JPH06338380A

JPH06338380A - ヒーター及びその製造方法

Info

Publication number: JPH06338380A
Application number: JP12710293A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Taniguchi; 靖谷口
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-05-28
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 1994-12-06

Abstract

(57)【要約】【目的】絶縁性基板上に設けた抵抗層により加熱を行
うヒーターにおいて、前記抵抗層を熱伝導率及び硬度の
高い保護層によって覆い、ヒーターの熱効率や耐久性を
向上すること。【構成】絶縁性基板２と、該絶縁性基板に支持され通
電により発熱する抵抗層３と、抵抗層端部に設けられた
電極端子部１２を有するヒーターにおいて、前記抵抗層
３の保護層として気相合成法により形成したダイヤモン
ド層６を用いた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複写機、レーザービー
ムプリンタ等の画像形成装置に用いられるヒーターに関
し、特に未定着画像の加熱定着に用いられるヒーターに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、特開昭６３−３１３１８２号公報
等で固定ヒーターと、このヒーターと摺動する薄膜フィ
ルムを用いた加熱装置が提案されている。

【０００３】このようなヒーターに関し、本発明に係る
ヒーターを示す図１、図２を参照して説明する。ヒータ
ー１は、電気絶縁性・耐熱性・低熱容量の細長い基板２
と、この基板２の一方面側（表面側）の基板幅方向中央
部に基板長手に沿って直線細帯状に形成した通電発熱体
３と、この通電発熱抵抗体の両端部にそれぞれ導通させ
て基板面に形成した電極端子（接続端子）４・５と、基
板２の通電発熱抵抗体形成面を被覆させたヒーター表面
保護層としてのガラス等の電気絶縁性保護層６と、基板
２の他方面側（背面側）に設けたサーミスター等の温度
検出素子７を有する。基板２は、例えば、幅１０ｍｍ・
厚さ１ｍｍ・長さ２４０ｍｍのＡｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓ
ｉＣ等のセラミック板等である。通電発熱抵抗体３は、
例えば厚さ１０μｍ・幅１ｍｍの、スクリーン印刷等で
塗工したＡｇ／Ｐｄ（銀パラジウム合金）、ＲｕＯ₂、
Ｔａ₂Ｎ等を大気焼成して形成したパターン層である。
電極端子（接続端子）４・５は、通常厚さ１０μｍのス
クリーン印刷等で塗工したＡｇを大気焼成して形成した
パターン層であり、この電極４・５に通常は、コネクタ
ー（不図示）を介して電線を接続し給電する。

【０００４】ヒーター１は定着面の温度を管理・制御す
るために装置の横断面において、通電発熱抵抗体３を定
着ニップ部１５（合接ニップ部、加圧部）の幅領域の略
中央部に位置させる構造となっている。ヒーター１の絶
縁保護層６側がフィルム接触摺動面側である。ヒーター
１は通電発熱抵抗体３の両端電極端子４・５間に交流電
源１２より電圧印加され、該通電発熱抵抗体３が発熱す
ることで昇温する。ヒーター１の温度は基板背面の温度
検出素子７で検出されてその検出情報が通電制御回路１
３へフィードバックされて、交流電源１２から通電発熱
抵抗体３への通電が制御され、ヒーター１が所定の温度
に温度制御される。ヒーター１の温度検出素子７は熱応
答性の最も良い定着面、つまりヒーター基板表面側の通
電発熱抵抗体３の形成位置に対応する基板背面側部分位
置（通電発熱抵抗体３の直下に対応する基板背面側部分
位置）に配設される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】未定着画像を定着する
ためには、ヒーター上の絶縁性保護層並びにフィルム接
触摺動面を介してヒーターの熱を伝熱させて熱定着す
る。しかしながら、絶縁性保護層とフィルムとの接触摺
動時の摩耗により、接触摺動距離が約６０ｋｍに達する
とフィルムの摩耗が激しくなってくる。このとき生じる
摩耗粉が、フィルムを駆動するローラーに不均一に付着
することから、フィルムの駆動速度が不規則となり、結
果として未定着画像の定着が不均一になるという問題が
発生する。絶縁保護膜に使用されているガラス質層は低
軟化点ガラスを印刷、焼成することにより形成される。
このガラス質層とフィルムの表面形状差（摩擦係数
差）、硬度差により、フィルムの摩耗が生じるものと考
えられる。このため、耐熱性のポリミドフィルムにフィ
ラーを混入したり、テフロンコーティング等を施して摩
擦係数を小さくし、フィルムの摩擦を防いでいるが、十
分な効果を得るに至っていない。

