JP2012088493A - Optical fixing device, and electronic apparatus using the same - Google Patents

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健治 高田
Masaaki Hanano
雅昭 花野
Makoto Abe
良 阿部
Morimichi Ito
盛通 伊藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical fixing device and an electronic apparatus using the same, which can obtain desired fixing performance with low power consumption.SOLUTION: An optical fixing device gathers light from a light source 2 onto a recording medium 6 using an irradiation optical system 3 and irradiates unfixed toner 4 on the recording medium 6 for fixing. The irradiation optical system 3 forms a light irradiation area with a power density I[W/cm] satisfying the following formula (1): I>20,000[W/cm] on the recording medium 6.

Description

本発明は光定着装置に係り、特に、記録媒体上に記録された未定着トナー像に光を照射することで定着させる光定着装置、及びこれを搭載した電子機器に関する。   The present invention relates to an optical fixing device, and more particularly, to an optical fixing device for fixing an unfixed toner image recorded on a recording medium by irradiating light, and an electronic apparatus equipped with the optical fixing device.

従来より、複写機あるいはプリンタ等の画像形成装置において、トナー像を記録媒体上に転写する方法として、過熱された定着ローラによりトナーを溶融し、加圧ローラによって加圧し、記録体上に定着させる熱加圧方式が一般的に知られている。   Conventionally, in an image forming apparatus such as a copying machine or a printer, as a method for transferring a toner image onto a recording medium, the toner is melted by an overheated fixing roller, pressurized by a pressure roller, and fixed on a recording medium. A heat press method is generally known.

熱加圧方式の場合、定着ローラをトナーを溶融するのに十分な温度にまで上昇させるのに時間がかかる。また、装置待機時においても、立ち上がり時間短縮のため、ローラを一定の温度に保持しておく必要があるため、待機時における電力消費が大きいという問題がある。   In the case of the hot press method, it takes time to raise the fixing roller to a temperature sufficient to melt the toner. Further, there is a problem in that the power consumption during standby is large because the roller needs to be kept at a constant temperature in order to shorten the rise time even during standby.

このような問題に対し、未定着のトナーに対して光を照射し、トナーが光を吸収することで発生する熱を用いて、トナーを溶融して記録媒体上に定着させる光定着方式が提案されている。光定着方式では、熱加圧方式で用いるような定着ローラを用いず、トナーに対する熱エネルギーの供給源を瞬時にオン・オフ可能なレーザ等を光源としているため、上記熱加圧方式に比べて、装置の立ち上がりに要する時間を短縮できるとともに、待機時の電力消費を削減することが可能となる。   To solve these problems, a light fixing method is proposed in which unfixed toner is irradiated with light, and the toner is melted and fixed on the recording medium using heat generated by the toner absorbing light. Has been. The light fixing method does not use the fixing roller used in the thermal pressurization method, and uses a laser or the like that can instantaneously turn on and off the thermal energy supply source for the toner as compared with the thermal pressurization method. In addition to shortening the time required to start up the apparatus, it is possible to reduce power consumption during standby.

特許文献1には、上記のような光定着を実現する光学系の提案がなされている。特許文献1では、LD(Laser Diode)を光源とする定着装置において、このレーザ素子からのレーザ光を、図5に示すような楕円形のスポットとし、レーザ光の照射領域が記録紙搬送方向に広がるように配置することによって、未定着トナーへのレーザ光の照射時間を確保し、定着効率を高める方法が開示されている。   Patent Document 1 proposes an optical system that realizes the above-described optical fixing. In Patent Document 1, in a fixing device using an LD (Laser Diode) as a light source, the laser light from this laser element is an elliptical spot as shown in FIG. 5, and the irradiation region of the laser light is in the recording paper conveyance direction. A method of increasing the fixing efficiency by securing the irradiation time of the laser beam to the unfixed toner by disposing the toner so as to spread is disclosed.

特開2007−57903号公報JP 2007-57903 A

しかしながら、上記特許文献1に開示された定着装置においては、次のような問題がある。すなわち、トナー温度上昇中における記録紙あるいは大気中等への熱拡散量は、時間と共に増加する。そのため、光照射パワーを一定に保持した状態で、レーザスポットを楕円形とした場合には、単位面積あたりのレーザパワーが低くなり、定着のために照射時間を長く要するため、熱拡散によってトナー溶融に寄与しない熱エネルギー損失が増加し、その結果、消費電力が増加してしまう。   However, the fixing device disclosed in Patent Document 1 has the following problems. That is, the amount of thermal diffusion to the recording paper or the atmosphere while the toner temperature is rising increases with time. For this reason, if the laser spot is elliptical with the light irradiation power held constant, the laser power per unit area will be low and the irradiation time will be long for fixing. The thermal energy loss that does not contribute to increases, resulting in an increase in power consumption.

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、レーザや、レーザアレイ等を光源とする光定着装置であって、所望の定着性能を低い消費電力で得ることが可能な光定着装置、およびこれを用いた電子機器を得ることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and is an optical fixing device using a laser, a laser array, or the like as a light source, and capable of obtaining desired fixing performance with low power consumption. And an electronic device using the same.

本発明に係る光定着装置は、光源からの光を照射光学系により記録媒体上に集光し、前記記録媒体上の未定着トナーに照射して定着を行う光定着装置であって、
前記照射光学系は、パワー密度I[W/cm]が下記の式(1)を満たす光照射領域を前記記録媒体上に形成することを特徴とする。
An optical fixing apparatus according to the present invention is an optical fixing apparatus that focuses light on a recording medium by an irradiation optical system and irradiates unfixed toner on the recording medium for fixing.
The irradiation optical system is characterized in that a light irradiation region having a power density I [W / cm 2 ] satisfying the following formula (1) is formed on the recording medium.

