては、小サイズ紙連続通紙時は定着ローラ２３１端部への熱供給が行われないので、定着ローラ２３１端部の温度は中央部より低い温度となる。そのため、小サイズ紙通紙直後に大サイズ紙の通紙を行うと、端部において定着不良が生じたり、皺、カール等が発生して、満足な定着性能を得られないという問題があった。

第２の方式では、図２４（ｂ）に示すように、中央加熱用ヒータ（メインヒータ）２３４ａと端部加熱用ヒータ（サブヒータ）２３５ａとで加熱を行うようにする。この場合、温度センサ２３７、２３８は中央部と端部にそれぞれ１個ずつ配設され、中央部のセンサ２３７によって検出した温度に基づいてメインヒータ２３４ａを、端部のセンサ２３８によって検出した温度に基づいてサブヒータ２３５ａをそれぞれ制御する。

この第２の方式においては、小サイズ紙通紙時にもサブヒータ２３５ａにより定着ローラ２３１の端部温度を適当な温度に制御することで、前述のような端部の温度低下を発生させることなく、小サイズ紙通紙直後の大サイズ通紙時にも満足な定着性能を得ることができる。

更に、この第２の方式において、各ヒータの非発熱部におけるフィラメントコイル内に、短絡用芯棒を挿入することで、非発熱部における発熱を防止し、小サイズ紙を連続通紙させる場合の非通紙部異常昇温をより一層抑制するようにした方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。なお、以下、本タイプのヒータランプをパーシャルランプ、従来タイプのヒータランプをノーマルランプと記す。

表１及び図１２、図１３に、印字速度７０ｃｐｍの高速複合機において、メインヒータ、サブヒータともノーマルランプを用いた場合（パターン１）並びに、メインヒータ、サブヒータともパーシャルランプを用いた場合（パターン８）でのＡ４及びＢ５Ｒサイズの記録紙を連続１００枚通紙した直後の定着ローラ軸方向の温度分布を比較した結果を示す。なお、表１において、ＭＲｎｈは、メインヒータの非発熱部における配熱分布の平均値を示し、ＳＲｎｈは、サブヒータの非発熱部における配熱分布の平均値を示す。

なお、各々のヒータランプの配熱分布としては、図９ないし図１１及び表１に示すように、パターン１のメインヒータが図９のノーマルＡ、サブヒータが図１１のノーマル、パターン８のメインヒータが図１０のパーシャルＡ、サブヒータが図１１のパーシャルに該当する。

図１２、図１３に示すように、ヒータランプにパーシャルランプを用いた場合（パターン８）、普通サイズのＡ４紙に対しては、従来のノーマルタイプを用いたパターン１と同等の温度均一性であり、小サイズ紙であるＢ５Ｒ紙に対しては、パターン１に比べて、非通紙部昇温を大幅に低減できることが判る。
特開平８−２２０９３０号公報（段落「００１７」「００１８」、図１，図２） 特開２００２−２５８６４６号公報（段落「００１５」〜「００２１」、図１，図２）

しかしながら本発明者等は、ヒータランプにパーシャルランプを用いた場合、ヒータランプの配熱分布のばらつきに起因して、定着ローラ温度のばらつきが増大してしまうという問題があることに気がついた。以下、この点について説明する。

図９ないし図１１に示すように、ヒータランプは所定の配熱分布を得られるように製作されるが、製作時のフィラメントの位置的なばらつきや、ヒータランプを定着ユニット内に取り付ける際の取付精度のばらつき等により、量産時においては、各ヒータランプについて最大で５ｍｍ程度設計値に対して配熱分布がずれることがある。

すなわち、上記パターン８のように、メイン及びサブの２種類のヒータランプを用いる場合、例えばメインとサブの配熱分布が逆方向に最大５ｍｍずれたとすると、両者の配熱分布は相対的に１０ｍｍずれることとなる。

このずれによる定着ローラの温度のばらつきに関して、印字速度の異なる複合機（印字速度７０ｃｐｍ、４５ｃｐｍ、２６ｃｐｍ）を用いて実験を通して検討した結果を、表２及び図１４、図１５に示す。ここで、定着ローラとしては、表２に示すように、各々、タイプ（材質）の異なる４種類のローラを用いた。

また、ヒータランプとしてはパターン８のメイン、サブ共にパーシャルランプを使用したものを使用し、メインランプの配熱分布を通紙基準位置（センター基準）からマイナス側（左側）に５ｍｍ、サブランプの配熱分布を通紙基準位置（センター基準）からプラス側（右側）に５ｍｍずらした位置に設定した。

実験方法としては、定着ローラを各印字速度に応じた定着温度（７０ｃｐｍで２１０℃、４５ｃｐｍで１８０℃、２６ｃｐｍで１７０℃）で温度制御しつつ、Ａ４サイズの記録紙を通紙基準位置通りセンター基準で１００枚連続で通紙し、１００枚通紙後の定着ローラ軸方向温度分布を２次元放射温度計により測定した。

図１４は、７０ｃｐｍの場合の各種定着ローラでの軸方向温度分布を示した図であるが、このように配熱分布がずれた場合、定着ローラの温度分布としては、制御温度２１０℃に対しマイナス側で高く、プラス側で低くなり、ΔＴｒの温度ばらつきが生じることが判る。

更に、この定着ローラ温度のばらつきΔＴｒは、同じ材質の定着ローラであれば、定着ローラの肉厚（＝熱容量）が小さいほど、顕著となることが判る。ここで、定着ローラの肉厚をｔ（ｍｍ）、外径をＤ（ｍｍ）、比熱をＣｈ（Ｊ／ｇ℃）、比重をＣｗ（ｇ／ｃｍ３）とすると、定着ローラの単位長さ当りの熱容量Ｍｈ（Ｊ／（℃・ｍ））は、（１１）式で表される。

Ｍｈ＝Ｃｈ・Ｃｗ・π｛（Ｄ／２）^２−（Ｄ／２−２ｔ）^２｝・・（１１）式
定着ローラの軸方向温度ばらつきΔＴｒは、定着ローラの熱容量Ｍｈ（Ｊ／（℃・ｍ））や熱伝導率λ（Ｗ／（ｍ・℃））が小さいほど、また、定着速度Ｖｐ（ｍ／ｓ）が大きいほど顕著となると考えられることから、定着ローラの軸方向温度バラツキを表す指標として、
Ｈｔ＝ｖｐ／（Ｍｈ・λ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１２）式
上記（１２）式のように定義し、ＨｔとΔＴｒとの関係を調べ、その結果を図１５に示す。

これより、ΔＴｒとＨｔとは、定着速度に関係なく、
ΔＴｒ＝１３Ｌｎ（Ｈｔ）＋１７８・・・・・・・・・・・・・・（１３）式
なお、（１３）式において、Ｌｎは自然対数を表す。

上記（１３）式に示す近似式で表されることから、ΔＴｒを検討する指標としてＨｔを用いれば、定着速度に関係なく、あらゆる速度領域に適用することができる。そこで、定着速度７０ｃｐｍの場合を代表例して検討し、Ｈｔとの関係で示すことで、あらゆる定着速度の定着装置に適用できるものとした。

通常、一般的な定着装置としては、定着ローラ軸方向温度ばらつきΔＴｒ（ｄｅｇ）以外に、温度制御精度に起因する定着ローラの周方向温度リップルΔＴｃ（ｄｅｇ）、温度センサの固体差による温度ばらつきΔＴｓ（ｄｅｇ）等が温度変動要因となっており、これらがトナーに対する非オフセット域ΔＴｏ（ｄｅｇ）以内に収まるように設定する必要がある。

すなわち、
ΔＴｏ≧ΔＴｒ＋ΔＴｃ＋ΔＴｓ
∴ΔＴｒ≦ΔＴｏ−ΔＴｃ−ΔＴｓ・・・・・・・・・・・・・・・（１４）式
通常、ΔＴｏ≒４０、ΔＴｃ≒１０、ΔＴｓ≒５であることから、
ΔＴｒ≦２５・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１５）式
定着ローラ軸方向温度ばらつきΔＴｒについては、上記（１４）式及び（１５）式が満たされなければならない。

従って、図１５より、パターン８のようなパーシャルランプを用いた方式では、ウオームアップ時間を短縮するために、ＨｔがＨｔ≧７．７４×１０^−６となるような低熱容量型の定着ローラを使用した場合、ΔＴｒが２５ｄｅｇより大となるため、オフセットが発生してしまうことになる。

