JP5562392B2 - 画像加熱装置 - Google Patents

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Description

本発明は、記録材上のトナー像を加熱する画像加熱装置に関する。この画像加熱装置は、例えば、複写機、プリンタ、FAX、及びこれらの機能を複数備えた複合機等の画像形成装置において用いられ得る。
従来より、電子写真プロセスを用いる画像形成装置には、記録材に形成された未定着のトナー像を記録材に定着する定着装置(画像加熱装置)が搭載されている。
このような画像形成装置に対して、市場では、多様な記録材に対応することが求められており、特に、薄紙への対応が求められている。
このような薄紙に対して画像形成を行う場合、薄紙が定着装置の定着ローラ(加熱回転体)に巻き付き易く、定着ローラから薄紙が適切に分離されずにジャムが発生してしまう恐れがある。
そこで、特許文献1、特許文献2に記載された定着装置では、エア吹き付け装置を用いて、定着ローラにエアを吹き付けることによって、薄紙が定着ローラから適切に分離されるようにしている。
また、特許文献3に記載された定着装置では、内側から加熱された外部加熱ローラを定着ローラに当接させて、定着ローラを外部加熱することにより、定着処理に伴う定着ローラの表面温度の低下を補償している。
特開2007−178732号公報 特開2011−145425号公報 特開2011−33848号公報
しかしながら、エア吹き付け装置によりエアを定着ローラに吹き付けることによって薄紙の分離性を改善しようとした場合、以下のような問題が発生する恐れがある。
例えば、画像形成装置の主電源投入直後のような画像形成装置内の雰囲気温度が低い状況のとき、定着ローラにはエア吹き付け装置から低温のエアが吹き付けられることになる。その結果、吹き付けエアにより定着ローラが意図しない温度低下を引き起こしてしまい、引き続き行われる定着処理時において記録材への熱の供給不足が生じて定着不良が発生してしまうことがあった。
そこで、本発明者は、特許文献3に記載された外部加熱ローラ(外部加熱部材)を応用して、エア吹き付けに伴う定着ローラの温度低下を補償することを検討した。
しかし、画像形成装置の主電源投入から長時間が経過して稼働時間が継続して画像形成装置内の雰囲気温度が高くなった状況で、最初の雰囲気温度が低い状況のときと同条件にて外部加熱ローラによる温度補償を行うと、画像不良が発生してしまうことがあった。
すなわち、画像形成装置内の雰囲気温度が高くなった状況で、雰囲気温度が低い状況のときと同条件にて外部加熱ローラにより温度補償を行うと、引き続き行われる定着処理時において記録材への熱の供給過剰が生じ易くなる。これは、画像形成装置内の雰囲気温度が高くなった状況では、定着ローラに吹き付けられるエアも高温となっているためと考えられる。
このように、外部加熱ローラにより定着ローラの温度補償を行うにあたり、エア吹き付け装置により定着ローラに吹き付けられるエアの温度を考慮することが求められる。したがって、本発明の目的は、加熱回転体からの記録材の分離性の改善を図るとともに、エア吹き付けに伴う加熱回転体の温度変動に対して、外部加熱部材による温度補償をより適切に行うことができる画像加熱装置を提供することである。また、本発明の他の目的は、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。
本発明の画像加熱装置は、記録材上のトナー像をニップ部にて加熱する加熱回転体と、前記加熱回転体との間で前記ニップ部を形成するニップ形成部材と、前記加熱回転体の外面に接触して加熱する外部加熱部材と、前記外部加熱部材を加熱する加熱手段と、前記外部加熱部材の温度を検出する検出手段と、前記検出手段の出力に応じて前記外部加熱部材が目標温度を維持するように前記加熱手段を制御する制御手段と、前記加熱回転体から所定の種類の記録材を分離させるとき前記加熱回転体に向けてエアを吹き付けるエア吹き付け手段と、を有するものである。そして、前記制御手段は、前記エア吹き付け手段より吹き付けられるエアの温度に対応する情報に応じて前記外部加熱部材の目標温度を制御する。
本発明の画像加熱装置では、エア吹き付け手段より吹き付けられるエアの温度に対応する情報に応じて外部加熱部材の温度調整の目標温度を制御する。このため、加熱回転体からの記録材の分離性の改善を図るとともに、エア吹き付けに伴う加熱回転体の温度変動に対して外部加熱部材による温度補償をより適切に行うことができる。
画像形成装置の構成の説明図である。 画像形成の待機時における定着装置の構成の説明図である。 画像形成中における定着装置の構成の説明図である。 画像形成装置の制御系のブロック図である。 吹き付け装置の外観の斜視図である。 エアの風量に応じた外部加熱ローラの温度調整制御の説明図である。 エアの温度に応じた外部加熱ローラの温度調整制御の説明図である。 実施例4の外部加熱ローラの温度調整制御のフローチャートである。
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。本発明は、記録材を分離するためのエアの吹き付けに伴う加熱回転体の温度変化を、外部加熱部材により適切に温度補償する限りにおいて、実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実施できる。
画像加熱装置は、後述する、画像形成装置に組み込まれた定着装置には限らず、単独の画像加熱装置でもよい。また、画像形成装置としては、後述する構成に限らず、モノクロ画像形成装置や、他の画像形成方式のものを採用することが可能である。そして、画像形成装置は、プリンタ、複写機、FAX、及びこれらの機能を複数備えた複合機等、種々の用途のものとすることができる。
<画像形成装置>
図1は画像形成装置の構成の説明図である。図1に示すように、画像形成装置100は、中間転写ベルト20に沿ってイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成部Pa、Pb、Pc、Pdを配列したタンデム型中間転写方式のフルカラープリンタである。
画像形成部Paでは、感光ドラム3aにイエロートナー像が形成されて中間転写ベルト20に転写される。画像形成部Pbでは、感光ドラム3bにマゼンタトナー像が形成されて中間転写ベルト20に転写される。画像形成部Pc、Pdでは、感光ドラム3c、3dにそれぞれシアントナー像、ブラックトナー像が形成されて中間転写ベルト20に転写される。
