JP2016018060A - 定着装置と画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な温度検知構成で、高精度に定着装置の温度制御を行い、高い画像品質を確保する。
【解決手段】定着部材と、定着部材を加熱する定着熱源と、定着部材を押圧して定着ニップを形成する加圧部材とを有する定着装置において、加圧部材温度検知手段によって検知される加圧部材の表面温度の値と、記録材の坪量と、定着熱源から発せられる発熱量の各情報の重み付き積算和により推定される定着部材温度に基づいて記録材への熱量供給を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの機能を併せ持つ複合機等の電子写真方式画像形成装置における熱を用いた定着装置、特にその温度制御に関するものである。

従来の画像形成装置において、記録材（用紙とも称する）に形成されたトナー像を加熱溶融することにより、電子写真画像を定着させることが行われている。最も一般的な電子写真画像を記録材へ定着する方法あるいは定着装置は、電力を供給してヒータを発熱し、この熱で定着を行うようになっている。この時、トナー像を記録材に定着するのに必要な熱量を適切に与えることが極めて重要である。熱量が足りない場合、トナー像が記録材に固定されない現象（所謂コールドオフセット）をはじめとした定着不良が発生する。また熱量が過多気味の場合にも、ホットオフセットと呼ばれる定着不良や、狙いの光沢が出ない等、やはり定着不良が発生する。また熱量過多の場合には、過剰な電力を投入していることになり、消費電力の無駄が生じている。

以上のことから、トナーを記録材に定着するのに必要な熱量を把握し、適切に制御することが望まれる。投入熱量の制御方法として一般的に行われている方法は、定着するのに適切な定着部材の設定温度（目標温度）を予め決めておき、定着部材に取り付けたサーミスタ、サーモパイル等の温度検知部材の検知温度が設定温度となるように、熱源の電力を制御することである。代表的な温度制御手法として、現時刻の定着部材の温度が設定温度よりも低ければ電力を投入し、設定温度よりも高ければ電力を遮断するオンオフ制御や、定着部材の温度と設定温度との差に応じて投入電力量を連続的に変化させるＰＩＤ制御等が知られている。また定着部材にだけでなく加圧部材にも温度検知部材を取り付け、双方の温度を考慮して、記録材に与える熱量を制御することもあるが、最も一般的な構成は先にも述べた定着部材に温度検知部材を取り付けて行う温度制御である。

温度検知部材としては、従来の定着ローラ方式や定着ベルト方式では、一般的には接触型のサーミスタが用いられることが多かった。接触型サーミスタは温度検知部材の中でも極めて安価であるという大きなメリットを有するが、以下のように２つのデメリットがある：
１；一般的に熱時定数が大きく、センサの応答速度が遅い
２；接触により定着部材の表面に傷跡がつき、これが出力画像へ光沢スジ等の影響を与える

このため、昨今の応答速度の速い定着装置や、画像品質要求が厳しいフルカラー電子写真装置には接触型サーミスタを使用しないケースが増えている。一般に定着ベルト表面の昇温速度が３０℃／秒を超える構成になると、接触型サーミスタを使用しないことが多い。

このようなコストと性能のトレードオフ問題に対して、これまで軽圧接触型のサーミスタ、低熱容量型のサーミスタ等が考案され、上記２つのデメリットは緩和されたものの、コストが増加し、根本的なトレードオフ解消にはなっていなかった。

一方、加圧部材側に接触型サーミスタを用いることは上記２のデメリットの影響が大きく低減されるが、接触型サーミスタの熱応答遅れの問題のみならず、画像面側（定着部材側）と逆側の温度を検知することになるので、記録材への熱量制御が困難であった。

電磁誘導加熱方式の定着装置では、定着スリーブの温度を検知するサーミスタを用いない制御方法が特許文献１に開示されている。これは、スイッチング制御回路によるスイッチング素子をオンする時間であるＯＮ幅とオフする時間であるＯＦＦ幅のうちＯＮ幅に設定する制御回路が、励磁コイルに流れる電流又は励磁コイル両端にかかる電圧を検出する検出回路が検出する共振回路の共振電流又は共振電圧の周期又はピーク値に応じてＯＮ幅を変化させることにより定着スリーブを設定温度に保つように制御するものである。

本発明の課題は、従来技術の問題に鑑み、安価な温度検知構成で、高精度に定着装置の温度制御を行い、高い画像品質を確保することにある。

上記課題は、定着部材と、定着部材を加熱する定着熱源と、定着部材を押圧して定着ニップを形成する加圧部材とを有する定着装置において、加圧部材温度検知手段によって検知される加圧部材の表面温度の値と、記録材の坪量と、定着熱源から発せられる発熱量の各情報の重み付き積算和により推定される定着部材温度に基づいて記録材への熱量供給を制御することにより、解決される。本発明の骨子は、実際の印刷動作の中でリアルタイムに定着部材の温度を推定し、その推定温度を制御することで記録材への熱量供給を制御することにある。

