JP6919388B2 - 加熱体、定着装置、および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱体、定着装置、および画像形成装置に関する。

複写機、ファクシミリ、プリンタ等の画像形成装置として、電子写真方式を利用した画像形成装置が種々考案されており公知技術となっている。その画像形成プロセスは、画像情報に基づいて、像担持体である感光体ドラムの表面に静電潜像を形成し、感光体ドラム上の静電潜像を現像剤であるトナー等によって現像して可視像化し、現像された画像を転写装置により記録媒体（用紙ともいう）に転写して画像を担持させ、圧力や熱等を用いる定着装置によって記録媒体上の未定着トナー像を定着する過程により成立している。

このような画像形成装置に用いられる定着装置において、定着ニップ部において定着部材を昇温の速い低熱容量の加熱体を用いて加熱する技術が知られている。

このような加熱体では、発熱体が設けられる加熱体の基板に電極部を有し、電極部の温度が過度に上昇すると、電極部の接着性が低下する等の不具合が生じる恐れがあるため、電極部の過度の温度上昇を抑える必要がある。そして、高速生産性のニーズへの対応から、加熱体の発熱部から定着部材までの熱抵抗を改善するため、加熱体の基材として、窒化アルミニウムなどの高熱伝導材料を採用することが知られている。

例えば、特許文献１には、基板面に、通電により発熱する抵抗層と、外部電気接点と接触する電極部を有し、被加熱材を加熱する加熱体において、抵抗層と電極部との間において基板に少なくとも一部分絞り部を形成し、窒化アルミニウムなどの高熱伝導材料を用いても電極部が過度に昇温することを抑える加熱体が開示されている。

しかしながら、加熱体の基材を高熱伝導化すると、加熱体の長手方向の熱移動も促進するため、長手方向の端部側に設けられる電極部の温度上昇が促進されてしまう。このため、発熱部と電極部間の距離を大きく取る必要が生じ、加熱体の基材の長手方向の長さが増してしまっていた。また、特許文献１のように、加熱体の基材上に断熱層を形成した上に発熱体、導体、および電極部を配置した構成では、定着部材の熱抵抗が増加してしまい、省エネ性が低下してしまっていた。

そこで本発明は、加熱体の基材に高熱伝導材料を用いることで生じる電極部の温度上昇を抑制することができる加熱体を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明に係る加熱体は、基材と、前記基材の長手方向における所定範囲に形成される発熱部と、外部から電気接点を通じて給電する電極部と、前記発熱部と前記電極部とを導通する導体部と、を有し、被加熱材を加熱する加熱体であって、前記基材は長手方向における前記発熱部の外側に切り欠き部が形成されるとともに、該切り欠き部に前記基材より熱伝導率の低い低熱伝導層が形成され、前記発熱部は前記基材上に、前記電極部は前記低熱伝導層上に形成され、前記発熱部、前記導体部および前記電極部は同一平面上に形成され、前記低熱伝導層は前記基材の端部に向かうにつれて連続的に又は不連続的に厚みが大きくなるものである。

本発明によれば、加熱体の基材に高熱伝導材料を用いることで生じる電極部の温度上昇を抑制することができる。

画像形成装置の一例を示す概略構成図である。 定着装置の一例を示す概略構成図である。 加熱体の一例を示すヒータの（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。 本発明に係る定着装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る加熱体の一実施形態であるヒータの（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。 ヒータの低熱伝導層の他の例を示す説明図である。

以下、本発明に係る構成を図１から図６に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。

（画像形成装置）
図１は、本発明に係る画像形成装置の一実施形態である画像形成装置１００の全体構成を説明する概略構成図である。図１を参照して、この画像形成装置１００の内部構成の概要及び動作について説明する。なお、ここでは直接転写方式の画像形成装置を例に説明するが、中間転写方式を採用した画像形成装置であってもよいのは勿論である。

