JP4944310B2

JP4944310B2 - 画像形成装置

Info

Publication number: JP4944310B2
Application number: JP2001161306A
Authority: JP
Inventors: 宏明酒井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2021-05-29
Also published as: JP2002351255A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真方式の複写機、レーザビームプリンタ等の画像形成装置に関し、特に、加熱装置及び定着装置を備えた画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子写真方式を応用した画像形成装置としてレーザプリンタ等が知られている。図１２にレーザプリンタの一従来例を示す。１は感光体ドラム、２は露光装置、３は現像装置、４は転写部材、５はクリーニング装置、６は帯電部材、７は定着装置、Ｃは供給する転写材をいれる給紙カセット、８は給紙装置、Ｐは転写材の搬送路、Ｌは露光装置２から出たレーザ光である。
【０００３】
帯電部材６により所望の電位に帯電された感光ドラム１の表面に対して、露光装置２は画像情報に応じたレーザ光Ｌをオン／オフさせて照射し、電荷を除電することで静電潜像を感光ドラム１上に形成する。
【０００４】
現像装置３は現像剤（以後トナーと記す）、現像容器、および現像スリーブ３１から構成される。現像スリーブ３１からは、静電潜像に応じてトナーが供給され、感光体ドラム１上にはトナー像が形成される。その後、転写部材４により感光体ドラム１上のトナー像は転写材の表面に転写される。この転写材上の未定着トナー像は定着装置７により加熱加圧されることで転写材に永久定着され、画像形成装置から排出される。
【０００５】
一方、転写時に感光体ドラム１上に残ったトナーや紙紛などはクリーニング装置５により取り除かれる。
【０００６】
一般的なレーザプリンタに用いられる定着装置は図１に示すような構造となっている。図１において１０は定着ローラであり、一例として、アルミニウムや鉄などの芯金１１上にＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の離型性樹脂層１２を設け、また、内部はヒータ１３によって加熱されるようになっている。定着ローラ１０の温度は、該定着ローラ１０に当接される温度検知素子３０（以後サーミスタと記す）によって、該定着ローラ１０の表面温度として検出され、温度制御回路によってヒータ１３を１水準の入力電圧において断続的に作動させることで、上記表面温度は所定の温度に制御される。
【０００７】
一方、２０は上記定着ローラ１０に圧接回転する加圧ローラであり、一例として、アルミニウムや鉄等の金属芯金２１上に、耐熱性を有しかつ硬度の低いシリコーンゴムやシリコーンスポンジ等の弾性層２２を設け、その表面にＰＦＡ、ＰＴＦＥ等の離型性の高い樹脂による被覆層２３を有した構造をなしている。
【０００８】
また、トナー像ｔを担持した転写材Ｔは、入ロガイド２４によって定着ローラ１０と加圧ローラ２０の間のニップ部に導かれ、加熱かつ加圧されることで定着される。この入ロガイド２４はＰＢＴ等の抵抗制御材（１０⁹から１０¹¹Ω）で作るか、もしくはステンレス等の金属でガイド面を構成し、定着フレームとの接点に前記抵抗制御材を用いることが一般的である。これは、絶縁物等で入ロガイド形成すると、転写材との摺擦によりガイド面が帯電し、トナーの飛び散り等の弊害が生じるためである。また、転写材Ｔがニップ部を通過するときにシワが発生しないように、前記定着ローラ１０及び加圧ローラ２０の長手方向に適正な逆クラウン形状を付けるとともに、入ロガイド２４により定着ニップヘの侵入位置を適正化することが一般的に行われている。
【０００９】
