セラミックヒータ、加熱装置、画像形成装置
【課題】セラミック基板厚を薄くした場合でも、セラミック基板の反りを抑制する。
【解決手段】長尺平板状の熱伝導率の高いＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板１１の長手方向に平行してＡｇとＰｄ合金を主成分とする発熱抵抗体１２，１３を形成する。発熱抵抗体１２，１３の一端には通電用の電極１４，１５を、他端には接続導体１６を接続し、発熱抵抗体１２，１３を直列的に接続する。発熱抵抗体１２，１３それに接続導体１６上を、熱膨張の異なる少なくとも２種のフィラーが添加されているＳｉＯ２-ＺｎＯ系ガラスの第１のオーバーコート層１７で覆い、この第１のオーバーコート層１７上をＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系の低熱膨張ガラスの第２のオーバーコート層１８を積層する。これにより、セラミック基板１１の厚みを薄くした場合でも反りを抑制でき、ヒータの立ち上がり時の昇温速度を早くでき、セラミックヒータ１００のオン／オフ制御時間が短縮できる。
【解決手段】長尺平板状の熱伝導率の高いＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板１１の長手方向に平行してＡｇとＰｄ合金を主成分とする発熱抵抗体１２，１３を形成する。発熱抵抗体１２，１３の一端には通電用の電極１４，１５を、他端には接続導体１６を接続し、発熱抵抗体１２，１３を直列的に接続する。発熱抵抗体１２，１３それに接続導体１６上を、熱膨張の異なる少なくとも２種のフィラーが添加されているＳｉＯ２-ＺｎＯ系ガラスの第１のオーバーコート層１７で覆い、この第１のオーバーコート層１７上をＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系の低熱膨張ガラスの第２のオーバーコート層１８を積層する。これにより、セラミック基板１１の厚みを薄くした場合でも反りを抑制でき、ヒータの立ち上がり時の昇温速度を早くでき、セラミックヒータ１００のオン／オフ制御時間が短縮できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、情報機器、家電製品や製造設備などの小型機器類に装着されて用いられる薄型のセラミックヒータおよびこのヒータを実装したプリンタ、複写機、ファクシミリやリライタブルカードリーダライタなどの加熱装置ならびにこの加熱装置を用いた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のセラミックヒータは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）それに窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の耐熱、絶縁性の材料で長尺状に形成された短冊状のセラミック基板が使われ、セラミック基板の長手方向上に沿って発熱抵抗体が形成され、この発熱抵抗体上をガラス系のオーバーコート層で覆い、発熱抵抗体の保護とセラミックヒータに基づき加熱される被加熱体のオーバーコート層上の摺動性の向上が図られている。（例えば、特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７２２５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１の技術は、Ａｌ２Ｏ３基板よりも熱伝導率の高いＡｌＮ基板およびＳｉ３Ｎ４基板は熱膨張率が小さいため、熱膨張率の大きいオーバーコートガラス形成時に熱膨張率の違いによる基板のソリが発生しやすい。ヒータにソリが発生すると、定着不良や紙詰まりの原因となる。そのため、基板の厚さは０．６ｍｍ程度にし、機械的強度を高くすることで、ヒータのソリを発生しにくくする必要がある。しかし、基板厚が厚くなると、ヒータの熱容量が大きくなり、ヒータ入力時の昇温速度が悪くなる。例えば、短手１．０ｍｍ、長手２８５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのＡｌＮ基板の場合、０．２５℃／（ｓｅｃ．Ｗ）の昇温速度となる。ヒータ長よりも短いサイズの用紙を定着させた場合、通紙による吸熱のない非通紙部のヒータ温度が高くなる非通紙部昇温が発生した場合にも、熱容量が大きいヒータでは、細かな制御ができないため、非通紙部の温度が上がりやすい。例えば、入力４００Ｗで、１８０℃で温度制御した場合、ヒータ入力のオン／オフ間隔に４．２秒程度かかってしまう、という問題があった。
【０００５】
この発明の目的は、高い熱伝導率のセラミック基板厚を薄くした場合でも、ヒータの熱容量を小さくすることのできるセラミックヒータ、このヒータを用いた加熱装置、この加熱装置を用いた画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題を解決するために、この発明のセラミックヒータは、耐熱・絶縁性材料で形成した長尺平板状の熱伝導率の高いセラミック基板と、前記絶縁性基板上の長手方向に銀とパラジウムを主とする導電性成分により厚膜形成された発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の両端に電力を供給する電極と、少なくとも前記電極を残して前記絶縁基板上に施したオーバーコート層と、を具備し、前記オーバーコート層および前記セラミック基板との関係から温度上昇速度を、０．４５℃／（秒×Ｗ）としたことを特徴する。
