JP2014178469A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な条件の用紙に対応しかつ低コスト化も同時に図る定着装置及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】複数の通紙幅に対応する定着装置において、シート状記録媒体を搬送し昇温してトナーを定着させる回転部材と、前記回転部材の外側の表面温度を検知する複数の温度センサと、前記回転部材の内部へ当該回転部材の回転軸に平行して設けられる、一部に発熱部を有する線状の複数の加熱部材と、前記加熱部材による加熱状態を制御する制御手段と、を備え、前記複数の加熱部材の各々の発熱部が、前記シート状記録媒体の搬送方向に直交する通紙幅の方向で互いに重ならないように設けられ、前記温度センサが、最少の前記通紙幅を有する前記シート状記録媒体を印刷する際に使われる前記発熱部に対応する位置に置かれ、この前記発熱部に隣接する前記発熱部に対応する位置には置かれず、前記制御手段が、前記温度センサに応じて加熱部材を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、トナー像を記録紙等の記録媒体に定着させる定着装置及びこの定着装置を備
えた画像形成装置に関する。

複写機、ファクシミリやプリンタとして、電子写真方式によって画像を記録紙に形成す
る画像形成装置は、感光体を帯電装置で帯電させた後、原稿画像や画像情報に応じた光書き込み等によって感光体の表面上に静電潜像を形成する。この静電潜像が現像装置のトナーによって可視像であるトナー像となる。このトナー像を定着装置が記録紙を加熱加圧することにより記録紙上に定着させてコピーやプリントを得ている。

画像形成装置に用いられる定着装置としては、現在２つの方式が使われている。１つは、内部に発熱部を備えた加熱ローラーと加熱ローラーに当接して回転する加圧ローラーとからなり、加熱ローラー及び加圧ローラーの間に記録紙を搬送して記録紙を加熱加圧することによりトナー像を定着するローラー方式である。もう１つは、発熱部を備えた加熱ローラーと加熱ローラーとの間に無端状の定着ベルトを掛け渡し、この定着ベルトと加圧ローラーとの間に記録紙を搬送して加熱加圧することによりトナー像を定着するベルト方式である。また、熱源は定着ベルトの内側へ直接置かれることもある。

画像形成装置において高生産性や省エネルギーが求められている。また、様々な厚さやサイズの記録紙に対する対応能力も求められている。特に高生産性を保ちつつ、厚紙からなる記録紙を連続通紙する場合、定着装置に蓄えた熱エネルギーを次々に奪うことになる。よって、定着性を確保するため、発熱源に通電して加熱し、失われた熱を補充する必要がある。

この発熱源として赤外線ヒーターを使用する定着装置においては、赤外線ヒーターの点灯率を高くして素早く加熱ローラーを加熱することが要求される。またシーズヒーターの場合は通電率を高くする必要がある。ここで、点灯率及び通電率とは、最大発熱能力に対応する電力供給に対して実際の発熱量を与える電力供給量の割合を言う。

定着装置での電力消費を減らすには、不要な通電を行わないことが必要になる。定着装置を通紙する記録紙の幅が狭い場合は熱エネルギーに無駄が生じることを解消するため、発熱部を紙幅方向に分割し記録紙の幅に合わせて加熱ローラーの加熱時間を制御することが行われている（特許文献１）。

最近は昇温速度を向上するために加熱ローラーを薄肉化し、加熱ローラーの熱容量を低くした定着装置が使用されている。高速でプリント動作を行う事が要求される昨今では、用紙により加熱ローラーの熱が奪われる量が大きくなり、用紙の通過部と非通過部間でより大きな温度差が生じやすい状態となる。これは昇温速度を向上するために加熱ローラーを薄肉化し、加熱ローラーの熱容量を低くした定着装置で特に顕著となる。

用紙に奪われた熱を補うためにはより大きな点灯率でヒーターを点灯する必要がある。すると、用紙非通過部において熱エネルギーが過大となり温度上昇することで、最悪の場合加熱ローラー（ベルト）の耐熱温度を超えてしまい、部材の変形などの重大な故障を引き起こす可能性が出てくるという問題がある。

加熱による温度上昇を制御するには、熱源ごとにきめ細かな温度制御が求められるので定着装置の表面温度を細かく知る必要が有る必要がある。従って熱源が複数ある場合は熱源の数に応じて温度センサーの数も増える。しかし、温度センサーの数が増えるとコストの増加に繋がる。そこで、温度センサーの位置を工夫することで、温度センサーの数を減らした例が開示されている（特許文献２）。

定着装置には常に通紙が行われているわけではなく、最初に電源が入れられて定着装置の温度を上昇させるときのウォームアップ時、印刷開始を待つ待機時は、それぞれ熱源の制御の内容が異なる。印刷を待っている待機状態では必要な発熱量は低下するので定着装置の状態により発熱量を制御する例が開示されている（特許文献３）。

しかしながら、従来のやり方では、まだ定着装置の省エネルギー化は十分では無い。

したがって、本発明は、様々な条件の用紙が高生産性を保って通紙される場合に発生する問題を解消でき、かつ低コスト化も同時に図る事ができる構成を備えた定着装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の定着装置は、シート状記録媒体（用紙）の搬送方向に直交する方向の複数の通紙幅に対応する定着装置において、シート状記録媒体を搬送し昇温してトナーを定着させる回転部材と、前記回転部材の外側の表面温度を検知する複数の温度センサーと、前記回転部材の内部へ当該回転部材の回転軸に平行して設けられる、一部に発熱部を有する線状の複数の加熱部材と、前記加熱部材による加熱状態を制御する制御手段と、を備え、前記複数の加熱部材の各々の発熱部が、前記シート状記録媒体の搬送方向に直交する通紙幅の方向で互いに重ならないように設けられ、前記温度センサーが、最少の前記通紙幅を有する前記シート状記録媒体を印刷する際に使われる前記発熱部に対応する位置に置かれ、この前記発熱部に隣接する前記発熱部に対応する位置には置かれず、前記制御手段が、前記表面温度、前記通紙幅、及び、時間的に変化する回転部材の稼動状態に応じて前記加熱部材による加熱状態を制御することを特徴とする。

