JP2014186093A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周方向に温度がばらつく傾向にある定着ベルトにあっても予め定着ニップ部の温度を精度よく検出できること。
【解決手段】無端状の定着ベルト４１と、ベルト４１に対して熱を付与する加熱手段と、ベルト４１を略円形に保形する支持部材と、ベルト４１の外周面に接触してニップ部Ｎを形成する加圧部材５１と、ベルト４１の温度を検出する温度検出手段ＳＥ１と、ベルト４１の周方向の位置を検出する位置検出手段ＳＥ２と、検出された温度及び位置を記憶する記憶手段と、制御手段と、を備えた画像形成装置。非定着動作時において、加熱手段に一定の電力を供給してベルト４１を発熱させて周方向の位置に関連した温度を検出して記憶手段に記憶させる特性記憶モードと、定着動作時において、記憶手段に記憶させた位置と温度からニップ部Ｎの温度を予測し、かつ、予測された温度が目標温度となるように加熱手段を制御する定着実行モードとで動作する。
【選択図】図７

Description

本発明は、画像形成装置、特に、転写紙上に転写されたトナー像を加熱定着する、プリンタや複写機などの電子写真方式による画像形成装置に関する。

一般に、電子写真方式による画像形成装置では、転写紙上に転写されたトナー像を、定着ローラと加圧ローラとのニップ部に搬送し、該ニップ部で熱を加えて定着している。定着ニップ部においては所定の温度に制御することが必要である。そこで、定着ニップ部の温度を予測する方法として、例えば、特許文献１では、２個の温度センサを用いて定着ローラのニップ部上流側での温度を予測すること、あるいは、１個の温度センサによる検出温度と定着ローラの熱物性に基づいてニップ部上流側での温度を予測することが提案されている。

ところで、近年では定着ローラに代えて、安価に量産できる押出し成形された樹脂材からなる無端状の定着ベルトを用いた定着装置が実用化されている。このような定着ベルトは、製造上、周方向の厚みがばらついており、定着ベルトを一定量のエネルギーによって加熱した際に周方向位置で温度が異なる。このため、温度検知センサを用いてニップ部以外の温度を監視したときの温度検出結果はニップ部の温度と異なることになる。ニップ部は定着ベルトと加圧部材とで挟まれた領域であるため、温度検知センサでは加圧部材によって視界が遮られ、ニップ部の温度を直接検出することは構造上できない。また、定着ベルトの内側面から温度を検出したとしても、ベルト自身の熱容量の影響を受けるため、ニップ部の正確な温度を検出することができない。

特開２００２−３１１７５０号公報

本発明の目的は、周方向に温度がばらつく傾向にある定着ベルトにあっても予め定着ニップ部の温度を精度よく検出でき、ひいては定着ニップ部の温度を精度よく制御できる画像形成装置を提供することにある。

本発明の一形態である画像形成装置は、
転写紙上に転写されたトナー像を加熱定着する画像形成装置において、
トナー像と接触するように配置された無端状の定着ベルトと、
前記定着ベルトに対して該定着ベルトの内側又は外側から熱を付与する加熱手段と、
前記定着ベルトの内側に配置されて該定着ベルトを略円形に保形する支持部材と、
前記定着ベルトの外周面に接触して定着ニップ部を形成する加圧部材と、
前記定着ベルトの外周面の温度を検出する温度検出手段と、
前記定着ベルトの周方向の位置を検出する位置検出手段と、
前記温度検出手段及び前記位置検出手段で検出された温度及び位置を記憶する記憶手段と、
少なくとも前記加熱手段、前記温度検出手段、前記位置検出手段及び前記記憶手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、以下の動作モードを有すること、
非定着動作時において、前記加熱手段に一定の電力を供給して前記定着ベルトを発熱させて前記温度検出手段及び前記位置検出手段にて周方向の位置に関連した温度を検出して前記記憶手段に記憶させる特性記憶モード、
定着動作時において、前記記憶手段に記憶させた位置と温度から前記定着ニップ部の温度を予測し、かつ、予測された温度が目標温度となるように前記加熱手段を制御する定着実行モード、
を特徴とする。

