JP2019012640A - 発熱ユニット、定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ヒータの短手温度分布を均一化し、割れの発生を抑制可能なヒータの提供。
【解決手段】
発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に電力を供給する給電部と、前記給電部と前記発熱抵抗体とを接続する導電部と、を有し、前記発熱抵抗体は、第１の領域の前記給電部からの給電に対する発熱量が前記第１の領域より前記発熱抵抗体の短手方向における前記導電部からの距離が遠い第２の領域の前記給電部からの給電に対する発熱量より小さくなるように構成されていることを特徴とする発熱ユニット。
【選択図】図３

Description

本発明は、発熱部材、トナーで形成された画像を記録材に定着させる定着装置、及びこれを具備する画像形成装置に関するものである。

プリンタ等に搭載する定着装置として、セラミックス製の基板上に発熱抵抗体を有するヒータと、このヒータに接触しつつ移動する可撓性部材と、可撓性部材を介してヒータとニップ部を形成する加圧ローラと、を有するものがある。

未定着画像を担持する記録媒体は定着装置のニップ部で挟持搬送されつつ加熱され、これにより記録材上の画像が加熱定着される。このタイプの定着装置は、ヒータへの通電を開始後、定着可能温度まで昇温するのに要する時間が短いというメリットを有する。また、このタイプの定着装置は、プリント指令を待つ待機中の消費電力が少ないというメリットもある。

このような定着装置において、小サイズ記録媒体を連続通紙したときに、小サイズ通紙域は記録媒体に熱を奪われるため温度は下がるが、小サイズ記録媒体が通紙されない非通紙部は熱を奪われないために昇温してしまう（非通紙部昇温）。この現象が発生すると加圧ローラ等の部品の損傷や高温オフセットといった画像不良が発生する。

そこで対策として、小サイズ連続通紙を行うときにプリント間隔を広げる制御を行うことで、非通紙部の昇温を抑えている。しかし、このような制御を行うと小サイズの生産性が大サイズ連続通紙時の生産性に比べると大幅にダウンしてしまう。

また、最近ではこれらの問題を解決するために特許文献１に掲載されているような非通紙の昇温を抑制するヒータが提案されている。

図１３は、この従来のヒータの構成の一例を示す図である。

同図に示すように、ヒータは、細長い基板と、この基板の長手方向に沿って発熱抵抗体を有している。さらに、発熱抵抗体の短手方向における一端側と他端側にそれぞれ発熱抵抗体の長手方向に沿って電極が設けられている。この電極の基板の長手方向における一方の端部には給電部が設けられている。

この発熱抵抗体は温度が上昇すると抵抗値が上昇する正の抵抗温度特性を有している。なお、給電部から電極を介して発熱抵抗体に通電を行うことで発熱抵抗体は発熱する。

このヒータに小サイズ記録媒体が連続通紙されたときに小サイズ記録媒体の通紙域は記録媒体に熱を奪われるため、温度は下がる。しかし、小サイズ記録媒体の非通紙域は記録媒体に熱を奪われないために温度は上昇する。このときに、ヒータの発熱抵抗体は温度が上がるほど、抵抗値が上昇する特性を持つために発熱が抑制されて非通紙部の昇温を抑制するように構成されている。

特開２０１６−３１５０８号公報 特開平１０−２１３９８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された図１３のようなヒータでは、発熱体と接している電極部ａに入力するまでの導電部も僅かながら発熱してしまう。

この導電部の発熱により、短手方向の温度分布が図１４のように導電部側が顕著に高くなってしまう不均一な温度分布となる。なお、図１４は図１３のヒータ図のＺ−Ｚ’の断面を短手方向で見たときの温度分布になっている。

この不均一な温度分布によって、ヒータ内に温度差による応力が発生し、ヒータ割れに至ってしまう恐れがある。一般的には、ヒータの温度を制御している制御部が故障してしまい、ヒータに交流電圧がかかり続けて、温度が５００℃近くまで上昇するヒータの暴走が起きて、ヒータ割れに至る場合がある。

実使用製品では、このようなヒータの暴走が起きた場合には、ヒータ割れが発生する前に安全装置が働くようにして、ヒータへの通電を遮断する必要がある。しかし、現状の図１４のような温度分布であると、Ｚ’側と、Ｚ側で温度差が大きいために、Ｚ’側のヒータ基板内の応力と、Ｚ側のヒータ基板内の応力に大きな差が生まれて、ヒータ基板に紙搬送方向のひずみが発生し、ヒータ割れに至る可能性がある。

さらに、近年では電子写真式の複写機も高速化対応が望まれており、定着装置も温調温度の高温化が進んでいる。そのため、通常動作時に安全装置が誤作動しないような、高温で作動する安全装置が主流化している。この高温でしか作動しない安全装置でも、安全装置の作動前にヒータが割れないような、より安全性の高いヒータが求められている。

このようなヒータの安全性を高める手段の１つとして、特許文献２に示されたようにヒータの発熱体面とは反対側のヒータ裏面に銀のような高熱伝導部材を設置することで、短手温度分布を均一化し、割れ発生までの時間を長くして、安全性を高める技術がある。

しかし、一般的にはヒータ裏面側にはサーミスタといった温度検知部材を設けている。 図１５は、ヒータ裏面側に高熱伝導部材を設けた場合と、設けていない場合の、温度検知部材とニップ内の位置関係の図を示す。図１５（ａ）は、高熱伝導部材を設けた場合を示し、図１５（ｂ）は、高熱伝導部材を設けていない場合を示している。

