JPH08305193A

JPH08305193A - 定着装置

Info

Publication number: JPH08305193A
Application number: JP7331803A
Authority: JP
Inventors: Masayasu Anzai; 正保安西; Tsuneaki Kawanishi; 恒明川西; Katsuya Kawai; 克哉河合; Masanori Nakamura; 正憲中村
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1995-12-20
Publication date: 1996-11-22

Abstract

(57)【要約】【課題】カプセル状構造を有するトナーに適した定着装
置を提供する。【解決手段】感光体ドラム１は帯電ローラ２にて帯電さ
れ、レーザビーム４にて潜像が形成され、現像器５にて
トナー像が作られ、用紙１１にトナー像が転され、これ
をヒートロール１７、バックアップロール１９にて定着
する。このとき現像剤温度はトナーのコア部のガラス転
移点温度と同程度以下もしくはシェル部のガラス転移点
温度より約１０℃以上低い温度で、定着ロール温度は１
００〜１７０℃で動作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録材に形成され
た着色粉体トナー像を記録材に定着する定着装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の装置、例えば静電潜像を現像定着
する電子写真法による印刷装置では特開平４−３４２２
６８号公報、特開平５−１８８８０５号公報等に記載さ
れているように、感光体上に形成されたトナー像を記録
用紙に転写し、これを熱ロールにて熱定着する構成にな
っており、その定着ロールの温度は、低速である場合を
のぞき、ヒートローラに給油しない方式においては、高
温（１８０〜２００℃以上で）で使用していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来の装置では
定着温度が高いために定着に必要な電力を多く必要とし
たり、定着ロールや機構部品に高温耐用品とするために
コスト高となったり、あるいは寿命が短くなる問題、熱
による用紙変形、損傷を回避することが困難である問
題、高熱に対する安全、発火等に対する問題があった。
一方、定着温度を下げるために熱溶融しやすいトナーを
用いると現像剤、もしくは現像器の寿命が短かくなる問
題、トナー粒径が小さいと一層定着し難い問題があっ
た。

【０００４】本発明の目的は、かかる従来の問題を解決
し、印刷速度が比較的速い８０〜２００ｍｍ／秒の速度
においても、定着装置を低コストで実現するとともに、
長寿命な現像剤、現像器を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、記録材に形
成された着色粉体トナー像を前記記録材に定着する定着
装置において、前記着色粉体トナー像の形成に用いられ
るトナーは、コア部とシェル部からなるカプセル状構造
を有するとともにその体積平均粒径が４〜１０μｍであ
って、前記コア部のガラス転移点温度が３５〜５５℃の
範囲にあるものであって、前記トナーによって記録材上
に形成された着色粉体トナー像を、無給油型接触定着手
段で定着することにより達成される。

【０００６】上記のように構成された定着装置は、現像
器内においてトナーが凝集したり、現像器や潜像形成媒
体に融着したり、現像剤の寿命を低下させることがな
く、定着器温度を１００〜１７０℃と低温度において
も、体積平均粒径が４〜１０μｍのトナーを記録媒体表
面に強固に定着するように作用する。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は電気的潜像を帯電した粉
体トナーで現像する静電記録、電子写真記録、磁気的潜
像を磁性と有する粉体トナーで現像するマグネトグラフ
ィにより用紙にトナー像を形成する方式、帯電もしくは
磁性を有する粉体トナーを直接現像器より電界もしくは
磁界により飛翔（転移）せしめてトナー像を形成する方
式にも適用できるものであるが、以下では説明上電子写
真方式での実施例を述べる。

【０００８】図１は本発明を適用した印刷装置の構成例
である。直径１５〜５０ｍｍの光導電感光体ドラム１
を、周速８０〜２００ｍｍ／ｓで回転しつつ、導電性ゴ
ムから成る帯電ローラ２（直径１０〜２０ｍｍ）に直流
１０００〜１５００Ｖの帯電電源３を印加し、該感光体
ドラムを４００〜８００Ｖに帯電する。帯電ローラ２の
代りに帯電ブラシ、帯電電源の代りに直流に交流を重畳
したものであっても良い。次にレーザビーム４にて記録
すべき情報にもとづく光像露光を行い電荷潜像をつく
る。

