電子写真現像装置における撹拌プロセスの最適化
The Optimization of a mixing process for a developing device for electro-photography

佐藤和 彦＊Sato, Kazuhiko

田村希志臣＊

白Tamura, Kishio

勢明

三＊Shirose, Meizo

In recent years, the quality of copy machines or printers using the electro- photographic system isbecoming better and better. As an electro- photographic product manufacturer, we are trying to optimize
the developing device and minimize the particle size of developer for quality improvement.
In order to optimize the mixing process of developing device, it is generally considered that stabilizing
the distribution of charged amount of developer leads to the improvement of print quality. It is therefore
important to evaluate the variability of the charged amount of individual toner particles in the developing
process as a mean of evaluating mixing function.
After the optimization of the developing device, a more stable mixing function in a given developer
mixing time was obtained. The evaluation technique developed from this study is being applied to thedevelopment of a new developing device.

１

はじ め に２

近年、市場では電子写真システムを用いた複写機やプリンターの高画質化の要求が高まっている。電子写真関連企業においては、高画質化のために種々の技術検討が背景 と 目的

２．１

電子写真システムの概要

電子写真システムについて、Fig.１に示す一般的な構成を例に取り上げて説明する。

進められている。高画質化技術の一つとして、現像装置

最初に①帯電手段により感光体ドラム上に電荷を一様における攪拌プロセスの最適化による、現像剤の帯電量に帯電させた後に②露光手段により感光体ドラムに、光の安定化がある。

を照射し静電的に潜像を書き込む。続いて③現像手段に現像装置は補給トナーと現像剤を攪拌混合することでよりキャリアとトナーの内、トナーのみを感光体ドラムトナーを所定の値に帯電することが必要である。この時、上に現像し、④現像したトナーを紙などの媒体へ転写し、補給トナーと現像剤を上手く攪拌混合しないと画質不良紙を感光体ドラムから分離する。最後に⑤定着手段によの問題を引き起こす。しかし、攪拌プロセスを最適化すり、紙の上のトナーに熱と圧力を加えることで定着してるには、補給トナーと現像剤の攪拌混合状態を評価する画像を出力する。

必要があるが、その評価手法は確立されていない。
本検討では、攪拌プロセスの機能性評価を行うにあた

本検討では、電子写真システムのうち画像を形成する現像装置の攪拌プロセスに着目し検討を行った。

り、現像剤中の個々のトナーの帯電量バラツキを評価することを試みた。検討の結果、従来の現像装置よりも安定した攪拌性能を持つ現像装置を得ることができた。なお、本検討で確立した攪拌プロセスの機能性評価技術は別機種の新規現像器設計にも活用されている。

＊ＯＤカンパニー 機器サプライ生産事業部 第２開発センター

KONICA TECHNICAL REPORT VOL. 13（2000）

Fig．
１ 電子写真システムの構成

51

２．２

比較することが、計測が容易なこともあり頻繁に行われ現状の問題と検討の目的

現像装置には、10μｍ程度の樹脂を主成分とするトナーている。しかしながら、Fig．
３に示すような「分布が広と50μｍ程度の磁性粉であるキャリアとが摩擦帯電したい現像剤」と「分布が狭い現像剤」を平均帯電量で比較状態で充填されている。充填された２成分現像剤（以下、した場合、これらは同一帯電状態であると誤った判断を現像剤と略す）は、画像を形成することによりトナーのする可能性がある。従って平均帯電量だけで技術設計をみが消費される。従って現像装置には消費されたトナーすることは非常に危険である。と同量のトナーを補給する機能が装備される。この補給そこで本検討では、このような誤った判断をしないた

