JP5155225B2 - Fixing apparatus and image forming apparatus having the same - Google Patents
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本発明は、複写機やプリンタ、ファクシミリ等の電子写真方式の画像形成装置に用いられる定着装置及びそれを備えた画像形成装置に係り、特に、レーザ光照射手段により定着する定着装置及びそれを備えた画像形成装置に関する。 The present invention relates to a fixing device used in an electrophotographic image forming apparatus such as a copying machine, a printer, and a facsimile, and an image forming apparatus including the fixing device, and more particularly, to a fixing device that fixes by laser light irradiation means and the fixing device. The present invention relates to an image forming apparatus.
従来、複写機、プリンタ等の電子写真方式の画像形成装置に用いられる定着装置として、熱ローラ定着方式の定着装置が多用されている。熱ローラ定着方式の定着装置は、互いに圧接されたローラ対（定着ローラおよび加圧ローラ）を備え、このローラ対の両方あるいはいずれか一方の内部に配置されたハロゲンヒータ等からなる加熱手段によりローラ対を所定の温度（定着温度）に加熱した後、未定着トナー画像が形成された記録用紙（以下、単に「用紙」と称する。）をローラ対の圧接部（定着ニップ部）に給紙し、圧接部を通過させることで熱と圧力によりトナー画像の定着を行うようになっている。 Conventionally, as a fixing device used in an electrophotographic image forming apparatus such as a copying machine or a printer, a heat roller fixing type fixing device has been widely used. A fixing device of a heat roller fixing system includes a pair of rollers (fixing roller and pressure roller) that are in pressure contact with each other, and the roller is heated by heating means including a halogen heater or the like disposed in both or one of the roller pairs. After the pair is heated to a predetermined temperature (fixing temperature), a recording sheet (hereinafter simply referred to as “sheet”) on which an unfixed toner image is formed is fed to a pressure contact portion (fixing nip portion) of the roller pair. The toner image is fixed by heat and pressure by passing through the pressure contact portion.
しかしながら、このような従来の熱ローラ定着方式の定着装置においては、定着ローラや加圧ローラを定着可能な温度に昇温させるためのウォームアップ時間が長いため、待機時においても定着ローラや加圧ローラを予熱しておく必要があり、消費電力が増大するといった課題があった。 However, in such a conventional heat roller fixing type fixing device, since the warm-up time for raising the temperature of the fixing roller and the pressure roller to a temperature capable of fixing is long, the fixing roller and the pressure roller are kept in the standby state. The roller had to be preheated, and there was a problem that power consumption increased.
このような問題を解決するために、用紙上に形成された未定着トナー像にレーザビームを照射し、トナー像を溶融することで定着を行うレーザ方式の定着装置が提案されている（特許文献１を参照）。 In order to solve such problems, there has been proposed a laser-type fixing device that performs fixing by irradiating an unfixed toner image formed on a sheet with a laser beam and melting the toner image (Patent Document). 1).
しかしながら、従来のレーザ定着装置は、レーザ素子によるエネルギー変換効率（出力エネルギー／投入エネルギー）が５０（％）以下と低く、半分以上のエネルギーがレーザ素子における自己発熱となってしまうため、エネルギー効率が低くなるという課題がある。また、自己発熱によりレーザ素子の温度が高くなると、エネルギー変換効率が更に低下したり、レーザ素子の寿命が急激に短くなるといった課題があった。 However, in the conventional laser fixing device, the energy conversion efficiency (output energy / input energy) by the laser element is as low as 50 (%) or less, and more than half of the energy becomes self-heating in the laser element. There is a problem of being lowered. Further, when the temperature of the laser element increases due to self-heating, there are problems that the energy conversion efficiency further decreases and the life of the laser element is rapidly shortened.
この課題に対応するために、レーザ素子を冷却するための冷却手段を設ける必要があり、その結果、装置が大型化すると同時に、構造が複雑化し、コスト高になってしまうといった課題があった。 In order to cope with this problem, it is necessary to provide a cooling means for cooling the laser element. As a result, there is a problem that the apparatus becomes large and the structure becomes complicated and the cost becomes high.
そこで、このような課題を解決するために、記録媒体上のトナー画像が形成された部分にのみ選択的にレーザを照射するようにした定着装置が提案されている（特許文献２を参照）。 In order to solve such problems, there has been proposed a fixing device that selectively irradiates a laser on only a portion on a recording medium where a toner image is formed (see Patent Document 2).
しかしながら、特許文献２の定着装置のように、トナー画像に対し選択的にレーザを照射したとしても、例えば、画像の印字率（面積率）が１００（％）になるような高印字率の画像に対しては、レーザを１００（％）でＯＮしつづけなければならず、このような画像パターンの原稿に対しては依然としてレーザ素子が過剰に発熱してしまうといった問題がある。 However, even if the toner image is selectively irradiated with a laser as in the fixing device of Patent Document 2, for example, an image with a high printing rate such that the printing rate (area rate) of the image is 100 (%). On the other hand, the laser must be kept ON at 100 (%), and there is a problem that the laser element still generates excessive heat for the document having such an image pattern.
更に、高速印字に対応した画像形成装置に適用しようとした場合、レーザの定格出力として非常に大きなものが必要となり（例えば、１００（Ｗ）級のレーザ）、レーザ装置自体が非常に高価で且つ大型化してしまうといった問題もある。 Furthermore, when applying to an image forming apparatus that supports high-speed printing, a very large rated output of the laser is required (for example, a 100 (W) class laser), and the laser apparatus itself is very expensive and There is also a problem of increasing the size.
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、レーザ方式の定着装置において、小型で且つ簡単な構造で、エネルギー効率が高く、長寿命化を実現できる定着装置及びそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems. In a laser-type fixing device, there is provided a fixing device capable of realizing a long life with a small and simple structure, high energy efficiency, and long life. An object is to provide an image forming apparatus.
本発明は、レーザ照射部において記録媒体上の未定着トナー画像にレーザ光を照射し、前記未定着トナー画像を溶融して前記記録媒体上に定着させるレーザ照射手段と、前記記録媒体を搬送する記録媒体搬送手段と、前記未定着トナー画像を形成する画像情報に基づいて前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御するレーザ出力制御手段と、前記画像情報に基づいて前記記録媒体搬送手段の記録媒体搬送速度を制御する速度制御手段とを備えた定着装置において、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の印字率にほぼ反比例して記録媒体搬送速度を制御することを特徴とするものである。 According to the present invention, a laser irradiation unit irradiates a laser beam to an unfixed toner image on a recording medium, melts the unfixed toner image and fixes the image on the recording medium, and conveys the recording medium. A recording medium conveying means ; a laser output control means for controlling the laser output of the laser irradiation means based on image information for forming the unfixed toner image; and a recording medium conveying of the recording medium conveying means based on the image information. And a speed control means for controlling the speed , wherein the speed control means controls the recording medium conveyance speed almost in inverse proportion to the printing rate of the original on which the toner image is formed. is there.
また、本発明は、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部における未定着トナー画像の有無によりレーザ出力を制御することが好ましい。例えば、レーザ照射部に画像がある場合をＯＮ，画像の無い場合をＯＦＦとするように制御するものであってもよい。 In the present invention, it is preferable that the laser output is controlled by the laser output control means depending on the presence or absence of an unfixed toner image in the laser irradiation unit. For example, the laser irradiation unit may be controlled to turn on when there is an image and turn off when there is no image.
また、本発明は、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部に位置する未定着トナー画像の画像濃度（例えば、ドット印字率あるいは画像の空隙率）に基づきレーザ出力を制御することが好ましい。例えば、レーザ照射部にある画像濃度（ドット印字率）が低い場合は、レーザ出力を上げるように制御し、画像濃度の高い場合は、レーザ出力を下げるように制御してもよい。 In the present invention, it is preferable that the laser output control means controls the laser output based on the image density (for example, dot printing rate or image void ratio) of an unfixed toner image located in the laser irradiation unit. For example, when the image density (dot printing rate) in the laser irradiation unit is low, the laser output may be controlled to increase, and when the image density is high, the laser output may be decreased.
また、本発明は、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部に位置する未定着トナー画像の空隙率が大きくなるほどレーザ出力を大きくするとともに、前記レーザ出力を、前記未定着トナー画像の空隙率が０（％）の場合のレーザ出力に対して最大で約２倍以下になるように制御することが好ましい。 In the present invention, the laser output control means increases the laser output as the void ratio of the unfixed toner image located in the laser irradiation unit increases, and the laser output is set to the void ratio of the unfixed toner image. It is preferable to control so that the maximum is about twice or less the laser output when is 0 (%).
また、本発明は、レーザ照射部において記録媒体上の未定着トナー画像にレーザ光を照射し、前記未定着トナー画像を溶融して前記記録媒体上に定着させるレーザ照射手段と、前記記録媒体を搬送する記録媒体搬送手段と、前記未定着トナー画像を形成する画像情報に基づいて前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御するレーザ出力制御手段と、前記画像情報に基づいて前記記録媒体搬送手段の記録媒体搬送速度を制御する速度制御手段とを備えた定着装置において、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の中の最も低い画像濃度の情報に基づいて記録媒体搬送速度を制御することを特徴とするものである。 Further, the present invention provides a laser irradiation means for irradiating a laser beam to an unfixed toner image on a recording medium in a laser irradiating unit, melting the unfixed toner image and fixing it on the recording medium, and the recording medium. Recording medium conveying means for conveying; laser output control means for controlling the laser output of the laser irradiating means based on image information for forming the unfixed toner image; and recording of the recording medium conveying means based on the image information. in the fixing apparatus having a speed control means for controlling the medium conveying speed, by the speed control unit, controlling the conveying speed of recording medium on the basis of the lowest image density information in the document to which the toner image is formed It is characterized by.
また、本発明は、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の中の最も低い画像濃度にほぼ比例して記録媒体搬送速度を制御することが好ましい。例えば、前記原稿の画像濃度が１／２の時は、記録媒体搬送速度を１／２にするように制御してもよい。 In the present invention, it is preferable that the speed control means controls the recording medium conveyance speed almost in proportion to the lowest image density in the original on which the toner image is formed. For example, when the image density of the original is 1/2, the recording medium conveyance speed may be controlled to be 1/2.
また、本発明は、前記レーザ照射手段を、複数の半導体レーザ素子を記録媒体搬送方向と直交する方向にアレイ状に並べたレーザアレイからなるものとすることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the laser irradiation means includes a laser array in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged in an array in a direction perpendicular to the recording medium conveyance direction.
また、本発明は、前記未定着トナー画像として、カラートナーにより形成されるトナー画像を含み、前記カラートナーには、赤外線吸収剤が含まれていることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the unfixed toner image includes a toner image formed of a color toner, and the color toner includes an infrared absorber.
また、本発明は、前記レーザ照射手段の構成として、単一のレーザ光源（例えば、レーザ素子）と、前記レーザ光源からのレーザ光を記録媒体搬送方向に対して記録媒体に沿って垂直方向（主走査方向）に走査する走査光学系と、レーザ光を集光するレンズとを備えることが好ましい。 In the present invention, the laser irradiating means includes a single laser light source (for example, a laser element) and a laser beam emitted from the laser light source in a direction perpendicular to the recording medium conveyance direction ( It is preferable to include a scanning optical system that scans in the main scanning direction) and a lens that condenses the laser light.
また、本発明は、前記レーザ照射手段のレーザ光源の波長を５．５〜１１（μｍ）とすることが好ましい。より好ましくは、前記レーザ光源の波長を９〜１１（μｍ）とするものであってもよい。 In the present invention, it is preferable that the wavelength of the laser light source of the laser irradiation unit is 5.5 to 11 (μm). More preferably, the wavelength of the laser light source may be 9 to 11 (μm).
また、本発明は、前記レーザ照射手段のレーザ光源を、ＣＯ２レーザとすることが好ましい。 In the present invention, the laser light source of the laser irradiation unit is preferably a CO 2 laser.
