JP2008139805A - 定着方法、定着装置、画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減する。
【解決手段】定着熱源３０と、その定着熱源により加熱する定着ローラ（定着部材）２７と、その定着ローラの温度を検知する温度検知手段２９と、その温度検知手段の検知結果に基づき定着熱源を制御することにより定着部材の温度を目標制御温度に維持するコントローラ４１とを備え、定着ローラを記録材の画像面に接触してその画像面のトナー像を記録材に定着する。そのような定着装置において、コントローラとして、定着ローラの温度が上昇している温度上昇時と、下降している温度下降時とで、コントローラの定数を変更したり、制御周期を変えたりして、制御方法を変更するものを使用する。
【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、定着熱源であるヒータに電力を供給して定着ローラ、定着ベルト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（目標制御温度）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（温度検知手段）により温度を検出し、検出温度と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、定着部材である例えば定着ローラの表面温度が高かったり低かったりすることにより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。

この温度リップルによる画質変化を低減するために、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、また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：Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ（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、目標制御温度と温度センサの検出温度とを比較し、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、ＰＩＤ制御は、目標値と現在値の偏差に応じて供給電力を変化させる制御手法であるから、制御対象の温度が目標制御温度に近づくと供給電力を弱めることになり、昇温速度が遅くなることから、上述のウォームアップ時間が長くなってしまうという問題がある。

図１１には、ＰＩＤ制御とＯＮＯＦＦ制御のそれぞれの制御手法により定着ローラの温度を目標制御温度に制御した場合の様子を示す。図１１に示すように、ＰＩＤ制御ではウォームアップ時間が長くなる一方、ＯＮＯＦＦ制御では温度リップルが大きくなって、ＰＩＤ制御とＯＮＯＦＦ制御では、一長一短がある。

この問題に対して、従来技術では、電源の投入時はヒータを全通電連続加熱し、所定温度に達した後はＰＩＤ制御方式に切り替えてヒータの通電制御を行う制御方式が採用されている。

特開昭５８−３８９７２号公報 特開昭６０−１６３１０２号公報 特開平３−１１６２０８号公報

例えば、特許文献１に記載の温度制御方法では、ヒータの加熱温度が制御目標温度よりも低い温度の切り替え温度に達するまではヒータを全通電連続加熱し、切り替え温度に達した後はＩ（積分）制御によってヒータの通電を制御する構成になっている。

また、特許文献２に記載の温度制御回路では、切り替え温度に達するまではヒータを全通電連続加熱し、切り替え温度に達した後はＰＩＤ制御によってヒータの通電を制御する構成になっている。

さらに、特許文献３に記載の温度制御方法およびその装置では、切り替え温度に達するまではヒータを全通電連続加熱し、切り替え温度に達した後はＰ（比例）制御によってヒータの通電を制御する構成になっている。

上記のように特許文献１〜３に記載のものでは、温度情報により制御アルゴリズムを切り替えて制御を行うことで、オーバーシュートを防ぎ、かつ目標制御温度に素早く追従させている。しかしながら、制御アルゴリズムの切り替え温度値が１つのために、オーバーシュートと短時間での目標制御温度追従性の両者を満たすのには限界があった。

そこで、特許文献４に記載の温度制御方法および装置では、切り替え温度値を複数個用意し、ＰＩＤ制御パラメータを各切り替え温度で複数回変更することにより制御の高精度化を図っている。
特開平９−２５８６０１公報

以上のように、温度に応じて制御アルゴリズム、または制御パラメータを変更して制御を行うことは、定着温度を望ましい挙動にする上で非常に重要である。

しかしながら、上記特許文献１〜４に記載のものは、切り替え温度により制御アルゴリズム、または制御パラメータを変更し、目標制御温度への追従性を改善している。しかし、目標制御温度に到達した後の、目標制御温度付近での温度制御が不十分であり、定着温度の安定性を欠き、結果として画像品質が低下するとともに、設定温度が高くなって消費電力が増大する問題があった。

すなわち、一般に熱源への入力電力と、出力温度の関係は非線形関係にある。例えば１００［Ｗ］の電力を与えた場合に２００℃でおよそ一定に保たれる制御対象に対して、＋５０［Ｗ］の１５０［Ｗ］を投入した場合と、−５０［Ｗ］の５０［Ｗ］を投入した場合とでは、電力の変化量はともに５０［Ｗ］であるが、温度上昇時の傾きと温度下降時の傾きの絶対値は異なる。つまり、温度上昇時と温度下降時では制御対象の特性が異なり、例えば温度上昇時は温度がすぐ上がるが、温度下降時は温度がなかなか下がらないなどの特性の違いがある。このため、より温度制御を高精度化し、定着温度を安定化する場合には、これらの特性の違いを考慮する必要がある。

