KR20070119266A

KR20070119266A - 전자사진 방식 화상 형성 장치

Info

Publication number: KR20070119266A
Application number: KR1020060053657A
Authority: KR
Inventors: 김형우
Original assignee: 김형우
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-12-20

Abstract

본 발명은 전자사진방식 화상형성 장치에 관한 것으로서, 상부방향으로 압력이 작용되도록 설치된 압력롤러; 상기 압력롤러의 상부에 설치되어 압착면을 형성하는 가이드부재; 상기 가이드부재의 외면을 감싸는 형태로 장착되어 상기 압력롤러와 대면하고, 상기 압력롤러와 연동되어 마찰 구동되며, 투입된 기록재료를 이송시키는 동시에 그 상면에 뿌려진 토너를 가열 정착시키기 위한 열원이 제공되는 원통형의 슬리브; 및 상기 슬리브의 분리된 외피와 내피 사이에 샌드위치 형태로 적층되어 자체 발열되는 발열수단을 포함하는 구성을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명은 토너를 가열 정착시키기 위한 열원을 제공하도록 된 슬리브를 외피 및 내피의 이중구조로 형성하고 그 사이에 박막히터를 이용한 발열수단이 샌드위치 형태로 장착되도록 함으로써, 슬리브의 지속적인 발열이 이루어지도록 하는 효과를 갖는다.

이와 같은 본 발명은 매번 슬리브를 재 가열시키는데 따른 열 손실 및 전력소모가 없고, 슬리브를 가열시키는데 별도의 시간이 필요치 않아 전자사진의 프린터 작업속도가 향상되는 효과가 있다.

Description

전자사진 방식 화상 형성 장치{Electro Photographic Type Image Forming Apparatus}

도 1은 종래의 할로겐램프를 이용한 화상 형성 장치의 내부구조를 개략적으로 도시한 단면도.

도 2는 종래의 판형 히터를 이용한 화상 형성 장치의 내부구조를 개략적으로 도시한 단면도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 히터를 이용한 화상 형성 장치의 내부구조를 개략적으로 도시한 단면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막 히터를 이용한 화상 형성 장치의 내부구조를 개략적으로 도시한 단면도.

도 5 내지 8은 본 발명에 따른 슬리브의 다양한 실시 예를 설명하기 위한 확대 단면도.

도 9 내지 11은 본 발명에 따른 박막 히터 상에 형성되는 도전체 패턴의 다양한 실시 예를 보여주는 예시도.

도 12 내지 13은 본 발명에 따른 금속패드 및 박막 히터의 다양한 배치 패턴의 실시 예를 보여주는 예시도.

도 14는 본 발명에 따른 발열수단의 발열특성을 실험하기 위한 시편의 제원을 나타낸 개략도.

도 15는 도 14의 시편에 일정한 전류(50W)를 인가한 상태에서 시간 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프.

도 16은 도 14의 시편에 규정된 시간(10초)동안 인가되는 전류량의 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프.

<도면중 주요부분에 대한 부호의 설명>

110: 압력롤러 120: 발열수단

123: 박막 히터 124: 도전체 패턴

125: 금속패드 130: 가이드부재

131: 가압 곡면부 132: 가압 수평면

133: 단열층 140: 슬리브

141: 외피 143: 내피

145: 금속관 147: 절연막

148: 금속관 149: 보호필름

본 발명은 전자사진 방식 화상 형성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 토너를 가열 정착시키기 위한 열원을 제공하도록 된 슬리브를 외피 및 내피의 이중구조로 형성하고 그 사이에 박막히터를 이용한 발열수단이 샌드위치 형태로 장착되도록 함으로써, 슬리브의 지속적인 발열이 이루어지도록 하는 전자사진 방식의 화상 형성 장치에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 프린터, 디지털 복사기 등의 인쇄 매체에 전사된 토너 입자를 고정하는 목적으로 사용하는 정착장치는 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 갖는다.

종래의 정착장치는 원통형 금속관(12)과 그 내부 중앙에 설치된 할로겐 램프(11)의 발열부를 가지며, 원통형 금속관(12) 표면에는 테프론 등에 의한 코팅층(13)이 형성되어 있다.

상기 발열부의 원통형 금속관(12) 내부의 할로겐 램프(11)에서 복사열을 발생하여 원통형 금속관(12)이 간접적으로 가열된다.

원통형 금속관(12) 하부에는 인쇄 지(14)를 사이에 두고 가압 롤러(15)가 위치한다.

상기 가압 롤러(15)는 가압 스프링(16)에 의해 일정한 힘으로 인쇄 지(14)를 압착한다.

이에 따라 발열부에서 발생하는 열에 의해 인쇄지 위에 화상 형성을 위해 분말 가루 형태의 토너(17)가 정착되어 인쇄지 위에 화상이 형성된다.

이와 같은 종래의 정착장치는 프린터 및 디지털 복사기 등의 전원 온/오프 시, 상온의 원통형 금속관(12)을 토너(17)가 정착되는 온도까지 올리기 위해 수십 초 이상의 상당한 예열 시간이 요구된다.

이는 발열부의 열이 대기 또는 원통형 금속관(12)을 경유하여 인쇄지에 전달되는 간접 발열 방식이고, 또한 대기 모드 상태에서 프린트를 위해 동작 모드로 전환 시, 또다시 정착온도로 올리기 위해 수십 초 이상의 시간이 필요하여 사용자들의 대기 시간이 긴 문제점이 있다.

