KR20120078922A - 정착 장치용 히터 및 이를 구비하는 정착 장치와 화상형성장치 - Google Patents

정착 장치용 히터 및 이를 구비하는 정착 장치와 화상형성장치 Download PDF

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Abstract

인쇄 매체로 열을 공급하기 위한 정착 장치용 히터는, 벌브; 음의 저항 온도 계수와 제1정격 가열 출력을 가지며, 상기 벌브 내에서 제1코일을 형성하는 제1발열체; 및 양의 저항 온도 계수와 상기 제1정격 가열 출력보다 낮은 제2정격 가열 출력을 가지며, 상기 벌브 내에 배치되는 제2발열체를 포함한다. 상기 제2발열체는 상기 제1발열체와 인접하게 배치됨으로써, 상기 히터로 전력이 공급되는 초기 단계에서 상기 제2발열체가 상기 제1발열체를 가열하여 상기 제1발열체의 저항을 감소시킨다.

Description

정착 장치용 히터 및 이를 구비하는 정착 장치와 화상형성장치{HEATER FOR FIXING DEVICE, AND FIXING DEVICE AND IMAGE FORMING APPARATUS HAVING THE SAME}
본 발명은 화상 형성 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화상 형성 장치에서 사용되는 정착 장치에 관한 것이다.
프린터, 팩시밀리, 복사기, 복합기 등과 같은 화상 형성 장치는 전자사진방식을 사용하여 인쇄 매체에 소정의 화상을 형성한다. 일반적으로 이러한 화상 형성 장치에서 화상이 형성되기 위해서는 대전 과정, 노광 과정, 현상 과정, 전사 과정, 정착 과정을 거치게 된다.
정착 과정에서 사용되는 정착 장치는 열과 압력을 인쇄 매체로 가함으로써 인쇄 매체 위에 있는 미정착된 토너를 정착시킨다. 일반적으로, 이러한 정착 장치는 가열 유닛과 가압 유닛으로 구성되며, 가열 유닛과 가압 유닛은 서로 접촉하여서 가열 유닛과 가압 유닛 사이에 정착 닙이 형성된다. 인쇄 매체가 이런 정착 닙을 통과하는 동안에 열과 압력이 인쇄 매체로 전달되고, 그에 의해 미정착된 토너가 정착될 수 있다.
인쇄 매체로 열을 전달하기 위하여 가열 유닛 내부에는 히터가 배치된다. 현재 정착 장치에서 주로 이용되고 있는 히터는 할로겐 램프이다. 할로겐 램프에는 텅스텐 필라멘트가 사용되는데, 텅스텐 필라멘트는 상온에서 저항이 상당히 낮다. 따라서 할로겐 램프로 전력이 공급되는 초기 단계에서 과도한 돌입 전류(inrush current)가 발생하게 된다. 이런 과도한 돌입 전류는 급격한 전압 변동과 플리커(flicker) 현상을 야기한다.
화상 형성 장치의 주요 품질 중의 하나는 빠른 첫 장 출력시간(First Paper Out Time; FPOT)이다. 빠른 FPOT를 위해서는 가열 유닛 내부에 있는 히터가 발생하는 열 에너지를 증가시켜야 한다. 이를 위하여 할로겐 램프로 더욱 큰 전력을 공급하게 되면, 돌입 전류가 더욱 크게 발생하는 문제가 발생한다.
이러한 문제를 해소하기 위하여 가열 유닛 내부에 복수 개의 할로겐 램프를 배치하기도 하지만, 이런 해결 방식은 정착 장치의 소형화를 저해한다. 소비자의 요구에 따라 화상 형성 장치는 점점 소형화되고 있으며, 그에 따라 정착 장치도 소형화되고 있는 추세다. 그에 따라 정착 장치에 복수 개의 할로겐 램프를 설치할 수 있는 공간이 부족하게 된다.
따라서, 정착 장치의 소형화가 가능하면서도 돌입 전류를 방지할 수 있는 정착 장치용 히터의 개발이 필요하다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 인쇄 매체로 열을 공급하기 위한 정착 장치용 히터는, 벌브; 음의 저항 온도 계수와 제1정격 가열 출력을 가지며, 상기 벌브 내에서 제1코일을 형성하는 제1발열체; 및 양의 저항 온도 계수와 상기 제1정격 가열 출력보다 낮은 제2정격 가열 출력을 가지며, 상기 벌브 내에 배치되는 제2발열체를 포함한다. 상기 제2발열체는 상기 제1발열체와 인접하게 배치됨으로써, 상기 히터로 전력이 공급되는 초기 단계에서 상기 제2발열체가 상기 제1발열체를 가열하여 상기 제1발열체의 저항을 감소시킨다.
상기 제1발열체는 탄소 필라멘트를 포함하고, 상기 제2발열체는 텅스텐 필라멘트를 포함할 수 있다.
