JP5762060B2 - ヒータ及びこのヒータを有する像加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真複写機、電子写真プリンタなどの画像形成装置に搭載される加熱定着装置に利用すれば好適なヒータ、及びこのヒータを搭載する像加熱装置に関する。

複写機やプリンタに搭載する定着装置として、エンドレスベルトと、エンドレスベルトの内面に接触するセラミックヒータと、エンドレスベルトを介してセラミックヒータと定着ニップ部を形成する加圧ローラと、を有する装置がある。この定着装置を搭載する画像形成装置で小サイズ紙を連続プリントすると、定着ニップ部長手方向において紙が通過しない領域の温度が徐々に上昇するという現象（非通紙部昇温）が発生する。非通紙部の温度が高くなり過ぎると、装置内の各パーツへダメージを与えたり、非通紙部昇温が生じている状態で大サイズ紙にプリントすると、小サイズ紙の非通紙部に相当する領域でトナーが高温オフセットすることもある。

この非通紙部昇温を抑制する手法の一つとして、セラミック基板上の発熱抵抗体を正の抵抗温度特性を有する材質で形成し、発熱抵抗体に対してヒータの短手方向（記録紙の搬送方向）に電流が流れるように二本の導電体を基板の短手方向の両端に配置することが考えられている。非通紙部が昇温すると非通紙部の発熱抵抗体の抵抗値が昇温し、非通紙部の発熱抵抗体に流れる電流が抑制されることにより非通紙部の発熱を抑制するという発想である。正の抵抗温度特性は、温度が上がると抵抗が上がる特性であり、以後ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）と称する。

特開２００５−２０９４９３号公報

特許文献１に開示されているように、正の抵抗温度特性を有する材質を用いて、ヒータの短手方向（記録紙の搬送方向）に電流が流れるように二本の導電体を基板の短手方向の両端に配置する方法では、ヒータ短手方向（用紙搬送方向）に温度分布が生じると、短手方向の高温部に配置されている発熱抵抗体の抵抗値が上昇するため、短手方向の高温部の発熱量が大きくなり、短手方向の温度分布が不均一になりやすいということが判った。

上述の課題を解決するための本発明は、基板と、前記基板上に基板長手方向に沿って設けられている第１導電体と、前記基板上に前記第１導電体とは基板短手方向で異なる位置に前記長手方向に沿って設けられている第２導電体と、正の抵抗温度特性を有しており前記第１導電体と前記第２導電体の間に電気的に並列接続されている複数本の発熱抵抗体と、を有する第１の発熱ラインと、前記基板上に基板長手方向に沿って設けられている第３導電体と、前記基板上に前記第３導電体とは基板短手方向で異なる位置に前記長手方向に沿って設けられている第４導電体と、正の抵抗温度特性を有しており前記第３導電体と前記第４導電体の間に電気的に並列接続されている複数本の発熱抵抗体と、を有する第２の発熱ラインと、を有し、前記第１導電体乃至前記第４導電体が、この順に基板短手方向に並んでいて、前記第１の発熱ラインと第２の発熱ラインは、基板短手方向で異なる位置に前記長手方向に沿って設けられており、前記第１導電体と前記第４導電体の基板長手方向の同じ側の端部が共に第１の電極に接続されており、前記第２導電体と前記第３導電体の間に、前記第２導電体及び前記第３導電体と基板短手方向に間隔を置いて第５導電体が基板長手方向に沿って設けられており、前記第５導電体は、基板長手方向における前記第１の電極が設けられた側とは反対側で前記第２導電体及び前記第３導電体と接続されており、前記第１の電極が設けられた側と同じ側で第２の電極に接続されており、前記第１の発熱ラインと第２の発熱ラインが電気的に並列に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、正の抵抗温度特性を有する抵抗発熱体を用いた像加熱装置において、非通紙部昇温を抑制しつつヒータ短手方向の温度分布の均一性を改善できる。

本発明の像加熱装置の断面図。 実施例１のヒータ構成図。 実施例１のヒータの用紙サイズとの関係を示した図。 実施例１のヒータの発熱分布説明図。 実施例１のヒータの効果説明図。 参考例のヒータ構成図。 比較例のヒータ構成図。