前記画像形成装置においては、非定着動作時において特性記憶モードを実行し、定着ベルトの周方向位置での厚みのばらつきに起因する定着ニップ部の温度予測を行う。定着動作時には、この予測温度が目標温度となるように定着ベルトの温度調整制御にフィードバックする。

本発明によれば、周方向に温度がばらつく傾向にある定着ベルトにあっても予め定着ニップ部の温度を精度よく検出でき、ひいては定着ニップ部の温度を精度よく制御できる。

一実施例である画像形成装置を示す概略構成図である。 定着装置の第１例を示す概略断面図である。 定着装置の第２例を示す概略断面図である。 定着装置の第３例を示し、（Ａ）は概略断面図、（Ｂ）は斜視図である。 前記第３例に示した定着ベルトの要部断面図である。 定着装置の制御部を示すブロック図である。 定着ベルトに対する温度検知センサと位相検知センサとの位置関係を示す説明図である。 ウォーミングアップ中における定着ベルトの温度変化を示すグラフである。 図８に示す検出温度を補正した状態を示すグラフである。 特性記憶モードでの温度予測を説明するためのグラフである。 昇温状態での定着ベルトの温度変化を示すグラフである。 降温状態での定着ベルトの温度変化を示すグラフである。 位相検知手段を説明するための斜視図である。 特性記憶モードでの制御手順を示すフローチャート図である。 定着実行モードでの制御手順の要部を示すフローチャート図である。

以下、本発明に係る画像形成装置の実施例について、添付図面を参照して説明する。なお、各図において同じ部材、部分には共通する符号を付し、重複する説明は省略する。

まず、一実施例である画像形成装置１の概略構成について図１を参照して説明する。この画像形成装置１は、タンデム方式でカラー画像を形成するようにしたもので、イエロー画像を形成するための感光体１０Ｙ、マゼンタ画像を形成するための感光体１０Ｍ、シアン画像を形成するための感光体１０Ｃ、ブラック画像を形成するための感光体１０Ｋを並置し、これらの感光体１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋ上に形成された各色のトナー画像を中間転写ベルト１５上に転写／合成（１次転写）し、合成トナー画像を転写ローラ１６から付与される電界により転写紙上に２次転写するようにしたものである。それぞれの感光体１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋの周囲には帯電チャージャ１１Ｙ，１１Ｍ，１１Ｃ，１１Ｋ、画像露光装置１２Ｙ，１２Ｍ，１２Ｃ，１２Ｋ、現像器１３Ｙ，１３Ｍ，１３Ｃ，１３Ｋなどが配置されており、電子写真方式にて画像を形成する。このような画像形成プロセスは周知であり、その説明は省略する。

転写紙は、給紙部２１に積載収容されており、給紙ローラ２２によって１枚ずつ給紙される。給紙された転写紙は、レジストローラ対３１を介して２次転写部へ搬送され、トナー画像が２次転写される。その後、転写紙は定着装置４０でトナーの加熱定着を施され、排出ローラ対３３から装置１の上面へ排出される。

ここで、定着装置４０について第１例、第２例及び第３例を説明する。第１例である定着装置４０Ａは、図２に示すように、無端状の定着ベルト４１と、定着ベルト４１の外周面に所定の圧力で接触して定着ニップ部Ｎを形成する加圧ローラ５１と、定着ベルト４１に熱を付与する周知の電磁誘導型のヒータ４２とで構成されている。定着ベルト４１は押出し成形された樹脂材からなり、その内側には定着ベルト４１を略円形に保持する支持ローラ４３が配置されている。換言すれば、定着ベルト４１は支持ローラ４３と加圧ローラ５１によって挟着された状態で略円形に保持される可撓性、柔軟性を有している。加圧ローラ５１は矢印Ａ方向に回転駆動され、この回転駆動力によって定着ベルト４１が略円形状態を保持して矢印Ｂ方向に従動回転する。転写紙はトナー転写面が定着ベルト４１に対向した状態で矢印Ｃ方向に定着ニップ部Ｎに搬送される。

