WO2009122511A1

WO2009122511A1 - 画像形成方法

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Publication number: WO2009122511A1
Application number: PCT/JP2008/056367
Authority: WO
Inventors: 智章上田
Original assignee: 株式会社フォスメガ
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-08

Abstract

　未定着トナー像を高周波磁気誘導加熱により非接触で定着する画像形成方法において、トナーとして、結着樹脂と粒子径が１００ｎｍ以下の超常磁性微粒子を含むものを使用することにより、磁界の影響によるトナーの飛散を防ぎ、高画質の画像を形成する。

Description

画像形成方法

　本発明は、電子写真方式等の、被記録媒体上に未定着のトナー像を形成すると共に該未定着トナー像を被記録媒体に定着する画像形成方法に関する。

　乾式電子写真装置等の画像形成装置においては、被記録媒体上に未定着のトナー像を形成し、次いで、このトナー像を被記録媒体に定着することにより画像を形成する。このような画像形成装置において、被記録媒体に付着した未定着トナー像を定着させるための手段としては、一般に、未定着トナー像を担持した被記録媒体を加熱ローラと加圧ローラの間に通して、熱と圧力によりトナーを被記録媒体に定着させるものが用いられている。

　しかし、このような定着手段では、加熱ローラを定着可能温度で待機させるため電力消費が大きく、一方、省電力化のために加熱ローラを低温状態で待機させると、今度はその立ち上げに時間がかかるという問題がある。また、加熱ローラ－加圧ローラ間に被記録媒体を給紙するため、紙詰まりの問題もある。

　これらの問題に対しては、トナーとして高周波磁気誘導により発熱する金属粒子や磁性粒子を含有させたものを用い、未定着トナー像を担持した被記録媒体を高周波の磁界の中を通過させることにより、非接触でトナー自体を誘導加熱して溶融定着させる定着方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
　この方法では、発熱メカニズムとして、金属微粒子を含有させたトナーに高周波磁界を印加すると金属微粒子内に流れるうず電流に起因するうず電流損失が発生して発熱する作用、あるいは強磁性微粒子を含有させたトナーに高周波磁界を印加すると強磁性微粒子の有する磁気ヒステリシス特性に起因してヒステリシス損失が発生して発熱する作用を利用している。
　しかし、これらの方式では磁性粒子を含有させたトナーを用いるため、未定着のトナー像が磁界の中を通過する際、磁力線の影響でトナー粒子が飛散し、画像が乱れるという問題がある。

　加えて、これらのうず電流損失又はヒステリシス損失を用いる高周波磁気誘導加熱方式においては、トナーを溶融定着させるのに必要な熱量を発生させるため、トナーに含有させる磁性粒子の粒子径を比較的大きく（数十μｍ～１μｍ程度）する必要がある。
　すなわち、うず電流損失方式の場合にはうず電流損失Ｐは金属微粒子径ｄと励磁周波数ｆと磁束密度Ｂの積の２乗に比例するため、トナーを溶融定着させるのに必要な電流損失Ｐを確保するには粒子径ｄをある程度大きくする必要がある。また、ヒステリシス損失方式の場合には強磁性微粒子の粒子径が小さくなるにつれて磁気ヒステリシスのループ面積が小さくなり、１００ｎｍを切ると完全に磁気ヒステリシス特性が失われて超常磁性となり、磁気ヒステリシス損失による加熱はできなくなるため、粒子径を小さくすることができない。
　そのため、これらの方式で利用するトナーは透明性が損なわれ、モノクロ画像の形成にしか適用できないという欠点も有する。

特開平１－１３４３８５号公報

　本発明の目的は、高周波磁気誘導加熱を利用して、非接触でトナー粒子を飛散させることなく未定着トナー像を定着し、画質の良好な画像を形成することにある。

　本発明者が磁界の影響下における磁性粒子の挙動について研究したところ、磁性粒子の飛散は、外部から印加された高周波磁界によって各磁性粒子が磁化し、磁力線方向の近接した磁性粒子が互いに引き付けあい、凝集し、あるいは、磁力線と直交方向にある磁性粒子が互いに反発することによってその位置を大きく変えるために引き起こされる現象であることが分かった。しかも、磁化による磁気力はその距離の２乗に反比例するので、どこか一か所で凝集が起こると雪崩現象を引き起こして凝集が磁界の作用する全領域に波及する。