【０００６】また、保護層がガラス等の熱伝導率の小さ
い材料であるため、ヒーターの熱が効率的に未定着画像
に供給されず、定着に過大な熱量を必要とする。通電電
流を大きくすると、図３に示すようなコネクターを形成
しているバネ材（一般にはリン青銅）が高温クリープに
より劣化し、コンタクト圧力の低下、接続抵抗値の上
昇、更には熱暴走を引き起こす結果、接続部及び装置の
信頼性に問題を生じることになる。このため、定着速度
の高速化と定着ボリュームの増大に対応することができ
ず、より長寿命（接触摺動距離の長い）の加熱定着装置
が求められている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、ヒーターの保
護層として気相合成法で形成した電気絶縁性が高く、高
熱伝導率、高硬度、低摩擦係数であるダイヤモンド膜を
用いることにより、上述の問題を解決したものである。

【０００８】以下、本発明に関して詳細に説明する。本
発明に係るダイヤモンド結晶は、熱伝導率が６００〜２
１００Ｗ／ｍ・ｋ、電気抵抗（体積抵抗率）１０¹⁰〜１
０¹⁶Ωｃｍ、硬度１００００ｋｇｆ／ｍｍ²等に代表さ
れる物理的性質を有するものである。

【０００９】本発明においてダイヤモンド膜を形成する
ための基板としては、ダイヤモンド結晶を形成するため
に適した材料であると同時に、機械的研磨、エッチング
が可能であることが好ましい。このような材料として
は、Ｓｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、ＳｉＣ、ＷＣ、ＳｉＯ₂、
Ａｌ₂Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄等が挙げられる。

【００１０】本発明で用いるダイヤモンド結晶の気相合
成法は、熱フィラメントＣＶＤ法、マイクロ波プラズマ
ＣＶＤ法、直流プラズマＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶ
Ｄ法、有磁場マイクロ波プラズマＣＶＤ法、燃焼炎法等
を挙げることができる。このとき用いる原料ガスは、炭
素源としてメタン、エタン、プロパン、エチレン、ベン
ゼン、アセチレン等の炭化水素；塩化メチレン、四塩化
炭素、クロロホルム、トリクロルエタン等のハロゲン化
炭化水素；メチルアルコール、エチルアルコール等のア
ルコール類；（ＣＨ₃）₂ＣＯ、（Ｃ₆Ｈ₅）₂ＣＯ等
のケトン類；ＣＯ、ＣＯ₂等のガス、及びこれらのガス
にＮ₂，Ｈ₂，Ｏ₂，Ｈ₂Ｏ，Ａｒ等のガスを混合した
ものが挙げられる。

【００１１】ダイヤモンド結晶の合成条件は、例えば、
原料ガスに水素−メタン系を用いたマイクロ波プラズマ
ＣＶＤ法では、通常メタンガス濃度を０．１〜１．０
％、基板温度を６００℃〜９００℃、ガス圧を１．３３
〜２６．６ｋＰａ、全ガス流量を１００〜１０００ｍｌ
／ｍｉｎ．とする。なお、ダイヤモンド結晶の形成条件
は、合成方法により異なる。

