KR100468346B1 - 가열 정착 장치 - Google Patents

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나쯔하라마스히로
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

세라믹스 히터와 원통 형상의 정착 필름을 이용한 가열 정착 장치에 있어서, 24 ppm 이상의 고속 정착을 가능하게 하여, 정착 필름의 내구성을 보다 한층 향상시키는 동시에, 정착성을 더욱 개선 향상시킨다.
세라믹스 히터(10)의 정착 필름(3)과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재(12) 중 적어도 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을 소정의 닙 폭으로 가압 롤러(4)로 압박한 정지 상태 또는 주행 상태에서의 정착 필름(3)의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상으로 한다. 또한, 닙부 및 이에 인접하는 입구측과 출구측에서 평면 형상으로 하고, 그 이외의 부분에서는 정착 필름(3)의 원통 형상에 따른 곡면 형상으로 하는 것도 가능하다.

Description

가열 정착 장치{THERMAL FIXING APPARATUS}
종래, 팩시밀리나 복사기, 프린터 등의 화상 형성 장치에 있어서의 가열 정착 장치에서는, 감광 드럼 상에 형성된 토너상을 기록재인 종이 등의 위에 전사한 후, 정착 장치에 의해 가열 및 가압하여 지면 상에 정착시키고 있다. 이 정착 장치는 가열 롤러와 수지로 된 가압 롤러로 이루어지는 것으로, 이 중 가열 롤러는 원통형의 금속롤 중에 할로겐 램프 등의 열원을 설치하고, 그 열로 금속롤의 표면부를 가열하여, 토너를 정착하는 방식을 취하고 있었다.
최근에는, 이 정착 방식에 있어서 세라믹스 히터를 이용한 가열 정착 장치가 제안되어, 실용화되어 있다. 이 방법은, 일본 특허 공개 평1-263679호 공보, 일본 특허 공개 평2-157878호 공보, 일본 특허 공개 소63-313182호 공보 등에 개시되어 있다. 구체적으로는, 세라믹스 히터를 수지로 된 히터 지지 부재에 부착하고, 또한 그 외주부를 내열성의 정착 필름이 가압 롤러와 거의 동일한 속도로 회전함으로써 종이를 반송하고, 정착 필름을 통해 세라믹스 히터의 열을 토너 및 종이에 전달하는 것이다. 이 방법에 있어서는, 발열체인 세라믹스 히터의 열용량이 종래의 금속롤에 비교하여 매우 작으므로, 소비 전력을 저감할 수 있고, 또한 히터로의 전원 투입 후의 히터의 예열이 불필요하기 때문에, 퀵 스타트성이 우수하다는 등의 이점이 있다. 또한, 세라믹스 히터의 베이스로서는 현재 알루미나(Al2O3)가 일반적으로 사용되고 있다.
이 정착 방법을 개념적으로 도시한 도1 및 도2에 의해 더욱 상세하게 설명한다. 세라믹스 히터(1)는 히터 지지 부재(2)에 부착되고, 그 외주부에 원통형으로 내열성의 정착 필름(3)이 이동 가능하게 배치되고, 가압 롤러(4)가 정착 필름(3)을 세라믹스 히터(1)에 압박하면서 동기 회전하도록 되어 있다. 가압 롤러(4)에 의해 세라믹스 히터(1)에 압박된 정착 필름(3)은, 도2에 확대하여 도시한 바와 같이 가압 롤러(4)가 외주부에서 변형하여 세라믹스 히터(1) 사이에 닙 폭(N)의 닙부를 형성한다. 토너 화상(6a)이 형성된 종이 등의 기록재(5)는 회전하는 정착 필름(3)과 가압 롤러(4) 사이에 삽입되고, 닙부에서 토너 화상(6a)이 가열 가압되어 기록재(5) 상에 화상(6b)으로서 정착된다.
또한, 세라믹스 히터(1)는, 예를 들어 도3에 도시한 구조를 갖고 있다. 즉, 세라믹스 기판(1a)의 표면에 1개 또는 2개 이상의 발열체(1b)와, 이 발열체(1b)에 통전하기 위한 통전 전극(1c)이 설치되어 있으며, 발열체(1b) 상에는 보호 및 절연성의 확보를 위해 오버코트 유리층(1d)이 형성되어 있다. 이 세라믹스 기판(13)은 전체가 대개 두께가 얇은 직사각형 평판형이며, 발열체(1b)는 세라믹스 기판(1a)이 정착 필름(3)을 거쳐서 가압 롤러(4)와 접촉하는 정착면 또는 그 이면에 형성된다.
현재, 이 정착 방법에 대해서도 정착 속도의 고속화라는 요구가 있다. 현재의 알루미나 기판을 이용한 세라믹스 히터에서는 정착 속도는 4 내지 16 ppm(4 ppm은 1분 동안에 A4 용지를 4매 송입하는 속도 : 4 papers per minute)이지만, 또한 24 ppm 이상의 고속 처리가 요청되고 있다.
