JP5716703B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
この加熱回転体として例えば、抵抗発熱体を発熱層として含む無端状の発熱ベルトを用いると、熱容量を小さくすることができるとともに、発熱層から記録シートまでの距離を短くすることができ、その分、発熱層からの伝熱効率を高めることができる。その結果、定着装置の消費電力を少なくし、定着装置のウォームアップに要する加熱時間を短縮化することができる。
このような抵抗発熱体を発熱源とする加熱回転体を用いて小サイズの記録シート上の未定着画像を連続的に熱定着させる場合、加熱回転体の通紙領域(以下、「通紙領域」という。)の表面温度は、記録シートとの接触により低下するので、当該領域の温度を定着可能な目標温度に維持するため、加熱回転体には、随時電力供給が行われる。この電力供給により、通紙領域は、目標温度に維持されるが、加熱回転体の非通紙領域(以下、「非通紙領域」という。)は、記録シートとの接触による温度低下がないため、電力供給により目標温度より高温に加熱されることになる。
又、通紙領域と非通紙領域との温度差が大きくなりすぎると、小サイズの記録シートの熱定着をした後、連続的に大サイズの記録シートの熱定着をしたときに、熱定着後の画像において、小サイズの記録シートの通紙領域であった部分と非通紙領域であった部分との間に画質差が生じてしまい、高品質の画像を得られないという問題が生じる。或いは、両者の領域の温度差が、非通紙領域の電気抵抗率が下がる方向に大きくなりすぎると、抵抗発熱体を流れる電流量が規格値(例えば、定格電流)を超えてしまうという問題が生じる。
本発明は、上述のような問題に鑑みて為されたものであって、抵抗発熱体を発熱源とする加熱回転体により未定着画像を熱定着させる定着装置において、通紙領域と非通紙領域との温度差を適切な温度差に維持しつつ、熱定着動作中の非通紙領域の電力消費率の上昇を抑制することが可能な定着装置及び当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。
これにより、加熱回転体の非通紙領域の温度が、熱定着が可能な下限温度を下回らないように冷却手段による冷却が制御されるので、小サイズの記録シートの熱定着後、連続的に大サイズの記録シートの熱定着動作が行われた場合に、当該非通紙領域が冷却手段により冷却され過ぎて、大サイズの記録シート上の当該非通紙領域に対応する部分において定着不良が生じるのを防止することができる。
これにより、通紙領域の温度(目標温度)と非通紙領域の温度との温度差の絶対値が、光沢ムラが許容される温度差の上限値を超えないように、加熱回転体の非通紙領域の温度に応じて冷却手段による冷却が制御されるので、小サイズの記録シートの熱定着後、連続的に大サイズの記録シートの熱定着動作が行われた場合に、大サイズの記録シートの熱定着後の画像に光沢ムラが生じるのを防止することができる。
ここで、前記定着装置は、前記加熱回転体に圧接して前記加熱回転体との間に定着ニップを形成する加圧回転体を有し、前記冷却手段は、前記熱定着動作中、駆動され、冷風を送風する冷却ファンと、送風される前記冷風を前記加圧回転体における、前記加熱回転体の非通紙領域に対応する領域に導くダクトと、前記ダクトの前記対応する領域への送風口を開閉するシャッターと、を有し、前記制御手段は、前記シャッターによる前記送風口の開閉を制御することにより、前記冷却を制御することとしてもよい。
以下、本発明に係る一形態の画像形成装置の実施の形態を、タンデム型カラーデジタルプリンター(以下、単に「プリンター」という。)に適用した場合を例にして説明する。
[1]プリンターの構成
先ず、本実施の形態に係るプリンターの構成について説明する。図1は、本実施の形態に係るプリンターの構成を示す図である。同図に示すように、このプリンター1は、画像プロセス部3、給紙部4、定着装置5、制御部60を備えている。
