JP4536628B2 - 画像形成装置、プロセスカートリッジ、画像形成方法 - Google Patents

画像形成装置、プロセスカートリッジ、画像形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンター等の静電複写プロセスによる画像形成を行う画像形成装置、及びこの画像形成装置に備えられるプロセスカートリッジ、並びにこの画像形成装置に適用される画像形成方法に関するものである。
電子写真法など静電潜像を経て画像情報を可視化する方法は、現在様々の分野で利用されている。電子写真法においては、帯電、露光工程により感光体上に静電潜像を形成し、トナーを含む現像剤で静電潜像を現像し、転写し、定着する工程を経て可視化される。ここで用いられる現像剤には、トナーとキャリアからなる二成分現像剤と、磁性トナーなどのようにトナー単独で用いられる一成分現像剤とがあるが、二成分現像剤は、キャリアが現像剤の攪拌・搬送・帯電などの機能を分担し、現像剤として機能分離されているため、制御性がよいなどの利点があり、現在広く用いられている。特に、樹脂被覆を施したキャリアを用いる現像剤は、帯電制御性が優れ、環境依存性の改善が比較的容易である。
二成分現像装置においては、現像装置の現像剤収容部内にトナーとキャリアが収容されており、このトナーとキャリアを攪拌して摩擦帯電させた後、現像ロール等の現像剤担持搬送体により感光体等の潜像担持体に供給することにより潜像担持体上の潜像を現像するようになっている。
この際、現像装置における現像剤収容部内のトナーは、消費に伴って減少するのに対し、キャリアは消費されず、現像剤収容部内に残る。このため、キャリアはトナーと比較して、現像剤収容部内での攪拌頻度が多くなり、これに伴って劣化したものの割合が増加してくる。現像剤収容部内で、劣化したキャリアの割合が増加してくると、トナーの帯電量が不安定になり、画質の低下が誘発されるといった不具合が生じてくる。
そこで 従来より、上記のような、キャリア劣化による画質の低下を抑制するため、トナーのみでなく、キャリアも現像剤収容部に適宜補給すると共に、このキャリア補給によって、徐々に現像剤収容部内で過剰となる二成分現像剤を回収する、いわゆる「トリクル現像方式」が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
即ちこのトリクル現像方式は、画像形成に伴って消費され、減少したトナーを補充すると同時に、現像装置(現像剤収容部)内の劣化したキャリアも新しいキャリアを補給することにより置き換えるものである。このように、キャリアを含む二成分現像剤の補給と回収が行われることで、現像装置(現像剤収容部)内のキャリアの劣化が抑制され、二成分現像剤の現像特性が一定に維持されるようになり、現像剤の現像特性の変動による画質低下を抑えることが可能となる。
ところで、現像装置(現像剤収容部)に供給される現像剤は、各現像装置とは別体で備えられた補給装置内に充填されており、画像形成に伴う現像剤の消費に応じて、補給装置から各現像装置に供給される。
上記のトリクル現像方式の場合、例えば現像装置にトナーとキャリアを独立で補給し、現像槽内の余剰現像剤を回収する方式(例えば、特許文献2参照。)や、トナーとキャリアを予め混合した状態で補給装置内に充填し、この現像剤を現像装置に供給する方式(例えば、特許文献1参照。)が行われている。
これらの現像剤補給方式のうち、前者の場合は、トナーとキャリアの混合比率を調整して供給を行う必要があり、制御が煩雑になるという問題がある。
これに対し、後者の場合は、予め現像剤補給装置内でトナーとキャリアが混合された状態とされているため、前者の場合のように、トナーとキャリアの供給比率の調整といった煩雑な作業が必要とされず、更に装置の簡略化が可能となる。
一方、後者の方式をとった場合、トナーとキャリアでは比重の差が大きいため、両者を混合して現像剤補給装置内に充填した場合には、それぞれが偏って存在する状態となりやすい。また、トナーとキャリアでは、流動性にも差異があるため、両者の間で供給性に差が生じ、現像剤補給装置から現像装置内に現像剤を供給する際、トナーとキャリアの供給比率が変動する。トナーとキャリアの供給比率が変動すると、現像装置内でキャリアの帯電量にばらつきが生じて、安定した現像特性が得られないといった不具合が生じてくる。
現像装置内において安定したトナー帯電量を得るためには、現像剤のトナーとキャリアの比率が、常に一定の割合で現像装置に供給されるようにする必要がある。
現像剤補給装置内で、トナーとキャリアを均一に存在させるための手段として、例えば、補給装置内部に攪拌部材を備えた現像剤補給装置を使用し、この攪拌部材によりトナーとキャリアを攪拌混合するという方法がある。
例えば、特許文献3では、収容された現像剤を排出するための開口部を有する現像剤補給容器であって、少なくとも容器内壁から内部に突出するように設けられ前記開口部に向って螺旋状をなす突条部を有し、前記現像剤補給容器の回転に伴って該突条部により搬送された現像剤を前記開口部から現像剤受け入れ装置へ補給する現像剤補給装置(その内周面に円周方向に沿った螺旋状の突起14が形成された円筒状の現像剤補給装置)が開示されている。
また、特許文献4では、通称オーガと呼ばれる、スパイラル状のスクリューを設けた充填装置が開示されている。
(トナー収容器内に、通称オーガと呼ばれるスクリュー又はコイルスプリング等の可動部材を設けるものや(図8(a)参照。)、スクリューボトル15と呼ばれる、その内周面に円周方向に沿った螺旋状の突起14が形成された円筒状のトナー収容器が開示されている(図8(b)参照。))。
特許文献4の(上記の図8(a)で示される)充填装置では、可動部材の回転軸を回転駆動することによって、現像剤補給装置内のトナーを排出口に向かう方向に移送し、排出口から排出させて現像剤補給部に補給している。
このような、可動部材を備えた補給装置や、あるいは補給装置自体が回転する現像装置を使用することで、補給装置内の現像剤を確実に残量無く排出し、更に排出した現像剤を現像装置まで確実に搬送することができるとともに、装置内の現像剤を十分に攪拌混合することができ、トナーとキャリアが均一に分散した状態とすることができる。
しかし、このように補給装置内で現像剤を攪拌混合すると、キャリアは現像装置に供給される前に劣化してしまう。従って、劣化前のキャリアを現像装置に供給することにより、二成分現像剤の現像特性を一定に維持できるという、トリクル現像方式の効果を十分に得ることができない。
一方、最近では、トナー容器内にオーガやスクリューボトルといった排出機構を持たない方式の現像剤補給装置が提案されている。
特許文献5又は特許文献6では、袋状の柔軟な容器内のトナーを吸引ポンプによって吸引し、現像器に供給する方式が開示されており、既に製品化されている。これらの発明では、さらに内部のトナーを吸引排出することにより、トナー排出後の容器を減容(容器がしぼんだ状態)にすることが出来ることも示されている。
このように、内部に攪拌手段を有していない補給装置を使用することで、現像装置に供給される前のキャリアが劣化するといった問題が発生することがなく、また、装置本体の省スペース化を図ることができ、更にその廃棄処分に際して、ハードボトルを使用した場合より回収時での単位体積当たりの回収量を減少させることが可能となる。
しかし、上記のように、内部に攪拌手段を有していない現像剤補給装置内に、トナーとキャリアからなる現像剤を充填し、この現像剤を現像装置に供給する場合には、例えば現像剤排出口が補給装置本体の下方に備えられた場合、比重の重いキャリアが先に下方に移動しやすいため、現像剤補給装置内でトナーとキャリアが偏って存在する現象が発生しやすい。また、トナーとキャリアの間で、流動性等の性質が大きく異なる場合には、両者の間の供給性に大きな差が生じ、現像装置内で安定したトナー帯電量が得られないという不具合が生じてくる。
特公平2−21591号公報 特開平9−204105号公報 特開2004−29306号公報 特開2004−264510号公報 特開2001−324863号公報 特開2002−72649号公報
そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、現像装置内でのトナーの帯電性を均一に保ち、長期にわたって安定した画像を得ることができる画像形成装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するための手段である本発明の特徴を以下に挙げる。
1.本発明に係る画像形成装置は、少なくとも潜像を担持する像担持体と、像担持体上に形成される潜像を現像剤により現像する現像装置と、現像剤を前記現像装置に補給するための現像剤補給装置と、前記現像装置に補給する現像剤を収納する現像剤収納容器と、を備える画像形成装置であって、前記現像剤収納容器内のトナーとキャリアの重量存在比が、
トナー対キャリアで80:20〜95:5であり、前記現像剤収納容器は、内圧が減少することで減容する柔軟な袋状部材と、前記現像剤収納容器の内部に収納された現像剤を排出するための現像剤排出口と、を備えており、前記現像剤は、前記トナーのタップ密度から求めた空隙率Aと、前記キャリアの前記トナーによる被覆率50%時における流動度B(sec/50g)とが、下記式(1)の関係を満たすことを特徴とする画像形成装置である。A≦0.01×B−0.2 ・・・・(1)
2.また、本発明の画像形成装置は、1.に記載の発明において、前記現像剤収納容器は、内部に収納された現像剤を排出するための現像剤排出口が設けられており、前記現像剤排出口は、前記現像剤収納容器の下方に備えられることが好ましい。
3.また、本発明の画像形成装置は、1.又は2.に記載の発明において、前記現像剤補給装置は、前記現像剤収納容器に空気を供給する、空気供給手段を備えることが好ましい。
4.また、本発明の画像形成装置は、1.ないし3.のいずれかに記載の発明において、前記トナーは、平均円形度が0.94〜0.99であることが好ましい。
5.また、本発明の画像形成装置は、1.ないし4.のいずれかに記載の発明において、前記トナー表面には、外添剤が付着され、前記外添剤の添加量は、トナー母体100重量部に対して、1.3〜4.5重量部であることが好ましい。
6.また、本発明の画像形成装置は、1.ないし5.のいずれかに記載の発明において、前記外添剤は、平均粒径50〜260nmのシリカを用いることが好ましい。
7.また、本発明の画像形成装置は、1.ないし6.のいずれかに記載の発明において、 前記トナーは、重量平均粒径が、3〜8μmであることが好ましい。
8.また、本発明の画像形成装置は、1.ないし7.のいずれかに記載の発明において、前記トナーは、タップ密度から求めた空隙率A が、0.3〜0.6であることが好ましい。
9.また、本発明の画像形成装置は、1.ないし8.のいずれかに記載の発明において、前記現像剤収納容器内の現像剤は、トナー平均帯電量が、30〜50(μC/g)であることが好ましい。
10.また、本発明の画像形成装置は、1.ないし9.のいずれかに記載の発明において、前記キャリアは、重量平均粒径(Dc)が、20〜40μmの範囲であることが好ましい。
11.また、本発明の画像形成装置は、1.ないし10.のいずれかに記載の発明において、前記キャリアは、前記トナーによる被覆率50%時における流動度B(sec/50g)は、40〜120(sec/50g)であることが好ましい。
12.また、本発明の画像形成装置は、1.ないし11.のいずれかに記載の発明において、前記トナーは、重量平均粒径が3〜8μmで、重量平均粒径(D4)と個数平均粒径(Dn)との比(D4/Dn)が1.00〜1.40の範囲にあることが好ましい。
13.また、本発明の画像形成装置は、1.ないし12.のいずれかに記載の発明において、前記現像剤は、乾式粉砕法で製造されたトナーを使用することが好ましい。
14.また、本発明の画像形成装置は、1.ないし12.のいずれかに記載の発明において、前記現像剤は、溶液重合法で製造されたトナーを使用することが好ましい。
15.また、本発明のプロセスカートリッジは、静電潜像を担持する像担持体と、少なくとも、静電潜像を担持する像担持体に対向して配置される現像装置とを一体に支持し、画像形成装置本体に着脱可能なプロセスカートリッジであって、1.ないし14.のいずれかに記載の画像形成装置に備えられることを特徴とするプロセスカートリッジである。
16.また、本発明の画像形成方法は、像担持体上に静電潜像を形成する工程と、静電潜像をトナーを含む現像剤で現像してトナー画像を形成する工程と、トナー画像を被転写体上に転写する工程と、被転写体上のトナー画像を定着する工程と、を含む画像形成方法であって、前記現像工程が、現像剤を前記現像装置に補給するための現像剤補給装置と、前記現像装置に補給する現像剤を収納する現像剤収納容器と、を使用し、前記現像剤収納容器内には、トナーとキャリアからなる新たな現像剤が補給され、前記現像剤収納容器内のトナーとキャリアの重量存在比が、トナー対キャリアで80:20〜95:5であり、前記現像剤収納容器は、内圧が減少することで減容する柔軟な袋状部材を備えており、前記現像剤は、前記トナーのタップ後の空隙率Aと、前記キャリアの前記トナーによる被覆率50%時における流動度B(sec/50g)とが、下記式(1)の関係を満たすことを特徴とする画像形成方法である。
A ≦ 0.01×B − 0.2 ・・・・(1)
17.また、前記画像形成方法は、更に1.ないし15.のいずれかに記載の画像形成装置で使用されることが好ましい。
