JP2022050118A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束制御部材の変形を抑制できる定着装置を提供する。【解決手段】電磁誘導加熱手段２４と磁束制御部材とを有する定着装置において、電磁誘導加熱手段２４による加熱対象の目標温度に応じて電磁誘導加熱手段への供給電力の上限を変更する供給電力制御手段７０，７１を設けた。電磁誘導加熱手段２４による加熱対象の温度検知センサ２８を備え、供給電力制御手段７０，７１は、温度検知センサ２８による検出温度と目標温度とに基づいて電磁誘導加熱手段２４への供給電力を変化させる。【選択図】図３

Description

本発明は、画像形成装置に関するものである。

従来、電磁誘導加熱手段と磁束制御部材とを有する定着装置を備えた画像形成装置が知られている。例えば、特許文献１に記載の画像形成装置の定着装置は、電磁誘導加熱手段であるＩＨヒータで定着ベルトの一部が巻き付く加熱ローラを加熱している。この加熱ローラの中空内部に磁束遮蔽部材（磁束制御部材）を配置している。

ところが、磁束制御部材の温度が上昇して変形して近傍の部材に接触してしまう虞がある。

上述した課題を解決するために、本発明は、電磁誘導加熱手段と磁束制御部材とを有する定着装置を備えた画像形成装置において、前記電磁誘導加熱手段による加熱対象の目標温度に応じて前記電磁誘導加熱手段への供給電力の上限を変更する供給電力制御手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、磁束制御部材の変形を抑制できる。

デジタル複写機の全体構成図。 定着装置の概略構成図。 電装部のブロック図。 実験結果のグラフ。 他の実験結果のグラフ。 設定値のテーブルの例の説明図。

以下、図面を参照しつつ、本発明の形態について説明する。まず、図１を用いて、画像形成装置であるデジタル複写機の全体構成および動作を説明する。デジタル複写機の装置本体１は、原稿の画像情報を光学読み取りするスキャナ５０、原稿を連続してスキャナ５０に搬送するＡＤＦ１０、画像形成部５１、及び、記録媒体である用紙を収容する給紙部１１を備える。

画像形成部５１には、カラー画像に対応するため、黒用画像形成部５１ＢＫ、マゼンタ用画像形成部５１Ｍ、イエロー用画像形成部５１Ｙ、及び、シアン用画像形成部５１Ｃが互いに分かれて存在する。それぞれスキャナ画像情報や外部画像情報に基づいて露光光を書き込み部５９が照射する。色の違いを除いて構成は同じであるので、図中シアンについてのみ符号を付し、以下に説明する。

シアンの露光光を照射される感光体ドラム５５Ｃは、反時計まわりに回転し、帯電部５７Ｃで帯電された後、露光光が照射されたドラム部分に現像部５６Ｃでトナーを付着されて、トナー像が形成される。そのトナー像は１次転写されて各色を重ね合わせることにより中間転写部５３上に画像形成され、転写後の感光体ドラム５５Ｃの残留トナーはクリーニング部５８Ｃで回収される。

給紙部１１から給紙された用紙は、レジスト部６０に搬送され、レジスト部６０でスキュー補正されるとともに中間転写部５３のトナー像とのタイミングを取って２次転写部５２に送り込まれ、２次転写部５２にてトナー像を転写される。転写工程後の用紙は、搬送経路を経て定着装置２０に達する。定着装置２０に達した用紙は、加熱回転体たる定着ベルト２２と加圧回転体たる加圧ローラ３０との間の定着ニップに挿入され、定着ベルト２２から受ける熱と加圧ローラ３０から受ける圧力とによってトナー像を定着される。トナー像が定着された用紙は、定着ニップから送出された後に、出力画像として装置本体１から排出されて、一連の画像形成プロセスが完了する。

次に、装置本体１に設置される定着装置２０の全体概略構成を示す図２（ａ）を用いて、定着装置２０の構成および動作を詳述する。定着装置２０は、主として、定着ローラ２１、定着ベルト２２、加熱ローラ２３、電磁誘導加熱手段であるＩＨヒータの外部誘導加熱部２４、加圧ローラ３０、分離ユニット３６等を有する。

