JP4477405B2

JP4477405B2 - 液体現像電子写真装置の定着装置

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Publication number: JP4477405B2
Application number: JP2004123694A
Authority: JP
Inventors: 智守口; 茂治岡野; 浩永本川
Original assignee: PFU Ltd
Current assignee: PFU Ltd
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: JP2005308920A

Description

本発明は、液体トナーを用いて現像されたトナー画像を印刷媒体へ溶融転写した後に定着する液体現像電子写真装置の定着装置に関する。

図４は、従来の高粘性の不揮発性液体トナーを用いる液体現像電子写真装置の全体構成を例示する図である（特許文献１参照）。不揮発性液体トナーを現像剤として現像ローラから感光ドラムに供給することにより、各色感光ドラム上に形成された静電潜像は現像される。現像されたイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色画像は、順次中間転写ドラムに転写して重ね合わせ、カラー画像を形成する。キャリア除去ローラは、中間転写ドラム上で各感光ドラムに対応してその下流側にそれぞれ設けられて、カラートナー画像に含まれるキャリアを除去するよう構成されている。

中間転写ドラム上で重ね合わされかつキャリア除去された４色カラー画像は、印刷媒体への溶融転写部において、加熱維持されている中間転写ドラムと、ヒータ内蔵のバックアップローラによって加熱溶融されて、印刷媒体に圧接されて転写される。また、印刷媒体が中間転写ドラムに接触する前の位置で、トナーの樹脂が十分溶融する温度以上に、印刷媒体を予め加熱するプレヒータが備えられている。溶融転写後、定着器において１対のヒートローラ（定着ローラ）によって印刷媒体を加圧することによりトナー画像が定着される。

このように、印刷媒体に溶融転写されたトナー画像を定着する電子写真装置の定着工程は、熱ローラ定着方式が一般的である。熱ローラ定着方式は、加熱制御されたローラ対が付圧された際に形成するニップ幅に、転写工程でトナー画像が転移された紙媒体を通すことで、熱可塑性樹脂が主成分であるトナー粒子を加熱・溶融するものである。

但し、不揮発性キャリア液を有する液体トナーの場合には、粒径１乃至２μｍ前後のトナー粒子（着色剤）をキャリア液中に均一分散させるために、分散安定剤を添加することが多い。その場合、定着工程においても分散安定剤がトナー粒子周り（界面）に付着していると、加熱溶融したトナー粒子同士の自己凝集力が弱くなり、光沢や画像定着強度を得にくいだけでなく、定着ローラにトナーが転移するオフセットが発生しやすいという問題がある。

また、トナー粒子境界が内部に残留している場合、トナー層の透明度が低下し、カラー印刷の場合には色域が狭く（発色が足りなく）なるという問題がある。

このような問題を解決する手段として、定着ローラへ加圧する圧力を増し、ゴムローラのニップ内の速度変動（バルジ）を利用し、トナー層にせん断力を付与することでトナー粒子周りに付着している分散剤を除去し、定着させる方法が考えられる。この方法で光沢と画像定着強度、発色を得ることは可能である。しかしながら、強い圧力とせん断力はオフセットの問題に対して、解を与えず、オフセットを避けるような圧力・温度設定とした場合には、充分な光沢と画像定着強度、発色を得ることは非常に困難である。

さらに、このような方法では強圧を印加するために装置には高い剛性が求められ、装置が大型化する。また、強圧とせん断力の繰り返しを強いられる定着ローラの寿命も問題となる。
特開２００３−２２３０５６号公報

本発明は、係る問題点を解決して、印刷媒体に転写されたトナー画像を定着する電子写真装置の定着工程において、加熱溶融したトナー粒子同士の自己凝集力が弱くなることが無く、十分な光沢や画像定着強度を得て、定着ローラにトナーが転移するオフセットが発生しないようにすることを目的としている。

また、トナー粒子境界が内部に残留することをなくして、トナー層の透明度を向上させると共に、カラー印刷の場合には十分な発色を得ることを目的としている。

本発明の液体現像電子写真装置の定着装置は、液体トナーを用いて現像されたトナー画像を印刷媒体へ溶融転写した後に定着する。印刷媒体の両面側から加圧するニップ部をそれぞれ有する少なくとも２対の複数対の加圧ローラを備えて、溶融転写された印刷媒体を順次加圧する。この複数対の加圧ローラの少なくとも１対のニップ部温度Ｔ１が、液体トナー中のトナー樹脂の溶融温度をＴｍとして、Ｔｍ＜Ｔ１に設定される。その他の少なくとも１対のニップ部温度Ｔ２が、トナー樹脂のガラス転移温度Ｔｇ或いはその近辺の温度に設定される。