上記解決するための手段により、本発明は、現像装置内に補給される現像剤のトナーとキャリアの供給比率を均一に保ち、二成分現像剤の帯電量が大きく変化することなく適正な範囲に維持され、長期の使用においても安定した画像を得られる画像形成装置を提供することができる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面等に基づいて説明する。なお、以下の説明はこの発明の最良の形態の例であって、いわゆる当業者は特許請求の範囲内で、変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、以下の説明が特許請求の範囲を限定するものではない。
(画像形成装置)
図1は、本発明に係る画像形成装置の構成を示す概略図である。図1は、この発明をフルカラーの小型プリンタに適用した例を示す全体構成図である。画像形成装置本体(以下、単に「装置本体」と記す。)100内には、4個の像担持体である感光体1を有する画像形成ユニット2A、2B、2C、2Dを、装置本体100に対してそれぞれ着脱可能に装着している。装置本体100の略中央に転写ベルト15を複数のローラ間に矢示A方向に回動可能に装着した転写装置3を配置している。
その転写ベルト15の下側の面に、画像形成ユニット2A、2B、2C、2Dにそれぞれ設けられている感光体1が接触するように配置している。そして、その画像形成ユニット2A、2B、2C、2Dに対応させて、それぞれ使用するトナーの色が異なる現像装置10A、10B、10C、10Dを配置している。
画像形成ユニット2A、2B、2C、2Dは、同一の構成をしたユニットであり、画像形成ユニット2Aはマゼンタ色に対応する画像を形成し、画像形成ユニット2Bはシアン色に対応する画像を形成し、画像形成ユニット2Cはイエロー色に対応する画像を形成し、画像形成ユニット2Dはブラック色に対応する画像を形成する。
(現像装置)
画像形成ユニット2A、2B、2C、2D内にそれぞれ配置されている現像装置10A、10B、10C、10Dでは、トナーとキャリアとを含む二成分系現像剤が用いられ、後述する現像剤補給装置200から、トナー濃度センサ10bの出力に応じてトナー補給を行うとともに、キャリアも補給して古い現像剤を排出し、現像剤を交換することが可能なトリクル現像方式が採用されている。
(トナー補給装置)
画像形成ユニット2A、2B、2C、2Dの上方空間には、トリクル現像方式に用いられる現像剤補給部200A、200B、200C、200Dが配置されている。現像剤補給部200は、感光体ドラム1に供給されようとしているトナーとは別の新規なトナーと、新規なキャリアを現像装置10に補給するための構成であり、その構成が図2に示されている。
また、その画像形成ユニット2A、2B、2C、2Dの下方には書込みユニットとしての露光装置6を配置している。
露光装置6は、各色毎に用意されたレーザダイオード(LD)方式の4つの光源と、6面のポリゴンミラーとポリゴンモータから構成される1組のポリゴンスキャナと、各光源の航路に配置されたfθレンズ、長尺シリンドルカルレンズ等のレンズやミラーから構成されている。レーザダイオードから射出されたレーザ光はポリゴンスキャナにより偏向走査され感光体5上に照射される。
転写ベルト15と現像剤補給装置200との間には、画像が転写された転写紙の画像を定着する定着装置9が設けられている。その定着装置9の転写紙搬送方向下流側には、排紙路51を形成し、そこに搬送した転写紙を排紙ローラ対52により排紙トレイ53上に排出可能にしている。
また、装置本体100の下部には、転写紙を収納可能な給紙カセット7を配設している。
次に、この画像形成装置100の画像形成における動作について説明する。画像形成の動作を開始させると、各感光体1が図1で時計回り方向にそれぞれ回転する。そして、その各感光体1の表面が帯電ユニット3の帯電ローラ301により一様に帯電される。そして、画像形成ユニット2Aの感光体1aには、露光装置6によりマゼンタの画像に対応するレーザ光が、画像形成ユニット2Bの感光体1bにはシアンの画像に対応するレーザ光が、画像形成ユニット2Cの感光体1cにはイエローの画像に対応するレーザ光が、さらに画像形成ユニット2Dの感光体1dにはブラックの画像に対応するレーザ光がそれぞれ照射され、各色の画像データに対応した潜像がそれぞれ形成される。各潜像は、感光体1が回転することにより現像装置10A、10B、10C、10Dの位置に達すると、そこでマゼンタ、シアン、イエロー及びブラックの各トナーにより現像されて、4色のトナー像となる。
一方、給紙カセット7から転写紙が分離給紙部により給紙され、それが転写ベルト15の直前に設けられているレジストローラ対55により、各感光体1上に形成されているトナー像と一致するタイミングで搬送される。転写紙は、転写ベルト15の入口付近に配設している紙吸着ローラ54によりプラスの極性に帯電され、それにより転写ベルト15の表面に静電的に吸着される。そして、転写紙は、転写ベルト15に吸着した状態で搬送されながら、マゼンタ、シアン、イエロー及びブラック色の各トナー像が順次転写されていき、4色重ね合わせのフルカラーのトナー画像が形成される。その転写紙は、定着装置9で熱と圧力が加えられることによりトナー像が溶融定着され、その後は排紙系を通って、装置本体1上部の排紙トレイ53に排紙される。
(現像装置周辺)
次に、本発明の画像形成装置100に使用される現像装置10について詳述する。
図2は、本発明の実施形態に係る現像装置10の現像部周辺の構造を示す概略構成を示す図である。現像装置10A、10B、10C、10Dは感光体1に対向した現像ローラ12、現像剤を搬送・撹拌する搬送スクリュー11a,11b、トナー濃度センサ10b等から構成される。現像ローラ12は外側の回転自在のスリーブと内側に固定された磁石から構成されている。
現像装置10は、いわゆる2成分現像装置であり、トナーとキャリアを混合した現像剤を使用する。現像装置10の内部に貯蔵されている現像剤は、2本の搬送スクリュー11a,11bにより、仕切部材10aにより仕切られた空間内を循環しながら攪拌される。そして、現像剤担持体としての現像ローラ12近傍に搬送された現像剤は、現像ローラ12の内部に設けられる図示しない磁石による磁力作用を受けて、現像ローラ12の表面に保持される。そして、現像ローラ12の表面に保持された現像剤は、現像ローラ12の回転に伴って、ドクターブレード13により所定の層厚に規制された後、感光体ドラム1との対向位置において感光体ドラム1上の静電潜像を現像する。
現像装置10による現像時において、感光体ドラム1上の静電潜像に付着して消費されることによりトナーは徐々に減少するが、このトナーの減量が、トナー濃度センサ10bにより検知されると、現像剤補給部200より二成分現像剤が補給される。この補給された新たな二成分現像剤は、攪拌部15内で搬送スクリュー11a,11bにより攪拌されるとともに、補給前から収容されている二成分現像剤と十分攪拌混合される。
現像装置10おける現像剤収容槽16内には、槽内に収容される現像剤の量を一定化するために過剰な現像剤を溢れ出さすための堰部17が設けられており、堰部17からオーバーフローした現像剤が図示しない回収部に排出されるようになっている。オーバフローする現像剤の回収部は、現像剤収容槽16内に設けることに限らず、堰部17を現像装置10の外部に取り付けることも可能である。
(現像剤補給装置)
以下に、本実施形態で使用される現像剤補給部200の詳細な構成を図面に基づいて説明する。
現像剤補給部200は、減容可能な袋状部材としての現像剤収納部材231を備えた、現像剤収納容器としての現像剤収容器230と、現像剤収容器230内の現像剤を現像装置10に補給する現像剤補給装置220とから構成されている。
図3は、本発明で使用される現像剤補給部200の概略構成図である。
現像剤補給部200は、現像装置10の現像剤補給口16に連結されるスクリューポン
プ223と、このスクリューポンプ223に連通される現像剤搬送通路としての搬送チューブ221を有している。この搬送チューブ221は、好ましくは、フレキシブルで耐トナー性に優れたポリウレタン、ニトリル、EPDM等のゴム材料で形成されたものを利用する。また、現像剤補給装置200は、現像剤収納容器としての現像剤収容器230を支持するための容器ホルダ222を有しており、この容器ホルダ222は樹脂等の剛性の高い材料で形成されている。
現像剤収容器230は、柔軟なシート材で形成される袋状部材としての現像剤収納部材231と、現像剤排出口を形成する排出口形成部材としての口金部232を有している。
現像剤収納部材231の材質としては、ポリエチレンシート、ポリエステルシート、ポリウレタンシート等のプラスチックシートを用いることが好ましい。
また、口金部232には、スポンジ、ゴム等で形成されるシール材233が設けられており、このシール材233には十字型の切り込みが設けられている。そして、この切り込みに現像剤補給装置220のノズル240を通すことで、現像剤収容器230と現像剤補給装置220が連通し固定される。
本実施形態では、口金部232が、現像剤収容器230の下方に備えられている。ここで、口金部232が下方に備えられている状態とは、現像剤収容器230が現像剤補給部200に配設された状態において、口金部232が、現像剤収容器230における下方向きの鉛直成分を含んだ位置に備えられていることを表している。
なお、口金部232が、現像剤収容器本体に備えられる位置としては、これに限られるものではなく、現像剤収容器230が現像剤補給部200に配設された状態において、現像剤収容器230本体の水平方向に備えられてもよく、また、斜め方向に備えられることとしてもよい。
また、現像剤収容器230は、トナーの消耗に応じて順次新しい物と交換されるが、この構成により、その着脱が容易となり、交換時や使用時におけるトナー漏れを防止する。
図4(a)は、現像剤補給装置220に設けられるノズル240の概略構成を示す外観図であり、図4(b)は、その軸方向断面図であり、図4(c)は、図4(b)中符号A−Aの断面図である。このノズル240は、図4(b)に示すように、内管241とその内管241を内部に収容する外管242とからなる2重管構造を有している。内管241の内部は、現像剤収容器230内の現像剤を排出するための現像剤搬送通路としての現像剤流路241aとなっている。現像剤収容器230内のトナーは、スクリューポンプ223による吸引力により、吸引され、現像剤流路241aを通ってスクリューポンプ223内に引き込まれることになる。
図5は、スクリューポンプ223の概略構成を示す断面図である。このスクリューポンプ223は、一軸偏芯スクリューポンプと呼ばれるもので、内部にロータ224及びステータ225を備えている。ロータ224は、円形断面が螺旋状に捻れた形状を有し、硬い材質で形成されており、ステータ225の内部に嵌合される。一方、ステータ225は、ゴム状の柔軟な材料で形成され、長円形断面が螺旋状に捻れた形状の穴を有しており、この穴にロータ224が嵌合される。また、ステータ225の螺旋のピッチは、ロータ224の螺旋のピッチの2倍の長さに形成されている。また、ロータ224は、ユニバーサルジョイント227及び軸受228を介して、ロータ224を回転駆動させるための駆動モータ226に接続されている。
この構成において、現像剤収容器230からノズル240の現像剤流路241a及び搬送チューブ221を通って搬送されてきたトナー及びキャリアは、スクリューポンプ223のトナー吸引口223aから内部に入り込む。そして、ロータ224とステータ225の間に形成されるスペースに入り込み、ロータ224の回転に伴って、図3中右側方向に吸引搬送される。そして、ロータ224とステータ225の間のスペースを通過したトナーは、トナー落下口223bから下方に落下し、現像装置10の現像剤補給口14を介して、現像装置10の内部に供給される。
(エア供給路)
また、本実施形態で使用される現像剤補給装置220は、現像剤収容器230内に空気を供給する空気供給手段260を備えている。
図4(b)に示すように、現像剤補給装置220のノズル240は、内管241と外管242との間に、空気供給通路としてのエア流路244を有する。このエア流路44は、図4(c)に示すように、互いに独立した断面半円状の2つの流路244a,244bから構成されている。各エア流路244a,244bは、図3に示すように、それぞれ、気体供給通路としてのエア供給路261a,261bを介して、別個の気体送出装置としてのエアポンプ260a,260bに接続されている。このエアポンプ260a,260bとしては、通常のダイアフラム型のエアポンプを利用することができる。これらエアポンプ260a,260bから送り出される空気は、それぞれ、エア流路244a,244bを通って、各エア流路の気体供給口としてのエア供給口246a,246bからトナー収容器230内に供給される。各エア供給口246a,246bは、トナー流路241aの現像剤排出口としてのトナー流出口247の図中下方に位置している。これにより、各エア供給口246a,246bから供給される空気は、トナー流出口247付近のトナーに対して供給されることになり、使用されないまま長期間放置されてトナー流出口247にトナーが詰まった状態になったとしても、そのトナー流出口247を塞いでいるトナーを崩すことができる。
また、エア供給路261a,261bには、図示しない気体送出制御手段としての制御部からの制御信号により、開閉動作する閉塞手段としての開閉弁262a,262bが設けられている。開閉弁262a,262bは、制御部からON信号を受け取ると弁を開けて空気を通過させ、制御部からOFF信号を受け取ると弁を閉めて空気の通過を阻止するように動作する。
(現像剤補給動作)
次に、本実施形態における現像剤補給装置220の動作について説明する。
