JP5111915B2 - 画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、用紙上の未定着画像をニップ部での加熱及び加圧によって前記用紙に定着させる定着装置を搭載している複写機、プリンタ等の画像形成装置に関するものである。
従来の定着装置として、主に白黒画像形成装置に用いられている画像面側の定着ローラの構成が金属管の周囲に弾性層を有しないものあるいはごく薄い弾性層しか有しないものがある。
この場合、定着装置のウォームアップタイムは速いが、カラー定着装置として用いる場合、接触式分離手段を用いることによる光沢ムラ及び画質に難点がある。一方、カラー画像形成装置に主に用いられている画像面側の定着ローラ構成が金属管の周囲に弾性層を有する場合、画質面は良好であるが、弾性層の熱容量のためウォームアップ時間が掛かるという難点がある。
他方、画像面側に無端状のベルトを用い、ベルトを加熱する部分と用紙を押圧する部分を独立させることで上記不具合を解決したベルト定着方式においてはコスト高という課題がある。
また、従来の定着装置には、定着ローラの表面を、定着ローラと加圧ローラの圧接部の上流側で外部から加熱する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に開示の技術によれば、定着ローラ表面は、記録材及びトナーにより熱を奪われ、自己冷却作用により温度が低下する。これにより、熔融トナーの温度が必要以上に高くならないため凝集力が増し、定着ローラへの熔融トナーの付着力が低下するという効果を奏する。
特許第3352891号
しかしながら、特許文献1の技術によれば、定着ローラの表面を、定着ローラと加圧ローラの圧接部の上流側で外部から加熱するために、装置の小型化及び低価格化という点では問題もある。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、画像品質が良く、且つ低コストで、より効率よくウォームアップタイムの速い定着装置を備えた画像形成装置を提供することにある。
上記の課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、感光体上にトナー像を形成する画像形成手段と、前記トナー像を給紙装置から搬送されてきた記録媒体に転写する転写手段と、前記記録媒体上に前記トナー像を定着する定着装置を含む画像形成装置において、前記定着装置は、記録媒体上の未定着画像をニップ部での加熱及び加圧によって前記記録媒体に定着させる定着装置であって、前記記録媒体の画像面側に接する定着ローラが金属管の基材の表面に離型層を有するとともに中間層として弾性層を有し、前記記録媒体の非画像面側に接する加圧ローラが金属管の基材表面に直接離型層を有しており、前記定着ローラ及び加圧ローラの前記各金属管の内部には該定着ローラ及び加圧ローラを加熱するための加熱手段を含んでいて、
定着可能状態に準備するウォームアップ時において前記非画像面側の加熱手段を優先的に用いてフル点灯させ、前記加圧ローラの表面温度が所定の温度に到達後は点灯/消灯の繰り返しとし、前記画像面側の加熱手段は、前記ウォームアップ中は消灯とし前記加圧ローラが点灯/消灯の繰り返しとなるのに合わせて消灯/点灯の繰り返しとなるよう間欠点灯させる交互点灯とし、
前記定着ローラの加熱源と前記加圧ローラの加熱源は通紙幅方向について異なる発光分布で設定され、前記定着ローラの加熱源はその発光分布について端部発光を高い設定とし、前記加圧ローラの加熱源はフラットな発光分布とし、通紙中に前記定着ローラの温度分布が中央に比べて端部が高くなった場合、前記加圧ローラの加熱源を補助的に使用することで温度分布の均一化を図ることを特徴とする。
また、請求項2に記載の発明は、前記画像面側の加熱手段を複数設け、そのうちの1つはウォームアップ時専用の加熱手段である請求項1記載の画像形成装置を特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、定着可能状態に準備するウォームアップ時における前記加圧ローラの回転速度を通常の定着時の速度に比べて速く設定している請求項1記載の画像形成装置を特徴とする。
