JP2011059252A - レーザ定着装置、画像形成装置、定着装置の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ方式の定着装置においてボイドの発生を抑制する。
【解決手段】用紙搬送装置１５ｂと複数のレーザ光源を列状に並べてなるレーザアレイ１５ａとを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙Ｐ上のトナーＴ１に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるものである。前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置における最大トナー付着量をｍｔ（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲１５ｃの用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間をｔｎ（ｍｓｅｃ）とする場合、ｔｎ≧０．２５９・ｍｔ^{１．５１３９}が成立するように、前記照射範囲長および前記用紙搬送速度を設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、用紙上に転写されたトナー像にレーザ光を照射することによって当該トナー像を用紙に熱定着させる定着装置に関する。

従来、複写機、プリンタ等の電子写真方式の画像形成装置には、熱ローラ定着方式の定着装置が多用されている。熱ローラ定着方式の定着装置は、互いに圧接されたローラ対（定着ローラおよび加圧ローラ）を備え、このローラ対の両方あるいはいずれか一方の内部に配置されたハロゲンヒータによりローラ対を所定の温度に加熱するようになっている。そして、用紙が両ローラのニップ部（接触部）を通過し、両ローラに用紙が圧接され加熱されることで用紙上のトナー像が用紙に定着するようになっている。

しかし、熱ローラ定着方式の定着装置においては、定着ローラや加圧ローラを定着可能な温度に昇温させるためのウォームアップ時間が長いため、待機時においても定着ローラや加圧ローラを予熱しておく必要があり、消費電力が増大するといった問題があった。

この問題を解決するために、下記の特許文献１および２に示すように、用紙上に形成された未定着トナー像にレーザビームを照射することによって、トナー像を溶融して定着を行うレーザ方式の定着装置が提案されている。また、特許文献３には、用紙上のトナー画像が形成された部分にのみ選択的にレーザを照射するように設定した定着装置が提案されている。特許文献４には、用紙搬送方向の下流側領域と用紙搬送方向の上流側領域とにレーザ光を照射し、上流側領域にてトナーに与えられる熱量を下流側領域にてトナーに与えられる熱量よりも多くする定着装置が提案されている。

特許第３０１６６８５号（２０００年３月６日発行） 特開２００５−７０５３６号（２００５年３月１７日公開） 特開平２−２２１９８４号（１９９０年９月４日公開） 特開２００８−８９８２８号（２００８年０４月１７日公開）

レーザ方式の定着装置においては、用紙上のトナー層の表面側からレーザ照射が行われるため、加熱温度は、トナー層の表面で最も高くなり、表面から界面（用紙とトナー層との境界面）に近づくにつれて下がり、前記界面では最も低くなる。それゆえ、レーザ照射条件（レーザ光のエネルギー密度，レーザアレイの総出力値）は、前記界面が少なくともトナーの融点温度になるような条件に設定される。また、前記のレーザ照射条件は、照射範囲通過時間（用紙上の任意の点がレーザ照射範囲を通過するのに要する時間）に応じた値に設定される。

ところで、本願発明者が鋭意検討を行った結果、レーザ定着装置においては、前記照射範囲通過時間が短く設定されるほど、用紙への伝熱に起因するエネルギー損失が少なくなるためエネルギー効率的に有利となるものの、トナー層の表面の温度（表面温度）が高くなり、前記表面温度と界面温度（前記界面の温度）との差が大きくなることがわかった。さらに、照射範囲通過時間が極めて短いと、用紙上のトナー付着量によっては前記表面温度が爆発的に上昇し、表面温度が高くなり過ぎてトナーの凝集や昇華が生じることがわかった。その結果、用紙上のトナー像においてボイド（白抜け）が発生し、画像劣化の問題が生じる。

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、レーザ方式の定着装置において、トナー層の表面温度が高過ぎることに起因するボイドの発生を抑制することを目的としている。

前記の課題を解決するために、本発明は、電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置において、前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置における最大トナー付着量をｍｔ（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間をｔｎ（ｍｓｅｃ）とする場合、
ｔｎ≧０．２５９・ｍｔ^{１．５１３９}
（但しｍｔ≦１．５である）
を満たすことを特徴とする。

以上のように、ｔｎ≧０．２５９・ｍｔ^{１．５１３９}の関係が満たされるようにレーザ定着装置を設計すればトナー層の表面温度が高過ぎることに起因するボイドの発生を抑制できるという効果を奏する。

また、前記の課題を解決するために、本発明は、電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置において、前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置の多色画像形成時の最大トナー付着量をｍｔ_１（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記画像形成装置の単色画像形成時の最大トナー付着量をｍｔ_２（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間であって多色画像形成時の照射範囲通過時間をｔｎ_１とし、単色画像形成時の照射範囲通過時間をｔｎ_２とする場合、
ｔｎ_１≧０．２５９・ｍｔ_１ ^{１．５１３９}
ｔｎ_２≧０．２５９・ｍｔ_２ ^{１．５１３９}
（但し、ｍｔ_１≦１．５、ｍｔ_２＜ｍｔ_１）
を満たし、且つｔｎ_２＜ｔｎ_１を満たすことを特徴とする。

以上のように、多色画像形成時はｔｎ_１≧０．２５９・ｍｔ_１ ^{１．５１３９}の関係が満たされ、単色画像形成時はｔｎ_２≧０．２５９・ｍｔ_２ ^{１．５１３９}の関係が満たされるようにレーザ定着装置を設計すれば、トナー層の表面温度が高過ぎることに起因するボイドの発生を抑制できるという効果を奏する。さらに、以上の構成によれば、ｔｎ_１よりもｔｎ_２を小さくしているので、単色画像形成時の印字速度を多色画像形成時の印字速度よりも速く設定でき、単色画像の生産性を向上することができるという効果を奏する。

なお、前記の多色画像とは、２色以上のトナーを用いて形成される画像（例えばフルカラー画像）を意味し、単色画像とは、１色のトナーを用いて形成される画像（例えばモノクロ画像）を意味する。

また、前記の課題を解決するために、本発明は、電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置において、前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置における最大トナー付着量をｍｔ（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間をｔｎ（ｍｓｅｃ）とする場合、
ｔｎ≧０．６４０７ｍｔ＋０．１４５９
（但しｍｔ≦１．５である）
を満たすことを特徴とする。

以上のように、ｔｎ≧０．６４０７ｍｔ＋０．１４５９の関係が満たされるレーザ定着装置は、トナー層の表面温度が高過ぎることに起因するボイドの発生を抑制できるという効果を奏する。また、ｔｎ≧０．６４０７ｍｔ＋０．１４５９の関係が満たされるレーザ定着装置によれば、定着処理中にトラブルが起きて用紙搬送が急停止した場合であっても用紙の発火を防止することができるという効果を奏する。

前記の課題を解決するために、本発明は、電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置において、前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置の多色画像形成時の最大トナー付着量をｍｔ_１（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記画像形成装置の単色画像形成時の最大トナー付着量をｍｔ_２（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間であって多色画像形成時の照射範囲通過時間をｔｎ_１とし、単色画像形成時の照射範囲通過時間をｔｎ_２とする場合、
ｔｎ_１≧０．６４０７ｍｔ_１＋０．１４５９
ｔｎ_２≧０．６４０７ｍｔ_２＋０．１４５９
（但し、ｍｔ_１≦１．５であり、ｍｔ_２＜ｍｔ_１である）
を満たし、且つｔｎ_２＜ｔｎ_１を満たすことを特徴とする。

以上のように、多色画像形成時はｔｎ_１≧０．６４０７ｍｔ_１＋０．１４５９の関係が満たされ、単色画像形成時はｔｎ_２≧０．６４０７ｍｔ_２＋０．１４５９の関係が満たされるように定着装置を設計すれば、トナー層の表面温度が高過ぎることに起因するボイドの発生を抑制でき、且つ定着処理中にトラブルが起きて用紙搬送が急停止した場合であっても用紙の発火を防止することができる。さらに、以上の構成によれば、ｔｎ_１よりもｔｎ_２を小さくしているので、単色画像形成時の印字速度を多色画像形成時の印字速度よりも速く設定でき、単色画像の生産性を向上することができるという効果を奏する。

