JPH11237801A

JPH11237801A - トナー画像を定着させるための方法および装置

Info

Publication number: JPH11237801A
Application number: JP10356173A
Authority: JP
Inventors: Carsten Dr Schoenfeld; シェーンフェルトカーステン
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 1999-08-31
Also published as: DE59805499D1; DE19755584A1; EP0924575B1; EP0924575A3; US6067437A; EP0924575A2

Abstract

(57)【要約】【課題】公知の種々の定着法の欠点を十分に回避す
る。【解決手段】トナー画像がガスにさらされる定着ゾー
ンを通じて画像支持体を搬送するための搬送装置を備え
た、画像支持体上のトナー画像を非接触式に定着させる
ための装置が、著量の水蒸気を含有する熱ガスを発生さ
せるための装置を有しており、熱ガスが、ちょうど定着
ゾーンに存在しているトナー画像を取り囲む、ほぼ閉じ
られた室３に導入されるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像支持体上のト
ナー画像をガスにさらすことによってトナー画像を非接
触式に定着させるための方法に関する。

【０００２】さらに本発明は、トナー画像がガスにさら
される定着ゾーンを通じて画像支持体を搬送するための
搬送装置を備えた、画像支持体上のトナー画像を非接触
式に定着させるための装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】電子写真においてトナー画像を定着させ
るために使用される方法は、原則的に接触定着法と非接
触定着法とに区別される。第１のグループ、つまり接触
定着法には、熱ローラまたは熱ベルトによる定着ならび
に圧力定着が所属しており、特に圧力定着は場合によっ
ては、高められた温度の影響を受けて行われる。第２の
グループ、つまり非接触定着法には、たとえば連続的に
作動するランプまたはパルス式に作動するランプを使用
する輻射定着法または溶剤蒸気を用いた物理・化学的な
定着法が所属している。

【０００４】これらの方法のうち、現在では熱ローラ定
着法が十分に普及しているが、ただし熱ローラ定着法に
は幾つかの欠点が付随しており、これらの欠点を回避す
るためには、その代償として別の個所で、高められた手
間または印刷品質における損失が甘受されなければなら
ない。熱ローラ定着法が抱える大きな問題は、いわゆる
「ホットオフセット」である。このようなホットオフセ
ットが生じると、溶融したトナーがローラ表面に付着し
たままとなり、しかもその後ローラが回転した後に再び
画像支持体に引き渡される。すなわち、特徴的な「ゴー
スト画像」が発生するわけである。

【０００５】このような欠陥を阻止するために、ローラ
材料は、低表面エネルギを有するように選択され（たと
えばＰＴＦＥまたはシリコーンゴム）、また付加的に低
粘度の離型剤、一般にはシリコーンオイルが表面に塗布
される。これらの手段は、ユニットを高価にすると同時
に、印刷物への望ましくないシリコーンオイル塗布、ひ
いてはコントロール不能な光沢をも招いてしまう。同様
に、ホットオフセットを阻止する目的で、使用されるト
ナーにも面倒な要求が課せられる。すなわち、トナーの
機械的モジュール（粘弾性特性）は、十分な弾性成分に
よりホットオフセットが阻止されるように調節されてい
なければならない。このことは、定着時のトナーの流動
性を損ない、その結果、トナー滴の十分な凝集が妨げら
れてしまう。このように損なわれた流動性はさらに、ト
ナー製造プロセスにも不都合な影響を与える。なぜなら
ば、過度に弾性的な材料は粉砕プロセスにおいて障害と
なるからである。その上、ホットオフセットを阻止する
ためにはトナーに内部離型剤が添加される。このような
内部添加剤はやはりトナー製造を複雑にし、トナーを高
価にする。

【０００６】定着法の第２のグループ、つまり非接触定
着法では、ホットオフセットの問題は生じない。すなわ
ち、トナーは「理想的な流動性」を有するように製造さ
れ得る。シリコーンオイルや内部離型剤も必要とされな
い。非接触定着法の欠点は、必要とされる熱をトナー層
へコントロールして導入することに関するものである。
全ての輻射系では、熱効率が、少なくとも比較的高い定
着速度においては、ローラ定着法の場合よりも低い。

