JP2008140702A - 加熱装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で、定着効率向上による良好な定着性の確保及び省電力の達成と、加熱体の異常発熱時の加熱体破損防止による装置の安全性・信頼性の向上とが、両立できる加熱装置及びそれを具備した画像形成装置を提供することを本発明の目的とする。
【解決手段】 フィルム加熱方式の加熱装置及びそれを具備した画像形成装置において、体積抵抗値が全て等しいあるいは近い値の複数の抵抗発熱体を加熱体幅方向において上下流対称に配置する。これら複数の抵抗発熱体を独立に通電制御できる手段を有し、加熱装置動作時においては、上流側の抵抗発熱体の発熱量を下流側の抵抗発熱体の発熱量よりも大きくするように通電制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複写機、レーザービームプリンタ等の加熱装置及び該加熱装置を具備した画像形成装置に関する。

従来、例えば画像の加熱定着等のための記録材の加熱装置には、所定の温度に維持された加熱ローラと、弾性体層を介して前記加熱ローラに圧接する加圧ローラとによって被加熱材としての記録材を挟持搬送しつつ加熱する熱ローラ方式が多用されている。また、このほかにもフラッシュ加熱方式、オープン加熱方式、熱板加熱方式等種々の方式、構成のものが知られており、実用されている。

最近では、このような方式に代わって、加熱体（ヒータ）と、加熱体の支持体（ステー）と、加熱体に対向圧接しつつ搬送される耐熱性フィルム（定着フィルム）と、定着フィルムを介して被加熱材としての記録材を加熱体に密着させる加圧体（加圧ローラ）を有し、加熱体の熱を定着フィルムを介して記録材へ付与することで記録材面に形成担持されている未定着画像を記録材面に加熱定着させる方式、構成の画像加熱定着方式（フィルム加熱方式の加熱装置）が考案されている（例えば、特許文献１・２参照）。この加熱装置の加熱体としては、セラミックス基板上に抵抗発熱体を形成し、給電により抵抗発熱体を発熱させ、記録材を加熱する構成が一般的である。加熱体の温度は加熱体に当接あるいは接着されたサーミスタ等の検温素子で検知され、その検知温度を基に所定の温度になるようにCPUで温度制御している。

また、加熱体の温度を検知する検温素子や温度制御するCPU、温度制御用の電気回路等が故障し、加熱体の温度が異常に高温になった場合の安全対策として、抵抗発熱体に直列接続されたサーモスイッチ、温度ヒューズ等の安全素子を加熱体基板の裏面（非フィルム摺動面）に当接させ、加熱体の温度が安全素子の動作温度以上になった場合は抵抗発熱体へ通電を遮断できる構成をとっている。

このようなフィルム加熱方式の加熱装置ないしは画像加熱定着装置においては加熱体として低熱容量の加熱体を用いることができる。このため、従来の接触加熱方式である熱ローラ方式、ベルト加熱方式等の装置に比べ省電力及びウェイトタイムの短縮化（クイックスタート）が可能になる。

フィルム加熱方式の加熱装置において、加熱装置動作時の加熱体表面上の記録材搬送方向における温度分布を考えた場合、温度のピークは抵抗発熱体上よりも搬送方向において下流側に移動する傾向がある。これは、加熱装置動作時は定着フィルム・加圧ローラが回転しているため、熱が下流側に移動するためである。もし加熱装置が停止している時に抵抗発熱体に通電されることがあれば、当然温度ピークは抵抗発熱体上にある。

加熱装置動作時における温度ピークの位置が加熱体幅方向に対して下流側にあると、記録材に効率よく熱を伝達することができず、記録材の定着性を確保するために必要以上の電力を消費してしまい定着効率が良くない。定着効率を向上させる（少ない電力で定着性を確保する）ためには、加熱体の幅方向中心付近に温度ピークがある構成が望ましい。

上述の観点における定着効率の向上のために、セラミックス基板上に複数の抵抗発熱体を設け、記録材搬送方向において上流側の抵抗発熱体の発熱量を下流側の抵抗発熱体の発熱量よりも大きくする構成が考案されている。これは、温度ピークの移動を見込んで、加熱装置動作時に温度ピークが加熱体の幅方向中心付近に位置するように、複数の抵抗発熱体の発熱量を設定する構成である。上下流の抵抗発熱体の発熱量を変える手段としては、抵抗発熱体の抵抗値・発熱体幅を上下流で変えたり、各々の抵抗発熱体を独立に通電制御しソフト的に発熱量を変えたりする方法が考えられる。
特開平４−４４０７５号公報 特開平４−４４０７６号公報 特開平４−４４０７７号公報 特開平４−４４０７８号公報 特開平４−４４０７９号公報 特開平４−４４０８０号公報 特開平４−４４０８１号公報 特開平４−４４０８２号公報 特開平４−４４０８３号公報 特開平４−２０４９８０号公報 特開平４−２０４９８１号公報 特開平４−２０４９８２号公報 特開平４−２０４９８３号公報 特開平４−２０４９８４号公報

