KR20120140621A

KR20120140621A - 화상 가열 장치

Info

Publication number: KR20120140621A
Application number: KR1020120066012A
Authority: KR
Inventors: 고헤이 오까야스; 사또시 니시다
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2012-12-31
Also published as: US20120328341A1; EP2538283A1; KR101548037B1; US9014608B2; EP2538283B1; JP2013003502A; JP5963404B2; CN102841530A; CN102841530B; KR20150063335A

Abstract

토너 화상을 담지한 기록재를 닙부에서 반송하면서 가열하는 화상 가열 장치는 코어 금속, 코어 금속의 외주면 상에 형성된 단열층 및 단열층의 외주면 상에 형성되며 단열층보다 높은 열 전도율을 갖는 고 전열층을 포함한 정착 롤러; 정착 롤러를 외부에서 가열하는 가열 부재 및 정착 롤러와 함께 닙부를 형성하는 백업 부재를 포함한다. 정착 롤러 및 정착 롤러에 대향하는 백업 부재에 동일한 열량이 공급되면, 열량을 공급받은 백업 부재의 표면 근방에서의 온도 상승 속도는 정착 롤러보다 더 빠르다.

Description

화상 가열 장치{IMAGE HEATING APPARATUS}

본 발명은 전자사진 복사기 또는 전자사진 레이저 빔 프린터 등의 화상 형성 장치에 탑재되는 화상 정착 디바이스(image fixing device)로서 적합하게 이용되는 화상 가열 장치(image heating apparatus) 및 화상 가열 장치를 탑재한 화상 형성 장치에 관한 것이다.

화상 가열 장치로서, 기록재에 형성된 미정착 화상을 정착 화상으로서 가열 정착하는 정착 디바이스 및 기록재에 정착된 화상을 재가열하여 화상의 광택도(glossiness)를 증가시키는 광택도 증가 디바이스(화상 개질 디바이스)를 들 수 있다.

전자사진 복사기, 팩시밀리기 또는 프린터 등의 전자사진 프로세스를 이용하는 기기(equipment)에 사용되는 화상 가열 장치(정착 디바이스)로서, 종래에는 일반적으로 가열 롤러 방식(heating roller type)의 것들을 사용해 왔다. 가열 롤러 방식의 정착 디바이스는 정착 롤러 및 그 정착 롤러에 압접하여 정착 닙부(nip)를 형성하는 가압(pressing) 롤러를 포함한다. 또한, 이들 롤러 중 하나 또는 둘 모두가 내부에서 가열되고, 미정착 화상을 담지한 기록재를 정착 닙부에서 협지-반송(nip-convey)함으로써, 미정착 화상을 가열 및 가압에 의해 기록재 상에 정착 화상으로서 정착시킨다.

가열 롤러 방식의 정착 디바이스에 의해 고속 화상 형성 장치에 대응하기 위해서는, 기록재 반송 방향에 대해 닙부 폭을 증가시켜 정착 닙부에서의 기록재에 충분한 열이 가해질 수 있도록 할 필요가 있다. 또한, 기록재 상에서의 화상 불균일성 정도를 경감시키기 위해서는, 정착 롤러에 탄성층을 제공할 필요가 있다. 그러나, 종래의 탄성층을 포함한 가열 롤러 방식의 정착 롤러에서는, 정착 롤러의 열용량이 크므로, 두께가 두꺼운 탄성층을 통한 정착 롤러의 내면으로부터의 열 전달에 의해 정착 롤러 표면의 온도를 미리 결정된 온도까지 증가시킨다. 그런 이유로, FPOT(First Print Out Time: 제1 인쇄 출력 시간)가 길어진다.

상기 문제에 대한 대책으로서, 외부 가열 방식의 정착 디바이스가 일본 특허 공개 공보 제2004-101608호에 제안되어 있다. 이 정착 디바이스는 정착 롤러, 정착 롤러와 함께 용지 반송 닙부(정착 닙부)를 형성하는 백업 부재 및 정착 롤러의 외주면을 가열하는 가열 부재를 포함한다. 정착성을 확보하기 위한 닙부 폭을 얻기 위해, 정착 롤러는 탄성층을 포함하며, 정착 롤러의 표면 온도를 정착가능한 온도로 급속으로 증가시키기 위해 정착 롤러를 그 표면 측부터 가열시킨다.

또한, 정착 롤러의 표면 온도 상승을 급속으로 증가시키기 위해, 정착 롤러는 이형층인 최외각층 내에 얇은 고 전열층(heat transfer layer)을 설치하고 있으며, 또한 고 전열층 내에 단열층도 설치하고 있다.

이와 같이, 정착 롤러의 열용량을 감소시킴으로써, 정착 롤러의 더 급속한 온도 상승을 실현할 수 있다. 또한, 백업 부재로서는, 가압 롤러 또는 가압 패드 등의 부재가 고려될 수 있으며, 가압 패드는 정착 롤러와 이 가압 패드에 의해 가압되는 필름 사이에 정착 닙부를 형성한다. 백업 부재의 열용량을 감소시킴으로써, FPOT를 더욱 단축할 수 있다.

본 발명의 주 목적은, 정착 롤러의 열용량을 감소시킴에 의한 FPOT를 단축시키면서 정착 롤러의 용지 비통과부(non-sheet-passing portion)의 온도 상승을 억제시킬 수 있는 화상 가열 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 토너 화상을 담지한 기록재를 닙부에서 반송시키면서 가열하는 화상 가열 장치를 제공하며, 상기 화상 가열 장치는 코어 금속, 코어 금속의 외주면 상에 형성된 단열층 및 단열층의 외주면 상에 형성되고 단열층보다 높은 열 전도율을 갖는 고 전열층을 포함한 정착 롤러; 정착 롤러의 외부에서 정착 롤러의 표면을 가열하는 가열 부재; 및 정착 롤러와 함께 닙부를 형성하는 백업 부재를 포함하며, 정착 롤러의 표면 및 정착 롤러의 표면에 대향하는 백업 부재의 표면에 동일한 열량이 공급되면, 열량을 공급받은 백업 부재의 표면 근방의 온도 상승 속도는 정착 롤러보다 빠르다.

본 발명에 따르면, 정착 롤러의 열용량을 감소시킴에 의한 FPOT를 단축시키면서 정착 롤러의 용지 비통과부의 온도 상승을 억제할 수 있다.

본 발명의 이들 및 기타 목적, 특징 및 효과들은 첨부된 도면을 참조하면서 기술한 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 이하의 설명을 고려함으로써 더 명백해 질 것이다.

도 1은 실시예 1의 정착 디바이스를 구비한 화상 가열 장치의 개략적인 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 실시예 1의 정착 디바이스의 개략적인 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 정착 디바이스의 가열 압접부의 근방의 확대도 및 온도 제어계의 블록도.
도 4는 무한 시료 중에서 가정된 열원으로부터의 열 확산을 보여주는 개략도.
도 5는 히터선 상승 온도와 경과 시간 간의 관계를 보여주는 그래프.
도 6의 (a) 및 (b)는 측정 디바이스("QTM-500")의 프로브("PD-13")를 도시한 도면.
도 7의 (a) 및 (b)는 실측 열 전도율의 측정 방법을 도시한 개략도.
도 8은 실시예 1의 정착 디바이스의 정착 롤러 온도 측정 위치를 도시하는 사시도.
도 9는 실시예 2의 정착 디바이스의 개략적인 구조를 보여주는 단면도.

(실시예 1)

제1 예시적 실시예를 기술한다.

(1) 화상 형성부

도 1은 본 발명에 따른 화상 가열 장치를 정착 디바이스(7)로서 탑재한 화상 형성 장치(1)의 일례의 개략적인 구조를 보여주는 단면도이다. 이 장치(1)는 전자사진 방식의 레이저 빔 프린터이다. 프린터(1)에는, 프린터(1) 외부에 제공된 호스트 컴퓨터 등의 화상 정보 제공 디바이스(외부 호스트 디바이스)로부터 화상 정보가 입력된다. 또한, 프린터(1)는 입력된 화상 정보에 따른 화상을 용지형(sheet-like) 기록재 P에 형성하여 기록하도록 하는 일련의 화상 형성 프로세스를 전자사진 방법에 의해 수행한다.

