(57)【要約】【課題】電力消費や騒音を発生することなく、熱定着で高温となったシートを効率よく冷却することのできる画像形成装置を提供する。【解決手段】定着器１００のシート搬送方向下流に、冷却ローラ２０１と従動ローラ２０３とにより構成され、シートＰを搬送する冷却ローラ対２００を設ける。そして、冷却ローラ２０１の内部に、固体と液体の間を相変化する温度が、待機時の冷却ローラ対待機温度以上で、シート上のトナーのガラス転移点以下である相変化材２０２を封入する。【選択図】図２
2012048058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート上のトナー像を加熱定着させる定着部と、前記定着部のシート搬送方向下流に設けられ、前記定着部から搬送されたシートを冷却する冷却ローラと、を備えた画像形成装置において、
前記冷却ローラの内部に、固体と液体の間を相変化する温度が、待機時の装置内の待機温度以上で、シート上のトナーのガラス転移点以下である相変化材を封入したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記冷却ローラの内側に、冷却ローラの内周面から立ち上げられて軸線方向に伸びる板状のリブを複数設けることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記冷却ローラの温度を検知する温度検知部と、
前記冷却ローラを冷却するためのファンと、
前記温度検知部からの検知信号に基づき、前記ファンを駆動する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記冷却ローラの温度が前記相変化する温度よりも高くなったと判断した場合には、前記冷却ローラの温度が前記相変化する温度よりも下がるまで前記ファンを駆動することを特徴とする請求項１又は２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、画像形成装置に関し、特にトナー像が加熱定着されたシートを冷却するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複写機、レーザービームプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置においては、像担持体上に形成されたトナー像をシートに転写した後、シートを加熱してトナー像を定着させるようにしたものがある。そして、このように定着した後、シートを排紙トレイ上に排出する。ここで、一般に、熱定着時の温度は、トナーの種類によっても異なるが約１７０℃程度であり、この定着熱が熱定着装置からの排紙後もシートに残っているため、排紙後のシートの温度は、機種によっても異なるが、高いもので８０℃程度になっている。
【０００３】
このような高温状態で排出された場合、シート上のトナー、定着分離の目的でトナーに含有されているワックス、定着ローラ表面に塗布されたオイル等が、シート上で粘着性を有する状態となっている。このような状態で、複写動作が繰り返されると、シート上のトナーやオイル、ワックスが十分に冷却されないうちに次のシートが排紙されるようになって、シート同士が貼り付いてしまう、所謂、排紙接着が生じてしまう。また、高温状態のシートが搬送路のリブやセンサ、搬送ローラなどの低温部に部分的に触れると、シート面内でグロスのムラが生じたりするなど、画像品位が劣化してしまう。
【０００４】
そこで、従来は、このような課題に対して、定着器のシート搬送方向下流にシートを冷却する冷却ローラ対を設け、その冷却ローラをファンの送風で冷却するように構成したものがある（特許文献１参照）。また、定着器の下流に、回転自在なヒートパイプ対を設けて、ヒートパイプでシートを搬送することにより、シートから吸熱し、吸収した熱を端部のフィンで放熱するように構成したものがある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−７５４９０号公報
【特許文献２】特開平１０−２０７１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、このような従来の画像形成装置において、ファンにより冷却ローラを冷却する場合、冷却ローラは過熱しやすいため、冷却ファンを稼動するための電力消費が多くなり、またファンが稼動中は、風きり音などの稼動音が発生し、騒音が課題となる。さらに、連続運転を続けると、定着器の放熱により、機内の空気が温められているために、冷却エアとして、外気を取り入れる必要がある。このためには風路を構成するためのダクト等の部品が必要となると共に、ダクトやファンを設けるための大きなスペースが必要となる。
【０００７】
一方、ヒートパイプを用いてシートの冷却を行う構成では、連続運転などで機内温度が高温となった場合には、端部のフィンによる放熱が効率的に行われずに、ヒートパイプ温度が上昇してしまい、シートの冷却が十分に行われない可能性がある。また、フィンをファンで冷やす構成とした場合には、ファンによる電力消費や騒音が増加すると共に、ダクトなどの部品点数やスペースが課題となる。また、ヒートパイプは高価であり、コストの面でも課題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、電力消費や騒音を低減すると共に、熱定着で高温となったシートを効率よく冷却することのできる画像形成装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、シート上のトナー像を加熱定着させる定着部と、前記定着部のシート搬送方向下流に設けられ、前記定着部から搬送されたシートを冷却する冷却ローラと、を備えた画像形成装置において、前記冷却ローラの内部に、固体と液体の間を相変化する温度が、待機時の装置内の待機温度以上で、シート上のトナーのガラス転移点以下である相変化材を封入したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のように、定着器のシート搬送方向下流に設けられた冷却ローラの内部に、相変化材を封入することにより、電力消費や騒音を低減すると共に、熱定着で高温となったシートを効率よく冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る画像形成装置の一例であるカラー画像形成装置の概略構成を示す図。
