(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一群の複数の小発熱体からなり並列に配設した複数の発熱体と、中空内部に複数の前記発熱体を並列に配列し、該発熱体により加熱される加熱ローラと、前記加熱ローラと協働して記録紙上のトナーを該記録紙上に定着する加圧手段と、前記加熱ローラの表面または周辺温度を検知する検知手段と、前記検知手段の検知結果と予め設定された前記加熱ローラの表面温度または周辺温度の閾値とに基づいて複数の発熱体をオン／オフ制御する制御手段とを有し、
前記発熱体の幾つかは、所定サイズの記録紙の通過領域を形成するように直列に配置され、
前記閾値は、最高温度と、最低温度と、最高温度と最低温度との間にある少なくとも一つ以上の温度とを有し、
前記制御手段は、前記検知手段の検知結果を、前記最高温度、前記最高温度と前記最低温度との間にある少なくとも一つ以上の温度、前記最低温度の順に比較して、該検知結果が前記最高温度と前記最低温度との間に前記ある少なくとも一つ以上の温度よりも低い場合は、時間をずらして、順次、前記閾値の温度に対応した各前記発熱体をオンし、この後、前記検知手段の検知結果が、前記最高温度となった場合には、時間をずらして、順次、その前記閾値の温度に対応した各前記発熱体をオフし、前記前記最低温度との間にある少なくとも一つ以上の温度に制御することを特徴とする加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真複写機およびプリンタ等の画像形成装置に使用するのに適した加熱装置に関する。特に、記録紙に形成されたトナー像を熱定着するのに好適な加熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像形成装置において、記録紙上にトナー画像を定着するプロセスがあり、トナー画像を定着する手段として熱定着ローラを用いた装置がある。この装置は、記録紙上のトナー画像を加熱して記録紙上に溶融する加熱ローラと、加熱ローラと協働して記録紙上のトナー画像を加圧する加圧ローラとを含み、加熱ローラと加圧ローラとの間に、記録紙を通過させて熱圧定着を行なうものである。加熱ローラには、加熱ローラに熱を供給するための発熱体が設けられている。
【０００３】
この加熱ローラは一般的には中空体であり、前記した発熱体は加熱ローラの中空部内に配置され、または加熱ローラの内周面に密着して、もしくは加熱ローラの外周面に近接して配設される。例えば、具体的に加熱ローラの中空部内に赤外線ランプ、ハロゲンヒータランプ、ニクロム線ヒータ等を配設したもの、あるいは加熱ローラの内周面または外周面上にセラミックヒータ等の面状の抵抗発熱層を形成したもの等がある。
【０００４】
発熱体によって加熱される加熱ローラの表面温度は温度センサなどの温度検知手段により検知される。検知された温度は、温度制御手段により監視されており、画像形成時にはトナー画像を定着するのに必要な所定温度以上となるように、また、機械の立ち上げ時や待機時などの画像形成の準備時には画像形成時に必要な所定温度よりも低いセーブモードの温度になるように発熱体を適宜にオン／オフ（付勢／消勢）して制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の制御を行うために、予め設定した温度幅（以下、設定温度という）に対して前記温度センサにより検知した温度値が上昇したかまたは下降したかに従って発熱体を頻繁にオン・オフするため、いくつかの問題が生じる。例えば、加熱ローラの表面温度を設定温度内に制御する際に、発熱体をオン・オフさせるが、発熱体のオンによる加熱またはオフによる冷ましの効果が加熱ローラの表面温度に反映されるまでの時間の遅れ（タイムラグ）が生じて、実際の温度が一時的に設定温度を超えてしまうオーバーシュート現象、または設定温度を保つために、加熱ローラの表面温度が設定温度値を中心としてかなりの幅で上下する温度リップルがある。特に、これらの現象は、加熱ローラの中空部に発熱体を配設したもの、すなわち発熱体の輻射熱を利用して加熱ローラの加熱を行なうもので、発熱体と加熱ローラとの間に空気が介在して熱効率や熱伝達が悪いものに、生じやすい。
【０００６】
また、画像形成装置を起動する場合、画像形成装置の起動から加熱ローラの表面温度をトナー画像を定着できる温度にするまでのウォーミングアップ時間を短縮するために、発熱体を複数配設した構成が知られるが、従来はこれら複数の発熱体を一括してオンする。このため、一時的に発熱体および／またはそれを含む回路等に多大な突入電流が流れ、発熱体や回路等を構成する各部のシステムやパーツ等を破壊または破損したり、それらの寿命が短くなるというような、影響が生じる。
【０００７】