以下、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各再現色をY、M、C、Kと表し、各再現色に関連する構成要素の番号にこのY、M、C、Kを添字として付加する。画像プロセス部3は、作像部3Y、3M、3C、3K、露光部10、中間転写ベルト11、2次転写ローラー45などを有している。
露光部10は、レーザーダイオードなどの発光素子を備え、制御部60からの駆動信号によりY〜K色の画像形成のためのレーザー光Lを発し、作像部3Y、3M、3C、3Kの各感光体ドラムを露光走査する。この露光走査により、帯電器32Yにより帯電された感光体ドラム31Y上に静電潜像が形成される。作像部3M、3C、3Kの各感光体ドラム上にも同様にして静電潜像が形成される。
各現像器により現像されて各感光体ドラム上に対応する色のトナー像が形成され
る。形成されたトナー像は、作像部3Y、3M、3C、3Kの各1次転写ローラー(図1では、作像部3Yに対応する一次転写ローラーのみ符号34Yを付し、他の1次転写ローラーについては、符号を省略している。)により、中間転写ベルト11上の同じ位置に重ね合わされるように、中間転写ベルト11上にタイミングをずらして順次1次転写された後、2次転写ローラー45による静電力の作用により中間転写ベルト11上のトナー像が一括して記録シート上に2次転写される。トナー像が2次転写された記録シートは、さらに定着装置5に搬送され、記録シート上のトナー像(未定着画像)が、定着装置5において加熱及び加圧されて記録シートに熱定着された後、排出ローラー71により排紙トレイ72に排出される。
繰り出しローラー42、タイミングローラー44等の各ローラーは、搬送モーター(不図示)を動力源とし、歯車ギヤやベルトなどの動力伝達機構(不図示)を介して回転駆動される。この搬送モーターとしては、例えば、高精度の回転速度の制御が可能なステッピングモーターが使用される。記録シートは、中間転写ベルト11上のトナー像の移動タイミングに合わせて給紙部4から2次転写位置46に搬送され、2次転写ローラー45により中間転写ベルト11上のトナー像が一括して記録シート上に2次転写される。
図2は、定着装置の主要部の構成を示す斜視図である。同図に示すように、定着装置5は、加熱回転体51と、定着ローラー52と、加圧ローラー53と、加熱回転体51(後述する抵抗発熱体層513)の両端部に電圧を印加して通電させる電源部500と、加熱回転体51(後述する電極511、512)に給電するための給電部材501、502と、温度センサー54、55等を有する。定着装置5の全体動作は、後述する定着制御部50によって制御される。
抵抗発熱体層513は、電源部500から電極511、512を通じて給電されることにより、ジュール熱を発熱する層であり、PTC特性を有する。抵抗発熱体層513は、耐熱性樹脂中に、繊維状、針状又はフレーク状の導電性フィラーが回転軸方向に配向するように分散されて構成されている。
又、電気抵抗率の調整を目的として金属合金、金属間化合物などの導電性粒子を抵抗発熱体層513に加えてもよいし、抵抗発熱体層513の機械的強度を向上させるために窒化アルミニウム、アルミナなどを抵抗発熱体層513に加えることとしてもよい。さらに、製造安定性を考慮してイミド化剤、カップリング剤、界面活性剤、消泡剤を抵抗発熱体層513に加えることとしてもよい。抵抗発熱体層513は、芳香族テトラカルボン酸二無水物と芳香族ジアミンとを有機溶媒中で重合して得られるポリイミドワニスに導電性フィラーを均一分散させてから金型に塗布し、イミド転化させて製造する。
補強層514は、抵抗発熱体層513の強度を補強するとともに絶縁性を確保するための層であり、例えば、ポリイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂等の耐熱性樹脂を用いることができる。抵抗発熱体層513と同種の樹脂を用いると抵抗発熱体層513との接着性をよくすることができる。補強層514の厚さは、任意であるが、5〜100μm程度が望ましい。なお、抵抗発熱体層513の強度が充分である場合や、加熱回転体51の絶縁性が確保されている場合には、補強層514がなくてもよい。
