(57)【要約】【課題】レーザ方式の定着装置において、小型で且つ簡単な構造で、エネルギー効率が高く、長寿命化を実現できる定着装置及びそれを備えた画像形成装置を提供する。【解決手段】レーザ照射部１５ｃにおいて用紙Ｐ上の未定着トナー画像にレーザ光を照射し、未定着トナー画像を溶融して用紙Ｐ上に定着させるレーザヘッド１５ａと、用紙を搬送する用紙搬送装置１５ｂとを備えた定着ユニット１５において、未定着トナー画像を形成する画像情報に基づいてレーザヘッド１５ａのレーザ出力を制御するレーザ出力制御機能１５１ａと、画像情報に基づいて用紙搬送装置１５ｂの用紙搬送速度を制御する用紙搬送速度制御機能１５１ｂとを具備する制御装置１５１を備えることを特徴とするものである。【選択図】図２
2010217731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ照射部において記録媒体上の未定着トナー画像にレーザ光を照射し、前記未定着トナー画像を溶融して前記記録媒体上に定着させるレーザ照射手段と、前記記録媒体を搬送する記録媒体搬送手段とを備えた定着装置において、
前記未定着トナー画像を形成する画像情報に基づいて前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御するレーザ出力制御手段と、前記画像情報に基づいて前記記録媒体搬送手段の記録媒体搬送速度を制御する速度制御手段とを備えることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記レーザ出力制御手段は、前記レーザ照射部における未定着トナー画像の有無によりレーザ出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
【請求項３】
前記レーザ出力制御手段は、前記レーザ照射部に位置する未定着トナー画像の画像濃度に基づきレーザ出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
【請求項４】
前記レーザ出力制御手段は、前記レーザ照射部に位置する未定着トナー画像の空隙率が大きくなるほどレーザ出力を大きくするとともに、前記レーザ出力を、前記未定着トナー画像の空隙率が０（％）の場合のレーザ出力に対して最大で約２倍以下になるように制御することを特徴とする請求項３に記載の定着装置。
【請求項５】
前記速度制御手段は、トナー画像が形成される原稿の印字率に応じて記録媒体搬送速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
【請求項６】
前記速度制御手段は、トナー画像が形成される原稿の印字率にほぼ反比例して記録媒体搬送速度を制御することを特徴とする請求項５に記載の定着装置。
【請求項７】
前記速度制御手段は、トナー画像が形成される原稿の中の最も低い画像濃度の情報に基づいて記録媒体搬送速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の定着装置。
【請求項８】
前記速度制御手段は、トナー画像が形成される原稿の中の最も低い画像濃度にほぼ比例して記録媒体搬送速度を制御することを特徴とする請求項７記載の定着装置。
【請求項９】
前記レーザ照射手段は、複数の半導体レーザ素子を記録媒体搬送方向と直交する方向にアレイ状に並べたレーザアレイからなることを特徴とする請求項１乃至８のうちの何れか一項に記載の定着装置。
【請求項１０】
前記未定着トナー画像は、カラートナーにより形成されるトナー画像を含み、前記カラートナーには、赤外線吸収剤が含まれていることを特徴とする請求項９に記載の定着装置。
【請求項１１】
前記レーザ照射手段は、単一のレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を記録媒体搬送方向に対して記録媒体に沿って垂直方向に走査する走査光学系と、レーザ光を集光するレンズとを備えることを特徴とする請求項１乃至８のうちの何れか一項に記載の定着装置。
【請求項１２】
前記レーザ照射手段は、前記レーザ光源の波長が５．５〜１１（μｍ）であることを特徴とする請求項１１に記載の定着装置。
【請求項１３】
前記レーザ照射手段は、前記レーザ光源がＣＯ２レーザであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の定着装置。
【請求項１４】
前記レーザ照射手段は、該レーザ照射手段の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記速度制御手段は、前記温度検出手段により検出された検出結果に基づいて、記録媒体搬送速度を制御することを特徴とする請求項１乃至１３のうちの何れか一項に記載の定着装置。
【請求項１５】
表面に静電潜像が形成される像担持体と、像担持体表面を帯電させる帯電装置と、像担持体表面に静電潜像を形成する露光装置と、像担持体表面の静電潜像にトナーを供給してトナー像を形成する現像装置と、像担持体表面のトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、前記転写されたトナー像を記録媒体に定着させる定着装置とを備え、電子写真方式によりトナーを用いて画像を形成する画像形成装置において、
前記定着装置として、請求項１乃至１４のうちの何れか一項に記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複写機やプリンタ、ファクシミリ等の電子写真方式の画像形成装置に用いられる定着装置及びそれを備えた画像形成装置に係り、特に、レーザ光照射手段により定着する定着装置及びそれを備えた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複写機、プリンタ等の電子写真方式の画像形成装置に用いられる定着装置として、熱ローラ定着方式の定着装置が多用されている。熱ローラ定着方式の定着装置は、互いに圧接されたローラ対（定着ローラおよび加圧ローラ）を備え、このローラ対の両方あるいはいずれか一方の内部に配置されたハロゲンヒータ等からなる加熱手段によりローラ対を所定の温度（定着温度）に加熱した後、未定着トナー画像が形成された記録用紙（以下、単に「用紙」と称する。）をローラ対の圧接部（定着ニップ部）に給紙し、圧接部を通過させることで熱と圧力によりトナー画像の定着を行うようになっている。
【０００３】
しかしながら、このような従来の熱ローラ定着方式の定着装置においては、定着ローラや加圧ローラを定着可能な温度に昇温させるためのウォームアップ時間が長いため、待機時においても定着ローラや加圧ローラを予熱しておく必要があり、消費電力が増大するといった課題があった。
【０００４】
このような問題を解決するために、用紙上に形成された未定着トナー像にレーザビームを照射し、トナー像を溶融することで定着を行うレーザ方式の定着装置が提案されている（特許文献１を参照）。
【０００５】
しかしながら、従来のレーザ定着装置は、レーザ素子によるエネルギー変換効率（出力エネルギー／投入エネルギー）が５０（％）以下と低く、半分以上のエネルギーがレーザ素子における自己発熱となってしまうため、エネルギー効率が低くなるという課題がある。また、自己発熱によりレーザ素子の温度が高くなると、エネルギー変換効率が更に低下したり、レーザ素子の寿命が急激に短くなるといった課題があった。
【０００６】
この課題に対応するために、レーザ素子を冷却するための冷却手段を設ける必要があり、その結果、装置が大型化すると同時に、構造が複雑化し、コスト高になってしまうといった課題があった。
【０００７】
そこで、このような課題を解決するために、記録媒体上のトナー画像が形成された部分にのみ選択的にレーザを照射するようにした定着装置が提案されている（特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３０１６６８５号公報
【特許文献２】特開平２−２２１９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２の定着装置のように、トナー画像に対し選択的にレーザを照射したとしても、例えば、画像の印字率（面積率）が１００（％）になるような高印字率の画像に対しては、レーザを１００（％）でＯＮしつづけなければならず、このような画像パターンの原稿に対しては依然としてレーザ素子が過剰に発熱してしまうといった問題がある。
【００１０】