図１に示すように、画像形成装置１００は、給紙手段２と、像担持体としての感光体ドラム１と、転写手段６と、定着装置２０等を有している。

給紙手段２は、記録媒体Ｐが積載状態で収容される給紙トレイ３と、給紙トレイ３に収容された記録媒体Ｐを最上のものから順に１枚ずつ分離して送り出す給紙コロ４等を有している。給紙コロ４によって送り出された記録媒体Ｐはレジストローラ対５で一旦停止され、姿勢ずれが矯正された後、感光体ドラム１の回転に同期するタイミングで、すなわち、感光体ドラム１上に形成されたトナー像の先端と記録媒体Ｐの搬送方向先端部の所定位置とが一致するタイミングでレジストローラ対５により転写部位Ｎへ送られる。

感光体ドラム１の周りには、矢印で示す回転方向順に、帯電手段としての帯電ローラ８と、露光手段の一部を構成するミラー１９と、現像ローラ９ａを備えた現像手段９と、転写手段６と、クリーニングブレード７ａを備えたクリーニング手段７等が配置されている。帯電ローラ８と現像手段９の間において、ミラー１９を介して感光体ドラム１上の露光部１ａに露光光Ｌｂが照射され、走査されるようになっている。

この画像形成装置１００では、感光体ドラム１が回転を始めると、感光体ドラム１の表面が帯電ローラ８により均一に帯電され、画像情報に基づいて露光光Ｌｂが露光部１ａに照射、走査されて作成すべき画像に対応した静電潜像が形成される。この静電潜像は感光体ドラム１の回転により現像手段９へ移動し、ここでトナーが供給されて可視像化され、トナー像が形成される。感光体ドラム１上に形成されたトナー像は、所定のタイミングで転写部位Ｎに進入してきた記録媒体Ｐ上に転写手段６による転写バイアス印加により転写される。

トナー像を担持した記録媒体Ｐは定着装置２０へ向けて搬送され、定着装置２０で定着された後、排紙トレイへ排出、スタックされる。

転写部位Ｎで転写されずに感光体ドラム１上に残った残留トナーは、感光体ドラム１の回転に伴ってクリーニング手段７に至り、このクリーニング手段７を通過する間にクリーニングブレード７ａにより掻き落とされて清掃される。その後、感光体ドラム１上の残留電位は、除電手段により除去され、次の作像工程に備えられる。

（定着装置および加熱体）
図２および図３を参照して、本発明に係る定着装置および加熱体の前提となる構成について説明する。図２は、定着装置２０の一例を示しており、加圧ローラ３０の軸方向での概略断面図である。また、図３（Ａ）は、定着装置２０が備える加熱体としてのヒータ５０の平面図、図３（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。

定着部材としての定着ベルト２１は、例えば、外径が２５ｍｍ、厚みが４０〜１２０μｍのＰＩ（ポリイミド）製の基体を有するフィルム部材である。また、定着ベルト２１の最表層には、耐久性を高めて離型性を確保するために、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシアルカン）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素系樹脂による離型層が形成される。離型層の厚みは、例えば、５〜５０μｍである。なお、定着ベルト２１の基体はポリイミドに限らず、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などの耐熱性樹脂や、Ｎｉ（ニッケル）、ＳＵＳなどの金属を用いることもできる。

加圧部材としての加圧ローラ３０は、例えば、外径が２５ｍｍ、中実の鉄製である芯金３０ａと、芯金３０ａの表面に形成された弾性層３０ｂからなる。また、弾性層３０ｂの表面には、離型性を高めるために離型層３０ｃを形成することが好ましい。弾性層３０ｂは、例えば、シリコ−ンゴムからなり、厚みは３．５ｍｍである。また、離型層３０ｃは、例えば、厚みが４０μｍ程度のフッ素樹脂層である。また、加圧ローラ３０は、付勢手段により定着ベルト２１側へ圧接される。

ヒータ５０は、耐熱性および電気絶縁性を有し、低熱容量であるセラミック製の板状の基材５０ｂ上に、発熱体パターン５０ａをスクリーン印刷等で形成した加熱体である。基材５０ｂは、定着ベルト２１の長手方向（軸方向）に延びる長尺の基材であって、例えば、アルミナ（酸化アルミニウム）板（熱伝導率：２０〜３０Ｗ／ｍｋ）からなる。

