JP4106042B2 - 粉体付着力測定方法及び粉体付着力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真用のトナー等の帯電した粉体の付着力を測定するための粉体付着力測定方法及び粉体付着力測定装置に関する。

従来、粉体の付着力を測定する方法としては、粉体が付着している被付着体から粉体を分離するのに要する力を測定又は計算するのが一般的である。実際の粉体付着力測定装置としては、遠心分離法、電界法、振動法、衝撃法、スプリングバランス法などがある。
まず遠心分離法について説明する。例えば特許文献１に示されている方法では、粉体を付着させた試料基板と対向して、試料基板から分離したトナーを受ける受け基板を配置し、前記試料基板を遠心分離装置のロータ内に設置し、ロータの回転による遠心力を用いて粉体を受け基板に付着させる。そして受け基板に付着した粉体の質量を測定し、粉体の質量及びロータの回転数から分離に要した遠心力を計算して個々の粉体の付着力を求める。
このとき、前記受け基板に付着した粉体の質量を計算する方法としては、粉体の顕微鏡観察画像をコンピュータに取り込み、画像処理によって個々の粉体の粒径を測定し、粉体の比重から個々の粉体の質量を計算する方法や、直接質量を測定する方法がある。
この遠心分離法は、付着力を定量的に測定できるという点で優れているが、反面、粉体の画像処理に時間を要し、また遠心分離装置を所望の回転速度まで上げるのにも時間を要し、簡便な測定法ではないことが問題点である。

次に電界法について説明する。電界法では、粉体を付着させた導電性試料基板と、試料基板から分離したトナーを受ける導電性受け基板を対向配置し、２つの平行電極間に電界を印加する。この電界により、帯電している粉体は試料基板から分離して受け基板に付着する。受け基板に付着した粉体の質量を遠心分離法と同様にして求め、更に予め測定しておいた粉体の電荷量と印加した電界強度から分離に必要な静電力を求めることによって、粉体の付着力を求めることができる。但し、電界法では試料基板及び受け基板を真空中に置かなければならず、測定環境が制限されるため簡便とはいえない。また、真空状態では液架橋力が失われるため、実際の付着状態とは違う付着状態を測定していることになってしまう。更に、中間転写体や紙などの非導電性基板上の粉体付着力測定ができないといった問題点もある。

なお、遠心分離法や電界法以外の方法は、測定法が煩雑であったり、高価な測定装置が必要であったりして汎用的には用いられていなかった。
また、上記の方法は何れも試料基板として平行平板が必要であったため、実用されている複写機やプリンタなどで、作像したものを被付着体として利用することが不可能であった。そのため実用されている機器の作像条件の差、例えば現像バイアスに交番電界を用いた場合と直流電界を用いた場合の付着力の差、或いは感光体への磁気ブラシの穂当たりの強さの違いによる付着力の差などは測定することができなかった。また、転写条件の差、例えば、転写バイアスを変えたときの付着力の差などを測定することができなかった。
更に、従来の方法はトナーが孤立しているときの付着力しか測定できなかったため、実際の画質への影響が大きいと考えられる、ドットのような多数のトナー同士が凝集された状態での付着力を測ることができなかった。

特開平１０−２６７７２号公報

本発明の目的は、上記のような問題点を解決し、トナー等の帯電した粉体の付着力を、簡便な方法で適切に測定できる粉体付着力測定方法及び粉体付着力測定装置を提供することである。