I > 20,000 [W/cm] ・・・(1)
また、本発明に係る光定着装置は、前記光照射領域の面積をS[cm]、前記光照射領域領域内に存在する前記未定着トナーを溶融させるために必要なエネルギーをQ[J]としたとき、前記照射光学系は、前記パワー密度Iが下記の式(2)を満たす前記光照射領域を前記記録媒体上に形成することを特徴とする。
I> 20,000 [W / cm 2 ] (1)
In the photofixing device according to the present invention, the area of the light irradiation region is S [cm 2 ], and the energy required for melting the unfixed toner existing in the light irradiation region is Q [J]. Then, the irradiation optical system is characterized in that the light irradiation region in which the power density I satisfies the following formula (2) is formed on the recording medium.

I < (Q/S)×1015 [W/cm] ・・・(2)
また、本発明に係る光定着装置は、前記未定着トナーの粒径をD[cm]としたとき、前記照射光学系は、下記の式(3)を満たす前記光照射領域を前記記録媒体上に形成することを特徴とする。
I <(Q / S) × 10 15 [W / cm 2 ] (2)
In the light fixing device according to the present invention, when the particle size of the unfixed toner is D [cm], the irradiation optical system displays the light irradiation area satisfying the following formula (3) on the recording medium. It is characterized by forming in.

S > π×(D/2) [cm] ・・・(3)
また、本発明に係る光定着装置は、前記記録媒体は、前記光照射領域の短軸方向に沿って相対移動することを特徴とする。
S> π × (D / 2) 2 [cm 2 ] (3)
Further, the optical fixing device according to the present invention is characterized in that the recording medium relatively moves along a minor axis direction of the light irradiation region.

本発明に係る電子機器は、上記のいずれかに記載の光定着装置を備えたことを特徴とする。   An electronic apparatus according to the present invention includes any one of the above-described optical fixing devices.

本発明によれば、所望の定着性能を低い消費電力で得ることが可能な光定着装置、およびこれを用いた電子機器を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize an optical fixing device capable of obtaining desired fixing performance with low power consumption, and an electronic apparatus using the same.

光定着装置の構成図である。It is a block diagram of an optical fixing device. 実施形態1に係る集光光による光照射領域を示す図である。It is a figure which shows the light irradiation area | region by the condensed light which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1におけるパワー密度と定着効率の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between power density and fixing efficiency in Embodiment 1. 実施形態2におけるパワー密度と定着効率の関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between power density and fixing efficiency in Embodiment 2. 従来の光定着装置の照射領域を示す図である。It is a figure which shows the irradiation area | region of the conventional optical fixing device.

以下、本発明の実施の形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

<実施形態1>
図1は、実施形態1における光定着装置1の構成図である。光定着装置1は、未定着トナー像を溶融する光源である発光部2、発光部2からの発せられる拡散光Z1を集光する集光部3、記録媒体6を移動させる移動部7より構成されている。記録媒体6には、トナー粒子5により、未定着トナー像4が形成されており、集光部3からの集光光束Z2が照射され、画像が定着される。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical fixing device 1 according to the first embodiment. The optical fixing device 1 includes a light emitting unit 2 that is a light source that melts an unfixed toner image, a condensing unit 3 that collects diffused light Z1 emitted from the light emitting unit 2, and a moving unit 7 that moves a recording medium 6. Has been. On the recording medium 6, an unfixed toner image 4 is formed by the toner particles 5, and the focused light flux Z <b> 2 from the light collecting unit 3 is irradiated to fix the image.

発光部2は、例えばLD(Laser Diode)またはLED(Light Emitting Diode)等の光半導体を光源とするものが用いられ、未定着トナー像4を溶融するための光源として使用される。これらの光半導体は、小型で発光効率が高く、長寿命であるという特長に加えて、光源のオン/オフや出力の高/低を高速で切り替える高周波駆動が可能であるという特長を有している。   The light emitting unit 2 uses a light semiconductor such as an LD (Laser Diode) or LED (Light Emitting Diode) as a light source, and is used as a light source for melting the unfixed toner image 4. These optical semiconductors have the advantage of being capable of high-frequency driving that switches on / off of the light source and high / low of the output at high speed, in addition to the small size, high luminous efficiency, and long life. Yes.

発光部2から出射される拡散光Z1の波長は、後述する未定着トナー像4によく吸収され、熱エネルギーに変換されやすい波長が好ましい。また、未定着トナー像4が可視光を吸収すると、長期間の保存により変質等が生じやすく、トナーが定着された定着物を印刷物として長期間保管、使用する観点からすれば好ましくない。このようなことから、上記拡散光Z1の波長は800nm〜1000nmが好ましく、さらには850nm前後の近赤外光が良い。なかでも、波長が850nm前後の近赤外光は、汎用の半導体レーザによって効率的に得ることが可能であり、半導体レーザ自体の価格も安く、性能も安定している。   The wavelength of the diffused light Z1 emitted from the light emitting unit 2 is preferably a wavelength that is well absorbed by the unfixed toner image 4 described later and is easily converted into thermal energy. Further, if the unfixed toner image 4 absorbs visible light, it is likely to change in quality due to long-term storage, which is not preferable from the viewpoint of storing and using a fixed matter on which the toner is fixed as a printed matter for a long time. Therefore, the wavelength of the diffused light Z1 is preferably 800 nm to 1000 nm, and near infrared light of around 850 nm is preferable. In particular, near-infrared light having a wavelength of around 850 nm can be efficiently obtained by a general-purpose semiconductor laser, the price of the semiconductor laser itself is low, and the performance is stable.

