従来の技術では、トナー補給時のトナーの粉体特性が一定であることが前提であったが、本発明者らが鋭意検討した結果、トナーの粉体特性はトナーの特性によって大きく変化することが判明した。トナーの粉体特性に影響を及ぼすトナー特性としては、トナーの帯電性、トナーの含水率、トナーの嵩密度、トナーの流動性、トナーの粒径、トナーの形状など、さまざまなものが挙げられる。このトナー特性には、製造ロットの違いから生じる、同様の条件で製造したときにも生じ得る製造ばらつきに起因するものも含む。また粉体特性は、従来製法に代表される大粒径トナーや形状係数が大きい不定形トナーを使用したときには比較的安定しているが、高品位な画像を得るために小粒径トナーや、球状・ポテト形状のトナーを使用したときには粉体特性が変動しやすい、ということも判明した。
特に球状・ポテト形状の粉体は、一般に嵩密度が変化し易いという性質を有している。すなわち、球状・ポテト形状の粉体は、不定形粉体の場合と比較して、流動状態と静置および加圧状態での嵩密度の変化が大きい。この嵩密度の変化は小粒径になるほど更に顕著になる。この特性は、球状・ポテト形状のトナーそのものおよび球状・ポテト形状のトナーを用いた現像剤についてもあてはまる。同様に、この特性は小粒径のトナーそのものおよび小粒径のトナーを用いた現像剤についても当てはまる。また、小粒径で球状・ポテト形状のトナーそのもの及び小粒径で球状・ポテト形状のトナーを用いた現像剤においてはこの傾向はさらに顕著になる。
トナー濃度が同一であっても、現像剤の嵩密度が変化すると、キャリア−キャリア間の距離が変わったり、キャリア表面のトナーの付着状態が変わったりするため、現像剤中のトナー濃度を測定するために、例えば色センサや透磁率センサ等を用いて検知した値が、実際の現像剤中のトナー濃度と大きくずれてしまうことがある。その結果、現像剤中のトナー濃度の推測が正確に行われず、過剰に補給トナーを追加してトナー濃度が異常に上昇したり、補給トナー量を過少に制御して補給トナー量が不足し、トナー濃度が異常に低下したりする。
トナーの嵩密度に関する変化のし易さというトナーの粉体特性には、前に述べたトナー特性のうち、特にトナーの体積平均粒子径やトナーの形状が大きく寄与していることが明確になった。
さらに、トナーの吹き出しのし易さがトナーの特性と関係が大きいことも明確になった。一般に、トナーの体積平均粒子径が小径側であるほどトナーの吹き出しは多い。一方、同一の体積平均粒子径のトナーであっても、トナーの形状によって吹き出しのし易さは異なる。
例えば、トナーの現像像あるいはトナーの転写像の濃度を測定して現像剤のトナー濃度を推測する方式において、トナーの吹き出しが多い場合には、現像あるいは転写トナー像の濃度を測定するセンサの汚れが顕著になり、現像あるいは転写トナー像の濃度が正常に検知できず、その結果、現像剤中のトナー濃度の推測が正確に行えなくなるおそれがある。
このトナー濃度の検知ぶれは、大粒径トナーや不定形トナーと比較して、より小粒径なトナーや球状・ポテト形状トナーの方が、トナーの体積平均粒子径の差の影響、トナーの形状の差の影響が大きく、通常の製造工程で生じるロット差に起因するばらつき程度のわずかな差でも顕著になるということが明らかになった。
つまり、出力画像の高品質化のために小粒径トナーや球状・ポテト形状トナーを使用すると、ロット差などのばらつきに起因するトナー特性のわずかな差が、現像剤中のトナー濃度検知ぶれを大きくし、その結果画像濃度異常やトナーの吐き出し、ぼた落ちなどの画質欠陥の要因となりうることが明らかとなった。
さらに、トナーの特性によって補給カートリッジからのトナー排出性についても変動することも判明した。補給カートリッジからのトナー排出性が変動すると、現像装置へのトナー補給動作時に実際に現像機へ供給されるトナー量や供給速度が変動することになる。そのため、現像剤のトナー濃度を正確に制御することが困難になり、所定の量よりも多い量、あるいは少ない量が現像装置へ供給されるおそれがある。これらトナー特性のうち、特にトナーの体積平均粒子径やトナーの形状が、特にトナーの補給カートリッジからの排出性の差に大きく寄与することが明確になった。つまり、小粒径トナーや球状・ポテト形状トナーほどトナーの体積平均粒子径の差の影響、トナーの形状の差の影響が大きく、通常の製造工程で生じるロット差起因のばらつき程度でもその差が明確になるということが明らかとなった。
そこで、本発明の実施の形態の補給カートリッジは、現像装置へ補給するトナー量を制御する補給トナー量制御手段と、補給用トナーの特性情報を記録する特性記録媒体と、を備え、前記補給用トナーを内部に収容した補給カートリッジであって、補給トナー量制御手段は、前記補給用トナーの特性情報に基づいて補給トナー量を補正する。
そして、上記特性記録媒体には、トナーの体積平均粒子径やトナーの形状係数などを含む、トナー特性を含む情報が記録されている。画像形成装置に補給カートリッジを装着したときに、画像形成装置本体が特性記録媒体に記録されたトナーの特性値を認識し、これを元に現像剤のトナー濃度、つまり現像装置へのトナー補給を補正して制御する。
また、本発明の他の実施の形態の画像形成装置は、静電潜像担持体上に形成した静電潜像を二成分現像剤にて可視化する現像手段と、可視化された像を記録体に転写する転写手段と、転写された像を定着させる定着手段と、を備える画像形成装置であって、現像手段へ補給する補給用トナーが収容された補給カートリッジと、補給カートリッジから現像手段へ補給するトナー量を制御する補給トナー量制御手段と、補給用トナーの特性情報を記録する特性記録媒体と、現像手段へ補給するトナー量の制御を、特性情報に基づいて補正する補正手段と、をさらに備える。
上述した実施の形態において、補給トナー量制御手段は、例えば、二成分現像剤中のトナー濃度を直接検知する手段、もしくは、静電潜像担持体上に形成したトナー像の濃度または静電潜像担持体上に形成したトナー像を中間転写体に転写した転写トナー像の濃度を検知して、二成分現像剤中のトナー濃度を間接的に推測する手段などにより、現像装置または現像手段に供給される二成分現像剤中のトナー濃度を検知し、これに基づいて現像装置または現像手段に補給するトナー量を制御している。
補給カートリッジまたは画像形成装置の補給トナー量制御手段は、補給カートリッジが画像形成装置に装着されると、補給トナーの体積平均粒子径やトナーの形状係数などを含む、トナー特性を含む情報が記録された特性記録媒体から入手した情報を元に、例えば、現像剤中のトナー濃度検出値や、現像装置へのトナー補給動作時に実際に現像手段に供給されるトナー量などを補正する。このようにして、補給トナー量制御手段における補給トナー量の制御が補正される。このトナー特性値に基づく補正を実施することで、小粒径のトナーや球状・ポテト形状のトナーを使用した場合でも現像剤中のトナー濃度が長期間安定して精密に行えるため、高品位な画像を長期間安定して出力することが可能になる。
補給用トナーの特性情報として、トナーの体積平均粒子径と、形状係数SF1の値を採用した場合について、以下、例を挙げて説明する。
補給カートリッジには、予め計測により求められた補給トナーの特性情報、ここではトナーの体積平均粒子径と、形状係数SF1の値が記録された特性記録媒体を備えている。この特性記録媒体は、例えば表1に示すようなパラメータテーブルと、書き換え可能な情報テーブルとを有している。情報テーブルは、パラメータテーブルに基づいてカートリッジ内に収容されたトナーの特性値が記憶されており、補給カートリッジまたは画像形成装置内で計算され、補正されて適宜書き換えられる。画像形成装置に補給カートリッジが装着されると、特性記録媒体内の情報が送信または読み取られ、(場合によっては、操作者の入力により、)補給カートリッジに収容されているトナーの体積平均粒子径と、形状係数SF1の値が確認される。なお、他の実施の形態として、情報テーブルは、パラメータテーブルとは異なる場所に備えていてもよく、例えば、補給カートリッジ本体内や画像形成装置内に備えてもよい。
補給カートリッジに収容されたトナーの特性情報が確認されると、例えば、表1に示すパラメータテーブルに従って、現像装置に補給するトナー量の制御に対し、適宜補正を行う。例えば、体積平均粒子径が5.1μm、形状係数が121であるトナーが収容された補給カートリッジを設置すると、画像形成装置は、表1に従い、現像装置の制御にパラメータ23に相当する補正係数を用いて補正を行うようにする。このため、現像装置内のトナー濃度や、補給カートリッジ内からのトナー排出量などをより正確に制御することが可能となり、現像装置内のトナー濃度をより安定させた状態で維持することが可能となる。
なお、本実施の形態においては、表1に示したように、形状係数SF1を100から140までを9段階、体積平均粒子径を3μmから7μmまでを1μm間隔で5段階、計45段階のパラメータテーブルを作成したが、これはあくまでも例示であり、要求される精度により適宜その間隔を広く取ったり、狭く取ったりしてもよいことはいうまでもない。
