JP2020016824A - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで加圧ローラの温度を検知する。【解決手段】 第二の回転体は、温度に応じて抵抗値が変わる特性を持った導電層を有し、定着装置は、第二の回転体に対して電圧を印加する電圧印加手段を有し、第二の回転体の導電層の抵抗値を検知することで第二の回転体の温度を検知する。【選択図】 図５

Description

本発明は、複写機やプリンタ等の画像形成装置に搭載される定着装置、及びこの定着装置を搭載する画像形成装置に関する。

電子写真記録方式の画像形成装置には、トナー画像を記録材に定着する定着装置が搭載されている。定着装置として様々な形式のものが製品化されており、その中には、プリント枚数が増加するに連れて段階的に制御目標温度を下げる制御を行うものもある。

定着装置が冷めた状態でプリントを開始する場合、最初はヒータの熱が加圧ローラに奪われる。そのため、定着装置の制御目標温度を高く設定し、記録紙に与える熱量を確保する必要がある。その後、プリント枚数が増加し加圧ローラが暖まってくると、制御目標温度を下げてもトナー画像の定着性を満足することができる。制御目標温度を段階的に下げずに連続プリントを行った場合、プリント枚数が増加するに連れて記録紙への熱供給が過剰になりホットオフセットが発生してしまう。特許文献１には、加圧ローラの温まり具合を予測して、加圧ローラの温度に応じた制御目標温度を設定することが開示されている。

特開２００２−３１１７４９号公報

プリンタのスペックが高速化してくると、トナーを十分に溶かすために必要な制御目標温度が高くなる。一方、トナーに熱を与え過ぎることによって発生するホットオフセットの閾値は、プリンタが高速化しても変わらない。従って、プリンタが高速化してくると、トナーに与える熱量が不足することによって発生する定着不良と、熱量が多過ぎることによって発生するホットオフセット、という二つの現象に対するマージンが小さくなる。

よって、高速のプリンタで定着不良やホットオフセットを発生させないためには、加圧ローラの温まり具合に応じた制御目標温度の設定精度がより重要になってくる。

定着装置が記録紙を定着処理する時の記録紙間の間隔として、連続プリントや間欠プリント、その他、様々な要因によって紙間延長が入り定着処理の間隔が長くなるケース、等、多数のケースが存在する。定着処理の間隔が異なると、加圧ローラがヒータから受ける熱量に差が生じる。そのため、様々なケースを考慮して加圧ローラの温度を正確に予測するのは困難である。加圧ローラの予測温度と実際の温度に乖離があった場合、定着不良やホットオフセットが発生してしまう可能性がある。また、加圧ローラの温度を直接モニタするセンサを設けるとコストアップになってしまう。

本発明の目的は、コストを抑えつつ最適な制御目標温度を設定できる定着装置を提供することにある。

上述の課題を解決するための本発明は、第一の回転体と、前記第一の回転体と共にニップ部を形成するための第二の回転体と、前記第一の回転体を加熱する加熱手段と、前記第一の回転体または前記加熱手段の温度を検知する温度検知素子と、前記温度検知素子の検知温度に応じて前記加熱手段への供給電力を制御する制御手段と、を有し、トナー画像を担持する記録紙を前記ニップ部で搬送しつつトナー画像を記録紙に定着する定着装置において、前記第二の回転体は、温度に応じて抵抗値が変わる特性を持った導電層を有し、前記装置は、前記第二の回転体に対して電圧を印加する電圧印加手段を有し、前記第二の回転体の導電層の抵抗値を検知することで前記第二の回転体の温度を検知することを特徴とする。

コストを抑えつつ最適な制御目標温度を設定できる定着装置を提供できる。

画像形成装置の断面図 定着器の断面図 ヒータ駆動回路図 加圧ローラの断面図 温度検知回路図 加圧ローラの温度推移説明図 実施例１の制御フローチャート 実施例２の温度検知回路図 実施例２の制御フローチャート