また、液体トナーのキャリア液中に分散された樹脂を粘弾性の異なる少なくとも２つの第１と第２の樹脂を含む混合体とし、第１の樹脂のガラス転移温度及び溶融温度を、それぞれ、Ｔg1及びＴm1で表し、かつ第２の樹脂のガラス転移温度及び溶融温度を、それぞれ、Ｔg2及びＴm2で表した際に、Ｔg1＜Ｔg2、及びＴm1＜Ｔm2、の関係を有している。複数対の加圧ローラの少なくとも１対のニップ部温度Ｔ１が、液体トナー中の第１の樹脂の溶融温度であるＴｍ１よりも高くなるように、Ｔｍ１＜Ｔ１に設定される。その他の少なくとも１対のニップ部温度Ｔ２が、第２の樹脂のガラス転移温度Ｔｇ２或いはその近辺の温度に設定される。

ニップ部温度Ｔ２が、トナー樹脂のガラス転移温度Ｔｇに対し、Ｔｇ−２０℃＜Ｔ２＜Ｔｇ＋２０℃の範囲に設定される。また、複数対の加圧ローラは、いずれも０．５ＭＰａ以上の圧力で印加される。

トナー樹脂のガラス転移温度Ｔｇは、強制振動１Ｈｚ、振幅応力１０Ｐａの条件で動的粘弾性測定したＧ’（貯蔵弾性率）が１０^８Ｐａ以下でかつＧ” （損失弾性率）が１０^８Ｐａ以下となる最低温度として定義され、かつ、前記トナー樹脂の溶融温度Ｔｍは、Ｇ’（貯蔵弾性率）が１０^５Ｐａ以下でかつＧ”（損失弾性率）が１０^５Ｐａ以下となる最低温度として定義される。

複数対の加圧ローラは、その少なくとも１対の前段に、ニップ部温度Ｔｐを、Ｔｍ＜Ｔｐに設定した事前予熱工程を含むことができる。

本発明は、液体現像電子写真装置において、定着機構が高温剥離工程と低温剥離工程の２工程を少なくとも含む構成とする装置で、各々の工程で発色と高光沢発現の機能分離を行うことにより、オフセットを防ぎつつ、高光沢かつ高彩度な定着画像を得ることができる。

また、工程を２工程に分けることにより、各々の工程で印加する圧力を低減することが可能となり、装置の小型化や簡素化、軽量化が達成できる。

以下、例示に基づき、本発明を説明する。図１は、高粘性の不揮発性液体トナーを用いる液体現像電子写真装置の定着装置を例示する図である。このような電子写真装置で用いられる不揮発性液体トナーは、キャリアとして不揮発性のシリコーンオイルを用い、このシリコーンオイル中に樹脂と顔料からなる粒径１〜２μｍ程度のトナー粒子が10〜20％の比率で分散している。液体現像電子写真装置は、本発明の特徴とする定着装置の構成を除いて、図４を参照して説明したような従来技術による構成を採用することができる。液体現像電子写真装置においては、前述したように、感光ドラム上の静電潜像を現像することにより形成されたイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色画像を順次中間転写ドラムに重ね合わすことにより、カラー画像を形成し、このカラートナー画像が、印刷媒体への転写部において、加熱維持されている中間転写ドラムと、ヒータ内蔵のバックアップローラによって加熱溶融され、印刷媒体に圧接され、転写される。

このようにしてトナー画像が溶融転写された印刷媒体が、図１に示す定着装置に導かれる。例示の定着装置は、少なくとも２対の加圧ローラを有し、かつそれぞれの前段に対構成の事前予熱ローラを有している。２対の加圧ローラはそれぞれ、０．５ＭＰａ以上の圧力が印加される。この２対の加圧ローラのうちの少なくとも１対のニップ部温度Ｔ１は、トナー樹脂の溶融温度Ｔｍに対し、Ｔｍ＜Ｔ１に設定し、その他の少なくとも１対のニップ部温度Ｔ２をトナー樹脂のガラス転移温度Ｔｇに略等しくなるように、Ｔｇ−２０℃＜Ｔ２＜Ｔｇ＋２０℃の範囲に設定する。これによって、充分な光沢、画像定着強度、発色を、オフセットなしで得ることが可能になる。

