JP2008203575A - 定着用ヒータとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子写真方式による画像形成装置の定着装置のための発熱体として、耐熱性、熱伝導性および耐磨耗性に優れ、摩擦係数も低い保護層を設け、シームレスのシートを用いない簡略化された定着方式を構成できる新規な定着用ヒータを提供する。
【解決手段】基材と、該基材上に設けられ、アモルファス炭素と該アモルファス炭素中に均一に分散した導電性阻害物質としての金属または半金属化合物とを含む炭素系発熱体層と、該炭素系発熱体層を被覆する、耐熱樹脂体質材中に半金属化合物を混合した保護層とを設け発熱体を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子写真方式による画像形成装置の定着用ヒータおよびその製造方法に関する。

炭素系発熱体を基材上に設け、フィルム加熱定着方式にも用いることのできる複写機の定着用ヒータが本出願人により開示されている（特許文献１）。ところで炭素含有樹脂を焼成して得られるアモルファス炭素とアモルファス炭素中に均一に分散した導電性阻害物質としての金属または半金属化合物とを含む複合炭素材料は、焼成温度等の条件によってＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）からＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）までその温度特性を変えることができることが開示されている（特許文献２）。これらのような炭素系発熱体は、金、銀、パラジウムなど希少な金属資源を用いる必要が無く、熱容量も少ないので、実用化が望まれている。更に、ここでは、炭素系発熱体への炭素化の際、焼成温度を１７００℃未満とすることで、ＮＴＣ特性の発熱体を得ることができることも記載されている。このような発熱体の表面は被加熱物との滑りを良くし発熱体の磨耗を防止するため、ガラス質の保護膜で被覆するのが一般的である（特許文献３）。ガラス質の保護膜を設けようとする場合、５００℃を超える温度でガラス質の物質を溶融させ、発熱体などに密着させる工程を通すこととなり、炭素系発熱体が酸化して、その特性を失ってしまう場合がある。また、保護膜を設けた上で、ポリイミド樹脂等に窒化硼素等の熱伝導フィラーを加えたシームレスのシートを用いる定着方法が知られている（特許文献４）。このような定着方式において、発熱体の保護膜はガラス質のものを用いるのが通例であり、シームレスのシートと同様な樹脂材を用いることは、耐磨耗性に鑑み、忌避されるものである。

国際公開第ＷＯ２００５／１２４４７１パンフレット（請求の範囲等） 特開２００１−１５２５０ 特開平４−１４７５９５（特許請求の範囲等） 特開２００６−２６７２３５（発明の詳細な説明

段等）

本発明の目的は、電子写真方式による画像形成装置の定着装置のための発熱体として、耐熱性、熱伝導性および耐磨耗性に優れ、摩擦係数も低く、及び絶縁性にも優れた保護層を設けた、新規な定着用ヒータを提供することにある。

本発明によれば基材と、該基材上に設けられ、アモルファス炭素を含む炭素系発熱体層と、該炭素系発熱体層を被覆する、耐熱樹脂体質材中に金属または半金属化合物を混合した保護層とを具備する定着用ヒータが提供される。

前記保護層の耐熱樹脂体質材はイミド骨格を持つ樹脂を含む樹脂材が好ましい。また前記保護層に含まれる金属または半金属化合物は窒化硼素あるいは酸化珪素が好ましい。

本発明の定着用ヒータは、炭素含有樹脂を炭素化し、該炭素化物の層を基材上に設け、該基材上に設けられた該発熱体層を不活性雰囲気中で焼成して前記炭素含有樹脂を炭素化するステップと、金属または金属半金属化合物と、耐熱樹脂体質材のモノマーを含む混合物とを均一に混合し保護層用混合物とし、該保護層用混合物の層を該発熱体層上に被覆するように設け、該保護層用混合物を熱するステップをさらに具備する方法により製造することができる。

