JP5440764B2 - 定着装置および画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、定着部材と加圧ローラ間のニップ部において未定着トナー像を担持した記録材を加熱加圧することによってトナー像の定着を行う定着装置、および該定着装置を備える画像形成装置に関するものである。
従来、複写機やレーザビームプリンタに代表される画像形成装置の定着装置では、中空の定着ローラと、定着ローラに加圧される加圧ローラと、加熱部材であるハロゲンヒータにて構成されるものがある。定着ローラにはローラの表面温度を検知する温度センサが設けられ、温度センサの出力によって定着ローラは所定の設定温度に維持される。
また、近年、立ち上がり時間が短いオンデマンド方式の定着装置が注目されている。オンデマンド方式では、定着部材としての回動式の定着フィルムと、定着フィルムに対向する加圧ローラとが配置される。さらに定着フィルムの回動中心側には、セラミックヒータなどの加熱部材と、加熱部材からの熱の損失を防ぐための反射板と、定着フィルムと加圧ローラ間にニップ部を形成するための加圧板などが配置される構成になっている。
加熱部材と反射板とによって定着フィルムは温められ、加圧板と加圧ローラによって定着フィルムを挟むようにしてニップ部が形成される。そして、ニップ部に導入された記録媒体に担持されたトナー像は、記録媒体がニップ部を通過する際に、加熱加圧を受けて記録媒体に定着される。
オンデマンド方式の定着装置では、定着フィルムの熱容量は従来の定着ローラと比較して非常に小さいため、温度が上昇しやすく、立ち上がり時間が早くなる。
従来より加圧ローラの熱膨張による定着線速の変化が問題視されている。すなわち、加圧ローラが熱膨張することによりニップ部における記録媒体を搬送する線速が、搬送方向の上流(転写側)、または下流(排紙側)における線速よりも大きくなってしまうことにより、画像が伸びてしまったり、定着不良が発生したりする場合がある。
特許文献1には、加圧ローラの外形を検知する手段、あるいは加圧ローラの温度を検知する手段を備え、検知結果をフィードバックし、加圧ローラが熱膨張した際に、加圧ローラの線速を調整して、画像の伸びを防止するようにした構成が記載されている。
特許文献2には、定着加圧ローラの周速に関わる情報に応じて加圧ローラ駆動モータの周速制御に関わる情報を、加圧ローラの径を測定したり、ヒータの制御温度を検知したりして得るようにした構成が記載されている。
特許文献3には、定着装置を通る記録媒体をカウントし、カウント値に従って、定着加圧力を減圧させ、記録媒体が通らない部分の熱膨張を減少させて、画像こすれや画像チリの問題を防止するようにした構成が記載されている。
前記従来の技術において、加圧ローラの外形を測定するものでは、加圧ローラの外径測定のために光学式測距センサなどを用いる。この場合、加圧ローラ幅方向における外径変化にムラや勾配があると、外径測定そのものの精度が落ち、よって、定着制御の精度も落ちるという問題がある。
また、特許文献3に記載の技術のように、記録媒体の定着装置通過数によって定着加圧力を制御して定着熱の制御を行うが、この場合、記録媒体の種類を考慮しないと、定着制御の精度が落ちてしまうという問題がある。
本発明は、従来技術の問題点に鑑み、高精度に定着制御が行えるようにし、定着時の画像伸び,定着不良の発生を確実に防止することができるようにした定着装置、および該定着装置を備える画像形成装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、加圧ローラと加圧部材を、加熱部材により加熱された定着部材を介して圧接させ回転駆動された前記加圧ローラと前記定着部材間に形成されるニップ部に未定着トナー像を担持した記録媒体を導入し、該記録媒体が前記ニップ部を搬送通過する間に加熱加圧することによりトナー像の定着を行う定着装置において、前記加圧部材が前記加圧ローラによって及ぼされる