JP2008170886A - 発熱体と画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】急速加熱時の発熱体の割れを防止し、画像形成装置を高速化する。
【解決手段】画像形成装置において、記録媒体に転写された未定着トナー像を定着させる定着器に用いられる発熱体３０として、一方向に湾曲した形状の発熱体３０を用いる。湾曲形状の発熱体３０に働く残留応力Ｆ１およびＦ２は、発熱時における熱応力Ｆ３およびＦ４を減少させる作用があるため、発熱体３０の割れが防止され、急速加熱が可能となる。したがって、このような発熱体３０を備えた画像形成装置は、立ち上がり時間が短縮され、高速化を図ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、発熱体と画像形成装置に関する。

一般に、複写機やプリンタ、ファクシミリ等の電子写真法や静電記録方式を用いた画像形成装置では、記録媒体上にトナーを転写し、この記録媒体を加熱された定着ベルトと加圧ローラとの間に通過させることにより、前記未定着トナーを記録媒体に定着させている。

近年、画像形成装置の性能を向上させる動向として、印刷信号の着信から印刷開始までの時間を短縮する技術や、印刷速度を高速化させる技術、印刷待機状態で電力を節約する技術等が開発されている。

前記のような性能向上を図る上で、定着ベルトに熱エネルギーを供給する発熱体が備えるべき条件として、短時間に必要な温度まで発熱すること、定着ベルトに供給する単位時間あたりの熱エネルギーが大きいこと、が考えられる。このような発熱体として、特許文献１では曲面状の金属基板を用いた発熱体が、特許文献２ではセラミックスのグリーンシートを積層して得られる平板セラミックス基板を用いた発熱体が、それぞれ提案されている。
特開２００３−８４６０３号公報 特開平０７−１０４５９２号公報

特許文献１に示された曲面金属基板を用いる発熱体では、瞬時に基板が加熱されるように金属基板の熱容量を小さくする必要があり、このために金属基板の肉厚を薄くする必要がある。しかしながら、肉厚を薄くした金属基板は剛性が低下するために、加圧ローラによって十分なニップ圧を加えることができない。そのため、金属基板を支持する部材が必要となり、実際の熱容量が大きくなることから、発熱体が所定の温度に達するまでの時間が長くなる不都合がある。

そのため、例えばセラミックス基板のような剛性が高い材料を基板に用い、少ない支持部材で発熱体を構成する方法が、熱容量を小さくできる点において優れている。しかしながら、特許文献２で示されている平板セラミックス基板を用いた発熱体では、その端部が階段状になっていることから、基板のへりにおいて基板と記録媒体が接触することになり、基板のへりが欠損することや、記録媒体が破損することが懸念される。また、基板のへりを介して記録媒体へ熱伝達を行うと、記録媒体と基板の接触面積が小さいために、伝達できる熱エネルギーが少なくなる不都合がある。

また、セラミックス基板を用いた発熱体を急速加熱させると、セラミックス基板に発熱部を配置した面とその対になる面との間に温度差が生じ、高温側の面に大きな引張応力が生じてしまう。一般に、セラミックスは引張強度が低く、前記のような引張応力を受けると、割れ等の破損が生じる可能性が高くなる。したがって、平板セラミックス基板を用いた発熱体は、耐久性が低くなってしまう。

本発明は、前記の課題を解決するためになされたもので、予熱時間が短く、しかも、割れ等の破損が防止されたことで耐久性が向上した発熱体と、この発熱体を備えた画像形成装置と、を提供することを目的とする。

本発明の発熱体は、加熱した定着用熱媒体を周回させて記録媒体上の未定着トナーに当接させ、この記録媒体に前記未定着トナーを定着させる定着器に用いられて、前記定着用熱媒体を加熱する発熱体であって、
前記定着用熱媒体を周回させる方向に沿って弓形に湾曲してなる絶縁性のセラミックス基板と、
前記セラミックス基板の凸面側に設けられた抵抗発熱部と、を備えたことを特徴とする。

