JP7091973B2 - Fixing device, image forming device and fixing method - Google Patents
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Description
本発明は、定着装置とこれを備えた画像形成装置、並びに定着方法に関するものである。 The present invention relates to a fixing device, an image forming device including the fixing device, and a fixing method.
複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に使用される定着装置においては、回転する定着部材に同じく回転する加圧部材を圧接して定着ニップを形成し、加圧部材を駆動回転させることで、転写紙、記録紙等と称される記録材を定着ニップに挟持搬送して、熱と圧力の作用により、記録材にトナー像を定着している。 In a fixing device used in an image forming apparatus such as a copier, a printer, or a facsimile, a rotating pressing member is pressed against a rotating fixing member to form a fixing nip, and the pressing member is driven and rotated. , A recording material called transfer paper, recording paper, etc. is sandwiched and conveyed to the fixing nip, and the toner image is fixed to the recording material by the action of heat and pressure.
しかしながら、定着部材や加圧部材を構成するローラは、定着ニップを形成するために弾性材料を少なくとも表面側に用いているために、熱膨張により外径が変動したり、経時的に硬度が劣化/外径が縮小したりすることで、ローラ中心から定着ニップまでの半径が変動する。したがって、ローラを一定回転で駆動させるだけでは、定着線速を常に一定に保つことが困難であるという問題があった。また、ローラ同士が潰れ合うことで定着ニップを形成するため、ローラの直径/外径を測定するだけでは、ローラ中心から定着ニップまでの真の半径を求めることができないという問題があった。 However, since the rollers constituting the fixing member and the pressure member use an elastic material at least on the surface side to form the fixing nip, the outer diameter fluctuates due to thermal expansion and the hardness deteriorates with time. / As the outer diameter shrinks, the radius from the center of the roller to the fixing nip fluctuates. Therefore, there is a problem that it is difficult to keep the fixing line speed constant only by driving the rollers at a constant rotation. Further, since the fixing nip is formed by the rollers collapsing with each other, there is a problem that the true radius from the center of the roller to the fixing nip cannot be obtained only by measuring the diameter / outer diameter of the rollers.
また、定着ローラと加熱ローラによってベルトを張架し、ベルトの外周側から加圧ローラでベルトを回転させるベルト定着方式の定着装置では、ベルトを介して加熱ローラから定着ローラに熱を加えると共に、ベルトを介して加圧ローラを定着ローラに圧接することで定着ローラを回転させており、従来、駆動は加圧部材側(非画像面側)にある。そのため、従動側に当たる定着部材側との間に非常に僅かな線速差(微小線速差)が起こり、それにより光沢段差(トナー内のワックスがベルト側に残り、画像を乱してしまう現象)が生じるという問題があった。この不具合を改善するために定着部材側と加圧部材側の、この微小線速差をなくすことが必要であり、一つの手段としては定着部材側を駆動にして画像との線速差をなくすというやり方も考えられるが、いずれにせよ、ベルトとの間で僅かな滑りが生じ得ることは避けられない。 Further, in a belt fixing type fixing device in which a belt is stretched by a fixing roller and a heating roller and the belt is rotated by a pressure roller from the outer peripheral side of the belt, heat is applied from the heating roller to the fixing roller through the belt and at the same time. The fixing roller is rotated by pressing the pressure roller against the fixing roller via the belt, and the drive is conventionally on the pressure member side (non-image surface side). Therefore, a very slight linear velocity difference (small linear velocity difference) occurs between the fixing member side, which is the driven side, and a gloss step (wax in the toner remains on the belt side, which disturbs the image). ) Occurred. In order to improve this problem, it is necessary to eliminate this minute linear velocity difference between the fixing member side and the pressurizing member side, and one means is to drive the fixing member side to eliminate the linear velocity difference from the image. However, in any case, it is inevitable that a slight slip may occur between the belt and the belt.
そこで、部材間の温度差による搬送速度の違いから生じる印刷不良を防止するために、特許文献1では、定着ローラの芯金及び/又は加圧ローラの芯金の温度差を検知して、検知された温度に応じて線速を調整することが提案された。 Therefore, in order to prevent printing defects caused by the difference in transport speed due to the temperature difference between the members, Patent Document 1 detects and detects the temperature difference between the core metal of the fixing roller and / or the core metal of the pressure roller. It was proposed to adjust the linear velocity according to the temperature applied.