また、請求項4に記載の発明は、通常定着時の幅方向温度分布補正に非画像面側の加熱手段を用いる請求項1記載の画像形成装置を特徴とする。
本発明によれば、用紙上の未定着画像をニップ部にて加熱加圧することによって用紙に定着させる定着装置を有する画像形成装置において、前記定着装置は、画像面側の定着ローラは金属管の基材の表面に離型層を有するとともに中間層として弾性層を有し、非画像面側の加圧ローラは弾性層としての中間層は無く、金属管の基材表面に直接離型層を有し、両ローラの金属管の内部にはローラを加熱するための加熱手段を有し、定着可能状態に準備するウォームアップ時において前記非画像面側の加熱手段を優先的に用いてフル点灯させ、前記加圧ローラの表面温度が所定の温度に到達後は点灯/消灯の繰り返しとし、前記画像面側の加熱手段は、前記ウォームアップ中は消灯とし前記加圧ローラが点灯/消灯の繰り返しとなるのに合わせて消灯/点灯の繰り返しとなるよう間欠点灯させる交互点灯とすることで前記両ローラの同時点灯の機会を減らして装置の最大電力を小さくすることを可能にし、
前記定着ローラの加熱源と前記加圧ローラの加熱源は通紙幅方向について異なる発光分布で設定され、前記定着ローラの加熱源はその発光分布について端部発光を高い設定とし、前記加圧ローラの加熱源はフラットな発光分布とし、通紙中に前記定着ローラの温度分布が中央に比べて端部が高くなってしまった場合、前記加圧ローラの加熱源を補助的に使用することで温度分布の均一化を図り、高画質、低コストでかつウォームアップタイムの速い定着装置により、待ち時間の短い画像形成装置提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は本発明を実施するプリンタの実施の形態を示す概略構成図である。以下、本発明を、画像形成装置であるカラーレーザプリンタ(以下、単に「プリンタ」という)Aに適用した実施の形態について説明する。
このプリンタAは、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックの4つの画像形成手段を横に並べて配置したタンデム画像形成部を構成している。タンデム画像形成部においては、個々のトナー像形成部である画像形成手段20Y、20C、20M、20Kが、図中、左から順に配置されている。
ここで、各符号の添字Y、C、M、Kは、それぞれイエロー、マゼンダ、シアン、黒用の部材であることを示す。また、タンデム画像形成部においては、個々の画像形成手段20Y、20C、20M、20Kは、潜像担持体としてのドラム状の感光体21Y、21C、21M、21Kのまわりに、帯電装置、現像装置10Y、10C、10M、10K、感光体クリーニング装置等を備えている。
プリンタAの上部には、イエロー、シアン、マゼンタ、黒の各色トナーが充填されたトナーボトル2Y、2C、2M、2Kが配置されている。これらのトナーボトル2Y、2C、2M、2Kから図示しない搬送経路を介して、所定の補給量だけ各色の現像装置10Y、10C、10M、10Kに各色トナーが補給される。
また、タンデム画像形成部の下部には潜像形成手段としての光書き込みユニット9を設けている。この光書き込みユニット9は、光源、ポリゴンミラー、f−θレンズ、反射ミラー等を備え、画像データに基づいて各感光体21Y、21C、21M、21Kの表面にレーザ光を走査しながら照射するように構成されている。
さらに、タンデム画像形成部の直ぐ上には、中間転写体として無端ベルト状の中間転写ベルト1を設けている。この中間転写ベルト1は、支持ローラ1a、1bに掛け回され、この支持ローラのうち駆動ローラ1aの回転軸には図示してない駆動モータが駆動源として連結されている。
この駆動モータを駆動させると、中間転写ベルト1が図中反時計回りに回転移動するとともに、従動可能な支持ローラ1bが回転する。中間転写ベルト1の内側には、感光体21Y、21C、21M、21K上に形成されたトナー像を中間転写ベルト1上に転写するための1次転写装置11Y、11C、11M、11Kを設けている。