また、本発明のレーザ定着装置は、前記構成に加えて、前記レーザ光源が、多色画像形成時と単色画像形成時とで前記照射範囲長が一定になるように前記レーザ光を照射するようになっており、前記単色画像形成時の用紙搬送速度が前記カラー画像形成時の用紙搬送速度よりも速くなるように前記搬送装置を制御することによって、ｔｎ_２をｔｎ_１よりも短くする搬送制御手段を有する構成であってもよい。

さらに、本発明のレーザ定着装置は、前記構成に加えて、多色画像形成時と単色画像形成時とで用紙搬送速度が一定になるように前記搬送装置を制御する搬送制御手段と、前記レーザアレイ部から射出されるレーザ光が集光光学系を通過せずに前記用紙に導かれるようになっている第１光路と、前記レーザアレイ部から射出されるレーザ光が集光光学系を通過して前記用紙に導かれるようになっている第２光路とを切り替える光路切り替え手段とを有し、第２光路を経由したレーザ光によって形成される前記照射範囲の前記照射範囲長は、第１光路を経由したレーザ光によって形成される前記照射範囲の前記照射範囲長よりも短くなっており、前記光路切り替え手段は、多色画像形成時において前記第１光路を選択して単色画像形成時において前記第２光路を選択することによって、ｔｎ_２をｔｎ_１よりも短くするようになっている構成であってもよい。

また、本発明のレーザ定着装置は、前記構成に加えて、多色画像形成時と単色画像形成時とで用紙搬送速度が一定になるように前記搬送装置を制御する搬送制御手段を有し、前記レーザアレイ部は、前記搬送の方向に直交する方向に並べられた複数のレーザ光源と、このレーザ光源から射出されるレーザ光を前記用紙に集光する集光光学系とを含む第１レーザアレイ装置と、前記搬送の方向に直交する方向に並べられた複数のレーザ光源を有し、このレーザ光源から放たれるレーザ光を、集光光学系を介さずに前記用紙に照射するようになっている第２レーザアレイ装置とを有し、第１レーザアレイ装置のレーザ光によって形成される前記照射範囲の前記照射範囲長は、第２レーザアレイ装置のレーザ光によって形成される前記照射範囲の前記照射範囲長よりも短くなっており、多色画像形成時は前記第２レーザアレイ装置を駆動して単色画像形成時は前記第１レーザアレイを駆動することによって、ｔｎ_２をｔｎ_１よりも短くするようになっているアレイ制御手段を備えている構成であってもよい。

また、前記の課題を解決するために、本発明は、電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置の設計方法において、前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置における最大トナー付着量をｍｔ（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間をｔｎ（ｍｓｅｃ）とする場合、
ｔｎ≧０．２５９・ｍｔ^{１．５１３９}
（但しｍｔ≦１．５である）
を満たすように前記照射範囲長および前記用紙搬送速度を設定することを特徴とする。

さらに、前記の課題を解決するために、本発明は、電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置の設計方法において、前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置における最大トナー付着量をｍｔ（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間をｔｎ（ｍｓｅｃ）とする場合、
ｔｎ≧０．６４０７ｍｔ＋０．１４５９
（但しｍｔ≦１．５である）
を満たすように前記照射範囲長および前記用紙搬送速度を設定することを特徴とする。

なお、レーザ定着装置は画像形成装置に設けられるものである。この画像形成装置としては、複合機、複写機、プリンタ、ファクシミリ装置等が挙げられる。

本発明によれば、ｔｎ≧０．２５９・ｍｔ^{１．５１３９}の関係が満たされるようにレーザ定着装置が設計されるため、トナー層の表面温度が高過ぎることに起因するボイドの発生を抑制できるという効果を奏する。

本実施形態の定着装置を有する画像形成装置の全体の構成を模式的に示した図である。 本実施形態の定着装置の構成を示す説明図である。 図２の定着装置が備えるレーザアレイを模式的に示す正面図である。 図３のレーザアレイを模式的に示す側面図である。 図２の定着装置が備えるハードウェアを示すブロック図である。 レーザ方式による定着処理のモデル図である。 照射範囲通過時間に対する必要エネルギー密度および必要総出力を示したグラフであって、（ａ）はトナー付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２である場合のグラフであり、（ｂ）はトナー付着量が０．７ｍｇ／ｃｍ^２である場合のグラフであり、（ｃ）はトナー付着量が１．０ｍｇ／ｃｍ^２である場合のグラフであり、（ｄ）はトナー付着量が１．３ｍｇ／ｃｍ^２である場合のグラフである。 照射範囲通過時間とトナー表面温度との関係を示したグラフであり、（ａ）はトナー付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２である場合のグラフであり、（ｂ）はトナー付着量が０．７ｍｇ／ｃｍ^２である場合のグラフであり、（ｃ）はトナー付着量が１．０ｍｇ／ｃｍ^２である場合のグラフであり、（ｄ）はトナー付着量が１．３ｍｇ／ｃｍ^２である場合のグラフである。 トナー表面温度が４００℃になるような照射範囲通過時間とトナー付着量との関係を示した関数Ａのグラフである。 照射範囲通過時間と用紙搬送停止直後の用紙温度との関係をトナー付着量別に示したグラフである。 用紙搬送停止直後の用紙温度が３００℃になるような照射範囲通過時間とトナー付着量との関係を示した関数Ｂのグラフである。 本実施形態の定着装置の第２変形例を示す図である。 本実施形態の定着装置の第１変形例を示す図である。

[画像形成装置の構成]
以下、本発明の実施の形態について、図に基づいて説明する。図１は、本実施形態の定着装置を有する画像形成装置の全体の構成を模式的に示した図である。

画像形成装置１００は、電子写真方式のプリンタであり、ネットワーク上の端末装置から送信される画像データ等に基づいて、所定の用紙に対して多色または単色の画像を形成する。なお、画像形成装置１００は複合機または複写機に設けられるプリンタであってもよい。

画像形成装置１００は、図１に示すように、光学系ユニットＥ、可視像形成ユニットｐａ，ｐｂ，ｐｃ，ｐｄ、中間転写ベルト１１、２次転写ユニット１４、定着装置（定着ユニット）１５、内部給紙ユニット１６および手差し給紙ユニット１７を備えている。

図１に示すように、可視像形成ユニットｐａは感光体ドラム１０１ａを有し、可視像形成ユニットｐｂは感光体ドラム１０１ｂを有し、可視像形成ユニットｐｃは感光体ドラム１０１ｃを有し、可視像形成ユニットｐｂは感光体ドラム１０１ｄを有するものである。

光学系ユニットＥは、レーザ光源から射出される光が４組の可視像形成ユニットｐａ，ｐｂ，ｐｃ，ｐｄの感光体ドラムを露光するように設計されている。詳しくは、光学系ユニットＥは、メモリから読出した画像データ、または外部の装置から転送されてきた画像データに応じてレーザ光を出射するレーザ光源、レーザ光を偏向するポリゴンミラー、偏向されたレーザ光を補正するｆ−θレンズなどから構成されている。そして、入力画像データに応じて、帯電された感光体ドラム１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄを露光することにより、その表面に画像データに応じた静電潜像を形成する。

可視像形成ユニットｐａは、感光体ドラム１０１ａの他、感光体ドラム１０１ａの周囲に配置される現像ユニット１０２ａ、帯電ユニット１０３ａ、クリーニングユニット１０４ａおよび１次転写ユニット１３ａを有する。現像ユニット１０２ａにはブラック（Ｂ）のトナーが収容されている。

帯電ユニット１０３ａは、感光体ドラム１０１ａの表面を帯電するものである。帯電ユニット１０３ａとしては、感光体ドラム１０１ａの表面を一様に、またオゾンを極力発生させることなく帯電するために、ローラ方式のものが採用される。現像ユニット（現像装置）１０２ａは、光学系ユニットＥからの照射光によって感光体ドラム１０１の表面に形成された静電潜像に対しトナーを供給してトナー像を形成するためのものである。１次転写ユニット１３ａは、中間転写ベルト１１を介して感光体ドラム１０１ａを押圧するように配置されており、感光体ドラム１０１ａの表面のトナー像を中間転写ベルト１１に転写するための転写装置である。クリーニングユニット１０４ａは、トナー像を転写した後の感光体ドラム１０１ａの表面に残存しているトナーを除去するためのものである。

他の３組の可視像形成ユニットｐｂ，ｐｃ，ｐｄは、可視像形成ユニットｐａと同様の構成であるため、以下では可視像形成ユニットｐｂ，ｐｃ，ｐｄの各構成部材の説明を省略する。但し、各可視像形成ユニットの現像ユニット１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄには、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の各色トナーが収容されている。