그러나, 상기한 알루미나 기판을 이용한 세라믹스 히터의 경우, 급속 가열 과정에 있어서 열충격에 의해 기판 균열이 발생한다는 문제점이 있다. 즉, 세라믹스 히터의 발열체 양단부 또는 한 쪽 단부에는 100 또는 200 V의 전압이 인가되고, 수백 W 이상의 줄(joule)열이 발생하고, 이에 의해 약 200 ℃ 정도의 온도까지 약 2 내지 6초 동안 급속히 승온되기 때문에, 알루미나 기판이 깨지는 것이다. 또한, 정착 속도가 빨라지면 종이 1매당 히터로부터 열이 전달되는 시간은 짧아지지만, 토너 정착에는 일정한 열량이 필요하기 때문에, 단위 시간당보다 보다 많은 양의 열을 히터로부터 종이에 공급할 필요가 있다. 이로 인해, 히터에 가해지는 열충격도 증대하는 경향이 있어, 그로 인해 세라믹스 기판의 균열 확률도 커지고 있다.
그래서, 내열 충격성이 우수한 질화 알루미늄(AlN)을 이용한 세라믹스 히터가, 일본 특허 공개 평9-80940호 공보, 일본 특허 공개 평9-197861호 공보에 개시되어 있다. 일본 특허 공개 평9-80940호 공보의 기재에 따르면, 질화 알루미늄이 알루미나보다도 열전도율이 높은 것을 이용하여 히터의 온도 응답성을 개선하고 있다. 또, 일본 특허 공개 평9-197861호 공보에 기재된 히터에서는 질화 알루미늄의 고열 전도성을 이용하여 정착성의 개선 및 고속 인쇄를 도모하는 동시에, 소비 전력을 저감하고 있다.
정착 속도의 고속화에 대해서는, 상기한 바와 같이 열원인 세라믹스 히터의 재질(열전도율 및 열팽창 계수)뿐만 아니라, 그 형상에 대해서도 문제점이 지적되고 있다. 즉, 정착 속도의 고속화에 수반하여, 고속으로 회전하는 정착 필름의 내주면이 세라믹스 히터 및 그 히터 지지 부재와의 마찰에 의해 닳게 되고, 그 닳게 된 가루에 의해 정착 필름과 세라믹스 히터 사이에 존재하고 있는 그리스 등의 윤활제의 윤활성을 잃게 되어, 정착 필름이 회전하지 않게 된다.
이 문제점에 대해서는, 본 발명자들이 검토한 결과, 일본 특허 출원 2000-136621, 일본 특허 출원 2000-239280 및 일본 특허 출원 2000-239281로서 이미 출원되어 있는 바와 같이, 세라믹스 히터에 곡면을 형성함으로써 개선을 얻을 수 있지만, 한층 고속화하는 동시에, 정착 필름의 내구성 향상이 보다 한층 요구되고 있다.
본 발명은 팩시밀리나 복사기, 프린터 등의 화상 형성 장치에 사용되는 가열 정착 장치에 관한 것이다.
도1은 세라믹스 히터와 정착 필름을 이용한 가열 정착 장치를 개념적으로 도시한 개략 단면도이다.
도2는 가열 정착 장치의 정착 필름과 가열 부재 사이에 형성되는 닙부를 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도3은 통상의 세라믹스 히터를 도시한 도면으로, (a)는 그 평면도 및 (b)는 그 A-A선에 따른 단면도이다.
도4는 평판형의 세라믹스 히터를 가압 롤러에 압박하기 전의 정착 필름의 형상을 도시한 개략 단면도이다.
도5는 평판형의 세라믹스 히터를 가압 롤러에 압박한 정지 상태에서의 정착 필름의 변형 형상을 도시한 개략 단면도이다.
도6은 본 발명의 일형태를 도시한 도면으로, (a)는 정착 필름의 변형 형상에 따른 형상의 부재를 가압 롤러에 압박한 정지 상태에서의 정착 필름의 자연스러운 변형 형상을 도시한 개략 단면도이며, (b)는 이 상태에 의거하여 제작한 세라믹스 히터와 히터 지지 부재를 도시한 개략 단면도이다.
도7은 본 발명의 다른 형태를 도시한 도면으로, (a)는 정착 필름의 변형 형상에 따른 형상의 부재를 가압 롤러에 압박한 주행 상태에서의 정착 필름의 자연스러운 변형 형상을 도시한 개략 단면도이며, (b)는 이 상태에 의거하여 제작한 세라믹스 히터와 히터 지지 부재를 도시한 개략 단면도이다.
도8은 본 발명의 각 실시예에서 이용한 세라믹스 히터의 개략 단면도로, (a)는 정착면이 볼록형인 원호형 곡면, (b)는 닙부와 그 인접 부분이 평면이고 또한 그 양측이 곡면, (c)는 정착면이 오목형인 원호형 곡면, (d)는 정착면의 닙부 입구로부터 닙부 중앙이 오목형인 원호형 곡면으로 닙부 중앙으로부터 닙부 출구까지가 평면 히터이다.