また表1のパラメータテーブルに替えて、適当なプログラムや関数データを組み入れたり、また湿度や嵩比重など、環境センサや他の部材により得られた、他の情報を組み入れて使用したりすることも、より精度が上がり好適であるが、特にこれらには限定されず、いかなるものを用いてもよい。
さらに、本発明の他の実施の形態における画像形成方法について、図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施の形態における画像形成方法の第1の補正であるトナー濃度制御の一形態の概略を示すフロー図である。まず、補給カートリッジから、収容されているトナーの体積平均粒子径と形状係数SF1の値を呼び出す。呼び出された体積平均粒子径の値と形状係数SF1の値より定められる、パラメータテーブルの中の番地を参照し、好適なトナー排出補正係数を選択する(S100)。なお、パラメータテーブルにはあらかじめ実験して求めておいたトナー濃度補正係数がそれぞれ、番地ごとに収められている(表1に例示)。
次に、S102において、補給カートリッジのデータタグに収められている体積平均粒子径、形状係数SF1の値とパラメータテーブルから求められる、トナー濃度補正係数の値を、情報テーブル内に格納されている値と比較する。これらの値が一致する場合にはS106に進む。一方、これらの値が異なる場合には、補給カートリッジの交換があったと判断されてS104に進み、新たなトナー濃度補正係数が情報テーブル内に格納された後にS106に進む。
S106では、現像装置内のトナー濃度を透磁率センサにより検出し、トナー濃度検出値を決定する。S108では、情報テーブル内に格納されているトナー濃度補正係数と、S106で実際に画像形成装置が検出した現像装置内のトナー濃度の値とを用いて、トナー濃度補正値を決定する。
S108で決定したトナー濃度補正値と、そのとき画像形成装置が制御しようとしているトナー濃度目標値とをS110で比較する。トナー濃度補正値がトナー濃度目標値以上であればS112に進み、画像形成を行う。一方、トナー濃度補正値がトナー濃度目標値よりも小さい場合にはS114に進む。
S114では、現像剤中のトナー濃度が、画像出力が可能な程度の濃度が確保できているかどうか判定する。現像剤中のトナー濃度が、画像出力が可能な程度の濃度以上であればS116に進み、トナー補給を行った後にS118に進み、画像出力を行う。一方、現像剤中のトナー濃度が、画像出力が可能な程度の濃度に満たなければ、S120に進み、トナー補給を行なうが、画像出力は行なわれず、再びS100の工程から順に行われる。
図1に示したようなトナー濃度制御方法は、画像形成装置の形態に応じて、さらに改善を加えることも可能である。たとえば、補給カートリッジから現像装置までのトナー搬送距離が長い画像形成装置の場合は、補給カートリッジ交換直後にはトナー搬送経路に残留したままになっている前回使用した補給カートリッジのトナーが消費されるまで、新しい補給カートリッジの新しいトナー補正係数を使用しないということも可能である。また、補給カートリッジの交換直後に体積平均粒子径、形状係数SF1の異なるトナーが混合して使用される場合には、複数のトナー濃度補正係数から算出されるトナー濃度補正係数を使用することも可能である。
つまりここでは、現像装置内の現像剤中のトナー濃度が、正しく検出されるように、トナー濃度の検出値が制御される。
図2は、本発明の実施の形態における画像形成方法の第2の補正である補正トナー補給量制御の一形態の概略を示すフロー図である。まず、補給カートリッジから、収容されているトナーの体積平均粒子径と形状係数SF1の値を呼び出す。呼び出された体積平均粒子径の値と形状係数SF1の値より定められる、パラメータテーブルの中の番地を参照し、好適なトナー排出補正係数を選択する(S200)。なお、パラメータテーブルにはあらかじめ実験して求めておいたトナー濃度補正係数がそれぞれ、例えば、表1に示すように番地ごとに収められている。
次に、S202において、補給カートリッジのデータタグに収められている体積平均粒子径、形状係数SF1の値とパラメータテーブルとから求められる、トナー濃度補正係数の値を、情報テーブル内に格納されている値と比較する。これらの値が一致する場合にはS206に進む。一方、これらの値が異なる場合には、補給カートリッジの交換があったと判断されてS204に進み、新たなトナー濃度補正係数が情報テーブル内に格納された後にS206に進む。
S206では、現像装置内の現像剤中のトナー濃度を測定し、トナー濃度目標値と比較する。トナーの濃度目標値は、画像形成装置により、使用環境や使用期間などを考慮して設定される。現像装置内の現像剤中のトナー濃度が、このトナー濃度目標値よりも高い場合には、トナー補給は行われずに維持され、例えば、出力枚数、時間等をカウントし、所定の間隔を空けた後に再度S206の処理が行われる。一方、現像装置内中の現像剤トナー濃度が、このトナー濃度目標値よりも低い場合には、S208に進む。
S208では、トナー補給量を設定する。現像装置内の現像剤中のトナー濃度とトナー濃度目標値との乖離幅、画像形成状況(画像密度、出力枚数など)より、設定する。次に、S210において、S208で設定されたトナー補給量と、S200において先に決定しているトナー排出補正係数とを用いてトナー補給補正値を決定する。その後、S212において、実際にトナー補給を行なう。
図2に示したようなトナー補給量制御方法は、画像形成装置の形態に応じて、さらに改善を加えることも可能である。たとえば、補給カートリッジから現像装置までのトナー搬送距離が長い画像形成装置の場合は、補給カートリッジ交換直後にはトナー搬送経路に残留したままになっている前回使用した補給カートリッジのトナーが消費されるまで、新しい補給カートリッジの新しいトナー排出補正係数を使用しないようにするということも可能である。また、補給カートリッジの交換直後に体積平均粒子径、形状係数SF1の異なるトナーが混合して使用される場合には、複数のトナー排出補正係数から算出されるトナー排出補正係数を使用することも可能である。
さらに、第3の補正として、上記第1の補正と第2の補正を組み合わせて行なうことも好適である。このとき、第1の補正と第2の補正は、同時に行なってもよく、また交互に行ってもよい。
本発明の実施の形態に使用されるトナーにおいて、製造方法は公知のいかなる方法でも良く、例えば混練粉砕法、縣濁重合法、乳化重合凝集法、液中乾燥法、分散重合法などの公知の製造法が挙げられるが、これに限定されるものではない。また必要に応じて、球形化工程や分級工程などを好適に追加することもできる。
近年出力画像の高品質化、画像形成装置の省電力化、トナー製造工程の環境負荷改善などの要求が高まり、これらに応えるためにトナーの小粒径化技術、トナーの形状制御技術が発展してきている。このため、上記トナーの製造法の中でも、特に縣濁重合法、乳化重合凝集法、液中乾燥法、分散重合法などのような湿式製法を用いて製造されたトナーはこれらの要求に合致するため、急速にトナーの湿式製造技術開発や湿式製法トナーの商品化が進んでいる。
湿式製法トナーは、一般にトナーの小粒径化、粒度分布の改善、形状の制御が行えるため、目的に適したトナーを得ることができる。特に高画質化に好適である。すなわち、小粒径なトナーは静電潜像に忠実に現像できるため、細線などの細かい画像でも高品位に再現できる。球状トナーやポテト形状トナーなど形状が球形に近いトナーは、現像性、転写性が長期間安定するため、ハイライト画像のがさつきが少なく均質な画像が得られる。フルカラー画像形成時には色ずれやがさつき感の少ない二次色のハイライト画像が安定して再現できる。さらに、トナーの内部構造の制御も行えるため、離型剤の分散形態やトナーの粘弾性を最適化することによって、高速定着、低温度定着など、画像形成装置の省電力化も可能である。
さらに、トナーの湿式製法は、従来の混練粉砕トナー製造工程において多大なエネルギーを必要とする微粉砕工程や分級工程を無くすことができるので、トナー製造に必要なエネルギーの削減や、収率の改善など、低環境負荷にも効果が高い。
湿式製法のトナーはこのような優れた点を多く有しているが、先述のような問題も多く、従来長期間安定して高品位な画像を得ることは困難であった。しかしながら、本発明の構成を用いることで小粒径トナー、球状・ポテト形状の湿式製法トナーを使用しても、長期間安定して高品位な画像を得ることができる。なお、小粒径トナーや球形トナー、ポテト形状トナーの製造法としては、特に乳化重合凝集法が好ましいが、これに限らず、湿式製法によって好適に製造することができる。
本発明の実施の形態において使用されるトナーは、結着樹脂と、カーボンブラック等の着色剤とを含む。必要に応じて、ワックスなどの離型剤、内部添加剤として適当な粘弾性を付与する無機粉や樹脂粉などを一つ以上含んで構成してもよい。また、トナーの粉砕性や熱保存性を満足するために石油系樹脂を含んでもよい。石油系樹脂とは石油類のスチームクラッキングによりエチレン、プロピレンなどを製造するエチレンプラントから副生する分解油留分に含まれるジオレフィンおよびモノオレフィンを原料として合成されたものである。
