(57)【要約】【課題】薄肉定着部材の定着装置で商用電源の交流をそのまま用いる温度制御方式であっても、省エネ性を悪化させることなく、交流の周波数が異なっても短周期での必要熱量要求に応えることができ、高速な温度制御を可能とする。【解決手段】回転する定着部材と、前記定着部材との間でニップ部を形成する加圧部材と、商用電源からの電力により前記定着部材を加熱する加熱体と、前記加熱体の温度を制御する加熱制御手段とを備え、前記ニップ部に未定着画像を担持した記録媒体を通して定着を行う定着装置において、前記加熱体に対し商用電源の交流を直接的に入力し、その出力をゼロクロスに応じて交流をON／OFFすることで調整するようになっており、その出力調整のための１つの周期が交流の周波数５０Hz／６０Hzどちらの場合でも５０msecとする。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する定着部材と、前記定着部材との間でニップ部を形成する加圧部材と、商用電源からの電力により前記定着部材を加熱する加熱体と、前記加熱体の温度を制御する加熱制御手段とを備え、前記ニップ部に未定着画像を担持した記録媒体を通して定着を行う定着装置において、
前記加熱体に対し商用電源の交流を直接的に入力し、その出力をゼロクロスに応じて交流をON／OFFすることで調整するようになっており、その出力調整のための１つの周期が交流の周波数５０Hz／６０Hzどちらの場合でも５０msecであることを特徴とする定着装置。
【請求項２】
請求項１に記載の定着装置において、前記加熱体として定着部材に直接接触することで伝熱する抵抗発熱体であることを特徴とする定着装置。
【請求項３】
請求項２に記載の定着装置において、抵抗発熱体としてセラミックヒータ又はサーマルヘッドを用いることを特徴とする定着装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の定着装置において、連続的に記録媒体を定着する状態にて、通紙する記録媒体間に対応する前記定着部材の部分のための電力を、記録媒体が通過する前記定着部材の部分のための電力より低くすることを特徴とする定着装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の定着装置において、連続的に記録媒体を定着する状態にて、記録媒体上に画像がある部分とない部分に対応する定着部材に対して、画像がない部分に対応する定着部材の部分のための電力を低くすることを特徴とする定着装置。
【請求項６】
請求項５に記載の定着装置において、記録媒体上の画像がある部分のトナー量が多い箇所とトナー量が少ない箇所に対して、トナー量が少ない箇所に対応する定着部材の部分のための電力を低くすることを特徴とする定着装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の定着装置を備える画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真方式の画像形成装置における熱方式の定着装置、及びこの定着装置を備えた複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像形成装置では、画像情報に基づいて像担持体上にトナー像を形成し、そのトナー像を紙やＯＨＰシート等の記録媒体上に転写し、トナー像を担持した記録媒体を定着装置に通して熱と圧力によりトナー像を記録媒体上に固定する。
【０００３】
定着方式にも色々あり、熱ローラ方式では、ハロゲンヒータや誘導加熱のコイル等の熱源により加熱される定着ローラと加圧ローラでニップ部を形成し、トナー像を担持した記録媒体をニップ部に通すことで、熱と圧力によりトナーを溶融させて定着させる。熱ローラ方式は安全性や高速機への対応性等の観点から広く用いられている。
【０００４】
しかしながら、定着部材である定着ローラの芯金が金属製であり、しかもローラのため肉厚で熱容量が大きいため、所定の定着温度に達するまでに数分の時間がかかる。このため、非使用時でも定着ローラをある程度の温度に維持する待機時余熱により、消費エネルギーが多いという問題があった。
【０００５】