【図２】上記カラー画像形成装置の定着器及び冷却ローラ対を説明する図。
【図３】上記冷却ローラ対の冷却ローラに封入される相変化材の温度変化を示す図。
【図４】上記冷却ローラの断面図。
【図５】上記相変化材の温度変化を示す図。
【図６】上記相変化材の繰り返し運転時の温度変化を示す図。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る画像形成装置の冷却ローラ対の構成を説明する図。
【図８】上記画像形成装置の制御ブロック図。
【図９】上記相変化材の温度変化を示す図。
【図１０】上記画像形成装置の冷却ローラを冷却する冷却動作制御を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る画像形成装置の一例であるカラー画像形成装置の概略構成を示す図である。図１において、１はカラー画像形成装置、１Ａはカラー画像形成装置本体（以下、装置本体という）である。装置本体１Ａには、画像形成部２と、シートＰを搬送するシート給送部１Ｂと、画像形成部２で形成されたトナー画像をシート給送部１Ｂにより給送されたシートＰに転写する転写部１Ｃとを備えている。
【００１３】
なお、図１において、４はシート給送部１Ｂにより給送されたシートＰを転写部１Ｃに搬送するシート搬送装置である。そして、このシート搬送装置４は、シートＰの斜行補正やタイミング補正を行う斜行補正装置であるレジストユニット４ａと、シートＰをレジストユニット４ａに搬送する搬送ローラ部４ｂとを備えている。
【００１４】
ここで、画像形成部２は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）及びブラック（Ｂｋ）の４つの画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋにより構成される。なお、これら各画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋは、それぞれ像担持体としての感光体ドラム２０、感光体ドラム表面を一様に帯電する帯電器２１、帯電した感光体ドラム２０に静電潜像を形成する露光装置２２を備えている。
【００１５】
さらに、各画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋは、感光体ドラム上の静電潜像を粒径５〜１０μmのトナーのトナー像に現像する現像器２３、感光体ドラム上のトナー像を後述する中間転写ベルト２４に転写する１次転写ローラ２５を備えている。また、感光体ドラム上の残留トナーを除去する感光体クリーナ２６等を備えている。なお、図１において、５はトナーを補充するためのトナー容器である。
【００１６】
つまり、本実施の形態におけるカラー画像形成装置１は、画像形成部２として４色の画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋを後述する中間転写ベルト上に並べて配置した中間転写タンデム方式のものである。なお、各画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋの形成する色は、これら４色に限定されるものではなく、また色の並び順もこの限りではない。
【００１７】
シート給送部１Ｂは、シートＰをリフタ４０ａの上に積載される形で収納すると共に引き出し可能なシート収納部である給紙カセット４０と、給紙カセット４０に収納されたシートＰを送り出すシート給送ローラ４１とを備えている。なお、本実施の形態において、シート給送部１Ｂは、シート給送ローラ４１によってシートを給送する構成を採用しているが、エアによってシートを吸引して送るエア給紙を採用することも可能である。
【００１８】
また、転写部１Ｃは、駆動ローラ２７、テンションローラ２９及び２次転写内ローラ２８によって張架され、図中矢印Ｂの方向へと搬送駆動される中間転写ベルト２４を備えている。ここで、中間転写ベルト２４は、１次転写ローラ２５により与えられる所定の加圧力及び静電的負荷バイアスにより、感光体ドラム上に形成されたトナー像が転写されるものである。また、略対向する２次転写内ローラ２８及び２次転写外ローラ４４により形成される２次転写部において所定の加圧力と静電的負荷バイアスを与えることでシートＰへ未定着画像を吸着させるものである。
【００１９】
このような構成のカラー画像形成装置１において、画像を形成する際には、まず、予め帯電器２１により感光体ドラム２０の表面が一様に帯電される。この後、画像データが、装置本体１Ａ内部の所定位置に設けられたＣＰＵ（演算制御部）２１０で受信されて露光装置２２に伝送される。そして、露光装置２２は、送られてきた画像情報の信号に基づいて発光し、この光を反時計回りの方向に回転する感光体ドラム２０に対して照射することにより感光体ドラム表面に潜像が形成される。
【００２０】
次に、このようにして感光体ドラム２０上に形成された静電潜像に対して、現像器２３によるトナー現像が行われ、感光体ドラム上にトナー像が形成される。この後、１次転写ローラ２５により所定の加圧力及び静電的負荷バイアスが与えられ、中間転写ベルト２４上にトナー像が転写される。なお、感光体ドラム２０上に僅かに残った転写残トナーは感光体クリーナ２６により回収され、再び次の画像形成に備える。
【００２１】
ここで、画像形成部２の各画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋによる画像形成は、中間転写ベルト上に１次転写されたトナー像に重ね合わせるタイミングで行われる。この結果、最終的にはフルカラーのトナー像が中間転写ベルト２４上に形成される。また、シートＰは、給紙カセット４０からシート給送ローラ４１により搬送された後、分離ローラ対４２により１枚ずつに分離された後、搬送ローラ部４ｂを通過してレジストユニット４ａへと搬送される。
