JP2008151924A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トナー画像を印字媒体上に定着する際に、定着時のトナーのつぶれ方がなるべく均一になるようにし、画像形成装置としては均一なトナーのつぶし方を実現することで、濃度ムラのない高画質な画像を提供できるようにすること。
【解決手段】 定着器107による定着の前に、記録材上のトナー画像を予備加熱するとともに、予備加熱されたトナー画像をトナーを構成するワックスの融点乃至結着樹脂のガラス転移点以下まで冷却した後、トナー画像を担持した記録材を定着器107に通紙し定着する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば複写機・プリンターなどに用いる電子写真方式の画像形成方法に関する。より詳しくは記録紙上に転写されたトナー像（いわゆる未定着画像）を紙などの記録材上に加熱定着させる定着装置である画像形成装置に関するものである。

従来、電子写真方式を応用したレーザプリンタ、複写機、ファクシミリ等の画像形成装置においては、像担持体上にトナー像を形成し、このトナー像をシートに転写した後、トナー像を定着させるようにしている。

このような画像の加熱定着等のための記録材の加熱装置として、例えば一対のローラのうち片方ないし両方の表層を所定の硬度の弾性層で覆い、片方もしくは両方のローラにヒータを内蔵させ、ローラ表面が一定温度になるように温度制御し、ローラ対のなすニップ内に挟持搬送させ、加圧と熱ローラからの熱によりトナーを紙上に定着させる熱ローラ定着方式などの加熱装置が提案されている。

さらにまた固定支持された加熱体たるヒータと、該ヒータに対して摺動するフィルム状のフィルム部材たる耐熱性の定着フィルムと、該定着フィルムを介して上記ヒータに圧せられてニップ領域を形成し回転する加圧部材たる加圧ローラとを備え、未定着画像を有する記録材を上記ニップ領域で上記定着フィルムと上記加圧ローラとの間にて挟持搬送して、加圧しながら上記ヒータからの熱を上記定着フィルムを介して上記記録材及び上記未定着画像に付与して上記記録材及び上記未定着画像を加熱処理するフィルム加熱方式の加熱装置が特許文献１において提案されている。

このようなフィルム加熱方式においては、低熱容量の加熱体を用いることができるため、従来の接触加熱方式である熱ローラ方式、ベルト加熱等の加熱装置に比べ省電力が図れ、またウェイトタイムの短縮化（クイックスタート）が可能になる。
特開昭６３−３１３１８２号公報 特開平４−４４０７５号公報 特開平４−２０４９８０号公報

近年、複写機およびプリンターの高画質化が進み、トナー粒径は小さくなる傾向にある。しかしながらトナー粒径を小さくする事で高精細な画像が提供できる反面、上述の加熱装置を用いた場合には、定着時にトナー粒子に均一に圧力がかけにくく、紙上の凹凸を拾ってつぶれ具合が不均一になることで画像品質が悪化することがある。このような現象は、特に高精細な画像における独立したドット画像で顕著に見られる。紙上の凸部のように圧力がかかりトナーがつぶれやすいところではドットどうしが合体してしまうほどつぶれ広がってしまうのに対して、凹部のように圧力がかかり難い所にあるドットはつぶれないので、このつぶれ具合の差により濃度ムラが発生しやすい。

本発明は、こうした事情を鑑みてなされたものであり、その目的とするところはトナーの均一なつぶれ具合を実現できる高画質な画像形成装置を提供する事にある。

本発明は、上記目的を達成するため下記の構成を特徴とする画像形成装置である。

（１）印字媒体上にトナーにより形成された未定着画像を定着器にて加熱、加圧し該印字媒体上に該未定着画像を定着させる構成において、定着前に印字媒体上の未定着画像を予備加熱する予備加熱装置を有し、少なくとも該予備加熱装置は該未定着画像をこれを形成するトナー中のワックスの相転移温度（融点）以上に加熱し、かつ該未定着画像が該転移温度以下に冷えた後に定着器へ通紙することを特徴とする画像形成装置。