また、上記1次転写装置11Y、11C、11M、11Kより中間転写ベルト1の駆動方向下流に2次転写装置としての2次転写ローラ4を設けている。この2次転写ローラ4と中間転写ベルト1を挟んで反対の側には、支持ローラ1bが配置されており、押し部材(対向ローラ)としての機能を果たしている。
図において上述した光書き込みユニット9の下方には、給紙カセット8、給紙コロ7、レジストローラ6等を備えている。さらに、給紙カセット8から送給されかつ2次転写ローラ4によりトナー像を転写された記録媒体Sの進行方向で2次転写ローラ4の下流には、記録媒体S上の画像を定着する定着装置5、排紙ローラ3を備えている。
次に、上記プリンタAの動作を説明する。個々の画像形成手段で、その感光体21Y、21C、21M、21Kを回転し、これらの回転とともに、先ず、帯電装置で感光体21Y、21C、21M、21Kの表面を一様に帯電する。次いで、画像データを光書き込みユニット9からのレーザによる書き込み光を照射して感光体21Y、21C、21M、21B上に静電潜像を形成する。
その後、現像装置10Y、10C、10M、10Kにより静電潜像にトナーが付着され、静電潜像を可視像化する。これによって、各感光体21Y、21C、21M、21K上に、それぞれ、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックの単色画像を形成する。
また、図示してない駆動モータにより駆動ローラ1aを回転駆動して他の従動ローラ1b、2次転写ローラ4を従動回転させ、中間転写ベルト1を回転搬送する。上述の可視像を1次転写装置11Y、11C、11M、11Kで中間転写ベルト1上に順次転写する。
これによって中間転写ベルト1上に合成カラー画像を形成する。画像転写後の感光体21Y、21C、21M、21Kの表面は感光体クリーニング装置で残留トナーを除去して清掃し、再度の画像形成に備える。
また、上記画像形成のタイミングに合わせて、給紙カセット8からは記録媒体S先端が給紙コロ7により繰り出され、レジストローラ6まで搬送され、いったん停止する。そして、記録媒体Sは上記画像形成動作とタイミングを取りながら、2次転写ローラ4と中間転写ベルト1の間に搬送される。
ここで、中間転写ベルト1と2次転写ローラ4とは記録媒体Sを挟んで、いわゆる2次転写ニップを形成し、2次転写ローラ4にて中間転写ベルト1上のトナー像を記録媒体S上に2次転写する。
画像転写後の記録媒体Sは定着装置5へと送り込まれる。この定着装置5は定着ローラ22とこの定着ローラ22に対向しかつ定着ローラ22に圧接される加圧ローラ23により形成されている。定着ローラ22は内部に加熱源24を有し、温度制御手段25によって表面を所定の温度に維持する構成になっている。
定着ローラ22とこの定着ローラ22に圧接される加圧ローラ23により形成されるニップ部に記録媒体Sを挟持搬送することによってこの記録媒体S上のトナー像を加熱加圧し、記録媒体S上に定着させる。本発明においては、加圧ローラ23も加熱源26を内部に有し、温度制御手段27によって表面を所定の温度に制御されている。
また、ニップ部から排出された記録媒体Sは分離部材(図示せず)により分離された後、排紙ローラ3から機外に排出される。一方、画像転写後の中間転写ベルト1は、中間転写体クリーニング装置12によって、画像転写後に中間転写ベルト1上に残留する残留トナーを除去し、タンデム画像形成部による再度の画像形成に備える。
図2は本発明による定着装置の定着ローラ及び加圧ローラを説明する概略断面図である。図2において、トナーtをその表面上に有する記録媒体Sが図1の2次転写ローラ4から矢印の方向に送られて来る。この場合に、画像面(トナーt)側の定着ローラ22の構成には、基材22aとして剛性を保つために、一般的に、金属管、主に熱伝導性の良いAl、あるいはFe等を用いている。