【０００９】続いてこれを現像器５にて現像し、感光体
ドラム１上に粉体トナー像をつくる。現像剤はトナーを
主成分とする１成分現像剤、トナーとキャリアとを主成
分とする２成分現像剤いずれも適用できるが、本現像器
５は２成分現像剤を使用するものである。固定したロー
ル状の磁石７の外側を回転する直径１０〜３０ｍｍの円
筒状の現像ローラ６に磁性キャリアと非磁性又は磁性ト
ナーからなる現像剤を磁気的に吸引しつつ回動搬送し、
感光体ドラム１の電荷潜像と現像剤とを接触せしめ帯電
したトナーを感光体に静電的に付着せしめ現像する。こ
こで現像器５には容量３００〜８００ｇの現像剤が収容
されている。

【００１０】本実施例ではトナーの帯電極性は感光体の
帯電極性と同極性で反転現像を行なう。現像ロールには
現像バイアス電源８が接続されトナーと同極性の２００
〜６００Ｖの電圧が印加されている。現像にともなって
現像剤中のトナーは消費されるので、ホッパ９よりフィ
ードローラ１０にて補給される。現像剤の温度が上昇し
すぎると、トナーの凝集、現像器や感光体へのトナーの
融着、キャリアへのトナーの融着が起り不都合であるの
で温度センサにて監視し現像器の冷却、警告発信もしく
はプリント動作の停止を行わせるようにする。この計
測、監視は必ずしも必要としないが、障害を防止する上
で好ましい。

【００１１】感光体ドラム１上のトナー像は、続いて用
紙１１に転写ローラ１２に印加された転写バイアス電源
１３の作用下で転写される。転写バイアス電圧としては
トナーと反対極性で１０００〜２０００Ｖの直流電圧が
印加される。用紙１１は感光体１から引き剥がされ、定
着器へ移送されるが、このとき転写バイアス電源と反対
極性をもつ除電電源１５から１０００〜３０００Ｖの直
流電圧が印加された除電針１４と消去ランプ１６の助け
をかり用紙を引き剥がす。除電針１４は転写ローラにて
用紙１１の裏面に帯電した電荷を気中放電により減衰せ
しむるものであり、消去ランプは感光体ドラム１上の電
荷を露光により減衰せしめ用紙先端部での用紙分離を助
けるものである。

【００１２】この他消去ランプ１６は、用紙間、印刷動
作の前処理、後処理動作時に感光体ドラムの電荷を減衰
せしめる役目もある。転写後にも残留する感光体ドラム
１上のトナーはクリーナハウジング２２内に設けられた
ブラシ２２（直径１０〜２０ｍｍ）にて摺動され、感光
体上で拡散もしくは１部がブラシに移行される。しか
し、残留トナーはドラム表面に付着する形で現像部まで
運ばれ、現像部にて回収される。このときブラシは導電
性もしくは半導電性でつくられ、トナーの同極性の直流
電圧２００〜２５０Ｖをブラシ電源２１より印加する方
式であるものが好ましい。ブラシは絶縁性のものも使え
るがこのときはバイアス電圧は不要である。導電性もし
くは半導電性のときでも、電圧０Ｖ或いは直流に交流を
印加する方式があっても良く、要は感光体ドラム上の残
留トナーを拡散させ、ドラムとトナーとの付着力を減じ
せしめるようにすることが肝要である。

【００１３】ブラシ電源２１と帯電電源３との関係は同
極性で、ブラシ電源電圧は帯電電源電圧より低く、且つ
感光体ドラムを帯電させない電圧（５００Ｖ以下）が好
ましい。このようにするとトナーを逆極性に帯電するこ
とが少なくかつ、帯電ローラ２へのトナー付着を防ぐこ
とができる。さらにブラシ２０と帯電ローラ２とを接触
せしめておくと帯電ローラをクリーニングすることもで
き均一な帯電を行うことができる。また、帯電ローラ２
と感光体ドラム１との速度を少しずらしておくと均一帯
電ならびに、感光体ドラム表面とトナーとの付着力を減
ずることができるので、現像部でのトナー回収効率が向
上する。ブラシ２０とハウジング２２とは軽く接触し、
ハウジングは誘電体でかつブラシと互に帯電しにくい部
材（帯電系列が近い部材）が好ましく、このようにする
とハウジング内へのトナーの滞積を抑止し、トナー回収
効率も良くなる。なお、ブラシは初期より回転方向に傾
斜した状態（寝ぐせがついた状態）で植毛すると、使用
にともなうブラシ径の減少を抑止できるので長寿命とす
ることができる。