特に、高速で多量のコピーやプリントを行う画像形成装置においては、連続して記録紙を搬送して定着を行なうために記録紙との接触により加熱ローラの温度がかなり急激に奪われ、少量または中量機の場合よりも加熱ローラに対して多くの熱量を提供することが必要になるとともに、加熱ローラの表面温度の変動が激しくなる。この結果、加熱ローラの表面温度を設定温度に保とうとし、頻繁にヒータのオン・オフを繰り返すものとなり、繰り返しのオン毎に突入電流が、すなわち断続的に発熱体および回路等に多大な突入電流が流れ、上述したものよりも、さらに悪影響を生じさせる。本発明は、上記の点に鑑み、オーバーシュート現象や温度リップルを抑え、発熱体をオンした際に生じる突入電流を小さく抑えることにより、定着むらをなくし、安定した定着を可能とし、さらに、ヒータや回路等を構成する各部に生じる悪影響を防止することができる加熱装置を提供する。
【０００８】
上記課題を解消するため、本発明は、一群の複数の小発熱体からなり並列に配設した複数の発熱体と、中空内部に複数の発熱体を並列に配列し、該発熱体により加熱される加熱ローラと、加熱ローラと協働して記録紙上のトナーを該記録紙上に定着する加圧手段と、加熱ローラの表面または周辺温度を検知する検知手段と、検知手段の検知結果と予め設定された加熱ローラの表面温度または周辺温度の閾値とに基づいて複数の発熱体をオン／オフ制御する制御手段とを有し、発熱体の幾つかは、所定サイズの記録紙の通過領域を形成するように直列に配置され、閾値は、最高温度と、最低温度と、最高温度と最低温度との間にある少なくとも一つ以上の温度とを有し、制御手段は、検知手段の検知結果を、最高温度、最高温度と最低温度との間にある少なくとも一つ以上の温度、最低温度の順に比較して、該検知結果が最高温度と最低温度との間にある少なくとも一つ以上の温度よりも低い場合は、時間をずらして、順次、閾値の温度に対応した各発熱体をオンし、この後、検知手段の検知結果が、最高温度となった場合には、時間をずらして、順次、その閾値の温度に対応した各発熱体をオフし、最低温度との間にある少なくとも一つ以上の温度に制御する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を図に基づいて説明する。図１に、画像形成装置に適用された本発明の加熱装置の概略図を示す。図において、加圧ローラ１０は、両端を支持部材により回転自在に支持され、中空円筒体の外表面にシリコンゴム等の耐熱性を有する弾性体１２を被覆した構成とされ、加熱ローラ２０に対して所定の圧力を保って、加熱ローラ２０の周速度と同じまたはほぼ同じ周速度で加熱ローラ２０と同期してまたは従動して回転可能に設けられている。
【００１３】
加熱ローラ２０は、アルミニウム等の熱伝導性の高い金属の中空円筒体の表面にトナーが付着しにくいオフセット防止材料によるコーティングを施したものが使用され、図示しない駆動手段により所定の周速度で回転駆動される。
【００１４】
また、加熱ローラ２０の内部には、熱源となる発熱体３０が複数個、加熱ローラ２０の軸線方向に延在するように、かつ互いにほぼ平行となるように並列に設けられている。なお、この実施態様において発熱体３０は、３つの発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃを有し、それぞれの発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃが加熱ローラ２０の軸芯を中心にほぼ等角度間隔となるように配置されているが、これに限定されることなく、発熱体の数は２以上の複数個であれば良く、また角度間隔等は発熱体の個数や発熱量等に鑑み必要に応じ別の位置関係であって良い。発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃとして例えば棒状のハロゲンランプが用いられ、各発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃのそれぞれの複数のフィラメントは、加熱ローラ２０全長の温度分布を均一化するように加熱ローラ２０の軸線方向にわたって適宜な間隔で配置されている。
【００１５】
なお、上記の例では各発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃを並列に配置したが、その一つまたは幾つかを直列に配列した小発熱体郡としても良い。具体的には、図２に示すように、各発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃを、一群の複数の小発熱体３０ａ１、３０ａ２、３０ａ３、３０ｂ１、３０ｂ２、３０ｂ３、３０ｃ１、３０ｃ２、３０ｃ３により形成する。これら各小発熱体３０ａ１、３０ａ２、３０ａ３、３０ｂ１、３０ｂ２、３０ｂ３、３０ｃ１、３０ｃ２、３０ｃ３は、所定サイズの記録紙の通過領域を形成するように直列に配列されている。例えば、Ａ４サイズの縦の場合は３０ａ１、３０ｂ１、３０ｃ１を通過領域とし、Ａ３サイズの横の場合は、３０ａ１、３０ａ２、３０ｂ１、３０ｂ２、３０ｃ１、３０ｃ２を通過領域とし、Ａ２の横の場合は、３０ａ１、３０ａ２、３０ａ３、３０ｂ１、３０ｂ２、３０ｂ３、３０ｃ１、３０ｃ２、３０ｃ３を通過領域とするものである。
