JP2016114914A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉ベルト加熱方式の定着装置において、ヒータをコンパクトにしたまま対応できる用紙サイズの種類を多くでき、省エネ性能の低下を抑えつつ、薄肉定着ベルトの長手方向に大きな温度がつかないようにする。
【解決手段】未定着画像に接触して回転するベルト状定着部材と、該ベルト状定着部材とで定着ニップ部を形成する押圧部材と、前記ベルト状定着部材を加熱するヒータ部材と、該ヒータ部材へ投入する電力を制御する加熱制御手段とを有する定着装置において、前記ヒータ部材が、用紙搬送方向に直交する方向に複数の加熱領域を有し、これら複数の加熱領域が前記加熱制御手段によって個別に加熱制御されるものであり、前記ベルト状定着部材の記録材が通過しない部分に対応する範囲を含む加熱領域を、所定タイミングで加熱する。
【選択図】図５

Description

本発明は、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関し、特にこのような画像形成装置に搭載される薄肉ベルト加熱方式の定着装置に関するものである。

画像形成装置では、画像情報に基づいて像担持体上にトナー像を形成し、このトナー像を紙やＯＨＰシート等の記録材上に転写し、トナー像を担持した記録材を定着装置に通して熱と圧力により記録材上にトナー像を定着する。

近年、省エネの観点から、熱伝達効率が高く、装置立ち上げも速いオンデマンドの薄肉ベルト加熱方式の定着装置が実用化され、普及してきている。この薄肉ベルト加熱方式の定着装置では、記録材搬送方向に直交する方向に例えば酸化ルテニウム系の抵抗発熱体を配して固定された板状加熱体を無端状の耐熱性フィルムの内周面に当接させ、耐熱性フィルムの外周面に加圧ローラを当接させ、耐熱性フィルムと加圧ローラの間に記録材を通しつつ耐熱性フィルムを走行移動させることで記録材に熱エネルギーを与えている。フィルムが１００μｍ程度と薄く、立ち上げ時間を短縮化でき、予熱電力を削減可能である。

特に記録材搬送方向に直交する方向で抵抗発熱体を分割して、記録材の幅サイズに応じて加熱領域を選択する構成も知られている（引用文献１）。このような構成によって、複数の記録材サイズに合わせて、加熱領域を変化させることができ、記録材が通過する部分（通紙部）だけを選択的にヒータオンで加熱し、記録材が通過しない部分（非通紙部）を昇温させず、高い省エネ性を実現することができた。

しかしながら、そもそも薄肉ベルト加熱方式であっても、定着を安定させるためには、薄肉ベルトである薄肉円筒状の耐熱性フィルムを定着ニップ部で走行移動させるための加圧ローラも或る程度加熱する必要があり、立ち上げや定着復帰のために、まず定着ニップ部の記録材搬送方向に直交する方向全域を所定温度まで加熱した上で定着温度制御を行う。このような定着温度制御では、板状加熱体から薄肉ベルトへの加熱が効率的であるために、用紙が通過せず発熱体によって加熱されない非通紙部の温度が下がり過ぎてしまうことがある。そのため、通紙部と非通紙部の間で、したがって定着部材である耐熱性フィルムの幅方向で温度差がつきすぎてしまう。すると、熱膨張後の耐熱性フィルムのサイズが相対的に通紙部で大きく非通紙部で小さくなり、耐熱性フィルムの円周方向の回転距離が通紙部で長く、非通紙部で短くなってしまう。そうすると通紙部と非通紙部の境界部分でフィルムにねじれ・よじれが発生してしまう。

特許文献２には、フィルムねじれや、小サイズ紙通紙後の大サイズ紙端部加熱不良を防止するため、大サイズ紙用のヒータと小サイズ紙用のヒータを有し、小サイズ紙通紙時での加熱体長手方向の温度分布がほぼ均一、即ち、通紙部と非通紙部での温度差が非常に小さい発熱分布を有するように、小サイズ紙用ヒータには通紙部を加熱する領域に加えて、非通紙部を加熱する領域を具備した定着装置が開示されている。

このように小サイズ紙通紙時に常に非通紙部を加熱することは、省エネの観点からは最適ではない。また対応できる用紙サイズを増やそうとすればするほど、耐熱性フィルムの回転方向に各用紙サイズに対応した複数のヒータを配置する必要がでてきて、耐熱性フィルムの円筒径が限られる中では、対応できる用紙サイズにも限りがある。

従来技術における上記のような問題に鑑み、本発明は、薄肉ベルト加熱方式の定着装置において、ヒータをコンパクトにしたまま対応できる用紙サイズの種類を多くでき、省エネ性能の低下を抑えつつ、薄肉定着ベルトの長手方向に大きな温度がつかないようにすることを課題とする。

上記課題は、未定着画像に接触して回転するベルト状定着部材と、該ベルト状定着部材とで定着ニップ部を形成する押圧部材と、前記ベルト状定着部材を加熱するヒータ部材と、該ヒータ部材へ投入する電力を制御する加熱制御手段とを有する定着装置において、前記ヒータ部材が、用紙搬送方向に直交する方向に複数の加熱領域を有し、これら複数の加熱領域が前記加熱制御手段によって個別に加熱制御されるものであり、前記ベルト状定着部材の記録材が通過しない部分に対応する範囲を含む加熱領域を、所定タイミングで加熱することによって解決される。

