JP2011075980A - サーモスイッチ及び像加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サーモスイッチをどのようなレイアウトで使用しても応答性良く安定して動作させることを目的とする。
【解決手段】臨界温度を超えると、変形するバイメタル３（３−１，３−２）と、バイメタル３に外部からの熱を伝えるキャップ部材７と、キャップ部材７とで形成される空間にバイメタル３を収容する中ブタ２と、変形したバイメタル３に押されて、電気接点部の電気的接続を遮断させるように移動するガイドピン６と、を備え、バイメタル３がキャップ部材７及び中ブタ２の両方に固定されていないサーモスイッチ２０９であって、バイメタル３をキャップ部材７に付勢するコイルバネ８を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、異常昇温を回避するために通電を遮断させるサーモスイッチ及びそれを備えた像加熱装置に関する。像加熱装置は、画像形成装置に用いられる。画像形成装置としては、複写機、レーザビームプリンタ、ファクシミリ等が挙げられる。像加熱装置としては、電子写真方式、静電記録方式、磁気記録方式等の適時の画像形成プロセスに用いられ、トナー画像を定着する定着装置が挙げられる。すなわち、定着装置は、加熱溶融性の樹脂等よりなるトナーを用いて、被加熱材の面に転写方式若しくは直接方式で目的の画像情報に対応して形成された未定着トナー画像を、被加熱材面上に永久固着画像として加熱定着処理する方式の装置である。なお、被加熱材としては、紙、印刷紙、転写材シート、ＯＨＴシート、光沢紙、光沢フィルム、エレクトロファックス紙、静電記録紙等の記録材が挙げられる。ここで、本発明の像加熱装置には、上記定着装置ばかりでなく、未定着画像を記録材上に仮定着させる像加熱装置や、画像を担持した記録材を再加熱してつや等の画像表面性を改質する像加熱装置等も包含される。

一般にサーモスイッチは、特許文献１に記載されたように異常昇温を回避するために通電を遮断させる。図８に、一般的に使用されている従来のサーモスイッチを示す。この従来のサーモスイッチ２０９は、円筒形のベース部１とベース部１に被せられる中ブタ２とを備える。中ブタ２のベース部１と反対側の端面は、キャップ部材７で全面が覆われる。キャップ部材７と中ブタ２とで形成される空間には、臨界温度を超えると、変形するバイメタル３−１，３−２（以下、単にバイメタル３ともいう）が収容される。キャップ部材７は、セラミックヒータ２０２と面接触することにより、セラミックヒータ２０２の熱をバイメタル３に効率よく伝える。バイメタル３の上には、中ブタ２の中央孔を通ってバイメタル３と板バネ５とを接続するガイドピン６が配置される。ガイドピン６の上には、固定接点４ａと可動接点４ｂからなる電気接点部が配置される。可動接点４ｂは、板バネ５によって下向きに押圧されている。臨界温度以下の温度での変形していない（非反転状態の）バイメタル３−１の場合、ガイドピン６は板バネ５を押し上げることなく、電気接点部は接触状態となって端子Ａ−Ｂ間が電気的に接続される。これにより、端子Ａに接続された電源から端子Ｂに接続されたセラミックヒータ２０２へ電力が供給（通電）される。一方、臨界温度を超えたために変形した（反転状態の）バイメタル３−２の場合は、ガイドピン６が板バネ５を図の位置まで押し上げ、電気接点部が非接触状態となって、端子Ａ−Ｂ間の電気的接続が遮断される。サーモスイッチ２０９が電源とセラミックヒータ２０２との間に直列に接続されているので、セラミックヒータ２０２の温度がバイメタル３をバイメタル３−２のように反転させる臨界温度を超えた場合に、端子Ａ−Ｂ間の通電が遮断される。

特開平７−２６２８９５号公報

しかし近年、サーモスイッチ２０９のレイアウトが図８とは逆に図９のようなレイアウトとなる場合がある。つまり、サーモスイッチ２０９がセラミックヒータ２０２の下方に配置される場合である。図９において、ベース部１、中ブタ２、キャップ部材７で囲まれた領域（Ｘで示す部分）では、バイメタル３の変形を許容してバイメタル３の変形に影響を与えないよう、バイメタル３を中ブタ２及びキャップ部材７の両方に固定していない。
つまり、バイメタル３は、固定されずに、中ブタ２とキャップ部材７とで形成される空間内に収容されている。このため、サーモスイッチ２０９を図９のようなレイアウトで使用する場合、Ｙで示す部分において、バイメタル３とキャップ部材７が非接触状態、若しくは極めて接触圧の弱い状態となる。すると、セラミックヒータ２０２からバイメタル３への熱の伝達が低下し、サーモスイッチ２０９の応答性が低下してしまい、うまく動作しないおそれがあった。

