JP2006047446A - Electrophotographic developer, developing apparatus and image forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等に用いられる現像剤及びこれを用いた現像装置並びに画像形成装置に関する。 The present invention relates to a developer used in an electrophotographic copying machine, a printer, a facsimile, and the like, a developing device using the developer, and an image forming apparatus.
電子写真方式の複写機やプリンタなどの画像形成装置においては、感光体表面を一様に帯電した後、その感光体表面を画像データに応じて、例えばレーザビームで露光を行って、感光体上に画像パタ−ンに対応した電荷分布を形成する。更に、現像装置により電荷分布パターンに応じてトナーを現像することによってトナー像を形成し、その後、そのトナー像を記録紙へ転写し、熱定着によって記録紙に像を固定することにより、画像を形成する。 In an image forming apparatus such as an electrophotographic copying machine or a printer, the surface of the photoconductor is uniformly charged, and then the photoconductor surface is exposed with, for example, a laser beam in accordance with image data. A charge distribution corresponding to the image pattern is formed. Furthermore, a toner image is formed by developing the toner in accordance with the charge distribution pattern by a developing device, and then the toner image is transferred to a recording paper and fixed on the recording paper by thermal fixing, thereby Form.
上記現像装置における現像方式としては、粒径が5〜10マイクロメートル前後の樹脂の粉体の着色粒子であるトナーと、フェライトやマグネタイト、鉄粉などの平均粒径が30〜100マイクロメートルの磁性粒子であるキャリアを混合した2成分現像剤を用いる2成分現像方式や、トナーのみでキャリアを用いない1成分現像方式がある。 As the developing method in the above developing device, toner which is colored particles of resin powder having a particle size of about 5 to 10 micrometers, and magnetism having an average particle diameter of 30 to 100 micrometers such as ferrite, magnetite and iron powder. There are a two-component development method using a two-component developer mixed with a carrier which is particles, and a one-component development method using only a toner and no carrier.
2成分現像剤を用いる電子写真装置は、一般に、円筒状のスリーブロールの内側に磁石ロールを備えた構造の現像ロールを1個又は複数個備え、この現像ロールによって感光体と現像ロールとの対向する空間にトナーとキャリアが混合して供給され、感光体上にトナーが現像される。 In general, an electrophotographic apparatus using a two-component developer includes one or a plurality of developing rolls having a magnet roll inside a cylindrical sleeve roll, and the photosensitive roll and the developing roll are opposed to each other by the developing roll. The toner and the carrier are mixed and supplied to the space to be developed, and the toner is developed on the photoreceptor.
感光体表面に形成された電荷分布に応じてトナーを付着するためにはトナーを帯電させる必要があるが、2成分現像剤では、トナーとキャリアを混合したときに両者間に生じる摩擦によってトナーを帯電させている。この場合、適正な濃度の画像を形成するためには、トナーに適正な帯電量を付与すること及び安定した帯電量を付与することが重要である。 In order to attach the toner according to the charge distribution formed on the surface of the photoreceptor, it is necessary to charge the toner. However, in the case of a two-component developer, the toner is removed by friction generated between the toner and the carrier when they are mixed. It is charged. In this case, in order to form an image with an appropriate density, it is important to give the toner an appropriate charge amount and a stable charge amount.
しかしながら、トナーの帯電量は環境条件、特に湿度によって大きな影響を受けるという問題がある。即ち、低湿度ではトナーはよく帯電し、トナー帯電量が大きくなり、高湿度ではトナーは帯電しにくくなり、トナー帯電量は小さくなる。感光体表面に付着するトナーの量は、トナー帯電量に反比例する特性があるから、湿度の変動によってトナー帯電量が不安定になるとトナー付着量も変動し、画像濃度が安定しないという問題を生じる。 However, there is a problem that the charge amount of toner is greatly affected by environmental conditions, particularly humidity. That is, at low humidity, the toner is well charged and the toner charge amount is large. At high humidity, the toner is difficult to be charged and the toner charge amount is small. Since the amount of toner adhering to the surface of the photoreceptor has a characteristic inversely proportional to the toner charge amount, if the toner charge amount becomes unstable due to fluctuations in humidity, the toner adhesion amount also fluctuates, causing a problem that the image density is not stable. .
