１成分現像におけるトナー状態安定化技術
Toner State Stabilization Technology in Mono-Component Developing System後藤浩＊

Gotou, Hiroshi

要旨
１成分現像システムでは，耐刷に伴うトナーの状態変化によって，画像品質が低下していく課題がある。この課題を対策することを目的として，トナーの現像器内に

村内淳

二＊

Murauchi, Junji

１ はじめに
１成分現像方式は，カラー/モノクロを問わず，小型ページプリンタに広く適用されている。

おける移動・蓄積に着目した解析を行った。まず，ト

しかしながら，現像ローラに部材を圧接させてトナーナーの粒径選別や劣化を生じさせる現像ローラ周辺の領薄層を形成する方式のため，トナーの粒径選別や外添剤域Ａと，トナーを貯蔵しつつ現像ローラからの回収トのトナーへの埋没によるトナー劣化が引き起こされる。

ナーを受け取る領域Ｂの２ブロックで構成される従来型

この状態変化したトナーが，現像器内のトナー貯蔵部に現像器での解析では，耐刷に伴いトナー状態が単調に変戻されることで，現像器全体のトナー状態が徐々に変動化していくことが示された。これに対して，常に初期状し，画像品質を低下させてしまう。このため，長寿命化態のトナーを貯蔵し，状態変化した領域Ａ・Ｂへのトや画質安定性の面で，信頼性が不十分であった。

ナー補給だけを行う領域Ｃを追加した３ブロックで構成

我々は，この問題を解決するために，状態変化したトされる現像器での解析では，初期的な変動はあるものナーをトナー貯蔵部と隔てられたブロック内にとどめるの，トナー状態は飽和することが示された。これらの解方式を考え，まずはトナー移動のシミュレーションでそ析結果に基づき，実際の現像器に領域Ｃを設けた検証をの効果を確認，ついで実機を用いた耐刷結果により，こ行い，粒径選別およびトナー劣化について，共に解析結の考え方が妥当であるとの結果を得た。

果と同様の挙動を示すことが確認された。

Abstract
Deterioration of image quality in mono-component developing system is caused by changes of toner properties
according with printing volume.

本稿では，これら一連の研究結果について報告する。

２ １成分現像器内でのトナー挙動
２．１

１成分現像器の構成とトナーの状態変化

Fig.１に非磁性１成分現像器の概略構成を示す。送り羽To solve this problem, traveling and accumulation of

根によって現像ローラ近傍に送り込まれたトナーは，供toner in the developing unit was analyzed to propose a

給ローラで現像ローラに塗布され，規制ブレードで薄層countermeasure. The conventional 2-Block type develop-化された後に，現像部で感光体上潜像の現像に用いられ

ing system has block A where size selection and deterio-る。ここで現像残りのトナーは再度現像器内に戻り，供ration of toner occur, and block B where toner is received

給ローラによって現像ローラから剥離されて現像器内のfrom the developing roller while the toner is stored. Theトナーと混合される。

toner in this system was changed and deteriorates monotonously according to the print volume.
On the other hand, in a 3-Block system having additional block C which supplies only new toner to blocks Aand B, the state of toner property was changed in early
period and saturated in good condition.
Actual printing tests were conducted to verify the analysis, and the 3-Block type developing system was confirmed
to exhibit a preferable results.

＊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

40Fig.1 Schematic diagram of the conventionalmono-component developing system

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.3（2006）

このようにして形成されるトナー薄層では，白部現像Ｂへの残トナー回収がない構成，即ち現像された分のト後とベタ部現像後の粒径分布に違いがあり，白部現像後ナーだけが新たに供給される構成ならば，領域Ｂ内での１），２）。これ

トナー状態変化は生じないが，領域Ａにトナーが留まる

は，規制ブレードによる薄層化の際に，大径トナーに比ため，消費の少ない（低Ｂ/Ｗ比）画像を印刷するとFig.２

べて小径トナーが確率的に通過しやすいことに加え，現に示すような急激な状態変化が生じ，実用に耐えない。の方が小粒径化することが報告されている

像残トナーを供給ローラで回収する際には，小径トナー以上より，現像器内に２つのブロックのみが存在するの方が剥離されにくいことによる。その結果，現像器内従来構成では，耐刷によるトナー状態の安定化が図れに貯蔵されているトナー粒径に比べて小粒径のトナーがず，画像品質低下を引き起こすと考えられる。

