JP2005189322A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速化に伴うトナー溶融不足の解消及びヒートローラ径の大径化を解決するとともに、大径化によるＷ／Ｕ時間の長時間化（非省エネ）、装置の大型化、コストアップの問題を解決し、さらに、低熱容量化、薄膜化、高強度化の問題を同時に解決する。
【解決手段】 トナー像が形成される可視像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂと、可視像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂに形成されたトナー像が転写され、所定方向に循環駆動されるトランスフェーズベルト２１と、トランスフェーズベルト２１の駆動経路上でトランスフェーズベルト２１上のトナー像を加熱溶融する加熱ローラ２２と、記録紙Ｐにトランスフェーズベルト２１上のトナー像を転写すると共に定着する加圧ローラ２３とを少なくとも備える画像形成装置において、トランスフェーズベルト２１は、その一部にフッ素化処理されたカーボンナノチューブを含んで構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の電子写真プロセスを用いた画像形成装置に関するものであり、より詳しくは、中間転写体上に形成されたトナー像を記録材に転写すると共に定着を行う画像形成装置に関する。

トナー像担持体上に形成されたトナー像を中間転写体上に転写し、その中間転写体に記録材を重ね、重ねられた中間転写体と記録材とを加熱しながら加圧することにより、中間転写体上のトナー像を記録材上に転写定着する方式の画像形成装置が知られている。

従来、この方式の画像形成装置に関する種々の改良が行われているが、トナー像担持体の熱ダメージ防止、像形成手段の温度上昇を防ぎ画質安定化を行うという観点から転写定着後の中間転写材の冷却方法に関して幾つかの改善がなされている。

例えば、中間転写材の一部に中間転写材に接触して配置された冷却手段を設けた画像形成装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、冷却手段を設ける場合、装置の大型化、コストアップ、中間転写材と冷却手段の接触部での摩擦磨耗によるライフ低減、駆動トルクアップといった新たな問題が発生する。

また、別の問題として、高速化、小型化対応の問題がある。すなわち、中間転写材のトナーを加熱溶融する場合、中間転写材の熱容量が大きい場合にベルト上に形成したトナーを迅速に加熱することができず、このため、加熱時間を長くとる必要から、加熱ローラの外径を大きくするか、速度を下げるかしなければならない。加熱ローラの外径を大きくした場合、ウォーミングアップ時間が長くなってしまう。
特開平９−３３０００６号公報

上記のように転写と定着を同時に行うプロセス（以下「トランスフューズ」と称する）を用いた画像形成装置の問題点の一つとして、さらなる高速化対応の問題がある。

現在の中高速カラー機のカテゴリーに含まれるエンジンに求められるプロセススピードとしては、一般的には２００mm/sec〜２５０mm/sec程度のスピードが求められる。

トランスフューズシステムに従来用いられていたポリイミド（中間転写体）の熱伝導率は１W/mK以下と悪く、例えばＮｉ、ステンレス等従来定着ベルトに用いられている金属ベースのベルト基材と比較すると２桁以上悪い。また、強度面では、ベルト端部の割れ、屈曲しわ等が発生しない強度を有するポリイミドを選択する必要があった。この強度面での必要厚さは、ポリイミドを中間転写材に用いている従来の画像形成装置の構成、プロセススピード等で左右されるが、従来のポリイミドであると６０μｍ〜２００μｍ程度の厚さで引張強度として０．２ＧＰａ以上が好ましい。

トランスフューズベルトの場合、定着と同時に転写特性を考慮に入れる必要があるため、熱伝導率、強度に優れた導電体である金属ベルトを基材として用いることは、転写時の画像劣化の問題があり使用することができない。

ここで、本発明者らは、従来のポリイミドを用いた場合、すなわち熱伝導率が１W/mK以下、層厚７０μｍ（ポリイミド厚さ６０μｍ+ＰＦＡ（パ−フロロアルコキシエチレン）コート１０μm）のトランスフューズベルト（中間転写体）を用いて、トナー加熱時間とトナーの溶融状態に関する実験検討を行った。

今回の実験条件を図１０に示す。プロセススピード２０mm/sec下において、従来のトランスフューズベルト１０１を用い、トナーの加熱時間を変えることにより定着性と相関を検証した。

すなわち、トランスフューズベルト１０１を加熱ローラ１００とテンションローラ１０２に回動支持し、テンションローラ１０２には、加圧ローラ１０４を押圧させ、この部分で形成されるニップに記録紙１０３を通紙して、溶融後のトナーを定着させる。加熱ローラ１００のローラ径をφ２０、φ４０、φ６０、φ８０ｍｍと変化させることにより、トナーの加熱時間及び加熱温度を変化させている。トランスフェーズベルト１０１上に形成されたトナー１０８をトナー加熱部１０６でベルトの背面から加熱ローラ１００により加熱し、トナーを溶融させる。溶融させた後、転写定着部１０５に溶融トナーが順次送られ記録紙１０３に転写定着する。その際に転写定着されたトナーに関して定着性の評価を行った。その結果を表１に示す。

上記表１より、プロセススピードが２５０ｍｍ/secの場合、トナーを溶融させるために必要な加熱時間として５００msec（定着温度１８０℃以上）が必要であり、この時必要な加熱ローラの外径としてはφ８０ｍｍとなる。

以上の結果より、プロセススピードが２５０ｍｍ/sec下の高速域においては、トナーの加熱不足によりトナーの溶融も悪くなり、定着不良の原因となってしまう。これを解決するためには、トナーの加熱時間を確保するため、ベルトを巻回するヒートローラ径の径を大きくする必要がある。例えば、層厚７０μｍのベルトを用いた場合においては、プロセススピード２５０mm/secで定着性を満足するために必要な加熱幅として１２６ｍｍ程度必要になってしまい、ローラ径としても、１８０度の巻き付け角時において１２６ｍｍの加熱幅を確保するためにφ８０ｍｍという非常に大きな径のローラが必要になってしまう。

