JP2012194422A - 温度サンプリング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】定着部材が低熱容量化タイプの定着装置であっても被加熱部材周方向の温度ムラを低減でき、それにより定着性を向上させ、光沢を均一化・消費電力を低減させる制御を可能とする温度の温度サンプリング方法を提供する。
【解決手段】記録部材上に転写されたトナー像を定着させるための定着ベルト31と、定着ベルト31を加熱するヒータ35と、定着ベルト31の温度を検知するセンサ36と、センサ36の出力結果からヒータの点灯率を計算する制御部とを備え、定着ベルト31の温度をフィードバック制御している定着装置の検知温度の温度サンプリング方法であり、センサ36による温度検知周期を定着ベルト31の回転時間に対応して設定し、センサ36が検知した温度の複数回分を平均化した温度を検知温度としてサンプリングする。
【選択図】図4

Description

本発明は、トナー像を担持した記録媒体を通紙して熱等によりトナー像を記録媒体に定着する定着装置において温度制御する際に用いる温度の温度サンプリング方法に関するものである。
従来、複写機、プリンタ、ファクシミリまたはそれらの少なくとも2つの機能を有する複合機などの画像形成装置にあっては、用紙等の記録媒体に形成されたトナー像を圧力下において加熱溶融することにより、画像を定着させる定着装置を用いることが知られている。一般的に、トナー像として形成された電子写真画像を記録媒体に定着する定着装置は、加熱手段であるヒータに電力を供給して定着ローラ、定着ベルト等の定着部材を加熱させ、この熱でトナー像を加熱溶融して記録媒体に定着する処理を行う。
このような定着装置として近年では、定着可能状態への昇温時間(ウォームアップ時間)の短縮化や、消費電力の低減化の観点から図6,7に示すような定着ローラ51と加圧ローラ52及び定着ベルト55と加熱ローラ54等を備えたベルト定着装置が知られている。このベルト定着装置では、加熱ローラ54は複数のヒータ53を内蔵し、加熱ローラ54と定着ローラ51との間に耐熱性弾性材料からなる定着ベルト55が張架され、定着ローラ51と対向する加圧ローラ52とでニップを形成している。また、定着ベルト55の内面にテンションローラ57が当接しており定着ベルトに適当な張力が付与されている。
ところで、定着工程では定着装置の定着部材をトナー定着できる温度まで加温する必要があるため、立ち上げ時間や消費電力の面から上記ベルト定着装置よりもさらなる低熱容量化された定着装置が求められている。
そこで、特許文献1,2,3に記載されているように、加熱手段(ヒータ)を内包するパイプにベルトを摺動させながらベルトを加熱し、加圧部材とのニップに記録部材を送り込み狭持搬送しながら定着を行う定着装置が提案されており、その一例を図2に示す。
図2において、ここに示した定着装置30は内部に薄肉の金属パイプ34と低熱容量の定着ベルト31および加圧ローラ33とパッド32等を備えている。金属パイプ34は複数のヒータ35を内蔵し、金属パイプ34とパッド32に定着ベルト31が摺動しながら回転する。パッド32と対向する加圧ローラ33とでニップを形成し、このニップに未定着トナー像を担持した記録媒体を通紙することによりトナー像が記録媒体に定着される。
このように低熱容量化された定着装置30では、金属パイプ34が薄く、ヒータの点灯状態がそのまま温度として現れる傾向にあるため、特に局部加熱方式では温度制御が乱れやすい。ヒータが点灯状態にあるときに加熱部分を通過すれば温められるが、消灯状態のときに加熱部分を通過すると温めることができず周方向の温度ムラとなって現れる。特にPWM制御であるとヒータが点灯状態と消灯状態を繰り返しているため、この課題が顕著となり、さらに被加熱部材である定着ベルトが小径であればある程、1周する時間が短くなり1周あたりの制御回数が減少するので温度制御が困難になる。定着装置では定着部材を一定温度に保つために検知した温度情報から次の制御周期のヒータ点灯率を決定するフィードバック制御を行っている場合、周方向の温度ムラが大きいとそれを検知してヒータの点灯率を計算してしまい、本来の目的である定着装置を一定温度に保つという機能が著しく阻害され、温度の発散もしくは温度リップルが収束しないといったようなフィードバックループがうまく回らないことに起因する問題がたびたび起こってしまう。
