JP2020071342A - 定着部材、および加熱定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクアップで寿命判定を行っているが、それが何要因かまではわからず、対応としては定着器交換を実施していた。そのため、必要ない部品も同時にすべて交換されてしまってコストアップ要因となっていた。【解決手段】トルク値が所定値を超えたら、トルクアップ要因診断モードに入り、トルクアップ要因を明確にする。【選択図】図１１

Description

本発明は複写機、プリンタ、ファクシミリ、又は、それらの複合機等の画像形成装置に関する。

電子写真方式、静電記録方式等を採用する画像形成装置に具備される画像加熱装置（以下、定着装置と呼ぶ）においては、いわゆる熱ローラ方式の定着装置が広く用いられてきた。熱ローラ方式の定着装置は、未定着トナー像を担持した記録材を、互いに圧接して回転する定着ローラと加圧ローラとで形成されるニップ部を通過させることにより記録材上に固着画像として定着させるものである。

しかし、近年では省エネルギー推進の観点から、熱伝達効率が高く、装置の立ち上がりが速いオンデマンド方式として、熱容量の小さい定着フィルム（無端ベルト）を介して加熱するフィルム加熱方式の定着装置、すなわちフィルム定着装置が提案され実用化されている。このフィルム加熱方式の定着装置では、ポリイミド等の耐熱性フィルムの外面にフッ素樹脂等の離型層が積層されたシームレスの定着ベルトが用いられている。

上記構成においては、無端ベルトの内周側に加圧パット等の圧力部材を設けて、この圧力部材により無端ベルトと加圧ローラ（もしくは定着ロール）に向かって押圧することで、無端ベルトと加圧ローラ（もしくは定着ロール）とを圧接させる。この無端ベルトと加圧ローラ（もしくは定着ロール）との間の加圧された加圧領域に記録媒体を通過させることで、記録媒体上の未定着トナーを記録媒体に定着させている。無端ベルトと圧力部材との間には、フッ素系やシリコーン系の耐熱性グリスやシリコーンオイル等の潤滑材を介在させることにより、摩擦抵抗を低く抑え、滑らかに無端ベルトが回転可能（移動可能）となる。

一方、定着装置の稼働時間の経過に伴い、潤滑剤の経時劣化や内面摺動部への異物混入、ベルト内面の摩耗、ニップ形成部材表面・ベルト内面の変質等が起こることで、摺動負荷は徐々に増加していく。定着装置の摺動負荷が増加し続けると、画像不良の発生や摺動に伴う異音が発生する他、ベルト破損、ギア破損等のトラブルが生じる場合もある。

そのため、定着装置交換の必要性を予測し、サービスマンが定着装置のメンテナンスに行けるような仕組みが求められる。従来はこの仕組みを実現するために、通紙枚数やベルト走行距離等のカウンタを活用する方法が主に用いられてきた。

しかしながら、ユーザーごとの装置の設置環境や使用頻度、使用する紙種等の多様化に伴って、定着装置が寿命を迎える要因は様々なケースに分類されるようになってきており、従来の通紙枚数やベルト走行距離等のカウンタによる判断のみでは、適正な交換時期より早い段階で交換されてしまう場合も多い。

そこで、定着装置の寿命を予測する手段として、以下のような提案がなされている。特許文献１では、駆動手段に流れる電流を検出する電流検出手段と、検出された電流（摺動負荷、トルク）に基づいて定着装置の交換時期を判定する交換時期判定手段を備えている。

特開２００１−００５３５３号公報

特許文献１の構成では、定着装置の交換時期を判定し、交換することは可能だが、摺動負荷上昇の要因まではわからない。よって対応としては定着装置を交換することになり、定着装置内の交換が不要な部品まで交換することとなり、コストアップにつながっている。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、ヒータと、前記ヒータにより加熱される定着回転体と、前記定着回転体の内面と圧接してニップ部を形成するニップ形成部材と、前記定着回転体を介してニップ形成部材と共にニップ部を形成する加圧回転体と、前記定着回転体または前記加圧回転体の少なくとも一方を回転させる駆動手段と、を有し、記録材をニップ部に挟持搬送し、記録材をニップ部で加熱加圧し定着する定着装置であって、前記駆動手段の回転トルク情報を取得するトルク情報検知手段を設けた構成において、トルクアップ要因を診断することができる画像形成装置である。

