JPS62297758A - トナ−粒子の比電荷の測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） 本発明は、トナー粒子の比電荷の測定法及び装置に関す
るもので、より詳細には個々のトナー粒子の帯電量を、
レーザ・ドツプラー速度計の原理を利用して簡便に測定
する方法及び装置に関する。

（従来の技術） 電子写真法においては、感光層表面をコロナ放電等によ
り一様に帯電させた後、光学系を介して画像露光を行い
、画像に対応する電荷像を形成させ、この電荷像と逆極
性の電荷を有するトナーで現像してトナー像を形成させ
る。

この電荷像の現像には、磁性キャリヤと顕電性トナー粒
子との混合物から成る二成分系現像剤が最も普通に使用
されている。現像に際して、キャリヤと顕電性トナーと
は混合され、互いに逆極性の電荷に摩擦帯電されると共
に、磁気ブラシの形で感光層に摺擦され、顕電性トナー
は電荷像にクーロン力で吸引されてトナー像を形成する
。かくして、現像剤の電子写真法への適性を評価する上
で顕電性トナーの帯電特性を評価することが最も重大な
ファクターとなることが理解されよう。

従来、トナーの帯電特性の評価方法及び装置として、二
三のものが提案されており、例えば特開昭５７−７９９
５８号公報記載の方法では、対向平行電極板間に均一な
層流を形成し、この間にキャリヤから分離したトナーの
みを供給し、下部に設置したフィルターでトナーを捕集
する。トナーが付着したフィルターをイメージアナライ
ザーにて解析し、電荷量／粒径の分布を測定する。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、公知の測定法は得られる情報量が比較的
少ない；操作及び装置が複雑である；測定値に多大の誤
差があり、信頼性に欠ける；等の欠点を有している。

例えば、上記公報記載の方Ｖ：は、系中の気流分布を一
様にすると共に、キャリヤから分離後のトナーの流速を
もこれに正確に合せる等の１操作上及び装置上難しい問
題を含んでいる。このため、得られる値は分布の相対的
比較は可能であるとしても、絶対値としての信用性に乏
しいという問題がある。

また、対向電極間にトナー粒子単独或いはトナーとキャ
リヤとの混合物を落下させ、極板に付着したトナー重量
から帯電特性を評価することも従来提案されているが、
この方法では重量計測によるデータのみであるため、得
られる情報量が少ないという問題がある。

このように、従来のトナー電荷量の測定法においては、
個々のトナー粒子が有する比電荷（（１／ｍ。

ｑ：電荷量、ｍ：トナー重量）を直接測定するものはな
く、また測定に際しても気流の影響等を顕著に受け、精
度及び信頼性の点で未だ十分満足し得るものではなかっ
た。

従って、本発明の目的は個々のトナー粒子が有する比電
荷を直接測定し得る方法及び装置を提供するにある。

本発明の他の目的は、個々のトナー粒子の電荷或いは更
に全体としての分布を、良好な精度、信頼性及び再現性
をもって測定し得る方法及び装置を提供するにある。

本発明の更に他の目的は、レーザ・ドツプラー速度計の
原理を応用し、個々のトナー粒子の有する運動速度から
、電荷量をドツプラー周波数として測定し得るようにし
たトナー粒子の比電荷の測定法及びそのための装置を提
供するにある。

本発明の更に他の目的は、電場内での帯電トナー粒子の
単一方向への移動速度をドツプラー周波数として測定す
ることにより、トナー粒子の比電荷の測定が良好な精度
と信頼性とを以って、しかも簡便に行われる方法及び装
置を提供するにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、鉛直方向に電場を形成することが可能
な平行対向電極板を配置すると共に、該電極板を貫通す
るように垂直通路を形成し、この垂直通路内に帯電トナ
ー粒子を落下させ、分割されたレーザビームを電極板間
の測定位置で交差させ、測定位置からの散乱光を光電変
換してトナー粒子の垂直方向移動速度をドツプラー周波
数として測定し、上記測定を電場を変化させた複数の場
合について行ない、これらの測定値からトナー粒子の比
電荷を求める。

本発明によればまた、鉛直方向に電場を形成することが
可能な平行対向電極板；該電極板を貫通するように設け
られた帯電トナーの垂直通路；垂直通路内に帯電トナー
を供給するための供給機構；対向電極間の測定位置に分
割されたレーザビームを導入して交差させるためのレー
ザ光源及び光学系；測定位置からの散乱光を光電変換す
るための光電検出系；平行電極板に電圧を矩形波パルス
状に印加するための電源；及び光電検出系からのビード
信号についてドツプラー周波数を電圧を変化させた場合
の比として算出する計数処理機構と、から成ることを特
徴とするトナー粒子の比電荷測定装置が提供される。

