JP2005148767A - 定着装置とこれに用いるニップ幅、記録材の厚み検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱部材の表面温度の変化など各種定着条件の変化に対応できるようにする。
【解決手段】 未定着な画像１を加熱するための加熱部材３と、この加熱部材３との間で記録材２を挟持搬送するニップ４を形成するために、前記加熱部材３に圧接して設けられる加圧部材５とを備えた定着装置において、前記挟持搬送を駆動するモータ５１の駆動電流をモニタし、モニタしている駆動電流の記録材２がニップ４を通過するときの変化から記録材２の厚みまたはニップ幅Ｂを判定し検出するようにして、上記の目的を達成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、未定着画像を保持した記録材をニップを通しながら加熱により定着処理する定着装置とこれに用いるニップ幅、記録材の厚み検出方法に関するものである。

例えば、電子写真方式を採用する画像形成装置では、像担持体としての感光体上の潜像をトナー現像して顕像化し、顕像化したトナー画像を直接または中間転写体を介して記録材上に静電転写し、この静電転写を受けて未定着なトナー画像を保持した記録材を加熱部材とこれに圧接させた加圧部材とが形成するニップ部に送り込んで両部材間で挟持搬送しながら、前記未定着なトナー画像を加熱および加圧して定着処理し画像を最終し上げしている。

ところで、記録材を挟持搬送する速度が一定としたときのニップの幅は、前記定着処理のための加熱、加圧時間に比例し、主としてトナーの種類やモノクロ画像かカラー画像かの違いに応じて設定されている。カラー画像は３色または４色のトナー画像を溶融させて合成し、かつモノクロ画像よりも高い光沢を得るために、モノクロ画像の場合よりも大きなニップ幅に設定される。

必要なニップの幅は加熱部材および加圧部材の少なくとも一方の表面をゴム系の弾性体で形成して、双方が圧接する部分での弾性変形によって得ている。このため、カラー画像を定着する場合の弾性体層はモノクロ画像を定着する場合のそれよりソフトなものに設定されることが多い。

一方、記録材の厚みが異なると前記ニップの幅は設定値から外れ、定着特性が変化する。また、記録材の材質の違いによっても定着特性は異なる。また、モノクロ画像用のトナーどうし、あるいはカラー画像用のトナーどうしでもその種類によっては定着特性が異なる。

加熱部材の温度調節によってこれらの違いに対応するのでは、熱制御の応答性が悪く実用できない。そこで、従来、予め設定した複数の装置使用モードに応じて加熱部材および加圧部材の圧接力を複数段階に切り替えられるようにした定着器が提供されている。

しかし、近時ではさらなる高画質化が望まれるなか、記録材の種類やトナーの種類、望まれる画質などが多様化していて、上記従来の定着器では対応できなくなってきている。特に、加熱部材の定着処理による熱消費に基づく表面温度の変化、雰囲気温度の変化による定着温度の変化、記録材自体の定着処理直前の温度の変化など、連続な、あるいは微細な変化にも対応してさらなる高画質化を図るのは困難である。しかも、上記従来の定着器で環境条件などに応じて定着条件を切り替えるのに、それが定着処理の途中で行われると、切り替えが段階的なため画質に影響しかねない。

本発明の目的は、加熱部材の表面温度の変化など各種定着条件の変化に対応できる定着装置と、これに用いるニップ幅、記録材の厚み検出方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明の定着装置は、未定着な画像を保持した記録材にその画像を加熱定着させる定着装置において、前記未定着な画像を加熱するための加熱部材と、この加熱部材との間で記録材を挟持搬送するニップを形成するために、前記加熱部材に圧接して設けられる加圧部材と、前記挟持搬送を駆動するモータと、前記モータの駆動電流をモニタするモニタ手段と、前記モニタしている駆動電流の記録材がニップを通過するときの変化から記録材の厚みを判定する判定手段と、を備えたことを１つの特徴としている。

このような構成では、加熱部材および加圧部材間の記録材を挟持搬送しながら加熱、加圧して定着処理するのに、定着条件である記録材の厚みが異なるとニップ幅が基準値から外れ、定着特性が変化するが、前記挟持搬送を駆動するモータの駆動電流をモニタ手段によりモニタし、このモニタしている駆動電流の記録材が通過しているときの変化から判定手段が記録材の厚みを判定する。

