(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子写真システムにて使用され、媒体温度が目標時間に亘り目標温度にほぼ保たれるよう、蒸気沸点より高く設定した目標温度まで媒体を加熱する蒸気フューザであって、
上記目標温度に比べ十分に高温の超高温蒸気が存する第１ゾーンと、
上記超高温蒸気に比べ十分に低温の蒸気又はガスが存する第２ゾーンと、
第１ゾーンから出るときの媒体温度が上記目標温度とほぼ等しくなり、上記目標時間に亘り上記目標温度にほぼ保たれた後に第２ゾーンを出るよう、第１及び第２ゾーン内で媒体を搬送する手段と、
を備える蒸気フューザ。
【請求項２】
電子写真システムにて媒体上にトナーを熔着させるのに使用される蒸気フューザであって、
２００℃超の温度を有する超高温蒸気が存する第１室と、
１５０℃未満の温度を有する別の蒸気又はガスが存する第２室と、
第１室から出るときの媒体温度が熔着向け温度とほぼ等しくなり、第２室から出るときの媒体温度がその熔着向け温度に保たれていてトナーが媒体に完全に熔着しているよう、第１及び第２室内で媒体を搬送する手段と、
を備える蒸気フューザ。
【請求項３】
電子写真システムにて媒体上にトナーを熔着させる方法であって、
３００℃超の温度を有する超高温蒸気を使用し１００℃超の媒体温度になるまで媒体を加熱するステップと、
１５０℃未満の温度を有する別の蒸気又はガスを使用しトナーが媒体に熔着するまで媒体温度を１００℃超に保つステップと、
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真システム用蒸気フューザの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真システムでは、媒体に付着させたトナーをその媒体上に固着させるのにフューザと呼ばれる装置を使用する。そのフューザには、加圧フューザ等の接触型フューザの他に、閃光フューザ、輻射フューザ、蒸気フューザ等の非接触型フューザがある。
【０００３】
そのうち蒸気フューザでは、媒体例えば紙をオーブン内蒸気で目標温度まで高速加熱することによってトナーをその媒体上に固着させる。即ち、トナー転写装置を出てきた非高温の媒体を、約１８０±２０℃の蒸気が入っているオーブン内に入れて、その蒸気の凝結に伴う潜熱解放や対流性熱輸送によって目標温度まで加熱する。この加熱プロセスにおいては、投入された媒体が、まずは主に蒸気凝結性熱輸送によって加熱される。この加熱は媒体温度がオーブン内圧下での蒸気沸点例えば水の沸点に達するまで続く。それには蒸気温度によらず１００ｍｓｅｃオーダの時間がかかるのが普通である。この蒸気凝結では、その媒体の熱容量にもよるが、例えば４μｍ程度の厚みがある凝結液層例えば水分層が発生する。この凝結液層は不要であるので再蒸発させる。例えばその液の沸点（例えば１００℃）超まで媒体を加熱して再蒸発させると約１ｓｅｃの時間がかかる。媒体に表面コートが施されていない場合は、再蒸発の進行中に、その媒体を構成する繊維網例えば紙繊維網に層内の液が高速で毛管吸収されていく。このとき、媒体最奥部における水分量が約１０重量％を上回っていると、液の吸収に伴い繊維が動き、媒体製造時例えば製紙時の加圧下除熱処理によって鎮圧してあった不均等応力が再発現する。これはコックリングと呼ばれる有害な現象である。ひとたびこの現象が発生すると、その後の乾燥の進行につれ、その媒体例えば紙が逆方向に反り返ってしまう。更に、その媒体を超高温蒸気に曝すためのオーブンが所要加熱時間、例えばフューザ内でトナーを熔融及び毛管流動させ所望の光沢を発生させるのに要する時間に比して長い場合、その媒体に元々含まれていた水分まで蒸発することがある。