JP3630701B2 - ヒーター、定着装置及び定着装置組込機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えばプリンタや複写機などのトナー定着に用いることができるヒータ、これを用いた定着装置および定着装置組込機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、複写機やプリンタなどのＯＡ機器においては、トナー像を形成した複写紙をヒータ表面に接触させながら通過させることにより、トナー像を紙面に融着させて定着している。
【０００３】
このようなヒータとして、厚膜印刷技術を応用したものが最近開発されている。このものは、アルミナセラミックスを材料とする細長い基板の一方の面に、銀パラジウム系の抵抗材料からなる細長い抵抗発熱体を厚膜印刷技術により形成した光像を備えている。そして、この抵抗発熱体に電圧を印加することにより、抵抗通電して発熱体が発熱し、ヒータとして機能するように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のヒータを組み込んだ定着装置においては、コピー紙が搬送されてくると、電圧が印加され、抵抗発熱体が発熱する。この熱がヒータの抵抗発熱体上を接するように通過するコピー紙に付着しているトナーを溶融して定着させる。
【０００５】
このようなヒータの抵抗発熱体の電気抵抗値は、発熱前（動作前）に比較して発熱時（動作時）に大きくなる。ヒータに印加される電圧は一定であるため、抵抗発熱量は、電圧印加当初最も大きく、安定するにつれて徐々に下がって定格電力に近づく。
【０００６】
このように入力電力が大きく変化すると、電源回路にとっては、定格電力の値に比較して、最大電力の値を大きく取らなければならず、その分、回路が高価なものとならざるを得ないという問題があった。
【０００７】
本発明は、電力変動の小さいヒータ、これを用いた定着装置および定着装置組込機器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のヒータは、電気絶縁性の基板と；基板表面に形成された銀パラジウム合金および硝子分を主成分とし、抵抗温度係数が約２００ｐｐｍ以下で、かつ、銀パラジウム合金中のパラジウム濃度が５０〜６０％の抵抗発熱体と；を具備していることを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明のヒータは、請求項１記載のヒータにおいて、抵抗発熱体は、抵抗温度係数が約１００ｐｐｍ以下で、かつ、銀パラジウム合金中のパラジウム濃度が５５％近傍であることを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明のヒータは、請求項１または２記載のヒータにおいて、抵抗発熱体は、厚膜印刷形成されたものであることを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明の定着装置は、請求項１ないし３のいずれか一記載のヒータをトナー定着用ヒータとして組込んでいることを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明の定着装置組込機器は、請求項４記載の定着装置を組込んでいることを特徴としている。
【００１３】
【作用】
請求項１ないし３記載の発明のヒータは、抵抗温度係数および銀パラジウム合金中のパラジウム濃度がそれぞれ所定範囲内になるように規定しているため、発熱前と発熱時の抵抗値変化が小さく、したがって発熱初期と安定時の電力変動が小さくなる。換言すれば、最高電力の値を小さくすることができる。
【００１４】
本願発明の請求項４記載の定着装置は、請求項１ないし３記載のヒータをトナー定着用ヒータとして組込んでいるので、トナー定着用ヒータの抵抗値変化が発熱前と発熱時との間で小さく、したがって発熱初期と安定時の電力変動が小さくなるものである。