記録材Pは、記録材カセット10から取り出され、分離ローラ13で1枚ずつに分離され、レジストローラ12で待機する。記録材Pは、レジストローラ12によって二次転写部T2へ給送されて、中間転写ベルト20からトナー像を転写される。四色のトナー像を転写された記録材Pは、定着装置9へ搬送され、定着装置9で加熱加圧を受けて表面にトナー像を定着された後に、機体外部の排出トレイへ積載される。
以上は片面印刷の場合である。これに対して、両面印刷の場合は、二次転写部T2で表面にトナー像を転写されて、定着装置9で表面にトナー画像を定着された記録材Pは、フラッパー110に案内されて反転パス111に導かれる。記録材Pは、反転ローラ112によりスイッチバックされて、表裏反転状態で両面パス113へ導かれ、再びレジストローラ12で待機する。そして、二次転写部T2で裏面にもトナー像を転写され、定着装置9で裏面にトナー画像を定着された後に、機体外部の排出トレイへ積載される。
画像形成部Pa、Pb、Pc、Pdは、現像装置1a、1b、1c、1dで用いるトナーの色がイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックと異なる以外は、実質的に同一に構成される。以下では、画像形成部Paについて説明し、画像形成部Pb、Pc、Pdに関しては、説明中の符号末尾のaをb、c、dに読み替えて説明されるものとする。
画像形成部Paは、感光ドラム3aの周囲に、コロナ帯電器2a、露光装置5a、現像装置1a、転写ローラ6a、及びドラムクリーニング装置4aを配置している。コロナ帯電器2aは、コロナ放電に伴う荷電粒子を照射して感光ドラム3aの表面を一様な暗部電位VDに帯電させる。露光装置5aは、レーザービームを走査して、暗部電位VDを明部電位VLまで低下させて、感光ドラム3aに画像の静電像を書き込む。現像装置1aは、静電像を現像して感光ドラム3aにトナー像を形成する。転写ローラ6aは、直流電圧を印加されて、感光ドラム3aのトナー像を中間転写ベルト20へ転写させる。ドラムクリーニング装置4aは、中間転写ベルト20へ転写されないで感光ドラム3aに残った転写残トナーを回収する。
中間転写ベルト20は、駆動ローラ15、テンションローラ14、および対向ローラ16に掛け渡して支持され、駆動ローラ15に駆動されて矢印R2方向に回転する。二次転写ローラ11は、対向ローラ16によって内側面を支持された中間転写ベルト20に当接して、記録材に対するトナー像の二次転写部T2を形成する。中間転写ベルト20上の負極性に帯電したトナー像に記録材Pを重ねて二次転写部を通過する過程で、二次転写ローラ11に正極性の電圧が印加されることにより、中間転写ベルト20から記録材Pへトナー像が移転する。ベルトクリーニング装置30は、記録材Pに転写されないで中間転写ベルト20に残った転写残トナーを回収する。
<定着装置>
図2は画像形成の待機時における定着装置の構成の説明図である。図3は画像形成中における定着装置の構成の説明図である。図4は画像形成装置の制御系のブロック図である。本例の画像形成装置100は、後述する定着ローラと加圧ローラ間に形成される加熱ニップにおいて加熱及び加圧を行うことにより、記録材に未定着のトナー像を定着させる、画像加熱装置として機能する定着装置9を備えている。
図2に示すように、加熱回転体(定着部材)として機能する定着ローラ40は、記録材に形成された未定着トナー像(画像面)に当接する。ニップ形成部材(加圧部材)として機能する加圧ローラ41は、定着ローラ40に当接して記録材の加熱ニップ(ニップ部)Nを形成する。定着ローラ40は所定温度に加熱されている。
定着ローラ40及び外部加熱部材として機能する外部加熱ローラ53は、金属ローラで構成されて中心軸線に沿って配置したそれぞれのランプヒータ40a、53aによって加熱される。ランプヒータ40a、53aは、定着ローラ40及び外部加熱ローラ53の表面に当接させた温度検出素子の一例であるサーミスタ42a、42cによって検出された温度に基づいて、それぞれの投入電力を調整される。なお、定着ローラ40の加熱方法としては、上述のランプヒータには限らず、抵抗加熱、電磁誘導加熱でもよい。また、加熱回転体、ニップ形成部材、及び外部加熱部材として、ローラ部材には限らず、ベルト部材であってもよい。
図2に示すように、スタンバイ時(画像形成の待機時)に記録材が加熱ニップNに到達しない状態では、定着装置9は、定着ローラ40から加圧ローラ41を離間し、定着ローラ40から外部加熱ローラ53を離間している。
図3に示すように、画像形成時に記録材が加熱ニップNに到達する状態では、定着装置9は、加圧ローラ41を定着ローラ40に圧接して記録材の加熱ニップNを形成する。同時に、外部加熱ローラ53を定着ローラ40に当接させて、定着ローラ40の表面を加熱している。
図4に示すように、制御器(制御手段)として機能する制御部80は、画像形成装置100の各ユニットを制御して画像形成ジョブを実行する。モータ45は、図3に示す定着ローラ40を時計方向に回転させると同時に、加圧ローラ41を反時計方向へ回転させる。外部加熱ローラ53は、定着ローラ40に追従して回転する。図1に示す二次転写部T2でトナー像Tを形成された記録材Pは、図3に示す定着ローラ40と加圧ローラ41の加熱ニップNで挟持・搬送される。加熱・加圧を受けて融解したトナー粒子が記録材の表面組織に固着されることによって記録材にトナー画像が定着される。
図2に示すように、定着ローラ40は、内部に加熱器(加熱手段)として機能するランプヒータ40aを内蔵して外径80mmである。定着ローラ40は、中空円筒状の基体であるアルミニウムや鉄等により形成された芯金40bの外周面(基体上)に、シリコーンゴムからなる弾性層40cを設けている。弾性層40cの外周面(弾性層上)には、PFA(テトラフルオロエチレン―パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)若しくはPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等のフッ素樹脂のチューブから形成された離型層40dが被覆されている。