上記制御部は、現像装置10からトナー濃度が不足した旨の信号を受け取ることで、現像剤補給動作を開始する。この現像剤補給動作では、まず、エアポンプ260a,260bをそれぞれ駆動させ、現像剤収容器230内に空気を供給するとともに、スクリューポンプ223の駆動モータ226を駆動させて、現像剤の吸引搬送を行う。
エアポンプ260a,260bから空気が送り出されると、その空気は、エア供給路261a,261bからノズル240のエア流路244a,244bに入り込み、エア供給口246a,246bから現像剤収容器230内に供給される。この空気によって、現像剤収容器230内の現像剤は、攪拌されて、空気を多く内包した状態となり、流動化が促進される。
また、現像剤収容器230内に空気が供給されると、現像剤収容器230内の内圧が高まることになる。従って、現像剤収容器230の内圧と外圧(大気圧)との間に圧力差が生じ、流動化した現像剤には、圧力の引く方向へ移動する力が働く。これにより、現像剤収容器230内の現像剤は、圧力の引く方向すなわち現像剤流出口247から流出することになる。
尚、本実施形態では、スクリューポンプ223による吸引力も作用して、現像剤収容器230内の現像剤が、現像剤流出口247から流出する。
上述のようにして、現像剤収容器230から流出した現像剤は、現像剤流出口247からノズル240の現像剤流路241aを通り、搬送チューブ221を介してスクリューポンプ223内に移動する。そして、スクリューポンプ223内を移動した後、現像剤落下口223bから下方に落下し、現像剤補給口14から現像装置10内に現像剤が補給される。一定量の現像剤補給が完了したら、制御部は、エアポンプ260a,260b及び駆動モータ226の駆動を停止させ、かつ、開閉弁262a,262bを閉じ、トナー補給動作を終了する。このように、トナー補給動作終了時に開閉弁262a,262bを閉じることで、トナー収容器230内のトナーがノズル240のエア供給路244a,244bを通ってエアポンプ260a,260b側に逆流するのを防止している。
また、エアポンプ260a,260bから供給される空気の供給量は、スクリューポンプ223によるトナー及び空気の吸引量よりも少なく設定されている。よって、トナーを消費するにつれて、現像剤収容器230の内圧が減少することになる。ここで、本実施形態における現像剤収容器230の現像剤収納部材231は、柔軟なシート材で形成されているため、内圧の減少に伴って減容する。
図6は、現像剤収容部材231に現像剤を充填した状態の斜視図である。
図7は、現像剤収容部材231内部の現像剤が排出されて減容した(しぼんだ)状態を示す正面図である。ここで、現像剤収容部材231は60%以上減容されるものが望ましい。
図6で示される現像剤収容器230内には、新規なトナーとキャリアからなる現像剤が収納されており、そのトナーとキャリアの重量存在比は、トナー対キャリアで80:20〜95:5の割合で収納されている。
現像剤収容器230内におけるキャリアに対するトナーの重量存在比が、80重量%未満であると、現像剤収納部材231内でキャリア同士が凝集して、現像装置10への安定した供給性が得られない。また、95重量%を超えると、現像装置10に供給されるキャリアの量が、トナーの量に対して不足し、現像装置10内において安定したトナー帯電量が得られない。
本発明で使用されるキャリアについては、後に詳述する。
トリクル現像方式を採用した画像形成装置100では、図6で示される現像剤収容器230内から、新規なトナーとキャリアを、現像剤補給口14より現像装置10に供給するが、この現像剤中におけるトナーとキャリアの比率を、一定の状態に保って供給することが必要である。
図3で示される現像剤補給部200は、現像剤収納部材231内に攪拌部材等を備えていないため、内部の現像剤の流動性は、空気供給手段260によって送り込まれる空気によってのみ得られる。このとき、現像剤収納部材231内部に収納された現像剤中のトナーと、このトナーによって被覆されたキャリアとの間で、流動性や比重等の特性が、互いに大きく異なると、これらの供給性の差が大きくなり、供給性の高いものから先に、現像剤流出口247から、現像装置10内に供給されていく。
特に、現像剤収容器230のように、現像剤流出口247を下方に備えている場合には、一般に、キャリアの比重がトナーの比重に対して大きいことから、キャリアが先行して現像装置10内に供給され、トナーとキャリアの供給比率が、経時の使用において変動する。
しかし、現像剤収容部材231内に収容されるトナーとキャリアの特性を調製し、トナーの供給性と、このトナーにより被覆されたキャリアの供給性とが、互いに均一な状態となるように存在させることで、現像剤収容器230が、攪拌部材を使用しない構成であっても、現像装置10に供給される現像剤中の、トナーとキャリアの比率を、一定の状態に保つことができる。
具体的には、例えば、トナーの流動性を向上させる、あるいはトナーのキャリアへの付着性を向上させる等の手段により、トナーの供給性とキャリアの供給性とを均一な状態に近づけることが可能となる。トナーの流動性は、トナー粒子への外添剤の添加量を増加させたり、トナー粒子の形状を球形化したりすることによって向上させることができ、また、キャリアへの付着性は、トナー帯電性を向上させたり、あるいはトナー粒子を小粒径化することにより、実現することができる。
本発明者らが鋭意検討した結果、現像剤収容部材231内に収容される現像剤中のトナーとキャリアの特性を適宜調製し、該現像剤におけるトナーのタップ密度から求めた空隙率Aと、このトナーによる被覆率が50%時におけるキャリアの流動度B(sec/50g)とが、下記式(1)の関係を満たした状態とすることで、トナーの供給性と、このトナーにより被覆されたのキャリアの供給性とを均一な状態とすることができ、現像装置10に供給される現像剤中のトナーとキャリアの比率を一定に保つことが可能となることが判明した。
A≦0.01×B−0.2 ・・・・(1)
式(1)において、空隙率Aはトナー単独での流動性の指標として用いられており、また、流動度Bは、トナーにより被覆されたキャリアからなる現像剤の流動性を示す指標として用いられている。空隙率Aが小さいほど、トナーの流動性は良好となり、流動度Bが大きいほど、現像剤としての流動性は良好となる。
空隙率Aが、上記式(1)の右辺により算出される値より大きい場合は、トナー単独での流動性が不足した状態となっており、トナー単独での供給性が、キャリアの供給性に対して不足して、トナーとキャリアの供給比率を一定に保つことができず、現像装置10に供給される現像剤中のトナーとキャリアの比率が変動する。
現像装置10に供給される現像剤中の、トナーとキャリアの比率が変動すると、現像装置10内におけるトナー濃度が変化するため、安定した現像性が得られず、また、現像装置10内の帯電量が変動して、地肌汚れ等の異常画像発生の原因となる。
空隙率Aは、トナー粒子の粒度分布や、シリカ等の外添剤の添加量又は種類を変化させることで調節できる。具体的には、トナーの粒径を小さく、微粉量を多くするほど空隙率は大きくなり易く、逆にトナーの粒径を大きく、微粉量を少なくするほど空隙率は小さくなり易い。また、外添剤の添加量を増加させて、トナーの流動性を向上させると、空隙率Aを小さくすることができる。即ち、空隙率Aの値が小さいほど、トナーの流動性としては、高くなる。
また、流動度Bは、キャリアの流動性を示す指標としてとして用いられている。ここで、現像剤収容器230内におけるキャリアは、トナーとキャリアの存在比率が上記範囲内にあることから、その全てがトナーによって完全に被覆された状態となっており、キャリアの流動性としては、トナーによって被覆されたものについて評価する必要がある。
本発明においては、便宜的に、トナーにより被覆率が50%時のキャリアの流動度Bを、現像剤収容器230内のキャリアの流動性を示す指標として用いている。
空隙率Aは、以下の方法により求められる。
トナーの空隙率の測定方法:
(1)トナーの真密度の測定方法:ステンレス製の内径10mm、長さ約5cmのシリンダーと、その中に密着挿入できる外径約10mm、高さ5mmの円盤(A)と、外径約10mm、長さ約8cmのピストン(B)を用意する。シリンダーの底の円盤(A)を入れ、次いで測定 サンプル約1gを入れ、ピストン(B)を静かに押し込む。これに油圧プレスによって400kg/cm2の力を加え、5分間圧縮したものをとり出す。この圧縮サンプルの重さを秤量(wg)しマイクロメーターで圧縮サンプルの直径(Dcm)、高さ(Lcm)を測定し、次式によって真密度を計算する。
Figure 0004536628
(2)トナーのタップ密度の測定方法:トナーのタップ密度 (g/cm3)は、細川ミクロン(株)製のパウダーテスター及び該パウンダーテスターに付属している容器を使用して、該パウダーテスターの取扱い説明書の手順に従って測定した値をいう。
(3)トナーの空隙率は、下記式から算出する。
Figure 0004536628
また、トナーの流動性としては、上記のようにして求められる空隙率Aが、0.3〜0.6であることが好ましい。トナーの空隙率Aが、0.3より小さいと、トナーが均一に帯電しにくくなり、画像濃度が低くなったり、カブリが多くなるといった不具合が生じてくる。空隙率Aが0.6より大きいと、トナーの流動性が悪化し、現像装置10内に現像剤を補給する際の、トナーの補給性が損なわれる。
(流動度B)
キャリアの流動性を表す指標として、本発明では、トナーによる被覆率50%の時における流動度を用いている。現像剤中に含まれるキャリアの、トナーによる被覆率は、下記式(4)により算出される。
Figure 0004536628
(ここで、dtはトナーの平均粒子径(μm)、dcはキャリアの平均粒子径(μm)、ρtはトナーの真比重、ρcはキャリアの真比重、Ctはトナーの重量部、Ccはキャリアの重量部を表す。)
(現像剤流動度測定方法)
現像剤中のキャリアの流動度は、以下の様に測定した。即ち、トナーとキャリアとを所定の割合(本実施形態では、キャリアのトナーによる被覆率が50%となる比率)で、温度23℃±2℃,湿度60%±3%の環境にて混合し、1時間放置後、測定を行う。測定方法はJIS−Z2502に基づく。
図8は本発明の実施形態に係る現像剤の流動度測定装置を示す図である。図8において、本実施形態に係る流動度測定装置30は、支持台31と、漏斗支持器32と、漏斗支持器32を支持台31に対して所定の高さで取り付けるための支柱33とからなり、支柱33は支持台31からほぼ垂直に立設されている。漏斗支持器32は支柱33から突出した板状部分に漏斗34を支持する支持部32aが設けられ、この支持部32aに漏斗34が上から挿入され、支持される。なお、漏斗34の下方の支持台31上にはコップなどの容器35をおいて、漏斗34から流れ出す現像剤を受けるようになっている。
キャリアの流動性としては、更に好ましくは、トナーによる被覆率50%時における流動度Bが、40〜120(sec/50g)であることが望ましい。流動度Bが50秒より大きい場合、流動性が悪く、現像装置10への現像剤の補給を円滑に行うことができず、画像劣化を生じる。また30秒より小さい場合、現像剤が小さい塊となって流動している現象が見られ、トナー飛散、地肌汚れ現象を生じる。
(平均円形度)
さらに、本発明のトナーは、平均円形度が0.940〜0.99であることが好ましい。
平均円形度SR=(粒子投影面積と同じ面積の円の周囲長/粒子投影像の周囲長)×100%で定義され、トナーが真球に近いほど100%に近い値となる。円形度の高いトナーは、現像電界の影響を受けやすく、静電潜像の電界に沿って忠実に現像される。微小な潜像ドットを再現する際には緻密で均一な現像がされることで細線再現性が高くなる。また、円形度の高いトナーは、その表面は滑らかで適度な流動性をもつために電界の影響を受けやすく、電界に沿って忠実に転移しやすいために転写率が高くなり、高品位の画像を得ることができる。しかし、トナーの平均円形度が0.930未満では、忠実な現像、転写率の高い転写ができなくなるため、平均円形度は0.930以上が好ましい。
この円形度は、乾式粉砕で製造されるトナーでは、熱的又は機械的に球形化処理する。熱的には、例えば、アトマイザーなどに熱気流とともにトナー母体粒子を噴霧することで球形化処理を行うことができる。また、機械的にはボールミル等の混合機に比重の軽いガラス等の混合媒体とともに投入して攪拌することで、球形化処理することができる。ただし、熱的球形化処理では凝集し粒径の大きいトナー母体粒子又は機械的球形化処理では微粉が発生するために再度の分級工程が必要になる。また、水系溶媒中で製造されるトナーでは、溶媒を除去する工程で強い攪拌を与えることで、形状を制御することができる。
平均円形度が上記範囲内にあることにより、適正な画像濃度で高精細な画像を再現性よく形成することができる。
尚、トナーの平均円形度はフロー式粒子像分析装置FPIA−2000(東亜医用電子株式会社製)により計測できる。具体的な測定方法としては、容器中の予め不純固形物を除去した水100〜150ml中に分散剤として界面活性剤、好ましくはアルキルベンゼンスルホン酸塩を0.1〜0.5ml加え、更に測定試料を0.1〜0.5g程度加える。試料を分散した懸濁液は超音波分散器で約1〜3分間分散処理を行い、分散液濃度を3000〜1万個/μlとして前記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得られる。
(トナー重量平均粒径)
(D4/Dn)
また、トナーは重量平均粒径が3〜8μmであることが好ましい。重量平均粒径が8μm以下のトナーを用いることにより、ドット再現性を良好にし、静電潜像に対し緻密な現像を行うことができることに加え、キャリアに対する付着性を向上させることができる。キャリアに対する付着性が向上することにより、現像装置10内におけるトナー帯電量が安定化し、良好な画像を得ることができる。
