JP2012083648A - 定着処理のための加熱制御方法と当該加熱制御方法を実施する定着装置並びに画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】局部加熱をする特に低熱量の定着装置で、定着部材の周方向の温度ムラを低減する加熱制御方法を提案する。
【解決手段】加圧手段と共に定着ニップを形成する定着部材をＰＷＭ駆動方式にて局部加熱し、定着ニップで挟持搬送される記録媒体を加熱加圧して定着する定着装置のための加熱制御方法において、定着部材の回転方向における加熱オンオフを検出し、検出された回転方向オンオフの情報に基づいて、次の温度制御周期での加熱位置を決定するように制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリあるいはそれらの機能を併せ持った複合機等の画像形成装置に関し、とりわけ像担持体上に形成されたトナー像を記録媒体に定着させる定着装置およびそれを用いた画像形成装置に関するものである。

従来の電子写真式画像形成装置においては、像担持体から記録媒体に転写された未定着画像を加熱定着することで複写物や記録物を得ている。定着処理に際しては、未定着画像を担持する記録媒体を狭持加圧しながら加熱することで、未定着画像中に含まれる現像剤、特にトナーの溶融軟化及び記録媒体への浸透を行わせることにより記録媒体にトナーを定着させている。

定着処理での記録媒体の加圧加熱は、内蔵する定着ヒータ若しくは外側配置された定着ヒータによって加熱された定着ローラあるいは定着ベルト等の定着部材に対して加圧ローラあるいは加圧ベルトを押し当てて、ニップ部を形成し、そのニップ部に記録媒体を通過させることで実現する。その際、定着装置には、定着部材の温度を安定して制御するという課題がある。従来の定着装置では、サーミスタ等の温度検知手段により定着部材の表面温度を検知し、検知温度が所定温度よりも低い場合には定着ヒータをOnにし、検知温度が所定温度よりも高くなると定着ヒータをOffにする、On／Off制御によって定着部材を設定温度に制御していた。しかしながら、定着ヒータを内蔵する定着部材の場合には加熱源のOn／Offのタイミングと定着部材の表面温度変化に時間的なズレが発生し易く、また外部加熱方式では定着部材の表面温度にムラが生じ易く、それに伴う定着不良、光沢ムラ、ホットオフセットが発生するという問題があった。

そこで、電源交流を整流器で整流した電源電圧を、ヒータの負荷にスイッチング素子を直列接続したインバータに供給し、パルス幅を変調させてヒータのOn／Offの時間割合によって被加熱部材を所望の温度に制御する「ＰＷＭ制御」が採用されるようになってきている（例えば特許文献１、特許文献２）。

また近年、省エネの観点から熱容量の小さい定着装置が次々と開発されている。このような低熱容量の定着装置は、投入した電力に対し温度を均一化できる蓄熱部材が小さいか、あるいは蓄熱部材を有さないため、電力の入力の仕方がそのまま定着装置の温度に反映される傾向がある。特に誘導加熱方式のような熱応答が早く、しかも定着部材の局部を加熱するような定着装置では定着部材の周方向温度ムラが顕著に現れる。この現象によって定着性や紙面内光沢度等、画像面での悪影響が発生する。また周方向の温度ムラ分、設定温度を上げる必要が生じ、必要以上のエネルギーを消費するような使い方にせざるを得なかった。

このように局部加熱をする定着装置、特に立ち上がりが早く消費電力の小さい低熱容量の定着装置で、熱源が点灯しているときとしていないときで定着部材の周方向の温度ムラが問題になることを鑑み、本発明の課題は、定着部材の周方向の温度ムラを低減する定着装置のための加熱制御方法を提案することにあり、そのような加熱制御方法を採用する定着装置によって、精密な制御で良好な画像を得て且つ省エネを実現することにある。

上記課題は、加圧手段と共に定着ニップを形成する定着部材をＰＷＭ駆動方式にて局部加熱し、定着ニップで挟持搬送される記録媒体を加熱加圧して定着する定着装置のための加熱制御方法において、定着部材の回転方向における加熱オンオフを検出し、検出された回転方向オンオフの情報に基づいて、次の温度制御周期での加熱位置を決定するように制御することによって解決される。

