JP5980243B2 - 定着装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、トナー像が形成されたシートに対して定着処理を行う定着装置及びこれを備えた画像形成装置に関する。

従来、電子写真方式の印刷機構を備えた複写機、プリンター、ファクシミリー、及びこれらの各機能が搭載された複合機などの画像形成装置には定着装置が設けられている。定着装置は、熱源によって表面が加熱される加熱ローラーと、回転軸がこの加熱ローラーの回転軸に平行に設けられた加圧ローラーとを備える。この定着装置を表面にトナー画像が形成されたシートが通過すると、加圧ローラーと加熱ローラーとによりシートが所定の圧力で挟持されつつ加熱される。これにより、トナーがシートに溶着して、シートに画像が定着される。

ところで、ウォームアップ時間の短縮化によるユーザーの利便性向上等の観点から、この定着装置に対しては、できるだけ速やかに温度上昇する性能が要求される。従来、定着装置の温度をできるだけ速やかに上昇させるため、例えばシート及び前記シートに形成されたトナー像に熱を与える部材として厚みの薄いベルトを採用するなどして、定着装置の熱容量を小さくした定着装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００１−１２５４０７号公報

通常、定着装置には、その定着装置の温度を検知するセンサーが備えられ、そのセンサーの検知信号が示す温度に基づいて、前記定着装置の温度制御が行われる。ここで、上記のように熱容量が小さくて温度の上昇速度が大きい定着装置にあっては、僅かな時間で温度が大きく変化することにより、前記定着装置の温度が目標温度を瞬間的に超える場合が生じる。これは、例えば前記センサーの温度検知に要する時間、温度制御を行うＣＰＵの処理時間、前記熱源への供給電流を遮断するのに要する時間などに起因して、定着装置の温度制御が実際の定着装置の温度変化に対して遅延するためである。

本発明の目的は、前記定着装置の温度が目標温度を超えるのを回避することのできる定着装置及び画像形成装置を提供することである。

本発明の一の局面に係る定着装置は、一次側巻線と、定着部と、二次側巻線と、磁芯体とを備える。前記一次側巻線には、交流電源から交流電流が供給される。前記定着部は、電流が供給されることにより発熱する熱源を備え、トナー像が形成されたシートに対し予め定められた定着温度で前記熱源の熱を用いた定着処理を行う。前記二次側巻線は、前記熱源に電気的に接続されている。前記磁芯体には、前記一次側巻線及び前記二次側巻線が巻き付けられ、前記熱源の熱を受けることにより前記予め定められた定着温度以上になると透磁率が小さくなる予め定められた材料からなる。

本発明の他の局面に係る画像形成装置は、前記定着装置を備える。

本発明によれば、前記定着装置の温度が目標温度を超えるのを回避することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る画像形成装置の内部構成を示す模式図である。 図２は、本発明の実施形態に係る定着装置の構成を示す図である。 図３は、図２に示す定着装置の加熱ローラーの構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明される実施形態は本発明を具体化した一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

まず、本発明の実施形態に係る画像形成装置１の概略構成について説明する。画像形成装置１は、画像読取機能、ファクシミリー機能及び画像形成機能などを備えた複合機である。図１に示されるように、画像形成装置１は、画像読取部２、原稿カバー３、自動原稿送り装置ＡＤＦ（Auto Document Feeder）４、画像形成部５、給紙カセット７を備えている。なお、本発明に係る画像形成装置の一例として複合機である画像形成装置１を例示して説明するが、本発明はこれに限られず、例えばプリンター、ファクシミリー装置、複写機あるいはスキャナー装置も本発明に係る画像形成装置に該当する。

画像読取部２は、原稿から画像データを読み取る画像読取処理を実行する。図１に示されるように、画像読取部２は、コンタクトガラス１０、読取ユニット１１、ミラー１２，１３、光学レンズ１４及びＣＣＤ（Charge Coupled Device）１５などを備えている。