図１５に示すように、ヒータと温度検知部材の間に他の部材を設けてしまうと、温度検知部材とヒータ間の距離が大きくなってしまう。このように距離が広がると、ニップ内の温度を温度検知部材が検知するまでの時間が大きくなり、温度検知精度が悪化してしまう。温度検知精度が悪い状態で、厚紙等の用紙を定着器に通紙した場合には、ニップ内の温度が低下したことを、温度検知部材が検知するまでに時間がかかってしまう。このため、ニップ内の温度が定着可能温度よりも下がってしまい、定着不良等の画像不良が発生してしまう可能性がある（図１６参照）。

そこで、本発明ではヒータ裏面に高熱伝導部材のような新たな部材を追加することなく、ヒータの短手方向の温度分布を均一化することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の発熱ユニットは、発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体に電力を供給する給電部と、前記給電部と前記発熱抵抗体とを接続する導電部と、を有し、前記発熱抵抗体は、第１の領域の前記給電部からの給電に対する発熱量が前記第１の領域より前記発熱抵抗体の短手方向における前記導電部からの距離が遠い第２の領域の前記給電部からの給電に対する発熱量より小さくなるように構成されていることを特徴とする。

本発明導電部導電部によれば、ヒータ裏面に部材を追加することなく、ヒータの温度分布を均一化することができる。

本発明の実施形態である画像形成装置の全体構成を示す図である。 本発明の実施形態である定着装置の縦断面図である。 本発明の実施形態であるヒータの構成を示す図である。図３（ａ）はヒータの表面図、図３（ｂ）は、ヒータの裏面図、図３（ｃ）は、図３（ａ）のヒータの断面と、そのヒータに用いられる通電制御回路の一例を表す図である。 本発明の実施形態であるヒータと従来の構成のヒータとの比較実験の結果を示す図である。 本発明の実施形態のヒータの電力分布を示す図である。 従来構成のヒータの電力分布を示す図である。 ヒータ割れ時間の比較実験の結果を示す図である。 本実施形態のヒータと従来構成のヒータの発熱抵抗体面の拡大図である。図８（ａ）は、本実施形態のヒータを示し、図８（ｂ）は、従来構成のヒータを示している。 ヒータ割れ時間の比較実験のときの、温度上昇をしているヒータにかかる応力を表した図である。図９（ａ）は、本実施形態の場合を示し、図９（ｂ）は、従来構成の場合を示している。 図９に示す応力の大きさの関係を示す図である。図１０（ａ）は、本実施形態の場合を示し、図１０（ｂ）は、従来の構成の場合を示している。 本実施形態の構成のヒータのヒータ割れ時間比較実験と基本的に同じ実験系で、安全装置のサーモスイッチのみ取り除いた場合と従来構成の場合とで、ヒータへ１０００Ｗの印加を行ったときのヒータ割れ時間の比較実験の結果を示す図である。 本実施形態のサーモスイッチの配置位置の他の例を示す図である。図１２（ａ）は、図１２（ａ）は、ヒータの表面図、図１２（ｂ）はヒータの裏面図である。 従来のヒータの構成の一例を示す図である。 従来のヒータの断面を短手方向で見たときの温度分布を示す図である。 ヒータの裏面側に高熱伝導部材を設けた場合と、設けていない場合の、温度検知部材とニップ内の位置関係を示す図である。図１５（ａ）は、高熱伝導部材を設けた場合を示し、図１５（ｂ）は、高熱伝導部材を設けていない場合を示している。 従来のヒータの裏面に高熱伝導部材がある場合において、ニップ内温度と時間の関係を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
（画像形成装置の全体構成）
図１は、本発明の実施形態である画像形成装置１００の全体構成を示す図である。画像形成装置１００は転写式電子写真プロセス利用のレーザープリンタである。

感光体ドラム１は、像担持体としての回転ドラム型の電子写真感光体であり、周方向に所定の速度で回転する。感光体ドラム１はＯＰＣ，アモルファスシリコンドラム等の感光材料をアルミニウムやニッケル等のシリンダ状の基板上に形成して構成される。

回転中の感光体ドラム１は、帯電ローラ２と接触しつつ、回転することによって感光体ドラム１の表面上が均一に帯電される。表面が一様に帯電された感光体ドラム１に対して、画像露光手段としてのレーザビームスキャナ３から出力された画像情報に対応して変調されたレーザ光Ｌによる走査露光がなされる。これにより感光体ドラム１の表面に画像情報に対応した静電潜像画像が形成される。この静電潜像画像に現像装置４によりトナー（現像剤）によってトナー像として現像される。

一方、記録媒体Ｐは給送カセット５から給送ローラ６によって１枚ずつ分離給送され、レジストローラ７に送られる。レジストローラ７によって記録媒体Ｐは感光体ドラム１の表面に形成されたトナー画像と同期を取り、シートパス８ａを通じて感光体ドラム１と転写ローラ９とで形成された転写ニップ部Ｔに導入される。感光体ドラム１上のトナー画像の先端と記録媒体Ｐの先端が転写ニップ部Ｔに入るタイミングが同じになるように、レジストローラ７により制御されている。

転写ニップ部Ｔに導入された記録媒体Ｐは転写ニップ部Ｔで挟持搬送されて、その間に転写ローラ９には不図示の転写バイアス印加電源からトナーと逆極性の転写バイアスが転写ローラ上に印加される。これにより、感光体ドラム１上のトナー画像が記録媒体Ｐ上に転写される。

転写ニップ部Ｔにおいてトナー像の転写を受けた記録媒体Ｐは感光体ドラム１の表面から分離されてシートパス８ｂを通って定着装置１１へ搬送される。そして、定着装置１１によって、記録媒体Ｐ上のトナー像は加熱、加圧され、記録媒体Ｐ上に永久定着される。定着装置１１を出た記録媒体Ｐはシートパス８ｃ側に進路案内されて排出口１３から排出トレイ１４上に排出される。

