JP4684449B2

JP4684449B2 - 定着装置

Info

Publication number: JP4684449B2
Application number: JP2001103325A
Authority: JP
Inventors: 敦弥高橋
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2021-04-02
Also published as: JP2002299017A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子写真プロセスにて形成されたトナー像を転写紙や感光紙等の記録材上に加熱定着する定着装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば電子写真プロセスを用いた複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置において、記録材上に転写方式あるいは直接方式で形成担持させた未定着画像（トナー像）を該記録材上に加熱定着させる加熱装置（加熱定着装置）としては、熱ローラ式の加熱装置が多用されている。この熱ローラ式の加熱装置は、ハロゲンヒータ等を熱源にして所定の定着温度に加熱・温調された加熱ローラ（定着ローラ）と、加熱ローラに圧接する弾性層を有した加圧ローラとを基本構成とし、両ローラの圧接ニップ部（定着ニップ部）に記録材を導入して挟持搬送させることで、加熱ローラの熱と圧接ニップ部の圧力とで未定着画像を記録材面に加熱定着させる。
【０００３】
最近では、（特開昭６３−３１３１８２号公報・特開平１−２６３６７９号公報・特開平２−１５７８７８号公報・特開平４−４４０７５号公報〜特開平４−４４０８３号公報・特開平４−２０４９８０号公報〜特開平４−２０４９８４号公報等）に開示されたフィルム加熱方式の加熱装置が提案され、加熱定着装置として実用化もされている。
【０００４】
この加熱装置は、記録材を加熱体に耐熱性のフィルム材（以下、フィルム材と称する）を介して密着させ、加熱体とフィルム材とを相対移動させて、加熱体の熱をフィルム材を介して記録材に与える方式・構成のものである。
【０００５】
このようなフィルム加熱方式の加熱装置は、昇温の速い低熱容量の加熱体や薄膜のフィルム材を用いることができるため、省電力化やウエイトタイムの短縮化（クイックスタート性）が可能になる。この結果、この加熱装置を備えた画像形成装置等の本機の機内昇温を低めることができる等の利点を有し、効果的なものである。
【０００６】
加熱体としては、耐熱性・絶縁性のセラミック基板（絶縁基板）と、この基板に印刷・焼成を経て形成された通電発熱体（厚膜抵抗体）を基本構成とし、この通電発熱体に電力を供給して発熱させる低熱容量・高速昇温の所謂セラミックヒータが用いられている。
【０００７】
一般的に、このセラミックヒータはトライアック等のスイッチング素子を介して交流電源に接続されており、この交流電源により電力が供給される。加熱装置には温度検出素子（例えばサーミスタ感温素子）が設けられており、この温度検出素子により加熱装置の温度が検出され、その検出温度情報をもとに、エンジンコントローラがスイッチング素子をオン／オフ制御することにより、セラミックヒータヘの電源供給をオン／オフし、加熱装置の温度が目標の一定温度に温度制御される。セラミックヒータのオン／オフ制御は商用電源の波数制御または位相制御により行われる。
【０００８】