更に、トナーの長期保存性、流動性、現像性、転写性をより向上させる為に、本発明の実施の形態において使用されるトナーは、そのトナー表面に無機粉、樹脂粉を単独又は併用して添加してもよい。無機粉としては、例えば、シリカ、アルミナ、チタニア、酸化亜鉛等、公知の無機化合物を特に限定することなく使用することができ、これらは、単独ではもちろん、2種以上を混合して用いることもできる。具体的なシリカの微粒子としては、無水シリカのほか、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、などを含有するものであってもよいが、好ましくは屈折率が1.5以下となるような組成のものである。また、種々の方法を用いて表面処理されたものでもよい。たとえば、シラン系カップリング剤、チタン系カップリング剤、シリコーンオイル、などにより表面処理されたものも好ましく用いることができる。樹脂粉としてはPMMA、ナイロン、メラミン、ベンゾグアナミン、フッ素系等の球状粒子、そして、塩化ビニリデン、脂肪酸金属塩等の不定形粉末が挙げられる。表面に添加する場合それぞれの添加量は、トナー重量に対して0.1〜5重量%、より好ましくは0.5〜3重量%の配合量になるように添加されることが好ましい。本発明に用いるトナーは、トナー粒子及び上記外添剤をヘンシェルミキサーあるいはVブレンダ等で混合することによって製造することができる。また、トナー粒子を湿式製法にて製造する場合は、湿式にて外添することも可能である。
本発明の実施の形態において使用されるトナーに用いられる結着樹脂としては、スチレン、クロロスチレン等のスチレン類、エチレン、プロピレン、ブチレン、イソプレン等のモノオレフィン、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、安息香酸ビニル、酢酸ビニル等のビニルエステル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸オクチル、アクリル酸フェニル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸ドデシル等のα−メチレン脂肪族モノカルボン酸エステル、ビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル、ビニルブチルエーテル等のビニルエーテル、ビニルメチルケトン、ビニルヘキシルケトン、ビニルイソプロペニルケトン等のビニルケトン、等の単独重合体あるいは共重合体を例示することができ、特に代表的な結着樹脂としては、ポリスチレン、スチレン−アクリル酸アルキル共重合体、スチレン−メタクリル酸アルキル共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレンを挙げることができる。更に、ポリエステル、ポリウレタン、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミド、変性ロジン類を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。
本発明の実施の形態において使用されるトナーに用いられるワックスとして次のようなものが好適である。すなわち、パラフィンワックス及びその誘導体、モンタンワックス及びその誘導体、マイクロクリスタリンワックス及びその誘導体、フィッシャートロプシュワックス及びその誘導体、ポリオレフィンワックス及びその誘導体、等である。誘導体とは酸化物、ビニルモノマーとの重合体、グラフト変性物を含む。この他に、アルコール、脂肪酸、植物系ワックス、動物系ワックス、鉱物系ワックス、エステルワックス、酸アミド等も利用できるが、特にこれらに限定されるものではない。
また、トナー粒子の着色剤としては、カーボンブラック、ニグロシン、アニリンブルー、カルコイルブルー、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リド、フタロシアニンブルー、マラカイトグリーン・オキサレート、ランプブラック、ローズベンガル、C.I.ピグメント・レッド48:1、C.I.ピグメント・レッド122、C.I.ピグメント・レッド57:1、C.I.ピグメント・イエロー97、C.I.ピグメント・イエロー12、C.I.ピグメント・ブルー15:1、C.I.ピグメント・ブルー15:3などを代表的なものとして例示することができる。
本発明の実施の形態において使用されるトナーは、上述のようにして製造されたものであれば特に限定されないが、好ましくは形状係数SF1が100〜140、より好ましくは110〜140であり、体積平均粒子径が3〜7μmである。
本明細書において、トナーの形状係数SF1は下記の式で計算された値を意味する。
SF1=(ML2/A)×(π/4)×100
ここで、ML:トナー粒子の絶対最大長、A:トナー粒子の投影面積、π:円周率であり、真球の場合、SF1=100で最小となる。
このような小粒径であり、比較的球形に近い、精度よく調製されたトナーを使用することにより、フルカラー画像などの高品位、高画質が要求される画像形成装置においても、好適に使用することが可能となる。
一方、本発明の実施の形態において用いられるキャリアは、公知キャリア、鉄粉、フェライト、ガラスビーズ、磁性体の微粉末を分散した樹脂粒子、樹脂を表面にコートした磁性粉、などどのようなものでも良い。より好ましくは、帯電の制御や電気抵抗の制御のために磁性粉コアに樹脂をコートしたキャリアが選ばれる。
樹脂コートキャリアのコート樹脂としては、トナー構成物質によるコート膜表面の汚染やトナー自体の付着を抑制し、機械的強度に優れ摩耗や破損に強い樹脂が良い。具体的にはポリオレフィン系樹脂、ポリビニルおよびポリビニリデン系樹脂、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリ塩化ビニル、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルエーテル、ポリビニルケトン、ポリエステル、ポリウレタン、ポリカーボネート、アミノ樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、スチレンアクリル共重合体、オルガノシロキサン結合を有するシリコーン樹脂およびその変性体、フッ素樹脂、ポリスチレン樹脂、メタクリル酸などが挙げられる。特に好適なものとしては、ポリスチレン樹脂、アクリル酸樹脂、スチレンアクリル共重合体が挙げられる。
キャリアの重量に対するコート樹脂重量の割合としては、好ましくは0.5重量%〜5重量%の範囲が、より好ましくは1.5重量%〜3.5重量%が挙げられる。0.5重量%より少なすぎるとキャリア芯材の露出が多く、コートキャリアとしての特性が発揮されないおそれがある。一方、5重量%より多すぎると、キャリア製造時に製造設備への付着やキャリア同士が合一した凝集体の発生が多くなり、製造性が低下するばかりが、キャリアの粉体としての流動性が低下してトナーとの混ざりが不十分となり、不均一な現像剤になりやすくなるなどの懸念がある。
さらに、コート層中には、必要に応じて帯電制御や、電気抵抗制御の目的で種々の添加剤を適用することができる。
キャリア粒子の帯電制御のために、必要に応じて、帯電制御剤、例えば、ニグロシン染料、ベンゾイミダゾール系化合物、四級アンモニウム塩化合物、アルコキシ化アミン、アルキルアミド、モリブデン酸キレート顔料、トリフェニルメタン系化合物、サリチル酸金属塩錯体、アゾ系クロム錯体、銅フタロシアニンなど、公知のいかなるものを添加してもかまわない。キャリア粒子の帯電制御剤として特に好ましくは、四級アンモニウム塩化合物、アルコキシ化アミン、アルキルアミドが挙げられる。
またキャリア粒子の電気抵抗制御のために、必要に応じて、公知の導電粉、金属微粒子、酸化金属微粒子、カーボンブラック、カーボン繊維、金属化合物微粒子など、任意に選択して添加することができる。このうち、特にカーボンブラックが好ましい。好ましい添加量は、キャリア芯材を100重量部としたときに、0.05〜20重量部であり、より好ましくは、0.1〜5重量部である。この範囲であれば、電気抵抗の制御とキャリアコート膜の強度が両立できるため、好適である。
また、本発明の実施の形態において、キャリアは、さらに公知の微粒子、例えばアクリル樹脂微粒子、尿素樹脂微粒子、メラミン樹脂微粒子、ナイロン樹脂微粒子、フッ素樹脂粒子、シリコーン樹脂粒子などの樹脂微粒子や、シリカ微粒子、チタニア微粒子、アルミナ微粒子などの酸化金属微粒子などを任意に添加することができる。これら微粒子を添加することでコート膜中の添加剤の分散状態を制御したり、キャリアの帯電特性や電気抵抗特性を改善したりすることができる。
本発明の実施の形態において使用するキャリアの製造装置は公知のいかなる形式のものでもかまわない。例として流動床、スプレードライ、高速回転ミキサ、プラネタリコーティング装置、ニーダーコーティング装置などが挙げられるが、特に好ましい製造装置としてはニーダーコーティング装置が挙げられる。
