JP2010286833A - トナー付着及び付着分布のための新規な特性決定ツール - Google Patents

Abstract

【課題】トナーの付着及びトナー試料の粒子間の付着分布を測定するためのシステム、方法及び装置を提供する。
【解決手段】トナー付着及び付着分布を測定する方法であって、測定用トナーを表面にランダムに付与し、測定用トナーに複数の付勢部材を用いて力を加え、測定用トナーの転がり抵抗を測定するステップを含む。また、そのためのシステムや装置を提供する。
【選択図】図１ｂ

Description

例示的な実施形態は、トナーの付着及びトナー試料の粒子間の付着分布を測定するためのシステム、方法及び装置に関する。

ゼログラフィ・プロセスは、帯電したトナー粒子が印加された電場によって１つの表面から別の表面へと移動することに依存する。ベース（トナー）粒子は、一般に、ポリマー樹脂と適切な顔料とを、随意的な電荷制御剤、ゲル添加剤及び他の加工助剤と共に溶融混合し、その後、押出し、微粉化及び分級によって、特定の大きさのベース・トナー粒子（トナー・ベース粒子）を形成することによって作成される複合材料である。トナーは、次に、このベース粒子に、シリカ粒子及びチタニア粒子のような最終的なトナーの流動性及び帯電性を制御する表面添加剤をブレンドすることによって形成される。ときには、所与の印刷システムにおける最終的なトナーの性能を補うために、随意に、ステアリン酸亜鉛、ＰＴＦＥ粒子、ＣｅＯ粒子又はブレード潤滑用添加剤Ｕ_addを使用することができる。トナー粒子は、製造プロセスに応じて、不規則な形状又は実質的に球形の形状であり得る。

最近では、懸濁重合及び乳化凝集（ＥＡ）プロセスのような化学的プロセスが、ベース（トナー）粒子の製造に用いられている。これらのベース・トナー粒子は、実質的にさらに球形となる。その後、上述のように、ベース・トナー粒子の表面上に表面添加剤をブレンドすることができる。表面添加剤によって被覆される表面積の理論量は、ベース・トナー粒子の大きさ及び添加剤粒子の大きさに基づいて算出することができる。１００％ＳＡＣ（表面積被覆率）という用語は、理論的に、トナー粒子の表面全体が添加剤で被覆された状態を表す。

一般に、例えば流動性のようなトナーの性能は、添加剤の量の増加又はＳＡＣの増大につれて改善される。換言すれば、最適性能のための表面積被覆率の最小量が存在する。トナーの製造において、ＳＡＣは通常、機械内及びロバストな製造において高いトナー性能許容範囲を保証するために、最小値よりも上の値に設定される。この予防措置にもかかわらず、ヒューマン・エラー、原材料に起因する問題、又は混合機の問題が原因で、添加剤が、設計されたプロセスに必要とされるほど十分にブレンドされないことがある。このような場合には、ＳＡＣが最小値を超えていても、添加剤は設計通りに均一に分布せず、その結果、性能の劣ったトナー粒子又は性能規格を外れたトナー粒子が生じる。

現在、この性能不足は、機械内でのシステム検査によってのみ明らかにすることができる。機械の検査時には、大量のトナーがすでに製造されている。この規格外トナーのバッチは、廃棄するか又はリサイクルしなければならないので、時間と経費を浪費する。機械検査の前にこの種の不足を検出する、より簡便な方法が求められている。ゼログラフィ・プロセスの本質は、印刷エンジンを通り、現像サブシステムから受光体を経て用紙に至った後に溶融するトナー粒子の操作にある。トナー付着は、このトナー・マーキング・プロセスにおいて重要な役割を果たす。実測値及びその分布の観点からトナーの付着を知る能力は、機械内でのトナーの性能の予測において非常に重要である。

例えば、電解脱離法（”ｅ−ｆｉｅｌｄ ｄｅｔａｃｈｍｅｎｔ”）、超遠心法、及び原子間力顕微鏡法（”ＡＦＭ”）のような多くのトナー付着測定技術が報告されている。電界脱離法は、磁気ブラシ部における現像及び転写ニップ部における静電転写をエミュレートする。電界脱離法は、静電付着力のみを測定し、その測定値は、多数のトナー粒子の平均付着を求めるだけであり、トナー試料内の付着分布を求めるものではない。この技術は、ゼログラフィに類似している。

遠心脱離技術は、遠心力によってトナー粒子の脱離を測定する。この技術は、多数のトナー粒子の平均付着を求めることには役立つが、その分布を求めるものではない。遠心脱離法は、トナー粒子のバッチについて、静電力のみならずファンデルワールス力も測定する。この測定値は、トナー試料の平均付着を与えるが、付着分布は与えない。具体的に言うと、１つのトナー試料の中には多数のトナー粒子が存在する。各々のトナー粒子の実際の付着は異なり、多数のトナー粒子間に付着分布が存在するにもかかわらず、遠心脱離技術は平均付着を測定する。

