JP2004021211A

JP2004021211A - 定着装置

Info

Publication number: JP2004021211A
Application number: JP2002180221A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ota; 太田　浩志
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: US6999693B2; US6882808B2; US20050095026A1; JP3993476B2; US20030235423A1

Abstract

【課題】良好な定着率を損なうことなくエネルギー消費効率を改善する。
【解決手段】定着装置は誘導加熱方式の熱源を持つ加熱ローラ２と、この加熱ローラ２を押圧する加圧ローラと、加熱ローラ２および加圧ローラ間に供給される被定着材に付与された現像剤を定着させるために加熱ローラ２と一緒に加圧ローラを回転させるモータＭと、定着率優先モードおよび省エネルギー優先モードのいずれかでモータＭおよび熱源を駆動するる定着制御部３０とを備える。さらに定着制御部３０は被定着材が供給されない状態で加熱ローラ２および加圧ローラ３を熱する待機時においてモータＭを断続的に駆動することにより定着率優先モードおよび省エネルギー優先モード間で加圧ローラ３の温度を異ならせるように構成される。
【選択図】　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば静電複写機やレーザプリンタ等の画像形成装置において被定着材にトナー像を定着する定着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平８−７６６２０号公報はハロゲンランプを用いる方法や耐熱性フィルムの代わりに誘導加熱を用いる定着装置を提案している。この定着装置は、磁場発生手段によって導電フィルムを加熱し、導電フィルムに密着させた用紙にトナーを定着する装置であり、磁場発生手段を構成する部材と加熱ローラの間に発熱ベルト（導電フィルム）を挟ませて、ニップを形成している。また、特開平９−２５８５８６号公報は定着口―ラの回転軸に沿って設けられたコアにコイルを巻いた発熱体を用い、定着ローラに渦電流を流して加熱する方式の定着装置を提案している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような誘導加熱方式で定着を行う従来の定着装置には、例えば定着率を向上させるためのモードを持つものがあった。しかし、このモードはコピースピードを落としたり、定着ローラ温度を上げたりして定着率を向上させるものであった。このため、生産性が低下したり、定着装置の寿命が消耗部品の温度劣化により短くなったりするという結果を招いていた。他方、近年では、省エネルギーの観点から、定着率を向上させる必要の無いような場合に無駄に消費されるエネルギーを低減することが要望されている。
【０００４】
本発明の目的は、良好な定着率を損なうことなくエネルギー消費効率を改善できる定着装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、熱源を持つ加熱ローラと、加熱ローラを押圧する加圧ローラと、加熱ローラおよび加圧ローラ間に供給される被定着材に付与された現像剤を定着させるために加熱ローラと一緒に加圧ローラを回転させる回転機構と、第１および第２モードのいずれかで回転機構および熱源を駆動する定着制御部とを備え、定着制御部は被定着材が供給されない状態で加熱ローラおよび加圧ローラを熱する待機時において前記回転機構を断続的に駆動することにより第１および第２モード間で加圧ローラの温度を異ならせるように構成される定着装置が提供される。
【０００６】
この定着装置では、待機時に加熱ローラと一緒に加圧ローラを回転させて加圧ローラの温度を調整することにより、コピー速度を落としたり、定着温度を上げたりせずに省エネルギー優先モードと定着率優先モードとを両立させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る画像形成装置であるデジタル複写装置５１について説明する。
【０００８】
図１はこのデジタル複写装置５１の構造を概略的に示す。デジタル複写装置５１は、図１に示すように、複写対象の画像情報を光の明暗として読み取って画像信号を生成するスキャナ５２、およびスキャナ５２または外部から供給される画像信号に対応する画像を形成する画像形成部５３からなる。
