JP2022100751A - 画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】記録媒体上の画像に生じる光沢ムラを抑制することを課題とする。【解決手段】トナーと、トナーにより形成された用紙P上の画像を定着させる定着装置30とを備えた画像形成装置であって、定着装置30は、無端状の定着ベルト20と、定着ベルト20を加熱する面状のヒータ22とを備え、環境温度10℃、湿度15%のトナーの帯電量をQ1〔μC/g〕、環境温度27℃、湿度80%のトナーの帯電量をQ2〔μC/g〕とし、環境変動率X=(Q1-Q2)/{(Q1+Q2)/2}とすると、環境変動率Xが45%以上85%以下であることを特徴とする。【選択図】図2
Description
本発明は、画像形成装置に関する。
加熱装置としての定着装置を備えた画像形成装置においては、定着装置が、定着動作により、記録媒体上に形成された画像を加熱および加圧する。この定着動作により、画像が記録媒体上に定着される。
例えば特許文献1(特開2020-67477号公報)の画像加熱装置では、無端状の定着ベルトと加圧ローラとのニップ部で用紙を加圧および加熱することにより、用紙に画像を定着させる。
記録媒体上の画像に生じる光沢ムラを抑制することを課題とする。
上記の課題を解決するため、本発明は、トナーと、前記トナーにより形成された記録媒体上の画像を定着させる定着装置とを備えた画像形成装置であって、前記定着装置は、無端状の定着ベルトと、前記定着ベルトを加熱する面状部材とを備え、環境温度10℃、湿度15%の前記トナーの帯電量をQ1〔μC/g〕、環境温度27℃、湿度80%の前記トナーの帯電量をQ2〔μC/g〕とし、環境変動率X=(Q1-Q2)/{(Q1+Q2)/2}とすると、前記環境変動率Xが45%以上85%以下であることを特徴とする。
記録媒体上の画像に生じる光沢ムラを抑制できる。
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
<画像形成装置の説明>
図1は、本発明の実施の一形態に係る画像形成装置の概略構成図である。まず、図1を参照して、画像形成装置の全体構成および動作について説明する。
図1は、本発明の実施の一形態に係る画像形成装置の概略構成図である。まず、図1を参照して、画像形成装置の全体構成および動作について説明する。
図1に示す画像形成装置は、モノクロ画像形成装置である。その装置本体(画像形成装置本体)100には、作像ユニットとしてのプロセスユニット1が着脱可能に装着されている。プロセスユニット1は、像担持体としての感光体2と、帯電手段としての帯電ローラ3と、現像手段としての現像装置4と、クリーニング手段としてのクリーニングブレード5等を備える。また、感光体2に対向する位置に、露光手段としてのLEDヘッドアレイ6が配置されている。感光体2はその表面に画像を担持する。帯電ローラ3は感光体2の表面を帯電させる。現像装置4は感光体2上の潜像を可視画像化する。クリーニングブレード5は感光体2の表面をクリーニングする。LEDヘッドアレイ6は感光体2の表面を露光する。現像装置4は、現像剤担持体としての現像ローラ12を有する。現像ローラ12がその表面に担持した現像剤を感光体2上に供給することで、感光体2上の潜像を可視画像化する。
プロセスユニット1には、粉体収容器としてのトナーカートリッジ7が着脱可能に装着されている。トナーカートリッジ7は画像形成用の粉体であるトナーを収容する。トナーカートリッジ7は、未使用トナー収容部8と、廃トナー収容部9とを有する。未使用トナー収容部8は未使用のトナーTを収容する。廃トナー収容部9は使用された廃トナーを収容する。
また、画像形成装置は、転写装置10と、給紙装置11と、定着装置30と、排紙装置13と、タイミングローラとしての一対のレジストローラ17とを備える。転写装置10は記録媒体としての用紙に画像を転写する。給紙装置11は用紙を供給する。定着装置30は用紙に転写された画像を用紙表面に定着させる。排紙装置13は用紙を装置外へ排出する。
転写装置10は、転写部材としての転写ローラ14を備える。転写ローラ14は、プロセスユニット1を装置本体100に装着した状態で、感光体2と接触するように配置されている。また、転写ローラ14は、電源に接続されており、電源から所定の直流電圧(DC)および/又は交流電圧(AC)が印加されるようになっている。
給紙装置11は、給紙カセット15と、給紙ローラ16とを備える。給紙カセット15には用紙Pが収容される。給紙ローラ16は給紙カセット15に収容されている用紙Pを用紙搬送方向の下流側へ給送する。
定着装置30は、定着部材としての定着ベルト20と、加圧部材としての加圧ローラ21とを備える。定着ベルト20は用紙に画像を定着させる。加圧ローラ21は定着ベルト20に対向して配置される。定着ベルト20は、ヒータ等の加熱手段によって加熱される。加圧ローラ21は、定着ベルト20側へ加圧され、定着ベルト20に接触して定着ニップを形成している。
排紙装置13は、用紙を装置外に排出する一対の排紙ローラ18を備える。また、装置本体100の外装上面部には、排紙ローラ18によって排出された用紙を載置するための排紙トレイ19が形成されている。
また、装置本体100内には、給紙カセット15から、レジストローラ17、転写ローラ14と感光体2との間の画像転写部(転写ニップ)、定着装置30を経由して、排紙ローラ18まで用紙Pを搬送するための搬送路R1が設けられている。さらに、画像形成装置100内には両面搬送路R2が設けられる。両面搬送路R2は、両面印刷する際に、定着装置30を通過した用紙Pを画像転写部に再度搬送するための搬送路である。
続けて、図1を参照しつつ、本実施形態に係る画像形成装置の作像動作について説明する。
画像形成装置100内で作像動作が開始されると、感光体2が回転駆動され、帯電ローラ3によって感光体2の表面が所定の極性に一様に帯電される。次いで、読取装置又はコンピュータ等からの画像情報に基づいてLEDヘッドアレイ6が感光体2の帯電面を露光し、感光体2の表面に静電潜像が形成される。そして、現像装置4が感光体2上の静電潜像にトナーを供給し、静電潜像をトナー画像として顕像化(可視像化)する。
画像形成装置100内で作像動作が開始されると、感光体2が回転駆動され、帯電ローラ3によって感光体2の表面が所定の極性に一様に帯電される。次いで、読取装置又はコンピュータ等からの画像情報に基づいてLEDヘッドアレイ6が感光体2の帯電面を露光し、感光体2の表面に静電潜像が形成される。そして、現像装置4が感光体2上の静電潜像にトナーを供給し、静電潜像をトナー画像として顕像化(可視像化)する。
また、作像動作が開始されると、給紙ローラ16が回転駆動を開始し、給紙カセット15から用紙Pが送り出される。送り出された用紙Pは、レジストローラ17の位置で一旦、停止させられる。その後、所定のタイミングでレジストローラ17は回転駆動を開始し、感光体2上のトナー画像が画像転写部に達するタイミングに合わせて、用紙Pを画像転写部へ搬送する。
そして、用紙Pが画像転写部に搬送されると、転写電界によって感光体2上のトナー画像が用紙P上に転写される。この転写電界は、転写ローラ14に所定の電圧が印加されることにより生じるものである。また、このとき用紙Pに転写されなかった感光体2上のトナーは、クリーニングブレード5によって除去され、トナーカートリッジ7の廃トナー収容部9へ回収される。
トナー画像が転写された用紙Pは、定着装置30へと搬送される。そして、用紙Pは、定着ベルト20と加圧ローラ21とによって形成される定着ニップを通過することにより加熱および加圧され、用紙P上のトナー画像が用紙表面に定着される。そして、用紙Pは、排紙ローラ18によって装置外に排出され、排紙トレイ19上に載置される。
また、両面印刷が行われる場合には、定着装置30を通過した用紙Pは装置外に排出されずに折り返し搬送されて、両面搬送路R2へ送られる。用紙Pは両面搬送路R2を通ってレジストローラ17の手前側で搬送路R1に送り込まれ、レジストローラ17によって画像転写部へ再度搬送される。そして、用紙Pの裏面に画像が転写され、定着装置30によって裏面側の画像が用紙表面に定着される。そしてその後、用紙Pは装置外へ排出される。
<定着装置の説明>
続いて、定着装置30のより詳細な構成について説明する。
続いて、定着装置30のより詳細な構成について説明する。
図2に示すように、本実施形態に係る定着装置30は、定着部材あるいはベルト部材としての定着ベルト20と、対向部材あるいは加圧部材としての加圧ローラ21と、加熱装置35と、を備えている。また、加熱装置35は、面状部材としての面状のヒータ22と、保持部材としてのヒータホルダ23と、支持部材としてのステー24と、高熱伝導部材としての均熱ローラ36と、温度検知部材としての第1~第4サーミスタTH1~TH4等を有する。加圧ローラ21は定着ベルト20の外周面に接触して定着ニップNを形成する。加熱装置35は定着ベルト20を加熱する。ヒータホルダ23はヒータ22を保持する。ステー24はヒータホルダ23を支持する。定着ベルト20、加圧ローラ21、ヒータ22、ヒータホルダ23、ステー24、および、均熱ローラ36は、図2の紙面に直交する方向(図3の両矢印B方向参照)に延在しており、以下、この方向を各部材の長手方向(ただし、加圧ローラ21の軸方向でもある)、あるいは、加熱装置35や定着装置30の長手方向と呼ぶ。また、この長手方向は、定着装置30に通紙される用紙の幅方向でもある。ただし、ヒータ22の長手方向とその他の部材や装置との長手方向が必ずしも一致しなくともよい。
定着ベルト20は、無端状のベルト部材で構成される。定着ベルト20は、例えば外径が25mmで厚みが40~120μmのポリイミド(PI)製の筒状基体を有している。定着ベルト20の最表層には、耐久性を高めて離型性を確保するために、離型層(表層)が形成される。離型層はPFAやPTFE等のフッ素系樹脂によって形成され、その厚みが5~50μmである。離型層(表層)と基体との間には、これらを接着させる接着層が設けられる。本実施形態では特に、離型層と基体との間に接着層のみが設けられ、弾性層が設けられていない。これにより、定着ベルト20の剛性を小さくでき、後述する内面ニップMの用紙搬送方向の幅のバラつきを抑制できる。また、定着ベルト20の全ての層を合計した厚みを50~100μmの範囲で設けることで、定着ベルト20の強度と柔軟性を両立でき、好ましい。
定着ベルト20の基体はポリイミドに限らず、PEEKなどの耐熱性樹脂やニッケル(Ni)、SUSなどの金属基体であってもよい。定着ベルト20の内周面に摺動層としてポリイミドやPTFEなどをコートしてもよい。ただし、定着ベルト20の基体を樹脂材により形成することで、定着ベルト20の剛性を小さく抑えて内面ニップMの用紙搬送方向Aの幅(図2の上下方向の幅で、長手方向に交差する方向の幅あるいは後述するヒータ22の基材50の短手方向の幅でもある)を確保できるため、好ましい。ここで、内面ニップMとは、定着ベルト20の内周面とヒータ22が当接する範囲である。定着ベルト20の基体の剛性が大きくなりすぎると、加圧ローラ21による加圧により定着ベルト20がその内面側へ変形しにくくなる。従って、定着ベルト20の内周面がヒータ22に当接しにくくなり、内面ニップMの用紙搬送方向の幅の長手方向のバラつきが大きくなる。従って、本実施形態のように定着ベルト20の基体を樹脂材により形成することで、内面ニップMを大きくしてその範囲を定着ニップNとほぼ同じ幅で設けることができ、内面ニップMの用紙搬送方向の幅のバラつきを抑制できる。これにより、定着させる画像に生じる光沢ムラを抑制できる。特に、本実施形態のように定着ベルト20の基体をポリイミドにより形成することで、基体の柔軟性と強度、そして耐熱性を確保できるため、より好ましい。
また、基体と離型層(表層)の間に、厚さ50~500μmのゴム等からなる弾性層を設けてもよい。ただし、定着ベルト20に弾性層を設けない構成とすることで、定着ベルト20の剛性を小さく抑えることができる。これにより、長手方向に対する内面ニップMの用紙搬送方向の幅のバラつきを抑制できる。これにより、用紙に定着させる画像に生じる光沢ムラを抑制できる。
また定着ベルト20の基体の熱伝導率を0.6~2.0〔W/mK〕の範囲で設定することが好ましい。定着ベルト20の基体の熱伝導率を0.6〔W/mK〕以上とすることで、定着ベルト20内で熱伝達されやすくなり、定着ベルト20の温度ムラを抑制できる。本実施形態では、定着ベルト20の基体の材料であるポリイミドに熱伝導性のフィラーを添加することで、上記熱伝導率を実現している。定着ベルト20の基体の熱伝導率を2.0〔W/mK〕以下となるようにフィラーの添加量を抑えることで、定着ベルト20の耐摩耗性や座屈強度を確保できる。さらに、定着ベルト20の基体の熱伝導率を0.8~1.3〔W/mK〕に設定することがより好ましい。これにより、定着ベルト20の温度ムラの抑制効果と定着ベルト20の耐摩耗性や座屈強度の確保を両立できる。
次に、上記の熱伝導率の算出方法について説明する。熱伝導率を算出する際には、まず、対象の物体の熱拡散率を測定し、この熱拡散率を用いて熱伝導率を算出する。
<熱拡散率の測定方法>
熱拡散率の計測は、熱拡散率・熱伝導率測定装置(商品名:ai-Phase Mobile 1u、株式会社アイフェイズ性)を用いた。
熱拡散率の計測は、熱拡散率・熱伝導率測定装置(商品名:ai-Phase Mobile 1u、株式会社アイフェイズ性)を用いた。
<熱伝導率の算出>
上記熱拡散率を熱伝導率に換算するためには、密度と比熱容量の値が必要である。 密度の計測には、乾式自動密度計(商品名:Accupyc 1330、株式会社島津製作所製)を用いた。 また、比熱容量の計は、示差走査型熱量測定装置(商品名:商品名:DSC-60 株式会社島津製作所製)を用い、比熱容量が既知の基準物質としてサファイアを用いて測定した。本実施例では比熱容量測定を5回行い、50℃における平均値を用いた。密度および比熱容量をそれぞれρ、Cとすると、上記熱拡散率測定で得られた熱拡散率αとから、熱伝導率λは、以下の式(1)により得ることができる。
上記熱拡散率を熱伝導率に換算するためには、密度と比熱容量の値が必要である。 密度の計測には、乾式自動密度計(商品名:Accupyc 1330、株式会社島津製作所製)を用いた。 また、比熱容量の計は、示差走査型熱量測定装置(商品名:商品名:DSC-60 株式会社島津製作所製)を用い、比熱容量が既知の基準物質としてサファイアを用いて測定した。本実施例では比熱容量測定を5回行い、50℃における平均値を用いた。密度および比熱容量をそれぞれρ、Cとすると、上記熱拡散率測定で得られた熱拡散率αとから、熱伝導率λは、以下の式(1)により得ることができる。
加圧ローラ21は、例えば外径が25mmである。加圧ローラ21は、芯金21aと、弾性層21bと、離型層21cとで構成されている。芯金21aは中実で鉄製の部分である。弾性層21bは芯金21aの表面に形成される。離型層21cは弾性層21bの外側に形成される。弾性層21bはシリコーンゴムで形成されており、厚みは例えば3.5mmである。弾性層21bの表面は、その離型性を高めるために、厚みが例えば40μm程度のフッ素樹脂層による離型層21cを形成するのが望ましい。
定着ベルト20は、加圧機構によって加圧ローラ21の側へ加圧され、加圧ローラ21に圧接されている。これにより、定着ベルト20と加圧ローラ21との間に定着ニップNが形成される。また、加圧ローラ21は、画像形成装置本体に設けられた駆動手段から駆動力が伝達されて回転駆動され、駆動ローラとして機能する。一方、定着ベルト20は、加圧ローラ21の回転に伴って従動回転するように構成されている。
定着ベルト20が回転すると、定着ベルト20はヒータ22に対して摺動する。従って、定着ベルト20の摺動性を高めるために、ヒータ22と定着ベルト20との間にオイルやグリースなどの潤滑剤を介在させてもよい。この際、定着ベルト20の内周面側の摺動面20aの表面粗さが、ヒータ22の摺動面22aの表面粗さよりも大きいことが好ましい。これにより、潤滑剤が定着ベルト20の摺動面20aの凹部に保持され、定着ベルト20の回転に伴って、潤滑剤を内面ニップMに安定して取り込むことができる。従って、内面ニップMにおける潤滑剤の厚みの長手方向のバラつきを抑制し、ヒータ22から定着ベルト20への伝熱のムラを抑制できる。これにより、ヒータ22の長手方向の温度ムラを抑制できる。上記の表面粗さは、例えば、JIS B0601-2001で規定される算術平均粗さ(Ra)で特定することができる。算術平均粗さ(Ra)は、JIS B0601-2001に準拠した方法で、評価長さ(Ln)を1.5mm、基準長さ(L)を0.25mm、カットオフ値を0.8mmとし、表面粗さ計サーフコム1400A(東京精密社製)を用いて測定することが可能である。
また、定着ベルト20の摺動面20aの摺動方向における粗さ曲線のスキューネスを、ヒータ22の摺動面22aの摺動方向における粗さ曲線のスキューネスよりも大きくすることもできる。これにより、内面ニップMにおける潤滑剤の厚みの長手方向のバラつきを抑制し、ヒータ22から定着ベルト20への伝熱のムラを抑制できる。これにより、ヒータ22の長手方向の温度ムラを抑制できる。上記粗さ曲線のスキューネス(Rsk)は、JIS B0601-2013の4.2.3で規定される表面粗さの指標の1つであり、平均線を中心としたときの山部と谷部の対称性の度合いを示す。粗さ曲線のスキューネス(Rsk)は、下記式(2)に示すように、断面曲線の二乗平均平方根粗さ(Rq)の三乗によって無次元化した基準長さにおけるz(x)の三乗平均で表される。
ヒータ22は、長手方向に渡って設けられる。ヒータ22は、長手方向において、加圧ローラ21に対応する位置で定着ベルト20の内周面に接触している。ヒータ22は、被加熱部材としての定着ベルト20を加熱し、定着ベルト20を所定の定着温度まで加熱するための部材である。
ヒータ22は、定着ベルト20の内周面と反対側からこの順で、基材50と、導体層51と、絶縁層52とを有する。導体層51は、基材50の表面に設けられた発熱部60等の導体部である。絶縁層52は、基材50および導体層51の表面を覆い、基材50および導体層51と定着ベルト20の内周面との間に介在する。
