KR940001087B1

KR940001087B1 - 직접 가열식 토우너상 정착롤러

Info

Publication number: KR940001087B1
Application number: KR1019870002198A
Authority: KR
Inventors: 료이찌 시바따; 쯔또무 이이무라
Original assignee: 히다찌 긴조꾸 가부시끼가이샤; 마쯔노 고지
Priority date: 1986-03-12
Filing date: 1987-03-12
Publication date: 1994-02-12
Also published as: EP0241714A1; KR870009266A; DE3768304D1; EP0241714B1; US4776070A

Abstract

내용 없음.

Description

직접 가열식 토우너상 정착롤러

제1도는 본 발명에 따른 직접 가열식 롤러의 주요부분의 확대도.

제2도는 직접 가열식 롤러의 수직 부분 단면도.

제3도는 롤러 몸체의 상대습도와 절연 저항과의 관계를 도시한 그래프.

제4도는 본 발명에 다른 직접 가열식 롤러의 다른예의 주요부분의 확대도.

제5도는 본 발명의 다른 실시예의 부분 확대 수직 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 롤러몸체 2 : 결합층

3 : 하부 절연층 4 : 발열 저항층

5 : 전극층 7 : 상부 절연층

8 :

셋 보호층 10a : 측부 보호층

본 발명은 전자사진 복사기, 프린터 등에 있어서 종이나 시트상에 토우너상을 정착하는 직접 가열식 롤러에 관한 것으로서, 특히 롤러에서의 전기통로의 개량된 보호에 관한 것이다.

전자사진 복사기 및 프린터에 정적 잠상을 현상하는데 토우너가 사용된다. 현상된 상은 시트나 그와 유사한 부재에 정착되어 영구적인 시각상을 형성한다. 광의적으로, 현상된 상을 정착시키는 데는 두가지 방법이 있으며, 즉 토우너중의 수지 입자를 가열하고 시트상에서 용융하는 “가열 용융 정착법”과, 압력을 가해 수지 입자을 정착시키는 “압력 정착법”이 그것이다.

한편, “가열 롤러 정착장치”로 불리는 이 장치는 그 우수한 특성, 즉 현상기의 폭 넓은 속도범위에서의 안정한 정착 성능, 높은 열효율 및 안정성 때문에 널리 사용되고 있다. 이러한 장치는 롤러 내부에 구비된 텅스텐 할로겐 램프에 의해 가열되는 가열 롤러를 가진다. 이러한 구성은 전력소비가 많고 워밍업 시간이 길어 바람직하지 않다. 게다가, 롤러 온도는 많은 시트가 연속적으로 처리될 때 가열 출력이 롤러의 온도 저하를 적절히 보살할 수 없기 때문에 롤러 온도는 저하한다.

따라서, 가열롤러에서는 워밍업 시간이 짧고, 전력소비가 적고 또 온도 저하가 적은 것이 중요한 필수적 요건이 된다. 특히 워밍업 시간은 30초 이하가 바람직하고, 더욱 바람직하기는 20초 이내이면, 소비 전력은 1KW이하가 바람직하고, 더욱 바람직하기는 700W이하이다. 또 롤러 온도는 200℃ 근방에서 안정하게 유지되는 것이 바람직하다.

상기한 짧은 시간에 가열될 수 있는 가열 롤러를 개방하기 위하여 예의 연구한 후, 전기 저항율의 관점에서 보아 Ni-Cr 합금과 세라믹재로부터 아아크-플라즈마 분무법에 의해 제조된 저항막이 이러한 형태의 가열 롤러용의 발열체로서 안정하게 사용될 수 있다는 것을 제의하였다(미합중국 특허 출원 제 686,850호 및 유럽 특허출원 제 84 30 8907.9호 참조).

짧은 워밍업 시간을 가지는 가열 롤러의 경우, 상술한 바와같이 롤러온도는 30초 이내의 짧은 시간내에 약 200℃까지 상승된다.

가열롤러에 있어서 중요한 필수요건은 그 표면전체에 걸쳐 균일한 온도 분포를 나타내야 하는 점이다. 통상, 가열 롤러는 그 양 축방향 단부보다도 중앙부에서 더 높은 온도를 나타내는 경향이 있다. 이러한 경향은 저항막이 정특성 온도 계수, 즉 전기 저항이 온도상승에 따라 증가되는 특성을 가질때 특히 증가된다. 즉, 그와같은 경우, 롤러의 중앙부상의 저항막 부분은 롤러의 양 축방향 단부상의 저항막 부분보다 더 큰저항을 나타내고, 따라서 한 단부로부터 다른축방향 단부로 흐르는 전류는 롤러의 중앙부에서 더 큰 저항과 마주쳐 롤러의 이 중앙부에서 더 크게 발열되며 따라서 롤러의 중앙부에서 더욱 온도가 상승한다. 따라서, 균일한 온도상승을 얻기 위해서는 저항막은 큰 정특성 온도계수를 가지지 않는 것이 바람직하다.