また、現像剤の帯電や電気抵抗の安定化のため、補給カートリッジに補給トナーだけでなく、キャリアも収容し、現像装置へ新しいトナーと新しいキャリアを同時に供給する、という提案も多くなされているが、本発明においてもこの手法は有効であり、本発明の効果を減ずるものではない。本発明の構成において、さらに補給カートリッジにキャリアを収容することで、本発明の効果はそのまま得られ、さらに現像剤の帯電特性や電気抵抗特性が長期間安定するという効果も得ることができる。補給カートリッジへのキャリアの収容量は目的に応じて任意に設定することができる。
また、本実施の形態として、表1のパラメータテーブルまたはそれに相当する、適当なプログラムや関数データは、例えば交換して使用する可能性のあるキャリアの特性や収容量に応じて、あらかじめ複数のものを用意しておいてもよく、またキャリア交換の都度、適宜追加または変更してもよい。また、補給カートリッジに予め用意しておくことも好適である。
本発明の実施の形態において使用される補給トナーの特性情報を記録する特性記録媒体は、ICチップ、各種バーコード、磁気テープ、光磁気記録媒体など、公知のいかなる情報記録媒体でもかまわない。特に好ましくは、トナーやキャリアの汚れが付着しても情報の呼び出しが安定しているICチップを用いた情報記録媒体があげられる。情報記録媒体の補給カートリッジへの設置方法は任意に選択することができる。
また、そのほかの情報記録媒体としては、トナー特性情報やトナー特性情報に対応するパラメータテーブルの番地を表示したシールやラベルを補給カートリッジに貼り付けたり、トナー特性情報やトナー特性情報に対応するパラメータテーブルの番地を表示したデータシートや説明書を補給カートリッジの包装箱や包装袋の中に同梱したりする方法も挙げられる。これらの方法を用いる場合は、補給カートリッジ交換時に使用者がトナー特性情報やトナー特性情報に対応するパラメータテーブルの番地を読み、画像形成装置に入力することでICチップなどの情報記録媒体を使用した場合と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態において好適に使用される補給トナーの特性情報には、帯電性、含水率、嵩密度、流動性、粒子径、形状、粒度分布などさまざまなものを含んでよいが、測定の簡便性とトナーの排出性への寄与の大きさより、特に好ましくは、少なくともトナーの体積平均粒子径とトナーの形状係数を含むものである。
本発明の実施の形態において用いられる補給カートリッジは、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリスチレン−アクリル共重合体、ABS樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、アクリロニトリル樹脂、PET樹脂など、公知のいかなるものを用いてもかまわない。強度、加工性、安定性等の観点で、より好ましくはポリスチレン、アクリル樹脂、ポリスチレン−アクリル共重合体、ABS樹脂、ポリカーボネート樹脂が挙げられる。また、公知の金属材料や紙、不織布などの構造材料を用いてもかまわない。
補給カートリッジの形状は、円筒形、柱状、箱形、ボトル型、あるいはこれらの形状の複合形や、その他の形状など、いかなる形状であってもかまわない。画像形成装置の内部のレイアウトや交換・装着性、補給トナーの投入性などの観点から任意に選択することができる。画像形成装置内部での補給カートリッジの配置は、縦置き、横置きなど、画像形成装置の内部のレイアウトや交換・装着性、補給トナーの投入性などの観点から任意に選択することができる。画像形成装置の小型化に伴うレイアウトの高集積のため、補給カートリッジの形状は円筒形や柱状や円筒形と箱形の複合形が、画像形成装置内部での補給カートリッジの配置は横置きが適しているが、本発明はこのような構成の場合に特に高い効果が期待できる。
このような横置きの補給カートリッジでは、重力によるトナー排出効果が小さいため、オーガーやアジテータなどの排出機構を有していることが多い。また、トナーを横方向に移動させてやる必要があるため、トナーの排出にはオーガーやアジテータの寄与が大きい。一方、トナーの粉体流動性は、トナーの体積平均粒子径や、形状係数SF1に依存が大きい。そのため、同じようにオーガーやアジテータを動作させてもトナーの特性によってはトナーの排出量が大きく異なりやすいという問題があった。本発明を用いることで大きな改善効果が得られる。
前述した本発明の実施の形態と同様にして、使用中の補給カートリッジ内のトナー収容量を精密に推測することも可能である。このような本発明の他の実施の形態について、以下、詳説する。
本発明の実施の形態の交換ユニットは、現像装置へ補給するトナー残量を検知する検知手段と、前記検知手段で検知したトナー残量に基づいて新たな交換ユニットの装着を要求する機構と、補給用トナーの特性情報を記録する特性記録媒体と、を備え、前記補給用トナーを内部に収容した交換ユニットであって、前記検知手段により検知するトナー残量は、前記特性情報に基づいて補正される。
特性記録媒体には、トナーの体積平均粒子径やトナーの形状係数などを含む、トナー特性を含む情報が記録されている。画像形成装置に、補給用トナーを収容した交換ユニットを装着したときに、画像形成装置本体が特性記録媒体に記録されたトナーの特性値を認識し、これを元に交換ユニット内部のトナー残量を補正し、所望のタイミングで新たな交換ユニットの装着を要求する。
また、本発明の他の実施の形態の画像形成装置は、静電潜像担持体上に形成した静電潜像を可視化する現像手段と、可視化された像を記録体に転写する転写手段と、転写された像を定着させる定着手段と、を備える画像形成装置であって、現像手段へ補給する補給用トナーが収容された交換ユニットと、補給用トナーの残量を検知する検知手段と、残量に基づいて新たな交換ユニットの装着を要求する要求手段と、補給用トナーの特性情報を記録する特性記録媒体と、検知手段により検知するトナー残量を、特性情報に基づいて補正する補正手段と、をさらに備える。
すなわち、補給用トナーを収容した、いわゆる交換ユニットを画像形成装置に装着すると、画像形成装置、好ましくは交換ユニットまたはその近傍に配置された別個単独の特性記録媒体から、画像形成装置本体にトナーの特性情報が渡される。特性記録媒体には、トナーの体積平均粒子径やトナーの形状係数などを含む、トナー特性を含む情報が記録されており、特性記録媒体からトナーの特性情報を受け取った画像形成装置は、使用中の交換ユニット内に収容されている補給トナーの残量として検知された値を、その特性情報に基づいて補正する。このトナー特性情報に基づく補正を実施することで、小粒径のトナーや球状・ポテト形状のトナーを使用した場合でも使用中の交換ユニット内に収容されている補給トナー残量の推測がより正確に行えるため、交換時の交換ユニット内に残留する補給トナー量を最小にして資源を有効活用することができ、適切な時期に補給カートリッジ交換の要求を出すことが可能になる。このため、使用者の負荷を軽減し、また高品位な画像を長期間安定して得ることが可能になる。
補給用トナーの特性情報として、トナーの体積平均粒子径と、形状係数SF1の値を採用した場合について、以下、例を挙げて説明する。
交換ユニットには、収容された補給トナーの特性情報、ここではトナーの体積平均粒子径と、形状係数SF1の値が記録された特性記録媒体を備えている。また、あらかじめ、例えば表1に示すようなパラメータテーブルが、画像形成装置、好ましくは現像装置を含む画像形成装置本体、に記録されている。画像形成装置に交換ユニットが装着されると、特性記録媒体内の情報が送信または読み取られ、(場合によっては、操作者の入力により、)交換ユニットに収容されているトナーの体積平均粒子径と、形状係数SF1の値が確認される。
交換ユニットに収容されたトナーの特性情報が確認されると、表1に示すパラメータテーブルに従って、交換ユニットから排出されたとして検知されたトナー排出量に対し、適宜補正を行う。例えば、体積平均粒子径が5.1μm、形状係数が121であるトナーが収容された交換ユニットを設置すると、画像形成装置は、表1に従い、センサにより検知されたトナー排出量に対し、パラメータ23に相当する補正係数を用いて補正を行うようにする。このため、交換ユニット内からのトナー排出量をより正確に制御することが可能となる。このため、交換ユニット内の補給トナー残量をより正確な情報として得ることが可能となり、より適切なタイミングで交換時期を通知することが可能となる。
なお、本実施の形態においては、表1に示したように、形状係数SF1を100から140までを9段階、体積平均粒子径を3μmから7μmまでを1μm間隔で5段階、計45段階のパラメータテーブルを作成したが、これはあくまでも例示であり、要求される精度により適宜その間隔を広く取ったり、狭く取ったりしてもよいことはいうまでもない。
また表1のパラメータテーブルに替えて、適当なプログラムや関数データを組み入れたり、また湿度や嵩比重など、環境センサや他の部材により得られた、他の情報を組み入れて使用したりすることも、より精度が上がり好適であるが、特にこれらには限定されず、いかなるものを用いてもよい。
さらに、本発明の他の実施の形態における画像形成方法について、図面に基づいて説明する。
