JP6167880B2 - ヒータおよび画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ヒータおよび画像形成装置に関する。

ＯＡ機器、家電用電気製品、精密製造設備などの電子機器類にヒータが装着されている。ヒータは、例えば、複写機やファクシミリなどの画像形成装置において用紙にトナーを定着する定着装置に用いられる。また、リライタブルカードリーダであれば印字消去などに用いられる。ヒータは、給電用電極、導体、抵抗発熱体が基板上に形成されていることで構成され、給電用電極から供給された電力により、抵抗発熱体が発熱する。

定着装置に用いられるヒータは、一般的に、銀およびパラジウム、または、酸化ルテニウムおよびガラスを主成分として、抵抗温度係数［ｐｐｍ／℃］が０あるいはプラスとなるＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）特性の抵抗発熱体が使用されている。

ヒータは、定着装置で加熱できる媒体の最大のサイズ（媒体のヒータの長手方向と平行の長さ）に合わせた有効長、すなわち最大のサイズと同じ、または長く設定される。従って、最大のサイズの媒体よりも小さい媒体を加熱する場合、ＰＴＣ特性のヒータでは、ヒータのうち、非通紙の領域の温度が上昇する。そこで、非通紙の領域の温度上昇を抑制する目的で、抵抗温度係数［ｐｐｍ／℃］がマイナスとなるＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）特性の抵抗発熱体を使用することも考えられる。

特開平２−６５０８６号公報 特開平７−９４２６０号公報 特開２００９−２４４８６７号公報

本発明は、抵抗発熱体がＮＴＣ特性となるヒータおよび画像形成装置を提供することを目的とする。

実施形態のヒータは、基板と；導体と；抵抗発熱体と；オーバーコート層と；を具備する。導体は、基板上に形成されている。抵抗発熱体は、導体と電気的に接続され、基板上に形成されている。オーバーコート層は、導体と抵抗発熱体とを基板上で覆っている。抵抗発熱体は、酸化ルテニウムと、ガラスと、酸化チタン、酸化マンガンおよび酸化鉄を含む混合物と、銀とを含有する。銀は、１重量％以上８重量％以下含有される。

本発明によれば、抵抗発熱体がＮＴＣ特性となるヒータおよび画像形成装置を提供することができる。

図１は、実施形態のヒータを示す平面図である。 図２は、銀と抵抗温度係数との関係を示す説明図である。 図３は、実施形態のヒータの変形例を示す平面図である。 図４は、ヒータの使用例である定着装置を示す説明図である。 図５は、ヒータの使用例である画像形成装置を示す説明図である。

以下で説明する実施形態に係るヒータ１Ａ，１Ｂは、基板２と、導体３，８と、抵抗発熱体４，９と、オーバーコート層７とを具備する。導体３，８は、基板２上に形成されている。抵抗発熱体４，９は、導体３，８と電気的に接続され、基板２上に形成されている。オーバーコート層７は、抵抗発熱体４，９と導体３，８を基板２上で覆っている。抵抗発熱体４，９は、酸化ルテニウムと、ガラスと、酸化チタン、酸化マンガンおよび酸化鉄を含む混合物と、銀とを含有する。銀は、１重量％以上８重量％以下含有される。

また、以下に説明する実施形態に係るヒータ１Ａ，１Ｂで、導体３は、銀を主成分とする。

また、以下に説明する実施形態に係る画像形成装置では、通過する媒体を加熱するヒータ１と、媒体を加熱時に加圧する加圧ローラ２０３と、を具備し、加圧ローラ２０３により媒体を加熱および加圧することで、媒体に付着したトナー像を定着させる。

〔実施形態〕
図１、図２を参照して、実施形態を説明する。図１は、実施形態のヒータを示す平面図である。図２は、銀と抵抗温度係数との関係を示す説明図である。図２における銀比率［重量％］は、抵抗発熱体を１００重量％とした場合の銀の比率である。

本実施形態のヒータ１Ａは、電子機器類に搭載され、主に通過する紙などの媒体を加熱するものである。ヒータ１Ａは、図１に示すように、基板２と、導体３と、抵抗発熱体４と、一対の給電用電極５，６と、オーバーコート層７とを含んで構成されている。

