JP5748454B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真複写機、電子写真プリンタなどの画像形成装置に関する。

電子写真方式のプリンタや複写機などの画像形成装置に搭載する定着装置として、セラミックス製の基板上に発熱抵抗体を有するヒータと、このヒータに接触しつつ移動する定着フィルムと、所定の加圧力で加圧されることでその定着フィルムを介してヒータとニップ部を形成する加圧部材と、を有するフィルム加熱方式の定着装置がある。フィルム加熱方式の定着装置は、未定着トナー画像を担持する記録材をニップ部で挟持搬送しつつ記録材にトナー画像を加熱定着するものである。

これらの定着装置を搭載した画像形成装置では、定着フィルムと加圧部材の加圧状態を変化させる機構（以下、圧力変更機構と記す）が必要に応じて設けられている。この圧力変更機構は定着時以外で定着フィルムと加圧部材の加圧力を定着時よりも低くすることが出来、これは、定着フィルムと加圧部材が加圧状態のまま停止していると、定着フィルムや加圧部材に使用されているゴムなどの弾性体がセットしてしまうのを防ぐ為である。

特許文献１には、この様な圧力変更機構を設けた定着装置が開示されている。

特開２００７−２５６８７５

特許文献１に開示されているような圧力変更機構を設けた定着装置を搭載した画像形成装置では従来、定着フィルムと加圧部材が定着可能な加圧状態とされてからヒータに通電が開始されていた。これは、定着可能な加圧状態よりも軽圧状態でヒータに通電すると、ヒータが急激に昇温してしまいヒータが割れてしまうという問題を防止するためであった。しかし、この構成ではプリント開始時に定着装置が定着可能な所定温度に到達するまでの時間（以下、立ち上げ時間と記す）が圧力変更機構の動作時間分だけ余分にかかってしまうため、ファーストプリントアウトタイム（以下、ＦＰＯＴと記す）を短縮することが困難であった。ＦＰＯＴとは、プリント開始信号が入力されてから、一枚目の紙が排出されるまでの時間であり、このＦＰＯＴを短縮することはユーザビリティの面から重要なことである。その為、圧力変更機構を設けた定着装置を搭載しつつ、ヒータ割れが発生することなく立ち上げ時間をさらに速くできる画像形成装置が求められている。

上述の課題を解決するための好適な実施形態の一つ目は、画像を記録材に形成する画像形成部と、筒状のベルトと、前記ベルトの内面に接触するヒータと、前記ベルトを介して前記ヒータと共にニップ部を形成するローラと、を有し、前記ニップ部で前記画像が形成された記録材を搬送しながら加熱し前記画像を記録材に定着する定着処理を行う定着部と、前記ニップ部の圧力が第１の圧力に設定される第１の状態と、前記ニップ部の圧力が前記第１の圧力よりも大きい第２の圧力に設定される第２の状態と、を切り替える圧力切り替え部と、前記ヒータへ供給する電力を制御する制御部と、を備え、前記第１の状態でプリント信号を受信した場合、前記第１の状態から前記第２の状態への移行を行い、前記移行の完了前に前記ヒータへの電力供給を開始し、前記第２の状態で定着処理を行う画像形成装置において、前記定着部は、前記ベルトの温度を検知する第１の温度検知部材と、前記ヒータの温度を検知する第２の温度検知部材と、を有し、前記第１の状態で前記プリント信号を受信した場合、前記制御部は、前記移行の完了前は前記第２の温度検知部材の検知温度が所定の上限温度を超えないように制御し、前記移行の完了後は前記第１の温度検知部材の検知温度が目標温度に維持されるように制御することを特徴とするものである。
上述の課題を解決するための好適な実施形態の２つ目は、画像を記録材に形成する画像形成部と、筒状のベルトと、前記ベルトの内面に接触するヒータと、前記ベルトを介して前記ヒータと共にニップ部を形成するローラと、を有し、前記ニップ部で前記画像が形成された記録材を搬送しながら加熱し前記画像を記録材に定着する定着処理を行う定着部と、前記ニップ部の圧力が第１の圧力に設定される第１の状態と、前記ニップ部の圧力が前記第１の圧力よりも大きい第２の圧力に設定される第２の状態と、を切り替える圧力切り替え部と、前記ヒータへ供給する電力を制御する制御部と、を備え、前記第１の状態でプリント信号を受信した場合、前記第１の状態から前記第２の状態への移行を行い、前記移行の完了前に前記ヒータへの電力供給を開始し、前記第２の状態で定着処理を行う画像形成装置において、前記定着部は、前記ベルトの温度を検知する第１の温度検知部材と、前記ヒータの温度を検知する第２の温度検知部材と、を有し、前記第１の状態で前記プリント信号を受信した場合、前記制御部は、前記移行の完了前は前記第２の温度検知部材の検知温度に基づいて制御し、前記移行の完了後は前記第１の温度検知部材の検知温度に基づいて制御することを特徴とするものである。

