(57)【要約】      （修正有）【課題】紙面上に付着させたトナー粉末を加熱定着する方式について、この加熱に関して急速に行い、かつ、加熱に要する電力を大幅に低減する。【解決手段】サーマルヘッドの発熱体の素子ごとの発熱温度が発熱体自体で測定できる材料でヘッドを作り、発熱温度と発熱エネルギーを知ることで定着に必要な適正な加熱をトナーに対して供給制御できることで、事前加熱が不要でかつ周囲温度の影響も考慮し、かつ紙面上のトナー定着部分にのみ熱を加えることも可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性の円筒フィルムベルトと、そのフィルムベルトを駆動する駆動ローラと従動ローラと、前記円筒フィルムベルトにテンションをあたえるためのテンションローラとにより、構成されるベルト組み立ての内部に発熱温度を検知で切るサーマルヘッドが設置され、同サーマルヘッドと、これに対向する加圧ローラとの間をトナーが転写されたメディアが通過する際、そのメディア全面を前記サーマルヘッドにより加熱されるトナー定着方式で、同サーマルヘッドは発熱温度によりその抵抗値が変化する発熱素子群により構成されそれら発熱素子群の発熱駆動時の温度と熱量を調べつつトナーを溶融低定着するために発熱エネルギーを印刷時にのみ紙面に与えるトナー定着方式
【請求項２】
耐熱性の円筒フィルムベルトとそのフィルムベルトを駆動する駆動ローラと従動ローラと、前記円筒フィルムベルトにテンションをあたえるためのテンションローラとにより、構成されるベルト組み立ての内部に発熱温度を検知で切るサーマルヘッドが設置され、同サーマルヘッドと、これに対向する加圧ローラとの間をトナーが転写されたメディアが通過する際、そのメディア上のトナーの付着部分にのみ前記サーマルヘッドにより加熱されるトナー定着方式で、同サーマルヘッドは発熱温度によりその抵抗値が変化するその発熱素子群より構成され、それら発熱素子群の発熱駆動時の温度と熱量を調べることで、常に一様な発熱エネルギーを印刷時のみ紙面上のトナー付着部分にのみに与えるトナー定着方式。
【請求項３】
耐熱性の円筒フィルムベルトとそのフィルムベルトを駆動する駆動ローラと従動ローラと、前記円筒フィルムベルトにテンションをあたえるためのテンションローラとにより、構成されるベルト組み立ての内部に発熱温度を検知で切るサーマルヘッドが設置され、同サーマルヘッドと、これに対向する加圧ローラとの間をトナーが転写されたメディアが通過する際、そのメディア上のトナーの付着部分および同トナー付着部分の周囲部分は前記サーマルヘッドによりトナーの溶融定着が十分行える高エネルギに加熱し、その他の白紙部分については飛沫したトナーを定着させるのに十分なより低エネルギーを発生させるために、発熱素子群の発熱駆動時の温度と熱量を調べつつ、常に一様な、かつ必要最低限の加熱エネルギー量を紙面に与えるサーマルヘッドを組み込んだトナー定着方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明はレーザプリンタやコピー機械やＦＡＸ装置などにおいて紙面上に付着させたトナー粉末を加熱定着する方式についての技術分野に関する。
【技術背景】
【０００２】従来、レーザプリンタやコピー機械やＦＡＸ装置などにおいて紙面上に付着させたトナー粉末を加熱定着する方式としては、金属棒を過熱してヒーターローラとして紙面上に押し当て、同ヒータの熱でトナーを溶融し、紙面に定着をする方式が一般的である。
【０００３】本発明による新方式ではこの加熱に関して急速に行い、かつ、加熱に要する電力を大幅に低減する方式についての技術分野である。
【特許文献】
【０００４】なし
【発明の開示】
【発明が開示しようとする課題】
【０００５】  しかしながら、このヒーターを使う場合は、印刷開始時までに同ヒータがトナーを溶融できる温度まで加熱しておく（以後これをプリヒーティングという）必要があり、緊急に印刷する必要があるときでもこの加熱時間が過ぎるまでは印刷を待たねばならなかった。
また、寒冷地ではこのヒータローラ自体が断熱中は室温同様にまで下がっているから加熱に大きな時間が必要である。このような待ち時間を短縮するためあらかじめヒーターを常に加熱しておくことが行われるが、この場合は、印刷しないときも電力が必要であり、このようなプリンタやＦＡＸなどで消費される電力量は膨大なものとなっている。
したがってプリヒーティングなしで直ちに印刷が開始できるトナー定着方式が印刷効率や省エネの観点から望まれていた。
また更に、従来は紙面上のトナー部分すなわち着色部分についてのみ加熱し定着すればよいにもかかわらずヒーターローラーは紙面全体を加熱しており、本来、加熱の必要のない白紙部分も加熱しておりこれも無駄な電力であった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】本発明は
【０００９】項に記す新方式のヘッドとその制御により、上記課題を解決している。
【発明の効果】
【０００７】印刷前に従来行っているプリヒーティングが本発明を適用すると不要であるため、印刷を行わないときの無駄な電力消費がなくなる。特に寒冷地ではヒーター温度確保のため、大きな保持電力が必要であった。
印刷時にヒーター加熱を行うときにはその加熱温度がトナーを溶融定着できる温度まで上昇するまで印刷開始を待つ必要があったが、本発明では全くその待ち時間が不要となり即座に印刷可能となる。
