JPS644176B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は静電印刷、電子写真、磁気写真等に於
けるトナー像の定着装置、特にトナーに熱を加え
てその支持材に定着するように構成された定着装
置に関する。

如上の定着装置として、正の抵抗温度係数を有
するセラミツク（本明細書ではこれをPTC特性
を有するセラミツク又はPTCセラミツク等とい
う）を熱源とする装置が知られている。このよう
な装置に於いては温度立上りが速いこと、特に検
温素子を使用して温度を監視しつつ印加電力を外
部から調節せずとも自己温度制御機能を有してい
ること、電源電圧の変動に対して発熱量の変動が
小さいこと、長寿命であること、等トナー像定着
にとつて種々の利点を有している。しかしなが
ら、PTCセラミツクはその焼成、冷却時に寸法
安定性が悪いという欠点があり、これはPTCセ
ラミツク成型品の体積や表面積が大になる程顕著
になる。一方、PTCセラミツクは切削や研磨等
の加工性に劣り、それ故PTCセラミツクで定着
装置を構成する比較的長いロールや比較的広面積
の板体を寸法、形状の精度よく成型することは実
際問題として極めて困難で、その為量産性が悪く
コストの高いものとなる。またPTCセラミツク
形成品を体積や表面積が大になる程焼成、冷却の
際にクラツクが生じたり、部分的に質的なムラが
生じ易くなる。斯様な精度、クラツク、質的なム
ラ等が原因となつてトナー像及びその支持材に均
一な熱を印加できず、これが偽定着ムラが生ずる
等定着不良が生じてしまう。

本発明は上述したような不都合を解決して
PTCセラミツクの特性を十分に活用できる定着
装置を提供することを主な目的とする。そこで本
発明の定着装置に於いては、PTC特性を有する
セラミツクの粒子と結着剤に分散させて成る発熱
体でトナー加熱源を構成した。以下図面を参照し
て本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例の横断面概略説明図
にして、図中１は定着ローラ、２は加圧ローラで
ある。定着ローラ１は後述の管状発熱体３を有
し、その周面には４弗化エチレン樹脂やシリコー
ンゴム等の耐熱性、離型性を有する薄い被覆が施
されている。後述のように結着材としてガラス等
無機材を使用し、管状体３自体で十分な剛性を有
する場合、この管状発熱体３をローラ１の基体に
兼用できるが、結着材としてシリコーンゴムや４
弗化エチレン樹脂の如き有機結着材を使用し、発
熱体３自体が十分な剛性を有さない場合はガラス
パイプ、ステンレス鋼パイプ等の剛性ロール５を
ローラ基体５とし、この基体５表面に発熱体３を
被覆するようにすればよい。勿論如上のローラ基
体５に剛性の発熱体を設けても可である。尚、表
面層４の表面には必要に応じてシリコンオイルの
如き離型剤を塗布するようにしてもよい。加圧ロ
ーラ(2)は、金属等の剛性パイプ６にシリコーンゴ
ムや弗素ゴム等の耐熱性弾性体の厚い層７を被覆
したもので、ローラ１に圧接され、その際層７が
弾性変形してローラ１との間にトナー像支持紙３
を挾圧するニツプ部を形成する。紙８は上記ニツ
プに送り込まれ、ローラ１，２の回転によつて上
記ニツプ部を進行し、この時トナー像９はローラ
ー１に加熱されて熱溶融し、紙８に定着せしめら
れる。図では紙８のトナー像支持面はローラ１に
圧接せしめられるようになつているが、ローラ２
側に圧接させてもよい。尚、後述のようにローラ
１の発熱体３には電圧を印加する。この電源とロ
ーラ回転駆動源との絶縁が容易な偽、正面概略図
である第２図に示したようにローラ１は絶縁軸受
１０を介して機枠１１に、回転自在に支持させ、
一方ローラ２をギア列等駆動力伝達手段１２を介
してモータ１３で矢印方向に回転駆動し、ローラ
１は摩擦力で矢印方向に従動回転することが好ま
しい。尚、１４はローラ２を支持する軸受で、こ
の軸受１４は機枠１１に固定されている。勿論ロ
ーラ１を回転駆動してローラ２を摩擦従動回転さ
せるか、ローラ１，２ともギア列等を介して回転
駆動するようにしてもよい。

