JP2017016757A - 発熱器、定着器、および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗上昇による通電抑制よりも高い即応性で過熱を抑制する。【解決手段】基板と、上記基板上に設けられ電力の付与によって発熱する発熱素子と、上記発熱素子と直列接続されて上記基板上に設けられ、正温度係数を有し、その発熱素子の熱によって特定温度を超えると自己発熱によって熱破壊する熱破壊素子と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、発熱器、定着器、および画像形成装置に関する。

近年、立ち上げ時間が短くて省エネルギー性や利便性に優れた定着器および画像形成装置を実現するため、無端状の定着ベルト内に配置したヒータ(発熱器)で熱伝導によって定着ベルトを加熱する方式の定着器および画像形成装置でヒータ等の加熱源や定着ベルト等の被加熱部材の小熱容量化が求められている。

このように小熱容量化された定着器および画像形成装置では、熱容量が小さいために過熱も生じやすく、温度制御に不具合を生じた場合などに過熱による発煙や異臭を防ぐ仕組みも求められている。

例えば、特許文献１には、ヒータの過熱による発煙や異臭を防ぐため、ＰＴＣ抵抗体（Positive Temperature Coefficient（正温度係数）を有する抵抗体）をヒータと直列に接続しヒータに近接または接触させて、ヒータの過熱時にＰＴＣ抵抗体の抵抗上昇によって通電を抑制する技術が提案されている。

また、例えば、特許文献２には、面状発熱体を用いたベルト定着装置において、非通紙領域の昇温を抑制する目的で、面状発熱体上に発熱体とＰＴＣ素子を直列に接続して配置し、所定温度以上でＰＴＣ素子の抵抗値が上昇することで昇温を抑制する技術が提案されている。

特開２０００−２６０５５３号公報 特開２００９−２４４５９５号公報

しかしながら、ＰＴＣ抵抗体（ＰＴＣ素子）の抵抗上昇によって通電を抑制する従来技術では、通電を抑制する抵抗を得るために充分な大きさのＰＴＣ抵抗体を備える必要があり、その結果、ＰＴＣ抵抗体の熱容量が大きくてヒータの過熱に即応することが難しい。

本発明は、抵抗上昇による通電抑制よりも高い即応性で過熱を抑制することを目的とする。

請求項１に係る発熱器は、
基板と、上記基板上に設けられ電力の付与によって発熱する発熱素子と、
上記発熱素子と直列接続されて上記基板上に設けられ、正温度係数を有し、その発熱素子の熱によって特定温度を超えると自己発熱によって熱破壊する熱破壊素子と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発熱器は、
上記熱破壊素子が、平板形状を有するものであることを特徴とする。

請求項３に係る発熱器は、
上記発熱素子と上記熱破壊素子との組が、上記基板上に複数組並んで設けられていることを特徴とする。

請求項４に係る定着器は、
基板と、上記基板上に設けられ電力の付与によって発熱する発熱素子と、上記発熱素子と直列接続されて上記基板上に設けられ、正温度係数を有し、その発熱素子の熱によって特定温度を超えると自己発熱によって熱破壊する熱破壊素子と、を備えた発熱器と、
周回経路の途上で上記発熱器と接触して加熱されながらその周回経路を周回移動する帯状の周回部材と、
表面に未定着な画像が形成された記録媒体を上記周回部材との間に挟んで加圧することでその画像をその記録媒体に定着させる加圧部材と、
を備えたことを特徴とする。

請求項５に係る画像形成装置は、
記録媒体上に未定着な画像を形成する形成器と、
加熱と加圧によって上記画像を上記記録媒体に定着させる定着器とを備え、
上記定着器が、
基板と、上記基板上に設けられ電力の付与によって発熱する発熱素子と、上記発熱素子と直列接続されて上記基板上に設けられ、正温度係数を有し、その発熱素子の熱によって特定温度を超えると自己発熱によって熱破壊する熱破壊素子と、を備えた発熱器と、
周回経路の途上で上記発熱器と接触して加熱されながらその周回経路を周回移動する帯状の周回部材と、
表面に未定着な画像が形成された記録媒体を上記周回部材との間に挟んで加圧することでその画像をその記録媒体に定着させる加圧部材と、
を備えたものであることを特徴とする。

請求項１に係る発熱器、請求項４に係る定着器、および請求項５に係る画像形成装置によれば、抵抗上昇による通電抑制よりも高い即応性で過熱を抑制することができる。

請求項２に係る発熱器によれば、平板形状以外の形状である場合に較べて熱破壊の確実性が高い。

請求項３に係る発熱器によれば、発熱器上での局所的な過熱を抑制することができる。

本発明の画像形成装置の一実施形態であるプリンタの概略構成図である。 定着器の断面図である。 ヒータの構造を模式的に示す図である。 ＰＴＣ素子が有するＰＴＣ特性を示すグラフである。