また紙面の上で文字や図形を印字する部分のみトナーが付着しているがこれを定着するとき、そのトナーの付着部分のみ加熱するから白紙部分には余分な加熱がなくなりたとえば文字印刷のときには５０から７０％以上の白紙部分の加熱が必要なくなることから大幅な電力の節減となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】実施例として通常の構成のレーザー・プリンタにおけるトナー定着部に本発明の定着部を置き換え、実装した実施例を第１図に示す。また同定着部の詳細を第２図に示す。またその定着部のヘッドの制御図を第６図に示す
この定着部はコピー機器やＦＡＸなどにも同様に従来のヒートローラ方式などによるトナー定着部におきかえて使える。
【実施例１】
【０００９】このトナー定着方式はコピー機器やＦＡＸなどの定着部にも容易に使うことができるがここではレーザプリンタに本発明のトナー定着部を組み込んだ実施例について説明する。
図１において説明する。
スタッカ１１にメディアをセットし、プレフィードローラ１２により１枚ずつプリンタ内に繰り出し、セパレーションローラ１３で確実に１枚給紙を行い、搬送ローラ１４、さらには搬送ローラ１５を順次、メディア先端が通過し、ついで、次に述べるＯＰＣベルト上に形成されたトナーが付着した画像が転写チャジャー２１において同紙面上に転写されて後、同用紙の先端は本発明のトナー定着部１００へ到達する。
なお、ＯＰＣベルト１８の上にある帯電チャージャー１９によって同ＯＰＣベルト１８の上に全面静電気を帯電させ、このベルト１８は右方向に一様速度で移動し、ついで光学ユニット１７により発生されたレーザビームが同ＯＰＣベルト１８上にライン照射されることにより、ＯＰＣベルト１８の前記帯電部分の前記静電気が除去される。このレーザビームは印刷する画像について発色部分ではない白地部分にのみに照射され、静電気が除去されてネガ画像が形成される。そして後方にある現像ユニット１６でＯＰＣベルト上の静電気が残された部分のみ紙面にトナーを転写させる。
次に本発明のトナー定着部１００について図２により説明する。
トナー定着部１００は耐熱性の円筒フィルムベルト１０７と、そのフィルムベルト１０７を駆動する駆動ローラ１０４と従動ローラ１０５と、前記円筒フィルムベルト１０７にテンションを加えるテンションローラ１０６とからなるベルト組み立ての内部に発熱温度を検知で切るサーマルヘッド１０３が設置され、同サーマルヘッド１０３と、これに対向する加圧ローラ１０８との間をトナーが前記の方法でトナーが転写された用紙が通過する際、同紙面上を前記サーマルヘッドが加熱しトナー定着を行う。このようなサーマルヘッドによりトナー定着を行う方式は従来考えられていたが、トナーに加えられるサーマルヘッドからの時々刻々変化する加熱の温度や加熱エネルギー量を測定する手段がなく、推測計算による制御であったため、均一なトナー定着が不可能であった。
本発明ではこのトナー定着の際、熱を発生するサーマルヘッド１０３の発熱素子そのものの温度を時々刻々、全素子ごとに調べることが可能であり、以下に述べる手段できわめて高精細の定着動作の制御が可能となる結果、小エネルギーで定着動作が可能となる。結果として低電力のプリンタが実現できる。
なお、トナー定着部１００を通過したあとＯＰＣベルト１８上の残存トナーは図１のクリーニングローラ２０により除去される。
さて次にこのトナー定着部１００について図２により説明を次に行う。
サーマルヘッド１０３の発生熱エネルギーにより円筒フィルムベルト１０７を介して紙面上のトナーを加熱するがこの円筒フィルムベルト１０７の材質としては、評価結果では耐久性の点からポリミドがもっとも適していることが判明している。
このほかにポリエチレンフタレイト（略称ＰＥＴ）やポリフェニレンサルファイド（略称ＰＰＳ）およびポリエチレンナフタレイト（略称ＰＥＮ）なとが適す。フイルムの厚さは１０〜２５ミクロン程度が適す。ポリミドは他のものの融点が２６０から２９０℃程度であるのに比し、溶融しにくく、連続使用温度も２００℃を超えており評価においても好結果を得た。
この円筒フィルムベルト１０７を介して紙面に対してサーマルヘッド１０３がほぼその長さ１センチあたり約２００グラム程度の圧力で接している。円筒フィルムベルト１０７を使うのは直接サーマルヘッド１０３と紙面が接すると、トナー部分がヘッドにより紙送り方向へずらされ、画像が崩れるからである。
そしてこのヘッド１０３に対し、発熱制御が行われ、そのエネルギーが印刷する用紙の表面に加わる結果、メディア先端から順次、８０ミクロン程度のピッチで、ヘッドの発熱素子の発熱エネルギーが所定の固定の値に達するまで加えられてトナーの溶融定着が行われる。このサーマルヘッド１０３は発熱温度を自己で時々刻々検知できる点で従来のサーマルヘッドとは異なっており、フィードバック制御の加熱制御が可能となっている。