프린터(1)는 화상 담지 부재로서의 드럼형의 회전가능한 전자사진 감광성 부재(2), 1차 대전 기구(8) 및 현상 디바이스(3)를 보유한 프로세스 카트리지(4)를 포함한다. 또한, 프린터(1)는 감광성 부재(2)의 외주면 상에 화상 정보에 따른 정전 잠상을 화상 정보 제공 디바이스로부터 입력된 화상 정보에 따른 노광(프로세스) 단계에 의해 형성하는 레이저 스캐너 유닛(이하, 스캐너라 칭함)(5)을 포함한다. 또한, 프린터는 기록재 P 상으로 화상을 전사하는 롤형 회전가능한 전사 부재(6) 및 화상 전사 처리가 행해진 기록재 P 상의 화상을 가열 및 가압에 의해 정착시키는 화상 가열 장치로서의 정착 디바이스(7)를 포함한다.

1차 대전 기구(8)는 스캐너(5)에 의한 노광 단계 전에 상용 전원 등으로부터의 미리 정해진 바이어스가 공급됨으로써 회전 감광성 부재(2)의 외주면을 미리 결정된 전위 분포를 갖도록 대전시키도록 구성된다. 스캐너(5)는 화상 정보 제공 디바이스로부터의 화상 정보에 따라 변조된 레이저 광 La을 출력한다. 감광성 부재(2)의 외주면의 대전된 부분은 프로세스 카트리지(4)에 제공된 윈도우(4a)를 통해 레이저 광 La로 주사 노광된다. 그 결과, 감광성 부재(2)의 외주면 상에는 화상 정보에 따른 정전 잠상이 형성된다.

다음으로, 프린터(1)에서의 일련의 화상 형성 프로세스에 대해 기술하기로 한다. 먼저, 감광성 부재(2)의 회전 구동이 개시되어, 감광성 부재(2)는 화살표 K1로 표시된 시계 방향으로 미리 결정된 주연 속도로 회전된다. 동시에, 감광성 부재(2)의 외주면은 미리 정해진 바이어스가 인가된 1차 대전 기구(8)에 의해 미리 결정된 전위 분포를 갖도록 대전된다.

다음으로, 화상 정보 제공 디바이스로부터의 화상 정보에 따라, 감광성 부재(2)의 외주면의 대전된 부분은 스캐너(5)에 의해 주사 노광된다. 그 결과, 감광성 부재(2)의 상기 부분 상에는 화상 정보에 따른 정전 잠상이 형성된다. 이 정전 잠상을 현상 디바이스(3)의 현상제로 현상하여 토너 화상으로서 가시화시킨다.

한편, 미리 결정된 타이밍으로 구동되는 급지(sheet-feeding) 롤러(12)에 의해, 급지 카세트(11)로부터 기록재 P의 용지들이 분리되어 한 장씩 공급된다. 급지 카세트(11)에는, 복수매의 기록재 P가 적재되어 수납되어 있다. 급지 카세트(11)로부터 공급된 기록재 P는 감광성 부재(2)와 전사 부재(6) 사이에 형성된 전사 닙부로 반송 롤러(13)에 의해 미리 결정된 타이밍으로 반송된 후, 전사 닙부에서 협지 반송된다. 전사 닙부에서의 이러한 반송 프로세스에서, 감광성 부재(2) 상의 토너 화상이 기록재 P 상으로 순차로 전사된다.

그리고, 전사 프로세스가 행해진 기록재 P에 대해 정착 디바이스에 의해 가열 및 가압으로 정착 프로세스를 행한 후, 회전가능하게 지지되는 반송 롤러(14)를 통해 배지 롤러(15)에 의해 프린터(1)의 본체(main assembly)의 외측으로 배출시킨다. 배출된 기록재 P 용지는 프린터(1)의 상면에 탑재된 트레이 상에 적재된다. 이상과 같이, 일련의 화상 형성 프로세스는 종료된다. 한편, 전사 프로세스 후의 감광성 부재(2) 상에 잔류하는 잔류 토너는 미도시된 클리닝 기구에 의해 회수된다.

(2) 정착 디바이스(7)

도 2는 정착 디바이스의 개략적인 구조를 보여주는 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 정착 디바이스의 가열 압접부의 근방의 확대도 및 온도 제어계의 블록도를 포함한다.

이하의 설명에서는, 정착 디바이스 또는 정착 디바이스를 구성하는 부재들의 길이 방향은 회전가능한 부재의 축 방향(트러스트 방향) 또는 기록재 반송로의 면에서 기록재 반송 방향 a에 수직인 방향이다. 또한, 폭 방향은 기록재 반송 방향 a와 평행인 방향이다. 기록재의 폭 사이즈 또는 기록재의 용지-통과 폭은 기록재 표면 상에서 기록재 반송 방향 a에 수직인 방향에 대한 치수이다.

정착 디바이스(7)는 필름 및 가압(압박) 패드를 포함한 부재를 백업 부재로서 사용하는 외부 가열 방식의 화상 가열 장치이다. 정착 디바이스(7)는 단열층을 갖는 정착 롤러(30)를 포함한다. 또한, 정착 디바이스(7)는 정착 롤러(30)를 외부에서 가열하는 가열 부재로서 판형 히터(21)를 포함한다. 또한, 정착 디바이스(7)는 필름(60)과, 이 필름(60)을 가압하는 가압 패드(50)를 포함하여 필름(60)과 롤러(30) 사이에 정착 닙부 Nt를 형성하는 백업 부재(40)를 포함한다. 또한, 정착 디바이스(7)는 정착 닙부 Nt에서 기록재 P를 협지-반송하면서 롤러(30)의 열에 의해 기록재 P 상의 화상 t를 가열하는 디바이스이다.

(2-1) 정착 롤러(30)

롤러(30)는 탄성을 가지며 외경은 17.5 내지 18㎜이다. 롤러(30)는 코어 금속(31)의 외주면 상에, 단열층(기층)(32), 단열층(32)보다 열 전도율이 높은 고 전열층(33) 및 표층(최외각층)인 이형층(34)으로 이루어진 3 층을 기술된 순서대로 내측에서 외측으로 동심 일체로 적층시킨 복합 부재이다.

본 실시예에서, 코어 금속(31)은 외경이 10㎜이며 철, 스테인리스 강(SUS), 알루미늄 등으로 형성된 원주형 금속 막대(바) 부재이다. 단열층(32)은 주로 단열성이 높은 실리콘 고무(발포 고무)로 형성되는 3.5㎜ 두께의 탄성층이다. 고 전열층(33)은 알루미나 고무 등으로 주로 형성되는 200㎛ 두께의 고 전열 고무층이다. 이형층(34)은 이형성이 높으며 주로 PTFE, PFA, FEP 등으로 형성되는 10㎛ 두께의 재료층이다.

롤러(30)는 단열층(32)보다 얇은 고 전열층(33)을 이형층 내에 설치하여 롤러(30)의 표면 온도 상승 속도를 증가시키는 구조를 갖는다.

롤러(30)는 코어 금속(31)의 양 단부에서 (정착) 디바이스 케이싱에 의해 회전가능하게 지지된다. 또한, 롤러(30)는 미도시된 구동원으로부터 구동력을 받아 화살표 R30으로 표시된 시계 방향으로 미리 결정된 속도로 회전된다.

