ヒーターおよびそれを備えた加熱定着装置
【課題】 ヒーター全体を均一に加熱することができ、昇温速度を増大させることができるとともに、トナー画像の定着性に優れたヒーターの構造を提供する。
【解決手段】 セラミックヒーター１０は用紙９の表面上に形成されたトナー画像を定着させる。セラミック基板１は、トナー画像が形成された用紙９の一方の表面に対向するように配設される。発熱体２は、用紙９の一方の表面に対向するセラミック基板１の表面と反対側の表面に形成されている。
【解決手段】 セラミックヒーター１０は用紙９の表面上に形成されたトナー画像を定着させる。セラミック基板１は、トナー画像が形成された用紙９の一方の表面に対向するように配設される。発熱体２は、用紙９の一方の表面に対向するセラミック基板１の表面と反対側の表面に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヒーターおよびそれを備えた加熱定着装置に関し、より特定的には、複写機、プリンタなどで用いられる、紙等の転写材の表面上に形成されたトナー画像を定着させるためのヒーターおよびそれを備えた加熱定着装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、トナー画像を定着させるために用いられるヒーターとしては、円筒型ヒーターがある。図５は、従来の加熱定着装置の構成を概略的に示す模式図である。図５に示すように、加熱定着装置は、所定の温度に維持されたアルミニウム製の加熱ローラ２５と、加熱ローラ２５に対して圧接する加圧ローラ８とを備えている。トナー画像が形成された転写材である用紙９が、加熱ローラ２５と加圧ローラ８との間に送り込まれ、両ローラで加熱加圧されることにより、用紙９の上に形成されたトナー画像が定着する。この場合、円筒型ヒーター２０自体も加熱ローラ２５とともに矢印Ｒの方向に回転する。加圧ローラ８も矢印Ｒで示す方向に回転する。したがって、用紙９は加熱ローラ２５と加圧ローラ８との間に挟まれて矢印Ｐで示す方向に移動する。
【０００３】
上述のように、円筒型ヒーターが用いられる場合には、ヒーター自体が回転して加熱ローラ２５を通じて用紙９に熱を伝えてトナー画像を定著させている。このため、円筒型ヒーター２０だけでなく、アルミニウム製の加熱ローラ２５の全体をトナーの定着可能な温度まで加熱しなければならない。その結果、ヒーター全体の熱容量を大きくする必要があり、消費電力が大きくなる。
【０００４】
これに対して、熱容量の小さい板状のヒーターと薄膜のフィルムとを用いた加熱定着装置が、特開昭６３−３１３１８２号公報、特開平１−２６３６７９号公報、特開平２−１５７８７８号公報、特開平５−１３５８４９号公報等で提案されている。図６は、板状のヒーターを用いた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。図６に示すように、加熱定着装置は、耐熱性樹脂フィルム、たとえばポリイミド樹脂から形成されたポリイミドフィルム７と加圧ローラ８とを備えている。ポリイミドフィルム７と加圧ローラ８が矢印Ｒで示す方向に回転する。トナー画像が形成された用紙９はポリイミドフィルム７と加圧ローラ８との間に挟まれて矢印Ｐで示す方向に移動する。回転するポリイミドフィルム７の内側には、板状のセラミックヒーター１０が固定されている。板状のセラミックヒーター１０からポリイミドフィルム７を通じて用紙９に熱が伝わる。また、この加圧ローラ８の表面は弾性体（通常はゴム）から形成されており、後述のように加熱ローラと加圧ローラとの間に設けられたばねによって一定の荷重が加えられている。この荷重によって転写材である用紙９には加熱と同時に荷重が加えられる。また、この荷重によって加圧ローラ８の表面は加圧され、図７に示すようにヒーターに対向する部分に一定幅Ｗ３の接触部を形成する。この熱と加えられる荷重とにより、用紙９の表面上に形成されたトナー画像が定着する。このように、ヒーターを板状にすることにより、円筒型ヒーターよりも大幅にヒーターの熱容量を下げることができ、消費電力を低減させることができる。
【０００５】
図７は、図６に示された加熱定着装置の構成をより詳細に示す模式図である。図６に示されたセラミックヒーター１０は、セラミック基板１と発熱体２と温度検知素子用電気回路層３と温度検知素子４と保護ガラス層５とを備えている。セラミック基板１の用紙９に対向する一方の表面上には、発熱体２が形成されている。セラミックヒーター１０はヒーター搭載台６の上に固定されている。耐熱性樹脂フィルム７は、固定されたセラミックヒーター１０の表面を覆うようにして矢印Ｒで示される方向に回転する。したがって、セラミックヒーター１０の用紙９に対向する表面は樹脂フィルム７と摺動することとなる。そのため、樹脂フィルム７と対向する発熱体２の表面とセラミック基板１の表面には、保護ガラス層５が形成されている。セラミック基板１の反対側の表面には、温度検知素子用電気回路層３を介在して温度検知素子４が搭載されている。
【０００６】
上記のように構成されたセラミックヒーター１０を用いて用紙９の表面上に熱を伝える場合、熱は発熱体２から保護ガラス層５に伝わり、樹脂フィルム７を通じて用紙９に伝わる。保護ガラス層５は、平滑でかつ均一の厚みを有する必要がある。もし、保護ガラス層５が平滑でない場合や、その膜厚のばらつきが大きい場合には、トナーの定着性にむらが生じるおそれがある。また、発熱体２と樹脂フィルム７との間の絶縁抵抗を確保するために、保護ガラス層５の厚みを数十μｍ以上にする必要がある。
【０００７】
一方、前述の定着のための加圧機構は、通常、図８に示されるような機構である。図８の（Ａ）は図７の加熱定着装置における加熱ローラの内部断面を示す図である。図８の（Ｂ）は加圧機構を示す模式図である。これらの図を参照して、加圧ローラ８は加圧ローラ搭載台８１にその軸が保持されている。セラミックヒーター１０はヒーター搭載台６に固着されている。アルミニウム製フレーム６１はヒーター搭載台６に固定され、加熱ローラの外枠を構成している。図８の（Ａ）に示す断面に直角の方向から見た断面が図８の（Ｂ）に示されている。言い換えれば、図８の（Ａ）は図８の（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面のうち加熱ローラ側の部分のみを示している。図８の（Ｂ）は、図８の（Ａ）で示した加熱ローラの内部構造、特にアルミニウム製フレーム６１と加圧ローラ８との接続構造を示している。ヒーター搭載台６に固定されたアルミニウム製フレーム６１の両端は、加圧ローラ８の軸を保持した固定台８１にばね８２によって弾性的に支持されている。このように加熱ローラがばね８２によって加圧ローラ８に当接する方向に弾性的に一定の荷重が加えられるようになっている。このばね８２の圧縮力とアルミニウム製フレーム６１の剛性によって両ローラ間に一定の圧力が加わり、加圧ローラ８の表面の弾性体（通常ゴム）の変形によって接触部が形成されている。転写材である用紙は、図８の（Ｂ）に示される紙投入口８３を通じて送り込まれる。なお、図示していないが、図８の（Ｂ）において、紙投入口８３の外側に実際にはヒーター搭載台６が存在し、ヒーター搭載台６と加圧ローラ８との間に耐熱性樹脂フィルム（たとえばポリイミド製フィルム）７が走行するようになっている。転写材である用紙が投入される前には、加圧ローラ８と耐熱性樹脂フィルム７とが接触した状態となっている。
【０００８】
接触部の幅Ｗ３とセラミック基板の幅Ｗ２との間の模式的な関係は図７に示されている。ただし、図７においては、セラミックヒーター１０を拡大して示しているので、接触部の幅Ｗ３とセラミック基板の幅Ｗ２との間の関係が実際とは少し異なっている。
【０００９】
この接触部の幅Ｗ３の範囲内では、多少の温度分布は存在するもの、通常トナーの定着に必要な最低限の温度は確保されるようになっている。現在、ヒーター基板の材料としてはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が主として用いられている。アルミナを用いる場合には、この接触部の幅Ｗ３は、用紙の送り込み速度が低速である４ｐｐｍ（日本工業規格Ａ列４番の大きさの用紙を１分間に４枚送る速度）では、通常２ｍｍ程度である。このときのアルミナ基板は、幅９ｍｍ、長さ２７０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの大きさのものが通常用いられ、その基板上に形成される発熱体の幅は通常１．５ｍｍである。なお、発熱体の両側には、絶縁性を確保するため、２００Ｖ電源を使用する場合には少なくとも２．５ｍｍずつ空間を設け、同様に１００Ｖ電源を使用する場合には少なくとも１．６ｍｍずつ空間を設ける。
【００１０】
用紙の送り込み速度（定着速度）が大きくなると、接触部の幅Ｗ３も当然大きくする必要がある。そこで、単純にセラミック基板上の発熱体の幅を大きくし、さらに加圧ローラの直径を大きくしたり、加圧ローラと加熱ローラとの間の荷重を増加させて接触部の幅を大きくし、高速の送り込み速度においでも安定にトナーを定着できるだけの均熱部の距離を確保しているのが現状である。
【００１１】
したがって、この接触部の幅Ｗ３は、接触部内での温度が均一とする単純な仮定の下では、前述のように定着速度が４ｐｐｍのとき２ｍｍであるので、８ｐｐｍのとき４ｍｍ、１６ｐｐｍのとき８ｍｍとする必要がある。実際には、接触部内でも温度分布が生じているので安全をみて発熱体の幅を接触部の幅Ｗ３よりわずかに小さい程度に広げる必要がある。発熱体の幅が大きくなれば、その発熱体が設けられるアルミナ基板の幅Ｗ２も当然大きくする必要がある。その結果、定着の高速化によってヒーターの消費電力も増加する。
【００１２】
一方、両ローラ間に加えられる荷重を大きくすることによって接触部の幅Ｗ３を大きくし、発熱体の幅の増加と、それに伴うセラミック基板の幅Ｗ２の増加を抑制するとともに、定着品質を確保することも試みられている。
【００１３】
しかしながら、図７に示されるようなセラミックヒーターの構造を採用する限り、上記の荷重を増加させることになって定着品質を確保するには限界がある。たとえば、セラミック基板と発熱体に加わる熱衡撃も増加し、定着速度の増加に伴ってセラミック基板と発熱体の寿命も短くなる。また、セラミックヒーターの表面と摺動する耐熱性樹脂フィルムとの摩擦が大きくなり、セラミックヒーターの表面に形成される保護ガラス層の損傷も大きくなる。さらに、転写材である用紙への負荷も増大し、定着の高速化によって用紙の表面に皺や傷が発生しやすくなる。
【００１４】
以上述べたように、現状のアルミナ基板を用いたセラミックヒーターの構造で定着の高速化に対応するとすれば、単純に設計すると、各定着速度ごとの設計仕様は表１に示されるようになる。表１において、定着速度が８ｐｐｍ以上での値は推計値である。
【００１５】
【表１】
【００１６】
なお、上記の表１で８ｐｐｍの定着速度までは基板の幅Ｗ２は、いずれも９ｍｍで計算上設計可能であり、同じ幅とした。また、表１において荷動６ｋｇまで、すなわち定着速度が６ｐｐｍまでは、図８の（Ａ）に示すように加熱ローラのフレームはアルミニウム製であるが、荷重が８ｋｇ以上、すなわち定着速度が８ｐｐｍ以上になると、剛性を高くするために加熱ローラのフレームとしてスチール製のものを用いる必要がある。
【００１７】
以上のように定着速度を上げようとすると現状のアルミナ基板を用いたセラミックヒーターの構造を採用している限り、種々の問題が考えられる。
【特許文献１】特開昭６３−３１３１８２号公報
【特許文献２】特開平０１−２６３６７９号公報
【特許文献３】特開平０２−１５７８７８号公報
【特許文献４】特開平０５−１３５８４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
そこで、現状のアルミナ基板を用いたセラミックヒーターの構造を採用する場合、特に定着速度の高速化を図るための最大の課題は、保護ガラス層に関係するヒーターの熱効率の向上をいかに達成することができるか、ということである。一般に、ガラスの熱伝導率は数Ｗ／ｍＫ以下であり、非常に低い。このため、発熱体２から伝えられた熱により上昇した保護ガラス層５の温度のばらつきが大きくなる。その結果、セラミックヒーター１０の全体を一定温度にすることが困難になる。これにより、用紙９の表面上に形成されたトナー画像を均一に定着させることが困難となる。
【００１９】
また、セラミックヒーターの温度を制御するための装置が必要となり、製造コストが高くなるという問題もある。さらに、セラミックヒーターが所定の使用温度に達するまで時間がかかるなどの問題点がある。
【００２０】
一方、上記の間題点を解決するために保護ガラス層の厚みを薄くすると、発熱体２と樹脂フィルム７との間の絶縁抵抗が小さくなるという問題点がある。
【００２１】
そこで、この発明の目的は、セラミックヒーター内の温度のばらつきを小さくし、トナー画像の定着性能を向上させるとともに、ヒーターの昇温速度を向上させることである。
【００２２】
さらに、この発明の別の目的は、以上の目的を達成した上で今後の定着速度の高速化に追随できるセラミックヒーターの構造を提供することである。
【００２３】
この発明のさらに別の目的は、トナー画像の定着性能を向上させ、セラミックヒーターの昇温速度を向上させ、さらに定着速度の高速化に対応可能なヒーターの構造を備えた加熱定着装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
この発明に従ったヒーターは、移動可能に配置された耐熱性フィルムと、その耐熱性フィルムの上に圧力を加える加圧ローラとを備え、その加圧ローラによる加圧と耐熱性フィルムを介した加熱とによって、耐熱性フィルムと加圧ローラとの間に挟まれて移動する転写材の表面上に形成されたトナー画像を定着させる加熱定着装置に、耐熱性フィルムがその上で摺動して密着し得るように設けられるヒーターである。そのヒーターは、セラミック基板と、発熱体とを備える。セラミック基板は、トナー画像が形成された転写材の一方の表面に対向するように配置されている。発熱体は、転写材の一方の表面に対向するセラミック基板の表面と反対側の表面に形成されている。
【００２５】
好ましくは、発熱体は、セラミック基板の表面上に複数本の線状の形態で形成されている。
【００２６】
また、好ましくは、発熱体は、セラミック基板の表面上に面状の形態で形成されている。
【００２７】
セラミック基板の表面に形成される発熱体は、線状の場合、面状の場合ともに、その成分としてたとえば、銀、白金、パラジウム、ルテニウム等の貴金属およびそれらの合金からなる群から選ばれた金属の少なくとも１種を含む複合体か、またはＳｉの炭化物、周期律表ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する各元素単体（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）、ならびにそれらの各元素の炭化物、窒化物、硼化物および珪化物からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む複合体から形成されているのが好ましい。
