JP2012103672A - 定着装置の温度制御方法、定着装置および画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】記録媒体の未定着画像面に接して該記録媒体を加熱する定着部材と非画像面から該記録媒体を加圧する加圧部材とを有する定着装置の温度制御方法であって、異なる熱容量を有する前記記録媒体に対して定着後記録媒体温度が略一定になるように、前記加圧部材の温度を検知する温度検知部材により検知された加圧部材温度に基づいて定着部材設定温度をフィードバック制御することにより達成される。
【選択図】図16
Description
このような装置は省エネルギーである反面、印刷中に温度制御を行わない加圧部材温度の影響により定着品質が左右されやすい。また、加圧部材の温度が低い場合でも定着品質が満足するように加熱部材温度が制御されているため、加圧部材温度が高くなり、その温度により記録媒体が十分に加熱される状態となると、必要以上の熱量を記録媒体に与えてしまう不具合がある。
また、前記フィードバック制御の際、記録媒体のニップ時間、坪量、熱伝導率、比熱および含水率のいずれか1つの因子を用いて、定着部材設定温度を補正すると好ましい。
また、前記加圧部材に熱源が設置されていないと好ましい。
また、本発明の画像形成装置は前記定着装置を備えると好ましい。
図1は、本発明に従う、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。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。
この発明による定着装置22は、ローラ形状の定着部材である定着ローラ1と、ローラ形状の加圧部材である加圧ローラ2と、内部に加熱源を備えた加熱ローラ4と、定着ローラ1と加熱ローラ4に架け回された定着ベルト3で構成され、定着ローラ1、加圧ローラ2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1と加圧ローラ2との間で定着ベルト3を介して定着幅wを有する定着ニップnが形成される。記録媒体20が定着ニップnを通過する際、定着ローラ1は記録媒体20の未定着画像面に接して記録媒体20を加熱し、加圧ローラ2は非画像面から記録媒体を加圧し、未定着画像は加熱・加圧されて記録媒体に定着される。
加熱ローラ4の内側にはハロゲンヒータ5が配置されており、定着ベルト3を加熱することができる。なお、ここではハロゲンヒータの例を示したが、定着ベルト3を加熱する熱源はセラミックヒータや誘導加熱(IH)などの他の熱源でも構わない。
図示の定着装置22には、定着ベルト3に近接して定着ベルト3の温度を測定可能なように非接触式温度センサ6を設置する。また、定着装置22には、この非接触式温度センサ6により、定着ベルト3の温度を検知し、指定された定着ベルト3の目標制御温度と検知された定着ベルト3の温度との間の温度偏差の情報を基にPWM駆動回路92bを通してハロゲンヒータ5への印加電力を単位時間当たりの通電時間(=DUTY)で制御する定着温度コントローラ92aが設けられている。
以上のような構成で、定着ニップnを通過する記録媒体20およびトナーへ与える熱量が所定の状態になるようにハロゲンヒータ5の電力を制御する。
なお、記録媒体温度測定センサは、量産される装置には設置されない場合もあるが、本発明の検証のために以下に示す位置に設置した。
図3は、定着後記録媒体の温度測定方法を示す図である。定着ニップnの出口付近に、図のような非接触式の温度測定器40を設置し、定着直後の記録媒体温度41を測定した。温度測定器40としては、例えばキーエンス社製のFT−H20を用いると好ましい。
図4は、定着部材側から観測した記録媒体を示しており、測定に使用する記録媒体としてはA4用紙を使用し、長辺が先になるように定着装置に通紙する。温度測定センサの幅方向の設置位置は、記録媒体の送り方向の中央付近(点線)の位置を測定可能な位置としている。