上記課題は、次の１）〜１０）の発明（以下、本発明１〜１０という）によって解決される。
１） 被付着体に付着している帯電した粉体に対して、ノズル内径φ０．７ｍｍ以下で且つノズル先端と被付着体との最近接距離が２０ｍｍ以下の条件下で、ノズルから気流を噴射し、この粉体が被付着体から分離されたときの気流の圧力を用いて粉体の付着力を演算することを特徴とする粉体付着力測定方法。
２） 気流を噴射する方向が、粉体が付着している被付着体表面に対して垂直（被付着体が平面でない場合、被付着体の測定対象部の法線方向）であり、気流のゲージ圧力と実際に被付着体表面にかかる圧力の関係、及び、気流のゲージ圧力と気流の計算機解析から得られる被付着体表面に沿った方向にかかる圧力との関係を予め求めておくことによって、被付着体から粉体が分離されたときのゲージ圧力から粉体の付着力を演算することを特徴とする１）記載の粉体付着力測定方法。
３） 帯電した粉体が付着している被付着体をセットする手段と、この被付着体に向けて気流を発生する気流発生手段と、該気流発生手段から噴射される気流の圧力を調節する手段及び圧力表示部と、気流によって粉体が被付着体から分離されたかどうかを判別する手段と、被付着体から粉体が分離されたときの気流の圧力から粉体の付着力を演算する手段を有し、前記気流発生手段は内径φ０．７ｍｍ以下のノズルを備え、且つノズル先端と被付着体との最近接距離を２０ｍｍ以下に設定可能であることを特徴とする粉体付着力測定装置。
４） 気流発生手段から噴射される気流によって被付着体から分離された粉体を捕集する手段を有することを特徴とする３）記載の粉体付着力測定装置。
５） 被付着体から分離された粉体を捕集する手段が、被付着体から分離された粉体を、粉体回収部に吸い込む手段を設けて捕集するものであることを特徴とする３）記載の粉体付着力測定装置。
６） 被付着体から分離された粉体を捕集する手段が、被付着体から分離された粉体が主に飛翔する位置で且つ被付着体に付着している粉体には影響を及ぼさない位置に、粉体と逆極性のバイアスを印加した電極を配置し、この電極に粉体を捕集するものであることを特徴とする３）記載の粉体付着力測定装置。
７） 帯電した粉体が電子写真用トナーであり、粉体が付着している被付着体が円筒状の電子写真用感光体ドラム又は筒状の感光体ベルトであることを特徴とする３）〜６）の何れかに記載の粉体付着力測定装置。
８） 帯電した粉体が電子写真用トナーであり、粉体が付着している被付着体が円筒状又は筒状の電子写真用中間転写体であることを特徴とする３）〜６）の何れかに記載の粉体付着力測定装置。
９） 帯電した粉体が電子写真用トナーであり、粉体が付着している被付着体が転写紙であることを特徴とする３）〜６）の何れかに記載の粉体付着力測定装置。
１０） 粉体付着力の演算手段が、気流が被付着体表面に及ぼす圧力を検知する圧力検知手段を有し、予め気流発生手段から噴射される気流のゲージ圧力と、圧力検知手段によって測定された被付着体表面にかかる圧力の関係を調べておくことにより、粉体が被付着体から分離されたときのゲージ圧力値から、被付着体表面にかかる圧力を換算し、粉体の付着力を演算するものであることを特徴とする３）〜９）の何れかに記載の粉体付着力測定装置。

以下、上記本発明について詳しく説明する。
本発明１の粉体付着力測定方法では、被付着体に付着している帯電した粉体に対して、ノズル内径φ０．７ｍｍ以下で且つノズル先端と被付着体との最近接距離が２０ｍｍ以下の条件下で、ノズルから気流を噴射し、粉体が被付着体から分離されたときの気流の圧力を用いて粉体の付着力を演算することにより、粉体の付着力を簡便に且つ適切に測定できる。
また、本発明２の粉体付着力測定方法では、本発明１において、気流を噴射する方向が、粉体が付着している被付着体表面に対して垂直（被付着体が平面でない場合、被付着体の測定対象部の法線方向）であるように配置し、気流のゲージ圧力と実際に被付着体表面に垂直にかかる圧力の関係、及び、気流のゲージ圧力と気流の計算機解析から得られる被付着体表面に沿った方向にかかる圧力との関係を予め求めておく。こうすることによって、被付着体から粉体が分離されたときのゲージ圧力から、粉体の付着力を演算することを特徴とする。

