JP3572496B2 - 静電荷像現像用トナーを用いた画像形成方法及び装置 - Google Patents

静電荷像現像用トナーを用いた画像形成方法及び装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真複写機、プリンタ、静電印刷等に用いられる静電荷像現像用トナーとそれを用いた画像形成方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電子写真法に代表される静電荷像現像法を利用した画像形成方法としては、米国特許2,297,691号、同2,357,809号等に記載されているが如く、感光体表面上に静電潜像を形成し、該静電潜像を着色微粉末からなる乾式現像剤によりトナー像とする現像工程と、次に紙などの記録材に前記トナー像を転写する転写工程と、次に加熱や加圧などにより記録材上にトナー像を定着させる定着工程により複写画像を形成する。
【0003】
複写画像が良好な画質を長期にわたり形成するためには、トナーが高い流動性を有し、安定した帯電性を維持することが必要である。トナーの流動性を向上させる技術としては、結着樹脂中に少なくとも着色剤を含有する着色粒子に、シリカ微粒子などの流動化剤を添加混合することが知られている。
【0004】
前述のごとく、現像工程において静電潜像の現像が行われてトナー像が形成されるが、このトナー像を形成する全てのトナーが記録材に転写されるわけではなく、通常は感光体上にトナーの一部が残留する。従来、この残留したトナーはクリーニング器により回収され廃棄されていたが、近年、経済性、環境安全性の面から回収されたトナーをトナー搬送スクリュー等により、再び現像器中に戻して再度現像用トナーとして利用する、いわゆるトナーリサイクルシステムを採用した画像形成方法が注目されている。
【0005】
しかしながら、このような粒子径の小さい流動化剤を含有してなるトナーを用いてトナーリサイクルシステムを採用した画像形成方法により画像を形成した場合、トナーはトナー搬送スクリューなどによる過大な物理的圧縮力を受け、その結果トナー粒子の表面に存在すべき流動化剤がトナー粒子中に埋め込まれ、次第にトナーの流動性が低下するとともにトナーの帯電量が変化し、トナー飛散、カブリが発生したり、また画像濃度が低下するという問題点がある。
【0006】
また現像剤の耐久性を決める別の因子としてキャリアの帯電性能を安定して持続させることが重要になる。キャリアの劣化原因としては主に被覆樹脂の摩耗、剥離や、トナー微粉がキャリア表面へ付着汚染する、いわゆるトナースペント等が挙げられる。従来の画像形成方法に比べ、トナーリサイクルシステムを採用した画像形成方法では、トナーがより多数回の撹拌ストレスを受けるためトナー微粉が多く発生することがわかっており、トナースペントによるキャリア劣化がより促進されてしまう。
【0007】
このような問題点を解決するための手段として、粒子径の大きい流動化剤を研磨剤として用いることによりトナースペント物を除去する技術が提案されている(特開昭62−180376号、特開平1−234859号等)。これら公報にも述べられているが、流動化剤の粒子径が大きくなると感光体表面に研磨傷を発生させてしまいクリーニング不良に起因する画像汚れを発生する問題がある。
【0008】
そこでアモルファスシリコンなどの高硬度の感光層を有する感光体を使用することで研磨傷を低減することも提案されているが、アモルファスシリコン感光体は高い製造コストや、電荷保持能が低いなどの問題がある。現在広く用いられている有機系感光体(OPC)は表面が軟質で、これを使用した画像形成方法の場合、流動化剤による感光体の研磨傷が発生しやすいという問題がある。
【0009】
上記事情から、トナーによる研磨力を高めるために次に掲げるような技術が提案されている。
【0010】
▲1▼核粒子に、焼結法によって生成された窒素吸着法によるBET比表面積が、0.2〜30m/gの無機微粉体を混合してトナーを構成する技術(特開昭60−136752号)。
【0011】
▲2▼核粒子に、窒素吸着法によるBET比表面積が40〜200m/gであり、かつ、平均粒子径が0.2〜2μmである無機微粉体を混合してトナーを構成する技術(特開平4−44053号)。
