JP2007093917A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 漏洩磁束を電気エネルギーに変換して機械駆動部に再利用することで、画像形成装置のスタンバイ待機時における装置駆動に使用する直流電源の省エネルギー化を行う。
【解決手段】 誘導加熱装置によって加熱されるキュリー点を持つ加熱ローラーを有する画像形成装置において、キュリー点に達した時に生じる漏洩磁束を捕らえる漏洩磁束検出手段を電気エネルギーに変換する手段によって生じるエネルギーを、機械部品に駆動力を与える誘導性負荷を駆動する電力として用いる。
【選択図】 図6

Description

本発明は、磁性材の加熱機構として誘導加熱による加熱機構を有する画像形成装置に関するものである。

従来から画像形成装置においては記録媒体である記録紙ないし転写材などのシート上に転写されたトナー像をシートに定着させる定着装置を代表として、出力画像の安定化の為に作像装置の周囲環境を一定にする加熱装置など様々な加熱装置が設けられている。

このうち例えば定着装置は、例えば、シート上のトナーを熱溶融させる加熱ローラーとも称される定着ローラーと、当該定着ローラーに圧接してシートを挟持する加圧ローラーとを有している。定着ローラーは中空状に形成され、この定着ローラーの中心軸上には、発熱体が保持手段により保持されている。発熱体は、例えば、ハロゲンランプなどの管状発熱ヒータより構成され、所定の電圧が印加されることにより発熱するものである。このハロゲンランプは定着ローラーの中心軸に位置しているため、ハロゲンランプから発せられた熱は定着ローラー内壁に均一に輻射され、定着ローラーの外壁の温度分布は円周方向において均一となる。定着ローラーの外壁は、その温度が定着に適した温度（例えば、１５０〜２００℃）になるまで加熱される。この状態で定着ローラーと加圧ローラーは圧接しながら互いに逆方向へ回転し、トナーが付着したシートを挟持する。定着ローラーと加圧ローラーとの圧接部（以下、ニップ部ともいう）において、シート上のトナーは定着ローラーの熱により溶解し、両ローラーから作用する圧力によりシートに定着される。

しかし、ハロゲンランプなどから構成される発熱体を備えた上記定着装置においては、ハロゲンランプからの輻射熱を利用して定着ローラーを加熱するため、電源を投入した後、定着ローラーの温度が定着に適した所定温度に達するまでの時間（以下、「ウォームアップタイム」という）に、比較的長時間を要していた。その間、使用者は複写機を使用することができず、長時間の待機を強いられるという問題があった。その一方、ウォームアップタイムの短縮を図ってユーザーの操作性を向上すべく多量の電力を定着ローラーに印加したのでは、定着装置における消費電力が増大し、省エネルギー化に反するという問題が生じていた。このため、複写機などの商品の価値を高めるためには、定着装置の省エネルギー化（低消費電力化）と、ユーザーの操作性向上（クイックプリント）との両立を図ることが一層注目され重視されてきている。

かかる要請に応える装置として、加熱源として高周波誘導を利用した誘導加熱方式の定着装置が提案されている。この誘導加熱定着装置は、金属導体からなる中空の定着ローラーの内部にコイルが同心状に配置されており、このコイルに高周波電流を流して生じた高周波磁界により定着ローラーに誘導渦電流を発生させ、定着ローラー自体の表皮抵抗によって定着ローラーそのものをジュール発熱させるようになっている。この誘導加熱方式の定着装置によれば、電気−熱変換効率がきわめて向上するため、ウォームアップタイムの短縮化が可能となる。（例えば、特許文献１）
特開昭５９−３３７８７号公報

例えば、誘導加熱方式の定着装置は図4に示すような定着ローラーと加熱源であるコイルの構成となっている。図4において定着ローラー32の内部に磁性コア61〜63がT字状に配置されており、コイル64が磁性コアを取り巻くように巻かれている。よって、加熱部分は定着ローラー32の片面(図3の右半分)のみとなり、画像形成装置がスタンバイ状態中の定着ローラー32を停止した状態で温調動作を行うと、定着ローラー32の温度分布にばらつきが生じ、コピー動作やプリント動作を開始すると、記録用紙に転写されたトナーの定着性にばらつきが生じてしまう。

