JP5075166B2 - 定着器用温度センサ - Google Patents

Description

この発明は、コピー機やプリンタ等の画像形成装置におけるトナー定着器に用いられる、定着器用温度センサに関する。

コピー機やプリンタ等の画像形成装置に用いられるトナー定着器としては、電子写真方式の作動プロセスによって記録紙上に画像情報に対応してトナー像を担架形成したのち、記録紙を移動させながら未定着トナーを加熱して定着させる方式の定着器が一般に用いられている。

定着装置は、記録紙と、記録紙に静電気によって担架させた、樹脂材，磁性体および着色料からなるトナーとを、回転しながら搬送するローラやエンドレスベルト等からなる定着手段と、この際に定着手段に圧接しながら反対方向に回転するローラやエンドレスベルト等からなる加圧手段とで挟み込んで、熱と圧力を加えながら移動させることによって、トナーを溶着して記録紙に定着させる。

図８は、一般的なトナー定着器の構造を示したものであって、図中、１は定着ローラ、２は加圧ローラ、３は保持体部、４は支持体、５はバネ部、６はトナー定着器の構造部分の一部を示している。

トナー定着器は、図６に示すように、互いに圧接しながら反対方向に回転する定着ローラ１と加圧ローラ２に対して、定着器側に設けられた支持体４に固定された一対のバネ部５によって、定着ローラ１の表面に圧接するように支持された保持体部３を備えた構成を有している。
そして、保持体部３に設けられている定着器用温度センサによって定着ローラ１の表面温度を測定し、図示されない制御装置がこの測定値に応じて定着ローラ１を加熱してその表面温度を制御することによって、記録紙上のトナーの定着が常に一定の状態で行われるようになっている。

図９は、従来のトナー定着器における保持体部の構造を例示したものであって、(a) は保持体部の薄膜サーミスタを含むＸ−Ｘ’方向の断面図、(b) は支持体を含む保持体部の上面図である。

保持体部３Ａは、図９(a) に示すように、左右の細長金属板６Ａ間にアルミナ基板１１２を配置し、さらに、アルミナ基板１１２上に薄膜サーミスタ１１３を設けるとともに、上下の絶縁シート１１１によって一対の細長金属板６Ａを挟み込んだ構成を有している。
図９(b) においては、保持体部３Ａが金属からなる一対のバネ部５Ａを介して支持体４Ａに取り付けられているとともに、薄膜サーミスタ１１３の両端の電極が、左右の細長金属板６Ａに接続されていることが示されている。

図１０は、薄膜サーミスタ素子の具体的構造を例示したものであって、(a) は上面図、(b) は立面図を示し、薄膜サーミスタ１１３をアルミナ基板１１５上に形成し、薄膜サーミスタ１１３の両端に電極１１４を設けたことが示されている。

特許文献１においては、外部引出線を接続するための外部引出部を有する一対の帯状の金属板と、この一対の金属板の隙間に配設されるとともにこの一対の金属板に導線が電気的に接続された感熱素子と、上記一対の金属板の少なくとも一端に形成された保持体と、上記感熱素子および一対の金属板の被検知体に接続する面に設けられた薄膜シートとを有する、温度センサが開示されている。

また、特許文献２においては、外部引出線を接続する一対の端子部から延在している細幅金属板部の両端子部側に保持体が形成され、細幅金属板部の両先端部に、それらの板厚を薄くした凹部が形成され、感熱素子の平面状の感熱部が被検知体側に向くように、凹部に架け渡して、感熱素子のリード部を両細幅金属板部に電気的に接続し、感熱素子の感熱部分が絶縁シートで被覆されている温度センサなので、温度検知が安定し、また熱応答性に優れ、さらに感熱素子取付部の機械的強度に優れた耐久性のある温度センサを提供することを目的とする、温度センサが開示されている。