【0012】
しかし、何れの技術も十分な問題解決策になっていないのが現状である。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点の解決策を提供する為になされた。すなわち、感光体表面に特別な強度を持たせなくとも感光体の耐久性を損なわず、画像に黒ポチ等の故障が出ず、トナーの流動性低下や帯電性変動、トナースペント等のキャリア汚染、損傷のない、従って画像濃度が高く、かぶりのないトナーリサイクルシステムを組み込んだ画像形成方法や装置を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記構成の何れかを採ることにより達成される。
【0015】
〔1〕 トナーリサイクルシステムを採用した画像形成方法において、少なくともバインダー樹脂と着色剤とからなる着色粒子に、疎水化度が0〜20%である酸化チタンを添加してなる静電荷像現像用トナーを用い、該酸化チタンの数平均一次粒子径(A)、比表面積(B)と真比重(d)の間の形状係数(K)=B/(6/Ad)が下記式(1)の関係が成り立ち、かつ該トナーの帯電量が下記式(2)の関係を満たすことを特徴とする画像形成方法
【0016】
式(1) 1.2 < K < 6.0
式(2) 5 < |帯電量| < 60
但し、単位はA:μm、 d:g/cm、帯電量:μC/g
【0018】
〕 トナーリサイクルシステムを採用した画像形成装置において、〔1〕記載の画像形成方法を使用することを特徴とする画像形成装置。
【0019】
本発明の構成により、極めて優れた性能が得られる理由については必ずしも明らかではない。しかし、前述▲1▼の技術では、無機微粉体の平均粒子径は大きいが比表面積が小さいものであるため、無機微粉体による研磨効果はあるが比表面積も小さく研磨点が少ないため、この無機微粉体のキャリア表面に対する研磨力は不十分である。
【0020】
また、▲2▼の技術では、平均粒径が大きく、かつ、比表面積の大きい無機微粉体を用いることで、無機微粉体の表面凹凸を利用して研磨効果の向上を達成したものだが、平均粒径が大きくトナーからの脱離が多いため、特に有機感光体を用いた画像形成方法に使用するとクリーニング部において過剰な圧力を受け、脱離した無機微粒子が感光体を傷つける問題が依然としてある。
【0021】
これに対し、本発明に用いる酸化チタン粒子は鋭角な凸部がなくかつ表面に多孔性の凹凸がある。この表面状態によりキャリア表面に対する研磨効果を向上させ、またブレード等のクリーニング手段による感光体表面に対する傷を発生させることの無いトナーとなると考えられる。また数平均一次粒子径0.04〜0.2μmの酸化チタン粒子は、ファンデルワールス力、及び静電付着力により着色粒子からの脱離がなく、トナーリサイクルシステムにおける過大な物理的圧縮力を受けても着色粒子中に埋没しにくい為、トナー帯電量の変化が生じ難く優れた画像を安定に供給できる静電荷像現像用トナーとなると考えられる。
【0022】
本発明における酸化チタン粒子の数平均一次粒子径は以下の要領により測定したものである。着色粒子に酸化チタン粒子を混合処理し、電子顕微鏡により撮影したものを日本アビオニクス(株)製SPICCA(型番TMN−1528−01)の画像処理により数平均一次粒子径(A)を求めた。酸化チタン粒子は数平均一次粒子径0.04〜0.2μmが好ましい。また酸化チタン粒子は帯電量を制御するために表面処理を施し使用してもよい。
【0023】
本発明における酸化チタン粒子のBET比表面積は島津製作所製フローソーブII−2300形により測定した。又、本発明において実施例に記載の形状係数は、酸化チタンの真比重をd=4.0(g/cm)として算出した。
【0024】
本明細書における酸化チタン粒子の帯電量とは、以下のように測定したものをいう。
【0025】
ブローオフ粉体帯電量測定装置TB−200(東芝ケミカル株式会社製)にて、本発明に使用する2成分用キャリアに対し酸化チタン微粒子濃度が0.1(wt%)になるように混合したサンプルをステンレス製400メッシュをセットした測定用セルに入れ窒素ガスを用いて内圧が1.0(kgf/cm)となる圧力で15秒間ブローオフし、飛散した酸化チタンの電荷と重量を測定し、電荷/重量を帯電量とする。
