先ず、本発明の実施形態に係るプリンター1(画像形成装置)の全体の構成について図1を参照しながら説明する。以下、説明の便宜上、図1における紙面手前側をプリンター1の前側とする。各図に適宜付される矢印L、R、U、Lo、Fr、Rrは、それぞれプリンター1の左側、右側、上側、下側、前側、後側を示している。
プリンター1は、略箱型形状のプリンター本体2を備え、プリンター本体2の下部には用紙を収納する給紙カセット3が設けられ、プリンター本体2の上部には排紙トレイ4が設けられる。図1では、1つの給紙カセット3が図示されているが、プリンター1は、異なるサイズ(例えば、A4サイズやA3サイズ等)や異なる種類(普通紙、厚紙、薄紙、はがき、封筒等)の用紙を収容するように複数の給紙カセット3を備えてよい。
プリンター本体2内の上部には、レーザー・スキャニング・ユニット(LSU)で構成される露光装置5が排紙トレイ4の下方に配置される。プリンター本体2内の露光装置5の下方には、画像形成部6が設けられる。画像形成部6には、像担持体である感光体ドラム7が回転可能に設けられ、感光体ドラム7の周囲には、帯電装置と、トナーコンテナに接続された現像装置と、転写ローラーと、クリーニング装置とが、感光体ドラム7の回転方向に沿って配置される。
また、プリンター本体2の内部には、用紙の搬送経路10が設けられる。搬送経路10の上流端には給紙部11が給紙カセット3の近傍に設けられ、搬送経路10の中流部には、感光体ドラム7と転写ローラーによって構成される転写部12が設けられる。搬送経路10の下流部には定着装置13が設けられ、搬送経路10の下流端には排紙部14が排紙トレイ4の近傍に設けられる。また、プリンター本体2の内部には、定着装置13を制御する制御装置15が備えられる。
次に、プリンター1の画像形成動作について説明する。プリンター1は、外部のコンピューター等から画像データが入力され、印刷開始の指示がなされると、画像形成動作を開始する。このとき、印刷対象の用紙のサイズや種類が指定される。画像形成動作では、先ず、画像形成部6の帯電装置によって感光体ドラム7の表面が帯電された後、露光装置5からのレーザー光により感光体ドラム7に対して画像データに対応した露光が行われ、感光体ドラム7の表面に静電潜像が形成される。次に、この静電潜像を、画像形成部6の現像装置がトナーを用いてトナー像に現像する。
一方、給紙カセット3に収納された用紙の内、指定されたサイズや種類の用紙が、給紙部11によって取り出されて搬送経路10上を搬送される。搬送経路10上の用紙は、所定のタイミングで転写部12へと搬送され、転写部12によって感光体ドラム7上のトナー像が用紙に転写される。トナー像を転写された用紙は、定着装置13へと搬送され、定着装置13によって用紙にトナー像が定着される。トナー像が定着された用紙は、排紙部14から排紙トレイ4に排出される。
次に、定着装置13の構成について、図2〜図5を参照しながら説明する。図2に示すように、定着装置13は、定着ローラー20(加熱部材)と、加圧ローラー21(加圧部材)と、熱源22と、ヒーター駆動回路23と、第1温度センサー24と、第2温度センサー25と、第1用紙センサー26と、第2用紙センサー27と、環境温度センサー28とを備える。
定着ローラー20及び加圧ローラー21は、略箱型状の定着フレーム(図示せず)の内部で、搬送経路10を挟んで上側及び下側にそれぞれ配置され、互いに対向すると共に接触して配置される。定着フレームは、搬送経路10が用紙の搬送方向(左右方向)において定着フレームを貫通するように、プリンター本体2に取り付けられる。搬送経路10には、定着ローラー20及び加圧ローラー21の間に加圧領域Nが形成される。
なお、加圧領域Nとは、定着ローラー20と加圧ローラー21とが接触している領域であって、定着ローラー20及び加圧ローラー21による用紙への圧力が0Paである搬送方向上流側の位置から、その圧力が最大となる搬送方向の位置を経由して再びその圧力が0Paとなる搬送方向下流側の位置までの領域を示す。