そこで、省エネルギーを実現する定着装置として、フィルムベルト方式がよく用いられており、断熱ローラを外部から加熱する方式や、更に画像情報を基に画像領域のみを選択的に加熱する技術も提案されている。
【０００６】
フィルムベルト方式は、例えば特許文献１に記載されているように、薄肉円筒状の耐熱性フィルムに接触する板状熱源と加圧ローラとでフィルムと記録媒体を密着させるように挟み込み、熱エネルギーを記録媒体に与える構成である。フィルムが約１００μｍ程度と薄いため、実質的に立ち上げ時間は熱容量の小さい板状熱源の温度を上昇させるだけで済み、立ち上がり時間を短縮でき、予熱電力を削減できる。
【０００７】
画像情報を基に画像領域のみを選択的に加熱する技術は、記録媒体上に形成された画像に合わせ、熱源の制御温度、加熱域を変化させ、非画像領域（画像形成領域における画像が存在しない部分）へのエネルギー供給を削減するものである。特許文献２では、サーマルヘッドの発熱体素子毎の温度を測定して適正な熱を供給することで、周囲温度の影響も考慮し、かつ紙面上のトナー部分にのみ熱を加える構成が開示されている。
【０００８】
特許文献３は、ローラを外部から加熱する定着構成を開示する。これは、外部から加熱することで定着ローラ表層近傍に蓄熱した熱でトナー溶融を行うもので、定着ローラ全体を加熱する内部加熱方式に比べて立ち上がり時間が短く、エネルギーロスが少ないという利点がある。特許文献１や特許文献２に開示された構成と同様に画像域だけを選択的に加熱すると共に、定着設定温度よりも低い第２の設定温度を有する構成が開示されている。
【０００９】
以上のようにフィルムベルト方式の定着は省エネ化を実現できる。しかしながら、薄肉定着部材であるフィルムに対し、サーマルヘッドやセラミックヒータ等の抵抗発熱体で加熱する際、省エネのため商用電源の交流をそのまま用いる制御方法では、交流の周波数が変わってもできるだけ短い周期で定着温度の制御性を良くすることが困難であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、薄肉定着部材の定着装置で商用電源の交流をそのまま用いる温度制御方式であっても、省エネ性を悪化させることなく、交流の周波数が異なっても短周期での必要熱量要求に応えることができ、高速な温度制御を可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題は、回転する定着部材と、前記定着部材との間でニップ部を形成する加圧部材と、商用電源からの電力により前記定着部材を加熱する加熱体と、前記加熱体の温度を制御する加熱制御手段とを備え、前記ニップ部に未定着画像を担持した記録媒体を通して定着を行う定着装置において、前記加熱体に対し商用電源の交流を直接的に入力し、その出力をゼロクロスに応じて交流をON／OFFすることで調整するようになっており、その出力調整のための１つの周期が交流の周波数５０Hz／６０Hzどちらの場合でも５０msecとすることによって、解決される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、５０msecを１単位の制御周期とするので、５０Hzでは半波５回、６０Hzでは半波６回が１単位の制御周期となり、その繰り返しで温度制御を行うことで、非常に短周期の制御を行いながら、周波数によって制御単位を異ならせることによる制御性悪化を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る定着装置を備える画像形成装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る定着装置の構成を示す概略斜視図である。
【図３】サーマルヒータの模式図である。
【図４】交流の波数を基準として電力を揃える従来技術の方式を説明するグラフである。
【図５】従来の波数基準の定着制御で制御が困難になることを説明するための前提の図である。
【図６】従来の波数基準の定着制御において５０Hzでは適切な制御ができることを示すグラフである。
【図７】従来の波数基準の定着制御で６０Hzでは不具合がでることを示すグラフである。