（２）印字媒体上にトナーにより形成された未定着画像を定着器にて加熱、加圧し該印字媒体上に該未定着画像を定着させる構成において、定着前に印字媒体上の未定着画像を予備加熱する予備加熱装置を有し、少なくとも該予備加熱装置は該未定着画像をこれを形成するトナー中のワックスの相転移温度（融点）以上に加熱し、かつ該未定着画像が該トナーを構成する結着樹脂のガラス転移温度以下に冷えた後に定着器へ通紙することを特徴とする画像形成装置。

（３）未定着画像の予備過熱は、光や電磁波にて行うことを特徴とする請求項１、乃至２に記載の画像形成装置。

（４）予備加熱されたトナーの冷却のための冷却装置を予備加熱装置と定着器の間に配置し、強制的な冷却を行うことを特徴とする請求項１乃至３に記載の画像形成装置。

以上説明したように、本発明の画像形成装置は予備過熱を行ったトナー像を該トナーを形成するトナーの特性に依存する所定の温度以下まで冷却し、定着器に通過させることで、定着時のトナー像のつぶれムラを抑制でき、またこのつぶれムラによる濃度ムラを抑制でき、より高画質な定着画像を提供できる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

以下に本発明の第１の実施例を説明する。

図１は本実施例における画像形成装置としてのレーザービームプリンタの要部である。１０１は像担持体として有機感光ドラム、１０２は帯電部材としての帯電ローラ、１０３はレーザー露光装置、１０４は現像スリーブ及び現像ブレードならびに１成分磁性トナー等からなる現像装置、１０５はクリーニングブレード、１０６は転写ローラ、１０７は加熱定着装置であり、転写ローラ１０６と加熱定着装置１０７の間に本発明の特徴の一つであるプレヒート用のハロゲンヒータ１１６を配置してある。なお、１０１〜１０６を総称して画像形成部とよぶ。本実施例ではプロセススピードが８０ｍｍ/ｓｅｃ、最大通紙幅がＬＴＲである１２ｐｐｍ（ＬＴＲ換算）のレーザービームプリンターを母体とする。

有機感光ドラム１０１は所定の周速度にて回転駆動され、帯電ローラ１０２によって本例の場合は負の所定電位に一様に帯電される。そしてその有機感光ドラム１０１の一様帯電処理面にレーザー露光装置１０３からのレーザービームによる画像情報の走査露光がなされて、有機感光ドラム１０１に走査露光パターンに対応した静電潜像が形成される。

次に、現像装置１０４の中で帯電したネガトナーが有機感光ドラム１０１上の静電潜像の露光明部に付着して静電潜像がトナー像として可視像となる（反転現像）。本実施例ではトナーとしては結着樹脂中にマグネタイトとワックスを混ぜた粉砕トナーを用いた。

ちなみに結着樹脂としてはＴｇ（ガラス転移点）が７０度であるスチレンアクリル系の樹脂を、ワックスとしてはＴｃ（融点）が１１０℃であるアルコール系ワックスを用いた。

一方、所定の給紙制御タイミングにて給紙ローラ１０８が回転駆動されて給紙カセット１０９から紙等の記録材Ｐが1枚分離給送されて、搬送ローラ１１０、レジストローラ１１１等を含むシートパス１１２を通って有機感光ドラム１０１と転写ローラ１０６との当接部である転写ニップ部に所定の制御タイミングにて導入され、記録材Ｐの面に有機感光ドラム１０１上のトナー像が順次に転写される。

転写ニップ部を出た記録材Ｐは、有機感光ドラム１０１面から分離されて、シートパス１１３を通って画像加熱定着装置としての加熱装置１０７に導入されてトナー像の加熱定着処理を受け、シートパス１１４を通って排紙トレイ１１５上に排出される。