［実施例１］
以下、本発明の実施例１を図１〜図７に基づいて説明する。図１は電子写真記録方式を用いて記録紙Ｐにトナー画像を形成するカラープリンタ（画像形成装置）１０００の構成図である。プリンタ１０００は、イエロー（Ｙ）、マゼンダ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のトナー夫々を使って形成したトナー画像を重畳することでフルカラー画像を形成するように構成されている。各色のトナー画像を形成するため、レーザスキャナ（１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋ）とカートリッジ（１２Ｙ、１２Ｍ、１２Ｃ、１２Ｋ）が備えられている。カートリッジ（１２Ｙ、１２Ｍ、１２Ｃ、１２Ｋ）は、矢印の方向に回転する感光体（１３Ｙ、１３Ｍ、１３Ｃ、１３Ｋ）、感光体を帯電させる帯電ローラ（１５Ｙ、１５Ｍ、１５Ｃ、１５Ｋ）を有する。更に、感光体にトナーを供給する現像ローラ（１６Ｙ、１６Ｍ、１６Ｃ、１６Ｋ）、感光体を清掃するクリーナ（１４Ｙ、１４Ｍ、１４Ｃ、１４Ｋ）、を有する。感光体（１３Ｙ、１３Ｍ、１３Ｃ、１３Ｋ）には中間転写ベルト１９が接している。中間転写ベルト１９を挟み、感光体と対向するように一次転写ローラ（１８Ｙ、１８Ｍ、１８Ｃ、１８Ｋ）が設けられている。各感光体に形成されたトナー画像は中間転写ベルト状に重畳される。

記録紙Ｐを格納するカセット２２の記録紙搬送方向の下流には。給紙ローラ２５、分離ローラ２６ａ、２６ｂ、レジストローラ２７が設けられている。レジストローラ２７の下流側には記録紙を検知する搬送センサ２８が設けられている。さらに下流には、中間転写ベルト１９と接しており中間転写ベルト１９から記録紙Ｐにトナー画像を転写するための二次転写ローラ２９が設けられている。二次転写ローラ２９の下流には、トナー画像を記録紙Ｐに定着させるための定着器３０が設けられている。

３１はプリンタ１０００の制御部であるコントローラであり、ＲＯＭ３２ａ、ＲＡＭ３２ｂ、タイマ３２ｃ等を具備したＣＰＵ（中央演算処理装置）３２、及び各種入出力制御回路（不図示）等で構成されている。上述したデバイスを用いて記録紙Ｐにトナー画像を形成する電子写真記録方式は周知なので詳細な説明は割愛する。プリンタは外気の環境温度を測定する環境温度センサ４０を備えており、測定された環境温度に応じた画像形成の設定を行うことが可能となっている。

図２は、定着器３０の断面図である。定着器３０は、筒状のフィルム（第一の回転体）１０２、フィルム１０２の内面に接触するヒータ（加熱手段）１００、ヒータ１００を保持するヒータホルダ１０１、ヒータホルダ１０１を補強する金属製のステー１０５を有する。１１１はヒータ１００の発熱体である。更に、フィルム１０２を介してヒータ１００と共に定着ニップ部Ｎを形成する加圧ローラ（第二の回転体）、ヒータ１００の温度を検知するサーミスタ（温度検知素子）１０４を有する。１０６は、ステー１０５を介してフィルム１０２をＧＮＤに対して接続するための導電体であり、フィルム１０２の内面に接触している。

加圧ローラ１０３はモータによって矢印方向に駆動される。加圧ローラ１０３が回転することにより、フィルム１０２は従動して回転する。サーミスタ１０４の検知温度が制御目標温度を維持するように、ヒータ１００（正確には発熱体１１１）へ供給される電力が制御される。ヒータ１００がトナー画像Ｔの定着に適した温度を維持している状態で、トナー画像Ｔを担持する記録紙Ｐを定着ニップ部Ｎに通すことによって、トナー画像Ｔが記録紙Ｐに定着される。