基材５０ｂの一面側に形成される発熱体パターン５０ａは、例えば、ＡｇＰｄ（銀パラジューム）やＲｕＯ_２（酸化ルテニウム）等の電気抵抗材料ペーストを、例えば、厚み１０μｍ、幅１〜３ｍｍで長手方向にスクリーン印刷等により塗工し、焼成することで形成される。発熱体パターン５０ａは、例えば、ヒータ５０の長手方向に沿って並列して２本形成される。

発熱体パターン５０ａが形成される面において、発熱体パターン５０ａの一端側には、発熱体パターン５０ａよりも低抵抗の導体パターン５０ｄが形成される。導体パターン５０ｄは、例えば、Ａｇ等の導電材料ペーストをスクリーン印刷等により塗工し、焼成することで形成される。

また、発熱体パターン５０ａが形成される面の長手方向端部において、各導体パターン５０ｄの一端側に電極部５０ｅ，５０ｆがそれぞれ形成される。

発熱体パターン５０ａの電極部５０ｅ，５０ｆ側の長手方向端部は、導体パターン５０ｄを介して、各発熱体パターン５０ａと電極部５０ｅ、５０ｆとが導通している。また、発熱体パターン５０ａの電極部５０ｅ，５０ｆとは反対側の長手方向端部には、導体パターン５０ｇが形成され、導体パターン５０ｇを介して、２本の発熱体パターン５０ａは導通している。導体パターン５０ｇは、例えば、Ａｇ等の導電材料ペーストをスクリーン印刷等により塗工し、焼成することで形成される。

また、ヒータ５０の基材５０ｂの一面側の発熱体パターン５０ａ、導体パターン５０ｄ，５０ｇを覆うように、絶縁層としてのガラス層５０ｃが形成され、ヒータ５０の絶縁性を確保している（図３（Ａ）に点線で示す範囲）。なお、ガラス層５０ｃは、図３に示す例に限られず、電極部５０ｅ，５０ｆが給電コネクタと接続する箇所以外を覆うものであればよい。

このようにヒータ５０では、長手方向端部に設けられた電極部５０ｅ，５０ｆ間において、ヒータ５０の長手方向に通電経路が形成される。

ヒータ５０は、図２に示すように、ガラス層５０ｃ側が定着ベルト２１の内周面に接触し、定着ベルト２１を加熱することで定着ベルト２１の温度を上昇させ、定着ニップ部ＳＮに搬送される記録媒体Ｐ上のトナー像Ｔを加熱して定着させる。この定着装置２０では、加圧ローラ３０と、定着ベルト２１を介したヒータ５０により定着ニップ部ＳＮが形成され、ヒータ５０は、ニップ形成部材としての機能を有している。

ヒータ５０は、定着ベルト２１の内周側に設けられた保持部材としてのヒータホルダ２２によって保持されている。ヒータホルダ２２は、ヒータ５０の熱を受けて高温になりやすいため、例えば、ＬＣＰ（液晶ポリマー）等の耐熱性が高い樹脂で形成することが好ましく、これにより断熱性を高めることができる。

ヒータホルダ２２は、図２に示すように、発熱体パターン５０ａの形成部の反対側ではヒータ５０の基材５０ｂと接触せず、発熱体パターン５０ａの非形成部の反対側でヒータ５０の基材５０ｂと接触するようにしている。図２の例では、発熱体パターン５０ａの非形成部の反対側の２か所でヒータ５０（基材５０ｂ）と接触するようにしている。これにより、ヒータ５０からヒータホルダ２２への伝熱量を抑えて、ヒータ５０からの熱が効率的に定着ベルト２１に伝わるようにすることができる。

