(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉砕ノズルからジェット気流を噴出させて被粉砕粒子を加速し、被粉砕粒子同士の衝突により粉砕を行う粉砕装置において、
前記粉砕ノズルは、先端部を先細の円錐台形状にし、複数のノズル噴出孔を粉砕室の円周方向に沿って微小間隔をおいて並べて形成したことを特徴とする粉砕装置。
【請求項２】
前記粉砕ノズルの周辺の粉砕室の内壁面に、粉砕ノズルの位置に頂点を有するほぼ半円筒状の流動促進領域を設けた請求項１記載の粉砕装置。
【請求項３】
前記粉砕室の内壁面の半径をＲ、粉砕ノズルの設置位置の内壁面に内接する円弧の半径をｒ、粉砕室に設けた粉砕ノズルの数をｎとしたときに
Ｙ＝Ｘtanα
α＝２π／２ｎ
で表され粉砕室の中心から外周方向に延びる直線と、
ｋＲ≦ｒ＜Ｒ
ｋ＝tanα／（１＋tanα）
で表せる円弧で前記流動促進領域の内表面を定める請求項２記載の粉砕装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の粉砕装置を有することを特徴とするトナーの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば電子写真方式や静電記録方式，静電印刷方式などにおける静電荷像を現像する乾式トナー等の微粉末を製造する粉砕装置及びトナーの製造装置、特に粉砕処理能力の向上と過粉砕の防止に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電子写真方式の画像形成装置で感光体に形成された潜像を現像するトナー等を製造するため、例えば特開平５−１４６７０４号公報や特開平６−２８５３８６号公報，特開平７−４７２９８号公報等に示すように、流動層式の粉砕装置が使用されている。この流動式の粉砕装置は、圧縮空気や高圧ガスによるジェット気流により被粉砕粒子を加速し、被粉砕粒子同士の衝突により粉砕を行う。このジェット気流の運動エネルギを有効に活用するため、例えば特開平７−４７２９８号公報に示すように、粉砕ノズルの端面にジェット気流を噴出させるノズル噴出孔を４個設け、各ノズル噴出孔をそれぞれの中心が１つの円をなすように配置して各ノズル噴出孔からジェット気流を噴出するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら各ノズル噴出孔から噴出するジェット気流により粉砕室内のトナー原料等の被粉砕粒子を加速させるとき、図１０のノズル噴流パターンに示すように、ノズル噴出孔１０から噴出するジェット気流１３の中心部の流量が小さく、ジェット気流１３の中心部で被粉砕粒子を加速することができず、外周部だけで被粉砕粒子を加速するために粉砕エネルギの損失が大きく、粉砕処理能力が低下するという短所がある。また、粉砕室の粉砕ノズル周辺部にはデットスペースがあり、このデットスペースでジェット気流による被粉砕粒子の流動化が不足して粉砕エネルギの損失が生じてしまう。この短所を改善するために、粉砕ノズルに供給する粉砕空気圧力を高めると、必要以上の超微粉が発生して過粉砕となり、製品収率を低下させる原因になってしまう。
【０００４】
この発明は係る短所を改善し、粉砕エネルギの損失を低減して粉砕処理の能力を高めるとともに粉砕エネルギを有効に活用して過粉砕が生じることを防ぎ、均一な粒径の粉砕微粒子を得ることができる粉砕装置及びトナーの製造装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る粉砕装置は、粉砕ノズルからジェット気流を噴出させて被粉砕粒子を加速し、被粉砕粒子同士の衝突により粉砕を行う粉砕装置において、前記粉砕ノズルは、先端部を先細の円錐台形状にし、複数のノズル噴出孔を粉砕室の円周方向に沿って微小間隔をおいて並べて形成したことを特徴とする。