こうした過度の蒸発は、シート寸法の変化、褪色、カールその他の物理変化をその媒体に招くこととなりかねない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、いま求められているのは、それとわかるような厚みのある水分層がその表面に形成されないよう媒体を迅速に加熱でき（蒸気入りのオーブン内の凝結発生ゾーンが短くてコックリングが発生しにくく）、しかも加熱した媒体を目標時間に亘り且つ水分量の減少を最小限に抑えつつ目標温度に保つことができる電子写真システム用蒸気フューザを、実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ここに、本発明の一実施形態は、電子写真システムにて使用され、媒体温度が目標時間に亘り目標温度にほぼ保たれるよう、蒸気沸点より高く設定した目標温度まで媒体を加熱する蒸気フューザであって、上記目標温度に比べ十分に高温の超高温蒸気が存する第１ゾーンと、上記超高温蒸気に比べ十分に低温の蒸気又はガスが存する第２ゾーンと、第１ゾーンから出るときの媒体温度が上記目標温度とほぼ等しくなり、上記目標時間に亘り上記目標温度にほぼ保たれた後に第２ゾーンを出るよう、第１及び第２ゾーン内で媒体を搬送する手段と、を備える。
【０００６】
また、本発明の他の実施形態は、電子写真システムにて媒体上にトナーを熔着させるのに使用される蒸気フューザであって、２００℃超の温度を有する超高温蒸気が存する第１室と、１５０℃未満の温度を有する別の蒸気又はガスが存する第２室と、第１室から出るときの媒体温度が熔着向け温度とほぼ等しくなり、第２室から出るときの媒体温度がその熔着向け温度に保たれていてトナーが媒体に完全に熔着しているよう、第１及び第２室内で媒体を搬送する手段と、を備える。
【０００７】
本発明の更に他の実施形態は、電子写真システムにて媒体上にトナーを熔着させる方法であって、３００℃超の温度を有する超高温蒸気を使用し１００℃超の媒体温度になるまで媒体を加熱するステップと、１５０℃未満の温度を有する別の蒸気又はガスを使用しトナーが媒体に熔着するまで媒体温度を１００℃超に保つステップと、を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）が本発明を実施することができるよう、ある具体的な用途及び状況における本発明の実施形態について説明する。いわゆる当業者であれば、これから説明する好適な実施形態に対して様々に変形を施すこともでき、また本願記載の原理を応用して別種の形態で実施することもできよう。従って、本発明を本願記載の実施形態に限定して解釈すべきではなく、むしろ本願中に原理乃至新規特徴として記載した事項に違背しない範囲で最広義に解釈すべきである。
【０００９】
図１に、本発明の一実施形態に係る２ゾーン蒸気フューザ１００を備える電子写真システム５０の要部概略を側面図により示す。図示の通り、本フューザ１００はトナー転写装置６０のすぐ下流に位置している。転写装置６０は既知の電子写真手順に従い２個のローラを稼働させて媒体５５上にトナー像を転写し、その媒体５５を本フューザ１００に送り込む。本フューザ１００の役割は、従来の電子写真システムにおけるそれと同じく、目標とする熔着向け温度（例えば約１２０〜１５０℃）まで媒体５５を加熱し目標時間に亘りそれ以上の温度を保つこと、ひいては媒体５５上のトナーを熔融させてその媒体５５に固着させることである。
【００１０】
本フューザ１００は、あらまし、そのオーブン１０１内に蒸気室たる第１ゾーン１１０及び蒸気室若しくはガス室たる第２ゾーン１２０があり、それらのゾーン１１０及び１２０を通るよう搬送装置１３０で媒体５５を搬送する構成を採っている。その搬送機構１３０は、図示の通り少なくとも部分的に、オーブン１０１内に入り込んでいる。
【００１１】
また、本フューザ１００における加熱は、略常圧下で水蒸気により加熱する仕組みで行われており、従って使用する蒸気の沸点は約１００℃である。但し、蒸気の沸点は、水蒸気以外の流体で加熱する仕組みを採ることで別の温度にすることができ、またオーブン１０１内を常圧より高圧又は低圧に保つようにすることでより低温又は高温にすることができる。
【００１２】
そのオーブン１０１の外壁上には、第１ゾーン１１０に通じていてその入口となる第１開口１０３と、第２ゾーン１２０に通じていてその出口となる第２開口１０５とが設けられている。オーブン１０１の内部には内壁乃至仕切り１０７があり、その仕切り１０７にはゾーン１１０及び１２０双方に通ずる第３開口１０９が設けられている。
【００１３】