図１は像加熱装置の一例としての定着装置１００の断面図である。定着装置１００は、筒状のフィルム（エンドレスベルト）１０２と、フィルム１０２の内面に接触するヒータ２００と、フィルム１０２を介してヒータ２００と共に定着ニップ部Ｎを形成する加圧ローラ（ニップ部形成部材）１０８と、を有する。フィルムのベース層の材質は、ポリイミド等の耐熱樹脂、またはステンレス等の金属である。

加圧ローラ１０８は、鉄やアルミニウム等の材質の芯金１０９と、シリコーンゴム等の材質の弾性層１１０を有する。ヒータ２００は耐熱樹脂製の保持部材１０１に保持されている。保持部材１０１はフィルム１０２の回転を案内するガイド機能も有している。加圧ローラ１０８は不図示のモータから動力を受けて矢印方向に回転する。加圧ローラ１０８が回転することによってフィルム１０２が従動して回転する。

ヒータ２００は、セラミック製のヒータ基板１０５と、基板１０５上に発熱抵抗体を用いて形成された発熱ラインＡ（第１の発熱ライン）及び発熱ラインＢ（第２の発熱ライン）と、発熱ラインＡ及びＢを覆う絶縁性（本実施例ではガラス）の表面保護層１０７を有する。ヒータ基板１０５の裏面側であって、プリンタで設定されている利用可能な最小サイズ紙（本例では封筒ＤＬ：１１０ｍｍ幅）の通紙領域にはサーミスタ等の温度検知素子１１１が当接している。温度検知素子１１１の検知温度に応じて商用交流電源から発熱ラインへ供給する電力が制御される。

未定着トナー画像を担持する記録材（用紙）Ｐは、定着ニップ部Ｎで挟持搬送されつつ加熱されて定着処理される。ヒータ基板１０５の裏面側には、ヒータが異常昇温した時に作動して発熱ラインへの給電ラインを遮断するサーモスイッチ等の安全素子１１２も当接している。安全素子１１２も温度検知素子１１１と同様に最小サイズ紙の通紙領域に当接している。番号１０４は保持部材１０１に不図示のバネの圧力を加えるための金属製のステーである。

本例で説明する定着装置は、Ａ３サイズ（２９７ｍｍ×４２０ｍｍ）を縦送りする（長辺が搬送方向と平行になるように搬送する）場合の用紙幅２９７ｍｍに対応したプリンタに搭載するものである。Ａ３サイズよりも用紙幅が狭い紙、例えばＡ５サイズ（１４８ｍｍ×２１０ｍｍ）を横送りする場合の用紙幅２１０ｍｍにも対応できるように設計してある。

図２は実施例１のヒータの簡略図を示している。なお、発熱ラインＡ中の発熱抵抗体及び発熱ラインＢ中の発熱抵抗体は、いずれも正の抵抗温度特性（ＰＴＣ）である。発熱ラインＡ（第１の発熱ライン）は１個の発熱ブロックＡ１を有し、発熱ラインＢ（第２の発熱ライン）も１個の発熱ブロックＢ１を有している。また、発熱ラインＡと発熱ラインＢは並列に接続されており、電極Ｅ１（第１の電極）及びＥ２（第２の電極）から電力が供給される。

発熱ラインＡは、基板長手方向に沿って設けられている導電パターンＤ１（発熱ラインＡの第１導電体）と、導電パターンＤ１とは基板の短手方向で異なる位置に基板長手方向に沿って設けられている導電パターンＤ２（発熱ラインＡの第２導電体）を有する。導電パターンＤ１と導電パターンＤ２の間には複数本（本例では９４本）の発熱抵抗体（Ａ１−１〜Ａ１−９４）が電気的に並列に接続されており、発熱ブロックＡ１を形成している。

発熱ラインＢは、基板長手方向に沿って設けられている導電パターンＤ３（発熱ラインＢの第３導電体）と、導電パターンＤ３とは基板の短手方向で異なる位置に基板長手方向に沿って設けられている導電パターンＤ４（発熱ラインＢの第４導電体）を有する。導電パターンＤ３と導電パターンＤ４の間には複数本（本例では９４本）の発熱抵抗体（Ｂ１−１〜Ｂ１−９４）が電気的に並列に接続されており、発熱ブロックＢ１を形成している。