(2-2) 히터(21)

롤러(30)를 외부에서 가열하는 가열 부재인 판형 히터(21)는 롤러(30)의 길이 방향으로 기다란 세라믹 히터이다. 이 히터(21)는 1.0㎜ 두께의 기다란 세라믹 기판(21a) 및 기판(21a)의 길이 방향으로 따라 기판(21a)의 면 상에 형성된 통전 발열 저항층(21b)을 포함한다. 본 실시예에서는, 저항층(21b)을 은과 팔라듐의 발열체 페이스트를 10㎛ 두께로 스크린-인쇄한 후, 이 페이스트를 소결하여 형성하였다.

또한, 저항층(21b)이 형성되는 기판(21a)의 면 상에, 저항층(21b)을 보호하는 보호층(21c)으로서 30㎛ 두께의 절연 글래스 층을 형성하고, 그 위에 10㎛ 두께의 PFA 수지의 슬라이딩 층(21d)을 형성한다.

저항층(21b)이 형성되는 면과 반대 측인 기판(21a)의 면의 길이 방향 중심부에, 히터(21)의 온도 검출 부재로서의 서미스터(22)를 접촉시킨다.

히터(21)는 강성(rigidity) 및 내열성이 높으며 액정 폴리머 부재로 형성된 홀더(23)에 의해 보유된다. 홀더(23)는 히터(21)의 길이 방향으로 기다란 형상을 가지며, 히터(21)의 길이 방향을 따라 히터(21)를 결합하기 위한 홈(23a)을 구비하고 있다. 히터(21)는 홀더(23)의 홈(23a)에 저항층(21b)이 형성된 면을 외향으로(롤러(30) 쪽으로) 하여 결합되어 보유된다.

홀더(23)는 홀더(23)에 의해 보유되는 히터(21)가 롤러(30)에 대향하도록 배치된다. 또한, 홀더(23)는 히터(21)가 롤러(30)의 탄성에 대해 롤러(30)의 표면에 미리 결정된 압력으로 가압-접촉되도록 미도시된 가압 기구에 의해 가압된다. 그 결과, 롤러(30)와 히터(21) 사이에는 미리 결정된 폭을 갖는 가열 압접부 Nh가 형성된다. 본 실시예에서는, 가열 압접부의 폭이 7㎜가 되도록 히터(21)와 롤러(30) 간에 14kgf의 압력을 인가한다.

(2-3) 백업 부재(40)

백업 부재(40)는 원통형 필름(60); 및 필름(60)과 롤러(30) 사이에 정착 닙부 Nt가 형성되도록 필름(60)을 가압하는 가압 패드(50)를 포함한다.

본 실시예에서는, 필름(60)은 외경이 18㎜이고 두께가 60㎛인 기층(61) 및 기층(61)의 외주면 상에 형성된 표층으로서의 두께가 10㎛인 PFA의 이형층(62)을 갖는 복합층 필름이다.

패드(50)의 재료로서는, 필름(60)과 롤러(30) 사이에 정착 닙부 Nt를 형성하여 길이 방향에 대해 정착 닙부 Nt의 온도를 균일하게 하기 위해서, 열 전도율이 우수한 재료를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 재료는 패드(50)가 롤러(30)로부터 필요 이상의 열을 취하는 정도의 열용량을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 재료는 정착 닙부 Nt가 길이 방향에 대해 균일한 닙부 형상을 갖게 되는 기계 강도를 갖는 것도 필요하다. 따라서, 패드(50)의 재료로서는, SUS, 철 또는 알루미늄 등의 금속 재료를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 본 실시예에서는, 패드(50)를 폭이 6.5㎜이며 두께가 1㎜인 알루미늄 판으로 하였다.

패드(50)는 횡단면이 실질적으로 반원형의 도우(though) 형상으로, 액정 폴리머로 형성된 홀더(51)에 의해 보유된다. 홀더(51)는 패드(50)의 길이 방향을 따라 패드(50)를 결합시키기 위한 홈(51a)을 구비하여, 패드(50)가 홈(51a)에 결합됨으로써 홀더(51)에 의해 보유된다. 또한, 패드(50)가 결합되는 측과 반대인 홀더(51) 측에, 단면 형상이 U자형인 스테이(지지 부재)(52)가 설치되어 있다. 본 실시예에서는, 스테이(52)의 재료는 철이다.

필름(60)은 홀더(51)에 느슨하게 외부에서 결합된다.

백업 부재(40)는 패드(50)가 롤러(30)에 대향하도록 배치된다. 또한, 히터(21)와 패드(50)는 롤러(30)를 사이에 두고 서로 대향 배치되어 있다. 또한, 스테이(52)는 패드(50)가 롤러(30)의 탄성에 대해 미리 결정된 압력으로 롤러(30) 쪽으로 필름(60)의 표면에 압접되도록 미도시의 가압 기구에 의해 가압된다. 그 결과, 롤러(30)와 필름(60) 사이에는 미리 결정된 폭을 갖는 정착 닙부 Nt가 형성된다.

본 실시예에서는, 롤러(30)와 패드(50) 간에 15kgf의 압력을 가하여, 정착 닙부 Nt의 폭을 7㎜로 한다.

(2-4) 가열 정착 동작

정착 디바이스(7)가 일련의 화상 가열 정착 동작을 수행하기 직전에, 정착 디바이스(7)를 통과하게 될 기록재 P의 폭 사이즈를 미도시의 종이(용지) 사이즈 검출 부재에 의해 검출한다.

롤러(30)는 미도시의 구동원으로부터 구동력을 받아 화살표 R30으로 표시된 시계 방향으로 미리 결정된 속도로 회전가능하게 구동된다. 롤러(30)는 가열 압접부 Nh에서 히터(21)의 표면에 밀접하여 슬라이드하면서 회전된다.

또한, 백업 부재(40)의 필름(60)은 정착 닙부 Nt에서의 롤러(30)와의 마찰력을 통한 롤러(30)의 회전에 의해 화살표 R60으로 표시된 반시계 방향으로 회전된다. 동시에, 필름(60)의 내면은 패드(50)에 밀접하여 슬라이드하면서 회전된다. 또한, 홀더(51)는 필름(60)의 회전 안내 부재로서도 기능한다.

그리고, 도 3에 도시된 (온도) 제어기(80)는 통전 구동 부재로서의 트라이액 소자(81)를 턴 온시켜, AC 전원(83)(상용 전원)으로부터 히터(21)의 기판(21a)의 길이 단부에 제공된 미도시의 전극부를 통해 저항층(21b)으로의 통전을 개시한다. 저항층(21b)은 통전에 의해 발열하여, 히터(21)의 온도는 저항층(21b)의 발열로 증가한다. 히터(21) 자체는 열용량이 낮으므로, 그 온도 상승은 빠르다. 히터(21)의 온도 상승은 기판(21a) 상에 제공된 서미스터(22)에 의해 검출되고, 서미스터(22)의 검출 신호를 제어기(80)가 받아들인다.

제어기(80)는 검출 신호에 기초하여 트라이액 소자(81)를 턴 온 및 턴 오프하여 저항층(21b)으로의 통전을 제어함으로써, 서미스터에 의해 검출된 히터(21)의 온도를 목표 온도로 유지한다. 롤러(30)의 표면은 히터(21)에 의해 가열되어, 롤러(30)의 표면 온도는 기록재 P 상의 토너를 용융시켜 정착시키는 정착가능한 온도에 도달한다.

본 실시예에서의 히터(21)의 제어 방법은 저항층(21b)에 인가되는 상용 전원 전압의 듀티비, 파수 등을 검출 신호에 따라 적절하게 제어하는 방식이다. 히터(21)의 제어 방법(방식)은 이것에만 제한되는 것이 아니라, 롤러(30)의 표면 온도를 온도 검출 부재에 의해 직접 검출하여 히터(21)(의 온도)를 제어할 수도 있다.

