JP2005292578A - ベルト式定着装置、画像形成方法及びその画像形成体 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録媒体上に形成したトナー像の凹凸によって低下した光沢度を、銀塩写真と同等にまで引上げ、トナー密度の高低に拘らず均一な光沢性を与え、優れた画質を実現する定着装置を提供することにある。
【解決手段】 加熱ローラ２及び冷却ローラ４の２軸で金属ベルト１を張架して駆動回転し、加圧ローラが該加熱ローラを取り巻く金属ベルトの外周側より圧接する加熱・加圧機構と、冷却ローラを取り巻く部分の金属ベルト表面及び、該加熱ローラと該冷却ローラの間に金属ベルト内面に接するように冷却部材８を設けた冷却機構を有することを特徴とするベルト式定着装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カラー複写機またはカラープリンター等に適用される電子写真法により形成されたトナー画像について、銀塩写真と同等の色再現性・光沢性を与えるトナーの定着装置と画像形成方法及びその画像形成体に関する。

従来から、電子写真法の複写機やプリンタにおいては画像入出力のデジタル化が進み、デジタルフォト出力としての高画質化が検討されてきた。カラー複写機またはカラープリンターに適用される電子写真法ではカラートナーで画像が形成される。一般的にカラートナーは熱可塑性樹脂中に染料または顔料やその他添加剤を練り込み、これを５〜２０μｍ径に粉砕して製造される。電子写真法によるフルカラー画像の形成方法はＹ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、ＢＫ（ブラック）の各色別のカラートナー像を記録媒体上に転写して重ね合わせている。記録媒体上で重ね合わされたトナー像は熱ローラ定着器により加熱定着されてフルカラー画像が形成される。

加熱定着後の記録媒体表面では４色のカラートナーが凹凸を形成しており、全色トナーを重ね合わせた部分とトナーの無い部分との段差は最大３０μｍにも及ぶ。またハーフトーン画像においても６〜８μｍ程度の凹凸差を生じる。このような凹凸を有するトナー画像は銀塩写真と比較して光沢性が悪く、凹凸による反射光の散乱で色再現性も劣り、写真調のカラー画質を得られない。

これに対しトナー画像のカラー画質を向上させるため、基材上に熱可塑性樹脂層を有する記録媒体にトナー像を形成し、ベルト状の平滑な搬送体に記録媒体ごとトナー像を密着させて加熱ローラによる熱圧着を行うことで、トナー像を熱可塑性樹脂層の中に埋設して凹凸差を解消する画像形成方法が提案されている。

例えば、膜厚２０〜２００μｍの熱可塑性樹脂を設けた該記録媒体上にトナーを静電的に転写し、ベルト状定着機で熱圧着しトナー像を熱可塑性樹脂層に埋設する方法が提案されている（特許文献１）。ここで使われるベルトは、ポリイミド等耐熱性樹脂の表面がシリコーン樹脂で処理された樹脂製の耐熱ベルトで、トナー像を記録媒体に熱圧着した後の冷却において、ベルト表面と記録媒体及びトナー像との離型性が良好とされる。しかし、特許文献１に記載されたトナー樹脂と記録媒体表面の熱可塑性樹脂では、熱圧着時に溶融したトナー樹脂と熱可塑性樹脂との相溶性が不十分で、熱可塑性樹脂表面に若干のトナー凹凸を生じる。一方ベルトに対しては、このトナーの凹凸による延伸で変形する。また記録媒体の端部も、記録媒体の厚さに応じてベルトの変形を起こすので、ベルト表面の平滑性は次第に損なわれる。また、加熱ローラに異物が付着した場合には、ベルト面に小さな突起を生じやすく、熱圧着時にはトナー像及び記録媒体上の熱可塑性樹脂表面に、ベルト面の突起に由来する凹みを生じる。更に、ベルトが樹脂製であるため、繰り返しの使用でベルトの表面はキズを生じやすい。このようにベルト表面の突起やキズはトナー像及び記録媒体にも凹みやスジとして転写されるため、トナー画像に対して深刻なダメージを与える。また特許文献１では、熱定着直後はトナーが樹脂層に埋設されて極めて平滑な光沢性を示すものの、その後の経時変化や湿気などの影響を受け、トナーや紙基材の繊維による凹凸が浮き出たり、光沢が失われたりする欠点がある。

また、トナー像を熱可塑性樹脂層の中に埋設して凹凸差を解消する画像形成方法として、ベルト式定着方法以外の方法が提案されている。例えば、トナー結着樹脂の溶融温度で熱可塑性樹脂が軟化する、かつトナー結着樹脂との相溶性が良好な熱可塑性樹脂を基材上に設けた記録媒体に、トナー像を形成し、ゴム硬度６０度のフッ素系ゴムで表面を覆う加熱ローラ及び加圧ローラで、直接トナー像と記録媒体を熱圧着し、トナーを熱可塑性樹脂層に埋設する方法が提案されている（特許文献２）。この方法によるとトナーが熱可塑性樹脂層に充分埋め込まれてトナー画像が平坦化し、トナー密度の高低に拘らず表面光沢が均一だとされる。しかし、一般的に加熱ローラが鏡面のような光沢のある表面でなければ、銀塩写真の光沢性、例えば２０度光沢度で少なくとも５０〜６０％という光沢性を得られず、写真調の画像までに至らない。

