JP2019008017A

JP2019008017A - 定着装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP2019008017A
Application number: JP2017121180A
Authority: JP
Inventors: 利充武内; Toshimitsu Takeuchi
Original assignee: Kyocera Document Solutions Inc
Current assignee: Kyocera Document Solutions Inc
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2019-01-17
Also published as: US20180373188A1; CN109100925A; CN109100925B; US10234801B2

Abstract

【課題】不要に電力を消費することなく定着部材の温度を均一化できる定着装置及び画像形成装置を提供する。【解決手段】定着装置９は、定着部材３１と加圧部材３３との間に形成される加圧領域Ｎに用紙を通紙してトナー像を用紙に定着する。定着装置９は、通紙方向と直交する用紙の幅方向における前記定着部材３１の中央部Ｒ１を加熱する中央加熱部４１と、該中央加熱部４１よりも発熱量が低く前記幅方向における両端部Ｒ２を加熱する端部加熱部４３と、を有する加熱源３５と、前記定着部材３１の端部Ｒ２の温度を計測する計測手段４９と、前記計測手段４９で計測された前記定着部材３１の端部Ｒ２の温度に基づいて、前記定着部材３１の中央部Ｒ１と両端部Ｒ２とが一定の温度に昇温されるように、前記中央加熱部４１と前記端部加熱部４３の動作タイミングを決定する制御部と、を備えている。【選択図】図４

Description

本発明は、トナー像を用紙に定着する定着装置及び定着装置を備えている画像形成装置に関する。

複写機やプリンター等の電子写真方式の画像形成装置は、用紙に転写されたトナー像を用紙に定着する定着装置を備えている。定着装置は、加熱される定着部材と加圧部材との間に形成される加圧領域に用紙を通紙させることで、トナー像が加熱及び加圧されて用紙に定着される。

定着部材は、アルミニウムや鉄製の薄肉管と、薄肉管の外周面に設けられるＰＦＡやＰＴＦＥのコーティング層と、を有している。コーティング層を設けることで、定着部材へのトナーの付着や定着部材の帯電が防止される。また、定着部材は、用紙にしわが発生しないように、通紙方向と直交する用紙の幅方向の中央部の径が両端部の径よりも小さい逆クラウン形状を有している。定着装置には、さらに、定着部材に一定の荷重で接触して、定着部材から用紙を分離する分離爪が設けられている。分離爪は、例えば、ポリイミド樹脂にＰＦＡをコーティングして形成されている。

近年の省エネ化に伴って定着装置の消費電力を削減するために、低融点トナーの使用や定着部材の熱容量の低減等の対策が進行している。定着部材の熱容量低減の具体的な方法としては、定着部材の小径化や薄肉化が挙げられる。また、定着部材を加熱する熱源としては、低価格なハロゲンヒーターが一般的に使用される。画像形成装置の高速化に対応して、複数のヒーターが使用される場合もある。複数のヒーターは、一般的に、幅方向の中央部を加熱するメインヒーターと、幅方向の両端部を加熱するサブヒーターと、で構成される。連続印字時の定着性を考慮して、メインヒーターの消費電力はサブヒーターの消費電力よりも高くなっている。

複数のヒーターを使用する場合、同時に点灯させると突入電流が増大するため、両ヒーターは時間差をもって点灯されるようになっている。一般的には、サブヒーターを点灯させた後、ヒーターの点灯時間の一周期（５０Ｈの場合は２００ｍｓ）後にメインヒーターを点灯させる。しかし、このタイミングで両ヒーターを点灯させると、メインヒーターの電力はサブヒーターの電力よりも大きいので、中央部が定着可能温度まで昇温する時間が、両端部が定着可能温度まで昇温する時間よりも短くなる。すると、両端部が定着可能温度に昇温して定着部材が幅方向において均一な温度になるまで、定着動作を待機する必要がある。待機中は、中央部を定着可能温度に維持するために、メインヒーターを一定の割合で点灯及び消灯させている。この待機中のメインヒーターの点灯及び消灯に不要な電力が消費されるという問題がある。

特許文献１には、複数の発熱源の内、消費電力の少ない発熱源を先に動作させるように構成された定着装置が記載されている。また、特許文献２には、突入電流の低い第１のヒーターと突入電流が多く立ち上がりの早い第２のヒーターとを備え、第１のヒーターを先に動作させるように構成された定着装置が記載されている。

特開平８−１１０７３１号公報特開平９−１９７８９４号公報

しかしながら上記特許文献１や特許文献２に記載の定着装置では、突入電流の増大を抑制することは可能であるが、定着部材の中央部と両端部との昇温時間の差による温度の不均一性や消費電力の増大については考慮されていない。

