(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックで構成された基板と、前記基板上に形成された導電パターンと、前記導電パターンと電気的に接続されるように、前記基板上に形成された抵抗発熱体と、少なくとも前記抵抗発熱体を覆うように形成されたオーバーコート層と、を備えるセラミックヒータにおいて、
前記抵抗発熱体は、銀およびパラジウムで構成された合金と、グラファイトと、を含んでおり、前記合金と前記グラファイトの総和に対するグラファイトの含有率が１６〜４７％であり、
前記抵抗発熱体は、その電流の流れる方向に沿う長さをＬ、幅をＷとしたとき、Ｌ＜Ｗを満足するセラミックヒータ。
【請求項２】
前記合金における銀の含有率が２５〜７４％である請求項１に記載のセラミックヒータ。
【請求項３】
前記合金における銀の含有率が７４〜９５％であるとともに、前記合金と前記グラファイトの総和に対するグラファイトの含有率が２３〜４７％である請求項１に記載のセラミックヒータ。
【請求項４】
セラミックで構成された基板と、前記基板上に形成された導電パターンと、前記導電パターンと電気的に接続されるように、前記基板上に形成された抵抗発熱体と、少なくとも前記抵抗発熱体を覆うように形成されたオーバーコート層と、を備えるセラミックヒータにおいて、
前記抵抗発熱体は、その電流の流れる方向に沿う長さをＬ、幅をＷとしたとき、Ｌ＜Ｗを満足し、銀およびパラジウムで構成された合金、または銀で構成された金属と、グラファイトと、を含んでおり、そのうち銀の含有率が９５％以上である合金、または銀で構成された金属と、前記グラファイトの総和に対するグラファイトの含有率が２８〜４７％であるセラミックヒータ。
【請求項５】
セラミックで構成された基板上に形成された導電パターンを備えた抵抗発熱体を有するセラミックヒータにおいて、
前記抵抗発熱体は、その電流の流れる方向に沿う長さをＬ、幅をＷとしたとき、Ｌ＜Ｗを満足し、銀およびパラジウムで構成された合金、または銀で構成された金属と、グラファイトと、を含んでおり、前記合金または前記金属と前記グラファイトの総和に対するグラファイトの含有率が１６〜４７％であるセラミックヒータ。
【請求項６】
前記導電パターンは、ＴＣＲが７０ｐｐｍ／℃以下である請求項１〜請求項５の何れか１つに記載のセラミックヒータ。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか１つに記載のセラミックヒータと、
前記セラミックヒータを内部に配置する定着フィルムと、
前記定着フィルムを介して、前記セラミックヒータと弾接される加圧ローラと、
を具備する定着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、複写機のトナー定着等に使用されるセラミックヒータおよび定着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像形成装置に使われるトナー定着用のヒータとして、セラミックヒータが使われている。セラミックヒータは、セラミック製の長尺な基板に、導電パターンおよび抵抗発熱体を設け、それらをオーバーコート層で覆った板状のヒータである。このセラミックヒータにおいて、その長手方向よりも紙幅が短い用紙を連続通紙する場合、紙が通過しない部分（非通紙部）は紙が通過する部分（通紙部）と比較して熱が奪われにくくなるため、非通紙部が過昇温するという課題が知られている。
【０００３】
この課題に対して、炭素系の材料、いわゆるグラファイトからなる抵抗発熱体が注目されている。グラファイトからなる抵抗発熱体は、抵抗温度係数（Temperature  Coefficient  Resistance。以下、ＴＣＲ）が負の値を持つためである。ＴＣＲが負の場合は、ＮＴＣ（Negative  Temperature  Coefficient）特性と呼ばれ、温度が上昇すると、抵抗値が低下する特性になる。したがって、抵抗発熱体にグラファイトを用いると、非通紙部に紙が通過しない状態となっても、非通紙部の過昇温を抑制することが可能となる。
【０００４】
しかし、グラファイトはシート抵抗が高いという欠点がある。シート抵抗が高い場合、抵抗発熱体のパターンによっては総抵抗が大きくなってしまい、加熱体として利用できない、またはパターン設計に制限が生じてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４２０８５８７号公報