読取ユニット１１は、ＬＥＤ光源１６及びミラー１７を備えており、ステッピングモーター等の駆動モーターを用いた移動機構（不図示）により副走査方向１８（図１における左右方向）へ移動可能に構成されている。そして、前記駆動モーターにより読取ユニット１１が副走査方向１８へ移動されると、ＬＥＤ光源１６から画像読取部２の上面に設けられたコンタクトガラス１０へ向けて照射される光が副走査方向１８へ走査される。

ミラー１７は、ＬＥＤ光源１６から光が照射されたときに、原稿又は原稿カバー３の裏面で反射した反射光をミラー１２へ向けて反射させる。ミラー１７で反射した光は、ミラー１２，１３により光学レンズ１４に導かれる。光学レンズ１４は、入射した光を集光してＣＣＤ１５に入射させる。

ＣＣＤ１５は、受光した光をその光量（輝度の強度）に応じた電気信号（電圧）に変換して制御部（不図示）へ出力する光電変換素子である。前記制御部では、ＣＣＤ１５からの電気信号を画像処理することにより原稿の画像データを生成する。なお、本実施形態では、撮像素子としてＣＣＤ１５を用いた例について説明するが、ＣＣＤ１５による読取機構に代えて、ＣＣＤ１５よりも焦点距離の短い密着型のイメージセンサーＣＩＳ（Contact Image Sensor）を用いた読取機構を適用することも可能である。

画像読取部２には、原稿カバー３が回動自在に設けられている。原稿カバー３が回動操作されることにより、画像読取部２の上面のコンタクトガラス１０が開閉される。原稿カバー３の回動支持部には、リミットスイッチなどのカバー開検出センサー（不図示）が設けられており、ユーザーが原稿の画像を読み取らせようとして原稿カバー３が開けられると、そのカバー開検出センサーが作動して、その検出信号（カバー開検出信号）が前記制御部に出力される。

ここで、画像読取部２による原稿画像の読み取りは、以下の手順で行われる。まず、原稿がコンタクトガラス１０上に載置され、その後、原稿カバー３が閉姿勢にされる。その後、操作表示部（不図示）から画像読取指示が入力されると、読取ユニット１１を副走査方向１８の右向きへ移動させつつＬＥＤ光源１６から連続して順次１ライン分の光が照射される。そして、原稿又は原稿カバー３の裏面からの反射光がミラー１７，１２，１３及び光学レンズ１４を介してＣＣＤ１５に導かれ、ＣＣＤ１５にて受光した光量に応じた光量データが順次前記制御部に出力される。前記制御部は、光が照射された領域全体における光量データが得られると、その光量データを処理することにより、前記光量データから原稿の画像データを生成する。

なお、原稿カバー３にＡＤＦ４が設けられている。ＡＤＦ４は、原稿セット部１９にセットされた一以上の原稿を複数の搬送ローラーにより順次搬送して、コンタクトガラス１０上に定められた自動原稿読取位置を副走査方向１８の右向きへ通過するように原稿を移動させる。ＡＤＦ４による原稿の移動時は、前記自動原稿読取位置の下方に読取ユニット１１が配置され、この位置で読取ユニット１１により移動中の原稿の画像が読み取られる。原稿セット部１９には、接点信号を出力可能な機械的なシートセンサー（不図示）が設けられており、原稿セット部１９に原稿がセットされると、前記シートセンサーが作動して、その検出信号（原稿検出信号）が前記制御部に出力される。

図１に示されるように、画像形成部５は、画像読取部２で読み取られた画像データ、又は外部のパーソナルコンピューター等の情報処理装置から入力された印刷ジョブに基づいて画像形成処理（印刷処理）を実行する電子写真方式の画像形成手段である。具体的には、画像形成部５は、感光体ドラム２０、帯電部２１、現像部２２、トナーコンテナ２３、転写ローラー２４、除電部２５、定着装置２６などを備えている。なお、本実施形態では、電子写真方式の画像形成部５を例にして説明するが、画像形成部５は電子写真方式のものに限られず、インクジェット記録方式のものであっても、或いはそれ以外の記録方式又は印刷方式のものであってもかまわない。