一方、重量平均粒径が3μm未満であると、二成分現像剤では現像装置における長期の攪拌において磁性キャリアの表面にトナーが融着し、磁性キャリアの帯電能力を低下させるため、好ましくない。
また、本発明のトナーの重量平均粒径(D4)と、その個数平均粒径(Dn)との比(D4/Dn)は1.00〜1.25の範囲にあることが、さらに好ましい。D4/Dnをこのように規定することにより、高解像度、高画質のトナーを得ることが可能となる。
また、より高品質の画像を得るには、Dvを3〜7μmにし、D4/Dnを1.00〜1.20にし、且つ3μm以下の粒子を個数%で1〜10個数%にするのがよく、より好ましくは、D4を3〜6μmにし、D4/Dnを1.00〜1.15にするのがよい。このようなトナーは、耐熱保存性、低温定着性、耐ホットオフセット性のいずれにも優れ、とりわけフルカラー複写機などに用いた場合に画像の光沢性に優れ、更に二成分現像剤においては、長期に亘るトナーの収支が行われても、現像剤中でのトナーの粒子径変動が少なくなり、現像装置における長期の攪拌においても、良好で安定した現像性が得られる。
上記の重量平均粒径(D4)は、測定装置として、コールターカウンターTA−II或いはコールターマルチサイザー(コールター社製)を用いて測定することができる。
測定方法は以下の通りである。先ず、電解水溶液100〜150ml中に分散剤として界面活性剤(好ましくはアルキルベンゼンスルホン酸塩)を、0.1〜5ml加える。ここで、電解液とは、1級塩化ナトリウムを用いて、約1%NaCl水溶液を調製したもので、ISOTON R−II(コールターサイエンティフィックジャパン社製)を使用した。これに更に測定試料を2〜20mg加え、電解液中に懸濁させて、超音波分散器で約1〜3分間分散処理を行った。前記測定装置により、アパーチャーとして100μmアパーチャーを用いて、前記試料中のトナー粒子の体積及び個数をチャンネルごとに測定して、トナーの体積分布と個数分布とを算出した。それから、トナー粒子の体積分布から求めた重量基準のトナーの重量平均粒径(D4)(各チャンネルの中央値をチャンネル毎の代表値とする)を求めた。
尚、チャンネルとしては、2.00〜2.52μm;2.52〜3.17μm;3.17〜4.00μm;4.00〜5.04μm;5.04〜6.35μm;6.35〜8.00μm;8.00〜10.08μm;10.08〜12.70μm;12.70〜16.00μm;16.00〜20.20μm;20.20〜25.40μm;25.40〜32.00μm;32.00〜40.30μmの13チャンネルを用いた。
尚、具体的には、トナーの平均粒径及び粒度分布は、コールターカウンターTA−II型を用い、個数分布、体積分布を出力するインターフェイス(日科技研社製)と、PC9801パーソナルコンピューター(NEC製)とを接続し、測定した。
(トナー平均帯電量)
また、現像剤収容器230内の現像剤は、トナーの平均帯電量が、30〜50(μC/g)であることが好ましい。
二成分現像方式では、現像剤中のトナーは主にキャリアとの接触によって帯電され、その静電力により、キャリアとの付着性が確保される。帯電量の不足したトナーが現像剤中に多く存在すると、キャリア表面に付着できず、現像剤中に浮遊した状態のトナーが多く存在することとなり、地肌汚れやトナー飛散といった現象が発生しやすくなる。
現像剤中のトナーの平均帯電量を30μC/g以上とすることで、そのほとんどのトナーが、キャリア表面に付着するのに十分な帯電量を持った状態となり、画像上の地肌汚れやトナー飛散の無い、良好な画像を得ることができる。
現像剤中のトナーの平均帯電量が30(μC/g)未満であると、地肌汚れやトナー飛散の原因となる弱帯電トナーが発生し、安定した現像特性が得られない。
また、トナーの平均帯電量の値が50μC/gを超えると、トナーと磁性キャリアとの付着力が強くなり過ぎて、現像バイアスを印加しても、必要とされる量のトナーが感光体1上に現像されず、十分な画像濃度が得られない。
現像剤収容器230内のトナーの平均帯電量の値を、30〜50μC/gの範囲内とすることにより、地肌汚れやトナー飛散等の発生が抑えられるとともに、現像トナー量の低下による画像濃度の低下も抑えられ、現像装置10において、安定した現像特性を得ることができる。
本発明における帯電量分布の測定方法について説明する。本発明では、特許文献4で開示されているブローオフ装置で測定する方法を採用している。該装置では、ブローオフセルに流入する(あるいはブローオフセルから流出する)電荷量を検出する手段を有し、段階的に下方からのエアの吸引圧、且つ上方からのエアの吹き付け圧を変更することが可能である。ブロー圧の弱い時は帯電量の少ないトナーのみが吹き飛ばされ、ブロー圧を上げるに従ってより高い帯電量のトナーを吹き飛ばすことができる。従って、所定のブロー圧を吹き飛ばし吸引できたトナーの重量を計り、且つその時の電荷の流出(または流入)量を、ブロー圧を低い所から段階的にブロー圧を上げながら繰り返しエレクトロメーターで計ることにより、現像剤の帯電量分布を測定することができる。
本発明における帯電量の測定は、次のように行うものとする。
常温常湿下、トナー濃度7%の条件下で、トナーとキャリアを一定時間混合した後に、目開き635メッシュをセットした測定用ゲージに入れ、30秒間ブローオフし、飛散した粉体の電荷量Q(μC)と質量M(g)を測定し、該電荷量Q(μC)と質量M(g)から、帯電量Q/M(μC/g)を求める。
[二成分現像剤用キャリア]
また、本発明のトナーは、磁性キャリアと混合して、二成分現像剤として用いられる。
磁性キャリアとしては、鉄粉、フェライト粉、マグネタイト粉、磁性樹脂キャリアなど従来から公知のものが使用できる。
また、被覆材料としては、アミノ系樹脂、例えば尿素−ホルムアルデヒド樹脂、メラミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、ユリア樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂等があげられる。またポリビニルおよびポリビニリデン系樹脂、例えばアクリル樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルブチラール樹脂、ポリスチレン樹脂およびスチレン−アクリル共重合樹脂等のポリスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル等のハロゲン化オレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂およびポリブチレンテレフタレート樹脂等のポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリフッ化ビニル樹脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリトリフルオロエチレン樹脂、ポリヘキサフルオロプロピレン樹脂、フッ化ビニリデンとアクリル単量体との共重合体、弗化ビニリデンとフッ化ビニルとの共重合体、テトラフルオロエチレンとフッ化ビニリデンと非フッ化単量体とのターポリマー等のフルオロターポリマー、およびシリコーン樹脂等が使用できる。また必要に応じて、導電粉等を被覆樹脂中に含有させてもよい。導電粉としては、金属粉、カーボンブラック、酸化チタン、酸化錫、酸化亜鉛等が使用できる。これらの導電粉は、平均粒子径1μm以下のものが好ましい。平均粒子径が1μmよりも大きくなると、電気抵抗の制御が困難になる。
(キャリア重量平均粒径(Dc))
磁性キャリアの重量平均粒径は、20〜40μmの範囲のものを使用する事が好ましい。平均粒径が20μm未満ではキャリア粒子が感光体上へ付着しやすくなる。また、40μmより大きいと、トナーとの混合性が低く、また高トナー濃度の場合、トナーを速やかに摩擦帯電させるのに必要十分なキャリア粒子の表面積が得られなくなることで、帯電不良のトナーが発生しやすくなるとともに高精細な画像も得られにくくなる。
本発明において、キャリアに関して言う重量平均粒径Dwは、個数基準で測定された粒子の粒径分布(個数頻度と粒径との関係)に基づいて算出されたものである。この場合の重量平均粒径Dwは、以下の式で表される。
Dw={1/Σ(nD)}×{Σ(nD)}・・・(5)
式(5)中、Dは各チャネルに存在する粒子の代表粒径(μm)を示し、nは各チャネルに存在する粒子の総数を示す。
なお、チャネルとは、粒径分布図における粒径範囲を等分に分割するための長さを示すもので、本発明の場合には、2μmの長さを採用した。また、各チャネルに存在する粒子の代表粒径としては、各チャネルに保存する粒子粒径の下限値を採用した。
粒径分布を測定するための粒度分析計としては、マイクロトラック粒度分析計(モデルHRA 9320−X100:Honewell社製)を用いた。
その測定条件は、以下の通りである。
(1)粒径範囲:100〜8μm
(2)チャネル長さ(チャネル幅):2μm
(3)チャネル数:46
(乾式粉砕法)
本発明に係るトナーを作製する方法としては、粉砕法 、重合法(懸濁重合、乳化重合分散重合、乳化凝集、乳化会合等)等があるが、これらの作製法に限るものではない。
粉砕法 の一例としては、まず、前述した樹脂、着色剤としての顔料または染料、電荷制御剤、離型剤、その他の添加剤等をヘンシェルミキサーの如き混合機により充分に混合した後、バッチ式の2本ロール、バンバリーミキサーや連続式の2軸押出し機、連続式の1軸混練 機等の熱混練 機を用いて構成材料をよく混練 し、圧延冷却後、切断を行なう。切断後のトナー混練 物は破砕を行ない、ハンマーミル等を用いて粗粉砕し、更にジェット気流を用いた微粉砕機や機械式粉砕機により微粉砕し、旋回気流を用いた分級機やコアンダ効果を用いた分級機により所定の粒度に分級する。その後、混合機21により無機粒子などからなる添加剤を粒子表面に付着もしくは固着させる。
(溶液重合法)
また、本発明のトナーは、少なくとも、活性水素基を有する化合物と反応可能な部位を有する重合体、ポリエステル、着色剤、離型剤とを有機溶媒中にそれぞれ溶解又は分散させたトナー材料液を、水系媒体中で架橋及び/又は伸長反応させて得られる。以下に、トナーの構成材料及び製造方法について説明する。
(変性ポリエステル)
本発明に係るトナーはバインダ樹脂として変性ポリエステル(i)を含む。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状態をさす。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などの官能基を導入し、さら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、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変性ポリエステルなどが挙げられる。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、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、さら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。上記ポリエステルの有する活性水素基としては、水酸基(アルコール性水酸基及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、これらのうち好ましいものはアルコール性水酸基である。
ウレア変性ポリエステルは、以下のようにして生成される。
多価アルコール化合物(PO)としては、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、または(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、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−ヘキサンジオールなど);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など);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など);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など);上記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など)付加物;上記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など)付加物などが挙げられる。これらのうち好ましいものは、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、3〜8価また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、ソルビトールなど);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など);上記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。
