JP2014170201A - 定着装置、及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱源105熱源を内部に有して回転自在に支持され、且つ該熱源と対向した被加熱部位Hを加熱される無端状の定着部材101と、加圧ローラ150と、を備え、定着部材の回転速度が正規の回転速度よりも低下し、熱源から前記被加熱部位に単位時間当たりに与えられる熱エネルギーが所定値を越えた場合に、被加熱部位から熱を奪う強制冷却手段160を備え。
【選択図】図6
Description
画像形成装置は、電子写真記録、静電記録、磁気記録等の画像形成プロセスにより、画像転写方式もしくは直接方式により、未定着トナー画像を記録材シート、印刷紙、感光紙、静電記録紙などの記録媒体上に形成する。未定着トナー画像を定着させるための定着装置としては、熱ローラ方式、フィルム加熱方式、電磁誘導加熱方式等の接触加熱方式による定着装置が広く採用されている。
このような定着装置の一例として、ベルト方式の定着装置(例えば、特許文献1:特開2004−286922公報)や、セラミックヒータを用いたサーフ定着(フィルム定着)方式の定着装置(例えば、特許文献2:特許第2861280号)が知られている。
ベルト方式の定着装置では、近年、さらなるウォームアップ時間(電源投入時等の常温状態から印刷可能なリロード温度までに要する時間)や、ファーストプリント時間(印刷要求を受けた後で、印刷準備を経て印字動作を行い排紙が完了するまでの時間)の短縮化が望まれている(課題1)。
課題1を解決する方法として、セラミックヒータを用いたサーフ定着が提案されている。このサーフ定着方式によれば、ベルト方式の定着装置に比べて低熱容量化、小型化を可能とすることができる。しかし、ニップ部のみを局所加熱しているため、その他の部分は加熱されておらず、ニップ部の用紙入口においてベルトが最も冷えた状態にあり、定着不良が発生しやすくなるという問題がある。
また、ベルト方式の高速機においては無端ベルトの回転が速く、ニップ部以外での無端ベルトの放熱が多くなるため、より定着不良が発生しやすくなるという問題がある(課題3)。
以上のような課題1〜3を解決するために、無端ベルトを用いる構成において、無端ベルト全体を温めることを可能にし、加熱待機時からのファーストプリントタイムを短縮することができ、かつ高速回転時の熱量不足を解消して、高生産の画像形成装置に搭載されても、良好な定着性を得ることができるようにした定着装置が提案されている(特許文献3:特開2007−334205公報)。
更なる省エネ性、及びファーストプリントタイム向上のために、無端ベルトを金属熱伝導体を介して間接的に加熱する構成から、無端ベルトを(金属熱伝導体を介さずに)直接加熱する構成が提案されている。この構成では伝熱効率を大幅に向上させることにより消費電力を低減すると共に、加熱待機時からのファーストプリントタイムを更に短縮することができる。また、金属熱伝導体レスによるコストダウンが可能となる。しかしこの構成では、急速な昇温により発生した熱応力でベルトが変形するという問題が発生し、急速な昇温を抑制するための制御が必要となる。
しかし、いずれの従来例も比較的長時間での機内温度上昇を想定した空冷による放熱構成であり、省エネ性及びファーストプリントタイム向上のために低熱容量の無端ベルトを局部的に直接加熱する定着装置における急速な温度上昇に対応することは難しい。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、定着部材として低熱容量化された無端状の定着ベルトを用いると共に、内部の熱源により直接定着ベルトを加熱するようにした定着装置において、定着ベルトの急速な昇温を防止して熱応力による定着ベルトの変形とそれに起因した異常画像を防止することができる定着装置を提供することを目的としている。
図1は本発明の定着装置を備えた画像形成装置の一例の構成について説明する図である。
画像形成装置1は、複数の色画像を形成する作像部がベルトの展張方向に沿って並置されたタンデム方式を用いるカラープリンタあるが、本発明はこの方式に限ることはなく、またプリンタだけではなく複写機やファクシミリ装置などを対象とすることも可能である。
画像形成装置1は、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックの各色に色分解された色にそれぞれ対応する像としての画像を形成可能な像担持体としての感光体ドラム20Y、20C、20M、20Bkを並設したタンデム構造が採用されている。
