JP2006184700A - 定着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録紙において発生する溶融トナー間の隙間、トナーの記録紙への染み込み、平滑度の低下に起因する画像濃度低下を防止するための定着装置を提供する。
【解決手段】 定着工程を２段階に分け、第１工程のＮＩＰ内におけるトナー貯蔵弾性率Ｇ’₁に比べ、第２工程のＮＩＰ内におけるトナーの貯蔵弾性率Ｇ’₂を高くし、そのときＧ’₁を１×１０⁴＜Ｇ’₁＜１×１０⁵の範囲内に、Ｇ’₂を１×１０⁵＜Ｇ’₂＜１×１０⁶の範囲内に設定し、且つ第２工程での圧力Ｐ₂よりも第１工程での圧力Ｐ₁を低くし、そのときＰ₁をＰ₁＜１．０ｋｇｆ／ｃｍ²、Ｐ₂をＰ₁＜Ｐ₂＜１．５ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲内に設定することを特徴とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、電子写真方式による画像形成装置に用いられ、記録紙上のトナーを熱と圧力により定着する定着装置に関する。

図７は従来の電子写真方式によるインラインカラー画像形成装置である。画像形成部Ｐｙにおいて像担持体である感光ドラム１０１上を一次帯電器１０２により一様に帯電した後、露光装置１０３により形成した潜像を現像装置１０４においてトナーによって可視化し、そのトナー像を１次転写ローラー１０６に一次転写バイアスを印加することにより中間転写ベルト１０８に一次転写する工程を画像形成部Ｐｍ、Ｐｃ、Ｐｋにおいても繰返し、中間転写ベルト１０８上に４色のトナー像を重ね合わせて多重転写し、４色のトナー像は記録紙Ｐに一括して２次転写される。その後、記録紙Ｐは定着装置１１２まで搬送され、トナー画像が溶融、圧着されることにより出力画像を得る。また中間転写ベルト１０８、感光ドラム１０１上の転写残トナーはそれぞれクリーニング装置１０９，１０５によって清掃される。

このような画像形成装置における従来の定着装置１１２としては、トナーを溶融させるのに十分な温度を維持した加熱ローラー１１３と、該加熱ローラー１１３に圧接して圧接領域（＝ＮＩＰ部）を形成する加圧ローラー１１４から成り、記録紙を前記ＮＩＰ部で挟持搬送する中で加熱・加圧することによって定着する定着装置が多用されている。この定着工程においてトナーは加熱され、十分に溶融粘度が下げられることにより、互いに結合し合い記録紙上を覆い、同時に加圧されることにより記録紙に圧着され、最終的な出力画像を得る（例えば特許文献１参照）。

出力画像における濃度はトナー自体の着色力の他、トナーの記録紙に対する被覆率が影響し、出力画像のトナー定着部において記録紙上を完全に被覆していない微小な非被覆部が多数存在すると、そこでは記録紙が着色されないために画像濃度が低下する。またトナー像表面の平滑度が低いと画像の光沢感が減少し、濃度が低下する。記録紙は無数の繊維が絡み合って形成されているため、表面には繊維の凹凸が存在し、特にその繊維の密集度が低く凹凸の粗い記録紙においてはトナーの非被覆部が発生しやすく、トナー像表面の平滑度が低下しやすいため、それにより本来トナーが持っている着色力に見合う濃度が得られていない。特に定着工程におけるトナーの溶融状態が最終的な出力画像の濃度を決定する大きな要因となっている。

特開２００１−１８３８８６号公報 （第２−４項、第５図）

図３に熱と圧力により記録紙上のトナー像を定着する定着工程前後の記録紙の断面模式図を示す。Ｐは記録紙、Ｓは繊維の断面、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋは４色の未定着トナー、Ｔは定着後のトナーである。記録紙の繊維の凹凸によりトナー同士が十分に結合できず、定着後もトナーが記録紙上を完全に覆うことができないためにトナー間に隙間が発生し、隙間部分では記録紙が着色されないため、本来トナーが持つ着色力に見合った画像濃度が得られない。

