JP5377698B2 - カール補正装置、定着装置、及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、複合機、複写機、プリンタ、ファックス等のシート上に画像形成可能な電子写真方式の画像形成装置に関し、特にシートに発生するカールを軽減するための構成に関するものである。

画像形成装置において、従来、シートに転写させた未定着トナー像を定着させる手段として、発熱源を有する定着部材と定着部材に押し当てられる加圧部材からなる定着手段によって、トナーをシートに溶着させる熱定着が広く用いられている。

このような定着手段では、画像定着時にシートが加圧部材によって定着部材側に加熱・加圧されるため、定着完了後のシートには、反り（カール）が生ずる場合がある。カールは、定着装置後の搬送部においてジャム（紙詰まり）の要因になるばかりでなく、排出トレイ上の積載能力を著しく低下させるおそれがあった。

シートのカールは大きく分けて、シートの内部の水分状態に大きく影響を受けてカールするヒートカールと、トナーの状態変化に大きく影響を受けてカールするトナーカールとに大別できる。

ヒートカールは、主に定着直後のシートの水分の表裏の差を原因として大きくカールするものである。

図７は、シートの例として紙を利用した場合の定着装置通過時点からのシートの画像面（以下「表面」）と非画像面（以下「裏面」）での水分量変化を表したグラフである。この図を用いてヒートカールの発生メカニズムを説明する。

まず、紙の繊維は吸湿すると膨張し、脱湿すると収縮するという性質を持つ。また、紙に与える熱と水分量との関係は、水分を持った紙に熱を加えると含んでいる水分が蒸発するため水分量が減り、その後、水分が蒸発した紙を冷却すると空気中から水分を補って、水分量が再び増えるというものである。つまり、定着装置においては、定着部材に加圧部材を圧接させることにより形成されるニップ部（以下定着ニップと記載）に紙が通過すると、定着部材の熱により定着部材と接する面、つまりは紙の表面から水分が急激に蒸発して紙の表面の水分量が減る。

さらに、定着部材から与えられた熱は紙の表面から、紙の内部を伝わって紙の裏面に伝わる。これにより紙の裏側からも蒸発が始まって水分量が減り始めるが、紙の内部を通って表面から裏面へ熱が伝わるため、紙の水分量の変化には表裏で時間差が発生している。

この状態遷移を図７を用いて説明する。まず、第１段階Ｓ１で、定着ニップに紙が進入することで、紙の表面が急激に加熱され、遅れて熱が伝わって裏面も加熱される、すなわち、紙の表面が急激に収縮し、遅れて裏面が収縮を始めるという状況がうまれ、表面側を内側とするカール（以下、「上カール」）が発生する。

次に、第２段階Ｓ２で、表面からは水分が十分に蒸発し、空気中から水分を吸収し始める。この時、上述したように紙内部での熱移動により紙の裏面が温められていることから、裏面では蒸発を続けている状態となる。つまり、表面では紙が膨張しはじめているが、裏面では紙が収縮し続けていることとなり、裏面が内側になるカール（以下、「下カール」）が発生し、このカールは上カールよりも大きなものである。

さらに、第３段階Ｓ３で、表裏面ともに水分を吸収し、第２の段階で発生した下カールが緩和する。

以上から、第２段階Ｓ２がヒートカール発生の主な要因となる。つまり、シートの表裏面での温度差が大きくなることを主な因子として、シートの裏面が脱湿している間に表面が吸湿を開始する段階が発生することにヒートカール発生の原因がある。

次にトナーカールについて説明を行う。トナーカールの場合、定着後のトナーとシートとの膨張・収縮の差に支配されてカールする。一般にはシートである紙とトナーとの熱に対する膨張率を比較した場合、トナーの材質は樹脂成分が多いため、トナーの方が温度変化に対する体積変化率が大きい。よって、トナー定着後のシートは、シート自身が冷却されるにしたがって温度変化に対する体積変化率の相違から、体積変化率の大きい側のトナー層の側、すなわち表面側が縮んでカールしてしまう。

これらのカールを防止するため、定着装置よりシート搬送方向下流側にカール矯正手段を設けている装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。カール矯正手段においては、比較的軟質なローラ（或いはベルト）に硬質なローラを押し当てることにより、硬質なローラを軟質なローラ（或いはベルト）にくい込ませてニップを形成するようにしている。そして、このように形成されたニップにシートを通過させ、この際、シートを硬質なローラ側に撓ませながら搬送することにより、カールを矯正するようにしているものである。