本発明は、このような実情に鑑みてなされ、複数の加熱手段を備える薄肉・低熱容量の加熱部材の軸方向温度分布の均一化を図り、熱効率を向上させた加熱装置およびその加熱装置を備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明に係る加熱装置は、
回転することにより周囲に当接する記録紙のトナー像を加熱して定着する円筒状の加熱部材と、
前記加熱部材内に配置され、前記記録紙の中央部に対向する発熱部を含む第１の発熱部と、前記第１の発熱部に連接する第１の非発熱部とを有する第１の加熱部と、そして、
前記加熱部材内に配置され、前記第１の発熱部に対向する第２の非発熱部と、前記第１の非発熱部に対向する第２の発熱部とを有する第２の加熱部と、を備え、
前記第１の加熱部の前記第１の非発熱部における配熱分布の平均値をＭＲｎｈ、前記第２の加熱部の前記第２の非発熱部における配熱分布の平均値をＳＲｎｈ、前記第１及び第２の非発熱部における配熱分布の平均値の総和をΣＲｎｈ（＝ＭＲｎｈ＋ＳＲｎｈ）としたとき、次の（１）式が満たされる。

ΣＲｎｈ≧３０．５・Ｌｎ（Ｈｔ）＋３８２・・・・・・・（１）式
但し、Ｈｔ＝ｖｐ／（Ｍｈ・λ）
ここに、ｖｐ：定着速度（ｍ／ｓ）
Ｍｈ：加熱部材の単位長さ当たりの熱容量（Ｊ／（℃・ｍ））
λ：加熱部材を構成する材料の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・℃））
なお、（１）式において、Ｌｎは自然対数を表す（以下、同様）。

実験によれば、加熱部材が薄肉素材からなり熱容量が小さい場合、全加熱部の非発熱部における配熱分布の平均値の総和ΣＲｎｈが３０．５・Ｌｎ（Ｈｔ）＋３８２より小さければ、加熱部としてのヒータランプの軸方向の配熱分布の位置がずれたときに生じる定着ローラ軸方向の温度ばらつきが大きくなりすぎ（２５ｄｅｇ以上）、高温オフセットや紙皺等の原因となる。なお、第１の加熱部は、記録紙の中央部に対向する発熱部を含み、記録紙のサイズにかかわらず常に加熱されるため、ここでは、メイン加熱部と称することがある。また、第２の加熱部は、第１の加熱部に連接することからサブ加熱部と称することがある。このサブ加熱部は、記録紙のサイズに応じて、その端部を選択的に加熱する。

この構成においては、上記（１）式が満たされるように、加熱部としてのヒータランプの配熱分布（相対値）を設定することで、加熱部の配熱分布位置がずれた時の定着ローラ軸方向の温度ばらつきが、２５ｄｅｇ以下に抑制される。

このような配熱分布を実現するためには、例えば、第１又は第２の加熱部（メイン又はサブ加熱部）のヒータランプのみ、その非発熱部において、フィラメントコイル内に短絡用芯棒が挿入されている、所謂パーシャルタイプのヒータランプを用いればよい。

本発明の他の実施態様では、
前記第１の加熱部の前記第１の非発熱部における配熱分布の平均値をＭＲｎｈとしたとき、次の（２）式が満たされる。

ＭＲｎｈ≦−２１．９・Ｌｎ（Ｈｔ）−１９８・・・・・・（２）式
実験によれば、加熱部材が薄肉素材からなり熱容量が小さい場合、第１の加熱部（メイン加熱部）の第１の非発熱部における配熱分布の平均値ＭＲｎｈが−２１．９・Ｌｎ（Ｈｔ）−１９８より大きいと、小サイズ紙を通紙したときの定着ローラの非通紙部昇温が大きくなりすぎ（２５ｄｅｇ以上）、高温オフセットや紙皺等の原因となる。

この構成においては、上記（２）式が満たされるように、加熱部としてのヒータランプの配熱分布（相対値）を設定することで、加熱部の配熱分布位置のずれが防止され、小サイズ紙を通紙した場合の非通紙部の異常昇温が２５ｄｅｇ以下に抑制される。

このような配熱分布を実現するためには、例えば、第１又は第２の加熱部（メイン又はサブ加熱部）のヒータランプのみ、その非発熱部において、フィラメントコイル内に短絡用芯棒が挿入されている、所謂パーシャルタイプのヒータランプを用いればよい。

本発明のさらに他の実施態様では、
上記（１）式と（２）式がともに満たされる。

この構成においては、加熱手段の配熱分布位置がずれたり、小サイズ紙を通紙した場合に非通紙部が異常昇温するのがさらに効果的に抑制される。

本発明のさらに他の実施態様では、
前記第２の加熱部の前記第２の非発熱部における配熱分布の平均値ＳＲｎｈについて、次の（３）が満たされる。
ＳＲｎｈ≦２０％・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）式
実験によれは、加熱部材が薄肉素材からなり熱容量が小さい場合、第２の加熱部（サブ加熱部）の第２の非発熱部における配熱分布の平均値ＳＲｎｈが２０％よりも大きいと、大サイズの記録紙と小サイズの記録紙を通紙したときの第１の加熱部の消費電力差が大きく、加熱部トータルの定格電力を大きく設定する必要がある。その結果、高速機等、消費電力の大きな機種では、小サイズ紙を通紙したときの温度追従性を確保できなくなる等の課題が生じる。

更に上記の場合、第１の加熱部（メイン加熱部）の消費電力が、紙サイズの違いや配熱分布ばらつき等により、大きく異なってしまう。ヒータランプは通常、定格電力付近で使用するのが最も効率がよいが、上記条件下では、例えば、Ａ４紙を定着させる場合、定格電力よりもかなり小さい電力で使用することとなり、熱効率の低下による消費電力の増大、温度追従性不良による定着性低下等の課題を招来する。

この構成においては、前記（３）式を満たすように、加熱部の配熱分布（相対値）を設定することで、大サイズの記録紙と小サイズの記録紙を通紙したときの第１の加熱部（メイン加熱部）の消費電力差は小さくなる。従って、高速機等の消費電力の大きな機種でも、小サイズ紙を通紙したときの温度追従性が確保される。また、紙サイズの違いや配熱分布ばらつき等による第１の加熱部の消費電力差は比較的小さく、常に定格電力付近での使用が可能となる。

本発明のさらに他の実施態様では、
前記第２の加熱部の前記第２の非発熱部はフィラメントコイルを含み、このフィラメントコイル内に、短絡用芯棒が挿入されている。

この構成においては、記第２の加熱部（サブ加熱部）のヒータランプのみ、その非発熱部において、フィラメントコイル内に短絡用芯棒が挿入されている、所謂パーシャルタイプのヒータランプを用いることで、上述のように、前記（３）式を満たす加熱手段の安定な配熱分布が実現する。

本発明のさらに他の実施態様では、下記（４）式が満たされる。

Ｈｔ≧７．７４×１０^−６・・・・・・・・・・・・・・（４）式
加熱部材（定着ローラ）が前記（４）式を満たす場合、定着速度に関係なく、従来のようにΣＲｎｈが３０％未満の加熱部（ヒータランプ）を用いたときのヒータランプ軸方向の配熱分布のばらつきによる温度ばらつきが大きくなりすぎる（２５ｄｅｇ以上）が、この構成においては、前記（１）式のΣＲｎｈを前記（２）式のように設定していることで、上述のような温度ばらつきの発生が防止される。

本発明のさらに他の実施態様では、
前記加熱部材は、円筒状の芯金の表面に被覆層が設けられた加熱ローラであり、前記芯金は鉄系材料からなる。

加熱部材（定着ローラ）が前記（４）式を満たす場合、定着速度に関係なく、従来のようにΣＲｎｈが３０％未満の加熱手段（ヒータランプ）を用いたときのヒータランプ軸方向の配熱分布ばらつきによる温度ばらつきが大きくなりすぎる（２５ｄｅｇ以上）が、この構成においては、芯金に鉄系材料を用いた加熱ローラとして、前記（１）式のΣＲｎｈを前記（２）式のように設定していることで、上述のような温度ばらつきの発生が防止される。