導電パターン（第５導電体）Ｄ５は、導電パターンＤ２と導電パターンＤ３の間（前記短手方向の内側）に配置されている。導電パターンＤ１と導電パターンＤ４は、基板長手方向の電極側（図面の左側）で、電極Ｅ１と接続されている。導電パターンＤ２と導電パターンＤ３は、基板長手方向の非電極側（図面の右側）で導電パターンＤ５と接続されており、導電パターンＤ５は、基板長手方向の電極側（図面の左側）で電極Ｅ２と接続されている。

導電パターンＤ５を用いることで、発熱ブロックＡ１及び発熱ブロックＢ２に対して、基板長手方向の両側から電力を供給できるため、後述するヒータ２００の基板長手方向の発熱分布を改善する効果を得るために有効である。

また、電極Ｅ１と電極Ｅ２を長手方向の片側に集めることで、不図示のコネクタを基板長手方向の片側のみに配置することができる。２極の電極をもつ一つのコネクタで、ヒータ２００に電力を供給する場合に有効である。

導電パターンＤ２、導電パターンＤ３、導電パターンＤ５は、ヒータ２００に電力を供給する際に電気的にほぼ同電位となるため、導電パターンＤ５を導電パターンＤ２と導電パターンＤ３の間（基板短手方向の内側）に配置することが好ましい。導電パターン間の放電等を考慮せずに、導電パターン間隔（Ｄ２、Ｄ３、Ｄ５の間隔）を狭めることができるので、比較的に基板短手方向の幅の狭いヒータ基板上にヒータを形成する場合に有効である。

図２（ｂ）は発熱ブロックＡ１の詳細図を示している。導電体Ｄ１と導電体Ｄ２の間には複数本（本例では９４本）の発熱抵抗体（Ａ１−１〜Ａ１−９４）が電気的に並列に接続されており、発熱ブロックＡ１を形成している。発熱ブロックＡ１は線長ａ−１、線幅ｂ−１、傾きθ−１の発熱抵抗体Ａ１−１から、線長ａ−９４、線幅ｂ−９４、傾きθ−９４の発熱抵抗体Ａ１−９４まで、間隔ｃ−１〜ｃ−９４で９４本並べ、導電体を介して並列接続している。発熱ブロック長さを、図２（ｃ）のｃで示すように、左端にある発熱抵抗体の短辺の中心から、右端にある発熱抵抗体の短辺の中心までのヒータ長手方向の長さとして定義する。ヒータ２００では、発熱抵抗体間隔ｃ−１〜ｃ−９４は等間隔であり、ｃ／９４とする。

ここで、発熱ブロックＡ１及び発熱ブロックＢ１の導電パターンＤ１〜Ｄ４の抵抗値はゼロではなく、導電体で生じる電圧降下の影響により、一つの発熱ブロック中、中央部の発熱抵抗体に印加される電圧は両端部の発熱抵抗体に印加される電圧に比べて小さくなることが判った。発熱抵抗体の発熱量は印加電圧の二乗に比例するため、一つの発熱ブロックの中央部と両端部で発熱量が異なってしまう。このように、一つの発熱ブロックで発熱ムラが生じると、長手方向の発熱分布ムラも大きくなる。

上述した発熱ムラを抑制するために、発熱ブロックＡ１は用紙搬送基準Ｘ側（発熱ブロックＡ１の中央側）にある発熱抵抗体（Ａ１−４７、Ａ１−４８）ほど抵抗値が低く、発熱ラインＡ端部側にある発熱抵抗体（Ａ１−１、Ａ１−９４）ほど抵抗値が高くなるようにしている。