現像ローラ上に搬送・消費され，現像器内に残留するトナーは耐刷が進むにつれて大粒径化していく。
また，現像ローラ周りでトナーに与えられる負荷によ

そこで，トナー状態変化の対策として，劣化トナーが存在する領域Ａ・Ｂから新品トナー貯蔵領域へトナーの戻りを生じさせない構成（Fig.４）を考えた。

り，外添剤がトナー表面に埋没していく現象も見られる。Fig.２は，現像ローラ上にトナー薄層を形成し，剥離することなく規制ブレード部を繰り返し通過させた時の，トナー表面状態の変化であるが，わずか３分の駆動時間で外添剤が埋没していることが判る。

Fig.4 Schematic diagram of 3-Block type

この構成の場合，状態変化した領域Ａ・Ｂのトナーが現像消費されることで，領域Ｃに貯蔵されている新品状態のトナーが，領域Ｂに補給されるように構成されてい(a) New toner(b) Toner after developing
roller rotating for
3 minutes

Fig.2 SEM photograph of toner surface

るので，領域Ａ・Ｂ内でのトナー状態変化が緩和される。即ち，Fig.４の3−Block 構成において，領域Ｂは，トナー劣化を適度に緩和しながら，薄層形成の履歴を受けたトナーの消費を促進する役目を果たすと考えられる。
その結果，同一の消費状態が続く場合には，あるトナー２．２

簡略化した現像器のブロックモデル状態に収束していくと推測できる。

上述のように，１成分現像器の中でも実際にトナーの次節ではこの仮説について，シミュレーションによる状態変化に関わる部分は現像ローラ周辺部に限られてい検証を行う。具体的には，粒径分布の変動と外添剤量のる。そこで，現像器をFig.１に示すように，現像ローラ周変動に関するモデル計算を行う。

辺部の領域Ａと，トナーを貯蔵している領域Ｂにブロック分けして，トナーの受け渡しとトナーへの作用をまとめると，Fig.３のようになる。

３ モデル計算
３．１ モデル計算 ① 〜粒径分布の変動〜
まず，Fig.３に示す2−Block 構成での計算を考える。
トナー粒径をｒ，初期トナー総量をＭ，１枚あたりのトナー現像消費量をＤ，初期からのプリント枚数をｎとf ，領域Ｂからする。ここで，初期のトナー粒径分布を（r）Ａへの各粒径での選別確率分布をS（r）とおくと， Fig.５のフローチャートに沿って，領域ＡおよびＢにおける粒径ごとのトナー存在量分布mA（r）n，m（r）
Bnを逐次計算すFig.3 Schematic diagram of 2-Block typeることで，粒径分布の推移を求めることができる。
次に，Fig.４に示す領域Ｃを加えた3−Block 構成での計

Fig.３で示すトナーの受け渡しの場合，領域Ａ（現像算を考える。2−Block 構成の場合には，消費に伴いトナーローラ周り）で状態変化したトナーが領域Ｂ（トナー貯貯蔵領域Ｂのトナー量が減少していくが，3−Block 構成で蔵部）に戻されるため，領域Ａ・Ｂ共に耐刷に伴うトはトナー貯蔵領域Ｃが新たに設けられ，領域Ｂへの一方ナーの状態変化が進行する。これに対して，領域Ａから向の補給を行うため，領域Ｂ内のトナー量は変動せず，

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Fig.5 Flow chart in case of 2-Block typeFig.6 Flow chart in case of 3-Block type

領域Ｃのトナー量が減少していく。また，領域Ｃではトナーの状態変化は発生せず，常に初期状態が維持される。これらの点を踏まえると，計算のフローチャートはFig.６に示したものとなる。ここで，MBを領域Ｂの総トナー量，MCnを領域Ｃの総トナー量とおいた。
以上のアルゴリズムに基づき，両モデルにおける現像器内トナー粒径分布の推移を計算した。ここで用いた（r）
f及びS（r）の分布をFig.７に示す。その他の条件を，現像消費量：Ｄ＝20mg/枚
現像器内トナー総量：1.5×105mg
2−Block 構成時： Ｍ＝1.5×105mg
3−Block 構成時： MB＝2.0×104mg，

MCn＝0＝1.3×105mgとし，領域Ａ・Ｂでの粒径分布推移を逐次計算で求めFig.7 Condition of f(r) and S(r) used for calculation

