(57)【要約】【課題】画像形成装置に用いられる発熱体において、摺動性と耐久性と高熱伝導性とを兼ね備えた発熱体を提供すること。【解決手段】発熱体３０は、絶縁基板３１上に形成された、通電により発熱する抵抗体３２と、抵抗体３２を保護する絶縁層３３とを有し、絶縁層３３にダイヤモンド微粉末を分散させた構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像形成装置の定着装置に適用できる発熱体であって、絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された抵抗体と、前記抵抗体を覆う絶縁層とを有し、前記絶縁層にダイヤモンド微粉末を分散させたことを特徴とする発熱体。
【請求項２】
請求項１において、前記絶縁基板がセラミックからなり、前記抵抗体が形成された面は、当該抵抗体側へ凸なる湾曲形状であることを特徴とする発熱体。
【請求項３】
請求項１において、前記ダイヤモンド微粉末がフッ素化されていることを特徴とする発熱体。
【請求項４】
請求項１において、前記絶縁層がイミド系樹脂からなり、前記樹脂中の前記ダイヤモンド微粉末の重量比率が、３０％以上８０％以下であることを特徴とする発熱体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発熱体を定着装置に有する画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像定着装置の定着器には、熱ローラ方式、フィルム加熱方式、電磁誘導加熱方式などが用いられ、実用化されている。
【０００３】
従来、フィルム加熱方式に用いられる発熱体には、フィルム状の定着ベルトが発熱体上を円滑に摺動できるように、イミド系樹脂、フッ素系樹脂等を発熱体の摺動層として用いる方式が提案されている（特許文献１、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００３−１３１５０２公報
【特許文献２】特開２００４−１９８４４８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した発熱体においては、次に述べる課題がある。
【０００５】
イミド系樹脂を摺動層に用いた発熱体においては、耐久性に問題はないが、摩擦抵抗が大きく十分な摺動性を得ることができないため、発熱体の表面に耐熱性グリース等の潤滑剤を用いなければならない。
【０００６】
フッ素系樹脂を摺動層に用いた発熱体においては、イミド系樹脂とは対照的に、十分な摺動性を得ることができる。しかし、一般にフッ素系樹脂は柔らかいため、十分な耐久性を得ることができない。また、抵抗体保護のために形成された絶縁層を覆うように摺動層を設けた場合、絶縁層での摩耗が進み抵抗体を損傷させる可能性がある。
【０００７】
抵抗体を覆う絶縁層、摺動層は熱伝導性が低いため、抵抗体で発生した熱を効率的に定着ベルトへ伝導することができず、定着ベルトの加熱に時間を要し、定着器のウォームアップ時間に影響を与えている。
【０００８】
そこで本発明は、画像形成装置の定着装置に用いられる発熱体において、摺動性と耐久性と高熱伝導性とを兼ね備えた発熱体を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、以下の構成を特徴とする発熱体、及び画像形成装置である。
【００１０】
（１）画像形成装置の定着装置に適用できる発熱体であって、絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された抵抗体と、前記抵抗体を覆う絶縁層とを有し、前記絶縁層にダイヤモンド微粉末を分散させたことを特徴とする発熱体である。この構造を用いれば、ダイヤモンド微粉末により前記絶縁層表面に島状の突起が形成されたものとなるので、定着ベルトと発熱体との接触面積の低減により摩擦抵抗が低下する。これにより、摺動性と耐久性とが向上し、絶縁層と抵抗体に損傷を与えることなく、定着ベルトを摺動させることができる。また、ダイヤモンド微粉末は高熱伝導性を持ち、前記抵抗体で発生した熱を効率的に前記定着ベルトへ伝導させることができるため、定着器のウォームアップ時間を短縮し、消費電力を抑えることができる。
【００１１】
（２）前記（１）において、前記絶縁基板がセラミックからなり、前記抵抗体が形成された面は、当該抵抗体側へ凸なる湾曲形状であることを特徴とする発熱体である。セラミックを基材に用いることにより、前記抵抗体に対する絶縁性と、十分な機械的強度とを有する。前記定着ベルトに接する前記絶縁基板の凸状湾曲面は滑らかな形状を持ち、前記定着ベルトとの摩擦抵抗を低減させることができる。
【００１２】