定着ベルト４１は、無端状に押出し成形された樹脂材からなり、シリコーンゴムやフッ素ゴムなどの耐熱性を有する樹脂材を好適に用いることができる。また、定着ベルト４１の外周面に近接して温度検知センサＳＥ１が配置され、さらに、内周面に近接して位相検知センサが配置されている。温度検知センサＳＥ１はサーミスタあるいはサーモパイルが用いられている。位相検知センサＳＥ２は定着ベルト４１の所定のホームポジションを基準にした周方向の位置を検出するためのもので、図１３を参照して以下に詳述する。

第２例である定着装置４０Ｂは、図３に示すように、前記定着ベルト４１と前記加圧ローラ５１と支持部材４４とハロゲンヒータ４５とで構成されている。ハロゲンヒータ４５は定着ニップ部Ｎにおいて定着ベルト４１の内周面に接触して定着ベルト４１を内側から加熱する。温度検知センサＳＥ１及び位相検知センサＳＥ２が配置されていることは第１例と同様である。

第３例である定着装置４０Ｃは、図４及び図５に示すように、定着ベルト４１と前記加圧ローラ５１と支持ローラ４６とで構成されている。温度検知センサＳＥ１及び位相検知センサＳＥ２が配置されていることは第１例と同様である。

本第３例において、定着ベルト４１は、図５に示すように、内側から、絶縁層６１、抵抗発熱体層６２、弾性層６３、離型層６４の４層構造に積層したものである。弾性層６３は無端状に押出し成形された樹脂材からなり、シリコーンゴムやフッ素ゴムなどの耐熱性を有する樹脂材が用いられる。抵抗発熱体層６２の両端部は弾性層６３から露出しており、この露出部分の全周にわたって電極６５が設置されている。この電極６５にパルスコントロールタイプの電源６６に接続された摺動給電部材６７が圧接されている。この摺動給電部材６７から電極６５を介して供給される電力にて抵抗発熱体層６２が発熱し、弾性層６３が加熱される。

第１例や第２例の定着ベルト４１や第３例の弾性層６３は、前述のように無端状に押出し成形された樹脂材からなり、押出し成形品特有の問題点として周方向の厚みにばらつきを有している。よって、背景技術で説明したように、定着ベルト４１を一定量のエネルギーによって加熱した際に周方向位置で温度が異なることになる。本実施例では、このような温度特性を有する定着ベルト４１であっても定着ニップ部Ｎの温度を精度よく予測し、制御することを目的している。

定着装置４０の制御部７０は、図６に示すように、ＣＰＵ７１を中心として構成され、記憶手段としてのメモリ７２、温度検知センサＳＥ１を含む温度検出回路７３、位相検知センサＳＥ２を含む位相検出回路７４を備えている。ＣＰＵ７１にはオン／オフ切換え回路７５を介して電源６６が接続されている。さらに、ＣＰＵ７１は加圧ローラ５１の回転駆動部７６をも制御する。

ＣＰＵ７１は、特性記憶モードと定着実行モードとで定着装置４０を制御する。特性記憶モードとは、非定着動作時において、ヒータ４２，４５や抵抗発熱体層６２に一定の電力を供給して定着ベルト４１を発熱させて温度検知センサＳＥ１及び位相検知センサＳＥ２にて周方向の位置に関連した温度を検出してメモリ７２に記憶させる。定着実行モードとは、定着動作時において、メモリ７２に記憶させた位置と温度から定着ニップ部Ｎの温度を予測し、かつ、予測された温度が目標温度となるようにヒータ４２，４５や電源６６を制御する。なお、以下の説明ではヒータ４２，４５や抵抗発熱体層６２を加熱手段と称する。