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、定着部材の温度が上昇しているか、下降しているかにより、制御アルゴリズム、または制御パラメータを変化させることにより、定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することにある。

このため、請求項１に記載の発明は、ヒータや電磁誘導発熱体など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、その定着部材の温度をサーモパイルなどの温度検知手段により検知してその検知結果に基づきＰＩＤコントローラなどのコントローラで前記定着熱源を制御することにより前記定着部材の温度を目標制御温度に維持し、その定着部材を用紙などの記録材の画像面に接触してその画像面のトナー像を記録材に定着する定着方法において、
前記定着部材の温度が上昇している温度上昇時と、下降している温度下降時とで、前記コントローラの定数を変更したり、制御周期を変えたりして、コントローラの制御方法を変更することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の定着方法において、温度上昇時と温度下降時の一方から他方に変化したとき、前記コントローラの制御方法を変更することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の定着方法において、定着温度が目標制御温度に達するまでのウォームアップ時に、前記コントローラの制御方法を変更することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の定着方法において、定着温度が目標制御温度に達したウォームアップ終了時に、前記コントローラの制御方法を変更することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の定着方法において、定着温度が目標制御温度に達したウォームアップ終了後、実際に定着装置に記録材を通して定着を開始するまでの待機時に、前記コントローラの制御方法を変更することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の定着方法において、実際に定着装置に記録材を通して定着を行っている通紙時に、前記コントローラの制御方法を変更することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれか１に記載の定着方法において、前記コントローラとしてＰＩＤコントローラを使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＰＩＤコントローラの定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて、前記定着熱源の制御周期あたりに定着熱源が点灯する割合（以下「ＤＵＴＹ」という）を制御することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれか１に記載の定着方法において、前記コントローラとしてＩ‐ＰＤコントローラを使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＩ‐ＰＤコントローラの定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて前記定着熱源のＤＵＴＹを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１ないし６のいずれか１に記載の定着方法において、前記コントローラとしてＰＩ‐Ｄコントローラを使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＰＩ‐Ｄコントローラの定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて前記定着熱源のＤＵＴＹを制御することを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、ヒータや電磁誘導発熱体などの定着熱源と、その定着熱源により加熱する定着ローラや定着ベルトなどの定着部材と、その定着部材の温度を検知するサーモパイルなどの温度検知手段と、その温度検知手段の検知結果に基づき前記定着熱源を制御することにより前記定着部材の温度を目標制御温度に維持するコントローラとを備え、前記定着部材を用紙などの記録材の画像面に接触してその画像面のトナー像を記録材に定着する定着装置において、
前記コントローラとして、前記定着部材の温度が上昇している温度上昇時と、下降している温度下降時とで、前記コントローラの定数を変更したり、制御周期を変えたりして、制御方法を変更するものを使用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に記載の定着装置において、前記コントローラとして、温度上昇時と温度下降時とで定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて前記定着熱源のＤＵＴＹを制御するＰＩＤコントローラを使用することを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項１０に記載の定着装置において、前記コントローラとして、温度上昇時と温度下降時とで定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて前記定着熱源のＤＵＴＹを制御するＩ‐ＰＤコントローラを使用することを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、請求項１０に記載の定着装置において、前記コントローラとして、温度上昇時と温度下降時とで定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて前記定着熱源のＤＵＴＹを制御するＰＩ‐Ｄコントローラを使用することを特徴とする。

請求項１４に記載の発明は、請求項１０ないし１３のいずれか１に記載の定着装置において、前記定着部材として定着ローラを用い、その定着ローラとの間で定着ニップを形成する加圧部材を設け、その定着ニップに記録材を通してその画像面のトナー像を記録材に定着することを特徴とする。

請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載の定着装置において、前記定着ローラに前記定着熱源を内蔵することを特徴とする。

請求項１６に記載の発明は、請求項１０ないし１３のいずれか１に記載の定着装置において、前記定着部材として、複数の支持ローラに掛けまわす定着ベルトを用い、その定着ベルトとの間で定着ニップを形成する加圧部材を設け、その定着ニップに記録材を通してその画像面のトナー像を記録材に定着することを特徴とする。

