JP5361647B2

JP5361647B2 - 定着装置

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Publication number: JP5361647B2
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Inventors: 隆美留町
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Description

本発明は、画像をシートに定着させる定着装置に関する。

電子写真装置、静電記録装置などの画像形成装置は、シート状の記録用紙の上にトナー画像を形成し、そのトナー画像を定着装置により加熱・加圧して記録用紙上に定着させる。

従来、この種の定着装置として、ローラ定着方式のものや、ベルト定着方式のものが採用されている。

ローラ定着方式の定着装置は、内部にヒータを有する定着ローラに、加圧ローラを圧接して定着ニップを形成し、その定着ニップにおいて、トナー像を記録材上に定着させる。

ここで、画像の高光沢化や画像形成の高速化を図るためには、定着ニップを長くすることによりトナーを十分に溶融させることが好ましいが、ローラ定着方式の場合、装置が大型化してしまう傾向にある。

そこで、ローラ定着方式に比べ、装置の小型化を図りつつ定着ニップを長くすることが可能であるベルト定着方式の定着装置が望まれている（特許文献１参照）。この定着装置は、定着ベルトと加圧ベルトにより定着ニップを形成することで、定着ニップを長くしている。

上記いずれの方式の定着装置においても、加熱部の熱容量が小さい方ほど、加熱部の温度を所定温度に制御する場合、温度の立ち上がりが速く、かつ、エネルギーの消費も抑制される。このことから、定着動作を行う場合にのみ加圧機構を動作させて加圧状態（着状態）とし、それ以外の場合には圧解除状態（脱状態）とする構成（特許文献１参照）が採られている場合が多い。

前述したように、ベルト定着方式は、定着ニップを長くできるので、高速化に際しても十分なトナーの定着性が図れるという特徴を有する方式である。しかも、必要時のみ加圧動作機構を接触させることで、不要なエネルギー消費を抑制することも可能である。

これらの特徴を活かし、さらなる装置の立ち上がり時間を低減して省エネルギー化を果たすことを目的として、電磁誘導加熱方式の定着装置が提案されている（特許文献２参照）。

この電磁誘導加熱方式の定着装置は、少ないエネルギー消費で、しかも短い立ち上げ時間で、定着ベルトの表面温度（定着温度）を所望の温度にまで昇温できるものとして知られている。

このように、電磁誘導加熱により直接定着ベルトを加熱する方式の定着装置は、省エネルギー、かつ、立ち上げ時間短縮などの多くの長所を備える定着装置である。一方、短所として、ベルトを直接加熱するためには、ベルトに金属からなる発熱層を設ける必要があった。

ベルトに金属層を設ける場合、その金属層は、駆動による引張および圧縮の繰り返し応力を受ける。また、急速加熱による膨張および収縮の繰り返し応力も受けることになる。このような駆動および熱の２つの繰り返し応力を受けることで、金属からなる発熱層は機械的ストレスを受けて破損してしまうことがあった。これは、発熱層を形成する金属材料の屈曲性が低いことが原因とされる。

これに対し、電磁誘導によって加熱される発熱層を３次元網目状構造体にすることで、発熱層の屈曲性が向上し、発熱層の破損が生じないベルトの構造に着目した提案がなされている（特許文献３参照）。

特開平１１−１９４６４７号公報特開２００３−２１５９５６号公報特開２００６−０１０８８４号公報

しかしながら、上記従来の定着装置には、つぎのような問題があった。前述したように、ベルト定着方式は、定着ニップを容易に長くできることから、高速化に際しても十分なトナーの定着性が図れるという特徴を持った方式であり、画像形成装置の高速化に寄与する。

その反面、高速化に伴う駆動源であるモータの回転速度の高速化だけでなく、定着ニップを長くできるという長所に対し、駆動トルクが増加するという短所も併せ持つ。この駆動トルクの増加については、ニップ部を形成するベルトの内面に配置される加圧パッドとベルトとの間、両ベルト間などの摺動部における摩擦が原因である。

また、ベルトを駆動するローラ部においても、ベルト内周と駆動ローラ表面との間における摩擦により、ベルトへの駆動力の伝達が行われている。

これらの要素は、いずれも各駆動ローラ間およびニップ部−ローラ間における張力変化を招く。つまり、加圧量変化によるニップ部でのトルク変化、および駆動ローラを駆動するモータの急加速・減速等のトルク変化は、駆動ローラ部におけるベルトの屈曲率を変化させることになる。

従って、繰り返しの起動・停止・加圧動作によるベルトへの張力変化は、機械的なストレスをベルトの発熱層である金属膜に与え、結果としてベルト寿命に影響する要因となっている。