서미스터(22)에 의한 히터(21)의 검출 온도가 목표 온도까지 상승된 상태에서, 미정착 토너 화상 t를 담지한 기록재가 정착 닙부 Nt로 안내된다. 정착 닙부 Nt에서, 기록재 P는 롤러(30)의 표면과 필름(60)의 표면에 의해 협지-반송된다. 또한, 닙부-반송 중에, 기록재 P 상의 미정착 토너 화상 t에 열 및 압력이 가해져, 미정착 토너 화상 t는 기록재 P 상에 정착 화상으로서 가열 정착된다.

이상 기술한 바와 같이, 히터(21)의 검출 온도가 목표 온도가 되도록 히터(21)를 제어함으로써, 기록재 P 상에서의 정착성을 일정하게 유지할 뿐만 아니라, 기록재 P에 열을 과도하게 가함으로써 발생되는 고온 오프셋(hot offset) 등의 화상 결함을 방지할 수 있다.

(3) 온도 불균일성에 대한 대책

(3-1) 온도 불균일성의 메커니즘

롤러(30)의 열 전도율이 클 경우, 롤러(30) 자체에 의해 롤러(30) 내의 열을 신속하게 균일화할 수 있다. 한편, 롤러(30)의 열 전도율이 작을 경우에는, 온도차를 균일화하는 데 많은 시간이 걸리므로, 롤러(30)의 길이 방향에 대해 온도 불균일성이 생기기 쉽다. 이와 같이, 온도 불균일성은 열 전도율과 밀접하게 연관되어 있다.

열 전도율이 낮은 정착 롤러를 이용하는 외부 가열 방식의 경우에는, 정착 롤러의 열 전도율이 낮기 때문에 정착 롤러의 길이 방향에 대해 온도 불균일성이 생기기 쉽다. 예를 들어, 최대 용지-통과 영역보다 좁은 폭을 갖는 기록재(협폭 기록재)의 용지들이 정착 디바이스를 연속해서 통과하는 경우, 정착 롤러의 전체 부 중에서 협폭 기록재가 통과하지 않는 부분(용지 비통과부)의 온도는 협폭 기록재가 통과하는 부분(용지-통과부)의 온도보다 높게 된다. 그러므로, 협폭 기록재의 용지 통과 종료 직후에 협폭의 기록재보다 폭이 넓은 기록재가 정착 디바이스를 통과하면, 용지-통과부와 협폭 기록재의 용지 비통과부 사이에서의 정착 롤러의 온도차로 인한 정착성의 차이 때문에 불량한 화질이 얻어지는 문제(용지 비통과부의 온도 상승)가 발생한다.

이런 용지 비통과부의 온도 상승은 정착 롤러의 열 전도율이 낮을 경우에 현저히 발생한다. 그런 이유로, 정착 롤러의 열 전도율을 감소시킬 필요가 있는 외부 가열 방식은, 롤러에 히터를 내장시킨 정착 방식보다 용지 비통과부의 온도 상승 면에서 불리하다. 또한, FPOT가 빠를수록, 정착 롤러의 열 전도율을 감소시킬 필요가 있으므로, 용지 비통과부의 온도 상승 문제는 더 심각해진다. 용지 비통과부의 온도 상승을 억제하기 위해, 정착 롤러의 열 전도율을 증가시키면, FPOT는 느려진다. 즉, FPOT의 증가와 용지 비통과부 온도 상승의 억제는 상반 관계에 있다.

그러므로, 종래의 정착 디바이스에서는, 정착 롤러의 열 전도율이 낮은 구성에서 용지 비통과부의 온도로 인한 화상 결함을 억제하기 위해, 협폭 기록재의 연속 용지 통과 종료부터 광폭 기록재의 용지 통과 개시까지의 기간에 정착 롤러의 온도차를 없애기 위한 시간을 제공하였다.

그러나, 이 방법에는 생산성을 상당히 저하시키는 문제가 수반되었다.

(3-2) 온도 불균일성 방지의 메커니즘

상기 정착 디바이스(7)에서, 롤러(30)의 열이 백업 부재(40)의 필름(60)을 거쳐 패드(50)로 전달되면, 패드(50)는 열 평형 상태를 유지하기 위해 패드(50) 내에서의 열을 균일화할 것이다. 이런 열-균일화 속도는 패드(50)의 열 전도율이 클수록 높아진다.

백업 부재(40)의 열 전도율이 롤러(30)의 열 전도율을 초과하는 경우, 패드(50)는 필름(60)을 통해 닙부 Nt에서 열 교환을 쉽게 행한다. 그런 이유로, 용지 비통과부의 온도 상승 등으로 인한 롤러(30)의 길이 방향에 대해 온도차가 생기더라도, 패드(50)는 온도차 감소를 증진시킨다. 그러므로, 용지 비통과부의 온도 상승이 발생하더라도, 패드(50)가 용지 비통과부와 용지 통과부 사이에서의 롤러(30)의 온도차를 감소시키므로, 용지 비통과부의 온도 상승이 억제된다.

이와 같이, 용지 비통과부의 온도 상승으로 인한 온도 불균일성은 롤러(30)와 백업 부재(40) 각각의 열 에너지의 전달 용이성(이하, 실측 열 전도율이라 함)에 종속한다.

본 실시예는 정착 닙부 Nt가 형성된 면에서 백업 부재(40)의 실측 열 전도율이 정착 롤러(30)보다 높다는 특징이 있다.

(3-3) 실측 열 전도율의 측정

본 실시예에서, 실측 열 전도율의 측정은 "비정상 열선법(non-steady hot wire method)"이라 칭하는 방법을 이용하여 행해진다. 구체적으로는, 측정 디바이스("QTM-500": 교토 전자 공업 주식회사 제조)를 사용한 비정상 열선법(프로브 방법)을 이용하여, 단일 층으로 형성된 물질의 열 전도율을 구하기 위한 절차와 동일한 절차에 따라 제품의 외관 열 전도율을 측정하였다.

1) 비정상 열선법

비정상 열선법은 정상 (열선)법과는 달리, 열 전달의 과도 현상을 이용하여 열 전도율을 구한다. 솔리드 시료(solid sample) 경우의 그 측정 원리를 기술하기로 한다. 두 장의 시료 사이에 개재된 직선의 금속 저항선(열선 또는 히터선)에 전기 에너지를 공급하면, 주울 열이 발생하여 그 선에 수직인 면에서 방사상으로 확산되어, 열선에 접촉하는 시료의 온도는 급속으로 증가한다. 이 경우, 시료에서의 열 확산의 난이도에 기초하여, 온도 상승의 상태는 시료에 따라 변한다.

이 측정 방법의 원리는, 이런 온도 상승 속도의 시간 종속성이 열 전도율에 연관되어 연관된 온도 상승 속도로부터 열 전도율을 구하는 것이다. 이 방법에 의한 열 전도율의 산출식은, 이론식으로부터 이하와 같은 방식으로 구해진다. 먼저, 무한으로 확산된 매체 중에 두께가 없는 무한 길이의 직선((recti)linear)의 열원(열선)을 가정한다. 열선으로부터 확산된 열은 도 4에 도시된 바와 같이 열선에 수직인 면에서 2차원적으로 확산되는 것으로 가정하면, 열선으로부터 거리 r 지점에서의 온도 변화는 이하의 수학식 1로 표현된다.

여기서, T는 온도를 나타내고, t는 시간을 나타내고, k는 열 확산율을 나타낸다. 여기서, k는 다음과 같이 표현된다.

여기서, ρ는 밀도를 나타내고, Cp는 비열용량을 나타낸다.

수학식 1을 다음과 같은 3 가지 조건

에 의해 풀면, 이하의 수학식 2가 구해진다.

수학식 2에서, q는 열원으로부터 방산된 열량을 나타내고, λ는 열 전도율을 나타내고, Ei는 이하의 수학식 3에서 주어진 지수 적분을 나타낸다.

수학식 3에서, C = 0.5772...이며, 오일러 정수(Euler's constant)라 한다. r²/4kt가 충분히 작은 경우, 수학식 3의 제3 항 이하를 생략할 수 있으므로, 수학식 3은 -Ei(-x) = -C - lnx가 되므로, 수학식 2는 이하의 수학식 4로 표현된다.