【図８】本発明に係る定着制御を説明するグラフである。
【図９】用紙のあり／なしに合わせて本発明の定着制御を実施することを説明する図である。
【図１０】トナーの色数が増えるにつれてトナー量が増し、それとともに定着に必要な電力が増えることを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本実施形態に係る画像形成装置の一例としてのプリンタの全体構成を示す図である。
図１に示すように、本プリンタは、給紙手段４、レジストローラ対６、像担持体としての感光体ドラム８、転写手段１０、定着装置１２等を有している。
【００１５】
給紙手段４は、記録媒体としての用紙Ｐが積載状態で収容される給紙トレイ１４、給紙トレイ１４に収容された用紙Ｐを最上のものから順に１枚ずつ分離して送り出す給紙コロ１６等を有している。給紙コロ１６によって送り出された用紙Ｐはレジストローラ対６で一旦停止され、姿勢ずれを矯正される。しかる後、感光体ドラム８の回転に同期するタイミングで、即ち、感光体ドラム８上に形成されたトナー像の先端と用紙Ｐの搬送方向先端部の所定位置とが一致するタイミングで、用紙Ｐはレジストローラ対６により転写部位Ｎへ送られる。
【００１６】
感光体ドラム８の周りには、矢印で示す回転方向順に、帯電手段たる帯電ローラ１８、不図示の露光手段の一部であるミラー２０、現像ローラ２２ａを備えた現像手段２２、転写手段１０、ブレード２４ａを備えたクリーニング手段２４等が配置されている。帯電ローラ１８と現像手段２２の間において、ミラー２０を介して感光体ドラム８上の露光部２６に露光光Ｌｂが照射され、走査されるようになっている。
【００１７】
プリンタにおける画像形成動作は従来と同様に行われる。即ち、感光体ドラム８が回転を始めると、感光体ドラム８の表面が帯電ローラ１８により均一に帯電され、画像情報に基づいて露光光Ｌｂが露光部２６に照射、走査され作成すべき画像に対応した静電潜像が形成される。この静電潜像は感光体ドラム８の回転により現像手段２２の対向位置へ移動し、ここでトナーが供給されて可視像化され、トナー像が形成される。感光体ドラム８上に形成されたトナー像は、所定のタイミングで転写部位Ｎに進入してきた用紙Ｐ上に転写手段１０の転写バイアス印加により転写される。未定着画像たるトナー像を担持した用紙Ｐは定着装置１２へ向けて搬送され、定着装置１２を通紙することで定着された後、不図示の排紙トレイへ排出され、スタックされる。転写部位Ｎで転写されずに感光体ドラム８上に残った残留トナーは、感光体ドラム８の回転に伴ってクリーニング手段２４に至り、このクリーニング手段２４を通過する間にブレード２４ａにより掻き落とされて清掃される。その後、感光体ドラム８上の残留電位が不図示の除電手段により除去され、次の作像工程に備えられる。
【００１８】
ここで、定着装置１２を図２，３を参照しながら、詳述する。この定着装置１２は、定着ベルトの内部加熱方式のものである。定着装置１２においては、未定着画像に接触して回転する定着部材としての定着ベルト２８と、この定着ベルト２８との間でニップ部ＳＮを形成する加圧部材としての加圧ローラ３０とが互いに対向して設けられている。更に定着装置１２は、商用電源３９から交流を直接的に入力することで供給される電力により定着ベルト２８を加熱する加熱体５６を有している。この加熱体５６は、サーマルヒータ等の面状発熱体であり、図３に示すように、定着ベルト２８の幅方向、したがって用紙Ｐの幅方向に配置された複数（ここでは７つ）のヒータを有し、各ヒータは独立に定着ベルト２８を加熱することができる。つまり、各ヒータそれぞれが定着ベルト２８の一部を加熱し、定着ベルト２８には複数の加熱領域が形成される。
【００１９】
更に、定着ベルト２８の表面上で加熱体５６の上流側近傍には、ベルトの表面温度を検知する温度検知手段としてのサーミスタ３４が加熱体５６の各ヒータに対応させて設けられている。また、同様に加熱体５６の各ヒータの温度を検知する加熱部材温度検知手段としてのサーミスタ３６が夫々設けられている。そして、これらサーミスタ３４，３６の検知情報に基づいて、加熱体５６に電力を供給する商用電源３９を制御する加熱制御手段３７が備えられている。加熱制御手段３７は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏインターフェース等を包含するマイクロコンピュータを意味する。