請求項１７に記載の発明は、請求項１６に記載の定着装置において、前記支持ローラに前記定着熱源を内蔵することを特徴とする。

請求項１８に記載の発明は、請求項１６に記載の定着装置において、前記定着ベルトのまわりに前記定着熱源を配置することを特徴とする。

請求項１９に記載の発明は、請求項１４または１６に記載の定着装置において、前記定着熱源として、電磁誘導を利用して発熱する熱源を用いることを特徴とする。

請求項２０に記載の発明は、請求項１４ないし１９のいずれか１に記載の定着装置において、前記加圧部材として、前記定着部材とともに回転する加圧ローラを用いることを特徴とする。

請求項２１に記載の発明は、請求項１４ないし１９のいずれか１に記載の定着装置において、前記加圧部材として、前記定着部材とともに回転しない加圧パッドを用いることを特徴とする。

請求項２２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１０ないし２１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。

したがって、請求項１に記載の発明によれば、定着部材の温度上昇時と温度下降時とでコントローラの制御方法を変更するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して変動を少なくし、定着温度を一層安定化して、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて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、温度上昇時と温度下降時の一方から他方に変化したとき、コントローラの制御方法を変更するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して変動を少なくし、定着温度を一層安定化して、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて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、目標制御温度に達するまでのウォームアップ時に、コントローラの制御方法を変更するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して変動を少なくし、定着温度を一層安定化して、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて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、目標制御温度に達したウォームアップ終了時に、コントローラの制御方法を変更するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して変動を少なくし、定着温度を一層安定化して、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することができる。

請求項５に記載の発明によれば、目標制御温度に達したウォームアップ終了後、記録材を通して定着を開始するまでの待機時に、コントローラの制御方法を変更するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して変動を少なくし、定着温度を一層安定化して、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することができる。

請求項６に記載の発明によれば、記録材を通して定着を行っている通紙時に、コントローラの制御方法を変更するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して変動を少なくし、定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することができる。

請求項７に記載の発明によれば、コントローラとしてＰＩＤコントローラを使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＰＩＤコントローラの定数を変更することにより、温度検知手段により検知した定着部材の温度と、目標制御温度との偏差に応じて定着熱源のＤＵＴＹを制御するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて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、コントローラとしてＩ‐ＰＤコントローラを使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＩ‐ＰＤコントローラの定数を変更することにより、温度検知手段により検知した定着部材の温度と、目標制御温度との偏差に応じて定着熱源のＤＵＴＹを制御するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することができる。

請求項９に記載の発明によれば、コントローラとしてＰＩ‐Ｄコントローラを使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＰＩ‐Ｄコントローラの定数を変更することにより、温度検知手段により検知した定着部材の温度と、目標制御温度との偏差に応じて定着熱源のＤＵＴＹを制御するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて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、コントローラとして、定着部材の温度が上昇している温度上昇時と、下降している温度下降時とで、制御方法を変更するものを使用するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して変動を少なくし、定着温度を一層安定化して、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて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、コントローラとして、温度上昇時と温度下降時とで定数を変更することにより、温度検知手段により検知した定着部材の温度と、目標制御温度との偏差に応じて定着熱源のＤＵＴＹを制御するＰＩＤコントローラを使用するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて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、コントローラとして、温度上昇時と温度下降時とで定数を変更することにより、温度検知手段により検知した定着部材の温度と、目標制御温度との偏差に応じて定着熱源のＤＵＴＹを制御するＩ‐ＰＤコントローラを使用するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することができる。

請求項１３に記載の発明によれば、コントローラとして、温度上昇時と温度下降時とで定数を変更することにより、温度検知手段により検知した定着部材の温度と、目標制御温度との偏差に応じて定着熱源のＤＵＴＹを制御するＰＩ‐Ｄコントローラを使用するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて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、定着部材として定着ローラを用い、その定着ローラとの間で定着ニップを形成する加圧部材を設け、その定着ニップに記録材を通してその画像面のトナー像を記録材に定着するので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、定着ニップを通過する記録材に熱と圧力とを加えて定着を行い、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することができる。

請求項１５に記載の発明によれば、定着ローラに定着熱源を内蔵するので、定着ローラに内蔵する定着熱源のＤＵＴＹを制御し、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することができる。

