JP2007057903A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で、定着効率が良く、定着消費電力を低減するレーザ光による定着装置を提供することを目的とする。
【解決手段】レーザ素子からのレーザ光を直接記録紙上の未定着トナー像に照射して定着を行う定着装置において、レーザスポットを楕円形とし、レーザ光の照射領域が記録紙搬送方向に広がるように配置することを特徴とする。
【選択図】図１６

Description

本発明は、複写機や各種プリンタなどの画像形成装置に組み込まれる定着装置に関し、特に、記録紙上に形成された未定着トナー像に半導体レーザからレーザビームを直接照射し、発生した熱により記録紙上にトナー像を定着する技術に関する。

特開平７−１９１５６０号公報には、図１１に示されように、レーザ素子からのレーザビームを、レンズホルダー１９５に保持された凸レンズ１９６（集光光学系）をとおして記録材２３に照射するレーザ装置を、記録紙の全域にレーザビームを照射できるように複数個配置し、記録材２３上の未定着トナー像のトナーに含まれる樹脂を、レーザビームの照射熱により溶解して定着する方法が開示されている。
特開平７−１９１５６０号公報

従来技術のレーザビームによる定着は、レーザ照射→トナー層表面で吸収→トナー層表面が高温→トナー層内部に熱伝導→トナー層内部まで高温→トナー溶融定着という順であるため、レーザスポットを絞りすぎると、レーザ照射時間が短くなり、トナー層表面だけが溶融し、定着不良が発生する場合があった。特に、フルカラーはトナー層が３層になる場合もあり、顕著であった。それを防止するためには必要以上にレーザ強度を上げ、トナー層表面温度を上昇させ、トナー内部熱伝導を加速しなくてはならず、定着消費電力が増大する。また、従来技術は、レーザビームを絞ったり、広げたりするための光学系が必要になり、光学系におけるレーザビーム吸収損失がある場合があった。それを補うため、やはり、必要以上にレーザ強度を上げなくてはならず、定着消費電力は増大するという問題を有する。

本発明は、前記課題を解決する、構造が簡単で、定着効率が良く、定着消費電力を低減するレーザ光による定着装置を提供することを目的とする。

本第１発明は、前記課題を解決するために、レーザ素子からのレーザ光を直接記録紙上の未定着トナー像に照射して定着を行う定着装置において、レーザスポットを楕円形とし、レーザ光の照射領域が記録紙搬送方向に広がるように配置することを特徴とする。

本第２発明は、本第１発明の定着装置において、前記レーザ素子を複数千鳥状に配置することを特徴とする。

本第３発明は、本第１または本第２発明の定着装置において、前記記録紙上の未定着トナー像がフルカラー画像であることを特徴とする。

本第４発明は、本第１〜第３発明のいずれかの定着装置において、前記レーザ素子を半導体レーザとすることを特徴とする。

本第５発明は、本第１〜第４発明のいずれかの定着装置において、記録紙搬送方向の定着装置上流側に各色トナー画像濃度検出装置を配置し、記録紙上の未定着トナー画像の各色トナー画像濃度を検出し、検出データに基づき前記レーザ素子の出力強度を制御することを特徴とする。

本第６発明は、本第５発明の定着装置において、各色トナー画像濃度検出装置により画像分割された区画毎の検出データを取得し、前記画像分割された画像区画に対応する半導体素子毎にその出力強度を制御することを特徴とする。

