(57)【要約】【課題】紙を平坦な状態に維持しつつ、定着後に発生する紙の波打ちを低減することが可能な定着装置を提供する。【解決手段】定着ベルト３１と、定着ベルト３１の内部に備えられたヒータ３４と、定着ベルト３１に紙を押圧する加圧ローラ３７と、ニップ部４２を形成する加圧パッド４１と、を有する定着装置であって、定着ベルト３１の両端部を冷却する冷却部材３９を有する。【選択図】図１
2015158637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定着ベルトと、
前記定着ベルトの内部に備えられた加熱手段と、
前記定着ベルトの外周面に紙を押圧する押圧手段と、
前記定着ベルトの内部に備えられ、前記押圧手段へ前記定着ベルトを押し付けてニップ部を形成するニップ部形成手段と、
を有する定着装置であって、
前記定着ベルトの紙の幅方向の両端部を冷却する冷却手段を有することを特徴とする定着装置。
【請求項２】
前記定着ベルトの、紙の幅方向の両端部の温度を測定する端部温度測定手段と、
前記端部温度測定手段により測定される温度が８０℃以下となるように前記冷却手段を制御する第１の温度制御手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項３】
前記定着ベルトの、紙の幅方向の中央部の温度を測定する中央部温度測定手段と、
前記端部温度測定手段によって測定される温度が、前記中央部温度測定手段によって測定される温度より４０℃低くなるように前記冷却手段を制御する第２の温度制御手段と、
をさらに有することを特徴とする請求項２記載の定着装置。
【請求項４】
前記冷却手段は、電流を流すことで冷却を行うペルチェ素子を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項５】
前記冷却手段は、外気との熱交換を行うヒートシンクを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の定着装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の定着装置を有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項７】
前記冷却手段による冷却を行うか否かを設定する設定手段をさらに有することを特徴とする請求項６記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真技術を用いた複写機、プリンタ、複合機等のトナーを溶融して作像する定着装置及び画像形成装置に関し、特に、加熱したベルト及びローラで構成されるニップ部にトナー像が形成された紙を通過させ、トナー像を溶融し紙上に定着させる定着装置及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電子写真方式を利用した画像形成装置においては、帯電装置で感光体の表面に電荷を保持させ、画像情報に従って光照射装置よりレーザ光またはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）光などを照射して感光体上に潜像を形成する。そして、この潜像を現像装置から供給されるトナーにより顕像化する。
【０００３】
感光体上のトナー像は、転写装置により転写ベルト上に転写され、その後転写ベルトから紙上に転写される。紙上のトナー像は、定着装置により加熱加圧され紙に定着される。
【０００４】
定着装置は、トナー像を加熱する定着ベルトと、定着ベルトに紙を押し付ける加圧ローラまたは加圧ベルトとで構成される。定着ベルト内には、定着ベルトを加熱する加熱手段及び定着ベルトを加圧ローラに押し付ける加圧パッドが設けられている。
【０００５】
紙は定着ベルトと加圧ローラでニップされて搬送され、紙上のトナー画像はニップ部の熱と圧力により溶融し定着される。この定着プロセス後、紙の端部が５０〜１５０ｍｍ程度の周期で凹凸になる波打ちが発生する。このような波打ちは、出力された紙を重ねて製本する際、端面の凹凸によって品質を低下させる。
【０００６】