記録媒体温度は定着ニップnで加熱された後、ニップ通過後に外気によって冷却されるため、図のような温度推移を示す。定着時の記録媒体温度を正確に知る上では、温度センサ測定位置は出来る限り定着ニップnに近づけることが望ましいが、レイアウトの制約などを考慮して、具体的には定着ニップnを出てから50〜300ms後、あるいは10〜30mmの位置の記録媒体温度を測定できるように温度測定センサを配置するとよい。
測定のサンプリング周期は10msとして定着後記録媒体の温度測定を行う。測定の結果、Xのように温度波形が得られる。次に、この波形から、実際に温度測定センサが記録媒体温度を測定している部分のみを抽出する。温度センサにはスポット径があるので、記録媒体先端と後端でスポットが全て記録媒体上に載るAからBの範囲を抽出する。抽出を行った範囲の温度の平均値であるYを得て、これを定着後記録媒体温度とする。
先ず、定着後記録媒体温度と定着強度の関係について説明する。定着強度は、用紙を折り曲げた際にトナーがどの程度用紙から剥離したかによって評価し、剥離状態をランク付けする方法を用いる。
図示のように、先ず定着後の記録媒体20をトナー像の付着面が内側になるように軽く折り曲げ(図中破線部)、所定の重りを用いて折り目をつけた。ここでは、図8に示すように、幅50mm、重量1kgの円筒形の重りを回転させ、折り曲げ部を一往復することで折り目をつけた。次に用紙を広げ、折り曲げ部における評価位置をウェスで軽く擦り、剥離したトナーを除去した。そして、評価位置でのトナーの剥離程度を調べ、それを定着強度ランク見本と比較することで定着強度ランクを決定した。
ここでは、評価位置のトナー剥離状態をランク1からランク5までの5段階に分けたランク見本を用意した。図示のように、評価位置の全域にわたってトナーが剥離しているランク1、それよりもトナー剥離の少ないランク2、さらにトナー剥離の少ないランク3、トナー剥離の殆どないランク4、トナー剥離の全く無いランク5を判定した。
図示のように、定着後記録媒体温度と定着強度ランクは非常に強い相関を有しており、定着後記録媒体温度が高くなると定着強度ランクも高くなる。ここで、温度は23℃、湿度は50%、定着ローラ設定温度は180℃、記録媒体の坪量は90g/m2だった。R2は相関係数であって、1に近い値を有しているため、定着後記録媒体温度と定着強度ランクの間に強い相関があることが分かる。
加圧ローラにヒータが設置されている定着装置においては、印刷条件によらず加圧ローラ温度が一定に制御可能な為、定着後記録媒体温度も一定になり、定着品質が一定に保たれる。
近年の定着装置においては、省エネルギーの観点から画像面側のみを温め、非画像面側の加圧ローラに熱を溜め込まないようにするため、加圧ローラにはヒータを設置しない、また設置された場合でも、印刷中には点灯しないといった手法が取られている。また、このような定着装置では加圧ローラの熱容量が小さく、使用状態によって加圧ローラ温度は変化し易くなっている。このような定着装置では、スリープモードに入ったり連続通紙を行ったりして加圧部材は容易に経時的に温度変化するため、記録媒体温度も容易に変化し、定着品質が落ちたり、必要以上のエネルギーを使用したりする原因になっている。
定着装置に記録媒体を通した際の現象は熱伝導が支配的な伝熱現象であり、この伝熱現象を模擬したシミュレーションを用いる必要がある。このシミュレーションは、図示のように定着ニップ部を記録媒体が通過し、定着ローラから熱を受けて温度が上昇する様子を模擬する。
熱伝導方程式は非線形方程式であるため、容易に解を求めることができない。そこで、本発明では、差分法により近似して数値解を求めることで定着後記録媒体温度のシミュレーションを行った。ここでは、この解法については詳述しない。
図15は、従来の加圧ローラ温度変化に伴う定着後記録媒体温度を示す図であり、従来発明において定着ローラ設定温度が一定の場合における、加圧ローラ温度と定着後記録媒体温度の関係を示している。図示のように、従来の制御では加圧ローラ温度が高くなると、定着ローラ設定温度が一定でも、定着後記録媒体温度も高くなり、略一定の望ましい定着後記録媒体温度を維持することはできない。従って、加圧ローラ温度の定着後記録媒体温度への影響度を考慮しなければ、定着後記録媒体温度を常に望ましい値に保つことはできない。