特開昭６３−２０５５３０号公報 特開２０００−０７４７５２号公報

特許文献１に記載された従来の定着器用温度センサは、感熱部に外部引き出し線を有する薄膜チップサーミスタを使用している。サーミスタは抵抗体であるため、必ずサーミスタ素体を挟んで、対になる電極が必要である。特に、回路基板に半田付け実装するチップサーミスタの場合は、その外形が正立方体や、平板正方形又は平板円板形になると、対になる電極がどこを向いているのかが判別できないため、形状で区別可能にするために、外観は直方体や平板長方形になっている。

細長い形状のチップサーミスタを用いて定着器用温度センサを構成した場合、円筒形の定着ローラと、チップサーミスタの向きとの関係が問題になる。円筒形の定着ローラの外周に平面を接触させるため、接触部は円筒方向に線接触となる。そのため、定着器用温度センサに使用するチップサーミスタの配置方向は、効率よく温度検出を行えるように、接触部の長さを大きくするため、チップサーミスタの短辺側よりも、長辺側がローラ軸方向と同じになるように配置する。

このため、チップサーミスタの短辺側にローラ軸の位置がずれたり、温度センサの取り付け位置がずれたりした場合には、直ちにローラと接触しなくなって、定着ローラからの熱を正確に検知できなくなるとともに、熱応答性が悪くなるため、定着ローラの温度制御誤差が大きくなって、定着不良が発生することになる。さらには、火災発生の原因ともなるという問題があった。逆に、短辺側をローラ軸方向と同じにした場合は、位置ずれには強いが温度検出効率が悪くなるという問題がある。

特許文献２記載の例で使用されたガラスで熔封されたビード形サーミスタは、サーミスタ素体とリード線とを外界の雰囲気からシールする構造のため、ガラスを溶かした際にガラスが丸まって形状が球形になっており、その形状のため、ローラから熱を拾う際に点接触となる。

点接触は、サーミスタの取り付け位置ずれや、ローラの位置ずれに敏感になるという、温度検出性能上の問題のほかに、板バネでローラに押し付けられた薄膜シートや絶縁シートが、ガラスで熔封されたビード形サーミスタによって、ローラに局部的に押さえ付けられて、ローラとの摩擦で短時間で局部的な穴が開き、その後剥き出しになったガラスが、ローラを擦り続けてローラに傷を付け、その傷が定着ローラの平滑さを損なうため、印刷用紙にトナーを定着させる際の定着品質を低下させるという問題があった。

そのため、ここでは記載していない他の例では、ビード形サーミスタの周囲に平面を形成するため、グリスや樹脂等からなるペースト状のものを使用して、接触面積を増加させる努力をしているもの等が、多数公知となっているが、これらの場合には、面積や体積が不定のため、性能にばらつきが多い等の問題があった。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、定着器に対する温度センサの取付位置の誤差や、温度センサに配置されるサーミスタ素子の取付位置の誤差があっても、定着不良を発生させることがない、定着器用温度センサを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、この発明は定着器用温度センサに係り、ガラス封止サーミスタ素子を正方形や円板形の薄板状ガラス板上にガラス封止サーミスタ素子を覆う流動ガラス体を融着して接合して、薄板状ガラスで集熱した熱を、中央のサーミスタに伝熱する構成として、ガラス封止サーミスタ素子を左右の細長金属板間に電気的に接続した状態で上下から絶縁シートで挟み込んで形成した保持体部を、薄板状ガラス板のガラス封止サーミスタ素子と反対側の面が定着ローラに対する感熱側になるように、定着器側に設けられた支持体に固定したことを特徴としている。

この発明によれば、感熱面となるガラス封止サーミスタ素子の下面部分が小さいため、温度センサの取り付け誤差や温度センサに配置されるサーミスタの取り付け誤差があっても、定着不良を発生させることがない。

また、この発明によれば、ローラ軸方向とは違う方向に温度センサの位置がずれたり、温度センサのサーミスタの配置がずれたりしても、温度センサの感熱特性を維持し、また、感熱特性の劣化を軽減することができる。