본 발명은, 이러한 종래의 사정에 비추어, 24 ppm 이상의 고속 정착시에 있어서, 정착 필름의 내구성을 보다 한층 향상시키는 동시에, 정착성을 더욱 개선 향상시킬 수 있는 가열 정착 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명이 제공하는 제1 가열 정착 장치는 원통 형상을 이루는 내열성의 정착 필름을 가압 부재에 의해 가열 부재에 압박하여, 상기 정착 필름과 가열 부재 사이에 닙부를 구성하고, 미정착 토너상을 담지한 기록재를 상기 닙부로 협지 반송하면서 가열함으로써 정착을 행하는 가열 정착 장치에 있어서, 상기 가열 부재인 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면및 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을 소정의 닙 폭에 있어서 정착 필름을 가압 부재로 가열 부재에 압박한 정지 상태에서의 상기 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상으로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명이 제공하는 제2 가열 정착 장치는 원통 형상을 이루는 내열성의 정착 필름을 가압 부재에 의해 가열 부재에 압박하고, 상기 정착 필름과 가열 부재 사이에 닙부를 구성하고, 미정착 토너상을 담지한 기록재를 상기 닙부로 협지 반송하면서 가열함으로써 정착을 행하는 가열 정착 장치에 있어서, 상기 가열 부재인 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을, 소정의 닙 폭에 있어서 정착 필름을 가압 부재로 가열 부재에 압박하여 주행시킨 주행 상태에서의 상기 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 가열 정착 장치에 있어서는, 상기 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 상기 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상이, 상기 가압 부재에 대하여 개략 볼록형 또는 오목형 곡면을 이룬다. 또한, 상기 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 상기 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상이, 닙부 입구로부터 닙부 중앙까지는 정착 필름을 가압 부재로 가열 부재에 압박한 정지 상태 또는 주행 상태에서의 상기 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상을 갖고, 닙부 중앙으로부터 닙부 출구까지는 평면 형상으로 할 수 있다.
또한, 본 발명이 제공하는 제3 가열 정착 장치는 원통 형상을 이루는 내열성의 정착 필름을 가압 부재에 의해 가열 부재에 압박하여, 상기 정착 필름과 가열 부재 사이에 닙부를 구성하고, 미정착 토너상을 담지한 기록재를 상기 닙부로 협지 반송하면서 가열함으로써 정착을 행하는 가열 정착 장치에 있어서, 상기 가열 부재인 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을, 닙부 및 상기 닙부에 인접하는 입구측과 출구측에서 상기 닙부와 평행한 평면 형상으로 하고, 그 이외의 부분에서는 상기 정착 필름의 원통 형상에 따른 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 제1 내지 제3 가열 정착 장치에 있어서는, 상기 세라믹스 히터의 주성분이 질화 알루미늄 또는 질화 규소인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가열 정착 장치에서는 원통 형상을 이루는 정착 필름과 세라믹스 히터를 이용한 정착 방법에 있어서, 가열 부재인 세라믹스 히터의 형상뿐만 아니라, 그 세라믹스 히터를 보유 지지하는 히터 지지 부재의 형상을, 정착 필름을 가압 부재로 가열 부재에 압박한 정지 상태에서의 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상, 또는 주행시킨 주행 상태에서의 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상으로 한다.
본 발명에 사용되는 원통 형상의 정착 필름으로서는 내열성의 수지제 또는 금속제인 것이 존재한다. 수지로 된 정착 필름은, 통상 폴리이미드 등의 강성을 갖는 내열성의 수지로 이루어지며, 두께가 1O 내지 100 ㎛ 정도이다. 또한, 금속제의 정착 필름은 열전도율이 내열성 수지보다도 높고, 작은 닙 폭으로도 양호한 정착성을 얻을 수 있기 때문에, 내열성 수지 필름에 비교하여 보다 고속 정착성이 뛰어나다. 이러한 금속제의 정착 필름의 재료로서는 스테인레스나 니켈 등을 사용할 수 있다. 또, 정착 필름이 수지제 또는 금속제 중 어느 하나인 경우일지라도, 정착면측에는 토너의 부착을 방지하기 위해, 불소 수지가 코팅되어 있다.
이 정착 필름은 가압 부재, 즉 가압 롤러에 의해 가열 부재, 즉 세라믹스 히터에 압박되고, 가압 롤러가 회전하는 것과 대략 동일한 속도로 세라믹스 히터가 장착된 히터 지지 부재의 외주부를 회전한다. 통상, 히터 지지 부재는 정착 필름의 내경보다도 작게 하고, 그 일부에서 정착 필름과 접촉함으로써 정착 필름의 궤도를 형성하고 있다. 그러나, 이 정착 필름은 통상 폴리이미드 등의 강성을 갖는 수지 또는 금속으로 이루어지므로, 가압 롤러의 근방에서 세라믹스 히터 및 히터 지지 부재에 의해 변형된다.
예를 들어, 도4 및 도5에 도시한 바와 같이 가압 롤러(4)와의 사이에서 정착 필름(3)을 협지하는 세라믹스 히터(1)의 정착면이 평면이면, 가압 롤러(4)로부터의 압력에 의해 세라믹스 히터(1)에 압박된 정착 필름(3)은 가압 롤러(4)와 세라믹스히터(1)의 접촉 부분에서는 평면 형상을 취하지 않을 수 없다. 이로 인해 원통 형상의 정착 필름(3)은, 도5와 같이 대략 타원 형상으로 변형한다.
그러나, 기존의 세라믹스 히터 및 히터 지지 부재는 정착 필름이 변형한 형상을 고려하고 있지 않은 형상이므로, 정착 필름이 고속으로 회전할 때에 세라믹스 히터 및/또는 히터 지지 부재의 일부에 국소적으로 또한 집중적으로 접촉하여, 그 부분에서 정착 필름의 내주면에 마모가 발생한다. 이로 인해, 발생한 마모분이 정착 필름에 부착하여 정착 필름의 회전성이 저하하고, 결국에는 정착 필름이 회전하지 않게 되어 버린다. 특히 금속제의 정착 필름에 있어서는 마모가 발생할 뿐만 아니라, 변형에 대해 매우 약하기 때문에 비틀림이 발생하기 쉽고, 파손될 위험성도 있다.