저항막은 부특성 온도계수, 즉 온도상승에 따라 전기저항이 감소되는 특성을 가질 수 있다. 그와같은 경우, 발열은 롤러의 양 축방향 단부보다도 그 중앙부에서 작게되어 롤러의 축을 따라 균일한 온도 분포가 될 수 있다. 그러나, 롤러 온도가 계속해서 낮을 때 전류의 흐름을 방해할 정도의 매우 큰 전기저항을 나타내어 롤러를 가열하는데 장시간이 소요된다. 따라서, 부특성 온도계수를 가진 저항막의 사용은 워밍업 시간의 단축에 대한 요구를 충족시켜 주지 못한다. 저항막의 온도제어는, 전류를 감지하여 저항막 온도를 판단하고, 측정 온도에 따라 전류를 변화시켜 일정한 저항막 온도를 유지시키는 제어회로에 의해서 수행된다. 부특성 온도계수를 갖는 저항막은 온도가 높게 되면 그 저항이 감소된다. 만일 회로에서의 단자나 접점의 불충분한 접촉과 같은 예기치 않은 이유로 전력 공급용 회로의 전기 저항이 증가된다면, 온도 제어회로는 저항막 온도가 낮다고 오판하여 저항막에 더 많은 전류를 공급할 염려가 있다. 따라서, 온도 제어 안정성의 견지에서 본다면 저항막이 정특성 온도 계수를 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 릴레이 단축으로 온도가 이상하게 상승한면 부특성 온도계수의 저항막은 과열시 전력이 증가되어 급속히 가열된다.

또 일정한 부하가 바람직하고 저항막의 저항치는 가능한한 일정한 것이 좋다.

상기와 같은 관점에서 보아 제2도에 도시된 바와같은 토우너상 용융 정착용의 직접 가열식 롤러를 제안하며, 상기 롤러는 작은 전기 저항율을 갖는 롤러 몸체와, 롤러 몸체 외주면에 거의 균일하게 형성된 결합층과, 결합층에 구비된 하부 절연층과, 하부절연층상에 구비되고 세라믹 기질과 이 세라믹 기질중에 산포된 금속으로 이루어지면서 적어도 롤러 길이방향으로 거의 전기적으로 연속적인 연장을 하는 금속 저항층을 가지며 하부 절연층의 열팽창 계수와 거의 동일한 열팽창 계수를 가지는 발열 저항층과, 발열층에 구비된 상부 절연층과, 토우너상의

셋을 방지하기 위해 상부 절연층상에 형성된

셋 방지층과, 롤러의 각 단부상에 형성된 링형상을 하면서 발연층을 외부 전원과 접속하게 되어 있는 전극층을 포함하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

발열층은 세라믹 기질과 이 기질내에 있는 금속 저항체을 가지며, 금속 저항체는 적어도 길이 방향으로 연속적으로 연장한다. 이러한 발열층은 절연재료와 거의 동일한 열팽창 계수를 가진다. 발열층은 적당한 전기 저항율을 가진다.

원통형 롤러 몸체(1)의 롤러부의 외주면에 결합층(2)의 거의 균일하게 부착된다. 결합층(2) 위에는 하부 절연층(3)이 부착되고, 하부 절연층(3) 위에는 발연 저항층(4)이 형성된다. 발열 저항층(4) 위에는 상부 절연층(7)이 형성된다. 마지막으로 상부 절연층(7)상에 보호층(8)이 구비된다. 롤러(1)의 각 축방향 단부상의 발열 저항층(4)의 부분에는 링형상의 전극층(5)이 형성된다. 따라서, 롤러 몸체(1)의 양 축방향 단부상에 구비된 전극층(5)을 통해 발열 저항층으로 브러시형 공급기(6)에 의해서 전기가 공급된다.

상기 구성의 직접 가열식 롤러는 복사기나 그와 유사한 기계에 사용될 때, 회전용 베어링에 의해 그 양단부에서 저어널된다. 직접 가열식 롤러는 그 사이에 닙을 형성하도록 고무 롤로와 대향하도록 배치되고 상기 닙을 통해 토우너상을 실은 시트가 통과하여 토우너상이 부착된다.

