JP4479419B2

JP4479419B2 - 画像形成装置

Info

Publication number: JP4479419B2
Application number: JP2004248424A
Authority: JP
Inventors: 秀敏片柳; 誠藤井; 羽生　　直彦
Original assignee: Konica Minolta Business Technologies Inc
Current assignee: Konica Minolta Business Technologies Inc
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2024-08-27
Also published as: JP2006065049A

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ＦＡＸ等の電子写真方式を用いる熱定着装置を有する画像形成装置に関し、特に、定着回転体の温度ムラによる画像光沢ムラを防止できる熱定着装置を有する画像形成装置に関する。

熱定着装置（以下、単に定着装置という。）を備える電子写真方式の画像形成装置においては、定着性能を確保するために、ニップ部を形成する部材である回転体の温度を所定温度範囲に保つように制御している。特に、カラー画像形成装置の場合は、画像形成時の各プリント間の光沢度変化や１プリント上の光沢ムラを極力抑止する必要がある。

しかしながら、カラー画像形成装置の場合、画質を確保するために未定着トナーに接触する定着回転体に耐熱弾性層を設けているため、定着回転体内部から加熱した場合の表面への熱伝導性が悪く、急激な温度上昇（オーバーシュート）や温度降下（アンダーシュート）による表面温度変化が、耐熱弾性体を使用していない定着回転体を使用しているモノクロ画像形成装置に比して、増大する傾向がある。そこで、定着回転体内部から加熱する場合の熱伝導性を改善するために、例えば、外部加熱ローラをもうけ、定着回転体の外部から加熱することにより温度変化を改善することが試みられているが、この系では、外部加熱ローラの設定温度を定着回転体よりもかなり高くしないと熱伝達が十分に進まないので、高くしているが、逆に高くすると、定着回転体が停止した状態で外部加熱ローラを接触させた場合に定着回転体の表面に温度ムラが発生し、画像上で光沢ムラとなる欠点が生じてしまう。この現象は、定着回転体に金属性の清掃ローラを当接した場合や、定着回転体に当接する加圧回転体が定着回転体と異なる表面温度を有し、加熱ローラ（定着回転体）と加圧ローラ（加圧回転体）とが常に圧接されている構成の場合にも発生する。

上記のような定着回転体の温度分布の不均一性を改善する技術として、定着回転体の回転方向の複数位置の温度を検知する温度センサ及び、画像形成開始信号に基づく画像形成の開始に先立って、定着回転体を予備回転制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これは、予備回転を行って定着回転体の温度ムラを徐々に緩和させつつ、温度ムラが所定値いかになったところで、定着動作を開始するものである。
特開２００１−５１５４１号公報

しかしながら、上記のように、複数位置の温度を検知する温度センサ及び、画像形成開始信号に基づく画像形成の開始に先立って、定着回転体を予備回転制御する方法により画像上の光沢ムラを回避する方法は、定着回転体が高速で回転する高速機においては、定着回転体の回転方向の温度ムラを温度センサが検知できないことがある。また、ファーストプリントに要する時間が予備回転分だけ長くなり、生産性優先の立場からみると不便な面がある。

本発明は、画質性、生産性の観点から考慮した、定着回転体の温度ムラによる画像光沢ムラを防止できる熱定着装置を有する画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明の課題は、以下の手段により解決することができる。
（１）少なくとも一方の回転体が熱源を有する２つの回転体を互いに圧接し、該圧接した部分に、表面にトナー像を有する転写材を通紙して定着する熱定着装置を備える画像形成装置において、前記２つの回転体のうち、トナー像と接する側の回転体に接触してニップ部を形成し、前記トナー像と接する側の回転体の前記ニップ部以外の表面の温度と異なる表面温度を有する補助回転体を備え、前記補助回転体と接する回転体の表面の温度検知を非接触の温度検知センサにて行い、前記温度検知センサの検知温度が、駆動待機時に所定の定着適正温度範囲Ａ内にあるとき、画像形成指令を受けた場合は、
前記補助回転体と接する回転体の線速度をＶ、前記ニップ部の幅をＬ、前記温度検知センサの応答時定数をＴとすると、前記補助回転体と接する回転体は、Ｖ＜Ｌ／Ｔの線速度で回転を開始し、各回転周期内での前記温度検知センサの検知温度の変化幅が所定値以下になったところで、前記補助回転体と接する回転体を通常の画像形成を行う線速度Ｖ_０にして定着通紙動作を開始する画像優先モードを有することを特徴とする画像形成装置。
（２）前記検知温度が、駆動待機時に前記所定の定着適正温度範囲Ａ内にあるとき、画像形成指令を受けた場合は、直ちに、前記補助回転体と接する回転体を通常の画像形成を行う線速度Ｖ _０にして定着通紙動作を開始する生産性優先モードと、前記画像優先モードと、を切り換える手段を有することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。

