JP3993476B2 - 定着装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば静電複写機やレーザプリンタ等の画像形成装置において被定着材にトナー像を定着する定着装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、特開平8−76620号公報はハロゲンランプを用いる方法や耐熱性フィルムの代わりに誘導加熱を用いる定着装置を提案している。この定着装置は、磁場発生手段によって導電フィルムを加熱し、導電フィルムに密着させた用紙にトナーを定着する装置であり、磁場発生手段を構成する部材と加熱ローラの間に発熱ベルト(導電フィルム)を挟ませて、ニップを形成している。また、特開平9−258586号公報は定着口―ラの回転軸に沿って設けられたコアにコイルを巻いた発熱体を用い、定着ローラに渦電流を流して加熱する方式の定着装置を提案している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような誘導加熱方式で定着を行う従来の定着装置には、例えば定着率を向上させるためのモードを持つものがあった。しかし、このモードはコピースピードを落としたり、定着ローラ温度を上げたりして定着率を向上させるものであった。このため、生産性が低下したり、定着装置の寿命が消耗部品の温度劣化により短くなったりするという結果を招いていた。他方、近年では、省エネルギーの観点から、定着率を向上させる必要の無いような場合に無駄に消費されるエネルギーを低減することが要望されている。
【0004】
本発明の目的は、良好な定着率を損なうことなくエネルギー消費効率を改善できる定着装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、熱源を持つ加熱ローラと、加熱ローラを押圧する加圧ローラと、加熱ローラおよび加圧ローラ間に供給される被定着材に付与された現像剤を定着させるために加熱ローラと一緒に加圧ローラを回転させる回転機構と、第1および第2モードのいずれかで回転機構および熱源を駆動する定着制御部とを備え、定着制御部は被定着材が供給されない状態で加熱ローラおよび加圧ローラを熱する待機時において前記回転機構を断続的に駆動することにより第1および第2モード間で加圧ローラの温度を異ならせるように構成される定着装置が提供される。
【0006】
この定着装置では、待機時に加熱ローラと一緒に加圧ローラを回転させて加圧ローラの温度を調整することにより、コピー速度を落としたり、定着温度を上げたりせずに省エネルギー優先モードと定着率優先モードとを両立させることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る画像形成装置であるデジタル複写装置51について説明する。
【0008】
図1はこのデジタル複写装置51の構造を概略的に示す。デジタル複写装置51は、図1に示すように、複写対象の画像情報を光の明暗として読み取って画像信号を生成するスキャナ52、およびスキャナ52または外部から供給される画像信号に対応する画像を形成する画像形成部53からなる。
【0009】
画像形成部53は、スキャナ52または外部装置から供給される画像情報に対応するレーザビームを照射する露光装置55、露光装置55からのレーザビームに対応する画像を保持する感光体ドラム56、感光体ドラム56に形成された画像に現像剤を供給して現像する現像装置57、現像装置57により現像された感光体ドラム56上の現像剤像が以下に説明する給紙搬送部により給送された被定着材に転写された状態の現像剤像を加熱して溶融させ、被定着材に定着する定着装置1等を有している。スキャナ52または外部装置から画像情報が供給されると、予め所定の電位に帯電されている感光体ドラム56に、露光装置55から画像情報により強度変調されたレーザビームが照射される。 これにより、感光体ドラム56に、複写すべき画像に対応した静電潜像が形成される。
【0010】
感光体ドラム56に形成された静電潜像は、現像装置57によりトナーTが選択的に提供されて、トナー像(現像剤像)として現像され、転写装置により、以下に説明するカセットから供給される被定着材である用紙Pに転写される。転写後、用紙Pは定着装置1に搬送される。この定着装置1はトナーTを溶融して用紙Pに定着させる。