本発明の定着装置は、また、未定着な画像を保持した記録材にその画像を加熱定着させる定着装置において、前記未定着な画像を加熱するための加熱部材と、
この加熱部材との間で前記記録材を挟持搬送するニップを形成するために、前記加熱部材に圧接して設けられる加圧部材と、前記挟持搬送を駆動するモータと、前記モータの駆動電流をモニタするモニタ手段と、前記モニタしている駆動電流の記録材がニップを通過するときの変化からニップ幅を判定する判定手段と、を備えたことを別の特徴としている。

このような構成では、加熱部材および加圧部材間の記録材を挟持搬送しながら加熱、加圧して定着処理するのに、定着条件であるニップ幅が変化すると定着特性が変化するが、前記挟持搬送を駆動するモータの駆動電流をモニタ手段によりモニタし、このモニタしている駆動電流の記録材が通過しているときの変化から判定手段がニップ幅を判定する。

このように、前記挟持搬送を駆動するモータの駆動電流をモニタし、モニタしている駆動電流の記録材がニップを通過するときの変化から、記録材の厚みやニップ幅を判定し検出することができるが、前記駆動電流から振動的な変化を除去した電流変化から記録材の厚みやニップ幅を判定し検出するのが好適である。

特に、記録材の厚みは、モニタした電流変化の大きさから記録材の厚みを判定し検出することができる。

本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面によって明らかになる。本発明の各特徴は、それ単独で、あるいは可能な限り種々な組み合わせで複合して用いることができる。

本発明の定着装置によれば、定着条件である記録材の厚みが異なるとニップ幅が基準値から外れ、定着特性が変化するし、ニップ幅が変動しても定着性が変化するが、記録材の厚みの違いやニップ幅の変化を、記録材を挟持搬送するモータの駆動電流の記録材が通過しているときの変化から判定するので、前記厚みの違いやニップ幅の変化に対応できる。

以下本発明の実施の形態についてその実施例とともに図１〜図８を参照しながら詳細に説明し、本発明の理解に供する。

本実施の形態は、主として樹脂製の粉体トナーを用いて感光体上の静電潜像を現像して顕像化し、顕像化したトナー画像を記録材上に静電転写し、転写された記録材上の未定着なトナー画像を加熱、加圧して定着処理する場合の一例である。しかし、本発明はこれに限られることはなく、粉体や液体などの各種のトナーを用いて記録材上に未定着な画像として間接にまたは直接にモノクロ画像や合成画像、カラー画像などが形成される各種の場合に適用して有効である。

本実施の形態は図１に示すように、未定着な画像１を保持した記録材２にその画像１を加熱定着させるのに、前記未定着な画像１を加熱するための加熱部材３と、この加熱部材３との間で前記記録材２を挟持搬送するニップ４を形成するために、前記加熱部材３に圧接して設けられる加圧部材５とを備え、上記の目的を達成するため特に、前記ニップ４の記録材２の搬送方向における幅Ｂを無段階に変更するニップ幅変更手段６を設けてある。

加熱部材３と加圧部材５とは一方を他方に圧接させれば足り、場合によっては双方を可動にして圧接させてもよい。加熱部材３および加圧部材５の双方が単なる回転ローラで、少なくとも一方の表面をニップ４の必要幅Ｂを得るための弾性材料で形成されればよい。本実施の形態では、加熱部材３は定着のための加熱に定着ベルト７を用いている。加圧部材５には加圧ローラ１１単体を用いている。定着ベルト７は加熱ローラ８と記録材２の未定着な画面２ａの側に位置する上ローラ９とで張設して加熱ローラ８により内側から加熱する。上ローラ９は定着ベルト７を内側からバックアップして加圧ローラ１１との圧接に供し相互間にニップ４を形成し、そこに供給される記録材２を前記ニップ４で加圧し挟持搬送しながら加熱されている定着ベルト７によって加熱して定着処理をする。図に示す実施例では加圧ローラ１１の側をモータ５１で駆動してこれに定着ベルト７および上ローラ９を従動させることにより、定着ベルト７などに無理が生じないようにしている。

