JP7150427B2

JP7150427B2 - ヒータおよび定着装置

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Publication number: JP7150427B2
Application number: JP2017213858A
Authority: JP
Inventors: 勇佑陣駒; 智則佐藤; 敦志岩崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2037-11-06
Also published as: JP2019087375A

Description

本発明は、電子写真記録方式の複写機やプリンタ等の画像形成装置に搭載する定着装置及びこの定着装置に搭載するヒータに関する。

電子写真記録方式の画像形成装置に搭載する定着装置として、フィルムを用いた装置が知られている。この定着装置は、筒状のフィルムと、フィルムの内面に接触するヒータを有する。フィルムを用いた定着装置は低熱容量なので、装置のウォームアップ時間が短い、消費電力が少ない、等の利点を有する。

ヒータは、セラミック等の材質の基板と、基板に設けられた発熱抵抗体（発熱体）と、を有する。ヒータの温度はサーミスタ等の温度検知素子で検知され、制御部は温度検知素子の出力に応じて発熱抵抗体への電力供給を制御している。

温度検知素子の構成として、ヒータとは独立に設けた温度検知素子を、絶縁シートを介してヒータに押圧する構成がある。その他に、温度検知素子と、温度検知素子と電気的に接続された導電ラインを、スクリーン印刷等の塗工方法によってヒータの基板上に設けたヒータ一体型の構成もある。ヒータ一体型のものは、温度検知素子、導電ライン、及び発熱体は、絶縁のためにガラス膜で保護されている。ヒータ一体型のものは、温度検知素子が基板に印刷されているので応答性のばらつきが少なく、温度検知精度が高いというメリットがある。

さらに、定着ニップ部の温度を正確に検知するため、温度検知素子を、ヒータのフィルムとの摺動面側に設けるという提案もある（特許文献１）。また、ヒータの小型化のために、発熱抵抗体を、基板の温度検知素子を設けた面とは反対側の面に設けることも考えられる。

特開平１０－２４０３５７号公報

しかしながら、上述したヒータ構成においては、温度検知素子や導電ラインを設けた部分の基板の表面からの厚みが他の部分より厚くなり、ヒータ表面に凹凸が生じる可能性がある。本発明者らの検討によると、ヒータ基板上の導電ラインを、記録材の搬送方向と平行に形成した場合、定着不良および光沢スジが発生し得ることが分かった。その理由は、導電ラインよって生じたヒータ表面の段差部によって、トナー像へ与える熱および圧力が不均一になるからである。

本発明の目的は、定着不良や光沢スジ等の画像不良の発生を抑制することが可能なヒータおよび定着装置を提供することである。

上述の課題を解決するための本発明は、記録材に形成された画像を記録材に定着する定着装置に用いられるヒータであって、基板と、前記基板に設けられている発熱体と、前記基板の前記発熱体が設けられた面とは反対側の面に設けられている温度検知素子と、前記基板の前記温度検知素子が設けられた面と同じ面に設けられており、前記温度検知素子と電気的に接続されている二本の導電ラインと、前記温度検知素子と、前記二本の導電ラインと、を覆う保護層と、を有するヒータにおいて、前記二本の導電ラインの内、第一の導電ラインは前記温度検知素子から前記基板の長手方向における前記基板の一端部に向かって延びており、前記二本の導電ラインの内、第二の導電ラインは前記温度検知素子から前記基板の長手方向における前記基板の他端部に向かって延びており、前記第一及び第二の導電ラインの少なくとも一方の前記保護層で覆われた部分には、前記基板の短手方向において前記温度検知素子が配置されている第一の位置から前記短手方向において前記第一の位置とは異なる第二の位置に延びる領域があり、前記保護層に覆われた前記第一の位置から前記第二の位置に延びる領域には、前記基板の前記長手方向と前記短手方向のいずれに対しても傾いた領域があるが前記短手方向と平行な領域がないことを特徴とする。

また、本発明は、筒状のフィルムと、前記フィルムの内面に接触するヒータと、を有し、回転する前記フィルムを介した前記ヒータからの熱で、記録材に形成された画像を記録材に定着する定着装置において、前記ヒータが請求項１又は２に記載のヒータであり、前記ヒータの前記温度検知素子が設けられた面の側が前記フィルムの内面と接触するように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、定着不良や光沢スジ等の画像不良の発生を抑制することが可能なヒータおよび定着装置を提供できる。

