JPH05241382A

JPH05241382A - トナーの融着方法

Info

Publication number: JPH05241382A
Application number: JP4330953A
Authority: JP
Inventors: B Lewis Richard; ビー．ルイスリチャード; Michael J Levy; ジェイ．レヴィマイケル
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1991-11-25
Filing date: 1992-11-17
Publication date: 1993-09-21
Also published as: US5140377A

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、複写用紙にトナー素材を定着する
技術に関し、複写用紙の表面に水蒸気を凝縮することに
よってトナーを融着させることを目的とする。【構成】静電写真印刷装置において、複写用紙の表面
に水蒸気を凝縮することによってトナー素材が熱的に複
写用紙の表面に融着され定着される。実施例において
は、トナー素材はドコサン酸からなる。水蒸気は、用紙
の表面に対して相対的に移動するスリットを通して表面
に水蒸気を適用することによって、複写用紙の表面に凝
縮される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電写真法による(xer
ographic) 印刷の過程の一部として複写用紙にトナー材
料を定着する(fixing)技術に関し、さらに詳細には、複
写用紙の表面に水蒸気を凝縮することによってトナー材
料を融着(fusing)させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】静電写真印刷の過程において、複写され
るべきオリジナルの光学イメージは、一般的には、感光
部材上へ潜在静電イメージの形態で記録される。潜在イ
メージは、一般にはトナーと呼ばれる検電性の記録粒子
(electroscopic marking particles) をその感光部材に
適用することによって、目に見えるものとなる。その可
視イメージは、その感光部材から普通紙に転写され、そ
れに続いて、イメージをそれに永久的に付着させる。こ
こでのトナー粒子の紙への付着は、一般に、２つの段階
からなり、それは、紙面のトナー粒子が部分的に溶融さ
れる、または液体にされる、融着段階と、液体状のトナ
ー粒子が紙に付着される定着段階と、の２つである。し
かしながら、一般的な用語としては、これらの２つの段
階は、概念的に統合されたものであり（なぜなら、多く
の一般的な技術において、この２つの段階はほぼ同時に
発生するから）、まとめて単純に”融着”としてこの分
野では知られている。

【０００３】トナーによって形成されるイメージを紙面
に融着するために、電子写真プリンタは一般に融着装置
(fuser) と呼ばれる装置を内蔵する。融着装置は多くの
形態をとるが、熱融着装置あるいは熱−圧力を併用した
融着装置が現在最も一般的である。熱−圧力併用融着装
置は、比較的に柔軟な圧力ロールに物理的に接触する熱
融着ロール(heat fusing roll)を備える。これらのロー
ルは、複写用紙（その上に文書(document)が最終的に形
成される用紙）がその間を通過する融着間隙(fusing ni
p)をお互いに形成する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電子写真機器において
どのような形態の融着が用いられるとしても、融着は、
あらゆるシステムの設計において、もっとも苦しめられ
る要素の１つである。発熱型の融着装置(heat-generati
ng fuser) は、予熱の間に機械消費電力の55〜70％を消
費し、予熱時間の大部分をしめる。冷ロール型融着装置
(cold roll fuser) およびフラッシュ型融着装置(flash
fuser) は機械に大きな空間容積を必要とする。熱ロー
ル型あるいは冷ロール型の融着においては、融着装置を
通過する複写用紙の滞留時間(dwell time)は機械の速度
にとって最も重大な制限の１つである。融着装置は、し
ばしば、ノイズ、熱、そして臭気のような、大部分の機
械の環境問題の原因となる。最後に、融着段階は、最終
的な複写品質に関して、最も重要なものの１つである。
不適切な融着は、汚損、イメージの均一性の欠如、およ
び（あるいは）イメージへの汚い斑の外観、をもたら
す。これらの理由から、複写機および印刷システムの設
計者は、どの形態の融着装置を使用したいかを選択する
際に、大きな選択幅がある。

【０００５】本発明の目的は、静電写真印刷システムに
おける融着のための新しい方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、静電写
真印刷システムにおいて、トナー材料は、複写用紙の表
面に水蒸気を凝縮することによって、複写用紙の表面に
熱的に融着され、定着される。好ましい実施例において
は、トナーは実質的にドコサン酸(docosanoicacid) か
らなる。水蒸気は、複写用紙の表面に関して移動する細
いスリットを通してその表面に水蒸気を加えることによ
って、表面に凝縮される。

【０００７】本発明による方法は、好ましくは、複写用
紙を支持する支持体と、複写用紙の表面に隣接して配置
されるスリットと、を備える装置によって実現される。
スリットは複写用紙に対し移動し、水蒸気が複写用紙の
表面に向けてそのスリットを通過する。