図２（ｃ）に示す表には、発熱ブロックＡ１の単位長さ辺りの発熱量を調整する方法の一例を示している。ここでは発熱抵抗体の長さａ−ｎ、間隔ｃ−ｎは一定とし、線幅ｂ−ｎを調整して長手方向における発熱抵抗体の抵抗値を調整している。発熱抵抗体の抵抗値は、長さ／線幅に比例するため、線幅と同様に発熱抵抗体長さを調整してもよい。このように、発熱ラインＡは、長手方向の中央に配置されている発熱抵抗体よりも発熱ラインの端部に配置されている発熱抵抗体のほうが抵抗値が高い、または、一つの発熱ラインに含まれる複数本の発熱抵抗体の間隔が、長手方向の中央よりも端部のほうが広い、の少なくともいずれか一方の条件を満たしていればよい。また図２（ｃ）に示すように発熱抵抗体形状を長方形にすることで、発熱抵抗体に流れる電流分布をより均一にすることができる。例えば発熱抵抗体を平行四辺形にした場合、最短経路により多くの電流が流れるため、発熱抵抗体に流れる電流分布に偏りが生じる場合がある。ただし、本発明の非通紙部昇温を抑制する効果は、平行四辺形の発熱抵抗体を用いた場合でも得ることができ、発熱抵抗体の形状を長方形に限るものではない。また、曲線状の発熱抵抗体を用いても良い。また、隣り合う発熱抵抗体同士が基板長手方向において重なり合うように配置することで、基板長手方向における微小な発熱分布ムラを抑えるようにしている。本実施例では、図２（ｃ）に示すように、発熱抵抗体の短辺の中央が、隣の発熱抵抗体の短辺の中央と重なりあうように配置されている。発熱ラインＢの抵抗値調整方法は、発熱ラインＡと同様のため、説明を省略する。

図３では、ヒータ２００の長手方向における発熱分布を示している。発熱ブロックＡ１及び発熱ブロックＢ１に対して、基板長手方向の両側から電力を供給し、図２で説明した発熱ブロックＡ１及びＢ１の抵抗値調整方法を行うことで、ヒータ２００の基板長手方向の発熱分布の均一性を改善できる。

図４はヒータ２００の非通紙部昇温を説明するための図である。図４は、発熱ラインの中央部を基準にＡ５サイズ（２１０ｍｍ×１４８ｍｍ）紙を縦方向搬送する場合を例として示している。異なる用紙を搬送する際の基準位置を記録材（用紙）搬送基準Ｘとして定義する。

不図示の給紙カセットは用紙の位置を規制する位置規制板を有しており、積載された記録紙のサイズごとに所定の位置から記録紙を給紙し、像加熱装置の所定の位置を記録紙が通過するように搬送している。本例では中央部を基準にする場合について説明を行っているが、左右どちらかの端部を基準に用紙搬送を行う場合でも同様に、基準とは逆側の端部で非通紙部昇温が生じる。例えば左端を基準に用紙搬送を行う場合には、記録材（用紙）搬送基準Ｘは左端となる。

図４のヒータ２００は、Ａ３サイズ紙（約２９７ｍｍ×４２０ｍｍ）を縦方向搬送する場合に対応するため、紙幅２９７ｍｍに対して２９７ｍｍの発熱ライン長を有している。２９７ｍｍの発熱ライン長を有するヒータ２００に紙幅２１０ｍｍのＡ５サイズ（１４８ｍｍ×２１０ｍｍ）を縦方向搬送する場合、発熱ラインの両端部に４３．５ｍｍの非通紙領域が生じる。ヒータ２００の温度制御は通紙部の中央付近に設けられたサーミスタ１１１の出力に基づいて行われており、非通紙部では紙に熱を奪われないため、非通紙部の温度が通紙部に比べて上昇する。Ａ５サイズ用紙の端部は発熱ラインＡ１の発熱抵抗体Ａ１−１４及びＡ１−８１上を通過しており、同様に、Ａ５サイズ用紙の端部は発熱ラインＢ１の発熱抵抗体Ｂ１−１４及びＢ１−８１上を通過している。本ヒータ２００は図４に示したような、小サイズ紙を印刷する際に生じる、非通紙部昇温を抑制することを目的とした、ＰＴＣの抵抗発熱体を用いたヒータである。