多価カルボン酸(PC)としては、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、セバシン酸など);アルケニレンジカルボン酸(マレイン酸、フマール酸など);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など)などが挙げられる。これらのうち好ましいものは、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、ピロメリット酸など)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また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など)を用いて多価アルコール(PO)と反応させてもよい。
多価アルコール(PO)と多価カルボン酸(PC)の比率は、水酸基[OH]とカルボキシル基[COOH]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、さらに好ましくは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、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など);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など);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など);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など);イソシアネート類;前記ポリイソシアネートをフェノール誘導体、オキシム、カプロラクタムなどでブロックしたもの;およびこれら2種以上の併用が挙げられる。
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]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、さらに好ましくは2.5/1〜1.5/1である。[NCO]/[OH]が5を超えると低温定着性が悪化する。[NCO]のモル比が1未満では、ウレア変性ポリエステルを用いる場合、そのエステル中のウレア含量が低くなり、耐ホットオフセット性が悪化する。
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)構成成分の含有量は、通常0.5〜40wt%、好ましくは1〜30wt%、さらに好ましくは2〜20wt%である。0.5wt%未満では、耐ホットオフセット性が悪化するとともに、耐熱保存性と低温定着性の両立の面で不利になる。また、40wt%を超えると低温定着性が悪化する。
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1分子当たりに含有されるイソシアネート基は、通常1個以上、好ましくは、平均1.5〜3個、さらに好ましくは、平均1.8〜2.5個である。1分子当たり1個未満では、ウレア変性ポリエステルの分子量が低くなり、耐ホットオフセット性が悪化する。
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、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。
2価アミン化合物(B1)としては、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など);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など);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など)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、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、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、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、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、前記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など)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。これらアミン類(B)のうち好ましいものは、B1およびB1と少量のB2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]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、さらに好ましくは1.2/1〜1/1.2である。[NCO]/[NHx]が2を超えたり1/2未満では、ウレア変性ポリエステルの分子量が低くなり、耐ホットオフセット性が悪化する。
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。ウレア結合含有量とウレタン結合含有量のモル比は、通常100/0〜10/90であり、好ましくは80/20〜20/80、さらに好ましくは、60/40〜30/70である。ウレア結合のモル比が10%未満では、耐ホットオフセット性が悪化する。
本発明で用いられ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2万〜1000万、さらに好ましくは3万〜100万である。この時のピーク分子量は1000〜10000が好ましく、1000未満では伸長反応しにくくトナーの弾性が少なくその結果耐ホットオフセット性が悪化する。また10000を超えると定着性の低下や粒子化や粉砕において製造上の課題が高くなる。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(ii)を用いる場合は特に限定されるものではなく、前記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。(i)単独の場合は、数平均分子量は、通常20000以下、好ましくは1000〜10000、さらに好ましくは2000〜8000である。20000を超えると低温定着性及びフルカラー装置に用いた場合の光沢性が悪化する。
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)との架橋及び/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、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、ラウリルアミンなど)、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)
本発明においては、前記変性されたポリエステル(i)単独使用だけでなく、この(i)と共に、未変性ポリエステル(ii)をバインダ樹脂成分として含有させることもできる。(ii)を併用することで、低温定着性及びフルカラー装置に用いた場合の光沢性が向上し、単独使用より好ましい。(ii)としては、前記(i)のポリエステル成分と同様な多価アルコール(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(i)と同様である。また、(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。(i)と(ii)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。従って、(i)のポリエステル成分と(ii)は類似の組成が好ましい。(ii)を含有させる場合の(i)と(ii)の重量比は、通常5/95〜80/20、好ましくは5/95〜30/70、さらに好ましくは5/95〜25/75、特に好ましくは7/93〜20/80である。(i)の重量比が5%未満では、耐ホットオフセット性が悪化するとともに、耐熱保存性と低温定着性の両立の面で不利になる。
(ii)のピーク分子量は、通常1000〜10000、好ましくは2000〜8000、さらに好ましくは2000〜5000である。1000未満では耐熱保存性が悪化し、10000を超えると低温定着性が悪化する。(ii)の水酸基価は5以上であることが好ましく、さらに好ましくは10〜120、特に好ましくは20〜80である。5未満では耐熱保存性と低温定着性の両立の面で不利になる。(ii)の酸価は1〜5が好ましく、より好ましくは2〜4である。ワックスに高酸価ワックスを使用するため、バインダは低酸価バインダが帯電や高体積抵抗につながるので二成分系現像剤に用いるトナーにはマッチしやすい。
バインダ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。35℃未満ではトナーの耐熱保存性が悪化し、70℃を超えると低温定着性が不十分となる。ウレア変性ポリエステルは、得られるトナー母体粒子の表面に存在しやすいため、本発明のトナーにおいては、公知のポリエステル系トナーと比較して、ガラス転移点が低くても耐熱保存性が良好な傾向を示す。
(着色剤)
着色剤としては、公知の染料及び顔料が全て使用でき、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、リトボン及びそれらの混合物が使用できる。着色剤の含有量はトナーに対して通常1〜15重量%、好ましくは3〜10重量%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、またはマスターバッチとともに混練されるバインダ樹脂としては、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などのスチレン及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、エポキシ樹脂、エポキシポリオール樹脂、ポリウレタン、ポリアミド、ポリビニルブチラール、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、塩素化パラフィン、パラフィンワックスなどが挙げられ、単独あるいは混合して使用できる。
(荷電制御剤)
荷電制御剤としては公知のものが使用でき、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、燐の単体または化合物、タングステンの単体または化合物、フッ素系活性剤、サリチル酸金属塩及び、サリチル酸誘導体の金属塩等である。具体的に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が挙げられる。このうち、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、バインダ樹脂の種類、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製造方法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が、好ましくはバインダ樹脂100重量部に対して、0.1〜10重量部の範囲で用いられる。好ましくは、0.2〜5重量部の範囲がよい。10重量部を超える場合にはトナーの帯電性が大きすぎ、荷電制御剤の効果を減退させ、現像ローラとの静電気的吸引力が増大し、現像剤の流動性低下や、画像濃度の低下を招く。
(離型剤)
離型剤としては、融点が50〜120℃の低融点のワックスが、バインダ樹脂との分散の中でより離型剤として効果的に定着ローラとトナー界面との間で働き、これにより定着ローラにオイルの如き離型剤を塗布することなく高温オフセットに対し効果を示す。このようなワックス成分としては、以下のものが挙げられる。ロウ類及びワックス類としては、カルナバワックス、綿ロウ、木ロウ、ライスワックス等の植物系ワックス、ミツロウ、ラノリン等の動物系ワックス、オゾケライト、セルシン等の鉱物系ワックス、及びおよびパラフィン、マイクロクリスタリン、ペトロラタム等の石油ワックス等が挙げられる。また、これら天然ワックスの外に、フィッシャー・トロプシュワックス、ポリエチレンワックス等の合成炭化水素ワックス、エステル、ケトン、エーテル等の合成ワックス等が挙げられる。さらに、12−ヒドロキシステアリン酸アミド、ステアリン酸アミド、無水フタル酸イミド、塩素化炭化水素等の脂肪酸アミド及び、低分子量の結晶性高分子樹脂である、ポリ−n−ステアリルメタクリレート、ポリ−n−ラウリルメタクリレート等のポリアクリレートのホモ重合体あるいは共重合体(例えば、n−ステアリルアクリレート−エチルメタクリレートの共重合体等)等、側鎖に長いアルキル基を有する結晶性高分子等も用いることができる。
荷電制御剤、離型剤はマスターバッチ、バインダ樹脂とともに溶融混練することもできるし、もちろん有機溶剤に溶解、分散する際に加えても良い。
(外添剤)
トナー粒子の流動性や現像性、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。この無機微粒子の一次粒子径は、5×10−3〜2μmであることが好ましく、特に5×10−3〜0.5μmであることが好ましい。また、BET法による比表面積は、20〜500m/gであることが好ましい。
この無機微粒子の添加量は、トナー母体100重量部に対して、1.3〜4.5重量部であることが好ましい。
添加量が1.3重量部以下であると、流動性が悪化し、十分な帯電量が得られない。