定着ニップにおいて加熱かつ加圧されてトナー像を固着した転写材Ｔは、定着ローラ分離爪２５あるいは、加圧ローラ分離爪２６によりいずれかのローラから分離され、排紙ガイド２７により排紙ローラ２８に導かれ装置外へ排出される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このようなレーザプリンタにおいて、プリントスピードの高速化を図ろうとする場合、商用電源の電力容量により、画像形成装置自身の動作に必要な電力が増加し、定着装置に振り分けられる電力が制限される。特に、給紙装置、排紙スタッカ等の給排紙オプションを装着した場合、または、リードスキャナを備えた複写機においては、さらに定着装置に振り分けられる電力が制限される。よって、画像形成装置において最も電力を消費する定着ヒータの最大定格入力は、オプション機器の接続数が増加するにつれて制限され、プリントスピード、ウォームアップ時間に大きく影響を与えるものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本願発明は定着ローラを加熱するためのヒータと、
前記定着ローラと圧接してニップ部を形成する加圧部材と、前記定着ローラ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基づいて商用電源から前記ヒータへの導通または遮断を切り替えて前記定着ローラの温度が定着可能な所定温度に維持されるように調整する調整手段と、を備え、前記ニップ部で転写材上のトナー像を加熱及び加圧して転写材に定着する定着手段と、を有し、プリント時に前記ヒータに供給可能な最大電力である第１の電力は、前記温度検知素子による検知温度が前記所定温度に到達するまでのウォームアップ時に前記ヒータに供給可能な第２の最大電力よりも小さい画像形成装置において、前記ヒータは、前記ヒータの長手方向の端部よりも中央の方が発熱量が大きい発熱分布である第１のヒータと、前記ヒータの長手方向の中央よりも端部の方が発熱量が大きい発熱分布である第２のヒータを備え、前記第１のヒータ及び前記第２のヒータを組み合わせることで、転写材のサイズに合わせた発熱分布を形成して前記定着ローラを加熱することが可能であり、前記調整手段は、前記第１のヒータ及び前記第２のヒータに印加する電圧をそれぞれ個別に切り替えることが可能であり、前記第１の最大電力を前記第１のヒータ及び前記第２のヒータに供給する時に、前記第１のヒータに印加される電圧と前記第２のヒータに印加される電圧は異なり、前記第１のヒータの発熱量と前記第２のヒータの発熱量は所定の発熱比率となることを特徴とするものです。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［第１の参考例］
本発明の第１の参考例として、図１に定着装置の断面図を示す。この定着装置は、Ａ３（２９７ｍｍ）幅を最大通紙サイズとする転写材を装置の通紙中心を基準として搬送する中央基準の例であり、ヒータ４は１００Ｖ入力時に１３００Ｗ、８９．７Ｖ入力時に１１００Ｗの出力がでるものを使用し、ヒータ配光も通紙基準に対して対称な分布になっている。定着ローラ１０はアルミニウムを芯金１１とする直径４０ｍｍ、厚さ３．０ｍｍのローラであり、表層にはＰＦＡの離型層１２を被覆している。加圧ローラ２０はステンレス芯金２１上にシリコーンスポンジの弾性層２２、表層にＰＦＡの離型層２３を有し、直径３０ｍｍ、製品硬度５０°の物を用いており、３００Ｎの加圧力をかけることで定着ローラとの間に５．０ｍｍのニップ幅を作ることができる。
【００１４】
温度検知素子は定着ローラの略中央部に設置しているため、温度検知素子へのトナー付着に対して、クリーニング手段を必要としている。ただし、サーミスタを定着ローラの略中央部に設置することで、定着ローラの表面温度を正確に調節することができ、安定した定着性を確保することができる。本参考例においては１９０℃に温調制御を行うことにより、Ａ４横送りで３０枚／分のプリントを可能にする。
【００１５】
図２に商用電源の電力容量が１５００Ｗに合わせて設計されたレーザプリンタの電力配分を示す。ウォームアップ時は転写材の搬送のためのモータ駆動、露光装置のモータなどは動作させないため、電源の２００Ｗを除いて１３００Ｗを定着のヒータに使用可能とする。図３に示す定電圧出力回路１０２により、定着ヒータ１３には１００Ｖを入力し、１３００Ｗの出力を発生させる。
【００１６】
また、プリント時においては転写材の搬送のためのモータ駆動、露光装置のモータ駆動などに２００Ｗを分配するため、定着ヒータは１１００Ｗの電力を使用可能となる。そこで、プリント時においては定電圧出力回路の出力を８９．７Ｖに設定することで１１００Ｗの出力が可能となる。
【００１７】