　ところで、磁化によって引き起こされる磁気力の大きさは、磁性粒子の質量に概ね依存する。したがって、発熱効率（磁性体が単位質量当たり発生する熱量）の高い磁性粒子を用い、トナーに含まれる磁性粒子の量を低減できれば、磁性粒子を含む各トナー粒子に働く前述の磁気力も小さくなり、トナーの飛散を防止できると考えられる。

　そこで、高周波磁気誘導によって発熱する発熱効率の高い代替磁性粒子について検討したところ、粒子径１００ｎｍ以下の超常磁性微粒子において観測されるネール（Ｎｅｅｌ）緩和やブラウン緩和という発熱現象は発熱効率がきわめて高く、粒子径１００ｎｍ以下の超常磁性微粒子がトナーの加熱定着用の発熱磁性粒子に適していることが分かった。

　粒子径１００ｎｍ以下の超常磁性微粒子の特性に関する近年の研究において、高周波磁界の励磁下ではブラウン緩和やネール緩和と呼ばれる原理での発熱現象が観測されている。ブラウン緩和とは磁性微粒子自体が高周波磁界によって発生する磁化により微粒子のスピンの向きを揃えようとする状態とブラウン運動による熱的拡散状態を繰り返すことによる発熱メカニズムである。また、ネール緩和とは、超常磁性微粒子内の原子のスピンの向きが印加される高周波磁界によって磁化の向きを変えることで発生する発熱メカニズムである。
　なお、本発明者が、超常磁性微粒子の粒子径ｄと発熱量Ｐとの関係について研究したところ、粒子径１８ｎｍから２３ｎｍの超常磁性微粒子が他の粒子径のものに比して発熱効率がよいことが判明している。

　以上の知見に基づき、トナーとして、粒子径が１００ｎｍ以下の超常磁性微粒子を含有するものを用い、ネール緩和及び／又はブラウン緩和による高周波磁気誘導加熱を行うことにより、未定着のトナー像を高周波磁気誘導加熱により非接触で溶融定着させる画像形成方法においても、トナー粒子の飛散が起こらず、乱れのない高画質の画像が形成できることを見出した。

　本発明によれば、電子写真方式等の被記録媒体上に未定着のトナー像を形成すると共に、高周波磁気誘導加熱を利用して非接触で該トナー像を被記録媒体に定着する画像形成方法において、低消費電力で、かつ、高画質の画像を形成することができる。
　さらに、本発明によれば、トナーの加熱定着用の磁性粒子の大きさを著しく小さくできるので、トナー粒子の透過性が改善され、モノクロ画像だけでなく、解像度が高く、彩度の高いカラー画像を形成することができる。

　以下に、本発明について具体的に説明する。
　まず、本発明における定着工程について説明する。
　本発明における定着工程は、高周波磁界を発生し、この磁界によりトナーに含まれる超常磁性微粒子を非接触で高周波磁気誘導してネール緩和及び／又はブラウン緩和による緩和熱を発生させ、この熱によりトナーを溶融し、被記録媒体に溶融定着させるという原理に基づくものである。

　本発明において定着手段は、定着すべき未定着トナー像の一部または全体を覆うことのできる領域に高周波磁界を発生させる。これにより、トナーに含まれる超常磁性微粒子をネール緩和及び／又はブラウン緩和によって発熱させ、トナーを溶融する。