中間転写ベルト１１は、用紙搬送方向に沿って並設された可視像形成ユニットｐａ，ｐｂ，ｐｃ，ｐｄに沿って、テンションローラ１１ａ，１１ｂにより撓むことなく配置されている。中間転写ベルト１１において、テンションローラ１１ｂ側には廃トナーボックス１２が当接配置され、テンションローラ１１ａ側には２次転写ユニット１４が当接配置されている。

２次転写ユニット１４は、中間転写ベルト１１に一時的に転写されたトナー像を用紙に転写するためのものである。

定着装置１５は、用紙上の未定着トナー画像にレーザ光を照射して該未定着トナー画像を溶融して用紙上に定着させるレーザアレイ１５ａと、用紙を搬送する用紙搬送装置１５ｂとを備え、レーザ光によりトナー像を用紙に定着するものである。この定着装置１５は、２次転写ユニット１４の用紙搬送方向下流側に配置されている。

光学系ユニットＥの下方には、内部給紙ユニット１６が設けられ、装置本体の外側の側面には手差し給紙ユニット１７が設けられている。画像形成装置１００の上部には排紙トレイ１８が設けられている。この排紙トレイ１８は、印刷済みの用紙をフェイスダウンで載置するためのものである。

また、画像形成装置１００には、内部給紙ユニット１６の用紙および手差し給紙ユニット１７の用紙を２次転写ユニット１４や定着装置１５を経由させて排紙トレイ１８に案内するための用紙搬送路Ｓが設けられている。

用紙搬送路Ｓには、給紙ローラ１６ａ・１７ａ、レジストローラ１９、２次転写ユニット１４、定着装置１５、搬送ローラｒ等が配置されている。

搬送ローラｒは、用紙の搬送を促進・補助するための小型のローラであり、用紙搬送路Ｓに沿って複数設けられている。給紙ローラ１６ａは、内部給紙ユニット１６の端部に備えられ、内部給紙ユニット１６から用紙を１枚ずつ用紙搬送路Ｓに供給する呼び込みローラである。給紙ローラ１７ａは、手差し給紙ユニット１７の近傍に備えられ、手差し給紙ユニット１７から用紙を１枚ずつ用紙搬送路Ｓに供給する呼び込みローラである。

レジストローラ１９は、用紙搬送路Ｓにて搬送されている用紙を一旦保持し、中間転写ベルト１１上のトナー像の先端と用紙の先端とを合わせるタイミングで用紙を２次転写ユニット１４の転写部に搬送するものである。

つぎに、用紙搬送について説明する。画像形成装置１００には、図１に示すように、上述したように予め用紙を収納する内部給紙ユニット１６および少数枚の印字を行う場合等に使用される手差し給紙ユニット１７が配置されている。これら両ユニットには各々給紙ローラ１６ａ，１７ａが配置され、これら給紙ローラ１６ａ，１７ａによって用紙を１枚ずつ用紙搬送路Ｓに供給するようになっている。

片面印字の場合、内部給紙ユニット１６から搬送される用紙は、用紙搬送路Ｓ中の搬送ローラｒによってレジストローラ１９まで搬送され、レジストローラ１９により用紙の先端と中間転写ベルト１１上の積層されたトナー像の先端とが整合するタイミングで２次転写ユニット１４の転写部に搬送される。転写部では中間転写ベルト１１に形成されたトナー像が用紙上に転写され、このトナー像は定着装置１５にて用紙上に定着される。その後、用紙は排紙ローラ１８ａから排紙トレイ１８上に排出される。

また、手差し給紙ユニット１７から搬送される用紙は、複数の搬送ローラｒによってレジストローラ１９まで搬送される。それ以降の用紙搬送動作は、上述した内部給紙ユニット１６から供給される用紙と同様の経過を経て排紙トレイ１８に排出される。

一方、両面印字の場合、上記のようにして片面印字が終了して定着装置１５を通過した用紙が排紙ローラ１８ａに搬送され、用紙の後端が排紙ローラ１８ａにてチャックされる。その後、用紙は、排紙ローラ１８ａが逆回転することによって反転搬送路Ｓ´に導かれ、再びレジストローラ１９を経て裏面印字が行われた後に、排紙トレイ１８に排出される。

つぎに、画像形成装置１００における画像形成処理について説明する。可視像形成ユニットｐａでは、感光体ドラム１０１ａの表面が帯電ユニット１０３ａにより一様に帯電された後、光学系ユニットＥにより感光体ドラム１０１ａ表面に静電潜像が形成される。その後、現像ユニット１０２ａによって感光体ドラム１０１ａ上の静電潜像を現像してトナー像を形成する。感光体ドラム１０１ａ上で顕像化されたトナー像は、トナーとは逆極性のバイアス電圧が印加された１次転写ユニット１３ａにより中間転写ベルト１１上に転写される。なお、他の３組の可視像形成ユニットｐｂ，ｐｃ，ｐｄにおいても、可視像形成ユニットｐａと同様に画像形成が行われ、トナー画像が順次中間転写ベルト１１上で重ねられるようになっている。

そして、中間転写ベルト１１上に形成されたトナー画像は、トナー画像とは逆極性のバイアス電圧が印加された２次転写ユニット１４によって用紙に転写される。トナー画像が転写された用紙は、定着装置１５に搬送され、定着装置１５においてレーザ照射により未定着トナー像が加熱されて用紙上に融着された後、排紙ローラ１８ａにより外部の排紙トレイ１８上に排出される。

[定着装置の構成]
つぎに、本実施形態の定着装置（レーザ定着装置）１５の構成について図面を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態の定着装置の構成を示す説明図であり、図３は、図２の定着装置が備えるレーザアレイを模式的に示す正面図であり、図４は、図３のレーザアレイを模式的に示す側面図である。また、図５は、本実施形態の定着装置が備えるハードウェアを示すブロック図である。

定着装置１５は、図２に示すように、レーザアレイ１５ａと、用紙搬送装置１５ｂとを備えている。また、定着装置１５は、図５に示すように、レーザアレイ１５ａおよび用紙搬送装置１５ｂに接続されている制御装置１５ｅを有している。制御装置１５ｅは、レーザアレイ１５ａの動作および用紙搬送装置１５ｂの動作を制御するものである。

定着装置１５においては、図２に示すように、用紙搬送装置１５ｂが用紙Ｐを搬送し、レーザアレイ１５ａが、搬送されている用紙Ｐに向けてレーザ光を照射するようになっている。そして、図２に示すように、用紙Ｐの表面のうちレーザ光が当たっている領域（スポット）を照射範囲１５ｃとすると、照射範囲１５ｃにおいて用紙Ｐの表面のトナーにレーザ光が当たることで当該トナーが熱溶融し、これによりトナーが用紙Ｐに定着する。なお、図２において、符号Ｔ１は未定着トナー、Ｔ２は定着したトナーを示すものである。

つぎに、用紙搬送装置１５ｂについて説明する。用紙搬送装置１５ｂは、図２に示すように、搬送ベルト１５ｂ１、駆動ローラ１５ｂ２、従動ローラ１５ｂ３、吸着チャージャー１５ｂ４、分離チャージャー１５ｂ５、除電チャージャー１５ｂ６、分離爪１５ｂ７、駆動モータ（図示省略）を備えている。

搬送ベルト１５ｂ１は、ベルト厚７５（μｍ）、体積抵抗率１．０×１０^１６（Ω・ｃｍ）のポリイミド樹脂からなる無端状のベルト部材であり、駆動ローラ１５ｂ２および従動ローラ１５ｂ３に張架されている。

駆動ローラ１５ｂ２は、制御装置１５ｅが駆動モータを駆動することで、所定の回転速度で回転するようになっている。すなわち、搬送ベルト１５ｂ１は、駆動ローラ１５ｂ２の回転によりＴ方向に所定の用紙搬送速度Ｖｐ（ｍｍ／ｓｅｃ）で搬送される。また、搬送ベルト１５ｂ１の周囲には、吸着チャージャー１５ｂ４、分離チャージャー１５ｂ５、除電チャージャー１５ｂ６、分離爪１５ｂ７が設けられている。

