JPH11327334A - 定着用ヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 定着用ヒータの基板材料と構造を変更して、
熱伝導性を改善し定着速度を向上する。 【解決手段】 定着フィルムと接する摺動面を有するセ
ラミックスから成る絶縁性のヒータ基板２上に発熱体を
配置し、前記定着フィルムに摺接して加圧しながら回転
する加圧ローラとを備え、前記定着フィルムを介する前
記発熱体による加熱によって、前記定着フィルムと加熱
ローラとの間に挟まれて移動する転写材の表面に形成さ
れたトナー画像を定着する加熱定着装置において、前記
セラミックスから成るヒータ基板２上に、前記発熱体と
してのボロンをドープしたダイヤモンド層３を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱方式のトナー
画像定着装置において、絶縁基板上に発熱体を形成した
定着用ヒータに関する。

【０００２】

【従来の技術】ファクシミリやプリンター等のような加
熱方式のトナー画像定着装置では、トナー未定着画像を
転写材面に定着させるため、感光ドラム上に形成したト
ナー画像を定着装置により加熱ローラと加圧ローラによ
り加熱、加圧して転写材である紙面上に定着させてい
る。

【０００３】従来の加熱ローラは、円筒状の金属ロール
中にハロゲンランプなどの熱源を設置し、その熱で金属
ローラを加熱しトナーを定着させていたが、近年、加熱
ローラの加熱部に絶縁性セラミックス製のヒータ基板に
発熱体を設けて、層状の通電式加熱部を形成したものが
実用化されている。この装置は、ヒータ基板を樹脂製の
支持体に取付け、さらに、その外周部を耐熱性の定着フ
ィルムが加圧ローラと同一の速度で回転することで記録
紙を搬送してトナーを定着する。

【０００４】この方式の装置では、金属製のロールの従
来の方式に比較してヒータ基板の熱容量が非常に小さい
ため、ヒータの定着温度までの立ち上がり時間が短く、
所謂クイックスタート性に優れている。このため、ヒー
タの余熱時間は大幅に短縮され消費電力を小さくできる
等のメリットがある。

【０００５】この方式の従来技術として、特開平２−１
５７８７８号公報には図６に示す加熱定着装置が提案さ
れている。図６は、加熱定着装置１００の加圧ローラ１
０５周辺を拡大した断面図である。１０１は、ポリイミ
ド等の耐熱性樹脂から成る無端のベルト状定着フィルム
であり、駆動ローラ１０２と従動ローラ１０３とフェノ
ール樹脂等から成る断熱性及び電気絶縁性を有したヒー
タ支持体１０４との外周を矢印方向に回転している。

【０００６】加圧ローラ１０５は、シリコンゴム等より
成る耐熱性の断熱層を持っていて、未定着トナー１０６
を印加した転写材１０７を、定着フィルム１０１を介し
てヒータ支持体１０４との間に挟んでニップ部Ｎを形成
する。ヒータ支持体１０４の定着フィルム１０１との接
触面側には、発熱体１０８を含むアルミナ等から成るヒ
ータ基板１０９が埋設されていて、定着フィルム１０１
を介して発熱体１０８によりニップ部Ｎのトナー１０６
を転写材１０７に溶着し矢印Ａ方向に搬送する。

【０００７】この様に構成することにより、小型で簡便
な少ない消費電力で良好な画像定着ができ、且つ、定着
不良、オフセット、記録紙の巻き込みであるジャムトラ
ブル等の不具合のない加熱定着装置を提供できると説明
している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが最近市場で
は、定着速度の一層の高速化、より精密な定着品質、よ
り省エネルギーの加熱定着装置が求められようになって
きた。なかでも、定着速度の高速化の要求は、定着品質
の安定化が前提でありセラミックスから成る定着用ヒー
タと、その周辺部材への熱サイクル負担を増加するもの
である。

【０００９】従来の加熱定着装置の定着用ヒータのヒー
タ基板は、アルミナ系セラミックスから成り、通常の定
着速度は４〜８ｐｐｍ（４ｐｐｍは、１分間にＡ４用紙
を４枚搬送する速度を表し４ ｐａｐｅｒｓ ｐｅｒ
ｍｉｎｕｔｅの略称）であるのに対し、３０ｐｐｍ以上
の高速処理の要請がある。従って、該技術では高速処理
の要請には応えられない。