本発明者はこのような問題を解決するために、特許文献1に開示された新たな画像形成方法を提案した。この方法は、トナーの単位重量当りの帯電量Q/Mと、トナーとキャリアの重量混合比T/Cの関係が所定の数式を満たすような条件を求め、その条件を満たす混合比T/Cで現像剤を使用するもので、安定且つ高精細の画像を形成し得るという優れた効果がある。 In order to solve such problems, the present inventor has proposed a new image forming method disclosed in Patent Document 1. This method obtains a condition such that the relationship between the charge amount Q / M per unit weight of toner and the toner / carrier weight mixing ratio T / C satisfies a predetermined formula, and the mixing ratio T / C satisfying the condition is obtained. In this case, a developer is used, and there is an excellent effect that a stable and high-definition image can be formed.
しかしながら、特許文献1に提案した画像形成方法に使用する現像剤は、所定の条件式を満足するものであることが必要であり、このためには数100種類のトナーとキャリアの組み合わせについて繰り返し評価を行う必要があり、多大な労力を要するという問題があった。 However, the developer used in the image forming method proposed in Patent Document 1 must satisfy a predetermined conditional expression. For this purpose, several hundreds of combinations of toner and carrier are repeatedly evaluated. There is a problem that it requires a lot of labor.
本発明はこのような労力を軽減するためにトナー帯電のメカニズムを理論的に究明し、もってトナーの帯電量の安定性に優れた現像剤、現像装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to theoretically investigate the mechanism of toner charging in order to reduce such labor, and to provide a developer, a developing device, and an image forming apparatus having excellent toner charge amount stability. To do.
本発明は、トナーとキャリアの混合物よりなる2成分現像剤であって、キャリアの表面の誘電率をトナーの誘電率より大きくした2成分現像剤に一つの特徴がある。 One feature of the present invention is a two-component developer comprising a mixture of a toner and a carrier, wherein the dielectric constant of the surface of the carrier is larger than the dielectric constant of the toner.
本発明の他の特徴は、キャリアの表面をトナーの誘電率より大きな誘電率の樹脂でコーティングしてなる2成分現像剤にあり、更にはシリコーン樹脂にカーボンブラックを混合したコート材によりコーティングした2成分現像剤にある。 Another feature of the present invention resides in a two-component developer obtained by coating the surface of a carrier with a resin having a dielectric constant larger than that of the toner, and further coated with a coating material in which carbon black is mixed with a silicone resin. In component developer.
本発明の他の特徴は、比誘電率が2乃至3のシリコーン樹脂又はフッ素樹脂に、導電性微粉末である平均粒径0.001μmから0.05μmのカーボンブラックを、シリコーン樹脂又はフッ素樹脂の重量に対して5乃至15%添加し混合したコート材によりキャリアをコーティングした2成分現像剤にある。また、キャリアのコア材が、酸化鉄に副成分として酸化マグネシウムを添加してなるフェライトであることに他の特徴がある。 Another feature of the present invention is that carbon black having an average particle size of 0.001 μm to 0.05 μm, which is a conductive fine powder, is added to a silicone resin or fluororesin having a relative dielectric constant of 2 to 3, and It is a two-component developer in which a carrier is coated with a coating material added and mixed by 5 to 15% by weight. Another feature is that the core material of the carrier is ferrite formed by adding magnesium oxide as an accessory component to iron oxide.
本発明の他の特徴は、前記感光体表面に照射し、画像パターンに応じた電荷パターンを形成する光学装置と、該電荷パターンに応じてトナーを現像してトナー像を形成する現像装置と、該トナー像を記録媒体に転写する転写器を備えた画像形成装置において、前記現像装置は現像剤としてトナーとキャリアの混合物よりなる2成分現像剤を用い、該現像剤のキャリアの表面の誘電率をトナーの誘電率より大きくしたことにある。 Another feature of the present invention is that an optical device that irradiates the surface of the photoconductor to form a charge pattern according to an image pattern, a developing device that develops toner according to the charge pattern and forms a toner image, In the image forming apparatus provided with a transfer device for transferring the toner image to a recording medium, the developing device uses a two-component developer made of a mixture of toner and carrier as a developer, and the dielectric constant of the surface of the carrier of the developer Is made larger than the dielectric constant of the toner.