さて、上述したように定着ローラ１は、その薄
い表面層４の直下に発熱体３を有しているので、
ローラ中空内にハロゲンランプを配設したり、ロ
ーラ外部から熱を加えたりするように構成された
定着装置に比べてローラがトナー像を定着可能な
温度状態になるまでの時間が短縮される。而して
この発熱体３は、PTC特性を有するセラミツク
の粒子を結着剤中に分散して成型したものであ
る。

ここで、周知の如くPTCセラミツクバルクは
キユリー点を持つた物質である。換言すれば
PTCセラミツクバルクは、それに個有の温度を
越えると抵抗値が急激に増大する。而して上記個
有温度付近に発熱するよう上記PTCセラミツク
バルクに電圧を印加すれば、これは前述した自己
温度制御機能を発揮し、また電圧変動に対しても
発熱温度は略一定に保たれるものである。しかし
ながらPTCセラミツク成型品で定着装置のロー
ルや板体を構成するには前述の如き不都合があつ
たところ、今回本発明の発明者は、PTCセラミ
ツクの粒子をガラスやゴム等の結着剤中に分散し
て結着、成型したものに於いては前述の不都合は
ないばかりか、この形成物もPTCセラミツクバ
ルクと同様なPTC特性を有し、かつ抵抗値が急
激に上昇し始める温度もPTCセラミツクのバル
クと略等しいことを見出した。而して本発明はこ
の事実に着目して成されたものである。以下更に
詳細に説明する。

さて、PTCセラミツクとして代表的なものは
チタン酸バリウム（BaTiO₃）系セラミツクであ
る。そしてトナー像の加熱定着装置の熱源として
使用する場合、チタン酸バリウムの一部のバリウ
ムサイトを鉛等の他の原子で置換してキユリー温
度を高め、抵抗値が急激に上昇し始める温度付近
にトナー像をその支持材に加熱定着できる作業温
度を設定できるようにすることが好ましい。一例
として、酸化チタン（TiO₂）及び炭酸バリウム
（BaCO₃）と酸化鉛（PbOあるいはPb₃O₄等の鉛
酸化物もしくは、炭酸塩でもよい）を、Ti、Ba、
Pbの比が原子量モル比で１：１−ｘ：ｘ（ここで
ｘ＝0.05〜0.20）となるように配合し、1300〜
1400℃の高温で焼成する。得られたチタン酸バリ
ウム系セラミツクはキユリー温度が14〜210℃で
あつて、このようなキユリー温度付近を作動温度
とすれば通常のトナーはその支持材に加熱溶融定
着できる。従つて本発明にはこのようなPTCセ
ラミツクを粒子にしたものが使用でき、その場合
上述のキユリー温度140〜210℃付近を作動温度に
設定すれば、発熱体３はこの設定温度に自己制御
する。

一例として前記発熱体３を、BaTiO₃系PTCセ
ラミツクとして商品名ポジスタ又はPTH（株式会
社村田製作所）を(A)粒径50〜200μの粒子に粉砕
して、アルミナを主要成分とする品名アロンセラ
ミツクＤ（東亜合成化学Ｋ、Ｋ、）なる絶縁性無機
結着剤に約75体積％分散せしめて成型硬化させた
もの、(B)粒径１〜２mmの粒子に粉砕して同じアロ
ンセラミツツクＤに約50体積％分散せしめて成型
硬化させたもので構成した。この成形法は、上記
セラミツク粒子を液状の上記アロンセラミツクＤ
に混練した後、直径40mm、肉厚２mm、長さ320mm
のガラスパイプ周面に均一に塗布して150℃で150
分加熱し、硬化させた後表面をサンドペーパー
＃600その後 #2000で仕上研磨で研磨して発熱体
３を形成したものである。斯様に結着剤にPTC
セラミツク粒子を分散させたものは、如上のロー
ル状発熱体を一体的に製造でき、その際の加工性
も非常に良くて所定の寸法、形状が非常に精度よ
く出た。そして発熱体中にクラツクは生じておら
ず、またセラミツクバルクを粉砕して結着剤中に
混練したので、全体にわたつて質的にムラは生じ
ていなかつた。

第３図は上記Ａ，Ｂの発熱体とこの発熱体に使
用した上記BaTiO₃系セラミツクバルクの温度−
比抵抗（25℃での抵抗を基準）曲線である。Ａ，
Ｂの発熱体ともＣのバルクと同様PTC特性を有
し、抵抗が急激に増加する温度も210℃内外で略
一致している。