た。両モデル間での粒径推移の違いを比較する為，得られた粒径分布から体積平均粒径D50を求め，グラフ化したものをFig.８に示す。
これより，2−Block 構成では耐刷に伴い粒径が単調に増大するのに対して，3−Block 構成では初期的な変動は生じるものの飽和点を持つ特性となることが導かれた。この飽和点ではトナー消費の生じる領域Ａでの平均粒径が領域Ｃからの補給トナーの平均粒径（＝領域Ｂの初期平均粒径）と同じになっており，入力と出力とが同じになったところで平衡に達しているものと考えられる。

42(a) 2-Block type(b) 3-Block typeFig.8 Comparison of D50 between 2-Block and 3-Block types

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３．２ モデル計算 ② 〜トナー劣化〜
次に外添剤の状態変動など，いわゆる「劣化」に関する挙動についてのモデル計算を考える。簡単のために，現像器内のトナーを初期トナーと劣化トナーの２種類に大別し，領域Ａで生じる劣化トナー量は送られてくるトナー中の初期トナー比率に比例する（劣化係数β［mg/枚］）と仮定する。この仮定は，劣化トナーにも状態として様々なものがあるという事実を反映していないが，トナーの受け渡しモデルによる安定性の違いを定性的に解析するにあたっては問題ないものと考える。
まず，Fig.３に示す2−Block 構成において，ある時点での現像器内の状態から始めて⊿n 枚の印字を行った際の初Fig.10 Income and outgo model of toner, in case of 3-Block type期トナーと劣化トナーの変化を，Fig.９のように分解して整理した。

(a) 2-Block type(b) 3-Block typeFig.11 Comparison of deterioration behavior
between 2-Block and 3-Block types

20mg/枚，3−Block 構成での領域Ｂのトナー重量MBを2.0
Fig.9 Income and outgo model of toner, in case of 2-Block type×104mgとして得られた結果をFig.11に示す。
これより，トナーの劣化についても2−Block 構成では単これより，⊿n 枚の間に生じる領域Ｂ内初期トナー量変安定する特性を持つことが導かれた。但し，この飽和値化はa式で表すことができる。
da（n）
D＋ß
D＋ß
〜 a −a ＝−・a（n）＝−・a（n） adn 〜a（n）＋b（n）
M−D・nこれを解き，領域Ｂ内トナー量に対する初期トナー存在量の比率を劣化指標L（n）で表すと，s式が得られる。

L（n）＝a（n）
MM−D・n＝・a（n）＋b（n） M−D・n
M

調に劣化が進行するのに対して，3−Block 構成では飽和・D＋ßD

D＝ 1− ・nM

ßDが現像としての機能を満足する閾値よりも下に位置していると，いくら状態として安定していても現像としての課題が予測される。そこで，f式に基づいて飽和値についての検討を行った。

（n）を一定値Ｌとおくと，βとＤ のf式でｎ→∞ 時のL間に次の関係式gが得られる。

sß＝

次に，3−Block 構成でのトナーの受け渡しを，Fig.10に示す。これより，領域Ｂ内初期トナー量変化の基本式はを求めた。
dとなり，これを解いて劣化指標L（n）

1−1 ・DLg

これより次のことが予測できる。
①同一の現像器（β一定）を用いても，消費量Ｄが少なくなるにつれて飽和値Ｌが低下する。

da（n）
D＋ß
〜 a −a ＝−・a（n）＋Ddn 〜MBda（n）
ßD＋ß
L（n）＝＝1−・ 1−exp −・n
MB
D＋ß
MB

②消費量 Ｄ が少なくても劣化度 Ｌ を維持するためには，βを消費量ダウンの比率で小さくする必要があf

ここで導出した式sとfを用いて，モデルの違いによる劣化状態への影響を計算にて比較した。先と同じく現る。
次節では，ここで行った粒径変動とトナー劣化状態に関する解析結果が，実際の現像器にも当てはめることができるかどうかを検証していく。

像器中の初期トナー量Ｍを1.5×105mg，現像消費量Ｄを

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Fig.13には，タンデムプロセスで用いた現像器の構造を

４ 実際の現像器を用いた検証４．１示す。領域ＡとＢが現像器，領域Ｃがトナーホッパーと検証に用いた現像器構成なっており，両者をスクリュー管で繋いでトナー補給を

ここでは，３種の現像器構成で検証を行った。

行う。２成分現像器で採用されているのと同じ構成であまずFig.12に，ロータリー式の４サイクルプロセスで用る。片側からの補給となる関係で，現像器内には２軸のいた現像器の構造を示す。Fig.12（a）
は，現像ローラ周辺スクリューを配置し，奥行き方向でのトナー状態が均一の領域Ａとトナー貯蔵領域Ｂからなる 2−Block 構成の現になるよう攪拌を行っている。