複数の前記加熱部材の各発熱部が、前記シート状記録媒体の搬送方向に直交する紙幅方向で他の前記加熱部材の発熱部と互に重ならない位置に設けられているので、定着部材（回転部材）上の用紙非通過部にて過大な温度上昇が発生する事や、無駄なエネルギーを抑えた形で様々な用紙幅の用紙に対応する。また、加熱部材による発熱を監視して通電制御を行う温度センサーの数を、ヒーター主発光部の分割数よりも少なくし低コスト化が図れる。また、時間的に変化する定着部材の稼動状態に応じて前記発熱部を制御するので、非印刷時にも省エネ化が図れる。

本発明の実施形態の画像形成装置の内部構成を示す概略図である。 本発明の実施形態の定着部材の発熱部の位置を示す概略断面図である。（（Ａ）中央合わせ方式、（Ｂ）側方合わせ方式） 本発明の実施形態の加熱部材の制御と定着部材の表面温度とを示すタイミングチャートである。 本発明の実施形態の加熱部材の中央部と２種類の幅の異なる記録紙との関係を示す図である。（（Ａ）中央合わせ方式、（Ｂ）側方合わせ方式） 本発明の実施形態の加熱部材の制御を示すタイミングチャートである。 紙質センサーの内部の説明図である。 記録紙の温度特性を測定する原理の説明図である。

先ず、本発明の実施形態の画像形成装置１について図１を参照して説明する。本実施形態の画像形成装置１は、例えば複写機、ファクシミリ、プリンタであり、電子写真方式によりシート状記録媒体としての用紙Ｐに画像を記録する。画像形成装置１は、一般にコピー等に用いられる普通紙やＯＨＰシートやハガキ等の厚紙等の様々な厚さやサイズの記録紙に対して印刷を行う。

画像形成装置１はドラム状の感光体４１を備え、この感光体４１の周囲に、帯電器４２、露光装置の露光ミラー４３、現像装置４４、転写装置４８、定着装置１０、クリーニング装置４６が回転方向Ａに沿って配置されている。また、用紙Ｐを収納した給紙トレー５０が装置下方に配置され、必要に応じて配置される紙質チェッカー６０を通して給紙が行われている。なお、以下においては、感光体４１における帯電器４２の取付位置を感光体４１の回転開始位置とした場合の上流とし、クリーニング装置４６の取付位置を感光体４１の回転終了位置とした場合の下流として説明する。

帯電器４２は感光体４１の表面に接触する帯電ローラーからなり、感光体４１の表面を均一に帯電させる。露光装置は帯電器４２より下流側に設けられている。露光ミラー４３には、画像読取装置が読み取った画像を画像処理したレーザ光Ｌｂが供給され、供給されたレーザ光Ｌｂを感光体４１の表面に反射し感光体４１の表面に静電潜像を形成する。

現像装置４４は、感光体４１の表面にトナーを供給して静電潜像をトナー像として可視
像化するものであり、感光体４１の表面にトナーを供給する現像ローラー４４ａを備えている。転写装置４８としてはコロナ放電器が使用されており、感光体４１の表面に可視像化されたトナー像をコロナ放電により用紙Ｐに転写する。

定着装置１０は用紙Ｐに対して加圧及び加熱を行うことによりトナー像を定着させる
。クリーニング装置４６は定着装置１０の下流側に設けられており、トナー像の転写後に
感光体４１の表面に残留しているトナーを除去する。この除去を行うため、クリーニング
装置４６は感光体４１表面に接触するクリーニングブレード４６ａを有している。

シート状記録媒体としての用紙Ｐは給紙トレー５０に積層状態で収納されており、給
紙ローラー１１０により１枚ずつ取り出される。取り出された用紙Ｐはレジストローラー対４９を経て、紙質チェッカー６０を通過して感光体４１と転写装置４８との間に搬送される。感光体４１と転写装置４８との間に搬送されることにより、感光体４１のトナー像が用紙Ｐに転写される。トナー像が転写された用紙Ｐは定着装置１０に搬送され、定着装置１０によってトナー像が定着される。

紙質チェッカーは、用紙Ｐの紙厚、表面状態、熱特性などを調べ、必要な情報を定着装置などへ送る。紙厚は、光学的に透過光の強度や機械的な接触など、各種センサーで調べることができる。また紙質は、反射光の検出結果を分析することで得ることができる。更に、熱特性は、加熱ローラーに用紙Ｐを通したときの温度変化や、加熱ローラーにより所定の温度へ上昇させた後に、移動する用紙Ｐの温度を、時間を隔てて計測した温度変化から知ることができる。

また、画像形成装置１は主電源装置９を備えており、主電源装置９からの電力により
上述した各部材への給電が行われる。主電源装置９はプラグ５１を商用電源のコンセント
に差し込むことにより商用電源から電力が供給される。

上記の画像形成装置で使われる本実施形態の定着装置１０は定着部材としての加熱ローラー１４と加圧ローラー１５とによって構成されている。加熱ローラー１４と加圧ローラー１５との間に用紙Ｐが搬送され、搬送された用紙Ｐを加熱加圧してトナー像を用紙Ｐに定着させる。加熱ローラーの内側には発熱体である加熱手段２が収められている。

加熱ローラー１４のローラー基体にはアルミニウムや鉄等の金属が用いられており、これにより耐久性や加熱による変形を防止することができる。加熱ローラー１４の表面にはトナーとの固着を防ぐための離型層が形成されていることが好ましい。また、加熱ローラー１４の内部には複数の加熱部材が設けられ、これにより加熱ローラー１４の加熱が行われる。