また、未定着トナー像4を形成するトナー粒子5の材料としては、発光部2から出射される上記波長帯域の光を吸収する特性を有する材料を用いる必要がある。トナー粒子5は、例えば数μm〜十数μm程度の微小な粒子であり、記録媒体6上に単層あるいは複数層を成すように堆積されている。未定着トナー像4の表層にあるトナー粒子5は、発光部2によって照射された光を吸収する。そして、吸収された光は熱エネルギーに変換され、トナー粒子5の温度が上昇する。さらに、上記未定着トナー像4の内部層、すなわち表層よりも記録媒体6側に存在するトナー粒子5は、高温になった表層のトナー粒子5からの熱伝達によって温度上昇する。最終的にはトナー粒子5全体の温度が融点に達し、溶融状態のトナーが記録媒体6に浸透することによって記録媒体6上に定着固定される。   Further, as the material of the toner particles 5 that form the unfixed toner image 4, it is necessary to use a material that has a characteristic of absorbing light in the above wavelength band emitted from the light emitting unit 2. The toner particles 5 are fine particles of, for example, about several μm to tens of μm, and are deposited on the recording medium 6 so as to form a single layer or a plurality of layers. The toner particles 5 on the surface layer of the unfixed toner image 4 absorb the light irradiated by the light emitting unit 2. The absorbed light is converted into heat energy, and the temperature of the toner particles 5 rises. Further, the temperature of the toner particles 5 existing on the recording medium 6 side of the inner layer of the unfixed toner image 4, that is, the surface layer, rises due to heat transfer from the toner particles 5 on the surface layer that has reached a high temperature. Eventually, the temperature of the entire toner particles 5 reaches the melting point, and the melted toner penetrates into the recording medium 6 to be fixed on the recording medium 6.

集光部3は、照射光学系により構成され、ガラスあるいは透明な樹脂などより構成される光学レンズ、ガルバノミラー、ポリゴンミラーなどが単独あるいは組み合わせて用いられる。発光部2から出射された拡散光Z1は、集光部3によって集光され、集光光束Z2として紙等の記録媒体6上に集光される。   The condensing unit 3 includes an irradiation optical system, and an optical lens, a galvano mirror, a polygon mirror, or the like made of glass or transparent resin is used alone or in combination. The diffused light Z1 emitted from the light emitting unit 2 is collected by the light collecting unit 3, and is collected on a recording medium 6 such as paper as a condensed light beam Z2.

記録媒体6の上には、定着工程の前工程において、予め未定着トナー像4が形成されている。未定着トナー像4を形成するトナー粒子5が、集光光束Z2を吸収して昇温した後に溶融し、記録媒体6に浸透して固定される。   On the recording medium 6, an unfixed toner image 4 is formed in advance in a step before the fixing step. The toner particles 5 forming the unfixed toner image 4 are melted after absorbing the condensed light flux Z2 and heated, and penetrated into the recording medium 6 and fixed.

上記記録媒体6は、移動部7の上に配置されている。本実施形態においては、図1に示すように、移動部7によって記録媒体6を搬送する方式を採用している。   The recording medium 6 is disposed on the moving unit 7. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a method of transporting the recording medium 6 by the moving unit 7 is adopted.

まず、移動部7によって、記録媒体6を集光光束Z2の光照射領域に対して図1に示すX方向に相対移動させて主走査を行い、次に、記録媒体6を集光光束Z2の光照射領域に対してY方向に相対移動させて副走査を行い、以下、記録媒体6のX方向への相対移動とY方向への相対移動とを繰り返し行うことによって、記録媒体6の全域を集光光束Z2で照射して、記録媒体6上の各位置に存在するトナー粒子5を定着固定する。   First, the moving unit 7 moves the recording medium 6 relative to the light irradiation area of the condensed light beam Z2 in the X direction shown in FIG. 1 to perform main scanning, and then moves the recording medium 6 to the condensed light beam Z2. Sub-scanning is performed by relatively moving the light irradiation area in the Y direction. Thereafter, the entire movement of the recording medium 6 is repeated by repeatedly performing the relative movement in the X direction and the relative movement in the Y direction. Irradiation with the condensed light beam Z2 fixes and fixes the toner particles 5 present at each position on the recording medium 6.

次に、光定着装置1を用いて、未定着トナー像4を記録媒体6に定着させる方法について説明する。本実施形態においては、図1に示すように、発光部2の光軸は、記録媒体6の表面に対して略垂直に配置されており、発光部2からの拡散光Z1が、集光部3で集光されて集光光束Z2となって記録媒体6を照射する。   Next, a method for fixing the unfixed toner image 4 to the recording medium 6 using the optical fixing device 1 will be described. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the optical axis of the light emitting unit 2 is disposed substantially perpendicular to the surface of the recording medium 6, and the diffused light Z1 from the light emitting unit 2 is collected by the condensing unit. 3 is condensed to be a condensed light beam Z2, and the recording medium 6 is irradiated.