また、本発明は、前記レーザ照射手段の構成として、該レーザ照射手段の温度を検出する温度検出手段を備え、前記速度制御手段により、前記温度検出手段により検出された検出結果、すなわち、前記レーザ照射手段の温度に基づいて、記録媒体搬送速度を制御することが好ましい。例えば、印字率が高くてもレーザ素子の温度が低ければ、記録媒体搬送速度を通常より速くするように制御する。 The present invention also includes a temperature detection means for detecting the temperature of the laser irradiation means as a configuration of the laser irradiation means, and a detection result detected by the temperature detection means by the speed control means, that is, the laser. It is preferable to control the recording medium conveyance speed based on the temperature of the irradiation means. For example, even if the printing rate is high, if the temperature of the laser element is low, the recording medium conveyance speed is controlled to be higher than usual.
また、本発明は、表面に静電潜像が形成される感光体ドラムと、感光体ドラム表面を帯電させる帯電装置と、感光体ドラム表面に静電潜像を形成する露光装置と、感光体ドラム表面の静電潜像にトナーを供給してトナー像を形成する現像装置と、感光体ドラム表面のトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、前記転写されたトナー像を記録媒体に定着させる定着装置とを備え、電子写真方式によりトナーを用いて画像を形成する画像形成装置において、前記定着装置として、請求項１乃至１３のうちの何れか一項に記載の定着装置を備えたことを特徴とするものである。
The present invention also provides a photosensitive drum on which an electrostatic latent image is formed, a charging device that charges the surface of the photosensitive drum, an exposure device that forms an electrostatic latent image on the surface of the photosensitive drum, and a photosensitive member. A developing device for supplying toner to the electrostatic latent image on the drum surface to form a toner image, a transfer device for transferring the toner image on the surface of the photosensitive drum to a recording medium, and fixing the transferred toner image on the recording medium An image forming apparatus for forming an image using toner by an electrophotographic method, comprising the fixing device according to any one of
本発明によれば、レーザ照射部において記録媒体上の未定着トナー画像にレーザ光を照射し、前記未定着トナー画像を溶融して前記記録媒体上に定着させるレーザ照射手段と、前記記録媒体を搬送する記録媒体搬送手段と、前記未定着トナー画像を形成する画像情報に基づいて前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御するレーザ出力制御手段と、前記画像情報に基づいて前記記録媒体搬送手段の記録媒体搬送速度を制御する速度制御手段とを備えた定着装置において、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の印字率にほぼ反比例して記録媒体搬送速度を制御することで、画像情報に対応した最適なレーザ照射を行うことができるため、不要なレーザ素子の発熱を抑制することができる。更に、画像情報からレーザ素子の過剰発熱が予想される場合には、記録媒体搬送速度を制御することにより、レーザ素子の過剰発熱を抑制することができる。これにより、小型で且つ簡単な構造で、エネルギー効率が高く、長寿命化を図った定着装置を実現できる。 According to the present invention, the laser irradiation unit irradiates the unfixed toner image on the recording medium with laser light, melts the unfixed toner image, and fixes the unfixed toner image on the recording medium. Recording medium conveying means for conveying ; laser output control means for controlling the laser output of the laser irradiating means based on image information for forming the unfixed toner image; and recording of the recording medium conveying means based on the image information. In the fixing device including a speed control unit for controlling the medium transport speed, the speed control unit controls the recording medium transport speed almost in inverse proportion to the printing rate of the document on which the toner image is formed, thereby obtaining image information. Therefore, unnecessary laser element heat generation can be suppressed. Further, when excessive heat generation of the laser element is predicted from the image information, the excessive heat generation of the laser element can be suppressed by controlling the recording medium conveyance speed. Accordingly, it is possible to realize a fixing device that is small and has a simple structure, has high energy efficiency, and has a long life.
また、本発明によれば、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部における未定着トナー画像の有無によりレーザ出力を制御することで、画像のある部分のみレーザを照射することにより、レーザ素子の無駄な発熱を抑制することができる。 Further, according to the present invention, the laser output control means controls the laser output based on the presence or absence of an unfixed toner image in the laser irradiation unit, thereby irradiating only a portion of the image with the laser, thereby Wasteful heat generation can be suppressed.
また、本発明によれば、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部に位置する未定着トナー画像の画像濃度（例えば、ドット印字率あるいは画像の空隙率）に基づきレーザ出力を制御することで、レーザ素子の無駄な発熱を抑制することができる。すなわち、ハーフトーン画像のような濃度の低い（ドット印字率の低い、あるいは画像の空隙率の高い）画像はソリッド画像のような濃度の高い（ドット印字率の高い、あるいは画像の空隙率の低い）画像に比べて記録媒体に逃げる熱の割合が大きく、定着エネルギーが多く必要となるため、画像濃度に対応してレーザ出力を制御することで、レーザ素子の無駄な発熱を抑制することができる。 According to the invention, the laser output control means controls the laser output based on the image density (for example, dot printing rate or image void ratio) of the unfixed toner image located in the laser irradiation unit. In addition, useless heat generation of the laser element can be suppressed. That is, an image with a low density (a low dot printing rate or a high image void ratio) such as a halftone image has a high density (a high dot printing rate or a low image porosity) such as a solid image. ) Since the ratio of heat escaping to the recording medium is larger than that of the image and a large amount of fixing energy is required, it is possible to suppress unnecessary heat generation of the laser element by controlling the laser output corresponding to the image density. .
また、本発明によれば、前記レーザ出力制御手段により、前記レーザ照射部に位置する未定着トナー画像の空隙率が大きくなるほどレーザ出力を大きくするとともに、前記レーザ出力を、前記未定着トナー画像の空隙率が０（％）の場合のレーザ出力に対して最大で約２倍以下になるように制御することで、レーザ素子の無駄な発熱を抑制することができる。すなわち、ソリッド画像に比べてハーフトーン画像では十分な定着性を確保するのに必要なエネルギー密度が高く、最大で２倍のエネルギー密度が必要であることから、この関係に基づいてレーザ出力を制御することで、レーザ素子の無駄な発熱を抑制することができる。 According to the present invention, the laser output control means increases the laser output as the void ratio of the unfixed toner image located in the laser irradiation unit increases, and the laser output is set to the unfixed toner image. By controlling the laser output so as to be about twice or less at maximum with respect to the laser output when the porosity is 0 (%), useless heat generation of the laser element can be suppressed. In other words, halftone images require higher energy density than half-tone images to ensure sufficient fixing performance, and up to twice as much energy density is required. Controlling laser output based on this relationship By doing so, useless heat generation of the laser element can be suppressed.
また、本発明によれば、レーザ照射部において記録媒体上の未定着トナー画像にレーザ光を照射し、前記未定着トナー画像を溶融して前記記録媒体上に定着させるレーザ照射手段と、前記記録媒体を搬送する記録媒体搬送手段と、前記未定着トナー画像を形成する画像情報に基づいて前記レーザ照射手段のレーザ出力を制御するレーザ出力制御手段と、前記画像情報に基づいて前記記録媒体搬送手段の記録媒体搬送速度を制御する速度制御手段とを備えた定着装置において、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の中の最も低い画像濃度の情報に基づいて記録媒体搬送速度を制御することで、レーザ素子の発熱を抑制することができる。例えば、ハーフトーン画像が多く含まれるような原稿の場合、ソリッド画像（ベタ画像）のみの原稿に比べて、レーザ出力を約２倍にＵＰした状態でＯＮし続けなければならず、依然としてレーザ素子が過剰に発熱してしまう。そこで、原稿の中の最も低い画像濃度の情報に応じて記録媒体搬送速度を制御することでレーザ素子の発熱を抑制することができる。 According to the invention, the laser irradiation unit irradiates the unfixed toner image on the recording medium with laser light in the laser irradiation unit, melts the unfixed toner image, and fixes the unfixed toner image on the recording medium, and the recording A recording medium conveying means for conveying the medium; a laser output control means for controlling a laser output of the laser irradiation means based on image information for forming the unfixed toner image; and the recording medium conveying means based on the image information. And a speed control means for controlling the recording medium transport speed of the recording medium. The speed control means controls the recording medium transport speed based on the lowest image density information in the original on which the toner image is formed. By doing so, heat generation of the laser element can be suppressed. For example, in the case of a document containing a lot of halftone images, it must continue to be turned on with the laser output increased to about twice that of a document having only a solid image (solid image). Will generate excessive heat. Therefore, the heat generation of the laser element can be suppressed by controlling the recording medium conveyance speed in accordance with the lowest image density information in the document.
また、本発明によれば、前記速度制御手段により、トナー画像が形成される原稿の中の最も低い画像濃度にほぼ比例して記録媒体搬送速度を制御することで、レーザの消費出力を常に一定に維持することができ、原稿の画像濃度が変わってもレーザ素子の過剰な発熱を抑制することができる。すなわち、画像濃度とレーザの消費電力は反比例関係にあり、記録媒体搬送速度とレーザの消費電力は比例関係にあることから、原稿の中の最も低い画像濃度にほぼ比例して記録媒体搬送速度を制御することにより、例えば、前記原稿の画像濃度が１／２の時は、記録媒体搬送速度を１／２にするように制御することにより、レーザ素子の消費出力を常に一定に維持することができ、原稿の画像濃度が変わってもレーザ素子の過剰な発熱を抑制することができる。 According to the invention, the speed control means controls the recording medium conveyance speed almost in proportion to the lowest image density in the original on which the toner image is formed, so that the laser consumption output is always constant. Therefore, even if the image density of the document changes, excessive heat generation of the laser element can be suppressed. That is, the image density and the laser power consumption are inversely proportional, and the recording medium conveyance speed and the laser power consumption are proportional. Therefore, the recording medium conveyance speed is almost proportional to the lowest image density in the document. By controlling, for example, when the image density of the original is ½, the consumption output of the laser element can be always kept constant by controlling the recording medium conveyance speed to be ½. Even if the image density of the document changes, excessive heat generation of the laser element can be suppressed.
また、本発明によれば、前記レーザ照射手段を、複数の半導体レーザ素子を記録媒体搬送方向と直交する方向にアレイ状に並べたレーザアレイからなるものとすることで、ハイパワーで高コストのレーザを単独で用いる場合と比較して、低コスト化を図ることができ、レーザ光を走査・集光させる必要もないため光学系を廃止できるので、省スペース化が図れるとともに光学系でのエネルギー損失を無くすことができる。また、省スペース化により更に大きなサイズのヒートシンクを取り付けることができるので、レーザ素子の冷却性能を向上させることができる。 Further, according to the present invention, the laser irradiating means comprises a laser array in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged in an array in a direction orthogonal to the recording medium conveyance direction, thereby achieving high power and high cost. Compared with the case where a laser is used alone, the cost can be reduced and the optical system can be eliminated because it is not necessary to scan and condense the laser beam, thus saving space and energy in the optical system. Loss can be eliminated. Further, since the heat sink having a larger size can be attached due to space saving, the cooling performance of the laser element can be improved.
また、本発明によれば、前記未定着トナー画像として、カラートナーにより形成されるトナー画像を含み、前記カラートナーには、赤外線吸収剤が含まれていることで、モノクロトナーと同様な光吸収率が実現できるので、定着不良を解消することができる。例えば、半導体レーザの場合、レーザ光の波長が７８０（ｎｍ）前後であり、モノクロトナーでは光吸収率が高く（約６０（％））、カラートナーでは光吸収率が低く（１０（％）前後）なるが、カラートナーに赤外線吸収剤を添加することで、光吸収率をモノクロトナー並みに向上させることができる。 Further, according to the present invention, the unfixed toner image includes a toner image formed of a color toner, and the color toner includes an infrared absorber, so that the same light absorption as that of the monochromatic toner is achieved. Since the rate can be realized, fixing failure can be solved. For example, in the case of a semiconductor laser, the wavelength of laser light is around 780 (nm), the monochrome toner has a high light absorption rate (about 60 (%)), and the color toner has a low light absorption rate (around 10 (%)). However, by adding an infrared absorber to the color toner, the light absorption rate can be improved to the same level as that of a monochrome toner.