加圧手段と共に定着ニップを形成する定着部材を局部加熱し、その定着部材の温度情報を入手し、得られた定着部材の温度情報に基づき以後の温度制御周期の必要電力を決定する、定着装置のための加熱制御方法において、局部加熱がＰＷＭ駆動方式で行われるものであり、定着部材の回転方向における加熱オンオフを検出し、検出された回転方向オンオフの情報を加味して、次の温度制御周期での加熱オンオフを修正すれば、上記課題を確実に解決できる。その際、定着部材の回転方向における加熱オンオフのパターンを定着部材の１周分以上にわたって記憶すること、さらには局部加熱が誘導加熱方式で行われることが想定される。

定着部材と、前記定着部材を局部加熱する手段と、前記定着部材とで定着ニップを形成する加圧手段と、前記定着部材の温度情報を入手する手段と、得られた定着部材の温度情報に基づき定着部材加熱のための温度制御周期の必要電力を決定する制御部とを備える定着装置において、局部加熱手段がＰＷＭ駆動方式で作動するものであり、定着部材の回転方向における加熱オンオフを検出し、検出された回転方向オンオフの情報に基づいて、次の温度制御周期でのオンオフタイミングを決定するように局部加熱手段を制御すれば、装置的に上記課題を解決できる。

定着部材と、前記定着部材を局部加熱する手段と、前記定着部材とで定着ニップを形成する加圧手段と、前記定着部材の温度情報を入手する手段と、得られた定着部材の温度情報に基づき定着部材加熱のための温度制御周期の必要電力を決定する制御部とを備える定着装置において、局部加熱手段がＰＷＭ駆動方式で作動するものであり、定着部材の回転方向における加熱オンオフを検出し、検出された回転方向オンオフの情報を加味して、次の温度制御周期でのオンオフタイミングを修正するように局部加熱手段を制御すれば、装置的に上記課題を確実に解決できる。

加圧手段と共に定着ニップを形成する定着部材をＰＷＭ駆動方式にて局部加熱し、定着ニップで挟持搬送される記録媒体を加熱加圧して定着する定着装置のための加熱制御方法において、定着部材の回転方向における加熱オンオフを検出し、検出された回転方向オンオフの情報に基づいて、あるいは、その情報を加味して、オンあるいはオフであった定着部材部分が回転移動して加熱部に戻ってくるまでの間記憶しておき、１周前の点灯がOffであったところを優先的に加熱できるように、次の温度制御周期での加熱パターンを決定すれば、定着部材の周方向における温度ムラを低減できる。温度制御周期で必要な電力計算は、基本的に従来通り温度を見て次の周期にどのくらいの電力が必要かを計算するフィードバック制御を用いる。

定着部材の回転方向における加熱オンオフのパターンを定着部材の１周分を越えて記憶すれば、定着部材が連続回転する際に連続してOffして加熱されない部分が発生する事態を回避できる。

カラー複写機全体の概要を示す図である。 定着装置の主要構成を示す図である。 本発明に係る制御による点灯パターンを説明するグラフである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を用いて以下に説明する。先ず図１に、発明に係る定着装置を備えた電子写真式画像形成装置の一例であるカラー複写機の概略構成を示す。このカラー複写機の画像形成装置全体の機構としては、従来と基本的に同じであり、感光体の周りに画像を形成するために必要な所定の装置、例えば帯電装置、露光装置、現像装置等が設けられており、さらに原稿の画像情報読取装置や給紙ユニットを備えている。周知構成・動作であるので、以下では、簡単な説明にとどめるが、説明されていない点についても周知構成、動作であると認識される限り、その内容を含むものである。

