１成分現像方式におけるトナー補給前後の帯電量分布変化の解析と抑制法の研究
Analysis of Toner Charge Distributions Before and After Toner Replenishment, and the Control of Toner Surface States

村内

淳

二＊Murauchi, Junji

筒井主

税＊

Tsutsui, Chikara

要旨
コストや環境負荷低減の観点から，１成分現像方式に

岡田

拓也＊

Okada, Takuya

後藤浩＊

Gotou, Hiroshi

１ はじめにおいてもトナーの追加補給をして現像器を使い続けるこ

現在，デスクトップ型ページプリンタには，１成分現とが望まれている。トナーの追加補給を行わない使い切像方式を採用した使い切りカートリッジが多く用いられり型の１成分現像方式では，現像器内のトナーが耐久にている。しかしながら，コストや環境負荷低減の観点か伴って劣化していくことが知られている。ここに新たなら，１成分現像方式においてもトナーの追加補給をしてトナーを補給すると，補給前後で帯電量分布が変化し現像器を使い続けることが望まれている。

た。このことは，トナー補給後に画像濃度変化や，地肌カブリ，トナー飛散が生じる原因となった。

トナーの追加補給を行わない使い切り型の１成分現像方式では，現像器内のトナーが耐久に伴って劣化してい本報告では，耐久によって劣化したトナーと，補給さくこと１）が知られている。ここに新たなトナーを補給すれた新しいトナーの表面状態差に着目し，トナー帯電量ると，補給前後で帯電量分布が変化した。このことは，分布変化について考察した結果と，トナー補給後であっトナー補給後に画像濃度変化や，地肌カブリ，トナー飛ても帯電量分布変化を抑制できる安定したシステムにつ散が生じる原因となった。

いて述べる。

本報告では，耐久によって劣化したトナーと，補給された新しいトナーの表面状態差に着目し，トナー帯電量Abstract

分布変化について考察した結果と，トナー補給後であっIn both ecological protection and print cost reduction, a
toner replenishing-type mono-component developing unitても帯電量分布変化を抑制できる安定したシステムについて述べる。

is superior to a cartridge-type unit. But with a conventionalmono-component cartridge, toner gradually deteriorates
with print volume. When fresh toner is added to such dete-

２ トナー追加混合に伴う作用確認

riorated toner, fog noise increases. By analyzing toner

市販の使い切り型のカートリッジを用いて，新トcharge distributions, we found that such fog noise is caused

ナー，耐久後トナー，耐久後トナーに新トナーを混合さby a change in distribution profiles before and after replenishment. In this paper, we focus on changes of tonersurface states, and we pursue investigation via a toner-totoner charge transport model for a mono-component developing system. We further discuss design considerations
in controlling changes of toner surface states.

＊コニカミノルタビジネステクノロジーズ㈱機器開発本部 画像技術開発部
本論文は日本画像学会研究討論会 ICJ2006Fall にて報告

Fig.1 Mono-component developing system

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.4（2007）

9せた条件において，現像ローラ上に搬送されるトナー層の帯電量分布を評価することで，トナー補給に伴う作用３ 新トナーと耐久後トナーの比較を確認した。Fig.１に実験に使用したカートリッジの要部

電子顕微鏡による観察の結果，新トナーでは外添剤が断面図を示す。耐久後の現像器とは印字率０%で50枚/g現トナー表面上に付着しているのが確認できた一方，耐久像器を駆動させた状態である。ここで［枚/g］は，印字後トナーでは外添剤の付着が判別できなくなった。

枚数を現像器内のトナー重量で割った単位である。

また，パーティクルアナライザ２）３）PT1000（横河電機社

Fig.２に新トナー，耐久後トナー，耐久後トナーに対す製）を用いて，使用している２種類の外添剤の付着密度

る新トナーの混合比率を変えたときのトナー帯電量分布を測定したところ，耐久後トナーの方が外添剤の付着密を示す。このときの０fC/µm以上（以下，逆帯電と呼ぶ）度が大きくなる結果（Fig.４参照）を得た。この測定法はトナーの比率をFig.３に示す。

