JP2017228504A - ヒータ、画像形成装置及びヒータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工工程を増やすことなく、ヒータの外形寸法のバラツキを抑えると共に、機械的強度及び熱的強度の低下を抑える。【解決手段】ヒータ１は、耐熱性及び絶縁性を有する材料によって形成された基板と、基板に設けられた発熱抵抗体と、基板に設けられ、発熱抵抗体と電気的に接続された導体と、発熱抵抗体及び導体を覆う被覆膜８と、を備える。基板の端面には、凹部１１ａが基板の外周に沿って配列され、基板の厚みをＴ［μｍ］、基板の厚み方向に対する凹部の深さをＤ［μｍ］、凹部のピッチをＰ［μｍ］としたとき、係数Ａ＝１００×Ｄ／（Ｔ×Ｐ）が、０．４≦Ａ≦０．９を満たす。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、ヒータ、画像形成装置及びヒータの製造方法に関する。

例えば複写機等の画像形成装置では、記録紙等の媒体に付着させたトナーを定着させるヒータが用いられている。この種のヒータは、例えば、セラミックス製の基板に発熱抵抗体が設けられている。ヒータの製造工程では、平板状の母材（ウェハ）にレーザスクライブによる凹部加工によって凹部線（分割線）を形成し、凹部線に沿って複数のヒータに分割することで、所望の外形寸法のヒータが製造されている。

ヒータの熱効率の向上を図る方法の１つとしては、基板の厚みを薄くすることが挙げられる。特にセラミックス製の基板では、厚みが薄くなるに従って、凹部線に沿って分割された凹部を起点としたマイクロクラックが生じ易くなり、機械的強度及び熱的衝撃強度の低下を招く。そこで、基板の端面にガラス被膜を形成することで、機械的強度の低下を抑える技術が知られている。

特開平１１−４０３１９号公報

しかしながら、ヒータの製造工程は、母材を複数のヒータに分割した後、基板の端面にガラス被膜を形成する加工工程が増えるので、ヒータの生産性が低下する問題がある。

そこで、本発明は、加工工程を増やすことなく、基板の外形寸法のバラツキを抑えると共に、機械的強度及び熱的強度の低下を抑えることができるヒータ、画像形成装置、ヒータの製造方法を提供することを目的とする。

実施形態に係るヒータは、耐熱性及び絶縁性を有する材料によって形成された基板と、前記基板に設けられた発熱抵抗体と、前記基板に設けられ、前記発熱抵抗体と電気的に接続された導体と、前記発熱抵抗体及び前記導体を覆う被覆膜と、を具備する。前記基板の端面には、複数の凹部が前記基板の外周に沿って配列され、前記基板の厚みをＴ［μｍ］、前記基板の厚み方向に対する前記凹部の深さをＤ［μｍ］、複数の前記凹部のピッチをＰ［μｍ］としたとき、係数Ａ＝１００×Ｄ／（Ｔ×Ｐ）が、０．４≦Ａ≦０．９を満たす。

本発明によれば、加工工程を増やすことなく、ヒータの外形寸法のバラツキを抑えると共に、機械的強度及び熱的強度の低下を抑えることができる。

実施形態に係るヒータを示す平面図である。 実施形態に係るヒータを示す側面図である。 実施形態に係るヒータについて、外径寸法と係数Ａとの関係を説明するための図である。 実施形態に係るヒータについて、抗折強度を算出するための曲げ試験を説明するための模式図である。 実施形態に係るヒータについて、抗折強度と係数Ａとの関係を説明するための図である。 実施形態に係るヒータについて、熱衝撃強度と係数Ａとの関係を説明するための図である。 実施形態に係るヒータが用いられた定着装置の一実施形態を示す断面図である。 実施形態に係るヒータが用いられた画像形成装置の一実施形態を示す断面図である。