更に、高速印字に対応した画像形成装置に適用しようとした場合、レーザの定格出力として非常に大きなものが必要となり（例えば、１００（Ｗ）級のレーザ）、レーザ装置自体が非常に高価で且つ大型化してしまうといった問題もある。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、レーザ方式の定着装置において、小型で且つ簡単な構造で、エネルギー効率が高く、長寿命化を実現できる定着装置及びそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、レーザ照射部において記録媒体上の未定着トナー画像にレーザ光を照射し、前記未定着トナー画像を溶融して前記記録媒体上に定着させるレーザ照射手段と、前記記録媒体を搬送する記録媒体搬送手段とを備えた定着装置において、前記未定着トナー画像を形成する画像情報に基づいて前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御するレーザ出力制御手段と、前記画像情報に基づいて前記記録媒体搬送手段の記録媒体搬送速度を制御する速度制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明は、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部における未定着トナー画像の有無によりレーザ出力を制御することが好ましい。例えば、レーザ照射部に画像がある場合をＯＮ，画像の無い場合をＯＦＦとするように制御するものであってもよい。
【００１４】
また、本発明は、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部に位置する未定着トナー画像の画像濃度（例えば、ドット印字率あるいは画像の空隙率）に基づきレーザ出力を制御することが好ましい。例えば、レーザ照射部にある画像濃度（ドット印字率）が低い場合は、レーザ出力を上げるように制御し、画像濃度の高い場合は、レーザ出力を下げるように制御してもよい。
【００１５】
また、本発明は、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部に位置する未定着トナー画像の空隙率が大きくなるほどレーザ出力を大きくするとともに、前記レーザ出力を、前記未定着トナー画像の空隙率が０（％）の場合のレーザ出力に対して最大で約２倍以下になるように制御することが好ましい。
【００１６】
また、本発明は、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の印字率に応じて記録媒体搬送速度を制御することが好ましい。例えば、前記原稿の印字率が高い場合は、記録媒体搬送速度を減速するように制御してもよい。
【００１７】
また、本発明は、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の印字率にほぼ反比例して記録媒体搬送速度を制御することが好ましい。例えば、前記原稿の印字率が２倍の時には、記録媒体搬送速度を１／２にするように制御してもよい。
【００１８】
また、本発明は、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の中の最も低い画像濃度の情報に基づいて記録媒体搬送速度を制御することが好ましい。
【００１９】
また、本発明は、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の中の最も低い画像濃度にほぼ比例して記録媒体搬送速度を制御することが好ましい。例えば、前記原稿の画像濃度が１／２の時は、記録媒体搬送速度を１／２にするように制御してもよい。
【００２０】
また、本発明は、前記レーザ照射手段を、複数の半導体レーザ素子を記録媒体搬送方向と直交する方向にアレイ状に並べたレーザアレイからなるものとすることが好ましい。
【００２１】
また、本発明は、前記未定着トナー画像として、カラートナーにより形成されるトナー画像を含み、前記カラートナーには、赤外線吸収剤が含まれていることが好ましい。
【００２２】
また、本発明は、前記レーザ照射手段の構成として、単一のレーザ光源（例えば、レーザ素子）と、前記レーザ光源からのレーザ光を記録媒体搬送方向に対して記録媒体に沿って垂直方向（主走査方向）に走査する走査光学系と、レーザ光を集光するレンズとを備えることが好ましい。
【００２３】
また、本発明は、前記レーザ照射手段のレーザ光源の波長を５．５〜１１（μｍ）とすることが好ましい。より好ましくは、前記レーザ光源の波長を９〜１１（μｍ）とするものであってもよい。
【００２４】
また、本発明は、前記レーザ照射手段のレーザ光源を、ＣＯ２レーザとすることが好ましい。
【００２５】
また、本発明は、前記レーザ照射手段の構成として、該レーザ照射手段の温度を検出する温度検出手段を備え、前記速度制御手段により、前記温度検出手段により検出された検出結果、すなわち、前記レーザ照射手段の温度に基づいて、記録媒体搬送速度を制御することが好ましい。例えば、印字率が高くてもレーザ素子の温度が低ければ、記録媒体搬送速度を通常より速くするように制御する。
【００２６】
また、本発明は、表面に静電潜像が形成される感光体ドラムと、感光体ドラム表面を帯電させる帯電装置と、感光体ドラム表面に静電潜像を形成する露光装置と、感光体ドラム表面の静電潜像にトナーを供給してトナー像を形成する現像装置と、感光体ドラム表面のトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、前記転写されたトナー像を記録媒体に定着させる定着装置とを備え、電子写真方式によりトナーを用いて画像を形成する画像形成装置において、前記定着装置として、請求項１乃至１３のうちの何れか一項に記載の定着装置を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、レーザ照射部において記録媒体上の未定着トナー画像にレーザ光を照射し、前記未定着トナー画像を溶融して前記記録媒体上に定着させるレーザ照射手段と、前記記録媒体を搬送する記録媒体搬送手段とを備えた定着装置において、前記未定着トナー画像を形成する画像情報に基づいて前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御するレーザ出力制御手段と、前記画像情報に基づいて前記記録媒体搬送手段の記録媒体搬送速度を制御する速度制御手段とを備えることで、画像情報に対応した最適なレーザ照射を行うことができるため、不要なレーザ素子の発熱を抑制することができる。更に、画像情報からレーザ素子の過剰発熱が予想される場合には、記録媒体搬送速度を制御することにより、レーザ素子の過剰発熱を抑制することができる。これにより、小型で且つ簡単な構造で、エネルギー効率が高く、長寿命化を図った定着装置を実現できる。
【００２８】
また、本発明によれば、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部における未定着トナー画像の有無によりレーザ出力を制御することで、画像のある部分のみレーザを照射することにより、レーザ素子の無駄な発熱を抑制することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部に位置する未定着トナー画像の画像濃度（例えば、ドット印字率あるいは画像の空隙率）に基づきレーザ出力を制御することで、レーザ素子の無駄な発熱を抑制することができる。すなわち、ハーフトーン画像のような濃度の低い（ドット印字率の低い、あるいは画像の空隙率の高い）画像はソリッド画像のような濃度の高い（ドット印字率の高い、あるいは画像の空隙率の低い）画像に比べて記録媒体に逃げる熱の割合が大きく、定着エネルギーが多く必要となるため、画像濃度に対応してレーザ出力を制御することで、レーザ素子の無駄な発熱を抑制することができる。
【００３０】
また、本発明によれば、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部に位置する未定着トナー画像の空隙率が大きくなるほどレーザ出力を大きくするとともに、前記レーザ出力を、前記未定着トナー画像の空隙率が０（％）の場合のレーザ出力に対して最大で約２倍以下になるように制御することで、レーザ素子の無駄な発熱を抑制することができる。すなわち、ソリッド画像に比べてハーフトーン画像では十分な定着性を確保するのに必要なエネルギー密度が高く、最大で２倍のエネルギー密度が必要であることから、この関係に基づいてレーザ出力を制御することで、レーザ素子の無駄な発熱を抑制することができる。
【００３１】