例えば、記録媒体上の熱可塑性樹脂として軟化点が、トナーの軟化点に対し＋１０℃から−３０℃の範囲にある記録媒体を用い、静電的にトナー像を転写されたベルト状のトナー像保持体と上記記録媒体を密着させ、トナー像保持体を介して加熱ロールと加圧ロールによる熱圧着を行う方法が提案されている（特許文献３）。このトナー像保持体は、特許文献３によるとカーボンブラックを添加した厚さ７０μｍのポリイミドフィルムに表面層としてシリコーン共重合体による弾性体層を設けてある。この場合も特許文献２と同様の理由で銀塩写真のような高い光沢性は得られない。

また、印刷業界では、印刷物の光沢仕上げを目的として、従来よりステンレス鏡面のエンドレスベルトを、加熱ローラ及び冷却ローラの２軸で張架して駆動回転し、加熱ローラとこれに圧接する加圧ローラとの間で、樹脂を塗布した印刷物を熱圧着し、冷却ロール位置でベルトから印刷物を分離する加工法が採用されている。例えば、印刷物の光沢仕上げでプレスコート加工のエンドレスプレス工程がこれに相当する。本発明者等はトナー画像をこのエンドレスプレス工程で熱圧着試験を行ったが、ステンレスベルトの表面粗さが大きく、銀塩写真と同等の光沢性は得られなかった。またエンドレスプレス機自体は、通常長さが数ｍ・幅１ｍ、ロール径２００ｍｍにも及ぶ産業用の大型機械である。オフィスで使用される電子写真装置の付属機やデジタルミニラボとして導入できるものではない。

特開平５−２１６３２２号公報 特開平１０−２２１８７７号公報 特開２００１−１１７３８７号公報

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、記録媒体上に形成したトナー像の凹凸によって低下した光沢度を、銀塩写真と同等にまで引上げ、トナー密度の高低に拘らず均一な光沢性を与える。また、トナーの凹凸による反射光の散乱で低下した色再現性を、銀塩写真と同等まで引き上げる。また、樹脂製のベルト定着方式で起こり得るベルトの変形・キズと、それに起因して生じる凹みやスジなど画質低下を防止して、高光沢・高発色の優れた画質を実現する定着装置と、画像形成方法及びその画像形成体を提供する。

本発明のベルト式定着装置は、加熱ローラ及び冷却ローラの２軸で金属ベルトを張架して駆動回転し、加圧ローラが該加熱ローラを取り巻く金属ベルトの外周側より圧接する加熱・加圧機構と、冷却ローラを取り巻く部分の金属ベルト表面及び、該加熱ローラと該冷却ローラの間に金属ベルト内面に接するように冷却部材を設けた冷却機構を有することを特徴とする。

また、本発明の画像形成方法は、基材上に熱可塑性樹脂層を有する記録媒体の樹脂表面にトナー像を形成し、前記ベルト式定着装置の金属ベルト面に、トナー像を形成した該記録媒体を密着保持させながら、前記加熱ローラと加圧ローラの間を通過させて、記録媒体表面のトナー像を熱圧着することで、該トナー像を熱可塑性樹脂層に埋設させる工程を含み、前記記録媒体表面のトナー像を熱圧着した前記記録媒体を、該金属ベルトに密着保持させたまま前記冷却ローラ位置に移動させ、冷却ローラで該金属ベルトを介して該トナー像と該記録媒体表面を冷却することで、平坦なトナー画像を形成した記録媒体を該金属ベルトから分離させる工程を含むことを特徴とする。

また、前記画像形成方法において、該記録媒体が、紙基材に形状異方性を持ちアスペクト比１以上、且つＢＥＴ比表面積１００〜１８０ｍ²／ｇのベーマイト及び気相法で生成したγ−アルミナを主成分とする水分散体を、固形分量として１〜３０ｇ／ｍ²塗布し乾燥した後、熱可塑性樹脂を成分とする水性エマルジョンを樹脂固形分として１〜３０ｇ／ｍ²塗布し、加熱された金属鏡面に熱可塑性樹脂表面を圧着し、乾燥及び樹脂溶融後、固化剥離して得られる記録媒体とした、トナーの画像形成方法がより好ましい。

さらに、上述のベルト式定着装置において、前記加熱ローラ及び冷却ローラの直径が５０ｍｍ〜１５０ｍｍであるベルト式定着装置がより好ましい。さらに前記冷却部材は、冷却水槽、冷却ロール、冷却ファンのいずれかの部材であるベルト式定着装置がより好ましい。さらに、前記金属ベルトは厚さ０．０５ｍｍ〜０．３０ｍｍであるベルト式定着装置がより好ましい。さらに、前記金属ベルトは、直径は１５０ｍｍ〜３１０ｍｍであるベルト式定着装置がより好ましい。さらに、前記金属ベルトが、十点平均粗さＲｚで０．２μｍ以下で、かつ中心線平均粗さＲａが０．０３５μｍ以下である鏡面を有するステンレスベルトであるベルト式定着装置がより好ましい。さらに、前記金属ベルトは、ビッカ−ス硬度Ｈｖが４３０〜５００のステンレスベルトであるベルト式定着装置がより好ましい。