そこで、本発明は上記事情を考慮し、不要に電力を消費することなく定着部材の温度を均一化できる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。

上記目的を達成するため、本発明の定着装置は、定着部材と加圧部材との間に形成される加圧領域に用紙を通紙してトナー像を用紙に定着する定着装置であって、通紙方向と直交する用紙の幅方向における前記定着部材の中央部を加熱する中央加熱部と、該中央加熱部よりも発熱量が低く前記幅方向における両端部を加熱する端部加熱部と、を有する加熱源と、前記定着部材の端部の温度を計測する計測手段と、前記計測手段で計測された前記定着部材の端部の温度に基づいて、前記定着部材の中央部と両端部とが一定の温度に昇温されるように、前記中央加熱部と前記端部加熱部の動作タイミングを決定する制御部と、を備えていることを特徴とする。

本発明の定着装置において、前記制御部は、前記計測手段で計測された前記定着部材の端部の温度が所定温度以下の場合には、前記中央加熱部を前記端部加熱部よりも遅延して動作させることを特徴としても良い。

本発明の定着装置において、前記中央加熱部の遅延時間は、前記計測手段で計測された前記定着部材の端部の温度が低いほど長いことを特徴としても良い。

本発明の画像形成装置は、トナー像を用紙に形成する画像形成部と、前記画像形成部で形成されたトナー像を用紙に定着する上記のいずれかに記載の定着装置と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、定着部材の端部の昇温が定着動作実行の律速であることから、端部の温度に合わせて中央加熱部を制御して、定着部材の中央部と両端部とが同時に定着可能温度に達するようにしているので、定着ローラー部材が均一に昇温されるまでの不要な電力が発生しない。

本発明の一実施形態に係るプリンターの全体構成を模式的に示す正面図である。本発明の一実施形態に係るプリンターの制御部を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る定着装置を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る定着装置を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る定着装置において、定着ローラーの幅方向におけるメインヒーターとサブヒーターの発熱量を示すグラフである。本発明の一実施形態に係る定着装置において、端部温度と遅延時間との関係を示す表である。本発明の一実施形態に係る定着装置において、定着動作を示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る定着装置において、定着ローラーと加圧ローラーの幅方向における温度分布を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る画像形成装置及び定着装置について説明する。

まず、図１及び図２を用いて、画像形成装置としてのプリンター１の全体の構成について説明する。図１は本発明の一実施形態に係るプリンターの内部構成を模式的に示す正面図、図２は制御部のブロック図である。以下の説明では、図１における紙面手前側をプリンター１の正面側（前側）とし、左右の向きプリンターを正面から見た方向を基準とする。各図に付される矢印Ｆｒ、Ｒｒ、Ｌ、Ｒは、それぞれプリンター１の前側、後側、左側、右側を示している。

プリンター１の装置本体１ａには、図１に示されるように、用紙Ｓが収容される給紙カセット３と、給紙カセット３から用紙Ｓを給紙する給紙装置５と、用紙Ｓにトナー像を形成する画像形成部７と、トナー像を用紙Ｓに定着する定着装置９と、トナー像が定着された用紙Ｓを排出する排出装置１１と、排出トレイ１３と、が備えられている。また、装置本体２には、給紙装置５から、画像形成部７と定着装置９とを通って、排出装置１１に向かう用紙Ｓの搬送経路１５が形成されている。搬送経路１５には、給紙装置５と画像形成部７との間に、用紙検知センサー１７とレジストローラー対１９とが設けられている。プリンター１は、図２に示されるように、給紙カセット３と、給紙装置５と、画像形成部７と、定着装置９と、排出装置１１と、用紙検知センサー１７及びレジストローラー対１９（図２には図示省略）にそれぞれ電気的に接続する制御部２１を備えている。

制御部２１は、給紙装置５、画像形成部７、定着装置９、排出装置１１を制御して、以下の画像形成動作を行う。給紙装置５は、印字開始信号を受け取ると、給紙カセット３から搬送経路１５に用紙Ｓを送り出す。用紙検知センサー１７が用紙Ｓを検知して二次給紙開始信号を発した後、レジストローラー対１９は、用紙Ｓの斜行を補正して画像形成部７に送り出す。画像形成部７は、用紙Ｓにトナー像を形成して、定着装置９に用紙Ｓを送り出す。定着装置９は、トナー像を用紙Ｓに定着した後排出装置１１に用紙Ｓを送り出す。排出装置１１は、トナー像が定着された用紙Ｓを排出トレイ１３に排出する。

