JP4347495B2

JP4347495B2 - 発熱体、定着装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP4347495B2
Application number: JP2000096894A
Authority: JP
Inventors: 考明苅部; 幾恵苅部
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp; Toshiba Digital Media Engineering Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP2001284019A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プリンタ、複写機やファクシミリなどに好適な発熱体、この発熱体を使用した定着装置及び加熱定着性の顕画剤を用いて被記録材に画像情報を形成する画像形成プロセス手段を備えた画像形成装置に関する。
【従来の技術】
一般に、電子式複写機や乾式のプリンタにおいては、顕画剤であるトナーにより画像や文字等が描画されている複写用紙を定着用の定着ヒータと加圧ローラとの間を直接または耐熱シートを介して間接に挟圧しながら通過させて、複写用紙上のトナー等の顕画剤を溶融させ、熱的に定着している。
【０００２】
ここで、定着ヒータとして多用されている発熱体としては、例えば特開平１０−１８６９１３号公報に記載されたものが知られている。
【０００３】
つまり、図５に示すように、発熱体５０は、セラミックスからなる細長い平板状の耐熱性・電気絶縁性基板５１の表面上に、銀・パラジウム合金（Ａｇ・Ｐｄ）粉末などをガラス粉末（無機結着剤）、有機結着剤と混練して調合した抵抗体ペーストを印刷塗布して焼成することで、細長い帯状厚膜の抵抗発熱体５２を形成し、この抵抗発熱体５２の両端部分に、銀あるいは銀・白金（Ａｇ・Ｐｔ）合金，銀・パラジウム合金（Ａｇ・Ｐｄ）等の良導電体からなる一対の電極５３ａ，５３ｂを接続し、さらにこの抵抗発熱体の外表面を保護層であるガラス質のオーバーコート層５４で被覆したものである。なお、一対の電極５３ａ，５３ｂやガラス質のオーバーコート層５４も、導電性ペーストやガラスペーストを印刷塗布してから焼成することで形成されている。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の加熱体では、その基板として、熱伝導率が必ずしも大きくないアルミナを使用した基板が多用されているので、定着ヒータの昇温時に基板の温度むらが発生し、熱的歪みが発生する。しかも、定着ヒータ上に複写用紙等が摺動されると、発熱体の熱がその用紙に奪われるため、その用紙の幅に対応した通紙領域の発熱体部位の温度が低下し、基板の熱的歪みは助長される。さらには、搬送される複写用紙の大きさによっては、その用紙の幅寸法が抵抗発熱体の一部分上だけを摺動することがあり、この場合には、用紙が摺動されて温度低下が生じている部分と摺動されないで放熱の少ない部分との温度勾配が顕著となって、熱的歪みに起因したガラス質のオーバーコート層のクラックが発生し易くなる。
【０００４】
特に、焼成後のオーバーコート層に、引張り応力が残留している場合には、発熱体の動作に伴いそのクラックが顕著となる現象が見出された。
【０００５】
つまり、発熱体の製造過程において、最終焼成過程であるオーバーコート層の高温焼成の後の温度低下中、膨張率の違いに基づいて、基板及びオーバーコート層内部には、各々反対の応力が残留する。
【０００６】
例えば、オーバーコートの膨張率が基板の膨張率に比較して相対的に大きなときは、温度低下に伴いオーバーコート層の熱収縮量が基板の熱収縮量に比べて大きいため、常温ではオーバーコート層の内部には、引張り応力が残留した状態で基板に固着し、他方、基板の内部には、圧縮応力が残留することになる。また、このような互いに離反する方向の応力は、その加熱体全体の反りを誘発することもあり、反りとして応力が蓄積される虞もある。
【０００７】
このような応力が残留している発熱体を作動させると、昇温に伴いオーバーコートは熱膨張するが、その熱膨張量は、基板の膨張量よりも大きいため、固着時に残留していた引張り応力と、この膨張量の差が相俟って、オーバーコート層を引き裂くように作用し、結果としてオーバーコート層のクラック発生を助長するものと推察される。
【０００８】
オーバーコート層にクラックが発生すると、発熱体の耐摩耗性や耐衝撃性を損なうばかりでなく、硫化や酸化等からの耐蝕性能及び加圧ローラ等との電気的絶縁性の悪化を招く。