양호하게는, 발연 저항층(4)은 Ni-Cr 합금을 10 내지 35중량% 포함하고, 잔부는 실질적으로 세라믹 재료로 형성된다. 발열 저항층(4)은 상기 재료로 부터 아아크-플라즈마 분무법에 의해 만들어지며, 즉 Ni-Cr 합금이 분산되어 세라믹 재료에 길이방향의 연속층을 형성한다. Ni-Cr 합금 함량이 10중량% 미만인 경우, 그 합금은 비연속적으로 분산되어 연속적인 길이방향의 층이 형성될 수 없고 그 결과 발열 저항층은 매우 높은 저항을 나타낸다. 게다가, 롤러가 작업중에 반복열 충격을 받을시 발열 저항층의 불연속 부분 둘레에 균열이 생기기 쉽다. 한편, Ni-Cr 합금 함량이 35중량%를 초과하는 경우, 발열층의 비저항이 많아야 10^-3Ω-cm 이하로 되어 그 층(4)은 발열층으로서 재료적으로 역할을 할 수 없다. 게다가, 그 층의 열팽창 계수가 10×10^-6/deg 수준으로 증가되고 발열 저항층을 사이에 두는 절연층의 팽창계수에 비해 매우 크다.

발열 전도수단으로서 통상 사용되는 Ni-Cr 합금은 발연 저항층(4)의 Ni-Cr 합금으로서 사용될 수 있다. 그러나, 대단히 짧은 워밍업 시간을 가지는 직접 가열식 롤러를 얻기 위해서 Ni-Cr 합금은 Cr을 5 내지 20중량% 그리고 잔부는 거의 Ni를 포함하는 것이 양호하지만, 발열 저항층에 다른 첨가제나 부수적인 원소가 포함된다.

발열 저항층의 세라믹 기질은 Al₂O₃로 형성되는 것이 양호하다. Al₂O₃가 세라믹 기질로서 사용될때 Ni-Cr 합금은 연속적인 길이 방향 층을 형성하도록 기질에 적절히 분산될 수 있다는 것이 확인되고 있다. Ni-Cr 합금층은 롤러의 축방향으로 전자적으로 서로 연결하여 전기적으로 연속층을 형성한다. Ni-Cr 합금이 세라믹 기질에서 연속층으로서 나타나기 때문에 발열 저항층이 반복 열충격에 견딜 수 있도록 하고 약 10^-1내지 10^-2Ω-cm 범위의 적절한 비저항을 제공하게 된다. 8중량%의 Ni-Cr 합금을 포함하는 발열재료에 대해서는 쯔꾸다 야스오 등의 미합중국 특허출원 제 686,850호와 유럽 특허출원 제 84 30 8907.9호에 기술되어 있다.

이라한 발열 저항층은 6×10^-6내지 10×10^-6/deg의 열 팽창 계수를 가지기 때문에, 상기 발열 저항층을 사이에 두는 절연층은 6×10^-6/deg 이상의 열 팽창 계수를 가지는 것이 바람직하다. 실제로 사용가능한 절연층 재질로는 Al₂O₃, MgO, ZrO₂, MgAl₂O₄(스피넬), ZrO₂ㆍSiO₂, MnOㆍNiO 등이 있다. 이들중 스피넬 MgAl₂O₄는 롤러의 워밍업 시간의 단축에 기여하는 풍부한 보온성 때문에 양호하게 사용된다.

하부 절연층은 발연 저항층을 롤러 몸체로부터 전기적으로 절연하고 저항층으로부터 롤러 몸체로의 열전달을 방지한다. 하부 절연층의 두께가 너무 크면 하부 절연층을 가열하는데 장시간 소모되기 때문에 가열롤의 워밍업 시간이 길어지고, 두께가 너무 작으면 충분한 전기적 절연을 제공할 수 없게 된다. 짧은 가열시간과 높은 절연에 대한 양쪽의 요구조건을 동사에 만족시키기 위해서는 하부 절연층의 두께가 200 내지 500μm 범위가 바람직하고, 가장 바람직하기는 약 300μm이다.

상부 절연층은 그렇지 않으면 발열 저항체의 부분적인 불균일성 때문에 생기는 발열의 불균일성에 기인하여 균일하지 않게 되는 온도 분포를 균일화하는 역할을 하고 또 롤러 표면의 충분한 전기적 절연을 보장하는 역할을 한다. 이 층은 다른 재료가 정착 장치의 걸쇠에 오게 될때 저항층을 보호할 수도 있다. 상부 절연층도 그 두께가 너무 얇으면 전기절연을 해치게된다. 상부 절연층의 적합한 두께범위는 30 내지 200μm, 더욱 적합하게는 약 100μm이다.