本発明によれば、応答速度の速い定着装置等であって高価な定着部材用温度検知手段を用いることなく、高精度に定着部材の温度制御を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る定着装置を備えた画像形成装置における内部機構の全体構成を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る定着装置での定着ローラの温度を推定するための構成を示す概念図である。 加圧ローラ内部の温度分布を示すグラフである。

＜実施例１＞
図１は、本発明の一実施形態に係る定着装置を備えた画像形成装置における内部機構の全体概略構成を示す。

図１の画像形成装置は、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を取り付けて構成されている。画像形成装置本体１００内には、中間転写装置１０が備えられている。中間転写装置１０では、複数のローラに掛け回されたエンドレスの中間転写ベルト１１が、ほぼ水平に配置され、図中反時計まわりに走行するように構成されている。

中間転写装置１０の下には、シアン、マゼンタ、イエロ、ブラックの作像装置１２ｃ、１２ｍ、１２ｙ、１２ｋが、中間転写ベルト１１の下辺に沿って四連タンデム式に並べられている。各作像装置１２ｃ、１２ｍ、１２ｙ、１２ｋでは、図中時計まわりに回転するドラム状の像担持体の周囲に帯電装置、現像装置、転写装置、クリーニング装置等が設置されている。作像装置１２ｃ、１２ｍ、１２ｙ、１２ｋの下には、露光装置１３が備えられている。

露光装置１３の下には、給紙装置１４が設けられている。給紙装置１４は、記録材である用紙２０を収納する給紙カセット１５を、本例では二段で備えている。そして、各給紙カセット１５の用紙搬送方向上流部には、各給紙カセット１５内の用紙２０を一枚ずつ繰り出して用紙搬送路１６に入れる給紙コロ１７が設けられている。

用紙搬送路１６は、画像形成装置本体１００内で図の右側に下方から上方に向けて形成され、画像形成装置本体１００上で画像読取装置２００との間に形成する胴内排紙部１８へ通ずるように設けられている。用紙搬送路１６には、搬送ローラ１９、中間転写ベルト１１と対向して二次転写装置２１、定着装置２２、一対の排紙ローラよりなる排紙装置２３等が順に設けている。搬送ローラ１９のすぐ上流側には、両面ユニット３００から再給紙し、又は両面ユニット３００を横切って手差し給紙装置３６から手差し給紙される用紙２０を用紙搬送路１６に合流する給紙路３７が設けられている。また、定着装置２２の下流側には、両面ユニット３００への再給紙搬送路２４が分岐して設けられている。

そして、コピーを取るとき、画像読取装置２００で原稿画像を読み取って露光装置１３で書き込みを行い、各作像装置１２ｃ、１２ｍ、１２ｙ、１２ｋの夫々の像担持体上に各色トナー画像を形成し、そのトナー像を一次転写装置２５ｃ、２５ｍ、２５ｙ、２５ｋで順次転写して中間転写ベルト１１上にカラー画像を形成する。

一方、給紙コロ１７の１つを選択的に回転して、対応する給紙カセット１５から用紙２０を繰り出して用紙搬送路１６に入れ、あるいは手差し給紙装置３６から手差し用紙を給紙路３７に入れる。そして、用紙搬送路１６を通して搬送ローラ１９でタイミングを取って二次転写位置へと送り込み、上述した如く、中間転写ベルト１１上に形成されたカラー画像を二次転写装置２１で用紙２０に転写する。画像転写後の用紙２０は、定着装置２２で画像を定着後、排紙装置２３で排出して胴内排紙部１８上にスタックされる。

用紙２０の裏面にも画像を形成するときには、再給紙搬送路２４に入れて両面ユニット３００で反転してから給紙路３７を通して再給紙し、別途中間転写ベルト１１上に形成しれたカラー画像を用紙２０の裏面に二次転写し、再び定着装置２２で定着して排紙装置２３で胴内排紙部１８に排出する。

図２には、本発明の一実施形態に係る定着装置２４の構成を示す。 定着装置２４は、ローラ状の定着部材である定着ローラ２７と、ローラ状の加圧部材である加圧ローラ２８と、定着熱源３０とを備えて構成される。これらローラ２７、２８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変位可能で、他方のローラが一方のローラに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付勢される。定着ローラ２７と加圧ローラ２８との間で定着ニップｎが形成される。定着ローラ２７の内部に定着熱源３０が内蔵されていて、この定着熱源３０で定着ローラ２７が加熱されるようになっている。加圧ローラ２８はシリコーンゴム層３１と金属製芯金層３２とから成っている。ローラに代えてベルトを用いることも想定され、特に定着部材として、その表面の昇温温度が３０℃／秒を超えるベルトを用いる場合には、本発明の構成によって高応答性で高価な温度センサが不要となり、そのコストダウン効果が大きい。

