JP6131814B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像形成に際して記録媒体であるシートを加熱する定着装置に関する。

電子写真法によって用紙（印刷用のシート）に画像を印刷する画像形成装置は、トナー像が転写された用紙を加熱する定着装置を備える。加熱によって色材であるトナーが溶融して用紙に定着する。ローラー式の定着装置は、加熱ローラー（定着ローラーとも呼ばれる）と、加熱ローラーに当接してニップ部を形成する加圧ローラーとを備える。用紙はニップ部に搬送され、ニップ部を加圧されながら通過する間に加熱される。

一般に画像形成装置は、複数のサイズの用紙を使用することが可能に構成されている。例えば、用紙の搬送路の幅方向（搬送方向と直交する方向）の寸法がＡ３サイズの短辺寸法（２９７ｍｍ）に対応する画像形成装置は、Ａ３サイズおよびＡ３サイズよりも小さいサイズの用紙の搬送が可能である。

定着装置は、基本的にニップ部の温度が搬送路の幅方向の全長にわたって均一になるように温度制御される。この場合、幅方向の寸法が搬送路の幅よりも小さいサイズの用紙が連続的に使用されるとき、ニップ部のうちの用紙が通過しない非通紙領域が過熱状態になり易い。非通紙領域では、用紙が通過する通紙領域とは違って、用紙への熱拡散が起こらないからである。

定着装置における非通紙領域の過熱を抑える手法が提案されている。特許文献１では、用紙を加熱する手段に送風口から送風する冷却ファンを備え、送風口の開口幅を用紙の幅に応じて規制する画像形成装置が開示されている。特許文献２には、定着ベルトとプレート・ヒートパイプと当接させるか離すかを用紙サイズに応じて切り替えることによって、定着ベルトの幅方向の両端部の温度上昇を抑えるようにした画像形成装置が記載されている。

特開２００８−０１４９８６号公報 特開２００６−００３８０４号公報

定着装置における非通紙領域の過熱を防止する上記先行技術では、冷却ファンやヒートパイプの位置を切り替える機構といった可動手段を組み付けるので、定着装置が大型化になる。必然的に画像形成装置の内部に定着装置を組み付けるための大きな空間が必要になり、画像形成装置の小型化が困難になる。また、過熱の有無を検知して冷却ファンのオンオフ制御をしたり、ヒートパイプの位置を切り替える制御をしたりしなければならない。省エネルギー化の観点でも特に冷却ファンの使用は不利である。使用する用紙のサイズに応じて一律にヒートパイプの位置を切り替えると、冷却が必要ではない温度状態の定着ベルトにヒートパイプを当接させて定着ベルトを無駄に冷却してしまう不都合が起こり得る。

本発明は、このような事情に鑑み、外的制御の必要な可動手段を用いることなく定着装置における過度の昇温を防止することを目的としている。

上記目的を達成する定着装置は、シート上に画像を形成する際に当該シートを加熱する定着装置であって、前記シートが搬送される搬送路の幅方向に沿って延びる軸の周りに回転しかつ前記シートと当接する回転体と、前記回転体を加熱する加熱手段と、前記回転体の近傍に位置する放熱体と、前記回転体と前記放熱体との間に配置され、当該回転体または当該放熱体に支持され、かつ昇温によって相変化したときに当該回転体と当該放熱体との間の空隙が無くなるように膨張する相変化部材と、を備える。

本発明によれば、相変化部材の体積の増減によって回転体と放熱体との間の熱伝導量が切り替わるので、外的制御の必要な可動手段を用いることなく定着装置における過度の昇温を防止することができる。

本発明の実施形態に係る定着装置を備える画像形成装置の構成の例を示す図である。 定着装置の内部構造および制御手段の構成を示す図である。 定着装置の放熱構造の第１例を模式的に示す図である。 定着装置の要部の構成を示す図である。 定着装置の放熱構造の第２例を模式的に示す図である。 相変化部材と対向する端面の表面加工の例を示す図である。 定着装置の放熱構造の第３例を模式的に示す図である。 定着装置の放熱構造の第４例を模式的に示す図である。 相変化部材の構成の変形例を示す図である。 相変化による体積変化の方向を規制するガイド部材の例を示す図である。 定着装置の放熱部の構造の第５例を模式的に示す図である。 熱電変換素子における温度変化と発電量との関係を示すグラフである。 熱電変換素子に関わる熱抵抗と温度変化との関係を示す図である。

図１に例示される画像形成装置１は、電子写真式のカラープリンターである。画像形成装置１は４個のイメージングステーション１１，１２，１３，１４を有しており、イエロー（Ｙ）、マゼンダ（Ｍ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）の４色のトナー像を並行して形成することができる。イメージングステーション１１，１２，１３，１４のそれぞれは、筒状の感光体、帯電チャージャー、現像器、クリーナーおよび露光用の光源といったトナー像の形成に必要なデバイスを有している。