（３）前記（１）において、前記ダイヤモンド微粉末がフッ素化されていることを特徴とする発熱体である。前記発熱体において用いたダイヤモンド微粉末に代えて、フッ素化されたダイヤモンド微粉末を用いることにより、定着ベルトの摺動性をさらに向上させることができる。
【００１３】
（４）前記（１）において、前記絶縁層がイミド系樹脂からなり、前記樹脂中の前記ダイヤモンド微粉末の重量比率が、３０％以上８０％以下であることを特徴とする発熱体である。この重量比率の範囲において、優れた絶縁性と摺動性と耐久性と高熱伝導性とを兼ね備えた発熱体を形成することができる。
【００１４】
前記（１）ないし前記（４）のいずれか１項に記載の発熱体を定着装置に有する画像形成装置である。この構造を有する発熱体を備えた定着器を有することで、耐久性と低消費電力性と低コスト性に優れた画像形成装置を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（１）発熱体３０
図１は本発明における、発熱体３０の斜視図、図２は断面図、図３は絶縁層３３の構成を示す図である。図１、図２に示すように、発熱体３０は断面視湾曲形状の絶縁基板３１の表面に発熱用の抵抗体３２を備え、ダイヤモンド微粉末３４を分散させた絶縁層３３で抵抗体３２を覆った構造である。
【００１６】
ここで、図５は本発明における発熱体３０を有する定着器１３の正面断面図である。図５に示すように、図１の構造を持った発熱体３０は、定着器１３において凸状湾曲面を定着ベルト２０内面に接した状態で使用される。
【００１７】
絶縁基板３１は抵抗体３２の基材で、絶縁性と高熱伝導性とを兼ね備えた材質が用いられ、抵抗体３２保持のために用いられる。絶縁基板３１としては、アルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素等のセラミックを成形したものを用いることができ、セラミックを用いることで、絶縁性、高熱伝導性、機械的強度を有する絶縁基板とすることができる。
【００１８】
絶縁基板３１において、定着ベルト２０内面に接する凸状湾曲面は滑らかな形状を持つ。これにより、定着ベルト２０の摺動による摩擦抵抗を低減させ、耐久性を向上させている。
【００１９】
抵抗体３２は、Ａｇ／Ｐｄ（銀パラジウム）合金等の導電性物質を主成分とし、絶縁基板３１表面の長手方向に沿って回路パターンが形成されたもので、端子３２ａを介して通電することにより発熱し、絶縁層３３を介して接する定着ベルト２０を加熱する。
【００２０】
絶縁層３３は、イミド系樹脂、ガラス等の絶縁性物質で、抵抗体３２に対する耐熱性を持つ材質を主成分とし、この絶縁性物質中にダイヤモンド微粉末３４が分散された構造である。これにより、図３に示すように、ダイヤモンド微粉末３４の一部が絶縁層３３表面に露出、または樹脂に覆われた状態で突出して、表面に島状の突起が形成されたものとなるので、定着ベルト２０が発熱体３０の表面上を摺動する際、定着ベルト２０と絶縁層３３との接触面積が減少し、摩擦抵抗が低下する。これにより、摺動性と耐久性とが向上し、絶縁層３３と抵抗体３２に損傷を与えることなく、定着ベルト２０を摺動させることができる。
【００２１】
また、ダイヤモンド微粉末３４は高熱伝導性を持ち、抵抗体３２で発生した熱を効率的に定着ベルト２０へ伝導させることができるため、定着器１３のウォームアップ時間を短縮させ、消費電力を抑えることができる。
【００２２】
ダイヤモンド微粉末３４においては、フッ素化されたものを用いることができる。フッ素化されたものを用いることで、定着ベルト２０との摩擦を低減し、摺動性を向上させることができる。
【００２３】
フッ素化ダイヤモンド微粉末３４ａは、高温炉中に満たされた、高圧フッ素ガス雰囲気中で、ダイヤモンド微粉末３４表面の水素原子をフッ素原子に置換することによって形成され、粒径は数１０ｎｍ以上数１００ｎｍ以下であるものも利用できるが、数ｎｍであることが最適である。
【００２４】
フッ素化ダイヤモンド微粉末３４ａにおける、炭素原子Ｃとフッ素原子Ｆの原子比率は、概ねＣ：Ｆ＝１：０．１である。
【００２５】
イミド系樹脂中のフッ素化ダイヤモンド微粉末３４ａにおいては、重量比率を３０％以上８０％以下とすることが好ましい。この範囲内であれば、絶縁層３３表面に所望の凹凸形状を形成することができ、優れた絶縁性と摺動性と耐久性と高熱伝導性とを兼ね備えた発熱体とすることができる。
【００２６】
（２）画像形成装置の概略
画像形成装置の概略について図４を用いて説明する。図４は本発明に係るフィルム方式の画像形成装置の概略図である。画像形成部は、像担持体である感光体１、感光体１を一様に帯電する帯電ローラ２、一様帯電した感光体１に対して画像信号により変調されたレーザ光を照射して静電潜像を形成する露光機３等からなっている。現像部は、現像ロータリー４内に配置されたイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色現像機５からなり、ロータリーの回転により各色現像機５が順次感光体１に当接して感光体１上の静電潜像を現像する。