롤러 몸체는 보통 고강도 알루미늄 합금(5056)으로 만들어서, 성형성을 높이고 균일하고도 신속한 가열특성을 만족시키고 있다. 그러나, 본 발명의 직접 가열식 롤러는 열용량이 작은 몸체를 갖는다. 적합하게는, 롤러 몸체 재료는 세라믹에 견줄만한 열 팽창계수를 갖는다. 이점에서, 본 발명에 따른 롤러의 롤러몸체는 철이나 철합금으로 되어 있다. 잘 알려진 바와같이, 연철은 열팽창 계수치가 금속중에 가장 작은 10×10^-6/deg을 보인다. 워밍업 시간을 단축하기 위해서는 롤러 몸체와 두께를 감소시키는 것이 좋다. 알루미늄관을 사용하는 종래의 할로겐 응집장치의 경우에, 알루미늄관의 두께를 줄이는 것은 200℃에서 알루미늄관(5056)의 굽힘 강도가 연철의

도 안되기 때문에 정착 압력에 의해 발생되는 굽힘 응력을 견디지 못하므로 어렵다.

열용량을 감소시키는 것은 롤러 몸체 두께 및 각 층을 얇게 하거나 재료를 교체하여 수행할 수 있다. 재료들을 바꾸는 것은 약간의 난점이 있으나 두께를 줄이는 것은 용이하다.

열손실에 대해서는, 표면으로부터의 대류 및 복사는 막을 수 없다. 저어널로 손실되는 것은 열전도성이 낮은 베어링을 사용하거나 저어널 단면적을 감소시키면 막을 수 있다. 열전도성이 낮은 롤러몸체를 사용하면 열손실을 줄일 수도 있다. 이런 점에서 강철이나 연철은 열전도성이 낮고 얇은 두께로 가공할 수도 있으므로 롤러몸체로서 알루미늄 합금보다 강철이나 연철이 더 좋다. 또, 열용량을 감소시키기 위해 롤러 몸체를 2mm 또는 그 이하, 적합하게는 1mm 또는 그 이하의 두께가 얇은 원통력으로 형성할 수 있다.

결합막은 하부 절연층을 롤러 몸체 표면에 부착시킨다. 결합 표면 재료로는 Ni-Cr-Mo 합금, Ni-Al 합금, Ni-Cr 합금 등이 적합하다. 이런 재료를 롤러 몸체 표면에 플라즈마 분무하면 저절로 열이 발생하며 부분적으로 산화되어 세라믹과의 결합강도를 효과적으로 향상시키는 산화물을 형성한다. 이들 결합막 재료중에서 Al 및 Mo로 표면상에 피복된 분말 Ni가 가장 적합하게 사용되고 있다.

셋 방지층은 상부 절연층 표면을 덮는데, 이는 토우너상의

셋 방지 특성을 개선하고 또 롤러 표면을 절연 및 보호하는 목적을 갖는 것이다. 적합하게는,

셋 방지층은 30μm 두께의 PFA(테트라플루오로-에틸렌-퍼플루오로알킬비닐 에테르 공중합 수지)로 형성하면 좋다.

상기한 구조를 갖는 직접 가열식 롤러는 내부에 미세기공을 갖고 다른 층간에 삽입되는 절연층을 포함하기 때문에, 기공내에 습기가 있을때 발열층과 금속으로 된 롤러 몸체 혹은 롤러를 포함하는 기계 프레임간에 누설 전류 흐름이 발생되거나 습한 분위기에서 삽임층이 절연층의 전기 저항율을 크게 저하시키거나 층측면에 부착된 습기가 롤러 몸체와 발열층간의 측면에 전류 흐름을 발생시키는 경우도 있게 된다.

여기서, 발열층과 롤러 몸체 사이에 절연 저항을 확인하기 위해 하부 절연층내의 기공내에 도전성 높은 수지재료를 함유시키는 것을 생각할 수도 있다.

또, 하부 절연층의 절연 저항을 향상시키기 위해 플라즈마 분무에 의해서 롤러 몸체 외부표면에 균일하게 접착된 결합층상에 형성된 하부 절연층내의 기공으로 수지재료를 플라즈마 분무에 의해 주입시킬 수도 있다. 그러나, 수지 함유층은 표면이 넘 매끄러워 바라는 바대로 플라즈마 분무에 의해 세라믹 기질에 적어도 롤러 길이방향으로 거의 연속적으로 전기적으로 연장되는 금속 저항층을 포함하는 발열층을 형성하는 것은 거의 불가능하다.

