JP2011022207A - 像加熱装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数本の外部加熱ローラを加熱ローラの外周面に配置する外観構造を保ったまま、記録材が通過した際の加熱ニップの温度低下を効率的に抑制できる像加熱装置を提供する。
【解決手段】定着ローラ40に対して接離可能な加圧ローラ41を圧接して記録材の加熱ニップNを形成する。165℃に表面温度を温度調整された定着ローラ40に230℃に表面温度を温度調整された外部加熱ローラ53、54を当接させて、加熱ニップNで記録材Pに熱を奪われて温度低下した定着ローラ40の外周面を外側から加熱する。外部加熱ローラ53はステンレスの円筒材料で形成されるため、外部加熱ローラ53に比較して肉厚が等しく外径が小さいアルミニウムの円筒材料で形成された外部加熱ローラ54よりも熱容量が大きい。
【選択図】図2

Description

本実施例は、加圧部材を圧接させて記録材の加熱ニップが形成される加熱部材の外周面に複数の外部加熱部材を配置した画像加熱装置、詳しくは記録材が加熱ニップを通過する際の温度低下を抑制する制御に関する。
トナー像が転写された記録材を、加熱部材と加圧部材の加熱ニップで挟持搬送して、トナー像を記録材に定着させる画像形成装置が一般に普及している。画像形成装置に搭載される像加熱装置は、トナー像の定着処理に用いるほか、半定着又は定着済みトナー像を再加熱して画像の表面光沢を調整する処理にも用いられる。像加熱装置における加熱部材と加圧部材は、図2に示すローラ部材同士の組み合わせの他、ローラ部材とベルト部材、又はベルト部材とベルト部材の組み合わせでも製品化されている。
ところで、近年、画像形成装置には、画像形成のプロセススピードの上昇、毎分プリント枚数の増加、厚紙やコート紙への対応が求められている。これらの場合、記録材が通過した際の加熱ニップの温度低下が大きくなるため、定着不良を引き起し易くなる(特許文献1)。
特許文献1には、図2を参照して説明すると、加熱ローラ(40)に対して加圧ローラ(41)を接離可能に配置した定着装置(9)が示される。そして、加熱ニップ(N)から加熱ローラ(40)の回転方向の上流側へ90度遡った位置に、外部加熱ローラ(不図示)が接離可能に配置される。外部加熱ローラ(不図示)は、加熱ローラ(40)の外周面を直接加熱するので、記録材(P)が通過した際の加熱ニップNの温度低下が抑制される。
特許文献2には、図2を参照して説明すると、加熱ローラ(40)の外周面に二本の外部加熱ローラ(53、54)が配置されて、1本の場合よりも効率的に加熱ローラ(40)の外周面を加熱している。ここでは、2本の外部加熱ローラ(53、54)が等しく形成されて等しく加熱され、2本の外部加熱ローラ(53、54)が加熱ローラ(40)に対して同時に接離する。
特開平10−149044号公報 特開2004−37555号公報
特許文献2に示される像加熱装置においても、加熱ニップを極端な厚紙が高速で通過すると、定着不良に至るような加熱ニップの温度低下が発生する。このため、厚紙対応の設計では、加熱ローラの大口径化、厚肉化、外部加熱ローラの大型化等が採用されて像加熱装置が大型化し、従来の画像形成装置への搭載を困難にしていた。
そこで、後述するように、加熱ローラの外周面に配置する外部加熱ローラの組み合わせを異ならせて、加熱ニップを記録材が通過した際の温度低下の傾向を比較した。その結果、特許文献1、2に示される構成よりも加熱ローラの表面温度低下を効率的に抑制できる組み合わせが発見された。すなわち、特許文献2に示される複数本の外部加熱ローラで熱容量を異ならせた場合、その配置の特定の組み合わせにおいて、加熱ニップの温度低下が飛躍的に抑制されることが判明した。
本発明は、複数本の外部加熱ローラを加熱ローラの外周面に配置する外観構造を保ったまま、記録材が通過した際の加熱ニップの温度低下を効率的に抑制できる像加熱装置
を提供することを目的としている。
本発明の像加熱装置は、内側から加熱されて外周面を記録材の画像面に接触させる加熱部材と、前記加熱部材に圧接して記録材の加熱ニップを形成する加圧部材と、前記加熱部材よりも高温度に加熱され前記加熱ニップを起点として前記加熱部材の回転方向の上流側で前記加熱部材の外周面に接触可能な第1の外部加熱部材と、前記加熱部材よりも高温度に加熱され前記第1の外部加熱部材と前記加熱ニップとの間で前記加熱部材の外周面に接触可能な第2の外部加熱部材とを備えたものである。そして、前記第1の外部加熱部材は、第2の外部加熱部材よりも熱容量が大きい。
本発明の像加熱装置では、記録材に接触して表面温度が低下した加熱部材は、熱容量の大きな第1の外部加熱部材に接触して加熱された後に、熱容量の小さな第2の外部加熱部材に接触して加熱される。そして、熱容量の大きな外部加熱部材は、表面温度が低下した加熱部材に接触した際の表面温度の低下が小さいため、熱容量の小さな外部加熱部材に置き換えた場合よりもより多くの熱量を加熱部材に注ぎ込める。そして、熱容量の小さな外部加熱部材に置き換えた場合よりも、加熱から加熱ニップまでの時間が長く確保できるため、注ぎ込んだ熱量が加熱部材の深さ方向により拡散した状態で加熱ニップに循環する。
従って、加熱部材に対する供給熱量が増えて加熱ニップへ循環した加熱部材の表面温度が高くなる。複数本の外部加熱ローラを加熱ローラの外周面に配置する外観構造を保ったまま、記録材が通過した際の加熱ニップの温度低下を効率的に抑制できる。