【００２８】
セラミック基板の熱伝導率は５０Ｗ／ｍＫ以上であるのが好ましい。セラミック基板は、そのような熱伝導率を有する複合材料、多層基板または単板から構成される。
【００２９】
セラミック基板の厚みは、４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であるのが好ましい。耐熱性フィルムと加圧ローラとの間で形成される接触部の幅（Ｗ３）に対するセラミック基板の幅（Ｗ２）の比（Ｗ２／Ｗ３）が１．４以下であるのが好ましい。
【００３０】
セラミック基板は、窒化アルミニウムを主成分とする。好ましくは、セラミック基板は窒化アルミニウム焼結体からなり、その窒化アルミニウム焼結体を構成している粒子の平均粒径は６．０μｍ以下であり、窒化アルミニウム焼結体の曲げ強度は４０ｋｇ／ｍｍ２以上である。
【００３１】
ヒーターの温度を制御する制御回路および／または制御素子は、発熱体が形成されたセラミック基板の表面と同一の表面上に形成されるのが好ましい。
【００３２】
ヒーターの温度を検知する素子および／またはその制御回路は、発熱体が形成されたセラミック基板と異なる基板の上に形成され、その基板が発熱体の直上に設けられるのが好ましい。
【００３３】
さらにこの発明の別に局面に従った加熱定着装置は、セラミックヒーターと、耐熱性フィルムと、加圧ローラとを備えている。耐熱性フィルムは、セラミックヒーターに密着して摺動するように配置されている。加圧ローラは、耐熱性フィルムの上に圧力を加えるものである。加熱定着装置は、加圧ローラによる加圧と耐熱性フィルムを介したセラミックヒーターによる加熱とによって、耐熱性フィルムと加圧ローラとの間に挟まれて移動する転写材の表面上に形成されたトナー画像を定着させる。セラミックヒーターは、セラミック基板と、発熱体とを含む。セラミック基板は、トナー画像が形成された転写材の一方の表面に対向するように配置されている。発熱体は、転写材の一方の表面に対向するセラミック基板の表面と反対側の表面に形成されている。
【００３４】
この発明においては、発熱体が形成された表面と反対側のセラミック基板の表面が、トナー画像の形成された転写材の一方の表面に対向している。そのため、発熱体が形成されていないセラミック基板の表面から紙等の転写材に熱が伝わる。その熱により、転写材に形成されたトナー画像が定着する。転写材に対向するセラミック基板の表面には発熱体が形成されていないので、その発熱体を保護するためのガラス層も形成されていない。このように熱伝導率の低いガラス層が発熱体と転写材との間に介在しないため、ヒーター全体の温度を均一にすることが容易となる。また、ヒーターを急速に昇温させることも容易となる。このように、発熱体で発生した熱はセラミック基板に拡散し、セラミックヒーター全体を迅速に均一な温度にすることができるので、ヒーターの温度制御を容易にすることができる。
【００３５】
セラミック基板の表面上に複数本の線状の形態で発熱体を形成することにより、あるいは、セラミック基板の表面上に面状の形態で発熱体を形成することにより、ヒーター全体の温度をより均一にすることができる。
【００３６】
セラミック基板の表面に形成される発熱体は、線状の場合、面状の場合ともに、その成分としてたとえば、銀、白金、パラジウム、ルテニウム等の貴金属およびそれらの合金からなる群から選ばれた金属の少なくとも１種を含む複合体か、またはＳｉの炭化物、周期律表ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する各元素単体、それらの各元素の炭化物、窒化物、硼化物および珪化物からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む複合体から構成するものとし、これらをたとえば、窒化アルミニウムを主成分とするセラミック基板上に配設することにより、基板を均一に加熱することができる。この場合、特に面状であれば、発熱体の区間ごとの抵抗値を制御することが不要になる。なお、前者の場合は、発熱体の形成が後者に比べて低温でできるという製造上の利点があり、後者の場合は、前者より低コストで耐熱性を有するという利点がある。
【００３７】
また、セラミック基板の材料として５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するものを用いると、ヒーター全体の温度分布をより均一にすることができる。このような材料には、窒化アルミニウム、窒化硼素、炭化珪素、およびこれらの複合材料が用いられる。その中でも、経済性、ヒーターの性能を考慮する、窒化アルミニウムが最も好ましい。
【００３８】
したがって、セラミック基板の材料として窒化アルミニウムを主成分とすることにより、セラミック基板を均一に加熱することができるとともに、急速に昇温させることが可能になる。特に好ましくは、１００Ｗ／ｍＫ以上、さらには２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するものを用いることによって、より迅速に昇温でき、全体の温度分布のより一層の均一化を図ることができる。したがって、同じトナー定着強度の転写体が、より速く得られ（すなわち、立ち上がりが速く）、高速紙送り（高いｐｐｍ値（１分間当たりに送り込まれる紙の枚数の値）、すなわち、高い定着速度操作）での転写強度の追随が容易となる。また、同じ定着速度であれば、より高い定着強度の転写が可能になる。ここで、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）とＡｌＮ（窒化アルミニウム）をセラミック基板の材料に用いた場合において、ヒーターの特性について説明する。
【００３９】
ヒーターの特性は、セラミック基板に形成された発熱体に加えられる電力量が同一の場合、セラミック基板の熱伝導率と熱容量に依存する。すなわち、セラミック基板の熱伝導率が高いほど、セラミック基板をより均一に加熱することができ、熱容量が小さいほど、セラミック基板を急速に昇温することができる。また、昇温過程（定常状態ではなく、過渡期）におけるヒーターの温度は、電気的な等価回路を想定すると、抵抗ＲとコンデンサＣが直列に接続された回路によって決定されるものとなる。すなわち、ヒーター温度は以下の式で表わされる。
【００４０】
【数１】
【００４１】
ここで、ＲＣ（ｃｍ・ｓｅｃ）は、トナー画像を定着させるために本発明のヒーターを用いた場合、定着特性を表わす指数とすることができる。以下の表にアルミナと窒化アルミニウムの特性値を示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】
表２に示すように、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウムをセラミック基板の材料として用いると、比熱×密度／熱伝導率の値を５．０以下にすることができ、定着特性を表わす指数を低くすることができる。
【００４４】
また、この発明のヒーターにおいては、発熱体が、転写材に対向するセラミック基板の表面と反対側の表面に形成されているので、ヒーター温度を制御する制御回路や制御素子も、発熱体が形成されるセラミック基板の表面と同一の表面上に形成することができる。そのため、発熱体の電気回路パターンと制御回路パターンとをセラミック基板の表面上に同一の工程で製造することができる。
【００４５】
さらに、ヒーターの温度を検知する素子やその制御回路を、発熱体が形成された基板と異なる基板の上に形成し、その基板を発熱体の直上に設けることにより、温度検知素子の応答性を向上させることができる。温度検知素子が発熱体と同一のセラミック基板の表面上に存在する場合、温度検知素子用回路と発熱体回路との絶縁を確保する必要がある。そのため、温度検知素子用回路と発熱体回路をある一定距離隔てる必要がある。その結果、温度検知素子で検知した温度と実際のヒーターの温度との間に温度差が生じる。この温度差は、発熱体に流す電流を制御する装置の制御方法を変更することにより是正することが可能である。しかしながら、このような対策を行なうと、温度に対する応答性が悪くなる。そこで、セラミック基板と異なる絶縁性基板の上に温度検知素子および／または温度検知素子用の電気回路を形成し、その絶縁性基板を発熱体の直上に設けることにより、温度に対する応答性を改善することが可能になる。
【００４６】
また、セラミック基板の材料として窒化アルミニウム焼結体を用い、その窒化アルミニウム焼結体を構成する粒子の平均粒径を６．０μｍ以下、窒化アルミニウム焼結体の曲げ強度を４０ｋｇ／ｍｍ２以上とすることにより、機械的強度に優れたセラミック基板を得ることができる。このような窒化アルミニウム焼結体を用いると、熱衝撃性を示す温度差が５０℃以上、上昇するため、使用時の過熱に強く、ローラからの偏加圧にも強い基板を設計することができる。また、曲げ強度が大きくなると、後述する発熱体、電極、ガラス等の印刷、焼成後の基板の反り、うねりがより小さく抑えられ、定着のより一層の均一化が図られ、好ましい。このような高強度の窒化アルミニウム焼結体を得るには、ＡｌＮ原料の粒径、焼結助材の組合せ等を最適化し、少なくとも１８００℃以下、好ましくは１７００℃以下の温度で焼結する必要がある。さらに、このように曲げ強度が高く、反り、うねりが小さく抑えられ、熱衝撃性が高くなるので、現状の基板の厚み０．６３５ｍｍに比べて薄い０．４〜０．６ｍｍの厚みの基板も利用することができる。その結果、基板の熱容量は小さくなり、ヒーターの消費電力がさらに低減される。このような特徴は、窒化硼素、炭化珪素をセラミック基板の材料として用いた場合にも確認されている。
【発明の効果】
【００４７】
セラミックヒーター内の温度のばらつきを小さくし、トナー画像の定着性能を向上させるとともに、ヒーターの昇温速度を向上させ、さらに、今後の定着速度の高速化に追随できるセラミックヒーターの構造を提供することができる。また、トナー画像の定着性能を向上させ、セラミックヒーターの昇温速度を向上させ、さらに定着速度の高速化に対応可能なヒーターの構造を備えた加熱定着装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
図１は、この発明の１つの実施形態に従ったセラミックヒーターを備えた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。図１に示すように、板状セラミックヒーター１０はヒーター搭載台６に固着されている。ポリイミド等の樹脂フィルム７は板状セラミックヒーター１０の表面を覆い、ヒーター搭載台６のまわりを矢印Ｒで示す方向に回転可能である。また、ゴム製の加圧ローラ８は、樹脂フィルム７との間に用紙９を挟んで矢印Ｒで示す方向に回転可能である。
【００４９】
板状のセラミックヒーター１０は、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミック基板１と発熱体２と温度検知素子用電気回路層３と温度検知素子４と保護ガラス層５とを備えている。セラミック基板１の用紙９に対向する表面と反対側の表面に発熱体２と、ヒーター温度を制御する制御回路として温度検知素子用電気回路層３とが形成されている。発熱体２を被覆するように保護ガラス層５が形成されている。温度検知素子４はセラミック基板１の上に電気回路層３を介在して設けられている。
【００５０】
このようにして構成された加熱定着装置においては、発熱体２で発生した熱はセラミック基板１に均一に拡散し、回転する樹脂フィルム７を通じて用紙９に伝わる。これにより、用紙９の表面上に形成されたトナー画像が定着する。用紙９は、互いに逆方向に回転する樹脂フィルム７と加圧ローラ８との間に挟まれて加熱されるとともに矢印Ｐで示す方向に移動する。このようにして、用紙９の表面上のトナー画像を定着させる動作が行なわれる。
【００５１】
上記の実施形態において、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミック基板１の用紙９に対向する表面は、表面粗さ、うねりおよび反りが小さい方が好ましい。用紙９に対向するセラミック基板１の表面が平滑でない場合、すなわち表面粗さやうねり、反りなどが大きい場合、樹脂フィルム７の表面と均一にセラミック基板１の表面が接触することが困難となる。その結果、セラミック基板１に伝わった熱が樹脂フィルム７を通じて用紙９に均一に伝わらない。これにより、用紙１９上でのトナー画像の定着を均一に行なうことが困難になる。具体的には、セラミック基板１の表面粗さは、ＪＩＳ十点平均高さ粗さＲｚで５．０μｍ以下、うねり、反りに関しては２．０ｍｍ以下であるのが好ましい。
【００５２】
セラミック基板１の熱伝導率は高ければ高いほど効果的ではあるが、５０Ｗ／ｍＫ以上であれば、比較的、ヒーター全体の温度分布は良好である。前述のように、このようなセラミック材料には、窒化アルミニウム、窒化硼素、炭化珪素およびこれらの複合材料がある。しかしながら、窒化硼素は高価であり、炭化珪素はそれのみでは電気絶縁性が低く、利用するためには表面に絶縁性の膜を形成する必要がある。したがって、窒化アルミニウムがこれらの中で最も好ましい材料である。熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫよりも低くなると、発熱体２で発生した熱はセラミック基板１の用紙９に対向する面の側に伝わるのに時間が長くかかる。また、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫよりも低くなると、発熱体２から発生した熱によって昇温したセラミック基板１の温度のばらつきが大きくなるため、好ましくない。
【００５３】
セラミック基板１の上に塗布することによって形成される発熱体２の材質は、ヒーターの使用温度が２００℃程度であるために、前述のようにたとえば、Ａｇ−Ｐｄ、Ｐｔ−Ｐｄ、Ｒｕ系の化合物、またはＷ、Ｍｏ等の高融点金属などのいずれかの金属材料を選択することができる。セラミック基板１の上に発熱体２を焼き付けた後、さらに発熱体の回路パターンを保護し、かつ絶縁性を確保するために保護ガラス層５が形成される。このガラスの材質としては、基板に窒化アルミニウムを用いる場合、窒化アルミニウムと反応するものを含まなければ、どのようなものでも用いることは可能である。セラミック基板１を構成する窒化アルミニウムとの良好な密着性を確保するためには、周期律表ＩＩａ族元素、ＩＩＩａ族元素、ＩＩＩｂ族元素の酸化物を保護ガラス層５の材料に含ませるのが好ましい。しかしながら、導電性を有する酸化物を保護ガラス層５の材料に含ませることは、回路間の絶縁耐圧の低下を招くため、好ましくない。
【００５４】
なお、セラミック基板１の発熱体２が形成されている表面には、Ａｇペースト等によって発熱体２や温度検知素子用電気回路層３のための電極が形成される。
【００５５】