しかしながら、既述のように、熱膨張により外径が変動したり、経時的に硬度が劣化/外径が縮小したりすることで、ローラ中心から定着ニップまでの半径が変動するので、定着ローラ/加圧ローラの温度検知による線速制御だけでは、定着線速を常に一定に保つことが困難であるという問題がある。 However, as described above, the radius from the center of the roller to the fixing nip fluctuates due to the fluctuation of the outer diameter due to thermal expansion and the deterioration of hardness / reduction of the outer diameter over time. / There is a problem that it is difficult to keep the fixing linear speed constant only by controlling the linear velocity by detecting the temperature of the pressurizing roller.
本発明の課題は、熱膨張による外径変動や、経時的な硬度劣化に伴う外径変動に基づく影響を受けることなく、常に安定した定着線速を維持して、記録材の引っ張りや弛みによって生じる異常画像を回避し、高品質な画像が確保することにある。 The subject of the present invention is to maintain a stable fixing line speed at all times without being affected by outer diameter fluctuations due to thermal expansion and outer diameter fluctuations due to hardness deterioration over time, and by pulling or loosening the recording material. The purpose is to avoid abnormal images that occur and to secure high-quality images.
上記課題を解決するため、本発明は、それぞれ少なくとも表面に弾性層を有する一対の回転体によって定着ニップを形成し、前記一対の回転体の一方の回転体をモータによって駆動する定着装置であって、前記一方の回転体の潰れのない状態での外径を検出する第1の検出手段と、他方の回転体の潰れのない状態での外径を検出する第2の検出手段と、これら一対の回転体の軸間距離を検出する第3の検出手段と、これら検出手段の検出結果に応じて前記モータの回転数を制御する手段と、を有する定着装置を提案する。 In order to solve the above problems, the present invention is a fixing device in which a fixing nip is formed by a pair of rotating bodies having at least an elastic layer on the surface thereof, and one of the pair of rotating bodies is driven by a motor. A pair of a first detecting means for detecting the outer diameter of one of the rotating bodies in a non-crushed state and a second detecting means for detecting the outer diameter of the other rotating body in a non-crushed state. We propose a fixing device having a third detecting means for detecting the distance between the axes of the rotating body of the above, and a means for controlling the rotation speed of the motor according to the detection result of these detecting means.
本発明によれば、熱膨張による外径変動や、経時的な硬度劣化に伴う外径変動に基づく影響を受けることなく、常に安定した定着線速を維持することができ、記録材の引っ張りや弛みによって生じる異常画像を回避し、高品質な画像が確保できる。 According to the present invention, it is possible to maintain a stable fixing line speed at all times without being affected by outer diameter fluctuations due to thermal expansion and outer diameter fluctuations due to deterioration of hardness over time, and it is possible to pull the recording material. It is possible to avoid abnormal images caused by slack and secure high-quality images.
図1に本発明の一実施形態に係るベルト定着方式の定着装置20の概略を示す。定着ベルト21は、一対の回転体の一方を構成する定着ローラ22と加熱ローラ23とテンションローラ24とに支持・張架されている。定着ベルト21は、定着ベルト21の外周側に当接する一対の回転体の他方を構成する加圧ローラ25が駆動手段としてのモータ(定着線速を定める/定着のためのモータ)により回転駆動されることにより、回転走行する。即ち、駆動は加圧部材側にある。そして、定着ベルト21が回転走行するとき、定着ローラ22も定着ベルト21に連れ回りする。
FIG. 1 shows an outline of a belt fixing
定着ベルト21は、例えばニッケル、ステンレス、ポリイミド等の基材にシリコーンゴム層(300~500μm)等の弾性層を形成した2層構造となっている。定着ローラ22は、金属製の芯金上に例えばシリコーンゴム等からなる弾性層を有している。加熱ローラ23は、例えばアルミ又は鉄等の金属製の中空ローラで構成され、内部には熱源としての定着ヒータが設けられている。そして、この定着ヒータにより加熱ローラ23が加熱され、加熱ローラ23により定着ベルト21が加熱され、加熱された定着ベルト21により定着ローラ22が加熱される。
The
加熱ローラ23により加熱された定着ベルト21あるいは定着ローラ22の温度、特に表面温度は、外周側に配された第1の温度検出手段である温度検知素子41により検知され、画像形成装置本体に備えられた制御部が、その温度検知素子の出力値に基づいて、定着ローラ22の温度が所定の設定温度になるように定着のためのヒータを制御する。加圧ローラ25の温度を検知する第2の温度検出手段である温度検知素子42も設けられている。
The temperature of the
定着ローラ22と同様に金属製芯金上に弾性層を有した加圧ローラ25は、定着ベルト21を介して定着ローラ22と対向して設けられており、定着動作時には、周知の加圧脱圧機構によって、定着ベルト21を介して定着ローラ22に加圧され、両ローラが潰れた形状となって、定着ベルト21を介して定着ローラ22と加圧ローラ25とにより、定着ニップNが形成される。
Similar to the
未定着トナー像を担持した記録材である用紙は、定着装置20に搬入されて、定着ニップNを通過する。その際、所定の温度に制御されている定着ニップNでトナー像が溶融定着される。
Paper, which is a recording material carrying an unfixed toner image, is carried into the
以上のような構成をした定着装置において、一般的に定着のためのモータは一定回転数を維持するよう制御されているので、加圧ローラ25はそれに応じて一定回転数で回転することとなる。用紙が定着ニップNを通過する際の用紙の搬送速度は加圧ローラ25の定着ニップでの半径Rrと加圧ローラ25の回転数で決定される。 In the fixing device having the above configuration, the motor for fixing is generally controlled to maintain a constant rotation speed, so that the pressurizing roller 25 rotates at a constant rotation speed accordingly. .. The paper transport speed when the paper passes through the fixing nip N is determined by the radius Rr at the fixing nip of the pressure roller 25 and the rotation speed of the pressure roller 25.