【０００７】
この発明の加熱装置は、請求項１〜６の何れかに記載のセラミックヒータと、前記セラミックヒータに形成された摺動層に対向配置し、該摺動層を圧接するように回転可能に支持された加圧ローラと、前記セラミックヒータと前記加圧ローラとの間を設けられ、前記加圧ローラの回転にともない前記セラミックヒータ上を摺動する定着フィルムと、を具備したことを特徴とする。
【０００８】
この発明の画像形成装置は、媒体に形成された静電潜像にトナーを付着させてこのトナーを用紙に転写して所定の画像を形成する形成手段と、画像が形成された用紙を加圧ローラにより定着フィルムを介して前記ヒータに圧接しながら通過させることによって、トナーを定着するようにした請求項７記載の加熱装置と、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、熱伝導率が高く厚みの薄いセラミック基板を使用した場合でも、セラミック基板の反り抑制し、ヒータの熱容量を小さく、応答性の速いヒータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明のセラミックヒータに関する一実施形態について説明するための（ａ）は表面の構成図、（ｂ）は裏面の構成図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ’線の拡大断面図である。
【図３】図１の一端を切欠して示した斜視図である。
【図４】厚みが異なるＳｉ３Ｎ４製とＡｌＮ製のセラミック基板のセラミックヒータに印加される電力と昇温温度の関係について説明するための説明図である。
【図５】厚みが異なるＳｉ３Ｎ４製とＡｌＮ製のセラミック基板のセラミックヒータの温度制御を行った場合の反応速度について説明するための説明図である。
【図６】この発明の加熱装置に関する一実施形態について説明するための斜視図である。
【図７】図６の断面図である。
【図８】この発明の画像形成装置に関する一実施形態について説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１〜図３は、この発明のセラミックヒータに関する一実施形態について説明するための、図１（ａ）は表面の構成図、図１（ｂ）は裏面の構成図、図２は図１のＸ−Ｘ’線の拡大断面図、図３は図１の一端を切欠して示した斜視図である。
【００１３】
図１〜図３において、１１は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に比べて熱伝導率の高い例えば窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の耐熱、絶縁性の材料で長尺状に形成されたセラミック基板である。１２，１３は、絶縁基板１１の表面側の長手方向に沿って平行に形成された銀（Ａｇ）・パラジウム（Ｐｄ）の合金をはじめとする銀系材料や、ルテニウム系、炭素系等などの抵抗体ペーストを高温で焼成し、所定の抵抗値を有する厚膜からなる帯状の発熱抵抗体である。
【００１４】
１４，１５は、それぞれ絶縁基板１１上に形成された銀系の導体ペーストを焼成した良導電体膜の給電用の電極である。電極１４は発熱抵抗体１２の一端と、電極１５は発熱抵抗体１３の一端とそれぞれ接続導体１４，１５を介して接続する。発熱抵抗体１２，１３のそれぞれ他端は銀系の導体ペーストを焼成して形成した接続導体１６で共通に接続する。これにより、発熱抵抗体１２，１３は電極１４と１５間に直列的に接続される。
【００１５】
１７は、発熱抵抗体１２，１３それに接続導体１６を、ガラスペーストを用いて厚膜印刷方法により形成される第１のオーバーコート層である。１８は、第１のオーバーコート層１７上に、第１のオーバーコート層１７とは成分の異なるガラスペーストを用いて厚膜印刷方法により形成される第２のオーバーコート層である。
【００１６】
発熱抵抗体１２，１３上が直接覆われる第１のオーバーコート層１７は、発熱抵抗体１２，１３含有されるガラス成分との反応を抑えるために、２種類以上のフィラーを含むガラス層により形成される。
【００１７】
ところで、セラミック基板１１の反りを抑制するためには、セラミック基板１１とオーバーコート層との熱膨張率を考慮する必要がある。第１のオーバーコート層１７は、Ｓｉ３Ｎ４の熱膨張率である４×１０−７／℃との差が小さい、３０〜４０×１０−７／℃程度の低熱膨張のＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスを使用する必要がある。
【００１８】
しかし、低熱膨張ガラスは、発熱抵抗体１１，１２とセラミック基板１１との反応による発泡・クラックが発生したり、セラミック基板１１との結着が弱いため剥れたりする場合がある。
【００１９】
このことを考慮し、第１のオーバーコート層１７、セラミック基板１１との熱膨張率をマッチングさせるために低熱膨張フィラーである無機窒化物、それにガラス焼結を抑え発泡を抑制する無機酸化物の２種類が添加されたＳｉＯ２（酸化ケイ素）-ＺｎＯ（酸化亜鉛）系ガラスを用いる。このとき、第１のオーバーコート層１７を厚く形成すると、セラミック基板１１との密着性が低下するため、２０μｍ以下で形成することが望ましい。
【００２０】
また、第２のオーバーコート層１８は、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３（酸化ホウ素）系の低熱膨張ガラスを用いる。
