JP5262943B2 - 定着手段および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真式の画像形成における定着手段および画像形成装置に関し、特に定着個所でニップ部を形成している部材に接するトナー等の温度および／または被加圧力を検出する検出機構に関するものである。

図１５は、既知の定着装置の概略構成の一例を示す図である。この定着装置１は、加熱体であるハロゲンランプ２、サーミスタ等の温度検知手段３、サーモスタットからなる過昇温防止手段４、送風ファンからなる冷却手段５及び制御手段６を備えている。被加熱体である加熱ローラ７に対する通常の加熱動作時（記録媒体が搬送されて印刷動作時）には、制御手段６は、ハロゲンランプ２の出力制御は、加熱ローラ７表面に非接触で対向する温度検知手段３による加熱ローラ表面温度の検知結果に基づいて、定められる通電時間だけ、ハロゲンランプ２に交流電圧が印加される。
このように、加熱ローラ７の温度検知結果に基づき定着部の温度（定着温度）を所望の温度（目標制御温度）に調整制御している。
また、制御手段６は、加熱ローラ７の表面温度が所定温度に到達したことを温度検知手段３が検知したときに、これにより、過昇温防止手段４の温度が急激に上昇し、過昇温防止手段４がハロゲンランプ２への通電を強制的に遮断して、加熱ローラ７の異常昇温を防止するようになっている。なお、制御手段６は、オーバーシュートが発生して不要に過昇温防止手段４が動作しないように、一定条件下では、冷却手段５を制御して過昇温防止手段４を冷却して低温に維持する。上記例以外にも画像形成装置用の定着装置は、各種知られている。

ところで、カラートナーを定着するさいには、定着性および光沢を安定させるために定着部材同様に加圧部材を十分に加熱し、また、白黒画像を定着する場合に必要なニップ時間の１．５倍〜２倍の時間で十分にカラートナーと紙を加熱する。このため、トナーだけでなく記録媒体を裏面まで温めることとなり余分なエネルギを消費している。このような場合、定着工程で消費されるエネルギのうち、純粋にトナーを加熱するのに費やされるエネルギはせいぜい１割であり、あとは定着部材の放熱などが１〜２割、残りの約７〜８割が紙を加熱することに費やされている。
従って、カラー出力時の消費電力を抑える（ここでは、カラー画像形成に際しての時間当たり出力枚数を上げる）ためには、いかに紙（記録媒体）を加熱せずにトナーを加熱溶融するかがポイントとなる。加圧部材側にもハロゲンランプ等加熱源を設ける例もあるが、事情は同様である。
紙を加熱せずに定着するためには、短いニップ時間でトナーが載っている紙表面のみを加熱して定着することが有効である。しかし短時間でトナーを加熱するためトナー内の温度勾配が大きくなり、定着不良やホットオフセットなどの不具合が発生しやすい。

この不具合に対応すべく、特許文献１では、加熱が必要な個所、タイミングを見極めて、トナーに必要なだけの熱を加えることが示されている。すなわち、上述したと同様な定着手段を有する画像形成装置において、画像情報に基づいて予測されるトナーの最大付着量の情報を基に、消費エネルギを最小限にできるように定着条件を制御する制御機能を備えるようにして、トナー付着量に応じて定着条件を制御することで紙を加熱するために費やされるエネルギを最小限として紙一枚当たりのエネルギの低減を図るとともに、カラー出力時の生産性を向上させている。
しかし、特許文献１の場合、トナーの定着に必要な、トナーへの熱や付着力を与える制御について、さらには、トナーが定着においてどのような温度になり、どのような加圧圧力を受けているかを詳細に把握して行われているものではない。この点を改良した提案として、例えば特許文献２乃至９が、挙げられる。

特許文献２では、画像形成装置の定着プロセスにおいては、加熱制御するにあたり、定着ローラの表面温度を測定する意図で、定着ローラ１１の表面には温度検知手段であるサーミスタ４１が備えられている（符号は当該特許文献中での参照符号、以下各特許文献についても同様）。
特許文献３では、定着時の温度をより正確に検出するために。転写材との接触直前のトナー温度あるいはそれと相関する温度を得るために、ベルト上で加熱されるトナーの温度を放射温度センサ３２により測定する方式を提案している。
特許文献４では、定着個所の温度や圧力に関して、定着サーマルヘッドドライバの加圧および加熱による、トナー像の定着機構を示していて、トナーに対しピエゾであらかじめ設定された加圧圧力を適宜調節し、サーマルヘッドの加熱温度をあらかじめ設定された電力で適宜調節して加えている。
特許文献５では、画像形成装置の分野で用紙の表面状態を検出するために、焦電体（強誘電体材料）を用い温度と圧力の同時検出を扱っている。
特許文献６では、医療、バイオ分野に利用するための、半導体基板上に、圧電体膜等を形成し圧力と温度を検出する触覚センサが示されている。