また、前記請金属ベルトにおいて、該ベルト外周側の全表面に対して表面から深さ１０００Åまでの間に、窒素イオンかフッ素イオンか炭素イオンのいずれかイオンを、注入量１０¹⁰〜１０²⁰ｉｏｎｓ／ｃｍ²でイオン注入がなされている金属ベルトがより好ましい。

また、前記金属ベルトが離型剤塗布、２００〜２７０℃加熱処理、加熱後離型剤塗布の三工程からなる離型剤処理を施された金属ベルトを使用することを特徴とするベルト式定着装置がより好ましい。

また、本発明の画像形成体は、前記記録媒体の樹脂表面にトナー像を形成し、前記ベルト式定着装置の金属ベルト面に密着保持させながら、前記加熱ローラと加圧ローラの間を通過させて記録媒体表面のトナー像を熱圧着することで、該トナー像を熱可塑性樹脂層に埋設させ、さらに該金属ベルトに密着保持させたまま前記冷却ローラ位置に移動させ、冷却ローラで該金属ベルトを介して該トナー像と該記録媒体表面を冷却することで、該金属ベルトから分離することを特徴とする。

本発明は以上のベルト式定着装置と、画像形成方法及びその画像形成体を提供するもので、銀塩写真と同等の光沢度を示し、トナー密度の高低に拘らず表面光沢が均一で、しかも、銀塩写真と同等の色再現性を有するトナー画像を得ることができる。また、本発明のベルト式定着装置は、鏡面を有したままベルトの硬度が高められており、これを用いることによりベルトの変形に起因する凹みやスジ等トナー画像不良の発生がなく、トナー画像の高画質を永続維持することができる。さらに、ステンレスベルトに離型性を持たせているので、離型剤塗布・クリーニング機構が省略できる。

｛ベルト式定着装置の構成｝
さらに詳細に本発明のベルト式定着装置及びこの定着装置に好適な定着方法について説明する。

図１は本発明のベルト式定着装置である。１は鏡面光沢を有するステンレスベルトで、２は加熱ローラである。加熱ローラ２が矢示の方向に回転駆動されると、該ローラとの摩擦力でベルト１が回転駆動される。３は装置に固定支持されたヒータで加熱ローラに内蔵されており、例えば、ハロゲンランプやカートリッジヒータ、シーズヒータ、誘導加熱ヒータ等が使用できる。加熱ローラ２は例えばステンレス、アルミニウム等の金属材料で形成されている。４は冷却ローラで、外部より水温１５℃前後の水流を循環する方式を用いている。加熱ローラ２で１２０〜２００℃に加熱されたベルト１は冷却ローラ４に接して、２０〜３０℃まで冷却される。冷却ローラ４は例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属材料で形成されている。加圧ローラ５はシリコーンゴム等の離型性の良いゴム弾性層を有するものであり、総圧６０〜１２０ｋｇでベルト１を介して加熱ロール２の下面に対して圧接し、加熱ロールと連動して駆動回転する。６は基材上に熱可塑性樹脂を設けた記録媒体１３にトナー像を形成したトナー画像を示す。

図１のようにトナー画像６を１のベルト面に密着保持させながら、加熱ローラ２と加圧ローラ５の間を通過させて記録媒体１３表面のトナー像を熱圧着する。トナー像は加熱によって流動性を有した熱可塑性樹脂層に埋設されて平坦化される。さらに、溶融したトナー像及び熱可塑性樹脂の表面は、ベルト１の鏡面を転写成形される。熱圧着後、トナー画像６は加圧ローラ５からの圧力から解放された後も、トナー像及び熱可塑性樹脂が溶融して１のベルト面に密着保持される。ベルト面に密着保持されたトナー画像６は冷却ローラ４の位置に移動し、ベルト１を介して冷却される。このとき、溶融していたトナー像及び熱可塑性樹脂の表面は自己凝集力でベルト面から分離し硬化するが、ベルト面の鏡面を転写されたトナー画像は高い光沢性を有する。トナー画像６への冷却が不十分であれば、ベルト面にトナー結着樹脂や熱可塑性樹脂が残留し、トナー画像の表面は光沢性が失われる。

トナー画像６への冷却能力はベルト回転速度の影響を受けるが、ベルト回転速度が大きい場合、冷却ローラでの冷却でトナー像及び熱可塑性樹脂表面が十分硬化する前に、ベルトに貼りついたまま冷却ローラを通過する。これを強制的に剥がすと、上述したベルトへのトナー結着樹脂及び熱可塑性樹脂の残留が観られる。ベルト回転速度の影響を受けないで冷却を行うために、加熱ローラと冷却ローラの間にベルト内面に接するように冷却部材８を設ける。冷却部材８としては、外部より水温１５℃前後の水流を循環させた冷却水槽、冷却ロール、或いは冷却ファンなどを設置し、冷却ローラにベルトが移動する前にベルトの温度を１００℃以下に冷却する。