本発明３の粉体付着力測定装置は、帯電した粉体が付着している被付着体をセットする手段と、被付着体に向けて気流を噴射する気流発生手段と、気流の圧力を調節する手段及び圧力表示部と、気流によって粉体が被付着体から分離されたかどうかを判別する手段と、被付着体から粉体が分離されたときの気流の圧力から粉体の付着力を演算する手段を有し、前記気流発生手段は内径φ０．７ｍｍ以下のノズルを備え、且つノズル先端と被付着体との最近接距離を２０ｍｍ以下に設定可能であることを特徴とする。
図１に本発明３の一実施形態の概観図を示す。被付着体をセットする手段は、測定可能な程度に固定できさえすれば特に制限はない。気流発生手段としては、図に示したように、エアタンク及び圧力を制御するレギュレータが接続されたノズルなどが用いられる。ノズルの内径は、φ０．７ｍｍ以下のものが望ましい。その理由は、ノズル径が大きすぎると、被付着体表面にかかる圧力分布の形状が複雑になり、粉体にかかる付着力の演算が難しくなるためであり、付着力演算精度の向上のためにノズルを細くすることが望ましい。また、ノズル先端と被付着体の最近接距離は２０ｍｍ以下であることが望ましい。ノズル先端から被付着体までの距離が遠いほど、ノズル先端からの気流が拡散し、圧力分布の形状が裾広がりになり、付着力の演算が難しくなる。
なお、粉体が被付着体から分離されたかどうかの判別には、気流が被付着体表面に当たる部位を観察できるＣＣＤカメラを用いて、粉体の有無を直接観察するか、或いは画像処理して自動判別する手法などが用いられる。

本発明４の粉体付着力測定装置は、ノズルなどの気流発生手段から噴射される気流によって被付着体から分離された粉体を捕集する手段を有することを特徴とする。
捕集の目的は電子写真用トナーなどの粉体が、大気中に拡散して周囲を汚さないようにすること、及び測定者らの健康に害を及ぼさないようにするためである。なお、捕集手段を設けない場合、付着力の測定自体には影響を及ぼさないが、気流は図２（ａ）に示した断面図のように拡散する。
粉体を捕集するための手段として本発明５では、被付着体から分離された粉体を、粉体回収用の気流で吸い込んで捕集する手法を提案している。この粉体回収用気流発生手段の設置位置、設置法としては、図２（ｂ）に示した断面図のように、粉体を被付着体から分離させるための気流発生手段であるノズルの周囲を、図に示すようなフードで覆い、被付着体に向かって噴射された気流及び被付着体から分離された粉体が、このフード内の粉体回収部に吸引されるようにする。
このように、被付着体から粉体を分離させるための気流を阻害することなく分離された粉体を適切に捕集するためには、図に示すフード開口部の開口径、及び、ノズル先端とフード先端の位置関係等を適切に設計することが重要である。

また、粉体を捕集するための別の手段として本発明６では、図２（ｃ）に示した断面図のように、被付着体から分離された粉体が主に飛翔する位置で且つ被付着体の測定部位に付着しているトナーには影響を及ぼさない位置に、粉体と逆極性のバイアスを印加した電極を配置し、この電極に粉体を捕集する手法を提案している。
これにより、気流発生手段によって分離された粉体は電極に付着して周囲に拡散しないため、周囲を汚さず、測定者らの健康に害を及ぼさないで済む。
本発明７の粉体付着力測定装置では、帯電した粉体である電子写真用トナーが付着している被付着体が、円筒状の電子写真用感光体ドラム又は筒状の感光体ベルトであることを特徴とする。即ち本発明の粉体付着力測定装置では、被付着体が曲率を持っている場合にも対応できることが大きな特徴である。
従来の粉体付着力測定装置では、試料基板として平板を用いなければならず、感光体とトナーの付着力を測定する場合には、アルミ基板の上にブレード塗布法等で電荷輸送層を設けてシート状の感光体基板を作製する必要があった。この作業は簡易とは言えず、付着力測定の不便さを助長する面があった。一方、本発明者らが発明した手法では、複写機やプリンタ等で一般的に用いられている円筒状の感光体ドラムや、筒状の感光体ベルトを直接、被付着体として用いることができ、非常に簡便である。