次に、図３及び図４を参照して、定着装置９について説明する。図３は定着装置を示す断面図、図４は定着装置を模式的に示す断面図である。

図２に示されるように、定着装置９は、定着部材としての定着ローラー３１と、定着ローラー３１との間に加圧領域Ｎを形成する加圧部材としての加圧ローラー３３と、定着ローラー３１を加熱する加熱源３５と、定着ローラー３１の温度を計測する計測手段としての温度センサー３７と、を備えている。

定着ローラー３１は、通紙方向と直交する用紙の幅方向の中央部の径が両端部の径よりも小さい逆クラウン形状を成しており、円筒状の芯金３１ａと、芯金３１ａの外周面に接着層を介して設けられる離型層３１ｂと、を有している。芯金３１ａは、一例として、外径３０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのアルミニウムで形成される。離型層３１ｂは、一例として、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）で形成される。定着ローラー３１は、芯金３１ａを中心として回転可能に支持されている。

加圧ローラー３３は、回転軸３３ａと、回転軸３３ａの外周面に設けられる弾性層３３ｂと、弾性層３３ｂの外周面に接着層を介して設けられる離型層３３ｃと、を有している。回転軸３３ａは、一例として、径が２３ｍｍの芯金で形成される。弾性層３３ｂは、一例として、厚さ６ｍｍのシリコーンゴムで形成される。離型層３３ｃは、一例として、ＰＦＡチューブで形成される。

加圧ローラー３３は、回転軸３３ａを中心として回転可能に支持されている。さらに、加圧ローラー３３は、定着ローラー３１に下方から押圧されて、両ローラー３１、３３間に加圧領域Ｎを形成している。この加圧領域Ｎに用紙Ｓを通紙することで、トナー像が用紙Ｓに定着される。

加熱源３５について、図３及び図４と図５も参照して説明する。図５はメインヒーターとサブヒーターの発熱量を示すグラフである。グラフの縦軸は発熱量を示し、横軸は定着ローラーの幅方向における位置を示す。

図３及び図４に示されるように、加熱源３５は、幅方向における定着ローラー３１の中央部Ｒ１を加熱する中央加熱部としてのメインヒーター４１と、幅方向における定着ローラー３１の両端部Ｒ２を加熱する端部加熱部としてのサブヒーター４３と、を有している。メインヒーター４１は、発熱量が６００Ｗのハロゲンヒーターであり、サブヒーター４３は、発熱量がメインヒーター４１よりも低い４００Ｗのハロゲンヒーターである。連続印字時の定着性を考慮して、メインヒーター４１の消費電力はサブヒーター４３の消費電力よりも高くなっている。

図４に示されるように、メインヒーター４１は幅方向における中央部Ｒ１にフィラメントが配されており、サブヒーター４３は幅方向における両端部Ｒ２にフィラメントが配されている。このようなフィラメントの配置により、図５に示されるように、メインヒーター４１は、幅方向の中央部Ｒ１に発熱量のピークがあり、両端部Ｒ２では発熱量が少なくなっている。一方、サブヒーター４３は、幅方向の両端部Ｒ２に発熱量のピークがあり、中央部Ｒ１の発熱量が少なくなっている。

メインヒーター４１とサブヒーター４３とは、メインヒーター４１が搬送方向の上流側、サブヒーター４３が下流側となるように搬送方向に並べられて、定着ローラー３１の中空部に配置されている。メインヒーター４１とサブヒーター４３に電圧が印加されると、両ヒーター４１、４３が点灯し、定着ローラー３１の内周面に対して輻射熱を放射して、定着ローラー３１を加熱する。詳細には、メインヒーター４１は、定着ローラー３１の幅方向における中央部Ｒ１を主に加熱し、サブヒーター４３は、定着ローラー３１の幅方向における両端部Ｒ２を主に加熱する。

再度図３及び図４を参照して、温度センサー３７は、幅方向における定着ローラー３１の中央部Ｒ１の温度（中央部温度）を計測する中央部センサー４７と幅方向における定着ローラー３１の一方の端部Ｒ２の温度（端部温度）を計測する端部センサー４９と、を有している。中央部センサー４７としては、非接触式サーミスタを使用できる。端部センサー４９としては、接触式サーミスタを使用できる。端部センサー４９は、用紙Ｓの通紙幅の幅方向外側の非通紙領域において定着ローラー３１に接触している。図２に示されるように、中央部センサー４７と端部センサー４９とは、制御部２１と電気的に接続しており、それぞれで計測された中央部温度を示すデータと端部温度を示すデータを制御部２１に出力する。