原子間力顕微鏡法は、単一のトナー粒子のファンデルワールス力を測定することによって付着力を求めるために用いられる。しかしながら、この技術には１回に１領域の単一粒子のみが測定されるという点で限界があり、そのため統計的データを得ることが困難である。原子間力顕微鏡法は、トナー粒子と基板との間の付着力を直接的に測定する。

上述の技術は、付着を測定するが、トナー粒子の所与の試料における付着分布を測定するものではない。どのトナー試料にも、数千個ものトナー粒子が存在し得る。トナーの大きさ、形状及び帯電の分布は既知であるが、トナー試料内の付着分布についてはほとんど知られていない。１つのトナー粒子内での付着の均一性に関する情報もほとんどない。

上述の技術は、電界脱離法では脱離したトナーの割合、遠心脱離法では除去されたトナーの割合、又は原子間力顕微鏡法の場合には付着力の形でデータを生じるが、原子間力顕微鏡法の場合には、各測定において１つの接触領域の単一トナー粒子についてのみのデータである。

１つのトナー試料についての複数のトナー粒子の測定のためのシステム及び方法を提供することは有益である。トナー試料全体にわたるトナー付着及び付着分布をより良く理解するために個々のトナー粒子の固有の特性を決定するための、及び所与の粒子についての付着の均一性を測定するための、システム、方法及び装置が開示される。

これらの利点、以降に記載される利点、及び／又は他の利点に対処し、又は達成するために、転がり抵抗測定のシステム、方法、及び装置が開示される。例示的な実施形態は、測定用トナー試料を表面にランダムに付与し（試料は、多くのトナー粒子から成る）、堆積した測定用トナーをその表面上に有する表面を付勢部材から到達可能な距離内に移動させ、付勢部材を用いてトナーを付勢し、トナーの抵抗を測定するステップを少なくとも含むことができる。測定用トナーは、ランダムに付与することができる。より詳細には、このシステム及び方法は、複数のトナー粒子を含む測定用トナーをナノマニピュレータに装着された基板に付与し、基板をマイクロ・カンチレバーのような付勢部材から到達可能な位置に移動させるステップを含む。このシステム及び方法の例示的な実施形態は、複数のトナー粒子のうちの１つを付勢し、複数のトナー粒子のうちの１つの転がり抵抗を測定するステップをさらに含む。トナー粒子は、マイクロ・カンチレバー又は他の付勢可能部材を用いて粒子を物理的に押すことによって付勢することができる。あるいは、付勢可能部材は、付勢すべき粒子に音響力を適用するように構成することができる。

所与のトナー試料についての付着の統計的分布を得るために、１つの転がり抵抗の測定後、マイクロ・カンチレバーはナノマニピュレータの動きによって移動して、別のトナー粒子の転がり抵抗を測定することになる。このプロセスが２０回から５０回といった多数回繰り返され、その結果、トナー試料内の付着分布が統計的に意味を持つようになる。

本明細書においては、例示的な実施形態が記載されている。しかしながら、本明細書に記載されたトナー粒子の付着及び分布の測定のためのシステム及び方法の特徴を組み込むことができる測定装置のいかなる配置も、この例示的な実施形態の範囲及び精神によって包含されることが想定される。

一実施形態によるトナー付着及び付着分布の測定のためのシステムを示す。 例示的な付勢部材から到達可能な距離に位置する基板上の測定用トナーのトナー粒子を示す。 例示的な実施形態に従って取得された転がり抵抗測定値の変位曲線を示す。 例示的な実施形態に従って取得された付着仕事量のデータを示す。 例示的な実施形態に従って取得されたデータについての付着仕事量の分布を示す。 図中の（Ａ）は添加剤なしのベース・トナー粒子の略図を、（Ｂ）は添加剤を有するベース・トナー粒子を、（Ｃ）は添加剤を有するベース・トナー粒子を、それぞれ示す。

トナー試料内のトナー付着及び付着分布を測定するためのシステム、方法及び装置を理解するために、図面を参照する。これらの図面において、類似又は同一の要素を示すために全体を通して同様の参照番号が用いられる。図面は、例示的な実施形態の特徴をその中に組み入れた例証的な付着及び分布の測定システム及び方法の、さまざまな実施形態及び実施形態のデータを示す。

ここで図１ａ及び図１ｂを参照すると、トナーの付着及び分布測定のためのシステム、方法及び装置の実施形態は、基板１０１及び付勢部材１０７を含むことができる。基板は、例えばシリコン・ウェハ表面で構成することができる。測定用トナーのトナー粒子１０５は、例えば噴霧又は散布によって、基板１０１の表面上に配置することができる。測定用トナーは、無作為に選択されたトナーの試料を代表することができる。基板１０１の近くに配置される付勢部材１０７は、直径が３μｍから１０μｍ又はそれ以上の範囲であり得るベース・トナー粒子を付勢するための、例えば、マイクロ・カンチレバー又は他の適切な配置を含むことができる。