サーマルヘッド１０３を通過する用紙は安定してｌ４０℃程度の温度でかつ０．３ｍＪ程度の発熱エネルギーをうけて紙面上の印刷内容のトナー付着部分が溶融定着される。この上限温度１４０℃や発熱エネルギー値０．３ｍＪを大きく超えるとこの紙面上の印刷内容のトナーが円筒フィルムベルト１０７に溶融して付着することがあり、またこの温度を大きく下回ると、トナーの溶融定着が行われず、粉末のままとなるのでこの温度は一定となるよう制御される必要があるが、従来の固定抵抗を使ったサーマルヘッドでは、印刷が進むに従い、蓄熱により、ヘッド自体が高温となるために高温状態となり、定着動作が安定して行えない問題があった。この従来の方法では、サーマルヘッドによる加熱は一般的には熱履歴制御と呼ばれる、サーマルヘッド上の固定抵抗発熱素子の温度を過去の加熱履歴情報によって推測計算し、サーマルヘッド上の同固定抵抗素子で発生させる熱量を制御する方法が一般的であった。この方式は推測計算により行うので、寒冷地と熱帯地では、サーマルヘッドで発生する熱の放熱条件が異なり、かつ、用紙の紙面上の温度も異なることもあり、制御に誤差を生じやすい欠点があった。しかも、推測計算で制御を行うため、高精度で安定した定着制御を行うのは、困難であった。【００１０】更に、従来方式では制御上の信頼度にかかわることとして、サーマルヘッドの温度が異常に上昇し、ついには破損に至る状況になりつつあってもこれを検知できない問題もあった。たとえば、サーマルヘッドが紙面に接することなく置かれた状態で、発熱制御された場合には、ヘッド発熱体は異常に高温となり、そのため、発熱体が焼損することがあった。【００１１】本発明は、各々が発熱機能と温度検知機能を兼ねる微少な発熱体の直線的な配列集合と、同配列集合に対し電流駆動する駆動回路よりなるサーマルヘッドと、その各発熱体に流れる電流回路について、発熱駆動時と温度検知時に切り替える制御回路と、温度検知時に流れる電流から前記の各発熱体の温度価を電圧値に変換し検知する回路と、同電圧をデジタル変換するアナログ／デジタル変換回路と、そのデジタル値を加熱開始時から積算する積算器と、同積算器の積算値とあらかじめ設定された上位装置から送られてきた該当部分のトナー定着エネルギー設定値とを大小比較する比較器と、その比較器で目標のトナー定着エネルギー設定値に達したことを検出したならば、該当発熱体の発熱駆動を停止する回路、とから構成されるトナー定着用ヘッドである。ヘッドの外観は従来のサーマルヘッドと同じで、発熱素子の抵抗値が従来ヘッドは一定値であったものが本ヘッドの発熱素子ではでは温度によって変化することが従来のヘッド発熱体との相違点である。これにさらに発熱エネルギーを制御する回路が加わる。【００１２】本方式のサーマルヘッド１０３はたとえば、１インチあたり２００ドットとか３００ドットとかの密度で微小発熱体が一列に並んでいる構造のものを使用する例を述べる。この微小発熱体はドットごとに独立しており、その金属の組成はＡｌとＣｒとＢｏの合金であり、図３に示すごとく、その温度が高温に変化するとともに直線的に低抵抗値へ変化する。この特性により後述のごとく、制御回路において各素子ごとに独立してその抵抗値がわかると、図３の関係から時々刻々の同素子の温度を知ることができる。
すなわち発熱体の発熱温度を同発熱体自身で時々刻々知ることができるのである。
このヘッドにより、媒体上を、ヘッドが２００ドット／インチの密度のものであれば２百分の１インチのピッチで移動しつつ、定着動作を行う。【００１３】以下、そのピッチごとに定着動作を行う際の、１ピッチ分の定着動作における熱制御動作について説明する。本発明の場合、今、印字する１ピッチ分の定着制御においては、その制御自体はそれ以前にすでに定着が終わった紙の部分について一切考慮する必要がなく、あくまで、各定着をするラインにおける、サーマルヘッドの発熱素子の測定温度のみを測定しつつ、定着制御を行う点が、従来のいわゆる履歴制御方式とよばれる印刷制御方式と異なる点である。すなわち過去の履歴にかかわらず、常に、各ラインドットごとに独立した制御を行っている点が本発明の特徴である。
そして従来の方式ではヘッドの周囲温度の影響が無視できなかった。【００１４】すなわち、図４において縦軸に温度、横軸に時間をとり、加熱時のサーマルヘッドの微小発熱体の温度上昇と時間経過の関係を見ると初期温度：ｔａから加熱され、制御目標温度：ｔｏになり、時刻：Ｔｄで駆動停止した場合と、温度：ｔｂから加熱され、制御目標温度：ｔｏになり、時刻：Ｔｄで駆動停止した場合とを比較すると、ハッチングの部分に比例する熱量分だけ、温度：ｔｂから加熱した場合は、発熱熱量が大きくなっていることが加熱熱量の誤差原因となる。
すなわち、図４で各時刻変化Ｔｄに対応する温度変化（ｔａ−ｔｂ）の合計がエネルギ誤差Ｅとなる。すなわちＥ＝ＫΣ（ｔａ−ｔｂ）・Ｔｄであらわすエネルギ分だけ発生エネルギーの誤差となるのである。ここに、Ｋは事項に述べる比熱熱容量ｑを含む比例定数である。
このことは実際の動作でも確認され、両者で定着結果に差が出ることが確認されており、エネルギー不足でトナーが粉末状態のままであったり、溶融しすぎて円筒フィルムベルト１０７に溶融したトナーが付着するなどの自体が生起するので従来の温度検知のできないヘッドではこのトナー定着には不適であった。
そこで、図５に示すごとく、媒体上の微少発熱体の各ドット毎の発熱開始時以降、時々刻々一定周期で、発熱素子の温度測定を行い、その値：ｔｘを時々刻々、積算しつつ、その値が目標設定値：ｓＯになるまで、加熱していき、積算値がｓＯになると加熱駆動を停止させる制御を行ったところ、初期温度にかかわらず、常に安定したトナー定着できることが確認された。
このことは、下記のごとく、温度変化に伴う総発熱エネルギｓＯが計算できることからも自明のことである。
今、微少発熱体の比熱熱容量をｑとし、任意の時点での温度をｔｘとすると、その時刻での発生エネルギ：ＥｘはＥｘ＝ｑ×ｔｘである。