【特許文献２】特開２００７−２５４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、ＴＣＲおよびシート抵抗が低いセラミックヒータおよび定着装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために、実施形態のセラミックヒータは、セラミックで構成された基板と、前記基板上に形成された導電パターンと、前記導電パターンと電気的に接続されるように、前記基板上に形成された抵抗発熱体と、少なくとも前記抵抗発熱体を覆うように形成されたオーバーコート層と、を備えるセラミックヒータにおいて、前記抵抗発熱体は、銀およびパラジウムで構成された合金と、グラファイトと、を含んでおり、前記合金と前記グラファイトの総和に対するグラファイトの含有率が１６〜４７％であり、前記抵抗発熱体は、その電流の流れる方向に沿う長さをＬ、幅をＷとしたとき、Ｌ＜Ｗを満足する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態のセラミックヒータについて説明するための図である。
【図２】第１の実施形態のセラミックヒータのＡ−Ａ’断面を矢印から見た状態について説明するための図である。
【図３】抵抗発熱体中のＡｇ／Ｐｄ＋グラファイトまたはＡｇ＋グラファイトにおけるグラファイトの含有率とＴＣＲの関係について説明するための図である。
【図４】抵抗発熱体中のＡｇ／Ｐｄ＋グラファイトまたはＡｇ＋グラファイトにおけるグラファイトの含有率とシート抵抗の関係について説明するための図である。
【図５】抵抗発熱体中のＡｇ／ＰｄにおけるＡｇの含有率とＴＣＲの関係について説明するための図である。
【図６】導体パターンの好適な材料について説明するための図である。
【図７】第２の実施形態の定着装置について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明を実施するための実施形態について説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
第１の実施形態のセラミックヒータについて、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態のセラミックヒータについて説明するための図、図２は第１の実施形態のセラミックヒータのＡ−Ａ’断面を矢印から見た状態について説明するための図である。
【００１１】
セラミックヒータは、トナー定着に用いられるヒータであり、主要部として基板１を備えている。基板１は、例えば厚みは１ｍｍ、幅は１０ｍｍ、長さは２８０ｍｍであるような細長い基板である。基板１は、絶縁性および熱伝導性に優れた酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック材料で構成されている。
【００１２】
基板１の一方の面上には、導電パターンが形成されている。本実施形態では、導電パターンは、複数のパターン２１〜２６で構成されている。パターン２１〜２６は、例えば銀（Ａｇ）や銀とパラジウムの合金（Ａｇ／Ｐｄ）で構成されたパターンであり、基板１の長手方向に沿って細長く形成されている。このうち、パターン２１、２３、２５は略一直線状に形成され、パターン２２、２４、２６も略一直線状に形成されている。また、パターン２１、２３、２５とパターン２２、２４、２６は所定の間隔を保って略平行に形成されている。パターン２１とパターン２６の一端部には、電力が供給される部分となる電極部３１、３２が一体形成されている。
【００１３】
また、基板１の面上には、導電パターンと電気的に接続されるように、抵抗発熱体が形成されている。抵抗発熱体は、銀とパラジウムで構成された合金または銀で構成された金属と、グラファイト（Ｃ）などの炭素系の材料とを含む抵抗体である。グラファイトの含有率（重量比）は、その合金または金属とグラファイトの総和に対して、１６〜４７％に設定されている。合金の場合には、銀とパラジウムの総和に対して、銀の含有率は２５％以上、特には２５〜９５％に設定されている。なお、抵抗発熱体には、ガラスやアルミナからなるフィラーなどをさらに含ませることができる。
【００１４】