定着装置の直前は平坦であった紙は、定着装置を通過したした後、図４のような波打ちの形状を示す。主に長辺方向を搬送方向として、長辺側の端部に波打ちが発生する。従来、波打ちは、定着装置で加熱された際に紙から水分が蒸発することで発生すると考えられていた。
【０００７】
特許文献１には、波打ちの矯正方法として、定着後減少した紙の水分をローラによる水分塗布装置により補充する方法が記載されている。特に、定着プロセス後の紙に多孔性のローラにより水分を供給し、波打ちを矯正させる構成が提案されている。
【０００８】
特許文献１に記載されている方法によって、紙に一様に水分を供給したとしても、供給した水分の量に応じて紙全体が伸びるだけであり、紙が平坦に戻ることはない。
【０００９】
また、連続的に紙を送って印刷する場合、ニップ部の紙が通過する範囲は紙に温度を奪われる。そのため、通紙部の温度を維持するために加熱手段で定着ベルトまたはローラを加熱する。しかし、非通紙部では紙により熱が奪われない分、温度が上昇しすぎるという不具合がある。その問題に対し、特許文献２のように加圧ローラ側の両端部でローラを接触させて冷却し、端部の温度が上昇しすぎないようにする方法が提案されている。
【００１０】
さらに、特許文献３のように、定着ローラの両端部を加熱する外部加熱ベルトを配置し、幅の狭い紙の場合は定着ローラ端部の温度上昇を抑えるため、外部加熱ベルトをファンで冷却する機構が提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
いずれの特許文献でも、波打ちの発生を効果的に低減させることができない。
【００１２】
本発明の目的は、紙を平坦な状態に維持しつつ、定着後に発生する紙の波打ちを低減することが可能な定着装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の定着装置は、定着ベルトと、前記定着ベルトの内部に備えられた加熱手段と、前記定着ベルトの外周面に紙を押圧する押圧手段と、前記定着ベルトの内部に備えられ、前記押圧手段へ前記定着ベルトを押し付けてニップ部を形成するニップ部形成手段と、を有する定着装置であって、前記定着ベルトの紙の幅方向の両端部を冷却する冷却手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、紙を平坦な状態に維持しつつ、定着後に発生する紙の波打ちを低減することが可能な定着装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の定着装置の実施形態１の構成を示す図である。
【図２】本発明の定着装置の実施形態１の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の定着装置を備えた画像形成装置の実施形態１の構成を示す断面図である。
【図４】波打ちの発生の様子を示す図である。
【図５】本発明の定着装置の実施形態１の動作を示すフローチャート図である。
【図６】定着温度と波打ちの高さの関係を示す図である。
【図７】定着温度と縮み率の差の関係を示す図である。
【図８】定着温度と縮み率の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
波打ちを解決する有効な手段が見出せていなかった原因は、波打ちの発生原理が明らかになっていなかったためである。そこで、本願発明者らは、波打ち現象を実験により詳細に検討した結果、波打ち現象の原因が定着装置のニップ中の紙の端部からの水分蒸発であることを解明した。
【００１７】
まず、定着装置のニップ部で紙が加熱される際、中央部は紙内の水分が蒸発し難いが、両端部は端面から水分が蒸発する。そのため、端部の含水率が中央部より低下する。ニップ通過後、加熱された紙全体から水分が蒸発するが、含水率の高い中央部のほうが端部より蒸発量が多くなる。そして、紙は水分の蒸発量が多いほど縮むため、中央部の縮みが端部より大きくなる。その長さの差を吸収するために波打ちが発生する。
【００１８】