カラ−複写機（以下、単に複写機という）１は、装置本体中央部にイエロー・シアン・マゼンタ・ブラックの４つの画像形成手段を横に並べて配置してタンデム画像形成部を構成する。タンデム画像形成部においては、個々のトナー像形成手段である画像形成手段が配置されている。個々の画像形成手段においては、潜像担持体としてのドラム状の感光体１１Ｙ，１１Ｍ，１１Ｃ，１１Ｋ（以下、表示簡略化のため、イエロー・シアン・マゼンタ・ブラックを示すＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋを省略する）の周りに、帯電装置１２、現像装置１３、感光体クリーニング装置１５等を備えている。

また、タンデム画像形成部の下に、潜像形成手段としての光書込ユニット２が設けられている。この光書込ユニット２は、複写機上部の原稿読取部４からの画像データに基づいて、各感光体１１の表面にレーザ光を照射して各色ごとの静電潜像を形成する。原稿読取部４は、光源、ポリゴンミラー、ｆ−θレンズ、反射ミラー等を備えており、コンタクトガラス５に配された原稿Ｄを照射して、画像データを電気信号に変換して光書込ユニット２へ伝達する。

タンデム画像形成部の直ぐ上には、中間転写体として無端ベルト状の中間転写ベルト１７を設けている。この中間転写ベルト１７は、複数の支持ローラに掛け回され、これら支持ローラのうち駆動ローラ（例えば２次転写部に配された転写ローラ）の回転軸には、駆動源としての図示しない駆動モータが連結されている。中間転写ベルト１７のタンデム画像形成部の上流側にベルト用クリーニング装置１６を備えている。駆動モータを駆動させると、中間転写ベルト１７が図中反時計回りに回転移動するとともに、従動可能な支持ローラが回転する。中間転写ベルト１７の内側には、感光体１１上に形成されたトナー像を中間転写ベルト１７上に転写するための１次転写装置を設けている（図示せず）。

１次転写装置より中間転写ベルト１７の駆動方向下流側に２次転写装置としての２次転写ローラ６を設ける。この２次転写ローラ６と中間転写ベルト１７を挟んで反対側には、転写支持ローラ１８が配置されており、押部材としての機能を果たしている。

また、複写機１は、その下部に、給紙カセット７、給紙コロ８、レジストローラ等を備えている。さらに、２次転写ローラ６によりトナー像を転写された記録媒体Ｐの進行方向に関して２次転写ローラ６の下流には、記録媒体Ｐ上の画像を定着する定着装置１９、排紙ローラ９を備えている。

つぎに、上記複写機の動作を説明する。個々の画像形成手段で感光体１１を回転し、感光体の回転に伴って、帯電装置１２で感光体１１の表面を一様に帯電する。次いで光書込ユニット２からの書込み光を照射することによって感光体１１上に静電潜像を形成する。その後、現像装置１３によりトナーを付着することで静電潜像を可視像化して各感光体ドラム１１上にそれぞれ、イエロー・マゼンダ・シアン・ブラックの単色画像を形成する。また、不図示の駆動モータで駆動ローラを回転駆動して他の支持ローラを従動回転し、中間転写ベルト１７を回転搬送して、その可視像を１次転写装置で中間転写ベルト１７上に順次転写する。これによって中間転写ベルト１７上に合成カラー画像を形成する。画像転写後の感光体１１の表面は感光体クリーニング装置１５で残留トナーを除去することで清掃して再度の画像形成に備える。

また、上記画像形成のタイミングに合わせて、給紙カセット７からは記録媒体Ｐ先端が給紙コロ８により繰り出され、レジストローラまで搬送され、一旦停止する。そして、上記画像形成動作とタイミングを取りながら、転写支持ローラ（２次転写対向ローラ）１８と中間転写ベルト１７の間に搬送される。ここで、中間転写ベルト１７と転写支持ローラ１８とは記録媒体Ｐを挟んで所謂２次転写ニップを形成し、２次転写ローラ６にて中間転写ベルト１７上のトナー像を記録媒体Ｐ上に２次転写する。２次転写された記録媒体Ｐは分離部材（図示せず）により中間転写ベルト１７、転写支持ローラ１８から分離された後、排紙ローラ９を経て機外に排出される。一方、画像転写後の中間転写ベルト１７は、ベルト用クリーニング装置１６で、画像転写後に中間転写ベルト１７上に残留する残留トナーを除去し、タンデム画像形成部による再度の画像形成に備える。

