JP7069549B2 - 定着装置と画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、定着装置と画像形成装置に関するものである。

プリンタ、複写機、ファクシミリ等、電子写真方式の画像形成装置では、用紙(記録材)上に転写されたトナー像を加熱して定着する加熱定着方式が広く採用されている。この加熱定着方式の代表的なものでは、熱源を備えた定着ローラと加圧ローラとを所定の圧力で当接させた状態で対峙させ、この当接した箇所にトナー像を有する用紙を搬送することで、加熱・加圧作用により未定着トナー像を用紙に定着している。ところが、画像形成のために搬送される用紙のサイズが一定ではない。例えば、Ａ３サイズ(２９７×４２０ｍｍ)から官製はがきのサイズ(１００×１４８ｍｍ)まで等、各種サイズの用紙が搬送され、定着装置にて定着が実行される。

このような各種サイズの用紙に対応するため、定着ローラの長手方向において互いに発熱分布の異なる複数のヒータ部材を設け、小サイズの用紙に対しては中央部分に発熱部を有したヒータ部材（中央ヒータ）のみを通電し（センタ通紙の場合）、大サイズの用紙に対しては、この中央ヒータだけでなく端部分に発熱部を有したヒータ部材（端部ヒータ）も通電することが行われている。

ところで、かつて、加熱定着で用いられる電力は大きく、ヒータオン時に商用電源から電力供給を１００％で行うと、ピーク電流が大きく、この商用電源ラインに接続されている他の機器に多大な影響を及ぼす問題があったため、ヒータオン時の突入電流を抑制することが行われていた。例えば特許文献１では、ハロゲンヒータと電源との間に単純開閉接点と並列抵抗付きの開閉接点とを直列接続して設け、これらの開閉接点を閉じるオン・タイミングについて両開閉接点間に所望の遅延時間を設定し、前記単純開閉接点を先行させてオンさせて予備加熱を行い前記遅延時間経過後に並列抵抗付きの開閉接点をオンさせて本来の加熱を行わせることが開示されている。こうすることによって、並列抵抗付きの開閉接点の抵抗を通る閉回路が形成され、抵抗の存在によりハロゲンヒータ単独の通常時よりも少ない電流が流れてハロゲンヒータが徐々に予備加熱されることになり、大きな突入電流が生じることがなくなる。

しかしながら、このような構成では並列抵抗付き開閉接点を設ける必要があって、構成的に複雑になっており、また予備加熱という本来の加熱とは異なる加熱を入れるため、無駄な電力消費を必要とした。

本発明は、定着回転体の長手方向において互いに発熱分布の異なる複数の熱源を有する定着装置において、熱源オン時の突入電流を抑制するとともに、定着回転体の温度が作用時に一様になることを課題とする。

前記課題は、定着回転体と、前記定着回転体とでニップ部を形成する加圧回転体と、前記定着回転体の長手方向中央部を加熱する第一の熱源と、前記定着回転体の長手方向端部を加熱する第二の熱源と、前記定着回転体の中央部の温度を検知する第一の温度センサと、前記定着回転体の端部の温度を検知する第二の温度センサとを有する定着装置であって、前記第一、第二の熱源の両方を点灯する際に、検知される前記定着回転体の温度に基づいて、前記第一、第二の熱源の点灯開始タイミングを選択的に遅延させる定着装置において、定着装置への電源投入時又は定着装置のスリープ状態において前記定着回転体の温度が所定温度以下である場合、前記第二の熱源の点灯開始タイミングに対して前記第一の熱源の点灯開始タイミングを遅延させることによって、解決される。

本発明によれば、定着回転体の長手方向において互いに発熱分布の異なる複数の熱源を点灯する際に、検知される前記定着回転体の温度に基づいて、それらの熱源の点灯開始タイミングを選択的に遅延させて、熱源オン時の突入電流を抑制するとともに、定着回転体の温度を作用時に一様にすることを実現できる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置であるカラープリンタの構成を示す概略図である。 図１のプリンタにおける定着装置を示す概略的な断面構成図である。 定着装置の概略的な平面図である。 第一ヒータと第二ヒータの配熱分布と各ヒータのフィラメントの巻き方を示す概念図である。 立ち上げ時での電源投入から印刷状態までの定着ローラの昇温状態を示すグラフである。 本実施形態に係る点灯タイミングを示すフロー図である。 定着装置の別の実施形態を示す概略的な断面構成図である。

