JP5247660B2

JP5247660B2 - トナー画像定着方法

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Publication number: JP5247660B2
Application number: JP2009259026A
Authority: JP
Inventors: 英治植川; 耕一寺内; 悟伊澤; 克彦西村; 行秀牛尾; 憲一松本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: WO2011058731A1; JP2011107191A; US20120231390A1

Description

本発明は、記録媒体上に形成された未定着トナー画像を記録媒体に定着するトナー画像定着方法に関する。

近年、電子写真製品の省エネの尺度として国際エネルギースタープログラムのＴＥＣ（ＴｙｐｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙＣｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）が定められ、その採用は世界的な広がりを見せている。公称速度に応じて規定の印刷枚数を持つジョブが１５分間隔で複数回規定され、５日間の労働日と２日間の休暇を合計した１週間（１６８時間）で消費する消費電力量（ｋＷｈ／Ｗｅｅｋ）をもって、その製品のＴＥＣ値とするものである。ＴＥＣが適用される前は、約３０秒／ジョブとされる印刷時間の累計エネルギーよりも、それ以外の待機時間（レディモード）、及び夜間や休日（スリープモード）に消費されるエネルギーの方がＴＥＣ値の大方を占める製品が殆どであった。図２（ａ）に、熱ローラ式の定着装置を搭載するプリンタのＴＥＣ測定時の典型的な電力プロファイル例を示す。図２は横軸が時間、縦軸が消費電力を示している。１５分間隔で実施されるプリントジョブの間はレディモードに保たれ、ジョブ終了後所定時間の間はプリントジョブが入ると３０秒以内でジョブを開始できる低電力モードとされ、ジョブが終了して所定時間を経過するとスリープモードに入っていた。

レディモードやスリープモードで消費されるエネルギーがＴＥＣ値の大方を占めるという状況は、ＴＥＣが適用開始された２００７年以降、様変わりした。今や、印刷が終了すると１分程度でスリープモードに入る製品が多数となり、所謂トップランナー製品（＝同じ公称速度の中で、省エネ性能が最も優れている製品）のスリープ時の電力は、限界と言っても良い１Ｗにまで縮減された。図２（ｂ）に熱定着装置を搭載するトップランナープリンタのＴＥＣ測定時の典型的な電力プロファイル例を示す。１５分間隔で実施されるジョブは、全てスリープモードから開始されるのが特徴であり、従来、ＴＥＣ値全体の過半を占めていた待機時消費電力量が激減し、ＴＥＣ値の殆どがジョブ実行時の消費電力で占められるようになっている。ＴＥＣ適用以前のエネルギースタープログラム（モノクロ複写機・複合機のみが対象）で規定されていたスリープモードからのリカバリー時間規制が、ネットワーク接続されるプリンタ等に適用対象が拡大されるに及んで廃止された。この結果、レディモードの時間を極限まで短縮し、スリープモードから印刷することが一般化した。この間、ＴＥＣ値は大幅に改善したが、ジョブ毎のリカバリー時間が２０〜３０秒を要する製品が多く、ユーザビリティーは犠牲になった面がある。

２００７年時点で、ハイエンド機（３５枚機）のカラー複合機のトップランナーＴＥＣ値は２．５ｋＷｈ／ｗｅｅｋであったものが、２００９年時点では、トップランナーＴＥＣ値が１．７ｋＷｈ／ｗｅｅｋにまで激減した。ローエンド機においても、モノクロ２０枚プリンタでは、２００７年のトップランナーＴＥＣ値が１．０ｋＷｈ／ｗｅｅｋであったものが、２００９年のトップランナーＴＥＣ値は０．６ｋＷｈ／ｗｅｅｋを達成している。２００９年のトップランナーのスリープ電力はカラー複合機・モノクロプリンタともに１Ｗであり、いずれにおいてもＴＥＣ値中のスリープエネルギーは高々０．２ｋＷｈ／ｗｅｅｋに過ぎない。

ＴＥＣ値を更に下げようとすると、今やＴＥＣ値の大半を占める印刷時の消費電力を下げる以外の手はない。これは、ＴＥＣ値中の印刷エネルギーの占める割合が多いハイエンド機においてより切実な問題である。熱定着方式では、トナーの定着温度を更に下げることが残された唯一の省エネ手段と考えられるが、この間の省エネ化対策で既に２０〜３０℃の低温定着化が行われており、更なる低温化は輸送時・使用時のトナー固着の弊害もあり、難易度が高い。仮に低温化したとしてもその省エネ度合いはＴＥＣ値で１０％減程度に留まると予想される。そこで、熱を使わずにトナー画像を定着する方式による、抜本的な省エネが求められる。その候補として光定着方式が注目される。以下に、従来の主な光定着技術について述べる。

特許文献１は、電子写真法で形成されたトナー画像に三次元架橋構造を有するポリマー被覆を施す事で、耐磨耗性やスクラッチ性を向上させる画像形成方法に関するものである。具体的には、ポリマー被覆組成物は、（１）シロキシ変性ポリカルビノールとアクリルウレタンの組み合わせ、又は、シロキシ変性アクリルウレタンのいずれかと、（２）多官能アクリル酸化合物を必須構成部分として含む。更に、被覆組成物はトナーを画像支持体に硬化し、結合すると記載されている。特許文献１の「硬化」とは、トナー画像を熱で定着した後に被覆組成物を塗布し、熱又は光で硬化させる場合を含むが、未定着トナー画像に直接被覆組成物を塗布した後、紫外線光を照射して定着する例も記載されている。後者の具体的実施例１では、上記（１）＋（２）の化合物が用いられ、重合開始剤にベンゾフェノン系化合物が用いられている。この場合の光硬化は、高圧水銀灯により成就されるが、実施例に記載された消費電力は１１８Ｗ／ｃｍとされており、決して低くはない。これに対応する定着速度は３０ｍｍ／ｍｉｎ（＝５００ｍｍ／ｓｅｃ）と高速ではあるが、ハイエンドの電子写真画像形成装置の定着消費電力として見ると、３〜４ｋＷの大電力に相当するもので、昨今の省エネレベルには遠く及ばない。発光輝線を多数有する水銀灯は、赤外域にも発光波長を有するなど、必要な紫外線以外の光も出すため、省エネとは言えない。又、水銀灯の場合は熱ローラ並かそれ以上の立ち上げ時間が必要であり、装置構成上もコンパクトさを欠く嫌いがある。また、ベンゾフェノン系の光重合開始剤は、発光輝線を多数有する高圧水銀灯での光硬化には有効であっても、ＬＥＤのように極大発光波長が狭い波長領域に限定される光源に対しては感度が低いという問題がある。