トナー像の転写後、感光体ドラム１の表面上のトナー、紙粉はクリーニング装置１０によって除去され、繰り返して作像に使用される。

（定着装置）
図２は、定着装置１１の縦断面図である。以下の説明において、定着装置１１又はその定着装置１１を構成している部材に関して、長手方向とは記録媒体Ｐの搬送方向に関して直交する方向であり、短手方向とは記録媒体Ｐの搬送方向Ａと同一の方向である。

定着装置１１は発熱部材としてのセラミック製のヒータ２３と、可撓性部材としての定着フィルム２２とガイド部材としてのステー２１と、加圧部材としての加圧ローラ２４と、を有する。ステー２１、定着フィルム２２、ヒータ２３、及び加圧ローラ２４はいずれも長手方向に細長い部材である。

ステー２１は耐熱性及び剛性を有する材料を用いて縦断面桶型形状で形成されており、ステー２１上にヒータ２３が保持されている。定着フィルム２２は耐熱性を持ち、エンドレス（円筒状）に形成してある。定着フィルム２２はステー２１に外嵌されている。定着フィルム２２の内周長は、ステー２１の外周長よりも、例えば３ｍｍ程度大きくなるように構成されている。従って、定着フィルム２２は周長に余裕を持ってステー２１に外嵌されている。定着フィルム２２の内周面とステー２１の外周面との間には潤滑剤（不図示）を介在させてある。これにより、ステー２１と定着フィルム２２の内周面とが接触回転するときの摺動抵抗を低下させている。

定着装置１１内の各部材について詳しく説明する。

（定着フィルム）
定着フィルム２２において、熱容量を小さくして立ち上げ時間を早めるために、フィルム膜厚は１００μｍ以下であることが好ましい。定着フィルム２２の材料として、耐熱性のあるＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ等の単層フィルム、或いはポリイミド、ポリアミドイミド、ＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＰＳ等のフィルムの外周表面にＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ等をコーティングした複合層フィルムが用いられる。本実施形態では膜厚７５μｍのポリイミドフィルムの外周面にＰＦＡ、ＰＴＦＡをコーティングしたものを定着フィルム２２として用いた。定着フィルム２２の外径は２４．０ｍｍとした。

（ステー）
ステー２１は例えば、ポリイミド、ポリアミドイミド、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ、液晶ポリマー等の高耐熱性樹脂や、これらの樹脂とセラミック、金属、ガラス等との複合材料等により構成される。本実施形態では液晶ポリマーにより、縦断面桶型形状に形成されたステー２１とした。ステー２１は長手方向の両端部が定着装置１１の不図示の側板対に保持されている。ステー２１の加圧ローラ２４側の面には、長手方向に沿って凹字形状の溝が設けられており、その溝にヒータ２３が保持されている。

（加圧ローラ）
加圧ローラ２４は芯金２４ａと、芯金２４ａの周囲に設けられた弾性体層２４ｂと、弾性体層２４ｂの周囲に設けられた最外層の離型層２４ｃと、を有する。芯金２４ａの長手方向の両端部が定着装置１１の側板対により保持されて加圧ローラ２４は回転自在となっている。本実施形態では、芯金２４ａはアルミニウムを、弾性体層２４ｂはマイクロバルーンを配合したシリコンゴムを、離型層２４ｃにはＰＦＡチューブを、それぞれ、用いた。加圧ローラ２４の外径は２０ｍｍ、離型層の厚みは３０μｍとした。そして、定着フィルム２２の下方において定着フィルム２２と並列に配置された加圧ローラ２４は、芯金２４ａの両端部が加圧バネ等の加圧手段（不図示）によってステー２１側に加圧されている。これにより、加圧ローラ２４の表面とヒータ２３との間に定着フィルム２２が挟まれて、記録媒体Ｐ上の未定着トナー画像の加熱定着に必要な幅のニップ部Ｎを形成している。なお、図１のシートパス８ｂと加圧ローラ２４は搬送手段を構成する。

（ヒータの構成）
図３は本発明の実施形態の特徴部分である発熱部材としてのヒータ２３の構成を示す図である。図３（ａ）はヒータ２３の表面図、図３（ｂ）は、ヒータ２３の裏面図、図３（ｃ）、は図３（ａ）のヒータ２３のＫ−Ｋ’断面と、そのヒータ２３に用いられる通電制御回路の一例を表す図である。本実施形態のヒータ２３における総抵抗値は２０（Ω）とした。

これらの図に示すように、ヒータ２３は、長尺形状であり、長手方向に細長い耐熱性・絶縁性・良熱伝導性の基板２７の一面（ニップ部Ｎ側の面）に発熱抵抗体２６を有している。また、発熱抵抗体２６の短手方向の両端部（端部）の全域に接触するように、発熱抵抗体２６の長手方向に沿って電極２９ｃ（第１の電極）、電極３０ｃ（第２の電極）が設けられている。電極２９ｃ及び電極３０ｃの中心部２９ｄ、３０ｄ（中央部）から導電部２９ｂ（第１の導電部）、導電部３０ｂ（第２の導電部）を介して電極２９ｃ及び電極３０ｃに電力を供給するための給電部２９ａ（第１の給電部）、給電部３０ａ（第２の給電部）に接続されている。導電部２９ｂは、電極２９ｃに平行な（沿った）部分を有しており、電極２９ｃが設けられている側の基板２７上に設けられている。導電部３０ｂは、電極３０ｃに平行な（沿った）部分を有しており、電極３０ｃが設けられている側の基板２７上に設けられている。