【００２１】
図４は、厚みが０．３ｍｍのＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板１１との発熱抵抗体１２，１３に印加される電力（Ｗ）と昇温温度（℃）の関係について説明するための説明図である。なお、図４でのセラミックヒータ１００の仕様としては、セラミック基板１１の短手方向の寸法を１．０ｍｍ、長手方向の寸法を２８５ｍｍ、厚さを０．３ｍｍのＳｉ３Ｎ４基板とし、第１および第２のオーバーコート層１７，１８を上記した材料で形成した。
【００２２】
図４から明らかなように、０．３ｍｍのセラミック基板の場合には、例えば入力が１０００Ｗのときに０．６ｍｍのセラミック基板に比べて２００℃／秒の差が生じ、０．３ｍｍのセラミック基板が優位であり、これにはＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板が実用に供する。
【００２３】
ところで、熱伝導率の高いＡｌＮ製のセラミック基板の利用も考えられるが、ＡｌＮ製のセラミック基板は、厚みを薄くした場合にクラック等の不具合が生じることからＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板のようには薄くできない材料上の問題がある。
【００２４】
図４から分かるように、０．３ｍｍのＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板とした場合の温度上昇速度Ｔは、０．４５℃／（秒×Ｗ）となり、短時間での昇温を実現することが可能となる。
【００２５】
図５は、厚みが０．３ｍｍのセラミック基板にした場合と厚みが０．６ｍｍのセラミック基板にした場合の、セラミックヒータにおける入力電力が４００Ｗで１８０℃での温度制御を行った場合の反応速度について説明するための説明図である。
【００２６】
図５の実線の波形は０．３ｍｍのセラミック基板とした場合と破線の波形は０．６ｍｍのセラミック基板とした場合に、発熱抵抗体１２，１３に電力が供給された以降のセラミックヒータの電力制御の状態を表している。
【００２７】
図５から分かるように、セラミックヒータ１００に供給される電力のオン／オフとの間隔が、０．６ｍｍのセラミック基板にした場合の期間ｔ１は４．２秒であるのに対し、０．３ｍｍのセラミック基板にした場合の期間ｔ２は３．４秒と１０％程度ＯＮ-ＯＦＦ時間を短縮できるため、細かな制御を行うことができる。
【００２８】
この実施形態では、０．３ｍｍのＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板を使用するとともに、無機窒化物と無機酸化物の２種類が添加されたＳｉＯ２-ＺｎＯ系ガラスを用いた第１のオーバーコート層とＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系の低熱膨張ガラスを用いた第２のオーバーコート層を積層した。これにより、セラミック基板と第１および第２のオーバーコート層との熱膨張率の差を抑えることで、セラミック基板の厚みを薄くした場合でも反りを抑制でき、ヒータの立ち上がり時の昇温速度を早くすることができる。
【００２９】
また、厚みが薄く熱伝導率の高いセラミック基板の利用を可能としたことにより、セラミックヒータのオン／オフ制御時間が短縮できることから細かな制御が可能となり、定着ムラの抑制にも寄与する。
【００３０】
次に、上記したセラミックヒータ１００を加熱装置２００に実装した場合の、この発明の加熱装置に関する一実施形態について図６、図７を参照して説明する。図６は斜視図、図７は図６の断面図である。
【００３１】
図６において、６１は、ポリイミド樹脂等の耐熱性のフィルムをロール状にして循環自在に巻装された円筒状の定着フィルムである。この定着フィルム６１は、支持体６２の底部にセラミックヒータ１００を固着させ、セラミックヒータ１００にコネクタ６３１，６３２をリード線６４１，６４２介して電力を供給させ、加熱したセラミックヒータ１００に形成された摺動層となる第２のオーバーコート層１８に圧接加熱しながら移動させる。
【００３２】
６５は、その表面に耐熱性弾性材料である、たとえばシリコーンゴム層６６が嵌合してある加圧ローラであり、加圧ローラ６５の回転軸６７と対向してセラミックヒータ１００が、定着フィルム６１と並置して図示しない基台内に取り付けられている。加圧ローラ６５は、定着フィルム６１と相互に圧接させることで、発熱抵抗体１２，１３と加圧ローラ６５とで形成される図７に示すようなニップ部Ｎを形成するとともに、作動時にはそれぞれを矢印ｄ１の方向に回転させる。
【００３３】
このとき、第２のオーバーコート層１８上に配置された定着フィルム６１面とシリコーンゴム層６６との間で、トナー像Ｔｏ１がまず定着フィルム６１を介してセラミックヒータ１００により加熱溶融され、少なくともその表面部は融点を大きく上回り完全に軟化して溶融する。この後、加圧ローラ６５の用紙排出側では複写用紙Ｐがセラミックヒータ１００から離れ、トナー像Ｔｏ２は自然放熱して再び冷却固化し、定着フィルム６１も複写用紙Ｐから離反される。
【００３４】
ここで、セラミックヒータ１００に形成され、定着フィルム６１上を摺動させる第２のオーバーコート層１８は、長さは少なくもと発熱抵抗体１２，１３同じで発熱抵抗体１２，１３と対向するとする。幅は少なくとも定着フィルム６１を挟んで発熱抵抗体１２，１３と加圧ローラ６５とで形成されるニップ部Ｎとする。
【００３５】
