(57)【要約】【課題】加圧部材の温度状態に拘らず、加圧部材の線速を適切に制御する。【解決手段】プリンターの定着装置１３は、用紙に形成されたトナー像を加熱する定着ベルト２０と、定着ベルト２０に対して加圧され、定着ベルト２０との間を通過する用紙を加圧する加圧ローラー２１と、加圧ローラー２１の表面温度を検知する第２温度センサー２７とを備える。定着装置１３の制御装置１５は、第２温度センサー２７によって検知した加圧ローラー２１の表面温度に基づいて、加圧ローラー２１の内部温度を予測し、加圧ローラー２１の内部温度に基づいて、加圧ローラー２１の膨張量を算出し、加圧ローラー２１の膨張量に基づいて、加圧ローラー２１で搬送される用紙の線速が所定の目標線速となるように、加圧ローラー２１の回転速度を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
用紙に形成されたトナー像を加熱する加熱部材と、
前記加熱部材に対して加圧され、前記加熱部材との間を通過する前記用紙を加圧する加圧部材と、
前記加圧部材の表面温度を検知する温度検知部と、を備え、
前記温度検知部によって検知した前記表面温度に基づいて、前記加圧部材の内部温度を予測し、前記内部温度に基づいて、前記加圧部材の膨張量を算出し、前記膨張量に基づいて、前記加圧部材で搬送される用紙の線速が所定の目標線速となるように、前記加圧部材の回転速度を制御することを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記加圧部材を径方向に複数の層に分けて、前記温度検知部によって検知した前記表面温度及び前記加圧部材の熱伝導率に基づいて、前記複数の層のそれぞれの前記内部温度を予測し、前記複数の層のそれぞれの前記内部温度に基づいて前記膨張量を算出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】
請求項１又は２に記載の定着装置を備えている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、用紙にトナー像を定着させる定着装置と、この定着装置を備えた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像形成装置は、用紙上に形成されたトナー像を定着させる定着装置を備える。定着装置は、トナー像を加熱する加熱部材と、用紙に対してトナー像を加圧する加圧部材とを備える。
【０００３】
例えば、特許文献１の定着装置では、定着ベルト（加熱部材）の温度を検知するための二つの温度センサーと、定着装置の定着条件を制御するための制御手段とを備える。制御手段は、二つの温度センサーからのそれぞれの検知温度の差に基づいて加圧ローラー（加圧部材）の温度を予測し、予測加圧ローラー温度に基づいて、定着ベルトの目標温度や加圧ローラーの目標駆動速度を変更し、定着ベルトを目標温度に制御し、あるいは加圧ローラーを目標駆動速度に制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２７６５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
定着装置では、加圧部材の熱膨張に応じて、加圧部材の外径が変化すると、加圧部材の回転速度が一定の場合、加圧部材の外径に応じて、加圧部材による用紙の搬送速度（線速）が変化する。そして、加圧部材の用紙線速が変化すると、加熱部材及び加圧部材の間で行われる定着処理において画像ずれや紙皺等の問題が発生する。そこで、従来の定着装置は、上記したように、加圧部材の表面温度を測定し、加圧部材の表面温度に基づいて加圧部材の回転を制御する。しかし、加圧部材の熱膨張は、加圧部材の様々な温度状態に応じて、多様に変化するので、加圧部材の表面温度だけでは、加圧部材の熱膨張及び外径を正確に予測することができず、適切に線速を制御することができない。例えば、加圧部材が十分に加熱されて表面だけでなく内部まで温度が上昇している場合と、加圧部材の加熱当初に表面だけ温度が上昇して内部まで温度が上昇していない場合とでは、加圧部材の熱膨張が異なる。
【０００６】