前述した通り、フィルム加熱方式の加熱装置において、加熱体の温度を検知する検温素子や温度制御するCPU、温度制御用の電気回路等が故障し、加熱体の温度が異常に高温になった場合の安全対策として、安全素子で抵抗発熱体への通電を遮断できる構成をとっている。異常昇温時に絶縁耐圧を確実に満足するためには、加熱体が昇温における熱応力で破損する前に安全素子を動作させることが望ましい。安全素子の動作温度を低くすると通常使用時の誤動作の危険性が高まるので、加熱体が異常昇温しても破損しづらい構成が求められている。

この要求を満たすために抵抗発熱体パターンとして理想的なのは、加熱体幅方向において上下流対称の形状であり、かつ複数の抵抗発熱体を有する場合には各々の抵抗値を同じにすることである。すなわち、加熱装置停止時に加熱体幅方向の温度分布が上下流対称である構成が望ましい。加熱体幅方向の温度分布が上下流対称ではなく、例えば、上流側の方が下流側よりも温度が高くなるような場合には、加熱体基板の熱膨張量に上流側と下流側で差が生じ（上流側の熱膨張量が下流側よりも大きくなる）基板が反り、熱膨張量の差によって生じる熱応力が基板の破断応力を超えると破損が発生する。よって、加熱体を破損しづらくするためには、温度分布を上下流対称にして熱応力を抑えることが必要である。ちなみに、加熱装置が動作しているときに抵抗発熱体への通電が制御不能（例えば全通電の状態）になった場合は、定着フィルム・加圧ローラの回転により、加熱体温度が停止時ほど急激に上昇しないため、加熱体幅方向の温度分布が上下流対称でなくても、加熱体が破損する前に安全素子が動作する場合が多い。

一方、定着効率の観点からは、加熱装置停止時に温度分布が上下流対称の構成では、動作時に温度ピークが下流側に移動してしまい、効率が良くない。

本出願に係る発明の目的は、簡単な構成で、定着効率向上と異常昇温時の加熱体破損防止とを両立できる加熱装置及びそれを具備した画像形成装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本出願に係る第１の発明は、少なくとも基板と、複数の抵抗発熱体と、抵抗発熱体に給電する電極とからなる加熱体によって被加熱材を加熱する加熱装置において、複数の抵抗発熱体は全て体積抵抗値が等しく、前記複数の抵抗発熱体の被加熱材の搬送方向における形状は、基板の被加熱材の搬送方向における中心線に対して線対称であり、前記複数の抵抗発熱体に対する通電制御が各々独立に行われ、かつ前記複数の抵抗発熱体の発熱比率が各々異なることを特徴とする。

本出願に係る第２の発明は、少なくとも基板と、複数の抵抗発熱体と、抵抗発熱体に給電する電極とからなる加熱体によって被加熱材を加熱する加熱装置において、複数の抵抗発熱体の体積抵抗値は各々、ある１つの抵抗発熱体の体積抵抗値の95％から105％までの範囲内であり、前記複数の抵抗発熱体の被加熱材の搬送方向における形状は、基板の被加熱材の搬送方向における中心線に対して線対称であり、前記複数の抵抗発熱体に対する通電制御が各々独立に行われ、かつ前記複数の抵抗発熱体の発熱比率が各々異なることを特徴とする。

本出願に係る第３の発明は、上述の加熱装置において、被加熱材搬送方向において上流側の抵抗発熱体ほど発熱量が多く、下流側の抵抗発熱体ほど発熱量が少なくなるように、通電制御が行われることを特徴とする。

本出願に係る第４の発明は、上述の加熱装置において、前記加熱体の基板はセラミックスで形成されていることを特徴とする。

本出願に係る第５の発明は、上述の加熱装置において、前記加熱体のセラミックス基板は酸化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムを材料とすることを特徴とする。

本出願に係る第６の発明は、少なくとも、加熱体と、一面を加熱体と接触摺動し他面を被加熱材と接触する耐熱性フィルムと、耐熱性フィルムを駆動し、かつ耐熱性フィルムを介して被加熱材を加熱体に密着させる加圧部材とを有し、加熱体と加圧部材により形成されるニップ部を耐熱性フィルムと被加熱材が一緒に挟持搬送されることにより被加熱材を加熱する加熱装置において、該加熱装置が上述の何れかの構成であることを特徴とする。

本出願に係る第７の発明は、記録材上に画像を形成する像形成手段と、該記録材上の画像を加熱する像加熱手段とを有する画像形成装置において、像加熱手段として上述の何れかの加熱装置を備えたことを特徴とする。

フィルム加熱方式の加熱装置において、体積抵抗値が全て等しいあるいは近い値の複数の抵抗発熱体を加熱体幅方向において上下流対称に配置することで、加熱装置停止時における加熱体の異常発熱時に加熱体等を破損させることなく、確実に安全素子を作動させることができ、装置の安全性・信頼性が向上する。また、加熱装置動作時においては、上流側の抵抗発熱体の発熱量を下流側の抵抗発熱体の発熱量よりも大きくするように独立に通電制御することによって、定着効率が向上し、省電力が達成できる。