本発明は、上記した従来の問題に鑑み、定着部材が低熱容量化タイプの定着装置であっても被加熱部材周方向の温度ムラを低減でき、それにより定着性を向上させ、光沢を均一化・消費電力を低減させる制御を可能とする温度の温度サンプリング方法を提供することを目的としている。
この目的を達成するために、本発明は、記録部材上に転写されたトナー像を定着させるための被加熱部材と、該被加熱部材を加熱する加熱手段と、前記被加熱部材の温度を検知する手段と、該温度検知手段の出力結果から前記加熱手段の点灯率を計算する制御部とを備え、前記被加熱部材の温度をフィードバック制御している定着装置の検知温度の温度サンプリング方法において、前記温度検知手段による温度検知周期を前記被加熱部材の回転時間に対応して設定し、当該温度検知手段が検知した温度の複数回分を平均化した温度を前記検知温度としてサンプリングすることを特徴とする温度サンプリング方法を提案する。
なお、本発明は、前記温度検知手段の温度検知周期が前記被加熱部材の回転時間に対応して変更可能であると有利である。
さらに、本発明は、平均化する前記温度検知手段の検知回数が変更可能であると有利である。
さらにまた、本発明は、フィードバック制御に用いる検知温度は、前記温度検知手段が前記被加熱部材の1回転の回転時間に対応して複数回の温度検知を行い、その複数回分の温度を平均化した温度であると有利である。
さらにまた、本発明は、サンプリングした検知温度によるフィードバック制御は、前記定着装置の状態が印刷中と立ち上げ時とで区別され、印刷中のときのみ実施されると有利である。
さらにまた、本発明は、前記加熱手段がフル点灯でない状態が一定時間以上続いた場合、前記検知温度によるフィードバック制御が実施されると有利である。
さらにまた、本発明は、前記制御部の制御が加熱手段の点灯・消灯が繰り返されるPWM制御であると有利である。
本発明によれば、低熱容量化タイプのものであっても温度検知手段による温度を検知する周期を前記被加熱部材の回転時間に対応して設定し、検知した温度の複数回分を平均化してサンプリングするので、そのサンプリングした温度を検知温度としてフィードバック制御することで定着性を向上させ、かつ、光沢を均一化・消費電力を低減させることができる。
本発明が適用される画像形成装置の一例を示す概略図である。 その画像形成装置の定着装置に示す構成図である。 本発明に係る温度サンプリング方法の一実施形態を示すフローチャートである。 ヒータのフル点灯時の状態を示すグラフと温度ムラの有無を示す説明図である。 ヒータの点灯・消灯を繰り返している状態を示すグラフと温度ムラの有無を示す説明図である。 公知のベルト定着装置に示す構成図である。 そのベルト定着装置の斜視図である。
以下、本発明を実施する形態を添付図面に従って説明する。
図1は、本発明の定着装置が設けられるカラープリンタとしての画像形成装置の一例を示す概略断面図である。ここに示される画像形成装置は、後述する定着装置30と電子写真方式の画像形成部とを備えており、その画像形成部には複数の(図示した例では4つの)画像形成手段1a、1b、1c及び1dが設けられている。この第1ないし第4の画像形成手段1a、1b、1c及び1dは、それぞれ同一の構成ではあるが、対応するトナー色だけが異なっており、これら画像形成手段において、例えばブラックトナー像、マゼンタトナー像、シアントナー像及びイエロートナー像がそれぞれ形成される。なお、これら画像形成手段は現像剤(トナー)色の違い以外はそれぞれ同一の構成であるため、以下の説明では、参照符号におけるa、b、c及びdの添え字を適宜省略して説明する。
ここに図示した画像形成手段1には、静電潜像担持体であるドラム状の感光体2が配置されており、当該感光体2のまわりに、帯電部材3、現像装置4及びクリーニング手段5が設けられている。この感光体2は、時計回りに回転駆動することが可能であり、当該感光体2の表面には帯電部材3が圧接されていて、この帯電部材3は、感光体2の回転駆動に伴い従動回転させられる。また、この帯電部材3には、図示しない高圧電源により所定のバイアス電圧が印加され、回転駆動する感光体2の表面を一様に帯電できるようになっている。なお、ここに図示した帯電部材3は、感光体2に接触するローラ状部材を採用しているが、コロナ放電などを利用する非接触式のものを採用することも可能である。