特許文献２には、光重合組成物として不飽和ポリエステル樹脂をビニルモノマーに溶解させた液状組成物を複数のノズル等を用い、未定着トナー画像を載せた記録媒体に塗布している。その後、紫外線を照射し固化することでトナー同士及びトナーと記録媒体とを固定する定着方法が、温風等による定着方法と並べて開示されている。液状組成物を用いる定着の効果として省エネが謳われているものの、温風による乾燥で「少ない定着エネルギーで定着できた」とされるのと同様の表現で、「紫外線ランプで紫外線を照射したところ、少ない定着エネルギーで定着できた」とのみ記載されている。紫外線光源の具体的特徴や具体的消費電力値を挙げて論証されておらず、紫外線を用いる定着というだけで、熱を利用するヒータを用いるのと同列の省エネ度では、現在求められている水準を満たすものとは考えられない。又、紫外線ランプの立ち上げ時間等、待ち時間に関しては、併記されている他の定着方法においても何ら触れられていない。ヒータを用いる場合等には相応の待ち時間が発生することは容易に推定され、紫外線ランプについても同様である。

また、特許文献２の光重合組成物は、供給ロールで記録媒体の非画像部つまり裏面から供給され、記録媒体の表面に形成されているトナー画像の所まで、光重合組成物を強く浸透させて供給する必要がある。このために光重合組成物の成分として浸透促進剤としての界面活性剤が用いられている。しかしながら界面活性剤の添加は、光重合組成物を記録媒体の深部へ強く浸透させてしまう事や記録媒体（例えば普通紙）へ大量に光重合組成物を塗布する必要があり、記録媒体の繊維の中に光重合組成物が浸透してしまうため通常の紫外線の照射では、光が十分に記録媒体の繊維の中まで到達し得ない。結果的に光重合反応が不十分となり未反応モノマーや蒸気圧の低いオリゴマーが発生し、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の増大をもたらす。更に繊維の内部で重合した固化物は、記録媒体を透明化し画像の価値を著しく損なう。更に記録媒体の剛性が増し、本来の電子写真用普通紙とは風合いの異なるもので好ましくない。記録媒体にコート紙を用いる場合は、コート層で浸透が阻止されるため完全な重合反応が期待できずトナー画像の被覆は困難になると思われる。

ＵＳＰ４４７７５４８号公報特登録４０１４７７３号公報

本発明が解決しようとする課題は、トナーを記録媒体に定着させるために要するエネルギーを加熱定着方法と比較し大幅に少なくできるトナー画像定着方法を提供することである。

上述の課題を解決するための本発明のトナー画像定着方法は、記録媒体上に形成された未定着トナー画像に２５℃の環境下で３０ｍＰａ・ｓ以上４００ｍＰａ・ｓ以下の粘度を有する光重合組成物を塗布し、前記光重合組成物が塗布された前記未定着トナー画像に対して４２０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長領域に極大発光波長を有する光を発光ダイオード又は有機ＥＬ素子を用いて照射し、前記光重合組成物に光重合反応を起こさせて前記光重合組成物を硬化させることで前記未定着トナー画像を前記記録媒体に定着することを特徴とする。

熱を利用せずに光重合反応で定着工程が行われるので、大幅な省エネを達成することが出来る。

実施例１の光定着装置の断面図（ａ）と平面図（ｂ）。熱ローラ定着器搭載プリンタ、熱定着器搭載トップランナープリンタ、実施例１の光定着器搭載プリンタ、それぞれのＴＥＣ値を示した比較図。光重合開始剤の吸収スペクトルとＬＥＤの発光スペクトルの関係図。熱定着器を用いて定着したトナー画像と実施例１の光定着器を用いて定着したトナー画像のギャマットを比較した図。光重合組成物を塗布した時のトナー層の変化を表した模式図。実施例２の光定着器の全体断面図（ａ）と筒状部材の構成の詳細断面図（ｂ）。実施例３の光定着器の断面図。

以下、本実施形態で用いる光重合組成物、定着用光源、トナー、塗布方法、について説明する。

（Ａ）光重合組成物
光重合組成物としては、以下に示す３種類の光重合反応いずれかを活用するものを用いる。一つ目は、光重合開始剤に光を照射することでラジカル活性種を形成し、この活性ラジカル種が順次モノマーと重合することで成長反応を行う「ラジカル光重合反応」である。二つ目は、光でスルフォニウム塩、ヨードニウム塩等の光重合開始剤を励起する際に活性カチオン種を形成し、エポキシ化合物やオキセタン化合物やビニルエーテル化合物のようなモノマーと逐次重合する「カチオン光重合反応」である。三つ目は、光による励起で発生した活性アニオン種が重合反応に関与する「アニオン光重合反応」である。「ラジカル光重合反応」には、「ノリッシュ（Ｎｏｒｒｉｓｈ）Ｉ型」と「ノリッシュ（Ｎｏｒｒｉｓｈ）ＩＩ型」の反応が存在する。「ノリッシュＩ型」反応は、α−ヒドロキシケトン類、α−アミノケトン類、ＢＤＫ、ＭＡＰＯ類、ＢＡＰＯ類を励起三重項状態に励起し、α位置でホモリテックに分解し、活性ラジカル種を発生させる。「ノリッシュＩＩ型」反応は、ベンゾフェノン類が光励起で励起三重項状態に励起し、この状態で三級アミンから水素引き抜き反応を起こし、発生した活性ラジカル種がモノマーと重合反応を起こすものである。「ラジカル光重合反応」は、酸素により反応が阻害され易いけれども、豊富なモノマー種が存在するため主体的に用いられる。