この金属管の管厚は、0.3〜1mm程度である。定着ローラ22の構成には、また、中間層(弾性層)22cとして、厚み2〜3mm程度のシリコンゴム等の弾性体を有している。さらに、表層22bとして、膜厚15〜50μm程度の、離型性のよいフッ素樹脂をコーティング又は被覆している。
非画像面側の加圧ローラ23の構成には、基材23aとして、定着ローラ22と同様に、剛性を保つために、一般的に、金属管、主に熱伝導性の良いAl、あるいはFe等を用いている。この金属管の管厚は、通常、0.3〜1mm程度である。
また、表層23bとして、膜厚15〜50μm程度の、離型性のよいフッ素樹脂をコーティング又は被覆している。本発明の定着装置では、定着ローラ22に弾性層を有する、一方、加圧ローラ23には弾性層がなく、また、両ローラ22、23の内部に加熱源を有している。加熱源は、例えば、ハロゲンランプを用いてもよい。
定着ローラ22に弾性層22cを備えると、加圧ローラ23の硬度と組み合わせることで記録媒体Sの分離性の向上が見込めるというメリットがある。加圧ローラ23の硬度を高くすることで記録媒体Sのニップ通過後の向きが加圧ローラ23方向に向き、定着ローラ22への巻き付きが防止できる。
また、画質向上も見込めるというメリットがある。上記分離性の向上に伴い、非接触分離方式の採用が可能となり、その結果、従来の接触式で発生していた分離爪による画像光沢ムラが解消できる。
さらに、非接触分離により耐久性の向上いうメリットも見込めることができる。また、画像面側に弾性体を用いることで画像の表面性が向上し、質感が良くなるというメリットも見込めることができる。
このような効果をローラ方式で安価に得られる。一方、弾性体の熱容量増加に伴ってウォームアップタイムの増加という不都合も挙げられる。本発明では上記不都合を改善し、上記メリットとの両立を目指している。
本発明では上記ローラ構成により加圧ローラ23の弾性体を無くすことで熱容量を小さくし、昇温速度を速くし、その加圧ローラ23により定着ローラ22を加熱することでウォームアップタイムの短縮を図るようにしている。
この時、定着ローラ22にも加熱源24を有し、加圧ローラ23の加熱源26と共用することによってさらなる効率アップを狙っている。加圧ローラ23から定着ローラ22への熱の受け渡しは、ウォームアップ中では空回転することでニップ部から伝達している。
図3はウォームアップタイムの短縮における温度と時間の関係をグラフで示す図である。図1及び図2とともに図3を参照して、23表面温度で示すグラフは常温から加熱源26を発熱させた時の加圧ローラ23の表面温度の推移である。
このように、定着装置を定着可能状態に準備するウォームアップ時において非画像面側の加熱源26を優先的に用いると、高画質、低コストでウォームアップタイムの速い定着装置を提供することができる。
22表面温度1で示すグラフは常温から加熱源24のみを発熱させた時の加圧ローラ23の表面温度の推移である。一方、22表面温度2は加圧ローラ23のみを加熱した時の定着ローラ22の表面温度の推移を示している。弾性層がなく、高速で昇温する加圧ローラ23から直接表面に熱を受けることで定着ローラ22の昇温速度は、弾性層を介して内部から加熱されるよりも速くなっている。
ところで加圧ローラ23の表面温度が狙い値に達し、加熱源26がオン/オフを繰り返す温度制御に入ると、定着ローラ22の表面温度上昇は鈍くなる。これを解消するために、加熱源26がオン/オフ制御に入った時に加熱源24を間欠点灯させる。
定着装置を定着可能状態に準備するウォームアップ時において非画像面側の加熱源26を優先的に用いるとともに、画像面側の加熱源24を補助的に間欠点灯させているので高画質、低コストでウォームアップタイムの速い定着装置を提供することができる。
装置の最大電力を小さくする観点から両方の加熱源24、26を同時点灯することはできないが、交互に点灯することで最大電力を超えずに制御することは可能である。