基材50は、ステンレス(SUS)や鉄、アルミニウム等の金属材料や、セラミック、ガラス等を用いることができる。特に、基材50の材料として、アルミナや窒化アルミなどのセラミックやガラス、マイカなどが耐熱性および絶縁性に優れ好ましい。本実施形態では、基材50にセラミックなどの絶縁材料を用いることで、基材50と導体層51との間の絶縁層を省略している。また、金属製の基材50に絶縁層を設ける構成でもよく、基材50の材料としてアルミやステンレスなどがコスト面で好ましい。また、基材50の材料として胴やグラファイト、グラフェンなどが熱伝導率に優れ、ヒータ22の温度を均一化できるため好ましい。
絶縁層52は、耐熱性ガラスなどの絶縁性を有する材料で構成されている。また、これらの材料として、セラミックあるいはポリイミド(PI)等を用いてもよい。
本実施形態とは異なり、発熱部60を基材50の定着ベルト20側とは反対側(ヒータホルダ23側)に設けてもよい。その場合、発熱部60の熱が基材50を介して定着ベルト20に伝達されることになるため、基材50は窒化アルミニウムなどの熱伝導率の高い材料で構成されることが望ましい。
ヒータ22は、定着ベルト20に対して、非接触あるいは低摩擦シートなどを介して間接的に接触してもよい。しかし、定着ベルト20への熱伝達効率を高めるには、本実施形態のように、ヒータ22を定着ベルト20の内周面に対して直に接触させる構成が好ましい。また、ヒータ22を定着ベルト20の外周面に接触させることもできる。しかし、定着ベルト20の外周面がヒータ22との接触により傷付くと定着品質が低下する虞があるため、ヒータ22が接触する面は定着ベルト20の内周面とすることが望ましい。
ヒータホルダ23およびステー24は、定着ベルト20の内側に配置されている。ステー24は、金属製のチャンネル材で構成され、その両端部分が定着装置30の両側壁部に支持されている。ステー24がヒータホルダ23のヒータ22側とは反対側の面を支持することで、ヒータ22およびヒータホルダ23は加圧ローラ21の加圧力に対して大きく撓むことなく、その形状を維持できる。これにより、定着ベルト20と加圧ローラ21との間に、ニップ部としての定着ニップNが形成される。
ヒータホルダ23は、ヒータ22の熱によって高温になりやすいため、耐熱性の材料で形成されることが望ましい。例えば、ヒータホルダ23をLCPなどの低熱伝導性の耐熱性樹脂で形成することにより、ヒータ22からヒータホルダ23への伝熱が抑制され、ヒータ22が定着ベルト20を効率的に加熱できる。
均熱ローラ36は長手方向に延在するロール状の部材である。均熱ローラ36は加圧ローラ21の外周面に長手方向にわたって当接する。均熱ローラ36は長手方向を軸線方向として回転可能に設けられる。均熱ローラ36が加圧ローラ21の外周面に接触することで、加圧ローラ21および加圧ローラ21に当接する定着ベルト20の長手方向の温度ムラを抑制できる。均熱ローラ36は長手方向に熱伝導率の高いアルミや銅などの材料により構成される。
均熱ローラ36は加圧ローラ21との接触で従動回転する構成としてもよいし、駆動源の駆動力により回転する構成としてもよい。
均熱ローラ36は、接離機構により、加圧ローラ21に対して接離させられる。均熱ローラ36は加圧ローラ21や定着ベルト20の均熱化が必要な時に、加圧ローラ21に接触することが好ましい。これにより、均熱化が不要な時に均熱ローラ36が加圧ローラ21に接触し、均熱ローラ36に余計な熱量を奪われることを防止できる。均熱ローラ36の加圧ローラ21に対する接触のタイミングは、サーミスタTH1~TH4の検知結果に基づいて判断される。
均熱ローラ36を定着ベルト20の表面に当接させてもよい。この場合、均熱ローラ36の表面に、PTFEやPTAなどの離型性の高い材料を被覆することで、均熱ローラ36表面へのトナーの固着を抑制できる。
第1サーミスタTH1および第2サーミスタTH2は、基材50の裏面で発熱部60に対向する位置に設けられる。第3サーミスタTH3および第4サーミスタTH4は加圧ローラ21の外周面に対向して設けられる。加圧ローラ21は熱容量が大きく、定着ベルト20を介して熱を伝達されるため、その温度が相対的に低い。従って、加圧ローラ21の温度を検知する第3サーミスタTH3および第4サーミスタTH4には安価なサーミスタを用いることができる。また仮に、すべてのサーミスタを定着ベルト20の内側に配置すると、サーミスタから延びるリード線の領域を確保するために、定着ベルト20の径が大きくなってしまう。しかし、第3サーミスタTH3および第4サーミスタTH4を定着ベルト20の外側に配置することで、定着ベルト20の径を小さくできる。
印刷動作が開始されると、ヒータ22に電力が供給され、発熱部60が発熱する。この発熱により、定着ベルト20が加熱される。また、加圧ローラ21が回転駆動され、定着ベルト20が従動回転を開始する。そして、定着ベルト20の温度が所定の目標温度(定着温度)に到達した状態で、図2に示すように、未定着トナー画像が担持された用紙Pが、定着ベルト20と加圧ローラ21との間(定着ニップN)に搬送される(図2の矢印A方向参照)。これにより、未定着トナー画像が加熱および加圧されて用紙Pの表面に定着される。
図3は、定着装置の斜視図、図4は、その分解斜視図である。
図3および図4に示すように、定着装置30の装置フレーム40は、第1装置フレーム25と、第2装置フレーム26と、を備えている。第1装置フレーム25は一対の側壁部28と前壁部27とからなる。第2装置フレーム26は後壁部29からなる。一対の側壁部28は、長手方向の一端部側と他端部側とに配置されている。両側壁部28が、定着ベルト20、加圧ローラ21および加熱装置35の両端部側を支持する。各側壁部28には、複数の係合突起28aが設けられる。各係合突起28aが後壁部29に設けられた係合孔29aに係合することで、第1装置フレーム25と第2装置フレーム26とが組み付けられる。
また、各側壁部28は、加圧ローラ21の回転軸などを挿通させるための挿通溝28bを有する。挿通溝28bは、後壁部29側で開口し、これとは反対側では開口しない突き当て部となっている。この突き当て部側の端部には、加圧ローラ21の回転軸を支持する軸受39が設けられている。加圧ローラ21は、その回転軸の両端部がそれぞれ軸受39に装着されることで、両側壁部28によって回転可能に支持される。
また、加圧ローラ21の回転軸の一端部側には、駆動伝達部材としての駆動伝達ギヤ31が設けられている。駆動伝達ギヤ31は、加圧ローラ21が両側壁部28に支持された状態で、側壁部28よりも外側に露出した状態で配置される。これにより、定着装置30が画像形成装置本体に搭載された際、駆動伝達ギヤ31が画像形成装置本体に設けられているギヤと連結し、駆動源から加圧ローラ21への駆動力を伝達可能な状態となる。なお、加圧ローラ21に駆動力を伝達する駆動伝達部材としては、駆動伝達ギヤ31のほか、駆動伝達ベルトを張架するプーリやカップリング機構などであってもよい。
加熱装置35の長手方向の両端部には、定着ベルト20やヒータホルダ23、ステー24などを支持する一対のフランジ32が設けられている。各フランジ32には、ガイド溝32aが設けられている。このガイド溝32aを側壁部28の挿通溝28bの縁に沿って進入させることで、フランジ32が側壁部28に対して組み付けられる。
また、各フランジ32には、付勢部材としての一対のバネ33が当接している。各バネ33によってステー24やフランジ32が加圧ローラ21側に付勢されることで、定着ベルト20が加圧ローラ21に押し当てられ、定着ベルト20と加圧ローラ21との間に定着ニップが形成される。
また、図4に示すように、第2装置フレーム26を構成する後壁部29の長手方向の一端部側には、位置決め部としての孔部29bが設けられている。孔部29bは画像形成装置本体に対する定着装置本体の位置決めを行う。一方、画像形成装置本体には、位置決め部としての突起101が設けられている。この突起101が、定着装置30の孔部29bに対して挿入されることで、突起101と孔部29bが嵌合する。これにより、画像形成装置本体に対する定着装置本体の長手方向の位置決めがなされる。なお、後壁部29の孔部29bが設けられた端部側とは反対の端部側には、位置決め部は設けられていない。これにより、温度変化に伴う定着装置本体の長手方向の伸縮が拘束されないようにしている。
図5は、加熱装置35の斜視図、図6は、その分解斜視図である。
図5および図6に示すように、ヒータホルダ23の定着ベルト側の面(図5および図6における手前側の面)には、ヒータ22を収容するための矩形の収容凹部23aが設けられている。収容凹部23aは、ヒータ22とほぼ同等の形状およびサイズに形成されているが、収容凹部23aの長手方向寸法L2はヒータ22の長手方向寸法L1よりも若干長く設定されている。このように、収容凹部23aがヒータ22よりも若干長く形成されていることで、熱膨張によりヒータ22がその長手方向に伸びても、ヒータ22と収容凹部23aとが干渉しないように構成されている。また、ヒータ22は、この収容凹部23a内に収容された状態で、給電部材としての後述のコネクタによって、ヒータホルダ23と一緒に挟まれて保持される。
一対のフランジ32は、ベルト支持部32bと、ベルト規制部32cと、支持凹部32dと、を有している。ベルト支持部32bは、定着ベルト20の内側に挿入されて定着ベルト20を支持するC字状の部分である。ベルト規制部32cは、定着ベルト20の端面に接触して長手方向の移動(片寄り)を規制するフランジ状の部分である。支持凹部32dは、ヒータホルダ23およびステー24の両端部側が挿入されてこれらを支持する部分である。定着ベルト20は、その両端部側にベルト支持部32bが挿入されることで、いわゆるフリーベルト方式で支持される。フリーベルト方式は、ベルト非回転時においては、基本的に定着ベルト20の周方向(ベルト回転方向)に張力を生じることなく、定着ベルト20が支持される方式である。
図5および図6に示すように、ヒータホルダ23の長手方向一端部側には、位置決め部としての位置決め凹部23eが設けられている。この位置決め凹部23eに対して、図5および図6の左側に示されるフランジ32の嵌合部32eが嵌合することで、ヒータホルダ23とフランジ32との長手方向の位置決めがなされる。一方、図5および図6の右側に示されるフランジ32には、嵌合部32eは設けられておらず、ヒータホルダ23との長手方向の位置決めはされない。このように、フランジ32に対するヒータホルダ23の位置決めを長手方向の片側のみとすることで、温度変化に伴ってヒータホルダ23が長手方向へ伸縮したとしても、その伸縮が拘束されないようにしている。
また、図6に示すように、ステー24の長手方向の両端部側には、各フランジ32に対するステー24の移動を規制する段差部24aが設けられている。各段差部24aはフランジ32に突き当たることでフランジ32に対するステー24の長手方向の移動を規制する。ただし、これら段差部24aのうち少なくとも一方は、フランジ32に対して隙間(ガタ)を介して配置される。このように、少なくとも一方の段差部24aがフランジ32に対して隙間を介して配置されることで、温度変化に伴ってステー24が長手方向に伸縮したとしても、その伸縮が拘束されないようにしている。
次に、ヒータ22のより詳細な構成について説明する。
図7に示すように、導体層51には、抵抗発熱体59a、59b(59)と、第1~第4電極部61A~61D(61)と、導電体としての第1~第4給電線62A~62D(62)とが設けられる。
抵抗発熱体59は、ヒータ22の主たる発熱部分である。抵抗発熱体59は、例えば、銀パラジウム(AgPd)やガラス粉末などを調合したペーストをスクリーン印刷等により基材50に塗工し、その後、基材50を焼成することによって形成することができる。抵抗発熱体59の材料として、これら以外に、銀合金(AgPt)や酸化ルテニウム(RuO2)の抵抗材料を用いてもよい。本実施形態では、抵抗発熱体59の抵抗値を常温で80Ωに設定した。
図2に示すように、定着ニップNの用紙搬送方向の幅(図の上下方向の幅)は抵抗発熱体59の用紙搬送方向(基材50の短手方向)の幅Sよりも大きい。これにより、定着ニップNの幅が長手方向にバラつきが生じた場合でも、幅Sの範囲で定着ニップNを形成できる。これにより、抵抗発熱体59の発熱を定着ベルト20へ正しく伝達できる。長手方向の少なくとも一部で、定着ニップNの用紙搬送方向の幅を幅Sよりも大きくすることで、上記効果を得ることができる。また、定着ニップNの長手方向全域にわたって、定着ニップNの用紙搬送方向の幅を幅Sよりも大きくすることで、特に抵抗発熱体59から定着ベルト20への伝熱のムラを抑制でき、定着ベルト20を効率的に加熱できるため、より好ましい。
上記抵抗発熱体59の幅Sは、絶縁層越しにヒータ22を観察し、ノギス等で測定する。絶縁層に遮られて抵抗発熱体59が見えない場合は、ヒータ22を長手方向にほぼ直交する方向へカットし、その断面を顕微鏡で観察して幅Sを測定してもよい。また定着ニップNの幅は以下のように測定できる。例えば定着ベルト20表面を所定温度(例えば160℃)で制御した状態で回転させ、OHPシートに対して印刷する、もしくは、黒ベタ画像を用紙などに印刷する。この印刷動作の途中で、画像形成装置の運転を所定時間(例えば10秒)停止させ、定着ベルト20や加圧ローラ21が変色した幅をノギス等で測定する。
図7に示すように、給電線62は、抵抗発熱体59よりも小さい抵抗値の導体で構成されている。給電線62や電極部61の材料としては、銀(Ag)もしくは銀パラジウム(AgPd)などを用いることができる。このような材料をスクリーン印刷するなどによって給電線62や電極部61が形成されている。
長手方向中央側の抵抗発熱体59aにより第1発熱部60Aが構成される。端部側の2つの抵抗発熱体59bにより第2発熱部60Bが構成される。抵抗発熱体59aおよび抵抗発熱体59bは略平行四辺形状に設けられる。これにより、抵抗発熱体同士の隙間となる面積を小さくし、抵抗発熱体同士の分割領域における発熱量を大きくできる。従って、ヒータ22の長手方向の発熱ムラを抑制できる。
抵抗発熱体59aは、その一端側が第2給電線62Bを介して第2電極部61Bに接続され、その他端側が第4給電線62Dを介して第4電極部61Dに接続される。長手方向一方側(図7の左側)の抵抗発熱体59bは、その一端側が第1給電線62Aを介して第1電極部61Aに接続され、その他端側が第2給電線62Bを介して第2電極部61Bに接続される。長手方向他方側(図7の右側)の抵抗発熱体59bは、その一端側が第2給電線62Bを介して第2電極部61Bに接続され、その他端側が第3給電線62Cを介して第3電極部61Cに接続される。
電圧を印加する電極部を変更することにより、発熱する抵抗発熱体を変更できる。具体的には、第2電極部61Bおよび第4電極部61Dに電圧を印加することにより、抵抗発熱体59aが発熱する。第1電極部61Aおよび第2電極部61Bに電圧を印加することにより、長手方向一方側の抵抗発熱体59bが発熱する。第3電極部61Cおよび第4電極部61Dに電圧を印加することにより、長手方向他方側の抵抗発熱体59bが発熱する。第1電極部61Aおよび第3電極部61Cを外部で並列に接続することで、両側の抵抗発熱体59bを同時に発熱させることができる。以上により、第1発熱部60Aのみを発熱させるか、あるいは、第1発熱部60Aおよび第2発熱部60Bを発熱させるかを選択できる。
長手方向において、中央側の抵抗発熱体59aは、A4用紙に合わせた215mmの幅で設けられる。中央側の抵抗発熱体59aおよび両端側の抵抗発熱体59bはA3用紙に合わせた301mmの幅で設けられる。これにより、A4用紙およびA3用紙に定着動作を行う際に、余分な発熱領域が形成されず、定着ベルト20の長手方向端部側における過昇温を抑制できる。
長手方向において、第1サーミスタTH1は、定着装置30に通紙される最小幅の用紙P1の通紙領域D1の内側に設けられる。これにより、定着装置30にいずれのサイズの用紙を通紙した場合でも、第1サーミスタTH1が通紙領域の温度を検知できる。
長手方向において、第2サーミスタTH2および第3サーミスタTH3は、最小幅の用紙P1の通紙領域D1よりも外側で、用紙P2の通紙領域D2の内側に配置される。用紙P2は、定着装置30が対応する用紙で抵抗発熱体59aよりその幅が大きい用紙のうち、最も用紙幅の小さい用紙である。特に本実施形態では、第2サーミスタTH2は、抵抗発熱体59bに対応する位置で、後述の分割領域以外の部分に対応する位置に配置される。また、第3サーミスタTH3は、抵抗発熱体59aの分割領域よりも内側の範囲(分割領域よりも通紙領域の中央側で、図7の両矢印の範囲参照)に設けられる。第2サーミスタTH2あるいは第3サーミスタTH3を、分割領域以外の位置に対応して設けることで、ヒータ22の温度が落ち込みやすい部分以外の部分の温度を検知できる。また、第3サーミスタTH3は、上記配置に加えて、抵抗発熱体59aよりも幅の小さい用紙の中で最も大きい幅の用紙の通紙領域の外側に配置することが好ましい。これにより、第3サーミスタTH3が、抵抗発熱体59aよりも幅の小さい用紙のうちのいずれの用紙を印刷した場合でも、非通紙領域の温度を検知できる。従って、第3サーミスタTH3の検知温度を用いてヒータ22を制御することで、抵抗発熱体59aに対応する位置の非通紙領域の過昇温を抑制できる。
第4サーミスタTH4は用紙P2の通紙領域D2よりも外側で、抵抗発熱体59bに対向する位置に設けられる。
図8は、ヒータ22に電力を供給する電力供給回路を示している。この電力供給回路は、通常は画像形成装置100の本体側に設けられるが、定着装置30に設けられてもよい。
電力制御手段としての電力供給回路は、制御部200、交流電源210、トライアック220、電流検出手段230、ヒータリレー241、242、電圧検出手段251、252で構成されている。制御部200とトライアック220で電力供給手段が構成される。
交流電源210と、電流検出手段230のカレントトランスCTと、トライアック220と、ヒータリレー241、242が、第2電極部61Bと、反対側の第3電極部61Cおよび第4電極部61Dとの間に直列に配置される。片側の第2電極部61Bと第1電極部61Aとの間に電圧検出手段251が配置される。片側の第2電極部61Bと反対側の第4電極部61Dとの間に電圧検出手段252が配置される。
サーミスタTH1~TH4で検知された温度は、制御部200に入力される。制御部200は、サーミスタTH1から得られた温度に基づいて、抵抗発熱体59aと抵抗発熱体59bとが所定の目標温度になるように温度制御を行う。具体的に、制御部200は、トライアック220により第2電極部61B、第3電極部61C、第4電極部61Dに対する供給電流をデューティ制御する。