生産性重視のユーザにも、画質優先のユーザにも高速での画像形成が可能な画像形成装置を提供できる。

はじめに、本発明に係わる現像装置及びそれを装着する画像形成装置について説明する。

本発明の実施の形態における説明では、本明細書に用いる用語により本発明の技術範囲が限定されることはない。

図１は画像形成装置の全体構成の一例を示す模式図である。

図１において、１０は感光体、１１は帯電手段であるスコロトロン帯電器、１２は画像書き込み手段である書き込み装置、１３は現像手段である現像装置、１４は感光体１０の表面を清掃するためのクリーニング装置、１５はクリーニングブレード、１６は現像スリーブ、２０は中間転写ベルトを示す。画像形成手段１は感光体１０、スコロトロン帯電器１１、現像装置１３、およびクリーニング装置１４等からなっており、各色毎の画像形成手段１の機械的な構成は同じであるので、図１ではＹ（イエロー）系列のみの構成について参照符号を付けており、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）およびＫ（黒）の構成要素については参照符号を省略した。

各色毎の画像形成手段１の配置は中間転写ベルト２０の走行方向に対して、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋの順になっており、各感光体１０は中間転写ベルト２０の張設面に接触し、接触点で中間転写ベルト２０の走行方向と同方向、かつ、同線速度で回転する。

中間転写ベルト２０は駆動ローラ２１、アースローラ２２、テンションローラ２３、除電ローラ２７、従動ローラ２４に張架され、これらのローラと中間転写ベルト２０、転写器２５、クリーニング装置２８等でベルトユニット３を構成する。

中間転写ベルト２０の走行は不図示の駆動モータによる駆動ローラ２１の回転によって行われる。

感光体１０は、例えばアルミ材によって形成される円筒状の金属基体の外周に導電層、ａ−Ｓｉ層あるいは有機感光体（ＯＰＣ）等の感光層を形成したものであり、導電層を接地した状態で図１の矢印で示す反時計方向に回転する。

読み取り装置８０からの画像データに対応する電気信号は画像形成レーザで光信号に変換され、書き込み装置１２によって感光体１０上に投光される。

現像装置１３は、感光体１０の周面に対し所定の間隔を保ち、感光体１０の回転方向と最接近位置において逆方向に回転する円筒状の非磁性ステンレスあるいはアルミ材で形成された現像スリーブ１６を有している。

中間転写ベルト２０は、体積抵抗率１０⁶〜１０¹²Ω・ｃｍの無端ベルトであり、例えば変性ポリイミド、熱硬化ポリイミド、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ナイロンアロイ等のエンジニアリングプラスチックに導電材料を分散した、厚さ０．０４〜０．１０ｍｍの半導電性シームレスベルトである。

２５は転写器で、トナーと反対極性の直流が印加され、感光体１０上に形成されたトナー画像を中間転写ベルト２０上に転写させる機能を有する。転写器２５としてはコロナ放電器の他に転写ローラを用いることもできる。

２６はアースローラ２２から当接および当接解除可能な転写ローラで、中間転写ベルト２０上に形成されたトナー画像を転写材Ｐに再転写する。

２８はクリーニング装置で、中間転写ベルト２０を挟んで従動ローラ２４に対向して設けられている。トナー画像を転写材Ｐに転写後、中間転写ベルト２０は、トナーと同極性または逆極性の直流電圧を重畳した交流電圧が印加された除電ローラ２７で残留トナーの電荷が弱められ、クリーニングブレード２９によって周面上に残ったトナーが清掃される。