【００２２】
そして、このレジストユニット４ａにおいて斜行補正やタイミング補正を行った後、略対向する２次転写内ローラ２８及び２次転写外ローラ４４により形成される２次転写部へと搬送される。この後、２次転写部において所定の加圧力と静電的負荷バイアスを与えることでシートＰ上にフルカラーのトナー像が２次転写される。
【００２３】
次に、このようにトナー像が２次転写されたシートＰは定着前搬送部４６によりシート上のトナー像を加熱定着させる定着部である定着器１００へと搬送される。そして、この定着器１００において、略対向するローラによる所定の加圧力と、一般的にはヒータ等の熱源による加熱効果を加えてシートＰ上にトナーを溶融固着させる。次に、このようにして得られた定着画像を有するシートＰは分岐ローラ４８により、そのまま排紙トレイ４９上に排出される。
【００２４】
なお、シートＰの両面に画像を形成する場合には、不図示の切替部材の切替により、この後、シートＰは反転搬送装置１Ｄへと搬送される。そして、このように反転搬送装置１Ｄへと搬送されると、シートＰはスイッチバック動作により先後端が入れ替えられて両面搬送装置１Ｅに設けられた再搬送通路Ｒへと搬送される。この後、シート給送部１Ｂから搬送されてくる後続ジョブのシートとのタイミングを合わせて合流し、同様に２次転写部へと送られる。画像形成プロセスに関しては１面目と同様なので省略する。
【００２５】
ところで、定着器１００は、図２に示すように、定着ローラ１０１と加圧ローラ１０２とから構成され、熱と圧力によりシート上のトナー像をシートに定着させるものである。なお、熱定着温度はトナーの種類等によっても異なるが、約１７０℃であり、その定着熱がシートに蓄えられるため、定着器１００を通過した直後のシートＰの温度は約８０℃に達する。ここで、複写動作の繰り返しによって排紙トレイ上に連続してシートが積載される場合、シート上のトナーが十分に固化していない場合がある。この場合、シートは粘着性を有する状態になっているために、トレイ上でシート同士が接着してしまう、所謂、排紙接着が生じる可能性がある。また、シートが高温状態で、ガイドや搬送ローラに接触すると、光沢ムラが発生する場合もある。
【００２６】
このため、高品位な画像を得るためには、定着後のシートＰ及びトナーを冷却する手段が必要である。さらに、その冷却手段は、シートの面内の温度ムラを生じさせないために、幅方向に均一にシート及びトナーを冷却するのが望ましい。そこで、本実施の形態においては、冷却手段として定着器１００のシート搬送方向下流にシートを搬送すると共に、シートを冷却する冷却ローラ対２００を設けるようにしている。そして、この冷却ローラ対２００により、定着器１００から約８０℃で排出されたシートを挟持、搬送する際、幅方向に均一にシートを冷却するようにしている。
【００２７】
ここで、冷却ローラ対２００は、冷却ローラ２０１及び従動ローラ２０３から構成される。冷却ローラ２０１は直径が２０ｍｍ、幅３４０mm程度の中空構造で幅方向は一様であり、熱伝導率の高い金属部材（例えば、アルミ等）で作られている。また、冷却ローラ２０１の内部には、主原料をポリエチレングリコール(ＰＥＧ)とし、固体から液体への相変化温度が５０℃の相変化材２０２が封入されている。なお、不図示のローラ端部は、相変化材が融解し、液体となっても冷却ローラ外部に漏れ出さないようにフランジ部材でシールされている。
【００２８】
ここで、相変化材とは、一般的には、保冷や蓄熱の目的で使われる材料で、物質が液体と固体の間を相変化する際の潜熱を利用して（固体から液体の変化では吸熱、液体から固体の変化では放熱）、温度を一定に保つという性質のものである。この相変化材は、図３のような温度変化を示す。即ち、固体状態の相変化材を加熱すると、相変化温度で融解し、融解の間は潜熱を吸収するため、温度は一定に保たれる。一方、液体状態から冷却すると、相変化温度で固化し、固化の間、潜熱を放出するため、温度が一定に保たれる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、相変化材をＰＥＤが主原料のものとしたが、パラフィン系や酢酸ナトリウムなどを主原料としたものでも同様の効果が期待できる。また、相変化材の相変化温度については、相変化材の材料配合で、調整が可能である。本実施の形態では、相変化温度を５０℃としているが、装置の仕様に対して材料の配合を設計し、最適な温度に設定するとよい。相変化温度が満たすべき条件は、装置のスタンバイ時（待機時）における冷却ローラ２０１の温度以上（装置内の雰囲気温度である待機温度以上）かつ、冷却ローラ２０１を通過したシートが排紙接着を起こさないための冷却ローラ２０１の上限温度以下である。
【００３０】
なお、排紙接着を起こさないようにするためには、冷却ローラ２０１を通過したシート上のトナーを全て固化させるために、トナーのガラス転移点よりも低い温度、すなわちガラス転移点以下に冷却ローラ２０１の温度を維持する必要がある。ガラス転移点とは、トナーが軟化し始める温度で、トナーの種類によって異なる。また、冷却ローラ２０１の温度によって、冷却ローラ２０１を通過したシートのグロス量が変化するため、所望のグロス量となるよう、相変化温度を設定するのが望ましい。
【００３１】
ここで、複写動作を繰り返す連続運転が開始されると、定着器１００からの放熱による機内温度の上昇、また定着器１００から熱を受け取ったシートＰから熱を吸収することで、冷却ローラ温度は上昇していく。そして、冷却ローラ温度が上昇し、相変化材２０２の融点に達すると、相変化材は、融解を始め、固体から液体に変化する。その過程では、潜熱を吸収するため、相変化材の温度はほぼ一定に保たれる。したがって、冷却ローラ２０１の温度もほぼ一定に保たれる。
【００３２】
なお、例えば冷却ローラ２０１の断面を、図４の（ａ）に示すように三ツ矢管形状にしても良い。また、図４の（ｂ）に示すように冷却ローラ２０１の内側に、内周面から立ち上げられて軸線方向に伸びる板状のリブ２０１ａを複数設けるようにしても良い。そして、このようにリブ２０１ａ等を設けることにより、冷却ローラ２０１と相変化材２０２との接触面積が増加するので熱交換効率が良くなる。このような構成とした場合も、ローラは引き抜き材で作成が可能であり、低コストで実現できる。