定着ローラ40の表面温度は、検出器(検出手段)として機能するサーミスタ(温度検知素子)42aによって検知されており、検知された表面温度は、図4に示す制御部80の温度検知部87に入力される。ヒータ制御部84は、定着ローラ40の表面温度が所定の目標温度になるように、ランプヒータ40aをON/OFF制御する。
様々な種類の記録材に対応するため、150〜200℃の範囲で、記録材の種類(坪量)に応じて目標温度が設定されており、定着ローラ40の表面温度は、その目標温度に応じて制御されている。
Figure 0005562392
制御部80は、表1に示すように、定着ローラ40の表面温度を、目標温度を中心とする所定範囲に維持した状態で、記録材の坪量に依らずに、1分間に60枚の生産性で出力画像の定着処理を実行させる。
加圧ローラ41は、内部に加熱体であるランプヒータ41aを内蔵して外径60mmである。加圧ローラ41は、中空円筒状の基体であるアルミニウムや鉄等により形成された芯金41bの外周面(基体上)に、シリコーンゴムからなる弾性層41cが設けられている。弾性層41cの外周面(弾性層上)には、PFA若しくはPTFE等のフッ素樹脂のチューブから形成された離型層41dが被覆されている。
加圧ローラ41の表面温度は、サーミスタ(温度検知素子)42bによって検知されており、検知された表面温度は、図4に示す制御部80の温度検知部87に入力される。ヒータ制御部84は、加圧ローラ41の表面温度が目標温度になるように、ランプヒータ41aをON/OFF制御する。
加圧ローラ41は、回転軸線方向の両端部に配置した付勢機構によって上方へ付勢されることにより、定着ローラ40に対して総圧力約784N(約80kgf)で圧接する。加圧ローラ41は、定着ローラ40の外周面に当接/離間が可能に配置される。
加圧ローラ41は、加熱ニップNの出口側に配置された回動軸を中心にして揺動可能な揺動台に支持されている。揺動台は、図4に示すカムを用いた離間機構46によって揺動されて、加圧ローラ41を昇降させる。離間機構46は、定着ローラ40に対する加圧ローラ41の圧接/離間を制御する。
ところで、近年、普通紙に加えて、厚紙、薄紙、布、樹脂シートと言った多様な記録材に対して画像形成することが求められている。熱容量が小さい薄紙と熱容量が大きい厚紙との双方に対応し、厚紙においてもトナーの定着性を実現して高い生産性を得るために、定着ローラ大径化を図り、加熱能力を高めることが考えられる。しかし、薄紙の記録材において、未定着トナー像が定着ローラに接触して溶融することによる粘性によって記録材が定着ローラに貼り付き、加熱ニップの出口で記録材が定着ローラから分離できずに、ジャムを発生してしまう可能性が高まる。
そこで、本例の画像形成装置100では、図3に示すように、加熱ニップNの出口側に向けてエアを吹き付けることで、定着ローラ40から記録材を強制的に分離させようとしている。薄紙の記録材が定着ローラに貼り付いて定着ローラから剥離できなくなる問題を解決するために、圧搾気体を記録材の先端に吹き付けて、定着ローラ40より記録材を剥離する。
また、常にエアを吹き付ける構成の場合では、省エネの観点から好ましくないため、エア分離が不要な記録材、例えば、厚紙などの坪量の大きな記録材については、エアを吹き付けないようにするのが望ましい。記録材の坪量が所定値以下のときエア吹き付け動作を実行するとともに記録材の坪量が前記所定値よりも大きいときエア吹き付け動作を実行しないことが望ましい。
また、本例では、定着ローラ40に吹き付けるエアの風量を変更可能にしている。
<吹き付け装置>
図5は吹き付け装置の外観の斜視図である。図3に示すように、エア吹き付け器(エア吹き付け手段)として機能するエア分離ユニット60は、加熱ニップNの出口側で定着ローラ40に可変の風量でエアを吹き付けて記録材を分離させる。
定着装置9の加熱ニップNの搬送方向下流側にエア分離ユニット60が配置されている。エア分離ユニット60は、加熱ニップNの搬送方向下流側に記録材Pの排出をガイドするガイド板63、64を配置する。流路形成部材61の先端の開口部は、定着ローラ40の表面に近接した位置に配置され、送風ファン62から送り出された空気が流路形成部材61を通って加熱ニップNにむけて吹き出す。
図5に示すように、エア分離ユニット60は、加熱ニップNの搬送方向下流側で、定着ローラ40と記録材Pにエアを吹き付けて、定着ローラ40から記録材Pを分離し易くする。3台の送風ファン62a、62b、62cでそれぞれ発生させた送風は、共通の流路形成部材(ノズル)61で合流し、定着ローラ40の軸線方向における記録材の通過範囲内において、ほぼ均一な風量分布でエアを吹き付けることが可能な構成となっている。
図4に示すように、ファン制御部88は、送風ファン62a、62b、62cの回転速度を100rpm〜3400rpmの範囲で任意に設定可能である。送風ファン62a、62b、62cを最高回転速度で動作させた場合、約3m/minの風量が得られる。ファン制御部88は、送風ファン62a、62b、62cの動作個数、及びそれぞれの回転数を変更することで、流路形成部材61の出口の風量を、約0.3m/minから約3.0m/minまで可変である。
加熱ニップNでトナー画像が定着した記録材Pの先端に、エアが吹き付けられることにより、定着ローラ40に張り付いた記録材Pが適切に分離/剥離される。本例の定着装置9では、記録材の坪量によってエア圧力を変化させることで、より安定して、記録材の定着ローラ40への付着、巻き付き防止を実現することが可能である。
<外部加熱ローラ>
図2に示すように、加熱器(加熱手段)として機能するランプヒータ40aは、定着ローラ40のエアが吹き付けられる領域から離れた位置の表面温度が目標温度になるように定着ローラ40の全体を加熱する。一方、外部加熱部材として機能する外部加熱ローラ53は、定着ローラ40の回転方向におけるエアの吹き付け位置と加熱ニップNとの間に設けられて定着ローラ40の外面を予め設定された目標温度に加熱する。
このとき、多様な記録材に対応して目標温度を複数有する定着装置において、エア分離定着構成を用いた際に、エアを定着ローラに吹き付けることによる、定着ローラの表面温度の意図しない低下が問題になる可能性がある。定着ローラ40の弾性層40cは、ゴム層で熱伝導性が低いため、定着ローラ40と加圧ローラ41の加熱ニップNでは、記録材Pに奪われる熱量に対して中心のランプヒータ40aからの熱応答が間に合わない場合がある。