各感光体ドラムの周囲には、感光体ドラムの回転に従い画像形成処理するための装置が配置されている。ブラック画像形成を行う感光体ドラム20Bkを対象として説明すると、感光体ドラム20Bkの回転方向に沿って画像形成処理を行う帯電装置30Bk、現像装置40Bk、1次転写ローラ12Bk及びクリーニング装置50Bkが配置されている。帯電後に行われる書き込み(静電潜像形成)には、光書込装置8が用いられる。
転写ベルト11に対する各色トナー像の重畳転写では、転写ベルト11がA1方向に移動する過程において、各感光体ドラム20Y、20C、20M、20Bkに形成されたトナー像が、転写ベルト11の同じ位置に重ねて転写されるよう、1次転写ローラ12Y、12C、12M、12Bkによる電圧印加によって、A1方向上流側から下流側に向けてタイミングをずらして行われる。
各感光体ドラム感光体ドラム20Y、20C、20M、20Bkは、A1方向の上流側からこの順で並んでいる。
各感光体ドラム20Y、20C、20M、20Bkの上方には、転写ベルト11及び1次転写ローラ12Y、12C、12M、12Bkを備えた転写ベルトユニット10が対向配設される。更に、転写ベルト11に従動し、連れ回りする2次転写ローラ5と、転写ベルト11に対向配設され転写ベルト11上をクリーニングする中間転写ベルトクリーニング装置13が配置されている。
シート給送装置61は、最上位の記録媒体の上面に当接する給紙ローラとしての給送ローラ3を有しており、給送ローラ3が反時計回り方向に回転駆動されることにより、最上位の記録媒体をレジストローラ対4に向けて給送する。
定着装置100は、そのケーシング内部に無端状(環状)の定着部材としての定着ベルト101と、ハロゲンヒータ等から成る熱源105と、加圧部材としての加圧ローラ150と、を有し、熱源105により定着ベルト101が内周側から直接加熱される。
無端状の定着ベルト101の内部には、定着ベルト101を介して対向する加圧ローラ150とニップ部Nを形成するニップ形成部材120があり、定着ベルト内面と直接(もしくは、図示しない摺動シートを介して間接的に)摺動する。
図2ではニップ部Nの形状が平坦状であるが、凹形状やその他の形状であっても良い。ニップ部の形状は凹形状の方が、記録媒体先端の排出方向が加圧ローラ寄りになり、分離性が向上するのでジャムの発生が抑制される。
定着ベルト101の内部にはニップ形成部材120を支持するための支持部材122(ステー)を設け、加圧ローラ150により圧力を受けるニップ形成部材120の撓みを防止し、軸方向で均一なニップ幅を得られるようにしている。支持部材122は軸方向両端部を、定着ベルトの両端部を回転自在に保持する保持部材125(フランジ)により保持固定され位置決めされている。また、熱源105と支持部材122との間に反射部材127を備え、熱源105からの輻射熱などにより支持部材122が加熱されてしまうことによる無駄なエネルギー消費を抑制している。ここで反射部材127を備える代わりに、支持部材122表面に断熱もしくは鏡面処理を行っても同様の効果を得ることか可能となる。
上記のような構成により安価で、ウォームアップが速い定着装置を実現することが可能となる。
以下、定着装置内に、無端状の定着部材としての定着ベルト101と、加圧部材としての加圧ローラ150と、を有し、熱源105としてのハロゲンヒータにより定着ベルト101の特定部位(被加熱部位)を内周側から輻射熱を利用して直接加熱する構成について例示的に説明する。
この実施形態に係る定着装置100は、固定された熱源105と、熱源を内部に有して回転自在に支持され、且つ熱源と対向した被加熱部位(定着ベルト内面)Hを加熱される無端状の定着ベルト(定着部材)101と、被加熱部位を回避した定着部材の外周面と接してニップ部Nを形成する被加熱部位Hに単位時間当たりに与えられる熱エネルギーが所定値を越える場合に、被加熱部位Hの外面と接触することにより被加熱部位から熱を奪う強制冷却手段160と、を備えた構成が特徴的である。
被加熱部位Hは、熱源105と対向する定着ベルトの内面であり、強制冷却手段160が接触するのは、この熱源と対向する定着ベルト内面の外側面である。