また、ヒータホルダ２２は、定着ベルト２１の内周側に設けられた支持部材としてのステー２３に支持されている。ステー２３は、長手方向の端部において定着装置２０の両側板によって支持され、加圧ローラ３０の押圧力を受けとめ、定着ニップ部ＳＮを形成している。

サーミスタ２４は、ヒータ５０の温度を検知する温度検知手段である。図２の例では、基材５０ｂの発熱体パターン５０ａの反対側での温度を検知しているが、温度検知位置はこれに限られるものではない。サーミスタ２４が検知した検知温度に基づいて、制御手段は、ヒータ５０に供給する電力を制御することで、定着ベルト２１の温度を所望の温度に制御する。また、通紙時などにおいては、通紙による抜熱分を考慮して、追加電力を適切に投入することで定着ベルト２１の温度が所望の温度に制御される。なお、制御手段は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェース等を有するマイクロコンピュータで構成される。

以上説明した図２および図３示した定着装置２０およびヒータ５０の構成において、発熱体パターン５０ａから定着ベルト２１までの熱抵抗を改善するため、ヒータ５０の基材５０ｂとして、窒化アルミニウムなどの高熱伝導材料を採用する場合、ヒータ５０の長手方向の熱移動が促進するため、長手方向の端部側に設けられる電極部５０ｅ，５０ｆの温度上昇が促進され、電極部５０ｅ，５０ｆと外部接点との間で接点不良等の不具合発生に繋がってしまう。

そこで、本実施形態に係る発熱体（ヒータ５０）は、基材（基材５０ｂ）と、基材の長手方向における所定範囲に形成される発熱部（発熱体パターン５０ａ）と、外部から電気接点を通じて給電する電極部（電極部５０ｅ，５０ｆ）と、発熱部と電極部とを導通する導体部（導体パターン５０ｄ，５０ｇ）と、を有し、被加熱材（定着ベルト２１）を加熱する加熱体であって、基材は長手方向における発熱部の外側に切り欠き部が形成されるとともに、該切り欠き部に基材より熱伝導率の低い低熱伝導層（低熱伝導層５０ｈ）が形成され、発熱部は基材上に、電極部は低熱伝導層上に形成され、発熱部、導体部および電極部は同一平面上に形成されることにより、加熱体の基材に高熱伝導材料を用いることで生じる電極部の温度上昇を抑制するものである。なお、括弧内は実施形態での符号、適用例を示す。

図４は、本実施形態に係る定着装置２０の一例を示しており、加圧ローラ３０の軸方向での概略断面図である。また、図５（Ａ）は、定着装置２０が備える加熱体としてのヒータ５０の平面図、図５（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、図２および図３に示した定着装置２０、ヒータ５０と同一の構成についての説明は適宜省略する。

ヒータ５０の基材５０ｂは、高熱伝導性の材料からなる。高熱伝導性の材料は、例えば、窒化アルミニウム（熱伝導率：１５０〜２００Ｗ／ｍｋ）やベリリウム（熱伝導率：２８０〜３３０Ｗ／ｍｋ）等のセラミック材料である。

基材５０ｂは、定着ベルト２１の長手方向（軸方向）に延びる板状の部材であって、例えば、長さ２５０ｍｍ、幅８ｍｍ、厚さ１．０ｍｍである。なお、基材５０ｂは、一旦側の一部に、低熱伝導層（断熱層）を形成するための切り欠き部を有している。

発熱体パターン５０ａは、ＡｇＰｄ（銀パラジューム）の電気抵抗材料ペーストを、例えば、厚み１０μｍ、幅１〜３ｍｍで長手方向にスクリーン印刷等により塗工し、焼成することで形成している。発熱体パターン５０ａは、ヒータ５０の長手方向に沿って並列して２本形成される。

導体パターン５０ｄ，５０ｇは、例えば、Ａｇ等の導電材料ペーストをスクリーン印刷等により塗工し、焼成することで形成される。

また、発熱体パターン５０ａが形成される面の長手方向端部において、各導体パターン５０ｄの一端側に電極部５０ｅ，５０ｆがそれぞれ形成される。

また、ヒータ５０の基材５０ｂの一面側の発熱体パターン５０ａ、導体パターン５０ｄ，５０ｇを覆うように、絶縁層としてのガラス層５０ｃが形成され、ヒータ５０の絶縁性を確保している（図５（Ａ）に点線で示す範囲）。