ここで、未定着トナーのトナー粒子5の粒径をD[cm]としたとき、記録媒体6上に投影される未定着トナー像4を構成する1個のトナー粒子5の断面積は、π×(D/2)[cm]となる。一つのトナー粒子5全体を発熱させ、トナーを効率よく溶融させるためには、記録媒体6上に形成する光照射領域の面積S[cm]を、上記未定着トナー像4を構成する1個のトナー粒子5の断面積より大きくする、すなわち、以下の条件式(3)を満たす必要がある。 Here, when the particle diameter of the toner particles 5 of the unfixed toner is D [cm], the sectional area of one toner particle 5 constituting the unfixed toner image 4 projected on the recording medium 6 is π X (D / 2) 2 [cm 2 ]. In order to heat one toner particle 5 as a whole and to melt the toner efficiently, the area S [cm 2 ] of the light irradiation region formed on the recording medium 6 is set to one piece constituting the unfixed toner image 4. In other words, it is necessary to satisfy the following conditional expression (3).

S > π×(D/2) [cm] ・・・(3)
図2は、本実施形態に係る集光光による光照射領域8を示す図である。本実施形態では、記録媒体6上における集光光束Z2による光照射領域8は、図2に示すように楕円形状になっている。楕円形状である光照射領域8の長軸方向の大きさは5×10−2[cm]、短軸方向の大きさは5×10−3[cm]である。また、本実施形態で使用したトナーは一般的な熱加圧方式で用いられている乾式トナーであり、トナー粒径Dは約5×10−4[cm]である。よって、
S[cm] ≒ 1.96×10−4[cm
π×(D/2)[cm] = 1.96×10−7[cm
となり、条件式(3)を満足している。なお、1個のトナー粒子5全体に光が照射されるようになっていれば、光照射領域8は円形であってもよい。こうすることで、1個のトナー粒子全体を光照射によって発熱させることができ、トナーを効率よく溶融させることができる。溶融したトナーは記録媒体6に浸透することによって記録媒体6上に定着固定される。
S> π × (D / 2) 2 [cm 2 ] (3)
FIG. 2 is a diagram showing the light irradiation region 8 by the condensed light according to the present embodiment. In the present embodiment, the light irradiation area 8 by the condensed light beam Z2 on the recording medium 6 has an elliptical shape as shown in FIG. The size of the elliptical light irradiation region 8 in the major axis direction is 5 × 10 −2 [cm], and the size in the minor axis direction is 5 × 10 −3 [cm]. Further, the toner used in the present embodiment is a dry toner used in a general thermal pressurization method, and the toner particle diameter D is about 5 × 10 −4 [cm]. Therefore,
S [cm 2 ] ≈1.96 × 10 −4 [cm 2 ]
π × (D / 2) 2 [cm 2 ] = 1.96 × 10 −7 [cm 2 ]
Thus, conditional expression (3) is satisfied. Note that the light irradiation region 8 may be circular as long as the entire toner particle 5 is irradiated with light. By doing so, the entire toner particle can be heated by light irradiation, and the toner can be efficiently melted. The melted toner penetrates into the recording medium 6 and is fixed and fixed on the recording medium 6.

次に、集光光束Z2のパワー密度Iと移動部7の移動速度を変化させて、記録媒体6上の未定着トナー像4を光照射し、定着実験を行った内容を説明する。なお、本発明におけるパワー密度とは、単位面積当たりに照射される光のパワーを指す。ここで、移動部7の主移動方向は、図2に矢印で示すように、記録媒体6上に形成された光照射領域8の短軸方向に沿った方向とする。こうすることで、トナーへの光照射時間を短くすることができ、トナー温度上昇中における記録媒体あるいは大気中等への熱拡散を抑えることができ、効率よくトナーを溶融させることができる。   Next, the contents of a fixing experiment in which the power density I of the condensed light beam Z2 and the moving speed of the moving unit 7 are changed and the unfixed toner image 4 on the recording medium 6 is irradiated with light will be described. In addition, the power density in this invention refers to the power of the light irradiated per unit area. Here, the main moving direction of the moving unit 7 is a direction along the short axis direction of the light irradiation region 8 formed on the recording medium 6 as shown by an arrow in FIG. By doing so, the light irradiation time to the toner can be shortened, the thermal diffusion to the recording medium or the atmosphere while the toner temperature is rising can be suppressed, and the toner can be efficiently melted.

図3に、トナーに照射した集光光束Z2のパワー密度Iを変化させたときのトナー定着効率の実験結果を示す。なお、本発明におけるトナー定着効率とは、単位面積当たりのトナー定着に必要な積算照射光量を指し、ここで、グラフ縦軸のトナー定着効率の数値が小さければ、定着に要する消費電力が小さいことを意味する。図3の縦軸の数値は、A点での定着効率を1とした場合の値で、各パワー密度で得られた定着効率を示している。   FIG. 3 shows experimental results of toner fixing efficiency when the power density I of the condensed light flux Z2 irradiated to the toner is changed. The toner fixing efficiency in the present invention refers to the integrated irradiation light amount necessary for toner fixing per unit area. Here, if the numerical value of the toner fixing efficiency on the vertical axis of the graph is small, the power consumption required for fixing is small. Means. The numerical value on the vertical axis in FIG. 3 is a value when the fixing efficiency at point A is 1, and indicates the fixing efficiency obtained at each power density.

ここで、定着の判定は次のとおり行った。まず、記録紙の定着トナー面を内側にして軽く折り曲げた状態で、その上を約1kgの円筒状のおもりを往復させた後、折り目を開いて、その上に白紙を介しておもりを載せ、白紙を持って定着面上を引っ張り、紙面上の折り目の谷部分のトナーが取れたかどうかを目視判断した。なお、トナー定着効率の値は、トナー密度やトナー融点等の物性値によっても変化する。本実験で用いた記録媒体6上のトナー密度ρは0.41[mg/cm]、トナーの比熱Cは1.42[J/gK]、トナーの融点Trは110[℃]であった。 Here, the determination of fixing was performed as follows. First, in a state where the fixing toner surface of the recording paper is lightly folded, a cylindrical weight of about 1 kg is reciprocated on the recording paper, then the crease is opened, and a weight is placed on the white paper on the crease. Holding the white paper and pulling on the fixing surface, it was visually determined whether or not the toner at the crease valley on the paper was removed. Note that the value of toner fixing efficiency also varies depending on physical properties such as toner density and toner melting point. The toner density ρ on the recording medium 6 used in this experiment was 0.41 [mg / cm 2 ], the specific heat C of the toner was 1.42 [J / gK], and the melting point Tr of the toner was 110 [° C.]. .