しかしながら、この加圧ローラ25の定着ニップでの半径Rrは、定着ローラ22及び加圧ローラ25の外径や硬度(潰れ具合)により刻一刻と変化する。また、定着部材側にあるヒータによって加熱された加熱ローラ23により、定着ベルト21を通じて定着ローラ22は熱的な影響を受けている。したがって、定着ローラ22の温度に応じて、その弾性層は熱膨張をし、結果として定着ローラ22の外径も変化し、硬度も変化する。同様の現象は、同じく表面に弾性層を有する加圧ローラ25にも生じ、加圧ローラ25の外径や硬度も、熱的影響で変化する。
However, the radius Rr at the fixing nip of the pressure roller 25 changes every moment depending on the outer diameter and hardness (crushing degree) of the
そこで、本実施形態では、このような各ローラの外径や潰れ量を検知するための検出手段が定着装置20に備えられている。即ち、潰れのない状態での定着ローラ22の直径/外径(2R1)を検出するための第1の検出手段43、潰れのない状態での加圧ローラ25の直径/外径(2R2)を検出するための第2の検出手段44、定着ローラ22と加圧ローラ25の軸間距離、即ち、定着ニップNで両ローラが最も潰れた状態での相互中心距離を検出する第3の検出手段45である。これらの検出手段として、光学式の測位手段を用いれば、非接触で検出可能であり、定着ローラ22や加圧ローラ25を傷つけることなく、外径情報を得ることができる。
Therefore, in the present embodiment, the
これら検出手段を用いて得られる、定着ローラ22と加圧ローラ25の軸間距離、定着ローラ22や加圧ローラの外径の検出結果は、画像形成装置に備えられた制御部に送られ、定着のためのモータの回転数の制御に供せられる。即ち、定着ローラ22と加圧ローラ25のそれぞれの弾性層が同じ材質でできていれば、熱膨張の結果として変化する両ローラの軸間距離と各ローラの外径を実測することで、モータによって回転駆動される加圧ローラ25の中心から定着ニップまでの半径を算出することができ、モータの回転数を適切に制御できる。しかしながら、定着ローラ22と加圧ローラ25のそれぞれの弾性層が異なる材質でできていて、したがって硬度が異なる場合には、軸間距離や外径の実測だけでは、モータの回転数制御に十分ではない。
The detection results of the distance between the axes of the
図2に、定着ローラ、加圧ローラ各々の硬度の状態の組み合わせ次第で、定着ニップでの加圧ローラ半径Rrが異なる様子を示す。図2aは、定着ローラが硬く、加圧ローラが軟らかい場合である。軸間寸法がX1の時、軟らかい加圧ローラは潰れ量が大きくなり、結果として半径Rr1は小さな値となる。図2bは、定着ローラが軟らかく、加圧ローラが硬い場合である。軸間寸法は図2aと同じX1であるが、硬い加圧ローラは潰れ量が小さく、結果として半径Rr2は大きな値となっている。このように、各々の表面に弾性層を有する一対の回転体から定着ニップを形成する場合、各々が相対的な硬度に応じて潰れるので、加圧ローラ半径Rrを知るためには、各々の硬度情報も知る必要がある。外径・硬度・軸間寸法を知ることでRrを算出することが可能となる。 FIG. 2 shows how the pressure roller radius Rr at the fixing nip differs depending on the combination of the hardness states of the fixing roller and the pressure roller. FIG. 2a shows a case where the fixing roller is hard and the pressure roller is soft. When the inter-axis dimension is X 1 , the soft pressure roller has a large amount of crushing, and as a result, the radius Rr 1 has a small value. FIG. 2b shows a case where the fixing roller is soft and the pressure roller is hard. The inter-axis dimension is X 1 which is the same as in FIG. 2a, but the hard pressure roller has a small amount of crushing, and as a result, the radius Rr 2 has a large value. In this way, when the fixing nip is formed from a pair of rotating bodies having an elastic layer on each surface, each is crushed according to the relative hardness. Therefore, in order to know the pressure roller radius Rr, each hardness is obtained. You also need to know the information. It is possible to calculate Rr by knowing the outer diameter, hardness, and inter-axis dimensions.
