(57)【要約】【課題】電子写真プロセスの静電転写において、トナーの飛散りを低減して高画質を得る。【解決手段】電子写真装置に用いるトナーにおいて、トナー平均半径をｒ（μｍ）、トナー単位重量あたりの帯電量をｑ／ｍ（μＣ／ｇ）としたとき、トナー１個の表面上に存在する帯電制御剤の個数Ｎ（個）が、式１および式２を満足するようにした。（式１）2005338776.tif 000023（式２）2005338776.tif 000024【選択図】  図１
2005338776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子写真装置に用いるトナーにおいて、トナー平均半径をｒ（μｍ）、トナー単位重量あたりの帯電量をｑ／ｍ（μＣ／ｇ）としたとき、トナー１個の表面上に存在する帯電制御剤の個数Ｎ（個）が、式１および式２を満足することを特徴とする電子写真装置用トナー。
（式１）
2005338776.tif 000021
（式２）
2005338776.tif 000022
【請求項２】
請求項１記載の電子写真装置用トナーを用いたことを特徴とする電子写真装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真装置用トナーおよびそれを用いた電子写真装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の現像方法と現像装置について説明する。電子写真方式を用いた記録装置は、感光体上に帯電、露光により静電潜像を形成し、着色粒子を現像して画像として顕像化させた後、記録体表面に着色粒子を転写し、定着させる工程からなる。着色粒子には電子写真専用のトナーと呼ばれる粉末が用いられる。
【０００３】
感光体はその表面の全面が一旦帯電され、続いて光を照射することにより部分的な電荷放電が行われる。ここに、感光体表面には帯電領域と露光領域による電位コントラストが形成され、これを静電潜像と呼ぶ。
【０００４】
現像工程では、まず、現像剤を用いて着色粒子であるトナー粒子を帯電させる。現像剤にはトナーと磁性粒子であるキャリアビーズの混合粉体からなる二成分系の場合とトナーのみから成る一成分系の場合とがある。現像剤は現像装置の中に封じ込められそこで攪拌される。その際、二成分現像剤の場合、トナーはキャリアビーズとの摩擦により帯電する。一成分現像剤の場合、部材などとの摩擦によりトナーの帯電が行なわれる。
【０００５】
以下、二成分現像剤の場合について説明する。
【０００６】
トナーは平均粒径が６〜１０μｍ程度の微粒子で成分の９０％以上が樹脂であり、その他に色剤（カーボンブラックや顔料）、帯電制御剤、外添剤、ワックスなどを内包している。トナーは粒径３０〜１００μｍ程度のキャリアビーズとの混合撹拌によりキャリアビーズと接触する際に摩擦帯電し、何回かの接触を繰り返した後、最終的にはどれかのキャリアビーズ表面に静電的に付着する。トナーはキャリアビーズとの接触によってのみ帯電するので、トナー表面は完全に均一に帯電しているわけではなく、局所的な帯電領域が点在している。
【０００７】
樹脂は一般には摩擦により負帯電し易いので、トナーを正帯電させるには正に帯電する帯電制御剤がその役割を担う。帯電制御剤は金属錯体などの導電性の高い物質で、帯電しやすい性質を持ち、正帯電、負帯電のための様々な物質が使われている。
【０００８】
すなわち、トナー表面の存在している帯電制御剤とキャリアビーズが接触して帯電し、トナー表面には帯電制御剤の部分に局在電荷が存在する。負帯電させる場合も樹脂よりもより負帯電しやすい性質を持つ帯電制御剤を用いて、トナー帯電量をコントロールしている。
【０００９】
破砕トナーの場合、帯電制御剤はあらかじめ樹脂と混練されて凝固してから破砕によってトナーが作製されるのでトナー表面にほぼ均等に存在することになる。重合トナーの場合は製造方法が種々あるが、トナー表面に存在する帯電制御剤は上述したようにトナーの帯電を担う材料であるのでほぼ均等に分布していると考えられる。
【００１０】
二成分現像剤の場合は、感光体表面の静電潜像を「磁気ブラシ」で擦ることによりトナーの現像を行う。磁気ブラシとは磁性体粒子であるキャリアビーズが磁石の力で穂立ちしてブラシ状に形成されたもので、個々のキャリアビーズには前述の帯電トナーが付着している。磁気ブラシは静電潜像に対向する現像位置まで現像ローラと呼ばれる磁石を用いた回転ローラにより搬送される。このような現像方法を磁気ブラシ現像と呼ぶ。