本願発明者等は、このような発生原因を鋭意検討した結果、波打ちを低減するには、ニップ中の紙端部からの水分の蒸発を低減する必要があることが分かった。そのためには、紙の端部のみ加熱温度を下げることが望ましい。以下、本発明について、実施形態を用いながら説明をする。
【００１９】
＜実施形態１の構成・動作＞
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明の実施形態は、以下の実施形態に限定されるものではない。なお、以下に説明する実施形態では、カラー印刷機能を有する画像形成装置を用いて説明する。
【００２０】
図３に示すように、画像形成装置１００は、ブラック、マゼンダ、シアンおよびイエローの各カラーの現像ユニットを有している。
【００２１】
例えば、イエローの現像ユニットは、感光体ドラム３Ｙと、感光体ドラム３Ｙに電荷を帯電させる帯電ローラ４Ｙと、レーザダイオードなどの光照射装置６Ｙと、モータにより高速一定回転で駆動される。感光体ドラム３Ｙの主走査方向に光ビームを走査するポリゴンミラー５Ｙと、現像剤を保持する現像装置７Ｙとが中間転写ベルト２に沿って並んで配置されている。
【００２２】
画像形成処理に際しては、まず帯電ローラ４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋにより感光体ドラム３Ｙ、３Ｍ、３Ｃ、３Ｋ上に負の電荷を付与し、一様に帯電させる。
【００２３】
次に、ブラック、マゼンダ、シアンおよびイエローに分解された画像信号に応じて光照射装置６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｋから光ビームが出力される。ポリゴンミラー５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋを含む光学系を通して、帯電した感光体ドラム３Ｙ、３Ｍ、３Ｃ、３Ｋの表面に静電潜像が書き込まれる。
【００２４】
形成された各色の静電潜像は、各感光体ドラム３Ｙ、３Ｍ、３Ｃ、３Ｋの回動につれて現像装置７Ｙ、７Ｍ、７Ｃ、７Ｋ方向へと搬送される。そして、現像装置７Ｙ、７Ｍ、７Ｃ、７Ｋから供給されるトナーが静電潜像部に付着することで、トナー像が感光体ドラム３Ｙ、３Ｍ、３Ｃ、３Ｋ上に形成される。
【００２５】
感光体ドラム３Ｙ、３Ｍ、３Ｃ、３Ｋの下方には、ローラ１４、２１、２２に張架された中間転写ベルト２が配置されている。中間転写ベルト２は矢印１００Ａが示す方向に搬送される。感光体ドラム３Ｙ、３Ｍ、３Ｃ、３Ｋに対向して、中間転写ベルト２の内側にロ−ラ９Ｙ、９Ｍ、９Ｃ、９Ｋが接触し、１次転写用電源２９Ｙ、２９Ｍ、２９Ｃ、２９Ｋによって１次バイアス電圧が印加されている。
【００２６】
トナー像は、感光体ドラム３Ｙの回動に応じて中間転写ベルト２側に搬送され、感光体ドラム３Ｙ等と中間転写ベルト２とが接する位置で１次バイアス電圧により中間転写ベルト２上に転写される。
【００２７】
各色のトナー像は位置を合わせて重畳され、中間転写ベルト２上に多色画像のトナー像が形成される。トナー像の転写が完了した感光体ドラム３Ｙ等は、外周面に残留したトナーを図示しない感光体クリーナにより払拭し、その後図示しない除電装置により除電され、次の像形成プロセスへと供給される。
【００２８】
中間転写ベルト２上のトナー像は、２次転写部の転写ローラ２３方面に搬送される。一方、給紙カセット５１または給紙カセット５２内にセットされた紙Ｐは、設定されたタイミングで転写ローラ２３方面に給紙される。そして、転写ローラ２３部で紙Ｐ上の所定の範囲内に画像が転写されるよう、搬送ローラ１２でタイミングをあわせて送出される。
【００２９】
転写ローラ２３には２次転写用電源２５から電荷が供給され、その静電力により中間転写ベルト２上のトナー像を紙上に一括して転写する。トナー像が形成された紙Ｐは、定着装置２００へ搬送される。
【００３０】
図１の（ａ）は、定着装置２００を紙Ｐの搬送方向の後方から前方に向かって見た図である。図１の（ｂ）は、定着装置２００を、上方から見た図である。図１の（ａ）と図１の（ｂ）はともに、左端の部分が断面図である。図２は図３の定着装置２００を詳細に示した図である。
【００３１】
