JP2007219450A - 定着装置、画像形成装置、定着装置の温度制御方法、定着装置の温度制御プログラム、コンピュータ読み取り可能な記録媒体 - Google Patents

定着装置、画像形成装置、定着装置の温度制御方法、定着装置の温度制御プログラム、コンピュータ読み取り可能な記録媒体 Download PDF

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Abstract

【課題】 用紙の搬送速度の切り換え可能な画像形成装置に備えられる定着装置において、オフセット現象を生じさせることなく用紙上に画像を定着させる。
【解決手段】 定着装置40は、定着ローラ60と加圧ローラ70とが用紙Pを挟持しながら搬送し、用紙P上の未定着画像を定着ローラ60の周面の熱によって用紙Pに定着させるものである。この定着装置40には、定着ローラ60の外部から定着ローラ60の周面に接触することによってこの周面を加熱する無端ベルト83と、用紙Pの搬送速度に応じて無端ベルト83の温度を変更するためのハロゲンランプ86・熱源制御装置90・サーミスタ85とが構成されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電子写真方式の画像形成装置に備えられている定着装置、この定着装置の温度制御方法、この定着装置の温度制御プログラム、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に関するものである。
電子写真方式の画像形成装置(例えばプリンタ)には、用紙上に形成されたトナー像を熱溶融することによって用紙上に定着させる定着装置が備えられている。この定着装置の一例として、以下に示す特許文献2〜4に示されるように、定着ローラと加圧ローラとから構成されるローラ対方式の定着装置が知られている。
定着ローラは、アルミなどの金属製中空芯金の表面に弾性層が形成されたローラ部材であり、この芯金の内部に熱源としてハロゲンランプが配置される構成である。そして、温度制御装置が、定着ローラ表面に設けられた温度センサから出力される信号に基づいてハロゲンランプをオン/オフ制御することによって、定着ローラの温度を制御する。
なお、定着ローラを加熱する手段としては、上述したようなハロゲンランプの他、定着ローラ周面に圧接する外部加熱部材が知られている。この外部加熱部材の具体例としては、特許文献1に開示されている外部加熱ローラや特許文献2〜4に開示されている外部加熱ベルト等がある。この外部加熱部材は、定着ローラ周面に直接接触しているため、上記したハロゲンランプよりも、定着ローラ周面を迅速に暖めることができる。
加圧ローラは、芯金上に被覆層としてシリコンゴムなどの耐熱性弾性層を設けたローラ部材である。そして、定着ローラ周面に対して加圧ローラが圧接され、加圧ローラの弾性層の弾性変形によって定着ローラと加圧ローラとの間にニップ領域が形成される。
以上の構成において、未定着のトナー像が形成された用紙を定着ローラと加圧ローラとの間のニップ領域に挟み込み、定着ローラと加圧ローラとを回転させることによってこの用紙を搬送し、定着ローラ周面の熱によって用紙上のトナー像を溶融させることによって当該トナー像を用紙に定着させることができる。
また、このような定着装置において、定着ローラ周面温度が適正温度範囲外の温度である場合、コールドオフセットやホットオフセット等のオフセット現象が発生することが知られている。コールドオフセットとは、用紙に伝達される熱量が足りず、トナーが十分に溶けずにトナーの一部が定着ローラに付着してしまう現象を意味し、ホットオフセットとは、用紙上のトナーが過加熱されることによってトナーの凝集力が低下し、用紙上のトナーの一部が定着ローラに付着してしまう現象を意味する。
したがって、定着装置において、通紙時に定着ローラ表面温度が適正温度範囲内になるように温度制御を行うことが大変重要になる。
特開平11−038802号公報(公開日:平成11年02月12日) 特開2005−189427号公報(公開日:平成17年07月14日) 特開2005−292714号公報(公開日:平成17年10月20日) 特開昭52−017031号公報(公開日:昭和52年02月08日)
定着ローラ周面の適正温度範囲は、定着装置を実装する画像形成装置の用紙搬送速度によって異なるものである。具体的に、用紙搬送速度(プロセス速度)が高くなるほど上記適正温度範囲は高温側にシフトし、用紙搬送速度が低くなるほど上記適正温度範囲は低温側にシフトする傾向にある。これは、用紙搬送速度が高速になる場合、用紙と定着ローラ周面との接触時間が短くなり、定着ローラ周面温度が比較的高くないと定着ローラ周面から用紙に十分な熱が伝わらず、用紙搬送速度が低速になる場合、上記接触時間が長くなり、定着ローラ周面温度を抑えないと定着ローラ周面から用紙に過剰な熱が伝わってしまうからである。
ここで、いわゆる4サイクル方式の画像形成装置においては、通常、用紙にカラー画像を形成する場合とモノクロ画像を形成する場合とで用紙搬送速度がほぼ同一になるように設計される(但し、カラーの場合とモノクロの場合とで搬送される用紙間の間隔が相違するため、単位時間当たりの処理枚数はモノクロの場合の方が多い)。
したがって、4サイクル方式の画像形成装置に備えられる定着装置において、カラー画像を定着させる場合の上記適正温度範囲とモノクロ画像を定着させる場合の上記適正温度範囲とを対比すると、図10(a)に示すように、重複範囲が存在し、この重複範囲は広い。よって、定着ローラ表面温度の制御値をこの重複範囲内に設定することによって、カラー画像を定着させる場合およびモノクロ画像を定着させる場合のいずれの場合においても、定着ローラ周面温度が適正温度範囲内におさまるように温度制御を行うことが容易になり、これによりオフセット現象を回避できる。
これに対し、最近、4連タンデム方式の画像形成装置においては、用紙にモノクロ画像を形成する場合、カラー画像を形成する場合よりも用紙搬送速度を高速にするように設計する要請が高まっている(つまり、モノクロ画像形成モードとカラー画像形成モードとで用紙搬送速度を大幅に切り換える)。このように設計しても、形成されるモノクロ画像の画質を落とさずに、モノクロ画像の処理枚数を多くすることができるからである。
そこで、用紙にモノクロ画像を形成する場合の方がカラー画像を形成する場合よりも用紙搬送速度が高速になるように設計した画像形成装置において、カラー画像を定着させる場合の適正温度範囲とモノクロ画像を定着させる場合の適正温度範囲とを対比すると、図10(b)に示すように、重複範囲が極めて狭い、または重複範囲が存在しなくなる。重複範囲が極めて狭い場合、定着ローラ表面温度の制御値をこの重複範囲内に設定しても、定着ローラ表面温度がこの重複範囲内におさまるように温度制御を行うことは困難であり、コールドオフセットやホットオフセットの問題が生じる虞が高い。また、重複範囲が存在しない場合、上記制御値をどのように設定しても、オフセット現象を抑制することが困難である。
本発明は、用紙の搬送速度の切り換え可能な画像形成装置に備えられる定着装置において、オフセット現象を生じさせることなく用紙上に画像を定着できる定着装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するため、定着ローラと加圧ローラとを有し、上記定着ローラと上記加圧ローラとが記録材を挟持しながら搬送し、上記記録材上の未定着画像を上記定着ローラの周面の熱によって当該記録材に定着させる定着装置において、上記定着ローラの外部から上記周面に接触することによってこの周面を加熱する外部加熱部材と、上記搬送の速度に応じて上記外部加熱部材の温度を変更する温度制御手段と、を含むことを特徴とする。
上記構成によれば、記録材の搬送速度の切り換えに応じて、定着ローラ周面に接触している外部加熱部材の温度を変更できるため、この定着ローラ周面の温度を上記搬送速度に最適な温度(オフセット現象の生じ難い温度)に迅速に変化させることができる。それゆえ、画像形成装置の搬送速度を切り換え可能に構成してもオフセット現象の発生を抑制できるという効果を奏する。
また、上記外部加熱部材は、複数の支持ローラに架けられている無端ベルトであることが好ましい。
この構成によれば、外部加熱部材をベルト形状にすることによって、ローラ型の外部加熱部材よりも熱容量を抑えることができ、短時間で外部加熱部材を昇温することが容易になる。それゆえ、この外部加熱部材に接触している定着ローラ表面の温度制御も迅速に行うことが可能になる。
また、上記温度制御手段は、上記搬送の速度が高速になるほど上記外部加熱部材の温度が高温になるように上記変更を行うことが好ましい。
上記構成によれば、高速搬送に起因して生じるコールドオフセットを抑制できると共に低速搬送に起因して生じるホットオフセットを抑制できる。
また、一般的に、画像形成装置においては、単色画像を記録材上に形成させる単色モード時の場合、多色画像を記録材上に形成させる多色モード時よりも用紙搬送速度を高速にすることによって単色画像の処理枚数を高めることができるという利点が生じる一方、用紙の搬送速度の切り換えに起因して定着処理においてオフセット現象が発生し易くなるという欠点が生じる。これに対し、このような画像形成装置に本発明の定着装置を適用した場合、定着ローラ周面の温度を上記搬送速度に最適な温度(オフセット現象の生じ難い温度)に迅速に変化させることができるため、搬送速度の切り換えに起因して発生するオフセットを抑制でき、上記欠点を生じさせることなく、上記利点を享受することができる。