従って、全発熱量：ｓＯは測定する周期としての微小時間をＴｄとすると全発熱量：ｓＯは全時間の積算値となり、ｓＯ＝ΣＥｘ・Ｔｄ＝ｑ×Σｔｘ・Ｔｄとなる。
ここにＴｄは定数であるから、ｓＯ＝ｑ・Ｔｄ×Σｔｘとなり、ｑ・Ｔｄ＝Ｋとおくと結局、全発熱量：ｓＯはｓＯ＝Ｋ×Σｔｘとなる。
この式から媒体に印加された全発熱量ｓＯは時々刻々の測定温度の積算値に比例することが判明する。よってｓＯ＝Ｋ・Σｔｘとなるまで毎回、測定した温度測定値を加算していき、加算結果に比例常数ｋを掛け合わせたものが濃度目標値：ｓＯとなるまで加熱すればよいことを示す。
言い換えれば、上記のことは図５において温度変化曲線の下の面積が定着のための加熱エネルギーに比例することを示す。
ここで、比例定数Ｋは実用的には後述の定着制御回路において、温度測定結果信号の電圧増幅率やアナログ／デジタル変換器でのレンジにより決まる定数である。【００１５】本発明では、発生エネルギを上記方法で算出し、所定のエネルギー値に到達するまでそのドットの加熱を行い、到達したならば直ちにその発熱素子の加熱を停止する。
以下、更に具体的に制御回路について説明する。図６は本発明の一実施例の回路構成図である。
まず定着動作はサーマルヘッド上に一列に並んだ抵抗値がその発熱温度により変化する発熱体の発熱により、一斉に各々のラインごとに加熱が開始されることにより行われる。サーマルヘッドのドットピッチが例えば１インチ当たり３００ドットとすれば、副走査すなわち一斉に定着するラインのピッチもまた３００ドットであるのが通常であり、このピッチでヘッドより紙面上への加熱印字が周期的に繰り返される。
図６の回路図はヘッド上の発熱体１素子についてのものであり、ヘッド上のすべての発熱素子は同じ回路で制御される。この図６において、ヘッドの微小発熱体１００は一般にサーミスタと呼称される、発熱温度で、その抵抗値が変化する抵抗体が使用される。そのサーミスタの金属組成は、発熱温度変化分と、抵抗値変化分が極力、直線的に比例関係にあるものを選択している。一例としてはアルミニウム、クロウム、ボロン等で合金としたものが用いられる。以下に回路動作について説明する。それら微少発熱体の任意の一素子に対応したデータレジスタ１０１に上位装置からデータとしてデーダ”１”が、入力端子１０２へ、タイミング信号１０５で、書き込まれ記憶される。
その後、上位装置から入力端子１０８に信号“０”が入力されると、インバータ１０９により信号反転し、“１”としてアンドゲート１１０に入力される。
ゲート１１０のもうひとつの入力端子には、前述のデータレジスタ１０１の出力信号１０６が“１”で入力されているのでゲート１１０の論理積がとられる結果として駆動トランジスタ１２０が駆動されＯＮ状態となる。なおトランジスタ１２１は、加熱駆動時は制御信号１０８が“０”であるからＯＦＦ状態となっている。上記の結果、発熱体１００とトランジスタ１２０に電流が流れる。前述のごとく、この発熱体１００は電流が流れると、発熱し、その抵抗値が変化する。この実施例では温度上昇するとその抵抗値が減少する素子を用いている。この結果、温度上昇とともにトランジスタ１２０を流れる電流値は増加していく。
この発熱素子１００の温度上昇の状況を検知する手段につき、以下に記す。温度上昇中はトランジスタ１２０がＯＮとすることにより、電流が流れるが温度検知のタイミングでは同トランジスタ１２０を制御信号１０８が“１”となることでＯＦＦ状態にし、もうひとつのトランジスタ１２１をＯＥＦからＯＮへ変化させる。この結果、電流検出抵抗としてもうけられた、例えば実施例では７０オーム程度の固定抵抗１２２に電流が流れる。
発熱素子１００が発熱し温度上昇するにつれその抵抗値が減少し、電流値が増加する結果、固定抵抗１２２に流れる電流は増加し、抵抗１２２の端子間電圧は上昇する。同抵抗１２２の出力電圧をリニアアンプ回路１１１にて増幅し、さらに増幅された信号を次段のアナログ／デジタル変換器１１２へ入力する。この結果、同変換器１１２の出力値は、ヘッドの発熱体１０８の温度値として８ビット程度のビット数で表現されたデジタル値に変換されて検知される。【００１６】この検知したデータを加熱開始から連続的に実施例では２０μ秒程度の周期で、測定の都度、積算器１１３へ加算入力して、積算する。この結果、積算器１１３のデジタル出力により加熱開始時以降の発生エネルギ値が検知できる。以後、この発生エネルギ値を検出エネルギ値“Ａ”と略記する。この“Ａ”は上記作用の項で説明したｓＯ＝Ｋ・Σｔｘに比例するものである。この検出値“Ａ”は大小比較回路１１７へ比較のため入力される。なお、積算器１１３は各ラインの印字制御開始前にセット信号１０３でゼロクリアされ、各ラインの印字制御中は信号１０８が“０”より“１”となる都度、遅延回路１２７で若干遅延させた信号１２８でアナログ／デジタル変換器１１２のデジタル出力を積算器１１３に加算させる。【００１７】一方、上位装置から今、制御している該微小発熱体についてトナー定着の指定値データが入力端子１１６へ、例えば８ビットデータで送られてくる。このデータは、通常は一定値であって、トナーの溶融特性で決まる党友のために必要な溶融エネルギー値で決まる定数値である。
この値はテーブル１１４で決まる値に変換され、レジスタ１１５で記憶され、目標消去エネルギー制御値“Ｂ”として前述の大小比較回路１１７へ入力され、前述の検出値“Ａ”と比較される。この値Ｂとしては本実施例では０．３ｍＪに対応した値が使用される。