수학식 4는 열선에 접촉되는 시료의 온도 (T)를, 시간을 대수축 (log t)으로 취한 반-대수 그래프로 플롯할 경우, 도 5에 도시된 바와 같은 직선이 주어지며, 열 전도율이 T - logt의 기울기에 포함되는 것을 보여준다. 그러므로, 수학식 4를 만족시키는 범위 내에서, 임의 시각 t₁ 및 t₂에서의 온도가 T₁ 및 T₂인 경우, 이하의 수학식 5를 만족한다.

그러므로, 전기 저항 R(Ω/m)을 갖는 금속선에 전류 I(A)를 통과시켜 그 금속선을 열원으로서 사용한 후, t₁에서 t₂까지의 기간(초 또는 분)에서 그 열원 근방의 온도 상승 T₂ - T₁을 측정하면, 이하의 수학식 6으로부터 열 전도율 λ가 산출된다.

온도 상승 (T)의 측정 지점(장소)은 히터선에 근접한 것이 바람직할 수 있으므로, 실제로는, 히터선에 접촉한 시료에서, 즉 열전쌍(thermocouple)의 온도 측정 접점(junction)의 단부가 히터선에 접촉된 상태에서 측정을 행한다.

2) 프로브

프로브를 이용한 이상적인 측정 방법은, 도 4에 도시된 바와 같이, 열선(히터선)을 무한인 것으로 간주할 수 있는 시료의 중심을 통과시킬 필요가 있지만, 측정해야 할 대상(시료)의 형상에 따라서는 파괴시킬 필요가 있다.

측정 디바이스("QTM-500")의 프로브("PD-13")는, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 측정해야 할 대상(시료)을 비파괴 방식으로 측정할 수 있도록 히터선(71), 열전쌍(72) 및 단열재(73)로 구성되어 있다. 도 6의 (a)는 이상적인 측정 방법을 도시하는 한편, 도 6의 (b)는 실제 측정 구성(방법)을 도시한다. 히터선(71)을 시료에 접촉시키고, 히터선(71)의 주변을 단열재(73)에 의해 단열시킨다. 히터선(71)에 정전류를 통과시키면, 히터선(71)에 발생된 열이 히터선(71)의 주변으로 열적으로 전달된다. 프로브의 단열재(73)는 열 전도율이 매우 낮은 재료로 구성되므로, 히터선(71)의 표면 온도 변화는 시료의 열 전도율에 종속된다.

히터선(71)의 단위 길이 및 단위 시간 당 방산된 열량이 q (Watt/m)이며, 시각 t₁에서 시각 t₂까지의 히터선(71)의 표면 온도 (상승) 증가분이 △T인 경우, 프로브(PD-13)를 이용하여 측정 디바이스(QTM-500)에 의해 측정된 열 전도율은 이하의 방정식으로 주어진다.

열 전도율 = 18.33 × q/△T × log(t₁/t₂) (W/mk).

이와 같이, 가로 좌표는 시간 t의 대수를 나타내고 세로 좌표는 온도 상승분 △T를 나타내는 그래프로 온도를 플롯하면, 직선이 얻어진다. 이 직선의 기울기로부터, 열 전도율을 구할 수 있다. 이와 같이 하여 구해진 열 전도율을 "실측 열 전도율"로 이용한다. 또한, 본 실시예에서, "열 전도율"이 아닌 "실측 열 전도율"이란 용어를 사용한 이유는 다음과 같다.

상기 측정 방법에서, 시료가 단일 재료로 형성되고, 시료의 사이즈가 두께 방향(시료가 히터선에서 멀어지는 방향)에 대해 무한하게 클 경우, 시료의 열전도율에 대한 열용량의 영향은 없다. 그러나, 실측치는 열용량에 의해 영향을 받는다. 이는, 시료의 열용량이 무한으로 간주할 수 없는 유한인 경우 시료의 열용량이 작을수록 시료의 온도 상승 기울기는 커짐으로써, (T-logt) 직선이 시료가 무한인 경우의 (T-logt) 직선에서 벗어나게 되는 현상에 기인한다.

시료가 무한으로 간주할 수 있는 사이즈(프로브(PD-13)의 경우, 100×50×20 이상)가 되면, 결과치는 순수(참) 열 전도율이지만, 체적(사이즈)이 상기 체적 미만인 경우에는 열 전도율은 시료의 열용량에 의해 영향을 받는다.

또한, 롤러(30) 및 백업 부재(40) 각각은 일체형의 재료가 아니라 여러 층들로 구성되어 있으므로, 특정 층의 재료의 열 전도율은 본 실시예의 측정 방법으로 측정할 수 없다. 그러므로, 본 실시예에서는, 여러 층들을 일체형의 전열원으로 간주하여, 상기 측정 방법으로 측정한 열 전도율 값을 실측 열 전도율로 정의한다. 즉, "실측 열 전도율"은 미리 결정된 열량이 공급되는 측정해야 할 대상의 표면 근방에서의 온도 상승 속도와 동일한 의미를 갖는다.

또한, 상술한 바와 같이, 실측 열 전도율은 시료의 열 전도율 이외에 시료의 열용량도 반영시킨 값이다. 이는, 또한 실측 열 전도율이 용지 비통과부의 온도 상승뿐 아니라 후술할 슬립(sleep) FPOT에도 영향을 미치는 이유이기도 하다.

3) 측정 방법

본 실시예에서의 측정 시에는, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 백업 부재(40)의 실측 열 전도율을 측정하기 위해 측정 디바이스(QTM-500)의 프로브(PD-13)를 사용한다. 히터선(71) 및 히터선(71)의 온도를 측정하는 열전쌍(72)을 측정해야 할 대상에 접촉시킨다. 그 후, 프로브의 단열재(73)를 사이에 두고 가압 부재(74)로 일정 압력(10kgf)을 인가하였다. 또한, 측정 디바이스(QTM-500)의 노말 모드(normal mode)로 시료의 재료에 따라 전류값을 선택함으로써 측정을 행하였다.

우선, 백업 부재(40)의 실측 열 전도율을 측정하는 방법(도 7의 (a))에 대해 기술하기로 한다. 백업 부재(40)의 구성에서 정착 닙부 대응부 상에 상술한 프로브를 배치하여 일정 압력을 인가하여 측정을 행하였다. 열 전달에 대한 패드(50)의 재료의 영향을 측정하기 위해, 패드(50)만을 교체한 후, 연관된 정착 닙부에서의 백업 부재 표면의 실측 열 전도율을 측정하였다.

롤러(30)의 열 전도율을 측정하기 위해, 상술한 방법과 마찬가지로 도 7의 (b)에서 도시된 바와 같은 구성에서 측정을 행하였다. 또한, 백업 부재(40) 및 롤러(30) 각각의 종방향 길이는 233㎜이었다.

4) 측정 결과

3 가지 유형의 패드(50)의 재료를 준비한 후, 패드 각각을 배치하였을 때의 백업 부재(40)의 실측 열 전도율을 측정하였다. 결과를 표 1에 도시한다. 롤러(30)의 실측 열 전도율의 측정 결과를 표 2에 도시한다.

가압 패드	두께	폭	A.M.T.C.^*1 (W/mk)
몰드	1㎜	7.5㎜	0.14
알루미늄	1㎜	7.5㎜	0.45
구리	1㎜	7.5㎜	0.67

*1: "A.M.T.C."는 백업 부재 표면의 실측 열 전도율을 나타낸다.