【００１６】
加熱ローラ２０の外周面近傍には、加熱ローラ２０の温度を検知する温度センサ等の検知手段４０が、配置されている。この実施態様において、検知手段４０はサーミスタが用いられている。図３に示すように、検知手段４０は制御手段６０に電気的に接続されている。また、各発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、電力供給の導通および遮断の切り換えを行なう切換装置５０の各切換手段５０ａ、５０ｂ、５０ｃを介して、電源７０に接続されている。この実施態様において、切換手段５０ａ、５０ｂ、５０ｃはＳＳＲ（ソリッドステートリレー）が用いられている。切換手段５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、各発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃにそれぞれ対応して備えられ、各発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃを個別にオン・オフすることができるようにする。
【００１７】
制御手段６０は、ＣＰＵ６１と、加熱ローラ２０の温度制御のためのプログラムが書き込まれたＲＯＭ６２と、検知手段４０による検知結果を一時的に記憶するＲＡＭ６３と、タイマー６４を備える。ＲＯＭ６２には、一例として、図４に示すように、検知手段４０によって検知した加熱ローラ２０の温度ＴがＴ１以上の場合は、第一の発熱体３１、第二の発熱体３２および第三の発熱体３３はオフ、また、温度がＴ２以上Ｔ１未満の場合は、第一の発熱体３１はオン、第二の発熱体３２および第三の発熱体３３はオフ、また、温度がＴ３以上Ｔ２未満の場合は、第一の発熱体３１および第二の発熱体３２はオン、第三の発熱体３３はオフ、さらに、温度がＴ３未満の場合は、第一の発熱体３１、第二の発熱体３２および第三の発熱体３３はオンとなるように、発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃをオン／オフさせるための条件、すなわち各切換手段３０ａ、３０ｂ、３０ｃの切り換えを行う温度条件が書き込まれている。
【００１８】
このような構成により、検知手段４０により検知された加熱ローラ２０の温度Ｔは、所定の温度データに変換をして制御手段６０のＣＰＵ６１を介してＲＡＭ６３に入力され、制御手段６０のＣＰＵ６１により制御手段６０のＲＯＭ６３に書き込まれた上記データの温度と比較して、その比較結果に基づき切換手段５０ａ、５０ｂ、５０ｃの切り換えを行い、それにより加熱ローラ２０の温度が制御される。タイマー６４は、画像形成装置の電源投入時から切断までの時間の経過を計測するものであり、その計測に基づいて制御が行われる。
【００１９】
以下、加熱ローラ２０の温度制御について図５を参照に加えて更に詳細に説明する。先ず、図示されていない画像形成装置の電源が投入されると、検知手段４０により、加熱ローラ２０の温度Ｔを検知し(ステップ１−１)、この温度ＴがＲＯＭ６２に書き込まれているデータの所定の温度Ｔ１と比較する(ステップ１−２)。この時、この温度Ｔが所定の温度Ｔ１より小さい場合には、電源７０と導通するように切換装置５０の切換手段５０ａが切り換り、第一の発熱体３０ａをオンさせる(ステップ１−３)。この電源投入時において、少なくとも、検知された加熱ローラ２０の温度Ｔは、ＲＯＭ６２に書き込まれているデータの所定の温度Ｔ２、Ｔ３未満であるので、順次、Ｔ２、Ｔ３の所定温度に対して、加熱ローラ２０の温度Ｔを検知し、この温度Ｔと所定の温度Ｔ２、Ｔ３の比較し、各切換手段５０ｂ、５０ｃが切り換り、第二の発熱体３０ｂおよび第三の発熱体３０ｃをオンする(ステップ１−４からステップ１−９)ことにより、画像形成装置の電源が投入時の温度制御は終了する。
【００２０】