本発明の他の特徴は、感光体と、該感光体表面を一様に帯電する帯電器と、画像データに応じた光ビームを前記感光体表面に照射し、画像パターンに応じた電荷パターンを形成する光学装置と、該電荷パターンに応じてトナーを現像してトナー像を形成する現像装置と、該トナー像を記録媒体に転写する転写器を備えた画像形成装置において、前記現像装置は現像剤としてトナーとキャリアの混合物よりなる2成分現像剤を用い、該現像剤は、キャリアの表面をトナーの誘電率より大きい誘電体の樹脂でコーティングしてなることにある。 Another feature of the present invention is that a photoconductor, a charger for uniformly charging the surface of the photoconductor, and a light beam corresponding to image data are irradiated on the surface of the photoconductor to form a charge pattern corresponding to the image pattern. An image forming apparatus comprising: an optical device for forming; a developing device for developing toner according to the charge pattern to form a toner image; and a transfer device for transferring the toner image to a recording medium. A two-component developer composed of a mixture of toner and carrier is used as an agent, and the developer is obtained by coating the surface of the carrier with a dielectric resin having a dielectric constant larger than that of the toner.
本発明によれば、湿度などの環境変動にかかわらずトナーの帯電量を安定化することができるので、安定した印刷濃度を有する高品質の画像を形成できる画像形成装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, the charge amount of toner can be stabilized regardless of environmental fluctuations such as humidity, so that it is possible to provide an image forming apparatus capable of forming a high-quality image having a stable printing density. Become.
本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本発明者が究明したトナー帯電機構について説明する。 Before describing a specific embodiment of the present invention, a toner charging mechanism investigated by the present inventor will be described.
本発明者が着目したトナー帯電機構に関するモデルは、平衡接触電場モデルと表面状態モデルである。本来同一の帯電現象について、この両者の比較結果に物理的解釈上の不都合が生じることを見出し、この不都合を解決した新たなモデルを提案したものである。 The models relating to the toner charging mechanism that the inventors have paid attention to are the equilibrium contact electric field model and the surface state model. For the same charging phenomenon, we found that there was an inconvenience in physical interpretation in the comparison result between the two, and proposed a new model that solved this inconvenience.
トナーとキャリアの接触電界が一定になるように飽和電荷量が決まるとする平衡接触電場モデルが非特許文献1、2、3に開示されている。このモデルの帯電量−トナー濃度特性式を非特許文献4の表面状態モデルの特性式に変換すると、表面状態モデルでトナーとキャリアの有効表面状態密度が等しいことが要求され、物理的解釈に不都合が生じることが非特許文献1、3で指摘されている。
この平衡接触電場モデルを良く分析した結果、接触部のモデル化の不備を見出した。それは、誘電体の接触では、その接触電界には双方の誘電率が影響するはずであるが、平衡接触電場モデルでは真空の誘電率しか考慮していないことである。また、この平衡接触電場モデルでは、電荷が表面に分布していると仮定している。しかし、表面に分布しているとすると、トナーとキャリアが接触すれば、正負の電荷が中和してしまい、接触部には静電容量は形成されないはずである。接触部の周辺空隙に静電容量が形成されるという考えもあるが、その空隙の間隔は一意に決まらないし、接触部での電荷の中和で接触電界が0になってしまうという矛盾が残る。従って、微視的尺度で見ると、トナーとキャリアの接触部は、空隙を介さずに接触しており、電荷分布の中心は接触面から微小な距離を隔てたところに存在すると考えるのが妥当である。 As a result of well analyzing this equilibrium contact electric field model, it was found that the contact part was not well modeled. In dielectric contact, both dielectric constants should affect the contact electric field, but the balanced contact field model only considers the dielectric constant of the vacuum. In this balanced contact electric field model, it is assumed that charges are distributed on the surface. However, if it is distributed on the surface, if the toner and the carrier come into contact with each other, the positive and negative charges are neutralized, and no electrostatic capacity should be formed at the contact portion. There is also the idea that capacitance is formed in the gap around the contact part, but the gap spacing is not uniquely determined, and there remains a contradiction that the contact electric field becomes zero due to charge neutralization at the contact part. . Therefore, when viewed on a microscopic scale, it is appropriate to consider that the contact portion between the toner and the carrier is in contact with no gap, and the center of the charge distribution exists at a small distance from the contact surface. It is.