請求項１６に記載の発明によれば、複数の支持ローラに掛けまわす定着ベルトを用い、その定着ベルトとの間で定着ニップを形成する加圧部材を設け、その定着ニップに記録材を通してその画像面のトナー像を記録材に定着するので、定着部材として、熱容量の小さな定着ベルトを用い、ウォームアップ時間を短縮する一方、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対してコントローラの制御方法を変更して定着温度をより高精度に制御し、定着温度の変動を少なくして定着温度を安定化し、定着ニップを通過する記録材に熱と圧力とを加えて定着を行い、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて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、支持ローラに定着熱源を内蔵するので、支持ローラに内蔵する定着熱源のＤＵＴＹを制御し、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて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、定着ベルトのまわりに定着熱源を配置するので、その定着ベルトまわりに配置する定着熱源のＤＵＴＹを制御し、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することができる。

請求項１９に記載の発明によれば、定着熱源として電磁誘導を利用して発熱する熱源を用いるので、電磁誘導を利用した熱源のＤＵＴＹを制御し、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することができる。

請求項２０に記載の発明によれば、加圧部材として、定着部材とともに回転する加圧ローラを用いるので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、定着ニップを通過する記録材を定着ベルトと加圧ローラとで挟んで確実に搬送しながら、記録材に熱と圧力とを加えて定着を行い、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することができる。

請求項２１に記載の発明によれば、加圧部材として、定着部材とともに回転しない加圧パッドを用いるので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して定着温度を一層安定化し、定着ニップを通過する記録材を定着ベルトと加圧ローラとで挟んで確実に搬送しながら、記録材に熱と圧力とを加えて定着を行い、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減することができる。

請求項２２に記載の発明によれば、画像形成装置に、請求項１０ないし２１のいずれか１に記載の定着装置を備えるので、温度上昇時と温度下降時とで特性が違う制御対象に対して定着温度をより高精度に制御して変動を少なくし、定着温度を一層安定化して、結果として画像品質を一定に保つとともに、設定温度を下げて消費電力を低減する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。

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。

図示画像形成装置は、電子写真方式を採用するものであり、画像形成装置本体１００の上に画像読取装置２００を設置し、右側面に両面ユニット３００を取り付けてなる。画像形成装置本体１００内には、中間転写装置１０を備える。中間転写装置１０は、複数のローラに掛けまわしてエンドレスの中間転写ベルト１１をほぼ水平に張り渡し、反時計まわりに走行するように設ける。

中間転写装置１０の下には、シアン、マゼンタ、イエロ、ブラックの作像装置１２ｃ、１２ｍ、１２ｙ、１２ｋを、中間転写ベルト１１の張り渡し方向に沿って四連タンデム式に並べて設ける。各作像装置１２ｃ、１２ｍ、１２ｙ、１２ｋでは、図中時計まわりに回転するドラム状の像担持体のまわりに帯電装置、現像装置、転写装置、クリーニング装置などを設置して構成する。作像装置１２ｃ、１２ｍ、１２ｙ、１２ｋの下には、露光装置１３を備える。

露光装置１３の下には、給紙装置１４を設ける。給紙装置１４には、用紙２０を収納する給紙カセット１５を、この例では二段に備えてなる。そして、各給紙カセット１５の右上には、各給紙カセット１５内の記録材である用紙２０を一枚ずつ繰り出して用紙搬送路１６に入れる給紙コロ１７を設けてなる。

用紙搬送路１６は、画像形成装置本体１００内の右側に下方から上方に向けて形成し、画像形成装置本体１００上に画像読取装置２００との間に形成する胴内排紙部１８へと通ずるように設ける。用紙搬送路１６には、搬送ローラ１９、中間転写ベルト１１と対向して二次転写装置２１、定着装置２２、一対の排紙ローラよりなる排紙装置２３などを順に設けてなる。搬送ローラ１９の上流には、両面ユニット３００から再給紙し、または両面ユニット３００を横切って手差し給紙装置３６から手差し給紙する用紙２０を用紙搬送路１６に合流する給紙路３７を設ける。また、定着装置２２の下流には、両面ユニット３００への再給紙搬送路２４を分岐して設けてなる。

そして、コピーを取るときは、画像読取装置２００で原稿画像を読み取って露光装置１３で書き込みを行い、各作像装置１２ｃ、１２ｍ、１２ｙ、１２ｋのそれぞれの像担持体上に各色トナー画像を形成し、そのトナー像を一次転写装置２５ｃ、２５ｍ、２５ｙ、２５ｋで順次転写して中間転写ベルト１１上にカラー画像を形成する。