상기 제2발열체는 상기 제1발열체의 상기 제1코일과 접촉하는 복수의 필라멘트를 포함하고, 상기 복수의 필라멘트는 서로 평행하게 상기 제1발열체의 상기 제1코일의 진행 방향을 따라 연장할 수 있다.
상기 히터는, 상기 제2발열체를 상기 제1발열체에 부착시키는 복수의 결합 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 결합 부재는 상기 제1발열체의 상기 제1코일의 진행 방향을 따라 배치될 수 있다.
상기 제2발열체는 상기 제1발열체에 접합될 수 있다.
상기 제2발열체는 상기 제1발열체의 상기 제1코일의 진행 방향을 따라 연장할 수 있다.
상기 제2발열체는 상기 제1발열체의 상기 제1코일 주위로 감겨질 수 있다.
상기 제2발열체는 상기 벌브 내에서 제2코일을 형성할 수 있다.
상기 제1코일은 상기 제2코일 안에 배치될 수 있다.
상기 제2코일은 상기 제1코일 안에 배치될 수 있다.
상기 제1, 2코일은 동일한 코일축을 가질 수 있다.
상기 제1, 2코일은 동일한 코일 반경을 가지고, 상기 제2코일은 상기 코일축을 따라 상기 제1코일로부터 오프셋되도록 배치될 수 있다.
상기 히터의 가열 출력은 600 W 이상 3000 W 이하가 될 수 있다.
상기 제1발열체의 상기 제1정격 가열 출력은 800 W 이고, 상기 제2발열체의 상기 제2정격 가열 출력은 500 W 일 수 있다.
상기 제1, 2발열체는 전기적으로 병렬 연결될 수 있다.
상기 제1, 2발열체는 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 화상 형성 장치와 화상 형성 장치의 정착 장치는 전술한 바와 같은 특징을 갖는 히터를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 화상 형성 장치를 개략적으로 도시한 것,
도 2는 제1실시 예에 따르는 히터의 사시도를 개략적으로 나타낸 것,
도 3은 도 2에 도시된 히터의 일부를 확대하여 나타낸 것,
도 4는 제1실시 예에서 사용된 탄소 필라멘트의 온도 변화에 따른 저항을 나타낸 그래프,
도 5는 제1실시 예에서 사용된 텅스텐 필라멘트의 온도 변화에 따른 저항을 나타낸 그래프,
도 6은 제1실시 예에서 제1, 2발열체의 저항 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 7은 제1실시 예에서 히터의 가열 출력의 변화와 가열 롤러의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 8은 제1실시 예와 비교하기 위한 기준 실시 예에서 가열 출력의 변화와 가열 롤러의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 9는 제2실시 예에서 히터의 가열 출력의 변화와 가열 롤러의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 10은 제3실시 예에 따르는 히터를 개략적으로 도시한 것,
도 11은 제4실시 예에 따르는 히터를 개략적으로 도시한 것,
도 12는 제5실시 예에 따르는 히터를 개략적으로 도시한 것,
도 13은 제6실시 예에 따르는 히터를 개략적으로 도시한 것, 그리고
도 14는 제7실시 예에 따르는 히터를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해 질 것이다. 여기서 설명되는 실시 예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 축소 또는 확대되어 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 화상 형성 장치(1)를 개략적으로 나타낸 것이다. 이러한 화상 형성 장치(1)는 인쇄 매체에 소정의 화상을 형성하는 프린터, 팩시밀리, 복사기, 복합기 등과 같은 다양한 장치가 될 수 있다.
급지 장치(10)는 종이와 같은 인쇄 매체를 저장할 수 있다. 인쇄 매체는 다수의 이송롤러(11)에 의해 진행 경로(2)을 따라 이송된다. 대전 장치(20)는 감광체(30)를 소정 전위로 대전시킬 수 있다. 광주사 장치(40)는 감광체(30)로 광(41)을 주사하여 인쇄 데이터에 대응되는 정전 잠상을 감광체(30)에 형성할 수 있다.
현상 장치(50)는 정전잠상이 형성된 감광체(30)로 토너를 공급하여 토너 화상을 형성할 수 있다. 현상 장치(50)는 토너 수용부(51), 토너 공급롤러(52), 현상 롤러(53), 규제 블레이드(54)를 포함할 수 있다.
토너 수용부(51)는 내부에 토너를 수용한다. 토너 공급롤러(52)는 토너 수용부(51)에 수용된 토너를 현상 롤러(53)로 공급하며, 그에 따라 현상 롤러(53)에는 토너 층이 형성된다. 규제 블레이드(54)는 이런 토너 층을 균일하게 만든다. 현상 롤러(53) 위에 있는 토너 층은 전위차에 의해 감광체(30)에 형성된 정전잠상으로 이동하여 토너 화상이 현상된다.