定電圧出力回路１０２は、チョッピング用ＦＥＴ１０３と、インダクタ１０４、スナバ用ダイオード１０５とからなる降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを有している。定電圧出力回路１０２は、ヒータ１３への出力電圧および出力電流と商用電源の入力実効値電圧および入力電圧波形とを検知するためのコントロールＩＣ１０６（本参考形態ではＵＮＩＴＲＯＤＥ社のＵＣ３８５４を使用）が、上記出力電圧を電圧検知回路１０７で、上記出力電流を電流検出抵抗１０８で、上記入力実効値を抵抗１０９およびコンデンサ１１０で、入力電圧波形を抵抗１１１および１１２でそれぞれ検出し、出力電圧を一定かつ出力電圧波形を入力電圧波形と相似波形となるよう約１００ｋＨｚでオン／オフしているチョッピングＦＥＴ１０３のオンデューティを制御するようになっている。
【００１８】
ＭＰＵ１１３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各入出力ポート（いずれも図示せず）等を具備し、画像形成装置、および接続機器の動作状態を認識する手段を備える。ＭＰＵ１１３に設けられたデジタル出力ポートＰ１が抵抗１１４を介してトランジスタ１１５のベースに接続されており、デジタル出力ポートＰ１からの信号をＨＩＧＨにすることによりトランジスタ１１５がオンされ、抵抗１１６を介して＋５Ｖ電源に接続されているフォトダイオード１１７がオンされ、フォトトランジスタ１１８がオンされ、トランジスタ１２０がオフされることにより電源ＶＣＣの電圧が抵抗１２１を介してコントロールＩＣ１０６のイネーブル端子ＥＮＡに入力され、コントロールＩＣ１０６を動作させ定電圧出力を制御するようになっている。
【００１９】
また、定電圧出力の値は、ＭＰＵ１１３のデジタル出力ポートＰ２が抵抗１２２を介してトランジスタ１２３のベースに接続されており、デジタル出力ポートＰ２からの信号をＨＩＧＨにすることによりトランジスタ１２３がオンされ、抵抗１２４を介して＋５Ｖ電源に接続されているフォトダイオード１２５がオンされ、フォトトランジスタ１２７がオンされる。
【００２０】
フォトトランジスタ１２７がオンのとき、定電圧出力回路１０６のＶｓｅｎｓｅには（抵抗１２９＋抵抗１２６）と抵抗１２８による分圧値８９．７Ｖが入力され、フォトトランジスタ１２７がオフのとき、抵抗１２８と１２９による分圧値１００Ｖがコンデンサ１３０を介してＶｓｅｎｓｅに入力される。ＭＰＵ１１３は画像形成装置の動作状態を判断し、デジタル出力ポートＰ２の値を切り換えることにより、定着ヒータに印加される電圧値を変更する。
【００２１】
実験例として、上記構成の定着装置におけるヒータ電力とウォームアップ時間の関係を図４に示す。プリント時を考慮したヒータの消費電力は１１００Ｗとなり、このヒータでウォームアップを行う場合は立ち上げ時間は８０秒となる。本参考例にあるように１００Ｖ（１３００Ｗ）と８９．７Ｖ（１１００Ｗ）の２水準ヒータの入力電圧を選択できる場合、ウォームアップ時に１３００Ｗをヒータに投入することで、ウォームアップ時間を６５秒（１５秒短縮）にすることができた。また、９００Ｗ１水準のヒータ電力設定とした場合、ウォームアップ時間は１００秒となった。
【００２２】
［第２の実施例］
本発明の第２の実施例として、図５に定着装置の断面図を示す。この定着装置は、Ａ３（２９７ｍｍ）幅を最大通紙サイズとする転写材を装置の通紙中心を基準として搬送する中央基準の例であり、ヒータ以外は第１の参考例と同じものを用いたため説明を省略する。ヒータ１３ａは１００Ｖ入力時に７００Ｗ、９０．５Ｖ入力時に６００Ｗの出力がでるものを使用し、ヒータ１３ｂは１００Ｖ入力時に６００Ｗ、８８．８Ｖ入力時に５００Ｗの出力がでるものを使用する。
【００２３】
ヒータのセグメント配置とヒータ配光を図６、図７に示す。それぞれ、通紙基準に対して対称な分布になっており、中央部に重点的に配光分布をもつヒータ１３ａと、端部に重点的に配光分布を持つヒータ１３ｂの２本のヒータを使用する。この２本のヒータを組み合わせることにより、様々な紙サイズに対して高いプリントスピードを確保することができる。
【００２４】
図８にレーザプリンタの電力配分を示し、ウォームアップ時は２本のヒータを合わせて１３００Ｗの電力を使用し、プリント時は２本合わせて１１００Ｗを使用することを示す。回路図については、図３に示す定電圧出力回路１０２を並列に設けることで第１の参考例と同様なヒータ制御を行うことができる。
