レーザー定着装置およびそれを備えた画像形成装置
【課題】レーザー光源で発生した排熱を利用し、トナー画像の定着に必要な光エネルギーを少なくできる効率的なレーザー定着装置を提供する。
【解決手段】レーザー光を出射し得るレーザー光源と、トナー画像が転写されたシートを搬送して前記レーザー光源からのレーザー光で照射される照射領域へ導く搬送ベルトと、前記レーザー光源が発する熱を受ける受熱部と前記搬送ベルトへ熱を供給する放熱部とを有するヒートパイプと、前記レーザー光源を制御する定着制御部とを備え、前記定着制御部は、前記照射領域を通過する前記トナー画像にレーザー光を照射するように制御して前記トナー画像を前記シートに定着させ、前記ヒートパイプは、受熱部で受けた熱を放熱部へ移動させ、前記搬送ベルトは放熱部から供給された熱で前記シートおよび前記トナー画像を加熱することを特徴とするレーザー定着装置。
【解決手段】レーザー光を出射し得るレーザー光源と、トナー画像が転写されたシートを搬送して前記レーザー光源からのレーザー光で照射される照射領域へ導く搬送ベルトと、前記レーザー光源が発する熱を受ける受熱部と前記搬送ベルトへ熱を供給する放熱部とを有するヒートパイプと、前記レーザー光源を制御する定着制御部とを備え、前記定着制御部は、前記照射領域を通過する前記トナー画像にレーザー光を照射するように制御して前記トナー画像を前記シートに定着させ、前記ヒートパイプは、受熱部で受けた熱を放熱部へ移動させ、前記搬送ベルトは放熱部から供給された熱で前記シートおよび前記トナー画像を加熱することを特徴とするレーザー定着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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係り、より詳細には、シート上に形成された未定着画像を、レーザー光照射手段により定着するレーザー定着装置およびそれを備えた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式の画像形成装置（例えばプリンタ）には、シート状の印刷媒体（以下単にシートという。代表的な態様は記録紙）上に形成されたトナー像を熱溶融することによってシート上に定着させる定着装置が備えられている。この定着装置の一例として、定着ローラと加圧ローラとから構成されるローラ対方式の定着装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
定着ローラは、アルミなどの金属製中空芯金の表面に弾性層が形成されたローラ部材であり、この芯金の内部に熱源としてハロゲンランプが配置された構成である。そして、温度制御装置が、定着ローラ表面に設けられた温度センサから出力される信号に基づいてハロゲンランプをオン／オフ制御することによって、定着ローラ表面の温度を制御する。
加圧ローラは、芯金上に被覆層としてシリコンゴムなどの耐熱性弾性層を設けたローラ部材である。この加圧ローラは、定着ローラ周面に対して圧接され、加圧ローラの上記弾性層の弾性変形によって、定着ローラと加圧ローラとの間にニップ領域が形成される。
【０００４】
上記の構成において、定着装置では、未定着のトナー像が形成されたシートを定着ローラと加圧ローラとの間のニップ領域に挟み込み、これら両ローラを回転させることによって上記シートを搬送するとともに、定着ローラ周面の熱によりシート上のトナー像を溶融させてシートに定着させる。
【０００５】
しかし、従来のローラ対方式は、朝一電源投入直後は、定着ローラ及び加圧ローラが室温状態にあるため、電源ＯＮ後、所定温度にまで上昇させる必要があるため、ウォームアップ時間を要する。また、コピー動作が行われていない待機状態では、ローラ表面を所定温度に保持する必要があるため、コピー動作が行われていない時も常に加熱していなければならない。これらコピー動作以外に、無駄なエネルギーを消費する。
そこで、無駄なエネルギーを消費せず効率よくトナーのみを定着させる方法として、レーザーパワーを利用してトナーを定着させる定着装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
特許文献２によれば、複数のレーザーを用いてトナーを加熱することで、一つの弱いレーザーだけでは不十分な定着性を複数個のレーザーを用いることで定着性を向上させている。これにより、低出力で安価なレーザーを使うことが可能なため、装置全体も簡単なものにできると記載されている。
【０００７】
一方、排熱を利用した定着システムとして、定着部で記録媒体に与えられる熱を再利用し定着に使用する熱量の低減を目指したものが示されている（例えば、特許文献３参照）。これは、定着部を通過した記録媒体から熱を奪う冷却手段を有し冷却手段で奪った熱をヒートパイプとベルトにより、定着前にある記録媒体搬送ベルトへ熱を輸送する熱輸送手段を設け、記録媒体搬送ベルトは、トナー像が転写された定着前の記録媒体を予備加熱する構成である。ヒートパイプは、小さい温度差で多量の熱を運ぶために用いられる（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３８８０２号公報
【特許文献２】特開平７−１９１５６０号公報
【特許文献３】特開２００４−２０８２４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】田中 高博、野村 浩司、氏家 康成、“自励振動型ヒートパイプの動作特性”、［online］、平成１６年１０月２９日、日本大学生産工学部生産工学研究所「生産工学部学術講演会の開催」第３７回、［平成２２年８月６日検索］、インターネット＜URL:http://www.cit.nihon-u.ac.jp/kenkyu/kouennkai/reference/No#37/1#kikai/ 1-034.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、前記特許文献２では、複数のレーザーを用いたとしても、レーザー素子の光エネルギー変換効率、即ち、レーザー素子に投入される電力に対して、レーザー光として光出力できる電力の割合が低い。通常用いられるレーザー素子は、光変換効率が５０％以下である。つまり、投入電力に対して５０％以上が変換ロスであり、その変換ロスがレーザー光源から発生する熱となる。そして、その発熱を冷却する冷却手段、例えば、光源の発熱部にヒートシンクを設け、ファン等風を送る手段でヒートシンクを冷却したり水冷機構など水循環装置により冷却したりするなどの手段が必要になる。また冷却手段による冷却のために別途電力が必要になるためトータルとしてのエネルギー変換効率、即ち、レーザー素子に投入する電力、冷却に必要な投入電力等を含めたレーザーを動作させるのに必要な全投入電力に対する光照射できる電力の割合が悪くなってしまう。
【００１１】
また、前記特許文献３では、定着時に加熱された紙の排熱を利用し、加熱前の記録媒体を予備加熱する手段では、紙搬送時のみ熱の輸送が可能である。特許文献３に示されている定着方式すなわち、２つローラで紙を加熱する方式では、トナーと共に紙全体が加熱される。これに対して、レーザー定着方式では、印字部（トナーの存在する部分）のみレーザーを照射し加熱する。紙を直接加熱しないので、紙に発生する熱は非常に少ない。よって、特許文献３のレーザー定着方式では排熱を有効できる効果が少ない。
【００１２】
また、特許文献３に記載の手段は、紙の熱を奪うヒートパイプとそのヒートパイプの熱をベルト等の熱輸送手段を介して、第二のヒートパイプに熱を移動させ、さらに第二のヒートパイプの熱を定着前の記録媒体搬送ベルトに熱を移動させるため装置の複雑化が予想される。また、定着後の記録媒体で発生する排熱から定着前の記録媒体に熱を移動するまでの構成要素が多いためその間に熱が放熱などにより失われるので熱移動効率が悪くなってしまう。
【００１３】
この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであって、レーザー光源で発生した排熱を利用し、トナー画像の定着に必要な光エネルギーを少なくできる効率的なレーザー定着装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明は、レーザー光を出射し得るレーザー光源と、トナー画像が転写されたシートを搬送して前記レーザー光源からのレーザー光で照射される照射領域へ導く搬送ベルトと、前記レーザー光源が発する熱を受ける受熱部と前記搬送ベルトへ熱を供給する放熱部とを有するヒートパイプと、前記レーザー光源を制御する定着制御部とを備え、前記定着制御部は、前記照射領域を通過する前記トナー画像にレーザー光を照射するように制御して前記トナー画像を前記シートに定着させ、前記ヒートパイプは、受熱部で受けた熱を放熱部へ移動させ、前記搬送ベルトは放熱部から供給された熱で前記シートおよび前記トナー画像を加熱することを特徴とするレーザー定着装置を提供する。
さらに、前記レーザー定着装置を備えてなる画像形成装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明のレーザー定着装置において、前記レーザー光源が発する熱を受ける受熱部と前記搬送ベルトへ熱を供給する放熱部とを有するヒートパイプを備え、前記ヒートパイプは、受熱部で受けた熱を放熱部へ移動させ、前記搬送ベルトは放熱部から供給された熱で前記シートおよび前記トナー画像を加熱するので、レーザー光源がレーザー光を出射するときに発生する排熱を利用して前記シートおよび前記トナー画像を加熱し、定着に必要な光エネルギーを少なくした効率的なレーザー定着装置が実現できる。また、通紙されるシートが最終的な冷却手段となるので、レーザー光源に別の冷却手段を設ける必要がない。よって、冷却に必要な電力が削減できる。
この発明の画像形成装置は、前記レーザー定着装置を備えることにより効率的な定着が実現できる。ひいては、画像形成装置のウォームアップ時間を短縮することができる。また、待機中の加熱が不要な、低消費電力の画像形成装置を得ることができる。
【００１６】
この発明において、レーザー光源は、トナー画像およびシートを照射して加熱し、トナー画像を溶融させるに足るエネルギーを有するレーザー光を照射するものである。その具体的な態様は、例えば、複数のレーザー素子を並べかつそれらのレーザー素子から照射されるレーザー光を所定方向に向けるための光学系を設けたものである。少なくとも一つのレーザー素子とそのレーザー素子から照射されるレーザー光を走査する手段を設ける構成であってもよいが、走査手段を設けずに複数のレーザー素子を並べた単純な構成が極めて好ましい。レーザー素子としては小型で安価な半導体素子が極めて好ましい。実施形態において、レーザー光源は、半導体レーザーを用いている。しかし、この発明はこれに限定されず、ガスレーザーや個体レーザーを光源として用いてもよい。
この発明において、トナー画像は、微小な有色粒子からなるトナーを用いて形成された画像である。その具体的な態様は、例えば、電子写真用の感光体ドラム上に形成されたトナー像がシートに転写されたものである。
【００１７】
この発明において、シートは、所定の大きさに切断された印刷媒体である。その具体的な態様は、例えば、定形サイズに切断された印刷シートである。ただし、印刷媒体は紙に限らず、透明あるいは不透明の樹脂などであってもよい。後述する実施形態において、シートは、記録紙に相当する。