주입된 수지재료는 층내의 기공 및 층 외면상의 균열과 구멍을 메우게 되며 너무 매끄러워져서 층에 정착시킬 나머지 부분이 거의 없게 되기 때문에 플라즈마 분무에 의해 발열층으로 피복하기 어렵게 된다.

링형 전극은 보통 Cu-Al 합금으로 제조된다. Cu-Al 합금은 열팽창 계수가 약 20×10^-6/℃이고 Al₂O₃세라믹과 Ni-Cr 합금으로 된 발열 저항층은 예를들어 열팽창 계수가 약 9×10⁶/℃이기 때문에, 가열 사이클을 반복함으로써 전극과 발열층간의 경계부에 균열이 생길 염려가 있다.

이런 발열층내의 균열은 전기회로의 방전이나 단락에 의해 불꽃을 야기한다.

불꽃이나 단락 가능성은 일본의 경우보다는 고압 전원을 사용하는 구미 각국에서 특히 심하다.

따라서, 본 발명의 목적은 롤러의 안정성 및 신뢰성을 확보하기 위해 고절연 전류 통로를 갖는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 습한 분위기에서도 롤러 몸체 및 발열층 또는 전극층간의 절연 저항성이 높은 직접 가열식 토우너상 정착 롤러를 제공하는 것이다. 이런 목적으로, 본 발명에 따르면, 전기 저항율이 작은 롤러 몸체와, 롤러 몸체 외주면에 균일하게 형성된 결합층과, 접착층상에 제공된 하부 절연층과, 세라믹 기질과, 이 세라믹 기질에 산포된 금속으로 구성되어 상기 롤러의 길이방향으로 연속적으로 연장하는 금속 저항층을 가지며 하부 절연층상에 제공된 발열 저항층과, 이 발열층상에 제공된 상부 절연층과, 토우너상의

셋을 방지하기 위해 상부 절연층상에 형성된

셋 방지층과, 롤러 각 단부에 형성되어 발열층과 외부 전원을 연결하도록 되어 있는 전극층 및 적어도 발열층 측면과 하부 절연층 측면상에 형성된 측부 보호층을 포함하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러를 제공한다.

또한, 측부 보호층은 보통 하부 절연층상에서 전극링보다 축방향 외측으로 위치된 외면을 부분적으로 덮는다.

본 발명에 따르면, 측부 보호층은 절연을 확실히 하기 위해 전극층의 측면 일부와 롤러 몸체와 측면 일부를 덮는다.

각 전극링은 발열 저항층의 열팽창 계수와 그 층에 부착할 금속 전극의 열팽창 계수간의 차이에 의해 발생되는 균열을 방지하기 위해 합금재료 및 세라믹 재료의 혼합물로된 내부링과 금속재료로된 외부링으로 구성되는 것이 적합하다. 내부 전극은 외부 전극과 발열 저항층의 열팽창 계수 사이의 열팽창 계수 및 외부 전극과 저항층의 전기 저항을 사이의 전기 저항율을 갖는 링형 구조로 하는 것이 좋다.

이하, 첨부도면을 참조로 본 발명의 실시예를 보다 상세히 설명한다.

제1도를 참조하면, 측부 보호층(10a)은 결합층(2)의 측면(2a)상에, 하부 절연층(3)의 측면(3a) 및 축방향 외측부(3b)에, 발연층(4)의 측면(4a)에, 전극층(5)의 측면에 부분적으로, 그리고 또한 롤러 몸체(1)의 측면에도 부분적으로 부착되어 있다. 다른 구조는 제2도에 도시한 롤러와 같게 되어 있다. 측부 보호층(10a)은 측면에 수지를 주입하여 형성된다. 이 측부 보호층은 전기 저항성을 가지며, 반복적으로 가열되기 때문에 열저항성인 것이 좋다. 이 측부 보호층은 주입된 수지가 층의 구멍과 미세기공 및 층간의 개구부를 채위주기 때문에 층의 전기 저항성을 향상시키며, 층들과 층간의 개구를 습기로부터 보호해준다.

셋 방지층(8)은 상부 절연층(7)상에 형성되어 절연층 및 발열층을 습기로부터 보호한다. 이들 보호층은 상술한 바와같이 습기로부터 보호하면서 발열층을 절연시키는 역할을 한다.