【０００９】
画像形成部５３は、スキャナ５２または外部装置から供給される画像情報に対応するレーザビームを照射する露光装置５５、露光装置５５からのレーザビームに対応する画像を保持する感光体ドラム５６、感光体ドラム５６に形成された画像に現像剤を供給して現像する現像装置５７、現像装置５７により現像された感光体ドラム５６上の現像剤像が以下に説明する給紙搬送部により給送された被定着材に転写された状態の現像剤像を加熱して溶融させ、被定着材に定着する定着装置１等を有している。スキャナ５２または外部装置から画像情報が供給されると、予め所定の電位に帯電されている感光体ドラム５６に、露光装置５５から画像情報により強度変調されたレーザビームが照射される。　これにより、感光体ドラム５６に、複写すべき画像に対応した静電潜像が形成される。
【００１０】
感光体ドラム５６に形成された静電潜像は、現像装置５７によりトナーＴが選択的に提供されて、トナー像（現像剤像）として現像され、転写装置により、以下に説明するカセットから供給される被定着材である用紙Ｐに転写される。転写後、用紙Ｐは定着装置１に搬送される。この定着装置１はトナーＴを溶融して用紙Ｐに定着させる。
【００１１】
用紙Ｐは、感光体ドラム５６の下方に設けられている用紙カセット５９から、ピックアップローラ５８により１枚ずつ取り出され、感光体ドラム５６へ向かう搬送路６０を通って、感光体ドラム５６に形成されたトナー像との位置を合わせるためのアライニングローラ６１に搬送され、所定のタイミングで、感光体ドラム５６と詳述しない転写装置とが対向する転写位置に給送される。
【００１２】
一方、用紙Ｐは、定着装置１でトナーＴを定着させてから排紙ローラ６２に送られ、スキャナ５２とカセット５９との間に定義される排出空間（排紙トレイ）６３に排紙ローラ６２によって排出される。
【００１３】
次に、定着装置１について詳細に説明する。
【００１４】
図２は定着装置１の長手方向に直角な断面構成を示し、図３は定着装置１のローラ構造および磁場発生機構の外観を概略的に示し、図４は定着装置１の長手方向の断面構成を示す。図２から図４に示すように、定着装置１は加熱（定着）ローラ２と加圧（プレス）ローラ３とを含む。加熱ローラ２の外径は例えば６０ｍｍであり、加圧ローラ３の外径は例えば５０ｍｍである。加熱ローラ２は矢印方向に回転し、加圧ローラ３は加熱ローラ２に従動して矢印方向に回転する。用紙Ｐはトナー像を保持した被定着材として両ローラ間を通過する。
【００１５】
加熱ローラ２は例えば導体である金属層を有するエンドレス部材として設けられる例えば厚さ１ｍｍの鉄製円筒の表面をフッ素樹脂等でコーティングして形成したものである。尚、加熱ローラ２には、他にも、ステンレス鋼、ステンレス鋼とアルミニウムの合金等が利用可能である。
【００１６】
加圧ローラ３は、厚さ６ｍｍ程度の発泡シリコンゴム等の弾性体で芯金を覆いさらにフッ素樹脂チューブが被せられているもので、加圧機構ＰＲにより加熱ローラ２に対して例えば３００〜６００Ｎの所定圧力で圧接される。これにより、所定幅のニップ４が両ローラ２，３の圧接位置で生じる加圧ローラ３の外周面の弾性変形により得られる。ここでは、ニップ４が７〜１０ｍｍ程度の所定幅を持つ。用紙Ｐ上のトナーは用紙Ｐがニップ４を通過する間に溶融して用紙Ｐに定着される。
【００１７】
加熱ローラ２の周上であってニップ４よりも回転方向の下流側には、用紙Ｐを加熱ローラ３から剥離させる剥離爪５、加熱ローラ２の外周面にオフセット転写されたトナーや用紙からの紙粉等を除去するクリーニング部材６、および加熱ローラ２の外周面にトナーが付着することを防止するために離型剤を塗布する離型剤塗布装置８が設けられている。
【００１８】
加熱ローラ２の内部には、例えば直径０．５ｍｍの互いに絶縁された銅線材を複数本束ねたリッツ線からなる磁場発生手段としての励磁コイル１１が設けられている。励磁コイルをリッツ線にすることで浸透深さよりも線径を小さくすることができ、交流電流を有効に流すことが可能となる。尚、本実施形態において、励磁コイル１１には、耐熱性のポリアミドイミドで被覆された直径０．５ｍｍの線材を１６本束ねたものを用いている。また、励磁コイル１１は、芯材（例えば、フェライトや鉄芯等）を用いない空芯コイルである。このように、励磁コイル１１を空芯コイルとしたことで、複雑な形状をした芯材が不要であり、コストが低減される。また、励磁回路も安価になる。励磁コイル１１は、耐熱性の樹脂（例えば、高耐熱性の工業用プラスチック）で形成されたコイル支持材１２により支持される。コイル支持材１２は、加熱ローラ２を保持する構造体（板金）との間で位置決めされている。