電極用の金属としては電気抵抗率が低く、耐熱性、対酸化性に優れたニッケル、ステンレス、アルミニウム等の使用が望ましい。抵抗発熱体層513に直接電極を設ける場合には、化学めっきを施した後、電気めっきを施すとよい。中でも銅(Cu)やニッケル(Ni)が望ましい。
電極の厚さは、厚い方が、剛性が高く、破壊に対して抵抗力が高いが、加圧部材により形成される定着ニップ部において変形し難くなるため、柔軟性とのバランスを考慮すると、10〜100μm、更には30〜70μm程度が望ましい。
図4は、加熱回転体と加熱回転体の非通紙領域に冷風を導く冷却ダクトとの配置関係を示す図である。同図に示すように、符号81、82で示す冷却ダクトは、開口部である送風口81a、82bがそれぞれ、最小通紙範囲より回転軸方向外側の両端部の発熱領域51a、51bと対向するように配置されている。これにより、非通紙領域の範囲が最大となる、最小サイズの記録シートが加熱回転体51に通紙された場合に、両送風口から非通紙領域の全域に冷却ファン80から送風される冷風を導くことができる。
図5は、シャッターを回転軸方向にスライド移動させるためのシャッター駆動機構の具体例を示す。同図に示すように、シャッター駆動機構800は、回転軸方向に延伸する支持板801、ピニオンギア802、ピニオンギア802と噛み合うラック歯803、ピニオンギア802を正転又は逆転駆動させる不図示のパルスモーター等から構成される。
温度センサー55は、非通紙領域の表面温度を検出するための非接触型の温度センサーであり、記録シートのサイズに関わらず、非通紙領域の温度を検出できるように、加熱回転体51の最大通紙範囲よりも回転軸方向外側の発熱領域に非接触に対向するように配置されている。温度センサー54、55としては、例えば、赤外線センサーや非接触型のサーミスタを用いることができる。又、接触型の温度センサー(例えば、接触型のサーミスタ)を温度センサーとして用いることとしてもよい。
定着ローラー52と加圧ローラー53は、芯金522、532の軸方向両端部521、531が図示しないフレームの軸受部に回転自在に軸支される。加圧ローラー53は、駆動モーター(不図示)からの駆動力が伝達されることにより矢印B方向に回転駆動される。この加圧ローラー53の回転に伴って加熱回転体51と定着ローラー52が矢印A方向に従動回転する。なお、加圧ローラー53を回転駆動させる駆動モーターの駆動は、後述する定着制御部50によって制御される。
断熱層523は、加熱回転体51が発熱した熱を芯金522に逃がさないようにするための層である。断熱層523の材料としては、熱伝導率が低く、耐熱性及び弾性を有するゴム材や樹脂材のスポンジ体(断熱構造体)を用いるのが望ましい。加熱回転体51のたわみを許容し、ニップ幅を広くすることができるからである。断熱層523を、ソリッド体とスポンジ体との2層構造にしてもよい。シリコンスポンジ材を断熱層523として用いる場合には、その厚さを1〜10mmとするのが望ましい。さらに望ましくは、2〜7mmとするのがよい。
芯金532は、加圧ローラー53を支持する部材であり、耐熱性と強度を有する材料から構成される。芯金532の材料としては、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス等を用いることができる。芯金532は、パイプ形状で厚さが0.1から10mmの場合や、中実や断面形状が三ツ矢形状等の異型の場合もある。弾性層533は、シリコーンゴム、フッ素ゴム等の弾性体で、厚さ1〜20mmの範囲内の耐熱性の高い材料で構成される。離型層534は、離型層516と同様に、加圧ローラー53と記録シートとの離型性を高めるための層であり、離型層516と同様の材料及び厚さで構成することができる。