ヒータ５０では、長手方向端部に設けられた電極部５０ｅ，５０ｆ間において、ヒータ５０の長手方向に通電経路が形成される。

図５のヒータ５０は、基材５０ｂに高熱伝導性の材料を用いることで、発熱体パターン５０ａで発生した熱エネルギーが基材５０ｂを伝わりやすくなっている。これに対し、本実施形態に係るヒータ５０では、電極部５０ｅ，５０ｆの温度上昇を抑制するため、基材５０ｂにおいて電極部５０ｅ，５０ｆが形成される一端側の所定範囲において、電極部５０ｅ，５０ｆが形成される面から所定の厚みで、基材５０ｂを他の部分よりも薄く切り欠いた形状（切り欠き部）とし、この切欠き部に基材５０ｂよりも熱伝導率の低い部材からなる低熱伝導層５０ｈを、基材５０ｂにおける発熱体パターン５０ａが形成される面と面一となるよう形成し、この低熱伝導層５０ｈ上に電極部５０ｅ，５０ｆを形成するものである。

低熱伝導層５０ｈは、例えば、ガラス層であり、厚み１．０ｍｍの基材５０ｂにおいて、低熱伝導層５０ｈの形成領域（切り欠き部）では、基材５０ｂの厚みを０．８ｍｍとし、厚さ０．２ｍｍのガラス層を形成している。そして、ガラス層上に電極部５０ｅ，５０ｆと導体パターン５０ｄの一部を形成するものである。

また、本実施形態に係るヒータ５０のように基材５０ｂに高熱伝導性の材料を用いる場合、発熱体パターン５０ａで発生した熱エネルギーを効率的に定着ベルト２１へ伝熱させるために、図４のように基材５０ｂ側を定着ベルト２１に接触させて伝熱することが好ましい。すなわち、図２の場合とはヒータ５０の反対側の面を定着ベルト２１に接触させるものである。なお、図２と同様に、ガラス層５０ｃ側を定着ベルト２１に接触させるものであってもよい。

また、ヒータホルダ２２は、図４に示すように、発熱体パターン５０ａの非形成範囲でヒータ５０と接触するようにしている。

次いで、低熱伝導層５０ｈの他の例について説明する。図５の例においては、低熱伝導層５０ｈを、基材５０ｂの長手方向端部において短手方向全域に形成しているが、低熱伝導層５０ｈは、少なくとも電極部５０ｅ，５０ｆが形成される範囲に形成するものであればよい。

また、図６は低熱伝導層５０ｈの他の例についての説明図であって、ヒータ５０の長手方向の断面図である。図５（Ｂ）のヒータ５０は、低熱伝導層５０ｈを所定の厚みで均一に形成しているが、低熱伝導層５０ｈの形状はこれに限られるものではなく、例えば、図６（Ａ）に示すように、基材５０ｂの端部に向かうに連れて厚みが大きくなる形状や、図６（Ｂ）に示すように段階的な厚みの差を有する形状であってもよい。

本実施形態に係るヒータ５０によれば、電極部５０ｅ，５０ｆと基材５０ｂとの間に、熱伝導率の低い低熱伝導層５０ｈを設けることにより、高熱伝導性の材料からなり高温となる基材５０ｂから、電極部５０ｅ，５０ｆへの伝熱を抑制し、電極部５０ｅ，５０ｆの温度が過度に上昇することを防止することができる。これにより、電極部５０ｅ，５０ｆと外部接点との間で接点不良等の不具合が発生することを抑制することができる。

