JP6289174B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、記録材上のトナー像を昇温した定着部材にて記録材上に押し付け記録材上にトナーを定着させる熱圧方式の定着手段を備えた画像形成装置に関する。

像担持体に形成したトナー像を記録媒体（記録材）に転写し、トナー像が転写された記録媒体を定着手段の一例である定着装置で加熱して画像を記録材に定着させる画像形成装置が広く用いられている。定着装置は、加熱した定着ローラや定着ベルトを記録材のトナー像担持面に接触させて加圧を伴ってトナー像を加熱する接触加熱方式が主流である。なお、トナー画像は、トナー像、トナー像が半定着された半定着画像、トナー像が定着された定着画像を含む。

一方、トナー像を担持した記録材面に光（赤外線を含む）を照射してトナーを溶解させる非接触加熱方式の定着装置も提案されている（特許文献１、２）。しかし、可視光を用いる非接触加熱方式の定着装置は、トナーの色、色の濃度に応じて光の吸収率が異なるため、複数種類のトナー像間で定着性（光沢、付着強度等）がばらつく問題がある。特に、黒色のトナーは、イエロートナー、透明トナーに比較して光の吸収率が高いため、等しい強度の光を照射された際に過剰に溶融する。

そこで、特許文献１では、赤外線吸収性能を有する共通の添加剤を、光の吸収率差に応じて各色のトナーの高分子材料に添加することにより、各色のトナー間の放射エネルギ吸収率差を緩和している。また、特許文献２では、加熱部材の表面を分割して、それぞれの分割領域に各色の波長の放射エネルギを高めるような固有の立体構造を形成して、加熱部材側で各色の波長の放射エネルギを揃えている。

特開昭５８−１０２２４７号公報 米国特許第７１４１７６１号公報

特許文献１の画像加熱装置では、添加剤のコストを要する。添加剤は、トナーの色相や性質を変化させる傾向がある。特許文献２の画像形成装置では、シアン、マゼンタ、イエローの熱吸収量は揃えられるが、可視光のすべての波長を吸収するブラックのトナー像が過剰に溶融する問題は解決されない。

本発明は、添加剤に頼らなくても、色が異なるトナー像をほぼ同等に加熱できる定着手段を備えた画像形成装置を提供することを目的としている。

本発明の画像形成装置は、トナー像を記録材に形成するトナー像形成手段と、記録材上のトナー像を昇温した定着部材にて記録材上に押し付け記録材上にトナーを定着させる熱圧方式の定着手段と、を有するものである。そして、前記定着部材表面を構成する高分子に存在する結合、または官能基に起因する赤外吸収波長領域が８．２μｍ以上かつ８．８μｍ以下であり、加熱用の光の発光強度のピークが８．２μｍ以上かつ８．８μｍ以下の赤外線発熱装置を有し、前記赤外線発熱装置により定着部材を昇温させる。

本発明の画像加熱装置は、色による吸収率差の少ない高分子材料固有の赤外線吸収性能を利用するから、高分子材料そのものが加熱され、添加剤に頼らなくても色の異なるトナー像をほぼ同等に加熱できる。

画像形成装置の構成の説明図である。 参考例１の定着装置の構成の説明図である。 ランプヒータの構成の説明図である。 各色トナーの赤外線吸収波長特性の説明図である。 加熱素子の表面の凹凸構造の平面図である。 加熱素子の表面の凹凸構造の深さ方向の断面図である。 微細構造の有無による赤外線放射特性の違いの説明図である。 各色トナーの温度上昇速度の比較の説明図である。 加熱素子の赤外線放射波長特性の説明図である。 加熱素子の材料の別の例の説明図である。 微細構造の凹凸の平面形状の別の例の説明図である。 微細構造を積層した加熱素子の説明図である。 粒子の空隙で赤外線波長を規制する加熱素子の説明図である。 試作した加熱素子の表面構造の電子顕微鏡写真である。 試作した加熱素子の赤外線放射波長特性の説明図である。 試作した加熱素子を装備した定着装置の模式図である。 実施の形態における定着装置の構成の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

＜参考例１＞
（画像形成装置）
図１は画像形成装置の構成の説明図である。図１に示すように、画像形成装置１００は、トナー像形成手段の一部である中間転写ベルト９に沿ってイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄを配列したタンデム型中間転写方式のフルカラープリンタである。

画像形成装置１００は、通信可能に接続した外部ホスト装置から入力されたカラー色分解画像信号に基づいて、トナー像形成手段の一部である画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄを動作させて、記録材上にフルカラー画像を形成して出力する。外部ホスト装置は、コンピュータ、イメージリーダー等である。

画像形成部Ｐａでは、感光ドラム３ａにイエロートナー像が形成されて中間転写ベルト９に一次転写される。画像形成部Ｐｂでは、感光ドラム３ｂにマゼンタトナー像が形成されて中間転写ベルト９に一次転写される。画像形成部Ｐｃ、Ｐｄでは、感光ドラム３ｃ、３ｄにそれぞれシアントナー像、ブラックトナー像が形成されて、中間転写ベルト９に一次転写される。

記録材Ｐは、記録材カセット１０から１枚ずつ取り出されてレジストローラ１２で待機する。レジストローラ１２は、中間転写ベルト上のトナー像にタイミングを合わせて記録材Ｐを二次転写部Ｔ２へ給送する。二次転写部Ｔ２を搬送されて中間転写ベルト９からトナー像を二次転写された記録材Ｐは、定着装置９０へ搬送される。記録材Ｐは、定着装置９０で加熱加圧を受けて、トナー像を定着された後に、機体外部へ排出される。

画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄは、現像装置１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄで用いるトナーの色がイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックと異なる以外は、実質的に同一に構成される。以下では、画像形成部Ｐａについて説明し、画像形成部Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄに関する重複した説明を省略する。

（画像形成部）
画像形成部Ｐａは、感光ドラム３ａの周囲に、コロナ帯電器２ａ、露光装置５ａ、現像装置１ａ、一次転写ローラ６ａ、及びドラムクリーニング装置４ａを配置している。感光ドラム３ａは、アルミニウムの円筒材料の表面に感光層が形成されている。

コロナ帯電器２ａは、感光ドラム３ａの表面を一様な電位に帯電させる。露光装置５ａは、レーザービームを走査して感光ドラム３ａに画像の静電像を書き込む。現像装置１ａは、静電像を現像して感光ドラム３ａにトナー像を形成する。一次転写ローラ６ａは、電圧を印加されて感光ドラム３ａのトナー像を中間転写ベルト９へ一次転写させる。

二次転写ローラ１１は、対向ローラ１３に支持された中間転写ベルト９に当接して二次転写部Ｔ２を形成する。ドラムクリーニング装置４ａは、感光ドラム３ａにクリーニングブレードを摺擦させて、中間転写ベルト９への転写を逃れて感光ドラム３ａに付着した転写残トナーを回収する。ベルトクリーニング装置３０は、二次転写部Ｔ２で記録材への転写を逃れて中間転写ベルト９に付着した転写残トナーを回収する。

（定着装置）
図２は参考例１の定着装置の構成の説明図である。図３はランプヒータの構成の説明図である。図２に示すように、定着装置９０は、ランプヒータ９０１から出力される赤外光を反射鏡９０４で反射させて、搬送ローラ９０３が搬送する記録媒体９０２上のトナー像９０５を加熱する。定着装置９０の加熱部は、熱源のランプヒータ９０１と反射板の反射鏡９０４とで構成される。

図３に示すように、ランプヒータ９０１は、加熱素子９０１Ｈを赤外線の放射源としている。加熱素子９０１Ｈは、抵抗値を高めるとともに所定波長域の赤外線放射面積を増すために、高融点金属を用いて薄いシート状に形成され、長手方向に電流を流すことによって発熱して昇温する。高融点金属の例は、カーボン、タングステン、ニッケル、チタン等である。高融点金属以外に、チッ化アルミニウム、チッ化タンタル等の金属チッ化物、金属炭化物等も利用できる。加熱用の光を照射する発光源の一例である通電加熱層の表面には、後述するように放射赤外光の波長選択性を付与するために、周期的な凹凸格子構造（微細構造）が形成されている。

加熱素子９０１Ｈは、赤外線透過性のガラス材料の透明管９０１Ｇ内に密封されている。透明管９０１Ｇ内は、加熱素子９０１Ｈの酸化を防ぐために、真空にしてある。透明管９０１Ｇ内は、アルゴンＡｒなどの希ガス類や窒素など、化学的な活性の低い不活性ガスを封入してもよい。不活性ガスは、Ａｒなどの希ガス類や窒素などの活性の低いガスが望ましい。

