JP2008058408A - 定着装置、画像形成装置、トナー像定着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源を有する定着装置を用いて、記録材上のトナー像の定着を行うに際し、フリッカ現象を生ずることなく、制御を高精度に行うことを可能とする。
【解決手段】ローラ形状の定着部材である定着ローラ２７の内部に定着熱源３０が収容される。定着熱源は、隣接して配置した複数の熱源３１で構成され、その複数の熱源３１のうちの１つが主熱源３２とされ、他が補助熱源３３とされる。各熱源３１は、それぞれ１つでもよいが、図示のものは複数の発熱体３２ａ、３２ｂ、………または３３ａ、３３ｂ、………で構成されている。これらの発熱体としては、例えばハロゲンヒータが使用される。そして、主熱源３２の総電力量が、補助熱源３３の総電力量よりも相対的に大きい電力量とされ、また主熱源３２の制御周期を補助熱源３３の制御周期より長くしてなる。
【選択図】図２

Description

この発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリまたはそれらの複合機などの画像形成装置、特にトナー像を転写した記録材を定着装置に通して熱を用いてトナー像を記録材に定着する電子写真式の画像形成装置に関する。および、そのような画像形成装置などに備えて、定着熱源により定着部材を加熱し、その定着部材を記録材の画像面に接触してその画像面のトナー像を溶融することにより記録材に定着する定着装置に関する。および、定着熱源により定着装置の定着部材を加熱し、その定着部材を、定着装置を通す記録材の画像面に接触してその画像面のトナー像を溶融することにより記録材に定着するトナー像定着方法に関する。

従来、プリンタ、複写機、ファクシミリ等の画像形成装置にあっては、用紙等の記録材に形成されたトナー像を加熱溶融することにより、画像を定着させる定着装置を用いることが知られている。一般的に、トナー像として形成された電子写真画像を記録材に定着する定着装置は、ヒータに電力を供給して定着装置内のローラ等の定着部材を発熱させ、この熱でトナー像を加熱溶融して記録材に定着する処理を行う。

このような定着装置は、電子写真画像を記録材に定着している間の定着温度を一定にするために、前記ヒータに電力を供給し、所定の温度に昇温させて定着可能状態とし、この所定定着温度を維持しつつ定着装置へ記録材を通過させるという構成になっている。

ここで、ヒータのパワー駆動（加熱制御）は、ヒータへの供給電力を制御することにより行うものとしている。一般に、ヒータへの供給電力の制御方法としては、定着装置に設けられたサーモパイル、サーミスタ等の温度センサにより温度を検出し、目標制御温度との差に応じて、検出温度が目標制御温度よりも低いときはヒータへの通電をＯＮし、目標制御温度より高いときはＯＦＦするというＯＮ-ＯＦＦ制御法がある。

しかし、ＯＮ-ＯＦＦ制御法による温度制御では、目標制御温度に対して温度リップルが大きく発生し、定着部材である定着ローラの表面温度の変化に応じて定着画像の画質が変化して良好な画像の定着が行えなくなるという問題点がある。

これを低減するために、例えば定着装置内で加熱される定着ローラ対の芯金厚や表層厚を増加させ、定着ローラ対の熱容量を大きく設定することが考えられる。しかし、このように定着ローラ対の熱容量を大きく設定すると、温度リップルを低減できるものの、目標制御温度に昇温するためのウォームアップ時間が長くなるといった問題が新たに生じる。

このウォームアップ時間の増加を解決するために、画像形成装置が休止しているときは定着装置を高温に保つということも考えられるが、それでは、画像形成装置の消費電力が大きくなるという弊害が生じる。故に、昨今では、これらを包括的に解決するために、比較的熱容量の小さいローラ、もしくはシームレスベルト等を熱媒体として、比較的発熱量の大きなヒータを熱源として用い、かつ大きな温度オーバーシュートや、温度リップルを生じさせることなく制御する手法が必要となってきた。

上述したＯＮ-ＯＦＦ制御にかわる制御アルゴリズムとしてＰＩＤ制御がある。ＰＩＤ制御は、Ｐ：Ｐｒｏｐｏｒｔｉｎａｌ（比例）、Ｉ：Ｉｎｔｅｇｒａｌ（積分）、Ｄ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ（微分）の３つの組み合わせで制御するものであり、目標値と現在値の偏差に応じ、複数のパラメータを最適化することにより制御を行うものである。このＰＩＤ制御は、ＯＮ-ＯＦＦ制御に比較してリップルの低減を図ることができる。

上記のようなＯＮ-ＯＦＦ制御、ＰＩＤ制御に限らず、フィードバックループを持つ温度調整機構の場合、制御を行う間隔である制御周期は短ければ、短いほど高精度に制御が行える。なぜならば、フィードバック制御は、目標制御温度とセンサの出力の温度を比較し、それを基に制御に反映する手法であるから、情報の更新頻度が高いほどより高精度に制御ができるためである。

しかしながら、制御周期を短くすることにより、ヒータの点灯サイクルが電圧変動として表れ、人間の目に付きやすくなるいわゆるフリッカ（ちらつき）などの問題を引き起こすことが知られている（
）。 「照明工学」著作者：電気学会通信教育会、発行所：電気学会

フリッカ現象は、光量変動量と光量変動周波数の関係で認識されるものであり、画像形成装置が動作する環境においてはヒータへ供給する電力量と、ヒータの制御周期の関係で決まる。簡易化して述べると、一般にはヒータへの供給電力量が大きくかつ制御周期が短いほど認識されやすくなるため、昨今のウォームアップ時間重視のためヒータの供給電力量を大きくしたい場合、相対的に制御周期は短くすることができない。