그래서, 본 발명에 있어서는 상기와 같이 소정 길이의 닙 폭을 세라믹스 히터와 가압 롤러 및 정착 필름으로 형성하는 경우, 도6의 (a)에 도시한 바와 같이, 정착 필름(3)이 대략 타원 형상으로 변형하는 히터 형상과 닙 폭을 상정한 형상의 부재(10a)를 이용하여 정착 필름(3)을 가압 롤러(4)에 대해 압박하고, 정착 필름(3)을 자연스럽게 변형시킨다. 도6의 (b)에 도시한 바와 같이, 이 때에 자연스럽게 변형한 정착 필름(3)의 형상과 대략 동일 형상의 세라믹스 히터(10) 및 히터 지지 부재(12)를 제작함으로써, 세라믹스 히터(10)의 정착 필름(3)과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재(12)의 적어도 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을, 정착 필름(3)을 가압 롤러(4)로 세라믹스 히터(1)에 압박한 정지 상태에서의 정착 필름(3)의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상으로 할 수 있다.
상기한 세라믹스 히터 및 히터 지지 부재의 형상은 정착 필름이 정지한 상태, 즉 주행하고 있지 않은 상태를 상정하고 있지만, 주행 상태를 상정한 경우도 마찬가지이다. 즉, 도7의 (a)에 도시한 바와 같이 주행 상태의 정착 필름(3)이 대략 계란형에 가까운 타원 형상으로 변형하는 히터 형상과 닙 폭을 상정한 형상의 부재(11a)로 정착 필름(3)을 가압 롤러(4)에 압박하여, 주행시켜 정착 필름(3)을 자연스럽게 변형시킨다. 도7의 (b)에 도시한 바와 같이, 이 때에 자연스럽게 변형한 정착 필름(3)의 형상과 대략 동일 형상의 세라믹스 히터(11) 및 히터 지지 부재(13)를 제작함으로써, 세라믹스 히터(11)의 정착 필름(3)과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재(13)의 적어도 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을, 주행 상태에 있어서의 정착 필름(3)의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상으로 할 수 있다.
상기한 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재의 적어도 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상은, 통상에서는 가압 롤러에 대해 개략 볼록형의 곡면을 이룬다. 그러나, 정착 필름을 가압 롤러에 의해 세라믹스 히터에 압박하는 가압력을 더욱 크게 한 경우, 정착 필름은 가압 롤러에 대하여 오목형으로 변형한다. 이 경우에는, 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재의 적어도 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을, 통상과는 반대의 오목형 곡면으로 형성할 필요가 있다. 이와 같이 오목형 곡면으로 한 경우, 정착 필름이 세라믹스 히터에 따른 형상으로 변형하기 때문에, 닙 폭을 가압 롤러와 히터의 접촉 폭에 대하여 크게 할 수 있다. 또한, 어떠한 경우도, 세라믹스 히터와 히터 지지 부재가 매끄러운 곡선으로 접속된 형상으로 하는 것이 바람직하며, 이 때에 세라믹스 히터와 히터 지지 부재 사이의 단차는 당연히 가능한 한 작은 것이 바람직하다.
이와 같이, 세라믹스 히터의 정착면측 표면 및 히터 지지 부재의 적어도 히터의 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을, 정지 상태 또는 주행 상태에 있어서의 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상으로 함으로써, 세라믹스 히터 및 히터 지지 부재의 형상은 정착 필름의 자연스러운 변형 형상에 따른 매끄러운 곡선을 갖게 된다. 그 결과, 정착 필름이 세라믹스 히터뿐만 아니라 히터 지지 부재와 국소적 또한 집중적으로 접촉하는 것을 방지할 수 있기 때문이며, 24 ppm 이상의 고속으로 장시간 정착을 행한 경우라도, 정착 필름의 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 세라믹스 히터와 히터 지지 부재의 형상을 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 곡면 형상, 특히 가압 롤러에 대하여 오목형의 곡면 형상으로 형성하면, 정착 조건에 따라서는 정착 후에 종이의 구김이 발생할 가능성이 있다. 이 경우에는, 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재의 적어도 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상 중, 닙부 입구로부터 닙부 중앙까지는 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상으로 하고, 닙부 중앙으로부터 닙부 출구까지는 평면 형상으로 함으로써, 종이의 구김을 개선할 수 있다.
또, 정착면에 있어서 닙 폭을 크게 하기 위해서는, 동일한 가압 롤러와 가압력이면, 히터 형상이 가압 롤러에 대하여 볼록형의 곡면을 갖는 것보다도 평면인 쪽이 유리하다. 그래서, 닙부에서의 히터 형상을 평면으로 한 경우에는 닙부로 돌입하는 정착 필름에 여분의 응력을 가하지 않기 때문에, 세라믹스 히터의 닙부 전후에 있어서도 정착 필름이 닙부에 평행해지도록 형성해 두는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 다른 형태로서, 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재의 적어도 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을, 닙부 및 그 닙부에 인접하는 입구측과 출구측에서 닙부와 평행한 평면 형상으로 하고, 그 이외의 부분에서는 정착 필름의 원통 형상에 따른 곡면 형상으로 할 수 있다.