【００３３】
図５は、本実施の形態のように内部に相変化材を封入した冷却ローラと、中実の金属ローラと、内部に熱容量の大きな物質（例えば水）を容れたローラにおける温度変化を示す図である。図５に示すように、相変化材を封入した場合、相変化によって潜熱を吸収する分、冷却ローラの温度上昇を長時間抑制することが可能となる。
【００３４】
なお、温度上昇を抑制できる時間は、相変化材２０２の量に依存し、例えば直径２０mm、幅３４０mm程度の冷却ローラでは相変化材を約１００g封入することができ、この場合、相変化温度が約２.５時間持続する。装置の仕様によって、ユーザーが連続運転（連続通紙）する時間の想定が異なるため、その仕様によって冷却ローラ径を大きくするなどして、相変化材の容量を増やし、対応してもよい。
【００３５】
一方、連続運転が終了し、装置がスタンバイ状態になると、冷却ローラ温度は下がり、相変化材２０２は固化する。固化する際には、潜熱を放出するので、冷却ローラ自身や、シート搬送方向上流や下流のガイド部材などシートに接触する部材を一定時間保温できる。これにより、次の複写動作において、シートの温度変化を小さくできる。
【００３６】
また、このような構成の冷却ローラ２０１は、図６に示すように、繰り返し運転時、相変化材２０２が固体と液体で相変化を繰り返すことで、繰り返し同じ効果を得ることができる。なお、連続運転が終了した後のスタンバイ時には、ローラとの接触機会を多くして効率よく相変化材２０２を固化させるため、冷却ローラ２０１を一定時間空回転させて相変化材を循環、攪拌するようにしてもよい。
【００３７】
以上説明したように、冷却ローラ内部に相変化材２０２を封入し、定着後の高温になったシートを連続的に搬送する場合には、シートからの熱によって相変化材２０２を相変化させることにより、冷却ローラ２０１の温度を一定に保つことができる。これにより、連続運転によって冷却ローラ温度が上昇してしまう状況においても、冷却ローラ２０１の冷却能力を長時間維持することが可能となり、排紙されるシートの温度を一定温度以下に長時間保つことが可能となる。つまり、冷却ローラ２０１の内部に、相変化材２０２を封入することにより、電力消費や騒音を発生することなく、熱定着で高温となったシートを効率よく冷却することができる。
【００３８】
また、相変化材自体が吸熱する構成のため、外部から冷却ローラ２０１を冷却するファンは不必要となり、電力を消費することなく、低騒音で、シートの冷却を実現できる。さらに、相変化材は、特殊な材料を用いるわけではなく、一般的な材料の配合で作られるため、ヒートパイプなどと比較して低コストである。加えて、その材料の組み合わせによって、相変化温度をある程度自由に決めることができるため、定着条件や、トナー、搬送経路など、様々な条件に対応可能である。
【００３９】
ところで、超長時間の連続運転や、連続運転を短周期で繰り返すような動作を想定する装置において、冷却ローラ内部の相変化材が全て融解してしまう場合がある。この場合には、ファンを使用して、冷却ローラ（相変化材）を冷却するようにする。
【００４０】
図７は、このようなファンを使用する本発明の第２の実施の形態に係る画像形成装置の冷却ローラ対の構成を説明する図である。なお、図７において、既述した図２と同一符号は、同一又は相当部分を示している。
【００４１】
図７において、２０４は冷却ローラ２０１を冷却するファンである冷却ファンであり、２０５は冷却ローラ２０１の温度を検知する温度検知部である温度検知センサである。この温度検知センサ２０５からの温度情報は、図８に示すように、装置本体１Ａの所定位置に設けられた制御部であるＣＰＵ（演算制御部）２１０に入力される。そして、温度検知センサ２０５からの検知信号に基づき、冷却ファン２０４を駆動するＣＰＵ２１０は、冷却ファン２０４を駆動し、この冷却ファン２０４の送風によって、冷却ローラ２０１は冷却される。
【００４２】
図９は、通紙時間と冷却ローラの温度の関係を示す図であり、例えば長時間連続運転が行われ、冷却ローラ２０１内部の相変化材が全て融解して液体に変化すると、相変化材は潜熱を吸収できなくなり、再び温度上昇を始める。
【００４３】
ここで、図１０に示すように、ＣＰＵ２１０は、温度検知センサ２０５によって冷却ローラ２０１の温度が相変化材２０２の相変化温度以上に上昇したか否かを検知している。そして、冷却ローラ温度が相変化温度以上となったことを検知した場合（Ｓ１００のＹ）、冷却ファン２０４をＯｎする（Ｓ１０１）。即ち、相変化材が全て融解し、液体になったと判断した場合には、冷却ファン２０４の運転をスタートさせる。
【００４４】
そして、このように冷却ファン２０４を運転すると、冷却ファン２９４による送風により、冷却ローラ２０１は冷却され、内部の相変化材２０２は再び固化し始める。相変化材２０２が全て固化し、冷却ローラ温度が相変化温度よりも下がったのを温度検知センサ２０５が検知すると（Ｓ１００のＮ）、冷却ファンをＯｆｆし（Ｓ１０２）、送風を停止する。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態においては、温度検知センサ２０５が検知した冷却ローラの温度に合わせて冷却ファン２９４を駆動するようにしている。これにより、超長時間の運転や、連続運転の間隔が短く、相変化材が十分に固化しないまま次の連続運転を行う状況などで、相変化材が全て融解してしまう場合においても、シートの温度を所望の温度以下に抑えることが可能となる。なお、本実施の形態の場合、冷却ファン２９４の使用は限られており、消費電力は、常に冷却ファン２９４を使用する場合と比較して非常に少なくなる。
【符号の説明】
【００４６】
１…カラー画像形成装置、１Ａ…カラー画像形成装置本体、２…画像形成部、１００…定着器、２００…冷却ローラ対、２０１…冷却ローラ、２０２…相変化材、２０３…従動ローラ、２０４…冷却ファン、２０５…温度検知センサ、２１０…ＣＰＵ（演算制御部）、Ｐ…シート
【図１】
2012048058.tif 000003
【図２】
2012048058.tif 000004