トナーは、現像装置中で現像剤と攪拌混合することで所めに平均帯電量ではなく、個々のトナーの帯電量バラツ定の値に帯電する。（Fig．
２）

キを評価することが重要であると考えた。

ここで現像装置の攪拌機能が不十分な場合、補給トナーと現像剤が十分に攪拌混合されないことがある。この時、現像装置内には攪拌不足のトナーが多く存在し、それらのトナーが現像装置の画像形成部へと搬送されると、ドラムに現像したトナーが画像の周囲に散ったり、機内でトナーが飛散する等の問題が生じる。
また、十分な攪拌を行うために現像装置の攪拌強度を強く設定すると、トナーの破砕やキャリア表面の膜はがれ等の現像剤劣化を引き起こし、画質劣化や画像濃度低下を引き起こすことがある。
本検討の目的は、補給トナーと現像剤を素早く帯電させることと、長期間の攪拌混合において現像剤劣化を引き起こさないことを両立する現像装置設計を行うことである。

Fig．
３ 平均帯電量と帯電量分布の違い

そのためには、攪拌の機能性評価技術の開発が同時にトナーは、画像形成部に現像電界を形成することでキャ必要となる。

リアから離れてドラムへと現像される。
ここで帯電量が低い側にばらついたトナーは、画像の周囲に散ったり、機内で飛散するような問題を生じる。
また逆にトナーの帯電量が高い側にばらついたトナーは、画像濃度を低下させる問題を引き起こす。
そこで理想的な帯電量分布はFig．４に示すような非常にシャープな分布が考えられる。このようなシャープな帯電量分布が、いかなる状況下でも維持できれば、高品質で安定した画像を常に出力することが可能である。
更に、この理想的な分布を個々のトナー粒子単位で考えてみると「個々のトナー帯電量がすべて同一であること」が攪拌プロセスの理想機能であると考えた。

Fig．
２ 現像装置の構成

３攪拌 プ ロセ ス の評 価 方法

３．１

理想機能と基本機能の考え方

現像剤の混ざり具合を定量的に評価することは非常に難しい。一般的な評価方法としてトナーの平均帯電量で52

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Fig．
４ 理想機能の考え方

そこで本検討では理想機能の考えのもと基本機能を、「トナー個数に対するトナー帯電量の総和が比例関係につまり、各特性値は下記のように個々のトナー帯電量を積算した値である。

あること」と考えた。（Fig．
５）
y１＝q１
y２＝q１＋q２……
y100＝q１＋q２＋……＋q100
理想的なトナーの帯電量は攪拌混合する時間に対して一定であることが望ましいと考えた。
そこで誤差因子としては、撹拌時間を３水準選択した。
（Table２）
Table２ 誤差因子と水準

攪 拌 時 間Fig．
５ 基本機能の捉え方

４．２３．２

計測手段

N１

N２

N３30秒

２分60分

ＳＮ比と感度の計算方法

本検討におけるＳＮ比と感度の算出方法に関して、本検討では、トナー個数とトナー帯電量の総和の比例

No.１実験を例に取り上げて説明する。

関係を基本機能と考えている。従って、個々のトナー帯
Table３ 実験No.１の出力データ電量を計測することが必要である。そこで、本検討は㈱ホソカワミクロン製のE-spartアナライザーを活用した。

M１

以下にその特徴について簡単に記す。

M２

M３……

M100

L

１２３……

100

E-spartアナライザーは、少量の現像剤を計測部にセッ

N１ｙ11ｙ12ｙ13……

ｙ110092914

トするとトナーのみを窒素ガスの圧力により分離する。

N２ｙ21ｙ22ｙ23……

ｙ2100130650

計測部の中では、分離したトナー一個づつの帯電量を計

N３ｙ31ｙ32ｙ33……

ｙ3100

90234

測することができる。この点からE-spartアナライザー
は、本検討を進めるにあたり非常に適した計測手段であ全変動ると言える。

ＳT＝y11２＋y12２＋y13２＋…＋y3100２=100436

なお、ここでは触れないが今回用いたE-spartアナラ

有効除数

イザーは事前にL18実験１）により計測機能性の最適化設

ｒ＝Ｍ１２＋Ｍ２２＋Ｍ３２＋…＋Ｍ100２=338350

計を実施し、計測自体のノイズを最小限に抑制してある。

線形式

４

Ｌ１＝Ｍ１y11＋Ｍ２y12＋…＋Ｍ100y1100= 92914

実験 の 構成

４．１

Ｌ２＝Ｍ１y21＋Ｍ２y22＋…＋Ｍ100y2100=130650

信号因子と誤差因子

Ｌ３＝Ｍ１y31＋Ｍ２y32＋…＋Ｍ100y3100= 90234

信号因子にはE-spartアナライザーで計測したトナー個数とし、その水準は１個から100個の100水準である。
また、トナー100個の帯電量のデータを信号水準に応信号の効果
２Ｓβ＝（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）／３r＝97009