また、図1に示される画像形成装置では、4つの画像形成手段に平行して、斜め下方に露光装置6が設けられている。この露光装置6は、光源、ポリゴンミラー、f−θレンズ、反射ミラーなどの適宜適切な構成部材を有しており、各色トナーの画像データに応じて形成された画像情報に基づいて、帯電部材3により帯電させられた各感光体2を露光し、それぞれの感光体2上に静電潜像を作り出すために設けられる。この露光装置6を用いて感光体2上に形成された静電潜像は、感光体2の回転により、現像装置4を通るときに各色トナーが付与されることで現像され、顕像化される。なお、当該画像形成装置の内部における上方には、ブラック、マゼンタ、シアン及びイエローの各色トナーが充填されたトナーボトル20a、20b、20c及び20dが配置されていて、このトナーボトル20a、20b、20c及び20dから図示しない搬送経路を介して、所定補給量のトナーがそれぞれ各色現像装置4a、4b、4c及び4dに補給されるようになっている。
さらに、この各画像形成手段の感光体2に対向して中間転写体として構成される、無端ベルト状の中間転写ベルト7が配置され、この中間転写ベルト7の表面には各感光体2が当接している。図1に示した中間転写ベルト7は、複数の支持ローラ(例えば、支持ローラ8a、8bなど)に巻きかけられて構成されており、図示した例では、支持ローラ8aが、図示しない駆動源としての駆動モータと連結されていて、この駆動モータを駆動させることで、中間転写ベルト7は、図中半時計回りに回転移動すると共に、従動回転可能な支持ローラ8bが回転させられる。また、中間転写ベルト7の裏面には、そのベルトを挟んで感光体2に対向して位置する一次転写ローラ9が配置されている。この一次転写ローラ9に図示しない高圧電源から一次転写バイアスが印加され、現像装置4により顕像化されたトナー像が中間転写ベルト7に一次転写されるようになっている。なお、一次転写されずに感光体2上に残された一次転写残トナーは、感光体2による次の画像形成動作に備えるためにクリーニング装置5により除去され、感光体2上におけるトナーが完全に除去される。
さらにまた、図示した画像形成装置1では、一次転写ローラ9らの、中間転写ベルト7の駆動方向下流側に、二次転写装置としての二次転写ローラ10が設けられている。この二次転写ローラ10は、中間転写ベルト7を挟んで支持ローラ8bと対向しており、当該二次転写ローラ10と支持ローラ8bとで中間転写ベルト7を介して二次転写ニップ部を形成している。また、当該画像形成装置は、記録媒体積載部としての給紙カセット11、給送コロ12に加え、レジストローラ対13などを備えると共に、二次転写ローラ10から見て、記録媒体の搬送方向下流側には、定着装置30及び排紙ローラ対21が設けられている。
次に、画像形成動作について説明する。この画像形成動作においても、各感光体2にトナー像を形成し、そのトナー像を中間転写ベルト7に転写する構成は、そのトナー像の色が異なるだけで、実質的に全て同一であるため、a,b,c及びdの添え字は必要に応じて割愛する。
まず、上記した感光体2が図示しない駆動源により時計回り方向に回転駆動され、このとき感光体2表面にやはり図示しない除電装置からの光が照射されて表面電位が初期化される。この表面電位を初期化された感光体2の表面が、今度は帯電部材3によって所定の極性に一様に帯電される。帯電された感光体2表面には、露光装置6からのレーザ光が照射され、これによって感光体2表面に静電潜像が形成される。このとき、各感光体2に露光される画像情報は所望のフルカラー画像をイエロー、シアン、マゼンタ及び黒の各トナー色情報に分解した単色の画像情報である。このように感光体2上に形成された静電潜像は、現像装置4を通る際に、現像装置4からの各色トナー(現像剤)が付与され、顕像化されたトナー像として可視化される。