７０は紙送り出しローラ、７１はタイミングローラ、７２は紙カセット、７３は搬送ローラである。

４は定着装置で、中間転写ベルト２０上のトナー像が転写された転写材を、少なくとも一方の回転体が熱源を有する２つの回転体である加熱ローラ４１と加圧ローラ４２とで形成されるニップ部Ｔに挟持、加圧して定着する。８１は排紙ローラで、定着された転写材を排紙皿８２へ排紙する。８５は操作パネルである。Ｂ１は、各駆動部、画像形成プロセス、定着温度等の制御手段であるコントロール部である。

ここで、本発明に係る定着装置４について説明する。

図２は、図１における加熱ローラと加圧ローラの周辺部を拡大した断面図である。

図２において、加熱ローラ４１は、アルミから形成された円筒状の芯金４１３に弾性体である耐熱シリコーンゴム層４１２がライニングされ、当該耐熱シリコーンゴム層４１２の外周に離型層であるＰＦＡ樹脂薄層４１１が被覆された構成で作られ、当該加熱ローラ４１の空洞部に不図示の支持接片を介して配設された、熱源であるハロゲンヒータ４６によって所定の温度まで加熱され、画像形成および定着処理の稼働中は不図示の駆動部からの動力を得て矢印Ｗの方向に回転する。また、その温度は、前記加熱ローラ４１の表面から所定量離して設置された非接触の温度センサであるサーモパイルセンサ４１４により検出され、コントロール部Ｂ１に伝達され、当該コントロール部Ｂ１はハロゲンヒータ４６をＯＮ、ＯＦＦすることによって、加熱ローラ４１の表面温度が規定の温度となるように制御している。

４１Ａは、補助回転体である外部加熱ローラで、アルミから形成された円筒状の回転体で、前記加熱ローラ４１に、不図示の圧着手段によって当接し、ニップ部Ｓ１を形成し、空洞部にハロゲンヒータ４６Ａを内包して、前記加熱ローラ４１の回転と共に回転し、前記加熱ローラ４１に熱を補助的に補給している。なお、当該外部加熱ローラ４１Ａの表面にはフッ素樹脂層等を形成しトナーを付着しにくくしている。

加圧ローラ４２は、アルミから形成された円筒状の剛性を有する芯金に耐熱層のシリコーンゴムがライニングされ、表層に離型層のＰＦＡ樹脂薄層が被覆された構成で作られ、不図示の圧着手段によって前記加熱ローラ４１に当接し、ニップ部を形成し、加熱ローラ４１と共に回転する。なお、加熱ローラ４１と加圧ローラ４２は画像形成を行わないときは、圧着が自動的に解除されるようになっている。

前述したように、この系においては、外部加熱ローラ４１Ａの設定温度を加熱ローラ４１よりもかなり高くしないと熱伝達が十分に進まないので、高くしているが、逆に高くすると、加熱ローラ４１が停止した状態で外部加熱ローラ４１Ａを接触させた場合に加熱ローラ４１の表面に温度ムラが発生し、図３に示すような、ローラ軸方向に光沢ムラは発生する。

図３は、定着温度差による光沢ムラを示す図である。

すなわち、加熱ローラ４１、加圧ローラ４２が待機状態（スタンバイ）にあるとき、加熱ローラ４１と外部加熱ローラ４１Ａとの当接部であるニップ部Ｓ１における加熱ローラ４１の表面温度は、他の表面温度より高く熱せられている。この状態で、画像形成（定着処理稼働）の指令を受けた場合、この高温部分でトナー画像を定着することとなり、光沢度は他の部分より高くなる。この現象は、原稿画像の条件によって顕著に現れる。例えば、ベタ黒、カラー画像等のトナー層の厚いプリントで光沢度の差が著しい。逆に、単色で、トナー層の薄いプリントや文字画像では、光沢度差が目立たない場合もあり、このような画像を出力する場合に予備回転を行うことは、不必要にファーストプリントアウト時間を長くしていることになる。