　本発明における定着手段は磁界発生手段を有するが、その磁界発生手段に限定はなく、例えば、高周波励磁コイルが挙げられる。高周波励磁コイルでは、コイルに交流電流を流して高周波の磁界を発生させる。コイルは、導電性のコイル線材をコイル状に巻いたものであればよく、一般の誘導加熱装置において使用されているものを用いることができる。また、コイルに流す交流電流の周波数は、トナーに含まれる超常磁性微粒子にネール緩和及び／又はブラウン緩和を引き起こすものであればよく、トナーの材料、構造、粒子径、トナーに含まれる超常磁性微粒子の種類、粒子径等、に応じて適宜設定することができる。このような周波数は、一般に、うず電流損失やヒステリシス損失を利用する高周波磁気誘導方式に利用される周波数より高周波であり、通常１００ｋＨｚ～１０ＭＨｚ程度である。なお、３００ｋＨｚ～５ＭＨzであってもよく、８００ｋＨｚ～１ＭＨzであってもよい。

　また、磁界発生手段として一個の大きな高周波励磁コイルを用いてもよいし、複数個の高周波励磁コイルを用意し、それらを横及び／又は縦に並べて磁界発生手段を構成してもよい。このような磁界発生手段としては、例えば、２個の同心円コイルを対向させてコイル間の特定領域内に均質な磁界を作るヘルムホルツコイルや、４つのコイルを同一軸上に予め定められた距離比率で並べて均質磁界を作るメリットコイルなどが知られている。
　定着の際のトナーの飛散を十分に防止するためには、磁界内の各トナー粒子に作用する磁気力が均衡している方がよい。したがって、定着の際に発生させる磁界は、磁束密度が場所によらず均一なものであってよい。そのため、複数個の高周波励磁コイルを並べて磁界発生手段を構成する場合は、複数個の高周波励磁コイルは、互いに平行で相互の間隔が均一となるように配置してもよい。
　さらに、磁束密度が均一の磁界を発生させるためには、例えば、３次元的に配置した複数個のコイルの各コイルに流れる電流値を適切に配分して所定の領域内に発生する磁界の磁束密度が均質になるように設定してもよい。

　また、磁界発生手段は、被記録媒体の未定着トナー像を担持する面の上方側又は下方側どちらか一方の側にのみ設置してもよいし、被記録媒体を挟むように被記録媒体の両側に配置してもよい。

　次に、本発明の画像形成方法において使用するトナーについて説明する。
　本発明において、トナーは、高周波磁気誘導によりネール緩和及び／又はブラウン緩和を引き起こし発熱する超常磁性を有する微粒子を含有するものであればよく、例えば、結着樹脂と超常磁性微粒子とを含むものが挙げられる。

　本発明において、超常磁性微粒子の粒子径は、ネール緩和及び／又はブラウン緩和を引き起こすために１００ｎｍ以下とする。超常磁性微粒子の粒子径とネール緩和、ブラウン緩和による発熱量との間には相関関係があり、超常磁性微粒子の粒子径が１８ｎｍ～２３ｎｍである場合に発熱効率が最大となることが分かっている。したがって、超常磁性微粒子の粒子径は、この数値範囲内としてもよい。なお、本発明において、粒子径とは、コールカウンター法により測定される重量平均粒子径をいう。

　また、超常磁性微粒子の一次粒子の粒子径が１００ｎｍ以下であっても、一次粒子が凝集して凝集粒子径が１００ｎｍを超えるとネール緩和やブラウン緩和は起こらなくなる。そのため、超常磁性微粒子を予め非磁性物質で被覆するか、超常磁性微粒子の表面に超常磁性微粒子どうしが接触する際の立体障害となるような物質（分子）を付着させるなどして、トナー製造時や使用時における超常磁性微粒子の凝集を防いでもよい。

　また、トナーの飛散を防ぐ観点からも、超常磁性微粒子を非磁性物質で被覆したり、超常磁性微粒子の表面に立体障害となるような物質（分子）等を付着させてもよいことが判明した。
　本発明者の研究によれば、磁性粒子を非磁性の物質で被覆して磁性粒子どうしが一定距離以内に近づかないようにすると、磁界の影響下における磁性粒子間の引き付け合いや反発が起こらないことが判明した。これは、磁化によって引き起こされる磁気力が非磁性物質の被覆により小さくなり、磁性粒子の質量を動かすために必要な力を下回るためであると推測される。
　したがって、超常磁性微粒子を、予め非磁性物質で被覆したり、超常磁性微粒子の表面に立体障害となるような物質（分子）等を付着させてからトナーに用いると、各トナー粒子に含まれる超常磁性微粒子の磁化によって引き起こされる磁気力が低減し、その結果、トナーの飛散を防止できる。