以上説明したように、本発明によれば、プリント信号が入力して圧力解除状態から加圧状態へ移行する場合、電力制御部が、加圧状態に達する前の移行期間中にヒータへの電力供給を開始し、この移行期間中のヒータの温度が一定の温度以上とならないように供給電力を制御することで、ヒータ割れが発生することなく立ち上げ時間がより速い画像形成装置を提供することが可能となる。

画像形成装置の概略構成模型図 定着装置の概略構成断面図 （ａ）ヒータの構成断面図、（ｂ）ヒータの上面図 圧力変更機構の概略側面図 実施例１に於ける圧力状態と電力制御タイミング図 比較例１に於ける圧力状態と電力制御タイミング図 実施例２に於ける圧力状態と電力制御タイミング図

（実施例１）
（１）画像形成装置
図１は画像形成装置の一例の概略構成模型図である。この画像形成装置は、高速性という点で特に優れているタンデム方式を採用した電子写真カラー画像形成装置である。図１において、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋは、各々イエロー、マゼンダ、シアン、ブラック用のトナー像形成ユニット（画像形成部）である。各ユニットは何れも、像担持体としての回転ドラム型の電子写真感光体（以下、感光ドラムと記す）１、帯電器２、レーザー露光光学系３、現像器４、クリーニング器５、等を有する電子写真プロセス機構より構成されている。感光ドラム１は矢印方向に所定の周速度で回転駆動され、公知の電子写真画像形成プロセスにより感光ドラム表面に各色に対応したトナー画像が形成される。

６は駆動ローラ７とターンローラ８との間に張り渡された転写ベルトである。転写ベルト６は、各ユニットＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋの下側に、全ユニットに亘らせて配設してあり、矢印の反時計方向に感光ドラム１の周速度に対応した周速度で回転駆動される。９は転写ローラであり、各ユニットＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋにおいて、感光ドラム１の下面に対して転写ベルト６を挟んで圧接して転写ニップ部を形成している。１０はレジストローラであり、不図示の給紙機構部から一枚分離給紙されたシート状の記録材（転写材、用紙）Ｐを、転写ベルト６の第一ユニットＹ側の端部に所定の制御タイミングで給送する。給送された記録材Ｐは電極ローラ１１により転写ベルト６の面に静電的に貼り付けられる。転写ベルト６はその記録材Ｐを保持して第一〜第四のユニットＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋの転写ニップ部へ順次に搬送する。Ｖ１１は電極ローラ１１に対するバイアス印加電源である。Ｖ９は各転写ローラ９に対する転写バイアス印加電源である。これにより同一の記録材Ｐの面にイエロートナー像、マゼンダトナー像、シアントナー像、ブラックトナー像が順次、位置合わせ状態で重畳転写され、未定着のフルカラートナー像（未定着画像）が形成される。第四のユニットＫの転写ニップ部を搬送されて通過した記録材Ｐは、転写ベルト６から分離され、定着装置Ｆに導入されて未定着トナー像の加熱定着処理を受けてフルカラー画像形成物として排出搬送される。