定着ローラ２１は、その表面にシリコーンゴム等の弾性層が形成されており、外周に定着ベルト２２を介して加圧ローラ３０が押し当てられて定着ニップが形成されている。そして、駆動部によって加圧ローラ３０が図２（ａ）の反時計方向に回転して、定着ローラ２１や定着ベルト２２も圧接回転する。

定着ベルト２２は、ポリイミド樹脂等から成る層厚９０μｍのベース層上に、弾性層、離型層（表面層）が順次積層された多層構造のエンドレスベルトであり、加熱ローラ２３と定着ローラ２１とに掛け回されている。弾性層は、層厚が２００μｍ程度であって、シリコーンゴム、フッ素ゴム、発泡性シリコーンゴム等の弾性材料で形成されている。離型層は、層厚が２０μｍ程度であって、ＰＦＡ（４フッ化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樹脂）、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ＰＥＳ（ポリエーテルサルファイド）等で形成されている。定着ベルト２２の離型層によって、トナーに対する離型性（剥離性）が担保されている。

加熱ローラ２３には整磁合金が発熱部材として用いられ、整磁合金製回転体を構成し、図２（ａ）の時計方向に回転する。整磁合金は鉄－ニッケル系の合金であり、キュリー温度に達すると磁性を失って、その結果、発熱を抑制し、それ以上の昇温を抑制する作用がある。図３は、加熱ローラが整磁合金の場合とアルミニウム材で熱源がハロゲンヒータの場合における端部温度の差を示す。小サイズ通紙を行うと、従来のハロゲンヒータだと加熱ローラがアルミニウム材のような金属の場合、非通紙部の温度が破線のように上昇する。これに対してＩＨヒータにより整磁合金を加熱（発熱）させる場合、Ｋｒ（キュリー温度）で磁性を失うため発熱が抑制され、非通紙部の温度上昇が抑えられる。キャンセルコイル等の余計な部品を備える必要もない。

加熱ローラ２３の内部には、厚みが０．４～１．６ｍｍ程度でアルミニウムや銅等の透磁性の低い材料から成る磁束制御板４０が、磁束制御部材として、外部誘導加熱部２４の幅部分と対向する位置に配置されている。磁束制御板４０は加熱ローラ２３の内周面と所定の一定間隔を保っている。この磁束制御板４０は、上述の整磁合金による昇温抑制効果に次のように寄与する。図２（ｂ）は、整磁合金がキュリー温度よりも低温である状態の磁束の流れを示すものである。磁束を太めの実線が磁束を表す。コイル２５からの磁束は加熱ローラ２３に流れ、加熱ローラ２３が発熱する。図２（ｃ）は、整磁合金がキュリー温度に達した状態の磁束の流れを示すものであるる。コイル２５からの磁束は磁性を失った加熱ローラ２３を通過して磁束制御板４０を流れ、加熱ローラ２３は発熱しない。加熱ローラ２３の整磁合金がキュリー温度を超えた場合に、磁束制御板４０が磁束を加熱ローラ２３の内部に引き寄せて加熱ローラを通過させるようにする。

定着ベルト２２を定着ローラ２１と加熱ローラ２３の２軸によってのみ張架すれば、テンションローラを備えるベルト構成に比べて熱容量を抑えることができ、立ち上がり時間の短縮化に有利である。

外部誘導加熱部２４は、コイル２５、コア２６、コイルガイド２９を有する。外部誘導加熱部２４は、加熱ローラ２３を部分的に取り囲むように、定着ベルト２２を介して加熱ローラ２３に対向している。コイル２５は、加熱ローラ２３に掛け回される定着ベルト２２の一部を覆うように、細線を束ねたリッツ線をローラ軸方向（図２（ａ）の紙面垂直方向）に延ばしたものである。コイルガイド２９は、耐熱性の高い樹脂材料等から成り、コイル２５を保持する。コア２６は、フェライト等の透磁性の高い材料から成り、ローラ軸方向に延ばしたコイル２５に対向するように設置されている。ＩＨヒータの「コア部」は、電磁誘導加熱に寄与する対向する双方のコア部をいう。つまり、ＩＨヒータの「コア部」は、外部誘導加熱部２４のコア２６と、加熱ローラ２３の整磁合金とを有する。

