１成分現像装置における耐久トナーの解析
Analysis of Deteriorated Toner in Mono-component Development System平山

順哉＊

Hirayama, Junya

前山

健

志＊

Maeyama, Takeshi

要旨

植

竹

１

独自に開発した振動離脱方式のトナー付着力分布測定装置を用い，１成分非接触現像装置で耐刷したトナーを評価 / 解析した。その結果，耐刷に伴い，非静電気的付着力が増加する事を確認した。そして，その原因が，主に外添剤のトナー表面への埋まり込みである事を示した。更に，トナーが摺擦部材を通過する回数と付着力の関係を掴み，有効な方策について考察を加えた。

重夫＊

Uetake, Shigeo

夏原

敏

哉＊

Natsuhara, Toshiya

はじめに

１成分非接触現像方法では，耐刷するにつれトナー劣化が進行し品質に影響する。劣化には，トナーが選択的に消費されることで分布状態の変化する現象と，規制ブレード等の摺擦部材からダメージを受け，本来持つ特性が発揮されなくなる現象に大別される。前者では，耐刷につれ，トナー粒径分布が大径側にシフトする現象が知られ，その原因および帯電量への影響が報告されてい1, 2）る。
後者では，トナー粒子の壊砕あるいは外添材の離脱・Abstract
The adhesion of deteriorated toner in the monocomponent development system was measured by theoriginal apparatus based on vibratory detachment. The
increase of non-electrostatic adhesion of deteriorated
toner was confirmed. It was clarified that this increase
was mainly caused by external additives buried on thesurface of toner. In addition, the relationship between
the times toner passed under the friction parts and nonelectric adhesion was examined by calculation, andeffective measure was shown.

埋没現象の発生が知られ，帯電量との関連が示されている。3, 4）このようにトナー劣化と帯電量の関係については多くの解析がなされ品質との対応が議論されてきたが，トナーの付着力との関連については未だ詳細に検討されたことが無い。以前我々はトナーの付着力が現像領域での往復挙動と関連している事を報告した。５）トナーの付着力の変化を把握する事は，信頼性の高い現像装置を効率よく開発する上で有意義な事である。
そこで本報では，我々が開発した付着力測定装置６）を使用し，耐刷したトナーの付着力を詳細に調査し，併せてトナー外添材の状態も調べ関連を明確にした。更に，摺擦部材を通過する履歴と付着力の関係について考察を加えたので報告する。

２

実験

１成分現像装置を連続稼動をさせ，付着力の変化と外添材の付着状態を分析した。以下にその実験方法を記す。
２．１

現像装置

実験で用いた１成分現像装置をFig. １に示す。トナー格
納部内のトナーは，供給ローラで現像ローラへ搬送され，規制ブレードで薄層化される。その後，供給ローラで回収されトナー格納部に戻される。供給ローラは導電性の発泡樹脂からなり，トナーを供給する方向にDCバイアスを印加した。現像ローラは導電性ゴム材で覆われたアルミ製ローラで，周速は150mm/secである。規制ブレードはSUS（t 0.08mm）からなる。現像剤として，下記処方よりなるトナーを使用した。これらを格納部に20gを充填した。
・トナー母材粒子径＊コニカミノルタテクノロジーセンター㈱システム技術研究所 プリント技術開発室
本論文は日本画像学会Imaging Conference Japan 2007論文集から転載

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・外添材種
・外添量

平均７μｍ

シリカ（１次粒子径15nm）
母材に対し1.8％

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.5（2008）

２．３

トナーの外添状態の分析

外添材の離脱あるいは埋没状態と付着力の関係を見る為に，シリカ量および比表面積の測定を行った。シリカ量の測定は，600℃で培焼し培焼残渣から求めた。比表面積は，BET比表面積測定装置（島津製FLOW SORB2300型）を使用した。

３

実験結果

３．１

平均付着力の帯電量依存特性

Fig. ３に稼動前のトナーと120分間連続稼動したト
Fig.1

Schematic diagram of the mono-component development unit.