そこで、定着装置9では、外部加熱ローラ53を設けて、この問題を解決している。定着ローラ40の表面温度を一定に保つことを目的として、外部加熱ローラ53が設けられている。外部加熱ローラ53は、内部に加熱器(加熱手段)であるランプヒータ53aを有しており、画像加熱処理の開始と終了に伴い、接離機構(接離手段)として機能する離間機構46によって定着ローラ40の外周面に対して当接/離間が可能である。画像形成時、外部加熱ローラ53と定着ローラ40との回転方向の接触長さが約6mmとなる。
外部加熱ローラ53は、熱伝導率の高いアルミニウム、鉄、ステンレス等の金属の中空円筒状の基体で構成される。或いは、金属基体の表面に、離型性を備えた樹脂をコートして構成される。外部加熱ローラ53は、内部に非回転に配置されたランプヒータ53aによって、外部加熱ローラ53の表面温度が定着ローラ40の目標温度よりも高くなるように、内側から加熱されている。外部加熱ローラ53は、高耐熱性を有する断熱ブッシュによって両端部を回転自在に保持されている。
外部加熱ローラ53の外周面に当接させて、表面温度を検出するために、検出器(検出手段)として機能するサーミスタ42cが配置されている。画像形成時には、温度検知部87が、サーミスタ42cの出力する温度情報に応じて、ヒータ制御部84を介してランプヒータ53aへの供給電力を制御する。これにより、外部加熱ローラ53の表面温度が目標温度に温度調整制御される。
外部加熱ローラ53の目標温度は、定着ローラ40の目標温度よりも高温となるように設定されている。例えば、定着ローラ40の目標温度が160℃である場合、外部加熱ローラ53の目標温度は、40℃の温度差を持たせて200℃に設定される。外部加熱ローラ53の温度が定着ローラ40の温度よりも高温に保たれていないと、定着ローラ40の表面温度の降下に対してレスポンス(熱の感応精度)良く、外部加熱ローラ53から定着ローラ40に熱が供給されないからである。
ただし、温度差が大き過ぎると、ランプヒータ40aの制御に関わらず、定着部材40の表面温度が目標設定温度よりも高温になる可能性が生じる。エア分離機構60のエア吹き付けによって持ち去られる熱量以上に外部加熱ローラ53が定着ローラ40を加熱すると、ランプヒータ40aによる定着ローラの温度調整制御がうまく機能しなくなるからである。
<実施例1>
図6はエアの風量に応じた外部加熱ローラの温度調整制御の説明図である。図7はエアの温度に応じた外部加熱ローラの温度調整制御の説明図である。
図3を参照して図4に示すように、コントローラ86、温度検知部87等は、定着ローラ40にエアを吹き付ける状態(ON/OFF、風量、エアーの温度)をCPU85に入力する。制御器(制御手段)として機能する制御部80は、定着ローラ40のエアが吹き付けられた領域の温度が目標温度に近づくように、コントローラ86、温度検知部87等に入力された情報に応じて外部加熱ローラ53による定着ローラ40の加熱条件を制御する。
ファン62a、62b、62cは、温度が変化するエアを定着ローラに吹き付ける。制御部80には、定着ローラ40に吹き付けるエアの温度に対応する情報(以下、温度関連情報)が入力される。制御部80は、定着ローラ40に吹き付けるエアの温度が低くなるほど定着ローラ40の表面に対する加熱量が大きくなるように、温度関連情報に基づいて外部加熱ローラ53による定着ローラ40の加熱条件を調整する。
ファン62a、62b、62cは、可変の風量を設定して定着ローラにエアを吹き付け可能である。制御部80には、定着ローラ40に吹き付けるエアの風量に関連する風量関連情報が入力される。制御部80は、定着ローラ40に吹き付けるエアの風量が大きくなるほど定着ローラ40の表面に対する加熱量が大きくなるように、風量関連情報に基づいて外部加熱ローラ53による定着ローラ40の加熱条件を調整する。
エア分離ユニット60が定着ローラ40に吹き付ける風量は、送風ファン62a、62b、62cに対する投入電力に応じて約0.3m/minから約3.0m/minまで可変である。定着ローラ40に吹き付ける風量が多くなるほど、定着ローラ40の表面温度の低下が大きくなるため、外部加熱ローラ53による加熱量を大きくするのが好ましい。
図2に示すように、ハウジングとして機能するカバー44は、定着ローラ40と加圧ローラ41を収容して定着装置全体を内包するように設けられている。従って、カバー44内(ハウジング内)には、定着ローラ40によって加熱された空気の滞留空間が形成されている。エア分離ユニット60は、定着ローラ40の周面に向かって出口を開口させたノズルと、滞留空間の空気を吸入してノズルに流し込む送風ファン62a、62b、62cとを有する。ノズルの出口は、定着ローラ40の周面の母線に対向して連続的に開口している。
送風ファン62a、62b、62cは、定着装置9のカバー44の内部で、上部付近に滞留した高温のエアを取り込んで(吸引して)、エアを流路形成部材61に押し込む。ランプヒータ40a、41a、53aの稼働による滞留空間の雰囲気温度の上昇を利用して定着ローラ40に吹き付けるエアの温度を高くすることで、エアが吹き付けられた定着ローラ40の温度低下を最小限に止めている。これにより、ランプヒータ40aの負荷を軽減して、節電を図っている。
しかし、送風ファン62a、62b、62cが定着ローラ40に吹き付けるエアの温度は、定着装置9の上部空間の雰囲気温度となる。このため、エアの温度は、定着装置9の稼働時間(主電源が投入されて(図1のメインスイッチXが押し下げられて)からの経過時間)によって約30℃から160℃程度の大きなバラつきがある。画像形成装置100の主電源が投入された直後、即ち、定着装置9の起動直後は、定着ローラ40周辺の板金や部材の温度が常温に近くに冷えているため、エアの温度は約30℃になる。その後、画像形成ジョブを実行するに連れて、定着装置9の周囲の雰囲気や部材がランプヒータ40aが稼働していることにより暖められて、エアの温度は次第に上昇し、休みなく連続通紙の画像形成ジョブを実行しているとエアの温度は160℃に近付く。
そのため、エア分離ユニット60による吹き付けエアの温度が低い間は、外部加熱ローラ53から定着ローラ40への供給熱量が不足する傾向となる。その結果、定着ローラ40の温度低下が懸念される。送風ファン62a、62b、62cが定着ローラ40に吹き付けるエアの温度が低いほど、つまり、定着ローラ40の表面温度(目標温度)と吹き付けるエアの温度との差が大きいほど、吹き付け位置を通過する定着ローラ40の表層がより冷却される。定着ローラ40にエアを吹き付けることで、定着ローラ40の温度低下が不安定になる可能性がある。