本発明の定着用ヒータは導体の主成分が炭素であるので、熱容量が小さく昇温および放冷に要する時間が短く、装置のウォーミングアップ時間を短縮できるという定着用ヒータとして優れた特性を備えている。発熱体層の導体はアモルファス炭素を主体としているので軽量かつ耐摩耗性に優れているが、更に、金属または半金属化合物と、耐熱樹脂体質材とを混合したもので、該発熱体層を被覆し、焼成した保護層を設けているので、耐熱性および熱伝導性に優れ、摩擦係数が低く、耐摩耗性および絶縁性に一層優れている。

前記基材上に前記発熱体層、あるいは、前記保護層を設けるには、例えばスクリーン印刷の手法により行う。基材上あるいは発熱体層上に、発熱体層用混合物あるいは保護層用混合物の層を設けて焼成する代わりに、薄板状に形成したそれぞれの混合物の板を焼成した後、粘着材等により基材上あるいは発熱体層上に貼り合わせるようにしても良い。

本発明の定着用ヒータにおいて、基材上に設けられる発熱体層および保護層のパターンの例を図１〜９に示す。図１の例では、基材１上に発熱体層３が直線状に設けられ（図示せず）、その両端に電極２が設けられており、発熱体層の更に上に保護層４が構築されており、発熱体層の周縁部をも被覆している。図２は、図１のＡ−Ａ線での断面図であり、ここでは発熱体層３の表面全て（周縁部も含む）を保護層４が被覆している。

図３の例では、発熱体層３がＵの字状に形成され、基材１上を一往復する。保護層４は発熱体層３をはみ出して覆うようになっている。図４は、図３の例に保護層４を設けた時のＢ−Ｂ線での断面図であり、保護層４は発熱体層３をはみだし、基材１まで被覆している。発熱体層３を覆う部分の保護層４は、そうではない部分と比較して突出することとなっている。

図５では、発熱体の幅を場所により変えて温度分布を制御する例を示す。図５自体は発熱体層３の表面を覆うべき保護層４が無い状態を示している。符号５で示すスペーサを、複数の発熱体層の間に設けている。また符合６で示す封止体が発熱体層３が露出する周縁部に設けられている。図６は、図５の例に保護層４を設けた時のＣ−Ｃ線での断面図であり、スペーサにより、発熱体層３の上の保護層４が突出することが無いことを示している。

図７の例は、発熱体層を上から見た形状は図３に示す例と同一であるが、基材１に溝を穿ち、該溝部に発熱体層３となる混合物を流し込んで焼成するか、該溝部に嵌るような形状の発熱体層３を嵌め込み、発熱体層３と基材１が面一となるように構成し、更にその上から保護層４を、基材１全体を覆うように被せたものである。図８は、図７におけるＤ−Ｄ線の断面図である。更に図９においては、発熱体層３を収める溝部の他、保護層４を収める溝部を、その上に設け、保護層４と基材１とを面一になるように構成させた発熱体の断面図である。

前述の発熱体層に使用する金属或いは半金属化合物とは一般に入手可能な金属炭化物、金属硼化物、金属珪化物、金属窒化物、金属酸化物、半金属窒化物、半金属酸化物、半金属炭化物等が挙げられる。使用する金属或いは半金属化合物種、および、量は、目的とする発熱体の抵抗値・形状により適宜選択され、単独でも二種以上の混合体でも使用することができるが、抵抗値制御の簡易さから、特に炭化硼素、炭化珪素、窒化硼素、酸化アルミおよび酸化珪素を使用することが好ましく、炭素の持つ優れた特性を堅持するために、その使用量は、その使用量は９０％以下が好ましい。

前述の発熱体層に使用する炭素含有樹脂としては、具体的には、ポリ塩化ビニル、ポリアクリルニトリル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体、ポリアミド等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド等の熱硬化性樹脂、リグニン、セルロース、トラガントガム、アラビアガム、糖類等の縮合多環芳香族を分子の基本構造内に持つ天然高分子物質、及び前記には含有されないナフタレンスルホン酸のホルマリン縮合物、コブナ樹脂等の縮合多環芳香族を分子の基本構造内に持つ合成高分子物質が挙げられる。特にポリ塩化ビニル樹脂、フラン樹脂を使用することが好ましく、炭素の持つ優れた特性を堅持するために、その使用量は、その使用量は１０％以上が好ましい。