加圧ローラー１５は、芯金の外周にゴム等の弾性層が形成されており、加熱ローラー１４と接触することにより、加熱ローラー１４との間にニップ部を形成している。このニップ部に未定着トナー像を形成した用紙Ｐを通紙して搬送することにより熱と圧力によりトナー像を用紙Ｐに定着させることができる。

なお、加圧ローラー１５としては発泡層を有したローラー部材を用いて加熱ローラー１４との間にニップ部を形成しても良い。この場合には、発泡層の断熱効果により加熱ローラー１４の熱が加圧ローラー１５に伝わりにくくなるため、加熱ローラー１４を短時間で昇温させることができる。

加熱手段２には、例えばハロゲンヒーターやシーズ線が用いられる。加熱ローラー１４のローラー基体は、例えばアルミニウムや鉄等の金属製であることが、耐久性や加圧による変形等の点から望ましい。また、加熱ローラー１４の表面にはトナーとの固着を防ぐための離型層を形成していることが望ましく、加熱ローラー１４の内面にはハロゲンヒーターの熱を効率よく吸収するための黒化処理をしていることが望ましい。ここでいう加熱ローラー１４は、加熱ローラー以外に定着ベルト等が挙げられる。

加圧ローラー１５は、芯金にゴム等の弾性層を形成することで、加熱ローラー１４との間にニップ部を形成し、このニップ部に未定着画像を形成した紙等の記録材Ｐを通紙することで熱と圧力によりトナー像を記録材Ｐ上に定着させる。また、加圧ローラー１５として発泡層を有する加圧ローラーを用いて加圧ローラー１５と加熱ローラー１４との間にニップ部を形成してもよい。この場合、発泡層の断熱効果により加熱ローラー１４の熱が加圧ローラー１５に伝わりにくくなるので、加熱ローラー１４を早く昇温できる。

次に、本実施形態の加熱ローラー１４の内部構造について印刷が定着装置の中央部で行われる場合である図２（Ａ）を参照して説明する。また、印刷が定着装置の片側で行われる場合である図２（Ｂ）も説明が共通するのでカッコ書きで付記する。加熱ローラー１４の内部には加熱手段として、例えば、複数の加熱部材２１〜２４（２５〜２９）が配置されている。加熱部材２１〜２４（２５〜２９）は用紙Ｐの搬送方向と直交した方向、すなわち加熱ローラー１４の長さ方向に沿ってほぼ加熱ローラーの回転軸に平行となった状態でそれぞれが独立して加熱ローラー１４の内部に設けられている。また、加熱部材２１〜２４（２５〜２９）は、加熱ローラー１４を径方向に空間を分割した位置に設けられている。

加熱部材２１〜２４（２５〜２９）は、上述の制御手段１００によって、その加熱駆動が制御される。本実施形態において、加熱部材２１〜２４（２５〜２９）としては、赤外線を発光するハロゲンヒーターが用いられ、それぞれのハロゲンヒーターが制御手段１００によって発光制御される。制御手段１００はハロゲンヒーターのそれぞれの点灯率を制御するものである。

なお、加熱部材２１〜２４（２５〜２９）としてハロゲンヒーターを用いた場合、ハロゲンヒーターの熱を効率良く吸収するため、加熱ローラー１４の内面には黒化処理がなされることが好ましい。

ハロゲンヒーターの加熱部材２１〜２４（２５〜２９）は発熱部としての発光部を有している。発熱部としての発光部は用紙Ｐの搬送方向と直交した方向、すなわち加熱ローラー１４の通紙方向を複数に分割した位置であり、且つ他の加熱部材の発光部と相互に重ならない位置に設けられている。

次に、中央合わせ方式での本発明のヒーター（発光部）及び温度センサー構成の第1実施例を図２（Ａ）に示す。図２（Ａ）では、加熱ローラー１４の内部に加熱部材２１〜２４が配置される。各加熱部材のヒーターは中央線Ｃに対して対称の位置に置かれる。ヒーター２ａ（２ａ'）とヒーター２ｂ（２ｂ'）は境界線Ｓ１（Ｓ１'）にて、ヒーター２ｂ（２ｂ’）とヒーター２ｃ（２ｃ'）は境界線Ｓ２（Ｓ２'）にて、ヒーター２ｃ（２ｃ'）とヒーター２ｄ（２ｄ'）は境界線Ｓ３（Ｓ３'）にてそれぞれ発光部を分割されており互いに紙幅方向で重ならないように異なる位置に発光領域を持っている。

また加熱ローラー１４の表面上には、ローラー上温度を検知するための温度センサー１１、１２、１３が配置されており、温度センサー１１はヒーター２ａ、温度センサー１２はヒーター２ｂ、温度センサー１３はヒーター２ｄ、２ｄ'の主発光位置に合わせた形で設置されているが、中央線Ｃに対称な右の位置に置かれたヒーター２ａ'〜２ｃ'には温度センサーが設置されていない。温度センサーには例えば接触式サーミスタやサーモパイルなどの非接触式温度センサーが使用される。各ヒーターは点灯率を独立して設定し通電させる事で任意の発熱量を発生させるよう制御する事ができる。

互いに異なる位置に置かれるヒーターを用いて、定着部材上の用紙非通過部にて過大な温度上昇が発生する事や、無駄なエネルギーを抑えた形で様々な用紙幅の用紙に対応する。また、ヒーターによる発熱を監視してヒーター通電制御を行う温度センサーの数を、ヒーター主発光部の分割数よりも少なくし低コスト化を図る。

それぞれのヒーターは、図２（Ａ）のように互いに重ならない発光部を持った構成とし、通紙される用紙幅によって点灯、非点灯を切り替えられる。例えばＬ１以下の用紙幅の場合は加熱部材２４のみに通電する。全ての紙幅に対して加熱部材２４は常に通電され、ヒーター２ｄ、２ｄ'常にが点灯される。Ｌ１超Ｌ２以下の用紙幅の場合は加熱部材２３、２４に通電し、Ｌ２超Ｌ３以下は加熱部材２２〜２４に通電し、Ｌ３超の場合は加熱部材２１〜２４に通電するといった制御を行う。