（２）定着装置（定着部）Ｆ
図２は定着装置Ｆの概略構成断面図である。この定着装置Ｆは、フィルム加熱方式の定着装置であり、以下に概略構成について説明する。図２の２００は加熱ユニットであり、加熱される定着ベルト（エンドレスベルト）１３０と、その内側に発熱源であるヒータ１３１を備えている。このヒータ１３１を定着ベルト１３０の内面に接触させることで熱を伝達し、定着ベルト１３０が加熱される。ヒータ１３１と定着ベルト１３０内面の接触部を以下ヒータニップと呼ぶ。２０１は加熱される定着ベルト１３０に対向する加圧ローラである。記録材は定着ベルト１３０と加圧ローラ２０１の間の定着ニップ部で挟持搬送される。定着ニップ部は定着ベルト１３０を介してヒータ１３１と加圧ローラ２０１間に圧力を加えることで形成されている。

定着ベルト１３０は、厚さ３０μｍ、内径２４ｍｍの円筒状に成形されたステンレス（ＳＵＳ）よりなる基層の上に、弾性層として３００μｍのシリコーンゴム層を設け、更に外側を厚み３０μｍの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）チューブを被覆し、離型層を形成したものである。定着ベルト１３０の基層としては、その他ニッケル等の金属材料や、ポリイミド等の耐熱樹脂材料等を用いることが出来る。図３−（ａ）は加熱部材であるヒータ１３１の構成断面図、図３−（ｂ）はヒータ１３１の定着ベルト１３０との非当接面側の上面図である。ヒータ１３１は、長さ２７０ｍｍ、幅８ｍｍ、厚み０．８ｍｍに成形されたアルミナ、窒化アルミ等のセラミックスよりなる基板１３３上に発熱抵抗体パターン１３４を形成したものである。本実施例では、定着ベルト１３０との非当接面側の基板面上に発熱抵抗体パターン１３４を印刷により形成し、その上に厚み８０μｍの絶縁用耐熱ガラス保護層１３５を設けた。発熱体抵抗パターン１３４には導電パターン１３７、１３８が接続して形成され、導電パターン１３７から給電される。また、基板面の定着ベルト１３０側には、定着ベルト１３０との摺動性を良好に保ち双方の摩擦を防止する為に、厚み１０μｍのポリイミド樹脂層１３６が形成されている。

定着ベルト１３０の温度やヒータ１３１の温度を目標値に制御するため、定着ベルト１３０の内面には温度検知素子であるメインサーミスタ１６０が、ヒータ１３１の定着ベルト１３０との非当接面側にはサブサーミスタ１６１が、それぞれ接触して設けられている。この検知結果に応じ、電力制御部（不図示）により所定の定着温度（目標温度）を維持するように投入電力が制御される。
１３２は耐熱性の樹脂（液晶ポリマー等）よりなるホルダ部材であり、ヒータ１３１を保持するのと同時に、定着ベルト１３０の走行をガイドする役割を担う。１５１は長手方向に渡ってホルダ部材を支える金属骨格である。圧力変更機構１５０より金属骨格１５１が受けた総圧２２５Ｎの加圧力は、ホルダ部材１３２を通じて長手方向に対し均一になるようヒータ１３１へ伝達され、その結果ヒータ１３１は定着ベルト１３０を加圧ローラ２０１へ圧接させる。

図４は圧力変更機構１５０の概略側面図である。圧力変更機構１５０はカム部材１５２などで構成されている。このカム部材１５２が回動することにより、回転中心Ａを支点として加圧板１５３が上下に動き、圧縮バネ１５４より加圧点１５５に掛かる圧力が変化し、支持部材１５６に支持された樹脂部材１５７から金属骨格１５１、ホルダ部材１３２へと掛かる圧力が変化する。この機構により、圧接部（定着ニップ部）に掛かる圧力を変更できる。定着処理時には総圧２２５Ｎの加圧力をかけているが、定着処理時以外ではカム部材１５２が回転して加圧力を軽減し定着ベルト１３０と加圧ローラ２０１がセットするのを防ぐ役割を果たす。ここで言う定着処理時以外とは、画像形成装置の電源ＯＦＦ時やスリープ時などのことであるが、これに限らず必要に応じてこの加圧力軽減の動作を行ってもよい。なお、圧力変更機構１５０は、前述した構成に限定されるものではなく、圧接部に掛かる圧力を変更する構成であれば、その他の構成であっても良い。

