JP6728996B2 - 定着装置と画像形成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、記録材に画像を定着する定着装置、及び該定着装置を搭載した画像形成装置に関するものである。
プリンタ、複写機、ファクシミリ、又はそれらの少なくとも2つの機能を有する複合機等の電子写真方式画像形成装置において、記録材(用紙、転写紙、記録紙ともいう)に転写されたトナー画像を定着する定着装置では、定着熱源であるハロゲンヒータ等に電力を供給して、定着ローラ、定着ベルト等の定着回転体を加熱し、この熱でトナー像を加熱溶融して記録材に定着する処理を行っている。ここで、「記録材」は、普通紙以外に、厚紙、はがき、封筒、薄紙、塗工紙(コート紙やアート紙等)、トレーシングペーパ、OHPシート等を含む概念である。
ホットオフセットの汚れを発生させず、更に、定着不良を生じない範囲で正常に定着を行うためには、トナー像を溶融して記録材に固定されるための十分な熱量を与える必要がある。しかしながら、記録材に与える熱量が記録材の厚さ方向の表裏で異なることによって記録材に含まれる水分の蒸発量が異なり、更に、記録材の厚さ方向の表裏で達する温度に高低があることで、記録材の表裏での収縮差により、記録材が湾曲する現象が発生することが知られている。この現象で発生するカールは、搬送経路の途中で記録材が搬送経路外壁等に当たることがあり、搬送が適切に行われないことで紙詰まり、あるいは排紙トレイ等に排出された際にスタック不良を引き起こす要因にもなっていた。また、このカールによってユーザの利便性も損なうことになっていた。
カール量を抑えるため、デカーラ機構と称されるカールを矯正するローラ対に記録材を通過させることも従来行われているが、最近は、複数の排紙部を有する画像形成装置が多くなってきており、それら排紙部又は記録材の搬送経路中に対応させてデカール機構を設けることは、画像形成装置の構造が複雑になり、また、コストを削減することが難しくなるという問題点があった。そこで特許文献1では、定着部材(定着回転体)とこれを押圧する加圧部材(対向回転体)との温度差を検知して、通紙時の制御温度を変更することが提案された。ただ、通紙中の狙いの温度(通紙中に保っておきたい温度:通紙により温度が低下したら、その分ヒータの出力を増やして低下分の温度を保つ)である制御温度を変更すると定着不良が発生し易いという問題がある。
また、昨今の省エネの観点から、画像形成装置の電源オンから画像形成実行可能状態までの待ち時間を短くし(クイックスタート性)、あるいはスタンバイ時の消費電力を小さくする(省電力)ため、特に定着装置では、低熱容量化、高熱伝導化、小型化の要請が大きい。そのため、熱源を備え「フィルム」とも称される熱容量の小さな無端状のベルトと、このベルトに外側から圧接し回転するローラと、ベルトの内周側に固定配置され、ローラに圧接されるベルトを支持してベルトとローラとの間に定着ニップ部を形成するニップ形成部材とを備えたベルト方式の定着装置が採用されるようになってきているが、このような構成の定着装置にあっては、熱源を備えたベルトとローラの間の温度差が大きく、従来構成と比べてカールが大きくなるという問題があった。
そこで本発明は、斯かる事情に鑑み、デカーラ機構を必要とせず、また記録材を通紙する部材の制御温度を変更せずに、部材間の温度差を小さくしてカールを減少することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明では、熱源を有する定着回転体と、前記定着回転体とで定着ニップ部を形成する対向回転体と、時間を計測する時間計測手段と、前記対向回転体の温度を計測する対向回転体温度検知手段とを有し、前記定着ニップ部に未定着画像を担持した記録材を搬送して記録材に未定着画像を定着する定着装置において、時間又は温度に関する通紙開始条件が満たされると前記記録材へ印刷動作を開始する手段を設け、定着動作開始信号受信時の前記対向回転体温度検知手段の情報に基づいて前記通紙開始条件のうち、前記定着回転体と前記対向回転体の通紙開始時の温度差条件を変更して記録材への印刷動作開始のタイミングを変更する。