　トナーの具体的な構造としては、例えば、結着樹脂からなる粒子中に超常磁性微粒子を分散させたものや、結着樹脂からなる熱溶融性の芯材粒子の表面に超常磁性微粒子を、粒子同士が接触（凝集）しないように間隔をあけて複数個付着配置したものが挙げられる。なお、「結着樹脂からなる粒子」、「結着樹脂からなる熱溶融性の芯材粒子」とは、結着樹脂単独からなる粒子等に加え、結着樹脂及びその他の添加剤を含む樹脂組成物からなる粒子も含むものとする。　
　高周波磁気誘導による発熱効率の観点からは、熱溶融性の芯材粒子の表面に超常磁性微粒子を一定間隔をあけて複数個付着配置してもよい。

　　超常磁性微粒子を構成する材料としては、強磁性材料が挙げられる。具体例としては、マグネタイト、ヘマタイト、フェライト等の酸化鉄が挙げられる。

　本発明においては、トナーの加熱定着用の磁性粒子として、発熱効率の高い超常磁性微粒子を利用するため、未定着トナー像を溶融定着する際、トナーの付着量が多い場合（例えば、ベタ印刷する場合等）には、誘導加熱によりトナー（超常磁性微粒子）が発生する緩和熱によって被記録媒体（記録用紙）が高温になり、発火するといった危険がある。
　ところで、超常磁性体ではキュリー温度以上では透磁率が低下し、磁界内にあってもうず電流が流れたり、ネール緩和やブラウン緩和が起こることがない。このため、高周波磁気誘導加熱によって超常磁性体の温度が上昇してキュリー点に達すると、それ以上の発熱は起こらなくなる。
　本発明においては、このような高周波磁気誘導加熱の特徴を利用し、被記録媒体が発火する温度より低いキュリー点を有する超常磁性微粒子を選択して用いることにより、定着時の過加熱による被記録媒体の発火を防止することができる。

　一方、超常磁性微粒子のキュリー点は、定着温度、すなわち、トナーが溶融して定着される温度、以上でなくてはならない。
　以上の観点から、超常磁性微粒子のキュリー点は、被記録媒体や結着樹脂の種類、トナー中の超常磁性微粒子の含有量によっても異なるが、１００～３００℃であってもよく、１００～２００℃であってもよい。

　超常磁性微粒子のキュリー点は、例えば、超常磁性微粒子材料としてＦｅ－Ｎｉ合金、Ｆｅ－Ｃｒ合金、Ｃｕ－Ｎｉ合金等の強磁性合金を用いる場合には、その合金組成を調整することにより所望の値に制御することができる。具体的には、強磁性合金にＬａ，Ｓｒ，Ｍｎ，Ｃｕ等を配合し、その配合比率を調整することによってキュリー点を自由に制御することができる。

　結着樹脂としては、従来トナーに使用されている各種結着樹脂を使用することができ、このような結着樹脂としては、例えば、ポリスチレン、スチレン系共重合体、ポリエステル等が挙げられるが、これに限定されない。

　超常磁性微粒子と結着樹脂の質量比に限定はなく、超常磁性微粒子の種類や粒子径、結着樹脂の種類等に応じて適宜決定する。本発明においては、高周波磁気誘導加熱方式として、ネール緩和及び／又はブラウン緩和を利用するため、うず電流損失やヒステリシス損失を利用する従来の方式と比較して磁性体の発熱効率が高い。そのため、本発明においては、従来の非接触型高周波磁気誘導加熱定着方式と比較して、使用するトナー中の磁性粒子の含有量を低く抑えることができる。
　具体的には、結着樹脂１００質量部に対し、超常磁性微粒子が１０～１００質量部であってもよく、１０～５０質量部、２０～３０質量部であってもよい。
本発明においては、使用するトナー中の磁性粒子の含有量をこのような低い値に抑えることにより、各トナー粒子に働く、磁性粒子の磁化によって引き起こされる磁気力を小さくし、未定着トナー像が磁界の中に置かれた際に磁力線の影響によりトナーが飛散することを防止する。　