これに対して、エア分離ユニット60による吹き付けエアの温度が高くなると、外部加熱ローラ53から定着ローラ40への供給熱量が過剰になってしまう傾向となる。その結果、定着ローラ40の表面温度が目標温度(160℃)を超えてしまうことが懸念される。この場合、出力画像の光沢度が変化して、定着画像の見かけ濃度も違ってくる。エア分離ユニット60による吹き付けエアの温度が低い画像形成ジョブの前半と吹き付けエアの温度が高い画像形成ジョブの後半とで、出力画像の品質にばらつきが生じる可能性がある。
そこで、本例では、エア分離ユニット60から定着ローラ40に吹き付けるエアの温度に対応する情報に応じて、外部加熱ローラ53による定着ローラ40の温度補償機能を制御している。具体的には、後述するように、エア分離ユニット60から定着ローラ40に吹き付けるエアの温度に対応する情報に応じて、外部加熱ローラ53の目標温度を制御している。
詳細には、エア温度検出手段として機能するサーミスタ42dが検出した吹き付けエアの温度が所定温度以上のときは、制御部80は外部加熱ローラ53の目標温度を第1の目標温度に設定する。一方、吹き付けエアの温度が所定温度未満のときは、制御部80は、外部加熱ローラ53の目標温度を上記第1の目標温度よりも高い第2の目標温度に設定する。
なお、エア分離ユニット60から定着ローラ40に吹き付けるエアの温度に対応する情報とは、後述するように、吹き付けエアの温度を直接的に検出した情報だけでなく、吹き付けエアの温度を間接的に求めるため(推定するため)の情報も含まれる。さらに、吹き付けエアの温度に対応する情報を適切に取得できる限りにおいて、エアの温度情報の取得方法に制限はない。
このような場合、吹き付けエアの温度が所定温度以上であると推定されるときは、制御部80は、外部加熱ローラ53の目標温度を第1の目標温度に設定する。一方、吹き付けエアの温度が所定温度未満であると推定されるときは、制御部80は、外部加熱ローラ53の目標温度を上記第1の目標温度よりも高い第2の目標温度に設定する。
さらに、本例では、定着ローラ40に吹き付けるエアの風量と温度とに応じて、定着ローラ40の温度調整の目標温度と外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度との温度差を設定している。
図5に示すように、送風ファン62bの筐体には、エア分離ユニット60から定着ローラ40に吹き付けられるエアの温度を検出する検出器(検出手段)として機能するサーミスタ42dが設置されている。図6、図7のテーブルは、ROM82に準備されている。定着ローラ40の温度調整の目標温度が160℃である場合、外部加熱ローラ53の目標温度は、40℃の温度差を持たせて200℃に設定される。
図4を参照して図3に示すように、実施例1では、制御部80は、定着ローラ40の温度調整の目標温度が160℃のとき、定着ローラ40にエアを吹き付けない条件では、外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度を200℃に設定する。制御部80は、図6のテーブルをX軸の風量で参照して温度調整補正値を求め、風量0m/minの200℃に加算して外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度とする。風量が増えるほど外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度を高くして、エアに持ち去られる熱量を補う。
風量が1m/minの場合、5℃の温度調整補正値を加算して外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度を205℃に設定する。風量が最大の3m/minの場合、15℃の温度調整補正値を加算して外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度を215℃に設定する。
図4を参照して図3に示すように、制御部80は、エア分離ユニット60に付設したサーミスタ42dの出力からエア温度を正確に把握している。制御部80は、図7のテーブルをX軸の「定着ローラ40の温度調整の目標温度とエア温度の温度差」で参照してY軸の「温度調整補正値」を求め、「温度調整補正値」に200℃を加算して外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度を設定する。
分離エア(吹き付けエア)の温度が定着ローラ温度調整の目標温度160℃に対して60度低い100℃の場合、外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度が215℃に設定される。分離エアの温度が定着ローラ40の温度調整の目標温度160℃に対して110℃低い50℃の場合、外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度が225℃に設定される。
図6のテーブルは、最初に、画像形成装置100において、送風ファン62a、62b、62cによるエアの吹き付け/停止を断続させて、定着ローラ40の温度を保つことが可能な外部加熱ローラ53の温度上昇分を調べて取得した。定着ローラ40の温度調整の目標温度が160℃、分離エアの温度が120℃の際に、定着ローラ40の温度を160℃一定に保つことが可能な外部加熱ローラ53の温度を、エアの風量を異ならせてそれぞれ求めて図6のテーブルを作成した。このような実験の結果、いずれの風量においても、風量と温度補正値(外部加熱ローラの温度アップ分)が比例関係を持つことが確認された。
図7のテーブルは、最初に、画像形成装置100において、送風ファン62a、62b、62cによるエアの吹き付け/停止を断続させて、定着ローラ40の温度を保つことが可能な外部加熱ローラ53の温度上昇分を調べて取得した。温度調整の目標温度を160℃にした定着ローラ40に対して、サーミスタ42dの出力に基づく分離エアの温度差に対して、定着ローラ40の温度を一定に保つことが可能な外部加熱ローラ53の温度を実験により検証した。同時に、効果確認検討として、出力された画像の光沢はほぼ一定値となり、均一な出力が得られることを確認した。