【００１２】本発明で述べるダイヤモンド結晶とは、例
えば、Ｘ線回折や電子線回折、ラマン分光等の分析方法
でダイヤモンド結晶として確認できるものである。例え
ばラマン分光分析法では、図４に示すように１３３３ｃ
ｍ^-1付近にダイヤモンドの鋭いピークを持ち、１３６０
ｃｍ^-1及び１５５０ｃｍ^-1付近に非ダイヤモンド成分の
炭素質に起因するブロードなピークを僅かに持つもので
ある。ダイヤモンド結晶の熱伝導率は、ダイヤモンドの
結晶性に大きく依存し、結晶性が良好で不純物の少ない
結晶ほど熱伝導率は良好である。（大きくなる。）従っ
て、ラマンスペクトルにおいて１３６０ｃｍ^-1及び１５
５０ｃｍ^-1付近に見られるブロードなピークが観測され
ないものが良く、ダイヤモンドと非晶質炭素の存在の割
合をラマン分光分析の非晶質炭素ピーク（１５５０ｃｍ
^-1付近のブロードなピーク）とダイヤモンドピーク（１
３３３ｃｍ^-1）との強度比（Ｉ₁₅₅₀／Ｉ₁₃₃₃）で表す
と、０≦Ｉ₁₅₅₀／Ｉ₁₃₃₃≦１であることが理想的であ
る。Ｉ₁₅₅₀／Ｉ₁₃₃₃＞１では、ダイヤモンドの結晶性が
劣化し、熱伝導率が低下する。更に、ダイヤモンドの結
晶性は、成膜条件における原料ガスの種類や濃度と相関
が大きい。例えば、メタン−水素系ではメタン濃度が低
下するにしたがい結晶性が向上し、これにともない熱伝
導率も高くなる。あるいは、メタン−水素−酸素系で
は、原料ガス中の炭素と酸素の原子数比をＯ／Ｃ＝０．
８とすることにより結晶性の良いダイヤモンド膜を得る
ことができる。なお、ダイヤモンドの結晶性が良好にな
ることは、前述のダイヤモンドの有する物理的性質を満
足することであり、高熱伝導率に加え高絶縁性等の性質
も同時に実現するものである。

【００１３】ダイヤモンド層の厚さは、ヒーター使用条
件において十分な絶縁耐圧と定着時の押圧力からヒータ
ーを保護できる機械的強度を保証することのできる厚さ
で、数μｍ〜数１０００μｍの範囲であれば良い。好ま
しくは、数１０μｍ〜数１００μｍが好適である。

【００１４】前述の基板にダイヤモンド膜又は層を形成
した後、ヒーターとなる発熱抵抗体をスパッタリング法
等のＰＶＤ法により形成し、抵抗値を測定して必要によ
りトリミングを行う。同様に、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕをスパ
ッタリング法により電極端子を形成する。次に、ダイヤ
モンド膜、発熱抵抗体、電極端子の上にセラミックス系
のペースト（接着剤）をスクリーン印刷等で形成した
後、セラミックス製絶縁性基板を貼り合わせ、焼成する
ことにより接着する。なお、発熱抵抗体、電極端子の形
成方法は、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレ
ーティング法等のＰＶＤ法に限定されるものではなく、
ＣＶＤ法やメッキ、スクリーン印刷等の方法を用いても
良い。この後、ダイヤモンド膜形成用基板を機械的研磨
あるいは化学的なエッチングにより除去する。ここで、
ダイヤモンド膜の表面は、多結晶性を反映し結晶性が良
好であるほど表面粗度が大きく、Ｒｍａｘ．で数１００
０Å〜数μｍである。しかしながら、基板除去後のダイ
ヤモンド膜の表面粗度は、ダイヤモンド膜の形成に用い
た基板の表面粗度と同等であるため、オーバーコート層
の表面粗さは、Ｒｍａｘ．で数１００Å以下にすること
ができる。更に、電極端子に電極タブをロウ付け等によ
り取り付け、電極タブにワイヤーを圧接しヒーターをヒ
ーターホルダーに接着して、本発明のヒーターを完成す
る。