本実施形態では、抵抗発熱体は、複数の発熱体４１〜４５で構成されている。発熱体４１〜４５は、発熱体４１は、パターン２１とパターン２２の間、発熱体４２は、パターン２２とパターン２３の間、発熱体４３は、パターン２３とパターン２４の間、発熱体４４は、パターン２４とパターン２５の間、発熱体４５は、パターン２５とパターン２６の間に形成されている。このように、発熱体４１〜４５を基板１の長手方向に複数に分割するメリットは、抵抗発熱体のサイズを様々な用紙サイズに対応させること、および通電方向の長尺化を抑制することで、総抵抗を小さくすることである。すなわち、小サイズの用紙の場合には、例えば発熱体４２〜４４とのみ接触させることができるとともに、発熱体４１〜４５の電流の流れる方向に沿う長さをＬ、幅をＷとしたとき、Ｌ＜Ｗを満足するように構成しやすくなるため、発熱体４１〜４５通電方向の長さを短くすることができる。
【００１５】
さらに、基板１の面上には、少なくとも発熱体４１〜４５を覆うように、オーバーコート層５が形成されている。オーバーコート層５は、例えば焼成温度が４００〜５００℃のガラスで構成されている。焼成温度とは、加熱によってガラス粉末が溶融して膜状になる温度であり、一般的には軟化温度よりも１０〜５０℃高い温度がこれに該当する。このようなガラスとしては、ビスマス塩系ガラス、ビスマス亜鉛系ガラス、リン酸塩系ガラス、リン酸亜鉛系ガラス、バナジウム系ガラスなどが挙げられる。特に、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）を含むビスマス系のガラスが望ましい。また、ガラス中には、抵抗発熱体等との熱膨張係数を調整するために、酸化物、窒化物、シリカ等からなるフィラーが添加されている。
【００１６】
基板１の他方の面上には、摺動層６が形成されている。摺動層６は、オーバーコート層５と比較して表面が滑らかなガラスで構成されており、通紙される側の面となる。つまり、抵抗発熱体側の面では熱を発生させ、摺動層６側の面では通紙させながら、トナー定着が行われる。
【００１７】
本実施形態のセラミックヒータの一製造方法について説明する。
【００１８】
まず、セラミックで構成された基板１の一方の面上に、導電ペーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥させたのちに焼成してパターン２１〜２６および電極３１、３２を形成する。導電ペーストには、例えば銀、有機溶剤、バインダ、ホウ珪酸亜鉛ガラスなどを含むペーストを使用できる。次に、基板１の他方の面上に、ガラスペーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥させたのちに焼成して摺動層６を形成する。次いで、パターン２１〜２６に積層するように、基板１上に抵抗ペーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥させたのちに焼成して発熱体４１〜４５を形成する。抵抗ペーストには、銀とパラジウムで構成された合金または銀で構成された金属と、グラファイトと、有機溶剤、バインダ、ホウ珪酸亜鉛ガラスなどを含むペーストを使用できる。
【００１９】
次に、発熱体４１〜４５を覆うように、基板１上にガラスペーストをスクリーン印刷により塗布し、乾燥させたのちに焼成してオーバーコート層５を形成する。ガラスペーストには、例えばガラス、有機溶剤、増粘材としてエチルセルロースを含有するバインダ、フィラーとしてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の粉末などを含むペーストを使用できる。このガラスには、焼成可能な温度が４００〜５００℃のガラスを使用するのが望ましい。これは炭素系の発熱体４１〜４５が、５００〜７００℃程度で酸化、燃焼による消耗が生じてしまうためである。本実施形態では、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）と酸化ホウ素（Ｂ２Ｏ３）とアルカリ金属からなる軟化点が４３８℃のビスマス系のガラスを用いている。このようにして、セラミックヒータが完成する。
【００２０】
ここで、抵抗発熱体の材料の組成を変化させたときのＴＣＲの変化について試験を行った。その結果を図３に示す。●はＡｇ：Ｐｄ＝４５％：５５％であるＡｇ／Ｐｄ合金と、グラファイトの総和におけるグラファイトの含有率を０〜１００％に変化させたときのＴＣＲを示すものである。同様に、■はＡｇ：Ｐｄ＝８０％：２０％であるＡｇ／Ｐｄ合金とグラファイト、▲はＡｇ：Ｐｄ＝９５％：５％であるＡｇ／Ｐｄ合金とグラファイト、◆はＡｇ１００％金属とグラファイトの総和におけるグラファイトの含有率を０〜１００％に変化させたときのＴＣＲを示すものである。なお、ＴＣＲは２５℃〜１８０℃までの抵抗変化率とした。
【００２１】