【００１０】そこで本発明では、定着用ヒータの基板材
料と構造を変更して、熱伝導性の向上を図ることを課題
とする。尚、その結果、放熱量が増大して周辺部材へ過
剰の熱が伝達されることを防ぐ断熱構造については、本
出願人の提案する特願平８−２８５０９６号の先行技術
により解決可能である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】定着フィルムと接する摺
動面を有するセラミックスから成る絶縁性のヒータ基板
上に発熱体を配置し、前記定着フィルムに摺接して加圧
しながら回転する加圧ローラとを備え、前記定着フィル
ムを介する前記発熱体による加熱によって、前記定着フ
ィルムと加熱ローラとの間に挟まれて移動する転写材の
表面に形成されたトナー画像を定着する加熱定着装置に
おいて、前記セラミックスから成るヒータ基板上に、前
記発熱体としてのボロンをドープしたダイヤモンド層を
設ける。

【００１２】ヒータ基板の材質は、アルミナ等から成る
セラミックスでもよいが、より好ましくは窒化ケイ素ま
たは窒化アルミニウムを採用すれば、熱伝導率の優れた
ヒータ基板が得られる。

【００１３】発熱体としてのボロンをドープしたダイヤ
モンド層を設けたヒータ基板上の周辺または、ヒータ基
板の裏面に前記発熱体以外の発熱体層を設けて発熱量を
制御するのも有効である。さらに、ヒータ基板上の複数
の面に、ボロンをドープしたダイヤモンド層を設けて発
熱量を制御するのも有効である。

【００１４】

【発明の実施の形態】消費電力が少なくても素早く定着
温度に到達し、定着速度を増大するためには、ヒータ基
板の熱容量を小さくし熱伝導率の優れた素材を選択すれ
ばよい。従来のヒータ基板には、熱伝導率が２５Ｗ／ｍ
Ｋ前後のアルミナ等から成るセラミックスが採用されて
いたが、最近、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の窒化ア
ルミニウムや６０Ｗ／ｍ以上の窒化ケイ素から成るセラ
ミックスの採用が提案されるようになって来た。しか
し、これ等のヒータ基板であってもヒータ基板内の温度
分布の偏在により、３０ｐｐｍを超える高速の定着性能
は達成されない。

【００１５】以下に、本発明を具体化した好適の実施例
を、図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は、本
発明の第１実施例の定着用ヒータ１の平面図であり、図
１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図を示す。

【００１６】絶縁性のヒータ基板２は、熱伝導率が６０
Ｗ／ｍＫ前後の窒化ケイ素や１００Ｗ／ｍＫ前後の窒化
アルミニウムから成る。従来の銀−パラジュウムから成
る発熱体の位置するところに、両端の電極４に接して、
ボロンをドープしたダイヤモンド層３を蒸着する。

【００１７】ダイヤモンド層３の形成方法としては、導
入ガスにホウ素／炭素比が所定値となるようにジボラン
（Ｂ₂Ｈ₆）を混合し、これをメタン２％を含む水素中で
ヒータ基板２の温度を８２０℃の条件で、マイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法を用いてヒータ基板２上に蒸着する。こ
の工程でホウ素／炭素比によりボロンのドープ量が変化
し、蒸着されたダイヤモンド層３の体積抵抗率が決定さ
れる。ボロンのドープ量としては、ホウ素／炭素比で１
０〜１００００ｐｐｍ程度が好適である。

【００１８】図１（ｂ）に示すように、蒸着するダイヤ
モンド層３の厚さｔは、１００μｍ以内が好ましい。こ
れ以上ダイヤモンド層３を蒸着させると、ヒータ基板２
上からダイヤモンド層３が剥離するなどの問題が生じる
ため好ましくない。

