JPH06250549A - 加熱定着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自己発熱型導電性セラミック材料から成る加
熱ローラに電力を供給するための電極接点において、加
熱ローラとの摩擦を最小限にして接触不良が生じない加
熱定着装置を提供する。 【構成】 導電性セラミック材料から成る加熱ローラ１
の回転中心線上に加熱ローラ１と一体的に回転する回転
電極を構成する突起１６と、前記回転電極に対して弾性
的に当接する固定電極２０が形成される。回転電極と固
定電極２０との間の摺接位置の変位を最小にして、摩擦
による摩耗を防止し、加熱ローラ１との電気的接続が安
定に確保される。こうして、固定電極２２、給電軸受２
１、電極部材１８、導電性被膜１９、加熱ローラ１を通
って、導電性被膜９、電極部材８、リード線１４ａ、温
度ヒューズ５、リード線１４ｂ、端子台１７ｂ、端子台
１５ａ、導電板１５、突起１６、固定電極２０までの電
気回路が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子写真プロセスを利
用したプリンタや複写機などの電子写真装置において、
記録媒体上の未定着トナーを加熱溶融させて定着させる
ための加熱定着装置に関し、特に自己発熱型導電性セラ
ミック材料から成る加熱ローラを備える加熱定着装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、従来の加熱定着装置８２を用い
た電子写真装置の一例を示す構成図である。この電子写
真装置は、表面に光導電層が形成された円柱状の感光ド
ラム７１と、感光ドラム７１の表面を帯電させるための
帯電器７２と、所望の画像パターンを感光ドラム７１に
照射する光学系７３と、感光ドラム７１上に形成された
静電潜像にトナー７６を付着させるための現像器７５
と、感光ドラム７１上のトナー７６を記録紙７０へ転写
するための転写器７９と、感光ドラム７１の表面に残留
したトナーを回収するクリーニング装置８０と、記録紙
７０上に転写されたトナー７６を定着させるための加熱
定着装置８２などから構成されている。

【０００３】この動作について説明すると、感光ドラム
７１が矢印Ａ方向に回転しながら帯電器７２によって感
光ドラム７１の表面が一様に帯電する。次に、レーザや
ＬＥＤ（発光ダイオード）などからの変調光や原稿から
の反射光を感光ドラム７１表面に照射し、光が照射され
た領域の電荷が放電して静電潜像が形成される。次に、
現像器７５内に格納されたトナー７６が現像ブラシ７５
ａによって運ばれ、感光ドラム７１上の静電潜像に応じ
たトナー像を形成する。次に、感光ドラム７１の回転と
合わせて記録紙７０が搬送ローラ７７，７８によって矢
印Ｂ方向に搬送され、転写器７９によって感光ドラム７
１上に形成されたトナー像がそのまま記録紙７０上に転
写される。次に、トナーが付着した記録紙７０は、加熱
定着装置８２に送られて、回転駆動された加熱ローラ８
３と加圧ローラ８４との間に挟み込まれることによっ
て、トナーが加熱溶融して記録紙７０上に定着し排出さ
れる。こうして、光学系７３によって形成される画像パ
ターンが記録紙７０上にトナー像として記録される。な
お、記録紙７０上へ転写されずに感光ドラム７１上に残
留したトナーは、クリーニング装置８０に設けられたブ
レード８１によって清掃されて回収される。

【０００４】従来の加熱定着装置８２に用いられる加熱
ローラ８３は、金属やガラスなどから成る円筒状ローラ
の軸芯部に、ジュール熱を発生するニクロム線や輻射熱
を発生するハロゲンランプなどの発熱素子が組込まれた
ものが一般的である。しかし、発熱素子とローラとの間
に一定の空間が存在するため、熱の伝達効率が低く、発
熱素子の通電開始からローラ表面がトナー定着可能な所
定温度に達するまでに要する時間が長くなり、１分〜１
０分程度の予熱時間を必要としている。

