JP2012053334A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱容量が小さな加熱ローラの過敏な温度変動を解消して、ニップ部の温度を目標温度に保持でき、したがって確実に定着処理を行なえる画像形成装置を提供する。
【解決手段】加熱ローラおよび加圧ローラと、加圧ローラの表面の温度を検出する温度検出素子と、加熱ローラに設けた熱源に対する通電状態を制御する制御部などで定着装置を構成する。加熱ローラは、薄肉の金属筒体からなる熱容量の小さな外筒体を備えている。制御部は、温度検出素子の検出結果に基づき、熱源に対する通電状態を制御して、加熱ローラと加圧ローラとの間のニップ部の温度を目標温度に保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像形成装置の定着装置に関し、なかでも定着装置を構成する加熱ローラの温度制御形態に関して改良を加えたものである。

一般的な画像形成装置においては、定着装置を構成する加熱ローラの表面の温度をサーミスタで検出し、その検出信号に基づいて面状発熱体（熱源）への通電状態を制御部でオン・オフして、加熱ローラの表面温度を所定の温度に維持している。多くの場合、制御部は、サーミスタで検出した加熱ローラの表面の温度と、予め設定してある加熱ローラの目標温度とを比較して、両者の温度が一致するように面状発熱体への通電状態をオン・オフする。

この種の温度制御に関して、特許文献１の定着装置においては、加熱ローラおよび加圧ローラの表面温度をそれぞれサーミスタで検出し、その検出信号に基づいて面状発熱体への通電状態を制御して、加熱ローラの両端部と中央部との温度むらを解消している。なお、特許文献１の加熱ローラは、アルミニウムで形成した円筒体の外面に、第１の面状発熱体と第２の面状発熱体とを巻装し、その外面を耐熱性を備えた離型層で覆っている。

特開平８−２６２９００号公報（段落番号００１８、図１）

従来の一般的な定着装置では、サーミスタで検出した加熱ローラの表面の温度と、予め設定してある目標温度とを制御装置で比較して、熱源への通電状態をオン・オフする。このように、加熱ローラの表面温度を一定に保持する定着装置においては、画像形成装置の運転条件或いは、使用環境の温度条件が異なるような場合に、加熱ローラの表面の温度が変動するのを避けられない。たとえば、定着装置を通過する記録紙の厚みの違い或いはサイズの違いによって、加熱ローラから記録紙に伝導する熱量が異なり、さらに、連続して通紙される記録紙の数によって加熱ローラの温度低下の度合が異なるため、ローラ表面の温度が変動する。

上記のような加熱ローラの表面温度の変動は、熱容量が小さな加熱ローラにおいて顕著に現われる。この種の加熱ローラは、起動時の待機時間を短縮するために提案されており、たとえば、面状発熱体の外面を覆う金属製の外筒体を薄肉化して熱容量を小さくしている。しかし、熱容量が小さな加熱ローラは速やかに加熱できる反面、加熱ローラから記録紙へ伝導する熱量の違いが、ローラ表面の温度の変動として敏感に反映される。つまり、熱容量が小さな加熱ローラは、熱しやすく冷めやすい熱特性を備えていることになる。そのため、従来の定着装置と同様に、加熱ローラの表面温度を検出して、熱源への通電状態をオン・オフしたとしても、オン状態とオフ状態とが小刻みに繰り返されるだけで、加熱ローラの表面の温度を定着に適した温度に保持できない。

特許文献１の加熱ローラによれば、熱源として第１、第２の面状発熱体を備えているので、従来の加熱ローラに比べて起動時の待機時間を短縮でき、しかも加熱ローラのローラ表面の温度むらをある程度は解消できる。しかし、熱容量が小さな加熱ローラの内部に２個の面状発熱体を配置したとしても、加熱ローラの表面の温度を一定に保持することができるとは限らない。２個の面状発熱体を使用することで、加熱ローラが発生する熱量を増強できるものの、加熱ローラから記録紙へ伝導する熱によるローラ表面の過敏な温度変動に伴なう、定着温度のばらつきに対応できないからである。

本発明は、熱容量が小さな加熱ローラを使用する定着装置であっても、ニップ部の温度を目標温度に保持することにより、記録紙の定着処理を適正な温度で確実に行なうことができる画像形成装置を提供することにある。