加圧ローラ２０１は外径１８ｍｍの鉄製芯金１４０の上に厚さ３．５ｍｍのシリコーンゴム弾性層１４１を設け、更にその上に厚さ５０μｍのＰＦＡよりなる離型層１４２を設けたものを用いた（よって加圧ローラの外径は約２５ｍｍ）。加圧ローラの製品硬度は５６度（ＡＳＫＥＲ−Ｃ 荷重９．８Ｎ）とした。ヒータ１３１からの加圧力を受け弾性層１４１が変形することによりできた定着ニップ部１０１の幅はおよそ１０ｍｍである。本実施例では加圧ローラ２０１が駆動モータ（不図示）により駆動される。駆動モータの動作は、制御部（不図示）により駆動、停止や回転速度が制御されている。

定着ベルト１３０は加圧ローラ２０１との定着ニップ１０１で働く摩擦力により加圧ローラ２０１に従動し、ヒータ１３１及びホルダ部材１３２の一部に圧接摺動しながら矢印方向に加圧ローラ２０１と同じ周速度で回転駆動される。

坪量６０〜１００ｇ／ｍ^２の普通紙等の上に画像形成を行う通常の画像形成時は、加圧ローラ２０１が２４０ｍｍ／ｓｅｃの周速で駆動されると共に、定着ベルト１３０裏面の温度が１９０℃となるようヒータ１３１への通電が調整される。

転写プロセスまでを終え、未定着トナー像１０４をその上に載せた記録材１０５は定着ニップ部へ導かれ、ニップ部で加えられる圧力と定着ベルト１３０やヒータ１３１から伝えられる熱によりトナーが溶融され記録材１０５上に定着される。

（３）圧力変更機構と電力制御タイミング
図５は定着装置の圧力状態と電力制御タイミング図である。図５を用いて、本発明の特徴である、定着装置の圧力状態と電力制御タイミングについて説明する。

まず、図５（ａ）を用いて定着装置の圧力状態を説明する。始めに画像形成装置にプリント開始の信号が入力される（このタイミングをＴ０とする）。次にプリント信号が入力されると直ちに圧力変更機構１５０によって定着ニップ部にかかる圧力を解除した圧力解除状態Ｐ１（本実施例では総圧５０Ｎ）から、定着処理時の圧力が掛かった加圧状態Ｐ２（本実施例では総圧２２５Ｎ）へと移行を開始し、加圧状態Ｐ２となる（このタイミングをＴ３とする）。ここでＴ０´はＰ１からＰ２への制御上の遅延時間であり、実際に加圧力が変化し始めるタイミングである。本実施例ではＴ０からＴ０´までは０．１秒である。また、ここで言う圧力解除状態Ｐ１とは加圧ローラの変形を抑えることが出来ればよい状態であって、無加圧状態から加圧状態Ｐ２よりも圧力が低い軽圧状態までを含む。

この時、電力制御部（不図示）は、Ｔ０のタイミングでヒータ１３１への電力供給を開始し、実際にヒータ温度が上昇するタイミングをＴ１とする。本実施例では投入電力は最大１０００Ｗ、Ｔ０からＴ１までは０．２秒である。ここで、Ｔ１のタイミングと加圧力の変化タイミングＴ０´は入れ替わっても良い。また、この移行期間中Ｔ２のヒータ１３１の温度が一定の温度以上とならないように、移行期間中Ｔ２では定着処理時とは別にヒータ１３１の温度上限値を設け、供給電力を制御する。