上記構成を有する定着装置９の動作について、図６及び図７を参照して説明する。図６は端部温度と遅延時間との関係を示す表であり、図７は定着装置の動作を示すフローチャートである。

まず、遅延時間について説明する。定着ローラー３１の中央部温度と端部温度とが同じ場合、前述のように、メインヒーター４１の消費電力がサブヒーター４３の消費電力よりも高いため、両ヒーター４１、４３を同時に点灯させると、定着可能温度（一例で１８０℃）に達するまでの昇温時間は、両端部よりも中央部が短くなる。このため、昇温時間の差だけ、端部温度が定着可能温度に達するまで定着動作を待機する必要がある。この昇温時間の差を遅延時間とすると、サブヒーター４３を点灯させた後、遅延時間だけ経過後にメインヒーター４１を点灯させることで、中央部温度と端部温度とはほぼ同時に定着可能温度に達することになる。

図６は、定着ローラー３１の中央部温度と端部温度とが同じ場合の、端部温度と遅延時間との関係の一例を示す表である。端部温度が３５℃よりも低い場合、遅延時間は４秒となる。つまり、端部温度が比較的低い場合は、端部温度が定着可能温度まで昇温するのに長い時間が必要になるので、遅延時間も長くなる。端部温度が高いほど、遅延時間は短くなっている。なお、端部温度が１５０℃以上の場合は、ほぼ定着可能温度であるため、遅延時間を設けずにメインヒーター４１を先に点灯させても昇温時間の差は生じない。

次に、図７を参照して、定着装置９の動作を説明する。印字信号が入力されると、まず、ステップＳ１において、端部センサー４９で計測された端部温度を示すデータが制御部２１に送信され、制御部２１は、端部温度が１５０℃以上かどうかを判定する。ステップＳ１で、端部温度が１５０℃以上であると判定されると、前述のように、端部温度がほぼ定着可能温度であり、遅延時間を設ける必要がないと判断する。その後、ステップＳ２に進んでメインヒーター４１を点灯させた後、ステップＳ３に進み、所定の時間（例えば２００ｍｓ）後にサブヒーター４３を点灯させる。

一方、ステップＳ１で、端部温度が１５０℃よりも低いと判定されると、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、制御部２１が、端部温度が８０℃以上かどうかを判定する。ステップＳ５で、端部温度が８０℃以上であると判定されると、ステップＳ５に進み、図７に示す表に基づいて、制御部２１が、遅延時間を０．２秒に設定する。

その後、ステップＳ６に進み、サブヒーター４３を点灯させた後、ステップＳ７に進み、設定された遅延時間０．２秒後に、メインヒーター４１を点灯させる。

ステップＳ４で、端部温度が８０℃よりも低いと判定されると、ステップＳ８に進んで、制御部２１が、端部温度が５０℃以上かどうかを判定する。ステップＳ８で、端部温度が５０℃以上であると判定されると、ステップＳ９に進み、図７に示す表に基づいて、制御部２１が、遅延時間を１秒に設定する。その後、ステップＳ６に進み、サブヒーター４３を点灯させた後、ステップＳ７に進み、設定された遅延時間１秒後に、メインヒーター４１を点灯させる。

ステップＳ８で、端部温度が５０℃よりも低いと判定されると、ステップＳ１０に進んで、制御部２１が、端部温度が３５℃以上かどうかを判定する。ステップＳ１１で、端部温度が３５℃以上であると判定されると、ステップＳ１１に進み、図７に示す表に基づいて、制御部２１が、遅延時間を２秒に設定する。その後、ステップＳ６に進み、サブヒーター４３を点灯させた後、ステップＳ７に進み、設定された遅延時間２秒後に、メインヒーター４１を点灯させる。

ステップＳ１０で、端部温度が５０℃よりも低いと判定されると、ステップＳ１２に進み、図７に示す表に基づいて、制御部２１が、遅延時間を４秒に設定する。その後、ステップＳ６に進み、サブヒーター４３を点灯させた後、ステップＳ７に進み、設定された遅延時間４秒後に、メインヒーター４１を点灯させる。

一例として、端部温度が３５℃よりも低い場合、サブヒーター４３を点灯させた後、４秒後にメインヒーター４１を点灯させた。すると、１２秒後には、中央部温度と端部温度とが定着可能温度にほぼ同時に到達した。この際の温度分布を、図８のグラフに示す。グラフの縦軸は温度、横軸は定着ローラーの幅方向における位置である。実線が定着ローラーの温度、破線が加圧ローラーの温度を示す。