また、本発明によれば、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の印字率に応じて記録媒体搬送速度を制御することで、レーザ素子の発熱を抑制することができる。例えば、原稿の印字率が１００（％）の場合、レーザ素子を１００（％）ＯＮし続けなければならず、依然としてレーザ素子が過剰に発熱してしまうため、前記原稿の印字率に応じて、例えば、印字率が高い場合は記録媒体搬送速度を減速するように制御することで、レーザ素子の発熱を抑制することができる。
【００３２】
また、本発明によれば、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の印字率にほぼ反比例して記録媒体搬送速度を制御することで、原稿の印字率が変わってもレーザ素子の過剰な発熱を抑制することができる。すなわち、原稿の印字率とレーザの消費電力は比例関係にあるため、記録媒体搬送速度とレーザの消費電力も比例関係にあることから、例えば、前記原稿の印字率が２倍の時には、記録媒体搬送速度を１／２にするように制御することで、レーザの消費電力を常に一定に維持することができ、原稿の印字率が変わってもレーザ素子の過剰な発熱を抑制することができる。
【００３３】
また、本発明によれば、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の中の最も低い画像濃度の情報に基づいて記録媒体搬送速度を制御することで、レーザ素子の発熱を抑制することができる。例えば、ハーフトーン画像が多く含まれるような原稿の場合、ソリッド画像（ベタ画像）のみの原稿に比べて、レーザ出力を約２倍にＵＰした状態でＯＮし続けなければならず、依然としてレーザ素子が過剰に発熱してしまう。そこで、原稿の中の最も低い画像濃度の情報に応じて記録媒体搬送速度を制御することでレーザ素子の発熱を抑制することができる。
【００３４】
また、本発明によれば、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の中の最も低い画像濃度にほぼ比例して記録媒体搬送速度を制御することで、レーザの消費出力を常に一定に維持することができ、原稿の画像濃度が変わってもレーザ素子の過剰な発熱を抑制することができる。すなわち、画像濃度とレーザの消費電力は反比例関係にあり、記録媒体搬送速度とレーザの消費電力は比例関係にあることから、原稿の中の最も低い画像濃度にほぼ比例して記録媒体搬送速度を制御することにより、例えば、前記原稿の画像濃度が１／２の時は、記録媒体搬送速度を１／２にするように制御することにより、レーザ素子の消費出力を常に一定に維持することができ、原稿の画像濃度が変わってもレーザ素子の過剰な発熱を抑制することができる。
【００３５】
また、本発明によれば、前記レーザ照射手段を、複数の半導体レーザ素子を記録媒体搬送方向と直交する方向にアレイ状に並べたレーザアレイからなるものとすることで、ハイパワーで高コストのレーザを単独で用いる場合と比較して、低コスト化を図ることができ、レーザ光を走査・集光させる必要もないため光学系を廃止できるので、省スペース化が図れるとともに光学系でのエネルギー損失を無くすことができる。また、省スペース化により更に大きなサイズのヒートシンクを取り付けることができるので、レーザ素子の冷却性能を向上させることができる。
【００３６】
また、本発明によれば、前記未定着トナー画像として、カラートナーにより形成されるトナー画像を含み、前記カラートナーには、赤外線吸収剤が含まれていることで、モノクロトナーと同様な光吸収率が実現できるので、定着不良を解消することができる。例えば、半導体レーザの場合、レーザ光の波長が７８０（ｎｍ）前後であり、モノクロトナーでは光吸収率が高く（約６０（％））、カラートナーでは光吸収率が低く（１０（％）前後）なるが、カラートナーに赤外線吸収剤を添加することで、光吸収率をモノクロトナー並みに向上させることができる。
【００３７】
また、本発明によれば、前記レーザ照射手段の構成として、単一のレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を記録媒体搬送方向に対して記録媒体に沿って垂直方向に走査する走査光学系と、レーザ光を集光するレンズとを備えることで、レーザ光をトナー画像部のみに、より高精度（高精細）に照射することができるため、無駄なエネルギー消費がなく、レーザ素子の発熱を抑制することができる。
【００３８】
また、本発明によれば、前記レーザ照射手段のレーザ光源の波長を、５．５〜１１（μｍ）とすることで、半導体レーザの光源を用いる場合に比べて、記録媒体がレーザ光を吸収するようになるため、トナー画像が形成されずに記録媒体が露出している部分では、記録媒体の表面が発熱することにより、トナーから記録媒体に逃げる熱が減少する。その結果、レーザ出力が一定であっても、画像濃度に関係なく一定の定着性を確保することができる。
【００３９】
また、本発明によれば、前記レーザ照射手段のレーザ光源を、ＣＯ２（炭酸ガス）レーザとすることで、半導体レーザの光源を用いる場合に比べて、記録媒体がレーザ光を吸収するようになるため、トナー画像がなく記録媒体が露出している部分では、記録媒体の表面が発熱することにより、トナーから記録媒体に逃げる熱が減少する。その結果、レーザ出力が一定であっても、画像濃度に関係なく一定の定着性を確保することができる。
【００４０】
また、本発明によれば、前記レーザ照射手段として、該レーザ照射手段の温度を検出する温度検出手段を備え、前記速度制御手段により、前記温度検出手段により検出された検出結果、すなわち、前記レーザ照射手段の温度に基づいて、記録媒体搬送速度を制御することで、より最適な制御を行うことができる。例えば、印字率が高くてもレーザ素子の温度が低ければ、記録媒体搬送速度を通常より速くするように制御することができる。
【００４１】
また、本発明によれば、表面に静電潜像が形成される像担持体と、像担持体表面を帯電させる帯電装置と、像担持体表面に静電潜像を形成する露光装置と、像担持体表面の静電潜像にトナーを供給してトナー像を形成する現像装置と、像担持体表面のトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、前記転写されたトナー像を記録媒体に定着させる定着装置とを備え、電子写真方式によりトナーを用いて画像を形成する画像形成装置において、前記定着装置として、請求項１乃至１３のうちの何れか一項に記載の定着装置を備えたことで、画像情報に対応した最適なレーザ照射を行うことができるため、不要なレーザ素子の発熱を抑制することができる。これにより、小型で且つ簡単な構造で、エネルギー効率が高く、長寿命化を図った画像形成装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る定着ユニットが用いられた画像形成装置の全体の構成を示す説明図である。
【図２】前記定着ユニットの構成を示す説明図である。
【図３】前記定着ユニットを構成するレーザヘッドの構成を示す正面から見た説明図である。
【図４】前記レーザヘッドの構成を示す側面から見た説明図である。
【図５】前記定着ユニットにおいて画像情報に基づきレーザヘッド及び用紙搬送装置の動作を制御する制御システムの構成を示すブロック図である。
【図６】前記定着ユニットにおいて画像情報及びレーザヘッドの温度に基づきレーザヘッド及び用紙搬送装置の動作を制御する制御システムの構成を示すブロック図である。
【図７】比較例における原稿の印字率及びドット印字率の条件とレーザビームのエネルギー密度及び平均消費電力の関係を示す表である。
【図８】実施例１−１における原稿の印字率及びドット印字率の条件とレーザビームのエネルギー密度及び平均消費電力の関係を示す表である。
【図９】実施例１−２における原稿の印字率及びドット印字率の条件とレーザビームのエネルギー密度及び平均消費電力の関係を示す表である。
【図１０】実施例１−３におけるレーザヘッドに取り付けた温度センサの検知温度と用紙搬送速度との関係を示す表である。
【図１１】前記定着ユニットにおける画像の空隙率と必要エネルギー密度との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る定着ユニットを構成するレーザヘッドの構成を示す説明図である。
【図１３】半導体レーザとＣＯ２レーザとによるドット印字率に対する必要エネルギー密度を求めた実験結果を示す表である。
【図１４】用紙表面におけるレーザ光の波長と吸光度との関係を示すグラフである。
【図１５】半導体レーザとＣＯ２レーザとによるモノクロトナーとカラートナー（イエロー、マゼンタ、シアン）に対する必要エネルギー密度を求めた実験結果を示す表である。