또한 종래의 정착장치는 할로겐 램프를 동작시키기 위해 사용되는 초기 전력이 1.0Kw~3Kw의 고 전력으로, 전력 소모가 큰 문제점이 있다.

이에, 일본 공개 특허 제63-212182호, 제2-157878호, 제4-44075호 내지 제4-44083호, 제4-204980호 내지 제4-204984호등에서 제기된 것과 같은 필름 가열 시스템을 채택하는 가열 고정 장치가 제안된 바 있다.

이러한 가열 고정 장치는 압력 롤러 또는 압력 부재에 의하여 고정적으로 배치된 세라믹 히터등과 같은 가열 부재(이후에는 가열체로 호칭)와 가열을 위한 회전 부재로서 작용하는 내열 필름(이후에는 고정 필름 또는 슬리브로 호칭)을 밀접하게 접촉하고, 이에 의하여 고정 필름을 미끄럼가능하게 회전한다.

그 후, 토너 화상이 형성되고 이를 가지는 기록 재료는 고정 필름이 가열체와 압력 롤러사이에 배치되도록 구조된 압력 접촉 닙부로서 작용하는 고정 닙부로 도 입되고, 도입된 기록 재료는 고정 필름과 함께 운반되고, 이에 의하여 토너 화상은 고정 닙부의 압력과 고정 필름을 통한 가열체로부터 가해진 열에 의하여 영구 고정 화상으로서 기록 재료의 표면에 가열 가압되고 고정된다.

필름 가열 시스템을 채택하는 가열 고정 장치는 가열체로서 세라믹 히터등과 같은 소형 열 용량의 선형 가열체를 사용할 수 있고, 또한 고정 필름으로서 소형 열 용량의 얇은 필름을 사용할 수 있고, 이에 의하여 동력을 절약하고 대기 시간을 줄이는(즉, 신속한 시작을 하는) 것이 가능하다.

도 2는 종래의 판형 히터를 이용한 화상 형성 장치의 내부구조를 개략적으로 도시한 단면도로서, 압력 롤러 구동 시스템과 필름 가열 시스템을 채택하는 가열 고정 장치의 일예를 설명한다.

동 도면에서, 도면 부호 20은 가열 조립체를 나타내고, 도면 부호 22는 압력 부재로서 작용하는 탄성 압력 롤러를 나타낸다. 상하로 평행하게 배치된 탄성 압력 롤러(22)와 가열 조립체(20)는 고정 닙부(N)를 형성하기 위하여 서로 압력 접촉된다.

가열 조립체(20)는 가열 부재로서 작용하는 히터(23), 히터(23)를 지지하는 가이드 부재로서 작용하는 필름 가이드(25), 히터(23)와 내부로 접촉된 가요성 회전체로서 작용하고 필름 가이드(25)를 포함하는 원통형 고정 필름(21), 그 양단부에 의하여 고정 필름(21)을 지지하고 필름 가이드(25)에 끼워지는 플랜지 부재(26)등으로 구성되는 조립체이다.

이때, 상기 히터(23)는 직사각형이고, 기록 재료(P)의 운반 방향에 수직인 방향을 따라서 신장하는 종방향 길이의 세라믹 히터이며, 열용량은 전체적으로 작고, 히터(23)는 동력 공급을 수용하여 열을 발생한다.

또한, 필름 가이드(25)는 그 단면이 실질적으로 반원호인 홈통형 직사각형 부재이고, 종방향 측부는 기록 재료(P)의 운반 방향에 수직인 방향으로 신장하고, 예를 들면 필름 가이드(25)는 페놀 열경화성 수지로 만들어진다. 히터(23)는 필름 가이드(25)의 아랫면의 대략 중심부에 종방향으로 형성된 히터 끼움홈에 끼워지고 이에 따라 고정적으로 지지된다.

원통형 고정 필름(21)은 히터(23)가 끼워지는 필름 가이드(25)에 외부로 느슨하게 끼워진다.

플랜지 부재(26)는 원통형 고정 필름(21)의 단부를 잡고 그 축선 방향으로 고정 필름의 이동을 조정하는 칼라 와셔부(26a)와 실질적으로 원호이고 고정 필름 단부를 지지하는 원통형 고정 필름(21)의 단부의 내부에 끼워지는 미끄럼부(26b)를 포함한다. 플랜지 부재(26)는 필름 가이드(25)의 양단부에 끼워지고 이에 따라 고정된다.

탄성 압력 롤러(22)는 가열 고정 장치의 측부 커버들(도시 안됨)사이에 회전가능하게 베어링 지지되고, 가열 조립체(20)는 하방으로 히터(23)측을 가지고 탄성 압력 롤러(22)위에 평행하게 배치되고, 가열 조립체(20)와 탄성 압력 롤러(22)는 압력롤러(22)의 탄성에 대하여 도시되지 않은 압력 수단에 의하여 서로 가압되고, 히터(23)와 압력 롤러(22)는 이에 따라 서로 압력 접촉되고, 이에 따라 고정 필름(21)은 히터(23)와 압력 롤러(22)사이에 배치되고, 이에 의하여 소정의 폭의 압력 접촉닙부로서 작용하는 고정 닙부(N)는 압력 롤러(22)의 탄성 변형으로 인하여 형성된다.