【００２７】
感光体１上のトナー像は、１次転写位置において感光体１に当接する中間転写ベルト６に転写される。中間転写ベルト６は、駆動ローラ７、従動ローラ８間に渡って張架されている。１次転写位置ａにおいて転写された中間転写ベルト６上のトナー像は、駆動ローラ７と対向して２次転写ローラ９が配置された２次転写部１０において、用紙上に記録（２次転写）される。用紙は、給紙カセット１１、搬送経路１２を通って２次転写部１０に搬送され、２次転写後、定着器１３に搬送されて定着トナー像が定着される。両面印字の場合には、用紙は定着後に反転して両面印字時搬送経路１４を経由して再度２次転写部１０へ搬送されて裏面への記録が行われる。
【００２８】
（３）定着器１３の概略
図５は定着器１３の正面断面図、図６は図５のＡ−Ａ（中心線）断面図である。本発明における発熱体３０を有した定着器１３の概略について図５、図６を用いて説明する。定着ベルト２０は加熱部材である発熱体３０と押圧部材４０との間にテンション力がかかった状態で掛け渡され、発熱体３０によりトナー溶融に必要な温度まで加熱昇温され、外部の制御装置（図示せず）により、ベルト表面温度が一定の温度に保つように発熱体３０の発熱量が制御される。この時の定着ベルト２０の表面温度は、１５０℃以上１８０℃以下程度に制御されている。定着ベルト２０は、直径３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下、周長９５ｍｍ以上１６０ｍｍ以下で、厚さ３０μｍ以上５０μｍ以下のＰＩ（ポリイミド）等の耐熱性樹脂フィルム、もしくは厚さ２０μｍ以上４０μｍ以下のＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ  Ｕｓｅ  Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）やＮｉ、Ｆｅ等の金属製基板の表層に、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素系樹脂が設けられている。また、基材とフッ素系樹脂層の間に弾性層として厚さ１５０μｍ以上３００μｍ以下程度のシリコンゴム層等を有することもある。
【００２９】
発熱体３０は定着ベルト２０の内側において、押圧部材４０と対向し、加圧ローラ５０と反対側に設けられ、発熱体３０と押圧部材４０との間にはテンション力として１ｋｇｆ以上３ｋｇｆ以下の荷重がかかっているため定着ベルト２０は発熱体３０に密着し、定着ベルト２０を効率よく加熱する。このテンション力により、ニップ内部での定着ベルト２０のたわみを防止し、定着ベルト２０を定着部材に充分に押し付けることができる。
【００３０】
押圧部材４０は定着ベルト２０の内側に配置され、定着ベルト２０を横方向に張り出す曲面状の翼部分４０ａ、４０ｂと、加圧ローラ５０に向かって凹形状の中間部分４０ｃ、軸方向所定間隔毎に設けられた板状部材４０ｄからなっている。押圧部材４０としては、ＰＰＳ（ポリフェニルスルファイド）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）、ＰＩ等の耐熱性樹脂から形成されており、表面には定着ベルト内面との摩擦力を低減するためにＰＴＦＥやＰＦＡ等のフッ素系樹脂層を有することもある。
【００３１】
図５に示すように、押圧部材４０の翼部分４０ａ、４０ｂと中間部分４０ｃとの接続部４０ｅ、４０ｆは凸部を形成し、定着ベルト２０を介して加圧ローラ５０に当接し、中間部分４０ｃは定着ベルト２０と非接触である。なお、凸部先端の曲率半径は０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、曲率を持たせることで、定着ベルト２０の摺動によるベルト摩耗が低減される。凸部先端が当接する当接部Ｓ１、Ｓ２は定着ニップの入口部、出口部を形成し、図５において定着ベルト２０が時計方向に回転している場合、当接部Ｓ１が入口部、当接部Ｓ２が出口部で、Ｓ１とＳ２間が定着ニップ幅となる。このような構成であるため、押圧部材４０の形状によりニップ幅を設定することが可能で、本発明における実施例ではニップ幅を８ｍｍ以上１２ｍｍ以下程度としている。
【００３２】
押圧部材４０は、軸方向に延びる直径１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下程度の金属製たわみ防止シャフト６０に固定され、定着ベルト２０を介して加圧ローラ５０を荷重１５ｋｇｆ以上４０ｋｇｆ以下程度で押圧し、定着ニップを形成している。軸方向所定間隔毎に設けられた板状部材４０ｄは、中央部に窪みが形成され、この窪みにたわみ防止シャフト６０の突起部６１が嵌合し、この嵌合により押圧部材４０はたわみ防止シャフト６０に固定される。この構造により、押圧部材４０が定着ベルト２０内面との摩擦でシャフト回りに回転することを防ぐことができる。