図２（Ａ）において、ヒーター２ａ、２ｂ、２ｄ、２ｄ'にはそれぞれその主発光部に対応する温度センサーを設けている。しかし、ヒーター２ｃ、２ｃ'については主発光部を検知する温度センサーを設置せず、一つの温度センサー１３にてヒーター２ｃ、２ｃ'、２ｄ、２ｄ'の温度検知、制御を行う構成とする。

中央合わせ方式の場合は、プリント動作時に用紙は搬送方向に垂直な方向に関して、常に機械中心と用紙幅方向の中心が合うようにセンター合わせされた状態で搬送される。仮に用紙幅がＬ１を僅かに超える幅であった場合、用紙によって加熱ローラー１４上のヒーター２ｄ、２ｄ'の発光領域に対応する部分は熱が奪われるが、ヒーター２ｃ、２ｃ'の発光領域については殆ど熱が奪われない状態となる。温度センサー１３はヒーター２ｃ、２ｃ'と２ｄ、２ｄ'を制御するためのセンサーとして、その設置位置としてはより中心寄りとなるヒーター２ｄ及び２d'の発光領域上を選択する。

また、本実施形態において、加熱部材２３に対しては温度センサーが設けられていない。加熱部材２３の発光部２ｃ、２ｃ'に対しては、発光部２ｃ、２ｃ'が隣接している発光部２ｄ、２ｄ'に対応して設けられた温度センサー１３及び、発光部２ｂに対応して設けられた温度センサー１２がその位置の表面温度の検知を行うものである。発光部２ｃ、２ｃ'に対応する温度の推定値として、例えば、温度センサー１３及び、温度センサー１２の平均値を採用しても良い。

温度センサー１３は、加熱部材２４の発光部２ｄ、２ｄ'による加熱の温度及び隣接した加熱部材２３の発光部２ｃ、２ｃ'による加熱の温度の双方の温度の検知を行うものであり、複数の発熱部に対応する共通温度センサーとなっている。

次に、側方合わせ方式での本発明のヒーター（発光部）及び温度センサー構成の第２実施例を図２（Ｂ）に示す。図２（Ｂ）では、加熱ローラー１４の内部にヒーター２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉが配置される。ヒーター２ｅとヒーター２ｆは境界線Ｓ４にて、ヒーター２ｆとヒーター２ｇは境界線Ｓ５にて、ヒーター２ｇとヒーター２ｈは境界線Ｓ６にて、ヒーター２ｈとヒーター２ｉは境界線Ｓ７にて、それぞれ発光部を分割されており通紙幅方向で互いに異なる位置に発光領域を持っている。

また加熱ローラー１４の表面上には、ローラー上温度を検知するための温度センサー３１、３２、３３が配置されており、温度センサー３１はヒーター２ｅ、温度センサー３２はヒーター２ｇ、温度センサー３３はヒーター２ｉの主発光位置に合わせた形で設置されている。温度センサーには例えば接触式サーミスタやサーモパイルなどの非接触式温度センサーが使用される。各ヒーターは点灯率を独立して設定し通電させる事で任意の発熱量を発生させるよう制御する事ができる。

紙幅方向で互いに重ならないように異なる位置に置かれるヒーターを用いて、定着部材上の用紙非通過部にて過大な温度上昇が発生する事や、無駄なエネルギーを抑えた形で様々な用紙幅の用紙に対応する。また、ヒーターによる発熱を監視してヒーター通電制御を行う温度センサーの数を、ヒーター主発光部の分割数よりも少なくし低コスト化を図る。

それぞれのヒーターは、図２（Ｂ）のように互いに重ならない発光部を持った構成とし、通紙される用紙幅によって点灯、非点灯を切り替えられる。例えばＬ１以下の用紙幅の場合はヒーター２ｅのみが点灯され、ヒーター２ｅは全ての紙幅に対して常に点灯することになる。Ｌ１超Ｌ２以下の用紙幅の場合ヒーター２ｅと２ｆを点灯し、Ｌ２超Ｌ３以下はヒーター２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈを点灯し、Ｌ３超の場合はヒーター２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉを点灯するといった制御を行う。

図２（Ｂ）において、ヒーター２ｅ、２ｇ、２ｉにはそれぞれその主発光部に対応する温度センサーを設けている。しかし、ヒーター２ｆ、２ｈについては主発光部を検知する温度センサーを設置せず、隣接するヒーターに対応する温度センサーにてヒーター２ｆ、２ｈによる昇温の温度検知、制御を行う構成とする。

プリント動作時、用紙は搬送方向に垂直な方向に関して、常に機械の片側と用紙の片側が合うように側方合わせの状態で搬送される。仮に用紙幅がＬ１を僅かに超える幅であった場合、用紙によって加熱ローラー１４上のヒーター２ｅの発光領域に対応する部分は熱が奪われるが、ヒーター２ｆの発光領域については殆ど熱が奪われない状態となる。温度センサー３１はヒーター２ｅ、２ｆを制御するためのセンサーとして、その設置位置としては常に用紙が通過して発光する最側方寄りとなるヒーター２ｅの発光領域上を選択する。

本実施形態において、加熱部材２６、２８に対しては温度センサーが設けられていない。加熱部材２６の発光部２ｆに対しては、発光部２ｆが隣接している加熱部材２５に対応して設けられた温度センサー３１及び、加熱部材２７に対応して設けられた温度センサー３２がその位置の表面温度の検知を行うものである。温度センサーが設置されない発熱部による温度の推定値として、この温度センサーが設置されない発熱部の両隣りの２つの温度センサーの平均値を採用しても良い。