これを防ぐために、加熱時にはローラー軸に連結されたDCモータやパルスモータを駆動することでローラーを回転駆動させ、温度分布がローラーの周方向で均一になるように制御することが一般的である。

画像形成装置においては、コピー時に記録用紙を搬送すると未定着トナーに接するローラーはローラー面に記録用紙に定着しなかったトナーが付着するなどして汚れてしまう。このローラー汚れを取り除くためにウエブやブレード等の清掃部材をローラー面に接着させ、ローラーの回転力を利用して汚れを拭き取っている。

しかし、ローラーと清掃部材間の摩擦によってウエブが磨耗したり、ブレードが削れたりする場合があるため、ローラー回転中はスタンバイ中にウエブのローラーを駆動してウエブシートを移動したり、ブレードをローラーから離間するなどの磨耗対策が必要である。清掃部材を駆動する駆動源として、例えばソレノイドによってウエブを駆動したり、ブレードをローラーから離間したりすることが可能である。

しかしながら、スタンバイ中に駆動源の駆動を行うためには、駆動電圧を供給する直流電源を立ち上げなくてはならない。画像形成装置の消費エネルギーを減少させるためには、スタンバイ状態での待機電力を減じる必要がある。

上記の課題を解決するため、本発明は下記の構成を持つ画像形成装置である。

(1) 励磁コイルによって磁場を発生する磁場発生手段によって導電性の磁性材で構成される加熱部材を誘導加熱する機構を有する画像形成装置において、機械部品に駆動力を供給する少なくともひとつの誘導性負荷と、該加熱部材を挟んで該磁場発生手段に対向して配置され、該加熱部材の温度がキュリー点に達したときに発生する該加熱部材からの漏洩磁束を検出する磁束検出手段と、該磁束検出手段により検出された漏洩磁束を電気エネルギーに変換するエネルギー変換回路と、該エネルギー変換回路によって得られた電気エネルギーを該誘導性負荷へ供給する電力供給手段とを有することを特徴とする。

(2) 該磁束検出手段はピックアップコイルであることを特徴とする。

(3) 該電力供給手段は、該誘導性負荷に供給する電力の供給源を該エネルギー変換回路と画像形成装置内の直流電源とを切り替える電源スイッチング手段を有することを特徴とする。

(4) 該エネルギー変換回路はコンデンサを有し、所定時間で動作するタイミング発生手段と、該所定時間は、該コンデンサに電荷が蓄積される時間に基づいて設定されることを特徴とする。

(5) 該コンデンサに蓄積された電荷量を検出する電荷量検出手段を有し、
該電源スイッチング手段を切り替える判断は、該電荷量検出手段によって決められることを特徴とする。

(6)該加熱部材は用紙に転写したトナーを定着する定着ローラーであり、該誘導性負荷は該加熱部材に接着したウエブを駆動するソレノイドであることを特徴とする。

本発明は、加熱材が磁性材の持つキュリー温度に達すると、加熱材の透磁率が急激に低下することで磁束が外部に漏洩する。この磁束をピックアップ手段で用いて誘導して起電力を生成することが可能である。又、漏洩磁束を電気エネルギーに変換して機械駆動部に再利用することで、画像形成装置のスタンバイ待機時における装置駆動に使用する直流電源の省エネルギー化を行うことが可能である。更に、直流電源とエネルギー変換回路の切り替えが可能になることで、コピー時など頻繁に駆動する制御が必要な場合にも対応可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

[第1実施形態]
一般的な画像形成装置の簡単な構成を図1に示す。記録用紙に原稿画像を出力する本体画像出力部10と、原稿画像のデータを読み取る本体画像入力部11、また、本体画像入力部11の上部に自動原稿送り装置12を備えている。表示部14によってユーザーがコピーモードを設定するなどのオペレーションが可能である。さらに、装置の各種設定値や現在のジョブ状況、エラーやジャム時の処理指示内容を表示させることができる。

本体画像出力部10には、記録用紙が格納される、給紙段34,35,36,37が設けられており、各々、記録用紙の用紙サイズによってユーザーが自由に記録用紙を振り分けられる。また、本体画像出力部10の外部に大容量のペーパーデッキ15が接続可能である。記録用紙は図示しないモータによって駆動される給紙搬送ローラー38,39,40,41,42によって画像形成部へ搬送される。