本発明によれば、定着動作開始信号受信時の対向回転体温度検知手段の情報に基づいて時間又は温度に関する通紙開始条件のうち、定着回転体と対向回転体の通紙開始時の温度差条件を変更して記録材への印刷動作開始のタイミングを変更するので、デカーラ機構を要することなく、記録材を通紙する定着回転体、対向回転体の制御温度を変更せずにカールを減少することができる。
本発明の実施形態に係る画像形成装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る定着装置の概略図である。 定着装置を制御する制御系の要部の一例を示すブロック図である。 定着装置の立ち上げ時における定着回転体と対向回転体で検知される各温度の経時変化を図4に示すグラフである。 定着制御温度を変更することなくカール低減を図るための基本的な動作フローを示す図である。 変更する通紙開始条件として通紙開始時間条件を採用する場合の動作フローを示す図である。 信号受信時におけるローラ温度センサの検出温度と、その検出温度の違いによって変更される通紙動作開始までの時間経過の関係を示すグラフである。 変更する通紙開始条件として通紙開始温度条件を採用する場合の動作フローを示す図である。 通紙開始タイミングを変更するに当たり、通紙開始条件に合致しない場合でも設定時間経過により通紙動作を開始する場合の動作フローを示す図である。
以下、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る画像形成装置の全体構成を示す概略図である。ちなみに画像形成装置全体の機構としては、従来と基本的に同じであり、当業者であれば、基本的な構成と動作については直ちに理解できるものである。また各図面において、同一の機能若しくは形状を有する部材やその構成要素については、判別が可能な限り同一符号を付すことで説明を簡略化する。
画像形成装置1はカラープリンタであり、装置本体の下部には記録材としての用紙Pを収容した給紙トレイ10や給紙トレイ10から用紙Pを搬出する給紙ローラ11等が設けられ、給紙トレイ10の上方で装置本体中央に画像形成部を配置した構成となっている。また装置上面には、装置外へ排出された用紙をストックするための排紙トレイ14が形成されている。給紙トレイ10の他に手差し給紙機構が設けられていてもよい。
画像形成部には、無端ループ状の中間転写ベルト30が配設され、この中間転写ベルト30の下部走行辺に沿って、上流側から順にイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)用のドラム状の感光体5Y,5M,5C,5Kを夫々有する4つの作像ユニット4Y,4M,4C,4Kが並んで配置されている。カラー画像の色分解成分に対応するイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色の現像剤を収容している以外、各作像ユニットの構成は同じであり、以下では各トナー色を示すアルファベット(Y,M,C,K)を省いて説明する。各作像ユニットの感光体5の周りには、周知のように帯電装置6,現像装置7,クリーニング装置8等が設けられている。帯電装置6と現像装置7の間から、光学系ユニット9からのレーザ光が感光体5に照射される。光学系ユニット9は、光源、ポリゴンミラー、f−θレンズ、反射ミラー等を有し、画像データに基づいて感光体5の表面へレーザ光を照射するようになっている。中間転写ベルト30の下部走行辺の内側で、各感光体5に夫々対向する位置に、一次転写ローラ31が中間転写ベルト30に接触するように配置されている。
中間転写ベルト30を有する転写装置3は、一次転写手段としての4つの一次転写ローラ31の他に、二次転写手段としての二次転写ローラ36と、二次転写バックアップローラ32と、クリーニングバックアップローラ33と、テンションローラ34と、ベルトクリーニング装置35とを備える。中間転写ベルト30は二次転写ローラ36、二次転写バックアップローラ32及びクリーニングバックアップローラ33によって巻回張架されていて、二次転写バックアップローラ32が回転駆動することで、図の矢印で示す方向に周回走行(回転)するようになっている。また中間転写ベルト30は、カラープリントの場合には4色の作像ユニット(の感光体)に接触する状態に保持され、モノクロプリントの場合には黒用作像ユニット(の感光体)のみに接触する状態を保持するように構成されている。