【0026】
本発明において着色粒子に添加される酸化チタン微粒子の製造法は主に硫酸法と塩素法がある。硫酸法は原料鉱石を硫酸溶解しTi、Feの硫酸塩溶液を精製後加水分解し水酸化チタンを作り、これを焼成することにより得られる。塩素法は原料鉱石を塩素と反応させて四塩化チタンにし精製後、気相酸化すること、または四塩化チタンを水に溶解した塩酸水溶液に強塩基を投入して生成する水酸化チタンを焼成することにより得られる。得られた酸化チタンは塊状であるため粉砕し微粒化したり、目的に応じて粉砕後または水酸化チタン焼成時に表面処理剤を処理し使用することができる。焼成温度は通常1000℃前後で行われるが、表面処理を行う場合には400〜600℃程度の温度で焼成することもある。
【0027】
以下、本発明を具体的に説明する。
【0028】
本発明に用いられる画像形成方法としては特に限定されないが、特にトナーリサイクルシステムを用いる画像形成方法において効果が顕著に現れる。トナーリサイクルシステムにおいてトナーは過大な物理的圧縮力を受けるため着色粒子が壊れ微粉等になり、キャリアスペントを起こす速度が非常に促進されてしまう。しかし、本発明のトナーの酸化チタン粒子は着色粒子中に埋没しにくく、着色粒子表面上に存在し、酸化チタン粒子自身により、また酸化チタン粒子表面の凹凸によりキャリアスペント物の研磨除去効果を維持するため、トナー帯電量の変化が生じ難く優れた画像を維持することが出来る。
【0029】
本発明においてトナーリサイクルシステムとは、転写されずに感光体上に残留したトナーをクリーニング器で回収し、この回収したトナーを再び現像器、及びまたはトナー補給ボックスに戻し再使用するシステムを指す。
【0030】
図1は、本発明の画像形成方法に適用できる画像形成装置の断面図の一例を示す。7は感光体であり、感光体としては回転ドラム状の形態を有しており、有機光導電体(所謂OPC)や、金属光導電体(所謂SeTe、AsSe等)が好ましく、特に多様な素材から組み立てることが出来、したがって多様な性能要求に対応出来ること、易廃棄性の観点からOPC感光体が好ましい。
【0031】
感光体の周囲にはその回転方向上流側から下流側に向かって、順に帯電器1、露光光学系2、現像器3、転写器5、分離器6、クリーニング器8が配置されている。10は定着器である。
【0032】
この画像形成装置においては、帯電器1により感光体7の表面が一様な電位に帯電され、次いで露光光学系2により像様露光されて感光体7の表面に静電潜像が形成される。そして、現像器3内に収容された現像剤により、上記の静電潜像が現像されてトナー像が形成される。このトナー像は転写器5により記録材Pに静電転写され、熱ローラー定着器10により加熱定着されて定着画像が形成される。一方、転写器5を通過した感光体7はクリーニング器8により残留トナーがクリーニングされて次の画像の形成に供される。さらにクリーニング器に回収されたトナーは後述するトナーリサイクルシステムにより再び現像器3及びまたはトナー補給ボックス11に戻されて再使用に供される。
【0033】
トナーリサイクルシステムの具体例を図2及び3に示す。この例において3は現像器、13は現像スリーブ、7は感光体、8はクリーニング器、16はトナー搬送スクリュー1、17はトナー搬送スクリュー2、18はトナー搬送スクリュー3、20はトナー補給ボックスである。本例の装置はトナー搬送スクリュー1,2,3により順次クリーニング部で回収したトナーを搬送し、現像器に具備された該回収トナー専用の分配器(Newトナー供給口とは別体)に供給する様にしたものである。即ち、16のトナー搬送スクリュー1、17のトナー搬送スクリュー2、18のトナー搬送スクリュー3はそれぞれ内部に回転軸とこの回転軸に沿ってスパイラル状に設けた羽根を有してなり、トナーは回転軸の回転に伴って羽根により順次搬送され、分配器に供給され、回収したトナーは再び感光体上の潜像現像に供される。
【0034】