更に、オーブン１０１の上方に描かれている通り、本フューザ１００は、ゾーン１１０及び１２０のうち対応するものに蒸気を送り込む２個の蒸気源１１５及び１２５を備えている。例えば蒸気源１１５は第１ゾーン１１０内に超高温蒸気Ｓ１を送り込み、蒸気源１２５は第２ゾーン１２０内にそれより低温の高温蒸気Ｓ２を送り込む。蒸気源１２５に代え、ゾーン１２０内に加熱用ガス乃至気体を注入するガス加熱ユニット即ちガス源を用いることもできる。蒸気Ｓ１の温度は例えば約２００℃超、好ましくは４００〜５００℃の範囲内にする。蒸気Ｓ２又はそれに代わるガス乃至気体の温度は例えば約１５０℃未満、好ましくは１２０〜１５０℃の範囲内にする。蒸気源１１５及び１２５は、従来からある資材を使用しまた既知の蒸気発生手法に従い構成することができる。
【００１４】
また、本実施形態における搬送機構１３０は複数個のローラ対を有している。トナー転写装置６０からの媒体５５は、それらのローラによって搬送され本フューザ１００の内部を通り抜けていく。具体的には、この搬送機構１３０は、第１開口１０３に設けられ第１ゾーン１１０内への媒体搬入を担う第１対のローラ１３２−１及び１３２−２と、第３開口１０９に設けられゾーン１１０から第２ゾーン１２０への媒体移送を担う第２対のローラ１３４−１及び１３４−２と、第２開口１０５に設けられゾーン１２０からの媒体搬出を担う第３対のローラ１３６−１及び１３６−２とを、備えている。これらのローラの間隔や構成については、いわゆる当業者なら適宜決めることができよう。使用できるローラの例としては、米国特許商標庁に係属中の２００６年１２月２１日付米国特許出願第１１／６１４３７０号（名称：印刷システム用移送路(Transport for Printing Systems)）に記載のものがある。これは本願出願人をその出願人に含む出願であり、この開示を以てその内容を本願に繰り入れることとする。
【００１５】
本実施形態では、更に、蒸気Ｓ１及びＳ２の温度、ゾーン１１０及び１２０の長さ並びに搬送機構１３０による媒体５５の搬送速度を適宜設定することで、第１ゾーン１１０を出るときの媒体表面温度が目標たる熔着向け温度例えば１３０℃にほぼ等しくなるようにし、更に当該媒体表面温度がほぼその熔着向け温度で目標時間に亘り保たれた後に媒体５５が第２ゾーン１２０を出るようにしてある。これにより、トナーその他の素材を媒体５５に完全に熔着させることができ、またゾーン１１０に入ってからゾーン１２０を出るまでに媒体５５に生じる水分量変化を最小限に抑えることができる。これらの仕組み及び効果については、後に図２を参照して説明する。
【００１６】
また、本実施形態では、図示しないが第１ゾーン１１０内、第２ゾーン１２０内、オーブン１０１外等といった個所に、媒体５５の温度、水分量又はその双方を計測するセンサを１個又は複数個配置してある。その計測で得られた情報は図示しないプロセスコントローラにフィードバックされ、そのプロセスコントローラでは、蒸気Ｓ１及びＳ２（又は他種ガス）の流量及び温度や搬送機構１３０による媒体搬送速度をセンサからの情報に基づき調整する。この制御を受けて熔着プロセスは好適に進行する。更に、第１ゾーン１１０内凝結量を変化させて第２ゾーン１２０内水分損失を補うこともできる。
【００１７】
図２に、図１に示した２ゾーン蒸気フューザ１００を通過中の媒体５５における温度及び水分量の変化を示す。このグラフ中の細線は熔着プロセス投入前から実行中を経て通過後に至る期間における媒体温度ＴSの変化を、また太線は同期間における媒体水分量ＭSの変化を、それぞれ表している。媒体温度初期値Ｔ0はほぼ室温であり、水分量初期値Ｍ0も通常水分量、即ちトナー転写処理後本フューザ１００に入る直前の媒体５５が通常有している水分量である。従って、この図に示す２本の曲線から、本フューザ１００内で進行する熔着プロセスに供したときにその媒体５５にどのような温度変化及び水分量変化が現れるかを、読み取ることができる。
【００１８】