【００１４】用紙１１に転写したトナー像を定着する定
着器としては、用紙とトナーとをロール状もしくはベル
ト状加熱部材で押圧するものが適している。図１の実施
例は、直径１５〜３０ｍｍのヒートロール１７とバック
アップロール１９とからなるロール状方式で、ヒートロ
ール１７の内側にはヒータ１８が設けられており、ヒー
トロール１７を適正温度（１００〜１７０℃好ましくは
１２０〜１６０℃）に加熱する。

【００１５】ヒートロール表面には、フッ素樹脂、シリ
コーン樹脂等の離形性層が設けられトナーの付着を防ぐ
ようにしてあるが、シリコーンオイル等のトナー付着防
止オイルを給油しないで用いる。

【００１６】ヒートロール、バックアップロール対に加
える圧力は０.５〜４ｋｇｆ／ｃｍ^２、好ましくは１．
０〜３ｋｇｆ／ｃｍ²、バックアップロールのゴム硬度
は１５〜７０度のものを使用する。このようにすると定
着器を構成する部材に対する熱ストレス、機械的ストレ
スを低く抑えることができるので、低コスト部品を採用
しても長寿命化を実現できる。

【００１７】上述の構成により、小型、低コスト、長寿
命な印刷装置とすることができるが、かかる装置として
は、従来その印刷速度が６０ｍｍ／ｓ以下のものは比較
的実現しやすいけれども、印刷速度８０〜２００ｍｍ／
ｓ程度とすると大型、高温な定着器とせざるを得ず、省
エネルギ定着、低コスト印刷装置の実現が困難であっ
た。本発明は種々の実験により、トナーの熱物性、現像
動作温度、定着温度、定着圧力の関係を工夫することに
より、この速度での実現を達成したもので、従来特に困
難であったトナーの体積平均粒径４〜１０μｍである微
粒子トナーであっても表面凹凸の大きな粗面紙、再生紙
への低温定着や、小径ロールでの定着ができるとともに
長寿命定着器、長寿命現像剤、長寿命現像器の実現を可
能とした。

【００１８】以下、トナー熱物性との関係を述べる。図
２は、図１の装置により印刷したときの現像剤の劣化の
状況を示すものである。使用した現像剤のトナーは、図
３に模式的に示したようにコア部２４、シェル部２５か
らなるカプセル状構造で、スチレン、アクリル、ポリエ
ステルなどの樹脂、カーボンを始めとする顔料や染料で
ある着色剤、電荷制御剤を主成分とするものである。そ
れらの比率は例えば９０：８：２ｗｔ％であって、体積
平均粒径４〜１０μｍの粉体を作成した後に体積平均粒
径３０ｎｍ前後の酸化硅素を０.１〜１ｗｔ％外添剤と
して加える。

【００１９】電荷制御剤はシェル部２５に多く含まれる
ようにすると帯電安定性の良いトナーを得ることができ
る。しかし、コア部への電荷制御剤量を零にすると再現
性や経時安定性、帯電立上り速度の面で劣り好ましくな
い。少なくとも１０〜２０％含有させると良い。また、
シェル材としてはポリエステル系樹脂を用いると、熱保
存特性を向上させることができる。カプセル状トナー
は、重合法、粉砕法等でコア部を作成した後、シェル部
材料で作った体積平均粒径０.５〜２μｍの極微粒子粉
体をコア部の周囲に密に付着させて、これを熱気流中を
通すことで作成できる。この他、化学的カプセル化手法
によっても作成できる。

【００２０】図２(イ)、(ロ)は粉砕法により作成した非
カプセル型トナーで、(ハ)はカプセル型トナーでの結果
である。(イ)はガラス転移温度ＴＧ＝５５℃、軟化温度
Ｔｍ＝１０８℃、(ロ)は各々６９℃、１２７℃であり、
(ハ)はコア部のガラス転移温度ＴＧ＝４４℃、軟化温度
Ｔｍ＝１０２℃とし、シェル部をＴＧ＝６０℃、Ｔｍ＝
１２０℃としたものである。なお、ＴＧは示差走査熱量
計で測定し、Ｔｍは高化式フローテスタ（ノズル径１ｍ
ｍ、長さ１ｍｍ、加重３０ｋｇ）で測定した。かかるト
ナーを、体積平均粒径１２０μｍのマグネタイトに変性
シリコーン樹脂を薄くコーティングしたものをキャリア
とする２成分現像剤（トナー濃度３ｗｔ％）を調整し図
１に示した構成の装置にてプリントした。