【００１５】
請求項５の定着装置組込機器は、請求項４記載の定着装置を組込んでいるので、トナー定着用ヒータの抵抗値変化が発熱前と発熱時との間で小さく、したがって発熱初期と安定時の電力変動が小さくなるものである。
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１６】
図１ないし図７は、本発明のヒータの一実施例としての複写機などのトナー定着用ヒータを示し、図１は正面図、図２は背面図、図３は底面図、図４は図１のＸ−Ｘ´線に沿う拡大断面図、図５は図２のＹ−Ｙ´線に沿う拡大断面図、図６は図１からサーミスタを取り除いた状態の正面図、図７は図６におけるＡ部分の拡大図である。
【００１７】
すなわち、ヒータは、厚さ約１ｍｍで細長い１０ｍｍ×３００ｍｍのアルミナセラミックスの基板１を備えている。そして、１ａは基板表面、１ｂは基板後面を示す。なお、図３から分かるように、基板１は、基板表面１ａ側へ凹むように湾曲している。この基板１の基板表面１ａ上には、銀パラジウム合金と硝子成分とからなる混合抵抗材料を用いて、後述する厚膜印刷技術により形成された幅約１ｍｍ、長さ約２５ｍｍの帯状の抵抗発熱体３が形成されている。抵抗発熱体３は、その抵抗温度係数が、図９から分かるように、約１００ｐｐｍと最も小さくなっており、銀パラジウム合金のパラジウム濃度が５５％近傍である。したがって、抵抗値の変動が小さくなっている。
【００１８】
厚膜印刷技術により抵抗体または導体を形成する場合、所定の金属または合金と硝子成分との各粉末を混合してペースト状にし、これをスクリーン印刷塗布し、その後焼成して焼き付けを行い、所定の抵抗または導体パターンを形成する。金属の種類およびその濃度を変えることにより、抵抗または導体の選択ならびに抵抗率の設定が可能となる。抵抗値は、パターンの幅または長さにより変えることが可能である。本実施例において、抵抗発熱体３は、銀パラジウム合金を含有したペーストを塗布焼成したものである。
【００１９】
基板１の表面１ａおよび後面１ｂ上には、前記抵抗発熱体３に電圧を印加するための第一電極５、第二電極７、第一導体パターン９、第二導体パターン１１が厚膜印刷により形成されている。これらは第一電極５、抵抗発熱体３、第一導体パターン９、第二導体パターン１１および第二電極７の順に電気的に直列回路を構成している。
【００２０】
第一導体パターン９および第二導体パターン１１は、発熱を避けるために抵抗値の低い銀を主成分としている。また、基板１の表面１ａの第一導体パターン９および後面１ｂの第二導体パターン１１は、基板１を貫通する２つの第一スルーホール１３の内表面または第一スルーホール１３内に充填された導体（図示しない。）によって電気的に接続されている。第一スルーホール１３の内表面または第一スルーホール１３内に充填された導体は、第一導体パターン９および第二導体パターン１１を厚膜印刷形成する際に、同時に、かつ、自動的に形成される。第一導体パターン９と抵抗発熱体３との接続部９ａは、抵抗発熱体２の上に第一導体パターン９が積層された構造となっている。
【００２１】
基板１の表面１ａ側の第一電極５は、抵抗発熱体３の端部に部分的に積層され、電気的にも接続されている。基板１の後面１ｂ側の第二電極７は、第二導体パターン１１と同一の銀を主成分とし、第二導体パターン１１と同時に、かつ、連続的に印刷形成されている。
【００２２】
第一電極５は、上述のとおり抵抗発熱体３の端部に部分的に積層されているが、それ自体、図４に示す積層構造を有している。すなわち、第二電極７や第一導体パターン９などと同一の銀を主成分とする材料の電極下地層５ａの上に銀パラジウム合金または銀プラチナ合金を主成分とする電極表面層５ｂが積層されている。銀プラチナ合金ならばプラチナ濃度は、０．８〜１．０％前後であり、銀パラジウム合金ならばパラジウム濃度は２〜３％である。