薄肉素材からなる熱容量が小さい加熱部材であっても、加熱部の配熱分布位置がずれるのを防止することができる。

また、小サイズ紙を通紙した場合でも、非通紙部が異常昇温するのが抑制されるため、高温オフセットや紙皺等の発生を防止することができる。

また、定格電力を小さく抑えることができ、高速機等の消費電力の大きな機種でも、小サイズ紙を通紙したときの良好な温度追従性を確保することができる。また、紙サイズの違いや配熱分布ばらつき等によるメインの加熱手段の消費電力差は比較的小さく、常に定格電力付近での使用が可能となる。

本発明の実施の一形態に係る画像形成装置の構成を示す説明図である。 画像形成部の構成を示す説明図である。 記録材供給装置の構成を示す説明図である。 外部記録材供給装置の構成を示す説明図である。 後処理装置の構成を示す説明図である。 現像画像読取装置の構成を示す説明図である。 両面印刷用搬送装置の構成を示す説明図である。 定着装置の構成を示す説明図である。 ヒータランプの配熱分布（相対値）を示した図である。 ヒータランプの別の配熱分布（相対値）を示した図である。 ヒータランプの他の配熱分布（相対値）を示した図である。 従来の高速複合機のヒータランプにおける定着ローラ軸方向温度分布の一例を示した図である。 従来の高速複合機のヒータランプにおける別の定着ローラ軸方向温度分布の一例を示した図である。 従来の高速複合機のヒータランプにおける配熱分布の位置ずれによる定着ローラ軸方向温度ばらつきを示した図である。 従来の高速複合機のヒータランプにおける定着ローラ軸方向の温度ばらつき指標Ｈｔと、定着ローラ軸方向の温度ばらつきΔＴｒの関係を示した図である。 本発明の実施の形態における複数の配熱パターンでの、ヒータランプ配熱分布の位置ずれによるＨｔとΔＴｒとの関係を示した図である。 本発明の実施の形態における複数の配熱パターンでの、小サイズ紙通紙によるＨｔとΔＴｒとの関係を示した図である。 配熱分布位置ずれ時のＨｔとΣＲｎｈ、小サイズ紙通紙時のＨｔとＭＲｎｈとの関係を示した図である。 ＳＲｎｈと最大消費電力、メインヒータランプ消費電力ばらつきとの関係を示した図である。 実施の形態１のヒータランプ発熱部、非発熱部を示した図である。 実施の形態２のヒータランプ発熱部、非発熱部を示した図である。 実施の形態３の定着装置の構成を示す説明図である。 実施の形態３のヒータランプ発熱部、非発熱部を示した図である。 従来の複数のヒータランプを有する定着装置の構成を示す説明図である。

符号の説明

２３ 加熱装置
２３１ 加熱部材
２３４，２３５ 加熱手段
２３４ａ，２３４ｂ メインの加熱手段
２３５ａ，２３５ｂ サブの加熱手段

本発明の加熱装置を画像形成装置（電子写真機器）の定着装置に適用した実施の一形態について図面を参照しつつ以下に説明する。

図１は、画像形成装置１の構成を示す断面図である。この画像形成装置１は、原稿画像読取装置１１、画像記録装置１２、記録材供給装置１３、後処理装置１４及び外部記録材供給装置１５を有する。画像形成部である画像記録装置１２、記録材供給部である記録材供給装置１３および記録材供給装置１３から画像記録装置１２を経て記録材排出部１６まで記録材を搬送する搬送部１７は、デジタルプリンタなどの画像形成装置本体２０を構成する。

画像形成装置本体２０の動作について説明する。まず、原稿画像読取装置１１が原稿を読み取って画像データを取得し、画像データを画像記録装置１２に出力する。画像記録装置１２は、入力された画像データに適切な画像処理を施す。記録材供給装置１３からは、印刷用紙およびＯＨＰ（Ｏｖｅｒ Ｈｅａｄ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）シートなどのシート状の記録材（記録紙，記録媒体等）が１枚ずつ分離して搬出され、搬送部１７の第１の搬送経路１７ａによって画像記録装置１２に搬送される。

画像記録装置１２は、印刷などによって画像データに基づく画像を記録材に形成する。画像が印刷された記録材は、搬送部１７の第２の搬送経路１７ｂによって記録材排出部１６まで搬送されて装置外部に排出される。

原稿画像読取装置１１には、原稿供給部もしくは原稿回収部である原稿トレイ１８が接続されている。原稿供給部として働く場合は、複数ページからなる一連の原稿を原稿トレイ１８に載置し、載置された原稿を１枚ずつ分離して連続的に読取部に供給することが可能となっている。原稿回収部として働く場合は、連続的に排出される読み取り済み原稿を原稿トレイ１８で受けて保持する。

読み取った一連の原稿を複数部印刷する場合に、印刷された記録材を記録材排出部１６に排出すると、同じページが印刷された記録材が連続して排出されるなど混合されてしまうため、印刷後にユーザが記録材を分別しなければならない。そこで、画像形成装置本体２０に後処理装置１４を接続し、たとえば、混合しないように複数の排出トレイ１４ａ，１４ｂに区別して排出することが可能となっている。

画像形成装置本体２０と後処理装置１４とは所定の距離を隔てて配設されており、画像形成装置本体２０と後処理装置１４との間には空間Ｓが形成される。なお、画像形成装置本体２０と後処理装置１４とは外部搬送部１９によって接続されており、画像が印刷された記録材は、搬送部１７から外部搬送部１９を経て後処理装置１４まで搬送される。

ところで、省エネルギ化および低コスト化などの観点から、印刷用紙などの記録材では、その両面に画像を印刷する機能が求められている。この機能は、片面に画像が印刷された記録材を、その表裏を反転させて再び画像形成装置１２に搬送する両面印刷用搬送部２１によって実現可能となる。

片面に印刷された記録材は、記録材排出部１６にも後処理装置１４にも搬送されず、両面印刷用搬送部２１で表裏が反転されて、再び画像記録装置１２に搬送される。画像記録装置１２は、画像が印刷されていない面に画像を印刷することで両面印刷が可能となる。

また、記録材供給装置１３に保持可能な種類または数量を越える記録材を供給したい場合は、機能拡張用の周辺装置として外部記録材供給装置１５を空間Ｓに配設して画像形成装置本体２０に接続し、所望の種類および数量の記録材を外部記録材供給装置１５に収容することで供給可能となっている。

次に、画像形成装置１の構成についてより詳細に説明する。図２は、画像記録装置１２の構成を示す断面図である。画像記録装置１２の略中央左側には、感光体ドラム２２を中心とする電子写真プロセス部が配置されている。感光体ドラム２２を中心としてその周囲には、感光体ドラム２２表面を均一に帯電させる帯電ユニット３１と、均一に帯電された感光体ドラム２２に光像を走査して静電潜像を書き込む光走査ユニット２４と、光走査ユニット２４によって書き込まれた静電潜像を現像剤により現像する現像ユニット２５と、感光体ドラム２２表面に記録現像された画像を記録材に転写する転写ユニット２６と、感光体ドラム２２表面に残留した現像剤を除去して感光体ドラム２２に新たな画像を記録することを可能とするクリーニングユニット２７などが順次配置されている。

電子写真プロセス部の上方には、定着ユニット２３が配置されており、転写ユニット２６によって画像が転写された記録材を順次受け入れ、記録材に転写された現像剤を加熱定着する。画像が印刷された記録材は、印刷面を下に向けた状態（フェイスダウン）で画像記録装置１２上部の記録材排出部１６に排出される。なお、このクリーニングユニット２７により除去された残留現像剤は回収され、現像ユニット２５の現像剤供給部２５ａに戻されて再利用される。

画像記録装置１２の下部には、記録材を収容する記録材供給部１３ａが装置内に内装されて配置されている。記録材供給部１３ａは、記録材を１枚ずつ分離して電子写真プロセス部に供給する。搬送部１７は、複数のローラ２８およびガイド２９からなり、記録材は、記録材供給部１３ａから、ローラ間、ガイド間および感光体ドラム２２と転写ユニット２６との間などで規定される第１の搬送経路１７ａを通り、画像が印刷された後、ローラ間、ガイド間および定着ユニット２３間などで規定される第２の搬送経路１７ｂを通って記録材排出部１６に排出される。
なお、この記録材供給部１３ａに記録材をセットする場合は、画像記録装置１２の搬送方向に直交する方向、すなわち、図２において紙面と垂直方向である前面側方向に記録材収容トレイ３０を引き出して記録材の補給、あるいは記録材の交換などを行う。