また、本発明によれば、前記レーザ照射手段の構成として、単一のレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を記録媒体搬送方向に対して記録媒体に沿って垂直方向に走査する走査光学系と、レーザ光を集光するレンズとを備えることで、レーザ光をトナー画像部のみに、より高精度（高精細）に照射することができるため、無駄なエネルギー消費がなく、レーザ素子の発熱を抑制することができる。 According to the invention, the laser irradiating means includes a single laser light source and scanning optics that scans the laser light from the laser light source in a direction perpendicular to the recording medium conveyance direction along the recording medium. By providing the system and a lens for condensing the laser beam, it is possible to irradiate the laser beam only to the toner image portion with higher accuracy (high definition). Heat generation can be suppressed.
また、本発明によれば、前記レーザ照射手段のレーザ光源の波長を、５．５〜１１（μｍ）とすることで、半導体レーザの光源を用いる場合に比べて、記録媒体がレーザ光を吸収するようになるため、トナー画像が形成されずに記録媒体が露出している部分では、記録媒体の表面が発熱することにより、トナーから記録媒体に逃げる熱が減少する。その結果、レーザ出力が一定であっても、画像濃度に関係なく一定の定着性を確保することができる。 According to the present invention, the wavelength of the laser light source of the laser irradiation means is set to 5.5 to 11 (μm), so that the recording medium absorbs the laser light as compared with the case of using the light source of the semiconductor laser. Therefore, in the portion where the recording medium is exposed without the toner image being formed, the surface of the recording medium generates heat, and heat that escapes from the toner to the recording medium is reduced. As a result, even if the laser output is constant, a fixed fixability can be ensured regardless of the image density.
また、本発明によれば、前記レーザ照射手段のレーザ光源を、ＣＯ２（炭酸ガス）レーザとすることで、半導体レーザの光源を用いる場合に比べて、記録媒体がレーザ光を吸収するようになるため、トナー画像がなく記録媒体が露出している部分では、記録媒体の表面が発熱することにより、トナーから記録媒体に逃げる熱が減少する。その結果、レーザ出力が一定であっても、画像濃度に関係なく一定の定着性を確保することができる。 According to the invention, the laser light source of the laser irradiation means is a CO 2 (carbon dioxide gas) laser so that the recording medium absorbs the laser light as compared with the case of using a semiconductor laser light source. Therefore, in a portion where there is no toner image and the recording medium is exposed, the surface of the recording medium generates heat, so that heat escaping from the toner to the recording medium is reduced. As a result, even if the laser output is constant, a fixed fixability can be ensured regardless of the image density.
また、本発明によれば、前記レーザ照射手段として、該レーザ照射手段の温度を検出する温度検出手段を備え、前記速度制御手段により、前記温度検出手段により検出された検出結果、すなわち、前記レーザ照射手段の温度に基づいて、記録媒体搬送速度を制御することで、より最適な制御を行うことができる。例えば、印字率が高くてもレーザ素子の温度が低ければ、記録媒体搬送速度を通常より速くするように制御することができる。 Further, according to the present invention, the laser irradiation means includes a temperature detection means for detecting the temperature of the laser irradiation means, and the speed control means detects the detection result detected by the temperature detection means, that is, the laser. More optimal control can be performed by controlling the recording medium conveyance speed based on the temperature of the irradiation means. For example, even if the printing rate is high, if the temperature of the laser element is low, the recording medium conveyance speed can be controlled to be higher than usual.
また、本発明によれば、表面に静電潜像が形成される像担持体と、像担持体表面を帯電させる帯電装置と、像担持体表面に静電潜像を形成する露光装置と、像担持体表面の静電潜像にトナーを供給してトナー像を形成する現像装置と、像担持体表面のトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、前記転写されたトナー像を記録媒体に定着させる定着装置とを備え、電子写真方式によりトナーを用いて画像を形成する画像形成装置において、前記定着装置として、請求項１乃至１３のうちの何れか一項に記載の定着装置を備えたことで、画像情報に対応した最適なレーザ照射を行うことができるため、不要なレーザ素子の発熱を抑制することができる。これにより、小型で且つ簡単な構造で、エネルギー効率が高く、長寿命化を図った画像形成装置を実現できる。
Further, according to the present invention, an image carrier on which an electrostatic latent image is formed on the surface, a charging device that charges the surface of the image carrier, an exposure device that forms an electrostatic latent image on the surface of the image carrier, A developing device for supplying toner to an electrostatic latent image on the surface of the image carrier to form a toner image, a transfer device for transferring the toner image on the surface of the image carrier to a recording medium, and the transferred toner image on the recording medium An image forming apparatus that forms an image using toner by electrophotography and includes the fixing device according to any one of
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。
図１は発明を実施する形態の一例であって、本発明の第１実施形態に係る定着ユニットが用いられた画像形成装置の全体の構成を示す説明図である。
なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an example of an embodiment for carrying out the invention, and is an explanatory diagram showing the overall configuration of an image forming apparatus using a fixing unit according to the first embodiment of the present invention.
In the present specification and drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
第１本実施形態は、図１に示すように、表面に静電潜像が形成される感光体ドラム１０１と、感光体ドラム１０１表面を帯電させる帯電ユニット（帯電装置）１０３と、感光体ドラム１０１表面に静電潜像を形成する光学系ユニット（露光装置）Ｅと、感光体ドラム１０１表面の静電潜像にトナーを供給してトナー像を形成する現像ユニット（現像装置）１０２と、感光体ドラム１０１表面のトナー像を中間転写ベルト１１に転写する一次転写ユニット（転写装置）１３と、中間転写ベルト１１に一時的に転写されたトナー像を用紙に転写する二次転写ユニット（転写装置）１４と、前記転写されたトナー像を用紙に定着させる定着ユニット（定着装置）１５とを備え、電子写真方式によりトナーを用いて画像を形成する画像形成装置１００において、定着ユニット１５として、本発明に係る定着装置の構成を採用したものである。
In the first embodiment, as shown in FIG. 1, a photosensitive drum 101 on which an electrostatic latent image is formed, a charging unit (charging device) 103 for charging the surface of the photosensitive drum 101, and a photosensitive drum 101 an optical system unit (exposure device) E that forms an electrostatic latent image on the surface of 101, a developing unit (developing device) 102 that forms a toner image by supplying toner to the electrostatic latent image on the surface of the photosensitive drum 101, A primary transfer unit (transfer device) 13 that transfers the toner image on the surface of the photosensitive drum 101 to the
まず、画像形成装置１００の全体構成について説明する。
画像形成装置１００は、例えば、ネットワーク上の各端末装置から送信される画像データ等に基づいて、所定の用紙に対して多色又は単色の画像を形成する。
画像形成装置１００は、図１に示すように、光学系ユニットＥ、４組の可視像形成ユニットｐａ，ｐｂ，ｐｃ，ｐｄ、中間転写ベルト１１、二次転写ユニット１４、定着ユニット１５、内部給紙ユニット１６及び手差し給紙ユニット１７とを備えている。
First, the overall configuration of the
The
As shown in FIG. 1, the
可視画像形成ユニットｐａは、トナー像担持体となる感光体ドラム１０１ａの周囲に、現像ユニット１０２ａ、帯電ユニット１０３ａ、クリーニングユニット１０４ａ及び一次転写ユニット１３ａが配置されている。現像ユニット１０２ａには、ブラック（Ｂ）のトナーが収容されている。一次転写ユニット１３ａは、中間転写ベルト１１を介して感光体ドラム１０１ａ上に配置されている。
In the visible image forming unit pa, a developing
帯電ユニット１０３ａとしては、感光体ドラム１０１ａ表面を一様に、またオゾンを極力発生させることなく帯電するために、帯電ローラ方式を採用している。
The
他の３組の可視像形成ユニットｐｂ，ｐｃ，ｐｄは、可視画像形成ユニットｐａと同様の構成であり、各可視像形成ユニットの現像ユニット１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄには、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）の各色トナーが収容されている。
The other three sets of visible image forming units pb, pc, pd have the same configuration as the visible image forming unit pa, and yellow (Y) is included in the developing
光学系ユニットＥは、レーザ光源４からの照射光を４組の感光体ドラム１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄに照射するように配置されている。
The optical system unit E is arranged to irradiate four sets of
詳しくは、光学系ユニットＥは、メモリから読出した画像データ、または外部の装置から転送されてきた画像データに応じてレーザ光を出射するレーザ光源４、レーザ光を等角速度偏向するポリゴンミラー、等角速度で偏向されたレーザ光が感光体ドラム１０１上において等角速度で偏向されるように補正するｆ−θレンズなどから構成されている。そして、帯電された感光体ドラム１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄを入力された画像データに応じて露光することにより、その表面に画像データに応じた静電潜像を形成するものである。
Specifically, the optical system unit E includes a
中間転写ベルト１１は、用紙搬送方向に沿って並設された可視像形成ユニットｐａ，ｐｂ，ｐｃ，ｐｄに沿って、テンションローラ１１ａ，１１ｂにより撓むことなく配置されている。中間転写ベルトにおいて、テンションローラ１１ｂ側には廃トナーボックス１２が当接配置され、テンションローラ１１ａ側には二次転写ユニット１４が当接配置されている。
The
定着ユニット１５は、用紙上の未定着トナー画像にレーザ光を照射して該未定着トナー画像を溶融して用紙上に定着させるレーザヘッド（レーザ照射手段）１５ａと、用紙を搬送する用紙搬送装置（記録媒体搬送手段）１５ｂとを備え、レーザ光によりトナー像を用紙に定着するレーザ定着装置である。この定着ユニット１５は、二次転写ユニット１４の用紙搬送方向下流側に配置されている。
The fixing
光学系ユニットＥの下方には、内部給紙ユニット１６が設けられ、装置本体の外側面には手差し給紙ユニット１７が設けられている。画像形成装置１００の上部には排紙トレイ１８が設けられている。この排紙トレイ１８は、印刷済みの用紙をフェイスダウンで載置するためのものである。
An internal
また、画像形成装置１００には、内部給紙ユニット１６の用紙及び手差し給紙ユニット１７の用紙を二次転写ユニット１４や定着ユニット１５を経由させて排紙トレイ１８に案内するための用紙搬送路Ｓが設けられている。
The
用紙搬送路Ｓには、給紙ローラ１６ａ，１７ａ、レジストローラ１９、二次転写ユニット１４、定着ユニット１５、搬送ローラｒ等が配置されている。
In the paper transport path S,
搬送ローラｒは、用紙の搬送を促進・補助するための小型のローラであり、用紙搬送路Ｓに沿って複数設けられている。給紙ローラ１６ａは、内部給紙ユニット１６の端部に備えられ、内部給紙ユニット１６から用紙を１枚ずつ用紙搬送路Ｓに供給する呼び込みローラである。給紙ローラ１７ａは、手差し給紙ユニット１７の近傍に備えられ、手差し給紙ユニット１７から用紙を１枚ずつ用紙搬送路Ｓに供給する呼び込みローラである。
The transport rollers r are small rollers for promoting and assisting the transport of paper, and a plurality of transport rollers r are provided along the paper transport path S. The
レジストローラ１９は、用紙搬送路Ｓを搬送されている用紙を一旦保持し、中間転写ベルト１１上のトナー像の先端と用紙の先端とを合わせるタイミングで用紙を二次転写ユニット１４の転写部に搬送するものである。
The registration roller 19 temporarily holds the sheet conveyed through the sheet conveyance path S, and the sheet is transferred to the transfer portion of the
次に、用紙搬送路Ｓによる用紙搬送動作について説明する。
画像形成装置１００には、図１に示すように、上述したように予め用紙を収納する内部給紙ユニット１６及び少数枚の印字を行う場合等に使用される手差し給紙ユニット１７が配置されている。これら両ユニットには各々給紙ローラ１６ａ，１７ａが配置され、これら給紙ローラ１６ａ，１７ａによって用紙を１枚ずつ用紙搬送路Ｓに供給するようになっている。
Next, a paper transport operation by the paper transport path S will be described.