定着ローラー20は、搬送方向と直交(交差)する用紙の幅方向(前後方向)に長い円筒状のローラーで構成される。定着ローラー20は、例えば、円筒状の金属製の芯材と、芯材に周設されたシリコンゴム等の樹脂製の弾性層から構成され、弾性層はフッ素系樹脂の離型層によって被覆される。定着ローラー20は、前後方向を回転軸方向として、定着フレームに対して回転可能に取り付けられ、加圧ローラー21の回転に従動して回転する。定着ローラー20は、熱源22によって加熱され、トナー像が形成された用紙に接触してトナー像を加熱する。なお、本実施形態では、加熱部材が定着ローラー20で構成される例を説明するが、加熱部材は、ベルトで構成されてもよい。
加圧ローラー21は、幅方向に長い略円柱状に形成される。加圧ローラー21は、例えば、円柱状の金属製の芯材と、芯材に周設されたシリコンゴム等の樹脂製の弾性層から構成され、弾性層はフッ素系樹脂の離型層によって被覆される。加圧ローラー21は、前後方向を回転軸方向として、定着フレームに対して回転可能に取り付けられる。例えば、加圧ローラー21の後端に駆動ギア(図示せず)が取り付けられ、加圧ローラー21は、駆動ギアを介してモーター等の駆動源29(図5参照)に接続され、駆動源29から伝達される回転駆動力によって回転する。また、加圧ローラー21は、定着ローラー20側に加圧されていて、定着ローラー20と共に、加圧領域Nを通過する用紙を加圧する。
熱源22は、幅方向に亘って長い形状を有し、定着ローラー20の内部に取り付けられ、内側から定着ローラー20を加熱する。あるいは、熱源22は、定着ローラー20の外部に設けられて、外側から定着ローラー20を加熱するように構成されてもよい。熱源22の加熱は、後述するフィードバック制御で、制御装置15によって制御される。
熱源22は、図3に示すように、幅方向において中央に設けられるメインヒーター31(第1加熱体)と、幅方向において、メインヒーター31の両端側に設けられる2つのサブヒーター32(第2加熱体)とを備える。メインヒーター31及びサブヒーター32は、例えば、ハロゲンヒーターやセラミックヒーター等によって構成され、あるいは、IHユニットで構成されてもよい。なお、メインヒーター31及び各サブヒーター32は、それぞれ一つのヒーターで構成されてもよいが、2つ以上に分割されたヒーターで構成されてもよい。
例えば、定着ローラー20の幅方向中央を基準にして用紙を通過させる場合に、メインヒーター31は、比較的小サイズ(例えば、A4縦サイズ)の用紙幅に対応する中央加熱領域に配置されサブヒーター32は、比較的大サイズ(例えば、A3縦サイズ)の用紙幅の範囲内で中央加熱領域よりも両端側に対応する端部加熱領域に配置される。メインヒーター31及びサブヒーター32は、ヒーター駆動回路23を介して電源33に接続され、電源33から供給される電力によって点灯して発熱し、幅方向において定着ローラー20の中央加熱領域及び端部加熱領域をそれぞれ加熱する。
ヒーター駆動回路23は、メインヒーター31及びサブヒーター32と電源33との間に接続され、また、制御装置15にも接続される。ヒーター駆動回路23は、制御装置15によって制御されて、電源33からメインヒーター31やサブヒーター32へ供給される電力を制御する。具体的には、ヒーター駆動回路23には、所定の周期におけるメインヒーター31及びサブヒーター32の点灯のデューティ比が、制御装置15によって設定される。ヒーター駆動回路23は、設定されたデューティ比でメインヒーター31及びサブヒーター32を点灯するように電力供給を制御する。メインヒーター31やサブヒーター32が加熱を開始してから停止するまでの加熱状態において、メインヒーター31及びサブヒーター32の熱量は、所定の周期における点灯の頻度に依存する。
ヒーター駆動回路23は、例えば、図4に示すように、設定されたデューティ比に基づいて所定の周波数(例えば、50Hz)の駆動電流を出力する。この駆動電流は、所定の周期(例えば、400msec)の間に所定のパルス幅(例えば、20msec)のパルスを所定の回数分(例えば、20回分)有し、デューティ比は、所定の周期に対してパルスをオンにする期間の比率である。例えば、400msecの周期の間に20回分のパルスを有する駆動電流に関して、デューティ比を5%にする場合には、1回のパルス(図4において斜線で示す)をオンに設定する。なお、図4では、1周期の最初の位置のパルスをオンに設定するが、パルスをオンにする位置は、最初の位置に限定されない。