【０００８】
さらに、粉砕ノズルの周辺の粉砕室の内壁面に、粉砕ノズルの位置に接点を有するほぼ半円筒状の流動促進領域を設けることが望ましい。この流動促進領域は、粉砕室の内壁面の半径をＲ、粉砕ノズルの設置位置の内壁面に内接する円弧の半径をｒ、粉砕室に設けた粉砕ノズルの数をｎとしたときに
Ｙ＝Ｘtanα
α＝２π／２ｎ
で表され粉砕室の中心から外周方向に延びる直線と、
ｋＲ≦ｒ＜Ｒ
ｋ＝tanα／（１＋tanα）
で表せる円弧で内表面を定めると良い。
【００１２】
この発明のトナーの製造装置は前記粉砕装置を有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の粉砕装置は、竪型の粉砕室と、粉砕室の下部に設けられた原料供給部と、空気供給管に接続され、粉砕室の内壁面に対称に設けられた複数の粉砕ノズルと、粉砕室の上部に設けられた分級機及び粉砕物排気管を有する。粉砕ノズルは複数個例えば３個のノズル噴出孔が粉砕室の内壁面の円周方向に沿って微小間隔を置いて設けられている。ノズル噴出孔は、のど部から噴出端に向かって断面積が大きくなるようにテーパで形成された末広ノズルで形成されている。
【００１４】
この粉砕ノズルに圧縮空気を供給すると、供給された圧縮空気は各ノズル噴出孔の流速はのど部の下流側で連続的に大きくなり、各ノズル噴出孔の噴出端から円錐状の流線を有するジェット気流として噴出する。このジェット気流を噴出する各ノズル噴出孔は粉砕室の内壁面の円周方向に沿って微小間隔を置いて設けられているから、３個のノズル噴出孔から噴出するジェット気流の噴出エネルギは、ジェット気流の中心部で相互に補完しあって、ほぼ均一なエネルギ分布で被粉砕粒子を粉砕室の中心側に加速し、ジェット気流の噴出エネルギを有効に被粉砕粒子に与えることができる。
【００１５】
【実施例】
〔実施例１〕  図１はこの発明の一実施例の流動式の粉砕装置の構成図である。図に示すように、粉砕装置１は、竪型の粉砕室２と、粉砕室２の下部に設けられた原料供給部３と、空気供給管４に接続され、粉砕室２の内壁面に対称に設けられた複数、例えば３個又は４個の粉砕ノズル５と、粉砕室２の上部に設けられた分級機６及び粉砕物排気管７を有する。分級機６は分級モータ８と、分級モータ８により回転する分級ロータ９を有する。この粉砕装置１は、原料供給部３から粉砕室２に供給された原材料である被粉砕粒子に対して空気圧縮装置に接続された空気供給管４から各粉砕ノズル５に圧縮空気を供給し、粉砕ノズル５から粉砕室２内の被粉砕粒子にジェット気流を噴出させて被粉砕粒子を加速して被粉砕粒子同士を衝突させ、その運動エネルギで粉砕を行う。破砕した粉砕粒子は分級機６で所定の粒径の粒子に分級され粉砕物排気管７から排出される。
【００１６】
このように粉砕室２内の被粉砕粒子にジェット気流を噴出する噴出する粉砕ノズル５は、図２（ａ）の斜視図に示すように、複数個例えば３個のノズル噴出孔１０が粉砕室２の内壁面１１の円周方向に沿って微小間隔を置いて設けられている。ノズル噴出孔１０は図２（ｂ）の粉砕ノズル５の断面図に示すように、のど部１２から噴出端に向かって断面積が大きくなるようにテーパで形成され、各ノズル噴出孔１０の最小断面を形成するのど部１２の部分の断面積の合計は、粉砕装置１の粉砕能力に応じて定められる粉砕ノズル５の噴出流量を確保するに必要なノズル開口断面積と同じになるように定められている。