탄성 압력 롤러(22)는 도시되지 않은 구동 수단에 의해 화살표에 의하여 지시된 것처럼 반시계방향으로 회전가능하게 구동된다. 압력 롤러(22)를 회전가능하게 구동함에 의하여 회전력은 압력 롤러(22)와 고정 필름(21)의 외면사이의 마찰력으로 인해 고정 닙부(N)에서 고정 필름(21)에 가해진다. 그후, 고정 필름(21)의 내면은 고정 필름(21)의 내면이 고정 닙부(N)에서 히터(23)의 하면과 밀접 접촉하고 이를 따라서 미끄러짐에 따라 압력 롤러(22)의 그것에 실질적으로 대응하는 원주속도에서 필름 가이드(25)의 원주주위를 화살표에 의하여 지시된 것처럼 시계방향으로 회전된다.(압력 롤러 구동 시스템)

그 축선 방향(종방향)으로 회전 고정 필름(21)의 이동은 플랜지 부재(26)의 칼라 와셔부(26a)에 의하여 조정되고, 고정 필름(21)의 단부의 내부는 플랜지 부재(26)의 미끄럼부(26b)에 의하여 지지되고 회전가능하게 안내된다.

그후, 고정 필름(21)이 압력 롤러(22)에 의하여 회전가능하게 구동되고, 그 온도가 히터(23)에 대전으로 인한 소정의 온도에 도달하는 상태에서, 비고정 토너 화상(T)이 형성되고 이를 가지는 기록 재료(P)가 비도시 화상 형성부에서 고정 닙부(N)에서 압력 롤러(22)와 고정 필름(21)사이의 위치로 도입된 때, 기록 재료(P)는 고정 필름(21)의 외면과 밀접 접촉되는 상태에서 고정 필름(21)과 함께 고정 닙 부(N)를 통과한다.

기록 재료(P)가 고정 닙부(N)를 통과하는 중에 히터(23)의 열 에너지는 고정 필름(21)을 통하여 기록 재료(P)로 가해지고, 이에 의하여 기록 재료(P)의 비고정 토너 화상(T)은 가열 용융 고정 공정을 받는다. 그후, 고정 닙부(N)를 통과한 기록 재료(P)는 분리점(A)에서 고정 필름(21)의 표면에서 분리된 후 배출된다.

그러나, 상기와 같은 구성으로 이루어지는 종래 기술의 화상 형성 장치는 최근에 인쇄 속도의 상승에 따른 요구에도 불구하고, 히터의 발열면적이 판형으로 제작된 세라믹스 히터로 제한됨에 따라 토너의 가열 정착작업 시, 빠른 속도로 기록재료를 통과시킬 경우 가열시간이 충분치 못해 정착작업이 제대로 수행되지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 상기 종래기술은 히터가 필름 가이드 저면에 형성됨에 따라 압력롤러에 의한 가압력을 받는 동시에 슬리브와의 지속적인 마찰이 이루어지게 됨에 따라 수명이 단축되는 문제가 있었다.

또한, 상기 종래기술은 히터의 예열시간이 오래 소요되어 작업대기시간이 길어지는 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 히터로부터 토너를 정착시키기 위한 열원을 제공받도록 된 고정필름의 열전도성이 떨어지기 때문에 히터부를 떠나는 순간 냉각되고, 매순간 재가열 시켜야 하기 때문에 열 손실이 많은 것은 물론 재 가열에 필요한 전력소모가 커지는 한편, 예열시간 지체에 따른 작업속도의 저하가 동반되는 문제점이 있었다.

또한, 종래 기술은 히터의 기판으로서 열전도성이 떨어지는 세라믹 기판을 사용함으로써, 기록재료의 통과 영역과 비통과 영역이 온도차가 많이 발생하는 문제점이 있었다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 토너를 가열 정착시키기 위한 열원을 간접 제공하도록 된 슬리브를 외피 및 내피의 이중구조로 형성하고 그 사이에 박막히터를 이용한 발열수단이 샌드위치 형태로 장착되도록 함으로써, 슬리브의 지속적인 발열이 이루어지도록 하는 전자사진 방식의 화상 형성 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 슬리브의 지속적인 가열이 이루어지도록 함으로써, 매번 슬리브를 재 가열시키는데 따른 열 손실 및 전력소모가 없고, 슬리브를 가열시키는데 별도의 시간이 필요치 않은 전자사진 방식의 화상 형성 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 슬리브 저면이 가이드부재에 의해 만곡진 형태를 유지하도록 함으로써, 기존의 세라믹스 히터에 비해 보다 확장된 열 정착면적을 확보할 수 있도록 하는 전자사진 방식의 화상 형성 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 전자사진방식 화상형성 장치는 상부방향으로 압력이 작용되도록 설치된 압력롤러; 상기 압력롤러의 상부에 설치되어 압착면을 형성하는 가이드부재; 상기 가이드부재의 외면을 감싸는 형태로 장착되어 상기 압력롤러와 대면하고, 상기 압력롤러와 연동되어 마찰 구동되며, 투입된 기록재료를 이송시키는 동시에 그 상면에 뿌려진 토너를 가열 정착시키기 위한 열원이 제공되는 원통형의 슬리브; 및 상기 슬리브의 분리된 외피와 내피 사이에 샌드위치 형태로 적층되어 자체 발열되는 발열수단을 포함하는 구성을 특징으로 한다.

여기서, 상기 슬리브는 발열수단의 외부 보호층을 형성하기 위한 외피와, 상기 발열수단의 내부 보호층을 형성하기 위한 내피로 구성된다.

이와 같은 상기 슬리브는 발열수단의 외부 보호층을 형성하기 위한 외피와, 상기 발열수단의 내부 보호층을 형성하기 위한 얇은 금속관과, 상기 금속관과 발열수단 사이의 절연층을 형성하기 위한 절연막으로 구성될 수도 있다.