4つの一次転写ローラ31は、夫々、各感光体5との間で中間転写ベルト30を挟み込んで一次転写ニップを形成している。また、各一次転写ローラ31には、所定の直流電圧(DC)及び/又は交流電圧(AC)が印加されるようになっている。二次転写ローラ36は、二次転写バックアップローラ32との間で中間転写ベルト30を挟み込んで二次転写ニップを形成し、一次転写ローラ31と同様に、二次転写ローラ36にも所定の直流電圧(DC)及び/又は交流電圧(AC)が印加されるようになっている。
ベルトクリーニング装置35は、中間転写ベルト30に当接するように配設されたクリーニングブラシやクリーニングブレードを有し、公知のように、廃トナー移送ホースを介して廃トナー収容器に接続されている。
装置本体の上部にはボトル収容部2が設けられ、ボトル収容部2には補給用のトナーを収容した4つのトナーボトル2Y,2M,2C,2Kが着脱可能に装着されている。各トナーボトル2Y,2M,2C,2Kと各現像装置7との間には、公知のように補給路が設けられ、この補給路を介して各トナーボトル2Y,2M,2C,2Kから各現像装置7へトナーが補給されるようになっている。
装置本体内には、用紙Pを給紙トレイ10から二次転写ニップを通過させて装置外へ排出するための搬送路Rが配設されている。搬送路Rにおいて、二次転写ローラ36より用紙搬送方向上流側には、二次転写ニップへ用紙Pを搬送する搬送手段としての一対のレジストローラ12が配設されている。また、二次転写ローラ36より用紙搬送方向下流側には、用紙Pに転写された未定着画像を定着するための定着装置20が配設されている。更に、定着装置20より搬送路Rの用紙搬送方向下流側には、一対の排紙ローラ13が設けられ、この排紙ローラ13によって装置外へ排出された用紙Pが排紙トレイ14上にストックされる。
次に、プリントのフルカラー画像形成時の基本動作について説明する。本例では、外部から入力された画像データに基づいて、光学系ユニット9にてイエロー、マゼンタ、シアン及びブラックの色情報に分解された各色に対応して、回転駆動され帯電装置6によって所定極性に一様帯電された夫々の感光体5を露光して潜像を形成し、夫々の現像装置7で顕像化し、夫々の一次転写ニップにおいて各トナー像を周回走行する中間転写ベルト30に順次転写することでカラートナー画像として、二次転写ニップへ送られる。中間転写ベルト30に転写し切れなかった各感光体5上のトナーは、クリーニング装置8によって除去される。
一方、給紙トレイ10から給紙ローラ11にて用紙Pが搬送路Rに送り出され、レジストローラ12にいったん突き当てられた上でタイミングが計られ、二次転写ニップにおいてカラートナー画像が転写される。このとき用紙Pに転写し切れなかった中間転写ベルト30上の残留トナーはベルトクリーニング装置35によって除去される。カラートナー画像が転写された用紙Pは定着装置20に搬送され、定着装置20にてトナー画像を定着される。そして、用紙Pは排紙ローラ13によって装置外へ排出され、排紙トレイ14上にストックされる。
次に、図2に基づき、定着装置20の基本構成について説明する。定着装置20は、薄肉で熱容量が小さく可撓性を有し回転可能な「フィルム」とも称される無端状の定着ベルト21と、定着ベルト21に対向し該ベルトに外側から接する加圧ローラ22と、定着ベルト21の内周領域に配され該ベルトを加熱するハロゲンヒータ23と、定着ベルト21に内側から接して加圧ローラ22と相対的な押圧状態となって定着ニップ部Nを形成するニップ形成部材24とを、その主要部として有する。また、ニップ形成部材24を支持するステー25や、ハロゲンヒータ23から放射される光を定着ベルト21の内周面に反射する反射部材26や、定着ベルト21の温度を検知するベルト温度センサ27や、定着ベルト21から用紙を分離する分離部材28や、加圧ローラ22の温度を検知するローラ温度センサ29も備えている。更に、公知のように、定着ベルト21の軸方向両端部には、定着ベルト21とハロゲンヒータ23との間に、ハロゲンヒータ23からの熱を遮蔽する遮蔽部材が配設されている。ステー25や遮蔽部材の表面には断熱若しくは鏡面処理が施され、加熱防止による無駄なエネルギー消費を抑制するようにしてもよい。