전사 장치(60)는 감광체(30)에 형성된 토너 화상을 인쇄 매체로 전사시킬 수 있다. 클리닝 장치(70)는 전사과정이 이루어진 이후에 감광체(30)에 남아있는 토너를 제거할 수 있다.
정착 장치(100)는 열과 압력을 인쇄 매체에 가함으로써 인쇄 매체 위에 있는 미정착된 토너를 정착시킬 수 있다. 토너가 정착된 인쇄 매체는 다수의 이송롤러(11)에 의해 화상 형성 장치(1) 외부로 배출되며, 그에 의해 인쇄과정이 완료된다.
정착 장치(100)는 가압 유닛(110)과 가열 유닛(120)을 포함할 수 있다. 가압 유닛(110)과 가열 유닛(120)이 접촉하는 구간에는 정착 닙(N)이 형성된다. 전사 장치(60)를 지나온 인쇄 매체 위에는 미정착된 토너가 존재하는데, 이런 인쇄 매체가 정착 닙(N)을 통과하는 과정에서 열과 압력이 인쇄매체에 가해짐으로써 인쇄 매체 위에 있는 미정착된 토너가 정착될 수 있다.
가압 유닛(110)은 정착 닙(N)을 통과하는 인쇄 매체에 압력을 가할 수 있도록 탄성 부재(111)에 의해 가열 유닛(120) 쪽으로 가압된다. 본 발명의 일 실시 예에서는 가압 유닛(110)이 롤러 타입으로 구성되었으나, 가압 유닛(110)은 벨트 타입으로 구성될 수도 있다. 벨트 타입의 가압 유닛(110)은 당업자가 용이하게 이해할 수 있기 때문에 자세한 설명은 생략하기로 한다.
가열 유닛(120)은 정착 닙(N)을 통과하는 인쇄 매체에 열을 가하며, 가열 롤러(121)와 가열 롤러(121) 안에 배치되는 히터(200)를 포함할 수 있다. 히터(200)는 인쇄 매체로 공급하기 위한 열을 생성하며, 히터(200)가 생성한 열은 가열 롤러(121)를 통해 인쇄 매체로 전달된다. 가열 롤러(121)는 높은 온도로 가열될 수 있기 때문에 내열성 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시 예에서는 가열 유닛(120)이 가열 롤러(121)를 이용한 롤러 타입으로 구성되었으나, 가열 유닛(120)은 벨트 타입으로 구성될 수도 있다. 즉, 이 경우에는 가열 롤러(121) 대신에 가열 벨트가 사용된다. 벨트 타입의 가열 유닛(120)은 당업자가 용이하게 이해할 수 있기 때문에 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2 내지 7을 참조하면, 본 발명의 제1실시 예에 따르는 히터(200)를 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 제1실시 예에 따르는 히터(200)의 사시도를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 3은 도 2에 도시된 히터(200)의 일부를 확대하여 나타낸 것이다.
벌브(201)는 원통 형상을 가지며 내부에는 불활성 기체가 밀봉되어 있다. 벌브(210)는 내열성이 있는 재질로 형성되며, 예컨대 석영 유리로 형성될 수 있다.
제1, 2발열체(210, 220)는 벌브(201) 내부에 배치되며, 외부의 전원에서 공급되는 전기 에너지를 열로 변환한다. 제1, 2발열체(210, 220)가 생성한 열은 가열 롤러(121)를 통해 정착 닙(N)을 통과하는 인쇄 매체로 전달되어 미정착된 토너를 정착시킨다.
제1발열체(210)는 벌브(201) 내에서 코일을 형성함으로써, 히터(200)의 길이 방향을 따라 균일하게 가열 롤러(121)로 열을 전달할 수 있다. 여기서, 제1발열체(210)는 음의 저항 온도 계수(temperature coefficient of resistance)를 가진다. 다시 말하자면, 제1발열체(210)의 저항은 온도가 증가함에 따라 감소하는 특성을 갖는다. 예컨대, 이러한 특성을 만족하는 물질은 탄소가 될 수 있다. 본 발명의 제1실시 예에서는 탄소 필라멘트가 제1발열체(210)로 사용된다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것일 뿐 제1발열체(210)는 음의 저항 온도 계수를 갖는 다양한 물질로 형성될 수 있음이 이해되어야 할 것이다.
도 4는 본 발명의 제1실시 예에서 사용된 탄소 필라멘트의 온도 변화에 따른 저항을 나타낸 그래프이다. 도 4에서 가로축은 탄소 필라멘트의 온도를 의미하고, 세로축은 탄소 필라멘트의 저항을 의미한다. 도 4를 통해 알 수 있듯이, 탄소 필라멘트의 저항은 온도가 증가함에 따라 감소한다. 특히, 상온에서 탄소 필라멘트는 큰 저항을 갖는 점에 주목하길 바란다.