次に、ヒータ１００を駆動するための回路図を図３のブロック図を用いて説明する。５０は交流電源である。スイッチング電源（以降、電源と記載）６０とヒータ１００はＡＣフィルタ５１を介して交流電源５０に接続されている。３２はヒータ１００への供給電力等を制御するＣＰＵであり、各入出力ポートとＲＯＭ３２ａ及びＲＡＭ３２ｂなどから構成されている。

交流電源５０にはＡＣフィルタ５１を介してゼロクロス検知回路５２も接続されている。ゼロクロス検知回路５２から出力される信号は、ヒータ１００を交流波形の半波毎に位相制御するためのタイミング信号として利用される。ヒータ１００への供給電力は、ＣＰＵ３２がトラアック７１とトライアックカプラ７２を中心に構成されたヒータ駆動回路７０を制御することによって制御される。ＣＰＵ３２は、サーミスタ１０４の検知温度が制御目標温度を維持するようにヒータ駆動回路７０を制御する。

サーミスタ１０４は温度が変わると抵抗値が変わる素子である。ＣＰＵ３２のアナログ入力ポートＡＮ０には、電圧Ｖｃｃ１をサーミスタ１０４と固定抵抗５５で分圧した電圧が入力している。入力ポートＡＮ０からモニタした分圧電圧と、ＣＰＵ３２に予め設定された電圧−温度変換テーブルに基づき、ＣＰＵ３２はヒータ１００の温度を検知する。ＣＰＵ３２は検知した温度に基づき、ヒータ駆動回路７０を駆動する為のＤｒｉｖｅ信号を出力ポートＰＡ２より出力する。出力ポートＰＡ２より出力されるＤｒｉｖｅ信号は、ゼロクロス検知回路５２から出力されるゼロクロス信号を元に、ヒータ１００を位相制御する為の信号である。ゼロクロス信号はＣＰＵ３２の入力ポートＰＡ１に入力している。

一方、電源６０は交流電圧を整流する為のダイオードブリッジ６１と、平滑コンデンサ６２と、その後段にある直流電圧を生成する為のＤＣ−ＤＣコンバータ６３を有する。電源６０にて生成された直流電圧はプリンタの制御部や駆動部等の２次側負荷６４に供給される。

次に加圧ローラ１０３について図４を用いて説明する。加圧ローラ１０３の層構成は、芯金１０３ｄの外周に、シリコーンゴムから成るソリッドゴム層（弾性層）１０３ａと、高熱伝導ゴム層（導電層）１０３ｂと、フッ素樹脂から成る離型層１０３ｃを有する。高熱伝導ゴム層１０３ｂは、ソリッドゴム層１０３ａの上に均一な厚みで形成されており、シリコーンゴムに熱伝導性フィラーとしてカーボンファイバーが分散された層である。高熱伝導ゴム層１０３ｂにカーボンファイバーが含まれていることによって高熱伝導ゴム層１０３ｂは導電性である。また、高熱伝導ゴム層１０３ｂは、温度変化に応じて抵抗値が変化する特性を持っている。なお、本実施例においては、高熱伝導ゴム層を持つ加圧ローラ１０３を使用しているが、後述する温度検知を行うためには導電層を有する加圧ローラ１０３であればよい。また、導電層の材質は、温度に応じた抵抗値変化特性が大きいものが好ましい。又、高熱伝導ゴム層１０３ｂにカーボンファイバーが含まれているので、高熱伝導ゴム層１０３ｂはＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：正の温度特性）を有している。しかしながら、ＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ：負の温度特性）を有する層でもよい。加圧ローラ１０３の温度が変化すると、高熱伝導ゴム層１０３ｂの抵抗値が変化する。この変化を検知することで加圧ローラ１０３の温度を検知することが可能になる。