本発明の実施形態について、以下図面を参照して説明する。

図１は、本発明の画像形成装置の一実施形態であるプリンタの概略構成図である。

図１に示すプリンタ１０はモノクロプリンタであり、プリンタ１０外で作成された、画像を表す画像信号が、不図示の信号ケーブル等を介して入力される。プリンタ１０には、このプリンタ１０内の各構成要素の動作を制御する制御部１１が備えられており、画像信号はこの制御部１１に入力される。そして、プリンタ１０では、この制御部１１の制御の下で画像信号に基づく画像の形成が行われる。

プリンタ１０の下部には用紙トレイ２１が備えられていて、用紙トレイ２１には、用紙Ｐが積み重なった状態に収容されている。用紙トレイ２１は、用紙Ｐの補給のために、引出し自在に構成されている。用紙トレイ２１には、紙の用紙Ｐに替えてＯＨＰシートやプラスチック紙や封筒などが本発明にいう記録媒体として収容されてもよい。図１では用紙Ｐが収容されているものとしてプリンタ１０の動作を説明するが、他の記録媒体が収容される場合であっても基本的な動作は同様となる。

用紙トレイ２１内の用紙Ｐは、ピックアップロール２２およびさばきロール２３により待機ロール２４へと送られる。待機ロール２４に到達した用紙Ｐは、搬送のタイミングが調整されてさらに搬送される。

このプリンタ１０には、矢印Ａで示す向きに回転する円柱状の感光体１２が備えられ、この感光体１２の周囲に、帯電器１３、露光器１４、現像器１５、転写器１６、および感光体クリーナ１７が配備されている。感光体１２、帯電器１３、露光器１４、現像器１５、および転写器１６を併せたものが本発明に言う形成器の一例に相当する。

帯電器１３は感光体１２の表面を帯電させ、露光器１４は、制御部１１から送られてくる画像信号に従って感光体１２の表面を露光して静電潜像を形成する。静電潜像は現像器１５により現像されてトナー像が形成される。

ここで、上記の待機ロール２４は、感光体１２上のトナー像が、転写器１６に対面した位置に達するタイミングに合わせてその位置に到達するように用紙Ｐを送り出す。そして、感光体１２上のトナー像は、転写器１６の作用を受け、その送り出されてきた用紙Ｐ上に転写される。これにより用紙Ｐ上に未定着なトナー像が形成されることとなる。

未定着なトナー像が形成された用紙Ｐは、さらに矢印Ｂ方向に進み、定着器１８による加熱および加圧を受けてその用紙Ｐ上にトナー像が定着される。その結果、用紙Ｐ上には定着トナー像からなる画像が形成される。この定着器１８が本発明の定着器の一実施形態に相当する。

定着器１８を通過した用紙Ｐは、排出器１９に向かって矢印Ｃ方向に進み、さらに、その排出器１９によってさらに矢印Ｄ方向に送られて排紙台２０上に排出される。

図２は、定着器の断面図である。

定着器１８には、加圧ロール１１０と加熱ロール１２０が備えられている。

加圧ロール１１０は、金属の芯材上をゴムが被覆したロールであり、矢印Ｅ方向に回転する。加圧ロール１１０が本発明にいう加圧部材の一例に相当する。

加熱ロール１２０は外周ベルト１２１を有し、その外周ベルト１２１内に、ヒータ１２２や、加圧パッド１２３などが収容されている。外周ベルト１２１が本発明にいう周回部材の一例に相当し、ヒータ１２２が本発明にいう発熱器の一実施形態に相当する。

加熱ロール１２０の外周ベルト１２１は、外周ベルト１２１の内周面に面状に接触したヒータ１２２によって加熱されながら矢印Ｆ方向に周回移動する。この外周ベルト１２１は加圧パッド１２３によって加圧ロール１１０に押しつけられ、外周ベルト１２１と加圧ロール１１０との間を用紙Ｐが通過することで用紙Ｐに力と熱が加えられる。

ヒータ１２２は図２の奥行き方向に長尺で、ヒータ１２２の長手方向の両端を介して電源に接続されている。ヒータ１２２はこの電源から電力が供給されることで発熱する。外周ベルト１２１の回転方向については、ヒータ１２２は、外周ベルト１２１の内周に接触するように湾曲した形状を有する。また、定着器１８が冷めている状態から定着可能な状態になるまでに要するいわゆる立ち上げ時間を短縮するために、本実施形態では、ヒータ１２２および外周ベルト１２１として熱容量が小さいものが採用されている。そのため、ヒータ１２２には、熱制御に不具合を生じた場合などに過熱を抑制する工夫が施されている。