本発明の定着器用温度センサにおける保持体部の構成を示す図である。 本発明の定着器用温度センサにおけるガラス封止温度センサを示す図である。 定着器用温度センサの取付位置ずれと検知温度との関係を示す図である。 定着器用温度センサの取付位置ずれと応答時間との関係を示す図である。 定着器用温度センサの取付位置ずれと定着ローラ温度との関係を示す図である。 定着器温度センサを定着ローラ軸と平行に設置した場合の定着器用温度センサの取り付け位置ずれと検知温度との関係を示す図である。 定着器温度センサを定着ローラ軸と平行に設置した場合の定着器用温度センサの取り付け位置ずれと応答時間との関係を示す図である。 トナー定着器の一般的な構造を示す図である。 従来の定着器用温度センサを例示する図である。 薄膜サーミスタの具体的構造を例示する図である。

図１は、本発明の定着器用温度センサにおける保持体部の構成を示し、(a) は定着器用温度センサを含むＸ−Ｘ’方向の断面図、(b) は支持体を含む保持体部の上面図である。

保持体部１１は図１(a) に示すように、上下の絶縁シート１５によって一対の細長金属板１４を挟み込むとともに、左右の細長金属板１４間に薄板状ガラス１６を配置し、さらに薄板状ガラス１６上にガラス封止サーミスタ素子１７を設けた構成を有している。保持体部１１は、定着器用温度センサを定着器に取り付けた状態では、薄板状ガラス１６が感熱側になるように配置されている。
絶縁シート１５は、ポリイミド系樹脂またはテフロン（登録商標）系樹脂、もしくはポリイミド系樹脂とテフロン系樹脂との混合物からなっている。

図１(b) においては、保持体部１１が、細長金属板１４の延長からなる金属のバネ部１３を介してトナー定着器側に固定された支持体１２に取り付けられているとともに、保持体部１１上において、ガラス封止サーミスタ素子１７の両端のリード線が、左右の細長金属板１４間に接続されていることが示されている。

図２は、ガラス封止サーミスタ素子１７の具体的構造を例示したものであって、(a) は上面図、(b) は立面図を示し、両端にリード線１８を接続したガラス封止サーミスタ素子１７を、流動ガラス体１９で覆って薄板状ガラス１６上に融着して接合したことが示されている。

図２に示されたガラス封止サーミスタ素子１７を載せた薄板状ガラス１６は、ガラス封止サーミスタ素子１７を熔封している流動ガラス体１９を構成するガラスより融点が高く、かつ上面からの投影面積が流動ガラス体１９よりも一回り広い。
このようにガラス封止サーミスタ素子１７を熔封しているガラスよりも薄板状ガラス１６の融点が高いので、融点の差によって薄板状ガラス１６が変形することなく、薄板状ガラス１６上に流動ガラス体１９を形成することができる。

この実施例の場合は、流動ガラス体１９の融点は約６５０℃、薄板状ガラス１６の融点は約７５０℃である。
また、薄板状ガラス１６は厚みが０．１ｍｍ〜３０μｍ、広さは１０ｍｍ×１０ｍｍ〜０．５ｍｍ×０．５ｍｍ程度である。
流動ガラス体１９の大きさは、一例として薄板状ガラス１６に融着する以前の大きさが５ｍｍ×３ｍｍ程度の楕円状から、直径０．３ｍｍ程度のものであるが、この形状に限定されるものではない。

また他の実施例として、図１，図２の構成において、薄板状ガラス１６に代えて、同じ広さを有する薄板状セラミック板を使用してもよい。薄板状セラミック板は保持体部において、感熱側になるように配置される。
この場合は、薄板状セラミック板は薄板状ガラス１６と比べて耐熱性が高いので、ガラス封止サーミスタ素子１７を熔封する流動ガラス体１９を形成するガラスの融点は、図２に示された場合よりも高くてもよい。