｛記録媒体の構成｝
上述の定着装置に好適な記録媒体は、紙基材に、形状異方性を持ちアスペクト比１以上、且つＢＥＴ比表面積１００〜１８０ｍ²／ｇのベーマイト及び気相法で生成したγ−アルミナを主成分とする水分散体を、アルミナ水和物固形分として１〜３０ｇ／ｍ²を塗布し乾燥した後、熱可塑性樹脂を成分とする水性エマルジョンを樹脂固形分として１〜３０ｇ／ｍ²塗布し、キャスト処理即ち、加熱された金属鏡面ロールに熱可塑性樹脂表面を圧着し、乾燥及び樹脂溶融後、固化剥離して得られる記録媒体である。紙基材上に設けた塗工層は熱定着後の光沢度が低下する経時変化や、湿気などの影響を受けトナーや紙基材の繊維による凹凸が浮き出ることを防止する効果がある。

図２−ａで９は記録媒体基材で例えば紙が使用できるが、写真調の風合いを持たせるには坪量１００〜２００ｇ／ｍ²の厚紙を使用することが好ましい。平坦化層１０はベーマイト及び気相法で生成したγ−アルミナを主成分とする塗工層である。１１は基材上に設けた熱可塑性樹脂層で、Ｔｇがトナー結着樹脂よりも３５℃以上低い樹脂であれば特に限定するものではないが、Ｔｇで４０〜１００℃のアクリル系樹脂を混合した形で用いることが好適である。熱可塑性樹脂層の膜厚はトナーの平均粒径よりも厚くなければ、トナーが熱可塑性樹脂層に完全に埋め込まれない。好ましくは熱可塑性樹脂の膜厚はトナーの平均粒径の２倍以上である。

図２−ｂは図２−ａの電子写真用光沢紙に電子写真方式でトナー像１２を形成した図１のトナー画像６である。トナー像を形成する電子写真装置については特に限定するものではなく、トナーに粉砕トナー、重合性単量体を水系媒体中で懸濁重合して得られる懸濁重合法トナーや乳化重合トナーを使う電子写真装置であれば良い。図２−ｂでは電子写真装置によりトナーを熱可塑性樹脂の表面に加熱定着した状態を示しており、トナーは熱可塑性樹脂上に凹凸を形成する。トナーの凹凸は電子写真装置やトナー・記録媒体上の熱可塑性樹脂によるが、各色単色であれば４〜８μｍの段差を有す。また、各色を重ね合せて濃厚色を表現した部分と熱可塑性樹脂表面との段差は３０μｍに及ぶ。従って通常の電子写真装置で加熱定着したまでのトナー画像は、光沢性・写像性に乏しい。またトナー密度の高低により光沢度に差が生じ、画像として光沢ムラを有す。さらに、トナーの凹凸は反射光の散乱を生むため、トナーの顔料が持っている色再現性を十分生かせない。即ち、凹凸を有するトナー画像の目視で見ている色は、顔料等色材の色と、その環境における光源からの光が混じったものなので、通常は彩度が低下して濁った色に見える。この理由により、凹凸を有するトナー画像の色再現性は低くなる傾向がある。

図２−ｃは本発明のベルト式定着装置を用いて、図２−ｂのトナー画像を熱圧着した後の状態を示したものである。この定着装置を用いた場合、トナー像１２は単に熱可塑性樹脂層に埋設されるだけでなく、ベルトの鏡面がトナー及び熱可塑性樹脂の表面に転写成形される。このトナー画像の特徴はトナー密度の高低に拘らず高い光沢度を有する。また、反射光の散乱がないためトナー顔料の本来の着色能力を引き出し、高い色再現性を示す。

｛ベルトの材質と形状｝
本発明の定着装置は、電子写真装置の付属機或いはデジタルミニラボに導入できる小型・軽量化の条件として、直径５０ｍｍ〜１５０ｍｍの加熱ローラ及び冷却ローラで張架したステンレスのエンドレスベルト機構である。この上記範囲内にあるローラで張架し、各ローラとベルト間に隙間なくベルトがローラを取り巻き、安定してベルトが回転するのに必要な厚さは０．０５ｍｍ〜０．３０ｍｍの範囲にあることが望ましい。また、ベルト厚さが０．０５ｍｍ未満であると、ローラに硬い異物が付着した場合、ベルトの外周側に突起を生じ易い。またベルト厚さが０．３０ｍｍ超の場合、ベルトとローラの間に空隙を生じ、ローラ−とベルト間の熱伝達を悪くする可能性がある。またベルトの直径は１５０ｍｍ〜３１０ｍｍの範囲にあることが好ましい。ベルト直径が３１０ｍｍ超では、熱圧着部から冷却部までの距離が３００ｍｍを超える。この場合、ベルトに密着保持されたトナー画像の端部が冷却ローラで冷却される前にベルトから剥がれ始め、トナー画像の端部に光沢のないエリアが発生する。従って、このようなトナー画像のベルトからの剥がれを回避するために、ベルトの回転スピードや離型性に制約が生じる。