【０００８】

【作用】複写用紙の表面に水蒸気を凝縮することによっ
て、トナー材料が複写用紙の表面に熱的に融着し定着さ
せられる。

【０００９】

【実施例】図１は本発明による融着部(fusing station
) １２０の断面図である。融着部１２０の用途は、ほ
ぼ100 ℃の水蒸気の”ナイフ(knife) ”を受光体(photo
receptor) から出てくる用紙上の融着されていないトナ
ーに加えることである。図示される実施例において、融
着部１２０の主要部は、参照番号１０で包括して示され
るフラッシュボイラー(flash-boiler)である。フラッシ
ュボイラー１０は、好ましくは、第２のアルミニウムブ
ロック１４に隣接する第１のアルミニウムブロック１２
を備え、その２つのブロック１２および１４の共通面は
薄いシム(shim)１６によって大部分が隔てられている。
好ましい実施例においては、シム１６は約 3ミル(mils,
1/1000 インチ) の厚さのポリイミド樹脂フィルムで作
られたガスケットである。シム１６はブロック１２およ
び１４の共通面の部分のみの間に配置され、ブロック１
２および１４の間の残りのギャップが、図１のフラッシ
ュボイラー１０の底部に向かって、中央通路１８を生成
する。この中央通路１８は、一般に、シム１６と同一の
幅であり、それは約 3ミルである。図１において、フラ
ッシュボイラー１０は、用紙Ｓが融着装置１２０を通過
するときの用紙Ｓの通路に垂直な方向での断面で示され
る。フラッシュボイラー１０は、一般に、用紙Ｓの通路
に垂直に、用紙Ｓの全体の幅に沿って伸長する。図１か
ら明らかなように、通路１８は、紙送りドラム２０によ
って用紙Ｓがフラッシュボイラー１０を通過して移動せ
しめられるときにその表面に水蒸気を加えるように、用
紙Ｓの表面に隣接して配置される底部スリット１９を形
成する。このことは以下に詳しく述べられる。

【００１０】水蒸気のナイフを生成し、そして、それを
用紙Ｓ上の融着されていないトナーに加えるために、ア
ルミニウムブロック１２および１４が、フラッシュボイ
ラー１０に流入する水の制御された流れに熱を伝えるの
に用いられる。熱は、潜在的に商業的に利用することの
できる複写機に用いるために抵抗性の発熱体の配置ある
いは”カートリッジヒーター”が好ましいが、金属部材
を加熱する一般に知られたいかなる手段によってもアル
ミニウムブロック１２および１４内に生成されてもよ
い。これらの要素の正確な配置は重要でないが、一般的
に、図１の斜線部分２２のような断面で示される。使用
するときは、これらの要素２２が、好ましくは、アルミ
ニウムブロック１２および１４を温度120 〜130 ℃に加
熱し、それは、フラッシュボイラー１０に流入する水の
流れを沸騰させるのに十分なものである。

【００１１】アルミニウムブロック１２および１４の一
方あるいは両方は、好ましくは、ブロック１２内に空洞
２４として図示される内部緩衝空洞(inner buffer cavi
ty)を定義する。外部水源（図示されない）からの計量
され調節された水の流れは、流入通路２６を通って緩衝
空洞２４に取り込まれる。緩衝空洞２４の用途は、沸騰
させるために水を加えられる比較的に広い”熱い”表面
積を提供するためだけでなく、比較的に安定した水蒸気
の供給をもたらすことを可能とするバッファを提供する
ためでもある。水が流入通路２６を通って緩衝空洞２４
に取り込まれると、その水は、上述したように好ましく
は120 〜130 ℃に加熱された緩衝空洞２４の内部表面に
接触し、そこでその水は急速に沸騰せしめられる。水蒸
気は、それが排出通路２８を通って排出されるまでは、
緩衝空洞２４内に保持され、そのことはスロットル３０
によって制御される。