同図の左部分に示されているように、超高温蒸気Ｓ１が存する第１ゾーン１１０内に入ると媒体５５の温度ＴSは上昇し始め（時刻ｔ0）、蒸気温度にかかわらずほぼ一定の速度で入口での温度即ち初期値Ｔ0から図中の細線沿いに上昇して蒸気沸点ＴBPに達する（時刻ｔ1）。なお、水の加熱で生じた蒸気を用いほぼ１気圧にて本フューザ１００を稼働させているので、本実施形態における沸点ＴBPはほぼ１００℃であるが、多孔質でざらざらの紙面に触れている個所では１００℃以上というように媒体５５例えば紙の多孔性に依存する。また、同じく水分量ＭSも、媒体５５がゾーン１１０に入ると上昇し始め（時刻ｔ0）、蒸気凝結の進行による凝結液層例えば水分層の成長を伴いながら、初期値Ｍ0から図中の太線沿いにその最大値ＭMAXに達する（時刻ｔ1）。水分量ＭSがその最大値ＭMAXに達する時刻と媒体５５の温度ＴSが沸点ＴBPに達する時刻は図示の如くほぼ同時刻になる（時刻ｔ1）。これは、本実施形態では蒸気Ｓ１からの対流性熱輸送による再蒸発プロセスが同時進行し凝結液層の成長が頭打ちになるためである。即ち、凝結液層の成長がゆっくりになっていき、沸点ＴBP例えば１００℃付近で成長しなくなる（水分量ＭSが最大値ＭMAXに達する）からである。ただ、温度ＴSが沸点ＴBPに達しているときに凝結速度が再蒸発速度を逆転しうるようでは、凝結量が不平衡化したままになるが、実際の沸点ＴBPはそれよりかなり低くその温度では再蒸発速度が凝結速度に追いつく形で平衡が発生する。ここでいう平衡とは、凝結によって媒体５５に奪われた全潜熱量と、蒸気Ｓ１からの対流性熱輸送によって凝結液層が獲得した熱量とが釣り合い、更に専らその対流性熱輸送によって媒体５５例えば紙に至る熱流束が生じている状態のことである。沸点ＴBPに達してこの平衡が生じると（時刻ｔ1）、蒸気Ｓ１による対流性熱輸送が媒体５５内に至る熱流束を上回り、媒体５５上に蓄積されていた凝結液が蒸発し始める。このことは、図中太線で示されている水分量ＭSが時刻ｔ1から時刻ｔ2にかけて減少していることから読み取れる。凝結液蒸発により媒体５５上の凝結液層が薄くなり始めると、同じく図中の細線から読み取れるように、ゾーン１１０内の蒸気Ｓ１によって媒体表面が更に加熱され、その温度ＴSが沸点ＴBPより高くなる。温度ＴSは、ゾーン１１０を離れて第２ゾーン１２０に入る時点（図２中の時刻ｔ2）で最高値に達する。なお、本実施形態では、ゾーン１１０の長さや搬送装置１３０によるゾーン１１０内媒体搬送速度（図１参照）を適宜調整することで、温度ＴSの最高値が所定値ＴMAX例えば１３０℃になるようにしてある。
【００１９】
その第２ゾーン１２０では、媒体５５に温度低下や水分損失がほとんど生じない環境を提供している。即ち、その内部の温度が低めであるため、ゾーン１２０では媒体温度ＴSが所定の最高値ＴMAX又はその近傍、言い換えれば熔着プロセスの進行に適した温度で安定化される。同じくゾーン１２０内温度が低めであることが原因で、媒体乾燥プロセスの進み方即ち時刻ｔ1にて始まった水分量減少の進み方がゆっくりになる。言い換えれば、超高温になっている第１ゾーン１１０内で始まった媒体５５からの水分蒸発は、ゾーン１２０内でも続くけれどもかなり遅くなり、ゾーン１１０内環境に留置したら媒体５５に生じるはずの水分蒸発に比べるとかなり低速になる。なお、仮にゾーン１１０内環境に長く留置すると、媒体５５の乾燥が進みすぎて燃焼する可能性があるので、多量の超高温蒸気Ｓ１を流してその周囲から空気乃至酸素を追い出すことで媒体５５への点火を防止／制限することや、燃焼の防止／制限のためのフェイルセーフ制御が必要になるが、本実施形態ではそれらの策は必要ない。ゾーン１２０に入った媒体５５は、上掲の目標温度（最高値ＴMAX又はその近傍）を保ちながら搬送されていき、更にゾーン１２０を出て（時刻ｔ3）室温で冷まされる。ゾーン１２０内で当該目標温度に保つ時間は、熔融トナーの毛管リフローが生じるのに必要な時間例えば約１ｓｅｃオーダの時間とする。本実施形態では、ゾーン１２０の長さや搬送装置１３０によるゾーン１２０内媒体搬送速度（図１参照）を適宜調整することによってそれを実現している。
【００２０】
次に、上述したプロセスの詳細を調べるため行った数値シミュレーションの結果を示す。そのシミュレーションに当たっては、図１及び図２に示した環境及び条件を想定した。また、熱輸送パラメタ及び条件は、
・  凝結性熱輸送  ：  ２０００Ｗ／ｍ2Ｋ