また、画像記録装置１２の下面には、増設ユニットの記録材供給装置１３ｂ（図１参照）から送られてくる記録材を受け入れ、感光体ドラム２２と転写ユニット２６との間に向かって順次供給するための記録材受け入れ部３２が設けられている。

さらに、光走査ユニット２４周辺の空隙部には、電子写真プロセス部をコントロールするプロセスコントロールユニット（ＰＣＵ）基板、装置外部からの画像データを受け入れるインターフェイス基板、インターフェイス基板から受け入れられた画像データおよび原稿画像読取装置１１が読み取った画像データに対して所定の画像処理を施し、光走査ユニットにより画像として走査記録させるためのイメージコントロールユニット（ＩＣＵ）基板、そして、これら各種基板、ならびにユニットに対して電力を供給する電源ユニットなどが配置されている。

なお、画像記録装置１２単体でもインターフェイス基板を介してパーソナルコンピュータなどの外部機器と接続し、外部機器からの画像データを記録材に形成するプリンタとして動作させることが可能である。また、上記の説明においては、画像記録装置１２内に内装された記録材供給部１３ａは単一として説明しているが、それ以上の記録材供給部を装置内に内装することも可能である。

図３は、増設ユニットの記録材供給装置１３ｂの構成を示す断面図である。記録材供給装置１３ｂは、記録材供給部１３ａだけでは記録材の数量が不足する場合などに画像記録装置１２の一部として増設することができる。記録材供給装置１３ｂは、記録材供給部１３ａに収容される記録材よりも大きなサイズの記録材を収容することも可能であり、収容されている記録材を１枚ずつ分離して、記録材供給装置１３ｂ上面に設けられた記録材排出部３３に向かって搬出する。

記録材収容トレイ３４は、３段積層されており、積層された記録材収容トレイ３４の中から所望する記録材を収容した記録材収容トレイを、ＣＰＵなどが制御して選択的に動作させ、収容されている記録材を分離搬出する。搬出された記録材は、記録材排出部３３から画像記録装置１２の下部に設けられた記録材受け入れ部３２を通って電子写真プロセス部へと至る。なお、記録材供給装置１３ｂに記録材をセットする場合は、記録材供給装置１３ｂの前面側方向に記録材収容トレイ３４を引き出して記録材の補給、あるいは記録材の交換などを行うものである。

上記の説明では３つの記録材収容トレイ３４が積層された場合について説明しているが、少なくとも１つ、もしくは３つ以上の記録材収容トレイ３４と記録材排出部３３から構成することも可能である。なお、記録材供給装置１３ｂの下部には、複数の車輪３５が設けられており、増設時などに容易に記録材供給装置１３ｂを含む画像形成装置本体２０が移動可能となっている。また、ストッパ３６によって設置場所に固定することも可能である。

図４は、外部記録材供給装置１５の構成を示す断面図である。外部記録材供給装置１５は、画像記録装置１２が備える記録材供給装置１３ａ，１３ｂに収容可能な種類および数量を越える記録材を収容することが可能であるとともに、収容されている記録材を１枚ずつ分離して、装置右側面上部に設けられた記録材排出部３７に向かって搬出する。記録材排出部３７から搬出された記録材は、画像記録装置１２の左側面下部に設けられた外部記録材受け入れ部３８（図１参照）へと受け渡される。

外部記録材供給装置１５に記録材をセットする場合は、外部記録材供給装置１５の上部に形成された補給口１５１から記録材の補給、あるいは記録材の交換などを行う。また、補給口１５１には開閉可能な蓋１５２が設けられ、補給あるいは交換などの場合以外では、補給口１５１が閉じられている構成にしてもよい。なお、外部記録材供給装置１５の下部には、複数の車輪３９が設けられており、増設時などに容易に移動可能となっている。また、ストッパによって設置場所に固定することも可能である。

図５は、後処理装置１４の構成を示す断面図である。後処理装置１４は、画像形成装置本体２０との間に所定の距離を隔てて設置される（図１参照）。後処理装置１４と画像形成装置本体２０とは、外部搬送部１９によって接続されており、画像形成装置本体２０によって画像が印刷された記録材は、外部搬送部１９を経て後処理装置１４に搬送される。外部搬送部１９の一方の端部は、画像記録装置１２の外部排出部４０（図２参照）と接続され、もう一方の端部は、後処理装置１４の記録材受け入れ部４１と接続される。

後処理装置１４は、搬送された記録材を排出トレイ１４ａ，１４ｂに選択的に排出可能なソート搬送部４４を有している。ソート搬送部４４は、複数のローラ４５、ガイド４６および搬送方向切換ガイド４７からなり、搬送方向切換ガイド４７を制御することによって排出先を切り換えることができる。ユーザは、記録材の排出先として排出トレイ１４ａ，１４ｂのいずれかを選択することが可能で、画像が印刷された記録材を区別して排出することができる。

後処理としては、上述のようなソータ処理以外に、所定枚数の記録材に対してステープル処理を施したり、Ｂ４，Ａ３サイズなどの印刷用紙を紙折りしたり、記録材にファイリング用の穴をあけたりする後処理を施すことも可能である。なお、後処理装置１４の下部には、車輪４８，４９が設けられており、容易に移動させることが可能である。

また、外部搬送部１９が後処理装置１４に備えられ、外部搬送部１９と画像記録装置１２とが着脱可能に構成されていてもよいし、外部搬送部１９と後処理装置１４および画像形成装置本体２０とは、着脱可能に構成されていてもよい。

図６は、原稿画像読取装置１１の構成を示す断面図である。原稿画像読取装置１１は、シート状の原稿を自動原稿供給装置（ＡＤＦ）により自動的に供給して１枚ずつ順次露光走査し、原稿を読み取る自動読み取りモードと、ブック状の原稿、もしくはＡＤＦによる自動供給が不可能なシート状の原稿を手動操作によりセットして原稿を読み取る手動読み取りモードとで動作可能である。自動もしくは手動によって読取部である透明な原稿読取台５０上にセットされた原稿の画像は、露光走査して光電変換素子上に結像され、電気的信号に変換されて画像データを取得する。取得した画像データは、画像記録装置１２との接続部を介して出力される。

また、両面原稿を読み取る場合、原稿搬送経路に沿って原稿を搬送する過程において、原稿の両面から原稿画像を同時に走査して読み取ることが可能である。原稿の下面の読み取りについては、原稿台下面を走査する移動走査露光光学系が、原稿搬送経路の所定の位置に停止した状態でＣＣＤまで光像を導き、原稿画像を読み取る構成となっている。

原稿の上面の読み取りについては、原稿搬送経路の上方に位置し、原稿を露光する光源、光像を光電変換素子まで導く光学レンズ、光像を画像データに変換する光電変換素子などから一体的に構成される密着センサ（ＣＩＳ）が配置されている。両面原稿の読み取りが選択されると、原稿供給部にセットされた原稿が順次搬送され、搬送に伴って両面の画像がほぼ同時に読み取られる。

原稿画像読取装置１１には、原稿トレイ１８が設けられている。原稿トレイ１８は、読み取り前の原稿を供給する場合、もしくは読み取り済みの原稿を受ける場合に使用する。原稿を供給する場合、原稿トレイ１８に読み取り前の原稿を載置すると、ＡＤＦの取り込み部が原稿を取り込み、原稿読取台５０に搬送する。読み取られた原稿は、原稿排出部によって、装置外に排出される。原稿を受ける場合、原稿供給部１１１に原稿を載置すると、ＡＤＦの取り込み部が原稿を取り込み、原稿読取台５０に搬送する。読み取られた原稿は、原稿排出部によって、原稿トレイ１８に排出される。

図７は、両面印刷用搬送装置２１の構成を示す断面図である。両面印刷用搬送装置２１は、縦向きの両面印刷用搬送部２１ａを有し、図２に示した画像記録装置１２の左側面に取り付けられる。両面印刷用搬送部２１ａは、定着ユニット２３（図２参照）から排出された記録材を、画像記録装置上部の排出部１６を用いてスイッチバック搬送する。記録材の表裏を反転し、再度、画像記録装置１２の電子写真プロセス部の感光体ドラム２２と転写装置２６との間に向かって記録材を供給することができる。画像形成装置１２において、装置上部の排出部１６に向かって記録材を排出する搬送経路には、印刷された記録材をスイッチバック搬送することにより、図５に示した後処理装置１４、両面印刷用装置２１に記録材を導くことが可能となっている。