本体画像入力部11では、図示しない入力部上面の原稿台に置かれた原稿に図1の左右方向に走査する光源21から光を照射される。光は原稿によって反射され、光学像がミラー22,23,24及びレンズ25を通してCCD26に結像される。CCD26では結像された画像が電気信号に変換され、デジタルの画像データとなる。画像データは、ユーザーの要求に応じて拡大縮小等の画像変換が行われ画像メモリ(図外)に格納される。

画像の出力時には、本体画像出力部10において該画像メモリに格納された画像データを呼び出し、デジタル信号からアナログ信号に再変換し、光学照射部27よりレーザービームの光信号として、スキャナ28,レンズ29及びミラー30を介して感光ドラム31上に照射され、感光ドラム31上を走査する。

この感光ドラム31から定着ローラー32付近の拡大図を図2に示して詳細に説明する。感光ドラム31は表面に有機光導電体からなる光導電層を有し、コピージョブ中は一定の速度で矢印Aの方向に回転駆動されている。現像および転写の方法について説明すると、まず露光装置50によって感光ドラム31上に残っている電荷を除去した後、一次帯電器51によって感光ドラム31上に一様に電荷が付与される。このときの電荷の極性はトナーの帯電性質によって決まり、感光ドラム31の材質もトナーと逆極性になるような材質を選択しなければならない。レーザースキャナユニット50から、画像入力装置11によって原稿をスキャンして得られたデジタル画像データに従い変調されたレーザービームが出力され、感光ドラム31上の光導電層の電荷を除去するように静電潜像が打ち出される。その後現像器33から感光ドラム31上の静電潜像にトナーを付着させ、静電潜像を可視画像にする。一方、記録用紙58は給紙部34,35,36,37から紙搬送路を通って運ばれ、可視画像に合わせて感光ドラム31の下側を通過する。転写帯電器55は記録用紙58が通過するタイミングで放電開始して記録用紙58を帯電させ、感光ドラム31上の可視画像を記録用紙58に写しとる。その後、感光ドラム31と記録用紙58との分離性を上げる為に、分離帯電器54によって記録用紙58を帯電させる。感光ドラム31と分離された記録用紙58は、搬送ベルト59によって搬送され、定着ローラー32と加圧ローラー43の間に導入される。未定着のトナー画像は溶着され、排紙センサ56を通って出力装置10外に排出される。一方、転写されずに感光ドラム31上に残ったトナーは、クリーニングローラーやブレードで形成されるドラムクリーナー53によって掻き取られ、感光ドラム上の電荷は前露光装置52によって一様に零にされ、次のコピーに備える。また、定着ローラー32では画像の濃度によって完全に記録用紙58に定着させることができない場合がある。このとき、記録用紙58に定着できなかったトナーは定着ローラー32の表面に付着する。付着したトナー次の記録用紙が通過する際に記録用紙に移り、画像を汚してしまうことがあるため、付着トナーを拭き取るウエブ60が定着ローラー32に接着して配置される。ウエブ60は付着トナーによって汚れる為、間欠的にウエブローラー70を図2には図示しない駆動源によって回転駆動させてウエブを巻き取る。

図3-1,図3-2にウエブの巻き取り機構を説明する。図3-1,図3-2に示すウエブローラー70は図2に示すウエブローラーのうち片方のローラーであり、ウエブ60を巻き取る方向に回転する。ソレノイド71の軸はソレノイドに通電されるとソレノイド側の中に納まり、通電が切られると図3-2に示すように軸が図示しないバネ等の力によって飛び出て、突き当て部材72に衝突する。突き当て部材72はガイドローラー73に固定されており、ソレノイド軸に突き当て部材72が押されることによってガイドローラー73が回転する。ガイドローラー73とウエブローラー70はギアによって、連結されている為ウエブローラー70もガイドローラーとは逆回転で回転する。この力によって、ウエブローラー軸に巻かれたウエブ60が巻き取られる。一方、ソレノイド71に通電されると図3-1に示すようにソレノイド軸はソレノイド内に引かれるため、突き当て部材72が図示しないバネ等の力で戻る。ガイドローラー73とウエブローラー70間のギアは一方向にしか回ることができないワンウェイ構成がとられており、突き当て部材72が戻ることによって、ウエブローラー70が戻らないように構成されている。ソレノイドのON/OFF一回あたりのウエブ60の巻き取り長さは常に一定であり、間欠的にON/OFFを繰り返すことで所望の巻き取り量を実現することができる。