画像形成装置の断面図定着装置の断面図実施例１に係るヒータの構成図比較例に係るヒータの構成図画像不良の発生位置を示す図実施例１の変形例１のヒータの構成図実施例１の変形例２のヒータの構成図実施例１の変形例３のヒータの構成図実施例２に係るヒータの構成図実施例２に係る別の例のヒータの構成図実施例２のヒータの導電ライン近傍の拡大図実施例２の変形例のヒータの、摺動面の構成図実施例２の変形例のヒータの、裏面の構成図

［実施例１］
図１は電子写真記録方式の画像形成装置の断面図である。感光ドラム１は矢印の方向に回転駆動され、その表面は帯電ローラ２によって一様に帯電される。次に、帯電した感光ドラム１の表面は、レーザースキャナ３によって、画像情報に応じたレーザービームＬで走査される。これにより、感光ドラム１の表面に静電潜像が形成される。静電潜像は、現像器４から供給されるトナーによって現像される。感光ドラム１上に形成されたトナー像は、転写ローラ５と感光ドラム１との圧接部である転写ニップ部において、給紙カセット６から給紙された記録材Ｐに転写される。トナー像が転写された記録材Ｐは定着装置７へと搬送され、定着装置７においてトナー像は記録材に加熱定着される。その後、記録材Ｐは排紙トレイ上に排紙される。転写後に感光ドラム１上に残留したトナーは、クリーニング器８によって回収される。

（定着装置７の構成）
次に定着装置７について図２を用いて説明する。図２は定着装置の断面図である。定着装置７は、フィルムユニット１０と加圧ローラ２０を有し、両者の間には記録材Ｐを挟持搬送する定着ニップ部Ｎが形成されている。フィルムユニット１０は、筒状のフィルム１１と、フィルム１１の内面に設色するヒータ１２を有する。定着装置７は更に、ヒータ１２を保持するヒータホルダ１３と、不図示の加圧バネによって付勢されておりヒータホルダ１３を加圧ローラ２０に対して押圧する金属製のステー１４を有する。

フィルム１１は、基層と基層の外側に形成された離型層を有する。基層はポリイミド、ポリアミドイミド、ＰＥＥＫ等の耐熱性樹脂、またはＳＵＳ（ステンレス）等の金属で形成される。離型層はＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ等のフッ素樹脂や、シリコーン樹脂、等の離型性の良好な耐熱樹脂の、混合あるいは単独の層である。また、基層と離型層の間に、シリコーンゴム等の耐熱性ゴムで形成された中間層を設けても良い。本実施例のフィルム１１は、厚み３０μｍのＳＵＳ基層と、厚み２００μｍのシリコーンゴム層（弾性層）と、厚み２０μｍのＰＦＡからなる離型層と、を有する。フィルム１１の外径は２４ｍｍ、長手方向（記録材Ｐの幅方向）の長さは２４０ｍｍとした。

ヒータホルダ１３は、ヒータ１２を保持するとともに、フィルム１１の回転を案内するガイド機能も有する。ヒータホルダ１３は液晶ポリマー等の耐熱性樹脂で形成されている。

金属ステー１４は、ヒータホルダ１３を補強する部品である。ヒータホルダ１３を加圧ローラ２０に対して押圧した時の荷重に耐えるため、金属ステー１４にはＳＵＳ等の高剛性の金属が用いられる。

加圧ローラ２０は、芯金２１と、芯金の外側に形成された弾性層２２を有する。弾性層２２の外側にＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の離型層を設けても良い。芯金２１が不図示のモータから動力を受けることにより、加圧ローラ２０は矢印方向へ回転する。加圧ローラ２０が回転することによってフィルム１１も従動して回転する。本実施例の加圧ローラ２０は、厚み３．５ｍｍのシリコーンゴムからなる弾性層２２と、厚み７０μｍのＰＦＡからなる離型層と、を有する。加圧ローラ２０の外径は２５ｍｍ、長手方向の長さは２３０ｍｍとした。

定着装置７は、回転するフィルム１１を介したヒータ１２からの熱で、記録材Ｐに形成された画像を記録材に定着する。

（ヒータ１２の構成）
次に、本実施例のヒータ１２の構成について図３を用いて説明する。ヒータ１２は、基板３０と、基板３０に設けられている発熱体３１と、を有する。ヒータ１２は更に、基板３０の発熱体３１が設けられた面とは反対側の面に設けられている温度検知素子３３と、基板３０の発熱体３１が設けられた面とは反対側の面に設けられており、温度検知素子３３と電気的に接続している導電ライン３４と、を有する。