温度センサー３１は、加熱部材２５の発光部２ｅによる加熱の温度及び隣接した加熱部材２６の発光部２ｆによる加熱の温度の双方の温度の検知を行うものであり、共通温度センサーとなっている。

次に、温度制御について説明する。説明は中央合わせ方式の図２（Ａ）に行うが、これは、側方合わせ方式の図２（Ｂ）にも適用される。共通温度センサー１３（３１）によって検知された温度は制御手段１００に出力され、これにより制御手段１００は加熱部材２４（２５）の発光部２ｄ、２ｄ'（２ｅ）の発光及び加熱部材２３（２６）の発光部２ｃ、２ｃ'（２ｆ）の発光を制御する。

この制御手段１００の制御は、加熱ローラー１４の表面温度を均一とするための補正値を２つの加熱部材２３（２６）、２４（２５）の間で設定し、この補正値に基づいて発光部２ｄ、２ｄ'（２ｅ）、２ｃ、２ｃ'（２ｆ）を制御する。すなわち発光部２ｃ、２ｃ'の（２ｆ）加熱による温度を直接検知する温度センサーが存在しないため、制御手段１００は共通温度センサー１３（３１）の検知温度を参考として発光部２ｃ、２ｃ'（２ｆ）の点灯制御を行うものとする。

図３は、用紙幅がＬ１超Ｌ２以内の用紙を通紙する場合の点灯制御の様子を示している。この場合は、加熱部材２３（２６）及び２４（２５）に通電される。図３において、Ｄｃ（Ｄｆ）は加熱部材２３（２６）の点灯率、Ｄｄ（Ｄｅ）は加熱部材２４（２５）の点灯率を示し、Ｔｓは温度センサー１３（３１）が検知している加熱ローラー１４表面上の温度を示す。ｔ１からｔ２の間は印刷動作中であり、通紙によるローラー上の温度落込みに対応するため、Ｄｃ（Ｄｆ）、Ｄｄ（Ｄｅ）ともに待機中よりも点灯率を高くしてより強く加熱する様子を表している。この際、加熱部材２４（２５）の点灯率Ｄｄ（Ｄｅ）はＴｓの値を基にして算出する。算出方法としてはＰＩＤ制御が用いられ、加熱部材２４（２５）の発光領域がある目標温度付近に落ち着くように制御を行う。

一方Ｄｃ（Ｄｆ）は、Ｄｈ１を点灯率補正値とすると Ｄｃ（Ｄｆ）＝Ｄｄ（Ｄｅ）＊Ｄｈ１ の計算式によって算出される。加熱部材２４（２５）と同様に、加熱部材２３（２６）の発光領域についてもある目標温度付近にローラー表面温度が均一化されるよう、２本のヒーター出力を考慮して予めチューニングされた値をＤｈ１に使用する。例えば加熱部材２３（２５）、２４（２６）を同じ点灯率で制御した時に同じ熱量を発生させるヒーター構成の場合は、Ｄｈ１に１を設定（Ｄｃ（Ｄｅ）＝Ｄｄ（Ｄｆ））とする事でローラー上表面温度を均一化することができる。このようにＤｈ１の値としては、例えば０〜２の範囲で可変入力できる仕組みとすることで、使用するヒーターの組合せが変わったとしても、理想の温度分布を作り出す事が可能となる。

用紙の幅がＬ２を超える場合には、１つの温度センサー１３（３１）で制御される２本の加熱部材２３、２４（２５、２６）に加え加熱部材２１、２２（２７、２８）が通電される事となる。各加熱部材が備えている主発光部２ａ〜２ｄ'（２ｅ〜２ｉ）が、加熱ローラー１４上における伝熱によって、主発光部に対応する領域以外に対しても温度を上昇させる効果がある。

例えば用紙幅がＬ２超Ｌ３以内の場合、加熱部材２２〜２４（２５〜２８）が通電されるが、ヒーター２ｂ、２ｂ’（２ｇ）の発熱の影響によりヒーター２ｃ、２ｃ’（２ｆ）の主発光領域に対して熱が伝わるといった具合である。そうなると、直接監視を行う温度センサーを持たないヒーター２ｃ、２ｃ’（２ｆ）の主発光部に対応する加熱ローラー上温度は、想定より高くなってしまう。かといって、この場合に合わせたＤｈ１のチューニングを行うとヒーター２ｃ、２ｃ’、２ｄ、２ｄ'（２ｅ、２ｆ）のみが点灯するモードにおいては、今度は温度が不足し定着不良を起こすといった不具合が発生する事となる。そこで、ヒーター２ｂ、２ｂ'、２ｃ、２ｃ'、２ｄ、２ｄ'（２ｅ、２ｆ、２ｇ）が点灯する場合においては、点灯率補正値としてＤｈ１とは異なるＤｈ２を使用して、 Ｄｃ（Ｄｆ）＝Ｄｄ（Ｄｅ）＊Ｄｈ２の式においてＤｃ（Ｄｆ）を求める。同様にヒーター２ａ、２ａ'２ｂ、２ｂ'、２ｃ、２ｃ'、２ｄ、２ｄ'が点灯する場合には、Ｄｈ１ともＤｈ２とも異なる点灯率補正値Ｄｈ３を用意し、 Ｄｃ（Ｄｆ）＝Ｄｄ（Ｄｅ）＊Ｄｈ３ によってＤｃ（Ｄｆ）を求めるようにする。これにより、ヒーター点灯本数が変わる場合でも、加熱ローラー上の長手方向温度分布の均一化を達成する事が可能となる。

次に、ヒーター点灯数が同じモードでも紙幅方向の温度分布が均一にならない場合も有る。例えば図４（Ａ）において用紙幅ＰｈがＬ１超Ｌ２以下の場合、ヒーター２ｃ、２ｃ'、２ｄ、２ｄ'を点灯させるが、用紙にはＬ１〜Ｌ２の範囲で様々な幅のものが存在するため、一定のヒーター制御では温度分布が均一にならない。