図３は、ヒータの構造を模式的に示す図である。

ヒータ１２２は、ヒータ基材１３１上に抵抗発熱体１３２とＰＴＣ素子１３３が直列接続で並べて配置された構造を有している。

ヒータ基材１３１は、図３の左右方向に長尺な形状を有しているが、ここでは図示の便宜上、長手方向を大幅に短縮している。ヒータ基材１３１は、図２に示す外周ベルト１２１の内周面に沿うように湾曲した板状の部材で、例えばＳＵＳや銅やクラッド基材などといった材質のものである。このヒータ基材１３１が、本発明にいう基板の一例に相当する。

抵抗発熱体１３２は例えばＡｇＰｂ製の配線パターンであり、ヒータ基材１３１の長手方向（図３の左右方向）に約１５ｍｍの幅に折り返しながら、ヒータ基材１３１の短手方向（図３の上下方向）に約２０ｍｍの長さ迄延びている。この抵抗発熱体１３２が、本発明にいう発熱素子の一例に相当する。

ＰＴＣ素子１３３は、例えばチタン酸バリウムに鉛が混ざったセラミックスの素子であり、形状は厚さ約０．２ｍｍの平板で約４ｍｍ角の大きさである。このＰＴＣ素子１３３は、Positive Temperature Coefficient（正温度係数）を有する素子であって、本発明にいう熱破壊素子の一例に相当する。

これら抵抗発熱体１３２とＰＴＣ素子１３３の組は、ヒータ基材１３１の長手方向（図３の左右方向）に多数組並べて配置されており、各組が配線１３４によって互いに並列に接続されている。ヒータ１２２の配線１３４はヒータ１２２外の電源１４０に接続されていて、電源１４０から供給される電力によって各抵抗発熱体１３２が発熱する。

本実施形態では、ＰＴＣ素子１３３によってヒータ１２２の過熱が抑制されるので、以下、詳細に説明する。

図４は、ＰＴＣ素子が有するＰＴＣ特性を示すグラフである。

図４の横軸は温度を表し、縦軸は抵抗値を表している。

本実施形態で採用されているＰＴＣ素子１３３は、ＰＴＣ特性を示すグラフ曲線１５０が、キュリー温度Ｔｃを超えたところで急激に立ち上がっている。つまり、ＰＴＣ素子１３３は素子の温度がキュリー温度Ｔｃを超えると抵抗値が急激に上昇する。その結果、キュリー温度Ｔｃ未満の温度における最低抵抗値Ｒｍｉｎと、キュリー温度Ｔｃ以上の温度における最高抵抗値Ｒｍａｘとの比は一般に１００を越え、１０万に及ぶものも有る。

このようなセラミックス素子が図３のＰＴＣ素子１３３として用いられており、鉛の混合量の調整などによってキュリー温度Ｔｃは、ヒータ１２２における通常の使用温度よりも高く、発煙や異臭を生じる異常温度よりも低い温度に調整されているものとする。また、ＰＴＣ素子１３３のサイズによって最低抵抗値Ｒｍｉｎおよび最高抵抗値Ｒｍａｘが決まるが、本実施形態では、通常の使用温度時に抵抗発熱体１３２での発熱に影響を及ぼさないように、最低抵抗値Ｒｍｉｎは抵抗発熱体１３２の抵抗値の２５分の１以下となっている。

このようなＰＴＣ素子１３３が図３に示すように配置されていることにより、抵抗発熱体１３２で過剰な熱が生じた場合にはＰＴＣ素子１３３の温度がキュリー温度Ｔｃを超え、その結果ＰＴＣ素子１３３の抵抗値が急激に上昇する。そのような抵抗値の上昇は、ＰＴＣ素子１３３に自己発熱を生じさせ、その自己発熱による熱衝撃でＰＴＣ素子１３３が熱破壊を起こす。そのように熱破壊したＰＴＣ素子１３３は回路を断線させて電力を瞬時に遮断することになるので、ＰＴＣ素子１３３と直列に接続された抵抗発熱体１３２による過熱は速やかに抑えられる。このようなＰＴＣ素子１３３の作用は、ヒータ基材１３１の長手方向（図３の左右方向）に多数組並べて配置された抵抗発熱体１３２とＰＴＣ素子１３３との各組で実現するので、ヒータ１２２上で局所的に生じる過熱も抑制される。

上述したように、ＰＴＣ素子１３３は平板形状を有しており、この形状によって効率的に熱破壊が生じる。無限に広がる平板に熱衝撃によって破壊が生じるか否かの臨界温度差ΔＴｃは、ヤング率Ｅ、線膨張係数α、ポアソン比ν、破壊強度σ_ｍａｘ、熱伝達係数α_Ｍ、代表長さＤ、および熱伝導率λに基づいて下記式で求められる。