本発明によれば、用紙搬送方向に直交する方向に存する複数の加熱領域が加熱制御手段によって個別に加熱制御され、ベルト状定着部材の記録材が通過しない部分に対応する範囲を含む加熱領域を、適切なタイミングで加熱するので、省エネ性能の低下を抑えつつ、用紙搬送方向に直交する方向でベルト状定着部材に大きな温度差がつかず、該ベルト状定着部材にねじれ・よじれが発生することを回避できる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置であるモノクロプリンタの構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る定着装置を示す概略断面図である。 定着ベルトの詳細断面である。 ヒータ部材の詳細断面である。 ヒータ部材の平面図である。 加熱領域Ｈ_３と同じ幅の用紙を連続通紙した際の、長手方向の定着ベルト表面の温度分布を、従来例（図６ａ）と本発明の実施形態（図６ｂ）とで比較して示すグラフである。図６ｂの上の描写は理解を容易にするための図５のヒータ部材である。 通紙部のヒータ部材が膨張することによる定着ベルトの影響を示すベルト長手方向の概念図である。 本発明の実施形態での通紙部／非通紙部の温度制御を示すフロー図である。 本発明の別の実施形態に係る定着装置を示す概略断面図である。 櫛歯状導電部を備えた定着装置における、非通紙部でのヒータ制御を説明する図であり、図１０ａはヒータＯＮ／ＯＦＦ制御による、通紙部／非通紙部のベルト表面温度の経時変化と非通紙部に対応する発熱層への電力投入の経時変化を示しており、図１０ｂは投入電力の大小制御による、通紙部／非通紙部のベルト表面温度の経時変化と非通紙部に対応する発熱層への電力投入の経時変化を示している。 通紙部／非通紙部に対する投入電力の大小制御を示すフロー図である。 通紙する用紙幅が加熱領域Ｈ_３より大きく加熱領域Ｈ_２と加熱領域Ｈ_４各々の途中までかかる大きさである場合を説明する図である。 図１２の構成での投入電力制御を示すフロー図である。 非通紙部に対応する加熱領域の加熱と通紙時に対応する加熱領域の加熱を同時に行わない対応を説明する図である。 図１４の態様での投入電力制御を示すフロー図である。 定着ベルトの表面温度を検知するセンサの数を減らす構成を示す図である。 非通紙部でのヒータＯＮ／ＯＦＦ制御を定着温度より低い設定温度で行う例を説明する図である。 図１７の態様での投入電力制御を示すフロー図である。

図１に、本発明の実施形態に係る画像形成装置の一例としてのモノクロプリンタを示し、これに基づいて説明するが、当然ながら、本発明は、公知のカラー画像形成装置についても同様に適用可能なものである。モノクロプリンタには、既知のように、像担持体としての感光体８の周囲に画像を形成するのに必要な所定の装置、例えば、帯電手段、露光手段、現像手段等が設けられている。即ち、帯電手段としての帯電ローラ１８、露光手段を構成するミラー２０、現像手段としての現像ローラ２２ａを備えた現像装置２２、転写装置１０、クリーニングブレード２４ａを備えたクリーニング装置２４等が配置されている。そして、帯電ローラ１８と現像装置２２の間において、ミラー２０を介して感光体８上の露光部２６に露光光Ｌｂが照射され、走査されるようになっている。また、プリンタの下部には、給紙手段４が配され、画像形成部への用紙搬送路の途中にはレジストローラ対６が、用紙搬送路の終わりには定着ベルト２８とヒータ部材５６と加圧ローラ３０を主構成部材とする定着装置１２が設けられている。

給紙手段４は、記録材としての用紙Ｐが積載状態で収容される給紙トレイ１４や、給紙トレイ１４に収容された用紙Ｐを最上のものから順に１枚ずつ分離して送り出す給紙コロ１６等を有している。給紙コロ１６によって送り出された用紙Ｐはレジストローラ対６で一旦停止される。そして、姿勢ずれを矯正された後、感光体８の回転に同期するタイミングで、即ち、感光体８上に形成されたトナー像の先端と用紙Ｐの搬送方向先端部の所定位置とが一致するタイミングでレジストローラ対６により転写部位Ｎへ送られる。

本プリンタにおける画像形成動作は従来と同様に行われる。即ち、感光体８が回転を始めると、感光体８の表面が帯電ローラ１８により均一に帯電され、画像情報に基づいて露光光Ｌｂが露光部２６に照射、走査されて作成すべき画像に対応した静電潜像が形成される。この静電潜像は感光体８の回転により現像装置２２の対向位置へ移動し、ここでトナーが供給されて可視像化され、トナー像が形成される。感光体８上に形成されたトナー像は、所定のタイミングで転写部位Ｎに進入してきた用紙Ｐ上に転写装置１０の転写バイアス印加により転写される。未定着画像たるトナー像を担持した用紙Ｐは定着装置１２へ向けて搬送され、定着装置１２で定着された後、機外の排紙トレイへ排出・スタックされる。転写部位Ｎで転写されずに感光体８上に残った残留トナーは、感光体８の回転に伴ってクリーニング装置２４に至り、このクリーニング装置２４を通過する間にクリーニングブレード２４ａにより掻き落とされて清掃される。その後、感光体８上の残留電位が既知の除電手段により除去され、次の作像工程に備えられる。

次に、図２に基づき、本発明の実施形態に係る定着装置の構成を説明する。定着装置１２は、可撓性の耐熱性フィルムである無端の定着ベルト（ベルト状定着部材；以下、単に定着ベルトという）２８と、その外周面に当接する押圧部材である加圧ローラ３０と、ヒータ部材５６とを有する。ヒータ部材５６は、加圧ローラ３０とで定着ニップ部ＳＮを形成するニップ形成部材の機能を果たしており、加熱パッドとも称される。ヒータ部材５６、及びこれを保持するヒータホルダ５７は装置側板に接続されたステー（支持部材）に支持され、加圧ローラ３０により圧力を受けるこれらの部材の撓みが防止され、長手方向で均一なニップ幅が得られるようになっている。ヒータホルダ５７によって、ヒータ部材５６は、その裏面側から保持されている。ヒータホルダ５７への熱伝導ができる限り少なくなるよう、ヒータホルダ５７はヒータ部材５６の裏面全面に接触せず、部分接触にとどまるように形作られており、ＬＣＰ等の耐熱性樹脂であって熱伝導率の低い材料が用いられている。ヒータ部材５６と定着ベルト２８の内周面との間に、低摩擦シートを介在させていてもよい。