As shown in FIG. 1, the
片面印字の場合は、内部給紙ユニット１６から搬送される用紙は、用紙搬送路Ｓ中の搬送ローラｒによってレジストローラ１９まで搬送され、レジストローラ１９により用紙の先端と中間転写ベルト１１上の積層されたトナー像の先端とが整合するタイミングで二次転写ユニット１４の転写部に搬送される。転写部では中間転写ベルト１１に形成されたトナー像が用紙上に転写され、このトナー像は定着ユニット１５にて用紙上に定着される。その後、用紙は排紙ローラ１８ａから排紙トレイ１８上に排出される。
In the case of single-sided printing, the sheet conveyed from the internal
また、手差し給紙ユニット１７から搬送される用紙は、複数の搬送ローラｒによってレジストローラ１９まで搬送される。それ以降の用紙搬送動作は、上述した内部給紙ユニット１６から供給される用紙と同様の経過を経て排紙トレイ１８に排出される。
Further, the sheet conveyed from the manual
一方、両面印字の場合は、上記のようにして片面印字が終了して定着ユニット１５を通過した用紙は、排紙ローラ１８ａに搬送され、後端が排紙ローラ１８ａにてチャックされる。次に、用紙は、排紙ローラ１８ａが逆回転することによって搬送ローラｒに導かれ、再びレジストローラ１９を経て裏面印字が行われた後に、排紙トレイ１８に排出される。
On the other hand, in the case of double-sided printing, the paper that has completed single-sided printing and has passed through the fixing
次に、画像形成装置１００における画像形成の行程について説明する。
可視像形成ユニットｐａ，ｐｂ，ｐｃ，ｐｄにおいて行われる画像形成は同様に行われるため、可視像形成ユニットｐａを例に挙げて説明する。
Next, an image forming process in the
Since image formation performed in the visible image forming units pa, pb, pc, pd is performed in the same manner, the visible image forming unit pa will be described as an example.
可視像形成ユニットｐａでは、感光体ドラム１０１ａ表面を帯電ユニット１０３ａにより一様に帯電した後、光学系ユニットＥにより感光体ドラム１０１ａ表面を画像情報に応じてレーザ露光することにより静電潜像を形成する。
In the visible image forming unit pa, the surface of the
その後、現像ユニット１０２ａにより感光体ドラム１０１ａ上の静電潜像に基づきトナー像を現像する。感光体ドラム１０１ａ上で顕像化されたトナー画像は、トナーとは逆極性のバイアス電圧が印加された一次転写ユニット１３ａにより中間転写ベルト１１上に転写される。
Thereafter, the developing
他の３組の可視像形成ユニットｐｂ，ｐｃ，ｐｄにおいても、可視像形成ユニットｐａと同様に画像形成が行われて、トナー画像が順次中間転写ベルト１１上で重ねて転写されるようになっている。
In the other three sets of visible image forming units pb, pc, and pd, image formation is performed in the same manner as the visible image forming unit pa so that the toner images are sequentially transferred on the
中間転写ベルト１１上に形成されたトナー画像は、二次転写ユニット１４において、内部給紙ユニット１６の給紙ローラ１６ａまたは手差し給紙ユニット１７の給紙ローラ１７ａにより給紙され、二次転写ユニット１４において、トナー画像とは逆極性のバイアス電圧が印加された用紙に転写される。
The toner image formed on the
トナー画像が転写された用紙は、定着ユニット１５に搬送され、定着ユニット１５においてレーザ照射により未定着トナー像が加熱されて用紙上に融着された後、排紙ローラ１８ａにより外部の排紙トレイ１８上に排出される。
The sheet on which the toner image has been transferred is conveyed to the fixing
次に、第１実施形態に係る特徴的な定着ユニット１５の構成について図面を参照して詳細に説明する。
図２は第１実施形態に係る定着ユニットの構成を示す説明図、図３は前記定着ユニットを構成するレーザヘッドの構成を示す正面から見た説明図、図４は前記レーザヘッドの構成を示す側面から見た説明図である。
Next, the characteristic configuration of the fixing
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the fixing unit according to the first embodiment, FIG. 3 is an explanatory diagram viewed from the front illustrating the configuration of the laser head that configures the fixing unit, and FIG. 4 illustrates the configuration of the laser head. It is explanatory drawing seen from the side.
定着ユニット１５は、図２に示すように、レーザヘッド（レーザ照射手段）１５ａと、用紙搬送装置（記録媒体搬送手段）１５ｂとを備えている。
As shown in FIG. 2, the fixing
この定着ユニット１５は、用紙Ｐの表面に形成された未定着トナー画像をレーザ光によって溶融させて用紙Ｐに定着させるものである。
具体的には、用紙搬送装置１５ｂ上のレーザ光が照射されるレーザ照射部１５ｃに所定の定着速度と複写速度とにより未定着トナー像を担持した用紙が用紙搬送装置１５ｂにより搬送され、レーザヘッド１５ａから照射されるレーザ光によってトナーが溶融することで定着が行われる。
図中の符号Ｔ１は未定着トナー、Ｔ２は定着したトナーをそれぞれ示すものである。
The fixing
Specifically, a paper carrying an unfixed toner image at a predetermined fixing speed and a copying speed is conveyed to the
In the figure, reference numeral T1 denotes unfixed toner, and T2 denotes fixed toner.
本実施形態の画像形成装置１００では、最大定着速度２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）、最大複写速度５０枚／分（Ａ４横送り）であり、後述するように定着ユニット１５における定着速度（複写速度）が画像パターンにより可変制御される。
In the
未定着トナー画像は、例えば、非磁性トナーを含む非磁性１成分現像剤、非磁性トナーおよびキャリアを含む非磁性２成分現像剤、磁性トナーを含む磁性現像剤などの現像剤に含まれるトナーで形成される。そして、カラートナー（イエロー，マゼンタ，シアン）はモノクロトナーに比べてレーザ光の光吸収率が低いことから、赤外線吸収剤を添加することでモノクロトナーと同じ光吸収率を確保している。 An unfixed toner image is, for example, toner contained in a developer such as a non-magnetic one-component developer containing non-magnetic toner, a non-magnetic two-component developer containing non-magnetic toner and carrier, and a magnetic developer containing magnetic toner. It is formed. Since color toners (yellow, magenta, cyan) have a lower light absorption rate of laser light than monochrome toners, the same light absorption rate as that of monochrome toners is ensured by adding an infrared absorber.
カラートナーは、例えば、カラートナーのメインバインダーレジン１００重量部に対して、赤外線吸収剤であるフタロシアニンが１重量部から５重量部が内添されたものが用いられている。また、フタロシアニン以外にポリメチン、シアニン、オニウム、ニッケル錯体等を用いることもできるし、併用することもできる。 As the color toner, for example, one in which 1 to 5 parts by weight of phthalocyanine as an infrared absorber is internally added to 100 parts by weight of the main binder resin of the color toner is used. In addition to phthalocyanine, polymethine, cyanine, onium, nickel complex and the like can be used, or can be used in combination.
まず、用紙搬送装置１５ｂについて説明する。
用紙搬送装置１５ｂは、図２に示すように、搬送ベルト１５ｂ１、駆動ローラ１５ｂ２、従動ローラ１５ｂ３、吸着チャージャー１５ｂ４、分離チャージャー１５ｂ５、除電チャージャー１５ｂ６、分離爪１５ｂ７、駆動モータ（図示省略）を備えている。
First, the
As shown in FIG. 2, the
搬送ベルト１５ｂ１は、ベルト厚７５（μｍ）、体積抵抗率１×１０１６（Ω・ｃｍ）のポリイミド樹脂からなり、駆動ローラ１５ｂ２と従動ローラ１５ｂ３に張架されている。駆動ローラ１５ｂ２は、図示しない駆動モータにより、任意の速度で回転駆動するよう構成されている。すなわち、搬送ベルト１５ｂ１は、駆動ローラ１５ｂ２の回転により矢印方向に任意の速度で搬送される。また、搬送ベルト１５ｂ１の周囲には、吸着チャージャー１５ｂ４、分離チャージャー１５ｂ５、除電チャージャー１５ｂ６、分離爪１５ｂ７が設けられている。 The conveyor belt 15b1 is made of polyimide resin having a belt thickness of 75 (μm) and a volume resistivity of 1 × 10 16 (Ω · cm), and is stretched between the driving roller 15b2 and the driven roller 15b3. The drive roller 15b2 is configured to be rotationally driven at an arbitrary speed by a drive motor (not shown). That is, the conveyance belt 15b1 is conveyed at an arbitrary speed in the direction of the arrow by the rotation of the driving roller 15b2. In addition, an adsorption charger 15b4, a separation charger 15b5, a charge removal charger 15b6, and a separation claw 15b7 are provided around the transport belt 15b1.
このように構成された用紙搬送装置１５ｂにおいて、二次転写ユニット１４から搬送されてきた未定着トナー像が形成された用紙Ｐは、従動ローラ１５ｂ３上の搬送ベルト１５ｂ１と吸着チャージャー１５ｂ４の間に搬送される。
In the
従動ローラ１５ｂ３は、導電性材料で構成されて接地されている。この従動ローラ１５ｂ３に対向する位置で、吸着チャージャー１５ｂ４によって用紙に電荷を与えることで、用紙Ｐと搬送ベルト１５ｂ１とは、それぞれ誘電分極を起こす。これにより、用紙Ｐは、搬送ベルト１５ｂ１上に静電吸着される。 The driven roller 15b3 is made of a conductive material and is grounded. By applying a charge to the sheet by the suction charger 15b4 at a position facing the driven roller 15b3, the sheet P and the conveyance belt 15b1 each cause dielectric polarization. As a result, the paper P is electrostatically adsorbed on the transport belt 15b1.
用紙Ｐは、駆動ローラ１５ｂ２の駆動によってレーザ光が照射されるレーザ照射部１５ｃに搬送される。レーザ照射部１５ｃにおいて、用紙Ｐ上の未定着トナー像は、レーザヘッド１５ａによって画像情報に応じてレーザ照射されることにより溶融して用紙Ｐに定着する。
The paper P is conveyed to a
そして、レーザ照射部１５ｃにおいて、トナー画像の定着を終了した用紙Ｐは、搬送ベルト１５ｂ１に静電吸着された状態で、分離チャージャー１５ｂ５と駆動ローラ１５ｂ２との間に搬送される。
Then, in the
駆動ローラ１５ｂ２は、導電性材料で構成され接地されている。分離チャージャー１５ｂ５によって用紙Ｐ上を除電することで、搬送ベルト１５ｂ１と用紙Ｐとの間の静電吸着力が弱まる。 The drive roller 15b2 is made of a conductive material and is grounded. By removing the charge on the sheet P by the separation charger 15b5, the electrostatic adsorption force between the conveyance belt 15b1 and the sheet P is weakened.
その状態で搬送ベルト１５ｂ１が、駆動ローラ１５ｂ２に沿って大きな曲率で回動することにより、用紙Ｐは、その先端部が搬送ベルト１５ｂ１から浮き上がり、さらに、分離爪１５ｂ７により完全に搬送ベルト１５ｂ１から分離される。用紙Ｐが剥離された搬送ベルト１５ｂ１は、除電チャージャー１５ｂ６により外面および内面が除電された後、再び用紙Ｐの吸着位置へ移動される。 In this state, the conveyance belt 15b1 rotates with a large curvature along the driving roller 15b2, so that the leading edge of the paper P is lifted from the conveyance belt 15b1, and is further completely separated from the conveyance belt 15b1 by the separation claw 15b7. Is done. The transport belt 15b1 from which the paper P has been peeled is moved to the suction position of the paper P again after the outer surface and the inner surface are discharged by the charge removing charger 15b6.