カラー印刷において、イメージングステーション１１，１２，１３，１４によって形成された計四つのトナー像は中間転写ベルト１６に順に一次転写され、中間転写ベルト１６上で重ねられる。モノクロ印刷ではイメージングステーション１４によって形成されたブラックのトナー像が中間転写ベルト１６に一次転写される。そして、中間転写ベルト１６上のトナー像は、下部のスタッカー１０から図中に破線で示される搬送路１５に沿って搬送される用紙Ｐに二次転写される。二次転写の後、用紙Ｐは定着装置２０の内部を通って上部の排紙トレイ１８へ送り出される。定着装置２０を通過するとき、加熱および加圧によってトナー像が用紙Ｐに定着する。

図２の例示において、定着装置２０は誘導加熱（ＩＨ：Induction Heating）型であり、筒状の可撓性の定着ベルト２３を加熱する磁束発生器２４を備えている。定着ベルト２３は、定着ローラー２１とガイドプレート２３１とに支持されながら定着ローラー２１と共に回転する。磁束発生器２４は、定着ベルト２３の周面に沿うボビン２４２およびボビン２４２に支持された励磁コイル２４３を有する。励磁コイル２４３には、ＡＣ入力部４１およびＩＨ（Induction Heating：ＩＨ）電源４２によって励磁のための電力が供給される。

定着装置２０において、定着ベルト２３の内側に配置された定着ローラー２１と外側に配置された加圧ローラー２２とが、定着ベルト２３を挟んで定着用のニップ部を形成する。定着ローラー２１および加圧ローラー２２の回転軸の軸方向は用紙Ｐの搬送方向Ｍ１と直交する方向である。例えば加圧ローラー２２が図示しない駆動機構によって用紙Ｐを送り出す方向（図では時計周り）に所定の周速度となるように回転駆動されると、加圧ローラー２２との摩擦力によって定着ベルト２３および定着ローラー２１が加圧ローラー２２の回転に従動して回転する。

定着ローラー２１は、非磁性材料からなる芯金２５とそれを取り巻く円筒状の弾性体層２６とを有する。芯金２５は、アルミニウム、鉄、ステンレスまたは他の金属からなる外径が２０ｍｍ程度の円柱体である。芯金２５は弾性体層２６よりも長く、軸方向において弾性体層２６の両側に突出する。弾性体層２６の材質は、シリコーンゴムやフッ素ゴムといった耐熱性および断熱性に優れる発泡弾性体である。弾性体層２６の厚さを約８ｍｍとした場合、定着ローラー２１の外径は約３６ｍｍとなる。

加圧ローラー２２は、円柱状の芯金２７、弾性体層２８および離型層２９を有する。芯金２５の材質は例えばアルミニウムである。弾性体層２８は例えばシリコンスポンジゴムからなる。離型層２９は、ＰＦＡ（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）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）コートといった材料からなる。加圧ローラー２２の外径は例えば約３５ｍｍである。

定着装置２０は、画像形成装置１に備わるメインコントローラー３０によって制御される。メインコントローラー３０は、画像形成装置１の処理動作を統括的に制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）３１、ＣＰＵ３１による制御のためのプログラムが格納されるＲＯＭ（Read Only Memory）３２、およびプログラム実行のワークエリアとして用いられるＲＡＭ（Random Access Memory）３２を有する。ＣＰＵ３１は操作入力部３５と接続されており、ユーザーによって入力された指示や設定情報を取得する。

定着装置２０の制御において、ＣＰＵ３１は、ニップ部における定着温度を未定着トナー像の定着に適した温度に維持する。詳しくは、ＣＰＵ３１は、定着ローラー２１の周面の近傍に配置されるサーミスター４３による検出温度を、用紙の種類に応じて設定される目標温度に近づけるようにＩＨ電源４２を制御する。ＩＨ電源４２は、ＣＰＵ３１からの命令に従って、磁束発生器２４の励磁コイル２４３に供給する電力を増減する。定着ベルト２３が加熱されると、定着ベルト２３からの熱伝導によって定着ローラー２１および加圧ローラー２２が昇温する。言い換えると、定着ローラー２１および加圧ローラー２２は磁束発生器２４によって間接的に加熱される。