図３において(a) は、図１に示されたガラス封止サーミスタ素子１７を用い、図６に示された定着ローラ１を図示されない温度コントローラで１９０℃に温度コントロールした本発明の場合と、図７に示された薄膜サーミスタを用いた従来技術の場合とにおける、定着ローラ１に対する定着器用温度センサの当接位置のずれに基づく検出温度特性の違いを示したものである。
この際の当接位置のずれ量は、定着器用温度センサが固定されていて、定着ローラ軸が定着器用温度センサの感熱面に平行に±方向にずれた場合で示してある。
図３において(b) は、ガラス封止サーミスタ素子、または薄膜サーミスタを搭載した保持体部に対する、定着ローラの位置ずれの方向を説明するものであって、＋方向と−方向とが示されている。

従来例の薄膜サーミスタは１００５サイズ（１ｍｍ×０．５ｍｍ）であり、ローラ軸方向と同じ方向に薄膜サーミスタ長辺（１ｍｍ）が、ローラ軸と９０°の方向に薄膜サーミスタ短辺（０．５ｍｍ）が配置されているため、定着ローラ１の位置に、ローラ軸と９０°の方向に±０．２ｍｍ程度の僅かなずれが生じても、薄膜サーミスタの短辺が、定着ローラ１に対する当接面から外れかかるため、図３(a) に示すように検出温度が低下する。さらにローラ軸のずれが増加すると、薄膜サーミスタの短辺が定着ローラとは接触しなくなるため、検出温度が大幅に低下することがわかる。

一方、本発明の場合は、薄板状ガラスのサイズは１ｍｍ×１ｍｍであり、その中央部に直径０．３ｍｍ程度の球形のガラス封止サーミスタ素子を溶着固定してあるため、薄板状ガラスがローラ軸と９０°の方向に±０．２ｍｍ程度ずれた程度では、定着ローラ１と薄板状ガラスの当接が外れないため、検出温度特性の変化はない。
しかしながら薄板状ガラスがローラ軸と９０°の方向に±０．５ｍｍ程度ずれた場合には、従来技術の場合と同様に、定着ローラ１との当接が外れかかるため、検出温度が低下することが認められるようになる。

図４において(a) は、図１に示されたガラス封止サーミスタ素子１７を用い、図６に示された定着ローラ１を図示されない温度コントローラで１９０℃に温度コントロールした本発明の場合と、図７に示された薄膜サーミスタを用いた従来技術の場合とにおける、定着ローラ１に対する定着器用温度センサの当接位置のずれに対応する熱応答性の違いを示したものである。
図４において(b) は、ガラス封止サーミスタ素子、または薄膜サーミスタを搭載した保持体部に対する、定着ローラの位置ずれの方向を説明するものであって、＋方向と−方向とが示されている。

熱応答性は、室温空気中に存在する定着器用温度センサを、１９０℃に温度コントロールされた定着ローラ１に当接してから、定着器用温度センサが定着ローラ１の熱を検出して温度が上昇して飽和に達したときの、到達温度と室温空気温度との温度差の６３．２％になるまでの時間（τ）を測定して応答時間としたものである。

従来例の薄膜サーミスタは１００５サイズ（１ｍｍ×０．５ｍｍ）であって、薄膜サーミスタの長辺（１ｍｍ）がローラ軸方向と同一方向に、薄膜サーミスタの短辺（０．５ｍｍ）がローラ軸方向と９０°方向に配置されているため、薄膜サーミスタの位置が、ローラ軸と９０°方向に±０．２ｍｍ程度の僅かなずれが生じても、薄膜サーミスタの短辺が定着ローラ１との当接面から外れかかって、熱応答が遅くなる。
さらに薄膜サーミスタの位置がずれると、薄膜サーミスタの短辺が定着ローラと全く接触しなくなるため、熱応答が大幅に遅くなる。