図３（ａ）はヒータ１２の裏面側、つまりヒータ１２のフィルム１１との摺動面とは反対側の面を表す図である。アルミナの基板３０上に発熱抵抗体（発熱体）３１および電極３２がスクリーン印刷により形成されており、発熱抵抗体３１は裏面側保護層３５（材質はガラス）で覆われている。電極３２には不図示のコネクタが接続されており、発熱抵抗体３１は電源から供給される電力によって発熱する。なお、基板３０の材質は、窒化アルミ等のセラミック材料や、表面を絶縁層で覆った金属でも構わない。

図３（ｂ）はヒータ１２の摺動面側を表す図である。ヒータ１２の摺動面側には温度検知素子としてのサーミスタ３３および導電ライン３４がスクリーン印刷によって形成されている。導電ライン３４が不図示のコネクタを介して画像形成装置内の制御回路９と接続されていることにより、サーミスタ３３による検知温度を知ることができる。導電ライン３４が、基板３０の長手方向Ｄ１と短手方向Ｄ２のいずれに対しても傾いた領域３４ａを有する点が、本実施例の特徴である。詳細は後述するが、斜め方向に導電ライン３４を形成することで画像不良の発生を抑制することができる。なお、ラインＸはヒータ１２の短手方向Ｄ３における中央を示している。

サーミスタ３３と導電ライン３４も摺動面側保護層３６（材質はガラス）で覆われている。摺動面側の保護層３６はフィルム１１との摺擦による摩耗からサーミスタ３３と導電ライン３４を保護する役割も担っているので、裏面側の保護層よりも耐摩耗性に優れたガラス材料を用いた。なお、発熱抵抗体３１の材質はＡｇ／Ｐｄ、電極３２と導電ライン３４の材質はＡｇである。また、本例のヒータ１２は、長手方向Ｄ１の中央に１つ、両端部に１つずつ、の計３つのサーミスタ３３を配置しているが、サーミスタの数は１つでも複数でも構わない。

（本実施例の効果）
本実施例の比較対象としての比較例について説明する。図４は比較例のヒータ１２０の摺動面側を示す図である。導電ライン３４が短手方向Ｄ２と平行な領域３４ｂを有するため、ヒータ１２０の表面（保護層３６の表面）の長手方向Ｄ１における一部で局所的な段差が発生する。比較例における段差（ヒータ１２０の厚み方向の段差）は２０μｍであった。なお、比較例のヒータ裏面側は図３（ａ）に示す実施例１と同様である。

以下の条件で、本実施例の効果を検証した。まず、記録材Ｐとして普通紙と光沢紙を準備した。普通紙は「ＨＰＬａｓｅｒＪｅｔ９０ｇ」を使用し、光沢紙は「ＨＰＢｒｏｃｈｕｒｅＰａｐｅｒ２００ｇ」を使用した。そして普通紙と光沢紙それぞれに未定着のトナー像を形成した。そして、これらの記録材Ｐを本実施例のヒータ１２を搭載する定着装置７で定着処理した。同様に、これらの記録材Ｐを比較例１２０のヒータを搭載する定着装置で定着処理した。本実施例の定着装置で定着した後のトナー像と、比較例の定着装置で定着した後のトナー像を比較した。なお、普通紙を定着処理する時は、搬送速度を３００ｍｍ／ｓｅｃに設定し、光沢紙を定着処理する時は、搬送速度を７５ｍｍ／ｓｅｃに設定した。ヒータ１２の制御目標温度とヒータ１２０の制御目標温度はいずれも１６０に設定した。

結果を表１に示す。比較例のヒータ１２０を用いた場合には、普通紙・光沢紙ともに画像不良が発生したが、本実施例のヒータ１２を用いた場合、長手全域に亘って良好な定着画像が得られた。比較例では図５に示すように、短手方向に平行な領域３４ｂ（図４参照）が存在する位置で、トナー像Ｔの定着が不十分になる弊害、または光沢が低くなることによる光沢スジＴｄが発生した。

以上のように本実施例のヒータを用いることで、画像不良の発生を抑制することができる。その理由を以下で説明する。

まず、比較例で画像不良が発生する理由は、導電ライン３４よって生じたヒータ摺動面（保護層の表面）の段差部において、トナー像へ与える熱および圧力の不足した領域が局所的に発生するからである。本実施例のように斜め方向に導電ライン３４を形成することによって、摺動面側の段差が長手の一部に集中せず、比較例にあるような局所的な領域での熱および圧力の不足が発生しない。その結果、トナーの定着性が長手全域で略均一になり、画像不良が発生しない。