フィードバック制御は、定着装置内の熱量が奪われて、その後に温度センサの出力が落ちてくることによって始めてコントローラから入力電力量を増加させる演算が行われ、電力が供給される。例えば、ある一定温度に保った定着装置に用紙が進入すると、まず定着装置の温度が落ち、その後目標制御温度に復帰することになる。制御周期が長い場合、この温度落ち込みに対する制御が遅れることになり、温度落ち込みはさらに大きくなる。

トナー像は定着できる下限温度がトナーの融点により決まってくるので、温度が落ち込んでも定着温度下限に達しないように、通紙前の設定温度（例えば待機温度）を上げておく方法が一般的である。しかしながら、待機温度を上げておくように制御すると、待機時間が長い場合には定着装置を目標制御温度に保っておくための無駄なエネルギーが消費されることになる。

そこで、昨今では、印刷指令が出てから用紙の定着装置通過前の間、定着装置の温度落ち込みを少なくするように演算された電力供給を行うフィードフォワード制御が用いられている。この制御を行うと、温度落ち込みが少ない分、待機温度を下げておくことが可能であり、定着装置が保持する熱量が少なくなるため、待機時の省エネルギー化が可能となる。

例えば、特許文献１には、定着器の温度制御方法に関し、ファーストプリント時、画像作成動作に入る前の初工程の所定の段階から、前記表面温度状態判定結果にともない、あらかじめ設定しておいたデータ群の中から前記判定結果に対応した時間を抽出し、加熱手段をオンさせることによって定着ローラの表面温度を所定の状態にするファーストプリント温度補償と、定着動作時、記録媒体が定着器を通過することによって生じる定着ローラ表面温度の低下を記録媒体が定着器に投入される前の画像作成段階において、記録媒体の種類および色重ね合わせ工程回数によりあらかじめ設定しておいたデータ群の中から、奪われる熱量分に対応した時間を抽出し、加熱手段をオンさせることによって一頁毎の定着ローラ表面温度の温度低下を補償する温度補償の２種類の温度補償動作を行うという技術が開示されている。

特許文献２では、定着装置の制御方式において、ホスト装置からの印刷指示に含まれる印刷スケジュール情報から定着装置の通紙タイミングや定着に要する熱量を演算予測し、通紙タイミングに対して熱伝達の遅延時間分先行して、定着に必要な熱量を加えるフィードフォワード制御を行う技術が開示されている。
特開平０７−２１００２８号公報 特開２００２−１１６６５８号公報

しかしながら、昨今のプリントアウトタイムの短縮化により、給紙装置と定着装置のパス間の距離が縮まる傾向にあり、印刷指令から定着装置通過までの時間が短くなってきている。そのため、印刷指令から用紙の定着装置通過までの時間も短くなってきた。このように、フィードフォワード制御に使える時間が短い場合、フィードフォワード制御量が十分に与えらず、依然として温度落ち込みを防ぎきれない場合がある。また、温度落ち込みのみならず、通紙時は用紙に奪われる熱量の変動により温度リップルが大きく発生するため、フィードバック制御の制御周期を短くすることは、フィードフォワード制御を導入した場合でも同様に要求される事項である。

問題点をまとめると、制御の高精度化のために熱源の制御周期を短く設定したくても、フリッカが発生するために制御周期を短くできないことである。

フリッカの問題に対しては、例えば特許文献３に示すように、複数間のヒータの点灯タイミングを一致させないようにすることで、急激な電圧変動を防ぐ方法が提示されている。また、特許文献４では、フリッカを防ぐためにヒータを分割したことにより、ヒータの点灯回数が増え、ヒータの寿命が短くなる問題に対して、各ヒータの点灯回数をカウントし、各ヒータを平均的に点灯させることにより寿命の問題を回避する方法が提示されている。
特開２０００−６６７３８号公報 特開２０００−２３５３２７号公報

しかし、特許文献３、４ともに、制御の高精度化の観点からの、分割した各々のヒータの制御周期を可変にすることについては言及されておらず、フリッカは防ぐことはできても制御を高精度に行うことはできない。

そこで、この発明の目的は、上記に鑑みてなされたものであり、熱源を有する定着装置を用いて、記録材上のトナー像の定着を行うに際し、フリッカ現象を生ずることなく、制御を高精度に行うことを可能とすることにある。

