JP2020052168A

JP2020052168A - 定着装置と画像形成装置並びに定着方法

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Publication number: JP2020052168A
Application number: JP2018179979A
Authority: JP
Inventors: 高木啓正; Hirotada Takagi; 服部良雄; Yoshio Hattori; 石ヶ谷康功; Yasuko Ishigaya; 後藤創; So Goto; 正路圭太郎; Keitaro Shoji; 山田正明; Masaaki Yamada
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: JP7091973B2

Abstract

【課題】熱膨張による外径変動や、経時的な硬度劣化に伴う外径変動に基づく影響を受けることなく、常に安定した定着線速を維持して、記録材の引っ張りや弛みによって生じる異常画像を回避し、高品質な画像が確保する。【解決手段】それぞれ少なくとも表面に弾性層を有する一対の回転体によって定着ニップを形成し、前記一対の回転体の一方の回転体をモータによって駆動する定着装置であって、前記一方の回転体の潰れのない状態での外径を検出する第１の検出手段と、他方の回転体の潰れのない状態での外径を検出する第２の検出手段と、これら一対の回転体の軸間距離を検出する第３の検出手段と、これら検出手段の検出結果に応じて前記モータの回転数を制御する手段と、を有する定着装置。【選択図】図１

Description

本発明は、定着装置とこれを備えた画像形成装置、並びに定着方法に関するものである。

複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に使用される定着装置においては、回転する定着部材に同じく回転する加圧部材を圧接して定着ニップを形成し、加圧部材を駆動回転させることで、転写紙、記録紙等と称される記録材を定着ニップに挟持搬送して、熱と圧力の作用により、記録材にトナー像を定着している。

しかしながら、定着部材や加圧部材を構成するローラは、定着ニップを形成するために弾性材料を少なくとも表面側に用いているために、熱膨張により外径が変動したり、経時的に硬度が劣化／外径が縮小したりすることで、ローラ中心から定着ニップまでの半径が変動する。したがって、ローラを一定回転で駆動させるだけでは、定着線速を常に一定に保つことが困難であるという問題があった。また、ローラ同士が潰れ合うことで定着ニップを形成するため、ローラの直径／外径を測定するだけでは、ローラ中心から定着ニップまでの真の半径を求めることができないという問題があった。

また、定着ローラと加熱ローラによってベルトを張架し、ベルトの外周側から加圧ローラでベルトを回転させるベルト定着方式の定着装置では、ベルトを介して加熱ローラから定着ローラに熱を加えると共に、ベルトを介して加圧ローラを定着ローラに圧接することで定着ローラを回転させており、従来、駆動は加圧部材側（非画像面側）にある。そのため、従動側に当たる定着部材側との間に非常に僅かな線速差（微小線速差）が起こり、それにより光沢段差（トナー内のワックスがベルト側に残り、画像を乱してしまう現象）が生じるという問題があった。この不具合を改善するために定着部材側と加圧部材側の、この微小線速差をなくすことが必要であり、一つの手段としては定着部材側を駆動にして画像との線速差をなくすというやり方も考えられるが、いずれにせよ、ベルトとの間で僅かな滑りが生じ得ることは避けられない。

そこで、部材間の温度差による搬送速度の違いから生じる印刷不良を防止するために、特許文献１では、定着ローラの芯金及び／又は加圧ローラの芯金の温度差を検知して、検知された温度に応じて線速を調整することが提案された。

しかしながら、既述のように、熱膨張により外径が変動したり、経時的に硬度が劣化／外径が縮小したりすることで、ローラ中心から定着ニップまでの半径が変動するので、定着ローラ／加圧ローラの温度検知による線速制御だけでは、定着線速を常に一定に保つことが困難であるという問題がある。

本発明の課題は、熱膨張による外径変動や、経時的な硬度劣化に伴う外径変動に基づく影響を受けることなく、常に安定した定着線速を維持して、記録材の引っ張りや弛みによって生じる異常画像を回避し、高品質な画像が確保することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、それぞれ少なくとも表面に弾性層を有する一対の回転体によって定着ニップを形成し、前記一対の回転体の一方の回転体をモータによって駆動する定着装置であって、前記一方の回転体の潰れのない状態での外径を検出する第１の検出手段と、他方の回転体の潰れのない状態での外径を検出する第２の検出手段と、これら一対の回転体の軸間距離を検出する第３の検出手段と、これら検出手段の検出結果に応じて前記モータの回転数を制御する手段と、を有する定着装置を提案する。