この定着装置２４では、定着熱源３０により定着ローラ２７が加熱され、定着ニップｎを通過する用紙２０の画像面を定着ローラ２７に接触させて、その画像面のトナー像が溶融されることで、用紙２０に定着される。

本実施形態では、定着ローラ２７には温度検知手段を備えておらず、加圧ローラ２８の表面に加圧部材温度検知手段２９が備えられ、加圧ローラ２８の表面温度を測定する。この加圧部材温度検知手段２９として、非常に安価な温度センサである接触型サーミスタが用いられている。

記録材（用紙）への熱量供給は一般的には定着ローラ２７の表面温度を検知し、定着ローラ２７の温度が目標温度（設定温度）になるように制御される。しかしながら、本実施形態では、加圧部材温度検知手段２９により検知された加圧ローラ２８の表面温度、及び定着熱源３０から発せられる発熱量、及び定着装置に送られる記録材の情報に基づいて、定着ローラ２７の表面温度を推定する。そして、その推定値が予め設定された定着ローラの目標温度になるように、定着ローラ推定温度の目標温度との温度偏差の情報を基に、温度コントローラがＰＷＭ駆動回路４２を通して、定着熱源３０への印加電力を制御する。

次に定着ローラ２７の温度を推定する方法について述べる。定着ローラ２７は加圧ローラ２８と接して回転するため、加圧ローラ２８の表面温度と強い相関があるのは言うまでも無い。しかしながら、本例において加圧部材温度検知手段２９には時定数の大きい安価な接触型サーミスタを用いるので、現時刻の加圧ローラ２８の温度のみで定着ローラ２７の温度を推定したのでは、タイムラグがあり、用紙に正しく熱量が供給されない。そこで加圧ローラ２８の表面温度情報に加えて、現時刻より前に定着熱源３０から投入された電力情報や、これから定着部材に搬送される用紙の情報を基に、未来時刻の定着ローラ２７の温度を推定することが必要である。用紙情報に関しては、定着ローラ２７の温度変化に最も大きな影響を与える坪量が分かれば十分であることが多いため、ここでは坪量を用紙情報として用いる。なお坪量は、用紙のパッケージにも記載があり、用紙情報の中ではユーザーが最も設定しやすい情報である。今、推定値を得るためのサンプリングの回数をｋ（サンプリングの時間間隔は例えば数１００ｍｓ）、ｎをｋ以下の整数とした場合の定着ローラ予測温度Ｔｆ（ｋ）は、加圧ローラ表面温度をＴｐ（ｋ）、ヒータからの発熱量（Ｗ）をＱ（ｋ）、用紙坪量（ｇ／ｍ^２）をＧとすると、式（１）のような重み付き積算和で表現できる。実験から得られた、定着ローラ温度、加圧ローラ温度、発熱量、坪量の実験値と式（１）の推定値が最も誤差が小さくなるように、ａ１、ａ２、…、ａｎ、ｂ１、ｂ２、…、ｂｎ、ｃの係数をフィッテイングして式を得るものである。この式は定着ローラ方式、加圧ベルト方式でも広く使用可能であるが、ａ１、…、ａｎ、ｂ１、…、ｂｎ、ｃの係数の値はその系に応じて異なる。
Ｔｆ（ｋ）=ａ１*Ｔｐ（ｋ−１）＋ａ２*Ｔｐ（ｋ−２）＋…＋ａｎ*Ｔｐ（ｋ−ｎ）+ｂ１*Ｑ（ｋ−１）＋ｂ２*Ｑ（ｋ−２）＋…＋ｂｎ*Ｑ（ｋ−ｎ）+ｃＧ （１）

そして、この推定される定着ローラ温度Ｔｆ（ｋ）の目標温度との温度偏差情報により算出される投入電力Ｗ（ｋ）については、式（２）で表されるＰＩＤ制御を用いる。
Ｗ（ｋ）＝Ｐ *ｅ（ｋ）＋Ｉ*Σｅ（ｋ）＋Ｄ*ｄｅ（ｋ）／ｄｔ （２）
ただし、ｅ（ｋ）＝Ｔtarget（ｋ）−Ｔｆ（ｋ）で、Ｔtarget（ｋ）は目標温度である。