｛ベルトの表面粗さ｝
本発明の定着方法では、熱圧着でトナー像及び熱可塑性樹脂の表面にベルト鏡面を転写成形するので、定着装置で用いるベルトは鏡面光沢を有するベルトが用いられる。鏡面光沢が得られるベルトとしては十点平均粗さＲｚで０．２μｍ以下で、かつ中心線平均粗さＲａが０．０３５μｍ以下であるステンレスベルトが望ましい。通常ステンレスの薄板は圧延時の長手方向にスジ状の粗さを持つが、研磨することによって十分な鏡面光沢が得られる。ベルトの表面を鏡面状に平滑にする方法としては、ロール圧延、バフ研磨、ラップ研磨などの加工方法を用いることができる。このように研磨して鏡面を形成したベルトを使用することで、トナー画像に対し銀塩写真と同等の光沢度、即ち２０度光沢度で５０〜６０％を得られる。

｛ベルトの硬度｝
本発明の定着装置に用いられるベルトは鏡面光沢を有するため、キズや凹凸などの変形が生じると、トナー画像の熱圧着時にキズや凹凸が転写され、写真調画像に特に目立つ不良箇所を生じることになる。このようなキズや凹凸による画質低下の発生は、デジタルフォトプリントの商品価値を損なうことから、ベルトのキズや凹凸が発生しないようベルトに充分な硬度を持たせる必要がある。研磨後のステンレスベルトはＳＵＳ３０４Ｈでビッカ−ス硬度Ｈｖ３９０である。ステンレスベルトの鏡面光沢を損失することなく、硬度を上げる方法としてイオン注入法が好ましい。即ち、ステンレスベルトの外周部に対し、表面から深さ１０００Åまでの間に窒素イオン、フッ素イオン或いは炭素イオンのいずれかイオンを、注入量１０¹⁰〜１０²⁰ｉｏｎｓ／ｃｍ²でイオン注入する。イオン注入機は（株）イオン工学研究所の所有する全方位型イオン注入装置で、プラズマベースイオン注入法を用いた。この注入法では０．１〜１Ｐａの真空中で窒素系或いはフッ素系その他のガスプラズマを発生させ、この中にステンレスベルトをさらし、１０〜３０ｋｅＶ、１０００〜２０００ｐｐｓの高圧負パルスを印加して、フッ素或いは窒素イオン、炭素イオンをステンレスベルト表面に注入している。ここで高圧負パルスは負電荷のパルスで、これにより円筒状のような立体形状物であるステンレスベルトに対しも、その形状にそった電界が発生する。イオンはベルト表面に対してほぼ直角に衝突し、ステンレスベルトの表面全体に均一に注入されることになる。注入後のベルト表面には窒化物或いはフッ化物、炭化物が形成され硬度が増大する。このイオン注入法により、研磨後のステンレスベルトのビッカ−ス硬度Ｈｖ３９０をＨｖ４３０以上に増大させることができる。この硬度は例えばピンセットの先端をベルトの鏡面に押し当てて引掻いてもキズとして目立たず、実用面で問題にならない硬度である。表１にサファイア針荷重０．９８Ｎ（１００ｇｆ）の引掻きに対する強度試験を行った結果を示す。イオン注入後は、ビッカース強度の増大に対応して引掻きキズの深さが浅くなり、キズとしては目立たない。また、深さ０．５μｍ以下のキズは、熱圧着後のトナー画像ではスジ状の欠陥として視認されにくいので、ベルトの硬度はＨｖ４３０以上あればよい。

｛ベルトの離型性｝
熱圧着において溶融したトナー像及び熱可塑性樹脂の表面は、冷却ローラによる急冷で樹脂が自己凝集しベルト面から分離硬化する。このときベルト表面には十分な離型性が必要であり、ベルト表面の離型性が不足すると、トナー画像がベルト面に強固に貼り付き分離できない。このようなトナー画像のベルトへの貼り付きを回避するため、ベルトへの離型剤処理が施される。離型剤処理として望ましい方法は、フッ素系の離型剤をスプレーその他の方法でベルト外周面に塗布し、２００℃以上の高温度で加熱する離型剤処理を施すことである。離型剤塗布後、清浄な布でベルト表面をよく拭き、離型剤による曇りのない鏡面光沢へ仕上げて加熱処理する。さらに、ベルトを放冷後、離型剤を再び塗布し清浄な布でよく拭く。これにより、鏡面光沢を損なうことなくベルトに永続的な離型性を付与することができる。

加熱処理を施さない、または加熱不足では、一度の熱圧着処理でトナー像に離型剤が捕捉されるので、熱圧着処理毎に繰り返し塗布しなければならない。また、２７０℃以上で加熱処理すると、前述のイオン注入でベルト表面に注入された窒素イオンあるいはフッ素イオンが熱拡散でステンレス表面のより内部に移動し、ベルト表面の硬度が脆くなる可能性がある。さらに、離型剤が過剰に塗布されると、定着処理後のトナー画像の光沢が悪化するので離型剤塗布量の調整が必要となり、離型剤塗布機構とクリーニング機構が新たに必要となる。このような定着装置の複雑化を回避する上で、ベルトを予め上述の離型剤処理を施すことがより望ましい。