図２に示すように、定着装置２００は、無端ベルトである定着ベルト３１と、押圧手段である加圧ローラ３７とのニップ部４２で紙Ｐを搬送しながら、転写された多色トナー像を熱および圧力で紙Ｐ上に定着させる。
【００３２】
図１の（ｂ）に示すように、中央部温度測定手段である温度センサ３６は、定着ベルト３１の画像領域の表面温度を計測する。温度センサ３６によって計測された温度に従って、コントローラ９０が、第１の温度制御手段として機能し、ヒータ３４の通電／遮断または電流値等の制御を行うことにより、定着ベルト３１の表面温度を一定に保っている。
【００３３】
定着ベルト３１の温度範囲は、紙Ｐ上のトナー画像を定着可能な温度範囲で１２０℃〜１８０℃程度に設定され、一般的には１６０℃前後を中心に設定される。また、定着ベルト３１の幅方向両端部に配置された端部温度測定手段である端部温度センサ３６１は、冷却手段である冷却部材３９による定着ベルト３１の両端の温度を測定する。端部温度センサ３６１が計測した温度に従って、コントローラ９０が、第２の温度制御手段として機能し、冷却部材３９の通電／遮断または電流値等の制御を行うことにより、定着ベルト３１の両端部の表面温度を一定に保っている。
【００３４】
図３に示すように、操作者は、設定手段としての外部情報機器（例えば、パーソナルコンピュータや、スマートフォン等の情報処理装置）または本体インターフェース等の設定部９１から、コントローラ９０に印刷条件等を指示する。印刷条件には波打ち低減を優先する選択を含み、それが選択された場合は定着ベルト３１の端部の温度を低下させる。
【００３５】
図３に示すように、定着後の紙Ｐは、所定の搬送経路に沿って、排紙ローラ６２により排紙トレイ５０上へ排紙される。トナー像を転写した後の中間転写ベルト２は、クリーニングブレードなどにより残留したトナーが除去された後、次の像形成プロセスへと供給される。
【００３６】
なお、本実施形態の定着装置では、加圧ローラ３７はローラ状の部材を用いるものとして説明するが、ベルト状の部材を用いて構成することもできる。両面印刷の場合は、切り替えフラップ６０を上側に切り替えて紙Ｐを両面搬送路６６に導き、再び二次転写部と定着装置を経由させて裏面にも画像形成を行う。
【００３７】
以下、図１及び図２を参照して、定着装置２００についてさらに詳細に説明する。図２に示すように、定着ベルト３１はその内部に配置された加熱手段であるヒータ３４によって加熱される。定着ベルト３１の基材はポリイミド等の樹脂、または金属フィルムで構成され、厚さは５０から１００μmである。
【００３８】
表面は紙Ｐの凹凸に倣うよう、数百μmのゴム層と、トナーとの離型性を高めるための数μmのフッ素樹脂層を有する。図１の（ｂ）に示すように、定着ベルト３１の表面温度は、温度センサ３６及び端部温度センサ３６１で計測され、図３に示すコントローラ９０により、所定の温度になるようにヒータ３４の動作を制御する。
【００３９】
図１の（ｂ）に示すように、フランジ３５は耐熱樹脂等で構成され、定着ベルト３１の両端で内周をガイドすると共に、定着ベルト３１が蛇行により幅方向の規定位置から外れないようにする。図２に示すように、加圧ローラ３７は外側をゴム等の弾性体で構成し、内側は金属の芯金３８で構成され、図示されていない駆動機構に接続され所定の速度で回転する。
【００４０】
ニップ部形成手段である加圧パッド４１は、金属等の剛性の高い材質で構成され、定着ベルト３１の内側との接触部は、摺動抵抗を低減するため潤滑剤が塗布される。加圧パッド４１は定着ベルト３１の内側から加圧ローラ３７に向かって押し付けられ、ニップ部４２を形成する。
【００４１】
紙Ｐはニップ部４２で加圧、加熱されながら搬送される。冷却部材３９は加圧パッド４１の幅方向両端部に配置される。冷却部材３９はたとえばペルチェ素子であり、電流を流すことで冷却が可能である。
【００４２】
また、冷却状態から加熱する際は、電流の方向を変えればよい。ペルチェ素子は反冷却側が発熱するため、図１の（ａ）に示すように、加圧パッド４１に接続される面の反対側の面には熱交換器であるヒートシンク３９１が接続される。ヒートシンク３９１は銅またはアルミの熱伝導率の高い金属で形成され、広い表面積で外気との熱交換を効率よく行うため、図に示すように櫛歯に形成されている。