なお、単色画像とは、単一色成分のトナーからなる画像(例えば、モノクロ画像)を意味し、多色画像とは、複数色成分のトナーを混合することによって生成される画像(例えば、シアン、マゼンタ、黄、黒の色成分からなるカラー画像)を意味する。
また、上記定着装置において、上記外部加熱部材の熱源であって電力供給に応じて発熱する第1熱源装置と、上記外部加熱部材の温度を検出する第1温度センサと、上記第1温度センサに検出される温度が第1目標温度になるように上記第1熱源装置への電力供給を制御する熱源制御装置とを構成し、この熱源制御装置が上記搬送の速度に応じて上記第1目標温度の値を選定する処理を実行するようにすれば、上記温度制御手段の奏する機能を実現することができる。
また、上記定着装置において、上記定着ローラ内部に配置されていると共に電力供給に応じて発熱する第2熱源装置と、上記定着ローラの周面の温度を検出する第2温度センサとを構成し、上記熱源制御装置は、上記第1温度センサに検出される温度が第1目標温度になり、且つ上記第2温度センサに検出される温度が第2目標温度になるように、上記第1および第2熱源装置への電力供給を制御する構成であってもよい。
そして、当該構成において、上記温度制御装置は、上記定着装置を備える画像形成装置が画像形成動作を実行していない待機状態において、上記第1目標温度と上記第2目標温度とを同一値に設定する構成であってもよい。
この構成によれば、上記待機状態において、定着ローラ周面の外部加熱部材と接触している部分のみが局所的に高温になることを抑制でき、上記定着装置を備える画像形成装置が画像形成動作を実行して定着処理が行われたときに、記録材のうちの上記部分に当接した箇所に高温オフセットが生じるという事態を抑制することができる。
また、上記熱源制御装置は、上記画像形成装置が画像形成動作を実行している通紙状態において、上記第1温度センサに検出される温度が第1目標温度に到達していない場合、第1熱源装置へ優先的に電力を供給する構成であることが好ましい。
この構成によれば、上記通紙状態において、外部加熱装置の温度が第1目標温度に到達していない場合、第1熱源装置への電力供給を優先的に行っているため、第1熱源装置へ供給可能な電力を増加させることができ、外部加熱装置の温度をより迅速に高めることが可能になる。
また、上記熱源制御装置は、上記通紙状態において、上記第1温度センサに検出される温度が第1目標温度に到達している場合、第1熱源装置への電力供給を停止し、第2熱源装置へ電力供給を行う構成であることが好ましい。
この構成によれば、上記通紙状態において、上記第1温度センサに検出される温度が第1目標温度に到達している場合、外部加熱部材の第1熱源装置からの発熱を停止し、定着ローラ内部の第2熱源装置から熱を発生させている。それゆえ、定着ローラ周面の熱が定着ローラ内部に伝導されにくくなり、定着ローラ周面が急速に冷却されることを抑制でき、より長期間、定着ローラ周面の温度を第2目標温度近傍に保つことが可能になる。
また、本発明の定着装置は、上記構成に加えて、上記無端ベルトは、第1および第2支持ローラに架けられていると共に、定着ローラの回転方向と逆方向に回転し、定着ローラの周面との間でニップ部を形成し、上記ニップ部において、無端ベルトの移動方向上流側に第1支持ローラが配置され、無端ベルトの移動方向下流側に第2支持ローラが配置されており、上記第1支持ローラの内部に上記第1熱源装置を構成し、上記第2支持ローラの内部には上記第1熱源装置を構成しないことが好ましい。
この構成によれば、上記ニップ部の上流側から下流側に移動するに従って無端ベルトの温度が低下するようになるため、上記無端ベルト全体の温度分布において上記ニップ部付近が最低温度になることはなく、このニップ部から定着ローラの周面を効率的に加熱できる。これに対し、第1および第2支持ローラの両方に第1熱源装置を構成した場合、上記無端ベルトの温度分布において、第1および第2支持ローラ付近が最高温度になり、第1支持ローラと第2支持ローラとの間のニップ部付近が最低温度になるため、このニップ部から定着ローラの周面を効率的に加熱できない。
さらに、本発明の定着装置は、上記構成に加えて、上記無端ベルトは、第1および第2支持ローラに架けられており、第1および第2支持ローラの各々には、内部に上記第1熱源装置が構成されており、第1および第2支持ローラは、形状、サイズ、構成される各部品、各部品の材質およびサイズが互いに同一であってもよい。
このように構成した場合、無端ベルトにおいて、第1支持ローラに接触している部分aの温度と第2支持ローラに接触している部分bの温度とはほぼ同一になり、外部加熱部材としての無端ベルトの温度を検出する第1温度センサを部分aまたは部分bのいずれかの近傍にのみ構成(つまり、温度センサを一つにできる)すれば十分であり、構成する温度センサ数を削減することができる。これに対し、第1および第2支持ローラの各々に上記第1熱源装置を構成したものの、第1および第2支持ローラの形状、構成される各パーツ、材質、サイズ等が互いに異なれば、無端ベルトにおいて、第1支持ローラに接触している部分aの温度と第2支持ローラに接触している部分bの温度とが異なるものとなり、部分aの近傍と部分b近傍とに温度センサを構成しなければ適切な温度制御ができなくなる。
また、本発明は、定着ローラと加圧ローラとを有し、定着ローラと加圧ローラとが記録材を挟持しながら搬送し、この記録材上の未定着画像を上記定着ローラの周面の熱によって当該記録材に定着させる処理を行う画像形成装置において、上記定着ローラの外部から上記周面に接触することによってこの周面を加熱する外部加熱部材と、上記搬送の速度に応じて上記外部加熱部材の温度を変更する温度制御手段とを含む構成であってもよく、この場合においても上述した効果と略同一の効果を奏することが可能である。
さらに、本発明は、定着ローラと、加圧ローラと、上記定着ローラの外部から上記定着ローラの周面に接触することによって当該周面を加熱する外部加熱部材とを含み、上記定着ローラと上記加圧ローラとが記録材を挟持しながら搬送し、この記録材上の未定着画像を上記定着ローラの周面の熱によって当該記録材に定着させる定着装置の温度制御方法であって、上記搬送の速度に応じて上記外部加熱部材の温度を変更する制御を行う工程を含む手順であってもよく、この場合においても上述した効果と略同一の効果を奏することが可能である。
なお、上記温度制御方法は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、上記工程をコンピュータに実行させる温度制御プログラム、この温度制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。
以上のように、本発明の定着装置は、上記定着ローラの外部から上記周面に接触することによってこの周面を加熱する外部加熱部材と、上記搬送の速度に応じて上記外部加熱部材の温度を変更する温度制御手段と、を含む構成である。
それゆえ、この定着ローラ周面の温度を上記搬送速度に最適な温度(オフセット現象の生じ難い温度)に迅速に変化させることができ、画像形成装置の搬送速度を切り換え可能に構成してもオフセット現象の発生を抑制できるという効果を奏する。
本発明の一実施形態について図に基づいて説明すると以下の通りである。まず、図2を参照して本実施形態の定着装置が備えられている画像形成装置について説明する。図2は、画像形成装置の内部構造を示した模式図である。
図2に示す画像形成装置1は、ネットワークを介して接続されている各端末装置から送信される画像データまたはスキャナによって読み取られた画像データに基づいて、用紙(記録材)Pに対してカラー画像またはモノクロ画像を選択的に形成するプリンタである。
画像形成装置1は、乾式電子写真方式かつ4連タンデム方式のカラープリンタであって、可視像転写部50、用紙搬送部30、定着装置40、供給トレイ20を備えている。
可視像転写部50は、黄色画像転写部50Y、マゼンタ画像転写部50M、シアン画像転写部50C、黒画像転写部50Bから構成される。具体的な配置としては、供給トレイ20と定着装置40との間において、供給トレイ側20から、黄色画像転写部50Y、マゼンタ画像転写部50M、シアン画像転写部50C、黒画像転写部50Bがこの順に併設されている。
これら転写部50Y、50M、50C、50Bは、各々、実質的に同一の構成を有しており、画像データに基づいて、用紙Pに対してそれぞれ黄色画像、マゼンタ画像、シアン画像、黒画像を転写するものである。
各転写部50Y、50M、50C、50Bは、感光体ドラム51を備えており、さらに、帯電器52、LSU53、現像ユニット54、転写ローラ55およびクリーニング装置56を、感光体ドラム51の周囲に、感光体ドラム51の回転方向(図2のF方向)に沿って配置している。