本発明は、サーモスイッチをどのようなレイアウトで使用しても応答性良く安定して動作させることを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係るサーモスイッチは、
臨界温度を超えると、変形する感熱体と、
前記感熱体に外部からの熱を伝える伝熱部材と、
前記伝熱部材とで形成される空間に前記感熱体を収容する収容部材と、
変形した前記感熱体に押されて、電気接点部の電気的接続を遮断させるように移動するガイド部材と、
を備え、
前記感熱体が前記伝熱部材及び前記収容部材の両方に固定されていないサーモスイッチであって、
前記感熱体を前記伝熱部材に付勢する付勢部材を備えることを特徴とする。

上記課題を解決するために本発明に係る像加熱装置は、
通電されて発熱し、被加熱材の面に形成された像を加熱する加熱体と、
上記のサーモスイッチと、
を備え、
発熱している前記加熱体が前記臨界温度を超える異常昇温した際に、前記サーモスイッチで前記加熱体への通電を遮断させることを特徴とする。

本発明によれば、サーモスイッチをどのようなレイアウトで使用しても応答性良く安定して動作させることができる。

実施例１に係る定着装置の概略構成図 実施例１に係るサーモスイッチの概略構成図 実施例２に係るサーモスイッチの概略構成図 実施例２に係るキャップ部材の図 実施例３に係るサーモスイッチの概略構成図 実施例４に係るサーモスイッチの概略構成図 実施例４に係るガイドピンの斜視図 従来のサーモスイッチの概略構成図 異なるレイアウトで使用する従来のサーモスイッチの概略構成図

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
（定着装置）
まず、像加熱装置としての定着装置について説明する。定着装置は、画像形成装置に用いられ、被加熱材であるシートの面に転写方式等で目的の画像情報に対応して形成された未定着の像（トナー像）を、シートの面上に永久固着画像として加熱定着処理する。図１は定着装置の概略構成図である。定着装置２００は、シートＳに担持されるトナー像ＴをシートＳに固着するために必要な温度となる様に発熱する加熱体としてのセラミックヒータ２０２を備える。すなわち、セラミックヒータ２０２は、通電されて発熱し、シートＳの面に形成された未定着の像を加熱する。セラミックヒータ２０２は、ステー２０１に固定される。ステー２０１は、金属製の補強部材２０８で長手方向にわたり均一に加圧される。なおここで、長手方向とは、搬送されてくるシートＳの搬送方向と直交するシート幅方向である。セラミックヒータ２０２、ステー２０１、及び補強部材２０８は定着スリーブ２０５に内包される。セラミックヒータ２０２は、定着スリーブ２０５の内側上方に配置される。定着スリーブ２０５は、シートＳと共に連れまわることでシートＳの搬送をスムーズに行わせる。定着スリーブ２０５の上側には、トナー像Ｔを形成した現像剤をシートＳに固着するために必要な所定の圧力を加える加圧ローラ２０７が配置される。加圧ローラ２０７は、時計回りに回転する。このとき定着スリーブ２０５は、加圧ローラ２０７に従動して反時計回りに回転する。なお、セラミックヒータ２０２と加圧ローラ２０７とが定着スリーブ２０５を介して対向している部分を定着ニップＮという。トナー像Ｔを担持するシートＳは、定着ニップＮに狭持搬送され、シートＳに熱が付与されると共にシートＳが加圧されて、シートＳの面上にトナー像Ｔが定着する。この定着装置２００のセラミックヒータ２０２の図示下面である裏面には、セラミックヒータ２０２の異常昇温を検知すると、セラミックヒータ２０２への通電を遮断するためのサーモスイッチ２０９が設けられている。またこの裏面には、セラミックヒータ２０２の温度制御用の不図示のサーミスタ等も設けられる。