特許文献７では、複合圧電体３の振動電圧検出手段６と可撓性電極４または５の抵抗温度特性に基づく抵抗検出手段７と温度換算手段８を有している。これによって、圧力と温度を簡易構造で同時に検出する可撓性圧電素子が示されている。
特許文献８では、定着を向上させるために、トナーの極性に対向させ定着ローラや加圧ローラの表面電位の極性を設定しており、そのために強誘電体層を形成している。
特許文献９では、クリーニング機構が強誘電体材料層の電界を利用したものであって、像担持体１１及び転写媒体１５とは別のクリーニング部材として組み込まれている。
上述の従来技術に見られるように、画像形成装置のトナー加熱定着プロセスにおいて、加熱ローラなどの加熱部材の表面温度を測定し加熱制御が行われているが、定着ニップ内のトナーの温度を測定するものは知られていない。なお、強誘電体材料による温度、圧力測定の仕組みは定着器に適用されてはおらず、特にその働きが有効な定着器のニップ部に利用されているものはない。

本発明は、上記実情を考慮してなされたものであり、その目的は、上記の問題点を解決するために、トナー付着量に応じて定着条件を制御することで記録媒体を加熱するために費やされるエネルギを最小限として紙一枚当たりのエネルギの低減を図るとともに、カラー出力時の生産性を向上させた定着手段および画像形成装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、定着における消費エネルギの低減、定着における最大消費電力の低減、装置の出力速度（時間当たりの出力枚数）の増加、画像形成のためのエネルギの低減、および画像形成のための消費エネルギの低減を図るようにした画像形成装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、トナー像担持部材上でトナー像を加熱溶融し、記録媒体上に加圧して圧着させ定着する、又は記録媒体上に転写された未定着トナー像をトナー加熱部材と加圧部材によって加圧加熱して定着する、画像形成装置用の定着手段において、前記トナー像担持部材表層部分、前記トナー加熱部材表層部分または前記加圧部材表層部分に、少なくとも温度または圧力を検出する機能層を有し、当該機能層が少なくとも温度または圧力を検出する個所は、定着ニップ個所であることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、未定着トナー像を加熱および加圧して記録媒体上に加圧して圧着させ定着するローラ状部材を有してなる、画像形成装置用の定着手段であって、前記ローラ状部材が、トナー像を担持するトナー像担持部材であり、当該トナー像担持部材の表層部分に少なくとも温度または圧力を定着ニップ個所Ｎで検出するための機能層を有し、検出結果に基づいて前記トナー像担持部材表面上でトナー像を加熱溶融し、前記定着ニップ個所で前記記録媒体上に加圧して圧着させ定着すること、もしくは、前記ローラ状部材が、前記記録媒体上に転写された未定着トナー像を加圧加熱して定着するための定着ニップ個所を形成している加熱部材および／または加圧部材であり、その表層部分に少なくとも温度または圧力を前記定着ニップ個所で検出するための機能層を有すること、を特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の定着手段において、温度を検出する前記機能層が、電気抵抗値の温度による特性、焦電作用による特性、または、ゼーベック効果の熱起電力による特性を持つ材料を有することを特徴とする。トナー像担持部材表面、トナー加熱部材表面や加圧部材表面に設置して、定着プロセス中に、リアルタイムに高精度に温度を検出することにより、トナーの定着に必要な、トナーへの熱を与える制御が適確にできる。また、別の測定システムを用いることなく、簡便に定着器に温度計測手段を設置することができる。
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の定着手段において、少なくとも温度または圧力を検出する機能層は、強誘電体材料を有することを特徴とする。機能材料層に、圧電性を持つ強誘電体材料を選択し圧力の検出をする。特に、温度依存性の大きい強誘電体材料を選定すれば、圧力と温度の検出機能をあわせ、圧力と温度を同時に検出することができる。
上述各発明では、定着プロセスにおけるニップ個所において、定着プロセス中の直接トナーや用紙に当接させることにより、トナーの温度や圧力を検出することができ、リアルタイムに高精度に温度や圧力を直接に検出することができ、トナーの定着に必要な、トナーへの熱や付着力を適切に与える制御が可能になる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の定着手段において、前記機能層の少なくとも温度または圧力を検出する検出領域は、定着プロセスの進行方向と直交する方向に延びるストライプ形状に配置されていることを特徴とする。定着ニップにおけるプロセスの進行方向（ローラ状部材周回方向）で所定の個所の温度、圧力が検出できることにより、より適確な個所とタイミングの温度、圧力の制御ができるようになる。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の定着手段において、前記機能層の少なくとも温度または圧力を検出する検出個所は、定着プロセスの進行方向と直交する直線上に離間して点状に配置されていることを特徴とする。このように、検出個所を分散個所配置することにより、トナーに加わる圧力や温度が、トナー像担持部材、トナー加熱部材表面や、加圧部材表面の端部と中央部での分布が発生しやすく均一な圧力や温度ではない場合でも、より適確な個所とタイミングの温度、圧力の制御ができるようになる。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の定着手段において、前記加熱部材表層部分および前記加圧部材表層部分に、温度を検出する前記機能材料層を夫々に形成し、これら両機能材料層の検出する温度により求められる、前記両機能材料層の間を縦断する温度勾配に基づいて、前記両機能材料層間の所定の個所の温度を算出し、この算出結果に基づいて前記加熱部材の加熱電力または前記定着ニップ個所での加圧力を調整することを特徴とする。これにより、用紙の異なる厚みやトナーが形成される厚み方向のより適確なトナー温度、圧力の制御が可能になる。多種多様な用紙やトナーに対しても適確な定着性能を得ることができる。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の定着手段において、加圧操作のみ行われた後に加熱操作が加わる定着プロセスにおいて、前記機能材料層が、加圧操作時には前記定着ニップ個所での圧力を検出し、加熱操作時には前記定着ニップ個所での温度を検出し、加圧の程度と温度検出結果とに基づいて前記定着ニップ個所への加熱電力を調整することを特徴とする。用紙を加熱すること無しにトナーを変形させることが出来るため、その分加熱不要であって、加熱電力が削減できる。加圧してトナーを一定の厚みに平坦化させた後、一定の厚みトナーへ加熱を行い効率的に溶融させるようにし、厚みが大きいまま加熱させるよりも電力が削減できる。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の定着手段において、前記機能層が、前記定着ニップ個所以外の個所において電力印加により振動させることが可能でこれにより、少なくとも前記記録媒体の分離機能機構または前記ローラ状部材のクリーニング機能のいずれかの機能を更に有することを特徴とする。これにより、温度および／または圧力を検出することに加え、用紙の分離機構やクリーニング機構の役割も兼ねることができるので、定着器に関連する機能の構成要素を集約（集積）することができる。
請求項１０に記載の発明は画像形成装置であって、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の定着手段を具備しており、前記定着手段の前記機能層が、更に前記定着ニップ個所において前記記録媒体の少なくとも熱伝導率または硬さを検出する機能を有することを特徴とする。定着性能に影響を与える用紙の特性値を合わせて検出し温度や加圧力の制御に反映させることができ、用紙の種類に応じた適確な定着が可能となる。