外径と硬度は温度に応じて変化する(熱膨張の影響)ので、温度検出手段が必要であるが、本実施形態では、既述のように、定着ローラ22や加圧ローラ25の温度を検出する第1、第2の温度検知素子41、42によって、各々の温度状態を把握することができるようになっている。温度検出素子としては、定着ローラ22や加圧ローラ25の表層温度を検出すべく、例えば接触式のサーミスタを挙げることができる。また、接触による摺動キズを防止するために、非接触式のサーミスタやサーモパイルといった温度検出手段を用いてもよい。
Since the outer diameter and hardness change according to the temperature (effect of thermal expansion), a temperature detecting means is required. However, in the present embodiment, as described above, the temperature of the fixing
一例として、定着ローラと加圧ローラの温度に応じた外径及び硬度の変化の様子をデータ化したものを表1として示す。
また、定着ローラと加圧ローラの硬度組み合わせの際の加圧ローラ半径の変化の様子をデータ化したものを表2として示す。
表2では、軸間寸法X1が或る一定値、且つ一定温度であるときの評価データを示している。ニップを形成する定着ローラと加圧ローラの硬度の組み合わせにより、両者の潰れ方が異なるため、軸間寸法X1が一定であってもRrが異なる値になることが分かる。Rrが小さくなれば、モータ回転を落とすことで狙いの定着線速にすることができる。また逆にRrが大きいときには、モータ回転を高めることで狙いの定着線速にすることができる。定着ローラと加圧ローラが加熱されて弾性層が熱膨張すれば、軸間寸法X1が変化し(大きくなる)、それに応じて両者の硬度も変化するが、これらの評価結果のデータを用いれば、様々な状態における加圧ローラの半径Rrを算出することが可能である。 Table 2 shows the evaluation data when the inter-axis dimension X 1 has a certain constant value and a constant temperature. It can be seen that Rr has a different value even if the inter-axis dimension X 1 is constant, because the crushing method of both is different depending on the combination of the hardness of the fixing roller and the pressure roller forming the nip. If Rr becomes small, the target fixing line speed can be achieved by reducing the motor rotation. On the contrary, when Rr is large, the target fixing line speed can be obtained by increasing the motor rotation. When the fixing roller and the pressure roller are heated and the elastic layer expands thermally, the inter-axis dimension X 1 changes (becomes larger), and the hardness of both changes accordingly. For example, it is possible to calculate the radius Rr of the pressure roller in various states.
したがって、これら事前にテーブル化した情報も勘案して、加圧ローラ25を回転駆動するモータ、即ち、定着のためのモータの回転数を制御すれば、より一層適切な定着線速を実現することができる。 Therefore, if the motor that rotationally drives the pressurizing roller 25, that is, the rotation speed of the motor for fixing is controlled in consideration of the information tabulated in advance, a more appropriate fixing line speed can be realized. Can be done.