次いで、画像形成装置が待機状態および作動中は、再度、ステップ１−１に戻り、ステップ１−２、ステップ１−５およびステップ１−８において、検知手段４０により検知された(ステップ１−１、ステップ１−４、ステップ１−７)加熱ローラ２０の温度Ｔが、それぞれの所定温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３より大きい場合は、各発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃをオフし、これら所定温度より小さい場合は各発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃをオンさせることにより加熱ローラ２０の温度制御が行われる。なお、ステップ１−１から１−１２は、画像形成装置の電源が切られるまで繰り返される。
【００２１】
以上のことをタイムチャートで表すと図６に示した通りになり、画像形成装置を電源投入すると、電源７０と導通するように切換装置５０の各切換手段５０ａ、５０ｂ、５０ｃを切り替え、時間ｔをずらして、順次、第三の発熱体３０ｃ、第二の発熱体３０ｂ、第一の発熱体３０ａをオンされる。画像形成装置を電源投入からあるタイマー６４で計測された一定の時間ｔが経過し、画像形成装置が待機状態時および作動中になると、加熱ローラ２０の温度Ｔが所定の温度Ｔ１、Ｔ２およびＴ３となることにより、第一の発熱体３０ａ、第二の発熱体３０ｂおよび第三の発熱体３０ｂをオン／オフさせる。
【００２２】
このように、時間をずらして、順次、各発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃをオンさせる制御により、画像形成装置の電源投入時に一時的に発熱体または発熱体を含む回路等に多大な突入電流が流れることが防止され、発熱体や回路、切換手段等、加熱装置を構成する各部の寿命を長くすることができる。また、各発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃのオン／オフを行うための温度の閾値を異なるようにして、順次に各発熱体３０ａ、３０ｂ、３０ｃがオン／オフをすることにより、図７に示すように、温度のオーバーシュートを小さくすることができる。なお、実線が本発明の温度変化の一例を示し、破線が従来の技術の温度変化の一例を示している。
【００２３】
特に、画像形成装置が待機中の時は、加熱ローラ２０の温度Ｔが、所定温度においてＴ２以上Ｔ１未満であることから、加熱ローラ２０の温度ＴがＴ１より大きいか否かを判定して、第一の発熱体３１つまり一つの発熱体のオン／オフのみで温度制御を行うことができ、一時的に発熱体に多大な突入電流が流れることなく、温度のオーバーシュート、温度リップルを小さく抑えることができる。
【００２４】
さらに付け加えると、画像形成装置が作動中で加熱ローラ２０の温度が大量の記録紙との接触により奪われたとしても、奪われた温度または熱量にともない、各発熱体が上記した制御に従い順次オンしてこの熱量・温度をもとに戻すとともに、所定の設定温度になったとき、順次各発熱体がオフすることにより、上述した画像形成装置の電源の投入時および画像形成装置が待機中の時と同様に、一時的に発熱体およびそれを含む回路等に多大な突入電流が流れることがなく、温度のオーバーシュート、温度リップルを小さく抑えて、温度制御をすることができる。
【００２５】
【発明の効果】
オーバーシュート現象、温度リップルおよびヒータをオンした際に生じる多大な突入電流を小さく抑えて、定着むらをなくし安定した定着を可能とし、さらに、定着装置等を構成する各部に生じる悪い影響を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】    画像形成装置に適用された本発明の加熱装置の概略図である。
【図２】    各発熱体の詳細の配列を示す図である。
【図３】   制御手段の概略ブロックを示す図である。
【図４】   ＲＯＭに書き込まれた温度制御のプログラムの具体例を示す図である。
【図５】    加熱ローラの温度制御のフローチャートである。
【図６】    本発明の温度変化の一例と、従来技術の温度変化を示す図である。
【図７】    本発明の温度制御のタイムチャートを示す図である。
【符号の説明】
１０  加圧ローラ
２０  加熱ローラ
３０  発熱体
４０  検知手段
５０  切換手段
６０  制御手段
【図１】
0004453947.tif 000002
【図２】
0004453947.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004453947.tif 000005
【図６】
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【図７】
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【図５】
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