以上詳述したように本発明のベルト式定着装置及び定着方法によれば、銀塩写真と同等の光沢度を示し、トナー密度の高低に拘らず表面光沢が均一で、しかも、銀塩写真と同等の色再現性を有するトナー画像を得ることができる。また、本発明のベルト式定着装置は、ベルトの硬度が高められており、これを用いることによりベルトの変形に起因する凹みやスジ等トナー画像不良の発生がなく、トナー画像の高画質を永続維持することができる。さらに、ステンレスベルトに永続的な離型性を持たせているので、離型剤塗布・クリーニング機構が省略できる。

・ステンレスベルトの物性測定：
ビッカース硬度Ｈｖはマツザワ製マイクロビッカース硬度計を使用し、ＪＩＳ Ｚ２２４４に規定された「ビッカース硬さ試験方法」に従って測定できる。

十点平均粗さＲｚは株式会社小坂研究所製表面粗さ計「サーフコーダーＳＥ３５００」を使用し、ＪＩＳ Ｂ０６０１に規定された方法により測定することができる。

引掻きに対する強度試験はＨＥＩＤＯＮ Ｔｙｐｅ１４Ｄｒにサファイア製の針でＪＩＳ Ｋ６７１８規格品を取り付け、荷重１００ｇｆ，速度１０ｍｍ／ｍｉｎでステンレス表面にキズをつくり、ＴＥＮＣＯＲ Ｐ−１０ ＳＵＲＦＡＣＥ ＰＲＯＦＩＬＥＲでキズの幅と深さを測長した。

・画像評価：
２０度光沢度（入射角２０°／反射角２０°）は、日本電色工業株式会社製「光沢計ＶＧ−２０００」を使用した。

光沢ムラはＣＭＹＫ画像の評価パターンにおいて、シアン・マゼンタ・イエロー・ブラックの４色に対し、２０・４０・６０・１００の各パーセントで測定エリアを作成し、これを電子写真装置で出力した。このトナー画像を熱圧着した後、各パーセントの測定エリアについて、日本電色工業株式会社製「光沢計ＶＧ−２０００」を使用し、２０度光沢度を測定した。

以下に実施例を用いてさらに詳細に本発明を説明するが、以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
本発明の実施例としてベルト式定着装置の構成を図１に従って説明する。加熱ローラ２・加圧ローラ５及び冷却ローラ４は直径１００ｍｍで設計し作製されている。また、８は底部（５０ｍｍ×３００ｍｍ）がベルト面に接した冷却水槽である。

ベルト１は直径２８０ｍｍ，幅３００ｍｍで厚さは０．１５ｍｍの円筒で、外周面は研磨されており表面粗さの十点平均粗さＲｚが０．２μｍかつ中心線平均粗さＲａが０．０３０μｍのステンレスベルトを使用している。

さらに、プラズマベースイオン注入法を用いて、ステンレスベルト外周側表面にフッ素イオンを注入した。フッ素ガスはＣＦ₄ガスを使用し、イオン注入時の圧力０．５Ｐａ、ステンレスベルトに印加する高圧負パルス−１２ｋｅＶ、パルス周波数１０００ｐｐｓ、パルス幅１０μｓ、処理時間６０分をイオン注入条件とした。イオン注入後のビッカース硬度はＲｚ４４０であった。

続いて、ステンレスベルトの離型剤処理を行った。離型剤はセイミケミカル（株）製フッ素系離型剤モールドスパットＭＲ−Ｋ６４４を使い、これをステンレスベルトの表面に塗布した。離型剤で曇ったベルト表面を布でよく拭き鏡面にまで仕上げたところで、オーブンに入れて２２０℃・３０分の加熱処理を行った。ベルトを加熱処理した後、放冷して再度離型剤を塗布する。そして、離型剤で曇ったベルト表面を布でよく拭き鏡面にまで仕上げる。

記録媒体は坪量１７５ｇ／ｍ²の紙に、ベーマイト（ＳＡＳＯＬ社製 Ｄｉｓｐｅｒａｌ ＨＰ１５）の水分散体を塗工し固形分量２０ｇ／ｍ²、乾燥させた後、日信化学工業（株）製アクリル樹脂エマルジョンで、Ｔｇ８５℃と４０℃の混合系塗工液を固形分量２０ｇ／ｍ²で塗工し、キャスト処理で乾燥させて作製した。該記録媒体にトナー像を形成する電子写真装置として、懸濁重合トナーを使用したキヤノン（株）のカラー複写機ｉＲＣ３２００Ｎを使用しトナー画像を形成した。