このようにして構成された加熱定着装置においては、発熱体２などが形成されていないセラミック基板１の表面がポリイミド等の樹脂フィルム７の表面に接触する。窒化アルミニウム焼結体からなるセラミック基板１は樹脂フィルム７に直接接触するが、窒化アルミニウム焼結体は熱伝導に優れているため、接触面の温度ばらつきが非常に小さいので、均一な温度分布を有する加熱定着装置を実現することが可能になる。
【００５６】
図２は、この発明の別の実施形態に従ったセラミックヒーターを備えた加熱定着装置の構成を概略的に示す模式図である。図２に示すように、図１の構成と異なる点は、セラミック基板１の用紙９に対向する表面と反対側の表面上に複数本の発熱体２が形成されている点である。このように、複数本の線状の発熱体２をセラミック基板１の表面に形成することにより、セラミック基板１を均一に加熱することが可能になる。このようにセラミック基板１の均一加熱を実現できる。
【００５７】
図３の（Ａ）〜（Ｃ）は、従来の板状のセラミックヒーターと本発明の板状のセラミックヒーターの構成を概略的に示す断面図である。図３（Ａ）に示すように、従来の板状のセラミックヒーターにおいては、用紙に対向するセラミック基板１の表面（図において下側の表面）上に発熱体２が形成されている。発熱体２を被覆するように保護ガラス層５が形成されている。また、図３の（Ｂ）に示すように、本発明の一つの形態にしたがったセラミックヒーターにおいては、セラミック基板１の用紙と対向する表面と反対側の表面（図において上側の表面）上に発熱体２が形成されている。発熱体２を被覆するように保護ガラス層５が形成されている。
【００５８】
図３の（Ｃ）には、本発明のさらに別の形態に従ったセラミックヒーターの構成が示されている。このセラミックヒーターにおいては、セラミック基板１の全面上に発熱体２が形成されている。発熱体２の上には保護ガラス層５が形成されている。このようなセラミックヒーターはバルクヒーターと呼ばれる。
【００５９】
以上の３つの板状のセラミックヒーターについて、トナー画像が形成された用紙の側に伝わる熱の抵抗値を近似計算する。熱抵抗の近假計算法は、図３の（Ｄ）に示される。また、その近似計算式は以下の式で示される。
【００６０】
【数２】
【００６１】
図３の（Ｄ）に示すように、熱は発熱体２から角度α＝４５°の方向に伝わるものとする。発熱体２から熱が伝わる材料の熱伝導率をＫとする。幅Ａｉ、厚みｔｉの位置までの熱抵抗は上記の式Ｒｉで表わされる。全体の熱抵抗はＲｔhで表わされる。
【００６２】
熱抵抗の近似計算を行なうにあたって、各セラミックヒーターの寸法を以下のとおりとする。図３の（Ａ）で示される従来のセラミックヒーターにおいては、発熱体２の厚みｔ０は０．０１ｍｍ、幅Ｗｌは１．５ｍｍ、セラミック基板１の厚みｔｉは０．６３５ｍｍ、幅Ｗ２は９．０ｍｍ、保護ガラス層５の厚みｔ２は０．０８０ｍｍである。図３の（Ｂ）で示される本発明のセラミックヒーターにおいては、発熱体２の厚みｔ０は０．０１ｍｍ、幅Ｗ１は１．５ｍｍ、セラミック基板１の厚みｔ１は０．６３５ｍｍ、幅Ｗ２は９．０ｍｍ、保護ガラス層５の厚みｔ２は０．０８０ｍｍである。図３の（Ｃ）で示される本発明のバルクヒーターにおいては、発熱体２の厚みｔ０は０．０１ｍｍ、セラミック基仮１の厚みｔ１は０．４ｍｍ、保護ガラス層５の厚みｔ２は０．０８０ｍｍ、セラミック基板１の幅Ｗ２は９．０ｍｍである。
【００６３】
各ヒーターの構造について近似計算された熱抵抗の値は表３に示される。
【００６４】
【表３】
【００６５】
表３から明らかなように、本発明に従って図３（Ｂ）の構造を有するセラミックヒーターは、従来の図３（Ａ）で示されるセラミックヒーターに比べて低い熱抵抗値を有する。なお、図３（Ａ）で示されるセラミックヒーターは、セラミック基板１の材料としてＡｌ２Ｏ３またはＡｌＮのいずれの材料を用いても、同一の熱抵抗値を有する。これは、発熱体から発生する熱が図において下側の方向、すなわち用紙側の方向に伝わる熱のみについて計算を行なっているためである。しかし、図３（Ａ）の構造では、実際には、セラミック基板１を構成するアルミナまたは窒化アルミニウムにも熱は伝わる。この際、窒化アルミニウムの方が、熱の伝わり方が速く、昇温均熱化が速く進むため、図３（Ａ）の構造においても、窒化アルミニウムを用いた方がアルミナを用いるよりも実際の熱抵抗はかなり低くなる。また、ヒーターの構造を図３（Ｃ）に示すようにすると、熱抵抗値がさらに低くなる。以上述べた伝熱特性は、窒化硼素、炭化珪素を用いた場合においても同様である。
【００６６】
以上のように、板状のセラミックヒーターにおいて、熱を伝える方向、すなわちトナー画像が形成された用紙の方向にセラミック基板の材料として窒化アルミニウムを用いると、その方向での熱抵抗値をより小さくすることができる。また、発熱体を線状の形態ではなく、面状の形態でセラミック基板の表面に形成することにより、すなわちセラミックヒーターをバルクヒーターの形態で構成することにより、その方向での熱抵抗値をより小さくすることができる。
【００６７】
図４は、この発明のセラミックヒーターのさらに別の形態を示す図である。図４の（Ａ）に示すように、絶縁基板１１の表面上に温度検知素子用電気回路層３を形成する。温度検知素子用電気回路層３の一方端には電極層４１が接続されている。温度検知素子用電気回路層３の他方端の上には温度検知素子４が搭載されている。この場合、絶縁基板１１の材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ガラス、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮなどを用いることができる。また、電気回路層３に用いられる導体は、ヒーターの近傍に形成されるので酸化しにくい金属、すなわちＡｇ、Ａｕ、Ｐｔなどの貴金属あるいはそれらの合金で形成するのが好ましい。
【００６８】
図４の（Ｂ）に示すように、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミック基板１の表面上に発熱体２を形成する。発熱体２に接続し、それと平行に延びるように電気回路層２２がセラミック基板１の表面上に形成される。発熱体２の一方端部と電気回路層２２の一方端部に接続するように電極層２１が形成される。
【００６９】
図４（Ａ）に示すように構成された絶縁基板１１を図４（Ｂ）に示すように構成された発熱体２を有するセラミック基板１の上に搭載する。このように構成されたセラミックヒーターの平面図は図４（Ｃ）に示されている。図４（Ｄ）は図４（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。図４（Ｄ）に示すように、温度検知素子４が絶縁基板１１を介して発熱体２の直上に位置するように搭載されている。これにより、温度に対する応答性を改善することができる。
【００７０】
この場合、絶縁基板１１を発熱体２の上に搭載すればよく、セラミック基板１と絶縁基板１１の接合はどのような方法によって行なってもよい。
【００７１】
たとえば、セラミック基板１の上に所定の発熱体２と電気回路層２２と電極層２１を厚膜スクリーン印刷法により形成する。次に、絶縁基板１１の表面上にも電気回路層３と電極層４１を同様の方法で形成する。その後、絶縁基板１１をセラミック基板１の所定の位置に搭載し、大気中で焼成する。これにより、発熱体２と電気回路層２２と電極２１はセラミック基板１と絶縁基板１１の両方に焼き付き、接合することができる。
【００７２】
また、セラミック基板１と絶縁基板１１との別の接合方法として以下の方法を採用することができる。まず、セラミック基板１と絶縁基板１１の両方にそれぞれ、発熱体２、電気回路層２２、電極層２１、電気回路層３、電極層４１を別々に焼き付ける。その後、セラミック基板１に発熱体２を保護するためのオーバーコートガラスを印刷乾燥させる。このセラミック基板１の上に上記の絶縁基板１１を所定の位置に固定し、ガラスを焼き付ける。ガラスは両方の基板に焼き付くため、セラミック基板１と絶縁基板１１を接合することができる。
【実施例１】
【００７３】
セラミック基板の材料としてＡｌ２Ｏ３またはＡｌＮを用いて図１、図２および図７に示すセラミックヒーターを作製した。セラミックヒーターの作製方法は以下のとおりである。
【００７４】
Ａｌ２Ｏ３焼結体またはＡｌＮ焼結体から、３００ｍｍ×１０ｍｍ×０．７ｍｍの大きさのセラミック基板１を準備した。この表面を十点平均高さ粗さＲｚで２μｍに仕上げ、その基板の上にＡｇまたはＰｔの貴金属を主成分とするペーストを所定の位置にスクリーン印刷法によって塗布することにより、発熱体を形成した。Ａｇ等の金属成分を含むペーストを所定の位置にスクリーン印刷法によって塗布することにより、発熱体２に接続する電極を形成した。また、Ａｇ−Ｐｄを基板１の上にスクリーン印刷法で塗布することにより、温度検知素子用電気回路層３を形成した。その温度検知素子用電気回路層３の上に温度検知素子４を搭載した。その後、セラミック基板１を温度９００℃で大気中で焼成した。このときの発熱体２の抵抗値は２０Ωとした。焼成処理されたセラミック基板１に対して、電気回路層と発熱体２の保護のためにガラスをスクリーン印刷法によって塗布し、温度６００℃で大気中で焼成した。これにより、厚み６０μｍの保護ガラス層５が形成された。なお、この時点での基板の長手方向の反りおよびうねりは、それぞれ１．８ｍｍ、２．０ｍｍであった。
【００７５】
上記のセラミックヒーターの製造方法において用いられるＡｌＮ焼結体は以下のようにして準備された。
【００７６】
ＡｌＮ扮末１００重量部に対して焼結助剤０．８重量部添加し、さらに所定量の有機バインダ、有機溶剤を加え、ボールミル混合法により混合した。その後、得られたスラリーをドクターブレード法によりシート成形した。得られたシートを所定の大きさに切断した後、非酸化性雰囲気にて温度８００℃〜９００℃で脱脂処理した。また、このときの脱脂処理方法として、大気中などの酸化性雰囲気中で温度６００℃以下で行なってもよい。温度６００℃以上の酸化性雰囲気中で行なうと、ＡｌＮ粉末表面の酸化反応が進行してしまい、得られる焼結体の熱伝導率が低下するため好ましくない。以上のように脱脂処理されたシートを温度１７００℃〜１９００℃の非酸化性雰囲気中で焼成した。これにより、粒径が小さく、曲げ強度の大きな焼結体を得ることができる。このようにして作製されたＡｌＮ焼結体の熱伝導率は１７０Ｗ／ｍＫ程度であり、曲げ強度は３０ｋｇ／ｍｍ２、平均粒径は８μｍであった。
【００７７】
なお、上記のＡｌＮ焼結体の製造方法において、焼結温度が高くなればなるほど、ＡｌＮを構成している粒子の粒径は大きくなる。焼結時間を長くしても、粒径は大きくなるが、焼結温度による影響の方が大きい。ＡｌＮ焼結体は粒子の場合によって構成されている。このとき、ＡｌＮ焼結体の曲げ強度は、粒子間の結合力と粒子の接合面積に比例する。低温で焼結を行なう場合、粒子の成長がないため、粒子が小さく、相対的に単位体積当りの粒子の表面積も大きくなる。その結果、粒子間の接合（結合）面積も大きくなるので、相対的に高い強度を有する焼結体を得ることができる。
【００７８】
以上のようにして作製された図１、図２および図７に示されるセラミックヒーターを用いて各図で示されるように加熱定着装置を構成した。なお、図７と図１に示すセラミックヒーターにおいて発熱体２の幅は１．５ｍｍとし、図２に示すセラミックヒーターにおいては３本の線状の発熱体２が形成されており、個々の発熱体２の幅はそれぞれ０．５ｍｍとした。各加熱定着装置を用いてトナー画像の用紙に対する定着性を評価した。定着性の評価方法は以下のようにして行なわれた。日本工業規格Ａ列４番（Ａ４）の用紙にトナーを一面に塗布した。塗布方法としては、プリンタの定着装置に搬入される前の用紙を使用した。この用紙を図１、図２および図７で示された各セラミックヒーターを用いてトナーを定着させた。定着速度の設定は、加圧ローラ８を回転させるモータの速度を調節することによって行なった。耐熱性樹脂フィルム７と加圧ローラ８の間に形成される接触部の幅Ｗ３と定着の荷重は、定着速度に応じて表１に示されるレベル程度とした。
【００７９】
その評価試験における条件および結果は以下の表４に示される。
【００８０】
【表４】
【００８１】
表４において、定着速度の単位「ｐｐｍ」は、１分間当りに送り込まれる用紙の枚数を示す。定着荷重は、加圧ローラ８と樹脂フィルム７とによって用紙９に加えられる絶対荷重を示す。「Ａｌ２Ｏ３」はセラミック基板１の材料としてアルミナ焼結体を用いたことを示しており、「ＡｌＮ」はセラミック基板１の材料として窒化アルミニウム焼結体を用いたことを示している。「図１」、「図２」および「図７」は、各図に示されるセラミックヒーターを用いて定着試験を行なったことを示している。「２０Ｗ／ｍＫ」、「１７０Ｗ／ｍＫ」は、セラミック基板１の熱伝導率を示している。定着性の評価は、加熱定着装置に送られる用紙の１枚目、２枚目、４枚目、６枚目、８枚目、１２枚目および１６枚目に行なわれた。１枚目の用紙は、セラミックヒーター１０に電力を供給した後、１５秒後に加熱定着装置に送られた。
【００８２】
定着性の評価は、手でこすることにより用紙の上に形成されたトナーがほとんど剥がれなかった場合を「○」、５０％程度剥がれた場合を「△」、ほとんど剥がれた場合を「×」で示した。表４から明らかなように、定着速度を増加させた場合においても、本願発明に従ったセラミックヒーター（図１および図２の構造）を採用すると、優れた定着特性を示した。さらに、セラミック基板の材料をアルミナから窒化アルミニウムとし、高い熱伝導率を有するセラミック基板を用いることにより、さらに定着特性が向上した。
【００８３】
また、アルミナ基板を用い従来のセラミックヒーターの構造（図７）の場合、表１に示されるように定着速度の増加につれ、定着荷重を増加させて接触部の幅Ｗ３を大きくしていく必要がある。表４に示すように、アルミナ基板を用いた図７の構造では、定着性レベルの荷重に対する推移は、このような状況を反映している。たとえば、定着速度を８ｐｐｍとすると、荷重は８ｋｇとし、接触部の幅Ｗ３を４ｍｍにしないと送り込み当初からの定着性は「○」にならない。定着速度が１２ｐｐｍ、１６ｐｐｍの場合でも、荷重が８ｋｇの条件では、必要レベルの定着性を得ることができないことがわかる。
【００８４】
これに対して、窒化アルミニウム基板を用いた場合では、従来のセラミックヒーターの構造（図７）で定着速度が８ｐｐｍのとき、荷重が４ｋｇ（接触部の幅Ｗ３が２ｍｍ）の条件でも定着性は容易に「○」のレベルに達している。これは、同じ接触部の幅であっても、放熱性の差によって実際の均熱部の幅が変化することによるものと考えられる。
【００８５】
また、各条件について転写材である用紙の投入１枚目の定着が完了するまでの消費電力を積算電力計を用いて測定した結果を表５に示す。なお、表５中において左側の数値は昇温に要した消費電力の値、右側の数値は定着に要した消費電力の値を示している。
【００８６】
【表５】
【００８７】