画像形成部５では、給紙カセット７から供給されるシートに対する画像形成処理が以下の手順で行われる。まず、外部の装置から印刷指示を含む印刷ジョブが入力されると、帯電部２１により感光体ドラム２０が所定の電位に一様に帯電される。次に、レーザスキャナユニット（不図示）により感光体ドラム２０の表面に印刷ジョブに含まれる画像データに基づく光が照射される。これにより、感光体ドラム２０の表面に静電潜像が形成される。そして、感光体ドラム２０上の静電潜像は現像部２２によりトナー像として現像（可視像化）される。なお、現像部２２には、トナーコンテナ２３からトナー（現像剤）が補給される。続いて、感光体ドラム２０に形成されたトナー像は転写ローラー２４によりシートに転写される。なお、感光体ドラム２０の電位は除電部２５で除電される。その後、シートに転写されたトナー像は、そのシートが定着装置２６を通過して排出される際に加熱されて溶融定着する。

図２に示されるように、定着装置２６は、シートに転写されたトナー像を加熱して溶融定着させるものであり、加熱ローラー２７及び加圧ローラー２８を有する定着部２９を備える。

加熱ローラー２７は、画像形成装置１の前後方向（図１の紙面表裏方向）に延びる長尺状の部材である。加熱ローラー２７は、円筒形状に形成されたローラー本体２７Ａを備える。ローラー本体２７Ａの周面が定着時にシートの画像面（トナー像が付着している面）に接触される。ローラー本体２７Ａは、シートに接触して前記シートを加熱する円筒部である。

ローラー本体２７Ａは、熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウムなどの金属で形成されている。ローラー本体２７Ａは、両端が定着装置２６のフレーム（不図示）に支持された長尺のガイド部材により回転可能に支持されている。加熱ローラー２７は、加圧ローラー２８の回転に伴って従動回転する。

ローラー本体２７Ａは、定着装置２６で定着可能な最大幅のシートと接触可能な長さに形成されている。本実施形態では、Ａ３サイズ（４２０ｍｍ×２９７ｍｍ）のシートが定着装置２６で定着可能であり、ローラー本体２７Ａは、Ａ３サイズの短辺寸法（２９７ｍｍ）よりも長く形成されている。

加圧ローラー２８は、加熱ローラー２７に対向配置されている。加圧ローラー２８は、加熱ローラー２７に平行であって、加熱ローラー２７の表面に圧接された状態で回転可能に支持されている。加圧ローラー２８は、中心に支軸２８Ａ（図２参照）を有しており、支軸２８Ａが定着装置２６のフレーム（不図示）に回転可能に支持されている。これにより、加圧ローラー２８が回転可能となる。加圧ローラー２８は、モーター（不図示）が回転駆動されることによって、その回転駆動力が伝達されて、所定方向へ回転する。本実施形態では、加圧ローラー２８は、図２において反時計周り（矢印４７参照）に回転される。加圧ローラー２８の支軸２８Ａには弾性を有するシリコンや多孔質ゴムなどの筒形状の弾性部２８Ｂが設けられている。加圧ローラー２８は、加熱ローラー２７に対してバネなどによって圧接されている。これにより、弾性部２８Ｂがローラー本体２７Ａによって弾性変形して湾曲状に凹まされたニップ部５０が形成される。

加熱ローラー２７の内部には、電流が供給されることにより発熱する熱源としてのヒーター３３が固設されている。図２に示されるように、ヒーター３３は、両端が定着装置２６のフレーム（不図示）に支持された長尺の支持部材３８に取り付けられている。ヒーター３３は、例えばハロゲンヒーターやセラミックヒーター等によって構成され、通電されることによって熱を放射する。これにより、加熱ローラー２７のローラー本体２７Ａ全体がヒーター３３によって内部から加熱される。本実施形態では、ヒーター３３は、ローラー本体２７Ａの断面中心よりニップ部５０寄りの位置に固設されている。