이하, 본 발명에 대한 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 박막 히터를 이용한 화상 형성 장치의 내부구조를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 슬리브의 다양한 실시 예를 설명하기 위한 확대 단면도이다.

동 도면에서 보여지는 바와 같은 본 발명은 상부방향으로 압력이 작용되도록 설치된 압력롤러(110)와, 상기 압력롤러(110)의 상부에 설치되어 압착면을 형성하 는 가이드부재(130)와, 상기 가이드부재(130)의 외면을 감싸는 형태로 장착되어 상기 압력롤러(110)와 대면하고, 상기 압력롤러(110)와 연동되어 마찰 구동되며, 투입된 기록재료(P)를 이송시키는 동시에 그 상면에 뿌려진 토너(T)를 가열 정착시키기 위한 열원이 제공되는 원통형의 슬리브(140)와, 상기 슬리브(140)의 분리된 외피(141)와 내피(143) 사이에 샌드위치 형태로 적층되어 자체 발열되는 발열수단(120)을 포함한다.

우선, 상기 압력롤러(110)는 탄성변형이 가능한 신축성 재질로 제작되고, 도 3에서 보는 바와 같이 상측의 슬리브(140)와의 접지 상태에서 압착력이 가해지게 되면, 압력 부위가 역으로 함몰되는 형상으로 변형된다.

이때, 역으로 함몰되는 압력롤러(110)의 슬리브(140)와의 접지면적은 기존의 판형 세라믹스 히터가 갖는 제한된 접지면적의 한계를 넘는 확장된 열 정착면적을 갖게 된다.

상기 가이드부재(130)는 바닥의 소정구간이 가압 곡면부(131)을 형성하고, 그 저면에 슬리브(140)와의 접촉시 열전도를 차단시키기 위한 단열층(133)이 형성된다.

다음, 상기 슬리브(140)는 원통형 관 내부에 박막히터(123)를 이용한 발열수단(120)이 샌드위치 형태로 내삽 되는 구성을 갖게 되는데, 도 5에서와 같이 발열수단(120)의 외부 보호층을 형성하기 위한 외피(141)와, 상기 발열수단(120)의 내부 보호층을 형성하기 위한 내피(143)를 구성한다.

이때, 상기 외피(141) 및 내피(143)의 재질로는 열경화 수지 필름(또는 슈퍼엔지니어링 플라스틱)이 사용될 수 있다.

여기서, 도면에 도시되지는 않았으나, 도 3에서와 같은 본 발명의 슬리브(140)는 양단 끝이 구동기어에 결합됨으로써, 압력롤러(110) 양단에 형성되는 구동 기어와 맞물려 회동되는 구조로 제작될 수 있다.

상기 슬리브(140)에 결합되는 구동기어의 측면에는 발열수단(120)과 전기적으로 연결된 접지단자를 형성할 수 있고, 상기 접지단자는 회전되는 상태로 외부 전원을 공급받게 된다. 이를 위한 구조는 모터의 회전자에 전원을 공급시키기 위한 브러쉬 구조가 적용될 수 있다.

여기서, 상기 발열수단(120)은, 슬리브(140)의 외피(141)와 내피(143) 사이에 샌드위치 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123); 및 상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125)를 포함하는 구성으로 이루어지게 된다.

이와 같은 구성의 발열수단(120)은 저 전력(예; 150 W 등) 구동이 가능한 박막 히터(123)를 포함하게 되는데, 이와 같은 박막 히터(123)는 외부 전원이 공급되면 매우 빠른 속도로 발열되는 특성을 갖는 것으로서, 프린터, 복사기 등의 예열로 인한 작업 대기시간을 단축할 수 있게 되며, 저 전력 사용으로 절전의 효과와 프린터 제조시 부품원가의 현저한 감소를 가져올 수 있게 된다.

또한, 상기와 같은 발열수단(120)은 박막 증착되는 것으로서, 매우 얇은 두께로 형성되기 때문에 전자사진 방식을 사용하는 기기의 무게를 줄일 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 박막 히터를 이용한 화상 형성 장치의 내부구조를 개략적으로 도시한 단면도로서, 동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명은 압력롤러(110)의 상부에 설치되는 가이드부재(130)의 바닥면이 일정구간 수평 가압면(132)을 형성하고, 그 저면에 슬리브(140)와의 접촉시 열전도를 차단시키기 위한 단열층(133)이 형성되도록 한다.

여기서, 상기와 같은 구성으로 이루어진 슬리브(140)는 도 6에서와 같이 내피(143)의 내경에 얇은 금속관(145)이 장착되도록 함으로써, 구조강도를 보강할 수도 있으며, 슬리브(140)의 전체면에 고른 열 분포를 유도할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 슬리브의 또 다른 실시 예를 설명하는 확대 단면도로서, 동 도면에서 보는 바와 같은 상기 슬리브(140)는 발열수단(120)의 외부 보호층을 형성하기 위한 외피(141)와, 상기 발열수단(120)의 내부 보호층을 형성하기 위한 얇은 금속관(145)과, 상기 금속관(145)과 발열수단(120) 사이의 절연층을 형성하기 위한 절연막(147)으로 구성된다.

도 8은 본 발명에 따른 슬리브의 또 다른 실시 예를 설명하는 확대 단면도로서, 동 도면에서 보는 바와 같은 상기 슬리브(140)는 발열수단(120)의 외부 보호층을 형성하기 위한 외피(141)와, 상기 발열수단(120)의 내부 보호층을 형성하기 위한 내피(143)와, 상기 외피(141)의 외경에 장착되는 외부 금속관(148)과, 상기 외부 금속관(148)의 외경에 장착되는 보호필름(149)으로 구성된다.