被加熱部位Hの近傍には、サーミスタから成る温度検知手段166を配置し、被加熱部位の温度が規定値を越えた場合のみに強制冷却手段160を駆動して冷却し、規定値を下回った時には強制冷却手段を退避させる。定着ベルト101の温度、特に過熱されやすい被加熱部位H分の温度は温度検知手段(サーミスタ)166でモニターしており、ある一定の温度を越えたことが検知されると、制御手段156が強制冷却手段160を駆動して冷却する。定着ベルトが過熱状態になる場合とは、加圧ローラが停止しているために定着ベルトが回転せずに熱源からの熱を一箇所に集中的に受ける場合と、加圧ローラが回っているにもかかわらず定着ベルトが回転していない(スリップ)ことにより一箇所に集中的に熱を受ける場合と、種々の原因により定着ベルトの回転速度が正規値よりも低下している場合を想定している。
約1200Wの電力投入に対して温度上昇率は最大45℃/sとなるため、図2中の被加熱部位Hが熱エネルギーを集中的に受け、定着ベルトに周方向の温度偏差が形成されて熱応力が発生し、図4中に示したように定着ベルト101に凹み状の変形が発生する。変形が発生した定着ベルトは画質の劣化をもたらすため、交換が必要となる。
定着ベルトの両端部を保持部材125により支えられている構成では、定着ベルトの長手方向の温度偏差が同じ程度であっても、長手方向中央の変形量が一番大きくなり、定着ベルトの変形は長手方向の中央付近に集中して多発する。またポリイミドベルトに代表される樹脂やゴムのように弾性の大きい定着ベルトは、熱応力により変形しても復元されるため熱応力の影響はない。しかし、板厚が1mm以下の薄い金属ベルトにおいては、弾性域を超える変形は塑性変形による凹み状の変形をもたらし、この変形部位が画像に反映されて出力されるため、温度偏差を解消することが必要となる。
強制冷却手段160は、被加熱部位Hに対して、単位時間当たりに急激に、許容温度上昇率を超えて熱エネルギーが与えられた場合に、被加熱部位の外面に接触して熱を奪う手段である。
定着ベルト101の局所に対して単位時間当たりに急激に熱エネルギーが与えられた場合に、当該局所から熱を奪う方法としては、熱容量が高い、或いは熱伝導性の良好な冷却部材161を定着ベルトの曲率に合わせて接触(密着)させて熱を奪うことが有効である。熱容量の高い材質や熱伝導の高い材質を過熱しようとする部位に接触させることで、急激に流れ込む熱エネルギーを吸収することができ、定着ベルトの局部的な変形を防止できる。
熱伝導率の高い材質として、例えば金属材料を挙げることができる。特に、放熱性が優れ、コストも比較的安いアルミ材を用いるのが適当である。
なお、図5は金属の種類に応じた熱伝導率の違いを示す図である。コスト等からアルミニウムが適当であることが判る。
或いは、図6(a)に示すように、加圧ローラ150を定着ベルト101に対して進退させる加圧レバー170と連動させるようにしてもよい。即ち、加圧レバー170は加圧ローラ150を押圧したり押圧解除することにより定着ベルトとの間でニップ部Nを形成したり、ニップ部形成を解除できるように構成されている。本例では、加圧レバー170に取り付けられて連動する連結部材175の端部を冷却部材161に取り付けることにより、加圧レバーの進退動作に応じて冷却部材161を被加熱部位Hに対して接触させたり、離間させるようにしている。この場合、加圧ローラ150が定着ベルト101に圧接されてニップ部Nを形成している期間中は冷却部材161は被加熱部位Hと摺接した状態となり、熱源105からの熱が被加熱部位を過剰に昇温させることを防止する。この場合にも、強制冷却手段160は周辺の金属部材と接触することにより放熱効果を高めることができる。
図6(b)は強制冷却手段の他の構成例であり、加圧ローラや定着ベルトの動作とは無関係に、定着装置外部から別の駆動機構を用いて冷却部材を被加熱部位に対して進退させる構成例を示している。
駆動機構は、図示しない制御手段からの制御信号により作動して作動レバー183を進退させることにより、軸支部182を中心として保持部材181を揺動させることにより、冷却部材161の内側面を定着ベルト外面に接触させたり、離間させることができる。
この構成によれば、定着ベルトに対して冷却部材161を必要な時にだけ接触させることができるので、冷却部材161が定着ベルトと常時接触することによる定着ベルトに対する摩擦抵抗の発生と、それに起因した定着ベルトの走行速度のバラツキや減速を防止することができる。また、加圧ローラ150が定着ベルトと接触しているか否かに関係なく、被加熱部位Hを冷却する必要がある時のみ冷却部材を接触させることができるので、冷却部材161が定着ベルトと常時接触することによる上記不具合を解消できる。
なお、冷却部材を構成する材料としては、アルミ等の金属材料以外であってもよい。例えば、カーボンシートやシリコーンゴムなどの比較的弾性のある部材を使用しても構わない。但し、これらの材料は、金属よりも熱伝導率が落ちるため定着ベルトとの接触面に熱伝導性の高いグリスなどを塗布して使用することも可能である。