しかしながら、上記要因を回避してベルト寿命を改善するためには、駆動ローラの大口径化による装置の大型化や、駆動制御の複雑化を招いてしまう。

そこで、本発明は、モータの起動タイミングを制御することで、必要なタイミングにおける速度安定性を確保しながら、稼働時間を短くすることができる定着装置を提供することを目的とする。また、本発明は、稼動時間の短縮とともにベルトの張力変化を抑制し、ベルト寿命の低下を抑えることができる定着装置を提供することを他の目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の定着装置は、ベルトが懸架されたローラを駆動するモータと、前記ベルトを挟んで前記ローラに対して加圧動作を行う加圧手段とを備え、前記ベルトとともに搬送されるシートに形成された画像を、前記ローラと前記加圧手段とによって形成されるニップ部で前記シートに定着させる定着装置であって、前記モータの負荷トルクを検出する負荷トルク検出手段と、前記負荷トルク検出手段によって検出された前記モータの負荷トルクから、前記モータの回転速度が所定の回転速度に達するまでの起動時間を算出する起動時間算出手段と、前記起動時間算出手段によって算出された起動時間を基に、前記モータが前記所定の回転速度に達するタイミングと、前記加圧手段による加圧動作が所定の加圧量に達するタイミングとが合致するように、前記モータの起動タイミングを算出する起動タイミング算出手段とを備え、前記起動タイミング算出手段によって算出された起動タイミングで前記モータを起動させることを特徴とする。

本発明の請求項１に係る定着装置によれば、モータの負荷トルクから起動時間を算出するので、軽負荷時における起動時のオーバーシュートを抑制することができるとともに、無制御状態となる慣性駆動期間を抑制することができる。また、重負荷時における起動時間を短縮することができる。また、慣性駆動期間も抑制されるので、起動時の回転速度が安定するまでの整定時間を短縮することができる。

また、モータが所定の回転速度に達するタイミングと所定の加圧量に達するタイミングとが合致するので、最終加圧状態で回転速度“０”の状態から起動する場合に比べ、起動時間を短縮することができ、稼働時間を短くすることができる。また、最大静止摩擦が印加された状態からの起動でなくなることにより、ベルトへの応力印加も抑制することができ、全体として寿命の改善が図れる。

このように、必要なタイミングにおける速度安定性を確保しながら、稼働時間を短くすることができ、ベルトの張力変化を抑制し、ベルト寿命の低下を抑えることができる。また、それによる装置へのメンテナンス頻度の抑制も可能となる。また、装置内での電力消費時間も抑制されるので、消費電力比率の低減も図ることができる。

請求項２に係る定着装置によれば、最終の加圧量に達するタイミングとモータが規定回転速度に達するタイミングを揃えることができ、稼動時間の短縮およびベルトの張力変化の抑制に繋がる。

請求項３に係る定着装置によれば、モータの電流値から算出されるトルク値を用いて起動時間を算出するので、装置の経時変化によるトルク変化が発生した場合でも、その状態におけるモータの最短の起動時間で起動させることができる。また、負荷が軽い状態である、定着装置の初期状態において、起動時間の短縮だけでなく、回転が安定するまでの整定時間を短縮することができ、装置の寿命が改善する。

請求項４に係る定着装置によれば、ベルト間に挟まれたシートに画像を定着させるベルト定着方式の定着装置に適用することができる。

実施の形態におけるベルト定着方式の定着装置が搭載された画像形成装置の一例である電子写真フルカラー複写機の概略構成を示す縦断面図である。着状態におけるベルト定着方式の定着装置１２の構成を示す断面図である。脱状態におけるベルト定着方式の定着装置１２の構成を示す断面図である。ベルト式定着装置が搭載された画像形成装置の制御系の構成を示すブロック図である。定着駆動に係わる部分の構成を示す図である。従来の定着動作シーケンスを示すタイミングチャートである。実際のモータ駆動時の信号波形を示すタイミングチャート（（ａ）：軽負荷時、（ｂ）：重負荷時）である。定着駆動モータの負荷トルクと起動特性（ａ）、および、負荷トルクと加速度αの特性（ｂ）を示すグラフである。定着駆動モータの起動タイミング算出手順を示すフローチャートである。トルク対電流特性を示すグラフである。圧解除モータ１０２の駆動量（回転角θ）と、偏心カム４４による加圧ユニット３１の変位量との関係を示すグラフである。初期加速時間Ｔ１、後期加速時間Ｔ２および加圧駆動時間Ｔｅｎｇの一例を示すグラフである。本実施形態のタイミング制御を行った場合における実際のモータ駆動時の信号波形を示すタイミングチャートである。定着動作シーケンスを示すタイミングチャートである。定着装置の耐久劣化による駆動トルク増加時における定着動作シーケンスを示すタイミングチャートである。

本発明の定着装置の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態の定着装置は、画像形成装置に搭載され、ベルト定着方式の定着装置に適用される。

（画像形成部）
図１は実施の形態におけるベルト定着方式の定着装置が搭載された画像形成装置の一例である電子写真フルカラー複写機の概略構成を示す縦断面図である。電子写真フルカラー複写機は、デジタルカラー画像リーダ部１およびデジタルカラー画像プリンタ部５から構成される。

デジタルカラー画像リーダ部１は、原稿台ガラス２に載置されたカラー画像原稿の画像をフルカラーセンサ（ＣＣＤ）３により色分解画像信号として読み取る。この色分解画像信号は、画像処理部４によって信号処理が施された後、デジタルカラー画像プリンタ部５の制御回路部（以下、ＣＰＵと記す）１００に送出される。

プリンタ部５は、タンデム式に配置された４つの画像形成部である第１〜第４の画像形成部ＵＹ、ＵＭ、ＵＣ、ＵＫを有する。各画像形成部は、それぞれレーザ露光方式の電子写真プロセス機構を有する。各画像形成部において回転する電子写真感光ドラムの面には、画像処理部４からＣＰＵ１００に送出された色分解画像信号に基づき、それぞれ色トナー像が所定の制御タイミングで形成される。