投入電力は式（２）に示される一般的なＰＩＤ制御のほか、必要に応じて他の制御器を用いても良い。また本発明は、応答速度が速く、サーモパイル等の高応答（高価）な温度センサを用いる必要のある定着機や、接触型センサを用いると光沢スジ等となって画像品質に影響を与えるフルカラー画像形成装置等で用いると、低廉化効果が非常に大きくメリットがある。

＜実施例２＞
実施例１では、定着ローラ温度の予測式として式（１）で示した加圧ローラ表面温度、ヒータからの発熱量、用紙の坪量情報を用いたが、これらの情報に加えて外気への放熱量や、用紙平滑性の情報等を付加して予測精度を上げてもよい。ただし、付加する情報として、それらの情報を入手するために新たなセンサ等を追加しては、コストアップを招き、本末転倒である。ここでは、付加する情報として、加圧ローラ内部のシリコーンゴム層３１の温度を用いることを考える。

加圧ローラ表面温度は先に示したように、接触型サーミスタによりその温度を測定することができるが、この表面温度情報だけでは、定着ローラ温度を予測するのに十分でない場合がある。即ち、同じ加圧ローラ表面温度であっても、加圧ローラ内部の蓄熱量の大小によって、定着ローラへの熱移動量が異なるためである。そこで、加圧ローラ内部の温度情報が分かれば、定着ローラ温度の予測精度を上げることができる。

加圧ローラ内部の温度として、芯金層３２の温度は安価な温度センサで測定することが可能であるが、シリコーンゴム層３１の温度を測定することは極めて困難である。しかしながら、シリコーンゴム層の蓄熱量こそが加熱ローラ内部の蓄熱量として大きなものである。そこでシリコーンゴム層３１の温度を何らか推定して、その温度情報を利用して、定着ローラ温度を予測することを考える。

図３は、加圧ローラ２８の表面温度と芯金層３２の温度を様々に変化させた場合の、シリコーンゴム層３１の温度分布を示したものである。加圧ローラ２８の表面温度と芯金層３２の温度が分かれば、内部の任意の深さ位置の温度を以下のように推定することができる。
Ｔｐｓ（ｋ）＝ｆ（Ｔｐ（ｋ），Ｔｐｃ（ｋ）） （３）
ただし、Ｔｐｓ（ｋ）はシリコーンゴム層の温度で、Ｔｐｃ（ｋ）は芯金層の温度である。

式（３）は、シリコーンゴムの物性値が固定の場合は３次関数、あるいはシグモイド関数等を使って表現することが可能である。

ここでは式（３）で推定した深さ数１００μmの位置のシリコーンゴム層の温度を用いて、定着ローラ温度を次式により推定する。
Ｔｆ（ｋ）=ａ１*Ｔｐ（ｋ−１）＋ａ２*Ｔｐ（ｋ−２）＋…＋ａｎ*Ｔｐ（ｋ−ｎ）+ｂ１*Ｑ（ｋ−１）＋ｂ２*Ｑ（ｋ−２）＋…＋ｂｎ*Ｑ（ｋ−ｎ）+ｃＧ＋ｄ１*Ｔｐｓ（ｋ−１）＋ｄ２*Ｔｐｓ（ｋ−２）＋…+ｄｎ*Ｔｐｓ（ｋ−２） （４）

なお本発明の上記例では、定着ローラ温度を検知せずに定着ローラへの熱量供給を制御することを述べたが、サーモスタッド、ヒューズといった安全装置は例外である。これらは安全規格上、予測によるソフトウェアセンサではなく、実体をもつハードウェアセンサである必要があるため、本発明における「温度センサ」の概念から除いている。本発明における「温度センサ」は、主として用紙への熱量供給を制御するために用いられる温度センサである。

２４ 定着装置
２７ 定着ローラ
２８ 加圧ローラ
２９ 加圧部材温度検知手段（サーミスタ）
３０ 定着熱源
３１ シリコーンゴム層
３２ 芯金層
４２ ＰＷＭ駆動回路

特許第４８７３７０２号公報

Claims (4)

1. 定着部材と、定着部材を加熱する定着熱源と、定着部材を押圧して定着ニップを形成する加圧部材とを有する定着装置において、加圧部材温度検知手段によって検知される加圧部材の表面温度の値と、記録材の坪量と、定着熱源から発せられる発熱量の各情報の重み付き積算和により推定される定着部材温度に基づいて記録材への熱量供給を制御することを特徴とする定着装置。
2. 定着部材温度の推定に用いる情報として、加圧部材の内部温度の推定値を加えることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 定着部材温度の推定値と目標温度との温度偏差の情報を基に、ＰＷＭ駆動回路を通して、定着熱源への印加電力が制御されることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の定着装置を有する画像形成装置。

Images