【００１７】
上記のように構成した粉砕ノズル５に圧縮空気を供給すると、供給された圧縮空気は各ノズル噴出孔１０の流速はのど部１２の下流側で連続的に大きくなり、各ノズル噴出孔１０の噴出端から、図２（ｂ）に示すように、円錐状の流線を有するジェット気流１３として噴出する。このジェット気流１３を噴出する各ノズル噴出孔１０は粉砕室２の内壁面１１の円周方向に沿って微小間隔Ｄを置いて設けられているから、３個のノズル噴出孔１０から噴出するジェット気流１３の噴出エネルギ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、図３の噴出エネルギ分布特性図に示すように、ジェット気流１３の中心部で相互に補完しあって、ほぼ均一なエネルギ分布で被粉砕粒子を粉砕室２の中心側に加速することができ、ジェット気流１３の噴出エネルギを有効に被粉砕粒子に与えることができる。また、被粉砕粒子が相互に衝突するときの運動エネルギをほぼ一定にすることができ、均一な粒径で粉砕することができる。
【００１８】
例えばポリエステル樹脂７５重量％とスチレンアクリル共重合樹脂１０重量％とカーボンブラック１５重量％の混合物をロールミルにて溶融混練し、冷却固化した後ハンマーミルで粗粉砕したトナー原料を、上記３個のノズル噴出孔１０を有する粉砕ノズル５に粉砕空気圧力０．６Ｍｐａの圧縮空気を供給して粉砕し、分級機６の分級ロータ９を周速４５ｍ／ｓで回転してトナーを製造した結果、重量平均粒径６．５μｍで４μｍ以下の微粉含有率が個数平均で５０ＰＯＰ．％で、１６μｍ以下の粗粉含有率が重量平均で１．０Ｖｏｌ％のトナーを１３ｋｇ／ｈｒ得ることができた。この粒径測定に際してはコールターカウンター社のマルチサイザーを用いた。また、比較例として上記混練品と粉砕分級条件により従来の粉砕ノズルを用いて粉砕を行った結果、重量平均粒径６．７μｍで４μｍ以下の微粉含有率が個数平均で４８ＰＯＰ．％で、１６μｍ以下の粗粉含有率が重量平均で１．０Ｖｏｌ％のトナーを１０ｋｇ／ｈｒ得ることができた。
【００１９】
〔実施例２〕  上記実施例は粉砕ノズル５の噴出端を平面で形成し、各ノズル噴出孔１０を平行に設けた場合について説明したが、図４（ａ）の上面断面図と（ｂ）の斜視図に示すように、粉砕ノズル５の噴出端面５ａを粉砕室２の内壁面１１に対して同心円となる円筒面で形成し、各ノズル噴出孔１０を粉砕ノズル５の噴出端面５ａに対して直交するように設けると良い。このように粉砕ノズル５の噴出端面５ａを円筒面で形成し、各ノズル噴出孔１０を円筒面に対して直交するように形成することにより、各ノズル噴出孔１０から噴出するジェット気流を粉砕室２の中心に集めることができ、ジェット噴流により加速する被粉砕粒子を効率良く衝突させて粉砕性能を向上することができる。
【００２０】
例えば実施例１と同一の混練品と粉砕分級条件を用い、噴出端面５ａを粉砕室２の内壁面１１に対して同心円となる円筒面で形成し、各ノズル噴出孔１０を噴出端面５ａに対して直交するように形成した粉砕ノズル５を使用して粉砕した結果、重量平均粒径６．５μｍで４μｍ以下の微粉含有率が個数平均で５０ＰＯＰ．％で、１６μｍ以下の粗粉含有率が重量平均で１．０Ｖｏｌ％のトナーを１４ｋｇ／ｈｒ得ることができた。
【００２１】