（作　用） 本発明による比電荷の測定原理を説明するための第１図
において、鉛直方向に電場をかけることができるように
した平行平板電極１ａ、ｌｂに対して、該電極を貫通す
るように垂直通路２ａ、２ｂを設け、電極１ａ、ｌｂに
対して電源３がら電圧を印加し、且つ電極内の垂直通路
内に帯電トナー粒子４を位置させた場合、ストークスの
法則が成立つ速度領域では、粒子の質量をｍ、直径をａ
、帯電量なｑ１重力加速度をｇ、空気の粘性係数をη、
電界強度をＥ、及び鉛直下方への粒子の速度成分をＶＺ
　とした場合、連動方程式は次式で与えられる。

自然落下の速度■ｚｏは、時間微分を０として、ＶＺＯ
＝□　　　・・・・・・・・・・１旧・・・・・（２）
６πａη となる。

また、１００の間では自然落下させ、ｔ＝ｏとなったと
き電場Ｅを加えた場合には、速度ＶＩＥは下記式の通り
となる。

十分持回が経てば、下記式が成り立つ。

式（２）及び（４）から粒子の直径ａを消去すると、下
記式 により、比電荷ｑ／ｍを求めることができる。即ち、自
由落下状態での鉛直方向の速度ＶＺＯと電場Ｅ内の鉛直
方向の速度ＶＺＦ　との比から個々の帯電トナー粒子の
比電荷を求めることができる。

レーザドツプラー速度計では、粒子の速度■と、ドツプ
ラービード信号の周波数ｆとの間には下記式 式中、λはレーザ光の波長であり、βは測定方法に対す
るレーザ光の偏角である の関係が成り立つ。かくして前述した速度比Ｖｚ　Ｅ　
／Ｖ７　ｏは、結局ドツプラー周波数比　ｆＺ［／　ｆ
ｚ　。

（ｆｌＥは電場Ｅ内でのドツプラー周波数、　ｒｚｏは
自由落下状態でのドツプラー周波数）と等しく、比電荷
ｑ／ｍは、下記式 ％式％ 従来の比電荷の測定法では、平行電極板に対して、平行
に重力或いは気流等により帯電粒子を移動させながら、
電場の作用により帯電粒子を電極板に対して直角方向に
移動させるものであり、この場合には電極板に対する平
行方向の速度と電極板に対する直角方向の速度とを求め
なければならず、速度の測定が非常に複雑になると共に
、測定精度も低くなるのを免れない。

これに対して１本発明によれば、単一方向、即ち鉛直方
向の速度のみを測定するのみでよく、しかもレーザ・ド
ツプラー速度ル１の原理を用いｎつ電極板に矩形波パル
ス電圧を印加して電場の制御を行うことにより、単一の
粒子について自然落下状態の速度と市場内速度とを求め
ることができるため、簡便な手段でしかも精１バ良く、
個々の帯電トナー粒子の比電荷を求めることができる。

レーザ・ドツプラー速度計の原理に基づく、電界内での
トナー粒子の移動速瓜の測定Ｖ：を説明するための第２
図において、Ｖ打電極板１ａ、ｌｂのほぼ中心部に測定
位置を設定し、電界方向とトす−粒子落下方向とを一致
させる。

レーザ光源５からのレーザビーム６をビーム・スプリッ
ター（ビーム分割器）７により強度のほぼ等しい２本の
ビーム６ａ、６ｂに分割し、これら２本のレーザビーム
を第一のレンズ８を通して測定位置Ｐで交差させる。こ
の測定位置からの散乱光９を、スリット乃至ピンホール
１０及び集光レンズ１１を通して検出器（光電変換器）
１２に導き、電気的信号を得る。

得られる電気的信号の一例を示す第３図において、横軸
は時間、縦軸は電圧または光強度を示す。この第３図か
ら、この電気的信号は成る周期のビード信号となってい
ることがわかる。第３図において、長い周期（低周波数
）のビード信号（図中右側）が自然落下状態での速度に
対応するものであり、短かい周波数（高周波数；図中左
側）のビード信号が電場内での速度に対応するものであ
る。