なお、定着装置２０の発熱方式は、ＩＨ方式に限らず、ハロゲンランプやセラミックヒーターを発熱源とする方式であってもよい。

図３に示されるように定着装置２０は、相変化部材５１，５２，５３，５４および放熱体６１，６２を有する。相変化部材５１，５２は、定着ローラー２１の芯金２５の両端面に取り付けられ、相変化部材５３，５４は、加圧ローラー２２の芯金２７の両端面に取り付けられている。放熱体６１は固相状態であるときの相変化部材５１，５３から数ｍｍ程度離れる位置に設けられ、同様に放熱体６２は固相状態であるときの相変化部材５２，５４から離れる位置に設けられている。放熱体６１，６２は、例えば定着装置２０の筐体、画像形成装置１のハウジングの内部で定着装置２０を支持する金属製のフレーム、またはフレームに熱的に連結された金属板である。熱伝導性に優れかつ放熱容量の大きい構造体を放熱体として利用することができる。

相変化部材５１，５２，５３，５４は、所定の温度で相変化をする相変化物質を所定の形状に成形した部材である。本例では、芯金２５，２７の直径とほぼ同じ径の円柱状に成形されている。相変化部材５１，５２，５３，５４の形状は円柱状に限られず、円錐台、立方体、直方体など、他の形状であってもよい。

相変化物質には有機化合物と無機化合物とがある。組成により室温以下の低い温度で固相から液相への相変化を起こす物質から、３００℃を超える高い温度で固相から液相への相変化を起こす物質まで、様々な物質が知られている。

例えば、定着装置２０の温調温度が１６０℃に設定されている場合には、１７０℃程度で相変化する水酸化ナトリウムと水酸化カリウムとの化合物を用いることにより。定着装置２０が過度に昇温したときに相変化させることができる。また。温調温度が１８０℃に設定されている場合には、１８７℃程度で相変化するペンタエリトリトールを用いることができる。

定着装置２０の冷却を開始したい温度またはそれに近い温度で相変化する物質を選んで相変化部材５１，５２，５３，５４を作製すればよい。２１０℃程度で相変化する水酸化リチウムと水酸化ナトリウムとの化合物のように温調温度よりも相変化温度が少し高い物質を用い、定着装置２０の回転体が過度の昇温により機能が低下したり故障したりする以前に放熱を行なうという使い方もある。

相変化物質には、固相から液相への相変化時に固相時に対して１０％〜２０％以上の体積膨張をする物質がある。周囲温度が相変化温度以下から相変化温度以上になるときに体積膨張し、その後に周囲温度が相変化温度以上から相変化温度以下になるときに固相の体積まで収縮する。

図４（Ａ）および（Ｂ）では相変化部材５２の体積変化が模式的に示されている。他の相変化部材５１，５３，５４の体積も相変化部材５２と同様に変化する。

図示のように定着ローラー２１は、芯金２５の端部と係合する軸受８１を有する支持体８２によって回転可能に支持されている。そして、軸受７１から僅かに突き出る芯金２５の端面に、芯金２５を延長するように円柱状の相変化部材５２の一端面が固着している。固着には接着剤を用いることができる。なお、芯金２５は、定着ローラー２１と定着ベルト２３とで構成される回転体２１３（図３参照）の一部分に相当する。

図４（Ａ）において定着ローラー２１および相変化部材５２の温度は温調温度よりも低い常温（例えば２０℃）である。このとき、相変化部材５２は固相状態であって、相変化部材５２と放熱体６２との間にギャップ長さｇ１の空隙が存在する。すなわち、相変化部材５２は放熱体６２から離れている。したがって、この状態では、定着ローラー２１の放熱は定着ローラー２１の周囲への輻射（熱発散）が主となる。軸受８１と芯金２５との接触面積は微小であるので、軸受８１へ伝導する熱は僅かである。

図４（Ｂ）において芯金２５の端部の温度は相変化部材５２の固相から液相への相変化温度よりも高く、相変化部材５２は液相状態である。図４（Ａ）と見比べてわかるように、膨張した相変化部材５２が放熱体６２と接触している。すなわち、相変化部材５２と放熱体６２とが熱的に接続されている。この状態では、芯金２５から相変化部材５２を経て放熱体６２への熱が伝導し、これによって芯金２５のさらなる昇温が抑制される。

液相の相変化部材５２は、流れ落ちずに体積を保つ適度な可塑性をもつ。この場合、定着ローラー２１が回転したとき、相変化部材５２のうちの芯金２５に固着する側の部分は芯金２５と共に回転する。しかし、相変化部材５２のうちの放熱体６２と接触する側の部分はほとんど回転しない。相変化部材５２の軸方向の中央部がねじれるように変形し、相変化部材５２は全体としてねじ切れることなく芯金２５と放熱体６２との間に留まる。

空気の熱伝導率は、気温に依存するが、画像形成装置１が使用される環境において０．０２〜０．０３Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。これに対して、相変化材料の熱伝導率は、有機化合物である場合は０．３〜０．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、水和塩またはこれに類する物質である場合は１．０Ｗ／ｍ・Ｋを超える。熱境界物質として市販されている製品の中には５．０Ｗ／ｍ・Ｋを超える熱伝導率を持つ製品がある。