このため、請求項１に記載の発明は、定着熱源により定着ローラや定着ベルトなどの定着部材を加熱し、その定着部材を用紙等の記録材の画像面に接触してその画像面のトナー像を溶融することにより記録材に定着する定着装置において、
前記定着熱源を複数の熱源で構成し、その複数の熱源のうちの１つの主熱源の電力量を他の補助熱源の電力量より大きくするとともに、前記主熱源の制御周期を前記補助熱源の制御周期より長くしてなることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の定着装置において、前記定着部材をローラ形状である定着ローラとして、その内部に前記複数の熱源のすべてを収容してなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の定着装置において、前記定着部材をベルト形状である定着ベルトとして支持ローラに掛けまわし、その支持ローラの内部に前記複数の熱源のすべてを収容してなることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１に記載の定着装置において、前記複数の熱源をそれぞれ１または複数のハロゲンヒータ等の発熱体で構成してなることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリまたはそれらの複合機などの画像形成装置において、請求項１ないし４のいずれか１に記載の定着装置を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の画像形成装置において、前記定着部材の温度を検知する温度検知手段の検知結果に基づき前記定着装置をフィードバック制御することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の画像形成装置において、前記主熱源よりも前記補助熱源を前記温度検知手段に近付けて配置することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項５に記載の画像形成装置において、前記定着装置の記録材搬送方向上流位置に、例えばレジストセンサを兼ねる記録材検知手段を備え、その記録材検知手段で記録材を検知したとき前記定着装置をフィードフォワード制御することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項５ないし８のいずれか１に記載の画像形成装置において、前記定着装置の前記主熱源をフィードフォワード制御し、前記補助熱源をフィードバック制御することを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項５ないし８のいずれか１に記載の画像形成装置において、前記定着装置の前記主熱源をフィードフォワード制御とともにフィードバック制御し、前記補助熱源をフィードバック制御することを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の画像形成装置において、前記主熱源を複数の発熱体で構成し、そのうちのいくつかの発熱体をフィードフォワード制御する一方、残りの発熱体をフィードバック制御することを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項８ないし１１のいずれか１に記載の画像形成装置において、前記定着熱源を構成するもののうち、前記フィードフォワード制御を行うものをその他のものよりも、サーモスタッドや温度ヒューズなどの熱遮断機構に近付けて配置することを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、定着装置の定着熱源により、定着ローラや定着ベルトなどの定着部材を加熱し、その定着部材を、前記定着装置に通す用紙等の記録材の画像面に接触してその画像面のトナー像を溶融することにより記録材に定着するトナー像定着方法であって、前記定着熱源を構成する複数の熱源のうちの１つの主熱源で、大きな電力量を、フリッカの生じない長い制御周期で供給するとともに、前記複数の熱源のうちの他の補助熱源で目標制御温度に足りない残りの低い電力量を短い制御周期で供給することを特徴とする。

請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載のトナー像定着方法において、前記定着部材の温度を検知する温度検知手段の検知結果に基づき前記定着装置をフィードバック制御することを特徴とする。

請求項１５に記載の発明は、請求項１３に記載のトナー像定着方法において、前記定着装置の記録材搬送方向上流位置に備える記録材検知手段で記録材を検知したとき前記定着装置をフィードフォワード制御することを特徴とする。

請求項１６に記載の発明は、請求項１３ないし１５のいずれか１に記載のトナー像定着方法において、前記定着装置の前記主熱源をフィードフォワード制御し、前記補助熱源をフィードバック制御することを特徴とする。

請求項１７に記載の発明は、請求項１３ないし１５のいずれか１に記載のトナー像定着方法において、前記定着装置の前記主熱源をフィードフォワード制御とともにフィードバック制御し、前記補助熱源をフィードバック制御することを特徴とする。

請求項１８に記載の発明は、請求項１７に記載のトナー像定着方法において、前記主熱源を構成する複数の発熱体のうちのいくつかの発熱体をフィードフォワード制御する一方、残りの発熱体をフィードバック制御することを特徴とする。

請求項１９に記載の発明は、請求項１３ないし１８のいずれか１に記載のトナー像定着方法において、待機時に、前記複数の熱源のすべてを、８０［ｍｓ］〜２００［ｍｓ］を避けた制御周期で駆動することを特徴とする。

請求項２０に記載の発明は、請求項１９に記載のトナー像定着方法において、待機時に、前記複数の熱源のすべてを、８０［ｍｓ］〜２［ｓ］を避けた制御周期で駆動することを特徴とする。

したがって、請求項１に記載の発明によれば、定着熱源を複数の熱源で構成し、その複数の熱源のうちの１つの主熱源の電力量を他の補助熱源の電力量より大きくするとともに、主熱源の制御周期を補助熱源の制御周期より長くするので、定着熱源を分割して熱源の電力を分配し、電力量の大きな主熱源と小さな補助熱源とに分け、それらの制御周期を異ならしめて、電力量の小さい補助熱源の制御周期を短くすることで、制御周期が短くても電力量が低いことから、フリッカを生ずることなく、より高精度な制御を行うことができる。結果として、温度リップルや通紙による温度の落ち込みを小さくできることにより設定温度を下げ、消費電力を低減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、定着部材をローラ形状として、その内部に複数の熱源のすべてを収容してなるので、内部に熱源のすべてを収容するローラ形状の定着部材を用いて、定着熱源により定着部材を加熱し、その定着部材を記録材の画像面に接触してその画像面のトナー像を溶融することにより記録材に定着する定着装置において、定着熱源を分割して熱源の電力を分配し、電力量の大きな主熱源と小さな補助熱源とに分け、それらの制御周期を異ならしめて、電力量の小さい補助熱源の制御周期を短くすることで、制御周期が短くても電力量が低いことから、フリッカを生ずることなく、より高精度な制御を行うことができる。結果として、温度リップルや通紙による温度の落ち込みを小さくできることにより設定温度を下げ、消費電力を低減することができる。

請求項３に記載の発明によれば、定着部材をベルト形状として支持ローラに掛けまわし、その支持ローラの内部に複数の熱源のすべてを収容してなるので、内部に熱源のすべてを収容する支持ローラに掛けまわすベルト形状の定着部材を用いて、定着熱源により支持ローラを介して定着部材を加熱し、その定着部材を記録材の画像面に接触してその画像面のトナー像を溶融することにより記録材に定着する定着装置において、定着熱源を分割して熱源の電力を分配し、電力量の大きな主熱源と小さな補助熱源とに分け、それらの制御周期を異ならしめて、電力量の小さい補助熱源の制御周期を短くすることで、制御周期が短くても電力量が低いことから、フリッカを生ずることなく、より高精度な制御を行うことができる。結果として、温度リップルや通紙による温度の落ち込みを小さくできることにより設定温度を下げ、消費電力を低減することができる。

請求項４に記載の発明によれば、複数の熱源をそれぞれ１または複数の発熱体で構成してなるので、定着熱源により定着部材を均一に加熱し、より高精度な制御を可能とすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、画像形成装置にあって、請求項１ないし４のいずれか１に記載の定着装置を備えるので、フリッカを生ずることなく、より高精度な制御を行うことができる定着装置を備えた画像形成装置を提供することができる。