次に、特徴的なレーザヘッド１５ａの構成について説明する。
レーザヘッド１５ａは、レーザ照射部１５ｃにおいて未定着トナー像にレーザ光を照射し、トナーを用紙に定着させるものである。
Next, a characteristic configuration of the
The
レーザヘッド１５ａは、図２〜図４に示すように、複数の半導体レーザ素子１５ａ１を長手方向（用紙搬送方向に対して直角方向）に一列状に配列した半導体レーザアレイ１５ａａ、フォトダイオード１５ａ２、シリコン基板１５ａ３、ヒートシンク（放熱板）１５ａ９及び温度センサ１５ａ１０を備えている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
フォトダイオード１５ａ２は、受光素子であるモニター用フォトダイオードである。シリコン基板１５ａ３は、ワイヤーボンド線１５ａ４により表面電極１５ａ５に配線され、セラミック基板１５ａ６に取付けられている。 The photodiode 15a2 is a monitoring photodiode that is a light receiving element. The silicon substrate 15a3 is wired to the surface electrode 15a5 by the wire bond line 15a4 and attached to the ceramic substrate 15a6.
半導体レーザアレイ１５ａａは、波長７８０（ｎｍ）で、１個の定格出力が１５０（ｍＷ）の半導体レーザ素子１５ａ１を１，０００個配列したものが用いられている。この時、各半導体レーザ素子１５ａ１の配列ピッチｐは、０．３（ｍｍ）でレーザスポット径ｄも０．３（ｍｍ）となる。 As the semiconductor laser array 15aa, an array of 1,000 semiconductor laser elements 15a1 having a wavelength of 780 (nm) and one rated output of 150 (mW) is used. At this time, the arrangement pitch p of the semiconductor laser elements 15a1 is 0.3 (mm) and the laser spot diameter d is also 0.3 (mm).
ヒートシンク１５ａ９は、アルミニウム合金製でベースサイズが３０（ｍｍ）×３０（ｍｍ）、高さ２０（ｍｍ）、熱抵抗１．６（℃／Ｗ）のヒートシンク（（株）アルファ社製：ＵＢ３０−２０Ｂ）を計１０個一列に並べたもの（トータルの熱抵抗０．１６（℃／Ｗ））を用いている。 The heat sink 15a9 is made of an aluminum alloy and has a base size of 30 (mm) × 30 (mm), a height of 20 (mm), a heat resistance of 1.6 (° C./W) (manufactured by Alpha Co., Ltd .: UB30- 20B) arranged in a row (total thermal resistance 0.16 (° C./W)).
更に、レーザヘッド１５ａの詳細構成について説明する。
レーザヘッド１５ａは、図３，図４に示すように、入力された信号によりレーザ光出力を可変したり、受光素子であるモニター用のフォトダイオード１５ａ２からの信号によりレーザ出力を一定に保持したりするための制御回路（図示せず）とフォトダイオード１５ａ２とがモノシリックに形成されたシリコン基板１５ａ３に、半導体レーザ素子（チップ）１５ａ１をマウントして、半導体レーザ素子１５ａ１とシリコン基板１５ａ３との間をワイヤーボンド線１５ａ４等により電気的接続している。
Further, the detailed configuration of the
As shown in FIGS. 3 and 4, the
半導体レーザ素子１５ａ１を具備したシリコン基板１５ａ３は、セラミック基板１５ａ６上に複数個取り付けられ、ワイヤーボンディング等によりセラミック基板１５ａ６の表面電極１５ａ５とシリコン基板１５ａ３上の電極との間を電気的接続している。 A plurality of silicon substrates 15a3 having the semiconductor laser element 15a1 are mounted on the ceramic substrate 15a6, and the surface electrode 15a5 of the ceramic substrate 15a6 and the electrode on the silicon substrate 15a3 are electrically connected by wire bonding or the like. .
この複数個のレーザ装置（半導体レーザ素子１５ａ１を具備したシリコン基板１５ａ３）が並んだセラミック基板１５ａ６には、ヒートシンク１５ａ９と、複数個の集光光学系としての複数の凸レンズ１５ａ８とが保持されたレンズホルダ１５ａ７が設けられている。 A lens on which a heat sink 15a9 and a plurality of convex lenses 15a8 serving as a plurality of condensing optical systems are held on a ceramic substrate 15a6 on which a plurality of laser devices (silicon substrate 15a3 having semiconductor laser elements 15a1) are arranged. A holder 15a7 is provided.
更に、図２に示すように、セラミック基板１５ａ６上には、レーザヘッド１５ａの温度を測定するためのサーミスタからなる温度センサ１５ａ１０が取り付けられている。
Further, as shown in FIG. 2, a temperature sensor 15a10 made of a thermistor for measuring the temperature of the
温度センサ１５ａ１０は、定着ユニット１５の長手方向（用紙搬送方向に対して用紙Ｐの表面に沿って垂直方向）の略中央の位置に配置されている。そして、温度センサ１５ａ１０により検出された温度データに基づいて、制御回路（図示せず）により半導体レーザ素子１５ａ１に印加する電圧（或いはレーザー素子１５ａ１に流れる電流）を制御するようにされている。
以上のように、本実施形態に係るレーザヘッド１５ａが構成されている。
The temperature sensor 15a10 is disposed at a substantially central position in the longitudinal direction of the fixing unit 15 (perpendicular to the sheet conveyance direction along the surface of the sheet P). Based on the temperature data detected by the temperature sensor 15a10, a voltage (or current flowing through the laser element 15a1) applied to the semiconductor laser element 15a1 is controlled by a control circuit (not shown).
As described above, the
尚、第１実施形態のレーザヘッド１５ａにおける複数の凸レンズ１５ａ８とレンズホルダ１５ａ７との構成は、各凸レンズ１５ａ８を樹脂ホルダ等に組み込んだものよりも、樹脂によるレンズ及びレンズホルダを一体成形したものや、平板ガラスをレンズ状にイオン交換して製造される平板マイクロレンズなどのレンズアレイとしたものの方が、価格や工程、組立精度に関して有利である。
Note that the configuration of the plurality of convex lenses 15a8 and the lens holder 15a7 in the
また、第１実施形態では、レーザヘッド１５ａの構成として、凸レンズ１５ａ８を用いているが、凸レンズ１５ａ８等の集光光学系を無くし、平行光の状態でトナー画像にレーザを照射することも可能である。
In the first embodiment, the convex lens 15a8 is used as the configuration of the
次に、第１実施形態の定着ユニット１５の制御方法について図面を参照して説明する。
図５は第１実施形態の定着ユニットにおいて画像情報に基づきレーザヘッド及び用紙搬送装置の動作を制御する制御システムの構成を示すブロック図、図６は前記定着ユニットにおいて画像情報及びレーザヘッドの温度に基づきレーザヘッド及び用紙搬送装置の動作を制御する制御システムの構成を示すブロック図、図７〜図９は前記定着ユニットにおける原稿の印字率及びドット印字率の条件と、その条件の際に必要となるレーザビームのエネルギー密度及び平均消費電力の関係を示す表、図１０はレーザヘッドに取り付けた温度センサの検知温度と用紙搬送速度との関係を示す表である。
Next, a method for controlling the fixing
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of a control system that controls the operation of the laser head and the paper transport device based on image information in the fixing unit of the first embodiment, and FIG. 6 shows the image information and the temperature of the laser head in the fixing unit. FIG. 7 to FIG. 9 show the conditions of the document printing rate and the dot printing rate in the fixing unit, and are necessary for the conditions. FIG. 10 is a table showing the relationship between the temperature detected by the temperature sensor attached to the laser head and the sheet conveyance speed.
まず、定着ユニット１５の制御システムの構成について説明する。
定着ユニット１５の制御システムは、図５に示すように、レーザヘッド１５ａのレーザ出力を制御するレーザ出力制御機能（レーザ出力制御手段）１５１ａと用紙搬送装置１５ｂの用紙搬送速度を制御する用紙搬送速度制御機能（速度制御手段）１５１ｂとを有する制御装置１５１を備え、図示しない画像情報検出手段からの画像情報１５２に基づきレーザヘッド１５ａ及び用紙搬送装置１５ｂの動作を制御するようにされている。
First, the configuration of the control system of the fixing
As shown in FIG. 5, the control system of the fixing
画像情報１５２としては、（１）未定着トナー画像の画像濃度、（２）トナー画像が形成される原稿の印字率、等の情報が含まれている。
The
未定着トナー画像の画像濃度は、画像の空隙率やドット印字率により示すことができる。また、トナー画像が形成される原稿の印字率により、未定着トナー画像が存在しているか否かを判定することができる。 The image density of the unfixed toner image can be indicated by the void ratio or dot printing ratio of the image. Further, whether or not an unfixed toner image exists can be determined based on the printing rate of the document on which the toner image is formed.
また、定着ユニット１５において、レーザヘッド１５ａの温度状態に応じてレーザヘッド１５ａ及び用紙搬送装置１５ｂの動作を制御する場合は、図６に示すように、図５に示す構成に加えて、温度センサ１５ａ１を備え、温度センサ１５ａ１０により検出されたレーザヘッド１５ａの温度に基づき用紙搬送装置１５ｂによる用紙搬送速度を制御するようにされている。
Further, in the fixing
ここで、図７〜図９に示す表に用いられる用語について説明する。
「原稿印字率」とは、１ページの原稿における平均の印字率（マクロな印字率）であり、具体的には原稿全体の面積に対する印字（画像）部分の面積の割合を示したものである。
Here, terms used in the tables shown in FIGS. 7 to 9 will be described.
The “document printing rate” is an average printing rate (macro printing rate) of a one-page document, and specifically indicates the ratio of the area of the print (image) portion to the area of the entire document. .
「ドット印字率」とは、各レーザ素子のレーザ照射部におけるミクロな印字率であり、具体的にはレーザスポット径（第１実施形態ではφ０．３（ｍｍ）とする）の面積に対する印字（画像）部分の面積の割合を示したものである。例えば、ソリッド画像の場合は１００（％）、ハーフトーン画像の場合、１ｂｙ１画像では５０（％）、１ｂｙ２画像では３３（％）、１ｂｙ３画像では２５（％）となる。 The “dot printing rate” is a micro printing rate in the laser irradiation portion of each laser element, and specifically, printing on the area of the laser spot diameter (in the first embodiment, φ0.3 (mm)) ( The ratio of the area of the (image) portion is shown. For example, 100 (%) for a solid image, 50 (%) for a 1-by1 image, 33 (%) for a 1-by2 image, and 25 (%) for a 1-by3 image.
「必要エネルギー密度」とは、各画像パターンに対し、十分な定着強度を得るために必要なレーザ出力から単位面積当たりのエネルギー密度を算出したものである。例えば、用紙搬送速度がＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）、画像領域幅がＬ（ｍｍ）、必要なレーザ出力がＰ（Ｗ）としたとき、必要エネルギー密度Ｅ（Ｊ／ｃｍ２）は、
Ｅ＝１００＊Ｐ／（Ｖ・Ｌ）
となる。
“Necessary energy density” is obtained by calculating the energy density per unit area from the laser output necessary to obtain sufficient fixing strength for each image pattern. For example, when the paper conveyance speed is V (mm / sec), the image area width is L (mm), and the necessary laser output is P (W), the required energy density E (J / cm 2 ) is
E = 100 * P / (V · L)
It becomes.
「レーザ平均出力」とは、１ページの原稿を定着する際に必要となるレーザの平均出力のことである。例えば、用紙搬送速度がＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）、画像領域幅がＬ（ｍｍ）、原稿の画像が全てソリッド画像でその原稿印字率がＲｔ（％）、ソリッド画像に対する必要エネルギー密度がＥ（Ｊ／ｃｍ２）とした場合、レーザ平均出力Ｐa（Ｗ）は、
Ｐａ＝Ｒｔ＊Ｅ＊（Ｖ・Ｌ）／１００００
となる。
“Laser average output” refers to the average output of the laser that is required when fixing one page of the document. For example, the paper conveyance speed is V (mm / sec), the image area width is L (mm), all the original images are solid images, the original print rate is Rt (%), and the required energy density for the solid images is E (J / Cm 2 ), the laser average output Pa (W) is
Pa = Rt * E * (V · L) / 10000
It becomes.