実施形態の画像形成装置の構成の説明図である。 定着装置の構成の説明図である。 加熱ニップを離間させた状態の定着装置の説明図である。 定着離間機構の説明図である。 実施例1の制御のフローチャートである。 実施例1における普通紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。 実施例1における厚紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。 比較例1における普通紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。 比較例1における厚紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。 比較例2における普通紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。 比較例2における厚紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明は、上流側の外部加熱ローラの熱容量が下流側の外部加熱ローラより大きい限りにおいて、実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実施できる。
従って、加熱ベルトに加圧ローラを圧接させた画像加熱装置、加熱ローラに加圧ベルトを圧接させた画像加熱装置、及び加熱ベルトに加圧ベルトを圧接させた像加熱装置でも同様に実施できる。
本発明の像加熱装置は、中間転写型、記録材搬送型、枚葉プリント型、フルカラー/モノクロ、タンデム型/1ドラム型の区別無く画像形成装置に搭載可能である。画像形成装置は、図1の構成に必要な機器、装備、筐体構造を加えて、プリンタ、各種印刷機、複写機、FAX、複合機等、種々の用途で実施できる。
なお、特許文献1、2に示される像加熱装置、画像形成装置の一般的な事項については、図示を省略して重複する説明を省略する。
<画像形成装置>
図1は実施形態の画像形成装置の構成の説明図である。
図1に示すように、画像形成装置100は、中間転写ベルト20に沿ってイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成部Pa、Pb、Pc、Pdを配置したフルカラープリンタである。
画像形成部Paでは、感光ドラム3aにイエロートナー像が形成されて中間転写ベルト20に一次転写される。画像形成部Pbでは、感光ドラム3bにマゼンタトナー像が形成されて、中間転写ベルト20のイエロートナー像に重ねて一次転写される。画像形成部Pc、Pdでは、それぞれ感光ドラム3c、3dにシアントナー像、ブラックトナー像が形成されて、同様に、中間転写ベルト20に順次一次転写される。
中間転写ベルト20に担持された四色のトナー像は、二次転写部T2へ搬送され、中間転写ベルト20に重ねて二次転写部T2を挟持搬送される記録材Pへ一括二次転写される。
記録材カセット10から引き出された記録材Pは、1枚ずつに分離されてレジストローラ12で待機する。そして、レジストローラ12は、中間転写ベルト20のトナー像にタイミングを合わせて、二次転写部T2へ記録材Pを送り出す。
片面印刷モードの場合、二次転写部T2でトナー像を二次転写された記録材Pは、定着装置9で加熱加圧を受けて表面にトナー像を定着された後に排出トレイ25へ排出される。これに対して両面印刷モードの場合、定着装置9で表面にトナー像を定着された記録材Pは、反転パス26でスイッチバックして前後を入れ替え、表裏反転状態で再びレジストローラ12で待機する。そして、片面画像形成と同様の過程をへて裏面にトナー像を転写・定着されて排出トレイ25へ排出される。
画像形成部Pa、Pb、Pc、Pdは、付設された現像装置1a、1b、1c、1dで用いるトナーの色がイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックと異なる以外は、ほぼ同一に構成される。以下では、イエローの画像形成部Paについて説明し、他の画像形成部Pb、Pc、Pdについては、説明中の符号末尾のaを、b、c、dに読み替えて説明されるものとする。
画像形成部Paは、所定のプロセススピードで矢印方向に回転する感光ドラム3aの周囲に、帯電ローラ2a、露光装置5、現像装置1a、一次転写ローラ24a、クリーニング装置4aを配置している。
帯電ローラ2aは、感光ドラム3aに当接して従動回転し、直流電圧に交流電圧を重畳した振動電圧を印加されて、感光ドラム3aの表面を一様な負極性の電位に帯電させる。露光装置5は、画像データを展開した走査線画像データをON−OFF変調したレーザービームを多面体ミラーで走査して、帯電した感光ドラム3aの表面に画像の静電像を書き込む。
現像装置1aは、二成分現像剤を攪拌して帯電させて、現像スリーブに担持させて感光ドラム3aを摺擦する。負極性の直流電圧に交流電圧を重畳した振動電圧が現像スリーブに印加されることにより、負極性に帯電したトナーが感光ドラム3aに転移して静電像を反転現像する。
一次転写ローラ24aは、中間転写ベルト20の内側面を押圧して感光ドラム3aに当接させ、中間転写ベルト20と感光ドラム3aとの間にトナー像の一次転写部を形成する。一次転写ローラ24aに正極性の直流電圧を印加することにより、感光ドラム3aに担持された負極性のトナー像が中間転写ベルト20に一次転写される。
二次転写ローラ11は、対向ローラ14によって内側面を支持された中間転写ベルト20に圧接して、中間転写ベルト20と二次転写ローラ11の間にトナー像の二次転写部T2を形成する。電源D2は、二次転写ローラ11に正極性の電圧を印加して、中間転写ベルト20に担持された4色のトナー像を記録材Pへ一括二次転写させる。
クリーニング装置4aは、感光ドラム3aにクリーニングブレードを当接させて、感光ドラム3aに残った転写残トナーを回収する。ベルトクリーニング装置22は、中間転写ベルト20の表面にクリーニングウエブ(不織布)19を当接して、中間転写ベルト20に残留した転写残トナー及びその他の異物を拭い取る。
<定着装置>
