１成分非接触現像における現像ギャップ部のトナー挙動解析
A Method of Measuring Toner Motion in the Development Gap of a Mono-Component Development System

前山

健

志＊

Maeyama, Takeshi

平山

順哉＊

夏

Hirayama, Junya

要旨
１成分非接触方式の現像ギャップ部のトナー挙動を定量的に評価することは，現像装置を開発する上で非常に有益である。我々は，振動電圧を印加した電極間のト原敏哉＊

Natsuhara, Toshiya

１ はじめに１成分トナーを用いた非接触現像方法では，振動電界下でトナーを往復させ潜像を現像していく。

ナー挙動を誘導電流で観測する手法を考案し，トナーの往復運動は画像品質に深く係わっており，過去に多く往復挙動を詳細に調査した。その結果，トナーの往復量の研究がなされ，振動電界が品質に及ぼす影響についてが徐々に増加していく過程を定量的に捉え，増加の原因

モデルによる説明１）４）が行われている。また，往復中のはトナーの衝突であることを確認した。更に，十分な現トナーを直接観測する動きも出てきた。高速カメラを使

像量確保のためには，往復量の増加が重要であり，これい，往復時のトナーの軌跡，位置などの観測がなされ，にはトナーの付着力が関係していることを示した。

２）
画像品質との関連が解析されている。

しかし，より基本的な往復運動の始まる過程についAbstractて，定量的に調査・解析された例は無い。そこで我々

Toner movement in the air gap between electrodes

は，トナーの飛翔挙動について定量的に観測できる手法

where an alternating electric field is applied was investi-を考案し解析した。本報告では，装置の測定原理を説明

gated.

するとともに往復運動が始まる過程について観測し，知The toner motion was measured via induced current

見が得られたので報告する。

flowing into an electrode. In order to detect only the induced current, circuit for a bridge composition was designed, made and added.
When an alternating field of fixed amplitude was ap-２ 実験
２．１

測定原理

plied, the quantity of flying toner increased as back-and-

基本原理は，半導体中のキャリアの移動を見るT. O. F

forth motion of toner went on. It was proved that this in-法３）と同じであって，ギャップを設け対向させた電極間

crease of toner motion was caused by the returning tonerに電圧を印加した時に，ギャップ内でのトナーの飛翔をparticles colliding with toner particles on the electrode,誘導電流から把握する。
（以下，トナー飛翔電流と呼ぶ。
）

causing random motion.

しかし，トナーの飛翔を電圧の印加で開始させるため，

In addition, it turned out that the adhesion force between

ギャップの静電容量に起因する充放電電流が発生し，トthe electrode and toner particles influences the quantity ofナー飛翔電流との区別が困難となる。そこで，ブリッジ

toner flipped by these collisions.

回路を構成することで，充放電電流をキャンセルする構成とした。Fig.１で本装置の概略構成を説明する。

＊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 2004 Fall Meeting にて既報告

Fig.1 Measurement circuitry of toner current

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C1 は測定対象となるトナーが介在するギャップで，片正電流は上電極へトナーが移動，負電流は上電極から側の電極に試料となるトナーを付着させる。C2 は可変容トナーが戻ってくる事を示している。振幅が一定の振動量コンデンサ，ｒは電流検収抵抗である。電源にはDCオ電圧であるが，１往復目の飛翔トナー電荷量は少ないフセットの設定が可能な矩形波電源を使用した。操作方が，往復するにつれ増加し，４往復目でピークに達して法としては，予めトナーをC1 の電極に付着した状態で，いることが確認できる。

トナーが飛翔しない程度の弱い電圧を電源から供給し，実際にどれくらいの重量のトナーが移動しているかを充放電電流をキャンセルするようにC2 容量を調整する。

知る為に，以下のタイミングで電界を停止する実験を行

結果，トナー飛翔電流のみが作動増幅器の出力端子からい，下電極のトナー重量を確認した。
①振動電界１周期目の飛翔電界終了時点。

得られるようになる。

②振動電界３周期終了時点。
２．２

実験方法

③振動電界４周期目の飛翔電界終了時点。

今回の実験では，トナーを介在させるギャップを上下測定結果をTabel １に示す。の平板電極で構成。一定振幅の振動電圧を印加してトTable 1 The mass of toner particles adhering on
the lower electrode

ナーの挙動を調査した。
試料としては，ポリエステル系レジン，顔料，ワックスからなる粉砕法でつくられたトナーを使用した。外添材には，１次粒径13nmの疎水性シリカを使用。母材に対し0.8％加えヘンシェルミキサーで外添処理を行った。
平板電極には上下ともアルミ材を使用した。また，下電極へトナーを付着させるために，フェライトキャリアと混合した２成分現像剤を作成し，２成分現像装置でトナー層を形成した。トナー層とギャップの条件を以下にタイミング①では，総量の約７％に相当する0.09mgの示す。
トナー付着量：0.38〜0.45mg/cm2（1.2mg〜1.43mg）