また、従来のポリイミドベルトを用いたトランスフューズベルトにおいて問題となっているのは、機械的強度確保のために、厚さ６０μｍ以上のポリイミドを選択しなければならず、それにより熱容量が増大してしまい、本方式のようなベルトを介したトナー背面加熱を行う際にトナー溶融不足の一因となる点である。また、低熱容量化を図るために薄膜化を行うと強度不足となってしまうといった問題もある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、このように高速化に伴うトナー溶融不足の解消及びヒートローラ径の大径化を解決するとともに、大径化によるＷ／Ｕ時間の長時間化（非省エネ）、装置の大型化、コストアップといった問題を解決した画像形成装置を提供することにある。また、他の目的は、低熱容量化、薄膜化、高強度化といった問題を同時に解決した画像形成装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の画像形成装置は、トナー像が形成されるトナー像担持体と、トナー像担持体に形成されたトナー像が転写され、所定方向に循環駆動される中間転写体と、中間転写体の駆動経路上で中間転写体上のトナー像を加熱溶融する加熱手段と、紙などの記録材に中間転写体上のトナー像を転写すると共に定着する加圧手段とを少なくとも備えた画像形成装置において、前記中間転写体は、その一部にフッ素化処理されたカーボンナノチューブを含んで構成されていることを特徴とする。

このように、中間転写材に、フッ素化処理が施されたカーボンナノチューブ(以下、「フッ素化カーボンナノチューブ」ともいう)を用いることにより、転写に必要な物性である高抵抗の体積固有抵抗率の調整の容易化を図るとともに、薄膜化することができて機械的強度が優れ、低熱容量の中間転写体を得ることができる。また、薄膜化、低熱容量化により、トナー像の加熱を迅速に行うことができ、高速化が可能となる。さらに、感光体への熱ダメージを抑制するために、中間転写体の冷却を行う必要があるが、薄膜化、低熱容量化により、中間転写体の加熱後の昇温が抑制でき、冷却手段を用いなくとも、自然冷却のみで冷却が可能となる。

また、本発明の画像形成装置によれば、前記中間転写体の周回方向における前記加圧手段の圧接位置を前記加熱手段によりトナー像が加熱される位置よりも下流側に配置したことを特徴とする。これにより、トナーを中間転写体上で充分予備加熱した後、記録紙に転写定着することでトナーの溶融不足を解消でき、十分な定着強度とトナーカバレージの優れた高濃度高画質の画像を得ることができる。

ここで、フッ素化カーボンナノチューブに関する詳しい説明は後述するが、フッ素化カーボンナノチューブを用いる理由としては、カーボンナノチューブ（以下「ＣＮＴ（carbon nanotube）」と略記する）単体を用いた場合であると、ＣＮＴ自体は非常に電気導電性が高いため、これをポリイミド基材中に添加剤として用いた場合、ＣＮＴの添加量にもよるが、体積固有抵抗率で１０⁴Ω・cm以下となってしまい、この体積抵抗率であると転写部において十分な転写特性が得られないためである。また、単体のＣＮＴを添加剤として用いた場合、少量であっても、体積抵抗率の低減に大きく作用を及ぼし、単体ＣＮＴを用いて体積抵抗率の調整を行うことが非常に困難であるといった理由による。

そこで、本発明では、ポリイミドの添加剤に用いるＣＮＴに予めフッ素化処理を行うことで、体積抵抗率の調整を容易にし、さらには、フッ素化度の異なるＣＮＴを用いて調整することにより、さらに、体積抵抗率の微調整を行うことで、トランスフューズ装置に搭載可能な最適なトランスフューズベルトを搭載した画像形成装置を実現している。

さらに、トランスフューズベルトの機械的強度を増大させるためには、基材であるポリイミド中にＣＮＴを添加させることにより可能であるが、所定の薄さに薄膜化を行い、低熱容量化を行う場合には、従来のポリイミドにＣＮＴを添加させるのみでは、上述した体積抵抗率の低減とのトレードオフになってしまう。具体的には、ＣＮＴ含有率を多くし、機械強度を増大させると、それに伴い体積抵抗率の低減化の問題があり、逆にＣＮＴ含有率を少なくし、所定の体積抵抗率まで引き上げようとすると、十分な機械強度が得られない。この低熱容量化、薄膜化、所定の体積抵抗率の確保といったトレードオフとなっている問題を解決すべく、本発明では、ポリイミドに含有するＣＮＴにフッ素化処理を施すことで、体積抵抗率を低下することなく、機械強度を増大させることを可能としたものである。

具体的には、フッ素化ＣＮＴをある程度（十分な機械的強度が得られる程度で良いが、本発明では、１wt%）含有させても、体積抵抗率の低減をきたさず、トランスフューズを用いた画像形成装置に最適な１０¹¹Ω・ｃｍの体積抵抗率のベルトを得ることができる。

本発明の画像形成装置によれば、中間転写材に、フッ素化処理が施されたカーボンナノチューブを用いることにより、転写に必要な物性である高抵抗の体積固有抵抗率の調整の容易化を図るとともに、薄膜化することができて機械的強度が優れ、低熱容量の中間転写体を得ることができる。また、薄膜化、低熱容量化により、トナー像の加熱を迅速に行うことができ、高速化が可能となる。さらに、感光体への熱ダメージを抑制するために、中間転写体の冷却を行う必要があるが、薄膜化、低熱容量化により、中間転写体の加熱後の昇温が抑制でき、冷却手段を用いなくとも、自然冷却のみで冷却が可能となる。