ベルト式定着装置はベルト１の回転駆動がなされ、ヒータ３に通電がなされ、冷却ローラ４及び冷却水槽８に水流循環がなされている状態で、表２に示す熱圧着条件に設定した。

トナー像を形成した記録媒体を給紙部７にそって加熱・加圧ローラ側に搬送し、記録媒体はその先端部からステンレスベルトに密着し加熱・加圧ローラ間に挿入される。ここでトナー像は表２の条件で熱圧着され、トナー像と記録媒体表面の熱可塑性樹脂が溶融する。このとき、トナー像が熱可塑性樹脂に埋設されると同時に、トナー像及び熱可塑性樹脂の表面に鏡面が転写成型される。さらに記録媒体はベルト面に密着されて冷却ローラ位置まで移動する。冷却部ではトナー像及び熱可塑性樹脂が４０℃以下に冷却されて硬化し、ベルト面から高い光沢を有するトナー画像を形成した記録媒体が分離される。記録媒体が分離されたベルト面は、樹脂残渣が残らず、鏡面光沢が維持される。続けて熱圧着処理を繰り返し、処理枚数１０００枚で離型不良は発生しなかったことから、ステンレスベルトの離型性が維持されていることが確認された。

また、表２の熱定着条件１〜３で上記トナー画像の光沢性を評価したところ、いずれも光沢度はトナー密度の濃淡に関係なく、２０度光沢度で６６〜７２％の均一な光沢が得られた。図４に、トナー密度に対する２０度光沢度の均一性をグラフで示す。

＜実施例２＞
ベルト式定着装置の構成及びステンレスベルトに関しては実施例１と同じである。但し、冷却部材には１５℃の冷却水を循環させた冷却ロールを採用した。記録媒体は実施例１と同じである。該記録媒体にトナー像を形成する電子写真装置として、実施例２では粉砕トナーを使用したキヤノン（株）のカラー複写機ＣＬＣ１１００を使用してトナー画像を形成した。このトナー画像に対しての熱圧着条件を表３に示す。

実施例１と同じように熱圧着処理の繰り返し評価を行ったが、処理量１０００枚で離型不良は発生しなかった。表３の熱定着条件４〜６で上記トナー画像の光沢性を評価したところ、光沢度はトナー密度の濃淡に関係なく高い値を示し、２０°光沢度で７３〜８２％であった。図５に、トナー密度に対する２０度光沢度の均一性をグラフで示す。

＜実施例３＞
ベルト式定着装置の構成に関しては実施例１と同じである。ステンレスベルトは外周面を研磨後、プラズマベースイオン注入法を用いて、ステンレスベルト外周側表面に窒素イオンを注入した。窒素ガスはＮ₂ガスを使用し、イオン注入時の圧力が０．５Ｐａ、ステンレスベルトに印加する高圧負パルスは−１２ｋｅＶ、パルス周波数１０００ｐｐｓ、パルス幅１０μｓ、処理時間６０分をイオン注入条件とした。続いて、ステンレスベルトの離型剤処理を行った。離型剤はダイキン工業（株）製フッ素系離型剤ダイフリーＧＡ−３０１１を使い、これをステンレスベルトの表面に塗布した。離型剤で曇ったベルト表面は、布でよく拭き鏡面にまで仕上げたところで、オーブンに入れて２５０℃・３０分の加熱処理を行った。加熱処理後、ベルトに再度離型剤を塗布し、布でよく拭き鏡面にまで仕上げた。記録媒体の作製、トナー画像を形成する電子写真装置、及び熱定着条件は実施例２と同じである。

熱圧着処理の繰り返し評価の結果は、実施例１と同様な結果が得られ、処理枚数１０００枚で離型不良の発生は観られなかった。光沢性も実施例２と同じ高い光沢性が得られた。

＜比較例１＞
ベルト式定着装置の構成・記録媒体とトナー画像の形成方法は実施例２と同じである。ベルトは厚さ７０μｍのポリイミドフィルムにフッ素系樹脂を表面層として１０μｍコートした樹脂製ベルトを使用した。表３に示す熱圧着条件で、熱圧着処理の繰り返し評価を行った。上記ベルトは、離型剤塗布なしでもトナー画像はベルトから分離する。しかし熱圧着後の、トナー画像の２０度光沢度は４０％程度で、熱圧着処理の繰り返し評価を１０００枚行うと２２％まで低下した。この光沢度の低下は熱圧着処理を繰り返すうちに、ベルト面の凹凸が増したためである。

＜比較例２＞
ベルト式定着装置の構成・記録媒体とトナー画像の形成方法は実施例２と同じである。ベルトは外周面が研磨されており、表面粗さの十点平均粗さＲｚが０．２μｍかつ中心線平均粗さＲａが０．０３０μｍのステンレスベルトをそのまま使用した。表３の熱圧着条件で熱圧着を試みたところ、いずれもベルト面に貼り付きが発生した。また、貼り付きを剥がした後の布拭きで細かなキズがベルト表面に多数発生した。

＜比較例３＞
ベルト式定着装置の構成・記録媒体とトナー画像の形成方法は実施例２と同じである。ベルトは実施例２と同様、研磨・イオン注入まで施したものを使用した。１４０℃で離型剤処理を行い、再度離型剤を塗布して、布で鏡面光沢が得られるまで拭いた。表３の熱圧着条件で繰り返し評価を行ったが１０〜１５枚で貼り付きが発生した。