加圧ローラ３０は、芯金上にフッ素ゴムやシリコーンゴム等の弾性層を形成させたものであり、定着ベルト２２を介して定着ローラ２１に圧接する。この加圧ローラ３０は加圧・脱圧可能であり、表面にはクリーニング手段３３が当接している。加圧ローラ３０は内部に、ハロゲンヒータ３５を備える。ハロゲンヒータ３５は、ローラ外周に対向して配置されたサーミスタ３９による検知温度に基づき点灯制御手段でオンオフ制御される。

定着ベルト２２と加圧ローラ３０との当接部である定着ニップに用紙Ｐが搬送されるので、定着ニップの入口側には、用紙Ｐの搬送を案内するガイド板が設けられている。定着ニップの出口側には、用紙Ｐの搬送を案内するとともに用紙Ｐを定着ベルト２２から分離する分離板を備えた分離ユニット３６が配設されている。

また、外部誘導加熱部２４の近傍には、非接触の温度検知センサ２８が設置され、加熱ローラ２３に掛け回された定着ベルト２２上の表面温度（定着温度）を検知している。定着装置２０は、この検知結果を用いてＩＨヒータ温度の制御を行っている。

以上のように構成された定着装置２０は、以下のように動作する。加圧ローラ３０の回転駆動によって、定着ベルト２２は図２（ａ）中の矢印方向に回転するとともに、加熱ローラ２３も時計方向に回転して、定着ローラ２１も矢印方向に回転する。コイル２５に高周波の交番電流を流すことで、加熱ローラ２３表面に渦電流が生じて、加熱ローラ２３自体の電気抵抗によってジュール熱が発生する。このジュール熱によって、加熱ローラ２３に掛け回される定着ベルト２２が外部誘導加熱部２４との対向位置で加熱される。このように加熱された定着ベルト２２は、定着ニップに達する。一方、既述の作像プロセスを経てトナー像Ｔを担持した用紙Ｐが、ガイド板に案内されながら定着ニップに送入される。定着ニップでは、定着ベルト２２から受ける熱と加圧ローラ３０から受ける圧力とによって溶融されたトナー像Ｔが用紙Ｐに押圧されて、定着し、用紙Ｐは定着ニップから送出される。

次に、定着装置２０のＩＨヒータ温度の制御について説明する。図３は、定着装置２０にＩＨヒータを搭載した場合の電装部の機能構成を示すブロック図である。制御部７０は、ＣＰＵなどを有し、実行プログラムやパラメータテーブルを記憶する外部メモリ７１にアクセスする。また、制御部７０は、操作部７２から用紙の選択情報、定着装置での用紙搬送速度を決めるプロセススピードの選択情報などを取得する。また、制御部７０は、操作部７２からの選択情報に基づいて必要に応じて外部メモリ７１から定着に関するパラメータを取得する。取得したパラメータ情報を、制御部７０はヒータ制御部７３に送る。

ヒータ制御部７３は、温度検知センサ２８の出力から定着ベルト２２の温度を検知する温度検知部７４から温度情報を取得する。ヒータ制御部７３は、この温度情報と、制御部７０から送られた定着に関するパラメータ情報とに基づいて、最大パルス幅に対する外部誘導加熱部２４に与えるパルス幅の比率（以下「ＰＷＭ－Ｄｕｔｙ」という）を求める。具体的には、目標温度に対して検出温度が低く、かつ差が大きいほど、供給電力が大きくなるようにする。このＰＷＭ－Ｄｕｔｙが、外部誘導加熱部２４の最大消費電力に対する供給電力の比率に相当する。ヒータ制御部７３は、求めたＰＷＭ－Ｄｕｔｙを、外部誘導加熱部２４に設定する。

外部誘導加熱部２４は、ＰＷＭ－Ｄｕｔｙを用いたパルス幅変調方式（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ制御）によって数ｍｓ～数十ｍｓ単位のパルス幅のパルスを与えて電力を制御して温度制御を行う。具体的には、外部誘導加熱部２４は、設定されたＰＷＭ－Ｄｕｔｙに基づいて通電する電流量をリニアに変化させて所定の温度になるように制御する。