具体的には、制御部200は、サーミスタTH1の現在温度と目標温度の温度差に応じたデューティ比で、トライアック220が抵抗発熱体59aに流れる電流をデューティ制御する。デューティ比0%で電流がゼロになり、デューティ比100%で電流が最大になる。同様に制御部200は、サーミスタTH2の現在温度と目標温度の温度差に応じたデューティ比で、トライアック220が抵抗発熱体59bに流れる電流をデューティ制御する。ここで「デューティ」とは制御周期当たりの抵抗発熱体59a、59bへの通電時間の割合のことである。
サーミスタTH1とサーミスタTH3の現在温度の差分温度が所定の閾値を超えた場合、あるいは、サーミスタTH2とサーミスタTH4の現在温度の差分温度が所定の閾値を超えた場合に、温度ムラを低減するための動作が行われる。具体的には、温度ムラを低減する動作として、用紙の搬送を一時的に停止する、用紙の搬送速度を一時的に落とす、均熱ローラ36を加圧ローラ21に当接させる、等の動作が行われる。
制御部200は、CPU、ROM、RAM、I/Oインターフェース等を包含するマイクロコンピュータで構成することができる。定着ニップNに通紙すると、通紙による抜熱分(定着ベルト20等から用紙への熱移動分)が発生する。制御部200は、サーミスタTH1から得られた温度だけでなく、通紙による抜熱分も考慮して供給電流を制御することで、定着ベルト20の温度を所望の温度に制御することができる。
電流検出手段230は、抵抗発熱体59a、59bに流れる電流値の総和を検知する。すなわち、制御部200が、カレントトランスCTの二次側抵抗に発生する電圧を介して導体層に流れる電流の大きさを読み取る。また、電圧検出手段251,252は抵抗発熱体59a、59bの電圧値Eを検知し、制御部200が電圧値Eを読み取る。そして制御部200において電流値Iと電圧値Eから抵抗発熱体59a、59bの抵抗値R(=E/I)を算出する。
以上で説明した本実施形態の画像形成装置においては、上記の定着ベルト20のような低熱容量の定着部材を用いることで、画像形成装置の高速化や省エネルギー化を実現している。しかし一方で、このような低熱容量の定着ベルト20を用いた定着装置では、定着ベルト20の温度ムラにより、用紙に定着させた画像に光沢ムラが生じるという問題があった。
ここで、定着ベルト20の熱容量は、以下の式(3)で表される。下記の「体積」等は全て定着ベルト20の体積等のことである。
式(3)の「長さ」は定着装置が対応する用紙のサイズによって決まり、「比熱」は測定が難しい。従って、定着ベルト20の「熱容量」は、「厚み」と「内径」に比例し、これらを小さくすることで定着ベルトを低熱容量化できる。前述のように、定着ベルト20の「厚み」は50~100μmの範囲で設けることで、定着ベルト20の強度と柔軟性を両立でき、好ましい。また、定着ベルト20の「内径」は直径15~40mmの範囲で設定することが好ましい。これにより、定着ベルト20の低熱容量化を実現できると共に、ヒータ22等の定着装置30の内部部品のレイアウトが容易になり、かつ、定着ベルト20の強度を保ち破損しにくくすることができる。
また、上記の光沢ムラ抑制の観点からすると、ヒータ22の厚みが大きいほど、ヒータ22内の熱伝導により温度ムラが発生しにくくなるので好ましい。一方でヒータ22の厚みを大きくし過ぎると、定着装置の立ち上げ時間が長くなってしまう。以上のバランスを考慮して、ヒータ22の厚みは0.5~2.0mmであることが好ましい。さらに、ヒータ22の厚みを0.6~1.2mmとするとより好ましい。
上記の光沢ムラの問題に対して、発明者らは、帯電量の環境変動率が所定値の範囲にあるトナーを、ヒータ22のような面状の加熱体で加熱する(定着ベルト20を介して加熱する)ことで、上記の光沢ムラを抑制できることを発見した。つまり、トナーの温度は、下記式(4)により求められ、式(4)の「トナーの温度上昇値」は、下記式(5)により求められる。ここで、トナーの帯電量の環境変動率を後述する所定の範囲内に設定することで、トナーを用紙上で均一に付着させ、用紙上のトナーが付着する部分における熱容量を均一化できる。つまり、式(5)の「トナーの熱容量」を均一化できる。そして、前述の面状のヒータ(面状のヒータは、ハロゲンヒータ等と比較して、長手方向に均一な加熱が可能である)により、このトナーを加熱することで、トナーに与える熱量を均一化できる。つまり、式(5)の「トナーが受ける熱量」を均一化できる。従って、式(5)および式(4)により、トナーの温度上昇値を均一化してトナー温度を均一化し、画像の光沢ムラを抑制できる。
上記のように光沢ムラを抑制するために、本実施形態では、トナーの帯電量の環境変動率Xを45~85%の範囲に設定した。ここで、環境変動率X〔%〕は、環境温度10℃、湿度15%のトナーの帯電量をQ1〔μC/g〕、環境温度27℃、湿度80%のトナーの帯電量をQ2〔μC/g〕とした時に、下記式(6)により求められる値とする。
また、環境変動率Xを45~65%の範囲に設定することがより好ましい。これにより、用紙上にトナーをより均一に付着させることができ、用紙上の画像の光沢ムラをさらに抑制できる。
次に、本実施形態の構成による光沢ムラの抑制効果に対する実験結果を以下に示す。以下の実験では、実施例1,2、比較例1,2の4パターンについて、光沢ムラの有無を判定した。
実施例1は定着装置の加熱体として面状ヒータを用い、トナーの帯電量の環境変動率Xを55.8%に設定した。実施例2は定着装置の加熱体として面状ヒータを用い、トナーの帯電量の環境変動率Xを84.4%に設定した。比較例1は定着装置の加熱体としてハロゲンヒータを用い、トナーの帯電量の環境変動率Xを55.8%に設定した。比較例2は定着装置の加熱体としてハロゲンヒータを用い、トナーの帯電量の環境変動率Xを84.4%に設定した。
上記トナーの帯電量Q1、Q2の測定方法を以下に示す。
2成分現像剤におけるトナーのキャリアとの摩擦による帯電量は、ブローオフ帯電量測定法(ブローオフ法)によって測定される。このブローオフ法は、たとえば日本画像学会誌Vol.37(1998)pp461-470「ブローオフ法」に記載されている。上記の実施例および比較例では、株式会社東芝製のTB-200 Tribocharge Testerを使用し、トナーの帯電量を測定した。
具体的には、図9に示すブローオフ装置300を用いてトナーの帯電量を測定する。まず、金網301a(ステンレス製25φ 350メッシュ 16φ 795メッシュ)を張ったファラデーケージ301に、本実施形態の2成分現像剤T2を入れる。金網301aは、トナーは通過できるがキャリアは通過できない大きの網の目で構成される。ファラデーケージ301は、内径25mm、長さ35mmの円筒形ステンレス容器からなり、その両端に金網301aが設けられる。そして、ブロア302により、一方の金網301aから、エア(窒素ガス)をエア圧2.0Kgf/cm2の強度で吹き付ける。これにより、帯電したトナーT1をこのファラデーケージ301内から他方の金網301aを介して送り出す。送り出されたトナーT1の質量と、キャリアに残った電荷とから、送り出されたトナーT1の電荷を求める。この電荷はキャリアに残った電荷と逆特性である。
この測定に使用したブローオフ装置は下記の特性を有するものである。
ファラデーケージの構造:内径25mm、長さ35mmの円筒形ステンレス容器
メッシュ種類:ステンレス製25φ,350メッシュ 16φ 795メッシュ
エア(ガス)種類:窒素ガス(温度23℃)
エア圧(ブロー圧):2.0Kgf/cm2
温度および湿度:23±3℃、60±10RH%
ブロー時間:60sec
ファラデーケージの構造:内径25mm、長さ35mmの円筒形ステンレス容器
メッシュ種類:ステンレス製25φ,350メッシュ 16φ 795メッシュ
エア(ガス)種類:窒素ガス(温度23℃)
エア圧(ブロー圧):2.0Kgf/cm2
温度および湿度:23±3℃、60±10RH%
ブロー時間:60sec
100mlボールミルポットでキャリア、トナーを攪拌する前の調湿は、200mlプラスチック容器(内径60~70mm、高さ80~90mm)にキャリア50gとトナー1.5gを入れ、蓋をせずに上記環境で24時間行った。また、ブローオフの計測は、現像剤混合後30分以内に計測した。
トナー母体粒子と、キャリアとの摩擦帯電量Qを以下のようにして測定した。
現像剤作成用フェライトキャリア:48.75g
トナー母体粒子:1.25g
以上のものを100mlボールミルポットに入れ、150rpmで30分攪拌後、上記したブローオフ法を用いて、ブローオフ帯電量Qを計測する。
現像剤作成用フェライトキャリア:48.75g
トナー母体粒子:1.25g
以上のものを100mlボールミルポットに入れ、150rpmで30分攪拌後、上記したブローオフ法を用いて、ブローオフ帯電量Qを計測する。
画像の光沢ムラの有無の確認時には、黒ベタ画像を10枚の用紙に連続して印刷する。そして、用紙に形成された画像の光沢ムラを目視により確認する。この際、光沢ムラが確認できなければ〇、軽微な光沢ムラが確認できれば△、光沢ムラがはっきり確認できれば×と判定した。
以上の実験結果を表1に示す
表1の比較例1,2からわかるように、ハロゲンヒータを用いた実施例では判定が×となり光沢ムラが発生した。特に、比較例1のように、環境変動率Xが低い場合でも、光沢ムラが発生した。また実施例1と2を比較すると、面状ヒータを用いた場合でも、実施例2のように環境変動率Xが大きくなると、軽微な光沢ムラが発生した。従って、実施例2よりも環境変動率Xがさらに大きくなると、面状ヒータを用いたとしても光沢ムラがより顕著に発生すると考えられる。
このように、ヒータの種類およびトナーの帯電量の環境変動率のいずれかが本実施形態と異なることで、光沢ムラが生じてしまうことがわかった。言い換えると、本実施形態のような面状のヒータとトナーの帯電量の環境変動率の設定の組み合わせにより、画像の光沢ムラを効果的に抑制できることがわかった。
上記の本実施形態の構成は、印刷動作(定着動作)が高速化された画像形成装置に適用することで、その効果を顕著に発揮できる。例えば、定着ニップNにおける用紙のニップ時間が25~38〔msec〕である画像形成装置に上記構成を適用することが好ましい。このように定着動作が高速化された画像形成装置では、定着ベルト20が高温になりやすく、画像の光沢ムラを生じやすいため、上記構成を適用することが好適である。
ニップ時間は、定着ニップNの用紙搬送方向の幅を、用紙の定着ニップNにおける線速で割った商により求められる。本実施形態では、一例として、定着ニップNの用紙搬送方向の幅が6~9mm、A4縦サイズの用紙を40ppm(1分当たりの出力枚数40枚の印刷)の速さで印刷した時の用紙の定着ニップNにおける線速が230〔mm/sec〕に設定される。定着ニップNの用紙搬送方向の幅は、OHPシートを用いて、前述の幅Sを求める方法と同様の方法により測定し、画像の長手方向の中央位置における用紙搬送方向の幅を定着ニップNの用紙搬送方向の幅とする。また、上記線速はドップラー計により測定する。
<トナーの説明>
次に、本実施形態で用いられるトナーについて詳細に説明する。
次に、本実施形態で用いられるトナーについて詳細に説明する。
トナーは、ワックスおよび結着樹脂を含有し、更にシェル層材料を含有することが好ましく、必要に応じて、更に着色剤などのその他の成分を含有する。トナーは、コア部とシェル層とを有するコアシェル構造のトナー粒子を含有する。シェル層は、コア部の表面に配されるが、シェル層は、コア部の表面全面を覆っていてもよく、一部を覆っていてもよい。コア部の一部を覆っているシェル層としては、例えば、シェル層が島状にコア部の表面に存在している態様などが挙げられる。ワックスおよび結着樹脂は、コア粒子に含まれることが好ましいが、シェル層に含まれていてもよい。
ワックスの種類としては、特に制限はなく、従来公知のものを使用することができ、例えば、低分子量ポリエチレン、低分子量ポリプロピレン等の低分子量ポリオレフィンワックス類;フィッシャー・トロプシュワックス等の合成炭化水素系ワックス類;蜜ロウ、カルナウバワックス、キャンデリラワックス、ライスワックス、モンタンワックス等の天然ワックス類;パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等の石油ワックス類;ステアリン酸、パルミチン酸、ミリスチン酸等の高級脂肪酸又は該高級脂肪酸の金属塩、高級脂肪酸アミド等の脂肪酸系ワックス類:合成エステルワックス等のエステルワックス類;又はこれらの各種変性ワックスなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。これらのワックスの中でも、カルナウバワックスおよびその変性ワックス、ライスワックス、エステルワックス類が好ましく、エステルワックスが特に好ましい。
(結着樹脂)
結着樹脂としては、特に制限はなく、従来公知のものを使用することができるが、ポリエステル樹脂を用いることが好ましい。ポリエステル樹脂としては、例えば、変性ポリエステル、未変性ポリエステルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
結着樹脂としては、特に制限はなく、従来公知のものを使用することができるが、ポリエステル樹脂を用いることが好ましい。ポリエステル樹脂としては、例えば、変性ポリエステル、未変性ポリエステルなどが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
(変性ポリエステル)
変性ポリエステル(i)としては、ポリエステル樹脂中にエステル結合以外の結合基が存在したり、またポリエステル樹脂中に構成の異なる樹脂成分が共有結合、イオン結合などで結合したりする状態を指す。具体的には、ポリエステル末端に、カルボン酸基、水酸基と反応するイソシアネート基等の官能基を導入し、更に活性水素含有化合物と反応させ、ポリエステル末端を変性したものを指す。
変性ポリエステル(i)としては、ポリエステル樹脂中にエステル結合以外の結合基が存在したり、またポリエステル樹脂中に構成の異なる樹脂成分が共有結合、イオン結合などで結合したりする状態を指す。具体的には、ポリエステル末端に、カルボン酸基、水酸基と反応するイソシアネート基等の官能基を導入し、更に活性水素含有化合物と反応させ、ポリエステル末端を変性したものを指す。
変性ポリエステル(i)としては、例えば、イソシアネート基を有するポリエステルプレポリマー(A)とアミン類(B)との反応により得られる、ウレア結合で変性されたポリエステル(以下、「ウレア変性ポリエステル」と称することがある)などが挙げられる。
イソシアネート基を有するポリエステルプレポリマー(A)としては、例えば、多価アルコール(PO)と多価カルボン酸(PC)の重縮合物で、かつ活性水素基を有するポリエステルを、更に多価イソシアネート化合物(PIC)と反応させたものなどが挙げられる。ポリエステルが有する活性水素基としては、水酸基(アルコール性水酸基およびフェノール性水酸基)、アミノ基、カルボキシル基、メルカプト基などが挙げられる。これらの中でも、ポリエステルが有する活性水素基は、アルコール性水酸基が好ましい。
多価アルコール化合物(PO)としては、特に制限はなく、例えば、2価アルコール(DIO)および3価以上の多価アルコール(TO)が挙げられ、(DIO)単独、又は(DIO)と少量の(TO)との混合物が好ましい。
2価アルコール(DIO)としては、例えば、アルキレングリコール(エチレングリコール、1,2-プロピレングリコール、1,3-プロピレングリコール、1,4-ブタンジオール、1,6-ヘキサンジオール等);アルキレンエーテルグリコール(ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレンエーテルグリコール等);脂環式ジオール(1,4-シクロヘキサンジメタノール、水素添加ビスフェノールA等);ビスフェノール類(ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS等);脂環式ジオールのアルキレンオキサイド(エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、ブチレンオキサイド等)付加物;ビスフェノール類のアルキレンオキサイド(エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、ブチレンオキサイド等)付加物などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。これらのうちの好ましいものは、炭素数2~12のアルキレングリコールおよびビスフェノール類のアルキレンオキサイド付加物であり、特に好ましいものはビスフェノール類のアルキレンオキサイド付加物、およびこれと炭素数2~12のアルキレングリコールとの併用である。
3価以上の多価アルコール(TO)としては、例えば、3価~8価又はそれ以上の多価脂肪族アルコール(グリセリン、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール等);3価以上のフェノール類(トリスフェノールPA、フェノールノボラック、クレゾールノボラック等);3価以上のポリフェノール類のアルキレンオキサイド付加物などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
多価カルボン酸(PC)としては、特に制限はなく、例えば、2価カルボン酸(DIC)および3価以上の多価カルボン酸(TC)が挙げられ、(DIC)単独、および(DIC)と少量の(TC)との混合物が好ましい。
2価カルボン酸(DIC)としては、アルキレンジカルボン酸(コハク酸、アジピン酸、セバシン酸等);アルケニレンジカルボン酸(マレイン酸、フマール酸等);芳香族ジカルボン酸(フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸等)などが挙げられる。これらのうちの好ましいものは、炭素数4~20のアルケニレンジカルボン酸および炭素数8~20の芳香族ジカルボン酸である。
3価以上の多価カルボン酸(TC)としては、炭素数9~20の芳香族多価カルボン酸(トリメリット酸、ピロメリット酸等)などが挙げられる。なお、多価カルボン酸(PC)としては、上述のものの酸無水物又は低級アルキルエステル(メチルエステル、エチルエステル、イソプロピルエステル等)を用いて多価アルコール(PO)と反応させたものであってもよい。