図2は定着装置の構成の説明図である。図3は加熱ニップを離間させた状態の定着装置の説明図である。図4は定着離間機構の説明図である。
図2に示すように、記録材Pに二次転写された未定着トナー像tは、画像面に接触させる定着ローラ(加熱部材)40と加圧ローラ(加圧部材)41の加熱ニップNによって挟持搬送されて記録材Pに定着される。定着装置(像加熱装置)9は、加圧ローラ41を総圧力約784N(約80kg)で定着ローラ40に圧接して、記録材Pの加熱ニップNを形成する。
定着ローラ40は、アルミニウム製円筒の芯金40aの外周面に厚さ3mmの弾性層40bを配置して直径60mmに構成されている。弾性層40bの下層は、HTV(高温加硫型)シリコンゴム層であり、HTVシリコンゴム層の外周面に、画像面に接触させる耐熱弾性層としてのRTV(室温加硫型)シリコンゴム層が配置されている。
加圧ローラ41は、アルミニウム製円筒の芯金41aの外周面に厚さ1mmの弾性層41bを配置して直径60mmに構成されている。弾性層41bの下層は、HTVシリコンゴム層であり、HTVシリコンゴム層の外周面にフッ素樹脂層が配置されている。
定着ローラ40の回転中心には、定着ローラ40を内側から加熱するためのハロゲンヒータ40Hが非回転に配置される。加圧ローラ41の回転中心には、加圧ローラ41を内側から加熱するためのハロゲンヒータ41Hが非回転に配置される。
定着ローラ40及び加圧ローラ41は、それぞれ両端がボールベアリングで支持されて回転自在である。定着ローラ40及び加圧ローラ41は、それぞれの一方の軸端に固定された歯車が不図示の歯車機構によって相互に連結され、不図示の駆動系によって一体に回転駆動されることにより、それぞれ矢印の方向に回転する。
定着ローラ40の回転方向における加熱ニップNの上流側であって、外部加熱ローラ54よりも下流側に、定着ローラ40の表面に当接させてサーミスタ(検知手段)42aが配置される。サーミスタ42aは、温度調整回路(温度調整手段)43に接続されている。温度調整回路43は、サーミスタ42aによって検出される定着ローラ40の表面温度が所定温度(約165℃)に収束するようにハロゲンヒータ40Hへの供給電力を調整する。
加圧ローラ41の回転方向における加熱ニップNの上流側に、加圧ローラ41に当接させてサーミスタ(検知手段)42bが配置される。サーミスタ42bは、温度調整回路(温度調整手段)43に接続されている。温度調整回路43は、サーミスタ42bによって検出される加圧ローラ41の表面温度が所定温度(約140℃)に収束するようにハロゲンヒータ41Hへの供給電力を調整する。
画像形成装置100の現像装置1a、1b、1c、1dは、シャープメルト性のカラートナーを用いている。シャープメルト性のカラートナーは、軟化点が低くて溶融粘度が低いため、溶融状態での定着ローラ40の表面に対する親和力が大きく、定着ローラ40に付着し易い。このため、オイル塗布装置44は、定着ローラ40の表面にオイルを塗布して、長時間に亘って定着ローラ40に高い離型性を付与して、シャープメルト性のカラートナーの付着を抑制する。ウエブクリーニング装置45は、押圧ローラ52で支持した不織布ウエブ51を定着ローラ40の外周面に摺擦させて、定着ローラ40に付着した余分なオイルや汚れを除去する。
また、加圧ローラ41に付設されたクリーニングブレード46は、加圧ローラ41のオイルや汚れを除去して、加圧ローラ41の表面における一層の離型性の向上を図っている。
また、上述した層構成の定着ローラ40と加圧ローラ41とを組み合わせることによって、シャープメルトトナーに対する離型性をより一層高めている。また、両面画像を定着させるために、定着ローラ40だけでなく加圧ローラ41の表面にも、トナー離型効果の高いRTVまたはLTV(低温加硫型)シリコンゴムを用いている。
しかし、本来、離型性を保つために使用される表層のRTVシリコンゴム層、及びシャープメルトトナーを包み込むような加熱ニップNを形成するための下層のHTVシリコンゴム層は、双方とも使用されるシリコンオイルと非常に馴染みが良い。このため、画像形成の累積に応じてシリコンゴム中にシリコンオイルが大量に入り込み、特に下層のHTVシリコンゴム層がシリコンオイルを大量に含んで、加熱時に芯金境界面との間に剥れが生じる可能性がある。
そこで、高速で大量のコピーをとることが要求される画像形成装置100においては、この剥れを防止するために、下層のHTVシリコンゴム層と表層のRTVシリコンゴム層との間にフッ素ゴムを積層している。フッ素ゴムは、定着ローラ40及び加圧ローラ41の双方ともに配置されており、シリコンオイルを吸収、通過させることのない耐油層として機能する。
ところで、近年、カラー複写機の普及と共に、カラー複写機にも、白黒複写機並の高速度と便利さが要求され、自動両面コピー等の特殊機能も必須とされている。葉書サイズからラージサイズまでの各種サイズの記録材Pへの対応に加えて、薄紙から厚紙までの幅広い坪量(単位面積当たり重量)の記録材Pへの対応が求められている。OHPフィルムやパックプリントフィルム等、様々な素材、材料の記録材Pへの対応も求められている。
そして、これらの様々な記録材においても、高い生産性(単位時間あたりのプリント枚数)が求められている。そして、高い生産性、特に坪量の大きな用紙での生産性を上げるため、定着装置の定着スピードを高速化することが求められている。
しかし、坪量が大きい記録材Pでは、加熱ニップで熱が多く奪われるため、定着に要する熱量が、薄い紙に定着する場合に比べて大幅に多くなる。このため、坪量の大きい記録材P、すなわち厚くて熱容量の大きい記録材Pを定着する際には、加熱ニップNの定着搬送速度を落として低い生産性で画像形成装置100を運転しているのが現状である。