請求項６に記載の発明によれば、定着部材の温度を検知する温度検知手段の検知結果に基づき定着装置をフィードバック制御するので、温度検知手段の検知結果に基づいて、目標制御温度との温度偏差の情報を得、熱源をフィードバック制御して定着装置が最適な温度になるように制御し、フリッカを生ずることなく、より高精度な制御を行うことができる。

請求項７に記載の発明によれば、主熱源よりも補助熱源を温度検知手段に近付けて配置するので、フィードバック制御を行う補助熱源を、主熱源と比較して、相対的に温度検知手段に近い位置に配置することにより、フィードバック制御を行う際のむだ時間を小さくすることができ、より定着部材の温度を安定化することができる。結果として、設定温度を下げることができ、消費電力を低減することができる。

請求項８に記載の発明によれば、定着装置の記録材搬送方向上流位置に記録材検知手段を備え、その記録材検知手段で記録材を検知したとき定着装置をフィードフォワード制御するので、印字指令が出てから記録材が定着装置を通過する前に定着装置への電力供給を開始し、定着装置の温度の落ち込みを小さくして、その分、待機温度を下げておくことを可能とし、待機時における定着装置の維持熱量を小さくして画像形成装置の消費電力の低減を図ることができる。

請求項９に記載の発明によれば、定着装置の主熱源をフィードフォワード制御し、補助熱源をフィードバック制御するので、電力量の大きい主熱源に対してフィードフォワード制御を行ってあらかじめ加熱することにより、通紙による定着部材の温度の落ち込みを防ぎ、かつ定着部材の温度を目標制御温度付近まで追従させることができ、また補助熱源に対して制御周期の短いフィードバック制御を行うことにより、残りの偏差を、フリッカ現象を生ずることなく、より高精度に制御することができる。結果として、設定温度を下げることができ、消費電力を低減することができる。

請求項１０に記載の発明によれば、定着装置の主熱源をフィードフォワード制御とともにフィードバック制御し、補助熱源をフィードバック制御するので、主熱源に対してフィードフォワード制御のみを行う場合に比べて、定着部材の温度をより目標制御温度に近付けることができ、補助熱源が制御周期の短いフィードバック制御を行うことにより、より高精度に制御を行うことができる。結果として、設定温度を下げることができ、消費電力を低減することができる。

請求項１１に記載の発明によれば、主熱源を複数の発熱体で構成し、そのうちのいくつかの発熱体をフィードフォワード制御する一方、残りの発熱体をフィードバック制御するので、主熱源をフィードフォワード制御のみで用いた場合に比べて、定着部材の温度をより目標制御温度に近付けることができ、補助熱源が制御周期の短いフィードバック制御を行うことにより、より高精度に制御を行うことができる。結果として、設定温度を下げることができ、消費電力を低減することができる。

請求項１２に記載の発明によれば、定着熱源を構成するもののうち、前記フィードフォワード制御を行うものをその他のものよりも熱遮断機構に近付けて配置するので、フィードフォワード制御により何らかの原因で熱量過多となった場合に、より早い段階でそれを検知することができ、より安全性の高い画像形成装置を提供することができる。

請求項１３に記載の発明によれば、定着熱源を構成する複数の熱源のうちの１つの主熱源で、大きな電力量を、フリッカの生じない長い制御周期で供給するとともに、複数の熱源のうちの他の補助熱源で目標制御温度に足りない残りの電力量を短い制御周期で供給するので、定着熱源を分割して熱源の電力を分配し、電力量の大きな主熱源と小さな補助熱源とに分け、それらの制御周期を異ならしめて、電力量の小さい補助熱源の制御周期を短くすることで、制御周期が短くても電力量が低いことから、フリッカを生ずることなく、より高精度な制御を行うことができる。結果として、温度リップルや通紙による温度の落ち込みを小さくできることにより設定温度を下げ、消費電力を低減することができる。

請求項１４に記載の発明によれば、定着部材の温度を検知する温度検知手段の検知結果に基づき定着装置をフィードバック制御するので、温度検知手段の検知結果に基づいて、目標制御温度との温度偏差の情報を得、熱源をフィードバック制御して定着装置が最適な温度になるように制御し、フリッカを生ずることなく、より高精度な制御を行うことができる。

請求項１５に記載の発明によれば、定着装置の記録材搬送方向上流位置に備える記録材検知手段で記録材を検知したとき定着装置をフィードフォワード制御するので、印字指令が出てから記録材が定着装置を通過する前に定着装置への電力供給を開始し、定着装置の温度の落ち込みを小さくして、その分、待機温度を下げておくことを可能とし、待機時における定着装置の維持熱量を小さくして画像形成装置の消費電力の低減を図ることができる。

請求項１６に記載の発明によれば、定着装置の主熱源をフィードフォワード制御し、補助熱源をフィードバック制御するので、電力量の大きい主熱源に対してフィードフォワード制御を行ってあらかじめ加熱することにより、通紙による定着部材の温度の落ち込みを防ぎ、かつ定着部材の温度を目標制御温度付近まで追従させることができ、また補助熱源に対して制御周期の短いフィードバック制御を行うことにより、残りの偏差を、フリッカ現象を生ずることなく、より高精度に制御することができる。結果として、設定温度を下げることができ、消費電力を低減することができる。