롤러(30)	직경	층(32)	층(33)	층(34)	A.M.T.C.^*1 (W/mk)
롤러 1	Φ16	B.R.^*2 2.0㎜	H.H.T.R.^*4 200㎛	PFA 10㎛	0.19
롤러 2	Φ16	B.R.^*2 1.8㎜	H.H.T.R.^*4 400㎛	PFA 10㎛	0.41
롤러 3	Φ16	B.R.^*2 1.6㎜	H.H.T.R.^*4 600㎛	PFA 10㎛	0.60
솔리드 롤러	Φ16	S.R.^*3 2.5㎜	-	PFA 10㎛	0.83

*1: "A.M.T.C."는 정착 롤러 표면의 실측 열 전도율을 나타낸다.

*2: "B.R."은 벌룬(balloon) 고무를 나타낸다.

*3: "S.R."은 솔리드 고무를 나타낸다.

*4: "H.H.T.R."은 고 전열성 고무를 나타낸다.

(3-4) 실험에 의한 확인

다음에, 롤러(30) 및 백업 부재(40) 각각의 실측 열 전도율이 정착 디바이스(7)의 FPOT 및 용지 비통과부의 온도 상승에 어떠한 영향을 미치는가에 대해 실험을 통해 확인하였다.

실험에 사용된 화상 형성 장치의 프로세스 속도는 100㎜/sec이었고, 실험은 분당 16 장을 인쇄하는 레이저 빔 프린터를 이용하여 행하였다. 실험에서는, 본 실시예의 정착 디바이스(7)를 사용하였다.

또한, 비교 실시예로서, 비교용 정착 디바이스(7A 내지 7F)를 준비하였다. 본 실시예의 정착 디바이스(7)와 비교 실시예의 정착 디바이스(7A 내지 7F)에 공통인 부재 및 부분에 대한 설명은 생략한다.

비교용 정착 디바이스(7A 내지 7F)는 연관된 정착 롤러(30) 및 백업 부재(40) 각각의 실측 열 전도율이 표 3에 도시한 바와 같이 되도록 구성되었다. 비교용 정착 디바이스(7A 내지 7F)의 그 외의 구성은 본 실시예의 정착 디바이스(7)와 동일하다.

실시예	1	7A	7B	7C	7D	7E	7F
FR^*1	(1)	(1)	(2)	(2)	(3)	(3)	S
FRTC^*2	0.19	0.19	0.41	0.41	0.60	0.60	0.83
BM^*3	Al	몰드	Al	몰드	Al	Cu	몰드
BMTC^*4 (W/mk)	0.45	0.14	0.45	0.14	0.45	0.67	0.14

*1: "FR"은 정착 롤러를 나타낸다.

*2: "FRTC"는 정착 롤러 표면의 실측 열 전도율을 나타낸다.

*3: "BM"은 백업 부재를 나타낸다.

*4: "BMTC"는 백업 부재 표면의 실측 열 전도율을 나타낸다.

*5: "SR"은 솔리드 롤러를 나타낸다.

본 실험에서의 화상 형상 장치에서는, 평량 80 g/m²의 종이(용지)를 정착시킬 경우, 서미스터(23)의 검출 온도가 목표 온도 200 내지 210℃가 되도록 히터(21)를 제어한다. 도 8은 본 실험에서의 롤러(30)의 온도 측정 위치를 도시한다. 롤러(30)의 용지 비통과부 Th의 온도 측정 위치 Sh 및 롤러(30)의 용지 통과부 Tt의 온도 측정 위치 St에 대해 타입 K 열전쌍(안리쯔사(Anritsu Corp.) 제조)을 가압시켜 온도를 측정하였다.

<실험 1>

본 실험에서는, 상기 화상 형성 장치를 사용하였고, 주위 온도 15℃ 및 상대 습도 15 %RH의 환경에서, 일반적인 LBP 인쇄 용지(평량: 80 g/m², A4-사이즈(폭: 210㎜, 길이: 297㎜) 종이)를 사용하였다. 정착 디바이스(7)가 주위 온도로 냉각된 상태(슬립 상태)에서, 미리 결정된 전력을 투입하여 인쇄율 5 %의 문자(character) 화상을 한 장의 용지 상에 형성(인쇄)하여, 그 용지가 화상 형성 장치의 외부로 배출될 때까지의 시간(슬립 FPOT)을 측정하였다. 상기 조건에서, 정착 디바이스(7)와 비교용 정착 디바이스(7A 내지 7F) 간에서의 슬립 FPOT를 비교하였다.

여기서, 슬립 FPOT란, 슬립 상태의 정착 디바이스(7)에 미리 결정된 전력을 공급한 후의 인쇄 개시 신호(입력)로부터 기록재의 첫 장에 대한 정착 동작이 완료되어 배출되기까지의 시간을 말한다. 정착 동작은 롤러(30)의 표면 온도가 180 ℃에 도달한 시간부터 개시되므로, 롤러(30)의 표면 온도 상승 속도가 높을수록 슬립 FPOT를 더 단축시킬 수 있다. 본 실시예에서, 목표 슬립 FPOT는 20 초 이하로 설정하였다.

<실험 2>

실험 1에서와 동일한 실험 환경에서, 평량 80 g/m² 및 A5(폭: 148㎜, 길이: 210㎜) 사이즈의 종이를 사용하였으며, 인쇄율 5 %의 문자 화상을 100 장의 종이에 연속하여 인쇄하였다. 이런 연속 인쇄 직후에, 롤러의 용지 비통과부 Th의 온도 측정 위치 Sh 및 롤러(30)의 용지 통과부 Tt의 온도 측정 위치 St 간에서의 온도차를 측정하였다. 또한, 연속 인쇄 직후에, A5 사이즈의 종이보다 폭이 넓고, 롤러(30)의 용지 통과부에 대응하며 A5 사이즈 종이의 통과 시에는 롤러(30)의 용지 비통과부에 대응하는 영역을 통과하는 레터(letter) 사이즈의 종이에서 불량한 화질(화상 결함)이 발생하는지의 여부를 확인하였다.

실험 1에서의 목표 슬립 FPOT의 달성과 실험 2에서의 용지 비통과부의 온도 상승으로 인한 불량한 화질(화상 결함)의 방지 간에서의 양립성의 실현 여부에 대한 평가 결과를 표 4에 도시한다.

실시예	1	7A	7B	7C	7D	7E	7F
FRTC^*1	0.19	0.19	0.41	0.41	0.60	0.60	0.83
BMTC^*2 (W/mk)	0.45	0.14	0.45	0.14	0.45	0.67	0.14
실험 1 슬립 FPOT	9s	7s	13s	11s	17s	20s	23s
실험 2 TD^*3(℃)	18	50	17	30	20	13	10
실험 3 ID^*4	No	Yes	No	Yes	Yes	No	No
양립성^*5	Yes	No	Yes	No	No	Yes	No

*1: "FRTC"는 정착 롤러 표면의 실측 열 전도율을 나타낸다.

*2: "BMTC"는 백업 부재 표면의 실측 열 전도율을 나타낸다.

*3: "TD"는 용지 통과부와 용지 비통과부 간에서의 온도차를 나타낸다.

*4: "ID"는 화상 결함(불량한 화질)을 나타낸다. "Yes"는 화상 결함이 발생한 것을 나타낸다. "No"는 화상 결함이 발생하지 않은 것을 나타낸다.

*5: "양립성"은 목표 슬립 FPOT의 달성과 용지 비통과부의 온도 상승으로 인한 화상 결함의 방지 사이에서의 양립성을 나타낸다. "Yes"는 양립성이 실현된 것을 나타낸다. "No"는 양립성이 실현되지 않은 것을 나타낸다.

실험 1 및 2에서 사용된 정착 디바이스(7 및 7A 내지 7F) 중에서, 목표 슬립 FPOT(20 초 이하)와 화상 결함 발생 방지 간에서의 양립성을 실현할 수 있는 정착 디바이스는 실시예 1의 정착 디바이스(7) 및 비교용 정착 디바이스(7B 및 7E)이었다. 또한, 백업 부재(40)의 실측 열 전도율이 롤러(30)의 실측 열 전도율보다 높은 구성을 갖는 정착 디바이스는 실시예 1의 정착 디바이스(7) 및 비교용 정착 디바이스(7B 및 7E)이다. 그 외의 정착 디바이스는 슬립 FPOT의 감소와 용지 비통과부의 온도 상승으로 인한 화상 결함 발생 방지 간에서의 양립성을 실현할 수 없다.