次に、加圧ローラ１０３の温度を検知するための回路構成について図５（ａ）、図５（ｂ）を用いて説明する。電圧印加回路８１は、ＣＰＵ３２の出力ポートＰＡ３から信号を受け取ると、加圧ローラ１０３の芯金１０３ｄに対して周波数１０ｋＨｚの正弦波電圧を印加する。本実施例においては、周波数１０ｋＨｚの正弦波電圧を印加しているが、周波数や波形は本実施例に限定されるものではない。

図５（ａ）に示すように、電圧印加回路８１とＧＮＤの間には、芯金１０３ｄ、ソリッドゴム層１０３ａ、高熱伝導ゴム層１０３ｂ、離型層１０３ｃ、フィルム１０２、導電体１０６、ステー１０５、抵抗８３が介在している。これを回路図にすると図５（ｂ）に示す等価回路図で表すことができる。具体的には、芯金１０３ｄと高熱伝導ゴム層１０３ｂ間の静電容量をＣｐ、加圧ローラの高熱伝導ゴム層の抵抗値をＲｐ、フィルム１０２と加圧ローラ１０３と間のニップ部Ｎによる静電容量をＣｎとする。電圧検知回路８２には、Ｃｐ、Ｒｐ、Ｃｎと、抵抗８３との分圧値が入力される。尚、導電体１０６が接触するフィルム１０２のベース層はステンレス製で導電層になっている。このため、フィルム１０２の導電層からステー１０５までの間の抵抗値は小さく、抵抗値として無視できるものである。

抵抗８３の抵抗値は、Ｒｐ、Ｃｐ、Ｃｎによる合成インピーダンスとの比率を考えて設定することが好ましい。電圧検知回路８２は、入力された電圧波形の振幅を検知し、ＣＰＵ３２に報知する。本実施例において電圧検知回路は、入力された電圧波形の振幅値を検知する回路であるが、入力された電圧波形の実効値を検知する等、本実施例に限定されるものではない。

ＣＰＵ３２は、電圧検知回路８２に入力した電圧情報を、予め用意されたテーブルや数式などを元に温度情報に変換することで加圧ローラ１０３の温度を検知する。抵抗値Ｒｐは、加圧ローラ１０３の温度によって変化するため、電圧検知回路８２に入力する電圧も同様に変化する。即ち、電圧検知回路８２に入力する電圧を検知することは、導電層１０３ｂの抵抗値を検知していることと同等である。以上のような仕組みを利用することで、加圧ローラ１０３の温度を検知することができる。

本実施例における電圧印加経路８１の等価回路は、芯金１０３ｄと高熱伝導ゴム層１０３ｂ間の静電容量Ｃｐを省いた等価回路など、本実施例に限定されるものではない。

次に、加圧ローラ１０３の温度推移と各タイミングの加圧ローラ温度検知波形について図６（ａ）〜図６（ｅ）を用いて説明する。図６（ａ）は、横軸が時間、縦軸が印刷枚数を表している。図６（ｂ）は、横軸が時間、縦軸が加圧ローラ１０３の温度を表している。

プリント指示があると、ヒータ１００への電力投入を開始するとともに加圧ローラ１０３の回転を開始する。この段階では、ヒータ１００が発熱し加圧ローラ１０３へ熱を加えているものの、記録紙Ｐに熱は奪われない。そのため、図６（ｂ）のタイミングＡとタイミングＢ間の加圧ローラ１０３の温度カーブが示すように、急激に加圧ローラ１０３の温度が上昇する。タイミングＢにおいて定着器３０のニップ部Ｎを記録紙Ｐが通過し始めると、記録紙Ｐによって加圧ローラ１０３の熱が奪われる。このため、タイミングＢとタイミングＢ’間の温度カーブが示すように、加圧ローラ１０３の温度は記録材Ｐが通過する枚数が増加する毎に低下する。定着器３０のニップ部Ｎを数枚通過したタイミング（タイミングＢ’）で、記録紙Ｐによる放熱と、紙間のタイミングでヒータ１００から加圧ローラ１０３に供給される熱量と、のバランスが一致する。このため加圧ローラ１０３の温度低下は収まる。