結着材としては前記アロンセラミツクＤの他に
パイレツクスガラス（商品名、岩城ガラスＫ、
Ｋ、）なる耐熱ガラス等も用いることが可能であ
る。この場合耐熱ガラスを粉砕して粒子にし、こ
れにBaTiO₃系PTCセラミツクの粉砕粒子を添加
混合してガラスの溶融温度である1200℃程度に加
熱し、周知のガラス成型品の製法と同様にして型
中に於いて管状に成型すればよい。その後必要に
応じてダイヤモンド研磨やバツク研磨法等により
研磨し、所望の形状、寸法を得る。このようにガ
ラスを結着材にすれば、第１，２図に於ける基体
９は必ずしも必要でなくなり、発熱体３自体をロ
ーラ基体として兼用できるようにすることもでき
る。

以上の実施例に於いて、前述の商品名ポジスタ
又はPTHなるBaTiO₃系PTCセラミツクの熱膨
張率は６〜７×10^-6／℃、熱伝導率は約２×
10^-3cal／cm・deg・sec、であるのに対し、商品
名アロンセラミツクＤなる結着剤の熱膨張率は５
〜８×10^-6／℃、熱伝導率は0.11cal／cm・deg・
sec、商品名パイレツクスガラスのそれらは夫々
３〜６×10^-6℃、約３×10^-3cal／deg・cm・sec、
である。このようにいずれの結着材も使用した
PTCセラミツクの熱膨張率と近似している。従
つてこのような場合発熱体の加熱冷却を極めて長
期にわたつて繰り返しても、結着剤とPTCセラ
ミツク粒子の界面が分離したりクラツクが入るよ
うなこともなく、極めて長期にわたつて使用がで
きる利点がある。また、アロンセラミツクＤ等の
結着材の熱伝導率は使用したPTCセラミツクの
熱伝導率よりも大きい。従つてこのような場合、
発熱体表面に於ける温度の時間的ゆらぎ現象を小
さくし、或いは無くすることができる。その為非
常に良好な定着が可能となる。即ち、PTCセラ
ミツクバルクのみで第１図の３の如き発熱体を構
成したとすれば、バルクの熱伝導性が悪い為厚い
層の中心部と表面とで熱が不均質となり、表面に
於いて発熱量が時間的にゆらぐ処、PTCセラミ
ツクを細い粒子にしてそれを熱伝導性の良い結着
材に分散すると発熱体層中を迅速に如熱が伝わる
から、上記発熱量のゆらぎ現象を防止できるので
ある。

更にまた結着材としては上述した無機絶縁物質
ばかりでなく、有機絶縁物質も使用できる。この
ような有機絶縁物質としては耐熱性を有するシリ
コーンゴム、ニトリルゴム、弗素ゴム、PFA樹
脂（４弗化エチレン−パーフロロアルコキシエチ
レン共重合体樹脂）、FEP樹脂（FLuorinated
Ethylene Propylene Resins）、PTFE樹脂
（Poly Tetra Fluoro Ethylen Resins）等の高
分子物質が使用できる。例えばPTVシリコーン
ゴムの生ゴムにPTCセラミツク粉砕粒子を硬化
剤とともに混練してガラスパイプやステンレス鋼
パイプ等のローラ基体に塗布して周知のRTVシ
リコーンゴム製法と同様に硬化させ、必要に応じ
てと石等で研磨し、所望の寸法、形状の発熱体ロ
ーラを得ることができる。またPFA樹脂を結着
材に使用する時は、この樹脂の微粒子にPTCセ
ラミツク粒子を混合してガラスパイプやステンレ
ス鋼パイプ等のローラ基体に塗布し、周知の
PFA樹脂層の製法と同様に380〜400℃で焼成し
た後、必要に応じて切削法あるいはバツク研磨法
等により研磨して所望の寸法、形状に成型すれば
よい。

このように結着材としてシリコーンゴムや弗素
樹脂を使用した場合、これら結着材はトナーの付
着しにくい所謂離型性を有するので、発熱体３の
離型性が向上し、それ故表面離型性層４や離型剤
塗布手段を施さなくてもよい場合がある。またこ
れらの高分子物質は弾性を有しているので、分散
されたPTCセラミツク粒子が加熱、冷却を繰り
返してもその粒子と結着材の界面が分離すること
なく、極めて長期にわたつて使用できる利点を有
している。

尚、使用に適したPTCセラミツク粒子の粒径
は一般に50μ乃至200μが好ましい。50μより小さ
いと微粉末の為成型性や分散性が劣化する為好ま
しいローラーを形成にくいからであり、また
200μより大きいと粒子間隙間が多くなり分散さ
せた時の比抵抗が大きくなり、PTC効果が還元
されるからである。しかし粒径３mm程度のものま
ででも利用できる。また斯かるPTCセラミツク
粒子の結着材への添加量は一般に50体積％以上が
好ましい。50体積％より少ないとPTC効果が劣
化するからである。