また、定着ニップ部ＳＮ下流側であってヒータ部材５６の上流側に、定着ベルト２８の表面温度を検知する第１サーミスタ３４が設けられ、ヒータ部材５６自体の温度を検知する第２サーミスタ３６がヒータホルダ５７に設けられている。これらサーミスタの検知情報に基づいて、ヒータ部材５６に電力を供給する電源４０を制御する加熱制御手段４２が備えられている。加熱制御手段４２は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏインターフェース等を包含するマイクロコンピュータを意味し、ＯＮ／ＯＦＦ制御やＰＩＶ制御等で定着ベルト２８の表面温度が所定値になるように電力供給量が決められる。

定着ベルト２８は、図３から分かるように、基材２８ａの上に弾性層２８ｂ、離型層２８ｃを積層して構成されている。基材に求められる特性として、機械的強度、柔軟性、定着温度における使用に耐え得る耐熱性等が挙げられ、本例では外径３０ｍｍ、厚み１０〜７０μｍのニッケル製である。ベルト基材はニッケルに限られず、ＳＵＳ等、他の金属やポリイミド（ＰＩ）、ＰＡＩ、ＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＰＳ、フッ素樹脂等の耐熱樹脂材料で形成されていてもよい。弾性層２８ｂはシリコーンゴムで形成され、厚み５０〜１５０μｍである。耐久性を高めて離型性を確保する離型層２８ｃは、ＰＦＡやＰＴＦＥ等、フッ素系樹脂で形成され、５〜５０μｍ厚で設けられている。ベルト基体はニッケルに限られず、ＳＵＳ等やポリイミド（ＰＩ）等の耐熱樹脂材料で形成されていてもよい。弾性層は光沢ムラのない均一な画像を得るために、ベルト表面に柔軟性を与える目的で備えられ、ゴム硬度５〜５０°(JIS-A)、厚み５０〜１５０μｍである。また定着温度における耐熱性から、材質としてはシリコーンゴムやフロロシリコーンゴム等が用いられる。耐久性を高めて離型性を確保する離型層は、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＰＥＰ等のフッ素系樹脂若しくはこれら樹脂の混合物で形成され、５〜５０μｍ厚、好ましくは１０〜３０μｍ厚で設けられ、離型性と柔軟性を両立させている。必要に応じて、各層間にプライマー層を設けてもよく、また基材の内面に摺動時の耐久性を向上させる層を設けてもよい。

加圧ローラ３０は、外径が３０〜４０ｍｍ程度であり、金属円筒の芯金３０ａと、この芯金３０ａの表面に形成された断熱性の高い弾性層３０ｂと、その表面に形成された離型層３０ｃとを有している。弾性層３０ｂはシリコーンゴムで形成され、その厚みは０．３〜５ｍｍ程度、硬度２０〜５０°（Ａｓｋｅｒ硬度）程度で構成されている。内部に気泡を有するスポンジ状のゴムでもよく、耐熱性が高いため、ウォームアップ時間（設定温度に到達するまでの時間）や消費電力量に対して有利である。離型層３０ｃは、厚みが１０〜１００μｍ程度のフッ素樹脂（ＰＦＡ又はＰＴＦＥ）で形成されている。加圧ローラ３０は既知のように、付勢手段によって定着ベルト２８を介してヒータ部材５６に圧接されている。加圧ローラ３０は、画像形成装置に設けられたモータ等の駆動源からギヤを介して駆動力が伝達され、回転する。この加圧ローラ３０により定着ベルト２８が連れ回り回転する。

ヒータ部材５６は、定着ベルト２８の軸方向に延びる長尺状の基材の表面に抵抗発熱体を形成させた板状の発熱体であり、定着ニップ部の側の基材表面に設けられた抵抗発熱体はサーマルヘッドやセラミックヒータ等である。抵抗発熱体を定着ニップ部の側に設けることで定着ニップ部への伝熱効率を高くできる。接触式の抵抗発熱体を用いることで、ニップ部の加圧機構と同時に加熱機構を備えることとなり、簡便な構成にすることができる。また非接触式（例えば輻射加熱）に比べて電力を熱に変換し定着ベルトに伝える効率が高く、ウォームアップ時間や消費電力量の観点でも有利である。ヒータ部材５６の定着ベルト２８との摺擦面に保護層を設けて、両部材の摩擦による耐久性を向上させていてもよい。

ヒータ部材５６は、図４に示すように、例えばガラス等の低熱伝導率の基材５６ｂの上に酸化ルテニウム系の抵抗発熱体５６ａを印刷して焼成し、その上にオーバーコート（ＯＣ）層５６ｃを更に形成する構成である。定着ベルト２８側に位置するＯＣ層５６ｃもガラス等で形成されているが、基材５６ｂより薄く、基材側への伝熱よりもＯＣ層側へ伝熱し易いため、定着ベルト２８の加熱効率が向上する。なお基材等はセラミック等で形成することもできる。金属のような高熱伝導率材料を基材に用いるよりも、抵抗発熱体から基材への伝熱によるロスが小さくニップ部への伝熱効率が高くなり、より少ない電力量で定着ベルト２８を加熱できる。また、ガラスやセラミックは熱的に安定であり、加熱した際に定着ニップ部に圧力を加えても疲労破壊し難い。特にガラスは加工が容易であるため、ガラスの加工によりニップ出口側を高面圧にする構成を低コストで実現することも可能である。

定着ベルト２８の軸方向に延びるヒータ部材５６は、図５に示すように、その長手方向、したがって用紙搬送方向と直交する方向に、長尺状の抵抗発熱体５６ａを延在させており、これに共通配線Ｗ_ｃｏｍと個別配線Ｗ_１〜Ｗ_５とが接続されている。第１の通電電極を構成する共通配線Ｗ_ｃｏｍと、第２の通電電極を構成する個別配線Ｗ_１〜Ｗ_５とは、抵抗発熱体５６ａに対して櫛歯状の導電部を形成しており、その結果、抵抗発熱体５６ａは複数の加熱領域（Ｈ_１〜Ｈ_５）を有することになる。端部の加熱領域Ｈ_１、Ｈ_５は、最大通紙サイズの両端部をカバーするように対応して配設されている。そして各加熱領域は、個別配線Ｗ_１〜Ｗ_５をＯＮ／ＯＦＦすることで、個別に独立して加熱制御可能であり、用紙サイズや画像に応じて適切に加熱を行い、消費電力量を改善することができる。そのため、定着ベルト２８の表面温度を検知する第１サーミスタ３４、ヒータ部材５６の温度を検知する第２サーミスタ３６は、各加熱領域に対応して配置される。各検知情報に基づいて、加熱制御手段４２によって各加熱領域が温度制御され、ヒータ部材の加熱割合を変化させる。各加熱領域の加熱制御は加熱制御手段４２がコントロールする。加熱制御手段４２により、非通紙部に対応する加熱領域の抵抗発熱体を適切なタイミングで点灯（ヒータオン）させて、通紙部と非通紙部の温度差を低減させる。これについては後に詳しく説明する。