前記発熱体層の抵抗値を調整するために炭素化された前記樹脂層に黒鉛を混合することが好ましく、その量は所望の抵抗値に応じ適宜調整することができる。

前述の保護層に使用する金属或いは半金属化合物は、発熱体層に使用できるものと、ほぼ同じものが使用でき、特に炭化硼素、炭化珪素、窒化硼素、酸化アルミおよび酸化珪素を使用することが好ましいことも同様である。使用量については耐熱性、熱伝導性、摩擦係数、絶縁性および耐摩耗性などを考慮し適宜決定できるものであるが、５％以上６０％以下が好ましく、更に好ましくは２０％以上５０％以下が好ましい。５％未満の場合、保護層の摩擦係数が高くなる等の問題があり、６０％を越える場合、保護層の成形が困難となり好ましくない。

前述の保護層に使用する耐熱性樹脂としては一定の耐熱性を有する樹脂であれば何でも使用可能である。具体的には、ポリアミドイミド樹脂、芳香族ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリイミダゾール等の樹脂を含む樹脂材が挙げられる。好ましくはポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂を含む樹脂材が用いられ、その使用量は４０％以上が好ましい。

（実施例１）フラン樹脂（日立化成工業株式会社製）７０部と窒化硼素（信越化学工業株式会社製 平均粒径６μｍ）３０部を充分に分散、混合して、平板作成用液状材料（発熱体層用）を得た。これをアルミナ基板上にスクリーン印刷して基板上にグリーンシートを作成した。これを、熱硬化処理を行い、さらに不活性雰囲気中１０００℃で焼成して、アルミナ基板上に炭素系の発熱体層を得た。次に、ポリアミドイミド樹脂（ＨＰＣ−９１００ 日立化成工業株式会社製）１０重量部に窒化硼素（同上）４重量部を分散、混合して、平板作成用液状材料（保護層用）を得た。これを該発熱体層を周縁部も含め被覆するように１０μｍの厚みでスクリーン印刷を行った後、４００℃で熱硬化（イミド化）処理を行い、該発熱体層の上に保護層を得た。得られた炭素系発熱体層は厚み０．１ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ３００ｍｍ、冷間で４×１０^−３Ω・ｃｍの値を有するＮＴＣ特性を持つ発熱体であった。

（実施例２）塩素化塩化ビニル樹脂（日本カーバイド工業株式会社製 Ｔ−７４１）３３重量部に天然黒鉛微粉末（日本黒鉛工業株式会社製 平均粒径５μｍ）１重量部、窒化硼素（信越化学工業株式会社製 平均粒径２μｍ）６７重量部に対し、可塑剤としてジアリルフタレートモノマー２０重量部を添加して、ヘンシェルミキサーを用いて分散した後、表面温度を１２０℃に保ったミキシング用二本ロールを用いて十分に混練を繰り返して組成物を得、ペレタイザーによってペレット化し、成形用組成物を得た。このペレットをスクリュー型押出機で押し出し成形し、これを２００℃に加熱されたエアオーブン中で５時間処理してプレカーサー（炭素前駆体）板材とした。次に、これを不活性雰囲気中１０００℃で焼成し、板状の炭素系発熱体を得た。