【００１２】図１に示されるスロットル３０は、回転式
ストップコック型のスロットルであり、排出通路２８の
連通を完結するための選択可能な可動式直交通路(movab
le cross-channel) を有する。もちろん、関連する技術
に精通した者には明白な排出通路２８を開閉する他のど
んな形態の電気−機械的な作動装置(actuable device)
でも可能である。排出通路２８は、アルミニウムブロッ
ク１２および１４の間のギャップ１８と連絡し、これは
融着されるべき用紙Ｓの表面に隣接するスリット１９を
形成する。図１に示すように、ギャップ１８のみが用紙
Ｓの全幅にわたって連続的に伸長している必要があり、
流入通路２６および排出通路２８はフラッシュボイラー
１０に横に連続的に伸長する必要はないが、なんらかの
方法で緩衝空洞２４およびギャップ１８と連絡する。緩
衝空洞２４は、長い円筒状の形状をした空洞を製造する
ことが最も簡単であり、アルミニウムブロック１２にド
リルで長い孔をあけて端部に栓をすることによって作ら
れてもよいが、特定の形状である必要はない。複数の緩
衝空洞が単一のフラッシュボイラーに組み込まれてもよ
い。加えて、通路２６および２８の横断面的な配置は正
確に図１に示されるような配置である必要はないが、水
源と、緩衝空洞２４と、ギャップ１８と、の間の必要な
接続をなすなんらかの配置が適用される。通路２８の一
部分は、例えば、ギャップ１８と連絡するシム１６のノ
ッチ(notch) あるいは開き(opening)によって定義され
てもよい。

【００１３】水が、一度取り込まれると、それが用紙Ｓ
に到達するまで、いかなる冷たい面にも触れることがな
いようにするため、スロットル３０と通路２６および２
８も含めてすべての部分が本体と熱的に良好に接触する
ようにフラッシュボイラー１０は設計される。アルミニ
ウムブロック１２および１４が接近力を受けたとき、ポ
リイミド樹脂のシム１６の厚さは都合よくギャップ１８
の許容範囲に維持される。

【００１４】緩衝空洞２４はなくてはならない。なぜな
ら、通路２６を通して取り込まれる水の容易に分配でき
る最少の量は一滴のしずくであるからである。緩衝空洞
２４がなければ、フラッシュボイラー１０は、熱い表面
上に１つの水滴が到着したことに対応した分離した一発
散(puff)のかたちで水蒸気を放出するであろう。空洞２
４の容積は、それぞれの水滴が加えられたときに、フラ
ッシュボイラー１０からの圧力が10％以内で変化するよ
うな大きさである。これは、用紙Ｓの表面に効果的に蒸
気を加えるために十分に都合がよいことが知られてい
る。緩衝空洞２４の好ましい容積は0.27リットルであ
る。フラッシュボイラー１０の内部圧は通常は約30psi
である。フラッシュボイラー１０の可能な最大の温度は
200 ℃であり、ポリイミド樹脂のシム１６上の温度限界
によって決定される。

【００１５】フラッシュボイラー１０はまた、好ましく
は、そこに、ギャップ１８の開口部に隣接しフラッシュ
ボイラー１０の全長にわたって横方向へ伸長する交差通
路３２を定義し、その通路３２はフラッシュボイラー１
０の全長に沿って排出圧力を均一にするように働く。こ
の直交通路３２はアルミニウムブロック１２および１４
の一方にあるいは両方に定義されてもよい。アルミニウ
ムブロック１２および１４の温度は、既知の方法によっ
て、参照番号３４で示される温度監視システムを用いて
調節されてもよい。さらに、熱効率のために、フラッシ
ュボイラー１０は絶縁素材３６によって覆われてもよ
い。

【００１６】動作において、フラッシュボイラー１０
は、水源（図示されない）から流入通路２６を通って緩
衝空洞２４への水の流れを受け入れ、ここで、水とフラ
ッシュボイラー１０の加熱された本体との接触が水を蒸
発させる。融着されるべきトナーをその表面に有する用
紙Ｓが案内されギャップ１８のスリット１９に隣接して
移動、それは一般には紙送りドラム２０の運動によって
移動せしめられるが、を開始するまでは、水蒸気は緩衝
空洞２４に保持される。融着されるべきトナーをその表
面に有する用紙Ｓの存在は、電気的な監視あるいは機械
的なトリップ（図示されない）のようなどのような既知
の方法によっても検出される。用紙Ｓが検出されると、
スロットル３０が駆動されて排出通路２８を連通し、緩
衝空洞２４の加圧された水蒸気が通路２８を通ってギャ
ップ１８へ通過することを可能とする。フラッシュボイ
ラー１０のスリット１９に沿った蒸気圧は交差通路３２
によって均一化され、水蒸気のナイフが開口１９に生じ
せしめられる。