また、添加量が4.5重量部以上であると、トナー表面から外添剤が遊離し、安定した流動性、帯電性が得られない。
無機微粒子の具体例としては、例えばシリカ、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、窒化ケイ素などを挙げることができる。
このような外添剤は表面処理を行って、疎水性を上げ、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。例えばシランカップリング剤、シリル化剤、フッ化アルキル基を有するシランカップリング剤、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好ましい表面処理剤として挙げられる。
(シリカ平均粒径)
上記無機微粒子のうち、外添剤としては、シリカが特に好ましく用いられる。これにより、流動性の良好であり、且つ帯電性の良好なトナーを得ることができる。
シリカ粒子を外添剤として用いた場合、その平均粒径は、50〜260nmであることが好ましい。平均粒径が50nm未満であると、トナー内部にシリカ粒子が埋め込まれ、十分な流動性が得られない。また、平均粒径が260nm以上であると、外添剤粒子が、トナー表面から遊離しやすく、十分な流動性を得ることができず、安定した帯電性を得ることができない。
次に、トナーの製造方法について説明する。ここでは、好ましい製造方法について示すが、これに限られるものではない。
(トナーの製造方法)
1)着色剤、未変性ポリエステル、イソシアネート基を有するポリエステルプレポリマー、離型剤を有機溶媒中に分散させトナー材料液を作る。
有機溶媒は、沸点が100℃未満の揮発性であることが、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。具体的には、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種以上組合せて用いることができる。特に、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好ましい。有機溶媒の使用量は、ポリエステルプレポリマー100重量部に対し、通常0〜300重量部、好ましくは0〜100重量部、さらに好ましくは25〜70重量部である。
2)トナー材料液を界面活性剤、樹脂微粒子の存在下、水系媒体中で乳化させる。
水系媒体は、水単独でも良いし、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など)、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(メチルセルソルブなど)、低級ケトン類(アセトン、メチルエチルケトンなど)などの有機溶媒を含むものであってもよい。
トナー材料液100重量部に対する水系媒体の使用量は、通常50〜2000重量部、好ましくは100〜1000重量部である。50重量部未満ではトナー材料液の分散状態が悪く、所定の粒径のトナー粒子が得られない。20000重量部を超えると経済的でない。
また、水系媒体中の分散を良好にするために、界面活性剤、樹脂微粒子等の分散剤を適宜加える。
界面活性剤としては、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、リン酸エステルなど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、イミダゾリンなどのアミン塩型や、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などの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などの非イオン界面活性剤、例えばアラニン、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)グリシンやN−アルキル−N,N−ジメチルアンモニウムべタインなどの両性界面活性剤が挙げられる。
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及びその金属塩、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)カルボン酸及び金属塩、パーフルオロアルキルカルボン酸(C7〜C13)及びその金属塩、パーフルオロアルキル(C4〜C12)スルホン酸及びその金属塩、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。
商品名としては、サーフロンS−111、S−112、S−113(旭硝子社製)、フロラードFC−93、FC−95、FC−98、FC−129(住友3M社製)、ユニダインDS−101、DS−102(ダイキン工業社製)、メガファックF−110、F−120、F−113、F−191、F−812、F−833(大日本インキ社製)、エクトップEF−102、103、104、105、112、123A、123B、306A、501、201、204、(トーケムプロダクツ社製)、フタージェントF−100、F150(ネオス社製)などが挙げられる。
また、カチオン性界面活性剤としては、フルオロアルキル基を右する脂肪族1級、2級もしくは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などの脂肪族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、商品名としてはサーフロンS−121(旭硝子社製)、フロラードFC−135(住友3M社製)、ユニダインDS−202(ダイキンエ業杜製)、メガファックF−150、F−824(大日本インキ社製)、エクトップEF−132(トーケムプロダクツ社製)、フタージェントF−300(ネオス社製)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であればいかなる樹脂も使用でき、熱可塑性樹脂でも熱硬化性樹脂でもよい。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、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ケイ素系樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、アニリン樹脂、アイオノマー樹脂、ポリカーボネート樹脂等が挙げられる。樹脂としては、上記の樹脂を2種以上併用しても差し支えない。
このうち好ましいのは、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、ポリエステル樹脂及びそれらの併用が好ましい。例えばビニル系樹脂としては、ビニル系モノマーを単独重合また共重合したポリマーで、例えば、スチレン−(メタ)アクリル酸エステル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、(メタ)アクリル酸−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−(メタ)アクリル酸共重合体等の樹脂が挙げられる。樹脂微粒子の平均粒径は5〜200nm、好ましくは20〜300nmである。また、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等の無機化合物分散剤も用いることができる。
上記の樹脂微粒子、無機化合物分散剤と併用して使用可能な分散剤として、高分子系保護コロイドにより分散液滴を安定化させても良い。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、マレイン酸または無水マレイン酸などの酸類、あるいは水酸基を含有する(メタ)アクリル系単量体、例えばアクリル酸−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など、ビニルアルコールまたはビニルアルコールとのエーテル類、例えば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など、またはビニルアルコールとカルボキシル基を含有する化合物のエステル類、例えば酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニルなど、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あるい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などの酸クロライド類、ビニルピリジン、ビニルピロリドン、ビニルイミダゾール、エチレンイミンなどの含窒素化合物、またはその複素環を有するものなどのホモポリマーまたは共重合体、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など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などのセルロース類などが使用できる。
分散の方法としては特に限定されるものではないが、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が適用できる。この中でも、分散体の粒径を2〜20μm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、回転数は特に限定はないが、通常1000〜30000rpm、好ましくは5000〜20000rpmである。分散時間は特に限定はないが、バッチ方式の場合は、通常0.1〜5分である。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、分子鎖の架橋及び/又は伸長を伴う。反応時間は、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〜40時間、好ましくは2〜24時間である。反応温度は、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。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)反応終了後、乳化分散体(反応物)から有機溶媒を除去し、洗浄、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が作製できる。また、分散安定剤としてリン酸カルシウム塩などの酸、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)上記で得られたトナー母体粒子に、荷電制御剤を打ち込み、ついで、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、及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。さらに、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、さらに、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。
以下、実施例を挙げ、本発明を詳述する。尚、「部」の表記はいずれも重量部を示す。
<トナー作成例1>
〜有機微粒子エマルションの合成〜
製造例1
撹拌棒および温度計をセットした反応容器に、水683部、メタクリル酸エチレンオキサイド付加物硫酸エステルのナトリウム塩(エレミノールRS−30、三洋化成工業製)11部、メタクリル酸166部、アクリル酸ブチル110部、過硫酸アンモニウム1部を仕込み、3800回転/分で30分間撹拌したところ、白色の乳濁液が得られた。加熱して、系内温度75℃まで昇温し3時間反応させた。さらに、1%過硫酸アンモニウム水溶液30部加え、70℃で5時間熟成してビニル系樹脂(メタクリル酸−アクリル酸ブチル−メタクリル酸エチレンオキサイド付加物硫酸エステルのナトリウム塩の共重合体)の水性分散液[微粒子分散液1]を得た。[微粒子分散液1]をLA−920で測定した体積平均粒径は、75nmであった。[微粒子分散液1]の一部を乾燥して樹脂分を単離した。該樹脂分のTgは60℃であり、重量平均分子量は11万であった。
〜水相の調整〜
製造例2
水990部、[微粒子分散液1]83部、ドデシルジフェニルェーテルジスルホン酸ナトリウムの48.3%水溶液(エレミノールMON−7):三洋化成工業製)37部、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]とする。
〜低分子ポリエステルの合成〜
製造例3
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229部、ビスフェノールAプロピレンオキサイド3モル付加物529部、テレフタル酸208部、アジピン酸46部およびジブチルチンオキサイド2部を入れ、常圧で230℃で7時間反応し、さらに10〜15mmHgの減圧で5時聞反応した後、反応容器に無水トリメリット酸44部を入れ、180℃、常圧で3時間反応し、[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2300、重量平均分子量6700、Tg43℃、酸価25であった。
〜中間体ポリエステルの合成〜
製造例4