各加熱領域に櫛歯状の導電部が配されることによって、各加熱領域は複数の発熱部を有することとなり、例えば加熱領域Ｈ_３では櫛歯状電極によって１０個の発熱部が形成され、該領域Ｈ_３を加熱する。各加熱領域を共通配線で接続すると共に櫛歯状導電部で区分けすることで、同じ長さのヒータ部材５６の各加熱領域、各発熱部を狭くすることができ、加熱時の温度ムラを抑制できる。特にヒータ部材長手方向端部の加熱領域Ｈ_１、Ｈ_５では、他の加熱領域Ｈ_２〜Ｈ_４よりも櫛歯状電極の間隔が狭いことで区分けされた発熱部も狭くなっており、長手方向での単位長さ当たりの発熱量が高くなっている。本構成では、各加熱領域の加熱制御を個別に行うが、長手方向中心から左右対称な位置にある加熱領域（Ｈ_１とＨ_５、Ｈ_２とＨ_４）が同時にＯＮ／ＯＦＦ可能なように構成することもでき、これにより加熱制御に必要なスイッチ素子の数を低減することができる。

図５の構成例では加熱領域を５つに分けているが、より多く、例えば９分割して、未定着画像を形成するトナーを一層局所的に加熱して、基材側への伝熱ロスを減らすこともできるし、逆に３分割等、少なくすることも可能である。加熱領域を分割させたことと、熱伝導率の低いガラス等を基材として用いることとで、定着ベルトを効率よく加熱することができる。

上記の構成例では、ヒータ部材の抵抗発熱体の形状を工夫することで単位長さ当たりの発熱密度を調整し、端部の温度低下を防止することが可能である。特に端部の発熱体だけでは端部からの熱逃げに対応できない問題にも複数の発熱部によって任意長さの端部領域の発熱密度を上げることができ、必要な発熱量が確保可能である。上記の構成例ではヒータ部材が櫛歯状の導電部を有しており、単位長さの当たりの発熱量が高い発熱部は、発熱量が低い発熱部よりも前記櫛歯の間隔が狭く形成されている。間隔が狭く抵抗が小さいため、同じ電源電圧が印加されると電流がより多く流れ、発熱量が増える。ちなみに、この図では端部の加熱領域で発熱密度を揃えている。

以上のような構成において、加熱制御手段４２により非通紙部の抵抗発熱体加熱領域を適切なタイミングで点灯させて、非通紙部での温度が下がり過ぎる事態を回避することについて、説明する。図６に、加熱領域Ｈ_３と同じ幅の用紙を連続通紙した際の、長手方向の定着ベルト表面の温度分布について、従来例と本実施形態を比較して示す。定着ベルト表面の設定温度を１７０℃に制御して加熱した。図６ａは非通紙部を加熱しない従来構成での温度分布である。即ち、通紙中は通紙部に対応する加熱領域のみをヒータＯＮし、非通紙部に対応する加熱領域はヒータＯＦＦする。そのため非通紙部の温度は通紙部から離れるほど急激に低くなる。ヒータ部材の発熱層として抵抗発熱体、あるいはサーマルヘッドを用いる場合、ヒータ部材の発熱層は、加熱状態で、定着ベルト２８に比べて非常に高温になり、通紙部に対応するヒータ部材の熱膨張も生じる。すると、定着ベルト自体が通紙部と非通紙部とで温度による径の差が生じるだけでなく、図７に示すように、定着ベルト２８は加熱領域Ｈ_３に対応する範囲で熱膨張したヒータ部材によって内側から押される。この状態で定着ベルトが回転すると図の点線部でベルトのねじれ・よじれが発生し、ベルトの壊れが発生する虞がある。ちなみに、非通紙部に対応する発熱層を加熱せず、通紙部に対応する発熱層を加熱したままにすると、定着ニップ部でのベルト内周面の非通紙部と通紙部の温度差が瞬間的には２００℃程度になる状況も発生する。

これに対し、図６ｂは本実施形態での非通紙部に対応するヒータＯＮ／ＯＦＦタイミング制御による温度分布を示す。本実施形態では、連続通紙時に、非通紙部に対応する加熱領域の発熱部の加熱を４秒ＯＦＦにし、１秒ＯＮにする動作を繰り返す。例えば、１分間の通紙枚数（ベルト表面を通過する記録材の枚数）を６０枚とすると、４枚通紙している間は非通紙部に対応する加熱領域の加熱をＯＦＦにし、その後１枚の間だけ非通紙部に対応する加熱領域の加熱をＯＮする。このように、定着ニップ部を通過する用紙の枚数に応じて、非通紙部に対応する加熱領域をＯＮ／ＯＦＦ制御することで、非通紙部の発熱量を制御する。図６ｂのような温度分布であれば、非通紙部と通紙部の温度差が小さいので、熱膨張量の差も小さく、ベルトのねじれ・よじれは発生しない。なお、このようなヒータＯＮ／ＯＦＦタイミング制御による非通紙部での経時的温度変化を、図１０ａに示す（ジグザグ線）。