各転写部50Y、50M、50C、50Bの感光体ドラム51は、感光性材料を表面に有するドラム形状の転写ローラであり、矢印F方向に回転駆動する。帯電器52は、感光体ドラム51の表面を一様(均一)に帯電するための、チャージャー型のコロナ放電器である。
転写部50Y、50M、50C、50BのLSU(レーザビームスキャナユニット)53には、それぞれ画像データにおける黄色成分、マゼンタ成分、シアン成分および黒色成分に対応する画素信号が入力されるようになっている。そして、各LSU53は、これらの画像信号に基づいて、帯電された感光体ドラム51を露光し、静電潜像を生成するようになっている。
転写部50Y、50M、50C、50Bの現像ユニット54は、それぞれ黄色、マゼンタ、シアン、黒色のトナーを有している。そして、これらのトナーによって、感光体ドラム51上に生成された静電潜像を現像し、トナー像(顕像)を生成する機能を有している。
転写部50Y、50M、50C、50Bの転写ローラ55は、トナーとは逆極性のバイアス電圧が印加されており、このバイアス電圧を用紙Pに与えることによって感光体ドラム51上のトナー像を用紙Pに転写するためのものである。転写部50Y、50M、50C、50Bのクリーニング装置56は、用紙Pへの画像転写後に感光体ドラム51上に残留しているトナーを除去するものである。以上のような、用紙Pに対するトナー像の転写は、4色について4回繰り返される。
用紙搬送部30は、駆動ローラ31、アイドリングローラ32、搬送ベルト33からなり、各転写部50Y、50M、50C、50Bによって順に用紙Pにトナー像が形成されるように、用紙Pを搬送するものである。
駆動ローラ31およびアイドリングローラ32は、搬送ベルト33を張架するものであり、駆動ローラ31が所定の周速度に制御されて回転することで搬送ベルト33が回転するようになっている。
搬送ベルト33は、各転写部50Y、50M、50C、50Bの感光体ドラム51に接触するように、駆動ローラ31とアイドリングローラ32との間にかけられたベルトであり、ローラ31・32によって矢印Z方向に摩擦駆動されるようになっている。そして、搬送ベルト33は、供給トレイ20から送り込まれた用紙Pを静電吸着させ、各転写部50Y、50M、50C、50Bに順に用紙Pを搬送する。
さらに、各転写部50Y、50M、50C、50Bによってトナー像が転写された用紙Pは、駆動ローラ31の曲率によって搬送ベルト33から剥離され、定着装置40に搬送される(図2の一点鎖線は搬送経路を示す)。なお、各転写部50Y、50M、50C、50Bによって用紙Pに転写された後のトナー像は、用紙Pに対して未定着の状態である。
定着装置40は、用紙Pに転写された未定着のトナー像を当該用紙Pに熱圧着させるものである。具体的に、定着装置40には、定着ローラ60と加圧ローラ70とが備えられている。そして、可視像転写部50から搬送されてきた用紙Pは、定着ローラ60と加圧ローラ70との間に形成されている定着ニップ部Nに送り込まれる。さらに、定着ローラ60と加圧ローラ70とが用紙Pを挟持しながら搬送する。このとき、用紙P上のトナー像(未定着画像)は定着ローラ60の周面の熱によって用紙Pに定着する。
そして、定着装置40によってトナー像の定着処理が行われた後の用紙Pは、画像形成装置1の外部の排紙トレイ(不図示)に排出される。これにより、画像形成処理が終了する。なお、定着装置40の具体的構成については後で詳細に説明する。
また、以上示した画像形成装置1には、用紙Pに対して各転写部50Y、50M、50C、50Bが画像転写を行ってカラー画像(多色画像)を形成するカラーモード(多色モード)と、用紙Pに対して黒画像転写部50Bのみが画像転写を行ってモノクロ画像(単色画像)を形成するモノクロモード(単色モード)とがある。具体的に説明すると、画像形成装置1に備えられている制御部(制御用集積回路基板またはコンピュータ,不図示)は、利用者からの入力指示に応じて、カラーモードまたはモノクロモードのうちのいずれかのモードを選択し、選択したモードに応じた画像形成を実行するように各転写部50Y、50M、50C、50Bを制御するようになっている。
さらに、上記制御部は、カラーモード時においては、搬送速度170mm/S(プロセス速度ともいう)で用紙Pを搬送し、モノクロモード時においては、搬送速度350mm/Sで用紙Pを搬送するように画像形成装置1の用紙搬送手段(用紙搬送部30,定着ローラ60,加圧ローラ70等)を制御する。これにより、カラーモード時においては、毎分40枚のペースで連続給紙が可能になり、モノクロモード時においては、毎分70枚のペースで連続給紙が可能になる。
つぎに、上述した定着装置40について、図1を用いて具体的に説明する。図1は、本実施形態の定着装置40の概略構成を示す模式図である。定着装置40は、上述した定着ローラ60および加圧ローラ70の他、外部加熱装置80、熱源制御装置90を含む構成である。
定着ローラ60は、図1に示されるG方向に回転するローラであり、金属製の中空円筒形状の芯金61、この芯金61の外周面を覆う弾性層62、弾性層62を覆って形成される離型層63、から構成される。
芯金61は、外径46mmであり、アルミニウムからなるものである。但し、芯金61の素材は、アルミニウムに限定されるものではなく、鉄やステンレス等からなるものであってもよい。弾性層62は、厚さ2mmであって、耐熱性を有するシリコンゴムからなる。離型層63は、厚み約30μmのPFA(テトラフルオロエチレンとパーフルオロアルキルビニルエーテルとの共重合体)チューブからなる。なお、離型層63の材料としては、耐熱性、耐久性に優れ、トナーとの離型性が優れているものであればよく、PFAの他、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等のフッ素系材料を使用してもよい。こうして構成された定着ローラ60の外径は50mmであって、定着ローラ60の表面硬度は68度(アスカーC硬度)である。
なお、定着ローラ60の周面には当該周面の温度を検出するサーミスタ(第2温度センサ)65が接触しており、芯金61の内部には、電力が供給されることによって熱輻射を行うハロゲンランプ(第2熱源装置)64が設置されている。ハロゲンランプ64は定着ローラ60の熱源であり、ハロゲンランプ64に電力供給が行われるとハロゲンランプ64によって定着ローラ60内部が加熱されるようになっている。
加圧ローラ70は、図1に示すH方向に回転するローラであり、金属製の中空円筒形状の芯金71、この芯金71の外周面を覆う弾性層72、弾性層72を覆って形成される離型層73、から構成される。
芯金71は、外径46mmであって、アルミニウムからなるものである。但し、芯金71の素材は、アルミニウムに限定されるものではなく、鉄やステンレスからなるものであってもよい。弾性層72は、厚さ2mmであって、耐熱性を有するシリコンゴムからなる。離型層73は、厚み約30μmのPFAチューブからなる。なお、離型層73の材料としては、耐熱性、耐久性に優れ、トナーとの離型性が優れるものであればよく、PFAの他、PTFE等のフッ素系材料を使用してもよい。こうして構成された加圧ローラ70の外径は50mmであって、加圧ローラ70の表面硬度は75度(アスカーC硬度)である。
そして、加圧ローラ70は、図示していない弾性部材(バネ)によって、定着ローラ60に圧接される。これにより、定着ローラ60周面と加圧ローラ70周面との間に定着ニップ部Nが形成される。
また、加圧ローラ70の周面には当該周面の温度を検出するサーミスタ75が接触しており、芯金71の内部には、電力供給によって熱輻射を行うハロゲンランプ74が設置されている。ハロゲンランプ74は加圧ローラ70の熱源であり、ハロゲンランプ74に電力供給が行われると加圧ローラ70内部が加熱されるようになっている。
なお、本実施形態では、定着ローラ60のゴム硬度(68度)より加圧ローラ70のゴム硬度(75度)を高くしているが、これは、加圧ローラ70と定着ローラ60との間に形成される定着ニップ部Nを逆ニップ形状(加圧ローラ70の形状は殆ど変わらず定着ローラ60が若干凹む形態)にするためである。このようにして得られた定着ニップ部Nのニップ幅は8.5mmであった。
ここで、加圧ローラ70と定着ローラ60との間の定着ニップ部Nを逆ニップ形状にしている理由を説明する。定着ニップ部Nが逆ニップ形状である場合、定着ニップ部Nを通過した用紙Pは、加圧ローラ70周面に沿った方向に排出されるため、用紙Pが定着ニップ部Nから排出される際に自己剥離(剥離爪などの強制剥離補助手段を必要とせず紙のこしで剥離)し易くなるからである。
なお、定着ローラ60の表面硬度より加圧ローラ70の表面硬度が低いと、定着ローラ60と加圧ローラ70との間の定着ニップ部Nは、定着ローラ60の形状が殆ど変わらず加圧ローラ70が若干凹む形態になり、定着ニップ部Nを通過した用紙Pは定着ローラ60周面に沿った方向に排出されるため、自己剥離が生じにくい。
外部加熱装置80は、第1支持ローラ81、第2支持ローラ82、無端ベルト(外部加熱部材)83から構成されている。無端ベルト83は、裏面側が各支持ローラ81・82の周面に当接するように各支持ローラ81・82に架けられている。そして、各支持ローラ81・82は、定着ローラ60の回転方向と逆方向(図1のK方向)に回転し、支持ローラ81・82の回転駆動に伴って、無端ベルト83はK方向に循環移動するようになっている。