【０００７】連続的に作動する輻射系は本質的に、安全
技術上の問題を有している。このような問題を考慮し
て、機械構造上の手間が甘受されなければならない。す
なわち、紙搬送が中断されると（たとえば紙溜りによ
り）、紙が発火する危険が大となる。それゆえに、この
ような輻射系は通常、紙搬送を比較的容易に監視するこ
とのできるロール機械において使用され、シート機械に
おいては使用されない。

【０００８】パルス式に作動する輻射法、つまりフラッ
シュ定着系はしばしば、トナー層の局所的な過熱を生ぜ
しめ、このような過熱はポリマーの熱破壊を招き、ひい
ては不健康的でかつ悪臭を放つガスの放出を招く。さら
に、トナー層の迅速な加熱に基づき、トナー層がマイク
ロ爆発する傾向がある。このようなマイクロ爆発の痕跡
は均一な面充填を阻止する。

【０００９】溶剤蒸気を用いた定着法は、画像支持体上
のトナー層が蒸気によって膨潤させられる、という原理
に基づき実施される。これにより、画像支持体上に液状
の塗料フィルムが形成され、この塗料フィルムは基本的
に液状の印刷塗料と同様の特性を有していて、潜在的に
高い画像品質を提供するとされている。定着が行われた
後に、溶剤は再び画像支持体から除去される。この方法
の欠点は明らかである。すなわち、印刷機における有機
溶剤の取扱いは作業保護や環境保護の見地から望ましく
ない。さらに、公知の系はさらにハロゲン化溶剤（ＦＣ
ＫＷ）にも基づいており、このような溶剤の使用はほと
んど考えられない。

【００１０】さらに、１００℃よりも著しく高い温度
（典型的な定着温度は１７０℃である）で実施される全
ての公知の方法は、極めて重要な印刷画像支持体である
紙を損なってしまう。すなわち、これらの方法は紙に含
まれている水分を駆出して、紙を変形させてしまう。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上で
述べたような種々の問題を十分に回避することのでき
る、トナー画像を定着させるための方法および装置を提
供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の方法では、冒頭で述べた方法において、ガス
が、著量の水蒸気を含有する熱ガスであるようにした。

【００１３】さらに上記課題を解決するために本発明の
装置の構成では、冒頭で述べた装置において、当該装置
が、著量の水蒸気を含有する熱ガスを発生させるための
装置を有しており、熱ガスが、ちょうど定着ゾーンに存
在しているトナー画像を取り囲む、ほぼ閉じられた室に
導入されるようにした。

【００１４】

【発明の効果】本発明による定着法は、輻射系とは異な
り熱伝達媒体として水蒸気を使用し、かつ溶剤蒸気系と
は異なりトナーの著しい膨潤を生ぜしめない非接触定着
系である。定着作用は主として、過剰加熱された水蒸気
中に蓄えられた熱が、水分子とトナーとの衝突によって
トナーに伝達され、これによりトナーが溶融することに
基づいている。画像支持体が紙である場合には、熱空気
の、高められた含水量に基づき、紙の乾燥が遅延され
る。定着の直後に行われる冷却により、紙乾燥を付加的
に阻止することができる。

【００１５】熱ガスは１００％が水蒸気から成っていて
もよいが、しかし実際には熱ガスは空気と水蒸気とから
成る混合物となる。しかし、空気含量が増大するにつれ
て、トナーへの熱伝達効率は低下する。印刷支持体もし
くは画像支持体として紙が使用される場合には、熱ガス
中の水蒸気と空気との比を、紙乾燥が最適に阻止される
ように調節することができる。