透明管９０１Ｇの材料は、被加熱物に応じた赤外線透過特性を有するものを選ぶ。透明管９０１Ｇに使用される赤外線透過効率の高い透明材料は、加熱対象物に応じて選定される。石英ガラスは、波長λ＝０．７〜４．０μｍの赤外光の透過性を有するので、０．７μｍ〜４．０μｍに赤外線の吸収ピークを有する加熱対象物であるトナーや紙の加熱において使用することができる。

被加熱物である各色トナーに共通な赤外線吸収ピーク波長は、３．４μｍであるため、透明管９０１Ｇの材料は石英ガラスでもよい。しかし、トナーへ到達する放射エネルギを増してトナーの高速な加熱溶融を実現するには、石英ガラスよりも遠赤外線を効率的に透過させる材料が好適である。石英ガラスよりも遠赤外線を効率的に透過する材料の例は、カルシウムやバリウムなどのフッ素化合物や、サファイア、シリコン、ゲルマニウム、セレンや硫黄の亜鉛化合物などである。これらの材料を用いると、赤外線の透過光量が増えて好ましい。

記録媒体９０２の反対側でランプヒータ９０１を覆って反射鏡９０４が配置される。反射鏡９０４は、ランプヒータ９０１から記録媒体９０２と反対側の空間へ放射される赤外線を遮断するとともに、記録媒体９０２へ向かって折り返させる。反射鏡９０４は、ランプヒータ９０１を焦点に配置した楕円反射鏡であるため、折り返して記録媒体９０２側へ放射される赤外線を集光させる効果もある。ランプヒータ９０１は、加熱物の記録媒体９０２に近接させて配置してもよい。

反射鏡９０４は、耐熱性の高い金属を用いることが可能である利点がある。反射鏡９０４の材料は、赤外光に対する反射率が高いほどよい。具体的には、金、銀などの貴金属が赤外線の反射効率に優れる。また、アルミニウムは、汚れた場合に研磨などし易く、加工も容易なので、使用されることがある。反射鏡９０４は、表面を多層膜構造にして、特定の波長域の反射率を高くした構成でもよい。

なお、ランプヒータ９０１と記録媒体９０２との間に赤外線レンズを配置して、赤外線をレンズ集光させてもよい。レンズ集光では、赤外線を吸収するとレンズ温度が上昇するので対応が必要である。例えば、赤外線を透過させる効率の高い材料を採用することが望ましい。レンズ集光では、レンズ表面に反射防止膜を膜付けしてレンズの吸収波長域を反射させることも有効である。ゲルマニウム、シリコンなど空気に対して屈折率の高いレンズは反射防止コートが必須となる。

非接触加熱方式の定着装置９０は、トナーと定着装置９０の加熱構造とが接触しないため、高速定着しても線画の飛び散りが発生せず、曲面の記録媒体や、表面凹凸や皺のある記録媒体でもトナー画像を定着できる。表面層に加熱を集中させるため、熱吸収の大きな記録媒体も熱吸収の小さな記録媒体も等しい速度で定着できる。

非接触加熱方式の定着装置として、従来、可視光〜遠赤外線領域の光をトナー画像に照射するフラッシュ定着装置や赤外線ランプ定着装置が提案されている。しかし、一般的には、各色トナーごとに熱吸収がばらついてトナーの溶け方が異なってしまう。熱吸収率が高いブラックトナーでは過溶融になり易く、他色のトナーの定着画像との間に光沢差が生じる。さらに、溶け過ぎたトナーが気泡を発生して火ぶくれ状になるブリスタ現象が問題になる場合もある。

そこで、参考例１では、各色トナーに共通に含まれる官能基であるＣＨ結合が選択的に加熱されるように赤外線の波長帯域を選択して、これらの問題を解消している。そのため、赤外線発生部の表面には、ＣＨ結合やＯＨ結合の赤外線吸収ピークの波長に応じた１．３μｍ以上かつ１．８μｍ以下の開口長を持たせて密集させた多数の凹所が形成されている。凹所は赤外線の周波数（０．３ＴＨｚ〜４００ＴＨｚ）の範囲に含まれる空間周波数で繰りかえし構成される。

（官能基と吸収波長の関係）
図４は各色トナーの赤外線吸収波長特性の説明図である。カラートナーＡ、Ｂ、及びブラックトナーＣについて赤外線吸収特性を測定して比較した。カラートナーＡ、Ｂ、及びブラックトナーＣは、いずれもＣＨ結合を官能基とするポリエステル系の樹脂材料を主成分としている。官能基とは、分子中に任意の境界を設定して定義された「原子が相互に共有結合で連結された部分構造」である。図４の横軸は赤外線の波長、縦軸は光の吸収率である。

図４に示すように、カラートナーＡ、Ｂ、及びブラックトナーＣの樹脂材料の赤外線吸収波長領域は、官能基による複数の共通の吸収率のピークを有して、１〜７μｍの範囲にわたっている。官能基による吸収ピークは、波長の短い順に、ＯＨ基（代表吸収波長２．８μｍ）、ＮＨ結合（代表吸収波長３．０μｍ）、ＣＨ結合（代表吸収波長３．４μｍ）、ＣＦ結合（８．３μｍ、８．７μｍ）などがある。このような赤外線吸収特性は、次のようなメカニズムによって形成されていると考えられる。
（１）近赤外線領域（波長７６０ｎｍ〜１．５μ）では、高分子の平面構造と結合の種類と官能基の組み合わせによって赤外線吸収が発生する。
（２）近赤外線領域と遠赤外線領域の中間領域（波長１．５μｍ〜５．０μｍ）では、高分子の官能基によって赤外線吸収が発生する。赤外線吸収特性は、高分子の種類とは無関係に、含まれる官能基の種類によって支配される。
（３）遠赤外線領域（波長５．０μｍ〜）では、高分子の官能基の組み合わせによって赤外線吸収が発生する。当該領域の赤外線吸収特性は、高分子の種類によって異なり、高分子の同定に使用可能なほど分子特有である。

赤外線照射によりトナー像を加熱する従来のフラッシュ定着装置では、可視光〜近赤外線領域のエネルギ密度の高い赤外線が使用されていた。近赤外線領域の赤外線が照射されたとき、そのままでは、ブラックトナーＣに比較して赤外線の吸収量が少なくなるカラートナーＡ、Ｂは、温度上昇が不十分になって定着不良を引き起こし易くなる。

これに対して、特許文献１の定着装置では、ブラックトナーＣとの赤外線吸収率の差を埋めるために、カラートナーＡ、Ｂに短波長領域の赤外線の吸収剤を添加している。しかし、このような添加剤は、トナーの顔料に近い分子構造を有するので、光を吸収して分解が起こった場合には、トナーの色相を変化させるおそれがある。

また、従来の一般的なセラミックヒータは、遠赤外線領域の赤外線を発生する。遠赤外線領域の場合も、図４に示すように、カラートナーＡ、Ｂは、ブラックトナーＣに比較して赤外線吸収率が低いため、ブラック画像とカラー画像とでトナー像の定着性に大きな差が生じてしまう。セラミックヒータを用いて温度だけで、赤外線放射ピーク波長を３．４μｍに設定しようとすると、ヒータの表面温度は、ウイーンの変位則から５６０℃と計算される。ヒータの表面温度が５６０℃では、放射エネルギの密度が不足するので、長時間の加熱が必要となって生産性が要求される定着装置には利用できない。加熱エネルギ密度の不足をヒータと記録媒体の対向面積で補うと、定着装置が巨大化するという問題が新たに発生する。

また、ヒータの表面温度がもっと高い場合でも、一般的なセラミックヒータでは、放射光の赤外線領域の波長スペクトルにおけるエネルギ分布が広がってしまうため、加熱対象のトナーに含まれる単位の分子構造だけを選択的に加熱することができない。

そこで、参考例１では、表面に微細構造の凹凸を形成して、中間領域（波長１．５μｍ〜５．０μｍ）の赤外線によりトナー像を加熱する。特に、ＣＨ結合によって効率的に吸収されて樹脂材料の主成分を直接加熱できる波長３．２μｍ〜３．６μｍの赤外線は、トナーに含まれる発色成分、バインダー樹脂等の構成分子が異なっても、ほぼ等しく赤外線の放射エネルギを吸収するので好ましい。図４に示すように、波長３．２μｍ〜３．６μｍの赤外線であれば、カラートナーＡ、Ｂは、ブラックトナーＣとほぼ等しい吸収率で赤外線を吸収して、ほぼ等しい熱量で加熱されて加熱温度が揃う。