本発明に係る画像形成装置は定着装置３を備えている。定着装置３は、加熱ローラ１５および加圧ローラ１６と、加圧ローラ１６の表面の温度を検出する温度検出素子４５と、加熱ローラ１５に設けた熱源２５に対する通電状態を制御する制御部４６とを備えている。加熱ローラ１５は、薄肉の金属筒体からなる熱容量の小さな外筒体２６を備えている。制御部４６は、温度検出素子４５の検出結果に基づき、熱源２５に対する通電状態を制御して、加熱ローラ１５と加圧ローラ１６との間のニップ部３７の温度を目標温度に保持することを特徴とする。

熱源は１個の面状発熱体２５で構成する。面状発熱体２５は外筒体２６に密着する状態で配置する。

制御部４６は、温度検出素子４５で検出した加圧ローラ１６の表面の温度と、予め設定された加圧ローラ１６の目標温度とを比較して、両温度が一致するように熱源２５への通電状態をオン・オフするように構成する。

加圧ローラ１６は、ゴムまたはプラスチックを素材とする発泡体からなるロール層３３と、ロール層３３を軸支する金属製のロール軸３４とで構成する。ロール層３３の厚みを、外筒体２６の厚みより大きく設定して、加圧ローラ１６の熱容量を外筒体２６の熱容量より大きく設定する。

制御部４６は、熱源２５に対する通電状態を制御しているとき、加熱ローラ１５と加圧ローラ１６を回転駆動するように制御する。

本発明に係る画像形成装置の定着装置３では、加圧ローラ１６の表面の温度を温度検出素子４５で検出し、この検出結果に基づき、熱源２５に対する通電状態を制御部４６で制御するようにした。つまり、加熱ローラ１５の外筒体２６に比べて、熱容量が十分に大きく温度変動が小さな加圧ローラ１６の表面の温度を検出して、熱源２５の発熱状態を制御部４６で制御して、両ローラ１５・１６の間のニップ部３７の温度を目標温度に保持できるようにした。したがって、本発明の画像形成装置によれば、熱容量が小さな加熱ローラ１５を使用する定着装置３であるにもかかわらず、ニップ部３７の温度を目標温度に保持して、記録紙の定着処理を適正な温度で確実に行なうことができる。また、外筒体２６を熱容量の小さな薄肉の金属筒体で構成するので、起動時の待機時間を短縮しながら、画像形成装置の運転条件或いは使用環境の違いとは無関係に定着処理を確実に行なえる。

熱源を１個の面状発熱体２５で構成し、これを薄肉の金属筒体からなる外筒体２６に密着する状態で配置すると、複数個の面状発熱体を熱源とする従来の装置に比べて、加熱ローラ１５の構造を簡素化しながら、起動時の待機時間を短縮できる。また、１個の面状発熱体２５を熱源にして、その発熱状態を制御部４６で制御すればよいので、ニップ部３７の温度制御を的確に行なうことができる。さらに、定着装置３の全体構造を簡素化して、その分だけ製造コストを削減し、しかも消費電力量を削減できる。

加圧ローラ１６の表面の温度と目標温度とを比較して、両温度が一致するように熱源２５への通電状態を制御部４６でオン・オフすると、既存の制御部４６をそのまま使用して、ニップ部３７の温度制御を的確に行なうことができる。つまり、新たな構造の制御部４６或いは論理式などを新たに用意する必要もなく、熱源２５に対する通電状態の制御を的確に行なうことができ、定着装置３の全体の製造コストを削減することができる。

ゴムまたはプラスチックの発泡体からなるロール層３３と、ロール層３３を軸支するロール軸３４とで加圧ローラ１６を構成し、ロール層３３の厚みを外筒体２６の厚みより大きく設定すると、加圧ローラ１６の熱容量を外筒体２６の熱容量より大きくできる。したがって、加熱ローラ１５の表面の温度が外的な要因で大きく変動する場合でも、加圧ローラ１６の表面の温度が大きく変動するのを防止して、ニップ部３７の温度を定着に適した温度に保持し続けることができる。

制御部４６が熱源２５に対する通電状態を制御しているとき、加熱ローラ１５と加圧ローラ１６を回転駆動すると、加熱ローラ１５の熱を加圧ローラ１６に対してむらのない状態で均一に伝導できる。したがって、加熱ローラ１５の表面温度やニップ部３７の温度を均一に制御できる。

本発明に係る定着装置を示す、図３におけるＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る定着装置の適用例を示す画像形成装置の概念図である。 本発明に係る定着装置の平面図である。 温度制御処理を説明するためのフローチャートである。 温度制御時における加圧ローラの表面の温度変化を示す特性図である。 厚紙を通紙した場合の加熱ローラと加圧ローラの表面の温度変化を示す特性図である。