また本実施例の効果範囲を示すために、導電ライン３４の配置を変えて実験も行った。図３（ｂ）に示すように、基板３０短手方向中心の位置Ｘでヒータの長手方向と平行に引いた平行線に対して、斜めに形成した導電ラインがなす角を角度Ａとし、角度Ａを変更して定着後の画像を比較した。上記表１の「本実施例の構成」においては、角度Ａ＝４５°としていた。

表２に示すように、角度Ａ＝４５°および角度Ａ＝６０°では画像不良が発生しなかった。７５°まで角度Ａを大きくすると比較例のヒータ１２０の構成に近づくので、比較例よりは軽微ではあるものの、若干の画像不良が発生した。

本実施例の結果からは、角度Ａが６０°以下になるように導電ライン３４を形成すれば画像不良が発生しにくいことが判った。ただし角度Ａ＝６０°という条件は、フィルムの種類や導電ラインの厚み、および記録材の種類や搬送速度に影響を受ける部分であり、一義的に決まる条件ではない。しかしながら、角度Ａを９０°より小さくすれば、上述の通り摺動面側の段差が長手の一部に集中しにくくなる。従って、導電ラインに短手方向と平行な領域を設けずに、基板の長手方向と短手方向のいずれに対しても傾いた領域を設けることは、画像不良の発生を抑制する効果を有する。

（変形例１）
本実施例の変形例１として、図６に示すようなヒータでも良い。図６では導電ライン３４が短手方向と平行に形成された領域も存在するが、この領域の長さが短ければ画像不良は発生しにくい。本実施例では短手方向と平行な領域の長さが１．５ｍｍ以下であれば画像不良にならなかった。本条件も角度Ａの条件と同様に、一義的に決まるものではないが、短手方向へ形成される導電ライン３４の長さは短い方が好ましい。

（変形例２）
本実施例の変形例２を説明する。図７のように、変形例２のヒータの導電ラインは、基板の長手方向に平行な領域と、基板の短手方向に平行な領域と、を有し、長手方向に平行な領域と短手方向に平行な領域が交互に接続されて階段形状となっている。本変形例においても短手方向に形成された領域の長さが短ければ（本実施例では１．５ｍｍ以下）画像不良は発生しにくい。

（変形例３）
図８のように、温度検知素子としてのサーミスタ３３の形状を、長手方向にも短手方向にも平行でない形状にしても良い。サーミスタ３３が短手方向と平行な領域を有する場合には、導電ライン３４を短手方向と平行に伸ばした場合と同様に画像不良が発生する可能性がある。本変形例ではサーミスタ３３部も含めて長手の一部に段差が集中することを回避でき、画像不良を抑制することができるため、より好ましい例と言える。

（実施例２）
次に本発明の実施例２について説明する。本実施例の特徴は、導電ラインによって生じる段差自体を低減し、画像不良を抑制する点である。

定着装置７の基本的な構成及び動作は実施例１および実施例２のものと同じである。定着装置７に搭載されるヒータ１２における、摺動面側の形状のみが両者で異なる。

（ヒータの構成）
本実施例のヒータの構成を、図９を用いて説明する。図９（ａ）は基板３０の裏面側を表しており、実施例１と同様の形状である。図９（ｂ）は摺動面側を表しており、図４と同様にサーミスタ３３および導電ライン３４が形成されている。ただし本実施例では基板の導電ラインが設けられた面に、導電ラインとは電気的に絶縁された凸部３７が設けられている。本例の凸部３７の材質はＡｇである。サーミスタ３３、導電ライン３４、及び凸部は保護層３６（材質はガラス）で覆われている。

凸部３７によって実施例１の比較例で発生していた段差が低減される。本実施例では段差が１０μｍ以下となる位置に凸部を形成しているが、その理由は後述する。

（本実施例の効果）
本実施例の効果を示す。実験は実施例１と同条件で行い、定着装置に搭載されるヒータのみ本実施例のものを用いて比較例と比較した。また本実施例の効果範囲を示すために、導電ラインと凸部の距離Ｄを変え、定着後の画像を評価した。図１１のヒータ摺動面側の拡大図で示すように、比較例では２０μｍの段差が発生し、導電ラインと凸部の距離Ｄ＝０．７５ｍｍのときは１５μｍの段差が発生し、導電ラインと凸部の距離Ｄ＝０．５０ｍｍのときは１０μｍの段差が発生した。