　本発明において、トナーには、本発明の目的を妨げない範囲において、着色剤、ワックス、帯電制御剤等、トナー用の添加剤として従来公知の添加剤を添加することができる。
　本発明においては、トナーに含まれる超常磁性微粒子の粒子径が極めて小さいので、うず電流損失やヒステリシス損失を利用する従来の方式で使用されるトナーのように高周波磁気誘導加熱用の磁性粒子によりトナーの透明性が損われることが少ない。そのため、本発明の画像形成方法は、特に、カラー画像の形成に適している。
　したがって、本発明においては、トナーに着色剤を添加することもできる。着色剤としては、公知の有機又は無機の着色剤（顔料、色素等）を用いることができる。
　本発明においては、超常磁性微粒子の表面やトナーの表面、あるいは、粒子径の大きなトナーを形成する場合等に利用するシリカ表面に２種の誘電体層を積層し、ダイクロイック・ミラー構造とすることにより、これらを任意の色に着色することもできる。この場合、色素と違い、紫外線照射による色あせ等の問題がない。
　また、超常磁性微粒子が着色している場合には、これらを着色剤として兼用し、別途着色剤を添加しなくてもよい。

　トナーの粒子径は、小さいほど短時間の誘導加熱でトナーを溶融定着させることができるが、一方で、取扱性や人体の健康への影響についても考慮する必要がある。このような観点から、その粒子径は、１～２０μｍであってもよく、５～１０μｍであってもよい。

　次に、本発明の画像形成装置を用いた画像形成方法について説明する。
　本発明において、未定着トナー像を形成する方法に限定はなく、これに用いる手段としても本発明の目的に反しない限り、あらゆるものを使用することができる。
　被記録媒体上に未定着トナー像を形成する手段の一例としては、従来公知の電子写真方式の複写機やレーザープリンタ等で採用されている手段、すなわち、感光体と、前記感光体に電荷を付与する帯電手段と、前記感光体の帯電領域に光を照射して静電潜像を形成する露光手段と、前記静電潜像をトナーで現像してトナー像を形成する現像手段と、前記トナー像を被記録媒体に転写する転写手段とを有する手段が挙げられる。
　ここで、感光体、帯電手段、露光手段、現像手段及び転写手段としては、一般に使用されているものを使用することができる。

　本発明においては、前述のような方法で被記録媒体上に未定着トナー像を形成した後、例えば次のようにして未定着トナー像を非記録媒体に定着することができる。
　未定着トナー像が形成された被記録媒体を定着手段の磁界発生手段の下方又は上方（磁界発生手段が被記録媒体を挟むように被記録媒体の両側に設置される場合は、その間）に搬送して、磁界発生手段により発生される磁界の領域内に未定着トナー像の一部又は全部が収まるように配置する。
　このようにして、定着手段によって発生する磁界領域内に未定着トナー像が入るよう配置した後、定着手段をオンに、すなわち、励磁コイルの場合であればコイルに交流電流を印加して、高周波磁界を発生させる。

　定着時間、すなわち、定着手段をオンにして磁界を発生させている時間は、磁界の周波数、トナーを構成する結着樹脂の種類、トナーの粒子径、超常磁性微粒子の種類や粒子径、被記録媒体の種類や表面特性、画像濃度等に応じて適宜設定すればよく、通常、０．１～１０秒程度である。
　また、トナー像の被記録媒体への定着を強固なものとするために、未定着トナー像を担持する被記録媒体を磁力透過性の加圧部材に挟んで加圧しながら磁場をかけることもできる。あるいはトナー定着面の裏側から直流磁界をかけて直流磁界による吸引力をかけた状態で高周波磁界を印加して緩和熱による結着樹脂溶融を行って定着を行うこともできる。