中央合わせ方式の図４（Ａ）において、Ｐ１はＰｈ１の幅を持つ用紙、Ｐ２はＰｈ２の幅を持つ用紙を示しておりＰｈ２＞Ｐｈ１の関係となっている。Ｐ１、Ｐ２ともＬ１〜Ｌ２の範囲の用紙であるが、幅が異なるためヒーター２ｃ、２ｃ'の主発光部の余り量が異なる。用紙Ｐ２の場合、ヒーター２ｃの主発光部外縁とほぼ同等の位置を通過するため主発光部の熱のロスはほとんどない。一方、用紙Ｐ１の場合はヒーター２ｃ、２ｃ'の主発光部の大部分が余っている状態となり、用紙が通過する事を前提としたヒーター通電制御を行った場合熱量過多になる。すると過剰分の熱が加熱ローラー上を伝導し、最終的には用紙が通過している部分までも目標値以上の温度に上げてしまう。

そのため、用紙幅の変動に対応した点灯率の補正を行い、これを解消する。具体的にはヒーター２ｃ、２ｃ’で通紙が出来る用紙最大幅をＬ２とする（これはヒーター２ｃ、２ｃ’の主発光長を前後しても良い）と、ヒーター２ｃ、２ｃ’の点灯率Ｄｃを Ｄｃ＝Ｄｄ＊Ｄｈ１＊（Ｐｈ／Ｌ１） の式により算出する。Ｐｈにはその時に通過する実際の用紙幅、例えばＰｈ１やＰｈ２といった変数が入る構成とする。これにより、用紙幅が小さい用紙が通過する場合でもヒーターの過剰な発熱とそれによる温度バランスの不均一を抑えることが可能である。

同様なことは側方合わせ方式の図４（Ｂ）でも起こる。側方合わせ方式の図４（Ｂ）において、Ｐ１はＰｈ１の幅を持つ用紙、Ｐ２はＰｈ２の幅を持つ用紙を示しておりＰｈ２＞Ｐｈ１の関係となっている。Ｐ１、Ｐ２ともＬ１〜Ｌ２の範囲の用紙であるが、幅が異なるためヒーター２ｃの主発光部の余り量が異なる。用紙Ｐ２の場合、ヒーター２ｆの主発光部外縁とほぼ同等の位置を通過するため主発光部の熱のロスはほとんどない。一方、用紙Ｐ１の場合はヒーター２ｆの主発光部の大部分が余っている状態となり、用紙が通過する事を前提としたヒーター通電制御を行った場合熱量過多になる。すると過剰分の熱が加熱ローラー上を伝導し、最終的には用紙が通過している部分までも目標値以上の温度に上げてしまう。

そのため、用紙幅の変動に対応した点灯率の補正を行い、これを解消する。具体的にはヒーター２ｆで通紙が出来る用紙最大幅をＬ２とする（これはヒーター２ｆの主発光長を前後しても良い）と、ヒーター２ｆの点灯率Ｄｆを Ｄｆ＝Ｄｅ＊Ｄｈ１＊（Ｐｈ／Ｌ１）の式により算出する。Ｐｈにはその時に通過する実際の用紙幅、例えばＰｈ１やＰｈ２といった変数が入る構成とする。これにより、用紙幅が小さい用紙が通過する場合でもヒーターの過剰な発熱とそれによる温度バランスの不均一を抑えることが可能である。

次に加熱ローラーの稼働率の変化への対応について説明する。印刷がスタートする前とスタート直後では、用紙によって熱が奪われるという大きな変化があるため、ＰＩＤ制御を行う機種の中には点灯率を上げるのが遅れ温度の落込みが大きくなるものもある。加えて、加熱ローラー長手方向において空気中への放熱が中央より端部の方が大きな系においては中央部と端部の温度の落込み量も変わってくる。印刷を継続すると、定着部材への蓄熱が進み、より小さい点灯率で温度を目標値付近で維持することが可能となってゆき、中央部と端部の放熱の差も縮まる。そのため、各ヒーター間の点灯率補正を印刷初期と経時で変更して、時間の経過に関する温度バラツキを抑える。

図５に定着装置の稼働状況に応じた制御を行った場合の点灯率の推移を示す。ｔ３以前は印刷初期、ｔ３〜ｔ４は印刷経時、ｔ４以降は印刷後を示している。ここで印刷開始からｔ３までの時間は任意に指定できる可変の数値とする。更に印刷初期のヒーター点灯率補正値をＤｉ、印刷経時でのヒーター点灯率補正値をＤｋとするとヒーター２ｃ、２ｃ'（２ｆ）の点灯率は、印刷初期の場合はＤｃ（Ｄｆ）＝Ｄｄ（Ｄｅ）＊Ｄｈ１＊Ｄｉにより算出し、印刷経時の場合はＤｃ（Ｄｆ）＝Ｄｄ（Ｄｅ）＊Ｄｈ１＊Ｄｋ により算出する構成とする。端部放熱の大きい構成の場合はＤｉ＞Ｄｋとなる設定とし、初期において放熱を考慮した高めの点灯率になるようにする。

これまで印刷中のヒーター制御について述べたが、定着動作の中には定着可能温度まで定着器を温めるウォームアップ状態、一度定着可能温度まで温まった定着器の温度を維持して印刷要求に瞬時に応えられるようにする待機状態がある。両者とも用紙が通過しない状態であり、熱量の減少は空気中への放熱がメインとなるため、印刷中とは異なる点灯率補正値が必要となる。ウォームアップ中の点灯率補正値をＤｈｗ、待機中の補正値をＤｈｓとし、それぞれウォームアップ中は Ｄｃ（Ｄｆ）＝Ｄｄ（Ｄｅ）＊Ｄｈｗにて、待機中はＤｃ（Ｄｆ）＝Ｄｄ（Ｄｅ）＊Ｄｈｓの式にてヒーター２ｃ、２ｃ'（２ｆ）の通電制御を行うようにし、補正値をチューニングすることで異なる状態下においても加熱ローラー上温度分布を任意の状態に制御する事が可能となる。