表５から明らかなように、同一の定着速度、同一の定着荷重、定着特性が同一の場合、窒化アルミニウムの方が、基板の熱容量が小さい分、昇温時の消費電力は小さくなる。また、同一の定着速度、同一の定着荷重、同一の定着特性の場合、定着時の消費電力は基板材料にかかわらず、図７＞図１＞図２の順で大きくなる。これは、接触部の幅内におけるヒーターの温度分布が図７＞図１＞図２の順で大きくなるため、温度分布のより均一な図２に示すセラミックヒーターの消費電力が若干小さくなるからである。
【００８８】
また、定着速度が高速になるにつれて、セラミック基板材料がアルミナの場合、温度分布が大きいため消費電力を上げても、定着特性は悪い。しかし、セラミック基板材料が窒化アルミニウムの場合、基板内の温度分布が均一なこと、さらに熱抵抗が小さいことにより、有効に熱を伝えることができ、図７＞図１＞図２の順に消費電力も小さくなる。
【００８９】
次に、熱伝導率が定着特性に及ぼす影響を調べた。定着性の評価試験方法は上記と同様に行なった。この場合、定着遠度を８ｐｐｍ、定着圧力を４ｋｇとした。上記と同様にして、送られる用紙の１枚目と４枚目と８枚目とにおいて定着特性を評価した。その結果は表６に示される。
【００９０】
【表６】
【００９１】
表６から明らかなように、セラミック基板の熱伝導率としては５０Ｗ／ｍＫ以上が好ましく、熱伝導率が高ければ高いほど、定着特性が向上した。なお、表６において「◎」は用紙の上に形成されたトナーが全く剥がれなかったことを示す。
【００９２】
なお、別途、焼結助材を変えてシート成形し、温度１７００℃で焼結調製した平均粒径５．５μｍ、曲げ強度４２ｋｇ／ｍｍ２、熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウム焼粘体を用い、前記例と同様の３００ｍｍ×１０ｍｍ×０．７ｍｍの基板を準備した。基板表面の十点平均高さ粗さは２μｍであった。これに前記例と同様のＡｇまたはＰｔの貴金属を含む発熱体、Ａｇを含む電極およびＡｇ−Ｐｄの温度検知素子用回路の各印刷焼付け層を形成し、さらに保護ガラス層を焼付けした。この状態で基板の長手方向の反りおよびうねりは、いずれも１ｍｍ以下であった。このヒーターユニットを用いて前記例と同様に図１、図２および図７に示すような加熱定着装置を構成し、前記例と同様に、このヒーターによる定着特性を確認した。その結果、表４に示す前記例のＡｌＮのデータに比べて、特に定着速度１２ｐｐｍ、定着圧力８ｋｇでの追随性（早い枚数での定着強度向上の程度）に１ランクの向上（つまり、×が△に、△が○に）が見られた。
【実施例２】
【００９３】
図３の（Ｃ）に示されるバルクヒーターを用いて実施例１と同様にトナーの定着性の評価試験を行なった。バルクヒーターは以下のようにして製造された。
【００９４】
ＡｌＮ粉末に所定の導体成分として粉末を加え、混合した後、ドクターブレード法によりシート成形した。このようにして発熱体２が成形された。また、ＡｌＮのセラミック基板１は、導体粉末を加えないで、実施例１と同様の方法でシート成形した。得られたシートを積み重ねて所定の大きさに切断した後、非酸化性雰囲気において温度６００〜９００℃で脱脂処理した。このとき、脱脂処理の方法としては、大気中などの酸化性雰囲気中で温度６００℃以下で行なってもよい。脱脂処理されたシートを温度１７００〜１９００℃の非酸化性雰囲気中で焼成した。得られた焼結体のうち、発熱体２に相当する厚みは０．３ｍｍ、セラミック基板１に相当する厚みは０．４ｍｍであった。合計の厚みは０．７ｍｍであった。このような焼結体を３００ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断した。
【００９５】
これに対して、１５０ｍｍ×８ｍｍ×０．３ｍｍの大きさのＡｌ２Ｏ３基板を準備した。その基板の上に所定の回路を形成し、温度検知素子であるサーミスタを取付けた。ここで使用する基板は、発熱体との間の絶縁を確保することができればよく、材料としてはＺｒＯ２、ガラス、ＡｌＮなどが用いられてもよい。また、回路形成に使用される導体の材料も導電性を有するものであればよい。ただし、発熱体の近傍に形成されるので、酸化しにくい金属、すなわちＡｇ、Ａｕ、Ｐｔなどの貴金属およびそれらの合金を用いるのが好ましい。このようにして作製されたサーミスタ基板を発熱体の上に取付け、実施例１と同様にトナーの定着特性の試験を行なった。その結果は以下の表７に示される。
【００９６】
【表７】
【００９７】
定着特性の評価試験条件は、定着圧力を４ｋｇ、定着速度を８ｐｐｍとした。表７から明らかなように、導体成分の配合量を増加させることにより、定着特性が向上した。
【実施例３】
【００９８】
実施例１のシート成形法で得られた平均粒径５．５μｍ、曲げ強度４２ｋｇ／ｍｍ２、熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウム焼結体で作られた長さ３００ｍｍ、厚み０．７ｍｍで以下の表８に示す各種の幅寸法を有する基板を準備した。基板の表面は十点平均高さ粗さＲｚで２μｍに仕上げた。これらの各種の幅のセラミック基板のそれぞれに実施例１と同様の発熱体、電極、温度検知素子用電気回路層を焼付け、図１に示すセラミックヒーターを作製した。
【００９９】
これらのセラミックヒーターを用いて図１に示すように加熱定着装置を構成した。各加熱定着装置を用いて表８に示す定着速度と定着荷重の条件にて実施例１と同様の手順でトナーの用紙に対する定着性を評価した。また、実施例１と同様の手順で１枚目の定着に要した消費電力を測定した。その結果を表８に示す。なお、表８中の「消費電力」の欄の左側の数値は昇温に要した消費電力の値、右側の数値は定着に要した消費電力の値を示す。定着性の表示は表４と同様である。
【０１００】
【表８】
【０１０１】
なお、実施例１で作製したアルミナ基板を用いて図１に示すセラミックヒーターを構成し、上記と同様にして基板の幅を変化させて定着性を評価すると、定着速度８ｐｐｍ、定着荷重４ｋｇの条件では、基板の幅が５ｍｍ以下で定着性のレベルは「×」であり、荷重を８ｋｇにすると、基板の幅が６ｍｍ（この場合、接触部の幅は４ｍｍであり、基板の幅／接触部の幅の比は１．５）まではレベル「○」の定着性が確認された。定着速度が１２ｐｐｍの条件では、基板の幅を１０ｍｍにしてもトナーの定着を行なうことは不可能であった。
【０１０２】
以上の結果より、本発明に従って窒化アルミニウムを基板材料として用いて図１に示すようにセラミックヒーターを構成することによって、同一の定着速度、同一の定着荷重の条件下では、従来の標準の基板の幅（表１）よりも小さい基板の幅でも所定の定着性を確保することができることがわかる。
【０１０３】
基板の幅／接触部の幅の比との関係で見ると、アルミナ基板を用いたセラミックヒーターの場合は、所定の定着性を確保するためには上記の比率をせいぜい１．５まで小さくするのが限度であるが、本発明のように窒化アルミニウム基板を用いてセラミックヒーターを構成すると、上記の比率を１．４以下まで小さくしても所定の定着性を確保することができることがわかる。
【０１０４】
また、このようにセラミック基板の幅を小さくすることによって、セラミックヒーターそのものの熱容量を低減させることにより、消費電力をかなり低減できることがわかる。
【０１０５】
さらに、上記のアルミナ基板を用いて図７に示す構造のセラミックヒーターを作製し、上記と同じ条件下で同様に定着性を評価した。その結果、定着速度８ｐｐｍ、定着荷重４ｋｇの場合、基板の幅２．０ｍｍのとき定着性のレベル「○」を確保することができる下限値であり、基板の幅が１．６ｍｍでは定着性のレベルは「△」または「×」であった。また、上記と同様に評価した消費電力は、表８と同じ対応の定着条件下で対比すると、４〜１１％程度増加した。
【実施例４】
【０１０６】
実施例３の評価で用いたものと同じ窒化アルミニウム焼結体から、長さ３００ｍｍ、幅９ｍｍで以下の表９に示される各種の厚み寸法を有する基板を作製した。これらの基板から、実施例１と同様の発熱体（幅が１．５ｍｍ）、電極、温度検知素子用電極回路層を焼付け、図１と図７に示すセラミックヒーターを作製した。これらの各セラミックヒーターを用いて図１と図７に示すように加熱定着装置を構成した。
【０１０７】
各加熱定着装置を用いてトナーの用紙に対する定着性を評価した。定着速度が１６ｐｐｍ、定着荷重が１３ｋｇの条件下で実施例１と同様に定着性のレベル（ただし、本実施例では１，０００枚の用紙を送り込んで実施例１と同様に定着性の評価をした）と、１枚目の定着に要した消費電力量を測定した。その結果を表９に示す。なお、表９中のヒーター構造の欄で「図７」と表示のものは、図７に示すようにセラミックヒーターを作製し、加熱定着装置を構成した場合、同欄で「図１」と表示のものは、本発明に従って図１に示すようにセラミックヒーターを作製し、加熱定着装置を構成した場合を示している。
【０１０８】
【表９】
【０１０９】
表９に示される結果から、基板の厚みが０．６３５ｍｍ（従来の標準の厚み）以下の薄い基板を用いても、基板に損傷が生じることなく、所定の定着性のレベルを維持できることがわかった。ただし、その基板の厚みの下限値は０．４ｍｍであった。
【０１１０】
また、図１に示される構造のセラミックヒーターを用いた方が、図７に示される構造のセラミックヒーターを用いた場合よりも、昇温時の消費電力を約８％程度低減させることができることもわかった。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】この発明の１つの実施形態としてのセラミックヒーターが組み込まれた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。
【図２】この発明のもう１つの実施形態としてのセラミックヒーターが組み込まれた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。
【図３】熱抵抗を近似計算するために用いられた従来のセラミックヒーターの構成を示す断面図（Ａ）、本発明のセラミックヒーターの構成を示す断面図（Ｂ）（Ｃ）、さらに熱抵抗の近似計算を行なうための前提条件を示す図（Ｄ）である。
【図４】本発明のさらに別の実施形態としてのセラミックヒーターの概略的な構成を示し、（Ａ）は温度検知素子が形成された絶縁基板の平面図、（Ｂ）は発熱体が形成されたセラミック基板の平面図、（Ｃ）は絶縁基板がセラミック基板の上に搭載されたときの平面図、（Ｄ）は（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。
【図５】従来の円筒型ヒーターが組み込まれた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。
【図６】従来の板状セラミックヒーターが組み込まれた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。
【図７】従来の板状セラミックヒーターが組み込まれた加熱定着装置の概略的な構成をより詳細に示す模式図である。
【図８】本発明の加熱定着装置において加熱ローラと加圧ローラ間の加圧機構の概略的な構成を示す模式的な断面図（Ａ）（Ｂ）である。
【符号の説明】
【０１１２】
１ セラミックス基板
２ 発熱体
４ 温度検知素子
５ 保護ガラス層
７ 耐熱性樹脂フィルム
８ 加圧ローラ
１０ セラミックヒーター
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヒーターおよびそれを備えた加熱定着装置に関し、より特定的には、複写機、プリンタなどで用いられる、紙等の転写材の表面上に形成されたトナー画像を定着させるためのヒーターおよびそれを備えた加熱定着装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、トナー画像を定着させるために用いられるヒーターとしては、円筒型ヒーターがある。図５は、従来の加熱定着装置の構成を概略的に示す模式図である。図５に示すように、加熱定着装置は、所定の温度に維持されたアルミニウム製の加熱ローラ２５と、加熱ローラ２５に対して圧接する加圧ローラ８とを備えている。トナー画像が形成された転写材である用紙９が、加熱ローラ２５と加圧ローラ８との間に送り込まれ、両ローラで加熱加圧されることにより、用紙９の上に形成されたトナー画像が定着する。この場合、円筒型ヒーター２０自体も加熱ローラ２５とともに矢印Ｒの方向に回転する。加圧ローラ８も矢印Ｒで示す方向に回転する。したがって、用紙９は加熱ローラ２５と加圧ローラ８との間に挟まれて矢印Ｐで示す方向に移動する。
【０００３】
上述のように、円筒型ヒーターが用いられる場合には、ヒーター自体が回転して加熱ローラ２５を通じて用紙９に熱を伝えてトナー画像を定著させている。このため、円筒型ヒーター２０だけでなく、アルミニウム製の加熱ローラ２５の全体をトナーの定着可能な温度まで加熱しなければならない。その結果、ヒーター全体の熱容量を大きくする必要があり、消費電力が大きくなる。
【０００４】
これに対して、熱容量の小さい板状のヒーターと薄膜のフィルムとを用いた加熱定着装置が、特開昭６３−３１３１８２号公報、特開平１−２６３６７９号公報、特開平２−１５７８７８号公報、特開平５−１３５８４９号公報等で提案されている。図６は、板状のヒーターを用いた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。図６に示すように、加熱定着装置は、耐熱性樹脂フィルム、たとえばポリイミド樹脂から形成されたポリイミドフィルム７と加圧ローラ８とを備えている。ポリイミドフィルム７と加圧ローラ８が矢印Ｒで示す方向に回転する。トナー画像が形成された用紙９はポリイミドフィルム７と加圧ローラ８との間に挟まれて矢印Ｐで示す方向に移動する。回転するポリイミドフィルム７の内側には、板状のセラミックヒーター１０が固定されている。板状のセラミックヒーター１０からポリイミドフィルム７を通じて用紙９に熱が伝わる。また、この加圧ローラ８の表面は弾性体（通常はゴム）から形成されており、後述のように加熱ローラと加圧ローラとの間に設けられたばねによって一定の荷重が加えられている。この荷重によって転写材である用紙９には加熱と同時に荷重が加えられる。また、この荷重によって加圧ローラ８の表面は加圧され、図７に示すようにヒーターに対向する部分に一定幅Ｗ３の接触部を形成する。この熱と加えられる荷重とにより、用紙９の表面上に形成されたトナー画像が定着する。このように、ヒーターを板状にすることにより、円筒型ヒーターよりも大幅にヒーターの熱容量を下げることができ、消費電力を低減させることができる。
【０００５】
図７は、図６に示された加熱定着装置の構成をより詳細に示す模式図である。図６に示されたセラミックヒーター１０は、セラミック基板１と発熱体２と温度検知素子用電気回路層３と温度検知素子４と保護ガラス層５とを備えている。セラミック基板１の用紙９に対向する一方の表面上には、発熱体２が形成されている。セラミックヒーター１０はヒーター搭載台６の上に固定されている。耐熱性樹脂フィルム７は、固定されたセラミックヒーター１０の表面を覆うようにして矢印Ｒで示される方向に回転する。したがって、セラミックヒーター１０の用紙９に対向する表面は樹脂フィルム７と摺動することとなる。そのため、樹脂フィルム７と対向する発熱体２の表面とセラミック基板１の表面には、保護ガラス層５が形成されている。セラミック基板１の反対側の表面には、温度検知素子用電気回路層３を介在して温度検知素子４が搭載されている。