【００１９】電極４の形成方法としては、あらかじめ銀
や銀−パラジュウム等の導電性ペーストをヒータ基板２
上にスクリーン印刷などの方法で塗布し、焼き付けた
後、発熱体としてのボロンをドープしたダイヤモンド層
３を蒸着する。或いは、ダイヤモンド層３を蒸着した
後、薄膜法により電極を形成してもよい。詳しくは、ヒ
ータ基板２上にダイヤモンド層３を蒸着した後、チタン
層、白金層、金層の順に蒸着法により順次積層して電極
を形成してもよい。

【００２０】図１のように構成することにより、加圧ロ
ーラにて形成されるニップ部Ｎ全面に亙り熱伝導率の高
い（１０００ｗ／ｍＫ）発熱体が存在することになり、
電極４に電流を供給した瞬間にヒータ基板２内の温度分
布を均一にすることができる。このためニップ部Ｎにお
ける温度分布も均一となり、高温オフセットや低温オフ
セット等の不具合を生じることなく高速の定着性能が実
現できる。

【００２１】これに対し、従来のヒータ基板２では、熱
伝導率が最も高いとされる炭化ケイ素や酸化ベリリウム
を用いても精々２６０Ｗ／ｍＫ程度であり、線状の発熱
体から離れた部分に温度傾斜が存在し、要求される定着
速度が達成できない。充分な定着性を得るため発熱体温
度を上昇させると、線状の発熱体周辺が局部的に高温に
なり、過剰にトナーが溶融して定着フィルムに溶着する
高温オフセットが発生する。逆に発熱体温度を下げる
と、トナーが適正に溶融されず転写材に定着しない低温
オフセットが発生する。

【００２２】図２（ａ）は、本発明の第２実施例の定着
用ヒータ１０の平面図であり、図２（ｂ）は、背面図で
あり、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図
を示す。

【００２３】図２のように、発熱体としてのボロンをド
ープしたダイヤモンド層３がセラミックス基板２の両面
に蒸着されていると、第１実施例に比較して、発熱体の
抵抗値が低下するために発熱量が増加し、より高速定着
に適した定着用ヒータが実現できる。また、両面のダイ
ヤモンド層３を電気的に接続するには、ヒータ基板２に
スルーホール５を形成し、該スルーホール５中に銀や銀
−パラジュウム等の導電性ペーストを充填することで達
成される。その他、ダイヤモンド層３や電極の形成方法
は、第１実施例と同様に実施すればよい。

【００２４】図３（ａ）は、本発明の第3実施例の定着
用ヒータ２０の平面図であり、図３（ｂ）は、側面図で
あり、図３（ｃ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図
を示す。

【００２５】図３のように、温度の低下し易いヒータ基
板２の側面にも発熱体を形成すると、ヒータ基板２内の
温度分布の均一化が図れ、より高速定着に適した定着用
ヒータが実現できる。その他、ダイヤモンド層３や電極
の形成方法は、第１実施例と同様に実施すればよい。

【００２６】図４（ａ）本発明の第４実施例の定着用ヒ
ータ３０の平面図であり、図４（ｂ）は、背面図であ
り、図４（ｃ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線上の断面図を
示す。

【００２７】発熱体としてのダイヤモンド層３が、ボロ
ンのドープ量をコントロールして若干体積抵抗値が大き
く、発熱量を抑えた中速用の定着用ヒータ３０である場
合、図４（ｃ）に示すようにダイヤモンド３層の裏面
に、銀−パラジュウム等の導電性ペーストをセラミック
ス基板２上にスクリーン印刷などの方法で塗布し、焼き
付けて副発熱体６を形成することもできる。さらに、シ
リカを主成分とするガラス７のペーストをスクリーン印
刷して副発熱体６を保護する。

【００２８】そして、銀−パラジュウム等の副発熱体６
の焼き付け温度は、一般的に８００℃以上であるため、
副発熱体６を形成した後に、ボロンをドープしたダイヤ
モンド層３を蒸着するのが好ましい。逆の工程にする
と、副発熱体６を焼き付ける際ダイヤモンド層３を劣化
させる恐れがある。その他、ダイヤモンド３の形成方法
や両面の正副発熱体の電気的な接続方法は、第１実施例
と同様に実施すればよい。図４のように構成すること
で、所定の定着速度に合わせた定着用ヒータ３０の発熱
量をコントロールすることが可能である。