以下、本発明を適用した画像形成装置として、電子写真方式のカラープリンタ（以下、単にプリンタという）の一実施形態について説明する。本プリンタ１は、タンデム型カラープリンタである。

プリンタ１の本体筐体上部にあるボトル収容部１０１には、各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）に対応した４つのトナーボトル１０２Ｙ、１０２Ｍ、１０２Ｃ、１０２Ｋが着脱自在（交換自在）に設置されている。ボトル収容部１０１の下方には中間転写ユニット８５が配設されている。中間転写ユニット８５の中間転写ベルト７８に対向するように、各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）に対応した作像部４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋが並設されている。各作像部４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋには、それぞれ、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋが配設されている。また、各感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの周囲には、それぞれ、帯電装置７５、現像装置７６、クリーニング部７７等が配設されている（描写の明瞭化のためブラック用作像部４Ｋに関してのみ符号を付す）。

そして、各感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上で、作像プロセス（帯電工程、露光工程、現像工程、転写工程、クリーニング工程）が行われて、各感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上に各色の画像が形成されることになる。感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋは、図１中の時計方向に回転駆動される。そして、帯電装置７５の位置で、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの表面が一様に帯電される（帯電工程）。その後、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの表面は、露光部３から発せられたレーザ光の照射位置に達して、この位置での露光走査によって各色に対応した静電潜像が形成される（露光工程）。その後、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの表面は、現像装置７６との対向位置に達して、この位置で静電潜像が現像されて、各色のトナー像が形成される（現像工程）。その後、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの表面は、中間転写ベルト７８及び一次転写バイアスローラ７９Ｙ、７９Ｍ、７９Ｃ、７９Ｋとの対向位置に達して、この位置で感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上のトナー像が中間転写ベルト７８上に転写される（一次転写工程）。この時、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上には、僅かながら未転写トナーが残存する。その後、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの表面は、クリーニング部７７との対向位置に達して、この位置で感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上に残存した未転写トナーがクリーニング部７７のクリーニングブレードによって機械的に回収される（クリーニング工程）。最後に、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上の残留電位が除去される。こうして、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上での一連の作像プロセスが終了する。

現像工程を経て各感光体ドラム上に形成された各色のトナー像が中間転写ユニット８５の中間転写ベルト７８上に順次重ねて転写されることで、中間転写ベルト７８上にフルカラー画像が形成されることになる。ここで、中間転写ユニット８５は、中間転写ベルト７８以外に、４つの一次転写バイアスローラ７９Ｙ、７９Ｍ、７９Ｃ、７９Ｋ、二次転写バックアップローラ８２、クリーニングバックアップローラ８３、テンションローラ８４、中間転写クリーニング装置８０等で構成されている。

中間転写ベルト７８は、３つのローラ８２～８４によって張架・支持されるとともに、１つのローラ（二次転写バックアップローラ８２）の回転駆動によって図１中の矢印方向に無端移動させられる。４つの一次転写バイアスローラ７９Ｙ、７９Ｍ、７９Ｃ、７９Ｋは、それぞれ、中間転写ベルト７８を感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋとの間に挟み込んで一次転写ニップを形成している。一次転写バイアスローラ７９Ｙ、７９Ｍ、７９Ｃ、７９Ｋに、トナーの極性とは逆の転写バイアスが印加される。中間転写ベルト７８は、矢印方向に走行して、各一次転写バイアスローラ７９Ｙ、７９Ｍ、７９Ｃ、７９Ｋの一次転写ニップを順次通過することで、感光体ドラム５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ上の各色のトナー像が、中間転写ベルト７８上に重ねて一次転写され、フルカラー画像が形成されるのである。そして、フルカラー画像を担持した中間転写ベルト７８は、二次転写ローラ８９との対向位置に達する。この位置では、二次転写バックアップローラ８２が、二次転写ローラ８９との間に中間転写ベルト７８を挟み込んで二次転写ニップを形成している。中間転写ベルト７８上に各色トナー像を重畳して形成されたフルカラー画像は、この二次転写ニップの位置に搬送された記録材たる用紙Ｐ上に転写される。この時、中間転写ベルト７８には、用紙Ｐに転写されなかった未転写トナーが残存する。その後、中間転写ベルト７８の表面は、中間転写クリーニング装置８０の位置に達して、この位置で、中間転写ベルト７８上の未転写トナーが回収される。こうして、中間転写ベルト７８上での一連の転写プロセスが終了する。