【０００６】
上記のように構成されたセラミックヒーター１０を用いて用紙９の表面上に熱を伝える場合、熱は発熱体２から保護ガラス層５に伝わり、樹脂フィルム７を通じて用紙９に伝わる。保護ガラス層５は、平滑でかつ均一の厚みを有する必要がある。もし、保護ガラス層５が平滑でない場合や、その膜厚のばらつきが大きい場合には、トナーの定着性にむらが生じるおそれがある。また、発熱体２と樹脂フィルム７との間の絶縁抵抗を確保するために、保護ガラス層５の厚みを数十μｍ以上にする必要がある。
【０００７】
一方、前述の定着のための加圧機構は、通常、図８に示されるような機構である。図８の（Ａ）は図７の加熱定着装置における加熱ローラの内部断面を示す図である。図８の（Ｂ）は加圧機構を示す模式図である。これらの図を参照して、加圧ローラ８は加圧ローラ搭載台８１にその軸が保持されている。セラミックヒーター１０はヒーター搭載台６に固着されている。アルミニウム製フレーム６１はヒーター搭載台６に固定され、加熱ローラの外枠を構成している。図８の（Ａ）に示す断面に直角の方向から見た断面が図８の（Ｂ）に示されている。言い換えれば、図８の（Ａ）は図８の（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面のうち加熱ローラ側の部分のみを示している。図８の（Ｂ）は、図８の（Ａ）で示した加熱ローラの内部構造、特にアルミニウム製フレーム６１と加圧ローラ８との接続構造を示している。ヒーター搭載台６に固定されたアルミニウム製フレーム６１の両端は、加圧ローラ８の軸を保持した固定台８１にばね８２によって弾性的に支持されている。このように加熱ローラがばね８２によって加圧ローラ８に当接する方向に弾性的に一定の荷重が加えられるようになっている。このばね８２の圧縮力とアルミニウム製フレーム６１の剛性によって両ローラ間に一定の圧力が加わり、加圧ローラ８の表面の弾性体（通常ゴム）の変形によって接触部が形成されている。転写材である用紙は、図８の（Ｂ）に示される紙投入口８３を通じて送り込まれる。なお、図示していないが、図８の（Ｂ）において、紙投入口８３の外側に実際にはヒーター搭載台６が存在し、ヒーター搭載台６と加圧ローラ８との間に耐熱性樹脂フィルム（たとえばポリイミド製フィルム）７が走行するようになっている。転写材である用紙が投入される前には、加圧ローラ８と耐熱性樹脂フィルム７とが接触した状態となっている。
【０００８】
接触部の幅Ｗ３とセラミック基板の幅Ｗ２との間の模式的な関係は図７に示されている。ただし、図７においては、セラミックヒーター１０を拡大して示しているので、接触部の幅Ｗ３とセラミック基板の幅Ｗ２との間の関係が実際とは少し異なっている。
【０００９】
この接触部の幅Ｗ３の範囲内では、多少の温度分布は存在するもの、通常トナーの定着に必要な最低限の温度は確保されるようになっている。現在、ヒーター基板の材料としてはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が主として用いられている。アルミナを用いる場合には、この接触部の幅Ｗ３は、用紙の送り込み速度が低速である４ｐｐｍ（日本工業規格Ａ列４番の大きさの用紙を１分間に４枚送る速度）では、通常２ｍｍ程度である。このときのアルミナ基板は、幅９ｍｍ、長さ２７０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの大きさのものが通常用いられ、その基板上に形成される発熱体の幅は通常１．５ｍｍである。なお、発熱体の両側には、絶縁性を確保するため、２００Ｖ電源を使用する場合には少なくとも２．５ｍｍずつ空間を設け、同様に１００Ｖ電源を使用する場合には少なくとも１．６ｍｍずつ空間を設ける。
【００１０】
用紙の送り込み速度（定着速度）が大きくなると、接触部の幅Ｗ３も当然大きくする必要がある。そこで、単純にセラミック基板上の発熱体の幅を大きくし、さらに加圧ローラの直径を大きくしたり、加圧ローラと加熱ローラとの間の荷重を増加させて接触部の幅を大きくし、高速の送り込み速度においでも安定にトナーを定着できるだけの均熱部の距離を確保しているのが現状である。
【００１１】
したがって、この接触部の幅Ｗ３は、接触部内での温度が均一とする単純な仮定の下では、前述のように定着速度が４ｐｐｍのとき２ｍｍであるので、８ｐｐｍのとき４ｍｍ、１６ｐｐｍのとき８ｍｍとする必要がある。実際には、接触部内でも温度分布が生じているので安全をみて発熱体の幅を接触部の幅Ｗ３よりわずかに小さい程度に広げる必要がある。発熱体の幅が大きくなれば、その発熱体が設けられるアルミナ基板の幅Ｗ２も当然大きくする必要がある。その結果、定着の高速化によってヒーターの消費電力も増加する。
【００１２】
一方、両ローラ間に加えられる荷重を大きくすることによって接触部の幅Ｗ３を大きくし、発熱体の幅の増加と、それに伴うセラミック基板の幅Ｗ２の増加を抑制するとともに、定着品質を確保することも試みられている。
【００１３】
しかしながら、図７に示されるようなセラミックヒーターの構造を採用する限り、上記の荷重を増加させることになって定着品質を確保するには限界がある。たとえば、セラミック基板と発熱体に加わる熱衡撃も増加し、定着速度の増加に伴ってセラミック基板と発熱体の寿命も短くなる。また、セラミックヒーターの表面と摺動する耐熱性樹脂フィルムとの摩擦が大きくなり、セラミックヒーターの表面に形成される保護ガラス層の損傷も大きくなる。さらに、転写材である用紙への負荷も増大し、定着の高速化によって用紙の表面に皺や傷が発生しやすくなる。
【００１４】
以上述べたように、現状のアルミナ基板を用いたセラミックヒーターの構造で定着の高速化に対応するとすれば、単純に設計すると、各定着速度ごとの設計仕様は表１に示されるようになる。表１において、定着速度が８ｐｐｍ以上での値は推計値である。
【００１５】
【表１】
【００１６】
なお、上記の表１で８ｐｐｍの定着速度までは基板の幅Ｗ２は、いずれも９ｍｍで計算上設計可能であり、同じ幅とした。また、表１において荷動６ｋｇまで、すなわち定着速度が６ｐｐｍまでは、図８の（Ａ）に示すように加熱ローラのフレームはアルミニウム製であるが、荷重が８ｋｇ以上、すなわち定着速度が８ｐｐｍ以上になると、剛性を高くするために加熱ローラのフレームとしてスチール製のものを用いる必要がある。
【００１７】
以上のように定着速度を上げようとすると現状のアルミナ基板を用いたセラミックヒーターの構造を採用している限り、種々の問題が考えられる。
【特許文献１】特開昭６３−３１３１８２号公報
【特許文献２】特開平０１−２６３６７９号公報
【特許文献３】特開平０２−１５７８７８号公報
【特許文献４】特開平０５−１３５８４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
そこで、現状のアルミナ基板を用いたセラミックヒーターの構造を採用する場合、特に定着速度の高速化を図るための最大の課題は、保護ガラス層に関係するヒーターの熱効率の向上をいかに達成することができるか、ということである。一般に、ガラスの熱伝導率は数Ｗ／ｍＫ以下であり、非常に低い。このため、発熱体２から伝えられた熱により上昇した保護ガラス層５の温度のばらつきが大きくなる。その結果、セラミックヒーター１０の全体を一定温度にすることが困難になる。これにより、用紙９の表面上に形成されたトナー画像を均一に定着させることが困難となる。
【００１９】
また、セラミックヒーターの温度を制御するための装置が必要となり、製造コストが高くなるという問題もある。さらに、セラミックヒーターが所定の使用温度に達するまで時間がかかるなどの問題点がある。
【００２０】
一方、上記の間題点を解決するために保護ガラス層の厚みを薄くすると、発熱体２と樹脂フィルム７との間の絶縁抵抗が小さくなるという問題点がある。
【００２１】
そこで、この発明の目的は、セラミックヒーター内の温度のばらつきを小さくし、トナー画像の定着性能を向上させるとともに、ヒーターの昇温速度を向上させることである。
【００２２】
さらに、この発明の別の目的は、以上の目的を達成した上で今後の定着速度の高速化に追随できるセラミックヒーターの構造を提供することである。
【００２３】
この発明のさらに別の目的は、トナー画像の定着性能を向上させ、セラミックヒーターの昇温速度を向上させ、さらに定着速度の高速化に対応可能なヒーターの構造を備えた加熱定着装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
この発明に従ったヒーターは、移動可能に配置された耐熱性フィルムと、その耐熱性フィルムの上に圧力を加える加圧ローラとを備え、その加圧ローラによる加圧と耐熱性フィルムを介した加熱とによって、耐熱性フィルムと加圧ローラとの間に挟まれて移動する転写材の表面上に形成されたトナー画像を定着させる加熱定着装置に、耐熱性フィルムがその上で摺動して密着し得るように設けられるヒーターである。そのヒーターは、セラミック基板と、発熱体とを備える。セラミック基板は、トナー画像が形成された転写材の一方の表面に対向するように配置されている。発熱体は、転写材の一方の表面に対向するセラミック基板の表面と反対側の表面に形成されている。
【００２５】
好ましくは、発熱体は、セラミック基板の表面上に複数本の線状の形態で形成されている。
【００２６】
また、好ましくは、発熱体は、セラミック基板の表面上に面状の形態で形成されている。
【００２７】
セラミック基板の表面に形成される発熱体は、線状の場合、面状の場合ともに、その成分としてたとえば、銀、白金、パラジウム、ルテニウム等の貴金属およびそれらの合金からなる群から選ばれた金属の少なくとも１種を含む複合体か、またはＳｉの炭化物、周期律表ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する各元素単体（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）、ならびにそれらの各元素の炭化物、窒化物、硼化物および珪化物からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む複合体から形成されているのが好ましい。
【００２８】
セラミック基板の熱伝導率は５０Ｗ／ｍＫ以上であるのが好ましい。セラミック基板は、そのような熱伝導率を有する複合材料、多層基板または単板から構成される。
【００２９】
セラミック基板の厚みは、４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であるのが好ましい。耐熱性フィルムと加圧ローラとの間で形成される接触部の幅（Ｗ３）に対するセラミック基板の幅（Ｗ２）の比（Ｗ２／Ｗ３）が１．４以下であるのが好ましい。
【００３０】
セラミック基板は、窒化アルミニウムを主成分とする。好ましくは、セラミック基板は窒化アルミニウム焼結体からなり、その窒化アルミニウム焼結体を構成している粒子の平均粒径は６．０μｍ以下であり、窒化アルミニウム焼結体の曲げ強度は４０ｋｇ／ｍｍ２以上である。
【００３１】
ヒーターの温度を制御する制御回路および／または制御素子は、発熱体が形成されたセラミック基板の表面と同一の表面上に形成されるのが好ましい。
【００３２】
ヒーターの温度を検知する素子および／またはその制御回路は、発熱体が形成されたセラミック基板と異なる基板の上に形成され、その基板が発熱体の直上に設けられるのが好ましい。
【００３３】
さらにこの発明の別に局面に従った加熱定着装置は、セラミックヒーターと、耐熱性フィルムと、加圧ローラとを備えている。耐熱性フィルムは、セラミックヒーターに密着して摺動するように配置されている。加圧ローラは、耐熱性フィルムの上に圧力を加えるものである。加熱定着装置は、加圧ローラによる加圧と耐熱性フィルムを介したセラミックヒーターによる加熱とによって、耐熱性フィルムと加圧ローラとの間に挟まれて移動する転写材の表面上に形成されたトナー画像を定着させる。セラミックヒーターは、セラミック基板と、発熱体とを含む。セラミック基板は、トナー画像が形成された転写材の一方の表面に対向するように配置されている。発熱体は、転写材の一方の表面に対向するセラミック基板の表面と反対側の表面に形成されている。
【００３４】
この発明においては、発熱体が形成された表面と反対側のセラミック基板の表面が、トナー画像の形成された転写材の一方の表面に対向している。そのため、発熱体が形成されていないセラミック基板の表面から紙等の転写材に熱が伝わる。その熱により、転写材に形成されたトナー画像が定着する。転写材に対向するセラミック基板の表面には発熱体が形成されていないので、その発熱体を保護するためのガラス層も形成されていない。このように熱伝導率の低いガラス層が発熱体と転写材との間に介在しないため、ヒーター全体の温度を均一にすることが容易となる。また、ヒーターを急速に昇温させることも容易となる。このように、発熱体で発生した熱はセラミック基板に拡散し、セラミックヒーター全体を迅速に均一な温度にすることができるので、ヒーターの温度制御を容易にすることができる。
【００３５】
セラミック基板の表面上に複数本の線状の形態で発熱体を形成することにより、あるいは、セラミック基板の表面上に面状の形態で発熱体を形成することにより、ヒーター全体の温度をより均一にすることができる。
【００３６】
セラミック基板の表面に形成される発熱体は、線状の場合、面状の場合ともに、その成分としてたとえば、銀、白金、パラジウム、ルテニウム等の貴金属およびそれらの合金からなる群から選ばれた金属の少なくとも１種を含む複合体か、またはＳｉの炭化物、周期律表ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する各元素単体、それらの各元素の炭化物、窒化物、硼化物および珪化物からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む複合体から構成するものとし、これらをたとえば、窒化アルミニウムを主成分とするセラミック基板上に配設することにより、基板を均一に加熱することができる。この場合、特に面状であれば、発熱体の区間ごとの抵抗値を制御することが不要になる。なお、前者の場合は、発熱体の形成が後者に比べて低温でできるという製造上の利点があり、後者の場合は、前者より低コストで耐熱性を有するという利点がある。
【００３７】
また、セラミック基板の材料として５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するものを用いると、ヒーター全体の温度分布をより均一にすることができる。このような材料には、窒化アルミニウム、窒化硼素、炭化珪素、およびこれらの複合材料が用いられる。その中でも、経済性、ヒーターの性能を考慮する、窒化アルミニウムが最も好ましい。