圧力を検出する圧力検出部材を備え、前記加圧ローラの熱膨張に伴って、前記圧力検出部材により検出される圧力が変化したときも、前記ニップ部を通過する記録媒体の搬送速さが常にほぼ一定となるように、前記加圧ローラの回転数を調整することを特徴とし、この構成によって、加圧部材の圧力変化からニップ部の加圧ローラや定着部材の動作や状態の変化、すなわち定着状態の変化を検出することができ、しかも圧力検出部材の出力結果に応じて、加圧ローラの回転数を調整することにより、加圧ローラの回転数を調整して、定着画像の伸びや、定着不良が発生することを防ぐことができる。
請求項に記載の発明は、請求項1記載の定着装置において、圧力検出部材が検出出力を確認するタイミングを、記録媒体がニップ部に存在しないときに設定したことを特徴とし、この構成によって、記録媒体の影響を受けない状態での加圧ローラなどの動作や状態の変化、すなわち定着状態の変化を検出することができる。
請求項に記載の発明は、請求項1または2記載の定着装置において、加圧ローラの線速を調整するタイミングを、記録媒体がニップ部に存在しないときに設定したことを特徴とし、この構成によって、調整中には記録媒体をニップ部に通さないため、安定した定着が行われる。
請求項に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項記載の定着装置において、記録媒体がニップ部に存在するときの圧力検出部材の出力結果に応じて、定着温度を変化させることを特徴とし、この構成によって、紙厚に応じた定着温度に設定することができる。
請求項に記載の発明は、記録媒体にトナー像を形成する画像形成部と、トナー像を担持した前記記録媒体を受けて加熱加圧することによりトナー像の定着を行う定着部を備えた画像形成装置において、前記定着部として請求項1〜4のいずれか1項記載の定着装置を設置したことを特徴とし、この構成によって、良好な定着処理による高品位な画像形成が可能になる。
本発明の定着装置によれば、加圧部材の圧力変化を検出することにより、ニップ部の加圧ローラや定着部材の動作や状態の変化、すなわち定着状態の変化を検出することができるため、この変化に応じて定着制御を行うことにより、高精度に定着制御を行うことができ、定着時の画像伸び,定着不良の発生を確実に防止することができる。
本発明に係る定着装置を備えた画像形成装置によれば、良好な定着処理による高品位な画像形成が実現する。
本発明の実施形態を説明するための画像形成装置の概略構成図 本発明の定着装置の実施形態の構成を示す断面図 本実施形態の定着装置における要部を示す斜視図 本実施形態における制御系の動作に係るフローチャート 本実施形態における圧力センサ出力確認のタイミングについての機械系の説明図 本実施形態における回転数/温度制御の動作に係るフローチャート
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の実施形態を説明するための画像形成装置の概略構成図である。
図1において、1は画像形成装置としての複写機の装置本体、2は原稿Dの画像情報を光学的に読み込む原稿読込部、3は原稿読込部2で読み込んだ画像情報に基いた露光光Lを感光体ドラム5上に照射する露光部、4は感光体ドラム5上にトナー像(画像)を形成する作像部、7は感光体ドラム5上に形成されたトナー像を記録媒体Pに転写する転写部、10はセットされた原稿Dを原稿読込部2に搬送する原稿搬送部、12,13,14は転写紙などの記録媒体Pが収納された給紙部、20は記録媒体P上の未定着トナー像を定着する定着装置、21は定着装置20に設置された定着部材としての筒状の定着フィルム、31は定着装置20に設置された加圧部材としての加圧ローラを示している。
図1を参照して、本画像形成装置における通常の画像形成時の動作について説明する。
原稿台に載置された原稿Dは、原稿搬送部10の搬送ローラによって、原稿台から図中の矢印方向に搬送されて、原稿読込部2上を通過する。このとき、原稿読込部2では上方を通過する原稿Dの画像情報が光学的に読み取られる。