そして、温度調整の目標温度を160℃以外にした定着ローラ40に対しても、同様の実験を行って、各温度調整の目標温度における分離エアの温度と外部加熱ローラ53の適正な温度調整の目標温度の関係を求め、制御のテーブルを作成した。
なお、定着ローラ40の温度調整の目標温度(160℃)を超えた温度の過熱エアを吹き付けた際の定着ローラ40の温度上昇、定着装置9の温度上昇に伴う機内昇温が懸念される。そこで、制御部80は、図1に示すように、定着装置9のカバーに取り付けたサーミスタ(環境センサ)S1の検出温度が100℃を超えると、不図示の空冷ファンを作動させて定着装置9を外側から冷却している。これにより、定着装置9のカバー温度が際限なく上昇することを回避している。
実施例1の制御によれば、図2に示す定着装置9のハード構成を変更することなく、外部加熱ローラ53の温度調整設定のみで上述の問題を解決できた。定着ローラ40に吹き付けるエアを予備加熱して温度を一定にする場合に比較して、定着装置9の構造が複雑になることや、耐久性の面で問題を回避できた。
<実施例2>
実施例1では、薄紙等の所定の記録材への定着処理時においてエア分離を実行する際には、サーミスタ42dによる取り込みエア検知温度を基準にして、エア分離時の定着ローラ40の表面温度の低下を抑制する制御を行った。しかし、サーミスタ42dでエア温度を直接検知する替わりに、画像形成装置100の稼働時間とエア温度(約30℃〜約160℃の範囲で変化する)の昇温の相関関係を作成して、間接的に定着ローラ40の表面の温度低下程度を予測してもよい。
具体的には、本例では、図4に示すように、画像形成装置100の主電源(図1のメインスイッチX)が投入後、定着装置9が稼動を開始してからの経過時間(稼動時間)を計測する計測器(計測手段)として機能するタイマY(図4)を設けている。このタイマYにより計測された経過時間に応じて、外部加熱ローラ53の目標温度を制御部80により制御するようにしている。
詳細には、この稼働時間が所定時間未満のときは、画像形成装置100内の雰囲気温度(機内温度)が低い、つまり、エア分離ユニット60による吹き付けエアの温度が低いことから、外部加熱ローラ53の目標温度を高めに設定しておく。
一方、定着装置の稼働に伴いこの稼働時間が所定時間以上となったときは、画像形成装置100内の雰囲気温度が上昇している。つまり、エア分離ユニット60による吹き付けエアの温度も高くなることから、外部加熱ローラ53の目標温度を所定時間未満のときの目標温度よりも低下させる。
ここで、定着装置9が稼働を開始するとは、画像形成装置100の主電源投入に伴い定着装置9が具備する加熱機構(本例ではヒータ40a、41a、53a)への電力供給が開始されることを言う。また、本例の定着装置9は、ユーザーからの画像形成命令を待機している際、定着装置9が具備する加熱機構(本例ではヒータ40a、41a、53a)への電力供給が行われているため、稼働時間が長くなるほど、機内温度が上昇する傾向にある。しかし、上述したように、本例の画像形成装置100では、所定のタイミングで不図示の排熱ファンを作動させることにより機内温度が過剰に上昇してしまうのを回避するようにしている。その結果、定着装置9の稼働時間が長期化しても、機内温度は上限温度(約160℃)以下となるように構成されている。
他にも、画像形成装置100内の環境センサS2(図1)の温度検出結果を用いて、定着ローラ40に吹き付けるエア温度(昇温過程)を推定する構成としてもよい。また、周辺温度、プリント動作モード、ユーザー設定情報の少なくとも1つを用いて定着ローラ40に吹き付けるエア温度(昇温過程)を推定する構成としても良い。
そして、このように推定されたエア分離ユニット60による吹き付けエアの温度に基づいて、制御部80が外部加熱ローラ53の目標温度の設定を行うことになる。
<実施例3>
実施例1の検証実験に付随して、外気の温度もまた、送風ファン62a、62b、62cが送風して定着ローラ40に吹き付けるエアの温度に影響することが判明した。画像形成装置100の起動直後でも、エアの温度は、外気温を割り込むことがないし、連続通紙によってエアの温度が最高温度に達する時間は、外気温が高いほど短くなる。
そこで、実施例3では、図1に示すように、定着装置9から離れた位置で、外気の温度湿度を環境センサS2がモニターしている。制御部80は、環境センサS2による外気の検出温度と画像形成枚数の累積値に基づいて、定着ローラ40に吹き付けるエアの温度の推移を推定して、実施例1のテーブルを用いた制御を実行する。
<実施例4>
図8は実施例4の外部加熱ローラの温度調整制御のフローチャートである。
図3を参照して図4に示すように、制御部80は、連続通紙中にエアの吹き付けを行わない記録材からエアの吹き付けを行う記録材に切り替わると連続通紙を中断させる。ファン62a、62b、62cは、エアの風量を所定風量に設定して、エアの吹き付けを開始し、制御部80は、所定風量に応じた加熱量を増加するように外部加熱ローラ53による定着ローラ40の加熱条件を調整する。制御部80は、離れた位置の表面温度の一例であるサーミスタ42aの検知温度が目標温度になるのを待って連続通紙を再開する。
制御部80は、連続通紙中にエアの吹き付けを行う記録材からエアの吹き付けを行わない記録材に切り替わっても連続通紙を継続させる。制御部80は、エアの吹き付けを行う場合の加熱条件をエアの吹き付けを行わない場合の加熱条件へ切り替える。ファン62a、62b、62cは、エアの吹き付けを行わない記録材に対してエアの吹き付けを継続しつつ風量を次第に小さくする。
図4を参照して図8に示すように、画像形成ジョブの画像情報がコントローラ86を介してCPU85に順次送られるとき、画像パターンと同時に記録材種類の情報をCPU85は受け取っている。制御部80は、記録材種類の情報を元に、ヒータ制御部84に温度調整の目標温度を渡す。
制御部80は、画像形成ジョブの実行中、次に画像形成する記録材がエア分離が必要な種類か否かを判断する(S1)。制御部80は、メディアテーブルによりエア分離のON/OFFの決定を行って、ファン制御部88にエア分離のON/OFFを指示する。制御部80は、記録材の進行方向(MD方向)に対してのガレー式剛度が基準の0.6[mN]以下の記録材に対して、エア分離動作を行う。