【0011】
用紙Pは、感光体ドラム56の下方に設けられている用紙カセット59から、ピックアップローラ58により1枚ずつ取り出され、感光体ドラム56へ向かう搬送路60を通って、感光体ドラム56に形成されたトナー像との位置を合わせるためのアライニングローラ61に搬送され、所定のタイミングで、感光体ドラム56と詳述しない転写装置とが対向する転写位置に給送される。
【0012】
一方、用紙Pは、定着装置1でトナーTを定着させてから排紙ローラ62に送られ、スキャナ52とカセット59との間に定義される排出空間(排紙トレイ)63に排紙ローラ62によって排出される。
【0013】
次に、定着装置1について詳細に説明する。
【0014】
図2は定着装置1の長手方向に直角な断面構成を示し、図3は定着装置1のローラ構造および磁場発生機構の外観を概略的に示し、図4は定着装置1の長手方向の断面構成を示す。図2から図4に示すように、定着装置1は加熱(定着)ローラ2と加圧(プレス)ローラ3とを含む。加熱ローラ2の外径は例えば60mmであり、加圧ローラ3の外径は例えば50mmである。加熱ローラ2は矢印方向に回転し、加圧ローラ3は加熱ローラ2に従動して矢印方向に回転する。用紙Pはトナー像を保持した被定着材として両ローラ間を通過する。
【0015】
加熱ローラ2は例えば導体である金属層を有するエンドレス部材として設けられる例えば厚さ1mmの鉄製円筒の表面をフッ素樹脂等でコーティングして形成したものである。尚、加熱ローラ2には、他にも、ステンレス鋼、ステンレス鋼とアルミニウムの合金等が利用可能である。
【0016】
加圧ローラ3は、厚さ6mm程度の発泡シリコンゴム等の弾性体で芯金を覆いさらにフッ素樹脂チューブが被せられているもので、加圧機構PRにより加熱ローラ2に対して例えば300〜600Nの所定圧力で圧接される。これにより、所定幅のニップ4が両ローラ2,3の圧接位置で生じる加圧ローラ3の外周面の弾性変形により得られる。ここでは、ニップ4が7〜10mm程度の所定幅を持つ。用紙P上のトナーは用紙Pがニップ4を通過する間に溶融して用紙Pに定着される。
【0017】
加熱ローラ2の周上であってニップ4よりも回転方向の下流側には、用紙Pを加熱ローラ3から剥離させる剥離爪5、加熱ローラ2の外周面にオフセット転写されたトナーや用紙からの紙粉等を除去するクリーニング部材6、および加熱ローラ2の外周面にトナーが付着することを防止するために離型剤を塗布する離型剤塗布装置8が設けられている。
【0018】
加熱ローラ2の内部には、例えば直径0.5mmの互いに絶縁された銅線材を複数本束ねたリッツ線からなる磁場発生手段としての励磁コイル11が設けられている。励磁コイルをリッツ線にすることで浸透深さよりも線径を小さくすることができ、交流電流を有効に流すことが可能となる。尚、本実施形態において、励磁コイル11には、耐熱性のポリアミドイミドで被覆された直径0.5mmの線材を16本束ねたものを用いている。また、励磁コイル11は、芯材(例えば、フェライトや鉄芯等)を用いない空芯コイルである。このように、励磁コイル11を空芯コイルとしたことで、複雑な形状をした芯材が不要であり、コストが低減される。また、励磁回路も安価になる。励磁コイル11は、耐熱性の樹脂(例えば、高耐熱性の工業用プラスチック)で形成されたコイル支持材12により支持される。コイル支持材12は、加熱ローラ2を保持する構造体(板金)との間で位置決めされている。
【0019】
励磁コイル11は、高周波電流で駆動されることにより発生する磁束によって、磁界の変化を妨げるように、加熱ローラ2に、磁束と渦電流を発生させる。この渦電流と加熱ローラ2の固有の抵抗によってジュール熱が発生し、加熱ローラ2を加熱する。本実施形態では、励磁コイル11に、周波数25kHz、900Wの高周波電流を流している。
【0020】