また、定着時にトナーが記録紙の繊維上から繊維間へ押しやられる（染み込む）ことによって記録紙の繊維の凹凸が露になってトナー像表面の平滑度が低下し、繊維上のトナー不足による着色力低下をまねき、画像濃度が低下する。

上記のトナー間の隙間の発生、トナーの記録紙への染み込み、トナー像表面の平滑度の低下といった現象は特に繊維の密集度が低く凹凸の粗い記録紙（例えば表面粗さＲａ＝１．５〜２．５μｍ程度の普通紙等）を使用する場合において顕著に起こる。

本発明は、記録紙において発生する溶融トナー間の隙間、トナーの記録紙への染み込み、平滑度の低下に起因する画像濃度低下を防止するための定着装置を提供することを目的とする。

上記目的を達するため、本発明の定着装置は定着工程を２段階に分け、第１工程のＮＩＰ内におけるトナー貯蔵弾性率Ｇ’₁に比べ、第２工程のＮＩＰ内におけるトナーの貯蔵弾性率Ｇ’₂を高くし、そのときＧ’₁を１×１０⁴＜Ｇ’₁＜１×１０⁵の範囲内に、Ｇ’₂を１×１０⁵＜Ｇ’₂＜１×１０⁶の範囲内に設定し、且つ第２工程での圧力Ｐ₂よりも第１工程での圧力Ｐ₁を低くし、そのときＰ₁をＰ₁＜１．０ｋｇｆ／ｃｍ²、Ｐ₂をＰ₁＜Ｐ₂＜１．５ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲内に設定することを特徴とする。

本発明によれば、定着を機能分離した２工程に分けて行い、第１工程で高温（低弾性率）・低圧、第２工程で低温（高弾性率）・高圧の定着を行うことで、トナー間の隙間の発生と記録紙繊維への染み込みを防ぎ、且つトナー像表面の平滑性を確保して画像濃度低下を防止できる。

以下、本発明の実施形態を説明する。

本発明は２つの定着工程においてＮＩＰ内到達温度を個別に最適化することでトナーの動的粘弾性値（貯蔵弾性率）が異なる状態で定着を行うことを特徴とし、また２つの定着工程においてＮＩＰ部の面圧力に差をつけることを特徴とするものである。

一般的にトナーの貯蔵弾性率Ｇ’は温度Ｔの関数Ｇ’（Ｔ）でガラス転移温度Ｔｇよりも高温の定着可能な温度領域では温度が上昇するにつれて一様に減少する（図５）。したがってＮＩＰ内到達温度によりトナーの溶融状態における貯蔵弾性率Ｇ’の値を制御することができる。

図４は第１工程、第２工程それぞれを通過した後のトナーの溶融状態を記録紙断面方向から見た模式図である。第１工程においては高温Ｔ₁で定着を行い、トナーの貯蔵弾性率Ｇ’₁を十分に下げて溶融させ、そのとき圧力を低圧Ｐ₁に設定することで、記録紙への染み込みを防止しながらトナー同士の隙間を無くし、第２工程においては第１工程に比べて低温Ｔ₂、高圧Ｐ₂で定着を行うことで、トナーの貯蔵弾性率Ｇ’₂を過度に下げずトナーの記録紙への染み込みを防止しながら、且つトナー像表面の平滑性を確保することで画像濃度低下を防止する。

以下に動的粘弾性値、ＮＩＰ内到達温度の測定法、面圧力の算出法について述べる。

（１）動的粘弾性測定
レオメトリック社ＲＭＳ−８００等の動的粘弾性測定装置を用いる。パラレルプレートテストフィクスチャーにサンプル約１ｇをプレート間に固定し（約１１０℃で数分加熱）、一方より６２．８ｒａｄ／ｓｅｃのねじり往復振動の歪みを与え、他方でこの歪みに対する応力を検出する。歪み率は自動とした（最大２０％）。この状態で温度を上昇させ、粘弾性（貯蔵弾性率）の温度依存性の測定を行った。