ＬＥＤ（発光ダイオード）による光重合組成物の硬化反応を効果的に行うには、ＬＥＤの発光スペクトルと良くマッチングしている吸収スペクトルを有する光重合開始剤を含む光重合組成物を用いることが重要である。特に、ＬＥＤの発光はメタルハライド灯や中・高圧水銀灯と比べて発光スペクトル帯が狭いので、より光重合開始剤の選択が重要になる。具体的な光ラジカル重合開始剤としては、フォスフィン系化合物、イミダゾール系化合物、ケタール系化合物やチオキサントン系化合物を用いることができる。光重合組成物は、未定着トナー画像の層に浸透し、トナーと記録媒体の接点に到達することが必要である一方で、できるだけ記録媒体中には浸透せずに、表面で硬化させることが求められる。これを実現する方法の一つとして、光重合感度の高いモノマー類や多官能モノマー類を配合することが挙げられる。また、光重合組成物Ｄ１に用いる添加剤として、増感剤・粘度調整剤・流動性調整剤などを配合することも可能である。さらに、得られる光重合硬化物が無色透明性を示すことが必要であり、ナノ粒子径を有する無機化合物か、有機化合物のフィラーを添加してもよい。

（Ｂ）定着用光源
光重合組成物が塗布された未定着トナー画像に光を照射する定着用光源は発光ダイオード又は有機ＥＬ素子を用いる。発光ダイオードとしては、発光効率の高いチップ構成が好ましい。通常ＩｎＧａＮを発光層として利用する場合には、Ｉｎ組成を変化させることでその発光波長は赤外から紫外領域まで変化させることが出来る。長波長になる程、発光効率は高く、紫外線域に極大発光波長を有する紫外線ＬＥＤ（以下、ＵＶ−ＬＥＤ）の波長を可視光領域に向けて長波長化する開発が進められている。そこで本発明は、光重合組成物が塗布された未定着トナー画像に対して光を照射する定着用光源として、４２０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長領域に極大発光波長を有する発光ダイオード又は有機ＥＬ素子を用いるものである。特に、遠赤外領域に発光波長帯を実質的に有さず、４２０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長領域に極大発光波長を有する発光ダイオード又は有機ＥＬ素子が好ましい。極大発光波長が４２０ｎｍ以上なので、発光効率は紫外光の場合よりも高いメリットがある。更に、紫外光の場合には、集光レンズとして紫外線を透過するガラスにする等の必要があるのに対して、可視光だとより汎用性の高い樹脂が使えるメリットもある。一方、例えば赤色光のように、極大発光波長があまりに長波長になると光エネルギー自体が低くなるので、照射時間を延ばす必要が生じてしまう。また、長波長の光を吸収する必要性のため光重合組成物を着色する必要も生じ、トナー画像の色味が変化するという問題もある。そこで、ＬＥＤの極大発光波長を４７０ｎｍ以下に設定し、そこに感度を有する光重合開始剤とのマッチングを図ることで、長波長化により発生する傾向にある上記諸問題を、実用上は問題とならない範囲に抑えることができる。

メタルハライド光源や中・高圧水銀灯に比べて、ＬＥＤや有機ＥＬ素子の消費電力は小さく、装置寸法も小型であり、発光波長分布が狭い。赤外領域に発光スペクトルを持たないので発熱量が少なく装置の昇温を抑制することも出来る。また、４２０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長領域に極大発光波長を有する発光ダイオード又は有機ＥＬ素子は、発光効率が高いので、発光素子を１列で構成でき、主走査方向にアレイ状に配列し、簡易な放熱フィンを設けた発光ユニットとすることができる。必要な発光強度は、光重合組成物の感度や電子写真画像形成装置の速度により、更には発光素子の出射面と照射面までの距離（ワークディスタンス）、ライトガイドの種類、集光レンズの種類、拡散板の利用の有無等によっても大きく左右される。本実施例では、照射強度が４００ｍＷ／ｃｍ^２以上２０００ｍＷ／ｃｍ^２以下である発光素子が利用される。この際、発光素子の発光量は、個別素子に対して独立に電流値を制御することも可能であるが、全体を一括して電流値を制御することで装置の簡略化と低コスト化を図っても良い。

また、ＬＥＤに替わる発光源として、有機ＥＬ素子（ＯＬＥＤ）素子を用いることも可能である。有機ＥＬはＬＥＤと比較して面発光のため点発光のＬＥＤと比較し発光素子ユニットの加工や実装に関しては、極めて容易となる。有機ＥＬを用いる場合においても、特に４２０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の領域に極大発光波長を有する光源を選択し、光重合開始剤の吸収波長とのマッチングを図る必要がある。

（Ｃ）トナー
本実施例に用いるトナーは、記録媒体の地の色を隠蔽し、できるだけトナー中の色剤を際立たせるために、記録媒体上のトナー粒子間の空間が最も少なくなるように最密充填した配置とされるのが好ましい。記録媒体上に多層に形成されたトナー画像に光重合組成物を塗布した場合、光重合組成物は毛細管現象によりトナー粒子表面を濡らすと共にトナー粒子間に凝集力を発生させ、トナー粒子間の空間を液で満たしつつトナー粒子間を浸透して記録媒体表面に到達する。粒径が揃い、かつ球形状のトナーが、上述の最密充填効果を発揮できるので最も好ましい。ここに言う球形状とは、シスメックス社製ＦＰＩＡ３０００で測定した円形度が０．９５以上１．００以下の範囲のトナーを言う。円形度は、下式を用いて求める事が可能である。
円形度＝（粒子面積と等しい円の周囲長）／（粒子周囲長）
測定方法は、ノニオン型界面活性剤約０．１ｍｇが添加された水１０ｍｌにトナーを５ｍｇ加え超音波分散器を用い５分間分散後、トナーの円形度を測定した。円形度は、完全な真球の場合には１．００を示し形状が複雑になる程、円形度の値は小さくなる。円形度が０．９５以上１．００以下を示すトナーが特に好ましく用いられる。更に、固体のトナー表面と光重合組成物とで発生する電気二重層に電界を作用させて電気浸透流を発生させて浸透性を制御する事も可能である。