【０００５】そこで、導電性セラミック材料を用いてロ
ーラと発熱素子とを一体化したセラミック加熱ローラ
が、近年提案されており、この加熱ローラに電力を供給
することによって、加熱ローラ自体がジュール熱を発生
するため、熱の伝達効率が良好になり、熱損失も少なく
予熱時間の短縮化を図ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の加熱定着装置で
は、回転駆動される加熱ローラに外部から電力を供給す
るために、セラミック加熱ローラの両端部に金属などか
ら成る導電性被膜を形成して、この導電性被膜に対して
ブラシ電極などの摺動可能な電極接点を用いる必要があ
る。そのため、加熱ローラに摺動する電極接点は、加熱
ローラとの摩擦によって摩耗し、電極接点の寿命が著し
く短くなってしまう。特に、加熱ローラの外周に向かう
程、回転の周速度が速くなるため、加熱ローラの外周付
近に電極接点を設けると、摩擦エネルギーが大きくな
り、電極接点の摩耗は激しく、接触不良も起き易くな
る。

【０００７】さらに、トナーを記録紙上に定着させる際
には、加熱ローラの表面温度が１５０℃〜２００℃の範
囲に設定される。しかし、セラミック材料の熱膨張率は
一般に金属の熱膨張率より極めて小さいため、セラミッ
ク加熱ローラに形成された導電性被膜が、この熱膨張率
の違いによって剥離が生じ、セラミック加熱ローラと導
電性被膜との間に接触不良が起こるという課題がある。
そのため、セラミック加熱ローラに供給する電力が２０
０Ｗ〜４００Ｗの程度であっても、その接点を流れる電
流は電圧１００Ｖで２Ａ〜４Ａとなり、接点の接触不良
が発生すると火花が生じて、強いノイズ信号の発生、回
路の誤動作を招くおそれがある。

【０００８】また、安定な電気的接触を得るためにセラ
ミック加熱ローラに加工を施す場合、セラミック材料の
硬度および脆性に起因して加工が困難となるため、加工
コストの上昇を招くという課題がある。

【０００９】本発明の目的は、前述した課題を解決する
ため、自己発熱型導電性セラミック材料から成る加熱ロ
ーラに電力を供給するための電極接点において、加熱ロ
ーラとの摩擦を最小限にして接触不良が生じない加熱定
着装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、自己発熱型導
電性セラミック材料から成る加熱ローラを備える加熱定
着装置において、前記加熱ローラの一端と電気的に接続
され、前記加熱ローラの回転中心線上に設けられ、かつ
前記加熱ローラと一体的に回転する回転電極と、前記回
転電極に対して弾性的に当接する固定電極とを備えるこ
とを特徴とする加熱定着装置である。

【００１１】

【作用】本発明に従えば、自己発熱型導電性セラミック
材料から成る加熱ローラの回転中心線上に加熱ローラと
一体的に回転する回転電極と、前記回転電極に対して弾
性的に当接する固定電極とを備えることによって、回転
電極と固定電極との間の摩擦抵抗を最小限にして電極接
点の摩耗を防ぎ、加熱ローラとの接触圧が低下すること
なく電気的接触が安全に保たれるため、接触不良の発生
を解消することができる。また、加熱ローラに特殊な加
工を施さなくても給電用の電極接点を簡単に形成するこ
とができる。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である加熱定着装
置の構成を示す断面図である。この加熱定着装置は、自
己発熱型導電性セラミック材料から成る中空円筒状の加
熱ローラ１と、加熱ローラ１を回転駆動するための駆動
力を伝達する駆動歯車１２と、表面がシリコーンゴムで
覆われた円筒状の加圧ローラ２４と、加圧ローラ２４を
加熱ローラ１に対して付勢して所定幅のニップを得るた
めの圧縮ばね２６ａ，２６ｂと、これらを収納する筐体
３などから構成されている。