請求項１７に記載の発明によれば、定着装置の主熱源をフィードフォワード制御するとともにフィードバック制御し、補助熱源をフィードバック制御するので、主熱源に対してフィードフォワード制御のみを行う場合に比べて、定着部材の温度をより目標制御温度に近付けることができ、主熱源のみでは目標制御温度に追従しきれないところは、補助熱源に対して制御周期の短いフィードバック制御を行うことにより、より高精度に制御を行うことができる。結果として、設定温度を下げることができ、消費電力を低減することができる。

請求項１８に記載の発明によれば、主熱源を構成する複数の発熱体のうちのいくつかの発熱体をフィードフォワード制御する一方、残りの発熱体をフィードバック制御するので、主熱源に対してフィードフォワード制御のみを行う場合に比べて、定着部材の温度をより目標制御温度に近付けることができる。

請求項１９に記載の発明によれば、待機時に、複数の熱源のすべてを、８０［ｍｓ］〜２００［ｍｓ］を避けた制御周期で駆動するので、人の目に不快に感じる制御周期を避けることができる。

請求項２０に記載の発明によれば、待機時に、複数の熱源のすべてを、８０［ｍｓ］〜２［ｓ］を避けた制御周期で駆動するので、人の目にもっとも不快に感じる制御周期を避けることができる。

以下、図面を参照しつつ、この発明の実施の最良形態につき説明する。
図１には、この発明による定着装置を備える画像形成装置における内部機構の全体概略構成を示す。

画像形成装置１００は、電子写真方式を採用するものであり、中央に、時計まわりに回転するドラム状の感光体１０を備える。そして、感光体１０のまわりには、帯電装置１１、現像装置１２、転写装置１３、クリーニング装置１４などを設置する。帯電装置１１の斜め上には、露光装置１５を設ける。また、感光体１０と転写装置１３との間には、下方の給紙カセット１６から画像形成装置１００上の排紙スタック部１７へと通ずる記録材搬送路１８を設ける。

給紙カセット１６内には、記録材である用紙２０を積載して収容する。記録材搬送路１８には、順に、その給紙カセット１６内の用紙２０を上から順に繰り出す給紙ローラ２１、繰り出した用紙２０を搬送する搬送ローラ２２、レジストセンサ３６、一対のレジストローラ３７、感光体１０と転写装置１３間を通過後の用紙２０をさらに搬送する記録材搬送装置２３、用紙２０上のトナー像を定着する定着装置２４、定着後の用紙２０を排紙スタック部１７上に排出する排紙ローラ２５などを備えてなる。

そして、この図示画像形成装置１００では、感光体１０の時計まわりの回転とともに、帯電装置１１で表面を一様に帯電し、次いで露光装置１５から書込み光Ｌを照射して書き込みを行い、感光体１０上に静電潜像を形成し、そののち現像装置１２でトナーを付着してその静電潜像を現像し、感光体１０上にトナー像を形成する。

他方、給紙ローラ２１を回転して給紙カセット１６内から用紙２０を繰り出し、搬送ローラ２２で搬送して、レジストローラ３７でタイミングを取って感光体１０と転写装置１３間に送り込み、転写装置１３により、上述したごとく感光体１０上に形成したトナー像を用紙２０に転写し、記録材搬送装置２３で搬送して定着装置２４に送り込み、定着装置２４でトナー像を用紙２０に定着して後、排紙ローラ２５により排出して排紙スタック部１７上にスタックする。

図２には、この発明に係る定着装置２４の構成を示す。
この発明に係る定着装置２４は、ローラ形状の定着部材である定着ローラ２７と、加圧ローラ２８とで構成され、これらのローラ２７、２８のうちの一方のローラの回転軸は固定され、他方のローラの回転軸は移動自在として他方のローラが一方のローラに対して接離可能に支持され、かつ他方のローラが一方のローラに向けてばねで付勢されている。定着ローラ２７には、内部に定着熱源３０が収容されており、この定着熱源３０で定着ローラ２７が加熱されるようになっている。そして、図示定着装置２４は、定着熱源３０により定着ローラ２７が加熱され、その定着ローラ２７を、それと加圧ローラ２８との間を通過する用紙２０の画像面に接触して、その画像面のトナー像が溶融されることにより用紙３０に定着される。

また、本例では、熱入力検知手段および温度検知手段として、定着ローラ２７には、定着ローラ２７の温度を測定するサーミスタ等の温度検知手段２９を近接して備え、定着ローラ２７の温度を測定する。

定着熱源３０は、隣接して配置した複数の熱源３１で構成され、その複数の熱源３１のうちの１つが主熱源３２とされ、他が補助熱源３３とされる。各熱源３１は、それぞれ１つでもよいが、図示するように複数の発熱体３２ａ、３２ｂ、………または３３ａ、３３ｂ、………で構成されている。これらの発熱体としては、例えばハロゲンヒータが使用される。そして、主熱源３２の総電力量が、補助熱源３３の総電力量よりも相対的に大きい電力量とされ、後述するごとく主熱源３２の制御周期を補助熱源３３の制御周期より長くしてなり、これら複数の熱源のすべてが定着ローラ２７の内部に収容されている。

図２では、定着熱源３０を２つの熱源３１で構成する場合を示すが、３つ以上としてもよく、その場合には、その３つ以上の熱源３１のうちの１つを主熱源３２として残りを補助熱源３３とする。そして、主熱源３２の総電力量を、各補助熱源３３の総電力量よりも相対的に大きい電力量とし、主熱源３２の制御周期を各補助熱源３３の制御周期より長くする。

図３には、主熱源３２が１本の発熱体である高電力加熱ヒータ３２Ａで構成され、補助熱源３３が１本の発熱体である低電力加熱ヒータ３３Ａで構成される場合を示す。
定着ローラ２７のまわりには、小さな間隙を設けて離間し、安全装置としてサーモスタッドや温度ヒューズなどの熱遮断機構３４が配置されている。