即ち、第１の画像形成部ＵＹでは、イエロートナー像が形成される。第２の画像形成部ＵＭでは、マゼンタトナー像が形成される。第３の画像形成部ＵＣでは、シアントナー像が形成される。第４の画像形成部ＵＫでは、ブラックトナー像が形成される。なお、各画像形成部における電子写真プロセス機構や画像形成動作は、周知の技術であるので、その説明を省略する。

各画像形成部で形成された各色のトナー像は、それぞれ一次転写部６で、時計方向に回転する中間転写ベルト７の上に順次重なるように転写される。これにより、中間転写ベルト７には、未定着のフルカラートナー像が形成される。

その後、二次転写部８において、カセット給紙機構部９、デッキ給紙部１０あるいは手差し給紙部１１から、所定の制御タイミングで給送されてきた記録材Ｐに対し、フルカラートナー像が一括して二次転写される。

そして、記録材Ｐは、中間転写ベルト７から分離され、画像加熱装置としての定着装置１２に導入されると、定着ニップ部で挟持・搬送される。定着ニップ部で挟持・搬送される過程で、未定着のフルカラートナー像は、熱と圧力により溶融して混色し、記録材Ｐの面にフルカラーの固着画像として定着する。

記録材Ｐは、定着装置１２を出ると、フラッパ１３によってその進路が切り換えられ、ＦＵ（フェイスアップ）排紙トレイ１４あるいはＦＤ（フェイスダウン）排紙トレイ１５に排出される。これにより、一連の画像形成動作が終了する。

なお、両面プリントモードが選択されている場合、定着装置１２を通過した記録材Ｐは、フラッパ１３で排紙トレイ１５に通じるシートパスに送り込まれる。そして、その記録材Ｐは、スイッチバックで搬送されると、再び搬送シートパス１６に導入され、表裏反転された状態になり、再度、二次転写部８に導入される。

これにより、記録材Ｐの２面目にトナー像が二次転写される。この後、記録材Ｐは、定着装置１２に導入され、その２面目の定着動作が行われると、両面プリント済みの記録材となり、ＦＵ排紙トレイ１４またはＦＤ排紙トレイ１５に排出される。

（定着装置）
図２Ａは着状態におけるベルト定着方式の定着装置１２の構成を示す断面図である。図２Ｂは脱状態におけるベルト定着方式の定着装置１２の構成を示す断面図である。定着装置１２は、互いに圧接して回転するエンドレス状の第１のベルトおよび第２のベルトを備えた、ツインベルト方式のベルト搬送装置を有する。

ここで、以下の説明において、定着装置１２に関し、「正面」とは、記録材入口側から見た場合の装置の面を指す。また、「左右」とは、定着装置１２を正面から見た場合の左右を指す。また、「上流側」と「下流側」は、それぞれ記録材搬送方向において上流側と下流側を指す。また、「幅方向」と「幅」とは、それぞれ記録材搬送路面において記録材搬送方向に直交する方向に平行な方向とその方向の寸法を指す。

定着装置１２は、上下に配置された定着ユニット２１と加圧ユニット３１を有する。定着ユニット２１は、ケーシング２２の内側に、エンドレス状（無端）の第１のベルトとしての定着ベルト２７、駆動ローラ２４、支持部材としてのステアリングローラ２６、加圧パッド２８、誘導加熱コイル２９などを組み込んだアセンブリである。

駆動ローラ２４（ベルト懸架部材）は、定着ベルト２７を懸架するとともに、これを回転・駆動する機能を有する。駆動ローラ２４は、その左右の両端軸部がそれぞれケーシング２２の左右の側板間に設けられた軸受を介して、回転自在に支持されている。

ステアリングローラ２６（支持部材）は、定着ベルト２７を回動自在に支持するとともに、その幅方向の位置を制御する機能を有する。このステアリングローラ２６は、その左右の両端軸部がそれぞれケーシング２２の左右の側板間に設けられた軸受を介して、回転自在に支持されている。

定着ベルト２７は、これら２本の駆動ローラ２４およびステアリングローラ２６間に懸け回されている。本実施形態では、定着ベルト２７は、加熱源としての誘導加熱コイル２９による電磁誘導によって加熱される。定着ベルト２７には、例えば、厚さ７５μｍ、幅３８０ｍｍ、周長２００ｍｍのニッケル金属層もしくはステンレス層などの磁性金属層をベルト基層とし、その外面に、厚さ３００μｍのシリコンゴム層をコーティングしたものが用いられる。

加圧パッド２８は、定着ベルト２７の内面に接触するように配置され、その左右の両端部がそれぞれケーシング２２の左右の側板間に支持されたものである。この加圧パッド２８は、駆動ローラ２４側に寄せた位置において、定着ベルト２７をその内側から加圧ベルト３２に向けて加圧する機能を有する。

誘導加熱コイル２９は、長円状に扁平巻きされたリッツ線コイルと板状の磁性コアを組み合わせたものである。この誘導加熱コイル２９は、隙間を介して定着ベルト２７の外面と対向し、ケーシング２２に支持される。

一方、加圧ユニット３１は、ケーシング３５の内側に、エンドレス状の第２のベルト（他のエンドレスベルト）としての加圧ベルト３２、駆動ローラ３３、支持部材としてのステアリングローラ３４、加圧パッド３８などを組み込んだアセンブリである。