像器である。ロータリー駆動に伴い，領域Ｂ内のトナーは均一に混合される。これに対してFig.12（b）
は，現像器４．２

粒径分布の変動に対する検証結果

内部を領域Ｂと領域Ｃとに分割した 3−Block 構成の現像

Fig.12（a）（b）の現像器を用い，2−Block Unitと3−Block器である。両領域は，上端部を固定した可撓性のフィルUnitでの耐刷に伴う粒径推移比較を行った。結果をFig.14

ム部材で仕切られている。フィルム部材があると，領域に示す。Fig.８のモデル解析結果と同様に，2−Block Unit

Ｂ内のトナーが少量の場合には領域Ｃ内の送り羽根で送では平均粒径が単調に増大するのに対して，3−Block Unit

られたトナーがフィルム部材を開き，領域Ｂへのトナーでは平均粒径が飽和する特性であることが確認できた。

供給が行われる。一方，領域Ｂ内に十分な量のトナーが充填されていると，トナーの圧力によって領域Ｂの内部からフィルム部材が閉じられ，トナー供給が停止する。
このように弁の機能を持たせることで，ロータリー駆動
時にも領域ＢからＣへの戻りが生じない3−Block 構成を実現することができた。

Fig.14 Experiment results on change of D50-in both the 2-Block and 3-Block units-

４．３(a) 2-Block unit(b) 3-Block unit

Fig.12 Developing units applied to 4-cycle process

トナー劣化に対する検証結果

トナー劣化を表す指標は多数考えられるが，ここでは，外添剤粒子の変化度合いを劣化指標とした。初期トナーの外添剤量を１に規格化している。
まず，先の粒径変動と同じく，Fig.12（a）（b）の現像器を用い，2−Block unitと3−Block unitでの耐刷に伴うトナー劣化の推移比較を行った。結果をFig.15に示す。これよりトナー劣化に関しても，Fig.11のモデル解析結果と同様に，3−Block 構成での安定性を確認することができた。
次に3−Block unitにおいて，g式で予測したように，同一現像器でも消費量により劣化指標の飽和値が変化するかどうかを検証した。実験にはFig.13の現像器を用い，印字するパターンの面積を変えて複数回の耐久を行った。
実際の消費量と劣化指標の飽和値を計測した結果を，Fig.16のプロットで示す。図中の曲線は，β＝7.5mg/枚とした時に式fから求められる計算値であるが，ほぼ対応の取れる結果となった。ここで得られたβの値が，実機耐久での劣化指標推移と一致するかどうかについて，消費量Ｄが3mg/枚および12mg/枚の実験において確かめた。その結果をFig.17に示す。ここで，各プロットは耐久の各時点における劣化指標計測値を，実線は，Fig.16で求Fig.13 Developing unit applied to tandem process44

めたβ＝7.5mg/枚； 消費量＝実験値 ； 現像器のMB＝KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.3（2006）

2.0×104ｍg の条件を式fに導入して求めた計算値を示している。計算値に比べて実験結果の時定数が若干小さい
方向にはあるが，前節の仮説モデルは妥当であると結論できる。

５ まとめ
本研究により，１成分現像器内のトナーの受け渡し方法を変えることで，耐刷におけるトナー状態の安定化を図ることができ，長期にわたって安定した画質が得られる１成分現像システムが提案できた。本技術は，Fig.15 Experiment results on change of deterioration properties-in both the 2-Block and 3-Block units-

KONICA MINOLTA magicolor2300，2400，5400シリー
ズに搭載されている。
本文中でも触れたが，安定系が実現できても，安定レベルが機能を満足できる閾値を越えていなければ，システムとしては成立しない。トナー劣化に関する劣化係数βの低減は，より信頼性の高いシステムの構築のために極めて重要であり，今後さらに劣化を抑えることのできるプロセス開発を行っていく。

６ 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ならびに機器第32開発部の方々に，深くお礼申し上げます。
Fig.16 Comparison of experimental results withcalculated data concerning consumed
toner amount and deteriorated level●参考文献
１）島田啓克，桜庭保，竹本晋一，河崎明博，Japan Hardcopy 1994
Fall Meeting 論文集（1994）．
２）岩松正，東伸之，シャープ技報，76，52（2000）．

Fig.17 Comparison of experimental results with calculated
data concerning deterioration properties-in cases of 3mg/print and 12mg/print-

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