【図１６】各色トナーにおけるレーザ光の波長と吸光度との関係を示すグラフである。
【図１７】第２実施形態の定着ユニットにおける原稿の印字率及びドット印字率の条件とレーザビームのエネルギー密度及び平均消費電力の関係を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。
図１は発明を実施する形態の一例であって、本発明の第１実施形態に係る定着ユニットが用いられた画像形成装置の全体の構成を示す説明図である。
なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００４４】
第１本実施形態は、図１に示すように、表面に静電潜像が形成される感光体ドラム１０１と、感光体ドラム１０１表面を帯電させる帯電ユニット（帯電装置）１０３と、感光体ドラム１０１表面に静電潜像を形成する光学系ユニット（露光装置）Ｅと、感光体ドラム１０１表面の静電潜像にトナーを供給してトナー像を形成する現像ユニット（現像装置）１０２と、感光体ドラム１０１表面のトナー像を中間転写ベルト１１に転写する一次転写ユニット（転写装置）１３と、中間転写ベルト１１に一時的に転写されたトナー像を用紙に転写する二次転写ユニット（転写装置）１４と、前記転写されたトナー像を用紙に定着させる定着ユニット（定着装置）１５とを備え、電子写真方式によりトナーを用いて画像を形成する画像形成装置１００において、定着ユニット１５として、本発明に係る定着装置の構成を採用したものである。
【００４５】
まず、画像形成装置１００の全体構成について説明する。
画像形成装置１００は、例えば、ネットワーク上の各端末装置から送信される画像データ等に基づいて、所定の用紙に対して多色又は単色の画像を形成する。
画像形成装置１００は、図１に示すように、光学系ユニットＥ、４組の可視像形成ユニットｐａ，ｐｂ，ｐｃ，ｐｄ、中間転写ベルト１１、二次転写ユニット１４、定着ユニット１５、内部給紙ユニット１６及び手差し給紙ユニット１７とを備えている。
【００４６】
可視画像形成ユニットｐａは、トナー像担持体となる感光体ドラム１０１ａの周囲に、現像ユニット１０２ａ、帯電ユニット１０３ａ、クリーニングユニット１０４ａ及び一次転写ユニット１３ａが配置されている。現像ユニット１０２ａには、ブラック（Ｂ）のトナーが収容されている。一次転写ユニット１３ａは、中間転写ベルト１１を介して感光体ドラム１０１ａ上に配置されている。
【００４７】
帯電ユニット１０３ａとしては、感光体ドラム１０１ａ表面を一様に、またオゾンを極力発生させることなく帯電するために、帯電ローラ方式を採用している。
【００４８】
他の３組の可視像形成ユニットｐｂ，ｐｃ，ｐｄは、可視画像形成ユニットｐａと同様の構成であり、各可視像形成ユニットの現像ユニット１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄには、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の各色トナーが収容されている。
【００４９】
光学系ユニットＥは、レーザ光源４からの照射光を４組の感光体ドラム１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄに照射するように配置されている。
【００５０】
詳しくは、光学系ユニットＥは、メモリから読出した画像データ、または外部の装置から転送されてきた画像データに応じてレーザ光を出射するレーザ光源４、レーザ光を等角速度偏向するポリゴンミラー、等角速度で偏向されたレーザ光が感光体ドラム１０１上において等角速度で偏向されるように補正するｆ−θレンズなどから構成されている。そして、帯電された感光体ドラム１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄを入力された画像データに応じて露光することにより、その表面に画像データに応じた静電潜像を形成するものである。
【００５１】
中間転写ベルト１１は、用紙搬送方向に沿って並設された可視像形成ユニットｐａ，ｐｂ，ｐｃ，ｐｄに沿って、テンションローラ１１ａ，１１ｂにより撓むことなく配置されている。中間転写ベルトにおいて、テンションローラ１１ｂ側には廃トナーボックス１２が当接配置され、テンションローラ１１ａ側には二次転写ユニット１４が当接配置されている。
【００５２】
定着ユニット１５は、用紙上の未定着トナー画像にレーザ光を照射して該未定着トナー画像を溶融して用紙上に定着させるレーザヘッド（レーザ照射手段）１５ａと、用紙を搬送する用紙搬送装置（記録媒体搬送手段）１５ｂとを備え、レーザ光によりトナー像を用紙に定着するレーザ定着装置である。この定着ユニット１５は、二次転写ユニット１４の用紙搬送方向下流側に配置されている。
【００５３】
光学系ユニットＥの下方には、内部給紙ユニット１６が設けられ、装置本体の外側面には手差し給紙ユニット１７が設けられている。画像形成装置１００の上部には排紙トレイ１８が設けられている。この排紙トレイ１８は、印刷済みの用紙をフェイスダウンで載置するためのものである。
【００５４】
また、画像形成装置１００には、内部給紙ユニット１６の用紙及び手差し給紙ユニット１７の用紙を二次転写ユニット１４や定着ユニット１５を経由させて排紙トレイ１８に案内するための用紙搬送路Ｓが設けられている。
【００５５】
用紙搬送路Ｓには、給紙ローラ１６ａ，１７ａ、レジストローラ１９、二次転写ユニット１４、定着ユニット１５、搬送ローラｒ等が配置されている。
【００５６】
搬送ローラｒは、用紙の搬送を促進・補助するための小型のローラであり、用紙搬送路Ｓに沿って複数設けられている。給紙ローラ１６ａは、内部給紙ユニット１６の端部に備えられ、内部給紙ユニット１６から用紙を１枚ずつ用紙搬送路Ｓに供給する呼び込みローラである。給紙ローラ１７ａは、手差し給紙ユニット１７の近傍に備えられ、手差し給紙ユニット１７から用紙を１枚ずつ用紙搬送路Ｓに供給する呼び込みローラである。
【００５７】
レジストローラ１９は、用紙搬送路Ｓを搬送されている用紙を一旦保持し、中間転写ベルト１１上のトナー像の先端と用紙の先端とを合わせるタイミングで用紙を二次転写ユニット１４の転写部に搬送するものである。
【００５８】
次に、用紙搬送路Ｓによる用紙搬送動作について説明する。
画像形成装置１００には、図１に示すように、上述したように予め用紙を収納する内部給紙ユニット１６及び少数枚の印字を行う場合等に使用される手差し給紙ユニット１７が配置されている。これら両ユニットには各々給紙ローラ１６ａ，１７ａが配置され、これら給紙ローラ１６ａ，１７ａによって用紙を１枚ずつ用紙搬送路Ｓに供給するようになっている。
【００５９】
片面印字の場合は、内部給紙ユニット１６から搬送される用紙は、用紙搬送路Ｓ中の搬送ローラｒによってレジストローラ１９まで搬送され、レジストローラ１９により用紙の先端と中間転写ベルト１１上の積層されたトナー像の先端とが整合するタイミングで二次転写ユニット１４の転写部に搬送される。転写部では中間転写ベルト１１に形成されたトナー像が用紙上に転写され、このトナー像は定着ユニット１５にて用紙上に定着される。その後、用紙は排紙ローラ１８ａから排紙トレイ１８上に排出される。
【００６０】
また、手差し給紙ユニット１７から搬送される用紙は、複数の搬送ローラｒによってレジストローラ１９まで搬送される。それ以降の用紙搬送動作は、上述した内部給紙ユニット１６から供給される用紙と同様の経過を経て排紙トレイ１８に排出される。
【００６１】
一方、両面印字の場合は、上記のようにして片面印字が終了して定着ユニット１５を通過した用紙は、排紙ローラ１８ａに搬送され、後端が排紙ローラ１８ａにてチャックされる。次に、用紙は、排紙ローラ１８ａが逆回転することによって搬送ローラｒに導かれ、再びレジストローラ１９を経て裏面印字が行われた後に、排紙トレイ１８に排出される。
【００６２】
次に、画像形成装置１００における画像形成の行程について説明する。
可視像形成ユニットｐａ，ｐｂ，ｐｃ，ｐｄにおいて行われる画像形成は同様に行われるため、可視像形成ユニットｐａを例に挙げて説明する。
【００６３】
可視像形成ユニットｐａでは、感光体ドラム１０１ａ表面を帯電ユニット１０３ａにより一様に帯電した後、光学系ユニットＥにより感光体ドラム１０１ａ表面を画像情報に応じてレーザ露光することにより静電潜像を形成する。
【００６４】
その後、現像ユニット１０２ａにより感光体ドラム１０１ａ上の静電潜像に基づきトナー像を現像する。感光体ドラム１０１ａ上で顕像化されたトナー画像は、トナーとは逆極性のバイアス電圧が印加された一次転写ユニット１３ａにより中間転写ベルト１１上に転写される。