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、常圧で230℃で7時間反応し、さらに10〜15mmHgの減圧で5時間反応した[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2200、重量平均分子量9700、Tg54℃、酸価0.5、水酸基価52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、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重量%は、1.53%であった。
〜ケチミンの合成〜
製造例5
撹拌棒および温度計をセットした反応容器に、イソホロンジアミン170部とメチルエチルケトン75部を仕込み、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417であった。
〜マスターバッチ(MB)の合成〜
製造例6
水600部、Pigment Blue 15:3 含水ケーキ(固形分50%)、 ポリエステル樹脂1200部を加え、ヘンシェルミキサー(三井鉱山社製)で混合し、混合物を2本ロールを用いて120℃で45分間混練後、圧延冷却しパルペライザーで粉砕、[マスターバッチ1]を得た。
〜油相の作成〜
製造例7
撹拌棒および温度計をセットした容器に、[低分子ポリエステル1]378部、カルナバWAX100部、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時問で30℃に冷却した。次いで容器に[マスターバッチ1]500部、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]1324部を容器に移し、ビーズミル(ウルトラビスコミル、アイメックス社製)を用いて、送液速度1kg/hr、ディスク周速度6m/秒、0.5mmジルコニアビーズを80体積%充填、3パスの条件で、顔料、WAXの分散を行った。次いで、[低分子ポリエステル1]の65%酢酸エチル溶液1324部加え、上記条件のビーズミルで2パスし、[顔料・WAX分散液1]を得た。[顔料・WAX分散液1]の固形分濃度(130℃、30分)は53%であった。
〜乳化⇒脱溶剤〜
製造例8
[顔料・WAX分散液1]749部、[プレポリマー1]を115部、[ケチミン化合物1]2.9部を容器に入れ、TKホモミキサー(特殊機化製)で5,000rpmで2分間混合した後、容器に[水相1]1200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。
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8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⇒乾燥〜
製造例9
[分散スラリー1]100部を減圧濾過した後、
(1):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。
(2):(1)の濾過ケーキに10%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30分間)した後、減圧濾過した。
(3):(2)の濾過ケーキに10%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。
(4):(3)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。
[濾過ケーキ1]を循風乾燥機にて45℃で48時間乾燥した。
その後、下記構造のフッ素化合物を1wt%濃度で分散させた水溶媒槽中で、トナー母体に対してフッ素化合物が0.1wtになるように混合し、フッ素化合物を付着(結合)させた後、循風乾燥機にて45℃で48時間乾燥させた後、さらに30℃で10時間棚段にて乾燥させた後、目開き75μmメッシュで篩い[母体着色粒子1]を得た。
Figure 0004536628
その後、[トナー母体粒子1]100重量部、一次粒径10nmの疎水性シリカ(外添剤A)1.0重量部、ゾルゲル法で製造した一次粒径110nm、ほぼ真球のヘキサメチルジシラザン疎水化処理シリカ(外添剤B)1.5重量部と、一次粒径15nmの疎水性酸化チタン(外添剤C)1.0部をヘンシェルミキサー(三井鉱山社製 FM20C)にて混合してトナーを得た。
混合条件は、周速30m/secで、30秒回転、60秒回転停止、のセットを10回繰り返して混合した。ここで得られたトナーを[トナー1]とする。
<トナー作成例2>
製造例10
〜[低分子ポリエステル2]の作成〜
ポリオキシプロピレン(2.2)−2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン460g、エチレングリコール72g、テレフタル酸306g、1,2,4−ベンゼントリカルボン酸無水物(無水トリメリット酸)90g、及び1.2gのジブチル錫オキシドをガラス製2リットルの4つ口フラスコに入れ、温度計、ステンレス製攪拌棒、流下式コンデンサー、及び窒素導入管を取りつけ、マントルヒーターの中で窒素気流下にて190℃にて4時間、その後220℃にて攪拌しつつ反応せしめた。
軟化点が130℃に達した時反応を終了した。得られた樹脂は、数平均分子量4800、重量平均分子量17700、Tg63℃、酸価5であった。
(トナー構成材料)
結着樹脂: [低分子ポリエステル1](製造例3により作成)・・・50重量部
[低分子ポリエステル2](製造例10により作成)・・・50重量部
着色剤: イエロートナー用;
ベンズイミダゾロン系イエロー顔料
(C.I.Pigment Yellow180)・・・5重量部
マゼンタトナー用;
キナクリドン系マゼンタ顔料
(C.I.Pigment Red122)・・・4重量部
シアントナー用;
銅フタロシアニンブルー顔料
(C.I.Pigment Blue15)・・・2重量部
ブラッククトナー用;
カーボンブラック・・・6重量部
帯電制御剤:サリチル酸誘導体亜鉛塩 ・・・2重量部
離型剤:カルナバワックス ・・・5重量部
トナー構成材料を、各色毎にブレンダーで十分混合した後、100〜110℃に加熱した2軸押し出し機で溶融混練した。混練物を放冷後カッターミルで粗粉砕し、ジェット気流を用いた微粉砕機で粉砕後、風力分級装置を用いて各トナーの各色母体着色粒子[母体着色粒子2]を得た。その後、[トナー母体粒子2]100重量部、一次粒径10nmの疎水性シリカ(外添剤A)1.5重量部、ゾルゲル法で製造した一次粒径110nm、ほぼ真球のヘキサメチルジシラザン疎水化処理シリカ(外添剤B)0.5重量部と、一次粒径15nmの疎水性酸化チタン(外添剤C)0.5部をヘンシェルミキサー(三井鉱山社製 FM20C)にて混合してトナーを得た。
混合条件は、周速30m/secで、30秒回転、60秒回転停止、のセットを10回繰り返して混合した。ここで得られたトナーを[トナー2]とする。
<トナー作成例3>
トナー作成例2で作成した[トナー母体粒子2]に対し、粉砕と分級の条件を変更して行い、粒径分布の異なるトナーを得た。ここで得られたトナーを[トナー3]とする。
表1に、トナーの詳細内容を示す。
<トナー作成例4>
トナー作成例2で作成した[トナー母体粒子2]に対し、粉砕と分級の条件を変更して行い、粒径分布の異なるトナーを得た。ここで得られたトナーを[トナー4]とする。表1に、トナーの詳細内容を示す。
<トナー作成例5>
製造例11
〜[低分子ポリエステル3]の作成〜
ポリオキシプロピレン(2.2)−2,2−ビス(4─ヒドロキシフェニル)プロパン740g、ポリオキシエチレン(2.2)−2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン300g、テレフタル酸ジメチル466g、イソドデセニル無水コハク酸80g、1,2,4−ベンゼントリカルボン酸トリn−ブチル114gを、通常のエステル化触媒と共にガラス製2リットルの4つ口フラスコに入れ、温度計、ステンレス製攪拌棒、流下式コンデンサー、及び窒素導入管を取りつけ、電熱マントルヒーター中で窒素気流下、前半210 ℃常圧、後半210℃減圧(100mmHg)にて攪拌しつつ反応を進めた。
得られた樹脂は、数平均分子量5200、重量平均分子量26500、Tg64℃、酸価2.3であった。
トナー作成例2における、[低分子ポリエステル2]の代わりに、[低分子ポリエステル3]を用いた以外は、トナー作成例2と同様にして、トナーを作成した。
ここで得られたトナーを[トナー5]とする。表1に、トナーの詳細内容を示す。
<キャリア作成例1>
アクリル樹脂溶液(固形分50wt%) ・・・21.0部
グアナミン溶液(固形分70wt%) ・・・6.4部
アルミナ粒子[0.3μm、固有抵抗1014(Ω・cm)] ・・・7.6部
シリコン樹脂溶液[固形分23wt%(SR2410:東レ・ダウコーニング・シリコーン社製)] ・・・65.0部
アミノシラン[固形分100wt%(SH6020:東レ・ダウコーニング・シリコーン社製)] ・・・0.3部
トルエン ・・・60部
ブチルセロソルブ・・・60部
上記構成成分を、ホモミキサーで10分間分散し、アルミナ粒子を含むアクリル樹脂及びシリコン樹脂のブレンド被覆膜形成溶液を得た。
芯材として、焼成フェライト粉[(MgO)1.8(MnO)49.5(Fe48.0:平均粒径;35μm]を用い、上記被覆膜形成溶液を芯材表面に膜厚0.15μmになるようにスピラコーター(岡田精工社製)により塗布し乾燥した。得られたキャリアを電気炉中にて150℃で1時間放置して焼成した。冷却後フェライト粉バルクを目開き106μmの篩を用いて解砕し、[キャリア1]とした。
結着樹脂膜厚測定は、透過型電子顕微鏡にてキャリア断面を観察することにより、キャリア表面を覆う被覆膜を観察することができるため、その膜厚の平均値をもって膜厚とした。
表1に、キャリアの詳細内容を示す。
<キャリア作成例2>
シリコン樹脂溶液[固形分23wt%(SR2410:東レ・ダウコーニング・シリコーン社製)] ・・・100部
アミノシラン[固形分100wt%(SH6020:東レ・ダウコーニング・シリコーン社製)] ・・・0.6部
トルエン ・・・60部
ブチルセロソルブ ・・・60部
上記構成成分をホモミキサーで10分間分散し、シリコン樹脂の被覆膜形成溶液を得た。
芯材として、焼成フェライト粉[(MgO)1.8(MnO)49.5(Fe48.0:平均粒径;35μm]を用い、上記被覆膜形成溶液を芯材表面に膜厚0.15μmになるようにスピラコーター(岡田精工社製)により塗布し、乾燥した。得られたキャリアを電気炉中にて160℃で1時間放置して焼成した。冷却後、フェライト粉バルクを目開き106μmの篩を用いて解砕し、[キャリア2]とした。
結着樹脂膜厚測定は、透過型電子顕微鏡にてキャリア断面を観察することにより、キャリア表面を覆う被覆膜を観察することができるため、その膜厚の平均値をもって膜厚とした。
表1に、キャリアの詳細内容を示す。
<キャリア作成例3>
アクリル樹脂溶液(固形分50wt%) ・・・11.0部
グアナミン溶液(固形分70wt%) ・・・3.4部
酸化チタン粒子[0.2μm、固有抵抗1010(Ω・cm)] ・・・6.5部
シリコン樹脂溶液[固形分23wt%(SR2410:東レ・ダウコーニング・シリコーン社製)・・・ 35.0部
アミノシラン[固形分100wt%(SH6020東レ・ダウコーニング・シリコーン社製)] ・・・0.2部
トルエン ・・・150部
ブチルセロソルブ ・・・150部
上記構成成分を、ホモミキサーで10分間分散し、アルミナ粒子を含むアクリル樹脂及びシリコン樹脂のブレンド被覆膜形成溶液を得た。
芯材として、焼成フェライト粉[(MgO)1.5(MnO)49.5(Fe48.5:平均粒径;65μm]を用い、上記被覆膜形成溶液を芯材表面に膜厚0.09μmになるようにスピラコーター(岡田精工社製)により塗布し、乾燥した後、得られたキャリアを電気炉中にて150℃で1時間放置して焼成した。冷却後フェライト粉バルクを目開き106μmの篩を用いて解砕し、[キャリア3]とした。
表1に、キャリアの詳細内容を示す。
<キャリア作成例4>
アクリル樹脂溶液(固形分50wt%) ・・・13.0部
グアナミン溶液(固形分70wt%) ・・・4.0部
酸化チタン粒子[0.2μm、固有抵抗1010(Ω・cm)] ・・・7.2部
シリコン樹脂溶液[固形分23wt%(SR2410:東レ・ダウコーニング・シリコーン社製) ・・・40.0部
アミノシラン[固形分100wt%(SH6020東レ・ダウコーニング・シリコーン社製)] ・・・0.3部
トルエン ・・・180部
ブチルセロソルブ ・・・180部
上記構成成分を、ホモミキサーで10分間分散し、アルミナ粒子を含むアクリル樹脂及びシリコン樹脂のブレンド被覆膜形成溶液を得た。
芯材として焼成フェライト粉[(MgO)1.5(MnO)49.5(Fe48.5:平均粒径;50μm]を用い、上記被覆膜形成溶液を芯材表面に膜厚0.10μmになるようにスピラコーター(岡田精工社製)により塗布し、乾燥した後、得られたキャリアを電気炉中にて150℃で1時間放置して焼成した。冷却後フェライト粉バルクを目開き106μmの篩を用いて解砕し、[キャリア4]とした。
表1に、キャリアの詳細内容を示す。
<キャリア作成例5>
アクリル樹脂溶液(固形分50wt%) ・・・22.0部
グアナミン溶液(固形分70wt%) ・・・8.0部
酸化チタン粒子[0.2μm、固有抵抗1010(Ω・cm)] ・・・14.4部
シリコン樹脂溶液[固形分23wt%(SR2410:東レ・ダウコーニング・シリコーン社製) ・・・70.0部
アミノシラン[固形分100wt%(SH6020東レ・ダウコーニング・シリコーン社製)] ・・・0.4部
トルエン ・・・300部
ブチルセロソルブ ・・・300部