〔実施例３〕  前記粉砕装置１で例えば電子写真方式の複写機やプリンタ等で感光体に形成された潜像を現像する体積平均粒径が７．５μｍ以下の小粒径のトナーを製造する場合、特に粉砕ノズル５の背部における原材料のよどみ量が多く、粉砕エネルギに対する粉砕処理量が低い。そこで、図５（ａ）の上面断面図と（ｂ）の斜視図に示すように、粉砕ノズル５の先端部１５を先細の円錐台形状にする。このように粉砕ノズル５の先端部１５を円錐台形状にすると、各ノズル噴出孔１０から噴出するジェット気流により粉砕ノズル５の背部にある原材料を粉砕ノズル５の噴出端面１５側に導くことができ、粉砕ノズル５に供給する圧縮空気の圧力を高めずに粉砕ノズル５の背部における原材料のよどみ量を低減することができる。したがって過粉砕を生ぜずに均一な粒径のトナーを効率良く製造できる。
【００２２】
この粉砕ノズル５の先端部の円錐台形状は、図５（ｂ）に示すように、先端外径をｄ１、後端外径をｄ２、高さをｈとすると、
ｄ１＜ｄ２≦７ｄ１
ｄ１≦ｈ≦５ｄ１
の条件を満足するようにすると、粉砕ノズル５の背部における原材料のよどみ量を確実に低減することができる。
【００２３】
前記と同一の混練品と粉砕分級条件を用い、先端部が円錐台形状をした粉砕ノズル５を使用して粉砕した結果、重量平均粒径６．５μｍで４μｍ以下の微粉含有率が個数平均で５０ＰＯＰ．％で、１６μｍ以下の粗粉含有率が重量平均で１．０Ｖｏｌ％のトナーを１３ｋｇ／ｈｒ得ることができた。
【００２４】
〔実施例４〕  また、粉砕ノズル５の背部において原材料が滞留してよどみが生じることを防止するために、図６（ａ）の上面断面図に示すように、粉砕ノズル５の周辺の粉砕室２の内壁面１１に粉砕ノズル５の位置に接点を有するほぼ半円筒状の流動促進領域１６を設けても良い。ここで、図６（ｂ）に示すように、粉砕室５の内壁面１１の半径をＲ、粉砕ノズル５の設置位置Ａを通る円弧１７の半径をｒ、粉砕室５の中心から互いに隣接する粉砕ノズル５の設置位置の中間点を通る直線Ｌと円弧１７の交点をＰ（ｘ，ｙ）、粉砕室５に設けた粉砕ノズル５の数をｎとすると、流動促進領域１６の内表面は、位置Ａから点Ｐの間の円弧１７により形成される面になる。ここで直線Ｌは
Ｙ＝Ｘtanα
α＝２π／２ｎ
で表される。流動促進領域１６を粉砕ノズル５から噴出するジェット気流を乱さないようにするため、円弧１７の曲率が最大で点Ｐの位置でｙ＝ｒとなるようにすると、円弧１７の半径ｒは
ｋＲ≦ｒ＜Ｒ
ｋ＝tanα／（１＋tanα）
このように流動促進領域１６を設けることにより、粉砕ノズル５の周辺部、特に粉砕室５の内壁面１１近傍にデットスペースが形成されることを防いで、粉砕ノズル５から噴出するジェット気流を有効に利用してトナー等の原材料である被粉砕粒子を効率良く粉砕することができる。また、この流動促進領域１６を設け、粉砕ノズル５の周辺部にデットスペースが形成されることを防ぐことにより、粉砕ノズル５から噴出するジェット気流の噴出エネルギを適正にして過粉砕を防止することができる。例えば体積平均粒径が７．５μｍ未満の小粒径のトナーを製造する場合、粉砕圧力を０．６ＭＰａから１．０ＭＰａにし、体積平均粒径が７．５μｍ以上の粒子を製造する場合に、粉砕圧力を０．４ＭＰａから０．８ＭＰａにすることにより、均一な粒径の粒子を製造することができる。
【００２５】
前記と同一の混練品と粉砕分級条件を用い、粉砕室５に設けた粉砕ノズル５の数をｎ＝３で、半径ｒ＝０．７Ｒの円弧１７により流動促進領域１６を形成して粉砕した結果、重量平均粒径６．５μｍで４μｍ以下の微粉含有率が個数平均で５０ＰＯＰ．％で、１６μｍ以下の粗粉含有率が重量平均で１．０Ｖｏｌ％のトナーを１５ｋｇ／ｈｒ得ることができた。
【００２６】