【図３】
2012048058.tif 000005
【図４】
2012048058.tif 000006
【図５】
2012048058.tif 000007
【図６】
2012048058.tif 000008
【図７】
2012048058.tif 000009
【図８】
2012048058.tif 000010
【図９】
2012048058.tif 000011
【図１０】
2012048058.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成23年8月24日(2011.8.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像形成装置に関し、特にトナー像が加熱定着されたシートを冷却するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複写機、レーザービームプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置においては、像担持体上に形成されたトナー像をシートに転写した後、シートを加熱してトナー像を定着させるようにしたものがある。そして、このように定着した後、シートを排紙トレイ上に排出する。ここで、一般に、熱定着時の温度は、トナーの種類によっても異なるが約１７０℃程度であり、この定着熱が熱定着装置からの排紙後もシートに残っているため、排紙後のシートの温度は、機種によっても異なるが、高いもので８０℃程度になっている。
【０００３】
このような高温状態で排出された場合、シート上のトナー、定着分離の目的でトナーに含有されているワックス、定着ローラ表面に塗布されたオイル等が、シート上で粘着性を有する状態となっている。このような状態で、複写動作が繰り返されると、シート上のトナーやオイル、ワックスが十分に冷却されないうちに次のシートが排紙されるようになって、シート同士が貼り付いてしまう、所謂、排紙接着が生じてしまう。
【０００４】
そこで、従来は、このような課題に対して、定着器のシート搬送方向下流にシートを冷却する冷却ローラ対を設け、その冷却ローラをファンの送風で冷却するように構成したものがある（特許文献１参照）。また、定着器の下流に、回転自在なヒートパイプ対を設けて、ヒートパイプでシートを搬送することにより、シートから吸熱し、吸収した熱を端部のフィンで放熱するように構成したものがある（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−７５４９０号公報
【特許文献２】特開平１０−２０７１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、このような従来の画像形成装置において、ファンにより冷却ローラを冷却する場合、冷却ローラは過熱しやすいため、冷却ファンを稼動するための電力消費が多くなり、またファンが稼動中は、風きり音などの稼動音が発生し、騒音が課題となる。さらに、連続運転を続けると、定着器の放熱により、機内の空気が温められているために、冷却エアとして、外気を取り入れる必要がある。このためには風路を構成するためのダクト等の部品が必要となると共に、ダクトやファンを設けるための大きなスペースが必要となる。
【０００７】
一方、ヒートパイプを用いてシートの冷却を行う構成では、連続運転などで機内温度が高温となった場合には、端部のフィンによる放熱が効率的に行われずに、ヒートパイプ温度が上昇してしまい、シートの冷却が十分に行われない可能性がある。また、フィンをファンで冷やす構成とした場合には、ファンによる電力消費や騒音が増加すると共に、ダクトなどの部品点数やスペースが課題となる。また、ヒートパイプは高価であり、コストの面でも課題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、電力消費や騒音を低減すると共に、熱定着で高温となったシートを効率よく冷却することのできる画像形成装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、シート上のトナー像を加熱定着させる定着部と、前記定着部のシート搬送方向下流に設けられ、前記定着部から搬送されたシートを冷却する冷却ローラと、を備えた画像形成装置において、前記冷却ローラの内部に、固体と液体の間を相変化する温度が、待機時の装置内の待機温度よりも高く、シート上のトナーのガラス転移点よりも低い相変化材を封入したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のように、定着器のシート搬送方向下流に設けられた冷却ローラの内部に、相変化材を封入することにより、電力消費や騒音を低減すると共に、熱定着で高温となったシートを効率よく冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る画像形成装置の一例であるカラー画像形成装置の概略構成を示す図。
【図２】上記カラー画像形成装置の定着器及び冷却ローラ対を説明する図。
【図３】上記冷却ローラ対の冷却ローラに封入される相変化材の温度変化を示す図。
【図４】上記冷却ローラの断面図。
【図５】上記相変化材の温度変化を示す図。
【図６】上記相変化材の繰り返し運転時の温度変化を示す図。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る画像形成装置の冷却ローラ対の構成を説明する図。
【図８】上記画像形成装置の制御ブロック図。
【図９】上記相変化材の温度変化を示す図。
【図１０】上記画像形成装置の冷却ローラを冷却する冷却動作制御を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る画像形成装置の一例であるカラー画像形成装置の概略構成を示す図である。図１において、１はカラー画像形成装置、１Ａはカラー画像形成装置本体（以下、装置本体という）である。装置本体１Ａには、画像形成部２と、シートＰを搬送するシート給送部１Ｂと、画像形成部２で形成されたトナー画像をシート給送部１Ｂにより給送されたシートＰに転写する転写部１Ｃとを備えている。