【００４３】
図１の（ｂ）に示すWpは紙の幅であり、Wcは紙端部の冷却範囲である。Wcは要求される画像領域にもよるが、５mmから３０mmが望ましい。たとえば画像領域を多く取りたい装置の場合は５mm程度とし、波打ちを出来るだけ低減したい場合は３０mmとすればよい。Wcが３０mm以上では、Wcの増加に伴う波打ちの低減効果が小さいため、画像領域を考慮すると３０mmが適正な最大値である。なお、Wcの幅は、紙の大きさに応じて設定できるようにしても良い。例えば、文書作成ソフト等に用いられる印刷設定により設定できる余白の幅を紙の大きさにより設定できても良いし、印刷指示をするときに、所定の操作により波打ち低減モードを選択できるようにしても良い。また、複写の機能を用いる場合は、コピー機能を持つ複合装置の複写機能を用いる際に、波打ち低減モードの指定や、余白の幅を設定できるようにしても良い。
【００４４】
図５は本発明の実施形態１の画像形成装置の動作を示すフローチャート図である。画像形成装置１００のインターフェースや外部情報機器から印刷開始が指示されると、画像形成装置１００は画像情報を取得する（ステップＳ１０１）。
【００４５】
次に、印刷モードを確認する（ステップＳ１０２）。そして、波打ち低減モードかどうか判断（ステップＳ１０３）し、波打ち低減モードの際は（ステップＳ１０３、Ｙｅｓ）紙に形成される画像の両端が、定着ベルト３１の冷却部に重なるか判断する（ステップＳ１０４）。波打ち低減モードでない場合は（ステップＳ１０３、Ｎｏ）印刷を行う（ステップＳ１０８）。
【００４６】
画像が冷却部にかかっている場合は（ステップＳ１０４、Ｎｏ）、インターフェースや外部情報機器を通じて使用者に印刷モードの見直しを指示する。画像が冷却部にかからない場合、つまり印刷に支障がない場合は（ステップＳ１０４、Ｙｅｓ）、冷却部材３９による定着ベルト３１の端部の冷却を開始し（ステップＳ１０５）、端部温度センサ３６１で定着ベルト３１の端部の表面温度を計測（ステップＳ１０６）する。そして、所定の温度になるか判断し（ステップＳ１０７）、所定の温度になれば（ステップＳ１０７、Ｙｅｓ）印刷を行う（ステップＳ１０９）。所定の温度に達しない場合（ステップＳ１０７、Ｎｏ）、端部の冷却を続ける（ステップＳ１０５）。
【００４７】
＜実施形態１の作用・効果＞
実施形態１によれば、紙Ｐの端部を冷却することが可能で、ニップ部での端部からの水分蒸発量を低減し、中央部との含水率の差を減少させて収縮差を無くし、波打ちを低減することが可能になる。
【００４８】
図６は定着温度と波打ちの高さの関係を示す図である。定着温度は定着ベルトの表面温度である。ニップ時間は一般的な５０ms、紙は普通紙で約９０μmの厚さである。波打ちの高さは図４のＨに示すように、紙を平板に置いた状態での波の頂点の高さである。図６に示すように、定着温度８０℃から波打ちが急激に増加することが分かる。
【００４９】
これは、８０℃を超えると端部からの蒸発量が増加して、中央部との含水率差が発生することを示している。よって、端部の温度を８０℃以下にすれば、蒸発が抑えられ端部と中央部の収縮差がなくなり波打ちが低減する。
【００５０】
図７は定着温度と端部と中央部の縮み率の差の関係を示す図である。８０℃から縮み差が増加し、一般的な定着温度の最大値である１８０℃ではおよそ０．１%の差になる。図８は定着温度と紙の縮みを示す図である。０．１%の縮み差を解消するには温度差を４０℃にすることが必要なことが分かる。
【００５１】
よって、定着ベルト３１の端部の温度を中央部より４０℃低くすれば、縮み差を解消でき、波打ちを低減できる。中央部の温度設定をたとえば１６０℃にした場合、端部の温度は１２０℃になる。
【００５２】
端部にも画像を形成する印刷を行う際に、８０℃以下からトナー画像の定着に適正な１６０℃まで加熱するより、１２０℃から加熱した方が温度を上昇させる際の時間が少なくて済む。また、文字等の印字率の低い画像の場合は、そのままの温度で印字することも可能である。
【００５３】