また、本発明の画像形成装置によれば、中間転写体の周回方向における加圧手段の圧接位置を加熱手段によりトナー像が加熱される位置よりも下流側に配置したことにより、トナーを中間転写体上で充分予備加熱した後、記録紙に転写定着することができるので、トナーの溶融不足を解消でき、十分な定着強度とトナーカバレージの優れた高濃度高画質の画像を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１について、図１及び図２を参照して説明する。本実施形態１では、本発明の画像形成装置をカラーレーザープリンタに適用した場合について説明する。

本実施形態１に係るカラーレーザープリンタは、図１に示すように、４組の可視像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂ及びトランスフューズユニット２０aとを備えている。トランスフューズユニット２０aは、トランスフューズベルト（中間転写体）２１、加熱ローラ（加熱加圧部材）２２、加圧ローラ（加圧部材）２３、テンションローラ２４、クリーニングブレード２５を備えており、トランスフューズベルト２１は加熱ローラ２２及びテンションローラ２４によって張架されている。そしてトランスフューズベルト２１の回転方向における可視像形成ユニット１０Ｂの下流側において、加熱ローラ２２と加圧ローラ２３とがトランスフューズベルト２１を挟んで対向配置され、加圧ローラ２３は加熱ローラ２２に対し図示していない加圧手段により所定の圧力で圧接されている。さらに下流側においては、テンションローラ２４に対しトランスフューズベルト２１を挟んで対向配置されたクリーニングブレード２５が、テンションローラ２５に対し図示していない加圧手段により所定の圧力で押圧されている。

各可視像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂは、感光体ドラム（トナー担持体）１１の周囲に帯電ローラ１２、レーザー光照射手段１３、現像器１４、転写ローラ１５、クリーナー１６を配置しており、各ユニットの現像器にはイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂ）の各色トナーが収容されている。

上記構成の各可視像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂは、以下の工程によりトナー画像を順次トランスフューズベルト２１上に転写形成する。

すなわち、感光体ドラム１１表面を帯電ローラ１２で一様に帯電した後、レーザー光照射手段１３により感光体ドラム１１表面を画像情報に応じてレーザー露光し静電潜像を形成する。その後、現像器１４により感光体ドラム１１上の静電潜像に対しトナー像を現像し、この顕像化されたトナー画像をトナーとは逆極性のバイアス電圧が印加された転写ローラ１５によりトランスフューズユニット２０のトランスフューズベルト２１上に順次転写するようになっている。

次に、トランスフューズユニット２０aについて詳細に説明する。

本実施形態１のトランスフューズベルト２１は、周長５００ｍｍ、厚さ１５μｍのフッ素化カーボンナノチューブを一部に含むポリイミドからなる無端状ベルト基材の外周面に、厚さ１０μｍのフッ素系材料からなる離型層を被覆（又はコート）した構成である。本実施形態１では、２層構造となっているが、フッ素化カーボンナノチューブを一部に含むポリイミド単体のものでもよく、また、導電性ゴムからなる弾性体を前記ポリイミド上に被覆した構造のものでもよく、さらには、導電性ゴムからなる弾性体を前記ポリイミド上に被覆し、その上からフッ素系材料からなる薄膜（１０μｍ以下）離型層を被覆（又はコート）した構造のものであってもよい。

本構成のトランスフューズベルト２１は、フッ素化ＣＮＴを添加剤として用い、厚さ１５μｍのポリイミドと厚さ１０μｍのフッ素系材料（PFA：パーフロロアルコキシエチレン樹脂、PTFE：ポリテトラフルオロエチレン樹脂）とからなるトータル２５μmの厚さの薄膜ベルトであり、フッ素化ＣＮＴを含有させることにより引張強度が向上し、また薄膜化が可能となったものである。

この層厚２５μmのトランスフューズベルトを用いて、図１０の構成で行った検討内容と同様の検討実験を行った。その結果を表２に示す。

表２の実験検討結果より、薄膜化により低熱容量化が実現し、トナーの溶融促進が可能となったことから、加熱時間１２５msec、ローラ径φ２０ｍｍ、定着温度１９０℃においても定着性がクリアーできるようになった。これにより、ヒートローラ径として小径のものでも使用可能となったため、上記の問題点すなわち、ヒートローラ径を大型化することによるＷ／Ｕ時間の長時間化（非省エネ）、装置の大型化、コストアップといった問題が解消されることがわかる。

トランスフューズベルト２１は、耐熱性を有するポリイミド樹脂とフッ素化ＣＮＴを混合させて、厚さ１０μｍ〜２０μｍ（最適値１５μｍ）でかつ体積固有抵抗率が１０⁷Ω・ｃｍ〜１０¹³Ω・ｃｍ（最適値１０¹¹Ω・ｃｍ）のシームレスベルトを作成する。このとき、ポリイミド粉末に配合されるフッ素化ＣＮＴの配合量としては、ベルト強度、電気抵抗値の両特性を兼ね合わせる必要があるため、ポリイミド樹脂に対して、１０wt%〜0．1wt%（最適値：１wt%）であることが好ましい。さらには、強度アップ対策として、添加されるフッ素化ＣＮＴは、ポリイミドとの混成の際に、強度の掛かる方向（この場合ベルトの周方向（ベルトの厚み方向と垂直の一方向））に平行に配向されるように配向処理が施されていることが望ましい。フッ素化ＣＮＴポリイミドの製造方法及び配向処理方法については、特に限定されるものではないが、例えば特開２００２−２７３７４１号公報に記載された方法を採用することができる。