そこで、本発明は上記事情を考慮し、加圧部材の温度状態に拘らず、加圧部材の線速を適切に制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の定着装置は、用紙に形成されたトナー像を加熱する加熱部材と、前記加熱部材に対して加圧され、前記加熱部材との間を通過する前記用紙を加圧する加圧部材と、前記加圧部材の表面温度を検知する温度検知部と、を備え、前記温度検知部によって検知した前記表面温度に基づいて、前記加圧部材の内部温度を予測し、前記内部温度に基づいて、前記加圧部材の膨張量を算出し、前記膨張量に基づいて、前記加圧部材で搬送される用紙の線速が所定の目標線速となるように、前記加圧部材の回転速度を制御することを特徴とする。
【０００８】
上記した定着装置は、前記加圧部材を径方向に複数の層に分けて、前記温度検知部によって検知した前記表面温度及び前記加圧部材の熱伝導率に基づいて、前記複数の層のそれぞれの前記内部温度を予測し、前記複数の層のそれぞれの前記内部温度に基づいて前記膨張量を算出する。
【０００９】
本発明の画像形成装置は、上記した定着装置を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、加圧部材の温度状態に拘らず、加圧部材の線速を適切に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るプリンターを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る定着装置を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る定着装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る定着装置の加圧ローラーを示す拡大断面である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。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。
【００１７】
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。
【００１８】
次に、定着装置１３の構成について、図２〜図４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、定着ベルト２０（加熱部材）と、加圧ローラー２１（加圧部材）と、ヒーター２２（熱源）と、反射板２３と、支持部材２４と、押圧部材２５と、第１温度センサー２６と、第２温度センサー２７（温度検知部）とを備える。
【００１９】
定着ベルト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、定着ベルト２０及び加圧ローラー２１の間に加圧領域Ｎが形成される。
【００２０】
なお、加圧領域Ｎとは、定着ベルト２０と加圧ローラー２１とが接触している領域であって、定着ベルト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。
【００２１】
定着ベルト２０は、用紙の搬送方向（左右方向）と直交（交差）する用紙の幅方向（前後方向）に長い略円筒状に形成され、可撓性を有する無端状のベルトである。定着ベルト２０は、前後方向を回転軸方向として、定着フレームに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。定着ベルト２０の内部には、定着ベルト２０の形状を内側から規制する形状規制部材（図示せず）が備えられる。定着ベルト２０は、ヒーター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、加熱部材が定着ベルト２０で構成される例を説明するが、加熱部材は、ローラーで構成されてもよい。
【００２２】
加圧ローラー２１は、用紙の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金２１ａと、芯金２１ａに周設されたシリコンゴム等の樹脂製の弾性層２１ｂから構成され、弾性層２１ｂ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、定着フレームに回転可能に取り付けられる。芯金２１ａは、モーター等の駆動源２８（図３参照）に接続されていて、駆動源２８から伝達される回転駆動力によって芯金２１ａが回転することで、加圧ローラー２１が回転する。また、加圧ローラー２１は、定着ベルト２０側に加圧されて、定着ベルト２０と共に、加圧領域Ｎを通過する用紙を加圧する。