また本実施形態では、ヒータ部材５６の基材５６ｂをガラスで形成し、抵抗発熱体５６ａの熱を定着ベルト２の方向以外に伝わり難くしているが、ガラスは局所的な温度差が大きくなると熱衝撃により壊れてしまうという課題がある。仮に、非通紙部の抵抗発熱体を通紙中ずっと加熱しないでいると、本実施形態のように１つの抵抗発熱体に対して櫛歯状電極を付設する構成では、通紙部との間で基材であるガラスに割れが発生する虞がある。しかしながら、所定タイミングで適切に非通紙部に対応する加熱領域をＯＮ／ＯＦＦ制御することで、図６ｂのような長手方向の温度分布を実現して、ガラスの壊れを防止することもできる。

本実施形態でのヒータ加熱の制御フローを図８に示す。印刷指令があると、定着装置は装置の立ち上げ、復帰のいずれであっても、定着ベルトを回転させながら、その長手方向全域を設定温度まで昇温させる（Ｓ１）。全域を設定温度に昇温させた後、通紙を開始し（Ｓ２）、各加熱領域を個別に温度制御する（Ｓ３）。用紙サイズに応じて、したがって加熱領域毎に通紙領域が含まれるか否かが判断され（Ｓ４）、通紙部に相当すれば設定温度を維持するように加熱制御され（Ｓ５）、非通紙部に相当すれば４秒ＯＦＦ、１秒ＯＮの加熱ＯＮ／ＯＦＦ制御を行う（Ｓ６）。

図９に本発明の別の実施形態（第２実施形態）に係る定着装置を示す。これは、上記第１の実施形態に対して加熱パッドの構成が異なっている。即ち、ヒータ部材５６の定着ベルト側表面に、定着ベルト２８の軸方向（長手方向）の均熱化のための伝熱部材５０が設けられ、ヒータ部材５６と伝熱部材５０とで加熱パッドを構成する。伝熱部材５０は、銅やアルミ等の高熱伝導材料から形成される。ヒータ部材５６と伝熱部材５０は、熱伝導グリスや熱伝導シート等を用いて密着性を向上させてもよい。密着性の向上によって、ヒータ部材の裏面側（定着ベルトと反対側）よりも表面側への伝熱性が高まり、ベルト加熱を確実にするとともに、ヒータ長手方向の伝熱性を向上させ均熱性を確保できる。またヒータ部材５６の抵抗発熱体５６ａと伝熱部材５０は絶縁層を介在させていて、抵抗発熱体５６ａに投入される電力で伝熱部材５０に電流が流れないようになっている。

定着装置を構成する他の構成部材は第１実施形態と共通するので、同じ構成部材に同じ参照番号を付すだけにとどめ、詳細な説明は省略する。第１実施形態では、連続通紙時に非通紙部に対応する抵抗発熱体５６ａの加熱を４秒ＯＦＦ、１秒ＯＮにする動作を繰り返したが、本実施形態では伝熱部材５０により長手方向の伝熱性が向上しており、通紙部と非通紙部の温度差が小さくなり易くなっている。そのため、例えば連続通紙時に非通紙部に対応する抵抗発熱体５６ａの加熱を８秒ＯＦＦ、１秒ＯＮにする動作を繰り返せば、定着ベルトのねじれ・よじれが発生しない。このように構成することで、非通紙部に対応する加熱領域の加熱時間を減らすことができ、より省エネな定着装置を提供することができる。

櫛歯状導電部を備えた第１実施形態に係る定着装置における、非通紙部でのヒータ制御を改めて説明する。第１実施形態に係る定着装置において、非通紙部に対応する抵抗発熱体５６ａに対してＯＮ／ＯＦＦタイミング制御により電力供給が行われる。このような制御では、加熱領域Ｈ_３に対応する幅サイズの用紙を連続通紙する際、非通紙部（加熱領域Ｈ_３以外）に対応する抵抗発熱体５６ａへ一定間隔をおいて電力供給され、図１０ａのジグザグ線で示すように、非通紙部の定着ベルト２８の表面温度が変化する。この場合、非通紙部に対応する抵抗発熱体５６ａに投入される電力は、該抵抗発熱体の加熱領域が通紙部になったときに投入される電力と同じ量である。非通紙部の定着ベルト２８は抵抗発熱体がＯＦＦで加熱されないため、温度が急激に下がり、抵抗発熱体がＯＮで加熱されると急激に温度上昇する。通紙部では定着ベルト２８の表面温度が定着温度に維持されるよう（直線）、通紙部に対応する抵抗発熱体５６ａに電力供給されるのに対して、非通紙部の範囲の温度は大きく波打ちながら通紙部と温度差が広がり過ぎないように制御されている。

薄膜の定着ベルトは熱容量が極めて小さく、立ち上げ動作或いは復帰動作で設定温度に昇温された後、通紙部は通紙の際の用紙による奪熱に対応させた加温が行われるが、非通紙部は簡単に温度が低下する。そのため、通紙部との温度差を抑えるために、非通紙部に対して例えば±３℃以内に保つような細かい温度制御をすると、ヒータのスイッチング（ＯＮ／ＯＦＦ）の回数が非常に多くなり、スイッチ素子の寿命が短くなってしまう。第１実施形態に係る定着装置では、４秒ＯＦＦして１秒加熱する制御を行うことで、スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ回数を減らすとともに、通紙部と非通紙部の定着ベルトの温度差を大きくしないようになっており、有用である。しかしながら、ＯＮ／ＯＦＦ制御であるため、連続通紙中に定着ベルトの非通紙部で温度が上下することは避けられない。そこで、非通紙部での別のヒータ制御も考えられる。つまり、第２のヒータ制御としては、抵抗発熱体５６ａへの投入電力を、抵抗発熱体５６ａによって加熱される領域に用紙が通るときの第一の電力量と、用紙が通らないときの第二の電力量に分ける（投入電力大小制御）。例えば、第一の電力量を、抵抗発熱体５６ａの長手方向１ｍｍ当たり３Ｗ（３Ｗ／ｍｍ）とし、第二の電力量を、抵抗発熱体５６ａの長手方向１ｍｍ当たり０．６Ｗ（０.６Ｗ／ｍｍ）とする。この例示的な０．６Ｗ／ｍｍは、非通紙時の定着ベルトに相対する加熱領域を加熱したときに定着ベルトが所望の温度で安定する電力量として選定されている。本例では、通紙部の温度１７０℃（定着温度）に対して、非通紙部が１３０℃で安定する電力量を選んでいる。一方、３Ｗ／ｍｍは、定着ベルトから用紙による奪熱等と熱バランスがとれる抵抗発熱体５６ａへの電力投入量として選定されている。