駆動ローラ３３（第２のローラ）は、加圧ベルト３２を懸架するとともに、これを回転・駆動する機能を有する。この駆動ローラ３３は、その左右の両端軸部がそれぞれケーシング３５の左右の側板間に設けられた軸受を介して、回転自在に支持される。

支持部材としてのステアリングローラ３４は、加圧ベルト３２を回動自在に支持するとともに、その幅方向の位置を制御する機能を有する。このステアリングローラ３４は、その左右の両端軸部がそれぞれケーシング３５の左右の側板間に設けられた軸受を介して、回転自在に支持される。加圧ベルト３２は、これら２本の駆動ローラ３３およびステアリングローラ３４間に懸け回されている。

加圧パッド３８は、加圧ベルト３２の内面に接触するように配置され、その左右の両端部がそれぞれケーシング３５の左右の側板間に支持されたものである。この加圧パッド３８は、駆動ローラ３３側に寄せた位置において、加圧ベルト３２の内側から定着ベルト２７に向けて加圧する機能を有する。

加圧ユニット３１は、着脱軸部４３を中心に上下方向に揺動自在であり、ケーシング３５の下面が偏心カム４４により受け止められるように支持されたものである。偏心カム４４は、圧解除モータ１０２により駆動される着脱機構により半回転駆動され、大径カム部が上向きとなった第１回転角姿勢と、小径カム部が上向きとなった第２回転角姿勢とに切り換えられる。

偏心カム４４が第１回転角姿勢に切り換えられることで、加圧ユニット３１は着脱軸部４３を中心に上方に移動する。これにより、図２Ａに示すように、駆動ローラ３３は、ユニット２１側の駆動ローラ２４との間で、加圧ベルト３２と定着ベルト２７を挟み込んだ状態となる。また、このとき、加圧パッド３８は、定着ユニット２１側の加圧パッド２８との間で、加圧ベルト３２と定着ベルト２７を挟み込んだ状態となる。

このように、図２Ａの状態は、定着ユニット２１と加圧ユニット３１との「着」状態である。この着状態において、定着ベルト２７と加圧ベルト３２とが、駆動ローラ２４・加圧パッド２８と駆動ローラ３３・加圧パッド３８との部分において圧接することで、記録材搬送方向において幅の広い定着ニップ部Ｎが形成される。この状態は、定着動作が可能な状態である。

定着ユニット２１内の定着ベルト２７は、記録材上の画像をニップ部で加熱するためのエンドレスベルトである。また、加圧ユニット３１内の加圧ベルト３２は、定着ベルト２７との間でニップ部を形成する部材であり、定着ベルト２７と圧接し、回動自在な他のエンドレスベルトである。

一方、偏心カム４４が第２回転角姿勢に切り換えられることで、加圧ユニット３１は着脱軸部４３を中心に下方に移動する。これにより、駆動ローラ３３と加圧パッド３８による、駆動ローラ２４と加圧パッド２８への加圧がそれぞれ解除され、図２Ｂに示すように、加圧ベルト３２が定着ベルト２７から離間した状態になる。

図２Ｂの状態は、定着ユニット２１と加圧ユニット３１との「脱」状態である。この脱状態は、定着動作を行うことができない、スタンバイ状態である。

ＣＰＵ１００は、定着装置１２の稼動時、すなわち記録材を定着ニップ部で挟持・搬送する際、圧解除モータ１０２により駆動される着脱機構により偏心カム４４を第１回転角姿勢に切り換え、定着ユニット２１と加圧ユニット３１を着状態に保持する。

また、ＣＰＵ１００は、定着装置１２の非稼動時、圧解除モータ１０２により駆動される着脱機構により偏心カム４４を第２回転角姿勢に切り換え、定着ユニット２１と加圧ユニット３１を脱状態に保持する。非稼動時とは、記録材を定着ニップ部で挟持・搬送する際を除く場合である。これにより、定着ユニット２１と加圧ユニット３１との間に不要な圧力がかかることを防止し、部材の損耗を防ぐことができる。

また、駆動ローラ２４を駆動する定着駆動ローラ機構１０３と、駆動ローラ３３を駆動する加圧駆動ローラ機構１０４とは、定着駆動モータ１１０を駆動源とし、ギア等の伝達機構（図示せず）を介して、伝達される。

定着装置１２の稼動時、ＣＰＵ１００が定着駆動モータ１１０の駆動制御信号をＯＮにすることで、定着駆動モータ１１０は回転を開始し、定着駆動ローラ機構１０３と加圧駆動ローラ機構１０４の駆動が開始される。

これにより、駆動ローラ２４と駆動ローラ３３は、互いに反対向きに所定の速度で回転する。従って、定着ベルト２７は、駆動ローラ２４の回転により、図中矢印で示す時計方向に回転する。また、加圧ベルト３２は、駆動ローラ３３の回転により、図中矢印で示す反時計方向に回転する。

ここで、定着ベルト２７の回転速度と加圧ベルト３２の回転速度とは、略同じになるように、両駆動ローラ２４、３３の周速は設定されている。

なお、定着駆動モータ１１０への入力電流は、モータ電流検出回路１１１により動作時電流として常時検出されている。このとき、既定値以上の電流が検出された場合、保護動作が行われる。