図６（ａ）のタイミングＣからタイミングＤの間は、中間転写ベルト１９のクリーニングシーケンス等、定着器３０以外の要因により、記録紙Ｐが定着器３０に入ってくるのを待つための期間である。この期間では、加圧ローラ１０３は記録紙Ｐに熱を奪われないので、図６（ｂ）のタイミングＣとタイミングＤ間の温度カーブが示すように、急激に加圧ローラ１０３の温度が上昇する。

図６（ｃ）、図６（ｄ）、図６（ｅ）は、タイミングＡ、Ｂ、Ｄでの加圧ローラ１０３の温度検知波形である。この波形は電圧検知回路８２に入力される波形を示している。タイミングＡでは、加圧ローラの温度は低いため、図６（ｃ）の温度検知波形の振幅は大きい。これに対して、加圧ローラ１０３の温度が高くなるにつれて加圧ローラ１０３の抵抗値Ｒｐが大きくなるため、図６（ｄ）、図６（ｅ）が示すように、徐々に温度検知波形の振幅が小さくなっていく。本実施例においては、この温度検知波形の振幅値を電圧検知回路８２にて検知し、ＣＰＵ３２にて加圧ローラ１０３の温度に変換することで、加圧ローラ１０３の温度を検知する。

検知した加圧ローラ１０３の温度を元に、ヒータ１００の制御目標温度を変更する。これにより、高品質な画像を提供することが可能になる。

次に、具体的制御に関して、図７のフローチャートを用いて説明する。なお、フローチャートに示す制御処理は、予めＲＯＭ３２ａに格納されたプログラムに従ってＣＰＵ３２により実行されるものである。

プリントシーケンスがスタートすると、ＣＰＵ３２は、ヒータ１００への電力投入を開始し、サーミスタ１０４の検知温度が所定の温度になったタイミングで加圧ローラ１０３の回転を開始する。加圧ローラ１０３の回転を開始したタイミングで、ＣＰＵ３２は、図７に記載の温度検知シーケンスをスタートさせる。ＣＰＵ３２は、温度検知シーケンスをスタートすると、Ｓ１０１にて、電圧印加回路８１に電圧印加を指示する。次に、ＣＰＵ３２は、Ｓ１０２にて電圧信号の振幅値を取得し、Ｓ１０３にて予め用意されたテーブルを用いて電圧信号の振幅値から温度検知値に換算する。次に、ＣＰＵ３２は、予め用意された温度補正テーブルと検知した加圧ローラ１０３の温度検知値からヒータ１００の制御目標温度を補正する。ＣＰＵ３２は、Ｓ１０５においてプリントシーケンス終了タイミングになるまで、Ｓ１０２からＳ１０４を繰り返す。ＣＰＵ３２は、Ｓ１０５においてプリントシーケンスが終了したと判断した場合、Ｓ１０６にて温度検知を終了し、加圧ローラの温度検知シーケンスの終了となる。

以上のような制御を行うことで、安価な構成で、加圧ローラの温度を検知することが可能になり、ユーザーに定着不良やホットオフセットのない高品質な画像を提供することが可能になる。

［実施例２］
前述した実施例１では加圧ローラ１０３に対して、交流の電圧を印加して加圧ローラ１０３の温度を検知する構成について説明したが、本実施例では、直流の電圧によって加圧ローラ１０３の温度を検知する構成について説明する。以下では、本実施例について、実施例１と異なる点を主として説明し、共通する構成については、同一符号を付けて説明を省略する。

加圧ローラ１０３の温度を検知するための回路構成について、図８（ａ）、図８（ｂ）を用いて説明する。加圧ローラ１０３の長手方向の両端部は、図８（ａ）に示すように、高熱伝導ゴム層１０３ｂが露出している。露出する高熱伝導ゴム層１０３ｂの一方は、導電ブラシ８４によって電圧印加回路８１’と電気的に接続し、他方は、導電ブラシ８５によって抵抗８３’及び電圧検知回路８２’と電気的に接続されている。