本発明によれば、定着処理におけるニップ個所においてトナーの温度や圧力を検出することができ、リアルタイムに高精度に温度や圧力を直接に検出することができる。これにより、トナーの定着に必要な、トナーへの熱や付着力を適切に与える制御が可能になる。

本発明による一実施形態に係る画像形成装置としての複写機の概略構成図である。 第１実施形態に係る定着器の斜視図である。 図３の定着器の断面図である。 図３の加熱部材と加圧部材が対向する定着ニップ個所の拡大図である。 実施形態における処理部での温度算出処理の説明図である。 第２実施形態の定着ニップ個所の拡大図である。 第３実施形態の定着器の斜視図である。 第４実施形態の定着ニップ個所の拡大図である。 第５実施形態に係る定着器の斜視図である。 定着ニップ個所における圧力と温度の検出による適確な定着条件の設定例を説明した図である。 第６実施形態の定着ニップ個所の拡大図である。 第７実施形態に係る定着器の斜視図である。 第８実施形態の定着ニップ個所の拡大図である。 第９実施形態の定着ニップ個所の拡大図である。 従来の定着器の断面図である。

［第１実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明による一実施形態に係る画像形成装置としての複写機の概略構成図である。図１において、符号１００は複写機本体であり、符号２００はそれを載せる給紙テーブルであり、符号３００は複写機本体１００上に取り付けるスキャナであり、符号４００はさらにその上に取り付ける原稿自動搬送装置（ＡＤＦ）である。この複写機は、タンデム型で中間転写（間接転写）方式を採用する電子写真複写機である。
複写機本体１００には、その中央に、無端状ベルトからなる中間転写ベルト１０が設けられている。この中間転写ベルト１０は、３個の支持回転体としての支持ローラ１４、１５、１６に掛け渡されており、図中時計回り方向に回転移動する。これらの３個の支持ローラのうちの第２支持ローラ１５の図中左側には、画像転写後に中間転写ベルト１０上に残留する残留トナーを除去する中間転写ベルトクリーニング装置１７が設けられている。
また、３個の支持ローラのうちの第１支持ローラ１４と第２支持ローラ１５との間に張り渡したベルト部分には、図１に示すように、そのベルト移動方向に沿って、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）の４つの画像形成部１８Ｙ、１８Ｍ、１８Ｃ、１８Ｋが並べて配置された画像形成手段であるタンデム画像形成部２０が対向配置されている。

本実施形態においては、第３支持ローラ１６を駆動ローラとしている。また、タンデム画像形成部２０の上方には、露光手段としての露光装置２１が設けられており、この露光装置２１からイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）の画像情報に基づいた露光ＬＹ、ＬＭ、ＬＣ、ＬＫが各色のトナー像を形成するドラム状感光体４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ、４０Ｋの表面に照射し各色に対応する静電潜像を形成するようになっている。また、中間転写ベルト１０を挟んでタンデム画像形成部２０の反対側には、第２の転写手段としての２次転写装置２２が設けられている。この２次転写装置２２においては、２つのローラ２３１、２３２間に用紙搬送部材としての無端状ベルトである２次転写ベルト２４が掛け渡されている。この２次転写ベルト２４は、中間転写ベルト１０を介して第３支持ローラ１６に押し当てられるように設けられている。この２次転写装置２２により、中間転写ベルト１０上のトナー像を記録媒体である用紙Ｓに転写する。
また、この２次転写装置２２の図中左方には、用紙Ｓ上に転写されたトナー像を定着する定着器２５が設けられている。