（ＣＮＴの製造方法の説明）
ＣＮＴの製造方法としては、例えば特開平１１−１１６２１８号公報に記載されているようなレーザー蒸着法、抵抗加熱法、アーク放電法、高周波誘導加熱法、プラズマ法、熱ＣＶＤ法、電子線蒸着法、燃焼法などを採用することができるが、特に限定されるものではない。

（フッ素化ＣＮＴの製造方法の説明）
フッ素化ＣＮＴの製造方法としては、ヘリウムに希釈したフッ素ガスとＣＮＴを高温（２５０℃〜３５０℃）で１２時間程度反応させることにより行ってもよい。具体的には、例えば、特表２００２−５２６３６０号公報（特願２０００−５７４０２０号）に記載されている方法により製造しても良いが、特に限定されるものではない。

ＣＮＴ単体の体積固有抵抗率は５Ω・cm〜１６Ω・cmであったものが、このフッ素化によって、２×１０⁸Ω・cm以上に増大することが知られている（例えば、［文献名：Chemical.Physics.Letters（1998），ボリューム番号:296，著者名：E.T.Mickelson,C.B.Huffman,A.G.Rinzler,R.E.Smalley,R.H.Hauge,J.L.Margrave，ページ：188］を参照）。

この体積固有抵抗率は、フッ素化ＣＮＴの添加量を調整することにより行う他、ＣＮＴとフッ素ガスの反応時間を変えることによりＣＮＴのフッ化率を調整することで、同様の制御が可能である。

（フッ素化ＣＮＴポリイミドの製造方法の説明）
例えば、特開２００２−２７３７４１号公報に記載されている方法により製造した複合材を、さらに、特開平５−５７８１５号公報に記載されている方法によりシームレスベルト化することによってフッ素化ＣＮＴポリイミドを製造することができる。ただし、この方法に特に限定されるものではない。なお、必要に応じて、その上からフッ素系材料からなる薄膜（１０μｍ以下）離型層を被覆（又はコート）する。表層に表面エネルギーの小さいフッ素系樹脂を形成することにより、トナーの離型性向上を図るためである。

加熱ローラ２２は直径３０ｍｍ、肉厚０．５ｍｍの鉄製中空芯金表面に厚さ１０μｍのフッ素ゴムからなる被覆層が設けられた構成であり、内部に熱源として１０００Ｗのハロゲンランプ２６が配置されている。フッ素ゴムからなる被覆層は、トランスフューズベルト２１に対する駆動力を確保する目的で設けられており、加熱ローラ２２によるトランスフューズベルト２１の加熱性能を低下させないよう極力薄く、また金属フィラーを内添することで熱伝導率を向上させている。

加熱ローラ２２にはトランスフューズベルト２１が約１８０°の巻き付け角で巻きかけられており、トランスフューズベルト２１上に転写されたトナー像Ｔを加熱溶融するための加熱部Ｘ（加熱幅：約２１ｍｍ）を形成している。

また、加熱ローラ２２の加熱部Ｘ以外の外周部分には、温度検知のためのサーミスタ２７が当接されており、加熱ローラ２２の表面温度を検知しハロゲンランプ２６への通電のＯＮ−ＯＦＦを制御することで、加熱ローラ２２の表面温度を所定の温度（本実施形態１では１２５℃）に維持するようになっている。ハロゲンランプ２６がＯＮしてから加熱ローラ２２表面が１２５℃に達するまでに要する時間は約５．５秒であり、事実上ウオームアップによる待ち時間０を実現している。

加圧ローラ２３は、直径１１ｍｍのステンレス製芯金表面に厚さ２ｍｍのシリコンゴムからなる弾性層を設け、さらにその上に厚さ３０μｍのＰＦＡチューブからなる離型層を設けて構成されるものである。加圧ローラ２３は、トランスフューズベルト２１を挟んで、加熱ローラ２２に対し図示していない加圧手段により７７Ｎの加圧力で押圧付勢されることにより定着ニップ部Ｎを形成している。ここで、定着ニップ部Ｎの幅（定着ニップ幅）は1ｍｍ、面圧としては従来（面圧１３５ｋＰａ）に比べて２倍以上の３１０ｋＰａに設定されている。このように定着ニップ部Ｎでの面圧を高く設定することにより、記録紙の表面とトランスフューズベルト２１との密着性が向上し、溶融したトナー像Ｔの記録紙Ｐへのトランスフューズ性が確保される。

テンションローラ２４は、直径１５ｍｍのステンレス製芯金上にフッ素ゴムからなる被覆層が設けられた構成であり、トランスフューズベルト２１がたるまないよう所定の張力を作用させている。

クリーニングブレード２５は、トランスフューズベルト２１のテンションローラ２５への巻き掛け部に当接されており、トランスフューズベルトに残ったトナー、紙粉等をトランスフューズベルト表面から回収する。

（上記構成のカラーレーザープリンタの動作説明）
上記のように構成されたカラーレーザープリンタにおいて、まずトランスフューズベルト２１が停止した状態で加熱ローラ２２内部に配設されたハロゲンランプ２６がＯＮとなり、加熱ローラ２２表面を所定の温度（本実施形態１では１２５℃）に昇温させる。このウオームアップ期間中にトランスフューズベルト２１を停止しておく理由としては、トランスフューズベルト２１に熱を奪われることにより加熱ローラ２２の立ち上がりが遅れるのを防止し、また加熱されたトランスフューズベルト２１により加圧ローラ２３の温度が昇温するのを防止する２つの目的によるものである。