本発明によれば、熱膨張による外径変動や、経時的な硬度劣化に伴う外径変動に基づく影響を受けることなく、常に安定した定着線速を維持することができ、記録材の引っ張りや弛みによって生じる異常画像を回避し、高品質な画像が確保できる。

本発明の一実施形態に係る定着装置を、特に発明の特徴的な構成に関して概略的に示す構成図である。定着ローラと加圧ローラの各々の硬度の状態の組み合わせ次第で、ニップ部の加圧ローラ半径Ｒｒが異なることを示すもので、図２ａが定着ローラに比べて加圧ローラが軟らかい組み合わせ、図２ｂが定着ローラに比べて加圧ローラが硬い組み合わせである。図１の定着装置を備えた画像形成装置を示す模式図である。

図１に本発明の一実施形態に係るベルト定着方式の定着装置２０の概略を示す。定着ベルト２１は、一対の回転体の一方を構成する定着ローラ２２と加熱ローラ２３とテンションローラ２４とに支持・張架されている。定着ベルト２１は、定着ベルト２１の外周側に当接する一対の回転体の他方を構成する加圧ローラ２５が駆動手段としてのモータ（定着線速を定める／定着のためのモータ）により回転駆動されることにより、回転走行する。即ち、駆動は加圧部材側にある。そして、定着ベルト２１が回転走行するとき、定着ローラ２２も定着ベルト２１に連れ回りする。

定着ベルト２１は、例えばニッケル、ステンレス、ポリイミド等の基材にシリコーンゴム層（３００〜５００μｍ）等の弾性層を形成した２層構造となっている。定着ローラ２２は、金属製の芯金上に例えばシリコーンゴム等からなる弾性層を有している。加熱ローラ２３は、例えばアルミ又は鉄等の金属製の中空ローラで構成され、内部には熱源としての定着ヒータが設けられている。そして、この定着ヒータにより加熱ローラ２３が加熱され、加熱ローラ２３により定着ベルト２１が加熱され、加熱された定着ベルト２１により定着ローラ２２が加熱される。

加熱ローラ２３により加熱された定着ベルト２１あるいは定着ローラ２２の温度、特に表面温度は、外周側に配された第１の温度検出手段である温度検知素子４１により検知され、画像形成装置本体に備えられた制御部が、その温度検知素子の出力値に基づいて、定着ローラ２２の温度が所定の設定温度になるように定着のためのヒータを制御する。加圧ローラ２５の温度を検知する第２の温度検出手段である温度検知素子４２も設けられている。

定着ローラ２２と同様に金属製芯金上に弾性層を有した加圧ローラ２５は、定着ベルト２１を介して定着ローラ２２と対向して設けられており、定着動作時には、周知の加圧脱圧機構によって、定着ベルト２１を介して定着ローラ２２に加圧され、両ローラが潰れた形状となって、定着ベルト２１を介して定着ローラ２２と加圧ローラ２５とにより、定着ニップＮが形成される。

未定着トナー像を担持した記録材である用紙は、定着装置２０に搬入されて、定着ニップＮを通過する。その際、所定の温度に制御されている定着ニップＮでトナー像が溶融定着される。

以上のような構成をした定着装置において、一般的に定着のためのモータは一定回転数を維持するよう制御されているので、加圧ローラ２５はそれに応じて一定回転数で回転することとなる。用紙が定着ニップＮを通過する際の用紙の搬送速度は加圧ローラ２５の定着ニップでの半径Ｒｒと加圧ローラ２５の回転数で決定される。

しかしながら、この加圧ローラ２５の定着ニップでの半径Ｒｒは、定着ローラ２２及び加圧ローラ２５の外径や硬度（潰れ具合）により刻一刻と変化する。また、定着部材側にあるヒータによって加熱された加熱ローラ２３により、定着ベルト２１を通じて定着ローラ２２は熱的な影響を受けている。したがって、定着ローラ２２の温度に応じて、その弾性層は熱膨張をし、結果として定着ローラ２２の外径も変化し、硬度も変化する。同様の現象は、同じく表面に弾性層を有する加圧ローラ２５にも生じ、加圧ローラ２５の外径や硬度も、熱的影響で変化する。