このメカニズムを順を追って説明する。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ温度を調整した一対の加圧ローラを用いて定着した際のトナー画像状態を例示する図である。（Ａ）〜（Ｃ）のいずれの場合も、温度コントロールを容易にするために定着ニップ突入前にトナーを、トナー樹脂の溶融温度Ｔｍ以上に加熱する事前予熱工程を経ている。

図３（Ａ）は、従来通常に用いられている場合のように、圧力ニップの温度をトナー樹脂の溶融温度Ｔｍ以上に設定した場合である（高温剥離条件）。このように定着ニップ内で充分に溶融されたトナーはその境界が完全に消え、強い定着強度と良好な発色を得ることが出来る。しかしながら、加圧ローラからトナー層に与えられる強圧力とせん断力のために、オフセットが容易に発生し、画像を劣化させる。

図３（Ｂ）は、オフセットを防ぐために、圧力ニップの温度をトナー樹脂の溶融温度Ｔｍ以下で、ガラス転移温度Ｔｇ（軟化温度）付近よりも高く設定した場合である（Ｔｇ＋２０℃＜ローラ温度＜Ｔｍ）。この例では、ニップ出口でトナー樹脂がゴム状の層となっている。一般に樹脂はゴム状領域では、粘着性を発現しないため、ローラへのオフセットを防ぐことが出来る。しかし、トナーの一体化が充分ではなく、かつゴム状領域で塑性変形可能なトナー層は内部応力のためにもとの粒状の形状に戻ろうとする。このため、光沢が発現しない。

図３（Ｃ）では、圧力ニップの温度をガラス転移温度Ｔｇ付近に調整した場合の例である（Ｔｇ−２０℃＜ローラ温度＜Ｔｇ＋２０℃）（低温剥離条件）。高温でニップ部に突入したトナー層はニップの前半で塑性変形をし、その後ニップ内で、塑性変形不可能な温度まで冷やされる。この時、トナー層内部には一定の内部応力が残留することが予想されるが、ニップ出口ではトナー層は塑性変形不可能になるまで冷えているので、ニップ部で平滑につぶされた形状を維持し、光沢を発現する。

さらに、圧力ニップの温度を極端に低くした場合（Ｔｇ−２０℃以下）、ニップに突入したトナー層は瞬時に冷却され、全く溶融することがないので、定着が行われないのは言うまでもない。

本発明は、図３（Ａ）で説明したような高温剥離条件、及び図３（Ｃ）で説明したような低温剥離条件の下での定着工程を、各々少なくとも１回含むことでニップ部に印加する圧力のピーク値を減らし、充分な光沢と画像定着強度、発色と両立するものである。これについて、定着結果の概略を示す図２を参照してさらに説明する。

図２中の「高温剥離条件」及び「低温剥離条件」は、図３を参照して説明した通りのローラ温度条件を示している。この図２から分かるように、溶融温度Ｔm近くで定着する高温剥離条件は発色に有利で、ガラス転移温度Ｔｇ近辺で定着する低温剥離条件は光沢発現に有利である。本発明は、プロセスを複数に分割して、機能分離し、一対の圧力ローラを高温剥離条件に設定して発色を得る一方、別の対の圧力ローラを低温剥離条件に設定して光沢を得るものである。

低温剥離条件及び高温剥離条件それぞれ単独の条件でも、ニップ部に強圧を印加することで、発色と光沢を両立することは可能であるが、しかし、前述したように、オフセットが発生したり、また、強圧を印加するために装置には高い剛性が求められる等の問題が生じる。本発明は、プロセスを複数に分割して、機能分離することで、ニップ部に強圧を印加することなく、より平易に充分な光沢と画像定着強度、発色を両立することが可能になる。

また、液体トナーのキャリア液中に分散された樹脂を粘弾性動的測定の異なる少なくとも２つの樹脂の混合体とすることができる。即ち、２つの樹脂成分は、ガラス転移温度及び溶融温度を異にする。これら２つの樹脂成分が、互いに５％〜９５％の比率で混合して用いることができる。以下の説明において、ガラス転移温度Ｔg及び溶融温度Ｔmがそれぞれ低い方の樹脂成分を第１の樹脂と表示し、他方の高い方を第２の樹脂と表示する。即ち、Ｔg1＜Ｔg2、Ｔm1＜Ｔm2の関係がある。