基板２は、耐熱性および絶縁性を有し、本実施形態では、矩形状に形成されている。基板２は、例えば、アルミナ等のセラミック、耐熱複合材料などからなる平板である。基板２は、ヒータ１Ａを装着できるスペースに応じた厚さを有しており、例えば、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。なお、基板２の形状は、短手方向および短手方向と交差する長手方向とを有していればこれに限定されるものではなく、外周において凹部、凸部、欠けなどが形成されていてもよい。

導体３は、抵抗発熱体４に電力を供給するものであり、基板２上に形成されている。本実施形態における導体３は、ヒータ１Ａ（基板２）の長手方向（以下、単に「長手方向」と称する）において、抵抗発熱体４と電気的に接続されている。導体３に含まれる導体３１および導体３２と、導体３３とは、長手方向において離間して形成され、その間に抵抗発熱体４１，４２がそれぞれ配置されている。導体３１は、抵抗発熱体４１の長手方向に沿って形成されており、一方の端部が給電用電極５と、他方の端部が抵抗発熱体４１の一方の端部と電気的に接続されている。導体３２は、抵抗発熱体４２の長手方向に沿って形成されており、一方の端部が給電用電極６と、他方の端部が抵抗発熱体４２の一方の端部と電気的に接続されている。導体３３は、抵抗発熱体４１，４２の他方の端部とそれぞれ電気的に接続されている。つまり、導体３は、抵抗発熱体４の長手方向に沿って電気的に接続されている。

本実施形態における導体３は、銀（Ag）を主成分とする。ここで、主成分とは、導体３を構成する物質のうち、支配的な重量％を占める物質をいう。従って、導体３は、銀と添加物との合計がほぼ１００重量％となる。導体３は、添加物が含有されることで、抵抗発熱体４に対する銀の拡散を抑制することができる。
導体３は、上記物質を含有する抵抗発熱体４に比べて抵抗値が十分低い導体ペーストであり、基板２上に塗布し、焼成することで形成されている。ここで、「塗布」とは、導体ペーストを基板２上に塗りつけることができれば、どのような手段でもよく、スクリーン印刷を含むものである。

抵抗発熱体４は、導体３と電気的に接続されており、電気を流すことで発熱するものであり、基板２上に形成されている。本実施形態で、抵抗発熱体４は、長手方向に沿って形成されている。抵抗発熱体４に含まれる抵抗発熱体４１と、抵抗発熱体４２とは、短手方向において離間して形成されている。抵抗発熱体４１，４２は、ヒータ１Ａの短手方向（以下、単に「短手方向」と称する）における長さが一定となるように、長手方向に沿った帯状にそれぞれ形成されている。

本実施形態における抵抗発熱体４は、酸化ルテニウム(RuO₄)と、ガラスと、酸化チタン（TiO₂）、酸化マンガン(MnO₂)および酸化鉄(FeO,Fe₂O₃,Fe₃O₄)を含む混合物と、銀（Ag）とを含有する。抵抗発熱体４は、上記物質を含有する抵抗発熱体ペーストであり、基板２上に塗布することで形成されている。抵抗発熱体４は、酸化ルテニウムと、ガラスと、混合物と、銀とで、ほぼ１００重量％を占める。抵抗発熱体４は、軟化点の高い（例えば、６００℃〜８００℃程度）ガラスを含有する。抵抗発熱体４は、全体を１００重量％とした場合に、図２に示すように、銀が１重量％〜８重量％以下であり、ガラスが混合物の約２倍、酸化ルテニウムがガラスの約２．５倍である。ここで、銀が１重量％〜８重量％以下であるのは、抵抗温度係数を−８００ｐｐｍ／℃以下、好ましくは−８００ｐｐｍ／℃〜−１０５０ｐｐｍ／℃の範囲とするためである。抵抗温度係数が−８００ｐｐｍ／℃を超えると、後述する非通紙の領域の温度上昇を抑制する効果が低くなる。従って、銀が１重量％〜８重量％以下であることで、非通紙の領域の温度上昇を抑制する効果を高めることができる。