이러한 형태를 취함으로써, 정착 필름의 내구성이 향상하는 동시에, 정착성의 안정을 위해 큰 닙 폭을 확실하게 형성할 수 있다. 즉, 정착 필름은 그 자신의 곡률 및 강성을 갖기 위해 일부에서 평면이 형성된 경우, 그 왜곡을 해소하기 위해 그 이외의 부분이 변형한다. 이 변형 부위가 닙부 부근에 형성된 경우에는 닙 폭을 작게 해 버릴 가능성이 있다. 그래서, 왜곡을 닙부 부근에 형성시키지 않기 위해, 히터 및/또는 히터 지지 부재의 닙부에 인접하는 부분의 형상을 닙부에 대하여 평행하게 형성하고, 그 이외의 부분에서는 정착 필름의 원통 형상에 따른 곡면 형상으로 함으로써, 여분의 응력을 받지 않고 정착 필름이 닙부에 출입할 수 있어 확실하게 큰 닙 폭을 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 있어서는 정착 필름은 내열성의 수지 또는 금속이라도 좋다. 특히, 정착 필름이 금속인 경우에는 본 발명에 의한 정착 필름의 수명 향상이 현저하다. 이것은, 금속 자체의 변형 능력이 작으므로, 내열성 수지 필름에 비교하여 변형이 매우 약하고, 상기와 같이 정착 필름의 정지 상태 및 주행 상태에 있어서 내열성 수지 튜브에 비해 원형에 가까운 형상이 되어, 히터 지지 부재 등과의 마모가 일어나기 쉽기 때문이다.
또한, 본 발명에 사용하는 세라믹스 히터의 재질로서는 질화 알루미늄(AlN) 혹은 질화 규소(Si3N4)를 주성분으로 하는 세라믹스가 바람직하다. 이들의 세라믹스는 내열 충격성이 우수하고, 24 ppm 이상의 고속 정착시에 있어서의 급격한 온도 변화를 받더라도 세라믹스의 파손이 생기지 않기 때문이다.
<제1 실시예>
히터 기판으로서, 30O ㎜ × 15 ㎜ × 1 ㎜의 평판형 질화 알루미늄 기판과 질화 규소 기판을 준비했다. 이들의 세라믹스 기판에 대해, 띠형의 발열체를 Ag - Pd 페이스트로, 통전 전극을 Ag 페이스트로 각각 스크린 인쇄하고, 대기 중에서 870 ℃로 소성했다. 그 후, 통전 전극을 제외한 발열체에 유리 페이스트를 인쇄하고, 700 ℃로 소성하여 오버코트 유리층으로 함으로써, 평판형의 세라믹스 히터를 제작하였다.
다음에, 이들 평판형의 세라믹스 히터를 균등한 압력이 가해지도록 내열성 수지의 정착 필름을 협지한 상태로 가압 롤러에 대향시키고, 소정의 닙 폭을 얻을 수 있을 때까지 압박했다. 이 때 정지 상태에서의 정착 필름의 변형 형상 및 정착 필름의 세라믹스 히터로의 접촉 상태를 확인한 결과, 세라믹스 히터의 엣지부에 정착 필름이 집중적으로 접촉하였다. 그래서, 정지 상태에서 접촉이 없어지도록, 세라믹스 히터의 엣지부를 매끄러운 곡선을 그리도록 연마 가공을 행하였다. 이 때 세라믹스 히터의 정착면 형상은, 도8의 (a)에 도시한 바와 같이 가압 롤러에 대하여 볼록형을 이루는 반경 R = 50 ㎜의 원호형 곡면이었다. 또한, 상기와 동일한 실험을 스테인레스 및 니켈로 된 정착 필름을 이용하여 행한 결과, 이 때의 세라믹스 히터의 정착면 형상은, 마찬가지로 가압 롤러에 대하여 볼록형을 이루는 반경 R = 45 ㎜의 원호형 곡면이었다.
또한, 상기와 같이 평판형의 세라믹스 히터를 형성하고, 마찬가지로 세라믹스 히터와 가압 롤러 사이에서 정착 필름을 압박하고, 40 ppm에 상당하는 속도로 정착 필름을 주행시키면서, 이 주행 상태에서의 정착 필름의 변형 형상 및 정착 필름의 세라믹스 히터로의 접촉 상태를 확인하고, 정착 필름이 세라믹스 히터에 접촉하지 않도록, 세라믹스 히터의 엣지부를 매끄러운 곡선을 그리도록 연마 가공을 행하였다. 이 때의 세라믹스 히터의 정착면 형상은, 도8의 (a)에 도시한 바와 같이 가압 롤러에 대하여 볼록형을 이루는 반경 R = 50 ㎜의 대략 원호형 곡면이었다. 또한, 상기와 동일한 실험을 스테인레스 및 니켈로 된 정착 필름을 이용하여 행한 결과, 이 때의 세라믹스 히터의 정착면 형상은, 마찬가지로 가압 롤러에 대하여 볼록형을 이루는 반경 R = 45 ㎜의 대략 원호형 곡면이었다.