図３における外部誘導加熱部２４は、整流回路と高周波発生回路であるインバータ回路とを含む。整流回路は商用電源３１（ＡＣ１００Ｖ）からの交流を整流し、インバータ回路に直流（ＤＣ）を入力する。インバータ回路は、コイル２５が共振用コンデンサと並列に接続され、ＬＣ共振回路を形成している。インバータ回路は、高周波でＯＮ／ＯＦＦして高周波電流とし、コイル２５に供給するスイッチング素子を備える。外部誘導加熱部２４は、設定したＰＷＭ－Ｄｕｔｙに対応する駆動信号によりスイッチング素子を駆動する。

外部誘導加熱部２４は、最大消費電力を制御上の最大電力としない場合がある。例えば、ＩＨヒータを用いた画像形成装置に定格１０００Ｗという制限がある。ＩＨヒータ以外の負荷が２００Ｗ相当を消費するようなときには、１０００Ｗの最大電力を持つＩＨヒータを最大消費電力８００Ｗのヒータとみなして使用する。これにより、画像形成装置全体での定格１０００Ｗという制限を満たすことができる。

ここで、従来は次のような不具合が生じる可能性があった。特許文献１の定着装置は、電磁誘導加熱手段による発熱部材としての加熱ローラに整磁合金を用いている。また、この定着装置は、電磁誘導加熱手段に対して加熱ローラを挟んで対向する位置に磁束制御部材を有する。電磁誘導加熱手段による投入電力が大きいと、加熱ローラの温度が上がった際に整磁合金の透磁率が落ち、余った電力が磁束制御部材表面で渦電流を発生させる。渦電流が磁束制御部材に流れると、磁束制御部材が発熱してしまう。磁束制御部材の温度が想定外に高くなり磁束制御部材の耐熱温度を超えて変質、変形が発生する問題があった。また、磁束制御部材が想定外に熱膨張して近傍部品に接触し変形が発生する問題があった。

図４はコート紙で厚みのある用紙（「コート紙－紙厚９」）を２００℃設定で連続通紙した時の通紙中の磁束制御板４０の温度上昇の推移を示したグラフである。グラフの２つ特性線のうち上方に位置する実線で示すデータは最大点灯ｄｕｔｙ８６％に設定したときの磁束制御板４０の温度測定結果である。下方に位置する破線で示すデータは最大点灯ｄｕｔｙ５６％に設定したときの磁束制御板４０の温度測定結果である。ここにいう最大点灯ｄｕｔｙが、図３のブロック図における外部誘導加熱部２４で設定するＰＷＭ－Ｄｕｔｙの検出温度によらない最大値である。つまり、最大点灯ｄｕｔｙは、加熱対象の目標温度に応じて電磁誘導加熱手段への供給電力の上限に対応するＰＷＭ－Ｄｕｔｙの値である。

図４から明らかなように、通紙中の時間の経過とともに磁束制御板４０の温度は上昇していく。最大点灯ｄｕｔｙが８６％設定のときは４００℃までの上昇に対して、最大点灯ｄｕｔｙが５６％設定の時は２７３℃までの上昇である。これからもわかるように最大点灯ｄｕｔｙが大きいほど、磁束制御板４０の温度は高くなる。このことから、最大点灯ｄｕｔｙを下げれば磁束制御板４０の温度は下げれることがわかる。

図５は図４で示した最大点灯ｄｕｔｙと磁束制御板４０の温度のＭＡＸ値を通紙時の定着ベルトの目標温度毎に示したグラフである。最も上方の実線で示すように、通紙中の定着ベルトの目標温度が２００℃の時は、最大点灯ｄｕｔｙ８６％で磁束制御板４０温度は４００℃となる。これに対し、中段の破線で示す目標温度１７５℃や最も下方の一点鎖線で示す目標温度１６０℃では、磁束制御板４０温度は比較的上昇しない。例えば、目標温度が１６０℃の時は最大点灯ｄｕｔｙ８６％で磁束制御板４０温度は２６０℃までしか上昇しない。