そして、原稿読込部2で読み取られた光学的な画像情報は、電気的信号に変換された後に、露光部3(光学的書込制御部)に送信される。露光部3からは電気的信号の画像情報に基づいた露光光Lが、作像部4の感光体ドラム5上に向けて出射され、感光体ドラム5に潜像が形成される。
一方、作像部4において、感光体ドラム5は図中の時計方向に回転しており、所定の作像プロセス(帯電工程,露光工程,現像工程)を経て、感光体ドラム5上の潜像が現像され、感光体ドラム5上に画像情報に対応したトナー像が形成される。その後、感光体ドラム5上に形成されたトナー像は、レジストローラ50により転写部7に搬送された記録媒体P上に転写される。
記録媒体Pは、装置内を次のように搬送される。
画像形成装置の装置本体1の複数の給紙部12〜14のうち、1つの給紙部が自動または手動で選択される。ここで、最上段の給紙部12が選択されたものとする。
給紙部12に収納された記録媒体Pの最上位の1枚が搬送経路Kに向けて搬送される。その後、記録媒体Pは、搬送経路Kを通過し、停止しているレジストローラ50の位置に達し、レジストローラ50により、感光体ドラム5上に形成された画像と位置合わせをするためにタイミングを合わせて転写部7に搬送される。そして、記録媒体Pは搬送されながら、感光体ドラム5上のトナー像が転写される。
転写工程後の記録媒体Pは、転写部7を通過した後に定着装置20に搬送される。定着装置20に達した記録媒体Pは、定着フィルム21と加圧ローラ31間のニップ部Nに送られ、定着フィルム21からの加熱と、定着フィルム21と加圧ローラ31との加圧とによってトナー像の定着がなされる。トナー像が定着された記録媒体Pは、定着フィルム21と加圧ローラ31間のニップ部Nから送出された後に、装置本体1外へ排出される。
こうして、一連の画像形成プロセスが完了する。
図2は本発明の定着装置の実施形態の構成を示す断面図である。
図2に示すように、定着装置20は、定着部材としての定着フィルム21と、加圧部材としての加圧板22と、反射部材としての反射板23と、定着フィルム21を保持する耐熱性樹脂材料からなる保持部材24と、加熱部材としての赤外線ヒータ25と、加圧部材としての加圧ローラ31と、検知手段としての光学センサ40と、用紙などの記録媒体Pの搬送ガイドを行うガイド板35,37などにより構成されている。
定着フィルム21は、薄肉で可撓性を有するエンドレスフィルムであって、図2中の矢印方向(時計方向)に回転する。定着フィルム21の材料としては、ポリイミド樹脂,ポリアミド樹脂,フッ素樹脂,金属薄膜などを用いることができる。
なお、トナーT(トナー像)に対する離型性(剥離性)を担保するために、定着フィルム21の表層に、PFA(4フッ化エチレンバーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂),ポリイミド樹脂,ポリエーテルイミド樹脂,PES(ポリエーテルサルファイド)などの離型層を形成することもできる。
定着部材として熱容量の低い定着フィルム21を用いることにより、立ち上がり時間が極めて短いオンデマンド方式の定着装置を提供することができる。
定着フィルム21の内部(内周面側)には、赤外線ヒータ25と、加圧板22と、反射板23と、保持部材24とが配設されている。定着フィルム21は、加圧板22に押圧されて、加圧ローラ31との間にニップ部Nを形成する。
加圧板22は、板厚が0.1mm程度の金属薄板(またはセラミックやポリイミド樹脂からなる板材も使用可能)であって、定着フィルム21を介して加圧ローラ31に当接して所望のニップ部Nを形成する。