【００６５】
他の３組の可視像形成ユニットｐｂ，ｐｃ，ｐｄにおいても、可視像形成ユニットｐａと同様に画像形成が行われて、トナー画像が順次中間転写ベルト１１上で重ねて転写されるようになっている。
【００６６】
中間転写ベルト１１上に形成されたトナー画像は、二次転写ユニット１４において、内部給紙ユニット１６の給紙ローラ１６ａまたは手差し給紙ユニット１７の給紙ローラ１７ａにより給紙され、二次転写ユニット１４において、トナー画像とは逆極性のバイアス電圧が印加された用紙に転写される。
【００６７】
トナー画像が転写された用紙は、定着ユニット１５に搬送され、定着ユニット１５においてレーザ照射により未定着トナー像が加熱されて用紙上に融着された後、排紙ローラ１８ａにより外部の排紙トレイ１８上に排出される。
【００６８】
次に、第１実施形態に係る特徴的な定着ユニット１５の構成について図面を参照して詳細に説明する。
図２は第１実施形態に係る定着ユニットの構成を示す説明図、図３は前記定着ユニットを構成するレーザヘッドの構成を示す正面から見た説明図、図４は前記レーザヘッドの構成を示す側面から見た説明図である。
【００６９】
定着ユニット１５は、図２に示すように、レーザヘッド（レーザ照射手段）１５ａと、用紙搬送装置（記録媒体搬送手段）１５ｂとを備えている。
【００７０】
この定着ユニット１５は、用紙Ｐの表面に形成された未定着トナー画像をレーザ光によって溶融させて用紙Ｐに定着させるものである。
具体的には、用紙搬送装置１５ｂ上のレーザ光が照射されるレーザ照射部１５ｃに所定の定着速度と複写速度とにより未定着トナー像を担持した用紙が用紙搬送装置１５ｂにより搬送され、レーザヘッド１５ａから照射されるレーザ光によってトナーが溶融することで定着が行われる。
図中の符号Ｔ１は未定着トナー、Ｔ２は定着したトナーをそれぞれ示すものである。
【００７１】
本実施形態の画像形成装置１００では、最大定着速度２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）、最大複写速度５０枚／分（Ａ４横送り）であり、後述するように定着ユニット１５における定着速度（複写速度）が画像パターンにより可変制御される。
【００７２】
未定着トナー画像は、例えば、非磁性トナーを含む非磁性１成分現像剤、非磁性トナーおよびキャリアを含む非磁性２成分現像剤、磁性トナーを含む磁性現像剤などの現像剤に含まれるトナーで形成される。そして、カラートナー（イエロー，マゼンタ，シアン）はモノクロトナーに比べてレーザ光の光吸収率が低いことから、赤外線吸収剤を添加することでモノクロトナーと同じ光吸収率を確保している。
【００７３】
カラートナーは、例えば、カラートナーのメインバインダーレジン１００重量部に対して、赤外線吸収剤であるフタロシアニンが１重量部から５重量部が内添されたものが用いられている。また、フタロシアニン以外にポリメチン、シアニン、オニウム、ニッケル錯体等を用いることもできるし、併用することもできる。
【００７４】
まず、用紙搬送装置１５ｂについて説明する。
用紙搬送装置１５ｂは、図２に示すように、搬送ベルト１５ｂ１、駆動ローラ１５ｂ２、従動ローラ１５ｂ３、吸着チャージャー１５ｂ４、分離チャージャー１５ｂ５、除電チャージャー１５ｂ６、分離爪１５ｂ７、駆動モータ（図示省略）を備えている。
【００７５】
搬送ベルト１５ｂ１は、ベルト厚７５（μｍ）、体積抵抗率１×１０１６（Ω・ｃｍ）のポリイミド樹脂からなり、駆動ローラ１５ｂ２と従動ローラ１５ｂ３に張架されている。駆動ローラ１５ｂ２は、図示しない駆動モータにより、任意の速度で回転駆動するよう構成されている。すなわち、搬送ベルト１５ｂ１は、駆動ローラ１５ｂ２の回転により矢印方向に任意の速度で搬送される。また、搬送ベルト１５ｂ１の周囲には、吸着チャージャー１５ｂ４、分離チャージャー１５ｂ５、除電チャージャー１５ｂ６、分離爪１５ｂ７が設けられている。
【００７６】
このように構成された用紙搬送装置１５ｂにおいて、二次転写ユニット１４から搬送されてきた未定着トナー像が形成された用紙Ｐは、従動ローラ１５ｂ３上の搬送ベルト１５ｂ１と吸着チャージャー１５ｂ４の間に搬送される。
【００７７】
従動ローラ１５ｂ３は、導電性材料で構成されて接地されている。この従動ローラ１５ｂ３に対向する位置で、吸着チャージャー１５ｂ４によって用紙に電荷を与えることで、用紙Ｐと搬送ベルト１５ｂ１とは、それぞれ誘電分極を起こす。これにより、用紙Ｐは、搬送ベルト１５ｂ１上に静電吸着される。
【００７８】
用紙Ｐは、駆動ローラ１５ｂ２の駆動によってレーザ光が照射されるレーザ照射部１５ｃに搬送される。レーザ照射部１５ｃにおいて、用紙Ｐ上の未定着トナー像は、レーザヘッド１５ａによって画像情報に応じてレーザ照射されることにより溶融して用紙Ｐに定着する。
【００７９】
そして、レーザ照射部１５ｃにおいて、トナー画像の定着を終了した用紙Ｐは、搬送ベルト１５ｂ１に静電吸着された状態で、分離チャージャー１５ｂ５と駆動ローラ１５ｂ２との間に搬送される。
【００８０】
駆動ローラ１５ｂ２は、導電性材料で構成され接地されている。分離チャージャー１５ｂ５によって用紙Ｐ上を除電することで、搬送ベルト１５ｂ１と用紙Ｐとの間の静電吸着力が弱まる。
【００８１】
その状態で搬送ベルト１５ｂ１が、駆動ローラ１５ｂ２に沿って大きな曲率で回動することにより、用紙Ｐは、その先端部が搬送ベルト１５ｂ１から浮き上がり、さらに、分離爪１５ｂ７により完全に搬送ベルト１５ｂ１から分離される。用紙Ｐが剥離された搬送ベルト１５ｂ１は、除電チャージャー１５ｂ６により外面および内面が除電された後、再び用紙Ｐの吸着位置へ移動される。
【００８２】
次に、特徴的なレーザヘッド１５ａの構成について説明する。
レーザヘッド１５ａは、レーザ照射部１５ｃにおいて未定着トナー像にレーザ光を照射し、トナーを用紙に定着させるものである。
【００８３】
レーザヘッド１５ａは、図２〜図４に示すように、複数の半導体レーザ素子１５ａ１を長手方向（用紙搬送方向に対して直角方向）に一列状に配列した半導体レーザアレイ１５ａａ、フォトダイオード１５ａ２、シリコン基板１５ａ３、ヒートシンク（放熱板）１５ａ９及び温度センサ１５ａ１０を備えている。
【００８４】
フォトダイオード１５ａ２は、受光素子であるモニター用フォトダイオードである。シリコン基板１５ａ３は、ワイヤーボンド線１５ａ４により表面電極１５ａ５に配線され、セラミック基板１５ａ６に取付けられている。
【００８５】
半導体レーザアレイ１５ａａは、波長７８０（ｎｍ）で、１個の定格出力が１５０（ｍＷ）の半導体レーザ素子１５ａ１を１，０００個配列したものが用いられている。この時、各半導体レーザ素子１５ａ１の配列ピッチｐは、０．３（ｍｍ）でレーザスポット径ｄも０．３（ｍｍ）となる。
【００８６】
ヒートシンク１５ａ９は、アルミニウム合金製でベースサイズが３０（ｍｍ）×３０（ｍｍ）、高さ２０（ｍｍ）、熱抵抗１．６（℃／Ｗ）のヒートシンク（（株）アルファ社製：ＵＢ３０−２０Ｂ）を計１０個一列に並べたもの（トータルの熱抵抗０．１６（℃／Ｗ））を用いている。
【００８７】
更に、レーザヘッド１５ａの詳細構成について説明する。
レーザヘッド１５ａは、図３，図４に示すように、入力された信号によりレーザ光出力を可変したり、受光素子であるモニター用のフォトダイオード１５ａ２からの信号によりレーザ出力を一定に保持したりするための制御回路（図示せず）とフォトダイオード１５ａ２とがモノシリックに形成されたシリコン基板１５ａ３に、半導体レーザ素子（チップ）１５ａ１をマウントして、半導体レーザ素子１５ａ１とシリコン基板１５ａ３との間をワイヤーボンド線１５ａ４等により電気的接続している。
【００８８】
半導体レーザ素子１５ａ１を具備したシリコン基板１５ａ３は、セラミック基板１５ａ６上に複数個取り付けられ、ワイヤーボンディング等によりセラミック基板１５ａ６の表面電極１５ａ５とシリコン基板１５ａ３上の電極との間を電気的接続している。
【００８９】
この複数個のレーザ装置（半導体レーザ素子１５ａ１を具備したシリコン基板１５ａ３）が並んだセラミック基板１５ａ６には、ヒートシンク１５ａ９と、複数個の集光光学系としての複数の凸レンズ１５ａ８とが保持されたレンズホルダ１５ａ７が設けられている。
【００９０】
更に、図２に示すように、セラミック基板１５ａ６上には、レーザヘッド１５ａの温度を測定するためのサーミスタからなる温度センサ１５ａ１０が取り付けられている。
【００９１】