一方、図3の各部の付番は図2と同様で、本例の装置ではトナー搬送スクリュー1,2,3により順次クリーニング部で回収したトナーを搬送し、トナー補給ボックスに供給するようにしたものである。本例の図2との差異はトナー補給ボックス内で新トナーと回収したリサイクルトナーを予め撹拌混合した後、現像器に供給するところに特徴がある(18のハッチ部分は20の内部に挿入されている)。
【0035】
本発明においてもちいられる結着樹脂としては、トナー用結着樹脂として通常用いられる樹脂を使用することができ、その具体例としては、例えばスチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−アクリル系共重合体樹脂、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、その他を挙げることができる。
【0036】
結着樹脂として用いられるスチレン−アクリル系共重合体樹脂はスチレン系単量体とアクリル系単量体との共重合体よりなる樹脂である。
【0037】
スチレン系単量体としては、スチレン、o−メチルスチレン、m−メチルスチレン、p−メチルスチレン、α−メチルスチレン、p−エチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、p−n−ブチルスチレン、p−tert−ブチルスチレン、p−n−ヘキシルスチレン、p−n−オクチルスチレン、p−n−ノニルスチレン、p−n−デシルスチレン、p−n−ドデシルスチレン、p−メトキシスチレン、p−フェニルスチレン、p−クロルスチレン、3,4−ジクロルスチレンなどを挙げることができる。
【0038】
アクリル系単量体としては、アクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸n−ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸n−オクチル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸ラウリル、アクリル酸2−エチルヘキシル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸2−クロルエチル、アクリル酸フェニル、α−クロルアクリル酸メチル、メタクリル酸、メタクリル酸マチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸n−ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸n−オクチル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸2−エチルヘキシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸ジメチルアミノエチル、メタクリル酸ジエチルアミノエチル、アクリロニトリル、メタクリロニトル、アクリルアミド、などを挙げることができる。
【0039】
トナーの定着性改良剤としては、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、またパラフィンワックス、カルナバワックス、サゾールワックス、シリコーンワニス等を用いることができ、これらを単独で、或いは2種類以上組み合わせて用いることができる。
【0040】
磁性トナーを得る場合には、核粒子中にさらに磁性粉が含有される。磁性粉としては、フェライト、マグネタイト、ヘマタイト等の鉄、亜鉛、コバルト、ニッケル、マンガン等の合金もしくは化合物等を用いることができる。磁性粉の平均粒径は1μm以下が好ましく、特に0.5μm以下が好ましい。また磁性粉の配合量は、核粒子全体の20〜70重量%の範囲が好ましい。
【0041】
本発明におけるトナーに使用する着色剤としては、例えばカーボンブラック、ニグロシン系染料、アニリンブラック、アセチレンブラック、フタロシアニンブルー、アニリンブルー、カルコオイルブルー、クロムイエロー、ウルトラマリンブルー、デュポンオイルレッド、キノリンイエロー、メチレンブルークロライド、フタロシアニンブルー、マラカイトグリーンオクサレート、ランプブラック、ローズベンガル、これらの混合物、磁性体などを挙げることができる。
【0042】