　以上のようにして、未定着トナー像を被記録媒体上に定着した後、必要に応じて被記録媒体を冷却し、被記録媒体上に定着されたトナーによる画像を得ることができる。

　以下、図面を参照して、本発明の画像形成装置及び画像形成方法について説明する。
　図１は、本発明の画像形成装置１の具体例の概略図である。
　画像形成装置１は、被記録媒体上に未定着トナー像を形成する手段１０と、未定着トナー像を被記録媒体に定着させる定着手段２０とを有する。
　未定着トナー像を形成する手段１０は、感光体ドラム１１と、この感光体ドラムの表面に所定の電位となるように電荷を付与する帯電手段１２と、感光体ドラムに画像状に露光してその表面に静電潜像を形成する露光手段１３と、静電潜像をトナーで現像してトナー像として可視化する現像手段１４と、トナー像を感光体ドラムから紙等の被記録媒体に転写する転写手段１５を有する。さらに、未定着トナー像を形成する手段１０は、感光体ドラムを次の画像形成に用いるために、その表面に残留したトナーを除去するクリーニング手段１６を有している。

　定着手段２０は、図２に示すように、複数の高周波励磁コイル２１ａを互いに平行に配置した磁界発生手段２１と、未定着トナー３０を担持した被記録媒体４０を磁界発生手段２１により磁界が発生する領域２２内に搬送するための搬送手段２３とを有する。この具体例において、磁界発生手段２１は、搬送手段２３の搬送ベルト２３ａを挟んで上方、下方の両側に配置されている。

　次に、定着手段２０の動作について説明する。
　未定着トナー像形成手段により形成された未定着トナー像を担持した被記録媒体４０を、搬送手段２３を用いて磁界が発生する領域２２内に搬入し、次いで、励磁コイル２１ａに交流を印加して磁界を発生させる。磁界の作用により、未定着トナー３０に含まれる超常磁性微粒子（図示せず）においてネール緩和が起こり、緩和熱が発生し、その熱で未定着トナー３０を構成する結着樹脂（図示せず）が溶融し、トナーが被記録媒体４０に溶融定着する。
　予め設定しておいた定着時間が経過した後、交流の印加を停止し、搬送手段２３によって、トナー像が定着した被記録媒体４０を排紙トレイ（図示せず）に排出すると共に、次に定着を施す被記録媒体４０を領域２２内に搬入・配置する。

　以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は実施例に示した構成に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内において、適宜追加、変更をすることができる。

　本発明は、電子写真方式の複写機、レーザープリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置、画像形成方法に用いることができる。

本発明の画像形成装置の一例の概略図である。本発明における定着手段の一例の概略図である。

符号の説明

　１　　画像形成装置
　１０　未定着トナー像を形成する手段
　１１　感光体ドラム
　１２　帯電手段
　１３　露光手段
　１４　現像手段
　１５　転写手段
　１６　クリーニング手段
　２０　定着手段
　２１　磁界発生手段
　２１ａ高周波励磁コイル
　２２　磁界が発生する領域
　２３　搬送手段
　２３ａ搬送ベルト
　３０　未定着トナー
　４０　被記録媒体

Claims

　被記録媒体上に未定着トナー像を形成する工程と、
　高周波磁界を用いて未定着トナー像を被記録媒体に定着させる工程と、を含み、
　トナーとして、結着樹脂と粒子径が１００ｎｍ以下の超常磁性微粒子を含むトナーを使用する、画像形成方法。
　前記高周波磁界の周波数が、５００ｋＨｚ～５ＭＨｚである、請求の範囲第１項に記載の画像形成方法。
　前記超常磁性微粒子の粒子径が、１８ｎｍ～２３ｎｍである、請求の範囲第１項に記載の画像形成方法。
　前記超常磁性微粒子が、非磁性物質により被覆されている、請求の範囲第１項に記載の画像形成方法。
前記トナーが、
　結着樹脂を含む熱溶融性芯材と、
　前記熱溶融性芯材に付着した複数個の超常磁性微粒子と、
を含む、請求の範囲第１項に記載の画像形成方法。