【００１７】本発明の実際的な実施例に対する好都合の
変数は、スリット１９の幅が約 3ミル(mils)であり、ス
リット１９と用紙Ｓの表面との間の均一な間隙が約40ミ
ル(mils)であることがわかっている。以下に述べる好ま
しいトナー材料を用いて、用紙Ｓは、現在手に入る静電
写真プリンタに適用可能な10インチ／秒の処理速度でス
リット１９を通り過ぎる。そのような速度では、水蒸気
のナイフに対する用紙Ｓのある部分での露出の滞留時間
(dwell time)は約 1ミリ秒である。水蒸気が用紙の表面
に拡がるために、露出の領域はスリット１９の幅よりや
や広いのである。消費される水に関しては、この実施例
の融着装置は、約 4リットルの水を供給することによっ
て、完全10インチ／秒の速度で移動する11インチの長さ
の複写用紙を 8時間シフトで稼働し、融着することがで
きる。上述した変数を用いて、スリット１９から放射さ
れる一般的な水蒸気の排出速度は50〜100cm/sec の範囲
である。この速度範囲は高圧力と重構造とが必要ないこ
とを示唆する。全体から見て、本発明の電力および技術
的な要求は実用的な範囲内にある。

【００１８】本発明において意図された用紙上にトナー
を融着し定着する技術は、必ずしも従来技術で知られて
いる”蒸気融着(vapor fusing)”の一種ではない。この
分野でよく知られている”蒸気融着”の用語は、トナー
材料が液体に溶解できるような技術に関するもので、そ
の液体は化学的な意味でその蒸気が融着されないトナー
を取り囲んでそのトナーを溶かすことが可能とされる。
しかしながら、本発明は、加えられた水蒸気の凝縮によ
って用紙の表面に熱を放出することによって、トナーを
熱的に融着することを意図するものである。本発明はま
た、熱い空気あるいは他の一般のガスのナイフを用いた
熱融着とは区別される。熱融着のために空気のナイフを
適用することは、用紙の表面に対して乱流の”境界層(b
oundarylayer)”を生成することが知られている。ここ
では、トナーが融着される前にそれは用紙から吹き飛ば
される。しかしながら、凝縮することのできる熱伝達ガ
スは保温する境界層を形成することができない。冷たい
表面にいつ触れても、それは、凝縮によって、大量の潜
熱を放射して表面に収縮する。

【００１９】水蒸気の凝縮によるこの熱融着を実施する
ために、”低融点の(low-melt)”トナー材料が必要であ
る。典型的には、カーボンブラックで着色されたスチレ
ン／ｎ−ブチルメタクリレートコポリマーのような非晶
質重合体を含む、従来の融着装置に一般的に使用される
トナー材料は、本発明の融着方法に適した十分に低い温
度では融着しない（すなわち、液体にならない）。適切
なトナー材料は、市販の静電写真装置に必要な特性（例
えば、イメージの永続性の特性）を保持しながら、100
℃で融着できるものでなければならない。

【００２０】本出願人が出願時に知り得た最も良いトナ
ー材料はドコサン酸(docosanoic acid) であり、それ
は、またベヘン酸(behenic acid)として知られる。本発
明による融着装置に満足して使用されるトナーは、好ま
しくは、実質的にこの物質からなる。ドコサン酸は、カ
ルボン酸を末端に有する長い鎖状炭化水素であり、下記
化学式で表される。ＣＨ₃(ＣＨ₂)₂₀ＣＯＯＨこの物質は、水蒸気の凝縮を用いた熱融着に最も効果が
あることが知られていた。そのようなトナー材料として
使用される商業的に手に入れることのできる産業用素材
の１つがHYSTRENE 9022 という商標で販売されている。

【００２１】他の低融点のトナーが知られており、それ
らの１つは、Funatoらに付与された米国特許第4,849,49
5 号およびFullerらに付与された米国特許第5,004,664
号に一例として限定的でなく開示されるトナーのような
ポリエステルを基とする樹脂である。しかしながら、10
0 ℃で融着できるものするために、これらのトナーは不
満足な”粘着(blocking)”特性を有する傾向がある。こ
のことは、それらが複写用紙に適用される前あるいは適
用される間に、凝結して塊になる傾向を示す。トナー材
料として適切に満足されるもう１つの物質はポリエトモ
サゾリン（polyethoxazoline）と呼ばれるポリマーであ
る。しかしながら、このポリマーは水溶性であり、この
素材の融着特性の少なくとも一部は、熱的な側面に加え
て、水への溶解度（従来の化学的な蒸気−融着の意味
で）によるものである。

【００２２】全体から見て、本発明に使用するための最
も好結果のトナー材料は”蝋質の(waxy)”トナーである
ことがわかった。”閉塞(impaction) ”として知られる
一般的な問題のゆえに、蝋質のトナー材料の選択は賢明
なことである。簡単に述べると、閉塞は、蝋質のトナー
がキャリアービード(carrier bead)の粒子に塗られると
きに生じ、それぞれのキャリアービードの表面領域の大
部分をマスクする。このマスクは、トナー粒子をキャリ
アービードから受光体に移動させるなくてはならない摩
擦電気(triboelectric) の特性を抑制するのである。