以下で説明する実施形態に係るヒータ１は、基板５と、発熱抵抗体６と、導体７と、被覆膜としての保護膜８と、を具備する。基板５は、耐熱性及び絶縁性を有する材料によって形成されている。発熱抵抗体６は、基板５に設けられている。導体７は、基板５に設けられている。導体７は、発熱抵抗体６と電気的に接続されている。保護膜８は、発熱抵抗体６及び導体７を覆う。基板５の端面５ｃには、複数の凹部１１ａが基板５の外周に沿って配列されている。基板５の厚みをＴ［μｍ］、基板５の厚み方向に対する凹部１１ａの深さをＤ［μｍ］、複数の凹部１１ａのピッチをＰ［μｍ］としたとき、係数Ａ＝１００×Ｄ／（Ｔ×Ｐ）が、０．４≦Ａ≦０．９を満たす。

また、以下で説明する実施形態に係る画像形成装置としての複写機１００は、ヒータ１と、加圧ローラ２０３と、を具備する。ヒータ１は、媒体としての記録用紙Ｍを加熱する。加圧ローラ２０３は、ヒータ１によって加熱される記録用紙Ｍを加圧する。複写機１００は、ヒータ１及び加圧ローラ２０３によって、記録用紙Ｍに付着させたトナーを定着させる。

以下で説明する実施形態に係るヒータ１の製造方法は、形成工程と、凹部形成工程と、分割工程と、を有する。形成工程では、耐熱性及び絶縁性を有する材料によって形成された基板５に、発熱抵抗体６及び発熱抵抗体６と電気的に接続される導体７を形成し、発熱抵抗体６及び導体７を保護膜８で覆う。凹部形成工程では、基板５にレーザ光を照射し、複数の円形凹部１１が配列された凹部線１０を形成する。分割工程では、凹部線１０に沿って基板５を分割する。凹部形成工程では、基板５の厚みをＴ［μｍ］、基板５の厚み方向に対する円形凹部１１の深さをＤ［μｍ］、複数の円形凹部１１のピッチをＰ［μｍ］としたとき、係数Ａ＝１００×Ｄ／（Ｔ×Ｐ）が、０．４≦Ａ≦０．９を満たす複数の円形凹部１１を形成する。

（実施形態）
以下、実施形態に係るヒータについて、図面を参照して説明する。図１は、実施形態に係るヒータを示す平面図である。図２は、実施形態に係るヒータを示す側面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態に係るヒータ１は、基板５と、発熱抵抗体６と、導体７と、被覆膜としての保護膜８と、を備える。実施形態のヒータ１は、例えば、画像形成装置において、媒体としての記録用紙にトナーを定着させる、いわゆる定着ヒータとして用いられる。

基板５は、例えば、セラミックス等の耐熱性及び絶縁性を有する材料によって、長尺な平板状に形成されている。基板５は、例えば、アルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素等のセラミックスによって形成されているが、セラミックス製の基板５に限定するものではない。基板５は、厚みＴが例えば５００［μｍ］程度〜１０００［μｍ］程度に形成されている。

発熱抵抗体６は、基板５の厚み方向における一方の主面５ａ上に設けられている。発熱抵抗体６は、例えば、銀、パラジウム系合金を主成分とする導電ペーストをスクリーン印刷で印刷し、導電ペーストを焼成することで形成されている。導体７は、基板５の主面５ａ上に設けられており、発熱抵抗体６と電気的に接続されている。発熱抵抗体６には、図示しない外部電源より、電力が導体７を介して給電される。なお、実施形態のヒータ１は、１つの発熱抵抗体６を有するが、例えば、複数の発熱抵抗体６が並列に接続されてもよい。また、１つの発熱抵抗体６が基板５の両端で折り返して蛇行して形成されてもよい。

保護膜８は、発熱抵抗体６及び導体７を覆っており、例えば、ガラス被膜が用いられている。保護膜８は、発熱抵抗体６及び導体７を覆うことで、ヒータ１の耐電圧性及び耐摩耗性が向上されている。

（ヒータの凹部）
上述のヒータ１は、平板状の母材（図示せず）に凹部形成加工、具体的にはレーザスクライブ加工によって、円形凹部１１が複数、すなわち、複数の円形凹部１１が直線上に配列されてなる凹部線１０（図１参照）を形成し、凹部線１０に沿って母材が複数に分割されることで製造されている。したがって、母材における個々のヒータ１の基板５には、他方の主面５ｂにレーザが照射されたことで、他方の主面５ｂから一方の主面５ａに向かって、断面円錐状の凹部１１ａが複数、すなわち、複数の凹部１１ａが所定のピッチで配列して形成されている。基板５の主面５ｂ上での凹部１１ａの直径（レーザスポット径）は、例えば２０［μｍ］程度〜５０［μｍ］程度に設定されている。凹部１１ａは、基板５の厚み方向に貫通せずに、基板５の主面５ｂの上部に形成されており、基板５の厚み方向に対する凹部１１ａの深さが、例えば基板５の厚みの３１％程度以下に設定されている。