プランクの法則から波長の短い光ほどエネルギ密度が高い。よって、加熱される官能基に光エネルギを与える場合も、波長が短いほど短時間で多量のエネルギを与えることが可能である。この意味からも、赤外線領域の短波長側にあるメチレン基の吸収帯３．４μｍは、従来のセラミックヒータ等と比較して、加熱素子９０１Ｈからの放射エネルギが強くて好都合である。

（加熱素子の構造）
図５は加熱素子の表面の凹凸構造の平面図である。図６は加熱素子の表面の凹凸構造の深さ方向の断面図である。図２に示すように、加熱素子９０１Ｈは、加熱によって赤外線放射面となる加熱層を長手方向に沿った四つの側面に有して、通電により発熱するフィラメントである。加熱素子９０１Ｈは、記録媒体に担持された加熱対象のトナーの樹脂材料に含まれる単位の分子構造を選択的に加熱するために、当該単位の分子構造に起因する赤外吸収波長ピークに一致させた波長の赤外線を記録媒体上のトナー像に放射する。

加熱素子９０１Ｈの表面には、赤外線の波長選択性を付与するための微細な密集した凹凸構造が形成されている。微細な密集した凹凸構造を特定の寸法Ｌで形成することで、選択的に特定の波長を発振、増幅することが可能になっている。

寸法Ｌの規定方法についてのべる。図６に示したように、深さ方向に３点ほど選び最大径を示す部分をＬ１、Ｌ２、Ｌ３とする。図６では波長の１倍、１／２倍、１／４倍の位置を示した。このとき、Ｌは３点の平均とする。Ｌの標準偏差σとしては、後述するように、ＣＨ結合の収縮、振動に幅があることを考慮して、３σ＝０．１μｍとする。

また、図３に示したように、多数の凹所がヒータ表面に形成されていることになる。たとえば、１０ｍｍ×１１０ｍｍのヒータ面積中には３．３億個形成されることになる。これら凹所の形状の確認方法としては、無作為に２００個程度を抽出して代表長さをＳＥＭなどで測定し、平均値、標準偏差を測定すればよい。また、ｔ検定などを用いて数十個のデータから推定してもよい。

図５に示すように、加熱素子９０１Ｈはニッケル等の高融点金属で形成される。加熱素子９０１Ｈの表面には、凹凸形状として矩形の凹所が碁盤の目状に形成されている。ここでは、代表図として３×３の凹凸形状を示したが、実際には加熱素子９０１Ｈの赤外線放射面の全体が多数の密集した凹凸形状の立体構造で占められている。この構造は繰り返し構成される。

図６に示すように、矩形の凹部幅は１．７μｍであり、凹部と凹部の間の壁厚さは０．１μｍ、深さ３．４μｍである。微細構造の凹凸の代表長さＬ＝１．７μｍは、トナーの色相に関係なく、トナー粒子の基体である樹脂材料に共通に含まれるメチレン基（ＣＨ結合）の吸収帯３．２μｍ〜３．６μｍのλ／２に設定している。ＣＨ結合の吸収帯は、伸縮非対称運動３．４μｍ、伸縮対称運動３．５μｍが基本となるが、周囲の分子構造やその偏角運動を考慮することによって、中心値から±０．１〜０．２μｍ程度の吸収幅を考慮した。

図４に示すように、ＣＨ結合を含む樹脂材料は、この波長域に、その他の波長域に比べて強い吸収ピークが発現する。ＣＨ結合の吸収領域の放射を行うことができるように、微細構造の凹凸の内法の代表長さＬは、１．６μｍ〜１．８μｍが好ましい。すなわち、ＣＨ結合に照射される光の最大強度を示す波長位置に対応する発光源の周期的な凹凸格子構造の単位構造内法寸法が１．６μｍ以上かつ１．８μｍ以下であることが好ましい。

（加熱素子の赤外線放射特性）
図７は微細構造の有無による赤外線放射特性の違いの説明図である。加熱素子９０１Ｈをニッケルで形成した場合の微細構造の有無による赤外線放射特性の違いをコンピュータシミュレーションした。図７に示すように、微細構造を形成した実施例１の加熱素子９０１Ｈは、微細構造を形成していない比較例の加熱素子に比較して中間波長領域に大きな吸収ピークが形成されている。比較例の加熱素子は、一般的な平板状のニッケルの赤外線放射特性である。

ここでは、マクスウエル方程式を平面波展開して放射率の波長スペクトルを計算している。計算に用いたニッケルの光学物性値（屈折率、消衰係数）は表１の文献による。計算の境界条件は周期境界条件となるので、計算結果は平面上に多数に凹凸が存在している例となる。計算結果からは反射率と透過率が求まるので、「吸収率＝１−透過率−反射率」の関係から吸収率を求めている。キルヒホッフの法則から等方性を考慮した場合、放射率は吸収率と等しい。今回の場合は近似的にキルヒホッフが成立つものとして放射率を表示した。

図７に示すように、特定寸法の微細構造の凹凸を加熱素子９０１Ｈ上に作成した実施例１では、平板の比較例に比べて特定の波長域に大きなピークが発生している。微細構造の凹凸の代表長さＬを半波長とする１波長分、つまり、代表長さＬの二倍の波長帯域が最も強く放射される。短い波長側（１．０μｍ以下の部分）のピークは、平板のニッケルの比較例にも現れているように金属格子の結合による寄与が大きい。

これは、微細構造の凹凸の代表長さＬによって加熱素子９０１Ｈの平面に存在が許される波長帯が制限され、そのために、図６に示すように共振する特定の波長が強く放射されるからである。凹部に発生する定在波は半波長、１波長、１．５波長・・・と周期的に存在可能なので、それに応じて周期的に強調され得る放射光波長がある。実際には、図５、図６に示すように、横、奥行き、高さ方向の三次元方向に存在可能な電磁波のモードが複数存在し、そのうちで最も存在確立の高くなる波長が強く放射される。この最も存在確立の高いモードを電磁波平面展開計算により求めた演算結果が図７である。

なお、凹所を隔てる壁の厚さは０．１μｍとしたが、ピークの放射強度に関しては壁の厚さは薄いほど好ましいと考えられる。しかし、壁を薄くすると機械的強度が弱くなるので耐久性を考慮すれば壁の厚さが厚いほうが都合がよい。ここで、壁の厚さを０．１μｍ〜１．０μｍ付近まで変えて、３．４μｍ波長の赤外線の放射強度の実用性を前述の計算法により計算した。その結果、壁厚１．０μｍまでは、微細構造の凹凸によって３．４μｍ波長の赤外線の放射強度が増強されて、実用的と評価された。従って、壁の厚みは１．０μｍ以下が望ましい。

また、凹所の深さに関しては半波長を一単位としてその倍数単位で深いほどよい。これは、３．４μｍ波長の赤外線の定在波の存在確立が上がることによる。凹所の開口幅Ｌに対して深さが２倍程度あると、凹凸が無い場合に比べて数倍もの放射強度が発生する。

しかし、加熱素子の大面積化を考慮した場合、製造コストの観点からフォトリソグラフィー技術を用いて作成することが好ましい。一般的なフォトリソグラフィープロセスの場合、表面から深さ方向に加工が進行するため、開口と深さの比が２程度で最も形状を精度良く作成可能である。そのため、実施例１では、凹部の幅を１．７μｍ、深さを３．４μｍとして計算を行った。

以上のように、実施例１の加熱素子９０１Ｈは、比較例の平板の加熱素子に比べて、表面に微細構造の凹凸を形成することで、凹凸形状の代表長さＬに応じた特定の波長をより強く放射する。実施例１の加熱素子９０１Ｈは、トナーを構成する樹脂材料の分子の代表的な官能基であるＣＨ結合の赤外線吸収を利用する。

（ＣＨ結合による加熱）
一般的なトナーの構成成分であるポリエステル樹脂に関して、ＣＨ結合に起因するエネルギ吸収によって定着に十分な温度上昇が可能であることを計算により確認した。トナーに使用されるポリエステル樹脂にはいろいろなバリエーションがある。今回は、その中でも代表的な例である「基本骨格がポリエチレンテレフタレート（Ｃ_９Ｈ_１０Ｏ_４、分子量１８２）であるポリエステル樹脂について計算した。ポリエチレンテレフタレートの構造は以下の化学式のとおりであって、ＣＨ結合が２つ含まれる。