[실시예 1]

길이 300mm, 외경 35mm, 두께 1.0mm의 연철로 된 원통형 롤러 몸체를 준비하였다. 롤러 몸체의 숏블라스트 가공된 표면상에는 300μm 두께의 Cr 금속 결합층과 300μm 두께의 MgAl₂O₄하부 절연층과, 55μm 두께의 Ni-Cr 합금(80중량% Ni-20 중량%Cr) 및 Al₂O₃의 혼합물(합금 함량 20중량%)로 된 발열저항막과 300μm 두께의 MgAl₂O₄상부 절연층이 플라즈마 분무에 의해 형성된다. 전극들을 발열 저항막의 양단부에 고정한 후에, PFA(테트라-플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐 에테르 공중합 수지)보호층이 상부 절연층상에 형성되며, 이리하여 측부 보호층 없는 롤러가 완성된다. 측부 보호층을 갖는 4종류의 롤러를 상기한 공정에 유사한 공정에 의해 제조한다. 각 롤러에는 플루오로 카본 수지층(A), 에폭시 수지층(B), 폴리아미드 수지층(C) 및 실리콘 바니쉬층(D)이 측부 보호층으로서 각각 제공되었다. 플루오로카본 수지로된 측부 보호층(A)은 결합층(2), 하부 절연층(3), 발열층(4)의 측면(2a,3a,4a) 전체에 형성되며, 또 층(3)의 외면(3b)에도 주입하여 형성된다. 마찬가지로, 에폭시 수지(B), 폴리아미드 수지(C) 및 실리콘 바니쉬(D)로 된 측부 보호층을 각 롤러의 측면에 형성하였다.

각 수지(A,B,C,D)의 저항치 (단위 : Ωㆍcm)는 다음과 같다.

각 롤러에서 30℃의 온도에서 측정한 롤러 몸체 및 발열층간의 절연 저항에 따른 상대습도를 제3도에 도시하였다. 제3도에 도시한 바와같이, 측부 보호층(E)이 없는 롤러의 절연 저항은 상대습도 증가에 따라 급격히 저하한다.

한편, 절연 저항은 상대습도가 증가하더라도 측부 보호층이 었는 각 롤러에서는 급격히 떨어지지 않는다.

[실시예 2]

길이 300mm, 외경 35mm, 두께 0.6mm의 연철(SS 41)로 된 원통형 롤러 몸체를 준비하였다. 롤러 몸체의 숏블라스트 가공된 표면상에는 25μm 두께의 Ni-4% Al-2% Mo 합금 결합층과 300μm 두께의 MgAl₂O₄하부 절연층, 70μm 두께의 Ni-Cr 합금(80중량% Ni-20중량% Cr) 및 Al₂O₃의 혼합물(합금 함량 20중량%)로 된 발열 저항막, 그리고 100μm(두께의 MgAl₂O₄상부 절연층을 플라즈마 분무 처리공정에 의해 형성하였다. 발열 저항막의 양단부에 전극들을 고정한 후, PFA(테트라플루오로-에틸렌-퍼플루오로알킬비닐 에테르 공중합 수지) 보호층을 상부 절연층 및 결합층과 하부 절연층과 발열층의 모든 측면들 및 절연층의 외면에 정전기적 분무에 의해 형성하였다. 상부 절연층 위의 보호층은 습기 및

셋의 방지를 위해 제공되며, 따라서 역시 열저항 특성을 갖는 수지로 만들어지는 것이 바람직하다.

보호층으로 사용될 수지 재료로서는 PFA가 바람직하다. PFA수지는 테트라플루오로 에틸렌 및 에테르가 C_nF_2n+1-C-CF=CF₂(n : 1 내지 5의 정수)의 화학 조성식을 갖는 퍼플루오로알킬비닐 에테르의 공중합수지이다. PFA 수지는 PFA 수지 분말을 전화하고, 이 PFA 수지 분말을 표면상에 분무한 다음, 가열하여 표면상에 PFA를 용착해 주는 단계들로 이루어지는 정적기적 분무방법에 의해 상부 절연층 및 측변상에 피복되었다. PFA 수지 분말을 양호하게는 2 내지 150μm, 보다 양호하게는 5 내지 75μm의 평균 입자크기를 가지며, 벌크 수지에 대한 겉보기 밀도가 0.74이하, 보다 양호하게는 0.35 내지 0.6이다. PFA 수지 분말은 전체 표면적이 10m²/㎤ 또는 그 이하인 것이 바람직하며, 거의 원형상을 갖고, 내부에 기공을 거의 구비치 않는 것이 바람직하다. PFA 수지 분말의 바람직한 종류로서는 MP-10(미쯔-플루오로 케미칼) 또는 532-5010(듀퐁)이었다. MP-10 수지는 60KV의 전압을 적용해주므로서 표면상에 정적기적으로 분무되어, 10분 동안 380℃의 온도에서 가열될 수 있으며, 다음에 약 60μm의 두께를 가진 보호층이 형성되므로서 직접 가열식 롤러를 완성하게 된다.