（サーモスイッチ）
図２を参照して、本例のサーモスイッチ２０９について説明する。本例のサーモスイッチ２０９は図１に示すような定着装置２００の状態、すなわち、シートＳのトナー像形成面を下にして定着処理を行う状態のレイアウトで使用される。なお、サーモスイッチ２０９は、本例のレイアウトに限らず、どのようなレイアウトで使用してもよい。サーモスイッチ２０９は、定着装置２００内においてセラミックヒータ２０２に当接し、セラミックヒータ２０２の温度が所定温度よりも高くなった場合にセラミックヒータ２０２への通電を遮断するものである。サーモスイッチ２０９は、円筒形のベース部１とベース部１に被せられる収容部材としての中ブタ２とを備える。中ブタ２のベース部１と反対側の端面は、伝熱部材としてのキャップ部材７で全面が覆われる。中ブタ２とキャップ部材７とで空間を形成している。中ブタ２とキャップ部材７とで形成される空間には、臨界温度を超えると、変形する感熱体としてのバイメタル３−１，３−２（以下、単にバイメタル３ともいう）が収容される。バイメタル３は、中央部分が突出した皿形状をしており、臨界温度を超えると中心の突出部分が逆側に反転するように変形する。図２（ａ）は臨界温度以下の温度下の非反転状態のバイメタル３−１を示し、図２（ｂ）は臨界温度を超えた反転状態のバイメタル３−２を示す。バイメタル３は、中ブタ２とキャップ部材７とで形成される空間に、中ブタ２及びキャップ部材７の両方に固定されずに収容される。このように固定されないことで、バイメタル３の変形が当該空間内で許容され、バイメタル３は容易に反転することができるようになっている。なお、バイメタル３の臨界温度が、セラミックヒータ２０２への通電を遮断するセラミックヒータ２０２の所定温度に相当する。キャップ部材７は、アルミニウムなどの良熱伝導体で構成され、セラミックヒータ２０２と面接触することにより、サーモスイッチ２０９の外部に接触配置されたセラミックヒータ２０２の熱をバイメタル３に効率よく伝える。バイメタル３の下には、中ブタ２の中央孔を通ってバイメタル３と板バネ５とを接続するガイド部材としてのガイドピン６が配置される
。ガイドピン６は、変形したバイメタル３に押されて、電気接点部の電気的接続を遮断させるように移動する。ガイドピン６の下には、固定接点４ａと可動接点４ｂからなる電気接点部が配置される。可動接点４ｂは、板バネ５によって固定接点４ａへ押圧されている。臨界温度以下の温度での変形していない（非反転状態の）バイメタル３−１の場合、ガイドピン６は板バネ５を押し下げることなく、電気接点部は接触状態となって端子Ａ−Ｂ間が電気的に接続される。これにより、端子Ａに接続された電源から端子Ｂに接続されたセラミックヒータ２０２へ電力が供給（通電）される。一方、臨界温度を超えたために変形した（反転状態の）バイメタル３−２の場合は、ガイドピン６が反転したバイメタル３に押されて移動して板バネ５を押し、可動接点４ｂを固定接点４ａから離間させて電気接点部が非接触状態となる。これにより、端子Ａ−Ｂ間の電気的接続が遮断される。サーモスイッチ２０９が電源とセラミックヒータ２０２との間に直列に接続されているので、セラミックヒータ２０２の温度がバイメタル３をバイメタル３−２のように反転させる臨界温度を超えて異常昇温した場合に、端子Ａ−Ｂ間の通電が遮断される。そして、本例では、ガイドピン６に対して付勢部材としてのコイルバネ８を被せるように設置している。コイルバネ８は、ベース部１の支持面に支持され、非反転状態のバイメタル３−１を常にキャップ部材７に押し当てる（付勢する）。これにより、バイメタル３−１は、中央がキャップ部材７に当接する。

本例で使用したバイメタル３は、直径５ｍｍ、厚さ０.１ｍｍ、重さ０.０１２ｇ、反転温度（臨界温度）２５０℃、反転温度で反転した変形時にガイドピン６を押す変形荷重Ｐｂ＝１.７１Ｎ、自重は１.１８×１０^-４Ｎである。ガイドピン６はセラミック製で外径
１.５ｍｍ、長さ８.５ｍｍである。コイルバネ８は、ＳＵＳ３０４で、線径０．１ｍｍ、コイル内径１．７ｍｍ、自由長５ｍｍである。また、コイルバネ８は、非反転状態のバイメタル３−１の場合に、３ｍｍの設定長において、バイメタル３に対する付勢による付勢荷重Ｐ＝２.９４×１０^-2Ｎでバイメタル３をキャップ部材７に付勢する。また、板バネ
５は、電気接点部の電気的接続が遮断されるために必要な、可動接点４ｂを固定接点４ａに押し当てる遮断荷重Ｐｃ＝０.３Ｎである。また、ガイドピン６を挿入するベース部１
は、セラミック製で、ガイドピン６の孔径１.６ｍｍである。中ブタ２は、アルミニウム
製で、ガイドピン６の孔径２.５ｍｍである。