この実施形態では、薄いセラミック基板のセラミックヒータを使用できることから、ヒータの立ち上がり時の昇温速度を早くできるばかりか、熱伝導率の向上が図れることから細かなオン／オフ制御が可能となり、加熱の最適化に寄与する。
【００３６】
次に、図８を参照して、この発明の加熱装置２００を搭載した複写機を例とした、この発明の画像形成装置について説明する。図中、加熱装置２００の部分は、上記した説明と同じであり、同一部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３７】
図８において、３０１は複写機３００の筐体、３０２は筐体３０１の上面に設けられたガラス等の透明部材からなる原稿載置台で、矢印Ｚ方向に往復動作させて原稿Ｐ１を走査する。
【００３８】
筐体３０１内の上方向には光照射用のランプと反射鏡とからなる照明装置３０２が設けられており、この照明装置３０２により照射された原稿Ｐ１からの反射光源が短焦点小径結像素子アレイ３０３によって感光ドラム３０４上スリット露光される。なお、この感光ドラム３０４は矢印方向に回転する。
【００３９】
また、３０５は帯電器で、例えば酸化亜鉛感光層あるいは有機半導体感光層が被覆された感光ドラム３０４上に一様に帯電を行う。この帯電器３０５により帯電された感光ドラム３０４には、結像素子アレイ３０３によって画像露光が行われた静電画像が形成される。この静電画像は、現像器３０６による加熱で軟化溶融する樹脂等からなるトナーを用いて顕像化される。
【００４０】
カセット３０７内に収納されている複写用紙Ｐは、給送ローラ３０８と感光ドラム３０４上の画像と同期するタイミングをとって上下方向で圧接して回転される対の搬送ローラ３０９によって、感光ドラム３０４上に送り込まれる。そして、転写放電器３１０によって感光ドラム３０４上に形成されているトナー像は複写用紙Ｐ上に転写される。
【００４１】
その後、感光ドラム３０４上から離れた用紙Ｐは、搬送ガイド３１１によって加熱装置２００に導かれて加熱定着処理された後に、トレイ３１２内に排出される。なお、トナー像が転写された後、感光ドラム３０４上の残留トナーはクリーナ３１３を用いて除去される。
【００４２】
加熱装置２００は、複写用紙Ｐの移動方向と直交する方向に、この複写機３００が複写できる最大判用紙の幅（長さ）に合わせた有効長、すなわち最大判用紙の幅（長さ）より長い発熱抵抗体を備えたセラミックヒータ１００が、加圧ローラ６５の外周に取り付けられたシリコーンゴム層６６に加圧された状態で設けられている。
【００４３】
そして、セラミックヒータ１００と加圧ローラ６５との間を送られる用紙Ｐ上の未定着トナー像Ｔ１は、発熱抵抗体１２の熱を受け溶融して複写用紙Ｐ面上に文字、英数字、記号、図面等の複写像を現出させる。
【００４４】
この実施形態では、ヒータの立ち上がり時の昇温速度を早くできるばかりか、熱伝導率の向上が図れることから細かなオン／オフ制御が可能となり、定着の最適化を図ることが可能となる。
【００４５】
セラミックヒータの用途としては、複写機等の画像形成装置の定着用に用いたが、これに限らず、家庭用の電気製品、業務用や実験用の精密機器や化学反応用の機器等に装着して加熱や保温の熱源としても使用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１００ セラミックヒータ
１１ 絶縁基板
１２，１３ 発熱抵抗体
１４，１５ 電極
１６ 接続導体
１７ 第１のオーバーコート層
１８ 第２のオーバーコート層
２００ 加熱装置
２０１ 定着フィルム
２０３ 加圧ローラ
３００ 複写機
【技術分野】
【０００１】
この発明は、情報機器、家電製品や製造設備などの小型機器類に装着されて用いられる薄型のセラミックヒータおよびこのヒータを実装したプリンタ、複写機、ファクシミリやリライタブルカードリーダライタなどの加熱装置ならびにこの加熱装置を用いた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のセラミックヒータは、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）それに窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の耐熱、絶縁性の材料で長尺状に形成された短冊状のセラミック基板が使われ、セラミック基板の長手方向上に沿って発熱抵抗体が形成され、この発熱抵抗体上をガラス系のオーバーコート層で覆い、発熱抵抗体の保護とセラミックヒータに基づき加熱される被加熱体のオーバーコート層上の摺動性の向上が図られている。（例えば、特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７２２５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１の技術は、Ａｌ２Ｏ３基板よりも熱伝導率の高いＡｌＮ基板およびＳｉ３Ｎ４基板は熱膨張率が小さいため、熱膨張率の大きいオーバーコートガラス形成時に熱膨張率の違いによる基板のソリが発生しやすい。ヒータにソリが発生すると、定着不良や紙詰まりの原因となる。そのため、基板の厚さは０．６ｍｍ程度にし、機械的強度を高くすることで、ヒータのソリを発生しにくくする必要がある。しかし、基板厚が厚くなると、ヒータの熱容量が大きくなり、ヒータ入力時の昇温速度が悪くなる。例えば、短手１．０ｍｍ、長手２８５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのＡｌＮ基板の場合、０．２５℃／（ｓｅｃ．Ｗ）の昇温速度となる。ヒータ長よりも短いサイズの用紙を定着させた場合、通紙による吸熱のない非通紙部のヒータ温度が高くなる非通紙部昇温が発生した場合にも、熱容量が大きいヒータでは、細かな制御ができないため、非通紙部の温度が上がりやすい。例えば、入力４００Ｗで、１８０℃で温度制御した場合、ヒータ入力のオン／オフ間隔に４．２秒程度かかってしまう、という問題があった。