이때, 도 5 내지 도 8에서 보는 바와 같이 상기 박막 히터(123) 상에 전류공급을 돕기 위한 도전체 패턴(124)과 발열 박막셀 들을 형성함으로써, 발열특성이 안정되도록 할 수 있다.

이하, 본 발명의 발열수단(120)을 구성하는 박막히터(123), 도전체 패턴(124) 및 금속패드(125) 등 각 구성요소에 대해 요구되는 물성 및 구성 조건에 대해 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 박막 히터(123)에 대해 설명하면, 상기 박막 히터(123)는 내피(143) 또는 절연막(147) 위에 0.05 μm ~ 수 μm 범위(예, 0.05 μm ~ 2 μm )의 두께를 갖는 박막 형태로 장착되며, 금속패드(125)를 통하여 외부 전원(직류 전원 또는 교류 전원)이 공급되면 자체 전기 저항에 의해 줄열(joule heating)을 발생시킨다.

여기서, 박막 히터(123)의 박막 특성, 즉 작은 부피로 인해 발열 속도 및 냉각 속도가 매우 빠르게 이루어질 수 있고, 자체 전기 저항에 의해 발열되는 온도가 500 ℃를 초과할 수도 있고, 기존의 히터와는 다르게 아주 빠른 온도 상승도 가능 하다.

이러한 박막 히터(123)의 조건은 다음과 같다.

우선, 박막 히터(123)는 박막 특성으로 인해 기존의 히터에 비해 빠른 속도로 온도 상승이 가능하나, 이러한 박막 특성으로 인해 전류 흐름 속도(current flux) 등이 매우 커질 수 있기 때문에 자체적인 전기적/열적/화학적 내성이 요구된다.

즉, 박막 히터(123)는 전기적으로 높은 내압(heater strength)을 가져야 되며, 금속패드(125)를 통하여 지속적으로 인가되는 에너지에 대한 자체 저항성이 높아야지만 박막 히터(123)의 장시간 수명 유지가 가능하다.

또한, 박막 히터(123)는 절연막(147) 위에 장착되는데, 발열로 인해 절연막(147)이 탈착되지 않도록 하고 금속관(145)와 절연막(147)간의 박리가 발생되지 않도록 해야 된다.

또한, 박막 히터(123)는 열 충격이 지속적으로 가해지는 소자인데, 이러한 열충격에 의해 자체 저항 변화의 현저한 증가가 일어나지 않도록 해야 한다.

또한, 박막 히터(123)는 공기 중(산소)에 노출된 상태로 고온으로 발열하는 경우도 있는데, 이러한 산화에 의해 자체 저항의 현저한 증가가 일어나지 않도록 해야 한다.

전술한 바와 같은 조건을 만족시킬 수 있도록 박막 히터(123)의 소재로는 융 점이 높은 단일 금속(예; Ta, W, Pt, Ru, Hf, Mo, Zr, Ti 등)이 사용되거나 이들 금속을 조합한 2성분계 금속 합금물(예; TaW 등)이 사용되거나 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2성분계 금속-질화물 계열(예; WN, MoN, ZrN 등)이 사용되거나 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2성분계 금속-규화물 계열(예; TaSi, WSi 등)이 사용된다.

그리고, 박막 히터(123)가 수 μm 이하(예; 0.05 μm ~ 2 μm 범위 등, 재질에 따라 두께에 차이가 발생함)의 두께를 갖도록 한다.

특히, 박막 히터(123)의 온도가 순간적으로 상승되게 하기 위해서, 즉 자체적으로 뜨겁게 달궈지는데 걸리는 시간이 최소화되기 위해서는 박막 히터(123) 자체의 히트 커패시티(heat capacity)를 매우 작게 하면 된다.

즉, 박막 히터(123)의 히트 커패시티는 두께를 매개변수로 하는 함수로 표현되는데, 박막 히터(123)의 두께가 얇아질수록 그 값이 작아진다. 반면에 박막 히터(123)의 수명은 두께가 얇아질수록 짧아질 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 박막 히터(123)의 온도를 순간적으로 상승시키고 수명을 연장시키기 위한 두 가지 조건을 만족시키기 위해 다양한 시뮬레이션과 실험을 통하여 박막 히터(123)의 최적 두께 범위를 도출할 수 있다. 한편, 박막 히터(123)의 소재에 따라 약간의 차이는 있으나 미세한 차이임을 밝혀 둔다.

즉, 다음의 수식에 근거하여 박막 히터(123)의 최적의 두께를 도출한다.

여기서,

(resistivity)는 박막 히터(123) 소재의 고유한 비저항값이고, Rs(sheet resistance)는 박막 히터(123)의 면 저항값이고, t(thickness of film)는 박막 히터(123)의 두께이다. 한편, 두께와 고유 비저항값은 비례 관계에 있음을 알 수 있다.

따라서, 박막 히터(123) 소재의 비저항값 범위를 고려하여 전술한 매개변수를 입력 데이터로 이용하여 시뮬레이션을 하면 각 제품의 특성에 맞게 박막 히터(123)의 최적 두께 범위가 재질에 따라(예; 0.05 μm ~ 2 μm 등) 도출된다.

이러한 박막 히터(123)는 진공 증착 방식에 의해 절연막(147) 위에 형성되는데, 진공 증착 방식으로는 PVD(Sputtering, Reactive Sputtering, Co-Sputtering, Evaporation, E-beam 등) 및 CVD(LPCVD, PECVD 등)가 사용된다.