제2발열체(220)는 벌브(201) 내에 배치되며, 양의 저항 온도 계수를 가진다. 다시 말하자면, 제2발열체(220)의 저항은 온도가 증가함에 따라 증가하는 특성을 갖는다. 예컨대, 이러한 특성을 만족하는 물질은 텅스텐이 될 수 있다. 본 발명의 제1실시 예서는 텅스텐 필라멘트가 제2발열체(220)로 사용된다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것일 뿐 제2발열체(220)는 양의 저항 온도 계수를 갖는 다양한 물질로 형성될 수 있음이 이해되어야 할 것이다.
도 5는 본 발명의 제1실시 예에서 사용된 텅스텐 필라멘트의 온도 변화에 따른 저항을 나타낸 그래프이다. 도 5에서 가로축은 텅스텐 필라멘트의 온도를 의미하고, 세로축은 텅스텐 필라멘트의 저항을 의미한다.도 5를 통해 알 수 있듯이, 텅스텐 필라멘트의 저항은 온도가 증가함에 따라 증가한다. 특히, 상온에서 텅스텐 필라멘트의 작은 저항을 갖는 점에 주목하길 바란다.
이러한 제1, 2발열체(210, 220)는 전기적으로 병렬 연결될 수도 있고 직렬 연결될 수도 있다.
다시 도 2을 참조하면, 커넥터(230)는 외부 전원과 연결되어 제1, 2발열체(210, 220)로 전력을 공급한다. 도 2에서는 하나의 커넥터(230) 만이 도시된 되었으나, 도시되지 않는 히터(200) 반대편에서 동일한 커넥터(230)가 배치된다.
도 3을 참조하면, 제1발열체(210)의 코일의 진행 방향을 따라 배치된 복수의 결합 부재(240)는 제2발열체(220)를 제1발열체(210)에 부착시킨다. 이러한 복수의 결합 부재(240)에 의해 제2발열체(220)는 제1발열체(210)와 접촉하게 된다. 복수의 결합 부재(240)는 고온에 노출되기 때문에 복수의 결합 부재(240)는 내열성 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시 예에서 제2발열체(220)는 제1발열체(210)와 접촉하는 여섯 개의 텅스텐 필라멘트로 구성된다. 여섯 개의 텅스텐 필라멘트 중 세 개의 필라멘트는 제1발열체(210)의 코일의 바깥쪽 표면(211)에 배치되고, 나머지 세 개의 필라멘트는 제1발열체(210)의 코일의 안쪽 표면(212)에 배치된다. 이러한 여섯 개의 텅스텐 필라멘트는 서로 평행하게 제1발열체(210)의 코일의 진행 방향을 따라 연장한다.
본 발명의 제1실시 예에서 제1발열체(210)로 사용된 탄소 필라멘트는 비교적 큰 폭(W)을 갖게 때문에 여섯 개의 텅스텐 필라멘트가 사용될 수 있었다. 탄소 필라멘트의 폭(W)이 작은 경우에는 여섯 개 미만의 텅스텐 필라멘트가 사용될 수도 있으며, 탄소 필라멘트의 폭(W)이 충분히 큰 경우에는 여섯 개를 초과하는 텅스텐 필라멘트가 사용될 수도 있다. 또한, 텅스텐 필라멘트는 제1발열체(210)의 코일의 바깥쪽 표면(211)이나 안쪽 표면(212) 중 어느 한 표면에만 배치될 수도 있다.
본 발명의 제1실시 예에 따르는 히터(200)의 정격 가열 출력은 1300 W로 설계되었다. 여기서, 제1발열체(210)의 정격 가열 출력은 800 W로 설계되었고 제2발열체(220)의 정격 가열 출력은 제1발열체(210)의 정격 가열 출력보다 낮은 500 W로 설계되었다. 다시 말해서, 본 발명의 제1실시 예에서는 제1발열체(210)가 주 발열체로 작동하고 제2발열체(220)가 보조 발열체로 작동한다. 음의 저항 온도 계수를 갖는 제1발열체(210)의 정격 가열 출력이 양의 저항 온도 계수를 갖는 제2발열체(220)의 정격 가열 출력보다 높다는 점에 주목하길 바란다.
도 4에 도시된 바와 같이 음의 저항 온도 계수를 갖는 제1발열체(210)는 상온에서 높은 저항을 가지기 때문에 돌입 전류의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 빠른 FPOT를 위해 히터(200)의 가열 출력은 높이더라도, 상온에서 높은 저항을 갖는 제1발열체(210)에 할당되는 가열 출력이 상온에서 낮은 저항을 갖는 제2발열체(220)에 할당되는 가열 출력보다 크기 때문에 과도한 돌입 전류의 발생을 방지할 수 있다. 즉, 제1발열체(210)가 사용되지 않거나 제1발열체(210)에 할당되는 가열 출력이 제2발열체(220)에 할당되는 가열 출력보다 낮은 경우에는 상온에서 낮은 저항을 갖는 제2발열체(220)에 의해 돌입 전류가 크게 발생하는 문제가 발생할 수 있다. 제1발열체(210)의 정격 가열 출력이 800 W로 설정되고 제2발열체(220)의 정격 가열 출력이 500 W로 설정되는 본 발명의 제1실시 예에 따르는 히터(200)에서는 과도한 돌입 전류가 발생하지 않았다.