このように、複数の円形凹部１１が形成されることで、ヒータ１の基板５の端面５ｃには、複数のヒータ１が凹部線１０に沿って基板５を折り曲げて分割されたときに、凹部線１０に沿って配列された各円形凹部１１が分割されることにより、断面半円錐状の凹部である凹部１１ａが複数生じている。すなわち、本実施形態において、凹部１１ａは、複数の円形凹部１１が凹部線１０に沿って分割されたヒータ１の基板５の端面５ｃに残る凹部を指している。図１及び図２に示すように、基板５の端面５ｃには、凹部１１ａが基板５の外周に沿って複数配列されている。なお、凹部１１ａの断面形状は半円錐状に限定されず、例えば、半円筒形状や多角柱形状であってもよい。

そして、ヒータ１において、基板５の厚みをＴ［μｍ］、基板５の厚み方向に対する凹部１１ａの深さをＤ［μｍ］、複数の凹部１１ａのピッチをＰ［μｍ］としたとき、係数Ａ＝１００×Ｄ／（Ｔ×Ｐ）が、０．４≦Ａ≦０．９を満たす。

（ヒータの外形寸法）
図３は、実施形態に係るヒータ１について、外径寸法と係数Ａとの関係を説明するための図である。長尺状の基板５の短辺方向に対する幅Ｗ［ｍｍ］について、目標値を８．７５［ｍｍ］に設定し、母材から分割されたヒータ１を測定した。外形寸法のサンプル数としては、係数Ａについて、０．４≦Ａ≦０．９の場合と、Ａ＜０．４の場合とでそれぞれ２０個のヒータ１を用いた。

図３に示すように、係数Ａに関して、Ａ＜０．４の場合には、ヒータ１の外形寸法のバラツキに相当する（最大値−最小値）の差分が０．１５［ｍｍ］となった。係数Ａが、０．４≦Ａ≦０．９の場合には、ヒータ１の外形寸法のバラツキが０．０７［ｍｍ］となり、Ａ＜０．４の場合と比較して半分以下に抑えられた。したがって、係数Ａが０．４未満の場合には、母材から凹部線１０に沿って分割されたヒータ１の外形寸法のバラツキが大きくなる傾向にあるので、好ましくない。

（ヒータの抗折強度）
図４は、実施形態に係るヒータ１について、機械的強度としての抗折強度を算出するための曲げ試験を説明するための模式図である。図５は、実施形態に係るヒータ１について、抗折強度と係数Ａとの関係を説明するための図である。抗折強度Ｆは、平板状の母材から分割されたヒータ１が、曲げ試験によって破断にいたるときに発生する内部応力値を指す。

図４に示すように、曲げ試験は、ヒータ１を支持する一組の支点となる円柱状の支持部材１５と、ヒータ１に荷重を加える荷重点となる円柱状の押圧部材１６と、を用いて行った。押圧部材１６は、押圧部材１６の中心軸が一組の支持部材１５間の中央に位置するように配置されている。ヒータ１には、押圧部材１６を介して、基板５の主面５ａ側から、主面５ａに直交する方向Ｂへ向かって、荷重負荷速度が０．５［ｍｍ／ｍｉｎ］で荷重を加えた。

ヒータ１の厚みをＴ［ｍｍ］、長尺状のヒータ１の短辺方向に対する幅をＷ［ｍｍ］、支点間の距離（支持部材１５の中心軸間の距離）をＬ［ｍｍ］、ヒータ１が破壊したときの最大荷重をＧ［Ｎ］としたとき、抗折強度Ｆ［ＭＰａ］は、Ｆ＝（３×Ｇ×Ｌ）／（２×Ｗ×Ｔ^２）によって算出される。抗折強度のサンプル数としては、係数Ａについて、０．４≦Ａ≦０．９の場合と、０．９＜Ａの場合とでそれぞれ２０個のヒータ１を用いた。