（本例の効果）
バイメタル３の自重は１.１８×１０^-４Ｎであるため、コイルバネ８の付勢荷重Ｐ＝２.９４×１０^-2Ｎに対して２桁小さい。すなわち、付勢荷重Ｐは、バイメタル３の自重よ
りも大きい値に設定されている。このため、サーモスイッチ２０９が本例のようなレイアウトであっても、非反転状態のバイメタル３−１をキャップ部材７に常時接触させることができる。また、コイルバネ８の付勢荷重Ｐは、板バネ５の遮断荷重Ｐｃ＝０.３Ｎに対
して１桁小さく、バイメタル３の変形荷重Ｐｂ＝１.７１Ｎに対して十分に小さい。すな
わち、付勢荷重Ｐは、変形荷重Ｐｂから遮断荷重Ｐｃを引いた差分よりも小さい値に設定されている。このため、コイルバネ８の付勢荷重Ｐのバラツキを１０％考慮しても、バイメタル３の反転動作や、可動接点４ｂの離間に対して殆ど影響を与えることはなく、サーモスイッチ２０９は応答性良く安定して動作することができる。この効果は、サーモスイッチ２０９が、本例のレイアウトに限らず、どのようなレイアウトで使用されても達成することができる。

（本例と従来例との比較）
本例のサーモスイッチ２０９と、図８で示した従来のサーモスイッチ２０９で作動時間を比較した。図１に示す本例で説明したキャップ部材７が上を向く上向きのレイアウト（以下、単に上向きという）と、図８に示す従来と同様なキャップ部材７が下を向く下向きのレイアウト（以下、単に下向きという）との使用状態で作動時間を比較した。本例及び従来のサーモスイッチ２０９は、それぞれ２５０℃に設定された熱板にキャップ部材７が
接するように載せて、上から３.９２Ｎの荷重を加えた。その結果、実施例１上向き：３.１秒、実施例１下向き：３.０秒、従来例上向き：２０.４秒、従来例下向き：３.３秒と
なった。本例では、コイルバネ２０５によってバイメタル３をキャップ部材７に接触させることにより、サーモスイッチ２０９のレイアウトに関係なく応答性良く安定した動作をすることができた。また、バイメタル３の接触荷重の増加により、下向き条件においても動作時間を若干改善することができた。

＜実施例２＞
（サーモスイッチ）
図３、図４を参照して、本例のサーモスイッチ２０９について説明する。基本的な構成は実施例１と同じであるため、同様な部分については説明を省略する。本例のサーモスイッチ２０９では、キャップ部材７’に接触部としての絞り部１０を設けた。キャップ部材７’は、図４（ａ）の断面図及び図４（ｂ）の平面図で示す形状である。実施例１では、バイメタル３が皿状に中央付近が突出しているため、バイメタル３とキャップ部材７との接触部分がバイメタル３の中央に限定されていた。しかし、本例では、バイメタル３の中央以外の周辺で絞り部１０によって、バイメタル３とキャップ部材７’とが接触する。これにより、キャップ部材７’からバイメタル３への伝熱効果が増加し、サーモスイッチ２０９の応答性をより向上させることができる。なお、本発明の接触部は、本例の絞り部１０の形状に限定されない。接触部は、キャップ部材７においてバイメタル３の表面形状に合わせて中央以外の周辺でバイメタル３に接触し、バイメタル３とキャップ部材７の接触領域を増加させ、キャップ部材７からバイメタル３への伝熱効果を増加させるものであればよい。

（本例と実施例１との比較）
本例のサーモスイッチと、実施例１のサーモスイッチで作動時間を比較した。測定条件は実施例１と同じであるため、説明を省略する。その結果、実施例２上向き：２.７秒、
実施例２下向き：２.６秒、実施例１上向き：３.１秒、実施例１下向き：３.０秒となっ
た。このように、本例では、バイメタル３をキャップ部材７にコイルバネ８で付勢すると共に、バイメタル３とキャップ部材７の接触領域を増加させることで、サーモスイッチ２０９の作動時間を更に短縮することができた。