【００２９】実施例１乃至４の定着用ヒータを、フェノ
ール樹脂等から成るヒータ支持体に埋設するときには、
本出願人の特願平８−２８５０９６号の先行技術に提案
する断熱構造を採用するのが好ましい。参考までに、そ
の代表的な実施例を図５に示す。

【００３０】ヒータ支持体１０４の定着用ヒータ取付け
側には、筋状の溝１０４ａが形成されていて、定着用ヒ
ータ３０のヒータ基板２は、ヒータ取付け面１０４ｂに
セラミックスファイバー等から成る断熱材８を介して、
耐熱性のシリコン樹脂等から成る接着剤９にて固定され
る。従って、定着用ヒータ３０の熱は、筋状の溝１０４
ａの空気断熱層と断熱材８により遮断されヒータ支持体
１０４側に伝達され難い。

【００３１】次に、第１実施例乃至第４実施例を加熱定
着装置に用いて、定着性能を評価した結果につき説明す
る。まず、従来例と第１実施例の定着用ヒータの仕様に
つき説明する。比較例として、従来技術のアルミナから
成る長さ：３００ｍｍ、幅：１０ｍｍ、厚さ：１．０ｍ
ｍのヒータ基板を用意し、銀−パラジュウムの導電性ペ
ーストをスクリーン印刷し、８８０℃の大気中で発熱体
として焼成した。

【００３２】実施例１のヒータ基板としては、比較例と
同様の寸法のアルミナから成るヒータ基板２に発熱体と
してダイヤモンド層３をＣＶＤ法にて６０μｍ蒸着して
形成したものを試料１として、窒化ケイ素から成るヒー
タ基板２に発熱体としてダイヤモンド層３を蒸着して形
成したものを試料２として、窒化アルミから成るヒータ
基板２に発熱体としてダイヤモンド層３を蒸着して形成
したものを試料３として用意した。

【００３３】評価条件としは、これ等の定着用ヒータを
発熱体の裏面が定着フィルム側に接するように加熱定着
装置にセットして、Ａ４用紙の定着速度が１６、２４、
３２、４０ｐｐｍになるように加圧ローラを回転させ、
定着用ヒータの温度が２３０℃になるよう温度制御を行
って定着性を評価した。その結果を表１に示す。

【００３４】

【表１】

【００３５】評価方法は、定着したトナーパターンを紙
にこすりつけ、その剥がれ具合を観察した。定着性の評
価内容は、 ○：トナーの脱落を認めず実用上問題がない。 △：トナーが半分程度脱落する。 ×：トナーがほとんど定着していない。 の３ランクを基準とした。

【００３６】表１の結果から、発熱体としてダイヤモン
ド層３を蒸着して形成した定着用ヒータが優れた定着能
力を発揮することが判った。ヒータ基板２の基板材料と
しては、従来から採用されているアルミナよりも、窒化
ケイ素、なかでも窒化アルミニウムを採用するのが、最
も効果的であることが判る。

【００３７】次に、第２実施例及び第３実施例の定着用
ヒータの仕様につき説明する。ヒータ基板の寸法と発熱
体３の形成法及び評価条件は、第１実施例と同様であ
る。第２実施例については、電極４の形成されている方
を定着フィルムに接する面に設定して加熱定着装置にセ
ットした。その結果を表２に示す。

【００３８】尚、試料としは、アルミナから成るヒータ
基板２の表裏に、発熱体としてのダイヤモンド層３を蒸
着して形成したものを試料４として、窒化ケイ素から成
るヒータ基板２の表裏に、発熱体としてのダイヤモンド
層３を蒸着して形成したものを試料５として、窒化アル
ミニウムから成るヒータ基板２の表裏に、発熱体として
のダイヤモンド層３を蒸着して形成したものを試料６と
して用意した。アルミナから成るヒータ基板２の両側面
に、発熱体としてのダイヤモンド層３を蒸着して形成し
たものを試料７として、窒化ケイ素から成るヒータ基板
２の両側面に、発熱体としてのダイヤモンド層３を蒸着
して形成したものを試料８として、窒化アルミニウムか
ら成るヒータ基板２の両側面に、発熱体としてのダイヤ
モンド層３を蒸着して形成したものを試料９として用意
した。