이런 결과로부터, 슬립 FPOT의 감소와 용지 비통과부의 온도 상승으로 인한 화상 결함 발생 방지 간에서의 양립성은, 백업 부재(40)의 실측 열 전도율이 정착 롤러(30)의 실측 열 전도율보다 높은 구성을 채용함으로써 실현될 수 있음을 알 수 있다.

슬립 FPOT에 대한 영향은, 백업 부재(40)의 실측 열 전도율보다는 롤러(30)의 실측 열 전도율 쪽이 그 정도가 더 크다. 실시예 1의 정착 디바이스(7) 및 비교용 정착 디바이스(7B 및 7E) 중에서, 실측 열 전도율이 가장 낮은 실시예 1의 정착 디바이스(7)가 최단(최고) 슬립 FPOT를 실현한다.

목표 슬립 FPOT의 값에 대한 설정은 화상 형성 장치의 각 타입의 사양에 따라 영향을 받지만, 롤러(30)의 실측 열 전도율이 과도하게 높은 경우에는, 슬립 FPOT는 매우 느려진다(길어진다). 그러므로, 인쇄가 개시될 때까지 롤러(30)로의 전력 공급이 행해지지 않는 에너지 절약형의 정착 디바이스를 실현하기 위해서는, 슬립 FPOT를 약 20 초 이하로 억제할 필요가 있으므로, 롤러(30)의 실측 열 전도율은 0.6 (W/mk) 이하인 것이 바람직할 수 있다.

롤러(30)의 실측 열 전도율이 0.6 (W/mk) 이하인 경우, 정착 롤러 자체에 의한 용지 비통과부와 용지 통과부 간의 온도차를 균일화하는 성능은 저하된다. 백업 부재(40)의 실측 열 전도율이 롤러(30)의 실측 열 전도율보다 높은 경우, 용지 비통과부와 용지 통과부 간의 온도차를 작게 할 수 있다.

실험 1 및 2의 결과로부터, 본 실시예의 구성에 의하면, FPOT의 감소와 용지 비통과부의 온도 상승으로 인한 화상 결함 방지를 양립가능하게 실현할 수 있다고 말할 수 있다.

<실시예 2>

제2 예시적 실시예에 대해 기술하기로 한다.

도 9는 실시예 2의 정착 디바이스(7)의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다. 본 실시예에서는, 정착 디바이스(7)는 정착 롤러(30)의 외부 가열 부재(21A)로서 유도 가열 부재(자계 발생 부재)를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 정착 디바이스(7)에서, 롤러(30)는 실시예 1의 정착 디바이스에서의 롤러(30)의 고 전열층(33)을 전자기 유도 발열 특성을 갖는 금속 슬리브(33A)로 대체하여 준비되어 있다. 슬리브(33A)는, 후술하는 바와 같이, 롤러(30)의 외주면에 비접촉으로 대향하여 설치된 자계 발생 부재(21A)에 의한 자계의 작용으로 유도 가열된다.

슬리브(33A)의 재료는, 예를 들어, 철 또는 SUS 등의 유도 가열에 의해 발열 가능한 자성을 갖는 도전성 부재를 포함하며, 특히, 단지 비투자율이 높기만하면 되는 도전성 부재를 포함하므로, 예를 들어, 실리콘 강판, 전자기 강판 및 니켈 강판을 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 재료가 비자성체이더라도, 유도 가열 가능하며 고 저항값을 갖는, 예를 들어, SUS304 등의 재료 또한 적합하게 사용할 수 있다. 또한, 재료가 세라믹 등의 비자성체의 베이스 부재인 경우에도, 비투자율이 높은 재료를 도전성을 갖도록 배치한 구성을 채용하면, 그러한 재료 또한 사용할 수 있다.

또한, 롤러(30)의 표면 온도 상승 시간을 감소시키기 위해 슬리브(33A)의 두께를 40㎛ 내지 100㎛로 감소시킨다. 본 실시예에서는, 슬리브(33A)로서, 50㎛ 두께의 자성 스테인레스강 부재(SUS430)를 사용한다. 또한, 본 실시예에서는, 열용량을 증가시키기 위해, 슬리브(33A)를 복수의 도전체 층으로 형성하는 것도 가능하다.

컬러 토너를 균일하게 정착시키기 위해, 슬리브(33A)와 이형층(34) 사이에 필요에 따라 약 100㎛ 내지 400㎛ 두께의 Si 고무층을 제공할 수도 있다. 단열층(32)은 단열성이 높은 실리콘 고무(발포 고무) 등을 주성분으로 하여 형성된 3㎜ 두께의 층이다. 이형층(34)은 PFA의 10㎛ 두께의 층이다. 그 외의 롤러 구성은 실시예 1의 롤러(30)와 동일하다.

롤러(30)를 외부에서 가열하는 자계 발생 부재(21A)는 롤러(30)의 상반 주면에 비접촉으로 대향하게 설치되며, 유도 코일(121) 및 페라이트 코어(122)를 포함한다. 코일(121)은 롤러(30)의 상반 주면을 둘러싸게 감겨지도록 배치된다. 코일(121)을 롤러(30)의 상반 주면을 둘러싸도록 배치하면, 곡률이 존재하므로, 코일(121)의 중심 측에 자속이 집중되어, 슬리브(33A)에서 와류 발생량이 증가한다. 그 결과, 롤러(30)의 표면 온도가 급격하게 증가할 수 있다.

코일(121)의 재료로서, 본 실시예에서는, 내열성을 고려하여, 절연층(예컨대, 산화물 층)이 형성된 면을 갖는 알루미늄 단선(solid wire)을 이용하지만, 구리선, 구리계 복합체선 또는 에나멜선 가닥으로 이루어진 리쯔선(Litz wire) 등을 이용할 수도 있다. 이 경우, 어떠한 선의 재료를 선택하더라도, 코일(121)의 주울 손실을 억제하기 위해서는, 코일(121)의 총 저항값은 0.5 Ω 이하, 바람직하게는, 0.1 Ω 이하인 것이 바람직하다.

또한, 코일(121)을 기록재 P의 사이즈에 따라 복수의 코일부로 분할하여 배치할 수 있다. 이 경우, 코일(121)은 적어도 약 반주(half-circumference)의 범위에서 롤러(30)의 외주부를 둘러싸도록 배치된다. 그 결과, 롤러(30)는 단시간에 균일하게 가열될 수 있다.

백업 부재(40)는 실시예 1의 정착 디바이스(7)와 동일한 구성을 갖는다. 백업 부재(40)는 롤러(30) 하측에(자계 발생 부재(21A)가 설치되는 측에 180도 반대측에) 설치된다. 또한, 롤러(30)와 필름(60) 사이에 미리 결정된 폭을 갖는 정착 닙부 Nt가 형성된다. 본 실시예에서, 정착 닙부 Nt는 약 6㎜의 폭을 갖도록 구성된다.

롤러(30)가 회전가능하게 구동되면, 중앙 처리 장치(CPU) 등으로 구성된 제어기(123)에 의해 제어되는 여자 회로(124)에 의해 코일(121)에는 고주파수의 전류가 통과한다. 그 결과, 코일(121)에는 AC 자계가 발생되고, 이 AC 자계의 작용으로 슬리브(33A)가 유도 가열되어 발열한다.

여자 회로(124)에는, 롤러(30)의 정착 닙부 Nt의 입구 근방에 설치된 온도 검출 부재로서의 서미스터(125)가 연결된다. 서미스터(125)는 그 검출 신호에 따라 제어기를 통해 여자 회로(124)를 제어하므로, 롤러(30)의 온도는 미리 결정된 설정 온도(예컨대, 180℃)로 제어된다.

