(57)【要約】【課題】長時間の連続プリント動作でも定着ローラ表面温度を許容範囲内に継続して安定させることができ、装置のダウンタイムによる生産性低下や定着不良の発生を防ぐことができる定着装置を提供すること。【解決手段】配光の異なる複数の発熱体を備えた定着手段と、該定着手段と対向して圧接する加圧手段を備えた定着装置において、未定着画像を担持した記録材が定着装置を通過するタイミングを算出する定着期間算出手段と、前記定着期間算出手段により算出された記録材の通過タイミングに基づいて前記複数ヒータへ印加する電圧の比率を可変制御する電圧比率可変制御手段とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配光の異なる複数の発熱体を備えた定着手段と、該定着手段と対向して圧接する加圧手段を備えた定着装置において、
未定着画像を担持した記録材が定着装置を通過するタイミングを算出する定着期間算出手段と、前記定着期間算出手段により算出された記録材の通過タイミングに基づいて前記複数ヒータへ印加する電圧の比率を可変制御する電圧比率可変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】
前記定着期間算出手段は、記録材の通過枚数をカウントする手段を設けており、前記カウント枚数が所定値に達すると、前記定着期間算出手段による通過タイミングに基づいて電圧比率を切り替え制御することを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項３】
前記定着手段は、表面が無端移動自在で前記複数発熱体を内部に配置し、前記定着手段の軸方向における中央付近と端部付近の表面温度を検知するために複数の温度検知手段が配置され、前記電圧比率可変制御手段により可変制御される電圧比率は、前記温度検知手段の検出結果に基づいて決定されることを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項４】
前記電圧比率可変制御手段により可変制御される電圧比率は、前記複数発熱体に供給する電力総和が予め定められた所定電力以下になるよう決定されることを請求項１〜３の何れかに記載の定着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像形成装置の定着装置に関するもので、特にカーボンヒータを用いた定着装置とその制御手法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、配光の異なるヒータを備えた定着装置では、通紙領域で安定した温度を維持し、非通紙領域（端部）において過昇温とならないよう紙種に応じてヒータの電力比率が予め決められている。特に、従来のハロゲンヒータでは、印加電圧を可変制御することは寿命に影響し、頻繁なＯＮ／ＯＦＦ制御はフリッカーや高調波が問題となるため、紙種毎に予め決められたヒータのＯＮ／ＯＦＦデューティに基づき制御することで電力比率を最適化している。
【０００３】
又、通常、配光の異なるヒータを幾つも設けることは装置のコストアップになるため、通常２つ程度設けて全ての紙種に対応している（特許文献１，２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−２８１８７７号公報
【特許文献２】特開平０７−１１４２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、プリント動作中における温調制御は、通紙領域が最適になるようされているため、端部側の非通紙領域の温度を安定して維持させることは難しく、連続プリント動作が長くなるほど、定着ローラ表面の中央付近と端部付近で温度差が生じてくる。その影響により、長時間に及ぶプリント動作では、通紙領域でも端部と中央とで温度差が生じ、用紙中央と端部で定着性が異なる可能性があった。
【０００６】
又、昨今、定着ローラは従来の厚肉系から薄肉系樹脂材を使用する構成へと技術動向は変化しているが、厚肉系に対し薄肉系は主走査方向の熱伝導が悪いため、特に上記問題が発生し易くなる。又、薄肉系でも比較的熱容量があるローラを用いた場合は、通紙により奪われる熱を紙間で補い切れず、連続通紙が長期に及ぶと通紙領域の温度も所定範囲外に低下してしまう。