空隙を相変化物質で満たすことにより、熱伝導率は空気の０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ程度から相変化物質の５．０Ｗ／ｍ・Ｋへ増大し、熱伝導量が１００〜２００倍程度大きくなると期待することができる。

相変化部材５１，５２，５３，５４の材料としてエリスリトールを用いた例について説明する。

エリスリトールは１１９℃で固相から液相に相変化する。エリスリトールの密度は２０℃環境において１４８０ｋｇ／ｍ³程度であり、液相への相変化が完了した状態の１４０℃では１３００ｋｇ／ｍ³程度の密度となる。つまり、固相から液相への変化によって、１３．８％程度の体積膨張が発生する。

図４（Ａ）に示される芯金２５と放熱体６２との距離Ｄは通常１０ｍｍ程度である。したがって、相変化部材５２の材料としてエリスリトールを使用する場合では、相変化部材５２の長さ（円柱の高さ）Ｌを８．８ｍｍ以上とし、ギャップ長さｇ１を１．２ｍｍ以下とする必要がある。芯金２５と放熱体６２との間の空隙が相変化部材５２の固相から液相への変化に伴って体積膨張する相変化部材５２で充填され、空隙が存在した場合に比べて芯金２５と放熱体６２との間の熱抵抗が下がる。

空気の熱伝導率を０．０２７Ｗ／（ｍ・Ｋ）、エリスリトールが液相に変化したときの熱伝導率を０．３３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）とすると、空隙が存在するとき、空隙の熱抵抗とエリスリトールの熱抵抗との合成熱抵抗が３１．２Ｋ／Ｗ程度となる。これに対して、エリスリトールで充填された時の熱抵抗は０．３Ｋ／Ｗ程度となり、空隙が存在するときの熱抵抗に比べて１０％以下に低下する。

相変化部材５１，５２，５３，５４の材料はエリスリトールに限らない。エリスリトール以外の物質を用いる場合においても、相変化部材５１，５２，５３，５４の体積膨張率に応じてギャップ長さｇ１を設定することにより、エリスリトールを用いる場合と同様の効果を得ることができる。

相変化部材５１，５２，５３，５４を芯金２１，２２の端部に取り付ける構成に限られない。次のように相変化部材を配置することができる。

図５の例において、相変化部材５１，５２，５３，５４は、定着装置２０ｂにおける回転体の芯金２５，２７ではなく、放熱体６１，６２における芯金２５，２７と対向する位置に取り付けられている。

常温環境において、相変化部材５１，５２，５３，５４は、放熱体６１，６２からギャップ長さｇ２だけ離れている。相変化部材５１，５２，５３，５４が昇温して相変化が起こると、図４で説明したように相変化に伴う体積膨張によって相変化部材５１，５２，５３，５４が芯金２５，２７と接触し、芯金２５，２７と放熱体６１，６２との間の熱抵抗が低下する。

図５の構成では、相変化部材５１，５２，５３，５４の昇温の形態は、熱源となる芯金２５，２７からの輻射である。すなわち、図３の例における熱伝導と比べて、相変化部材５１，５２，５３，５４が昇温し難い。したがって、ギャップ長さｇ２をギャップ長さｇ１よりも小さくするのが好ましい。

相変化部材５１，５２，５３，５４の体積変化に伴って相変化部材５１，５２，５３，５４と接触したり離れたりする芯金２５，２７の端面に対して、撥水性を高める加工を施すことができる。

図６は撥水加工の一例を示している。図６では芯金２７における放熱体６１に近い側の端面Ｓ２７が芯金２５，２７の端面の代表として描かれている。

端面Ｓ２７には、一定のピッチｐで凸部と凹部とが繰り返し並ぶ微細表面加工が施されている。凸部の高さ（凹部の深さ）ｄは５〜２０μｍ程度である。凹部の幅をａとし、凸部の幅をｂとし、幅ａと幅ｂとの和をピッチｐとするとき、幅ａおよび幅ｂの値は、これらの比（ａ／ｂ）がロータス効果による撥水性が得られる２以下の値になるように選定されている。

撥水性を付与することにより、相変化部材５１，５２，５３，５４が液相から固相へ変化して体積が減少するときに、それまで接触していた芯金２５，２７の端面から離れ易くなる。すなわち、芯金２５，２７と放熱体６１，６２との間の熱抵抗の切替わりが急峻になる。物理的な加工に限らず、撥水性に優れる物質を相変化部材５１，５２，５３，５４の端面にコーティングする化学的な加工でもよい。