【００１３】加熱ローラ１は、たとえばチタン酸バリウ
ムを主体とする、正の温度係数を示す電気抵抗特性を有
する半導体セラミックスに、希土類元素であるランタン
やイットリウムなどの酸化物をドープ剤として添加され
た自己温度制御能のある導電性セラミック材料を焼結す
ることによって形成されており、一例として、商品名
「インフレックス バーク」（旭硝子株式会社製）を外
径１８ｍｍ、肉厚３ｍｍ、長さ２５０ｍｍ、比抵抗１．
４１Ω・ｃｍの中空円筒状ローラに成形したものを用い
ることができる。なお、成形した円筒状ローラの表面は
研磨加工によって平坦化されており、両端面および各端
面から内側へ延びる所定長さ分の内壁、すなわち後述す
る導電性被膜が形成される部分はサンドブラスト処理に
よって粗面化されている。

【００１４】加熱ローラ１の外周表面のうち加圧ローラ
２４が圧着する領域には、たとえばフッ素樹脂にカーボ
ン粒子を微量添加した離型層２が厚さ２０μｍでコーテ
ィングされる。なお、離型層２の表面が帯電するのを防
ぐために、離型層２の体積抵抗率が１０⁶Ω・ｃｍ以上
であって、その表面抵抗が１０⁶〜１０⁹Ωの範囲に調整
された導電性を有することが好ましい。

【００１５】加熱ローラ１は筐体３に設けられた軸受４
ａ，４ｂによって回転可能なように軸支されている。軸
受４ａ，４ｂは、耐熱性および耐摩耗性を有する、たと
えばＰＰＳ（ポリフェニリンサルファイド）等で形成さ
れることが好ましく、高温になる加熱ローラ１に対して
低摩擦抵抗を保つことができる。

【００１６】加熱ローラ１の両端面および各端面から延
びる所定長さ分の内壁には、アルミニウムなどの金属を
溶かして微粒とし、これを吹付けて被膜を形成する溶射
法によって導電性被膜９，１９が形成されることが好ま
しく、これによってセラミック材料の粗い表面が滑らか
になるとともに、接触抵抗の低減化を図ることができ
る。なお、導電性被膜９，１９が形成される下地は、サ
ンドブラスト処理によって粗面化されているため、導電
性被膜９，１９の接着強度が向上している。また、導電
性被膜９，１９は延性の金属で極めて薄く形成されてい
るため、セラミック材料との熱膨張の差による剥離の発
生を解消することができる。

【００１７】図２および図３は、図１に示す加熱ローラ
１の両端部の構造を示す分解斜視図である。図２におい
て、加熱ローラ１に給電するための電極部材８は、円弧
状に弯曲した櫛歯状の突起８ａが両側に３個ずつ形成さ
れ、その端部にはリード線１４ａを圧着して電気的接続
を行うかしめ部８ｂが形成されている。電極部材８の材
質は、たとえばりん青銅やステンレス鋼等の弾性材料か
ら成り、電極部材８が加熱ローラ１の内壁に装着される
と、突起部８ａが外側に広がろうとする弾性力が作用し
て、突起部８ａの先端と加熱ローラ１の内壁、特に内壁
に形成された導電性被膜９との電気的接続が安定に確保
される。

【００１８】加熱ローラ１の端部を覆うように、円筒状
の駆動歯車ホルダ１０が耐熱性接着剤１０ａによって加
熱ローラ１の外周と嵌合するように固定される。駆動歯
車ホルダ１０の端面の中心には、駆動歯車１２の軸１１
の断面形状と適合するように、略Ｄ字状の穴１０ｂが穿
設されており、穴１０ｂをかしめることによって軸１１
と駆動歯車ホルダ１０とが一体的に固定される。なお、
軸１１と駆動歯車ホルダ１０との連結構造として、スプ
リングピンなどで取付けてもかまわない。なお、駆動歯
車ホルダ１０の端面には、加熱ローラ１の内空間と外気
とを連通するための連通孔２８が穿設されており、これ
によって加熱ローラ１の温度上昇によって上昇する内空
間の圧力を大気圧に保つことができる。