【００２１】用紙の移動速度（プロセス速度、定着速
度）は１５０ｍｍ／ｓ、現像剤の重量は５００ｇで、１
５００００頁使用後にキャリアに付着しているトナーの
量(スペントトナー量)を、使用時の現像剤の温度の関数
として調べた。トナー(イ)、(ロ)、(ハ)ともにスペント
トナー量が０.４ｗｔ％前後以上になると画像濃度低
下、カブリ増大、トナー飛散増加等の不具合を生じた。
このときの現像剤温度は(イ)、(ロ)ではＴＧより約１０
℃低い温度である。(ハ)では、コア部のＴＧと同程度も
しくは、シェル部のＴＧより１０〜１５℃低い温度であ
る。即ち(ハ)のコア部のＴＧは(イ)のＴＧよりも低いが
使用可能限界温度は高い。即ちこれより高い温度で使用
すると現像剤の寿命が短かいものとなってしまうので、
現像剤の温度をコア部のＴＧと同程度以下もしくはシェ
ル部のＴＧより１０℃以上好ましくは１５℃以上、低い
温度で使用するようにすると長寿命現像剤としての使用
ができる。このプロセス速度（１５０ｍｍ／ｓ）のとき
定着温度は、トナー(イ)、(ハ)の場合は、定着器として
ヒートロール径２５ｍｍ、バックアップロール（ゴム硬
度２５度）径２５ｍｍ、圧力２ｋｇｆ／ｃｍ²のものを
用い、１５０℃で実用的な定着強度（テープ剥離強度８
０％）が得られ、低圧力、低温での定着が実現できた。
また、トナー(イ)では定着速度８０〜２００ｍｍ／ｓに
対して定着温度は１２０〜１６０℃で充分な定着強度が
得られ、トナー(ハ)では１１０〜１５０℃で良好な定着
強度が得られた。さらに、コア部のＴＧを３５〜４０℃
とすることで定着温度を１００〜１４０℃とすることが
できる一方、ＴＧ＝５０〜５５℃では定着温度１３０〜
１７０℃を必要とした。トナー(ロ)では２００ｍｍ／ｓ
近傍では１７０℃ではやや定着不足であり、１７０〜１
８０℃を必要とし、１７０℃では圧力を約２倍しなけれ
ばならず低温、低圧力定着達することができなかった。
１６０℃以下の温度で、圧力１〜３ｋｇｆ／ｃｍ²での
定着のためにはＴｍを１２０℃以下、ＴＧを６５℃以下
とすれば良いことが同様の実験から判った。

【００２２】上述のトナーは、ポリエステル系の樹脂を
用いたものであるが、スチレンアクリル系樹脂を用いた
場合、定着強度に対しては同様の傾向であったが、現像
剤の温度とスペントトナー量については、ポリエステル
系よりスペントトナー量が多くなる傾向を示した。

【００２３】なお、定着器のヒートローラにシリコーン
オイルを給油する方式にすると、ヒートロールの使用温
度範囲を広げることができ、またトナーのＴｍを１００
℃以下、例えば９０℃のものを用い、画像への影響（オ
フセット）を防止することができたが、オイル供給をし
ない図１構成の印刷装置ではＴｍ＝１００℃以上とする
とこのような問題は生じなかった。また、２成分現像剤
に使用するキャリアは上述の他、フェライト、鉄粉系で
も、その粒径やトナー濃度により若干の差異はあるもの
の同様の結果が得られた。

【００２４】更に、現像剤としてキャリアを用いないも
の、所謂１成分現像剤としたときにも、現像剤の温度を
上述と同様の状態で使うようにすると、１成分現像器部
材である撹拌フィン、ブレード、現像ローラ等へのトナ
ー固着現象を起すことがなく長寿命な現像器とすること
ができた。また、低温定着であることは、ヒートロール
材、バックアップロール材、軸受材の長寿命化、低コス
ト材の採用を可能ならしめた。