그러나, 상온에서 높은 저항을 갖는 제1발열체(210)의 존재 때문에 히터(200)의 반응 시간이 늦어지는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 히터(200)로 전력이 공급되는 초기 단계에서는 상온에서 높은 저항을 갖는 제1발열체(210)가 생성하는 열이 그다지 크기 않게 되고, 제1발열체(210)가 최고 가열 출력에 도달하는 시간이 지연된다. 이는 히터(200)로 전력이 공급되는 초기 단계에서 제1발열체(210)가 가열 롤러(121)로 전달되는 열이 작다는 것을 의미하며, 그에 따라 FPOT도 늦어지게 된다.
이를 개선하기 위하여, 히터(200)로 전력이 공급되는 초기 단계에서는 상온에서 낮은 저항을 갖는 제2발열체(220)가 제1발열체(210)를 가열한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 제2발열체(220)는 상온에서 낮은 저항을 갖기 때문에, 히터(200)로 전력이 공급되는 초기 단계에서 제2발열체(220)는 상당히 많은 열을 생성할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 제2발열체(220)는 제1발열체(210)와 접촉하기 때문에, 제2발열체(220)가 생성한 열은 제1발열체(210)를 가열하는데 사용될 수 있다. 제1발열체(210)는 음의 저항 온도 계수를 갖기 때문에, 제2발열체(220)가 제1발열체(210)를 가열함에 따라 제1발열체(210)의 저항은 빨리 낮아지게 된다. 그에 따라 제1발열체(210)는 빠른 기간 내에 최고 가열 출력에 도달할 수 있게 된다.
도 6 내지 8을 참조하여, 히터(200)의 작동 과정을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 도 6 및 7은 본 발명의 제1실시 예의 실험 결과를 나타낸 그래프이고, 도 8은 제1실시 예와 비교하기 위한 기준 실시 예의 실험 결과를 나타낸 그래프다. 기준 실시 예에서는 제2발열체(220)가 존재하지 않으며 제1발열체(210) 만이 사용되었다. 제1실시 예와의 동일한 비교를 위하여, 기준 실시 예의 정격 가열 출력은 제1실시 예와 동일하게 1300 W로 설정되었다.
도 6은 제1, 2발열체(210, 220)의 저항 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6에서 가로축은 히터(200)로 전력이 공급되는 시점부터 경과한 시간을 의미하고, 세로축은 저항을 의미한다. 도 6에서 제1발열체(210)의 저항은 굵은 실선으로 나타내었고, 제2발열체(220)의 저항은 가는 실선으로 나타내었다. 도 6에서 점선은 제2발열체(220)가 존재하지 않는 경우에서 제1발열체(210)의 저항을 나타낸 것이다.
도 7은 히터(200)의 가열 출력의 변화와 가열 롤러(121)의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 7에서 가로축은 히터(200)로 전력이 공급되는 시점부터 경과한 시간을 의미하고, 왼쪽의 세로축은 가열 롤러(121)의 온도를 의미하고, 오른쪽의 세로축은 히터(200)의 가열 출력을 의미한다. 도 7에서 히터(200)의 가열 출력은 가는 실선으로 나타내었고, 가열 롤러(121)의 온도는 굵은 실선으로 나타내었다.
도 8은 기준 실시 예의 실험 결과를 도 7과 동일하게 나타낸 그래프이다.
도 8을 보면 알 수 있듯이, 기준 실시 예에서는 최고 가열 출력에 도달하는 시간이 약 4초 정도 걸리고, 전력이 공급된 시점부터 가열 롤러(121)의 온도가 상승하기 시작하는 지연 시간(d)이 약 2.5초 정도 걸린다. 도 7을 보면 알 수 있듯이, 제1실시 예에서는 최고 가열 출력에 도달하는 시간이 상당히 줄어들고, 전력이 공급된 시점부터 가열 롤러(121)의 온도가 상승하기 시작하는 지연 시간(d)이 약 0.5 초 정도 걸린다. 이러한 차이는 제1실시 예에서 제2발열체(220)가 음의 저항 온도 계수를 갖는 제1발열체(210)를 가열하여 제1발열체(210)의 저항을 감소시키기 때문이다.