【００１９】
励磁コイル１１は、高周波電流で駆動されることにより発生する磁束によって、磁界の変化を妨げるように、加熱ローラ２に、磁束と渦電流を発生させる。この渦電流と加熱ローラ２の固有の抵抗によってジュール熱が発生し、加熱ローラ２を加熱する。本実施形態では、励磁コイル１１に、周波数２５ｋＨｚ、９００Ｗの高周波電流を流している。
【００２０】
図５は定着装置１の定着制御部３０の構成を示す。定着制御部３０において、高周波電流は、商用電源の交流を整流回路３１と平滑コンデンサ３２によって整流し、コイル３３ａ、共振用コンデンサ３３ｂおよびスイッチング回路３３ｃからなるインバータ回路３３によって、励磁コイル１１に供給される。スイッチング回路３３ｃは例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のようなスイッチング素子およびこのスイッチング素子を取り付けたヒートシンク等により構成され、例えば励磁コイルへの通電開始と同期して駆動されるファンＣＦにより冷却される。ファンＣＦは、高周波電流が励磁コイル１１に供給されている間に少なくとも回転するように例えばＩＨ制御回路３８によって制御される。この構成によれば、ファンＣＦが必要最小限で送風し、消費電力を不所望に増大させることなく、ヒートシンクを効率よく冷却可能である。
【００２１】
高周波電流は、入力検出部３６によって検出され、指定された出力値となるよう制御される。尚、指定した出力値は、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）制御によって、スイッチング回路３３ｃのＯＮ時間を、任意のタイミングで可変することで制御できる。この時、駆動周波数は変化する。
【００２２】
加熱ローラ２の温度は温度センサ１３により検知され、加圧ローラ３の温度は温度センサ１４により検知される。これら温度センサ１３および１４はそれぞれ加熱ローラ２および加圧ローラ３の長手方向の概ね中央付近に設けられる。この実施形態では、熱電対が温度センサ１３および１４として用いられるが、例えばサーミスタが用いられてもよい。温度センサ１３および１４からの温度情報はＣＰＵ３９および複写装置５１の主制御部４０に入力される。主制御部４０は省エネルギー優先モードおよび定着率優先モードを有し、これらモードに対応してＣＰＵ３９を制御する。ＣＰＵ３９は温度センサ１３および１４からの温度情報に基づいてＯＮ／ＯＦＦ信号を発生し、これによりＩＨ（誘導加熱）制御回路３８を制御する。主制御部４０はさらにモードに対応してモータ駆動回路４１を制御し、これにより加熱ローラ２を回転させるモータＭを駆動する。
【００２３】
図６は定着率優先モードにおける加熱ローラ２および加圧ローラ３の温度と時間の関係を示し、図７は省エネルギー優先モードにおける加熱ローラ２および加圧ローラ３の温度と時間の関係を示す。
【００２４】
例えば１５００Ｗの商用電源を想定した場合、初期時には、複写機本体のうちの定着装置１以外で消費する電力量を差し引いたすべての電力を励磁コイル１１に投入することができる。尚、本発明の実施形態の場合は、ウォーミングアップ期間の開始直後に１３００Ｗの電力が励磁コイル１１に投入される。モータＭは加熱ローラ２が指定の温度を越えた時点で加熱ローラ２および加圧ローラ３の回転を開始する。従って、この時点からは、１１００Ｗの電力がモータＭの回転により消費される電力やその他のプロセス等で発生する消費電力分を引き算した値として励磁コイル１１に投入される。
【００２５】
誘導加熱方式では、周波数を変化させることにより出力を調整できるため、投入電力量を複数の制御パターンで変化させることにより、効率よく加熱ローラ２を加熱することができる。
【００２６】
尚、投入する電力量を変化させるため、ＩＨ制御回路３８はＣＰＵ３９からのＩＨ制御信号に基づいて、スイッチング回路３３ｃをＯＮする時間を可変して励磁コイル１１に供給する出力値を制御する。このとき、出力が大きいほどスイッチング回路３３ｃがＯＮとなる時間が長くなるので、出力電流の周波数は低くなる。
【００２７】
このように、通紙時（画像形成時）の定着装置１の高周波出力を小さくすることが可能となることから、通紙時の消費電力が削減される。