本発明の定着器用温度センサの場合は、薄板状ガラス１６のサイズは１ｍｍ×１ｍｍであり、その中央部に直径０．３ｍｍ程度の球形のガラス封止サーミスタ素子１７を溶着固定してあるため、薄板状ガラス１６がローラ軸と９０°の方向に±０．２ｍｍ程度ずれた程度では、ローラ軸と薄板状ガラス１６の当接状態が変わらないため、熱応答時間の変化はない。
しかしながら薄板状ガラス１６がローラ軸と９０°の方向に±０．５ｍｍ程度ずれた場合には、従来技術の場合と同様に、定着ローラ１との当接が外れかかるため、熱応答が遅くなることが認められるようになる。

図５において(a) は、図１に示されたガラス封止サーミスタ素子を装備した本発明の定着器用温度センサを定着ローラ１に組み込まれた加熱ヒータを加熱して温度コントロールして、図示されない温度センサで定着ローラ１の表面温度を測定した結果と、図７に示された薄膜サーミスタ１１３を装備した従来技術の定着器用温度センサを定着ローラ１に組み込まれた加熱ヒータを加熱して温度コントロールして、図示されない温度センサで定着ローラ１の表面温度を測定した結果とを示したものである。
なお、この場合の冷却方法はいずれも自然冷却とした。
図５において(b) は、ガラス封止サーミスタ素子、または薄膜サーミスタを搭載した保持体部に対する、定着ローラの位置ずれの方向を説明するものであって、＋方向と−方向とが示されている。

定着ローラ１の位置ずれがない場合は、本発明の場合も従来例の場合も、太実線で示すようよ、同じ周期で温度制御が行われている。

位置ずれが±０．５ｍｍ生じた場合は、従来例の場合は、図４，図５でも示したように、検出温度の大幅な低下と、熱応答性の悪化が生じるため、温度制御の結果としては、図５に細実線で示すように、初期昇温時の温度のオーバーシュートが大きくなるとともに、温度リップル（[3](c)) および制御周期（[3](a)) が大きくなるという、位置ずれに対して過敏になる制御性劣化が見られる。

一方、本発明の定着器用温度センサの場合は、図４，図５に示されるように、検出温度の低下や熱応答性の悪化が少ないため、制御結果としては、図５に一点鎖線で示すように、初期昇温時のオーバーシュートにはさほど変化がなく、さらに温度リップル（[2](c)) および制御周期（[2](a)) がそれほど大きくならない結果となった。
勿論、位置ずれが、図５の場合より小さい±０．４ｍｍ〜±０．２ｍｍのとき（不図示）は、本発明の場合は、位置ずれなしの場合と同じ制御結果となる。

図３，図４，図５に示された実施例のテスト結果から、本発明の定着器用温度センサは、従来例の場合と比較して２倍の位置ずれ許容限度を有していることがわかる。
位置ずれは、定着ローラ１の軸の位置精度や定着ローラ１の外径精度、および定着器用温度センサに装備されたサーミスタ素子の位置精度等、これら構成部材相互の製作精度の累積誤差から発生するものである。

これらの機構部品の一般的な精度としては、０．１ｍｍ程度であり、構成部材相互の製作精度の累積誤差は０．３ｍｍ程度発生するのが普通である。このため、従来例の定着器用温度センサを定着器に設置する場合には、位置決め冶工具を使用して微妙な調整を行わないと、定着ローラ１に対して正確な当接位置を定めることができなかった。
しかしながら、本発明の定着器用温度センサでは、上述のような構成部材相互の製作精度の累積誤差を許容するため、定着器が製作しやすくなり、温度制御性に優れた定着器を市場に供給することができるようになる。