この定着器２５は、加熱手段としての加熱ローラ７と定着ローラ９に張架されて加熱される無端状ベルトである定着ベルト８に対して加圧手段としての加圧ローラ８が押し当てられた構成となっている。上述した２次転写装置２２には、トナー像を中間転写ベルト１０から用紙Ｓに転写後の用紙Ｓをこの定着器２５へと搬送するシート搬送機能も備わっている。もちろん、２次転写装置２２としては、転写ローラや非接触の転写チャージャを使用してもよく、そのような場合は、このシート搬送機能を併せて持たせることが難しくなる。
また、本実施形態では、このような２次転写装置２２および定着器２５の下に、上述したタンデム画像形成部２０と平行に、用紙Ｓの両面に画像を記録すべく用紙Ｓを反転するシート反転装置２８も設けられている。
上記複写機を用いてコピーをとるときは、原稿自動搬送装置４００の原稿台３０上に原稿をセットする。または、原稿自動搬送装置４００を開いてスキャナ３００のコンタクトガラス３２上に原稿をセットし、原稿自動搬送装置４００を閉じてそれで押さえる。その後、不図示のスタートスイッチを押すと、原稿自動搬送装置４００に原稿をセットしたときは、原稿を搬送してコンタクトガラス３２上へと移動する。

他方、コンタクトガラス３２上に原稿をセットしたときは、直ちにスキャナ３００を駆動する。次いで、第１走行体３３および第２走行体３４を走行させる。そして、第１走行体３３で光源から光を発射するとともに原稿面からの反射光をさらに反射して第２走行体３４に向け、第２走行体３４のミラーで反射して結像レンズ３５を通して読取りセンサ３６に入れ、原稿内容を読取る。
この原稿読取りに並行して、図示しない駆動源である駆動モータで駆動ローラ１６を回転駆動させる。これにより、中間転写ベルト１０が図中時計回り方向に移動するとともに、この移動に伴って残り２つの支持ローラ（従動ローラ）１４、１５が連れ回り回転する。また、これと同時に、個々の画像形成部１８において像担持体としてのドラム状の感光体４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ、４０Ｋを回転させ、各感光体４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ、４０Ｋの表面を帯電装置１２で一様に帯電させる。その後一様に帯電された各感光体４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ、４０Ｋ上に、イエロー、マゼンタ、シアン、黒の色別情報を対応するそれぞれ露光ＬＹ、ＬＭ、ＬＣ、ＬＫを照射して各色の静電潜像を形成する。

続いて、これらの静電潜像に対して、現像装置１３Ｙ、１３Ｍ、１３Ｃ、１３Ｋからトナーを供給してこれらの静電潜像を現像し、それぞれの感光体４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ、４０Ｋに単色のトナー像（顕像）を形成する。そして、各感光体４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ、４０Ｋ上のトナー画像を中間転写ベルト１０上に互いに重なり合うように順次転写して、中間転写ベルト１０上に合成カラートナー像を形成する。このようにして各色のトナー像を中間転写ベルト１０上に転写した各感光体４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ、４０Ｋは、その表面に残存するトナーがクリーニング装置１９によって除去され、次の画像形成の準備が行われる。
このような画像形成に並行して、給紙テーブル２００の給紙ローラ４２の１つを選択回転し、ペーパーバンク４３に多段に備える給紙カセット４４の１つから用紙Ｓを繰り出し、分離ローラ４５で１枚ずつ分離して給紙路４６に入れ、搬送ローラ４７で搬送して複写機本体１００内の給紙路に導き、レジストローラ４９に突き当てて止める。または、給紙ローラ５０を回転して手差しトレイ５１上の用紙Ｓを繰り出し、分離ローラ５２で１枚ずつ分離して手差し給紙路５３に入れ、同じくレジストローラ４９に突き当てて止める。そして、中間転写ベルト１０上の合成カラートナー像にタイミングを合わせてレジストローラ４９を回転し、中間転写ベルト１０と２次転写装置２２との間に用紙Ｓを送り込み、２次転写装置２２で転写して用紙Ｓ上にカラートナー像を転写する。

トナー像転写後の用紙Ｓは、２次転写ベルト２４で搬送して定着器２５へと送り込み、定着器２５で定着ベルト８と加圧ローラ８とによって熱と圧力とを加えて転写トナー像を定着した後、切換爪５５で切り替えて排出ローラ５６で排出し、排紙トレイ５７上にスタックする。または、切換爪５５で切り替えてシート反転装置２８に入れ、そこで反転して再び転写位置へと導き、裏面にも画像を記録して後、排出ローラ５６で排紙トレイ５７上に排出する。
なお、本実施形態における画像形成装置は、用紙Ｓの搬送速度（プロセス線速）が３５２ｍｍ／秒程度に、Ａ４サイズの用紙Ｓを横向きに連続搬送したときの生産性が７５ＣＰＭ程度に設定された高速機である。
なお、トナー像転写後の中間転写ベルト１０は、中間転写ベルトクリーニング装置１７で、トナー像転写後に中間転写ベルト１０上に残留する残留トナーを除去し、タンデム画像形成部２０による再度の画像形成に備える。ここで、レジストローラ４９は一般的には接地されて使用されることが多いが、シートの紙粉除去のためにバイアスを印加することも可能である。また、本実施形態においては、像担持体として、ドラム状の感光体を使用しているが、ドラム状の感光体以外にも無端ベルト状の感光体であっても適用することができる。