ここで、坪量が大きい記録材Pでも定着搬送速度を落とすことなく高い生産性を保つには、定着ローラ40及び加圧ローラ41を直径Φ80mmに大径化して加熱ニップNを長くすることが考えられる。
しかし、定着ローラ40及び加圧ローラ41を大型化すると、定着装置9が大型化してこれまでの画像形成装置100の筐体構造に収まらなくなる。また、定着性の向上を図るために、定着ローラ40の温調の目標温度を高めることが提案されている。しかし、温調の目標温度を上昇させるとシャープメルトトナーが定着ローラ40へ移転して画像濃度が低下するオフセット現象の問題がある。薄紙が定着ローラ40に貼り付いてジャムを引き起す場合もある。
このため、画像形成装置100は、外部加熱ローラ53、54を設けて定着ローラ40の外周面を直接加熱することにより、加熱ニップNの定着搬送速度を落とすことなく厚紙の記録材Pを定着可能としている。
<外部加熱ローラ>
図2に示すように、定着ローラ40の外周面に2本の外部加熱ローラ(外部加熱部材)53、54が個別のタイミングで接触可能、すなわち個別に当接/退避が可能に配置されている。当接/退避機構は後述する。外部加熱ローラ53は、加熱ニップNを起点として外部加熱ローラ54よりも定着ローラ40の回転方向上流側で接触可能に配置される。
定着ロ−ラ40表面のゴム層の熱伝導性が低いため、加熱ニップNで記録材Pに奪われる熱量に対してハロゲンヒータ40Hからの熱応答が間に合わない。このため、定着ロ−ラ40の表面温度を一定に保つことを目的として、外部加熱ロ−ラ53、54が設けられている。そして、画像形成装置100の高速化を実現するために、外部加熱ロ−ラ53、54を2本設けて、定着ロ−ラ40の表面に与える熱量を増している。
外部加熱ローラ53、54は、内部に非回転に配置されたハロゲンヒータ53H、54Hによって、表面温度が定着ローラ40よりも高くなるように、内側から加熱されている。外部加熱ローラ53、54は高耐熱性を有した断熱ブッシュによって両端で回転自在に保持されている。外部加熱ローラ53、54の外周面は、熱伝導率の高いアルミニウム、鉄、ステンレス等の金属の円筒材料、或いは高離型性を持つゴム、樹脂等を金属の円筒材料の表面にコートして構成される。画像形成時、外部加熱ロ−ラ53、54と定着ロ−ラ40とのニップ(接触長さ)N53、N54はそれぞれ約5mmになり、2本のロ−ラ53、54を合わせると10mmのニップがとれるようになっている。
外部加熱ローラ53、54には、それぞれ表面温度の検知手段としてサーミスタ42c、42dが当接して配置されている。画像形成時(定着動作時)には、温度調整回路43が、サーミスタ42c、42dの出力する温度情報に応じてハロゲンヒータ53H、54Hへの供給電力を制御することにより、外部加熱ローラ53、54の表面温度が目標温度に調整される。
温度調整回路43の温調の一例として、外部加熱ローラ53、54は、加熱部材である定着ローラ40よりも高温になるように等しく目標温度が設定される。定着ローラ40の目標温度が165℃であるのに対して、外部加熱ローラ53、54の目標温度は230℃に設定される。外部加熱ローラ53、54の温度が定着ローラ40の温度よりも高温に保たれていた方が、定着ローラ40の表面温度の降下に対してレスポンス(熱の感応精度)良く外部加熱ローラ53、54から定着ローラ40に熱が供給される。このため、外部加熱ロ−ラ53、54の温調の目標温度を定着ロ−ラ40の温調の目標温度よりも65℃高く設定している。
温度調整回路43は、定着ローラ40・加圧ローラ41の温度を制御する第1の制御手段と、外部加熱ローラ53、54の温度を制御する第2の制御手段とを兼ねる。そして、第2の制御手段による外部加熱ローラ53、54の温調の目標温度は、第1の制御手段による定着ローラ40の温調の目標温度よりも高く設定されている。
図4の(a)に示すように、接離機構60は、回動軸61を中心にして回動可能な支持アーム62に、加圧ローラ41を回転自在に支持させている。加圧ローラ41は、ばね加圧機構64によって定着ローラ40に加圧当接される。モータ65が偏心カム63を回転させると、図4の(b)に示すように、ばね加圧機構64に逆らって加圧ローラ41が定着ローラ40から離間する。
同様に、接離機構70、80は、回動軸71、81を中心にして回動可能な支持アーム72、82に外部加熱ロ−ラ53、54を回転自在に支持させている。外部加熱ロ−ラ53、54は、ばね加圧機構74、84によってそれぞれ定着ローラ40に加圧当接される。外部加熱ロ−ラ53、54は、定着ローラ40に対してそれぞれ総圧力約392N(約40kg)で圧接されて、定着ローラ40の回転に従動して回転する。
モータ75が偏心カム73を回転させると、図4の(b)に示すように、ばね加圧機構74に逆らって外部加熱ローラ53が定着ローラ40から離間する。モータ85が偏心カム83を回転させると、図4の(b)に示すように、ばね加圧機構84に逆らって外部加熱ローラ54が定着ローラ40から離間する。
図3に示すように、定着装置9のスタンバイ状態(画像形成の待機時)では、加圧ローラ41、及び外部加熱ロ−ラ53、54は、定着ロ−ラ40から離間している。
<実施例1>
図5は実施例1の制御のフローチャートである。図6は実施例1における普通紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。図7は実施例1における厚紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。
記録材Pが厚紙であっても薄紙と同等の高い生産性を実現するためには、外部加熱ローラ53、54から定着ローラ40の表面に与える熱量を大きくすることが考えられる。しかし、単純に外部加熱ローラ53、54からの熱供給量を大きくしただけでは、記録材Pが加熱ニップNに入る前に、外部加熱ローラ53、54から定着ローラ40の表面に大き過ぎる熱量を与えてしまう可能性がある。