図6は、制御部の構成と制御部による制御対象となる主構成要素との関係を示す図である。制御部60は、所謂コンピュータであって、同図に示されるように、CPU(Central Processing Unit)601、通信インターフェース(I/F)部602、ROM(Read Only Memory)603、RAM(Random Access Memory)604、画像データ記憶部605、許容温度差記憶部606などを備える。
RAM604は、CPU601のプログラム実行時のワークエリアとして用いられる。
画像データ記憶部605は、通信I/F部602や画像読取装置8を介して入力された、印刷用の画像データを記憶している。許容温度差記憶部606は、許容温度差を記憶している。
定着制御部50は、所謂コンピュータであって、CPU、ROM、RAM等から構成される。定着制御部50は、加圧ローラー53の駆動モーターの駆動を制御することにより、加熱回転体51、定着ローラー52及び加圧ローラー53の回転駆動を制御したり、冷却ファン80の駆動を制御したり、温度センサー54を介して通紙領域の温度を監視し、抵抗発熱体層513へ電源を供給する電源部500の電源のオン・オフを制御することにより、通紙領域の表面温度が、熱定着が可能な目標温度(ここでは、150℃)になるように制御したりすることによって、定着装置5の全体の動作を制御する。
図7は、定着制御部が行う非通紙領域冷却制御処理の動作を示すフローチャートである。定着制御部50は、通信I/F部602を介してユーザーからの印刷ジョブが取得されると(ステップS701)、定着制御部50は、当該印刷ジョブが指定する記録シートのサイズを特定する(ステップS702)。
そして、当該温度差の絶対値(d)が許容温度差以上でない(許容温度差未満の)場合には(ステップS708:NO)、定着制御部50は、パルスモーター85の回転を制御することにより、冷却ダクト81、82の送風口81a、82bが、記録シートのサイズに応じた開口面積で開状態になるようにシャッター83、84のスライド移動量を制御(冷却ダクト81、82の送風口81a、82bの各開口領域が、加熱回転体51の非通紙領域のみに対向し、当該開口領域と通紙領域とが対向しないように、シャッター83、84のスライド移動量を制御して送風口81a、82bの各開口面積を調整)して、送風口81a、82bの各開口領域から非通紙領域に冷風を送り、当該非通紙領域を冷却する(ステップS709)。
定着制御部50は、取得した印刷ジョブが終了する(ステップS711:YES)まで、ステップS706〜ステップS710の処理を繰り返し、当該印刷ジョブが終了すると(ステップS711:YES)、冷却ファン80をオフ状態にし、パルスモーター85の回転を制御することにより、冷却ダクト81、82の送風口81a、82bの全領域が閉状態になるようにシャッター83、84のスライド移動量を制御する(ステップS714)。
又、通紙領域の表面温度(目標温度)と非通紙領域の表面温度との温度差の絶対値が許容温度差を超えないように、非通紙領域の冷却が制御されるので、小サイズの記録シートの熱定着をした後、連続的に大サイズの記録シートの熱定着をしたときに、熱定着後の画像において小サイズの記録シートの通紙領域であった部分と非通紙領域であった部分との間に光沢ムラが生じないようにすることができ、当該画像の画質が低下しないようにすることができる。
図8は、本実施の形態に係る定着装置において、加熱回転体の最小通紙範囲に相当するサイズの記録シートを用いて熱定着動作を行い、非通紙領域の表面温度と消費電力量との関係について調べた結果を示す表である。なお、当該熱定着動作において、加熱回転体51の通紙領域の目標温度は150℃とした。同図の符号Aは、通紙領域の表面温度を、符号Bは、非通紙領域の表面温度をそれぞれ示す。
同図の符号Fは、抵抗発熱体層513を流れる電流量(A)を示し、符号Gは、通紙領域全体における供給電力(W)を、符号Hは、非通紙領域全体における供給電力(W)を、符号Iは、加熱回転体51全体における供給電力(W)をそれぞれ示す。