熱源となるセラミックヒータは、絶縁基板上に発熱パターンと、温度検出素子が接続される配線パターンが独立に形成されている。一般に発熱パターンには一次のＡＣ電圧が供給され、温度検出素子が接続される配線パターン（サーミスタパターン）には二次のＤＣ電圧が供給されている。したがって、発熱パターンとサーミスタパターンの間で沿面距離を確保する必要があり、発熱パターンとサーミスタパターンは絶縁基板上の異なる面で構成される、あるいは絶縁基板の長手方向に距離を保って形成される、あるいは絶縁基板上に印刷された発熱パターン上に設けた絶縁体上に温度検出素子を設けることによって形成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、絶縁基板上に発熱パターンが記録材搬送方向の上下流に複数存在し、その発熱パターンの発熱温度を発熱パターンよりも少ない数の温度検出素子で検出して温度制御する構成の場合、個々の発熱パターンをそれぞれ独立して駆動すると、記録材の圧接ニップ部への通紙（導入）によって上下流のそれぞれの発熱体の発熱分布が異なるため、温度検出素子は正確な温度検出が難しいという課題があった。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは絶縁基板上の個々に独立して駆動可能な発熱パターンの温度検出を、発熱パターンよりも少ない数の温度検出素子で正確に行うことのできる信頼性の高い定着装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は下記の構成を有することを特徴とする定着装置である。
【００１２】
筒状の定着フィルムと、前記定着フィルムの内面に接触するヒータと、前記定着フィルムを介して前記ヒータと共に定着ニップ部を形成する加圧ローラと、前記ヒータ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ヒータに供給する電力を制御する制御部と、を有しており、前記定着ニップ部で画像を担持する記録材を挟持搬送しつつ画像を記録材に加熱定着する定着装置であって、前記ヒータが絶縁基板上に第１の通電発熱体と前記第１の通電発熱体よりも記録材搬送方向下流側に第２の通電発熱体を有し、前記第１の通電発熱体と前記第２の通電発熱体に独立して電力を供給可能となっている定着装置において、
前記温度検知素子が前記記録材搬送方向において前記第２の通電発熱体の発熱ピークとなる位置付近に配置されており、前記第２の通電発熱体のみに電力供給する場合、前記制御部は、前記温度検知素子の検知温度に応じた電力を供給し、前記第１の通電発熱体のみに電力供給する場合、前記制御部は、前記温度検知素子の検知温度に所定温度上乗せした温度に応じた電力を供給することを特徴とする定着装置。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を図面について説明する。
【００１７】
（第１の実施例）
図１は本実施例における画像形成装置の概略構成図である。図１において、１０１は静電担持体である感光体ドラム、１０２は光源としての半導体レーザ、１０３はスキャナモータ１０４にて回転する回転多面鏡、１０５は半導体レーザ１０２から発射され、感光体ドラム１０１上を走査するレーザビームである。
【００１８】
１０６は感光体ドラム１０１上を一様に帯電するための帯電ローラ、１０７は感光体ドラム１０１上に形成された静電潜像をトナーにて現像するための現像器、１０８は現像器１０７にて現像された感光体ドラム１０１上のトナー像を記録材としての所定の記録用紙に転写するための転写ローラ、１０９は記録用紙に転写されたトナーを熱にて融着するための定着装置である。
【００１９】
１１０は１回転することにより、記録用紙のサイズを識別する機能を有し、カセットから記録用紙を給紙して搬送路に送り出すカセット給紙ローラ、１１１は記録用紙のサイズを識別する機能はなく、手差し給紙口に装填された記録用紙を搬送路に送り込む手差し給紙ローラ、１１５はカセットから給紙された記録用紙を搬送する搬送ローラである。
【００２０】
１１６は給紙された記録用紙の先端と後端を検出するためのプレフィードセンサ、１１７は搬送された記録用紙を感光体ドラム１０１へ送り込む転写前ローラ、１１８は給紙された記録用紙に対し、感光体ドラム１０１の画像書き込み（記録／印字）と記録用紙搬送の同期を取るとともに、給紙された記録用紙の搬送方向の長さを測定するためのトップセンサである。１２０は定着後の用紙を機外に排出するための排出ローラである。
【００２１】