また、加圧板22における定着フィルム21との接触面、すなわち、加圧ローラ31との対向面側は平面形状になるように形成されている。これにより、ニップ部Nの形状が記録媒体Pの画像面に対して略平行になって、定着フィルム21と記録媒体Pとの密着性が高まるために定着性が向上すると共に、ニップ部Nを通過する記録媒体Pにカールやシワが発生する不具合も低減する。さらに、ニップ部Nの出口側における定着フィルム21の曲率が大きくなるために、ニップ部Nから送出された記録媒体Pを定着フィルム21から容易に分離することができるようになる。
また、本実施形態における加圧板22と、定着フィルム21とは摺接面にDLC(diamond-like carbon)コーティングされている。これにより、定着装置20に固定支持された加圧板22と摺接する定着フィルム21の内周面の磨耗を軽減することができる。DLCコーティングの代わりに、PFAシート(PFA繊維でネット状に編みこまれたシート)を定着フィルム21と加圧板22の間に介在させてもよい。
加熱手段としての赤外線ヒータ25は、カーボンヒータやハロゲンヒータを用い、その両端部が保持部材24を介して定着装置20の側板に固定されている。そして、画像形成装置の装置本体1の電源部により出力制御された赤外線ヒータ25によって加圧板22が加熱され、さらに加圧板22によって定着フィルム21が加熱されて、その表面から記録媒体P上のトナー像Tに熱が加えられる。
なお、赤外線ヒータ25の出力制御は、定着フィルム21の表面に対向設置された温度センサ40によるフィルム表面温度の検知結果に基いて行われる。また、このような赤外線ヒータ25の出力制御によって、定着フィルム21の温度(定着温度)を所望の温度に設定することができる。
図3は本実施形態の定着装置における要部を示す斜視図であって、加圧板22の両端には圧力検出部材である圧力センサ60が設けられており、圧力センサ60により加圧ローラ31が定着フィルム21を介して加圧板22に及ぼす圧力を測定することが可能となっている。
ここで、加圧ローラ31の外径をD[mm]、加圧ローラ31の回転数をN[rps]、圧力センサ60の出力をP[N/m]とすると、定着線速Vは(式1)で表される。
V=N*πD [mm/s]…(式1)
また、記録媒体Pがニップ部Nに存在しない場合の加圧ローラ31の径Dと、圧力センサ60の出力Pの間には、予め所定の関係が成り立つように加圧ローラ31の押し付け力が設定されており、前記径Dと前記出力Pとの関係を(式2)のように示す。
D=f(P)またはP=f−1(D)…(式2)
画像形成装置に印刷データが送信され、記録媒体Pとして用紙(以下、記録材Pと記す)の通紙が開始されたとき、初期の圧力センサ60の出力をP[N/mm]、加圧ローラ31の回転数をN[rps]とすると、このときの加圧ローラ31のニップ部Nにおける定着線速Vは、前記(式1)および(式2)から、
=N*πD
=N*πf(P
となる。ここで、Nは初期加圧ローラ回転数、Dは初期加圧ローラの径である。
連続通紙を続けていくと、熱膨張により加圧ローラ31の径がDに膨張されるに伴い、圧力センサ60の出力もPに増加する。このとき、加圧ローラ31の回転数を初期のNのままにすると、連続通紙後の定着線速は、V=N*πf(P)となってしまい、初期の段階よりも定着線速が大きくなり、結果的に画像伸びや定着不良を起こしてしまう。
そこで、圧力センサ60の出力を制御部である演算処理部(図示せず)にフィードバックし、加圧ローラ31の回転数を調整し、定着線速を常に一定に保つようにする。
ここで、定着線速がV=Vになるような加圧ローラ31の回転数Nを求めると、下式のようになる。
=N*πf(P)=N*πf(P)から、N=f(P)/f(P)*N
以下に図4のフローチャートを参照しながら、本実施形態の制御系の動作について説明する。
図4に示すように、記録材Pの搬送がスタートすると(S1)、演算処理部は加圧ローラ31を所定の回転数Nで回転させる制御信号(初期設定N=N)を駆動部に出力する(S2)。そして、演算処理部は、記録材Pの通紙1枚ごとに、圧力センサ60の加圧板22に対する圧力検出(出力P=P)を確認する(S3)。そして演算処理部は、圧力検出結果に基づき、圧力状態に対応する加圧ローラ31の回転数N(=f(P)/f(P)*N)を演算して、加圧ローラ31を回転駆動させる(S4)。