定着装置２６においては、シートがニップ部５０を右から左へ抜けるように搬送される。回転駆動される加圧ローラー２８の圧接により、加熱ローラー２７が従動して、図２において時計回転方向（矢印４６参照）へ回転される。このため、ニップ部５０に進入したシートは、加熱ローラー２７及び加圧ローラー２８によって挟持されつつ、熱の供給を受けながら左方へ搬送される。このときに、加熱ローラー２７から供給された熱によって、シートのトナー像が溶融して、シートに定着する。

ところで、このような定着装置２６に対しては、加熱ローラー２７が冷えた状態から所定の定着温度になるまでのウォームアップ時間の短縮化によるユーザーの利便性向上等の観点から、できるだけ速やかに温度上昇する性能が要求される。従来、定着装置の温度をできるだけ速やかに上昇させるために、例えば熱容量の低い薄いベルトを採用するなどして定着装置の熱容量を下げ、このベルトを介してトナー及びシートに熱を与える場合がある。

通常、定着装置には、その定着装置の温度を検知するセンサーが備えられ、そのセンサーの検知信号が示す温度に基づいて、前記定着装置の温度制御が行われる。ここで、上記のように温度の上昇速度が大きい定着装置にあっては、僅かな時間で温度が大きく変化することにより、前記定着装置の温度が目標温度（定着に適した温度）を瞬間的に超える場合が生じる。これは、例えば前記センサーの温度検知に要する時間、温度制御を行うＣＰＵの処理時間、前記熱源への供給電流を遮断するのに要する時間などに起因して、定着装置の温度制御が実際の定着装置の温度変化に対して遅延するためである。

本実施形態では、定着装置２６の温度が前記目標温度を超える状況が生じるのを可及的に防止するため、定着装置２６は、過昇温防止機構１００を備える。過昇温防止機構１００は、磁芯体１０１と、一次側巻線１０２と、二次側巻線１０３とを備える。

磁芯体１０１は、薄形直方体形状を有し、加熱ローラー２７の一端から他端まで延びる長尺体である。磁芯体１０１は、ヒーター３３に取り付けられてヒーター３３に接触する。これにより、磁芯体１０１は、ヒーター３３から発せられる熱を受けて加熱される。また、磁芯体１０１は、ローラー本体２７Ａのニップ部５０近傍とヒーター３３との間に設けられている。

磁芯体１０１は、温度によって透磁率が変化する感温磁性材料からなる。本実施形態における感温磁性材料は、磁気特性が温度に応じ強磁性と非磁性（常磁性）との間で可逆的に遷移する。具体的には、感温磁性材料は、キュリー温度以下の範囲では透磁率が略一定若しくは温度上昇に応じて若干大きくなり、キュリー温度以上になると磁性を失う。なお、感温磁性材料が磁性を失うとは、透磁率がきわめて小さい値になることを含む。このような感温磁性材料として、例えば、鉄とニッケルとの合金、鉄とニッケルとクロムとの合金、或いは銅とニッケルとの合金などが用いられる。前記感温磁性材料のキュリー温度は、合金を組成する各金属の組成比率に応じて決定される。

ここで、本実施形態では、前記組成比率が調整されることにより、前記感温磁性材料のキュリー温度が前記目標温度、すなわち定着装置２６によってトナー像をシートに定着させるのに適した定着温度に設定されている。前記目標温度は、例えば１６０℃〜１８０℃に設定されている。