本発明におけるトナーにおいて必要で有れば荷電制御剤を含有させて使用しても良い。荷電制御剤としては、例えば、金属錯体系化合物、サリチル酸誘導体、カリックスアレーン化合物、ニグロシン系染料、4級アンモニウム塩系化合物、トリフェニルメタン系化合物などがあり、これらを単独で、或いは2種類以上組み合わせて用いることができる。
【0043】
本発明のトナーにおいて、トナーの流動性向上剤としてさらに流動化剤を添加しても良い。流動化剤は有機系、無機系の微粒子どちらでも使用できるが、数平均一次粒子径50nm以下の無機微粒子が好ましい。また単独で使用しても2種以上を併用しても良い。
【0044】
本発明に流動化剤として使用する無機微粒子としては例えば、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、チタン酸バリウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸化カルシウム、チタン酸ストロンチウム、酸化亜鉛、珪砂、クレイ、雲母、珪灰石、珪藻土、酸化クロム、酸化セリウム、ベンガラ、三酸化アンチモン、硫酸バリウム、炭酸バリウム、炭酸カルシウム、炭化珪素、窒化珪素、脂肪酸金属塩などを挙げることができるが、特にシリカが好ましい。
【0045】
該流動化剤はトナー帯電性に対し所望の帯電性を示すようにカップリング剤や変性シリコーンオイル等の各種表面処理剤により流動化剤表面を処理し帯電性をコントロールして使用しても良い。
【0046】
なお本発明では疎水化度が0〜40%、さらに好ましくは0〜20%である酸化チタンが好ましく使用される。すなわち疎水化度が高い場合には帯電付与が大きくなり、本発明のような微細な凹凸を有する微粒子においては過度の帯電能を有することとなるため、トナー自体の帯電量が高くなり画像濃度(Dm)の低下などの問題を発生する場合がある。
【0047】
酸化チタン粒子の疎水化度の測定はメタノール滴定試験により評価した。メタノール滴定試験法は粒子0.2gを純水50mlの入った容量300mlのビーカーに添加し、ビーカー内の溶液をマグネチックスターラーで常時撹拌しながらメタノールをビュレットから粒子の全量が湿潤されるまで滴定する。すなわち粒子の全量が溶液中に懸濁されたときを滴定の終点とする。疎水化度は終点に達したときのメタノール及び純水の液状混合物中のメタノールの百分率として表している。
【0048】
流動化剤および樹脂微粒子の表面処理剤としては公知のものが使用できるが例えば、ジメチルジクロロシラン、オクチルトリメトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン、シリコーンオイル、オクチル−トリクロルシラン、デシル−トリクロルシラン、ノニル−トリクロルシラン、(4−t−プロピルフェニル)−トリクロルシラン、(4−t−ブチルフェニル)−トリクロルシラン、ジペンチル−ジクロルシラン、ジヘキシル−ジクロルシラン、ジオクチル−ジクロルシラン、ジノニル−ジクロルシラン、ジデシル−ジクロルシラン、ジドデシル−ジクロルシラン、(4−t−ブチルフェニル)−オクチル−ジクロルシラン、ジオクチル−ジクロルシラン、ジデセニル−ジクロルシラン、ジノネニル−ジクロルシラン、ジ−2−エチルヘキシル−ジクロルシラン、ジ−3,3−ジメチルペンチル−ジクロルシラン、トリヘキシル−クロルシラン、トリオクチル−クロルシラン、トリデシル−クロルシラン、ジオクチル−メチル−クロルシラン、オクチル−ジメチル−クロルシラン、(4−t−プロピルフェニル)−ジエチル−クロルシラン、例えば4級アンモニウム塩を側鎖に有する窒素含有シリコーンオイル、窒素含有シラン化合物、窒素含有カップリング剤などがあげられる。
【0049】
粒子の表面処理は、疎水性及び、帯電性コントロールを目的に行われ、処理剤は目的に応じ選べば良い。また処理剤は単独でも2種類以上の処理剤を使用しても良い。例えば、ジメチルジクロロシランで処理し疎水化度を向上させた後、4級アンモニウム塩構造を側鎖に有するシリコーンオイルで処理することにより正帯電性をコントロールして使用することができる。