その結果、定着ローラ40の表面温度が高くなり過ぎて、記録材P上のトナーを溶かし過ぎてしまい、出力画像のグロス(光沢度)が高くなり過ぎる場合がある。そして、定着ローラ40の表面温度が高くなり過ぎる問題は、外部加熱ロ−ラ53、54や定着ローラ40の表面温度の応答性が悪いため、定着ローラ40、外部加熱ローラ53、54の温調の目標温度の変更では解決できない。
さらに、外部加熱ローラ53、54を定着ローラ40に対して同時に当接させた場合、第1の外部加熱ローラ53からは、第2の外部加熱ローラ54からよりも大きな熱量が定着ローラ40へ流れ込む。このため、第1の外部加熱ローラ53の温度低下が起きてしまい、結果的に定着ローラ40の表層に対する加熱能力の低下が生じて、十分な定着性を確保できなくなる。
そこで、記録材Pが加熱ニップNに入った後に外部加熱ローラ53、54を当接させて定着ローラ40に熱量を与えることが試された。しかし、この場合、記録材Pが定着ローラ40の熱量を奪い始めた直後に定着ローラ40の表面温度が下がり過ぎる。このため、記録材P上のトナーを溶かすことができず、出力画像のグロス(光沢度)が低くなったり、グロス段差(光沢むら)ができたりする。
このため、後述する比較例1の従来構成では、定着ローラ40の表面を外部加熱ローラ53、54によって効果的に加熱できず、高い生産性を実現することができなかった。また、カラー画像のグロス変動(光沢むら)ができてしまうことで、高画質のカラー画像が得られなかった。
そこで、実施例1では、外部加熱ローラ53、54について比熱の異なる材料を選択して直径を異ならせることで、第1の外部加熱ローラ53の熱容量を第2の外部加熱ローラ54よりも高くした。
第2の外部加熱ローラ54は、芯金部分に直径36mm、肉厚3.0mmのアルミニウム(AL6063:比重2.7、比熱900[J/kg・K])の中空円筒形材料を用い、その外周面にフッ素樹脂(PFA)のコート層を約20μm形成してある。これに対して第1の外部加熱ローラ53は、芯金部分に直径44mm、肉厚3.0mmのステンレス(SUS430:比重7.9、比熱444[J/kg・K])の中空円筒形材料を用い、その外周面にフッ素樹脂(PFA)のコート層を約20μm形成してある。
これにより、第1の外部加熱ローラ53の熱容量は約1060[J/K]となり、第2の外部加熱ローラ54の熱容量である約600[J/K]よりも大きい。
また、定着ローラ40のハロゲンヒータ40Hのワット数は、1200Wとし、外部加熱ローラ53、54のハロゲンヒータ53H、54Hのワット数は、いずれも500Wとした。温度調整回路43は、上述したように、外部加熱ローラ53、54の表面温度が等しい目標温度230℃となるように、ハロゲンヒータ53H、54Hへの投入電力を調整する。
記録材Pの定着搬送速度(プロセススピード)は300mm/secであり、記録材Pは、坪量が250g/mの厚紙を用いて加熱ニップNの温度低下を比較例1、2と比較する実験を行った。外部加熱ロ−ラ53、54のハロゲンヒータ53H、54Hのワット数500Wは、坪量250g/mの記録材が300mm/secで連続通紙しても、定着ロ−ラ40の表面温度が150℃以上に維持されるワット数である。
図1に示すように、画像形成装置100を複写機として使用する場合、図4の(b)に示すスタンバイ状態において、操作パネル108のスタートボタンが押されることにより、制御部110へ画像形成開始信号が入力される。また、画像形成装置100をパーソナルコンピュータなどの外部機器とネットワーク接続されたプリンタとして使用する場合、外部機器からの印刷命令により制御部110へ画像形成開始信号が入力される。
図5に示すように、制御部110へ画像形成開始信号が入力されると、画像形成装置100内の各種機器の画像形成準備動作が開始され、定着装置9の定着準備動作も開始される(S11)。そして、定着準備動作(S11)を通じて定着ローラ40及び加圧ローラ41の温度がそれぞれ温調温度に達すると(S12のYES)、定着装置9による定着動作が開始される(S13)。
ここで、定着装置9は、ブラックの画像形成部Pdの感光ドラム3dへの画像露光開始タイミングを基に定着動作を開始する(S13)。詳細には、画像形成部Pdの感光ドラム3dへの露光開始タイミングから所定時間経過した後、定着ローラ40に加圧ローラ41が当接する(S16)。二次転写部T2への記録材Pの搬送タイミング、即ち、レジストローラ12の搬送開始タイミングも、画像形成部Pdの感光ドラム3dへの露光開始タイミングを基に決定されている。
図4の(b)に示すスタンバイ状態で、第1及び第2の外部加熱部材(53、54)は、加熱部材(40)に対して個別に接離可能に配置されている。そして、制御部110に画像形成開始信号が入力されると、第1の外部加熱ローラ53(S15)よりも、第2の外部加熱ローラ54のほうが、わずかに早いタイミングで定着ローラ40に加圧される(S14)。すなわち、像加熱の開始時には、第2の外部加熱部材(54)、第1の外部加熱部材(53)、加圧部材(41)の順番に加熱部材(40)に当接させる。
このため、図2に示すように、始めに第2の外部加熱ローラ54と定着ローラ40との間で熱伝達が起こってサーミスタ42dで検知される外部加熱温度が温調温度(230℃)を下回ることで、ハロゲンヒータ54Hを速いタイミングで点灯できる。
また、外部加熱ローラ53、54が同時に定着ローラ40に当接される場合のように、外部加熱ローラ53、54の両方に加熱されて表面温度が急変した領域が定着ローラ40の表面に形成されることがない。回転方向の温度ムラが少ない定着ローラ40を用いて記録材Pにトナー像を定着することが可能となり、定着性や画像の光沢度(グロス)の変動が小さな画像形成を実現できる。