検出値“Ａ”が目標値“Ｂ”よりも小さいうちは制御ライン１１８が“０”であることにより、加熱が続行されるが、徐々に、積算エネルギ値が増加し、検出値“Ａ”が目標値“Ｂ”よりも大となると、比較回路１１７の出力の制御ライン１１８が“０”から“１”へ変化し、結果、論理和ゲート１２５および１２６の出力が“１”となるため、レジスタ１０１がリセットされ、論理積１１０の出力が“０”となり、従って、駆動トランジスタ１２０がＯＦＦとなり、サーミスタ発熱体１０９は電流が流れなくなり、発熱は停止する。つまり、定着が可能なまでエネルギーが印加されたので、発熱駆動が停止したのである。このような加熱動作制御はサーマルヘッド上に１列に並んでいる、全微小発熱体に対し、独立して同様に行われる。なお、上位装置から以降、温度検出信号１０８が入力されてもレジスタ１０１がリセットされているので、信号１０６が“０”となるため、論理積ゲート１２９が“０”のままとなることにより、トランジスタ１２１もＯＦＦとなり、サーミスタ１００が駆動され発熱することはなくなる。【００１８】なお、定着動作中に動作故障により、サーマルヘッドが異常高温となり損傷するのを防止するための保護手段として、定着開始時に高温度としての限界温度の値すなわち目標の定着温度を上位装置から入力端子２００に送り、セットタイミング２０１でレジスタ１２３にセットしておき、アナログ／デジタル変換器１１２の出力と比較器１２４で大小比較し、もしもレジスタ１２３にセットした値よりもアナログ／デジタル変換器１１２の出力値の方が大きくなった場合には、その比較器１２４の出力は“０”から“１”へ変化して論理和ゲート１２５、１２６を経由してレジスタ１０１のリセット信号として入力され、上記と同様に上記動作は停止することにより、異常過熱を防止し、装置信頼度を向上させている。なお、上記入力端子２００にセットされる上限温度としては本実施例では１４０℃に比例した値が設定される。
全発熱体の発熱が完了し、１ピッチ分、ヘッド位置が紙面上を移動したならば次ドットラインの定着動作が再び、一斉に開始され、以下、上述の動作が媒体上で繰り返し行われる。これらの説明に基づくタイミングチャートを図７に記載する。【００１９】いずれの場合も、媒体表面の各々のライン毎に与える熱エネルギー積算値を、逐次、その表面温度を検知しつつ行うので、用紙上のトナーに対してはきわめて高精度の定着動作管理が可能となる。【００２０】以上のごとく用紙の先端から後端まで印刷面に対する定着のための加熱が終了するまで、各ドットラインが順次定着加熱されてトナー定着部１００を通過して、ローラー２２の方向へ進みさらに用紙スタッカ１１に貯蔵される。【００２１】なお、図６において上位装置から送られてくる定着のための加熱エネルギー値がテーブル１１４にセットされるがもしもこの値が１種のみであると、１種類のエネルギー値でヘッド上のすべての発熱素子は発熱する。この結果、トナーの付着のない部分も加熱されるので、たとえば本来トナーが付着すべきでない部分にトナーが飛沫として付着した場合これも付着させることができる。未定着のトナーが装置外へ出てくることは装置の印字品質としては手に付着したりして不良であるがこれが防げる。‥‥請求項１に該当もしもテーブル１１４へトナー定着する発熱素子に対応した部分は大きな値をおくり、トナーのない部分には加熱をしない、たとえば数値０を送り込んだときは、サーマルヘッドはテーブル１１４の値に比例した熱を発生させるので、トナー定着する部分のみ発熱する。この場合は定着しない部分は熱消費がないからきわめて低電力となる。ただし文字や図形の周囲には前述のトナーの飛まつが飛ぶことがあるので図８の破線のごとく実際のトナーによる図形よりも大きな領域までをテーブル１１４で定着可能な大きな値にし、それ以外を数値０にすることを行う。                                  ‥‥‥‥‥‥‥‥請求項２に該当【００２２】この請求項２の場合は第１図の光学系１７でのレイザー光で形成される図形情報を使って、紙面上のトナー定着の場所がわかるのでサーマルヘッドの発熱素子に対する熱量をテーブル１１４で切り替えることで上記が容易に実現できる。
また、本来のトナーが付着するべき部分でないところへトナーの飛まつが飛んだときはそれも定着してしまったほうが良い。しかしどこへ飛ぶかわからないので、トナー定着しない部分は微細な粉末が定着できるだけの小さいエネルギー値を非トナー定着の部分に対応したテーブル１１４におくりこみ、トナー定着の部分には定着に必要な値をテーブル１１４に送り込む。このとき上記の請求項２についての説明の中の図８による破線部分までトナー定着部分を拡大しても良い。                    ‥‥‥‥‥‥‥‥請求項３に該当
【産業上の利用可能性】
【００２３】本発明の使用の効果は次記である。
印刷前に従来行っているプリヒーティングが不要であるため、印刷を行わないときの無駄な電力消費がなくなる。特に寒冷地ではヒーター温度確保のため、大きな保持電力が必要である。
印刷時にヒーター加熱を行うときにはその加熱温度がトナーを溶融定着できる温度まで上昇するまで印刷を待つ必要があったが、全くその待ち時間がなくなる。
また紙面の上で文字や図形を印字する部分のみトナーが付着しているがこれを定着するとき、そのトナーの付着部分のみ加熱するから白紙部分には余分な加熱がなくなりたとえば文字印刷のときには５０から７０％以上の白紙部分の加熱が心要なくなることから大幅な電力の節減となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】レーザープリンタヘ適用する場合の実施例を示す図