（実施例） 図１から図６に、本発明に係る画像形成装置をコピー機能とファクシミリ機能とを備えた複合機に適用した実施例を示す。なお、本発明における前後、左右、上下とは、図２および図３に示す交差矢印と、各矢印の近傍に表記した前後、左右、上下の表示に従う。

図２において、複合機１は、画像形成部２、および定着装置３等が配置された本体部４と、本体部４の上部の画像読取部５などを備えており、本体部４の下側に配置した給紙カセット６と本体部４の上側の排出部７との間に記録紙の搬送路８が設けてある。搬送路８の下部に画像形成部２が、上部に定着装置３が配置してある。定着装置３に臨む本体部４の周囲壁には、サービス開口と、同開口を開閉するカバー１０（図３参照）が設けてある。カバー１０を開放することにより、定着装置３のメンテナンスを行なうことができ、さらに定着装置３およびその周辺の搬送路８に詰まった記録紙を取り除くことができる。

画像形成部２は、感光ドラム１１およびトナーカートリッジ１２などで構成してあり、給紙カセット６から送給された記録紙に対してトナー像を転写して画像を形成する。画像読取部５の前面には、各種の操作ボタンを備えた操作パネル１３が設けてあり、上面側には自動原稿搬送装置（ＡＤＦ）１４が設けてある。本などの綴られた原稿の画像は、画像読取部５の上面のプラテンガラスに載置した状態で読み込むことができ、さらに枚葉状の原稿は自動原稿搬送装置１４を通すことにより読み込むことができる。

図３において定着装置３は、加熱ローラ１５と、加熱ローラ１５の周面に外接する加圧ローラ１６と、加圧ローラ１６を加熱ローラ１５に向かって押し付け付勢する前後一対の加圧ばね１７・１７などで構成する。加熱ローラ１５は、ハウジング１８の内面に設けた前後一対のブラケット１９でベアリング２０を介して回転自在に支持することにより、ユニット部品化してある。加圧ローラ１６は、先に説明したカバー１０で支持してある。画像形成部２でトナー像が形成された記録紙を、加熱ローラ１５と加圧ローラ１６との間に通すことにより、トナー像を加熱しながら加圧して記録紙に定着することができ、定着された記録紙は排出部７へと送給される。

図１に示すように、加熱ローラ１５は、円筒状の管軸２３を基体にして、その周囲に断熱筒２４と、面状発熱体（熱源）２５と、外筒体２６とを多重筒状に配置して構成してある。管軸２３は、アルミニウム合金製の管材を素材にして形成してある。外筒体２６は、ステンレス鋼を深絞り成形して得られる薄肉の筒体で形成してあり、その筒壁の肉厚寸法は０．１ｍｍである。断熱筒２４は、シリコン発泡体を筒状に成形して形成してあり、面状発熱体２５の熱が管軸２３の側へ伝導するのを遮断する。図示していないが、外筒体２６の外面には、定着された記録紙の剥離を促進するために、ふっ素樹脂製のシートで形成した剥離層が巻装してある。なお、図１に示す加熱ローラ１５は、各部材の配置関係および相互関係を明確化するために、各部材の厚みを実際より誇張して表現してある。

面状発熱体２５は、耐熱性と電気絶縁性を備えたポリイミド製のシート基材３０の片面に発熱体３１を固定して形成する。発熱体３１は、ステンレス製の箔にエッチングを施して、ひと筆書き状に連続するパターンとして形成してあり、通電時にジュール熱を発生する。面状発熱体２５は、その発熱体３１が断熱筒２４の外周面に密着し、外面が熱容量の小さな薄肉の外筒体２６に密着する状態で配置してある。したがって、面状発熱体２５による外筒体２６の加熱を短時間で効果的に行なうことができ、複合機１を起動する時の待機時間を短縮できる。