物質の量をその物質を特定する元素の発光スペクトル強度から定量するものである。新トナーの場合，外添剤のトナーへの付着力が弱いため，付着密度は小さく観測されるが，耐久したトナーでは，外添剤が母体へ埋没し，付着力が強まった結果，付着密度が大きく観測されたと考える。

Fig.2 Comparison of toner charge distribution among new toner,aged toner, and the two mixed at two different ratios

Fig.4 Comparison of densities of additive agents between
new toner and aged toner as measured with a PT1000
particle analyzer

以上の観測結果より，新トナーと耐久後トナーとでは外添剤の付着状態が異なることを見出した。この知見に基づき，新トナーと耐久後トナーでは帯電性に影響を及ぼす仕事関数の値が異なるものと推定する。

４ トナー帯電量分布変動モデルと検証
Fig.3 Dependence of opposite charged toner ratio
on replenished new toner ratio in Fig.2

新トナーと耐久後トナーの仕事関数が，それぞれある値を中心とした正規分布を取るものと仮定する。また，トナー荷電部材は一定の仕事関数値を持つこととする。

これより，①耐久することで帯電量分布は低帯電側にこの様子をFig.５に図示する。

シフトした。②耐久後トナーに新トナーを追加混合する

１成分現像方式ではトナー薄層形成時にトナー荷電部ことによって，帯電分布が２山化し，逆帯電成分も増加材とトナーとを摩擦させることによって，トナーを帯電した。③追加補給する新トナーの混合比率によっても帯させている。近藤のモデル４）によると，２種の粒子を混電分布の形が変化した。

合した場合に粒子の得る飽和帯電量は，２粒子間の仕事実際の印字画質としては，耐久後トナーのみであれば関数差に比例する。またこの考えを１成分用トナーとト地肌カブリの問題はないが，新トナーを追加混合したとナー荷電部材間に拡張できることは，栗田５）によって示

きは地肌カブリが見られた。

されている。そこでまず，トナー荷電部材と摩擦されることでトナーが次式で示される電荷を得るものと考えた。

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a

薄層形成部に供給されたトナーが，トナー荷電部材との間での摩擦および他のトナー粒子の摩擦によって得る電荷量を，各トナーについて以下の式を用いて求める。

sここでｑ（ｉ，ｊ），Wf（ｉ，ｊ）は各トナーに対する帯電量と仕事関数を示す。近接するトナー粒子数をＰとし，ｎをトナーの総個数とするとｉは１〜ｎ/ｐ，ｊは１〜ｐである。またWf 0 はトナー荷電部材の仕事関数，
A0，A1はトナー搬送量や接触電場に係る係数である。
この式は，近接するトナーをｐ個取り出したとき，そFig.5 Parameters of the transition model of toner charge
distribution

ここでWf 0 はトナー荷電部材の仕事関数，Wf i は各トの中のトナー（ｉ，ｊ）はトナー（ｉ，１）〜トナー（ｉ，ｐ）とだけ摩擦荷電し，取り出したｐ個のトナーは別のトナーの影響は受けないとした。

ナー粒子の仕事関数，Ａは上述のモデルで示されている

このモデルに基づき，ｐ＝２のケースにおいて，新トようにトナー搬送量や接触電場に係る係数である。このナーの混合比率を０〜100%にしたときの帯電量分布を計考えに基づき新トナーの混合比率を０〜100%にしたとき算した。結果をFig.７に示す。なお，計算条件についてはの帯電量分布結果をFig.６に示す。ここで与えた条件は次

A 1＝Ap＝0.1とした以外，上述の数値と同じものを与えの通りである。

た。また，その時の逆帯電比率をFig.８に示す。

トナー荷電部材：Wf0＝3.3，
新トナー：Wf1＝5.0，σ1＝0.35
耐久後トナー：Wf2＝4.3，σ2＝0.35
係数Ａ＝0.1
この結果はFig２，３で示したデータと対応しておらFig.7 Simulation: toner charge distribution by change
in new toner ratio based on Equation 2

Fig.6 Simulation: toner charge distributions by change innew toner ratio based on Equation 1