磁芯体１０１には、ワイヤー状の所定の金属線材が所定巻き数巻回された一次側巻線１０２と二次側巻線１０３とが巻き付けられている。一次側巻線１０２には、画像形成装置１内に備えられる交流電源５００が接続されており、この交流電源５００から周波数や振幅が予め定められた所定の交流電流が一次側巻線１０２の両端に印加される。二次側巻線１０３の一端は、定着部１０３のヒーター３３の端子Ｔ１に電気的に接続されており、二次側巻線１０３の他端は、ヒーター３３の端子Ｔ２に電気的に接続されている。したがって、二次側巻線１０３に電流が流れると、ヒーター３３にも電流が流れる。このとき、ヒーター３３から熱が発せられる。

交流電源５００から一次側巻線１０２に交流電流が供給されると、その交流電流に伴い一次側巻線１０２で磁力線が生じ、且つ、その交流電流の周波数等に応じてその磁力線の数が変化する。したがって、二次側巻線１０３内を通る磁力線の数も変化し、この磁力線数の変化による電磁誘導によって二次側巻線１０３に誘導起電力が生じる。これに伴い、二次側巻線１０３に交流電流が発生する。これにより、二次側巻線１０３に発生した交流電流がヒーター３３に供給され、そのヒーター３３からジュール熱が発せられる。

本実施形態では、一次側巻線１０２と二次側巻線１０３とは、磁芯体１０１が延びる長手方向に近接して巻き付けられている。これにより、一次側巻線１０２と二次側巻線１０３とが離間して磁芯体１０１に巻き付けられる構成に比して、交流電源５００から供給される交流電流により一次側巻線１０２で生じる磁力線のうち二次側巻線１０３内を通る磁力線の密度が大きくなる。その結果、電磁誘導によって二次側巻線１０３に生じる誘導起電力が大きくなり、一次側巻線１０２に供給する電流の大きさに対するヒーター３３の発熱量の比率、すなわち電力効率を可及的に大きくすることができる。

磁芯体１０１は、ヒーター３３により加熱され、やがて前記キュリー温度に達する。磁芯体１０１の温度がキュリー温度に達すると、磁芯体１０１の透磁率が急激に低下し磁性を失う。そのため、二次側巻線１０３内を通る磁力線が無くなる。よって、誘導起電力が発生しなくなり、二次側巻線１０３には電流が流れなくなる。二次側巻線１０３にはヒーター３３が接続されているため、二次側巻線１０３に電流が流れなくなることに伴ってヒーター３３にも電流が流れなくなる。これにより、ヒーター３３の発熱が止まる。その結果、磁芯体１０１の温度上昇が止まり、磁芯体１０１の温度が低下していく。

そして、磁芯体１０１の温度が前記キュリー温度を下回ると、磁芯体１０１は、非磁性（常磁性）から強磁性に戻る。一次側巻線１０２には交流電源５００から交流電流が供給され続けているので、一次側巻線１０２で生じた磁力線の多くが二次側巻線１０３内を通る状態となり、電磁誘導によって二次側巻線１０３にも再び電流が発生する。よって、二次側巻線１０３に電流が流れることに伴い、ヒーター３３にも電流が流れる。これにより、ヒーター３３が発熱し、加熱ローラー２７の温度が上昇し、やがて再び前記キュリー温度に達する。磁芯体１０１の温度がキュリー温度に達すると、磁芯体１０１の透磁率が再び急激に低下し磁性を失う。よって、上記と同様に、二次側巻線１０３には電流が流れなくなる。以上の状態変化が繰り返される。

このように、本実施形態では、磁芯体１０１の温度が前記キュリー温度以上になると、ヒーター３３への供給電流が遮断され、磁芯体１０１の温度が前記キュリー温度より低くなると、ヒーター３３への電流供給が再開される。よって、磁芯体１０１の温度は、前記キュリー温度、ひいては定着温度付近で安定化される。よって、ローラー本体２７Ａの温度が目標温度を超えるのを回避することができる。その結果、シートを加熱する温度が定着温度で安定化される。