【００３９】

【表２】

【００４０】評価基準は、表１と同一である。表２の結
果から、第１実施例及び第２実施例の定着用ヒータであ
れば、いずれの形態であっても定着速度の要求特性であ
る３０ｐｐｍを余裕をもって満足させられることが判
る。

【００４１】次に、第４実施例の定着用ヒータの仕様に
つき説明する。ヒータ基板の寸法と発熱体３の形成法及
び評価条件は、第１実施例と同様である。その結果を表
３に示す。尚、試料としては、アルミナから成るヒータ
基板２にダイヤモンド層３を蒸着して形成し、裏面に銀
−パラジュウムの発熱体を形成したものを試料１０とし
て、窒化ケイ素から成るヒータ基板２にダイヤモンド層
３を蒸着して形成し、裏面に銀−パラジュウムの発熱体
を形成したものを試料１１として、窒化アルミニウムか
ら成るヒータ基板２にダイヤモンド層３を蒸着して形成
し、裏面に銀−パラジュウムの発熱体を形成したものを
試料１２として用意した。

【００４２】

【表３】

【００４３】評価基準は、表１と同一である。表３の結
果から、第４実施例の定着用ヒータであっても、定着速
度の要求特性である３０ｐｐｍは満足させられることが
判る。

【００４４】

【発明の効果】加熱定着装置において、窒化ケイ素また
は窒化アルミニウムから成るヒータ基板上に、発熱体と
してのボロンをドープしたダイヤモンド層を形成したの
で、加圧ローラのニップ部周辺の熱伝導性が飛躍的に向
上し、従来技術に比較し約２倍の定着速度を実現した。
併せて、発熱体の消費電力を低減し所謂クイックスター
ト性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の第１実施例の定着用ヒータ
の平面図であり、（ｂ）は、その断面図である。

【図２】（ａ）は、本発明の第２実施例の定着用ヒータ
の平面図であり、（ｂ）は、その背面図であり、（ｃ）
は、その断面図である。

【図３】（ａ）は、本発明の第３実施例の定着用ヒータ
の平面図であり、（ｂ）は、その側面図であり、（ｃ）
は、その断面図である。

【図４】（ａ）は、本発明の第４実施例の定着用ヒータ
の平面図であり、（ｂ）は、その背面図であり、（ｃ）
は、その断面図である。

【図５】本出願人の提案する先行技術であるヒータ基板
の断熱構造の説明図である。

【図６】従来技術の加熱定着装置の断面図である。

【符号の説明】

１：第１実施例の定着用ヒータ ２：ヒータ基板 ３：ダイヤモンド層 ４：電極 ５：スルーホール ６：副発熱体 ７：ガラス １０：第２実施例の定着用ヒータ ２０：第３実施例の定着用ヒータ ３０：第４実施例の定着用ヒータ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 定着フィルムと接する摺動面を有するセ
   ラミックスから成る絶縁性のヒータ基板上に発熱体を配
   置し、前記定着フィルムに摺接して加圧しながら回転す
   る加圧ローラとを備え、前記定着フィルムを介する前記
   発熱体による加熱によって、前記定着フィルムと加熱ロ
   ーラとの間に挟まれて移動する転写材の表面に形成され
   たトナー画像を定着する加熱定着装置において、前記セ
   ラミックスから成るヒータ基板上に、前記発熱体として
   のボロンをドープしたダイヤモンド層を設けたことを特
   徴とする定着用ヒータ。
2. 【請求項２】 ヒータ基板が窒化ケイ素または窒化アル
   ミニウムから成るセラミックスであることを特徴とする
   請求項１に記載の定着用ヒータ。
3. 【請求項３】 ボロンをドープしたダイヤモンド層から
   成る発熱体以外の発熱体を設けたことを特徴とする請求
   項１に記載の定着用ヒータ。
4. 【請求項４】 ヒータ基板上の複数の面に、ボロンをド
   ープしたダイヤモンド層から成る発熱体を設けたことを
   特徴とする請求項１または２に記載の定着用ヒータ。