【００１３】
なお、図１において、４はシート給送部１Ｂにより給送されたシートＰを転写部１Ｃに搬送するシート搬送装置である。そして、このシート搬送装置４は、シートＰの斜行補正やタイミング補正を行う斜行補正装置であるレジストユニット４ａと、シートＰをレジストユニット４ａに搬送する搬送ローラ部４ｂとを備えている。
【００１４】
ここで、画像形成部２は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）及びブラック（Ｂｋ）の４つの画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋにより構成される。なお、これら各画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋは、それぞれ像担持体としての感光体ドラム２０、感光体ドラム表面を一様に帯電する帯電器２１、帯電した感光体ドラム２０に静電潜像を形成する露光装置２２を備えている。
【００１５】
さらに、各画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋは、感光体ドラム上の静電潜像を粒径５〜１０μmのトナーのトナー像に現像する現像器２３、感光体ドラム上のトナー像を後述する中間転写ベルト２４に転写する１次転写ローラ２５を備えている。また、感光体ドラム上の残留トナーを除去する感光体クリーナ２６等を備えている。なお、図１において、５はトナーを補充するためのトナー容器である。
【００１６】
つまり、本実施の形態におけるカラー画像形成装置１は、画像形成部２として４色の画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋを後述する中間転写ベルト上に並べて配置した中間転写タンデム方式のものである。なお、各画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋの形成する色は、これら４色に限定されるものではなく、また色の並び順もこの限りではない。
【００１７】
シート給送部１Ｂは、シートＰをリフタ４０ａの上に積載される形で収納すると共に引き出し可能なシート収納部である給紙カセット４０と、給紙カセット４０に収納されたシートＰを送り出すシート給送ローラ４１とを備えている。なお、本実施の形態において、シート給送部１Ｂは、シート給送ローラ４１によってシートを給送する構成を採用しているが、エアによってシートを吸引して送るエア給紙を採用することも可能である。
【００１８】
また、転写部１Ｃは、駆動ローラ２７、テンションローラ２９及び２次転写内ローラ２８によって張架され、図中矢印Ｂの方向へと搬送駆動される中間転写ベルト２４を備えている。ここで、中間転写ベルト２４は、１次転写ローラ２５により与えられる所定の加圧力及び静電的負荷バイアスにより、感光体ドラム上に形成されたトナー像が転写されるものである。また、略対向する２次転写内ローラ２８及び２次転写外ローラ４４により形成される２次転写部において所定の加圧力と静電的負荷バイアスを与えることでシートＰへ未定着画像を吸着させるものである。
【００１９】
このような構成のカラー画像形成装置１において、画像を形成する際には、まず、予め帯電器２１により感光体ドラム２０の表面が一様に帯電される。この後、画像データが、装置本体１Ａ内部の所定位置に設けられたＣＰＵ（演算制御部）２１０で受信されて露光装置２２に伝送される。そして、露光装置２２は、送られてきた画像情報の信号に基づいて発光し、この光を反時計回りの方向に回転する感光体ドラム２０に対して照射することにより感光体ドラム表面に潜像が形成される。
【００２０】
次に、このようにして感光体ドラム２０上に形成された静電潜像に対して、現像器２３によるトナー現像が行われ、感光体ドラム上にトナー像が形成される。この後、１次転写ローラ２５により所定の加圧力及び静電的負荷バイアスが与えられ、中間転写ベルト２４上にトナー像が転写される。なお、感光体ドラム２０上に僅かに残った転写残トナーは感光体クリーナ２６により回収され、再び次の画像形成に備える。
【００２１】
ここで、画像形成部２の各画像形成ユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｂｋによる画像形成は、中間転写ベルト上に１次転写されたトナー像に重ね合わせるタイミングで行われる。この結果、最終的にはフルカラーのトナー像が中間転写ベルト２４上に形成される。また、シートＰは、給紙カセット４０からシート給送ローラ４１により搬送された後、分離ローラ対４２により１枚ずつに分離された後、搬送ローラ部４ｂを通過してレジストユニット４ａへと搬送される。
【００２２】
そして、このレジストユニット４ａにおいて斜行補正やタイミング補正を行った後、略対向する２次転写内ローラ２８及び２次転写外ローラ４４により形成される２次転写部へと搬送される。この後、２次転写部において所定の加圧力と静電的負荷バイアスを与えることでシートＰ上にフルカラーのトナー像が２次転写される。
【００２３】
次に、このようにトナー像が２次転写されたシートＰは定着前搬送部４６によりシート上のトナー像を加熱定着させる定着部である定着器１００へと搬送される。そして、この定着器１００において、略対向するローラによる所定の加圧力と、一般的にはヒータ等の熱源による加熱効果を加えてシートＰ上にトナーを溶融固着させる。次に、このようにして得られた定着画像を有するシートＰは分岐ローラ４８により、そのまま排紙トレイ４９上に排出される。
【００２４】
なお、シートＰの両面に画像を形成する場合には、不図示の切替部材の切替により、この後、シートＰは反転搬送装置１Ｄへと搬送される。そして、このように反転搬送装置１Ｄへと搬送されると、シートＰはスイッチバック動作により先後端が入れ替えられて両面搬送装置１Ｅに設けられた再搬送通路Ｒへと搬送される。この後、シート給送部１Ｂから搬送されてくる後続ジョブのシートとのタイミングを合わせて合流し、同様に２次転写部へと送られる。画像形成プロセスに関しては１面目と同様なので省略する。