得られた炭素系発熱体層は厚み０．３ｍｍ、幅６ｍｍ、冷間で４０×１０^−３Ω・ｃｍの値を有するＮＴＣ特性を持つ発熱体であった。この炭素系発熱体を３００ｍｍの長さに切断し、アルミナ基板上に設置し発熱体層とし、端部に電気供給用の電極を設けた。次に、ポリアミック酸シリカ−ハイブリッド（コンポラセン（登録商標）Ｈ８０１Ｄ 荒川化学工業株式会社製）１０重量部に窒化硼素（同上）６重量部を分散、混合して、平板作成用液状材料（保護層用）を得、これを該発熱体層を覆うよう２０μｍの厚みとなるように塗布を行った後、４００℃で熱硬化処理（イミド化）を行い、該発熱体層と基板の上に保護層を得た。

（実施例３）実施例２の炭素系前駆体を真空中２０００℃で焼成し、板状の炭素系発熱体を得た。得られた炭素系発熱体層は厚み０．３ｍｍ、幅３ｍｍ、冷間で４×１０^−３Ω・ｃｍの値を有するＰＴＣ特性を持つ発熱体であった。アルミナ基板に発熱体と電極を嵌め込むのに必要な溝を穿ち、該溝部に該発熱体と電極を嵌め込み、該基板と該発熱体が面一となるように調整した。次に、酸化珪素含有イミドワニス（コンポラセン（登録商標）Ｈ７００ 荒川化学工業株式会社製）１０重量部に窒化硼素（同上）１０重量部を分散、混合して、平板作成用液状材料（保護層用）を得、これを該電極を除く基板を完全に覆うように１０μｍの厚みでスクリーン印刷を行った後、４００℃で熱硬化（イミド化）処理を行い、該発熱体層の上に保護層を得た。

（実施例４）フラン樹脂（日立化成工業（株）製）６０部と黒鉛微粉末（日本黒鉛製 平均粒径３μｍ）４０部を充分に分散、混合して、平板作成用液状材料（発熱体層用）を得た。これをアルミナ基板上にスクリーン印刷して基板上にグリーンシートを作成した。これを、熱硬化処理を行い、さらに不活性雰囲気中１０００℃で焼成して、アルミナ基板上に炭素系の発熱体層を得た。次に、イミドワニス（コンポラセン（登録商標）Ｈ８００Ｄ 荒川化学工業株式会社製）１０重量部に窒化硼素（信越化学工業株式会社製 平均粒径６μｍ）４重量部を分散、混合して、平板作成用液状材料（保護層用）を得た。これを該発熱体層を覆うように１０μｍの厚みでスクリーン印刷を行った後、４００℃で熱処理を行い、該発熱体層の上に保護層を得た。得られた炭素系発熱体層は厚み０．１ｍｍ、幅４ｍｍ、長さ３００ｍｍ、冷間で０．４×１０^−３Ω・ｃｍの値を有するＮＴＣ特性を持つ発熱体であった。

（比較例）実施例１〜４の保護層の代わりにポリアミドイミド樹脂（ＨＰＣ−９１００ 日立化成工業株式会社製）のみからなる保護層を設け、それぞれ比較例１〜４とした。これらの実施例、比較例について下記の項目について評価を行った。更に保護層を設けず構成した実施例１〜４に対応する発熱体を作成し、それぞれ比較例５〜８とした。これらの比較例については下記熱伝導性は評価を行わなかった。

各項目の評価については下記の方法通り行った。
（１）動摩擦係数：ステンレス球（直径３／１６インチ）３個を２５度、６０ＲＨ％条件下で３．０ｍｍ／ｓｅｃ．の速度で発熱体表面を移動させ、動摩擦力を測定し、動摩擦係数を算出した。
（２）熱伝導性：トナー（ｉｍａｇｉｏ Ｐトナー タイプ７ 株式会社リコー製）を散布した紙面に各発熱体を押し当て、発熱体層に導通を行ってから１０秒後のトナーの定着状況を観察し下記の通りランク付けを行い評価した。
○…ほとんどのトナーが完全に定着していた。
△…定着していないトナーがあった。
×…ほとんどのトナーは定着していなかった。
（３）耐磨耗性：動摩擦係数の測定と同様、各発熱体上をステンレス球（直径３／１６インチ）３個を２５度、６０ＲＨ％条件下で３．０ｍｍ／ｓｅｃ．の速度で擦った時の擦過痕の有無、状態を実体顕微鏡により観察し比較し、下記の通りランク付けを行い評価した。
○…擦過痕がほとんど見られない。
△…擦過箇所の擦過痕が５本以内である。
×…擦過箇所の擦過痕が５本を越えて見られる。
以上のように、測定、観察を行った結果を下記表１〜３に記載した。