그 후, 상기와 같이 제작한 세라믹스 히터를 압박하였을 때의 정지 상태 및 주행 상태에서의 각 정착 필름의 변형 형상에 따른 형상의 히터 지지 부재를, 각각 내열성 수지로 제작하였다. 제작한 히터 지지 부재에 상기 형상의 세라믹스 히터를 각각 단차가 없도록 부착하고, 또한 정착 필름 및 가압 롤러를 부착하여 가열정착 장치로 하였다.
이들의 가열 정착 장치에 대해, 우선 미정착의 토너 화상을 담지한 A4 용지를 40 ppm에 상당하는 속도로 정착시키고, 다음에 20만매 인쇄한 것에 상당하는 시간만큼 공회전시킨 후, 처음과 같은 정착을 다시 행하였다. 그 결과, 세라믹스 히터가 질화 규소 또는 질화 알루미늄으로, 정착 필름이 내열성 수지 또는 금속인 어떠한 시료에 있어서도, 처음 1매째의 정착과 변하지 않는 양호한 정착성을 얻을 수 있었다. 이들의 결과를 하기 표1에 통합하여 나타냈다.
또한, 표1에 나타낸 정착성에 관해서는 정착 후의 토너를 종이로 문지름으로써, 다음과 같이 평가하였다.
◎ : 토너의 탈락이 거의 없는 매우 양호한 정착 상태
○ : 토너의 탈락이 약간 있지만, 실용상 문제가 없는 정착 상태
△ : 토너의 탈락이 많고, 실용상 사용 불가능한 상태
× : 토너가 거의 정착되어 있지 않은 상태(이하, 동일)
자료 정착 필름 히터 재질 히터 정착면 형상 필름 궤도 정착성
1 내열성 수지 Si3N4 원호 형상 R = 50 ㎜ 정지 궤도 ○
2 내열성 수지 AlN 원호 형상 R = 50 ㎜ 정지 궤도 ○
3 스테인레스 Si3N4 원호 형상 R = 45 ㎜ 정지 궤도 ◎
4 스테인레스 AlN 원호 형상 R = 45 ㎜ 정지 궤도 ◎
5 니켈 Si3N4 원호 형상 R = 45 ㎜ 정지 궤도 ◎
6 니켈 AlN 원호 형상 R = 45 ㎜ 정지 궤도 ◎
7 내열성 수지 Si3N4 원호 형상 R = 50 ㎜ 주행 궤도 ○
8 내열성 수지 AlN 원호 형상 R = 50 ㎜ 주행 궤도 ○
9 스테인레스 Si3N4 원호 형상 R = 45 ㎜ 주행 궤도 ◎
10 스테인레스 AlN 원호 형상 R = 45 ㎜ 주행 궤도 ◎
11 니켈 Si3N4 원호 형상 R = 45 ㎜ 주행 궤도 ◎
12 니켈 AlN 원호 형상 R = 45 ㎜ 주행 궤도 ◎
<제2 실시예>
제1 실시예와 마찬가지로 하여, 질화 알루미늄과 질화 규소로 이루어지는 평판형의 세라믹스 히터를 제작하였다. 각 세라믹스 히터의 정착면에, 도8의 (b)에 도시한 바와 같이 확보하려고 하는 닙 폭 7 ㎜의 닙부 및 그 닙부의 입구측 및 출구측에 인접하는 폭 7 ㎜의 부분을 평면인 상태로 남기고, 그 이외의 입구측 및 출구측의 양단부 부분을 연마 가공하여, 정지 상태 또는 주행 상태의 정착 필름이 엣지부에서 마모하지 않도록, 정착 필름의 원통 형상에 따른 곡면 형상으로 형성하였다.
다음에, 상기한 각 세라믹스 히터의 양단부 부분의 곡면 형상에 따른 형상의 히터 지지 부재를, 각각 내열성 수지로 제작하였다. 제작한 히터 지지 부재에 상기 형상의 세라믹스 히터를 각각 단차가 없도록 부착하고, 또 정착 필름 및 가압 롤러를 부착하여 가열 정착 장치로 하였다.
이들의 가열 정착 장치에 대해, 정착 필름으로서 내열성 수지 필름 및 금속제 필름을 이용하여, 제1 실시예와 같은 수법으로 내구성과 정착성을 평가하였다. 그 결과, 세라믹스 히터가 질화 규소 또는 질화 알루미늄으로, 정착 필름이 내열성 수지 또는 금속인 모든 시료(세라믹스 히터와 히터 지지 부재의 재질의 조합은 제1 실시예와 동일)에 있어서, A4 용지를 20만매 인쇄한 시간에 상당하는 시간만큼 공회전한 후라도, 토너의 탈락이 거의 없는 매우 양호한 정착 상태(평가 ◎)를 얻을 수 있었다.
<제3 실시예>
제1 실시예와 마찬가지로 하여, 질화 알루미늄과 질화 규소로 이루어지는 평판형의 세라믹스 히터를 제작하였다. 또한, 각 세라믹스 히터의 정착면을 도8의 (c)에 도시한 바와 같이 가압 롤러에 대해 가압 롤러보다 큰 오목형 곡면에 형성하였다. 이 때, 오목형 곡면의 반경은 정착 필름으로서 내열성 수지 필름을 사용한 경우는 R = 40 ㎜, 금속제 필름을 사용한 경우에는 반경 R = 45 ㎜로 하였다.