また、中間転写ベルト7は、図中反時計回りに走行駆動させられるが、上記した一次転写ローラ8には、感光体1上に形成されたトナー像のトナー帯電極性と逆極性の一次転写電圧が印加される。これにより、感光体2と中間転写ベルト7との間に転写電界が形成され、感光体2上のトナー像が、その感光体2と同期して回転駆動される中間転写ベルト7上に静電的に一次転写される。このように、一次転写される各色トナー像は、中間転写ベルト7の搬送方向上流側から逐次タイミングを併せて中間転写ベルト7上に重ね合わされ、所望のフルカラー画像が形成される。
その一方で、画像を形成されるべき記録媒体は、給紙カセット11に積載された記録媒体束から給送ローラ12などの適宜適切な搬送部材の作用によりレジストローラ対13まで一枚ごとに分離されて給送されるが、その際には、未だ回転駆動を開始していないレジストローラ対13のニップ部に、搬送された記録媒体の先端が突き当たり、所謂ループを形成することで、記録媒体のレジストレーションが行われる。その後、中間転写ベルト7上に担持されたフルカラートナー像とのタイミングを図って、レジストローラ対13の回転駆動が開始され、支持ローラ8bと、これに中間転写ベルト7を介して対向する二次転写ローラ10とで構成される二次転写ニップ部に向けて記録媒体が送出される。本実施例では、二次転写ローラ10に中間転写ベルト7表面におけるトナー像のトナー帯電極性と逆極性の転写電圧が印加され、これによって中間転写ベルト7表面に形成されたフルカラートナー像が記録媒体上に一括して転写される。トナー像を転写された記録媒体は、定着装置30までさらに搬送され、当該定着装置30を通過するときに、この定着装置30で熱と圧力とを加えられ、永久画像としてトナー像が記録媒体に定着させられる。画像を定着させられた画像形成後の記録媒体は、排紙ローラ対21を介して排出トレイなどの記録媒体排出部に排出されることで画像形成動作が完了する。なお、二次転写ローラ10が配置される二次転写ニップ部で転写されずに中間転写ベルト7上に残留した残留トナーは、中間転写ベルトクリーニング手段14により取り除かれ回収される。
このカラープリンタに用いられる定着装置30は、先に説明した図2のものと同様の装置が用いられる。すなわち、定着装置30は内部に薄肉金属パイプ34と定着ベルト31および加圧ローラ33とパッド32等を備えている。金属パイプ34は複数のヒータ35を内蔵し、金属パイプ34とパッド32に定着ベルト31が摺動しながら回転する。パッド32と対向する加圧ローラ33とでニップを形成し、このニップに未定着トナー像を担持した記録媒体を通紙することによりトナー像が記録媒体に定着される。
パッド32と加圧ローラ33は適当な面圧とニップ幅を持つように、ゴムのような弾性体かスポンジなどの発泡体を用いている。本例ではパッド32を10mm幅のゴム部材とし、加圧ローラ33は表面に3mmほどの厚みのゴムを用いており、硬度60Hs程度で径は30mm程度である。
定着ベルト31はニッケルやSUSなどの金属ベルトかポリイミド樹脂などを用いた無端ベルト(もしくはフィルム)である。離型性を持たせるためにベルト表面はPFAやPTFEなどのフッ素樹脂層をもっている。金属パイプ34はアルミ,又は鉄,ステンレスなどの金属を用いる。図示した金属体はベルト直径より1mm直径の小さい円形としているが,角型であっても,その他の断面形状であってもよい。加熱手段はハロゲンヒータを図示しているが、カーボンヒータまたはIHなどでもよい。
金属パイプ34内のヒータ35は、発熱部が中央ヒータ35aと両端部の端部ヒータ35bに分かれておりそれぞれ別の温度センサ36を用いて制御される。記録媒体のサイズによって点灯DUTYを異ならせることによって端部温度上昇を抑制し、無駄な電力を省くことができる。また一本ヒータでなく2本に分けることによりフリッカー対策としても有効である。大きなサイズの紙のときは中央ヒータと端部ヒータともに同じような点灯DUTYで使用するが、小サイズ転写紙では端部ヒータの点灯DUTYを著しく下げ、無駄な部分の加熱と消費電力の抑制になる。なお、ヒータ35は定着ベルト31の内側から金属パイプ34を介して加熱しているが、定着ベルト31の外側から非接触加熱(ハロゲンヒ−タなどの輻射熱)してもよい。
本実施形態では、図3に示すように、中央ヒータ35aと端部ヒータ35bの発熱電気抵抗の部分35aω、35bωに対応する外部位置に温度検知手段としてのサーモパイル36aと非接触サーミスタ36bを配置している。中央ヒータ35aはサーモパイル36aで、端部ヒータ35bは非接触サーミスタ36bでそれぞれ検知した温度によって温度制御している。