図4に電磁誘導加熱方式を用いた定着ローラー32の断面図を示す。

本発明の定着ローラー32の加熱手段は電磁誘導加熱方式である。定着ローラー32内には磁性コア61〜63と励磁コイル64が内蔵されたホルダー66が入っている。ホルダー66内にはT字型に磁性コア61〜63が配置されている。磁性コア61〜63は高磁率の部材であり、損失の少ない材料で選別することが好ましい。励磁コイル64は図5に示したように定着ローラー32の長手方向に巻かれており、ホルダー66の内壁と磁性コア61,62によって保持されている。図6に示すように定着ローラー32の外側にはピックアップコイル80が配置されている。ピックアップコイル80は定着ローラー32の励磁コイル64から発する磁束を効率よく捕らえられる向きに配置されている。

図6に電磁誘導加熱装置の制御回路のブロック図を示す。
電磁誘導加熱装置の制御回路は、AC入力を整流する整流回路101と励磁コイル64への通電をドライブするドライブ回路102と、ドライブ回路102へドライブ信号を与える共振出力制御回路103と、共振出力制御回路103へ投入電力値や回路のオン・オフ信号を与えるCPU104がある。共振制御回路103はドライブ回路102によって通電された電圧波形の位相を検出して共振周波数を制御している。

一方、ピックアップコイル80から出力された電流はピックアップ電流整流回路105を介して正弦波信号を整流し、コンデンサC1へ電荷が蓄積される。ソレノイド（ＳＬ1）71は本体制御回路104から出力される電源スイッチング回路106を直流電源108側にするかコンデンサ側にするか切り替える電源切り替え信号と、ソレノイド駆動回路107を駆動するソレノイドON信号によって駆動される。

ピックアップコイル80は定着ローラー32が電磁誘導加熱によってキュリー点に達した時に漏洩磁束を誘導するものである。キュリー点とは、強磁性体等の磁性体が常磁性へ転移する温度である。強磁性体の透磁率は、加熱中でどんどん低下してゆくがキュリー点に達した場合には急激に低下する。その為、磁束は定着ローラー32をすり抜けてローラー外部へ漏洩する。漏洩磁束によってピックアップコイル80に誘導電流が流れる。電流が流れ始めたことを検知することで、定着ローラー32がキュリー点に達したことが検知できる。図7は横軸が定着ローラー32の温度であり、縦軸がピックアップコイル80に流れる電流値Icである。キュリー点Tc(例えば200℃)以下ではピックアップコイル80に流れる電流Icはほぼ零であるが、キュリー点Tcに達するとピックアップコイル80に流れる電流値Icは急激に増加し、ほぼ一定の値で飽和する。このときの電流値をIdtcとする。定着ローラー32がキュリー点Tcに達した後は励磁コイル64への通電を持続しても定着ローラー32の温度上昇は殆どない。ピックアップコイル80は漏洩した磁束を捕らえて電流に変換を行うので、漏洩磁束が一定であれば、ピックアップコイル80から出力される電流は一定値となる。

電源スイッチング回路106について説明する。スイッチは通常は直流電源108側に設定する。コピー中はトナーによる定着ローラー32の汚れを防ぐ為、ウエブを比較的早い周期で定期的に動作させなければいけないため、電源スイッチング回路106を直流電源108側にしておく必要がある。

装置がスタンバイ時は電源スイッチング回路106をピックアップ電流整流回路105側に切り替える。この切り替えるタイミングは、コンデンサC1に充電時間に依り、本体制御回路104内のタイマ等のタイミング発生手段によって予め決められたコンデンサC1に充電が終わるタイミングでソレノイド駆動回路107によってトランジスタ等をONすることによってソレノイドを駆動する。この際にはコンデンサに蓄えられた電荷がソレノイドに瞬間的に流れ、メカ部材を駆動できる。