このような機構部を制御するための制御系の回路構成のブロック図を図２に示す。図２において、２０１は不図示のホストコンピュータ等の外部機器から送られる画像コードデータをプリンタの印字に必要なビツトデータにするとともに、プリンタ内部情報を読み取りそれを表示するためのプリンタコントローラである。
【００２２】
２０２はプリンタエンジンの各部をプリンタコントローラ２０１の指示にしたがって動作制御するとともに、プリンタコントローラ２０１へプリンタ内部情報を報知するためのエンジン制御部である。
【００２３】
２０３はエンジン制御部２０２の指示にしたがい、記録用紙搬送のためにモータ／ローラ等の駆動／停止を行う記録用紙搬送制御部、２０４は帯電、現像、転写等各工程における各高圧出力制御をエンジン制御部２０２の指示にしたがっておこなう高圧制御部である。
【００２４】
２０５はスキャナモータ１０４の駆動／停止、レーザビームの点灯をエンジン制御部２０２の指示にしたがって制御する光学系制御部、２０６は各部に設けたセンサ（図示せず）からの検出信号をエンジン制御部２０２へ供給するセンサ入力部、２０７は定着ヒータへの通電の駆動／停止をエンジン制御部２０２の指示にしたがって行う定着装置温調制御部である。
【００２５】
図３は本実施例における定着装置１０９の概略構成を示す断面模型図である。図示の定着装置１０９は特開平４−４４０７５号公報〜特開平４−４４０８３号公報等に開示の加圧ローラ駆動式・テンションレスタイプのフィルム加熱方式の加熱装置である。
【００２６】
３０１は加熱体支持部材としての横断面略半円弧状樋型の耐熱・断熱材製のヒータステー（フィルムガイド）であり、例えば液晶ポリマー・フェノール樹脂・ＰＰＳ・ＰＥＥＫ等の成形体である。
【００２７】
このヒータステー３０１の下面にステー長手方向にそって設けた溝部３０２（以下ヒータステー面と記す）に加熱体としてのセラミックヒータ（セラミック面状発熱体）３０９を嵌入し接着して支持させてある。
【００２８】
３０３は円筒状の耐熱材質製のフィルムであり、上記のセラミックヒータ３０９を下面側に接着支持させたヒータステー３０１に対してルーズに外嵌させてある。このフィルム３０３は熱容量を小さくしてクイックスタート性を向上させるために、膜厚は総厚１００μｍ以下、より好ましくは４０μｍ以下２０μｍ以上の耐熱性・離型性・強度・耐久性を備えたＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＰＰＳの単層フィルムまたはポリイミド、ポリアミドイド、ＰＥＥＫ、ＰＥＳ等のフィルム表面にＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰを離型性層としてコーディングした複合層フィルムで構成されている。
【００２９】
そしてヒータステー３０１の下面のセラミックヒータ３０９と、加圧部材としての弾性加圧ローラ３０４とをフィルム３０３を挟ませて弾性加圧ローラ３０４の弾性に抗して所定の押圧力例えば総圧４〜１５ｋｇｆ程度の加圧力をもって圧接させて、加熱部としての所定幅の定着ニップ部３０６を形成させてある。
【００３０】
弾性加圧ローラ３０４は芯金３０７と、その外側に例えばシリコンゴムやフッ素ゴム等の耐熱ゴムあるいはシリコンゴムを発砲して形成した弾性層３０８とからなる。弾性層３０８の外側にＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰ等の離型性層を形成してあってもよい。
【００３１】
弾性加圧ローラ３０４は駆動手段３０５により矢印の反時計方向に回転駆動される（加圧ローラ駆動式）。この弾性加圧ローラ３０４の回転駆動による該ローラとフィルム３０３の外面との定着ニップ部３０６における接触摩擦力で円筒状のフィルム３０３に回転力が作用し、このフィルム３０３がヒータステー３０１の外回りを定着ニップ部３０６において、フィルム内面はヒータの下向き表面に密着して摺動しながら矢印の時計方向に回転する。
【００３２】
加熱体としてのセラミックヒータ３０９は、後述するように電力供給により発熱する通電発熱体を含み、この通電発熱体の発熱により昇温し、温度検出素子を含む温度制御系により通電発熱体への電力供給が制御されて所定の温度（定着温度）に温調管理される。