温度センサ１５ａ１０は、定着ユニット１５の長手方向（用紙搬送方向に対して用紙Ｐの表面に沿って垂直方向）の略中央の位置に配置されている。そして、温度センサ１５ａ１０により検出された温度データに基づいて、制御回路（図示せず）により半導体レーザ素子１５ａ１に印加する電圧（或いはレーザー素子１５ａ１に流れる電流）を制御するようにされている。
以上のように、本実施形態に係るレーザヘッド１５ａが構成されている。
【００９２】
尚、第１実施形態のレーザヘッド１５ａにおける複数の凸レンズ１５ａ８とレンズホルダ１５ａ７との構成は、各凸レンズ１５ａ８を樹脂ホルダ等に組み込んだものよりも、樹脂によるレンズ及びレンズホルダを一体成形したものや、平板ガラスをレンズ状にイオン交換して製造される平板マイクロレンズなどのレンズアレイとしたものの方が、価格や工程、組立精度に関して有利である。
【００９３】
また、第１実施形態では、レーザヘッド１５ａの構成として、凸レンズ１５ａ８を用いているが、凸レンズ１５ａ８等の集光光学系を無くし、平行光の状態でトナー画像にレーザを照射することも可能である。
【００９４】
次に、第１実施形態の定着ユニット１５の制御方法について図面を参照して説明する。
図５は第１実施形態の定着ユニットにおいて画像情報に基づきレーザヘッド及び用紙搬送装置の動作を制御する制御システムの構成を示すブロック図、図６は前記定着ユニットにおいて画像情報及びレーザヘッドの温度に基づきレーザヘッド及び用紙搬送装置の動作を制御する制御システムの構成を示すブロック図、図７〜図９は前記定着ユニットにおける原稿の印字率及びドット印字率の条件と、その条件の際に必要となるレーザビームのエネルギー密度及び平均消費電力の関係を示す表、図１０はレーザヘッドに取り付けた温度センサの検知温度と用紙搬送速度との関係を示す表である。
【００９５】
まず、定着ユニット１５の制御システムの構成について説明する。
定着ユニット１５の制御システムは、図５に示すように、レーザヘッド１５ａのレーザ出力を制御するレーザ出力制御機能（レーザ出力制御手段）１５１ａと用紙搬送装置１５ｂの用紙搬送速度を制御する用紙搬送速度制御機能（速度制御手段）１５１ｂとを有する制御装置１５１を備え、図示しない画像情報検出手段からの画像情報１５２に基づきレーザヘッド１５ａ及び用紙搬送装置１５ｂの動作を制御するようにされている。
【００９６】
画像情報１５２としては、（１）未定着トナー画像の画像濃度、（２）トナー画像が形成される原稿の印字率、等の情報が含まれている。
【００９７】
未定着トナー画像の画像濃度は、画像の空隙率やドット印字率により示すことができる。また、トナー画像が形成される原稿の印字率により、未定着トナー画像が存在しているか否かを判定することができる。
【００９８】
また、定着ユニット１５において、レーザヘッド１５ａの温度状態に応じてレーザヘッド１５ａ及び用紙搬送装置１５ｂの動作を制御する場合は、図６に示すように、図５に示す構成に加えて、温度センサ１５ａ１を備え、温度センサ１５ａ１０により検出されたレーザヘッド１５ａの温度に基づき用紙搬送装置１５ｂによる用紙搬送速度を制御するようにされている。
【００９９】
ここで、図７〜図９に示す表に用いられる用語について説明する。
「原稿印字率」とは、１ページの原稿における平均の印字率（マクロな印字率）であり、具体的には原稿全体の面積に対する印字（画像）部分の面積の割合を示したものである。
【０１００】
「ドット印字率」とは、各レーザ素子のレーザ照射部におけるミクロな印字率であり、具体的にはレーザスポット径（第１実施形態ではφ０．３（ｍｍ）とする）の面積に対する印字（画像）部分の面積の割合を示したものである。例えば、ソリッド画像の場合は１００（％）、ハーフトーン画像の場合、１ｂｙ１画像では５０（％）、１ｂｙ２画像では３３（％）、１ｂｙ３画像では２５（％）となる。
【０１０１】
「必要エネルギー密度」とは、各画像パターンに対し、十分な定着強度を得るために必要なレーザ出力から単位面積当たりのエネルギー密度を算出したものである。例えば、用紙搬送速度がＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）、画像領域幅がＬ（ｍｍ）、必要なレーザ出力がＰ（Ｗ）としたとき、必要エネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｃｍ２）は、
Ｅ＝１００＊Ｐ／（Ｖ・Ｌ）
となる。
【０１０２】
「レーザ平均出力」とは、１ページの原稿を定着する際に必要となるレーザの平均出力のことである。例えば、用紙搬送速度がＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）、画像領域幅がＬ（ｍｍ）、原稿の画像が全てソリッド画像でその原稿印字率がＲｔ（％）、ソリッド画像に対する必要エネルギー密度がＥ（Ｊ／ｃｍ２）とした場合、レーザ平均出力Ｐa（Ｗ）は、
Ｐａ＝Ｒｔ＊Ｅ＊（Ｖ・Ｌ）／１００００
となる。
【０１０３】
また、図７〜図１０における制御条件の違いは、以下に示す表の通りである。表中の、「○」は、その制御方法を使用しているもの、「（○）」は、その制御方法を使用しているかどうかは任意のもの、「−」は、その制御方法を使用していないものをそれぞれ表している。
【０１０４】
【表１】
2010217731.tif 000003
【０１０５】
以下に、上記表に示す４つの制御方法について説明する。
（１）「用紙搬送速度制御」とは、原稿の印字率や原稿内の画像の最小濃度、或いはレーザヘッドの温度測定データに基づいて、用紙搬送速度を０〜２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）の間で可変制御する制御方法のことである。尚、用紙搬送速度が０（ｍｍ／ｓｅｃ）とは画像形成を一旦停止することを意味する。
【０１０６】
（２）「トナー画像選択加熱制御」とは、用紙上のトナー画像が存在する部分にのみレーザをＯＮして照射する制御方法のことである。具体的には、各半導体レーザ素子のレーザ照射部において、トナー画像が存在する場合にレーザ出力をＯＮ、トナー画像が存在しない場合にレーザ出力をＯＦＦする。
【０１０７】
（３）「画像濃度補正制御」とは、用紙上のトナー画像の濃度に基づいてレーザ出力を可変制御する制御方法のことである。具体的には、各レーザ素子のレーザ照射部における画像のドット印字率（或いは空隙率）に応じてレーザ出力を可変制御する。
【０１０８】
ここで、画像の空隙率とレーザ出力との関係について図面を参照して説明する。図１１は第１実施形態の定着ユニットにおける画像の空隙率と必要エネルギー密度との関係を示すグラフである。
【０１０９】
空隙率とは、レーザビームのスポット径（本実施例ではφ０．３（ｍｍ））の領域において、ドットが印字されていない領域の割合であり、空隙率をＲｐとすると、
ドット印字率をＲｔ（％）とした場合、
Ｒｐ（％）＝１００−Ｒｔ（％）
で表される。
【０１１０】
定着ユニット１５においては、図１１に示すように、ソリッド画像（空隙率０％）では０．４（Ｊ／ｃｍ２）のエネルギー密度で定着が可能であるものの、ハーフトーン画像では空隙率が大きくなる（濃度が低くなる）ほど、必要なエネルギー密度は大きくなり、最大０．８（Ｊ／ｃｍ２）と、ソリッド画像の２倍のエネルギー密度が必要となることがわかる。
【０１１１】
この理由としては、あるひとつのドットに着目した場合、ソリッド画像では用紙に対しては、このドットの直下にある部分に対してのみ熱が逃げるものの、ハーフトーン画像のような濃度の低い（ドット印字率の低い＝画像の空隙率の高い）画像では、このドットの直下だけでなく自分の周囲の領域の用紙に対しても熱が逃げることから、ソリッド画像のような濃度の高い画像に比べて用紙に逃げる熱の割合が相対的に大きくなる。そのため、定着エネルギーが多く必要となる。
【０１１２】
（４）「レーザヘッド温度による制御」とは、レーザヘッド１５ａに取り付けた温度センサ１５ａ１０の温度情報をフィードバックして、用紙搬送装置１５ｂによる用紙搬送速度を可変制御する制御方法のことである。
【０１１３】
次に、第1実施形態の定着ユニット１５において、上記制御方法による実験結果について比較する。
【０１１４】
（比較例１）
図７は、上記４つの制御方法を全く使用していない従来のレーザ定着装置での制御方法による比較例１の実験結果である。
【０１１５】
具体的には、レーザヘッドのレーザ出力は、図７に示すように、原稿印字率やドット印字率に関係なく、常に定格出力の１５０（Ｗ）でＯＮすることから、レーザの平均出力としては１５０（Ｗ）となる。また、用紙搬送速度は、一律６２．５（ｍｍ／ｓｅｃ）に減速しないと対応できない（それ以上速い条件では１５０（Ｗ）のレーザ定格出力では定着できない）ことがわかる。従って、比較例１の制御方法では、用紙搬送速度としては通常速度の２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）には対応できない。