【００２０】
定着ベルト２８は、外径が４０ｍｍ、厚さが４０μｍのＳＵＳ製のローラ芯２８ａと、ローラ芯２８ａの表面を被覆する弾性層２８ｂとを有している。弾性層２８ｂはシリコーンゴムによって形成されており、その厚さは１００μｍである。更に、定着ベルト２８の表面には、耐久性を高めて離型性を確保するために、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ等のフッ素系樹脂からなる５〜５０μｍの離形層２８ｃが形成されている。定着ベルトの基体２８ａはポリイミドとしても良い。定着ベルト内部は図示しないが、ベルト支持部材が配され、ニップ部ＳＮの箇所にはニップ形成部材が配置され、夫々定着装置の側板と繋がっている。
【００２１】
加圧ローラ３０は、外径４０ｍｍ、厚さ２ｍｍの鉄製の芯金３０ａと、芯金３０ａの表面を被覆する厚さ５ｍｍのシリコーンゴム製弾性層３０ｂを有している。弾性層３０ｂの表面には、離型性を高めるために厚みが４０μｍ程度のフッ素樹脂層を形成するのが望ましい。加圧ローラ３０は不図示の付勢手段により定着ベルト２８を介して不図示のニップ形成部材に押圧され、ニップ部ＳＮを形成する。
【００２２】
以上のような定着装置における「薄肉のベルト＋抵抗発熱体」を商用電源のゼロクロスに応じたON／OFFで電力調整する際、５０Hzでは半波５回、６０Hzでは半波６回を１単位とする５０msec制御を、基本的な定着制御として用いる。
【００２３】
制御での扱い易さを重視する場合、交流を直流化して、PWM制御を行うという方法がある。これは、直流化することで交流周期の影響がなくなるため、５０Hzと６０Hzの制御単位を同一とするには有効な手段であるが、交流を直流にする際に電力をロスしてしまい、省エネ性が悪化してしまうという問題がある。このため、商用電源の交流をそのまま用いることが考えられる。しかしながら、商用電源の交流の波数による制御では次に説明するような問題がある。
【００２４】
図４は、従来技術に係る、波数を基準として電力を揃える制御方式である。例えば１制御単位を１０半波とすると、このうち１半波間のみヒータを点灯し、残りの９半波を消灯することで、５０Hz、６０Hzともヒータ定格の１０%分の電力を出力することができる。この制御で問題となるのは１制御単位の時間が異なることである。つまり、５０Hzでは１００msecが１単位となり、６０Hzでは８３msecが１単位となる。従来のように、定着ベルトが厚く、またそれにより高度な制御性が要求されない定着装置では、この制御でも問題ない。しかし、例えば図５に示すように、１００msec毎に画像がある領域と画像がない領域が存在し、その領域毎に必要な熱量を付与しなくてはいけない場合、うまく制御することができない。即ち、図６のように５０Hzでは１００msecに対してちょうど良い制御ができても、図７のように６０Hzでは１００msec単位の要求に対応できず、必要な箇所に必要な熱量を供給することができない。このように非常に短周期での必要熱量要求に応えられないため、交流の波数を基準とした制御は制御性が悪いと言える。
【００２５】
波数制御による制御性悪化に対応するため、５０Hz／６０Hzの制御周期を揃えるという考え方は従来から存在している。しかしながら、制御周期を揃えるだけでは十分でなく、近年の低熱容量ベルトを用いた高速な温度制御に対応するには、できるだけ短い周期で且つ制御性を良くする方法が必要である。最適なのは１制御単位を５０msecとする方法である。その理由は、５０msecが、図８に示すように、５０Hzの半波１０msecの５倍、６０Hzの半波８．３３…msecの６倍に当たり、両周波数ではこれより短く２つの周期が合うことはないからである。出力調整のための１制御単位を５０msecとすることで、短い制御周期という要求と、５０Hzと６０Hzの制御単位を揃えるという要求を両立できる。
【００２６】