粒径が揃い、球形形状をしたトナーの製造法は、従来から良く知られた重合法が利用できる。粒径が揃い球形形状のトナーを製造するには、強い膨大な破砕エネルギーを必要とする粉砕法より、液中で界面張力を利用する方が製造エネルギーや収率の点で好ましい。省エネルギーな生産性のためモノマーからトナーを直接製造するｉｎ−ｓｉｔｕ重合法が特に好ましく利用できる。例えば特登録０３０６６９４３号に記載されている公知の製造法が利用できる。トナーの製造方法としては、製造収率や製造エネルギーや球形形状を容易に形成できる点で重合法が好ましいが、重合法に限定するものではない。粉砕法により製造したトナーを熱球形化処理した粉砕法トナーも利用する事ができる。

ＬＥＤ光による定着方式では、従来の熱定着方式と異なり発熱が大幅に減少するので、定着器周りの耐熱部材を通常の汎用プラスチック材料に変更する事が可能となる。又、従来の、耐久性が良いトナーは定着温度を高くする必要があり、逆に定着温度が低いトナーは耐久性に難がある、というトレードオフ関係が解消される。つまり、耐久性の良いトナーでも光で定着でき、従来のように高温設定に伴う定着器回りの問題が生じないので、トナーの帯電性の安定化と定着器のコストダウンが両立できる。

（Ｄ）塗布方法
光重合組成物の最適塗布量は、記録媒体表面の粗さや密度、又、塗布から光照射までの時間により左右される。通常は、１μｍ以上２０μｍ以下の厚さの塗布量が適度である。２０μｍより厚く塗布すると記録媒体がカールしたり、記録媒体が透明化するため好ましくない。塗布量が１μｍより薄いとトナーと記録媒体との層間強度が低下し摺擦や折り曲げ等でトナーが欠落する等、定着性が不足するため好ましくない。コートされた記録媒体を用いる場合には、光重合組成物の塗布量を少なくして、かつ、硬化収縮の低い光カチオン重合組成物を採用することが好ましい場合もある。但し、光カチオン重合組成物は放置安定性に乏しく、光ラジカル重合組成物を選択したほうが好ましい。

光重合組成物の塗布方法は、中・低粘度物を薄層に塗布する既知の方法より選択される。例えば、ロッドコーター、グラビアコーター、リバースグラビア、メイヤーバーコーター、ダイコーター、キスロールコーター、フルコーンノズルやフラットスプレーノズルやナイフジェットノズルを有する一流体ノズル、二流体ノズル、ロールコーター、電界霧化法、インクジェット法などが用いられる。光重合組成物の粘度は塗布方法に依存する。ノズル法やインクジェット法は、微少な吐出量を制御するためには大変適した方法であるが、ピエゾ素子の駆動力が低いため、比較的低い粘度（ｅｘ．２５℃環境下で、１０ｍＰａ・ｓ以上３０ｍＰａ・ｓ以下）の組成物しか用いることが出来ない。一方、グラビアコーターやロールコーター、あるいは加熱インクジェット法は比較的高い粘度（ｅｘ．２５℃環境下で、３０ｍＰａ・ｓ以上４００ｍＰａ・ｓ以下）の組成物に適する塗布方法である。記録媒体の表面で組成物を硬化させるには、低粘度浸透タイプよりも中程度の粘度を持つ光重合組成物が特に好ましい。

以上のように、本発明は、記録媒体上に形成された未定着トナー画像に光重合組成物を塗布し、光重合組成物が塗布された未定着トナー画像に対して４２０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長領域に極大発光波長を有する光を発光ダイオード又は有機ＥＬ素子を用いて照射し、光重合組成物に光重合反応を起こさせて光重合組成物を硬化させることで未定着トナー画像を記録媒体に定着するものである。

（実施例１）
図１（ａ）は光定着装置の断面図、図１（ｂ）は光定着装置の平面図である。この光定着装置は電子写真方式のフルカラーレーザプリンタ（不図示）に未定着トナー画像Ｔ１定着装置として搭載されている。２０は記録媒体Ｐ上に形成された未定着トナー画像Ｔ１に光重合組成物Ｄ１を塗布する塗布部、４０は光重合組成物Ｄ１が塗布された未定着トナー画像Ｔ１に対して光Ｌを照射する光照射部、５０は光照射部４０が出射する光Ｌが塗布部２０に当らないようにするための遮光部である。