図１、図２に示す実施例では定着ベルト７はニッケル材料を電鋳法によりベルト形態に形成したもので４０μｍ程度の厚みのものの表面に２００〜３００μｍ程度のシリコンゴムをコーティングしたものとしてある。定着ベルト７は各部の熱容量が小さいので加熱ローラ８によって加熱される熱量はほぼ一定しているし、定着処理によって大半が消費される。従って、定着処理時の温度は加熱ローラ８によって定着ベルト７を加熱するときの温度によって精度よく制御できる。そこで、加熱ローラ８にハロゲンランプなどの加熱源１２を収容して加熱ローラ８を加熱し、そのときの加熱ローラ８の表面温度をサーミスタ１３によりモニタすることで、加熱ローラ８の表面温度を制御するようにしている。

加熱ローラ８はアルミニウムの筒状基材の表面にＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）またはＰＦＡ（パーフロロアルコキシとＰＴＦＡの共重合体）をコーティングしたものとしてある。上ローラ９は金属基材の表面にスポンジゴム層を設けたソフトローラとしてあり、加圧ローラ１１との間の弾性変形によって前記必要な幅Ｂのニップ４を形成するのに寄与する。これに対応して加圧ローラ１１は金属基材の表面にテフロン樹脂層を持つハードローラや、金属基材の表面に弾性層を複数層コーティングしたソフトローラである。加圧ローラ１１がソフトローラの場合、加圧ローラ１１の表面もまた弾性層であるのでソフトローラである上ローラ９にバックアップされ、かつ表面が弾性層である定着ベルトと協働して記録材２を滑りなく安定して挟持搬送することができる。

加圧ローラ１１にも加熱源１４を内蔵して定着のための加熱に寄与するようにしてあり、その表面温度がサーミスタ１５によりモニタされ制御される。定着ベルト７には、カラー画像定着のための光沢度制御と粘性の大きなトナーの離型性向上のために、オイル塗布機構１６が設けられている。オイル塗布機構１６は図２に示すように一例としてオイルを含浸した素材の表面を紙などで覆ったオイル塗布ローラ１７と、オイル塗布ローラ１７から供給されるオイルを双方間でならしながら定着ベルト７の表面に移行させて塗布するドナーローラ１８、およびドナーローラ１８の表面を紙などの表面でクリーニングするクリーニングローラ１９で構成されている。

図２に示すように、加熱部材３およびオイル塗布機構１６は画像形成装置本体に固定される定着フレーム２１に装備したのに対し、加圧部材５は定着フレーム２１に定着処理時の加圧のための支点軸２２によりヒンジ連結された加圧レバー２３に装備され、定着フレーム２１と加圧レバー２３との間に働かせた図１に示す圧接ばね２４の付勢によって加圧ローラ１１を上ローラ９に圧接させるようにしてある。なお、上ローラ９は定着フレーム２１上に固定され、サーミスタ１３を保持するセンサホルダ２５を支持ブロック２６上でばね２７によって加熱ローラ８側に押圧してサーミスタ１３を加熱ローラ８の表面に圧接させるようにしてある。大きな厚みの異常な通過物に対して上ローラ９は後方に退避でき破損などしないようにされている。サーミスタ１５はばね板２８により支持して加圧ローラ１１の表面に圧接させられている。記録材２は普通紙や薄紙、葉書、封筒、ＯＨＰ用の樹脂シートなどがある。これらは厚みの違いだけでも定着時の熱消費量が違い定着特性に影響する。

本実施の形態のニップ幅変更手段６は圧接ばね２４のばね力を無段階に調整して前記ニップ４の幅Ｂを無段階に変更できるようにする。このため図１に示すように、定着フレーム２１上に圧接調整レバー３１が軸３２により回動できるように支持され、圧接調整レバー３１の一端に連結したシャフト３３上のばね座３４と加圧レバー２３の受圧部２３ａとの間に働かせ、圧接調整レバー３１の回動位置をその他端のセクタギヤ３５に噛み合う駆動ギヤ３６を介してモータ３７により無段階に変位させて、圧接ばね２４が加圧ローラ１１を上ローラ９に圧接させるばね力を無段階に調整し、圧接ばね２４のばね力により形成される前記ニップ４の幅Ｂを無段階に変更できるようにする。このニップ４の幅Ｂの無段階な変更のためにモータ３７を制御手段３８により制御する。モータ３７はその種類によって駆動ギヤ３６と直結でもよいが無段階調整が容易なように減速機構３９を介して連結すればよい。