本発明のレーザ素子からのレーザ光を直接記録紙上の未定着トナー像に照射して定着を行う定着装置において、レーザスポットを楕円形とし、レーザ光の照射領域が記録紙搬送方向に広がるように配置する構成により、未定着トナーへのレーザ光の照射時間が長くなり、その結果、最下層の未定着トナーまで熱が伝達するので少ない消費電力で定着効率を高めることができる。
レーザ素子を複数千鳥状に配置する構成により、記録紙の全領域にレーザ光を照射できる。
記録紙上の未定着トナー像がフルカラー画像である構成により、最下層までの熱の伝達が可能であるのでより顕著に少ない消費電力で定着効率を高めることができる。
レーザ素子を半導体レーザとする構成により、一般に半導体レーザのレーザスポットは楕円形に広がるので、直接照射の場合に有利である。
記録紙搬送方向の定着装置上流側に各色トナー画像濃度検出装置を配置し、記録紙上の未定着トナー画像の各色トナー画像濃度を検出し、検出データに基づき前記レーザ素子の出力強度を制御する構成により、定着に必要なレーザ強度を正確に制御できる。
トナー濃度検出装置により画像分割された区画毎の検出データを取得し、前記画像分割された画像区画に対応する半導体素子毎にその出力強度を制御する構成により、より正確に定着に必要なレーザ強度を制御できる。

本発明の実施の形態を図により説明する。図１６は、本発明の定着装置を搭載した画像形成装置の概略図である。

図１６に示されるように、本発明の定着装置を搭載した画像形成装置は、画像形成ユニット３０と、中間転写体ユニット３１とが配備されている。画像形成ユニット３０には、感光体ドラム１１（矢印A方向に回転）の周囲に、感光体ドラム１１をほぼ一様に帯電する帯電器１２と、感光体ドラム１１にレーザビームを照射して静電潜像を書き込むレーザビーム走査部１３と、それぞれイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のトナーを収容する現像器１４Ｙ、１４Ｍ、１４Ｃ、１４Ｋとが備えられている。

中間転写体ユニット３１には、駆動ロール１７、アイドラロール１８、１９、２０、１次転写ロール ４２によって張架された中間転写体ベルト１６が備えられており、中間転写体ベルト１６は駆動ロール１７によって駆動され、矢印Ｂ方向に回転するようになっている。

画像形成装置本体１の下部には、記録紙である用紙２３を収容する給紙カセット２１と
、この用紙カセット２１から用紙２３を一枚ずつ取り出して搬送する給送ロール２２と、
用紙２３を中間転写体ベルト１６との対向位置にタイミングを合わせて搬送するレジスト
ロール２８が配置される。

そして、中間転写体ベルト１６と記録紙２３とが対向する転写位置に、２次転写ロール２４が配置されている。

さらに、用紙上に転写されたトナー像を定着する定着装置２６と、定着後の用紙が搬出されるトレイ２７とが配置されている。コンピュータから送られたＲＧＢの画像信号は画像信号処理され、ここでＹＭＣＫ（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）の画像信号に変換されると共に、必要に応じて画像信号処理部１０の内部に設けられたメモリに一時記憶される。

感光体ドラム１１は、帯電器１２によって所定の負電位に一様に帯電された後、レーザ
ビーム走査部１３によって静電潜像の形成が行われる。レーザビーム走査部１３は、
画像信号処理部１０から順次出力されるイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）
、ブラック（Ｂｋ）の各色の画像データに応じたレーザビームを像担持体ドラム１１上
に走査することにより、画像露光を行い、これにより像担持体ドラム１１上に静電潜像が
形成される。

感光体ドラム１１上に形成された静電潜像は、現像器１４Ｙ、１４Ｍ、１４Ｃ、１４Ｋ
で現像され、それぞれイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂｋ
）の各色のトナー像が形成される。各色のトナーは負に帯電しており、像担持体ドラム１
１上のレーザビームが照射された領域に付着する。なお、像担持体ドラム１１が１回転
する毎に１色分のトナー像が形成され、４回転で４色分のトナー像が形成される。

感光体ドラム１１が１回転する毎に形成された１色分のトナー像は、その都度、中間転
写体ベルト１６上に転写され、これを４回繰り返すことにより中間転写体ベルト１６上に
４色分のトナー画像が重ね合わされる。

次に、記録紙２３が用紙カセット２１より搬送され、２次転写部において２次転写ローラ２４により、中間転写体ベルト１６上にフルカラートナー画像が記録紙２３に転写される。最後に高温の定着装置２６を通過し、最終画像を得る。