この発熱体のセラミックス基板は、例えば湾曲した状態で焼成され形成されることにより、凸面側には圧縮応力が、凹面側には引張応力が、それぞれ残留応力として働いたものとなる。また、使用時に、抵抗発熱部に電力を供給して、発熱体を例えば急速加熱した際には、抵抗発熱部を配置した凸面側は凹面側よりも高温になるため、凸面側には引張応力が、凹面側には圧縮応力が、それぞれ熱応力として働く。この熱応力と前記残留応力は反対方向に作用する力であるため、前記残留応力は前記熱応力を減少させるように作用する。この作用により、急速加熱時等におけるセラミックス基板の割れが防止される。

また、前記発熱体は、その凸面側を定着用熱媒体との当接面とすれば、当接面側に抵抗発熱体が設置されているため、定着用熱媒体をより効率的に加熱することができ、したがって定着用熱媒体を急速加熱することができる。

また、前記発熱体における前記セラミックス基板は、グリーンシートを一方向に弓形に湾曲させ、その湾曲状態で焼成して得られたセラミックス基板であることが好ましい。
このようにすれば、セラミックス基板が、前記残留応力を安定して有するものとなる。

また、前記発熱体は、抵抗発熱部を覆って、絶縁膜が設けられていることが好ましい。
このようにすれば、例えば抵抗発熱部が配置された面を定着用熱媒体に当接させた場合でも、定着用熱媒体の材料として、導電性材料を用いることができる。したがって、定着用熱媒体の材料として、例えば金属を用いた場合、金属は熱伝導率が高いため、定着用熱媒体への熱伝導効率を高めることができ、これにより、定着用熱媒体への伝熱時間を短くすることができる。

また、本発明の発熱体に用いられるセラミックス基板は、アルミナからなっていることが好ましい。
このようにすれば、アルミナが一般的な材料であるため、材料コストを比較的安価にすることができる。

また、前記抵抗発熱部は、前記セラミックス基板が湾曲する方向に直交する方向に沿って配設されていることが好ましい。
このようにすれば、抵抗発熱部が、定着用熱媒体の幅方向に一致して延在するため、定着用熱媒体を幅方向に均一に加熱することができ、効率的な熱伝達を行うことができる。

本発明の画像形成装置は、前記発熱体を有した定着器を備えたことを特徴とする。
本発明の画像形成装置によれば、割れ等の破損が防止され、しかも、熱伝導率に優れた発熱体を備えているので、高い耐久性を備えつつ、短い立ち上がり時間で印刷を開始することができるものとなる。

以下に本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る画像形成装置の全体構成を説明する図である。画像形成装置は、画像形成部と、現像部と、転写部と、給紙部と、定着部と、から構成されており、本発明の発熱体は定着部に用いられている。

画像形成部は、像担持体である感光体１、感光体１を一様に帯電する帯電ローラ２、一様帯電した感光体１に静電潜像を形成する露光器３等から構成されている。
現像部は、現像ロータリー４内に配置されたイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色現像器５から構成されており、ロータリーの回転により各色現像器５が順次感光体１に当接して感光体１上の静電潜像を現像する。

感光体上のトナー像は、一次転写位置において感光体１に当接する中間転写ベルト６に転写される。中間転写ベルト６は、駆動ローラ７、従動ローラ８間に渡って張架されている。一次転写位置において転写された中間転写ベルト６上のトナー像は、駆動ローラ７と対向して二次転写ローラ９が配置された二次転写部１０において、用紙上に二次転写される。
用紙は、給紙カセット１１、搬送経路１２を通って二次転写部に搬送され、二次転写後、定着部に搬送され、定着器１３によって定着トナー像が定着される。両面印字の場合には、用紙は定着後に反転して両面印字時搬送経路１４を経由して再度二次転写部１０へ搬送されて裏面への記録が行われる。