用紙の寸法への対応に加え、用紙の厚みの変化にも対応する必要がある。用紙の温度特性を調べる紙質センサーの動作について説明する。図６は用紙を加熱して一定温度へ昇温させる内部にヒーター６２を有する加熱ローラー６１と、加熱ローラーを通過した用紙が自然冷却される様子を調べる温度センサー６４、６５とからなる用紙の温度特性を測定する構成を示している。

図７は、用紙の昇温と冷却の様子を示したものである。加熱ローラーを通過する用紙はその温度特性により昇温特性が異なるがニップ長と紙速を調整して用紙の温度特性に依らずに所定の温度（Ｔ１）まで昇温されるようにする。加熱ローラー６１を通過した用紙は、温度センサー６４で時間ｔ２での温度Ｔ２を測定され、温度センサー６５で時間ｔ３での温度Ｔ３を測定される。

図７の実線でしめされる薄紙（Ｃ１）は早く温度が上がり、早く温度が低下する。また、点線で示される厚紙（Ｃ２）は、薄紙（Ｃ１）に比べてその温度変化の様子はゆっくりしている。紙の温度特性を測定しておくことで、定着装置での加熱制御が紙の厚さを踏まえて行うことができる。時間当たりの温度低下の様子を知ることで用紙の温度特性を知る事ができる。

また、加熱ローラーに触れる部分の加圧ローラーの内部に温度センサー６４、或いは加熱ローラーの用紙通過直後の加熱ローラー近傍に温度センサー６５を設けて紙の通過に伴う温度変化を測定しても良い。温度センサー６５で測定される温度変化は例えば、図３の印刷中のように変化して用紙の通過により加熱ローラの表面温度が低下する。

上記に述べた構成により、様々な厚さ、サイズの用紙を、高生産性を保ちながら印刷するという要求に対し、定着装置の熱源となるヒーターの発光長を細分化する事で、無駄なエネルギーの発生や非通紙部の過大な温度上昇を防ぎ、定着装置の故障を防ぎながら運用する事ができる。また温度監視用の温度センサーをヒーターの発光長分割数よりも少なくする事で低コスト化を達成できる。

複数の発熱部材に互いに異なる位置に発光部（ヒーター）を持たせる事で、小サイズから大サイズまでの様々な用紙幅に柔軟に対応する事が可能となる。

１つの発光部に対して１つの温度センサーを配置すると、発光部を細分化した分だけコストアップとなる。多機能高機能を求められる一方、徹底したコストダウンも求められる昨今の状況に適応するため、隣り合う発光部を持つヒーターを１つの温度センサーで監視する事で、低コスト化を図りながら発光長の細分化を行うことができる。

隣り合う発光部を持つ２本のヒーターを同時に使用する用紙条件において、必ず用紙が通過する最少紙幅に対応する発光部の温度を検知する構成とすることで、用紙通過部の温度落込みに対応してヒーター制御する事が出来、定着不良などの異常画像発生を抑制できる。

予めヒーター出力の関係が分かっている２本の加熱部材について、その出力の差を考慮した点灯率補正値を用意する事で、基準となるヒーターの昇温傾向と補正制御が加えられるヒーターの昇温傾向を同等とし、個別の温度センサーを持たない構成でも定着部材を均一に加熱する運用が可能となる。定着部材上の温度分布が均一になる事で、出力物の品質を均一にする事ができる。また補正値を可変にすることで、ヒーター構成の変更時にも上記対応を即時に行う事が可能となる。

直接温度センサーで監視しないヒーターの主発光領域は、その更に外側に主発光部を持つヒーターが点灯すると、その影響を受け温度が上昇する。この上昇分も予めヒーター点灯率補正値に考慮しておく事で、別のヒーターが点灯するモードにおいてもの場合と同様に、定着部材の温度分布均一化を達成する事が出来る。

点灯するヒーターの数によって、直接監視の温度センサーを持たないヒーター点灯率補正を行った場合でも、通過する用紙の幅が異なることにより定着部材上の温度分布が均一でなくなる可能性がある。そのような場合に、通過する用紙幅の情報を点灯率補正に組み込む事で、用紙幅が変動したとしても定着部材上の温度分布を狙いの状態に保つ事が可能となる。

印刷初期と経時において、定着部材の蓄熱状態が変化する事に影響され、目標とする温度に維持するために必要な熱量が変化する。印刷初期と経時に用いるヒーター点灯率補正値を個別に持っておくことで、このような状態の違いがあったとしても、狙いの定着温度を維持した状態で印刷を行う事ができる。

用紙が通過する印刷中と、用紙が通過しないウォームアップ、待機中という異なる定着ステータスにおいては、温度維持にかかる必要熱量が変わる事がある。それぞれのステータスで異なるヒーター点灯率補正値を個別に持つ事で、定着部材上を適切な温度条件で制御する事が出来る。

本発明によれば、回転部材の内部に設けられた複数の加熱部材の発熱部がシート状記録
媒体と直交した方向の分割位置で、且つ相互に重ならない位置に設けられて記録媒体を加
熱する構造のため、加熱に必要な部位の発熱部だけを駆動するように制御することができ
る。このため記録媒体の幅に合わせた加熱を行う際に重複位置で発熱部が加熱駆動するこ
とがなく、効率的な加熱が可能となる。従って、大きな加熱率で駆動する必要がないこと
から、回転部材が必要以上に温度上昇することがない。その結果、温度上昇に起因した回
転部材の変形等を防止することができる。