本発明は、このような不具合を回避するために提案されたものである。

以下、本発明について説明する。

図４は、加熱ローラに係わる温度センサの応答時定数と加熱ローラ上での１回転毎の温度を示す図である。

図４（ａ）は、温度センサ（サーモパイル）の時定数を示し、図４（ｂ）は、加熱ローラが回転開始してからの、検知温度を示す。

図４（ａ）において、温度センサは、温度検出を開始してから応答するまで或る時間（時定数）を要する。言い替えれば、検出時間が時定数に達しなければ検出はできないことになる。一般的に、応答量が最終応答量の６３．２％になるまでの時間を時定数とよんでいる。

したがって、加熱ローラ４１があまり速いスピードで回転すると、局部的に高い光沢の原因となる局部的な高温部の検知が不可能になる。

本発明は、局部的に高温となる部分、すなわち、外部加熱ローラ４１Ａと加熱ローラ４１とのニップ部Ｓ１に該当する部分を検知できる、通常よりも遅い線速度Ｖ（回転周期Ｒ）に制御して、加熱ローラ４１の温度ムラ（温度変化）を検知し、ローラの回転により温度ムラの緩和がなされたことを検知してから通常の画像形成を行う線速度Ｖ₀（回転周期Ｒ₀）でトナー画像を担持した転写材の定着処理を行うことを特徴としている。

図５は、加熱ローラと外部加熱ローラとのニップ部を拡大した図である。

図５において、ニップ部Ｓ１でのニップ幅をＬ、前記時定数をＴ、温度検知時の速度をＶとすると、Ｖ＜Ｌ／Ｔなる関係にすると、ニップ部Ｓ１における温度ムラの検知が可能となる。

なお、この場合、時定数Ｔを用いているが、さらに検知の確実性のある９０％の応答量を確保できる速度Ｖにし、コントロール部Ｂ１における検知温度を読み込む時間をＬ／２Ｖ以下にすることが好ましい。

図４（ｂ）において、加熱ローラ４１は通常より遅い線速度で回転を開始すると、各回転周期Ｒの中で局部的に温度差ｄがピークとなる部分が出現する。これがニップＳ１に該当する部分である。

図４（ｃ）は、加熱ローラの回転周期Ｒ毎の温度変化を示めしている。

本発明によって、加熱ローラ４１、外部加熱ローラ４１Ａの検知温度が、待機時に所定の定着適正温度範囲Ａになり、この条件で画像指令を受けた場合、前記温度差ｄが所定値以下になってから、通常より遅い回転数より増加し、定着通紙動作を開始するように制御している。この画像優先する方法（画像優先モード）によって、高速で画像形成する場合でも良好な画質を確保することができる。

次に、本発明の処理プロセスについてフローチャートにしたがって説明する。

画像形成の開始に先立って実行されるウォームアップ時にコントロール部Ｂ１中のＣＰＵはサーモパイルセンサ４１４の出力に基づいて加熱ローラ４１の予備回転（通常より遅い線速度）を制御する。

図７は、画像形成装置の電源スイッチを投入した時にＣＰＵが行う定着装置の制御を示すフローチャートである。

画像形成装置の電源スイッチの投入により、ハロゲンヒータ４６へ電流を供給し、加熱ローラ４１のウォームアップを開始し、ハロゲンランプ４６Ａへ電流を供給し、外部加熱ローラ４１Ａのウォームアップを開始する（Ｆ１）。加熱ローラ４１の温度上昇を速くするために、加熱ローラ４１の温度が所定値Ｔ０に達するまでは、加熱ローラ４１と加圧ローラ４２は回転しない。加熱ローラ４１の温度が所定の定着適正温度Ｔ０に達し、かつ、外部加熱ローラ４１Ａの温度が所定の制御温度Ｔ１達した段階で（Ｆ２のＹ）予備回転を開始する（Ｆ３）。

回転数を示すカウンタのカウントをイニシアライズするとともに、１回目の回転で１をカウントし、加熱ローラ４１の温度差ｄを検知し（Ｆ４）、温度差ｄが所定の温度より高ければ（Ｆ５のＹ）さらに回転し、温度差ｄが所定の温度より低くなる（Ｆ５のＮ）まで検知を繰り返す。温度差ｄが所定値以下になったところで、加圧ローラ４２を圧着させ（Ｆ６）、加熱ローラ４１の周速度（線速度）を定常通紙速度Ｖ₀に上げて（Ｆ７）、定着通紙動作を開始する（Ｆ８）。