加圧ローラ１６は、その大半を占めるロール層３３と、ロール層３３を軸支するロール軸３４とで構成する。ロール層３３はゴムまたはプラスチックを素材とする発泡体を素材にして無端筒状に形成してあり、その厚みは３ｍｍである。ロール軸３４の両端寄りは軸受３５で回転自在に軸支してあり、さらにロール軸３４の両端が、カバー１０の内面に設けたガイド枠３６で往復スライドのみ可能に案内してある。先の加圧ばね１７は圧縮コイルばねからなり、カバー１０と軸受３５との間に配置されて、加圧ローラ１６を加熱ローラ１５へ向かって押し付け付勢する。カバー１０を開放すると、加圧ローラ１６がカバー１０に同行して本体部４の外方へ揺動するので、加熱ローラ１５から分離できる。また、開放されていたカバー１０を閉止することにより、加圧ローラ１６を加熱ローラ１５に密着させて、両ローラ１５・１６の間に通紙用のニップ部３７を構成することができる。

図３に示すように、加熱ローラ１５の両端には、絶縁ブロック４０と、受電軸４１と、受電軸４１に外接する給電体４２とが設けてあり、受電軸４１および給電体４２を介して発熱体３１に対して電力を供給している。受電軸４１と発熱体３１とは、絶縁ブロック４０の内部で接続してある。図３において符号４３は片方の受電軸４１に固定したギヤであり、このギヤ４３を図示していない駆動構造で駆動することにより、加熱ローラ１５を図１に矢印で示す向きへ回転駆動できる。

先に説明したように、薄肉に形成した外筒体２６は熱容量が小さいため面状発熱体２５による加熱を遅滞なく行なえる。反面、定着装置３を通過する記録紙の厚みの違い或いはサイズの違い等によって、加熱ローラ１５の表面の温度が敏感に変動しやすい。そのため、従来の定着装置と同様に、加熱ローラ１５の表面の温度を検出しながら温度制御を行なっても、定着が行なわれるニップ部３７の温度を安定させるのが困難となる。

そこで本発明においては、外筒体２６に比べて熱容量が著しく大きな加圧ローラ１６の表面温度を検出対象にして温度制御を行なうことにより、熱しやすく冷めやすい加熱ローラ１５の温度制御を行なって、ニップ部３７の温度を的確に制御できるようにした。具体的には、図１に示すように、加圧ローラ１６の表面の温度をサーミスタ（温度検出素子）４５で検出し、サーミスタ４５から出力される電圧信号（検出結果）に基づき、面状発熱体２５に対する通電状態を制御部４６で制御するようにした。サーミスタ４５は、片持ち梁状に支持した支持腕４７の遊端に固定されて、支持腕４７の弾性力で加圧ローラ１６の表面に押し付けられている。サーミスタ４５は、加圧ローラ１６のニップ部３７より回転方向上流側において、ローラ表面に密着しており、したがって、加熱ローラ１５と接触したのち、３００度以上周回した状態のローラ表面の温度をサーミスタ４５で検出することになる。図１において符号４９は、加熱ローラ１５の表面の温度を検出するサーモスタットである。サーモスタット４９は、加熱ローラ１５が過熱状態に陥っているか否かを監視するために設けてあり、加熱ローラ１５が過熱状態に陥るのと同時に、面状発熱体２５に対する通電状態を遮断して安全性を確保する。

制御部４６は、図４に示す処理手順に従って、面状発熱体２５に対する通電状態をオン・オフ制御する。ステップ１では、複合機１が稼動状態にあることを確認し、ステップ２において加熱ローラ１５が回転していることを確認する。ステップ３において、サーミスタ４５から出力される電圧信号を基に加圧ローラ１６の表面の温度Ｔｐを確認する。さらに、ステップ４において、予め設定してある目標温度Ｔｏと、先のローラ表面の温度Ｔｐとを比較する。比較の結果（Ｔｐ≧Ｔｏ）を満たす場合には、ステップ５において面状発熱体２５への通電をオフする。また、比較の結果（Ｔｐ≧Ｔｏ）を満たさない場合には、ステップ６において面状発熱体２５への通電をオンする。

ステップ３およびステップ４は、先の不等式を満足するまで繰り返し実行されて、面状発熱体２５への通電を連続して行なう。その間にも加熱ローラ１５と加圧ローラ１６を連続して回転駆動するので、加熱ローラ１５の表面の温度がばらつくのを防いで均一化できる。ステップ７では、複合機が連続して稼動されるか否かを判定し、判定結果がＮＯであれば、ステップ３へ戻って再び面状発熱体２５に対する通電状態の制御を行なう。また、判定結果がＹＥＳであれば、ステップ８へ移行して加熱ローラ１５の駆動を停止して待機モードへ移行する。