【００３８】
したがって、セラミック基板の材料として窒化アルミニウムを主成分とすることにより、セラミック基板を均一に加熱することができるとともに、急速に昇温させることが可能になる。特に好ましくは、１００Ｗ／ｍＫ以上、さらには２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有するものを用いることによって、より迅速に昇温でき、全体の温度分布のより一層の均一化を図ることができる。したがって、同じトナー定着強度の転写体が、より速く得られ（すなわち、立ち上がりが速く）、高速紙送り（高いｐｐｍ値（１分間当たりに送り込まれる紙の枚数の値）、すなわち、高い定着速度操作）での転写強度の追随が容易となる。また、同じ定着速度であれば、より高い定着強度の転写が可能になる。ここで、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）とＡｌＮ（窒化アルミニウム）をセラミック基板の材料に用いた場合において、ヒーターの特性について説明する。
【００３９】
ヒーターの特性は、セラミック基板に形成された発熱体に加えられる電力量が同一の場合、セラミック基板の熱伝導率と熱容量に依存する。すなわち、セラミック基板の熱伝導率が高いほど、セラミック基板をより均一に加熱することができ、熱容量が小さいほど、セラミック基板を急速に昇温することができる。また、昇温過程（定常状態ではなく、過渡期）におけるヒーターの温度は、電気的な等価回路を想定すると、抵抗ＲとコンデンサＣが直列に接続された回路によって決定されるものとなる。すなわち、ヒーター温度は以下の式で表わされる。
【００４０】
【数１】
【００４１】
ここで、ＲＣ（ｃｍ・ｓｅｃ）は、トナー画像を定着させるために本発明のヒーターを用いた場合、定着特性を表わす指数とすることができる。以下の表にアルミナと窒化アルミニウムの特性値を示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】
表２に示すように、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウムをセラミック基板の材料として用いると、比熱×密度／熱伝導率の値を５．０以下にすることができ、定着特性を表わす指数を低くすることができる。
【００４４】
また、この発明のヒーターにおいては、発熱体が、転写材に対向するセラミック基板の表面と反対側の表面に形成されているので、ヒーター温度を制御する制御回路や制御素子も、発熱体が形成されるセラミック基板の表面と同一の表面上に形成することができる。そのため、発熱体の電気回路パターンと制御回路パターンとをセラミック基板の表面上に同一の工程で製造することができる。
【００４５】
さらに、ヒーターの温度を検知する素子やその制御回路を、発熱体が形成された基板と異なる基板の上に形成し、その基板を発熱体の直上に設けることにより、温度検知素子の応答性を向上させることができる。温度検知素子が発熱体と同一のセラミック基板の表面上に存在する場合、温度検知素子用回路と発熱体回路との絶縁を確保する必要がある。そのため、温度検知素子用回路と発熱体回路をある一定距離隔てる必要がある。その結果、温度検知素子で検知した温度と実際のヒーターの温度との間に温度差が生じる。この温度差は、発熱体に流す電流を制御する装置の制御方法を変更することにより是正することが可能である。しかしながら、このような対策を行なうと、温度に対する応答性が悪くなる。そこで、セラミック基板と異なる絶縁性基板の上に温度検知素子および／または温度検知素子用の電気回路を形成し、その絶縁性基板を発熱体の直上に設けることにより、温度に対する応答性を改善することが可能になる。
【００４６】
また、セラミック基板の材料として窒化アルミニウム焼結体を用い、その窒化アルミニウム焼結体を構成する粒子の平均粒径を６．０μｍ以下、窒化アルミニウム焼結体の曲げ強度を４０ｋｇ／ｍｍ２以上とすることにより、機械的強度に優れたセラミック基板を得ることができる。このような窒化アルミニウム焼結体を用いると、熱衝撃性を示す温度差が５０℃以上、上昇するため、使用時の過熱に強く、ローラからの偏加圧にも強い基板を設計することができる。また、曲げ強度が大きくなると、後述する発熱体、電極、ガラス等の印刷、焼成後の基板の反り、うねりがより小さく抑えられ、定着のより一層の均一化が図られ、好ましい。このような高強度の窒化アルミニウム焼結体を得るには、ＡｌＮ原料の粒径、焼結助材の組合せ等を最適化し、少なくとも１８００℃以下、好ましくは１７００℃以下の温度で焼結する必要がある。さらに、このように曲げ強度が高く、反り、うねりが小さく抑えられ、熱衝撃性が高くなるので、現状の基板の厚み０．６３５ｍｍに比べて薄い０．４〜０．６ｍｍの厚みの基板も利用することができる。その結果、基板の熱容量は小さくなり、ヒーターの消費電力がさらに低減される。このような特徴は、窒化硼素、炭化珪素をセラミック基板の材料として用いた場合にも確認されている。
【発明の効果】
【００４７】
セラミックヒーター内の温度のばらつきを小さくし、トナー画像の定着性能を向上させるとともに、ヒーターの昇温速度を向上させ、さらに、今後の定着速度の高速化に追随できるセラミックヒーターの構造を提供することができる。また、トナー画像の定着性能を向上させ、セラミックヒーターの昇温速度を向上させ、さらに定着速度の高速化に対応可能なヒーターの構造を備えた加熱定着装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
図１は、この発明の１つの実施形態に従ったセラミックヒーターを備えた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。図１に示すように、板状セラミックヒーター１０はヒーター搭載台６に固着されている。ポリイミド等の樹脂フィルム７は板状セラミックヒーター１０の表面を覆い、ヒーター搭載台６のまわりを矢印Ｒで示す方向に回転可能である。また、ゴム製の加圧ローラ８は、樹脂フィルム７との間に用紙９を挟んで矢印Ｒで示す方向に回転可能である。
【００４９】
板状のセラミックヒーター１０は、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミック基板１と発熱体２と温度検知素子用電気回路層３と温度検知素子４と保護ガラス層５とを備えている。セラミック基板１の用紙９に対向する表面と反対側の表面に発熱体２と、ヒーター温度を制御する制御回路として温度検知素子用電気回路層３とが形成されている。発熱体２を被覆するように保護ガラス層５が形成されている。温度検知素子４はセラミック基板１の上に電気回路層３を介在して設けられている。
【００５０】
このようにして構成された加熱定着装置においては、発熱体２で発生した熱はセラミック基板１に均一に拡散し、回転する樹脂フィルム７を通じて用紙９に伝わる。これにより、用紙９の表面上に形成されたトナー画像が定着する。用紙９は、互いに逆方向に回転する樹脂フィルム７と加圧ローラ８との間に挟まれて加熱されるとともに矢印Ｐで示す方向に移動する。このようにして、用紙９の表面上のトナー画像を定着させる動作が行なわれる。
【００５１】
上記の実施形態において、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミック基板１の用紙９に対向する表面は、表面粗さ、うねりおよび反りが小さい方が好ましい。用紙９に対向するセラミック基板１の表面が平滑でない場合、すなわち表面粗さやうねり、反りなどが大きい場合、樹脂フィルム７の表面と均一にセラミック基板１の表面が接触することが困難となる。その結果、セラミック基板１に伝わった熱が樹脂フィルム７を通じて用紙９に均一に伝わらない。これにより、用紙１９上でのトナー画像の定着を均一に行なうことが困難になる。具体的には、セラミック基板１の表面粗さは、ＪＩＳ十点平均高さ粗さＲｚで５．０μｍ以下、うねり、反りに関しては２．０ｍｍ以下であるのが好ましい。
【００５２】
セラミック基板１の熱伝導率は高ければ高いほど効果的ではあるが、５０Ｗ／ｍＫ以上であれば、比較的、ヒーター全体の温度分布は良好である。前述のように、このようなセラミック材料には、窒化アルミニウム、窒化硼素、炭化珪素およびこれらの複合材料がある。しかしながら、窒化硼素は高価であり、炭化珪素はそれのみでは電気絶縁性が低く、利用するためには表面に絶縁性の膜を形成する必要がある。したがって、窒化アルミニウムがこれらの中で最も好ましい材料である。熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫよりも低くなると、発熱体２で発生した熱はセラミック基板１の用紙９に対向する面の側に伝わるのに時間が長くかかる。また、熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫよりも低くなると、発熱体２から発生した熱によって昇温したセラミック基板１の温度のばらつきが大きくなるため、好ましくない。
【００５３】
セラミック基板１の上に塗布することによって形成される発熱体２の材質は、ヒーターの使用温度が２００℃程度であるために、前述のようにたとえば、Ａｇ−Ｐｄ、Ｐｔ−Ｐｄ、Ｒｕ系の化合物、またはＷ、Ｍｏ等の高融点金属などのいずれかの金属材料を選択することができる。セラミック基板１の上に発熱体２を焼き付けた後、さらに発熱体の回路パターンを保護し、かつ絶縁性を確保するために保護ガラス層５が形成される。このガラスの材質としては、基板に窒化アルミニウムを用いる場合、窒化アルミニウムと反応するものを含まなければ、どのようなものでも用いることは可能である。セラミック基板１を構成する窒化アルミニウムとの良好な密着性を確保するためには、周期律表ＩＩａ族元素、ＩＩＩａ族元素、ＩＩＩｂ族元素の酸化物を保護ガラス層５の材料に含ませるのが好ましい。しかしながら、導電性を有する酸化物を保護ガラス層５の材料に含ませることは、回路間の絶縁耐圧の低下を招くため、好ましくない。
【００５４】
なお、セラミック基板１の発熱体２が形成されている表面には、Ａｇペースト等によって発熱体２や温度検知素子用電気回路層３のための電極が形成される。
【００５５】
このようにして構成された加熱定着装置においては、発熱体２などが形成されていないセラミック基板１の表面がポリイミド等の樹脂フィルム７の表面に接触する。窒化アルミニウム焼結体からなるセラミック基板１は樹脂フィルム７に直接接触するが、窒化アルミニウム焼結体は熱伝導に優れているため、接触面の温度ばらつきが非常に小さいので、均一な温度分布を有する加熱定着装置を実現することが可能になる。
【００５６】
図２は、この発明の別の実施形態に従ったセラミックヒーターを備えた加熱定着装置の構成を概略的に示す模式図である。図２に示すように、図１の構成と異なる点は、セラミック基板１の用紙９に対向する表面と反対側の表面上に複数本の発熱体２が形成されている点である。このように、複数本の線状の発熱体２をセラミック基板１の表面に形成することにより、セラミック基板１を均一に加熱することが可能になる。このようにセラミック基板１の均一加熱を実現できる。
【００５７】
図３の（Ａ）〜（Ｃ）は、従来の板状のセラミックヒーターと本発明の板状のセラミックヒーターの構成を概略的に示す断面図である。図３（Ａ）に示すように、従来の板状のセラミックヒーターにおいては、用紙に対向するセラミック基板１の表面（図において下側の表面）上に発熱体２が形成されている。発熱体２を被覆するように保護ガラス層５が形成されている。また、図３の（Ｂ）に示すように、本発明の一つの形態にしたがったセラミックヒーターにおいては、セラミック基板１の用紙と対向する表面と反対側の表面（図において上側の表面）上に発熱体２が形成されている。発熱体２を被覆するように保護ガラス層５が形成されている。
【００５８】
図３の（Ｃ）には、本発明のさらに別の形態に従ったセラミックヒーターの構成が示されている。このセラミックヒーターにおいては、セラミック基板１の全面上に発熱体２が形成されている。発熱体２の上には保護ガラス層５が形成されている。このようなセラミックヒーターはバルクヒーターと呼ばれる。
【００５９】
以上の３つの板状のセラミックヒーターについて、トナー画像が形成された用紙の側に伝わる熱の抵抗値を近似計算する。熱抵抗の近假計算法は、図３の（Ｄ）に示される。また、その近似計算式は以下の式で示される。
【００６０】
【数２】
【００６１】
図３の（Ｄ）に示すように、熱は発熱体２から角度α＝４５°の方向に伝わるものとする。発熱体２から熱が伝わる材料の熱伝導率をＫとする。幅Ａｉ、厚みｔｉの位置までの熱抵抗は上記の式Ｒｉで表わされる。全体の熱抵抗はＲｔhで表わされる。
【００６２】
熱抵抗の近似計算を行なうにあたって、各セラミックヒーターの寸法を以下のとおりとする。図３の（Ａ）で示される従来のセラミックヒーターにおいては、発熱体２の厚みｔ０は０．０１ｍｍ、幅Ｗｌは１．５ｍｍ、セラミック基板１の厚みｔｉは０．６３５ｍｍ、幅Ｗ２は９．０ｍｍ、保護ガラス層５の厚みｔ２は０．０８０ｍｍである。図３の（Ｂ）で示される本発明のセラミックヒーターにおいては、発熱体２の厚みｔ０は０．０１ｍｍ、幅Ｗ１は１．５ｍｍ、セラミック基板１の厚みｔ１は０．６３５ｍｍ、幅Ｗ２は９．０ｍｍ、保護ガラス層５の厚みｔ２は０．０８０ｍｍである。図３の（Ｃ）で示される本発明のバルクヒーターにおいては、発熱体２の厚みｔ０は０．０１ｍｍ、セラミック基仮１の厚みｔ１は０．４ｍｍ、保護ガラス層５の厚みｔ２は０．０８０ｍｍ、セラミック基板１の幅Ｗ２は９．０ｍｍである。
【００６３】
各ヒーターの構造について近似計算された熱抵抗の値は表３に示される。
【００６４】
【表３】
【００６５】
表３から明らかなように、本発明に従って図３（Ｂ）の構造を有するセラミックヒーターは、従来の図３（Ａ）で示されるセラミックヒーターに比べて低い熱抵抗値を有する。なお、図３（Ａ）で示されるセラミックヒーターは、セラミック基板１の材料としてＡｌ２Ｏ３またはＡｌＮのいずれの材料を用いても、同一の熱抵抗値を有する。これは、発熱体から発生する熱が図において下側の方向、すなわち用紙側の方向に伝わる熱のみについて計算を行なっているためである。しかし、図３（Ａ）の構造では、実際には、セラミック基板１を構成するアルミナまたは窒化アルミニウムにも熱は伝わる。この際、窒化アルミニウムの方が、熱の伝わり方が速く、昇温均熱化が速く進むため、図３（Ａ）の構造においても、窒化アルミニウムを用いた方がアルミナを用いるよりも実際の熱抵抗はかなり低くなる。また、ヒーターの構造を図３（Ｃ）に示すようにすると、熱抵抗値がさらに低くなる。以上述べた伝熱特性は、窒化硼素、炭化珪素を用いた場合においても同様である。
【００６６】