このように構成された用紙搬送装置１５ｂにおいて、２次転写ユニット１４から搬送されてきた用紙Ｐは、搬送ベルト１５ｂ１の表面における、従動ローラ１５ｂ３と吸着チャージャー１５ｂ４との間の領域に送り込まれる。

従動ローラ１５ｂ３は導電性材料で構成されて接地されている。搬送ベルト１５ｂ１の表面のうち、従動ローラ１５ｂ３に対向する位置において、吸着チャージャー１５ｂ４によって用紙に電荷を与えることにより、用紙Ｐと搬送ベルト１５ｂ１とが誘電分極を起こす。これにより、用紙Ｐは搬送ベルト１５ｂ１の表面に静電吸着される。

駆動ローラ１５ｂ２の駆動によって搬送ベルト１５ｂ１はＴ方向に動いており、これにより、搬送ベルト１５ｂ１の表面に吸着される用紙Ｐはレーザ光が照射されている領域に搬送されるようになっている。

レーザアレイ１５ａは、用紙Ｐに向けてレーザ光を射出する。この点について、以下詳細に説明する。
図５に示すように、レーザアレイ１５ａを制御する制御装置１５ｅは、画像処理部７０に接続されている。この画像処理部７０は、外部から入力した画像データに対して画像処理を施し、画像処理の施された画像データに基づいて露光系ユニットＥを制御し、前記画像データに応じた潜像を感光体ドラムに形成するものである。つまり、前記画像データは用紙Ｐ上のトナー像の形成されている箇所を示したデータであるともいえる。
制御装置１５ｅは、画像処理部７０から前記画像データを入力する。そして、制御装置１５ｅは、用紙Ｐのトナー像の形成されている箇所に選択的にレーザ光が当てられるように、画像データに基づいてレーザアレイ１５ａに含まれる各光源（半導体レーザ素子）のオンとオフとを制御する。これにより、用紙Ｐにおいてトナー像の形成されている箇所には必ずレーザ光が当てられ、用紙Ｐにおいてトナー像の形成されていない箇所にはレーザ光の照射されない範囲が生じることになる。そして、レーザ光が当てられたトナー像は加熱溶融して用紙Ｐに定着する。

トナー像の定着が行われた後、用紙Ｐは、搬送ベルト１５ｂ１に静電吸着された状態で、分離チャージャー１５ｂ５と駆動ローラ１５ｂ２との間に搬送される。駆動ローラ１５ｂ２は導電性材料で構成され接地されている。分離チャージャー１５ｂ５は、搬送ベルト１５ｂ１に載せられている用紙Ｐの表面を除電するものである。この除電によって、搬送ベルト１５ｂ１と用紙Ｐとの間の静電吸着力が弱められる。

静電吸着力が弱められた後の用紙Ｐは、駆動ローラ１５ｂ２に沿って大きな曲率で回動することにより、その先端が搬送ベルト１５ｂ１から浮き上がる。さらに、用紙Ｐは、分離爪１５ｂ７により搬送ベルト１５ｂ１から完全に分離するようになっている。用紙Ｐが剥離された後の搬送ベルト１５ｂ１は、除電チャージャー１５ｂ６により表面および裏面が除電された後、再び用紙Ｐの吸着位置へ移動する。

つぎに、レーザアレイ１５ａについてより詳細に説明する。レーザアレイ１５ａは、用紙Ｐ上の未定着トナー像にレーザ光を照射し、トナーを用紙に定着させるものである。

レーザアレイ１５ａは、図３および図４に示すように、セラミック基板１５ａ６とシリコン基板１５ａ３とを有する構成である。セラミック基板１５ａ６には表面電極１５ａ５が形成されている。シリコン基板１５ａ３には、モニタ用フォトダイオード１５ａ２およびドライバ回路（不図示）がモノリシックに形成されている。そして、表面電極１５ａ５とシリコン基板１５ａ３とがボンディングワイヤ１５ａ４によって電気的に接続されている。また、シリコン基板１５ａ３には、光源である半導体レーザ素子（チップ）１５ａ１がマウントされており、半導体レーザ素子１５ａ１とシリコン基板１５ａ３との間が電気的に接続されている。

また、レーザアレイ１５ａは、シリコン基板１５ａ３を複数個（１０００個）有している。したがって、図３に示すように、レーザアレイ１５ａは、１０００個の半導体レーザ素子１５ａ１を有していることになる。そして、半導体レーザ素子１５ａ１は、所定方向（用紙搬送方向に直交する方向且つ用紙面に対して平行な方向）に沿って一列に配置している。

つまり、レーザアレイ１５ａは、１０００個の半導体レーザ素子１５ａ１を列状に配列したレーザヘッドである。なお、図３に示すように、配列ピッチｋが０．３（ｍｍ）になるように各半導体レーザ素子１５ａ１は配置される。また、半導体レーザ素子１５ａ１としては波長７８０（ｎｍ）のものが用いられる。

さらに、図３，図４に示すように、セラミック基板１５ａ６はヒートシンク１５ａ９に取り付けられている。ヒートシンク１５ａ９は、アルミニウム合金製でベースサイズが３０（ｍｍ）×３０（ｍｍ）、高さ２０（ｍｍ）、熱抵抗１．６（℃／Ｗ）の放熱板（（株）アルファ社製：ＵＢ３０−２０Ｂ）を計１０個一列に並べたもの（トータルの熱抵抗０．１６（℃／Ｗ））である。

また、図４に示すように、セラミック基板１５ａ６には、レーザアレイ１５ａの温度を測定するための温度センサ（サーミスタ）１５ａ１０が取り付けられている。温度センサ１５ａ１０は、用紙Ｐの中央が通過する地点に対向するように配置されている。そして、温度センサ１５ａ１０の出力（温度データ）は前記ドライバ回路に入力するようになっている。

以上の構成において、シリコン基板１５ａ３に設けられているドライバ回路（不図示）は半導体レーザ素子１５ａ１を駆動するための回路である。そして、図５の制御装置１５ｅが、画像データに基づいてドライバ回路を制御することによって半導体レーザ素子１５ａ１を駆動する。これにより、用紙Ｐ上の未定着トナー像に対して半導体レーザ素子１５ａ１からのレーザ光が照射するようになっている。

また、前記のドライバ回路は、フォトダイオード１５ａ２から送られてくる信号に基づいて半導体レーザ素子１５ａ１への印加電圧を補正し、さらに、温度センサ１５ａ１０の出力に応じて半導体レーザ素子１５ａ１に印加する電圧を補正するようになっている。

[実施例１]
レーザ方式の定着装置においては、照射範囲通過時間（用紙上の任意の点が照射範囲１５ｃを通過するのに要する時間）が短くなるほど、用紙への伝熱に起因するエネルギー損失が少なくなるためエネルギー効率的に有利となるものの、トナー層の表面温度が高くなり、前記表面温度と界面温度（用紙とトナー層との界面の温度）との差が大きくなる。そして、照射範囲通過時間が極めて短いと、用紙上のトナー付着量によっては、トナー層の表面温度が爆発的に上昇してトナーの凝集や昇華が生じ、その結果、用紙上のトナーからなる画像においてボイド（白抜け）が発生し、画像劣化が生じることがある。それゆえ、レーザ方式を用いた定着装置では、トナー層の表面温度が高過ぎることに起因するボイドの発生を抑制することが課題とされている。

この課題に対し、本願発明者は、鋭意工夫の結果、下記の式１を満たすようにレーザ定着装置の用紙搬送速度Ｖｐおよび照射範囲長Ｄを設定すれば、トナー層の表面温度が高過ぎることに起因するボイドの発生を抑制できるという知見を得た。
ｔｎ≧０．２５９・ｍｔ^{１．５１３９}・・・式１
ｍｔ（ｍｇ／ｃｍ^２）は、用紙Ｐ上の単位面積当たりのトナー付着量であって、画像形成装置１００における最大トナー付着量を意味する。ｍｔ≦１．５である事が条件となる。なお、画像形成装置１００はカラープリンタであり、前記のｍｔはカラー画像形成時の最大トナー付着量に設定される。
ｔｎ（ｍｓｅｃ）は、前記の照射範囲通過時間に相当する値であり、照射範囲長Ｄ／用紙搬送速度Ｖｐを演算することで得られる値である。
照射範囲長Ｄ（μｍ）は、照射範囲１５ｃ（用紙Ｐの表面のうちレーザ光が当たっている領域）の用紙搬送方向の長さである。
用紙搬送速度Ｖｐ（ｍｍ／ｓｅｃ）は用紙搬送装置１５ｂによる用紙搬送速度である。