信号と誤差因子との交互作用
Ｓβ＊Ｎ＝｛（Ｌ１２＋Ｌ２２＋Ｌ３２）／ｒ｝−Ｓβ＝3019

じて積算した値を特性値とした。（Table１）

誤差変動と誤差分散
Ｓｅ＝ＳＴ−Ｓβ―Ｓβ＊N＝407.5

Table１ 信号因子と特性値
信号因子計測したトナー個数

M１

M２……

M100

１２……

100

個々のトナー帯電量

ｑ１

ｑ２……

ｑ100

特性値

ｙ１

ｙ２……

ｙ100

Ｖｅ＝Ｓｅ／297＝1.372
調合誤差変動ＶＮ＝（Ｓｅ＋Ｓβ＊N）／299＝11.46
ＳＮ比と感度
η＝10 log｛（Ｓβ―Ｖｅ）／３r／ＶＮ）｝＝−20.79(db)Ｓ＝10 log｛（Ｓβ―Ｖｅ）／３r｝＝−10.20(db)

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４．３

制御因子

L18直交表を想定して、制御因子には現像装置周辺因子の中から現像剤の撹拌性能向上に期待できるものを表のように割り付けた。（Table４，Fig．６）
Table４ 制御因子と水準（６１＊３６）

Ａ：攪拌部材Ｘの形状

１２３

現行

Type１Type２Type３Type４Type５

Ｂ：攪拌部材Ｘの移動速度

遅中

速Ｃ：攪拌部材Ｘの壁との距離

狭中広Ｄ：攪拌部材Ｙの形状

Type１

現行

Type２

Ｅ：攪拌部材Ｙの移動速度

遅中

速

Ｆ：攪拌部材Ｙと壁との距離

狭中広

Ｇ：現像スリープの移動速度

遅中速

Fig．
７ 実験手順５実験 結 果Fig．６ 現像装置の制御因子

５．１
４．４

実験手順

要因効果図

Ｌ18実験を行った結果、要因効果図からＡ因子の効果実験手順について説明する。①まずL18実験の割り付が非常に大きいことがわかった。

けに従い現像装置を組み立てる。②それから、現像剤を最適条件としては、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｇ因子を最適水準に現像装置中に充填し、③続いてメッシュを用いて補給トすることで効果が期待できるが、実験装置の制約等があナーを現像剤の表面に均一に散布する。

り今回の検討では特に効果が大きいと推定されるＡ因子

これを初期状態として④撹拌混合を開始し、⑤誤差因子で割り付けた所定の時間で現像剤をサンプリングする。

のみを最適水準にすることで確認実験を行うことにした。
（Fig．
８、Table５）

サンプリングした現像剤は、⑥E-spartアナライザーにて個々のトナー帯電量を計測してＳＮ解析を行う。
（Fig．
７）

Fig．
８ 要因効果図（ＳＮ比と感度）

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Table５ 現行条件と最適条件考える。

ＡＢＣＤＥ

ＦＧ

今回最適化した現像装置は、補給トナーを素早く帯電現行条件

１２２２２２１させることができ、同時に長期撹拌による現像剤劣化が最適条件

４２２２２２１少ない設計ができた。これは、例えば大量のトナーが消費され、同量の大量のトナーが補給されるような状況下でもトナーを素早く帯電させることができることを意味