以上のように、板状のセラミックヒーターにおいて、熱を伝える方向、すなわちトナー画像が形成された用紙の方向にセラミック基板の材料として窒化アルミニウムを用いると、その方向での熱抵抗値をより小さくすることができる。また、発熱体を線状の形態ではなく、面状の形態でセラミック基板の表面に形成することにより、すなわちセラミックヒーターをバルクヒーターの形態で構成することにより、その方向での熱抵抗値をより小さくすることができる。
【００６７】
図４は、この発明のセラミックヒーターのさらに別の形態を示す図である。図４の（Ａ）に示すように、絶縁基板１１の表面上に温度検知素子用電気回路層３を形成する。温度検知素子用電気回路層３の一方端には電極層４１が接続されている。温度検知素子用電気回路層３の他方端の上には温度検知素子４が搭載されている。この場合、絶縁基板１１の材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ガラス、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮなどを用いることができる。また、電気回路層３に用いられる導体は、ヒーターの近傍に形成されるので酸化しにくい金属、すなわちＡｇ、Ａｕ、Ｐｔなどの貴金属あるいはそれらの合金で形成するのが好ましい。
【００６８】
図４の（Ｂ）に示すように、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミック基板１の表面上に発熱体２を形成する。発熱体２に接続し、それと平行に延びるように電気回路層２２がセラミック基板１の表面上に形成される。発熱体２の一方端部と電気回路層２２の一方端部に接続するように電極層２１が形成される。
【００６９】
図４（Ａ）に示すように構成された絶縁基板１１を図４（Ｂ）に示すように構成された発熱体２を有するセラミック基板１の上に搭載する。このように構成されたセラミックヒーターの平面図は図４（Ｃ）に示されている。図４（Ｄ）は図４（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。図４（Ｄ）に示すように、温度検知素子４が絶縁基板１１を介して発熱体２の直上に位置するように搭載されている。これにより、温度に対する応答性を改善することができる。
【００７０】
この場合、絶縁基板１１を発熱体２の上に搭載すればよく、セラミック基板１と絶縁基板１１の接合はどのような方法によって行なってもよい。
【００７１】
たとえば、セラミック基板１の上に所定の発熱体２と電気回路層２２と電極層２１を厚膜スクリーン印刷法により形成する。次に、絶縁基板１１の表面上にも電気回路層３と電極層４１を同様の方法で形成する。その後、絶縁基板１１をセラミック基板１の所定の位置に搭載し、大気中で焼成する。これにより、発熱体２と電気回路層２２と電極２１はセラミック基板１と絶縁基板１１の両方に焼き付き、接合することができる。
【００７２】
また、セラミック基板１と絶縁基板１１との別の接合方法として以下の方法を採用することができる。まず、セラミック基板１と絶縁基板１１の両方にそれぞれ、発熱体２、電気回路層２２、電極層２１、電気回路層３、電極層４１を別々に焼き付ける。その後、セラミック基板１に発熱体２を保護するためのオーバーコートガラスを印刷乾燥させる。このセラミック基板１の上に上記の絶縁基板１１を所定の位置に固定し、ガラスを焼き付ける。ガラスは両方の基板に焼き付くため、セラミック基板１と絶縁基板１１を接合することができる。
【実施例１】
【００７３】
セラミック基板の材料としてＡｌ２Ｏ３またはＡｌＮを用いて図１、図２および図７に示すセラミックヒーターを作製した。セラミックヒーターの作製方法は以下のとおりである。
【００７４】
Ａｌ２Ｏ３焼結体またはＡｌＮ焼結体から、３００ｍｍ×１０ｍｍ×０．７ｍｍの大きさのセラミック基板１を準備した。この表面を十点平均高さ粗さＲｚで２μｍに仕上げ、その基板の上にＡｇまたはＰｔの貴金属を主成分とするペーストを所定の位置にスクリーン印刷法によって塗布することにより、発熱体を形成した。Ａｇ等の金属成分を含むペーストを所定の位置にスクリーン印刷法によって塗布することにより、発熱体２に接続する電極を形成した。また、Ａｇ−Ｐｄを基板１の上にスクリーン印刷法で塗布することにより、温度検知素子用電気回路層３を形成した。その温度検知素子用電気回路層３の上に温度検知素子４を搭載した。その後、セラミック基板１を温度９００℃で大気中で焼成した。このときの発熱体２の抵抗値は２０Ωとした。焼成処理されたセラミック基板１に対して、電気回路層と発熱体２の保護のためにガラスをスクリーン印刷法によって塗布し、温度６００℃で大気中で焼成した。これにより、厚み６０μｍの保護ガラス層５が形成された。なお、この時点での基板の長手方向の反りおよびうねりは、それぞれ１．８ｍｍ、２．０ｍｍであった。
【００７５】
上記のセラミックヒーターの製造方法において用いられるＡｌＮ焼結体は以下のようにして準備された。
【００７６】
ＡｌＮ扮末１００重量部に対して焼結助剤０．８重量部添加し、さらに所定量の有機バインダ、有機溶剤を加え、ボールミル混合法により混合した。その後、得られたスラリーをドクターブレード法によりシート成形した。得られたシートを所定の大きさに切断した後、非酸化性雰囲気にて温度８００℃〜９００℃で脱脂処理した。また、このときの脱脂処理方法として、大気中などの酸化性雰囲気中で温度６００℃以下で行なってもよい。温度６００℃以上の酸化性雰囲気中で行なうと、ＡｌＮ粉末表面の酸化反応が進行してしまい、得られる焼結体の熱伝導率が低下するため好ましくない。以上のように脱脂処理されたシートを温度１７００℃〜１９００℃の非酸化性雰囲気中で焼成した。これにより、粒径が小さく、曲げ強度の大きな焼結体を得ることができる。このようにして作製されたＡｌＮ焼結体の熱伝導率は１７０Ｗ／ｍＫ程度であり、曲げ強度は３０ｋｇ／ｍｍ２、平均粒径は８μｍであった。
【００７７】
なお、上記のＡｌＮ焼結体の製造方法において、焼結温度が高くなればなるほど、ＡｌＮを構成している粒子の粒径は大きくなる。焼結時間を長くしても、粒径は大きくなるが、焼結温度による影響の方が大きい。ＡｌＮ焼結体は粒子の場合によって構成されている。このとき、ＡｌＮ焼結体の曲げ強度は、粒子間の結合力と粒子の接合面積に比例する。低温で焼結を行なう場合、粒子の成長がないため、粒子が小さく、相対的に単位体積当りの粒子の表面積も大きくなる。その結果、粒子間の接合（結合）面積も大きくなるので、相対的に高い強度を有する焼結体を得ることができる。
【００７８】
以上のようにして作製された図１、図２および図７に示されるセラミックヒーターを用いて各図で示されるように加熱定着装置を構成した。なお、図７と図１に示すセラミックヒーターにおいて発熱体２の幅は１．５ｍｍとし、図２に示すセラミックヒーターにおいては３本の線状の発熱体２が形成されており、個々の発熱体２の幅はそれぞれ０．５ｍｍとした。各加熱定着装置を用いてトナー画像の用紙に対する定着性を評価した。定着性の評価方法は以下のようにして行なわれた。日本工業規格Ａ列４番（Ａ４）の用紙にトナーを一面に塗布した。塗布方法としては、プリンタの定着装置に搬入される前の用紙を使用した。この用紙を図１、図２および図７で示された各セラミックヒーターを用いてトナーを定着させた。定着速度の設定は、加圧ローラ８を回転させるモータの速度を調節することによって行なった。耐熱性樹脂フィルム７と加圧ローラ８の間に形成される接触部の幅Ｗ３と定着の荷重は、定着速度に応じて表１に示されるレベル程度とした。
【００７９】
その評価試験における条件および結果は以下の表４に示される。
【００８０】
【表４】
【００８１】
表４において、定着速度の単位「ｐｐｍ」は、１分間当りに送り込まれる用紙の枚数を示す。定着荷重は、加圧ローラ８と樹脂フィルム７とによって用紙９に加えられる絶対荷重を示す。「Ａｌ２Ｏ３」はセラミック基板１の材料としてアルミナ焼結体を用いたことを示しており、「ＡｌＮ」はセラミック基板１の材料として窒化アルミニウム焼結体を用いたことを示している。「図１」、「図２」および「図７」は、各図に示されるセラミックヒーターを用いて定着試験を行なったことを示している。「２０Ｗ／ｍＫ」、「１７０Ｗ／ｍＫ」は、セラミック基板１の熱伝導率を示している。定着性の評価は、加熱定着装置に送られる用紙の１枚目、２枚目、４枚目、６枚目、８枚目、１２枚目および１６枚目に行なわれた。１枚目の用紙は、セラミックヒーター１０に電力を供給した後、１５秒後に加熱定着装置に送られた。
【００８２】
定着性の評価は、手でこすることにより用紙の上に形成されたトナーがほとんど剥がれなかった場合を「○」、５０％程度剥がれた場合を「△」、ほとんど剥がれた場合を「×」で示した。表４から明らかなように、定着速度を増加させた場合においても、本願発明に従ったセラミックヒーター（図１および図２の構造）を採用すると、優れた定着特性を示した。さらに、セラミック基板の材料をアルミナから窒化アルミニウムとし、高い熱伝導率を有するセラミック基板を用いることにより、さらに定着特性が向上した。
【００８３】
また、アルミナ基板を用い従来のセラミックヒーターの構造（図７）の場合、表１に示されるように定着速度の増加につれ、定着荷重を増加させて接触部の幅Ｗ３を大きくしていく必要がある。表４に示すように、アルミナ基板を用いた図７の構造では、定着性レベルの荷重に対する推移は、このような状況を反映している。たとえば、定着速度を８ｐｐｍとすると、荷重は８ｋｇとし、接触部の幅Ｗ３を４ｍｍにしないと送り込み当初からの定着性は「○」にならない。定着速度が１２ｐｐｍ、１６ｐｐｍの場合でも、荷重が８ｋｇの条件では、必要レベルの定着性を得ることができないことがわかる。
【００８４】
これに対して、窒化アルミニウム基板を用いた場合では、従来のセラミックヒーターの構造（図７）で定着速度が８ｐｐｍのとき、荷重が４ｋｇ（接触部の幅Ｗ３が２ｍｍ）の条件でも定着性は容易に「○」のレベルに達している。これは、同じ接触部の幅であっても、放熱性の差によって実際の均熱部の幅が変化することによるものと考えられる。
【００８５】
また、各条件について転写材である用紙の投入１枚目の定着が完了するまでの消費電力を積算電力計を用いて測定した結果を表５に示す。なお、表５中において左側の数値は昇温に要した消費電力の値、右側の数値は定着に要した消費電力の値を示している。
【００８６】
【表５】
【００８７】
表５から明らかなように、同一の定着速度、同一の定着荷重、定着特性が同一の場合、窒化アルミニウムの方が、基板の熱容量が小さい分、昇温時の消費電力は小さくなる。また、同一の定着速度、同一の定着荷重、同一の定着特性の場合、定着時の消費電力は基板材料にかかわらず、図７＞図１＞図２の順で大きくなる。これは、接触部の幅内におけるヒーターの温度分布が図７＞図１＞図２の順で大きくなるため、温度分布のより均一な図２に示すセラミックヒーターの消費電力が若干小さくなるからである。
【００８８】
また、定着速度が高速になるにつれて、セラミック基板材料がアルミナの場合、温度分布が大きいため消費電力を上げても、定着特性は悪い。しかし、セラミック基板材料が窒化アルミニウムの場合、基板内の温度分布が均一なこと、さらに熱抵抗が小さいことにより、有効に熱を伝えることができ、図７＞図１＞図２の順に消費電力も小さくなる。
【００８９】
次に、熱伝導率が定着特性に及ぼす影響を調べた。定着性の評価試験方法は上記と同様に行なった。この場合、定着遠度を８ｐｐｍ、定着圧力を４ｋｇとした。上記と同様にして、送られる用紙の１枚目と４枚目と８枚目とにおいて定着特性を評価した。その結果は表６に示される。
【００９０】
【表６】
【００９１】
表６から明らかなように、セラミック基板の熱伝導率としては５０Ｗ／ｍＫ以上が好ましく、熱伝導率が高ければ高いほど、定着特性が向上した。なお、表６において「◎」は用紙の上に形成されたトナーが全く剥がれなかったことを示す。
【００９２】
なお、別途、焼結助材を変えてシート成形し、温度１７００℃で焼結調製した平均粒径５．５μｍ、曲げ強度４２ｋｇ／ｍｍ２、熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウム焼粘体を用い、前記例と同様の３００ｍｍ×１０ｍｍ×０．７ｍｍの基板を準備した。基板表面の十点平均高さ粗さは２μｍであった。これに前記例と同様のＡｇまたはＰｔの貴金属を含む発熱体、Ａｇを含む電極およびＡｇ−Ｐｄの温度検知素子用回路の各印刷焼付け層を形成し、さらに保護ガラス層を焼付けした。この状態で基板の長手方向の反りおよびうねりは、いずれも１ｍｍ以下であった。このヒーターユニットを用いて前記例と同様に図１、図２および図７に示すような加熱定着装置を構成し、前記例と同様に、このヒーターによる定着特性を確認した。その結果、表４に示す前記例のＡｌＮのデータに比べて、特に定着速度１２ｐｐｍ、定着圧力８ｋｇでの追随性（早い枚数での定着強度向上の程度）に１ランクの向上（つまり、×が△に、△が○に）が見られた。
【実施例２】
【００９３】
図３の（Ｃ）に示されるバルクヒーターを用いて実施例１と同様にトナーの定着性の評価試験を行なった。バルクヒーターは以下のようにして製造された。
【００９４】
ＡｌＮ粉末に所定の導体成分として粉末を加え、混合した後、ドクターブレード法によりシート成形した。このようにして発熱体２が成形された。また、ＡｌＮのセラミック基板１は、導体粉末を加えないで、実施例１と同様の方法でシート成形した。得られたシートを積み重ねて所定の大きさに切断した後、非酸化性雰囲気において温度６００〜９００℃で脱脂処理した。このとき、脱脂処理の方法としては、大気中などの酸化性雰囲気中で温度６００℃以下で行なってもよい。脱脂処理されたシートを温度１７００〜１９００℃の非酸化性雰囲気中で焼成した。得られた焼結体のうち、発熱体２に相当する厚みは０．３ｍｍ、セラミック基板１に相当する厚みは０．４ｍｍであった。合計の厚みは０．７ｍｍであった。このような焼結体を３００ｍｍ×１０ｍｍの大きさに切断した。
【００９５】
これに対して、１５０ｍｍ×８ｍｍ×０．３ｍｍの大きさのＡｌ２Ｏ３基板を準備した。その基板の上に所定の回路を形成し、温度検知素子であるサーミスタを取付けた。ここで使用する基板は、発熱体との間の絶縁を確保することができればよく、材料としてはＺｒＯ２、ガラス、ＡｌＮなどが用いられてもよい。また、回路形成に使用される導体の材料も導電性を有するものであればよい。ただし、発熱体の近傍に形成されるので、酸化しにくい金属、すなわちＡｇ、Ａｕ、Ｐｔなどの貴金属およびそれらの合金を用いるのが好ましい。このようにして作製されたサーミスタ基板を発熱体の上に取付け、実施例１と同様にトナーの定着特性の試験を行なった。その結果は以下の表７に示される。
【００９６】
【表７】
【００９７】
定着特性の評価試験条件は、定着圧力を４ｋｇ、定着速度を８ｐｐｍとした。表７から明らかなように、導体成分の配合量を増加させることにより、定着特性が向上した。
【実施例３】
【００９８】