請求項２に係る発明は、前記診断手段が、複数の温度条件でトルクを取得し、前記取得したトルク情報の差分が所定値以上であるか否かで判断することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置である。

本発明に係る画像形成装置によれば、摺動負荷上昇の要因を切り分けることで定着装置内の交換対象となる部品を明確にすることが可能となり、対象部品のみの交換で済むことによってコストダウンにつながる。

本発明の画像形成装置を説明する模式図である。 本発明における定着装置の断面模式図である。 本発明における定着装置の長手模式図である。 本発明におけるブロック図である。 摺動負荷上昇した場合のトルクの温度依存性を示す図である。 基油（オイル）単体の動粘度特性の温度依存性を示す図である。 定着装置における摺動負荷（トルク）の温度依存性を示す図である。 潤滑剤有無でのトルクの温度依存性を示す図である。 フィルムユニット要因で周動負荷上昇が発生した場合のトルクの時系列推移を示す図である。 加圧ローラ要因で周動負荷上昇が発生した場合のトルクの時系列推移を示す図である。 トルクアップ要因の特定動作と判断フローに関して説明する図である。 表示装置にて表示する表示例を示す図である。 摺動負荷が上昇する要因を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。

［画像形成装置］
図１は本実施例の画像形成装置であるプリンタ１の断面図である。プリンタ１は画像形成部１０において、感光ドラム１１に形成したトナー画像を記録材Ｐに転写した後、定着装置４０で記録材Ｐに画像を定着する画像形成装置である。

図１に示すように、プリンタ１は、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｂｋ（ブラック）の各色のトナー画像を形成する画像形成部（画像形成ステーション）１０を備えている。画像形成部１０は図１の左側から順にＹ、Ｍ、Ｃ、Ｂｋの各色に対応した４つの感光ドラム１１（１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｂｋ）を備えており、駆動源（不図示）によって矢印方向に回転駆動する。

各感光ドラム１１の周囲には、帯電器１２、露光装置１３、現像装置１４、一次転写ブレード１７、クリーナ１５が配置される。以下では、Ｂｋ色のトナー画像を形成する手順について説明を行うが、他色のトナー画像を形成する手順も同様である。

まず、記録材Ｐ上にトナー画像を形成するまでの手順について説明する。感光ドラム１１の表面は帯電器１２によって均一に帯電された後、露光装置１３によって画像情報に応じて露光されることで、感光ドラム１１上に静電潜像が形成される。そして、現像装置１４によって露光装置１３により得られた静電潜像上にトナーが現像され、感光ドラム１１上にトナー画像が形成される。この時、他の色についても同様の工程が行われる。

各感光ドラム１１上のトナー画像は、一次転写ブレード１７によって中間転写ベルト３１に一次転写され、感光ドラム１１に残ったトナーはクリーナ１５によって除去される。こうして、感光ドラム１１は次の画像形成が可能な状態となる。

一方、給送カセット２０またはマルチ給送トレイ２５に置かれた記録材Ｐは、給送機構（不図示）によって１枚ずつ送り出されてレジストローラ対２３に送り込まれる。レジストローラ対２３は記録材Ｐを一旦止めて、記録材Ｐが搬送方向に対して斜行している場合はその向きを真っ直ぐに直し、中間転写ベルト３１上のトナー画像と同期を取って、記録材Ｐを中間転写ベルト３１と二次転写ローラ３４、３５との間に送り込む。二次転写ローラ３５は中間転写ベルト３１上のトナー画像を記録材Ｐに転写する。

トナー画像が転写された記録材Ｐは定着装置４０へ搬送され、加熱及び加圧処理によって記録材Ｐ上に固着したトナー画像が形成される。

次に、定着装置４０について説明する。図２に定着装置４０の断面図、図３に定着装置４０の正面図を示す。記録材Ｐ上の画像を加熱するフィルムユニット６０は、可撓性を有する薄肉の定着フィルム６０３を、内面に接触するヒータ６００により加熱する構成である。図２のように、定着フィルム６０３はヒータ６００と加圧ローラ７０との圧着によりニップ部Ｎが形成され、ニップ部Ｎに給送された記録材Ｐを挟持搬送する。この時、ヒータ６００で発生した熱は定着フィルム６０３を介して記録材Ｐに付与され、記録材Ｐ上のトナー画像Ｔは記録材Ｐに溶融定着される。