図７の定着装置２０ｃでは、加圧ローラー２２の近傍に配置された放熱体６３に相変化部材５５，５６が取り付けられている。放熱体６３は用紙搬送の幅方向Ｍ１の全長にわたって加圧ローラー２２の大径部の周面と対向する。放熱体６３における加圧ローラー２２の大径部と対向する部分のうち、幅方向Ｍ２の中央部である小サイズ通紙領域Ａｓの両側に相変化部材５５，５６が配置されている。

小サイズ通紙領域Ａｓは幅方向Ｍ２の寸法が小さい用紙を印刷に使用する場合に、搬送路１５における用紙が通過する部分に対応する。小サイズ用紙を使用する場合、加圧ローラー２２の大径部の周面において、小サイズ通紙領域Ａｓと比べての小サイズ通紙領域Ａｓの両側の非通紙領域の温度が上昇し易い。このような非通紙領域に相変化部材５５，５６を配置することにより、加圧ローラー２２における非通紙領域の過熱を抑制することができる。

図７では加圧ローラー２２に対する搬送方向Ｍ１の下流側に相変化部材５５，５６を配置しているが、配置位置は搬送方向Ｍ１の上流側や加圧ローラー２２の下方であってもよい。

図７の例において、加圧ローラー２２と放熱体６３との距離は１０ｍｍ程度である。上述の例と同様に相変化部材５５，５６の材料としてエリスリトールを用いる場合、相変化部材５５，５６の高さを８．８ｍｍ以上とし、ギャップ長さｇ３を１．２ｍｍ以下とすればよい。エリスリトールの固相から液相への変化により、相変化部材５５，５６が加圧ローラー２２と接触し、加圧ローラー２２と放熱体６３との間の熱抵抗が接触前の１０％以下に低下する。

図７の構成においても、相変化部材５５，５６の材料はエリスリトールに限らない。エリスリトール以外の物質を用いる場合においても、相変化部材５５，５６の体積膨張量に応じてギャップ長さｇ３設定することにより、エリスリトールを用いる場合と同様の効果を得ることができる。

図８の例では、加熱ローラー２２ｄの内側に相変化部材５７，５８が配置されている。加熱ローラー２２ｄの大径部における最外層である離型層２９１の内側に弾性体層２８１が存在する。この弾性体層２８１の内側のうちの小サイズ通紙領域Ａｓの両側の部位において、相変化部材５７，５８が芯金２７に固定されている。

常温では、芯金２７と同心の円筒状の相変化部材５７，５８の周面と弾性体層２８１との間に空隙が存在する。常温よりも高いが定着の温調温度よりも低い温度では相変化部材５７，５８が固相のままであって空隙が存在したままである。

相変化部材５７，５８の温度が温調温度またはそれに近い相変化温度を超えると、相変化部材５７，５８は液相に変化し、体積膨張によって弾性体層２８１との間の空隙がなくなる。弾性体層２８１に重なる離型層２９１と芯金２７とが相変化部材５７，５８を介して熱的に接続されるので、離型層２９１放熱性が高まる。

その後、十分に離型層２９１の放熱が進むと、弾性体層２８１との間に空隙を形成するように相変化部材５７，５８の体積が減少し、離型層２９１と芯金２７との間の熱抵抗が高い状態に戻る。

上述の例と同様に相変化部材５７，５８の材料としてエリスリトールを用いる場合について説明する。ここでは、芯金２７の直径が１０ｍｍで、加圧ローラー２２ｄの弾性体層２８１の内径が１８ｍｍ程度であるとする。エリスリトールでは固相から液相へ変化時に１３．８％程度の体積膨張が起こるので、固相状態の相変化部材５７，５８の厚さを３．６ｍｍとして外径をおおよそ１７．２ｍｍにすればよい。固相状態において相変化部材５７，５８と弾性体層２８１との間に存在するギャップ長さ０．４ｍｍの空隙を、相変化部材５７，５８の相変化によって無くすことができる。

このような取付け条件とすることにより、相変化部材５７，５８の体積膨張によって空隙がなくなり、離型層２９１と芯金２７との間の熱抵抗が低くなる。空気およびエリスリトールの熱抵抗は、それぞれ１／（長さ×熱伝導率）より算出される。空隙が存在するとき、空隙の熱抵抗とエリスリトールの熱抵抗との合成熱抵抗は９３．４Ｋ／Ｗ程度となる。これに対して、空隙が無いときの熱抵抗は空隙が存在するときの熱抵抗よりも大幅に低い０．７Ｋ／Ｗ程度になる。

相変化部材５７，５８の材料はエリスリトールに限らない。エリスリトール以外の物質を用いる場合においても、相変化部材５７，５８の体積膨張を踏まえてギャップ長さを設定することにより、エリスリトールを用いる場合と同様の効果を得ることができる。