ところが、シートに発生するカール量は状況によって大きく変化してしまうことがある。しかし、上記のように一方のローラが他方のローラにくい込んだニップによってカールを矯正する構成では、カール矯正効果は常に一定の大きさであるため、十分ではない。

特に、近年提案されているフィルム定着装置においては、上述した問題が顕著である。この定着方式は、熱伝達効率が高く、装置の立ち上がりが速い定着方式であり、熱容量の小さい定着フィルムを介して加熱するフィルム加熱方式の定着装置である。

フィルム定着装置は、固定支持されたヒータと、ヒータと摺動する定着フィルムと、定着フィルムを介してヒータに圧接して定着ニップ部を形成する加圧ローラとを有する。そして、定着フィルムと加圧ローラとの間の定着ニップ部で未定着トナー像を担持したシートを挟持搬送させることで、ヒータからの熱が定着フィルムを介して未定着トナー像に伝達されて、この未定着トナー像はシート上に加熱溶融定着される。

このようなフィルム定着装置では、定着フィルムは薄肉で熱容量が小さく、かつ熱応答性が良いため、ヒータの発生する熱を定着ニップ部内に瞬時に反映させる事ができる。しかし定着フィルムが短時間で定着温度に到達するため、定着装置への電源投入が開始されてから、シートが定着装置に到達するまでの間に、定着フィルムのみが一気に温められ、加圧部材を始めとする定着フィルム以外の部材は十分に温まっていないという状況が生まれる。

そして定着装置に電源投入が開始された直後から数枚目までの定着動作において、シートの表面と裏面とで大きな熱の差が発生し、ヒートカールが非常に大きくなってしまう。

特開平８−１４３２０６号公報

以上説明したように、従来の画像形成装置では、発生したカールと逆方向に矯正する力を与えることでカールを矯正しているが、状況によって発生するカール量に大きな差が発生する。そしてこのような手段によれば、カール量の補正の効果が十分に現れる場合と、補正の効果が十分ではない場合が生じ、場合によっては矯正力により逆にカールが悪化してしまう可能性がある。

本発明の目的は、カール矯正装置により、状況によってはかえってカールを悪化させてしまうことを防止して電源投入直後のカールを適切に補正することができるカール補正装置、定着装置及び画像形成装置を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明は加熱源と、前記加熱源により加熱される定着フィルムと、前記定着フィルムとニップを形成して回転可能な加圧ローラとを有する定着装置により加熱されて画像が定着されたシートのカールを補正するカール補正装置であって、前記シートを挟持して搬送する搬送回転体対を有し、前記搬送回転体対は、前記シートの画像被形成面側に設けられ、最大シート幅以上の長さを有する金属製の第１の回転体と、前記シートの前記画像被形成面側とは異なる面側に設けられ、芯金部材の周囲にシート搬送方向と直交する方向に複数に分割されたゴム製の表層部材を備えた第２の回転体と、前記シートの画像被形成面側に接触する第３の回転体と、を有し、前記第１の回転体は、前記第２の回転体より熱抵抗が小さく、前記第２の回転体の前記芯金部材はパイプ状部材であり、内部に空気層を有することを特徴とする。

本発明によれば、熱定着された画像被形成面側に設けられた第１の回転体の熱抵抗がシートの画像被形成面側とは異なる面側に設けられた第２の回転体の熱抵抗より小さくなるように構成している。このためシートの表面から第１の回転体への熱移動が裏面から第２の回転体へのものと比べて大きくなり、シート内部での熱移動を小さくすることができる。この結果として脱湿から吸湿への切り替わりのタイミングの表裏差を小さくすることができ、電源投入直後数枚目までのカール量を減らすことができる。そして、電源投入後十分に時間が経過した時点においては、定着フィルムなどの定着のために熱を加える部材とその他の部材との温度差が小さくなるためカール補正部とシートとの間の熱移動が小さくなるためカール補正の働きも小さくなる。このため、カール補正のため、よりカールが悪化することを防ぐことができる。

定着装置を示す概略構成図であり、図１（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は断面図である。 カール補正部を示す概略構成図であり、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は断面図である。 定着されるシートの内部での熱移動を表す概略図であり、図３（ａ）は定着部の通過時、図３（ｂ）は定着部の通過直後、図３（ｃ）はカール補正部の通過時をそれぞれ示している。 画像形成装置のカール補正部の他例の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態の画像形成装置の定着装置を示す概略構成図であり、図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は断面図をそれぞれ示している。 カール補正部の他例の概略構成を示す斜視図である。 定着後のシートの水分量の変化を示すグラフである。 画像形成装置の概略構成を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。