図５はヒータ２００の基板短手方向の温度分布の均一性を改善する効果を説明するために用いる図である。図５（ａ）は記録材Ｐを加熱搬送している場合など、加圧ローラ１０８が回転している状態におけるヒータ２００の基板短手方向の温度分布を示している。加圧ローラ１０８の回転や用紙の搬送は定着装置の上流側から下流側に向かって行われるため、ヒータ２００の基板短手方向の下流側の温度が上昇している。

図５（ｂ）は図５（ａ）の状態におけるヒータ２００の基板短手方向の発熱分布を示している。また、比較例として用いるヒータ８００（図７（ａ）に示す）の発熱分布を示している。比較例として用いるヒータ８００では、ヒータ２００の発熱ラインＡ及び発熱ラインＢが直列にされている。

本実施例のヒータ２００では、基板短手方向の上流側（発熱ラインＡ側）の温度が、基板短手方向の下流側（発熱ラインＢ側）の温度に比べて低くなると、発熱ブロックＡ１の抵抗値が低下するため、並列接続された発熱ブロックＢ１に比べて発熱量が増加する。このように、ヒータ２００では温度が低くなった上流側の発熱量が増加するため、基板短手方向の温度分布の均一性が改善される。

点線で示した比較例のヒータ８００では、基板短手方向の上流側（発熱ラインＡ側）の温度が、基板短手方向の下流側（発熱ラインＢ側）の温度に比べて低くなると、発熱ブロックＡ１の抵抗値が低下するため、直列接続された発熱ブロックＢ１に比べて発熱量が低下する。比較例のように発熱ブロックＡ１と発熱ブロックＡ２が電気的に直列接続された場合では、温度が低くなった上流側の発熱量が低下するため、基板短手方向の温度分布の均一性が悪化してしまう。

ここで発熱ラインＡの発熱分布にのみ注目する。一つの発熱ブロックＡ１の中でも、温度が低い箇所の発熱量が低く、温度が高い箇所の発熱量が高くなることが分かる。例えば、比較例のヒータ８０１（図７（ｂ）に示す）のように、発熱ラインＡのみを有するヒータにおいても、ＰＴＣの抵抗発熱材料を用いて、ヒータの短手方向（記録紙の搬送方向）に電流が流れるように配置したヒータでは、基板短手方向の温度分布が生じると、基板短手方向の温度分布の均一性を更に悪化させてしまう特性がある。

本実施例のヒータ２００で示したように、ＰＴＣの抵抗発熱材料を用いて、ヒータの短手方向（記録紙の搬送方向）に電流が流れるように配置した発熱ラインを複数本（本実施例では発熱ラインＡと発熱ラインＢ）用いて並列接続することで、図５で説明したように、基板短手方向の温度分布の均一性が改善することができる。

このように実施例１のヒータ２００を用いることにより、非通紙部昇温を抑制しつつヒータ短手方向の温度分布の均一性を改善できる。

次に参考例のヒータを説明する。実施例１と同様の構成については説明を省略する。図６は本参考例に用いるヒータ６００を説明するための概略図面である。発熱ラインＡ（第１の発熱ライン）は１個の発熱ブロックＡ１を有し、発熱ラインＢ（第２の発熱ライン）も発熱ブロックＢ１を有し、発熱ラインＡ及び発熱ラインＢは並列に接続されている。また、並列接続された発熱ラインＡ及び発熱ラインＢは、電極Ｅ１と電極Ｅ２を介して電力が供給される。

実施例１では図２（ａ）に示すように、導電パターンＤ３、導電パターンＤ４、導電パターンＤ５の３つの導電パターンを用いていた。本参考例のヒータ６００では、図６に示すように、一本の導電体Ｄ２（３）のみで形成することができる。そのため、より基板短手方向の幅の狭いヒータ基板上にヒータを形成する場合に有効な発熱パターンとなる。

発熱ラインＡは、基板長手方向に沿って設けられている導電パターンＤ１（発熱ラインＡの第１導電体）と、導電パターンＤ１とは基板の短手方向で異なる位置に基板長手方向に沿って設けられている導電パターンＤ２（Ｄ３）（発熱ラインＡの第２導電体）を有する。

導電パターンＤ１と、導電パターンＤ２（Ｄ３）の間には複数本（本例では９４本）の発熱抵抗体（Ａ１−１〜Ａ１−９４）が電気的に並列に接続されており、発熱ブロックＡ１を形成している。