つぎに、式１を導出するまでのプロセスと、式１によって前記の課題を解決できる理由とを説明する。

まず、本願発明者は、図６に示すレーザ方式の定着処理のモデル図に基づき、定着処理における一次元の伝熱シミュレーションを行った。この伝熱シミュレーションにおいては、用紙Ｐ上の単位面積当たりのトナー付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２，０．７ｍｇ／ｃｍ^２，１．０ｍｇ／ｃｍ^２，１．３ｍｇ／ｃｍ^２の各々の場合について、照射範囲通過時間に対する必要エネルギー密度と、照射範囲通過時間に対する必要総出力とを求めた。この結果を図７（ａ）〜図７（ｄ）に示す。

必要エネルギー密度は、定着処理を行う上で必要最小限となるエネルギー密度であり、用紙Ｐとトナー層との界面の温度をトナーの融点温度にするために必要なエネルギー密度の最低限の値である。また、エネルギー密度とは照射範囲１５ｃにおけるレーザ光のエネルギー密度である。

必要総出力は、定着処理を行う上で必要最小限となるエネルギー量であり、用紙Ｐとトナー層との界面の温度を融点温度にするために必要になる総出力の最低限の値である。また、総出力とはレーザアレイ１５ａに搭載されている全ての半導体レーザ素子１５ａ１…の出力値の総計である（例えば、出力値が２００ｍＷの半導体レーザ素子を１０００個搭載したレーザアレイのトータル出力は２００Ｗになる）。

なお、上記の融点温度とは、一般的に市販されているトナーであれば必ず融解させる事のできる温度を意味し、ここでは１１８℃に設定される。但し、上記の融点温度は、１１８℃に限定されるものではなく、使用するトナーの融点温度に応じて任意に変更可能である。

図７（ａ）〜図７（ｄ）に示される結果を考察すると、単位面積当たりのトナー付着量（以下では単に「トナー付着量」と称す）が増加するほど必要エネルギー密度および必要総出力が大きくなり、照射範囲通過時間が増加するほど必要エネルギー密度および必要総出力が大きくなることがわかる。

つぎに、トナー付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２，０．７ｍｇ／ｃｍ^２，１．０ｍｇ／ｃｍ^２，１．３ｍｇ／ｃｍ^２の各々の場合について、照射範囲通過時間と、その照射範囲通過時間に対応する必要エネルギー密度および必要総出力（図７参照）で定着処理を行った時のトナー表面温度との関係を算出した。この算出結果を図８（ａ）〜図８（ｄ）に示す。

但し、図８（ａ）〜図８（ｄ）では、定着処理を行った時の照射範囲通過時間とトナー表面温度との関係のみを示し、定着処理を行った時の必要エネルギー密度および必要総出力については省略している。例えば、図８（ａ）の参照符ａのプロットは、図７（ａ）の参照符ａ´のプロットの必要エネルギー密度と参照符ａ´´のプロットの必要総出力とで定着処理を行った場合の表面温度を示す。また、例えば、図８（ａ）の参照符ｂのプロットは、図７（ａ）の参照符ｂ´のプロットの必要エネルギー密度と参照符ｂ´´のプロットの必要総出力とで定着処理を行った場合の表面温度を示す。

なお、トナー表面温度とは、用紙Ｐ上に形成されているトナー層の表面（図６参照）の温度を意味する。言い換えると、トナー表面温度とは、トナー層においてレーザ光が照射される側の面の温度を意味する。

図８（ａ）〜図８（ｄ）に示される結果を考察すると、照射範囲通過時間を短く設定するほどトナー表面温度が上がり、照射範囲通過時間を長く設定するほどトナー表面温度が下がることがわかる。図８からすれば、照射範囲通過時間を長く設定するとトナー表面温度を２００℃程度にまで抑制できるものの、照射範囲通過時間を極めて短く設定するとトナー表面温度が４００℃を超えてしまい、場合によっては６００℃に到達することがわかる。

ここで、一般的に使用されているトナー（スチレンアクリル樹脂，ポリエステル樹脂等をバインダ樹脂としたトナー）は、その種類やメーカに拘わらず４００℃以下であれば昇華しないが、４００℃超の温度で昇華してしまう。それゆえ、トナー表面温度が４００℃を超えてしまうと、トナーの昇華が生じ、その結果、用紙上のトナーからなる画像においてボイド（白抜け）が発生し、画像劣化の問題が生じることがある。

そこで、本願の発明者は、図８（ａ）〜図８（ｄ）に示される結果から、トナー表面温度が４００℃になるような照射範囲通過時間とトナー付着量との関係を求めた。この点について以下具体的に説明する。

図８の結果からすると、トナー表面温度が４００℃になるような照射範囲通過時間とトナー付着量との関係は表１のようになる。そして、図８および表１からすれば、トナー付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２の場合は照射範囲通過時間を０．０６７ｍｓｅｃ以上にし、トナー付着量が０．７ｍｇ／ｃｍ^２の場合は照射範囲通過時間を０．１４２ｍｓｅｃ以上にし、トナー付着量が１ｍｇ／ｃｍ^２の場合は照射範囲通過時間を０．２６２ｍｓｅｃ以上にし、トナー付着量が１．３ｍｇ／ｃｍ^２の場合は照射範囲通過時間を０．３９３ｍｓｅｃ以上にすれば、トナー表面温度を４００℃以下に抑制でき、トナー表面温度が高温になり過ぎる事に起因して生じるボイドを抑制することができることがわかる。

そこで、回帰分析によって、表１に示されるトナー付着量と照射範囲通過時間との関係を示した関数Ａを求め、関数Ａから式１を導いた。なお、関数Ａを図９に示す。
照射範囲通過時間＝０．２５９・（トナー付着量）^{１．５１３９}・・・関数Ａ
ｔｎ≧０．２５９・ｍｔ^{１．５１３９}・・・式１
以上の検討の結果、以上の式１の条件が満たされるように定着装置１５の用紙搬送速度Ｖｐおよび照射範囲長Ｄ（スポット径）を設定すると、トナー表面温度を４００℃未満に抑制できることになり、ボイドの発生を抑制できることになる。なお、レーザアレイ１５ａの総出力は、ｔｎとｍｔとの組み合わせに対応する必要総出力（図７参照）以上の値に設定され、ここでは当該必要総出力に設定される。また、レーザ光のエネルギー密度はｔｎとｍｔとの組み合わせに対応する必要エネルギー密度（図７参照）以上の値に設定され、ここでは必要エネルギー密度に設定される。

また、光源から照射されるレーザ光を集光光学系で用紙上に集光するレーザ定着装置では、スポット径は２０μｍ〜４０μｍ程度になる。これに対し、式１の条件を満足するようなｔｎを設定する場合、スポット径は４０μｍを超えてしまう場合がある。例えば最大トナー付着量が１ｍｇ／ｃｍ^２であってカラーモードの用紙搬送速度が１８０ｍｍ／ｓｅｃの画像形成装置において、式１の条件を充分に満足させるためにｔｎを０．４ｍｓｅｃに設定する場合、スポット径を７２μｍにする必要がある。

そこで、式１を満足させるためにスポット径を４０μｍ以上にしなければならないような場合、集光光学系を設置せずに、光源から射出されるレーザ光を直接トナー層に当てるようにすればよい。これにより、スポット径を４０μｍよりも長くすることができ、式１を満足するような定着条件の設定が容易になる。それゆえ、本実施形態の定着装置１５では、図２〜図４に示すように、集光光学系を設置せずに、半導体レーザ素子１５ａ１から出射するレーザ光を用紙Ｐに直接当てるようにしている。また、図２〜図４の定着装置１５のように集光光学系を設置しない場合、集光光学系によるエネルギー損失（約２０％）をなくすことができるため、消費電力の削減というメリットを有する。