多価アルコール(PO)と多価カルボン酸(PC)の比率としては、特に制限はないが、水酸基[OH]とカルボキシル基[COOH]との当量比([OH]/[COOH])として、通常2/1~1/1、好ましくは1.5/1~1/1、更に好ましくは1.3/1~1.02/1である。
多価イソシアネート化合物(PIC)としては、特に制限はなく、例えば、脂肪族多価イソシアネート(テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、2,6-ジイソシアナトメチルカプロエート等);脂環式ポリイソシアネート(イソホロンジイソシアネート、シクロヘキシルメタンジイソシアネート等);芳香族ジイソシアネート(トリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート等);芳香脂肪族ジイソシアネート(α,α,α’,α’-テトラメチルキシリレンジイソシアネート等);イソシアネート類;脂環式ポリイソシアネートをフェノール誘導体、オキシム、カプロラクタム等でブロックしたもの;およびこれら2種以上の併用などが挙げられる。
多価イソシアネート化合物(PIC)の比率は、イソシアネート基[NCO]と、水酸基を有するポリエステルの水酸基[OH]との当量比([NCO]/[OH])として、通常5/1~1/1、好ましくは4/1~1.2/1、更に好ましくは2.5/1~1.5/1である。
イソシアネート基を有するポリエステルプレポリマー(A)中の多価イソシアネート化合物(PIC)の構成成分の含有量は、通常0.5質量%~40質量%、好ましくは1質量%~30質量%、更に好ましくは2質量%~20質量%である。
次に、ポリエステルプレポリマー(A)と反応させるアミン類(B)としては、特に制限はなく、例えば、2価アミン化合物(B1)、3価以上の多価アミン化合物(B2)、アミノアルコール(B3)、アミノメルカプタン(B4)、アミノ酸(B5)、および(B1)~(B5)のアミノ基をブロックしたもの(B6)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
2価アミン化合物(B1)としては、例えば、芳香族ジアミン(フェニレンジアミン、ジエチルトルエンジアミン、4,4’-ジアミノジフェニルメタン等);脂環式ジアミン(4,4’-ジアミノ-3,3’-ジメチルジシクロヘキシルメタン、ジアミンシクロヘキサン、イソホロンジアミン等);および脂肪族ジアミン(エチレンジアミン、テトラメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン等)などが挙げられる。
3価以上の多価アミン化合物(B2)としては、例えば、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミンなどが挙げられる。
アミノアルコール(B3)としては、例えば、エタノールアミン、ヒドロキシエチルアニリンなどが挙げられる。
アミノメルカプタン(B4)としては、例えば、アミノエチルメルカプタン、アミノプロピルメルカプタンなどが挙げられる。
アミノ酸(B5)としては、例えば、アミノプロピオン酸、アミノカプロン酸などが挙げられる。
(B1)~(B5)のアミノ基をブロックしたもの(B6)としては、例えば、(B1)~(B5)のアミン類とケトン類(アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等)から得られるケチミン化合物、オキサゾリジン化合物などが挙げられる。
これらの中でも、アミン類(B)のうち好ましいものは、(B1)、並びに、(B1)と少量の(B2)との混合物である。
アミン類(B)の比率は、イソシアネート基を有するポリエステルプレポリマー(A)中のイソシアネート基[NCO]と、アミン類(B)中のアミノ基[NHx]との当量比([NCO]/[NHx])として、通常1/2~2/1、好ましくは1.5/1~1/1.5、更に好ましくは1.2/1~1/1.2である。
また、ウレア変性ポリエステル中には、ウレア結合と共にウレタン結合を含有していてもよい。ウレア結合の含有量とウレタン結合の含有量とのモル比は、通常100/0~10/90であり、好ましくは80/20~20/80、更に好ましくは、60/40~30/70である。
変性ポリエステル(i)は、ワンショット法、プレポリマー法などにより製造される。変性ポリエステル(i)の重量平均分子量は、通常1万以上、好ましくは2万~1,000万、更に好ましくは3万~100万である。この時のピーク分子量は、1,000~10,000が好ましい。
変性ポリエステル(i)の数平均分子量は、後述の変性されていないポリエステル(未変性ポリエステル)(ii)を用いる場合は、特に制限はなく、重量平均分子量とするのに得やすい数平均分子量でよい。変性ポリエステル(i)単独の場合は、数平均分子量は、通常20,000以下、好ましくは1,000~10,000、更に好ましくは2,000~8,000である。
変性ポリエステル(i)を得るためのポリエステルプレポリマー(A)とアミン類(B)との架橋および/又は伸長反応には、必要により反応停止剤を用い、得られるウレア変性ポリエステルの分子量を調整することができる。反応停止剤としては、例えば、モノアミン(ジエチルアミン、ジブチルアミン、ブチルアミン、ラウリルアミン等)、およびそれらをブロックしたもの(ケチミン化合物)などが挙げられる。
(未変性ポリエステル)
結着樹脂においては、変性ポリエステル(i)が単独で使用されるだけでなく、この変性ポリエステル(i)と共に、未変性ポリエステル(ii)を結着樹脂成分として含有させることもできる。変性ポリエステル(i)と未変性ポリエステル(ii)とを併用することで、変性ポリエステル(i)を単独で使用する場合と比較して、低温定着性およびフルカラー装置に用いた場合の画像の光沢性が向上する点で好ましい。
結着樹脂においては、変性ポリエステル(i)が単独で使用されるだけでなく、この変性ポリエステル(i)と共に、未変性ポリエステル(ii)を結着樹脂成分として含有させることもできる。変性ポリエステル(i)と未変性ポリエステル(ii)とを併用することで、変性ポリエステル(i)を単独で使用する場合と比較して、低温定着性およびフルカラー装置に用いた場合の画像の光沢性が向上する点で好ましい。
未変性ポリエステル(ii)としては、変性ポリエステル(i)と同様の多価アルコール(PO)と多価カルボン酸(PC)との重縮合物などが挙げられ、好ましいものも変性ポリエステル(i)と同様である。また、未変性ポリエステル(ii)は、無変性のポリエステルだけでなく、ウレア結合以外の化学結合で変性されているものでもよく、例えば、ウレタン結合で変性されていてもよい。
変性ポリエステル(i)と未変性ポリエステル(ii)とは、少なくとも一部が相溶していることが低温定着性、耐ホットオフセット性の面で好ましい。したがって、変性ポリエステル(i)と未変性ポリエステル(ii)とは、類似の組成が好ましい。未変性ポリエステル(ii)を含有させる場合の、変性ポリエステル(i)と未変性ポリエステル(ii)との重量比は、通常5/95~80/20、好ましくは5/95~30/70、更に好ましくは5/95~25/75、特に好ましくは7/93~20/80である。
未変性ポリエステル(ii)のピーク分子量は、通常1,000~10,000、好ましくは2,000~8,000、更に好ましくは2,000~5,000である。
未変性ポリエステル(ii)の水酸基価は、5mgKOH/g以上であることが好ましく、更に好ましくは10mgKOH/g~120mgKOH/g、特に好ましくは20mgKOH/g~80mgKOH/gである。また、未変性ポリエステル(ii)の酸価は、1mgKOH/g~5mgKOH/gが好ましく、より好ましくは2mgKOH/g~4mgKOH/gである。
結着樹脂のガラス転移点(Tg)は、通常35℃~70℃、好ましくは55℃~65℃である。
結着樹脂は、以下の方法で製造することができる。
テトラブトキシチタネート、ジブチルチンオキサイド等の公知のエステル化触媒の存在下にて、多価アルコール(PO)と多価カルボン酸(PC)を150℃~280℃まで加熱し、必要により減圧しながら、生成する水を溜去して、水酸基を有するポリエステルを得る。次いで、40℃~140℃にて、これに多価イソシアネート化合物(PIC)を反応させ、イソシアネート基を有するプレポリマー(A)を得る。更にイソシアネート基を有するプレポリマー(A)にアミン類(B)を0℃~140℃にて反応させ、変性ポリエステル(i)としてのウレア変性ポリエステルを得る。
テトラブトキシチタネート、ジブチルチンオキサイド等の公知のエステル化触媒の存在下にて、多価アルコール(PO)と多価カルボン酸(PC)を150℃~280℃まで加熱し、必要により減圧しながら、生成する水を溜去して、水酸基を有するポリエステルを得る。次いで、40℃~140℃にて、これに多価イソシアネート化合物(PIC)を反応させ、イソシアネート基を有するプレポリマー(A)を得る。更にイソシアネート基を有するプレポリマー(A)にアミン類(B)を0℃~140℃にて反応させ、変性ポリエステル(i)としてのウレア変性ポリエステルを得る。
多価イソシアネート化合物(PIC)を反応させる際、およびイソシアネート基を有するプレポリマー(A)とアミン類(B)とを反応させる際には、必要により溶剤を用いることもできる。
反応に使用可能な溶剤としては、例えば、多価イソシアネート化合物(PIC)に対して不活性な溶剤が挙げられ、具体例としては、芳香族溶剤(トルエン、キシレン等);ケトン類(アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等);エステル類(酢酸エチル等);アミド類(ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、およびエーテル類(テトラヒドロフラン等)などが挙げられる。
反応に使用可能な溶剤としては、例えば、多価イソシアネート化合物(PIC)に対して不活性な溶剤が挙げられ、具体例としては、芳香族溶剤(トルエン、キシレン等);ケトン類(アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等);エステル類(酢酸エチル等);アミド類(ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等)、およびエーテル類(テトラヒドロフラン等)などが挙げられる。
結着樹脂として未変性ポリエステル(ii)を併用する場合は、水酸基を有するポリエステルと同様の方法で未変性ポリエステル(ii)を製造し、これを変性ポリエステル(i)の反応完了後の溶液に溶解し、混合する。
(シェル層材料)
シェル層材料としては、特に制限はなく、公知のトナーのシェル層に用いられる材料の中から適宜選択することができるが、高分子系保護コロイドを含むことが好ましい。高分子系保護コロイドとしては、特に制限はなく、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、α-シアノアクリル酸、α-シアノメタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、フマール酸、マレイン酸、又は無水マレイン酸等の酸類;アクリル酸-β-ヒドロキシエチル、メタクリル酸-β-ヒドロキシエチル、アクリル酸-β-ヒドロキシプロビル、メタクリル酸-β-ヒドロキシプロピル、アクリル酸-γ-ヒドロキシプロピル、メタクリル酸-γ-ヒドロキシプロピル、アクリル酸-3-クロロ2-ヒドロキシプロビル、メタクリル酸-3-クロロ-2-ヒドロキシプロピル、ジエチレングリコールモノアクリル酸エステル、ジエチレングリコールモノメタクリル酸エステル、グリセリンモノアクリル酸エステル、グリセリンモノメタクリル酸エステル、N-メチロールアクリルアミド、N-メチロールメタクリルアミド等の水酸基を含有する(メタ)アクリル系単量体;ビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル、ビニルプロピルエーテル等のビニルアルコール又はビニルアルコールとのエーテル類;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル等のビニルアルコールとカルボキシル基とを含有する化合物のエステル類;アクリルアミド、メタクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド又はこれらのメチロール化合物;アクリル酸クロライド、メタクリル酸クロライド等の酸クロライド類;ビニルピリジン、ビニルピロリドン、ビニルイミダゾール、エチレンイミン等の含窒素化合物、又はその複素環を有するものなどのホモポリマー又は共重合体;ポリオキシエチレン、ポリオキシプロピレン、ポリオキシエチレンアルキルアミン、ポリオキシプロピレンアルキルアミン、ポリオキシエチレンアルキルアミド、ポリオキシプロピレンアルキルアミド、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルフェニルエステル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエステル等のポリオキシエチレン系;メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等のセルロース類などが挙げられる。
なお、高分子系保護コロイドは、トナーの製造における水系媒体中の樹脂微粒子や無機化合物の分散を安定化させる分散剤としても作用することができる。
シェル層材料としては、特に制限はなく、公知のトナーのシェル層に用いられる材料の中から適宜選択することができるが、高分子系保護コロイドを含むことが好ましい。高分子系保護コロイドとしては、特に制限はなく、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、α-シアノアクリル酸、α-シアノメタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、フマール酸、マレイン酸、又は無水マレイン酸等の酸類;アクリル酸-β-ヒドロキシエチル、メタクリル酸-β-ヒドロキシエチル、アクリル酸-β-ヒドロキシプロビル、メタクリル酸-β-ヒドロキシプロピル、アクリル酸-γ-ヒドロキシプロピル、メタクリル酸-γ-ヒドロキシプロピル、アクリル酸-3-クロロ2-ヒドロキシプロビル、メタクリル酸-3-クロロ-2-ヒドロキシプロピル、ジエチレングリコールモノアクリル酸エステル、ジエチレングリコールモノメタクリル酸エステル、グリセリンモノアクリル酸エステル、グリセリンモノメタクリル酸エステル、N-メチロールアクリルアミド、N-メチロールメタクリルアミド等の水酸基を含有する(メタ)アクリル系単量体;ビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル、ビニルプロピルエーテル等のビニルアルコール又はビニルアルコールとのエーテル類;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル等のビニルアルコールとカルボキシル基とを含有する化合物のエステル類;アクリルアミド、メタクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド又はこれらのメチロール化合物;アクリル酸クロライド、メタクリル酸クロライド等の酸クロライド類;ビニルピリジン、ビニルピロリドン、ビニルイミダゾール、エチレンイミン等の含窒素化合物、又はその複素環を有するものなどのホモポリマー又は共重合体;ポリオキシエチレン、ポリオキシプロピレン、ポリオキシエチレンアルキルアミン、ポリオキシプロピレンアルキルアミン、ポリオキシエチレンアルキルアミド、ポリオキシプロピレンアルキルアミド、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンラウリルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルフェニルエステル、ポリオキシエチレンノニルフェニルエステル等のポリオキシエチレン系;メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等のセルロース類などが挙げられる。
なお、高分子系保護コロイドは、トナーの製造における水系媒体中の樹脂微粒子や無機化合物の分散を安定化させる分散剤としても作用することができる。
(その他の成分)
トナーにおけるその他の成分としては、特に制限はなく、トナーに使用される従来公知の成分の中から適宜選択することができ、例えば、着色剤、荷電制御剤、外添剤などが挙げられる。
トナーにおけるその他の成分としては、特に制限はなく、トナーに使用される従来公知の成分の中から適宜選択することができ、例えば、着色剤、荷電制御剤、外添剤などが挙げられる。
(着色剤)
着色剤としては、特に制限はなく、公知の染料および顔料を全て使用することができ、例えば、カーボンブラック、ニグロシン染料、鉄黒、ナフトールイエローS、ハンザイエロー(10G、5G、G)、カドミュウムイエロー、黄色酸化鉄、黄土、黄鉛、チタン黄、ポリアゾイエロー、オイルイエロー、ハンザイエロー(GR、A、RN、R)、ピグメントイエローL、ベンジジンイエロー(G、GR)、パーマネントイエロー(NCG)、バルカンファストイエロー(5G、R)、タートラジンレーキ、キノリンイエローレーキ、アンスラザンイエローBGL、イソインドリノンイエロー、ベンガラ、鉛丹、鉛朱、カドミュウムレッド、カドミュウムマーキュリレッド、アンチモン朱、パーマネントレッド4R、パラレッド、ファイセーレッド、パラクロルオルトニトロアニリンレッド、リソールファストスカーレットG、ブリリアントファストスカーレット、ブリリアントカーンミンBS、パーマネントレッド(F2R、F4R、FRL、FRLL、F4RH)、ファストスカーレットVD、ベルカンファストルビンB、ブリリアントスカーレットG、リソールルビンGX、パーマネントレッドF5R、ブリリアントカーミン6B、ピグメントスカーレット3B、ボルドー5B、トルイジンマルーン、パーマネントボルドーF2K、ヘリオボルドーBL、ボルドー10B、ボンマルーンライト、ボンマルーンメジアム、エオシンレーキ、ローダミンレーキB、ローダミンレーキY、アリザリンレーキ、チオインジゴレッドB、チオインジゴマルーン、オイルレッド、キナクリドンレッド、ピラゾロンレッド、ポリアゾレッド、クロームバーミリオン、ベンジジンオレンジ、ペリノンオレンジ、オイルオレンジ、コバルトブルー、セルリアンブルー、アルカリブルーレーキ、ピーコックブルーレーキ、ビクトリアブルーレーキ、無金属フタロシアニンブルー、フタロシアニンブルー、ファストスカイブルー、インダンスレンブルー(RS、BC)、インジゴ、群青、紺青、アントラキノンブルー、ファストバイオレットB、メチルバイオレットレーキ、コバルト紫、マンガン紫、ジオキサンバイオレット、アントラキノンバイオレット、クロムグリーン、ジンクグリーン、酸化クロム、ピリジアン、エメラルドグリーン、ピグメントグリーンB、ナフトールグリーンB、グリーンゴールド、アシッドグリーンレーキ、マラカイトグリーンレーキ、フタロシアニングリーン、アントラキノングリーン、酸化チタン、亜鉛華、リトボン、およびこれらの混合物などが挙げられる。