図５に示すように、係数Ａに関して、０．９＜Ａの場合には、０．４≦Ａ≦０．９の場合と比較して、ヒータ１の抗折強度の最大値、平均値、最小値がそれぞれ小さくなり、適正な抗折強度を確保できなかった。ヒータ１の機械的強度は、係数Ａが大きくなるに従って徐々に低下する傾向にあり、０．９を超えると適正な強度を確保することが困難になるので、好ましくない。

（ヒータの熱衝撃強度）
図６は、実施形態に係るヒータ１について、熱衝撃強度と係数Ａとの関係を説明するための図である。熱衝撃は、急激な加熱または冷却によって物体内に急激な温度変化が生じ、温度変化に伴う衝撃的な熱応力により物体が損傷する現象である。熱衝撃強度は、熱衝撃に対する物体の強度を指す。ここでは、ヒータ１の熱衝撃強度を、ヒータ１に１４００（Ｗ）を連続通電したときに熱応力でヒータ１が破壊にいたるまでの時間［ｓｅｃ］を用いて指す。熱衝撃強度のサンプル数としては、係数Ａについて、０．４≦Ａ≦０．９の場合と、０．９＜Ａの場合とでそれぞれ５個のヒータ１を用いた。

図６に示すように、係数Ａに関して、０．９＜Ａの場合には、０．４≦Ａ≦０．９の場合と比較して、ヒータ１の熱衝撃強度に相当する時間［ｓｅｃ］の最大値、平均値、最小値がそれぞれ小さくなり、適正な熱衝撃強度を確保できなかった。ヒータ１の熱衝撃強度は、係数Ａが大きくなるに従って徐々に低下する傾向にあり、０．９を超えると適正な強度を確保することが困難になるので、好ましくない。

上述したように、実施形態のヒータ１は、係数Ａが、０．４≦Ａ≦０．９を満たすことで、ヒータ１の外形寸法のバラツキを抑えると共に、ヒータ１の機械的強度としての抗折強度、及び熱的強度としての熱衝撃強度の低下を抑えることができる。

（ヒータの製造方法）
以上のように構成されたヒータ１の製造方法について説明する。ヒータ１の製造方法は、形成工程と、凹部形成工程と、分割工程と、を有する。形成工程では、耐熱性及び絶縁性を有する材料によって形成された基板５に、発熱抵抗体６及び発熱抵抗体６と電気的に接続される導体７をそれぞれ形成する。また、形成工程では、発熱抵抗体６及び導体７を保護膜８で覆う。凹部形成工程では、基板５にレーザ光を照射し、複数の円形凹部１１が配列された凹部線１０を形成する。分割工程では、凹部線１０に沿って基板５を分割する。そして、凹部形成工程では、基板５の厚みをＴ［μｍ］、基板５の厚み方向に対する複数の円形凹部１１の深さをＤ［μｍ］、複数の円形凹部１１のピッチをＰ［μｍ］としたとき、係数Ａ＝１００×Ｄ／（Ｔ×Ｐ）が、０．４≦Ａ≦０．９を満たす複数の円形凹部１１を形成する。

なお、ヒータ１の製造方法の順序については上記に限定されず、例えば、予め基板５にレーザ光を照射して複数の円形凹部１１が配列された凹部線１０を形成後、発熱抵抗体６及び導体７を保護膜で覆い、凹部線１０に沿って基板５を分割するように、凹部形成工程、形成工程、分割工程の順序であってもよい。

上述のように実施形態のヒータ１が備える基板５の端面５ｃには、複数の凹部１１ａが基板５の外周に沿って配列されている。基板５の厚みをＴ［μｍ］、基板５の厚み方向に対する凹部１１ａの深さをＤ［μｍ］、凹部１１ａの各々のピッチをＰ［μｍ］としたとき、係数Ａ＝１００×Ｄ／（Ｔ×Ｐ）が、０．４≦Ａ≦０．９を満たす。係数Ａが、０．４以上を満たすことで、ヒータ１（基板５）の外形寸法のバラツキを抑え、ヒータ１の外形寸法の加工精度を高めることができる。一方、係数Ａが、０．９以下を満たすことで、ヒータ１の機械的強度及び熱的強度を適正に確保することができる。したがって、ヒータ１は、ヒータ１の製造工程に加工工程を追加することなく、ヒータ１の外形寸法のバラツキを抑えると共に、ヒータ１の機械的強度及び熱的強度の低下を抑えることができる。