【０００９】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、抵抗発熱体を被覆するオーバーコート層に残留する引張り応力を抑制して、そのクラックの発生を低減できる発熱体、この発熱体を使用した定着装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明による発熱体は、平板状のセラミック基板と；この基板の一方の面に形成された抵抗発熱体と；焼成により形成され、抵抗発熱体を直接的または間接的に被覆すると共にセラミック基板よりも小さな膨張率を有することにより、常温において内部に圧縮応力を残留させているオーバーコート層と；を具備していることを特徴とする。
【００１０】
ここで、セラミック基板とは、成形、焼成などの工程を経て得られる非金属無機材料を主原料とする基板をいい、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素などの焼結体よりなる基板、または必要に応じてこれら材料の割合を部位によって異ならせた傾斜機能性材料や複合材料などを用いた基板を許容する。
【００１１】
この基板の少なくとも一面に形成される抵抗発熱体は、特に材料、形状、寸法および製法などを問わないが、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法によって印刷、焼成することによって形成した厚膜の抵抗発熱体が量産性の点で好適である。
【００１２】
また、抵抗発熱体は、１本に限らず複数本が並行して形成されていてもよい。さらに、ほぼ平行に延在する複数本の抵抗発熱体を導電体パターンまたは抵抗発熱体材料により接続して蛇行した屈曲状の形状にされたものを用いることもできる。
【００１３】
また、抵抗発熱体を被覆するオーバーコート層は、代表的には、ホウケイ酸系のガラス、ホウケイ酸鉛系のガラス、ホウケイ酸亜鉛系などの各種ケイ酸塩ガラスを主成分とするガラスペーストを用いることができ、その膨張率は、焼成後の常温時において、抵抗発熱体を形成するセラミック基板の膨張率よりも小さいものが選択されている。
【００１４】
ガラスの性質は一般的にその組成によって大きく変化することが知られているため、膨張率をセラミック基板のそれよりも小さく設定する手段は種々選択可能であるが、例えば、膨張率が４〜５×１０^−６／℃の窒化アルミニウム基板を用いたときには、ガラス層の膨張率を２×１０^−６／℃以上４×１０^−６／℃未満とすることが望ましい。
【００１５】
なお、本発明における抵抗発熱体の温度を一定に維持するために、抵抗発熱体の熱を検知可能な位置にたとえばサーミスタなど外部の温度制御回路に接続された温度センサを配設することができる。このとき、温度制御回路は、抵抗発熱体の通電を制御してその発熱量を一定になるようにする。また、要すれば温度ヒューズのような温度過昇防止手段を配設してもよい。
【００１６】
なお、本発明による発熱体は、熱定着用として好適であるが、これに限定されるものではなく、適宜他の用途に適応させても良い。
【００１７】
上記のように構成された発熱体は、オーバーコート層の膨張率がセラミック基板の膨張率に比較して相対的に小さな膨張率を有しているため、オーバーコート層の焼成後の温度低下に伴いオーバーコート層の熱収縮量が基板の熱収縮量に比べて小さく、オーバーコート層の内部に圧縮応力が残留した状態で基板に固着する。他方、セラミック基板の内部には、これと離反する引張り応力が残留することになる。このような加熱体を作動させると、昇温に伴いオーバーコートは熱膨張するが、その熱膨張量は、基板の膨張量よりも小さく、しかも固着時には引張り応力の残留が抑止されているため、結果としてオーバーコート層のクラック発生は効果的に低減される。
【００１８】
請求項２記載の発明による定着装置は、請求項１記載の発熱体と；この発熱体と圧接関係を有して配設された加圧ローラと；を具備していることを特徴とする。
【００１９】
また、請求項３記載の発明による画像形成装置は、加熱定着性の顕画剤を用いて被記録材に間接方式または直接方式により画像情報を形成する画像形成プロセス手段と；顕画剤を熱的に定着させる請求項２記載の定着装置と；を具備していることを特徴とする。
【００２０】
これら発明によれば、上記請求項１の発明と同様に、オーバーコート層の膨張率がセラミック基板の膨張率に比較して相対的に小さな膨張率を有しているため、オーバーコート層の内部に圧縮応力が残留した状態で基板に固着する。他方、セラミック基板の内部には、これと離反する引張り応力が残留することになる。このような加熱体を作動させると、昇温に伴いオーバーコートは熱膨張するが、その熱膨張量は、基板の膨張量よりも小さく、しかも固着時には引張り応力の残留が抑止されているため、結果としてオーバーコート層のクラック発生は効果的に低減される。また、急激に抵抗発熱体を昇温させても、従来の定着装置に比較して、オーバーコート層のクラックは低減できるため、高速定着や高速の画像形成を実現することができる。