【００２３】
ヒーター２２は、例えば、幅方向に亘って長い形状を有する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る熱源である。ヒーター２２は、定着ベルト２０の内部に取り付けられ、内側から定着ベルト２０を加熱し、例えば、定着ベルト２０の上側部分を幅方向に亘って加熱する。なお、本実施形態では、ヒーター２２が定着ベルト２０の内部に設けられる例を説明するが、ヒーター２２は定着ベルト２０の外部に設けられてもよく、ＩＨユニットで構成されてもよい。
【００２４】
反射板２３は、定着ベルト２０の内部においてヒーター２２よりも加圧ローラー２１側（下側）に配置され、ヒーター２２から加圧ローラー２１側に放射される輻射熱を反射し、例えば、定着ベルト２０の上側部分に向かって反射する。
【００２５】
支持部材２４は、定着ベルト２０の内部において反射板２３よりも加圧ローラー２１側（下側）に配置される。支持部材２４は、例えば、前後方向に長い四角筒状に形成され、定着ベルト２０やその内部に配置される部材を支持し、その前後両端は定着フレームに取り付けられる。
【００２６】
押圧部材２５は、定着ベルト２０の内部空間において支持部材２４よりも加圧ローラー２１側に配置される。押圧部材２５は、例えば、耐熱性材料によって形成され、定着ベルト２０の内周面の加圧ローラー２１側（下側）の部分を、摺接シート等を介して加圧ローラー２１側（下側）に向かって押圧する。これにより、定着ベルト２０と加圧ローラー２１との間に定着ニップが形成される。
【００２７】
第１温度センサー２６は、定着ベルト２０の外側で定着ベルト２０の近傍に配置され、定着ベルト２０に対して非接触で設けられる。第１温度センサー２６は、例えば、サーミスタ等によって構成され、定着ベルト２０の表面温度を検知する。なお、本実施形態では、第１温度センサー２６は、定着ベルト２０の外側に設けられる例を説明するが、第１温度センサー２６は、定着ベルト２０の内側に設けられてもよい。また、本実施形態では、１つの第１温度センサー２６で定着ベルト２０の表面温度を検知する例を説明するが、２つの第１温度センサー２６が幅方向において中央と端部とに設けられて、２つの第１温度センサー２６の検知結果に基づいて、定着ベルト２０の表面温度を算出してもよい。
【００２８】
第２温度センサー２７は、加圧ローラー２１の外側に配置され、加圧ローラー２１に対して非接触で設けられる。第２温度センサー２７は、例えば、サーミスタ等によって構成され、加圧ローラー２１の表面温度を検知する。なお、本実施形態では、定着ベルト２０の表面温度を検知する第１温度センサー２６とは別に、加圧ローラー２１の表面温度を検知する第２温度センサー２７を備える例を説明するが、第２温度センサー２７を備えることなく、第１温度センサー２６の検知結果に基づいて、加圧ローラー２１の表面温度を予測してもよい。
【００２９】
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３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。記憶装置１６には、例えば、定着ベルト２０の目標温度や加圧ローラー２１の目標回転速度が、予め設定されて記憶される。なお、目標回転速度は、加圧ローラー２１が常温環境にある場合に、加圧ローラー２１による用紙の搬送速度（線速）が所定の目標搬送速度（目標線速）となるように設定される。
【００３０】
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ことで、定着装置１３の定着処理を制御する。例えば、制御装置１５は、ヒーター２２、第１温度センサー２６、第２温度センサー２７及び駆動源２８等に接続されている。
【００３１】