図２は、図１における定着器１３を詳細に示した図である。定着器１３は、定着用熱媒体である定着ベルト２０と、本発明の一実施形態である発熱体３０と、押圧部材４０と、加圧ローラ５０と、から構成されている。
本実施形態は、発熱体３０が定着ベルト２０の内側に設置された例である。発熱体３０と押圧部材４０とは、ばね等の付勢手段（図示せず）により、互いに離れる方向に押し広げられている。また、定着ベルト２０は、発熱体３０と押圧部材４０との間に架け渡されており、発熱体３０と押圧部材４０とに押し広げられることにより、定着ベルト２０は張力を有するものとなっている。この張力は定着ベルト２０を発熱体３０に押し付けるように作用するため、発熱体３０の熱を効率的に定着ベルト２０に伝達することができるようになっている。また、このような張力が働いているため、定着ベルト２０は、たるみを生じることなく、発熱体３０と押圧部材４０との間を、引掛かることなく周回するようになっている。
加圧ローラ５０は、外部の駆動力（図示せず）によって駆動される。加圧ローラ５０と定着ベルト２０との間には摩擦力が働いており、この摩擦力に駆動されて定着ベルト２０は周回する。

定着ベルト２０は、例えば、寸法が周長９５〜１６０ｍｍ であり、厚さ３０〜５０μｍのＰＩ（ポリイミド）等の耐熱性樹脂フィルムや、厚さ２０〜４０μｍのＳＵＳやＮｉ、Ｆｅ等の金属製基材の表層に、必要に応じて、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂が設けられたものが用いられる。
押圧部材４０は、ＰＰＳ（ポリフェニルスルファイド）やＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＩ等の耐熱性樹脂から形成されており、表面には定着ベルト２０の内面との摩擦力を低減するためにＰＴＦＥやＰＦＡなどのフッ素樹脂層を有することもある。
加圧ローラ５０は、金属製のパイプの表層に1〜５ｍｍ程度の弾性層を有し、さらに表層にＰＦＡやＰＴＦＥ等のフッ素樹脂層が設けられている。

図３(a)は、図２における発熱体３０の構成を示した斜視図である。発熱体３０は、一方向に湾曲したセラミックス基板３１と、セラミックス基板３１の凸面上に配置された抵抗発熱部３２と、抵抗発熱部３２を覆う絶縁膜３３と、抵抗発熱部３２に電力を供給する電極３４と、から構成されている。発熱体３０の寸法としては、例えば、湾曲方向に沿った断面において、弧長が１０ｍｍ程度、厚さが１ｍｍ程度、局率半径が７．５ｍｍ程度であって、湾曲方向に直交する長手方向の長さが３００ｍｍ程度である。

図３(b)は、発熱体３０を凸面側から見た平面図である。平面視すると、セラミックス基板３１は湾曲方向を短辺とする矩形となっている。セラミックス基板３１は、例えば、平面状に成形したグリーンシートをアルミナパイプ外周面等の湾曲面に押し当てた状態で１５００℃程度の温度にて焼成し、端部を切り落すことで形成される。このようにして得られたセラミックス基板３１には、図３(c)に示されるような、湾曲面の凸面側には圧縮応力Ｆ１が、凹面側には引張応力Ｆ２が、それぞれ残留応力として働いている。また、セラミックス基板３１は、高い剛性を有する部材であり、抵抗発熱部３２と絶縁膜３３、電極３４を支持し、発熱体３０として要求される強度を確保することができる。したがって、発熱体３０を小さなものとすることができ、発熱体３０の熱容量を小さくすることができる。よって、セラミックス基板３１を用いた発熱体３０は、急速加熱が可能なものとなる。

前記グリーンシートの一例としては、アルミナ微粒砕に、結合剤としてポリビニールブチラール、可塑剤としてポリエチレングリコールとフタール酸オクチル、解膠剤としてメンヘーゲン油、溶媒としてトリクロロエチレンおよびエチルアルコールなどを加え、混合粉砕を行い成形したものがある。実施形態では、このようなアルミナを材料としたセラミックス基板３１が好適に用いられる。このようにすれば、アルミナが一般的な材料であるため、材料コストを比較的安価にすることができる。