通紙部に対応する加熱領域Ｈ_３を加熱する抵抗発熱体５６ａには、（３Ｗ／ｍｍ×加熱領域Ｈ_３の長手方向長さ）の電力量を投入され、加熱領域Ｈ_３以外の抵抗発熱体５６ａは０．６Ｗ／ｍｍの電力で相対するベルト領域を加熱して、図１０ｂのようなグラフとなる。加熱領域Ｈ_３以外の領域が通紙状態になった場合には、その通紙状態に相対する抵抗発熱体５６ａの電力量を３Ｗ／ｍｍとする。

このように電力量を通紙時と非通紙時に分けることにより、図１０ｂに示すように、非通紙部の温度のリップルを小さくし、通紙部と非通紙部の温度差を最適な差で維持することができ、非通紙部に無駄な電力を投入しなくてすむようになる。

図１０ｂに示すような投入電力の大小制御のフローを図１１に示す。印刷指令があると、定着装置は装置の立ち上げ、復帰のいずれであっても、定着ベルトを回転させながら、その長手方向全域を設定温度まで昇温させる（Ｓ１）。全域を設定温度に昇温させた後、通紙を開始し（Ｓ２）、各加熱領域を個別に温度制御する（Ｓ３）。加熱領域毎に通紙領域が含まれるか否かが判断され（Ｓ４）、通紙部に相当すれば、その抵抗発熱体の発熱量が３Ｗ／ｍｍに設定され（Ｓ５）、設定温度を維持するように加熱制御される（Ｓ６）。非通紙部に相当すれば、その抵抗発熱体の発熱量が０．６Ｗ／ｍｍに設定され（Ｓ７）、加熱制御される（Ｓ８）。Ｓ８での加熱制御は、通紙部での設定温度よりも低い所定温度を維持するように行われてもよい。

抵抗発熱体への投入電力の大小制御は、加熱領域に用紙が通るか通らないかで電力量を変える例として説明したが、第１実施形態に係る定着装置の分割された加熱領域よりも多種多様な用紙が用いられるので、更なる電力量制御も考えられる。即ち、或る加熱領域においては、その加熱領域にかかる用紙の割合に応じて電力量を制御するのである。

図１２に示すように、通紙する用紙幅が加熱領域Ｈ_３より大きく加熱領域Ｈ_２と加熱領域Ｈ_４各々の途中までかかる大きさである場合を想定する。この場合、加熱領域Ｈ_２の抵抗発熱体５６ａの電力は、加熱領域Ｈ_２の長手方向の幅ＨＷ２と加熱領域Ｈ_２内の用紙の占める幅ＰＷ２と通紙時の加熱電力Ｐ１、非通紙時の加熱電力Ｐ２を用いて、例えば、式１のように該領域の投入電力を制御する。ここで、Ｐ１は３Ｗ／ｍｍ、Ｐ２は０．６Ｗ／ｍｍとする。

加熱領域Ｈ_２内の用紙が占める幅ＰＷ２が大きくなるにしたがって、加熱領域Ｈ_２の抵抗発熱体５６ａの投入電力が大きくなる。加熱領域Ｈ_４に対して、加熱領域Ｈ_２と同様の制御が行われる。これにより、加熱領域Ｈ_２、Ｈ_４の抵抗発熱体５６ａに適切な電力が投入でき、用紙端部への熱量不足で定着不良が起きたり、用紙の非通紙部で過昇温が発生したりする事態の両方を防止することができる。

図１２に示すような投入電力の大小制御のフローを図１３に示す。印刷指令があると、定着装置は装置の立ち上げ、復帰のいずれであっても、定着ベルトを回転させながら、その長手方向全域を設定温度まで昇温させる（Ｓ１）。全域を設定温度に昇温させた後、通紙を開始し（Ｓ２）、各加熱領域を個別に温度制御する（Ｓ３）。加熱領域毎にその全てが通紙領域であるか否かが判断され（Ｓ４）、通紙部に相当すれば、その抵抗発熱体の発熱量が３Ｗ／ｍｍに設定され（Ｓ５）、設定温度を維持するように加熱制御される（Ｓ６）。加熱領域全体が通紙領域でなければ、その加熱領域が全て非通紙領域であるか否かが判断され（Ｓ７）、非通紙部に相当すれば、その抵抗発熱体の発熱量が０．６Ｗ／ｍｍに設定され（Ｓ８）、加熱制御される（Ｓ９）。加熱領域全体が通紙部でも非通紙部でもなければ、即ち、該加熱領域の一部に用紙がかかる状態であれば、言い換えれば、該加熱領域の一部の範囲が通紙部に対応するならば、式１で発熱量を算出し設定し（Ｓ１０）、加熱制御される（Ｓ１１）。Ｓ９やＳ１１での加熱制御は、通紙部での設定温度よりも低い所定温度を維持するように行われてもよい。

図１４に示すように、非通紙部に対応する加熱領域の加熱と通紙時に対応する加熱領域の加熱を同時に行わないようにしてもよい。そうすることで、小サイズ紙の通紙時最大電力を小さくすることができる。例えば、１分間の通紙枚数を６０枚とし、用紙１枚が定着ニップ部を通っている時間を０．９秒、次の新しい用紙がニップに来るまでの時間を０．１秒と想定する。図１４に示す態様では、用紙が定着ニップ部に存在するときに通紙部に対応する加熱領域Ｈ_３を加熱し、非通紙部に対応する加熱領域（Ｈ_３以外）は加熱しない。また、用紙が定着ニップ部に存在しないとき、即ち、次の用紙が来るまでの紙間の時間は、通紙部に対応する加熱領域Ｈ_３を加熱しないで、非通紙部に対応する領域を加熱する。こうすることで、通紙時に通紙部と非通紙部の抵抗発熱体５６ａに同時に電力が供給されることがなくなり、小サイズ紙の通紙時最大電力を小さくすることができる。