【０００７】
従来のハロゲンヒータでは、上記課題に対し、中央若しくは端部の温度が所定値以上或は所定値以下になると紙間を広げたり、定着器にしばらく紙を通紙しないようダウンシーケンスを入れる等してローラ全体の温度が所定範囲内になるよう慣らす時間を設けることで対策していた（特開平０９−１１４３１８号、特開平１０−０２０７１８号公報参照）。しかし、この場合、装置の生産性が低下することが問題として掲げられていた。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、長時間の連続プリント動作でも定着ローラ表面温度を許容範囲内に継続して安定させることができ、装置のダウンタイムによる生産性低下や定着不良の発生を防ぐことができる定着装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明では、配光の異なる複数の発熱体を備えた定着手段と、該定着手段と対向して圧接する加圧手段を備えた定着装置において（特に、本発明では、カーボンヒータのように突入電流がなく、印加電圧を可変制御しても寿命に影響しないヒータを用いた定着構成が好ましい）、記録材が定着部を通過するタイミングを算出する手段と、その通過タイミングに基づき、複数ヒータへ印加する電圧比率を可変制御する手段とを設けることで、連続プリント中の最適なタイミングで電圧比率を制御することが可能となる。これは、定着ローラと加圧ローラで圧接された定着ニップ部を記録材が通過するタイミングを把握することで、対象となる記録材に対しトナー像を定着している期間に電圧切り替えを行い定着ローラ表面の温度が急激に変動することを防止する。
【００１０】
又、定着部を記録材が通過する枚数や定着ローラ表面温度の検出結果に基づき、上記電圧比率可変制御を行うことで、より装置に適したタイミングでの制御が可能となる。
【００１１】
更に、定着装置へ供給可能な最大電力内で上記電圧比率可変制御を行うようにすることで、定着装置以外への電力供給を確保し、装置全体の動作に支障を来すことのないようにする。
【００１２】
以上の手段により、連続通紙により生じる中央と端部の温度差を低減することができ、端部温度の過昇温も防止できる。従って、長時間の連続プリント動作でも定着ローラ表面温度を許容範囲内に継続して安定させることが可能となり、上記問題である装置のダウンタイムによる生産性低下や定着不良が解決される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、配光の異なる複数ヒータを用いた構成の定着装置において、連続プリント動作により生じる通紙領域と非通紙領域の温度差を、従来のように装置のダウンタイムを発生させることなく、低減することができる。従って、本発明により、安定した定着画質を確保すると共に、装置稼働率及び生産性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１５】
＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る定着装置の概略断面図である。
【００１６】
図示の定着装置は、内部に熱源であるカーボンヒータを備えた定着ローラ１０１と、それと対向圧接して回動する加圧ローラ１０２と、未定着画像を担持した記録材が定着装置に進入することを検知するための定着入り口ＳＮＳ１と、定着ローラ１０１の表面温度を検出するための温度センサーＴＨ１とを備えている。
【００１７】
而して、未定着画像を担持した記録材は、定着ローラ１０１と加圧ローラ１０２とで形成される圧接部を通ることによって、熱と圧力によりトナー画像が記録材に定着される。このとき、定着ローラ１０１の表面温度が所定の範囲内に安定するよう温度センサＴＨ１の検出結果に基づき、不図示の電気回路により制御されている。
【００１８】
次に、定着ローラ１０１内に設けられたカーボンヒータの構成について図２に即して説明する。
【００１９】