【００１６】本発明を用いると、トナー画像を印刷支持
体もしくは画像支持体である個別シートにもエンドレス
紙にも定着させることができる。

【００１７】本発明による装置の第１の有利な構成で
は、当該装置が、１つの側を除いてほぼ閉じられたケー
シングを有しており、該ケーシングの開いた側が、小さ
な間隔を置いて画像支持体搬送路に隣接しており、前記
ケーシングと画像支持体搬送路とが、ほぼ閉じられた室
を仕切っている。

【００１８】本発明による装置の第２の有利な構成で
は、当該装置が、ほぼ全ての側で閉じられたケーシング
を有しており、該ケーシングが、ほぼ閉じられた室を仕
切っており、さらに前記ケーシングが、細長くて小幅の
２つの開口を有しており、両開口を通じて画像支持体搬
送路が延びている。

【００１９】このように閉じられた室またはオーブンは
定着ガスを有しており、この室またはオーブンを通じて
画像支持体の搬送が行われる。このような閉じられた室
またはオーブンは、高い技術的手間をかけないと、それ
ほどガス密に形成することができない。しかし、定着ガ
スの圧力が大気圧とそれほど大きく異ならないように形
成されれば、シール性の問題はほとんど生じなくなる。
これにより、ある程度は不可避である非シール性が生じ
た場合でも、周辺環境との著しいガス交換は行われな
い。

【００２０】オーブン内に、水蒸気を集中した形で画像
支持体に噴射するノズル装置を設けることにより、熱交
換を増幅することができる。択一的にオーブンは、ほと
んど強制付与された流れなしに（つまり対流しか行わな
い）、水蒸気の存在だけがトナーの溶融を生ぜしめるよ
うにも構成され得る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面につき詳しく説明する。

【００２２】電子写真式のプリンタにおいて、紙シート
は順次に種々のステーション、つまり露光ステーション
と現像ステーションと定着ステーションとを通過する。
図１には、定着オーブンとして形成された定着ステーシ
ョンを通過する２つの連続した紙シート１が示されてい
る。この場合、紙シート１は、図面で見て左側または右
側に向かって走行する搬送ベルトの平坦な区分（図示し
ない）に載置されている。定着ステーションはほぼ直方
体形のケーシング２を有しており、このケーシング２は
シート幅にわたって延びていて、紙シート１に向けられ
た開いた側を有している。ケーシング２の側壁と紙シー
ト１との間の間隔は、できるだけ小さく形成されるの
で、ケーシング２の内部には、ほぼ閉じられた室３が形
成される。ケーシング２の側壁と紙シート１との間に
は、かろうじてまだケーシング２の傍らを通る非接触式
の紙搬送を許すような間隔が与えられており、この場
合、室３のガス密性をシール部材１０によって改善する
ことができる。これらのシール部材１０はケーシング下
側に紙シート１に対向するように設けられる（図１およ
び図２に概略的に示す）。

【００２３】ケーシング２は隔壁４によって下側の部分
室３ａと、上側の部分室３ｂとに分割されている。両部
分室３ａ，３ｂは図面で見て左側で互いに接続されてい
るので、室３はＵ字形の横断面を有している。図面で見
て右側では、下側の部分室３ａにガス流入導管５が、上
側の部分室３ｂにガス流出導管６が、それぞれ開口して
いる。ガス流入導管５からは、たとえば３００℃の温度
を有する熱水蒸気が供給される。この水蒸気は図示の矢
印に沿って室３を貫流して、ガス流出導管６を介して再
び室３から流出する。

【００２４】熱水蒸気は、紙シート１が定着ステーショ
ンを通過する間に紙シート１を擦過する。これにより、
現像ステーションにおいて紙シート１に施与されたトナ
ー画像が溶融される。定着ステーションから進出した後
に、トナー画像もしくは紙シート１は冷却装置（図示し
ない）によって冷却されるので、トナー画像は永続的に
紙に結合される。