定着回転体としての定着ベルト21は、公知のように、その幅方向両端部に位置し固定されたフランジ部材に保持される態様である。定着ベルト21は、ニッケルやSUS等の金属材料又はポリイミド(PI)等の樹脂材料で形成された内周側の基材層と、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(以下、PFA)やポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFE)等、フッ素樹脂で形成された離型層によって構成されている。 基材層と離型層との間に、シリコーンゴム、発泡性シリコーンゴム、フッ素ゴム等のゴム材料で形成された弾性層を介在させてもよい。100μm程度の厚みの弾性層を介在させることでユズ肌画像の発生を回避することができる。また定着ベルト21の最内周側にPTFE等、フッ素樹脂の内面層が設けられていてもよい。
対向回転体としての加圧ローラ22は、金属製の芯金22aと、芯金22aの表面に設けられた発泡性シリコーンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等から成る弾性層22bと、弾性層22の表面に設けられたPFA、PTFE等から成る離型層22cによって構成され、装置本体に設けられた駆動源によって駆動するようになっている。加圧ローラ22が回転駆動すると、その駆動力が定着ニップ部Nで定着ベルト21に伝達され、定着ベルト21が従動回転する。また加圧ローラ22は、公知のように弾性手段によりベルト側へ押されて、ベルトを介してニップ形成部材24に圧接して、その弾性層22bが押し潰されて変形することで、所定のニップ幅を確保するようになっている。図2では定着ニップ部Nは平坦形状であるが、凹形状やその他の形状であってもよい。加圧ローラ22は本例では中実のローラとしているが、中空のローラでもよい。その場合、加圧ローラ22の内部に熱源を有することも可能であるが、ない場合には弾性層にスポンジゴムを用いて断熱性を高めて定着ベルト21の熱が奪われ難くすることができる。
両端部で位置固定されたハロゲンヒータ23は、装置本体に設けられた電源部により出力制御されて発熱するように構成されていて、その出力制御は、定着回転体の温度を計測する定着回転体温度検知手段であるベルト温度センサ27による定着ベルト21の表面温度の検知結果に基づいて行われる。このようなヒータ23の出力制御によって、定着ベルト21の温度を所望の温度(定着温度)に設定できるようになっている。定着ベルト21を加熱する熱源として、ハロゲンヒータ以外に、IH、抵抗発熱体、カーボンヒータ等を用いることも可能である。
ニップ形成部材24は、定着ベルト21の幅方向又は加圧ローラ22の軸方向に渡って長手に配設され、ステー25によって固定支持されている。これにより、加圧ローラ22による圧力でニップ形成部材24に撓みが生じるのを防止し、加圧ローラ22の軸方向に渡って均一なニップ幅が得られるようになっている。なお、ステー25は、ニップ形成部材24の撓み防止機能を満足するために、ステンレスや鉄等の機械的強度が高い金属材料で形成することが望ましい。更に、ステー25を、加圧ローラ22の加圧方向に延在する横長の断面を有するように形成することで断面係数を大きくして、ステー25の機械的強度を向上させることが可能である。
ニップ形成部材24は、耐熱温度200℃以上の耐熱性部材で構成されている。これにより、トナー定着温度域で、熱によるニップ形成部材24の変形を防止し、安定した定着ニップ部Nの状態を確保して、出力画質の安定化を図ることができる。ニップ形成部材24には、ポリエーテルサルフォン(PES)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)等の一般的な耐熱性樹脂を用いることが可能である。本例では、LCPである東レ社製のTI−8000を用いている。
また、ニップ形成部材24は、その表面に低摩擦シートを有していてもよい。定着ベルト21が回転する際、この低摩擦シートに対し定着ベルト21が摺擦することで、定着ベルト21に生じる駆動トルクが低減され、定着ベルト21への摩擦力による負荷が軽減される。