図２に示すように、構成の異なるヒータが2 本設けられている。ヒータ１は定着ローラに対し中央に位置するヒータ部２０１の長さが２００ｍｍであり、１００Ｖで８００Ｗ仕様である。形状は板状であり、熱は板面に対して主に直交方向に向かって放射される。ヒータ２は、定着ローラに対し、両端部に長さが５０ｍｍのヒータ部２０２，２０３を有しており、１００Ｖで４００Ｗ（２００Ｗ×２）の仕様である。形状はヒータ１と同様に板状になっている。ヒータ１，２の配光分布は図２の下側に示したように、ヒータ１が定着ローラ中央部、ヒータ２が両端部に、ほぼヒータ部分の長さと同等の領域に分布するようになっている。本実施の形態で用いられているカーボンヒータの特徴は、炭素系の抵抗体であるため、突入電流がなく、０〜１００％の点灯が可能であるという点である。
【００２０】
図３は本発明の特徴となる電圧比率制御回路３０４を含む定着ヒータ制御に関わる回路ブロックの概略図である。以下、その機能について説明する。
【００２１】
装置全体に渡る各種制御処理動作を実行するＣＰＵ３０１と、ＣＰＵ３０１を動作させるためのソフトプログラム等を格納するＲＯＭ３０３、ＲＡＭ３０２と、本発明の特徴とする電圧比率制御回路３０４と、電圧比率制御回路３０４からの信号や温度センサＴＨ１の情報に基づき、ヒータ１，２に印加する電圧の波高値を制御する波高値制御回路３０５とから構成される。
【００２２】
電圧比率制御回路３０４では、ＣＰＵ３０１から伝達される記録材の紙種情報に基づき、紙種毎に予め決められたヒータ１、２の印加電圧となるよう波高値制御回路３０５を動作させる。そして、紙種情報と定着入り口センサーＳＮＳ１の信号に基づき、未定着画像を担持した記録材が定着ニップ部を通過するタイミングを算出する。本実施の形態では、更に通過する記録材の枚数をカウントするカウンタ（不図示）を備えており、紙種毎に予め定められた枚数毎にヒータ１，２に印加する電圧を切り替え制御する。
【００２３】
ここで、図４は従来のヒータ制御での通紙領域と非通紙領域の温度変化の様子を示しており、以下にその問題点を説明する。図５は問題となる定着ローラ表面の温度分布の様子を示している。図６は従来ハロゲンヒータを用いた定着構成において一般的な電力制御を示したものである。
【００２４】
先ず、従来のヒータ制御方法について説明するが、従来のヒータは一般的にハロゲンヒータが用いられているため、その定格電力は、装置全体の電力が１５００Ｗ（日本の電源コンセント仕様は１００Ｖ、１５Ａ）を超えない範囲で選定されており、印加電圧は電源仕様に合わせて固定で使用しないと、ヒータ寿命が劣化する可能性がある。そのため、連続通紙中に全てのヒータをＯＮし続けることは難しく、ウォームアップ時のように定着器以外の機械動作が停止しているとき以外は、２本のヒータの片方ずつ点灯制御する手法が一般的である。その制御方法は、紙サイズ毎に予め定められた電力比率となるようヒータ１，２のＯＮ／ＯＦＦデューティが決められており、定着ローラ中央付近に設けられて温度センサの検出結果に基づき所定の温度範囲内になるよう制御されていた。
【００２５】
又、定着ローラのゴム材の厚さに応じて熱を蓄える量が決まり、この厚さは、定着に必要な熱量とも関係するが、従来のハロゲンヒータの制御方法では、頻繁なＯＮ／ＯＦＦはフリッカーや高調波に影響するため、１秒〜４秒程度の周期で制御し易いよう比較的熱容量のあるゴムローラが用いられている。そのため、通紙により奪われる熱を紙間で補い切れず、連続通紙が続くほど、通紙領域での温度も低下していく傾向にある。このとき、端部側の非通紙領域では通紙により奪われる熱が少ないので、逆に温度が高くなる傾向にある。
【００２６】
こうした問題を解決する手段として従来では、定着ローラの中央付近と端部付近に配置された温度センサーにより、どちらかが所定の温度範囲外になると、通紙を停止して定着ローラを空回転させることで、ローラ表面の温度が均一になるよう慣らす時間を設けていたが、このことは装置のダウンタイムによる生産性低下という問題が掲げられていた。
【００２７】
更に、昨今、定着ローラに用いられる部材は、ウォームアップ時間の短縮等を目的として、ローラ軸方向と直交する方向の熱伝導率の高い、より薄肉のものが用いられるようになっているが、この場合、軸方向に対する熱伝導率が悪くなるため、非通紙領域である端部側温度と通紙領域の温度差はより大きくなる。従って、上述した問題がより深刻となっている。