本発明８の粉体付着力測定装置では、複写機やプリンタで一般的に用いられている筒状の中間転写ベルトや、円筒状の中間転写ドラム等の中間転写体を直接、被付着体として用いることができ、非常に簡便である。なお、中間転写ベルトのような筒状のものを被付着体として用いる場合には、アルミドラムなどの円筒状の固定形状の支持体に巻き付けて付着力測定装置にセットする。
本発明９の粉体付着力測定装置では、紙を被付着体として用いることができる。なお、紙を被付着体として用いる場合にも、アルミドラムなどの円筒状の固定形状の支持体に巻き付けて使用する。

本発明１０の粉体付着力測定装置では、粉体付着力の演算手段を以下のようにすることを特徴とする。
まず気流が被付着体表面に及ぼす圧力を検知する圧力検知手段を設ける。
そして予め、気流発生手段から噴射される気流のゲージ圧力と、圧力検知手段によって測定された被付着体表面にかかる圧力の関係を調べておく。
この関係を利用することにより、粉体が被付着体から離れたときのゲージ圧力値から、被付着体表面にかかる圧力を換算でき、被付着体表面の圧力が分かれば、計算により粉体の付着力を求めることが可能である。
ここでいう計算とは気流解析を意味しており、気流発生手段であるノズルから噴射される気流が、被付着物である感光体ドラム等にぶつかった後の気流の方向と力の大きさを計算することにより、粉体にかかる力を見積もることが可能である。

本発明によれば、トナー等の帯電した粉体の付着力を、簡便な方法で適切に測定できる粉体付着力測定方法及び粉体付着力測定装置を提供できる。

以下、実施例及び比較例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例により限定されるものではない。

（実施例１）
図１に概略図を示した粉体付着力測定装置を用いて測定を行った。
本実施例では被付着体としてφ９０ｍｍの電子写真用感光体ドラムを用い、この感光体ドラムに対するトナーの付着力測定を行なった。
まず、被付着体の作成方法について述べる。
被付着体の作成にはリコー製デジタル複写機ＩｍａｇｉｏＣｏｌｏｒ５１００を用いた。トナーの平均粒径を６．８μｍ、キャリア重量平均粒径を５５μｍ、トナー濃度を５重量％とした。また、帯電電位を７００Ｖ、現像バイアスを交流バイアス４５０Ｖ、現像ギャップを０．４ｍｍ、線速比を１．５とした。
被付着体上に粉体を付着させた測定対象を作成するために、画像データとしてφ１ｍｍの円形ベタ画像を感光体ドラム上に作像し、中間転写体に転写される前に機械を止めて感光体を抜き出した。このようにして感光体上に帯電したトナーが付着した被付着体を用意した。得られた被付着体を付着力測定装置にセットした。
付着力測定装置にセットされた被付着体に対して、ノズルが被付着体の回転中心方向を向くようにノズルを配置した。ノズルから噴射される気流は、異物を除去した空気、窒素ガスなどが適当であるが、本実施例では窒素ガスを用いた。ノズルは長さ１５ｍｍ、内径０．３ｍｍのものを用いた。また、ノズル先端と被付着体の最近接距離は５ｍｍとした。また、トナーが被付着体から分離されたかどうかを判定するための手段として、３０万画素のＣＣＤカメラを用い、視野３ｍｍを観察した。本実施例ではトナーが１００％分離されたとき、トナーが被付着体から分離されたと判定した。
本実施例では、気流によって分離されたトナーが大気中に飛散して人体に害を及ぼさないように、気流によって分離されたトナーを回収するための機構を設けた。
トナーの捕集手段として、図２（ｂ）に示すようなフードをノズルの周囲に設け、フード内にノズルから被付着体に向けて噴射した気流を回収するための吸引口を設けた。吸引圧力は２００Ｐａとした。

次に気流のゲージ圧と、被付着体表面に実際に当たる圧力の関係を見積もる方法について述べる。
本実施例の測定装置では、図３に示すような位置関係で、定格５０ｇのロードセルを配置した。つまり、ロードセルの荷重測定部の端面が被付着体の端面と同一になるように配置したので、ロードセルにかかる荷重を感光体表面にかかる力とみなせる。
このロードセルを利用して、気流のゲージ圧力と実際にロードセルにかかる圧力の関係を調べておき、付着力の測定時に、徐々にゲージ圧を大きくしていき、トナーが分離されたときのゲージ圧を記録することにより、そのときに被付着体表面に垂直にかかった力を求めた。
一方、シミュレーションによる気流解析の結果、ノズルからの気流が最も強く当たる感光体表面の位置近傍では、感光体表面に対して垂直に当たる力と、水平方向にかかる力がほぼ同一とみなせることが分かった。即ちトナーの付着力は、トナーが分離されたときに被付着体表面に垂直にかかる力に等しいことを意味している。