【００２５】
［第３の参考例］
本発明の第３の参考例として、図９に画像形成装置の概略図を示す。本実施例においては、レーザプリンタに給紙デッキＩと排紙スタッカＯとリードスキャナＲを備えたデジタル複写機の構成例を示す。画像形成装置および定着装置は第１の参考例で示したものと同様な構成であるため説明を省略する。
【００２６】
図１０に商用電源の電力容量が１５００Ｗに合わせて設計されたデジタル複写機の電力配分を示す。本体電源：２００Ｗ、モータ駆動：２００Ｗ、リードスキャナＲ：３００Ｗ、給紙デッキＩ：５０Ｗ、排紙スタッカ：５０Ｗとなり、コピー時の定着ヒータヘの電力配分は７００Ｗとなる。よって、１００Ｖ入力時に１３００Ｗのヒータを使用した場合、プリント時に８４．３Ｖを入力することにより１０００Ｗを定着ヒータに配分し、コピー時には６６．９Ｖを入力することにより７００Ｗを定着ヒータに配分する。
【００２７】
図１１に示す定電圧出力回路１０２は、チョッピング用ＦＥＴ１０３と、インダクタ１０４、スナバ用ダイオード１０５とからなる降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを有している。定電圧出力回路１０２は、ヒータ１３への出力電圧および出力電流と商用電源の入力実効値電圧および入力電圧波形とを検知するためのコントロールＩＣ１０６（本参考形態ではＵＮＩＴＲＯＤＥ社のＵＣ３８５４を使用）が、上記出力電圧を電圧検知回路１０７´で、上記出力電流を電流検出抵抗１０８で、上記入力実効値を抵抗１０９およびコンデンサ１１０で、入力電圧波形を抵抗１１１および１１２でそれぞれ検出し、出力電圧を一定かつ出力電圧波形を入力電圧波形と相似波形となるよう約１００ｋＨｚでオン／オフしているチョッピングＦＥＴ１０３のオンデューティを制御するようになっている。
【００２８】
ＭＰＵ１１３は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各入出力ポート（いずれも図示せず）等を具備し、画像形成装置、および接続機器の動作状態を認識する手段を備える。ＭＰＵ１１３に設けられたデジタル出力ポートＰ１が抵抗１１４を介してトランジスタ１１５のベースに接続されており、デジタル出力ポートＰ１からの信号をＨＩＧＨにすることによりトランジスタ１１５がオンされ、抵抗１１６を介して＋５Ｖ電源に接続されているフォトダイオード１１７がオンされ、フォトトランジスタ１１８がオンされ、トランジスタ１２０がオフされることにより電源ＶＣＣの電圧が抵抗１２１を介してコントロールＩＣ１０６のイネーブル端子ＥＮＡに入力され、コントロールＩＣ１０６を動作させ定電圧出力を制御するようになっている。
【００２９】
また、定電圧出力の値は、２つのフォトカップラＰＣ２、ＰＣ３の動作によって設定される。フォトカップラＰＣ２は、ＭＰＵ１１３のデジタル出力ポートＰ２が抵抗１２２を介してトランジスタ１２３のベースに接続されており、デジタル出力ポートＰ２からの信号をＨＩＧＨにすることによりトランジスタ１２３がオンされ、抵抗１２４を介して＋５Ｖ電源に接続されているフォトダイオード１２５がオンされ、フォトトランジスク１２７がオンされる。
【００３０】
また、フォトカップラＰＣ３は、ＭＰＵ１１３のデジタル出力ポートＰ３が抵抗１３５を介してトランジスタ１３９のベースに接続されており、デジタル出力ポートＰ３からの信号をＨＩＧＨにすることによりトランジスタ１３９がオンされ、抵抗１３６を介して＋５Ｖ電源に接続されているフォトダイオード１３８がオンされ、フォトトランジスタ１４１がオンされる。
【００３１】
フォトトランジスタ１２７、１４１が共にオフのとき、定電圧出力目路１０６のＶｓｅｎｓｅには、抵抗１２８と１２９による分圧値１００Ｖがコンデンサ１３０を介して入力される。
【００３２】
つまり、ヒータには１３００Ｗの電力が供給され、ウォームアップの状態となる。
【００３３】
フォトトランジスタ１２７がオンで、フォトトランジスタ１４１がオフのときは（抵抗１２６＋抵抗１２９）と抵抗１２８による分圧値８９．７ＶがＶｓｅｎｓｅに入力される。つまり、ヒータ１３には１１００Ｗの電力が供給され、プリント状態となる。
【００３４】
フォトトランジスタ１２７がオフで、フォトトランジスタ１４１がオンのときは（抵抗１２９＋抵抗１４０）と抵抗１２８による分圧値６６．９ＶがＶｓｅｎｓｅに入力される。つまり、ヒータ１３には７００Ｗの電力が供給され、コピー状態となる。