次に、上記実施形態の画像形成装置において使用される第１の実施形態に係る定着器（定着手段）について、図２乃至図４に基づいて説明する。図２は、加熱部材と加圧部材の対向する２表面に温度や圧力（トナー等の被加圧力）を検出する機構を設置した定着器２５の斜視図であって、加熱ローラ７と加圧ローラ８にはさまれて用紙と用紙上のトナーが定着されているプロセスが描かれている。図３は、図２の断面図である。図４は、図３の加熱部材と加圧部材の対向する夫々の表面に温度測定機構を設置した定着ニップ個所を拡大した図である。図４には、定着ニップ個所Ｎに対応した配置の、電極と信号配線のコンタクト部および信号配線からなる構成が模式的に示されている。
第１実施形態に係る定着器２５は、図に示すように、ハロゲンランプ（ヒータ）１集熱器２を配置した加熱体としての加熱ローラ７、加圧部材としての加圧ローラ８により構成されている。加熱ローラ７内部には、定着ニップ個所Ｎを加熱するための発熱体であるハロゲンランプ１および集熱器２が定着ニップ個所Ｎに対面して配設されている。そして、本実施形態では、加熱ローラ７の表層部の加熱部材並びに加圧ローラ８の表層部の加圧部材の夫々の表面に形成された機能材料層７２、８２が備えられている。
この機能材料層７２、８２は、用紙Ｓ上のトナーＴａが定着されるに際して、用紙や用紙上のトナーに対して定着ニップ個所Ｎにおいて加わる温度を検出する温度検知手段（温度センサ）として、また、定着ニップ個所Ｎにおいて加わる圧力を検出する圧力検知手段として機能する。また、定着器２５には、これら機能材料層７２、８２からの検出出力を導出するための導出機構が備わっている。なお、本実施形態では加熱ローラ７と加圧ローラ８による定着の場合について図示しているが、周知の定着ベルト式定着器の場合でも、また加熱源として高周波加熱器を利用する定着器に対しても本発明は同様に適用可能である。

上記を機能材料層図４に沿って詳述する。加熱ローラ７の周面表層部に位置する加熱部材７１の表面には、機能材料層７２として、電気絶縁材料層７２ａが形成され、さらに順に先ず温度係数の大きい金属などの電気抵抗材料層７２ｂがパターン形成され、次に、電気抵抗材料層７２ｂのパターン間に電気絶縁材料層７２ａが積層して形成されている。電気抵抗材料層７２ｂのパターンが個々に定着ニップ個所Ｎの所定個所の温度を検出する役割を持つ。
他方、加圧ローラ８側の周面表層部に位置する加圧部材８１の表面においても、機能材料層８２として、加熱部材７１表面と同様に、電気絶縁材料層７２ａが形成され、さらに温度係数の大きい金属などの電気抵抗材料層７２ｂがパターン形成され、次に、電気抵抗材料層７２ｂのパターン間に電気絶縁材料層７２ａが形成されている。なお、加圧部材の場合、電気抵抗材料層７２ｂのパターン間の電気絶縁材料層７２ａは、用紙を円滑に搬送する目的で、弾性を有するものを選択しても良い。
実際の製造方法としては、例えば、基材が導電性の金属ロールであれば外側を電気絶縁材料層７２ａで被覆、Ａｌであればアルマイト加工で電気絶縁層を形成し、絶縁層（弾性材料層）を印刷等によりラインパターン形成した後、ＮｉＣｒなどの電気抵抗材料をメッキし、表面の凹凸を削除し平滑に研磨する。機能材料層７２の厚みとしては数μｍである。図２で示すように、電気抵抗材料層７２ｂがパターン形成された状態では、ロールの回転軸方向に沿った感熱材料のラインパターン７２ｄとして配置されている。

前記導出機構について説明する。図においては、定着ニップ個所Ｎに対応した配置の、電極（電極ライン）７２ｆと信号配線Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃ（加熱ローラ７側）および信号配線Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ（加圧ローラ８側）の端部に設けられた各コンタクト部Ｊからなる構成を加熱ローラ７側について模式的に示してある。
上記感熱材料のラインパターン７２ｄの定着ニップ個所Ｎにおける温度を検出するために、コンタクト部の配置は定着ニップ個所Ｎの個所に沿って重なる配置にならないように、感熱材料のラインパターン７２ｄの端部でロール円周方向にねじれて接続された検出電極パターン７２ｅ、および定着ニップ個所Ｎに対応した配置の模式的に示された電極と信号配線のコンタクト部Ｊ、および信号配線からなる構成である。
加熱ローラ７側（加熱部材７１側）では、信号配線Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃに定電流源９から検出電流を印加し、感熱材料である電気抵抗材料層７２ｂのラインパターン７２ｄの両端電圧Ｖｔｐａを検出（導出）する。検出した信号は、明示しない処理部であらかじめ温度で校正し記憶されている変換値テーブルを参照することによって温度に変換し、電気抵抗材料層７２ｂのパターンの温度、すなわち、当接する用紙やトナーの表面温度としてプロセス制御等に利用することができる。全く同様にして、加圧ローラ８側では（一部図示略）、加圧部材８１側の信号配線Ｐａ〜Ｐｃを介して、定着ニップ個所Ｎにおける温度を検出する。