グラフに示されるように、定着ローラー３１の中央部と端部とは１８０℃程度に均一に昇温され、定着ローラー３１に接触して加熱される加圧ローラー３３の温度も幅方向においてほぼ同じ１１０〜１２０℃となっている。

上記説明したように本発明の定着装置９によれば、定着ローラー３１の端部の昇温が定着動作実行の律速であることから、端部の温度に合わせてメインヒーター４１とサブヒーター４３との動作タイミングを決定して、中央部と両端部とがほぼ同時に一定の温度（定着可能温度）に昇温されるようになっている。したがって、サブヒーター４３によって両端部が定着可能温度に昇温されるまでに、メインヒーター４１を点灯及び消灯させるための電力が発生しない。

具体的には、端部の温度が定着可能温度よりも低い場合は、サブヒーター４３を点灯させた後でメインヒーター４１を点灯させることで、端部と中央部とを同時に定着可能温度に昇温できる。さらに、端部の温度が低いほど遅延時間を長くしているので、定着装置９の使用環境に応じて適切に定着ローラー３１を加熱することができる。また、中央部と両端部とが同時に定着可能温度に達するタイミングに合わせて印字タイミングを制御することができるので、ストレスなく使用できる定着装置９を提供できる。

また、メインヒーター４１とサブヒーター４３とを時間をずらして点灯させているので、突入電流の増大を防止できる。

また、前述のように、定着ローラー３１は逆クラウン形状を有しているため、定着ローラーの回転方向における加圧領域の長さは、中央部よりも端部が長い。このため、一定の発熱量で加熱された場合は、端部の方が中央部よりも定着性（トナーを加熱して用紙に定着させる性能）が高くなる。したがって、端部温度が比較的低い場合でも、遅延時間を過剰に長くすることなく温度を均一化できる。

本実施形態では、図７の表に基づいて遅延時間を設定したが、計測された端部温度から計算式によって遅延時間を求めるようにしても良い。一例として、定着ローラー３１の昇温速度が、中央部で２０℃／秒、端部で１０℃／秒であり、定着可能温度が、中央部で１８０℃、端部で１５０℃とすると、計測された端部温度が５０℃の状態から印字動作を開始した場合の遅延時間は、以下のようになる。
遅延時間＝（端部定着可能温度−計測された端部温度）／端部昇温速度−（中央部定着可能温度−計測された端部温度）／中央部昇温速度
＝（１５０−５０）／１０−（１８０−５０）／２０
＝３．５（秒）

また、加熱源３５のメインヒーター４１とサブヒーター４３としてハロゲンヒーターを使用したが、加熱源３５としてＩＨヒーターを使用してもよい。この場合は、定着ローラー３１の中央部と両端部とを独立して加熱可能であり、かつ、中央部の発熱量を両端部よりも大きくなるように設定する。

上記した本発明の実施形態の説明は、本発明に係る定着装置及び画像形成装置における好適な実施の形態を説明しているため、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。すなわち、上記した本発明の実施の形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能であり、上記した本発明の実施の形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

１プリンター（画像形成装置）
７画像形成部
９定着装置
２１制御部
３１定着ローラー（定着部材）
３３加圧ローラー（加圧部材）
３５加熱源
３７計測手段（温度センサー）
４１中央加熱部（メインヒーター）
４３端部加熱部（サブヒーター）

Claims

定着部材と加圧部材との間に形成される加圧領域に用紙を通紙してトナー像を用紙に定着する定着装置であって、
通紙方向と直交する用紙の幅方向における前記定着部材の中央部を加熱する中央加熱部と、該中央加熱部よりも発熱量が低く前記幅方向における両端部を加熱する端部加熱部と、を有する加熱源と、
前記定着部材の端部の温度を計測する計測手段と、
前記計測手段で計測された前記定着部材の端部の温度に基づいて、前記定着部材の中央部と両端部とが一定の温度に昇温されるように、前記中央加熱部と前記端部加熱部の動作タイミングを決定する制御部と、を備えていることを特徴とする定着装置。
前記制御部は、前記計測手段で計測された前記定着部材の端部の温度が所定温度以下の場合には、前記中央加熱部を前記端部加熱部よりも遅延して動作させることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
前記中央加熱部の遅延時間は、前記計測手段で計測された前記定着部材の端部の温度が低いほど長いことを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
トナー像を用紙に形成する画像形成部と、
前記画像形成部で形成されたトナー像を用紙に定着する請求項１〜３のいずれか１項に記載の定着装置と、を備えていることを特徴とする画像形成装置。