この式に各物性値の値として、ヤング率Ｅ：１．１５×１０^１１［Ｎ／ｍ］、線膨張係数α：１２．５×１０^１１［Ｋ^−１］、ポアソン比ν：０．３、破壊強度σ_ｍａｘ：７０［Ｎ／ｍ^２］、熱伝達係数α_Ｍ：１×１０^６［Ｗ／ｍ^２Ｋ］、代表長さＤ：０．２［ｍｍ］、および熱伝導率λ：６［Ｗ／ｍＫ］を代入すると、臨界温度差ΔＴｃの値は約５０Ｋとなる。上述した最高抵抗値Ｒｍａｘは、約５０Ｋ以上の内部温度差を生じる自己発熱が起きるように、熱シミュレートなどによって決定され、それに伴ってＰＴＣ素子１３３のサイズも決定される。このように最高抵抗値Ｒｍａｘが決定されることによってＰＴＣ素子１３３での熱破壊が確実に生じ、抵抗発熱体１３２の過熱も確実に抑制されることとなる。また、このように決定される最高抵抗値Ｒｍａｘは、自己発熱を生じさせるための抵抗値なので、抵抗値の上昇で通電を抑制する場合の抵抗値よりも大幅に小さくなり、ＰＴＣ素子１３３のサイズと熱容量も小さくなるので、抵抗発熱体１３２の過熱に即応して熱破壊を生じることとなる。

なお、上記説明した実施形態では、本発明にいう熱破壊素子として、チタン酸バリウムを主材料としたセラミックスの素子が例示されているが、本発明にいう熱破壊素子は、熱破壊を生じるものであれば、チタン酸バリウム以外の素材を主材料としたセラミックス素子やセラミックス以外の素材の素子などであってもよい。

また、上記説明した実施形態では、本発明の発熱器の一実施形態として、外周ベルト１２１の内周に接触する湾曲したヒータ１２２が示されているが、本発明にいう発熱体は、平板状のものであってもよく、外周ベルト１２１の外周に接触して加熱するものであってもよく、外周ベルト以外の金属円筒などを加熱するものであってもよく、定着器以外の機器内での加熱に用いられるものであってもよい。

また、上記実施形態ではモノクロのプリンタが例示されているが、本発明は、カラーの装置に応用されてもよいし、ファクシミリやコピー機や複合機に応用されてもよい。

また、上記実施形態では電子写真方式でトナー画像を形成する装置が例示されているが、本発明にいう形成器は、電子写真方式以外の方式で記録媒体上にトナー画像を描画するものであってもよい。

１０……プリンタ、 １２……感光体、 １３……帯電器、 １４……露光器、
１５……現像器、 …１６…転写器、 １８……定着器、 １１０……加圧ロール、
１２０……加熱ロール、 １２１……外周ベルト、 １２２……ヒータ、
１２３……加圧パッド、 １３１……ヒータ基材、 １３２……抵抗発熱体、
１３３……ＰＴＣ素子１３３、 １３４……配線、 １４０……電源

Claims (5)

1. 基板と、前記基板上に設けられ電力の付与によって発熱する発熱素子と、
   前記発熱素子と直列接続されて前記基板上に設けられ、正温度係数を有し、該発熱素子の熱によって特定温度を超えると自己発熱によって熱破壊する熱破壊素子と、
   を備えたことを特徴とする発熱器。
2. 前記熱破壊素子が、平板形状を有するものであることを特徴とする請求項１記載の発熱器。
3. 前記発熱素子と前記熱破壊素子との組が、前記基板上に複数組並んで設けられていることを特徴とする請求項１記載の発熱器。
4. 基板と、前記基板上に設けられ電力の付与によって発熱する発熱素子と、前記発熱素子と直列接続されて前記基板上に設けられ、正温度係数を有し、該発熱素子の熱によって特定温度を超えると自己発熱によって熱破壊する熱破壊素子と、を備えた発熱器と、
   周回経路の途上で前記発熱器と接触して加熱されながら該周回経路を周回移動する帯状の周回部材と、
   表面に未定着な画像が形成された記録媒体を前記周回部材との間に挟んで加圧することで該画像を該記録媒体に定着させる加圧部材と、
   を備えたことを特徴とする定着器。
5. 記録媒体上に未定着な画像を形成する形成器と、
   加熱と加圧によって前記画像を前記記録媒体に定着させる定着器とを備え、
   前記定着器が、
   基板と、前記基板上に設けられ電力の付与によって発熱する発熱素子と、前記発熱素子と直列接続されて前記基板上に設けられ、正温度係数を有し、該発熱素子の熱によって特定温度を超えると自己発熱によって熱破壊する熱破壊素子と、を備えた発熱器と、
   周回経路の途上で前記発熱器と接触して加熱されながら該周回経路を周回移動する帯状の周回部材と、
   表面に未定着な画像が形成された記録媒体を前記周回部材との間に挟んで加圧することで該画像を該記録媒体に定着させる加圧部材と、
   を備えたものであることを特徴とする画像形成装置。

Images