一般的に記録媒体への最大トナー載り量は０．６ｍｇ／ｃｍ^２程度である。よってＡ４サイズの記録媒体の全体に最大トナー載り量のトナー像が転写されている場合、トナー像のトナー総量は０．８ｇとなる。０．８ｇのトナー総量の５．０％がポリエチレンテレフタレートであると想定すると、Ａ４サイズの記録媒体の全体では、次式で示すように、Ｎ個のポリエチレンテレフタレートが存在する。
Ｎ＝（トナー総量）×（トナー総量中のポリエチレンテレフタレートの割合）÷（ポリエチレンテレフタレートの分子量）×（アボガドロ数）×（ポリエチレンテレフタレート中のＣＨ結合の数）
＝ ０．８ｇ × ５．０％ ÷ １８２ × ６．０２×１０^２３ × ２
＝ ２．６×１０^２１ 個・・・［Ｉ］

また、Ａ４サイズ領域全域に０．８ｇのトナーが載った場合、トナーを室温２．５度から平均温度をΔＴ度上昇させるために必要なエネルギＱは、一般的なトナーの比熱を１．５［Ｊ／Ｋ／ｇ］とすると、次式となる。
Ｑ＝ｍＣΔＴ＝０．８×１．５＝ １．２ΔＴ ［Ｊ］

よって、ポリエチレンテレフタレートが一個あたり吸収する必要のあるエネルギＱ／Ｎは次式となる。
Ｑ／Ｎ＝１．２ΔＴ ÷ ２．６×１０^２１ ＝ ４．６ΔＴ×１０^２２ ［Ｊ／個］・・・［II］

一方、ＣＨ結合の赤外線吸収域の代表波長λ＝３．４μｍにおける光子一個あたりのエネルギＥは、プランクの法則より次式となる。
Ｅ＝ｈＣ／λ＝ ６．６×１０^−３４ × ３×１０^８／（３．４×１０^−６）
＝ ５．８×１０^−２０ ［Ｊ／個］・・・［III］

ＣＨ結合が３．４μｍの波長を１００％吸収したとすると、［II］＝［III］が成り立つので、温度上昇ΔＴを求めると次式となる。
ΔＴ＝５．８×１０−２０ ÷ （４．６×１０^−２２） ＝ １２６度

一般的に、記録媒体に対してトナーの定着が完了するために、トナーと記録媒体の界面温度としては１３０〜１５０℃程度の温度上昇が必要であるが、トナー全体の平均温度に換算すれば６０〜９０度の温度上昇でよい。このため、ＣＨ結合の吸収のみで十分にトナーを定着させることが可能である。

トナーに使用される一般的な樹脂の場合、ピーク強度差として±１０％程度となる。よって複数色のトナーで異なった樹脂を使用していたとしても、溶融に差異は生じない。

また、トナー樹脂中に最低必要なＣＨ結合の個数を求めることが可能となる。上記［III］式より、波長λ＝３．４μｍにおける光子一個あたりのエネルギＥはプランクの法則より次式となる。
Ｅ＝ｈＣ／λ＝ ６．６×１０^−３４ × ３×１０^８／（３．４×１０^−６）
＝ ５．８×１０^−２０ ［Ｊ／個］

代表的なＰＥＴ樹脂（厚さ１．０μｍ）の波長３．４μｍにおける吸光度ＡＢＳを測定すると次式となった。
ＡＢＳ＝１．６

参考書「光エネルギー工学 円山重直著 養賢堂２００４年 ｐ２２５」に記載されるように、ランバート・ベールの法則を用いて波長λ＝３．４μｍにおける吸光度ＡＢＳは、波長λ＝３．４μｍにおける光吸収率αに変換可能である。
α＝１−１／ｅｘｐ（ＡＢＳ）
＝０．８ ・・・［IV］

よって、光子１個当たりのエネルギのうち８割がＣＨ結合に吸収されることになる。

一方、［Ｉ］式に関して説明したように、Ａ４サイズ記録媒体におけるトナー総量ｍは０．８ｇ、トナーの比熱ｃ＝１．５Ｊ／ｇ／Ｋ程度であるので、トナー総量ｍをΔＴ＝６０℃温度上昇させるために必要なエネルギＱは次式となる。
Ｑ＝ｍｃΔＴ＝０．８×１．５×６０＝７２ ［Ｊ］

また、光子一個当たりのエネルギの内８０％がＣＨ結合に吸収されるので、トナー総量ｍを６０℃温度上昇させるために必要なＣＨ結合の数Ｎは次式となる。
ＮＣＨ２＝７２／（５．８×１０^−２０×０．８）＝ １．５５ × １０^２１［個］
＝２．６×１０^−３［ｍｏｌ］

したがって、赤外領域の波長３．４μｍに吸収をもつ結合または官能基をトナー中に２．６ｘ１０−３［ｍｏｌ］以上含むことが好ましい。そして、トナー総量ｍ＝０．８ｇ中に含まれる化学式１で表わされるＰＥＴ（単位分子量１８２ｇ／ｍｏｌ）の数ＮＰＥＴは次式となる。
ＮＰＥＴ＝０．８／１８２ ＝４．４ ×１０^−３ ［ｍｏｌ］

ＣＨ結合はＰＥＴの単位分子中に２個あるので、ＮＰＥＴに含まれるＣＨ結合の数ＮＣＨは次式となる。
ＮＣＨ ＝８．８ × １０^−３ ［ｍｏｌ］

よって、化学式１で含まれるＰＥＴ樹脂の場合には、次式のように、３０％ほどＣＨ結合が含まれていれば６０℃温度上昇させることが可能となる。
ＮＣＨ_２／ＮＰＥＴ＝ ２．６×１０^−３ ／ ８．８×１０^−３ ＝０．３

さらに、すべての樹脂が３．４μｍ吸収帯で構成される場合、樹脂としては直鎖パラフィンなどに相当する。その場合、ＣＨ_２の分子量が１４であるから、次式となる。
０．８／１４＝５７．１ × １０^−３ ［ｍｏｌ］
２．６／５７．１＝０．０４５

したがって、４．５％程度のＣＨ結合が樹脂材料中に含有していれば、トナーに含まれるＣＨ結合の加熱によってトナーの平均温度は十分に上昇する。

（トナー像の温度上昇速度）
図８は各色トナーの温度上昇速度の比較の説明図である。図２に示すように、トナー像を転写された記録媒体は、定着装置９０を通過する有限の時間内にトナーの温度が閾値以上に上昇する必要がある。そのため、加熱素子９０１Ｈからの赤外線を各色のトナーが共通で吸収し易い短波長領域に制御することによってトナーの温度が短時間で上昇することを一次元非定常熱伝導計算によって求めた。

図８に示すように、加熱素子９０１Ｈを通過する過程で、時間の経過に伴って、記録媒体上のトナー像の温度は次第に上昇する。横軸は加熱時間、縦軸はトナーの温度上昇幅である。

一般的なトナー像の定着プロセスでは、最も多いトナー載り量の全面画像のトナー像を溶かすときに最も熱量を必要とし、一般的なトナー粒子であれば、記録媒体とトナー粒子の界面温度が１４０℃から１５０℃に達すれば記録媒体へ定着完了する。このため、一次元非定常熱伝導計算によって、トナーの深さ方向に一次元的な熱の出入りを計算して、定着性を評価した。

計算は、近赤外領域で最も吸収率が高いブラックトナーと近赤外領域で最も吸収率が低いイエロートナーとを用いて行った。測定結果から、波長３．２〜３．６μｍ付近における各種トナーの赤外線吸収率をブラックトナー９０％、イエロートナー８０％とし、赤外領域（波長１μｍ以上１０μｍ以下）のブラックトナーとイエロートナーの平均吸収率をそれぞれ、７０％、３０％とした。

ハロゲンランプやセラミックスヒータのような一般的なヒータを用いて加熱した場合、赤外領域に幅広い放射光分布を持つために、ブラックトナーの吸収率７０％とイエロートナーの吸収率３０％との違いによる影響を大きく受けてしまう。図８に従来例として示すように、イエロートナーでは短時間でトナー温度を十分に上げることができず、同じ時間で十分に温度が上がるブラックトナーとの間に溶け方の大きな差異が生じて出力画像の定着不良が発生する。