（実施例１）
以下、図面を参照し本発明の第１の実施例を説明する。

図５は本実施例における画像形成装置としてのレーザービームプリンタの要部である。１０１は像担持体として有機感光ドラム、１０２は帯電部材としての帯電ローラ、１０３はレーザー露光装置、１０４は現像スリーブ及び現像ブレードならびに１成分磁性トナー等からなる現像装置、１０５はクリーニングブレード、１０６は転写ローラ、１０７は加熱定着装置である。本実施例の画像形成装置は最大通紙幅をA4サイズ（紙幅：210mm）とする。

有機感光ドラム１０１は所定の周速度にて回転駆動され、帯電ローラ１０２によって本例の場合は負の所定電位に一様に帯電される。そしてその有機感光ドラム１０１の一様帯電処理面にレーザー露光装置１０３からのレーザービームによる画像情報の走査露光がなされて、有機感光ドラム１０１に走査露光パターンに対応した静電潜像が形成される。

次に、現像装置１０４の中で帯電したネガトナーが有機感光ドラム１０１上の静電潜像の露光明部に付着して静電潜像がトナー像として可視像となる（反転現像）。

一方、所定の給紙制御タイミングにて給紙ローラ１０８が回転駆動されて給紙カセット１０９から紙等の記録材Pが1枚分離給送されて、搬送ローラ１１０、レジストローラ１１１等を含むシートパス１１２を通って有機感光ドラム１０１と転写ローラ１０６との当接部である転写ニップ部に所定の制御タイミングにて導入され、記録材Pの面に有機感光ドラム１０１上のトナー像が順次に転写される。

転写ニップ部を出た記録材Pは、有機感光ドラム１０１面から分離されて、シートパス１１３を通って画像加熱定着装置としての定着装置１０７に導入されてトナー像の加熱定着処理を受け、シートパス１１４を通って排紙トレイ１１５上に排出される。

また記録材分離後の有機感光ドラム１０１面はクリーニングブレード１０５により転写残トナーの除去を受けて清掃され、繰り返して作像に供される。

次に、本実施例における加熱装置１０７について説明する。図４は本実施例のフィルム加熱方式の加熱装置の概略構成図である。この装置は特開平4-44075〜44083号公報、同4-204980〜204984号公報等に開示のテンションレスタイプの装置である。

このテンションレスタイプのフィルム加熱方式の加熱装置は、耐熱性フィルムとしてエンドレスベルト状もしくは円筒状のものを用い、該フィルムの周長の少なくとも一部は常にテンションフリー（テンションが加わらない状態）とし、フィルムは加圧部材の回転駆動力で回転駆動するようにした装置である。

１はステーであり、加熱体保持部材兼フィルムガイド部材としての耐熱性・剛性部材である。３は加熱体としてのセラミックヒータであり、上記のステー１の下面にステー長手に沿って配設して保持させてある。２はエンドレス（円筒状）の耐熱性フィルムであり、加熱体３を含むフィルムガイド部材であるステー１に外嵌させてある。このエンドレスの耐熱性フィルム２の内周長と加熱体３を含むステー１の外周長はフィルム２の方を例えば3mm程度大きくしてあり、従ってフィルム２は周長に余裕を持って外嵌している。

ステー１はポリイミド、ポリアミドイミド、PEEK、PPS、液晶ポリマー等の高耐熱性樹脂や、これらの樹脂とセラミックス、金属、ガラス等との複合材料等で構成できる。本実施例では液晶ポリマーを用いた。

フィルム２は熱容量を小さくしてクイックスタート性を向上させるために、フィルム膜厚は100μm以下、好ましくは50μm以下20μm以上の耐熱性のあるPTFE、PFA、FEP等の単層フィルム、或いはポリイミド、ポリアミドイミド、PEEK、PES、PPS等のフィルムの外周表面にPTFE、PFA、FEP等をコーティングした複合層フィルムを使用できる。本実施例では膜厚約50μmのポリイミドフィルムの外周表面にPTFEをコーティングしたものを用いた。フィルム２の外径は18mmとした。

４は加熱体３との間にフィルム２を挟んで圧接ニップ部(定着ニップ部)N1を形成し、かつフィルム２を回転駆動させるフィルム外面接触駆動手段としての加圧ローラである。この加圧ローラ４は芯金４aと弾性体層４bと最外層の離形層４cからなり、不図示の軸受け手段・付勢手段により所定の押圧力をもってフィルム２を挟ませて加熱体３の表面に圧接させて配設してある。本実施例では、芯金４aはアルミ芯金を、弾性体層４bはシリコーンゴムを、離形層４cは厚さ約30μmのPFAのチューブを用いた。加圧ローラ４の外径は20mm、弾性体層４bの厚さは3mmとした。

この加圧ローラ４は駆動系Mにより矢印の時計方向に所定の周速度で回転駆動される。この加圧ローラ４の回転駆動により、圧接ニップ部N1における該加圧ローラとフィルム外面との摩擦力でフィルム２に回転力が作用して、フィルム２はその内面側が定着ニップ部N1において加熱体３の表面に密着して摺動しながらステー１の外回りを矢印の反時計方向に加圧ローラ４の回転周速度とほぼ同じ周速度で従動回転状態になる。