同図の表の結果が示すように、非通紙領域の表面温度が上昇するに従って、当該非通紙領域全体のPTC特性を有する抵抗発熱体層513の抵抗値(D)が大きくなり、その分、総電力消費量が多くなる。従って、本実施の形態のように、当該非通紙領域を冷却ファン80で冷却して、目標温度と当該領域の表面温度との温度差が許容温度差(20℃)になるように制御することにより、当該冷却制御を行わない場合に比較して総電力消費量を少なくすることができる。
(変形例)
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明が上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例を実施することができる。
(1)本実施の形態では、PTC特性を有する抵抗発熱体層513を用いて加熱回転体51を構成し、熱定着動作が行われている間、非通紙領域に対して非通紙領域冷却制御処理を行うことにより、非通紙領域における総消費電力量が当該非通紙領域の温度上昇によって増加するのを抑制することとしたが、本実施の形態の非通紙領域冷却制御処理は、NTC特性を有する抵抗発熱体層を用いた加熱回転体に対しても、処理の一部を変更することで同様に適用することができる。
そして、当該温度差の絶対値(d)が許容温度差を下回らない(許容温度差以上の)場合(ステップS902:NO)、定着制御部50は、ステップS709の処理に移行し、当該温度差の絶対値(d)が許容温度差を下回る場合には(ステップS902:YES)、ステップS710の処理に移行する。
ここでは、図9の変形例の処理の場合における、許容温度差として、光沢ムラが許容される温度差の上限値(例えば、20℃)を用いることとする。なお、定着装置を構成する部品に熱劣化が生じるときの目標温度と非通紙領域の表面温度との温度差の絶対値(例えば、熱劣化が生じる非通紙領域の温度を250℃とすると、目標温度(150℃)との温度差の絶対値は100℃となる。)を許容温度差として用いることとしてもよい。
このため、非通紙領域の表面温度が必要以上に上昇しないように、NTC特性を有する抵抗発熱体層を用いた場合においても、本実施の形態の非通紙領域冷却制御処理と同様の冷却制御を行うことが必要となる。
又、非通紙領域が過熱されて通紙領域の表面温度(目標温度)と非通紙領域の表面温度との温度差が、光沢ムラが許容される上限値を超えないように、非通紙領域が冷却されるように制御されるので、小サイズの記録シートの熱定着をした後、連続的に大サイズの記録シートの熱定着をしたときに、熱定着後の画像において小サイズの記録シートの通紙領域であった部分と非通紙領域であった部分との間に光沢ムラが生じないようにすることができる。
同図の定着装置においては、定着ベルト92の周回経路内側に、加熱部材91が配置され、加熱部材91が定着ベルト92を介して加圧ローラー93に押圧されて定着ベルト92の外周面と加圧ローラー93の外周面との間に定着ニップが形成される。又、加熱部材91には、抵抗発熱体層と外部との間の絶縁性を確保するための絶縁層が形成されている。
(3)本実施の形態では、許容温度差として、光沢ムラが許容される温度差の上限値を用い、通紙領域の表面温度(目標温度)と非通紙領域の表面温度との温度差が許容温度差を超えないように、非通紙領域の冷却のオン・オフを制御することとしたが、目標温度と熱定着が可能な温度の下限値との温度差の絶対値(例えば、25℃、或いは30℃)を許容温度差として用いることとしてもよい。
これにより、非通紙領域が冷却されすぎて、その電気抵抗率が下がりすぎ、抵抗発熱体層513を流れる電流量が規格値(例えば、定格電流)を超える事態が発生するのを防止することができる。
又、本実施の形態および(1)、(2)、(3)の変形例では、冷却ファン80を非通紙領域の冷却と、熱定着後の記録シートの冷却に兼用することとしたが、非通紙領域の冷却専用の冷却ファンから冷却ダクト81、82に冷風を導くこととしてもよい。