ここで、導体３の銀成分は、酸化ルテニウムを含有する抵抗発熱体４中に拡散しやすい。銀を含有しない抵抗発熱体４においては、銀が混入すると、銀が拡散された領域と拡散されなかった領域とで、ヒータ抵抗値や抵抗温度係数のばらつきが発生する。従って、拡散により抵抗発熱体に混入する銀の量（０．５重量％未満）よりも多い重量比率で、銀を予め抵抗発熱体４に含有させておくことで、ヒータ抵抗値や抵抗温度係数のばらつきを抑制することができる。これにより、所望するヒータ抵抗値や抵抗温度係数の抵抗発熱体４を基板２上に形成することができる。

一対の給電用電極５，６は、導体３にそれぞれ電気的に接続されるものであり、基板２上に形成されている。一対の給電用電極５，６は、図１に示すように、長手方向において基板２の端部に形成されている。一対の給電用電極５，６は、導体３１，３２とそれぞれ電気的に接続され、導体３１，３２と通電される。なお、図１において、一対の給電用電極５，６は、基板２の一方の端部に形成されているが、両端部にそれぞれ形成されていてもよいし、他方の端部に形成されていてもよい。また、一対の給電用電極５，６は、通常、導体３１，３２とそれぞれ一体的に基板２上に形成されているが、一対の給電用電極５，６と、導体３１，３２とがそれぞれ分離して形成されてもよい。また、一対の給電用電極５，６は、基板２のうち、導体３１，３２が形成された表面に形成されているが、導体３１，３２が形成された面とは反対側の面に形成されていてもよい。この場合、一対の給電用電極５，６は、基板２に形成されたスルーホールを介して、導体３１，３２とそれぞれ電気的に接続される。

オーバーコート層７は、保護層であり、基板２上に形成された導体３および抵抗発熱体４を覆っているものであり、本実施形態では帯状に形成されている。オーバーコート層７は、導体３および抵抗発熱体４を覆っていることで、導体３および抵抗発熱体４が直接大気に露出することを防止し、外部からの干渉（例えば、機械的、化学的、電気的な干渉）によって導体３および抵抗発熱体４が損傷・破損することを抑制するものである。オーバーコート層７は、熱伝導率が基板２よりも高く形成されており、例えば、２［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］以上となるアルミナ等の熱伝導性の優れた無機酸化物フィラーを２５〜３５重量％加えたガラス層である。

次に、ヒータ１Ａの動作について説明する。ヒータ１Ａには、一対の給電用電極５，６を介して外部から電力が供給される。ヒータ１Ａは、電力が供給されることで、導体３が通電され、導体３１，３３間の抵抗発熱体４１および導体３２，３３間の抵抗発熱体４２が長手方向にそれぞれ通電される。これにより、抵抗発熱体４１，４２がそれぞれ発熱し、ヒータ１Ａが長手方向におけるほぼ全域で発熱することになる。

以上のように、本実施形態に係るヒータ１Ａでは、酸化ルテニウムを含有した抵抗発熱体４がＮＴＣ特性を有している。ＮＴＣ特性を有している抵抗発熱体としては、グラファイトを含有したものがある。グラファイトを含有した抵抗発熱体に含有されるガラスや、オーバーコート層を構成するガラスは、軟化点が低いものが使用されている。また、グラファイトは、軟化したガラスに対する反応活性が高く、反応により二酸化炭素（CO₂）が発生する。つまり、例えば、塗布により形成した抵抗発熱体を焼成する際に二酸化炭素が発生してしまい、基板上よりグラファイトが焼失する。よって、ヒータの抵抗発熱体としてグラファイトを含有した材料は好ましくない。一方、酸化ルテニウムは、高温時における軟化したガラスに対する反応活性が低い。酸化ルテニウムを含有した抵抗発熱体４は、グラファイトを含有した抵抗発熱体と比較して、軟化点の高い（例えば、６００℃〜８００℃程度）ガラスを使用することができる。従って、ヒータ１Ａでは、ガラスに対する反応活性が低い酸化ルテニウム、軟化点の高いガラスを使用することができる。つまり、例えば、塗布により形成した抵抗発熱体を焼成する際に二酸化炭素が発生することなく、抵抗発熱体としてグラファイトを用いるときのように基板上より抵抗発熱体が焼失することはない。よって、酸化ルテニウムは、ヒータの抵抗発熱体として好ましい。