無端ベルト83は、厚み90μmのポリイミドからなる基材の上に、厚み10μmのPTFEからなる離型層が形成されてなるベルト部材である。なお、無端ベルト83の外径は30mmである。但し、無端ベルト83としては、このようなベルト部材に限定されるものではなく、ニッケル、ステンレス、鉄などの金属製のベルト部材を用いても良い。また、無端ベルト83の外径も30mmに限定されるものではない。なお、無端ベルト83の離型層の材料としては、耐熱性、耐久性に優れ、トナーとの離型性に優れていればよく、PTFEの代わりにPFAが使用されてもよい。
各支持ローラ81・82は、外径15mm、肉厚1mmのアルミニウム製の芯金から構成されるローラである。なお、必要に応じて(例えば、無端ベルト83の裏面と支持ローラ81・82周面との摩擦力を低減させ、蛇行による寄り力を低減させたい場合)、支持ローラ81・82を、芯金の上に離型層を設けた構成としてもよい。この離型層の材料としては、耐熱性、耐久性に優れ、トナーとの離型性に優れていればよく、PFAやPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等のフッ素系材料が使用される。
また、各支持ローラ81・82は、図示しない弾性部材(バネ)によって、無端ベルト83を介して定着ローラ60の周面に押圧される。これにより、無端ベルト83表面と定着ローラ60周面との間にニップ部が形成され、無端ベルト83表面は定着ローラ60周面に接触することになる。なお、無端ベルト83表面と定着ローラ60周面との間のニップ幅は20mm(定着ローラ60周方向に沿った幅)である。
なお、外部加熱装置80において、無端ベルト83の表面には、この表面の温度を検出するサーミスタ(温度制御手段、第1温度センサ)85が接触している。また、第1支持ローラ81内部には、電力供給によって発熱するハロゲンランプ(温度制御手段、第1熱源装置)86が設けられている。ハロゲンランプ86は無端ベルト83の熱源であり、ハロゲンランプ86に電力供給が行われると、ハロゲンランプ86から熱が輻射され、支持ローラ81を介して無端ベルト83が加熱される。そして、無端ベルト83は、定着ローラ60の外部から定着ローラ60周面に接触しているため、この接触箇所を介して定着ローラ60周面を加熱していることになる。
また、本実施形態において、無端ベルト83は、2本の支持ローラにかけられているが、必要に応じて別途テンションローラを設けて3本以上のローラにかけられる構成であってもよい(例えば、定着ローラ60と無端ベルト83との間のニップ幅を広く確保する場合、2本の支持ローラだけで無端ベルトを架橋するのには限界がある)。
熱源制御装置(温度制御手段)90は、無端ベルト83の表面の温度と、定着ローラ60の周面の温度と、加圧ローラ70の周面の温度とを制御する制御用集積回路基板である。
具体的に、熱源制御装置90は、サーミスタ65・75・85に接続されている。そして、熱源制御装置90は、サーミスタ85によって検出される温度(無端ベルト83の表面温度)が制御温度T1になり、サーミスタ65によって検出される温度(定着ローラ60の周面温度)が制御温度T2になるように、ハロゲンランプ64・86への電力供給を制御している。つまり、熱源制御装置90は、ハロゲンランプ64・86のON/OFFを制御し、且つハロゲンランプ64・86のON時における電力供給量を制御することによって、無端ベルト83の表面の温度と定着ローラ60の周面の温度とを制御している。
また、熱源制御装置90は、サーミスタ75によって検出される温度(加圧ローラ70の周面温度)が制御温度T3になるように、ハロゲンランプ74への電力供給を制御している。つまり、熱源制御装置90は、ハロゲンランプ74のON/OFFを制御し、且つハロゲンランプ74のON時における電力供給量を制御することによって、加圧ローラ70の表面の温度を制御している。
また、本実施形態において、熱源制御装置90は、画像形成装置1の動作状態に応じて、制御温度T1(第1目標温度)、制御温度T2(第2目標温度)、制御温度T3を表1のように選定している。さらに、熱源制御装置90は、画像形成装置1の動作状態に応じて、各ハロゲンランプ64・74・86をオンにするときの各々への供給電力量を表2のように選定している。
Figure 2007219450
Figure 2007219450
通紙状態のうちのカラーモード、および、待機状態において、熱源制御装置90はハロゲンランプ64・86を以下のように制御する。熱源制御装置90は、サーミスタ85によって検出される温度が制御温度T1を下回ればハロゲンランプ86をオンにし、サーミスタ85によって検出される温度が制御温度T1以上になればハロゲンランプ86をオフにする。また、熱源制御装置90は、サーミスタ65によって検出される温度が制御温度T2を下回ればハロゲンランプ64をオンにし、サーミスタ65によって検出される温度が制御温度T2以上になればハロゲンランプ64をオフにする。
また、通紙状態のうちのモノクロモードにおいて、熱源制御装置90はハロゲンランプ64・86を以下のように制御する。熱源制御装置90は、モノクロモードにおいて、サーミスタ85によって検出される温度が制御温度T1を下回ればハロゲンランプ86をオンにし、サーミスタ85によって検出される温度が制御温度T1以上になればハロゲンランプ86をオフにする。また、熱源制御装置90は、モノクロモードにおいて、ハロゲンランプ86をオンにしている間はハロゲンランプ64に対する供給電力量を0Wにし(つまり、OFFにする)、ハロゲンランプ86をオフにしている間はハロゲンランプ64をオンにする。モノクロモードにおいて、ハロゲンランプ64・86を以上のように制御することによって、無端ベルト83の表面の温度を制御温度T1付近に制御でき、さらには、定着ローラ60の周面の温度を制御温度T2付近に追随できるようになっている(制御温度T1付近に温度制御されている無端ベルト83によって定着ローラ60が加熱されると、定着ローラ60周面の温度は制御温度T2近傍になる)。
さらに、熱源制御装置90は、通紙状態では、ハロゲンランプ74を常にOFFにする。したがって、表1に示すように、通紙状態において制御温度T3は設定されず、表2に示すように、通紙状態においてハロゲンランプ74への供給電力量も設定されない。
本実施形態では、表1に示すように、待機状態から給紙状態に移行すると、熱源制御装置90は、カラーモードとモノクロモードとの違いに応じて制御温度T1の値を変更している。つまり、熱源制御装置90は、給紙状態における用紙Pの搬送速度に応じて制御温度T1の値を変更している。なお、熱源制御装置90は、待機状態から給紙状態に移行するときに、カラーモードかモノクロモードのいずれであるかを示す情報を前記制御部から入力し、この情報に基づいて制御温度T1を選定する。
このような構成によれば、給紙状態に移行すると、熱源制御装置90とハロゲンランプ86とサーミスタ85とによって無端ベルト83の温度が用紙Pの搬送速度に応じて変更されることになるため、無端ベルト83に接触している定着ローラ60周面の温度をも上記搬送速度に応じて変化させることができる。それゆえ、搬送速度の切り換えに応じて、定着ローラ60周面の温度を、切り換えられた搬送速度におけるオフセット現象の生じ難い温度(つまり、制御温度T2)に迅速に変化させることも可能になり、オフセット現象の発生を抑制できる。
また、本実施形態では、定着ローラ60周面を加熱する外部加熱部材として外部加熱ローラ143(図5参照)ではなく、無端ベルト83が用いられているが、無端ベルト83は外部加熱ローラ143よりも熱容量が低いことから短時間で昇温し易く、無端ベルト83に接触している定着ローラ60周面の温度を迅速に変化させることができ、搬送速度の切り換えに応じて定着ローラ60周面の温度を迅速に変化させることができる。また、外部加熱ローラ143よりも無端ベルト83の方が定着ローラ60周面に対するニップ幅を広く確保できることから、外部加熱ローラ143よりも無端ベルト83の方が定着ローラ60周面に対する熱伝導性に優れており、無端ベルト83を用いる方が、定着ローラ60周面の温度制御を迅速かつ容易に行える。
また、表1に示すように、搬送速度350mm/Sのモノクロモードにおいての制御温度T1は210℃であり、搬送速度170mm/Sのカラーモードにおいての制御温度T1は190℃であるため、搬送速度が高速であるほど無端ベルト83の表面温度を高くして定着ローラ60周面温度を高くしていることになる。これにより、モノクロモード時において高速搬送に起因して生じるコールドオフセットを抑制できると共に、カラーモード時において低速搬送に起因して生じるホットオフセットを抑制できる。
また、一般的に、4連タンデム方式の画像形成装置では、モノクロモード時の場合、カラーモード時よりも用紙の搬送速度を高速にすることによってモノクロモード時の処理枚数を高めることができるという利点が生じる一方、用紙の搬送速度の切り換えに起因して定着処理においてオフセット現象が発生し易くなるという欠点が生じる。これに対し、本実施形態の画像形成装置1では、定着ローラ60周面の温度を用紙Pの搬送速度に最適な温度(オフセット現象の生じ難い温度)に迅速に変化させることができるため、搬送速度の変更に起因して発生するオフセット現象を抑制でき、上記欠点を生じさせることなく、上記利点を享受することができる。