以下、温度検出と定着ニップ部Ｎの温度予測について説明する。定着ベルト４１の周方向位置と温度検知センサＳＥ１及び位相検知センサＳＥ２との位置関係は図７に示すとおりである。定着ニップ部Ｎをホームポジションとした場合、位相検知センサＳＥ２はホームポジションで位相を検出し、温度検知センサＳＥ１はホームポジションからα（ほぼ９０°）の角度位置で定着ベルト４１の外周面の温度を検出する。つまり、温度検知センサＳＥ１で検出された箇所はαだけ位相がずれた状態で定着ニップ部Ｎに到達することになる。ここで、位相検知センサＳＥ２が定着ベルト４１の位相θを検出したときに温度検知センサＳＥ１がその検出位置で出力する定着ベルト４１の温度をＴａ（θ）とし、定着ニップ部Ｎでの温度をＴ１とする。

特性記憶モードは画像形成装置１の種々の動作形態において実行されるが、ここではウォーミングアップ時に実行される場合について説明する。まず、定着ベルト４１と加圧ローラ５１とが所定の圧力で圧接した状態で定着ベルト４１をＮ周回転させる。このとき、加熱手段への供給電力は一定とされ、定着ベルト４１の各位相ごと（ベルトの直径が３０ｍｍであれば、周長は約９４ｍｍであり、例えば１ｍｍごと）の温度を検出し、メモリ７２に記憶する。図８に実線で温度検出値を示し、点線で昇温特性を示す。つまり、定着ベルト４１は全周にわたって昇温特性に従って温度が上昇するのが好ましいが、周方向の厚みのばらつきに基づいて実線で示す温度ばらつきが生じた状態で各周回ごとに昇温していく。昇温特性がある傾きでの温度上昇は加熱手段へエネルギーを一定量投入することによって生じる。

前記昇温状態での測定時のデータ（図８参照）に対して、単位時間当たりの上昇温度を差し引いてメモリ７２に記憶させる。つまり、温度上昇の傾きを０とした値に補正する（図９参照）。この温度特性が定着ベルト４１の厚みむらなどによって生じる温度むらに相当する。なお、Ｎ周回転の間に温度や位相の測定誤差を生じた場合に備え、誤差の影響を小さくするために、Ｎ周分の測定データを平均化する処理を行ってもよい。

次に、実際の定着を実行する場合に、図９に示したデータから定着ニップ部Ｎの温度を予測するために補正値Ｔ（θ）を算出する態様を図１０を参照して説明する。定着ニップ部Ｎの温度（Ｔ１）は、Ｋ（θ）×Ｔａ（θ）を求めることで予測できる。Ｋ（θ）は図９で得られたデータから定着ベルト４１上の位相（θ）を検出時の温度検知センサＳＥ１の出力Ｔ（θ）と、同じく図９で得られた位相（θ）との位相差αの箇所（即ち、定着ニップ部Ｎ）の温度検知センサＳＥ１の出力Ｔ（θ＋α）との比を算出したものである。即ち、Ｋ（θ）＝Ｔ（θ＋α）／Ｔ（θ）である。

定着実行モードにおいては、以上のごとく、メモリ７２に記憶させた位置（位相）と温度から定着ニップ部Ｎの温度を予測し、かつ、予測された温度が目標温度（１８０°）となるように加熱手段を制御する。定着実行モード自体は基本的には従来と同様の制御であり、その詳細は省略する。

前記特性記憶モードは、画像形成装置１にメイン電源が投入されているときであればいずれのタイミングで実行してもよい。特性記憶モードは定着ベルト４１が寿命などで交換されたときに実行することが好ましい。定着ベルト４１の周方向の厚みのばらつきは個々のベルトごとに異なるからである。特性記憶モードを前述のようにウォーミングアップ時に実行すれば、時間の節約になる。１ジョブでの画像形成動作を実行する直前に特性記憶モードを実行してもよい。この場合、図１１に示すように、定着ベルト４１を一定傾斜の昇温状態（点線参照）で温度データを取得する。この場合も、温度検知センサＳＥ１で検出された温度から単位時間当たりの上昇温度を差し引いてメモリ７２に記憶させる。