フィルムユニット６０は、記録材Ｐ上の画像を加熱加圧する為のユニットで、加圧ローラと平行となるように設けられ、ヒータ６００、ヒータホルダ６０１、支持ステー６０２、定着フィルム６０３から成る。

定着フィルム６０３は、ニップ部Ｎが所定の幅となるように加圧ローラ７０方向に押圧される。またヒータ６００は、基板６１０と基板６１０上に抵抗発熱体６２０を備え、ヒータホルダ６０１の下面の凹部に固定されている。尚、本実施例では基板６１０の裏面側（定着フィルム６０３と当接しない側）に発熱体６２０を設けているが、これに限定されるものでは無く、表面側（定着フィルム６０３と当接する側）に設けても良い。

基板６１０の表面には定着フィルム６０３とヒータ６００との摺擦負荷を低減するために、固体成分（コンパウンド）と基油成分（オイル）からなる半固形状潤滑剤（以下、グリス）が塗布され、ヒータ６００と定着フィルム６０３、及びヒータホルダ６０１と定着フィルム６０３との摺動性を確保している。グリスのコンパウンドとしては、グラファイトや二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤、酸化亜鉛やシリカなどの金属酸化物、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂などが挙げられる。またグリスのオイルとしては、シリコーンオイルやフルオロシリコーンオイルなど耐熱性のある高分子樹脂オイルが挙げられる。本実施例では、コンパウンドとしてＰＴＦＥ粉体微粒子（粒径３μｍ）、オイルとしてフルオロシリコーンオイルを用いたグリスを使用している。

定着フィルム６０３は記録材上のトナー画像をニップ部Ｎにて加熱加圧するための円筒状のフィルムである。本実施例では、基材６０３ａ上に弾性層６０３ｂと離型層６０３ｃを設け、基材６０３ａの内面には内面摺動層６０３ｄを設けている。具体的に、基材６０３ａとしては外径が３０ｍｍ、長さが３４０ｍｍ、厚みが３０μｍのニッケル合金から成る円筒形状の部材を使用している。更に、基材６０３ａ上には弾性層６０３ｂとして厚みが４００μｍのシリコーンゴム層を形成し、更に弾性層６０３ｂ上には離形層６０３ｃとして厚みが約２０μｍのフッ素樹脂チューブを被覆している。更に、内面摺動層６０３ｄとして厚みが約１０μｍのポリイミド層（ＰＩ層）を使用している。

ヒータホルダ６０１（以後、ホルダ６０１）は、ヒータ６００が定着フィルム６０３に向かって押圧された状態を保持する部材である。また、ホルダ６０１は断面形状が半円弧形状であり、定着フィルム６０３の回転軌道を規制する機能を備えている。ヒータホルダ６０１には高耐熱性の樹脂等が用いられ、本実施例ではデュポン社のゼナイト７７５５（商品名）を使用している。

支持ステー６０２はヒータホルダ６０１を介してヒータ６００を支持する部材である。支持ステー６０２は大きな荷重をかけられてもたわみにくい材質であることが望ましく、本実施例においてはステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を使用している。

図３のように、支持ステー６０２はその長手方向の両端部において、フランジ４１１ａ、４１１ｂにより支持されている。フランジ４１１ａ、４１１ｂを総称してフランジ４１１と呼ぶ。フランジ４１１は定着フィルム６０３の長手方向の移動、及び周方向の形状を規制している。フランジ４１１には耐熱性の樹脂等が用いられ、本実施例ではポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を使用している。フランジ４１１と加圧アーム４１４との間には加圧バネ４１５が縮められた状態で設けられる。上記構成により、フランジ４１１、支持ステー６０２を介して、加圧バネ４１５の弾性力がヒータ６００に伝わる。そして、定着フィルム６０３が加圧ローラ７０に対して所定の押圧力で加圧され、所定幅のニップ部Ｎが形成される。本実施例に於ける加圧力は一端側が約１５６．８Ｎ、総加圧力が約３１３．６Ｎ（３２ｋｇｆ）である。