画像形成装置1が画像形成動作を開始して定着装置が定着動作を開始すると、温度検知手段166が定着ベルトの被加熱部位Hの温度をモニター開始し、定着ベルトの回転数がスリップ状態にあると見なし得る程度(許容範囲を下回った値)まで低下(停止を含む)しており、且つ被加熱部位Hの温度が正常温度を超えた場合には、制御手段156が強制冷却手段160である冷却部材161を駆動させて被加熱部位と接触させる(S1〜S5)。
その後、被加熱部位Hの温度が正常値に戻った場合には(S6、YES)、冷却部材161を被加熱部位から初期位置に退避させる(S7)。
スリップの有無、スリップの程度は、定着ベルトの適所に設けたロータリーエンコーダ(回転速度検知手段165)により定着ベルトの回転速度、回転速度の変化を検知することにより、制御手段156は知ることができる。
本実施形態では、定着ベルト101の回転停止時に、定着ベルトの一定範囲(被加熱部位H)に与えられる熱エネルギーが許容範囲を越える条件となった場合に、それまで非接触位置にあった冷却部材161を、定着ベルトの被加熱部位の外面と接触する位置に移動させて熱を奪うようにしている。
このような不具合に対しても、図6に示した構成例のように、被加熱部位Hの温度異常を温度検知手段166が検知した場合に、強制冷却手段160を用いて被加熱部位Hに冷却部材161を接触させて、適時強制冷却することにより、単位時間当たりの急激な温度上昇を抑制することができる。即ち、被加熱部位Hへ供給される過剰な熱エネルギーを冷却部材161へ逃がすことにより、被加熱部位が許容温度を越えて上昇することを防止し、被加熱部位の変形を防止することができる。
この場合において強制冷却手段160を作動させる手順は、図7のフローチャートを準用する。なお、本実施形態ではステップ3において、定着ベルトが回転しているが回転速度が正規値よりも低い場合(スリップ発生時)には、ステップ4へ進んで温度検知を行う。
連続して画像形成を行っている途中で画像形成動作が停止されて定着ベルトの回転停止が起きると、連続通紙直後のオーバーシュート温度(温度遷移)を示す図8のグラフのように、定着ベルト内部に蓄熱された熱が、熱源105に最も近く、且つ反射部材127からの反射熱が集中する被加熱部位Hに指向的に伝わり、局所的に急激に熱エネルギーが与えられる。被加熱部位が許容温度を超えた過熱状態になると、定着ベルト101に図4に示した如き変形を生じさせる。
このような不具合に対しても、図6に示した構成例のように、強制冷却手段160を用いて被加熱部位Hに冷却部材161を接触させて適時強制冷却することにより、単位時間当たりの急激な温度上昇を抑制することができる。即ち、被加熱部位Hへ供給される過剰な熱エネルギーを冷却部材161に逃がすことにより、被加熱部位が許容温度を越えて上昇することを防止し、被加熱部位の変形を防止することができる。
即ち、画像形成装置1が画像形成動作を開始すると定着装置が定着動作を開始するが(S11、S12)、画像形成動作が停止すると(S13、YES)、温度検知手段166が定着ベルトの被加熱部位Hの温度をモニター開始し、被加熱部位Hの温度が正常温度を超えた場合には、制御手段156が強制冷却手段160である冷却部材161を移動させて被加熱部位Hに接触させる(S14、15)。
その後、被加熱部位Hの温度が正常値に戻った場合には(S16、YES)、冷却部材161を初期位置に退避させる(S17)。
これらの複数のヒータを備えた定着装置の場合は、記録媒体の幅方向寸法の違い、搬送位置の違いに応じて発熱させるヒータが異なるため、定着ベルトの停止時における定着ベルトの温度が定着ベルトの周方向で異なるばかりでなく、軸方向でも異なってくる。つまり、点灯していないヒータと対向する定着ベルト部分は過熱状態にならない。過熱により最高温度になる部分は、ヒータの電力密度が最大となる部分となる部分であり、その部分が最も熱応力が大きい部分なる。このように、定着ベルトが最高温度になる箇所はヒータの配光構成や印刷モードなどを考慮して決定し、最高温度に達した部分のみに冷却部材161を接触させて強制冷却すればよい。
なお、定着ベルトが最高温度に達するのは、ヒータの電力密度が高く、且つ記録媒体サイズよりもヒータ発光長が長いために熱が記録媒体に奪われずに定着スリーブに直接伝わる通紙状態となる場合である。ヒータの電力密度や記録媒体サイズを1条件に統一できるのであれば、強制冷却させるタイミングについても、最高温度に達する部位を一箇所に絞ることができる筈である。しかし、ヒータや記録媒体サイズのパターンは無限に存在するため、最高温度に達するのは電力密度が高く、かつ記録媒体の幅方向サイズを越えた位置にヒータがある場合である。