【０００５】
この発明の目的は、高い熱伝導率のセラミック基板厚を薄くした場合でも、ヒータの熱容量を小さくすることのできるセラミックヒータ、このヒータを用いた加熱装置、この加熱装置を用いた画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した課題を解決するために、この発明のセラミックヒータは、耐熱・絶縁性材料で形成した長尺平板状の熱伝導率の高いセラミック基板と、前記絶縁性基板上の長手方向に銀とパラジウムを主とする導電性成分により厚膜形成された発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の両端に電力を供給する電極と、少なくとも前記電極を残して前記絶縁基板上に施したオーバーコート層と、を具備し、前記オーバーコート層および前記セラミック基板との関係から温度上昇速度を、０．４５℃／（秒×Ｗ）としたことを特徴する。
【０００７】
この発明の加熱装置は、請求項１〜６の何れかに記載のセラミックヒータと、前記セラミックヒータに形成された摺動層に対向配置し、該摺動層を圧接するように回転可能に支持された加圧ローラと、前記セラミックヒータと前記加圧ローラとの間を設けられ、前記加圧ローラの回転にともない前記セラミックヒータ上を摺動する定着フィルムと、を具備したことを特徴とする。
【０００８】
この発明の画像形成装置は、媒体に形成された静電潜像にトナーを付着させてこのトナーを用紙に転写して所定の画像を形成する形成手段と、画像が形成された用紙を加圧ローラにより定着フィルムを介して前記ヒータに圧接しながら通過させることによって、トナーを定着するようにした請求項７記載の加熱装置と、を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、熱伝導率が高く厚みの薄いセラミック基板を使用した場合でも、セラミック基板の反り抑制し、ヒータの熱容量を小さく、応答性の速いヒータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明のセラミックヒータに関する一実施形態について説明するための（ａ）は表面の構成図、（ｂ）は裏面の構成図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ’線の拡大断面図である。
【図３】図１の一端を切欠して示した斜視図である。
【図４】厚みが異なるＳｉ３Ｎ４製とＡｌＮ製のセラミック基板のセラミックヒータに印加される電力と昇温温度の関係について説明するための説明図である。
【図５】厚みが異なるＳｉ３Ｎ４製とＡｌＮ製のセラミック基板のセラミックヒータの温度制御を行った場合の反応速度について説明するための説明図である。
【図６】この発明の加熱装置に関する一実施形態について説明するための斜視図である。
【図７】図６の断面図である。
【図８】この発明の画像形成装置に関する一実施形態について説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
図１〜図３は、この発明のセラミックヒータに関する一実施形態について説明するための、図１（ａ）は表面の構成図、図１（ｂ）は裏面の構成図、図２は図１のＸ−Ｘ’線の拡大断面図、図３は図１の一端を切欠して示した斜視図である。
【００１３】
図１〜図３において、１１は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に比べて熱伝導率の高い例えば窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）の耐熱、絶縁性の材料で長尺状に形成されたセラミック基板である。１２，１３は、絶縁基板１１の表面側の長手方向に沿って平行に形成された銀（Ａｇ）・パラジウム（Ｐｄ）の合金をはじめとする銀系材料や、ルテニウム系、炭素系等などの抵抗体ペーストを高温で焼成し、所定の抵抗値を有する厚膜からなる帯状の発熱抵抗体である。
【００１４】
１４，１５は、それぞれ絶縁基板１１上に形成された銀系の導体ペーストを焼成した良導電体膜の給電用の電極である。電極１４は発熱抵抗体１２の一端と、電極１５は発熱抵抗体１３の一端とそれぞれ接続導体１４，１５を介して接続する。発熱抵抗体１２，１３のそれぞれ他端は銀系の導体ペーストを焼成して形成した接続導体１６で共通に接続する。これにより、発熱抵抗体１２，１３は電極１４と１５間に直列的に接続される。
【００１５】
１７は、発熱抵抗体１２，１３それに接続導体１６を、ガラスペーストを用いて厚膜印刷方法により形成される第１のオーバーコート層である。１８は、第１のオーバーコート層１７上に、第１のオーバーコート層１７とは成分の異なるガラスペーストを用いて厚膜印刷方法により形成される第２のオーバーコート層である。
【００１６】
発熱抵抗体１２，１３上が直接覆われる第１のオーバーコート層１７は、発熱抵抗体１２，１３含有されるガラス成分との反応を抑えるために、２種類以上のフィラーを含むガラス層により形成される。