また記録材分離後の有機感光ドラム１０１面はクリーニングブレード１０５により転写残トナーの除去を受けて清掃され、繰返して作像に供される。

図２は本実施例における画像加熱定着装置としての加熱装置１０７（フィルム加熱方式）の概略構成図である。この装置は特開平4-44075〜44083号公報、同4-204980〜204984号公報等に開示のテンションレスタイプのフィルム加熱方式を用いた加熱装置である。

このテンションレスタイプのフィルム加熱方式の加熱装置は、耐熱性フィルムとしてエンドレスベルト状もしくは円筒状のものを用い、該フィルムの周長の少なくとも一部は常にテンションフリー（テンションが加わらない状態）とし、フィルムは加圧部材の回転駆動力で回転駆動するようにした装置である。

本実施例の加熱装置の最大通紙幅としてはＬＴＲサイズである。１はステーであり、加熱体保持部材兼フィルムガイド部材としての耐熱性・剛性部材である。３は加熱体としてのセラミックヒータであり、上記のステー１の下面にステー長手に沿って配設して保持させてある。２はエンドレス（円筒状）の耐熱性、高熱伝導性の定着フィルムであり、周長に余裕を持って加熱体３を含むフィルムガイド部材であるステー１に外嵌させてある。

ステー１はポリイミド、ポリアミドイミド、PEEK、PPS、液晶ポリマー等の高耐熱性樹脂や、これらの樹脂とセラミックス、金属、ガラス等との複合材料等で構成できる。本実施例では液晶ポリマーを用いた。

フィルム２は熱容量を小さくしてクイックスタート性を向上させるために、膜厚30μm以上200μm以下の厚みで耐熱性、高熱伝導性を有するSUS、Mg、Al、Ni、Cu、Zn、Ti等の純金属あるいは合金を基層として形成されたフィルムを使用できる。さらに、フィルム２の外周表面上には未定着トナー画像や記録材の分離性を確保するためPTFE、PFA、FEP等をコーティングすることができる。本実施例においては、SUSフィルムの外周表面にPTFEをコーティングした総膜厚60μmのものを用いた。

加圧ローラ４は加熱体３との間にフィルム２を挟んで圧接ニップ部(定着ニップ部)Ｎを形成し、かつフィルム２を回転駆動させるフィルム外面接触駆動手段としての加圧ローラである。この加圧ローラ４は芯金４aと弾性体層４bと最外層の離形層４cからなり、不図示の軸受け手段・付勢手段により所定の押圧力をもってフィルム２を挟ませて加熱体３の表面に圧接させて配設してある。本実施例では、芯金４aはアルミ芯金を、弾性体層４bはシリコーンゴムを、離形層４cはPFAをコーティングしたものを用いた。加圧ローラ４の外径は20mm、弾性体層４bの厚さは3.5mmとした。

この加圧ローラ４は駆動系Mにより矢印の時計方向に所定の周速度で回転駆動される。この加圧ローラ４の回転駆動により、圧接ニップ部Nにおける該加圧ローラとフィルム外面との摩擦力でフィルム２に回転力が作用して、フィルム２はその内面側が定着ニップ部Ｎにおいて加熱体３の表面に密着して摺動しながらステー１の外回りを矢印の反時計方向に加圧ローラ４の回転周速度とほぼ同じ周速度で従動回転状態になる。

ヒータ３は基板材料としてアルミナを用いたセラミックヒータである。アルミナの基板上にＡｇ/Ｐｄや、ＲｕＯ₂、Ｔａ₂Ｎなどをガラスと混合してなる抵抗発熱体６、さらにその発熱体表面をガラスよりなるオーバーコート層が覆うかたちにスクリーン印刷されている。本実施例ではとくに抵抗値が１７ΩであるＡｇ/Ｐｄとガラスを混ぜた抵抗発熱体を用いた。