図４には、定着装置２４の制御回路ブロック図を示す。
制御回路４０は、ＰＩＤコントローラ４１と、ＰＷＭ駆動回路４２とを備え、定着ローラ２７の定着電源３０への印加電力を制御する。

制御回路４０は、あらかじめ指定された目標制御温度と温度検知手段２９により検知された定着ローラ２７の温度偏差の情報を基にＰＩＤコントローラ４１で演算を行う。この演算結果は、ある時間（制御周期）あたりに熱源３１が点灯する割合（以下「ＤＵＴＹ」）となっており、計算されたＤＵＴＹを基に、ＰＷＭ駆動回路４２を通じて定着熱源３０を点灯する。本例では、ハロゲンヒータ３２Ａ、３３Ａの両端に、ある時間あたりの定格交流電圧を印加する割合を制御することになる。

例えば、制御周期がＴ［ｓ］、計算結果のＤＵＴＹがａ［％］である場合には、図５に示すように制御周期Ｔ［ｓ］のうちａＴ／１００［ｓ］だけヒータを点灯することになる。なお、このＤＵＴＹを計算する方法であるが、ここではＰＩＤコントローラ４１により演算する例を示したが、フィードバック演算であればこの限りではない。

フリッカは、このヒータ３２Ａ、３３Ａの点灯周期が人間の目に不快に感じる周波数帯である場合に引き起こされ、ヒータ３２Ａ、３３Ａに投入する電力が大きいほど、より顕著に感じられる。

図６には、画像形成装置が動作する最も基本的なモードを示す。一般的には、電源投入からウォームアップ動作を経て、待機状態に入り、印刷動作が開始される。
本例に係る画像形成装置１００では、そのウォームアップ時、待機時、印刷時（通紙時）において制御回路４０により、温度検知手段２９で測定した定着ローラ２７の温度に基づいて定着熱源３０をフィードバック制御し、定着ローラ２７が最適な温度になるよう制御する。

以下は、一般的な定着装置の熱源として用いる場合を想定して、低電力加熱ヒータ３３Ａの定格電力を４００［ｗ］、高電力加熱ヒータ３２Ａの定格電力を８００［ｗ］、定着熱源３０の総定格電力を１２００［ｗ］とした場合を例にし、各動作モード時の制御について詳細を述べる。

まず、ウォームアップ動作時は、昨今のウォームアップ時間の短縮化により、熱源をフル稼働させることが多いため、図６に示したように定着熱源３０は常時点灯していることが多い（ＤＵＴＹ＝１００[％]）。このような場合には、人間の目に不快に感じる点灯周期でのヒータ点灯が行われないため、低電力加熱ヒータ３３Ａおよび高電力加熱ヒータ３２Ａの制御周期は、特に問題にならない。

次に、待機時であるが、待機時は外乱の影響が小さいため、制御周期をそれほど短く設定しなくても、比較的定着ローラ２７の温度を安定な状態に保つことができる場合がある。このような場合には、前記の低電力加熱ヒータ３３Ａ、高電力加熱ヒータ３２Ａの制御周期は、ともにフリッカが起こらないようにある程度の長さの時間に設定しておく。具体的には、人間の目に最も不快に感じる光の周波数が５［Ｈｚ］〜１２．５［Ｈｚ］（制御周期に換算すると、８０［ｍｓ］〜２００［ｍｓ］）であることを考慮し、例えば本実施例のような定着熱源３０の総定格電力が１２００［ｗ］の一般的な定着用ヒータの場合、図７に示すように低電力加熱ヒータ３３Ａと高電力加熱ヒータ３２Ａを各々、制御周期を１［ｓ］程度とし、１［ｓ］の間にヒータが点灯する時間（ＤＵＴＹ）を制御すれば、ちらつきは気にならないレベルとなる。さらに、望ましくは、０．５［Ｈｚ］〜１２．５［Ｈｚ］（制御周期に換算すると、８０［ｍｓ］〜２［ｓ］）を避けた制御周期により制御を行えばよい。

なお、ここであげた制御周期は、一例であり、制御周期は、フリッカが問題にならないように、電源事情などの使用環境を考慮して適切に選ぶ。

上記例は、制御周期をフリッカ現象が引き起こされる程度まで短く設定する必要が無い場合について述べたが、昨今の定着装置では、ウォームアップ時間を短くするために低熱容量の定着装置を用いることが多いため、定着ローラ２７の温度はより変動しやすくなってきている。このため、待機時においても、制御周期を短く設定しフィードバック制御を行いたい場合がある。以下は、このような場合の制御方法について述べる。

まず、待機時において、定着ローラ２７の温度を目標制御温度に保つために必要なヒータ電力量を大よそ把握しておく。この大よその電力量は、使用環境などを考慮して実験的に求めてテーブル化しておいてもよいし、同定器などにより定式化しておいてもよい。例えば、待機時の目標制御温度を１６０℃とし、定着ローラ２７の温度を目標制御温度１６０℃に保つためには、およそ２００［ｗ］〜３００［ｗ］程度のヒータ電力が必要である場合、高電力加熱ヒータ３２Ａにより２００［ｗ］に相当する電力を一定量与え続ける。この電力は、大よその値で構わないため、制御周期は、前記のようにフリッカが発生しない範囲で、例えば１［ｓ］程度に選んでおく。本実施例では、高電力加熱ヒータ３２Ａの定格電圧を８００［ｗ］としているので、図８（ａ）に示すように制御周期１［ｓ］の間、０．２５［ｓ］間ヒータを点灯すれば、実効電力２００［ｗ］となる（ＤＵＴＹ＝２５％）。