一群のトナー粒子を、平行電極板１ａ、ｌｂ間に落下さ
せて、上述した測定を行うと１例えば第４図に示す電気
的信号が得られる。この第４図においては、１個の粒子
について電界中の移動と無電界中での移動によって得ら
れる１組のドツプラー周波数を周波数の比としてビード
信号が得られるように処理回路を組込んだ装置を使用し
て得られたビード信号を表わしている。図中の一連のビ
ード信号群が１個の粒子に対応しており、この図では４
個の粒子についてのビード信号が示されている。かくし
て、ドツプラー周波数比（ｆｚ［／ｆｚｏ　）の分布が
得られ、この分布からトナー粒子におけるｑ／ａの分布
が得られることになる。この際、測定位置に多数のトナ
ー粒子が同時に入ってきても、周波数解析により、個々
の粒子のｑ／ａと数との関係がかなり精度良く測定され
ることになる。

尚、上述した説明では、単純化のため、電場ゼロの場合
及び電場Ｅの場合の鉛直方向速度から比電荷を求める例
について説明したが、電場Ｅｌの時の速度ＶＺＩ及び電
場Ｅ２の場合の速度ＶＺ２から、下記式 ％式％）） によって比電荷を求め得ることは当然である。

本測定法の特徴が粒子速度をドツプラー周波数で観測す
るものであるから、Ｖ２１．　　Ｖ１２はそれぞれ電界
Ｅｌ、Ｅ２　に対応してドツプラー周波数ｆｉｌ　、　
ｆｚ２　として測定される。故に、異なる二つの電界中
での粒子速度を用いて比電荷を求める式（８）は、下記
（９）式　即ち、 ｑ／ｍ　＝　　（（ｆｚ２−　　ｆｚ１）　／（ｆｚ＋
Ｅ２−　　ｆｚ２Ｅ＋）　）　ｇ　・・・−（９）とし
て表わすことができる。そしてこの第（９）式が実際に
本発明の測定装置から得られたデータよりｑ／ｍを算出
する式となる。

なお、第１図或いは第２図においては電極板１ａをマイ
ナス電極として使用しているが、測定するトナーの有す
る電荷特性、即ちプラス帯電、マイナス帯電或いは両極
電荷保持という特性に応じて適宜プラス電極として使用
することも勿論できる。

（発明の好適態様の説明） 本発明において、トナー粒子の電荷分布の測定は、前述
した特許請求の範囲に記載され且つ第５図のブロックダ
イヤグラムに示した装置により容易に行われる。

対向平行電極板としては、電極間距離（ｄ）が０．５乃
至１００ｍｍ、特に２０乃至Ｂ　Ｏｓｓで、平均電界強
度がｌＯ乃至１０００ポル）／ｃ＋ｓであるようなもの
が有利に使用される。本発明の装置においては、電界中
におけるトナーの移動速度を、極めて微細な測定位置で
測定し得ることから、トナーの付着を利用する従来の測
定装置に比して微細な平行電極板の使用で十分であるが
、トナー粒子の速度が定常化するような大きさにするこ
とは必要である。

電極板に印加する矩形波パルス電圧のパルス巾及びパル
ス間隔は、電場内及び自然落下状態で粒子の運動が定常
状態となるようなものであればよく、一般に矩形波パル
スは１００Ｈ２乃至１０ＫＯ２のものであればよい。

トナー粒子の供給機構としては、平行電極板間通路への
トナーの供給が連続して一定の割合、例えばｌ乃至１０
，０００個粒子／分の割合いで供給するのが望ましく、
一般にキャリヤーガスにトナーをのせて供給する方法、
振動式フィダーからの供給方法等が採用される。

レーザ光源としては、Ｈｅ　　Ｎｅレーザ、Ａｒレーザ
、ｎｅ−ｃｄ　レーザ等のガスレーザや、　ＡＡ　−ｃ
ａ　−Ａ。

等の半導体レーザ等が使用される。レーザの波長は一般
に４００乃至８５０ｎｍの比較的長波長レーザであるこ
とが望ましい。ビームスプリッタ−としては、オプチカ
ルパラレルや種々のプリズムの組合せが使用される。

２本のビームを交叉させる際の半角βは一般に５乃至４
５度の範囲内にあることが望ましく、その測定位置の寸
法、即ち干渉縞形成領域の形状及び大きさは、一般に最
小寸法が１０ｇｍ以上で最大寸法が５ｍｍ以下の球状あ
るいは回転楕円状であることが好ましい。

光電変換器としては、光電子増倍管や、フォトダイオー
ド、フォトトランジスタ等が使用され、増巾器により光
電流を電圧に変換して出力する。

かくして、光強度に対応する電圧を有する電気的信号が
得られる。この電気的信号は、第４図に示す通り、トナ
ー粒子毎に一定のドツプラー周波数比を有するビード信
号の群から成っている。この信号を、例えばスペクトル
アナライザー等の計数処理機構に入力させ、ドツプラー
周波数比とトナー個数との関係を計数処理する。第６図
は、このようにして得られたｑ／ｍの分布を示す。