[実施例２]
複数の半導体レーザ素子をアレイ状に配置したレーザアレイを備える定着装置においては、トラブル（例えばジャム）によって用紙搬送が急停止した場合、用紙の同一箇所に対してレーザが当たり続けて用紙の発火が生じる危険がある。それゆえ、当該定着装置においては、トラブルによって用紙搬送が急停止した場合、用紙搬送の停止と略同時にレーザ光の射出も停止して用紙の発火を防ぐようになっている。しかし、用紙搬送の停止と略同時にレーザ光の射出を停止したとしても、搬送時の照射範囲通過時間（用紙上の任意の点が照射範囲１５ｃを通過するのに要する時間）が短いほど搬送停止直後の用紙温度が高くなるため、照射範囲通過時間によっては搬送停止直後の用紙温度が用紙発火温度以上になってしまうことがある。そして、用紙温度が用紙発火温度以上になると、用紙が燃えてしまう。それゆえ、レーザ方式を用いた定着装置では、トラブルによって用紙搬送が急停止した場合であっても用紙の発火が起こらないようにすることが課題とされている。

この課題に対し、本願発明者は、鋭意工夫の結果、下記の式２を満たすようにレーザ定着装置の用紙搬送速度Ｖｐおよび照射範囲長Ｄを設定すれば、トラブルによって用紙搬送が急停止した場合であっても用紙の発火を防止できるという知見を得た。
ｔｎ≧０．６４０７・ｍｔ＋０．１４５９・・・式２
ｍｔ（ｍｇ／ｃｍ^２）は、用紙Ｐ上の単位面積当たりのトナー付着量であって、画像形成装置１００における最大トナー付着量を意味する。ｍｔ≦１．５である事が条件となる。なお、画像形成装置１００はカラープリンタであり、前記のｍｔはカラー画像形成時の最大トナー付着量に設定される。
ｔｎ（ｍｓｅｃ）は、前記の照射範囲通過時間に相当する値であり、照射範囲長Ｄ／用紙搬送速度Ｖｐを演算することで得られる値である。

つぎに、式２を導出するまでのプロセスと、式２によって前記の課題を解決できる理由とを説明する。

まず、本願発明者は、トナー付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２，０．７ｍｇ／ｃｍ^２，１．０ｍｇ／ｃｍ^２，１．３ｍｇ／ｃｍ^２の各々の場合について、照射範囲通過時間と、その照射範囲通過時間に対応する必要エネルギー密度および必要総出力（図７参照）で定着処理を行って用紙搬送を急停止させた直後の用紙温度との関係を求めた。この結果を図１０に示す。

図１０において、関数ａは、トナー付着量が１．３ｍｇ／ｃｍ^２である場合の照射範囲通過時間と用紙温度との関係を示しており、用紙温度をｙとして照射範囲通過時間をｘとするとｙ＝２７０．８７×ｘ^{-０．４７７６}となる。関数ｂは、トナー付着量が１．０ｍｇ／ｃｍ^２である場合の照射範囲通過時間と用紙温度との関係を示しており、ｙ＝２９６．３９×ｘ^{-０．４８６８}となる。関数ｃは、トナー付着量が０．７ｍｇ／ｃｍ^２である場合の照射範囲通過時間と用紙温度との関係を示しており、ｙ＝２３０．９×ｘ^{-０．４５８９}である。関数ｄは、トナー付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２である場合の照射範囲通過時間と用紙温度との関係を示しており、ｙ＝２０２．８３×ｘ^{-０．４４５３}である。

ここで、電子写真方式のプリンタにおいて一般的に使用されている用紙であればその種類やメーカに拘わらず３００℃以下であれば発火しない（つまり、一般的に使用される用紙の発火点は必ず３００℃を超える値である）。例えば、下記の用紙１〜用紙３に対して発火試験を行ったところ、いずれの用紙も３００℃では発火しなかった。
用紙１：アスクル社製マルチペーパー スーパーホワイト
用紙２：シャープドキュメントシステム社製 ＳＪペーパー（ＰＰ１１６ＪＡ４）
用紙３：シャープドキュメントシステム社製 フルカラー用紙（ＰＰ１０６Ａ４Ｃ）
そして、用紙が発火しない温度を安全温度として、さらに安全温度の上限値を３００℃と規定した場合、用紙温度が安全温度の上限値となるような照射範囲通過時間とトナー付着量との関係を図１０のグラフから導くと表２のようになる。

図１０および表２からすれば、トナー付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ^２の場合は照射範囲通過時間を０．４１５ｍｓｅｃ以上にし、トナー付着量が０．７ｍｇ／ｃｍ^２の場合は照射範囲通過時間を０．５６５ｍｓｅｃ以上にし、トナー付着量が１ｍｇ／ｃｍ^２の場合は照射範囲通過時間を０．８０７ｍｓｅｃ以上にし、トナー付着量が１．３ｍｇ／ｃｍ^２の場合は照射範囲通過時間を０．９７５ｍｓｅｃ以上にすれば、用紙搬送が急停止した直後の用紙温度を安全温度以下（３００℃以下）に抑制でき、用紙の発火を防止できることがわかる。

そこで、回帰分析によって、表２に示されるトナー付着量と照射範囲通過時間との関係を示した関数Ｂを求め、関数Ｂから式２を導いた。なお、関数Ｂを図１１に示す。
照射範囲通過時間＝０．６４０７・（トナー付着量）＋０．１４５９・・・関数Ｂ
ｔｎ≧０．６４０７・ｍｔ＋０．１４５９・・・式２
以上の考察からすれば、式２の条件が満たされるように定着装置１５の用紙搬送速度Ｖｐおよび照射範囲長Ｄを設定すると、用紙搬送が急停止した直後の用紙温度を安全温度以下（３００℃以下）に抑制でき、用紙の発火を防止できることになる（但し、レーザアレイ１５ａの総出力はｔｎとｍｔとの組み合わせに対応する必要総出力（図７参照）以上の値に設定され、レーザ光のエネルギー密度はｔｎとｍｔとの組み合わせに対応する必要エネルギー密度（図７参照）以上の値に設定される）。

また、図１１において、式２の条件を満たす領域は関数ＢのラインよりもＹ方向側の領域に相当し、実施例１で求めた式１の条件を満たす領域は関数ＡのラインよりもＹ方向側の領域に相当する。つまり、式２の条件を満たす領域は必ず式１の条件を満たす領域に含まれることになり、式２の条件を満たす画像形成装置は必ず式１の条件も満たすことになる。それゆえ、式２の条件を満たすように画像形成装置１００を設計すると、用紙の発火を防止できるだけでなく、ボイドの発生を抑制できることになる。

[実施例３]
モノクロ画像形成時（単色画像形成時）の最大トナー付着量は、カラー画像形成時（多色画像形成時）の最大トナー付着量よりも少ない。それゆえ、下記式１０および式１１を満たしつつ、下記のｔｎ₂がｔｎ_１より短くなるように（ｔｎ₂＜ｔｎ_１になるように）、照射範囲長Ｄおよび用紙搬送速度Ｖｐを定めても、ボイドの発生を抑制できる。
ｔｎ_１≧０．２５９・ｍｔ_１ ^{１．５１３９}・・・式１０
ｔｎ_２≧０．２５９・ｍｔ_２ ^{１．５１３９}・・・式１１
ｍｔ_１（ｍｇ／ｃｍ^２）は、用紙Ｐ上の単位面積当たりのトナー付着量であって、画像形成装置１００におけるカラー画像形成時の最大トナー付着量を意味する。ｍｔ≦１．５である事が条件となる。
ｍｔ_２（ｍｇ／ｃｍ^２）はモノクロ画像形成時の最大トナー付着量であり、ｍｔ_２＜ｍｔ_１となる事が条件になる。
ｔｎ_１（ｍｓｅｃ）は、カラー画像形成時の前記照射範囲通過時間であり、照射範囲長Ｄ／用紙搬送速度Ｖｐを演算することで得られる値である。ｔｎ_２（ｍｓｅｃ）は、モノクロ画像形成時の前記照射範囲通過時間であり、照射範囲長Ｄ／用紙搬送速度Ｖｐを演算することで得られる値である。

そして、式１０および式１１の関係を満たしつつｔｎ₂をｔｎ_１より短くするためには、カラー画像形成時とモノクロ画像形成時とで用紙搬送速度Ｖｐおよび照射範囲長Ｄのうちの少なくとも一方を変更する構成を採用すればよい。