【００２３】図２は、紙送りドラム２０とともに使用さ
れるフラッシュボイラー１０の概略立面図である。フラ
ッシュボイラー１０から複写用紙Ｓの表面へ水蒸気を適
切に散布することを確実にするために、重要な変数であ
るギャップ１８のスリット１９と複写用紙Ｓの表面との
間の間隔は均一とされる。スリット１９における横方向
の水蒸気熱の一様でない散布は文書の顕著な品質問題を
生ずる。スリット１９と複写用紙Ｓの表面との間の均一
な間隔を保持するための１つの好ましい技法は、用紙Ｓ
の関連する部分がスリット１９の付近を通過するとき紙
送りドラムに向けて用紙Ｓの反対側表面を保持するため
の真空手段（図示されない）を有する紙送りドラム２０
を提供することである。この分野で知られた１つの真空
システムは、紙送りドラム２０の円周に沿って１組の平
行な溝４０を備え、ドラムに接触して用紙Ｓをしっかり
とつかむようにその溝４０を通って真空が適用される。

【００２４】本発明によるフラッシュボイラー１０を用
いるときに生じる重要な問題は紙のカールである。よく
知られるように、湿気が浸透するとほとんどの形態の紙
は非常によく曲がり、また用紙の片面を水蒸気のナイフ
に曝されることが、もう一方の片面に比較してその片面
をかなり縮ませ、著しい紙のカールを生じさせる。この
問題を修正するために、好ましい技術は、用紙Ｓの両面
で湿気を均一にすることが紙のカールを防止するよう
に、用紙Ｓの両面に水蒸気の異なったナイフを同時に加
えることである。そのような配置が図３の立体図で示さ
れ、ここでは、片方の内部だけにしかトナーがないが、
２つのフラッシュボイラー１０_aおよび１０_bが用紙Ｓ
の両面に水蒸気を同時に加える。これらの２つのフラッ
シュボイラーを適用するための紙送りのローラーの配置
は関連する分野に精通した者には明白であろう。しかし
ながら、この方法によって融着された複写はわずかな起
伏を示すことを認めなければならない。Gilbert 、その
他による米国特許第4,922,304 号は、加熱されたドラム
とともに使用する融着ベルトを開示し、それは過剰な水
蒸気を複写用紙から逃がす。

【００２５】低い融着温度および紙のカールに関する問
題をにもかかわらず、本発明による方法は従来の種々の
融着技術を越えた多くの利点を提供する。本発明による
方法を実施するために多くの変数は実際的な制限の範囲
内であり、これらの変数の多くは他の商業的に手に入れ
ることのできる融着方法より優れている。本発明を取り
入れた機器は水供給の点で新規だが、複写毎に必要な水
の量は比較的に少ない。１回の複写の融着に必要な水の
量は約100mg と見積もることが妥当である。それは１枚
の複写用紙の一般的なトナーの量の２倍である。このわ
ずかの量の水は、上記の紙に関する問題を除いて、比較
的に小さな影響しか紙に与えない。事務用ボンド紙は１
平方メートル当たり約75g の重さであり、50％の相対湿
度で約8重量％の湿気を含む。したがって、１回の複写
でそれぞれのフラッシュボイラーによって付加される水
は紙の重さの約2 ％の重さしか紙に付加しない。そし
て、すでに紙に存在する水の量を約20％しか増加させな
いのである。そのような湿気の増加は、紙の機械的な特
性での大きな変化を伴うことなく、ほとんどの形態のボ
ンド紙によって適度に吸収される。さらに、紙に加えら
れた水はおそらく環境には影響しないであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による融着装置の断面図を示す。

【図２】本発明による融着装置の紙送り装置に関する概
略立面図を示す。

【図３】本発明のもう１つの実施例の概略立面図を示
す。

【符号の説明】

１０・・・フラッシュボイラー１２、１４・・・アルミニウムブロック１６・・・シム１８・・・中央通路１９・・・スリット２０・・・紙送りドラム２４・・・空洞２６、３２、２８・・・通路３０・・・スロットル３４・・・温度監視システム３６・・・絶縁素材４０・・・溝１２０・・・融着部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マイケルジェイ．レヴィアメリカ合衆国 14580 ニューヨーク州ウェブスタージョイリーンドライブ 913

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静電写真印刷装置において、複写用紙の
表面にトナー材料を融着する方法であって、複写用紙の
表面に水蒸気を凝縮することによってトナー材料に熱を
伝える段階を備えたことを特徴とするトナー材料の融着
方法。