【００３３】
弾性加圧ローラ３０４の回転駆動によりフィルム３０３の回転がなされ、セラミックヒータ３０９に対する通電により該ヒータが所定温度に昇温した状態において、加熱ニップ部３０６のフィルム３０３と弾性加圧ローラ３０４との間に未定着トナー画像ｔを担持した記録用紙Ｓが導入され、トナー画像担持面がフィルム３０３の外面に密着して該フィルムと一緒に加熱ニップ部３０６を通過することで、セラミックヒータ３０９の熱がフィルム３０３を介して記録用紙Ｓに付与され、未定着トナー画像ｔが記録用紙Ｓ面に加熱定着される。加熱ニップ部３０６を通った記録用紙Ｓはフィルム３０３の面から曲率分離されて排出搬送される。
【００３４】
ヒータステー３０１はヒータ３０９の支持部材として機能するとともに、加熱ニップ部３０６への加圧、フィルム３０３の回転搬送安定性を図るフィルムガイド部材の役目をする。
【００３５】
フィルム３０３はその内面が加熱ニップ部３０６においてヒータ３０９の下面に、また加熱ニップ部３０６の近傍においてヒータステー３０１の外面に摺動しながら回転する。フィルム３０１を低トルクかつスムーズに回転させるためにはヒータ３０９及びヒータステー３０１とフィルム３０３の間に耐熱性のグリース等の潤滑剤を少量介在させるとよい。
【００３６】
図４は加熱体としてのセラミックヒータ３０９の構成図であり、（ａ）は（ｃ）のａ方向から見た平面（表面側）模型図、（ｂ）は（ｃ）のｂ方向から保護層の上面を切り取って見た背面（裏側面）模型図、（ｃ）は（ｂ）図のｃ−ｃ線に沿う拡大横断模型図である。
【００３７】
図４において、４０１はヒータ基板（絶縁基板）であり、加熱ニップ部３０６におけるフィルム３０３の移動方向に直交する方向を長手とする、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、ＡｌＮ、ＳｉＣ等のセラミックの電気的特性・耐熱性・低熱容量性の細長薄肉板部材である。
【００３８】
このヒータ基板４０１の一方面側（第二面側、裏面側）に基板長手に沿って線上あるいは細帯状にＡｇ／Ｐｄ（銀パラジウム）、ＲｕＯ_２、Ｔａ_２Ｎ等による発熱源としての通電発熱体４０２、４０３をスクリーン印刷等によって形成具備させてある。本例では第１と第２の２本の通電発熱体４０２、４０３を使用している。第１の通電発熱体４０２はＡ４、ＬＴＲ等普通紙を通紙する際に発熱する発熱パターンであり、第２の通電発熱体４０３は封筒などの幅の狭い小サイズを通紙する際に発熱する発熱パターンである。したがって、それぞれの長さ１１、１２はその通紙する紙サイズに応じて設定される。
【００３９】
４０２ａは通電発熱体４０２に電力を供給するための通電発熱体電極部であり、通電発熱体４０２の端末部にそれぞれ導通させて形成具備させてある。この通電発熱体電極部４０２ａは例えば銀ペーストを用いたスクリーン印刷等によって形成具備させることができる。
【００４０】
同様に４０３ａは通電発熱体４０３に電力を供給するための通電発熱体電極部であり、通電発熱体４０３の端末部にそれぞれ導通させて形成具備させてある。この通電発熱体電極部４０３ａは例えば銀ペーストを用いたスクリーン印刷などによって形成具備させることができる。
【００４１】
４０４はヒータ基板４０１の表面側である上記通電発熱体形成面を被覆して通電発熱体４０２を保護させたガラス等の保護層（電気絶縁性オーバーコート層）である。このガラスなどの保護層４０４の上に接触させて温度検出素子として例えばサーミスタ感温素子４０５を設けてある。
【００４２】
ヒータ基板４０１の通電発熱体４０２、４０３が一次回路（ＡＣ回路）に接続され、温度検出素子４０５が二次回路（ＤＣ回路）に接続されている。一次回路と二次回路間では沿面距離を確保する必要があるため、温度検出素子４０５は図４（ｃ）に示すように保護層４０４の上に設けている。
【００４３】
上記セラミックヒータ３０９はヒータステー３０１の下面にステー長手に沿って設けた溝部３０２（ヒータステー面）に、フィルム内面接触摺動面である表面側を外側にして嵌入し、接着して支持させてある。