本発明のレーザ定着装置の定着熱伝導機構を図により説明する。図１は、本発明のレーザビーム照射初期を示す。記録紙２３が矢印ＰＧ方向に搬送され、トナー層がレーザビーム照射領域に達する。レーザビーム１６０が、イエロートナー層１５１に照射され、高温になり、表面が符号１７０に示すように溶融する。表面溶融温度は高くないので空中への放熱量１６１は小さく、トナー層内部へ大部分の熱１６２が伝導する。

図２は、本発明のレーザビーム照射中期を示す。記録紙２３が矢印ＰＧ方向に搬送され、トナー層はレーザビーム照射領域の中盤にさしかかる。レーザビーム１６０が、イエロートナー層１５１に照射され続け、表面は高温状態を保つ。しかし、表面温度は高すぎないので空中への放熱量１６１は小さく、シアントナー層１５２まで熱伝導１７０し、溶融する。

図３は、本発明のレーザビーム照射終期を示す。記録紙２３が矢印ＰＧ方向に搬送され、トナー層はレーザビーム照射領域の終盤にさしかかる。レーザビーム１６０がイエロートナー層１５１に照射され続け、表面は高温状態を保つ。しかし、表面温度は高すぎないので空中への放熱量１６１は小さく、マゼンダトナー層１５３まで熱伝導１７０し、溶融する。

図4は、従来技術のレーザビーム照射を示す。記録紙２３が矢印ＰＧ方向に搬送され、トナー層がレーザビーム照射領域に達する。レーザビーム１６５が、イエロートナー層１５１に照射され、高温になり、表面が符号１７１に示すように溶融する。レーザビーム１６５を絞ってあるため、表面溶融温度は非常に高く、空中への放熱量１６６は大きい。したがって、トナー層内部へ伝導する熱１６７の割合は少なくなる。

図５は、従来技術のレーザビーム照射終了後を示す。レーザビーム１６５を絞ってあるため、記録紙２３が矢印ＰＧ方向に搬送されると、トナー層はレーザビーム照射領域を短時間で通過する。表面溶融温度は高いので、空中への放熱量１６６は大きい。その分、トナー層内部へ伝導する熱１６２の割合は少なくなるため、トナー溶融１７１はマゼンダトナー層１５３の底までは達しないで終了する。したがって、定着不良が発生する場合がある。これを防止するには本発明以上のレーザ強度にする必要がある。

図６は、半導体レーザのレーザスポットを示す。半導体レーザ１８０は、一般にレーザスポットが広がる。その形状は、長径θ垂直１８１、短径θ平行１８２の楕円形(１８３)になる。

図7は、本発明の実施例１のレーザスポット配列を示す。楕円形のレーザスポット１８３を千鳥配置とすることにより、記録紙２３の搬送により全域にレーザが照射され、かつ、トナー層のレーザビーム照射時間を長くとることができる。

図８は、本発明の実施例１の半導体レーザ１８０を千鳥配置にした定着ヘッド２００を示す。半導体レーザ１８０は、パッケージ１８５、照射窓１８６、電極１８７からなる。背面には放熱板１８８が取り付けてある。高出力レーザは、パッケージ１８５が大きいので、千鳥配置にすると記録紙２３の搬送により全域にレーザが照射され、かつ、トナー層のレーザビーム照射時間を長くとるような配置が可能になる。

図９は、本発明の実施例１の記録紙搬送方向上流（下流）から見た横面図である。半導体レーザ１８０が大きく描いてあるのは千鳥配置手前側、小さく描いてあるのは奥側である。レーザビーム１６０が、記録紙２３の横幅全域に照射されるように配置する。