これに対して、加熱素子９０１Ｈに微細構造の凹凸が形成されている場合、加熱素子９０１Ｈから放射されたエネルギのうち８０％以上がブラックトナーとイエロートナーの共通波長領域に照射されて吸収される。このため、時間精度１．０ｍｓｅｃ以内の誤差で１０℃以内の温度差となり、ブラックトナーとイエロートナーとで溶融差がほぼ無くなる。

つまり、３．４μｍを中心としたブラックトナーとイエロートナーの共通領域に加熱素子９０１Ｈの放射波長を設定することによって、ブラックトナーとイエロートナーの温度上昇時間変化は十分に近づく。このため、同じ加熱時間で、かつ短時間で色差及び光沢差の少ない定着画像が得られる。

（加熱素子の赤外線放射波長特性）
図９は加熱素子の赤外線放射波長特性の説明図である。図９中、縦軸のエネルギは、黒体輻射のエネルギに対する強度比率である。横軸の波長は、加熱素子から放射される電磁波の波長である。

図９に示すように、微細構造の凹凸を形成した実施例１の加熱素子は、上述した表面構造によって、波長３．４μｍに放射赤外線の強度ピークを設定されている。これに対して、一般的に加熱ランプとして用いられる従来例のハロゲンランプは、１．８μｍに放射赤外線の強度ピークを有して、３．４μｍの放射赤外線は相対的に低い波長特性となっている。

ここで、トナーを構成する樹脂材料に共通なＣＨ結合による赤外線吸収ピーク波長を３．２μｍから３．６μｍとして、エネルギ比率を次の領域に分ける。
（１）波長３．２μｍ未満のエネルギ比率 Ａ
（２）波長３．２μｍ以上３．６μｍ未満のエネルギ比率 Ｂ
（３）波長３．６μｍ以上のエネルギ比率 Ｃ

フルカラー定着装置の場合、ブラックトナーとイエロートナーとで最も光エネルギの吸収率差が発生する。しかし、ＣＨ結合に吸収される波長３．２μｍ以上３．６μｍ未満の赤外光については、ブラックトナーとイエロートナーとで光エネルギの吸収率差がほとんど無い。そのため、加熱素子からの放射特性は、（２）波長３．２μｍ以上３．６μｍ未満のエネルギ比率Ｂが高いほどよい。

一方、（１）波長３．２μｍ未満のエネルギ比率Ａと、（３）波長３．６μｍ以上のエネルギ比率Ｃとは、トナーのカラー差による溶融差異を生じ易くなるので少ないほどよい。ブラックトナーとイエロートナーとで溶融状態の違いの問題を生じないための比率Ａ、Ｂ、Ｃの閾値は、図８より以下のように求めることができる。

図８に示すように、トナーのエネルギ吸収率が３０％では、長時間加熱してもトナーの一般的な定着温度に達しない。つまり、Ａ＋Ｃ＜３０％であれば、ブラックトナーが過剰に溶融しないための閾値となる。一方、トナーのエネルギ吸収率が７０％以上あれば、ブラックトナーもイエロートナーも短時間のうちにトナーの一般的な定着温度に達している。よってＢ≦７０％がブラックトナーとイエロートナーとが同等に溶融するための閾値となる。

これら二つの条件は、ブラックトナーとイエロートナーとが同時に加熱されるフルカラー定着の場合、定着プロセスにおいて同時に満たしている必要がある。よって次式の条件が成り立つ。

以上より、前述の定着性評価の実験とともに計算によっても有効性が確認できた。

以上説明したように、参考例１では、ＣＨ結合を有する高分子材料を含むトナーを用いて形成されて記録媒体に担持されたトナー画像に赤外線を照射してトナー画像を加熱する。赤外線発生部の一例である加熱素子９０１Ｈの表面層は、加熱されることによりトナー画像を加熱するための赤外線を発生する。加熱部の一例である加熱素子９０１Ｈの中心部は、通電により発熱して加熱素子９０１Ｈの表面層を加熱する。

（１）式は凹所の存在割合にも適用可能である。これは代表長さＬを有する凹所から発生される電磁波はすべてトナーに吸収されるために、代表長さＬが７０％以上存在すれば色差異によって生じるトナーの溶け方に差異が生じないこととなるためである。つまり、多数ある微細構造のうち７０％以上が代表長さＬの範囲にあればよいことになる。

（参考例１の効果）
参考例１では、加熱素子９０１Ｈの表面には、ＣＨ結合の赤外線吸収ピークの波長の１／２に対応する開口長を持たせて密集させた多数の凹所が形成されている。加熱素子９０１Ｈの表面に所定の微細構造を形成することにより、加熱素子９０１Ｈが発生する赤外線吸収波長のピークを３．２μｍ以上３．６μｍ以下に設定してある。加熱素子９０１Ｈの凹所は、ＣＨ結合の赤外線吸収ピークの波長の整数倍に対応する深さ方向の単位構造を有する。

言い換えれば、トナーや記録媒体を構成する分子の官能基における赤外線吸収を利用する。トナーの材料の高分子の固有の格子振動と共鳴する波長領域の赤外線を利用して、トナーのみならず記録媒体９０２の温度も同時に上昇させる。各色トナーや記録媒体９０２、搬送ベルトに共通に含まれるＣＨ結合を加熱する。

このため、各色トナーに特別に添加剤等を加えることなく、各色トナーの共通に含まれる官能基の吸収波長を選択的にヒータから放射することができ、トナーの色差に左右されずにトナー画像を定着することが可能である。トナーに特別な添加剤を加えることなく、トナーの色差による定着性のばらつきを解消できる。

また、加熱素子９０１Ｈから放射される赤外線が既に特定の波長領域に絞られているので、光学フィルタを用いて特定波長だけを透過する構成よりも省エネルギでトナーを定着させることができる。同一材料同一形状で表面凹凸のみを省いた加熱素子９０１Ｈに光学フィルタを組み合わせて波長選択を行う構成よりも、与えられた入力エネルギを有効に放射できて省エネルギとなる。加熱源をより低温度で運転して所望の波長域の放射が得られるため、省エネルギ化、高速定着を達成することが可能である。

参考例１では、加熱素子９０１Ｈは、表面に密集した多数の凹所が形成されて通電により発熱するフィラメントである。このため、赤外線発生部から独立した加熱部を設ける場合に比較して加熱部の発熱を無駄なく利用できる。

参考例１では、フィラメントは、記録媒体の搬送方向に直角な方向に長いシート状に形成されている。このため、フィラメントの抵抗が高まって、フィラメントに流れる電流を少なくすることが可能となり、外側の電流供給回路における発熱を軽減できる。

参考例１では、プランクの法則から波長の短い光ほどエネルギ密度が高い。よって、加熱される官能基に光エネルギを与えるのも、波長が短いほど短時間で多量のエネルギを与えることが可能となる。

（変形例１）
図１０は加熱素子の材料の別の例の説明図である。加熱素子に適する金属材料はニッケルには限らない。加熱素子に用いる金属材料は、融点が高いほど加熱源として高温にすることができるので好ましい。高融点の金属の例（括弧内は融点）は、タングステン（３４１０℃）、レニウム（３１８０℃）、オスミウム（３０４５℃）、タンタル（２９９６℃）、モリブデン（２６１０℃）、ニオブ（２４６８℃）、イリジウム（２４５４℃）である。他の例は、ルテニウム（２２５０℃）、ハフニウム（２２２２℃）、テクニチウム（２１３０．℃）、ロジウム（１９６６℃）、チタン（１６６８℃）である。

図１０に示すように、各種の金属材料において、図７のニッケルの場合と等しく表面の微細構造を設定して、ニッケルについて上述した計算方法により、各種の金属材料における赤外線吸収特性を計算した。計算条件として、上述したように、凹凸の開口幅１．７μｍ、壁の厚さ０．１μｍ、凹凸の深さ３．４μｍを設定した。上述したように、計算の境界条件は周期境界条件としたので、計算結果は無数に凹凸が存在している場合が想定されている。

図１０に示すように、高融点金属の中でもチタン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、プラチナ（Ｐｔ）が、メチレン基の赤外線吸収ピーク波長３．４μｍ付近に赤外線放射ピークを効率良く形成できる。これらの金属材料における微細構造の凹凸の加工法としてはエッチング法が望ましいと考えられる。例えば、高速原子線エッチング法は、高融点金属材料を数ミクロンオーダーで加工することができるので望ましい。

