JP2017157322A - ヒータおよび定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータに用いる加熱体として、ＮＴＣ特性の大きい抵抗発熱体を使用すると、ヒータの非通紙部が過度に昇温した場合、抵抗値が低下して非通紙部の温度上昇が抑制される。しかし、ヒータの温度制御を行うサーミスタ等の部品が故障した場合、ヒータが熱暴走を起こし、発熱量が過度に大きくなり、短時間でヒータに亀裂が発生する現象が起こりやすい。本発明は、ヒータの非通紙部昇温と、熱暴走時のヒータ破損を抑制することが可能な、ＮＴＣ特性のヒータ及び定着装置を提供する。【解決手段】長尺な基板と；前記基板上の長手方向に沿って設けられる導体と；前記基板上の長手方向に複数に分割され、前記導体によって電気的に直列に接続され、前記基板の長手方向における抵抗温度係数が、端部領域に近づくほど小さくなる抵抗発熱体と；を具備していることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、ヒータおよび定着装置に関する。

ＯＡ機器、家電用電気製品、精密製造設備などの電子機器類にヒータが装着されている。ヒータは、例えば、複写機やファクシミリなどの定着装置において用紙にトナーを定着する定着装置に用いられる。また、リライタブルカードリーダであれば印字消去などに用いられる。ヒータは、給電用電極、導体、抵抗発熱体が基板上に形成されていることで構成され、給電用電極から供給された電力により、抵抗発熱体が発熱する。

定着装置に用いられるヒータは、一般的に、銀およびパラジウム、または、酸化ルテニウムおよびガラスを主成分として、抵抗温度係数［ｐｐｍ／℃］が０あるいは正となるＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性の抵抗発熱体が使用されている。

ヒータは、定着装置で加熱できる記録媒体の最大のサイズ（記録媒体のヒータの長手方向と平行な長さ）に合わせた有効長、すなわち最大のサイズと同じか、または長く形成される。したがって、最大のサイズよりも小さい記録媒体を加熱する場合、ＰＴＣ特性のヒータでは、ヒータのうち、非通紙部の領域の温度が上昇する。そこで、非通紙部の領域の温度上昇を抑制することを優先する場合には、ヒータには、抵抗温度係数［ｐｐｍ／℃］が負となるＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）特性の抵抗発熱体を使用することが考えられる。（特許文献１参照）

従来のヒータ１Ｄを、図５を参照して説明する。ヒータ１Ｄの抵抗発熱体５−１、５−２をＰＴＣ特性の材料で構成する場合、搬送可能なサイズよりも小さいサイズの紙が連続して通過すると、非通紙部では紙に熱を奪われないため、温度が上昇する。特に厚みのある小さいサイズの紙を大量に通過させる場合、通紙部で低下する温度を上昇させるために、大きな電力がヒータ１Ｄに投入される。その結果、非通紙部の温度が過度に上昇し、加熱ローラ等の部品が劣化や破損に至るおそれがある。非通紙部の昇温抑制のためには、抵抗発熱体５−１、５−２をＮＴＣ特性の材料で形成することが考えられる。ＮＴＣ特性の抵抗発熱体は、温度上昇に伴い抵抗値が下がるため、基板２長手方向の端部領域で非通紙部となる抵抗発熱体５−１、５−２は発熱量が低下し、非通紙部昇温を抑制することが可能となる。

しかし、抵抗発熱体５−１、５−２のＮＴＣ特性が大きいと、例えば温度制御を行うサーミスタ等の故障でヒータ１Ｄが熱暴走する場合、発熱量が過度に上昇する。基板２の両端部は抵抗発熱体５−１、５−２が形成されていないため、温度の上昇が小さく、その結果、基板２の長手方向における温度差が大きくなり、過大な熱応力が発生する。この熱応力は、短時間でヒータ１Ｄの破断強度を超えるため、ヒータ１Ｄの端部に亀裂が生じる現象が発生する。