【００１７】
ところで、セラミック基板１１の反りを抑制するためには、セラミック基板１１とオーバーコート層との熱膨張率を考慮する必要がある。第１のオーバーコート層１７は、Ｓｉ３Ｎ４の熱膨張率である４×１０−７／℃との差が小さい、３０〜４０×１０−７／℃程度の低熱膨張のＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系ガラスを使用する必要がある。
【００１８】
しかし、低熱膨張ガラスは、発熱抵抗体１１，１２とセラミック基板１１との反応による発泡・クラックが発生したり、セラミック基板１１との結着が弱いため剥れたりする場合がある。
【００１９】
このことを考慮し、第１のオーバーコート層１７、セラミック基板１１との熱膨張率をマッチングさせるために低熱膨張フィラーである無機窒化物、それにガラス焼結を抑え発泡を抑制する無機酸化物の２種類が添加されたＳｉＯ２（酸化ケイ素）-ＺｎＯ（酸化亜鉛）系ガラスを用いる。このとき、第１のオーバーコート層１７を厚く形成すると、セラミック基板１１との密着性が低下するため、２０μｍ以下で形成することが望ましい。
【００２０】
また、第２のオーバーコート層１８は、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３（酸化ホウ素）系の低熱膨張ガラスを用いる。
【００２１】
図４は、厚みが０．３ｍｍのＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板１１との発熱抵抗体１２，１３に印加される電力（Ｗ）と昇温温度（℃）の関係について説明するための説明図である。なお、図４でのセラミックヒータ１００の仕様としては、セラミック基板１１の短手方向の寸法を１．０ｍｍ、長手方向の寸法を２８５ｍｍ、厚さを０．３ｍｍのＳｉ３Ｎ４基板とし、第１および第２のオーバーコート層１７，１８を上記した材料で形成した。
【００２２】
図４から明らかなように、０．３ｍｍのセラミック基板の場合には、例えば入力が１０００Ｗのときに０．６ｍｍのセラミック基板に比べて２００℃／秒の差が生じ、０．３ｍｍのセラミック基板が優位であり、これにはＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板が実用に供する。
【００２３】
ところで、熱伝導率の高いＡｌＮ製のセラミック基板の利用も考えられるが、ＡｌＮ製のセラミック基板は、厚みを薄くした場合にクラック等の不具合が生じることからＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板のようには薄くできない材料上の問題がある。
【００２４】
図４から分かるように、０．３ｍｍのＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板とした場合の温度上昇速度Ｔは、０．４５℃／（秒×Ｗ）となり、短時間での昇温を実現することが可能となる。
【００２５】
図５は、厚みが０．３ｍｍのセラミック基板にした場合と厚みが０．６ｍｍのセラミック基板にした場合の、セラミックヒータにおける入力電力が４００Ｗで１８０℃での温度制御を行った場合の反応速度について説明するための説明図である。
【００２６】
図５の実線の波形は０．３ｍｍのセラミック基板とした場合と破線の波形は０．６ｍｍのセラミック基板とした場合に、発熱抵抗体１２，１３に電力が供給された以降のセラミックヒータの電力制御の状態を表している。
【００２７】
図５から分かるように、セラミックヒータ１００に供給される電力のオン／オフとの間隔が、０．６ｍｍのセラミック基板にした場合の期間ｔ１は４．２秒であるのに対し、０．３ｍｍのセラミック基板にした場合の期間ｔ２は３．４秒と１０％程度ＯＮ-ＯＦＦ時間を短縮できるため、細かな制御を行うことができる。
【００２８】
この実施形態では、０．３ｍｍのＳｉ３Ｎ４製のセラミック基板を使用するとともに、無機窒化物と無機酸化物の２種類が添加されたＳｉＯ２-ＺｎＯ系ガラスを用いた第１のオーバーコート層とＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系の低熱膨張ガラスを用いた第２のオーバーコート層を積層した。これにより、セラミック基板と第１および第２のオーバーコート層との熱膨張率の差を抑えることで、セラミック基板の厚みを薄くした場合でも反りを抑制でき、ヒータの立ち上がり時の昇温速度を早くすることができる。
【００２９】
また、厚みが薄く熱伝導率の高いセラミック基板の利用を可能としたことにより、セラミックヒータのオン／オフ制御時間が短縮できることから細かな制御が可能となり、定着ムラの抑制にも寄与する。
【００３０】
次に、上記したセラミックヒータ１００を加熱装置２００に実装した場合の、この発明の加熱装置に関する一実施形態について図６、図７を参照して説明する。図６は斜視図、図７は図６の断面図である。
【００３１】
図６において、６１は、ポリイミド樹脂等の耐熱性のフィルムをロール状にして循環自在に巻装された円筒状の定着フィルムである。この定着フィルム６１は、支持体６２の底部にセラミックヒータ１００を固着させ、セラミックヒータ１００にコネクタ６３１，６３２をリード線６４１，６４２介して電力を供給させ、加熱したセラミックヒータ１００に形成された摺動層となる第２のオーバーコート層１８に圧接加熱しながら移動させる。
【００３２】