図4は両加熱源の交互点灯の制御の概略を示す波形図である。図4に示すように、ウォームアップ中は、23昇温中(加圧ローラ23(図1)昇温中)で、加熱源26(図1)をフル点灯させ、加熱源24(図1)は消灯させている。しかし、加圧ローラ23が所定の温度に達し、加熱源26が点灯/消灯の繰り返しとなった時には、加熱源24をそれに合わせて点灯させる。
定着装置を定着可能状態に準備するウォームアップ時において非画像面側の加熱源26を優先的に用いるとともに、非画像面側の加圧ローラ23の表面温度が所定の温度に到達後に、画像面側の加熱源24を補助的に間欠点灯させているので、高画質、低コストでウォームアップタイムの速い定着装置を提供することができる。
図5は両加熱源の交互点灯の制御の結果をグラフで示す図である。図5で、22表面温度3に示すように、定着ローラ22(図1)の表面温度は外部からの加熱に加えて内部からも加熱されるので、鈍っていた昇温速度が補填される。また、加熱源の電力配分によっては加熱源26(図1)をフル点灯させながら加熱源24(図1)を間欠点灯させることが可能である。
これは装置の最大電力に対し加熱源26を点灯させても余裕が有る場合に差分に相当する点灯時間だけ加熱源24を点灯させることができ、定着ローラ22の昇温をその分早めることが可能となる。
定着可能状態に準備するウォームアップ時においては、非画像面側の加熱手段(加熱源26)を優先的に用いるとともに、加圧ローラ23の表面温度が所定の温度に到達後に画像面側の加熱手段(加熱源24)を補助的に間欠点灯させる。これにより、高画質、低コストでウォームアップタイムの速い定着装置を提供することができる。
同様に、加熱源26をフル点灯させても余裕が有る場合に、定着ローラ22側の加熱源を2構成とすることが考えられる。そのうちの1つの構成は装置最大電力と加熱源26との差分に相当する値とし、ウォームアップ中に点灯させる。このような構成とすることで、上記のような間欠点灯による複雑な制御を回避し、定着ローラ22の昇温をその分早めることが可能となる(装置最大電力には定着以外の電力も含む)。
図示はしてないが、画像面側の加熱源24を複数の構成とし、そのうちの1つをウォームアップ時専用加熱源とすることによって、高画質、低コストでウォームアップタイムの速い定着装置を提供することができる。
図6は両加熱源の交互点灯の制御の結果をグラフで示す図である。ウォームアップ中の空回転速度によって加圧ローラ23(図1)から定着ローラ22(図1)への熱移動速度が変わる。図6には、定着時回転速度と同じに空回転した場合の22表面温度4、回転速度を1.5倍にした場合の22表面温度5、回転速度を半分にした場合の22表面温度6を示している。
図示のごとく、熱移動速度は、速い空回転速度において伝達効率が良い結果が得られている。この結果からウォームアップ時の空回転を通常の定着時よりも速く設定することでウォームアップタイム短縮に有効であることが解かる。
このように、定着装置を定着可能状態に準備するウォームアップ時における定着装置の回転速度を通常の定着時の速度よりも速く設定することによってウォームアップタイムの速い定着装置を提供することができる。
定着時において記録媒体の通過中は加圧ローラ23から定着ローラ22を加熱できないので定着ローラ22の加熱源24を使用して温度制御するのが有効である。一度暖まった定着ローラ22においては弾性層が介在して応答が遅くなるが、逆に弾性層の蓄熱があるので制御可能である。
通常定着時には画像面側の定着ローラ22の加熱源24を優先的に用いているので、高画質、低コストでウォームアップタイムの速い定着装置を提供することができる。
図7は両端部において発光分布を高く設定している加熱源の発光分布をグラフで示す図である。図8は全体においてフラットな発光分布を有する加熱源の発光分布をグラフで示す図である。
定着ローラ22の加熱源24と加圧ローラ23の加熱源26は通紙幅方向において異なる発光(発熱)分布で設定される。例えば、図7に示すように、例えば、ハロゲンランプである加熱源24はその発光分布において端部発光を高い設定としている。
一方、図8に示すように、加圧ローラ23の加熱源26はフラットな発光分布となっている。通紙中に定着ローラ22の温度分布が中央に比べて端部が高くなってしまった場合、加熱源26を補助的に使用することで温度分布の均一化が図れる。