図３に示すように、加熱部材３および加圧部材５の基準圧接位置を、圧接調整レバー３１側の信号部３１ａと定着フレーム２１側のフォトインタラプタ４１などのセンサの組合わせにより、圧接調整レバー３１が前記基準圧接位置に対応した回動位置にあるかどうかを検出して判定し、制御手段３８は先ずノーマルな基準圧接状態になるようにモータ３７を駆動し、これを基準に加圧側あるいは離間側にモータ３７を駆動して種々な圧接状態を無段階な変化で得ていく。

加熱部材３および加圧部材５の加圧負荷が大きいのに対応して、定着フレーム２１の左右両側に圧接調整レバー３１を軸３２で支持して設け、それらのセクタギヤ３５に噛み合う一対の駆動ギヤ３６を定着フレーム２１に軸受４２によって軸受した駆動シャフト４３により連結することにより、左右一対の圧接調整レバー３１とそれと加圧レバー２３の左右との間に働かせた左右一対の圧接ばね２４とで、加圧ローラ１１を上ローラ９に対し左右均等に安定して圧接させられるようにしてある。これに対応してモータ３７からの駆動力は図３に示すように、一方の駆動ギヤ３６に減速機構３９などを連結すればよい。

基準圧接位置によるニップ４の基準幅Ｂ０からの幅Ｂの調整は、例えば、モータ３７の駆動の時間とそのときの圧接調整レバー３１の駆動方向と、ニップ４の幅Ｂとの図４に示すような関係から制御できる。駆動方向はモータ３７の正逆方向の駆動の選択により行うのが簡単であるが、駆動方向切り替え機構を用いて行ってもよい。また、モータ３７やこれの駆動による圧接調整レバー３１の回転角度、回動量とニップ４の幅Ｂとの図５に示すような関係によっても制御できる。この方式はモータ３７の駆動時間によっては制御が安定しない場合に有効であり、具体的には、モータ３７や駆動ギヤ３６、圧接調整レバー３１、加圧レバー２３などに連動するパルス円盤などを回転検知手段に利用して実現できる。また、制御手段３８がパルス通電によってモータ３７を駆動制御するステッピングモータなどである場合の、入力パルス数とニップ４の幅Ｂとの図６に示すような関係によっても制御できる。さらに、加圧ローラ１１を駆動する部材の駆動トルクを検知し、この駆動トルクとニップ４の幅Ｂとの図７に示すような関係からも制御できる。

以上のように本実施の形態では、加熱部材３および加圧部材５間の記録材２を挟持搬送しながら加熱、加圧して定着処理するニップ４の幅Ｂが、ニップ幅変更手段６によって、それの変更動作を制御する制御手段３８を通じた加熱部材３と加圧部材５との圧接力の無段階な調整などで無段階に変更されるので、定着条件、例えば、加熱部材３の温度、画像についての所望の光沢度、記録材２の厚み、材質、記録材２の搬送速度、雰囲気温度、前記ニップ４への突入前の記録材２の温度、定着モード、記録材２上の未定着な画像１の白／黒比など画像の状態、などの連続した、あるいは微細な条件変化、あるいは種々な条件設定の違いなどの少なくとも１つから必要に応じ全てに亘って即応したニップ幅Ｂに調整して自在に対応し、設定通りに良好かつ安定な定着処理を達成することができる。しかも、定着処理途中でのニップ幅Ｂの調整もそれが無段階になされるので画質に影響しにくく問題はない。