また、発熱抵抗体２６、電極２９ｃ、電極３０ｃ、導電部２９ｂ、３０ｂ、給電部２９ａ、３０ａは、耐熱性のオーバーコート層２８によってコートされている。

発熱抵抗体２６は、電極２９ｃ、３０ｃ間に正の抵抗温度特性を持っている。

基板２７は、例えば、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミック材料が用いられる。本実施例ではアルミナ基板としている。短手方向における幅７ｍｍ，長手方向における長さ２７０ｍｍ、厚さ１ｍｍの基板を使用している。電極２９ｃ、３０ｃ、導電部２９ｂ、３０ｂ、及び給電部２９ａ、３０ａは、銀のスクリーンパターンを用いた。オーバーコート層２８は、発熱抵抗体２６及び電極の電気的な絶縁性とヒータ２３の表面と定着フィルム２２の内周面と間の摺動性とを確保することが主な目的である。

ヒータ２３はステー２１の溝内に基板２７が基板表面をニップ部Ｎに向けて固定される。これによりヒータ２３のオーバーコート層２８を定着フィルム２２の内周面に接触させている。オーバーコート層２８は、発熱抵抗体２６と、電極２９ｃ、３０ｃ、導電部２９ｂ、３０ｂ、及び給電部２９ａ、３０ａとを覆うようにして基板２７の表面に設けられている。本実施形態ではオーバーコート層２８として厚さ６０μｍの耐熱性ガラス層を用いた。図３（ａ）においては電極２９ｃ、３０ｃ、導電部２９ｂ、３０ｂ、給電部２９ａ、３０ａ、及び発熱抵抗体２６の関係を容易に理解できるようにするためにオーバーコート層２８は省略してある。なお、本発明は上記のような材料を用いたもののみに限定されるものでない。

発熱抵抗体２６は分割されており、基板２７の短手方向において導電部２９ｂ、３０ｂが設けられていない側の発熱抵抗体２６の部分の抵抗温度特性が、導電部２９ｂ、３０ｂが設けられている側の発熱抵抗体２６の部分の抵抗温度特性よりも大きくなるように構成されている。

本実施形態では、導電部２９ｂ、３０ｂは、長手方向の中心軸から一端部（図３（ａ）において左）側と他端部（図３（ａ）において右）側で、短手方向の一端部（図３（ａ）において上）側の導電部２９ｂと他端部（図３（ａ）において下）側の導電部３０ｂのそれぞれに設けられている。発熱抵抗体２６は、発熱抵抗体部分２６ａ（第１の領域）、発熱抵抗体部分２６ａ´（第２の領域）、発熱抵抗体部分２６ｂ（第４の領域）、発熱抵抗体部分２６ｂ´（第３の領域）の４つに分割されている。発熱抵抗体部分２６ａ、と発熱抵抗体部分２６ａ´とは、第１の発熱抵抗体部分を構成し、発熱抵抗体部分２６ｂと発熱抵抗体部分２６ｂ´とは、第２の発熱抵抗体部分を構成する。

発熱抵抗体部分２６ａは、長手方向の中央部から一端部側の範囲の導電部２９ｂに近い部分に位置する。発熱抵抗体部分２６ａ´は、長手方向の中央部から他端部側の範囲の導電部３０ｂに近い部分に位置する。発熱抵抗体部分２６ｂは、長手方向の中央部から他端部側の範囲の導電部３０ｂから遠い部分に位置する。発熱抵抗体部分２６ｂ´は、長手方向の中央部から一端部側の範囲の導電部２９ｂから遠い部分に位置する。

そして、導電部２９ｂ、３０ｂが設けられていない側の発熱抵抗体部分２６ｂ、２６ｂ´の抵抗温度特性を２５００ｐｐｍ／℃とし、導電部２９ｂ、３０ｂが設けられている側の発熱抵抗体部分２６ａ、２６ａ´の抵抗温度特性を１５００ｐｐｍ／℃としている。ここで、抵抗温度特性とは、温度変化に応じての抵抗変化量を示す値（温度変化に対する抵抗値の増加率）である。

例えば、１８Ωで抵抗温度特性が１０００ｐｐｍ／℃の抵抗体であると、抵抗体の温度が５０℃変化すると、抵抗値は１８［Ω］×５０［℃］×（１０００×１０^−６）［／℃］＝０．９［Ω］となり、０．９Ω変化する。

なお、本実施形態では発熱抵抗体２６の長手方向全域の長さを２２０ｍｍとし、短手方向における幅を３．５ｍｍとしている。そして、発熱抵抗体部分２６ａ、２６ａ´、２６ｂ、２６ｂ´は、それぞれ長手方向の長さを１１０ｍｍとし、短手方向における幅を１．７５ｍｍとしていて、全て同じ寸法としている。

また、導電部２９ｂ、３０ｂから電極２９ｃ、３０ｃへの入力接点は発熱抵抗体２６の長手方向における電極２９ｃ、３０ｃの中心部２９ｄ、３０ｄに設けられている。中心部２９ｄ、３０ｄは、記録媒体Ｐが必ず通過する最小サイズ通紙域内に位置している。また、基板２７の長手方向における一端側と他端のそれぞれに電極２９ｃ、３０ｃに給電するための給電部２９ａ、３０ａが設けられている。

本実施形態では上述したように、導電部２９ｂ、３０ｂが設けられていない側の発熱抵抗体部分２６ｂ、２６ｂ´の抵抗温度特性を２５００ｐｐｍ／℃とし、導電部２９ｂ、３０ｂの設けられている側の発熱抵抗体部分２６ａ、２６ａ´の抵抗温度特性を１５００ｐｐｍ／℃としている。すなわち、短手方向において、導電部２９ｂ、３０ｂが設けられてない側の発熱抵抗体による発熱量を、導電部２９ｂ、３０ｂが設けられている側の発熱抵抗体による発熱量よりも大きくすることで、短手方向の温度分布の均一化を図っている。