・  対流性熱輸送  ：    １２５Ｗ／ｍ2Ｋ
・  媒体の厚み    ：    １００μｍ
・  媒体両面からの対称加熱
の通り設定した。
【００２１】
図３Ａ及び図３Ｂに、蒸気ゾーンが１個しかない従来の１ゾーン蒸気フューザを用いその表面が非透水性の媒体を加熱した場合について、その表面（最上面）における温度変化及び水分層厚み変化を示す。図３Ａと図３Ｂでは時間軸のスケールが違うので注意されたい。これらのグラフ上で注目すべきことは、蒸気温度を高くすると凝結液層たる水分層の厚み及び残留時間が急激に減ることである。即ち、対流性熱輸送は媒体温度ＴSと凝結液層温度Ｔcondensateの差に比例して強まるので、蒸気温度を高めれば、超高温蒸気による対流性熱輸送を優勢にして媒体表面における水分層成長を妨げることができる。
【００２２】
そこで、本実施形態に係る２ゾーン蒸気フューザでは、図４Ａ及び図４Ｂにグラフとして示すように、第１ゾーン１１０を超高温蒸気Ｓ１にし、このゾーン１１０で媒体５５を目標温度例えば１００℃まで急速加熱している。約１００ｍｓｅｃという短時間での超高温加熱であるので表面に多量の水分が凝結することがない。また、媒体温度ＴSも数十ｓｅｃほどの間に表面温度まで上がる。次の第２ゾーン１２０では媒体温度ＴSが約０．５ｓｅｃの時定数で変化する。ゾーン１１０内滞留時間が長めのときにはこれに相当する温度変化（温度上昇）がゾーン１１０内で生じることもあり、そうした場合にはゾーン１２０での媒体温度ＴSがゾーン１２０進入時の温度でほぼ一定に保たれる。
【００２３】
図５に、多孔質媒体５５内における厚み方向水分分布を示すグラフである。媒体厚み方向位置ｘの原点は媒体５５の最奥部にとり、その原点から水分層終了面までを対象としてシミュレーションを行った。このグラフから読み取れるように、蒸気温度を３００℃以上にすることで、媒体最奥部の水分量を大きく減らし、コックリングがほとんど生じないようにすることができる。なお、このグラフは媒体内部における水分拡散係数が例えば１０-9ｍ2／ｓｅｃであるときのものである。拡散係数が大きければ同じ効果を得るのにより高温の蒸気が必要になる。
【００２４】
以上、その好適な実施形態を参照して本発明について説明したが、いわゆる当業者にはご理解頂ける通り、本発明は上記以外の形態でも実施することができる。それらの実施形態も、本発明の技術的範囲に包含されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る２ゾーン蒸気フューザを備える電子写真システムの一部を示す概略側面図である。
【図２】図１に示す２ゾーン蒸気フューザを通過中の媒体における温度及び水分量の変化を示すグラフである。
【図３Ａ】従来の１ゾーン蒸気フューザを用いた場合における媒体温度の変化を示すグラフである。
【図３Ｂ】同じく水分層の厚みの変化を示すグラフである。
【図４Ａ】図１に示す２ゾーン蒸気フューザを用いた場合における媒体温度の変化を示すグラフである。
【図４Ｂ】同じく水分層の厚みの変化を示すグラフである。
【図５】超高温蒸気の温度をパラメタとして媒体内部における厚み方向水分分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
５０  電子写真システム、５５  媒体、６０  トナー転写装置、１００  蒸気フューザ、１０１  オーブン、１０３，１０５，１０９  開口、１０７  仕切り、１１０，１２０  ゾーン、１１５，１２５  蒸気源（又はガス源）、１３０  搬送機構、１３２−１，１３２−２，１３４−１，１３４−２，１３６−１，１３６−２  ローラ、Ｍ0  水分量初期値、ＭMAX  水分量最大値、ＭS  水分量、Ｓ１  超高温蒸気、Ｓ２  高温蒸気（又はガス）、Ｔ0  媒体温度初期値、ＴBP  蒸気沸点、ＴMAX  媒体温度最高値、ＴS  媒体温度、ｔ0〜ｔ3  時刻、ｘ  媒体厚み方向位置。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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