図示のように、加圧ローラ温度を検知して定着ローラ設定温度の制御を行う本発明の場合、検知した加圧ローラ温度が高い場合(低熱容量記録媒体)には、定着ローラ設定温度を低く設定し、検知した加圧ローラ温度が低い場合(高熱容量記録媒体)には、定着ローラ設定温度を高く設定している。このように、検知した加圧ローラ温度に応じて、定着ローラ設定温度を変えている。これにより、低熱容量記録媒体については高熱容量記録媒体よりも低い定着部材設定温度を設定するため、過剰なエネルギー消費の低減が実現される。もちろん、高熱容量・低熱容量に関わらず、同じ熱容量を有する記録媒体についても定着後記録媒体温度が略一定になるように定着ローラ設定温度を制御する。これに対して、定着ローラ設定温度を一定とした従来の制御の場合、検知した加圧ローラ温度の高い場合(低熱容量記録媒体)と低い場合(高熱容量記録媒体)に関わらず、定着ローラ設定温度は一定に制御されている。
図示のように、加圧ローラ温度を検知して定着ローラ設定温度の制御を行う本発明の場合、低熱容量記録媒体と高熱容量記録媒体とに関わらず、定着後記録媒体温度は略一定に制御されている。一方、定着ローラ設定温度を一定とした従来の制御の場合、記録媒体の熱容量の違いと加圧ローラ温度の変化によって、定着後記録媒体温度はばらついてしまう。
先ず、光沢度がどの程度変動すると、人はそれを光沢度変動と感じるかを検証する実験を行った。評価に用いる画像サンプルとしては以下の表1に示す実験条件で印刷を行ったものを使用した。なお、PFAは、四フッ化エチレン・パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂を表す。
光沢度差のサンプルとしては、5%、7.5%、10%の3種類を用意し、評価実験を行った。図示のように、気になると答えた人数の割合は、光沢度差が7.5%のときに18%であったのに対して、光沢度差が10.0%のときには65%になっており、7.5%から10.0%にかけて大きく変動している。よって、光沢度差の閾値としては7.5%とするのが適切であり、この閾値を下回る光沢度変動量を維持することが、光沢度の違いが気にならない良好な定着品質のために重要である。一方、定着後記録媒体温度と光沢度の関係を示す図11の結果から、光沢度変動量を閾値の7.5%以下とするには、定着後記録媒体温度の幅・変動量は5℃以内とする必要があることが分かる。
加圧ローラ温度の定着後記録媒体温度への影響度は、記録媒体のニップ時間、坪量、熱伝導率、比熱または含水率によって変化する。そのため、図16に示した、定着後記録媒体温度を一定にするための加圧ローラ温度に対する定着ローラ設定温度の傾きを、これら因子に応じて補正することが望ましい。
図21は、略一定の定着後記録媒体温度を実現するためのニップ時間と定着ローラ温度と加圧ローラ温度の関係を示している。ここでは、30ms、50ms、100msのニップ時間について検証した。また、坪量の用紙を70g/m2、熱伝導率を0.16W/(m・K)、比熱を1012kJ/(m3・K)、定着前記録媒体温度を23℃、含水率を4%とした。図示のように、50msのニップ時間の直線の傾きは30msのニップ時間のそれよりも大きく、100msのニップ時間の直線の傾きは50msのニップ時間のそれよりも大きく、ニップ時間が長いほど直線の傾きが大きいことが分かる。すなわち、直線の傾きの大きさは加圧ローラ2の温度が定着後記録媒体温度に与える影響度を示しており、ニップ時間が長いほど加圧ローラ2の温度が定着後記録媒体温度に与える影響が大きいことを示している。これは、ニップ時間が長くなれば、加圧ローラ2から記録媒体20に伝わる熱量も増えるためであると考えられる。
傾き:y1 = −0.0027x−0.1812
切片:y2 = 0.1282x+176.7