〔実施例５〕  前記各実施例は粉砕ノズル５の各ノズル噴出孔１０から粉砕ノズル５に供給する圧縮空気の圧力で定まる一定の流量のジェット気流を噴出する場合について説明したが、図７の断面図に示すように、ノズル噴出孔１０に先端が鋭角例えば３度から３０度の角度で形成された流量調整用のニードル１８を設けると良い。このニードル１８の先端部のノズル噴出孔１０ののど部１２に対する位置を可変することにより、のど部１２における流体通過断面積を可変してノズル噴出孔１０からの噴出流量を調整して適正な噴出流量にすることができ、粉砕時の過粉砕を防止するとともに、トナーの製品収率と粉砕エネルギ効率を高めることができる。
【００２７】
〔実施例６〕  前記各実施例に示すように粉砕ノズル５からジェット気流を噴出して被粉砕粒子である原料を粉砕しているとき、粉砕室の流動化現像を促進させ粉砕開始時の立ち上がり安定性を高めるとともに粉砕終了時の残留原材料を減少し、効率良い噴流体を形成してエネルギ損失を解消するために、粉砕室２の底部で原材料に流動性を与えると良い。例えば図８（ａ）に示すように、粉砕室２の底面に凸凹面１９を形成したり、図８（ｂ）に示すように、粉砕室２の底部に振動板２０と、振動板２０を振動させる超音波振動子等の振動素子２１を設けたり、図８（ｃ）に示すように、粉砕室２の底部に凹凸面を有する振動板２２と振動素子２１を設ける。この凸凹面１９や振動板２２の凹凸面は、粉砕する原材料の大きさに応じて高低差を最大３０ｍｍ程度で、ピッチを５ｍｍから６０ｍｍ程度に定めると良い。
【００２８】
例えば前記と同一の混練品と粉砕分級条件により、底面に高低差が１５ｍｍでピッチ２０ｍｍの凸凹面１９を形成した粉砕室２を用い粉砕した結果、重量平均粒径６．５μｍで４μｍ以下の微粉含有率が個数平均で５０ＰＯＰ．％で、１６μｍ以下の粗粉含有率が重量平均で１．０Ｖｏｌ％のトナーを１４ｋｇ／ｈｒ得ることができた。このとき粉砕終了後の残留原料粉は流動を与えない場合と比べて５０％に減少した。また、厚さが３ｍｍのＳＵＳ３０４の板で振動板２０を形成し、振動素子２１に３６ＫＨｚの超音波振動子を使用して振動を与えながら粉砕した結果、重量平均粒径６．５μｍで４μｍ以下の微粉含有率が個数平均で５０ＰＯＰ．％で、１６μｍ以下の粗粉含有率が重量平均で１．０Ｖｏｌ％のトナーを１５ｋｇ／ｈｒ得ることができ、粉砕終了後の残留原料粉は流動を与えない場合と比べて３０％に減少した。さらに、厚さが３ｍｍのＳＵＳ３０４の板で凹凸面を有する振動板２２を形成し、振動素子２１に３６ＫＨｚの超音波振動子を使用して振動を与えながら粉砕した結果、重量平均粒径６．５μｍで４μｍ以下の微粉含有率が個数平均で５０ＰＯＰ．％で、１６μｍ以下の粗粉含有率が重量平均で１．０Ｖｏｌ％のトナーを１４．５ｋｇ／ｈｒ得ることができ、粉砕終了後の残留原料粉は流動を与えない場合と比べて２５％に減少した。
【００２９】
〔実施例７〕  前記のように粉砕室２の底部で流動性を与えた原材料を効率良く粉砕ノズル５の周辺に集めて原材料の加速を促進して衝突を確実に行わせるために、図９（ａ）に示すように、各粉砕ノズル５のノズル噴出孔１０の前方に漏斗状の噴流ガイド２３を設けると良い。この噴流ガイド２３の広がり角度βは３度から４５度とし、粉砕ノズル５との間隔Ｗを粉砕ノズル５の外径Ｄ１に対して、0.1Ｄ１≦Ｗ≦Ｄ１になるようにすると、原材料を粉砕ノズル５の周辺に集めて加速することができる。
【００３０】
広がり角度β＝３０度の噴流ガイド２３を粉砕ノズル５の前面からＷ＝０．５Ｄ１だけ離して設け、前記と同一の混練品と粉砕分級条件２より粉砕を行った結果、重量平均粒径６．５μｍで４μｍ以下の微粉含有率が個数平均で４３ＰＯＰ．％で、１６μｍ以下の粗粉含有率が重量平均で１．０Ｖｏｌ％のトナーを１６ｋｇ／ｈｒ得ることができた。
【００３１】