抵抗発熱部３２は、セラミックス基板３１の凸面側に設けられており、図３(b)に示されるような、セラミックス基板３１の長手方向に延設されてなる２つの線状部と、それらを連結する部分と、から構成される。抵抗発熱部３２は、セラミックス基板３１の凸面側に、例えば、抵抗発熱体である銀パラジウム抵抗体をスクリーン印刷し、９００℃程度の温度にて焼成することで形成される。
電極３４は、抵抗発熱部３２の端部に、例えば、銀や白金等の良導電性材料をスクリーン印刷することで形成される。
抵抗発熱部３２を前記のような形状にすることによって、その端部に形成された一対の電極３４は、互いに近い位置に設置することができ、電源（図示せず）から電極３４への配線を簡略化することができる。
また、抵抗発熱部３２の長手方向に延設された線状部は、定着ベルト２０の幅方向に延在するため、定着ベルト２０を幅方向に均一に加熱することができ、効率的な熱伝達を行うことができる。

絶縁膜３３は、例えばＰＩのような絶縁性の樹脂や低融点ガラス等を、発熱抵抗部３２を覆うようにスクリーン印刷し、例えばＰＩを用いた場合には２８０℃程度の温度で、焼成することにより形成される。絶縁膜３３は、抵抗発熱部３２と定着ベルト２０とが通電することを防止するため、定着ベルト２０の材料として、例えば、ＳＵＳやＮｉ、Ｆｅ等の導電性金属を用いることができ、これらの金属は熱伝導率が高いため、定着ベルト２０を急速加熱することが可能となる。

次に、以上のような構成を持つ発熱体３０を備えた定着器１３の使用方法について説明する。

画像形成装置が待機状態にある場合、一般に、定着ベルト２０の温度はトナー溶融に必要な温度よりも低くなっている。画像形成装置が印刷命令を受信すると、定着器３０の電極３４から抵抗発熱部３２に、所定の電力が供給され、抵抗発熱部３２は予熱を開始する。このとき、抵抗発熱部３２が急速に発熱され、その熱が定着ベルト２０に効率的に伝達されるほど、予熱時間が短縮される。

抵抗発熱部３２が急速に発熱すると、抵抗発熱部３２が設置されたセラミックス基板３１の凸面側は急速に温度が上昇し、凹面側よりも温度が高くなる。そのため、セラミックス基板３１には、図３(c)に示されるように、凸面側には引張応力Ｆ３が、凹面側には圧縮応力Ｆ４が、それぞれ熱応力として働く。一般にセラミックスは引張耐性が低い材料であるため、この熱応力の引張応力Ｆ３は、セラミックス基板３１の割れを生じさせる原因となる。ところが、本発明の発熱体３０によれば、熱応力Ｆ３は前記残留応力Ｆ１と、熱応力Ｆ４は前記残留応力Ｆ２と、それぞれ反対方向に作用する応力であり、前記残留応力は熱応力を減少させる作用がある。この作用によって、熱応力の引張応力Ｆ３がセラミックス基板の破断限界値を下回るようになるため、セラミックス基板３１の割れが防止される。

抵抗発熱部３２が発熱するとその熱エネルギーは、絶縁膜３３を介して、定着ベルト２０が発熱体３０に当接する部分に伝わり、この当接部が加熱される。本発明の発熱体３０は、抵抗発熱部３２を凸面側に備えており、本実施形態のように、前記凸面側において定着ベルト２０と当接する構成とすれば、定着ベルト２０への熱伝導を効率的に行うことができる。よって、定着ベルト２０を急速に加熱することができる。また、発熱体３０は湾曲面において定着ベルト２０と当接するため、定着ベルト２０が発熱体３０のへりを摺ることがない構成を可能とし、定着ベルト２０の破損を防止できるものとなっている。

発熱体３０が定着ベルト２０を加熱する際に、加圧ローラ５０は外部の駆動力によって回転しており、加圧ローラ５０と定着ベルト２０との間に働く摩擦力によって、定着ベルト２０は周回している。加熱された前記当接部は、定着ベルト２０の周回運動によって、発熱体３０から離れ、押圧部材４０と加圧ローラ５０とから構成されるニップ部へと搬送される。これと同時に、定着ベルト３０の未加熱部が前記当接部へと搬送されてきて、加熱される。このようにして、定着ベルト３０は周方向に順次加熱されて、所要の温度に達する。