【００２３】
基板１の後面１ｂには、図２に示すように、互いに平行な２本の第三導体パターン１７と第四導体パターン１９とが離間して厚膜印刷形成されている。そして、それらの一方の端部に、第三導体パターン１７と第四導体パターン１９とを電気的に橋絡するようにサーミスタ２１が設けられている。第三導体パターン１７および第四導体パターン１９は、銀ペースト材料を塗布焼成して形成したものであり、焼成後には銀が主成分となっている。サーミスタ２１は、基板１を挟んで抵抗発熱体３に正対する位置に配置されている。第三導体パターン１７および第四導体パターン１９は、その他端部がスルーホール２３を介して基板１の表面１ａ側に形成された第三電極２５および第四電極２７に電気的に接続している。スルーホール２３の構成は、スーホール１３と同一である。
【００２４】
サーミスタ２１は、図５に示すように、導電性接着剤２９により第三導体パターン１７と第四導体パターン１９との間に電気的、かつ、機械的に接続されている。導電性接着剤２９は、第三導体パターン１７および第四導体パターン１９の表面における複数の領域に分割して付けられた後、上からサーミスタ２１を載せて接着固定されている。複数の領域に分割して付けられた導電性接着剤２９の様子は、サーミスタ２１を取り付ける前の基板１の裏面１ｂを表す図７に示されている。本実施例において、導電性接着剤２９は、第三導体パターン１７および第四導体パターン１９のそれぞれに、２列に分割され、しかも各列３つに分割されて塗布されている。導電性接着剤２９は、例えばエポキシ樹脂を主成分とし、導電性を付与するために銀パラジウム合金が添加されたものである。
【００２５】
サーミスタ２１と基板１との間には、図５に示すように、ポリイミドなどの耐熱樹脂３１が充填されている。この耐熱樹脂３１としては、例えば鐘紡社製のＩＰ−６００（商品名：サーミッド）などの超耐熱性ポリイミド系樹脂が好適である。そうして、溶剤に溶かされた状態の前記ポリイミド系樹脂をサーミスタ２１と基板１との間隙付近に付着させて毛細管現象により前記間隙全域に行きわたらせ、その後にこのポリイミド系樹脂を加熱して付加重合させて、サーミスタ２１と基板１との間に固着させている。
【００２６】
上記サーミスタ２１は、抵抗発熱体３と基板１を介して熱結合しており、抵抗発熱体３の温度変化に基づいてその抵抗値が変化する。第三電極２５、第四電極２７は、サーミスタ２１の抵抗値変化を測定する温度検知回路に接続され、この温度検知回路で検知した抵抗発熱体３の温度に基づいてヒータの温度制御が行われる機構になっている。
【００２７】
なお、理解を妨げるので図面上は示さないが、基板１の表面１ａおよび後面１ｂの各種パターンが形成された主要部分は、第一電極５ないし第四電極２７およびサーミスタ２１近傍を除いて樹脂でオーバーコートされている。この理由は、互いに近傍する銀を含む導体パターンにおける銀のマイグレーションを防止するためである。電極部分は、電源供給部としてオーバーコートできず、またサーミスタ２１近傍は、オーバーコートの後サーミスタ２１を回路パターンに接続するためにオーバーコートされていない。
【００２８】
以上説明したヒータは、図８に示すように、トナーの定着用ヒータとして定着装置に組込んで使用される。
【００２９】
図８は、本発明の定着装置および定着装置組込機器の一実施例としての複写機を示す断面図である。図において、４１は読み取り用の原稿を上面ガラスＧ上に載せて左右に移動する原稿台、４３は露光用光源、４５は原稿からの反射光をドラム４７上に結像する光学系、４９はトナーバック、５１はコピー紙Ｐをストック台Ｓから搬送する送り出しローラ、５３はトナー回収装置、５５は除電装置、５７はコピー紙搬送ベルト、５９は本発明のヒータＨを登載した定着装置、６１はコピー完了紙載置台である。