【００４４】
セラミックヒータ３０９の通電発熱体電極部４０２ａと給電回路（図５）とがコネクタ（不図示）を介して接続される。また、サーミスタ電極部とエンジン制御部２０２とがコネクタ（不図示）を介して接続される。
【００４５】
図５は本発明における給電回路を示す。図５において、５０１は、画像形成装置を接続する交流電源で、商用電源をＡＣフィルタ５０２を介してセラミックヒータ３０９へ供給する事により該セラミックヒータを発熱させる。このセラミックヒータ３０９への電力供給は、トライアック５０４により通電／遮断を行う。
【００４６】
抵抗５０５、５０６はトライアック５０４のためのバイアス抵抗、フォトトライアックカプラ５０７は一次回路と二次回路間の沿面距離を確保するためのデバイスである。このフォトトライアックカプラ５０７の発光ダイオードの通電することにより、トライアック５０４をオンさせる。抵抗５０８はフォトトライアックカプラ５０７の電流を制限するための抵抗であり、トランジスタ５０９のオン／オフにより通電が制御される。トランジスタ５０９は抵抗５１０を介してエンジン制御部２０２からのオン信号にしたがって動作する。
【００４７】
また、ＡＣフィルタ５０２を介して交流電源５０１はゼロクロス検出回路５１２に入力される。このゼロクロス検出回路５１２では、商用電源電圧がある閾値以下の電圧になっていることをエンジン制御部２０２に対してパルス信号で報知する。以下、エンジン制御部２０２に送信されるこの信号をＺＥＲＯＸ信号と呼ぶ。
【００４８】
エンジン制御部２０２はＺＥＲＯＸ信号のパルスのエッジを検出し、位相制御または波数制御により、トランジスタ５０９（５２０）、フォトトッライアックカプラ５０７（５１９）を介してトライアック５０４（５１５）をオン／オフする。温度検出素子４０５によって検出されるセラミックヒータ３０９の温度は、抵抗５１４と温度検出素子４０５との分圧として検出され、エンジン制御部２０２にＴＨ信号としてＡ／Ｄ入力される。
【００４９】
セラミックヒータ３０９の温度は、ＴＨ信号としてエンジン制御部２０２において監視され、エンジン制御部２０２の内部で設定されているセラミックヒータ３０９の設定温度と比較する事によって、セラミックヒータ３０９に供給するべき電力を算出し、その供給する電力に対応した位相角（位相制御）または波数（波数制御）に換算し、その制御条件によりエンジン制御部２０２がトランジスタ５０９（５２０）にオン信号を送出する。５２２は過電流を阻止するヒューズである。
【００５０】
通電発熱体４０２に通電し、Ａ４、ＬＴＲ等の普通用紙を通紙すると、セラミックヒータ３０９の温度分布は図６の曲線６０１のような温度分布になる。また、通電発熱体４０３に通電し、封筒のような小サイズ用紙を通紙すると、セラミックヒータ３０９は図６の曲線６０２のような温度分布になる。図６の曲線６０１は通電発熱体４０２が用紙の通紙方向（搬送方向）の上流に位置するために、通電発熱体４０２の熱を用紙が奪い、その用紙がセラミックヒータ３０９の下流側に熱伝導するためにこのような発熱分布になる。
【００５１】
このように、複数の通電発熱体４０２、４０３の温度を１つの温度検出素子４０５で検出するためには、それぞれの通電発熱体の温度勾配の最も少ない位置６０３に配置する。このように配置すると、温度検出素子の取り付け位置が用紙の通紙方向の上下流にずれが生じた時に検出温度の誤差が少なくなり、信頼性を向上させることができる。
【００５２】
（第２の実施例）
第１の実施例は温度検出素子４０５の取り付け位置に特徴があるが、第２の実施例では第１の実施例における温度検出制御方法に特徴がある。
【００５３】
通電発熱体４０２に通電した場合と、通電発熱体４０３に通電した場合とでセラミックヒータ３０９上で温度分布が異なり、そのため、それぞれの温度勾配が少ない所に温度検出素子４０５を配置することを第１の実施例では説明した。しかし、第１の実施例では通電発熱体４０３に通電した時のセラミックヒータ３０９の温度分布のピークを測定することができるが、通電発熱体４０２を通電した時におけるセラミックヒータ３０９の温度分布のピークを検出することができない。