【００２１】
なお、定着装置は、前述のように電子式複写機、ファクシミリ装置、乾式プリンタなどに用いることができるが、これら用途に限定されるものではない。
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、図１〜図３中、同一または相当部分には同一符号を付している。
【００２２】
図１は本発明の第１の実施形態に係る発熱体の平面図、図２は図１のIII−III線断面図、図３は図１に示した発熱体を利用した定着装置を内蔵する本発明に係る画像形成装置の概略構成図である。
【００２３】
これらの図において、発熱体１０は耐熱性と電気絶縁性材を有する細長いセラミック基板１１の表面１１ａ上に、その長手方向に沿って長い帯状かつ膜状の抵抗発熱体１２を形成している。本実施形態においてセラミック基板１１は、膨張率が７．１×１０^−６／℃のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）により例えば長さ約３００mm，幅約８mm，厚さ約０．６〜約１mmの大きさの長方形の平板に形成されているが、アルミナに比べて膨張率が小さく、また曲げ強度が大きく膨張率の小さな窒化硅素や窒化アルミニウム等の焼結体であるセラミック基板を使用することも可能である。
【００２４】
そして、抵抗発熱体１２は例えば長さ約２３０mm，幅１mm、厚さ約１０μｍの銀・パラジウム（Ａｇ・Ｐｄ）合金やニッケル・錫（Ｎｉ・Ｓｎ）合金，ＲｕＯ₂合金等を主体とする厚膜により形成されている。
【００２５】
抵抗発熱体１２はその一端部，または両端部に、その一部上に重ねて、銀あるいは銀・白金合金（Ａｇ・Ｐｔ），銀・パラジウム合金（Ａｇ・Ｐｄ）等の良導電体からなる膜を形成して一対の電極１３ａ，１３ｂを形成して、抵抗発熱体１２に電気的に接続している。一対の電極１３ａ，１３ｂには図示しないコネクタを介して抵抗発熱体１２に通電するようになっている。
【００２６】
そして、抵抗発熱体１２と一対の電極１３ａ，１３ｂの内端部外表面の全面を、膨張率が５×１０^−６／℃に設定されたホウケイ酸系のガラスを主体とするガラス質のオーバーコート層１４により被覆して、耐摩耗性や耐衝撃性などの機械的強度の向上と、硫化や酸化等からの耐蝕保護と、後述する加圧ローラ等との電気的絶縁を図っている。
【００２７】
一方、図２，図３に示すようにセラミック基板１１は、その裏面（他面）１１ｂ側に、一対の配線導体１５ａ，１５ｂを並設している。これら配線導体１５ａ，１５ｂは例えば膜厚が５〜３０μｍの銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）や銀・白金（Ａｇ・Ｐｔ）合金、銀・パラジウム（Ａｇ・Ｐｄ）合金などを主体としている。これら配線導体１５ａ，１５ｂの一端（図２では左端）に端子部１６ａ，１６ｂを一体に連成している。
【００２８】
そして、配線導体１５ａ，１５ｂの各先端部は、基板裏面１１ｂのほぼ中央部（基板表面１１ａの抵抗発熱体１２の中央部真裏）で終端し、これら終端部上にチップ状のサーミスタ１７を跨架し、その両側端部を基板裏面１１ｂに例えばエポキシ系等の接着剤１８により固着している。
【００２９】
サーミスタ１７は抵抗発熱体１２の温度を基板１１を介して検出し、この検出温度信号を図示しない温度制御回路にフィードバックして抵抗発熱体１２に印加する電力を制御することにより抵抗発熱体１２の温度を一定に保持するものである。
【００３０】
このチップ形状のサーミスタ１７は、温度係数が負の大きな値を有する電気抵抗体を用いたもので、温度上昇したときに抵抗値が大きく低下し、温度を抵抗値の大小に変換する熱検出素子からなるセンサである。
【００３１】
したがって、図示しないコネクタを介して一対の電極１３ａ，１３ｂ間に所定の電圧が印加されると、抵抗発熱体１２が通電されて発熱し、この発熱がガラス質のオーバーコート層１４の頂面上を図１に示すように入側ｉｎから出側ｏｕｔへ幅方向に摺動する被定着体であるコピー用紙Ｐを加熱して、トナー像をコピー用紙Ｐに定着させることができる。
【００３２】