また、定着ローラ60周面を加熱する外部加熱部材として外部加熱ローラ143(図5参照)を用いた場合、待機状態において、外部加熱ローラ143の温度を定着ローラ60の温度よりも高くしておく必要がある。これは、外部加熱ローラ143は、熱容量が高いことから、待機状態から通紙状態への移行と同時に迅速に昇温しないからである。しかし、この構成の場合、待機状態に定着ローラ60周面においての外部加熱ローラ143に接触している部分のみが局所的に高温になり、通紙状態に移行した後で、用紙Pのうちの上記部分に当接した箇所に高温オフセット(以下、このようなオフセットを「部分的オフセット」と称する)が生じる。この部分的オフセットを抑制するためには、待機状態において外部加熱ローラ143を定着ローラ60から離間させ、通紙状態のみ外部加熱ローラ143を定着ローラ60に当接させればよいが、この場合、外部加熱ローラ143および定着ローラ60の当接状態と離間状態とを切り換えるための離接機構が必要になり、定着装置の構成が複雑化する。
これに対し、本実施形態では、定着ローラ60周面を加熱する外部加熱部材として短時間で昇温可能な無端ベルト83を用いているため、待機時において無端ベルト83の制御温度T1をある程度低く設定しても、待機状態から通紙状態への移行と同時に瞬時に無端ベルト83を昇温できる。そこで、本実施形態では、無端ベルト83と定着ローラ60とを常に接触させておき、表1に示すように、画像形成装置1が画像形成動作を実行していない待機状態では、無端ベルト83の制御温度T1と定着ローラ60の制御温度T2とを同一値(170℃)に設定することによって、無端ベルト83の温度と定着ローラ60周面温度とが同一になるように制御を行っている。これにより、待機状態にて定着ローラ60周面においての無端ベルト83に接触している部分のみが局所的に高温になることを抑制でき、通紙状態に移行した後で、用紙Pのうちの上記部分に当接した箇所に部分的オフセットが生じるという事態を抑制することができる。また、上記離接機構を構成する必要もない。
さらに、熱源制御装置90は、通紙状態のうちのモノクロモードに移行した場合、サーミスタ85によって検出される温度(無端ベルト83の温度)が制御温度T1に到達していないときは、ハロゲンランプ64への電力供給量を0Wにし(つまりOFFにする)、定着装置40に割り当てられる全電力(1000W)をハロゲンランプ86のみに供給する(1000W)。つまり、ハロゲンランプ64よりもハロゲンランプ86を優先して電力供給を行う。
このようにすることによって、定着装置40に割り当てられる全電力(1000W)をハロゲンランプ86に集中させることができ、無端ベルト83の表面温度をより迅速に制御温度T1(210℃)にまで昇温させることができる。これにより、制御温度T1が210℃という高温に設定されているモノクロモードであっても、待機状態からモノクロモードへの移行直後において、無端ベルト83の表面温度および定着ローラ60の周面温度を迅速に昇温させることができ、モノクロモードにおいてファーストコピー時間(待機状態が解除されてから最初の用紙が排出されるまでの時間)を短縮させることが可能になる。
また、モノクロモード時において、定着装置40に割り当てられる全電力(1000W)をハロゲンランプ86に集中させていることから、定着ローラ60内部のハロゲンランプ64からの加熱を全く行わないこととすると、定着ローラ60内部が冷却され、定着ローラ60周面から定着ローラ60内部への熱伝達量が多くなり、定着ローラ60周面温度の追従性が悪くなる。仮に、図4(a)に示すように、モノクロモード時において、ハロゲンランプ86のみを制御し、ハロゲンランプ64に全く電力を投入しない場合、時間経過に伴い徐々に定着ローラ60周面温度が低下し、定着ローラ周面温度が制御温度T2から大幅に下回ってしまう。したがって、定着ローラ60内部からも適度に加熱する必要がある。
そこで、本実施形態では、モノクロモード時において、サーミスタ85によって検出される温度(無端ベルト83の温度)が制御温度T1に到達している間、ハロゲンランプ86への電力供給を停止することによって使用可能な電力が生じることを利用し、ハロゲンランプ64へ電力供給(1000W)を行って、定着ローラ60内部を加熱している。
つまり、熱源制御装置90は、モノクロモード時において、サーミスタ85によって検出される温度が制御温度T1に到達している間、ハロゲンランプ86への電力供給を停止し、ハロゲンランプ64へ電力供給を行う。これにより、定着ローラ60内部が適度に温められ、定着ローラ60周面の熱が定着ローラ60内部に伝導されにくくなり、定着ローラ60周面が急速に冷却されることを抑制でき、図4(b)に示すように、より長期間、定着ローラ60周面の温度を制御温度T2近傍に保つことが可能になる。
なお、本実施形態では、迅速に昇温させることの可能な無端ベルト83を外部加熱部材として用いているが、本発明の外部加熱部材は無端ベルト83に限定されるものではなく、図5に示す定着装置40aのように、定着ローラ60周面に接触する外部加熱ローラ143を本発明の外部加熱部材としてもよい。これは、図5の構成であっても、熱源制御装置90が用紙Pの搬送速度に応じて外部加熱ローラ143内部のハロゲンランプ144の制御温度を選定するようにすれば、上記搬送速度の切り換えに応じて外部加熱ローラ143および定着ローラ表面温度を一応変更できるからである。但し、図5に示す外部加熱ローラ143の場合、無端ベルト83よりも熱容量が高いため、無端ベルト83ほど迅速に昇温させることはできず、待機状態において、外部加熱ローラ143の温度を定着ローラ60の温度よりもある程度高く設定しておく必要がある。さらに、上述した部分的オフセットを抑制するために上述した離接機構も必要になる。
以下、図5に示す定着装置40aの構成について簡単に説明する。図5の定着装置40aは、図1に示したものと同一の定着ローラ60および加圧ローラ70とを備え、さらに外部加熱ローラ143を備えている。この外部加熱ローラ143は、外径30mmかつ厚み3mmであってアルミニウム製の金属芯金の周面にPTFEをコーティングしてなるものである。さらに、外部加熱ローラ143は、図示しない弾性部材(バネ)によって定着ローラ60の周面に圧接される。これにより、外部加熱ローラ143の周面と定着ローラ60の周面との間にニップ部が形成され、外部加熱ローラ143は定着ローラ60の周面に接触することになる。なお、定着ローラ60と外部加熱ローラ143との間に形成されるニップ幅は3mmである。
また、外部加熱ローラ143の周面には当該周面の温度を検出するサーミスタ145が接触しており、このサーミスタ145は熱源制御装置90に接続されている。さらに、外部加熱ローラ143の内部には、電力供給によって熱輻射を行うハロゲンランプ144が設置されている。ハロゲンランプ144は外部加熱ローラ143の熱源であり、ハロゲンランプ144に電力供給が行われると外部加熱ローラ143が加熱されるようになっている。そして、外部加熱ローラ143は、定着ローラ60の外部から定着ローラ周面に接触していることから、この接触箇所を介して定着ローラ60周面を加熱していることになる。
なお、本実施形態の画像形成装置1は、カラーモード時の搬送速度とモノクロモード時の搬送速度とを異ならせる形態、つまり、カラーモードとモノクロモードとの切り換えに伴って搬送速度も切り替わる形態である。しかし、搬送速度の切り替えは、カラーモードとモノクロモードとの切り替えに伴って実行される必要はない。
例えば、本実施形態の画像形成装置1において、利用者からの入力指示に応じて、搬送速度350mm/Sで画像形成プロセスを実行する高速処理モードと、搬送速度170mm/Sで画像形成プロセスを実行する低速処理モードとを切り替え可能に構成してもよい。そして、熱源制御装置90は、高速処理モード時と低速処理モード時とで制御温度T1の値を変更すればよい。このような構成であっても、給紙状態における用紙Pの搬送速度に応じて無端ベルト83の温度を変更することが可能である。
また、画像形成装置1においては、原稿から画像データを読み取るスキャナ(不図示)と、この画像データを処理する画像処理部(不図示)とが備えられており、画像処理部にて処理された画像データに基づいて用紙Pに対して画像が形成される。また、画像処理部では、上記画像データを用いて上記原稿の種類(例えば、文字および下地から構成される文字原稿、印画紙原稿等)を判別する原稿種別判定処理が行われる。
そこで、画像形成装置1において、画像処理部にて判定された原稿の種類に応じて用紙搬送速度を異ならせてもよく、この場合、熱源制御装置90は、上記原稿の種類に応じて制御温度T1の値を変更すればよい(例えば、文字原稿から読み取られた画像を用紙Pに形成する場合、高速処理を行っても画質劣化の虞が少ないものと考えられるため、用紙搬送速度を高速に設定し、印画紙原稿から読み取られた画像を用紙Pに形成する場合、高速処理を行うと画質劣化の虞があることから、用紙搬送速度を低速に設定するような形態が考えられる)。