５．２

し、またトナー消費量が少なくて、長期攪拌された場合

確認実験

ＳＮ比と感度の推定値と確認値をTable６に示す。

でもトナー帯電量を安定に保つことができることを意味

ＳＮ比、感度ともに良好な再現性が得られているものとする。これは現像剤の耐久性を向上させ、現像装置のメ判断できる。

ンテナンスフリー化やコストダウンにつながるものと考えられる。

Table６ 利得の再現性（推定値と確認値）
ＳＮ比（db）

５．４

感 度（db）

成果

開発期間に関しては実験、計測、解析を通して15日間推定値

確認値

推定値

確認値／人で終了している。同程度の制御因子を従来通りの一現行条件−22.74−19.47−10.12−7.64

因子実験で見極めるためには、通常半年から一年の開発最適条件−16.53−12.44− 6.63−5.43

期間が必要であると予想される。従って開発スピードが、

6.21

7.033.49

2.21

利得

約10倍以上に飛躍的に向上したことがわかる。
また、現行条件から最適条件にすることにより7.03dbの改善効果が見込める。つまり、市場クレームを約1/5確認実験の生データをFig．９に示す。図を見ると現行に低減させる効果があると考えることもできる。

条件に対して最適条件は誤差因子である攪拌時間に対す

本検討は、開発段階でのタグチメソッドの適用であるる帯電量のバラツキが低減していることがわかる。最適ため成果を金額ベースで捉えることはなかなか難しい。

条件は特にＮ１の線形性が向上、すなわち現像剤の劣化

しかしながら、ここではいくつかの仮定をおくことで損を生じることなく補給トナーを現像剤と素早く帯電させ失関数を用いて、経済効果を算出してみることにする。
お客様からのクレームの一つとして、画像の乱れや濃ていることを示す。
また、全体の帯電量を意味する感度が向上しているこ度低下がある。このような画質不良は、現像剤の攪拌不足や劣化により生じることが多い。従って、画質不良をともわかる。
通常なら帯電量は調整が必要である。しかしながら、今回の検討では調整の必要ない実用的な範囲に収まった引き起こすであろうと予想される帯電量の上下限を決め、その値から機能限界Δ０をΔ０＝7.5μc／g

ため特に感度の調整は行わなかった。とする。

続いて現像剤が機能限界を超えた場合にサービスマンが現像装置を新品に交換するのに必要な価格A０をA０＝20000円とする。
確認実験の結果から現行条件の損失金額を求めると
β２／σ２(現行)＝0.011
β２(現行)＝0.17
σ２(現行)＝15.40

Fig．９ 確認実験生データ（現行/最適条件）

５．３

Ｌ(現行)＝（A０／Δ０２）＊σ２＝5475円となる。
また、同様に最適条件の損失金額を求めると

考察

β２／σ２(最適)＝0.057

本検討は現像装置における攪拌プロセスの機能性設計であるが、事前に計測技術の機能性設計を行っている。

β２(最適)＝0.29

機能性設計を行う上では、常にその計測技術の信頼性とσ２(最適)＝5.02安定性についても十分に議論し、考える必要がある。本検討が上手くいった理由は、計測自体のノイズを最小限に抑えた条件下で実験できたことが大きな要因であるとＬ(最適)＝（A０／Δ０２）＊σ２＝1784円となる。

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従って一台あたりの効果ΔＬは、ΔＬ＝Ｌ(現行)−Ｌ(最適)＝3691円となる。
この現像装置が備え付けられた複写機やプリンターを年間１万台生産すると仮定すると3691(円／台)×1(万台／年)＝3691(万円／年)と年間で約3700万円の経済効果が得られることになる。
また、今回得られた最適条件の知見は、他現像装置でも適用することも可能であり、経済効果は更に大きくなり得る。

６

結論

本検討においては、個々のトナー帯電量に着目することで、精度の良い撹拌プロセスの機能性評価技術を開発することができた。その結果、補給トナーを現像剤と素早く帯電させ、更にその後の攪拌混合に対して帯電量のバラツキを最小限に抑えた現像装置を設計することができた。攪拌時間に対して安定した攪拌性能は、高画質化に加えて現像剤の耐久性向上につながり、現像装置のメンテナンスフリー化やコストダウンが期待できる。
謝辞
本研究を進めるにあたり、多大な御指導と適切な助言を㈱オーケン矢野宏先生より頂きました。深く御礼を申し上げます。
●参考文献
１）田村希志臣、高際裕幸：Journal of Quality Engineering
Society Vol.7 N0.5 ,p47

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