画像転写後の記録媒体Ｐが送り込まれる定着装置１９は、図２に詳細を示すように、定着ローラ２０と加圧ローラ３０を備えている。定着ローラ２０は、誘導過熱方式（ＩＨ方式）で加熱される定着スリーブ２１、その内周側のスポンジ部材２２、最内周の芯金２３から構成されており、加圧ローラ３０は芯金３２とゴム部材３１から構成され、ハロゲンヒータ３３を内蔵しており、定着ローラ２０と加圧ローラ３０とが対向して圧接することでニップ部を形成する。定着ローラ２０が発泡体であるスポンジ部材２２を、加圧ローラ３０が弾性体であるゴム部材３１を有するのは、両ローラを圧接する際に適当な面圧とニップ幅を有するためである。本例では、定着ローラ２０のスポンジ部材２２が硬度３５Ｈｓ程度、加圧ローラ３０のゴム部材３１は表面に３ｍｍほどの厚みで硬度６０Ｈｓ程度のものであり、各ローラの径は共に４０ｍｍ程度である。

ニップ部と反対側の定着ローラ２０に対向する位置にＩＨヒータ２５が配置されている。ＩＨヒータ２５は、定着ローラ２０に近い側のカバー内側２８とカバー外側２７の間にＩＨコイル２６を備えており、このＩＨヒータ２５によって定着スリーブ２１が局部加熱されながら回転する。定着スリーブ２１は、例えば、発熱のための金属体（１５μｍ）とシリコーンゴム（２００μｍ）とＰＦＡの表層（３０μｍ）で構成されている。２次転写部から加圧ガイド板４１で案内され未定着トナーＴを載置する記録媒体Ｐを定着ローラ２０と加圧ローラ３０で挟持搬送することで、記録媒体上のトナー像を加熱加圧して定着し、しかる後に、分離板４３と定着装置カバー５０の間の排出路から記録媒体Ｐを排出する。定着装置カバー５０は支点５０ａを中心に回動して定着装置を開放できるようになっている。

定着スリーブ２１の表面は所定の温度域に維持されるべく拍車４２に支持された温度検知手段６２によって温度を検知される。本例では、温度検知手段６２として、サーモパイルを使用している。一方、加圧ローラ３０は加圧サーミスタ６１によって表面温度を検知され、ハロゲンヒータ３３が制御される。サーモパイルは、熱電対を多数直列につないだ温接合部に対象物から放射される赤外線を集光することにより、冷接合部との温度差に応じた起電力を発生する、時間応答良好なセンサである。サーモパイル自体の温度（特に冷接合部の温度）変化を補うために雰囲気センサを有している（図示せず）。

本例ではサーモパイルを１つとしているが、紙幅ごとに温度センサを備えるなど増やしてもよい。非通紙部の温度上昇を防ぐため、定着スリーブ２１に入ってゆく磁束密度を打ち消すようにキャンセルするためのコイルを備えている（図示せず）。このキャンセルコイルは紙幅に応じて発熱を抑える部分を変更できる。

さらに、定着スリーブ２１は端部に寄り防止のためのサイドガイド（図示せず）を備えており、定着スリーブ２１が定着ローラ２０の長手方向どちらかに寄っていったときにサイドガイドが接触し、それ以上の寄りを規制する構造を有している。寄り自体が起きないようにスポンジ部材２２に接着していてもよい。

以上のような構成を有する定着装置１９において、定着スリーブ２１の表面温度を検知したサーモパイル６２の出力に応じて、制御部（図示せず）においてＩＨヒータ２５の点灯率を制御する（On／Off制御）ことにより、定着プロセスに必要な温度制御を行う。

ところがこのような局部加熱であり特に熱容量が小さく熱伝導率の小さい定着装置においては、周方向の熱伝導率も低いため、ＩＨヒータへの入力電力がそのまま定着スリーブ２１の表面温度として表れ、点灯率制御ではOffしている部分の温度が下がってしまい、定着スリーブ周方向に温度ムラが発生し易いという問題を抱えている。