着色剤としては、特に制限はなく、公知の染料および顔料を全て使用することができ、例えば、カーボンブラック、ニグロシン染料、鉄黒、ナフトールイエローS、ハンザイエロー(10G、5G、G)、カドミュウムイエロー、黄色酸化鉄、黄土、黄鉛、チタン黄、ポリアゾイエロー、オイルイエロー、ハンザイエロー(GR、A、RN、R)、ピグメントイエローL、ベンジジンイエロー(G、GR)、パーマネントイエロー(NCG)、バルカンファストイエロー(5G、R)、タートラジンレーキ、キノリンイエローレーキ、アンスラザンイエローBGL、イソインドリノンイエロー、ベンガラ、鉛丹、鉛朱、カドミュウムレッド、カドミュウムマーキュリレッド、アンチモン朱、パーマネントレッド4R、パラレッド、ファイセーレッド、パラクロルオルトニトロアニリンレッド、リソールファストスカーレットG、ブリリアントファストスカーレット、ブリリアントカーンミンBS、パーマネントレッド(F2R、F4R、FRL、FRLL、F4RH)、ファストスカーレットVD、ベルカンファストルビンB、ブリリアントスカーレットG、リソールルビンGX、パーマネントレッドF5R、ブリリアントカーミン6B、ピグメントスカーレット3B、ボルドー5B、トルイジンマルーン、パーマネントボルドーF2K、ヘリオボルドーBL、ボルドー10B、ボンマルーンライト、ボンマルーンメジアム、エオシンレーキ、ローダミンレーキB、ローダミンレーキY、アリザリンレーキ、チオインジゴレッドB、チオインジゴマルーン、オイルレッド、キナクリドンレッド、ピラゾロンレッド、ポリアゾレッド、クロームバーミリオン、ベンジジンオレンジ、ペリノンオレンジ、オイルオレンジ、コバルトブルー、セルリアンブルー、アルカリブルーレーキ、ピーコックブルーレーキ、ビクトリアブルーレーキ、無金属フタロシアニンブルー、フタロシアニンブルー、ファストスカイブルー、インダンスレンブルー(RS、BC)、インジゴ、群青、紺青、アントラキノンブルー、ファストバイオレットB、メチルバイオレットレーキ、コバルト紫、マンガン紫、ジオキサンバイオレット、アントラキノンバイオレット、クロムグリーン、ジンクグリーン、酸化クロム、ピリジアン、エメラルドグリーン、ピグメントグリーンB、ナフトールグリーンB、グリーンゴールド、アシッドグリーンレーキ、マラカイトグリーンレーキ、フタロシアニングリーン、アントラキノングリーン、酸化チタン、亜鉛華、リトボン、およびこれらの混合物などが挙げられる。
トナーのガラス転移点(Tg)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。ただ、トナーのガラス転移点は40℃以上70℃以下が好ましく、45℃以上55℃以下がより好ましい。
(シェル層の厚みd)
トナーのシェル層の厚みdは、以下の1)~3)のいずれかの方法で評価することができる。
1)TEM(透過型電子顕微鏡)による観察
まずトナーをスパチュラ一杯程度エポキシ系樹脂に包埋して硬化させる。四酸化ルテニウム、あるいは四酸化オスミウムで試料を5分間ガス暴露することでシェル層とコア内部を識別染色する。ナイフで試料の断面出しをして、ウルトラミクロトーム(Leica社製 ULTRACUT UCT 、ダイヤナイフ使用)でトナーの超薄切片(200nm厚さ)を作成する。その後TEM(透過型電子顕微鏡;H7000;日立ハイテク社製)により加速電圧100kVでトナーを観察する。
2)FE-SEM(走査型電子顕微鏡)による観察
まずトナーをスパチュラ一杯程度エポキシ系樹脂に包埋して硬化させる。四酸化ルテニウム、あるいは四酸化オスミウムで試料を5分間ガス暴露することでシェル層とコア内部を識別染色する。ナイフで試料の断面出しをして、ウルトラミクロトーム(Leica社製 ULTRACUT UCT 、ダイヤナイフ使用)でトナー断面を作成する。その後FE-SEM(走査型電子顕微鏡;Ultra55;Zeiss社製)により加速電圧0.8kV~2kVで反射電子像を観察する。
シェル構造の島状の観察は、トナーを断面化せずそのまま試料台に設置して二次電子像、あるいは反射電子像にて観察できる。その際、電荷のチャージアップを防止するため加速電圧の調整実施、あるいは白金、カーボン蒸着等を実施しても良い。
3)SPMによる評価
まずトナーをスパチュラ一杯程度エポキシ系樹脂に包埋して硬化させる。ナイフでトナーを断面出しして、ウルトラミクロトーム(Leica社製 ULTRACUT UCT 、ダイヤナイフ使用)でトナー断面を作成する。その後SPM(走査型プローブ顕微鏡;MMAFM型マルチモードSPMユニット;Veeco社製)によりタッピングモードで位相イメージにより粘弾性、付着性の違いによる層イメージを観察する。
シェル構造の島状の観察は、トナーを断面化せず、そのまま試料台に設置して、トナー1粒子表面をスキャンすることで凹凸情報、位相イメージや、粘弾性イメージにより可視化可能である。
トナーのシェル層の厚みdは、以下の1)~3)のいずれかの方法で評価することができる。
1)TEM(透過型電子顕微鏡)による観察
まずトナーをスパチュラ一杯程度エポキシ系樹脂に包埋して硬化させる。四酸化ルテニウム、あるいは四酸化オスミウムで試料を5分間ガス暴露することでシェル層とコア内部を識別染色する。ナイフで試料の断面出しをして、ウルトラミクロトーム(Leica社製 ULTRACUT UCT 、ダイヤナイフ使用)でトナーの超薄切片(200nm厚さ)を作成する。その後TEM(透過型電子顕微鏡;H7000;日立ハイテク社製)により加速電圧100kVでトナーを観察する。
2)FE-SEM(走査型電子顕微鏡)による観察
まずトナーをスパチュラ一杯程度エポキシ系樹脂に包埋して硬化させる。四酸化ルテニウム、あるいは四酸化オスミウムで試料を5分間ガス暴露することでシェル層とコア内部を識別染色する。ナイフで試料の断面出しをして、ウルトラミクロトーム(Leica社製 ULTRACUT UCT 、ダイヤナイフ使用)でトナー断面を作成する。その後FE-SEM(走査型電子顕微鏡;Ultra55;Zeiss社製)により加速電圧0.8kV~2kVで反射電子像を観察する。
シェル構造の島状の観察は、トナーを断面化せずそのまま試料台に設置して二次電子像、あるいは反射電子像にて観察できる。その際、電荷のチャージアップを防止するため加速電圧の調整実施、あるいは白金、カーボン蒸着等を実施しても良い。
3)SPMによる評価
まずトナーをスパチュラ一杯程度エポキシ系樹脂に包埋して硬化させる。ナイフでトナーを断面出しして、ウルトラミクロトーム(Leica社製 ULTRACUT UCT 、ダイヤナイフ使用)でトナー断面を作成する。その後SPM(走査型プローブ顕微鏡;MMAFM型マルチモードSPMユニット;Veeco社製)によりタッピングモードで位相イメージにより粘弾性、付着性の違いによる層イメージを観察する。
シェル構造の島状の観察は、トナーを断面化せず、そのまま試料台に設置して、トナー1粒子表面をスキャンすることで凹凸情報、位相イメージや、粘弾性イメージにより可視化可能である。
本発明のトナーのシェル層の厚みdは、10nm以上100nm以下であり、70nm以下が好ましく、10nm以上70nm以下がより好ましい。
シェル層の厚みdが10nmよりも薄いと、表層の大半をシェルが覆うことになる。これにより、トナーに適度な硬さを持たせる効果が得られなくなってしまい、堅牢性に優れる定着画像を得ることができなくなってしまう。
一方、シェル層の厚みdが100nmよりも厚いと、低温定着性の効果を阻害してしまう。
シェル層の厚みdが10nmよりも薄いと、表層の大半をシェルが覆うことになる。これにより、トナーに適度な硬さを持たせる効果が得られなくなってしまい、堅牢性に優れる定着画像を得ることができなくなってしまう。
一方、シェル層の厚みdが100nmよりも厚いと、低温定着性の効果を阻害してしまう。
本発明のトナーは、その形状、大きさ等については、特に制限はない。しかしトナーは、以下のような、体積平均粒径Dv、粒度分布(体積平均粒径/個数平均粒径Dn)、平均円形度を有していることが好ましい。
(体積平均粒径Dv)
体積平均粒径(Dv)は、例えば、3μm以上7μm以下が好ましく、4μm以上6μm以下がより好ましい。
体積平均粒径が3μm以上であることにより、二成分現像剤においても、現像装置における長期の撹拌によりキャリアの表面にトナーが融着することを抑制し、キャリアの帯電能力を低下させないようにすることができる。また、トナーの体積平均粒径が7μm以下であることにより、高解像で高画質の画像を得ることができる。更に、現像剤中のトナーの収支が行われた場合にトナーの粒径の変動を小さくすることができる。
体積平均粒径(Dv)は、例えば、3μm以上7μm以下が好ましく、4μm以上6μm以下がより好ましい。
体積平均粒径が3μm以上であることにより、二成分現像剤においても、現像装置における長期の撹拌によりキャリアの表面にトナーが融着することを抑制し、キャリアの帯電能力を低下させないようにすることができる。また、トナーの体積平均粒径が7μm以下であることにより、高解像で高画質の画像を得ることができる。更に、現像剤中のトナーの収支が行われた場合にトナーの粒径の変動を小さくすることができる。
(粒度分布(体積平均粒径Dv/個数平均粒径Dn))
粒度分布(体積平均粒径Dv/個数平均粒径Dn)は、1.00~1.20が好ましく、1.10~1.18がより好ましい。
体積平均粒径(Dv)と個数平均粒径(Dn)、その比(Dv/Dn)は、粒度測定器(「マルチサイザーIII」、ベックマンコールター社製)を用い、アパーチャー径100μmで測定し、解析ソフト(Beckman Coulter Multisizer 3 Version3.51)にて解析を行った。具体的にはガラス製100mlビーカーに10wt%界面活性剤(アルキルベンゼンスルホン酸塩ネオゲンSC-A;第一工業製薬社製)を0.5ml添加し、各トナー0.5g添加しミクロスパーテルでかき混ぜ、次いでイオン交換水80mlを添加した。得られた分散液を超音波分散器(W-113MK-II本多電子社製)で10分間分散処理した。分散液にマルチサイザーIIIを用い、測定用溶液としてアイソトンIII(ベックマンコールター製)を用いて測定を行った。測定は装置が示す濃度が8±2%に成るようにトナーサンプル分散液を滴下した。
粒度分布(体積平均粒径Dv/個数平均粒径Dn)は、1.00~1.20が好ましく、1.10~1.18がより好ましい。
体積平均粒径(Dv)と個数平均粒径(Dn)、その比(Dv/Dn)は、粒度測定器(「マルチサイザーIII」、ベックマンコールター社製)を用い、アパーチャー径100μmで測定し、解析ソフト(Beckman Coulter Multisizer 3 Version3.51)にて解析を行った。具体的にはガラス製100mlビーカーに10wt%界面活性剤(アルキルベンゼンスルホン酸塩ネオゲンSC-A;第一工業製薬社製)を0.5ml添加し、各トナー0.5g添加しミクロスパーテルでかき混ぜ、次いでイオン交換水80mlを添加した。得られた分散液を超音波分散器(W-113MK-II本多電子社製)で10分間分散処理した。分散液にマルチサイザーIIIを用い、測定用溶液としてアイソトンIII(ベックマンコールター製)を用いて測定を行った。測定は装置が示す濃度が8±2%に成るようにトナーサンプル分散液を滴下した。
(平均円形度)
平均円形度は、トナーの形状と投影面積の等しい相当円の周囲長を実在粒子の周囲長で除した値であり、例えば、0.950~0.980が好ましく、0.960~0.975がより好ましい。
平均円形度が0.950以上であることにより、満足できる転写性やチリのない高画質画像を得られるようになる。また、平均円形度が0.980以下であることにより、クリーニング性を良好にすることができ、高画質の画像を得ることができる。即ち、ブレードクリーニング等を採用している画像形成システムにおいては、感光体上及び転写ベルト等のクリーニング性が向上する。これにより、画像上の汚れが発生することを抑制できる。この画像上の汚れとは、例えば、写真画像等の画像面積率の高い画像の形成動作時において、給紙不良等で感光体上に未転写のトナー画像が残留し、かつ、ブレードによってクリーニングされなかった場合に、以降の画像形成動作時に、用紙に画像の地汚れが発生することである。また、感光体を接触帯電させる帯電ローラ等の汚染を抑制でき、本来の帯電能力を充分に発揮させることができる。
平均円形度は、フロー式粒子像分析装置(FPIA-3000、シスメックス社製)により求めた。
不純固形物をあらかじめ除去した容器を用い、水100~150ml中に分散剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩を0.1~0.5ml加え、更にトナーを0.1~0.5g程度加えた。試料を分散した懸濁液について超音波分散器で約1~3分間分散処理を行い、分散液濃度を3000~10000個/μlとした後、装置によりトナーの形状及び分布を測定することによって、平均円形度を得た。
平均円形度は、トナーの形状と投影面積の等しい相当円の周囲長を実在粒子の周囲長で除した値であり、例えば、0.950~0.980が好ましく、0.960~0.975がより好ましい。
平均円形度が0.950以上であることにより、満足できる転写性やチリのない高画質画像を得られるようになる。また、平均円形度が0.980以下であることにより、クリーニング性を良好にすることができ、高画質の画像を得ることができる。即ち、ブレードクリーニング等を採用している画像形成システムにおいては、感光体上及び転写ベルト等のクリーニング性が向上する。これにより、画像上の汚れが発生することを抑制できる。この画像上の汚れとは、例えば、写真画像等の画像面積率の高い画像の形成動作時において、給紙不良等で感光体上に未転写のトナー画像が残留し、かつ、ブレードによってクリーニングされなかった場合に、以降の画像形成動作時に、用紙に画像の地汚れが発生することである。また、感光体を接触帯電させる帯電ローラ等の汚染を抑制でき、本来の帯電能力を充分に発揮させることができる。
平均円形度は、フロー式粒子像分析装置(FPIA-3000、シスメックス社製)により求めた。
不純固形物をあらかじめ除去した容器を用い、水100~150ml中に分散剤としてアルキルベンゼンスルホン酸塩を0.1~0.5ml加え、更にトナーを0.1~0.5g程度加えた。試料を分散した懸濁液について超音波分散器で約1~3分間分散処理を行い、分散液濃度を3000~10000個/μlとした後、装置によりトナーの形状及び分布を測定することによって、平均円形度を得た。
着色剤の含有量は、トナーに対して、通常1質量%~15質量%、好ましくは3質量%~10質量%である。
着色剤は、樹脂と複合化されたマスターバッチとして用いることもできる。
マスターバッチの製造、又はマスターバッチとともに混練される樹脂としては、ポリスチレン、ポリ-p-クロロスチレン、ポリビニルトルエン等のスチレンおよびその置換体の重合体、あるいはこれらとビニル化合物との共重合体、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、エポキシポリオール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリアクリル酸樹脂、ロジン、変性ロジン、テルペン樹脂、脂肪族又は脂環族炭化水素樹脂、芳香族系石油樹脂などが挙げられ、単独あるいは混合して使用できる。
マスターバッチの製造、又はマスターバッチとともに混練される樹脂としては、ポリスチレン、ポリ-p-クロロスチレン、ポリビニルトルエン等のスチレンおよびその置換体の重合体、あるいはこれらとビニル化合物との共重合体、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、エポキシポリオール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリアクリル酸樹脂、ロジン、変性ロジン、テルペン樹脂、脂肪族又は脂環族炭化水素樹脂、芳香族系石油樹脂などが挙げられ、単独あるいは混合して使用できる。
マスターバッチは、マスターバッチ用の樹脂と着色剤とを高せん断力をかけて混合および混練して得ることができる。この際、着色剤と樹脂との相互作用を高めるために、有機溶剤を用いることができる。また、いわゆるフラッシング法と呼ばれる着色剤の水を含んだ水性ペーストを樹脂と有機溶剤と共に混合および混練し、着色剤を樹脂側に移行させ、水分と有機溶剤成分とを除去する方法も好ましい。つまり、この方法では、着色剤のウエットケーキをそのまま用いることができ、乾燥する必要がないという利点がある。混合および混練するためには、3本ロールミル等の高せん断分散装置が好ましく用いられる。
(荷電制御剤)
荷電制御剤としては、従来公知のものを使用することができ、例えば、ニグロシン系染料、トリフェニルメタン系染料、クロム含有金属錯体染料、モリブデン酸キレート顔料、ローダミン系染料、アルコキシ系アミン、4級アンモニウム塩(フッ素変性4級アンモニウム塩を含む)、アルキルアミド、燐の単体又は化合物、タングステンの単体又は化合物、フッ素系活性剤、サリチル酸金属塩、サリチル酸誘導体の金属塩などが挙げられる。
荷電制御剤としては、従来公知のものを使用することができ、例えば、ニグロシン系染料、トリフェニルメタン系染料、クロム含有金属錯体染料、モリブデン酸キレート顔料、ローダミン系染料、アルコキシ系アミン、4級アンモニウム塩(フッ素変性4級アンモニウム塩を含む)、アルキルアミド、燐の単体又は化合物、タングステンの単体又は化合物、フッ素系活性剤、サリチル酸金属塩、サリチル酸誘導体の金属塩などが挙げられる。