【００１１】
また、静電潜像の顕像化の促進手段として、バイアス現像と呼ばれる方法がよく用いられる。バイアス現像では、現像ローラにバイアス電圧を印加し、感光体表面に形成された潜像電位と現像ローラとの間に発生する電界の作用により帯電されたトナー粒子を現像ローラ上のキャリアビーズから分離して感光体表面に移動させることにより現像が行われる。潜像電位（すなわち感光体の像形成部分の電位）として、前述の帯電電位を用いてもよいし、露光電位を用いてもよい。
【００１２】
一般に、潜像電位として帯電電位を用いる方法を正規現像法、露光電位を用いる方法を反転現像法と呼ぶ。帯電電位と露光電位のうち潜像電位として用いられない側の電位を背景電位と呼ぶ。現像ローラのバイアス電圧は帯電電位と露光電位の中間に設定され、潜像電位との差を現像電位差と呼ぶ。同様に、背景電位との差を背景電位差と呼ぶ。通常、背景電位差より現像性能そのものを左右する現像電位差の方を大きく設定する。現像電位差が大きければ形成される電界（現像電界と呼ぶ）が強くなるので現像性能（トナー現像量）が多くなることは言うまでもなく、バイアス電圧によってトナー現像量が変わる。現像ローラと感光体との現像ローラの回転速度を上げる方法、距離を狭くする方法、現像剤の電気抵抗を低下させる方法によってもこれと同様に現像電界を強める効果があり、トナー現像量を多くすることができる。
【００１３】
次に転写工程について説明する。感光体上に現像されたトナーは２〜３層に積み重ねられている。トナーは感光体と静電付着しており、トナー同士も同様の静電力で凝集しているので、現像工程の後、現像バイアス電圧が取り除かれても感光体上に層状に凝集している。このトナー画像を用紙などの記録媒体に転写する方法としては、用紙を感光体に近づけてトナー層を感光体との間で挟み込み、用紙の裏面からトナーに用紙側への静電引力が加わるような転写電界を与えて用紙上に転写する静電転写方式が一般的である。具体的な方法としては、コロナ帯電器により用紙裏面にトナーと逆極性の電荷を与える方法（コロナ転写）や用紙裏面からローラで押付けてローラにはトナーと逆極性の電圧を印加する方法（ローラ転写）などがある。
【００１４】
用紙上へ転写されたトナー画像は、感光体上のトナー画像を忠実に再現した鏡像になっていることが望ましい。また、弱い転写電界では多層のトナーすべてを転写することができないので、強い転写電界を印加する必要がある。しかし、強い転写電界をかけるとコロナ転写、ローラ転写いずれの場合も用紙と感光体とのギャップでパッシェン放電が起こり、トナーを逆帯電させて転写時にトナーの飛散りを引き起こす。結果として用紙上に転写されたトナー画像は感光体上のトナー画像と比べて線画の両側や網点のドットの周りにトナーが飛散るなどの画質劣化を引き起こす。転写時におけるトナーの飛散りについては非特許文献１などで示されている。
【００１５】
【非特許文献１】高橋 岩井 飯野 小杉  Ｊａｐａｎ  Ｈａｒｄｃｏｐｙ  ２００３講演論文集 日本画像学会（２００３）Ｐ５３
【００１６】
【非特許文献２】竹内  電子写真学会誌Ｖｏｌ．３６  Ｎｏ．３（１９９７）Ｐ１７５
【００１７】
【非特許文献３】大谷 竹内  日本画像学会誌Ｖｏｌ．４０  Ｎｏ．１（２００１）Ｐ２４
【００１８】
【非特許文献４】長谷 村田  静電気学会誌Ｖｏｌ．２２  Ｎｏ．１（１９９８）Ｐ２３
【００１９】
【非特許文献５】村田  日本画像学会誌Ｖｏｌ．３９  Ｎｏ．３（２０００）Ｐ２４８
【００２０】
【特許文献１】特開２００３−９１１００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
以上に述べたように、静電転写においてはトナーの飛散りを低減して高画質を得ることが課題であり、本発明はその手段を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は静電転写においてトナーの飛散りを低減するためにトナー表面の帯電制御剤の大きさについて条件を設定するものである。電子写真装置においてはトナーの単位重量当りの帯電量ｑ／ｍは１０〜２５μＣ／ｇのものがほとんどである。その理由は感光体の表面電位の上限が１０００Ｖ程度（表面の電荷密度にして１.０×１０−３〜２.０×１０−３Ｃ／ｍ２）であることと、トナーの粒径が６〜１０μｍ程度であることである。６〜１０μｍ程度のトナーを感光体上に２〜３層現像して、表面電荷密度が１.０×１０−３〜２.０×１０−３Ｃ／ｍ２程度になるためには帯電量は１０〜２５μＣ／ｇ程度にしなければならない。