ここで、二次転写ニップの位置に搬送された用紙Ｐは、プリンタ１の本体筐体の下部に配設された給紙部１２から、給紙ローラ９７やレジストローラ対９８等を経由して搬送されたものである。詳しくは、給紙部１２には、用紙Ｐが複数枚重ねて収納されている。そして、給紙ローラ９７が図１中の反時計方向に回転駆動されると、一番上の用紙Ｐがレジストローラ対９８のローラ間に向けて給送される。レジストローラ対９８に搬送された用紙Ｐは、回転駆動を停止したレジストローラ対９８のローラニップに突き当てられ一旦停止する。そして、中間転写ベルト７８上のカラー画像にタイミングを合わせて、レジストローラ対９８が回転駆動されて、用紙Ｐが二次転写ニップに向けて搬送される。こうして、用紙Ｐ上に、所望のカラー画像が転写される。

その後、カラー画像が転写された用紙Ｐは、定着装置２０の位置に搬送され、この位置で、定着回転体である定着ローラ２１及び加圧回転体である加圧ローラ３１による熱と圧力の作用により、表面に転写されたカラー画像が用紙Ｐ上に定着される。定着後、用紙Ｐは、排紙ローラ対９９のローラ間を経て、装置外へと排出される。排紙ローラ対９９によって装置外に排出された用紙Ｐは、出力画像として、スタック部１００上に順次スタックされる。こうして、画像形成装置における、一連の画像形成プロセスが完了する。

図２において定着装置２０について説明する。定着装置２０は、内部に熱源４１を有する定着ローラ２１と該定着ローラ２１に圧接する加圧ローラ３１とを備える。定着ローラ２１は基材２１ｂと表層２１ａから成り，基材２１ｂは鉄、アルミ等の金属であり、表層２１ａはシリコーンゴム等の薄い弾性部材の上にＰＦＡ等の離型層が設けられ構成されている。なお、定着ローラ２１の表層２１ａは基材２１ｂの上に直接ＰＦＡの離型層を被覆した構成であってもよい。加圧ローラ３１も基材３１ｂと弾性層３１ａから成り、材料は基材３１ｂが鉄等の金属、弾性層３１ａがシリコーンゴムやスポンジで構成されており、表層には定着ローラ同様にＰＦＡ等の離型層が備えられている。

定着ローラ２１と加圧ローラ３１との間にニップ部Ｎが形成されており、該ニップ部Ｎにトナー像が形成された用紙を通過させることにより用紙上に付着しているトナーを熱により溶融させ、加圧により用紙に付着させるようになっている。

定着ローラ２１の内部には、熱源４１としてハロゲンヒータが複数本（本実施形態の場合、図３に示すように、２本）配置されている。センタ通紙を実施する本実施形態の場合、一つは通紙領域の中央部（定着ローラの長手方向中央部）を主に加熱するヒータ（第一ヒータ４１ａ）で、もう一つは通紙領域の端部（定着ローラの長手方向端部）を主に加熱するヒータ（第二ヒータ４１ｂ）である。第一ヒータ４１ａによる定着ローラ２１の加熱状態は第一温度センサ５１ａにより検知され、第二ヒータ４１ｂによる定着ローラ２１の加熱状態は第二温度センサ５１ｂにより検知され、それぞれの検知結果は制御部５２に送られ、ＰＩＤ制御等により定着ローラ２１が一定温度になるようコントロールする。ローラ表面の温度検知には、接触式のサーミスタが一般にはよく使用されるが、素子部にトナーや紙粉が固着し、応答性を悪化させる原因となるため、通紙領域に配される第一温度センサ５１ａには、非接触式の温度センサ（例えばサーモパイル）が望ましい。また、ジャム等で用紙が定着ローラ２１に巻き付いても確実に温度検知できるように最大通紙幅の外側（通紙領域外）に配される第二温度センサ５１ｂには、接触式のサーミスタを用いて、昇温が速い定着装置（例えば２０℃／ｓｅｃ以上）での検知遅れによるオーバーシュートや通紙中の温度リップルを抑制する。