【００３０】
そうして、定着装置５９においては、そこにコピー紙が搬送されてくると、ヒータＨの第一電極５と第二電極７との間に電圧が印加され、抵抗発熱体３が発熱する。この熱がヒータＨの抵抗発熱体３上を接するように通過するコピー紙Ｐに付着しているトナーを溶融して画像を定着させる。
【００３１】
また、ヒータＨは、コピー紙Ｐが定着装置５９に搬送されてくると、初めて通電加熱されるように構成されている。したがって、定着しないときには発熱していない。このため、頻繁に通電スイッチ（図示しない。）がオンオフし、その都度低温時突入電流が流れる。このため、ヒータＨの電源回路（図示しない。）にはかなりの負荷がかかる。
【００３２】
しかしながら、本実施例のヒータＨは、前述のように構成されているため、上記突入電流を低く抑える機能を有している。すなわち、抵抗発熱体３の銀パラジウム合金のパラジウム濃度を５５％近傍に設定している。このため、抵抗発熱体３の抵抗温度係数を最も小さくすることができる。
【００３３】
次に、図９ないし図１１を参照して、銀パラジウム合金のパラジウム濃度と抵抗温度係数の関係、ヒータにおける温度と抵抗値の関係、および温度と入力電力の関係について説明する。
図９は、銀パラジウム合金のパラジウム濃度と抵抗温度係数の関係示すグラフである。図において、横軸はパラジウム濃度％を、縦軸は抵抗温度係数（ＴＣＲ）を、それぞれ示す。本実施例のヒータＨは、上記のように銀パラジウム合金のパラジウム濃度を５５％近傍に設定しているので、本実施例のヒータＨの抵抗温度係数は、約１００ｐｐｍ（理論上は８０ｐｐｍ）である。また、図９に示すように、銀パラジウム合金のパラジウム濃度が５０％および６０％であると、それぞれにおけるヒータＨの抵抗温度係数は、約２００ｐｐｍである。したがって、銀パラジウム合金のパラジウム濃度が５０〜６０％の範囲内では、ヒータＨの抵抗温度係数が約２００ｐｐｍ以下になることが図に示されている。
【００３４】
これに対して、従来品は、パラジウム濃度が３０％のため、抵抗温度係数が５００ｐｐｍである。
【００３５】
図１０は、ヒータにおける温度と抵抗値の関係を示すグラフである。図において、横軸は温度を、縦軸は抵抗値Ｒを、それぞれ示す。図において、ＴＣＲ大の曲線と、ＴＣＲ小の曲線とでは、温度の変化に対する抵抗値Ｒの変化の大きさが相違する。すなわち、常温（２５℃）からヒータＨの定格動作温度２１０℃までの間において、ＴＣＲが大きいヒータでは温度変化に伴う抵抗値変化が大きいが、ＴＣＲが小さいヒータでは温度変化に伴う抵抗値変化が小さい。
【００３６】
図１１は、ヒータにおける温度と入力電力の関係を示すグラフである。図において、横軸は温度を、縦軸は入力電力Ｗを、それぞれ示す。図において、ＴＣＲ大の曲線と、ＴＣＲ小の曲線とでは、温度の変化に対する入力電力Ｗの変化が相違する。すなわち、常温（２５℃）からヒータＨの定格動作温度２１０℃までの間において、ＴＣＲが大きいヒータでは室温（２５℃）状態で通電開始されたときの入力電力すなわち最高電力が大きく、しかもヒータＨの定格動作温度２１０℃に到達するまでの入力電力変化が大きいが、ＴＣＲが小さいヒータでは室温（２５℃）状態で通電開始されたときの入力電力すなわち最高電力が小さく、しかもヒータＨの定格動作温度２１０℃に到達するまでの入力電力変化が小さい。このように抵抗温度係数ＴＣＲの小さいヒータは、最高電力および電力変動を小さくすることができ、これに伴い電源回路の負担を軽くできるので、安価に構成できる。このような効果は、２００ｐｐｍ以下（銀パラジウム合金中のパラジウム濃度が５０〜６０％の範囲内）で得られ、好ましくは１００ｐｐｍ以下である。
【００３７】