この温度上限値はヒータが急激に昇温してヒータ割れを起こすのを防ぐ為のものである。従来のように加圧状態Ｐ２に達してからヒータ１３１への電力供給を開始する構成では、十分な加圧力が掛かっており熱が逃げやすい為、ヒータ１３１が急激に昇温することはない。しかし、本実施例のように移行期間中Ｔ２にヒータ１３１への電力供給を開始する構成では、加圧力が十分でないのでヒータ１３１に熱が篭り易い。よって、ヒータ１３１が急激に昇温してヒータ割れをおこしてしまう恐れがあるため、加圧状態Ｐ２に達するまではヒータ１３１に接するように配置されたサブサーミスタ１６１の温度上昇速度を見ながら、温度上限値を超えないように供給電力を制御する。本実施例では温度上限値を１２０℃とした。ただし、この温度上限値は定着装置の構成によって変更するものであり、この限りではない。

このときのヒータ１３１の裏面側にあるサブサーミスタ１６１の検知温度遷移グラフを図５（ｂ）に示す。これは、室温から立ち上げた場合の温度推移である。図５（ｂ）のように、圧力解除状態Ｐ１から加圧状態Ｐ２に達する前の移行期間中Ｔ２にヒータ１３１への電力供給を開始するため、サブサーミスタ１６１での検知温度は急激に上昇するが、加圧状態Ｐ２に達すると加圧ローラ２０１に熱が奪われる為、温度上昇は緩やかになる。ここで、Ｔ３以降はヒータ１３１に最大電力１０００Ｗを供給する。この条件において、本実施例での立ち上げ時間（Ｔ４とする）は７．０秒であった。

（比較例１）
実施例１と圧力状態と電力制御タイミング以外は同じ構成とする。図６に比較例１の定着装置の圧力状態と電力制御タイミング図を示す。実施例１では圧力解除状態Ｐ１から加圧状態Ｐ２に達する前の移行期間中Ｔ２にヒータ１３１への電力供給を開始したのに対し、比較例１では、図６（ａ）のように加圧状態Ｐ２に達した後にヒータ１３１への電力供給を開始する。

このときのヒータ１３１の裏面側にあるサブサーミスタ１６１の検知温度遷移グラフを図６（ｂ）に示す。このときのＴ２は１．０秒、Ｔ３からＴ１までは０．２秒である。図６（ｂ）のように、加圧状態Ｐ２に達した後にヒータ１３１への電力供給を開始するため、移行期間中Ｔ２分だけ電力供給の開始が遅れ、立ち上げ時間Ｔ４が実施例１よりも余計に掛かってしまい、８．０秒であった。

（実施例２）
初期投入電力を実施例１よりも多い最大１２００Ｗとし、それ以外は実施例１と同じ構成とする。図７に実施例２の定着装置の圧力状態と電力制御タイミング図を示す。実施例１と同じく、図７（ａ）のように加圧状態Ｐ２に達した後にヒータ１３１への電力供給を開始する。

このときのヒータ１３１の裏面側にあるサブサーミスタ１６１の検知温度遷移グラフを図７（ｂ）に示す。実施例２では初期投入電力が実施例１よりも多い為、図７（ｂ）のように、サブサーミスタ１６１での検知温度は実施例１よりも急激に上昇する。そのため、移行期間中Ｔ２ではヒータ１３１の温度上限値を超えないように供給電力が制御された。加圧状態Ｐ２に達すると、移行期間中での温度上限値から定着処理時の目標温度へと移行する。実施例２では投入電力が多かった為、立ち上げ時間Ｔ４は４．０秒であった。

また、本実施例ではヒータ１３１が室温の状態からの動作について説明したが、ヒータ１３１が暖まっている状態においても、圧力解除状態Ｐ１から同様の制御で立ち上げることが出来る。一方、定着装置が加圧状態Ｐ２の時にプリント信号が入力された場合は、ヒータ１３１への通電開始時から最大電力１２００Ｗを投入してもよい。