また、ＣＰＵ１００は、励磁回路１０５をオンにし、誘導加熱コイル２９に高周波電流を供給する。これにより、定着ベルト２７の金属層が電磁誘導により発熱し、定着ベルト２７が加熱される。

定着ベルト２７の表面温度は、サーミスタ等の温度検知素子ＴＨにより検知される。定着ベルト２７の温度に関する電気的情報はＣＰＵ１００に入力される。ＣＰＵ１００は、温度検知素子ＴＨから入力された温度情報に基づき、定着ベルト２７が所定の定着温度となるように、励磁回路１０５から誘導加熱コイル２９への供給電力を制御する。

このように、定着ベルト２７が所定の定着温度に立ち上がって温調された状態において、定着装置１２に、二次転写部８側から、未定着トナー画像を担持した記録用紙Ｐが導入される。記録用紙Ｐは、未定着トナー画像が坦持された面を、定着ベルト２７側に向けて導入される。

そして、記録用紙Ｐが定着ベルト２７と加圧ベルト３２との圧接部である定着ニップ部Ｎで挟持・搬送されることにより、未定着トナー画像が熱と圧力により記録用紙Ｐに定着する。すなわち、定着ベルト２７は、記録用紙Ｐの画像を担持した面と接触して画像担持面側から加熱するように設置されており、記録材上の画像を定着ニップ部で加熱する。

（制御回路部（ＣＰＵ）１００）
図３はベルト式定着装置が搭載された画像形成装置の制御系の構成を示すブロック図である。ＣＰＵ１００には、操作部１０１、モータ電流検出回路１１１、定着駆動モータ１１０、ベルト圧解除モータ（圧解除モータ）１０２、励磁回路１０５および各種センサが接続されている。各種センサとして、ホームポジション（ＨＰ）センサ５３、定着入口センサ５１、内排紙センサ５２などが接続されている。

ＣＰＵ１００は全体の制御を行う。操作部１０１は、液晶タッチパネルやボタン等によって構成される。画像形成装置は、操作部１０１からのユーザの入力によって、動作を開始する。

また、ＣＰＵ１００は、前述したベルト着脱機構（駆動源：圧解除モータ１０２）、定着駆動ローラ機構１０３、加圧駆動ローラ機構１０４、励磁回路１０５および定着ステアリング制御機構１０６を制御する。また、ＣＰＵ１００は、加圧ステアリング制御機構１０７、定着駆動モータ１１０等を制御する。

また、ＣＰＵ１００は、温度検知素子ＴＨから入力される電気的温度情報に基づき、励磁回路１０５から誘導加熱コイル２９への給電をオンまたはオフに制御する。

つぎに、上記構成を有する画像形成装置の複写動作時における定着動作について説明する。

（定着動作）
始めに、比較のために、従来の定着動作を示す。図４は定着駆動に係わる部分の構成を示す図である。図５は従来の定着動作シーケンスを示すタイミングチャートである。

操作部１０１からのユーザ入力により、画像形成装置が動作を開始すると、定着装置１２において、ＣＰＵ（コントローラ）１００はつぎのような動作を行う。すなわち、ＣＰＵ１００は、図５に示すように、圧解除モータ１０２により駆動される着脱機構により、加圧ユニット３１を所定の加圧位置に移動させる「着」動作を開始するために、圧解除モータ１０２の駆動を開始する。

加圧ユニット３１が所定位置に着くと、ＣＰＵ１００は、定着ユニット２１内のベルト駆動を行う定着駆動ローラ機構１０３と加圧ユニット３１内のベルト駆動を行う加圧駆動ローラ機構１０４との駆動源である定着駆動モータ１１０の駆動を開始する。

定着駆動モータ１１０側では、各駆動ローラ機構１０３、１０４において耐久変化によるトルク増加が発生する。従って、図５の２点鎖線ａで示すような初期状態（軽負荷時）と、実線ｂで示すような耐久変化後（重負荷時）とでは、起動時間に大きな差が生じる。図６．（ａ）は軽負荷時における実際のモータ駆動時の信号波形を示すタイミングチャートである。図６．（ｂ）は重負荷時における実際のモータ駆動時の信号波形を示すタイミングチャートである。

ＣＰＵ１００は、定着駆動モータ１１０を含め、画像形成装置内の駆動モータの速度が安定したことを受けると、複写動作を開始する。

複写動作では、搬送基準タイミングとなるレジＯＮ後、記録用紙は、所定時間後、定着装置１２に到達し、加熱・圧接され、トナー画像が定着した記録用紙として排紙される。

なお、図５に示す定着駆動モータ１１０のレジＯＮタイミングは、加圧動作後を起点としており、経時変化を伴うトルク変化を考慮しての起動時間の設定となるので、複写動作を行うまでに必要な時間が長くならざるを得なかった。

ここで、加圧動作後の定着駆動モータの駆動開始は、定着ベルト２７と加圧ベルト３２の周速差によるベルトへの影響を考慮したものであった。しかし、駆動速度“０”状態での各ベルトの当接と、駆動速度“ω”（速度“０”以外）の当接とでは、定着駆動モータが安定するまでの時間に大きな違いはなかった。

むしろ、静止状態から大きな駆動トルクを加えた場合のベルトの張力変化の方が、定着駆動モータが安定するまでの時間に与える影響が大きいことが判明した。従って、加圧動作と定着駆動の起動タイミング間で、特に規制はされなくてもよい。