また、コネクタ５００はヒータ６００に電圧を印加するためにヒータ６００と電気的に接続される給電部材であり、ヒータ６００の長手方向片端側に着脱可能に取り付けられる。

図２のように、加圧ローラ７０は定着フィルムユニット６０に加圧されることでニップ部Ｎを形成する部材である。加圧ローラ７０は金属の芯金７１上に弾性層７２を設け、更に、弾性層７２上に離型層７３を設けた多層構造である。芯金７１としてはステンレス鋼（ＳＵＳ）、硫黄及び硫黄複合快削鋼鋼材（ＳＵＭ）、アルミニウムを用いることができる。弾性層７２としてはシリコーンゴム、スポンジゴム、あるいは弾性気泡ゴムを用いることができる。離型層７３としては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（ＰＦＡ）等のフッ素樹脂材料を用いることができる。本実施例の加圧ローラ７０はステンレス製の芯金７１と、シリコーンゴムの弾性層７２と、ＰＦＡチューブの離型層７３からなり、外径は約２５ｍｍ、弾性層の長手長さは３３０ｍｍである。

図３のように、加圧ローラ７０の芯金７１は側板４１と軸受け４２ａ、４２ｂを介して回転可能に保持され、芯金７１の一方側の端部にはＧが設けられて、定着駆動モータＭ９３の駆動力を芯金７１に伝達する。図２のように、定着駆動モータＭ９３により駆動される加圧ローラ７０は矢印方向に回転駆動し、ニップ部Ｎにて定着フィルム６０３に駆動力を伝達して従動回転させる。尚、本実施例では加圧ローラ７０の表面速度が２００ｍｍ／ｓｅｃとなるように、定着駆動モータＭ９３が制御回路部９０によって制御される。図２に示す温度検知手段であるサーミスタ（ＴＨ）６３０はヒータ６００の裏面側に設けられ、ヒータ６００の温度を検知する温度センサである。サーミスタ６３０はＡ／Ｄコンバータ８０を介して制御回路部９０に接続され、検知した温度に応じた出力を制御回路部９０に送信する。制御回路部９０は各種制御に伴う演算を行うＣＰＵとＲＯＭ等の不揮発媒体を備えた回路である。このＲＯＭにはプログラムが記憶されており、ＣＰＵがこれを読み出して実行することで各種制御は実行される。

制御回路部９０は電源の通電を制御するように電源と電気的に接続される。また、制御回路部９０はサーミスタ６３０から取得した温度情報を電源の通電制御に反映させ、ヒータ６００へ供給する電力を制御している。本実施例では電源出力に対して波数制御または位相制御を行うことで、ヒータ６００の発熱量を調整する方式を用いており、記録材上のトナーを定着する際、ヒータ６００は所定の温度に維持される。

［定着駆動モータの電流検知手段］
図３、４に示す通り、モータ電流検知手段９４（トルク情報検知手段）は定着駆動モータＭ９３に流れる電流を検知する。検知した電流値は制御回路部９０に摺動負荷情報として入力される。本発明では、定着駆動モータＭ９３としてブラシレスＤＣモータを採用しているので、モータの駆動電流とトルクが比例する特性を利用し、モータ電流値によってトルクの判断が行われる。この電流値に基づいて、定着装置４０の中から交換対象となる部品を特定することになる。本特許において、トルク情報検知手段としてモータ電流検知方式を用いたが、この方式に限るものではなく、トルクゲージ等のトルク情報検知手段を用いてもよい。

図４は画像形成装置における回転駆動制御系の構成を示すブロック図である。

制御回路部９０は、定着動作時（通紙時）に、温度検知手段６３０によって検出された定着フィルム６０３の温度に基づいて、ヒータ通電回路部９２を駆動し、制御することで、定着フィルム６０３の温度を所定の定着温度に近づくように制御する温度制御手段としての機能を備えている。また制御回路部９０は、温度検知手段６３０によって検出される定着フィルム６０３の温度に基づいて、定着駆動モータ９３の回転駆動を制御することで、定着フィルム６０３及び加圧ローラ７０の回転駆動を制御する駆動制御手段としての機能を備えている。