一方、特性記憶モードは定着ベルト４１を降温状態で（例えば、画像形成動作の終了後に）実行してもよい。この場合は、図１２に示すように、定着ベルト４１を一定傾斜の降温状態（点線参照）で温度データを取得する。この場合は、温度検知センサＳＥ１で検出された温度から単位時間当たりの下降温度を差し引いてメモリ７２に記憶させる。特性記憶モードを降温状態で実行する場合には加熱手段には電力を供給しない。これにて省エネが達成される。また、特性記憶モードを画像形成動作の終了直後のクールダウン時に実行すれば、時間の節約になる。

定着ベルト４１の位相（周方向の位置）の検出は、図１３に示すように、定着ベルト４１の端部に複数のスリット８１を形成し、これらのスリット８１を位相検知センサＳＥ２（フォトセンサ）で検知することにより行われる。ホームポジションは、例えば、一つのスリット８１を深く形成しておき、その位置をいま一つのフォトセンサで検知することで検出可能である。スリット８１に代えて線状に描かれたパターンなどであってもよい。定着ベルト４１の位相はこれ以外の手法によっても検出することができる。なお、位相の検出は定着ニップ部Ｎ又はその近傍にて行うことが好ましい。回転時に定着ベルト４１に発生する撓みなどの変形による位相検出誤差の発生を防止できるからである。

以下に、特性記憶モードを実行する手順について図１４のフローチャートを参照して説明する。特性記憶モードを実行するタイミングであれば（ステップＳ１でＹＥＳ）、メモリ７２を初期化し（ステップＳ２）、それまでに記憶されているデータを消去する。なお、メモリ７２の記憶内容を順次更新していくのであれば、ステップＳ２を省略してもよい。続いて、加熱手段へ供給する電力を一定に設定する（ステップＳ３）。

次に、加熱手段へ電力を供給しつつ、定着ベルト４１の温度及び位相を検出する（ステップＳ４）。温度及び位相を検出する周期は定着ベルト４１が１周する時間よりも短いことが好ましい。例えば、周方向長さ１ｍｍ単位に検出する。続いて、補正値Ｋ（θ）［＝Ｔ（θ＋α）／Ｔ（θ）］を算出する（ステップＳ５）。算出した補正値Ｋ（θ）を位相と対応させてメモリ７２に記憶する（ステップＳ６）。定着ベルト４１の１周分のデータの記憶が完了するまでは（ステップＳ７でＮＯ）、ステップＳ４〜Ｓ６を繰り返す。ベルト１周分のデータの記憶を完了する時間は定着ベルト４１が目標温度に達するまでとする。ここでの目標温度は実際の定着温度であってもよく、あるいは、特性記憶モードに特有の温度であってもよい。１周分のデータの記憶が完了したことを確認すると（ステップＳ７でＹＥＳ）、この制御を終了する。

定着実行モードでの制御の要部は図１５に示すとおりである。定着動作を処理中において、定着ベルト４１の位相と温度を検出し（ステップＳ１１）、それらのデータに基づいて加熱手段へ供給する電力Ｗｏを設定し（ステップＳ１２）、かつ、前記位相と温度のデータに基づいて定着ニップ部Ｎの温度を予測して補正値Ｋ（θ）をメモリ７２から呼び出し（ステップＳ１３）、予測温度が定着のための目標温度となるように加熱手段へ出力する電力を補正する（ステップＳ１４）。予測温度は前述のようにＫ（θ）×Ｔａ（θ）である。即ち、目標温度（１８０°）を得るために、通常、加熱手段へ供給する電力をＷｏとすると、ステップＳ１３では加熱手段へ供給する電力ＷｘをＫ（θ）×Ｗｏに設定する。

なお、補正値Ｋ（θ）の算出は特性記憶モード実行時ではなく定着実行モード実行時に行ってもよい。

（他の実施例）
なお、本発明に係る、画像形成装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

特に、画像形成装置としては、カラー画像形成装置以外に、モノクロ画像形成装置であってもよく、通信機能やファクシミリ機能などを備えた複合機であってもよい。また、定着装置の細部の構成などは任意である。