図5は定着装置1の定着制御部30の構成を示す。定着制御部30において、高周波電流は、商用電源の交流を整流回路31と平滑コンデンサ32によって整流し、コイル33a、共振用コンデンサ33bおよびスイッチング回路33cからなるインバータ回路33によって、励磁コイル11に供給される。スイッチング回路33cは例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)のようなスイッチング素子およびこのスイッチング素子を取り付けたヒートシンク等により構成され、例えば励磁コイルへの通電開始と同期して駆動されるファンCFにより冷却される。ファンCFは、高周波電流が励磁コイル11に供給されている間に少なくとも回転するように例えばIH制御回路38によって制御される。この構成によれば、ファンCFが必要最小限で送風し、消費電力を不所望に増大させることなく、ヒートシンクを効率よく冷却可能である。
【0021】
高周波電流は、入力検出部36によって検出され、指定された出力値となるよう制御される。尚、指定した出力値は、例えばPWM(パルス幅変調)制御によって、スイッチング回路33cのON時間を、任意のタイミングで可変することで制御できる。この時、駆動周波数は変化する。
【0022】
加熱ローラ2の温度は温度センサ13により検知され、加圧ローラ3の温度は温度センサ14により検知される。これら温度センサ13および14はそれぞれ加熱ローラ2および加圧ローラ3の長手方向の概ね中央付近に設けられる。この実施形態では、熱電対が温度センサ13および14として用いられるが、例えばサーミスタが用いられてもよい。温度センサ13および14からの温度情報はCPU39および複写装置51の主制御部40に入力される。主制御部40は省エネルギー優先モードおよび定着率優先モードを有し、これらモードに対応してCPU39を制御する。CPU39は温度センサ13および14からの温度情報に基づいてON/OFF信号を発生し、これによりIH(誘導加熱)制御回路38を制御する。主制御部40はさらにモードに対応してモータ駆動回路41を制御し、これにより加熱ローラ2を回転させるモータMを駆動する。
【0023】
図6は定着率優先モードにおける加熱ローラ2および加圧ローラ3の温度と時間の関係を示し、図7は省エネルギー優先モードにおける加熱ローラ2および加圧ローラ3の温度と時間の関係を示す。
【0024】
例えば1500Wの商用電源を想定した場合、初期時には、複写機本体のうちの定着装置1以外で消費する電力量を差し引いたすべての電力を励磁コイル11に投入することができる。尚、本発明の実施形態の場合は、ウォーミングアップ期間の開始直後に1300Wの電力が励磁コイル11に投入される。モータMは加熱ローラ2が指定の温度を越えた時点で加熱ローラ2および加圧ローラ3の回転を開始する。従って、この時点からは、1100Wの電力がモータMの回転により消費される電力やその他のプロセス等で発生する消費電力分を引き算した値として励磁コイル11に投入される。
【0025】
誘導加熱方式では、周波数を変化させることにより出力を調整できるため、投入電力量を複数の制御パターンで変化させることにより、効率よく加熱ローラ2を加熱することができる。
【0026】
尚、投入する電力量を変化させるため、IH制御回路38はCPU39からのIH制御信号に基づいて、スイッチング回路33cをONする時間を可変して励磁コイル11に供給する出力値を制御する。このとき、出力が大きいほどスイッチング回路33cがONとなる時間が長くなるので、出力電流の周波数は低くなる。
【0027】
このように、通紙時(画像形成時)の定着装置1の高周波出力を小さくすることが可能となることから、通紙時の消費電力が削減される。
【0028】
図8は省エネルギー優先モードおよび定着率優先モードに対応する主制御部40の制御条件を示す。主制御部40はコピー期間に続くレディ(待機)期間および予熱期間において省エネルギー優先モードおよび定着率優先モードにそれぞれ対応して異なる制御を行うように構成されている。省エネルギー優先モードの制御条件は、加圧ローラ3のレディ時低速プレラン開始温度が70°C、加圧ローラ3のレディ時低速プレラン終了温度が100°C、予熱復帰時プレラン動作が無し、ファン停止等の予熱中エネルギー削減が有りに設定されている。これに対して定着率優先モードの制御条件は、加圧ローラ3のレディ時低速プレラン開始温度が100°C、レディ時低速プレラン終了温度が130°C、予熱復帰時プレラン動作が有り、ファン停止等の予熱中エネルギー削減が無しに設定されている。これらの制御条件は任意に追加することが可能である。
【0029】