図２は本実施例における加熱体３の正面図及び通電制御を行う回路を表す図である。また、図３は本実施例における加熱体３の断面図である。加熱体３は被加熱材としての記録材Pの搬送方向aに対して直角方向を長手とする細長の耐熱性・絶縁性・良熱伝導性の基板７、該基板の表面（フィルム摺動面）側に基板長手に沿って形成具備させた抵抗発熱体６a・６b、抵抗発熱体を形成した加熱体表面を保護させた耐熱性オーバーコート層８、抵抗発熱体６a・６bの長手端部の給電用電極９a・９b・１０等からなる全体に低熱容量の加熱体である。

本実施例の抵抗発熱体６a・６bは、銀・パラジウム・ガラス粉末（無機結着剤）・有機結着剤を混練して調合したペーストをスクリーン印刷により、加熱体基板７上に線帯状に2本形成して得たものである。抵抗発熱体６a・６bの形状・抵抗については、後に詳細を述べる。抵抗発熱体の材料としては、銀パラジウム（Ag/Pd）以外にRuO2、Ta2N等の電気抵抗材料を用いても良い。

７は耐熱性・絶縁性を有する加熱体基板であり、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミックス材料が用いられる。本実施例では幅7mm・長さ270mm・厚さ1mmの酸化アルミニウム基板を使用している。給電用電極９a・９b・１０は銀パラジウムのスクリーン印刷パターンを用いた。８は、抵抗発熱体６a・６bのオーバーコート層であり、抵抗発熱体６a・６bと加熱体３表面との電気的な絶縁性とフィルム２の摺動性とを確保することが主な目的である。本実施例では、オーバーコート層８として厚さ約50μmの耐熱性ガラス層を用いた。

図２には加熱体３の裏面（非フィルム摺動面）も示している。５は加熱体の温度を検知するために設けられた検温素子である。本実施例では、検温素子として加熱体３から分離した外部当接型のサーミスタを用いている。この外部当接型サーミスタ５は、例えば支持体上に断熱層を設けその上にチップサーミスタの素子を固定し、素子を下側（加熱体裏面側）に向けて所定の加圧力により加熱体裏面に当接するような構成をとる。本実施例では、支持体として高耐熱性の液晶ポリマーを、断熱層としてセラミックスペーパーを積層したものを用いた。外部当接型サーミスタ５は最小通紙域内に設けられており、CPU１１に通じている。

１４は加熱体３の温度が異常昇温した場合に、抵抗発熱体６a・６bへの通電を遮断するために設けられた安全素子であり、所定の加圧力で基板７の裏面に当接されている。安全素子としては、サーモスイッチや温度ヒューズ等を用いることができ、本実施例では所定の温度でバイメタルが反転することにより電流を遮断することができる機構をもつサーモスイッチを用いた。外部当接型サーミスタ５と同じく、サーモスイッチ１４も最小通紙域内に設けられている。

この加熱体３をオーバーコート層８を形成具備させた表面側を下向きに露呈させてステー１の下面側に保持させて固定配設してある。以上の構成をとることにより、加熱体全体を熱ローラ方式に比べて低熱容量にすることができ、クイックスタートが可能になる。

加熱体３は、抵抗発熱体の長手端部の給電用電極９a・９b・１０に対する給電により抵抗発熱体６a・６bが長手全長にわたって発熱することで昇温する。その昇温が外部当接型サーミスタ５で検知され、外部当接型サーミスタ５の出力をA/D変換しCPU１１に取り込み、その情報に基づいてトライアック１２a・１２bにより抵抗発熱体６a・６bに通電する電力を位相制御あるいは波数制御等により制御して、加熱体３の温度制御がなされる。すなわち、外部当接型サーミスタ５の検知温度が所定の設定温度より低いと加熱体３が昇温するように、設定温度より高いと降温するように通電を制御することで、加熱体３は定着時一定温度に保たれる。

本実施例では、抵抗発熱体６a・６bを並列に接続し、各々の抵抗発熱体を別々のトライアックで（抵抗発熱体６aはトライアック１２aで、抵抗発熱体６bはトライアック１２bで）独立に通電制御している。制御方法としては位相制御を用い、各々の抵抗発熱体に給電する出力を0〜100％まで5％刻みの21段階で変化させている。両方の抵抗発熱体に100％の出力が行われた場合が、加熱体３に全通電したときの出力となる。抵抗発熱体６a・６bへの通電の比率（発熱比率）については後述する。

加熱体３の温度が所定に立ち上がり、かつ加圧ローラ４の回転によるフィルム２の回転周速度が定常化した状態において、フィルム２を挟んで加熱体３と加圧ローラ４とで形成される圧接ニップ部N1に被加熱材としての画像定着すべき記録材Pが画像形成部（転写部）より導入される。そして、記録材Pがフィルム２と一緒に圧接ニップ部N1を挟持搬送されることにより加熱体３の熱がフィルム２を介して記録材Pに付与され記録材P上の未定着顕画像（トナー画像）Tが記録材P面に加熱定着される。圧接ニップ部N1を通った記録材Pはフィルム２の面から分離されて搬送される。