【０１１６】
また、通常、半導体レーザのエネルギー変換効率は５０（％）程度であることから、半導体レーザの平均出力が１５０（Ｗ）の場合、同じ１５０（Ｗ）がレーザ素子（レーザヘッド）での自己発熱となる。一方、一般的にレーザ素子の耐熱温度は４０（℃）で、雰囲気温度はＨＨ環境（高温、高湿環境）では最大３５（℃）まで上昇することから、レーザ素子の自己発熱による温度上昇としては５（℃）以下に抑える必要がある。このため、比較例１ではヒートシンクなどの簡易な空冷式の冷却手段を用いることができず、水冷式（チラー）や熱を移行させるペルチエ素子などの複雑で高価な冷却手段が必要となる。
【０１１７】
（実施例１−１）
図８は、上記４つの制御方法のうち、「用紙搬送速度制御」と「トナー画像選択加熱制御」の２つを使用した場合のレーザ定着装置での制御方法による実施例１−１の実験結果である。
用紙搬送速度制御としては、図８に示すように、原稿印字率に応じて２２５〜１２.５（ｍｍ／ｓｅｃ）の間で７段階で制御を行っている。
【０１１８】
実施例１−１の制御方法によれば、図８に示すように、用紙搬送速度としては通常速度である２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）に対応できる条件が存在することがわかる（グレー色で示す原稿印字率が０〜５（％）の部分）。
【０１１９】
原稿印字率が５（％）以上の場合は、用紙搬送速度を（最大で１２．５（ｍｍ／ｓｅｃ）まで）減速する必要があるものの、通常のモノクロの文字原稿の場合は、平均的な印字率としては５（％）程度であり、このような制御を行っても、実使用においては特に大きくスループット（ジョブ効率）が低下する訳ではない。
【０１２０】
また、レーザ平均出力は２７〜３０（Ｗ）であり、レーザ素子での自己発熱も２７〜３０（Ｗ）、平均２９．６（Ｗ）となることから、比較例１（自己発熱１５０（Ｗ））に比べて、自己発熱量を約１／５に抑制することができる。その結果、第１実施形態の定着ユニット１５のような自然空冷タイプの簡易なヒートシンク（トータル熱抵抗０．１６（℃／Ｗ））１５ａ９を用いても、温度上昇を５（℃）以内（０．１６（℃／Ｗ）×３０（Ｗ）＝４.８（℃））に抑えることができる。
【０１２１】
（実施例１−２）
図９は、図８に示す実施例１−１の制御方法に対し、更に「画像濃度補正制御」を加えた場合の制御方法による実施例１−２の実験結果である。
画像濃度補正制御としては、図９に示すように、ドット印字率に応じて０．８〜０．４（ｍｍ／ｓｅｃ）の間で５段階で制御を行っている。
【０１２２】
実施例１−２によれば、図９に示すように、実施例１−１の制御方法に比べて、２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）の用紙搬送速度に対応できる領域（グレー色の部分）が更に広がっている。
【０１２３】
また、減速しなければならない領域についても、減速率が実施例１−１より小さく（例えば、原稿印字率１１〜２０（％）、ドット印字率１００〜８１（％）の場合、実施例１−１では６２．５（ｍｍ／ｓｅｃ）まで減速する必要があるものの、実施例１−２では１２５（ｍｍ／ｓｅｃ）で収まる。）、実施例１−１に比べてスループットが向上することがわかる。
【０１２４】
また、レーザ平均出力は１３．５〜３０（Ｗ）であり、レーザ素子での自己発熱も１３．５〜３０（Ｗ）、平均２８．５（Ｗ）となることから、実施例１−１（自己発熱２７〜３０（Ｗ）、平均２９．６（Ｗ））に比べて、さらに自己発熱量を抑制することができる。
【０１２５】
（実施例１−３）
図１０は、「レーザヘッド温度による制御」を行う場合の制御方法による実施例１−３の制御仕様を示した表である。この制御の場合は、実施例１−１や実施例１−２とは異なり、原稿印字率やドット印字率から用紙搬送速度を決定するのではなく、レーザヘッド１５ａの温度を温度センサ１５ａ１０により直接計測することで、用紙搬送装置１５ｂによる用紙搬送速度を決定するものである。
【０１２６】
すなわち、レーザヘッド１５ａの温度が低い場合（２５（℃）以下）は、通常の２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）で用紙搬送を行い、レーザヘッド１５ａの温度が２５（℃）より高くなるにつれて、徐々に用紙搬送速度の減速を行うようにしている。そして、レーザヘッド１５ａの耐熱限界温度である４１（℃）以上になると、ジョブを一旦停止し、レーザヘッドの温度が４０（℃）以下になるまで待つようにしている。
【０１２７】
この実施例１−３の制御方法では、温度センサ１５ａ１０によりレーザヘッド１５ａの温度を直接検出し、その温度情報をフィードバックして用紙搬送装置１５ｂによる用紙搬送速度を制御することで、より最適な制御を行うことができる。
【０１２８】
例えば、原稿印字率が高かったり、ドット印字率が低かったりしても、レーザヘッド１５ａの温度自体が低ければ、用紙搬送速度を実施例１−１や実施例１−２より速くすることができ、実使用上のスループットが向上する。また、実施例１−３の制御方法は、「トナー画像選択加熱制御」や「画像濃度補正制御」を組み合わせて実施しても問題はない。
【０１２９】
以上のように、第１実施形態によれば、定着ユニット１５に、用紙Ｐ上に形成される未定着トナー画像を形成する画像情報、すなわち、原稿印字率やドット印字率（画像空隙率）に基づいてレーザヘッド１５ａのレーザ出力を制御するレーザ出力制御機能１５１ａと、前記画像情報に基づいて用紙搬送装置１５ｂの用紙搬送速度を制御する用紙搬送速度制御機能１５１ｂとを具備する制御装置１５１を備えることで、前記画像情報に対応した最適なレーザ照射を行うことができるため、不要な半導体レーザ素子１５ａ１の発熱を抑制することができる。
【０１３０】
更に、画像情報から半導体レーザ素子１５ａ１の過剰発熱が予想される場合には、用紙搬送速度を制御することにより、半導体レーザ素子１５ａ１の過剰発熱を抑制することができる。これにより、装置構成を簡単にできるので、小型を実現でき、エネルギーの効率化を図り、定着ユニット１５の長寿命化を実現できる。
【０１３１】
また、第１実施形態によれば、レーザヘッド１５ａに温度センサ１５ａ１０を設けて、温度センサ１５ａ１０によるレーザヘッド１５ａの温度情報をフィードバックして用紙搬送装置１５ｂによる用紙搬送速度を制御することで、より最適な制御を行うことができる。
【０１３２】
加えて、第１実施形態の定着ユニット１５では、安価な半導体レーザ素子１５ａ１を用いるため、ＣＯ２レーザのようなハイパワーで高コストのレーザを単独で用いる第２実施形態（後述）の定着ユニット１１５と比較して、定着ユニット１５の低コスト化を図ることができる。また、後述する第２実施形態のようにレーザ光を走査・集光させる必要もないため光学系を廃止できるので、省スペース化が図れるとともに光学系でのエネルギー損失を無くすことができる。更に、省スペース化により更に大きなサイズのヒートシンクを取り付けることができるので、レーザ素子の冷却性能を向上させることができる。
【０１３３】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について図面を参照して説明する。
図１２は本発明の第２実施形態に係る定着ユニットを構成するレーザヘッドの構成を示す説明図である。
尚、第２実施形態の定着ユニットは、レーザヘッドの構成を除いては第１実施形態の構成と同じ構成を有することから、レーザヘッド以外の同一の構成を有するものは同一の符号を付することで説明を省略する。
【０１３４】
第２実施形態に係る定着ユニット１１５は、図１２に示すように、単一のレーザ光源１１３からのレーザ光を回転する多面体ミラー１１２により、用紙Ｐの横方向（主走査方向）に走査し、レーザ光の偏向により生じる収差を補正する補正レンズ１１４としてのｆθレンズや集光レンズにより用紙Ｐの全域に集光し、用紙Ｐを用紙搬送装置１５ｂにより縦方向に搬送することにより、用紙Ｐの全域に集光レーザ光を照射するレーザ照射機構１１５ａを備えている。
【０１３５】
レーザ光源１１３としては、定格出力１５０（Ｗ）、波長１０．６（μｍ）、レーザスポット径φ１５０（μｍ）のＣＯ２レーザを用いている。
【０１３６】
ここで、レーザ光源１１３としてＣＯ２レーザを用いた場合の必要エネルギー密度について、半導体レーザの場合と比較して説明する。
【０１３７】