このとき、発熱抵抗体部分２６ａの抵抗温度特性１５００ｐｐｍ／℃と、発熱抵抗体部分２６ｂ´の抵抗温度特性２５００ｐｐｍ／℃の平均値は（１５００＋２５００）／２＝２０００ｐｐｍ／℃である。一方、発熱抵抗体部分２６ａ´の抵抗温度特性１５００ｐｐｍ／℃と、発熱抵抗体部分２６ｂの領域の抵抗温度特性２５００ｐｐｍ／℃の平均値も（１５００＋２５００）／２＝２０００ｐｐｍ／℃である。すなわち、ヒータ２３の長手方向の中心より一端側と中心より他端側の抵抗温度特性の平均値を同等としている。このようにすることで長手方向における発熱量を一端側と他端側で同等にし、長手温度分布を均一にしている。なお、本実施形態では抵抗温度特性の値を１５００ｐｐｍ／℃と２５００ｐｐｍ／℃にしているが、この値に限定されるものではない。

（本実施形態のヒータと従来のヒータとの比較）
発熱抵抗体の抵抗温度特性が２０００ｐｐｍ／℃であり、図１３に示す従来の構成のヒータと本実施得形態のヒータ２３とを温度分布について比較する。

実験条件として、本実施形態（図３）、従来例（図１３）のそれぞれのヒータの給電部に電力６００Ｗを印加して、５秒後の短手方向の温度分布の比較をした。

図４は、この比較実験の結果を示す図である。

図４に示すように、ヒータ基板面側に温度検知部材を当接し、ヒータ温度が２００℃になるように温調制御している。

従来構成では短手方向において導電部が設けられている側は導電部の発熱によって温度が高くなる。導電部が設けられていない側は基板しか無いため、発熱部が存在せず温度が降下する。そのため、短手方向において、導電部がある側の端部の温度は１９５℃であるが、導電部が無い側の端部の温度は１７５℃となり、短手方向において２０℃の温度差が生まれている。

一方、本実施形態の構成では、導電部が設けられていない側の発熱抵抗体部分２６ｂ，２６ｂ´の抵抗温度特性を２５００ｐｐｍ／℃としている。このため、導電部が設けられていない側の発熱量が大きくなり、短手方向における導電部が無い側の発熱抵抗体部分２６ｂ、２６ｂ´の温度を上昇させている。この温度上昇によって、ヒータ２３の短手方向の導電部が無い側の温度を発熱抵抗体部分２６ｂ、２６ｂ´から熱を伝えることで短手方向の温度分布の温度差を軽減している。このため、図４に示すように短手方向の導電部が無い側端部と導電部がある側端部の温度差は０℃まで軽減させることができた。

図５は、このときの本実施形態におけるヒータ内の電力分布を示す図である。図６は、従来構成におけるヒータ内の電力分布を示す図である。

まず、図６の従来構成においては発熱抵抗体の上流側の電力値と下流側の電力値が長手方向全域で１区分ごとに３７Ｗである。しかし、導電部も僅かな抵抗値を持っているので、電力が消費される。導電部では１区分で４Ｗに相当する熱が発生する。すなわち、上流側において、長手方向の１区分で、導電部がある側の電力量は発熱抵抗体による発熱と導電部による発熱によって３７Ｗ＋４Ｗ＝４１Ｗであり、導電部が無い側の電力量は発熱抵抗体による発熱のみで３７Ｗとなっている。一方、下流側において、長手方向の１区分での導電部がある側の電力量は発熱抵抗体による発熱と導電部による発熱によって３７Ｗ＋４Ｗ＝４１Ｗであり、導電部が無い側の電力量は発熱抵抗体による発熱のみで３７Ｗとなっている。このため、上流側と下流側で１区分の電力量が３７Ｗと４１Ｗの差が生まれ、図４の従来構成のグラフに示したような導電部の温度が高くなるような温度分布となる。

一方、図５の本実施形態における構成では、短手方向における導電部が設けられていない側の発熱抵抗体の発熱抵抗体部分の抵抗温度特性を大きくしてある。このため、ヒータ２３に通電が行われてヒータ２３の温度が上がったときの抵抗値を大きくすることで電力値を大きくし、導電部が設けられている側の発熱抵抗体の部分よりも発熱量を大きくしている。導電部が設けられていない側の発熱抵抗体の１区分の電力量は３５Ｗである。 そして、導電部が設けられている側の発熱抵抗体の１区分の電力量は３９Ｗである。そして、従来構成と同様に導電部では１区分で４Ｗの発熱が発生する。すなわち、上流側において、長手方向の１区分での、導電部がある側の電力量は、発熱抵抗体２６による発熱と導電部による発熱によって３５Ｗ＋４Ｗ＝３９Ｗであり、導電部が無い側の電力量は発熱抵抗体による発熱のみで３９Ｗとなっている。また、下流側において、長手方向の１区分で、導電部がある側の電力量は発熱抵抗体２６による発熱と導電部による発熱によって３５Ｗ＋４Ｗ＝３９Ｗであり、導電部が無い側の電力量は発熱抵抗体２６による発熱のみで３９Ｗとなっている。そのため、上流側と下流側で１区分の電力量が３９Ｗと３９Ｗで同等の発熱量を得ることができて、図４の本実施形態のグラフに示すような導電部がある側と導電部が無い側の温度が同等である温度分布となる。つまり、本実施形態によってヒータ２３の短手方向の温度分布を均一化することができて、高熱伝導部材を設けることなく、安全性の高いヒータの提供が可能となる。