本実施例では、図４に示す通り、定着ニップ幅N1の設計中心値を6mmとし、加熱体３の基板幅7mmよりも狭い構成をとっている。定着ニップ幅N1の外側の領域に抵抗発熱体６a・６bが存在すると、その部分は加圧ローラ４に熱を奪われないため局所的に高温になり、加熱体３の破損等の危険性がある。よって、本実施例では、加圧力・加圧ローラ硬度等が製造上ふれても、必ず抵抗発熱体６a・６bが定着ニップ内に収まるように設定している。

図１は本実施例における加熱体３の正面図である。図１においては、簡単のためオーバーコート層８を省略している。以下、本実施例の抵抗発熱体６a・６bの形状・抵抗について、詳細に説明する。図１に示す通り、本実施例では、記録材Pの搬送方向aにおいて上流側に抵抗発熱体６aを、下流側に抵抗発熱体６bを設けており、電気的には並列に接続している。抵抗発熱体６a・６bの発熱体幅Aはともに1.6mmで総発熱体幅2Aは3.2mm、発熱体間距離Bは0.8mm、基板端から抵抗発熱体端までの距離Cは上下流側ともに1.5mmとした。すなわち、本実施例の抵抗発熱体パターンは搬送方向aにおいて上下流対称の形状である。なお、抵抗発熱体６a・６bの厚さは約10μmとした。

本実施例では、抵抗発熱体６a・６bは同じ体積抵抗の材料を用いており、各々の常温における抵抗値（６aは９a・１０間の抵抗、６bは９b・１０間の抵抗）の設計値はともに48Ωとした。よって、抵抗発熱体全体の合成抵抗（総抵抗）の設計値は24Ωになる。

前述した通り、各々の抵抗発熱体への通電制御は独立に行うことが可能であり、本実施例では、上流側の抵抗発熱体６aへの通電量と下流側の抵抗発熱体６bへの通電量との割合（すなわち発熱量の割合＝発熱比率）が2：1になるように、CPU１１及びトライアック１２a・１２bで制御している。

この発熱比率を変える制御を行わず、上下流を均等に発熱させる（発熱比率＝1：1）場合は、前述した通り加熱体上の搬送方向aにおける温度のピークは加熱体中心よりも下流側にシフトしてしまい、効率良く記録材Pを加熱することができない。本実施例の加熱装置の構成においては、発熱比率が2：1になるように通電制御することによって、加熱体上の温度ピークを加熱体中心付近にすることができた。また、発熱比率を変えて検討した結果、発熱比率2：1が最も消費電力を抑えて良好な定着性を確保できる、すなわち、最も定着効率が良い比率であった。温度ピークの移動量は、加熱装置の構成・記録材の搬送速度等によって変化するため、それらの条件に応じて最適な発熱比率を設定することが望ましい。

以下、本実施例と３種類の従来例との比較を行う。図６〜８は従来例１〜３の加熱体の正面図である。図６〜８においても、簡単のためオーバーコート層は省略している。また、比較を容易にするために、従来例１〜３の加熱体の総発熱幅及び総抵抗値（設計値）は、本実施例と同じにしている。

図６は従来例１の加熱体の正面図である。従来例１は抵抗発熱体の形状は本実施例と同じである（A〜Cの値が同じ）。ただし、抵抗発熱体１５a・１５bは電気的に直列に接続されており、抵抗発熱体への給電は給電用電極９・１０に対して行われる。すなわち、本実施例のように2本の抵抗発熱体を独立に通電制御するのではなく、抵抗発熱体１５a・１５bをまとめて単一のトライアックで制御している。抵抗発熱体１５a・１５bは同じ体積抵抗の材料を用いており（本実施例と同じく銀パラジウムペーストを用いているが体積抵抗は異なる）、各々の常温における抵抗値の設計値はともに12Ωである。よって、抵抗発熱体の総抵抗（９・１０間の抵抗）の設計値は24Ωになる。なお、上記以外の従来例１の加熱装置及び画像形成装置の構成は、全て本実施例と同じとする。

まず、定着効率について、本実施例と従来例１とを比較してみる。図９は本実施例と従来例１の加熱体幅方向（搬送方向a）における加熱体上の温度分布の概略図である。横軸は幅方向の位置を表し、グラフの左端が上流側の基板端、右端が下流側の基板端に相当する。縦軸は加熱体表面の温度を表している。太線が本実施例の温度分布を、細線が従来例１の温度分布をそれぞれ表している。従来例１は、上下流の抵抗発熱体の抵抗値が等しく、単一のトライアックで制御しているため、上下流の抵抗発熱体の発熱比率は1：1であり、温度ピークの位置Yは加熱体中心よりも下流側に存在する。一方、本実施例は前述の通り、発熱比率を2：1にすることにより、温度ピークの位置Xを加熱体のほぼ中心にしている。よって、従来例１よりも本実施例の方が、効率良く記録材Pを加熱することができる。実際に、本実施例と従来例１で加熱装置の消費電力がほぼ同等になるように、それぞれの加熱体の制御温度を調整し、定着性の比較を行ったところ、本実施例の方が良好な定着性を示した。