第４図は定着ローラ１の縦断面図であり、発熱
体層に電圧を印加する手段の詳細について説明す
る。図に於いて３は耐熱ガラスを結着材とした、
発熱体３自体がローラ基体を兼用する硬質のもの
で、その両側端面３′には銅や銀或いはニツケル
等の金属蒸着膜１５が施されている。この蒸着膜
１５にアルミニウムやステンレス鋼の軸部材１４
のフランジ部１４′が密着せしめられている。軸
部材１４は発熱体３の内壁面に嵌合接合され、こ
れによつて発熱体３に固定されている。この軸部
材１４は前述の如く絶縁軸受によつて本体側に支
持されている。即ち１０′は軸部材に固定された
ポリイミド等絶縁性耐摩耗材のスリーブで、この
スリーブ１０′に本体機枠に固定されたボールベ
アリング１０″が嵌合されている。更に軸部材１
４には金属ブラシ１６が摺擦されておりブラシ接
点を構成している。ブラシ１６は電源１７に接続
されており、これによつて結着材中にPTCセラ
ミツク粒子を分散させた発熱体３に所要の電圧を
印加し、トナー像をその支持材に加熱定着する温
度に発熱させる。

ローラ基体５上に発熱体３を設けたものに於い
ても第４図と同様な電圧印加手段が採用できる。

第４図では管状発熱体３の長手方向に電圧を印
加したが、管状発熱体３の管肉方向に電圧を印加
してもよい。第５図にその例を示す。第５図では
テンレス鋼のパイプ状ロール基体５の周面にアロ
ンセラミツクＤを結着材とした発熱体３を設け
た。従つて基体５と発熱体３とはその接合面で電
気的導通可能である。一方、発熱体３の周面には
銀や銅或いはニツケル等の金属を蒸着して電極膜
１８が設けられている。而してこの電極膜１８は
リード線１９等適宜の手段で基体５の一方の端部
内壁に絶縁材２０′を介して嵌合固定された一方
の軸部材１４₁に電気的に接続されている。

軸部材１４₁，１４₂はアルミニウム等の導電体
で構成される。そして軸部材１４₂は基体５の内
壁面に直接密着するように嵌合固定され、これに
よつて軸部材１４₂と基体５が電気的に導通可能
となり、従つて軸部材１４₂から発熱体３の内周
面に電圧印加可能となる。尚、発熱体３の側端面
及び電極膜１８は絶縁性塗料等の絶縁材２０によ
つて軸部材１４₂に対して電気的に絶縁されてい
る。また軸部材１４₁は絶縁性塗料等の絶縁材２
０′によつて発熱体３の側端面及びロール基体５
に対して電気的に絶縁されている。

以上により、軸部材１４₁，１４₂に、第４図と
同様ブラシ接点１６を介して電源１７から電圧を
印加すれば、発熱体３には管肉方向に電圧が印加
されることとなり、発熱体３はトナー像を加熱定
着できる温度に発熱する。尚、電極膜４の周面に
は離型材の薄膜が被覆されている。

ロール基体５を使用せず、発熱体３自身がロー
ル基体を兼ねる場合も、第５図と同様にして管肉
方向に電圧を印加することができることは言う迄
もない。尚、第１図の装置で加圧ローラ２も定着
ローラ１と同様の構成にして前記発熱体を備えて
もよい。

第６図は本発明の他の実施例の説明図である。
図に於いて２１は定着ローラ、２２は加圧ロー
ラ、２３は加熱ローラである。定着ローラ２１は
剛性芯ロール２４にシリコーンゴム、弗素ゴム等
の弾性、断熱性の厚い離型性被覆２５を施して成
るローラで、加圧ローラ２２は剛性ロールにシリ
コーンゴムや４弗化エチレン樹脂等の離型性の薄
い被覆２７を施して成るものである。ローラ２
１，２２は圧接して矢印方向に回転し、そのニツ
プ部にて紙８を挾圧搬送してトナー像を紙８に加
熱定着する。加熱ローラ２３は定着ローラ２１に
圧接して矢印方向に回転し、定着ローラ２１の周
面をトナー像を加熱溶融できる温度に加熱する。
この加熱ローラは前記発熱体３と同様、PTCセ
ラミツク粒子を結着材に分散して成る発熱体３１
を有する。結着材がゴム等の場合は発熱体３１は
ステンレス鋼やガラス等のローラ基体５１の周面
に形成し、一方結着材がガラス等それ自体で十分
な剛性を有する場合はローラ基体５１は必ずしも
必要でない。この発熱体３１には第４，５図のよ
うな手段で電圧が印加され、所要温度に発熱して
ローラ２１を前記の如く加熱する。尚、発熱体３
１の周面にシリコーンゴムや４弗化エチレン樹脂
等の離型性薄膜を施してもよい。また紙８のトナ
ー像９の支持面を、第６図と反対に、ローラ２２
に圧接搬送するようにしてもよい。更にまた、ロ
ーラ２２にも前記発熱体３と同様な発熱体を設け
てもよく、このようにすれば定着速度を更に向上
できる。