（変形例２）
図１１は微細構造の凹凸の平面形状の別の例の説明図である。図１１中、（ａ）は六角孔（代表長さは対角線）、（ｂ）は円孔（代表長さは直径）である。図５、図６では、直方体状の凹所を碁盤目に配置する立体構造を示した。しかし、図３に示す加熱素子９０１Ｈの表面の微細構造は、図１１の（ａ）、（ｂ）に示すように、円柱状やその他の多角形柱状の凹凸に置き換えてもよい。

（変形例３）
図１２は微細構造を積層した加熱素子の説明図である。上述したように、微細構造の凹凸は、微細構造の凹凸の代表長さＬ＝１．７μｍの整数倍の深さを有し、不必要な波長の赤外線放射を減らすためには、凹部の深さは深いほどよいと考えられる。しかし、凹部の深さを深くする代わりに、図１２に示すように、三次元的に凹部を積層して配置することで、単層の場合よりも波長３．４μｍの赤外線の定在波の存在確率を高めることが可能である。

このような積層構造は、凹部が二次元的に広がった高融点金属のレイヤーを積み重ねて接合させる操作を繰り返すことでも形成できる。フォトリソグラフプロセス−エッチングを繰り返して三次元的に凹部を作成してもよい。三次元プリンタを用いて高融点金属粒子をレーザー照射により融合させて作成することも可能である。

以上説明したように、変形例３では、加熱素子９０１Ｈの凹部（溝）は、ＣＨ結合の赤外線吸収ピークの波長の整数倍に対応する深さ方向の単位構造を有し、当該単位構造は、凹部の深さ方向に複数段重ねて配置されている。

（変形例４）
図１３は粒子の空隙で赤外線波長を規制する加熱素子の説明図である。図１３に示すように、球状の高融点金属粒子を単純立方晶のような三次元的な配置で集積させて、球状の粒子で囲まれた空間を利用して、波長３．４μｍの赤外線の増幅器を作成することも可能である。

（変形例５）
図５、図６に示す微細構造の凹凸の作成法として、ナノインプリント法も有効である。ナノインプリント法では、凹所の型となる凸部を配列した構造体を樹脂やシリコンなどで作成し、構造体の表面にニッケル無電解メッキなどで金属層を形成し、樹脂やシリコンを溶解除去して凹所が配列した立体構造を作成する。この場合、メッキとして使用できる金属が限定されてしまうが、大面積を作成するには都合がよい。

また、図５、図６に示す微細構造の凹凸の作成法として、レーザー加工、機械加工（切削、ドリルなど）も利用可能である。特にフェムト秒レーザーを用いた加工は、高融点金属のタングステンであっても、サブミクロンの微細パターンを瞬時に作成可能であるので、加熱源のフィラメントに成形した後に表面に直接加工することができる。

（変形例６）
一般的に、トナーに使用される樹脂としては、トナー像の現像、転写など定着以外の画像形成プロセスおよび、定着後の堅牢性などを考慮して最適なものが使用される。

したがって、本発明においては、トナーの基材としては、ポリエステル樹脂に限らない。一般的にトナーに用いられるＣＨ結合が含まれている樹脂材料であれば、ポリエチレン樹脂、アクリル樹脂、スチレンアクリル酸樹脂なども基材として使用可能である。

＜参考例２＞
図１０に示すように、チタンは、同様に微細構造の凹凸を形成しても、他の高融点金属に比較して、波長３．４μｍの赤外線を高い効率で放射することができる。そのため、チタンを用いて実際に加熱素子を試作して、トナー像の定着性能を評価した。具体的には、図１４に示すように、シリコン基板に微細構造の凹凸を形成してチタン薄膜をコートすることにより加熱素子を試作した。図１６に示すように、試作した加熱素子を真空引きした透明容器に収納して通電により加熱し、透明容器越しに赤外線を記録媒体の紙に照射して各色トナーの定着性能を評価した。

（加熱素子の製造方法）
図１４は試作した加熱素子の表面構造の電子顕微鏡写真である。図１５は試作した加熱素子の赤外線放射波長特性の説明図である。図１４中、（ａ）は正面図、（ｂ）は断面図である。

以下の手順で加熱素子を試作した。
（１）シリコン基板の表面にレジスト層を形成し、レジスト層をフォトリソグラフィー法により部分的に除去して格子パターンのマスク層を形成した。
（２）マスク層を形成したシリコン基板にドライエッチング処理を施して、シリコン基板の一方の表面に立体的な格子状の周期的な凹凸を持つ微細構造を形成して加熱素子の基板とした。形成された立体的な格子のサイズは、深さ３．４μｍ、格子の内法が縦横１．７μｍである。垂直に凹凸を深く作成することが可能であるため、反応性イオンエッチング（いわゆるＤＥＥＰ−ＲＩＥ）法を採用した。
（３）表面に微細構造を形成した加熱素子の基板の表面にチタンをスパッタリング積層する金属製膜を行って、シリコンの微細構造の表面を約１００ｎｍ程度の厚さのチタン層で被覆した。チタンを選択した理由は、図１０に示すように、メチレン基の赤外線吸収ピーク波長３．４μｍ付近に赤外線放射ピークを効率良く形成できるからである。
（４）試作した加熱素子の赤外線吸収特性を、ＦＴ−ＩＲ（パーキンエルマ社 Ｓｐｅｃｔｔｒａμｍ−Ｏｎｅ）にて測定した。

図１５に示すように、同条件で形成した実施例２の加熱素子の演算による赤外線吸収特性（×印）を求めて、試作品の実施例２における測定結果と比較した。その結果、理論計算と試作品の実験結果とで赤外線吸収特性のピークを示す波長領域がほぼ一致していた。

（加熱素子の定着性能評価）
図１６は試作した加熱素子を装備した定着装置の模式図である。図１６に示すように、定着装置を試作して、試作した加熱素子１５０３を装備し、紙上のトナー像１５０４の定着性能を、以下の手順により評価した。加熱素子１５０３の凹所は、少なくとも表面が融点１６００℃以上の金属の一例であるチタンで形成されている。
（１）加熱素子１５０３を、微細構造を形成した表面側を下向きにしてフッ化バリウムの真空容器１５０２内に設置した。加熱素子１５０３の酸化を防止するために、真空ポンプ１５０５にて真空容器１５０２内を真空引きした。
（２）ハロゲンランプ（ウシオ電機 １０００Ｗ）１５０１を用いて真空容器１５０２の外側から赤外線を加熱素子１５０３の背面に集光して、加熱素子１５０３の温度を約１０００℃まで上げた。真空容器１５０２、加熱素子１５０３の構造及び材料の制約から加熱の上限温度を１０００℃に設定した。
（３）真空容器１５０２の下に未定着のイエローとブラックのトナー像１５０４を担持した普通紙を挿入して、１０秒経過後のトナー像の定着性を評価した。定着性の評価項目は、目視による定着画像の光沢とブリスタ発生の有無とである。
（４）続いて、微細構造の凹凸を形成していないシリコン基板にチタンコートした比較例２の加熱素子で図１６の試作した実施例２の加熱素子１５０３を置き換えて、同様の定着実験と評価とを行った。試作した実施例２の加熱素子１５０３と比較例２の加熱素子とにおいて、表２に示す評価項目を○×にて評価した。

表２に示すように、平板な比較例２の加熱素子に比べて、微細構造を表面に形成した実施例２の加熱素子１５０３のほうがトナー像１５０４の溶融状態の差異に起因する画像の光沢差、ブリスタの発生が抑えられている。平板な比較例２の加熱素子に比べて、微細構造を表面に形成した実施例２の加熱素子１５０３のほうが、イエローとブラックのトナー像の溶融状態の差が少ない。

＜参考例３＞
参考例１、２では、トナーや記録媒体など被加熱部材を構成する高分子材料の分子にある官能基であるＣＨ結合（メチレン基）と赤外線の吸収ピーク波長の関係を利用してトナー像を非接触加熱して記録媒体に定着させた。ＣＨ結合（メチレン基）は、トナーに含まれる樹脂材料を構成する代表的な官能基だからである。