【００５４】
そのため、第２の実施例では、図７に示す温度差７０１を実験的に求め、その温度差をαとして温度検出素子４０５の検出温度に上乗せして検出温度とするもので、この制御に関するフローチャートを図８に示す。
【００５５】
図８において、Ｓ８０１は温度検出素子４０５の出力する電圧から温度検出し、Ｓ８０２にて現在の通電中の通電発熱体が通電発熱体４０２なのか、通電発熱体４０３かを確認する。通電中の通電発熱体が通電発熱体４０３の時はＳ８０４にて温度検出素子４０５の検出温度をセラミックヒータ温度とする。また、通電中の通電発熱体が通電発熱体４０２であれば、Ｓ８０３にて温度検出素子４０５の検出温度に温度差αを加算した温度をセラミックヒータ温度として認識し、セラミックヒータ３０９の温調を行う。
【００５６】
また、検出温度に温度差αを加算するのではなく、セラミックヒータ３０９の目標温調温度から温度差αを引いた温度を目標温調温度にすることでも、精度良くセラミックヒータ３０９の温調を行う事が可能である。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、温度検知素子４０５を記録材搬送方向において第２の通電発熱体４０３の発熱ピークとなる位置付近に配置することで第１の通電発熱体４０２のみに電力供給する場合も熱が下流側にシフトするので、第１の通電発熱体４０２の発熱による温度検知が可能となる。また、第２の通電発熱体４０３のみに電力供給する場合、制御部２０２は、温度検知素子４０５の検知温度に応じた電力を供給し、第１の通電発熱体４０２のみに電力供給する場合、制御部２０２は、温度検知素子４０５の検知温度に所定温度上乗せした温度に応じた電力を供給することで、電力供給精度も確保できる。
【００５８】
【００５９】
【００６０】
【図面の簡単な説明】
【図１】画像形成装置の概略構成を示す構成図。
【図２】画像形成装置の制御構成を示す回路構成図。
【図３】フィルム加熱方式定着器の概略構成を示す横断断面図。
【図４】加熱体としてのセラミックヒータの構成図。
【図５】電力を供給する電力供給回路。
【図６】第１の実施例の特徴を表した図。
【図７】第２の実施例の特徴を表した図。
【図８】第２の実施例の制御に関するフローチャートである。
【符号の説明】
１０１感光体ドラム（画像形成手段）
１０２半導体レーザ（画像形成手段）
１０３回転多面鏡（画像形成手段）
１０４スキャナモータ（画像形成手段）
１０５レーザビーム（画像形成手段）
１０６帯電ローラ（画像形成手段）
１０７現像器（画像形成手段）
１０８転写ローラ（画像形成手段）
１０９定着装置
３０９セラミックヒータ（加熱体）
４０１ヒータ基板（絶縁基板）
４０２通電発熱体
４０３通電発熱体
４０５温度検出素子（温度検出手段）
５０１交流電源（電力供給手段）
５０２交流フィルタ（電力供給手段）
５０４トライアック（電力供給手段）

Claims

筒状の定着フィルムと、前記定着フィルムの内面に接触するヒータと、前記定着フィルムを介して前記ヒータと共に定着ニップ部を形成する加圧ローラと、前記ヒータ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ヒータに供給する電力を制御する制御部と、を有しており、前記定着ニップ部で画像を担持する記録材を挟持搬送しつつ画像を記録材に加熱定着する定着装置であって、前記ヒータが絶縁基板上に第１の通電発熱体と前記第１の通電発熱体よりも記録材搬送方向下流側に第２の通電発熱体を有し、前記第１の通電発熱体と前記第２の通電発熱体に独立して電力を供給可能となっている定着装置において、
前記温度検知素子が前記記録材搬送方向において前記第２の通電発熱体の発熱ピークとなる位置付近に配置されており、前記第２の通電発熱体のみに電力供給する場合、前記制御部は、前記温度検知素子の検知温度に応じた電力を供給し、前記第１の通電発熱体のみに電力供給する場合、前記制御部は、前記温度検知素子の検知温度に所定温度上乗せした温度に応じた電力を供給することを特徴とする定着装置。