そこで、本実施形態では、このような各ローラの外径や潰れ量を検知するための検出手段が定着装置２０に備えられている。即ち、潰れのない状態での定着ローラ２２の直径／外径（２Ｒ_１）を検出するための第１の検出手段４３、潰れのない状態での加圧ローラ２５の直径／外径（２Ｒ_２）を検出するための第２の検出手段４４、定着ローラ２２と加圧ローラ２５の軸間距離、即ち、定着ニップＮで両ローラが最も潰れた状態での相互中心距離を検出する第３の検出手段４５である。これらの検出手段として、光学式の測位手段を用いれば、非接触で検出可能であり、定着ローラ２２や加圧ローラ２５を傷つけることなく、外径情報を得ることができる。

これら検出手段を用いて得られる、定着ローラ２２と加圧ローラ２５の軸間距離、定着ローラ２２や加圧ローラの外径の検出結果は、画像形成装置に備えられた制御部に送られ、定着のためのモータの回転数の制御に供せられる。即ち、定着ローラ２２と加圧ローラ２５のそれぞれの弾性層が同じ材質でできていれば、熱膨張の結果として変化する両ローラの軸間距離と各ローラの外径を実測することで、モータによって回転駆動される加圧ローラ２５の中心から定着ニップまでの半径を算出することができ、モータの回転数を適切に制御できる。しかしながら、定着ローラ２２と加圧ローラ２５のそれぞれの弾性層が異なる材質でできていて、したがって硬度が異なる場合には、軸間距離や外径の実測だけでは、モータの回転数制御に十分ではない。

図２に、定着ローラ、加圧ローラ各々の硬度の状態の組み合わせ次第で、定着ニップでの加圧ローラ半径Ｒｒが異なる様子を示す。図２ａは、定着ローラが硬く、加圧ローラが軟らかい場合である。軸間寸法がＸ_１の時、軟らかい加圧ローラは潰れ量が大きくなり、結果として半径Ｒｒ_１は小さな値となる。図２ｂは、定着ローラが軟らかく、加圧ローラが硬い場合である。軸間寸法は図２ａと同じＸ_１であるが、硬い加圧ローラは潰れ量が小さく、結果として半径Ｒｒ_２は大きな値となっている。このように、各々の表面に弾性層を有する一対の回転体から定着ニップを形成する場合、各々が相対的な硬度に応じて潰れるので、加圧ローラ半径Ｒｒを知るためには、各々の硬度情報も知る必要がある。外径・硬度・軸間寸法を知ることでＲｒを算出することが可能となる。

外径と硬度は温度に応じて変化する（熱膨張の影響）ので、温度検出手段が必要であるが、本実施形態では、既述のように、定着ローラ２２や加圧ローラ２５の温度を検出する第１、第２の温度検知素子４１、４２によって、各々の温度状態を把握することができるようになっている。温度検出素子としては、定着ローラ２２や加圧ローラ２５の表層温度を検出すべく、例えば接触式のサーミスタを挙げることができる。また、接触による摺動キズを防止するために、非接触式のサーミスタやサーモパイルといった温度検出手段を用いてもよい。

一例として、定着ローラと加圧ローラの温度に応じた外径及び硬度の変化の様子をデータ化したものを表１として示す。

表１から、加熱すると、外径及び硬度が変化していく様子が分かる。

また、定着ローラと加圧ローラの硬度組み合わせの際の加圧ローラ半径の変化の様子をデータ化したものを表２として示す。

表２では、軸間寸法Ｘ_１が或る一定値、且つ一定温度であるときの評価データを示している。ニップを形成する定着ローラと加圧ローラの硬度の組み合わせにより、両者の潰れ方が異なるため、軸間寸法Ｘ_１が一定であってもＲｒが異なる値になることが分かる。Ｒｒが小さくなれば、モータ回転を落とすことで狙いの定着線速にすることができる。また逆にＲｒが大きいときには、モータ回転を高めることで狙いの定着線速にすることができる。定着ローラと加圧ローラが加熱されて弾性層が熱膨張すれば、軸間寸法Ｘ_１が変化し（大きくなる）、それに応じて両者の硬度も変化するが、これらの評価結果のデータを用いれば、様々な状態における加圧ローラの半径Ｒｒを算出することが可能である。