本発明において、偏光を利用することによりドツプラー
ビード信号を最適化された状態で取出すことができる。

この好適態様を説明するための第７図において、ビーム
スプリッタ−７からの一方のレーザビーム２ｂを局入板
１３に通した後、第２図と同様に測定位置で交叉させる
。散乱光を第３のレンズｌｌａ、第４のレンズｆｌｂを
ウォラストンプリズム１４を通して、角偏光散乱光に分
離し、必要により第５レンズｌｌｃを経て、夫々光電検
出形１２ａ、１２ｂに導く。この測定法によれば、第８
図に示す通り、ドツプラービード信号のみをとり出すこ
とが可能であり、ビード信号周波数のカウント等の計数
処理が自動的に且つ容易に行われる。

（発明の作用効果） 本発明によれば、以上詳述した原理により、個々のトナ
ー粒子の有する比電荷をドツプラー周波数の比として正
確に測定でき、全体としての比電荷の分布も統計的に求
めることができ、この測定値は、偏りがなく、極めて高
い精度、信頼性及び再現性を有することが顕著な特徴で
ある。

しかも、この測定法では、小さな領域で外的要因による
影響が少なく、非接触状態での測定が可能となるという
利点もある。

実施例 温度２０℃、湿度６０％ＲＨの環境下で、市販の２成分
トナー粒子をトナー供給装置から鉛直通路内に自然落下
させ、外径４０ｍｍの円形電極板の中心にあけた導入口
（内径４　ｍｍ）を通過し、電極板間距離４０ｍ＋ｓの
電極間に連続的に供給した。

レーザー光源には波長７８０ｎｍの半導体レーザーを用
い第８図に示す光学系配置で、ビーム交角（半角）　１
１．３°で交差して、電極間の中央部に干渉縞を形成し
た。電極間には１００Ｖ、Ｉ　ＫＯ２の矩形波パルスを
印加して、電界強度をＯＶ／ｍ　　の場合と２．５　Ｘ
Ｉ　０３Ｖ／ａの場合で周期的に変化させた。

粒子からの散乱光を第８図に示す光学系配置によりフォ
トダイオードで検出した。粒子が測定領域内に入る毎に
連続して得られる信号を第５図に示すブロックダイヤグ
ラムで計数処理した結果、第６図に示すｑ／ｍと粒子数
に関するヒストグラムが得られ、一群の粒子についての
比電荷分布が測定できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による比電荷の測定原理を説明する図、 第２図は電界内でのトナー粒子の移動速度の測定方法を
示す概略図、 第３図及び第４図は第２図に示した測定方法から得られ
た電気的信号（ビード信号）の−例を示す図であり、ゼ
ロキャンセルを行って周波数の基底値を揃えた図である
、 第５図は電荷分布測定のためのブロックダイヤグラム、 第６図は比電荷分布を示す図、 第７図は本発明の好適対応を示す図そして第８図は本発
明の測定方法によるドツプラービード信号を示す図であ
る。 ｌａ、ｌｂ・・・・・・対向電極、４・・・・・・トナ
ー、５・・・・・・レーサー光源、７・・・・・・ビー
ムスプリッタ−１８・・・・・・レンズ、１２・・・・
・・検出器。 特許出願人　　三田工業株式会社 第１図 第２図 第３図 綺藺 哨　間 第６図 ヤｍ 第７図 中□５

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉛直方向に電場を形成することが可能な平行対向
   電極板を配置すると共に、該電極板を貫通するように垂
   直通路を形成し、 この垂直通路内に帯電トナー粒子を落下させ、分割され
   たレーザビームを電極板間の測定位置で交差させ、測定
   位置からの散乱光を光電変換してトナー粒子の垂直方向
   移動速度をドップラー周波数として測定し、 上記測定を電場を変化させた複数の場合について行ない
   、これらの測定値からトナー粒子の比電荷を求めること
   を特徴とするトナー粒子の比電荷の測定方法。
2. （２）鉛直方向に電場を形成することが可能な平行対向
   電極板； 該電極板を貫通するように設けられた帯電トナーの垂直
   通路； 垂直通路内に帯電トナーを供給するための供給機構； 対向電極間の測定位置に分割されたレーザビームを導入
   して交差させるためのレーザ光源及び光学系； 測定位置からの散乱光を光電変換するための光電検出系
   ； 平行電極板に電圧を矩形波パルス状に印加するための電
   源；及び光電検出系からのビード信号についてドップラ
   ー周波数を電圧を変化させた場合の比として算出する計
   数処理機構と から成ることを特徴とするトナー粒子の比電荷測定装置
   。