このような混合体樹脂を用いた場合の複数対の加圧ローラのニップ部温度設定は、以下のようになる。少なくとも１対のニップ部温度Ｔ１は、液体トナー中の第１の樹脂の溶融温度であるＴｍ１よりも高くなるように、Ｔｍ１＜Ｔ１に設定する。そして、その他の少なくとも１対のニップ部温度Ｔ２は、第２の樹脂のガラス転移温度Ｔｇ２或いはその近辺の温度、望ましくは、Ｔｇ２−２０℃＜Ｔ２＜Ｔｇ２＋２０℃の範囲に設定される。

これによって、上述した高温剥離条件は、一方のニップ部温度Ｔ１を、低い方の第１の樹脂の溶融温度よりも高くすることにより達成される。このとき、高い方の第２の樹脂は、まだ溶融温度には達していないが、既に溶融温度に達した少なくとも第１の樹脂によって、比較的低い温度で高温剥離条件を達成できる。また、低温剥離条件は、他方のニップ部温度Ｔ２を、高い方の第２の樹脂のガラス転移温度Ｔｇ２或いはその近辺にすることにより達成される。このとき、低い方の第１の樹脂は、ガラス転移温度Ｔｇ１近辺よりも高い温度にあって軟化状態から溶融状態にあるが、比較的に少ない冷却によって少なくとも第２の樹脂を固めることができ、これによって低温剥離条件を達成できる。

トナー樹脂成分の溶融粘弾性と定着ニップ圧力には相関関係があり、樹脂成分の溶融粘弾性が高いときには定着ニップ圧力を高く設定する必要がある。このことから、トナーの溶融特性（温度に対する溶融状態履歴）を規定する際には、ガラス転移温度（軟化点）（Ｔg）とか溶融温度（融点）（Ｔm）を用いるより、溶融粘弾性を用いるのが本質的である。そのため、定着に必要な温度は、樹脂成分の溶融粘弾性G'（貯蔵弾性率）とG"（損失弾性率）で規定することが望ましい。

溶融粘弾性を用いて表現した場合、上述のトナー粒子の樹脂成分のガラス転移温度Ｔg及び溶融温度Ｔmに代えて、粘弾性動的測定を、条件：強制振動1Hz、振幅応力10Paで測定したときに、G'（貯蔵弾性率）が１０⁵[Pa]以下で且つG"（損失弾性率）が１０⁵[Pa]以下となる最低温度をＴmとし、かつ、G'（貯蔵弾性率）が１０⁸[Pa]以下で且つG"（損失弾性率）が１０⁸[Pa]以下となる最低温度をＴgとしている。

定着後のトナー表面状態は、加圧ローラの表面平滑性（粗さ）が転写される。つまり、定着ローラの表面光沢度が、定着後の画像光沢を左右する。このように、印刷画像の光沢度には加圧ローラの表面光沢度が密接に関係している。加圧ローラの表面光沢度は、被測定面での鉛直軸に対してローラ長方向に60度に傾斜した入射光に対して測定した場合に、３０以上とすることが望ましい。

定着画像の色味発現には、トナー層内の粒子界面を消失させるように一体化させる必要がある。この場合、有効な手段としてトナー層にせん断応力を印加して、トナー層内にズリを与える方法がある。これは、定着ローラ基材のゴムはニップ圧力により変形し、ニップ内部で見かけ周速度より速度が速くなる。このように、定着ローラがゴム基材で構成された定着ローラニップ部内に形成されるバルジにより定着ローラ表面速度変動が生じるのを利用して、トナー層内にせん断応力によるズリを与えることができる。

用紙の搬送速度は基本的に一定なので、用紙上のトナー画像（一定速度）とニップ部内の定着ローラ表面（若干高速）の間に速度差が生じ、ズリ力がトナー層に加わる。このズリ力が過小であると、トナー層内粒子界面を消失できず色味発現が不充分となる。また、ズリ力が過大であると、色味発現は充分であるが、画像自体をずらし過ぎるため、画質劣化となる。複数対の加圧ローラの少なくとも１対のニップ内での速度変動率として、１％以上、１０％以下が望ましい。