【００１５】本発明は、ヒーターの保護層として気相合
成法で形成したダイヤモンド膜を用いることにより、ヒ
ーター部の熱効率を向上させ、消費電力を低減すると共
に、保護層としての耐摩耗性と摺動性に優れたヒーター
を実現するものである。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の具体的実
施例を説明する。

【００１７】＜実施例１＞図５は、本発明の実施例のヒ
ーターを用いた加熱定着装置の部分拡大断面図である。
ヒーター１は、断熱性のヒーターホルダー８を介してヒ
ーター支持部９に固定支持されている。１０は、例えば
厚さ４０μｍ程度のポリイミド等のエンドレスベルト
状、あるいは長尺ウェブ状の耐熱性フィルム、１１はこ
のフィルムをヒーター１に対して押圧する加圧部材とし
ての回転加圧ローラーである。フィルム１０は、不図示
の駆動部材により或は加圧ローラー１１の回転力によ
り、所定の速度で矢印の方向にヒーター１面に密着した
状態でヒーター１面を摺動しながら回転或は走行移動す
る。ヒーター１の通電発熱抵抗体３に対する通電により
ヒーター１を所定温度に昇温させ、またフィルム１０を
移動駆動させた状態である定着ニップ部１５に被加熱材
として記録材１６を未定着トナー画像面をフィルム１０
面側にして導入することで、記録材１６がフィルム１０
面に密着してフィルム１０と共に定着ニップ部１５を移
動通過し、その移動通過過程でヒーター１からフィルム
１０を介して記録材１６に熱エネルギーが付与されて記
録材１６上の未定着トナー画像１７が加熱溶融定着され
る。

【００１８】図６は、第１実施例を示す断面模式図であ
る。図中１はヒーター、２はセラミックス基板、３はＡ
ｇ／Ｐｄからなる発熱抵抗体、４はＣｕからなる電極端
子部、５はダイヤモンド膜形成用のＳｉ等の基板、６は
多結晶ダイヤモンド膜からなる保護層、８はヒーターホ
ルダー、１２は電極タブ、１３はＡｕＳｉからなるロウ
材、１４はワイヤーである。

【００１９】本実施例において、まずダイヤモンド膜形
成用Ｓｉ基板５上に多結晶ダイヤモンド膜６を形成した
（図６の（ａ））。Ｓｉ基板上でダイヤモンド膜を形成
しない部分には、予めレジストでマスキングを行ってお
いた。この基板を１５〜３０μｍのダイヤモンド砥粒を
分散させたアルコール溶液中に入れ、超音波発振器を用
いて傷つけ処理を行った後、マスクのレジストを除去し
た。この基板を図７に示す装置に設置し、ダイヤモンド
膜の形成を行った。図７は、ダイヤモンドを形成する熱
フィラメントＣＶＤ装置の模式図であり、図中２０は石
英反応管、２１は電気炉、２２はタンタル製フィラメン
ト、２３は基板、２４は原料ガス導入口で不図示のガス
ボンベ、ガス流量調節器、バルブに接続されている。２
５はガス排気口で不図示のメカニカルブースターポン
プ、ロータリーポンプ、及びバルブに接続されている。
基板を図７の装置に設置し、不図示の真空ポンプで排気
した後、不図示のガスボンベより、メタン１ｍｌ／ｍｉ
ｎ．、水素９９９ｍｌ／ｍｉｎ．の流量で石英製反応管
に導入し、反応管内の圧力を不図示の圧力調整バルブで
６．００ｋＰａに調整し、電気炉２１を用いて反応管内
を９００℃に、更にフィラメントを２１００℃に加熱し
てダイヤモンド膜を形成した。このときの合成時間は２
０時間で、得られたダイヤモンド膜の厚さは４０μｍで
あった。形成したダイヤモンド膜の走査電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）観察によれば、自形面の明瞭な多結晶膜であっ
た。また、ラマン分光分析によれば１３３３ｃｍ^-1付近
にダイヤモンドの鋭いピークが観測され、非晶質炭素ピ
ークとダイヤモンドピークとの強度比はＩ₁₅₅₀／Ｉ₁₃₃₃
≦０．１であった。更に、同条件で作製したダイヤモン
ド膜の熱伝導率を放射冷却法により測定した結果、９０
０Ｗ／ｍ・ｋであった。