以上のように、本発明は、画像形成装置に有用であり、特に、予め定着ニップ部の温度を精度よく検出でき、ひいては定着ニップ部の温度を精度よく制御できる点で優れている。

１…画像形成装置
４０…定着装置
４１…定着ベルト
４３，４６…支持ローラ
４４…支持部材
４２，４５…ヒータ
５１…加圧ローラ
６２…抵抗発熱体層
６６…電源
７１…ＣＰＵ
７２…メモリ
８１…スリット
ＳＥ１…温度検知センサ
ＳＥ２…位相検知センサ

Claims (16)

1. 転写紙上に転写されたトナー像を加熱定着する画像形成装置において、
   トナー像と接触するように配置された無端状の定着ベルトと、
   前記定着ベルトに対して該定着ベルトの内側又は外側から熱を付与する加熱手段と、
   前記定着ベルトの内側に配置されて該定着ベルトを略円形に保形する支持部材と、
   前記定着ベルトの外周面に接触して定着ニップ部を形成する加圧部材と、
   前記定着ベルトの外周面の温度を検出する温度検出手段と、
   前記定着ベルトの周方向の位置を検出する位置検出手段と、
   前記温度検出手段及び前記位置検出手段で検出された温度及び位置を記憶する記憶手段と、
   少なくとも前記加熱手段、前記温度検出手段、前記位置検出手段及び前記記憶手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、以下の動作モードを有すること、
   非定着動作時において、前記加熱手段に一定の電力を供給して前記定着ベルトを発熱させて前記温度検出手段及び前記位置検出手段にて周方向の位置に関連した温度を検出して前記記憶手段に記憶させる特性記憶モード、
   定着動作時において、前記記憶手段に記憶させた位置と温度から前記定着ニップ部の温度を予測し、かつ、予測された温度が目標温度となるように前記加熱手段を制御する定着実行モード、
   を特徴とする画像形成装置。
2. 前記位置検出手段は前記定着ニップ部又はその近傍にて前記定着ベルトの周方向の位置を検出すること、を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記位置検出手段は前記定着ベルトに形成されたパターンを検出して前記定着ベルトの周方向の位置を検出すること、を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
4. 前記制御手段は、ある位置（θ）での検出温度をＴ（θ）とした場合に補正値Ｋ（θ）＝Ｔ（θ＋α）／Ｔ（θ）を記憶手段に記憶させ、定着ニップ部温度をＫ（θ）×Ｔａ（θ）として予測すること、
   θ：定着ベルトのホームポジションからの位相角
   α：温度検出手段と定着ニップ部との周方向の位相差
   Ｔａ（θ）：位置検出手段が定着ベルトの位相角θを検出したときに温度検出手段により検出された定着ベルトの外周面温度
   を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
5. 前記定着ベルトは押出し成形された樹脂材からなること、を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
6. 前記加熱手段は電磁誘導型であること、を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
7. 前記加熱手段は前記定着ベルトを内側から加熱するヒータであること、を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
8. 前記加熱手段は前記定着ベルトに積層された抵抗発熱層であること、を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
9. 前記制御手段は、前記定着ベルトが交換されたときに前記特性記憶モードを実行すること、を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
10. 前記制御手段は、ウォーミングアップ時に前記特性記憶モードを実行すること、を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
11. 前記制御手段は、前記特性記憶モードを前記定着ベルトを昇温状態で実行すること、を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
12. 前記制御手段は、昇温状態で前記特性記憶モードを実行する際、前記温度検出手段で検出された温度から単位時間当たりの上昇温度を差し引いて前記記憶手段に記憶させること、を特徴とする請求項１１に記載の画像形成装置。
13. 前記制御手段は、画像形成動作の終了後に前記特性記憶モードを実行すること、を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
14. 前記制御手段は、前記特性記憶モードを前記定着ベルトを降温状態で実行すること、を特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
15. 前記制御手段は、降温状態で前記特性記憶モードを実行する際、前記温度検出手段で検出された温度から単位時間当たりの下降温度を差し引いて前記記憶手段に記憶させること、を特徴とする請求項１４に記載の画像形成装置。
16. 前記制御手段は、前記加熱手段には電力を供給しないこと、を特徴とする請求項１３ないし請求項１５のいずれかに記載の画像形成装置。

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