冷却部材161の配置、個数、構造についても、最高温度に達する部位の違いに応じて個別に選定する。
第1の本発明に係る定着装置100は、熱源105と、熱源を内部に有して回転自在に支持され、且つ該熱源と対向した被加熱部位Hを加熱される無端状の定着部材101と、被加熱部位を回避した定着部材の外周面と接してニップ部Nを形成する加圧ローラ150と、を備え、定着部材101の回転速度が正規の回転速度よりも低下し、熱源から被加熱部位Hに単位時間当たりに与えられる熱エネルギーが所定値を越える場合に、被加熱部位から熱を奪う強制冷却手段160を備えている。
この構成によれば、定着ベルトが回転停止したこと、或いは回転速度が正規速度よりも低下したことを回転速度検知手段165が検知した時に過熱状態となる被加熱部位Hを冷却部材により強制冷却することにより、定着ベルトの周方向温度、或いは軸方向温度を均熱化し、被加熱部位の局部的な熱応力変形を防止することができる。このため、通常の稼動時における熱量の損失をなくし、かつ不要な摺動負荷を減らすことができる。
つまり、定着ベルトの回転停止時、又は回転速度低下時に、定着ベルトの周方向温度、又は軸方向温度を均熱化することで定着ベルトの熱応力変形を防止する。
定着ベルトの変形が抑制されることにより、異常画像の発生を防止することができる。定着ベルトの低熱容量化による強度低下を防ぐと共に、省エネ性を両立させることができる。
この構成によれば、定着ベルトの回転停止、或いは回転速度が正規速度よりも低下した時に、定着ベルトの周方向温度、軸方向温度を均熱化することで、熱応力による定着ベルトの局部変形を防止できる。このため、通常の稼動時における熱量の損失をなくし、かつ不要な摺動負荷を減らすことができる。
この構成によれば、定着ベルトが回転停止した時や、回転速度が低下した時に、定着ベルトが最高温度になる箇所は、熱源から発せられる光が反射部材に反射されて輻射熱として伝わる被加熱部位Hである。この箇所周辺に熱を逃がす冷却部材161を接触させることが、定着ベルトの変形を抑制するのに最も効果がある。定着ベルトが最高温度になる箇所は熱源の配光構成や印刷モードなどを考慮して決定する。
特に、スリップ等により定着ベルトの回転が遅くなった場合に、強制冷却により、熱源により加熱状態となった被加熱部位Hから熱を逃がすことができ、熱応力による定着ベルトの局部変形を防止できる。このため、通常の稼動時における熱量の損失をなくし、かつ不要な摺動負荷を減らすことができる。
この構成によれば、異常検知による停止時や、カバーオープンによる停止時に過熱状態となった被加熱部位Hから熱を逃がすことができる。
定着ベルトの周方向温度、軸方向温度を均熱化することで、熱応力による定着ベルトの局部変形を防止できる。このため、通常の稼動時における熱量の損失をなくし、かつ不要な摺動負荷を減らすことができる。
Claims (5)
- 熱源と、該熱源を内部に有して回転自在に支持され、且つ該熱源と対向した被加熱部位を加熱される無端状の定着部材と、前記被加熱部位を回避した前記定着部材の外周面と接してニップ部を形成する加圧部材と、を備えた定着装置であって、
前記定着部材の回転速度が正規の回転速度よりも低下し、前記熱源から前記被加熱部位に単位時間当たりに与えられる熱エネルギーが所定値を越えた場合に、前記被加熱部位から熱を奪う強制冷却手段を備えたことを特徴とする定着装置。 - 前記強制冷却手段は、前記被加熱部位に対して固定的に、或いは接離自在に接触する冷却部材であることを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
- 制御手段を備え、該制御手段は、前記熱源から前記定着部材への熱供給中に該定着ベルトの回転速度が正規の値よりも低下した場合に、前記強制冷却手段を作動させて前記被加熱部位を冷却するように制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の定着装置。
- 前記制御手段は、前記定着部材の緊急停止時に、前記強制冷却手段を作動させて前記被加熱部位を冷却するように構成したことを特徴とする請求項1、2又は3に記載の定着装置。
- 請求項1乃至4の何れか一項に記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
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