定着駆動モータの負荷による起動特性を測定すると、図７．（ａ）に示す結果が得られる。図７．（ａ）は定着駆動モータの起動特性を示すグラフである。この結果をもとに、負荷トルクＴＬと加速度αとの関係が１次線形の近似として算出される。このようにして得られた負荷トルクＴＬと加速度αとの関係が図７．（ｂ）のグラフである。なお、別法としてモータの回路方程式よりモータの時定数を求めておいて利用する方法もある。

また、一般的に、画像形成装置内で利用されるモータとしては、耐久性や回転安定性を考慮し、ブラシレスＤＣモータをＰＬＬ制御で駆動するものが多用されている。このような定着駆動モータについても、負荷と加速度との関係は同様である。

ここで、ＰＬＬ制御とは、指令パルスと回転検出パルスの位相差を検出し、位相差を“０”にする制御である。このため、ＰＬＬ制御は、位相差の積分を行う構成となり、制御指令値の変化が大きい場合、応答が遅れるといった短所を有する。また、その駆動回路の特性上、リニアなブレーキ制御を行うことができないので、一度、制御指令値に対して実速度がオーバした場合、慣性運転（駆動制御ＯＦＦ）となってしまう短所もある。

図６．（ａ）の軽負荷時の起動特性では、オーバーシュートの発生による慣性駆動期間が発生することが示されている。このように、目標速度に到達する時間は、重負荷の状態（図６．（ｂ）参照）に比べて短くなっているが、規定回転速度に到達した後に回転が安定するまでの整定時間は、あまり短くならない。むしろ、重負荷の状態の方が、規定回転速度に到達後に回転速度が安定するまでの時間は短くなっていることが分かる。

このように、起動時の規定回転速度に到達後の挙動においては、モータの回転速度が高い場合やロータの慣性モーメントが大きい場合、その影響がより顕著に現れる。これは、蓄積される回転エネルギーが数式（１）で表されることによる。

回転エネルギー：Ｅ＝１／２・Ｊ・ω＾２ …… （１）
ただし、Ｊ[kgm²]：慣性モーメント（モータロータ＋負荷系／減速比^2分含）、ω：角速度[rad/s] である。

従って、本実施形態では、この慣性駆動となる期間を低減するように、定着駆動モータの起動タイミングを制御することが行われる。

図８は定着駆動モータの起動タイミング算出手順を示すフローチャートである。この処理プログラムはＣＰＵ１００内の記憶媒体に格納されており、ＣＰＵ１００によって実行される。各演算は前述したモータの起動特性に基づいて行われる。また、定着駆動モータ１１０の負荷トルクの変化は、電流検出回路１１１の検出結果と、図９に示すトルク対電流特性に基づき、算出される（負荷トルク検出手段）。図９はトルク対電流特性を示すグラフである。

また、ここでは、加圧機構によるベルトの加圧量制御に伴う負荷トルクの変化も発生する。従って、起動時間の算出は、加圧量に比例する圧解除モータ１０２の駆動角変位（図１０参照）の２０％となる角度を基準とし、この角度未満を初期加速度とし、この角度以上を後期加速度とする２通りで行われる。図１０は圧解除モータ１０２の駆動量（回転角θ）と、偏心カム４４による加圧ユニット３１の変位量との関係を示すグラフである。

なお、駆動角変位の２０％は、その変位量ではほとんど加圧状態に到達していない値であるとして、規定した値である。

まず、ＣＰＵ１００は、初期加速度による起動時間の算出を行う。ＣＰＵ１００は、スタンバイ状態（低速駆動：約３３０ｒｐｍ）時の定着駆動モータ１１０への入力電流を電流検出回路１１１で検出する（ステップＳ１）。さらに、ステップＳ１において、ＣＰＵ１００は、検出された電流値を、トルク対電流特性（図９参照）から求めた、速度毎の線形近似式もしくはＣＰＵ１００内に設けられたルックアップテーブル（ＬＵＴ）に基づき、トルク（ＴＬ）値に変換する。このステップＳ１でトルク値に変換する処理はトルク値算出手段の一例である。

ＣＰＵ１００は、ステップＳ１で算出されたトルク値から、対負荷加速度特性（図７．（ｂ）参照）として求められた、負荷毎の線形近似式もしくはＣＰＵ１００内に設けられたルックアップテーブルに基づき、加速度α０を算出する（ステップＳ２）。

ＣＰＵ１００は、ステップＳ２で算出された加速度α０から、前述したように対負荷モータ起動特性（図７．（ａ）参照）に基づく数式（２）に従って、目標速度ω９０（ここでは、駆動時速度の９０％として設定）となる時間Ｔ１を算出する（ステップＳ３）。このステップＳ３の処理は起動時間算出手段の一例である。

Ｔ１＝ω９０／α０- …… （２）
ＣＰＵ１００は、ステップＳ３で算出された起動時間（初期加速時間）Ｔ１を基に、数式（３）に従って、起動タイミングＴｓｔａｒｔを算出する（ステップＳ４）。すなわち、加圧駆動などの動作開始の基準となるタイミング基準ｔ０（図１３参照）から加圧駆動の変位量が２０％となるまでの時間ｔθ20から、起動時間Ｔ１を減算することにより、起動タイミングＴｓｔａｒｔが算出される。ここで、加圧駆動はステッピング駆動であるので、変位量に対する駆動時間は規定済みである。