다음에, 이 세라믹스 히터를 가압 롤러에 정착 필름을 협지하여 압박하고, 정지 상태에서의 정착 필름의 변형 형상에 따른 히터 지지 부재를 제작하였다. 또한 동시에, 정착 필름의 주행 상태에서의 변형 형상에 따른 히터 지지 부재도 형성하였다. 제작한 각 히터 지지 부재에 상기 형상의 세라믹스 히터를 각각 단차가 없도록 부착하고, 또한 정착 필름 및 가압 롤러를 부착하여 가열 정착 장치로 하였다.
이들의 가열 정착 장치에 대해, 정착 필름으로서 내열성 수지 필름 및 금속제 필름을 이용하여, 제1 실시예와 같은 수법으로 내구성과 정착성을 평가하였다. 그 결과, 세라믹스 히터가 질화 규소 또는 질화 알루미늄으로, 정착 필름이 내열성 수지 또는 금속인 모든 시료(세라믹스 히터와 히터 지지 부재의 재질의 조합은 제1 실시예와 동일)에 있어서, A4 용지를 20만매 인쇄한 시간에 상당하는 시간만큼 공회전한 후라도, 토너의 탈락이 거의 없는 매우 양호한 정착 상태(평가 ◎)를 얻을 수 있었다. 단, 일부의 정착 용지에는 실용상은 문제가 없을 정도의 구김이 발생하고 있었다.
<제4 실시예>
제1 실시예와 마찬가지로 하여, 질화 알루미늄과 질화 규소로 이루어지는 평판형의 세라믹스 히터를 제작하였다. 또한, 그 세라믹스 히터의 정착면을 상기 제3 실시예와 마찬가지로 가압 롤러에 대하여 가압 롤러보다 큰 오목형 곡면으로 형성했지만, 도8의 (d)에 도시한 바와 같이 닙부 중앙으로부터 닙부 출구까지는 평면 형상으로 형성하였다. 또, 닙부 입구로부터 닙부 중앙까지의 오목형 곡면 부분의 반경은 정착 필름으로서 내열성 수지 필름을 사용한 경우는 R = 40 ㎜, 금속제 필름을 사용한 경우는 반경 R = 45 ㎜로 하였다.
다음에, 이 세라믹스 히터를 가압 롤러에 정착 필름을 사이에 두고 압박하여, 정지 상태 및 주행 상태에서의 정착 필름의 변형 형상에 따른 히터 지지 부재를 각각 제작하였다. 제작한 각 히터 지지 부재에 상기 형상의 세라믹스 히터를 각각 단차가 없도록 부착하고, 또한 정착 필름 및 가압 롤러를 부착하여 가열 정착 장치로 하였다.
이들의 가열 정착 장치에 대해, 정착 필름으로서 내열성 수지 필름 및 금속제 필름을 이용하여, 제1 실시예와 같은 수법으로 내구성과 정착성을 평가하였다. 그 결과, 세라믹스 히터가 질화 규소 또는 질화 알루미늄으로, 정착 필름이 내열성 수지 또는 금속인 모든 시료(세라믹스 히터와 히터 지지 부재의 재질의 조합은 제1 실시예와 동일)에 있어서, A4 용지를 20만매 인쇄한 시간에 상당하는 시간만큼 공회전한 후라도, 토너의 탈락이 거의 없는 매우 양호한 정착 상태(평가 ◎)를 얻을 수 있었다. 또한, 정착 용지의 구김은 전혀 생기지 않았다.
<비교예>
세라믹스 히터로서, 질화 규소 또는 질화 알루미늄으로 이루어지며, 그 정착면 형상이 도8의 (a)에 도시한 바와 같이 가압 롤러에 대하여 볼록형으로, 반경 R = 50 ㎜의 원호형 곡면을 갖는 제1 실시예의 각 세라믹스 히터를 제작하였다. 한편, 히터 지지 부재로서는 종래부터 사용되고 있는 형상인 것을 이용하였다.
이 종래 형상의 히터 지지 부재에 상기 세라믹스 히터를 부착하고, 또한 내열성 수지 필름의 정착 필름과 가열 롤러를 부착하여 가열 정착 장치를 제작하였다. 이들의 가열 정착 장치에 대해, 제1 실시예와 같은 수법으로 내구성과 정착성을 평가하여, 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.
그 결과, 세라믹스 히터가 제1 실시예와 같은 형상일지라도, 히터 지지 부재가 종래 형상의 각 비교예의 시료에서는 정착 매수가 5만매에 상당하는 시간에서 정착 필름의 회전이 정지하였다. 그 상태에서 정착 시험을 행하려고 하였지만, 정착 필름이 회전하지 않으므로, 정착 시험을 행할 수 없었다. 그 후, 히터의 전원을 끊고, 냉각 후 정착 필름을 확인한 결과, 내주부가 상당히 마모되어, 그 마모 부스러기가 닙부의 전후에 쌓이게 되어 정착 필름의 주행을 저해하고 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 세라믹스 히터로서 재질이 알루미나로 이루어지는 이외는, 제1 실시예와 같은 정착면 형상이 도8의 (a)에 도시한 원호형 곡면인 것을 제작하였다. 또, 원호형 곡면의 반경은 정착 필름이 내열성 수지 필름인 경우는 R = 50 ㎜, 금속제필름인 경우는 R = 45 ㎜로 하였다. 또한, 히터 지지 부재로서는 제1 실시예와 마찬가지로, 상기 세라믹스 히터를 압박하였을 때의 주행 상태에서의 정착 필름의 변형 형상에 따른 형상인 것을 제작하여 사용하였다.