【図２】本発明のトナー定着部の実施例を示す図
【図３】本発明のサーマルヘッドの発熱体の抵抗値と温度変化の関係を示す図
【図４】異なる初期温度から加熱時、同一時間加熱させると印加エネルギーに差が出ることを示す図
【図５】小刻みに発熱体の温度を測定し積算することにより、加熱エネルギーの大きさを検知する方式を説明する図
【図６】本発明の制御回路図
【図７】本実施例での加熱制御に関するタイムチャート図
【図８】トナー定着をする図形部分よりもやや広くエリアを設定し、定着加熱任することを説明する図
【符号の説明】
【００２５】１０    画像形成装置
１１    用紙
１２    プレフィードローラ
１３    セパレーションローラ
１４    搬送ローラ１
１５    搬送ローラ２
１６    現像ユニット
１７    光学ユニット
１８    ＯＰＣベルト
１９    帯電チャージャー
２０    クリーニングローラ
２１    転写チャージャー
２２    排紙ローラ
１００  定着ユニット
１０１  側板
１０２  サーマルヘッドブラケット
１０３  サーマルヘッド
１０４  駆動ローラ
１０５  従動ローラ
１０６  テンションローラ
１０７  ベルト
１０８  加圧ローラ
１０９  加圧アーム
１１０  加圧スプリング
１１１  ステー
１１２  分離爪
１１３  クリーニングローラ
１１４  除電ブラシ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005181946.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005181946.tif 000009
【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年3月23日(2004.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
耐熱性の円筒フィルムベルトと、そのフィルムベルトを駆動する駆動ローラーと従動ローラーと、前記円筒フィルムベルトにテンションをあたえるためのテンションローラーとにより、構成されるベルト組み立ての内部に発熱温度を検知できるサーマルヘッドが設置され、同サーマルヘッドと、これに対向する加圧ローラーとの間をトナーが転写されたメディアが通過する際、そのメディア全面を前記サーマルヘッドにより加熱されるトナー定着方式で、同サーマルヘッドは発熱温度によりその抵抗値が変化する発熱素子群により構成され、それら発熱素子群の発熱駆動時の温度と熱量を調べつつトナーを溶融定着するために発熱エネルギーを印刷時にのみ紙面に与えるトナー定着方式。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
耐熱性の円筒フィルムベルトとそのフィルムベルトを駆動する駆動ローラーと従動ローラーと、前記円筒フィルムベルトにテンションをあたえるためのテンションローラーとにより、構成されるベルト組み立ての内部に発熱温度を検知できるサーマルヘッドが設置され、同サーマルヘッドと、これに対向する加圧ローラーとの間をトナーが転写されたメディアが通過する際、そのメディア上のトナーの付着部分にのみ前記サーマルヘッドにより加熱されるトナー定着方式で、同サーマルヘッドは発熱温度によりその抵抗値が変化するその発熱素子群より構成され、それら発熱素子群の発熱駆動時の温度と熱量を調べることで、常に一様な発熱エネルギーを印刷時のみ紙面上のトナー付着部分にのみに与えるトナー定着方式。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項３】
耐熱性の円筒フィルムベルトとそのフィルムベルトを駆動する駆動ローラーと従動ローラーと、前記円筒フィルムベルトにテンションをあたえるためのテンションローラーとにより、構成されるベルト組み立ての内部に発熱温度を検知できるサーマルヘッドが設置され、同サーマルヘッドと、これに対向する加圧ローラーとの間をトナーが転写されたメディアが通過する際、そのメディア上のトナーの付着部分および同トナー付着部分の周囲部分は前記サーマルヘッドによりトナーの溶融定着が十分行える高エネルギーに加熱し、その他の白紙部分については飛沫したトナーを定着させるのに十分なより低エネルギーを発生させるために、発熱素子群の発熱駆動時の温度と熱量を調べつつ、常に一様な、かつ必要最低限の加熱エネルギー量を紙面に与えるサーマルヘッドを組み込んだトナー定着方式。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】このトナー定着方式はコピー機器やＦＡＸなどの定着部にも容易に使うことができるがここではレーザプリンタに本発明のトナー定着部を組み込んだ実施例について説明する。
図１において説明する。
スタッカ１１にメディアをセットし、プレフィードローラー１２により１枚ずつプリンタ内に繰り出し、セパレーションローラー１３で確実に１枚給紙を行い、搬送ローラー１４、さらには搬送ローラー１５を順次、メディア先端が通過し、ついで、次に述べるＯＰＣベルト上に形成されたトナーが付着した画像が転写チャージャー２１において同紙面上に転写されて後、同用紙の先端は本発明のトナー定着部１００へ到達する。