ここで、xはニップ時間、y1は加圧ローラ温度に対する定着ローラ設定温度の直線の傾き、y2は加圧ローラ温度に対する定着ローラ設定温度の直線の切片を表す。
Y = y1 X + y2
上記手順により、図21に示すような異なるニップ時間の場合における加圧ローラ温度に対する定着ローラ設定温度の直線が得られる。また、温度センサ7などによって加圧ローラ温度が分かると、この直線から定着ローラ設定温度を決めることができる。そして、温度センサ7などによって検知した加圧ローラ温度に応じて、定着温度コントローラ92aによるハロゲンヒータ5への通電時間の調節によって定着ローラ設定温度をフィードバック制御することにより、記録媒体温度を狙いの温度により近づけることができる。従って、略一定の定着後記録媒体温度を実現し、ひいては略一定で高品質な定着が実現されることになる。これによれば、加圧ローラ温度に基づいて行う定着ローラ温度の制御において、ニップ時間を考慮することで加圧ローラ温度の定着後記録媒体温度への影響度を補正することができる。なお、定着温度コントローラ92aとしては、例えばフィードバックコントローラ、フィードフォワードコントローラが考えられる。
熱伝導率:0.1、坪量:100のとき、(熱伝導率/坪量):0.00100
熱伝導率:0.1、坪量:80のとき、(熱伝導率/坪量):0.00125
熱伝導率:0.16、坪量:100のとき、(熱伝導率/坪量):0.00160
熱伝導率:0.16、坪量:80のとき、(熱伝導率/坪量):0.00200
熱伝導率:0.25、坪量:100のとき、(熱伝導率/坪量):0.00250
熱伝導率:0.25、坪量:80のとき、(熱伝導率/坪量):0.00313
以上のように、加圧ローラ温度から得られた定着後記録媒体温度の補正演算に、記録媒体20のニップ時間、坪量、熱伝導率、比熱および含水率の少なくとも2つの記録媒体情報としての因子を用いることで、1つの因子を用いた場合よりもハロゲンヒータ5のより正確な点灯量を算出できるため、略一定の定着品質を得ることができるとともに、定着装置22の消費エネルギーを低減することができる。
2 加圧ローラ(加圧部材)
3 定着ベルト
4 加熱ローラ
5 ハロゲンヒータ
6 非接触式温度センサ
7 温度センサ(温度検知部材)
20 記録媒体、用紙
22 定着装置
92a 定着温度コントローラ
92b PWM駆動回路
Claims (7)
- 記録媒体の未定着画像面に接して該記録媒体を加熱する定着部材と非画像面から該記録媒体を加圧する加圧部材とを有する定着装置の温度制御方法であって、
異なる熱容量を有する前記記録媒体に対して定着後記録媒体温度が略一定になるように、前記加圧部材の温度を検知する温度検知部材により検知された加圧部材温度に基づいて定着部材設定温度をフィードバック制御することを特徴とする温度制御方法。 - 定着後記録媒体温度の幅が5℃以内になるように、前記温度検知部材により検知された加圧部材温度に基づいて定着部材設定温度をフィードバック制御することを特徴とする請求項1に記載の温度制御方法。
- 前記フィードバック制御の際、記録媒体のニップ時間、坪量、熱伝導率、比熱および含水率のいずれか1つの因子を用いて、定着部材設定温度を補正することを特徴とする請求項2に記載の温度制御方法。
- 前記フィードバック制御の際、記録媒体のニップ時間、坪量、熱伝導率、比熱および含水率の少なくとも2つの因子を用いて、定着部材設定温度を補正することを特徴とする請求項2に記載の温度制御方法。
- 前記加圧部材に熱源が設置されていないことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の温度制御方法。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の温度制御方法を使用することを特徴とする定着装置。
- 請求項6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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