また、ヒータ５０は、電極部５０ｅ，５０ｆ、発熱体パターン５０ａ、導体パターン５０ｄ，５０ｇを、基材５０ｂと低熱伝導層５０ｈからなる同一平面上に形成している。このため、スクリーン印刷等により形成することができるとともに、電極部５０ｅ，５０ｆ間でヒータ５０の長手方向に通電経路を安定して確保することができる。また、ヒータ５０の熱容量も増加しないため、省エネ性を確保することができる。

以上のように、本実施形態に係るヒータ５０は、ヒータ５０の発熱体パターン５０ａで発生した熱エネルギーを定着ベルト２１に効率的に伝熱して、ヒータ５０から定着ベルト２１への伝熱効率を確保しつつ、熱伝導率の低い低熱伝導層５０ｈによって基材５０ｂから電極部５０ｅ，５０ｆへの熱移動を抑え電極部５０ｅ，５０ｆの温度上昇を抑制して、高速生産性のニーズへの対応、電極部５０ｅ，５０ｆの温度上昇の抑制、および、省エネ性維持を実現することができる。

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

１ 感光体ドラム
２ 給紙手段
３ 給紙トレイ
４ 給紙コロ
５ レジストローラ対
６ 転写手段
７ クリーニング手段
７ａ クリーニングブレード
８ 帯電ローラ
９ 現像手段
９ａ 現像ローラ
１９ ミラー
２０ 定着装置
２１ 定着ベルト
２２ ヒータホルダ
２３ ステー
２４ サーミスタ
３０ 加圧ローラ
３０ａ 芯金
３０ｂ 弾性層
３０ｃ 離型層
５０ ヒータ
５０ａ 発熱体パターン
５０ｂ 基材
５０ｃ ガラス層
５０ｄ 導体パターン
５０ｅ 電極部
５０ｆ 電極部
５０ｇ 導体パターン
５０ｈ 低熱伝導層（ガラス層）
１００ 画像形成装置
Ｎ 転写部位
Ｐ 記録媒体

特開平１０−１４２９７６号公報

Claims (10)

1. 基材と、
   前記基材の長手方向における所定範囲に形成される発熱部と、
   外部から電気接点を通じて給電する電極部と、
   前記発熱部と前記電極部とを導通する導体部と、を有し、被加熱材を加熱する加熱体であって、
   前記基材は長手方向における前記発熱部の外側に切り欠き部が形成されるとともに、該切り欠き部に前記基材より熱伝導率の低い低熱伝導層が形成され、
   前記発熱部は前記基材上に、前記電極部は前記低熱伝導層上に形成され、
   前記発熱部、前記導体部および前記電極部は同一平面上に形成され、
   前記低熱伝導層は前記基材の端部に向かうにつれて連続的に又は不連続的に厚みが大きくなることを特徴とする加熱体。
2. 前記基材は、窒化アルミニウムまたはベリリウムからなることを特徴とする請求項１に記載の加熱体。
3. 前記低熱伝導層は、ガラス層であることを特徴とする請求項１または２に記載の加熱体。
4. 前記導体部の少なくとも一部が前記低熱伝導層上に形成されることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の加熱体。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の加熱体と、
   内周面が前記加熱体と当接して摺動する前記被加熱材としての定着部材と、
   前記定着部材を介して前記加熱体との間に定着ニップ部を形成する加圧部材と、を備えることを特徴とする定着装置。
6. 前記加熱体の前記基材において前記発熱部の形成されない側の面が、前記定着部材の内周面と当接して摺動することを特徴とする請求項５に記載の定着装置。
7. 前記定着部材の内周において前記加熱体を保持する保持部材を有し、
   前記保持部材は、前記加熱体における前記発熱部の非形成範囲に当接して前記加熱体を保持することを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載の定着装置。
8. 前記保持部材は、液晶ポリマーからなることを特徴とする請求項７に記載の定着装置。
9. 前記定着部材は、ポリイミドからなる基材上に離型層を有するフィルム部材であることを特徴とする請求項５から８までのいずれかに記載の定着装置。
10. 請求項５から９までのいずれかに記載の定着装置を備えることを特徴とする画像形成装置。

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