特開２００９−２４４８６７号公報

ヒータに用いる加熱体として、ＮＴＣ特性の大きい抵抗発熱体を使用すると、ヒータの非通紙部が過度に昇温した場合、抵抗値が低下して非通紙部の温度上昇が抑制される。しかし、ヒータの温度制御を行うサーミスタ等の部品が故障した場合、ヒータが熱暴走を起こし、発熱量が過度に大きくなり、短時間でヒータに亀裂が発生する現象が起こりやすい。

本発明は、ヒータの非通紙部昇温と、熱暴走時のヒータ破損を抑制することが可能な、ＮＴＣ特性のヒータ及び定着装置を提供する。

長尺な基板と；前記基板上の長手方向に沿って設けられる導体と；前記基板上の長手方向に複数に分割され、前記導体によって電気的に直列に接続され、前記基板の長手方向における抵抗温度係数が、端部領域に近づくほど小さくなる抵抗発熱体と；を具備していることを特徴とする。

本発明によれば、非通紙部昇温と、熱暴走時のヒータ破損を抑制することが可能な、ＮＴＣ特性のヒータ及び定着装置を提供する。

第１の実施形態を例示するヒータの概略図である。 第１の実施形態に係る抵抗発熱体材料の組成と抵抗温度係数の特性を例示するための図である。 第２の実施形態を例示するヒータの概略図である。 第１の実施形態と第２の実施形態のヒータと、ヒータが熱暴走する場合のヒータの温度分布を例示するための図である。 従来のヒータを例示する概略図である。 ヒータの使用例である定着装置の概略図である。

以下、図面を参照して各実施形態を説明する。

なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の寸法や比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、各図面において同じ構成および作用効果については、同一符号を用いて重複部分の説明を省略する。

以下、第１の実施形態のヒータを、図１、図２を参照して説明する。

本実施形態に係るヒータ１Ａは、基板２と、第１導体３と、第２導体４と、抵抗発熱体５ａ〜５ｅおよび、第１導体３，第２導体４と、抵抗発熱体５を覆うオーバーコート層７と、給電用電極６ａ、６ｂを具備する。第１導体３と、第２導体４は、基板２の短手方向における幅を一定に、基板２の長手方向に沿って互いに所定の間隔を保って形成されている。

第１導体３と第２導体４は、基板２の長手方向の一端に設けられている電極６から基板２の長手方向に沿って形成され、抵抗発熱体５ａ〜５ｅと電気的に接続されている。抵抗発熱体５ａ〜５ｅはＮＴＣ特性を有し、第１導体３と第２導体４との間に互いに離間するように四辺形状に分割され、第１導体３と第２導体４によって、電気的に直列に接続されている。ＮＴＣ特性の抵抗発熱体５は、総じてシート抵抗値が高く、一つのヒータに形成する抵抗発熱体５の総抵抗値を商用電源で使用することが困難である。そこで本実施形態のように、基板２の長手方向で抵抗発熱体５を複数に分割して形成し、抵抗発熱体５の通電方向と直交する方向において、第１導体３、第２導体４との接触面積を広く形成する方法が取られている。

図１に例示するように、抵抗発熱体５は基板２上で複数に分割され、基板２の長手方向の幅をＷ、短手方向の長さをＬとすると、Ｗ＞Ｌとなるように形成される。これにより抵抗発熱体５ａ〜５ｅは、第１導体３、第２導体４との接触長さが大きくなり、電流が流れる経路が数多く形成され、シート抵抗値を下げることができる。抵抗発熱体５をこのように形成することにより、多種類のサイズの記録媒体を効率的に加熱することが可能となり、抵抗発熱体５のＮＴＣ特性を生かすことができる。