しかしながら、すべてのプリントに対して、加熱ローラ４１の温度差（温度ムラ）ｄが所定値以下になるまで予備回転を実施するのは、生産効率に問題となる。原稿画像の条件によっては光沢度の差が顕著に現れない場合には、前記予備回転を行わずに、ファーストプリントを優先するモードである、生産性優先モードにして、定着通紙動作を開始しても問題とならない。すなわち、画像優先モードと生産性優先モードと設け、必要に応じて、切り換えることができる。この生産性優先モードのフローチャートについて図８で説明する。

図８は、生産性優先モードのフローチャートを示す図である。

図８においては、画像形成装置の電源スイッチの投入により、ハロゲンヒータ４６へ電流を供給し、加熱ローラ４１のウォームアップを開始する。また、ハロゲンヒータ４６Ａへの電流を供給し、外部加熱ローラ４１Ａのウォームアップを開始する（Ｆ１１）。加熱ローラ４１の温度上昇を速くするために、加熱ローラ４１の温度が所定値Ｔ０に達するまでは、加熱ローラ４１と加圧ローラ４２は回転しない（Ｆ１２）。加熱ローラ４１の温度が所定の定着適正温度Ｔ０に達し、かつ、外部加熱ローラ４１Ａの温度が所定の制御温度Ｔ１に達した段階で（Ｆ１２のＹ）、加圧ローラ４２を圧着させ（Ｆ１３）、加熱ローラ４１を通常の通紙速度Ｖ₀で回転させ（Ｆ１４）、直ちに定着通紙動作に入る（Ｆ１５）。

したがって、図７、図８で示した定着処理方法を原稿画像の条件に応じて切り換えることで、効率の良い定着処理が可能となる。なお、２つのモードは操作部上などでユーザやサービスマンが手動設定し、使い分けるようにしてもよい。

以上、外部加熱ローラによる加熱ローラの局部的な温度上昇で生じる温度ムラについて述べたが、逆に、外部加熱ローラではなく、クリーニングローラのような加熱ローラの温度より低い物が当接している場合は、温度降下を引き起こし、温度の谷ができ、温度ムラが生じる場合もあるが、この場合は、降下した温度の谷の深さを温度センサで検出し、通紙条件を決めればよい。

また、図６のような定着形態においても、同様な温度検知、定着処理を適用することができる。

図６は、加熱ローラと加圧ベルトを用いた定着形態を示す図である。

次に、上記画像形成装置の画像形成プロセス（画像形成工程）について図１を基に説明する。

画像記録のスタートにより不図示の感光体ドラムの駆動モータの始動によりイエロー（Ｙ）の画像形成手段１の感光体１０が矢印で示す方向に回転され、同時に帯電ローラ１１の帯電作用により感光体１０に電位の付与が開始される。

感光体１０は電位を付与されたあと、露光光学系１２によって第１の色信号すなわちＹの画像データに対応する電気信号による画像書込が開始され、感光体１０の表面に原稿画像のＹの画像に対応する静電潜像が形成される。

前記の潜像は現像装置１３により非接触の状態で反転現像され、感光体１０の回転に応じイエロー（Ｙ）のトナー像が形成される。

上記画像形成プロセスによって画像形成体である感光体１０上に形成されたＹのトナー像が、転写器２５によって、中間転写ベルト２０上に転写される。

次いで中間転写ベルト２０は、Ｙのトナー像と同期が取られ、マゼンタ（Ｍ）の画像形成手段１により、スコロトロン帯電器１１の帯電作用により電位が付与され、書き込み装置１２によってＭの色信号すなわちＭの画像データに対応する電気信号による画像書込が行われ、現像装置１３による非接触の反転現像によって感光体１０上に形成されたＭのトナー像が、Ｍの転写器２５によって、前記のＹのトナー像の上から重ね合わせて形成される。