【００２０】このダイヤモンド膜の上に発熱抵抗体３と
してＴｉを２００Å、Ａｕを１０μｍ、順次スパッタリ
ング法により形成した。発熱抵抗体の抵抗値を測定し、
必要によりトリミングを行い所望の抵抗値とした。引き
続き、Ｃｕをスパッタリングして電極端子部４を形成し
た（以上、図６の（ａ））。この後、アルミナ系ペース
ト（接着剤）を塗工し、アルミナ製セラミックス基板２
を貼り合わせ、焼成することにより一体化した（図６の
（ｂ））。この段階で、Ｓｉ基板を機械研磨とＳｉのエ
ッチャント（例えば、ＨＦ／ＨＮＯ₃／ＣＨ₃ＣＯＯ
Ｈ）を用いて除去した（図６の（ｃ））。

【００２１】Ｓｉ基板を取り除いたヒーター基板又は絶
縁性基板において、ＡｕＳｉからなるロウ材１３を用い
て電極端子４と銅合金からなる電極タブ１２及びセラミ
ック基板２とをロウ材の融点３７０℃以上に加熱してロ
ウ付けして合金化した（図６の（ｄ））。取りつけた電
極タブ１２にワイヤー１４を圧接し（図６の（ｅ））、
ヒーター１をヒーターホルダー８に接着した（図６の
（ｆ））。なお、ヒーター１の製作時に電極端子部４の
表面にＡｕをフラッシュメッキすることにより、ロウ付
け時にロウ材の濡れ性を向上させ、安定した接続信頼性
を得ることができる。電極タブ材料としては、銅合金の
ほかにコバール、４２アロイ、リン青銅等の金属が使用
できる。ロウ材は、融点２５０℃以上のものが好まし
く、ＡｕＳｉの他にＡｕＧｅ，ＡｕＳｕ等を用いること
ができる。また、Ｃｕ電極端子部の表面にロウ付けまで
における表面酸化防止やＳｉ基板除去時の化学的耐性を
持たせる目的から、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｕ／Ｎｉをフラッシ
ュメッキ等で形成することにより、より安定したロウ付
けが実現できる。この時、Ｎｉ層を形成する目的は、ロ
ウ材中にＣｕが過度に拡散することを防ぐためである。

【００２２】以上のようにして製作したヒーター１は、
通電により発生する熱を効率的に記録材側に供給するこ
とが可能となり、ヒーター構成部材の熱的劣化を生じる
ことなく安定したヒーター性能を実現することができ
た。

【００２３】＜実施例２＞実施例１と同様にして、Ｓｉ
基板上に多結晶ダイヤモンド膜を形成した。ダイヤモン
ド形成に用いたマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の模式図
を図８に示す。図中２６は石英反応管、２７はＳｉ基
板、２８は原料ガス導入系、２９はマイクロ波電源、３
０はマイクロ波導波管、３１は真空排気系である。