（画像形成装置の概略構成）
図８は、本発明の実施形態の画像形成装置のシートの搬送方向に沿った断面図である。

シートＰは、トナー像が形成されるものであり、シートＰの具体例として、普通紙、普通紙の代用品である樹脂製のシート状のもの、厚紙、オーバーヘッドプロジェクター用などがある。

図８に示す画像形成装置１は、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｂｋ（ブラック）の各色の画像形成部１０を備えている。感光ドラム１１は、帯電器１２によってあらかじめ帯電されている。その後、感光ドラム１１には、レーザスキャナ１３によって、潜像が形成される。潜像は、現像器１４によってトナー像になる。感光ドラム１１のトナー像は、一次転写ブレード１７によって、像担持体である中間転写ベルト３１に順次転写される。転写後、感光ドラム１１に残ったトナーは、クリーナ１５によって除去される。

一方、シートＰは、給紙カセット２０、又はマルチ給紙トレイ２５から、１枚ずつ送り出されてレジストローラ対２３に送り込まれる。レジストローラ対２３は、シートＰを一旦受け止めて、シートＰが斜行している場合、真っ直ぐに直す。そして、レジストローラ対２３は、中間転写ベルト３１上のトナー像と同期を取って、シートＰを中間転写ベルト３１と二次転写ローラ３５との間に送り込む。中間転写ベルト３１上のカラーのトナー像は、二次転写ローラ３５によってシートＰに転写される。その後、シートＰのトナー像は、シートＰが定着装置４０によって、加熱加圧されることでシートＰに定着される。

シートＰの片面だけにトナー像を形成する場合、切り換えフラッパ６１の切り換えによりシートＰを排紙ローラ６３を介してシートＰを画像形成装置１の側面に配置されている排紙トレイ６４に排出するか、画像形成装置１の上面に配置されている排紙トレイ６５に排出される。

シートＰの両面にトナー像を形成する場合、定着装置４０によってトナー像が定着されたシートＰは、フラッパ６１によって上方へ案内されて、後端が反転ポイントＲに達したとき、搬送路７３によってスイッチバック搬送されて表裏反転される。その後、シートＰは、両面搬送路７０に搬送されて、片面画像形成と同様の過程をへて他方の面にトナー像が形成されて、排紙トレイ６４または排紙トレイ６５上に排出される。

（定着装置の構成）
図１は、本発明の実施形態を説明する定着装置の斜視図及び断面図である。定着装置４０は、定着部４１（定着手段）とカール補正部１０２（カール補正装置）とを有する。定着部４１は、不図示の加熱源により加熱される定着フィルム１００と、定着フィルム１００を加圧して定着ニップを形成し、かつ定着フィルム１００を搬送・回転可能な加圧ローラ１０１を有する。定着フィルム１００と加圧ローラ１０１の圧接部を通過してトナー像が定着されたシートＰは、加圧ローラ１０１の回転下流方向に排出される。

（カール補正部の構成）
カール補正部１０２は、図１に示されるように、定着部４１の直後に置かれた搬送ローラ対（搬送回転体対）であり、シート表面（画像被形成面）側の第１のローラ（第１の回転体）１０３と、シート裏面（画像被形成面側とは異なる面）側の第２のローラ（第２の回転体）１０４とで構成される。第１のローラ１０３と第２のローラ１０４は、例えば加圧バネなどの不図示の加圧機構で圧接されてニップを形成しており、駆動ギア１０５からの回転力により定着部４１から排出されたシートＰを挟持して、さらに下流側へ搬送する。

カール補正部１０２は、特徴として、第１のローラ１０３の熱抵抗が第２のローラ１０４の熱抵抗より小さくなる素材からなるものである。なお、熱抵抗とは、熱の伝えにくさを表す指標である。本実施形態の記述においては、ローラの熱抵抗として、材質の持つ熱伝導率、ローラとシートＰの接触面積、ローラ表面から中心までの距離に反比例するパラメータであると規定している。すなわち、熱伝導率が大きいほど熱抵抗は小さく、ローラとシートＰの接触面積が大きいほど熱抵抗は小さく、ローラ表面から中心までの距離が長いほど熱抵抗は小さくなる。

次にカール補正部１０２の構成をより詳細に説明する。図２は、カール補正部１０２を示す斜視図及び断面図である。第１のローラ１０３は回転軸方向におけるシートＰとの接触部の長さが、通紙される最大シート幅以上の金属製ローラである。このため、金属製のローラ１０３が通紙されるシートＰの表面全体に接触し、効率的に熱を伝導する。