上記表１〜３の比較から明らかなように、実施例１〜４の発熱体は、対応する各比較例に比べて摩擦係数が低く、熱伝導性に優れ、更に紙面への擦過に対して磨耗量が少ない発熱体であることが分かる。

本発明によれば、電子写真方式による画像形成装置の定着装置のための発熱体として耐熱性、熱伝導性および耐磨耗性に優れ、摩擦係数も低い保護層を設けた新規な定着用ヒータが提供され、その結果、シームレスのシートを用いない簡略化された定着方式を構成できる。

発熱体の第１の例を示す図である。 図１におけるＡ−Ａ線での横断面図である。 発熱体の第２の例を示す図である。 図３におけるＢ−Ｂ線での横断面図である。 発熱体の第３の例を示す図である。 図５におけるＣ−Ｃ線での横断面図である。 発熱体の第４の例を示す図である。 図７におけるＤ−Ｄ線での横断面図である。 発熱体の第５の例を示す横断面図である。

符号の説明

１ 基材
２ 電極
３ 発熱体層
４ 保護層
５ スペーサ
６ ストッパ

Claims (12)

1. 基材と、
   該基材上に設けられ、少なくともアモルファス炭素を含む炭素系発熱体層と、
   該炭素系発熱体層を被覆する、耐熱樹脂体質材中に金属または半金属化合物を混合した保護層とを
   具備する定着用ヒータ。
2. 前記炭素発熱体層が、アモルファス炭素中に均一に分散した導電性物質としての黒鉛とを含む請求項１記載の定着用ヒータ。
3. 前記炭素系発熱体層に導電阻害物質としての金属または半金属化合物とを含む請求項１記載の定着用ヒータ。
4. 前記保護層に含まれる耐熱樹脂体質材はイミド骨格を持つ樹脂を含む樹脂材である請求項１記載の定着用ヒータ。
5. 前記保護層に含まれる半金属化合物は窒化硼素である請求項１記載の定着用ヒータ。
6. 前記発熱体層に含まれる半金属または半金属化合物は窒化硼素を含む請求項３記載の定着用ヒータ。
7. 負の温度抵抗特性を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の定着用ヒータ。
8. 保護層表面の摩擦係数が０．１以上２．０未満である請求項１〜７のいずれか１項記載の定着用ヒータ。
9. 炭素含有樹脂の炭素化後、該炭素化された炭素含有樹脂の層を基材上に設け、
   発熱体層とし、
   該基材上に設けられた該発熱体層を不活性雰囲気中で焼成して前記炭素含有樹脂を炭素化するステップと、
   金属または半金属化合物と、耐熱樹脂体質材のモノマーを含む混合物を均一に混合し保護層用混合物とし、
   該保護層用混合物の層を該炭素化された発熱体層上を被覆するように設け、
   該保護層用混合物を焼成するステップとを具備する定着用ヒータの製造方法。
10. 前記炭素含有樹脂の炭素化後に、
    導電性物質となり得る黒鉛、或いは、導電阻害物質となり得る金属または半金属化合物を均一に混合し発熱体層用混合物とし、発熱体層用混合物を製造するステップを更に具備する請求項９記載の定着用ヒータの製造方法。
11. 前記保護層混合物に窒化硼素を混合するステップをさらに具備する請求項９または１０記載の定着用ヒータの製造方法。
12. 前記保護層被覆後の焼成は５００℃以下の温度で行われる請求項９〜１１のいずれか１項記載の定着用ヒータの製造方法。

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