【００２８】
そこで、本実施の形態では、図７に示したようなヒータ制御を行うことで上記問題を解決する。以下、その制御方法について説明する。
【００２９】
先ず、図３の電圧比率制御回路３０４により紙種に応じ予め定められたヒータ１，２の電圧比率に基づいて、波高値制御回路３０５からヒータ１，２へ電力が供給される。本実施の形態におけるカーボンヒータでは、定格電圧に対し０〜１００％までの電力供給が可能であるから、ＯＮ／ＯＦＦデューティではなく、ＡＣ電圧の波高値制御で２本のヒータへの電力供給比率を制御している。従来、図６に示したように、ラージサイズ紙における必要電力は、ヒータ１では、１０秒間で８００Ｗ×１．３ｓｅｃ×３÷２００ｍｍ≒１６Ｗ／ｍｍである。ヒータ２についても、４００Ｗ×１．３ｓｅｃ×３÷１００ｍｍ≒１６Ｗ／ｍｍとなり、同じだけ必要になる。従って、本実施の形態における制御では、ヒータ１＝１６Ｗ／ｍｍ×２００ｍｍ÷１０ｓｅｃ＝３２０Ｗ、ヒータ２＝１６Ｗ／ｍｍ×１００ｍｍ÷１０ｓｅｃ＝１６０Ｗとなる（図７参照）。これが対象としている紙種に対しての最適な電力比率になるが、上述したように、従来のように連続通紙中にこの電力比率を一定に保つだけでは、通紙領域の中央付近と非通紙領域の端部付近とで温度差が生じてしまう。      
そこで、本実施の形態では、電圧比率制御回路３０４において、記録材が通過する枚数をカウントし、それが２０枚に達する毎に、先の電力比率を切り替える制御を行っている。又、切り替えタイミングは、記録材が通過するタイミングに基づき非通紙時に行われるようにすることで、通紙時に急激な温度変動が生じることを避けている。そして、このときの電力比率は、ヒータ１が６００Ｗ、ヒータ２が１００Ｗとしている。尚、本実施の形態においては、切り替え時の電力比率は、検討の結果得られるもので、紙種と枚数に応じて予め設定されている。
【００３０】
以上述べたように、連続通紙中の所望のタイミングで、配光の異なる複数ヒータへの電力比率を切り替える制御をすることで、予め定められた最適な電力比率でも連続動作を続くほど問題となる通紙領域と非通紙領域の温度差を低減することが可能となる。
【００３１】
次に、上述した実施の形態１の機能を図１１に示したフローチャートに即して全体の流れを説明する。
【００３２】
先ず、給紙部に記録材が収納されたり、プリントＪＯＢチケットが送られてくることにより、紙種を認識する（Ｓ１０１）。そして、ＪＯＢがスタートし（Ｓ１０２）、未定着画像を担持した記録材が搬送されてくると、定着装置入り口付近に配置されたセンサにより記録材が進入することを検知する（Ｓ１０３）。その検知タイミングを基に、記録材が定着ニップ部を通過するタイミングを算出する（Ｓ１０４）。そして、本実施の形態では、記録材が通過する枚数をカウントし（Ｓ１０５）、所定枚数以上（本実施の形態では、２０枚としている）になると（Ｓ１０６）、Ｓ１０１で認識した紙種情報に基づき、予め決めている電圧比率となるよう制御する（Ｓ１０７）。その後、ＪＯＢが続く場合は、定着入り口への突入検知からの一連のシーケンスを繰り返し実行し、所定枚数毎に電圧比率を切り替える。
【００３３】
本実施の形態の特徴としては、定着部を通過する記録材の枚数に基づき、電圧切り替え制御を行うため、実際のローラ表面の温度に関しては予測することが必要であり、そのための検討が必要となる。しかし逆に、定着ローラ部材の熱容量が小さく、ローラ表面温度の変化が早く、温度センサで制御することが難しい定着構成に適していると考える。
【００３４】
＜実施の形態２＞
本実施の形態２では、前記実施の形態１と同様の構成・機能については説明を省略する。
【００３５】
本実施の形態では、図９に示したように、定着ローラ表面の中央付近と端部付近に温度センサＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３が配置されており、中央部に位置するＴＨ１の検出温度と端部に位置するＴＨ２，ＴＨ３の検出温度を基に、温度差算出回路１００２にて中央のＴＨ１と端部のＴＨ２及びＴＨ３との温度差を算出する。そして、何れか一方でも所定値以上であった場合には、電圧比率制御回路３０４に印加電圧比率を変えるよう要求信号を出力する（図１０参照）。それを受けて、電圧比率制御回路３０４では、紙種毎に予め定められた電圧比率に切り替え制御を実行する。