加熱体３の裏面には、加熱体３の温度を検知し制御するための検温素子であるサーミスタ７が設けられておりCPU２４に通じている。

図２に示すように、この加熱体３を抵抗発熱体６を形成具備させた側を下向きにさせてステー１の下面側に保持させて固定配設してある。以上の構成をとることにより、加熱体全体を熱ローラ方式に比べて低熱容量にすることができ、クイックスタートが可能になる。図２に示す２１・２２は抵抗発熱体６に給電するための給電用電極である。

加熱体３は、抵抗発熱体の給電用電極２１・２２に対する電源２６からの給電により抵抗発熱体６が長手全長にわたって発熱することで昇温する。その昇温がサーミスタ７で検知され、サーミスタ７の出力をA/D変換しCPU２４に取り込み、その情報に基づいてトライアック２５により電源２６から抵抗発熱体６に通電する電力を位相制御、波数制御等により制御して、加熱体３の温度制御がなされる。即ちサーミスタ８の検知温度が所定の設定温度より低いと加熱体３が昇温するように、設定温度より高いと降温するように通電を制御することで、加熱体３は定着時一定温度に保たれる。

加熱体３の温度が所定に立ち上がり、かつ加圧ローラ４の回転によるフィルム２の回転周速度が定常化した状態において、フィルム２を挟んで加熱体３と加圧ローラ４とで形成される圧接ニップ部Nに被加熱材としての画像定着すべき記録材Ｐが画像形成部（転写部）より導入される。

図３は本発明を示す図でありその詳細を説明する。まずハロゲンヒータ１１６は定着器通紙手前で記録材Ｐ上の未定着画像を予備過熱する役割を有する。本実施例では抵抗値約２２Ωのものを用いた。このハロゲンヒータ１１６は通紙面に対して２０ｍｍ上、定着ニップ手前より２５ｃｍの位置に配置してある。また通紙面側に熱線が集中するように内面が鏡面になっているシールド１１７がハロゲンヒータ１１６の上を覆っている。転写ニップを出た記録材Ｐは、搬送ベルト１１９によりハロゲンヒータ１１６の真下を通過し、加熱装置１０７まで搬送される。搬送ベルト１１９はモータ（不図示）に連動し、プロセススピードの周速になるように設定してある。

ハロゲンヒータ１１６への通電制御はレジストローラ１１１の直前に設けたトップセンサー（不図示）からの信号を起点に記録材Ｐの先端がハロゲンヒータ直下に達する時間を計算し、記録材Ｐの先端が真下に達する0.5秒前から開始し、記録材Ｐの後端が通過するまで点灯（１００％通電）し続ける。紙間では一端ＯＦＦになり、次の記録材が来る0.5秒前から再び点灯するサイクルを繰り返す。この設定及び制御により紙表面のトナーは約１３５℃〜１５０℃に加熱される。

さらに予備加熱で温めたトナーをここでは、自然に冷却させている。すなわち記録紙Ｐがハロゲンヒータを通過して定着器に突入するまでの時間で一度ワックスの融点以上まで温めたトナーがその融点である１１０℃以下までに冷却するのに十分になるように設定した。

このようなプロセスにより、ドットが定着器ニップ内に突入し加熱加圧されたときの、極端なつぶれによるドットどうしの合体が抑制される。

このメカニズムを次に説明する。

図４及び図５はそれぞれハロゲン照射を受けなかった場合と受けて冷却された場合の、定着ニップ直前部での記録材Ｐ上のドットパターン表面のトナーの様子を示した図である。これらの図に示すように予備加熱によりトナーのワックス融点以上まで加熱された場合には、隣り合うトナー同士がくっつくとともにワックスが液化し、トナーの外表面をワックスが覆うになる。またこの後融点以下まで冷えたときにＷＡＸは固化するため、ワックスがドット表層を覆う殻となり、トナー粒子間の隙間を埋めるように表面を覆い固化しているため、トナーとフィルムの間の空気は逃げにくい。そのため定着ニップ内で紙とフィルムの間に空気層が部分的に形成され、熱及び圧がトナーに伝わりにくくなり、ドットのつぶれが抑制される。一方予備加熱を受けない場合には、表面にワックスの殻がないこととトナー粒子間の隙間からトナーとフィルムの間に挟まれた空気が逃げやすく、空気層ができないためドットはつぶれやすい。