【００３３】
本発明における実施例では、押圧部材４０が定着ニップ部の入口と出口のみで定着ベルトの内面に接触し、定着ベルト２０との接触面積が小さいため、定着ベルト２０から押圧部材４０への熱流出が少なくなり、立ち上がり時間が短縮される。また、押圧部材４０の接続部４０ｅ、４０ｆが定着ベルト２０を介して加圧ローラ５０に食い込む形状になるため、加圧ローラ５０と定着ベルト２０の摩擦力が増大し、定着ベルト２０の滑りを防止することができる。また、押圧部材４０は軸方向所定間隔毎に設けられた板状部材４０ｄでたわみ防止シャフト６０と接しているため、押圧部材４０とたわみ防止シャフト６０との接触面積が小さくなり、押圧部材４０からたわみ防止シャフト６０への熱流出を少なくすることができる。
【００３４】
加圧ローラ５０は金属製パイプの表層に、１ｍｍ以上５ｍｍ以下程度の弾性層を有し、前記弾性層をＰＦＡやＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂が覆っている。駆動力は加圧ローラ５０に与えられ、定着ベルト２０は加圧ローラ５０との摩擦力により回転し、加圧ローラ５０表面と定着ベルト２０表面は等速で回転する。
【００３５】
なお、押圧部材４０、たわみ防止シャフト６０、加圧ローラ５０の軸方向長さ、定着ベルト２０の幅（長手方向長さ）は概ね同じで、Ａ３機では３１０ｍｍ以上３４０ｍｍ以下程度、Ａ４機では２２０ｍｍ以上２５０ｍｍ以下程度であり、本定着装置はＡ３機、Ａ４機の何れにも適用可能である。
【実施例】
【００３６】
円弧状の絶縁基板３１は、アルミナのグリーンシートを円弧状にアルミナパイプの治具上に形成し１５００℃で焼成した後、端部を切断することにより作製した。
【００３７】
抵抗体３２は、この絶縁基板３１表面にＡｇ／Ｐｄ合金をスクリーン印刷により回路パターンを形成し、９００℃で焼成することにより作製した。抵抗体３２は、絶縁基板３１の端部に通電用の端子３２ａとともに、絶縁基板３１の長手方向に沿った回路パターンのヒータを構成している。
【００３８】
絶縁層３３は、ポリイミドワニス中に、フッ素化ダイヤモンド微粉末３４ａを重量比率４０％添加し、混錬機で分散させたものを、抵抗体３２を覆うようにスクリーン印刷した後、２８０℃で焼成することにより形成した。絶縁層３３の膜厚は２０μｍである。
【００３９】
以上の工程で作製した発熱体３０は、図３に示すように、絶縁層３３中に分散したフッ素化ダイヤモンド微粉末３４ａの一部が絶縁層３３表面に露出、または樹脂に覆われた状態で突出して凹凸が形成されたものとなっていた。
【００４０】
フッ素化ダイヤモンド微粉末３４ａが分散されていない絶縁層３３を用いた場合、定着ベルト２０との摩擦係数は０．５以上０．７以下であったものに対して、本実施例の発熱体３０の摩擦係数は０．１５程度であり、フッ素化ダイヤモンド微粉末３４ａの分散による摺動性向上の効果が確認された。
【００４１】
ポリイミド樹脂にフッ素化ダイヤモンド３４ａを分散させた絶縁層３３の絶縁性は、従来用いられているガラスの絶縁層と同等以上であった。
【００４２】
また、実機による紙送り動作を繰り返し、発熱体３０表面の変化を確認することによって、耐久性能評価を行ったところ問題無く、フッ素化ダイヤモンド微粉末３４ａの添加により、絶縁層３３、抵抗体３２の損傷を防ぎ、発熱体３０の耐久性向上に効果があることを確かめられた。
【００４３】
また、絶縁体３３中にフッ素化ダイヤモンド微粉末３４ａを分散させることで、絶縁体３３の熱伝導性が向上した。そのため、効率的に定着ベルト２０を加熱することができ、定着器１３のウォームアップ時間を短縮することができた。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明における発熱体３０の斜視図
【図２】図１の断面図
【図３】絶縁層３３の構成図
【図４】本発明に係るフィルム方式の画像形成装置の概略図
【図５】定着器１３の正面断面図
【図６】図５のＡ−Ａ断面図
【符号の説明】
【００４５】
１３…定着器、２０…定着ベルト、３０…発熱体、３１…絶縁基板、３２…抵抗体、３２ａ…通電用端子、３３…絶縁層、３４…ダイヤモンド微粉末、３４ａ…フッ素化ダイヤモンド微粉末、４０…押圧部材、５０…加圧ローラ、６０…たわみ防止シャフト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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