このときの本体制御回路104の制御を図8のフローチャートを用いて説明する。装置のメインスイッチ等をユーザーが作動させ、本体を起動直後に本体に故障が発見されなかった場合は励磁コイル64に通電することで定着ローラー32を加熱する。定着ローラー32の目標温度をキュリー点Tcになるように定着ローラー32の材質を選択すると、ピックアップコイル80はキュリー点Tcで急激に電流が流れる。この電流を本体制御回路104部で検知することで、定着ローラー温度が目標温度に達したことが判断され装置がスタンバイ状態となる(S1001)。その後、ユーザーが表示部14内のコピーボタン等の操作によってコピー動作がなされたり、ネットワークを経由してPCからプリントアウト動作がなされる。コピーもしくはプリント動作中か否かを本体制御部で判断し(S1002)、コピー中もしくはプリント動作中では電源スイッチング回路106を直流電源108側にする(S1008)。直流電源108は後述するようにスタンバイ中はOFFされているので、ONするように制御する(S1009)。本体制御回路104内に内蔵されたタイマの設定値に所定の値(設定値2)を設定することで、ソレノイドSL1を定期的に駆動する(S1010〜S1011)。ただし、ここではタイマを用いて制御しているが、記録紙の通紙タイミングで駆動を行うなどで、必ずしもタイマを用いなくてもよい。ソレノイドの1回あたりの駆動時間は本体制御回路104で設定されるソレノイド駆動信号のON時間によって決まり、予め決められた所定の時間だけ駆動を行い、その後OFFとすると同時にタイマをリセットする(S1012)。コピーもしくはプリント動作が1JOB分終了したか判断し(S1013)、終了していない場合は再びタイマを起動させる。コピー動作が終了すると、スタンバイ状態に戻り再びコピー動作中か否かを判断する(S1011)。
一方、S1002においてコピー中ではない場合は、電源スイッチング回路106を整流回路105側に切り替える(S1003)。さらに直流電源108は使用されない為、電源をOFFされても構わない(S1004)。次にコピー中と同じくタイマにコピー中とは異なる設定値1を設定し、タイマを起動させる。この時、設定値1は検討によって得られるコンデンサC1に電荷が充電される十分な時間であることが求められる。本体制御部104ではタイマが設定値1になるとソレノイドSL1を駆動させ(S1005〜S1006)、所定の時間だけソレノイド駆動信号を出力し、その後ソレノイドの駆動を遮断する(S1007)。コピーもしくはプリント動作が開始されるまではS1003〜S1007を繰り返す。

以上は、ソレノイドを負荷として書いているが、機械的は駆動機構を駆動する電気部品であればよい。
このように、スタンバイ時はソレノイド等の駆動電源をキュリー点ローラーの漏洩磁束を電気エネルギーに変換した電源を用いることで、負荷を駆動する直流電源をOFFすることができ、装置の省エネに繋がる。

[第2実施形態]
実施例1の画像形成装置において、コンデンサC1に蓄積されている電荷量を検知する機構を付加することで、ソレノイドを駆動するタイミングをより正確に制御可能になる。
この時のコンデンサC1に蓄積されている電荷量を検知する機構を含めたブロック図を図9に示す。整流回路105内のコンデンサC1に流れる電流を検知する電流検知手段109を設ける。この電流検知手段109は例えば図9に示すようなコイルでもよく、抵抗を介して電流と電圧を変換する機構でもよい。いずれにしても、コンデンサに流れ込む電流量と流れ込む時間を検知できる機構が望ましい。

電流検知手段109の出力は本体制御回路104に入力され、コンデンサに流れ込む電流の積分値を監視する。定着ローラー32から漏洩磁束が発生すると、ピックアップコイル80の検知電流は図7のように急激に変化する。本体制御部104では、この電流量と流れる時間を監視する。電流の積算値を電圧に換算した値は図10ようになり、積算値Vtまで達したら本体制御回路104はソレノイド駆動信号を出力してソレノイドSL1を駆動する。ソレノイドSL1を駆動することでコンデンサC1に蓄積された電荷は放出される為、本体制御回路104は積算値をリセットし、再び電流積算を行う。