実施例１のシート成形法で得られた平均粒径５．５μｍ、曲げ強度４２ｋｇ／ｍｍ２、熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウム焼結体で作られた長さ３００ｍｍ、厚み０．７ｍｍで以下の表８に示す各種の幅寸法を有する基板を準備した。基板の表面は十点平均高さ粗さＲｚで２μｍに仕上げた。これらの各種の幅のセラミック基板のそれぞれに実施例１と同様の発熱体、電極、温度検知素子用電気回路層を焼付け、図１に示すセラミックヒーターを作製した。
【００９９】
これらのセラミックヒーターを用いて図１に示すように加熱定着装置を構成した。各加熱定着装置を用いて表８に示す定着速度と定着荷重の条件にて実施例１と同様の手順でトナーの用紙に対する定着性を評価した。また、実施例１と同様の手順で１枚目の定着に要した消費電力を測定した。その結果を表８に示す。なお、表８中の「消費電力」の欄の左側の数値は昇温に要した消費電力の値、右側の数値は定着に要した消費電力の値を示す。定着性の表示は表４と同様である。
【０１００】
【表８】
【０１０１】
なお、実施例１で作製したアルミナ基板を用いて図１に示すセラミックヒーターを構成し、上記と同様にして基板の幅を変化させて定着性を評価すると、定着速度８ｐｐｍ、定着荷重４ｋｇの条件では、基板の幅が５ｍｍ以下で定着性のレベルは「×」であり、荷重を８ｋｇにすると、基板の幅が６ｍｍ（この場合、接触部の幅は４ｍｍであり、基板の幅／接触部の幅の比は１．５）まではレベル「○」の定着性が確認された。定着速度が１２ｐｐｍの条件では、基板の幅を１０ｍｍにしてもトナーの定着を行なうことは不可能であった。
【０１０２】
以上の結果より、本発明に従って窒化アルミニウムを基板材料として用いて図１に示すようにセラミックヒーターを構成することによって、同一の定着速度、同一の定着荷重の条件下では、従来の標準の基板の幅（表１）よりも小さい基板の幅でも所定の定着性を確保することができることがわかる。
【０１０３】
基板の幅／接触部の幅の比との関係で見ると、アルミナ基板を用いたセラミックヒーターの場合は、所定の定着性を確保するためには上記の比率をせいぜい１．５まで小さくするのが限度であるが、本発明のように窒化アルミニウム基板を用いてセラミックヒーターを構成すると、上記の比率を１．４以下まで小さくしても所定の定着性を確保することができることがわかる。
【０１０４】
また、このようにセラミック基板の幅を小さくすることによって、セラミックヒーターそのものの熱容量を低減させることにより、消費電力をかなり低減できることがわかる。
【０１０５】
さらに、上記のアルミナ基板を用いて図７に示す構造のセラミックヒーターを作製し、上記と同じ条件下で同様に定着性を評価した。その結果、定着速度８ｐｐｍ、定着荷重４ｋｇの場合、基板の幅２．０ｍｍのとき定着性のレベル「○」を確保することができる下限値であり、基板の幅が１．６ｍｍでは定着性のレベルは「△」または「×」であった。また、上記と同様に評価した消費電力は、表８と同じ対応の定着条件下で対比すると、４〜１１％程度増加した。
【実施例４】
【０１０６】
実施例３の評価で用いたものと同じ窒化アルミニウム焼結体から、長さ３００ｍｍ、幅９ｍｍで以下の表９に示される各種の厚み寸法を有する基板を作製した。これらの基板から、実施例１と同様の発熱体（幅が１．５ｍｍ）、電極、温度検知素子用電極回路層を焼付け、図１と図７に示すセラミックヒーターを作製した。これらの各セラミックヒーターを用いて図１と図７に示すように加熱定着装置を構成した。
【０１０７】
各加熱定着装置を用いてトナーの用紙に対する定着性を評価した。定着速度が１６ｐｐｍ、定着荷重が１３ｋｇの条件下で実施例１と同様に定着性のレベル（ただし、本実施例では１，０００枚の用紙を送り込んで実施例１と同様に定着性の評価をした）と、１枚目の定着に要した消費電力量を測定した。その結果を表９に示す。なお、表９中のヒーター構造の欄で「図７」と表示のものは、図７に示すようにセラミックヒーターを作製し、加熱定着装置を構成した場合、同欄で「図１」と表示のものは、本発明に従って図１に示すようにセラミックヒーターを作製し、加熱定着装置を構成した場合を示している。
【０１０８】
【表９】
【０１０９】
表９に示される結果から、基板の厚みが０．６３５ｍｍ（従来の標準の厚み）以下の薄い基板を用いても、基板に損傷が生じることなく、所定の定着性のレベルを維持できることがわかった。ただし、その基板の厚みの下限値は０．４ｍｍであった。
【０１１０】
また、図１に示される構造のセラミックヒーターを用いた方が、図７に示される構造のセラミックヒーターを用いた場合よりも、昇温時の消費電力を約８％程度低減させることができることもわかった。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】この発明の１つの実施形態としてのセラミックヒーターが組み込まれた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。
【図２】この発明のもう１つの実施形態としてのセラミックヒーターが組み込まれた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。
【図３】熱抵抗を近似計算するために用いられた従来のセラミックヒーターの構成を示す断面図（Ａ）、本発明のセラミックヒーターの構成を示す断面図（Ｂ）（Ｃ）、さらに熱抵抗の近似計算を行なうための前提条件を示す図（Ｄ）である。
【図４】本発明のさらに別の実施形態としてのセラミックヒーターの概略的な構成を示し、（Ａ）は温度検知素子が形成された絶縁基板の平面図、（Ｂ）は発熱体が形成されたセラミック基板の平面図、（Ｃ）は絶縁基板がセラミック基板の上に搭載されたときの平面図、（Ｄ）は（Ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。
【図５】従来の円筒型ヒーターが組み込まれた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。
【図６】従来の板状セラミックヒーターが組み込まれた加熱定着装置の概略的な構成を示す模式図である。
【図７】従来の板状セラミックヒーターが組み込まれた加熱定着装置の概略的な構成をより詳細に示す模式図である。
【図８】本発明の加熱定着装置において加熱ローラと加圧ローラ間の加圧機構の概略的な構成を示す模式的な断面図（Ａ）（Ｂ）である。
【符号の説明】
【０１１２】
１ セラミックス基板
２ 発熱体
４ 温度検知素子
５ 保護ガラス層
７ 耐熱性樹脂フィルム
８ 加圧ローラ
１０ セラミックヒーター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能に配置された耐熱性フィルムと、その耐熱性フィルムの上に圧力を加える加圧ローラとを備え、前記加圧ローラによる加圧と前記耐熱性フィルムを介した加熱とによって、前記耐熱性フィルムと前記加圧ローラとの間に挟まれて移動する転写材の表面上に形成されたトナー画像を定着させる加熱定着装置に、前記耐熱性フィルムがその上で摺動して密着し得るように設けられるヒーターであって、トナー画像が形成された転写材の一方の表面に対向するように配置されたセラミック基板と、前記転写材の一方の表面に対向する前記セラミック基板の表面と反対側の表面に形成された発熱体とを備えた、ヒーター。
【請求項２】
前記発熱体は、前記セラミック基板の表面上に複数本の線状の形態で形成されている、請求項１に記載のヒーター。
【請求項３】
前記発熱体は、前記セラミック基板の表面上に面状の形態で形成されている、請求項１に記載のヒーター。
【請求項４】
前記発熱体は、発熱体成分として銀、白金、パラジウム、ルテニウムおよびそれらの合金からなる群より選ばれた金属の少なくとも１種を含む複合体から形成されている、請求項２または３に記載のヒーター。
【請求項５】
前記発熱体は、発熱体成分としてＳｉの炭化物、周期律表ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する各元素単体ならびにそれらの各元素の炭化物、窒化物、硼化物および珪化物からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む複合体から形成されている、請求項２または３に記載のヒーター。
【請求項６】
前記セラミック基板の熱伝導率は５０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１に記載のヒーター。
【請求項７】
前記セラミック基板の厚みが０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である、請求項６に記載のヒーター。
【請求項８】
前記耐熱性フィルムと前記加圧ローラとの間に形成される接触部の幅（Ｗ３）に対する前記セラミック基板の幅（Ｗ２）の比（Ｗ２／Ｗ３）が１．４以下である、請求項６に記載のヒーター。
【請求項９】
前記セラミック基板は、窒化アルミニウムを主成分とする、請求項１〜８のいずれかに記載のヒーター。
【請求項１０】
ヒーター温度を制御する制御回路および／または制御素子は、前記発熱体が形成された前記セラミック基板の表面と同一の表面上に形成されている、請求項１に記載のヒーター。
【請求項１１】
ヒーターの温度を検知する素子および／またはその制御回路は、前記セラミック基板と異なる基板上に形成されており、その基板は前記発熱体の直上に設けられている、請求項１に記載のヒーター。
【請求項１２】
前記セラミック基板は窒化アルミニウム焼結体からなり、その窒化アルミニウム焼結体を構成している粒子の平均粒径が６．０μｍ以下であり、前記窒化アルミニウム焼結体の曲げ強度が４０ｋｇ／ｍｍ２以上である、請求項１〜１１のいずれかに記載のヒーター。
【請求項１３】
セラミックヒーターと、前記セラミックヒーターに密着して摺動する耐熱性フィルムと、前記耐熱性フィルムの上に圧力を加える加圧ローラとを備え、前記加圧ローラによる加圧と前記耐熱性フィルムを介した前記セラミックヒーターによる加熱とによって、前記耐熱性フィルムと前記加圧ローラとの間に挟まれて移動する転写材の表面上に形成されたトナー画像を定着させる加熱定著装置であって、前記セラミックヒーターが、トナー面像が形成された転写材の一方の表面に対向するように配置されたセラミック基板と、前記転写材の一方の表面に対向する前記セラミック基板の表面と反対側の表面に形成された発熱体とを含む、加熱定着装置。
【請求項１】
移動可能に配置された耐熱性フィルムと、その耐熱性フィルムの上に圧力を加える加圧ローラとを備え、前記加圧ローラによる加圧と前記耐熱性フィルムを介した加熱とによって、前記耐熱性フィルムと前記加圧ローラとの間に挟まれて移動する転写材の表面上に形成されたトナー画像を定着させる加熱定着装置に、前記耐熱性フィルムがその上で摺動して密着し得るように設けられるヒーターであって、トナー画像が形成された転写材の一方の表面に対向するように配置されたセラミック基板と、前記転写材の一方の表面に対向する前記セラミック基板の表面と反対側の表面に形成された発熱体とを備えた、ヒーター。
【請求項２】
前記発熱体は、前記セラミック基板の表面上に複数本の線状の形態で形成されている、請求項１に記載のヒーター。
【請求項３】
前記発熱体は、前記セラミック基板の表面上に面状の形態で形成されている、請求項１に記載のヒーター。
【請求項４】
前記発熱体は、発熱体成分として銀、白金、パラジウム、ルテニウムおよびそれらの合金からなる群より選ばれた金属の少なくとも１種を含む複合体から形成されている、請求項２または３に記載のヒーター。
【請求項５】
前記発熱体は、発熱体成分としてＳｉの炭化物、周期律表ＩＶａ、ＶａおよびＶＩａ族に属する各元素単体ならびにそれらの各元素の炭化物、窒化物、硼化物および珪化物からなる群より選ばれた少なくとも１種を含む複合体から形成されている、請求項２または３に記載のヒーター。
【請求項６】
前記セラミック基板の熱伝導率は５０Ｗ／ｍＫ以上である、請求項１に記載のヒーター。
【請求項７】
前記セラミック基板の厚みが０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である、請求項６に記載のヒーター。
【請求項８】
前記耐熱性フィルムと前記加圧ローラとの間に形成される接触部の幅（Ｗ３）に対する前記セラミック基板の幅（Ｗ２）の比（Ｗ２／Ｗ３）が１．４以下である、請求項６に記載のヒーター。
【請求項９】
前記セラミック基板は、窒化アルミニウムを主成分とする、請求項１〜８のいずれかに記載のヒーター。
【請求項１０】
ヒーター温度を制御する制御回路および／または制御素子は、前記発熱体が形成された前記セラミック基板の表面と同一の表面上に形成されている、請求項１に記載のヒーター。
【請求項１１】
ヒーターの温度を検知する素子および／またはその制御回路は、前記セラミック基板と異なる基板上に形成されており、その基板は前記発熱体の直上に設けられている、請求項１に記載のヒーター。
【請求項１２】
前記セラミック基板は窒化アルミニウム焼結体からなり、その窒化アルミニウム焼結体を構成している粒子の平均粒径が６．０μｍ以下であり、前記窒化アルミニウム焼結体の曲げ強度が４０ｋｇ／ｍｍ２以上である、請求項１〜１１のいずれかに記載のヒーター。
【請求項１３】
セラミックヒーターと、前記セラミックヒーターに密着して摺動する耐熱性フィルムと、前記耐熱性フィルムの上に圧力を加える加圧ローラとを備え、前記加圧ローラによる加圧と前記耐熱性フィルムを介した前記セラミックヒーターによる加熱とによって、前記耐熱性フィルムと前記加圧ローラとの間に挟まれて移動する転写材の表面上に形成されたトナー画像を定着させる加熱定著装置であって、前記セラミックヒーターが、トナー面像が形成された転写材の一方の表面に対向するように配置されたセラミック基板と、前記転写材の一方の表面に対向する前記セラミック基板の表面と反対側の表面に形成された発熱体とを含む、加熱定着装置。
【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２００６−３０１６６１（Ｐ２００６−３０１６６１Ａ）
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１６１９０１（Ｐ２００６−１６１９０１）
【出願日】平成１８年６月１２日（２００６．６．１２）
【分割の表示】特願平８−２８４９９９の分割
【原出願日】平成８年１０月２８日（１９９６．１０．２８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月２日（２００６．１１．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月１２日（２００６．６．１２）
【分割の表示】特願平８−２８４９９９の分割
【原出願日】平成８年１０月２８日（１９９６．１０．２８）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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