６５は、その表面に耐熱性弾性材料である、たとえばシリコーンゴム層６６が嵌合してある加圧ローラであり、加圧ローラ６５の回転軸６７と対向してセラミックヒータ１００が、定着フィルム６１と並置して図示しない基台内に取り付けられている。加圧ローラ６５は、定着フィルム６１と相互に圧接させることで、発熱抵抗体１２，１３と加圧ローラ６５とで形成される図７に示すようなニップ部Ｎを形成するとともに、作動時にはそれぞれを矢印ｄ１の方向に回転させる。
【００３３】
このとき、第２のオーバーコート層１８上に配置された定着フィルム６１面とシリコーンゴム層６６との間で、トナー像Ｔｏ１がまず定着フィルム６１を介してセラミックヒータ１００により加熱溶融され、少なくともその表面部は融点を大きく上回り完全に軟化して溶融する。この後、加圧ローラ６５の用紙排出側では複写用紙Ｐがセラミックヒータ１００から離れ、トナー像Ｔｏ２は自然放熱して再び冷却固化し、定着フィルム６１も複写用紙Ｐから離反される。
【００３４】
ここで、セラミックヒータ１００に形成され、定着フィルム６１上を摺動させる第２のオーバーコート層１８は、長さは少なくもと発熱抵抗体１２，１３同じで発熱抵抗体１２，１３と対向するとする。幅は少なくとも定着フィルム６１を挟んで発熱抵抗体１２，１３と加圧ローラ６５とで形成されるニップ部Ｎとする。
【００３５】
この実施形態では、薄いセラミック基板のセラミックヒータを使用できることから、ヒータの立ち上がり時の昇温速度を早くできるばかりか、熱伝導率の向上が図れることから細かなオン／オフ制御が可能となり、加熱の最適化に寄与する。
【００３６】
次に、図８を参照して、この発明の加熱装置２００を搭載した複写機を例とした、この発明の画像形成装置について説明する。図中、加熱装置２００の部分は、上記した説明と同じであり、同一部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３７】
図８において、３０１は複写機３００の筐体、３０２は筐体３０１の上面に設けられたガラス等の透明部材からなる原稿載置台で、矢印Ｚ方向に往復動作させて原稿Ｐ１を走査する。
【００３８】
筐体３０１内の上方向には光照射用のランプと反射鏡とからなる照明装置３０２が設けられており、この照明装置３０２により照射された原稿Ｐ１からの反射光源が短焦点小径結像素子アレイ３０３によって感光ドラム３０４上スリット露光される。なお、この感光ドラム３０４は矢印方向に回転する。
【００３９】
また、３０５は帯電器で、例えば酸化亜鉛感光層あるいは有機半導体感光層が被覆された感光ドラム３０４上に一様に帯電を行う。この帯電器３０５により帯電された感光ドラム３０４には、結像素子アレイ３０３によって画像露光が行われた静電画像が形成される。この静電画像は、現像器３０６による加熱で軟化溶融する樹脂等からなるトナーを用いて顕像化される。
【００４０】
カセット３０７内に収納されている複写用紙Ｐは、給送ローラ３０８と感光ドラム３０４上の画像と同期するタイミングをとって上下方向で圧接して回転される対の搬送ローラ３０９によって、感光ドラム３０４上に送り込まれる。そして、転写放電器３１０によって感光ドラム３０４上に形成されているトナー像は複写用紙Ｐ上に転写される。
【００４１】
その後、感光ドラム３０４上から離れた用紙Ｐは、搬送ガイド３１１によって加熱装置２００に導かれて加熱定着処理された後に、トレイ３１２内に排出される。なお、トナー像が転写された後、感光ドラム３０４上の残留トナーはクリーナ３１３を用いて除去される。
【００４２】
加熱装置２００は、複写用紙Ｐの移動方向と直交する方向に、この複写機３００が複写できる最大判用紙の幅（長さ）に合わせた有効長、すなわち最大判用紙の幅（長さ）より長い発熱抵抗体を備えたセラミックヒータ１００が、加圧ローラ６５の外周に取り付けられたシリコーンゴム層６６に加圧された状態で設けられている。
【００４３】
そして、セラミックヒータ１００と加圧ローラ６５との間を送られる用紙Ｐ上の未定着トナー像Ｔ１は、発熱抵抗体１２の熱を受け溶融して複写用紙Ｐ面上に文字、英数字、記号、図面等の複写像を現出させる。
【００４４】
この実施形態では、ヒータの立ち上がり時の昇温速度を早くできるばかりか、熱伝導率の向上が図れることから細かなオン／オフ制御が可能となり、定着の最適化を図ることが可能となる。
【００４５】
セラミックヒータの用途としては、複写機等の画像形成装置の定着用に用いたが、これに限らず、家庭用の電気製品、業務用や実験用の精密機器や化学反応用の機器等に装着して加熱や保温の熱源としても使用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１００ セラミックヒータ
１１ 絶縁基板
１２，１３ 発熱抵抗体
１４，１５ 電極
１６ 接続導体
１７ 第１のオーバーコート層
１８ 第２のオーバーコート層
２００ 加熱装置
２０１ 定着フィルム
２０３ 加圧ローラ
３００ 複写機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱・絶縁性材料で形成した長尺平板状の熱伝導率の高いセラミック基板と、
前記絶縁性基板上の長手方向に銀とパラジウムを主とする導電性成分により厚膜形成された発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体の両端に電力を供給する電極と、
少なくとも前記電極を残して前記絶縁基板上に施したオーバーコート層と、を具備し、
前記オーバーコート層および前記セラミック基板との関係から温度上昇速度を、０．４５℃／（秒×Ｗ）としたことを特徴するセラミックヒータ。