一方、給紙コロ１７の１つを選択的に回転して対応する給紙カセット１５から用紙２０を繰り出して用紙搬送路１６に入れ、または手差し給紙装置３６から手差し用紙を給紙路３７に入れる。そして、用紙搬送路１６を通して搬送ローラ１９で搬送してタイミングを取って二次転写位置へと送り込み、上述したごとく中間転写ベルト１１上に形成したカラー画像を二次転写装置２１で用紙２０に転写する。画像転写後の用紙２０は、定着装置２２で画像定着後、排紙装置２３で排出して胴内排紙部１８上にスタックする。

用紙２０の裏面にも画像を形成するときには、再給紙搬送路２４に入れて両面ユニット３００で反転してから給紙路３７を通して再給紙し、別途中間転写ベルト１１上に形成したカラー画像を用紙２０に二次転写して後、再び定着装置２２で定着して排紙装置２３で胴内排紙部１８に排出する。

図２には、この発明による定着装置２４の構成を示す。
この発明による定着装置２４は、ローラ形状の定着部材である定着ローラ２７と、ローラ状の加圧部材である加圧ローラ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、定着ローラ２７と加圧ローラ２８との間で定着ニップｎが形成される。定着ローラ２７には、内部に定着熱源３０が内蔵されており、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。

なお、この例では、定着熱源３０としては、ハロゲンヒータやカーボンヒータなどの加熱ヒータを使用するが、ヒータに限らず、例えば電磁誘導を利用して発熱する熱源を用いるようにしてもよい。また、本例では、温度検知手段として、定着ローラ２７には、定着ローラ２７の温度を検知する温度検知手段２９を近接して備え、定着ローラ２７の温度を測定する。温度検知手段２９には、サーモパイル・サーミスタなどがあるが、定着ローラ２７に非接触で設けるサーモパイルの方が感度がよく、この発明に適している。

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との間の定着ニップｎ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２０に定着される。

図３には、定着装置２４の制御回路ブロックを示す。
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の温度との間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）あたりに定着熱源３０が点灯する割合となっており、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、定着熱源３０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４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。これにより、定着ローラ２７の温度を温度検知手段２９により検知し、その検知結果に基づきＰＩＤコントローラ４１で定着熱源３０を制御することにより定着ローラ２７の温度を目標制御温度に維持する。

ここで、ＰＩＤ演算式によるＤＵＴＹを計算する手順の詳細を述べる。ＤＵＴＹの演算には、ＰＩＤ基本式である次式（１）をディジタル系に変換して用いる。

ただし、
Ｋ_p：比例ゲイン
Ｔ_I ：積分時間
Ｔ_D：微分時間
ｅ(ｔ):目標制御温度と定着ローラ２７の温度の誤差（＝ｒ(ｔ)-ｙ(ｔ)）
ｒ(ｔ):目標制御温度
ｙ(ｔ):定着ローラ２７の温度

式（１）を零次ホールドを用いてディジタル変換を行うと、ディジタルＰＩＤ制御式

ただし、
Ｔ：制御周期
が得られる。式（２）を用いて、制御周期ごとに目標制御温度と定着ローラ２７の温度の誤差情報からＤＵＴＹを計算する。

なお、式（２）に示したＤＵＴＹを計算する方法であるが、ここでは零次ホールドを用いてディジタル変換を行ったＰＩＤコントローラの例を示したが、式（３）に示す双一次変換によるディジタル変換を行ったＰＩＤアルゴリズムを使用してもよい。

また、式（２）では位置型のアルゴリズムを示したが、式（４）に示すように制御周期ごとのＤＵＴＹの変化量を計算する速度型アルゴリズムを使用しても差し支えない。

また、ここではＰＩＤコントローラにより演算する例を示したが、目的に応じて式（５）に示すＩ−ＰＤコントローラや式（６）に示すＰＩ−Ｄコントローラなどのフィードバックコントローラを使用してもよいし、定着ローラの温度を目標制御温度に追従させるフィードバックコントローラであればその限りではない。

図５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、その目標温度に達するまでのウォームアップ時、目標温度に達したウォームアップ終了後、用紙２０を通して定着を開始するまでの待機時、用紙２０を通して定着を行っている印刷時（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。