さらに、安全性を確認するための比較実験として、本実施形態におけるヒータ２３（図３）と従来構成のヒータ（図１３）を図２に示す定着装置に設置した。この状態で１０００Ｗの電力を印加して、ヒータが割れるまでの時間と安全装置のサーモスイッチが作動するまでの時間を測定した。このとき、ヒータの発熱抵抗体の面とは反対面の図３で示す位置に安全装置としてのサーモスイッチ３１を設けている。サーモスイッチ３１は、図示を省略するが、内部にバイメタルが設けられ、このバイメタルはアルミニウムのキャップ部材によって覆われている。そして、ヒータの基板の裏面にキャップ部材が接触することで、ヒータ温度をキャップ部材を介してバイメタルまで伝えている。この構成により、ヒータが異常昇温したときにヒータ温度がバイメタルまで伝わり、臨界温度に達するとバイメタルが変形し、ヒータへの通電を遮断する構成になっている。本比較実験では臨界温度２７０℃のサーモスイッチ３１を使用している。また、図２ではヒータ基板に温度検知部材２５が当接しているが、本比較実験ではソフト制御の故障によるヒータの暴走を加味した実験であるから、温度検知部材２５による温調制御は実施していない。

図７は、ヒータ割れ時間の比較実験の結果を示す図である。

同図に示すように、従来構成では１０００Ｗの電力を印加して５ｓ後にヒータ割れが発生してしまった。そして、サーモスイッチ３１が作動した時間は８ｓであった。サーモスイッチ３１は、ヒータ実温度が２７０℃に到達したら、すぐに作動するわけではなく、ヒータの温度がサーモスイッチ内のバイメタルに伝わるまでの時間もかかってしまうので、作動までの時間には時間差が生じてしまう。この結果からも、従来構成のヒータであると安全装置で通電遮断をする前にヒータ割れが発生してしまうために安全面の上で不十分である。

一方、本実施形態ではヒータ２３内の短手方向の温度分布を均一にすることで、１０００Ｗの電力を印加してもヒータ割れは発生しなかった。これは、ヒータ割れが発生する前に、安全装置のサーモスイッチ３１を作動させることができ、ヒータ割れに至るまでの温度にヒータが到達する前に、ヒータへの通電の遮断が可能となるからである。

図８は、本実施形態の構成のヒータと従来構成のヒータの発熱抵抗体面の拡大図である。図８（ａ）は、本実施形態のヒータ２３を示し、図８（ｂ）は、従来構成のヒータを示している。なお、図８（ｂ）において、図８（ａ）と同様の部分には、同一の符号を付してある。また、図８（ａ）に示す部分において、本実施形態のヒータ２３の発熱抵抗体２６は、ヒータ２３の短手方向に抵抗温度特性が異なる２つの発熱抵抗体部分２６ａ、２６ｂを有している。しかし、図８（ｂ）に示す従来構成のヒータでは、同一の発熱抵抗体２６０によって構成されている。

図９は、さらに、ヒータに電力が印加されて、ヒータ割れ時間の比較実験のときの、温度上昇をしているヒータにかかる応力を表した図である。図９（ａ）は、本実施形態の場合を示し、図９（ｂ）は、従来構成の場合を示している。なお、図中の矢印は、１０００Ｗの電力が印加されてから４．９ｓ後のヒータにかかる応力を示している。

同図において、ヒータの基板は温度上昇に伴って熱膨張する。しかし、ヒータは定着装置に設置されており、ステーにより固定されているため、膨張しようとしても、ステーに抑えられてしまう。つまり、ステーによる圧縮方向の外力を受けることで、ヒータは図９の矢印で示されているような引っ張る方向の応力が発生する。さらに、ヒータ基板上の中でも、発熱抵抗体面上、導電部上、基板上で発生するそれぞれの応力は、発熱の度合いによって熱膨張量が異なってくるため、大きさが異なってくる。

従来構成では導電部上の応力を応力３０５、発熱体上の応力を応力３０６、基板上の応力を応力３０７としている。

図１０は、図９に示す応力の大きさの関係を示す図である。図１０（ａ）は、本実施形態の場合を示し、図１０（ｂ）は、従来の構成の場合を示している。

図９に示す実験の場合、絶対温度は違うが、図２１に示す従来構成では、図４に示すように、短手方向の導電部がある側の温度が２０℃高いような短手温度分布となるので、各応力の大小関係は図１０（ｂ）の式に示すような関係になっている。このように、ヒータの短手方向における上流側端部の応力３０５と、下流側端部の応力３０７の大小関係が応力３０５＞応力３０７の関係となる。このため、下流側から上流側への方向の力が発生し、図９に示す亀裂９０が発生し、１０００Ｗ印加の５ｓ後に割れに至る。

一方、本実施形態の構成では導電部上の応力を応力３０１、発熱抵抗体上の上流側の発熱抵抗体上の応力を応力３０２、下流側の発熱抵抗体上の応力を応力３０３、基板上の応力を応力３０４としている。このとき、絶対温度は違うが、図２１に示す従来構成では、図４に示すように、短手方向の導電部がある側と導電部が無い側の温度差は０℃と均一な短手温度分布となる。このため、各応力の大小関係は図１０（ａ）に示す式の関係になっている。

このように、ヒータの短手方向における上流側端部の応力３０１と、下流側端部の応力３０４の大小関係は応力３０１＝応力３０４の関係となるため、下流側から上流側への方向の大きな力は発生しない。そのため、１０００Ｗ印加してヒータ温度が上昇しても、安全装置が作動するまでの間は、ヒータ割れに至るような応力は発生せずに、ヒータ割れの防止が可能となる。