(5)本実施の形態及び(1)、(2)、(3)の変形例では、冷却ダクト81、82の送風口81a、82bについて、記録シートのサイズに応じて送風口の開口面積をシャッター83、84のスライド移動量を制御して調整し、シャッター83、84を開閉することにより、非通紙領域の冷却のオン・オフを切替えることとしたが、シャッターの代わりに、送風口に、冷風の方向を変更可能な冷風方向変更部材を設け、当該変更部材の向きを定着制御部50により制御することとし、記録シートのサイズに応じて冷風が加熱回転体51又は加圧ローラー53に当たる方向を変更したり、冷風が加熱回転体51又は加圧ローラー53に当たらない方向に変更したりすることにより、非通紙領域の冷却のオン・オフを切替えることとしてもよい。
3 画像プロセス部
3Y〜3K 作像部
4 給紙部
5 定着装置
50 定着制御部
51 加熱回転体
54、55 温度センサー
60 制御部
80 冷却ファン
81、82 冷却ダクト
83、84 シャッター
85 パルスモーター
500 電源部
501、502 給電部材
511、512 電極
513 抵抗発熱体層
514 絶縁層
515、533 弾性層
516、534 離型層
521、531 芯金端部
522、532 芯金
523 断熱層
Claims (7)
- 電気抵抗率が温度により変化する抵抗発熱体を発熱源とする加熱回転体に記録シートを圧接通紙して未定着画像を熱定着させる定着装置であって、
前記加熱回転体の通紙領域の温度と非通紙領域の温度を監視する温度監視手段と、
熱定着動作中、前記通紙領域の温度が目標温度に維持されるように前記抵抗発熱体への電力供給を行う電力供給手段と、
前記非通紙領域を冷却する冷却手段と、
前記非通紙領域に相当する部分の抵抗発熱体の電気抵抗率が前記通紙領域に相当する部分の抵抗発熱体の電気抵抗率よりも小さくなり、かつ、前記通紙領域と前記非通紙領域の温度差の絶対値が許容温度差を超えないように、熱定着動作中の前記非通紙領域の温度に応じて前記冷却手段による冷却を制御する制御手段と、
を備え、
前記抵抗発熱体は、温度上昇に応じて電気抵抗率が上昇するPTC特性を有し、
前記制御手段は、前記非通紙領域の温度が前記目標温度よりも低くなるように、前記冷却手段による冷却を制御する
ことを特徴とする定着装置。 - 前記許容温度差は、前記目標温度と熱定着が可能な下限温度との温度差の絶対値である
ことを特徴とする請求項1記載の定着装置 - 前記許容温度差は、光沢ムラが許容される温度差の上限値である
ことを特徴とする請求項1に記載の定着装置。 - 前記冷却手段は、
前記熱定着動作中、駆動され、冷風を送風する冷却ファンと、
送風される前記冷風を前記加熱回転体の非通紙領域に導くダクトと、
前記ダクトの前記非通紙領域への送風口を開閉するシャッターと、
を有し、
前記制御手段は、前記シャッターによる前記送風口の開閉を制御することにより、前記冷却を制御する
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の定着装置。 - 前記定着装置は、前記加熱回転体に圧接して前記加熱回転体との間に定着ニップを形成する加圧回転体を有し、
前記冷却手段は、
前記熱定着動作中、駆動され、冷風を送風する冷却ファンと、
送風される前記冷風を前記加圧回転体における、前記加熱回転体の非通紙領域に対応する領域に導くダクトと、
前記ダクトの前記対応する領域への送風口を開閉するシャッターと、
を有し、
前記制御手段は、前記シャッターによる前記送風口の開閉を制御することにより、前記冷却を制御する
ことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の定着装置。 - 前記加熱回転体は、無端状のベルトである
ことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の定着装置。 - 請求項1〜6の何れかに記載の定着装置
を備えることを特徴とする画像形成装置。
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