また、図７〜図１０における制御条件の違いは、以下に示す表の通りである。表中の、「○」は、その制御方法を使用しているもの、「（○）」は、その制御方法を使用しているかどうかは任意のもの、「−」は、その制御方法を使用していないものをそれぞれ表している。 Moreover, the difference of the control conditions in FIGS. 7-10 is as the table | surface shown below. In the table, “○” indicates that the control method is used, “(○)” indicates whether or not the control method is used, and “-” indicates that the control method is used. Represents what is not.
以下に、上記表に示す４つの制御方法について説明する。
（１）「用紙搬送速度制御」とは、原稿の印字率や原稿内の画像の最小濃度、或いはレーザヘッドの温度測定データに基づいて、用紙搬送速度を０〜２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）の間で可変制御する制御方法のことである。尚、用紙搬送速度が０（ｍｍ／ｓｅｃ）とは画像形成を一旦停止することを意味する。
Hereinafter, the four control methods shown in the above table will be described.
(1) “Paper transport speed control” means that the paper transport speed is between 0 and 225 (mm / sec) based on the printing rate of the document, the minimum density of the image in the document, or the temperature measurement data of the laser head. This is a control method for variably controlling with. Note that the sheet conveyance speed of 0 (mm / sec) means that image formation is temporarily stopped.
（２）「トナー画像選択加熱制御」とは、用紙上のトナー画像が存在する部分にのみレーザをＯＮして照射する制御方法のことである。具体的には、各半導体レーザ素子のレーザ照射部において、トナー画像が存在する場合にレーザ出力をＯＮ、トナー画像が存在しない場合にレーザ出力をＯＦＦする。 (2) “Toner image selective heating control” is a control method in which a laser is turned on and irradiated only on a portion where a toner image exists on a sheet. Specifically, in the laser irradiation section of each semiconductor laser element, the laser output is turned on when the toner image exists, and the laser output is turned off when the toner image does not exist.
（３）「画像濃度補正制御」とは、用紙上のトナー画像の濃度に基づいてレーザ出力を可変制御する制御方法のことである。具体的には、各レーザ素子のレーザ照射部における画像のドット印字率（或いは空隙率）に応じてレーザ出力を可変制御する。 (3) “Image density correction control” is a control method for variably controlling the laser output based on the density of the toner image on the paper. Specifically, the laser output is variably controlled according to the dot printing rate (or void ratio) of the image in the laser irradiation part of each laser element.
ここで、画像の空隙率とレーザ出力との関係について図面を参照して説明する。図１１は第１実施形態の定着ユニットにおける画像の空隙率と必要エネルギー密度との関係を示すグラフである。 Here, the relationship between the porosity of the image and the laser output will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a graph showing the relationship between the porosity of the image and the required energy density in the fixing unit of the first embodiment.
空隙率とは、レーザビームのスポット径（本実施例ではφ０．３（ｍｍ））の領域において、ドットが印字されていない領域の割合であり、空隙率をＲｐとすると、
ドット印字率をＲｔ（％）とした場合、
Ｒｐ（％）＝１００−Ｒｔ（％）
で表される。
The porosity is the ratio of the area where dots are not printed in the area of the laser beam spot diameter (φ0.3 (mm) in the present embodiment). When the porosity is Rp,
When the dot printing rate is Rt (%),
Rp (%) = 100−Rt (%)
It is represented by
定着ユニット１５においては、図１１に示すように、ソリッド画像（空隙率０％）では０．４（Ｊ／ｃｍ２）のエネルギー密度で定着が可能であるものの、ハーフトーン画像では空隙率が大きくなる（濃度が低くなる）ほど、必要なエネルギー密度は大きくなり、最大０．８（Ｊ／ｃｍ２）と、ソリッド画像の２倍のエネルギー密度が必要となることがわかる。
As shown in FIG. 11, the fixing
この理由としては、あるひとつのドットに着目した場合、ソリッド画像では用紙に対しては、このドットの直下にある部分に対してのみ熱が逃げるものの、ハーフトーン画像のような濃度の低い（ドット印字率の低い＝画像の空隙率の高い）画像では、このドットの直下だけでなく自分の周囲の領域の用紙に対しても熱が逃げることから、ソリッド画像のような濃度の高い画像に比べて用紙に逃げる熱の割合が相対的に大きくなる。そのため、定着エネルギーが多く必要となる。 The reason for this is that when attention is paid to a single dot, in a solid image, heat escapes only to the portion immediately below the dot, but the density is low as in a halftone image (dots). In an image with a low printing rate = a high image void ratio, heat escapes not only directly under the dots but also to the paper in the surrounding area. Compared to a high-density image such as a solid image. As a result, the rate of heat escaping to the paper becomes relatively large. Therefore, a large amount of fixing energy is required.
（４）「レーザヘッド温度による制御」とは、レーザヘッド１５ａに取り付けた温度センサ１５ａ１０の温度情報をフィードバックして、用紙搬送装置１５ｂによる用紙搬送速度を可変制御する制御方法のことである。
(4) “Control by laser head temperature” is a control method in which the temperature information of the temperature sensor 15a10 attached to the
次に、第1実施形態の定着ユニット１５において、上記制御方法による実験結果について比較する。
Next, in the fixing
（比較例１）
図７は、上記４つの制御方法を全く使用していない従来のレーザ定着装置での制御方法による比較例１の実験結果である。
(Comparative Example 1)
FIG. 7 shows the experimental results of Comparative Example 1 by the control method in the conventional laser fixing apparatus that does not use the above four control methods at all.
具体的には、レーザヘッドのレーザ出力は、図７に示すように、原稿印字率やドット印字率に関係なく、常に定格出力の１５０（Ｗ）でＯＮすることから、レーザの平均出力としては１５０（Ｗ）となる。また、用紙搬送速度は、一律６２．５（ｍｍ／ｓｅｃ）に減速しないと対応できない（それ以上速い条件では１５０（Ｗ）のレーザ定格出力では定着できない）ことがわかる。従って、比較例１の制御方法では、用紙搬送速度としては通常速度の２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）には対応できない。 Specifically, as shown in FIG. 7, the laser output of the laser head is always ON at the rated output of 150 (W) regardless of the document printing rate and the dot printing rate. 150 (W). Further, it can be seen that the paper conveyance speed cannot be dealt with unless it is uniformly reduced to 62.5 (mm / sec) (if it is faster than that, it cannot be fixed with a laser rated output of 150 (W)). Therefore, the control method of Comparative Example 1 cannot cope with the normal speed of 225 (mm / sec) as the paper transport speed.
また、通常、半導体レーザのエネルギー変換効率は５０（％）程度であることから、半導体レーザの平均出力が１５０（Ｗ）の場合、同じ１５０（Ｗ）がレーザ素子（レーザヘッド）での自己発熱となる。一方、一般的にレーザ素子の耐熱温度は４０（℃）で、雰囲気温度はＨＨ環境（高温、高湿環境）では最大３５（℃）まで上昇することから、レーザ素子の自己発熱による温度上昇としては５（℃）以下に抑える必要がある。このため、比較例１ではヒートシンクなどの簡易な空冷式の冷却手段を用いることができず、水冷式（チラー）や熱を移行させるペルチエ素子などの複雑で高価な冷却手段が必要となる。 Further, since the energy conversion efficiency of a semiconductor laser is usually about 50 (%), when the average output of the semiconductor laser is 150 (W), the same 150 (W) is self-generated by the laser element (laser head). It becomes. On the other hand, the heat resistance temperature of a laser element is generally 40 (° C.), and the ambient temperature rises to a maximum of 35 (° C.) in an HH environment (high temperature, high humidity environment). Must be suppressed to 5 (° C.) or less. For this reason, in Comparative Example 1, a simple air-cooled cooling means such as a heat sink cannot be used, and a complicated and expensive cooling means such as a water-cooled type (chiller) or a Peltier element for transferring heat is required.
（実施例１−１）
図８は、上記４つの制御方法のうち、「用紙搬送速度制御」と「トナー画像選択加熱制御」の２つを使用した場合のレーザ定着装置での制御方法による実施例１−１の実験結果である。
用紙搬送速度制御としては、図８に示すように、原稿印字率に応じて２２５〜１２.５（ｍｍ／ｓｅｃ）の間で７段階で制御を行っている。
(Example 1-1)
FIG. 8 shows the experimental results of Example 1-1 according to the control method in the laser fixing device when using “paper transport speed control” and “toner image selective heating control” among the above four control methods. It is.
As the paper conveyance speed control, as shown in FIG. 8, control is performed in seven steps between 225 and 12.5 (mm / sec) in accordance with the document printing rate.
実施例１−１の制御方法によれば、図８に示すように、用紙搬送速度としては通常速度である２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）に対応できる条件が存在することがわかる（グレー色で示す原稿印字率が０〜５（％）の部分）。 According to the control method of Example 1-1, as shown in FIG. 8, it can be seen that there is a condition that can correspond to the normal speed of 225 (mm / sec) as the paper transport speed (originals shown in gray) The part where the printing rate is 0 to 5 (%)).
原稿印字率が５（％）以上の場合は、用紙搬送速度を（最大で１２．５（ｍｍ／ｓｅｃ）まで）減速する必要があるものの、通常のモノクロの文字原稿の場合は、平均的な印字率としては５（％）程度であり、このような制御を行っても、実使用においては特に大きくスループット（ジョブ効率）が低下する訳ではない。 When the document printing rate is 5 (%) or more, it is necessary to reduce the sheet conveyance speed (up to 12.5 (mm / sec) at the maximum). The printing rate is about 5 (%), and even if such control is performed, the throughput (job efficiency) is not particularly reduced in actual use.
また、レーザ平均出力は２７〜３０（Ｗ）であり、レーザ素子での自己発熱も２７〜３０（Ｗ）、平均２９．６（Ｗ）となることから、比較例１（自己発熱１５０（Ｗ））に比べて、自己発熱量を約１／５に抑制することができる。その結果、第１実施形態の定着ユニット１５のような自然空冷タイプの簡易なヒートシンク（トータル熱抵抗０．１６（℃／Ｗ））１５ａ９を用いても、温度上昇を５（℃）以内（０．１６（℃／Ｗ）×３０（Ｗ）＝４.８（℃））に抑えることができる。
Further, the laser average output is 27 to 30 (W), the self-heating in the laser element is 27 to 30 (W), and the average is 29.6 (W), so Comparative Example 1 (self-heating 150 (W) )), The self-heating value can be suppressed to about 1/5. As a result, even if a natural air-cooling type simple heat sink (total thermal resistance 0.16 (° C./W)) 15a9 like the fixing
（実施例１−２）
図９は、図８に示す実施例１−１の制御方法に対し、更に「画像濃度補正制御」を加えた場合の制御方法による実施例１−２の実験結果である。
画像濃度補正制御としては、図９に示すように、ドット印字率に応じて０．８〜０．４（ｍｍ／ｓｅｃ）の間で５段階で制御を行っている。
(Example 1-2)
FIG. 9 shows the experimental results of Example 1-2 according to the control method when “image density correction control” is further added to the control method of Example 1-1 shown in FIG.
As the image density correction control, as shown in FIG. 9, the control is performed in five stages between 0.8 and 0.4 (mm / sec) according to the dot printing rate.
実施例１−２によれば、図９に示すように、実施例１−１の制御方法に比べて、２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）の用紙搬送速度に対応できる領域（グレー色の部分）が更に広がっている。 According to Example 1-2, as shown in FIG. 9, as compared with the control method of Example 1-1, an area (gray color portion) that can correspond to a sheet conveyance speed of 225 (mm / sec) is further provided. It has spread.