一方、第２のローラ１０４は回転中心部に芯金部材１０４ｂを有し、その周囲が表層部材１０４ａで囲まれている。表層部材１０４ａの材質はゴムの発泡体であり、シート搬送方向と直交する方向に複数個に分割されて芯金部材１０４ｂの周囲に設けられている。このようにゴムの発泡体として、シート搬送方向と直交する方向に分割することで第２のローラ１０４の熱抵抗を大きくすることができる。芯金部材１０４ｂは、金属製の薄いパイプ状部材であって、回転軸方向端部に軸部が圧入されて、ローラ内部に空気が密封されている。このようにローラ内部に空気層を設けることで第２のローラ１０４の熱抵抗を大きくすることができる。

この実施形態では、芯金部材１０４ｂは、材質がステンレスで厚さ０．３ ｍｍのパイプ状の部材であり、端部の開口部を塞ぐように、接着部材のついたステンレス製の軸部をパイプ材に圧力をかけて押し込んでいる。そして第１のローラ１０３はアルミ製でシートＰとの接触部の長さが３５０ｍｍで外径が８ｍｍとしている。さらに第２のローラ１０４の表層部材１０４ａは発泡シリコンであり、表層部材１０４ａの外径が８ｍｍであり、シート搬送方向と直交する方向に長さ３０ｍｍの４つの部分に分割されている。このときの熱抵抗値は、シートＰとの接触面積が接触部の長さのみにより決定されると仮定した上で、単位が１０^−３Ｋ／Ｗ・ｍ^２となる値としたとき、第１のローラ１０３の熱抵抗は、０．０３４となり、第２のローラ１０４の熱抵抗は１７．３であった。

（カール補正部の動作）
次にカール補正部１０２の動作について以下詳細に説明する。スタンバイレス化を実現したプリンタにおいては、定着装置４０の電源投入の直後では不図示のヒータにより定着フィルム１００のみが急速に温められ、加圧ローラ１０１を始めとして他の部材は十分に温まっていない状況が生まれる。この時、定着装置４０を通過したときのシートＰは、表面には大きな熱が与えられるのに対し、裏面に与えられる熱は表面へのものと比較して小さくなる。

図３は定着されるシートＰの内部での熱移動を表す概略図であり、図３（ａ）は定着部４１の通過時、図３（ｂ）は定着部４１の通過直後、図３（ｃ）はカール補正部１０２の通過時をそれぞれ示している。

図３に示すように、シートＰでは、定着ニップ投入時点（図３（ａ））から、その内部で表面から裏面へ熱の移動が発生し（図３（ｂ））、裏面が表面に遅れて温められる。熱が与えられることにより水分が蒸発し、水分量が少なくなるため、水分量変化に関しても表裏差が発生する。

ヒートカールの発生要因として、シートＰの裏面が脱湿している間に、表面が吸湿を開始することにあるという点を前述したが、スタンバイレス化を実現したプリンタに関して、定着フィルム１００と加圧ローラ１０１との間の温度差が大きくなることでシートＰの表裏での温度差も大きくなるため、ヒートカールが非常に大きくなってしまう。

ここで、定着された後のシートＰをカール補正部１０２に通過させると、シートＰでは内部での熱移動とは別にシートＰから第１のローラ１０３、第２のローラ１０４への熱移動が発生する（図３（ｃ））。

上述したように、熱抵抗の違う第１のローラ１０３、第２のローラ１０４がシートＰの表面、裏面に接するようにカール補正部を構成することにより、シートＰの表面からの熱移動は、第１のローラ１０３への熱移動の方が第２のローラ１０４への熱移動より大きくなる。これによりシートＰの表面から裏面へ内部を伝わって移動する熱の一部が、表面から第１のローラ１０３へと伝わることとなる。そのため、シートＰの表面から裏面へ至る内部での熱移動が小さくなり、シートＰの表裏での温度変化差が小さくなる。これにより、シートＰの表裏面での脱湿から吸湿へ転じ始めるタイミングが近くなる。その結果、ヒートカールの発生要因である、シートＰの裏面が脱湿を続けている間に表面が吸湿し始めている段階（図７の第２段階Ｓ２）での影響を緩和することができる。

以上により、特に電源投入直後数枚目までにおけるカールの発生量を軽減することができる。

また、電源投入後十分に時間が経過した時点においては、定着フィルム１００とその他の部材との間の温度差が小さくなる。そのため、上述したカール補正部１０２とシートＰとの間の熱移動が小さくなり、カール補正部１０２のカールへの働きも小さくなるため、発生するカール量がカール補正部１０２により悪化することはない。