이 실험에 사용된 플라즈마 분무장치는 작동가스, 즉 아르곤을 흘려내보기 위한 중앙 통로를 가진 총신을 포함하고 있다. 통로의 일부는 양극으로 둘러싸여 있으며, 봉형 음극은 통로내에 설치되어 있다. 분무될 분말 혼합물을 공급해주는 통로는 노즐 개구 근처의 중앙통로에 개방되어 있다.

아르곤이 총의 중앙통로를 통해 흐르는 통안, 양극과 음극사이에는 플라즈마 아아크가 제공되었다. 전기 전압은 50 내지 100V가 가해졌다. 아아크는 아르곤을 5000℃ 이상인 고온 플라즈마 제트로 변화시켰다.

분무될 분말들은 측부 통로를 통해 중앙통로에 형성된 플라즈마속으로 공급되었다. 롤러는 플라즈마 제트로부터 10cm의 거리에 놓여져 있는 동안 그위에 균일한 부착층을 형성하기 위해 회전하고 있다.

Ni-Al-Mo 합금 플라즈마 분무층이 부착되어 있는 경우, 분무 조건은 다음과 같다 :

아아크 전류 : 500A

아아크 전압 : 70V 직류

분말 공급율 : 11.3kg/hr(25 1b/hr)

MgAl₂O₄절연층이 부착되는 경우, 분무 조건은 다음과 같다 :

아아크 전류 : 500A

아아크 전압 : 80V 직류

분말 공급율 : 2.7kg/hr(6 1b/hr)

발열 저항막이 부착되는 경우, 분무 조건은 다음과 같다 :

아아크 전류 : 500A

아아크 전압 : 80V 직류

분말 공급율 : 2.7kg/hr(6 1b/hr)

200℃까지 롤러 표면을 가열하기 위해 900W의 전력을 발생할 수 있도록 전기 전류가 롤러에 공급되었다. 워밍업 시간은 22초였다. 본 발명의 직접 가열식 롤러는 매우 짧은 워밍업 시간을 갖는다.

[실시예 3]

실시예 1에 사용한 0.6mm 두께의 롤러 몸체를 갖는 직접 가열식 롤러에 반복적인 가열 사이클 시험을 행하였다. 이 시험에서, 가열식 롤러는 200mm/sec의 원주속도로 회전되는 동안, 가열식 롤러의 것과 실질적으로 동일한 직경의 고무 롤러와 접촉한체로 유지되었다. 2분의 시간주기를 가는 반복적인 가열 사이클에 롤러를 적용해주므로서 가열 사이클 시험이 수행되었다. 본 발명에 따른 가열식 롤러는 연속적인 2600회의 가열 사이클후에도 저항층에 전혀 손상을 나타내지 않았으며 전기적 특성도 전혀 저하시키지 않았다.

[실시예 4]

실시예 3에 사용된 것과 같은 형태의 정착 장치를 사용하여 80%의 상대습도를 갖는 상자내에서 연속적인 가열-회전 시험을 수행하였다. 220℃의 최대 온도에서 300시간동안 조작한 후에도 저항층의 손상이나 상의 전기적 특성 및

셋이 전혀 관찰되지 않았으므로, 본 발명의 가열식 롤러의 우수성이 입증되었다.

상술한 실시예들에 있어서는 표면상에 피복될 몇몇 수지 재료들이 단지 전극링의 외측에 축방향으로 배치되어 있다고 언급되어 있지만, 다른 수지재료들, 유리재료들 또는 세라믹 재료들은 열 저항성, 습기 보호특성 및 높은 전기 저항율을 갖고 있다. 측면상의 보호층 재료는 상부 절연층상의 재료와 다를 수도 있다.

[실시예 5]

제4도에 도시된 바와같은 직접 가열식 토우너상 정착 롤러는 전극의 구조를 제외하고는 실시예 1에서의 공정과 유사한 공정에 의해 제작되었다. 링형상의 전극층(5)은 제4도에 도시된 바와같이 내부링(5b)과 외부링(5a)으로 구성된다. 외부링(5a)은 Cu-Al 합금으로 만들어지면, 발열저항층(4)은 Ni-Cr합금(80중량% Ni-20중량% Cr)과 Al₂O₃의 혼합물(합금 함량 : 20중량%)로 만들어진다. 내부링(5b)은 Ni-Cr 합금(80중량% Ni-20중량% Cr)과 Al₂O₃의 혼합물(합금 함량 40중량%)로 만들어진다. 이러한 전극 구조는 내부링이 경계부에서의 응력을 완화시켜주는데 기여하기 때문에 경계부(A)에서 어떤 균열의 발생도 방지해 준다. 외부링 전극과 내부링 전극이 링들사이의 경계부에서 응력들을 완화시켜주기 위해 결합되므로서, 경계부에서 전혀 균열이 발생하지 않는다.