ず，１成分薄層形成時のトナー帯電は，トナーとトナー荷電部材との荷電のみでは説明できないと言える。
そこで，本モデルではトナーとトナー荷電部材に加えて近接するトナー間でも摩擦荷電が行われていると仮定し，近接するトナー間でも摩擦荷電する項を導入した。

Fig.8 Simulation: dependence of opposite charged toner ratio on
replenished new toner ratio in Fig.7

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.4（2007）11これより，薄層形成時に近接しているトナー間での摩擦荷電の項を導入したことによって，耐久後トナーに新５ 考察

トナーを混合すると帯電量分布は広がり，逆帯電トナー

以上示してきたように，耐久に伴うトナーの表面状態量も混合比率に応じて変化するという，Fig２，３の結果即ち仕事関数の変化が，追加補給時の帯電量分布変化のを再現できることを見出した。

要因である。帯電量分布変化を抑制するには，仕事関数次に，Wf2に4.3〜4.5を与えて，すなわち耐久レベルが異なるトナーに対して新トナーを混合したときの逆帯電の変化を小さくするもしくは，新トナーの混合比率を一定レベル以下にすることが重要である。

トナーの比率を計算した結果をFig.９に示す。なお，計算

１成分現像方式は現像ローラとその周りにある機能部条件についてはWf 2 以外，上述の数値と同じものを与え材（Fig.１参照）との接触部位でトナーを劣化させていた。また，これと対応する実際の検証結果として印字率る。従って，それらの接触部における機能を確保しつ０%，A4で50枚/g，35枚/g，17枚/g，駆動したトナーにつ，接触圧力を下げることがトナーの仕事関数変化（表新トナーを混合したときの逆帯電の比率をFig.10に示す。

面状態変化）を抑制する方策と考える。

尚，トナーの劣化は，単位重量あたりの印字枚数が大きい方が劣化している。

また，新トナーの混合比率抑制としては，消費された分のトナーを少量ずつ補給し，新トナーの量の比率を出来るだけ低くすることが効果的であると考えられる。更に部分的な混合比率の上昇を抑えるために，スクリューで攪拌する等の方策も効果的である。

６ まとめ
新トナーと耐久後トナーの混合に伴う帯電量分布変化を，仕事関数の異なるトナー間の摩擦荷電の影響と推定し，１成分薄層形成部において，近接するトナー間での摩擦荷電の項を追加導入したモデルによって妥当性を検証した。
また，このモデルに基づく対応方策として，トナー劣化レベルの抑制と，新トナーの混合比率を一定レベル以Fig.9 Simulation: opposite charged toner ratio by change inworking function of aged toner based on Equation 2下とすることを提案した。この方策は，コニカミノルタ
ビジネステクノロジーズ㈱社製，magicolor5400シリーズ６）に展開されている。

７ 謝辞
本研究に対してサポート頂いた，コニカミノルタビジネステクノロジーズ㈱機器開発本部画像技術開発部の方々に，深くお礼申し上げます。
●参考文献
１）後藤浩 , 村内淳二：１成分現像におけるトナー状態安定化技術，
KONICA MINOLTA Tech. Rep., Vol. 3，p40− 45（2006）
２）鈴木俊之，高原寿雄：新しい外添評価方法，Japan Hardcopy 97
論文集，p65− 68（1997）
Fig.10 Experimental result of opposite charged toner ratio bychanging aging level３）三島美奈子他：パーティクルアナライザによるトナーのミクロ構
造評価，Japan Hardcopy 99 論文集，p69 − 72（1999）
４）近藤厚実：粉体トナーでの摩擦帯電の機構，電子写真学会第 43
回討論会，p26− 30（1979）
５）栗田隆治：一成分および二成分現像剤の飽和帯電量，電子写真学

逆帯電比率が最も悪化する新トナーの混合比率に差は会誌，26，p126− 129（1987）

あるものの，トナーの表面状態の差や新トナーの混合比

６）森上祐介他：magicolor5400 シリーズエンジンを支える技術，率による帯電量変動を説明しうるモデルであることが確

KONICA MINOLTA Tech. Rep., Vol. 3，p15− 33（2006）

認できた。

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