【００１８】
この発明において、照射領域は、レーザー光源から照射されたレーザー光によりシートおよびトナー画像が照射される領域である。その具体的な態様は、例えば、搬送ベルトに対向してレーザー光源が配置され、そのレーザー光源からのレーザー光が搬送ベルトを照射する領域である。後述する実施形態において、照射領域は、レーザー光源の直下を通過する搬送ベルト上の所定領域に相当する。
この発明において、搬送ベルトは、シートを搬送する無端状のベルトでありかつ放熱部からの熱をシートに伝達するものである。その具体的な態様は、例えば、ポリカーボネート等の樹脂にカーボンなどの導電性部材を分散させて無端ベルト状に成形したものである。
【００１９】
この発明において、ヒートパイプは、小さい温度差で多量の熱を運ぶために用いる特別な棒またはパイプである。その具体的な態様は、例えば、純水などの熱媒体を封入した金属製の細いパイプである。後述する実施形態において、ヒートパイプは、細管に相当する。ヒートパイプは受熱部で周囲から熱を奪い、放熱部で周囲に熱を供給する。この発明においては、レーザー光源から熱を奪って冷却し、搬送ベルト、前記搬送ベルトにより搬送されるシートおよびそのシートに転写されたトナーに熱を供給する。後述する実施形態において、受熱部と放熱部には周囲に効率よく熱を移動させるための高熱伝導材が配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の画像形成装置に含まれる画像形成部および定着部の主要な構成要素を模式的に示す説明図である。
【図２】この発明の定着装置の構成例を示す説明図である。
【図３】この発明に係るヒートレーンにおける熱移動の原理を示す説明図である。
【図４】図２に示す定着装置の第１の変形例を示す説明図である。
【図５】図２に示す定着装置の第２の変形例を示す説明図である。
【図６】この発明の定着装置を上から見たときの様子を示す説明図である。
【図７】この発明の画像形成装置を構成する各動作部および定着制御部ならびに各部間の制御信号の流れを示すブロック図である。
【図８】この発明の画像形成装置が備える定着制御部のコピー動作の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】この発明において、搬送ベルトの予備加熱時間に対するトナー温度の関係を一次元解析した結果を示す第１のグラフである（搬送ベルトの初期温度３０℃の場合）。
【図１０】この発明において、搬送ベルトの予備加熱時間に対するトナー温度の関係を一次元解析した結果を示す第２のグラフである（搬送ベルトの初期温度４０℃の場合）。
【図１１】この発明において、搬送ベルトの予備加熱時間に対するトナー温度の関係を一次元解析した結果を示す第２のグラフである（搬送ベルトの初期温度５０℃の場合）。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明の好ましい態様について説明する。
前記ヒートパイプは、自励振動型ヒートパイプであってもよい。このようにすれば、熱輸送効率の高い自励振動型ヒートパイプを用いて、通常のヒートパイプでは熱輸送効率の悪い方向、例えば、上から下への方向であっても、熱移動を効率よく実現できる。
【００２２】
また、前記ヒートパイプの放熱部は、前記搬送ベルトの内周面側に配置されてもよい。このようにすれば、放熱部を配置するために余分なスペースを必要としない。また、搬送ベルトの外周側を搬送されるシートの邪魔にならずかつシートに転写されたトナー画像を乱すことなく、搬送ベルトに熱を伝達することができる。
さらにまた、前記ヒートパイプの放熱部は、前記搬送ベルトに当接して配置されてもよい。このようにすれば、放熱部が搬送ベルトに接触するので熱を効率よく搬送ベルトに伝達することができ、ひいてはシートおよびトナーを効率よく加熱することができる。
前記放熱部は、レーザー光が照射される前記照射領域に前記シートが達する手前の位置に配置されてもよい。このようにすれば、シートが照射領域に達するまでの間に放熱部からの熱によって予め加熱することができる。
【００２３】
また、前記搬送ベルトの温度を検出する温度センサをさらに備え、前記定着制御部は、前記温度センサにより検出された搬送ベルトの温度に応じて前記レーザー光源の照射量を制御してもよい。このようにすれば、無駄な光エネルギーを照射することなくかつ定着に十分な光エネルギーを供給できるように照射量を制御することができ、低消費電力の定着装置を実現することができる。搬送ベルトの温度によって、シートの温度が左右され、従って定着に必要な光エネルギーが異なるからである。
【００２４】
さらにまた、搬送ベルトに前記シートを静電吸着させるための電圧を搬送ベルトに印加する電圧印加部をさらに備えていてもよい。このようにすれば、シートを搬送ベルトに静電吸着させてシートの浮きを抑制し、シート全体を均一かつ効率よく加熱することができる。また、搬送ベルトへのシートの密着性を向上させることによって、レーザー光の光エネルギーを未定着トナー画像に均一に照射することができる。
【００２５】
前記レーザー光源は、前記シートが搬送される方向と直行するシート幅方向に複数のレーザー素子が並べられてなるものでもよい。このようにすれば、シートの幅方向に複数のレーザー素子を並べることによって、定着に必要な光エネルギーの密度を確保できる。また、シートの幅方向にレーザー光を走査させるための機構を必要としないため構造が単純化される。これに対し、例えば、一つのレーザー光源でシート全面を光照射しようとすると、シート幅方向にレーザー光を走査させる必要がある。そのため、装置の複雑化、コストアップにつながる。更に、一つのレーザーで高出力するよりも複数のレーザーで高出力化したほうがレーザーの発熱面積が広くなるため放熱面積を広く取ることができ、広い面積で冷却できるという利点もある。
【００２６】
また、前記放熱部は、前記シートが搬送される方向の長さをＬミリメートル、前記シートの搬送速度をＶミリメートル／秒とするとき、次の式、Ｌ≧Ｖ×０．３を満たす長さＬで搬送ベルトに当接するよう配置されてもよい。このようにすれば、放熱部からの熱が搬送ベルトを介してシートおよびトナーに伝わるのに十分な長さ、即ち、加熱時間を確保することができる。
【００２７】
さらにまた、前記定着制御部は、前記照射領域を前記シートが通過するときは前記レーザー光源にレーザー光を照射させ、前記シートが前記領域にないときは前記レーザー光源にレーザー光を照射させないように制御してもよい。このようにすれば、トナー画像を定着するのに必要なタイミングにのみレーザー光を照射するので、無駄なレーザー光の照射を無くすことができ、消費電力を抑制することができる。また、シートのない状態で搬送ベルトにレーザー光を照射しないので、搬送ベルトの熱劣化を抑制することができる。
ここで示した種々の好ましい態様は、それら複数を組み合わせることもできる。
【００２８】
以下、図面を用いてこの発明をさらに詳述する。なお、以下の説明は、すべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。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。
本発明の一実施形態について図１に基づいて説明すると以下の通りである。
【００２９】
図１は、この発明の画像形成装置に含まれる画像形成部および定着部の主要な構成要素を模式的に示す説明図である。図１に示す画像形成装置１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、所定の記録紙に対して多色又は単色の画像を形成する。
上記画像形成装置は、可視像形成ユニット５０（５０Ｙ・５０Ｍ・５０Ｃ・５０Ｂ）、記録紙搬送手段３０、定着装置４０、供給トレイ２０を備えている。
【００３０】
上記画像形成装置は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂ）の各色に対応して、４つの可視像形成ユニット５０Ｙ・５０Ｍ・５０Ｃ・５０Ｂが並設されている。つまり、可視像形成ユニット５０Ｙは、イエロー（Ｙ）のトナーを用いて画像形成を行う。可視像形成ユニット５０Ｍは、マゼンダ（Ｍ）のトナーを用いて画像形成を行う。また、可視像形成ユニット５０Ｃは、シアン（Ｃ）のトナーを用いて画像形成を行う。可視像形成ユニット５０Ｂは、ブラック（Ｂ）のトナーを用いて画像形成を行う。具体的な配置としては、記録紙Ｐの供給トレイ２０と定着装置４０とを繋ぐ記録紙の搬送路に沿って４組の可視像形成ユニット５０を配設した、所謂タンデム式である。
【００３１】
可視像形成ユニット５０は、それぞれ実質的に同一の構成を有する。すなわち、それぞれに、感光体ドラム５１、帯電器５２、レーザー光照射手段５３（ここでは、感光体ドラムへ潜像を書き込むためのレーザー光照射手段のこと）、現像器５４、転写ローラ５５クリーナユニット５６、が設けられている。そして、搬送される記録紙Ｐに各色トナーを多重転写する。
【００３２】
ここで、上記感光体ドラム５１は、形成される画像を担持するものである。上記帯電器５２は、感光体ドラム５１表面を所定の電位に均一に帯電させるものである。レーザー光照射手段５３は、画像形成装置に入力された画像データに応じて、帯電器５２によって帯電した感光体ドラム５１表面を露光して、該感光体ドラム５１表面に静電潜像を形成する。上記現像器５２は、感光体ドラム５１表面に形成された静電潜像を、各色のトナーによって顕像化する。転写ローラ５５は、トナーとは逆極性のバイアスが印加されており、後述する記録紙搬送手段３０により搬送された記録紙Ｐに、形成されたトナー像を転写させている。ドラムクリーナユニット５６は、現像器５４での現像処理、及び、感光体ドラム５１に形成された画像の転写後に、感光体ドラム５１表面に残留したトナーを、除去・回収する。以上のような、記録紙Ｐに対するトナー像の転写は、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｂの４色について繰り返される。
【００３３】
上記記録紙搬送手段３０は、駆動ローラ３１、アイドリングローラ３２、搬送ベルト３３からなり、記録紙Ｐに可視像形成ユニット５０にてトナー像が形成されるように、記録紙Ｐを搬送するものである。駆動ローラ３１およびアイドリングローラ３２は、無端状の搬送ベルト３３を架張するものであり、駆動ローラ３１が所定の周速度に制御されて回転することで、無端状の搬送ベルト３３を回転させている。搬送ベルト３３は、外側表面に静電気を発生させており、記録紙Ｐを静電吸着させながら、上記記録紙Ｐを搬送している。
上記記録紙Ｐは、このようにして、搬送ベルト３３に搬送されながらトナー像を転写されたあと、駆動ローラ３１の曲率により搬送ベルト３３から剥離され、定着装置４０に搬送される。
定着装置４０は、記録紙Ｐに適度な熱を与えて、トナーを溶解して記録紙に固定することで、堅牢な画像を形成する。
ここで、上記定着装置４０について、図２を用いて詳細に説明する。
図２は、この発明の定着装置の構成例を示す説明図である。図２に示す定着装置４０は、レーザー光源１０４、冷却手段としての自励振動式ヒートパイプからなるヒートレーン１０６、及び記録紙Ｐを搬送する記録紙搬送装置１０７で構成されている。