駆動電流のパルスがオンの間、メインヒーター31やサブヒーター32が電源33と通電して点灯し、駆動電流のパルスがオフの間、メインヒーター31やサブヒーター32は電源33と通電せずに消灯する。メインヒーター31及びサブヒーター32に対してそれぞれ異なる第1デューティ比及び第2デューティ比が設定され、ヒーター駆動回路23は、メインヒーター31及びサブヒーター32のそれぞれに異なる駆動電流を生成する。換言すれば、第1デューティ比及び第2デューティ比は、メインヒーター31及びサブヒーター32のそれぞれに供給される電力のデューティ比である。駆動電流に第1デューティ比及び第2デューティ比を対応させるとき、メインヒーター31及びサブヒーター32が同時に点灯せずにフリッカが起こらないように、パルスをオンにするタイミングを調整する。
なお、メインヒーター31の点灯の第1デューティ比やサブヒーター32の点灯の第2デューティ比を制御装置15によってフィードバック制御することで、熱源22の加熱がフィードバック制御される。このフィードバック制御では、更に、第2デューティ比は、様々な定着条件(例えば、用紙の線速(搬送速度)、用紙の種類、定着ローラー20の表面温度、環境温度等)に応じて調整される。フィードバック制御については後述する。
第1温度センサー24は、サーミスタ等の温度センサーで構成され、定着ローラー20の外側で定着ローラー20に対して非接触に設けられる。第1温度センサー24は、幅方向において中央で中央加熱領域に対応する位置(例えば、通紙領域に対応する位置)で、定着ローラー20の表面に対向して配置され、定着ローラー20の幅方向中央の表面温度を検知する。
第2温度センサー25は、サーミスタ等の温度センサーで構成され、定着ローラー20の外側で定着ローラー20の表面に接触して設けられる。第2温度センサー25は、幅方向において少なくとも一端側で端部加熱領域に対応する位置(例えば、非通紙領域に対応する位置)で、定着ローラー20の表面に対向して配置され、定着ローラー20の幅方向一端側の表面温度を検知する。
第1用紙センサー26は、搬送経路10を搬送される用紙の先端の、定着ローラー20への到達(加圧領域Nへの到達)を検出するセンサーであり、例えば、定着ローラー20の近傍や定着フレームの用紙入口付近に設けられる。第1用紙センサー26は、例えば、物理的に、あるいは、光学的に用紙を検出するように構成される。第1用紙センサー26の検出結果に基づいて、用紙の先端の定着ローラー20への到達時点、即ち定着開始時点が測定される。あるいは、第1用紙センサー26は、搬送方向において定着装置13よりも上流側の位置で搬送経路10に沿って設けられ、第1用紙センサー26による用紙検出位置(定着ローラー20までの距離)、用紙検出時点及び用紙の線速に基づいて、用紙の先端の定着ローラー20への到達時点が、到達前に予め測定されてもよい。
第2用紙センサー27は、搬送経路10を搬送される用紙の後端の、定着ローラー20からの通過(加圧領域Nからの通過)を検出するセンサーであり、例えば、定着ローラー20の近傍や定着フレームの用紙出口付近に設けられる。第2用紙センサー27は、例えば、物理的に、あるいは、光学的に用紙を検出するように構成される。第2用紙センサー27の検出結果に基づいて、用紙の後端の定着ローラー20からの通過時点、即ち定着終了時点が測定される。あるいは、第2用紙センサー27を設けることなく、用紙の先端の定着ローラー20への到達時点、加圧領域Nの長さ及び用紙の線速に基づいて、用紙の後端の定着ローラー20からの通過時点が、通過前に予め測定されてもよい。
環境温度センサー28は、定着フレームの外部に取り付けられ、定着装置13の環境温度として定着装置13の外部の温度を検知する。あるいは、プリンター1がプリンター本体2の内部で定着装置13の外部の温度を検知する内部温度センサーを備える場合、定着装置13は、環境温度センサー28を設けることなく、内部温度センサーの検知結果を環境温度として適用してもよい。