次に、検温素子やCPU等の故障により、抵抗発熱体への通電制御が不能になって全通電状態となり、加熱体の温度が異常に高温になった場合の比較を考える。これら加熱体の異常昇温時には、絶縁耐圧を確実に満足するために加熱体が破損する前に安全素子を作動させることが求められる。図１０は加熱体基板の熱変形を示す図である。図１０のa）は基板が熱変形していない通常の状態を示す。この状態で抵抗発熱体への通電制御が不能になったとき加熱体幅方向の温度分布が上下流対称ではなく、例えば、上流側の方が下流側よりも温度が高くなるような構成である場合を考える。この場合、図１０のb）の矢印で示す通り、基板の上流側の熱膨張量が下流側の熱膨張量よりも大きくなり、図に示すような基板の反りが生じる。この熱膨張量の差によって生じる熱応力が基板の破断応力を超えてしまうと破損が発生する。よって、加熱体を破損しづらくするためには、温度分布を上下流対称にして上流側と下流側の熱膨張量の差を小さくし、熱応力を抑えることが必要になる。

本実施例も従来例１も抵抗発熱体パターンは、上下流対称の形状でかつ上下流の抵抗発熱体の抵抗値が同じであるので、最も加熱体破損の危険性が高い加熱装置停止時に全通電状態になっても、加熱体幅方向の温度分布が上下流対称となり加熱体は破損しづらい。よって、加熱体異常昇温時における破損防止の効果は、本実施例も実施例１も同等であるといえる。

図７は従来例２の加熱体の正面図である。従来例２も抵抗発熱体の形状は本実施例・従来例１と同じである（A〜Cの値が同じ）。また、従来例１と同じく、抵抗発熱体１６a・１６bは電気的に直列に接続されており、単一のトライアックで制御している。従来例２が従来例１と異なる点は、上流側の抵抗発熱体１６aと下流側の抵抗発熱体１６bとで異なる体積抵抗の材料を用いている点である（本実施例・従来例１と同じく銀パラジウムペーストを用いているがそれぞれ体積抵抗は異なる）。上流側の抵抗発熱体１６aと下流側の抵抗発熱体１６bの常温における抵抗値の設計値はそれぞれ16Ωと8Ωである。抵抗発熱体の総抵抗（９・１０間の抵抗）の設計値は本実施例・従来例１と同じく24Ωである。なお、上記以外の従来例２の加熱装置及び画像形成装置の構成は、全て本実施例と同じとする。

まず、定着効率について、本実施例と従来例２とを比較してみる。従来例２は、上下流の抵抗発熱体の抵抗値が異なり、単一のトライアックで制御しているため、上下流の抵抗発熱体の発熱比率は抵抗と同じ比率であり、本実施例と同じく2：1となる。すなわち、従来例２は、本実施例でソフト的に実現していた発熱比率をハード的に実現する構成である。発熱比率は本実施例と同じであるから、定着効率も同等である。実際に、本実施例と従来例２で加熱装置の消費電力がほぼ同等になるように、それぞれの加熱体の制御温度を調整し（本実施例と従来例２は加熱体幅方向の温度分布もほぼ同じであるので、同じ制御温度で消費電力が同等になった）、定着性の比較を行ったところ、同等の定着性を示した。

次に、加熱体異常昇温時の破損防止の効果について、比較してみる。従来例２は、上下流の抵抗発熱体の抵抗値が異なり、加熱装置動作時も停止時も常に発熱比率が2：1になってしまうので、図１０で説明したような基板の反りが発生してしまう。よって、従来例２の方が本実施例よりも加熱体は破損しやすく、異常時の絶縁耐圧確保に対するマージンは少ない。

図８は従来例３の加熱体の正面図である。従来例３は上下流の抵抗発熱体の幅を変えることで、従来例２と同じくハード的に発熱比率が上流側大の構成を実現している。上流側の抵抗発熱体１７aの幅Dは1.1mm、下流側の抵抗発熱体１７bの幅Eは2.1mmとし、発熱体間距離B、基板端から発熱体端までの距離Cは本実施例等と同じく、それぞれ0.8mm、1.5mmとした。従来例１・２と同じく、抵抗発熱体１７a・１７bは電気的に直列に接続されており、単一のトライアックで制御している。また、抵抗発熱体１７a・１７bは同じ体積抵抗の材料を用いており（本実施例と同じく銀パラジウムペーストを用いているが体積抵抗は異なる）、各々の常温における抵抗値の設計値は幅が異なるので、それぞれ15.75Ω、8.25Ωになる。抵抗発熱体の総抵抗（９・１０間の抵抗）の設計値は本実施例等と同じく24Ωである。発熱比率は1.91：1となり、本実施例及び従来例２の2：1とほぼ同じである。なお、上記以外の従来例３の加熱装置及び画像形成装置の構成は、全て本実施例と同じとする。

定着効率に関しては、従来例２の説明で述べたのと同様に、発熱比率がほぼ等しいのでほぼ同等であった。一方、加熱体異常昇温時の破損防止の効果に関しても、従来例３は加熱装置動作時も停止時も常に発熱比率が上流大になってしまうので、従来例２と同様、本実施例よりも異常時の加熱体破損の危険性は高い。