コピー期間が終了すると、主制御部40がレディ期間の制御を行う。この制御では、主制御部40がCPU39を制御してIH制御回路38による励磁コイル11の駆動を継続する一方で、モータ駆動回路41を制御してモータMによる加熱ローラ2の回転を停止させる。その後、主制御部40は温度センサ13からの温度情報を監視し、加熱ローラ2の温度を200°C付近に維持させる。また、主制御部40は温度センサ13からの温度情報を監視し、加圧ローラ3の温度がレディ時低速プレラン開始温度よりも低下したことを検出したときに加熱ローラ2の回転を再開させる。すなわち、これらは、図6に示す定着率優先モードにおいて加圧ローラ3の温度が100°Cよりも低下したときに再開され、図7に示す省エネルギー優先モードにおいて加圧ローラ3の温度が70°Cよりも低下したときに再開される。さらに、主制御部40は温度センサ14からの温度情報を監視し、加圧ローラ3の温度がレディ時低速プレラン終了温度よりも上昇したことを検出したときに加熱ローラ2の回転を停止させる。すなわち、これらは図6に示す定着率優先モードにおいて加圧ローラ3の温度が130°Cよりも上昇したときに停止され、図7に示す省エネルギー優先モードにおいて加圧ローラ3の温度が100°Cよりも上昇したときに停止される。このような制御が繰り返され、加圧ローラ3は加熱ローラ2と共に断続的に回転し、これにより加熱ローラ3の温度低下が防止される。
【0030】
例えば15分程度時間が経過しても、コピー動作の再開指示が無い場合、主制御部40は予熱期間の制御を行う。この制御では、主制御部40がCPU39を制御してIH制御回路38により励磁コイル11の駆動電力を低下させと共に、モータ駆動回路41を制御してモータMによる加熱ローラ2の回転を停止させる。加熱ローラ2の温度は図6に示す定着率優先モードにおいて150°Cに制御され、図7に示す省エネルギー優先モードにおいて70°Cに制御される。
【0031】
本実施形態のデジタル複写装置51では、定着装置1がコピー可能となるまでの立ち上がり時間を早くするために、加熱ローラ2には効率よく出力を細かく制御できるIH(誘導加熱)方式が用いられ、加圧ローラ3には熱容量が少なく温度の立ち上がりが早くかつ低加圧でニップ幅を広くとれる発泡タイプのゴムが用いられる。このような加熱ローラ2および加圧ローラ3の組み合わせにより、定着装置1の立ち上がりがより早くなり、省エネルギー優先モードおよび定着率優先モードの切換えをスムーズに行なうことが可能となる。
【0032】
さらに、上述の加熱ローラ2および加圧ローラ3の組み合わせでは、省エネルギー優先モードで通常のコピーを問題なく行える臨界点まで待機中の加圧ローラ3の温度を下げるように制御することにより消費電力を極力抑え、定着率優先モードで逆に加圧ローラ3の温度を十分高く維持するように制御することにより厚紙等の定着しにくい紙でも定着できるようにする。省エネルギー優先モードと定着率優先モードとの切換えは、実質的に待機中の加圧ローラ3の温度制御を変更するだけでも可能である。すなわち、加熱ローラ2の温度は定着率優先モードで通常値以上に上昇させる必要はないため、定着装置1自体あるいは周辺部品の高温による熱劣化も防止できる。また、省エネルギー優先モードと定着率優先モードとの切換えがスムーズであるため、必要なときに必要なだけのエネルギーを使用することが可能となり、コピー速度や定着温度に関する生産性を落とすことなく使い勝手を維持したままエネルギー消費を最小限に押さえることができる。さらに、定着装置1の立ち上がりが早いため、ウォーミングアップ中のエネルギー消費も抑制でき、予熱待機中の温度もかなり低く設定することができる。
【0033】
複写装置51が例えば毎分50〜80枚の複写能力を持ち、図8に示すような制御条件で定着装置1を動作させた場合、定着率優先モードと省エネルギー優先モードとの間に図9に示すような消費エネルギーの違いが結果として得られる。図10はこれら消費エネルギ−の違いを視覚的に比較するためのグラフである。これは、省エネルギー優先モードが定着率優先モードに対してどれだけエネルギー消費を抑えることができるかを「エネルギー消費効率」の測定方法にのっとって測定した結果である。すなわち、消費エネルギーは定着率優先モードで360.5Wh/hであるのに対して省エネルギー優先モードで255.7Wh/hに低下する。
【0034】