なお、上述した原稿種別判定処理としては、例えば、特開2002−232708号公報等に記載の周知の方法によって実現可能であるが、特にこの公報に記載されている方法に限定されるものではない。なお、原稿種別判定処理について簡単に説明すれば以下の手順となる。
原稿から読み取られた画像データにおける各画素を順に注目画素として扱い、注目画素を中心としたn×mのブロックにおいて以下に示す(1)〜(6)の処理を実行する。
(1)最小濃度値および最大濃度値を算出する。
(2)算出された最小濃度値及び最大濃度値を用いて最大濃度差を算出する。
(3)隣接する画素間における濃度差の絶対値の総和である総和濃度繁雑度を算出する。
(4)算出された最大濃度差と最大濃度差閾値との比較、及び算出された総和濃度繁雑度と総和濃度繁雑度閾値との比較を行う。ここで、最大濃度差<最大濃度差閾値、且つ総和濃度繁雑度<総和濃度繁雑度閾値の条件を満たすときは、注目画素を下地・印画紙画素と判断し、この条件を満たさないときは、注目画素を文字・網点画素と判断する。
(5)下地・印画紙画素と判断された注目画素については、最大濃度差を下地・印画紙判定閾値と比較し、最大濃度差<下地・印画紙判定閾値の条件を満たす時は、注目画素を下地画素と判断し、この条件を満たさないときは、注目画素を印画紙画素と判断する。
(6)文字・網点画素と判断された注目画素については、総和濃度繁雑度と、最大濃度差に文字・網点判定閾値を乗じて得られた乗算値とを比較し、総和濃度繁雑度<乗算値の条件を満たす時は、注目画素を文字画素と判断する。この条件を満たさないときは、注目画素を網点画素と判断する。
そして、印画紙画素数、文字画素数、網点画素数、下地画素数をカウントしていき、カウントされた各画素数に基づいて原稿の種類を判別する。例えば、文字画素数が全画素数の30%の場合には文字原稿、印画紙画素数の比率が全画素数の10%の場合には印画紙原稿と判別される。
〔実施例1〕
用紙搬送速度に応じて外部加熱部材の制御温度を変更する構成のもたらす効果、および外部加熱部材として無端ベルト83を用いた場合の効果を検証する実験をおこなったので、この実験について以下詳細に説明する。
この実験においては、図1に示される定着装置40を用い、且つ、モノクロモード(搬送速度350mm/S)とカラーモード(搬送速度170mm/S)とで無端ベルト83の制御温度T1の値を変更して試験印刷を行った。なお、定着装置40の温度制御は表1および表2に示される条件にて行い、各モードにおいての画像形成装置1の動作条件を以下のように設定した。
(A)カラーモード
連続給紙を行い、各用紙に対してベタ画像を形成する。なお、待機状態解除後の約2.8秒後に最初の用紙Pが定着ローラ60周面を通過するように、画像形成装置1の用紙搬送手段を制御した。
(B)モノクロモード
連続給紙を行い、各用紙に対してベタ画像を形成する。なお、待機状態解除後、定着ローラ60の周面が190℃に到達するタイミングで最初の用紙Pが定着ローラ60周面を通過するように、画像形成装置1の用紙搬送手段を制御した。
以上の条件でカラーモードおよびモノクロモードを実行した場合、モノクロモードにおいての無端ベルト83および定着ローラ60周面の温度推移は図3(a)のようになり、カラーモードにおいての無端ベルト83および定着ローラ60周面の温度推移は図3(b)のようになった。
図3(a)に示されるように、搬送速度350mm/Sのモノクロモードで連続通紙を行った場合、定着ローラ60の周面温度は、ほぼ制御温度T2(190℃)で推移している。また、図3(b)に示されるように、搬送速度170mm/Sのカラーモードで連続通紙を行った場合においても、定着ローラ60の周面温度はほぼ制御温度T2(170℃)で推移している。
つぎに、カラーモードおよびモノクロモードの双方で連続給紙を行った場合における用紙に形成された画像の定着性を評価した。評価方法としては、用紙の印字面を内側にして軽く折り曲げた後、折り曲げ部に所定の荷重を加え、折り目部分に生じるトナーの脱落部分の幅(折り目に垂直方向の幅)の大小で評価した。この評価の結果を表3に示す。
Figure 2007219450
表1および表2に示す条件で定着装置40の温度制御を行った場合、つまり、用紙搬送速度に応じて外部加熱部材の制御温度を変更すると共に外部加熱部材として無端ベルト83を用いた場合、表3に示されるように、モノクロモードおよびカラーモードのいずれであっても、通紙初期から通紙終了まで良好な定着強度で画像形成をおこなうことができた。
〔実施例2〕
また、実施例1の結果をより詳細に検討するために比較実験を行った。この比較実験では、外部加熱ローラ143が構成されている定着装置40a(図5参照)を用い、且つ、モノクロモード(搬送速度350mm/S)とカラーモード(搬送速度170m/S)とで外部加熱ローラ143の制御温度を一定にして試験印刷を行い、この試験印刷の結果と実施例1の結果との比較を行った。なお、定着装置40aの温度制御は下記の表4および表5に示される条件にて行い、各モードにおいての画像形成装置1の動作条件は上記(A)(B)と同様にした。
Figure 2007219450
Figure 2007219450
なお、表4において、制御温度T1´は、外部加熱ローラ143の制御温度であり、本比較実験においては、待機状態から通紙状態に渡って一定とし、カラーモードおよびモノクロモードのいずれのモードであっても一定にした。
以上の条件でカラーモードおよびモノクロモードを実行した場合、モノクロモードにおいての外部加熱ローラ143および定着ローラ60周面の温度推移は図6(a)のようになり、カラーモードにおいての外部加熱ローラ143および定着ローラ60周面の温度推移は図6(b)のようになった。
モノクロモードでは、図6(a)に示すように、待機状態が解除されてから約17秒経過した後に、定着ローラ60の周面が制御温度T2(190℃)に到達する。その後、連続通紙が行われると、定着ローラ60周面の温度は、制御温度T2(190℃)よりも大幅に下回り、174℃にまで低下した(以下、このような温度低下を「アンダーシュート」と称する)。
このようにアンダーシュートが生じるのは、外部加熱ローラ143と定着ローラ60との間に形成されるニップの幅が3mmしかないため、外部加熱ローラ143から定着ローラ60周面に効率的に熱供給が行われないためである。
なお、実施例1ではモノクロモード時におけるハロゲンランプ86への供給電力量を1000Wに設定しているが(表2参照)、実施例2の試験印刷では、表5に示すように、モノクロモード時におけるハロゲンランプ144への供給電力量を400Wに設定している。これは、定着装置40aにおいて、ハロゲンランプ86への供給電力量を1000Wに設定した場合、外部加熱ローラ143は温調するものの、定着ローラ60のアンダーシュートが更に大きくなったからである。
また、実施例2の試験印刷では、表6に示すように、モノクロモードにおいて、通紙を重ねる度に定着性が落ち、5枚目(定着ローラが180℃以上の時)までは定着が認められたが(定着性は弱かった)、6枚目以降は用紙に対してトナー像は定着せず、8枚目以降については、定着ローラ60の温度が180℃を下回り、コールドオフセットが発生した。
Figure 2007219450
さらに、実施例2の試験印刷におけるカラーモードでは、図6(b)に示すように、定着ローラ60の周面の温度は、待機状態解除後、180℃まで瞬時に昇温し、その後ほぼ制御温度T2(170℃)で推移する。このカラーモードでは、表6に示すように、通紙1枚目において部分的にホットオフセット(部分的オフセット)が生じた。これは、待機時において外部加熱ローラ143の制御温度T1´が定着ローラ60の制御温度T2よりも高く設定されており(表4参照)、定着ローラ60周面のうちの外部加熱ローラ143に接触している部分のみが局所的に高温になっていることが原因である。図5の定着装置40aにおいて、部分的オフセットを抑制するためには、待機状態においては外部加熱ローラ143を定着ローラ60から離間させ、通紙状態のみ外部加熱ローラ143を定着ローラ60に当接させればよいが、この場合、外部加熱ローラ143および定着ローラ60の当接状態と離間状態とを切り換えるための離接機構が必要になり、定着装置40aの構成が複雑化する。
また、離接機構を設けることなく、部分的オフセットを抑制するためには、図1の定着装置40と同様に、待機状態においては外部加熱ローラ143の制御温度T1´を定着ローラ60の制御温度と同一値(170℃)に設定する必要があるが、図5の定着装置40aにおいてこのように設定した場合、モノクロモードで通紙する際に外部加熱ローラ143を170℃から220℃まで瞬時に昇温できなくなる。
なぜならば、外部加熱ローラ143は無端ベルト83とは違って熱容量が大きく、外部加熱ローラ143を瞬時に昇温させることは困難だからである。
なお、外部加熱ローラ143の熱容量が大きいのは、外部加熱ローラ143の肉厚を3mm以上に設計しているからである(外部加熱ローラ143と定着ローラ60との間のニップ幅を確保するために、外部加熱ローラ143に約20kgf程度の荷重をかける必要があり、この荷重がかけられても外部加熱ローラ143にたわみが生じないようにするために、外部加熱ローラ143の厚みを3mm以上にする必要がある)。