結果を表３に示す。比較例の結果は実施例１と同じである。段差を１５μｍまで低減すると、普通紙における定着不良は発生しなかったが、軽微な光沢スジは発生した。それに対して段差を１０μｍまで低減できれば、画像不良は発生しなかった。段差が１０μｍ以下になれば、熱および圧力を受けづらい領域が減り、十分な定着性が得られるからである。

以上の結果より、保護層表面の段差を１０μｍ以下に低減できるように凸部を形成することで、画像不良を抑制することができる。即ち、導電ライン上の保護層と、凸部上の保護層と、導電ラインと凸部の間に位置する保護層と、の間で生じる段差を１０μｍ以下とする。ことで画像不良を抑制できる。本実施例はヒータ上の広い領域に亘って導電ライン３４または凸部３７が存在するため、熱抵抗も均一に近づくという利点があり、実施例１より好ましい例である。

また本実施例では導電ライン３４と凸部３７に同一材料（Ａｇ）を用いたが、異なる材料でも構わない。ただし同一材料を用いた場合の方が、先述したように導電ライン部と凸部材部の熱抵抗が均一になるため、さらに画像不良の発生を抑制しやすくなる。

なお図９（ｂ）では、凸部３７はヒータの長手方向と平行に形成されているが、図１０に示すようにヒータの短手方向と平行に凸部３７を形成した場合にも、段差を軽減することで上記実施例と同様の効果を得ることができる。

（変形例）
本実施例の変形例として、図１２のように、基板３０上に斜め方向に導電ライン３４を形成し、かつ導電ライン３４と絶縁された凸部３７を形成する構成にしても良い。実施例１のように、斜め方向の導電ライン３４により、段差が長手の一部に集中する状況を回避でき、かつ凸部材３７によって段差自体を低減できるため、より好ましい例である。また実施例１の変形例で示した導電ライン形状を有したヒータに対して、凸部３７を形成しても良い。

なお、発熱抵抗体３１の形状は、本実施例および変形例で用いたものに限定されない。例えば図１３に示すように、長手方向に複数の発熱抵抗体３１を有し、それぞれ独立に温度を制御できるものでも構わない。図１３に示した発熱抵抗体３１は５つの領域に分割されており、夫々の領域が独立制御可能である。独立に温度制御行う場合には各領域にサーミスタが必要となり、サーミスタと接続する導電ラインも多く必要となるため、より一層本発明の効果を得ることができる。

１１フィルム
１２ヒータ
３０基板
３１発熱抵抗体
３３サーミスタ
３４導電ライン
３７凸部

Claims

記録材に形成された画像を記録材に定着する定着装置に用いられるヒータであって、
基板と、
前記基板に設けられている発熱体と、
前記基板の前記発熱体が設けられた面とは反対側の面に設けられている温度検知素子と、
前記基板の前記温度検知素子が設けられた面と同じ面に設けられており、前記温度検知素子と電気的に接続されている二本の導電ラインと、
前記温度検知素子と、前記二本の導電ラインと、を覆う保護層と、
を有するヒータにおいて、
前記二本の導電ラインの内、第一の導電ラインは前記温度検知素子から前記基板の長手方向における前記基板の一端部に向かって延びており、
前記二本の導電ラインの内、第二の導電ラインは前記温度検知素子から前記基板の長手方向における前記基板の他端部に向かって延びており、
前記第一及び第二の導電ラインの少なくとも一方の前記保護層で覆われた部分には、前記基板の短手方向において前記温度検知素子が配置されている第一の位置から前記短手方向において前記第一の位置とは異なる第二の位置に延びる領域があり、
前記保護層に覆われた前記第一の位置から前記第二の位置に延びる領域には、前記基板の前記長手方向と前記短手方向のいずれに対しても傾いた領域があるが前記短手方向と平行な領域がないことを特徴とするヒータ。
前記ヒータは、前記基板の長手方向に沿って、独立制御可能な複数の発熱体を有することを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
筒状のフィルムと、
前記フィルムの内面に接触するヒータと、
を有し、回転する前記フィルムを介した前記ヒータからの熱で、記録材に形成された画像を記録材に定着する定着装置において、
前記ヒータが請求項１又は２に記載のヒータであり、
前記ヒータの前記温度検知素子が設けられた面の側が前記フィルムの内面と接触するように配置されていることを特徴とする定着装置。
前記装置は更に、前記フィルムを介して、前記ヒータと共に記録材を挟持搬送する定着ニップ部を形成する加圧ローラを有することを特徴とする請求項３に記載の定着装置。