【００２５】図２には、図１に示した定着ステーション
の変化実施例が示されている。この場合、それぞれ図１
のケーシング２に類似している２つのケーシング半部７
ａ，７ｂが設けられており、両ケーシング半部の開いた
側が互いに向かい合って位置している。これにより、下
側の部分室８ａと上側の部分室８ｂとを備えたほぼ閉じ
られた室８が形成される。ケーシング半部７ａ，７ｂの
側壁は、互いに小さな間隔を有しているので、細長い小
幅の開口９ａ，９ｂが形成される。これらの開口９ａ，
９ｂを通じて紙シート１は図面で見て左側または右側に
向かって搬送される。両ケーシング半部７ａ，７ｂはそ
れぞれ図１の実施例の場合と同様のガス流入導管５とガ
ス流出導管６とに接続されている。この実施例では、両
ケーシング半部７ａ，７ｂが、図１の実施例におけるケ
ーシング２とは異なり隔壁を有しておらず、熱水蒸気は
各部分室８ａ；８ｂの内部で、矢印で示したように紙表
面において冷却されて対流によって運動する。

【００２６】図２に示した実施例では、トナー画像を備
えたシート上面だけが熱水蒸気によって擦過されるので
はなく、シート下面も熱水蒸気によって擦過される。こ
のことは紙の乾燥を極めて信頼性良く阻止する。水蒸気
をシート下面にも到達させるためには種々様々の手段を
使用することができる。たとえば、紙シートが室８を通
過する間、紙シートの側部を保持するか、あるいはま
た、ガス透過性の搬送ベルトを使用することもできる。

【００２７】図３に示した線図は、水蒸気がケーシング
２またはケーシング半部７ａ；７ｂを通過する間に、水
蒸気が所定の温度Ｔから１００℃にまで冷却される際
の、水蒸気の利用可能なエネルギ含量Ｕを見積もったも
のである。すなわち、図３は、過剰加熱された水蒸気の
過剰内部エネルギを示すものである。

【００２８】次に、オーブン室内への熱ガスの吹込みに
基づく機能原理を有する、電子写真式の印刷システムの
ためのトナー定着ステーションにおけるトナーの対流定
着に関するエネルギ平衡もしくはエネルギ勘定の詳細な
検証を行う。この場合、図２に示したような対流定着か
ら出発する。

【００２９】現在知られている他の非接触定着法、たと
えば輻射定着法とは異なり、本発明による系では、加熱
エレメントの熱放射線の形で生じるエネルギは、直接に
定着のために利用されるのではない。２つの例、つまり
熱空気を導入するか、または熱水蒸気を導入する例につ
き、以下に示す簡単な計算により、加熱された水蒸気に
よる熱伝達コンセプトが実現可能となることを証明す
る。この計算のために使用される数量および定数は以下
の通りである：モル内部エネルギ [Jmol^-1] U モル熱容量 [JK^-1mol^-1] c_p 熱力学的温度 [K] T モル体積 [m³mol^-1] V_m 体積当たりのエネルギ [Jm^-3] E_V 出力 [W] P 圧力 [Pa] p 体積流 [m³s^-1] I_V 一般ガス定数 [JK^-1mol^-1] R＝8.3144JK^-1mol^-1

【００３０】

【数１】

【００３１】（２）定着のために必要とされるエネルギ
の見積もり想定１：空気の２つの主成分、つまりＮ_２（７８％）お
よびＯ_２（２１％）は、ｃ_ｐ＝２９ＪＫ^−１ｍｏｌ^−１
のモルの熱容量を有している。すなわち、この値は乾燥
した空気のためにも代入され得る。