しかし、トナー画像の加熱に利用できる赤外線吸収のピーク波長は、ＣＨ結合（メチレン基）のものには限らない。ＣＨ結合（代表吸収波長３．４μｍ）の他に、ＯＨ基（代表吸収波長２．８μｍ）、ＮＨ結合（代表吸収波長３．０μｍ）、ＣＦ結合（８．３μｍ、８．７μｍ）なども利用できる。したがって、トナーを構成する高分子に存在する結合、または官能基に起因する赤外吸収波長領域は、概ね２．６μｍ以上かつ、３．６μｍ以下である。このことから、トナー像または記録材へ照射される加熱用の光の最大強度を示す波長位置が２．６μｍ以上かつ３．６μｍ以下にあることが望ましい。

（ＯＨ結合による加熱）
参考例３では、ＯＨ基（代表吸収波長２．８μｍ）による赤外線吸収を利用してトナー像とともに記録媒体の紙を加熱する定着装置の例について説明する。また、記録媒体、トナー以外の加熱ベルト、搬送ベルトの材料にＯＨ基が含まれる場合でも、同一の微細構造を表面に形成してトナー像の加熱／記録媒体への定着に利用できる点では同様に本発明を適用可能である。

図４に示すように、トナーの樹脂材料が官能基としてＣＨ結合の他にＯＨ基を有する場合、ＯＨ基の赤外線吸収ピーク波長である２．６μｍ〜３．２μｍの波長に放射赤外線のピーク波長を設定した加熱素子によるトナー像の加熱が有効である。とくにトナーに含まれる高分子材料の分子の官能基にＯＨ基が多いものの場合、有効である。ＯＨ基を選択的に加熱する赤外線であれば、トナー像が転写されている記録媒体の紙も分子構造中に豊富にＯＨ基を含むため、記録媒体もトナー像と同時に加熱されて好ましい。

ＯＨ基の赤外線吸収ピークは、水素結合型と遊離型をあわせると２．６μｍ〜３．２μｍとなる。このため、ＯＨ基を選択的に加熱する場合は、図３に示す加熱素子９０１Ｈ表面の微細構造の凹凸の代表長さとして１．３μｍ以上かつ１．６μｍ以下を設定する必要がある。参考例１で説明したように、凹凸の代表径１．３μｍ以上かつ１．６μｍ以下を二倍した波長２．６μｍ以上かつ３．２μｍ以下の赤外線が優先的に放射されるからである。微細構造の凹凸の作成方法は参考例１、２で説明したとおりである。

微細凹凸の代表長さの取り方、標準偏差などは前述の参考例１（加熱素子の構造）に示したものと同じであり、ＣＨ結合の吸収波長の中心をＯＨ基の吸収波長の中心に変えればよい。

微細凹凸の占める割合に関しても同様に（１）式を適用可能である。これは代表長さＬを有する凹所から発生される電磁波はすべてＯＨ基を有する媒体に吸収されるために、代表長さＬが７０％以上存在すれば、加熱対象物に溶け方の差異や加熱むらが生じない。つまり、多数ある微細構造のうち７０％以上が代表長さＬの範囲にあればよいことになる。

図１に示すように画像形成装置１００の定着装置９０に実施例３のランプヒータ９０１が装備される。図３に示すように、ランプヒータ９０１は、ランプ形状に形成されて表面に微細構造を形成した加熱素子９０１Ｈを赤外線透過効率の高い透明管９０１Ｇ内に封入している。透明管９０１Ｇ内は、加熱素子９０１Ｈの酸化を防ぐために真空にするか不活性ガスを封入する。ＯＨ基の赤外線吸収ピーク波長は、中心で２．８μｍなので透明管９０１Ｇは、石英ガラスでも良いが、より遠赤外線を透過する材料の方が望ましい。

ＯＨ基による赤外線吸収を利用する方法は、加熱時にトナー像が記録媒体に載っていて、記録媒体上でトナー像を加熱定着させる方式が望ましい。これは、紙に代表される記録媒体はセルロースで構成される。セルロースの高分子は、ＯＨ基を多数含むため、トナー像で吸収しきれなかった中心波長２．８μｍの赤外線を記録媒体でも吸収して、トナー／記録材界面の温度上昇に寄与させることが可能なためである。

また、高分子材料として多種の分子構造が含まれることも多い。この場合にはＣＨ結合とＯＨ基が混在していることになるので、吸収波長域としては２．６μｍ〜３．６μｍとなる。この場合には、実施例１に記載したものと合わせて加熱素子の放射強度の最大値を２．６μｍ〜３．６μｍとすればよい。

（参考例３の効果）
以上説明したように、参考例３では、水酸基（ＯＨ基）を有する材料で形成されてトナー画像を担持した記録媒体に赤外線を照射して少なくとも記録媒体を加熱する。加熱素子９０１Ｈの表面には、水酸基の赤外線吸収ピークの波長の１／２に対応する開口長を持たせて密集させた多数の凹所が形成されている。凹所は、水酸基の赤外線吸収ピークの波長の整数倍に対応する深さ方向の単位構造を有する。

記録媒体が紙の場合、紙のセルロース分子にはＯＨ基が多数含まれるので、トナー像を透過した赤外線で記録媒体の紙を有効に加熱できるため、定着装置９０の加熱効率が上がって都合がよい。

また、加熱素子９０１Ｈは、各色トナーに共通に含まれるＯＨ基の吸収帯を有効に加熱することが可能な赤外線放射特性を有するため、イエロートナー像とブラックトナー像とをほぼ等しく加熱することができる。このため、トナーに特別な赤外線吸収剤を添加しなくても、イエロートナー像とブラックトナー像とをほぼ等しく加熱して、定着画像の光沢度の差異を解消可能である。これにより、参考例１よりも赤外線を有効利用して、加熱素子９０１Ｈの消費電力を節約できる。

また、加熱素子９０１Ｈから放射される赤外線エネルギが既に特定の波長領域に絞られているので、通常の加熱源に光学フィルタを組み合わせる構成よりも、与えられた入力エネルギを有効に放射できて省エネルギとなる。

参考例３では、被加熱部材としてトナーと紙を代表に説明したが、ＯＨ基を豊富に含む樹脂材料を含有する紙以外の記録媒体や、記録媒体の搬送ベルトを被加熱部材として設計する場合でも同様な電力節約効果を実現できる。

（変形例６）
高分子材料にアミノ基を含む場合には、アミノ基の赤外吸収域である２．７〜３．１μｍの波長域の赤外線も有効である。参考例３では、アミノ基の赤外線吸収もＯＨ基の赤外線吸収と同様にトナー像の加熱に寄与している。

＜実施の形態＞
図１７は実施の形態における定着装置の構成の説明図である。図１７に示すように、定着装置９０は、図１に示す画像形成装置１００に参考例１の定着装置を置き換えて装備される。

定着装置９０は、定着ローラ９１２を、トナー画像を担持した記録媒体９０２のトナー画像担持面に当接させてトナー画像を加熱する熱圧方式である。定着装置９０は、定着ローラ９１２と加圧ローラ９１３のニップ部でトナー像９０５を担持した記録媒体９０２を挟持搬送して、画像を記録媒体９０２に定着させる。定着ローラ９１２の表面層は、フッ化メチレン基を豊富に有する高分子材料を含む。

加圧ローラ９１３は、ステンレスの基材９１３ａの表面にシリコンゴムの弾性層９１３ｂを設けている。定着ローラ９１２は、ステンレスの基材９１２ａの表面にシリコンゴムの弾性層９１２ｂを設け、弾性層９１２ｂの表面を離型層９１２ｃで覆って構成される。離型層９１２ｃは、フッ素樹脂材料の一例であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を主成分としているため、フッ化メチレン基を豊富に含んでいる。

定着ローラ９１２の離型層９１２ｃに対向させて加熱素子９１１が配置され、加熱素子９１１の背面側に反射鏡９０４が配置されている。反射鏡９０４は、加熱素子９１１の背面から逃げる赤外線を加熱素子９１１へ再入射させるために配置されている。

加熱素子９１１の離型層９１２ｃに対向する表面には、ＣＦ結合の赤外線吸ピークの波長に合わせた微細構造が形成されている。加熱素子９１１の表面には、ＣＦ結合の赤外線吸収ピークの波長の１／２に対応する開口長を持たせて密集させた多数の凹所が形成されている。当該凹所は、ＣＦ結合の赤外線吸収ピークの波長の整数倍に対応する深さ方向の単位構造を有する。