図１１は、本実施形態の構成においてヒータ割れ時間比較実験と基本的に同じ実験系で、安全装置のサーモスイッチのみ取り除いた場合と従来構成の場合とで、ヒータへ１０００Ｗの印加を行ったときのヒータ割れ時間の比較実験の結果を示す図である。

図１１の表に示すように、本実施形態においては、サーモスイッチのみ取り除いた場合、印加後１０ｓでヒータ割れが発生する。これは、本実施形態の構成において発熱抵抗体上の上流側の発熱抵抗体上の応力３０２、下流側の発熱抵抗体上の応力３０３には応力３０３＞応力３０２の関係があるからである。このため、上流側から下流側への方向の力が発生し、図９に示す亀裂９１が発生する可能性がある。

しかし、上流側の発熱抵抗体部分２６ａ上と、下流側の発熱抵抗体部分２６ｂ上の温度差は、図４をみると約６℃程度である。すなわち、短手方向の６℃の温度差による短手方向の上流側から下流側への方向の力は、従来構成における短手方向の２０℃の温度差による下流側から上流側への方向の力よりも小さい応力となる。この応力差により、図１１に示したように割れ発生までの時間は、従来構成の５ｓと本実施形態の１０ｓと５ｓの割れ発生までの時間差が生まれている。安全装置を取り外すと、本実施形態では１０ｓ後に割れ発生まで至るが、安全装置を設置すると、ヒータ割れを防止することができるので、安全面では十分な構成である。

また、安全装置動作とヒータ割れ発生時間までに２ｓの猶予があるので、少し応答性の悪い安価な安全装置の採用によるコストダウン対応も可能となる。さらに、安全装置動作温度が高い安全装置の採用により、温調温度の高温設定に対応でき、定着装置の高速化対応も可能となる。

（温度検知素子／安全装置）
ヒータ２３は基板２７の裏面（ニップ部Ｎと反対側の面）にヒータ２３の温度を検知する温度検知部材２５を有する。本実施形態では温度検知部材２５としてヒータ２３の裏側に接触当接されたサーミスタを用いている。このサーミスタは、例えば支持体（不図示）上に断熱層を設け、その断熱層の上にチップサーミスタの素子を固定させて、その素子を基板２７の裏面に所定の加圧力により加圧して支持体を基板２７の裏面に当接させるような構成をとる。

本実施形態ではサーミスタは発熱抵抗体２６の長手方向に２ヶ所設置されており、そのうちの片方のサーミスタ２５ａは発熱抵抗体２６の長手方向における記録媒体Ｐが必ず通過する最小サイズ通紙域内に設けられている。もう片方のサーミスタ２５ｂは発熱抵抗体２６の長手方向におけるＢ５サイズ記録媒体をＲ方向で通紙したときに非通紙域にあたる部分に設置している。この配置形式により、通紙域の温度をサーミスタ２５ａにより制御して、小サイズ通紙時の非通紙域の温度をサーミスタ２５ｂにより制御する。つまり、通紙域の温度制御をサーミスタ２５ａにより行い、小サイズ連続通紙時の非通紙域の異常昇温が発生しないようにサーミスタ２５ｂによりスループット制御を行っている。

本実施形態におけるヒータ２３においては非通紙域の昇温を抑制できる構成となっているので、スループット制御に入る可能性はきわめて低いが、はがき等の極端な小サイズの連続通紙においては端部昇温が発生してしまう可能性もあるので、このようなスループット制御を搭載している。

また、ヒータ２３は基板２７の裏面（ニップ部Ｎと反対側の面）に安全装置を有しており、ヒータの異常昇温発生時に通電を遮断させるために設けられたものである。本実施形態では安全装置としてサーモスイッチ３１を使用している。サーモスイッチ３１は、内部にバイメタルが設けられ、このバイメタルをアルミニウムのキャップ部材が覆っている構成である。そして、ヒータ２３の基板２７の裏面にキャップ部材が接触することで、ヒータ温度をキャップ部材を介してバイメタルまで伝えている。

この構成により、ヒータ２３が異常昇温したときにヒータ２３の温度がバイメタルまで伝わり、臨界温度に達するとバイメタルが変形し、ヒータ２３への通電を遮断する構成になっている。本実施形態では安全装置としてサーモスイッチ３１を用いているが、温度ヒューズ等の安全装置でも構わない。

なお、このサーモスイッチ３１の配置はサーミスタ２５ａとヒータ２３の発熱抵抗体２６の長手長さにおける中央を軸に対称となる位置に設置している。これにより、ヒータ２３の長手方向における電圧降下を考慮したとしても、サーモスイッチ３１が検知する温度はサーミスタ２５ａが制御している温度と同等の値になる。このため、ヒータ２３の温度を正確に検知することが可能となり、ヒータの異常昇温をより正確に検知ができる。

図１２は、サーモスイッチ３１の配置位置の他の例を示す図である。図１２（ａ）は、ヒータ２３の表面図、図１２（ｂ）はヒータ２３の裏面図である。

これらの図に示すように、サーモスイッチ３１を発熱抵抗体２６における長手長さの中央部にサーモスイッチ３１の中心位置がくるように設置している。この構成により、ヒータ２３の長手方向における最大温度箇所と同等の位置へのサーモスイッチ３１の当接が可能になる。すなわち、安全性の面では図１２のようなサーモスイッチ３１をヒータ２３の長手方向における中心に設置する構成が最適な構成である。