なお、第１のローラ１０３と第２のローラ１０４の外径を以下のようにしてもよい。

図４に示すカール補正部は、熱抵抗が小さい第１のローラ１０３の外径が、第２のローラ１０４の外径より大きくなるように構成している。具体的には、第２のローラ１０４が外径８ｍｍであるのに対し、第１のローラ１０３は外径１６ｍｍとしている。他の構成は前述した構成と同一である。

このような構成とすることで、第１のローラ１０３が第２のローラ１０４と同じ外径、もしくは小さな外径であった時と比べると、ローラ１０３の熱容量が大きくなり、シートＰからの熱移動量が多くなる。これにより特に電源投入直後数枚目までのカール量をより軽減できる。

本発明の実施形態に係るカール補正部は図５に示すように、第３のローラが設けられている。

図５は、本発明の実施形態の画像形成装置の定着装置４０を示す概略構成図であり、図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）は断面図をそれぞれ示している。

同図に示すように、本実施形態では、定着部４１と第１のローラ１０３との間にシートＰの表面（画像被形成面）に接する第３のローラ（第３の回転体）１０３ａが設けられている。第３のローラ１０３ａは前述した第１のローラ１０３と同様に第２のローラ１０４よりも熱抵抗の小さい金属製の材料により構成される。

このような構成においては、補助部材、例えば搬送ガイド１０６や不図示の他のローラ対などを用いて定着ニップ通過後のシートＰの搬送方向を、第２のローラ１０４側ではなく第３のローラ１０３ａ側に進行する方向にし、第３のローラ１０３ａがシートＰに押し当てられる位置に配置する。他の構成は前述した構成と同一である。

このような構成により、シートＰの表面と熱抵抗が小さいローラの接触面積を増やすことができるため、シートＰの表面からの熱移動量が大きくなり、特に電源投入直後数枚目までのカール量をより軽減することができる。

また、第１の回転体と第２の回転体とを以下のように構成してもよい。

図６は、第１の回転体としてローラ１０３の代わりにシートＰを第２のローラ１０４とともに挟持するエンドレスベルト部材１０３ｂを設けたものである。このエンドレスベルト部材１０３ｂも第１のローラ１０３と同様に、第２のローラ１０４よりも熱抵抗が小さい材質で構成されている。エンドレスベルト部材１０３ｂは複数の支持ローラ１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃにより支持され、そのエンドレスベルト部材１０３ｂがローラ１０４とでニップを形成してシートＰを挟持して搬送する。

第１のローラ１０３の代わりにエンドレスベルト部材１０３ｂにすることにより、シートＰとの接触面積が増大し、シートＰから多くの熱が移動することとなる。そのため、特に電源投入直後数枚目までのカール量をより軽減することができる。

本発明は、紙などのシートに画像を形成して定着させる画像形成装置に利用することが可能である。

１ 画像形成装置、４０ 定着装置、４１ 定着部、１００ 定着フィルム、１０１ 加圧ローラ、１０２ カール補正部、 １０３、１０３ａ、１０４ ローラ、１０３ｂ エンドレスベルト部材、１０４ａ 表層部材、１０４ｂ 芯金部材、Ｐ シート

Claims (3)

1. 加熱源と、前記加熱源により加熱される定着フィルムと、前記定着フィルムとニップを形成して回転可能な加圧ローラとを有する定着装置により加熱されて画像が定着されたシートのカールを補正するカール補正装置であって、
   前記シートを挟持して搬送する搬送回転体対を有し、
   前記搬送回転体対は、
   前記シートの画像被形成面側に設けられ、最大シート幅以上の長さを有する金属製の第１の回転体と、
   前記シートの前記画像被形成面側とは異なる面側に設けられ、芯金部材の周囲にシート搬送方向と直交する方向に複数に分割されたゴム製の表層部材を備えた第２の回転体と、
   前記シートの画像被形成面側に接触する第３の回転体と、
   を有し、
   前記第１の回転体は、前記第２の回転体より熱抵抗が小さく、
   前記第２の回転体の前記芯金部材はパイプ状部材であり、内部に空気層を有する
   ことを特徴とするカール補正装置。
2. 加熱源と、加熱源により加熱される定着フィルムと、定着フィルムとニップを形成して回転可能な加圧ローラとを有する定着手段と、
   前記定着手段によって画像が定着された前記シートのカールを補正するための請求項１に記載のカール補正装置と
   を具備することを特徴とする定着装置。
3. シートに画像を形成する画像形成手段と、
   前記画像形成手段によって画像が形成された前記シートを加熱して定着する請求項２に記載の定着装置と
   を具備することを特徴とする画像形成装置。

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