これに対し、外部加熱ローラ143の肉厚を抑えることによって外部加熱ローラ143の熱容量を抑えると、外部加熱ローラ143と定着ローラ60との間に十分なニップ幅を確保できず、外部加熱ローラ143によって定着ローラ60を効率的に加熱できなくなり、定着ローラ60を170℃から190℃まで到達させるのに更に時間を要してしまう。つまり、外部加熱ローラ143の肉厚を増加させると外部加熱ローラ143の熱容量が増加し、外部加熱ローラ143の肉厚を抑えると外部加熱ローラ143と定着ローラ60とのニップ幅を確保することができないというトレードオフの関係が成立する。
つぎに、実施例1の試験結果と実施例2の試験結果とを比較すると、モノクロモードで連続通紙を行った場合、実施例2では定着ローラ表面温度を170℃から190℃まで昇温させるのに約17秒を要するのに対して、実施例1では約8秒で170℃から190℃まで昇温させることが可能であるため、実施例1の構成によればフォーストコピータイムを短縮できる。
また、モノクロモードで連続通紙した際、実施例2では、定着ローラ60の温度がアンダーシュートすることによってコールドオフセットが発生するのに対し、実施例1では、定着ローラ60の温度はほぼ190℃で安定しており、アンダーシュートは生じない。
また、カラーモードで連続通紙を行った場合、実施例2では、待機状態の外部加熱ローラ143の制御温度T1´を220℃に設定せざるをえず通紙1枚目にホットオフセットが発生した。これに対し、実施例1では、待機状態の無端ベルト83の制御温度T1を定着ローラ60の制御温度T2と同一値に設定できるため、通紙1枚目にホットオフセットが生じなかった。
〔実施例3〕
図1に示す定着装置40に構成されている外部加熱装置80では、定着ローラ60と無端ベルト83との間のニップ部において、無端ベルト83の移動方向上流側に第1支持ローラ81が配置され、無端ベルトの移動方向下流側に第2支持ローラ82が配置されているが、無端ベルト83の熱源であるハロゲンランプ86は、第1支持ローラ81にのみ構成され、第2支持ローラ82の内部には構成されていない。
しかし、外部加熱装置におけるハロゲンランプの配置、数は図1のような形態に限定されず、図7(a)の外部加熱装置80aのように、第1支持ローラ81の内部にハロゲンランプを配置せず、第2支持ローラ82の内部にハロゲンランプ86aを配置する形態であってもよいし、図7(b)の外部加熱装置80bのように、第1支持ローラ81の内部にハロゲンランプ86cを配置すると共に第2支持ローラ82の内部にハロゲンランプ86dを配置する形態であってもよい。
ここで、図1に示す外部加熱装置80、図7(a)に示す外部加熱装置80a、図7(b)に示す外部加熱装置80bの各々を用いた場合について、モノクロモードで連続通紙を行ったときの定着ローラ60周面の温度推移にて生じるアンダーシュートの程度を比較検討した。以下では、この比較検討について詳細に説明する。
なお、この比較検討では、図1に示す外部加熱装置80において、第1支持ローラ81内部のハロゲンランプ86の定格電力を600Wとし、無端ベルト83の表面における第1支持ローラ81に対向する位置にサーミスタ85を配置した。また、図7(a)に示す外部加熱装置80aにおいては、第2支持ローラ82内部のハロゲンランプ86aの定格電力を600Wとし、無端ベルト83の表面における第2支持ローラ82に対向する位置にサーミスタ85aを配置した。さらに、図7(b)に示す外部加熱装置80bにおいては、第1支持ローラ81内部のハロゲンランプ86cの定格電力を300Wとし、第2支持ローラ82内部のハロゲンランプ86dの定格電力を300Wとし(つまり、合計600Wとした)、無端ベルト83の表面における第1支持ローラ81に対向する位置にサーミスタ85bを配置した。
さらに、この比較検討において、無端ベルト83の制御温度T1、定着ローラ60の制御温度T2、加圧ローラ70の制御温度T3は表7のように設定した。なお、定着ローラ60周面の温度推移にて生じるアンダーシュートの程度を比較することが目的であるため、モノクロモード時の無端ベルト83の制御温度T1を表1の場合よりも低く設定した(200℃)。
Figure 2007219450
また、外部加熱装置のハロゲンランプ、定着ローラ60内部のハロゲンランプ、加圧ローラ70内部のハロゲンランプに対する供給電力量は表8のように設定した。
Figure 2007219450
図8(a)は、図1に示す外部加熱装置80を用いてモノクロモードにおいて連続通紙を行ったときの定着ローラ60周面の温度推移を示すグラフであり、図8(b)は、図7(a)に示す外部加熱装置80aを用いてモノクロモードにおいて連続通紙を行ったときの定着ローラ60周面の温度推移を示すグラフであり、図8(c)は、図7(b)に示す外部加熱装置80bを用いてモノクロモードにおいて連続通紙を行ったときの定着ローラ60周面の温度推移を示すグラフである。
図8(a)、図8(b)、図8(c)を対比すると、図1に示す外部加熱装置80を用いた場合、最もアンダーシュートを抑えることができ、図7(b)に示す外部加熱装置80bを用いた場合、最もアンダーシュートが大きいことがわかる。
なお、図7(a)に示す外部加熱装置80aを用いた場合、図7(b)に示す外部加熱装置80bを用いた場合よりもアンダーシュートを抑えることができたが、図1に示す外部加熱装置80を用いた場合よりもアンダーシュートが大きかった。
したがって、無端ベルト83の熱源であるハロゲンランプ86を、無端ベルト83と定着ローラ60との間のニップ部において無端ベルト83移動方向上流側に配置されている第1支持ローラ81のみに構成すれば、連続給紙時におけるアンダーシュートを効果的に抑制できる。
つぎに、図1に示す外部加熱装置80を用いるとアンダーシュートを効果的に抑制できる理由について図9に基づいて説明する。図9は、図1に示す外部加熱装置80、図7(a)に示す外部加熱装置80a、図7(b)に示す外部加熱装置80bの各々について、定着ローラに接触している側の無端ベルト83表面の温度分布を示すグラフである。
第1支持ローラ81および第2支持ローラ82の両方にハロゲンランプを構成した外部加熱装置80bでは、無端ベルト83の温度分布において、第1および第2支持ローラ付近が最高温度になる一方、第1支持ローラ81と第2支持ローラ82との間に位置するニップ部(無端ベルト83と定着ローラ60との間のニップ部)付近が最低温度になるため、このニップ部から定着ローラ60の周面を効率的に加熱できない。
また、第2支持ローラ82のみにハロゲンランプを構成した外部加熱装置80aでは、無端ベルト83の温度分布において、第2支持ローラ82付近が最高温度になる。しかし、第2支持ローラ82は上記ニップ部の下流側に位置するため、無端ベルト83は、第2支持ローラ82付近で加熱されても上記ニップ部付近にまでリターンされる頃には冷えてしまい、無端ベルト83の温度分布において上記ニップ部付近が最低温度になる。それゆえ、上記ニップ部から定着ローラの周面を効率的に加熱できない。
これに対し、上記ニップ部の上流側に配される第1支持ローラ81のみにハロゲンランプ86を構成した外部加熱装置80では、無端ベルト83の温度分布において、定着ローラ60との間のニップ部の上流側から下流側に移動するに従って温度が低下するようになるため、上記ニップ部付近が最低温度になることはなく、定着ローラ60周面を効果的に加熱でき、アンダーシュートを抑制できるものと考えられる。
なお、図7(b)に示す外部加熱装置80bのように、第1支持ローラ81および第2支持ローラ82の両方にハロゲンランプを構成する場合、第1支持ローラ81および第2支持ローラ82の形状、サイズ、構成される各部品、各部品の材質およびサイズを互いに同一にすることが好ましい。このようにした場合、無端ベルト83において、第1支持ローラ81に接触している部分aの温度と第2支持ローラ82に接触している部分bの温度とはほぼ同一になり、無端ベルト83の温度を検出するためのサーミスタ85bを部分aまたは部分bのいずれかの近傍にのみ構成(つまり、サーミスタを一つにできる)すれば十分であり、構成するサーミスタの数を削減することができる。
これに対し、第1支持ローラ81および第2支持ローラ82の各々にハロゲンランプを構成したものの、第1支持ローラ81および第2支持ローラ82の形状、サイズ等が互いに異なれば、無端ベルト83において、第1支持ローラ81に接触している部分aの温度と第2支持ローラ82に接触している部分bの温度とが異なるものとなり、部分aの近傍と部分b近傍との両方にサーミスタを構成しなければならない。
なお、以上示した実施形態では、定着装置における定着部材として定着ローラが用いられ、定着装置における加圧部材として加圧ローラが用いられているが、定着ローラの代わりに周知の定着ベルトを定着部材として用いてもよいし、加圧ローラの代わりに周知の加圧ベルトを加圧部材として用いてもよい。