図１４に示すような投入電力制御のフローを図１５に示す。印刷指令があると、定着装置は装置の立ち上げ、復帰のいずれであっても、定着ベルトを回転させながら、その長手方向全域を設定温度まで昇温させる（Ｓ１）。全域を設定温度に昇温させた後、通紙を開始し（Ｓ２）、各加熱領域を個別に温度制御する（Ｓ３）。次いで、加熱領域毎に通紙領域が含まれるか否かが判断され（Ｓ４）、通紙部、非通紙部にかかわらず、次いで、用紙が定着ニップ部を通過中か否かが判断され（Ｓ５、Ｓ９）、それに応じてヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御が行われる。通紙部に相当する場合、用紙が定着ニップ部を通過中であれば、設定温度を維持するように加熱制御され（Ｓ６）、紙間であればヒータＯＦＦして（Ｓ７）、しかる後、印刷終了か否かが判断される（Ｓ８）。非通紙部に相当する場合、用紙が定着ニップ部を通過中であれば、ヒータＯＦＦして（Ｓ１０）、紙間であれば設定温度を維持するように加熱制御され（Ｓ１１）、しかる後、印刷終了か否かが判断され（Ｓ１２）、印刷終了に至る。

既述のように、ヒータ部材５６は各加熱領域で個別制御され、そのため、定着ベルト２８の表面温度を検知する第１サーミスタや、ヒータ部材５６の温度を検知する第２サーミスタ３６は、各加熱領域に対応して配置されている。そうすることで、より詳細に長手方向の抵抗発熱体５６ａの加熱を制御することができ、不必要な加熱を削減することができる。しかしながら、一般的なユーザであれば、例えばＡ４サイズの用紙を用いることが多く、仮にＡ４サイズが加熱領域Ｈ_３に対応するならば、加熱領域Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_４、Ｈ_５は多くの画像形成において、非通紙部に対応する。そうであれば、これら４つの加熱領域Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_４、Ｈ_５それぞれに対応させて定着ベルト２８の表面温度を検知する必要はない。そこで、温度センサであるサーミスタの数を減らす構成が想定される。図１６に、そのための構成を示す。

中央サーミスタ３４Ｃが定着ベルト２８の長手方向中央、加熱領域Ｈ_３に対応する範囲に取り付けられているのに対して、端部サーミスタ３４Ｅが加熱領域Ｈ_１と加熱領域Ｈ_２の境界に対応する位置に取り付けられている。サーミスタを領域境界に対応する位置に設置することで、２つの加熱領域の温度変化を１つのセンサで検知することができ、センサの数を減らしてコストを下げることができる。

非通紙部に関する温度制御に関しては、既に、ヒータＯＮ／ＯＦＦ制御と投入電力の大小制御があることを説明したが、ヒータＯＮ／ＯＦＦ制御について、更に変形例を図１７により説明する。通紙部のベルト表面の温度は所定の温度Ａ（例えば１７０℃）を維持するように制御される。具体的には、通紙部に設置されたサーミスタの検知温度が所定の温度Ａを維持するように、通紙部に対応する加熱領域（発熱部）への投入電力が制御される。これに対して、非通紙部では、設置されたサーミスタの検知温度が設定最低温度Ｃ（例えば１３０℃）になると、非通紙部に対応する加熱領域へ電力が投入され、設定最大温度Ｂ（例えば１５０℃）に昇温すると電力投入が止められる。このような制御により、スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ回数を減らすとともに通紙部と非通紙部の定着ベルト２８の温度差を大きくしないことができる。

図１７に示すような投入電力制御のフローを図１８に示す。印刷指令があると、定着装置は装置の立ち上げ、復帰のいずれであっても、定着ベルトを回転させながら、その長手方向全域を設定温度まで昇温させる（Ｓ１）。全域を設定温度に昇温させた後、通紙を開始し（Ｓ２）、各加熱領域を個別に温度制御する（Ｓ３）。次いで、加熱領域毎に通紙領域が含まれるか否かが判断され（Ｓ４）、通紙部に相当すれば、設定温度を維持するように加熱制御され（Ｓ５）、印刷終了が判断され（Ｓ６）、印刷終了に至る。非通紙部に相当すれば、端部の温度センサの検知温度が設定最大温度か否か判断され（Ｓ７）、設定最大温度以上であれば、電力投入がＯＦＦされたままである。設定最大温度を下回ると、設定最低温度か否か判断され（Ｓ８）、設定最低温度以上であるうちは電力投入がＯＦＦされたままである。設定最低温度を下回ると非通紙部に対応する加熱領域が電力投入される（Ｓ９）。非通紙部では、このようなヒータ制御が行われ、印刷終了が判断され（Ｓ１０）、印刷終了に至る。

また実際の使用環境においては連続通紙を続けるほど定着装置が蓄熱していくので、連続通紙が続くと非通紙部は温まり易くなり、非通紙部のベルト範囲を温めるのに必要な電力が小さくなる。非通紙部に当たるベルト端部の温度を直接検知して、非通紙部に対応する加熱領域への電力を制御することで、連続通紙による装置の蓄熱で必要電力が少なくなった場合に電力量を好適に制御することができる。

なお上記の各実施形態における各加熱領域への電力制御、即ち、投入電力量やヒータＯＮ時間については、用紙の坪量や用紙のトナー付着量に応じて変更することが考えられる。坪量が大きい用紙は通紙時に必要な電力が大きいため、例えば図１２のように或る加熱領域で用紙が占める割合により電力量を変える制御の場合、坪量の大きい厚紙を通紙する場合は、普通紙の場合よりも、用紙割合が増えた時に増やす電力量を坪量に応じて増やす。これにより、用紙端部の定着不良を確実に減らすことができる。また、用紙に大きな画像が載っている場合や、ベタ画像が多い場合、用紙上のトナー付着量が多いため、通紙時に必要な電力が大きい。例えば図１２のように或る加熱領域で用紙が占める割合により電力量を変える制御の場合、トナー付着量が大きい用紙は、平均的なトナー付着量の用紙よりも用紙割合が増えたときに増やす電力量を増やす。このようにすることで、用紙端部の定着不良を確実に減らすことができる。