定着ベルト２０が十分に加熱されると、前記ニップ部に、未定着トナーを転写された用紙６０（記録媒体）が搬送される。ニップ部では、押圧部材４０と加圧ローラ５０との間に用紙６０を挟持し、用紙６０に、加熱された定着ベルト２０を押し当てる。このようにして、用紙６０に転写された未定着トナーは、定着ベルト２０の熱エネルギーによって加熱溶融され、ニップ部から排出される際に放熱凝固し、用紙６０に定着する。

このような発熱体３０にあっては、急速発熱時の割れが防止され、定着ベルト２０を短時間のうちに加熱することができるものとなる。したがって、この発熱体３０を備えた定着器１３は、予熱時間が短いものとなる。
また、画像形成装置にあっては、前記発熱体３０を備えることにより、耐久性が向上し、しかも、印刷命令を受信してから短時間に印刷を開始でき、高速印刷ができるものとなる。

本発明の発熱体３０に通電し、急速加熱させたところ、本発明の発熱体３０は従来の平板状発熱体よりも割れ等の破損を生じにくいことが確認された。また、本発明の発熱体３０を備えた定着器１３において、通電加熱させたところ、従来の発熱体を備えた定着器よりも、定着ベルト２０が所要の温度に達するまでの時間が短縮されることが確認された。また、本発明の発熱体３０を備えた定着器１３に、作動させた状態で、連続的に通紙を行ったところ、定着ベルトに温度降下を生じることがなく、発熱体から定着ベルトへ効率的に熱エネルギーが供給されていることが確認された。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。実施形態では、アルミナを材料としたセラミックス基板３１を例としたが、窒化アルミや窒化ケイ素等を材料としてもよい。また、絶縁膜３３を備えた発熱体３０を例としたが、定着ベルト２０が絶縁性を有する場合には、絶縁膜３３を設けなくてもよい。また、定着用熱媒体としては、定着ベルト２０を用いてもよいし、定着ロールを用いてもよい。また、電極３４と抵抗発熱部３２の構成としては、例えば、セラミックス基板３１の両端にそれぞれ電極３４を配置し、それらを連結するように抵抗発熱部３２を設けてもよい。また、発熱体３０の寸法は、必要な発熱量や、定着器の寸法に応じたものとしてよい。

本発明の実施形態として画像形成装置の全体構成を示す図である。 トナー定着器の構成を示す図である。 発熱体の、(a)は斜視図、(b)は平面図、(c)は(a)のＡ-Ａ矢視断面図である。

符号の説明

１ 感光体、２ 帯電ローラ、３ 露光機、４ 現像ロータリー、５ 現像機、
６ 中間転写ベルト、７ 駆動ローラ、８ 従動ローラ、９ 二次転写ローラ
１０ 二次転写部、１１ 給紙カセット、１２ 搬送経路、１３、定着器
１４ 両面印刷時搬送経路
２０ 定着ベルト（定着用熱媒体）、３０ 発熱体、４０ 押圧部材、
５０ 加圧ローラ、６０ 用紙（記録媒体）
３１ セラミックス基板、３２ 抵抗発熱部、３３ 絶縁膜、３４ 電極

Claims (6)

1. 加熱した定着用熱媒体を周回させて記録媒体上の未定着トナーに当接させ、この記録媒体に前記未定着トナーを定着させる定着器に用いられて、前記定着用熱媒体を加熱する発熱体であって、
   前記定着用熱媒体を周回させる方向に沿って弓形に湾曲してなる絶縁性のセラミックス基板と、
   前記セラミックス基板の凸面側に設けられた抵抗発熱部と、を備えたことを特徴とする発熱体。
2. 前記セラミックス基板は、グリーンシートを一方向に弓形に湾曲させ、その湾曲状態で焼成して得られたセラミックス基板であることを特徴とする請求項１に記載の発熱体。
3. 前記抵抗発熱部を覆って、絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の発熱体。
4. 前記セラミックス基板は、アルミナからなっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発熱体。
5. 前記抵抗発熱部は、前記セラミックス基板が湾曲する方向と直交する方向に沿って配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の発熱体。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の前記発熱体を有した定着器を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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