【００１９】次に、図３（１）において、加熱ローラ１
に給電するための電極部材１８は、外周面が円筒状であ
って、その内部に先端が外側に屈曲した弾性片１８ａが
円周上等間隔に複数形成された形状を有し、この電極部
材１８を加熱ローラ１に装着することによって弾性片１
８ａが外側に広がろうとする弾性力が作用して、弾性片
１８ａの先端と加熱ローラ１の内壁、特に内壁に形成さ
れた導電性被膜１９との電気的接続が安定に確保され
る。なお、電極部材１８の材質は、電極部材８と同様
に、たとえばりん青銅やステンレス鋼などのような弾性
材料から成る。また、電極部材１８を加熱ローラ１に弾
性によって固定する際に、耐熱性接着剤を併用しても構
わない。

【００２０】この電極部材１８の弾性片１８ａに嵌入す
るように円筒状の突起１７ａが形成された、たとえばＰ
ＰＳなどから成る円板状の絶縁スペーサ１７の中に、リ
ード線１４ｂが導かれ、図１に示すように、端子台１７
ｂに接続されている。なお、絶縁スペーサ１７と電極部
材１８とは耐熱性接着剤によって固定される。絶縁スペ
ーサ１７の端面に、略同径の導電板１５が耐熱性接着剤
によって固定されており、絶縁スペーサ１７の端子台１
７ｂと導電板１５の端子台１５ａとが電気的に接続され
ることによって、リード線１４ｂと導電板１５との電気
的接続が行われる。

【００２１】注目すべきは、回転電極として導電板１５
の中心に、先端が球面状である導電性の突起１６が形成
されており、この突起１６と固定電極２０の弾性片２０
ａとが摺動するように接触していることである。突起１
６は、真鍮などの導電性の良い硬質金属で形成され、加
熱ローラ１の回転中心線上に設けられる。そのため、加
熱ローラ１および導電板１５が一体的に回転運動しても
固定電極２０の弾性片２０ａとの摺動による摩擦を最小
にして、摩耗を防止し、安定な電気的接続が得られる。
また、突起１６と弾性片２０ａとの摺動接点付近に導電
性グリスを塗布することによって、摩擦による摩耗をさ
らに減少させることができるとともに、電気的接続の安
定性も向上させることができる。この固定電極２０は、
電極部材８，１８と同様に、たとえばりん青銅やステン
レス鋼などの弾性材料から成る。また、突起１６が弾性
片２０ａに対して一定の力で当接するために、駆動歯車
１２としてはす歯歯車を用いることによって、加熱ロー
ラ１全体を図１中右方のスラスト方向への力を発生させ
ることができる。

【００２２】弾性片２０ａを有する固定電極２０の代わ
りに、図３（２）に示すように、弾発性を有するばね部
材２０ｃによって導電板１５の突起１６を弾性的に圧接
できる固定電極２０ｂを用いることも可能である。

【００２３】図１において、電極部材１８の外周面に給
電する給電軸受２１は、電極部材１８に固定される導電
性の内輪と、固定電極２２に固定される導電性の外輪
と、内輪と外輪の間に介在する導電性の球とから成るこ
ろがり軸受が用いられ、加熱ローラ１および電極部材１
８が一体的に回転運動しても安定な電気的接続が得られ
ている。なお、このような導電性のころがり軸受の代わ
りに、外輪および内輪の材料として、摺動性の良好な導
電性材料、たとえば銅または銀等の高導電性金属と黒鉛
とを混合し、焼結したブラシ（商品名「スライディング
コンタクト／ＧＴＳ−０４Ｂ、オーパックス社製）から
成るすべり軸受を用いても構わない。給電軸受２１と電
気的に接続された固定電極２２、および導電板１５と電
気的に接続された固定電極２０は、たとえばＰＰＳなど
から成る電気絶縁性の電極ハウジング２３に保持されて
おり、電極ハウジング２３は筐体３に取付けられてい
る。