具体的には、荷電制御剤としては、ニグロシン系染料のボントロン03、4級アンモニウム塩のボントロンP-51、含金属アゾ染料のボントロンS-34、オキシナフトエ酸系金属錯体のE-82、サリチル酸系金属錯体のE-84、フェノール系縮合物のE-89(以上、オリエント化学工業株式会社製)、4級アンモニウム塩モリブデン錯体のTP-302、TP-415(以上、保土谷化学工業株式会社製)、4級アンモニウム塩のコピーチャージPSY VP2038、トリフェニルメタン誘導体のコピーブルーPR、4級アンモニウム塩のコピーチャージ NEG VP2036、コピーチャージ NX VP434(以上、ヘキスト社製)、LRA-901、ホウ素錯体であるLR-147(日本カーリット株式会社製)、銅フタロシアニン、ペリレン、キナクリドン、アゾ系顔料、その他スルホン酸基、カルボキシル基、4級アンモニウム塩等の官能基を有する高分子系の化合物などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、特にトナーを負極性に制御する物質が好ましく使用される。
荷電制御剤の使用量は、結着樹脂の種類、必要に応じて使用される添加剤の有無、分散方法を含めたトナーの製造方法などによって決定されるもので、一義的に限定されるものではない。ただ、好ましくは、結着樹脂100質量部に対して、0.1質量部~10質量部の範囲で荷電制御剤が用いられ、より好ましくは、0.2質量部~5質量部の範囲で用いられる。
(外添剤)
外添剤としては、従来公知のものを使用することができるが、トナー粒子の流動性、現像性、および帯電性を補助するための外添剤として、無機微粒子が好ましく用いられる。
外添剤としては、従来公知のものを使用することができるが、トナー粒子の流動性、現像性、および帯電性を補助するための外添剤として、無機微粒子が好ましく用いられる。
無機微粒子の一次粒子径は、特に制限はないが、5×10-3μm~2μmであることが好ましく、5×10-3μm~0.5μmであることが特に好ましい。
無機微粒子のBET法による比表面積は、特に制限はないが、20m2/g~500m2/gであることが好ましい。
無機微粒子の使用割合としては、特に制限はないが、トナーに対して、0.01質量%~5質量%であることが好ましく、0.01質量%~2.0質量%であることが特に好ましい。
無機微粒子の具体例としては、シリカ、アルミナ、酸化チタン、チタン酸バリウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、酸化亜鉛、酸化スズ、ケイ砂、クレー、雲母、ケイ灰石、ケイソウ土、酸化クロム、酸化セリウム、ベンガラ、三酸化アンチモン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、硫酸バリウム、炭酸バリウム、炭酸カルシウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素などが挙げられる。また、無機微粒子としては、例えば、ソープフリー乳化重合法、懸濁重合法、又は分散重合法によって得られるポリスチレン等の高分子系微粒子;メタクリル酸エステルやアクリル酸エステルの共重合体;シリコーン、ベンゾグアナミン、ナイロン等の重縮合系;熱硬化性樹脂による重合体粒子などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
外添剤は、高湿度下においても流動特性や帯電特性の悪化を防止することができる点で、表面処理が行われ、疎水性が向上したものであることが好ましい。
外添剤に用いられる表面処理剤としては、例えば、シランカップリング剤(例えば、フッ化アルキル基を有するシランカップリング剤等)、シリル化剤、有機チタネート系カップリング剤、アルミニウム系のカップリング剤、シリコーンオイル、変性シリコーンオイルなどが挙げられる。
これらの中でも、外添剤としては、シリカ、酸化チタンに表面処理を施して得られる、疎水性シリカ、疎水性酸化チタンを用いることが好ましい。
トナーは、磁性キャリアを使用しない1成分系の磁性トナー或いは、非磁性トナーとしても用いることができる。また、トナーを2成分系現像剤に用いる場合には、磁性キャリアと混合して用いればよい。
磁性キャリアとしては、特に制限はないが、鉄、マグネタイト、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)等の2価の金属を含むフェライトであって、体積平均粒径が20μm~100μmのものが好ましい。また、Znを含むCuフェライトは飽和磁化が高いことから好ましいが、画像形成装置のプロセスにあわせて適宜選択することができる。
磁性キャリアを被覆する樹脂としては、特に制限はなく、例えば、シリコーン樹脂、スチレン-アクリル樹脂、含フッ素樹脂、オレフィン樹脂などが挙げられる。
磁性キャリアの製造方法は、樹脂により被覆された樹脂(コーティング樹脂)を溶媒中に溶解し、流動層中にスプレーしコア上に被覆してもよく、また、樹脂粒子を静電的に核粒子に付着させた後に熱溶融させて被覆してもよい。
被覆される樹脂の厚さは、特に制限はないが、好ましくは0.05μm~10μm、より好ましくは0.3μm~4μmである。
(トナーの製造方法)
トナーの製造方法について、以下に説明する。ここでは、トナーのコア粒子の製造方法の好ましい態様として、いわゆる溶解懸濁法について示すが、この方法に限られるものではなく、粉砕法、(乳化)凝集法などの方法により製造されたトナーのコア粒子であってもよい。
トナーの製造は、以下の1)~4)により行われることが好ましく、以下の5)を更に含むことがより好ましい。
トナーの製造方法について、以下に説明する。ここでは、トナーのコア粒子の製造方法の好ましい態様として、いわゆる溶解懸濁法について示すが、この方法に限られるものではなく、粉砕法、(乳化)凝集法などの方法により製造されたトナーのコア粒子であってもよい。
トナーの製造は、以下の1)~4)により行われることが好ましく、以下の5)を更に含むことがより好ましい。
1)イソシアネート基を有するポリエステルプレポリマー(A)、およびワックス、好ましくは未変性ポリエステル(i)、更に必要に応じて着色剤を有機溶媒中に分散させトナー材料液(コア材料液)を作る。
有機溶媒としては、特に制限はないが、沸点が100℃未満の揮発性の有機溶剤であることが、トナー母体粒子形成後の除去が容易である点から好ましい。有機溶剤の具体例としては、トルエン、キシレン、ベンゼン、四塩化炭素、塩化メチレン、1,2-ジクロロエタン、1,1,2-トリクロロエタン、トリクロロエチレン、クロロホルム、モノクロロベンゼン、ジクロロエチリデン、酢酸メチル、酢酸エチル、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトンなどを、単独あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、有機溶剤は、トルエン、キシレン等の芳香族系溶媒、および塩化メチレン、1,2-ジクロロエタン、クロロホルム、四塩化炭素等のハロゲン化炭化水素が特に好ましい。
有機溶媒の使用量は、イソシアネート基を有するポリエステルプレポリマー(A)100質量部に対して、通常0質量部~300質量部、好ましくは0質量部~100質量部、更に好ましくは25質量部~70質量部である。
2)上記1)で得られたトナー材料液を、水系媒体中で乳化させる。トナー材料の水系媒体中での分散性を良好にするために、界面活性剤、樹脂微粒子、無機化合物等の分散剤を適宜加えてもよい。
水系媒体としては、水単独であってもよく、アルコール(メタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール等)、ジメチルホルムアミド、テトラヒドロフラン、セルソルブ類(メチルセルソルブ等)、低級ケトン類(アセトン、メチルエチルケトン等)などの有機溶媒を含むものであってもよい。
水系媒体の使用量は、トナー材料液100質量部に対して、通常50質量部~2,000質量部、好ましくは100質量部~1,000質量部である。
水系媒体に分散させる樹脂微粒子のTgは、好ましくは50℃~110℃、より好ましくは50℃~90℃、更に好ましくは50℃~70℃である。
また、樹脂微粒子の重量平均分子量は、好ましくは10万以下、より好ましくは5万以下であり、その下限値は、通常、4,000である。
また、樹脂微粒子の重量平均分子量は、好ましくは10万以下、より好ましくは5万以下であり、その下限値は、通常、4,000である。
界面活性剤としては、特に制限はなく、例えば、アルキルベンゼンスルホン酸塩、α-オレフィンスルホン酸塩、リン酸エステル等のアニオン性界面活性剤;アルキルアミン塩、アミノアルコール脂肪酸誘導体、ポリアミン脂肪酸誘導体、イミダゾリン等のアミン塩型のカチオン性界面活性剤;アルキルトリメチルアンモニム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルジメチルベンジルアンモニウム塩、ピリジニウム塩、アルキルイソキノリニウム塩、塩化ベンゼトニウム等の4級アンモニウム塩型のカチオン性界面活性剤;脂肪酸アミド誘導体、多価アルコール誘導体等の非イオン界面活性剤;アラニン、ドデシルジ(アミノエチル)グリシン、ジ(オクチルアミノエチル)グリシン、N-アルキル-N,N-ジメチルアンモニウムベタイン等の両性界面活性剤などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい
また、フルオロアルキル基を有する界面活性剤を用いることにより、非常に少量でその効果をあげることができる。
好ましく用いられるフルオロアルキル基を有するアニオン性界面活性剤としては、炭素数2~10のフルオロアルキルカルボン酸およびその金属塩、パーフルオロオクタンスルホニルグルタミン酸ジナトリウム、3-[ω-フルオロアルキル(C6~C11)オキシ]-1-アルキル(C3~C4)スルホン酸ナトリウム、3-[ω-フルオロアルカノイル(C6~C8)-N-エチルアミノ]-1-プロパンスルホン酸ナトリウム、フルオロアルキル(C11~C20)カルボン酸および金属塩、パーフルオロアルキルカルボン酸(C7~C13)およびその金属塩、パーフルオロアルキル(C4~C12)スルホン酸およびその金属塩、パーフルオロオクタンスルホン酸ジエタノールアミド、N-プロピル-N-(2-ヒドロキシエチル)パーフルオロオクタンスルホンアミド、パーフルオロアルキル(C6~C10)スルホンアミドプロピルトリメチルアンモニウム塩、パーフルオロアルキル(C6~C10)-N-エチルスルホニルグリシン塩、モノパーフルオロアルキル(C6~C16)エチルリン酸エステルなどが挙げられる。なお、「C」は、炭素数を示す。
好ましく用いられるフルオロアルキル基を有するアニオン性界面活性剤としては、炭素数2~10のフルオロアルキルカルボン酸およびその金属塩、パーフルオロオクタンスルホニルグルタミン酸ジナトリウム、3-[ω-フルオロアルキル(C6~C11)オキシ]-1-アルキル(C3~C4)スルホン酸ナトリウム、3-[ω-フルオロアルカノイル(C6~C8)-N-エチルアミノ]-1-プロパンスルホン酸ナトリウム、フルオロアルキル(C11~C20)カルボン酸および金属塩、パーフルオロアルキルカルボン酸(C7~C13)およびその金属塩、パーフルオロアルキル(C4~C12)スルホン酸およびその金属塩、パーフルオロオクタンスルホン酸ジエタノールアミド、N-プロピル-N-(2-ヒドロキシエチル)パーフルオロオクタンスルホンアミド、パーフルオロアルキル(C6~C10)スルホンアミドプロピルトリメチルアンモニウム塩、パーフルオロアルキル(C6~C10)-N-エチルスルホニルグリシン塩、モノパーフルオロアルキル(C6~C16)エチルリン酸エステルなどが挙げられる。なお、「C」は、炭素数を示す。
フルオロアルキル基を有するアニオン性界面活性剤の市販品としては、例えば、商品名で、サーフロンS-111、サーフロンS-112、サーフロンS-113(以上、AGCセイミケミカル株式会社製)、フロラードFC-93、フロラードFC-95、フロラードFC-98、フロラードFC-129(以上、住友スリーエム株式会社製)、ユニダインDS-101、ユニダインDS-102(以上、ダイキン工業株式会社製)、メガファックF-110、メガファックF-120、メガファックF-113、メガファックF-191、メガファックF-812、メガファックF-833(以上、DIC株式会社製)、エフトップEF-102、エフトップEF-103、エフトップEF-104、エフトップEF-105、エフトップEF-112、エフトップEF-123A、エフトップEF-123B、エフトップEF-306A、エフトップEF-501、エフトップEF-201、エフトップEF-204、(以上、三菱マテリアル電子化成株式会社製)、フタージェント100、フタージェント150(株式会社ネオス製)などが挙げられる。
また、フルオロアルキル基を有するカチオン性界面活性剤としては、フルオロアルキル基を有する脂肪族1級若しくは2級アミン酸、パーフルオロアルキル(C6~C10)スルホンアミドプロピルトリメチルアンモニウム塩等の脂肪族4級アンモニウム塩、ベンザルコニウム塩、塩化ベンゼトニウム、ピリジニウム塩、イミダゾリニウム塩などが挙げられる。
フルオロアルキル基を有するカチオン性界面活性剤の市販品としては、例えば、製品名で、商品名で、サーフロンS-121(AGCセイミケミカル株式会社製)、フロラードFC-135(住友スリーエム株式会社製)、ユニダインDS-202(ダイキン工業株式会社製)、メガファックF-150、メガファックF-824(以上、DIC株式会社製)、エフトップEF-132(三菱マテリアル電子化成株式会社製)、フタージェント300(株式会社ネオス製)などが挙げられる。
樹脂微粒子は、水性分散体を形成しうる樹脂微粒子であれば公知の樹脂微粒子を使用することができ、熱可塑性樹脂であってもよく、熱硬化性樹脂であってもよい。樹脂微粒子としては、例えば、ビニル系樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、樹脂微粒子は、微細球状樹脂粒子の水性分散体が得られやすい点から、ビニル系樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリスチレン樹脂、又はそれらの併用樹脂からなるものが好ましい。
ビニル系樹脂としては、ビニル系モノマーを単独重合又は共重合したポリマーで、例えば、スチレン-アクリル酸エステル樹脂、スチレン-メタクリル酸エステル樹脂、スチレン-ブタジエン共重合体、アクリル酸-アクリル酸エステル重合体、メタクリル酸-アクリル酸エステル重合体、スチレン-アクリロニトリル共重合体、スチレン-無水マレイン酸共重合体、スチレン-アクリル酸共重合体、スチレン-メタクリル酸共重合体などが挙げられる。
樹脂微粒子の具体例としては、ポリメタクリル酸メチル微粒子、ポリスチレン微粒子、ポリ(スチレン―アクリロニトリル)微粒などが挙げられる。
樹脂微粒子の市販品としては、例えば、商品名で、PB-200H(花王株式会社社製)、SGP-3G(以上、綜研化学株式会社製)、テクノポリマーSB(積水化成品工業株式会社製)、ミクロパール(積水ファインケミカル株式会社製)などが挙げられる。
樹脂微粒子は、水系媒体中で形成されるトナー母体粒子を安定化させるため、又は、ワックスのトナー最表面への露出を防ぐために加えられる。このために、樹脂微粒子は、トナー母体粒子の表面上に存在する被覆率が10%~90%の範囲になるように加えられることが好ましい。
樹脂微粒子の体積平均粒径は、光散乱光度計(大塚電子株式会社製)にて測定した値で、好ましくは200nm~300nmである。
無機化合物としては、特に制限はなく、例えば、リン酸三カルシウム、炭酸カルシウム、酸化チタン、コロイダルシリカ、ヒドロキシアパタイトなどが挙げられる。
分散の方法としては、特に制限はないが、低速せん断式、高速せん断式、摩擦式、高圧ジェット式、超音波などの公知の設備を適用することができる。これらの中でも、分散体の粒径を2μm~20μmにするために、高速せん断式が好ましい。高速せん断式分散機を使用した場合、回転数としては、特に制限はないが、通常1,000rpm~30,000rpm、好ましくは5,000rpm~20,000rpmである。分散時間としては、特に制限はないが、バッチ方式の場合は、通常0.1分間~5分間である。分散時の温度としては、通常、0℃~150℃(加圧下)、好ましくは40℃~98℃である。
3)乳化液の作製と同時に、アミン類(B)を添加し、イソシアネート基を有するポリエステルプレポリマー(A)との反応を行わせる。
この反応は、分子鎖の架橋および/又は伸長を伴う。反応時間としては特に制限はなく、ポリエステルプレポリマー(A)の有するイソシアネート基構造とアミン類(B)との反応性により選択されるが、通常10分間~40時間、好ましくは2時間~24時間である。反応温度としては、特に制限はないが、通常、0℃~150℃、好ましくは40℃~98℃である。また、必要に応じて公知の触媒を使用することができる。触媒としては、具体的にはジブチルチンラウレート、ジオクチルチンラウレートなどが挙げられる。
この反応は、分子鎖の架橋および/又は伸長を伴う。反応時間としては特に制限はなく、ポリエステルプレポリマー(A)の有するイソシアネート基構造とアミン類(B)との反応性により選択されるが、通常10分間~40時間、好ましくは2時間~24時間である。反応温度としては、特に制限はないが、通常、0℃~150℃、好ましくは40℃~98℃である。また、必要に応じて公知の触媒を使用することができる。触媒としては、具体的にはジブチルチンラウレート、ジオクチルチンラウレートなどが挙げられる。
4)上記3)の反応終了後、得られた乳化分散体(反応物)から有機溶媒を除去し、洗浄および乾燥してトナー母体粒子を得る。
有機溶媒を除去するためには、系全体を徐々に層流の攪拌状態で昇温し、一定の温度域で強い攪拌を与えた後、脱溶媒を行うことで紡錘形のトナー母体粒子を作製することができる。また、分散剤としてリン酸カルシウム塩等の酸やアルカリに溶解可能な物を用いた場合は、塩酸等の酸により、リン酸カルシウム塩を溶解した後、水洗するなどの方法によって、トナー母体粒子からリン酸カルシウム塩を除去する。その他酵素による分解などの操作によっても除去できる。
