JP4845919B2 - 画像形成装置 - Google Patents
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Description
熱ローラ方式の定着装置は、定着ローラ(加熱ローラ)と加圧ローラとの圧接ローラ対を基本構成とする。該ローラ対を回転させ、該ローラ対の相互圧接部である定着ニップ部に、画像定着すべき未定着トナー画像を形成担持させた被記録材を導入して挟持搬送させる。そして、定着ローラの熱と定着ニップ部の加圧力にて未定着トナー画像(未定着画像)を被記録材面に熱圧定着させるものである。
フィルム加熱方式の定着装置に関しては各種の技術が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4参照)。
電磁誘導加熱方式の定着装置に関しては各種の技術が提案されている(例えば、特許文献5参照)。特許文献5には、磁束により定着ローラに電流を誘導させてジュール熱によって発熱させる誘導加熱定着装置が開示されている。これは、誘導電流の発生を利用することで直接定着ローラを発熱させることができて、ハロゲンランプを熱源として用いた熱ローラ方式の定着装置よりも高効率の定着プロセスを達成している。
本発明の第1の実施の形態では、画像形成装置に搭載される定着装置(加熱装置)、定着装置における励磁コイル、定着ベルト、高周波インバータ装置、電流検出部、温度制御、最大電力の電圧依存性、安全装置の各項目毎に説明する。
本発明の第1の実施の形態に係る定着装置は電磁誘導加熱方式の装置である。図2は本発明の第1の実施の形態に係る定着装置100の要部の横断面構造を示す構成図、図3は定着装置100の要部の正面構造を示す構成図、図4は定着装置100の要部の縦断面構造を示す構成図である。尚、上記従来例で説明した箇所と共通する箇所の説明は省略または簡略化する。
k=240[W・m-1・K-1]
であり、厚さ1[mm]である。
励磁コイル18は、コイル(線輪)を構成させる導線(電線)として一本ずつがそれぞれ絶縁被覆された銅製の細線を複数本束ねたもの(束線)を用い、これを複数回巻いて励磁コイルを形成している。絶縁被覆は定着ベルト10の発熱による熱伝導を考慮して耐熱性を有する被覆を用いるのがよい。例えば、アミドイミドやポリイミドなどの被覆を用いるとよい。励磁コイル18は外部から圧力を加えて密集度を向上させてもよい。
図8は本例における定着ベルト10の層構成を示す説明図である。本例の定着ベルト10は、電電磁誘導発熱性の定着ベルト10の基層となる金属ベルト等で構成された発熱層1と、その外面に積層した弾性層2と、その外面に積層した離型層3との複合構造となっている。発熱層1と弾性層2との間の接着、弾性層2と離型層3との間の接着のため、各層間にプライマ層(不図示)を設けてもよい。略円筒形状である定着ベルト10において発熱層1が内面側であり、離型層3が外面側である。上述したように、発熱層1に交番磁束が作用することで発熱層1に渦電流が発生して発熱層1が発熱する。その熱が弾性層2・離型層3を介して定着ベルト10を加熱し、定着ニップ部Nに通紙される被加熱材としての被記録材Pを加熱してトナー画像の加熱定着がなされる。
発熱層1は、ニッケル、鉄、強磁性SUS、ニッケルーコバルト合金といった強磁性体の金属を用いるとよい。非磁性の金属でもよいが、より好ましくは磁束の吸収のよいニッケル、鉄、磁性ステンレス、コバルトーニッケル合金等の金属がよい。その厚みは次の式で表される表皮深さより厚く且つ200μm以下にすることが好ましい。表皮深さσ[m]は、励磁回路27の周波数f[Hz]と透磁率μと固有抵抗ρ[Ωm]で、
σ=503×(ρ/fμ)1/2
と表される。
弾性層2は、シリコンゴム、フッ素ゴム、フルオロシリコンゴム等で耐熱性がよく熱伝導率がよい材質である。弾性層2の深さは10〜500μmが好ましい。この弾性層2は定着画像品質を保証するために必要な厚さである。カラー画像を印刷する場合、特に写真画像などでは被記録材P上で大きな面積に渡ってベタ画像が形成される。この場合、被記録材の凹凸或いはトナー層の凹凸に加熱面(離型層3)が追従できないと加熱ムラが発生し、伝熱量が多い部分と少ない部分で画像に光沢ムラが発生する。伝熱量が多い部分は光沢度が高く、伝熱量が少ない部分では光沢度が低い。弾性層2の厚さとしては、10μm以下では被記録材或いはトナー層の凹凸に追従しきれず画像光沢ムラが発生してしまう。また、弾性層2が1000μm以上の場合には弾性層2の熱抵抗が大きくなりクイックスタートを実現するのが難しくなる。より好ましくは弾性層2の厚みは50〜500μmがよい。
6×10-4〜2×10-3[cal/cm・sec・deg.]