Ｔｓｔａｒｔ＝ｔθ20 − Ｔ１ …… （３）
ここまでの処理が初期加速に関する処理部分であり、これ以降の処理は後期加速に関する処理部分である。後期加速に関する処理は、初期加速時と同様、一動作前のコピー状態のトルクをもとに処理される。

ＣＰＵ１００は、一動作前にコピー動作時の電流が検出されているか否かを確認する（ステップＳ５）。検出されていない場合、ＣＰＵ１００は、本処理を終了する。一方、一動作前にコピー動作時の電流が検出されている場合、ＣＰＵ１００は、コピー状態（加圧のみ：約３４００ｒｐｍ）である時の定着駆動モータ１１０への入力電流を電流検出回路１１１で検出する（ステップＳ６）。

さらに、ステップＳ６において、ＣＰＵ１００は、検出された電流値を、トルク対電流特性（図９参照）から求めた速度毎の線形近似式もしくはＬＵＴに基づき、トルク値に変換する。

ＣＰＵ１００は、ステップＳ６で算出されたトルク値から、対負荷加速度特性（図７．（ｂ）参照）として求められた負荷毎の線形近似式もしくはＬＵＴに基づく加速度α１´を算出し、それに係数Ｋupを乗じた値を加速度α１として算出する（ステップＳ７）。ここで、係数Ｋupは、トルク変化が一定の傾きを持って増加するので、面積比に応じた値として“０．５”に設定されている。

ＣＰＵ１００は、ステップＳ７で算出された加速度α１から、対負荷モータ起動特性（図７．（ａ）参照）に基づく数式（４）に従って、目標速度ω１０となる時間Ｔ２（第２の起動時間）を算出する（ステップＳ８）。このステップＳ８の処理は第２の起動時間算出手段の一例である。

ここで、目標速度ω１０は、初期加速で到達した駆動時速度９０％からの差分として設定されている。

Ｔ２＝ω１０／α１ …… （４）-
ＣＰＵ１００は、ステップＳ８で算出された起動時間（後期加速時間）Ｔ２と、初期加速時に加圧駆動がタイミング基準ｔ０から変位量２０％に到達した位置から最終到達位置（最終の加圧量）までの時間（加圧駆動時間）Ｔｅｎｇとを比較する（ステップＳ９）。このステップＳ９の処理は判別手段の一例である。図１４は初期加速時間Ｔ１、後期加速時間Ｔ２および加圧駆動時間Ｔｅｎｇの一例を示すグラフである。

後期加速時間Ｔ２が加圧駆動時間Ｔｅｎｇを超えていない場合（図１１の場合）、ＣＰＵ１００は、ステップＳ４で決定した値を起動タイミングとして、本処理を終了する。

一方、後期加速時間Ｔ２が加圧駆動時間Ｔｅｎｇを超えている場合、ＣＰＵ１００は、数式（５）に従って、その差分をステップＳ４で決定した起動タイミングに加算した値を、最終的な起動タイミングＴｓｔａｒｔとして決定する（ステップＳ１０）。このステップＳ１０の処理は起動タイミング変更手段の一例である。この後、ＣＰＵ１００は本処理を終了する。

Ｔｓｔａｒｔ＝Ｔｓｔａｒｔ + Ｔ２ − Ｔｅｎｇ …… （５）
本実施形態の定着装置は、前述したように、定着駆動モータ１１０の起動タイミングを設定することで、従来、定着駆動と加圧駆動を独立して起動していた場合に比べ、つぎのような効果を得ることができる。すなわち、軽負荷時における起動時のオーバーシュートを抑制することができるとともに、慣性駆動時間を短縮することができる。また、重負荷時における起動時間を短縮することができる。

図１２は本実施形態のタイミング制御を行った場合における実際のモータ駆動時の信号波形を示すタイミングチャートである。図１３は定着動作シーケンスを示すタイミングチャートである。図１３には、図１２のタイミングで起動された場合の定着駆動モータの起動特性が示されている。なお、図１２には、従来の軽負荷時の起動（図６．（ａ）参照）と同じ条件で測定された結果が示されている。本実施形態では、慣性駆動期間が短くなっていることが分かる。

このように、前述した加圧動作による定着駆動モータ軸上での負荷増加タイミング（加圧の駆動量が２０％となる位置）を規定回転速度ωrefの９０％となるタイミングと合致するように、ＣＰＵ１００は制御を行う。これにより、モータ回転速度のオーバーシュートを抑制することができる。

また、無制御状態となる慣性駆動期間も短縮されるので、起動時の回転速度が安定するまでの整定時間が短縮される。なお、これらのタイミングは、負荷の形態によって変化するので、ここで示された数値が最適値となるものではない。

図１４は定着装置の耐久劣化による駆動トルク増加時における定着動作シーケンスを示すタイミングチャートである。この場合、起動時における規定回転速度ωrefの９０％に到達するタイミングが負荷増加タイミング（加圧駆動量の２０％）となるように制御されるので、最終加圧状態で回転速度“０”の状態から起動する場合に比べ、起動時間の短縮を図ることができる。