中央ヒータである第一ヒータ４１ａと端部ヒータである第二ヒータ４１ｂの配熱分布と各ヒータのフィラメントの巻き方を図４に示す。第一ヒータ４１ａは、最大用紙幅に対して、中央部が配熱のピークになるように構成されている。このピークの幅は、例えばＡ５サイズの用紙幅に対応し、フィラメントの巻きが調整されている。第二ヒータ４１ｂは、最大用紙幅に対して、両端部が配熱のピークになるように構成されている。なお、その中央部は、定格の２０％程度の電力が付与されるようフィラメントの巻きが調整されている。

図５は、本実施形態における例えば朝一番での立ち上げ時での電源投入から印刷状態までの定着ローラ２１の昇温状態を示している。通常、電源投入時の定着ローラ２１の昇温は、端部での外部放熱のため、中央部が速く、端部が遅くなる。特に朝一番での電源投入の際にはプリンタ１の本体筐体が冷えており、定着ローラ端部からの放熱が大きい。ことにマシンサイズを小型・コンパクトにしたプリンタでは、用紙幅方向のサイズを小さくして、設置面積を小さくするため、定着ローラやハロゲンヒータの長さを最大通紙幅に近づけて極力短くしており、朝一番での立ち上げ時の中央部温度と端部温度との差は大きくなり易く、通紙領域をカバーする端部領域での温度が中央部温度と大きな差となる問題は画像品質に強く影響する。

中央ヒータ（第一ヒータ４１ａ）と端部ヒータ（第二ヒータ４１ｂ）を同時に点灯すると、電圧変動によるフリッカ問題が発生し易いため、本実施形態では、第一ヒータ４１ａのカバー域を超えるサイズの用紙を通紙する際に、２本のヒータのどちらかを遅延させる制御を行う。

電源投入時は端部の昇温が遅いので、電源投入時やスリープ状態から通電を開始する場合には、端部ヒータである第二ヒータ４１ｂを先に通電して定着ローラ端部の加熱が遅延し難いよう制御する。一方、一旦、定着ローラ２１が温まった後は、温度センサの応答が速い側の中央ヒータ（第一ヒータ４１ａ）を先に点灯することで、より高精度な温度制御が可能になり、定着ローラ温度が安定し易い。因みに、第一ヒータ４１ａを構成するサーモパイルは時定数が１００ｍｓｅｃ程度、第二ヒータ４１ｂを構成する接触式サーミスタは１～２ｍｓｅｃ程度である。

以上の点灯タイミングをフローにまとめると図６のようになる。第一ヒータ４１ａのカバー域を超えるサイズの用紙を通紙して定着する場合、温度センサで検知される温度が所定温度以下か否かが判断される（Ｓ１）。第一温度センサ５１ａ、第二温度センサ５１ｂの夫々で検知されるいずれかの温度が所定温度以下であれば、このステップで「イエス」が該当する。所定温度以下であれば、電源投入時やスリープ状態が或る程度継続している場合等、定着ローラ２１が冷えている状態であると判定して、定着ローラ２１の端部側から加熱を開始すべく、まず第二ヒータ４１ｂを点灯して（Ｓ２）、時間t1が経過したか否かが判断される（Ｓ３）。時間t1が経過したら、第一ヒータ４１ａを点灯する（Ｓ４）。一方、ステップ１で、所定温度を越えていると判断されたならば、定着ローラ２１が温かい待機状態であると判定して、定着ローラ２１の長手方向の中央部から加熱を開始すべく、第一ヒータ４１ａを点灯して（Ｓ５）、時間t2が経過したか否かが判断される（Ｓ６）。時間t2が経過したら、第二ヒータ４１ｂを点灯する（Ｓ７）。しかる後は、印刷時の通常制御を行うが、この場合も、本実施形態に係る点灯タイミングを実質的に適用して、両ヒータの同時点灯を行わず、第二ヒータ４１ｂの点灯を若干遅らせ（t3）、電圧変動によるフリッカ問題を回避する。つまり、定着ローラの表面温度に応じて、第一ヒータ４１ａ、第二ヒータ４１ｂの点灯開始タイミングを選択的に遅延させるのである。