また、ヒータ１によれば、ヒータ１の製造工程に加工工程を追加することなく、母材を複数のヒータ１に分割した後に、ヒータ１の製造工程やヒータ１を用いる画像形成装置の製造工程での取り扱い時に、ヒータ１の基板５に割れが発生することを抑えることができる。したがって、ヒータ１によれば、ヒータ１及び画像形成装置の製造コストの増大を抑えることができる。

なお、図１に示した基板５には、互いに平行な一組の長辺の端面５ｃに沿って凹部１１ａが形成され、一組の短辺の端面５ｃに凹部１１ａが形成されていないが、この構成に限定されるものではない。母材から複数の基板５を分割するための各基板５の配置（レイアウト）に応じて、基板５の全周の端面５ｃにわたって凹部１１ａが形成されてもよい。

つぎに、実施形態のヒータ１を用いた実施形態の定着装置について図面を参照して説明する。図７は、実施形態に係るヒータが用いられた定着装置の一実施形態を示す断面図である。定着装置２００は、支持体２０２の周りに円筒状に巻き回された定着フィルムベルト２０１の底部にヒータ１が設けられている。定着フィルムベルト２０１は、例えばポリイミド等の耐熱性を有する樹脂材料によって形成されている。ヒータ１及び定着フィルムベルト２０１に対向する位置には、加圧ローラ２０３が配置されている。加圧ローラ２０３は、表面に耐熱性の弾性材料、例えばシリコーン樹脂層２０４を有しており、定着フィルムベルト２０１を圧接した状態で、回転軸２０５まわり（図７中のＸ方向）に回転することができる。

トナー定着工程では、定着フィルムベルト２０１とシリコーン樹脂層２０４との接触面において、媒体である記録用紙（複写用紙）Ｍ上に付着したトナー像Ｕ１が、定着フィルムベルト２０１を介してヒータ１により加熱溶融される。その結果、少なくともトナー像Ｕ１の表面部分は、融点を超え、軟化して溶融する。その後、加圧ローラ２０３の用紙排出側において、記録用紙Ｍは、ヒータ１から離間すると共に、定着フィルムベルト２０１から離間し、トナー像Ｕ２が自然に放熱して再び固化することで、トナー像Ｕ２が記録用紙Ｍに定着する。

最後に、実施形態のヒータ１を備えた実施形態の画像形成装置について図面を参照して説明する。図８は、実施形態に係るヒータが用いられた画像形成装置の一実施形態を示す断面図である。なお、本実施形態の画像形成装置は、複写機１００として構成されている。図８に示すように、複写機１００には、上述した定着装置２００を含む各構成要素が筐体１０１内に設けられている。筐体１０１の上部には、ガラス等の透明材料からなる原稿載置台が取り付けられており、画像情報を読み取る対象となる原稿Ｍ１を原稿載置台上で往復動させて（図８に示す矢印Ｙ）スキャンするように構成されている。

筐体１０１内の上部には、光照射用ランプと反射鏡とを有する照明装置１０２が設けられている。照明装置１０２から照射された光は、原稿載置台上の原稿Ｍ１の表面で反射し、短焦点小径結像素子アレイ１０３によって感光ドラム１０４上にスリット露光される。なお、感光ドラム１０４は、回転可能（図８中のＺ方向）に設けられている。また、筐体１０１内に配置された感光ドラム１０４の近傍には、帯電器１０５が設けられており、感光ドラム１０４が帯電器１０５により一様に帯電される。感光ドラム１０４は、例えば酸化亜鉛感光層または有機半導体感光層で被覆されている。帯電した感光ドラム１０４には、短焦点小径結像素子アレイ１０３によって画像露光が行われた静電画像が形成される。この静電画像は、現像器１０６による加熱で軟化溶融する樹脂等からなるトナーを用いて顕像化され、トナー像となる。