ここで、抵抗発熱体５の組成と抵抗温度係数との関係を図２に例示する。抵抗発熱体５を構成する抵抗体ペーストの材料について配合比を変え、抵抗体ペーストを試作した。

本実施形態におけるヒータ１Ａの、基板２の長手方向の中央領域に設けられる抵抗発熱体５ｂ〜５ｄは、例えばルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）などのうち少なくとも１種類を２０〜８０質量％、酸化物として含み、チタン（Ｔｉ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）などを１５〜６０質量％、酸化物として添加した抵抗体ペーストからなる。基板２の端部領域に設けられる抵抗発熱体５ａ、５ｅは、例えばルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）などのうち少なくとも１種類を１〜３０質量％、酸化物として含み、鉛（Ｐｂ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）などのうち、少なくとも１種類を２５〜９０質量％、酸化物として添加した抵抗体ペーストからなる。抵抗発熱体５ａ〜５ｅは、材料となる抵抗体ペーストをスクリーン印刷等により基板２上に塗布し、乾燥させ焼成して形成する。なお、抵抗体ペーストは、各材料を足して１００質量％を超えることは無く、全体となる１００質量％のうちに、各材料の割合が記載する範囲で構成されてなるものが本発明および実施形態である。

この構成によれば、基板２の長手方向中央領域に設けられる抵抗発熱体５ｂ〜５ｄの抵抗温度係数は、−６００ｐｐｍ／℃〜―１０００ｐｐｍ／℃となる。また、基板２の端部領域に設けられる抵抗発熱体５ａ、５ｅの抵抗温度係数は、−２０００ｐｐｍ／℃〜―６０００ｐｐｍ／℃となる。本実施形態では、例えば図２に例示するように、Ｎｏ１からＮｏ６までの条件で作成した抵抗体ペーストを参照して説明する。

例えば、基板２の長手方向の中央領域に設けられる抵抗発熱体５ｂ、５ｃ、５ｄには、Ｎｏ６の抵抗体ペーストを用い、端部領域に設けられる抵抗発熱体５ａ、５ｅにはＮｏ１の抵抗体ペーストを用いる。この場合、抵抗発熱体５ｂ、５ｃ、５ｄの抵抗温度係数は−８４０ｐｐｍ／℃であり、抵抗発熱体５ａ、５ｅの抵抗温度係数はそれよりも低く、−４０２３ｐｐｍ／℃である。ヒータ１Ａを中サイズ紙が連続して通過する場合、端部領域の抵抗発熱体５ａ、５ｅは非通紙部となり昇温する。しかし抵抗発熱体５ａ、５ｅの抵抗温度係数は中央領域よりも低いため、昇温とともに抵抗値が低下して発熱量が減少し、昇温を抑制することが可能である。

またヒータ１Ａの熱暴走が発生する場合、ヒータ１Ａの温度上昇に伴って、抵抗発熱体５ａ、５ｅの抵抗値は、抵抗発熱体５ｂ〜５ｄと比較して速やかに減少する。これにより、ヒータ１Ａの端部領域では発熱量が低下するため、温度が低下し、熱応力が緩和されて、基板２の端部割れを抑制することが可能となる。

また、抵抗発熱体５の抵抗温度係数は、中央領域の抵抗発熱体５ｃを最も高い値とし、基盤２の端部に近づくほど、小さい値となるように設定してもよい。例えば、基板２の中央領域に設ける抵抗発熱体５ｃを、図２のＮｏ６とし、隣り合う抵抗発熱体５ｂ、５ｄをＮｏ１、基板２の端部領域の抵抗発熱体５ａ、５ｅをＮｏ５の抵抗体ペーストで形成する。

例えば、はがきのような小サイズの記録媒体が基板２の中央領域を通過する場合、非通紙部の領域がヒータ１Ａに占める面積は、通紙部の領域よりも広くなる。この場合、基板２の端部領域において、抵抗温度係数を両端部に近づくほど小さくなるように形成すると、用紙サイズに応じた非通紙部昇温の抑制を効率的に行うことが可能となる。また、ヒータ１Ａが熱暴走する場合、非通紙部における抵抗発熱体５の発熱量は、基板２の両端部に近づくほど段階的に低下するため、熱応力発生の抑制に有利に働く。