도 6은 이런 현상을 명확히 보여준다. 히터(200)로 전력이 공급되는 초기 단계에서 제2발열체(220)가 제1발열체(210)를 가열함으로써, 음의 저항 온도 계수를 갖는 제1발열체(210)의 저항이 급격하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 제1발열체(210)의 저항의 급격한 저항 강하에 따라, 제1발열체(210)는 신속하게 최고 가열 출력에 도달할 수 있다.
도 9는 제2실시 예에 따르는 히터의 가열 출력의 변화와 가열 롤러(121)의 온도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 제2실시 예에 따르는 히터의 구조는 앞선 제1실시 예와 동일하며, 정격 가열 출력이 2100 W로 변경되었다. 여기서, 제1발열체(210)의 정격 가열 출력은 1300 W로 설계되었고, 제2발열체(220)의 정격 가열 출력은 800 W로 설계되었다.
도 9는 도시된 실험 결과는 도 7에 도시된 실험 결과와 유사한 패턴을 보인다. 다만, 제2실시 예에서는 히터의 정격 가열 출력이 높기 때문에 가열 롤러(121)의 승온 속도가 빨라졌다. 또한, 전력이 공급된 시점부터 가열 롤러(121)의 온도가 상승하기 시작하는 지연 시간(d)이 약 0.45초로 제1실시 예보다 약 0.05초 정도 빨라졌다.
도 10은 제3실시 예에 따르는 히터(200a)를 개략적으로 도시한 것이다. 제1실시 예에서 동일한 기능을 하는 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하여 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제3실시 예가 제1실시 예와 다른 점은, 결합 부재(240)가 생략되었다는 점이다. 대신에, 제2발열체(220)는 제1발열체(210)에 접합되며, 이를 위해서는 다양한 방식의 본딩 공정이 실시될 수 있다. 제2발열체(220)가 제1발열체(210)의 코일의 진행 방향을 따라 연장한다는 점은 제1실시 예와 동일하다. 제1실시 예에서 결합 부재(240)가 존재하지 않는 구간에서는 제1, 2발열체(210, 220) 사이에 미세한 유격이 존재할 수 있다. 그러나 제3실시 예에서는 제2발열체(220)가 제1발열체(210)에 접합되기 때문에 제2발열체(220)는 제1발열체(210)에 완전히 밀착된다. 따라서, 히터(200a)로 전력이 공급되는 초기 단계에서 제2발열체(220)가 생성한 열 중 더욱 많은 부분이 제1발열체(210)를 가열하는데 사용될 수 있다. 그 결과, 제1발열체(210)의 저항을 더욱 빨리 감소시킬 수 있고 제1발열체(210)가 더욱 빨라 최고 발열 출력에 도달할 수 있다.
도 11은 제4실시 예에 따르는 히터(200b)를 개략적으로 도시한 것이다. 제1실시 예에서 동일한 기능을 하는 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하여 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제4실시 예에서는 제2발열체(220)가 제1발열체(210)의 코일 주위로 감겨지게 된다. 제1, 2발열체(210, 220) 사이의 마찰력에 의하여 제2발열체(220)가 제 위치에서 고정될 수 있다. 따라서 별도의 결합 부재(240)나 별도의 접합 공정은 불필요하게 된다.
도 12는 제5실시 예에 따르는 히터(200c)를 개략적으로 도시한 것이다. 제1실시 예에서 동일한 기능을 하는 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하여 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제5실시 예에서는, 제1발열체(210)와 같이 제2발열체(220)도 벌브(201) 내에서 코일을 형성한다. 제1발열체(210)의 코일은 제2발열체의 코일 안에 배치된다. 제2발열체(220)가 제1발열체(210)와 떨어져 있다는 점이 앞선 제1-4실시 예와 다르다. 이 경우, 히터(200c)로 전력이 공급되는 초기 단계에서 제2발열체(220)가 생성한 복사열이 제1발열체(210)를 가열하여 제1발열체(210)의 저항을 감소시킨다. 제1발열체(210)를 가열하기 위해서, 제2발열체(220)는 제1발열체(210)에서 너무 멀리 떨어져 있지 않고 제1발열체(210)와 인접하게 배치되는 것이 바람직하다. 제2발열체(220)가 제1발열체(210)를 균일하게 가열하기 위해서는, 제1발열체(210)의 코일과 제2발열체(220)의 코일은 동일한 코일축을 갖는 것이 바람직하다.
도 13은 제6실시 예에 따르는 히터(200d)를 개략적으로 도시한 것이다. 제1실시 예에서 동일한 기능을 하는 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하여 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제6실시 예는 제2발열체(220)가 벌브(201) 내에서 코일을 형성하는 점에서 제5실시 예와 유사하다. 그러나, 제6실시 예에서는 제2발열체(220)의 코일은 제1발열체(210)의 코일 안에 배치된다. 제2발열체(220)가 제1발열체(210)를 균일하게 가열하기 위해서는, 제1발열체(210)의 코일과 제2발열체(220)의 코일은 동일한 코일축을 갖는 것이 바람직하다.