トナーへの積算照射光量は、パワー密度Iと光照射時間の積で決まるため、パワー密度Iの増大と共に、相対移動部の移動速度を速くし、トナーへの光照射時間を短くしていった。例えば、図3中のA点、B点、C点のパワー密度と定着効率は表1の通りである。パワー密度が大きくなるほど、トナー定着に要する光照射時間は短くなり、積算照射光量も少なくなる。   Since the integrated amount of light applied to the toner is determined by the product of the power density I and the light irradiation time, as the power density I increases, the moving speed of the relative moving portion is increased and the light irradiation time to the toner is shortened. . For example, the power density and fixing efficiency at points A, B, and C in FIG. As the power density increases, the light irradiation time required for toner fixing becomes shorter and the integrated irradiation light amount also decreases.

上記の実験結果より、以下のことが判明した。
(I)パワー密度Iを大きくし、照射時間を短くしていくと、ほぼB点までは定着効率は減少した。
(II)パワー密度Iが20,000[W/cm]より大きくなると、定着効率は最小値とほぼ同じになり、パワー密度を増大させても定着効率がほぼ一定となる。
From the above experimental results, the following was found.
(I) When the power density I was increased and the irradiation time was shortened, the fixing efficiency decreased to almost point B.
(II) When the power density I is greater than 20,000 [W / cm 2 ], the fixing efficiency becomes substantially the same as the minimum value, and the fixing efficiency becomes substantially constant even when the power density is increased.

上記(I)の領域では、パワー密度Iの増大と共にトナーへの光照射時間が短くなっていく。このため、トナー温度上昇中における記録媒体6あるいは大気中等への熱拡散が、光照射時間の短縮とともに減少し、光吸収によって発生した熱が効率良くトナー溶融に用いられるようになる。従って、パワー密度の増大と共に定着効率が小さくなる。
また、(II)の領域では、相対移動部の移動速度が速く、トナーへの光照射時間が25[μs]以下となっているため、光吸収によって発生した熱の記録媒体あるいは大気中等への熱拡散がほぼ無視できる。従って、パワー密度Iが20,000[W/cm]より大きくなると、定着効率は最小値を示す。これより、パワー密度I[W/cm]が、以下の式(1)を満たす領域で光照射することで、トナー定着に要する消費電力を削減できる。
In the region (I), the light irradiation time to the toner decreases as the power density I increases. For this reason, the thermal diffusion to the recording medium 6 or the atmosphere while the toner temperature is rising is reduced as the light irradiation time is shortened, and the heat generated by the light absorption is efficiently used for melting the toner. Accordingly, the fixing efficiency decreases as the power density increases.
Further, in the area (II), the moving speed of the relative moving portion is high, and the light irradiation time to the toner is 25 [μs] or less. Therefore, the heat generated by the light absorption to the recording medium or the atmosphere Thermal diffusion is almost negligible. Accordingly, when the power density I is greater than 20,000 [W / cm 2 ], the fixing efficiency shows a minimum value. Accordingly, the power consumption required for toner fixing can be reduced by irradiating light in a region where the power density I [W / cm 2 ] satisfies the following formula (1).

I > 20,000 [W/cm] ・・・(1)
また、未定着トナーは、トナー分子の光吸収によって生じた熱によって溶融する。一般に、分子が光を吸収するためには10−15[s]以上必要であるため、トナーへの光照射時間も10−15[s]以上必要となる。ここで、本実施形態における楕円形の光照射領域S[cm]内に存在するトナーを溶融させるために必要なエネルギーをQ[J]、光照射時間をT[s]とすると、熱拡散が無視できる状態では以下の関係式が成り立つ。
I> 20,000 [W / cm 2 ] (1)
Further, the unfixed toner is melted by heat generated by light absorption of toner molecules. In general, in order for molecules to absorb light, 10 −15 [s] or more is necessary, and therefore, the time for light irradiation to the toner also needs to be 10 −15 [s] or more. Here, if the energy required to melt the toner existing in the elliptical light irradiation region S [cm 2 ] in this embodiment is Q [J] and the light irradiation time is T [s], thermal diffusion is performed. In the state where can be ignored, the following relational expression holds.

I[W/cm] ×S[cm] ×T[s] = Q[J]
上記式において光照射時間が10−15[s]以上必要であるため、
Q/(I×S) > 10−15 [s]
よって、パワー密度の上限値は以下の条件式(2)で規定される。
I [W / cm 2 ] × S [cm 2 ] × T [s] = Q [J]
In the above formula, the light irradiation time needs to be 10 −15 [s] or more,
Q / (I × S)> 10 −15 [s]
Therefore, the upper limit value of the power density is defined by the following conditional expression (2).

I < (Q/S)×1015 [W/cm] ・・・(2)
本実施形態では、室温を20℃とすると、トナー密度、比熱、光照射領域の面積より、
I < 5.2×1010 [W/cm] ・・・(4)
となる。
I <(Q / S) × 10 15 [W / cm 2 ] (2)
In this embodiment, assuming that the room temperature is 20 ° C., from the toner density, specific heat, and area of the light irradiation region,
I <5.2 × 10 10 [W / cm 2 ] (4)
It becomes.