도 9 내지 11은 본 발명에 따른 박막 히터 상에 형성되는 도전체 패턴의 다양한 실시 예를 보여주는 예시도로서, 동 도면에서 보는 바와 같이 박막 히터(123) 상에는 박막 히터보다 전기 저항이 낮으며 열전도율이 높은 도전체 패턴(124)을 여러가지 형상 및 모양과 간격으로 형성할 수 있다.

만약, 도전체 패턴(124)이 형성되지 않은 박막 히터(123)를 사용할 경우 전원 공급 초기에 박막 히터(123)의 전극 도입부와 중앙 부분 사이에 온도 차가 발생하여 박막 히터(123) 면 전체에 균일한 온도 분포가 이루어지지 못하거나 박막 히터(123)의 일 부분에 과 발열 현상이 발생하여 박막 히터(123)나 절연막(147) 또는 내피(143) 등에 치명적인 손상(열화)를 발생시키게 되며, 박막히터의 수명이 극단적으로 짧아질 수 있게 된다.

즉, 이러한 현상을 방지하고 전원 공급 초기에 보다 빠른 시간 안에 박막 히터(123)의 면 전체에 균일한 발열이 일어날 수 있도록 하기 위하여, 박막 히터(123) 상에 도 9 내지 11과 같이 여러 가지 형태 및 모양의 도전체 패턴(124)을 형성하게 되는 것이다.

이처럼, 박막 히터(123)에 도전체 패턴(124)을 형성하게 되면, 박막 히터(123)의 생산공정에서 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터보다 생산 수율을 향상시킬 수 있게 되는데, 이는 도전체 패턴이 형성되지 않은 단일 박막 히터가 박막 히터 전체 중 일부분의 미세한 두께 차이나 스크래치 등의 일부 박막의 손상으로도 전체 저항체의 품질 저하로 이어지는 종래 문제점을 해결할 수 있게 되기 때문이다.

다음으로 금속패드(125)에 대해 설명하면, 상기 금속패드(125)는 박막 히터(123) 상에 장착되어, 외부로부터 공급된 전원을 박막 히터(123)로 균일하게 공 급하는 역할을 수행하게 된다. 여기서, 상기 금속패드(125)를 박막 히터(123) 면 전체에 고르게 접지되도록 설치함으로써, 박막 히터(123)의 모든 면에서 균일한(일정한) 전류 밀도를 가질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

특히, 박막 히터(123)의 모든 면에서 균일한 전류 밀도를 가질 수 있도록 하기 위해서 금속패드(125)의 폭(두께)을 박막 히터(123)의 폭(두께)보다 더 크거나 같게 하는 것이 좋다.

도 12 내지 13은 본 발명에 따른 금속패드 및 박막 히터의 다양한 배치 패턴의 실시 예를 보여주는 예시도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같이 금속패드(125)의 형상을 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 여러 가지 위치, 모양, 크기 및 개수를 가지는 패턴으로 형성할 수 있다.

이러한 박막 셀을 형성하는 이유는 한번에 많은 전력이 공급될 때 전력 공급되는 부위의 금속패드(125)와 박막히터(123)의 접지부위가 과열로 인해 파괴되는 것을 방지시키는 동시에 발열 영역을 여러 개로 분할시켜 각 영역별 저항값을 같게 하거나 달리하여 부분적으로 발생되는 열을 제어가 가능하도록 하기 위함이다.

상기한 바와 같은 금속패드(125)를 형성하는 소재는 박막 히터(123)에서 열이 발열 될 때에, 금속패드(125)의 온도에 대한 안정성을 보장하고, 산화에 의한 저항 증가를 막고, 박막 히터(123)로부터 탈착되지 않도록 하기 위한 Al, Au, W, Pt, Ag, Ta, Mo, Ti, H, Cu 등과 같은 금속이 사용될 수 있다.

그리고, 상기 본 발명의 슬리브(140)는 외피(141) 또는 내피(143) 중 적어도 어느 하나를 다음과 같은 보호층으로 형성할 수도 있다.

이와 같은 보호층은 박막 히터(123) 및 금속 패드(125)의 외면에 장착되어 외부환경으로부터 박막 히터(123), 금속 패드(125)를 전기적/화학적으로 보호하게 되는데, 이러한 보호층의 소재로는 SiNx, SiOx, AlOx, Polymer, Polyimide, 테프론 등이 사용될 수 있으며, 상기 보호층의 두께는 열전도율과 보호기능을 발휘할 수 있는 최적의 두께로 재질에 따라 정해지며, 약 0.1 μm 내지 100 μm 범위인 것이 바람직하다.

이러한, 보호층은 도전체 패턴(124)이 형성된 박막 히터(123)와 도전체 패턴이 형성되어 있지 않은 상태의 박막 히터(123) 모두에 형성될 수 있다.

이하, 본 발명의 일실시예에 적용되기 위한 절연막(147)의 물성 및 구성조건에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 7에서 적용된 바와 같은 절연막(147)은 금속관(145)과 박막 히터(123) 간을 전기적으로 절연시켜야 하며, 외부 전원을 공급받는 박막 히터(123)를 전기적으로 고립(Electrical isolation) 시키기 위해서는 박막 히터(123)로 100V 정도의 전압이 인가될 때에 절연막(147)의 파괴가 발생하지 않아야 하고 절연막(147)의 전기적 누설 전류가 20 μA 이하로 되어야 한다.