次に、定着装置13を制御する制御装置15の電気的な構成について図5を参照しながら説明する。制御装置15は、CPU等で構成され、ROMやRAM等の記憶装置16に接続されている。なお、制御装置15及び記憶装置16として、プリンター1の各部を統括制御するメイン制御装置及びメイン記憶装置が適用されてもよい。
制御装置15は、記憶装置16に格納された制御プログラムや制御用データに基づいて、制御装置15に接続された各部を制御する。例えば、制御装置15は、熱源22、ヒーター駆動回路23、第1温度センサー24、第2温度センサー25、第1用紙センサー26、駆動源29及び電源33等に接続されている。制御装置15は、定着装置13の定着処理を制御し、特に、熱源22の加熱を制御する。
記憶装置16には、サブヒーター32の第2デューティ比の調整に用いられる調整テーブルが記憶される。例えば、第2デューティ比の調整は、用紙の先端が定着ローラー20へ到達して所定の待機期間を経過してから開始され、調整テーブルには、様々な定着条件に対応する待機期間が記憶される。また、第2デューティ比は、フィードバック制御で設定される値より増加して調整され、調整テーブルには、様々な定着条件に対応する補正量が記憶される。
例えば、調整テーブルに記憶される待機期間は、定着条件として、定着ローラー20の熱が奪われ易くなる程、例えば、用紙の線速が速い程、短く設定される。なお、待機期間は、定着ローラー20における用紙の通紙時間よりも短く設定される。また、調整テーブルに記憶される補正量は、定着条件として、定着ローラー20の熱が奪われ易くなる程、例えば、用紙の線速が速い程、また、定着ローラー20の表面温度が低い程、多く設定される。また、定着条件として環境温度が低い程、補正量は多く設定され、例えば、環境温度が所定の閾値よりも低い場合に、補正量に所定の定数を加算する。
次に、定着装置13の定着処理動作について図6を参照しながら説明する。先ず、プリンター1で画像形成動作が開始すると、定着装置13の制御装置15は、用紙が定着装置13に搬送される前に、駆動源29を稼働して加圧ローラー21及び定着ローラー20の回転を開始する(ステップS1)。このとき、制御装置15は、予め設定された線速(搬送速度)で用紙を搬送するように、駆動源29の回転駆動力を制御する。
また、制御装置15は、ヒーター駆動回路23を稼働して熱源22のメインヒーター31及びサブヒーター32の加熱を開始する(ステップS2)。このとき、制御装置15は、第1温度センサー24や第2温度センサー25によって定着ローラー20の表面温度を監視して、表面温度が所定の目標温度になるように、メインヒーター31の第1デューティ比及びサブヒーター32の第2デューティ比を設定してヒーター駆動回路23を制御する。
第1デューティ比のフィードバック制御(ステップS3)について説明する。例えば、制御装置15は、第1温度センサー24の検知結果である第1検知温度を用いて、以下のようなPID制御によって第1デューティ比のフィードバック制御を行う。
先ず、制御装置15は、目標温度Tに対する今回の第1検知温度Tnの偏差Enを、数式En=T−Tnによって算出し、目標温度Tに対する前回の第1検知温度Tn−1の偏差En−1を、数式En−1=T−Tn−1によって算出する。
また、制御装置15は、今回の偏差En、前回の偏差En−1、前々回の偏差En−2を用いて、今回の第1デューティ比の変更差分ΔMVn[%]を、数式ΔMVn=Kp×(En−En−1)+Ki×En+Kd×{(En−En−1)−(En−1−En−2)}によって算出する。ここで、例えば、係数Kpは、2.0であり、係数Kiは、0.05であり、係数Kdは0.1である。なお、変更差分ΔMVnは、小数第一位まで算出し、その値を次回の計算時にも使用する。
そして、制御装置15は、今回の第1デューティ比In[%]を、今回の第1デューティ比の変更差分ΔMVnと前回の第1デューティ比In−1[%]とを用いて、数式In=In−1+ΔMVnによって算出する。ただし、制御装置15は、メインヒーター31の点灯パターンとして第1デューティ比をヒーター駆動回路23に設定する場合、算出結果から5%未満を切り捨てる(例えば、4.5%は0%として、26.8%は25%として、98.7%は95%として設定する)。