カセット１０７内に収容されている記録用紙Ｍは、給送ローラ１０８と感光ドラム１０４上のトナー像と同期して上下方向に圧接して回転される一対の搬送ローラ１０９によって、感光ドラム１０４上に送り込まれる。そして、転写放電器１１０によって感光ドラム１０４上のトナー像が記録用紙Ｍ上に転写される。その後、感光ドラム１０４上から下流側に送られた記録用紙Ｍは、搬送ガイド１１１によって定着装置２００に導かれて加熱定着処理（上記トナー定着工程）された後、トレイ１１２に排出される。なお、トナー像が転写された後、感光ドラム１０４上の残留トナーは、クリーナ１１３により除去される。

定着装置２００において、ヒータ１は、加圧ローラ２０３の外周に取り付けられたシリコーン樹脂層２０４に加圧された状態で設けられている。ヒータ１は、記録用紙Ｍの搬送方向と直交する記録用紙Ｍの幅方向に、複写機１００が複写可能な最大判用紙の幅（長さ）に合わせた有効長、すなわち最大判用紙の幅（長さ）よりも大きい発熱抵抗体６を備えている。そして、ヒータ１と加圧ローラ２０３との間を送られる記録用紙Ｍ上の未定着トナー像は、発熱抵抗体６の発熱を利用して溶融され、記録用紙Ｍ上に文字、記号、画像等の複写像を現出させる。

なお、実施形態のヒータ１を複写機１００等の画像形成装置の定着ヒータとして適用した一例について説明したが、ヒータ１の用途を限定するものではない。実施形態のヒータ１は、家庭用電気製品、業務用や実験用の精密機械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されてもよい。

本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することを意図していない。実施形態は、その他の様々な形態で実施す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。実施形態やその変形は、本発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１ ヒータ
５ 基板
５ａ、５ｂ 主面
５ｃ 端面
６ 発熱抵抗体
７ 導体
８ 保護膜（被覆膜）
１０ 凹部線
１１ 円形凹部
１１ａ 凹部
１００ 複写機（画像形成装置）
２００ 定着装置
２０３ 加圧ローラ
Ａ 係数
Ｄ 深さ
Ｐ ピッチ
Ｔ 厚み

Claims (3)

1. 耐熱性及び絶縁性を有する材料によって形成された基板と；
   前記基板に設けられた発熱抵抗体と；
   前記基板に設けられ、前記発熱抵抗体と電気的に接続された導体と；
   前記発熱抵抗体及び前記導体を覆う被覆膜と；
   を具備し、
   前記基板の端面には、複数の凹部が前記基板の外周に沿って配列され、
   前記基板の厚みをＴ［μｍ］、前記基板の厚み方向に対する前記凹部の深さをＤ［μｍ］、複数の前記凹部のピッチをＰ［μｍ］としたとき、係数Ａ＝１００×Ｄ／（Ｔ×Ｐ）が、０．４≦Ａ≦０．９を満たす、ヒータ。
2. 媒体を加熱する請求項１に記載のヒータと；
   前記ヒータによって加熱される前記媒体を加圧する加圧ローラと；
   を具備し、
   前記ヒータ及び前記加圧ローラによって、前記媒体に付着させたトナーを定着させる、画像形成装置。
3. 耐熱性及び絶縁性を有する材料によって形成された基板に、発熱抵抗体及び前記発熱抵抗体と電気的に接続される導体を形成し、前記発熱抵抗体及び前記導体を被覆膜で覆う形成工程と；
   前記基板にレーザ光を照射し、複数の凹部が配列された凹部線を形成する凹部形成工程と；
   前記凹部線に沿って前記基板を分割する分割工程と；
   を有し、
   前記凹部形成工程では、前記基板の厚みをＴ［μｍ］、前記基板の厚み方向に対する前記凹部の深さをＤ［μｍ］、前記凹部のピッチをＰ［μｍ］としたとき、係数Ａ＝１００×Ｄ／（Ｔ×Ｐ）が、０．４≦Ａ≦０．９を満たす前記凹部を形成する、ヒータの製造方法。

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