したがって、これら事前にテーブル化した情報も勘案して、加圧ローラ２５を回転駆動するモータ、即ち、定着のためのモータの回転数を制御すれば、より一層適切な定着線速を実現することができる。

なお、本実施形態に係る定着装置はベルト定着方式で、加熱ローラ２３から熱容量の小さな定着ベルト２１を加熱し、その熱量で定着ニップＮを形成する相対的に熱容量が大きな定着ローラ２２、更には加圧ローラ２５をも温めた後に定着ニップＮでトナーに熱を与えることから、ウォームアップに時間がかかる。これを回避するために、加圧ローラ２５の中空芯金の内部に発熱体（例えば赤外線ヒータ）を配して、加圧ローラ中心から加圧ローラ２５を温めることもある。この場合、通紙ジョブ信号を待っている「待機状態」では、加圧ローラ２５を温め続けている。この時、加圧ローラ２５は、発熱体のある中心部分が最も高温で表層が最も低温である。そして、通紙ジョブ信号が入ると「ウォームアップ状態」となり、定着ベルト側から熱を受けて加圧ローラ２５の表面温度も高くなる。状況に応じて加圧ローラ２５の弾性層の温度はその厚み方向で相違し得るため、加圧ローラ２５の温度を複数箇所（例えば表面と芯金近傍）で検知することで、加圧ローラ２５の弾性層の膨張状態を一層細かく知ることができる。同じことが、発熱体を内部に有しない定着ローラ２２についても言える（例えば、ウォームアップ直後と、連続通紙後の定着ローラ温度は同じであっても、弾性層の内部温度分布、したがって弾性層の熱膨張の状態が異なっている）。このような弾性層の厚み方向での膨張状態の相違を、定着のためのモータの回転数制御のファクターに加えれば、定着線速の一層の適正化を図ることが可能である。更に、同じことが熱ローラ方式の定着装置でも当てはまる。

最後に、上述した定着装置２０を備えた画像形成装置１について説明する。この画像形成装置１は、カラーレーザープリンタであり、そのプリンタ本体の中央には、中間転写ベルト３０の展張方向に沿って４つの作像部４Ｙ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｋが並置して設けられている。各作像部４Ｙ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｋは、カラー画像の色分解成分に対応するイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の異なる色の現像剤を収容する以外は、同じ構成である。

具体的に、それぞれ画像ステーションを構成する各作像部４Ｙ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｋは、潜像担持体としてのドラム状の感光体５と、感光体５の表面を帯電させる帯電装置６とを備えている。また、感光体５の表面にトナーを供給する現像装置７と、感光体５の表面をクリーニングするクリーニング装置８等を備えている。なお、図３では、ブラックの作像部４Ｋが備える感光体５、帯電装置６、現像装置７、クリーニング装置８のみに参照番号を付し、その他の作像部４Ｙ、４Ｃ、４Ｍにおいては省略している。

作像部４Ｙ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｋの下方には、感光体５の表面を露光する露光装置９が配設されている。露光装置９は、光源、ポリゴンミラー、ｆ−θレンズ、反射ミラー等を有し、画像データに基づいて各感光体５の表面へレーザー光を照射するようになっている。

作像部４Ｙ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｋの上方には、転写装置３が配設されている。転写装置３は、転写体としての中間転写ベルト３０と、一次転写手段としての４つの一次転写ローラ３１と、二次転写手段としての二次転写ローラ３６とを備える。更に、転写装置３は二次転写バックアップローラ３２、クリーニングバックアップローラ３３、テンションローラ３４、及びベルトクリーニング装置３５を備えている。

中間転写ベルト３０は、無端状のベルトであり、二次転写バックアップローラ３２、クリーニングバックアップローラ３３及びテンションローラ３４によって張架されている。ここでは、二次転写バックアップローラ３２が回転駆動することによって、中間転写ベルト３０は図の矢印で示す方向に周回走行（回転）するようになっている。

４つの一次転写ローラ３１は、それぞれ、各感光体５との間で中間転写ベルト３０を挟み込んで一次転写ニップを形成している。また、各一次転写ローラ３１には、プリンタ本体の電源が接続されており、所定の直流電圧（ＤＣ）及び／又は交流電圧（ＡＣ）が各一次転写ローラ３１に印加されるようになっている。