第2デューティ比のフィードバック制御(ステップS4)について説明する。例えば、制御装置15は、第2温度センサー25の検知結果である第2検知温度を用いて、以下のように第2デューティ比のフィードバック制御を行う。
先ず、制御装置15は、目標温度及び第2検知温度の温度差分(目標温度−第2検知温度)とメインヒーター31の第1デューティ比との様々な組み合わせに対応する第2デューティ比の関係を示す第2デューティ比テーブルを記憶装置16に予め記憶する。なお、第2デューティ比テーブルにおいて、第2デューティ比は、第1デューティ比との合計が100%を超えないように設定される。これにより、パルスが同時にオンにならないようにメインヒーター31及びサブヒーター32の駆動電流を生成することができ、メインヒーター31及びサブヒーター32の同時点灯に起因するフリッカが抑制される。
そして、制御装置15は、目標温度と今回の第2検知温度との今回の温度差分を算出し、今回の温度差分と上記のように算出した今回の第1デューティ比との組み合わせに対応する今回の第2デューティ比を第2デューティ比テーブルから読み出す。
制御装置15は、上記のような定着ローラー20の加熱のフィードバック制御を、定着処理において用紙が定着ローラー20を通過している間も行う。
制御装置15は、第1用紙センサー26を用いて用紙の先端が定着ローラー20へ到達したか否かを検出する(ステップS5)。例えば、制御装置15は、第1用紙センサー26を用いて用紙の先端の定着ローラー20への到達時点を測定して、現在時間が到達時点に達したか否かを監視する。そして、現在時間が到達時点に達すると、用紙の先端の定着ローラー20への到達を検出する(ステップS5:YES)。
図7Aに示すように、用紙の先端が定着ローラー20へ到達すると(ステップS5:YES)、制御装置15は、サブヒーター32の第2デューティ比を調整するために、今回の定着装置13の定着条件を取得する(ステップS6)。例えば、制御装置15は、予め設定された線速を取得し、印刷設定に基づいて用紙の種類を取得し、第2温度センサー25の検知結果に基づいて定着ローラー20の表面温度を取得し、環境温度センサー28の検知結果に基づいて環境温度を取得する。そして、制御装置15は、記憶装置16の調整テーブルから、取得した定着条件に対応する待機期間及び補正量を読み出す。
制御装置15は、用紙の先端の定着ローラー20への到達から待機期間を経過したか否かを判定する(ステップS7)。例えば、制御装置15は、用紙の先端の定着ローラー20への到達時点に待機期間を加算して、第2デューティ比の調整を開始する調整開始時点を算出して、現在時間が調整開始時点に達したか否かを監視する。そして、制御装置15は、現在時間が調整開始時点に達すると、待機期間の経過を検出して(ステップS7:YES)、フィードバック制御で算出されたサブヒーター32の第2デューティ比に補正量を加算して、調整デューティ比を算出し、ヒーター駆動回路23に設定する(ステップS8)。図7Bに示すように、第2デューティ比の調整は、待機期間の経過後に用紙が定着ローラー20を通過中の調整期間の間、継続される。
制御装置15は、第2用紙センサー27を用いて用紙の後端の定着ローラー20から通過したか否かを検出する(ステップS9)。例えば、制御装置15は、第2用紙センサー27又は第1用紙センサー26を用いて用紙の後端の定着ローラー20からの通過時点を測定して、現在時間が通過時点に達したか否かを監視する。そして、制御装置15は、現在時間が通過時点に達すると、図7Cに示すように、用紙の後端の定着ローラー20からの通過を検出して(ステップS9:YES)、サブヒーター32の第2デューティ比の調整を終了する(ステップS10)。