つまり設定目標温度が高いほど、磁束制御板４０の温度は高くなる。したがって、設定目標温度が高い時は最大点灯ｄｕｔｙを低く設定することで磁束制御板４０の温度の上昇を抑えることができる。設定目標温度が低い時は磁束制御板４０の温度がそれほど高くならないので最大点灯ｄｕｔｙを高く設定することができる。それにより、定着ベルトの温度追従性が良くなり、定着ベルトの温度の落込みがすくなくなるため、ＣＰＭダウン等をすることもなく生産性を上げることができる。

図６は上記「コート紙－紙厚９」の目標温度の設定値と最大点灯ｄｕｔｙの設定値のテーブルの例である。この例は、目標温度に応じて、最大点灯ｄｕｔｙの値をそれぞれ設定している。目標温度が高いほど最大点灯ｄｕｔｙを低く、目標温度が低いほど最大点灯ｄｕｔｙを高く設定している。

図６のテーブルは「コート紙－紙厚９」の時のテーブルであるが、このテーブルを紙種毎（非コート紙、コート紙、等）にまた、紙厚毎（紙厚１～紙厚９）に設定しておくことで、より緻密に設定することができ、抜けもれなく磁束制御板４０の温度の上昇を防止できる。さらに、プロセス線速毎（標準速、中速、低速など）に上記テーブルを設定しておくことで、より緻密に設定することができ、抜けもれなく磁束制御板４０の温度の上昇を防止できる。原則として、プロセス線速が定着装置を通すシートの速度になる。

図６のようなテーブルは、図３に示す外部メモリ７１に記憶され、制御部７０やヒータ制御部７３での前述の外部誘導加熱部２４に対するＰＷＭ－Ｄｕｔｙの設定に用いられる。

１ ：装置本体
９ ：紙厚
１０ ：ＡＤＦ
１１ ：給紙部
２０ ：定着装置
２１ ：定着ローラ
２２ ：定着ベルト
２３ ：加熱ローラ
２４ ：外部誘導加熱部
２５ ：コイル
２６ ：コア
２８ ：温度検知センサ
２９ ：コイルガイド
３０ ：加圧ローラ
３１ ：商用電源
３３ ：クリーニング手段
３５ ：ハロゲンヒータ
３６ ：分離ユニット
３９ ：サーミスタ
４０ ：磁束制御板
４２ ：第２温度検知手段
５０ ：スキャナ
５１ ：画像形成部
５１ＢＫ ：黒用画像形成部
５１Ｃ ：シアン用画像形成部
５１Ｍ ：マゼンタ用画像形成部
５１Ｙ ：イエロー用画像形成部
５２ ：２次転写部
５３ ：中間転写部
５５Ｃ ：感光体ドラム
５６Ｃ ：現像部
５７Ｃ ：帯電部
５８Ｃ ：クリーニング部
５９ ：書き込み部
６０ ：レジスト部
７０ ：制御部
７１ ：外部メモリ
７２ ：操作部
７３ ：ヒータ制御部
７４ ：温度検知部
Ｐ ：用紙
Ｔ ：トナー像

特開２０１４－０８５５７９号公報

Claims (6)

1. 電磁誘導加熱手段と磁束制御部材とを有する定着装置を備えた画像形成装置において、
   前記電磁誘導加熱手段による加熱対象の目標温度に応じて前記電磁誘導加熱手段への供給電力の上限を変更する供給電力制御手段を設けたことを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１に記載の画像形成装置において、
   前記電磁誘導加熱手段による加熱対象の温度検知センサを備え、
   前記供給電力制御手段は、前記温度検知センサによる検出温度と前記目標温度とに基づいて前記電磁誘導加熱手段への供給電力を変化させることを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項１又は２に記載の画像形成装置において、
   前記上限は前記目標温度が高いほど小さいことを特徴とする画像形成装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一に記載の画像形成装置において、
   前記目標温度は定着装置に通す紙種毎に設定されていることを特徴とする画像形成装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一に記載の画像形成装置において、
   前記目標温度は定着装置を通すシートの速度毎に設定されていることを特徴とする画像形成装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一に記載の画像形成装置において、
   前記供給電力制御手段は、ＰＷＭ制御を行うものであり、
   前記上限の変更は、ＰＷＭのパルス幅の上限の変更であることを特徴とする画像形成装置。

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