【００２８】
図８は省エネルギー優先モードおよび定着率優先モードに対応する主制御部４０の制御条件を示す。主制御部４０はコピー期間に続くレディ（待機）期間および予熱期間において省エネルギー優先モードおよび定着率優先モードにそれぞれ対応して異なる制御を行うように構成されている。省エネルギー優先モードの制御条件は、加圧ローラ３のレディ時低速プレラン開始温度が７０°Ｃ、加圧ローラ３のレディ時低速プレラン終了温度が１００°Ｃ、予熱復帰時プレラン動作が無し、ファン停止等の予熱中エネルギー削減が有りに設定されている。これに対して定着率優先モードの制御条件は、加圧ローラ３のレディ時低速プレラン開始温度が１００°Ｃ、レディ時低速プレラン終了温度が１３０°Ｃ、予熱復帰時プレラン動作が有り、ファン停止等の予熱中エネルギー削減が無しに設定されている。これらの制御条件は任意に追加することが可能である。
【００２９】
コピー期間が終了すると、主制御部４０がレディ期間の制御を行う。この制御では、主制御部４０がＣＰＵ３９を制御してＩＨ制御回路３８による励磁コイル１１の駆動を継続する一方で、モータ駆動回路４１を制御してモータＭによる加熱ローラ２の回転を停止させる。その後、主制御部４０は温度センサ１３からの温度情報を監視し、加熱ローラ２の温度を２００°Ｃ付近に維持させる。また、主制御部４０は温度センサ１３からの温度情報を監視し、加圧ローラ３の温度がレディ時低速プレラン開始温度よりも低下したことを検出したときに加熱ローラ２の回転を再開させる。すなわち、これらは、図６に示す定着率優先モードにおいて加圧ローラ３の温度が１００°Ｃよりも低下したときに再開され、図７に示す省エネルギー優先モードにおいて加圧ローラ３の温度が７０°Ｃよりも低下したときに再開される。さらに、主制御部４０は温度センサ１４からの温度情報を監視し、加圧ローラ３の温度がレディ時低速プレラン終了温度よりも上昇したことを検出したときに加熱ローラ２の回転を停止させる。すなわち、これらは図６に示す定着率優先モードにおいて加圧ローラ３の温度が１３０°Ｃよりも上昇したときに停止され、図７に示す省エネルギー優先モードにおいて加圧ローラ３の温度が１００°Ｃよりも上昇したときに停止される。このような制御が繰り返され、加圧ローラ３は加熱ローラ２と共に断続的に回転し、これにより加熱ローラ３の温度低下が防止される。
【００３０】
例えば１５分程度時間が経過しても、コピー動作の再開指示が無い場合、主制御部４０は予熱期間の制御を行う。この制御では、主制御部４０がＣＰＵ３９を制御してＩＨ制御回路３８により励磁コイル１１の駆動電力を低下させと共に、モータ駆動回路４１を制御してモータＭによる加熱ローラ２の回転を停止させる。加熱ローラ２の温度は図６に示す定着率優先モードにおいて１５０°Ｃに制御され、図７に示す省エネルギー優先モードにおいて７０°Ｃに制御される。
【００３１】
本実施形態のデジタル複写装置５１では、定着装置１がコピー可能となるまでの立ち上がり時間を早くするために、加熱ローラ２には効率よく出力を細かく制御できるＩＨ（誘導加熱）方式が用いられ、加圧ローラ３には熱容量が少なく温度の立ち上がりが早くかつ低加圧でニップ幅を広くとれる発泡タイプのゴムが用いられる。このような加熱ローラ２および加圧ローラ３の組み合わせにより、定着装置１の立ち上がりがより早くなり、省エネルギー優先モードおよび定着率優先モードの切換えをスムーズに行なうことが可能となる。
【００３２】
さらに、上述の加熱ローラ２および加圧ローラ３の組み合わせでは、省エネルギー優先モードで通常のコピーを問題なく行える臨界点まで待機中の加圧ローラ３の温度を下げるように制御することにより消費電力を極力抑え、定着率優先モードで逆に加圧ローラ３の温度を十分高く維持するように制御することにより厚紙等の定着しにくい紙でも定着できるようにする。省エネルギー優先モードと定着率優先モードとの切換えは、実質的に待機中の加圧ローラ３の温度制御を変更するだけでも可能である。すなわち、加熱ローラ２の温度は定着率優先モードで通常値以上に上昇させる必要はないため、定着装置１自体あるいは周辺部品の高温による熱劣化も防止できる。また、省エネルギー優先モードと定着率優先モードとの切換えがスムーズであるため、必要なときに必要なだけのエネルギーを使用することが可能となり、コピー速度や定着温度に関する生産性を落とすことなく使い勝手を維持したままエネルギー消費を最小限に押さえることができる。さらに、定着装置１の立ち上がりが早いため、ウォーミングアップ中のエネルギー消費も抑制でき、予熱待機中の温度もかなり低く設定することができる。