図５は、第１の実施形態における処理部での温度算出処理の様子を示すもので、定着ニップ個所Ｎの加熱部材７１と加圧部材の対向する２表面の温度測定値を夫々に得て両方の測定温度により用紙上のトナー温度を推測する場合を説明している。図５において、横軸は、定着ニップ個所Ｎの加熱部材７１の表面から加圧部材８１の表面への各部材の配置位置を示す。また、縦軸は、各位置での温度を示す。
図４に示した信号配線中のＨｂとＰｂとの個所の測定値を利用する場合について例示すれば、図５に示す比例関係に基づき、トナー表面位置や、トナーと用紙表面との界面位置での温度等が任意に算定（推測）できることがわかる。このようにして、加熱部材７１の表面に形成した温度を検出する機能材料層７２と、加圧部材の表面に形成した温度を検出する機能材料層８２とにより、従来技術に比べて、より精密に各部の温度を測定することができる。
なお、ここでは温度係数の大きい電気抵抗層による温度検出部として電気抵抗材料について述べたが、焦電作用による特性を用いた温度検出材料やゼーベック効果による熱起電力の特性を用いた温度検出材料を利用することもできる。また、圧電性を持つ強誘電体材料を圧力検出部として利用することができる。この場合にさらに温度依存性の大きい強誘電体材料を選定することで、圧力と温度の検出機能をあわせ、圧力と温度を同時に検出することもできる。

［第２実施形態］
図６は、別の例として、図３から図５で説明した構成のように、加熱部材７１と加圧部材８１の両方に、温度や圧力を検出する機能材料を設けたのではなく、片側部材表面のみ（ここでは加熱ローラ７側のみ）に温度を検出する機構を設置した定着ニップ個所Ｎの拡大図を示している。このように、少なくとも加圧部材８１の表面または加熱部材７１の表面に、温度係数の大きい電気抵抗層による温度検出部をライン配置し、より簡易な構成で定着ニップ個所Ｎにおける温度を測定することも考えられる。

［第３実施形態］
図７は、加圧ローラ８側に感熱材料ラインパターン７２ｄに熱起電力を生ずる異なる金属材料を用いて既述したと同様に機能材料層７２を配置している。図示例では温度検知手段（温度センサ）として、ローラ周方向に連続する３本のラインパターンを一組として夫々のラインパターンに付き一箇所、ローラの軸方向に中央と両端部の個所に異種金属の接合部いわゆるサーモカップル（熱電対）７２ｇを形成してある。各ラインパターンに対応して得られる、熱起電力Ｖｔｈａにより定着ニップ個所Ｎにおけるローラ端部と中央部の温度を測定することができる。図では、一組３本分のサーモカップル７２ｇしか明示されていないが、ローラ全周にわたってサーモカップルの組が配置してある。なお、サーモカップル７２ｇは、離間させて複数組の同様の３個所のサーモカップルを配置しても良く、少なくとも１組あればローラ軸方向に沿った温度分布測定ができる。

［第４実施形態］
図８は、図６の構成において、感熱材料層間を電気絶縁するための電気絶縁材料を、感応材料層７２ｈに置き換えた場合を示す。感応材料層をはさむ両側の電極ライン層７２ｊによって、感応材料層により検出される温度や圧力の信号を信号配線Ｈａと信号配線Ｈｂとの間や、信号配線Ｈｂと信号配線Ｈｃとの間で取り出す構造になっている。
感応材料層の電気抵抗値の温度依存性、感応材料層に吸着する水分量の静電容量依存性、などが検出できる。また、感応材料層として主としてローラ径方向の圧力変動を横方向（ローラ周方向）の電界変化（電極ライン層７２ｊに重畳される電圧変動）をことによって検出可能な圧電材料を用い、圧力を検出する（高入力インピーダンスの前置増幅器を介して取り出して処理する）。

［第５実施形態］
図９は、図２と図８に開示の構造を組み合わせた場合の定着器を示す。図２の構成と同じく、感熱材料ラインパターン７２ｄにより温度に相当するＶｔｈａを測定することができる。これと同時に、図８の構成と同じく、感熱材料ラインパターン７２ｄを電極ラインパターンとして用い、感熱材料ラインパターン７２ｄ間の感応材料７２ｈにより圧力に相当するＶｆｈａｂを測定することができ、これにより温度と圧力の両方が検出できる。
図１０は、上記定着器を実装する際に、定着ニップ個所Ｎにおける圧力と温度の検出による適確な定着条件の設定例を示している。
横軸は、ニップ距離（プロセス時間と対応している）、右縦軸は圧力、左縦軸は温度を示す。圧力が示される特性に対し、従来の構成および設定による加熱では、感応部Ｈａの温度が最大加圧時の直後に加熱温度が最大になる。

本実施形態のように、圧力と温度を同時に検出し、図１０に示す如くに感応部Ｈａの温度および感応部Ｐａの温度になるように加熱設定（加熱操作）すると、トナーの温度は破線で示すことが推定され、圧力と温度の検出による加熱制御を、トナーの過加熱にならない制限されたより高い温度を、所定の加圧によるトナーの変形がされたあと、トナーの熱物性値に対応させた像形成条件で、確実にトナーを溶融させることが可能になる。
その結果、従来に比してより短時間だけ温度を加え、かつ冷却させることができるため、効率よく加熱することができ、これにより、省電力その他の効果が得られる。また、加熱を先に加圧を後にもできる用紙への対応も可能であり、また、光沢度合いの選択などの検出、また、重送やジャムも検出できるようになる。