すなわち、本実施形態では、ヒーター３３に対する電流供給のオンオフが、キュリー温度が定着温度に設定された磁芯体１０１によって行われる。そのため、センサーの検知温度に基づいて前記定着装置の温度制御が行われる従来技術のように、ヒーター３３に対する電流供給のオンオフ制御に、前記センサーの温度検知に要する時間、ＣＰＵの処理時間等が介在しない。すなわち、従来に比して、ヒーター３３に対する電流供給のオンオフの応答性が高い。よって、ローラー本体２７Ａの温度が目標温度を超えるのを回避することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前述した内容のものに限られず、種々の変形例が適用可能である。

前記実施形態では、磁芯体１０１がヒーター３３に接触されているが、これは必須ではない。ただし、磁芯体１０１がヒーター３３に接触させる形態が好ましい。なぜなら、磁芯体１０１がヒーター３３に接触することで、磁芯体１０１の温度がヒーター３３の実際の温度に最も近似した温度となる。つまり、磁芯体１０１が磁性を失う温度（ヒーター３３への供給電流が遮断されるときの磁芯体１０１の温度）と、ヒーター３３の実際の温度との誤差が最小となり、ヒーター３３に対する電流供給のオンオフ制御を正確に行うことができるからである。また、前記実施形態では、磁芯体１０１がローラー本体２７Ａとヒーター３３との間に設けられているが、この形態に限定されるものではなく、例えば、ヒーター３３のニップ側とは反対側の面に設けられていてもよい。

前記実施形態では、一次側巻線１０２と二次側巻線１０３とが互いに隣接して磁芯体１０１に巻き付けられているが、一次側巻線１０２と二次側巻線１０３とが磁気的に結合していれば、両巻線１０２、１０３が互いに隣接することは必須ではなく、磁芯体１０１の延びる方向に離間していてもよい。ただし、両巻線１０２、１０３が互いに隣接する形態が最も好ましい。なぜなら、一次側巻線１０２に発生した磁力線のうち二次側巻線１０３内を通る磁力線の密度（本数）が最も大きくなり、二次側巻線１０３に生じる誘導起電力、ひいてはヒーター３３に流れる電流を大きくすることができるからである。すなわち、ヒーター３３を発熱させる際の電力効率が最大となるからである。

前記実施形態では、磁芯体１０１が感温磁性材料で構成されているが、定着温度になると磁性を失う性質を有する材料で構成されていれば、磁芯体１０１の材質は、感温磁性材料でなくてもよい。

１ 画像形成装置
２６ 定着装置
２７ 加熱ローラー
２７Ａ ローラー本体
２８ 加圧ローラー
２９ 定着部
１００ 過昇温防止機構
１０１ 磁芯体
１０２ 一次側巻線
１０３ 二次側巻線

Claims (5)

1. 交流電源から交流電流が供給される一次側巻線と、
   電流が供給されることにより発熱する熱源を備え、トナー像が形成されたシートに対し予め定められた定着温度で前記熱源の熱を用いた定着処理を行う定着部と、
   前記熱源に電気的に接続された二次側巻線と、
   前記一次側巻線及び前記二次側巻線が巻き付けられ、前記熱源の熱を受けることにより前記予め定められた定着温度以上になると透磁率が小さくなる予め定められた材料からなり、前記熱源に接触された磁芯体と、
   を備える定着装置。
2. 前記定着部は、前記シートに接触して前記シートを加熱する円筒部を備え、
   前記磁芯体は、前記円筒部と前記熱源との間に設けられている請求項１に記載の定着装置。
3. 前記一次側巻線と前記二次側巻線とは、互いに隣接して前記磁芯体に巻き付けられている請求項１又は２に記載の定着装置。
4. 前記予め定められた材料は、感温磁性材料であり、
   前記感温磁性材料のキュリー温度が、前記予め定められた定着温度に設定されている請求項１乃至３の何れか一項に記載の定着装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の定着装置を備える画像形成装置。
   
   
   

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