ＰＩＤ制御などの温度制御プロセスで現在の温度を検出しながら次の温度制御周期の電力を計算する場合には、長期的な視点で定着部材を或る一定の温度域に維持するのには優れているが、定着ローラの周方向の温度ムラをなくすよう制御できるほどには熱応答性が速くはないため、周方向の温度ムラをなくすことには限界がある。そのため温度を検出してフィードバックする制御よりも時間的に早く制御することが必要になる。

そこで温度フィードバック制御を行う従来の制御方法に加え、時間的に早く操作する制御方法を加えることで周方向の温度ムラを低減することができる。被加熱部材の或る表面域が加熱部を通過するときの加熱源の点灯状態が温度制御周期の中でOn状態だったかOff状態だったかを、被加熱部材が回転してその或る表面域が加熱部に戻ってくるまでの間記憶しておき、被加熱部材１周前の点灯がOff状態だったところを優先的に加熱するように温度制御周期内で点灯パターンを決めて、周方向の温度ムラを低減する。温度フィードバック制御とそれよりも時間的に早く作用する、１周前の点灯パターンを覚えておきOFFの部分を優先的に加熱する制御を組み合わせる制御方法である。これに対して、現実の温度を計測してその計測温度結果を次の制御周期に反映させる温度制御プロセスだけでは、温度として反映されるのに時間がかかるために、一定以上の回転速度になると間に合わず、適正な温度制御が困難になる。

例えばソフトタイマの精度より最小４０ｍｓでOn／Offを切り替えることができる場合を考える。温度制御周期が２００ｍｓであり点灯６０%とすると、温度制御周期２００ｍｓのうち１２０ｍｓ（最小点灯時間３個分）点灯させ、残りの８０ｍｓ（最小点灯時間２個分）をOffすることで単位時間当たりの点灯率６０%を実現することになる。最小の点灯時間４０ｍｓは点灯の最小単位であり、温度制御周期２００ｍｓの間に５個存在し、この最小単位４０ｍｓでOn／Offを自由にできる。定着部材の回転１周分前がOffしている被加熱場所が加熱部に来たときに優先的にOnするように温度制御周期内５個の最小単位での点灯パターンを決めることで定着部材周方向の温度ムラを低減する。

つまり本発明でのOn／Off制御は、温度制御周期２００ｍｓのOn／Offを自由にできる５個の時間のうちどれを点灯させるかという点灯パターンを、定着ローラ１周前の点灯パターンがどのような点灯であったかを基準に決める制御である。例えば今回の温度制御では温度フィードバック制御により６０%の点灯が必要だったとする。温度制御周期内の最小単位５個のうち３個を点灯させればよいことになる。このとき定着ローラ１周の周期が３２０ｍｓだとすると、図３に示すように、４００ｍｓを基点に３２０ｍｓ前から１２０ｍｓ前までの５個の最小点灯単位がどのような点灯であったかを参照する。この５個の最小単位の点灯がOn・Off・Off・On・Onだったとすると基点４００ｍｓ後の制御周期では最小単位２番目と３番目を優先的にOnと決める。最小単位２番目と３番目の位置は定着ローラ１周前ではOffになっており、Onの部分より温度が低いと予測されるため、今回の制御周期では優先的にOnとするのである。残りの１個分をどこで点灯させるのは最小単位１番目、４番目、５番目のうちどこでもよいが、点灯するべき２番目と３番目に一番遠い５番目を点灯させるのが理想である。このようにして定着ローラ周方向の温度ムラを抑制する。このような制御を行うことにより、定着性の良好でかつ最小限のエネルギーで定着工程を終了させることができる。