サーモパイル36a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、時間応答の良いセンサである。サーモパイル自身の温度(特に冷接合部の温度)変化を補うために雰囲気センサを持っている。また、非接触サーミスタ36bは温度によって抵抗値が変化するサーミスタ対であり、対象物の温度を検知する検知センサと検知センサの周囲温度を検知する雰囲気センサからなっている。雰囲気センサの検知値によって検知センサの検知温度を補正できるようになっている。非接触サーミスタはサーモパイルよりも安価であるが、応答性が劣る。
なお、本実施形態ではヒータの数を2本としているが、回転停止時専用のヒータ等、さらに増加してもよい。また、温度検知手段である温度センサもヒータを2本としているため2つとしているが、ヒータの本数を増加させる場合は温度センサの数を増やしてもよい。さらにまた、温度検知手段はサーモパイルや非接触サーミスタでなくとも定着性を維持できるような温度センサがあればそれを用いてもよい。部品公差などによって定着部材と非接触センサの距離が変わってしまい、雰囲気温度の設定値からのズレが許容できない場合に、雰囲気温度が設定値に入るよう非接触センサと定着部材との距離を調整できるよう非接触センサのネジ止めの際にスペーサなどをかませてもよい。
以上のような構成を持つ定着装置30に対して温度センサ36の出力に応じたヒータ35の点灯率を制御することにより、定着プロセスに必要な温度制御を行っている。
ところで、印刷中などの一定温度に制御しようとする場合、ヒータは点灯と消灯を繰り返している状態(100%点灯でない・フル点灯でない状態)であるが、このとき、定着ベルト31や金属パイプ34が低熱容量化されているので、ヒータの点灯状態がそのまま温度として現れ、ヒータの消灯状態では加熱部分を通過すると温めることができないため、周方向の温度ムラとなって現れる。特に、PWM制御であるとヒータが点灯状態と消灯状態を繰り返しているため、この課題が顕著となることは先に説明した。
そこで、本発明では温度制御に用いる検知温度(制御温度)のサンプリングを図4に示すフローチャートに基づいて行っている。
図4において、温度検知手段である温度センサ36が温度を検知すると(ステップ1)、そのときヒータ35がON・OFFを繰り返しているか否かが判断される(ステップ2)。ステップ2でヒータ35がON・OFFを繰り返していない場合は、ヒータ35がフル点灯であり、図5(a)に示すように温度ムラが生じないため、平均化しない温度を検知温度とし(ステップ6)、これによって制御する。
また、ステップ2でヒータONがON・OFFを繰り返していると判断されたときは、印刷中などの定着ベルト31を一定温度に制御しようとしている状態であり、このときはサーモパイルが温度検知した回数をカウントし、その回数がN回に達したか否かを判断する(ステップ3)。そして、温度検知した回数がN回に達すれば、検知したN回分の温度を平均化し(ステップ4)、その平均化した温度をサンプリングする(ステップ5)。
かくして、サンプリングした検知温度は周方向の温度ムラが生じていてもフィードバック制御が乱されないように、所定回数の最新温度の平均化して検知温度としてサンプリングするので、周方向に温度ムラがあっても影響されること無く、定着装置をある温度に維持するのに必要な熱量を計算することができる。このとき、所定回数を定着ベルト31の一周に要する時間で検知した回数の温度を平均化すれば、周方向に温度ムラがあっても影響されること無く、定着装置をある温度に維持するのに必要な熱量を計算することができる非常に好都合である。なお、センサ36の温度検知周期は必要に応じて定着ベルト31の回転時間に対応して変更するようにしてもよいし、さらにセンサ36の検知温度を平均化する時間を変更するようにしてもよい。
上記した平均化する温度サンプリングの方法としては例えば次のような方法がある。