図６には、定着ローラ２７の温度が目標制御温度付近で制御されている状態を示す。
前述のように、一般に熱源への入力電力と、出力温度の関係は非線形関係にある。このため、温度上昇時の傾きと、温度下降時の傾きの絶対量が異なる。従来は、これらを考慮せずに、上昇時と下降時で同一の制御を行っているために、温度リップルを抑えきることができなかった。

図７には、定着ローラ２７の温度が上昇している温度上昇時と、下降している温度下降時とで、ＰＩＤ制御パラメータを変更してＰＩＤコントローラ４１の制御方法を変更する場合のフローチャートを示す。

はじめに、ＰＩＤ制御パラメータであるＫ_p、Ｔ_I、Ｔ_Dを、定着ローラ２７の温度が上昇している際に最適になるようにあらかじめ定めておく。この上昇時の最適ＰＩＤパラメータをそれぞれ、Ｋ_{p_up}、Ｔ_{I_up}、Ｔ_{D_up}とする。パラメータの決定方法としては、各種のパラメータ調整法を用いてもよいし、実験によって合わせ込んでおいてもよい。

次に、ある条件を基に通常モードから、ＰＩＤ制御パラメータを可変にするモード（以下「ＰＩＤ可変モード」という）に遷移する。このＰＩＤ可変モードへの遷移の条件としては、図５に示したウォームアップ状態から待機状態に遷移した時点で遷移させてもよいし、ウォームアップ中のある時点、例えば定着ローラ２７の温度が目標制御温度に対して９０［％］の温度になった時点などから遷移させてもよい。

いま、モードが通常モードの場合には、ＰＩＤ制御パラメータＫ_{p_up}、Ｔ_{I_up}、Ｔ_{D_up}を用いてＰＩＤ制御を行う。次に、ＰＩＤ可変モードに遷移した場合を説明する。

ＰＩＤ可変モードに遷移した時刻をｔ₀とし、そのときの定着ローラ２７の温度をＴ₀として、Ｔ₀の値を記憶する。次に、あるサンプリング時間Ｔ_sだけ経過した後の定着ローラ２７の温度を取得しＴ₁とする。ここで、Ｔ₀とＴ₁を比較し、Ｔ₁＞Ｔ₀の場合には温度が上昇している状態であるから、ＰＩＤ制御パラメータはＫ_{p_up}、Ｔ_{I_up}、Ｔ_{D_up}のまま変更せず、温度制御を続け、再び時間Ｔ_sが経過するのを待ち、このサイクルを続ける。反対に、Ｔ₁＜Ｔ₀であった場合、温度が下降に転じたため、ＰＩＤ制御パラメータを温度が下降している際に最適になるＰＩＤ制御パラメータ、Ｋ_{p_down}、Ｔ_{I_down}、Ｔ_{D_down}に変更する。なお、この下降時の最適ＰＩＤ制御パラメータについても、あらかじめ各種パラメータ調整法などにより設計しておく。

ここでは、定着ローラ２７の温度が上昇から下降に転じた際のＰＩＤ制御パラメータの変更について示したが、定着ローラ２７の温度が下降から上昇に転じた場合も同様の手順で、温度をＴ_s間隔で取得し、温度が下降から上昇に転じた場合に、ＰＩＤ制御パラメータをＫ_{p_down}、Ｔ_{I_down}、Ｔ_{D_down}からＫ_{p_up}、Ｔ_{I_up}、Ｔ_{D_up}に変更する。

なお、Ｔ_sの値であるが、前述したヒータの制御周期Ｔと同期させてもよいし、測定した定着ローラ２７の温度情報にノイズが含まれており、ヒータの制御周期Ｔごとに判断した場合に、温度が上昇から下降、または下降から上昇に転じるタイミングが捉えづらい場合には、ノイズの影響を受けないよう、制御周期とは独立した値を設定してもよい。また、ローパスフィルタを使用するなど温度の上昇、下降の切り替わりが捉えやすいようにしておいてもよい。

図８には、図７に示すように定着ローラ２７の温度が上昇している時と、下降している時でＰＩＤ制御パラメータを変更した場合の効果を示す。図示するごとく、実線で示す改善前に比して、改善後は、ＰＩＤ制御パラメータを変更しているので、温度リップルを抑えることができる。