以上、本実施例のように、画像形成装置にプリント開始の信号が入力され、電力制御部で圧力解除状態から加圧状態に達する前の移行期間中にヒータへの電力供給を開始し、この移行期間中のヒータの温度が一定の温度よりも高くなってしまわないように、供給電力を制御することにより、ヒータ割れを防止し立ち上げ時間をより速くすることが出来る画像形成装置を得られた。

１０１ 定着ニップ
１３０ 定着ベルト
１３１ ヒータ
１５０ 圧力変更機構
１５２ カム部材
１５３ 加圧板
１５４ 圧縮バネ
１６０ メインサーミスタ
１６１ サブサーミスタ
２００ 加熱ユニット
２０１ 加圧ローラ

Claims (6)

1. 画像を記録材に形成する画像形成部と、
   筒状のベルトと、前記ベルトの内面に接触するヒータと、前記ベルトを介して前記ヒータと共にニップ部を形成するローラと、を有し、前記ニップ部で前記画像が形成された記録材を搬送しながら加熱し前記画像を記録材に定着する定着処理を行う定着部と、
   前記ニップ部の圧力が第１の圧力に設定される第１の状態と、前記ニップ部の圧力が前記第１の圧力よりも大きい第２の圧力に設定される第２の状態と、を切り替える圧力切り替え部と、
   前記ヒータへ供給する電力を制御する制御部と、
   を備え、前記第１の状態でプリント信号を受信した場合、前記第１の状態から前記第２の状態への移行を行い、前記移行の完了前に前記ヒータへの電力供給を開始し、前記第２の状態で定着処理を行う画像形成装置において、
   前記定着部は、前記ベルトの温度を検知する第１の温度検知部材と、前記ヒータの温度を検知する第２の温度検知部材と、を有し、
   前記第１の状態で前記プリント信号を受信した場合、前記制御部は、前記移行の完了前は前記第２の温度検知部材の検知温度が所定の上限温度を超えないように制御し、前記移行の完了後は前記第１の温度検知部材の検知温度が目標温度に維持されるように制御することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記所定の上限温度は、前記目標温度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記第２の状態の時にプリント信号を受信した場合、前記制御部は、前記ヒータへの電力供給の開始時から前記第１の温度検知部材の検知温度が前記目標温度に維持されるように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
4. 前記ヒータは、セラミックスで形成された基板と、前記基板の上に形成された発熱抵抗体と、を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像形成装置。
5. 画像を記録材に形成する画像形成部と、
   筒状のベルトと、前記ベルトの内面に接触するヒータと、前記ベルトを介して前記ヒータと共にニップ部を形成するローラと、を有し、前記ニップ部で前記画像が形成された記録材を搬送しながら加熱し前記画像を記録材に定着する定着処理を行う定着部と、
   前記ニップ部の圧力が第１の圧力に設定される第１の状態と、前記ニップ部の圧力が前記第１の圧力よりも大きい第２の圧力に設定される第２の状態と、を切り替える圧力切り替え部と、
   前記ヒータへ供給する電力を制御する制御部と、
   を備え、前記第１の状態でプリント信号を受信した場合、前記第１の状態から前記第２の状態への移行を行い、前記移行の完了前に前記ヒータへの電力供給を開始し、前記第２の状態で定着処理を行う画像形成装置において、
   前記定着部は、前記ベルトの温度を検知する第１の温度検知部材と、前記ヒータの温度を検知する第２の温度検知部材と、を有し、
   前記第１の状態で前記プリント信号を受信した場合、前記制御部は、前記移行の完了前は前記第２の温度検知部材の検知温度に基づいて制御し、前記移行の完了後は前記第１の温度検知部材の検知温度に基づいて制御することを特徴とする画像形成装置。
6. 前記ヒータは、セラミックスで形成された基板と、前記基板の上に形成された発熱抵抗体と、を有することを特徴とする請求項５に記載の画像形成装置。

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