さらに制御回路部９０は、判定手段による判定結果を、報知部を介してユーザーに報知する機能も備えている。報知部としては、例えば画像形成装置の表示パネルにメッセージを表示することによる報知や、電子ブザーのようなブザー音による報知、さらには音声合成による内部スピーカからの音声メッセージによる報知などが考えられる。

［摺動負荷上昇（トルクアップ）の要因とトルクの温度依存性］
図１３に摺動負荷が上昇する要因を示す。大別するとフィルムユニット６０要因と加圧ローラ７０要因になる。以下、各々に関して詳細に説明する。

フィルムユニット６０要因としては、グリスの劣化と削れ粉（磨耗粉）の混入である。グリスの劣化とは、グリスを構成している基油成分（オイル）の損失のことであり、グリスが長期間高温にさらされることによって起こり、基油（オイル）の蒸発もしくは分解によって損失が促進されることになる。グリスの劣化が促進されると、定着フィルム６０３とヒータ６００間に介在する油膜厚が薄くなり、定着フィルム６０３の内面とヒータ６００の接触する頻度が多くなる。すると、フィルム内面の磨耗が促進され、定着フィルム６０３とヒータ６００の間に介在するグリス中に、削れ粉（磨耗粉）が混入することになる。削れ粉（磨耗粉）は定着フィルム６０３とヒータ６００間の油膜形成を阻害する要因となるので、摺動負荷上昇（トルクアップ）につながってしまう。

一方、加圧ローラ７０要因としては、定着装置４０の稼働時間の経過に伴う弾性層７２の軟化劣化に伴う硬度ダウンと加圧ローラ７０の軸削れと軸受け削れに伴う、加圧ローラ軸と軸受けへの磨耗粉の混入である。

図５に摺動負荷上昇した場合のトルクの温度依存性を示す。通常（摺動負荷上昇なしの正常時）の温度依存性に対して、フィルムユニット６０要因で摺動負荷上昇した場合、トルクの絶対値上昇に加えて、グラフ形状が水平に近づいていることから温度依存性が減少する傾向になることがわかる。詳細は後述する。一方、加圧ローラ７０要因で摺動負荷上昇した場合、通常（摺動負荷上昇なしの正常時）のグラフ形状と同様の傾向を維持したまま絶対値が上昇していることがわかる。

本発明は、この現象に着目し、これを元にトルクアップ要因特定動作を実施することで交換部品の特定を行うことを特徴としている。詳細の判断フローに関しては後述する。

［オイル粘度の温度依存性、トルクの温度依存性（潤滑剤の有無）］
図６に基油（オイル）単体の動粘度特性の温度依存性を示す。動粘度とは粘度を密度で割った値である。図６より、温度の上昇に伴って、動粘度が減少していくことがわかる。この影響が定着装置４０における現象として顕在化してくるのは摺動負荷（トルク）である。図７に定着装置４０における摺動負荷（トルク）の温度依存性を示す。縦軸の摺動負荷はモータ軸上の電流値をトルクに換算した値である。温度の上昇に伴って、トルクが減少していくことがわかり、図６に図示した基油の動粘度特性と同様の傾向があることがみてとれる。次に、図８にグリス有無でのトルクの温度依存性を示す。グリス無しの状態とは、前述したグリスの劣化した状態と削れ粉の混入を模した状態である。グリスが無い場合、温度の上昇に伴って、トルクが減少していく傾向が見られず、温度依存性の少ない、平らなグラフになっている。これは、グリスがないために、基油（オイル）単体の動粘度特性の影響を受けないことが原因である。