（ＣＦ結合による加熱）
定着ローラ９１２の表層にはトナーの離型性能、防汚性能の観点から、ＰＴＦＥ、ＰＦＡなどのフッ素樹脂材料が一般的に用いられる。フッ素樹脂材料の場合、ＣＦ結合が特徴的な吸収波長域を形成する。ＣＦ結合の場合、前述のように、波長ピークは８．３μｍ、８．７μｍとなる。したがって、定着部材表面を構成する高分子に存在する結合、または官能基に起因する赤外吸収波長領域が８．２μｍ以上かつ８．８μｍ以下である。このことから、加熱用の光の発光強度のピークが８．２μｍ以上かつ８．８μｍ以下の赤外線発熱装置を用いることが好ましい。

この場合の放射素子の代表長さとしては、前述のＣＨ結合と同じように、４．１５μｍ、４．３５μｍとなる。素子の作成精度、吸収波長の誤差などを前述のＣＨ結合の時と同じように考察して、素子の凹凸の代表長さは４．１〜４．４μｍとなる。このため、赤外線発熱装置の周期的な凹凸格子構造の単位構造内法寸法が４．１μｍ以上かつ４．４μｍ以下であることが好ましい。

微細凹凸の代表長さの取り方、標準偏差などは前述の参考例１（加熱素子の構造）に示したものと同じであり、ＣＨ結合の吸収波長の中心をＣＦ結合の吸収波長の中心に変えればよい。そのため、赤外線発生部の表面には、ＣＦ結合の赤外線吸収ピークの波長に応じた４．１μｍ〜４．４μｍに対応する開口長を持たせて密集させた多数の凹所が形成されている。

微細凹凸の占める割合に関しても同様に（１）式を適用可能である。これは代表長さＬを有する凹所から発生される電磁波はすべてＣＦ結合を有する媒体に吸収されるためであり、代表長さＬが７０％以上存在すれば、表層材料の発熱が十分に起きることを意味する。つまり、多数ある微細構造のうち７０％以上が代表長さＬの範囲にあればよいことになる。

（加熱に必要なＣＦ結合の個数）
定着ローラ９１２を十分に加熱して定着画像が得られるためのフッ素樹脂中に最低必要なＣＦ結合の個数は、次のように求めることができる。上記［III］式より、赤外線代表波長λ＝８．５μｍにおける光子一個あたりのエネルギＥは、プランクの法則より次式となる。
Ｅ＝ｈＣ／λ＝ ６．６×１０^−３４ × ３×１０^８／（８．５×１０^−６）
＝２．３３×１０^−２０ ［Ｊ／個］

代表的なフッ素樹脂（厚さ２．５．μｍ）の波長８．５μｍにおける吸光度ＡＢＳを測定すると次式となる。
ＡＢＳ＝４．０

参考文献「光エネルギー工学 養賢堂２００４年 ｐ２２５」に示されるように、ランバート・ベールの法則を用いて波長８．５μｍにおける吸光度ＡＢＳを光吸収率αに変換する。
α＝１−１／ｅｘｐ（ＡＢＳ） ＝０．９８ ・・・［IV］

よって、光子１個当たりのエネルギのうち９８％がＣＦ結合に吸収されることになる。

一方、フッ素樹脂量（Φ５０ｍｍ、長さ３３０ｍｍ、厚さ２５μｍの総量）は０．８８ｇ、比熱ｃ＝１．０ Ｊ／ｇ／Ｋ程度であるので、フッ素樹脂全体を平均ΔＴ＝１５０℃昇温させるために必要なエネルギＱは次式となる。
Ｑ＝ｍｃΔＴ＝０．８８×１．０×１５０＝１３２ ［Ｊ］

よって、光子一個当たりのエネルギの内９８％がＣＦ結合に吸収されるので、フッ素樹脂全体をΔＴ＝１５０℃挙げるために必要なＣＦ結合個数ＮＣＦは次式となる。
ＮＣＦ＝１３２／（２．３３×１０^−２０×０．９８）
＝５．８ ×１０^２１ ［個］
＝０．９６×１０^−３ ［ｍｏｌ］

したがって、赤外領域の波長８．５μｍに吸収をもつ結合または官能基を定着部材表面の表層中に０．９６ｘ１０−３［ｍｏｌ］以上含むことが好ましい。そして、フッ素樹脂の基本骨格がＣＦ_２で構成されていると仮定すると、ＣＦ_２の分子量は５０のため、０．８８ｇのフッ素樹脂材料に含まれるＣＦ_２の数は次式となる。
０．８８／５０＝０．０１７６ ＝１７．６ ×１０^−３ ［ｍｏｌ］

よって、０．９６／１７．６ ＝ ０．０５４５ から５．４％程度のＣＦ結合が含まれていれば、十分昇温することになる。なお、便宜的に８．５μｍに吸収のある官能基としてＣＦ結合を上げているが、上記計算で求められた官能基の個数は、ＣＦ以外でも８．５μｍに吸収ピークを持つものの個数も含んでいる。

（実施の形態の効果）
以上説明したように、実施の形態では、定着ローラ９１２の外部から加熱素子９１１によって表面層のフッ素樹脂のみを効率的に加熱することが可能となる。この時、トナーや定着ローラのフッ素樹脂以外で構成されている部分は余り温度が上がらない。また、記録媒体９０２が定着ローラ９１２に巻き付いたときにも、記録媒体９０２は通常、ＣＦ結合を含まないので、温度が上がらず都合がよい。さらに、トナーを熱溶融するニップ部の直前で定着ローラ９１２を加熱することができるので、効率的に定着ローラ９１２を加熱して、定着ローラ９１２の表面を所定の温度まで上げる時間を短くできる。

＜その他の実施形態＞
本発明は、各色のトナーの材料に共通の赤外線吸収ピークの波長域の赤外線を用いてトナー画像を加熱する限りにおいて、参考例及び実施の形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施の形態でも実施できる。

したがって、参考例及び実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載が無い限りは、本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。

例えば、図３に示すランプヒータ９０１の加熱素子９０１Ｈは、微細な密集した凹凸構造が形成された赤外線放射体から独立させて通電加熱層を設けてもよい。図３に示すランプヒータ９０１は、微細構造を全体に形成した線状のフィラメントを複数本平行に配置して赤外透過性の管内に封入したものでもよい。

赤外線放射体の加熱は通電加熱層への通電には限らない。電磁誘導（ＩＨ）加熱、ニクロム線加熱、ハロゲンランプ、セラミックスヒータ等に置き換えてもよい。参考例１では、被加熱部材としてトナーを説明したが、ＣＨ２を有する樹脂材料を含有する記録媒体や搬送ベルトを被加熱部材としてもよい。実施の形態では、定着ローラの加熱を説明したが、同様な構成で定着ベルトを加熱してもよい。

ローラ部材やベルト部材を未定着トナー像に接触させてトナーを熱変形させて定着させる定着装置のみならず、半定着画像又は定着画像を加熱する画像加熱装置においても本発明を実施できる。

画像形成装置は、１ドラム型／タンデム型の区別なく実施できる。感光体の数、帯電方式、静電潜像の形成方式、転写方式、定着方式等の区別無く実施できる。ここでは、トナー像の形成／転写に係る主要部のみを説明しているが、本発明は、必要な機器、装備、筐体構造を加えて、プリンタ、各種印刷機、複写機、ＦＡＸ、複合機等、種々の用途の画像形成装置で実施できる。

９０ 定着装置
９０１ ランプヒータ
９０１Ｈ 加熱素子
９０１Ｇ 透明管
９０２ 記録媒体
９０３ 搬送ローラ
９０４ 反射鏡
１５０１ ハロゲンランプ
１５０２ 真空容器
１５０３ 加熱素子
１５０４ トナー像
１５０５ 真空ポンプ

Claims (3)

1. トナー像を記録材に形成するトナー像形成手段と、記録材上のトナー像を昇温した定着部材にて記録材上に押し付け記録材上にトナーを定着させる熱圧方式の定着手段と、を有する画像形成装置において、
   前記定着部材表面を構成する高分子に存在する結合、または官能基に起因する赤外吸収波長領域が８．２μｍ以上かつ８．８μｍ以下であり、
   加熱用の光の発光強度のピークが８．２μｍ以上かつ８．８μｍ以下の赤外線発熱装置を有し、前記赤外線発熱装置により定着部材を昇温させることを特徴とする画像形成装置。
2. 前記赤外線発熱装置の周期的な凹凸格子構造の単位構造内法寸法が４．１μｍ以上かつ４．４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 赤外領域の波長８．５μｍに吸収をもつ結合または官能基を前記定着部材表面の表層中に０．９６×１０ ^−３ ［ｍｏｌ］以上含むことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。