また、熱圧着処理毎に離型剤を繰り返し塗布すると、トナー画像の光沢度に熱圧着処理毎のバラツキが発生し、２０度光沢度で４２〜６０％と光沢性に関し不安定であった。

＜比較例４＞
ベルト式定着装置の構成とトナー画像の形成方法は実施例２と同じである。ベルトは実施例２と同様、研磨・イオン注入まで施したものを使用した。１４０℃で離型剤処理を行い、再度離型剤を塗布して、布で鏡面光沢が得られるまで拭いた。記録媒体は１７５ｇ／ｍ²の紙に、日信化学工業（株）製アクリル樹脂エマルジョンで、Ｔｇ８５℃と４０℃の混合系塗工液を固形分量２０ｇ／ｍ²で塗工して作製した。表３の熱圧着条件で熱圧着を試みたところ、熱圧着直後は２０度光沢度で５５％であったが、２週間後には４０％まで低下した。

ベルト式定着装置の機構（冷却部材：冷却水槽）を示す図である。 熱可塑性樹脂層へのトナーの埋設の様子を示す図である。 ベルト式定着装置の機構を示す別の形態（冷却部材：冷却ロール）の図である。 懸濁重合トナーを用いた画像の、トナー密度に対する２０度光沢度の均一性示すグラフである。 粉砕トナーを用いた画像の、トナー密度に対する２０度光沢度の均一性示すグラフである。

符号の説明

１ ステンレスベルト
２ 加熱ローラ
３ ヒータ
４ 冷却ローラ
５ 加圧ローラ
６ トナー画像
７ 給紙部
８ 冷却部材
９ 記録媒体基材
１０ 平坦化層
１１ 熱可塑性樹脂層
１２ トナー像
１３ 記録媒体

Claims (12)

1. 加熱ローラ及び冷却ローラの２軸で、金属製のエンドレスベルトを張架して駆動回転し、加圧ローラが該加熱ローラを取り巻く該金属ベルトの外周側より圧接する加熱・加圧機構と、冷却ローラを取り巻く部分の該金属ベルト表面及び、該加熱ローラと該冷却ローラの間に該金属ベルト内面に接するように冷却部材を設けた冷却機構を有することを特徴とするベルト式定着装置。
2. 前記加熱ローラ及び冷却ローラの直径が５０ｍｍ〜１５０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のベルト式定着装置。
3. 前記冷却部材は、冷却水槽、冷却ロール、冷却ファンのいずれかの部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載のベルト式定着装置。
4. 前記金属ベルトは、厚さ０．０５ｍｍ〜０．３０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のベルト定着装置。
5. 前記金属ベルトは、直径は１５０ｍｍ〜３１０ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のベルト式定着装置。
6. 前記金属ベルトが、十点平均粗さＲｚで０．２μｍ以下で、かつ中心線平均粗さＲａが０．０３５μｍ以下である鏡面を有するステンレスベルトであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のベルト式定着装置。
7. 前記金属ベルトは、ビッカ−ス硬度Ｈｖが４３０〜５００のステンレスベルトであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のベルト式定着装置。
8. 前記金属ベルトにおいて、該ベルト外周側の全表面に対して表面から深さ１０００Åまでの間に、窒素イオンかフッ素イオンか炭素イオンのいずれかイオンを、注入量１０¹⁰〜１０²⁰ｉｏｎｓ／ｃｍ²でイオン注入がなされたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のベルト式定着装置。
9. 前記金属ベルトが、離型剤塗布、２００〜２７０℃加熱処理、加熱後離型剤塗布の三工程からなる離型剤処理を施された金属ベルトであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のベルト式定着装置。
10. 基材上に熱可塑性樹脂層を有する記録媒体の樹脂表面にトナー像を形成し、請求項１〜９に記載のベルト式定着装置の金属ベルト面に、トナー像を形成した該記録媒体を密着保持させながら、前記加熱ローラと加圧ローラの間を通過させて、該記録媒体表面のトナー像を熱圧着することで、該トナー像を熱可塑性樹脂層に埋設させる工程を含み、該記録媒体表面のトナー像を熱圧着した該記録媒体を、該金属ベルトに密着保持させたまま前記冷却ローラ位置に移動させ、該冷却ローラで該金属ベルトを介して該トナー像と該記録媒体表面を急冷することで、平坦なトナー画像を形成した該記録媒体を該金属ベルトから分離させる工程を含むことを特徴とするトナーの画像形成方法。
11. 前記記録媒体が、紙基材に、形状異方性を持ちアスペクト比１以上、且つＢＥＴ比表面積１００〜１８０ｍ²／ｇのベーマイト及び気相法で生成したγ−アルミナを主成分とする水分散体を、ベーマイト及びγ−アルミナの固形分として１〜３０ｇ／ｍ²を塗布し乾燥した後、熱可塑性樹脂を成分とする水性エマルジョンを樹脂固形分として１〜３０ｇ／ｍ²塗布し、加熱された金属鏡面に熱可塑性樹脂表面を圧着し、乾燥及び樹脂溶融後、固化剥離して得られる記録媒体であることを特徴とする請求項１０に記載したトナーの画像形成方法。
12. 請求項１０又は１１に記載したトナー画像形成方法によって画像を形成したことを特徴とする画像形成体。

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