例示的な実施形態において、基板１０１は、ナノマニピュレータ１０８の上に装着することができ、ナノマニピュレータ１０８は、トナー粒子１０５を付勢部材１０７から到達可能な距離内の位置に移動させることができる。ナノマニピュレータの使用はさらに、極めて正確に制御されたｘ−ｙ−ｚ方向の微細な動きに適応することができる。代替的な実施形態において、基板は、受光体表面、中間転写ベルト、又は紙のような媒体とすることができる。

図１ｂに示されるように、例示的な実施形態において、基板１０１の表面が左から右に移動するにつれて、付勢部材１０７を用いて個々のトナー粒子１０５が付勢される。粒子１０５の転がり抵抗を測定することができる。個々のトナー粒子１０５はベース・ポリマーを含むことができ、これは、実質的に球形の形状とすることができる。添加剤、例えばシリカ粒子を、乾式混合によって、球形のポリマー・トナー粒子の表面周囲に分布させることができる。従って、マイクロ・カンチレバーを含むことができる付勢部材１０７は、ポリマー・トナー粒子を付勢することに適応するために十分なサイズとすべきである。代替的な実施形態において、付勢部材１０７は、トナー粒子１０５を付勢するための音響力を発生させることができる。粒子１０５は、例えば、随意的な顕微鏡画像化システム又は他の適切な観察及び／又は測定装置又はシステムを用いて観察することができる。

図２に示されるように、測定用トナー粒子１０５から得られた転がり抵抗測定値に基づいて、力の変位曲線を生成することができる。力変位曲線から傾きを求めることができ、傾きから付着の仕事量を求めることができる。さまざまなＳＡＣを有する一連の球形トナー粒子についての付着仕事量は、０％から１００％までの範囲とすることができる。

図３に示されるように、生データは、添加剤で完全に被覆された粒子は添加剤なしのベース粒子よりも低い付着仕事量を示すことを表している。例えば、図３は、１００％ＳＡＣを有するベース粒子が、５０％ＳＡＣ及び０％ＳＡＣを有するベース・トナー粒子の平均付着仕事量よりも低い平均付着仕事量を示すことを表している。各々の転がり抵抗は、付勢されたトナー粒子の付着のみの測定値なので、所与のトナー試料についての統計的付着分布を得るために、同じトナー試料内の異なる粒子を用いて多数回の測定を繰り返すことができる。例えば、図４は、さまざまなＳＡＣを有する粒子の付着仕事量のヒストグラムを示す。この結果は、ベース粒子が、広範囲に分布する高い付着仕事量を有することを示す。表面が添加剤で完全に被覆された、すなわち１００％ＳＡＣである場合には、付着は低く、統計的分布又は付着仕事量は狭くなる可能性がある。

図５ａは、０％ＳＡＣのベース・トナー粒子を示す。これらの粒子は、高い付着を示す。図５ｂは、１００％ＳＡＣを有するベース・トナー粒子を示す。これらのトナー粒子は、低い付着を示す。図５ｃは、５０％ＳＡＣを有するが、付着特性が異なる２つのベース・トナー粒子を示す。この場合、接地面、すなわち任意の所与の時点で基板と接触している表面が添加剤で完全に被覆されていると、低い付着を示すことがあり、接地面がさまざまな程度に添加剤で被覆されていると、より高い付着を示すことがある。例示的な実施形態のシステム及び方法は、所与のトナー試料内の付着の分布の特性を識別するという、従来技術では得られない能力を可能にする。

従って、実施形態は、ランダムに実行された場合の、ベース・トナー粒子の表面化学におけるばらつき、特定のトナー粒子の添加剤被覆の程度及び局在を説明することができる。図４及び図５ａ−図５ｃに示されるデータは、本明細書に開示される転がり抵抗測定技術がトナー試料の付着仕事量の測定に適応し、かつ所与のトナー試料に関して付着の均一性又は付着分布を明らかにすることもできることを示す。

トナー試料（粒子）の付着及び分布特性の測定をその具体的な実施形態と共に説明してきたが、多くの代案、改変、及びバリエーションが当業者には明らかである。従って、本明細書において述べたようなシステム、方法、及び装置の実施形態は、例証のためのものであり、限定ではないことが意図される。例示的な実施形態の精神及び範囲を逸脱することなく、変更を加えることができる。

１０１：基板
１０５：トナー粒子
１０７：付勢部材
１０８：ナノマニピュレータ

Claims (3)

1. 測定用トナーを表面にランダムに付与し、
   前記測定用トナーに複数の付勢部材を用いて力を加え、
   前記測定用トナーの転がり抵抗を測定する
   ステップを含むことを特徴とする、トナー付着及び付着分布を測定する方法。
2. 測定用トナーを付与し、かつ支持するための手段と、
   前記測定用トナーに力を加えるための手段と、
   前記測定用トナーの転がり抵抗を測定するための手段と
   を備えることを特徴とする、トナー性能を測定するためのシステム。
3. 測定用トナーを支持する基板と、
   前記測定用トナーに力を加えるための付勢部材と、
   前記測定用トナーにおける変化を測定するセンサと
   を備えることを特徴とする、トナー性能を測定するための装置。