二次転写ローラ３６は、二次転写バックアップローラ３２との間で中間転写ベルト３０を挟み込んで二次転写ニップを形成している。また、一次転写ローラ３１と同様に、二次転写ローラ３６にもプリンタ本体の電源が接続されており、所定の直流電圧（ＤＣ）及び／又は交流電圧（ＡＣ）が二次転写ローラ３６に印加されるようになっている。

ベルトクリーニング装置３５は、中間転写ベルト３０に当接するように配設されたクリーニングブラシとクリーニングブレードを有する。
プリンタ本体の上部には、ボトル収容部２が設けられており、ボトル収容部２には補給用のトナーを収容した４つのトナーボトル２Ｙ、２Ｃ、２Ｍ、２Ｋが着脱可能に装着されている。各トナーボトル２Ｙ、２Ｃ、２Ｍ、２Ｋと各現像装置７との間には、周知のように補給路が設けられ、この補給路を介して各トナーボトル２Ｙ、２Ｃ、２Ｍ、２Ｋから各現像装置７へトナーが補給されるようになっている。

一方、プリンタ本体の下部には、記録材としての用紙Ｐを収容した給紙トレイ１０や、給紙トレイ１０から用紙Ｐを搬出する給紙ローラ１１等が設けられている。また、周知のように、手差し給紙機構が設けられていてもよい。

プリンタ本体内には、用紙Ｐを給紙トレイ１０から二次転写ニップを通過させて装置外へ排出するための搬送路Ｒが配設されている。搬送路Ｒにおいて、二次転写ローラ３６の位置よりも用紙搬送方向上流側には、二次転写ニップへ用紙Ｐを搬送する搬送手段としての一対のレジストローラ１２が配設されている。

また、二次転写ローラ３６の位置よりも用紙搬送方向下流側には、既述の定着装置２０が配設されている。更に、定着装置２０よりも搬送路Ｒの用紙搬送方向下流側には、用紙Ｐを装置外へ排出するための一対の排紙ローラ１３が設けられている。また、プリンタ本体の上面部には、装置外に排出された用紙Ｐをストックするための排紙トレイ１４が設けられている。
以上のようなプリンタの基本的動作は周知であるので、その説明は省略する。

２０定着装置
２１定着ベルト
２２定着ローラ
２３加熱ローラ
２５加圧ローラ
４３第１の検出手段
４４第２の検出手段
４５第３の検出手段

特開２０１５−２２７９７８号公報

Claims

それぞれ少なくとも表面に弾性層を有する一対の回転体によって定着ニップを形成し、前記一対の回転体の一方の回転体をモータによって駆動する定着装置であって、前記一方の回転体の潰れのない状態での外径を検出する第１の検出手段と、他方の回転体の潰れのない状態での外径を検出する第２の検出手段と、これら一対の回転体の軸間距離を検出する第３の検出手段と、これら検出手段の検出結果に応じて前記モータの回転数を制御する手段とを有することを特徴とする定着装置。
前記一対の回転体のそれぞれの温度を検出する温度検出手段が設けられ、前記温度検出手段によって検出された各回転体の温度と各回転体の硬度とを勘案することで前記一方の回転体の中心から定着ニップまでの半径を算出して、それに応じて前記モータの回転数を制御することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
前記一対の回転体のそれぞれの温度を検出する前記温度検出手段が、弾性層の厚み方向の複数の箇所で温度検知するものであることを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
前記第１、第２、第３の検出手段が光学式の測位手段であることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
前記他方の回転体はベルトを支持・張架し、前記一方の回転体が前記モータによって回転駆動される際に前記ベルトを介して前記他方の回転体が連れ回りすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の定着装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の定着装置を備えた画像形成装置。
それぞれ少なくとも表面に弾性層を有する一対の回転体によって定着ニップを形成し、前記一対の回転体の一方の回転体をモータによって駆動する定着装置の定着線速を制御する方法であって、前記一方の回転体の潰れのない状態での外径を検出すること、他方の回転体の潰れのない状態での外径を検出すること、これら一対の回転体の軸間距離を検出すること、これら外径検出と軸間距離検出の検出結果に応じて前記モータの回転数を変更して定着線速を制御することを特徴とする方法。