［第６実施形態］
機能材料層７２に更なる機能を併せて付加することができる。図１１は、圧電材料を機能材料層７２に設置して、温度や圧力検出だけではなく、更に、圧電材料の特性を有効に活用することができる構造を示した。例えば、機能材料層７２が定着ニップ個所Ｎ以外の位置にある時には、当該部分を図示しない駆動電源部から供給される高周波数交流信号で駆動して振動させてホットオフセットしたトナーを除去して、加熱ローラ表面をクリーニングする機能を付加することが可能である。
このクリーニング動作時には、定着後のローラ表面側の適宜位置に、駆動用信号配線Ｓａ〜Ｓｃを設置し、この駆動用信号配線Ｓａ〜Ｓｃを通じて電極ラインパターン７２ｄ間の感応材料（圧電材料）に交流信号（高周波電圧）を印加し（励振駆動）、感応材料を振動させてホットオフセットしたトナーを除去、加熱ローラ表面をクリーニングする。あるいは、励振場所（駆動用信号配線Ｓａ〜Ｓｃの設置位置）を適切に選定することにより、加熱ローラと用紙の分離を促進する機能として利用することもできる。交流信号は、必ずしも高周波数信号でなくとも良い。これらの機能は、全て備えさせることもできるが、実機に合わせて適宜選択して必要な機能を採用すれば良い。

［第７実施形態］
図１２は、図９に示したと同等構成の定着器に図１１に示した機能層を採用し励振機能を付加した定着器２５の斜視図である。交流電源９ＡＣによりスイッチＳＷを介し発振用信号配線Ｑを通じて、定着後のローラ表面側の感応材料（圧電材料）７２ｈを振動させている。もちろん、既述したように感熱材料ラインパターン７２ｄにより温度に相当するＶｔｈａを測定することができ、感熱材料ラインパターン７２ｄにより圧力に相当するＶｆｈａｂを測定することができる。

［第８実施形態］
図１３は、電極ライン（層）７２ｄの内側に感応材料層７２として感温、感圧材料層を配置し、電極ライン７２ｄと導電性の加熱部材７１（金属ロール）との間に延在する、感応材料層７２による温度、圧力信号を検出する構造を示している。電極ライン層７２ｄと、電極として機能する金属ロール製加熱部材７１との間に配置した感応材料層７２の温度、圧力による電気特性変化を、電極ライン層７２ｄと金属ロール電極の裏面にコンタクトさせた（裏面）信号配線Ｈｒにより検出する。この構造に依ると、これまでに、図３、図６、図８、図１１等に示した構造に比べると、さらに信号配線が少なくて済む利点がある。

［第９実施形態］
図１４に示す第８実施形態では、加熱部材（加熱ロール）７１の外側に温度や圧力を検出するための感応材料層７２が形成されており、この感応材料層７２が導電性を有するカーボン微粒子や金属微粒子を分散させた柔軟性のあるゴム質材から成っている。
ゴム質材中の、微粒子の抵抗温度依存性と圧力による密度変化による導電性変化を利用し、定着ニップ個所Ｎにおける用紙上のトナーの温度と圧力を検出することができる。なお、感応材料層はこれまで説明したのと同じように温度と圧力を検出する強誘電体材料であっても良い。
感応材料層の抵抗温度依存性と導電性変化を検出するために、感応材料層と加熱ロ―ルの層間に電極ライン層が配置されていて、定着ニップ個所Ｎの電極ラインから信号配線Ｈａ〜Ｈｃを通じ、ＨａとＨｂとの間や、ＨｂとＨｃとの間、の感応材料層の抵抗温度依存性と導電性変化を検出する。なお、電極ラインは感応材料層以外に対して電気絶縁する必要があるため、加熱ロ―ルが金属で導電性があれば、加熱ロール外側に電気絶縁材料層７２ａを形成し電極ライン層では電極ライン間を電気絶縁材料層７２ａで絶縁している。
第２実施形態以降のこれまで説明した圧力と温度を同時に検出する定着器のいずれかを画像形成装置に実装する際にも、先の図１０に示した定着ニップ個所Ｎにおける圧力と温度の検出による適確な定着条件の設定例に準じることで、より短時間温度を加えかつ冷却させることがで、効率よく加熱することが可能になり、これにより、省電力効果が得られる。

以上の各実施形態で示したように、本発明における機能層（感応材料層）には、感応材料層の温度もしくは圧力、あるいは温度と圧力の両方に依存する電気特性を有するものを用途に合わせて選択することができる。こうして、用紙上のトナーが加熱定着されるに際して、定着ニップ個所Ｎで、トナーへの温度や圧力が検出することができるようになる。更には、既述した適切な感応材料層を採用することによって、温度および／または圧力の検出に加えて、被励振機能等の既述した機能を併せ持たすこともでき、一層の活用が可能となる。
以上の実施形態では、専ら、記録媒体上に転写された未定着トナー像をローラ状のトナー加熱部材とローラ状の加圧部材によって加圧加熱して定着する定着装置に則して本発明に係る定着手段について説明したが、これに限らず本発明は、外周面に潜像が形成されトナー像（未定着）に顕像化され、更に未定着トナー像を加熱溶融し、記録媒体上に加圧して圧着させ定着する定着手段としても機能する、ローラ状トナー像担持部材に対しても適用可能であり、その場合には、これまでの実施形態で説明したと同様の技術を適用して、トナー像担持部材表層部分に定着ニップ個所において、少なくとも温度または圧力を検出する機能層を設けるようにすれば良い。機能層にその他の機能を併せ持たせることも無論できる。