次に、定着装置２３について、図８に基づいて詳細に説明する。この定着装置２３は、上加熱部材としての定着ローラ（本発明の加熱部材）２３１、下加熱部材としての加圧ローラ２３２、定着ローラ用熱源であるヒータランプ２３４，２３５、定着ローラ２３１の温度を検出する温度検出手段を構成する温度センサ２３７，２３８、加圧ローラ２３２に摺接するクリーニングローラ２４０、温度制御手段である制御回路（図示せず）を備えている。なお、ヒータランプ２３４，２３５は、本発明の加熱部であり、後述するように、メインヒータランプ２３４ａ，２３４ｂ及びサブヒータランプ２３５ａ，２３５ｂからなる。

ヒータランプ２３４，２３５はハロゲンヒータからなり、定着ローラ２３１内部に配置されており、制御回路からヒータランプ２３４，２３５に通電することにより、所定の配熱分布でヒータランプ２３４，２３５が発熱し、赤外線が放射され、定着ローラ２３１の内周面が加熱される。

定着ローラ２３１は、ヒータランプ２３４，２３５により所定の温度（ここでは２１０℃）に加熱されて、定着装置の定着ニップ部を通過する未定着トナー画像Ｔが形成された記録紙Ｐを加熱するためのものである。定着ローラ２３１は、その本体である芯金２３１ａと、記録紙Ｐ上のトナーＴがオフセットするのを防止するために芯金２３１ａの外周表面に形成された離型層２３１ｂとを備えている。

芯金２３１ａには、たとえば、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム、銅等の金属あるいはそれらの合金等が用いられる。なお、本実施例の芯金２３１ａとしては、直径４０ｍｍで、低熱容量化を図るため、肉厚１．３ｍｍの鉄（ＳＴＫＭ）製芯金を使用している。

離型層２３１ｂには、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレンとペルフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂、シリコーンゴム、フッ素ゴム等が適している。なお、離型層２３１ｂとしては、ＰＦＡとＰＴＦＥのブレンドしたものを厚さ２５μｍに塗布焼成して形成した。また、本実施の形態では、ヒータランプ２３４の定格出力は６５０Ｗ、ヒータランプ２３５の定格出力は２５０Ｗである。

加圧ローラ２３２は、鉄鋼、ステンレス鋼、アルミニウム等の芯金２３２ａの外周表面にシリコーンゴム等の耐熱弾性材層２３２ｂを有するように構成されている。加圧ローラ２３２の耐熱弾性材層の表面には、定着ローラの場合と同様のフッ素樹脂による離型層２３２ｃが形成されてもよい。なお、加圧ローラ２３２としては、直径４０ｍｍで、ステンレス製芯金２３２ａ上に厚さ５ｍｍのシリコーンゴムからなる耐熱弾性体層２３２ｂと、更にその表面に厚さ５０μｍのＰＦＡチューブからなる離型層２３２ｃが設けられており、図示しないばね等の加圧部材により定着ローラ２３１に７４５Ｎの力で圧接され、これにより、定着ローラとの間に幅が約６ｍｍの定着ニップ部Ｙが形成されるように構成されている。

クリーニングローラ２４０は、加圧ローラ２３２に付着したトナー、紙粉等を除去し、加圧ローラ２３２のトナー、紙粉汚れを防止するためのものである。すなわち、加圧ローラ２３２に対し、所定の押圧力をもって圧接し、加圧ローラ２３２の回転に従動して回転する。クリーニングローラ２４０の構成としては、アルミニウムや鉄系材料等からなる円筒状の金属製芯材からなる。なお、本実施の形態では、ステンレス系材料を使用している。

定着ローラの周面には、温度検知手段としてのサーミスタ２３７，２３８が配設されており、定着ローラの表面温度を検出するようになっている。そして、各サーミスタにより検出された温度データに基づいて、制御回路（図示せず）は定着ローラ温度が所定の温度となるようヒータランプ２３４，２３５への通電を制御する。

次いで、以下に、加熱手段であるヒータランプ２３４，２３５の実施の形態について詳細に説明する。
図２０は、記録紙が定着ローラ２３１のセンター位置を基準に通紙される所謂センターレジストレーション型の定着装置に本発明の加熱装置を適用した場合の概略構成を示す。この定着装置の加熱部であるヒータランプは、定着ローラ中央部を加熱するためのメインヒータランプ２３４ａ、定着ローラの両端部を加熱するためのサブヒータランプ２３５ａの計２本からなる。

各ヒータ共、中空のガラス管（バルブ）内にタングステンからなるフィラメントとハロゲン系の不活性ガスが封入されたものであり、フィラメントに通電しジュール発熱させて高温状態とすることで赤外線を放射させるように構成される。

メインヒータランプ２３４ａの発熱部（発光部）は、記録紙の中央部に対向し、小サイズ紙の中でも特に使用頻度が高く、且つ非通紙部昇温が最も顕著なＢ５Ｒサイズの通紙領域とほぼ一致するような領域（Ｍ）に設定されており、サブヒータランプ２３５ａの発熱部としては、メインヒータランプの非発熱部（非発光部）をカバーする領域（Ｓ１、Ｓ２）に設定されている。これより、定着ローラ中央部の領域Ｍには主としてメインヒータランプ２３４ａから、また定着ローラ端部の領域Ｓ１、Ｓ２には主としてサブヒータランプ２３５ａから熱供給が行われる。メインヒータランプ２３４ａの発熱部に連接して非発熱部が形成され、サブヒータランプ２３５ａの発熱部に連接して非発熱部が形成されている。そして、サブヒータランプ２３５ａの発熱部はメインヒータランプ２３４ａの非発熱部に対向し、サブヒータランプ２３５ａの非発熱部はメインヒータランプ２３４ａの発熱部に対向している。

温度センサとしては、メインヒータランプ２３４ａの発熱部Ｍに１つ（サーミスタ２３７）、サブヒータランプ２３５ａの発熱部Ｓ２に１つ（サーミスタ２３８）の計２つのサーミスタが配置されており、各サーミスタで検知された信号は、図示しないＣＰＵからなる制御部に取り込まれる。制御部では、検出したローラ表面温度を基に図示しないドライバを介して、各ヒータを通電制御するよう構成されている。つまり制御部は、サーミスタ２３７の検出出力に基づいてメインヒータランプ２３４ａを、サーミスタ２３８の検出出力に基づいてサブヒータランプ２３５ａをそれぞれ独立に制御する。

次に、メインヒータランプ２３４ａとサブヒータランプ２３５ａの配熱分布について調べた結果について表１及び図９ないし図１１に基づいて説明する。
これらの図表に示すメインヒータランプ２３４ａとサブヒータランプ２３５ａの配熱分布とは、ヒータランプそれぞれの中心から定着ローラ半径に相当する距離（本実施の形態では２０ｍｍ）だけ離れた位置にカロリーメータを配置し、メインヒータランプ２３４ａとサブヒータランプ２３５ａを定格電力で発熱させ、カロリーメータをヒータランプ軸方向にスキャンさせることで、ヒータランプの管軸方向の発熱量分布を測定し、発熱量の最大値を１００％として、ヒータランプ管軸方向各部における発熱量の相対値（％）を示したものである。

なお、ヒータランプの管軸方向での測定範囲としては、ここではタングステンフィラメントが存在している範囲とした。また、この調査では、図９ないし図１１及び表１に示すように、メインヒータランプとサブヒータランプとで８種類の異なる配熱分布の組み合わせからなる８パターン（パターン１〜パターン８）のヒータランプを用いた。

表１において、ＭＲｎｈとは、メインヒータランプ２３４ａの非発熱部における配熱分布（相対値）の平均値である。具体的には、配熱分布（相対値）が７０％未満となる領域を非発熱部と定義し、その非発熱部における配熱分布（相対値）の平均値を示した指標である。

同様にＳＲｎｈとは、サブヒータランプ２３５ａの非発熱部における配熱分布（相対値）の平均値であり、配熱分布（相対値）が７０％未満となる領域を非発熱部（ただし、サブヒータランプの場合は、中央部と両端部に７０％未満となる領域が存在するが、ここでは図１１に示すように、中央部の７０％未満となる領域のみ非発熱部とし、両端部で７０％未満となる領域については発熱部とした。）と定義し、その非発熱部における配熱分布（相対値）の平均値を示した指標である。