つまり、上記式(4)の上限を超えるパワー密度Iの光で記録媒体6上のトナーを照射しても、光照射時間を短くすることができないため、トナー定着に必要な消費電力を削減することができない。また、上記式(4)の上限を超えるパワー密度Iの光で10−15[s]以上トナーを照射すると、トナーが昇華してしまい、定着不良となる。 That is, even if the toner on the recording medium 6 is irradiated with light having a power density I exceeding the upper limit of the above formula (4), the light irradiation time cannot be shortened, so that the power consumption required for toner fixing is reduced. I can't. Further, if the toner is irradiated with light having a power density I exceeding the upper limit of the above formula (4) for 10 −15 [s] or more, the toner is sublimated, resulting in poor fixing.

以上のごとく、本実施形態によれば、未定着トナーを定着固定する場合に、トナーに照射する光のパワー密度Iと、光照射領域8と、光照射時間Tとを最適に設定することで、良好な定着性と高い定着効率とを実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, when unfixed toner is fixed and fixed, the power density I of the light applied to the toner, the light irradiation region 8, and the light irradiation time T are optimally set. Therefore, it is possible to achieve good fixability and high fixing efficiency.

なお、本実施形態では、記録媒体6へ定着固定される未定着トナー像4は、発光部2からの光を吸収して発熱し、記録媒体6に定着されるとしたが、発熱以外の現象により定着しても構わない。例えば、紫外線による効果を利用した化学反応による定着であってもよい。   In this embodiment, the unfixed toner image 4 fixed and fixed to the recording medium 6 absorbs light from the light emitting unit 2 and generates heat, and is fixed to the recording medium 6. However, phenomena other than heat generation occur. You may fix by. For example, fixing by a chemical reaction using the effect of ultraviolet rays may be used.

また、本実施形態では、移動部7によって記録媒体6を搬送する方式を採用したが、この移動部7と集光部3とは、集光部3が固定されて移動部7が移動するか、移動部7が固定されて集光部3が移動するか、あるいは、集光部3と移動部7との両方が異なる速度で移動することによって互いに相対移動する方式をとっても構わない。   In the present embodiment, the recording medium 6 is transported by the moving unit 7. However, the moving unit 7 and the light collecting unit 3 are configured such that the light collecting unit 3 is fixed and the moving unit 7 moves. Alternatively, the moving unit 7 may be fixed and the condensing unit 3 may move, or both the condensing unit 3 and the moving unit 7 may move relative to each other by moving at different speeds.

さらに、記録媒体6の相対的な移動方法は、記録媒体6の全域が集光光束Z2によって照射できるような相対移動手段であればどのような構成でも構わない。例えば、発光部2と集光部3とにより構成された光学系を、記録媒体6に対してXY方向に移動させるような移動手段でもよく、または、上記照射光学系を構成するガルバノミラーやポリゴンミラー等の空間光変調素子を用い、記録媒体6上で集光光束Z2を走査させるような方式でもよい。   Furthermore, the relative moving method of the recording medium 6 may be any configuration as long as it is a relative moving means that can irradiate the entire area of the recording medium 6 with the condensed light beam Z2. For example, a moving unit that moves the optical system constituted by the light emitting unit 2 and the light collecting unit 3 in the XY directions with respect to the recording medium 6 may be used, or a galvanometer mirror or polygon that constitutes the irradiation optical system. A system in which a condensed light beam Z2 is scanned on the recording medium 6 using a spatial light modulation element such as a mirror may be used.

<実施形態2>
本実施の形態では、上記第1実施形態で示した未定着トナーのトナー密度が異なる場合について説明する。トナー密度以外の基本構成は上記実施形態1の場合と同様であるので、共通部分については詳細な説明は省略する。
<Embodiment 2>
In the present embodiment, a case where the toner density of the unfixed toner shown in the first embodiment is different will be described. Since the basic configuration other than the toner density is the same as that of the first embodiment, a detailed description of common portions is omitted.

図4に、トナーに照射した集光光束Z2のパワー密度Iを変化させたときのトナー定着効率の実験結果を示す。ここで、グラフ縦軸のトナー定着効率の数値が小さければ、定着に要する消費電力が小さいことを意味する。図4の縦軸の数値は、D点での定着効率を1とした場合の値で、各パワー密度で得られた定着効率を示している。   FIG. 4 shows experimental results of toner fixing efficiency when the power density I of the condensed light flux Z2 irradiated to the toner is changed. Here, if the numerical value of the toner fixing efficiency on the vertical axis of the graph is small, it means that the power consumption required for fixing is small. The numerical value on the vertical axis in FIG. 4 is a value when the fixing efficiency at the point D is 1, and indicates the fixing efficiency obtained at each power density.

本実験で用いた記録媒体6上のトナー密度ρは0.063[mg/cm]、トナーの比熱Cは1.42[J/gK]、トナーの融点Trは110[℃]であり、トナー定着効率の値は、トナー密度やトナー融点等の物性値によっても変化する。トナーへの積算照射光量は、パワー密度と光照射時間の積で決まるため、パワー密度Iの増大と共に、相対移動部の移動速度を速くし、トナーへの光照射時間を短くした。例えば、図4中のD点、E点、F点の光照射条件と定着効率は表2の通りである。 The toner density ρ on the recording medium 6 used in this experiment is 0.063 [mg / cm 2 ], the specific heat C of the toner is 1.42 [J / gK], and the melting point Tr of the toner is 110 [° C.] The toner fixing efficiency value also varies depending on physical properties such as toner density and toner melting point. Since the cumulative amount of light applied to the toner is determined by the product of the power density and the light irradiation time, as the power density I increases, the moving speed of the relative moving portion is increased and the light irradiation time to the toner is shortened. For example, Table 2 shows the light irradiation conditions and fixing efficiency at points D, E, and F in FIG.