以下の表に予備加熱の有無、また定着器突入直前での温度と孤立ドットパターンの濃度一様性を比較した結果をしめす。ここでは実施例１の比較例に対する効果をしめすために定着器突入直前の紙温度をふった。ちなみに表中の実施例１の具体例２は、ハロゲンヒータへの通電を実施例１のように１００％通電するのではなく、波数制御により８０％通電に設定した場合であり、このときのトナーはハロゲンヒータ１１６からの加熱により実施例１よりも低い温度である約１１５℃〜１３０℃まで加熱されていることで定着器突入直前の温度を下げた。比較例２は実施例１に対してハロゲンヒータ１１６の取り付け位置をずらし、ハロゲンヒータ１１６から加熱装置１０７までの距離Lを実施例１の画像形成装置よりも短く（１８ｃｍに）設定し、ハロゲンヒータ１１６の加熱を受けた後の冷却時間を短くした場合に相当する。ちなみに定着器突入直前のトナー温度は定着ニップ直前に放射温度計をセットし測定した。濃度の一様性を比較した結果を以下の表１に示す。

以上の結果が示すように、予備加熱を行いワックス転移温度以上に一度加熱し、そののちワックス転移温度以下に冷却することで濃度一様性が良化する。また予備加熱を行っても、ワックスの転移温度以下まで冷却しないと未定着画像上のトナーのワックスが固化せず、やわらかいままニップ内で加圧されるため、紙の凹凸の影響を受けやすく濃度が均一にならない。

本実施例ではフィルム加熱方式の定着器を用いたが、熱ローラ方式、電磁誘導加熱方式の定着器でも同様であることは言うまでもない。また本実施例では特にワックス融点１１０℃であるトナーを用いたが、ワックス融点が異なるトナーの場合は、予備過熱によりその融点以上まで加熱し、定着器突入時にその融点温度以下となるように変更した構成にすることで同様な効果が得られることは言うまでもない。

図６は実施例２の画像形成装置の概略図であり、その基本構成は実施例１とほとんど同じである。ただ異なるのはハロゲンランプ１１６と定着器１０７の間に冷却ファン１１８をもうけたことである。冷却ファン１１８が記録紙へ送風することによりハロゲンヒータで加熱された未定着画像のトナーを実施例１と比較して、より低温まで冷却する事が可能となる。
トナーの結着樹脂の硬さは、ガラス転移点（Ｔｇ）を境に大きく変わるため、ガラス転移点以下まで温度が下がったトナーはそれ以上の温度のときよりも非常に硬くなる。よって本実施例ではトナーとしては実施例１と同じものなので、結着樹脂のＴｇである７０℃以下の温度までトナーの冷却を行う。このことで本実施例ではプレヒートによるトナーどうしのくっつく効果を得たうえに、実施例１よりもトナーの硬さが大きく上がるためにニップ突入直後のつぶれ具合が抑制され、これに伴う濃度ムラをさらに抑制できる。
次にトナー転移点以下まで冷却する冷却ファンについて説明する。図７に示した冷却ファン１１８はＤＣモータ（不図示）にて駆動し、プリント動作中常に所定の一定回転数で回転し予備加熱を経た未定着画像の冷却を行う。冷却ファン118からの風がハロゲンヒータ側流れ込んで予備加熱の妨げや、未予備過熱画像の乱れがおきないように図８のように搬送方向直角方向に対して定着器側にオフセットさせてある。ちなみに予備過熱を経たトナー画像は紙に対して接着するようになるため、冷却ファンの風により乱されることはない。実際にファンの回転数を変化させて定着器突入直前の未定着画像（孤立ドットのハーフトーンパターン）の温度（冷め具合）をふり、濃度の一様性を比較した結果を以下の表２に示す。