従来例１〜３で、2本の抵抗発熱体を独立に通電制御しない場合のみを述べてきたが、従来例２・３で本実施例のように独立に通電制御したとしても（従来例１で独立制御をすると本実施例と同じになる）、加熱装置停止時において抵抗発熱体が制御不能になり全通電状態になった場合に、加熱体幅方向の温度分布が上下流対称でない状況は同じである。

以上、説明してきた、定着効率・加熱体異常昇温時における破損防止の２点における本実施例と従来例１〜３との比較をまとめると、表１のようになる。

表１において、発熱体パターンが対称とは、形状が上下流対称で抵抗値も上下流で等しいことを意味する。非対称とは、形状が非対称あるいは抵抗値が上下流で異なることを意味する。表１は各構成について、加熱装置動作時の発熱比率と定着効率、加熱装置停止時で抵抗発熱体への通電制御が不能になり全通電状態になった場合の発熱比率と加熱体破損防止の効果を表している。結局、動作時は発熱比率が上流大で、停止時は発熱比率が均等になる本実施例のみが、定着効率向上と異常時の加熱体破損防止とを両立できる構成であることが分かる。

説明を分かりやすくするために、本実施例では上下流の抵抗発熱体の抵抗値は等しいとしてきたが、実際には発熱体ペースト自体の持つ抵抗ばらつきや製造上の発熱体幅・厚さ等のばらつきにより、上下流の抵抗値は公差を持った値となる。本実施例の構成の場合、片方の抵抗発熱体の抵抗値を100％とした場合、もう一方の抵抗発熱体の抵抗値が95％から105％までの範囲内であれば、定着効率向上と異常時の加熱体破損防止との両立が達成できた。上記範囲外であると、加熱体の異常昇温時の破損が速くなり、安全素子を確実に動作させるためのマージンが少なくなった。

（実施例２）
フィルム加熱方式の加熱装置において、加熱体基板の記録材搬送方向の幅を有効に使うために、基板を定着ニップ部内に収め、基板幅全体に抵抗発熱体を設ける構成が考案されている。この構成においては、抵抗発熱体は基板幅全体に設けられているので、抵抗発熱体を定着ニップ部の外に存在させないために、基板全体を定着ニップ内に収める必要がある。

抵抗発熱体の幅は広い方が定着効率は良いが、一般的に抵抗発熱体は銀パラジウム等の高価な材料が用いられるため、抵抗発熱体の幅がコストに与える影響は非常に大きい。よって、できるだけ定着効率の良さを損なわずコストを低減するために、複数本（4〜5本程度）の抵抗発熱体を所定の間隔を空け基板全体に配置する構成が考案され実用化されている。この構成の場合、総発熱体幅は小さくできるのでコストは抑えられ、かつ抵抗発熱体を基板全体に配置できるので、加熱体幅方向の温度分布を均一に近づけることができ定着効率も良い。

本実施例は本発明を上記の構成に適用したものである。図１２に本実施例の加熱装置の概略構成図を示す。図１２に示す通り、本実施例では定着ニップ幅N2の設計中心値を8mmとし、加熱体３の基板幅は実施例１と同じく7mmとした（定着ニップ幅＞基板幅）。本実施例では、加圧力・加圧ローラ硬度等が製造上ふれても、必ず加熱体３が定着ニップ内に収まるように設定している。

なお、本実施例においては、上記の定着ニップ幅N2と基板幅の関係及び後述する加熱体３の構成以外の加熱装置及び画像形成装置の構成は全て実施例１と同じであるとする。

図１１は本実施例における加熱体３の正面図である。図１１においては、簡単のためオーバーコート層８を省略している。本実施例と実施例１との相違点は、抵抗発熱体の形状及び抵抗のみであり、それら以外の基板・オーバーコート層等の形状・材料等は実施例１と同一とし説明を省略する。図１１に示す通り、本実施例では、抵抗発熱体を4本形成しており、上流側に抵抗発熱体１８a・１８bを並列に、下流側に抵抗発熱体１８c・１８dを並列に設けており、更に両者が電気的に並列に接続されている。抵抗発熱体１８a・１８bへの給電は給電用電極９a・１０に対して、抵抗発熱体１８c・１８dへの給電は給電用電極９b・１０に対してなされる。よって、本実施例の抵抗発熱体パターンは、実施例１の抵抗発熱体６a・６bをそれぞれ2本の並列パターンに分割したような形状になっている。発熱体幅A/2は0.8mmで総発熱体幅2Aは3.2mm、発熱体間距離Bは0.8mm、基板端から抵抗発熱体端までの距離Fは抵抗発熱体を可能な限り基板幅全体に配置するために0.7mmとした。なお、抵抗発熱体１８a〜１８dの厚さは約10μmとした。

本実施例では、抵抗発熱体１８a〜１８dは同じ体積抵抗の材料を用いており、各々の常温における抵抗値の設計値は全て96Ωとした。よって、抵抗発熱体全体の合成抵抗（総抵抗）の設計値は実施例１と同じく24Ωになる。