ここで、発熱体のオーバーコート層１４の膨張率は、セラミック基板１１の膨張率に比較して相対的に小さな膨張率を有しているため、オーバーコート層１４の焼成後の温度低下に伴ってオーバーコート層１４の熱収縮量がセラミック基板１１の熱収縮量に比べて小さく、オーバーコート層１４の内部に圧縮応力が残留した状態でセラミック基板１１に固着している。他方、セラミック基板１１の内部には、これと離反する引張り応力が残留することになる。このような発熱体を作動させると、昇温に伴いオーバーコート層１４は熱膨張するが、その熱膨張量は、セラミック基板１１の膨張量よりも小さく、しかも固着時には引張り応力の残留が抑止されているため、結果としてオーバーコート層１４のクラック発生は効果的に低減される。
【００３３】
図４は本発明に係る画像形成装置の一種である電子式複写機の実施形態の概略構成を示しており、この複写機は筐体３２内に、図示しないカセット内の複写用紙Ｐを引き込み、これに図示しない原稿の画像に対応したトナー画像を形成する画像形成部と、このトナー画像を複写用紙Ｐに定着させる定着装置３５とを内蔵している。
【００３４】
定着装置３５は、回転する加圧ローラ３６に対向させて上記発熱体１０を外接させて並設しており、この発熱体１０を樹脂製円柱状のホルダー３７の取付溝の底部上に固着している。発熱体１０の外周面には加圧ローラ３６のシリコーンゴム層３８を弾性的に圧接させている。
【００３５】
そして、発熱体１０は一対の電極１３ａ，１３ｂに接触した燐青銅板等からなる弾性が付与されたコネクタを通じて通電されて抵抗発熱体１２が発熱し、この発熱はセラミック基板１１全体とガラス層１４ａとに与熱される。
【００３６】
したがって、このガラス層１４ａの図示しない耐熱シートの外面と加圧ローラ３６のシリコーンゴム層３８との間で、トナー像Ｔを形成した複写用紙Ｐを発熱体１０により加熱しつつ搬送することにより、未定着トナー像Ｔを溶融し、複写用紙Ｐに定着させることができる。
【００３７】
そして、この発熱体１０は前述のとおり発熱体のオーバーコート層１４の膨張率がセラミック基板１１の膨張率に比較して相対的に小さくされているため、オーバーコート層１４の焼成後の温度低下に伴ってオーバーコート層１４の熱収縮量がセラミック基板１１の熱収縮量に比べて小さく、オーバーコート層１４の内部に圧縮応力が残留した状態でセラミック基板１１に固着している。
【００３８】
このような発熱体を作動させると、昇温に伴いオーバーコート層１４は熱膨張するが、その熱膨張量は、セラミック基板１１の膨張量よりも小さく、しかも固着時には引張り応力の残留が抑止されているため、結果としてオーバーコート層１４のクラック発生は効果的に低減され、したがって、発熱体の耐摩耗性や耐衝撃性、硫化や酸化等からの耐蝕性能及び加圧ローラ３６等との電気的絶縁性を良好に維持できる。
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発熱体の発明によれば、オーバーコート層の膨張率がセラミック基板の膨張率に比較して相対的に小さく設定されているため、オーバーコート層の焼成後の温度低下に伴いオーバーコート層の熱収縮量が基板の熱収縮量に比べて小さく、オーバーコート層の内部に圧縮応力が残留した状態で基板に固着する。他方、セラミック基板の内部には、これと離反する引張り応力が残留することになる。このような加熱体を作動させると、昇温に伴いオーバーコートは熱膨張するが、その熱膨張量は、基板の膨張量よりも小さく、しかも固着時には引張り応力の残留が抑止されているため、結果としてオーバーコート層のクラック発生は効果的に低減される。
【００３９】
請求項２記載の発明による定着装置及び請求項３記載の発明による画像形成装置によれば、上記請求項１の発明と同様にオーバーコート層のクラックは低減できるため、高速定着や高速の画像形成を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る発熱体の平面図。
【図２】図１に示す発熱体の一部切欠裏面図。
【図３】図１のIII−III線断面図。
【図４】本発明の実施形態に係る画像形成装置の概略構成図。
【図５】従来の発熱体の断面図。
【符号の説明】
１０発熱体
１１セラミック基板
１２抵抗発熱体
１４オーバーコート層
３５定着装置
３６加圧ローラ

Claims

平板状のセラミック基板と；この基板の一方の面に形成された抵抗発熱体と；焼成により形成され、抵抗発熱体を直接的または間接的に被覆すると共にセラミック基板よりも小さな膨張率を有することにより、常温において内部に圧縮応力を残留させているオーバーコート層と；を具備していることを特徴とする発熱体。
請求項１記載の発熱体と；
この発熱体と圧接関係を有して配設された加圧ローラと；
を具備していることを特徴とする定着装置。
加熱定着性の顕画剤を用いて被記録材に間接方式または直接方式により画像情報を形成する画像形成プロセス手段と；顕画剤を熱的に定着させる請求項２記載の定着装置と；を具備していることを特徴とする画像形成装置。