更に、ΣＲｎｈは、全加熱手段の非発熱部における発熱分布（相対値）の平均値の総和であり、ここでは、
ΣＲｎｈ＝ＭＲｎｈ＋ＳＲｎｈ・・・・・・・・・・・・・・（５）式
となる。

（実験１）
まず、最初に、各ヒータランプの組み合わせ（パターン１〜パターン８）において、ヒータランプの配熱分布の位置ずれによる定着ローラ軸方向の温度ばらつきについて実験により検討を行った。

前記〔発明が解決しようとする課題〕の項で述べたように、メインヒータランプ２３４ａとサブヒータランプ２３５ａの配熱分布が設定値よりずれると、定着ローラ軸方向に温度ばらつきΔＴｒが生じる。そこで、パターン１〜パターン８のヒータランプを用いて、配熱分布が最大１０ｍｍ（メインランプの配熱分布を通紙基準位置からマイナス側（左側）に５ｍｍ、サブランプの配熱分布を通紙基準位置からプラス側（右側）に５ｍｍずらした位置に設定）ずれた場合の定着ローラ軸方向の温度ばらつきΔＴｒを比較検討した。

実験方法としては、表３に示す形状、特性、動作条件にある３種類の定着ローラ（いずれも鉄製）を使用し、定着ローラを２１０℃で温度制御しつつ、Ａ４サイズの記録紙を通紙基準位置通りセンター基準で１００枚連続で通紙し、１００枚通紙後の定着ローラ軸方向温度分布を２次元放射温度計により測定することにより、ΔＴｒを求めた。実験結果を表４及び図１６に示す。

表４及び図１６は、定着ローラの軸方向温度ばらつきΔＴｒと、全ヒータランプの非発熱部における発熱分布（相対値）の平均値の総和ΣＲｎｈ、並びに定着ローラ軸方向温度バラツキ指標Ｈｔとの関係を示した図である。

ここで、Ｈｔとは、〔発明が解決しようとする課題〕でも説明したように、定着ローラの熱容量をＭｈ（Ｊ／（℃・ｍ））、定着ローラの熱伝導率をλ（Ｗ／（ｍ・℃））、定着速度をＶｐ（ｍ／ｓ）としたとき、
Ｈｔ＝ｖｐ／（Ｍｈ・λ）・・・・・・・・・・・・・・・・（６）式
上記（６）式で定義される指標である。

これより、配熱パターンに関係なく、定着ローラ軸方向温度ばらつき指標ＨｔとΔＴｒは、
ΔＴｒ＝Ａ・Ｌｎ（Ｈｔ）＋Ｂ・・・・・・・・・・・・・・（７）式
上記（７）式で近似できること、また、ΣＲｎｈが小さいほどΔＴｒが大きくなることが判る。そこで、ΔＴｒの許容値を２５ｄｅｇ以下として、各配熱パターンにおいて、ΔＴｒ＝２５を満たすＨｔ（以下、Ｈｔ（ΔＴｒ＝２５）と記す）の条件を求めると、表４の最右列に示した結果となる。

このＨｔ（ΔＴｒ＝２５）とΣＲｎｈの関係を示したのが図１８である。同図より、Ｈｔ（ΔＴｒ＝２５）とΣＲｎｈとの間には、下記（８）式が成立する。

ΣＲｎｈ＝３０．５・Ｌｎ（Ｈｔ）＋３８２・・・・・・・・（８）式
故に、ΔＴｒ≦２５ｄｅｇとする条件は下記（１）式となる。

ΣＲｎｈ≧３０．５・Ｌｎ（Ｈｔ）＋３８２・・・・・・・・（１）式
（実験２）
次に、小サイズ紙を連続通紙したときの非通紙部昇温について実験により比較検討を行った。
具体的な実験方法としては、実験１と同様に、パターン１〜パターン８のヒータランプ及び表３に示す３種類の定着ローラ（いずれも鉄製）を使用し、定着ローラを２１０℃で温度制御しつつ、Ｂ５Ｒサイズの記録紙を通紙基準位置通りセンター基準で１００枚連続で通紙し、１００枚通紙後の定着ローラ軸方向温度分布を２次元放射温度計により測定した。ただし、実験２では各ヒータランプの配熱分布の位置は正規の位置（センター基準位置）に設定した。

表５及び図１７は、メインヒータランプ２３４ａの非発熱部における発熱分布（相対値）の平均値ＭＲｎｈと、定着ローラの軸方向温度ばらつきΔＴｒとの関係を示したものである。ここで、ＭＲｎｈとΔＴｒとの関係を調べた理由としては、小サイズ紙通紙時には、とサブヒータランプ２３５ａはほとんど点灯しないため、ΔＴｒを生じさせる主要因としては、メインヒータランプ２３４ａにあると考えられるからである。

表５及び図１７より、配熱パターンに関係無く、ＨｔとΔＴｒの関係は、上記（７）式で近似できること、また、ＭＲｎｈが大きいほどΔＴｒも大きくなることが判る。そこで、ΔＴｒの許容値を２５ｄｅｇ以下として、各配熱パターンにおいて、
ΔＴｒ＝２５を満たすＨｔ（以下、Ｈｔ（ΔＴｒ＝２５）と記す）の条件を求めると、表５の最右列に示す結果となる。

このＨｔ（ΔＴｒ＝２５）とＭＲｎｈとの関係は、図１８に示される。同図より、Ｈｔ（ΔＴｒ＝２５）とＭＲｎｈの間には、
ＭＲｎｈ＝−２１．９・Ｌｎ（Ｈｔ）−１９８・・・・・・・（９）式
上記（９）式の関係が成り立つことから、Ｔｒ≦２５ｄｅｇ以下とする条件は、
ＭＲｎｈ≦−２１．９・Ｌｎ（Ｈｔ）−１９８・・・・・・・（２）式
上記（２）式となる。

以上の結果から、メインヒータランプ２３４ａの非発熱部における配熱分布（相対値）の平均値ＭＲｎｈが−２１．９・Ｌｎ（Ｈｔ）−１９８より大きいと、小サイズ紙を通紙したときの非通紙部昇温が大きくなりすぎ（２５ｄｅｇ以上）、高温オフセットや紙皺等の原因となる。

一方、全加熱手段の非発熱部における配熱分布（相対値）の平均値の総和ΣＲｎｈが３０．５・Ｌｎ（Ｈｔ）＋３８２より小さければ、メインヒータランプ２３４ａとサブヒータランプ２３５ａの軸方向の配熱分布がばらついたときに生じる温度ばらつきが大きくなりすぎ（２５ｄｅｇ以上）、高温オフセットや紙皺等の原因となる。

そこで、前記（１）式及び（２）式が成立するように、メインヒータランプ２３４ａとサブヒータランプ２３５ａの配熱分布を設定することにより、メインヒータランプ２３４ａとサブヒータランプ２３５ａの配熱分布がばらついたときでも、高温オフセットや紙皺等の発生を防止することができる。

このような配熱分布を実現する具体的手段としては、表１より、メイン若しくはサブのどちらか一方のヒータランプのみ、その非発熱部において、フィラメントコイル内に短絡用芯棒が挿入されている、所謂パーシャルタイプのヒータランプを用いることで実現することができる。

（実験３）
次に各配熱パターンにおける消費電力について比較検討を行った。

具体的な実験方法としては、実験１と同様、パターン１〜パターン８のヒータランプ及び表３に示すローラ２の定着ローラ（肉厚１．３ｍｍ）を使用し、定着ローラを２１０℃で温度制御しつつ、
（１）配熱分布が正規の位置で、Ａ４サイズ紙を１００枚連続通紙する。

（２）配熱分布が実験１と同じ最大１０ｍｍずれた位置で、Ａ４サイズ紙を１００枚連続通紙する。

（３）配熱分布が正規の位置で、Ｂ５Ｒサイズ紙を１００枚連続通紙する。

の３通りの条件における各ヒータランプでの消費電力について、電力計により測定を行った。

表６及び図１９は、各記録紙を１００枚通紙中の各ヒータの平均消費電力を示したものである。

これらの図表から、例えば、パターン１の場合、メインヒータランプ２３４ａは、
（１）の条件で５８０．８Ｗ
（２）の条件で５６７．２Ｗ
（３）の条件で６４５．９Ｗ
消費し、同様に、サブヒータランプ２３５ａは、
（１）の条件で２４６．８Ｗ
（２）の条件で２７６．４Ｗ
（３）の条件で０Ｗ
消費することが判る。