なお、ＯＰＣベルト１８の上にある帯電チャージャー１９によって同ＯＰＣベルト１８の上に全面静電気を帯電させ、このベルト１８は右方向に一様速度で移動し、ついで光学ユニット１７により発生されたレーザビームが同ＯＰＣベルト１８上にライン照射されることにより、ＯＰＣベルト１８の前記帯電部分の前記静電気が除去される。このレーザビームは印刷する画像について発色部分ではない白地部分にのみに照射され、静電気が除去されてネガ画像が形成される。そして後方にある現像ユニット１６でＯＰＣベルト上の静電気が残された部分のみ紙面にトナーを転写させる。
次に本発明のトナー定着部１００について図２により説明する。
トナー定着部１００は耐熱性の円筒フィルムベルト１０７と、そのフィルムベルト１０７を駆動する駆動ローラー１０４と従動ローラー１０５と、前記円筒フィルムベルト１０７にテンションを加えるテンションローラー１０６とからなるベルト組み立ての内部に発熱温度を検知できるサーマルヘッド１０３が設置され、同サーマルヘッド１０３と、これに対向する加圧ローラー１０８との間をトナーが前記の方法でトナーが転写された用紙が通過する際、同紙面上を前記サーマルヘッドが加熱しトナー定着を行う。このようなサーマルヘッドによりトナー定着を行う方式は従来考えられていたが、トナーに加えられるサーマルヘッドからの時々刻々変化する加熱の温度や加熱エネルギー量を測定する手段がなく、推測計算による制御であったため、均一なトナー定着が不可能であった。
本発明ではこのトナー定着の際、熱を発生するサーマルヘッド１０３の発熱素子そのものの温度を時々刻々、全素子ごとに調べることが可能であり、以下に述べる手段できわめて高精細の定着動作の制御が可能となる結果、低エネルギーで定着動作が可能となる。
結果として低電力のプリンタが実現できる。
なお、トナー定着部１００を通過したあとＯＰＣベルト１８上の残存トナーは図１のクリーニングローラー２０により除去される。
さて次にこのトナー定着部１００について図２により説明を次に行う。
サーマルヘッド１０３の発生熱エネルギーにより円筒フィルムベルト１０７を介して紙面上のトナーを加熱するがこの円筒フィルムベルト１０７の材質としては、評価結果では耐久性の点からポリイミドがもっとも適していることが判明している。このほかにポリエチレンテレフタレイト（略称ＰＥＴ）やポリフェニレンサルファイド（略称ＰＰＳ）およびポリエチレンナフタレイト（略称ＰＥＮ）などが適す。フィルムの厚さは１０〜２５ミクロン程度が適す。ポリイミドは他のものの融点が２６０から２９０℃程度であるのに比し、溶融しにくく、連続使用温度も２００℃を超えており評価においても好結果を得た。
この円筒フィルムベルト１０７を介して紙面に対してサーマルヘッド１０３がほぼその長さ１センチあたり約２００グラム程度の圧力で接している。円筒フィルムベルト１０７を使うのは直接サーマルヘッド１０３と紙面が接すると、トナー部分がヘッドにより紙送り方向へずらされ、画像が崩れるからである。
そしてこのヘッド１０３に対し、発熱制御が行われ、そのエネルギーが印刷する用紙の表面に加わる結果、メディア先端から順次、８０ミクロン程度のピッチで、ヘッドの発熱素子の発熱エネルギーが所定の固定の値に達するまで加えられてトナーの溶融定着が行われる。このサーマルヘッド１０３は発熱温度を自己で時々刻々検知できる点で従来のサーマルヘッドとは異なっており、フィードバック制御の加熱制御が可能となっている。
サーマルヘッド１０３を通過する用紙は安定して１４０℃程度の温度でかつ０．３ｍＪ程度の発熱エネルギーをうけて紙面上の印刷内容のトナー付着部分が溶融定着される。この上限温度１４０℃や発熱エネルギー値０．３ｍＪを大きく超えるとこの紙面上の印刷内容のトナーが円筒フィルムベルト１０７に溶融して付着することがあり、またこの温度を大きく下回ると、トナーの溶融定着が行われず、粉末のままとなるのでこの温度は一定となるよう制御される必要があるが、従来の固定抵抗を使ったサーマルヘッドでは、印刷が進むに従い、蓄熱により、ヘッド自体が高温となるために高温状態となり、定着動作が安定して行えない問題があった。この従来の方法では、サーマルヘッドによる加熱は一般的には熱履歴制御と呼ばれる、サーマルヘッド上の固定抵抗発熱素子の温度を過去の加熱履歴情報によって推測計算し、サーマルヘッド上の同固定抵抗素子で発生させる熱量を制御する方法が一般的であった。この方式は推測計算により行うので、寒冷地と熱帯地では、サーマルヘッドで発生する熱の放熱条件が異なり、かつ、用紙の紙面上の温度も異なることもあり、制御に誤差を生じやすい欠点があった。しかも、推測計算で制御を行うため、高精度で安定した定着制御を行うのは、困難であった。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】本方式のサーマルヘッド１０３はたとえば、１インチあたり２００ドットとか３００ドットとかの密度で微小発熱体が一列に並んでいる構造のものを使用する例を述べる。この微小発熱体はドットごとに独立しており、その金属の組成はアルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）とホウ素（Ｂ）の合金であり、図３に示すごとく、その温度が高温に変化するとともに直線的に低抵抗値へ変化する。この特性により、後述のごとく、制御回路において素子ごとに独立してその抵抗値がわかると、図３の関係から時々刻々の同素子の温度を知ることができる。