結果から、何れのＡｇ／Ｐｄの含有率においても、グラファイトの含有率が高ければＴＣＲを低くできることがわかる。特に、グラファイトの含有率が１６％以上では、グラファイトの含有率が０％、すなわちＡｇ／ＰｄまたはＡｇが１００％のときと比較して、ＴＣＲが急激に低くなることがわかる。グラファイトの含有率が２６％以上では、ＴＣＲが約−８００ｐｐｍ／℃であるグラファイトの含有率が１００％のときと同等のＴＣＲになることがわかる。したがって、ＴＣＲが低い抵抗発熱体を実現するためには、Ａｇ／ＰｄまたはＡｇとグラファイトの総和に対するグラファイトの含有率を１６％以上、特には２６％以上にするのが好適である。
【００２２】
また、抵抗発熱体の材料の組成を変化させたときのシート抵抗の変化について試験を行った。その結果を図４に示す。
【００２３】
結果から、何れのＡｇ／Ｐｄの含有率においても、グラファイトの含有率が低ければシート抵抗を低くできることがわかる。特に、グラファイトの含有率が４７％以下になると、シート抵抗が急激に低下し始める傾向が生じることがわかる。グラファイトの含有率が４０％以上では、シート抵抗が約２００Ω／□であるグラファイトの含有率が１００％のときと比較して、シート抵抗を１／４の５０Ω／□程度まで低下することがわかる。したがって、ＴＣＲが低い抵抗発熱体を実現するためには、Ａｇ／ＰｄまたはＡｇとグラファイトの総和に対するグラファイトの含有率を４７％以下、特には４０％以下にするのが好適である。
【００２４】
以上から、ＴＣＲおよびシート抵抗が低い抵抗発熱体を実現するためには、Ａｇ／ＰｄまたはＡｇとグラファイトの総和に対するグラファイトの含有率を１６〜４７％以下、特には２６〜４０％にするのが好適である。
【００２５】
図５は、Ａｇ／Ｐｄ合金における銀の含有率（重量比）とＴＣＲの関係について説明するための図である。
【００２６】
結果から、Ａｇ／Ｐｄ合金中のＡｇの含有率は多すぎても少なすぎてもＴＣＲが高くなることがわかる。具体的には、Ａｇが０％、すなわちＰｄが１００％のときのＴＣＲは約３２００ｐｐｍ／℃、Ａｇが１００％のときのＴＣＲは約３６００ｐｐｍ／℃と高いが、Ａｇの含有率が４５％において極小値の０ｐｐｍ／℃となることがわかる。Ａｇ：Ｐｄ＝４５％：５５％のＡｇ／Ｐｄ合金と、グラファイトの総和におけるグラファイトの含有率によるＴＣＲの変化は、図３の●に示したとおりである。この図からわかるように、グラファイトの含有率が０％でもＴＣＲが０ｐｐｍ／℃からスタートするため、グラファイトを僅かに混ぜるだけで抵抗発熱体のＴＣＲを負の値にすることができる。つまり、Ａｇ：Ｐｄ＝４５％：５５％のＡｇ／Ｐｄ合金とグラファイトを混合した抵抗発熱体が最適である。Ａｇ／Ｐｄ合金のＴＣＲが５００ｐｐｍ／℃以下となるＡｇが２５〜７４％では、グラファイトの含有率が１６％以上となれば、抵抗発熱体のＴＣＲを負の値にすることができるので好適である。ただし、Ｐｄは高価な金属であるため、Ａｇが４０〜７４％であるとさらに好適である。なお、Ａｇ／Ｐｄ合金においてＡｇの含有率を変化させても、シート抵抗の変化は図４からわかるように比較的小さいので、Ａｇの含有率が抵抗発熱体のシート抵抗に与える影響は無視できる。
【００２７】
また、Ａｇ／Ｐｄ合金中のＡｇが７４％以上、１００％以下でも抵抗発熱体のＴＣＲが低ければよい。図３からわかるように、Ａｇの含有率が９５％以下であれば、Ａｇが１００％のときよりもＴＣＲをかなり低くできる。図３の▲から、Ａｇ：Ｐｄ＝９５％：５％のＡｇ／Ｐｄ合金と、グラファイトの総和におけるグラファイトの含有率が２３％以上であれば、抵抗発熱体のＴＣＲを負の値にすることができる。よって、Ａｇの含有率が７４〜９５％であるＡｇ／Ｐｄ合金においては、この合金とグラファイトの総和におけるグラファイトの含有率が２３〜４７％であれば、低価格、低ＴＣＲかつ低シート抵抗の抵抗発熱体を実現することができる。また、図３の◆から、Ａｇ１００％の金属と、グラファイトの総和におけるグラファイトの含有率が２８％以上であれば、抵抗発熱体のＴＣＲを負の値にすることができる。よって、Ａｇの含有率が９５〜１００％であるＡｇ／Ｐｄ合金においては、この合金とグラファイトの総和におけるグラファイトの含有率が２８〜４７％であれば、低価格、低ＴＣＲかつ低シート抵抗の抵抗発熱体を実現することができる。
【００２８】
また、抵抗発熱体は、導電パターンと接続されるため、その導電パターンのＴＣＲの影響を受けうる。例えば、銀の導体パターンとグラファイトの抵抗発熱体を形成すると、グラファイトの抵抗発熱体のＴＣＲが５％程度劣化することがある。よって、導電パターンには、ＴＣＲが低い、例えば７０ｐｐｍ／℃以下、特には１０ｐｐｍ／℃以下の材料を使用するのが望ましい。シート抵抗が低いとさらに望ましい。このような材料としては、図６に示すようなＡｇ／Ｐｄ系の合金、Ｃｕ／Ｎｉ系の合金、Ｃｕ／Ｍｎ系の合金などを使用できる。図中において、ＴＣＲの値を±で表示しているのは、膜厚などの影響や測定誤差によるものである。