これより、メインヒータランプ２３４ａの最大消費電力としては、（３）の場合の６４５．９Ｗ、サブヒータランプ２３５ａの最大消費電力としては、（２）の場合の２７６．４Ｗとなり、最大消費電力の合計は９２２．３Ｗとなる。また、３条件でのメインヒータランプ２３４ａの平均消費電力のばらつきは、６４５．９−５６７．２＝７８．７Ｗとなる。

この最大消費電力並びにメインヒータランプ２３４ａの消費電力ばらつきを各配熱パターンで比較してみると、サブヒータランプ２３５ａにパーシャルヒータを用いているもの（パターン４，６，７，８）が、サブヒータランプ２３５ａにノーマルランプを用いているもの（パターン１，２，３，５）に比べて、最大消費電力が１００Ｗ程度小さくなっていることが判る。

これは、サブヒータランプ２３５ａにノーマルランプを使用した場合、ノーマルタイプのサブヒータランプ２３５ａは定着ローラ軸方向に関して、中央部においてもある程度発熱分布を持っていることから、Ａ４サイズ通紙時には、定着ローラ中央部（Ｍ）に関して、メインヒータランプ２３４ａ及びサブヒータランプ２３５ａの両方から熱供給が行われるものの、Ｂ５Ｒのような小サイズ紙の場合には、メインヒータランプ２３４ａからしか熱供給が行われないことから、Ａ４通紙時に比べ、Ｂ５Ｒ通紙時のメインヒータランプ２３４ａの消費電力が増大してしまうことに起因するものである。

その結果、メインヒータランプ２３４ａの消費電力ばらつきも７８．７Ｗ〜１０７．２Ｗと大きくなる。このことは、最も使用頻度の高いＡ４サイズ紙において、定格電力よりも１００Ｗ程小さな電力でメインヒータランプ２３４ａを点灯するということであり、ヒータでの熱変換効率が低下してしまったり、高速複合機等、定着以外での消費電力が大きく、定着定格電力の制限が大きい機種においては、小サイズ紙通紙時の必要電力が定格電力を超えてしまい、温度追従性が確保できない等の問題を招来する。

一方、サブヒータランプ２３５ａにパーシャルランプを使用した場合は、パーシャルタイプのサブヒータランプ２３５ａは定着ローラ軸方向に関して、中央部ではほとんど発熱分布を持っていないことから、Ａ４サイズ通紙時においても定着ローラ中央部（Ｍ）には、ほぼメインヒータランプ２３４ａからのみ熱供給が行われるため、Ａ４通紙時とＢ５Ｒ通紙時とでメインヒータランプ２３５ａの消費電力にあまり変化はない。

その結果、メインヒータランプ２３４ａの消費電力ばらつきも１７．２Ｗ〜２３．８Ｗと非常に小さく、メインヒータランプ２３４ａを常に定格電力近くで使用できることから、熱変換効率に優れ、且つ、高速複合機等に適用した場合でも、小サイズ紙での温度追従性を確保することができる。

以上の結果より、パーシャルランプとしては、メインヒータランプ２３４ａよりもサブヒータランプ２３５ａに適用するのが、消費電力の観点からより好ましい。

次に、実施の形態２について図２１により説明する。なお、この実施の形態２は、ヒータランプの配熱分布以外は実施の形態１と全く同じであるので、ヒータランプ以外の説明については省略する。

図２１は、記録紙が定着ローラ２３１のサイド位置を基準に通紙される所謂サイドレジストレーション型の定着装置に本発明を適用した場合の概略構成を示した図である。このサイドレジストレーション型の定着装置では、記録紙のサイズにかかわらず、記録紙の幅方向の一端が定着ローラ２３１の軸方向の一端（ここでは左端）に沿うように搬送される。この実施の形態２においても、メインヒータランプ２３４ｂの発熱部（発光部）は、記録紙の中央部に対向している。

メインヒータランプ２３４ｂとサブヒータランプ２３５ｂは、定着ローラ２３１の軸方向において、その一方の一端からの小サイズ紙通紙領域Ｍと、同じ最大通紙領域（Ｍ＋Ｓ）の内、前記小サイズ紙通紙領域Ｍを除く残りの領域Ｓとをそれぞれ加熱するよう構成されている。メインヒータランプ２３４ｂの発熱部に連接して非発熱部が形成され、サブヒータランプ２３５ｂの発熱部に連接して非発熱部が形成されている。そして、サブヒータランプ２３５ｂの発熱部はメインヒータランプ２３４ｂの非発熱部に対向し、サブヒータランプ２３５ｂの非発熱部はメインヒータランプ２３４ｂの発熱部に対向している。

温度センサとしては、メインヒータランプ２３４ｂの発熱部Ｍに１つ（サーミスタ２３７）、サブヒータランプ２３５ｂの発熱部Ｓ２に１つ（サーミスタ２３８）の計２つのサーミスタが配置されており、各サーミスタで検知された信号は、図示しないＣＰＵからなる制御部に取り込まれる。制御部では、検出した定着ローラ表面温度をもとに図示しないドライバを介して、各ヒータを通電制御するよう構成されている。つまり制御部は、サーミスタ２３７の出力に基づいてメインヒータランプ２３４ｂを、サーミスタ２３８の出力に基づいてサブヒータランプ２３５ｂをそれぞれ独立に制御する。

メインヒータランプ２３４ｂは、非発熱部の配熱分布（相対値）の平均値ＭＲｎｈが３５．９％の所謂ノーマルランプ、サブヒータランプ２３５ｂは、非発熱部の配熱分布（相対値）の平均値ＳＲｎｈが１４．２％の所謂パーシャルランプである。

このように、メインヒータランプ２３４ｂとサブヒータランプ２３５ｂの配熱分布を設定することで、実施の形態１と同様、サイドレジストレーション型の定着装置においても、配熱分布の位置ずれや、小サイズ紙通紙による定着ローラの軸方向温度ばらつきΔＴｒを２５ｄｅｇ以下に抑制できると同時に、最大消費電力、メインヒータランプ２３４ｂの電力ばらつき等を抑制することができる。

次に、本発明を適用した実施の形態３について、図２２、図２３に基づいて説明する。なお、この実施の形態は、加圧ローラ側に外部加熱ローラが新たに設けられていること以外は実施の形態１と全く同じであるので、外部加熱ローラ以外の説明については省略する。図２２、図２３は外部加熱方式の定着装置に本発明を適用した場合の概略構成を示す。

これらの図に示すように、定着装置２３は、上加熱部材としての定着ローラ２３１、下加熱部材としての加圧ローラ２３２、外部加熱手段としての外部加熱ローラ２３３、定着ローラ及び外部加熱ローラ用熱源であるヒータランプ２３４、２３５、２３６、定着ローラ２３１、外部加熱ローラ２３３各々の温度を検出する温度検出手段を構成する温度センサ２３７、２３８、２３９、クリーニングローラ２４０、温度制御手段である制御回路（図示せず）を備えている。

メインヒータランプ２３４ａは、非発熱部の配熱分布（相対値）の平均値ＭＲｎｈが３５．９％の所謂ノーマルランプ、サブヒータランプ２３５ａは、非発熱部の配熱分布（相対値）の平均値ＳＲｎｈが１４．２％の所謂パーシャルランプである。

ヒータランプ２３６はハロゲンヒータからなり、外部加熱ローラ２３３の内部に配置されており、制御回路からヒータランプ２３６に通電することにより、所定の発熱分布（本実施の形態では、外部ヒータの発熱部としては、外部加熱ローラ全域に設定されている。）でヒータランプ２３６が発熱し、赤外線が放射され、外部加熱ローラ２３３の内周面が加熱される。

外部加熱ローラ２３３は、内部に加熱源としてのヒータランプ２３６を有し、加圧ローラ２３２に対し、定着ニップ部の上流側に設けられて、所定の押圧力をもって圧接するようになっている。そして、加圧ローラ２３２との間に加熱ニップ部Ｚ（本実施の形態における加熱ニップ幅は１ｍｍ）が形成されている。

この外部加熱ローラの構成としては、アルミニウムや鉄系材料等からなる中空円筒状の金属製芯材２３３ａの上に、耐熱離型層２３３ｂとして、耐熱性と離型性に優れた合成樹脂材料、例えばシリコンゴムやフッ素ゴム等のエラストマー、またはＰＦＡ、ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂が用いられる。