【００２５】図４は、本発明を適用するに好都合なヒー
トローラの離形層を示すもので、特に、体積平均粒径４
〜１０μｍ、好ましくは５〜８μｍのトナーを、粗面
紙、再生紙のような用紙に定着するに適す。表面の凹凸
が大きい用紙に粒径が小さいトナーを定着することは難
しいが、本ヒートロールによれば、用紙表面の凹凸やト
ナーが盛り上って形成された線画トナー像の凸部に対し
て、ヒートロールの基体２６上に塗工形成された離形性
弾性体層２７が変形して、熱エネルギーをトナーに伝
え、圧力下でトナーを溶融軟化せしめるので低温、低圧
力下でも用紙に強固に定着せしめる。弾性体層の厚さは
５０〜２００μｍでゴム硬度（Ｃ形）２０〜６０度のも
のが使える。硬度は一般には低い方が定着に対しては好
ましいが、寿命が短い。３０〜４０度とすることで定着
性と寿命を両立できる。このようなものであるとき、バ
ックアップロールのゴム硬度を若干硬め４０〜７０度と
することで、ローラ対荷重を増すことなく、定着ニップ
部での単位面積当りの圧力を上げ、用紙凹凸部、トナー
凸部への弾性体表面の接触を良くすることができる。

【００２６】離形性弾性体層としては、シリコーンゴ
ム、フッ素ゴム、ポリテトラフルオレノン（ＰＴＦＥ）
テトラフルオロエチレン〜パーフルオロアルキルビニル
エーテル共重合体（ＰＦＡ）等が使用でき、これらを単
層もしくは二重構造（例えば６０μｍのシリコーンゴム
層上に２０μｍのＰＦＡ層を設ける）として構成する。
図４に示すように分散材２８１として低分子ＰＴＦＥを
フィラ２８２として高分子ＰＴＦＥを用いると、使用温
度である１００〜１７０℃でのゴム硬度が低下（軟化）
し、定着が良好に行われる一方、フィラとしてのＰＴＦ
Ｅは軟化程度は少なく耐摩耗強度を維持することができ
好都合である。かかる弾性層は、二種類のＰＴＦＥの粉
体を１：１〜１０：１の割合で混合したものを静電塗装
法で基体に付着せしめ、これを加熱溶融することで形成
することができる。

【００２７】なお、本発明は定着速度８０ｍｍ／ｓ以下
でも適用でき、その場合、定着温度を１００℃以下と低
温にできるものであるが、上述のごとく８０〜２００ｍ
ｍ／ｓと高速の場合に経済的効果が大きい。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、カプセル
状構造を有するトナーに適した定着装置を提供すること
ができる。また、低コストで且つ省電力、長寿命の定着
装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した印刷装置の実施例を示す構成
図である。

【図２】本発明に用いる現像剤の劣化特性を示す図であ
る。

【図３】本発明に用いる現像剤のトナーの模式図であ
る。

【図４】本発明に適した定着装置の実施例である。

【符号の説明】

１は感光体ドラム、２は帯電ロール、５は現像器、１１
は用紙、１８はヒートロール、１９はバックアップロー
ル、２３は温度センサである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村正憲茨城県ひたちなか市武田1060番地日立工機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】記録材に形成された着色粉体トナー像を前
記記録材に定着する定着装置において、前記着色粉体トナー像の形成に用いられるトナーは、コ
ア部とシェル部からなるカプセル状構造を有するととも
にその体積平均粒径が４〜１０μｍであって、前記コア
部のガラス転移点温度が３５〜５５℃の範囲にあるもの
であって、前記トナーによって記録材上に形成された着色粉体トナ
ー像を、無給油型接触定着手段で定着することを特徴と
する定着装置。
【請求項２】前記トナーを収容する現像器を、少なくと
も現像時は前記ガラス転移点温度以下の温度で動作させ
るとともに、現像して得られた着色粉体トナー像を記録
材に転写した後、前記着色粉体トナー像を無給油型接触
定着手段で定着することを特徴とする請求項１記載の定
着装置。
【請求項３】前記トナーを収容する現像器を、少なくと
も現像時は前記シェル部のガラス転移点温度よりも１０
℃以上低い温度で動作させるとともに、現像して得られ
た着色粉体トナー像を記録材に転写した後、前記着色粉
体トナー像を無給油型接触定着手段で定着することを特
徴とする請求項１記載の定着装置。
【請求項４】前記無給油型接触定着手段は、熱ロールを
有し、その表面温度が１００〜１７０℃、定着速度が８
０〜２００ｍｍ／秒であることを特徴とする定着装置。