［トルクアップ要因特定動作と判断フロー］
図９、図１０に摺動負荷の時系列推移の概略図を示す。図９はフィルムユニット６０要因で摺動負荷上昇が発生した場合の概略図、図１０は加圧ローラ７０起因で摺動負荷上昇が発生した場合の概略図である。温度とは、ヒータ温度のことであり、低温（１２０℃）条件と通常（２００℃）条件の２水準のデータである。図９と図１０に示されている特徴を検出することで交換部品を特定する。すわなち、図９はフィルムユニット６０要因のトルクアップであるため、温度依存性が少なく、図１０は加圧ローラ７０要因のトルクアップであるため温度依存性が大きいといった特徴を検出することになる。図１１を用いて、トルクアップ要因の特定動作と判断フローに関して説明する。

ジョブが開始されると、まず通電＋駆動が開始される（Ｓ００１）。次に、モータ電流値Ａが所定値以上か否かの判断を行う（Ｓ００２）。所定値以下の場合、定着装置４０の使用に関しては問題がない状態であると判断し、通紙ジョブを実行後（Ｓ００３）、通電停止（Ｓ００９）して終了となる。

一方、モータ電流値Ａが所定値以上の場合、通紙ジョブ実行は行わず、温度変更後（Ｓ００４）、モータ電流値Ｂを取得する（Ｓ００５）。次に、モータ電流値Ｂとモータ電流値Ａの差分が所定値以上か否かを判断する（Ｓ００６）。所定値以上の場合、摺動負荷上昇の要因が加圧ローラ７０であると判断し、加圧ローラユニット７０交換を報知し（Ｓ００８）、通電停止（Ｓ００９）して終了となる。モータ電流値Ｂとモータ電流値Ａの差分が所定値以下の場合、摺動負荷上昇の要因がフィルムユニット６０であると判断し、フィルムユニット６０交換を報知し（Ｓ００７）、通電停止（Ｓ００９）して終了となる。
前述したステップの（Ｓ００２）、（Ｓ００４）、（Ｓ００５）、（Ｓ００６）を実施することで、トルクアップの要因を診断している。

（Ｓ００１）から（Ｓ００９）までの処理は制御回路部９０が実行することにより実現される。また表示装置（不図示）によってユーザーへの指示をＵＩに表示し、入力からユーザーおよびサービスマン等の指示を受け付ける。

上記判定結果を表示装置（不図示）にて表示する表示例を図１２に示す。図１２はフィルムユニット６０要因のトルクアップに伴ってフィルムユニット交換が必要な場合の例を示しており、ユーザーおよびサービスマン等がわかるように具体的な文言としてメッセージと、コード化した情報を表示している。このように、具体的な情報で交換部品の内容がわかるため、ユーザーおよびサービスマン等が容易に対象部品を交換することができる。

なお、本実施例では摺動負荷上昇の結果および交換すべきユニットを表示手段に表示して、ユーザーおよびサービスマンに周知する構成であるが、これに限定されるものでは無い。例えば、ネットワークを介してサービスマンに周知する方法を採用しても良く、この場合、サービスマンが事前に交換すべきパーツを知ることができるので、交換すべきパーツを確実に携帯してメンテナンスを行うことができる。

［実施例１の効果］
以上説明したように、定着装置４０の中から摺動負荷上昇に伴う交換部品を特定することができ、特定部品のみを交換すればよいためコストダウンにつなげることができる。

１ 画像形成装置、４０ 定着装置、６０ フィルムユニット、
７０ 加圧ローラ、９０ 制御回路部、９２ ヒータ通電回路部、
９３ 定着駆動モータ、９４ モータ電流検知手段、６０３ 定着フィルム

Claims (2)

1. ヒータと、前記ヒータにより加熱される定着回転体と、前記定着回転体の内面と圧接してニップ部を形成するニップ形成部材と、前記定着回転体を介してニップ形成部材と共にニップ部を形成する加圧回転体と、前記定着回転体または前記加圧回転体の少なくとも一方を回転させる駆動手段と、を有し、
   記録材をニップ部に挟持搬送し、記録材をニップ部で加熱加圧し定着する定着装置であって、
   前記駆動手段の回転トルク情報を取得するトルク情報検知手段を設けた構成において、
   トルクアップ要因を診断することができる画像形成装置。
2. 前記診断手段が、複数の温度条件でトルクを取得し、前記取得したトルク情報の差分が所定値以上であるか否かで判断することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。