実験結果より、以下のことが判明した。
(I)パワー密度Iを大きくし、照射時間を短くしていくと、定着効率はほぼE点までは減少した。
(II)パワー密度Iが20,000[W/cm]より大きくなると、定着効率は最小値とほぼ同じとなり、パワー密度を増大させても定着効率がほぼ一定となる。
From the experimental results, the following was found.
(I) When the power density I was increased and the irradiation time was shortened, the fixing efficiency decreased to the point E.
(II) When the power density I is greater than 20,000 [W / cm 2 ], the fixing efficiency becomes substantially the same as the minimum value, and the fixing efficiency becomes substantially constant even when the power density is increased.

上記(I)の領域では、パワー密度Iの増大と共にトナーへの光照射時間が短くなっていく。このため、トナー温度上昇中における記録媒体6あるいは大気中等への熱拡散が、光照射時間の短縮とともに減少し、光吸収によって発生した熱が効率良くトナー溶融に用いられるようになる。また、本実施形態で用いたトナー密度は、上記第1実施形態で用いたトナー密度よりも小さいため、トナー粒子5間の間隔が広く、光照射時間の短縮による熱拡散の減少の効果が大きい。また、実施形態1と同様、パワー密度の増大と共に、定着効率が小さくなる。   In the region (I), the light irradiation time to the toner decreases as the power density I increases. For this reason, the thermal diffusion to the recording medium 6 or the atmosphere while the toner temperature is rising is reduced as the light irradiation time is shortened, and the heat generated by the light absorption is efficiently used for melting the toner. Further, since the toner density used in the present embodiment is smaller than the toner density used in the first embodiment, the interval between the toner particles 5 is wide, and the effect of reducing thermal diffusion due to shortening of the light irradiation time is great. . Further, as in the first embodiment, the fixing efficiency decreases as the power density increases.

また、(II)の領域では、相対移動部の移動速度が速く、トナーへの光照射時間が25[μs]以下となっているため、光吸収によって発生した熱の記録媒体あるいは大気中等への熱拡散がほぼ無視できる。従って、パワー密度Iが20,000[W/cm]より大きくなると、定着効率は最小値を示す。これより、パワー密度I[W/cm]が、以下の式(1)を満たす領域で光照射することで、トナー定着に要する消費電力を削減できる。 Further, in the area (II), the moving speed of the relative moving portion is high, and the light irradiation time to the toner is 25 [μs] or less. Therefore, the heat generated by the light absorption to the recording medium or the atmosphere Thermal diffusion is almost negligible. Accordingly, when the power density I is greater than 20,000 [W / cm 2 ], the fixing efficiency shows a minimum value. Accordingly, the power consumption required for toner fixing can be reduced by irradiating light in a region where the power density I [W / cm 2 ] satisfies the following formula (1).

I > 20,000 [W/cm] ・・・(1)
また、未定着トナーは、トナー分子の光吸収によって生じた熱によって溶融する。一般に、分子が光を吸収するためには10−15[s]必要であるため、トナーへの光照射時間は10−15[s]以上必要となる。ここで、本実施形態における楕円形の光照射領域S[cm]内に存在するトナーを溶融させるために必要なエネルギーをQ[J]、光照射時間をT[s]とすると、熱拡散が無視できる状態では以下の関係式が成り立つ。
I> 20,000 [W / cm 2 ] (1)
Further, the unfixed toner is melted by heat generated by light absorption of toner molecules. Generally, since 10 −15 [s] is required for molecules to absorb light, the light irradiation time to the toner needs to be 10 −15 [s] or more. Here, if the energy required to melt the toner existing in the elliptical light irradiation region S [cm 2 ] in this embodiment is Q [J] and the light irradiation time is T [s], thermal diffusion is performed. In the state where can be ignored, the following relational expression holds.

I[W/cm] ×S[cm] ×T[s] = Q[J]
上記式において光照射時間が10−15[s]以上必要であるため、
Q/(I×S) > 10−15 [s]
よって、パワー密度の上限値は以下の条件式(2)で規定される。
I [W / cm 2 ] × S [cm 2 ] × T [s] = Q [J]
In the above formula, the light irradiation time needs to be 10 −15 [s] or more,
Q / (I × S)> 10 −15 [s]
Therefore, the upper limit value of the power density is defined by the following conditional expression (2).

I < (Q/S)×1015 [W/cm] ・・・(2)
本実施形態では、室温を20℃とすると、トナー密度、比熱、光照射領域の面積より、
I < 8.1×10 [W/cm] ・・・(5)
となる。
I <(Q / S) × 10 15 [W / cm 2 ] (2)
In this embodiment, assuming that the room temperature is 20 ° C., from the toner density, specific heat, and area of the light irradiation region,
I <8.1 × 10 9 [W / cm 2 ] (5)
It becomes.