図3は、本発明の他の実施の形態における画像形成方法の概略を示すフロー図である。
新しい交換ユニットを装着すると、S300において、図2の例と同様にしてトナー排出補正値を設定する。次に、S302において、交換ユニットのデータタグから交換ユニットに内蔵されているトナーの量のデータを読み取り、情報テーブルに登録し、S304に進む。S304では、トナーの排出動作を行なったか否かが判定される。トナーの排出動作を行っていない場合には、再びS304に進む一方、トナー排出動作を行った場合には、S306に進む。
S306では、トナー排出動作を行ったときに画像形成装置のトナー排出動作量とトナー排出補正値を用いて、実際に交換ユニットから排出されたトナー量を算出してS308に進む。S308では、S306で算出されたトナー排出量の分だけ情報テーブルに登録されているトナー残量の値から減じた値を新たなトナー残量として情報テーブルに書き込み、S310に進む。
S310では、S308で新たに書き込まれたトナー残量と、予め設定しておいた「規定値1」とを比較する。S308で新たに書き込まれたトナー残量が「規定値1」をまだ下回っていなければ、再びS300から上述の動作が行なわれる。一方、S308で新たに書き込まれたトナー残量が「規定値1」を下回ったら、S312に進み、使用者に対して「新しい交換ユニットの準備」を表示し、交換ユニットの交換を指示する。ここで交換ユニットが交換されないまま画像形成装置の運転が継続されると、さらにS316へと進み、トナー残量が予め設定しておいた「規定値2」を下回ったら、S318において、使用者に「新しい交換ユニッのト交換」を指示した状態で停止し、S320に進む。このため、トナー交換ユニットが交換されない限り、画像形成装置は停止したままの状態となる。
一度使用した使用途中品の交換ユニットを使用する場合には、例えば、交換ユニットの重さを測定して、交換ユニットに入っているトナー残量を、その測定重量と、空の交換ユニットの重さとの差を直接画像形成装置に手入力してもよく、コンピュータを接続して入力してもよいが、画像形成装置にこのような情報を与えることで、新しい交換ユニットを使用しているときと同様の効果を得ることができる。
もし、本実施の形態として例示したようなトナー排出補正を使用せずにトナー残量の検知精度が低い状態であると、まだ交換ユニット内に多量のトナーが残留しているのにもかかわらず画像形成装置が停止してしまいトナーの有効利用が十分に行なえなかったり、もう交換ユニット内にトナーが無いにもかかわらずトナーがまだあると画像形成装置が誤認識してしまい、現像装置内のトナー量や現像剤中のトナー濃度が極端に低下して、画像濃度が十分に出なかったりする。これにより、2成分現像剤においてはキャリアが飛散して画像形成装置内部を汚染したり、一方1成分現像剤においては現像装置のトナー搬送ロールが、トナー量が少ないために層規制部材と擦れて傷ついてしまったり、トナーが融着してしまったりするおそれがある。一方、本実施の形態として例示したようなトナー排出補正を使用した場合には、上述のようなさまざまな不具合を解消することが可能である。
本発明の上述した実施の形態において好適に使用される現像剤は、トナーのみからなる一成分現像剤でもよく、またトナーとキャリアとを含む二成分現像剤でもよい。また、トナーは、磁性トナーでも良く、非磁性トナーでも良いが、製造の容易性の観点から、好ましくは非磁性トナーである。
本発明の実施の形態に使用されるトナーにおいて、製造方法は公知のいかなる方法でも良く、例えば混練粉砕法、縣濁重合法、乳化重合凝集法、液中乾燥法、分散重合法などの公知の製造法が挙げられるが、これに限定されるものではない。また必要に応じて、球形化工程や分級工程などを好適に追加することもできる。
近年出力画像の高品質化、画像形成装置の省電力化、トナー製造工程の環境負荷改善などの要求が高まり、これらに応えるためにトナーの小粒径化技術、トナーの形状制御技術が発展してきている。このため、上記トナーの製造法の中でも、特に縣濁重合法、乳化重合凝集法、液中乾燥法、分散重合法などのような湿式製法を用いて製造されたトナーはこれらの要求に合致するため、急速にトナーの湿式製造技術開発や湿式製法トナーの商品化が進んでいる。
湿式製法トナーは、一般にトナーの小粒径化、粒度分布の改善、形状の制御が行えるため、目的に適したトナーを得ることができる。特に高画質化に好適である。すなわち、小粒径なトナーは静電潜像に忠実に現像できるため、細線などの細かい画像でも高品位に再現できる。球状トナーやポテト形状トナーなど形状が球形に近いトナーは、現像性、転写性が長期間安定するため、ハイライト画像のがさつきが少なく均質な画像が得られる。フルカラー画像形成時には色ずれやがさつき感の少ない二次色のハイライト画像が安定して再現できる。さらに、トナーの内部構造の制御も行えるため、離型剤の分散形態やトナーの粘弾性を最適化することによって、高速定着、低温度定着など、画像形成装置の省電力化も可能である。
さらに、トナーの湿式製法は、従来の混練粉砕トナー製造工程において多大なエネルギーを必要とする微粉砕工程や分級工程を無くすことができるので、トナー製造に必要なエネルギーの削減や、収率の改善など、低環境負荷にも効果が高い。
上述したような構成を用いることで小粒径トナー、球状・ポテト形状の湿式製法トナーを使用しても、補給トナーの効率的な使用や、廃棄するトナー量の低減、交換ユニットの再利用処理の効率化など多くの効果が得られる。なお、小粒径トナーや球状トナー、ポテト形状トナーの製造法としては、特に乳化重合凝集法が好ましいが、これに限らず、湿式製法によって好適に製造することができる。
本発明の実施の形態において使用されるトナーは、結着樹脂と、カーボンブラック等の着色剤とを含む。必要に応じて、ワックスなどの離型剤、内部添加剤として適当な粘弾性を付与する無機粉や樹脂粉などを一つ以上含んで構成してもよい。また、トナーの粉砕性や熱保存性を満足するために石油系樹脂を含んでもよい。石油系樹脂とは石油類のスチームクラッキングによりエチレン、プロピレンなどを製造するエチレンプラントから副生する分解油留分に含まれるジオレフィンおよびモノオレフィンを原料として合成されたものである。
更に、トナーの長期保存性、流動性、現像性、転写性をより向上させる為に、本発明の実施の形態において使用されるトナーは、そのトナー表面に無機粉、樹脂粉を単独又は併用して添加してもよい。無機粉としては、例えば、シリカ、アルミナ、チタニア、酸化亜鉛等、公知の無機化合物を特に限定することなく使用することができ、これらは、単独ではもちろん、2種以上を混合して用いることもできる。具体的なシリカの微粒子としては、無水シリカのほか、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、などを含有するものであってもよいが、好ましくは屈折率が1.5以下となるような組成のものである。また、種々の方法を用いて表面処理されたものでもよい。たとえば、シラン系カップリング剤、チタン系カップリング剤、シリコーンオイル、などにより表面処理されたものも好ましく用いることができる。樹脂粉としてはPMMA、ナイロン、メラミン、ベンゾグアナミン、フッ素系等の球状粒子、そして、塩化ビニリデン、脂肪酸金属塩等の不定形粉末が挙げられる。表面に添加する場合それぞれの添加量は、トナー重量に対して0.1〜5重量%、より好ましくは0.5〜3重量%の配合量になるように添加されることが好ましい。本発明に用いるトナーは、トナー粒子及び上記外添剤をヘンシェルミキサーあるいはVブレンダ等で混合することによって製造することができる。また、トナー粒子を湿式製法にて製造する場合は、湿式にて外添することも可能である。
本発明の実施の形態において使用されるトナーに用いられる結着樹脂としては、スチレン、クロロスチレン等のスチレン類、エチレン、プロピレン、ブチレン、イソプレン等のモノオレフィン、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、安息香酸ビニル、酢酸ビニル等のビニルエステル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸オクチル、アクリル酸フェニル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸ドデシル等のα−メチレン脂肪族モノカルボン酸エステル、ビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル、ビニルブチルエーテル等のビニルエーテル、ビニルメチルケトン、ビニルヘキシルケトン、ビニルイソプロペニルケトン等のビニルケトン、等の単独重合体あるいは共重合体を例示することができ、特に代表的な結着樹脂としては、ポリスチレン、スチレン−アクリル酸アルキル共重合体、スチレン−メタクリル酸アルキル共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレンを挙げることができる。更に、ポリエステル、ポリウレタン、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリアミド、変性ロジン類を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。