図５、図７および図８の各例の構成では、定着装置内の回転体の熱を空隙の空気を介して対流または放射の形態で相変化部材に伝えることとなる。したがって、相変化部材の材料として固相から液相への相変化温度が定着装置の温調温度よりも低い物質を使用することができる。相変化温度は室温よりも高くなければならないという条件を満たす物質として、例えばパラフィン系の物質や酢酸ナトリウム水和物などの物質がある。

図９は相変化部材の構成の変形例を示している。図９（Ａ）は全体形状を模式的に示す斜視図であり、図９（Ｂ）は断面図である。

図９において、相変化部材５９は、相変化物質からなる本体５９１と、本体５９１を収容する円柱状の肉厚の薄い容器５９２とから構成される。容器５９２は、定着装置の異常昇温に耐える耐熱性、体積膨張時に接触する面との擦れに耐える耐磨耗性、および本体５９１の体積変化に合わせて変形し得る伸縮性を有している。容器５９２の材料としては、ポリテトラフルオロエチレンやポリイミドなどの樹脂材料がある。相変化部材５９の形状は円柱状に限らない。

図１０はガイド部材の例を示している。例示のガイド部材７０は、円筒状であり、図９の相変化部材５９が内側にちょうど収まる大きさをもつ。図１０（Ｃ）のように、相変化部材５９が例えば芯金２５の端面に取り付けられるとき、ガイド部材７０は相変化部材５９を囲むように配置される。図１０（Ｃ）では相変化部材５９およびガイド部材７０における放熱体６１側の端面位置が揃っているが、これに限らない。常温状態において、ガイド部材７０が相変化部材５９よりも若干突出してもよいし、逆に相変化部材５９がガイド部材７０よりも若干突出してもよい。すなわち、ガイド部材７０の軸方向の寸法は相変化部材５９のそれに近い値であればよい。

図１０（Ｄ）のように、相変化部材５９の体積が相変化によって増大するとき、全方向に拡がろうとする相変化部材５９の径方向の膨張がガイド部材７０によって阻止される。これにより、相変化部材５９は主に放熱体６１に向かって膨張する。ガイド部材７０は、相変化部材５９の体積変化の方向を放熱体６１と相変化部材５９との空隙寸法が増減する方向に規制する役割を果たす。

ガイド部材７０が相変化部材５９の体積変化の方向を規制することにより、相変化部材５９の体積変化による放熱体６１との空隙寸法の増減が顕著になる。言い換えれば、所定寸法の空隙を、体積膨張率がガイド部材７０を用いない場合と比べて小さい相変化部材５９によって無くしたり戻したりすることが可能になる。つまり、相変化部材５９の材質の選択肢が多くなる。

ガイド部材７０の材質として、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、アリル樹脂などの耐熱性に優れる樹脂がある。

図１１は定着装置における放熱部の構造の他の例を示している。図示の定着装置２０ｅの基本的な構成は図３の例と同様である。

図１１の定着装置２０ｅは、その特徴として熱電変換素子７２を備えている。図示された熱電変換素子７２は、定着ローラー２１における芯金２５の一方の端面に取り付けられた相変化部材５２と対向するように、放熱体６２に取り付けられている。図示を省略したが、定着装置２０ｅは熱電変換素子７２の他にさらに三つの熱電変換素子を備えている。これら三つの熱電変換素子は、芯金２５の他方の端面および加圧ローラー２２の芯金２７の両端面に取り付けられた相変化部材５１，５３，５４と対向するように放熱体６１，６２に取り付けられている。

固相状態であるときの相変化部材５２と熱電変換素子７２との間には、ギャップ長さｇ１の空隙が存在する。この状態では、空隙内の空気の熱抵抗が大きいので、定着ローラー２１から放熱体６２へはほとんど熱が伝わらない。このことは、画像形成装置１の電源投入直後や通紙前の温調制御が行われる期間において、磁束発生器２４による加熱に対する相変化部材５２の影響の無いことを意味する。相変化部材５２が定着ベルト２３の昇温所要時間を長くすることはない。

相変化部材５２が固相から液相へ相変化して膨張すると、相変化部材５２と熱電変換素子７２とが接触し、芯金２５から相変化部材５２を介して熱電変換素子７２の一方の面（熱源側）に熱が伝導する。そして、熱電変換素子７２における熱源側と放熱側との温度差に応じた電力が熱電変換素子７２から出力される。この熱電変換素子７２によって発電された電力は、画像形成装置１における各種の負荷の駆動電力の一部として利用される。

図１２のグラフは、熱電変換素子における温度変化と発電量との関係を示している。図１１の構成における芯金２５から熱電変換素子７２までの熱伝導経路の熱抵抗は、相変化部材５２と熱電変換素子７２とが接触するかしないかによって大きく変化する。