つまり、上記式(5)の上限を超えるパワー密度Iの光で記録媒体6上のトナーを照射しても、光照射時間を短くすることができないため、トナー定着に必要な消費電力を削減することができない。また、上記式(5)の上限を超えるパワー密度の光で10−15[s]以上トナーを照射すると、トナーが昇華してしまい、定着不良となる。 That is, even if the toner on the recording medium 6 is irradiated with light having a power density I exceeding the upper limit of the above formula (5), the light irradiation time cannot be shortened, so that the power consumption required for toner fixing is reduced. I can't. Further, if the toner is irradiated with light having a power density exceeding the upper limit of the above formula (5) for 10 −15 [s] or more, the toner is sublimated, resulting in poor fixing.

以上のように、本実施形態および実施形態1の結果より、未定着トナーを定着固定する場合には、トナー密度に関係なく、トナーに照射する光のパワー密度Iと、光照射領域8と、光照射時間Tとを最適に設定することで、良好な定着性と高い定着効率とを実現することができる。   As described above, according to the results of the present embodiment and the first embodiment, when fixing and fixing unfixed toner, regardless of the toner density, the power density I of the light applied to the toner, the light irradiation region 8, By setting the light irradiation time T optimally, good fixability and high fixing efficiency can be realized.

ところで、上記各実施形態における光定着装置1は、上述したように、未定着トナーを記録媒体6に定着固定する場合に、トナーに照射する光のパワー密度Iと、光照射領域8と、光照射時間とを最適に設定することで、トナー温度上昇中における記録媒体6あるいは大気中等への熱拡散を無視できる状態にし、光吸収によって発生した熱を効率良くトナー溶融に用いている。こうして、良好な定着性と高い定着効率とを実現し、トナー定着に要する消費電力を削減することができる。   By the way, as described above, the optical fixing device 1 in each of the above embodiments, when fixing and fixing unfixed toner on the recording medium 6, the power density I of the light applied to the toner, the light irradiation region 8, By setting the irradiation time optimally, the heat diffusion to the recording medium 6 or the atmosphere during the rise of the toner temperature can be ignored, and the heat generated by the light absorption is efficiently used for melting the toner. Thus, good fixability and high fixing efficiency can be realized, and power consumption required for toner fixing can be reduced.

したがって、上記各実施形態における光定着装置1を複写機、プリンタ、ファクシミリ等の電子機器に搭載した場合には、当該電子機器に、記録媒体6に対する良好な定着性と高い定着効率とを呈するトナーの定着機能を持たせることができ、定着に必要なエネルギーの削減を図ることができる。   Therefore, when the optical fixing device 1 in each of the above embodiments is mounted on an electronic device such as a copying machine, a printer, or a facsimile, the toner exhibiting good fixability to the recording medium 6 and high fixing efficiency is provided on the electronic device. Therefore, the energy required for fixing can be reduced.

本発明の光定着装置は、定着固定に必要なエネルギーの削減として有用であり、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の電子機器や、露光装置に利用することができる。   The optical fixing device of the present invention is useful for reducing energy required for fixing and fixing, and can be used for electronic devices such as copying machines, printers, facsimiles, and exposure devices.

1 光定着装置
2 発光部
3 集光部
4 未定着トナー像
5 トナー粒子
6 記録媒体
7 移動部
8 光照射領域
Z1 拡散光
Z2 集光光束
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light fixing apparatus 2 Light emission part 3 Condensing part 4 Unfixed toner image 5 Toner particle 6 Recording medium 7 Moving part 8 Light irradiation area Z1 Diffuse light Z2 Condensed light beam

Claims (5)

光源からの光を照射光学系により記録媒体上に集光し、前記記録媒体上の未定着トナーに照射して定着を行う光定着装置であって、
前記照射光学系は、パワー密度I[W/cm]が下記の式(1)を満たす光照射領域を前記記録媒体上に形成することを特徴とする光定着装置。
I > 20,000 [W/cm] ・・・(1)
A light fixing device that focuses light from a light source on a recording medium by an irradiation optical system and irradiates unfixed toner on the recording medium for fixing.
The irradiation optical system forms on the recording medium a light irradiation region in which a power density I [W / cm 2 ] satisfies the following formula (1):
I> 20,000 [W / cm 2 ] (1)
前記光照射領域の面積をS[cm]、前記光照射領域領域内に存在する前記未定着トナーを溶融させるために必要なエネルギーをQ[J]としたとき、前記照射光学系は、前記パワー密度Iが下記の式(2)を満たす前記光照射領域を前記記録媒体上に形成することを特徴とする請求項1に記載の光定着装置。
I < (Q/S)×1015 [W/cm] ・・・(2)
When the area of the light irradiation region is S [cm 2 ] and the energy required to melt the unfixed toner existing in the light irradiation region is Q [J], the irradiation optical system is The light fixing device according to claim 1, wherein the light irradiation region having a power density I satisfying the following formula (2) is formed on the recording medium.
I <(Q / S) × 10 15 [W / cm 2 ] (2)
前記未定着トナーの粒径をD[cm]としたとき、前記照射光学系は、下記の式(3)を満たす前記光照射領域を前記記録媒体上に形成することを特徴とする請求項1または2に記載の光定着装置。
S > π×(D/2) [cm] ・・・(3)
2. The irradiation optical system forms the light irradiation region satisfying the following formula (3) on the recording medium when the particle size of the unfixed toner is D [cm]. Or a light fixing device according to 2;
S> π × (D / 2) 2 [cm 2 ] (3)
前記記録媒体は、前記光照射領域の短軸方向に沿って相対移動することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光定着装置。   4. The optical fixing device according to claim 1, wherein the recording medium relatively moves along a minor axis direction of the light irradiation region. 5. 請求項1から4のいずれか1項に記載の光定着装置を備えたことを特徴とする電子機器。   An electronic apparatus comprising the optical fixing device according to claim 1.
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