【００２３】
そこで、帯電量がｑ／ｍ、半径ｒの球形トナーの場合について付着力を考察する。非特許文献２による実験結果ではトナー１個の感光体との付着力は１．０×１０−７Ｎ程度である。トナーを球形状として密度ｐとすると１個のトナー電荷量Ｑは、式３で表される。
（式３）
2005338776.tif 000003
【００２４】
式３にて、ｑ／ｍ＝１７.５μＣ／ｇ、ｒ＝５μｍ、ｐ＝１.１×１０３ｋｇ／ｍ３とすると、Ｑ＝１．０×１０−１４Ｃとなる。
【００２５】
次に、トナー表面が均一帯電であると仮定すると感光体表面との鏡像力は、式４で表される。
（式４）
2005338776.tif 000004
【００２６】
式４にて、εｒ＝３、Ｑ＝１.０×１０−１４Ｃ、ｒ＝５μｍとすると、Ｆ＝４．５×１０−９Ｎとなって、１.０×１０−７Ｎとは明らかに異なる。前述したようにトナー表面は帯電制御剤の部分が局所帯電しているとしてトナー表面にＮ個の局所電荷を仮定すると、１個の局所電荷に作用する鏡像力は、式５で表される。
（式５）
2005338776.tif 000005
【００２７】
式５にて、εｒ＝３、ｄ＝０.１μｍ、Ｎ＝１１とすると、Ｆ＝０.９３×１０−７Ｎとなり、１.０×１０−７Ｎとほぼ一致する。
【００２８】
非特許文献３による実験結果では、トナーに含まれる帯電制御剤の平均粒径は０．２μｍ程度で、表面上に１５個ほどが存在していると考えられ、上記の結果とほぼ一致する。すなわち、このような局所電荷により感光体や他のトナーとの間に付着力が働く。トナー間の付着力は帯電制御剤に局在している局所電荷とトナー樹脂表面との鏡像力である。なお、トナー表面が均一に帯電している場合はトナー間で静電的な引力は働かない。
【００２９】
静電転写の際にこのようなトナー間に働く付着力に抗して、トナーが飛散るのは放電によるトナーの逆帯電が影響すると考えられる。ギャップ放電によってトナー表面には逆極性電荷が付着し、この逆極性電荷どうしの反発力がトナー飛散りの主な原因である。しかし他にもトナー層と用紙などとの接触の際に放電が関与しない原因で飛び散ることも考えられる。
【００３０】
この飛散りはトナー間の付着力を強くすることで防ぐことができる。トナー間付着力がこの反発力に打ち勝って飛散らないためにはできるだけ１つの帯電制御剤の電荷量が大きいことが望ましい。トナー１個の帯電量Ｑを一定とすれば、帯電制御剤の個数が少ないほど局所電荷量が大きくなりその鏡像力も大きくなるので飛散りにくくなることは明らかである。例えば、トナー表面に４個の局所電荷がある場合は、１１個の局所電荷がある場合に比べて、鏡像力は約７.５倍と大きくなる。
【００３１】
しかし、あまり付着力を大きくすると感光体とトナーとの間の付着力も大きくなり、通常の転写電界強度（０.５×１０７〜５.０×１０７Ｖ／ｍ）ではトナーを転写できなくなる。
【００３２】
以上のことから、転写の際のトナー飛散りを防ぐには、トナー表面上に存在する帯電制御剤の個数を、通常の転写電界強度で転写可能な条件のもとに出来るだけ少なくすることが望ましい。
【００３３】
そこで、トナー表面に存在している帯電制御剤の個数と、トナーと感光体の付着力との関係を見積もる。帯電制御剤はトナー表面にほぼ均等に存在しておりトナー１個の帯電量Ｑ＝１.０×１０−１４Ｃとすると、ギャップにおける電界強度Ｅは用紙とトナーが接触するときギャップ＝２０μｍ、電位差１０００Ｖとすると、およそ５.０×１０７Ｖ／ｍであるのでトナー１個にかかるギャップ電界からの力は、式６で計算される。
（式６）
2005338776.tif 000006
【００３４】
トナーが静電転写されるためにはトナー表面の帯電制御剤と感光体表面との鏡像力は式５の値よりも小さくなければならないが、式５でＮ＝５とすると、ほぼ式６の値に一致する。つまり、トナー表面には５個以上の帯電制御剤が存在している必要がある。従って、以上の例ではトナー表面に５個の帯電制御剤が存在していることが最も飛散りの起こりにくい条件である。
【００３５】