【００２４】電極部材８に接続されたリード線１４ａお
よび絶縁スペーサ１７の端子台１７ｂに接続されたリー
ド線１４ｂは、加熱ローラ１の軸芯に沿って配設され、
途中２個所で耐熱性および高い電気絶縁性を有する、た
とえばＰＰＳなどのリング状スペーサ７で支持され、そ
の間に温度ヒューズ５が直列接続される。この温度ヒュ
ーズ５は、加熱ローラ１が異常高温になると溶断して、
加熱ローラ１への給電を停止するために設けられ、加熱
ローラの平均的な温度分布を示す軸芯部に設けられる。
なお、温度ヒューズ５の表面は、耐熱性および高い電気
絶縁性を有する被覆層６、たとえばポリイミド樹脂で覆
われている。

【００２５】こうして、固定電極２２から給電軸受２
１、電極部材１８、導電性被膜１９、加熱ローラ１を通
って、導電性被膜９、電極部材８、リード線１４ａ、温
度ヒューズ５、リード線１４ｂ、端子台１７ｂ、端子台
１５ａ、導電板１５、突起１６、突起１６に摺接する弾
性片２０ａを介して固定電極２０までの電気回路が形成
される。これらの固定電極２０，２２に、温度制御装置
４０からたとえばＡＣ１００Ｖの交流を供給することに
よって、自己発熱型導電性セラッミ材料から成る加熱ロ
ーラ１が全体にわたって均一に発熱する。なお、加熱ロ
ーラ１の温度を検出するために、サーミスタなどの温度
検出素子４１が加熱ローラ１の外表面に接触するように
取付け部材４２によって固定されており、この温度検出
素子４１の出力はＣＰＵ（中央処理装置）４３と接続さ
れた温度制御装置４０に入力され、加熱ローラ１の温度
が安定するように制御されている。

【００２６】加圧ローラ２４は、軸芯２４ａのまわりを
厚さ５ｍｍ程度のシリコーンゴムで覆われた外径２０ｍ
ｍ、長さ２２０ｍｍのローラであり、軸芯２４ａの両端
は耐熱性および摺動性を有する、たとえばＰＰＳなどか
ら成る軸受２５ａ，２５ｂによって軸支され、この軸受
２５ａ，２５ｂに対して圧縮ばね２６ａ，２６ｂが加熱
ローラ１側へそれぞれたとえば２ｋｇｆ程度の力で押圧
している。

【００２７】次に、図１に示す加熱定着装置の動作につ
いて説明する。この加熱定着装置を搭載した電子写真装
置の電源を投入すると、ＣＰＵ４３の命令に基づいて、
加熱ローラ１が所定の予熱温度になるように、温度制御
装置４０が加熱ローラ１への通電量を制御する。その
後、ＣＰＵ４３から印刷命令が送られると、温度制御装
置４０は加熱ローラ１の温度を予熱温度から１５０℃〜
２００℃の範囲の定着温度になるように、加熱ローラ１
の通電量を増加させるとともに、記録紙の搬送装置の動
作に併せて駆動歯車１２が図示しない駆動系によって回
転駆動されて、加熱ローラ１が回転し、加圧ローラ２４
が従動的に回転する。そして、未定着トナーを載せた記
録紙が加熱定着装置に搬入されて、加熱ローラ１と加圧
ローラ２４によって挟持されながら搬送されると、未定
着トナーが加熱溶融して記録紙上に定着される。このと
き、導電板１５および突起１６は、加熱ローラ１ととも
に一体となって回転するが、突起１６は、加熱ローラ１
の回転中心線上に位置して、固定電極２０の弾性片２０
ａと接点において摺接しているので、摺接位置の変位を
最小にして、摩擦による摩耗を防止し、安定した電気的
接続を保つことができる。したがって、記録紙上に良好
な定着画像を得ることができる。