この高電力加熱ヒータ３２Ａは、前述のように目標制御温度に大よそ近付ける働きを持っており、残りの足りない電力分を、制御周期を高電力加熱ヒータ３２Ａよりも短く設定した低電力加熱ヒータ３３Ａにより制御する。低電力加熱ヒータ３３Ａは、電力量が小さいため、制御周期を短く設定しても、ちらつきとして認識されにくい。例えば、図８（ｂ）のように低電力加熱ヒータ３３Ａの制御周期は、２００［ｍｓ］程度に設定してもよい。結果として、定着熱源３０の制御は、図８（ｃ）のようになり、定着熱源３０すべてを同じ制御周期で制御した場合と、トータルの供給電力量は変わらないが、電力量を配分したことにより、フリッカを抑えかつ高精度に制御が行えることになる。

次に、通紙時（印刷時）の制御について説明する。図９に通紙時、全熱源３１をともに同じ制御周期でフィードバック制御を行った場合の通紙中の温度変化の様子の一例を示す。給紙ローラ２１から用紙２０が搬送され、定着装置２４を通過する際、用紙２０により熱が奪われ、定着ローラ２７の温度が大きく落ち込む。その後も用紙２０により熱が奪われるため温度リップルが続くことになる。

制御周期を２００［ｍｓ］と短くした場合、情報の更新頻度が高いため通紙直後の温度落ち込みを小さくすることができ、また通紙中の温度リップルを小さくすることができるため、制御周期を短く設定したいが、前述のように制御周期を短くしていくと、フリッカが起こる。

この場合にも、前述の待機時の制御と同様に、通紙中に用紙２０に奪われる熱量を考慮して、定着ローラ２７を目標制御温度に保てる大よその電力を高電力加熱ヒータ３２Ａによりフリッカが起こらない１［ｓ］程度の制御周期で与えておき、残りの足りない電力量を低電力加熱ヒータ３３Ａにより２００［ｍｓ］程度の制御周期で供給し、高精度に制御を行う。

さて、通紙による温度落ち込みを改善したい場合には、フィードフォワード制御を導入することもできる。これは、高電力加熱ヒータ３２Ａをフィードフォワード制御用加熱ヒータとして用い、用紙２０が定着装置２４を通過する前から、前もって電力を供給しておくことにより、通紙による温度落ち込みを防ぐ効果を狙ったものである。具体的には、ユーザーにより印刷ジョブが入ると、印刷ジョブから、定着装置２４を用紙２０が通過するタイミングを予測し、予測される通紙タイミングに対して、熱伝達の遅れ等を考慮して高電力加熱ヒータ３２Ａを先行して点灯させ、通紙中もそのまま一定量の電力を供給し続ける。このことにより、図１０に示すように温度落ち込みを最小限に防ぎ、通紙中も大よその目標制御温度に定着ローラ２７の温度を保つことができる。そして、低電力加熱ヒータ３３Ａがフィードバック制御を行うことにより、目標制御温度に足りない電力量を補うように、定着ローラ２７の温度を制御する。

なお、上述した例では、印刷ジョブから、定着装置２４を用紙２０が通過するタイミングを予測してフィードフォワード制御を開始したが、定着装置２４の記録材搬送方向上流位置に備える記録材検知手段、例えばレジストローラ３７の手前にあるレジストセンサ３６の検知結果に基づきフィードフォワード制御するようにしてもよい。

さらに、図２に示すように主熱源３２を複数の発熱体３２ａ、３２ｂ、………で構成し、そのうちのいくつかの発熱体をフィードフォワード制御用に用いる一方、残りの発熱体を、フィードフォワード制御と同様の比較的制御周期の長いフィードバック制御用に用いることにより、主熱源３２をフィードフォワード制御のみで用いた場合に比べて、定着ローラ２７の温度をより目標制御温度に近づけることができる。そして、定着ローラ２７の温度を検知する温度検知手段２９の検知結果に基づき、目標制御温度に追従しきれない部分を補助熱源３３が制御周期の短い高精度フィードバック制御を行うようにすることにより、さらに制御を高精度化することもできる。

また、図２や図３に示すように、主熱源３２よりも補助熱源３３を温度検知手段２９に近付けて配置することにより、フィードバック制御を行う際のむだ時間を小さくすることができ、より定着ローラ２７の温度を安定化することができる。

定着熱源３０を構成するもののうち、フィードフォワード制御を行うものをその他のものよりも、サーモスタッドや温度ヒューズなどの熱遮断機構３４に近付けて配置することにより、フィードフォワード制御により何らかの原因で熱量過多となった場合に、より早い段階でそれを検知することができ、より安全性の高い画像形成装置を提供することができる。

なお、上述した例では、定着部材をローラ形状である定着ローラ２７として、その内部に複数の熱源３１のすべてを収容する場合について説明したが、例えば図１１に示すように、定着部材をベルト形状である定着ベルト５０として、その定着ベルト５０を複数（図示例では２つ）の支持ローラ５１、５２に掛けまわし、その１つの支持ローラ５１に定着ベルト５０を介して加圧ローラ５３を押し当てる一方、他方の支持ローラ５２の内部に、定着熱源３０を構成する複数の熱源３１のすべてを収容する構成とし、その複数の熱源３１のうちの１つの主熱源３２の電力量を他の補助熱源３３の電力量より大きくするとともに、主熱源３２の制御周期を補助熱源３３の制御周期より長くするようにしてもよい。

そして、定着熱源３０により支持ローラ５２を介して定着ベルト５０を加熱し、その定着ベルト５０を、それと加圧ローラ２８との間を通過する用紙２０の画像面に接触してその画像面のトナー像を溶融することにより用紙２０に定着するようにする。