また、装置の経時変化によるトルク変化が発生した場合でも、その状態における定着駆動モータの最短の起動時間で起動させることができる。負荷が軽い状態である、定着装置の初期状態において、起動時間の短縮だけでなく、回転が安定するまでの整定時間を短縮できることは、装置の寿命を改善することに繋がる。これは、耐久による定着駆動部の劣化によるトルク増加が稼働時間に比例するので、画像形成装置が複写生成物を１枚出力する時間が同じである場合、定着装置の稼働時間比が減少するためである。

具体的に、画像形成装置に本実施形態の駆動タイミングの制御を適用した場合、従来の駆動タイミングの制御（図５参照）による起動時の整定時間が約１．２秒であるに対し、本施形態の駆動タイミングの制御による起動時の整定時間は約０．８秒となる。このことは、画像形成装置の一動作時間（約７．５秒）に対する時間比で約３３％の削減となる。そして、画像形成の動作時間が短い高速機であるほど、その影響度は大きくなる。

このように、本実施形態の定着装置によれば、定着装置を構成するベルトの稼働時間を短くすることができる。また、最大静止摩擦が印加された状態からの起動でなくなることにより、ベルトへの応力印加も抑制することができ、全体として寿命の改善が図れる。このように、必要なタイミングにおける速度安定性を確保しながら、稼働時間を短縮するとともにベルトの張力変化を抑制し、ベルト寿命の低下を抑えることができる。

また、それによる装置へのメンテナンス頻度の抑制も可能となる。またさらに、画像形成装置としての所定動作に対する定着駆動部の稼働率が低減するので、消費電力比率の低減も図ることができる。すなわち、従来では、経年変化で負荷が重くなっても、定着装置に記録紙が到達するまでには、定着モータの速度を目標速度まで立ち上げておくことができるタイミングで、定着モータを起動させていた。このため、負荷が軽い初期のころは、不必要に早く定着モータを立ち上げていたが、このような制御は行わなくて済むようになる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、特許請求の範囲で示した機能、または本実施形態の構成が持つ機能が達成できる構成であればどのようなものであっても適用可能である。

例えば、本発明の定着装置が適用される画像形成装置としては、電子写真方式の画像形成装置であればよく、本来の印刷装置、印刷機能を有するファクシミリ装置、印刷機能、コピー機能、スキャナ機能等を有する複合機（ＭＦＰ）であってもよいことは勿論である。

また、上記実施形態では、電子写真方式の画像形成装置として、カラー画像形成装置について説明したが、モノクロ画像形成装置に適用されてもよい。

また、上記実施形態に記載されている構成部品の形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明の範囲は上記例示するもののみに限定されものではない。

また、シートのマテリアル（材質）としては、紙媒体、ＯＨＰシート、厚紙用紙など、特に限定されない。また、シートの形状はタブ紙など特に限定されない。

１２定着装置
２１定着ユニット
２４、３３駆動ローラ
２７定着ベルト
３１加圧ユニット
１００ＣＰＵ
１０２圧解除モータ
１１０定着駆動モータ
１１１モータ電流検出回路

Claims

ベルトが懸架されたローラを駆動するモータと、前記ベルトを挟んで前記ローラに対して加圧動作を行う加圧手段とを備え、前記ベルトとともに搬送されるシートに形成された画像を、前記ローラと前記加圧手段とによって形成されるニップ部で前記シートに定着させる定着装置であって、
前記モータの負荷トルクを検出する負荷トルク検出手段と、
前記負荷トルク検出手段によって検出された前記モータの負荷トルクから、前記モータの回転速度が所定の回転速度に達するまでの起動時間を算出する起動時間算出手段と、
前記起動時間算出手段によって算出された起動時間を基に、前記モータが前記所定の回転速度に達するタイミングと、前記加圧手段による加圧動作が所定の加圧量に達するタイミングとが合致するように、前記モータの起動タイミングを算出する起動タイミング算出手段とを備え、
前記起動タイミング算出手段によって算出された起動タイミングで前記モータを起動させることを特徴とする定着装置。
前記負荷トルク検出手段によって検出された前記モータの負荷トルクから、前記モータが前記所定の回転速度に達してから規定回転速度に達するまでの第２の起動時間を算出する第２の起動時間算出手段と、
前記第２の起動時間算出手段によって算出された前記第２の起動時間が前記加圧手段による加圧動作が前記所定の加圧量に達してから最終の加圧量に達するまでの加圧駆動時間を超えているか否かを判別する判別手段と、
前記加圧駆動時間を超えていると判別された場合、前記加圧駆動時間を超えた分、早くなるように、前記起動タイミング算出手段によって算出された前記起動タイミングを変更する起動タイミング変更手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の定着装置。
前記負荷トルク検出手段は、前記モータの電流値を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段によって検出された電流値からトルク値を算出するトルク値算出手段とを備え、
前記起動時間算出手段および前記第２の起動時間算出手段は、それぞれ前記トルク値算出手段によって算出されたトルク値から、前記起動時間および前記第２の起動時間を算出することを特徴とする請求項２記載の定着装置。
前記加圧手段は、第２のベルトが懸架され、前記第２のベルトを挟んで前記加圧動作を行う第２のローラを備え、前記第２のローラと前記ローラによって形成される前記ニップ部で前記ベルトと前記第２のベルトで挟まれた前記シートに形成された画像を定着させることを特徴とする請求項１記載の定着装置。