同様のプロセスにより、Ｙ、Ｍの重ね合わせトナー像と同期が取られ、シアン（Ｃ）の画像形成手段１により、感光体１０上に形成された、Ｃの色信号によるＣの画像データに対応するＣのトナー像が、Ｃの転写器２５によって、前記のＹ、Ｍ、のトナー像上から重ね合わせて形成され、更にＹ、Ｍ、Ｃの重ね合わせトナー像と同期が取られ、黒色（Ｋ）の画像形成手段１により、感光体１０上に形成された、Ｋの色信号によるＫの画像データに対応するＫのトナー像が、Ｋの転写器によって、前記のＹ、Ｍ、Ｃ、のトナー像の上からＫのトナー像が重ね合わせて形成され、中間転写ベルト２０上それぞれにＹ、Ｍ、Ｃ、およびＫの重ね合わせカラートナー画像が形成される。

また、一次転写後の各色の感光体１０上の面に残ったトナーは、クリーニングユニット１４により残留トナーが除去され、不図示の帯電前の一様露光器により先の画像形成における感光体１０、履歴が解消されて、次の画像形成サイクルにはいる。

前記重ね合わせトナー画像を担持している中間転写ベルト２０は矢印Ｆの方向に送られ、転写材Ｐが、転写材収納手段である給紙カセット５４より、送り出しローラ７０によって送り出され、搬送ローラ７３を経てタイミングローラ７１へ搬送され、中間転写ベルト２０上のトナー画像と同期がとられて、タイミングローラ７１の駆動によって、転写ローラ２６の転写領域Ｓに給送される。

中間転写ベルト２０に重畳した転写材Ｐは、転写領域Ｓでアースローラ２２と転写ローラ２６に挟持転写され、定着装置４で加熱ローラ４１、加圧ローラ４２のニップ部Ｔで挟持、加圧して定着され、排紙ローラ８１で、排紙皿８２へ排紙される。

画像形成装置の全体構成の一例を示す模式図である。図１における加熱ローラと加圧ローラの周辺部を拡大した断面図である。定着温度差による光沢ムラを示す図である。加熱ローラに係わる温度センサの応答時定数と１回転毎の温度変化を示す図である。加熱ローラと外部加熱ローラとのニップ部を拡大した図である。加熱ローラと加圧ベルトを用いた定着形態を示す図である。画像形成装置の電源スイッチを投入した時にＣＰＵが行う定着装置の制御を示すフローチャートである。生産性優先モードのフローチャートを示す図である。

符号の説明

１画像形成手段
４定着装置
４１加熱ローラ
４１Ａ外部加熱ローラ
４２加圧ローラ
４６、４６Ａハロゲンヒータ
４１４サーモパイルセンサ
Ｂ１コントロール部
Ｓ１、Ｓ２ニップ部

Claims

少なくとも一方の回転体が熱源を有する２つの回転体を互いに圧接し、該圧接した部分に、表面にトナー像を有する転写材を通紙して定着する熱定着装置を備える画像形成装置において、
前記２つの回転体のうち、トナー像と接する側の回転体に接触してニップ部を形成し、前記トナー像と接する側の回転体の前記ニップ部以外の表面の温度と異なる表面温度を有する補助回転体を備え、
前記補助回転体と接する回転体の表面の温度検知を非接触の温度検知センサにて行い、
前記温度検知センサの検知温度が、駆動待機時に所定の定着適正温度範囲Ａ内にあるとき、画像形成指令を受けた場合は、
前記補助回転体と接する回転体の線速度をＶ、前記ニップ部の幅をＬ、前記温度検知センサの応答時定数をＴとすると、
前記補助回転体と接する回転体は、Ｖ＜Ｌ／Ｔの線速度で回転を開始し、各回転周期内での前記温度検知センサの検知温度の変化幅が所定値以下になったところで、前記補助回転体と接する回転体を通常の画像形成を行う線速度Ｖ_０にして定着通紙動作を開始する画像優先モードを有することを特徴とする画像形成装置。
前記検知温度が、駆動待機時に前記所定の定着適正温度範囲Ａ内にあるとき、画像形成指令を受けた場合は、
直ちに、前記補助回転体と接する回転体を通常の画像形成を行う線速度Ｖ_０にして定着通紙動作を開始する生産性優先モードと、
前記画像優先モードと、を切り換える手段を有することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。