がよい。
6×10-4[cal/cm・sec・deg.]
よりも小さい場合には、熱抵抗が大きく、定着ベルト10の表層(離型層3)における温度上昇が遅くなる。
2×10-3[cal/cm・sec・deg.]
よりも大きい場合には、硬度が高くなりすぎたり、圧縮歪みが低下する。
6×10-4〜2×10-3[cal/cm・sec・deg.]
がよい。より好ましくは、
8×10-4〜1.5×10-3[cal/cm・sec・deg.]
がよい。
離型層3は、フッ素樹脂、シリコン樹脂、フルオロシリコンゴム、フッ素ゴム、シリコンゴム、PFA、PTFE、FEP等の離型性且つ耐熱性のよい材料を選択することができる。離型層3の厚さは1〜100μmが好ましい。離型層3の厚さが1μmよりも小さいと塗膜の塗ムラで離型性の良くない部分ができたり、耐久性が不足するといった問題が発生する。また、離型層3が100μmを超えると熱伝導が低下するという問題が発生し、特に樹脂系の離型層の場合は硬度が高くなりすぎ、弾性層2の効果がなくなってしまう。
図1は本発明の第1の実施の形態に係る画像形成装置における、後述の図12に示す出力コンバータを含む誘導加熱制御部の全体構成を示すブロック図である。本発明の第1の実施の形態に係る画像形成装置の誘導加熱制御部は、電圧制御回路300、定着器ユニット部(Fuser)313、フィードバック制御回路315、ドライバ回路316を備えている。更に、上記電圧制御回路300は、サーキットブレーカ302、リレー303、整流回路(RECT)304、ゲート制御トランス305、306、主スイッチ素子307を備えている。更に、第2のスイッチ素子308、共振コンデンサ309、第2の共振コンデンサ310、カレントトランス311を備えている。図中301は電源ライン入力端子、314は定着器の加熱オン/オフ信号入力端子である。
本発明の第1の実施の形態では、定着装置の励磁コイル18に流れる電流の検出に上記図1、後述の図11のカレントトランス311を用いた例で説明する。検出波形の一例を図13に示す。カレントトランス311は、第2のスイッチ素子308のエミッタ(FETの場合はドレイン)から整流回路304のマイナス端子及び整流回路304の後段のフィルタコンデンサ(図示略)へ流れる電流を検出すべく構成されている。1:nの巻線を有するカレントトランス311の1ターン側にパワー側の電流を流し、nターン側に設けた検出抵抗により電圧情報として検出する。検出電流はフィルタ回路(パッシブフィルタ)319(後述の図11参照)で波形整形した後、約50KHzの周波数に対応するピークホールド回路320(後述の図11参照)により電流ピークの縫絡線とする。
本発明の第1の実施の形態では、一例として温度制御をデジタルPID(Proportional plus Integral plus Derivative:比例・積分・微分)制御により行ったものとして記述する。定着装置(定着器)の定着温度検出はサーミスタ26により行っている。サーミスタ26は定着ニップよりも下流側に相当する部位でスリーブ内側に圧接して配置されており、被加熱材としての紙により奪われた熱量を温度変化として測定するようになっている。サーミスタ26の抵抗変化を検出回路により電圧に変換し、予め定められた基準電圧と比較することで目標温度(目標電圧)との差として検出する。この検出結果に基づいてスイッチ素子のオン時間を決定し、PWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)制御を行っている。
最大電力(初期電力)の電圧依存性について説明する。電流制御を行わない系においては、ACライン電圧に対し出力電力はACライン電圧の2乗で変動していくことになる。これに対し、電流検出によりリミットをかける本構成によれば、出力電力を電圧に線形依存するようにすることができる。このような回路を構成し、実験を行った結果を図14に示す。図14(a)の「制御無し領域」は従来例による実験結果であり電源電圧による電力変動が大きいが、「ピーク一定制御領域」は本発明による実験結果であり電源電圧による電力変動が少ないことを示している。図14(b)の角印で示す点は平均電流一定制御の場合の実験結果、菱形印で示す点はピーク一定制御の場合の実験結果を示す。