또한, 박막 히터(123)에서 고온의 열이 발생할 때에 절연막(147)이 금속 관(145) 및 박막 히터(123)로부터 각각 물리적 탈착이 발생하지 않도록 절연막(147)과 금속관(145) 간의 접촉성, 절연막(147)과 박막 히터(123) 간의 접촉성이 우수해야 한다.

또한, 박막 히터(123)에서 고온의 열이 발생할 때에 절연막(147)이 금속관(145) 및 박막 히터(123)와 각각 화학적 반응을 일으키지 않으며 절연막(147)의 표면 조도가 우수해야 한다.

즉, 절연막(147)의 표면 조도가 우수하지 못할 경우에 절연막(147)이 박막 히터(123)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치기 때문에 절연막(147)은 박막 히터(123)의 전기적 비저항 특성에 영향을 미치지 않을 정도의 표면 조도를 갖는 것이 바람직하다.

이러한 절연막(147)의 두께는 0.5 μm ~ 200 μm 범위가 열효율성을 위해 바람직하며(재질에 따라 두께에 차이가 발생함), 절연막(147)의 절연 파괴 전압(breakdown voltage)은 1,000 V 이상이며, 절연막(147)의 누설 전류(leakage current)는 100 V 전압이 될 때에 20 μA 이하이며, 박막 히터(123)에서 열이 발열될 때에(thermal cycle) 절연막(147)이 슬리브(140) 및 박막 히터(123) 각각으로부터 탈착(박리)이 발생되지 않도록 한다.

도 14는 본 발명에 따른 발열수단의 발열특성을 실험하기 위한 시편의 제원을 나타낸 개략도이고, 도 15는 도 14의 시편에 일정한 전류(50W)를 인가한 상태에서 시간 변위에 따른 온도변화 값을 측정한 그래프가 도시되어 있으며, 도 16은 도 14의 시편에 규정된 시간(10초)동안 인가되는 전류량의 변위에 따른 온도변화값을 측정한 그래프가 도시되어 있다.

이때, 상기 도 14 내지 도 16을 통해 측정된 온도 값은 박막 히터(123), 도전체 패턴(124), 금속패드(125), 슬리브(140) 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등에 따라 서로 다른 결과로 도출될 수 있음을 밝혀 둔다.

도 15에 도시된 바와 같이, 50 와트 전력이 인가될 시 일정 시간이 경과하면 287 ℃에서 임계(saturation) 특성이 나타남을 알 수 있다.

도 16에 도시된 바와 같이, 전력 변화에 따라 10초 동안 증가하는 표면 온도 변화는 선형적 증가 특성을 가지는 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 발열수단(120)은 제품의 설계조건을 반영하여 박막 히터, 도전체 패턴, 절연막, 금속패드, 박막셀 등과 같은 각 구성 요소의 저항값, 두께, 소재 등을 서로 다르게 적용하여 표면 온도 도달 시간 및 소비 전력을 제품 특성에 맞게 감소시켜 최적의 제품을 생산할 수 있도록 한다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전자사진 방식 화상 형성 장치의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명의 화상 형성 장치가 적용된 사무용 기기에 전원을 온(on) 시키 도록 한다.

상기 공급전원은 슬리브(140)의 양측단에 연결된 전원공급수단(미도시)을 통해 회전하고 있는 슬리브(140)의 내부에 설치된 발열수단(120)의 금속패드(125)로 입력된다.

이때, 상기 슬리브(140) 및 발열수단(120) 전체가 회전하고 있기 때문에 전원공급수단은 모터의 회전자와 같이 고속으로 회전하는 물체에 전원을 공급하기 위한 브러쉬 접지방식이 채용될 수 있도록 한다.

상기 금속패드(125)를 통해 공급된 전원은 박막 히터(123)의 전체 면적에 균일하게 공급되어 자체 발열이 이루어지게 된다.

이때, 상기 박막 히터(123)의 발열로 인한 고온 열은 슬리브(140)를 가열시키게 된다.

이때, 상기 슬리브(140)와 압력롤러(110) 사이에 기록재료(P)가 공급되어 이송되고, 슬리브(140)에 의해 가열됨으로써, 기록재료(P)의 상면에 뿌려진 토너(T)가 열정착된 상태로 화상형성 장치로부터 배출된다.

이와 같은, 상기 박막 히터(123)는 저 전력의 외부 전원으로도 급속 발열이 이루어지게 되는데, 이는 150W 전원을 인가했을 경우를 보면, 20초 만에 섭씨 120도 이상으로 급속 가열되는 특성을 갖게 됨에 따라 예열에 필요한 작업대기 시간이 단축되는 이점을 갖게 된다.

이상, 본 발명이 실시 예를 들어 설명되었으나, 본 발명의 실시 예는 단지 예 시에 불과하며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명이 속하는 분야의 기술자는 본원의 특허청구범위에 기재된 원리 및 범위 내에서 본 발명을 여러 가지 형태로 변형 또는 변경할 수 있다.

이와 같은 본 발명은 매번 슬리브를 재 가열시키는데 따른 열 손실 및 전력소모가 없고, 슬리브를 가열시키는데 별도의 시간이 필요치 않아 전자사진의 프린터 작업시작속도가 빨라지는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 슬리브 자체가 전체적으로 일정한 온도로 가열되어 있기 때문에 예열로 인한 지연시간이 발생되지 않아 기록재료의 시간당 출력효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 슬리브 저면이 가이드부재에 의해 만곡진 형태를 유지할 수 있게 됨으로서, 기존의 세라믹스 히터에 비해 보다 확장된 열 정착면적을 확보할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 박막히터를 이용한 고속 발열의 특성으로 인해 사무용 기기를 전원을 켜서 곧바로 사용할 수 있게 되는 편리함이 있다.