本発明の実施の形態において使用されるトナーに用いられるワックスとして次のようなものが好適である。すなわち、パラフィンワックス及びその誘導体、モンタンワックス及びその誘導体、マイクロクリスタリンワックス及びその誘導体、フィッシャートロプシュワックス及びその誘導体、ポリオレフィンワックス及びその誘導体、等である。誘導体とは酸化物、ビニルモノマーとの重合体、グラフト変性物を含む。この他に、アルコール、脂肪酸、植物系ワックス、動物系ワックス、鉱物系ワックス、エステルワックス、酸アミド等も利用できるが、特にこれらに限定されるものではない。
また、トナー粒子の着色剤としては、カーボンブラック、ニグロシン、アニリンブルー、カルコイルブルー、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リド、フタロシアニンブルー、マラカイトグリーン・オキサレート、ランプブラック、ローズベンガル、C.I.ピグメント・レッド48:1、C.I.ピグメント・レッド122、C.I.ピグメント・レッド57:1、C.I.ピグメント・イエロー97、C.I.ピグメント・イエロー12、C.I.ピグメント・ブルー15:1、C.I.ピグメント・ブルー15:3などを代表的なものとして例示することができる。
本発明の実施の形態において使用されるトナーは、上述のようにして製造されたものであれば特に限定されないが、好ましくは形状係数SF1が100〜140、より好ましくは110〜140であり、体積平均粒子径が3〜7μmである。
このような小粒径であり、比較的球形に近い、精度よく調製されたトナーを使用することにより、フルカラー画像などの高品位、高画質が要求される画像形成装置においても、好適に使用することが可能となる。
一方、本発明の実施の形態において、使用するトナーとの組み合わせにより、必要に応じて用いられるキャリアは、公知キャリア、鉄粉、フェライト、ガラスビーズ、磁性体の微粉末を分散した樹脂粒子、樹脂を表面にコートした磁性粉、などどのようなものでも良い。より好ましくは、帯電の制御や電気抵抗の制御のために磁性粉コアに樹脂をコートしたキャリアが選ばれる。
樹脂コートキャリアのコート樹脂としては、トナー構成物質によるコート膜表面の汚染やトナー自体の付着を抑制し、機械的強度に優れ摩耗や破損に強い樹脂が良い。具体的にはポリオレフィン系樹脂、ポリビニルおよびポリビニリデン系樹脂、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリ塩化ビニル、ポリビニルカルバゾール、ポリビニルエーテル、ポリビニルケトン、ポリエステル、ポリウレタン、ポリカーボネート、アミノ樹脂、エポキシ樹脂、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、スチレンアクリル共重合体、オルガノシロキサン結合を有するシリコーン樹脂およびその変性体、フッ素樹脂、ポリスチレン樹脂、メタクリル酸などが挙げられる。特に好適なものとしては、ポリスチレン樹脂、アクリル酸樹脂、スチレンアクリル共重合体が挙げられる。
キャリアの重量に対するコート樹脂重量の割合としては、好ましくは0.5重量%〜5重量%の範囲が、より好ましくは1.5重量%〜3.5重量%が挙げられる。0.5重量%より少なすぎるとキャリア芯材の露出が多く、コートキャリアとしての特性が発揮されないおそれがある。一方、5重量%より多すぎると、キャリア製造時に製造設備への付着やキャリア同士が合一した凝集体の発生が多くなり、製造性が低下するばかりが、キャリアの粉体としての流動性が低下してトナーとの混ざりが不十分となり、不均一な現像剤になりやすくなるなどの懸念がある。
さらに、コート層中には、必要に応じて帯電制御や、電気抵抗制御の目的で種々の添加剤を適用することができる。
キャリア粒子の帯電制御のために、必要に応じて、帯電制御剤、例えば、ニグロシン染料、ベンゾイミダゾール系化合物、四級アンモニウム塩化合物、アルコキシ化アミン、アルキルアミド、モリブデン酸キレート顔料、トリフェニルメタン系化合物、サリチル酸金属塩錯体、アゾ系クロム錯体、銅フタロシアニンなど、公知のいかなるものを添加してもかまわない。キャリア粒子の帯電制御剤として特に好ましくは、四級アンモニウム塩化合物、アルコキシ化アミン、アルキルアミドが挙げられる。
またキャリア粒子の電気抵抗制御のために、必要に応じて、公知の導電粉、金属微粒子、酸化金属微粒子、カーボンブラック、カーボン繊維、金属化合物微粒子など、任意に選択して添加することができる。このうち、特にカーボンブラックが好ましい。好ましい添加量はキャリア芯材を100重量部としたときに、0.05〜20重量部である。この範囲であれば電気抵抗の制御とキャリアコート膜の強度が両立でき好ましい。より好ましい範囲としては0.1〜5重量部である。
また、本発明の実施の形態において、キャリアは、さらに公知の微粒子、例えばアクリル樹脂微粒子、尿素樹脂微粒子、メラミン樹脂微粒子、ナイロン樹脂微粒子、フッ素樹脂粒子、シリコーン樹脂粒子などの樹脂微粒子や、シリカ微粒子、チタニア微粒子、アルミナ微粒子などの酸化金属微粒子などを任意に添加することができる。これら微粒子を添加することでコート膜中の添加剤の分散状態を制御したり、キャリアの帯電特性や電気抵抗特性を改善したりすることができる。
本発明の実施の形態において、キャリアに使用される製造装置は公知のいかなる形式のものでもかまわない。例として流動床、スプレードライ、高速回転ミキサ、プラネタリコーティング装置、ニーダーコーティング装置などが挙げられるが、特に好ましい製造装置としてはニーダーコーティング装置が挙げられる。
また、現像剤の帯電や電気抵抗の安定化のため、交換ユニットに補給トナーだけでなく、キャリアも収容し、現像装置へ新しいトナーと新しいキャリアを同時に供給する、という提案も多くなされているが、本発明においてもこの手法は有効であり、本発明の効果を減ずるものではない。本発明の構成において、さらに交換ユニットにキャリアを収容することで、本発明の効果はそのまま得られ、さらに現像剤の帯電特性や電気抵抗特性が長期間安定するという効果も得ることができる。交換ユニットへのキャリアの収容量は目的に応じて任意に設定することができる。
また、本実施の形態として、表1のパラメータテーブルまたはそれに相当する、適当なプログラムや関数データは、例えば交換して使用する可能性のあるキャリアの特性や収容量に応じて、あらかじめ複数のものを用意しておいてもよく、またキャリア交換の都度、適宜追加または変更してもよい。また、交換ユニットに予め用意しておくことも好適である。
本発明の実施の形態において使用される補給用トナーの特性情報を記録する特性記録媒体は、ICチップ、各種バーコード、磁気テープ、光磁気記録媒体など、公知のいかなる情報記録媒体でもかまわない。特に好ましくは、トナーやキャリアの汚れが付着しても情報の呼び出しが安定しているICチップを用いた情報記録媒体があげられる。情報記録媒体の交換ユニットへの設置方法は任意に選択することができる。
本発明の実施の形態において用いられる交換ユニットは、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリスチレン−アクリル共重合体、ABS樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、アクリロニトリル樹脂、PET樹脂など、公知のいかなるものを用いてもかまわない。強度、加工性、安定性等の観点で、より好ましくはポリスチレン、アクリル樹脂、ポリスチレン−アクリル共重合体、ABS樹脂、ポリカーボネート樹脂が挙げられる。また、公知の金属材料や紙、不織布などの構造材料を用いてもかまわない。
交換ユニットの形状は、円筒形、柱状、箱形、ボトル型、あるいはこれらの形状の複合形や、その他の形状など、いかなる形状であってもかまわない。画像形成装置の内部のレイアウトや交換・装着性、補給トナーの投入性などの観点から任意に選択することができる。画像形成装置内部での交換ユニットの配置は、縦置き、横置きなど、画像形成装置の内部のレイアウトや交換・装着性、補給トナーの投入性などの観点から任意に選択することができる。画像形成装置の小型化に伴うレイアウトの高集積のため、交換ユニットの形状は円筒形や柱状や円筒形と箱形の複合形が、画像形成装置内部での交換ユニットの配置は横置きが適しているが、本発明はこのような構成の場合に特に高い効果が期待できる。
なお、本実施の形態において、交換ユニットは、補給用トナーを内部に収容した補給用カートリッジと同様の形態のものが一般的であるが、交換ユニットの内部に、例えば、感光体ドラムや現像スリーブなどをさらに収容しても良く、いわゆるCRU形態として、特に一成分現像剤を用いる画像形成装置において好適に使用されるものも含んでよい。