【００３４】
記録紙搬送装置１０７は、２本のテンションローラ１０１、及び１０２と、帯電ローラ１２０と、耐熱性の無端ベルトを有する搬送ベルト１０３から構成されており、未定着トナー画像（トナー１１０）を有する記録紙Ｐは、搬送ベルト１０３上で搬送する。テンションローラ１０１には図示しない駆動手段が接続されており、駆動手段により回転を行う。
【００３５】
ヒートレーン１０６は、レーザー光源１０４の発熱部と搬送ベルト１０３の間に熱媒体を封入した１本の細管１１３を往復させている。ここでヒートレーンの動作原理のイメージを図３に示す。受熱部と放熱部との間に配置される細管１１３として、熱媒体（例えば純水）を封入した金属パイプであって、例えば内径１ｍｍの肉厚０．５ｍｍの金属パイプを何回も往復させた構造を有している。細管１１３の材料としては、例えば、アルミ、銀、胴等、熱伝導率の大きい材料を用いる。
【００３６】
細管１１３内に封入された熱媒体は，気相部と液相部が交互に存在する状態となる．受熱部において，液相の熱媒体は吸収した熱により温度が上昇し，沸騰して断続的に蒸気泡を発生すると同時に圧力が上昇する．一方，放熱部においては，冷却作用により蒸気泡の収縮または凝縮により蒸気圧力の降下と熱媒体の温度降下が生じる．受熱部と放熱部の圧力差により自励的に発生する圧力振動により，細い管内に閉塞された気相と液相の熱媒体が，圧力の高い受熱部から圧力の低い放熱部へ移動する。この熱媒体の移動により潜熱と顕熱の両方の熱の輸送が同時に行われる。振動力で管内の熱媒体を循環させるため，従来のヒートパイプと比べ重力の影響を受けにくいので，取り付け姿勢による熱輸送能力の変化が小さくなる。
またヒートレーン内の液の流れを一定方向に流すため細管１１３内に逆止弁を設けることが更に望ましい。
【００３７】
レーザー光源１０４は、半導体レーザーである。半導体レーザーは、炭酸ガスレーザー等の他のレーザーに比べ、安価で小型化できるメリットがある。また、半導体素子の配合や材料の組成で４００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域で、任意で広範囲の波長のレーザー光を発生させることができる。さらに、近年では単体で数ワット、アレイとして数十ワットの高出力のものが市場で入手できる状況にあり、今後さらに高出力化が進む傾向にある。
【００３８】
レーザー光源１０４は、記録紙搬送装置１０７の方向（下方向）にレーザー光を照射し、その反対面で高熱伝導材１０８を介してヒートレーンの受熱部１１１と接触しており、ヒートレーンの放熱部１１２は、別の高熱伝導材１０５を介して搬送ベルト１０３と当接している。
【００３９】
高熱伝導材１０５、１０８は、アルミ、銀、胴等、熱伝導率の大きい材料を用いる。今回は、高熱伝導材１０５、１０８は、厚み０．５ｍｍのアルミ板を使用した。また、高熱伝導材１０８とレーザー光源との接触面は、図示しない非導電材料であるＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂）で薄く（１０μｍ程度）コーティングされており接触面での絶縁性を維持する役割がある。上記ＰＦＡ以外でもＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン）等の材料を使用してもよい。つまり絶縁性を有する材料であれば、これに限らない。
【００４０】
また別の高熱伝導材１０５と搬送ベルト１０３との接触面は、図示しない摩擦係数の低い材料であるＰＦＡで薄く（１０μｍ程度）コーティングされており接触面での摩擦抵抗を低減する役割がある。上記ＰＦＡ以外でもＰＴＦＥ、ＦＥＰ等の材料を使用してもよい。つまり摩擦抵抗低減する材料であれば、これに限らない。
【００４１】
高熱伝導材１０５の紙搬送ベルト１０３との接触面は、レーザー光源１０４で発生した熱を、ヒートレーンを通じて熱移動し、搬送ベルト１０３に伝熱する。ヒートレーンの放熱部が搬送ベルトと当接している領域は、レーザー光が紙搬送ベルトに照射する位置よりも紙搬送方向上流側に当接しているほうが、未定着画像のトナーがレーザー照射される直前に予備加熱されるので最も効率的である。
【００４２】
また、図２では、レーザー光源１０４から発生する熱を、高熱伝導材１０８を通じてヒートレーンの受熱部に伝熱させたが、それとは異なりレーザー光源１０４を直接ヒートレーンの受熱部１１１に当接して伝熱させてもよい。同様に、ヒートレーンの放熱部１１２と直接に搬送ベルト１０３に当接して伝熱させてもよい。ただしレーザー光源１０４が小型の場合は、ヒートレーンの受熱部１１１で接触面積が十分確保できないため、レーザー光源１０４の放熱が不十分になる場合もある。同様にヒートレーンの放熱部１１２での接触面積が充分確保できない場合もある。従って、高熱伝導材１０５、１０８等でヒートレーンとの接触面積を大きくすることが好ましい。また、密着性を上げるため適宜高熱伝導グリース等で密着性を上げてもよい。
【００４３】
図４は、定着装置４０の変形例を示す説明図である。図４に示すように、搬送ベルト１０３の外側に配置して、搬送ベルト１０３の表面（外周面）を加熱する構成でもよい。このような構成にすることでベルト表面を直接加熱することができる。
また、図５は、定着装置４０の異なる変形例を示す説明図である。図５に示すように、ヒートレーンの放熱部を、未定着トナー画像を有する記録紙表面に非接触で近接させ、記録紙Ｐへ伝熱させてもよい。
【００４４】
図２〜図５は、本実施形態の一例であり、これ以外にもレーザー光源１０４から発生した熱で搬送ベルト、記録紙Ｐを予備加熱できる位置にヒートレーンの放熱部を配置するものであればよい。
上記のような構成にすることで、レーザー光源１０４は、エネルギー変換ロスによって自己発熱するものの、ヒートレーンの熱移動によって、搬送ベルト１０３を介して記録紙に放熱（記録紙で冷却）するので、レーザー光源１０４の温度上昇を抑制できる。
【００４５】
図２示すように、搬送ベルト１０３は、ポリカーボネート、フッ化ビニリデン、ポリアミドイミド、ポリイミド（ＰＩ）などの樹脂にカーボンなどの導電性部材を分散させた素材から構成されている。搬送ベルト１０３の表面には、帯電ローラ１２０が接触している。搬送ベルト１０３は、帯電ローラ１２０によって電圧を印加（帯電ローラは、電源と接続されており、ベルト表面に対して電圧を印加する）することで、搬送ベルト１０３の表面（外周面）は、記録紙Ｐを静電吸着させる構成となっている。記録紙Ｐを搬送ベルト１０３に静電吸着させることによって、搬送ベルト１０３と記録紙Ｐが密着し、搬送ベルト上の熱を効率よく記録紙Ｐに伝熱することができる。
【００４６】
図６は、図２におけるレーザー光照射装置の紙搬送方向に対して真上から見たときの様子を示す説明図である。図６に示すように、レーザー光源１０４を紙搬送方向に対して垂直方向に複数並べている。例えば、一つのレーザーで、紙全面を光照射する場合、紙の搬送方向以外に、紙搬送方向と垂直方向にレーザーをスキャンさせる必要がある。そのため、定着プロセスに時間がかかるため高速で定着させるのに限界がある。
【００４７】
また、レーザーをスキャンさせるには、装置の複雑化、コストアップになる。一方、紙搬送方向と垂直方向にライン上に、並べることで、紙搬送方向と垂直方向にレーザーをスキャンさせる必要がないため、必要最低限の構成で使用することができ、更に、高速で、定着させることが可能である。
【００４８】
また、図６は、レーザー光源１０４の上に高熱伝導材１０８を介して冷却手段としてのヒートレーン１０６の受熱部１１１があり、ヒートレーンの放熱部１１２は記録紙搬送装置１０７の内部の紙搬送ベルト１０３の内側に至っている。図６のヒートレーンは一本の細管を一往復してそれを複数個使用した図であるが、これに限定されるものではなく、図３に示したように、一本の細管１１３を何回も往復させた構造でもよい。
図２に示すように、搬送ベルト１０３の内周面側には、搬送ベルト１０３の温度を検知するための温度検知手段（温度センサ）としてサーミスタ１０９を設置している。
【００４９】
サーミスタ１０９による検知温度に基づいて、レーザー光源１０４は、図７に示す定着制御部６０２によって、その光照射量を制御される。サーミスタ１０９は、搬送ベルト１０３の温度もしくは、記録紙Ｐの温度が適正に温度検知する位置であればこの位置に限定されない。
また、サーミスタ１０９以外の温度検知手段を使用してもよい。
レーザー光源１０４から発熱する熱により、未定着トナー画像有する記録紙Ｐが予備加熱されるとレーザー光を照射する前に記録紙Ｐ、及びトナー１１０が加温される。
したがって、レーザー光で、トナー１１０を加熱定着する際には、レーザー照射量を抑えることができる。
【００５０】
例えば、室温（２０℃）において、定着装置のウォームアップ直後に定着動作を行った場合、レーザー光源１０４による発熱がほとんどないため、記録紙Ｐの裏面は加熱されない。従って、記録紙Ｐの表面に存在するトナー１１０も、ほぼ室温であり、このトナー１１０を定着させるのに必要なエネルギーは、理論値０．０００７９５Ｊ／ｍｍ2である。具体的には、例えば、一般的なポリエステルトナーを用いた場合を説明する。トナー１１０の比熱１．４２Ｊ／ｇ・℃、比重０．０００８１７ｇ／ｍｍ3、トナーの厚み０．０１６ｍｍ、トナー１１０の充填率０．４７６（単位体積あたりにトナーの存在する体積）、室温のトナー１１０を１１０℃（トナーが溶融するのに必要なトナー温度）で溶融する場合、定着に必要な光照射エネルギーは、０．０００７９５Ｊ／ｍｍ2（＝比熱×比重×充填率×（１１０℃−２０℃）である。
【００５１】
一方、記録紙Ｐを連続通紙し、このときレーザー光源１０４でエネルギー変換ロスにより生じた熱がヒートレーンを通じて搬送ベルト１０３に伝熱される。サーミスタ検知温度が４０℃、即ち、未定着トナー画像が４０℃まで予備加熱されたとき、トナー１１０を溶融するのに必要な光照射エネルギーは、０．０００６１８Ｊ／ｍｍ2（＝比熱×比重×充填率×（１１０℃−４０℃）である。これは、トナー画像が室温の場合に対して７８％（＝０．０００５９３／０．０００７９５）の光照射量でよいことになる。
【００５２】
ところで、サーミスタ検知温度と未定着トナー画像の温度（ここでは、トナー最下層と紙の界面温度とする。）の関係は、例えば、以下の条件のもとで１次元熱解析を行い、その結果から事前にサーミスタ検知温度とトナー温度の関係を予測することができる。
熱解析の構成および初期条件は、以下の通りである。
【００５３】
まず、熱解析に用いる高熱伝導材、搬送ベルトおよび記録紙の構成であるが、高熱伝導材１０５は、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム製であり、その表面に高熱伝導材表層としてＰＦＡを材料とする厚さ０．０１ｍｍの層が形成されたものを用いる。搬送ベルト１０３は、厚さ０．０５ｍｍのＰＩ樹脂製である。搬送ベルト１０３に搬送されるシートは厚さ０．１ｍｍであり、シート上に転写されたトナー層の厚さは０．０１６ｍｍである。
【００５４】
次に、初期条件であるが、トナーおよび記録紙の初期温度は２０℃、記録紙の搬送速度は２００ｍｍ／秒である。そして、高熱伝導材および搬送ベルトの初期温度は、３０℃、４０℃、５０℃の３通りとする。予備加熱時間はいずれも０．４秒である。ここで、予備加熱時間とは、未定着画像を載せた記録紙が、搬送ベルト１０３に接触してから定着装置４０のレーザー光源１０４によるレーザー照射領域に到達するまでの時間である。