また、減速しなければならない領域についても、減速率が実施例１−１より小さく（例えば、原稿印字率１１〜２０（％）、ドット印字率１００〜８１（％）の場合、実施例１−１では６２．５（ｍｍ／ｓｅｃ）まで減速する必要があるものの、実施例１−２では１２５（ｍｍ／ｓｅｃ）で収まる。）、実施例１−１に比べてスループットが向上することがわかる。 Also, in the region where deceleration is required, the deceleration rate is smaller than that of Example 1-1 (for example, when the document printing rate is 11 to 20 (%) and the dot printing rate is 100 to 81 (%), Example 1). In Example 1, it is necessary to decelerate to 62.5 (mm / sec), but in Example 1-2, it falls within 125 (mm / sec).) However, it can be seen that the throughput is improved as compared with Example 1-1. .
また、レーザ平均出力は１３．５〜３０（Ｗ）であり、レーザ素子での自己発熱も１３．５〜３０（Ｗ）、平均２８．５（Ｗ）となることから、実施例１−１（自己発熱２７〜３０（Ｗ）、平均２９．６（Ｗ））に比べて、さらに自己発熱量を抑制することができる。 Further, the laser average output is 13.5 to 30 (W), and the self-heating in the laser element is 13.5 to 30 (W), and the average is 28.5 (W). Compared to (self-heating 27-30 (W), average 29.6 (W)), the amount of self-heating can be further suppressed.
（実施例１−３）
図１０は、「レーザヘッド温度による制御」を行う場合の制御方法による実施例１−３の制御仕様を示した表である。この制御の場合は、実施例１−１や実施例１−２とは異なり、原稿印字率やドット印字率から用紙搬送速度を決定するのではなく、レーザヘッド１５ａの温度を温度センサ１５ａ１０により直接計測することで、用紙搬送装置１５ｂによる用紙搬送速度を決定するものである。
(Example 1-3)
FIG. 10 is a table showing the control specifications of Example 1-3 according to the control method in the case of performing “control by laser head temperature”. In the case of this control, unlike the embodiment 1-1 and the embodiment 1-2, the temperature of the
すなわち、レーザヘッド１５ａの温度が低い場合（２５（℃）以下）は、通常の２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）で用紙搬送を行い、レーザヘッド１５ａの温度が２５（℃）より高くなるにつれて、徐々に用紙搬送速度の減速を行うようにしている。そして、レーザヘッド１５ａの耐熱限界温度である４１（℃）以上になると、ジョブを一旦停止し、レーザヘッドの温度が４０（℃）以下になるまで待つようにしている。
That is, when the temperature of the
この実施例１−３の制御方法では、温度センサ１５ａ１０によりレーザヘッド１５ａの温度を直接検出し、その温度情報をフィードバックして用紙搬送装置１５ｂによる用紙搬送速度を制御することで、より最適な制御を行うことができる。
In the control method of the first to third embodiments, the temperature of the
例えば、原稿印字率が高かったり、ドット印字率が低かったりしても、レーザヘッド１５ａの温度自体が低ければ、用紙搬送速度を実施例１−１や実施例１−２より速くすることができ、実使用上のスループットが向上する。また、実施例１−３の制御方法は、「トナー画像選択加熱制御」や「画像濃度補正制御」を組み合わせて実施しても問題はない。
For example, even if the document printing rate is high or the dot printing rate is low, if the temperature of the
以上のように、第１実施形態によれば、定着ユニット１５に、用紙Ｐ上に形成される未定着トナー画像を形成する画像情報、すなわち、原稿印字率やドット印字率（画像空隙率）に基づいてレーザヘッド１５ａのレーザ出力を制御するレーザ出力制御機能１５１ａと、前記画像情報に基づいて用紙搬送装置１５ｂの用紙搬送速度を制御する用紙搬送速度制御機能１５１ｂとを具備する制御装置１５１を備えることで、前記画像情報に対応した最適なレーザ照射を行うことができるため、不要な半導体レーザ素子１５ａ１の発熱を抑制することができる。
As described above, according to the first embodiment, the image information for forming the unfixed toner image formed on the paper P in the fixing
更に、画像情報から半導体レーザ素子１５ａ１の過剰発熱が予想される場合には、用紙搬送速度を制御することにより、半導体レーザ素子１５ａ１の過剰発熱を抑制することができる。これにより、装置構成を簡単にできるので、小型を実現でき、エネルギーの効率化を図り、定着ユニット１５の長寿命化を実現できる。
Further, when excessive heat generation of the semiconductor laser element 15a1 is predicted from the image information, the excessive heat generation of the semiconductor laser element 15a1 can be suppressed by controlling the paper conveyance speed. As a result, the apparatus configuration can be simplified, so that the size can be reduced, energy efficiency can be improved, and the life of the fixing
また、第１実施形態によれば、レーザヘッド１５ａに温度センサ１５ａ１０を設けて、温度センサ１５ａ１０によるレーザヘッド１５ａの温度情報をフィードバックして用紙搬送装置１５ｂによる用紙搬送速度を制御することで、より最適な制御を行うことができる。
Further, according to the first embodiment, the temperature sensor 15a10 is provided in the
加えて、第１実施形態の定着ユニット１５では、安価な半導体レーザ素子１５ａ１を用いるため、ＣＯ２レーザのようなハイパワーで高コストのレーザを単独で用いる第２実施形態（後述）の定着ユニット１１５と比較して、定着ユニット１５の低コスト化を図ることができる。また、後述する第２実施形態のようにレーザ光を走査・集光させる必要もないため光学系を廃止できるので、省スペース化が図れるとともに光学系でのエネルギー損失を無くすことができる。更に、省スペース化により更に大きなサイズのヒートシンクを取り付けることができるので、レーザ素子の冷却性能を向上させることができる。
In addition, since the fixing
（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について図面を参照して説明する。
図１２は本発明の第２実施形態に係る定着ユニットを構成するレーザヘッドの構成を示す説明図である。
尚、第２実施形態の定着ユニットは、レーザヘッドの構成を除いては第１実施形態の構成と同じ構成を有することから、レーザヘッド以外の同一の構成を有するものは同一の符号を付することで説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a configuration of a laser head constituting the fixing unit according to the second embodiment of the present invention.
Since the fixing unit of the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except for the configuration of the laser head, components having the same configuration other than the laser head are denoted by the same reference numerals. The description will be omitted.
第２実施形態に係る定着ユニット１１５は、図１２に示すように、単一のレーザ光源１１３からのレーザ光を回転する多面体ミラー１１２により、用紙Ｐの横方向（主走査方向）に走査し、レーザ光の偏向により生じる収差を補正する補正レンズ１１４としてのｆθレンズや集光レンズにより用紙Ｐの全域に集光し、用紙Ｐを用紙搬送装置１５ｂにより縦方向に搬送することにより、用紙Ｐの全域に集光レーザ光を照射するレーザ照射機構１１５ａを備えている。
As shown in FIG. 12, the fixing
レーザ光源１１３としては、定格出力１５０（Ｗ）、波長１０．６（μｍ）、レーザスポット径φ１５０（μｍ）のＣＯ２レーザを用いている。
As the
ここで、レーザ光源１１３としてＣＯ２レーザを用いた場合の必要エネルギー密度について、半導体レーザの場合と比較して説明する。
Here, the required energy density when a CO 2 laser is used as the
図１３は、半導体レーザ（波長７８０（ｎｍ））とＣＯ２レーザ（波長１０．６（μｍ））とによるドット印字率に対する必要エネルギー密度を実験により求めた結果を示す表である。尚、この実験ではモノクロトナーを用いた。 FIG. 13 is a table showing the results of experimentally determining the required energy density with respect to the dot printing rate using a semiconductor laser (wavelength 780 (nm)) and a CO 2 laser (wavelength 10.6 (μm)). In this experiment, a monochrome toner was used.
図１３に示すように、半導体レーザでは、ドット印字率が小さくなるに連れて必要エネルギー密度が大きくなるのに対して、ＣＯ２レーザでは、ドット印字率に関係なく必要エネルギー密度が一定となる。 As shown in FIG. 13, in the semiconductor laser, the required energy density increases as the dot printing rate decreases, whereas in the CO 2 laser, the required energy density becomes constant regardless of the dot printing rate.
この理由について以下に説明する。
図１４は用紙表面におけるレーザ光の波長と吸光度との関係を示すグラフである。ここでは、赤外分光装置を用いて坪量６０（ｇ／ｍ２）のＰＰＣ用紙表面のＩＲスペクトルを１回反射ＡＴＲ法で測定した。
The reason for this will be described below.
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the wavelength of laser light and the absorbance on the paper surface. Here, the IR spectrum of the surface of PPC paper having a basis weight of 60 (g / m 2 ) was measured by a single reflection ATR method using an infrared spectrometer.
図１４に示すように、用紙表面は、波長９〜１１（μｍ）の領域で高い吸光度を示すことがわかる。すなわち、ＣＯ２レーザの場合、半導体レーザに比べて波長が長く、半導体レーザの波長７８０（ｎｍ）では用紙表面はレーザ光を吸収できないものの、ＣＯ２レーザの波長１０．６（μｍ）では用紙表面もレーザ光を吸収する。従って、ＣＯ２レーザを用いた場合、トナー画像がなく用紙表面が露出している部分では、用紙の表面が発熱し、トナーから用紙に逃げる熱が減少するため、レーザ出力が一定であっても、画像濃度に関係なく一定の定着性を確保することができる。 As shown in FIG. 14, it can be seen that the paper surface exhibits high absorbance in the wavelength region of 9 to 11 (μm). That is, in the case of the CO 2 laser, the wavelength is longer than that of the semiconductor laser, and the paper surface cannot absorb the laser beam at the semiconductor laser wavelength 780 (nm), but at the CO 2 laser wavelength 10.6 (μm), the paper surface. Also absorbs laser light. Therefore, when the CO 2 laser is used, the surface of the paper is exposed where there is no toner image and the surface of the paper is heated, and the heat that escapes from the toner to the paper is reduced. It is possible to ensure a fixed fixability regardless of the image density.
図１５は、半導体レーザ（波長７８０（ｎｍ））とＣＯ２レーザ（波長１０．６（μｍ））とで、モノクロトナーとカラートナー（イエロー、マゼンタ、シアン）に対する必要エネルギー密度を実験により求めた結果を示す表である。尚、この実験では、カラートナーは赤外線吸収剤を添加していないタイプのものを使用した。 FIG. 15 shows the required energy density for a monochrome toner and a color toner (yellow, magenta, cyan) obtained by experiments using a semiconductor laser (wavelength 780 (nm)) and a CO 2 laser (wavelength 10.6 (μm)). It is a table | surface which shows a result. In this experiment, a color toner to which no infrared absorber was added was used.
図１５に示すように、半導体レーザでは、モノクロトナーに比べてカラートナーでは必要エネルギー密度が大きくなることに対して、ＣＯ２レーザでは、モノクロトナー，カラートナーに関係なく必要エネルギー密度が一定となる。 As shown in FIG. 15, in the semiconductor laser, the required energy density of the color toner is larger than that of the monochrome toner, whereas in the CO 2 laser, the required energy density is constant regardless of the monochrome toner and the color toner. .
この理由について以下に説明する。
図１６は各色トナーにおけるレーザ光の波長と吸光度との関係を示すグラフである。ここでは、図１４と同様に赤外分光装置を用いて、各色トナーのＩＲスペクトルをＫＢｒ錠剤法で測定した。
The reason for this will be described below.
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the wavelength of laser light and the absorbance of each color toner. Here, the IR spectrum of each color toner was measured by the KBr tablet method using an infrared spectrometer as in FIG.
図１６に示すように、カラートナーは、波長５．５（μｍ）以下の短波長領域ではモノクロトナーに比べて吸光度が低いものの、波長５．５〜１１（μｍ）の長波長領域ではモノクロトナーと同等の高い吸光度を示すことがわかる。 As shown in FIG. 16, the color toner has a lower absorbance than the monochromatic toner in the short wavelength region of a wavelength of 5.5 (μm) or less, but the monochromatic toner in the long wavelength region of the wavelength of 5.5 to 11 (μm). As can be seen from FIG.