서미스터(125)에 의한 롤러(30)의 표면 검출 온도가 정착가능한 온도(목표 온도)로 유지되는 상태에서, 미정착 토너 화상 t를 담지한 기록재 P가 정착 닙부 Nt로 안내된다. 기록재 P는 롤러(30)의 표면과 필름(60)에 의해 정착 닙부 Nt에서 협지-반송된다. 또한, 협지-반송 프로세스 중에, 기록재 P 상의 미정착 토너 화상 t는 롤러(30)의 열 및 닙 압력에 의해 기록재 P 상에 정착 화상으로서 가열 정착된다.

1) 실측 열 전도율의 측정

실시예 2에서의 롤러(30)의 실측 열 전도율을 측정하였다. 측정 방법은 실시예 1에서와 동일하므로, 그에 대한 기술을 생략하기로 한다. 결과를 표 5에 도시한다.

정착 롤러	직경	층(32)	슬리브(33A)	층(34)	A.M.T.C.^*1 (W/mk)
가열 롤러	Φ18	B.R.^*23㎜	SUS 50㎛	PFA 10㎛	0.31

*1: "A.M.T.C."는 정착 롤러 표면의 실측 열 전도율을 나타낸다.

*2: "B.R."은 벌룬 고무를 나타낸다.

2) 실험에 의한 확인

실시예 2의 구성에서의 효과를 실험을 통해 확인하였다. 실험 조건은 실시예 1에서의 실험 1 및 2와 동일하므로, 그에 대한 기술을 생략하기로 한다. 본 실험에서는, 백업 부재(40)의 패드(50)로서, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 알루미늄 판을 사용하였다. 실험에서 사용된 구성을 표 6에 도시한다. 실험 결과는 표 7에 도시한다.

실시예2
구성	정착 롤러 FRTC^1(W/mk) 백업 부재 BMTC^2(W/mk)	가열 롤러 0.31 알루미늄 0.45

*1: "FRTC"는 정착 롤러 표면의 실측 열 전도율을 나타낸다.

*2: "BMTC"는 백업 부재 표면의 실측 열 전도율을 나타낸다.

실시예 2
구성	FRTC^1(W/mk) BMTC^2(W/mk)	0.31 0.45
실험 1	슬립 FPOT	15s
실험 2	TD^3 ID^4	16℃ No
양립성^*5	Yes

*1: "FRTC"는 정착 롤러 표면의 실측 열 전도율을 나타낸다.

*2: "BMTC"는 백업 부재 표면의 실측 열 전도율을 나타낸다.

*3: "TD"는 용지 통과부와 용지 비통과부 간의 온도차를 나타낸다.

*4: "ID"는 화상 결함(불량한 화질)을 나타낸다. "No"는 화상 결함이 발생하지 않음을 나타낸다.

*5: "양립성"은 목표 슬립 FPOT의 달성과 용지 비통과부의 온도 상승으로 인한 화상 결함 방지 사이에서의 양립성을 나타낸다. "Yes"는 양립성 실현을 나타낸다.

실시예 2에서와 같은 정착 디바이스의 구성에서도, 실시예 1에서와 마찬가지의 효과가 얻어졌다. 즉, 백업 부재(40)의 정착 닙부를 형성하는 면의 실측 열 전도율을 롤러(30)의 실측 열 전도율보다 높게 함으로써, 슬립 FPOT의 감소 및 용지 비통과부의 온도 상승 억제에 의한 화상 결함 방지를 양립가능하게 실현할 수 있다.

<기타 실시예>

1) 상기에서, 실시예 1 및 2의 정착 디바이스(7)에서는, 롤러(30)를 외부에서 가열하는 가열 부재로서, 판형의 히터(21) 및 유도 가열 부재(21A)를 이용하여 롤러(30)의 표면층을 가열시키는 구성을 일례로서 기술하였다.

그러나, 롤러(30)를 외부에서 가열하는 가열 부재는 상기 부재에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 히터의 형상은 판형의 형상만이 요구되는 것이 아니라, 롤러 표면을 추종하는 곡선 형상일 수도 있다. 히터(21)의 보호층(21d) 대신에 히터(21) 상에 보호 시트(protective sheet)를 제공하여 그 표면과 롤러(30)의 표면 사이에 가열 압접부 Nh를 형성하는 구성을 채용할 수도 있다. 또한, 히터(21)와 롤러(30) 사이에 필름을 개재시켜 가열 압접부 Nh를 형성하는 구성 또한 채용할 수 있다. 또한, 할로겐 램프를 이용하여, 정착 롤러 표면을 비접촉 방식으로 가열시킬 수도 있다.

2) 본 발명에 따른 화상 가열 장치는 실시예 1 및 2의 미정착 토너 화상에 이용되는 정착 디바이스(7)에만 한정되는 것은 아니다. 화상 가열 장치는 기록재 상에 정착된 화상을 가열시켜 화상의 광택성을 증가시키는 광택도 증가 디바이스(화상 개질 디바이스)로서도 효과적으로 이용될 수 있다.

3) 화상 형성 장치에서, 기록재 P 상에 미정착 토너 화상 t를 형성하는 화상 형성부는 실시예 1 및 2에서와 같은 전자사진 프로세스를 이용하는 전사 방식으로만 한정되는 것은 아니다. 화상 형성 장치는 또한, 감광성 종이 및 전자사진 프로세스를 이용하는 직접 방식일 수 있다. 또한, 화상 형성부는 정전 기록 프로세스 또는 자기 기록 프로세스를 이용하는 전사 방식 또는 직접 방식일 수도 있다.

본 발명은 본원 명세서에 기재된 구조를 참조하여 기술하였지만, 기술된 세부 사항에만 한정되는 것은 아니며, 본 출원은 이하의 청구범위의 개선 또는 범주의 목적 내에서 이루어질 수 있는 변형예 또는 변경예를 포함하도록 의도된다.

Claims

토너 화상을 담지한 기록재를 닙부에서 반송하면서 가열하는 화상 가열 장치이며,
코어 금속, 상기 코어 금속의 외주면 상에 형성된 단열층 및 상기 단열층의 외주면 상에 형성되며 상기 단열층보다 높은 열 전도율을 갖는 고 전열층을 포함한 정착 롤러;
상기 정착 롤러의 외부에서 상기 정착 롤러의 표면을 가열하는 가열 부재 및
상기 정착 롤러와 함께 상기 닙부를 형성하는 백업 부재
를 포함하며,
상기 정착 롤러의 표면 및 상기 정착 롤러의 표면에 대향하는 상기 백업 부재의 표면에 동일한 열량이 공급되면, 상기 열량을 공급받은 상기 백업 부재의 표면 근방에서의 온도 상승 속도는 상기 정착 롤러보다 더 높은,
화상 가열 장치.
제1항에 있어서,
상기 고 전열층의 두께는 상기 단열층보다 얇은, 화상 가열 장치.
제1항에 있어서,
상기 정착 롤러는 최외각층으로서 이형층을 포함하는, 화상 가열 장치.
제1항에 있어서,
상기 백업 부재는 원통형 필름 및 상기 필름에 접촉되는 닙부 형성 부재를 포함하며,
상기 정착 롤러 및 상기 닙부 형성 부재가 접촉되는 상기 필름은 상기 닙부를 형성하는, 화상 가열 장치.
제4항에 있어서,
상기 닙부 형성 부재는 금속 재료로 형성되는, 화상 가열 장치.
제1항에 있어서,
상기 가열 부재는 상기 정착 롤러의 표면에 접촉하여 가열 압접부를 형성하는, 화상 가열 장치.
제1항에 있어서,
상기 가열 부재는 상기 정착 롤러의 표면에 접촉하지 않으며, 상기 정착 롤러의 표면을 복사열로 가열시키는, 화상 가열 장치.