【００５５】
図９〜図１１は、この発明において、搬送ベルトの予備加熱時間に対するトナー温度の関係を一次元解析した結果を示す第１のグラフである。図９、１２、１３は、搬送ベルト１０３の温度検知用サーミスタ１０９の検知温度、つまり搬送ベルトの初期温度が３０℃、４０℃、５０℃の場合に対応する。搬送ベルト１０３と記録紙上のトナーの温度との関係については、トナー温度は、少なくとも予備加熱時間０．３秒以上でほぼ搬送ベルトの初期温度と同じになる。よって、予備加熱時間を０．４秒とする前記条件のもとでは、サーミスタ１０９の検知温度をトナー温度とみなしてよい。すなわち、ヒートレーン１０６の放熱部１１２で搬送ベルト１０３との接触時間を０．３秒以上にすることが望ましく、そうすることでトナーは充分予備加熱されていることになる。つまりプロセス速度Ｓ（ｍｍ／ｓ）とした時、ヒートレーンの放熱部における最適な紙搬送方向の幅Ｌ（図２参照）は、少なくともＬ＝０．３×Ｓ以上の幅で接触させておけば、ヒートレーンで発生した熱をトナー部分に充分与えることができる。
【００５６】
ただし設計上の理由などで、ヒートレーンの放熱部と搬送ベルト１０３との接触時間が小さい場合、ヒートレーンの熱が十分に搬送ベルト１０３に伝熱しないこともある。その場合は、サーミスタ１０９が検知する温度とトナー１１０の温度とが異なるため、上記（図９、１２、１３）の計算結果から温度差を考慮した適正な温度変換テーブルを作成すればよい。
【００５７】
上記の理論値を基に、サーミスタ１０９の検知温度に対するレーザーの光照射量の関係を計算した温度変換テーブルを作成する。そして、サーミスタ１０９の検知温度に基づいて、前記温度変換テーブルを読み出し、光照射量を決定すれば、必要最低限の光照射量で定着させることができる。なお、上記温度変換テーブルは、後述する図７の記憶部６０９に記憶される。
以上のようにして計算により温度変換テーブルの値を求める手法は、単なる一例であって、別の方法で前記温度変換テーブルを作成してもよい。
図７は、この発明の画像形成装置を構成する各動作部および制御部ならびに各部間の制御信号の流れを示すブロック図である。
【００５８】
図７のブロック図の全体が示す画像形成装置は、たとえば、スキャナとプリンタと周辺機器とを備えた複合機であって、図１の画像形成装置１に対応する。図７の画像形成装置は、画像読取部６０５、画像処理部６０６、画像形成部６０７、定着制御部６０２、記憶部６０９、周辺機器制御部６０８、入力部６０３および表示部６０４を備える。
【００５９】
画像読取部６０５は、原稿画像を読み取る。画像処理部６０６は、読み取った原稿画像を適正な電気信号に変換して画像データを生成する。画像形成部６０７は、生成された画像データを印刷出力する。定着制御部６０２は、定着部（図７に図示せず）のレーザー光照射を制御する。記憶部６０９には、プロセス速度と紙搬送開始信号を検出するアクチュエータの信号を元に印字開始信号を受信してから記録部材が定着装置内のレーザー照射領域までの到達時間が格納される。周辺機器制御部６０８は、後処理装置であるフィニッシャーやソーターなどの周辺機器を制御する。入力部６０３および表示部６０４は、画像形成装置の操作部である。
【００６０】
制御部６０１は、少なくとも以下の制御を行う。まず、画像処理部６０６から受信した画像情報の印字位置情報をもとに記憶部６０９に予め記憶されたデータの照合を行う。ここで、印字位置情報は、印刷ジョブに対して、１ページ毎のどの位置に印字すべきかといった指令を指す。そして、印字位置情報と、サーミスタ検知温度情報とを元に温度変換テーブルにて算出したレーザー光出力値を定着制御部６０２へ送信する。
また、定着制御部６０２は、受信した印字位置情報と算出したレーザー光の出力値に基づいて、搬送ベルト１０３を駆動し、さらに、レーザー光を照射する制御を行う。
さらにまた定着制御部６０２は、記録紙Ｐの搬送を検出する図示しないアクチュエータの信号を監視する。そして、前記信号に基づいて搬送ベルト１０３に対して電圧を印加する制御を行う。
【００６１】
図８は、この発明の画像形成装置が備える制御部のコピー動作の処理手順を示すフローチャートである。
なお、画像形成装置１の図示しないプリンタドライバの画面からユーザーが印刷指示を行った場合でも、ユーザーの印刷指示信号に基づいて本フローチャートと同様の制御を行う。
【００６２】
ユーザーがコピーしたい原稿をスキャナに載置し、若しくは原稿台に載置した後に入力部６０３の図示しないコピーボタンがユーザーによって押下されると、制御部６０１は、ユーザーが押下した信号（印刷指示信号）を受信する。そして、前記信号に応答して、例えば、スキャナの画像読取部６０５に原稿画像を読み取らせるように制御する。そして、画像読取部６０５が読み取った信号を画像処理部６０６に画像処理させる。そして、画像処理部６０６から前述の印字位置情報を受信する。
【００６３】
制御部６０１は、画像処理部６０６から情報を受信すると、まず受信した情報に印字位置情報が含まれているか否かを判断する（ステップＳ１１）。印字位置情報が含まれていなければ、印刷ジョブの実行でないと判断して何もしない（ステップＳ１１のＮｏ）。一方、受信した情報に印字位置情報が含まれているなら（ステップＳ１１のＹｅｓ）、制御部６０１は、記憶部６０９を参照して印字開始のタイミングを決定する（ステップＳ１３）。また制御部６０１はサーミスタ１０９の検知温度を受信する（ステップＳ１５）。
【００６４】
そして、受信したサーミスタ１０９からの検知温度を用いて、あらかじめ作成された温度変換テーブルを参照し（ステップＳ１７）、前記検知温度に対応するレーザー照射量の出力値を決定する（ステップＳ１９）。次に定着制御部６０２へ決定された出力値及び出力信号を送信し、レーザー光源１０４を照射する制御を行う（ステップＳ２１）。
【００６５】
さらに、定着制御部６０２は、搬送ベルト１０３へバイアス電圧を印加する制御を行う（ステップＳ２３）。印刷ジョブの実行中、定着制御部６０２はレーザー光源１０４からのレーザー光の照射を制御する（ステップＳ２５）。
印刷ジョブが完了すると（ステップＳ２７）、定着制御部６０２は、レーザー光源１０４によるレーザー光の出力を停止させ（ステップＳ２９）、次に、搬送ベルト１０３へのバイアス電圧の印加をも停止させるように制御する（ステップＳ３１）。
【００６６】
なお、定着制御部６０２は、図示しない記録紙Ｐの搬送を検出するアクチュエータの信号を監視して、この信号に基づいて紙が搬送されてきたことを認識し、レーザー光源１０４やバイアス電圧の制御を行ってもよい。例えば、記録紙Ｐが供給トレイ２０から図示しない給紙ローラから給紙されたときから記録紙Ｐの移動時間を計測し、レーザー照射領域までの到達時間を算出して、レーザー光源１０４や搬送ベルト１０３、バイアス電圧印加及び停止を制御してもよい。
【００６７】
以上のように、搬送ベルト１０３（図２）により搬送されてきた未定着トナー画像を有する記録紙Ｐは、搬送ベルト１０３と密着し、かつ、印字位置情報に基づいてレーザー光が照射される。通紙動作中には、画像情報から得られた印字位置情報に基づいてレーザー光が照射される。よって、通紙動作中以外、すなわちウォームアップ時、及び待機時は、電力を必要としない。よって、低消費電力の定着装置、及び画像形成装置が実現できる。
【００６８】
なお、図８のフローチャートでは、レーザー光源１０４の照射を停止する為の制御を定着制御部６０２が制御するものとしたが、特に定着制御部６０２が制御しなくとも、制御部６０１からのレーザー光源１０４を照射する指示信号のみに基づいて、レーザー光源１０４の照射を制御してもよい。
【００６９】
前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。
【符号の説明】
【００７０】
１：画像形成装置
２０：供給トレイ
３０：記録紙搬送手段
３１：駆動ローラ
３２：アイドリングローラ
３３：搬送ベルト
４０：定着装置
５０：可視像形成ユニット
５１：感光体ドラム
５２：帯電器
５３：レーザー光照射手段
５４：現像器
５５：転写ローラ
５６：クリーナユニット
１０１、１０２：テンションローラ
１０３：搬送ベルト
１０４：レーザー光源
１０５、１０８：高熱伝導材
１０６：ヒートレーン
１０７：記録紙搬送装置
１０９：サーミスタ
１１０：トナー
１１１：受熱部
１１２：放熱部
１１３：細管
１２０：帯電ローラ
６０１：制御部
６０２：定着制御部
６０３：入力部
６０４：表示部
６０５：画像読取部
６０６：画像処理部
６０７：画像形成部
６０８：周辺機器制御部
６０９：記憶部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、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係り、より詳細には、シート上に形成された未定着画像を、レーザー光照射手段により定着するレーザー定着装置およびそれを備えた画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式の画像形成装置（例えばプリンタ）には、シート状の印刷媒体（以下単にシートという。代表的な態様は記録紙）上に形成されたトナー像を熱溶融することによってシート上に定着させる定着装置が備えられている。この定着装置の一例として、定着ローラと加圧ローラとから構成されるローラ対方式の定着装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
定着ローラは、アルミなどの金属製中空芯金の表面に弾性層が形成されたローラ部材であり、この芯金の内部に熱源としてハロゲンランプが配置された構成である。そして、温度制御装置が、定着ローラ表面に設けられた温度センサから出力される信号に基づいてハロゲンランプをオン／オフ制御することによって、定着ローラ表面の温度を制御する。
加圧ローラは、芯金上に被覆層としてシリコンゴムなどの耐熱性弾性層を設けたローラ部材である。この加圧ローラは、定着ローラ周面に対して圧接され、加圧ローラの上記弾性層の弾性変形によって、定着ローラと加圧ローラとの間にニップ領域が形成される。
【０００４】
上記の構成において、定着装置では、未定着のトナー像が形成されたシートを定着ローラと加圧ローラとの間のニップ領域に挟み込み、これら両ローラを回転させることによって上記シートを搬送するとともに、定着ローラ周面の熱によりシート上のトナー像を溶融させてシートに定着させる。
【０００５】
しかし、従来のローラ対方式は、朝一電源投入直後は、定着ローラ及び加圧ローラが室温状態にあるため、電源ＯＮ後、所定温度にまで上昇させる必要があるため、ウォームアップ時間を要する。また、コピー動作が行われていない待機状態では、ローラ表面を所定温度に保持する必要があるため、コピー動作が行われていない時も常に加熱していなければならない。これらコピー動作以外に、無駄なエネルギーを消費する。
そこで、無駄なエネルギーを消費せず効率よくトナーのみを定着させる方法として、レーザーパワーを利用してトナーを定着させる定着装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