加熱ローラ２２のウオームアップが完了した後、加熱ローラ２２及び加圧ローラ２３が回転駆動し、トランスフューズベルト２１を周回させると同時に、可視像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂにより形成された各色トナー画像がトランスフューズベルト２１上に順次転写される。転写されたトナー画像Ｔは、加熱部Ｘにおいて１２５℃に維持された加熱ローラ２２からの熱によりトランスフューズベルト２１を介して加熱溶融される。その後溶融したトナー像Ｔは、トランスフューズベルト２１の移動により加圧ローラ２３aとの対向位置（定着ニップ部Ｎ）に搬送され、この搬送タイミングに合わせてトランスフューズベルト２１と加圧ローラ２３との間に記録紙Ｐが送り込まれる。そして記録紙Ｐが加圧ローラ２３で押圧されることにより、溶融トナー像Ｔが記録紙Ｐ上にトランスフューズされる。万一、紙ジャム等によりトナーがトランスフューズベルト２１表面にオフセットした場合でも、定着ニップ部Ｎ下流側でトランスフューズベルト２１外周面に当接されたクリーニングブレード２５により、トランスフューズベルト２１表面に付着したオフセットトナーや紙粉などがクリーニングされる。

また、上記のようにトランスフューズベルト２１は薄膜形成により熱容量が小さいため、定着ニップ部Ｎにおいて加圧ローラ２３及び記録紙Ｐに熱を奪われ、さらにその下流側の長い搬送区間における雰囲気中への放熱、及びテンションローラ２４との当接部においても熱を奪われるため、再び可視像形成ユニット１０Ｙとの当接部に戻るまでに十分冷却され、感光体ドラム１１の感光特性には影響を与えることはない。

（本発明の新たな特徴についての説明）
ここで、本発明のフッ素化カーボンナノチューブを含むポリイミドからなる無端状ベルト基材を用いたトランスフューズ方式の新たな特徴について以下に述べる。

従来の、内部にハロゲンランプを備えた加熱ローラと加圧ローラとによりニップを形成し定着を行う方式の画質の問題として、トナー付着量（トナー層厚）を低減した場合、定着強度が低下してしまうことがわかっている。これは、大きく下記の２つの理由に起因する。

１）少ないトナー量で所定の濃度を確保するため色材の含有率を増やす必要のあることから、トナー自体の粘弾性特性が悪化し、トナーが溶融しにくくなる。

２）トナー層厚が記録材の表面粗さよりも小さくなり、定着ローラからトナー層への熱伝達効率が低下する。

ここで、本発明者らは、上記２）のトナー層厚と定着強度の関係について、理論解析により詳細に検討した。その結果について以下に説明する。

まず、標準的な記録材の表面粗さを触針式表面粗さ測定器にて計測し、その測定結果（最大高さＲmax及び平均間隔Ｓ）より、記録材表面の平均的な空気層厚さδaを、δa＝Ｒmax×Ｓにて求めた結果、δｐ＝8μｍとなった。
また、トナー層の厚さδtとしては、標準的なトナー付着量０．６ｍｇ/ｃｍ²の場合（トナーの粒径は５μｍ〜７μｍ）、溶融前の空気層を含んだ状態でδt＝１０μｍとなり、
δt＞δｐ
となる。

この場合、図３（ａ）に示すように、記録材Ｐ表面の凹凸はトナー層Ｔによって埋め尽くされることから、定着ローラＲとトナー層Ｔとの間にはほとんど空気層は介在せず、定着ローラＲからトナー層Ｔに直接熱が伝達するため、伝熱特性に優れている。

しかしながら、トナー付着量を低減していった場合、
δt＜δｐ
となることから、図３（ｂ）に示すように、定着ローラＲとトナー層Ｔとの間に空気層Ａが介在することになり、その結果、定着ローラＲからトナー層Ｔへの伝熱特性が低下する。

ここで、定着ローラとトナー層間の空気層厚をδaとし、
δa＝δｐ−δt
で近似できると仮定して、１次元熱伝導解析を用いて、トナー層厚と定着性の関係について検討を行った。以下に具体的な解析方法について説明する。

トナーの記録材への定着性は、定着ニップ部でのトナー層温度に依存し、トナー層温度が高いほど、定着性が良い（定着強度が高い）ことが経験的に知られている。

そこで、定着ニップ部でのトナー層温度を、差分法を用いた1次元の伝熱解析により理論的に求めることで、トナー層厚と定着性との関係を求めることができる。

以下に理論計算によるトナー層温度の算出方法について詳細に説明する。

１次元の非定常熱伝導方程式は、

で表わされる。ここで、Ｔ、ｔ、ｘ、λ、ρ、ｃはそれぞれ温度、時間、距離、熱伝導率、比重、比熱である。

この式から、空間離散化を行い差分方程式を導くと、

となる。ここでｈは各格子間の距離、τは微小時間であり、上式より時刻ｔにおける微小距離ｈを隔てて隣接する３つの格子点x−h、x、x+hでの温度Ｔが既知であるなら、時刻τだけ進んだときの温度Ｔ(x,t+τ)が求まる。

上式は同一物質内での差分方程式であるが、同様に異なる物質ａ，ｂが接している境界上での差分方程式は、

となる。その他の解析条件は以下のとおりである。
(1)軸方向及び周方向の熱の移動は無視し、厚み方向のみの熱移動を考える。（１次元）
(2)着ローラ表面からの熱損失は、放射及び自然対流による熱伝達を考慮する。
(3)物性値の温度依存は空気のみ考慮する。
(4)トナー層は均一（１００％印字）で定着前後で厚さの変化はない。
(5)トナーの相変化による物性値の変化は考慮しない。
(6)接触熱抵抗は考慮しない。
(7)定着ニップ部入口において２物体（例えばトナーと定着ローラ）が接触した瞬間の境界温度は、接触前の２物体の温度に熱容量を重みづけした平均温度で定義する。
(8)記録紙の水分の蒸発熱は考慮しない。