反射部材26は、ステー25とハロゲンヒータ23との間に配設され、ステー25に固定されている。このように反射部材26を配設することにより、ハロゲンヒータ23からステー25側に放射された光が定着ベルト21へ反射され、定着ベルト21に照射される光量を多くすることができ、定着ベルト21を効率良く加熱することができる。また、ハロゲンヒータ23からの輻射熱がステー25等に伝達されるのを抑制することができ、省エネ化も図ることができる。定着ベルト21の軸方向両端部であって、定着ベルト21とハロゲンヒータ23との間に配設された遮蔽部材も、同様の働きを果たす。
図3に、本実施形態に係る定着装置20を制御する制御系の要部の一例を示す。制御手段としての制御部100は、コントローラ部102とエンジン制御部103と記憶部104を備えている。
コントローラ部102は、CPU、ROM、RAM等を備え、エンジン制御部103、操作部101、外部通信インターフェース105等と接続されている。コントローラ部102は、予め組み込まれている制御プログラムを実行することにより、画像形成装置1全体の制御や、外部通信インターフェース105及び操作部101からの入力の制御等を行う。例えば、コントローラ部102は、操作部101を介して入力されたユーザからの指示入力を受け付け、その指示入力に従って各種処理を行う。また、コントローラ部102は、外部通信インターフェース105を介して外部のホストコンピュータ装置等から印刷ジョブ(画像形成ジョブ)の指令や画像データを受信し、エンジン制御部103を制御し、用紙にカラー画像やモノクロ画像を形成して出力する画像形成動作を制御する。
エンジン制御部103は、CPU、ROM、RAM等を備え、コントローラ部102、ROM、RAM等を備えた記憶部104、各種の検知部材等と接続され、予め組み込まれている制御プログラムを実行することにより、コントローラ部102からの指令に基づいて、画像形成処理を行うプリンタエンジン(複数の作像ユニット、光学系ユニット9、定着装置20等)の制御を行う。例えば、エンジン制御部103は、画像形成動作モードにおいて、ベルト温度センサ27で検出した定着ベルト21の温度が記憶部104に記録された定着温度範囲に収まるように、ハロゲンヒータ23への通電を制御したり、対向回転体の温度を計測する対向回転体温度検知手段であるローラ温度センサ29で検出した加圧ローラ22の温度や、時間計測手段106で計測された時間に基づき、記録材への印刷動作を開始する定着に関するモータ駆動部107を制御したりする。
以上のような基本構成を有した定着装置20における特徴的な構成について以下に詳述する。定着装置の立ち上げ時における定着回転体(定着ベルト21)と対向回転体(加圧ローラ22)で検知される各温度の経時変化を図4に示す。熱源は定着ベルト内のみにあるため、先ず定着ベルト21の温度が上がり、その熱をもらった加圧ローラ22が後追いで昇温する。加圧ローラ22は定着ベルト21に比べて熱容量が大きいため、昇温に時間がかかる。そのため、図4中のAのタイミングで通紙する場合と、Bのタイミングで通紙する場合とで定着ベルト21と加圧ローラ22の温度差が大きく異なる。タイミングの早いAの場合は、温度差が大きく、カールも大きくなる。コールドオフセット等,定着性の問題を出さないためにはAのタイミングでも出力できるが、Bのタイミングまで待って出力させた方がカール低減につながる。
そこで図5に示すように、印刷準備要求(PPR)である定着動作開始信号を受けると、ローラ温度センサ29で加圧ローラ22の温度情報を取得し(S1)、取得した情報に基づいて、時間と温度に関する通紙開始条件を変更して(S2)、通紙開始タイミングをタイミングAからタイミングBへ変更する。なお、取得する温度情報によっては通紙開始条件を変更しない場合もあるが、ここでは「変更しない場合」も含めて「変更」と称する。そして、しかる後にヒータをオンする等、用紙受け入れ準備たる定着動作開始に入る(S3)。時間と温度に関する通紙開始条件に合致しているか否かを判断し(S4)、合致していれば通紙を開始する(S5)。このように通紙開始タイミングを変更することにより、定着ベルト21と加圧ローラ22の温度差が小さくなり、カールを低減できる。