ところで、厚膜印刷で形成されるパターンの厚みを変える自由度はあまりない。抵抗パターンすなわちその長さおよび幅は、ほぼ決定されているので、所定の抵抗値を得るには、抵抗率を変える以外にない。ところが、上記のように抵抗温度係数を小さくするため、銀パラジウム合金中のパラジウム濃度を設定すると、銀パラジウム合金自体の抵抗率も自動的に決定される。したがって、残る設計上の可変要素は銀パラジウム合金と混合する硝子成分の混合比だけであり、これを調整して所定の抵抗値を得ることができる。
【００３８】
なお、上記実施例では、基板１は、表面１ａ側へ凹むように湾曲している。しかし、ヒータが動作して抵抗発熱体３が発熱すると、抵抗発熱体３の形成されている基板１の表面１ａ側が膨張して、表面１ａ側へ凹む湾曲が解消され、むしろ後面１ｂ側へ凹む湾曲が生じる。この方向の湾曲は、定着されるコピー紙が抵抗発熱体３の上を通過する際、紙の寄りなどいわゆるジャミングをなくすため、定着機構として必須のものであり、また動作前と湾曲が逆になっているので、動作時の後面１ｂ側へ凹む湾曲が強くなり過ぎず、ジャミング防止にとって好ましいものとなる。さらに、後面１ｂ側へ凹む湾曲が強くなり過ぎると、紙の両端での定着が不良となりやすいが、本発明のように後面１ｂ側へ緩く凹む湾曲の場合、かえって安定した定着が行える。
【００３９】
また、後面１ｂ側へ凹む湾曲が強すぎると、サーミスタ２１を固定している導電性接着剤２９が剥がれやすくなるので、動作していないとき基板１が表面１ａ側へ凹むように湾曲していることは、この導電性接着剤２９の剥がれ抑制にも役立つ。
【００４０】
さらに、上記実施例では、導電性接着剤２９は複数の領域に分割塗布されるので、上からサーミスタ２１を載せることで、導電性接着剤２９が押し拡げられても、導電性接着剤２９が第三導体パターン１７と第四導体パターン１９の領域からはみ出す虞が少なくなる。また、第三導体パターン１７と第四導体パターン１９の間の絶縁距離は、はみ出しがあった場合、はみ出した分だけ小さくなる。したがって、第三導体パターン１７と第四導体パターン１９の間の電界強度は、はみ出した部分で強くなり、銀の電界による移動すなわちマイグレーションがこの部分で大きくなる。しかしながら、本発明のように、導電性接着剤２９のはみ出しがなければ、上記のような原因による銀のマイグレーションが防止できる。したがって、サーミスタの動作は常に安定し、ヒータとして長期間適切な発熱を行うことができる。
【００４１】
さらにまた、上記のように厚膜印刷技術によって各電極、各導体パターンとともに導電性接着剤２９が塗布形成されているので、接着剤塗布だけのための特別な工程を必要としない。
【００４２】
以上説明した構成を備えたヒータを定着用ヒータとして定着装置に組込んで使用した場合、長期間にわたりトナーの定着不良や定着フィルムへの付着の発生を防ぐことができる。また、この定着装置を例えば複写機やプリンタまたはファクシミリなどのＯＡ機器に組込んで使用した場合には、非常に鮮明な印刷画像を安定して提供することができる。
【００４３】
上記実施例では、導電性接着剤２９は、導電パターン毎に２列で、かつ、各列３か所に分割塗布しているが、これに限るものではない。また、サーミスタ２１を載せるまで分割されていても、サーミスタ２１を載せることで、それぞれ分割されていた導電性接着剤２９が押し拡げられ、隣り合う導電性接着剤２９同志、繋がって一つになっていてもよい。導電性接着剤２９が塗布される際、分割塗布されていればよい。
【００４４】
また、上記実施例では、銀を主成分とする材料の電極地下層５ａの上に銀パラジウム合金または銀プラチナ合金を主成分とする電極表面層５ｂが積層されている。このため、強度の強い電極が構成できるとともに発熱を抑えることができる。銀パラジウム合金や銀プラチナ合金は、銀単独の導電材料と異なり、固いため、図４に一点鎖線で示したように、スプリングアクション機能を有する電極端子１５などが当接し、擦れて電極としての機能が維持できなくなるのを防止するためである。また、第一電極５にリード線を半田付けする場合などにも、このような電極表面層５ｂは必要であり、半田付けの際、銀電極が解けて禿げてしまい、接続できなくなるのを防止できる。一方、このパラジウムやプラチナが添加されることで抵抗値が高くなり、電極部分で発熱することによる弊害を避けるため、添加物の濃度は極めて低い。プラチナならば０．８〜１．０％前後であり、パラジウムならば２〜３％の濃度である。