この発明による定着装置を備える画像形成装置における内部機構の全体概略構成図である。 その画像形成装置に備えるこの発明に係る定着装置の構成図である。 その定着装置の具体的一例の構成図である。 その定着装置の制御回路ブロック図である。 制御周期とＤＵＴＹに対するヒータＯｎ時間の関係図である。 ＰＩＤ制御時の定着ローラの温度と定着熱源のＤＵＴＹの状態を示す図である。 待機時の電力制御の一例を示す図である。 待機時の電力制御の高精度化の一例を示す図である。 制御周期と定着ローラ温度との関係図である。 フィードフォワード制御を適用した場合の改善効果を示す図である。 この発明に係る定着装置の他例の構成図である。

符号の説明

２０ 用紙（記録材）
２４ 定着装置
２７ 定着ローラ（定着部材）
２９ 温度検知手段
３０ 定着熱源
３１ 熱源
３２ 主熱源
３２ａ、３２ｂ、……… 発熱体
３３ 補助熱源
３３ａ、３３ｂ、……… 発熱体
３４ 熱遮断機構
３６ レジストセンサ（記録材検知手段）
５０ 定着ベルト（定着部材）
５１ 支持ローラ
５２ 支持ローラ

Claims (20)

1. 定着熱源により定着部材を加熱し、その定着部材を記録材の画像面に接触してその画像面のトナー像を溶融することにより記録材に定着する定着装置において、
   前記定着熱源を複数の熱源で構成し、その複数の熱源のうちの１つの主熱源の電力量を他の補助熱源の電力量より大きくするとともに、前記主熱源の制御周期を前記補助熱源の制御周期より長くしてなることを特徴とする、定着装置。
2. 前記定着部材をローラ形状として、その内部に前記複数の熱源のすべてを収容してなることを特徴とする、請求項１に記載の定着装置。
3. 前記定着部材をベルト形状として支持ローラに掛けまわし、その支持ローラの内部に前記複数の熱源のすべてを収容してなることを特徴とする、請求項１に記載の定着装置。
4. 前記複数の熱源をそれぞれ１または複数の発熱体で構成してなることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１に記載の定着装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１に記載の定着装置を備えることを特徴とする、画像形成装置。
6. 前記定着部材の温度を検知する温度検知手段の検知結果に基づき前記定着装置をフィードバック制御することを特徴とする、請求項５に記載の画像形成装置。
7. 前記主熱源よりも前記補助熱源を前記温度検知手段に近付けて配置することを特徴とする、請求項６に記載の画像形成装置。
8. 前記定着装置の記録材搬送方向上流位置に記録材検知手段を備え、その記録材検知手段で記録材を検知したとき前記定着装置をフィードフォワード制御することを特徴とする、請求項５に記載の画像形成装置。
9. 前記定着装置の前記主熱源をフィードフォワード制御し、前記補助熱源をフィードバック制御することを特徴とする、請求項５ないし８のいずれか１に記載の画像形成装置。
10. 前記定着装置の前記主熱源をフィードフォワード制御とともにフィードバック制御し、前記補助熱源をフィードバック制御することを特徴とする、請求項５ないし８のいずれか１に記載の画像形成装置。
11. 前記主熱源を複数の発熱体で構成し、そのうちのいくつかの発熱体をフィードフォワード制御する一方、残りの発熱体をフィードバック制御することを特徴とする、請求項１０に記載の画像形成装置。
12. 前記定着熱源を構成するもののうち、前記フィードフォワード制御を行うものをその他のものよりも熱遮断機構に近付けて配置することを特徴とする、請求項８ないし１１のいずれか１に記載の画像形成装置。
13. 定着装置の定着熱源により定着部材を加熱し、その定着部材を、前記定着装置に通す記録材の画像面に接触してその画像面のトナー像を溶融することにより記録材に定着するトナー像定着方法において、
    前記定着熱源を構成する複数の熱源のうちの１つの主熱源で、大きな電力量を、フリッカの生じない長い制御周期で供給するとともに、前記複数の熱源のうちの他の補助熱源で目標制御温度に足りない残りの電力量を短い制御周期で供給することを特徴とする、トナー像定着方法。
14. 前記定着部材の温度を検知する温度検知手段の検知結果に基づき前記定着装置をフィードバック制御することを特徴とする、請求項１３に記載のトナー像定着方法。
15. 前記定着装置の記録材搬送方向上流位置に備える記録材検知手段で記録材を検知したとき前記定着装置をフィードフォワード制御することを特徴とする、請求項１３に記載のトナー像定着方法。
16. 前記定着装置の前記主熱源をフィードフォワード制御し、前記補助熱源をフィードバック制御することを特徴とする、請求項１３ないし１５のいずれか１に記載のトナー像定着方法。
17. 前記定着装置の前記主熱源をフィードフォワード制御とともにフィードバック制御し、前記補助熱源をフィードバック制御することを特徴とする、請求項１３ないし１５のいずれか１に記載のトナー像定着方法。
18. 前記主熱源を構成する複数の発熱体のうちのいくつかの発熱体をフィードフォワード制御する一方、残りの発熱体をフィードバック制御することを特徴とする、請求項１７に記載のトナー像定着方法。
19. 待機時に、前記複数の熱源のすべてを、８０［ｍｓ］〜２００［ｍｓ］を避けた制御周期で駆動することを特徴とする、請求項１３ないし１８のいずれか１に記載のトナー像定着方法。
20. 待機時に、前記複数の熱源のすべてを、８０［ｍｓ］〜２［ｓ］を避けた制御周期で駆動することを特徴とする、請求項１９に記載のトナー像定着方法。

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