ここで、以上の実施形態は、用紙Ｐを搬送してトナー像を定着させる回転部材を加熱
ローラー１４及び加圧ローラー１５によって形成されたローラー方式を示したが、本発明はベルト方式にも同様に適用することができる。例えば、図示を省略するが、ベルト方式においては、加熱ローラーと加熱ローラーとの間に定着ベルトを無端状に掛け渡し、定着ベルトに加圧ローラーを接触させ、定着ベルトと加圧ローラーとの間に用紙Ｐを搬送する。

このベルト方式における加熱ローラーには、上述した実施形態の複数の加熱部材が設けられることにより制御手段によって加熱制御され、この加熱が定着ベルトに伝達されて定着ベルトの加熱を行い、用紙Ｐ上のトナー像を定着させる。これによりベルト方式の定着装置であっても、効率的な加熱が可能となり、大きな加熱率で駆動する必要がなくなって、定着ベルトが必要以上に温度上昇することがない。従って温度上昇に起因した定着ベルトの変形等の故障を防止することができる。

また、上述した実施形態では、加熱ローラー１４を加熱する加熱部材２１〜２４（２５〜２９）の発熱部として、ハロゲンヒーターからなる発光部２ａ〜２ｄ'（２ｅ〜２ｉ）として説明をした発熱部は、これに限らずニクロム線ヒーター、シーズヒーターなどを用いても良い。

さらに、上述した本実施形態では、４又は５つの加熱部材と、これに対応した３つの温度センサーを設けているが、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、使用する用紙サイズの種類に応じて、適宜、加熱部材および温度センサーの数を増減させてよい。

１ 画像形成装置
２ 加熱部材
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 発光部（発熱部）
２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉ 発光部（発熱部）
８ 温度センサー
９ 主電源装置
１０ 定着装置
１１ 共通温度センサー
１２、１３ 温度センサー
２１、２２、２３、２４ 加熱部材
２５、２６、２７、２８、２９ 加熱部材
３１ 共通温度センサー
３２、３３ 温度センサー
４１ 感光体
４２ 帯電器
４３ 露光ミラー
４４ 現像装置
４４ａ 現像ローラー
４６ クリーニング装置
４６ａ クリーニングブレード
４８ 転写装置
４９ レジストローラー対
５０ 給紙トレー
５１ プラグ
６０ 紙質チェッカー
６１ 加熱ローラー
６２ ヒーター
６３ 加圧ローラー
６４、６５ 温度センサー
１１０ 給紙ローラー
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 分割位置
Ｐ 用紙

特公昭６３−４４２２３ 特開２００３−２７２８０２ 特許第４６８７０４３号

Claims (10)

1. シート状記録媒体の搬送方向に直交する方向の複数の通紙幅に対応する定着装置において、
   シート状記録媒体を搬送し昇温してトナーを定着させる回転部材と、
   前記回転部材の外側の表面温度を検知する複数の温度センサと、
   前記回転部材の内部へ当該回転部材の回転軸に平行して設けられる、一部に発熱部を有する線状の複数の加熱部材と、
   前記加熱部材による加熱状態を制御する制御手段と、を備え、
   前記複数の加熱部材の各々の発熱部が、前記シート状記録媒体の搬送方向に直交する通紙幅の方向で互いに重ならないように設けられ、
   前記温度センサが、最少の前記通紙幅を有する前記シート状記録媒体を印刷する際に使われる前記発熱部に対応する位置に置かれ、この前記発熱部に隣接する前記発熱部に対応する位置には置かれず、
   前記制御手段が、前記表面温度、前記通紙幅、及び、時間的に変化する回転部材の稼動状態に応じて前記加熱部材による加熱状態を制御することを特徴とする定着装置。
2. 前記複数の加熱部材の発熱部が、定着装置の停止状態からのウォームアップ時、印刷時、及び印刷動作を待つ待機時においてそれぞれ異なる比率関係を持つような設定で制御される事を特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 連続する印刷動作において、前記複数の加熱部材の前記発熱部が、印刷開始から一定時間経過するまでの印刷初期期間と、その一定時間経過後の定常期間で異なる比率関係を持つような設定で制御される事を特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 対応する温度センサを有しない前記発熱部が、前記回転部材の中央部の前記発熱部に隣接する位置又は前記回転部材の最側方部の前記発熱部に隣接する位置に置かれることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の定着装置。
5. 対応する温度センサを有しない前記発熱部の制御が、その発熱部に隣接する前記発熱部に対応する温度センサの出力に応じて行われることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の定着装置。
6. 前記発熱部の制御が、前記通紙幅及び前記シート状記録媒体の厚みに合わせて行われる事を特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の定着装置。
7. 前記回転部材の中央部及びこれに隣接する発熱部、又は前記回転部材の最側方部の発熱部及びこれに隣接する発熱部を同時に使用する用紙幅の印刷を行う場合、それぞれ、前記中央部の発熱部に対応する温度センサの出力、又は前記最側方部の発熱部に対応する温度センサの出力に基づいて、前記中央部及びこれに隣接する発熱部、又は前記回転部材の最側方部の発熱部及びこれに隣接する発熱部への通電灯率が所定の比率関係を持つように制御される事を特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の定着装置。
8. 前記中央部及びこれに隣接する発熱部、又は前記回転部材の最側方部の発熱部及びこれに隣接する発熱部への通電率の割合が、前記中央部及びこれに隣接する発熱部、又は前記回転部材の最側方部の発熱部及びこれに隣接する発熱部以外の発熱部にも通電される場合には変更される事を特徴とする請求項７に記載の定着装置。
9. 前記中央部及びこれに隣接する発熱部、又は前記回転部材の最側方部の発熱部及びこれに隣接する発熱部の通電率が、前記中央部及びこれに隣接する発熱部、又は前記回転部材の最側方部の発熱部及びこれに隣接する発熱部全体の長さと実際に印刷される用紙幅の比に応じて決められる事を特徴とする請求項７に記載の定着装置。
10. 請求項１から９の何れか１項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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