電圧印加回路８１’は、ＣＰＵ３２の出力ポートＰＡ３から信号を受け取ると、加圧ローラに対して所定の直流電圧を印加する。図８（ａ）で説明した電圧印加経路は、図８（ｂ）に示す等価回路図で表すことができる。加圧ローラの高熱伝導ゴム層１０３ｂの抵抗値をＲｐ’とし、電圧検知回路８２’には抵抗８３’との分圧値が入力する。電圧検知回路８２’は、入力した電圧を検知しＣＰＵ３２に報知する。

ＣＰＵ３２は、電圧検知回路８２’に入力した電圧情報を、予め用意されたテーブルや数式などを元に温度情報に変換することで加圧ローラ１０３の温度を検知する。抵抗値Ｒｐ’は、加圧ローラ１０３の温度によって変化するため、電圧検知回路８２’に入力する電圧も同様に変化する。この仕組みを利用することで、加圧ローラ１０３の温度を検知することができる。

具体的制御に関して、図９のフローチャートを用いて説明する。なお、フローチャートに示す制御処理は、予めＲＯＭ３２ａに格納されたプログラムに従ってＣＰＵ３２により実行されるものである。

ＣＰＵ３２は、図９に記載の温度検知シーケンスをスタートさせる。ＣＰＵ３２は、Ｓ２０１にて電圧印加回路８１に電圧印加を指示する。加圧ローラ１０３に対し、直流電圧が印加され、電圧検知回路８２’による温度検知が開始する。ＣＰＵ３２は、Ｓ２０２にて電圧信号の電圧値を取得し、Ｓ２０３にて予め用意されたテーブルを用いて電圧信号の電圧値から加圧ローラ１０３の温度検知値に換算する。次に、ＣＰＵ３２は、予め用意された温度補正テーブルと検知した加圧ローラ１０３の温度検知値からヒータ１００の制御目標温度を補正する。ＣＰＵ３２は、Ｓ１０５においてプリントシーケンス終了タイミングになるまで、Ｓ２０２からＳ１０４を繰り返す。ＣＰＵ３２は、Ｓ１０５においてプリントシーケンスが終了したと判断した場合、Ｓ１０６にて温度検知を終了し、加圧ローラの温度検知シーケンスの終了となる。

３０ 定着器
８１ 電圧印加回路
８２ 電圧検知回路
１００ ヒータ
１０３ 加圧ローラ

Claims (5)

1. 第一の回転体と、
   前記第一の回転体と共にニップ部を形成するための第二の回転体と、
   前記第一の回転体を加熱する加熱手段と、
   前記第一の回転体または前記加熱手段の温度を検知する温度検知素子と、
   前記温度検知素子の検知温度に応じて前記加熱手段への供給電力を制御する制御手段と、
   を有し、トナー画像を担持する記録紙を前記ニップ部で搬送しつつトナー画像を記録紙に定着する定着装置において、
   前記第二の回転体は、温度に応じて抵抗値が変わる特性を持った導電層を有し、
   前記装置は、前記第二の回転体に対して電圧を印加する電圧印加手段を有し、
   前記第二の回転体の導電層の抵抗値を検知することで前記第二の回転体の温度を検知することを特徴とする定着装置。
2. 前記電圧印加手段は、交流電圧を前記第二の回転体に印加することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記電圧印加手段は、直流電圧を前記第二の回転体に印加することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
4. 前記制御手段は、前記第二の回転体の温度を検知することによって前記定着装置の制御目標温度を設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の定着装置。
5. 記録紙に画像形成する画像形成手段と、記録紙に形成された画像を記録材に定着する定着手段と、を有する画像形成装置において、
   前記定着手段が請求項１乃至４いずれか一項に記載の定着装置であることを特徴とする画像形成装置。

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