第７図は本発明の他の実施例の説明図である。
２８は加熱板である。加熱板２８は前述の発熱体
と同様PTCセラミツク粒子を結着材中に分散し
て成る発熱体であつて、前述各実施例とは異なり
この場合は板状に成型された発熱体３２を有して
いる。この発熱体の上面と下面には夫々銅や銀、
ニツケル等の金属が蒸着され、電極膜２９，３０
が形成されている。そして電極膜２４表面には４
弗化エチレン樹脂等、すべり性の良い耐熱性薄膜
４１が被覆されている。電極膜２９，３０には電
源１７から所要の電圧が印加され、これによつて
発熱体３２がトナー像９を紙８に定着可能な温度
に発熱する。尚、紙８はトナー像９の非支持面が
層４１表面に摺擦されるように搬送され、この時
加熱板２８で加熱されてトナー像が定着するもの
である。又は紙８は加熱板２８から少し離した状
態で板２８に対向させつつ搬送し、輻射熱によつ
てトナー像を定着するようにしてもよい。この時
は紙８のトナー像９の支持面を板２８に対向させ
てもよいし、また離型層４１は必ずしも必要では
ない。また第７図では発熱体３２の厚み方向に電
圧を印加しているが、紙８の搬送方向と平行な方
向或いは紙８の幅方向等、発熱体３２の厚さ方向
と垂直な方向に電圧を印加して発熱させてもよい
ことは勿論である。

以上の例はトナーを加熱溶融定着する装置例で
あるが、本発明はローラ長手方向１cm当り通常10
Kg以上の圧力を加えたローラ対でトナー像支持材
を挾圧し、主としてその際の圧力によりトナーを
その支持材に定着する装置に於いて、トナー及び
その支持材に補助的に熱を加えるように構成され
た定着装置にも適用できる。その際トナーに加え
る熱は加熱溶融定着の場合より低くて良いので、
結着材中に分散させるPTCセラミツクとしては
キユリー温度が120℃程度の純粋なBaTiO₃のセ
ラミツク、或いはBaTiO₃のBaサイトの一部をス
トロンチウム（Sr）等で置換してキユリー温度
を更に低下させたBaTiO₃系セラミツク等の粒子
が使用できる。

以上本発明によれば、定着装置の加熱源として
PTC半導体セラミツクを適用するに際し、PTC
セラミツクを粒子として結着材で分散結着させた
発熱体を適用したから、加熱体をクラツクのな
い、均質なものとでき、それ故むらのない良好な
定着が可能となつた。また所要の形状寸法に精度
良く成形できるから、この点からも良質な定着が
可能となり、しかも成形が容易であるから低コス
トの定着装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の側断面図、第２図
は本発明の一実施例の正面図、第３図は本発明に
適用できる発熱体の特性説明図、第４図、第５図
は夫々発熱体への電圧印加手段の説明図、第６図
は本発明の他の実施例の説明図、第７図は本発明
の更に他の実施例の説明図である。 １は定着ローラ、２は加圧ローラ、３は発熱
体、２１は定着ローラ、２２は加圧ローラ、２３
は加熱ローラ、３１は発熱体、２８は加熱板、３
２は発熱体である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ PTC特性を有するセラミツクの粒子を、こ
   のセラミツクよりも熱伝導性の良い結着材に分散
   した発熱体でトナー加熱源を構成した定着装置。 ２ PTCセラミツク粒子の結着材への添加量は
   50体積％以上である特許請求の範囲第１項記載の
   定着装置。 ３ 結着材の熱膨張率はPTCセラミツク粒子の
   熱膨張率に略等しい特許請求の範囲第１項もしく
   は第２項記載の定着装置。