また、非通紙部に対応する加熱領域に対する電力制御、即ち、投入電力量やヒータＯＮ時間については、定着装置の周辺の雰囲気温度に応じて変化させてもよい。例えば冬季の寒冷地では雰囲気温度が零度以下になることも珍しくない。そのような環境下では非通紙部は非常に冷め易い。したがって最初の実施形態の場合、常温では連続通紙時に非通紙部に対する加熱領域を４秒ヒータＯＦＦ、１秒ＯＮの繰り返しであるのに対し、室温１０℃以下のときは、それを２秒ヒータＯＦＦ、１秒ＯＮにする動作にする等、ＯＮ／ＯＦＦタイミングを変更する。このように、ＯＮ時間を増やすことで非通紙部と通紙部の温度差を小さくすることができる。逆に室温が３０℃以上のような高温のときは、非通紙部の温度は下がり難いので、必要以上の加熱を防止するために投入電力量を小さくしたり、ＯＮ時間を短くする。このように定着装置の周辺の雰囲気温度を検知して非通紙部対応の加熱領域への電力制御を変化させることで、必要最低限の電力で、通紙部と非通紙部の温度差を無くすことができる。

以上のように、加熱領域の温度制御に関して、ＯＮ／ＯＦＦ制御と投入電力量の大小制御を説明したが、これらの制御を併用することも当然ながら考慮され、実施される。

２８ 定着ベルト
３０ 加圧ローラ
４２ 温度制御手段
５０ 伝熱部材
５６ ヒータ部材
５６ａ 抵抗発熱体
５６ｂ 基材
５６ｃ オーバーコート層
５７ ヒータホルダ

特開平６−９５５４０号公報 特開２０００−１６２９０７号公報

Claims (13)

1. 未定着画像に接触して回転するベルト状定着部材と、該ベルト状定着部材とで定着ニップ部を形成する押圧部材と、前記ベルト状定着部材を加熱するヒータ部材と、該ヒータ部材へ投入する電力を制御する加熱制御手段とを有する定着装置であって、前記ヒータ部材が、用紙搬送方向に直交する方向に複数の加熱領域を有し、これら複数の加熱領域が前記加熱制御手段によって個別に加熱制御されるものであり、前記ベルト状定着部材の記録材が通過しない部分に対応する範囲を含む加熱領域を、所定タイミングで加熱する、定着装置。
2. 未定着画像に接触して回転するベルト状定着部材と、該ベルト状定着部材とで定着ニップ部を形成する押圧部材と、前記ベルト状定着部材を加熱するヒータ部材と、該ヒータ部材へ投入する電力を制御する加熱制御手段とを有する定着装置であって、前記ヒータ部材が、用紙搬送方向に直交する方向に複数の加熱領域を有し、これら複数の加熱領域が前記加熱制御手段によって個別に加熱制御されるものであり、前記加熱制御手段は、前記ベルト状定着部材の表面を記録材が通過するときと通過しないときとで、その表面に対応する範囲を含む加熱領域へ投入する電力量を変更する、定着装置。
3. 前記ヒータ部材が、用紙搬送方向に直交する方向に延びる長尺状のガラス製の基材と、該基材のベルト状定着部材側に配された抵抗発熱体とから形成される、請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記抵抗発熱体に接続する第１の通電電極と第２の通電電極を備える配線とを有し、前記抵抗発熱体が、それぞれ長手方向に延びる複数の加熱領域を有し、前記第１の通電電極は前記複数の加熱領域に対する共通配線から構成され、前記第２の通電電極は各加熱領域に対する個別配線から構成され、前記第１と第２の通電電極によって前記抵抗発熱体に対する櫛歯状の導電部を配することで、前記複数の加熱領域それぞれを構成する複数の発熱部が形成される、請求項３に記載の定着装置。
5. 前記ベルト状定着部材の長手方向の均熱化のための伝熱部材が前記ヒータ部材に接して配されている、請求項３又は４に記載の定着装置。
6. 一つの加熱領域の中に、前記ベルト状定着部材の記録材が通過しない部分に対応する範囲と、前記ベルト状定着部材の記録材が通過する部分に対応する範囲とがあるとき、その割合に応じて、その一つの加熱領域を加熱する電力量を制御する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の定着装置。
7. 定着ニップ部に記録材がないときに、前記ベルト状定着部材の記録材が通過しない部分に対応する範囲を含む加熱領域を加熱し、それ以外の加熱領域を加熱しない、請求項１〜６のいずれか一項に記載の定着装置。
8. 記録材が通過しない部分のベルト状定着部材の温度が所定の温度以下になったときに、前記ベルト状定着部材の記録材が通過しない部分に対応する範囲を含む加熱領域の温度制御を定着温度より低い設定温度で行う、請求項１〜７のいずれか一項に記載の定着装置。
9. 前記ベルト状定着部材の表面を通過する記録材の枚数に応じて、前記ベルト状定着部材の記録材が通過しない部分に対応する範囲を含む加熱領域を加熱する電力量を制御する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の定着装置。
10. 記録材の坪量に応じて、前記ベルト状定着部材の記録材が通過しない部分に対応する範囲を含む加熱領域を加熱する電力量を制御する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の定着装置。
11. 記録材のトナー付着量に応じて、前記ベルト状定着部材の記録材が通過しない部分に対応する範囲を含む加熱領域を加熱する電力量を制御する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の定着装置。
12. 周辺の雰囲気温度に応じて、前記ベルト状定着部材の記録材が通過しない部分に対応する範囲を含む加熱領域を加熱する電力量を制御する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の定着装置。
13. 請求項１〜１２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。

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