次に、第２の実施形態について、図３を参照して説明する。

図３に例示するヒータ１Ｂの抵抗発熱体５は、ヒータ１Ａよりも基板２の長手方向で細かく分割されている。また、複数に分割される抵抗発熱体５ａ〜５ｚは、基板２の長手方向における抵抗温度係数が、基板２の両端部に近づくほど小さくなるように形成されることが望ましい。これによりヒータ１Ｂは、多種類の用紙サイズに応じた加熱と、非通紙部昇温の抑制を効率的に行うことが可能となり、熱応力発生の抑制にも有利に働く。

次に図４を参照して、ヒータ１の抵抗発熱体５の構成と、ヒータ１が熱暴走を起こす場合のヒータ１の長手方向の温度分布について説明する。

図４で例示するヒータ１Ａとヒータ１Ｃは、基板２の長手方向に設けられる抵抗発熱体５が複数に分割される数が異なっている。ヒータ１Ｃの抵抗発熱体５は、ヒータ１Ａよりも基板２の長手方向で、細かく分割して設けられている。また、ヒータ１Ａ、１Ｃに設けられる抵抗発熱体５の抵抗温度係数は、基板２の端部領域に近づくほど小さくなるように形成されている。ここで抵抗温度係数の条件をＴ１〜Ｔ６とし、抵抗温度係数の大きさを、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４＜Ｔ５＜Ｔ６とする。

例えば、ヒータ１Ａに設けられる抵抗発熱体５の抵抗温度係数は、中央領域がＴ６、Ｔ６と隣り合う２か所はＴ５で形成され、基板２の端部領域では、最も小さい値であるＴ１で形成されている。ヒータ１Ｃに設けられる抵抗発熱体５の抵抗温度係数は、基板２の中央領域が最も大きいＴ６で形成されており、基板２の端部領域に近づくにつれて段階的に小さくなり、両端は最も小さいＴ１で形成されている。

ヒータ１Ａが熱暴走する場合、Ｔ５とＴ１は中央領域のＴ６よりも抵抗温度係数が小さく形成されているため、温度上昇とともに発熱量が低下する。この場合、Ｔ５とＴ１の抵抗温度係数の差が大きいと、ヒータ１Ａの温度分布は、Ｔ５とＴ１の境界付近で急激に低下する曲線となる。

ヒータ１Ｃが熱暴走する場合、抵抗発熱体５の抵抗温度係数は、基板２の端部領域に近づくにつれて、Ｔ６からＴ１まで段階的に小さくなるように形成されているため、温度上昇に伴い発熱量も段階的に低下する。そのため、ヒータ１Ｃの温度分布は中央領域をピークとし、端部領域に向かってなだらかに低下する曲線となる。

熱暴走時、ヒータ１Ａとヒータ１Ｃでは、抵抗発熱体５の分割される数と、その抵抗温度係数の条件Ｔに差があることにより、基板２の長手方向における温度分布が異なる。ヒータ１Ａは基板２の長手方向において、高温から低温への境界部分で温度分布が急激に変化しているため、その境界部分で熱応力が発生する可能性がある。ヒータ１Ｃは、基板２の中央領域から端部領域にかけてなだらかに温度が低下するため、熱応力が発生しにくく、基板２の端部の割れを抑制することに対し、さらに有利に働く。

基板２の長手方向で複数に分割される抵抗発熱体５の数量や列数、抵抗温度係数は、本実施形態に限定されない。ヒータ１Ａの種類や用途に応じて適宜変更し、基板２の端部領域に近づくほど、抵抗発熱体５の抵抗温度係数が小さくなるように形成されればよい。

基板２は、耐熱性および絶縁性を有し、本実施形態では矩形状に形成されている。基板２は、例えば厚みが０．５ｍｍから１．０ｍｍ程度の平板であり、アルミナ等のセラミック、ガラスセラミックまたは耐熱複合材料などから構成される。基板２の形状は、短手方向および短手方向と交差する長手方向を有していれば、本実施形態に限定されるものではない。