도 14는 제7실시 예에 따르는 히터(200e)를 개략적으로 도시한 것이다. 제1실시 예에서 동일한 기능을 하는 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하여 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제7실시 예에 있어서, 제1발열체(210)의 코일과 제2발열체(220)의 코일은 동일한 코일 발경과 동일한 코일 축을 갖는다. 다만, 제2발열체(220)의 코일은 제1발열체(210)의 코일로부터 오프셋되도록 배치된다.
앞선 실시 예들에서는 히터(200, 200a-200e)의 정격 가열 출력이 1300 W와 2100 W이었다.그러나 이는 단지 예시적인 것이며, 히터(200, 200a-200e)의 정격 가열 출력은 600 W 이상 3000 W가 될 수도 있다. 히터(200, 200a-200e)의 정격 가열 출력이 변화되더라도, 과도한 돌입 전류의 발생을 방지하기 위하여 제1발열체(210)의 정격 가열 출력은 제2발열체(220)의 정격 가열 출력보다 높게 설정된다.
아래의 표는 앞선 제1-7실시 예와 기준 실시 예의 실험 결과를 정리한 표이다.
정격
가열출력
(W)		 실측
가열출력
(W)		 지연
시간
(s)		 최대 출력 도달 시간
(s)		 승온
속도
(℃/s)		 승온
속도의
비율		 KW 당
승온
속도
(℃/s?KW)		 발열
성능
개선비
기준
실시예		 1300 1125 2.50 3.60 20.0 1.00 18 1.00
실시예1 1300 1150 0.50 0.60 28.0 1.40 24 1.37
실시예2 2100 1860 0.45 0.55 40.5 2.02 22 1.22
실시예3 1300 1160 0.45 0.55 29.0 1.45 25 1.40
실시예4 1300 1149 0.50 0.60 28.0 1.40 24 1.37
실시예5 1300 1128 1.00 1.50 26.0 1.30 23 1.29
실시예6 1300 1130 1.20 1.80 24.0 1.20 21 1.19
실시예7 1300 1139 0.85 1.65 27.0 1.35 24 1.33
앞선 표에서 지연 시간은 히터로 전력이 공급되는 시점부터 가열 롤러의 온도가 상승하기 시작하는 시간은 의미한다. 최대 출력 도달 시간은 히터의 가열 출력이 측정된 최대 가열 출력의 97.7% 수준에 도달하는데 걸리는 시간을 의미한다.
제1-7실시 예 모두 기준 실시 예보다 지연 시간과 최대 출력 도달 시간이 크게 단축된 것을 확인할 수 있다. 제2발열체(220)가 제1발열체(210)가 접촉하는 제1-4실시 예가 더 좋은 결과를 보여주는데, 이는 제2발열체(220)가 제1발열체(210)가 접촉함으로써 더 많은 열이 제1발열체(210)를 가열하는데 사용되어 제1발열체(210)의 저항을 더욱 빨리 감소시킬 수 있었기 때문이다.
승온 속도는 가열 롤러가 단위 시간당 상승한 온도를 의미한다. 실험 결과 가열 롤러의 온도가 50 ℃에서 180 ℃ 사이의 구간에서는 거의 선형으로 증가하였기 때문에, 앞서 표의 승온 속도는 50 ℃에서 180 ℃ 사이의 구간에서 측정한 결과이다. 제1-7실시 예 모두 기준 실시 예보다 승온 속도가 향상된 것을 확인할 수 있다. 승온 속도는 제1-7실시 예 사이에서 큰 편차를 보이지 않는데, 이는 제2발열체(220)가 제1발열체(210)를 가열하여 제1발열체(210)의 저항을 감소시키는 효과는 히터로 전력이 공급되는 초기 단계에서 크게 작용하기 때문이다. 즉, 가열 롤러의 온도가 50 ℃에서 180 ℃ 사이의 구간에 있는 경우에는 어느 실시 예든지 제1발열체(210)가 상당히 가열된 상태에 있어서 제1발열체(210)의 저항은 낮게 유지되고 제1-7실시 예 사이에서 제1발열체(210)의 저항은 큰 편차를 보이지 않는다. 제2실시 예의 승온 속도가 큰 값을 갖는 것은 정격 가열 출력이 다른 실시 예의 정격 가열 출력보다 크기 때문이다.
승온 속도의 비율은 각 실시 예의 승온 속도를 기준 실시 예의 승온 속도로 나눈 값을 의미한다. 예컨대, 기준 실시 예의 승온 속도가 20.0 ℃/s이고 제1실시 예의 승온 속도가 28.0 ℃/s이기 때문에, 제1실시 예의 승온 속도의 비율은 1.40 (= 28.0/20.0)이 된다.