定着処理において、制御装置１５は、定着ベルト２０の温度を制御する。このとき、制御装置１５は、用紙が定着装置１３に搬送される前に、ヒーター２２の加熱を開始する。そして、制御装置１５は、第１温度センサー２６の検知結果である定着ベルト２０の表面温度を監視して、定着ベルト２０の表面温度が目標温度となるように、ヒーター２２の加熱を制御する。
【００３２】
また、定着処理において、制御装置１５は、加圧ローラー２１の回転を制御する。このとき、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２８を稼働して加圧ローラー２１及び定着ベルト２０の回転を開始する。そして、制御装置１５は、加圧ローラー２１が目標回転速度で回転するように、駆動源２８の回転駆動力を制御することで加圧ローラー２１の回転を制御する。
【００３３】
ところで、上記のように、ヒーター２２によって定着ベルト２０が加熱されると、定着ベルト２０からの熱伝導等によって、加圧ローラー２１の温度が上昇し、加圧ローラー２１の熱膨張が生じる。加圧ローラー２１の熱膨張が生じて加圧ローラー２１の外径が変化すると、加圧ローラー２１の回転速度が一定の場合、加圧ローラー２１の外径に応じて、加圧ローラー２１による用紙の線速が変化する。そこで、本実施形態では、定着装置１３の定着処理において、所定の時間間隔毎に（例えば、１〜２秒毎に）、加圧ローラー２１の目標回転速度を補正する。
【００３４】
加圧ローラー２１の目標回転速度の補正について説明する。先ず、制御装置１５は、定着装置１３の各部への電源投入時から、第２温度センサー２７の検知結果である加圧ローラー２１の表面温度を監視する。
【００３５】
また、制御装置１５は、図４に示すように、加圧ローラー２１の弾性層２１ｂをその径方向において同じ層厚の複数（例えば、３つ）の層３１、３２、３３に分けて、加圧ローラー２１の表面温度に基づいて、各層３１、３２、３３の内部温度Ｔ１ｎ、Ｔ２ｎ、Ｔ３ｎを予測する。ここで、ｎは、整数で示される補正回数である。定着装置１３の各部への電源投入時には、補正回数ｎは０であり、加圧ローラー２１が加熱されていないので、加圧ローラー２１の各層３１、３２、３３の内部温度Ｔ１０、Ｔ２０、Ｔ３０は、全て加圧ローラー２１の表面温度に等しいと予測する。
【００３６】
補正回数がｎ回目の場合、加圧ローラー２１の表面側の第１層３１の内部温度Ｔ１ｎは、加圧ローラー２１の表面温度に等しいと予測する。
【００３７】
また、加圧ローラー２１の表面側から２番目の第２層３２の内部温度Ｔ２ｎは、前回の各層３１、３２、３３の内部温度Ｔ１ｎ−１、Ｔ２ｎ−１、Ｔ３ｎ−１に基づいて予測する。例えば、第２層３２の内部温度Ｔ２ｎは、弾性層２１ｂの温度伝導率α、補正の時間間隔Δｔ、各層３１、３２、３３の層厚Δｘ１に基づいて、下記の熱伝導方程式（１）によって算出される。なお、弾性層２１ｂの温度伝導率αは、弾性層２１ｂの材料に依存して予め定められる。
【００３８】
【数１】
2019203961.tif 000003
【００３９】
更に、加圧ローラー２１の表面側から３番目、即ち芯金２１ａ側の第３層３３の内部温度Ｔ３ｎは、前回の各層３１、３２、３３の内部温度Ｔ１ｎ−１、Ｔ２ｎ−１、Ｔ３ｎ−１に基づいて予測する。例えば、第３層３３の内部温度Ｔ３ｎは、弾性層２１ｂの温度伝導率α、芯金２１ａの温度伝導率β、補正の時間間隔Δｔ、各層３１、３２、３３の層厚Δｘ１、芯金２１ａの層厚Δｘ２に基づいて、下記の熱伝導方程式（２）によって算出される。なお、芯金２１ａの温度伝導率βは、芯金２１ａの材料に依存して予め定められる。また、芯金２１ａの内部温度Ｔ４ｎは、第３層３３の内部温度Ｔ３ｎに等しいと予測する。
【００４０】
【数２】
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【００４１】
弾性層２１ｂの温度上昇に応じた熱膨張係数Ａは、弾性層２１ｂの材料に依存して予め定められ、各層３１、３２、３３において同じである。そこで、定着装置１３の各部への電源投入時に対して、補正時の各層３１、３２、３３の内部温度Ｔ１ｎ、Ｔ２ｎ、Ｔ３ｎのそれぞれの温度変化（温度上昇）を算出する。例えば、各層３１、３２、３３の上昇温度ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３は、Ｔ１ｎ−Ｔ１０、Ｔ２ｎ−Ｔ２０、Ｔ３ｎ−Ｔ３０で算出される。