【００３２】想定２：定着室内の圧力はｐ＝１・１０^５
Ｐａ（１ｂａｒ）である。

【００３３】想定３：空気の最終温度が標準トナーの軟
化温度よりも下にあることはない。この温度として１２
７℃を代入する。つまりＴ_１＝４００Ｋである。

【００３４】刊行物「ダス・ドゥルッカブーフ（Ｄａｓ
Ｄｒｕｃｋｅｒｂｕｃｈ）」（ＯｃｅＰｒｉｎｔｉ
ｎｇＳｙｓｔｅｍｓ，１９９２年、第３頁〜第１６
頁）におけるＧ．ゴールドマン（Ｇ．Ｇｏｌｄｍａｎ
ｎ）著の「テヒノロギ・デア・ＯＰＳ‐ホーホライスト
ゥングスドゥルッカ（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｄｅｒ
ＯＰＳ−Ｈｏｃｈｌｅｉｓｔｕｎｇｓｄｒｕｃｋｅ
ｒ）」によれば、トナーの定着のための所要エネルギ量
Ｑは、主として紙の熱容量と、紙中に蓄えられた水分の
蒸発熱とから得られる。５％の含水量では、Ｑ＝２３６
Ｊ／ｃｍ^３が得られる。トナーのエネルギ消費は、少量
のトナー量に基づき無視し得る程度である。

【００３５】想定４：見積もりのために、以下の想定が成される：紙重量Ｇ＝０．１５ｋｇ／ｍ^２印刷速度ｖ＝０．３ｍ／ｓ印刷幅ｌ＝０．３ｍ密度ｒ＝７００ｋｇ／ｍ^３

【００３６】

【数２】

【００３７】想定５：定着効率はｆ_ｅ＝０．１、つまり
１０％である。

【００３８】上記想定１〜５からのＴ_１、ｃ_ｐ、ｐ、Ｐ
_ｆおよびｆ_ｅのための値を上記式（８）に挿入すると、

【００３９】

【数３】

【００４０】が得られる。

【００４１】これにより、たとえば４・１０^−３ｍ^３ｓ
^−１（＝１５ｍ^３／ｈ）の空気圧送出力（１ｋＷの出力
消費を有する公知のポンプの圧送出力に相当する）のた
めには、５・１０^１６Ｋの温度、つまり法外な高さの値
が算出される。

【００４２】上記式（１２）を体積流Ｉ_Ｖに関して解く
と：

【００４３】

【数４】

【００４４】となり、与えられた空気温度のための、必
要となる空気体積流を算出することができる。空気の最
大可能な温度では、紙が約２３３℃（５０６Ｋ）で発火
することが考慮されなければならない。この温度を熱空
気に当てはめると、０．５５ｍ ^３ｓ^−１の体積流が算出
される。しかし３００℃に関しても、相変わらず０．３
６ｍ^３ｓ^−１、４００℃においては０．２５ｍ^３ｓ^−１
が得られる。このように高い体積流は、かなりの技術的
な手間をかけた場合にしか実現可能でない。

【００４５】（３）熱伝達媒体としての水蒸気上記式（８）は、定着のために使用されるガス温度と、
必要とされる体積流との間の関係を表している：

【００４６】

【数５】

【００４７】系を、技術的に実現可能となるように変え
るためには、上記式（８）における指数が減じられなけ
ればならない。このことは、たとえば定着効率ｆ_ｅを高
めるか、または圧力ｐを高めることによって行うことが
できる。定着効率に関しては、いずれにせよ技術的に可
能となる限りの努力がなされる。１０％が著しく越えら
れるのかどうか、またはそもそもこの値が達成されるの
かどうかは、確かめてみないと分からない。圧力の増大
は高い技術的手間をかけた場合にしか可能でなく、した
がって圧力の増大は排除される。

【００４８】さらに、定着のために必要とされる出力Ｐ
_ｆを減少させ、ガスの熱容量ｃ_ｐを高める、という可能
性が残っている。両可能性は熱伝達媒体として水蒸気を
使用することによって可能となる。Ｐ_ｆは減じられる。
なぜならば、紙からの水の駆出が水蒸気雰囲気中で阻止
されるか、または少なくとも減速され、したがって前で
挙げたゴールドマンによれば、定着のためのエネルギの
約５０％しか必要とならないからである。他方におい
て、ｃ_ｐが高められる。なぜならば、空気の熱容量が２
９ＪＫ^−１ｍｏｌ^−１であるのに比べて水蒸気の熱容量
が３３．６ＪＫ⁻ ^１ｍｏｌ^−１であるからである。この
値を上記式（８）に、その他の条件は不変のままで挿入
すると、前記の式（１２）および式（１３）と同様に、