【００３６】
以上の制御により実施の形態１と同様、連続通紙時の通紙領域と非通紙領域の温度差を低減することが可能となる。
【００３７】
次に、上述した実施の形態２の機能について、図１２に示したフローチャートに即して全体の流れを説明する。
【００３８】
先ず、給紙部に記録材が収納されたり、プリントＪＯＢチケットが送られてくることにより、紙種を認識する（Ｓ２０１）。そして、ＪＯＢがスタートし（Ｓ２０２）、未定着画像を担持した記録材が搬送されてくると、定着装置入り口付近に配置されたセンサにより記録材が進入することを検知する（Ｓ２０３）。その検知タイミングを基に、記録材が定着ニップ部を通過するタイミングを算出する（Ｓ２０４）。それから、本実施の形態では、定着ローラ表面の中央付近に配置された温度センサＴＨ１と両端部に配置されたＴＨ２及びＴＨ３の温度検出結果を基に（Ｓ２０５）、中央ＴＨ１と端部ＴＨ２及びＴＨ３との温度差を算出し、（ＴＨ２−ＴＨ１）或は（ＴＨ３−ＴＨ１）の何れか一方でも所定値Ｎ以上であると判断された場合には（Ｓ２０６）、電圧比率の切り替え制御を行う（Ｓ２０７）。以上の流れがＪＯＢが終了するまで続けられるため、ステップＳ２０６にて定着ローラ表面の中央と端部の温度差が所定値以上生じる度に、電圧比率が切り替えられることになる。
【００３９】
本実施の形態について、前記実施の形態１と異なる特徴としては、ローラ表面の温度を検出しながら制御するため、より最適なタイミングで電圧切り替え制御を行うことができる。但し、一般的に温度センサの応答性の観点から、実際のローラ表面温度と温度センサの検出結果との間に若干の時間的ずれが生じるため、薄肉ローラ系でも比較的熱容量がある材質でローラ表面の温度変化が緩やかな構成に適していると考える。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態における定着装置の概略断面構成図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるカーボンヒータの構成と配光分布を示すものである。
【図３】本発明の特徴とする電圧比率制御回路を含むブロック図の概略構成である。
【図４】従来制御における定着ローラ表面温度の変化を示したグラフである。
【図５】従来制御において問題なる定着ローラ表面の温度分布を示した図である。
【図６】従来ハロゲンヒータでの電力制御を示したものである。
【図７】本発明の実施の形態１における電力制御を示したものである。
【図８】図７に示した実施の形態１における制御でのローラ表面温度変化を示したグラフである。
【図９】本発明の実施の形態２における定着ローラ近傍の温度センサの配置図である。
【図１０】本発明の実施の形態２における制御回路の一部ブロック図を示したものである。
【図１１】本発明の実施の形態１における一連の動作シーケンスを示したフローチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態２における一連の動作シーケンスを示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１０１  定着ローラ
１０２  加圧ローラ
２０１  ヒータ部
２０２  ヒータ部
２０３  ヒータ部
３０１  ＣＰＵ
３０２  ＲＡＭ
３０３  ＲＯＭ
３０４  電圧比率制御回路
３０５  波高値制御回路
ＳＮＳ１  定着入り口センサ
ＴＨ１  温度センサ
【図１】
2006162672.tif 000003
【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】
2006162672.tif 000011
【図１０】
2006162672.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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