（定着装置の加熱定着動作）
図４に示す定着装置１１の加圧ローラ２４の芯金２４ａの端部に設けられた駆動ギア（不図示）が定着モータ（不図示）によって矢印方向に回転駆動されることにより、加圧ローラ２４が矢印方向に回転する。この加圧ローラ２４の回転により、ニップ部Ｎにおいて加圧ローラ２４の表面と定着フィルム２２の表面との摩擦力により定着フィルム２２に回転力が作用し、定着フィルム２２が従動回転する。このとき、定着フィルム２２の内側においてヒータ２３の表面に密着して摺動しながらステー２１の外回りを矢印方向に加圧ローラ２４の回転速度と同じ速度で従動回転することでヒータ２３の熱を定着フィルム２２を介してニップ部Ｎ内の記録媒体にＰに伝える。

図３（ｃ）に示すように、ヒータ２３の通電制御経路を示す。印字動作の信号を受けるとヒータ２３への通電が開始されて、制御手段としての制御部４１は通電制御手段としてのトライアック４２をオンにする。これにより、交流電源４３から温度検知型安全装置としてのサーモスイッチ３１を介してヒータ２３の給電部２９ａ、３０ａに通電される。ヒータ２３は給電部２９ａ、３０ａから導電部２９ｂ、３０ｂを介して電極２９ｃ、３０ｃに通電されることで発熱抵抗体２６の全域が発熱し、昇温する。この昇温に応じて加熱される基板２７の温度をサーミスタ２５ａが検知し、目標温度に基板２７の温度が到達するまで通電を続け、その間、制御部４１はサーミスタ２５ａの出力（検知温度）をＡ／Ｄ変換して取り込む。目標温度に到達すると、サーミスタ２５ａからの出力信号に基づいて、トライアック４２によりヒータ２３に通電する電力を位相制御あるいは波数制御等により制御して、ヒータ２３の温度制御を行う。

すなわち、制御部４１はサーミスタ２５ａの検知温度が所定の設定温度より低い場合にはヒータ２３を昇温させて、設定温度よりも高い場合にはヒータ２３を降温させるようにトライアック４２を制御することで、ヒータ２３を設定温度に保っている。

ヒータ２３の温度が設定温度に立ち上がり、かつ加圧ローラ２４の回転による定着フィルム２２の回転周速度が定常化した状態において、ニップ部Ｎに記録媒体Ｐが導入される。そして、記録媒体Ｐが定着フィルム２２と一緒にニップ部Ｎでヒータ２３の基板２７の長手方向と直交する短手方向に挟持搬送される。これにより、ヒータ２３の熱が定着フィルム２２を介して記録媒体Ｐに付与されて、記録媒体Ｐ上の未定着トナー画像ｔが記録媒体Ｐに加熱定着される。ニップ部Ｎを出た記録媒体Ｐは定着フィルム２２表面から分離されて搬送される。これらの印字動作が終了すると、トライアック４２はオフにされてヒータ２３への通電が終了する。

Ｐ…記録媒体
ｔ…未定着トナー画像
１１…定着装置
２６…発熱抵抗体
２６ａ、２６ｂ、２６ａ´、２６ｂ´…発熱抵抗体部分
２７…基板
２９ａ、３０ａ…給電部
２９ｂ、３０ｂ…導電部
２９ｃ、３０ｃ…電極
２９ｄ、３０ｄ…中心部
１００…画像形成装置

Claims (12)

1. 発熱抵抗体と、
   前記発熱抵抗体に電力を供給する給電部と、
   前記給電部と前記発熱抵抗体とを接続する導電部と、
   を有し、
   前記発熱抵抗体は、第１の領域の前記給電部からの給電に対する発熱量が前記第１の領域より前記発熱抵抗体の短手方向における前記導電部からの距離が遠い第２の領域の前記給電部からの給電に対する発熱量より小さくなるように構成されていることを特徴とする発熱ユニット。
2. 前記導電部は、前記発熱抵抗体に沿って設けられることを特徴とする請求項１記載の発熱ユニット。
3. 前記導電部は、前記発熱抵抗体の長手方向に沿って設けられることを特徴とする請求項１記載の発熱ユニット。
4. 前記発熱抵抗体は、長尺形状に構成され、
   前記導電部は、前記発熱抵抗体の長手方向に沿って設けられることを特徴とする請求項１記載の発熱ユニット。
5. 前記導電部は、前記長尺形状の発熱抵抗体の短手方向の一方の側に設けられることを特徴とする請求項４記載の発熱ユニット。
6. 前記発熱抵抗体の前記第１の領域の発熱特性は、前記第２の領域とは異なる発熱特性を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の発熱ユニット。
7. 前記発熱抵抗体の前記第１の領域の温度上昇に対する抵抗値の増加率は、前記第２の領域の温度上昇に対する抵抗値の増加率より小さいことを特徴とする請求項６記載の発熱ユニット。
8. 前記発熱抵抗体の長手方向の一端側に設けられる第１の給電部と、
   前記発熱抵抗体の長手方向の他端側に設けられる第２の給電部と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の発熱ユニット。
9. 前記導電部は、前記発熱抵抗体の長手方向の中央に接続していることを特徴とする請求項７に記載の発熱ユニット。
10. 前記発熱抵抗体の長手方向の各部において、前記発熱抵抗体の短手方向における前記抵抗値の増加率の平均値が等しいことを特徴とする請求項９に記載の発熱ユニット
11. 請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の発熱部材と、
    前記発熱部材の前記短手方向に記録媒体を搬送する搬送手段と
    を具備し、
    前記発熱部材からの熱により前記記録媒体上の未定着の画像を前記記録媒体に定着することを特徴とする定着装置。
12. 記録媒体に画像を形成する画像形成手段と、
    前記画像形成手段によって形成された画像を熱によって前記記録媒体に定着する請求項１１に記載の定着装置と、
    を具備することを特徴とする画像形成装置。

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