有機溶媒を除去するためには、系全体を徐々に層流の攪拌状態で昇温し、一定の温度域で強い攪拌を与えた後、脱溶媒を行うことで紡錘形のトナー母体粒子を作製することができる。また、分散剤としてリン酸カルシウム塩等の酸やアルカリに溶解可能な物を用いた場合は、塩酸等の酸により、リン酸カルシウム塩を溶解した後、水洗するなどの方法によって、トナー母体粒子からリン酸カルシウム塩を除去する。その他酵素による分解などの操作によっても除去できる。
5)上記4)で得られたトナー母体粒子に、必要に応じて荷電制御剤を打ち込み、次いで、外添剤としてのシリカ微粒子、酸化チタン微粒子等の無機微粒子を外添させ、トナーを得る。
荷電制御剤の打ち込みおよび無機微粒子の外添は、ミキサー等を用いた公知の方法によって行われる。これにより、小粒径であって、粒径分布のシャープなトナーを容易に得ることができる。更に、有機溶媒を除去する工程で強い攪拌を与えることで、真球状からラクビーボール状の間の形状を制御することができ、更に、表面のモフォロジーも滑らかなものから梅干形状の間で制御することができる。
荷電制御剤の打ち込みおよび無機微粒子の外添は、ミキサー等を用いた公知の方法によって行われる。これにより、小粒径であって、粒径分布のシャープなトナーを容易に得ることができる。更に、有機溶媒を除去する工程で強い攪拌を与えることで、真球状からラクビーボール状の間の形状を制御することができ、更に、表面のモフォロジーも滑らかなものから梅干形状の間で制御することができる。
次に、本実施形態のトナーや2成分現像剤の製造方法について説明する。以下の説明において、「部」は「質量部」を示す。
2成分現像剤に用いる磁性キャリアは、各実施例とも共通して以下のものを用いた。
(磁性キャリアの製造)
・芯材 Cu-Znフェライト粒子(重量平均粒径:35μm) 5,000部
・コート材
トルエン 450部
シリコーン樹脂SR2400
(東レ・ダウコーニング・シリコーン製、不揮発分50%) 450部
アミノシランSH6020
(東レ・ダウコーニング・シリコーン製) 10部
カーボンブラック 10部
(磁性キャリアの製造)
・芯材 Cu-Znフェライト粒子(重量平均粒径:35μm) 5,000部
・コート材
トルエン 450部
シリコーン樹脂SR2400
(東レ・ダウコーニング・シリコーン製、不揮発分50%) 450部
アミノシランSH6020
(東レ・ダウコーニング・シリコーン製) 10部
カーボンブラック 10部
コート材を10分間スターラーで分散してコート液を調製する。そして、このコート液と芯材とを、流動床内に回転式底板ディスクと攪拌羽根を設けた旋回流を形成させながらコートを行うコーティング装置に投入して、コート液を芯材上に塗布した。得られた塗布物を電気炉で250℃、2時間焼成し、シリコーン樹脂により0.5μmの平均厚さでコーティングされた磁性キャリアを得た。
(2成分現像剤の作製)
上記磁性キャリア100質量部に対し、以下に示すトナー7質量部を、容器が転動して攪拌される型式のターブラーミキサーを用いて均一混合し帯電させて、2成分現像剤を作製した。
上記磁性キャリア100質量部に対し、以下に示すトナー7質量部を、容器が転動して攪拌される型式のターブラーミキサーを用いて均一混合し帯電させて、2成分現像剤を作製した。
(ビニル樹脂の分散液1の調製)
撹拌棒および温度計をセットした反応容器中に、イオン交換水683部、メタクリル酸のエチレンオキサイド付加物の硫酸エステルのナトリウム塩(エレミノールRS-30、三洋化成工業株式会社製)11部、ポリ乳酸10部、スチレン60部、メタクリル酸100部、アクリル酸ブチル70部、および過硫酸アンモニウム1部を入れ、回転数3,800rpmで30分間撹拌した後、75℃まで昇温して4時間反応させた後、1質量%過硫酸アンモニウム水溶液30部を加えて、75℃で6時間熟成して、ビニル樹脂の水性分散液として[ビニル樹脂の分散液1]を得た。レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(LA-920、株式会社堀場製作所社製)を用いて、[ビニル樹脂の分散液1]の体積平均粒径を測定したところ、280nmであった。また、[ビニル樹脂の分散液1]の一部を乾燥して、[ビニル樹脂の分散液1]に含まれるビニル樹脂を単離した。ビニル樹脂のTgは59℃であり、重量平均分子量は60,000であった。
撹拌棒および温度計をセットした反応容器中に、イオン交換水683部、メタクリル酸のエチレンオキサイド付加物の硫酸エステルのナトリウム塩(エレミノールRS-30、三洋化成工業株式会社製)11部、ポリ乳酸10部、スチレン60部、メタクリル酸100部、アクリル酸ブチル70部、および過硫酸アンモニウム1部を入れ、回転数3,800rpmで30分間撹拌した後、75℃まで昇温して4時間反応させた後、1質量%過硫酸アンモニウム水溶液30部を加えて、75℃で6時間熟成して、ビニル樹脂の水性分散液として[ビニル樹脂の分散液1]を得た。レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置(LA-920、株式会社堀場製作所社製)を用いて、[ビニル樹脂の分散液1]の体積平均粒径を測定したところ、280nmであった。また、[ビニル樹脂の分散液1]の一部を乾燥して、[ビニル樹脂の分散液1]に含まれるビニル樹脂を単離した。ビニル樹脂のTgは59℃であり、重量平均分子量は60,000であった。
(水相の調製)
水990部、[ビニル樹脂の分散液1]83部、ドデシルジフェニルエーテルジスルホン酸ナトリウムの48.3質量%水溶液(エレミノールMON-7、三洋化成工業株式会社製)37部、および酢酸エチル90部を混合撹拌し、乳白色の液体を得た。これを[水相1]とした。
水990部、[ビニル樹脂の分散液1]83部、ドデシルジフェニルエーテルジスルホン酸ナトリウムの48.3質量%水溶液(エレミノールMON-7、三洋化成工業株式会社製)37部、および酢酸エチル90部を混合撹拌し、乳白色の液体を得た。これを[水相1]とした。
(低分子ポリエステルの合成)
冷却管、撹拌機、および窒素導入管の付いた反応容器中に、ビスフェノールAエチレンオキサイド2モル付加物724部、およびテレフタル酸276部を入れ、常圧下230℃で7時間重縮合し、更に10mmHg~15mmHgの減圧下で5時間反応して[低分子ポリエステル1]を得た。[低分子ポリエステル1]は、数平均分子量2,300、重量平均分子量6,700、ピーク分子量3,800、Tg43℃、酸価4mgKOH/gであった。
冷却管、撹拌機、および窒素導入管の付いた反応容器中に、ビスフェノールAエチレンオキサイド2モル付加物724部、およびテレフタル酸276部を入れ、常圧下230℃で7時間重縮合し、更に10mmHg~15mmHgの減圧下で5時間反応して[低分子ポリエステル1]を得た。[低分子ポリエステル1]は、数平均分子量2,300、重量平均分子量6,700、ピーク分子量3,800、Tg43℃、酸価4mgKOH/gであった。
(中間体ポリエステルの合成)
冷却管、撹拌機、および窒索導入管の付いた反応容器中に、ビスフェノールAエチレンオキサイド2モル付加物682部、ビスフェノールAプロピレンオキサイド2モル付加物81部、テレフタル酸283部、無水トリメリット酸22部、およびジブチルチンオキサイド2部を入れ、常圧下230℃で7時間反応し、更に10mmHg~15mmHgの減圧で5時間反応して[中間体ポリエステル1]を得た。[中間体ポリエステル1]は、数平均分子量2,200、重量平均分子量9,700、ピーク分子量3,000、Tg54℃、酸価0.5mgKOH/g、水酸基価52mgKOH/gであった。
次に、冷却管、撹拌機、および窒素導入管の付いた反応容器中に、[中間体ポリエステル1]410部、イソホロンジイソシアネート89部、および酢酸エチル500部を入れ、100℃で5時間反応し、[プレポリマー1]を得た。[プレポリマー1]の遊離イソシアネート質量%は、1.53質量%であった。
冷却管、撹拌機、および窒索導入管の付いた反応容器中に、ビスフェノールAエチレンオキサイド2モル付加物682部、ビスフェノールAプロピレンオキサイド2モル付加物81部、テレフタル酸283部、無水トリメリット酸22部、およびジブチルチンオキサイド2部を入れ、常圧下230℃で7時間反応し、更に10mmHg~15mmHgの減圧で5時間反応して[中間体ポリエステル1]を得た。[中間体ポリエステル1]は、数平均分子量2,200、重量平均分子量9,700、ピーク分子量3,000、Tg54℃、酸価0.5mgKOH/g、水酸基価52mgKOH/gであった。
次に、冷却管、撹拌機、および窒素導入管の付いた反応容器中に、[中間体ポリエステル1]410部、イソホロンジイソシアネート89部、および酢酸エチル500部を入れ、100℃で5時間反応し、[プレポリマー1]を得た。[プレポリマー1]の遊離イソシアネート質量%は、1.53質量%であった。
(ケチミンの合成)
撹拌棒および温度計をセットした反応容器中に、イソホロンジアミン170部およびメチルエチルケトン75部を入れ、50℃で4時間半反応を行い、[ケチミン化合物1]を得た。[ケチミン化合物1]のアミン価は417mgKOH/gであった。
撹拌棒および温度計をセットした反応容器中に、イソホロンジアミン170部およびメチルエチルケトン75部を入れ、50℃で4時間半反応を行い、[ケチミン化合物1]を得た。[ケチミン化合物1]のアミン価は417mgKOH/gであった。
(マスターバッチの合成)
水1,200部、カーボンブラック(Printex35、デグサ製)540部[DBP吸油量=42ml/100mg、pH=9.5]およびポリエステル樹脂1,200部を加え、FMミキサー(日本コークス工業株式会社製)で混合し、得られた混合物を、2本ロールを用いて130℃で1時間混練後、圧延冷却し、パルペライザーで粉砕し、[マスターバッチ1]を得た。
水1,200部、カーボンブラック(Printex35、デグサ製)540部[DBP吸油量=42ml/100mg、pH=9.5]およびポリエステル樹脂1,200部を加え、FMミキサー(日本コークス工業株式会社製)で混合し、得られた混合物を、2本ロールを用いて130℃で1時間混練後、圧延冷却し、パルペライザーで粉砕し、[マスターバッチ1]を得た。
(油相の作製)
撹拌棒および温度計をセットした反応容器中に、[低分子ポリエステル1]378部、カルナウバワックス100部、および酢酸エチル947部を仕込み、撹拌下80℃に昇温し、80℃のまま5時間保持した後、1時間で30℃に冷却した。次いで、容器に[マスターバッチ1]500部および酢酸エチル500部を仕込み、1時間混合し[原料溶解液1]を得た。
撹拌棒および温度計をセットした反応容器中に、[低分子ポリエステル1]378部、カルナウバワックス100部、および酢酸エチル947部を仕込み、撹拌下80℃に昇温し、80℃のまま5時間保持した後、1時間で30℃に冷却した。次いで、容器に[マスターバッチ1]500部および酢酸エチル500部を仕込み、1時間混合し[原料溶解液1]を得た。
[原料溶解液1]1,324部を容器に移し、ビーズミル(ウルトラビスコミル、アイメックス株式会社製)を用いて、送液速度1kg/時間、ディスク周速度6m/秒間、0.5mmジルコニアビーズを80体積%充填し、3パスの条件で、カーボンブラックおよびワックスの分散を行った。次いで、[低分子ポリエステル1]の65質量%酢酸エチル溶液1,324部を加え、上記条件のビーズミルで2パスし、[顔料・ワックス分散液1]を得た。[顔料・ワックス分散液1]の固形分濃度は50質量%であった。
(乳化)
[顔料・ワックス分散液1]749部、[プレポリマー1]115部、および[ケチミン化合物1]2.9部を容器に入れ、TKホモミキサー(特殊機化工業株式会社製)回転数で5,000rpmで2分間混合した後、容器に[水相1]1,200部を加え、TKホモミキサーで、回転数13,000rpmで25分間混合し[乳化スラリー1]を得た。
[顔料・ワックス分散液1]749部、[プレポリマー1]115部、および[ケチミン化合物1]2.9部を容器に入れ、TKホモミキサー(特殊機化工業株式会社製)回転数で5,000rpmで2分間混合した後、容器に[水相1]1,200部を加え、TKホモミキサーで、回転数13,000rpmで25分間混合し[乳化スラリー1]を得た。
(脱溶剤)
撹拌機および温度計をセットした容器に、[乳化スラリー1]を投入し、30℃で7時間脱溶剤した後、45℃で7時間熟成を行い、[分散スラリー1]を得た。
撹拌機および温度計をセットした容器に、[乳化スラリー1]を投入し、30℃で7時間脱溶剤した後、45℃で7時間熟成を行い、[分散スラリー1]を得た。
(洗浄)
[分散スラリー1]100部を減圧濾過した後、
I:濾過ケーキにイオン交換水100部を加え、TKホモミキサーで混合(回転数12,000rpmで10分間)した後、濾過した。
II:Iの濾過ケーキに10質量%水酸化ナトリウム水溶液100部を加え、TKホモミキサーで混合(回転数12,000rpmで10分間)した後、減圧濾過した。
III:IIの濾過ケーキに10質量%塩酸100部を加え、TKホモミキサーで混合(回転数12,000rpmで10分間)した後、濾過した。
IV:IIIの濾過ケーキにイオン交換水300部を加え、TKホモミキサーで混合(回転数12,000rpmで10分間)した後、濾過する操作を2回行い、[濾過ケーキ1]を得た。
[分散スラリー1]100部を減圧濾過した後、
I:濾過ケーキにイオン交換水100部を加え、TKホモミキサーで混合(回転数12,000rpmで10分間)した後、濾過した。
II:Iの濾過ケーキに10質量%水酸化ナトリウム水溶液100部を加え、TKホモミキサーで混合(回転数12,000rpmで10分間)した後、減圧濾過した。
III:IIの濾過ケーキに10質量%塩酸100部を加え、TKホモミキサーで混合(回転数12,000rpmで10分間)した後、濾過した。
IV:IIIの濾過ケーキにイオン交換水300部を加え、TKホモミキサーで混合(回転数12,000rpmで10分間)した後、濾過する操作を2回行い、[濾過ケーキ1]を得た。
(乾燥)
[濾過ケーキ1]を循風乾燥機にて45℃で48時間乾燥し、目開き75μmメッシュで篩い、[トナー母体粒子1]を得た。その後、[トナー母体粒子1]100部に疎水性シリカ1部および疎水化酸化チタン1部をFMミキサーにて混合して[トナー1]を得た。
[濾過ケーキ1]を循風乾燥機にて45℃で48時間乾燥し、目開き75μmメッシュで篩い、[トナー母体粒子1]を得た。その後、[トナー母体粒子1]100部に疎水性シリカ1部および疎水化酸化チタン1部をFMミキサーにて混合して[トナー1]を得た。
<異なる実施形態の説明>
次に、ヒータ22の異なる実施形態について説明する。
次に、ヒータ22の異なる実施形態について説明する。
図10(a)および図10(b)に示すように、本実施形態のヒータ22の導体層51に、2つの抵抗発熱体59、第1電極部61Aおよび第2電極部61B、第1~第3給電線62A~62Cが設けられる。
各抵抗発熱体59は長手方向に延びる直線状をなす。一方の抵抗発熱体59は第1給電線62Aを介して第1電極部61Aに接続される。他方の抵抗発熱体59は第2給電線62Bを介して第2電極部61Bに接続される。2つの抵抗発熱体59が、長手方向他方側で第3給電線62Cを介して接続される。
本実施形態では、2つの抵抗発熱体59が電気的に直列に接続されている。第1電極部61Aおよび第2電極部61Bに電圧を印加することにより、各抵抗発熱体59が発熱する。
長手方向において、第1サーミスタTH1は、定着装置30に通紙される最小幅の用紙P1の通紙領域の内側に設けられる。また第2サーミスタTH2は、長手方向において、抵抗発熱体59の端部付近に設けられる。
画像形成装置に設けられた制御部が、第1サーミスタTH1の温度検知結果に基づいて、ヒータ22の温度制御を行う。また制御部が、第2サーミスタTH2の温度検知結果に基づいて、ヒータ22の長手方向の温度ムラの発生の有無を判断する。さらに、サーミスタTH1とサーミスタTH3の現在温度の差分温度が所定の閾値を超えた場合には、画像形成装置が、前述の温度ムラを低減する動作を行う。
図11は図10のヒータ22の分解斜視図である。なお、以下の説明において、ヒータ22に対する、定着ベルト20側(定着ニップN側)を「表側」と称し、ヒータホルダ23側を「裏側」と称して説明する。
図11に示すように、ヒータ22は積層構成をしている。具体的には、ヒータ22は、基材50と、第1絶縁層53と、導体層51と、第2絶縁層54と、第3絶縁層55とを有する。第1絶縁層53は基材50の表側に設けられる。導体層51は第1絶縁層53の表側に設けられる。第2絶縁層54は導体層51の表側を被覆する。第3絶縁層55は基材50の裏側に設けられる。
また、各電極部61A,61Bは、後述のコネクタとの接続を確保するため、少なくとも一部が第2絶縁層54に被覆されておらず、露出した状態となっている。
図12は、ヒータ22およびヒータホルダ23にコネクタ70を装着した状態を示す斜視図である。図12に示すように、コネクタ70は、樹脂製のハウジング71と、ハウジング71に固定された板バネのコンタクト端子72と、を有している。コンタクト端子72はヒータ22の各電極部61に接触する一対の接点部72aを有する。また、コネクタ70(コンタクト端子72)には、給電用のハーネス73が接続されている。
コネクタ70は、ヒータ22とヒータホルダ23とを表側と裏側とから一緒に挟むようにして取り付けられる。これにより、コンタクト端子72の各接点部72aが電極部61に対して弾性的に接触(圧接)する。これにより、コネクタ70を介して抵抗発熱体59と画像形成装置に設けられた電源とが電気的に接続され、電源から抵抗発熱体59へ電力が供給可能な状態となる。
図13(a)に示すように、本実施形態のヒータ22の導体層51には、複数(8つ)の抵抗発熱体59と、第1電極部61Aおよび第2電極部61Bと、第1給電線62Aおよび第2給電線62Bとが設けられる。
各抵抗発熱体59は、第1給電線62Aを介して第1電極部61Aに接続され、第2給電線62Bを介して第2電極部61Bに接続される。
各抵抗発熱体59は、図13(a)あるいは図13(b)のように長方形状とすることもできるし、図13(c)のように平行四辺形状とすることもできる。図13(b)および図13(c)では、抵抗発熱体59の端部同士が長手方向にオーバーラップしている。