なお、上記実施形態では、導体３が長手方向において抵抗発熱体４と電気的に接続するが、これに限定されるものではない。図３は、実施形態のヒータの変形例を示す平面図である。ヒータ１Ｂは、同図に示すように、導体８と抵抗発熱体９との電気的な接続方向が長手方向でなくてもよい。ヒータ１Ｂの導体８および抵抗発熱体９は、ヒータ１Ａの導体３および抵抗発熱体４と、それぞれ形状のみが異なり、構成する材料、重量％等は同一である。

導体８は、短手方向において、抵抗発熱体９と対向する部分に配置され、抵抗発熱体９と電気的に接続されている。導体８に含まれる導体８４，８６，８８と、導体８２，８５，８７とは、短手方向において離間して形成され、その間に抵抗発熱体９１〜９５がそれぞれ配置されている。導体８１は、抵抗発熱体９の長手方向に沿って形成されており、一方の端部が給電用電極５と、他方の端部が導体８３を介して導体８４と電気的に接続されている。導体８２は、一方の端部が給電用電極６と、他方の端部が抵抗発熱体９５の一方の端部と電気的に接続されている。導体８４は、導体８３と、抵抗発熱体９１の一方の端部と電気的に接続されている。導体８５は、抵抗発熱体９１の他方の端部と、抵抗発熱体９２の一方の端部と電気的に接続されている。導体８６は、抵抗発熱体９２の他方の端部と、抵抗発熱体９３の一方の端部と電気的に接続されている。導体８７は、抵抗発熱体９３の他方の端部と、抵抗発熱体９４の一方の端部と電気的に接続されている。導体８８は、抵抗発熱体９４の他方の端部と、抵抗発熱体９５の他方の端部と電気的に接続されている。なお、導体８１，８３，８４は、通常、一体的に基板２上に形成されているが、導体８１，８３，８４がそれぞれ分離して形成されてもよい。

抵抗発熱体９は、全体として長手方向に沿って形成されている。抵抗発熱体９に含まれる抵抗発熱体９１〜９５は、長手方向において離間して形成、すなわち長手方向に沿って配置されている。抵抗発熱体９１〜９５は、短手方向における長さが一定となるように、長手方向に長い矩形状にそれぞれ形成されている。

次に、ヒータ１Ｂの動作について説明する。ヒータ１Ｂには、一対の給電用電極５，６を介して外部から電力が供給される。ヒータ１Ｂは、電力が供給されることで、導体８が通電され、導体８４，８５間の抵抗発熱体９１、導体８５，８６間の抵抗発熱体９２、導体８６，８７間の抵抗発熱体９３、導体８７，８８間の抵抗発熱体９４および導体８８，８２間の抵抗発熱体９５が短手方向にそれぞれ通電される。これにより、抵抗発熱体９１〜９５がそれぞれ発熱し、ヒータ１Ｂが長手方向におけるほぼ全域で発熱することになる。

次に、ヒータを備えた定着装置の一実施形態について説明する。図４は、ヒータの使用例である定着装置を示す説明図である。同図に示すように、定着装置２００は、上述した実施形態およびその変形例にかかるヒータ１Ａ，１Ｂ（以下、単に「ヒータ１」と称する）のいずれも使用することができる。定着装置２００では、支持体２０２の回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が設置される。定着フィルムベルト２０１は、例えばポリイミド等の耐熱性の樹脂材料から形成されている。ヒータ１およ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が配設されている。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、定着フィルムベルト２０１を圧接した状態で、回転軸２０５を中心に矢印Ａ方向に回転することができる。