発熱ラインＢは、基板長手方向に沿って設けられている導電パターンＤ４（発熱ラインＢの第１導電体）と、導電パターンＤ４とは基板の短手方向で異なる位置に基板長手方向に沿って設けられている導電パターンＤ２（Ｄ３）（発熱ラインＢの第２導電体）を有する。

導電パターンＤ４と、導電パターンＤ２（Ｄ３）の間には複数本（本例では９４本）の発熱抵抗体（Ｂ１−１〜Ｂ１−９４）が電気的に並列に接続されており、発熱ブロックＢを形成している。

また、図６（ｂ）のヒータ６０１に示すように、基板にスルーホールＦ１及びＦ２を形成し、ヒータ６０１の基板裏面を導電パターンを介して、電極Ｅ１と電極Ｅ２を基板長手方向の片側に配置してもよい。

本参考例のヒータ６００においても、非通紙部昇温を抑制しつつヒータ短手方向の温度分布の均一性を改善できる。

１００ 像加熱装置
２００ ヒータ
Ａ 発熱ラインＡ（第１の発熱ライン）
Ｂ 発熱ラインＢ（第２の発熱ライン）
Ａ１ 発熱ラインＡの発熱ブロック
Ｂ１ 発熱ラインＢの発熱ブロック
Ｄ１ 第１導電体
Ｄ２ 第２導電体
Ｄ３ 第３導電体
Ｄ４ 第４導電体
Ｄ５ 第５導電体
Ａ−１〜Ａ−９４、Ｂ−１〜Ｂ−９４ 発熱抵抗体（ＰＴＣ）
Ｘ 記録材（用紙）搬送基準

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板上に基板長手方向に沿って設けられている第１導電体と、前記基板上に前記第１導電体とは基板短手方向で異なる位置に前記長手方向に沿って設けられている第２導電体と、正の抵抗温度特性を有しており前記第１導電体と前記第２導電体の間に電気的に並列接続されている複数本の発熱抵抗体と、を有する第１の発熱ラインと、
   前記基板上に基板長手方向に沿って設けられている第３導電体と、前記基板上に前記第３導電体とは基板短手方向で異なる位置に前記長手方向に沿って設けられている第４導電体と、正の抵抗温度特性を有しており前記第３導電体と前記第４導電体の間に電気的に並列接続されている複数本の発熱抵抗体と、を有する第２の発熱ラインと、
   を有し、
   前記第１導電体乃至前記第４導電体が、この順に基板短手方向に並んでいて、前記第１の発熱ラインと第２の発熱ラインは、基板短手方向で異なる位置に前記長手方向に沿って設けられており、
   前記第１導電体と前記第４導電体の基板長手方向の同じ側の端部が共に第１の電極に接続されており、
   前記第２導電体と前記第３導電体の間に、前記第２導電体及び前記第３導電体と基板短手方向に間隔を置いて第５導電体が基板長手方向に沿って設けられており、
   前記第５導電体は、基板長手方向における前記第１の電極が設けられた側とは反対側で前記第２導電体及び前記第３導電体と接続されており、前記第１の電極が設けられた側と同じ側で第２の電極に接続されており、
   前記第１の発熱ラインと第２の発熱ラインが電気的に並列に接続されていることを特徴とするヒータ。
2. 前記第１及び第２の発熱ラインは、前記長手方向の中央に配置されている発熱抵抗体よりも発熱ラインの端部に配置されている発熱抵抗体のほうが抵抗値が高い、または、一つの発熱ラインに含まれる前記複数本の発熱抵抗体の間隔が、前記長手方向の中央よりも端部のほうが広い、の少なくともいずれか一方の条件を満たしていることを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
3. エンドレスベルトと、前記エンドレスベルトの内面に接触するヒータと、前記エンドレスベルトを介して前記ヒータと共にニップ部を形成するニップ部形成部材と、を有し、前記ニップ部で画像を担持する記録材を挟持搬送しつつ加熱する像加熱装置において、
   前記ヒータが請求項１又は２に記載のヒータであることを特徴とする像加熱装置。

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