例えば、カラー画像形成時と単色画像形成時とで照射範囲長Ｄが一定になるようにレーザアレイ１５ａの半導体レーザ素子１５ａ１にレーザ光を照射させる。そして、モノクロ画像形成時の用紙搬送速度Ｖｐがカラー画像形成時の用紙搬送速度Ｖｐよりも速くなるように制御装置１５ｅが用紙搬送装置１５ｂを制御すれば、ｔｎ_２をｔｎ_１よりも短くすることが可能になる。例えば、ｍｔ_１が１ｍｇ／ｃｍ^２であり、ｍｔ_２が０．４ｍｇ／ｃｍ^２であり（ｍｔ_１がｍｔ_２の２．５倍）、モノクロ画像形成時の用紙搬送速度Ｖｐをカラー画像形成時の用紙搬送速度Ｖｐの４倍に設定する場合、式１０および式１１の関係を満たしつつｔｎ_２をｔｎ_１より小さくできる。

また、モノクロ画像形成時とカラー画像形成時とで用紙搬送速度Ｖｐを一定にしつつ、モノクロ画像形成時においてカラー画像形成時よりも照射範囲長Ｄを短くしても、式１０および式１１の関係を満たしつつｔｎ_２をｔｎ_１より短くすることができる。例えば、ｍｔ_１が１ｍｇ／ｃｍ^２であり、ｍｔ_２が０．４ｍｇ／ｃｍ^２であり（ｍｔ_１がｍｔ_２の２．５倍）、モノクロ画像形成時の照射範囲長Ｄをカラー画像形成時の照射範囲長Ｄの１／４倍に設定する場合、式１０および式１１の関係を満たしつつｔｎ_２をｔｎ_１より小さくできる。

つぎに、モノクロ画像形成時にカラー画像形成時よりも照射範囲長Ｄを短くできる定着装置について説明する。

図１３は、本実施形態の第１変形例を示すものであり、モノクロ画像形成時にカラー画像形成時よりも照射範囲長Ｄを短くすることの可能な定着装置を示したものである。図１３に示す定着装置１５´は、レーザアレイ１５０ａ、レーザアレイ１５１ａ、用紙搬送装置１５ｂを含む構成である。
用紙搬送装置１５ｂは図２に示すものと同じ構成である。レーザアレイ１５１ａは図２に示すレーザアレイ１５ａと同じレーザアレイである。つまり、レーザアレイ１５１ａは、所定方向（用紙搬送方向に直交する方向且つ用紙面に対して平行な方向）に並べられた複数の半導体レーザ素子１５ａ１を有し、半導体レーザ素子１５ａ１から放たれるレーザ光を、集光光学系を介さずに用紙Ｐに照射するようになっているものである。
レーザアレイ１５０ａは、レーザアレイ１５１ａよりも用紙搬送方向上流側に設置されている。レーザアレイ１５０ａは、集光光学系２０を有している点がレーザアレイ１５ａと異なるものの、他の点は全てレーザアレイ１５ａのものと同一である。つまり、レーザアレイ１５０ａは、前記所定方向に並べられた複数の半導体レーザ素子１５ａ１を有し、この半導体レーザ素子１５ａ１から放たれるレーザ光を集光光学系２０によって用紙Ｐに集光するようになっている。
以上の構成により、図１３に示すように、レーザアレイ１５０ａのレーザ光によって形成される照射範囲の照射範囲長Ｄは、レーザアレイ１５１ａのレーザ光によって形成される照射範囲の照射範囲長Ｄよりも短くなる。
そして、制御装置１５ｅは、カラー画像形成時とモノクロ画像形成時とで用紙搬送速度が一定になるように搬送装置１５ｂを制御し、カラー画像形成時においてレーザアレイ１５１ａを駆動してレーザアレイ１５１ａにレーザ光を射出させ、モノクロ画像形成時においてレーザアレイ１５０ａを駆動してレーザアレイ１５０ａにレーザ光を射出させるようになっている。これにより、カラー画像形成時の照射範囲長Ｄよりもモノクロ画像形成時の照射範囲長Ｄを短くでき、式１０および式１１の関係を満たしつつｔｎ_２をｔｎ_１より短くできる。

つぎに、図１３に示す定着装置とは異なる定着装置について説明する。図１２は、本実施形態の第２変形例を示すものであり、モノクロ画像形成時にカラー画像形成時よりも照射範囲長Ｄを短くすることの可能な定着装置を示す。図１２に示す定着装置１５´´は、レーザアレイ１５２ａ、用紙搬送装置１５ｂを含む構成である。
用紙搬送装置１５ｂは図２に示すものと同じ構成である。レーザアレイ１５２ａは、集光光学系３０およびミラー３１・３２を有している点がレーザアレイ１５ａと異なるものの、他の点は全てレーザアレイ１５ａのものと同一である。
ミラー３１は、カラー画像形成時には実線で示される位置αに配置され、モノクロ画像形成時には破線で示される位置βに配置されるように、制御装置１５ｅによって駆動されるようになっている。ミラー３１が位置αに配置されている場合、レーザアレイ１５２ａに設けられている半導体レーザ素子１５ａ１から放たれるレーザ光の光路上にミラー３１が配置されることになり、半導体レーザ素子１５ａ１から放たれるレーザ光はミラー３１によってミラー３２へ反射されるようになっている。また、ミラー３１が位置βに配置されている場合、ミラー３１は半導体レーザ素子１５ａ１から放たれるレーザ光の光路上に配置されておらず、このレーザ光は集光光学系３０によって用紙Ｐに集光するようになっている。
ミラー３２は、ミラー３１によって反射されたレーザ光を用紙Ｐに向けて反射するものである。つまり、ミラー３１が位置αに配置されている場合、半導体レーザ素子１５ａ１から放たれるレーザ光は、ミラー３１・３２によって、集光光学系３０を介さずに用紙Ｐに当てられるようになっている。
以上の構成によれば、制御装置１５ｅは、ミラー３１を駆動することにより、半導体レーザ素子１５ａ１から射出されるレーザ光が集光光学系３０を通過せずに用紙Ｐに導かれるようになっている第１光路と、半導体レーザ素子１５ａ１から射出されるレーザ光が集光光学系３０を通過して用紙Ｐに導かれるようになっている第２光路とを切り替えるようになっている。第２光路を経由したレーザ光によって形成される照射範囲の照射範囲長Ｄは、第１光路を経由したレーザ光によって形成される照射範囲の照射範囲長Ｄよりも短くなる。
そして、制御装置１５ｅは、カラー画像形成時とモノクロ画像形成時とで用紙搬送速度が一定になるように搬送装置１５ｂを制御し、カラー画像形成時において前記第１光路を選択してモノクロ画像形成時において前記第２光路を選択するようになっている。これにより、カラー画像形成時の照射範囲長Ｄよりもモノクロ画像形成時の照射範囲長Ｄを短くでき、式１０および式１１の関係を満たしつつｔｎ_２をｔｎ_１より短くできる。

[実施例４]
モノクロ画像形成時（単色画像形成時）の最大トナー付着量は、カラー画像形成時（多色画像形成時）の最大トナー付着量よりも少ない。それゆえ、下記式１２および式１３を満たしつつ、下記のｔｎ₂がｔｎ_１より短くなるように、照射範囲長Ｄおよび用紙搬送速度Ｖｐを定めても、ボイドの発生の抑制と用紙発火の防止とを両立できる。
ｔｎ_１≧０．６４０７・ｍｔ_１＋０．１４５９・・・式１２
ｔｎ_２≧０．６４０７・ｍｔ_２＋０．１４５９・・・式１３
ｍｔ_１（ｍｇ／ｃｍ^２）は、用紙Ｐ上の単位面積当たりのトナー付着量であって、画像形成装置１００におけるカラー画像形成時の最大トナー付着量を意味する。ｍｔ≦１．５である事が条件となる。
ｔｎ_１（ｍｓｅｃ）は、カラー画像形成時の前記照射範囲通過時間であり、照射範囲長Ｄ／用紙搬送速度Ｖｐを演算することで得られる値である。ｔｎ_２（ｍｓｅｃ）は、モノクロ画像形成時の前記照射範囲通過時間であり、照射範囲長Ｄ／用紙搬送速度Ｖｐを演算することで得られる値である。

そして、式１２および式１３の関係を満たしつつｔｎ₂をｔｎ_１より短くするためには、実施例３と同様、モノクロ画像形成時とカラー画像形成時とで照射範囲長Ｄを一定にしつつ、モノクロ画像形成時にはカラー画像形成時よりも用紙搬送速度Ｖｐが速くなるように搬送速度を制御すればよい。また、実施例３と同様、モノクロ画像形成時とカラー画像形成時とで用紙搬送速度Ｖｐを一定にしつつ、モノクロ画像形成時にはカラー画像形成時よりも照射範囲長Ｄを短くしても、式１２および式１３の関係を満たしつつｔｎ_２をｔｎ_１より短くできる。なお、モノクロ画像形成時にカラー画像形成時よりも照射範囲長Ｄを短くするために、図１２または図１３の構成を採用できる点も実施例３と同様である。