トナー定着工程においては、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、媒体である複写用紙Ｐ上に付着したトナー像Ｔ１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Ｔ１の表面部は融点を超え、軟化して溶融する。その後、加圧ローラ２０３の用紙排出側では複写用紙Ｐがヒータ１から離間するとともに、定着フィルムベルト２０１からも離間し、トナー像Ｔ２は自然に放熱して再び固化することで、トナー像Ｔ２が複写用紙Ｐに定着する。

次に、ヒータを備えた画像形成装置の一実施形態について説明する。図５は、ヒータの使用例である画像形成装置を示す説明図である。定着装置２００を含む各構成要素は、複写機１００の筐体１０１内に収められている。筐体１０１の上部には、ガラス等の透明部材からなる原稿載置台が備え付けられており、画像情報を読み取る対象となる原稿Ｐ１を矢印Ｙ方向に往復動作させてスキャンする構成となっている。また、複写機１００を構成する各機器の制御は、制御装置１２０により行われる。

筐体１０１内の上部には光照射用ランプと反射鏡とからなる照明装置１０２が設けられており、この照明装置１０２から照射された光が原稿Ｐ１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、この感光ドラム１０４は矢印Ｚ方向に回転可能に設置されている。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。

また、筐体１０１内に配設された感光ドラム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により略一様に帯電される。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ている。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内に収納されている複写用紙Ｐは、給送ローラ１０８と感光ドラム１０４上のトナー像と同期をとっ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上に形成されているトナー像が複写用紙Ｐ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複写用紙Ｐ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を用いて除去される。

定着装置２００は、複写用紙Ｐの移動方向と直交する方向に、抵抗発熱体４，９を備えたヒータ１が、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。ここで、ヒータ１の長手方向の長さは、複写機１００が複写できる最大のサイズ（媒体のヒータ１の長手方向と平行の長さ）に合わせた有効長、すなわち最大のサイズと同じ、あるいは長く設定される。

そして、ヒータ１と加圧ローラ２０３との間を送られる複写用紙Ｐ上の未定着トナー像は、抵抗発熱体４，９の発熱を利用して溶融され、複写用紙Ｐ面上に文字、英数字、記号、図面等の複写像を現出させることができる。

また、ヒータ１を用いる複写機１００等の画像形成装置としては、使用頻度の高い媒体のサイズが最大のサイズでない場合が多い。この場合、使用頻度の高い媒体を連続で通紙すると、ヒータ１のうち、非通紙の領域の温度が上昇することとなるが、抵抗温度係数が−８００ｐｐｍ／℃以下のＮＴＣ特性の抵抗発熱体４，９を使用しているので、非通紙の領域の温度上昇を抑制することができる。これにより、ヒータ１の温度が停止温度以上となることを抑制することができ、画像形成装置の動作停止頻度を低減することができる。

なお、ヒータ１を複写機１００等の画像形成装置の定着用に使用した例を使って説明したが、これに限らず、家庭用の電気製品、業務用や実験用の精密機器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も使用することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施され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。これらの実施形態やその変形は、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。

１，１Ａ，１Ｂ ヒータ
２ 基板
３，８ 導体
４，９ 抵抗発熱体
５，６ 給電用電極
７ オーバーコート層
１００ 複写機（画像形成装置）
１２０ 制御装置
２００ 定着装置

Claims (3)

1. 基板と；
   前記基板上に形成された導体と；
   前記導体と電気的に接続され、前記基板上に形成された抵抗発熱体と；
   前記導体と前記抵抗発熱体を前記基板上で覆ったオーバーコート層と；
   を具備し、
   前記抵抗発熱体は、酸化ルテニウムと、ガラスと、酸化チタン、酸化マンガンおよび酸化鉄を含む混合物と、銀とを含有し、
   前記銀は、１重量％以上８重量％以下含有されるヒータ。
2. 前記導体は、銀を主成分とする請求項１に記載のヒータ。
3. 通過する媒体を加熱する請求項１または２に記載のヒータと；
   前記媒体を加熱時に加圧する加圧ローラと；
   を具備し、
   前記媒体を前記加圧ローラにより前記加熱および前記加圧することで、前記媒体に付着したトナー像を定着させる画像形成装置。

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