変更する通紙開始条件として、定着動作開始信号を受信してから通紙開始動作に移るまでの時間(通紙開始時間条件)を採用することができる。例えば、定着動作開始信号受信時の加圧ローラ22の温度に応じて、時間設定を表1のように変える。即ち、図6に示すように、定着動作開始信号を受けると、ローラ温度センサ29で加圧ローラ22の温度情報を取得し(S11)、取得した情報に基づいて、通紙開始時間条件を変更して(S12)、かかる後に定着動作開始に入る(S13)。通紙開始時間条件を経過しているか否かを判断し(S14)、時間経過していれば通紙を開始する(S15)。信号受信時におけるローラ温度センサ29の検出温度と、その検出温度の違いによって変更される通紙動作開始までの時間経過の関係を図7に示す。いずれも、時間設定を変更することで加圧ローラ22と定着ベルト21の温度差が小さい時に通紙でき、カールを低減できる。
Figure 0006728996
変更する通紙開始条件として、定着ニップ部を形成する部材である加圧ローラ22、定着ベルト21の通紙開始時の温度条件(通紙開始温度条件:通紙を開始する際の温度)を採用することができる。例えば、定着動作開始信号受信時の加圧ローラ22の温度に応じて、通紙開始時の各部材の温度条件を表2から表4のように変える。表2では、加圧ローラ22の通紙開始温度条件を変更している。表3では定着ベルト21、加圧ローラ22双方の通紙開始温度条件を変更している。表4では、定着ベルト21と加圧ローラ22の温度差分を通紙開始温度条件としている。これらの通紙条件変更に基づく動作フローを図8に示す。即ち、定着動作開始信号を受けると、ローラ温度センサ29で加圧ローラ22の温度情報を取得し(S21)、取得した情報に基づいて、通紙開始温度条件を変更して(S22)、しかる後に定着動作開始に入る(S23)。そして、定着ベルト21、加圧ローラ22の各温度が通紙開始条件に一致しているか否かを判断し(S24)、一致していれば更に両者の温度差が通紙開始条件に一致しているか否かを判断し(S25)、一致していれば通紙を開始する(S26)。
Figure 0006728996
Figure 0006728996
Figure 0006728996
以上のように、通紙開始タイミングを変更すべく、通紙開始条件を変更するに当たり、ジョブが開始されない不具合を発生しないように、設定された時間が経過したならば通紙開始条件に合致しない場合でも通紙動作を開始するようにしてもよい。即ち、図9に示すように、定着動作開始信号を受けると、ローラ温度センサ29で加圧ローラ22の温度情報を取得し(S31)、取得した情報に基づいて、通紙開始条件を変更して(S32)、しかる後に定着動作開始に入る(S33)。そして、通紙開始条件に合致しているか否かを判断し(S34)、合致していれば通紙を開始する(S36)通紙開始条件に合致していない場合には、予め設定された規定時間を経過しているか否かを判断し(S35)、規定時間を経過していれば、通知開始条件の合致を問題にせずに、通紙を開始する(S36)。
20 定着装置
21 定着ベルト
22 加圧ローラ
23 ハロゲンヒータ
24 ニップ形成部材
25 ステー
N 定着ニップ部
P 用紙
特許第5106252号公報

Claims (3)

  1. 熱源を有する定着回転体と、前記定着回転体とで定着ニップ部を形成する対向回転体と、時間を計測する時間計測手段と、前記対向回転体の温度を計測する対向回転体温度検知手段とを有し、前記定着ニップ部に未定着画像を担持した記録材を搬送して記録材に未定着画像を定着する定着装置において、
    時間又は温度に関する通紙開始条件が満たされると前記記録材へ印刷動作を開始する手段を設け、定着動作開始信号受信時の前記対向回転体温度検知手段の情報に基づいて前記通紙開始条件のうち、前記定着回転体と前記対向回転体の通紙開始時の温度差条件を変更して記録材への印刷動作開始のタイミングを変更することを特徴とする定着装置。
  2. 定着動作開始信号受信時の前記対向回転体温度検知手段の情報に基づいて前記通紙開始条件の変更の判断をした後に予め設定された時間を経過しても前記通紙開始条件を満たさない場合には、前記通紙開始条件の合致を問題とせずに前記記録材への印刷動作を開始することを特徴とする請求項1記載の定着装置。
  3. 請求項1又は2に記載の定着装置を備える画像形成装置。
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