【請求項２】
前記セラミック基板は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に比べて熱伝導率の高い材料で形成したことを特徴とする請求項１ 記載のセラミックヒータ。
【請求項３】
前記オーバーコート層は、少なくとも前記発熱抵抗体を覆う第１のオーバーコート層と、該第１のオーバーコート層上に形成されるとともにガラス成分の異なる第２のオーバーコート層とから構成する請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項４】
前記第１のオーバーコート層は、熱膨張の異なる少なくとも２種のフィラーが１０％以下で添加されているＳｉＯ２-ＺｎＯ系ガラスを用いたことを特徴とする請求項３記載のセラミックヒータ。
【請求項５】
前記第１のオーバーコート層に添加されるフィラーは、無機酸化物と無機窒化物であることを特徴とする請求項４記載のセラミックヒータ。
【請求項６】
前記第２のオーバーコート層は、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系の低熱膨張ガラスを用いることを特徴とする請求項３記載のセラミックヒータ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載のセラミックヒータと、
前記セラミックヒータに形成された摺動層に対向配置し、該摺動層を圧接するように回転可能に支持された加圧ローラと、
前記セラミックヒータと前記加圧ローラとの間を設けられ、前記加圧ローラの回転にともない前記セラミックヒータ上を摺動する定着フィルムと、を具備したことを特徴とする加熱装置。
【請求項８】
媒体に形成された静電潜像にトナーを付着させてこのトナーを用紙に転写して所定の画像を形成する形成手段と、
画像が形成された用紙を加圧ローラにより定着フィルムを介して前記ヒータに圧接しながら通過させることによって、トナーを定着するようにした請求項７記載の加熱装置と、を具備したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項１】
耐熱・絶縁性材料で形成した長尺平板状の熱伝導率の高いセラミック基板と、
前記絶縁性基板上の長手方向に銀とパラジウムを主とする導電性成分により厚膜形成された発熱抵抗体と、
前記発熱抵抗体の両端に電力を供給する電極と、
少なくとも前記電極を残して前記絶縁基板上に施したオーバーコート層と、を具備し、
前記オーバーコート層および前記セラミック基板との関係から温度上昇速度を、０．４５℃／（秒×Ｗ）としたことを特徴するセラミックヒータ。
【請求項２】
前記セラミック基板は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に比べて熱伝導率の高い材料で形成したことを特徴とする請求項１ 記載のセラミックヒータ。
【請求項３】
前記オーバーコート層は、少なくとも前記発熱抵抗体を覆う第１のオーバーコート層と、該第１のオーバーコート層上に形成されるとともにガラス成分の異なる第２のオーバーコート層とから構成する請求項１記載のセラミックヒータ。
【請求項４】
前記第１のオーバーコート層は、熱膨張の異なる少なくとも２種のフィラーが１０％以下で添加されているＳｉＯ２-ＺｎＯ系ガラスを用いたことを特徴とする請求項３記載のセラミックヒータ。
【請求項５】
前記第１のオーバーコート層に添加されるフィラーは、無機酸化物と無機窒化物であることを特徴とする請求項４記載のセラミックヒータ。
【請求項６】
前記第２のオーバーコート層は、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系の低熱膨張ガラスを用いることを特徴とする請求項３記載のセラミックヒータ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載のセラミックヒータと、
前記セラミックヒータに形成された摺動層に対向配置し、該摺動層を圧接するように回転可能に支持された加圧ローラと、
前記セラミックヒータと前記加圧ローラとの間を設けられ、前記加圧ローラの回転にともない前記セラミックヒータ上を摺動する定着フィルムと、を具備したことを特徴とする加熱装置。
【請求項８】
媒体に形成された静電潜像にトナーを付着させてこのトナーを用紙に転写して所定の画像を形成する形成手段と、
画像が形成された用紙を加圧ローラにより定着フィルムを介して前記ヒータに圧接しながら通過させることによって、トナーを定着するようにした請求項７記載の加熱装置と、を具備したことを特徴とする画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−９６４６４（Ｐ２０１１−９６４６４Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４８１９４（Ｐ２００９−２４８１９４）
【出願日】平成２１年１０月２８日（２００９．１０．２８）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２８日（２００９．１０．２８）
【出願人】（０００１１１６７２）ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Ｆターム（参考）】
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