以上の解析条件により、定着ニップ部に突入する直前の定着ローラ、加圧ローラ、トナー、記録材、及び雰囲気温度を時刻ｔ＝０の時の初期条件として設定し計算を行えば、任意の時間τ経過後における各部の温度変化を算出することができる。

上記解析方法により、表３に示す条件下において、定着速度１１７ｍｍ／sec、ニップ幅５ｍｍとし、トナー層厚として、
(1)１０μｍ（従来）、(2)５μｍ（従来比１／２）、(3)２．５μｍ（従来比１／４）
の３通りの場合における定着ニップ部でのトナー層温度を計算した結果を図４に示す。

図４より、トナー層厚が薄くなるほど、トナー層自体の熱容量は小さくなるにもかかわらず、定着ニップ部でのトナー層温度は低くなることから、定着性は低下することがわかる。これは、上述したように、トナー層厚が記録紙の表面粗さよりも小さくなり、定着ローラからトナー層への熱伝達効率が低下するためである。

この課題を回避しようとした場合、トナーを紙に定着する際に、熱容量が十分小さいトランスフューズベルト上にトナー画像を形成し、当該ベルト上でトナーを十分溶融した後、紙にトナーを定着するといった本実施形態１で示される方式を採用する必要がある。本方式をとることにより、トナー付着量を低減しても、高速領域において十分な定着強度が確保できる。

本実施形態１において、定着ニップ部Ｎ直前でのトナーの温度並びに加熱ローラ温度を前述の熱伝導解析（ただし今回は２次元）にて計算した結果を図２に示す。

図２に示すように、トナー温度は加熱部Ｘ手前では常温（２５℃）であるが、加熱部Ｘにて加熱溶融され、定着ニップ部Ｎ直前に到達したときのトナー温度（ニップ手前）は、常に１２０℃を維持することがわかる。さらに、定着ニップ部でのトナー温度（図中Ｐにより示す）は、記録紙や加圧ローラに熱拡散することで８０〜９０℃に低下することがわかる。これにより、記録紙Ｐ上にトランスフューズしたトナーは冷却固化しトナー層間の凝集力が増大するため、トランスフューズベルト２１表面にシリコーンオイル等の離型剤を塗布せずとも、トナーのトランスフューズベルト２１表面へのオフセットを防止することができる。万一、紙ジャム等によりトナーがトランスフューズベルト２１表面にオフセットした場合でも、定着ニップ部Ｎ下流側でトランスフューズベルト２１外周面に当接されたクリーニングブレード２５によりトランスフューズベルト２１表面に付着したオフセットトナーや紙粉などがクリーニングされる。

本実施形態１によれば、加熱ローラ２２がトランスフューズベルト上のトナー像を加熱溶融するための加熱手段と、加熱溶融されたトナー像を記録紙に押圧して、転写同時定着を行う加圧手段とを兼用する構成であるため、装置の小型化、簡略化が図れる。

ここで、薄膜化による別の効果について説明する。

薄膜化による別の効果を検証するために、感光体の温度上昇に関して解析を行った。その解析結果を図５（ａ）〜（ｃ）に示す。ただし、図５（ａ）はトランスフェーズベルト層厚４０μｍの場合、図５（ｂ）はトランスフェーズベルト層厚２５μｍの場合、図５（ｃ）はトランスフェーズベルト層厚１８μｍの場合である。

トランスフューズベルトの定着部における加熱昇温から画像形成部（感光体）に至るまでの温度降下の一連の流れを加熱冷却サイクルと呼ぶが、この加熱冷却サイクルを前述の熱伝導解析（２次元）を用いて解析を行った。図６はこの解析モデルを示している。

図６において、トランスフューズベルト２０１（ここでは、ベルト膜厚による感光体ドラム２００の昇温特性の検証を行うために、ベルト膜厚を８、１５、３０μmの３種類用意し、この３種類の比較を行っている。）は、転写ローラ２０５とテンションローラ２０６により支持されている。感光体ドラム２００上に形成されたトナー画像は、トランスフューズベルト２０１を介して当接されている転写ローラ２０５により静電的にベルト２０１上に転写される。転写されたトナー２０３は、加熱体２０２でベルト背面より加熱溶融される。加熱溶融されたトナーは、テンションローラ２０６と加圧ローラ２０４で形成されるニップ部に順次送られ記録紙２０７に転写定着される。

解析に用いた各々の物性値には標準的な物性値を用い、加熱体２０２で加熱されたベルト２０１の熱により感光体ドラム２００がどの程度まで昇温するか、昇温温度の解析を行った。表４は、記録紙２０７を１００枚連続通紙したときの感光体の飽和温度予測解析結果を示している。

感光体の温度としては、極力温度上昇しないほうが望ましいが、上限温度として、３５℃付近でも良好に画像形成できることが別の実験により確認できている。ただし、これ以上の温度領域においては、画像不良の発生が確認されている。

画像の良好な感光体の上限温度を３５℃付近とすると、このときのトランスフューズベルト厚としては、２５μm（図５（ｂ）参照）であり、このベルト層厚の場合、強度的な問題も無い。もう一の解析結果であるベルト層厚１８μm（図５（ｃ）参照）であると、さらに感光体温度の低減が図れるが、この場合、強度的な問題がある。従って、感光体温度と、ベルト強度を考えると、ベルト層厚として２５μmが最適である。