このような粉砕装置１でトナーを製造する場合、製造された５μｍ以下の微粒子からなるトナーの球形度は解像力と転写性に影響する。例えば製造されたトナーの球形度差が大き過ぎると、画像を形成したときに地汚れや転写むらの原因になる。そこで平均円形度差△ＳＤを0.005μｍから0.050μｍの範囲に抑えるためには粉砕条件として、粉砕空気温度を０℃から４５℃の範囲とし、湿度を１０％から５０％の範囲にすると良い。
【００３２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、粉砕ノズルのノズル噴出孔を、粉砕室の円周方向に沿って微小間隔をおいて並べて形成することにより、複数のノズル噴出孔から噴出するジェット気流の噴出エネルギは、ジェット気流の中心部で相互に補完しあって、ほぼ均一なエネルギ分布で被粉砕粒子を粉砕室の中心側に加速することができ、ジェット気流の噴出エネルギを有効に被粉砕粒子に与えて効率良く粉砕することができる。また、被粉砕粒子が相互に衝突するときの運動エネルギをほぼ一定にすることができ、均一な粒径に粉砕することができる。
【００３４】
また、粉砕ノズルの先端部を先細の円錐台形状にすることにより、各ノズル噴出孔から噴出するジェット気流により粉砕ノズルの背部にある原材料を粉砕ノズルの噴出端面側に導くことができ、粉砕ノズルに供給する圧縮空気の圧力を高めずに粉砕ノズルの背部における原材料のよどみ量を低減することができ、粉砕効率を高めるとともに過粉砕のない均一な粒径のトナー等を効率良く製造することができる。
【００３５】
さらに、粉砕ノズルの周辺の粉砕室の内壁面に、粉砕ノズルの位置に接点を有するほぼ半円筒状の流動促進領域を設けることにより、粉砕ノズルの背部において原材料が滞留してよどみが生じることを防止することができ、粉砕効率を高めることができるとともに原材料を有効に利用することができる。
【００３６】
この流動促進領域は、粉砕室の内壁面の半径をＲ、粉砕ノズルの設置位置を通る円弧の半径をｒ、粉砕室に設けた粉砕ノズルの数をｎとしたときに
Ｙ＝Ｘtanα
α＝２π／２ｎ
で表され粉砕室の中心から外周方向に延びる直線と、
ｋＲ≦ｒ＜Ｒ
ｋ＝tanα／（１＋tanα）
で表せる円弧で内表面を定めることにより、粉砕ノズルから噴出するジェット気流を乱すことを防ぐとともに流動促進領域を精度良く形成できる。
【００４０】
さらに、各粉砕ノズルのノズル噴出孔の前方に漏斗状の噴流ガイドを設けることにより、粉砕室の底部で流動性を与えた原材料を効率良く粉砕ノズルの周辺に集めて原材料の加速を促進でき、粉砕効率をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の流動式の粉砕装置の構成図である。
【図２】上記実施例の粉砕ノズルの構成図である。
【図３】上記実施例のノズル噴出孔位置に対する噴出エネルギの分布図である。
【図４】第２の実施例の粉砕ノズルの構成図である。
【図５】第３の実施例の粉砕ノズルの構成図である。
【図６】第４の実施例の粉砕ノズルの構成図である。
【図７】第５の実施例の粉砕ノズルの構成図である。
【図８】第６の実施例の粉砕室の底面に設けた流動付与手段の構成図である。
【図９】第７の実施例の噴流ガイドの構成図である。
【図１０】従来例のノズル噴流パターンを示す斜視図である。
【符号の説明】
１；粉砕装置、２；粉砕室、３；原料供給部、４；空気供給管、
５；粉砕ノズル、６；分級機、７；粉砕物排気管、８；分級モータ、
９；分級ロータ、１０；ノズル噴出孔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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