本実施例の塗布部２０はインクジェットタイプであり、複数のインクジェットノズル（不図示）が、記録媒体Ｐの進行方向（矢印方向）に対して直角方向に一列に配置されている。記録媒体上の未定着トナー画像Ｔ１が形成された位置のみに光重合組成物Ｄ１を塗布するように各インクジェットノズルを制御しても良いし、全てのノズルを同時に制御して記録媒体Ｐの全域に光重合組成物Ｄ１を塗布しても良い。後者の場合、ノズルとノズル駆動部の結線が簡素化でき、ノズル駆動部を簡易な構成に出来る。本実施例では、塗布部２０によって未定着トナー画像Ｔ１に塗布する光重合組成物Ｄ１としてスリーエム社製ＵＶｏｒＶｉｓｉｂｌｅＣｕｒｅＡｄｈｅｓｉｖｅＬＣ１２１３（２５０〜３８０，４００〜５００ｎｍ）を用いた。この光重合組成物Ｄ１は常温における粘度が約４００ｍＰａ・ｓであり、粘度が高い。本実施例の光定着装置は、ノズルから吐出す時の光重合組成物Ｄ１の粘度が低くなるように、光重合組成物Ｄ１を加熱し軟化させる熱源を備えている。塗布領域は未定着トナー画像Ｔ１が形成された位置のみではなく記録媒体全面であり、塗布する厚みが均一になるようにノズルを制御した。プリンタ内で記録媒体（本実施例ではゼロックス社製レターサイズ、坪量７５ｇ／ｍ^２普通紙を用いた）上に形成した複数層の未定着トナー画像Ｔ１の厚さは、トータルで２５μｍ程度であり、この厚みのトナーを定着するのに必要な光重合組成物Ｄ１は、レターサイズ用紙１枚全面に対して０．５ｍｌ程度である。この塗布量は、塗布厚み（プラスチックフィルムのように光重合組成物Ｄ１が浸透しない記録媒体の表面に光重合組成物Ｄ１のみを塗布した場合の厚さ）にして８μｍ以上１０μｍ以下である。この光重合組成物Ｄ１を硬化し、トナーを十分な強度で記録媒体に定着させるのに必要な積算光量は約４０ｍＪ／ｃｍ^２であることが予め実験的に得られている。

本実施例で使用したライン型光照射部４０は、主走査方向（記録媒体の進行方向に対して直角な方向）にＬＥＤ（発光ダイオード）デバイス４１を２０個アレー状に一列に配列されており、集光レンズ４２と放熱フィン４３を有する。記録媒体上の未定着トナー画像Ｔ１が形成された位置のみに光Ｌを照射するように各ＬＥＤデバイスを制御しても良いし、全てのＬＥＤデバイスを同時に制御して記録媒体Ｐの全域に光Ｌを照射しても良い。後者の場合、ＬＥＤデバイスとＬＥＤ駆動部の結線が簡素化でき、光照射部４０を簡易な構成に出来る。

未定着トナー画像Ｔ１に塗布された光重合組成物Ｄ１は、トナー粒子表面を伝って、トナー粒子間の空間を満たし、トナー粒子と記録媒体の界面に至る。塗布前の未定着トナー画像Ｔ１の高さ（層厚）は、光重合組成物Ｄ１を塗布すると光重合組成物の表面張力の作用で低められ、これに伴いトナー粒子間の相対位置関係も変化し、マクロ的に混色を促進する（色相の幅が向上する）。

ＬＥＤ光源４１の消費電力は、ＬＥＤデバイス１個あたりの消費電力が約５Ｗであるので、全体として約１００Ｗである。照射エリアがレターサイズ（幅２１５．９ｍｍ×長さ２７９．４ｍｍ）の幅をカバーするために２２０ｍｍの長さを持ち、記録媒体搬送方向に１０ｍｍの幅を持つ。この照射面積に対して、平均して５００ｍＷ／ｃｍ^２の強度を有する光が照射できるようになっている。光定着器を搭載するプリンタの記録媒体搬送速度は約１００ｍｍ／ｓであり、搬送方向１０ｍｍの照射幅通過に要する通過時間は０．１秒であることから、このＬＥＤ光源下を通過して得られる積算光量は５０ｍＪ／ｃｍ^２になる。照射光の波長は４５０ｎｍ付近に唯一の極大波長を持つＬＥＤ光であり、積算光量として定着に十分な値（約４０ｍＪ／ｃｍ^２）が確保されており、この条件で十分な定着強度が得られた。集光レンズ４２としては、紫外光を用いる場合と異なり、通常の樹脂レンズを使うことができ、コストダウンが図れる利点がある。

図３に、本実施例で用いた光重合組成物Ｄ１に含まれる光重合開始剤の吸収スペクトルとＬＥＤの発光スペクトルの関係を示す。光重合開始剤の吸収スペクトルは４００ｎｍから５００ｎｍの光に対応して光重合を行うことが可能であり、ＬＥＤの発光波長分布は４５０ｎｍを中心に４０ｎｍの狭い範囲に集中しており、トナー粒子間を満たしてトナー粒子／記録媒体の界面にまで塗布された光重合組成物Ｄ１に効率よく光重合反応を起こさせ、トナー画像を記録媒体上に定着することが出来た。

定着後のトナー画像を摺擦した際の濃度低下率を測定して定着性の評価を行った。具体的には、グレタグマクベス社製ＲＤ−１９Ｉ等の反射濃度測定器を用いて、定着後の画像濃度を測定し、その後、重り等を用いて所定の負荷をかけながら画像表面をシルボン紙で所定回数擦る。さらに、擦り後の濃度を測定し、（濃度低下率：％）＝｛（擦り前画像濃度）−（擦り後画像濃度）｝／（擦り前画像濃度）×１００により計算する。結果は以下の表１のとおり、光定着は熱定着に遜色ない定着性を示すことが判った。なお、濃度低下率の比較は、ブラックトナー（Ｋ）単色のベタ画像およびハーフトーン画像で行い、濃度低下率は１０．０％以下であれば実用上問題無いと判断している。本実施例の光定着器で定着する前の未定着トナー画像と、熱定着器で定着する前の未定着トナー画像は同一である。

次に、定着後のトナー画像のカラーギャマット（ｇａｍｕｔ）を図４に示した。Ｌａ＊ｂ＊の測定は、グレタグマクベス社製のＳｐｅｃｔｒｏｌｉｎｏを用いた。実線は本実施例の光定着方式、破線は熱定着方式に対応するものであり、本実施例の光定着方式でも十分な色再現が行われていることが判る。この理由として、未定着状態ではトナー界面での光散乱で略表面のトナーの色しか人間の目に入らないものが、光重合組成物が浸透することで光散乱が抑えられて光吸収が促進されるからである。更に、以下に述べるトナー層間における異なる色のトナー位置の入れ替りによる併置混色化作用が効いていることが、本発明者らの観察により明らかになった。