制御部80は、次の記録材がエア分離を必要と判断すると(S1のYes)、図6、図7のテーブルと分離エアの検知温度(温度差)より、外部加熱部ローラ53の温度調整の目標温度を決定する(S2)。このとき、エア風量は最大の3m/minに設定して分離効果を最大限に発揮させる。実施例1で説明したように、定着ローラ40の温度調整の目標温度との温度差が−40℃で、エア風量が3m/minである場合、図7から温度調整補正値が10℃に決定され、図6から温度調整補正値が15℃に設定される。このため、外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度は225℃に設定される。
制御部80は、エア分離ユニット60によるエア分離の動作を開始して(S3)、外部加熱ローラ53の温度が目標温度になるまで待つ(S4のNo)。制御部80は、外部加熱ローラ53の温度が目標温度に達すると(S4のYes)、記録材Pの通紙を開始して、記録材にトナー像を定着させる(S5)。
制御部80は、次の記録材がエア分離不要と判断すると(S1のNo)、現在エア分離を行っているか否かの判定を行う(S6)。制御部80は、エア分離動作が行われていると判断すると(S6のYes)、エア分離を継続したままで、加熱ニップNに記録材の通紙を行う(S7)と同時に、外部加熱ローラの温度調整の目標温度をエア停止時の目標温度200℃に設定する(S8)。
制御部80は、外部加熱ローラ53の温度が目標温度に達するまでは、図6のテーブルに従って外部加熱ローラ53の温度低下に追従させてエアの風量を次第に低下させていく(S9)。
エア分離エアの温度が120℃で定着ローラ40の目標温度との温度差が−40℃である場合、図7から温度調整補正値は10℃である。エア風量が3m/minである場合、図6から温度調整補正値は15℃である。図6に示すように、エア風量と外部加熱ローラ53の温度調整補正値には比例相関があるので、風量3m/minで10℃+15℃=25℃と想定して、外部加熱ローラ53の温度に応じた風量を次式により設定する(S9)。
風量[m/min]=3[m/min]×実測外部加熱温度差/温度調整補正値の合計
上記の225℃から200℃に向かって温度低下する過程の外部加熱ローラ53の実測温度が205℃で、実測外部加熱温度差が5℃だったとすると、風量は以下のように設定される。
風量[m/min]=3[m/min]×5/(10+15)=0.25[m/min]
このようにして、刻々とエア分離ユニット60の風量を制御していくことにより、外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度が200℃に達したときは、計算式に従い、風量は0[m/min]となっている。
制御部80は、連続通紙を継続しつつ外部加熱ローラ53を225℃から200℃へ温度低下させる過程で(S9)、次に画像形成する記録材がエア分離が必要な種類か否かを判断する(S10)。エア分離が不必要な記録材のままであれば(S10のNo)、外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度が200℃に達したか否かの判定を行う(S11)。そして、外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度が200℃に達するまで(S11のNo)、風量の設定を行い(S9)、外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度200℃に達した場合(S11のYes)は、通常動作となる(S12)。
実施例4の温度調整制御によれば、外部加熱ローラ53の温度低下を待つことなく連続通紙を継続することができ、エア分離エアの風量を徐々に低下させるため、その間の出力画像の光沢度や定着品質に不連続を生じない。
実施例4の温度調整制御の効果を確認するために、定着ローラを160℃で温度調整し、A4サイズの80g/mグロスコート紙と157g/mグロスコート紙を組み合わせた片面連続通紙の画像形成ジョブにて比較実験を行った。「実施例4」との比較対象として、エア風量が3m/minでエア分離が常時動作している条件を「常時動作」とした。また、別の比較対象として、80g/mグロスコート紙でのみエア風量が3m/minのエア分離を動作させる条件を「温度制御なし」とした。
Figure 0005562392
表2中、ヒータ点灯比率は、画像形成ジョブの実行時間に占めるランプヒータ53の点灯時間の比率である。
ヒータ点灯比率=ヒータ点灯時間/動作時間
本体昇温温度は、画像形成ジョブ中の定着装置9のカバー44に設けたサーミスタ(環境センサ)S1による検出温度の最高値である。画像光沢差は、エア吹き付けを行った80g/mグロスコート紙の出力画像で測定した光沢度(単色ブラック画像の60度反射率)のばらつきである。
反射率の最大値−反射率の最小値
表2に示すように、実施例4は、「常時動作」と比較して、ヒータ点灯比率(消費電力)が低下して節電が実現され、本体昇温も抑制できている。また、実施例4は、「温度制御無し」と比較して、ヒータ点灯比率(消費電力)はやや悪化するものの、本体昇温が抑制され、画像光沢度のばらつきも小さくなっている。
すなわち、実施例4では、画像形成ジョブを通じた定着ローラ40の最下点温度が155℃、最高点温度が163℃であった。最下点温度が150℃を割り込まなかったため、光沢度のばらつきを生じなかったと考えられる。これに対して、「温度制御なし」では、画像形成ジョブを通じた定着ローラ40の最下点温度が144℃、最高点温度が160℃であった。最下点温度が150℃を割り込んだため、光沢度のばらつきが大きくなったと考えられる。「常時動作」では、画像形成ジョブを通じた定着ローラ40の最下点温度が154℃、最高点温度が161℃であった。
実施例4では、記録材上のトナーを熱と圧力をかけて定着する定着装置において、定着ローラからの剥離に対してエア分離構成を必要としない記録材に対しては、極力エア分離を実行しない。実施例4では、定着装置でエア分離を実行した際に、エアを吹く条件と、吹かない条件で、一定した光沢感を得ることができる。そして、エア分離ファンを必要なときのみ動作させることで、動作電力の削減と本体の昇温防止を実現することができる。これにより、本体昇温防止や節電省エネルギーが実現された。画像出力の成果物における光沢感の均一化と、分離性能との両立を実現した。消費電力と本体昇温を抑えながら、出力画像の品質のばらつきを少なくすることを実現した。