サーミスタ36は100msおきに温度検知しており、温度フィードバック制御の制御周期が400msで、定着ベルトが1周するのに要する時間が500msの場合を考えると、定着ベルトが1周するうちに制御する機会は5/4回である。点灯DUTYが50%と計算される場合、200ms点灯し200ms消灯を繰り返すので、加熱されている部分の温度を検知する場合と加熱されてない部分の温度を検知する場合があり、フィードバック制御が乱される。そのため定着ベルトが1周するのに必要な時間分平均し(今回の実施例では温度検知5回分の温度を平均し、検知温度としてサンプリング)、その検知温度に対してフィードバック制御を行うと1周分の温度ムラにだまされること無く、定着ベルト全体をいる温度に維持するのに必要な点灯率を計算できる。温度サンプリングの平均化は100msおきの最新5回の温度を平均するのが好ましい。こうすることで5回平均化した温度が100msおきに出力されている状態ため、制御タイミングに一番近い5回の平均値を使うことができる。
なお、検知温度を平均化するほうがよいか、しないほうがよいかはプリンタのステータス・定着装置の状態によるので、これらによって変更できるようにする。印刷中などの定着ベルト31を一定温度に制御し、100%点灯でない場合には上記した平均化する制御が好ましい。一方、目標温度から離れており、ヒータが100%点灯・フル点灯であるときは、目標温度に向かって点灯し続けている状態なので、温度も急峻に変化するため検知した温度を平均化することなく最新の温度でフィードバック制御するのが好ましい。逆に言えば100%点灯・フル点灯であれば被加熱部材1周で加熱されない部分がないため、検知温度の平均化しなくてもフィードバック制御が乱されることがない。
このように定着ユニットの状態(ヒータの点灯状態)によって検知温度の平均化方法を変更すれば被加熱部材周方向の温度ムラにだまされることなく必要な点灯率を計算でき、温度リップルを低減することにより、定着性を向上させ、光沢を均一化・消費電力を低減させることができる。
30 定着装置
31 定着ベルト
33 加圧ローラ
34 金属パイプ
35 ヒータ
36 温度センサ(温度検知手段)
特開2007−334205号公報 特開2008−158482号公報 特開2009−003410号公報

Claims (7)

  1. 記録部材上に転写されたトナー像を定着させるための被加熱部材と、該被加熱部材を加熱する加熱手段と、前記被加熱部材の温度を検知する手段と、該温度検知手段の出力結果から前記加熱手段の点灯率を計算する制御部とを備え、前記被加熱部材の温度をフィードバック制御している定着装置の検知温度の温度サンプリング方法において、
    前記温度検知手段による温度検知周期を前記被加熱部材の回転時間に対応して設定し、当該温度検知手段が検知した温度の複数回分を平均化した温度を前記検知温度としてサンプリングすることを特徴とする温度サンプリング方法。
  2. 請求項1に記載の温度サンプリング方法において、前記温度検知手段の温度検知周期が前記被加熱部材の回転時間に対応して変更可能であることを特徴とする温度サンプリング方法。
  3. 請求項1または2に記載の温度サンプリング方法において、平均化する前記温度検知手段の検知回数が変更可能であることを特徴とする温度サンプリング方法。
  4. 請求項1ないし3の何れかに記載の温度サンプリング方法において、フィードバック制御に用いる検知温度は、前記温度検知手段が前記被加熱部材の1回転の回転時間に対応して複数回の温度検知を行い、その複数回分の温度を平均化した温度であることを特徴とする温度サンプリング方法。
  5. 請求項1ないし4の何れかに記載の温度サンプリング方法において、サンプリングした検知温度によるフィードバック制御は、前記定着装置の状態が印刷中と立ち上げ時とで区別され、印刷中のときのみ実施されることを特徴とする温度サンプリング方法。
  6. 請求項1ないし5の何れかに記載の温度サンプリング方法において、前記加熱手段がフル点灯でない状態が一定時間以上続いた場合、前記検知温度によるフィードバック制御が実施されることを特徴とする温度サンプリング方法。
  7. 請求項1に記載の温度サンプリング方法において、前記制御部の制御が加熱手段の点灯・消灯が繰り返されるPWM制御であることを特徴とする温度サンプリング方法。
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