【0050】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明の態様はこれに限定されない。尚、本文中「部」とは「重量部」を表す。
【0051】
(1)酸化チタンの物性
使用した酸化チタンの物性は、下記表1に示した。
【0052】
【表1】
Figure 0003572496
【0053】
(2)着色粒子の作製
スチレン・アクリル共重合樹脂 100部
カーボンブラック 10部
ポリプロピレン 4部
4級アンモニウム塩系化合物 1部
以上の材料を混合し練肉、粉砕、分級を行い、体積平均粒径8.5μmの着色粒子を得た。
【0054】
(3)トナーの作製
着色粒子100部に上記酸化チタンをそれぞれ1部添加し、ヘンシェルミキサーにより混合して本発明の実施例1〜4のトナー、及び本発明外の比較例1〜4のトナーを作製した。
【0055】
(4)評価
本発明トナーおよび比較用トナー各々5部と、シリコーン被覆キャリア100部とを混合して2成分現像剤を調整し、電子写真複写機「U−BIX 4145」(コニカ(株)製)のトナーリサイクルシステム改造機を使用し低温低湿環境(10℃/20%RH)にて2万コピーの実写を行い、画像濃度、地かぶり、黒ポチについて評価した。
【0056】
<画像濃度>
マクベス反射濃度計を使用し、原稿濃度が1.30の黒地部分の複写画像に対する相対反射濃度を測定した。この濃度が1.27〜1.30であることが実用上好ましい。複写画像の黒地部分を無作為に5箇所測定した平均値を画像濃度として記載した。
【0057】
<地かぶり>
マクベス反射濃度計を使用し、原稿濃度が0.000の白地部分の複写画像に対する相対反射濃度を測定した。なお白地反射濃度を0.000とした。この相対反射濃度が通常0.005未満であれば、実用上問題がない。複写画像の白地部分を無作為に10箇所測定した平均値をかぶり濃度として記載した。
【0058】
<黒ポチ>
コピー画像を目視により観察して評価した。
【0059】
【表2】
Figure 0003572496
【0060】
以上のテストの結果、本発明のトナーを用いた場合には、画像濃度が高く安定し地カブリや黒ポチのない良好な画像が得られた。
【0061】
これに対し比較例トナー1及び3はトナー帯電量が低く、地カブリおよび過剰現像により画像濃度が上昇した。比較例トナー2は黒ポチが発生した。比較例トナー4はトナー帯電量が高く画像濃度が低下した。
【0062】
【発明の効果】
本発明により、感光体表面に特別な強度を持たせなくとも感光体の耐久性を損なわず、トナーリサイクルシステムを組み込んだ画像形成方法や装置に用いても、流動性低下や帯電性変動、トナースペント等のキャリア汚染、損傷がなく、従って、画像濃度が高く、かぶりや黒ポチのでない静電荷像現像用トナーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる画像形成装置の断面図。
【図2】本発明に係わるトナーリサイクルシステムの概念断面図。
【図3】本発明に係わるトナーリサイクルシステムの他の概念断面図。
【符号の説明】
1 帯電器
2 露光光学系
3 現像器
4 露光台
5 転写器
6 分離器
7 感光体
8 クリーニング器
10 定着器
16 トナー搬送スクリュー1
17 トナー搬送スクリュー2
18 トナー搬送スクリュー3

Claims (2)

  1. トナーリサイクルシステムを採用した画像形成方法において、少なくともバインダー樹脂と着色剤とからなる着色粒子に、疎水化度が0〜20%である酸化チタンを添加してなる静電荷像現像用トナーを用い、該酸化チタンの数平均一次粒子径(A)、比表面積(B)と真比重(d)の間の形状係数(K)=B/(6/Ad)が下記式(1)の関係が成り立ち、かつ該トナーの帯電量が下記式(2)の関係を満たすことを特徴とする画像形成方法
    式(1) 1.2 < K < 6.0
    式(2) 5 < |帯電量| < 60
    但し、単位はA:μm、 d:g/cm、帯電量:μC/g
  2. トナーリサイクルシステムを採用した画像形成装置において、請求項1記載の画像形成方法を使用することを特徴とする画像形成装置。
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