내부링 또는 외부링은 본 발명에 따른 다른 다양한 재료들로 각각 제조될 수가 있다.

내부링은 저항층과 외부링의 값들사이의 열적 계수 및 전기적 계수를 갖는다는 것이 필수적인 요건이다.

[실시예 6]

본 발명에 따른 롤러는 실시예 1의 공정과 유사한 공정에 의해 만들어진다. 롤러의 부분 수직 단면도가 제5도에 도시되어 있다.

하부 절연층, 상부 절연층 및

셋 방지층의 축방향 단부에서의 총 두께는 양호하게는 축방향 중앙부에서의 것보다 20% 내지 70%정도 크다는 것이 필수적인 요건이다. 단부가 중앙부보다 더 용이하게 가열될 수 있기 때문에, 롤러의 외면에 축방향으로 균일한 가열 분포를 이룰수 있게 해주는 구조가 바람직하다. 또 다른 점으로서는 발열층의 축방향 단부에서의 두께가 마찬가지로 가열분포를 축방향으로 균일하게 이루어주기위해 축방향 중앙부에서의 것보다 작다는 것이다. 롤러 중앙부에서의 반경은 정착 작업동안 종이가 주겨지는 것을 방지하기 위해서 단부에서보다 40μm 내지 60μm 만큼 작은 것이 바람직하다.

Claims

저항율이 작은 롤러 몸체와, 상기 롤러 몸체의 외부면상에 균일하게 형성된 결합층과, 상기 결합층상에 제공된 하부 절연층과, 상기 하부 절연층상에 제공되며, 세라믹 기질 및 상기 세라믹 기질에 산포된 금속으로 구성되어 상기 롤러의 길이방향으로 연속적으로 연장하는 금속 저항층을 갖는 발열 저항층과, 상기 발열 저항층상에 제공된 상부 절연층과 상기 토우너상의
셋을 방지하기 위해 상기 상부 절연층상에 형성된
셋 방지층과, 상기 롤러의 각 단부상에 형성되어 상기 발열 저항층을 외부 전력원에 연결시켜주는 전극층 및, 적어도 하부 절연층의 측면과 발열 저항층 측면상에 형성된 측부 보호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제1항에 있어서, 상기 금속 저항층은 Ni-Cr 합금이 10 내지 35중량%이고 잔부가 세라믹인 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제2항에 있어서, 상기 Ni-Cr 합금은 Cr이 5 내지 20중량%이고 잔부가 Ni인 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제3항에 있어서, 상기 세라믹이 Al₂O₃인 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제1항에 있어서, 상기 열 절연층이 6×10^-6/deg 이상의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제5항 있어서, 상기 하부 절연층이 200 내지 500μm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제6항에 있어서, 상기 하부 절연층이 약 300μm의 두께를 갖는 반면, 상기 상부 절연층은 약 100μm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제5항에 있어서, 상기 열 절연층이 Al₂O₃, MgO, ZrO₂, MgAl₂O₄, ZrO₂ㆍSiO₂및 MnOㆍNiO로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 산화물로 만들어지는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제8항에 있어서, 상기 산화물이 MgAl₂O₄인 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제8항에 있어서, 상기 산화물이 Al₂O₃인 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제1항에 있어서, 상기 롤러 몸체가 철 또는 철합금으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제11항에 있어서, 상기 롤러 몸체의 벽두께가 2mm 이하인 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정찰 롤러.
제11항에 있어서, 상기 롤러 몸체의 벽두께가 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정찰 롤러.
제1항에 있어서, 상기 결합층 Ni-Al-Mo 합금, Ni-Al 합금 및 Ni-Cr합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 만들어지며 부분적으로 산화되어 있는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제1항에 있어서, 상기 보호층들이 PFA 수지로 만들어지는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제15항에 있어서, 상부 절연층상의
셋 방지층도 또한 PFA로 만들어지는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제1항에 있어서, 상부 절연층상의
셋 방지층도 정전기적 분무방식에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제1항에 있어서, 측부 보호층들이 수지 주입방식에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.
제1항에 있어서, 전극층은 내부링층과 외부링층으로 구성되며, 내부링층은 발열 저항층의 열팽창 계수와 외부링층의 열팽창 계수사이의 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 직접 가열식 토우너상 정착 롤러.