【００２９】
第１の実施形態においては、抵抗発熱体を、銀およびパラジウムで構成された合金と、グラファイトと、で構成し、合金とグラファイトの総和に対するグラファイトの含有率を１６〜４７％としたことで、ＴＣＲを低することができるため、非通紙部の過昇温を抑制することができる。また、シート抵抗を低することができるため、ヒータの設計上の制約を緩和することができる。例えば、本実施形態のように抵抗発熱体を複数に分割したパターンでは、パターン分割数を増やして、様々な幅の紙に柔軟に対応させることができる。
【００３０】
その際、合金における銀の含有率を２５〜７４％にしたり、合金における銀の含有率を７４〜９５％にするとともに、合金とグラファイトの総和に対するグラファイトの含有率を２３〜４７％にしたり、合金における銀の含有率を９５％以上にするとともに、合金とグラファイトの総和に対するグラファイトの含有率を２８〜４７％にすることで、ＴＣＲを負にすることができるため、さらに非通紙部の過昇温を抑制することができる。
【００３１】
また、導電パターンを、ＴＣＲが７０ｐｐｍ／℃以下の材料で構成することで、導体パターンによる抵抗発熱体のＴＣＲの上昇を抑制することができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態の定着装置について説明するための図である。この第２の実施形態の各部について、第１の実施形態のセラミックヒータの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。
【００３３】
定着装置は、セラミックヒータ１００と、定着フィルム２００と、加圧ローラ３００とで構成されている。なお、定着装置は、実際は筐体内部に内蔵されているが、筐体等の部品は省略している。
【００３４】
セラミックヒータ１００は、第１の実施形態で説明したヒータである。
【００３５】
定着フィルム２００は、ポリイミド樹脂等の耐熱性シートからなるロール状のフィルムである。この定着フィルム２００の内部には、摺動層６がフィルムと接触するように、セラミックヒータ１００が配置されている。
【００３６】
加圧ローラ３００は、回転軸によって回転可能に構成されたローラである。そのローラの表面には、耐熱性の弾性材料として、シリコーンゴム層が形成されている。シリコーンゴム層は、定着フィルム２００を介して、セラミックヒータ１００の摺動層６と弾接している。
【００３７】
セラミックヒータ１００は電極３１、３２に接続されるコネクタ（図示なし）を通じて通電され、発熱抵抗体で熱が発生し、その熱は基板を介して摺動層６に伝熱され、定着フィルム２００および加圧ローラ３００を過熱する。そこに、定着フィルム２００および加圧ローラ３００の回転によってトナー像５００が付着した用紙４００が送られると、トナー像５００は加熱溶融され、軟化溶融する。この後、加圧ローラ３００の用紙排出側では用紙４００がセラミックヒータ１００から離れ、トナー像５００’は自然放熱して冷却固化し、定着装置から離れる。
【００３８】
このようにして、用紙に対してトナー定着がなされるが、セラミックヒータ１００の長手方向よりも幅が短い用紙４００が通紙されたとしても、本実施の形態のセラミックヒータ１００により、非通紙部での過昇温を抑制することができる。
【００３９】
本発明は上記実施態様に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
【００４０】
例えば、抵抗発熱体は、基板１の長手方向に沿って形成され、その両端で導電パターンと接続される形状であっても良い。
【００４１】
摺動層６は必須ではない。すなわち、オーバーコート層５側に通紙させるように構成しても良い。
【００４２】
この発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４３】
１  基板
２１〜２６  パターン
４１〜４５  発熱体
５  オーバーコート層
【図１】
0005896142.tif 000002
【図２】
0005896142.tif 000003
【図３】
0005896142.tif 000004
【図４】
0005896142.tif 000005
【図５】
0005896142.tif 000006
【図６】
0005896142.tif 000007
【図７】
0005896142.tif 000008