必要な枚数の画像形成が終了すると(S17のYES)、図3に示すように、外部加熱ローラ53、54及び加圧ローラ41が定着ローラ40から離間する(S18)。その後、ハロゲンヒータ53H、54H、40H、41Hへの電力供給が停止されて(S19)、画像形成装置100は、次のジョブを待つスタンバイ状態となる。
図6に示すように、坪量80g/mの普通紙の通紙時は、第1の外部加熱ローラ53の表面温度の低下が10℃未満に抑えられ、定着ローラ40の表面温度の変動幅ΔTは15℃以下に抑えることがでた。
図7に示すように、坪量250g/mの厚紙の通紙時は、第1の外部加熱ローラ53の表面温度の低下が20℃未満に抑えられ、定着ローラ40の表面温度は、定着性確保に必要な150℃以上を十分に維持できた。
詳細に説明すると、第2の外部加熱ローラ54の当接後、約10秒で加圧ローラ41が当接し、ほぼ同時に記録材Pが加熱ニップNに給送される。加圧ローラ41及び記録材Pに接して温度低下した定着ローラ40の表面は、第1の外部加熱ローラ53に接触して熱を奪うことで温度低下を抑制される。このとき、第1の外部加熱ローラ53の熱容量が大きいため、熱容量が小さい場合よりも外部加熱ローラ53の表面温度が高まり、定着ローラ40に対して効率的な加熱を行える。
実施例1では、外部加熱ローラ53、54に100[J/K]以上の熱容量の差をつければ、定着画像の定着性や光沢度(グロス)の変動に対する効果が現れた。そのため、従来どおりの定着ローラ40、加圧ローラ41、外部加熱ローラ54、接離機構及び筐体構造を利用して、従来の定着装置9の枠組の中で、外部加熱ローラ53、54の熱容量に差異をつけることができた。
実施例1では、第1の外部加熱ローラ53の熱容量が高いため、連続画像形成の開始直後に外部加熱ローラ53の表面温度の低下が起こりにくく、連続画像形成中を通して必要な加熱量を供給し続けられる。また、第1の外部加熱ローラ53の直径が大きいため、1回転中で中心からの加熱を受け取る時間が長くなって外部加熱ローラ53の表面温度の低下がさらに起こりにくい。このため、外部加熱ローラ53から定着ローラ40の表面に十分な熱量を与えられるため、記録材Pの連続画像形成時に定着ローラ40の表面温度の低下が起こりにくい。厚紙との接触を通じて定着ローラ40の表面温度が低下しても、低下が抑制されるため、定着ローラ40表面温度が継続的に許容範囲内に収まる。
なお、実施例1では、外部加熱ローラ53、54の直径と材料の組み合わせの違いで熱容量の差をつけたが、いずれかの要素のみの違いで熱容量に差をつけてもよい。第1の外部加熱ローラ53で芯金53bの肉厚を増して外部加熱ローラ53の熱容量を高めてもよい。
ただし、外部加熱ローラ53の肉厚方向の熱伝導性を著しく落とす構成の場合、内側からの加熱が外周面へ届きにくくなって、外周面の温度を目標温度に保つことが困難になることがある。この場合、芯金40aやハロゲンヒータ54Hが最大耐熱温度を超えて加熱される可能性が高まる。実施例1では、外部加熱ローラ53の直径をこれ以上に大きくすることは、定着装置9の筐体に収まらなくなるので好ましくない。また、外部加熱ローラ53の肉厚をこれ以上に大きくすることも、ハロゲンヒータ53Hからの熱伝導が低下して、表面温度の応答性が低下するので好ましくない。
<比較例1>
図8は比較例1における普通紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。図9は比較例1における厚紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。
実施例1との比較を行うため、外部加熱ローラ53、54を共通の芯金、外観、ハロゲンヒータ53H、54Hの組み合わせで構成した比較例1(従来構成)の定着装置9を用いて実施例1と同様な評価を行った。
外部加熱ローラ53、54は、いずれも芯金部分に、直径36mm、肉厚3.0mmのアルミニウム(AL6063:比熱900[J/kg・K])の中空の円筒材料を用い、その外周面にフッ素樹脂(PFA)のコート層を約20μm形成してある。これにより、外部加熱ローラ53、54の熱容量は、いずれも約600[J/K]と等しくなっている。実施例1と同様に、外部加熱ローラ53、54のハロゲンヒータ53H、54Hのワット数は、いずれも500Wであり、外部加熱ローラ53、54の表面温度の目標温度は230℃である。比較実験における定着装置9の運転条件は実施例1と等しく設定した。
図8に示すように、坪量80g/mの普通紙の通紙時は、第1の外部加熱ローラ53の表面温度が20℃近く低下するものの、定着ローラ40の表面温度の変動幅ΔTは20℃以下に抑えることがでた。そして、定着ローラ40の表面温度は、定着性確保に必要な150℃以上を十分に維持できた。
これに対して、図9に示すように、坪量250g/mの厚紙の通紙時は、第1の外部加熱ローラ53の表面温度が急激に低下し、最大で30℃以上の温度低下が生じた。そのため、定着ローラ40の表面温度は、現像剤の定着性確保に必要な150℃を下回って、出力画像の定着性及び光沢度(グロス)に深刻な問題が生じた。
このとき、第2の外部加熱ローラ54の温度低下は10℃程度でほとんど無いため、2本の外部加熱ローラ53、54による加熱を実施例1ほどには効果的に利用できていないと考えられる。
<比較例2>
図10は比較例2における普通紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。図11は比較例2における厚紙定着時の定着ローラの表面温度の変化の説明図である。
実施例1との比較を行うため、実施例1の外部加熱ローラ53、54の配置を反対にした比較例2の定着装置9を用いて実施例1と同様な評価を行った。