図１２において、時刻ｔ１以前では、相変化部材５２の温度は温調温度以下であって、相変化部材５２は固相である。このとき、熱伝導経路には熱伝導率の低い空気が介在するので、熱抵抗は大きい。時刻ｔ１以前において、例えば小サイズの用紙の通紙を原因として定着ベルト２３の幅方向の両端部が過度に昇温したとする。時刻ｔ１で相変化部材５２の温度が相変化温度まで上昇すると、相変化部材５２の固相から液相への相変化が始まる。相変化が進行する過程で相変化部材５２が膨張して熱電変換素子７２に近づくにつれて、熱抵抗は次第に小さくなる。

時刻ｔ２で相変化部材５２と熱電変換素子７２との間の空隙がなくなると、芯金２５と熱電変換素子７２との間の熱抵抗は、相変化部材５２の熱抵抗になる。時刻ｔ２以降において、相変化部材５２と熱電変換素子７２との接触状態が変わらない限り、熱抵抗の値は時刻ｔ１と比べて低い時刻ｔ２の値のまま一定である。

時刻ｔ２において熱電変換素子７２に芯金２５からの熱が伝導すると、熱電変換素子７２の熱源側の温度Ｔｈが上昇し始める。上昇が始まる以前の温度Ｔｈの値は、熱電変換素子７２の放熱側の温度Ｔｃの値と同じである。温度Ｔｈが上昇するにつれて温度Ｔｃとの差が増大し、発電量が増加する。温度Ｔｈが飽和状態の値まで上昇した後は、一定の発電量の発電が続く。

図１３のグラフは、熱電変換素子に関わる熱抵抗と温度変化との関係を例示している。図１３では、熱源から熱電変換素子を経て放熱体に至る間の熱抵抗Ｒの値が異なる二つの場合（一方はＲ＝１Ｋ／Ｗで他方はＲ＝５Ｋ／Ｗ）について、一定の熱量Ｑの熱を流入させたときの熱電変換素子の温度変化が表されている。

熱量ＱはＱ＝（Ｔｈ−Ｔｃ）／Ｒと表されるので、放熱側の温度Ｔｃが同じであれば、熱抵抗Ｒが１Ｋ／Ｗと比較的に小さい場合と比べて、熱抵抗Ｒが５Ｋ／Ｗと比較的に大きい場合の方が熱源側の温度Ｔｈは高い。一般に、熱電変換素子は、熱源側の温度Ｔｈと放熱側の温度Ｔｃの温度差ΔＴが大きいほど、発電効率が良いという特性を有している。

ここで、相変化部材５２が液相であって芯金２５（熱源）から熱電変換素子７２を経て放熱体６２へ至る熱移動経路中に空隙の無い状態での熱抵抗Ｒが１Ｋ／Ｗであるとする。そして、相変化部材５２が固相であって、芯金２５から放熱体６２までの熱移動経路中に空隙が存在する状態での熱抵抗Ｒを５Ｋ／Ｗとする。

予め空隙が無く熱抵抗Ｒが１Ｋ／Ｗのように低い場合には、定着ベルト２３を加熱するために加えられた熱が芯金２５から放熱体６２へ逃げてしまい、温調制御に必要な熱量が多くなる。省エネルギー性が低い。また、熱電変換による発電に際して、熱抵抗Ｒが小さい場合には温度差ΔＴが小さくなるので発電効率が低い。

一方、熱抵抗Ｒが５Ｋ／Ｗのように高い場合には、芯金２５から奪われる熱量は周囲が空気で覆われている場合と同様に少ないので、定着装置の加熱に対する影響が小さい。つまり、過度に昇温した状態でなければ、熱抵抗Ｒの高いのがよい。そして、定着装置内で異常昇温が発生したときには、熱電変換素子７２を通じて放熱することにより、熱電変換素子７２の発電効率の高い温度での発電が可能であり、省エネルギー性を改善することができる。

以上の実施形態によれば、異常昇温が発生していない通常の定着動作時には、熱源と放熱体との間に空隙が存在して熱抵抗が高いので、熱の逃げが抑制されてウォームアップに要する時間や電力に影響が生じない。一方、異常昇温の発生時には、相変化部材の膨張によって空隙が無くなって熱抵抗が下がるので、電力供給も特別な制御をも必要とせずに異常昇温を解消することができる。定着装置の自己放熱機能が実現される。