第１導体３、第２導体４は、抵抗発熱体５に電力を供給するものであり、基板２上に形成されている。第１導体３、第２導体４は、抵抗値の低い銀（Ａｇ）系の導電体材料を使用することで、電流を流れやすくし、抵抗発熱体５のＮＴＣ特性をより高めることが可能となる。

オーバーコート層６は、基板２上に形成された第１導体３、第２導体４および抵抗発熱体５を覆っており、本実施形態では帯状に形成されている。オーバーコート層６は、例えば、アルミナ等の熱伝導性に優れた無機酸化物フィラーを、３〜２５質量％加えたガラス層である。

オーバーコート層６は、第１導体３、第２導体４及び抵抗発熱体５を覆っていることで、第１導体３、第２導体４および抵抗発熱体５が直接大気に露出することを防止し、外部からの干渉（例えば、機械的、化学的、電気的な干渉）によって第１導体３、第２導体４および抵抗発熱体５が損傷・破損することを抑制するものである。

次に、ヒータ１を備えた定着装置１００の一実施形態について説明する。図６はヒータ１の使用例である定着装置１００を示す説明図である。定着装置１００は、ヒータ１と、定着フィルム２００と、加圧ローラ３００とで構成されている。なお、定着装置１００は、実際は画像形成装置に内蔵されているが、画像形成装置は省略する。

定着フィルム２００は、ポリイミド樹脂等の耐熱性シートからなるロール状のフィルムである。この定着フィルム２００の底部に、ヒータ１が配置されている。

加圧ローラ３００は、回転軸によって回転可能に構成されたローラである。そのローラの表面には、耐熱性の弾性材料として、シリコーンゴム層が形成されている。シリコーンゴム層は、定着フィルム２００を介して、ヒータ１と弾接している。

ヒータ１が通電され、抵抗発熱体５で熱が発生し、その熱は基板を介し、定着フィルム２００および加圧ローラ３００を加熱する。そこに、定着フィルム２００および加圧ローラ３００の回転によってトナー像５００が付着した用紙４００が送られると、トナー像５００は加熱され、軟化溶融する。この後、加圧ローラ３００の用紙排出側では用紙４００がヒータ１から離れ、トナー像５００’は自然放熱して冷却固化し、定着装置から離れる。

本実施形態によれば、非通紙部昇温と熱暴走時の基板割れの抑制が可能なヒータ１を用いることにより、信頼性に優れた定着装置１００を実現することができる。

なお、本実施形態では、ヒータ１を定着装置１００のトナー定着用に使用する例を説明した。しかし、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。例えば、家庭用の電気製品、業務用や実験用の精密機器や化学反応用の機器等に装着して加熱や保温の熱源として使用することができる。

本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ ヒータ、 ２ 基板、 ３ 第１導体、 ４ 第２導体、 ５ 抵抗発熱体、 １００ 定着装置

Claims (4)

1. 長尺な基板と；
   前記基板上の長手方向に沿って設けられる導体と；
   前記基板上の長手方向に複数に分割され、前記導体によって電気的に直列に接続され、前記基板の長手方向における抵抗温度係数が、端部領域に近づくほど小さくなる抵抗発熱体と；
   を具備していることを特徴とするヒータ。
2. 前記抵抗発熱体は、ＮＴＣ特性を有し、前記基板の長手方向における端部領域の抵抗温度係数が、−２０００〜−６０００ｐｐｍ／℃であることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
3. 前記基板の長手方向の端部領域における前記抵抗発熱体は、ルテニウム、イリジウム、ロジウムなどのうち少なくとも１種類を１〜３０質量％含み、鉛、コバルト、マンガン、銅などのうち少なくとも１種が２５〜９０質量％添加されてなることを特徴とする請求項１または２に記載のヒータ。
4. 通過する記録媒体を加熱する請求項１から３のいずれか一に記載のヒータと；
   前記記録媒体を加熱時に加圧するローラと；
   を備え、前記記録媒体を加熱および加圧することで、前記記録媒体に付着したトナー像を定着させることを特徴とする定着装置。

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