以上はトナーの帯電量が１７.５μＣ／ｇ、粒径が１０μｍの場合についての具体的結果であるが、一般の場合では式６＞式５とすることで、ギャップ電界からの力と帯電制御剤と感光体表面の鏡像力が等しくなるときのトナー１個の帯電量Ｑや帯電制御剤の個数Ｎとの関係を求めることができる。つまり、式７および式８のように表される。
（式７）
2005338776.tif 000007
【００３６】
（式８）
2005338776.tif 000008
【００３７】
式７および式８からトナーの単位重量あたりの帯電量（ｑ／ｍ）とＮの関係を求めると、式９のように表される。
（式９）
2005338776.tif 000009
【００３８】
静電転写において飛散りの少ないトナーの条件は、トナー表面上の帯電制御剤の個数Ｎが式９で表わされる範囲にあって最小の値のときである。つまり、式１０および式１１で表される。
（式１０）
2005338776.tif 000010
【００３９】
（式１１）
2005338776.tif 000011
【００４０】
ここで、式１０の右辺は一般に整数とはならないので、式１２で表される。
（式１２）
2005338776.tif 000012
【００４１】
従って、帯電制御剤の個数Ｎの最大値が最も飛散りの少ない条件となる。
【００４２】
次に、具体的に数値を代入してみる。εｒ＝３、Ｅ＝５.０×１０７Ｖ／ｍ、ｐ＝１.１×１０３ｋｇ／ｍ３、ｄ＝０.１μｍとすると、式１３で表される。
（式１３）
2005338776.tif 000013
【００４３】
例えば、式１３において、ｑ／ｍ＝１５μＣ／ｇ、ｒ＝４μｍを代入すると、Ｎ０＝３．１６個となるので、Ｎ＝４が最も望ましい。
【００４４】
さて、式１０で表わされるＮ０の値は感光体の比誘電率εｒ、転写電界強度Ｅによって変化する。すなわち式１１のｋが変化する。種々のトナーに使われる樹脂の密度ｐ１μｍは固定して通常使用される感光体の比誘電率εｒ＝３〜１１、通常の転写電界強度Ｅ＝０.５×１０７〜５.０×１０７Ｖ／ｍの範囲で式１１の係数ｋの最小値、最大値を求めると、それぞれ０.０１０４、０.１７３となる。従って、式１０〜式１２で表わされる条件は、
式１４〜式１６で表される。
（式１４）
2005338776.tif 000014
【００４５】
（式１５）
2005338776.tif 000015
【００４６】
（式１６）
2005338776.tif 000016
【００４７】
実機開発においては転写電界強度Ｅを様々に変えて静電転写における飛散りの少ない条件を設定する必要があるので、式１４でｋの最大値ｋ＝０．１７３の場合を包含するようなＮの条件が必要である。すなわち、式１７および式１８で表わされるようなトナーを用いることが望ましい。
（式１７）
2005338776.tif 000017
【００４８】
（式１８）
2005338776.tif 000018
【００４９】
トナー半径ｒ＝３μｍ、４μｍ、５μｍの場合に式１７によって求められるＮ０とｑ／ｍの関係を図１に示す。ｑ／ｍは１０〜２５μＣ／ｇの範囲で示した。
【００５０】
以上は球形トナーの場合について述べたが、破砕形状トナーであってもトナー表面上の１つの帯電制御剤に働く鏡像力は球形の場合と同様に式５で表わされるので、やはり式１７および式１８が最も飛散の少ない条件となる。
【００５１】
ここで、トナー単位重量あたりの帯電量ｑ／ｍは、例えばトレック・ジャパン（株）製のトナー帯電量測定装置Ｍｏｄｅｌ−２１０ＨＳ−２Ａを使って測定することができる。また、トナー平均半径ｒは、例えば米国コールター社製のコールターカウンタを使って測定することができる。トナー１個の表面上に存在する帯電制御剤の個数Ｎの測定は、例えば非特許文献４および非特許文献５に記載されているように、帯電状態を観察する走査型顕微鏡を用いて行うことができる。
【００５２】
なお、高い転写効率を実現するためのトナーとして、トナー粒子表面上の帯電制御剤の比表面積がある値の範囲にあることを特徴とする発明が特許文献１に記載されているが、本発明はトナー粒子表面上の帯電制御剤の個数について規定するものである。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、トナー飛散の起こりにくい静電転写を実現することができ、高品質の画像を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