定着装置を或る温度域に維持するにあたり温度フィードバック制御により４０%の点灯のみを要する低電力の場合、５個の最小点灯単位のうち２個点灯させることで４０%点灯となるため、定着ローラ１周期前のOff部分をOn状態にできないことがある（前周期も４０%点灯ならOff部分は５個のうち３個あるため）。この場合、定着ローラ１周前の点灯パターンだけで制御周期の点灯パターンを決めてもよいが、さらに回転１周期前の点灯パターンまで参照してOffの部分をOnするようにすればより好適である。回転１周期前がOffでも２周期前はOn状態とOff状態の両方があり、２周期連続でOffしているところを優先的にOnにすべきだからである。したがって、必要電力が小さく、あるいは最小点灯単位がさらに小さい場合には、２周前以上の回転周期の点灯パターンを参照する場合もあり得る。

１ 複写機
２ 光書込ユニット
４ 原稿読取部
５ コンタクトガラス
６ ２次転写ローラ
７ 給紙カセット
８ 給紙コロ
９ 排紙ローラ
１１ 感光体
１２ 帯電装置
１３ 現像装置
１５ 感光体クリーニング装置
１６ ベルトクリーニング装置
１７ 中間転写ベルト
１８ 転写支持ローラ
１９ 定着装置
２０ 定着ローラ
２１ 定着スリーブ
２２ スポンジ部材
２３ 芯金
２５ ＩＨヒータ
２６ ＩＨコイル
２７ カバー外側
２８ カバー内側
３０ 加圧ローラ
３１ ゴム部材
３２ 芯金
３３ ハロゲンヒータ
４１ 加圧ガイド板
４２ 拍車
４３ 分離板
５０ 定着装置カバー
６１ 加圧サーミスタ
６２ サーモパイル（定着スリーブ用温度検知手段）

特開２００４−１９８５３７号公報 特開２００７−１３３２９２号公報

Claims (7)

1. 加圧手段と共に定着ニップを形成する定着部材をＰＷＭ駆動方式にて局部加熱し、定着ニップで挟持搬送される記録媒体を加熱加圧して定着する定着装置のための加熱制御方法において、
   定着部材の回転方向における加熱オンオフを検出し、検出された回転方向オンオフの情報に基づいて、次の温度制御周期での加熱位置を決定するように制御することを特徴とする加熱制御方法。
2. 加圧手段と共に定着ニップを形成する定着部材を局部加熱し、その定着部材の温度情報を入手し、得られた定着部材の温度情報に基づき以後の温度制御周期の必要電力を決定する、定着装置のための加熱制御方法において、
   局部加熱がＰＷＭ駆動方式で行われるものであり、定着部材の回転方向における加熱オンオフを検出し、検出された回転方向オンオフの情報を加味して、次の温度制御周期での加熱オンオフを修正することを特徴とする加熱制御方法。
3. 定着部材の回転方向における加熱オンオフのパターンを定着部材の１周分以上にわたって記憶することを特徴とする請求項１または２に記載の加熱制御方法。
4. 局部加熱が誘導加熱方式で行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の加熱制御方法。
5. 定着部材と、前記定着部材を局部加熱する手段と、前記定着部材とで定着ニップを形成する加圧手段と、前記定着部材の温度情報を入手する手段と、得られた定着部材の温度情報に基づき定着部材加熱のための温度制御周期の必要電力を決定する制御部とを備える定着装置において、
   局部加熱手段がＰＷＭ駆動方式で作動するものであり、定着部材の回転方向における加熱オンオフを検出し、検出された回転方向オンオフの情報に基づいて、次の温度制御周期でのオンオフタイミングを決定するように局部加熱手段を制御することを特徴とする定着装置。
6. 定着部材と、前記定着部材を局部加熱する手段と、前記定着部材とで定着ニップを形成する加圧手段と、前記定着部材の温度情報を入手する手段と、得られた定着部材の温度情報に基づき定着部材加熱のための温度制御周期の必要電力を決定する制御部とを備える定着装置において、
   局部加熱手段がＰＷＭ駆動方式で作動するものであり、定着部材の回転方向における加熱オンオフを検出し、検出された回転方向オンオフの情報を加味して、次の温度制御周期でのオンオフタイミングを修正するように局部加熱手段を制御することを特徴とする定着装置。
7. 請求項５または請求項６の定着装置を搭載する画像形成装置。

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