上記構成成分を、ホモミキサーで10分間分散し、アルミナ粒子を含むアクリル樹脂及びシリコン樹脂のブレンド被覆膜形成溶液を得た。
芯材として焼成フェライト粉[(MgO)1.5(MnO)49.5(Fe48.5:平均粒径;25μm]を用い、上記被覆膜形成溶液を芯材表面に膜厚0.10μmになるようにスピラコーター(岡田精工社製)により塗布し、乾燥した後、得られたキャリアを電気炉中にて150℃で1時間放置して焼成した。冷却後フェライト粉バルクを目開き106μmの篩を用いて解砕し、[キャリア5]とした。
表1に、キャリアの詳細内容を示す。
<スタート現像剤1の作成>
[トナー1]5重量部と[キャリア1]95重量部を、ターブラーミキサーにて10分間混合してスタート現像剤を得た。
<スタート現像剤2〜13の作成例>
表1に記載するトナー、キャリアにて、スタート現像剤1の作成例と同じ条件にて混合し、各々スタート現像剤2〜13を作成した。
<補給用現像剤1の作成例>
[トナー1]86重量部と[キャリア1]14重量部を、ヘンシェルミキサー(三井鉱山社製 FM20C)にて混合して、補給用現像剤1を得た。
混合条件は、周速30m/secで、30秒回転、60秒回転停止、のセットを10回繰り返して混合した。
<補給用現像剤2〜13の作成例>
表1に記載するトナー、キャリアを、各々表1に記載する量比にて、補給用現像剤1の作成例と同じ条件にて混合し、各々補給用現像剤2〜13を作成した。
[実施例1]
図1に示す画像形成装置を用い、この内部に装着された、図2に示す現像装置10には、現像剤を未装着とした。更に、図6に示す現像剤収容部材231に、[補給用現像剤1]を300gを充填し、図3に示す現像剤補給部200に設置した。
補給現像剤を、現像装置10に供給し、図3において、現像剤補給口14の部分で、約10gずつ補給される現像剤をサンプリングし、補給現像剤中のトナーとキャリアの重量比を計測した。最初(スタート時)と最後(ラスト時)の重量比を、表2に記載する。
次に、この内部に装着された、図2に示す現像装置10に、スタート現像剤1を400g設置し、画像面積率20%(イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック各々5%ずつ)の原稿を用い、10万枚画像のプリントを行い、スタート時、5万枚プリント時、10万枚プリント時それぞれにおける、現像装置10内におけるトナーの帯電量及びトナー濃度の測定を行うとともに、得られる画像の画像評価を行った。
なお、現像装置10内のトナー濃度の測定は、現像装置10の下面に備えられた、不図示のトナー濃度センサにより、現像剤の透磁率を測定して行い、現像装置内のトナー帯電量の測定は、上述した方法により、ブローオフ装置を用いて行った。
評価結果を表2に記載する。
[実施例2〜比較例5]
表1に示す各々現像剤及び補給用現像剤を用い、実施例1と同様な評価を行った。
評価結果を表2に記載する。
<画像評価>
以下に、表2に記載する画像評価について、詳細を示す。コピーテストは、10万枚フルカラーモードで実施した。得られた画像の画質は、地肌汚れの有無を目視で評価した。3%画像面積の画像チャートを10万枚まで連続でランニングし、5万枚プリント時、10万枚プリント時それぞれにおいて、以下に述べる評価を行った。
(1)地肌汚れ
白紙画像を現像中に停止させ、現像後の感光体上の現像剤をテープ転写し、未転写のテープの画像濃度との差を938スペクトロデンシトメーター(X−Rite社製)により測定した。
Figure 0004536628
Figure 0004536628
表2を参照して分かるとおり、本発明に係るトナーとキャリアを使用した現像剤は、現像装置内のトナー濃度及びトナー帯電量が安定した状態が維持され、経時での使用において、鮮明な画像が維持される結果が得られた。
一方、比較例1〜2では、現像剤収容部内におけるトナーとキャリアの比率が本発明の規定範囲になく、また比較例3〜5では、現像剤収容部材231内のトナー流動性と現像剤の流動性が、本発明に規定する関係を満たしておらず、供給スタート時と供給ラスト時で、トナーのキャリアの供給比率の変動が大きく、経時での使用により、現像装置内において、トナー濃度の変動が見られるとともに、帯電性の変化が見られ、地肌汚れ等の異常画像が得られる結果となった。
図9は、本実施例の実験結果を示す図である。なお、図9で示すグラフ中には、上記実験結果の一部のみを示している。
図9で示すグラフは、上記実施例において、10万枚の画像プリントを行った後の画像評価を示したものであり、横軸に、現像剤収容部230内における現像剤中の、トナー被覆率50%時でのキャリアの流動度を示しており、縦軸に、この現像剤中のトナーの、タップ密度より求めた空隙率を示している。
○は、10万枚画像プリント後も良好な画像が得られたことを表し、△は、10万枚プリント後に得られた画像上に、地汚れ等の異常画像が発生した事を表し、×は、5万枚プリント後に得られた画像上に、地汚れ等の異常画像が発生したことを示す。
図9から分かるように、現像剤収容部230内におけるトナーのタップ密度より求めた空隙率Aと、このトナーによる被覆率50%時におけるキャリアからなる現像剤の流動度Bとが、A<0.01×B−0.2・・・(1)の関係を満たす場合(図9中グラフ下方で示される領域)は、10万枚プリント後の画像上においても、地汚れ等の異常画像の発生がなく、良好な画像が得られた。
一方、現像剤収容部230内において、トナーの空隙率Aと、このトナーによる被覆率50%時におけるキャリアからなる現像剤の流動度Bとが、式(1)の関係を満たしていない場合(図9中グラフ上方で示される領域)は、5万枚プリント後に得られた画像上に、地肌汚れ等の異常画像が発生する結果となった。
また、上記Aが、上記式(1)の右辺で算出される値と略等しいとき(比較例3及び4)は、5万枚プリント後においては良好な画像が得られたものの、10万枚プリント後において得られた画像上に、地汚れ等の異常画像の発生が見られた。
本発明に係る画像形成装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る現像装置の現像部周辺の構造を示す概略構成を示す図である。 本発明で使用される現像剤補給部の概略構成図である。 (a)は、現像剤補給装置に設けられるノズルの概略構成を示す外観図であり、(b)は、その軸方向断面図であり、(c)は、(b)中符号A−Aの断面図である。 スクリューポンプの概略構成を示す断面図である。 現像剤収容部材に現像剤を充填した状態の斜視図である。 現像剤収容部材内部の現像剤が排出されて減容した状態を示す正面図である。 本発明に用いられる現像剤の流動度測定装置の例を示す図である。 本実施例の実験結果を示す図である。
符号の説明
100 装置本体
1 感光体
2A、2B、2C、2D 画像形成ユニット
3 帯電ユニット
301 帯電ローラ
6 露光装置
7 給紙カセット
8 転写ベルト
9 定着装置
10A、10B、10C、10D 現像装置
10a 仕切部材
10b トナー濃度センサ
11a,11b 搬送スクリュー
12 現像ローラ
13 ドクターブレード
14 現像剤補給口
15 攪拌部
16 現像剤収容槽
17 堰部
200A、200B、200C、200D 現像剤補給部
220 現像剤補給装置
221 搬送チューブ
222 容器ホルダ
223 スクリューポンプ
224 ロータ
225 ステータ
226 駆動モータ
227 ユニバーサルジョイント
230 現像剤収容器
231 現像剤収納部材
232 口金部
233 シール材
240 ノズル
241 内管
241a 現像剤流路
242 外管
244 エア流路
246a,46b エア供給口
247 現像剤流出口
260 空気供給手段
260a,260b エアポンプ
261a,261b エア供給路
262a,262b 開閉弁
30 流動度測定装置
31 支持台
32 漏斗支持器
32a 支持部
33 支柱
34 漏斗
51 排紙路
52 排紙ローラ対
53 排紙トレイ
54 紙吸着ローラ
55 レジストローラ対

Claims (17)

  1. 少なくとも、潜像を担持する像担持体と、
    像担持体上に形成される潜像を現像剤により現像する現像装置と、
    現像剤を前記現像装置に補給するための現像剤補給装置と、
    前記現像装置に補給する現像剤を収納する現像剤収納容器と、を備える画像形成装置において、
    前記画像形成装置は、前記現像剤収納容器内のトナーとキャリアの重量存在比が、トナー対キャリアで80:20〜95:5であり、
    前記現像剤収納容器は、内圧が減少することで減容する柔軟な袋状部材を備えており、
    前記現像剤は、前記トナーのタップ密度から求めた空隙率Aと、
    前記キャリアの前記トナーによる被覆率50%時における流動度B(sec/50g)とが、下記式(1)の関係を満たす
    ことを特徴とする画像形成装置。
    A ≦ 0.01×B − 0.2 ・・・・(1)
  2. 請求項1に記載の画像形成装置において、
    前記現像剤収納容器は、内部に収納された現像剤を排出するための現像剤排出口が設けられており、
    前記現像剤排出口は、前記現像剤収納容器の下方に備えられる
    ことを特徴とする画像形成装置。
  3. 請求項1又は2に記載の画像形成装置において、
    前記現像剤補給装置は、前記現像剤収納容器に空気を供給する、空気供給手段を備える
    ことを特徴とする画像形成装置。
  4. 請求項1ないし3のいずれかに記載の画像形成装置において、
    前記トナーは、平均円形度が0.94〜0.99である
    ことを特徴とする画像形成装置。
  5. 請求項1ないし4のいずれかに記載の画像形成装置において、
    前記トナー表面には、外添剤が付着され、
    前記外添剤の添加量は、トナー母体100重量部に対して、1.3〜4.5重量部である
    ことを特徴とする画像形成装置。
  6. 請求項1ないし5のいずれかに記載の画像形成装置において、
    前記外添剤は、平均粒径50〜260nmのシリカを用いる
    ことを特徴とする画像形成装置。
  7. 請求項1ないし6のいずれかに記載の画像形成装置において、
    前記トナーは、重量平均粒径が、3〜8μmである
    ことを特徴とする画像形成装置。
  8. 請求項1ないし7のいずれかに記載の画像形成装置において、
    前記トナーは、タップ密度から求めた空隙率A が、0.3〜0.6である
    ことを特徴とする画像形成装置。
  9. 請求項1ないし8のいずれかに記載の画像形成装置において、
    前記現像剤収納容器内の現像剤は、トナー平均帯電量が、30〜50(μC/g)である
    ことを特徴とする画像形成装置。
  10. 請求項1ないし9のいずれかに記載の画像形成装置において、
    前記キャリアは、重量平均粒径(Dc)が、20〜40μmの範囲である
    ことを特徴とする画像形成装置。
  11. 請求項1ないし10のいずれかに記載の画像形成装置において、
    前記キャリアは、前記トナーによる被覆率50%時における流動度B(sec/50g)は、40〜120(sec/50g)である
    ことを特徴とする画像形成装置。
  12. 請求項1ないし11のいずれかに記載の画像形成装置において、
    前記トナーは、重量平均粒径が3〜8μmで、重量平均粒径(D4)と個数平均粒径(Dn)との比(D4/Dn)が1.00〜1.40の範囲にある
    ことを特徴とする画像形成装置。
  13. 請求項1ないし12のいずれかに記載の画像形成装置において、
    前記現像剤は、乾式粉砕法で製造されたトナーを使用する
    ことを特徴とする画像形成装置。
  14. 請求項1ないし12のいずれかに記載の画像形成装置において、
    前記現像剤は、溶液重合法で製造されたトナーを使用する
    ことを特徴とする画像形成装置。
  15. 静電潜像を担持する像担持体と、
    少なくとも、静電潜像を担持する像担持体に対向して配置される現像装置とを一体に支持し、画像形成装置本体に着脱可能なプロセスカートリッジにおいて、
    前記プロセスカートリッジは、請求項1ないし14のいずれかに記載の画像形成装置に備えられる
    ことを特徴とするプロセスカートリッジ。
  16. 像担持体上に静電潜像を形成する工程と、
    静電潜像をトナーを含む現像剤で現像してトナー画像を形成する工程と、
    トナー画像を被転写体上に転写する工程と、
    被転写体上のトナー画像を定着する工程と、を含む画像形成方法において、
    前記画像形成方法は、前記現像工程が、現像剤を前記現像装置に補給するための現像剤補給装置と、前記現像装置に補給する現像剤を収納する現像剤収納容器と、を使用し、
    前記現像剤収納容器内には、トナーとキャリアからなる新たな現像剤が補給され、
    前記現像剤収納容器内のトナーとキャリアの重量存在比が、トナー対キャリアで80:20〜95:5であり、
    前記現像剤収納容器は、内圧が減少することで減容する柔軟な袋状部材を備えており、
    前記現像剤は、前記トナーのタップ後の空隙率Aと、
    前記キャリアの前記トナーによる被覆率50%時における流動度B(sec/50g)とが、下記式(1)の関係を満たす
    ことを特徴とする画像形成方法。
    A ≦ 0.01×B − 0.2 ・・・・(1)
  17. 前記画像形成方法は、更に請求項1ないし15のいずれかに記載の画像形成装置で使用される
    ことを特徴とする画像形成方法。
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