上記の点灯タイミングを適用する別の実施形態に係る定着装置としてベルト構成の定着装置を図７に示す。この定着装置２０は、薄肉で可撓性を有する筒状の定着回転体である無端状の定着ベルト２２と、この定着ベルト２２の外周側から当接する加圧回転体である加圧ローラ３１とを有している。定着ベルト２２は、その内部（ループ内）に配された複数の熱源としてのハロゲンヒータ（以下、第一ヒータ４１ａ、第二ヒータ４１ｂともいう）の輻射熱によって加熱される。

更に定着ベルト２２の内部には、定着ベルト２２を介して加圧ローラ３１とでニップ部Ｎを形成するニップ形成部材２４と、ニップ形成部材２４を支持するステー部材２５（支持部材）とが配されている。定着ベルト２２の幅方向に渡って配されたニップ形成部材２４が、ステー部材２５によって固定支持されることで、加圧ローラ３１からの圧力によってニップ形成部材２４に撓みが生じることを防止し、加圧ローラ３１の長手方向（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。

また定着ベルトの幅方向（長手方向）における温度勾配を緩和する均熱部材とも称される熱移動補助部材２７が、ニップ形成部材２４のベルト内周面に対向する面を覆うように配されており、小サイズ紙通紙時に定着ベルト２２の端部領域に熱が留まることを防止して、積極的に定着ベルト２２の幅方向、即ち、熱移動補助部材２７の長手方向に熱を移動させて、長手方向の温度不均一を解消させる。そのため、熱移動補助部材２７は短時間で熱移動が可能となる熱伝導率の高い材料、例えば銅やアルミニウムなどで形成されている。

定着ベルト２２の外周側の適切な位置に、ベルト中央部の温度を検知する第一温度センサ５１ａ、ベルト端部の温度を検知する第二温度センサ５１ｂが配置されており、第一温度センサ５１ａは非接触式のサーモパイル、第二温度センサ５１ｂは接触式のサーミスタで構成されている。

２０ 定着装置
２１ 定着ローラ
２２ 定着ベルト
２３ 加圧ローラ
４１ ヒータ
５１ 温度センサ

特開平７－３６２３４号公報

Claims (4)

1. 定着回転体と、前記定着回転体とでニップ部を形成する加圧回転体と、前記定着回転体の長手方向中央部を加熱する第一の熱源と、前記定着回転体の長手方向端部を加熱する第二の熱源と、前記定着回転体の中央部の温度を検知する第一の温度センサと、前記定着回転体の端部の温度を検知する第二の温度センサとを有する定着装置であって、前記第一、第二の熱源の両方を点灯する際に、検知される前記定着回転体の温度に基づいて、前記第一、第二の熱源の点灯開始タイミングを選択的に遅延させる定着装置において、
   定着装置への電源投入時又は定着装置のスリープ状態において前記定着回転体の温度が所定温度以下である場合、前記第二の熱源の点灯開始タイミングに対して前記第一の熱源の点灯開始タイミングを遅延させることを特徴とする定着装置。
2. 前記定着回転体の温度が所定温度より高い場合、前記第二の熱源の点灯開始タイミングを遅延させることを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
3. 前記第一、第二の熱源がハロゲンヒータであることを特徴とする請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の定着装置と、前記第一、第二の温度センサによる検知温度に基づいて前記第一、第二の熱源の点灯制御を行う制御部とを有する、画像形成装置。

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