特許文献２によれば、複数のレーザーを用いてトナーを加熱することで、一つの弱いレーザーだけでは不十分な定着性を複数個のレーザーを用いることで定着性を向上させている。これにより、低出力で安価なレーザーを使うことが可能なため、装置全体も簡単なものにできると記載されている。
【０００７】
一方、排熱を利用した定着システムとして、定着部で記録媒体に与えられる熱を再利用し定着に使用する熱量の低減を目指したものが示されている（例えば、特許文献３参照）。これは、定着部を通過した記録媒体から熱を奪う冷却手段を有し冷却手段で奪った熱をヒートパイプとベルトにより、定着前にある記録媒体搬送ベルトへ熱を輸送する熱輸送手段を設け、記録媒体搬送ベルトは、トナー像が転写された定着前の記録媒体を予備加熱する構成である。ヒートパイプは、小さい温度差で多量の熱を運ぶために用いられる（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３８８０２号公報
【特許文献２】特開平７−１９１５６０号公報
【特許文献３】特開２００４−２０８２４号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】田中 高博、野村 浩司、氏家 康成、“自励振動型ヒートパイプの動作特性”、［online］、平成１６年１０月２９日、日本大学生産工学部生産工学研究所「生産工学部学術講演会の開催」第３７回、［平成２２年８月６日検索］、インターネット＜URL:http://www.cit.nihon-u.ac.jp/kenkyu/kouennkai/reference/No#37/1#kikai/ 1-034.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、前記特許文献２では、複数のレーザーを用いたとしても、レーザー素子の光エネルギー変換効率、即ち、レーザー素子に投入される電力に対して、レーザー光として光出力できる電力の割合が低い。通常用いられるレーザー素子は、光変換効率が５０％以下である。つまり、投入電力に対して５０％以上が変換ロスであり、その変換ロスがレーザー光源から発生する熱となる。そして、その発熱を冷却する冷却手段、例えば、光源の発熱部にヒートシンクを設け、ファン等風を送る手段でヒートシンクを冷却したり水冷機構など水循環装置により冷却したりするなどの手段が必要になる。また冷却手段による冷却のために別途電力が必要になるためトータルとしてのエネルギー変換効率、即ち、レーザー素子に投入する電力、冷却に必要な投入電力等を含めたレーザーを動作させるのに必要な全投入電力に対する光照射できる電力の割合が悪くなってしまう。
【００１１】
また、前記特許文献３では、定着時に加熱された紙の排熱を利用し、加熱前の記録媒体を予備加熱する手段では、紙搬送時のみ熱の輸送が可能である。特許文献３に示されている定着方式すなわち、２つローラで紙を加熱する方式では、トナーと共に紙全体が加熱される。これに対して、レーザー定着方式では、印字部（トナーの存在する部分）のみレーザーを照射し加熱する。紙を直接加熱しないので、紙に発生する熱は非常に少ない。よって、特許文献３のレーザー定着方式では排熱を有効できる効果が少ない。
【００１２】
また、特許文献３に記載の手段は、紙の熱を奪うヒートパイプとそのヒートパイプの熱をベルト等の熱輸送手段を介して、第二のヒートパイプに熱を移動させ、さらに第二のヒートパイプの熱を定着前の記録媒体搬送ベルトに熱を移動させるため装置の複雑化が予想される。また、定着後の記録媒体で発生する排熱から定着前の記録媒体に熱を移動するまでの構成要素が多いためその間に熱が放熱などにより失われるので熱移動効率が悪くなってしまう。
【００１３】
この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであって、レーザー光源で発生した排熱を利用し、トナー画像の定着に必要な光エネルギーを少なくできる効率的なレーザー定着装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明は、レーザー光を出射し得るレーザー光源と、トナー画像が転写されたシートを搬送して前記レーザー光源からのレーザー光で照射される照射領域へ導く搬送ベルトと、前記レーザー光源が発する熱を受ける受熱部と前記搬送ベルトへ熱を供給する放熱部とを有するヒートパイプと、前記レーザー光源を制御する定着制御部とを備え、前記定着制御部は、前記照射領域を通過する前記トナー画像にレーザー光を照射するように制御して前記トナー画像を前記シートに定着させ、前記ヒートパイプは、受熱部で受けた熱を放熱部へ移動させ、前記搬送ベルトは放熱部から供給された熱で前記シートおよび前記トナー画像を加熱することを特徴とするレーザー定着装置を提供する。
さらに、前記レーザー定着装置を備えてなる画像形成装置を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明のレーザー定着装置において、前記レーザー光源が発する熱を受ける受熱部と前記搬送ベルトへ熱を供給する放熱部とを有するヒートパイプを備え、前記ヒートパイプは、受熱部で受けた熱を放熱部へ移動させ、前記搬送ベルトは放熱部から供給された熱で前記シートおよび前記トナー画像を加熱するので、レーザー光源がレーザー光を出射するときに発生する排熱を利用して前記シートおよび前記トナー画像を加熱し、定着に必要な光エネルギーを少なくした効率的なレーザー定着装置が実現できる。また、通紙されるシートが最終的な冷却手段となるので、レーザー光源に別の冷却手段を設ける必要がない。よって、冷却に必要な電力が削減できる。
この発明の画像形成装置は、前記レーザー定着装置を備えることにより効率的な定着が実現できる。ひいては、画像形成装置のウォームアップ時間を短縮することができる。また、待機中の加熱が不要な、低消費電力の画像形成装置を得ることができる。
【００１６】
この発明において、レーザー光源は、トナー画像およびシートを照射して加熱し、トナー画像を溶融させるに足るエネルギーを有するレーザー光を照射するものである。その具体的な態様は、例えば、複数のレーザー素子を並べかつそれらのレーザー素子から照射されるレーザー光を所定方向に向けるための光学系を設けたものである。少なくとも一つのレーザー素子とそのレーザー素子から照射されるレーザー光を走査する手段を設ける構成であってもよいが、走査手段を設けずに複数のレーザー素子を並べた単純な構成が極めて好ましい。レーザー素子としては小型で安価な半導体素子が極めて好ましい。実施形態において、レーザー光源は、半導体レーザーを用いている。しかし、この発明はこれに限定されず、ガスレーザーや個体レーザーを光源として用いてもよい。
この発明において、トナー画像は、微小な有色粒子からなるトナーを用いて形成された画像である。その具体的な態様は、例えば、電子写真用の感光体ドラム上に形成されたトナー像がシートに転写されたものである。
【００１７】
この発明において、シートは、所定の大きさに切断された印刷媒体である。その具体的な態様は、例えば、定形サイズに切断された印刷シートである。ただし、印刷媒体は紙に限らず、透明あるいは不透明の樹脂などであってもよい。後述する実施形態において、シートは、記録紙に相当する。
【００１８】
この発明において、照射領域は、レーザー光源から照射されたレーザー光によりシートおよびトナー画像が照射される領域である。その具体的な態様は、例えば、搬送ベルトに対向してレーザー光源が配置され、そのレーザー光源からのレーザー光が搬送ベルトを照射する領域である。後述する実施形態において、照射領域は、レーザー光源の直下を通過する搬送ベルト上の所定領域に相当する。
この発明において、搬送ベルトは、シートを搬送する無端状のベルトでありかつ放熱部からの熱をシートに伝達するものである。その具体的な態様は、例えば、ポリカーボネート等の樹脂にカーボンなどの導電性部材を分散させて無端ベルト状に成形したものである。
【００１９】
この発明において、ヒートパイプは、小さい温度差で多量の熱を運ぶために用いる特別な棒またはパイプである。その具体的な態様は、例えば、純水などの熱媒体を封入した金属製の細いパイプである。後述する実施形態において、ヒートパイプは、細管に相当する。ヒートパイプは受熱部で周囲から熱を奪い、放熱部で周囲に熱を供給する。この発明においては、レーザー光源から熱を奪って冷却し、搬送ベルト、前記搬送ベルトにより搬送されるシートおよびそのシートに転写されたトナーに熱を供給する。後述する実施形態において、受熱部と放熱部には周囲に効率よく熱を移動させるための高熱伝導材が配置されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の画像形成装置に含まれる画像形成部および定着部の主要な構成要素を模式的に示す説明図である。
【図２】この発明の定着装置の構成例を示す説明図である。
【図３】この発明に係るヒートレーンにおける熱移動の原理を示す説明図である。
【図４】図２に示す定着装置の第１の変形例を示す説明図である。
【図５】図２に示す定着装置の第２の変形例を示す説明図である。
【図６】この発明の定着装置を上から見たときの様子を示す説明図である。
【図７】この発明の画像形成装置を構成する各動作部および定着制御部ならびに各部間の制御信号の流れを示すブロック図である。
【図８】この発明の画像形成装置が備える定着制御部のコピー動作の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】この発明において、搬送ベルトの予備加熱時間に対するトナー温度の関係を一次元解析した結果を示す第１のグラフである（搬送ベルトの初期温度３０℃の場合）。
【図１０】この発明において、搬送ベルトの予備加熱時間に対するトナー温度の関係を一次元解析した結果を示す第２のグラフである（搬送ベルトの初期温度４０℃の場合）。
【図１１】この発明において、搬送ベルトの予備加熱時間に対するトナー温度の関係を一次元解析した結果を示す第２のグラフである（搬送ベルトの初期温度５０℃の場合）。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明の好ましい態様について説明する。
前記ヒートパイプは、自励振動型ヒートパイプであってもよい。このようにすれば、熱輸送効率の高い自励振動型ヒートパイプを用いて、通常のヒートパイプでは熱輸送効率の悪い方向、例えば、上から下への方向であっても、熱移動を効率よく実現できる。
【００２２】
また、前記ヒートパイプの放熱部は、前記搬送ベルトの内周面側に配置されてもよい。このようにすれば、放熱部を配置するために余分なスペースを必要としない。また、搬送ベルトの外周側を搬送されるシートの邪魔にならずかつシートに転写されたトナー画像を乱すことなく、搬送ベルトに熱を伝達することができる。
さらにまた、前記ヒートパイプの放熱部は、前記搬送ベルトに当接して配置されてもよい。このようにすれば、放熱部が搬送ベルトに接触するので熱を効率よく搬送ベルトに伝達することができ、ひいてはシートおよびトナーを効率よく加熱することができる。
前記放熱部は、レーザー光が照射される前記照射領域に前記シートが達する手前の位置に配置されてもよい。このようにすれば、シートが照射領域に達するまでの間に放熱部からの熱によって予め加熱することができる。