ナーの平均付着力の帯電量依存特性を示す。平均付着力は帯電量の2乗に対し直線近似させることができ，切片２．２

付着力測定原理と測定方法

は非静電気的付着力と見る事ができる。120分の連続稼

付着力の測定にはFig. ２に示す振動離脱法を使用した。

動で，トナーの非静電気的付着力は約6倍程度上昇する

以下に測定手順を述べる。現像装置を所定時間だけ連ことを確認した。

続稼動させた後，トナー格納部からトナーを採取し，別途用意したキャリアと混合しトナーを荷電させた。これらをマグネットローラに散布して，圧電振動子に固定された金属板にトナーをDCバイアスで現像し付着させた。
この際，個々のトナーが重なる事の無い程度の極微量を付着させた。金属板に対向する位置に捕集電極を設置した後，低振幅から高振幅まで数十ステップで金属板表面に垂直な正弦波振動を与えた。各ステップ毎に，飛翔したトナーの拡大像をCCDマイクロスコープからコンピュータに取り込み，粒子径を測定した。粒子径からトナーの質量ｍを推定し，飛翔した時の金属板の振幅Aと，振動周波数ωから個々粒子の付着力Fadを以下の式で求めた。
（１）

上記手順で飛翔したすべての粒子の付着力を集計し平Fig.3 A
 veraged adhesive force of the new toner and thedeteriorated toner,versus the square of the average chargeto-mass ratio(q/m)2

均付着力を得た。トナーの平均帯電量は，捕集電極にエレクトロメータを接続することで測定できる。トナーと３．２

非電気的付着力の耐刷時の推移

キャリアの混合比率を変えたサンプルを準備し，各帯電現像装置を210分まで連続稼動し，各稼動時間に対す量における平均付着力を測定して，平均付着力の帯電量る平均付着力の帯電量依存から非静電気的付着力を求め依存性を得た。

た。

Fig.2

Principle of adhesive force measurement.

Fig.4 R elationship between the averaged non-electrostaticadhesion and operation time.

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.5（2008）63

Fig. ４に稼動時間に対する非静電気的付着力の推移を４．１示した。非静電気的付着力は，稼動直後から上昇し，120分を過ぎるとやや飽和傾向となる。

トナーの摺擦部通過履歴

トナー格納部のトナーの通過履歴状態として，現像
ローラ i 回転後の，j回の通過履歴のあるトナー量Ｍijを考える。トナー格納容器内のトナー容量をＭo，現像ロー３．３

外添材の付着状態の変化

ラ1周分に付着するトナー量をｍs，現像ローラから消費

Fig. ５に稼動前のトナーと120分間連続稼動したトされる量をｍaとし，消費された量は格納部外から同量

ナーのシリカ量の比較結果（n=3）を示す。本実験においが供給されるとした。また現像ローラ上のトナーの通過ては，シリカ量にほとんど変化は認められなかった。

履歴状態も考慮しこれをｍijとして，供給ローラによるFig. ６に連続稼動時のトナーの比表面積の変化を示す。

回収率をβとした。トナーの受け渡しをまとめると比表面積は稼動直後から低下し，やがて飽和に至る。非Fig. ７のようになる。ｍa/ｍs=αとすると，消費され電気的付着力の変化と合致することから，耐刷においてる量は，αｍs，回収される量はβ（１－α）ｍs，供給非静電気的付着力の上昇は，シリカの埋没と関連していされる量は｛β（１－α）＋α｝ｍsとなる。これらのる事を示している。

モデルからｋ回転後のトナー格納部内の状態Ｍkjは，k-1回転後の状態Ｍk-1, j とＭk-1, j-1および現像ローラ上のトナー状態ｍk-1, j-1と関連付けられ，逐次計算することで，Ｍijを求めることができる。各設定値は以下のようにした。

Fig.5

Silica concentration in the new toner and the deteriorated toner.

Fig.7

Schematic diagram about the amount of transfer of the particle.

４．２

通過回数と付着力増加の推定

摺擦部をx回通過したときの付着力をfx，現像ローラi
回転後のトナー格納部内のトナーの非静電気的付着力をFiとすると，Fiは（２）式で表わすことができる。
Fig.6

Relationship between the ratio of surface area to weightand the operation time.