図７は、ポリイミド（厚さ１００μｍ）に対して、本実施形態１で示される製造方法に従ってフッ素化ＣＮＴの含有率を変えたときのＣＮＴ含有率と引張強度の相関を示す。

通常、コピアに用いられている中間転写ベルトに用いられるポリイミドの引張強度としては、０．２ＧＰａ以上程度であるが、ポリイミドにフッ素化ＣＮＴを含有させることにより、含有率１ｗｔ％時で１６ＧＰａ程度の強度アップが図れた。この条件でフッ素化ポリイミド複合材を用いて、１５μmの膜厚のフッ素化ポリイミドを作製し、その上に１０μｍのＰＦＡコートをした試験サンプルを用いて、引張強度試験機（測定器：引張圧縮試験機ＳＶＦ型、メーカー名：今田製作所）でテストを行った。このときの強度としては、０．２ＧＰａ以上となり、トランスフューズベルトとして実用レベルであることが確認された。

また、本試料を用いて体積固有抵抗率に関しての測定（測定器：ハイレスタＵＰ、メーカー名：ダイアインスツルメンツ）を行った。このとき、通常のＣＮＴ複合ポリイミドと、フッ素化ＣＮＴポリイミドを比較した結果、通常のＣＮＴ複合ポリイミドが、体積固有抵抗率で１０⁴Ω・cm程度の値を示し、フッ素化ＣＮＴポリイミド（ヘリウムに希釈したフッ素ガスとＣＮＴを高温（２５０℃〜３５０℃）で１２時間程度反応させた試料）の体積固有抵抗率は、１０⁹Ω・ｃｍ程度であった。

本発明による中間転写体に必要な体積固有抵抗率は、転写実験を行った結果、１０¹¹Ω・ｃｍと分かっている。この体積固有抵抗率にするためには、ＣＮＴ含有量を減らすことにより、体積固有抵抗率も上昇することが分かっているが、同時に引張強度も低減させてしまう。これを改善するために、本発明では、ＣＮＴをフッ化処理する際にフッ素ガスとＣＮＴの反応時間を長く（反応時間を１２時間から２０時間に変更）することにより、フッ化度の進んだフッ素化ＣＮＴを配合剤に用いることで、体積固有抵抗率として１０¹¹Ω・ｃｍ程度、引張強度として０．２ＧＰａ以上の電気抵抗及び機械強度の両特性を満足するトランスフューズベルトを得ることができた。

＜実施形態２＞
次に、本発明の画像形成装置の実施形態２について、図８及び図９を参照して説明する。なお、本実施形態２において、加熱手段、バックアップローラ及び加圧ローラ以外の構成は上記実施形態１の構成と全く同じであるので、ここでは同部材に同符号を付すこととし、詳細な説明は省略する。

本実施形態２におけるトランスフューズユニット２０ｂは、トランスフューズベルト（中間転写体）２１、バックアップローラ（加圧部材）２８、加圧ローラ（加圧部材）２３、テンションローラ２４、クリーニングブレード２５、サーマルヒータ（加熱部材）２９を備えており、トランスフューズベルト２１はバックアップローラ２８及びテンションローラ２４によって張架されている。そして、トランスフューズベルト２１の回転方向における画像形成ユニット１０Ｂの下流側において、トランスフューズベルト２１の内周面に当接した状態でサーマルヒータ２９が固定配置されている。このサーマルヒータ２９は、定格電力１０００Ｗであり、アルミナセラミック基板に面状のＭｏ系発熱抵抗体（面状発熱体）を印刷し、その上にガラスコートを印刷積層したセラミックヒータ２９aと、このセラミックヒータ２９aの上面に設けた温度センサ２９ｂと、セラミックヒータを断熱支持するヒータホルダ２９ｃとからなる。そして、サーマルヒータ２９は発熱抵抗体への通電によって迅速に立ち上がり、温度センサ２９ｂからの信号に基づいて通電制御を行うことで所定の温度（本実施形態２では１２５℃）に維持される。その結果、トランスフューズベルト２１表面に転写されサーマルヒータ２９との当接部（加熱部Ｘ、本実施形態２では約１５ｍｍ）に搬送されたトナー像Ｔは加熱溶融される。

バックアップローラ２８は、直径１２ｍｍのステンレス製芯金上に厚さ０．５ｍｍのフッ素ゴムからなる耐熱弾性層を設けて構成されている。

また、加圧ローラ２３は、直径１１ｍｍのステンレス製芯金表面に厚さ２ｍｍのシリコンゴムからなる弾性層を設け、さらにその上に厚さ３０μｍのＰＦＡチューブからなる離型層を設けて構成されるものである。この加圧ローラ２３は、中間転写ベルト２１を挟んで、加熱ローラ２２に対し図示していない加圧手段により７７Ｎの加圧力で押圧付勢されることにより、定着ニップ部Ｎを形成している。ここで、定着ニップ部Ｎの幅（定着ニップ幅）は１ｍｍ、面圧としては従来（面圧１３５ｋＰａ）に比べて２倍以上の３１０ｋＰａに設定されている。このように定着ニップ部Ｎでの面圧を高く設定することにより、記録紙の表面とトランスフューズベルトとの密着性が向上し、溶融したトナー像Ｔの記録紙へのトランスフューズ性が確保される。

(上記構成のカラーサーマルプリンタの動作説明)
上記のように構成されたカラーレーザープリンタにおいて、まずトランスフューズベルト２１が停止した状態でサーマルヒータ２９への通電がＯＮとなり、サーマルヒータ２９は約０．５秒で所定の温度（本実施形態２では１２５℃）に昇温する。