すなわち、ＣＯ２レーザの場合、半導体レーザに比べて波長が長く、半導体レーザの波長７８０（ｎｍ）ではカラートナーはレーザ光を吸収できないものの、ＣＯ２レーザの波長１０．６（μｍ）ではカラートナーもレーザ光を吸収する。従って、ＣＯ２レーザによれば、高価な赤外線吸収剤を添加しなくても、カラートナーを定着させることができる。 That is, in the case of the CO 2 laser, the wavelength is longer than that of the semiconductor laser, and the color toner cannot absorb the laser beam at the semiconductor laser wavelength 780 (nm), but the color toner at the CO 2 laser wavelength 10.6 (μm). Also absorbs laser light. Therefore, according to the CO 2 laser, the color toner can be fixed without adding an expensive infrared absorber.
次に、第２実施形態の定着ユニット１１５の制御方法について図面を参照して詳細に説明する。
図１７は第２実施形態の定着ユニットにおける原稿の印字率及びドット印字率の条件とレーザビームのエネルギー密度及び平均消費電力の関係を示す表である。
尚、第２実施形態で用いられる制御方法は、第１実施形態と同様であるため、詳細な説明についてはここでは省略する。
Next, a method for controlling the fixing
FIG. 17 is a table showing the relationship between the conditions of the document printing rate and dot printing rate, the energy density of the laser beam, and the average power consumption in the fixing unit of the second embodiment.
The control method used in the second embodiment is the same as that in the first embodiment, and a detailed description thereof is omitted here.
（実施例２）
図１７は、第１実施形態における実施例１−１（図８）における制御方法と同様に、前述した４つの制御方法のうち、「用紙搬送速度制御」と「トナー画像選択加熱制御」の２つを使用した場合のレーザ定着装置での制御方法による実施例２の実験結果である。
用紙搬送速度制御としては、図１７に示すように、原稿印字率に応じて２２５〜２５（ｍｍ／ｓｅｃ）の間で７段階で制御を行っている。
(Example 2)
FIG. 17 shows two of the four control methods described above, “paper transport speed control” and “toner image selective heating control”, as in the control method in Example 1-1 (FIG. 8) in the first embodiment. It is an experimental result of Example 2 by the control method in the laser fixing apparatus when using two.
As the paper conveyance speed control, as shown in FIG. 17, control is performed in seven stages between 225 and 25 (mm / sec) according to the document printing rate.
実施例２において、「画像濃度補正制御」を使用していない理由としては、上述のようにＣＯ２レーザの場合、画像濃度に関係なく、必要エネルギー密度が一定となるためである。 The reason why the “image density correction control” is not used in the second embodiment is that, as described above, in the case of the CO 2 laser, the required energy density is constant regardless of the image density.
実施例２によれば、図１７に示すように、実施例１−１や実施例１−２の制御方法に比べて、２２５（ｍｍ／ｓｅｃ）の用紙搬送速度に対応できる領域（グレー色の部分）が広がっている。 According to the second embodiment, as shown in FIG. 17, compared to the control method of the first and first embodiments and the first and second embodiments, an area (gray color) that can correspond to a sheet conveyance speed of 225 (mm / sec). Part) is spreading.
また、減速しなければならない領域についても、減速率が実施例１−１や実施例１−２より小さくて済み（例えば、原稿印字率１１〜２０（％）、ドット印字率２０〜０（％）の場合、実施例１−１や１−２では６２．５（ｍｍ／ｓｅｃ）まで減速する必要があるものの、実施例２では１２５（ｍｍ／ｓｅｃ）で収まる。）、実施例１−１や１−２に比べてスループットが向上することがわかる。
Also, in the area where deceleration is required, the deceleration rate may be smaller than that of Example 1-1 or Example 1-2 (for example, the
また、レーザ平均出力は１３．５〜３０（Ｗ）であり、レーザ素子での自己発熱も１３．５〜３０（Ｗ）、平均２７．２（Ｗ）となることから、実施例１−１（自己発熱２７〜３０（Ｗ）、平均２９．６（Ｗ））や実施例１−２（自己発熱１３．５〜３０（Ｗ）、平均２８．５（Ｗ））に比べて自己発熱量を抑制することができる。 Further, the laser average output is 13.5 to 30 (W), and the self-heating in the laser element is 13.5 to 30 (W), and the average is 27.2 (W). Compared with (self-heating 27-30 (W), average 29.6 (W)) and Example 1-2 (self-heating 13.5-30 (W), average 28.5 (W)) Can be suppressed.
なお、実施例２では波長１０．６（μｍ）のＣＯ２レーザを用いたが、本発明は、レーザ光の波長を１０．６（μｍ）に限定するではなく、図１４、図１６の結果より、波長が５．５〜１１（μｍ）、より好ましくは、９〜１１（μｍ）のレーザ光であれば、実施例２と同様の効果が得られる。 In Example 2, a CO 2 laser having a wavelength of 10.6 (μm) was used. However, the present invention does not limit the wavelength of the laser beam to 10.6 (μm), and the results shown in FIGS. As long as the laser beam has a wavelength of 5.5 to 11 ([mu] m), more preferably 9 to 11 ([mu] m), the same effect as in Example 2 can be obtained.
また、本発明は、レーザ光源としてＣＯ２レーザに限定されるものではなく、波長が５．５〜１１（μｍ）、より好ましくは９〜１１（μｍ）のレーザ光源であれば任意のレーザ光源を使用するものであっても良い。 The present invention is not limited to a CO 2 laser as a laser light source, and any laser light source may be used as long as the wavelength is 5.5 to 11 (μm), more preferably 9 to 11 (μm). May be used.
以上のように構成したので、第２実施形態によれば、定着ユニット１１５において、レーザ光源１１３としてＣＯ２レーザを用いることで、第１実施形態のように半導体レーザの光源を用いる場合に比べて、用紙がレーザ光を吸収するため、トナー画像が形成されずに用紙が露出している部分では、用紙の表面が発熱することにより、トナーから用紙に逃げる熱が減少するため、レーザ出力が一定であっても、画像濃度に関係なく一定の定着性を確保することができる。これにより、装置構成を簡単にできるので、小型化を実現でき、エネルギーの効率化を図り、定着ユニット１１５の長寿命化を実現できる。
With the above-described configuration, according to the second embodiment, the fixing
また、第１実施形態の定着ユニット１５では、半導体レーザ素子１５ａ１を等ピッチでアレイ状に並べる必要があるため、レーザスポット径を小さくするには制約があるものの、本第２実施形態の定着ユニット１１５では、そのような制約がなく、レーザスポット径を更に小さく絞ることが可能となる。その結果、レーザ光をトナー画像部のみに、より高精度（高精細）に照射することができるため、無駄なエネルギー消費がなく、レーザ素子の発熱を抑制することができる。
In the fixing
尚、上述した実施形態では、本発明に係る定着ユニット１５，１１５を図１に示すような画像形成装置１００に適用した例について説明したが、レーザ光を照射して未定着トナー像を溶融して記録媒体に定着させるようにした定着ユニット（定着装置）を用いる画像形成装置であれば、上述したような構成の画像形成装置や複写機に限定されるものではなく、その他の画像形成装置等に展開が可能である。
In the above-described embodiment, the example in which the fixing
以上のように、本発明は、上述した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る。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、すなわち、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更した技術的手段を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。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims. It is obvious for those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the claims, that is, changes are made as appropriate without departing from the scope of the present invention. Embodiments obtained by combining technical means are also included in the technical scope of the present invention.
１５，１１５ 定着ユニット（定着装置）
１５ａ レーザヘッド
１５ａ１ 半導体レーザ素子
１５ａ２ フォトダイオード
１５ａ３ シリコン基板
１５ａ４ ワイヤーボンド線
１５ａ５ 表面電極
１５ａ６ セラミック基板
１５ａ７ レンズホルダ
１５ａ８ 凸レンズ
１５ａ９ ヒートシンク
１５ａ１０ 温度センサ（温度検出手段）
１５ａａ 半導体レーザアレイ
１５ｂ 用紙搬送装置（記録媒体搬送手段）
１５ｂ１ 搬送ベルト
１５ｂ２ 駆動ローラ
１５ｂ３ 従動ローラ
１５ｂ４ 吸着チャージャー
１５ｂ５ 分離チャージャー
１５ｂ６ 除電チャージャー
１５ｂ７ 分離爪
１５ｃ レーザ照射部
１００ 画像形成装置
１１３ レーザ光源
１１４ 補正レンズ
１５１ 制御装置
１５１ａ レーザ出力制御機能（レーザ出力制御手段）
１５１ｂ 用紙搬送速度制御機能（速度制御手段）
１５２ 画像情報
Ｐ 用紙（記録媒体）
15,115 Fixing unit (fixing device)
15a laser head 15a1 semiconductor laser element 15a2 photodiode 15a3 silicon substrate 15a4 wire bond wire 15a5 surface electrode 15a6 ceramic substrate 15a7 lens holder 15a8 convex lens 15a9 heat sink 15a10 temperature sensor (temperature detection means)
15aa
15b1 Conveying belt 15b2 Drive roller 15b3 Driven roller 15b4 Adsorption charger 15b5 Separation charger 15b6 Static elimination charger
151b Paper transport speed control function (speed control means)
152 Image information P Paper (recording medium)
Claims (13)
前記速度制御手段は、トナー画像が形成される原稿の印字率にほぼ反比例して記録媒体搬送速度を制御することを特徴とする定着装置。 Laser irradiation means for irradiating an unfixed toner image on a recording medium with a laser beam in a laser irradiation section, melting the unfixed toner image and fixing the image on the recording medium, and recording medium conveying means for conveying the recording medium A laser output control unit that controls a laser output of the laser irradiation unit based on image information for forming the unfixed toner image; and a recording medium conveyance speed of the recording medium conveyance unit based on the image information. A fixing device including a speed control unit ;
The fixing device according to claim 1, wherein the speed control unit controls the recording medium conveyance speed almost in inverse proportion to a printing rate of a document on which a toner image is formed .
前記速度制御手段は、トナー画像が形成される原稿の中の最も低い画像濃度の情報に基づいて記録媒体搬送速度を制御することを特徴とする定着装置。 Laser irradiation means for irradiating an unfixed toner image on a recording medium with a laser beam in a laser irradiation section, melting the unfixed toner image and fixing the image on the recording medium, and recording medium conveying means for conveying the recording medium A laser output control unit that controls a laser output of the laser irradiation unit based on image information for forming the unfixed toner image; and a recording medium conveyance speed of the recording medium conveyance unit based on the image information. A fixing device including a speed control unit;
It said speed control means includes a constant you and controlling the recording medium conveying speed based on the lowest image density information in the document to which the toner image is formed Chakusochi.
前記速度制御手段は、前記温度検出手段により検出された検出結果に基づいて、記録媒体搬送速度を制御することを特徴とする請求項１乃至１１のうちの何れか一項に記載の定着装置。 The laser irradiation means includes a temperature detection means for detecting the temperature of the laser irradiation means,
It said speed control means, based on a detection result detected by said temperature detecting means, the fixing device according to any one of claims 1 to 11, wherein the controller controls the conveying speed of recording medium.
前記定着装置として、請求項１乃至１２のうちの何れか一項に記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。 An image carrier on which an electrostatic latent image is formed, a charging device that charges the surface of the image carrier, an exposure device that forms an electrostatic latent image on the surface of the image carrier, and an electrostatic latent image on the surface of the image carrier A developing device that supplies toner to the image to form a toner image, a transfer device that transfers the toner image on the surface of the image carrier to a recording medium, and a fixing device that fixes the transferred toner image to the recording medium. In an image forming apparatus for forming an image using toner by electrophotography,
Examples fixing device, an image forming apparatus comprising the fixing device according to any one of claims 1 to 12.
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