次に本発明の効果を実施例に基づいて説明する。実施例中の部とは特に断りのない限りすべて重量部を示す。なお、本実施例は本発明の実施の形態の一部を示すのみであり、本発明は本実施例に限定されるものではない。
(トナー粒径の測定方法)
本発明において、トナーの体積平均粒子径(Dt(μm))とは、トナーを分散安定剤水溶液に分散しコールター・マルチサイザII(ベックマン−コールター株式会社製)で測定した値をいう。なお、測定は次のように行った。
前処理:分散助剤を少量含むイオン交換水10mLにトナーを適量投入し、超音波分散を行ってトナーを水中に分散し、測定サンプルとした。
測定:100μmのアパチャーをコールター・マルチサイザIIにセットし、電解液(アイソトンII:ベックマン−コールター株式会社製)に測定サンプルを滴下して、50,000個のトナーを測定し、体積平均径を計算してトナーの体積平均粒子径とした。
(トナー形状係数の測定)
対象とするトナー画像を光学顕微鏡から画像解析装置(LUZEXIII、ニレコ社製)に取り込み円相当径を測定して、最大長及び面積から、個々の粒子についてSF1の値を求めた。
(画像形成装置)
富士ゼロックス株式会社製の画像形成装置Docu Centre Color 400CP改造機を使用した。この実験装置は、単色でも画像出力が可能なように改造をほどこしたものである。さらに、現像装置内の現像剤トナー濃度は現像装置に設置された透磁率センサを用いて検出し、補給カートリッジ内のトナー使用量はトナー補給回数をカウントして行なっている。この実験装置はトナー補給回数を元に理論値上の平均的なトナー使用量が一定量に達すると、「Pre Near Empty」サイン=「次に使用する新しい補給カートリッジを準備してください」という意味の表示を使用者に示し、補給カートリッジを交換せずにそのまま使用し続けると、トナー補給回数を元に理論値上の平均的なトナー使用量が補給カートリッジと同じになると、画像形成装置が停止するという制御が働いている。さらに、単色でも画像出力が可能となるように改造を施した。さらに、補給カートリッジ装着部分と、トナー補給を制御する部分と、画像形成装置を稼働する制御コンピュータ部と、に改造を施し、後に述べる補給カートリッジに取り付けたメモリタグの位置に相対する場所に情報通信用のアンテナを配置し、制御コンピュータ部に接続した。また、制御コンピュータ部にはパーソナルコンピュータを接続し、内部の情報処理や画像形成装置の動作制御を任意に変更できるようにした。これを画像形成装置1とする。
(補給カートリッジ)
富士ゼロックス株式会社製画像形成装置Docu Centre Color 400CPに使用される補給カートリッジの内部に収容されている消耗品を除去して洗浄し乾燥させた後、補給カートリッジの側面にタグメモリを取り付けたものを準備した。メモリタグはフレキシブル基盤にメモリチップと通信用アンテナ配線を配置し、表面には保護シールを、裏面には補給カートリッジへの取り付け用に粘着フィルムを配したものである。このメモリタグは、対応する情報書き込み装置や情報読みとり装置を用いることによって、メモリタグ内のメモリチップに任意に情報を書き込み・読みとりすることができるものである。
(樹脂微粒子分散液(A)の調製)
スチレン400重量部、n−ブチルアクリレート25重量部、アクリル酸10重量部、ドデカンチオール25重量部を混合して溶解させたものを、非イオン性界面活性剤(ノニポール400:三洋化成工業株式会社製)10重量部及びアニオン性界面活性剤(ネオゲンSC:第一工業製薬株式会社製)10重量部をイオン交換水600重量部に溶解させたフラスコ中で乳化重合させ、30分間ゆっくり混合しながら、これに過硫酸アンモニウム5重量部を溶解したイオン交換水50重量部を投入した。窒素置換を行った後、前記フラスコ内を攪拌しながら内容物が75℃になるまでオイルバスで加熱し、4時間そのまま乳化重合を継続した。その結果、体積平均粒子径が134nmであり、ガラス転移温度Tg=53℃、重量平均分子量Mw=15,000の乳化粒子が分散された樹脂微粒子分散液が得られた。この分散液の固形分濃度は43%であった。
(色剤分散液(B)の調製)
Cyan顔料B15:3を60重量部、ノニオン性界面活性剤(ノニポール400:三洋化成工業株式会社製)5重量部、イオン交換水240重量部を混合溶解し、ホモジナイザー(ウルトラタラックスT50:IKA社製)を用いて30分間攪拌し、その後、アルティマイザーにて分散処理して体積平均粒子径が225nmである着色剤(Cyan顔料)粒子が分散された着色剤分散剤を調製した。
(離型剤分散液(C)の調製)
パラフィンワックス(HNP0190:日本精蝋株式会社製、融点85℃)100重量部、カチオン性界面活性剤(サニゾールB50:花王株式会社製)5重量部、イオン交換水240重量部を、丸型ステンレス鋼製フラスコ中でホモジナイザー(ウルトラタラックスT50:IKA社製)を用いて30分間分散させた後、さらに圧力吐出型ホモジナイザーで分散処理し、平均粒径が540nmである離型剤粒子が分散された離型剤分散液を調製した。
(トナー1の作成)
樹脂微粒子分散液(A)250部、着色剤分散液(B)25部、離型剤分散液(C)45部、ポリ水酸化アルミニウム(Paho2S:浅田化学工業株式会社製)1.0部、イオン交換水800部を、ステンレス鋼鉄製丸型フラスコ中でホモジナイザー(ウルトラタラックスT50:IKA社製)を用いて混合し、分散させた。微粒子の凝集のため、加熱用オイルバス中でフラスコ内を攪拌しながら42℃まで加熱し、30分保持した後、更に加熱用オイルバスの温度を上げて55℃で60分間保持した。このスラリー中の粒子の大きさを測定したところ、体積平均粒子径D50は5.1μmとなった。その後、凝集体粒子の形状を制御するために、この凝集体粒子を含むスラリーに、1N水酸化ナトリウムを追加して、系のpHを7.3に調整した後ステンレス製フラスコを密閉し、磁気シールを用いて攪拌を継続しながら85℃まで加熱し、4時間保持した。冷却後、このトナー母粒子を濾別し、イオン交換水で4回洗浄した後、凍結乾燥してトナー母粒子を得た。このトナー母粒子100重量部にルチル型酸化チタン(粒径20nm,n−デシルトリメトキシシラン処理)1.2重量部、シリカ(粒径40nm、シリコーンオイル処理、気相酸化法)2.5重量部加え、5Lヘンシェルミキサーで周速30m/sで18分間ブレンドを行った後、目開き45μmのシーブを用いて粗大粒子を除去し、トナー1を得た。トナー1の体積平均粒子径は5.2μm、形状係数SF1は126であった。
(トナー2の作成)
加熱条件、pH処理条件を変えた以外はトナー1と同様にしてトナー2を作成した。トナー2の体積平均粒子径は3.8μm、形状係数SF1は114であった。
(トナー3の作成)
加熱条件、pH処理条件を変えた以外はトナー1と同様にしてトナー3を作成した。トナー3の体積平均粒子径は6.3μm、形状係数SF1は115であった。
(トナー4の作成)
加熱条件、pH処理条件を変えた以外はトナー1と同様にしてトナー4を作成した。トナー4の体積平均粒子径は3.9μm、形状係数SF1は137であった。
(トナー5の作成)
加熱条件、pH処理条件を変えた以外はトナー1と同様にしてトナー5を作成した。トナー5の体積平均粒子径は6.2μm、形状係数SF1は136であった。
(トナー6の作成)
加熱条件、pH処理条件を変えた以外はトナー1と同様にしてトナー6を作成した。トナー6の体積平均粒子径は2.8μm、形状係数SF1は123であった。
(トナー7の作成)
加熱条件、pH処理条件を変えた以外はトナー1と同様にしてトナー7を作成した。トナー7の体積平均粒子径は7.6μm、形状係数SF1は125であった。
(トナー8の作成)
加熱条件、pH処理条件を変えた以外はトナー1と同様にしてトナー8を作成した。トナー8の体積平均粒子径は4.9μm、形状係数SF1は108であった。
(トナー9の作成)
テレフタル酸、ビスフェノールA、グリセリンから得られた線状ポリエステル(数平均分子量Mn=3,300、重量平均分子量Mw=11,000)93部、マゼンダ顔料(C.I.ピグメント・レッド57)3部、パラフィンワックス4部を予備混合した後、エクストリューダで混練し、得られたスラブを圧延、冷却、破砕後、ジェットミルで粉砕した。さらに、風力式分級機で分級した粗粉および微粉を除去し、トナー母粒子を得た。このトナー母粒子100重量部にルチル型酸化チタン(粒径20nm、n−デシルトリメトキシシラン処理)1.2重量部、シリカ(粒径40nm、シリコーンオイル処理、気相酸化法)2.5重量部加え、5Lヘンシェルミキサーで周速30m/sで18分間ブレンドを行った後、45μmの目開きのシーブを用いて粗大粒子を除去し、トナー9を得た。トナー9の体積平均粒子径は5.9μm、形状係数SF1は143であった。
[現像剤トナー濃度センサ検出値の補正(第1の補正)]
トナー1〜9と、富士ゼロックス社製画像形成装置Docu Centre Color 400CP用として使用しているキャリア(以後、単にキャリアと呼ぶ)とを、それぞれVブレンダを使用して混合し、現像剤1〜9を作成した。それぞれのトナーとキャリアは、いずれも10重量部対100重量部の比率で混合した。