尚、本発明は上述の実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で様々に変形可能である。
【0035】
上述の実施形態では加圧ローラ3のレディ時プレラン開始温度および終了温度が定着率優先モードおよび省エネルギー優先モードの各々に対して設定された。これは、定着率優先モードおよび省エネルギー優先モード間で異なる加圧ローラ3の温度範囲を設定したことになるが、例えば定着率優先モードおよび省エネルギー優先モード間で互いに異なる特定の温度を加圧ローラ3の基準温度として設定しこれら基準温度と温度センサ14からの温度情報とを比較した結果としてモータMをオンオフして加圧ローラ3の温度を各モードに対応する値に制御するように主制御部40を構成してもよい。
【0036】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、良好な定着率を損なうことなくエネルギー消費効率を改善できる定着装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るデジタル複写装置の構造を概略的に示す図である。
【図2】図1に示す定着装置の長手方向に直角な断面構成を示す断面図である。
【図3】図1に示す定着装置のローラ構造および磁場発生機構の外観を概略的に示す斜視図である。
【図4】図1に示す定着装置の長手方向の断面構成を示す断面図である。
【図5】図1に示す定着装置の定着制御部の構成を示す回路図である。
【図6】図4に示す加熱ローラおよび加圧ローラの温度と時間の関係を定着率優先モードについて示すグラフである。
【図7】図4に示す加熱ローラおよび加圧ローラの温度と時間の関係を省エネルギー優先モードについて示すグラフである。
【図8】図5に示す主制御部の制御条件を省エネルギー優先モードおよび定着率優先モードに対応して示す図である。
【図9】図1に示す定着装置について定着率優先モードと省エネルギー優先モードとの間の消費エネルギ−の違いを数値で示す図である。
【図10】図9に示す定着率優先モードと省エネルギー優先モードとの間の消費エネルギ−の違いを視覚的に比較するためにグラフである。
【符号の説明】
2…加熱ローラ
3…加圧ローラ
13,14…温度センサ
30…定着制御部
33…インバータ回路
38…IH制御回路
39…CPU
40…主制御部
41…モータ駆動回路
M…モータ
Claims (5)
- 熱源を持つ加熱ローラと、前記加熱ローラを押圧する加圧ローラと、前記加熱ローラと一緒に前記加圧ローラを回転させる回転機構と、前記加熱ローラおよび前記加圧ローラ間に供給された被定着材に付与された現像剤を定着させるために前記加熱ローラを熱しながら前記加熱ローラおよび前記加圧ローラを回転させる制御を前記熱源および前記回転機構に対して行う定着制御部とを備え、前記定着制御部は前記被定着材が供給されない状態で前記加熱ローラを熱する待機時において前記加圧ローラの温度を前記現像剤の定着率を向上させる第1範囲に維持する定着率優先モードおよび前記加圧ローラの温度をエネルギー消費を抑える第2範囲に維持する省エネルギー優先モードのいずれかで前記回転機構による回転を断続させるように構成されることを特徴とする定着装置。
- 前記定着制御部は前記加圧ローラの温度を検知しこの検知温度を前記定着率優先モード用基準温度情報および省エネルギー優先モード用基準温度情報と比較することにより前記回転機構のオンオフを制御する駆動回路を含むことを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
- 前記加熱ローラおよび前記加圧ローラは誘導加熱方式の熱源および発泡タイプの弾性体表面の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
- 前記第1範囲の中心値は前記第2範囲の中心値よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
- 前記定着率優先モード用基準温度情報は前記第1範囲の上限値および下限値を含み、前記省エネルギー優先モード用基準温度情報は前記第2範囲の上限値および下限値を含むことを特徴とする請求項2に記載の定着装置。
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