比較例2では、実施例1とは逆に、第2の外部加熱ローラ54のほうが、第1の外部加熱ローラ53よりも熱容量が高い。具体的には、実施例1における熱容量の小さな第2の外部加熱ローラ54を、比較例2では第1の外部加熱ローラ53として用い、実施例1における熱容量の大きな第1の外部加熱ローラ53を、比較例2では第2の外部加熱ローラ54として用いた。これにより、第1の外部加熱ローラ53の熱容量は、約600[J/K]となり、第2の外部加熱ローラ54の熱容量である約1060[J/K]よりも小さい。
外部加熱ローラ53、54のハロゲンヒータ53H、54Hのワット数及び温度調整、比較実験における定着装置9の運転条件は実施例1と等しく設定した。
図10に示すように、坪量80g/mの普通紙の通紙時は、第1の外部加熱ローラ53の表面温度が20℃近く低下するものの、定着ローラ40の表面温度の変動幅ΔTは20℃以下に抑えることがでた。そして、定着ローラ40の表面温度は、定着性確保に必要な150℃以上を十分に維持できた。
これに対して、図11に示すように、坪量250g/mの厚紙の通紙時は、第1の外部加熱ローラ53の表面温度が急激に低下し、最大で30℃以上の温度低下が生じた。そのため、定着ローラ40の表面温度は、現像剤の定着性確保に必要な150℃を下回って、出力画像の定着性及び光沢度(グロス)に深刻な問題が生じた。
比較例2でも、第2の外部加熱ローラ54の温度低下はほとんど無いため、2本の外部加熱ローラ53、54による加熱を比較例1と同様に効果的に利用できていないと考えられる。
<比較例3>
比較例2の構成における第2の外部加熱ローラ54の芯金部分を、直径と厚みが同じで材料をアルミニウム(AL6063:比熱900[J/kg・K])に変更した外部加熱ローラ54を試作した。そして、試作品を比較例2の構成に搭載して比較例3とし、比較例3の構成を用いて実施例1と同様な評価を行った。
比較例3では、比較例2に比較して定着ローラ40の温度低下の抑制に多少の効果が見られたが、坪量80g/mの普通紙の通紙初期において定着ローラ40の表面温度が高くなり過ぎて出力画像の品質に深刻な問題が生じた。定着ローラ40へ移転するトナーが増えて画像の濃度ムラが発生し、定着ローラ40に記録材Pが連れ回ってジャムも発生した。
また、坪量250g/mの厚紙の通紙時は、通紙開始後数十枚を経て定着ローラ40の表面温度の大幅な低下が発生してしまい、比較例1のような安定した優位性が現れなかった。
<比較例4>
比較例1の構成(従来構成)における外部加熱ローラ53、54をいずれも実施例1で第1の外部加熱ローラ53として用いた芯金部分がステンレス材料のものに置き換えて比較例4とした。
すなわち、比較例4では、外部加熱ローラ53、54は、いずれも芯金部分に直径44mm、肉厚3.0mmのステンレスの中空円筒形材料を用いて、熱容量を約1060[J/K]としている。外部加熱ローラ53、54のハロゲンヒータ53H、54Hのワット数は、いずれも500Wとし、外部加熱ローラ53、54の表面温度が目標温度230℃となるように温度制御されている。
比較例4の構成で実施例1と同様な評価を行ったところ、坪量250g/mの厚紙の通紙時は、実施例1と同様な安定した良好な定着性を確保できた。しかし、坪量80g/mの普通紙の通紙初期において、定着ローラ40表面温度が目標温度よりも15℃高い180℃付近に達してしまった。また、最高温度と最低温度の差ΔTが25℃以上になって画像の光沢度(グロス)がばらつく等の問題点が多く発生した。
実施例1と比較例1〜4の評価結果を表1に示す。
Figure 2011022207
以上より、外部加熱ローラ53、54の熱容量の組み合わせを実施例1のようにすることで、単に外部加熱ローラ53、54の熱容量を上げる以上の効果が得られた。実施例1のように必要な部分のみ熱容量を上げることで、坪量80g/mの普通紙と坪量250g/mの厚紙との両方で、加熱ニップNの温度変化を抑制して、良好で安定した定着性及び光沢性を確保できた。
<実施例2>
実施例1では、第1の外部加熱ローラ53の熱容量を第2の外部加熱ローラ54よりも大きくすることによって、坪量の大きな記録材Pに対する連続画像形成の初期期間における加熱ニップNの温度低下を抑制した。
これに加えて、実施例2では、外部加熱ローラ53の第1の加熱源であるハロゲンヒータ53Hのワット数を外部加熱ローラ54の第2の加熱源であるハロゲンヒータ54Hよりも大きくすることによって、さらに坪量の大きな記録材Pへの対応を可能にした。
図2に示すように、記録材Pの坪量が増加してくると、記録材Pが1枚当たりで定着ローラ40から奪う熱量が増加し、定着ローラ40の加熱量が不足する。その解決手段として、定着ローラ40の加熱源であるハロゲンヒータ40Hのワット数を増加させることが考えられる。しかし、単にハロゲンヒータ40Hのワット数を増加させるだけでは、連続画像形成の初期期間における定着ローラ40(特に芯金部分)の温度のコントローラが困難になってしまう問題がある。
また、連続画像形成時に定着ローラ40へ供給される合計加熱量が不足すると、定着ローラ40の表面温度が徐々に低下して、出力画像の定着性が確保できなくなる。定着ローラ40の芯金40bの内側のハロゲンヒータ40Hからの熱のみでは、ハロゲンヒータ40Hのワット数に限界があるため、供給熱量が不足することがある。また、定着ローラ40の表層に熱が伝わる速さが遅いことも、定着ローラ40の表面温度が低下する原因の1つである。
そこで、外部加熱ローラ53、54による加熱量を増やすことが考えられる。しかし、第2の外部加熱部材である外部加熱ローラ54による加熱量を増した場合には、連続通紙を重ねると、外部加熱ローラ54の表面温度が温調温度に達し易くなって、ハロゲンヒータ54HはOFFがちとなって大きな加熱効果を発揮できない。加えて、外部加熱ローラ54の表面温度が温調温度(230℃)に達していると、記録材Pの紙間タイミングがずれた場合に、定着ローラ40の表面温度が温調温度(165℃)を大きく上回ってオーバーシュートすることがある。