＜実施例３＞
（サーモスイッチ）
図５を参照して、本例のサーモスイッチ２０９について説明する。基本的な構成は実施例１と同じであるため、同様な部分については説明を省略する。図５（ａ）では、ガイドピン６に被せたコイルバネ８の支持面をベース部１ではなく、中ブタ２’に設けた。これにより、コイルバネ８の中ブタ２’の支持面からバイメタル３までの距離が短くなり、コイルバネ８の配置される距離精度を向上させることができ、コイルバネ８の荷重バラツキ要因を減らすことができる。よって、本例のサーモスイッチ２０９は、応答性良く安定して動作することができる。特に、バイメタル３の変形荷重Ｐｂが小さい場合、板バネ５の遮断荷重Ｐｃに対する荷重マージンが減少する。よって、本例のようにコイルバネ８の荷重精度を向上させることで、より小さく、より薄いバイメタル３を使用でき、応答性に優れるサーモスイッチの提供が可能となる。

図５（ｂ）は図５（ａ）の円筒状のコイルバネ８の変形例であり、バイメタル３側の径が中ブタ２’に支持された側の径よりも大きい円錐状のコイルバネ８’を用いた例である。バイメタル３の付勢が安定する条件であれば、特にコイルバネ８の形状を限定するものではない。また、コイルバネ以外にも板バネ等他の形式のバネを用いて付勢部材とすることもできる。

＜実施例４＞
（サーモスイッチ）
図６、図７を参照して、本例のサーモスイッチ２０９について説明する。基本的な構成は実施例１と同じであるため、同様な部分については説明を省略する。本例のサーモスイッチ２０９では、ガイドピン６’がバイメタル３と接触する部分に、ガイドピン６’に一体的な、コイルバネ８の付勢力を受けるつば部６ｂを設けた。すなわち、ガイドピン６’は、電気接点部の電気的接続を遮断させるように移動する本体６ａと、本体６ａのバイメタル３側（感熱体側）の端部に本体６ａよりも大径に形成されたつば部６ｂと、を有する。つば部６ｂが、コイルバネ８の付勢力をコイルバネ８のバイメタル３側（感熱体側）の巻端よりも広い面積でバイメタル３に伝える。このつば部６ｂが設けられたガイドピン６’は図７の斜視図に示すように円柱状の本体６ａの先端につば部６ｂが設けられた形状である。これにより、バイメタル３の加圧方向がコイルバネ８の巻端よりも面積が広いつば部６ｂによって規定されるため、コイルバネ８の巻端の影響によってコイルバネ８の加圧方向がバラツクことを防止することができる。また、図５で示した実施例３の中ブタ２にコイルバネ８の支持面を設ける構成と組み合わせることによって、バイメタル３の加圧精度を更に向上させることができる。

３−１，３−２…バイメタル、６…ガイドピン、７…キャップ部材、８…コイルバネ、２０９…サーモスイッチ

Claims (5)

1. 臨界温度を超えると、変形する感熱体と、
   前記感熱体に外部からの熱を伝える伝熱部材と、
   前記伝熱部材とで形成される空間に前記感熱体を収容する収容部材と、
   変形した前記感熱体に押されて、電気接点部の電気的接続を遮断させるように移動するガイド部材と、
   を備え、
   前記感熱体が前記伝熱部材及び前記収容部材の両方に固定されていないサーモスイッチであって、
   前記感熱体を前記伝熱部材に付勢する付勢部材を備えることを特徴とするサーモスイッチ。
2. 前記付勢部材の前記感熱体に対する付勢による荷重は、前記感熱体の自重よりも大きく、かつ、前記感熱体が変形時に前記ガイド部材を押す荷重から前記電気接点部の電気的接続が遮断されるために必要な荷重を引いた差分の荷重よりも小さいことを特徴とする請求項１記載のサーモスイッチ。
3. 前記感熱体は、前記付勢部材によって付勢されて中央が前記伝熱部材に接触するものであり、
   前記伝熱部材に、前記感熱体の中央以外の周辺で前記感熱体に接触する接触部を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のサーモスイッチ。
4. 前記付勢部材は、コイルバネであり、
   前記ガイド部材は、電気接点部の電気的接続を遮断させるように移動する本体と、前記本体の前記感熱体側の端部に前記本体よりも大径に形成されたつば部と、を有し、
   前記コイルバネは、前記つば部を介して前記感熱体を前記伝熱部材に付勢することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のサーモスイッチ。
5. 通電されて発熱し、被加熱材の面に形成された像を加熱する加熱体と、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のサーモスイッチと、
   を備え、
   発熱している前記加熱体が前記臨界温度を超える異常昇温した際に、前記サーモスイッチで前記加熱体への通電を遮断させることを特徴とする像加熱装置。

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