加熱部材３および加圧部材５の温度は温度センサとしての前記サーミスタ１３、１５によって検知でき、記録材２の厚みは例えばニップ４を通過するときの加熱部材３および加圧部材５による挟持搬送を行うモータの駆動電流の変化から制御手段３８の内部機能などを利用して検知でき、搬送速度は記録材２の所定距離の通過速度や搬送に連動したエンコーダの回転や移動などから制御手段３８の内部機能を利用して検知でき、雰囲気温度や突入前の記録材２の温度は図１に示すサーミスタ５２、５３などの温度センサで検知でき、記録材２上の未定着な画像の情報はデジタル方式の画像形成における各頁ごとに対応した画像信号ＩＭなどから制御手段３８の内部機能などを利用してそれぞれ自動的に検知することができ、このような検知結果の変化に基づいた制御手段３８によるニップ幅Ｂの無段階な変更制御によって各種の定着条件の変化に自動でリアルタイムに対応することができる。また、所望の光沢度、記録材２の厚み、搬送速度、定着モードなどは操作パネル５４などからのユーザーの入力手段による入力によって設定されるもので、これらもそのような設定情報から制御手段３８の内部機能などを利用して自動的に検知し各種設定にリアルタイムに対応することができる。図１にそのような制御を行う制御系を制御手段３８を中心にして示してある。

以上のような定着を行う画像形成では、連続印字、両面印字、モノクロ印字、カラー印字などの様々なプリントモードが設定され、これらも定着モードと併せ定着特性に影響するので、制御手段３８の内部機能などでこれらを検知してニップ４の幅Ｂの制御に反映するのが好適である。

なお、本実施の形態では、予め設定されたニップ幅変更手段６の駆動に関する回転角度や回動量、パルス通電する場合の入力周波数、駆動トルクに対する圧接力ないしはニップ幅Ｂなどにより、ニップ幅Ｂを変更するための駆動を行う場合を示したが、逐次ニップ４の幅Ｂを検知し、この検知結果に基づきデータを補正することにより、定着装置の定着特性の個々のバラツキを格段に小さくすることができ、より一層定着精度が向上する。また、逐次ニップ４の幅Ｂを検知する方法として、具体的には、加圧ローラ１１の駆動部材の駆動トルクあるいは回転数を検知する手段を設け、記録材２のニップ４への突入時、あるいは排出時、あるいはその両方でのトルク、あるいは回転数の変化によりニップ４の幅Ｂを算出する方法がある。

以下、図８を参照して、加熱部材３および加圧部材５が記録材２を挟持搬送しているモータの駆動電流をモニタし、モニタしている駆動電流の記録材２がニップ４を通過するときの変化から、ニップ４の幅Ｂ、あるいは記録材２の厚みや長さを判定する具体的な手法について説明する。

図８の（ａ）は記録材２がニップ４を通過するときの前記モータの駆動電流をモニタしたものであり、これをローパスフィルタ処理や平均化処理により駆動電流の振動的な変化を除去すると、図８の（ｂ）に示すような電流変化となる。もっとも、ローパスフィルタ処理や平均化処理は、記録材２がニップ４を通過しているときとその前後での駆動電流の変化を消去しない極く短い時間単位で処理するのは勿論である。

図８の（ｂ）における駆動電流の変化点○付き符号１から丸付き符号９は、図８の（ｃ）における記録材２が加熱部材３と加圧部材５とのニップ４に対する通過直前の○付き符号１の状態から、ニップ４を抜けた直後の○付き符号９の状態までに対応している。従って、図８の（ｂ）の○付き符号２〜○付き符号４までの電流の変化、○付き符号６〜○付き符号８までの電流変化は、記録材２の先端および後端がニップ４の幅Ｂを通過している間に対応し、その間の電流変化の大きさＩｈが記録材２の厚みに比例しているので、モニタ電流の変化の立上がり、あるいは立下がり時点の電流変化の大きさＩｈから記録材２の厚みを制御手段３８の内部機能などを利用して自動的に判定し検知することができる。また、図８の（ｂ）の○付き符号２〜○付き符号８までは記録材２の先端がニップ４に突入してから後端がニップ４を抜けるまでの間に相当し、その間の経過時間と搬送速度とからニップ４を通過した記録材２の搬送方向のサイズを制御手段３８の内部機能などを利用して自動的に検知することができる。