なお、本実施形態に係る定着装置はベルト定着方式で、加熱ローラ23から熱容量の小さな定着ベルト21を加熱し、その熱量で定着ニップNを形成する相対的に熱容量が大きな定着ローラ22、更には加圧ローラ25をも温めた後に定着ニップNでトナーに熱を与えることから、ウォームアップに時間がかかる。これを回避するために、加圧ローラ25の中空芯金の内部に発熱体(例えば赤外線ヒータ)を配して、加圧ローラ中心から加圧ローラ25を温めることもある。この場合、通紙ジョブ信号を待っている「待機状態」では、加圧ローラ25を温め続けている。この時、加圧ローラ25は、発熱体のある中心部分が最も高温で表層が最も低温である。そして、通紙ジョブ信号が入ると「ウォームアップ状態」となり、定着ベルト側から熱を受けて加圧ローラ25の表面温度も高くなる。状況に応じて加圧ローラ25の弾性層の温度はその厚み方向で相違し得るため、加圧ローラ25の温度を複数箇所(例えば表面と芯金近傍)で検知することで、加圧ローラ25の弾性層の膨張状態を一層細かく知ることができる。同じことが、発熱体を内部に有しない定着ローラ22についても言える(例えば、ウォームアップ直後と、連続通紙後の定着ローラ温度は同じであっても、弾性層の内部温度分布、したがって弾性層の熱膨張の状態が異なっている)。このような弾性層の厚み方向での膨張状態の相違を、定着のためのモータの回転数制御のファクターに加えれば、定着線速の一層の適正化を図ることが可能である。更に、同じことが熱ローラ方式の定着装置でも当てはまる。
The fixing device according to the present embodiment is a belt fixing method, and a fixing
最後に、上述した定着装置20を備えた画像形成装置1について説明する。この画像形成装置1は、カラーレーザープリンタであり、そのプリンタ本体の中央には、中間転写ベルト30の展張方向に沿って4つの作像部4Y、4C、4M、4Kが並置して設けられている。各作像部4Y、4C、4M、4Kは、カラー画像の色分解成分に対応するイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(K)の異なる色の現像剤を収容する以外は、同じ構成である。
Finally, the image forming apparatus 1 provided with the fixing
具体的に、それぞれ画像ステーションを構成する各作像部4Y、4C、4M、4Kは、潜像担持体としてのドラム状の感光体5と、感光体5の表面を帯電させる帯電装置6とを備えている。また、感光体5の表面にトナーを供給する現像装置7と、感光体5の表面をクリーニングするクリーニング装置8等を備えている。なお、図3では、ブラックの作像部4Kが備える感光体5、帯電装置6、現像装置7、クリーニング装置8のみに参照番号を付し、その他の作像部4Y、4C、4Mにおいては省略している。
Specifically, each
作像部4Y、4C、4M、4Kの下方には、感光体5の表面を露光する露光装置9が配設されている。露光装置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各感光体5の表面へレーザー光を照射するようになっている。
Below the
作像部4Y、4C、4M、4Kの上方には、転写装置3が配設されている。転写装置3は、転写体としての中間転写ベルト30と、一次転写手段としての4つの一次転写ローラ31と、二次転写手段としての二次転写ローラ36とを備える。更に、転写装置3は二次転写バックアップローラ32、クリーニングバックアップローラ33、テンションローラ34、及びベルトクリーニング装置35を備えている。
A transfer device 3 is arranged above the
中間転写ベルト30は、無端状のベルトであり、二次転写バックアップローラ32、クリーニングバックアップローラ33及びテンションローラ34によって張架されている。ここでは、二次転写バックアップローラ32が回転駆動することによって、中間転写ベルト30は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。
The
4つの一次転写ローラ31は、それぞれ、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、プリンタ本体の電源が接続されており、所定の直流電圧(DC)及び/又は交流電圧(AC)が各一次転写ローラ31に印加されるようになっている。
Each of the four
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ている。また、一次転写ローラ31と同様に、二次転写ローラ36にもプリンタ本体の電源が接続されており、所定の直流電圧(DC)及び/又は交流電圧(AC)が二次転写ローラ36に印加されるようになっている。
The
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とクリーニングブレードを有する。
プリンタ本体の上部には、ボトル収容部2が設けられており、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、2C、2M、2Kが着脱可能に装着されている。各トナーボトル2Y、2C、2M、2Kと各現像装置7との間には、周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、2C、2M、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。
The
A bottle accommodating portion 2 is provided on the upper portion of the printer main body, and four
一方、プリンタ本体の下部には、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等が設けられている。また、周知のように、手差し給紙機構が設けられていてもよい。
On the other hand, at the lower part of the printer main body, a
プリンタ本体内には、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の位置よりも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。
A transport path R for passing the paper P from the
また、二次転写ローラ36の位置よりも用紙搬送方向下流側には、既述の定着装置20が配設されている。更に、定着装置20よりも搬送路Rの用紙搬送方向下流側には、用紙Pを装置外へ排出するための一対の排紙ローラ13が設けられている。また、プリンタ本体の上面部には、装置外に排出された用紙Pをストックするための排紙トレイ14が設けられている。
以上のようなプリンタの基本的動作は周知であるので、その説明は省略する。
Further, the fixing
Since the basic operation of the printer as described above is well known, the description thereof will be omitted.
20 定着装置
21 定着ベルト
22 定着ローラ
23 加熱ローラ
25 加圧ローラ
43 第1の検出手段
44 第2の検出手段
45 第3の検出手段
20
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