図１０は、本発明の実施例１の定着装置の概略断面図である。符号１９０は、千鳥配置手前側半導体レーザ、符号１９１はその奥、符号１９２は最奥を示す。記録紙２３搬送方向（矢印ＰＧ）にレーザビーム１６０が広がり（ＮＡ）を持つため、トナー層のレーザビーム照射時間を長く取ることができる。

図１１は、従来技術の概略断面図である。レンズホルダー１９５に保持された凸レンズ１９６でレーザビームを絞り、記録紙２３上で集光するようになっている。したがって、トナー層のレーザビーム照射時間は短い。また、集光のために凸レンズが必要であり、レーザビーム１６０損失がある。なお、従来技術の記録紙搬送方向上流（下流）から見た横面図は、図９に光学系（レンズホルダー１９５、保持された凸レンズ１９６）を加えれば同じになる。

本発明の実施例１の定着ヘッドと、従来技術（比較例１）とを対比するための定着ヘッドの仕様は次のとおりである。
半導体レーザ：ソニー製、ＳＬＤ３４４ＹＴを２１個、図８のように３列千鳥配置に配列する。半導体レーザ１８０と記録紙２３との距離は３８(ｍｍ)（図９のＬＧ）。そうすると、レーザスポット１８３の長径θ垂直１８１が１５（ｍｍ）、短径θ平行１８２が６．５（ｍｍ）となる。３００（ｍｍ）幅に半導体レーザ１８０を２１個で、図７のように配置することが出来る。比較例１は、図１１に示すように、凸レンズ１９６を取り付け、記録紙２３搬送方向ＰＧに集光した。

本発明の実施例１と比較例１の定着消費電力を比較するため、実施例１（比較例１）に半導体レーザ１８０群に電力を供給するAC100V電源に電力計を接続し、電力を測定した。

定着不良の判定は次のとおり行った。定着後画像に鉛筆で文字を書く→プラスチック消しゴムで消す→鉛筆文字が消えると共に、下地のトナー画像がとれたかどうか目視判断した。

画像サイズは、Ａ４、通紙速度はＡ４横４０ｐｐｍである。
水準１：マゼンダ１色、トナー層１層、べた画像
水準２：マゼンダの上にシアンの２色、トナー層２層、べた画像
水準３：マゼンダの上にシアン、イエローの３色、トナー層３層、べた画像
をとった。

表1に定着消費電力と定着不良の関係を示す。

表1から、本発明の実施例１により定着消費電力の削減ができた。

図１２は、本発明の実施例２の定着装置の概略断面図を示すものである。定着ヘッド２００の上流に白色光源２１０と光検出装置２２０を設ける。白色光源２１０からの白色光２２１が記録紙２３上のトナー画像に照射され、反射光２２２が光検出装置２２０で検出される。光検出装置２２０は、定着前のトナー濃度を検出する。なお、白色光源２１０、光検出装置２２０の有効長は、記録紙２３の最大幅と略同じである。特に、光検出装置２２０は、光検出素子２２４が、複数記録紙２３幅方向に並んだ構成になっている。

従来技術には、トナーの色を検出し、レーザ強度を制御するものがある。しかし、定着に必要なレーザ強度はトナー量（画像濃度）に応じても変化する。本発明の実施例２の定着装置は、色だけでなくトナー量に応じてもレーザ強度を制御するのでより低消費電力化が図れる。

図１３は、各色トナーの画像濃度（印字デューティ）と定着に必要なレーザ強度の関係の一例を示すものである。図１３からみて、色のみでなく画像濃度も考慮しないと、無駄なレーザ強度を照射してしまう場合があることがよくわかる。

図１４は、ある瞬間に光検出装置２２０で検出したフルカラー光信号分布の模式図である。分布は、記録紙搬送方向矢印ＰＧに垂直であり、光検出素子２２４の並びに対応している。ここで、そのフルカラー光信号分布を区画分け（区画番号２３０）する。個々の区画は、図８で示す個々の半導体レーザ１８０に対応している。なお、（半導体レーザ１８０の個数）＜（光検出素子の個数）とすることにより、１個の半導体レーザ１８０が照射する範囲のトナー画像において、各色トナーの面積占有率まで検出することができ、より正確な定着必要レーザ強度を計算することが出来る（より低消費電力化）。