記録媒体上に形成した複数色の未定着トナー画像Ｔ１上に、光重合組成物Ｄ１を塗布した際の、塗布前の様子から塗布後にかけてトナー層中で起きるトナー粒子間位置関係の変化の様子を図５（ａ）〜（ｄ）に示す。図５では二色のトナー画像が層状に上下に分かれた状態（フルカラーレーザプリンタ中の未定着画像形成部によって形成した画像）を示している。

図５（ａ）に示すように、記録媒体上へ形成した二色の未定着トナー画像（ベタ画像）は、下層に１色目のトナー、上層に２色目のトナーが層状に積層されている。各色毎のトナー層の厚みは、トナー粒子の１．５倍〜３倍の厚みを有しており、二色合わせて３〜６層程度のトナー粒子層を形成している。この未定着状態で認識できる画像の色は、上層のトナーの色が支配的である。図５（ａ）の場合はマゼンタ色が支配的で、部分的にトナー粒子が少ない箇所や存在しない箇所から、下層のシアン色が反射することにより、人間の視覚的にはマゼンタに若干青みを帯びたような色（二次色）として認識できる。

次に未定着トナー画像の上から光重合組成物Ｄ１を塗布し始めると、図５（ｂ）に示すように、液滴が付着・浸透した部分を基点に、周囲のトナー粒子が液の界面張力によって凝集しクラスターを形成する。液滴の大きさ等によってクラスターの大きさは異なるが、ほぼ均等な間隔で分布したような状態になる。この状態で、認識できる画像色は、上層のトナーが平面方向に凝集することによってクラスター間の隙間が拡がることから、光重合組成物Ｄ１塗布前と比較すると、下層のトナーからの反射強度が強くなり、徐々に下層色の影響が出始めるように認識される。

さらに、光重合組成物Ｄ１の塗布が進むにつれ、図５（ｃ）に示すように、上層トナーのクラスター間に出来た隙間を通って、下層のトナーにも直接光重合組成物Ｄ１が付着および浸透し、上層のトナーが凝集するのと同様に、下層のトナー同士が凝集してクラスターを形成し始める。同時に光重合組成物Ｄ１の浸透が進行した上層から、大小のクラスター状態のトナーが光重合組成物Ｄ１の浸透と界面張力の影響を受けて記録材方向（図５の下向き）に引き付けられる。光重合組成物Ｄ１塗布前のトナー層厚みと比較すると、光重合組成物Ｄ１の介在によりトナー間に存在した隙間や空間が減少し、トナー層厚みが減少して凹凸が均される。

最終的に、所定量の光重合組成物Ｄ１塗布が終了すると、図５（ｄ）に示すように、各色別の大小のクラスター、および二色が混在した大小のクラスターがほぼ均等な間隔で併置し、初期状態（未定着状態）のトナー配列から比較すると、大きく配列を変化させ、浸透した光重合組成物Ｄ１が記録材の表面まで到達した状態を形成する。この状態で認識できる画像の色は、微視的に観察すると、熱定着方式の混色、つまり異なる色のトナー粒子が溶融し合って生じる混色はしていない（微視的に二次色の状態にはなっていない）ものの、人間の眼の空間的分解能よりは十分に小さいクラスターが併置することによる併置混色が形成され、熱定着方式で得られる混色状態と遜色の無いカラー画像として認識することが出来る。

尚、上述したトナー層間のトナー配置の入れ替りによって生じるカラートナーの併置混色および混色増進のメカニズムは、光重合組成物Ｄ１の塗布過程で生じる。これは、本実施例で示した４２０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の可視光域の光に限定されるものではなく、より短波長の紫外光により定着する場合にも観察される現象である。

本実施例のＬＥＤ光源を用いて光照射する際の駆動電力は、実測上１００Ｗであり、定着装置としては光重合組成物Ｄ１塗布部（加熱式インクジェットヘッド）の駆動電力をあわせると、およそ１８０Ｗの消費電力である。以下表２に熱定着方式により定着させた場合の電力と比較する。

上記表２から明らかなように、本実施例による定着装置の消費電力は１８０Ｗであり、熱定着方法を使用した場合の約６０％の消費電力であることが分かる。また、このＬＥＤ光源の光変換効率は、約１０％以下である。今後ＬＥＤの変換効率が更に向上していくと、光源の駆動に必要な消費電力は更に少なくなると予想でき、将来的にも省電力性に大きな可能性を秘めた定着方法であると考えられる。

因みに、Ａ４サイズ紙を縦送りで１６枚／分出力する能力があるモノクロレーザプリンタに熱定着器を搭載した場合と、本実施例の光定着器を搭載した場合の、電子写真プリンタとしてのＴＥＣ値を比較したところ表３の結果であった。表３の比較例は２００９年時点でＴＥＣ値のトップランナーレベルのものであり、スリープモードにおける消費電力を１Ｗにするコントローラを用いている。比較値は、このプリンタの熱定着器のみを光定着器に入替えて測定したものである。

ＴＥＣ値は速度依存があり、熱定着器を光定着器に変更した際の省エネ効果は高速になる程、顕著に表れる。以下に、Ａ３カラー複合機のハイエンド製品（Ａ４横送りで５１枚／分出力する能力があるプリンタ）に本実施例の光定着器を適用した場合のＴＥＣ値低減効果を示す。これも比較例は、２００９年時点のＴＥＣ値トップランナーレベルのものであり、スリープモードにおける消費電力を１Ｗにするコントローラを用いている。

熱定着方式では、トナーの定着温度を更に下げることは困難とされているが、仮に下げてもＴＥＣ値低減効果は１０％前後と見積もられていることを考えれば、表３／表４の本実施例の光定着器によるＴＥＣ値低減は１７〜２８％であり、省エネ効果の大きさが理解できよう。ＬＥＤの光源効率は、将来的に上がることが予測されており、その際には定着エネルギーが更に低減して、更なる省エネも期待される。図２（ｃ）に本実施例の光定着器を搭載したプリンタのＴＥＣ値測定時の電力プロファイルを示す。比較例である図２（ｂ）と比較して、印刷時の消費エネルギーが抑えられていることが判る。