定着ローラニップ部では、溶融トナーの粘弾性（変形しやすさ）、ニップ内での温度推移と圧力（トナーを変形するためのエネルギ）、トナーの変形時間（［ニップ幅／紙搬送速度］に依存）によって、トナー層の光沢度、発色性を発現していく。このニップ圧力Pとニップ時間ｔの積はトナー変形（光沢化）のためのパラメータであり、このP・tを制御することで画像の光沢度の発現を促す。全加圧ローラの合計したP・tを、ΣＰ・ｔ＞１００００Ｐａ・ｓｅｃとなるように制御することが望ましい。

（実施例１）

表１は、ローラ温度及びニップ圧力を変化させて、表面光沢度、定着強度、発色、オフセットを測定した結果を示す表である。各比較例及び実施例は、各々前段に１４０℃ローラによる事前予熱工程を含んでいる。また、プロセス（ローラ周）速度は２００ｍｍ／ｓｅｃに設定した。加圧ローラ表面材はフッ素コートで、ニップ幅との関係は表の下段に付した。また、トナー樹脂のガラス転移温度Ｔｇは５５℃で、溶融温度Ｔｍは８５℃である（ＴＭＡ測定法）。比較例１〜３における圧力３．０ＭＰａ時、ニップ幅は１２ｍｍ、Ｐ・ｔ＝１８００００であり、実施例の圧力１．５ＭＰａ時、ニップ幅は８ｍｍ、Ｐ・ｔ＝６００００である。

比較例１〜３は、いずれもニップ部に強圧を印加することで、発色と光沢の両方を達成しようとするものである。比較例１は、図３（Ａ）を参照して説明した圧力ニップの温度をトナー樹脂の溶融温度Ｔｍ以上に設定した場合であるが、前述したように、オフセットが生じる。比較例２のように、ローラ温度を少し下げると、オフセットは生じないが、表面光沢度、定着強度、発色の全てが低下する。比較例３は、図３（Ｃ）を参照して説明した場合に相当する。表面光沢度は良好であるが、発色が劣る。

これに対して、実施例は、本発明に従い機能分離することによりニップ圧を下げつつ、発色と光沢を両立させようとするものである。第１のプロセスで、高温剥離条件の下で定着したサンプルを、第２のプロセスで、低温剥離条件の下でもう一度定着ニップに通したことを示す。この結果から分かるように、加圧のピーク値を下げつつ、工程を複数回に分けることで充分な光沢、画像定着強度、発色を両立させることが出来る。

高粘性の不揮発性液体トナーを用いる液体現像電子写真装置の定着装置を例示する図である。定着結果の概略を示す図である。（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ温度を調整した一対の加圧ローラを用いて定着した際のトナー画像状態を例示する図である。従来の高粘性の不揮発性液体トナーを用いる液体現像電子写真装置の全体構成を例示する図である。

Claims

液体トナーを用いて現像されたトナー画像を印刷媒体へ溶融転写した後に定着する液体現像電子写真装置の定着装置において、
印刷媒体の両面側から加圧するニップ部をそれぞれ有する複数対の加圧ローラを備えて、前記溶融転写された印刷媒体を順次加圧し、
液体トナーのキャリア液中に分散された樹脂を粘弾性の異なる少なくとも２つの第１と第２の樹脂を含む混合体とし、第１の樹脂のガラス転移温度及び溶融温度を、それぞれ、Ｔg1及びＴm1で表し、かつ第２の樹脂のガラス転移温度及び溶融温度を、それぞれ、Ｔg2及びＴm2で表した際に、Ｔg1＜Ｔg2、及びＴm1＜Ｔm2、の関係を有していて、
前記複数対の加圧ローラの少なくとも１対のニップ部温度Ｔ１が、前記液体トナー中の第１の樹脂の溶融温度であるＴｍ１よりも高くなるように、Ｔｍ１＜Ｔ１に設定され、
その他の少なくとも１対のニップ部温度Ｔ２が、前記第２の樹脂のガラス転移温度Ｔｇ２或いはその近辺の温度に設定される液体現像電子写真装置の定着装置。
前記ニップ部温度Ｔ２が、前記第２の樹脂のガラス転移温度Ｔｇ2に対し、Ｔｇ2−２０℃＜Ｔ２＜Ｔｇ2＋２０℃の範囲に設定される請求項１に記載の液体現像電子写真装置の定着装置。