図５に示すように、画像領域を確認したのち、定着ベルト３１の端部の冷却を行うことで、使用者の設定間違いで端部の画像が定着不良になることを防ぐことができる。また、波打ち低減が必要な場合は定着ベルトの端部の冷却を行い、紙の幅方向に出来るだけ広く画像を形成したい場合は端部の冷却を行わないよう選択可能になり、使用者の要求に合わせた印刷が可能になる。
【００５４】
以上述べたように、実施形態１の定着装置及び画像形成装置では、紙の両端部を冷却して蒸発量を低減し、ニップ後の収縮を中央部と等しくし、定着後に発生する紙の波打ちを低減可能になり、印刷品質が向上する。
【００５５】
また、定着装置において定着ベルトを用いることにより、熱容量が小さくなり速やかに冷却が可能になる。また、使用者の要求に応じて紙の端部まで画像を形成する場合は、冷却することなく速やかに加熱することも可能になり、印刷処理を効率よく行うことが可能になる。
【００５６】
なお、上述した実施形態では、画像形成装置の画像形成部の一例としてタンデム型のプリンタを用いて説明してきたが、トナー像を熱によって溶融し紙上に定着させる定着装置を備える、如何なる画像形成装置でも同様の効果がある。
【００５７】
例えば、実施形態１において、冷却手段の例としてペルチェ素子を挙げているが、ペルチェ素子に限らず、紙の両端部を冷却可能な冷却手段であれば良い。例えば、除別ローラや送風ファンを使用するようにしても良い。
【符号の説明】
【００５８】
２    中間転写ベルト
３Ｙ、３Ｍ、３Ｃ、３Ｋ    感光体ドラム
４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋ    帯電ローラ
５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋ    ポリゴンミラー
６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｋ    光照射装置
７Ｙ、７Ｍ、７Ｃ、７Ｋ    現像装置
９Ｙ、９Ｍ、９Ｃ、９Ｋ、１４、２１、２２    ロ−ラ
１２    搬送ローラ
２３    転写ローラ
２５    ２次転写用電源
２９Ｙ、２９Ｍ、２９Ｃ、２９Ｋ    １次転写用電源
３１    定着ベルト
３４    ヒータ
３５    フランジ
３６    温度センサ
３６１    端部温度センサ
３７    加圧ローラ
３８    芯金
３９    冷却部材
３９１    ヒートシンク
４１    加圧パッド
４２    ニップ部
５０    排紙トレイ
５１、５２    給紙カセット
６０    切り替えフラップ
６２    排紙ローラ
６６    両面搬送路
９０    コントローラ
９１    設定部
１００    画像形成装置
２００    定着装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５９】
【特許文献１】特開２００７−０５７９２３号公報
【特許文献２】特開２００６−２２７４８７号公報
【特許文献３】特開２０１１−１２８２５４号公報
【図１】
2015158637.tif 000003
【図２】
2015158637.tif 000004
【図３】
2015158637.tif 000005
【図４】
2015158637.tif 000006
【図５】
2015158637.tif 000007
【図６】
2015158637.tif 000008
【図７】
2015158637.tif 000009
【図８】
2015158637.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月23日(2015.2.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
図１の（ａ）は、定着装置２００を上方から見た図である。図１の（ｂ）は、定着装置２００を、紙Ｐの搬送方向の後方から前方に向かって見た図である。図１の（ａ）と図１の（ｂ）はともに、左端の部分が断面図である。図２は図３の定着装置２００を詳細に示した図である。