本実施形態によれば、上述のように、プリンター1(画像形成装置)の定着装置13は、用紙に形成されたトナー像を加熱する定着ローラー20(加熱部材)と、定着ローラー20に対して加圧され、定着ローラー20との間を通過する用紙を加圧する加圧ローラー21(加圧部材)と、定着ローラー20を加熱する熱源22と、を備える。熱源22は、用紙の搬送方向に直交する幅方向において中央に設けられるメインヒーター31(第1加熱体)と、用紙の幅方向において端部に設けられるサブヒーター32(第2加熱体)と、を備える。定着装置13の制御装置15は、定着ローラー20の表面温度の検知結果に基づいてメインヒーター31及びサブヒーター32を加熱するための電力をフィードバック制御しつつ、用紙の先端が定着ローラー20へ到達して所定の待機期間を経過してから、用紙の後端が定着ローラー20を通過するまでの間、サブヒーター32に供給される電力の第2デューティ比を所定の補正量、増加する。
ところで、定着装置13では、図8に示すように、定着ローラー20における用紙の通過(接触)に拘らず、第1温度センサー24や第2温度センサー25による定着ローラー20の表面温度の検知結果(検知温度)が目標温度付近で安定していることが理想的である。しかしながら、従来の定着装置13では、定着ローラー20に用紙が通過(接触)すると、定着ローラー20が用紙に奪われて、図9において一点鎖線で示すように、定着ローラー20の表面温度が低下することがある。このとき、表面温度が所定の下限温度以上であれば、定着不良を生じることなく定着処理できる(定着OKとなる)が、表面温度が下限温度を下回ると、定着不良が生じる(定着NGとなる)おそれがある。
なお、用紙の線速が遅い場合、用紙が熱を奪い難い種類の場合、表面温度が高く設定されている場合、環境温度が高い場合等のように、熱源22の加熱のフィードバック制御の寄与率が高い場合には、検知温度に基づくフィードバック制御によって、表面温度を目標温度付近に維持することができる。しかし、用紙の線速が速い場合、用紙が熱を奪い易い種類の場合、表面温度が低く設定されている場合、環境温度が低い場合等のように、熱源22の加熱のフィードバック制御の寄与率が低い場合には、検知温度に基づくフィードバック制御が遅延して間に合わずに、表面温度が下限温度を下回る可能性が高くなる。
これに対して、本実施形態の定着装置13では、定着ローラー20の表面温度が急激に低下して定着ローラー20の加熱のフィードバック制御に遅延が生じても、定着ローラー20を加熱するサブヒーター32の第2デューティ比を増加する。そのため、図9において実線で示すように、フィードバック制御の遅延に拘らず、定着ローラー20を十分に加熱して目標温度に近い表面温度を得ることができる。従って、定着ローラー20の表面温度を安定化しているので、表面温度が低下した状態で定着処理が行われることがなく、定着不良を抑制し、画像不良を抑制することができる。また、メインヒーター31の第1デューティ比については、調整を加えることなく、フィードバック制御を維持しているので、定着ローラー20の表面温度の挙動を安定化することができる。
なお、用紙の先端の定着ローラー20への到達時を判定しているので、用紙が定着ローラー20に接触して定着ローラー20の表面温度が急激に低下する時点を把握して、表面温度の低下に即座に反応することができる。また、用紙の後端の定着ローラー20からの通過を判定しているので、定着ローラー20の表面温度が低下する期間を把握することができる。
更に、制御装置15は、用紙の線速及び種類の少なくとも一方に基づいて、待機期間及び補正量の少なくとも一方を設定する。これにより、用紙の線速や種類に拘らず、定着ローラー20の表面温度の低下する時点に適切に対応してサブヒーター32の第2デューティ比の増加を開始し、また、定着ローラー20の表面温度の低下傾向に適切に対応してサブヒーター32の第2デューティ比を増加することができる。
また、制御装置15は、定着ローラー20の表面温度及び環境温度の少なくとも一方に基づいて、待機期間及び前記補正量の少なくとも一方を設定する。これにより、定着ローラー20の表面温度や環境温度に拘らず、定着ローラー20の表面温度の低下する時点に適切に対応してサブヒーター32の第2デューティ比の増加を開始し、また、定着ローラー20の表面温度の低下傾向に適切に対応してサブヒーター32の第2デューティ比を増加することができる。
本実施形態では、モノクロのプリンター1に本発明の構成を適用する場合について説明したが、他の異なる実施形態では、カラープリンター、複写機、ファクシミリ、複合機等の他の画像形成装置に本発明の構成を適用することも可能である。