１、１Ａ、１Ｂ ハロゲンランプ（ハロゲンヒータ）、２ 集熱器、４過昇温防止手段（サーモスタット）、６ 制御手段、７ 加熱ローラ（定着ローラ）、７ａ 芯金（回転軸の芯）、７１ 加熱部材、７２ 機能材料層、７２ａ 電気絶縁材料層、７２ｂ 電気抵抗材料層、７２ｄ ラインパターン、７２ｅ 検出電極パターン、７２ｆ コンタクト部、７２ｇ サーモカップル、７２ｈ 感応材料層、８ 加圧ローラ（定着ローラ）、８１ 加圧部材、１０中間転写ベルト、１２ 帯電装置、１３ 現像装置、１４、１５、１６ 支持ローラ、１８Ｙ、１８Ｍ、１８Ｃ、１８Ｋ 画像形成部、２１ 露光装置、２５ 定着装置、２６ ヒータ制御装置、２７ 画像形成装置制御装置、４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ、４０Ｋ 感光体、Ｎ 定着ニップ個所Ｎ、Ｑ 発振用信号配線、Ｓ 用紙（転写シート）

特開２００４−２８６８０６公報 特開２００４−３２５６１２公報 特開２００７−２５６８０９公報 特開平０６−１８６８８２号公報 特開２００４−０８５３０４公報 特登３６６８３１２号 特開２００２−０２２５６０公報 特開２００２−３０４０７３公報 特開２００２−３４１７１１公報

Claims (10)

1. トナー像担持部材上でトナー像を加熱溶融し、記録媒体上に加圧して圧着させ定着する、又は記録媒体上に転写された未定着トナー像をトナー加熱部材と加圧部材によって加圧加熱して定着する、画像形成装置用の定着手段において、
   ローラ状部材である、前記トナー像担持部材表層部分、前記トナー加熱部材表層部分または前記加圧部材表層部分に、少なくとも温度または圧力を検出する機能層を有し、当該機能層が少なくとも温度または圧力を検出する個所は、定着ニップ個所であることを特徴とする定着手段。
2. 未定着トナー像を加熱および加圧して記録媒体上に加圧して圧着させ定着するローラ状部材を有してなる、画像形成装置用の定着手段であって、
   前記ローラ状部材は、トナー像を担持するトナー像担持部材であり、当該トナー像担持部材の表層部分に少なくとも温度または圧力を定着ニップ個所Ｎで検出するための前記機能層を有し、検出結果に基づいて前記トナー像担持部材表面上でトナー像を加熱溶融し、前記定着ニップ個所で前記記録媒体上に加圧して圧着させ定着する定着手段、
   もしくは、前記ローラ状部材は、前記記録媒体上に転写された未定着トナー像を加圧加熱して定着するための定着ニップ個所を形成している加熱部材および／または加圧部材であり、その表層部分に少なくとも温度または圧力を前記定着ニップ個所で検出するための前記機能層を有することを特徴とする定着手段。
3. 温度を検出する前記機能層は、電気抵抗値の温度による特性、焦電作用による特性、または、ゼーベック効果の熱起電力による特性を持つ材料を有することを特徴とする請求項１または２に記載の定着手段。
4. 少なくとも温度または圧力を検出する機能層は、強誘電体材料を有することを特徴とする請求項１または２に記載の定着手段。
5. 前記機能層の少なくとも温度または圧力を検出する検出領域は、定着プロセスの進行方向と直交する方向に延びるストライプ形状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の定着手段。
6. 前記機能層の少なくとも温度または圧力を検出する検出個所は、定着プロセスの進行方向と直交する直線上に離間して点状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の定着手段。
7. 前記加熱部材表層部分および前記加圧部材表層部分に、温度を検出する前記機能材料層を夫々に形成し、これら両機能材料層の検出する温度により求められる、前記両機能材料層の間を縦断する温度勾配に基づいて、前記両機能材料層間の所定の個所の温度を算出し、この算出結果に基づいて前記加熱部材の加熱電力または前記定着ニップ個所での加圧力を調整することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の定着手段。
8. 加圧操作のみ行われた後に加熱操作が加わる定着プロセスにおいて、前記機能材料層が、加圧操作時には前記定着ニップ個所での圧力を検出し、加熱操作時には前記定着ニップ個所での温度を検出し、加圧の程度と温度検出結果とに基づいて前記定着ニップ個所への加熱電力を調整することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の定着手段。
9. 前記機能層が、前記定着ニップ個所以外の個所において電力印加により振動させることが可能でこれにより、少なくとも前記記録媒体の分離機能機構または前記ローラ状部材のクリーニング機能のいずれかの機能を更に有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の定着手段。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の定着手段を具備し、
    前記定着手段の前記機能層が、更に前記定着ニップ個所において前記記録媒体の少なくとも熱伝導率または硬さを検出する機能を有することを特徴とする画像形成装置。

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