【００２５】
ところで、定着器１００は、図２に示すように、定着ローラ１０１と加圧ローラ１０２とから構成され、熱と圧力によりシート上のトナー像をシートに定着させるものである。なお、熱定着温度はトナーの種類等によっても異なるが、約１７０℃であり、その定着熱がシートに蓄えられるため、定着器１００を通過した直後のシートＰの温度は約８０℃に達する。ここで、複写動作の繰り返しによって排紙トレイ上に連続してシートが積載される場合、シート上のトナーが十分に固化していない場合がある。この場合、シートは粘着性を有する状態になっているために、トレイ上でシート同士が接着してしまう、所謂、排紙接着が生じる可能性がある。また、シートが高温状態で、搬送路のガイド、リブ、センサ、搬送ローラなどの低温部に部分的に接触すると、シート面内で光沢ムラが発生し、画像品位が劣化する場合もある。
【００２６】
このため、高品位な画像を得るためには、定着後のシートＰ及びトナーを冷却する冷却装置が必要である。さらに、その冷却装置は、シートの面内の温度ムラを生じさせないために、幅方向に均一にシート及びトナーを冷却するのが望ましい。そこで、本実施の形態においては、冷却装置として定着器１００のシート搬送方向下流にシートを搬送すると共に、シートを冷却する冷却ローラ対２００を設けるようにしている。そして、この冷却ローラ対２００により、定着器１００から約８０℃で排出されたシートを挟持、搬送する際、幅方向に均一にシートを冷却するようにしている。
【００２７】
ここで、冷却ローラ対２００は、冷却ローラ２０１及び従動ローラ２０３から構成される。冷却ローラ２０１は直径が２０ｍｍ、幅３４０ｍｍ程度の中空構造で幅方向は一様であり、熱伝導率の高い金属部材（例えば、アルミ等）で作られている。また、冷却ローラ２０１の内部には、主原料をポリエチレングリコール(ＰＥＧ)とし、固体から液体への相変化温度が５０℃の相変化材２０２が封入されている。なお、不図示のローラ端部は、相変化材が融解し、液体となっても冷却ローラ外部に漏れ出さないようにフランジ部材でシールされている。
【００２８】
ここで、相変化材とは、一般的には、保冷や蓄熱の目的で使われる材料で、物質が液体と固体の間を相変化する際の潜熱を利用して（固体から液体の変化では吸熱、液体から固体の変化では放熱）、温度を一定に保つという性質のものである。この相変化材は、図３のような温度変化を示す。即ち、固体状態の相変化材を加熱すると、相変化温度で融解し、融解の間は潜熱を吸収するため、温度は一定に保たれる。一方、液体状態から冷却すると、相変化温度で固化し、固化の間、潜熱を放出するため、温度が一定に保たれる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、相変化材をＰＥＤが主原料のものとしたが、パラフィン系や酢酸ナトリウムなどを主原料としたものでも同様の効果が期待できる。また、相変化材の相変化温度については、相変化材の材料配合で、調整が可能である。本実施の形態では、相変化温度を５０℃としているが、装置の仕様に対して材料の配合を設計し、最適な温度に設定するとよい。なお、相変化温度が満たすべき条件は、装置のスタンバイ時（待機時）における冷却ローラ２０１の温度よりも高い、すなわち装置内の雰囲気温度である待機温度よりも高いことである。かつ、相変化温度が満たすべき条件は、冷却ローラ２０１を通過したシートが排紙接着を起こさないための冷却ローラ２０１の上限温度よりも低いことである。
【００３０】
なお、排紙接着を起こさないようにするためには、冷却ローラ２０１を通過したシート上のトナーを全て固化させるために、トナーのガラス転移点よりも低い温度に冷却ローラ２０１の温度を維持する必要がある。ガラス転移点とは、トナーが軟化し始める温度で、トナーの種類によって異なる。また、冷却ローラ２０１の温度によってシート上のトナーの固化時間が変化すると、冷却ローラ２０１を通過したシートのグロス量（表面性）が変化するため、所望のグロス量となるよう、相変化温度を設定するのが望ましい。
【００３１】
ここで、複写動作を繰り返す連続運転が開始されると、定着器１００からの放熱による機内温度の上昇、また定着器１００から熱を受け取ったシートＰから熱を吸収することで、冷却ローラ温度は上昇していく。そして、冷却ローラ温度が上昇し、相変化材２０２の融点に達すると、相変化材は、融解を始め、固体から液体に変化する。その過程では、潜熱を吸収するため、相変化材の温度はほぼ一定に保たれる。したがって、冷却ローラ２０１の温度もほぼ一定に保たれる。
【００３２】
なお、例えば冷却ローラ２０１の断面を、図４の（ａ）に示すように三ツ矢管形状にしても良い。また、図４の（ｂ）に示すように冷却ローラ２０１の内側に、内周面から突出して軸線方向に伸びる板状のリブ２０１ａを複数設けるようにしても良い。そして、このようにリブ２０１ａ等を設けることにより、冷却ローラ２０１と相変化材２０２との接触面積が増加するので熱交換効率が良くなる。このような構成とした場合も、ローラは引き抜き材で作成が可能であり、低コストで実現できる。
【００３３】
図５は、本実施の形態のように内部に相変化材を封入した冷却ローラと、中実の金属ローラと、内部に熱容量の大きな物質（例えば水）を容れたローラにおける温度変化を示す図である。図５に示すように、相変化材を封入した場合、相変化によって潜熱を吸収する分、冷却ローラの温度上昇を長時間抑制することが可能となる。
【００３４】
なお、温度上昇を抑制できる時間は、相変化材２０２の量に依存し、例えば直径２０mm、幅３４０mm程度の冷却ローラでは相変化材を約１００ｇ封入することができ、この場合、相変化温度が約２.５時間持続する。装置の仕様によって、ユーザーが連続運転（連続通紙）する時間の想定が異なるため、その仕様によって冷却ローラ径を大きくするなどして、相変化材の容量を増やし、対応してもよい。
【００３５】
一方、連続運転が終了し、装置がスタンバイ状態になると、冷却ローラ温度は下がり、相変化材２０２は固化する。固化する際には、潜熱を放出するので、冷却ローラ自身や、シート搬送方向上流や下流のガイド部材などシートに接触する部材を一定時間保温できる。これにより、次の複写動作において、シートの温度変化を小さくできる。