ここで比較例として実施例１の方式をのせた。どちらもガサツキは良くなるもののガラス転移温度以下まで冷却することで、濃度一様性のレベルがさらに良くなる効果が出ていることが判る。

本実施例ではフィルム加熱方式の定着器を用いたが、熱ローラ方式、電磁誘導加熱方式の定着器でも同様であることは言うまでもない。また本実施例では特にワックス融点１１０℃、結着樹脂のガラス転移点７０℃であるトナーを用いたが、ワックス融点、結着樹脂のガラス転移点が各々本実施例と異なるトナーの場合には、予備過熱によりそのワックスの融点以上まで加熱し、定着器突入時のその結着樹脂のガラス転移点以下の温度となる構成にすることで同様な効果が得られることは言うまでもない。

本発明の第１の実施例の画像形成装置の図。 本発明の第１、及び第２の実施例の画像形成装置の加熱装置の図。 本発明の第１の実施例、及び比較例の効果を確認した装置の構成を示した図。 予備過熱がない場合の定着ニップ直前におけるドット表面のトナーの様子を示した図。 本発明の予備過熱＆冷却があった場合の定着ニップ直前におけるドット表面のトナーの様子を示した図。 本発明の第２の実施例の画像形成装置の図。 本発明の第２の実施例のファンの配置を示した図（横から見た図）。 本発明の第２の実施例のファンの配置を示した図（上から見た図）。

符号の説明

１ ステー
２ 定着フィルム
３ 加熱体（セラミックヒータ）
４ 加圧ローラ
４a 加圧ローラ芯金
４ｂ 加圧ローラ弾性層
４ｃ 加圧ローラ離形層
５ 窒化アルミニウム基板
６ 抵抗発熱体
７ オーバーコート層
８ サーミスタ
２４ CPU
２５ トライアック
２６ AC電源
１０１ 有機感光ドラム
１０２ 帯電ローラ
１０３ レーザー露光装置
１０４ 現像装置
１０５ クリーニングブレード
１０６ 転写ローラ
１０７ 加熱定着装置
N 定着ニップ
P 記録材
T トナー
A 記録材Pの搬送搬送方向

Claims (4)

1. 印字媒体上にトナーにより形成された未定着画像を定着器にて加熱、加圧し該印字媒体上に該未定着画像を定着させる構成において、定着前に印字媒体上の未定着画像を予備加熱する予備加熱装置を有し、少なくとも該予備加熱装置は該未定着画像をこれを形成するトナー中のワックスの相転移温度（融点）以上に加熱し、かつ該未定着画像が該転移温度以下に冷えた後に定着器へ通紙することを特徴とする画像形成装置。
2. 印字媒体上にトナーにより形成された未定着画像を定着器にて加熱、加圧し該印字媒体上に該未定着画像を定着させる構成において、定着前に印字媒体上の未定着画像を予備加熱する予備加熱装置を有し、少なくとも該予備加熱装置は該未定着画像をこれを形成するトナー中のワックスの相転移温度（融点）以上に加熱し、かつ該未定着画像が該トナーを構成する結着樹脂のガラス転移温度以下に冷えた後に定着器へ通紙することを特徴とする画像形成装置。
3. 未定着画像の予備過熱は、光や電磁波にて行うことを特徴とする請求項１、乃至２に記載の画像形成装置。
4. 予備加熱されたトナーの冷却のための冷却装置を予備加熱装置と定着器の間に配置し、強制的な冷却を行うことを特徴とする請求項１乃至３に記載の画像形成装置。

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