【００３３】
複写装置５１が例えば毎分５０〜８０枚の複写能力を持ち、図８に示すような制御条件で定着装置１を動作させた場合、定着率優先モードと省エネルギー優先モードとの間に図９に示すような消費エネルギーの違いが結果として得られる。図１０はこれら消費エネルギ−の違いを視覚的に比較するためのグラフである。これは、省エネルギー優先モードが定着率優先モードに対してどれだけエネルギー消費を抑えることができるかを「エネルギー消費効率」の測定方法にのっとって測定した結果である。すなわち、消費エネルギーは定着率優先モードで３６０．５Ｗｈ／ｈであるのに対して省エネルギー優先モードで２５５．７Ｗｈ／ｈに低下する。
【００３４】
尚、本発明は上述の実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で様々に変形可能である。
【００３５】
上述の実施形態では加圧ローラ３のレディ時プレラン開始温度および終了温度が定着率優先モードおよび省エネルギー優先モードの各々に対して設定された。これは、定着率優先モードおよび省エネルギー優先モード間で異なる加圧ローラ３の温度範囲を設定したことになるが、例えば定着率優先モードおよび省エネルギー優先モード間で互いに異なる特定の温度を加圧ローラ３の基準温度として設定しこれら基準温度と温度センサ１４からの温度情報とを比較した結果としてモータＭをオンオフして加圧ローラ３の温度を各モードに対応する値に制御するように主制御部４０を構成してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、良好な定着率を損なうことなくエネルギー消費効率を改善できる定着装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るデジタル複写装置の構造を概略的に示す図である。
【図２】図１に示す定着装置の長手方向に直角な断面構成を示す断面図である。
【図３】図１に示す定着装置のローラ構造および磁場発生機構の外観を概略的に示す斜視図である。
【図４】図１に示す定着装置の長手方向の断面構成を示す断面図である。
【図５】図１に示す定着装置の定着制御部の構成を示す回路図である。
【図６】図４に示す加熱ローラおよび加圧ローラの温度と時間の関係を定着率優先モードについて示すグラフである。
【図７】図４に示す加熱ローラおよび加圧ローラの温度と時間の関係を省エネルギー優先モードについて示すグラフである。
【図８】図５に示す主制御部の制御条件を省エネルギー優先モードおよび定着率優先モードに対応して示す図である。
【図９】図１に示す定着装置について定着率優先モードと省エネルギー優先モードとの間の消費エネルギ−の違いを数値で示す図である。
【図１０】図９に示す定着率優先モードと省エネルギー優先モードとの間の消費エネルギ−の違いを視覚的に比較するためにグラフである。
【符号の説明】
２…加熱ローラ
３…加圧ローラ
１３，１４…温度センサ
３０…定着制御部
３３…インバータ回路
３８…ＩＨ制御回路
３９…ＣＰＵ
４０…主制御部
４１…モータ駆動回路
Ｍ…モータ

Claims

熱源を持つ加熱ローラと、前記加熱ローラを押圧する加圧ローラと、前記加熱ローラおよび前記加圧ローラ間に供給される被定着材に付与された現像剤を定着させるために前記加熱ローラと一緒に前記加圧ローラを回転させる回転機構と、第１および第２モードのいずれかで前記回転機構および前記熱源を駆動する定着制御部とを備え、前記定着制御部は被定着材が供給されない状態で前記加熱ローラおよび前記加圧ローラを熱する待機時において前記回転機構を断続的に駆動することにより前記第１および第２モード間で前記加圧ローラの温度を異ならせるように構成されることを特徴とする定着装置。
前記定着制御部は前記加圧ローラの温度を検知しこの検知温度を前記第１および第２モードにそれぞれ割り当てられる第１および第２基準温度情報と比較することにより前記回転機構のオンオフを制御する駆動回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
前記加熱ローラおよび前記加圧ローラは誘導加熱方式の熱源および発泡タイプの弾性体表面の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。