また、本実施例の他の形態として、ＬＥＤ光源の替わりに有機ＥＬ素子を光源として用いても良い。例えば４４０ｎｍ付近にピーク波長を有する有機ＥＬ素子より成る面発光体を切り出して樹脂封止を行い、直方体の発光光源として用いる。主走査方向がレターサイズ巾（２１５．９ｍｍ）、副走査方向が１０ｍｍ巾の照射エリアをカバーできるようにする。５００ｍＷ／ｃｍ^２の照射強度を有する有機ＥＬ素子をフル点灯したところ、１３０Ｗの消費電力で上述したＬＥＤ光源を用いた場合と同様の定着画像を得ることが出来た。この場合でも、比較例（熱定着方式）と比較して、大幅に省エネを実現するものである。

（実施例２）
図６に実施例２の光定着器の全体断面図（ａ）と筒状部材の構成の詳細断面図（ｂ）を示す。この光定着器２００は、回転可能な筒状部材６０と、筒状部材６０の表面に光重合組成物Ｄ１を供給する供給部（２０３、２０５）と、筒状部材６０の内部に配置されている発光ダイオード４１と、を有する。筒状部材６０が回転しながらその表面に供給された光重合組成物Ｄ１を記録媒体Ｐ上の未定着トナー画像Ｔ１に塗布し、発光ダイオードを用いて光重合組成物Ｄ１が塗布された未定着トナー画像Ｔ１に対して筒状部材６０を介して光を照射し、光重合組成物Ｄ１に光重合反応を起こさせて光重合組成物Ｄ１を硬化させることで未定着トナー画像Ｔ１を記録媒体Ｐに定着するものである。

詳述すると、光定着器２００は、特開２００５−２５４８０３号公報に開示されている簡易なロールコーターと同じ構成である。塗布ローラ（筒状部材）６０と、塗布ローラ６０の上部に配置された空間形成基材２０３と、リング形状の弾性シール部材２０５と、付勢手段２０４を有する。付勢手段２０４により空間形成基材２０３を付勢すると、空間形成基材２０３と塗布ローラ６０と弾性シール部材２０５とで囲まれる空間Ａが形成される。この空間Ａに空間形成基材２０３に設けた供給孔（不図示）から光重合組成物Ｄ１を供給し保持させる。空間Ａへの光重合組成物Ｄ１の供給はポンプで行われ、塗布ローラ６０の回転、停止に応じて空間Ａに対する光重合組成物Ｄ１の供給／回収が調整される。塗布ローラ６０が停止した状態では、塗布ローラ６０と弾性シール部材２０５は密着しており、両者の間に微小な隙間はあっても光重合組成物Ｄ１の表面張力の作用で空間Ａから液（光重合組成物）が漏れることは無い。塗布ローラ６０が回転すると、光重合組成物Ｄ１が一定の量で塗布ローラ６０の表面に供給される。未定着トナー画像Ｔ１を載せた記録媒体Ｐが塗布ローラ６０とバックアップローラ６８の間を搬送されると同時に光重合組成物Ｄ１が未定着トナー画像Ｔ１に塗布される。

本実施例に用いた光重合組成物Ｄ１は、実施例１と同じものであるが、ローラ塗布の場合、インクジェット装置を用いた塗布方法に比べて高粘度の光重合組成物Ｄ１であっても粘度を下げずに塗布できる。本実施例では、上述の塗布方法により、塗布ローラ６０上に５μｍから１０μｍの厚さに塗布できた。

塗布ローラ６０は、図６（ｂ）に示すように、基層６３と、弾性層６２と、表面離型層６１を有する。表面離型層６１は、厚さ約３０μｍのＰＦＡ（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）層であり、中間弾性層６２に住友スリーエム社製のＴＨＶ２２０を用い、基層６３には、厚さ２ｍｍの透明なＰＩ（ポリイミド）パイプを用いた。この塗布ローラ６０の各層は、４２０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長領域に極大発光波長を有するＬＥＤ光が透過する材料で形成されている。

ライン状に配置されたＬＥＤ４１を有する光照射部４０は、中空の塗布ローラ６０の内部に設置してある。照射領域はニップ幅１０ｍｍであり、Ａ４サイズの記録媒体の長手全域に照射できる構造とした。ヒートシンク４３は光照射部４０を光定着器２００のフレームに保持させる保持部材の機能も有している。光照射部４０から出射する光は、光重合組成物Ｄ１を塗布し終わった後の未定着トナー画像Ｔ１に向けて照射される。従って、光照射部４０は塗布ローラ６０から未定着トナー画像Ｔ１への光重合組成物Ｄ１塗布位置よりも記録媒体Ｐの搬送方向下流側に光を照射するように、塗布ローラ６０内で傾けて取り付けられている。遮光部材４４は、光照射部４０と塗布ローラ６０の間に設けられ、塗布ローラ上の光重合組成物Ｄ１に直接ＬＥＤ光が当らないようにしている。

塗布ローラ６０は駆動手段（不図示）によって矢印方向に回転駆動され、加圧ローラ６８は矢印方向に従動回転する。未定着トナー画像Ｔ１を載せた記録媒体Ｐは、塗布ローラ６０と加圧ローラ６８の間に挿通され、光重合組成物Ｄ１が未定着トナー画像に塗布された後に、ＬＥＤ光が照射されることで未定着トナー画像が記録媒体Ｐに定着される。光照射されて硬化済みの光重合組成物Ｄ１は、塗布ローラ６０と加圧ローラ６８の間に生じる応力歪の作用により記録媒体Ｐに転移し、塗布ローラ６０表面には殆ど残らない。図６（ａ）において、光重合組成物Ｄ１拭き取り部材６９により、加圧ローラ６８に移った光重合組成物Ｄ１が除去される。光重合組成物の塗布ローラ６０への供給方法は、上述した弾性シール２０５を用いる方法に限らず、光重合組成物を含浸させたパッドや連続的なウェブを用いて塗布ローラ６０へ供給する方法でも良い。