サーマルヒータ２９のウオームアップが完了した後、バックアップローラ２８及び加圧ローラ２３が回転駆動しトランスフューズベルト２１を周回させると同時に、可視像形成ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂにより形成された各色トナー画像がトランスフューズベルト２１上に順次転写される。転写されたトナー画像Ｔは、加熱部Ｘにおいて１２５℃に維持されたサーマルヒータ２９からの熱によりトランスフューズベルト２１を介して加熱溶融される。その後溶融したトナー像Ｔは、トランスフューズベルト２１の移動により加圧ローラ２３との対向位置（定着ニップ部Ｎ）に搬送され、この搬送タイミングに合わせてトランスフューズベルト２１と加圧ローラ２３との間に記録紙Ｐが送り込まれる。そして記録紙Ｐが加圧ローラ２３で押圧されることにより、溶融トナー像Ｔが記録紙Ｐ上にトランスフューズされる。

ここで、本実施形態２において、加熱部Ｘ及び定着ニップ部Ｎの前後でのトナーの温度を前述の熱伝導解析（ただし今回は２次元）にて計算した結果を図９に示す。

図９に示すように、加熱部Ｘの手前では常温（２５℃）であるトナー像は、加熱部Ｘで昇温されて溶融した後、トランスフューズベルトの周回により定着ニップ部Ｎに到達するが、定着ニップ部Ｎ到達時のトナー温度（ニップ直前）としても１１３℃の温度が確保されていることから、定着ニップ部Ｎにおいて、十分な定着性を得ることができる。

また、定着ニップ部Ｎでは、上記実施形態１のように積極的な熱の供給が行われないため、熱源から加圧ローラ２３等に無駄な熱が奪われることなく、消費電力の低減を図ることができる。具体的には、上記実施形態１の場合、通紙時における平均消費電力が５５６Ｗであるが、本実施形態２では４６２Ｗとなり、約１７％低減することができる。さらに、定着ニップ部Ｎでは熱源からの熱供給がないため、加圧ローラ２３、バックアップローラ２８及び記録紙Ｐによりトランスフューズベルト２１及びトナー画像Ｔの熱が奪われ、記録紙Ｐ上にトランスフューズしたトナーは約８０℃に温度低下して冷却固化しトナー層間の凝集力が増大するため、中間転写ベルト２１表面にシリコーンオイル等の離型剤を塗布せずともトナーの中間転写ベルト２１表面へのオフセットを防止することができる。万一、紙ジャム等によりトナーがトランスフューズベルト２１表面にオフセットした場合でも、定着ニップ部Ｎ下流側でトランスフューズベルト２１外周面に当接されたクリーニングブレード２５によりトランスフューズベルト２１表面に付着したオフセットトナーや紙粉などがクリーニングされる。

また上記のようにトランスフューズベルト２１は薄膜で構成できるため、熱容量が非常に小さく、定着ニップ部Ｎにおいて加圧ローラ２３、バックアップローラ２８、記録紙Ｐに熱を奪われ、さらにその下流側の長い搬送区間における雰囲気中への放熱、及びテンションローラ２４との当接部においても熱を奪われるため、再び可視像形成ユニット１０Ｙとの当接部に戻るまでに十分冷却され、感光体ドラム１１の感光特性には影響を与えない。

なお上記実施形態１、２では、本発明による画像形成装置をカラーレーザープリンタに適用した場合について説明したが、本発明はカラー画像形成装置に限定されるものではなく、モノクロレーザープリンタ等のモノクロ画像形成装置にも適用できることは言うまでもない。また上記実施形態１、２においては、像担持体として中間転写ベルトを使用した形態について説明したが、本発明の像担持体としてはベルト形状のものに限定されるものではなく、例えばドラム形状のものでも使用できることは言うまでもない。

本発明の実施形態１における画像形成装置の概略構成図である。 実施形態１における定着ニップ部直前のトナー温度及び加熱ローラ温度の変化を示したグラフである。 従来の定着方法での定着ニップ部における定着ローラ、トナー層、記録紙の断面状態を一部拡大して示した説明図である。 従来の定着方法での定着ニップ部におけるトナー温度の変化を示したグラフである。 記録紙を１００枚連続通紙したときのトランスフューズ膜厚と感光体温度との関係を示すグラフである。 加熱冷却サイクルの解析モデルを示す説明図である。 ポリイミドに対して本実施形態１で示される製造方法に従ってフッ素化ＣＮＴの含有率を変えたときのＣＮＴ含有率と引張強度の相関を示すグラフである。 本発明の実施形態２における画像形成装置の概略構成図である。 実施形態２における定着ニップ部直前のトナー温度の変化を示したグラフである。 プロセススピードとトナーの溶融状態に関する検討条件を示す説明図である。

符号の説明

１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃ、１０Ｂ 可視像形成ユニット
１１ 感光体ドラム（トナー担持体）
１２ 帯電ローラ
１３ レーザー光照射手段
１４ 現像器
１５ 転写ローラ
１６ クリーナー
２０ａ トランスフューズユニット
２１ トランスフューズベルト（中間転写体）
２２ 加熱ローラ（加熱加圧部材）
２３ 加圧ローラ（加圧部材）
２４ テンションローラ
２５ クリーニングブレード
２６ ハロゲンランプ
２７ サーミスタ
２８ バックアップローラ（加圧部材）
２９ サーマルヒータ（加熱部材）

Claims (2)

1. トナー像が形成されるトナー像担持体と、トナー像担持体に形成されたトナー像が転写され、所定方向に循環駆動される中間転写体と、中間転写体の駆動経路上で中間転写体上のトナー像を加熱溶融する加熱手段と、紙などの記録材に中間転写体上のトナー像を転写すると共に定着する加圧手段とを少なくとも備えた画像形成装置において、
   前記中間転写体は、その一部にフッ素化処理されたカーボンナノチューブを含んで構成されていることを特徴とする画像形成装置。
2. 前記中間転写体の周回方向における前記加圧手段の圧接位置が、前記加熱手段によりトナー像が加熱される位置よりも下流側にあることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
   
   

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