通常定着時の幅方向温度分布補正に非画像面側の加圧ローラ23の加熱源26を用いているので、ウォームアップタイムが速く、定着時に待ち時間の無い定着装置を提供することができる。
また、本発明による定着装置を搭載すれば、高画質、低コストでかつウォームアップタイムの速い、複写機、プリンタ等の画像形成装置を提供することができる。
本発明を実施するプリンタの実施の形態を示す概略構成図である。 本発明による定着装置の定着ローラ及び加圧ローラを説明する概略断面図である。 ウォームアップタイムの短縮における温度と時間の関係をグラフで示す図である。 両加熱源の交互点灯の制御の概略を示す波形図である。 両加熱源の交互点灯の制御の結果をグラフで示す図である。 両加熱源の交互点灯の制御の結果をグラフで示す図である。 両端部において発光分布を高く設定している加熱源の発光分布をグラフで示す図である。 全体においてフラットな発光分布を有する加熱源の発光分布をグラフで示す図である。
符号の説明
A 画像形成装置(プリンタ)、S 記録媒体、1 転写手段(中間転写ベルト)、4 転写手段(2次転写ローラ)、5 定着装置、8 給紙装置(給紙カセット)、10Y 現像装置、20Y 画像形成手段、21Y 感光体、22 定着ローラ、22a 基材、22b 表層、22c 中間層(弾性層)、23 加圧ローラ、23a 基材、23b 表層、24 加熱手段(加熱源)、25 温度制御手段、26 加熱手段(加熱源)、27 温度制御手段

Claims (4)

  1. 感光体上にトナー像を形成する画像形成手段と、前記トナー像を給紙装置から搬送されてきた記録媒体に転写する転写手段と、前記記録媒体上に前記トナー像を定着する定着装置を含む画像形成装置において、
    前記定着装置は、記録媒体上の未定着画像をニップ部での加熱及び加圧によって前記記録媒体に定着させる定着装置であって、前記記録媒体の画像面側に接する定着ローラが金属管の基材の表面に離型層を有するとともに中間層として弾性層を有し、前記記録媒体の非画像面側に接する加圧ローラが金属管の基材表面に直接離型層を有しており、前記定着ローラ及び加圧ローラの前記各金属管の内部には該定着ローラ及び加圧ローラを加熱するための加熱手段を含んでいて、
    定着可能状態に準備するウォームアップ時において前記非画像面側の加熱手段を優先的に用いてフル点灯させ、前記加圧ローラの表面温度が所定の温度に到達後は点灯/消灯の繰り返しとし、前記画像面側の加熱手段は、前記ウォームアップ時において消灯だが前記加圧ローラが点灯/消灯の繰り返しとなるのに合わせて消灯/点灯の繰り返しとなるよう間欠点灯させる交互点灯とし、
    前記定着ローラの加熱源と前記加圧ローラの加熱源は通紙幅方向について異なる発光分布で設定され、前記定着ローラの加熱源はその発光分布について端部発光を高い設定とし、前記加圧ローラの加熱源はフラットな発光分布とし、通紙中に前記定着ローラの温度分布が中央に比べて端部が高くなった場合、前記加圧ローラの加熱源を補助的に使用することで温度分布の均一化を図ることを特徴とする画像形成装置。
  2. 前記画像面側の加熱手段を複数設け、そのうちの1つはウォームアップ時専用の加熱手段であることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置。
  3. 定着可能状態に準備するウォームアップ時における前記加圧ローラの回転速度を通常の定着時の速度に比べて速く設定していることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置。
  4. 通常定着時の幅方向温度分布補正に非画像面側の加熱手段を用いることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置
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