安全装置は以下のように構成されている。本回路構成は、上記図1の電源入力端子301から交流電力を受け、渦電流を保護するサーキットブレーカ302及びリレー303の接点を介して整流回路304に接続するようになっている。ここで、リレー303の励磁巻線は画像形成装置に装備された24V電源によりオンする構成としている。更に、画像形成装置に装備された定着装置の定着ベルト(フィルム)10の温度を検出し、検出温度が規定温度を超え異常昇温したとき遮断するサーモスイッチ接点を介して励磁するように構成している。仮にトラブルが生じ定着装置が異常昇温した場合にはリレー303を介して励磁回路27の電源を切断し、熱暴走からの定着装置の保護を図るように構成している。
図15は本発明の第2の実施の形態に係る励磁回路27の詳細構成を示すブロック図である。励磁回路27は、主スイッチ素子201、逆導通ダイオード202、励磁コイル203、共振コンデンサ204、第2のスイッチ素子205、逆導通ダイオード206を備えている。更に、第2の共振コンデンサ207、ゲート制御トランス305、306、カレントトランス311、スイッチング制御回路360(制御手段)を備えている。更に、スイッチング制御回路360は、整流回路317、ピーク検出回路318、第1のフィルタ回路345(第1のフィルタリング手段)、第2のフィルタ回路346(第2のフィルタリング手段)、オペアンプ347、PWM制御回路323を備えている。更に、直流電源327、コンデンサ328、スイッチ素子330、抵抗331、332、ダイオード334、335等を備えている。上記第1の実施の形態における図11との重複箇所の説明は省略する。
図16は本発明の第3の実施の形態に係る励磁回路27の詳細構成を示すブロック図である。励磁回路27は、主スイッチ素子201、逆導通ダイオード202、励磁コイル203、共振コンデンサ204、第2のスイッチ素子205、逆導通ダイオード206を備えている。更に、第2の共振コンデンサ207、ゲート制御トランス305、306、カレントトランス311、スイッチング制御回路370を備えている。更に、スイッチング制御回路370は、整流回路317、ピーク検出回路318、フィルタ回路351、第1のピークホールド回路352、第2のピークホールド回路353、PWM制御回路323を備えている。更に、直流電源327、コンデンサ328、抵抗332、ダイオード334、335、スイッチ素子353等を備えている。上記第1の実施の形態における図11との重複箇所の説明は省略する。
上述した第1乃至第3の実施の形態では、本発明の定着装置が搭載される画像形成装置の種類については特に言及しなかった。本発明は、未定着画像を被加熱材に固着画像として加熱定着させ画像形成を行う複写機やプリンタ等の各種画像形成装置に適用可能である。
18 励磁コイル
26 サーミスタ
27 励磁回路
30 加圧ローラ
301 電源ライン入力端子
302 サーキットブレーカ
311 カレントトランス
315 フィードバック制御回路
316 ドライバ回路
318 ピーク検出回路
345 第1のフィルタ回路
346 第2のフィルタ回路
347 オペアンプ
351 フィルタ回路
352 第1のピークホールド回路
353 第2のピークホールド回路
Claims (1)
- 磁場を発生する磁場発生手段と、交流入力電源に繋いで前記磁場発生手段に電力を供給する電力供給手段と、前記磁場発生手段から発生した磁場の作用で電磁誘導発熱する電磁誘導発熱部材と、前記電磁誘導発熱部材の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段の検出温度が目標温度となるように、前記電力供給手段から前記磁場発生手段へ供給される電力を制御する制御手段とを有する電磁誘導加熱方式の加熱装置を備え、前記加熱装置により被加熱材上の未定着画像を加熱定着する画像形成装置において、
前記磁場発生手段に供給される電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出された電流を平均電流値として検出するためのフィルタリング手段とを有し、
前記制御手段は、前記磁場発生手段に供給可能な最大電力が前記交流入力電源の電圧の変動に対して線形変化するように、前記フィルタリング手段により検出された前記平均電流値を一定に保つように前記磁場発生手段に流れる最大電流を制限して、
前記検出温度が前記目標温度になるように、前記最大電力を超えない範囲で前記電力供給手段から前記磁場発生手段へ供給する電力を制御することを特徴とする画像形成装置。
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