本実施例においても、実施例１の図２で示したものと同じ通電制御回路が備わっており、上流側の抵抗発熱体１８a・１８bと、下流側に抵抗発熱体１８c・１８dへの通電制御は独立に行うことが可能である。本実施例では、上流側の抵抗発熱体１８a・１８bへの通電量と下流側の抵抗発熱体１８c・１８dへの通電量との割合（発熱比率）が2：1になるように、CPU１１及びトライアック１２a・１２bで制御している。この制御により、実施例１で説明したのと同様に、加熱装置動作時に加熱体幅方向の温度分布のピークを加熱体中心付近に位置させることが可能になり、定着効率が向上する。

また、本実施例も抵抗発熱体パターンは上下流対称であり、各抵抗発熱体の抵抗値も等しいため、加熱装置停止時に全通電状態になった場合、加熱体幅方向の温度分布は上下流対称であり、異常時の加熱体破損防止の効果も実施例１と同等である。

本実施例においても、4本中1本の抵抗発熱体の抵抗値を100％とした場合、その他の3本の抵抗発熱体の抵抗値が95％から105％までの範囲内であれば、定着効率向上と異常時の加熱体破損防止との両立が達成できた。上記範囲外であると、加熱体異常昇温時の温度分布のバランスが崩れ、破損までの時間が短くなり、安全素子を確実に動作させるためのマージンが少なくなった。

本発明の実施例１に係る加熱体の正面図 本発明の実施例１に係る加熱体の正面図及び通電制御を行う回路を表す図 本発明の実施例１に係る加熱体の断面図 本発明の実施例１に係る加熱装置の概略構成図 本発明に係るレーザービームプリンタの要部を示す概略構成図 従来例１の加熱体の正面図 従来例２の加熱体の正面図 従来例３の加熱体の正面図 実施例１と従来例１の加熱体幅方向の温度分布を示す図 加熱体基板の熱変形を示す図 本発明の実施例２に係る加熱体の正面図 本発明の実施例２に係る加熱装置の概略構成図

符号の説明

１ ステー
２ 定着フィルム
３ 加熱体（ヒータ）
４ 加圧ローラ
５ 検温素子（外部当接型サーミスタ）
６ 実施例１の抵抗発熱体
７ 加熱体基板
８ オーバーコート層
９・１０ 給電用電極
１１ CPU
１２ トライアック
１３ AC電源
１４ 安全素子（サーモスイッチ）
１５ 従来例１の抵抗発熱体
１６ 従来例２の抵抗発熱体
１７ 従来例３の抵抗発熱体
１８ 実施例２の抵抗発熱体
１０７ 加熱装置
N1・N2 ニップ部
P 記録材
T トナー
ａ 記録材搬送方向

Claims (7)

1. 少なくとも基板と、複数の抵抗発熱体と、抵抗発熱体に給電する電極とからなる加熱体によって被加熱材を加熱する加熱装置において、複数の抵抗発熱体は全て体積抵抗値が等しく、前記複数の抵抗発熱体の被加熱材の搬送方向における形状は、基板の被加熱材の搬送方向における中心線に対して線対称であり、前記複数の抵抗発熱体に対する通電制御が各々独立に行われ、かつ前記複数の抵抗発熱体の発熱比率が各々異なることを特徴とする加熱装置。
2. 少なくとも基板と、複数の抵抗発熱体と、抵抗発熱体に給電する電極とからなる加熱体によって被加熱材を加熱する加熱装置において、複数の抵抗発熱体の体積抵抗値は各々、ある１つの抵抗発熱体の体積抵抗値の95％から105％までの範囲内であり、前記複数の抵抗発熱体の被加熱材の搬送方向における形状は、基板の被加熱材の搬送方向における中心線に対して線対称であり、前記複数の抵抗発熱体に対する通電制御が各々独立に行われ、かつ前記複数の抵抗発熱体の発熱比率が各々異なることを特徴とする加熱装置。
3. 請求項１・２記載の加熱装置において、被加熱材搬送方向において上流側の抵抗発熱体ほど発熱量が多く、下流側の抵抗発熱体ほど発熱量が少なくなるように、通電制御が行われることを特徴とする加熱装置。
4. 請求項１〜３記載の加熱装置において、前記加熱体の基板はセラミックスで形成されていることを特徴とする加熱装置。
5. 請求項４記載の加熱装置において、前記加熱体のセラミックス基板は酸化アルミニウムあるいは窒化アルミニウムを材料とすることを特徴とする加熱装置。
6. 少なくとも、加熱体と、一面を加熱体と接触摺動し他面を被加熱材と接触する耐熱性フィルムと、耐熱性フィルムを駆動し、かつ耐熱性フィルムを介して被加熱材を加熱体に密着させる加圧部材とを有し、加熱体と加圧部材により形成されるニップ部を耐熱性フィルムと被加熱材が一緒に挟持搬送されることにより被加熱材を加熱する加熱装置において、該加熱装置が請求項１〜５の何れか１項に記載の構成であることを特徴とする加熱装置。
7. 記録材上に画像を形成する像形成手段と、該記録材上の画像を加熱する像加熱手段とを有する画像形成装置において、像加熱手段として請求項１〜６の何れか１項に記載の加熱装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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