ステップ４ないしステップ６を繰り返し実行することにより、面状発熱体２５に対する通電状態は、図５に示すようにオン状態とオフ状態とに切り換えられる。その結果、加圧ローラ１６の表面の温度Ｔｐは、目標温度Ｔｏ（１６０℃）に対してごく僅かに変動しながら、一定の温度範囲内に保持される。

図６は、定着装置３に対して厚紙が通紙される場合の、外筒体２６の温度と加圧ローラ１６の表面の温度Ｔｐの温度変化を示す。厚紙が通紙される場合には、薄い紙が通紙される場合に比べて、より大量の熱が外筒体２６から記録紙へ伝導される。そのため、外筒体２６の温度は急激に低下する傾向にあるが、熱容量が大きな加圧ローラ１６の表面の温度Ｔｐは安定している。また、加圧ローラ１６の表面の温度Ｔｐが目標温度Ｔｏと同じか、これよりより大きい場合に限って、面状発熱体２５への通電を停止するので、外筒体２６の温度は徐々に上昇する傾向にある。そのため、厚紙を通紙することによって低下した外筒体２６の温度を、速やかに適温の範囲内に復帰させて、ニップ部３７の温度を目標温度に保持することができる。厚紙の通紙が終了すると、加圧ローラ１６の表面の温度Ｔｐが目標温度Ｔｏと同じか、これよりより大きくなるので、面状発熱体２５への通電が停止される（ステップ５）。

以上のように、熱容量が大きな加圧ローラ１６の表面温度を検出対象にして温度制御を行なうと、加熱ローラ１５と加圧ローラ１６との間のニップ部３７の温度を、安定した状態で目標温度に保持することができる。したがって、記録紙に対する定着処理を確実に行なえる。また、薄肉に形成された外筒体２６を１個の面状発熱体２５で加熱するので、加熱ローラ１５の構造を簡素化しながら温度制御を的確に行なえる。したがって定着装置３の全体コストを削減し、しかも消費電力量を削減できる。

上記の実施例では、面状発熱体２５を外筒体２６の内面に配置したが、その必要はなく、外筒体２６の外面に配置することができる。その場合には、面状発熱体２５の外面を、電気絶縁性と易剥離性を備えたシートで覆うとよい。また、熱源としては面状発熱体２５以外の発熱体を適用することができる。

温度検出素子４５はサーミスタである必要はなく、サーモスタットなどの温度検出素子を適用することができる。また、温度検出素子４５は、加圧ローラ１６の表面の任意の位置に配置することができるので、実施例で説明した配置位置には限定しない。必要があれば、複数の温度検出素子４５を加圧ローラ１６の表面に分散配置することができる。外筒体２６は、ステンレス鋼以外の金属を素材とする薄肉の筒体で構成することができる。

３ 定着装置
１５ 加熱ローラ
１６ 加圧ローラ
２５ 熱源（面状発熱体）
２６ 外筒体
３７ ニップ部
４５ 温度検出素子（サーミスタ）
４６ 制御部

Claims (5)

1. 定着装置が、加熱ローラおよび加圧ローラと、
   前記加圧ローラの表面の温度を検出する温度検出素子と、
   前記加熱ローラに設けた熱源に対する通電状態を制御する制御部とを備えており、
   前記加熱ローラが、薄肉の金属筒体からなる熱容量の小さな外筒体を備えており、
   前記制御部が、前記温度検出素子の検出結果に基づき、前記熱源に対する通電状態を制御して、前記加熱ローラと前記加圧ローラとの間のニップ部の温度を目標温度に保持することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記熱源が１個の面状発熱体で構成されており、
   前記面状発熱体が前記外筒体に密着する状態で配置してある請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記制御部は、前記温度検出素子で検出した前記加圧ローラの表面の温度と、予め設定された前記加圧ローラの目標温度とを比較して、前記両温度が一致するように前記熱源への通電状態をオン・オフする請求項１または２に記載の画像形成装置。
4. 前記加圧ローラが、ゴムまたはプラスチックを素材とする発泡体からなるロール層と、
   前記ロール層を軸支する金属製のロール軸とで構成されており、
   前記ロール層の厚みを、前記外筒体の厚みより大きく設定して、前記加圧ローラの熱容量が前記外筒体の熱容量より大きく設定してある請求項１、２または３に記載の画像形成装置。
5. 前記制御部が、前記熱源に対する通電状態を制御しているとき、前記加熱ローラと前記加圧ローラを回転駆動する請求項１、２、３または４に記載の画像形成装置。

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