すなわち発熱体の発熱温度を同発熱体自身で時々刻々知ることができるのである。
このヘッドにより、媒体上を、ヘッドが２００ドット／インチの密度のものであれば２百分の１インチのピッチで移動しつつ、定着動作を行う。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】本発明では、発生エネルギーを上記方法で算出し、所定のエネルギー値に到達するまでそのドットの加熱を行い、到達したならば直ちにその発熱素子の加熱を停止する。
以下、更に具体的に制御回路について説明する。図６は本発明の一実施例の回路構成図である。
まず定着動作はサーマルヘッド上に一列に並んだ抵抗値がその発熱温度により変化する発熱体の発熱により、一斉に各々のラインごとに加熱が開始されることにより行われる。サーマルヘッドのドットピッチが例えば１インチ当たり３００ドットとすれば、副走査すなわち一斉に定着するラインのピッチもまた３００ドットであるのが通常であり、このピッチでヘッドより紙面上への加熱印字が周期的に繰り返される。
図６の回路図はヘッド上の発体１素子についてのものであり、ヘッド上のすべての発熱素子は同じ回路で制御される。この図６において、ヘッドの微小発熱体１００は一般にサーミスタと呼称される、発熱温度で、その抵抗値が変化する抵抗体が使用される。そのサーミスタの金属組成は、発熱温度変化分と、抵抗値変化分が極力、直線的に比例関係にあるものを選択している。一例としてはアルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ホウ素（Ｂ）等で合金としたものが用いられる。以下に回路動作について説明する。それら微少発熱体の任意の一素子に対応したデータレジスタ１０１に上位装置からデータとしてデータ”１”が、入力端子１０２へ、タイミング信号１０５で、書き込まれ記憶される。
その後、上位装置から入力端子１０８に信号“０”が入力されると、インバータ１０９により信号反転し、“１”としてアンドゲート１１０に入力される。
ゲート１１０のもうひとつの入力端子には、前述のデータレジスタ１０１の出力信号１０６が“１”で入力されているのでゲート１１０の論理積がとられる結果として駆動トランジスタ１２０が駆動されＯＮ状態となる。なおトランジスタ１２１は、加熱駆動時は制御信号１０８“０”であるからＯＦＦ状態となっている。上記の結果、発熱体１００とトランジスタ１２０に電流が流れる。前述のごとく、この発熱体１００は電流が流れると、発熱し、その抵抗値が変化する。この実施例では温度上昇するとその抵抗値が減少する素子を用いている。この結果、温度上昇とともにトランジスタ１２０を流れる電流値は増加していく。
この発熱素子１００の温度上昇の状況を検知する手段につき、以下に記す。温度上昇中はトランジスタ１２０がＯＮとすることにより、電流が流れるが温度検知のタイミングでは同トランジスタ１２０を制御信号１０８が“１”となることでＯＦＦ状態にし、もうひとつのトランジスタ１２１をＯＦＦからＯＮへ変化させる。この結果、電流検出抵抗としてもうけられた、例えば実施例では７０オーム程度の固定抵抗１２２に電流が流れる。
発熱素子１００が発熱し温度上昇するにつれその抵抗値が減少し、電流値が増加する結果、固定抵抗１２２に流れる電流は増加し、抵抗１２２の端子間電圧は上昇する。同抵抗１２２の出力電圧をリニアアンプ回路１１１にて増幅し、さらに増幅された信号を次段のアナログ／デジタル変換器１１２へ入力する。この結果、同変換器１１２の出力値は、ヘッドの発熱体１０８の温度値として８ビット程度のビット数で表現されたデジタル値に変換されて検知される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】一方、上位装置から今、制御している該微小発熱体についてトナー定着の指定値データが入力端子１１６へ、例えば８ビットデータで送られてくる。このデータは、通常は一定値であって、トナーの溶融特性で決まる溶融のために必要な溶融エネルギー値で決まる定数値である。
この値はテーブル１１４で決まる値に変換され、レジスタ１１５で記憶され、目標消去エネルギー制御値“Ｂ”として前述の大小比較回路１１７へ入力され、前述の検出値“Ａ”と比較される。この値Ｂとしては本実施例では０．３ｍＪに対応した値が使用される。
検出値“Ａ”が目標値“Ｂ”よりも小さいうちは制御ライン１１８が“０”であることにより、加熱が続行されるが、徐々に、積算エネルギー値が増加し、検出値“Ａ”が目標値“Ｂ”よりも大となると、比較回路１１７の出力の制御ライン１１８が“０”から“１”へ変化し、結果、論理和ゲート１２５および１２６の出力が“１”となるため、レジスタ１０１がリセットされ、論理積１１０の出力が“０”となり、従って、駆動トランジスタ１２０がＯＦＦとなり、サーミスタ発熱体１０９は電流が流れなくなり、発熱は停止する。つまり、定着が可能なまでエネルギーが印加されたので、発熱駆動が停止したのである。このような加熱動作制御はサーマルヘッド上に１列に並んでいる、全微小発熱体に対し、独立して同様に行われる。なお、上位装置から以降、温度検出信号１０８が入力されてもレジスタ１０１がリセットされているので、信号１０６が“０”となるため、論理積ゲート１２９が“０”のままとなることにより、トランジスタ１２１もＯＦＦとなり、サーミスタ１００が駆動され発熱することはなくなる。