【００４２】
そして、各層３１、３２、３３の上昇温度ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３に弾性層２１ｂの熱膨張係数Ａを乗算することで、各層３１、３２、３３の増加した体積（膨張量）ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ３が算出される。各層３１、３２、３３の膨張量ΔＶ１、ΔＶ２、ΔＶ３を足し合わせることで、弾性層２１ｂの増加した体積（膨張量）ΔＶが、ΔＶ＝ΔＶ１＋ΔＶ２＋ΔＶ３によって算出される。
【００４３】
また、弾性層２１ｂの元の体積Ｖと増加した体積ΔＶとに基づいて、補正時の弾性層２１ｂの膨張率Ｂが、ΔＶ÷Ｖ×１００によって算出される。そして、弾性層２１ｂの元の外径、即ち、加圧ローラー２１の元の外径に膨張率Ｂを乗算することによって、補正時の加圧ローラー２１の外径が算出される。
【００４４】
そして、制御装置１５は、加圧ローラー２１の外径に拘らず所定の目標搬送速度が得られるように、補正時の加圧ローラー２１の外径が増えるほど加圧ローラー２１の目標回転速度を遅くするように補正する。
【００４５】
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ベルト２０（加熱部材）と、定着ベルト２０に対して加圧され、定着ベルト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、加圧ローラー２１の表面温度を検知する第２温度センサー２７（温度検知部）と、を備える。定着装置１３の制御装置１５は、第２温度センサー２７によって検知した加圧ローラー２１の表面温度に基づいて、加圧ローラー２１の内部温度を予測し、加圧ローラー２１の内部温度に基づいて、加圧ローラー２１の膨張量ΔＶを算出し、加圧ローラー２１の膨張量ΔＶに基づいて、加圧ローラー２１で搬送される用紙の線速が所定の目標線速となるように、加圧ローラー２１の回転速度を制御する。
【００４６】
これにより、加圧ローラー２１の熱膨張に応じて、加圧ローラー２１の外径が変化しても、加圧ローラー２１で搬送される用紙の線速を安定化して所定の目標線速に維持することができる。即ち、加圧ローラー２１の温度状態に拘らず、加圧ローラー２１の線速を適切に制御することができる。そのため、加圧ローラー２１の用紙線速の変動に起因する定着処理における画像ずれや紙皺等の問題を抑制することができる。
【００４７】
また、制御装置１５は、加圧ローラー２１の弾性層２１ｂを径方向に複数の層３１、３２、３３に分けて、第２温度センサー２７によって検知した加圧ローラー２１の表面温度及び加圧ローラー２１（芯金２１ａや弾性層２１ｂ）の熱伝導率に基づいて、複数の層３１、３２、３３のそれぞれの内部温度Ｔ１ｎ、Ｔ２ｎ、Ｔ３ｎを予測し、複数の層３１、３２、３３のそれぞれの内部温度Ｔ１ｎ、Ｔ２ｎ、Ｔ３ｎに基づいて加圧ローラー２１の弾性層２１ｂの膨張量ΔＶを算出する。
【００４８】
これにより、加圧ローラー２１の弾性層２１ｂの内部温度をより正確に予測するので、加圧ローラー２１の弾性層２１ｂの膨張量ΔＶをより正確に算出することができる。そのため、加圧ローラー２１の外径をより正確に把握できるので、加圧ローラー２１で搬送される用紙の線速をより安定化することができる。
【００４９】
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。
【符号の説明】
【００５０】
１  プリンター（画像形成装置）
２  プリンター本体
６  画像形成部
７  感光体ドラム（像担持体）
１０  搬送経路
１３  定着装置
１５  制御装置
１６  記憶装置
２０  定着ベルト（加熱部材）
２１  加圧ローラー（加圧部材）
２１ａ  芯金
２１ｂ  弾性層
２２  ヒーター（熱源）
２６  第１温度センサー
２７  第２温度センサー（温度検知部）
２８  駆動源
【図１】
2019203961.tif 000005
【図２】
2019203961.tif 000006
【図３】
2019203961.tif 000007
【図４】
2019203961.tif 000008