前記ステップS3の後、記録材Pは排紙される(S5)。
回転数調整の制御は、記録材Pの通紙1枚ごとに行うことが望ましく、定着動作中、圧力センサ60の出力を演算処理部にフィードバックすることにより、前記回転数調整制御を行うとよい。
このようにして、加圧板22の圧力を検知することにより、熱膨張による加圧ローラ31の線速変化を予測することができる。よって、その結果を演算処理部にフィードバックすることにより、加圧ローラ31の線速を調整することができるため、線速の変化による定着画像の伸びや定着不良を、より確実に防止することができるオンデマンド型定着装置を提供することができる。
なお、図4のステップS3に示すように、本実施形態において、ニップ部N内に記録材Pが存在している状態(記録材が定着内を搬送されている状態)における圧力センサ60の出力状態には、記録材Pの厚みの影響が含まれており、紙種ごとに出力結果が異なってしまい、結果的に加圧ローラ31の回転数の調整精度が悪くなる。よって、圧力センサ60の出力確認タイミング(S3)は、記録材Pがニップ部Nにないとき(ニップ部Nからの排紙完了後)に行うことが望ましい。
具体的には、図1において、記録材Pが、レジストローラ50の位置に達して一旦停止した後、感光体ドラム5上に形成された画像との位置合わせを行うために、タイミングを合わせて転写部7に向けて再搬送される時点をトリガーとし、再搬送された記録材Pの後端がニップ部Nを通過した直後に、圧力センサ60の出力確認を行うこととする。
図5は本実施形態における圧力センサの出力確認のタイミング設定についての機械系の説明図である。
ここで、記録材Pの前記再搬送からTf[s]後に圧力センサの出力確認を行うとした場合、図5に示すように、レジストローラ50からニップ部Nまでの記録材搬送路のレイアウト距離をL1[mm]、記録材長さをLp[mm]、マージンをα[s]、搬送線速をV[mm/s]とすると、Tf[s]=(L1+Lp)/V+αとなる。
本実施形態において、加圧ローラ31の回転数調整を行う場合、ニップ部N内に記録材Pが存在している状態にて回転数を調整させると、記録材Pに形成された画像の途中から画像の伸びが発生することになるので、結果として画像ムラが生じることになってしまう。
よって、加圧ローラ31の回転数の調整タイミングは、記録材Pがニップ部Nにないときに行うことが望ましい。具体的には、上述した圧力センサ60の確認タイミングの直後に、加圧ローラ31の回転数の調整タイミングを設定する。
なお、本実施形態では圧力センサ60を利用して、記録材Pの種類ごとに定着温度T[℃]を設定することが可能である。すなわち、記録材Pがニップ部N中に位置する場合の圧力センサ60の出力から、記録材厚t[mm]を予測し、定着温度を記録材厚ごとに設定する。
圧力センサ60の出力には、これまで説明してきた加圧ローラ31の外径変化による成分と、紙厚による成分の2つの変化要因が含まれている。
よって、加圧ローラ31の外径変化による成分として、記録材Pがニップ部Nに位置しないときの圧力センサ60の出力をPa[N/mm]、紙厚による成分として記録材Pがニップ部Nに位置するときの圧力センサ60の出力をPb[N/mm]として、Pa,Pbから紙厚tを予測し、定着温度T[℃]を制御設定することができる。すなわち、T[℃]=g(Pa,Pb)の関係式による定着温度制御が可能になる。
記録材Pがニップ部Nに位置するときの圧力センサ出力Pbの確認タイミングは、例えば、記録材Pの搬送方向の中央部がニップ部Nを通過しているタイミングに設定する。
すなわち、レジスト再搬送からTt[sec]後に出力確認を行うとし、図5に示すように、レジストローラ50からニップ部Nまでのレイアウト距離をL1[mm]、記録材Pの長さをLp[mm]、搬送線速をV[mm/s]とすると、Tt[s]=(L1+Lp/2)/Vとなる。