なお、本実施の形態では、上記芯材２３３ａとして、直径１５ｍｍ、肉厚０．７５ｍｍのアルミ製円筒シャフトを用いる。また、耐熱離型層２３３ｂを構成する耐熱離型材としては、ＰＦＡとＰＴＦＥをブレンドしたものを２５μｍの厚さに塗布焼成したものを用いる。また、ヒータランプ２３６の定格出力は３００Ｗである。

定着ローラ、外部加熱ローラ各々の周面には、温度検知手段としてのサーミスタ２３４、２３５、２３６が配設されており、各ローラの表面温度を検出する。そして、各サーミスタにより検出された温度データに基づいて、温度制御手段（図示せず）は各ローラ温度が所定の温度（ここではいずれも１９０℃）となるようヒータランプ２３４、２３５、２３６への通電を制御する。

このように、外部加熱ローラを備えた定着装置においても、メインヒータランプ２３４ａ及びサブヒータランプ２３５ａの配熱分布を実施例１と同様に設定することで、メインヒータランプ２３４ａの配熱分布の位置ずれや、小サイズ紙通紙による定着ローラ温度ばらつきΔＴｒを２５ｄｅｇ以下に抑えると同時に、最大消費電力、メインヒータランプ２３４ａの電力ばらつき等を抑制することができる。

なお、ここで外部加熱用ヒータ２３６は、発熱部と非発熱部の両方を持つヒータではないことから、ΣＲｎｈを算出する際にはメインヒータランプ２３４ａ及びサブヒータランプ２３５ａのみ考慮し、外部加熱用ヒータ２３６は除外して考える。

以上、３つの実施の形態はいずれも、メインヒータランプ２３４が１つ、サブヒータランプ２３５が１つの組み合わせからなるが、例えば、メインヒータランプ２３４が１つでサブヒータランプ２３５が複数ある場合にも本発明が同様に適用できることは言うまでもない。

具体的には、メインヒータランプ２３４が１本でサブヒータランプ２３５が２本を備えた定着装置では、メインヒータランプ２３４の非発熱部の配熱分布（相対値）の平均値をＭＲｎｈ（％）、サブヒータランプ１の非発熱部の発熱分布（相対値）の平均値をＳＲｎｈ１（％）、サブヒータランプ２の非発熱部の発熱分布（相対値）の平均値をＳＲｎｈ２（％）とすると、
ΣＲｎｈ＝ＭＲｎｈ＋ＳＲｎｈ・・・・・・・・・・（１０）式
但し、ＳＲｎｈ＝ＳＲｎｈ１＋ＳＲｎｈ２
上記（１０）式が成立し、かつ、上記実施の形態中で説明したように、前記（１）式及び（２）式が成立するように、メインヒータランプ２３４と（２つの）サブヒータランプ２３５の配熱分布を設定すればよい。

なお、本発明は、画像形成装置を図１に示す構成に限定するものではなく、少なくとも、記録紙を供給する給紙手段と、前記給紙手段から供給された記録紙上に、画像データに基づいて画像を形成する画像形成部と、を備え、前記画像形成部で記録媒体上に形成された画像を加熱装置により加熱定着するように構成された画像形成装置であれば、本発明を適用することができる。

Claims (5)

1. 回転することにより周囲に当接する記録紙のトナー像を加熱して前記記録紙へ定着させる円筒状の加熱部材を加熱するための加熱装置の設計方法であって、
   前記加熱部材内から、前記記録紙の中央部に対向する部分を含む第１の発熱部を加熱するための第１の加熱手段と、
   前記加熱部材内から、前記第１の発熱部に連続する第１の非発熱部に対向する第２の発熱部を加熱するための第２の加熱手段と、を有し、
   前記第１の加熱手段の前記第１の非発熱部における配熱分布の平均値をＭＲｎｈとし、前記第２の加熱手段の前記第２の発熱部に連続する非発熱部における配熱分布の平均値をＳＲｎｈとし、前記第１及び第２の非発熱部における配熱分布の平均値の総和をΣＲｎｈ（＝ＭＲｎｈ＋ＳＲｎｈ）としたとき、次の（１）式が満たされるように前記第１の加熱手段と前記第２の加熱手段とを用いる加熱装置の設計方法。
   ΣＲｎｈ≧３０．５・Ｌｎ（Ｈｔ）＋３８２・・・・・・・（１）式
   但し、ＭＲｎｈ≦４８．０％，ＳＲｎｈ≦３６．５％，Ｈｔ＝ｖｐ／（Ｍｈ・λ）
   ここに、ｖｐ：定着速度（ｍ／ｓ）
   Ｍｈ：加熱部材の単位長さ当たりの熱容量（Ｊ／（℃・ｍ））
   λ：加熱部材を構成する材料の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・℃））
2. 回転することにより周囲に当接する記録紙のトナー像を加熱して前記記録紙へ定着させる円筒状の加熱部材を加熱するための加熱装置の設計方法であって、
   前記加熱部材内から、前記記録紙の中央部に対向する部分を含む第１の発熱部を加熱するための第１の加熱手段と、
   前記加熱部材内から、前記第１の発熱部に連続する第１の非発熱部に対向する第２の発熱部を加熱するための第２の加熱手段と、を有し、
   前記第１の加熱手段の前記第１の非発熱部における配熱分布の平均値をＭＲｎｈとしたとき、次の（２）式が満たされるように前記第１の加熱手段を用いる加熱装置の設計方法。
   ＭＲｎｈ≦−２１．９・Ｌｎ（Ｈｔ）−１９８・・・・・・（２）式
   但し、ＭＲｎｈ≦４８．０％，Ｈｔ= ｖｐ／(Ｍｈ・λ）
   ここに、ｖｐ：定着速度（ｍ／ｓ）
   Ｍｈ：当該加熱部材の単位長さ当たりの熱容量（Ｊ／（℃・ｍ））
   λ： 加熱部材を構成する材料の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・℃））
3. 回転することにより周囲に当接する記録紙のトナー像を加熱して前記記録紙へ定着させる円筒状の加熱部材を加熱するための加熱装置の設計方法であって、
   前記加熱部材内から、前記記録紙の中央部に対向する部分を含む第１の発熱部を加熱するための第１の加熱手段と、
   前記加熱部材内から、前記第１の発熱部に連続する第１の非発熱部に対向する第２の発熱部を加熱するための第２の加熱手段と、を有し、
   前記第１の加熱手段の前記第１の非発熱部における配熱分布の平均値をＭＲｎｈとし、前記第２の加熱手段の前記第２の発熱部に連続する非発熱部における配熱分布の平均値をＳＲｎｈとし、前記第１及び第２の非発熱部における配熱分布の平均値の総和をΣＲｎｈ（＝ＭＲｎｈ＋ＳＲｎｈ）としたとき、次の（１）式と（２）式とが同時に満たされるように前記第１の加熱手段と前記第２の加熱手段とを用いる加熱装置の設計方法。
   ΣＲｎｈ≧３０．５・Ｌｎ（Ｈｔ）＋３８２・・・・・・・（１）式
   ＭＲｎｈ≦−２１．９・Ｌｎ（Ｈｔ）−１９８・・・・・・（２）式
   但し、ＭＲｎｈ≦４８．０％，ＳＲｎｈ≦３６．５％，Ｈｔ= ｖｐ／(Ｍｈ・λ）
   ここに、ｖｐ：定着速度（ｍ／ｓ）
   Ｍｈ：当該加熱部材の単位長さ当たりの熱容量（Ｊ／（℃・ｍ））
   λ： 加熱部材を構成する材料の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・℃））
4. 回転することにより周囲に当接する記録紙のトナー像を加熱して前記記録紙へ定着させる円筒状の加熱部材を加熱するための加熱装置の設計方法であって、
   前記加熱部材内から、前記記録紙の中央部に対向する部分を含む第１の発熱部を加熱するための第１の加熱手段と、
   前記加熱部材内から、前記第１の発熱部に連続する第１の非発熱部に対向する第２の発熱部を加熱するための第２の加熱手段と、を有し、
   前記第２の加熱手段の前記第２の非発熱部における配熱分布の平均値をＳＲｎｈとしたとき、次の（３）式が満たされるように前記第２の加熱手段を用いる請求項１に記載の加熱装置の設計方法。
   ＳＲｎｈ≦２０％・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）式
5. 次の（４）式が満たされる、請求項３に記載の加熱装置の設計方法。
   Ｈｔ≧７．７４×１０^-6・・・・・・・・・・・・・・（４）式

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