さらに、本発明の定着器用温度センサの取り付け方向を９０°変えて、定着ローラ１の軸に対して平行に設置してもよい。
図６は、本発明の定着器用温度センサを定着ローラ１に対して平行に設置した場合の、定着ローラ１に対する定着器用温度センサの位置ずれ量と検知温度との関係を示したものであって、実線で示す本発明の場合は点線で示す従来技術の場合と比べて、検知温度がやや高くなるが、傾向としては変わらない。
また、図７は本発明の定着器用温度センサを定着ローラ１に対して平行に設置した場合の、定着ローラ１に対する定着器用温度センサの位置ずれ量と応答時間との関係を示したものであって、実線で示す本発明の場合は点線で示す従来技術の場合と比べて、応答時間がやや短くなるが、傾向としては変わらない。

このような結果となった理由は、本発明の定着器用温度センサでは、１ｍｍ×１ｍｍの正方形の薄板状ガラス１６の中央にサーミスタ素子が設置されているためであって、定着ローラ１に当接する薄板状ガラス１６の広さは定着ローラ１の軸方向に１ｍｍあり、従って９０°向きを変えても感熱性能には殆ど差異を生じないことがわかる。
このことは、サーミスタ素子から引き出されるリード線の向きが必ずしも定着ローラ１の軸方向でなくてもよく、定着ローラ１の軸方向に対して垂直であっても温度センサを構成できることを示唆している。
これに対して、１００５サイズ（長さ１ｍｍ，幅０．５ｍｍ）の薄膜サーミスタを使用した従来技術の場合は、９０°向きを変えただけで、定着ローラ１と当接する幅が１ｍｍ→０．５ｍｍに減少しているので、感熱性能にも変化が生じている。

この発明の定着器用温度センサは、コピー機やプリンタ等の画像形成装置のトナー定着器に用いられる、加熱ローラの表面温度を計測するための定着器用温度センサとして好適なものである。

１ 定着ローラ
２ 加圧ローラ
３ 保持体部
４ 支持体
５ バネ部
６ トナー定着器の構造部分
１１ 保持体部
１２ 支持体
１３ バネ部
１４ 細長金属板
１５ 絶縁シート
１６ 薄板状ガラス
１７ ガラス封止サーミスタ素子
１８ リード線
１９ 流動ガラス体

Claims (7)

1. ガラス封止サーミスタ素子を正方形または円板形の薄板状ガラス板上に前記ガラス封止サーミスタ素子を覆う流動ガラス体を融着して接合して、前記ガラス封止サーミスタ素子を左右の細長金属板間に電気的に接続した状態で上下から絶縁シートで挟み込んで形成した保持体部を、前記薄板状ガラス板の前記ガラス封止サーミスタ素子と反対側の面が定着ローラに対する感熱側になるように、定着器側に設けられた支持体に固定したことを特徴とする定着器用温度センサ。
2. 請求項１記載の定着器用温度センサにおいて、前記薄板状ガラス板に代えて薄板状セラミック板を用いたことを特徴とする定着器用温度センサ。
3. 前記薄板状ガラス板は、前記流動ガラス体を構成するガラスより融点が高いことを特徴とする請求項１に記載の定着器用温度センサ。
4. 前記絶縁シートが、ポリイミド系樹脂および／またはテフロン系樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の定着器用温度センサ。
5. 前記定着器用温度センサが、定着ローラの軸と直交するように設置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の定着器用温度センサ。
6. 前記定着器用温度センサが、定着ローラの軸と平行になるように設置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の定着器用温度センサ。
7. 画像情報に対応して形成したトナー像が担架された記録紙を、互いに接触しながら反対方向に回転する定着ローラと加圧ローラ間を移送することによって、記録紙上のトナー像を前記定着ローラによって加熱して記録紙に定着させるトナー定着器であって、
   前記回転する定着ローラの表面に接触するように支持された保持体部に配置された請求項１乃至４のいずれか一に記載の定着器用温度センサが、前記定着ローラの表面温度を計測して該計測結果に応じて制御装置を制御することによって、該制御装置が前記定着ローラを加熱してその表面温度を一定の状態に保つように構成されていることを特徴とするトナー定着器。

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