【００３６】
また、このような構成の冷却ローラ２０１は、図６に示すように、繰り返し運転時、相変化材２０２が固体と液体で相変化を繰り返すことで、繰り返し同じ効果を得ることができる。なお、連続運転が終了した後のスタンバイ時には、ローラとの接触機会を多くして効率よく相変化材２０２を固化させるため、冷却ローラ２０１を一定時間空回転させて相変化材を循環、攪拌するようにしてもよい。
【００３７】
以上説明したように、定着後の高温になったシートを連続的に搬送する場合でも、冷却ローラ内部に封入した相変化材２０２をシートからの熱によって相変化させることにより、冷却ローラ２０１の温度を一定に保つことができる。これにより、連続運転によって冷却ローラ温度が上昇してしまう状況においても、冷却ローラ２０１の冷却能力を長時間維持することが可能となり、排紙されるシートの温度を一定温度以下に長時間保つことが可能となる。つまり、冷却ローラ２０１の内部に、相変化材２０２を封入することにより、電力消費や騒音を発生することなく、熱定着で高温となったシートを効率よく冷却することができる。
【００３８】
また、相変化材自体が吸熱する構成のため、外部から冷却ローラ２０１を冷却するファンは不必要となり、電力を消費することなく、低騒音で、シートの冷却を実現できる。さらに、相変化材は、特殊な材料を用いるわけではなく、一般的な材料の配合で作られるため、ヒートパイプなどと比較して低コストである。加えて、その材料の組み合わせによって、相変化温度をある程度自由に決めることができるため、定着条件や、トナー、搬送経路など、様々な条件に対応可能である。
【００３９】
ところで、超長時間の連続運転や、連続運転を短周期で繰り返すような動作を想定する装置において、冷却ローラ内部の相変化材が全て融解してしまう場合がある。この場合には、ファンを使用して、冷却ローラ（相変化材）を冷却するようにする。
【００４０】
図７は、このようなファンを使用する本発明の第２の実施の形態に係る画像形成装置の冷却ローラ対の構成を説明する図である。なお、図７において、既述した図２と同一符号は、同一又は相当部分を示している。
【００４１】
図７において、２０４は冷却ローラ２０１を冷却するファンである冷却ファンであり、２０５は冷却ローラ２０１の温度を検知する温度検知部である温度検知センサである。この温度検知センサ２０５からの温度情報は、図８に示すように、装置本体１Ａの所定位置に設けられた制御部であるＣＰＵ（演算制御部）２１０に入力される。そして、温度検知センサ２０５からの検知信号に基づき、冷却ファン２０４を駆動するＣＰＵ２１０は、冷却ファン２０４を駆動し、この冷却ファン２０４の送風によって、冷却ローラ２０１は冷却される。
【００４２】
図９は、通紙時間と冷却ローラの温度の関係を示す図であり、例えば長時間連続運転が行われ、冷却ローラ２０１内部の相変化材が全て融解して液体に変化すると、相変化材は潜熱を吸収できなくなり、再び温度上昇を始める。
【００４３】
ここで、図１０に示すように、ＣＰＵ２１０は、温度検知センサ２０５によって冷却ローラ２０１の温度が相変化材２０２の相変化温度以上に上昇したか否かを検知している。そして、冷却ローラ温度が相変化温度以上となったことを検知した場合（Ｓ１００のＹ）、冷却ファン２０４をＯｎする（Ｓ１０１）。即ち、相変化材が全て融解し、液体になったと判断した場合には、冷却ファン２０４の運転をスタートさせる。
【００４４】
そして、このように冷却ファン２０４を運転すると、冷却ファン２０４による送風により、冷却ローラ２０１は冷却され、内部の相変化材２０２は再び固化し始める。相変化材２０２が全て固化し、冷却ローラ温度が相変化温度よりも下がったのを温度検知センサ２０５が検知すると（Ｓ１００のＮ）、冷却ファンをＯｆｆし（Ｓ１０２）、送風を停止する。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態においては、温度検知センサ２０５が検知した冷却ローラの温度に合わせて冷却ファン２０４を駆動するようにしている。これにより、超長時間の運転や、連続運転の間隔が短く、相変化材が十分に固化しないまま次の連続運転を行う状況などで、相変化材が全て融解してしまう場合においても、シートの温度を所望の温度以下に抑えることが可能となる。なお、本実施の形態の場合、冷却ファン２０４の使用は限られており、消費電力は、常に冷却ファン２０４を使用する場合と比較して非常に少なくなる。
【符号の説明】
【００４６】
１…カラー画像形成装置、１Ａ…カラー画像形成装置本体、２…画像形成部、１００…定着器、２００…冷却ローラ対、２０１…冷却ローラ、２０２…相変化材、２０３…従動ローラ、２０４…冷却ファン、２０５…温度検知センサ、２１０…ＣＰＵ（演算制御部）、Ｐ…シート
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート上のトナー像を加熱定着させる定着部と、前記定着部のシート搬送方向下流に設けられ、前記定着部から搬送されたシートを冷却する冷却ローラと、を備えた画像形成装置において、
前記冷却ローラの内部に、固体と液体の間を相変化する温度が、待機時の装置内の待機温度よりも高く、シート上のトナーのガラス転移点よりも低い相変化材を封入したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記冷却ローラの内側に、冷却ローラの内周面から突出して軸線方向に伸びる板状のリブを複数設けることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記冷却ローラの温度を検知する温度検知部と、
前記冷却ローラを冷却するためのファンと、
前記温度検知部からの検知信号に基づき、前記ファンを駆動する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記冷却ローラの温度が前記相変化する温度よりも高くなったと判断した場合には、前記冷却ローラの温度が前記相変化する温度よりも下がるまで前記ファンを駆動することを特徴とする請求項１又は２記載の画像形成装置。