【００４５】
第二電極７は、パラジウムやプラチナが添加されていない銀だけで構成されているが、もちろん、第一電極５同様の積層構造を採用してもよい。さらに、第一電極５は、抵抗発熱体３に流れる電流が小さく、電極での発熱の弊害が小さければ、電極下地層５ａを設けなくてもよいし、第二導体１１、第二電極７ともにパラジウムやプラチナが添加されたものであってもよい。
【００４６】
さらに、上記実施例のヒータは、基板１上に形成されたサーミスタ２１と基板１との間隙に空気よりも熱伝導度が高いポリイミドなどの耐熱樹脂３１を充填しているため、抵抗発熱体３が設けられた基板１の温度変化がサーミスタ２１に非常に伝わりやすくなる。
【００４７】
また、サーミスタ２１と基板１との間に耐熱樹脂３１を充填させれば、サーミスタ２１の固定強度を向上させることもできる。耐熱樹脂３１としてポリイミドを充填させたヒータのサーミスタ２１固定強度は、ポリイミドを使用しないものの約４倍であった。このような耐熱樹脂３１は、サーミスタ２１と基板１との間隙だけでなく、サーミスタ２１全体を覆うように塗布してもよい。
【発明の効果】
本発明のヒータ、このヒータを使用した定着装置、およびこの定着装置を組み込んだ定着装置組込機器によれば、ヒータの発熱前と発熱時の抵抗値変化が小さく、したがって発熱初期に生じる最高電力と、発熱初期および安定時の間の電力変動、したがって動作中の入力電力の変動と、がともに小さくなる。その結果、電源回路にとっては、最大電力の値を定格電力の値に接近した値に取ることができるので、その分、回路が安価になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒータの一実施例としての複写機などのトナー定着用ヒータを示す正面図
【図２】同じく背面図
【図３】同じく底面図
【図４】同じく図１のＸ−Ｘ´線に沿う拡大断面図
【図５】同じく図２のＹ−Ｙ´線に沿う拡大断面図
【図６】同じく図１からサーミスタを取り除いた状態の正面図
【図７】同じく図６におけるＡ部分の拡大図
【図８】本発明の定着装置および定着装置組込機器の一実施例としての複写機を示す断面図
【図９】銀パラジウム合金のパラジウム濃度と抵抗温度係数の関係示すグラフ
【図１０】ヒータにおける温度と抵抗値の関係を示すグラフ
【図１１】ヒータにおける温度と入力電力の関係を示すグラフ
【符号の説明】
１…基板、３…抵抗発熱体、５……第一電極、７……第二電極、９…第一導体パターン、１１…第二導体パターン、１７…第三導体パターン、１９…第三導体パターン、２１…サーミスタ、２９…導電性接着剤

Claims (5)

1. 電気絶縁性の基板と；
   基板表面に形成された銀パラジウム合金および硝子分を主成分とし、抵抗温度係数が約２００ｐｐｍ以下で、かつ、銀パラジウム合金中のパラジウム濃度が５０〜６０％の抵抗発熱体と；
   を具備していることを特徴とするヒータ。
2. 抵抗発熱体は、その抵抗温度係数が約１００ｐｐｍ以下で、かつ、銀パラジウム合金中のパラジウム濃度が約５５％であることを特徴とする請求項１記載のヒータ。
3. 前記抵抗発熱体は、厚膜印刷形成されたものであることを特徴とする請求項１または２記載のヒータ。
4. 請求項１ないし３のいずれか一記載のヒータをトナー定着用ヒータとして組込んでいることを特徴とする定着装置。
5. 請求項４記載の定着装置を組込んでいることを特徴とする定着装置組込機器。

Images