現像剤1〜9をそれぞれ富士ゼロックス社製画像形成装置Docu Centre Color 400CPの現像装置に入れて、それぞれ現像装置1〜9とした。この現像装置1〜9を画像形成装置に設置し、濃度センサにより得られた現像剤中のトナー濃度検出値を読み取った。
図4に示したグラフは、体積平均粒子径5μm、形状係数SF1=125のトナーを使用した現像剤を基準として校正する透磁率センサを用いて実験した、実際の現像剤中のトナー濃度変化に対する、透磁率センサの出力値より検出されたトナー濃度の変化の様子を模式的に示したものである。この模式図においてはトナーの体積平均粒子径の種類によらず、トナーの形状係数SF1は同じものを使用している。本実施例における濃度センサは、この透磁率センサの原理を応用したものである。
図4において、実線で示したトナー粒子を基準とすると、これよりも体積平均粒子径の小さいトナー粒子では、点線で示したように、実際の現像剤中のトナー濃度が同じであっても、透磁率センサ出力値から求めたトナー濃度は低く検出されてしまう。一方、より体積平均粒子径の大きなトナー粒子では、破線で示したように、実際の現像剤中のトナー濃度が同じであっても、透磁率センサ出力値から求めたトナー濃度は高く検出されてしまう。なお、体積平均粒子径が同じであり、形状係数SF1が異なるトナーの場合においても、これと同じような現象が発生する。特に、体積平均粒子径や形状係数などのトナー特性の差異によって生じてしまうこのような誤差を、現像剤1を使用したときの検出値を基準として補正すべく、現像剤中のトナー濃度の検出補正値を算出し、これを第1の補正とした。
[補給カートリッジからのトナー排出量の補正(第2の補正)]
次に、トナー1〜9を、メモリタグを設置した補給カートリッジにそれぞれ300g投入した。これらをそれぞれ補給カートリッジ1〜9とする。それぞれの補給カートリッジに設置されたメモリタグには、対応する補給カートリッジ内のトナーの体積平均粒子径と形状係数のデータを書き込んだ。
補給カートリッジ1〜9を画像形成装置1に設置し、同一の時間トナー補給動作を実行したときに、実際にそれぞれの補給カートリッジから排出されるトナーの量を測定した。このとき、補給カートリッジ1から排出されるトナーの量を基準として、補給カートリッジ2〜5を画像形成装置1に設置したときのトナー排出量を基に、補給カートリッジからのトナー排出量補正値を算出した。得られた補給カートリッジからのトナー排出量補正値は、表1のようにパラメータテーブルとしてまとめることもでき、この補正値に基づく補正を第2の補正とした。
また、算出された第1の補正を画像形成装置1に組み込んだものを画像形成装置1−1とし、算出された第2の補正の値を画像形成装置1に組み込んだものを画像形成装置1−2とする。さらに、算出された第1の補正と第2の補正の両方を画像形成装置1に組み込んだものを画像形成装置1−3とする。
[実施例1]第1の補正を施した画像形成装置による画像出力
算出された第1の補正値を画像形成装置1に組み込んだ、画像形成装置1−1を使用し、補給カートリッジ1〜9それぞれを用いて画像出力を行った。各補給カートリッジにつき10,000枚ずつ画像出力を行い、10,000枚出力完了後、補給カートリッジを交換した。補給カートリッジの交換は、1→2→3→4→5→7→6→8→9の順に行なった。評価は、(1)べた画像中の濃度安定性/白ヌケの有無、(2)白紙背景部のカブリの有無、(3)細線の再現性(細線性)、を目視により判定し、(4)総合評価と合わせ、結果を表2にまとめた。なお、表2において、◎:優れている、○:◎より若干劣るが実使用において問題なし、△:○より劣り、画像種類、場所によっては目立つなど実使用においてやや問題あり、×:実使用において画質上重大な問題があり不適、をそれぞれ示し、4段階の評価を行なった。
表2によれば、補給カートリッジ交換直後に若干の画像濃度変動が見られたものの、定常域では画像の安定性が高く優れていた。
[実施例2]第2の補正を施した画像形成装置による画像出力
算出された第2の補正値を画像形成装置1に組み込んだ、画像形成装置1−2を使用したことを除いて、あとは実施例1と同様の方法により、画像出力を行なった。表3に、その結果をまとめた。
表3によれば、定常域に画像濃度のばらつきが見られたものの、補給カートリッジ交換直後においては画像乱れや画像濃度変動は発生せず優れていた。
[実施例3]第1の補正および第2の補正を施した画像形成装置による画像出力
算出された第1の補正値および第2の補正値を画像形成装置1に組み込んだ、画像形成装置1−3を使用したことを除いて、あとは実施例1と同様の方法により、画像出力を行なった。表4に、その結果をまとめた。
表4によれば、補給カートリッジ交換直後、定常域、いずれにおいても画像乱れや画像濃度異常の発生は無く特に優れていた。また、使用するトナーに応じて細密部の再現性が向上したり、ハイライト部の均質性が向上したりするなどの効果も認められた。
[比較例1]画像形成装置1による画像出力
トナー濃度の補正を施していない、画像形成装置1を使用したことを除いて、あとは実施例1と同様の方法により、画像出力を行なった。表5に、その結果をまとめた。
表5によれば、使用するトナーによって補給カートリッジ交換直後の地かぶり、トナーぼた落ち、画像濃度異常、白抜けなどが発生し、定常域においても濃度の急激な変動や画像濃度のばらつきなどが顕著で劣るものであった。
実施例1〜3から明らかなように、現像剤中のトナー濃度を検出し、かつ、トナーの特性情報を用いてトナー濃度を補正することで、補給トナーの特性が変動しても安定した画像が長期間連続して得られた。さらに、実施例3から明らかなように、補正方法を複数組み合わせて用いることでより効果が高められた。特にトナー1〜5のような、小粒径トナーや球状・ポテト形状トナーを使用する場合では、二次障害無しに高画質な画像を長期間安定して連続的に得られるという効果が確認できた。
[実施例4]第2の補正を施した画像形成装置による補給カートリッジ内のトナー残留量の測定
予備実験として、画像形成装置1−2を使用して画像出力を行なった。まず、300gのトナー1を入れた補給カートリッジ1を設置し、画像出力を16,280枚行うと、画像形成装置の表示部に補給カートリッジの交換を意味する「Pre Near Empty」サインが表示された。
次に、それぞれ300gのトナー1〜9を入れた補給カートリッジ1〜9を画像形成装置1−2に設置したものを使用した。上記予備試験の結果を参考にして、16,000枚連続して画像形成を行なった後、補給カートリッジ内に残留しているトナーの量を測定した。結果を、表6に示す。
[比較例2]補給カートリッジ内のトナー残留量の測定
画像形成装置1−2の替わりに、補正を施していない画像形成装置1を使用したことを除いて、あとは実施例4と同様の試験を行なった。すなわち、それぞれ300gのトナー1〜9を入れた補給カートリッジ1〜9を使用し、16,000枚連続して画像形成を行なった。その後、補給カートリッジ内に残留しているトナーの量を測定した。結果を、表7に示す。
表6によれば、どのような平均粒子径や形状係数を有するトナーを使用した場合においても、安定してトナーを消費することが可能であることがわかる。つまり、このような画像形成装置によれば、「Pre Near Empty」サインや印刷回数のカウントなど、従来からある通知・警告手段などと組み合わせることにより、補給カートリッジの適切な交換時期を使用者に通知することができる。
これに対し、表7によれば、使用するトナーによってトナーの消費にばらつきがあることがわかる。このため、使用するトナーによっては画像形成装置が補給カートリッジ交換の時期を感知し使用者に通知する前にトナーが無くなり画像濃度が低下したり、画像形成を継続できなくなったりしてしまう。また、使用するトナーによっては画像形成装置が補給カートリッジ交換の時期を感知し使用者に通知したあとでも過剰に補給カートリッジ内にトナーが残留していることもあり得る。
このように、補給カートリッジ内のトナー残留量を検知・推測し、かつトナーの特性情報を用いて補給カートリッジ内のトナーの残留量を補正することで、補給トナーの特性が変動してもトナーの残留量の正確な把握が可能になるという効果が得られた。特に小粒径トナーや球状・ポテト形状トナーを使用する場合では、二次障害無しに高画質な画像を長期間安定して連続的に得られ、さらにトナー残留量を最適にして資源の効率的な利用が可能になるという効果が確認できた。
このように、本発明による効果の一例としては、補給カートリッジ交換通知時に補給カートリッジ内に残留するトナー量を一定に制御することができるため、使用者は常に新しい補給カートリッジを準備する一定の期間を常に安定して確保することができることが挙げられる。
さらに、新しい補給カートリッジ入手後、補給カートリッジ交換を行い今まで使用していた補給カートリッジを外すが、使用済み補給カートリッジ内に過剰にトナーが残留していることが無いため、補給カートリッジの再利用や廃棄の処理が行いやすくなるという効果も得られる。また、資源の有効利用という観点からも優れている。