図１３は、半導体レーザ（波長７８０（ｎｍ））とＣＯ２レーザ（波長１０．６（μｍ））とによるドット印字率に対する必要エネルギー密度を実験により求めた結果を示す表である。尚、この実験ではモノクロトナーを用いた。
【０１３８】
図１３に示すように、半導体レーザでは、ドット印字率が小さくなるに連れて必要エネルギー密度が大きくなるのに対して、ＣＯ２レーザでは、ドット印字率に関係なく必要エネルギー密度が一定となる。
【０１３９】
この理由について以下に説明する。
図１４は用紙表面におけるレーザ光の波長と吸光度との関係を示すグラフである。ここでは、赤外分光装置を用いて坪量６０（ｇ／ｍ２）のＰＰＣ用紙表面のＩＲスペクトルを１回反射ＡＴＲ法で測定した。
【０１４０】
図１４に示すように、用紙表面は、波長９〜１１（μｍ）の領域で高い吸光度を示すことがわかる。すなわち、ＣＯ２レーザの場合、半導体レーザに比べて波長が長く、半導体レーザの波長７８０（ｎｍ）では用紙表面はレーザ光を吸収できないものの、ＣＯ２レーザの波長１０．６（μｍ）では用紙表面もレーザ光を吸収する。従って、ＣＯ２レーザを用いた場合、トナー画像がなく用紙表面が露出している部分では、用紙の表面が発熱し、トナーから用紙に逃げる熱が減少するため、レーザ出力が一定であっても、画像濃度に関係なく一定の定着性を確保することができる。
【０１４１】
図１５は、半導体レーザ（波長７８０（ｎｍ））とＣＯ２レーザ（波長１０．６（μｍ））とで、モノクロトナーとカラートナー（イエロー、マゼンタ、シアン）に対する必要エネルギー密度を実験により求めた結果を示す表である。尚、この実験では、カラートナーは赤外線吸収剤を添加していないタイプのものを使用した。
【０１４２】
図１５に示すように、半導体レーザでは、モノクロトナーに比べてカラートナーでは必要エネルギー密度が大きくなることに対して、ＣＯ２レーザでは、モノクロトナー，カラートナーに関係なく必要エネルギー密度が一定となる。
【０１４３】
この理由について以下に説明する。
図１６は各色トナーにおけるレーザ光の波長と吸光度との関係を示すグラフである。ここでは、図１４と同様に赤外分光装置を用いて、各色トナーのＩＲスペクトルをＫＢｒ錠剤法で測定した。
【０１４４】
図１６に示すように、カラートナーは、波長５．５（μｍ）以下の短波長領域ではモノクロトナーに比べて吸光度が低いものの、波長５．５〜１１（μｍ）の長波長領域ではモノクロトナーと同等の高い吸光度を示すことがわかる。
【０１４５】
すなわち、ＣＯ２レーザの場合、半導体レーザに比べて波長が長く、半導体レーザの波長７８０（ｎｍ）ではカラートナーはレーザ光を吸収できないものの、ＣＯ２レーザの波長１０．６（μｍ）ではカラートナーもレーザ光を吸収する。従って、ＣＯ２レーザによれば、高価な赤外線吸収剤を添加しなくても、カラートナーを定着させることができる。
【０１４６】
次に、第２実施形態の定着ユニット１１５の制御方法について図面を参照して詳細に説明する。
図１７は第２実施形態の定着ユニットにおける原稿の印字率及びドット印字率の条件とレーザビームのエネルギー密度及び平均消費電力の関係を示す表である。
尚、第２実施形態で用いられる制御方法は、第１実施形態と同様であるため、詳細な説明についてはここでは省略する。
【０１４７】
（実施例２）
図１７は、第１実施形態における実施例１−１（図８）における制御方法と同様に、前述した４つの制御方法のうち、「用紙搬送速度制御」と「トナー画像選択加熱制御」の２つを使用した場合のレーザ定着装置での制御方法による実施例２の実験結果である。
用紙搬送速度制御としては、図１７に示すように、原稿印字率に応じて２２５〜２５（ｍｍ／ｓｅｃ）の間で７段階で制御を行っている。
【０１４８】
実施例２において、「画像濃度補正制御」を使用していない理由としては、上述のようにＣＯ２レーザの場合、画像濃度に関係なく、必要エネルギー密度が一定となるためである。
【０１４９】
実施例２によれば、図１７に示すように、実施例１−１や実施例１−２の制御方法に比べて、２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）の用紙搬送速度に対応できる領域（グレー色の部分）が広がっている。
【０１５０】
また、減速しなければならない領域についても、減速率が実施例１−１や実施例１−２より小さくて済み（例えば、原稿印字率１１〜２０（％）、ドット印字率２０〜０（％）の場合、実施例１−１や１−２では６２．５（ｍｍ／ｓｅｃ）まで減速する必要があるものの、実施例２では１２５（ｍｍ／ｓｅｃ）で収まる。）、実施例１−１や１−２に比べてスループットが向上することがわかる。
【０１５１】
また、レーザ平均出力は１３．５〜３０（Ｗ）であり、レーザ素子での自己発熱も１３．５〜３０（Ｗ）、平均２７．２（Ｗ）となることから、実施例１−１（自己発熱２７〜３０（Ｗ）、平均２９．６（Ｗ））や実施例１−２（自己発熱１３．５〜３０（Ｗ）、平均２８．５（Ｗ））に比べて自己発熱量を抑制することができる。
【０１５２】
なお、実施例２では波長１０．６（μｍ）のＣＯ２レーザを用いたが、本発明は、レーザ光の波長を１０．６（μｍ）に限定するではなく、図１４、図１６の結果より、波長が５．５〜１１（μｍ）、より好ましくは、９〜１１（μｍ）のレーザ光であれば、実施例２と同様の効果が得られる。
【０１５３】
また、本発明は、レーザ光源としてＣＯ２レーザに限定されるものではなく、波長が５．５〜１１（μｍ）、より好ましくは９〜１１（μｍ）のレーザ光源であれば任意のレーザ光源を使用するものであっても良い。
【０１５４】
以上のように構成したので、第２実施形態によれば、定着ユニット１１５において、レーザ光源１１３としてＣＯ２レーザを用いることで、第１実施形態のように半導体レーザの光源を用いる場合に比べて、用紙がレーザ光を吸収するため、トナー画像が形成されずに用紙が露出している部分では、用紙の表面が発熱することにより、トナーから用紙に逃げる熱が減少するため、レーザ出力が一定であっても、画像濃度に関係なく一定の定着性を確保することができる。これにより、装置構成を簡単にできるので、小型化を実現でき、エネルギーの効率化を図り、定着ユニット１１５の長寿命化を実現できる。
【０１５５】
また、第１実施形態の定着ユニット１５では、半導体レーザ素子１５ａ１を等ピッチでアレイ状に並べる必要があるため、レーザスポット径を小さくするには制約があるものの、本第２実施形態の定着ユニット１１５では、そのような制約がなく、レーザスポット径を更に小さく絞ることが可能となる。その結果、レーザ光をトナー画像部のみに、より高精度（高精細）に照射することができるため、無駄なエネルギー消費がなく、レーザ素子の発熱を抑制することができる。
【０１５６】
尚、上述した実施形態では、本発明に係る定着ユニット１５，１１５を図１に示すような画像形成装置１００に適用した例について説明したが、レーザ光を照射して未定着トナー像を溶融して記録媒体に定着させるようにした定着ユニット（定着装置）を用いる画像形成装置であれば、上述したような構成の画像形成装置や複写機に限定されるものではなく、その他の画像形成装置等に展開が可能である。
【０１５７】
以上のように、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、すなわち、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１５８】
１５，１１５  定着ユニット（定着装置）
１５ａ  レーザヘッド
１５ａ１  半導体レーザ素子
１５ａ２  フォトダイオード
１５ａ３  シリコン基板
１５ａ４  ワイヤーボンド線
１５ａ５  表面電極
１５ａ６  セラミック基板
１５ａ７  レンズホルダ
１５ａ８  凸レンズ
１５ａ９  ヒートシンク
１５ａ１０  温度センサ（温度検出手段）
１５ａａ  半導体レーザアレイ
１５ｂ  用紙搬送装置（記録媒体搬送手段）
１５ｂ１  搬送ベルト
１５ｂ２  駆動ローラ
１５ｂ３  従動ローラ
１５ｂ４  吸着チャージャー
１５ｂ５  分離チャージャー
１５ｂ６  除電チャージャー
１５ｂ７  分離爪
１５ｃ  レーザ照射部
１００  画像形成装置
１１３  レーザ光源
１１４  補正レンズ
１５１  制御装置
１５１ａ  レーザ出力制御機能（レーザ出力制御手段）
１５１ｂ  用紙搬送速度制御機能（速度制御手段）
１５２  画像情報
Ｐ  用紙（記録媒体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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