トナーが移動，タイミング③には総量の約40％の0.50mg

トナー帯電量：18〜20μC/gのトナーが飛翔していた。往復するにつれ，飛翔するト電極形状：φ28mmの円板

ナー重量が増加することを確認した。
この原因として，トナーが飛翔する前に対向電極からギャップ間隔：150μm
AC電圧：1400Vpp(矩形波）戻るトナーの影響が考えられ，以下の実験で確認を行っ

周波数：2kHz

Duty：50％た。

印加時間：5msec

DC電圧：＋150V④上電極と下電極にトナー層を形成し，上電極のトナーを飛翔させる矩形電圧を印加した後，下電極のトナーを飛翔させる矩形電圧を印加した。

３ 結果と考察３．１⑤下電極のみトナー層を形成し，実験④と同じ矩形電一定振幅の振動電界下でのトナー挙動

Fig.２に振動電界下でのトナー飛翔電流の波形を示す。

圧を印加した。
⑥下電極のみトナー層を形成し，下電極のトナーを飛翔させる矩形電圧を印加した。
印加電圧の波形をFig.３に，測定結果をFig.４に示す。また，飛翔したトナー重量の測定結果をTable ２に示した。
④，⑤の結果から，上電極にトナーが有る場合，下電極から飛翔するトナー量は多い。上電極にトナーが無い場合の３倍近くであった。また，⑤，⑥の結果から，下電極のトナーの飛翔量に飛翔前の電界の影響は無いことがわかる。以上の結果から，飛翔の前に対向電極から戻るトナーが次の飛翔を促進すると考えられ，一定振幅の振動電圧を印加した時に往復トナー量が増加していくのは，トナーの衝突による効果といえる。衝突によるトナーの飛翔については，Collision Cascade Model４）として柳田らが提唱しており，本報では，これらを直接的にFig.2 Current produced by flying toner particles

54確認した。

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Table 2 The mass of flying toner particles

３．２

往復挙動に対する外添処理条件の影響

非接触１成分現像装置ではトナーの外添処理を変えると画像濃度等に影響が出ることが知られている。そこ
で，トナーの往復挙動に対するトナーの外添条件の影響を調査した。サンプルの条件をTable ３に示す。尚，外添材は疎水化処理をしたシリカである。
Table 3 Varying conditions

Fig. 3 A wave pattern of input voltage

往復挙動の測定結果をFig.５に示す。外添処理量の少な
いSample.２は，往復量の増加が非常に遅い。電極との付着力が大きいため初期飛翔量が少なく，また衝突による飛翔も少ないと考えられる。そこで，各トナーサンプルの電極との付着力を振動離脱法５）で測定した結果をTable ４に示した。Sample.２の電極との付着力は大きく，往復トナー量の増加にトナーの付着力が影響することを示唆する結果が得られた。

Fig.5 Current produced by flying toner particles

Fig.4 Current produced by flying toner particles

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Table 4 The adhesive force of toner samples

2 トナーの往復量の増加は，トナーの衝突が原因である。
3十分な現像量確保のためには，往復量の増加が速い事が望ましい。それにはトナーの付着力が関係している。
●参考文献
１）高橋通，細野長穂，神辺純一朗，豊野勉

ここで，対向電極への付着の進行具合も比較しておく。電圧印加直後から何往復したかをｋ回とすると，ｋ回時点での対抗電極へのトナーの付着電荷量Qkは概ね以

ジャンピング現像方式の現像機構，電子写真学会誌 第 20 巻 第１号（1981） p ８〜 17２）平林純，高橋憲生

現像プロセスにおける挙動測定Ⅱ，JapanHardcopy 2001 p289 〜 292３）清水勇Time of Flight 法による光導電性の評価，電子写真学

会誌 第 22 巻 第１号（1983）p69 〜 76

下の式から計算できる。

４）Kazuhiko Yanagida, kozo Oka, Takashi Imai The flying mechanism of single̲component non magnetic development, JapankT

Hardcopy '88 p31 〜 34

Qk＝ ∫ 0 （t）
i dt５）平山順哉，長尾大典，蛭子修

トナー付着力と電界飛翔性の粒径依存性，Japan Hardcopy 2001 Fall Meeting p100 〜 103

i(t) ：観測された電流
T ：振動電圧の周期10往復までのQkのグラフをFig.６に示した。外添処理量の少ないサンプルは，上電極への付着の進行が遅い。即
ち十分に現像が進行しないことを示している。以上の結果から，十分に現像させるには，往復トナー量が速く増加する必要があり，それには，トナーの付着力が小さいほど有利であると考えられる。

Fig.6 The change of total charge of the developed toner

４ まとめ
トナー挙動を定量的に観測する方法を考案した。これを使用して，振動電圧印加時のトナー挙動を調べ，以下の知見を得た。
1一定振幅の振動電圧下でトナーの往復量は徐々に増加していく。

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