上記のような構成により、感光体とトナーの付着力を測定した結果、表１に示すようにトナーの付着力を測定することができ、従来手法による結果と照合して妥当な測定結果が得られた。なお、帯電量は初期トナーが-２０μＣ／ｇ、劣化トナーが-２４μＣ／ｇであった。
劣化トナーの場合、付着力が初期トナーと比較して大きくなっており、それぞれのトナーで画像形成を行なったところ、初期トナーの場合には、粒状性の良い画像が得られたが、劣化トナーの場合には粒状性の悪い画像が得られた。
初期トナーとは、外添剤がトナーの表面に多数存在している状態であり、劣化トナーとはトナー表面の外添剤が、キャリアとの長時間の攪拌（１２０分間、現像ユニットをトナー補給なしで空回し）によって埋没した状態のトナーを指す。

本発明の粉体付着力測定装置を利用して付着力を測定する演算手法は、上述の方法に限定されるものではなく、従来知られている測定原理に基づく付着力測定方法（例えば遠心分離法）によって、本発明の測定方法から得られた付着力を見積もることも可能である。その手法について説明する。
まず測定用の同一サンプルを用意し、一方を遠心分離法で付着力測定する。次に、本発明の測定装置を用いて、トナーが被付着体から分離されるときのゲージ圧を測定する。ゲージ圧と被付着体表面にかかる圧力の関係は、先ほど述べた方法によって得られているから、その関係を利用して、トナーが被付着体から分離されたときに被付着体表面に垂直にかかる圧力が求められる。これで、遠心分離法による付着力と、感光体表面に垂直にかかる力の関係を実験的に求めたことになり、両者の関係を複数プロットしておくことによって、本発明の測定装置で、トナーが分離されたときのゲージ圧と、トナー付着力の関係が得られる。従って、トナーが被付着体から分離されるときのゲージ圧を測定することによって、トナーの付着力を求めることができる。

（実施例２）
トナーの捕集手段として、図２（ｃ）に示すような電極を設け、＋５０Ｖを印加した点以外は、実施例１と同様にして電子写真用感光体ドラムに対するトナーの付着力測定を行なった。電極は、被付着体表面から１０ｍｍ離し、被付着体の曲率と同じ曲率の部材を用いた。その結果、このトナー捕集手段を用いた装置でも、付着力の測定結果には影響を及ぼさず、かつ充分なトナー捕集性能を得ることができた。

（実施例３）
被付着体として電子写真用中間転写ベルトを用いた点以外は、実施例１と同様にして中間転写ベルトに対するトナーの付着力を測定した。トナー像が中間転写ベルトに転写された後に機械を止めることによって、中間転写ベルト上に帯電したトナーが付着した被付着体を用意した。得られた被付着体は、円筒状の支持体であるアルミドラムに巻き付けて固定し、付着力測定装置にセットした。なお、支持体は円筒状の固定形状物体であればアルミドラム以外のものでも良い。
実施例１と同じ条件で、初期トナーを用いて１次転写条件を変えた場合の中間転写ベルトに対するトナーの付着力を測定した結果を表２に示す。
表２から分るように、転写バイアスを２ｋＶにすると、１次転写時にトナーがチャージアップされ、転写率が著しく低下する。するとドット形状が正確に転写されず、粒状性の悪い画像となってしまう。

（実施例４）
被付着体として転写紙を用いた点以外は、実施例１と同様にして転写紙に対するトナーの付着力を測定した。紙種としてはコート紙を用いた。トナー像がＡ４の紙上に２次転写された後で且つ定着される前の状態の紙を被付着体とした。得られた被付着体は、円筒状の支持体であるアルミドラムに巻きつけて固定し、付着力測定装置にセットした。なお、支持体は円筒状の固定形状物体であればアルミドラム以外のものでも良い。
実施例１と同じ条件で、初期トナーを用いて１次転写バイアスを１ｋＶとした場合の転写紙に対するトナーの付着力を測定した結果、２２［ｎＮ］という値が得られた。