（２）ＮＩＰ内到達温度測定
記録紙とともに５０μｍのＫ型熱電対を定着装置に通し、随時温度をモニターし、ＮＩＰ内部の通過時間に対する温度プロファイルを得た（図６）。

上記（１）、（２）によりトナーの貯蔵弾性率の温度依存性と定着ＮＩＰ内部到達温度を明らかにすることで、２つの定着工程におけるＮＩＰ内部到達温度の設定により一意的にトナーの貯蔵弾性率を制御できるようにした。

（３）ＮＩＰ部の面圧力の算出
未定着トナー像が載った記録紙を定着ＮＩＰ部に一定時間挟持させ、挟持部と非挟持部で光沢度が異なることを利用してＮＩＰ幅を測定し、バネ荷重による総圧力とＮＩＰの長手方向の長さからＮＩＰ部における面圧力を算出した。

＜実施例１＞
図１は本発明の実施例１による定着装置の構成図であり、２組のユニットを備え、第１のユニットはローラー内部に加熱源３を有した定着ローラー１ａとそれに圧接し、圧接領域（ＮＩＰ部）を形成する加圧ローラー２ａから成り、第２のユニットは第１のユニットと同じ構成で紙搬送の下流に位置し、前記第１、第２ユニットの温度を独立に制御する温調手段を有する。

以下、各ユニットでのＮＩＰ内到達温度とトナーの貯蔵弾性率については図５、６に則して説明する。第１のユニットではトナーが溶融し、互いに結合しあうのに十分な貯蔵弾性率Ｇ’₁（１×１０⁴〜１×１０⁵ｄｙｎ／ｃｍ²）になるよう定着ローラーのＮＩＰ内到達温度はＴ₁に維持され、ＮＩＰ部の面圧力は貯蔵弾性率が低い状態にある記録紙上のトナーを記録紙の繊維間に押し込まないように軽圧Ｐ₁（＜１．０ｋｇｆ／ｃｍ²）に設定される。

第２のユニットでは第１のユニットにおけるトナーの貯蔵弾性率Ｇ’₁よりも高い値Ｇ’₂（１×１０⁵〜１×１０⁶ｄｙｎ／ｃｍ²＞Ｇ’₁）に保つために温度は低温Ｔ₂（＜Ｔ₁）に維持され、ＮＩＰ部の面圧力Ｐ₂はＰ₁よりも高圧（Ｐ₁＜Ｐ₂＜１．５ｋｇｆ／ｃｍ²）の範囲内に設定される。

第１のユニットはトナーを十分に溶融させる機能をもつ。トナー像が転写された記録紙はまず第１のユニットに到達し、ＮＩＰ内での温度が高温Ｔ₁に設定されることによりトナーの貯蔵弾性率Ｇ’₁は十分に下げられて溶融され、トナー同士の隙間が埋められ、軽圧Ｐ₁で定着されるため、トナーは繊維上に残ったままで染み込みは起こらない。しかしこのままでは加圧不足によりトナー像表面の平滑度が低いために、光沢ムラが多く、高い濃度が得られない。

第２のユニットはトナー像表面の平滑度を上げる機能をもつ。第１のユニットで１回目の定着がなされた後、記録紙は続いて第２のユニットに到達し、２回目の定着が行われる。ＮＩＰ内の温度は第１のユニットよりも低温Ｔ₂に設定されているためトナーの貯蔵弾性率Ｇ’₂は高い状態にあり、高圧Ｐ₂によりトナー像表面の平滑度を向上させながらもトナーの染み込みは起こらない。