さて、上述した例では、コントローラとしてＰＩＤコントローラ４１を使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＰＩＤコントローラ４１の定数を変更することにより、温度検知手段２９により検知した定着ローラ２７の温度と、目標制御温度との偏差に応じて定着熱源３０のＤＵＴＹを制御した。しかし、コントローラとしてＩ‐ＰＤコントローラを使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＩ‐ＰＤコントローラの定数を変更することにより、温度検知手段により検知した定着部材の温度と、目標制御温度との偏差に応じて定着熱源のＤＵＴＹを制御するようにしてもよいし、コントローラとしてＰＩ‐Ｄコントローラを使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＰＩ‐Ｄコントローラの定数を変更することにより、温度検知手段により検知した定着部材の温度と、目標制御温度との偏差に応じて定着熱源のＤＵＴＹを制御するようにしてもよい。

ところで、上述した画像形成装置では、定着部材として定着ローラ２７を用い、その定着ローラ２７との間で定着ニップｎを形成する加圧ローラ２８を設け、その定着ニップｎに記録材である用紙２０を通してその画像面のトナー像を用紙２０に定着するローラ定着装置を用いた。

しかし、例えば図９に示すように、定着部材として、複数の支持ローラ（図示例では、２つの支持ローラ５０、５１）に掛けまわす定着ベルト５２を用い、その１つの支持ローラ５０に定着熱源３０を内蔵する一方、別の支持ローラ５１を定着ベルト５２を挟んで加圧ローラ５３と圧接してその加圧ローラ５３と定着ベルト５２との間で定着ニップｎを形成し、その定着ニップｎに用紙２０を通してその画像面のトナー像を用紙２０に定着するベルト定着装置を用いることもできる。

このベルト定着装置では、定着熱源３０により支持ローラ５０を介して定着ベルト５２を加熱するが、定着部材である定着ベルト５２の温度が上昇している温度上昇時と下降している温度下降時とで、上述したと同様にコントローラの制御方法を変更するようにしてもよい。

図１０には、ベルト定着装置とローラ定着装置の定着温度の比較を示す。図示するように、ベルト定着装置の場合、前述のローラ定着装置に比べ、熱容量が小さいため、ウォームアップ時間の短縮化などが可能である一方で、低熱容量であるが故に、定着ローラ２７の温度リップルが大きくなりやすいという特徴がある。このため、この発明のように温度上昇時と温度下降時とでコントローラの制御方法を変更すると、定着温度の変動を効果的に抑えることができ、温度リップルの減少度合いをさらに大きくすることができる。

さて、図示例では、支持ローラ５０に定着熱源３０を内蔵したが、定着ベルト５２の周りに定着熱源を配置して定着ベルト５２を加熱するようにしてもよい。また、ローラ定着装置の場合と同様に、ヒータに限らず、電磁誘導を利用して発熱する熱源を用いるようにしてもよい。

なお、上述したベルト定着装置やローラ定着装置では、加圧部材として、定着ローラ２８や定着ベルト５２などの定着部材とともに回転する加圧ローラ２８を使用する例を示したが、加圧ローラに限らず、例えば定着部材とともに回転しない加圧パッドなどを使用することもできる。

また、定着には、ベルト定着装置かローラ定着装置かなどの定着装置の構造上の違いとともに、トナーの種類も大きく関係する。この発明のように温度上昇時と温度下降時とでコントローラの制御方法を変更することで、トナーの種類や近年のカラー化にも対応して定着温度をより一定に保持することにより、良好な画質の画像形成装置を得ることができる。

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よるローラ定着装置の構成図である。 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。 定着ローラの温度が目標制御温度付近で制御されている状態図である。 定着ローラの温度が上昇している温度上昇時と、下降している温度下降時とで、ＰＩＤ制御パラメータを変更してＰＩＤコントローラの制御方法を変更する場合のフローチャートである。 図７に示すように定着ローラの温度が上昇している時と、下降している時でＰＩＤ制御パラメータを変更した場合の効果を示す図である。 この発明によるベルト定着装置の構成図である。 ベルト定着装置とローラ定着装置の定着温度の比較図である。 ＰＩＤ制御とＯＮＯＦＦ制御の比較図である。

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）
２８ 加圧ローラ（加圧部材）
２９ 温度検知手段
３０ 定着熱源
４１ コントローラ
５０ 支持ローラ
５１ 支持ローラ
５２ 定着ベルト（定着部材）
ｎ 定着ニップ

Claims (22)