【００４９】

【数６】

【００５０】が得られる。

【００５１】この場合、３００℃のガス温度では、計算
により０．１６ｍ^３ｓ^−１の体積流が得られる。この値
は熱空気に比べて約６６％の改善に相当する。

【００５２】このような関係は図４により示されてい
る。図４には、上記式（１２）および上記式（１４）に
基づき熱伝達媒体として熱空気および水蒸気を使用して
トナーの対流定着を実施した場合の、必要されるガス温
度と、体積流との関係が示されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】画像支持体搬送路の上方に配置された定着オー
ブンの横断面図である。

【図２】画像支持体搬送路を取り囲む定着オーブンの横
断面図である。

【図３】過剰加熱された水蒸気の内部エネルギの過剰量
を示す線図である。

【図４】対流定着のために必要とされるガス温度と、熱
伝達媒体としての熱空気もしくは水蒸気のための体積流
との関係を示す線図である。

【符号の説明】

１紙シート、２ケーシング、３室、３ａ，
３ｂ部分室、４隔壁、５ガス流入導管、６
ガス流出導管、７ａ，７ｂケーシング半部、８
室、８ａ，８ｂ部分室、９ａ，９ｂ開口、１
０シール部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 390009232 Ｋｕｒｆｕｅｒｓｔｅｎ−Ａｎｌａｇｅ 52−60，Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ，ＦｅｄｅｒａｌＲｅｐｕｂｌｉｃｏｆＧｅｒｍａｎｙ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画像支持体上のトナー画像をガスにさら
すことによってトナー画像を非接触式に定着させるため
の方法において、ガスが、著量の水蒸気を含有する熱ガ
スであることを特徴とする、トナー画像を定着させるた
めの方法。
【請求項２】熱ガスが約１５０〜４００℃の温度を有
している、請求項１記載の方法。
【請求項３】画像支持体を、トナー画像がガスにさら
されるゾーンに通して搬送し、引き続き、トナー画像が
アクティブに冷却されるゾーンに通して搬送する、請求
項１または２記載の方法。
【請求項４】画像支持体が紙である、請求項１から３
までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】トナー画像がガスにさらされる定着ゾー
ンを通じて画像支持体を搬送するための搬送装置を備え
た、画像支持体上のトナー画像を非接触式に定着させる
ための装置において、当該装置が、著量の水蒸気を含有
する熱ガスを発生させるための装置を有しており、熱ガ
スが、ちょうど定着ゾーンに存在しているトナー画像を
取り囲む、ほぼ閉じられた室（３；８）に導入されるよ
うになっていることを特徴とする、トナー画像を定着さ
せるための装置。
【請求項６】当該装置が、１つの側を除いてほぼ閉じ
られたケーシング（２）を有しており、該ケーシング
（２）の開いた側が、小さな間隔を置いて画像支持体搬
送路に隣接しており、前記ケーシング（２）と画像支持
体搬送路とが、ほぼ閉じられた室（３）を仕切ってい
る。請求項５記載の装置。
【請求項７】当該装置が、ほぼ全ての側で閉じられた
ケーシング（７ａ，７ｂ）を有しており、該ケーシング
（７ａ，７ｂ）が、ほぼ閉じられた室（８）を仕切って
おり、さらに前記ケーシング（７ａ，７ｂ）が、細長く
て小幅の２つの開口（９ａ，９ｂ）を有しており、両開
口（９ａ，９ｂ）を通じて画像支持体搬送路が延びてい
る、請求項５記載の装置。
【請求項８】熱ガスが、約１５０〜４００℃の温度を
有している、請求項５から７までのいずれか１項記載の
装置。
【請求項９】画像支持体が、ほぼ閉じられた室（３；
８）から進出した後に、画像支持体を冷却するための冷
却装置が設けられている、請求項５から８までのいずれ
か１項記載の装置。
【請求項１０】画像支持体が紙である、請求項５から
９までのいずれか１項記載の装置。