ところで、サーミスタ85およびハロゲンランプ86と共に無端ベルト83の温度制御を実現している熱源制御装置90は、制御用集積回路基板から構成されるものであるが、プロセッサなどの演算回路がROMやRAMなどの記憶手段に記憶されたプログラムを実行することによっても熱源制御装置90の奏する機能を実現することができる。したがって、以上の演算回路,周辺回路等を有するコンピュータが、上記プログラムを記録した記録媒体を読み取り、当該プログラムを実行するだけで、本発明を実現することができる。また、上記プログラムをリムーバブルな記録媒体に記録することにより、任意のコンピュータ上で上記の各種機能および各種処理を実現することができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、上述した実施形態において開示された各技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明の定着装置、定着装置の温度制御方法は、プリンタ、複写機、ファクシミリ、MFP(Multi Function Printer)等の電子写真方式の画像形成装置に適用可能である。
本発明の一実施形態に係る定着装置の概略構成を示す模式図である。 図1に示した定着装置が備えられる画像形成装置の内部構造を示した模式図である。 図1に示した定着装置における定着ローラおよび無端ベルトの温度推移を示したグラフであり、(a)はモノクロモード時における温度推移を示したグラフであり、(b)はカラーモード時における温度推移を示したグラフである。 (a)は、モノクロモード時において定着ローラ内部のハロゲンランプに電力供給を全く行わない場合の定着ローラおよび無端ベルトの温度推移を示したグラフであり、(b)は、モノクロモード時において定着ローラ内部のハロゲンランプに電力供給を行う場合の定着ローラおよび無端ベルトの温度推移を示したグラフである。 外部加熱部材として無端ベルトの代わりに外部加熱ローラを構成した場合における定着装置の概略構成を示す模式図である。 図5に示した定着装置における定着ローラおよび無端ベルトの温度推移を示したグラフであり、(a)はモノクロモード時における温度推移を示したグラフであり、(b)はカラーモード時における温度推移を示したグラフである。 (a)は、無端ベルトを張架する第1支持ローラと第2支持ローラのうち、第2支持ローラ内部にハロゲンランプを構成した場合の定着装置の概略構成を示す模式図であり、(b)は、第1支持ローラと第2支持ローラとの各々の内部にハロゲンランプを構成した場合の定着装置の概略構成を示す模式図である。 (a)は、図1に示した外部加熱装置を用いてモノクロモードにおいて連続通紙を行ったときの定着ローラおよび無端ベルトの温度推移を示すグラフであり、(b)は、図7(a)に示した外部加熱装置を用いてモノクロモードにおいて連続通紙を行ったときの定着ローラおよび無端ベルトの温度推移を示すグラフであり、(c)は、図7(b)に示した外部加熱装置を用いてモノクロモードにおいて連続通紙を行ったときの定着ローラおよび無端ベルトの温度推移を示すグラフである。 図1に示した外部加熱装置、図7(a)に示した外部加熱装置、図7(b)に示した外部加熱装置の各々について、定着ローラに接触している側の無端ベルト表面の温度分布を示すグラフである。 (a)は、カラーモードとモノクロモードとで搬送速度を同一とする画像形成装置においての定着ローラ周面温度の適正範囲を示した図であり、(b)は、カラーモードとモノクロモードとで搬送速度を異ならせる画像形成装置においての定着ローラ周面温度の適正範囲を示した図である。
符号の説明
1 画像形成装置
40 定着装置
40a 定着装置
60 定着ローラ
64 ハロゲンランプ(第2熱源装置)
65 サーミスタ(第2温度センサ)
70 加圧ローラ
74 ハロゲンランプ
75 サーミスタ
80 外部加熱装置
80a 外部加熱装置
80b 外部加熱装置
81 第1支持ローラ
82 第2支持ローラ
83 無端ベルト(外部加熱部材)
85 サーミスタ(温度制御手段、第1温度センサ)
86 ハロゲンランプ(温度制御手段、第1熱源装置)
86a ハロゲンランプ
86c ハロゲンランプ
86d ハロゲンランプ
90 熱源制御装置(温度制御手段)
143 外部加熱ローラ(外部加熱部材)
144 ハロゲンランプ
145 サーミスタ

Claims (15)

  1. 定着ローラと加圧ローラとを有し、上記定着ローラと上記加圧ローラとが記録材を挟持しながら搬送し、上記記録材上の未定着画像を上記定着ローラの周面の熱によって当該記録材に定着させる定着装置において、
    上記定着ローラの外部から上記周面に接触することによってこの周面を加熱する外部加熱部材と、上記搬送の速度に応じて上記外部加熱部材の温度を変更する温度制御手段と、を含むことを特徴とする定着装置。
  2. 上記外部加熱部材は、複数の支持ローラに架けられている無端ベルトであることを特徴とする請求項1に記載の定着装置。
  3. 上記温度制御手段は、上記搬送の速度が高速になるほど上記外部加熱部材の温度が高温になるように上記変更を行うことを特徴とする請求項2に記載の定着装置。
  4. 上記定着装置を備える画像形成装置においての上記搬送の速度は、単色画像を上記記録材上に形成させる単色モード時において、多色画像を上記記録材上に形成させる多色モード時よりも高速であることを特徴とする請求項3に記載の定着装置。
  5. 上記温度制御手段は、上記外部加熱部材の熱源であって電力供給に応じて発熱する第1熱源装置と、上記外部加熱部材の温度を検出する第1温度センサと、上記第1温度センサに検出される温度が第1目標温度になるように上記第1熱源装置への電力供給を制御する熱源制御装置とから構成され、
    上記熱源制御装置は、上記搬送の速度に応じて上記第1目標温度の値を選定することを特徴とする請求項2ないし4のいずれか1項に記載の定着装置。
  6. 上記定着ローラ内部に配置されていると共に電力供給に応じて発熱する第2熱源装置と、上記定着ローラの周面の温度を検出する第2温度センサとが構成され、
    上記熱源制御装置は、上記第1温度センサに検出される温度が第1目標温度になり、且つ上記第2温度センサに検出される温度が第2目標温度になるように、上記第1および第2熱源装置への電力供給を制御することを特徴とする請求項5に記載の定着装置。
  7. 上記温度制御装置は、上記定着装置を備える画像形成装置が画像形成動作を実行していない待機状態において、上記第1目標温度と上記第2目標温度とを同一値に設定することを特徴とする請求項6に記載の定着装置。
  8. 上記熱源制御装置は、上記画像形成装置が画像形成動作を実行している通紙状態において、上記第1温度センサに検出される温度が第1目標温度に到達していない場合、第1熱源装置へ優先的に電力を供給することを特徴とする請求項7に記載の定着装置。
  9. 上記熱源制御装置は、上記通紙状態において、上記第1温度センサに検出される温度が第1目標温度に到達している場合、第1熱源装置への電力供給を停止し、第2熱源装置へ電力供給を行うことを特徴とする請求項8に記載の定着装置。
  10. 上記無端ベルトは、第1および第2支持ローラに架けられていると共に、定着ローラの回転方向と逆方向に回転し、定着ローラの周面との間でニップ部を形成し、
    上記ニップ部において、無端ベルトの移動方向上流側に第1支持ローラが配置され、無端ベルトの移動方向下流側に第2支持ローラが配置されており、
    上記第1支持ローラの内部に上記第1熱源装置を構成し、上記第2支持ローラの内部には上記第1熱源装置を構成しないことを特徴とする請求項5ないし9のいずれか1項に記載の定着装置。
  11. 上記無端ベルトは、第1および第2支持ローラに架けられており、
    第1および第2支持ローラの各々には、内部に上記第1熱源装置が構成されており、
    第1および第2支持ローラは、形状、サイズ、構成される各部品、各部品の材質およびサイズが互いに同一であることを特徴とする請求項5ないし9のいずれか1項に記載の定着装置。
  12. 定着ローラと加圧ローラとを有し、定着ローラと加圧ローラとが記録材を挟持しながら搬送し、この記録材上の未定着画像を上記定着ローラの周面の熱によって当該記録材に定着させる処理を行う画像形成装置において、
    上記定着ローラの外部から上記周面に接触することによってこの周面を加熱する外部加熱部材と、上記搬送の速度に応じて上記外部加熱部材の温度を変更する温度制御手段とを含むことを特徴とする画像形成装置。
  13. 定着ローラと、加圧ローラと、上記定着ローラの外部から上記定着ローラの周面に接触することによって当該周面を加熱する外部加熱部材とを含み、上記定着ローラと上記加圧ローラとが記録材を挟持しながら搬送し、この記録材上の未定着画像を上記定着ローラの周面の熱によって当該記録材に定着させる定着装置の温度制御方法であって、
    上記搬送の速度に応じて上記外部加熱部材の温度を変更する制御を行う工程を含む定着装置の温度制御方法。
  14. 請求項13に記載の定着装置の温度制御方法をコンピュータにおいて実現するための温度制御プログラムであり、コンピュータに請求項13に記載の工程を実行させる定着装置の温度制御プログラム。
  15. 請求項14に記載の定着装置の温度制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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