本実施形態の抵抗発熱体59はPTC特性を有する。ただし、その他の実施形態でも、PTC特性を有する抵抗発熱体59を採用できることはもちろんである。PTC特性とは、温度が高くなると抵抗値が高くなる(一定電圧をかけた場合に、ヒータ出力が下がる)特性である。抵抗発熱体59がPTC特性を有することで、定着装置30は、低温では高出力によって高速で立ち上がり、高温では低出力により過昇温を抑制することができる。例えば、PTC特性のTCR係数を300~4000ppm/度程度にすれば、ヒータに必要な抵抗値を確保しながら、低コスト化を図れる。より好ましくは、TCR係数を500~2000ppm/度とするのがよい。
抵抗温度係数(TCR)は、下記式(7)を用いて算出することができる。式(7)中のT0は基準温度、T1は任意温度、R0は基準温度T0における抵抗値、R1は任意温度T1における抵抗値である。例えば、上述のヒータ22において、第1の電極部61Aと第2の電極部61Bとの間の抵抗値が、25℃(基準温度T0)で10Ω(抵抗値R0)であり、125℃(任意温度T1)で12Ω(抵抗値R1)であった場合は、式(7)から抵抗温度係数は2000ppm/℃となる。例えば、図7に示す上述のヒータ22において、第1の電極部61Aと第2の電極部61Bとの間の抵抗値が、25℃(基準温度T0)で10Ω(抵抗値R0)であり、125℃(任意温度T1)で12Ω(抵抗値R1)であった場合は、式(7)から抵抗温度係数は2000ppm/℃となる。
図14に示すように、本実施形態では、第1の発熱部60Aと第2の発熱部60Bとは、それぞれ独立して発熱制御可能に構成されている。第1の発熱部60Aは、基材50の長手方向に並ぶ複数の抵抗発熱体59のうち、両端以外の各抵抗発熱体59で構成される。第2の発熱部60Bは両端の各抵抗発熱体59で構成される。具体的に、第1の発熱部60Aを構成する両端以外の各抵抗発熱体59は、それぞれ基材50の長手方向の一端部側に設けられた第1の電極部61Aに対して第1の給電線62Aを介して接続されている。また、第1の発熱部60Aを構成する各抵抗発熱体59は、第1の電極部61A側とは反対の端部側に設けられた第2の電極部61Bに対して第2の給電線62Bを介して接続されている。一方、第2の発熱部60Bを構成する両端の各抵抗発熱体59は、基材50の長手方向の一端部側に設けられた(第1の電極部61Aとは別の)第3の電極部61Cに対して第3の給電線62C又は第4の給電線62Dを介して接続されている。また、これら両端の各抵抗発熱体59は、第1の発熱部60Aの各抵抗発熱体59と同様に第2の給電線62Bを介して第2の電極部61Bに接続されている。
また、それぞれの電極部61A~61Cは、前述のコネクタ70(図12参照)を介して電源210に接続され、電源210から電力を供給される。電極部61Aは、電源210との間に、切替え部としてのスイッチ251Aが設けられており、スイッチ251AのONOFFにより、電圧の印加の有無を切り替えることができる。同様に、電極部61Cは、電源210との間に、切替え部としてのスイッチ251Cが設けられており、スイッチ251CのONOFFにより、電圧の印加の有無を切り替えることができる。さらに、これらのスイッチ251A,251CのONOFFやヒータ22への電力供給のタイミングは、制御部200によって制御されている。また制御部200は、画像形成装置内の各種センサーの検知結果に基づいて、これらの制御を行う。例えば制御部200は、定着ニップNの入口や出口に設けられたセンサーの検知結果に基づいて用紙の通紙タイミングを判断し、ヒータ22への電力の供給の有無やスイッチ251A,251Cの切り替えを行う。
第1の電極部61Aおよび第2の電極部61Bに電圧を印加した場合は、両端以外の各抵抗発熱体59が通電することで、第1の発熱部60Aのみが発熱する。一方、第2の電極部61Bおよび第3の電極部61Cに電圧を印加した場合は、両端の各抵抗発熱体59が通電することで、第2の発熱部60Bのみが発熱する。また、全ての電極部61A~61Cに電圧を印加すれば、第1の発熱部60Aおよび第2の発熱部60Bの両方の(全ての)抵抗発熱体59を発熱させることができる。例えば、A4サイズ(通紙幅:210mm)以下の比較的小さい幅サイズの用紙を通紙する場合は、第1の発熱部60Aのみを発熱させ、A4サイズ(通紙幅:210mm)を超える比較的大きい幅サイズの用紙を通紙する場合は、第1の発熱部60Aに加え第2の発熱部60Bも発熱させることで、用紙幅に応じた発熱領域とすることができる。
以上の各面状ヒータを備えた定着装置を有する画像形成装置においても、前述のトナーを用い、かつ面状ヒータによる加熱動作を行うことで、画像に生じる光沢ムラを抑制できる。
また、定着ベルト20やヒータ22等の温度を長手方向に均一化するための面状部材としての高熱伝導部材を設けてもよい。つまり本発明は、上記の実施形態のように、定着ベルト20を直に加熱する面状部材としてヒータ22を設けてもよいし、以下で説明するように、ヒータが、面状部材としての均熱板38を介して間接的に定着ベルト20を加熱する構成であってもよい。このように、面状部材としての均熱板38を介して間接的に定着ベルト20を加熱する構成でも、用紙上のトナーを長手方向に均一に加熱することができ、前述の式(5)の「トナーが受ける熱量」を均一化できる。従って、トナー温度を均一化し、画像の光沢ムラを抑制できる。
例えば図15に示すように、本実施形態では、ヒータホルダ23とヒータ22の基材50との間に、高熱伝導部材としての均熱板38が設けられる。均熱板38は、基材50よりも熱伝導率の高い材料によって形成される。例えば均熱板38の材料としては、銅やアルミニウムが、熱伝導率が高く、かつ安価であるため好ましい。
均熱板38は長手方向にわたって延在し、基材50に長手方向にわたって(特に抵抗発熱体59が設けられた領域である後述の加熱領域にわたって)当接する。これにより、ヒータ22の温度を長手方向にわたって均一化し、ヒータ22ひいては定着ベルト20の長手方向の温度ムラを抑制できる。
第1サーミスタTH1および第2サーミスタTH2は均熱板38に当接し、均熱板38の温度を検知する。この場合、第1サーミスタTH1および第2サーミスタTH2が、ヒータ22の温度を直に検知する場合と比較すると、第1サーミスタTH1および第2サーミスタTH2の温度が急に上昇しにくくなる。従って、必要以上に紙間を広げて定着装置30を冷却することが防止され、定着装置30を高速化できる。
また図16に示すように、定着ベルト20の内周面に接触する均熱板38を設けてもよい。本実施形態の均熱板38は、定着ベルト20の内周面に沿った断面円弧状に設けられる。均熱板38は、定着ニップNよりも定着ベルト20の周回方向の上流側で定着ベルト20に内接する。さらに図17に示すように、ヒータ22と定着ベルト20の内周面との間に均熱板38を設けることもできる。これらの実施形態では、均熱板38により、定着ベルト20の温度を長手方向に均一化し、その温度ムラを抑制できる。
特に、図18に示すように、均熱板38の長手方向の範囲G3が、画像形成領域G1および抵抗発熱体59による加熱領域G2の全域にわたって設けられることが好ましい。これにより、画像形成領域G1や加熱領域G2の全域にわたって、その温度を均一化して温度ムラを抑制できる。特に本実施形態では、画像形成領域G1、加熱領域G2、範囲G3がこの順で大きくなっている。なお、加熱領域G2は、ヒータ22における主な加熱領域で、長手方向の最も一方側に配置された抵抗発熱体59の長手方向一方側端部から、長手方向の最も他方側に配置された抵抗発熱体59の長手方向他方側端部までの領域を指す。
本実施形態では、画像形成領域G1は、現像ローラ12の軸方向(上記長手方向でもある)の両端に設けられた端部シール37間の範囲でもある。
図19に示すように、現像ローラ12は、軸部12aとローラ部12bとを有する。現像ローラ12はその軸方向一端部が、現像容器111の孔部111aに挿入される(図19の点線で示す矢印方向参照)。これにより、現像ローラ12が現像容器111に回転可能に保持される。
現像容器111の、ローラ部12bの両端に対応する位置に、それぞれ端部シール37(図19のハッチング部参照)が貼り付けられる。端部シール37は、上記の現像ローラ12の現像容器111に対する挿入時に、ローラ部12bによって圧縮されて、現像容器111とローラ部12bの端部との間に介在してこれらの間を封止する。これにより、現像容器111から外部へのトナー漏れを防止できる。図20に示すように、端部シール37は、当接面37aをローラ部12bの端部に当接させる。
均熱板38は、長手方向に対して部分的に設けてもよい。例えば図21に示すように、長手方向において、均熱板38を、抵抗発熱体59同士の分割領域Cに設けることができる。図21では特に、均熱板38は、分割領域Cの全域にわたって設け、かつ、分割領域Cをオーバーラップするように設けられる。分割領域Cでは、ヒータ22の発熱量がその他の発熱領域よりも小さくなる。従って、長手方向のこの部分で、基材50や定着ベルト20等に均熱板38を当接させることで、その他の部分から分割領域Cへの伝熱を促進し、ヒータ22や定着ベルト20の長手方向の温度ムラを抑制することができる。分割領域Cとは、抵抗発熱体59が分割された部分全体を含む長手方向の領域を意味する。また本実施形態では、分割領域Cがヒータ22の短手方向(図21の上下方向)に対して平行に配置されているが、分割領域Cは、図22に示すようなヒータ22の短手方向に対して傾斜している場合や、図23に示すような途中でヒータ22の長手方向に屈曲している場合であってもよい。
また、本発明は、前述の定着装置のほか、図24~図26に示すような定着装置にも適用可能である。以下、図24~図26に示す各定着装置の構成について簡単に説明する。
まず、図24に示す定着装置30は、定着ベルト20に対して加圧ローラ21側とは反対側に、押圧ローラ90が配置されており、この押圧ローラ90とヒータ22とによって定着ベルト20を挟んで加熱するように構成されている。一方、加圧ローラ21側では、定着ベルト20の内周にニップ形成部材91が配置されている。ニップ形成部材91は、ステー24によって支持されており、ニップ形成部材91と加圧ローラ21とによって定着ベルト20を挟んで定着ニップNを形成している。
次に、図25に示す定着装置30では、前述の押圧ローラ90が省略されており、定着ベルト20とヒータ22との周方向接触長さを確保するために、ヒータ22が定着ベルト20の曲率に合わせて円弧状に形成されている。その他は、図24に示す定着装置30と同じ構成である。
最後に、図26に示す定着装置30について説明する。定着装置30は、加熱アセンブリ92、定着部材である定着ローラ93、対向部材である加圧アセンブリ94からなる。加熱アセンブリ92は、先の実施形態で説明したヒータ22および加熱装置35、ベルト部材としての加熱ベルト120を有する。また、定着ローラ93は、中実の鉄製芯金93aと、この芯金93aの表面に形成された弾性層93bと、弾性層93bの外側に形成された離型層93cとで構成されている。また、定着ローラ93に対して加熱アセンブリ92側とは反対側に、加圧アセンブリ94が設けられている。加圧アセンブリ94は、ニップ形成部材95とステー96とを配置し、これらニップ形成部材95とステー96を内包するように加圧ベルト97を回転可能に配置している。そして、加圧ベルト97と定着ローラ93との間の定着ニップN2に用紙Pを通紙して加熱および加圧して画像を定着する。
以上の各面状ヒータを備えた定着装置を有する画像形成装置においても、前述のトナーを用い、かつ面状ヒータによる加熱動作を行うことで、画像に生じる光沢ムラを抑制できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
本発明に係る画像形成装置は、図1に示すモノクロ画像形成装置に限らず、カラー画像形成装置や、複写機、プリンタ、ファクシミリ、あるいはこれらの複合機等であってもよい。
記録媒体としては、用紙P(普通紙)の他、厚紙、はがき、封筒、薄紙、塗工紙(コート紙やアート紙等)、トレーシングペーパ、OHPシート、プラスチックフィルム、プリプレグ、銅箔等が含まれる。
1 画像形成装置
12 現像ローラ(現像剤担持体)
20 定着ベルト(定着部材あるいは回転部材)
20a 摺動面
21 加圧ローラ(加圧部材あるいは対向部材)
22 ヒータ(面状部材)
22a 摺動面
23 ヒータホルダ(保持部材)
30 定着装置
36 均熱ローラ(高熱伝導部材)
38 均熱板(面状部材あるいは高熱伝導部材)
59 抵抗発熱体
60 発熱部
A 用紙搬送方向(記録媒体搬送方向)
B 長手方向
C 抵抗発熱体の分割領域
G1 画像形成領域の幅
G2 抵抗発熱体による加熱領域の幅
G3 均熱板の長手方向の幅
N 定着ニップ
P 用紙(記録媒体)
S 抵抗発熱体の用紙搬送方向の幅
TH1~TH4 サーミスタ(温度検知部材)
12 現像ローラ(現像剤担持体)
20 定着ベルト(定着部材あるいは回転部材)
20a 摺動面
21 加圧ローラ(加圧部材あるいは対向部材)
22 ヒータ(面状部材)
22a 摺動面
23 ヒータホルダ(保持部材)
30 定着装置
36 均熱ローラ(高熱伝導部材)
38 均熱板(面状部材あるいは高熱伝導部材)
59 抵抗発熱体
60 発熱部
A 用紙搬送方向(記録媒体搬送方向)
B 長手方向
C 抵抗発熱体の分割領域
G1 画像形成領域の幅
G2 抵抗発熱体による加熱領域の幅
G3 均熱板の長手方向の幅
N 定着ニップ
P 用紙(記録媒体)
S 抵抗発熱体の用紙搬送方向の幅
TH1~TH4 サーミスタ(温度検知部材)
Claims (23)
- トナーと、前記トナーにより形成された記録媒体上の画像を定着させる定着装置とを備えた画像形成装置であって、
前記定着装置は、無端状の定着ベルトと、前記定着ベルトを加熱する面状部材とを備え、
環境温度10℃、湿度15%の前記トナーの帯電量をQ1〔μC/g〕、環境温度27℃、湿度80%の前記トナーの帯電量をQ2〔μC/g〕とし、環境変動率X=(Q1-Q2)/{(Q1+Q2)/2}とすると、
前記環境変動率Xが45%以上85%以下であることを特徴とする画像形成装置。 - 前記定着ベルトは、表層と、前記表層よりも内側に設けられた、樹脂材により形成される基体とを備える請求項1記載の画像形成装置。
- 前記基体はポリイミドにより形成される請求項2記載の画像形成装置。
- 前記定着ベルトは、前記表層と前記基体との間に接着層のみを有する請求項2または3記載の画像形成装置。
- 前記基体の熱伝導率が0.6~2.0〔W/mK〕である請求項2から4いずれか1項に記載の画像形成装置。
- 前記基体の熱伝導率が0.8~1.3〔W/mK〕である請求項2から4いずれか1項に記載の画像形成装置。
- 前記定着ベルトの厚みが50~100〔μm〕である請求項1から6いずれか1項に記載の画像形成装置。
- 前記定着装置は、前記定着ベルトとの間に定着ニップを形成する加圧部材をさらに有し、
前記面状部材は抵抗発熱体を有し、
前記面状部材の長手方向のいずれかの位置において、前記定着ニップの前記記録媒体搬送方向の幅が、前記抵抗発熱体の前記記録媒体搬送方向の幅よりも大きい請求項1から7いずれか1項に記載の画像形成装置。 - 前記定着ニップの前記長手方向全域にわたって、前記定着ニップの前記記録媒体搬送方向の幅が、前記抵抗発熱体の前記記録媒体搬送方向の幅よりも大きい請求項8記載の画像形成装置。
- 前記定着ベルトと前記面状部材との間に潤滑剤が介在し、
前記定着ベルトおよび前記面状部材は互いに摺動する摺動面を有し、
前記定着ベルトの摺動面の表面粗さが前記面状部材の摺動面の表面粗さよりも大きい請求項1から9いずれか1項に記載の画像形成装置。 - 前記定着ベルトと前記面状部材との間に潤滑剤が介在し、
前記定着ベルトおよび前記面状部材は互いに摺動する摺動面を有し、
前記定着ベルトの摺動面の粗さ曲線のスキューネスが、前記面状部材の摺動面の粗さ曲線のスキューネスよりも大きい請求項1から9いずれか1項に記載の画像形成装置。 - 前記面状部材は抵抗発熱体を複数有し、
複数の前記抵抗発熱体は電気的に並列に接続され、PTC特性を有する請求項1から11いずれか1項に記載の画像形成装置。 - 前記面状部材は1または複数の抵抗発熱体からなる複数の発熱部を有し、
前記発熱部がそれぞれ独立して制御可能である請求項1から12いずれか1項に記載の画像形成装置。 - 前記面状部材は基材を有し、
前記定着装置は、前記面状部材とは別に、前記基材よりも熱伝導率の高い高熱伝導部材を有する請求項1から13いずれか1項に記載の画像形成装置。 - 前記面状部材は抵抗発熱体を複数有し、
前記高熱伝導部材は、前記面状部材と前記定着部材との間であって、前記面状部材の長手方向において、前記抵抗発熱体同士の分割領域に設けられる請求項14記載の画像形成装置。 - 前記定着装置は、前記高熱伝導部材に当接する温度検知部材をさらに有する請求項14または15いずれか記載の画像形成装置。
- 前記面状部材は抵抗発熱体を有し、
前記面状部材の長手方向において、前記長手方向の最も一方側に設けられた抵抗発熱体から最も他方側に設けられた抵抗発熱体までの領域を前記面状部材の加熱領域とすると、
前記面状部材の長手方向において、前記記録媒体に形成される画像の最大幅である画像形成領域の幅、前記加熱領域の幅、前記高熱伝導部材の幅がこの順で大きくなる請求項14から16いずれか1項に記載の画像形成装置。 - 前記定着装置は温度検知部材を複数有し、
前記温度検知部材は、前記面状部材の長手方向において、前記定着装置が対応する最小幅の記録媒体の通過領域の内側と外側とにそれぞれ設けられる請求項1から17いずれか1項に記載の画像形成装置。 - 前記定着装置は加圧部材を有し、
前記定着ベルトと前記加圧部材との間に定着ニップが形成され、
前記記録媒体が前記定着ニップを通過する時間が25~38msecである請求項1から18いずれか1項に記載の画像形成装置。 - 前記環境変動率Xが65%以下である請求項1から19いずれか1項に記載の画像形成装置。
- 前記トナーはシェル層を有する請求項1から20いずれか1項に記載の画像形成装置。
- 前記定着ベルトの内径が15~40mmである請求項1から21いずれか1項に記載の画像形成装置。
- 前記面状部材の厚みが0.5~2.0mmである請求項1から22いずれか1項に記載の画像形成装置。
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20231011 |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
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