【００２４】ダイヤモンド砥粒で傷つけ処理を施したＳ
ｉ基板を図８の装置に入れ、真空排気系３１で排気した
後、原料ガス導入系より一酸化炭素２５ｍｌ／ｍｉ
ｎ．、水素３７５ｍｌ／ｍｉｎ．の流量で石英反応管に
導入し、反応管内の圧力を圧力調整バルブで５．３ｋＰ
ａに調整し、マイクロ波電源２９よりマイクロ波出力４
ｋＷ、基板温度９００℃でダイヤモンド膜を合成した。
このときの合成時間は１０時間で、膜厚は１５０μｍで
あった。同様にして合成したダイヤモンド膜は、ＳＥＭ
観察の結果、自形面の明瞭な多結晶膜で、放射冷却法で
測定した熱伝導率は１５００Ｗ／ｍ・ｋであった。

【００２５】このダイヤモンド膜上に、Ａｇ／Ｐｄから
なるペーストを所定の位置に発熱抵抗体３となるように
スクリーン印刷により塗工し、形成した。発熱抵抗体の
抵抗値を測定し、必要によりトリミングを行い所望の抵
抗値とした。次に、Ｃｕペーストをスクリーン印刷によ
り塗工し、電極端子部４を形成した。この後、アルミナ
系のペースト（接着剤）を塗工し、アルミナ製セラミッ
クス基板２を貼り合わせ、焼成することにより一体化し
た。実施例１と同様にしてＳｉ基板を除去してヒーター
を作製した。更に、電極端子部に、電極タブ、ワイヤー
を接続した後、ヒーターホルダー部に接着してヒーター
を完成した。このヒーターを用い、実施例１と同様に記
録材の熱定着を行った結果、実施例１と同様の安定した
定着を実現できた。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、熱定着
による画像形成装置で使用される熱定着用ヒーターにお
いて、ヒーターの保護層を気相合成法で形成したダイヤ
モンド膜とすることにより、保護層の熱伝導率を上げ、
ヒーター部の熱効率の向上と消費電力の低減を実現する
ことができる。併せて、保護層としての耐摩耗性、摺動
性を向上させることができ、極めて信頼性の高いヒータ
ーを提供することができる。この結果、大電流を安定的
に供給することが可能となり、定着スピードの高速化、
定着サイズの大型化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るヒーターの発熱抵抗体側の平面図

【図２】本発明に係るヒーターの背面側の平面図

【図３】本発明に係るヒーターの断面図

【図４】本発明に係るダイヤモンド結晶のラマンスペク
トルの測定データ

【図５】本発明の実施例におけるヒーターを用いた定着
装置の断面図

【図６】本発明の実施例におけるヒーターの部分断面図

【図７】本発明の実施例でダイヤモンド形成に用いた熱
フィラメントＣＶＤ装置の模式図

【図８】本発明の実施例でダイヤモンド形成に用いたマ
イクロ波プラズマＣＶＤ装置の模式図

【符号の説明】

１…ヒーター２…セラミックス
基板３…発熱抵抗体４…電極端子部５…Ｓｉ基板６…絶縁保護層７…温度測定素子８…ヒーターホル
ダー９…裏面断熱層１０…耐熱性フィル
ム１１…加圧ローラー１２…電極タブ１３…ロウ材１４…ワイヤー１５…定着ニップ１６…記録材１７…未定着トナー２０…石英反応管２１…電気炉２２…タンタル製
フィラメント２３…基板２４…ガス導入口２５…排気口２６…石英反応管２７…基板２８…ガス導入系２９…マイクロ波電源３０…マイクロ波
導波管３１…真空排気系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性基板と、該絶縁性基板に支持され
通電により発熱する抵抗層と、抵抗層端部に設けられた
電極端子部を有するヒーターにおいて、前記抵抗層の保
護層として気相合成法により形成したダイヤモンド層を
用いることを特徴とするヒーター。
【請求項２】絶縁性基板と、該絶縁性基板に支持され
通電により発熱する抵抗層と、抵抗層端部に設けられた
電極端子部を有するヒーターの製造方法において、前記
抵抗層の保護層としてダイヤモンド層を気相合成法によ
り形成することを特徴とするヒーターの製造方法。