1. 定着熱源により定着部材を加熱し、その定着部材の温度を温度検知手段により検知してその検知結果に基づきコントローラで前記定着熱源を制御することにより前記定着部材の温度を目標制御温度に維持し、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記録材に定着する定着方法において、
   前記定着部材の温度が上昇している温度上昇時と、下降している温度下降時とで、前記コントローラの制御方法を変更することを特徴とする定着方法。
2. 温度上昇時と温度下降時の一方から他方に変化したとき、前記コントローラの制御方法を変更することを特徴とする、請求項１に記載の定着方法。
3. 目標制御温度に達するまでのウォームアップ時に、前記コントローラの制御方法を変更することを特徴とする、請求項１に記載の定着方法。
4. 目標制御温度に達したウォームアップ終了時に、前記コントローラの制御方法を変更することを特徴とする、請求項１に記載の定着方法。
5. 目標制御温度に達したウォームアップ終了後、記録材を通して定着を開始するまでの待機時に、前記コントローラの制御方法を変更することを特徴とする、請求項１に記載の定着方法。
6. 記録材を通して定着を行っている通紙時に、前記コントローラの制御方法を変更することを特徴とする、請求項１に記載の定着方法。
7. 前記コントローラとしてＰＩＤコントローラを使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＰＩＤコントローラの定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて前記定着熱源の制御周期あたりに定着熱源が点灯する割合（以下「ＤＵＴＹ」という）を制御することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１に記載の定着方法。
8. 前記コントローラとしてＩ‐ＰＤコントローラを使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＩ‐ＰＤコントローラの定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて前記定着熱源のＤＵＴＹを制御することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１に記載の定着方法。
9. 前記コントローラとしてＰＩ‐Ｄコントローラを使用し、温度上昇時と温度下降時とでそのＰＩ‐Ｄコントローラの定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて前記定着熱源のＤＵＴＹを制御することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１に記載の定着方法。
10. 定着熱源と、その定着熱源により加熱する定着部材と、その定着部材の温度を検知する温度検知手段と、その温度検知手段の検知結果に基づき前記定着熱源を制御することにより前記定着部材の温度を目標制御温度に維持するコントローラとを備え、前記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記録材に定着する定着装置において、
    前記コントローラとして、前記定着部材の温度が上昇している温度上昇時と、下降している温度下降時とで、制御方法を変更するものを使用することを特徴とする定着装置。
11. 前記コントローラとして、温度上昇時と温度下降時とで定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて前記定着熱源のＤＵＴＹを制御するＰＩＤコントローラを使用することを特徴とする、請求項１０に記載の定着装置。
12. 前記コントローラとして、温度上昇時と温度下降時とで定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて前記定着熱源のＤＵＴＹを制御するＩ‐ＰＤコントローラを使用することを特徴とする、請求項１０に記載の定着装置。
13. 前記コントローラとして、温度上昇時と温度下降時とで定数を変更することにより、前記温度検知手段により検知した前記定着部材の温度と、前記目標制御温度との偏差に応じて前記定着熱源のＤＵＴＹを制御するＰＩ‐Ｄコントローラを使用することを特徴とする、請求項１０に記載の定着装置。
14. 前記定着部材として、定着ローラを用い、その定着ローラとの間で定着ニップを形成する加圧部材を設け、その定着ニップに記録材を通してその画像面のトナー像を記録材に定着することを特徴とする、請求項１０ないし１３のいずれか１に記載の定着装置。
15. 前記定着ローラに前記定着熱源を内蔵することを特徴とする、請求項１４に記載の定着装置。
16. 前記定着部材として、複数の支持ローラに掛けまわす定着ベルトを用い、その定着ベルトとの間で定着ニップを形成する加圧部材を設け、その定着ニップに記録材を通してその画像面のトナー像を記録材に定着することを特徴とする、請求項１０ないし１３のいずれか１に記載の定着装置。
17. 前記支持ローラに前記定着熱源を内蔵することを特徴とする、請求項１６に記載の定着装置。
18. 前記定着ベルトのまわりに前記定着熱源を配置することを特徴とする、請求項１６に記載の定着装置。
19. 前記定着熱源として、電磁誘導を利用して発熱する熱源を用いることを特徴とする、請求項１４または１６に記載の定着装置。
20. 前記加圧部材として、前記定着部材とともに回転する加圧ローラを用いることを特徴とする、請求項１４ないし１９のいずれか１に記載の定着装置。
21. 前記加圧部材として、前記定着部材とともに回転しない加圧パッドを用いることを特徴とする、請求項１４ないし１９のいずれか１に記載の定着装置。
22. 請求項１０ないし２１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。

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