【００２３】
また、前記搬送ベルトの温度を検出する温度センサをさらに備え、前記定着制御部は、前記温度センサにより検出された搬送ベルトの温度に応じて前記レーザー光源の照射量を制御してもよい。このようにすれば、無駄な光エネルギーを照射することなくかつ定着に十分な光エネルギーを供給できるように照射量を制御することができ、低消費電力の定着装置を実現することができる。搬送ベルトの温度によって、シートの温度が左右され、従って定着に必要な光エネルギーが異なるからである。
【００２４】
さらにまた、搬送ベルトに前記シートを静電吸着させるための電圧を搬送ベルトに印加する電圧印加部をさらに備えていてもよい。このようにすれば、シートを搬送ベルトに静電吸着させてシートの浮きを抑制し、シート全体を均一かつ効率よく加熱することができる。また、搬送ベルトへのシートの密着性を向上させることによって、レーザー光の光エネルギーを未定着トナー画像に均一に照射することができる。
【００２５】
前記レーザー光源は、前記シートが搬送される方向と直行するシート幅方向に複数のレーザー素子が並べられてなるものでもよい。このようにすれば、シートの幅方向に複数のレーザー素子を並べることによって、定着に必要な光エネルギーの密度を確保できる。また、シートの幅方向にレーザー光を走査させるための機構を必要としないため構造が単純化される。これに対し、例えば、一つのレーザー光源でシート全面を光照射しようとすると、シート幅方向にレーザー光を走査させる必要がある。そのため、装置の複雑化、コストアップにつながる。更に、一つのレーザーで高出力するよりも複数のレーザーで高出力化したほうがレーザーの発熱面積が広くなるため放熱面積を広く取ることができ、広い面積で冷却できるという利点もある。
【００２６】
また、前記放熱部は、前記シートが搬送される方向の長さをＬミリメートル、前記シートの搬送速度をＶミリメートル／秒とするとき、次の式、Ｌ≧Ｖ×０．３を満たす長さＬで搬送ベルトに当接するよう配置されてもよい。このようにすれば、放熱部からの熱が搬送ベルトを介してシートおよびトナーに伝わるのに十分な長さ、即ち、加熱時間を確保することができる。
【００２７】
さらにまた、前記定着制御部は、前記照射領域を前記シートが通過するときは前記レーザー光源にレーザー光を照射させ、前記シートが前記領域にないときは前記レーザー光源にレーザー光を照射させないように制御してもよい。このようにすれば、トナー画像を定着するのに必要なタイミングにのみレーザー光を照射するので、無駄なレーザー光の照射を無くすことができ、消費電力を抑制することができる。また、シートのない状態で搬送ベルトにレーザー光を照射しないので、搬送ベルトの熱劣化を抑制することができる。
ここで示した種々の好ましい態様は、それら複数を組み合わせることもできる。
【００２８】
以下、図面を用いてこの発明をさらに詳述する。なお、以下の説明は、すべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。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。
本発明の一実施形態について図１に基づいて説明すると以下の通りである。
【００２９】
図１は、この発明の画像形成装置に含まれる画像形成部および定着部の主要な構成要素を模式的に示す説明図である。図１に示す画像形成装置１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、所定の記録紙に対して多色又は単色の画像を形成する。
上記画像形成装置は、可視像形成ユニット５０（５０Ｙ・５０Ｍ・５０Ｃ・５０Ｂ）、記録紙搬送手段３０、定着装置４０、供給トレイ２０を備えている。
【００３０】
上記画像形成装置は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂ）の各色に対応して、４つの可視像形成ユニット５０Ｙ・５０Ｍ・５０Ｃ・５０Ｂが並設されている。つまり、可視像形成ユニット５０Ｙは、イエロー（Ｙ）のトナーを用いて画像形成を行う。可視像形成ユニット５０Ｍは、マゼンダ（Ｍ）のトナーを用いて画像形成を行う。また、可視像形成ユニット５０Ｃは、シアン（Ｃ）のトナーを用いて画像形成を行う。可視像形成ユニット５０Ｂは、ブラック（Ｂ）のトナーを用いて画像形成を行う。具体的な配置としては、記録紙Ｐの供給トレイ２０と定着装置４０とを繋ぐ記録紙の搬送路に沿って４組の可視像形成ユニット５０を配設した、所謂タンデム式である。
【００３１】
可視像形成ユニット５０は、それぞれ実質的に同一の構成を有する。すなわち、それぞれに、感光体ドラム５１、帯電器５２、レーザー光照射手段５３（ここでは、感光体ドラムへ潜像を書き込むためのレーザー光照射手段のこと）、現像器５４、転写ローラ５５クリーナユニット５６、が設けられている。そして、搬送される記録紙Ｐに各色トナーを多重転写する。
【００３２】
ここで、上記感光体ドラム５１は、形成される画像を担持するものである。上記帯電器５２は、感光体ドラム５１表面を所定の電位に均一に帯電させるものである。レーザー光照射手段５３は、画像形成装置に入力された画像データに応じて、帯電器５２によって帯電した感光体ドラム５１表面を露光して、該感光体ドラム５１表面に静電潜像を形成する。上記現像器５２は、感光体ドラム５１表面に形成された静電潜像を、各色のトナーによって顕像化する。転写ローラ５５は、トナーとは逆極性のバイアスが印加されており、後述する記録紙搬送手段３０により搬送された記録紙Ｐに、形成されたトナー像を転写させている。ドラムクリーナユニット５６は、現像器５４での現像処理、及び、感光体ドラム５１に形成された画像の転写後に、感光体ドラム５１表面に残留したトナーを、除去・回収する。以上のような、記録紙Ｐに対するトナー像の転写は、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｂの４色について繰り返される。
【００３３】
上記記録紙搬送手段３０は、駆動ローラ３１、アイドリングローラ３２、搬送ベルト３３からなり、記録紙Ｐに可視像形成ユニット５０にてトナー像が形成されるように、記録紙Ｐを搬送するものである。駆動ローラ３１およびアイドリングローラ３２は、無端状の搬送ベルト３３を架張するものであり、駆動ローラ３１が所定の周速度に制御されて回転することで、無端状の搬送ベルト３３を回転させている。搬送ベルト３３は、外側表面に静電気を発生させており、記録紙Ｐを静電吸着させながら、上記記録紙Ｐを搬送している。
上記記録紙Ｐは、このようにして、搬送ベルト３３に搬送されながらトナー像を転写されたあと、駆動ローラ３１の曲率により搬送ベルト３３から剥離され、定着装置４０に搬送される。
定着装置４０は、記録紙Ｐに適度な熱を与えて、トナーを溶解して記録紙に固定することで、堅牢な画像を形成する。
ここで、上記定着装置４０について、図２を用いて詳細に説明する。
図２は、この発明の定着装置の構成例を示す説明図である。図２に示す定着装置４０は、レーザー光源１０４、冷却手段としての自励振動式ヒートパイプからなるヒートレーン１０６、及び記録紙Ｐを搬送する記録紙搬送装置１０７で構成されている。
【００３４】
記録紙搬送装置１０７は、２本のテンションローラ１０１、及び１０２と、帯電ローラ１２０と、耐熱性の無端ベルトを有する搬送ベルト１０３から構成されており、未定着トナー画像（トナー１１０）を有する記録紙Ｐは、搬送ベルト１０３上で搬送する。テンションローラ１０１には図示しない駆動手段が接続されており、駆動手段により回転を行う。
【００３５】
ヒートレーン１０６は、レーザー光源１０４の発熱部と搬送ベルト１０３の間に熱媒体を封入した１本の細管１１３を往復させている。ここでヒートレーンの動作原理のイメージを図３に示す。受熱部と放熱部との間に配置される細管１１３として、熱媒体（例えば純水）を封入した金属パイプであって、例えば内径１ｍｍの肉厚０．５ｍｍの金属パイプを何回も往復させた構造を有している。細管１１３の材料としては、例えば、アルミ、銀、胴等、熱伝導率の大きい材料を用いる。
【００３６】
細管１１３内に封入された熱媒体は，気相部と液相部が交互に存在する状態となる．受熱部において，液相の熱媒体は吸収した熱により温度が上昇し，沸騰して断続的に蒸気泡を発生すると同時に圧力が上昇する．一方，放熱部においては，冷却作用により蒸気泡の収縮または凝縮により蒸気圧力の降下と熱媒体の温度降下が生じる．受熱部と放熱部の圧力差により自励的に発生する圧力振動により，細い管内に閉塞された気相と液相の熱媒体が，圧力の高い受熱部から圧力の低い放熱部へ移動する。この熱媒体の移動により潜熱と顕熱の両方の熱の輸送が同時に行われる。振動力で管内の熱媒体を循環させるため，従来のヒートパイプと比べ重力の影響を受けにくいので，取り付け姿勢による熱輸送能力の変化が小さくなる。
またヒートレーン内の液の流れを一定方向に流すため細管１１３内に逆止弁を設けることが更に望ましい。
【００３７】
レーザー光源１０４は、半導体レーザーである。半導体レーザーは、炭酸ガスレーザー等の他のレーザーに比べ、安価で小型化できるメリットがある。また、半導体素子の配合や材料の組成で４００ｎｍ〜１０００ｎｍの領域で、任意で広範囲の波長のレーザー光を発生させることができる。さらに、近年では単体で数ワット、アレイとして数十ワットの高出力のものが市場で入手できる状況にあり、今後さらに高出力化が進む傾向にある。
【００３８】
レーザー光源１０４は、記録紙搬送装置１０７の方向（下方向）にレーザー光を照射し、その反対面で高熱伝導材１０８を介してヒートレーンの受熱部１１１と接触しており、ヒートレーンの放熱部１１２は、別の高熱伝導材１０５を介して搬送ベルト１０３と当接している。
【００３９】
高熱伝導材１０５、１０８は、アルミ、銀、胴等、熱伝導率の大きい材料を用いる。今回は、高熱伝導材１０５、１０８は、厚み０．５ｍｍのアルミ板を使用した。また、高熱伝導材１０８とレーザー光源との接触面は、図示しない非導電材料であるＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂）で薄く（１０μｍ程度）コーティングされており接触面での絶縁性を維持する役割がある。上記ＰＦＡ以外でもＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン）等の材料を使用してもよい。つまり絶縁性を有する材料であれば、これに限らない。
【００４０】
また別の高熱伝導材１０５と搬送ベルト１０３との接触面は、図示しない摩擦係数の低い材料であるＰＦＡで薄く（１０μｍ程度）コーティングされており接触面での摩擦抵抗を低減する役割がある。上記ＰＦＡ以外でもＰＴＦＥ、ＦＥＰ等の材料を使用してもよい。つまり摩擦抵抗低減する材料であれば、これに限らない。
【００４１】
高熱伝導材１０５の紙搬送ベルト１０３との接触面は、レーザー光源１０４で発生した熱を、ヒートレーンを通じて熱移動し、搬送ベルト１０３に伝熱する。ヒートレーンの放熱部が搬送ベルトと当接している領域は、レーザー光が紙搬送ベルトに照射する位置よりも紙搬送方向上流側に当接しているほうが、未定着画像のトナーがレーザー照射される直前に予備加熱されるので最も効率的である。
【００４２】