【００２８】このようにして、加熱ローラ１に、たとえ
ばＡＣ１００Ｖ、４００Ｗの電力を供給することによっ
て、加熱ローラ１の表面温度が１５５℃になり、加熱ロ
ーラ１の周速を３９ｍｍ／秒、加圧ローラ２４のニップ
幅を１８ｍｍに設定した場合、定着性に優れ、しかも画
像乱れの少ないトナー定着像を得ることができた。

【００２９】加熱ローラ１が室温から定着温度まで上昇
すると、金属製の電極部材８，１８は熱膨張するのに対
して、セラミック製の加熱ローラ１はあまり膨張しない
ため、電極部材８の突起８ａの先端および電極部材１８
の弾性片１８ａの先端が相対的に変位する。しかし、電
極部材８，１８は弾性的に固定されているため、加熱ロ
ーラ１と電極部材８，１８との電気的接続が安定に保た
れる。さらに、電極部材８，１８は導電性被膜９，１９
を介して加熱ローラ１に接触していることによって、接
触抵抗が極めて小さくなるため、加熱ローラ１の回転に
よっても安定した通電が行われ、加熱ローラ１の温度変
動が少なくなり良好な定着画像を得ることができる。

【００３０】以上の実施例において、加熱ローラ１の両
端部に形成する導電性被膜が、アルミニウムを溶射して
形成される例を用いて説明したが、他の金属を溶射して
も構わず、さらに金属をめっきしたり蒸着することによ
って、たとえばＮｉのみの単層被膜やＮｉ＋Ｃｕ＋Ｎｉ
の３層被膜を形成しても構わず、また導電性の非金属で
形成しても構わない。

【００３１】また、以上の実施例において、加熱ローラ
１に給電するために、加熱ローラ１の一端側に回転摺動
可能な給電電極を設ける例を説明したが、加熱ローラ１
の両端部にそれぞれ回転摺動可能な給電電極を設けて、
加熱ローラ１のスラスト方向に沿って給電する構成でも
構わない。

【００３２】また本実施例では、回転電極を構成する導
電板１５の中心に設けられる突起１６は、真鍮を用いて
形成されているが、他の金属または良導電性の非金属材
料を用いて構成しても構わない。

【００３３】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、セ
ラミック材料から成る加熱ローラに特殊な加工を施すこ
となく、加熱ローラとの摩擦を最小限にして安定した電
気的接続を得ることができるため、加熱ローラに安定し
た電力供給を行うことができる。したがって、加熱ロー
ラの温度変動が少なくなって、極めて良好なトナー定着
像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である加熱定着装置の構成を
示す断面図である。

【図２】図１に示す加熱ローラ１の両端部の構造を示す
分解斜視図である。

【図３】図３（１）は図１に示す加熱ローラ１の両端部
の構造を示す分解斜視図であり、図３（２）は固定電極
２０の形状が異なる例を示す部分斜視図である。

【図４】従来の加熱定着装置８２を用いた電子写真装置
の一例を示す構成図である。

【符号の説明】

１ 加熱ローラ ２ 離型層 ３ 筐体 ４ａ，４ｂ 軸受 ５ 温度ヒューズ ７ リング状スペーサ ８，１８ 電極部材 ９，１９ 導電性被膜 １０ 駆動歯車ホルダ １１ 軸 １２ 駆動歯車 １５ 導電板 １６ 突起 １７ 絶縁スペーサ ２０，２２ 固定電極 ２１ 給電軸受 ２３ 電極ハウジング ２４ 加圧ローラ ２５ａ，２５ｂ 軸受 ２６ａ，２６ｂ 圧縮ばね ２８ 連通孔 ４０ 温度制御装置 ４１ 温度検出素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自己発熱型導電性セラミック材料から成
   る加熱ローラを備える加熱定着装置において、 前記加熱ローラの一端と電気的に接続され、前記加熱ロ
   ーラの回転中心線上に設けられ、かつ前記加熱ローラと
   一体的に回転する回転電極と、 前記回転電極に対して弾性的に当接する固定電極とを備
   えることを特徴とする加熱定着装置。