そこで、第1の外部加熱部材である外部加熱ローラ53の第1の加熱源であるハロゲンヒータ53Hのワット数を高めて加熱量を増やすことが効果的である。外部加熱ローラ53は、定着ローラ40の表面との温度差が大きいため、熱をより奪われることで温度低下が大きい。そのため、ハロゲンヒータ53HがON状態に保たれてハロゲンヒータ40Hのワット数の限界が高くなっただけ消費電力を高めて効果的に定着ローラ40の外周面を加熱できるからである。
実施例2では、外部加熱ローラ53の第1の加熱源であるハロゲンヒータ53Hのワット数が、下流側の外部過熱ローラ54の第2の加熱源であるハロゲンヒータ54Hよりも大きい。具体的には、ハロゲンヒータ53Hを800Wの定格のものに交換して、ハロゲンヒータ54Hの500Wに対して差を持たせた。
実施例2では、定着ローラ40、加圧ローラ41、外部過熱ローラ53、54について、実施例1と同様な着脱制御と温度調整を行って、実施例1よりも広い記録材の坪量範囲で連続画像形成の評価を行った。記録材Pの定着搬送速度は300mm/sec、記録材Pは、坪量が64g/m及び310g/mのものを追加した。
Figure 2011022207
表2に示すように、実施例2では、実施例1よりもさらに坪量の範囲が広い記録材Pで定着性とグロス安定性を確保できる。坪量80g/m、坪量250g/mに加えて、坪量64g/m、及び坪量310g/mの記録材Pへの対応が可能になった。
実施例1、2によれば、定着ローラ40の温度変化を低く抑えることで、幅広い坪量の記録材Pに対して同じように安定した高い定着性を確保でき、かつ画像表面のグロス変動の少ない出力画像が得られる。そして、外部加熱ローラ53、54にハロゲンヒータ53H、54Hからの熱量を効果的に配分できるため、ハロゲンヒータ53H、54Hの加熱性能の無駄を少なくできる。これにより、連続画像形成時に安定した画像品質の画像出力を継続できる。
実施例1、2によれば、外部加熱ローラ53、54を具備させた定着装置9において、個々の外部加熱ローラ53、54の熱容量と加熱能力に差を持たせることで、定着ローラ40の急激な温度上昇や温度低下を緩和する。これにより、記録材Pが厚紙である場合でも、生産性を大幅に向上させることが可能であるとともに、カラー画像のグロス変動がない高画質のカラー画像を得ることが可能になる。
定着装置
11 二次転写ローラ
14 対向ローラ
20 中間転写ベルト
40 定着ロ−ラ、40a 芯金、40b 弾性層、40H ハロゲンヒータ
41 加圧ロ−ラ、41a 芯金、41b 弾性層、41H ハロゲンヒータ
42a、42b、42c、42d 検出手段(サーミスタ)
43 温度調整回路
53 外部加熱ローラ、53H ハロゲンヒータ
54 外部加熱ローラ、54H ハロゲンヒータ
60、70、80 接離機構
108 操作パネル
110 制御部
P 記録材
Pa、Pb、Pc、Pd 画像形成部

Claims (6)

  1. 内側から加熱されて外周面を記録材の画像面に接触させる加熱部材と、前記加熱部材に圧接して記録材の加熱ニップを形成する加圧部材と、前記加熱部材よりも高温度に加熱され前記加熱ニップを起点として前記加熱部材の回転方向の上流側で前記加熱部材の外周面に接触可能な第1の外部加熱部材と、前記加熱部材よりも高温度に加熱され前記第1の外部加熱部材と前記加熱ニップとの間で前記加熱部材の外周面に接触可能な第2の外部加熱部材と、を備えた像加熱装置において、
    前記第1の外部加熱部材は、第2の外部加熱部材よりも熱容量が大きいことを特徴とする像加熱装置。
  2. 前記第1の外部加熱部材は、前記第2の外部加熱部材よりも直径が大きいことを特徴とする請求項1記載の像加熱装置。
  3. 前記第1の外部加熱部材は、ステンレスの円筒材料で形成され、
    前記第2の外部加熱部材は、前記第1の外部加熱部材と肉厚が等しいアルミニウムの円筒材料で形成されることを特徴とする請求項2記載の像加熱装置。
  4. 前記第1の外部加熱部材を内側から加熱する第1の加熱源は、前記第2の外部加熱部材を内側から加熱する第2の加熱源よりもワット数が大きいことを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項記載の像加熱装置。
  5. 前記加圧部材は、前記加熱部材よりも低温度に加熱されて、前記加熱部材に対して接離可能に配置され、
    前記第1及び第2の外部加熱部材は、前記加熱部材に対して個別に接離可能に配置され、
    像加熱の開始時に、前記第2の外部加熱部材、前記第1の外部加熱部材、前記加圧部材の順番に前記加熱部材に当接させる制御手段を備えることを特徴とする請求項1乃至4いずれか1項記載の像加熱装置。
  6. 内側から加熱されて外周面を記録材の画像面に接触させる加熱部材と、前記加熱部材に圧接して記録材の加熱ニップを形成する加圧部材と、前記加熱ニップを起点として前記加熱部材の回転方向の上流側で前記加熱部材の外周面に接触可能な第1の外部加熱部材と、前記第1の外部加熱部材と前記加熱ニップとの間で前記加熱部材の外周面に接触可能な第2の外部加熱部材と、前記第1の外部加熱部材を内側から加熱する第1の加熱源と、前記第2の外部加熱部材を内側から加熱する第2の加熱源とを備え、前記第1及び前記第2の外部加熱部材は、前記第1及び前記第2の加熱源によって前記加熱部材よりも高温度に加熱されている像加熱装置において、
    前記第1の加熱源は、前記第2の加熱源よりもワット数が大きいことを特徴とする像加熱装置。
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