なお、実施例３および実施例４のように、カラー画像形成時の照射範囲通過時間とモノクロ画像形成時の照射範囲通過時間とを異ならせる場合、レーザアレイ１５ａの総出力およびエネルギー密度は、カラー画像形成時の最大トナー付着量（ｍｔ_１）および照射範囲通過時間（ｔｎ_１）を基準にして設定される（図７参照）。このようにすれば、カラー画像形成時およびモノクロ画像形成時にいずれにおいても、レーザアレイ１５ａの総出力およびエネルギー密度を必要最低限値以上にすることができる。

また、図７に示される条件が満たされるように、カラー画像形成時とモノクロ画像形成時とでレーザアレイ１５ａの総出力値およびエネルギー密度を変更する形態を採用してもよい。なお、当該変更は、半導体レーザ素子１５ａ１への印加電圧の調整、または、ＰＷＭ変調方式を採用することによって実現できる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は電子写真方式の画像形成装置に利用することができる。電子写真方式の画像形成装置としては、プリンタ専用機、複写機、複合機、ファクシミリ装置が挙げられる。

１５ 定着装置（レーザ定着装置）
１５ａ レーザアレイ（レーザアレイ部）
１５ａ１ 半導体レーザ素子（レーザ光源）
１５ｂ 用紙搬送装置（搬送装置）
１５ｅ 制御装置（搬送制御手段，光路切り替え手段，アレイ制御手段）
２０ 集光光学系
３０ 集光光学系
３１ ミラー（光路切り替え手段）
１００ 画像形成装置
Ｄ 照射範囲長
Ｐ 用紙
１５０ａ レーザアレイ（第１レーザアレイ装置，レーザアレイ部）
１５１ａ レーザアレイ（第２レーザアレイ装置，レーザアレイ部）
１５２ａ レーザアレイ（レーザアレイ部）

Claims (10)

1. 電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、
   用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置において、
   前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置における最大トナー付着量をｍｔ（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間をｔｎ（ｍｓｅｃ）とする場合、
   ｔｎ≧０．２５９・ｍｔ^{１．５１３９}
   （但しｍｔ≦１．５である）
   を満たすことを特徴とするレーザ定着装置。
2. 電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、
   用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置において、
   前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置の多色画像形成時の最大トナー付着量をｍｔ_１（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記画像形成装置の単色画像形成時の最大トナー付着量をｍｔ_２（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、
   前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間であって多色画像形成時の照射範囲通過時間をｔｎ_１とし、単色画像形成時の照射範囲通過時間をｔｎ_２とする場合、
   ｔｎ_１≧０．２５９・ｍｔ_１ ^{１．５１３９}
   ｔｎ_２≧０．２５９・ｍｔ_２ ^{１．５１３９}
   （但し、ｍｔ_１≦１．５、ｍｔ_２＜ｍｔ_１）
   を満たし、且つｔｎ_２＜ｔｎ_１を満たすことを特徴とするレーザ定着装置。
3. 電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、
   用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置において、
   前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置における最大トナー付着量をｍｔ（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間をｔｎ（ｍｓｅｃ）とする場合、
   ｔｎ≧０．６４０７ｍｔ＋０．１４５９
   （但しｍｔ≦１．５である）
   を満たすことを特徴とするレーザ定着装置。
4. 電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、
   用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置において、
   前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置の多色画像形成時の最大トナー付着量をｍｔ_１（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記画像形成装置の単色画像形成時の最大トナー付着量をｍｔ_２（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、
   前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間であって多色画像形成時の照射範囲通過時間をｔｎ_１とし、単色画像形成時の照射範囲通過時間をｔｎ_２とする場合、
   ｔｎ_１≧０．６４０７ｍｔ_１＋０．１４５９
   ｔｎ_２≧０．６４０７ｍｔ_２＋０．１４５９
   （但し、ｍｔ_１≦１．５であり、ｍｔ_２＜ｍｔ_１である）
   を満たし、且つｔｎ_２＜ｔｎ_１を満たすことを特徴とするレーザ定着装置。
5. 前記レーザ光源は、多色画像形成時と単色画像形成時とで前記照射範囲長が一定になるように前記レーザ光を照射するようになっており、
   前記単色画像形成時の用紙搬送速度が前記カラー画像形成時の用紙搬送速度よりも速くなるように前記搬送装置を制御することによって、ｔｎ_２をｔｎ_１よりも短くする搬送制御手段を有することを特徴とする請求項２または４に記載のレーザ定着装置。
6. 多色画像形成時と単色画像形成時とで用紙搬送速度が一定になるように前記搬送装置を制御する搬送制御手段と、
   前記レーザアレイ部から射出されるレーザ光が集光光学系を通過せずに前記用紙に導かれるようになっている第１光路と、前記レーザアレイ部から射出されるレーザ光が集光光学系を通過して前記用紙に導かれるようになっている第２光路とを切り替える光路切り替え手段とを有し、
   第２光路を経由したレーザ光によって形成される前記照射範囲の前記照射範囲長は、第１光路を経由したレーザ光によって形成される前記照射範囲の前記照射範囲長よりも短くなっており、
   前記光路切り替え手段は、多色画像形成時において前記第１光路を選択して単色画像形成時において前記第２光路を選択することによって、ｔｎ_２をｔｎ_１よりも短くするようになっていることを特徴とする請求項２または４に記載のレーザ定着装置。
7. 多色画像形成時と単色画像形成時とで用紙搬送速度が一定になるように前記搬送装置を制御する搬送制御手段を有し、
   前記レーザアレイ部は、
   前記搬送の方向に直交する方向に並べられた複数のレーザ光源と、このレーザ光源から射出されるレーザ光を前記用紙に集光する集光光学系とを含む第１レーザアレイ装置と、
   前記搬送の方向に直交する方向に並べられた複数のレーザ光源を有し、このレーザ光源から放たれるレーザ光を、集光光学系を介さずに前記用紙に照射するようになっている第２レーザアレイ装置とを有し、
   第１レーザアレイ装置のレーザ光によって形成される前記照射範囲の前記照射範囲長は、第２レーザアレイ装置のレーザ光によって形成される前記照射範囲の前記照射範囲長よりも短くなっており、
   多色画像形成時は前記第２レーザアレイ装置を駆動して単色画像形成時は前記第１レーザアレイを駆動することによって、ｔｎ_２をｔｎ_１よりも短くするようになっているアレイ制御手段を備えていることを特徴とする請求項２または４に記載のレーザ定着装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ定着装置を備えた電子写真方式の画像形成装置。
9. 電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置の設計方法において、
   前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置における最大トナー付着量をｍｔ（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間をｔｎ（ｍｓｅｃ）とする場合、
   ｔｎ≧０．２５９・ｍｔ^{１．５１３９}
   （但しｍｔ≦１．５である）
   を満たすように前記照射範囲長および前記用紙搬送速度を設定することを特徴とするレーザ定着装置の設計方法。
10. 電子写真方式の画像形成装置に設置されるものであり、用紙を搬送する搬送装置と、前記搬送の方向に直交する方向に複数のレーザ光源を並べてなるレーザアレイ部とを有し、前記搬送装置にて搬送されている用紙上のトナー像に対して前記レーザ光源からレーザ光を照射することにより、前記用紙上のトナー像を加熱溶融して前記用紙に定着させるレーザ定着装置の設計方法において、
    前記用紙の単位面積当たりのトナー付着量であり前記画像形成装置における最大トナー付着量をｍｔ（ｍｇ／ｃｍ^２）とし、前記用紙における前記レーザ光が照射されている照射範囲の用紙搬送方向の長さである照射範囲長を用紙搬送速度で除算して得られる照射範囲通過時間をｔｎ（ｍｓｅｃ）とする場合、
    ｔｎ≧０．６４０７ｍｔ＋０．１４５９
    （但しｍｔ≦１．５である）
    を満たすように前記照射範囲長および前記用紙搬送速度を設定することを特徴とするレーザ定着装置の設計方法。

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