ところで定着装置の既知の熱源には、IH発熱、ハロゲンヒータ、セラミックヒータ、サーマルヘッド等、様々な態様があるが、セラミックヒータやサーマルヘッドのような、接触して局部的に加熱する熱源が適切である。低熱容量の定着ベルトに対し、より狭い範囲を加熱する熱源を用いることで、５０msecという短い周期で行う加熱の利点が得られる。定着ベルトに接触接触し伝熱する加熱体としては、セラミックヒータやサーマルヘッド等が望ましいが、セラミックヒータやサーマルヘッド以外でも、これらに類する抵抗発熱体であれば、同様の効果を見込むことができる。
【００２７】
搬送される用紙と用紙の間に相当する部分の電力を、用紙が通過する部分の電力より低くすることによって、連続的な印刷動作中で熱量を減らす制御を行う。これは図９に示すようになる。定着装置への用紙通過予定は、給紙モータ等から事前に知ることができ、その予定を作成する。即ち、
給紙モータから定着ニップまでの距離（mm）÷用紙搬送速度（mm／秒）
＝用紙到着時間（秒）
となり、給紙モータの動作タイミングに用紙到着時間を足したものが、定着装置の用紙通過予定となる。加熱制御はその用紙が定着装置に入る時間（図９の時間Ｔ）前に開始する。この時間Ｔは、加熱体で発生した熱が定着ベルトに伝わり定着ニップに到着するまでの時間の合計である。
Ｔ＝加熱体の応答時間（秒）＋加熱体から定着ニップまでの熱搬送時間（秒）
が概念的な式であり、実際はそれに各誤差を見越した補正を行い、ばらつきがあっても紙あり部が確実に加熱されるようにする。このように紙あり部と紙なし部の加熱を分けることができるようにした上で、定着に寄与しない紙なし部の電力を紙あり部より低くすることで、省エネとすることができる。なお、紙なし部に対しては理想的には全く電力を出力しないことであるが、実際には定着装置全体を所定の熱量に維持する必要等から、その電力を完全にはゼロにできないことがある。
【００２８】
また、定着ニップを用紙が通過する「紙ありの状態」でも、実際にそこに定着すべき画像がない場合には、画像を形成するトナー分に対する奪熱がないので、その分の電力を抑制し、省エネとする。定着装置への加熱予定の作成については、紙あり加熱と紙なし加熱の制御の場合と基本的な考えは同じであり、紙あり部を更に細分化して、画像あり／なしを定義する。この画像あり／なしは、例えば感光体ドラムへの画像書き込みレーザーの動作等から入手できる。
【００２９】
更に、画像あり部においても電力を削減することが可能である。トナーを定着するのに必要な電力（熱量）は図１０のようになる。トナーが少量の場合でも溶融のために所定の電力を要し、そこからトナー量を増加させると、トナーの熱容量増加分だけ、必要電力が増加する。また、一定以上のトナー量となると、必要電力が飽和し始める。これは定着装置がトナー全てに熱を与え切れないために発生する状態で、トナーを融解し切れないために定着強度が低下する状態であることを意味している。トナー量が増えることで溶融に要する電力が増加する特性を生かし、画像有り部が１色分のトナー量の場合には、３色分のトナーが乗っている箇所より電力を減らすことで省エネとすることができる。同様に、用紙上の画像が濃く、トナー付着量が多い場合よりも、画像が薄く、トナー付着量が少ない場合には、電力を減らすことで省エネとすることができる。なお、実際の装置では、４色分のように多すぎるトナー量では定着強度が低下することを考慮し、そのような不都合を回避すべく所定以上のトナー量とならないよう画像処理工程にて調整するので、定着強度の問題は発生しない。
【符号の説明】
【００３０】
１２  定着装置
２８  定着ベルト
３０  加圧ローラ
３７  加熱制御手段
３９  電源
５６  加熱体
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】特開平６−９５５４０号公報
【特許文献２】特許第４４２４４７５号公報
【特許文献３】特許第３８９５５３９号公報
【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】
2015165278.tif 000010
【図９】
2015165278.tif 000011
【図１０】
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