또한, 본 발명은 저 전력으로 빠른 시간 안에 정착에 필요한 일정온도에 도달시킬 수 있어 프린터 사용에 따른 전력사용료를 절감할 수 있게 되고, 프린터에 필요한 소요전력을 감소시켜 전기 소요부품의 단가를 감소시켜 원가절감 및 이로 인한 가격경쟁력이 뛰어난 효과가 있다.

또한, 본 발명은 열전도율이 뛰어난 금속관을 슬리브 구조에 사용함으로써, 균일한 열분포를 이루게 되어 기록재료의 통과영역과 비통과 영역 사이에서의 온도차를 최소화할 수 있는 효과가 있다

Claims

상부방향으로 압력이 작용되도록 설치된 압력롤러(110);

상기 압력롤러(110)의 상부에 설치되어 압착면을 형성하는 가이드부재(130);

상기 가이드부재(130)의 외면을 감싸는 형태로 장착되어 상기 압력롤러(110)와 대면하고, 상기 압력롤러(110)와 연동되어 마찰 구동되며, 투입된 기록재료를 이송시키는 동시에 그 상면에 뿌려진 토너를 가열 정착시키기 위한 열원이 제공되는 원통형의 슬리브(140); 및

상기 슬리브(140)의 분리된 외피(141)와 내피(143) 사이에 샌드위치 형태로 적층되어 자체 발열되는 발열수단(120);

을 포함하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
제 1항에 있어서,

상기 슬리브(140)는,

발열수단(120)의 외부 보호층을 형성하기 위한 외피(141)와,

상기 발열수단(120)의 내부 보호층을 형성하기 위한 내피(143)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
제 2항에 있어서,

상기 내피(143)의 내경에 얇은 금속관(145)이 장착되는 것을 특징으로 하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
제 1항에 있어서,

상기 슬리브(140)는,

발열수단(120)과,

상기 발열수단(120)의 외부 보호층을 형성하기 위한 외피(141)와,

상기 발열수단(120)의 내부 보호층을 형성하기 위한 얇은 금속관(145)과,

상기 금속관(145)과 발열수단(120) 사이의 절연층을 형성하기 위한 절연막(147)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
제 1항에 있어서,

상기 슬리브(140)는,

발열수단(120)과,

상기 발열수단(120)의 외부 보호층을 형성하기 위한 외피(141)와,

상기 발열수단(120)의 내부 보호층을 형성하기 위한 내피(143)와,

상기 외피(141)의 외경에 장착되는 외부 금속관(148)과,

상기 외부 금속관(148)의 외경에 장착되는 보호필름(149)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
제 1항에 있어서,

상기 가이드부재(130)는 그 저면에 슬리브(140)와의 마찰 시 열전도를 차단시키기 위한 단열층(133)이 형성되는 것을 특징으로 하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
제 1항 내지 제 6항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,

상기 발열수단(120)은,

슬리브(140)의 외피(141)와 내피(143) 사이에 샌드위치 형태로 장착되어 외부로부터 전원을 공급받아 자체 전기 저항에 따른 순간가열에 의하여 순간적으로 고온 발열되는 박막 히터(123); 및

상기 박막 히터(123)에 전기적 접합이 이루어지고, 외부로부터 공급된 전원이 박막 히터(123) 전면에 균일하게 인가될 수 있도록 하는 특정 패턴을 갖는 금속패드(125);

를 포함하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
제 7항에 있어서,

상기 박막 히터(123) 상에 전류가 흐르기 위한 도전체 패턴(124)을 형성함으로써, 발생된 열이 박막 히터(123)의 면 전체에 균일하게 공급되고, 발열특성이 안정되도록 하는 것을 특징으로 하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
제 7항에 있어서,

상기 금속패드(125)가 복수 개의 발열 박막 셀이 형성되도록 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
제 7항에 있어서,

상기 박막 히터(123)가 단일 금속 또는 상기 금속을 조합한 2 성분계 금속 합금물 또는 금속-질화물(metal-nitride)을 조합한 2 성분계 금속-질화물 또는 금속-규화물(metal-silicide)을 조합한 2 성분계 금속-규화물 중 어느 하나를 소재로 하고 그 두께를 0.05 μm ~ 1 μm로 유지하는 것을 특징으로 하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
제 7항에 있어서,

상기 금속패드(125)는 상기 박막 히터(123)로 전류 밀도가 균일하게 전원을 공급할 수 있도록 그 폭이 상기 박막 히터의 폭보다 크거나 같도록 설정되고, 발열시 온도에 대해 안정하고 산화에 따른 저항 증가 및 물리적 박리가 방지되는 Al 또는 Au 또는 W 또는 Pt 또는 Ag 또는 Ta 또는 Mo 또는 Ti 중 어느 하나를 소재로 하는 것을 특징으로 하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
제 4항에 있어서,

상기 절연막(147)이 1000 V 이상의 절연 파괴 전압을 가지며, 100 V 전압이 인가될 때에 20 ㎂ 이하의 누설 전류를 갖는 것을 특징으로 하는 전자사진 방식 화상 형성 장치.
기록재료의 토너화상을 열 정착시키기 위해 가요성 슬리브를 이용하는 필름 가열 시스템을 갖는 전자사진 방식 화상 가열 장치에 있어서,

상기 슬리브(140) 내부에 자체 발열이 이루어지는 박막히터(123)가 샌드위치 형태로 장착되어 열원을 제공하도록 된 전자사진 방식 화상 형성 장치.