トナー単位重量あたりの帯電量をｑ／ｍ、トナー１個の表面上に存在している帯電制御剤の平均個数をＮとすると、以下の関係式で表わされるようなトナーを用いることで静電転写におけるトナー飛散を低減することができる。
（式１９）
2005338776.tif 000019
【００５５】
（式２０）
2005338776.tif 000020
【実施例１】
【００５６】
以下、本発明の一実施例を図１、図２を用いて説明する。
【００５７】
図２は本実施例のトナーを用いた電子写真装置の断面側面図である。１は感光体ドラム、２は帯電器、３はトナー、４は現像機、５は用紙、６は転写器、７は定着器、８はクリーナ、９は露光装置である。帯電器２により一様に帯電された感光体ドラム１表面に、レーザドライバ等から成る露光制御手段により発光を制御された半導体レーザおよび光学系から成る露光装置９によって静電潜像が形成される。
【００５８】
この後、現像機4により静電潜像をトナー３で現像する。トナー３は、転写器６によって用紙５に転写される。この後、転写されたトナー画像は定着器７で加熱融解され用紙５に定着する。また、転写されずに感光体ドラム１表面に残存したトナー３はクリーナ８により回収され、一連のプロセスを終了する。
【００５９】
図３は本発明のトナーを用いた転写器（コロナ転写）の詳細を示す断面側面図である。１１は感光体上に現像されたトナー、１２は感光体、１３は用紙または転写ベルト、１４は感光体ドラムの基板、１５はコロナワイヤ、１６はコロナ転写器のシールドである。
【００６０】
用紙または転写ベルト１３はトナー１１に感光体との間で挟み込むように接触し、用紙または転写ベルト１３の裏面にはコロナ転写器によりトナーと逆極性の電荷を与えることで、用紙または転写ベルト１３上にトナーを引きつけるための転写電界を発生させて転写する。コロナ転写の場合は転写電界強度Ｅは大きく、通常は１.０×１０７〜５.０×１０７Ｖ／ｍの範囲にある。図３ではトナー１１を負極性としている。トナー１１は、トナー単位重量あたりの帯電量ｑ／ｍが１０〜２５μＣ／ｇの範囲、トナー半径ｒが３〜５μｍの範囲内にあって、トナー１個の表面上に存在する帯電制御剤の個数Ｎ（個）が式１７および式１８で与えられる条件を満たしている。
【実施例２】
【００６１】
図４は本発明のトナーを用いた他の方式の転写器（ローラ転写）の詳細を示す断面側面図である。１１は感光体上に現像されたトナー、１２は感光体、１３は用紙または転写ベルト、１４は感光体ドラムの基板、１７は転写ローラの芯金、１８はゴム等の誘電体である。用紙または転写ベルト１３は転写ローラに押付けられてトナー１１に感光体との間で挟み込むように接触し、転写ローラにはトナーと逆極性の電圧を印加することで、用紙または転写ベルト１３上にトナーを引きつけるための転写電界を発生させて転写する。ローラ転写の場合Ｅは、通常は０.５×１０７〜１.０×１０７Ｖ／ｍの範囲にある。図４ではトナー１１を負極性としている。トナー１１は、トナー単位重量あたりの帯電量ｑ／ｍが１０〜２５μＣ／ｇの範囲、トナー半径ｒが３〜５μｍの範囲内にあって、トナー１個の表面上に存在する帯電制御剤の個数Ｎ（個）が式１７および式１８で与えられる条件を満たしている。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明のトナーを規定するための条件を示した説明図。
【図２】本発明のトナーを用いた電子写真装置の断面図。
【図３】本発明のトナーを用いた電子写真装置の転写装置部分の説明図（実施例１）。
【図４】本発明のトナーを用いた電子写真装置の転写装置部分の説明図（実施例２）。
【符号の説明】
【００６３】
１  感光体ドラム
２  帯電器
３  トナー
４  現像機
５  用紙
６  転写器
７  定着機
８  クリーナ
９  露光装置
１１  感光体上に現像されたトナー、
１２  感光体
１３  用紙または転写ベルト
１４  感光体ドラムの基板
１５  コロナワイヤ
１６  コロナ転写器のシールド
１７  転写ローラの芯金
１８  転写ローラのゴム等の誘電体
【図１】
2005338776.tif 000025
【図２】
2005338776.tif 000026
【図３】
2005338776.tif 000027
【図４】
2005338776.tif 000028