以上の簡易なロールコーター２００をプロセス速度１００ｍｍ／ｓｅｃで駆動し、未定着トナー画像Ｔ１に浸透させた光重合組成物を実施例１に示したのと同じＬＥＤ光源により照射した結果、実施例１に示したのと同等の十分な定着性／摺擦性を有する画像が得られた。本実施例では、インクジェット塗布法で必要であった光重合組成物Ｄ１の予熱が不要である分、定着に必要な消費電力が１８０Ｗから１２０Ｗに削減出来た。実施例１と同様にＴＥＣ値を測定すると、モノクロプリンタの場合０．３９ｋＷｈ／ｗｅｅｋ、カラー複合機の場合１．９３ｋＷｈ／ｗｅｅｋとなり、ＴＥＣ値低減率は２５〜３６％となる。

このように、本実施例は、回転可能な筒状部材と、筒状部材の表面に光重合組成物を供給する供給部と、筒状部材の内部に配置されている発光ダイオード又は有機ＥＬ素子と、を有する。そして、筒状部材が回転しながらその表面に供給された光重合組成物を記録媒体上の未定着トナー画像に塗布し、発光ダイオード又は有機ＥＬ素子を用いて光重合組成物が塗布された未定着トナー画像に対して筒状部材を介して光を照射し、光重合組成物に光重合反応を起こさせて光重合組成物を硬化させることで未定着トナー画像を記録媒体に定着する。

なお、本実施例で開示した塗布ローラ６０に用いられている表面離型層６１、弾性層６２、及び基層６３を紫外光も透過する材料で形成し、且つ集光レンズ４２を紫外光を透過するガラスに変更すると、光源として紫外光を出射するＬＥＤや有機ＥＬ素子を用いることもできる。

（実施例３）
図７に本発明の実施例３の定着工程を示す。本実施例が実施例１と異なる点は、未定着トナー画像Ｔ１に塗布する光重合組成物Ｄ２が、光重合開始剤だけでなく可塑剤も含有している点である。未定着トナー画像Ｔ１に可塑剤を含有する光重合組成物Ｄ２を塗布することで、トナーを軟化・溶融させつつ光重合でき、トナーの混色を促進させることができるというメリットがある。

可塑剤としては、種々のものを用いることが可能であるが、本実施例では脂肪族エステル系可塑剤を用いた。脂肪族エステル系可塑剤とは、（１）脂肪酸とアルコール性化合物とのエステル、又は、（２）脂肪族アルコールと、酸とのエステルである。たとえば、コハク酸ジイソデシル、アジピン酸ジオクチル、アジピン酸ジイソデシル、アゼライン酸ジオクチル、セバシン酸ジブチル、セバシン酸ジオクチル、テローラヒドロフタル酸ジオクチル、アジピン酸ジブドキシルエチルなどの脂肪族２塩基酸エステルである。これらは、相溶化作用を高めることが出来る。脂肪族エステル系可塑剤の含有量は、光重合組成物１００重量部に対して、０．５重量部以上７５重量部以下の範囲である。好ましくは１重量部以上５０重量部以下、更に好ましくは２重量部以上３０重量部以下である。含有量が少なすぎるとトナーの可塑効果が少なくなり、多すぎると光硬化作用を低下させる可能性がある。

図７に、本実施例の定着プロセス過程を示す。実施例１と同様な部分は説明を省略する。図７において、塗布装置２０より光重合組成物Ｄ２が未定着トナー画像Ｔ１に塗布開始される。塗布後、未定着トナー画像Ｔ１が光照射部４０に至る間に、可塑剤の効果によりトナー層が軟化・溶融し始める。未定着トナー画像Ｔ１が光照射部４０に到達した時には、可塑剤の働きによりトナー層への光重合組成物Ｄ１の浸透とトナーの軟化・溶融が促進される。その後、ＬＥＤによる光照射により硬化重合反応を開始して、光重合組成物が硬化を終了する定着器排出時には、トナー層高さが低く、トナーが溶融した状態で記録媒体に定着されていることが特徴である。

この様に、本実施例においては、記録媒体上に形成された未定着トナー画像に可塑剤を含有する光重合組成物を塗布してトナーを軟化させ、光重合組成物が塗布された未定着トナー画像に対して発光ダイオード又は有機ＥＬ素子を用いて光を照射し、光重合組成物に光重合反応を起こさせて光重合組成物を硬化させることで未定着トナー画像を記録媒体に定着する。これにより、混色が促進されるので、より均一な混色が可能で、定着性が向上し、より高光沢なトナー画像を得ることが出来る。本実施例においても、光源としてＬＥＤや有機ＥＬ素子を用いるので、実施例１に記したのと同様に、熱定着器を用いる場合に比べて大幅な省エネが達成できる。なお、本実施例も実施例２同様、光源として紫外光を出射するＬＥＤや有機ＥＬ素子を用いることもできる。

Claims

記録媒体上に形成された未定着トナー画像に２５℃の環境下で３０ｍＰａ・ｓ以上４００ｍＰａ・ｓ以下の粘度を有する光重合組成物を塗布し、前記光重合組成物が塗布された前記未定着トナー画像に対して４２０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長領域に極大発光波長を有する光を発光ダイオード又は有機ＥＬ素子を用いて照射し、前記光重合組成物に光重合反応を起こさせて前記光重合組成物を硬化させることで前記未定着トナー画像を前記記録媒体に定着することを特徴とするトナー画像定着方法。
前記トナーの円形度が０．９５以上１．００以下であることを特徴とする請求項１に記載のトナー画像定着方法。