【００３５】
ＭＰＵ１１３は画像形成装置の動作状態を判断し、デジタル出力ポートＰ２、Ｐ３の値を切り換えることにより、画像形成装置の動作状態に合わせて定着ヒータに印加される電圧値を変更する。
【００３６】
このとき、ヒータの印加電圧変更により定着装置の電力は１１００Ｗから７００Ｗまで減少するため、プリントスピードを３０枚／分から２５枚／分に低下させることにより定着性を満足させることができた。
【００３７】
また、本参考例においては３水準の設定について説明したが、本参考例で示したフォトカップラＰＣを複数備えることにより、オプション機器の接続に対して定着ヒータのさらに複数水準の電力設定を行うことが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、画像形成装置の動作状態に合わせて定着装置に供給される電力を変更することにより、ウォームアップ、プリント、コピーの各動作状態において最大の性能を発揮できる画像形成装置を提供することができる。特に、オプション機器の接続により使用電力が制限された条件においても、各々の条件に合わせて定着装置の電力を設定可能であるため、電力の制限が少ない条件においてはプリントスピードを増加させることが可能である。つまり、各動作状態において最適なプリントスピードを選択できるため、安定した定着性を確保することができる。また、定電圧電源を使用しているため、商用電源の入力電圧によらずウォームアップ時間と定着性の安定化を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の参考の形態を示す定着装置の断面図。
【図２】本発明の第１の参考の形態における画像形成装置の電力配分を示す図。
【図３】本発明の第１の参考の形態における定電圧出力回路図。
【図４】本発明の第１の参考の形態におけるヒータ電力とウォームアップ時間の関係を示す図。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す定着装置の断面図。
【図６】本発明の第２の実施の形態におけるヒータのセグメント配置を示す図。
【図７】本発明の第２の実施の形態におけるヒータ配光を示す図。
【図８】本発明の第２の実施の形態における画像形成装置の電力配分を示す図。
【図９】本発明の第３の参考の形態における画像形成装置の概略図。
【図１０】本発明の第３の参考の形態における画像形成装置の電力配分を示す図。
【図１１】本発明の第３の参考の形態における定電圧出力回路図。
【図１２】従来の画像形成装置を示す概略図。
【符号の説明】
１感光体ドラム
２露光装置
３現像装置
４転写部材
５クリーニング装置
６帯電部材
７定着装置
１０定着ローラ
２０加圧ローラ
２５定着分離爪
２６加圧分離爪

Claims

定着ローラを加熱するためのヒータと、
前記定着ローラと圧接してニップ部を形成する加圧部材と、
前記定着ローラ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基づいて商用電源から前記ヒータへの導通または遮断を切り替えて前記定着ローラの温度が定着可能な所定温度に維持されるように調整する調整手段と、
を備え、前記ニップ部で転写材上のトナー像を加熱及び加圧して転写材に定着する定着手段と、を有し、プリント時に前記ヒータに供給可能な最大電力である第１の電力は、前記温度検知素子による検知温度が前記所定温度に到達するまでのウォームアップ時に前記ヒータに供給可能な第２の最大電力よりも小さい画像形成装置において、
前記ヒータは、前記ヒータの長手方向の端部よりも中央の方が発熱量が大きい発熱分布である第１のヒータと、前記ヒータの長手方向の中央よりも端部の方が発熱量が大きい発熱分布である第２のヒータを備え、前記第１のヒータ及び前記第２のヒータを組み合わせることで、転写材のサイズに合わせた発熱分布を形成して前記定着ローラを加熱することが可能であり、
前記調整手段は、前記第１のヒータ及び前記第２のヒータに印加する電圧をそれぞれ個別に切り替えることが可能であり、前記第１の最大電力を前記第１のヒータ及び前記第２のヒータに供給する時に、前記第１のヒータに印加される電圧と前記第２のヒータに印加される電圧は異なり、前記第１のヒータの発熱量と前記第２のヒータの発熱量は所定の発熱比率となることを特徴とする画像形成装置。