本発明の検証実験では記録紙は表面粗さＲａ＝１．５〜２．５程度の普通紙に、重合トナー（Ｃｙａｎ）を載り量０．５５ｇ／ｃｍ²にそろえて未定着画像を形成し、従来の定着装置に通紙した場合と本実施例の定着装置に通紙した場合で定着後の画像の反射濃度、透過濃度を比較した結果、以下のようになった。

従来定着装置 ：反射濃度１．５０、透過濃度１．９１
本発明の定着装置 ：反射濃度１．６０、透過濃度２．０４

反射濃度はトナー画像表面の形状を反映し、透過濃度はトナーによる着色の度合いを反映する。つまり、課題であるトナー間の隙間が発生するとその部分は着色されないために透過濃度が低下し、またトナーの記録紙への染み込みが発生すると、表面平滑性が低下して反射濃度が低下する。本発明によってトナー間の隙間の発生とトナーの記録紙への染み込みを防止することにより反射濃度、透過濃度ともに上昇させることができた。

＜実施例２＞
図２は本発明の実施例２による定着装置の構成図である。第１工程はローラー内側に加熱源３を有した第１の定着ローラー１ａとそれに対向して圧接された加圧ローラー２とから形成され、第２工程は第１工程よりも下流において第１の定着ローラー１ａと同じ構成の第２の定着ローラー１ｂが該加圧ローラー２に圧接されることにより形成される。実施例１に比べてローラーを１本少なくできるため、装置の小型化を図ることが出来る。

上記の実施例ではローラーによる定着装置を例に挙げたが、第１、２工程における定着ユニットの構成はこれに限ったものではない。

本発明の実施例１における定着装置の断面図である。 本発明の実施例２における定着装置の断面図である。 従来の定着工程における記録紙上のトナー溶融過程の説明図である。 本発明の定着工程における記録紙上のトナー溶融過程の説明図である。 トナーの貯蔵弾性率の温度依存性の一例を示す図である。 定着装置のＮＩＰ内温度の測定結果の一例を示す図である。 従来のインラインカラー画像形成装置の構成図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ：定着ローラー
２，２ａ，２ｂ：加圧ローラー
３：加熱源
１０１：感光ドラム
１０２：一次帯電器
１０３：露光装置
１０４：現像装置
１０５：感光ドラムクリーニング装置
１０６：一次転写ローラー
１０８：中間転写ベルト
１０９：中間転写ベルトクリーニング装置
１１２：定着装置
１１３：定着ローラー
１１４：加圧ローラー
Ｐ：記録紙
Ｔ：溶融トナー
Ｙ：未定着イエロートナー
Ｍ：未定着マゼンタトナー
Ｃ：未定着シアントナー
Ｋ：未定着ブラックトナー

Claims (1)

1. 記録紙上に転写されたトナー像を定着するための加熱手段を有する定着ローラと該定着ローラに圧接し、圧接領域（＝ＮＩＰ部）を形成する加圧ローラを有し、トナー像を担持する記録紙を前記ＮＩＰ部で挟持搬送してトナー像を記録紙に定着する定着装置において、
   ２段階の定着工程を有し、第１工程でのＮＩＰ内部における到達温度Ｔ₁よりも第２工程でのＮＩＰ内部における到達温度Ｔ₂を低くすることで、トナーの貯蔵弾性率を第１工程における値Ｇ’₁よりも、第２工程における値Ｇ’₂を高く設定し、そのときＧ’₁を１×１０⁴＜Ｇ’₁＜１×１０⁵の範囲内に、Ｇ’₂を１×１０⁵＜Ｇ’₂＜１×１０⁶の範囲内にすること特徴とし、
   且つ第２工程ＮＩＰ部での面圧力Ｐ₂よりも第１工程ＮＩＰ部での面圧力Ｐ₁を低く設定し、そのときＰ₁をＰ₁＜１．０ｋｇｆ／ｃｍ²、Ｐ₂をＰ₁＜Ｐ₂＜１．５ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲内にすることを特徴とする定着装置。

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