また、図２では、レーザー光源１０４から発生する熱を、高熱伝導材１０８を通じてヒートレーンの受熱部に伝熱させたが、それとは異なりレーザー光源１０４を直接ヒートレーンの受熱部１１１に当接して伝熱させてもよい。同様に、ヒートレーンの放熱部１１２と直接に搬送ベルト１０３に当接して伝熱させてもよい。ただしレーザー光源１０４が小型の場合は、ヒートレーンの受熱部１１１で接触面積が十分確保できないため、レーザー光源１０４の放熱が不十分になる場合もある。同様にヒートレーンの放熱部１１２での接触面積が充分確保できない場合もある。従って、高熱伝導材１０５、１０８等でヒートレーンとの接触面積を大きくすることが好ましい。また、密着性を上げるため適宜高熱伝導グリース等で密着性を上げてもよい。
【００４３】
図４は、定着装置４０の変形例を示す説明図である。図４に示すように、搬送ベルト１０３の外側に配置して、搬送ベルト１０３の表面（外周面）を加熱する構成でもよい。このような構成にすることでベルト表面を直接加熱することができる。
また、図５は、定着装置４０の異なる変形例を示す説明図である。図５に示すように、ヒートレーンの放熱部を、未定着トナー画像を有する記録紙表面に非接触で近接させ、記録紙Ｐへ伝熱させてもよい。
【００４４】
図２〜図５は、本実施形態の一例であり、これ以外にもレーザー光源１０４から発生した熱で搬送ベルト、記録紙Ｐを予備加熱できる位置にヒートレーンの放熱部を配置するものであればよい。
上記のような構成にすることで、レーザー光源１０４は、エネルギー変換ロスによって自己発熱するものの、ヒートレーンの熱移動によって、搬送ベルト１０３を介して記録紙に放熱（記録紙で冷却）するので、レーザー光源１０４の温度上昇を抑制できる。
【００４５】
図２示すように、搬送ベルト１０３は、ポリカーボネート、フッ化ビニリデン、ポリアミドイミド、ポリイミド（ＰＩ）などの樹脂にカーボンなどの導電性部材を分散させた素材から構成されている。搬送ベルト１０３の表面には、帯電ローラ１２０が接触している。搬送ベルト１０３は、帯電ローラ１２０によって電圧を印加（帯電ローラは、電源と接続されており、ベルト表面に対して電圧を印加する）することで、搬送ベルト１０３の表面（外周面）は、記録紙Ｐを静電吸着させる構成となっている。記録紙Ｐを搬送ベルト１０３に静電吸着させることによって、搬送ベルト１０３と記録紙Ｐが密着し、搬送ベルト上の熱を効率よく記録紙Ｐに伝熱することができる。
【００４６】
図６は、図２におけるレーザー光照射装置の紙搬送方向に対して真上から見たときの様子を示す説明図である。図６に示すように、レーザー光源１０４を紙搬送方向に対して垂直方向に複数並べている。例えば、一つのレーザーで、紙全面を光照射する場合、紙の搬送方向以外に、紙搬送方向と垂直方向にレーザーをスキャンさせる必要がある。そのため、定着プロセスに時間がかかるため高速で定着させるのに限界がある。
【００４７】
また、レーザーをスキャンさせるには、装置の複雑化、コストアップになる。一方、紙搬送方向と垂直方向にライン上に、並べることで、紙搬送方向と垂直方向にレーザーをスキャンさせる必要がないため、必要最低限の構成で使用することができ、更に、高速で、定着させることが可能である。
【００４８】
また、図６は、レーザー光源１０４の上に高熱伝導材１０８を介して冷却手段としてのヒートレーン１０６の受熱部１１１があり、ヒートレーンの放熱部１１２は記録紙搬送装置１０７の内部の紙搬送ベルト１０３の内側に至っている。図６のヒートレーンは一本の細管を一往復してそれを複数個使用した図であるが、これに限定されるものではなく、図３に示したように、一本の細管１１３を何回も往復させた構造でもよい。
図２に示すように、搬送ベルト１０３の内周面側には、搬送ベルト１０３の温度を検知するための温度検知手段（温度センサ）としてサーミスタ１０９を設置している。
【００４９】
サーミスタ１０９による検知温度に基づいて、レーザー光源１０４は、図７に示す定着制御部６０２によって、その光照射量を制御される。サーミスタ１０９は、搬送ベルト１０３の温度もしくは、記録紙Ｐの温度が適正に温度検知する位置であればこの位置に限定されない。
また、サーミスタ１０９以外の温度検知手段を使用してもよい。
レーザー光源１０４から発熱する熱により、未定着トナー画像有する記録紙Ｐが予備加熱されるとレーザー光を照射する前に記録紙Ｐ、及びトナー１１０が加温される。
したがって、レーザー光で、トナー１１０を加熱定着する際には、レーザー照射量を抑えることができる。
【００５０】
例えば、室温（２０℃）において、定着装置のウォームアップ直後に定着動作を行った場合、レーザー光源１０４による発熱がほとんどないため、記録紙Ｐの裏面は加熱されない。従って、記録紙Ｐの表面に存在するトナー１１０も、ほぼ室温であり、このトナー１１０を定着させるのに必要なエネルギーは、理論値０．０００７９５Ｊ／ｍｍ2である。具体的には、例えば、一般的なポリエステルトナーを用いた場合を説明する。トナー１１０の比熱１．４２Ｊ／ｇ・℃、比重０．０００８１７ｇ／ｍｍ3、トナーの厚み０．０１６ｍｍ、トナー１１０の充填率０．４７６（単位体積あたりにトナーの存在する体積）、室温のトナー１１０を１１０℃（トナーが溶融するのに必要なトナー温度）で溶融する場合、定着に必要な光照射エネルギーは、０．０００７９５Ｊ／ｍｍ2（＝比熱×比重×充填率×（１１０℃−２０℃）である。
【００５１】
一方、記録紙Ｐを連続通紙し、このときレーザー光源１０４でエネルギー変換ロスにより生じた熱がヒートレーンを通じて搬送ベルト１０３に伝熱される。サーミスタ検知温度が４０℃、即ち、未定着トナー画像が４０℃まで予備加熱されたとき、トナー１１０を溶融するのに必要な光照射エネルギーは、０．０００６１８Ｊ／ｍｍ2（＝比熱×比重×充填率×（１１０℃−４０℃）である。これは、トナー画像が室温の場合に対して７８％（＝０．０００５９３／０．０００７９５）の光照射量でよいことになる。
【００５２】
ところで、サーミスタ検知温度と未定着トナー画像の温度（ここでは、トナー最下層と紙の界面温度とする。）の関係は、例えば、以下の条件のもとで１次元熱解析を行い、その結果から事前にサーミスタ検知温度とトナー温度の関係を予測することができる。
熱解析の構成および初期条件は、以下の通りである。
【００５３】
まず、熱解析に用いる高熱伝導材、搬送ベルトおよび記録紙の構成であるが、高熱伝導材１０５は、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム製であり、その表面に高熱伝導材表層としてＰＦＡを材料とする厚さ０．０１ｍｍの層が形成されたものを用いる。搬送ベルト１０３は、厚さ０．０５ｍｍのＰＩ樹脂製である。搬送ベルト１０３に搬送されるシートは厚さ０．１ｍｍであり、シート上に転写されたトナー層の厚さは０．０１６ｍｍである。
【００５４】
次に、初期条件であるが、トナーおよび記録紙の初期温度は２０℃、記録紙の搬送速度は２００ｍｍ／秒である。そして、高熱伝導材および搬送ベルトの初期温度は、３０℃、４０℃、５０℃の３通りとする。予備加熱時間はいずれも０．４秒である。ここで、予備加熱時間とは、未定着画像を載せた記録紙が、搬送ベルト１０３に接触してから定着装置４０のレーザー光源１０４によるレーザー照射領域に到達するまでの時間である。
【００５５】
図９〜図１１は、この発明において、搬送ベルトの予備加熱時間に対するトナー温度の関係を一次元解析した結果を示す第１のグラフである。図９、１２、１３は、搬送ベルト１０３の温度検知用サーミスタ１０９の検知温度、つまり搬送ベルトの初期温度が３０℃、４０℃、５０℃の場合に対応する。搬送ベルト１０３と記録紙上のトナーの温度との関係については、トナー温度は、少なくとも予備加熱時間０．３秒以上でほぼ搬送ベルトの初期温度と同じになる。よって、予備加熱時間を０．４秒とする前記条件のもとでは、サーミスタ１０９の検知温度をトナー温度とみなしてよい。すなわち、ヒートレーン１０６の放熱部１１２で搬送ベルト１０３との接触時間を０．３秒以上にすることが望ましく、そうすることでトナーは充分予備加熱されていることになる。つまりプロセス速度Ｓ（ｍｍ／ｓ）とした時、ヒートレーンの放熱部における最適な紙搬送方向の幅Ｌ（図２参照）は、少なくともＬ＝０．３×Ｓ以上の幅で接触させておけば、ヒートレーンで発生した熱をトナー部分に充分与えることができる。
【００５６】
ただし設計上の理由などで、ヒートレーンの放熱部と搬送ベルト１０３との接触時間が小さい場合、ヒートレーンの熱が十分に搬送ベルト１０３に伝熱しないこともある。その場合は、サーミスタ１０９が検知する温度とトナー１１０の温度とが異なるため、上記（図９、１２、１３）の計算結果から温度差を考慮した適正な温度変換テーブルを作成すればよい。
【００５７】
上記の理論値を基に、サーミスタ１０９の検知温度に対するレーザーの光照射量の関係を計算した温度変換テーブルを作成する。そして、サーミスタ１０９の検知温度に基づいて、前記温度変換テーブルを読み出し、光照射量を決定すれば、必要最低限の光照射量で定着させることができる。なお、上記温度変換テーブルは、後述する図７の記憶部６０９に記憶される。
以上のようにして計算により温度変換テーブルの値を求める手法は、単なる一例であって、別の方法で前記温度変換テーブルを作成してもよい。
図７は、この発明の画像形成装置を構成する各動作部および制御部ならびに各部間の制御信号の流れを示すブロック図である。
【００５８】
図７のブロック図の全体が示す画像形成装置は、たとえば、スキャナとプリンタと周辺機器とを備えた複合機であって、図１の画像形成装置１に対応する。図７の画像形成装置は、画像読取部６０５、画像処理部６０６、画像形成部６０７、定着制御部６０２、記憶部６０９、周辺機器制御部６０８、入力部６０３および表示部６０４を備える。
【００５９】
画像読取部６０５は、原稿画像を読み取る。画像処理部６０６は、読み取った原稿画像を適正な電気信号に変換して画像データを生成する。画像形成部６０７は、生成された画像データを印刷出力する。定着制御部６０２は、定着部（図７に図示せず）のレーザー光照射を制御する。記憶部６０９には、プロセス速度と紙搬送開始信号を検出するアクチュエータの信号を元に印字開始信号を受信してから記録部材が定着装置内のレーザー照射領域までの到達時間が格納される。周辺機器制御部６０８は、後処理装置であるフィニッシャーやソーターなどの周辺機器を制御する。入力部６０３および表示部６０４は、画像形成装置の操作部である。
【００６０】
制御部６０１は、少なくとも以下の制御を行う。まず、画像処理部６０６から受信した画像情報の印字位置情報をもとに記憶部６０９に予め記憶されたデータの照合を行う。ここで、印字位置情報は、印刷ジョブに対して、１ページ毎のどの位置に印字すべきかといった指令を指す。そして、印字位置情報と、サーミスタ検知温度情報とを元に温度変換テーブルにて算出したレーザー光出力値を定着制御部６０２へ送信する。
また、定着制御部６０２は、受信した印字位置情報と算出したレーザー光の出力値に基づいて、搬送ベルト１０３を駆動し、さらに、レーザー光を照射する制御を行う。
さらにまた定着制御部６０２は、記録紙Ｐの搬送を検出する図示しないアクチュエータの信号を監視する。そして、前記信号に基づいて搬送ベルト１０３に対して電圧を印加する制御を行う。
【００６１】
図８は、この発明の画像形成装置が備える制御部のコピー動作の処理手順を示すフローチャートである。