KW 당 승온 속도는 승온 속도를 측정된 가열 출력(KW)으로 나눈 것을 의미한다. 제2실시 예는 다른 실시 예들보다 정격 가열 출력이 높기 때문에, 제2실시 예와 다른 실시 예들을 동일선상에서 비교하기 위하여 KW 당 승온 속도가 도입되었다. 예컨대, 제1실시 예의 승온 속도는 28 ℃/s이고 실측 가열 출력은 1.115 KW이기 때문에, 제1실시 예의 KW 당 승온 속도는 24 (= 28/1.115) ℃/s?KW가 된다.
발열 성능 개선비는 각 실시 예의 KW 당 승온 속도를 기준 실시 예의 KW 당 승온 속도로 나눈 값을 의미한다.
실시 예들에 사이에서 정도의 차이는 있으나, 지연 시간, 최대 출력 도달 시간, 및 승온 속도가 기준 실시 예보다 개선될 것을 앞선 표를 통해서 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 빠른 FTOP를 달성할 수 있다. 또한, 히터(200, 200a-200e)의 가열 출력은 높이더라도, 상온에서 높은 저항을 갖는 제1발열체(210)가 존재한다는 점과 상온에서 높은 저항을 갖는 제1발열체(210)에 할당되는 가열 출력이 상온에서 낮은 저항을 갖는 제2발열체(220)에 할당되는 가열 출력보다 크다는 점 때문에, 과도한 돌입 전류의 발생을 방지할 수 있다. 그 결과, 가열 롤러(121) 안에 하나의 히터(200, 200a-200e)가 배치되더라도 빠른 FTOP의 달성과 과도한 돌입 전류의 억제가 가능하기 때문에 정착 장치(100)의 소형화에 도움을 줄 수 있다.
본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것이며, 한정의 의미로 이해되어서는 안 될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 청구범위의 범주 내에서 자유로이 실행될 수 있을 것이다.
1; 화상 형성 장치 100; 정착 장치
110; 가압 유닛 120; 가열 유닛
121; 가열 롤러 200; 히터
201; 벌브 210; 제1발열체
220; 제2발열체 230; 커넥터
240; 결합 부재

Claims (19)

  1. 인쇄 매체로 열을 공급하기 위한 정착 장치용 히터에 있어서,
    벌브;
    음의 저항 온도 계수와 제1정격 가열 출력을 가지며, 상기 벌브 내에서 제1코일을 형성하는 제1발열체; 및
    양의 저항 온도 계수와 상기 제1정격 가열 출력보다 낮은 제2정격 가열 출력을 가지며, 상기 벌브 내에 배치되는 제2발열체를 포함하고,
    상기 제2발열체는 상기 제1발열체와 인접하게 배치됨으로써, 상기 히터로 전력이 공급되는 초기 단계에서 상기 제2발열체가 상기 제1발열체를 가열하여 상기 제1발열체의 저항을 감소시키는 것을 특징으로 하는 히터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1발열체는 탄소 필라멘트를 포함하고,
    상기 제2발열체는 텅스텐 필라멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 히터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2발열체는 상기 제1발열체의 상기 제1코일과 접촉하는 복수의 필라멘트를 포함하고,
    상기 복수의 필라멘트는 서로 평행하게 상기 제1발열체의 상기 제1코일의 진행 방향을 따라 연장하는 것을 특징으로 하는 히터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2발열체를 상기 제1발열체에 부착시키는 복수의 결합 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 결합 부재는 상기 제1발열체의 상기 제1코일의 진행 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 히터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2발열체는 상기 제1발열체에 접합되는 것을 특징으로 하는 히터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2발열체는 상기 제1발열체의 상기 제1코일의 진행 방향을 따라 연장하는 것을 특징으로 하는 히터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2발열체는 상기 제1발열체의 상기 제1코일 주위로 감겨지는 것을 특징으로 하는 히터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2발열체는 상기 벌브 내에서 제2코일을 형성하는 것을 특징으로 하는 히터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1코일은 상기 제2코일 안에 배치되는 것을 특징으로 하는 히터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2코일은 상기 제1코일 안에 배치되는 것을 특징으로 하는 히터.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1, 2코일은 동일한 코일축을 갖는 것을 특징으로 하는 히터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1, 2코일은 동일한 코일 반경을 가지고,
    상기 제2코일은 상기 코일축을 따라 상기 제1코일로부터 오프셋되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 히터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 히터의 가열 출력은 600 W 이상 3000 W 이하인 것을 특징으로 하는 히터.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1발열체의 상기 제1정격 가열 출력은 800 W 이고,
    상기 제2발열체의 상기 제2정격 가열 출력은 500 W 인 것을 특징으로 하는 히터.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 2발열체는 전기적으로 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 히터.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 2발열체는 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 히터.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따르는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 정착 장치.
  19. 제18항에 따르는 정착 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.
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