本発明はトナー画像を定着処理するのに実用して、定着特性が変化する記録材の厚みの違いやニップ幅の変化に対応できる。

本発明の代表的な一実施の形態に係る１つの実施例を示す定着装置の全体構成図である。 図１の装置の内部構造を示す断面図である。 図２のニップ幅変更手段の構成図である。 挟持搬送を駆動するモータの駆動時間とニップ幅の関係を示すグラフである。 挟持搬送を駆動するモータの回転角度や回動量とニップ幅の関係を示すグラフである。 挟持搬送を駆動するモータをパルス通電するときの入力パルスとニップ幅の関係を示すグラフである。 挟持搬送を駆動する駆動手段の駆動トルクとニップ幅の関係を示すグラフである。 挟持搬送を駆動するモータの記録材がニップを通るときの駆動電流の変化からニップ幅や記録材の厚みなどを検出する場合の説明図で、その（ａ）は駆動電流の変化を示すグラフ、その（ｂ）は（ａ）の電流変化をローパスフィルタ処理または平均化処理した場合の電流変化を示すグラフ、その（ｃ）は記録材がニップを通過する直前から通過した直後までの状態を示す状態図である。

符号の説明

１ 未定着な画像
２ 記録材
３ 加熱部材
４ ニップ
５ 加圧部材
６ ニップ幅変更手段
１３、１５、５２、５３ サーミスタ
２１ 定着フレーム
２２ 支点軸
２３ 加圧レバー
２４ 圧接ばね
３７、５１ モータ
３１ 圧接調整レバー
３６ 駆動ギヤ
３８ 制御手段
Ｂ 幅
Ｉｈ 電流変化の大きさ

Claims (10)

1. 未定着な画像を加熱するための加熱部材と、この加熱部材との間で記録材を挟持搬送するニップを形成するために、前記加熱部材に圧接して設けられる加圧部材とを備えた定着装置の記録材の厚み検出方法であって、
   前記挟持搬送を駆動するモータの駆動電流をモニタし、モニタしている駆動電流の記録材がニップを通過するときの変化から記録材の厚みを判定し検出することを特徴とする記録材の厚み検出方法。
2. 前記駆動電流から振動的な変化を除去した電流変化から記録材の厚みを判定し検出することを特徴とする請求項１に記載の記録材の厚み検出方法。
3. モニタした電流変化の大きさから記録材の厚みを判定し検出することを特徴とする請求項１、２のいずれか１項に記載の記録材の厚み検出方法。
4. 未定着な画像を保持した記録材にその画像を加熱定着させる定着装置において、
   前記未定着な画像を加熱するための加熱部材と、
   この加熱部材との間で記録材を挟持搬送するニップを形成するために、前記加熱部材に圧接して設けられる加圧部材と、
   前記挟持搬送を駆動するモータと、
   前記モータの駆動電流をモニタするモニタ手段と、
   前記モニタしている駆動電流の記録材がニップを通過するときの変化から記録材の厚みを判定する判定手段と、
   を備えたことを特徴とする定着装置。
5. 前記駆動電流の振動的な変化を除去する手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の定着装置。
6. 前記判定手段は、モニタした電流変化の大きさから記録材の厚みを判定することを特徴とする請求項４、５のいずれか１項に記載の定着装置。
7. 未定着な画像を加熱するための加熱部材と、この加熱部材との間で記録材を挟持搬送するニップを形成するために、前記加熱部材に圧接して設けられる加圧部材とを備えた定着装置のニップ幅検出方法であって、
   前記挟持搬送を駆動するモータの駆動電流をモニタし、モニタしている駆動電流の記録材がニップを通過するときの変化からニップ幅を判定し検出することを特徴とするニップ幅検出方法。
8. 前記駆動電流から振動的な変化を除去した電流変化からニップ幅を判定し検出することを特徴とする請求項７に記載のニップ幅検出方法。
9. 未定着な画像を保持した記録材にその画像を加熱定着させる定着装置において、
   前記未定着な画像を加熱するための加熱部材と、
   この加熱部材との間で前記記録材を挟持搬送するニップを形成するために、前記加熱部材に圧接して設けられる加圧部材と、
   前記挟持搬送を駆動するモータと、
   前記モータの駆動電流をモニタするモニタ手段と、
   前記モニタしている駆動電流の記録材がニップを通過するときの変化からニップ幅を判定する判定手段と、
   を備えたことを特徴とする定着装置。
10. 前記駆動電流の振動的な変化を除去する手段を備えたことを特徴とする請求項９に記載の定着装置。

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