図6のフローチャートを参照しながら、本実施形態の回転数/温度制御の動作例について説明する。
図6に示すように、記録材Pの搬送がスタートすると(S11)、演算処理部は加圧ローラ31を所定の回転数Nかつ定着温度Tで駆動させるように駆動部に制御信号(初期設定N=N,T=T)を出力する(S12)。そして、演算処理部は、記録材Pの通紙1ごとに、まず記録材Pがニップ部Nを通過しているときに、圧力センサ60の加圧板22に対する圧力検出(出力Pb=Pb1)を確認し(S13)、さらに、記録材Pの後端がニップ部Nを通過した直後に、圧力センサ60の加圧板22に対する圧力検出(出力Pa=Pa1)を確認する(S14)。
その後、演算処理部は、前記圧力センサ60からの圧力検出結果を受け、定着温度T1(=g(Pa1,Pb1))を演算し、次の記録材Pの定着温度T1を適正にするため、赤外線ヒータ25のオンオフをコントロールして定着温度調整を行う(S15)。
さらに、演算処理部は、圧力検出結果に基づき、圧力状態に対応する加圧ローラ31の回転数N(=f(P)/f(Pa1)*N)を演算して、加圧ローラ31を回転数Nにて回転させるように回転数調整を行う(S16)。
前記ステップS14の後、記録材Pは排紙される(S17)。
図6に示すような動作構成にすることにより、記録材Pがニップ部Nにあるときの圧力センサ60の出力を演算処理部にフィードバックし、定着温度を変化させ、紙厚に応じた定着温度を自動設定することができるため、加圧ローラ31の回転数制御と共に、良好な定着処理を行うことができる。
また、前記実施形態の構成の定着装置を図1に示す複写機などの画像形成装置に設置することにより、良好な定着処理による高品位な画像形成が行われる画像形成装置を提供することができる。
本発明は、トナー像の定着を行う定着装置、および該定着装置を備える複写機,プリンタ,ファクシミリ装置、およびこれらの複合機などの画像形成装置における定着部に適用可能である。
20 定着装置
21 定着フィルム
22 加圧板
23 反射板
24 保持部材
25 赤外線ヒータ
31 加圧ローラ
40 温度センサ
60 圧力センサ
P 記録媒体
N ニップ部
特開2002−365959号公報 特許第3437353号公報 特開平9−179435公報

Claims (5)

  1. 加圧ローラと加圧部材を、加熱部材により加熱された定着部材を介して圧接させ回転駆動された前記加圧ローラと前記定着部材間に形成されるニップ部に未定着トナー像を担持した記録媒体を導入し、該記録媒体が前記ニップ部を搬送通過する間に加熱加圧することによりトナー像の定着を行う定着装置において、前記加圧部材が前記加圧ローラによって及ぼされる圧力を検出する圧力検出部材を備え、前記加圧ローラの熱膨張に伴って、前記圧力検出部材により検出される圧力が変化したときも、前記ニップ部を通過する記録媒体の搬送速さが常にほぼ一定となるように、前記加圧ローラの回転数を調整することを特徴とする定着装置。
  2. 前記圧力検出部材が検出出力を確認するタイミングを、記録媒体が前記ニップ部に存在しないときに設定したことを特徴とする請求項1記載の定着装置。
  3. 前記加圧ローラの線速を調整するタイミングを、記録媒体が前記ニップ部に存在しないときに設定したことを特徴とする請求項1または2記載の定着装置。
  4. 記録媒体が前記ニップ部に存在するときの前記圧力検出部材の出力結果に応じて、定着温度を変化させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の定着装置。
  5. 記録媒体にトナー像を形成する画像形成部と、トナー像を担持した前記記録媒体を受けて加熱加圧することによりトナー像の定着を行う定着部を備えた画像形成装置において、前記定着部として請求項1〜4のいずれか1項記載の定着装置を設置したことを特徴とする画像形成装置。
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