このときの本体制御回路104の制御を図11フローチャートを用いて説明する。S2002でコピーもしくはプリント開始であった場合の制御(S2008〜S2012)は実施例1のS1008〜S1012と同等である。

一方、コピーもしくはプリント中ではない場合は、電源スイッチング回路106を整流回路105側に切り替える(S2003)。さらに直流電源108は使用されない為、電源をOFFされても構わない(S2004)。次に電流検出手段109によって検出された電流の積分値を電圧変換した値が目標値の電圧Vtに達したか否かを判断して(S2005)、Vtに達していればソレノイドSL1を駆動する(S2006)。所定の時間だけソレノイド駆動信号を出力し、その後ソレノイドの駆動を遮断する(S2007)。コピーもしくはプリント動作が開始されるまではS2003〜S2007を繰り返す。

このように、スタンバイ時はソレノイド等の駆動電源をキュリー点ローラーの漏洩磁束を電気エネルギーに変換した電源を用いることで、負荷を駆動する直流電源をOFFすることができ、装置の省エネに繋がると同時に漏洩磁束による蓄積電荷を監視することで、ソレノイドを駆動するタイミングを制御できる。

一般的な画像形成装置の全体概略図である。 一般的な画像形成装置の転写部から定着部付近の拡大図である。 本発明中の画像形成装置におけるソレノイドに通電されたウエブの機械駆動を示す図である。 本発明中の画像形成装置におけるソレノイドの通電が切られたウエブの機械駆動を示す図である。 本発明で用いられる電磁誘導加熱装置を含む定着ローラーの拡大断面図である。 本発明で用いられる定着ローラーの長手方向の内部透視図である。 本発明の実施例1における電磁誘導加熱装置の制御回路ブロック図である。 本発明の実施例1における磁気コイルの出力特性図である。 本発明の実施例1における制御シーケンスを示したフローチャートである。 本発明の実施例2における電磁誘導加熱装置の制御回路ブロック図である。 本発明の実施例2における電流検知手段から得られた電流を電圧に変換して積算した時間的変化を示すグラフである。 本発明の実施例2における制御シーケンスを示したフローチャートである。

符号の説明

60・・・・ウエブ
61〜63・・・・磁性コア
64・・・・励磁コイル
65・・・・磁気コイル
70・・・・ウエブローラー
71・・・・ソレノイド
80・・・・ピックアップコイル
105・・・電流整流回路
106・・・電源スイッチング回路
107・・・ソレノイド駆動回路

Claims (6)

1. 励磁コイルによって磁場を発生する磁場発生手段によって導電性の磁性材で構成される加熱部材を誘導加熱する機構を有する画像形成装置において、
   機械部品に駆動力を供給する少なくともひとつの誘導性負荷と、
   該加熱部材を挟んで該磁場発生手段に対向して配置され、該加熱部材の温度がキュリー点に達したときに発生する該加熱部材からの漏洩磁束を検出する磁束検出手段と、
   該磁束検出手段により検出された漏洩磁束を電気エネルギーに変換するエネルギー変換回路と、
   該エネルギー変換回路によって得られた電気エネルギーを該誘導性負荷へ供給する電力供給手段とを有することを特徴とする画像形成装置。
2. 該磁束検出手段はピックアップコイルであることを特徴とする請求項1に記載の画像形成装置。
3. 該電力供給手段は、該誘導性負荷に供給する電力の供給源を該エネルギー変換回路と画像形成装置内の直流電源とをを切り替える電源スイッチング手段を有することを特徴とする請求項1に記載の画像形成装置。
4. 該エネルギー変換回路はコンデンサを有し、
   所定時間で動作するタイミング発生手段と、
   該所定時間は、該コンデンサに電荷が蓄積される時間に基づいて設定されることを特徴とする請求項3に記載の画像形成装置。
5. 該コンデンサに蓄積された電荷量を検出する電荷量検出手段を有し、
   該電源スイッチング手段を切り替える判断は、該電荷量検出手段によって決められることを特徴とする請求項3に記載の画像形成装置。
6. 該加熱部材は用紙に転写したトナーを定着する定着ローラーであり、該誘導性負荷は該加熱部材に接着したウエブを駆動するソレノイドであることを特徴とする請求項1に記載の画像形成装置。

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