他の坪量、他の種類の記録材でも、同様の試行実験を積み重ねた結果、エア分離を実施する記録材と実施しない記録材が混在するプリントジョブであれば、同様に、実施例4の効果が顕著に再現された。
<他の実施例>
実施例4では、外部加熱ローラ53の温度調整の目標温度が高い場合に、分離エアの風量を可変して光沢度の均一化を行った。しかし、定着ローラ40の温度が画像形成時に均一になる手法ならば、冷却手段などの他の手法を用いてもよい。
実施例4では、ランプヒータの出力をサーミスタの検知温度によって制御を行うことで可変していた。しかし、熱量のコントロールが可能であれば、記録材の搬送位置や、画像形成動作のタイミングなどで、加熱源の点灯条件を制御することや、加熱源に印加する電圧の大小によって加熱源の出力を変更する方法等でも加熱調整が可能である。
1a、1b、1c、1d 現像装置
3a、3b、3c、3d 感光ドラム
5a、5b、5c、5d 露光装置
9 定着装置、10 記録材カセット、11 二次転写ローラ
12 レジストローラ、20 中間転写ベルト、38 外部加熱装置
40 定着ローラ、40a、41a、53a ランプヒータ
41 加圧ローラ、42a、42b、42c、42d サーミスタ
53 外部加熱ローラ、60 エア分離ユニット
62a、62b、62c 送風ファン、80 制御部
100 画像形成装置、P 記録材
Pa、Pb、Pc、Pd 画像形成部
X メインスイッチ、Y タイマ

Claims (13)

  1. 記録材上のトナー像をニップ部にて加熱する加熱回転体と、
    前記加熱回転体との間で前記ニップ部を形成するニップ形成部材と、
    前記加熱回転体の外面に接触して加熱する外部加熱部材と、
    前記外部加熱部材を加熱する加熱手段と、
    前記外部加熱部材の温度を検出する検出手段と、
    前記検出手段の出力に応じて前記外部加熱部材が目標温度を維持するように前記加熱手段を制御する制御手段と、
    前記加熱回転体から所定の種類の記録材を分離させるとき前記加熱回転体に向けてエアを吹き付けるエア吹き付け手段と、を有し、
    前記制御手段は、前記エア吹き付け手段より吹き付けられるエアの温度が第一温度のときは前記第一温度より高い第二温度のときよりも前記外部加熱部材の目標温度が高くなるように前記加熱手段を制御することを特徴とする画像加熱装置。
  2. 前記画像加熱装置が稼動を開始してからの経過時間を計測する計測手段を更に有し、
    前記制御手段は、前記計測手段の出力に応じて前記外部加熱部材の目標温度を制御することを特徴とする請求項1記載の画像加熱装置。
  3. 前記制御手段は、前記計測手段により計測された経過時間が所定時間以上のとき前記外部加熱部材の目標温度を第1の目標温度に設定し、前記計測手段により計測された経過時間が所定時間未満のとき前記外部加熱部材の目標温度を前記第1の目標温度よりも高い第2の目標温度に設定することを特徴とする請求項2記載の画像加熱装置。
  4. 前記エア吹き付け手段により吹き付けられるエアの温度を検出するエア温度検出手段を更に有し、
    前記制御手段は、前記エア温度検出手段の出力に応じて前記外部加熱部材の目標温度を制御することを特徴とする請求項1記載の画像加熱装置。
  5. 前記制御手段は、前記エア温度検出手段により検出された温度が所定温度以上のとき前記外部加熱部材の目標温度を第1の目標温度に設定し、前記エア温度検出手段により検出された温度が所定温度未満のとき前記外部加熱部材の目標温度を前記第1の目標温度よりも高い第2の目標温度に設定することを特徴とする請求項4記載の画像加熱装置。
  6. 前記エア吹き付け手段は、記録材の種類に応じて前記加熱回転体に向けてエアを吹き付けるか否かを制御することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項記載の画像加熱装置。
  7. 前記エア吹き付け手段は、記録材の坪量に応じて前記加熱回転体に向けてエアを吹き付けるか否かを制御することを特徴とする請求項記載の画像加熱装置。
  8. 前記エア吹き付け手段は、記録材の坪量が所定値以下のときエア吹き付け動作を実行するとともに記録材の坪量が前記所定値よりも大きいときエア吹き付け動作を実行しないことを特徴とする請求項記載の画像加熱装置。
  9. 前記加熱回転体及び前記ニップ形成部材を収容するハウジングを更に有し、
    前記エア吹き付け手段は、前記ハウジング内のエアを取り込む構成とされていることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項記載の画像加熱装置。
  10. 前記加熱回転体及び前記ニップ形成部材を収容するハウジングを更に有し、
    前記エア吹き付け手段は、前記ハウジング内に設けられたファンと、前記ファンによるエアを前記加熱回転体に向けて吹き付けるノズルと、を有することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項記載の画像加熱装置。
  11. 前記外部加熱部材を前記加熱回転体に対して接離させる接離機構を更に有し、
    前記接離機構は、画像加熱処理の開始に伴い前記外部加熱部材を前記加熱回転体に接触させるとともに画像加熱処理の終了に伴い前記外部加熱部材を前記加熱回転体から離間させることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項記載の画像加熱装置。
  12. 前記外部加熱部材は、前記加熱手段が内蔵される中空円筒状の基体と、前記基体上に設けられた離型層と、を有し、
    前記検出手段は、前記離型層に接触するように設けられていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項記載の画像加熱装置。
  13. 前記加熱回転体は、加熱手段が内蔵される中空円筒状の基体と、前記基体上に設けられた弾性層と、前記弾性層上に設けられた離型層と、を有することを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項記載の画像加熱装置。
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