上述の実施形態において、図３のように熱源側に相変化部材を配置する構成と、図５、７、８のように放熱側に相変化部材を配置する構成とを組み合わせてもよい。

相変化部材５１〜５９の配置個数は１以上であればよい。上述の実施形態では搬送路１５の幅方向Ｍ２の中央に用紙Ｐの中央を位置決めする一般的な搬送形式を想定し、定着用の回転体における小サイズ用紙の使用時に過熱状態になり易い両方の端部に対してそれぞれ相変化部材を配置したが、これに限らない。搬送路１５の幅方向Ｍ２の一端側に寄せて小サイズ用紙を搬送する場合には、小サイズ用紙を寄せた側と反対側である片方の端部のみに対して相変化部材を配置すればよい。

相変化部材５１〜５９の材質、形状および寸法は任意であり、ローラーと放熱体との距離や取付け面の形状といった諸条件に応じて選定することができる。図７および図８の構成において、厳密に小サイズ通紙領域Ａｓを除くように相変化部材５５〜５８を配置する必要はまったくない。熱源の幅方向Ｍ２の温度分布特性に応じて、小サイズ通紙領域Ａｓよりも広い範囲または逆に狭い範囲を除くように、相変化部材５５〜５８を配置してもよい。

ガイド部材７０の形状および寸法は、相変化部材５９の形状および寸法に合わせて選定すればよい。熱電変換素子７２の取付け箇所は、放熱体６２上の位置に限られず、芯金２５の端面といった熱源側の位置であってもよい。

定着装置２０，２０ｂ，２０ｃ，２０ｅの構成は本発明の趣旨に沿う範囲内で適宜変更することができる。

定着ベルト２３を備えずに定着ローラー２１が直接に用紙Ｐと接する形式であってもよい。例示のように加圧ローラー２２，２２ｄを駆動して定着ローラー２０を従動回転させるのとは逆に、定着ローラー２０を駆動して加圧ローラー２２，２２ｄを従動回転させてもよい。また、両方を駆動してもよい。

定着ベルト１５５については、例えば、銀粒子を含有するポリイミドフィルムを基材（発熱層）とし、その上にシリコーンゴムからなる弾性層およびＰＴＦＥ、ＰＦＡ等の単独あるいは混合樹脂の表面離型層を順に重ね合わせて構成することができる。基材の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス材、整磁合金（例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金）がある。

１ 画像形成装置
２０，２０ｂ，２０ｃ，２０ｅ 定着装置
Ｐ 用紙（シート）
１５ 搬送路
Ｍ２ 幅方向
２１３ 回転体
２１ 定着ローラー（回転体）
２２ 加圧ローラー（回転体）
２４ 磁束発生器（加熱手段）
６１，６２，６３ 放熱体
５１，５２，５３，５４ 相変化部材
５５，５６，５７，５８，５９ 相変化部材
２５，２７ 芯金
Ｓ２７ 端面
５９１ 本体（相変化物質）
５９２ 容器
７０ ガイド部材
７２ 熱電変換素子

Claims (8)

1. シート上に画像を形成する際に当該シートを加熱する定着装置であって、
   前記シートが搬送される搬送路の幅方向に沿って延びる軸の周りに回転しかつ前記シートと当接する回転体と、
   前記回転体を加熱する加熱手段と、
   前記回転体の近傍に位置する放熱体と、
   前記回転体と前記放熱体との間に配置され、当該回転体または当該放熱体に支持され、かつ昇温によって相変化したときに当該回転体と当該放熱体との間の空隙が無くなるように膨張する相変化部材と、を備える
   ことを特徴とする定着装置。
2. 前記回転体は、両端部が軸受を介して支持体に支持された前記搬送路の幅よりも長い芯金を有しており、
   前記放熱体は、前記芯金の少なくとも一方の端面と近接し、
   前記相変化部材は、前記芯金における前記放熱体に近接する前記端面と前記放熱体との間に配置されている
   請求項１記載の定着装置。
3. 前記相変化部材は、前記芯金の前記端面に取り付けられている
   請求項２記載の定着装置。
4. 前記相変化部材は、伸縮性をもつ容器と、当該容器に収容された相変化物質とを備える
   請求項１ないし３のいずれかに記載の定着装置。
5. 前記相変化部材の体積変化が前記空隙の長さの増減する方向の変化に規制されるように当該相変化部材の外周面を部分的に覆うガイド部材を有する
   請求項１ないし４のいずれかに記載の定着装置。
6. 当該回転体または当該放熱体における前記相変化部材が膨張したときに当該相変化部材と接する面に対して、当該相変化部材の体積減少時に当該相変化部材が離れ易くなる表面加工が施されている
   請求項１ないし５のいずれかに記載の定着装置。
7. 前記相変化部材と前記放熱体との間に熱電変換素子が配置されている
   請求項１ないし６のいずれかに記載の定着装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の定着装置に用紙を搬送する機構を備え、前記定着装置によって未定着画像を前記用紙に定着させる
   ことを特徴とする画像形成装置。

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