本発明３の一実施形態の概観図。 ノズルなどの気流発生手段から噴射される気流によって被付着体から分離された粉体を捕集する手段を有する場合と有しない場合の違いを説明するための図。（ａ）捕集する手段を有しない場合、（ｂ）トナーの捕集手段としてフードを設けた場合、（ｃ）トナーの捕集手段として電極を設けた場合。 実施例１の測定装置のロードセルを配置した状態を示す図。

Claims (10)

1. 被付着体に付着している帯電した粉体に対して、ノズル内径φ０．７ｍｍ以下で、且つノズル先端と被付着体との最近接距離が２０ｍｍ以下の条件下で、ノズルから気流を噴射し、この粉体が被付着体から分離されたときの気流の圧力を用いて粉体の付着力を演算することを特徴とする粉体付着力測定方法。
2. 気流を噴射する方向が、粉体が付着している被付着体表面に対して垂直（被付着体が平面でない場合、被付着体の測定対象部の法線方向）であり、気流のゲージ圧力と実際に被付着体表面にかかる圧力の関係、及び、気流のゲージ圧力と気流の計算機解析から得られる被付着体表面に沿った方向にかかる圧力との関係を予め求めておくことによって、被付着体から粉体が分離されたときのゲージ圧力から粉体の付着力を演算することを特徴とする請求項１記載の粉体付着力測定方法。
3. 帯電した粉体が付着している被付着体をセットする手段と、この被付着体に向けて気流を発生する気流発生手段と、該気流発生手段から噴射される気流の圧力を調節する手段及び圧力表示部と、気流によって粉体が被付着体から分離されたかどうかを判別する手段と、被付着体から粉体が分離されたときの気流の圧力から粉体の付着力を演算する手段を有し、前記気流発生手段は内径φ０．７ｍｍ以下のノズルを備え、且つノズル先端と被付着体との最近接距離を２０ｍｍ以下に設定可能であることを特徴とする粉体付着力測定装置。
4. 気流発生手段から噴射される気流によって被付着体から分離された粉体を捕集する手段を有することを特徴とする請求項３記載の粉体付着力測定装置。
5. 被付着体から分離された粉体を捕集する手段が、被付着体から分離された粉体を、粉体回収部に吸い込む手段を設けて捕集するものであることを特徴とする請求項３記載の粉体付着力測定装置。
6. 被付着体から分離された粉体を捕集する手段が、被付着体から分離された粉体が主に飛翔する位置で且つ被付着体に付着している粉体には影響を及ぼさない位置に、粉体と逆極性のバイアスを印加した電極を配置し、この電極に粉体を捕集するものであることを特徴とする請求項３記載の粉体付着力測定装置。
7. 帯電した粉体が電子写真用トナーであり、粉体が付着している被付着体が円筒状の電子写真用感光体ドラム又は筒状の感光体ベルトであることを特徴とする請求項３〜６の何れかに記載の粉体付着力測定装置。
8. 帯電した粉体が電子写真用トナーであり、粉体が付着している被付着体が円筒状又は筒状の電子写真用中間転写体であることを特徴とする請求項３〜６の何れかに記載の粉体付着力測定装置。
9. 帯電した粉体が電子写真用トナーであり、粉体が付着している被付着体が転写紙であることを特徴とする請求項３〜６の何れかに記載の粉体付着力測定装置。
10. 粉体付着力の演算手段が、気流が被付着体表面に及ぼす圧力を検知する圧力検知手段を有し、予め気流発生手段から噴射される気流のゲージ圧力と、圧力検知手段によって測定された被付着体表面にかかる圧力の関係を調べておくことにより、粉体が被付着体から分離されたときのゲージ圧力値から、被付着体表面にかかる圧力を換算し、粉体の付着力を演算するものであることを特徴とする請求項３〜９の何れかに記載の粉体付着力測定装置。

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