이 히터 지지 부재에 상기 알루미나의 세라믹스 히터를 부착하고, 또한 내열성 수지 필름 또는 금속제 필름의 정착 필름과 가열 롤러를 부착하여 가열 정착 장치를 제작하였다. 이들의 가열 정착 장치에 대해, 제1 실시예와 같은 수법으로 내구성과 정착성을 평가하였다. 그 결과, 히터 재질이 알루미나의 각 비교예의 시료에서는 세라믹스 히터 및 히터 지지 부재의 형상이나 정착 필름의 재질에 관계없이, 승온시의 열충격에 의해 히터가 파손되었다. 이들 비교예의 시험 결과를, 하기 표2에 통합하여 나타냈다.
자료 정착 필름 히터 재질 히터 정착면 형상 필름 궤도 정착성
13 내열성 수지 Si3N4 원호 형상 R = 50 ㎜ 종래 궤도 △
14 내열성 수지 AlN 원호 형상 R = 50 ㎜ 종래 궤도 △
15 내열성 수지 Al2O3 원호 형상 R = 50 ㎜ 주행 궤도 히터 파손
16 스테인레스 Al2O3 원호 형상 R = 45 ㎜ 주행 궤도 히터 파손
17 니켈 Al2O3 원호 형상 R = 45 ㎜ 주행 궤도 히터 파손
본 발명에 따르면, 세라믹스 히터와 함께 히터 지지 부재를 정착 필름의 자연스러운 변형 형상에 따른 형상으로 함으로써, 24 ppm 이상의 고속 정착이라도, 정착 필름의 내주면이 세라믹스 히터 및 그 히터 지지 부재와 국소적으로 또한 집중적으로 접촉하여 마모하는 일이 없어지며, 정착 필름의 내구성을 보다 한층 향상시키는 동시에, 정착성을 더욱 개선 향상시킨 가열 정착 장치를 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 원통 형상을 이루는 내열성의 정착 필름을 가압 부재에 의해 가열 부재에 압박하고, 상기 정착 필름과 가열 부재 사이에 닙부를 구성하고, 미정착 토너상을 담지한 기록재를 상기 닙부로 협지 반송하면서 가열함으로써 정착을 행하는 가열 정착 장치에 있어서,
    상기 가열 부재인 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을, 소정의 닙 폭에 있어서 정착 필름을 가압 부재로 가열 부재에 압박한 정지 상태에서의 상기 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 가열 정착 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 상기 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상이 상기 가압 부재에 대하여 개략 볼록형 또는 오목형의 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 가열 정착 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 상기 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상이 닙부 입구로부터 닙부 중앙까지는 정착 필름을 가압 부재로 가열 부재에 압박한 정지 상태에서의 상기 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상을 갖고, 닙부 중앙으로부터 닙부 출구까지는 평면 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 가열 정착 장치.
  4. 원통 형상을 이루는 내열성의 정착 필름을 가압 부재에 의해 가열 부재에 압박하고, 상기 정착 필름과 가열 부재 사이에 닙부를 구성하고, 미정착 토너상을 담지한 기록재를 상기 닙부로 협지 반송하면서 가열함으로써 정착을 행하는 가열 정착 장치에 있어서,
    상기 가열 부재인 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을, 소정의 닙 폭에 있어서 정착 필름을 가압 부재로 가열 부재에 압박하여 주행시킨 주행 상태에서의 상기 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 가열 정착 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 상기 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상이, 상기 가압 부재에 대하여 개략 볼록형 또는 오목형인 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 가열 정착 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 상기 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상이 닙부 입구로부터 닙부 중앙까지는 정착 필름을 가압 부재로 가열 부재에 압박하여 주행시킨 주행 상태에서의 상기 정착 필름의 자연스러운 변형 형상과 대략 동일한 형상을 갖고, 닙부 중앙으로부터 닙부 출구까지는 평면 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 가열 정착 장치.
  7. 원통 형상을 이루는 내열성의 정착 필름을 가압 부재에 의해 가열 부재에 압박하여, 상기 정착 필름과 가열 부재 사이에 닙부를 구성하고, 미정착 토너상을 담지한 기록재를 상기 닙부로 협지 반송하면서 가열함으로써 정착을 행하는 가열 정착 장치에 있어서,
    상기 가열 부재인 세라믹스 히터의 정착 필름과 접촉하는 정착면측 표면 및 히터 지지 부재의 적어도 상기 정착면측 표면에 인접하는 부분의 형상을, 닙부 및 상기 닙부에 인접하는 입구측과 출구측에서 상기 닙부와 평행한 평면형으로 하고, 그 이외의 부분에서는 상기 정착 필름의 원통 형상에 따른 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 가열 정착 장치.
  8. 제1항, 제4항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세라믹스 히터의 주성분이 질화 알루미늄 또는 질화 규소인 것을 특징으로 하는 가열 정착 장치.
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