図１５は、レーザ強度制御方法を示すものである。光検出装置２２０で検出したフルカラー光信号分布は、各色（Mマゼンダ、Cシアン、Yイエロー、黒）の画像濃度データに分解される。それらはさらに、個々の半導体レーザ１８０に対応した個々の区画データに分割される（画像分割）。このとき、高解像度光検出装置２２０であれば、各色トナーの面積占有率データも計算される。個々の区画について、各色トナー画像濃度→ 図１３の関係→面積占有率考慮から、定着必要レーザ強度が計算される。計算結果は区画に対応した半導体レーザ用電源の制御信号として送られる。個々の半導体レーザ１８０は、個々の区画の定着必要レーザ強度に応じたレーザビーム１６０を個々の区画のトナー画像に照射する。

本発明の実施例２の仕様は、実施例1の条件に加え、白色光源２１０としてウシオ電機株式会社製、外部電極希ガス蛍光ランプ、ＵＸＦＬ−０８Ｗ３７Ｍを、光検出装置２２０としてＮＥＣエレクトロニクス株式会社製、一次元ＣＣＤフルカラーセンサ、μＰＤ３７２８ＤＺを用いた。比較例2は実施例1と同一の構成である。
定着画像は、ＪＩＳ Ｘ９２０１、高精細カラーディジタル標準画像のＮＩポートレート、Ｎ２カフェテリア、Ｎ５自転車の３水準をとり、各々、定着した時の消費電力を測定した。結果を表2に示す。

表２から、本発明の実施例２の定着装置により、さらに定着消費電力を低減できた。

本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 従来技術を示す図である。 従来技術を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 従来技術を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。 本発明の実施形態を示す図である。

符号の説明

１０：画像信号処理部、１１：感光体ドラム、１２：帯電器、１３：レーザビーム走査部、１４Ｙ、１４Ｍ、１４Ｃ、１４Ｋ：各色現像器、１６：中間転写ベルト、１７：駆動ロール、１８，１９、２０：アイドラロール、２１：給紙カセット、２２：給紙ロール、２３：記録紙、２４：転写ヘッド、２６：定着器、２７：トレイ、３０：画像形成ユニット、３１：中間転写ユニット、４２：１次転写ロール、１５１：イエロートナー層、１５２：シアントナー層、１５３：マゼンタトナー層、１６０：レーザ光、１６５：レーザ光、１８０：半導体レーザ、１８５：パッケイジ、１８６：照射窓、１８７：電極、１９５：レンズホルダー、１９６：凸レンズ、２００：定着ヘッド、２１０：白色光源、２２０：光検出装置、２２１：白色光、２２２：反射光、２２４：光検出素子

Claims (6)

1. レーザ素子からのレーザ光を直接記録紙上の未定着トナー像に照射して定着を行う定着装置において、レーザスポットを楕円形とし、レーザ光の照射領域が記録紙搬送方向に広がるように配置することを特徴とする定着装置。
2. 前記レーザ素子を複数千鳥状に配置することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記記録紙上の未定着トナー像がフルカラー画像であることを特徴とする請求項１または２に記載の定着装置。
4. 前記レーザ素子を半導体レーザとすることを特徴とする請求項１〜３に記載の定着装置。
5. 記録紙搬送方向の定着装置上流側に各色トナーの画像濃度検出装置を配置し、記録紙上の未定着トナー画像の各色トナー画像濃度を検出し、検出データに基づき前記レーザ素子の出力強度を制御することを特徴とする請求項１〜４に記載の定着装置。
6. 各色トナー画像濃度検出装置により画像分割された区画毎の検出データを取得し、前記画像分割された画像区画に対応する半導体素子毎にその出力強度を制御することを特徴とする請求項５に記載の定着装置。

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