なお、画像形成装置１の図示しないプリンタドライバの画面からユーザーが印刷指示を行った場合でも、ユーザーの印刷指示信号に基づいて本フローチャートと同様の制御を行う。
【００６２】
ユーザーがコピーしたい原稿をスキャナに載置し、若しくは原稿台に載置した後に入力部６０３の図示しないコピーボタンがユーザーによって押下されると、制御部６０１は、ユーザーが押下した信号（印刷指示信号）を受信する。そして、前記信号に応答して、例えば、スキャナの画像読取部６０５に原稿画像を読み取らせるように制御する。そして、画像読取部６０５が読み取った信号を画像処理部６０６に画像処理させる。そして、画像処理部６０６から前述の印字位置情報を受信する。
【００６３】
制御部６０１は、画像処理部６０６から情報を受信すると、まず受信した情報に印字位置情報が含まれているか否かを判断する（ステップＳ１１）。印字位置情報が含まれていなければ、印刷ジョブの実行でないと判断して何もしない（ステップＳ１１のＮｏ）。一方、受信した情報に印字位置情報が含まれているなら（ステップＳ１１のＹｅｓ）、制御部６０１は、記憶部６０９を参照して印字開始のタイミングを決定する（ステップＳ１３）。また制御部６０１はサーミスタ１０９の検知温度を受信する（ステップＳ１５）。
【００６４】
そして、受信したサーミスタ１０９からの検知温度を用いて、あらかじめ作成された温度変換テーブルを参照し（ステップＳ１７）、前記検知温度に対応するレーザー照射量の出力値を決定する（ステップＳ１９）。次に定着制御部６０２へ決定された出力値及び出力信号を送信し、レーザー光源１０４を照射する制御を行う（ステップＳ２１）。
【００６５】
さらに、定着制御部６０２は、搬送ベルト１０３へバイアス電圧を印加する制御を行う（ステップＳ２３）。印刷ジョブの実行中、定着制御部６０２はレーザー光源１０４からのレーザー光の照射を制御する（ステップＳ２５）。
印刷ジョブが完了すると（ステップＳ２７）、定着制御部６０２は、レーザー光源１０４によるレーザー光の出力を停止させ（ステップＳ２９）、次に、搬送ベルト１０３へのバイアス電圧の印加をも停止させるように制御する（ステップＳ３１）。
【００６６】
なお、定着制御部６０２は、図示しない記録紙Ｐの搬送を検出するアクチュエータの信号を監視して、この信号に基づいて紙が搬送されてきたことを認識し、レーザー光源１０４やバイアス電圧の制御を行ってもよい。例えば、記録紙Ｐが供給トレイ２０から図示しない給紙ローラから給紙されたときから記録紙Ｐの移動時間を計測し、レーザー照射領域までの到達時間を算出して、レーザー光源１０４や搬送ベルト１０３、バイアス電圧印加及び停止を制御してもよい。
【００６７】
以上のように、搬送ベルト１０３（図２）により搬送されてきた未定着トナー画像を有する記録紙Ｐは、搬送ベルト１０３と密着し、かつ、印字位置情報に基づいてレーザー光が照射される。通紙動作中には、画像情報から得られた印字位置情報に基づいてレーザー光が照射される。よって、通紙動作中以外、すなわちウォームアップ時、及び待機時は、電力を必要としない。よって、低消費電力の定着装置、及び画像形成装置が実現できる。
【００６８】
なお、図８のフローチャートでは、レーザー光源１０４の照射を停止する為の制御を定着制御部６０２が制御するものとしたが、特に定着制御部６０２が制御しなくとも、制御部６０１からのレーザー光源１０４を照射する指示信号のみに基づいて、レーザー光源１０４の照射を制御してもよい。
【００６９】
前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。
【符号の説明】
【００７０】
１：画像形成装置
２０：供給トレイ
３０：記録紙搬送手段
３１：駆動ローラ
３２：アイドリングローラ
３３：搬送ベルト
４０：定着装置
５０：可視像形成ユニット
５１：感光体ドラム
５２：帯電器
５３：レーザー光照射手段
５４：現像器
５５：転写ローラ
５６：クリーナユニット
１０１、１０２：テンションローラ
１０３：搬送ベルト
１０４：レーザー光源
１０５、１０８：高熱伝導材
１０６：ヒートレーン
１０７：記録紙搬送装置
１０９：サーミスタ
１１０：トナー
１１１：受熱部
１１２：放熱部
１１３：細管
１２０：帯電ローラ
６０１：制御部
６０２：定着制御部
６０３：入力部
６０４：表示部
６０５：画像読取部
６０６：画像処理部
６０７：画像形成部
６０８：周辺機器制御部
６０９：記憶部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を出射し得るレーザー光源と、
トナー画像が転写されたシートを搬送して前記レーザー光源からのレーザー光で照射される照射領域へ導く搬送ベルトと、
前記レーザー光源が発する熱を受ける受熱部と前記搬送ベルトへ熱を供給する放熱部とを有するヒートパイプと、
前記レーザー光源を制御する定着制御部とを備え、
前記定着制御部は、前記照射領域を通過する前記トナー画像にレーザー光を照射するように制御して前記トナー画像を前記シートに定着させ、
前記ヒートパイプは、受熱部で受けた熱を放熱部へ移動させ、
前記搬送ベルトは放熱部から供給された熱で前記シートおよび前記トナー画像を加熱することを特徴とするレーザー定着装置。
【請求項２】
前記ヒートパイプは、自励振動型ヒートパイプである請求項１に記載のレーザー定着装置。
【請求項３】
前記ヒートパイプの放熱部は、前記搬送ベルトの内周面側に配置される請求項１または２に記載のレーザー定着装置。
【請求項４】
前記ヒートパイプの放熱部は、前記搬送ベルトに当接して配置される請求項１〜３の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項５】
前記放熱部は、レーザー光が照射される前記照射領域に前記シートが達する手前の位置に配置される請求項１〜４の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項６】
前記搬送ベルトの温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記定着制御部は、前記温度センサにより検出された搬送ベルトの温度に応じて前記レーザー光源の照射量を制御する請求項１〜５の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項７】
搬送ベルトに前記シートを静電吸着させるための電圧を搬送ベルトに印加する電圧印加部をさらに備える請求項１〜６の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項８】
前記レーザー光源は、前記シートが搬送される方向と直行するシート幅方向に複数のレーザー素子が並べられてなる請求項１〜７の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項９】
前記放熱部は、前記シートが搬送される方向の長さをＬミリメートル、前記シートの搬送速度をＶミリメートル／秒とするとき、次の式、
Ｌ≧Ｖ×０．３
を満たす長さＬで搬送ベルトに当接するよう配置される請求項１〜８の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項１０】
前記定着制御部は、前記照射領域を前記シートが通過するときは前記レーザー光源にレーザー光を照射させ、前記シートが前記領域にないときは前記レーザー光源にレーザー光を照射させないように制御する請求項１〜９の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一つに記載のレーザー定着装置を備えてなる画像形成装置。
【請求項１】
レーザー光を出射し得るレーザー光源と、
トナー画像が転写されたシートを搬送して前記レーザー光源からのレーザー光で照射される照射領域へ導く搬送ベルトと、
前記レーザー光源が発する熱を受ける受熱部と前記搬送ベルトへ熱を供給する放熱部とを有するヒートパイプと、
前記レーザー光源を制御する定着制御部とを備え、
前記定着制御部は、前記照射領域を通過する前記トナー画像にレーザー光を照射するように制御して前記トナー画像を前記シートに定着させ、
前記ヒートパイプは、受熱部で受けた熱を放熱部へ移動させ、
前記搬送ベルトは放熱部から供給された熱で前記シートおよび前記トナー画像を加熱することを特徴とするレーザー定着装置。
【請求項２】
前記ヒートパイプは、自励振動型ヒートパイプである請求項１に記載のレーザー定着装置。
【請求項３】
前記ヒートパイプの放熱部は、前記搬送ベルトの内周面側に配置される請求項１または２に記載のレーザー定着装置。
【請求項４】
前記ヒートパイプの放熱部は、前記搬送ベルトに当接して配置される請求項１〜３の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項５】
前記放熱部は、レーザー光が照射される前記照射領域に前記シートが達する手前の位置に配置される請求項１〜４の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項６】
前記搬送ベルトの温度を検出する温度センサをさらに備え、
前記定着制御部は、前記温度センサにより検出された搬送ベルトの温度に応じて前記レーザー光源の照射量を制御する請求項１〜５の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項７】
搬送ベルトに前記シートを静電吸着させるための電圧を搬送ベルトに印加する電圧印加部をさらに備える請求項１〜６の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項８】
前記レーザー光源は、前記シートが搬送される方向と直行するシート幅方向に複数のレーザー素子が並べられてなる請求項１〜７の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項９】
前記放熱部は、前記シートが搬送される方向の長さをＬミリメートル、前記シートの搬送速度をＶミリメートル／秒とするとき、次の式、
Ｌ≧Ｖ×０．３
を満たす長さＬで搬送ベルトに当接するよう配置される請求項１〜８の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項１０】
前記定着制御部は、前記照射領域を前記シートが通過するときは前記レーザー光源にレーザー光を照射させ、前記シートが前記領域にないときは前記レーザー光源にレーザー光を照射させないように制御する請求項１〜９の何れか一つに記載のレーザー定着装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一つに記載のレーザー定着装置を備えてなる画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−４２７４７（Ｐ２０１２−４２７４７Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８４２８７（Ｐ２０１０−１８４２８７）
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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