４考察（２）以下に示す通りi回転に対する非静電気的付着力Fiを外添材が埋没するとともに，非静電気的付着力が大き〔F〕，トナー格納部の履歴状態Ｍijを〔M〕，通過回数にく増加することを確認した。以上の実験はトナー消費の対する非静電気的付着力fxを〔f〕で表記すると，それぞない閉鎖系の結果であるのでトナー消費のある実使用条れの関係は式（３）で示される。

件について考える。非静電気的付着力はトナーが摺擦部を通過した回数で決まるので，トナー格納部内のトナーの通過履歴状態を把握し，非静電気的付着力に対する通過回数の関係が分かれば実使用条件での付着力を推測することができる。通過履歴状態を以下に示す方法で求めた。

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



KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.5（2008）（３）従って非電気的付着力〔F 〕とトナーの通過履歴状態

ナーの劣化を安定化させる効果については文献（７）にて〔M 〕から〔f 〕を求めることができる。しかし〔M 〕の構成詳細な報告がある。トナーの非静電気的付着力の上昇に要素は非常に多く，また微小な値も多いことから，解析対しても有効に作用することが確認できた。

的に解くのは困難であった。そこで，fxがD（１－exp（-x/τ））になると仮定して未知数を減らし，最小２乗近似を行った。計算の結果をFig. ８に示す。約200回の通過回数で非静電気的付着力は飽和に至ると推測される。

５

まとめ

１成分非接触現像装置で耐刷した時のトナーの付着力変化を詳細に調査した結果，以下のことを確認した。
⑴摺擦部材を通過する際に受けるストレスでトナーの非静電気的付着力が増加する。
⑵非静電気的付着力の増加はトナー表面に外添材が埋没することが原因と考えられる。
⑶本実験で使用した摺擦部材とトナーでは，摺擦部材を約200回通過すると飽和傾向となり，短期に外添材が埋没し非静電気的付着力が増加することを確認した。
対策としては，外添材の埋まりこみを抑制する母材，Fig.8

Relationship between the non-electrostatic adhesion andthe number of pass.

あるいは外添材の設計が重要であり，摺擦部材でのストレスの軽減を図るとともに，トナー格納部構成の最適化が有効と考えられる。

４．３

実使用条件での非静電気的付着力推移

実際の使用条件での非静電気的付着力の変化を先の計算モデルを使い確認するとともに実験結果との対比を行った。トナー消費量はB/W比で3％とし，トナー格納部容量は20gとして消費相当分を逐次補給する構成とした。4-1で示した方法でトナーの通過履歴状態を求め，4-2で得た〔f〕を使用して，非静電気的付着力の推移〔F〕を計算した。結果をFig. ９に示す。

●参考文献
１）近 藤， 上 薗

非 磁 性 １ 成 分 ト ナ ー の 帯 電 量 分 布 Japan

Hardcopy 1997 p77 〜 80 (1997)
２）島 田，桜庭非磁性１成分現像方式のトナー帯電特性 Japan

Hardcopy 1994 Fall Meeting p45 〜 48 (1994)３）轡田，菅井メカノヒュージョン処理トナーの帯電特性 Japan

Hardcopy 1990 p89 〜 92 (1997)４）島田，斎藤

非磁性１成分現像における現像ローラ上のトナー

帯電量・付着量特性

日本画像学会誌第 45 巻第 6 号 p514 〜519 (2006)
５）前山，平山，夏原

１成分非接触現像における現像 Gap 部のト

ナ ー 挙 動 解 析 Japan Hardcopy 2004 Fall Meeting p17 〜 20(2004)
６）平山，長尾，蛭子

トナー付着力と電界飛翔性の粒径依存性Japan Hardcopy 2001 Fall Meeting p17 〜 20 (2001)
７）後 藤， 村 内

１成分現像におけるトナー状態安定化技術

KONICA MINOLTA Tech. Rep., 3 p40 〜 45 (2006)

Fig.9

Relationship between the non-electrostatic adhesion andthe number of rotation of the development roller.

図中の破線が計算結果であり，プロットが，実験結果である。両者は良い一致を示しており，先述の計算手法の妥当性を示していると考える。尚，Ｂ/Ｗ比が3％の消費を行った場合，付着力は素早く立ち上がり，1×10−7
Ｎ付近で飽和していることが確認できるが，これはトナー格納部容量が20gと小さく，摺擦履歴を受けたトナーの消費を促進している為である。格納部の容量がトKONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.5（2008）

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