ところで、トナーやキャリアの電荷の源を考えると、それは電子の負電荷と原子核の正電荷の釣合いが崩れたことであり、原子や分子の電子軌道上の電子が過剰か不足かという状態に帰結できる。その軌道は、即ち準位である。従って、この準位に存在する電子や電子が不足した原子や分子による電荷が形成する電界は、その分子や原子、即ちトナーやキャリアの誘電的性質を反映するはずである。また、電子と原子核の電荷がトナーとキャリアの電荷であれば、それは微小距離を隔てて存在しているとすべきである。 By the way, considering the source of charge of toner and carrier, it means that the balance between the negative charge of the electrons and the positive charge of the nuclei has collapsed, resulting in a state where the electrons in the electron orbit of atoms and molecules are excessive or insufficient. it can. That orbit is a level. Therefore, the electric field formed by the electrons existing at this level and the atoms or molecules lacking the electrons should reflect the dielectric properties of the molecules or atoms, that is, the toner or carrier. Also, if the charge of electrons and nuclei is the charge of toner and carrier, it should be present at a small distance.
本発明者は、トナー帯電量を決定する材料の物理量が何であるかを明確に示せないことが、帯電量の安定性に優れた2成分現像剤を短期間で開発できない最大の原因と考え、そのため、上記非特許文献で指摘されている物理的解釈の不都合の問題解決に取り組んだのである。 The present inventor believes that the fact that the physical quantity of the material that determines the toner charge amount cannot be clearly indicated is the biggest cause that the two-component developer excellent in charge amount stability cannot be developed in a short period of time. For this reason, the inventor tried to solve the problem of inconvenience of physical interpretation pointed out in the above non-patent literature.
次に、従来の理論的不備を解消した本発明による新たな平衡接触電場モデルについて説明する。 Next, a new balanced contact electric field model according to the present invention that eliminates the conventional theoretical deficiencies will be described.
図1はトナーとキャリアの接触部のモデルを示す。同図において、トナーとキャリアの接触面から、やや深いところ(これを本発明では、実質的に表面と呼ぶことにする)に電荷が一様に分布しているとする。トナーとキャリアが接触している微小部分についてガウスの法則を適用して接触電界を計算する。トナーの誘電率をεt、キャリアの誘電率をεcとする。トナーは密度ρt、半径rの球、キャリアは密度ρc、半径Rの球とする。また、キャリア単位表面積あたりのトナー付着数をnとする。これらの表記は、非特許文献2と同じである。
FIG. 1 shows a model of a contact portion between a toner and a carrier. In the figure, it is assumed that electric charges are uniformly distributed at a slightly deeper position from the contact surface between the toner and the carrier (this is substantially referred to as a surface in the present invention). The contact electric field is calculated by applying Gauss's law to the minute part where the toner and the carrier are in contact. The dielectric constant of the toner is ε t and the dielectric constant of the carrier is ε c . The toner is a sphere having a density ρ t and a radius r, and the carrier is a sphere having a density ρ c and a radius R. Further, the number of adhered toner per unit surface area of the carrier is n. These notations are the same as in
まず、トナー内部の電界をガウスの法則から導く。 First, the electric field inside the toner is derived from Gauss's law.
トナー内部の平均電界をEt'とすると、上式は積分を積で置き換えることができて、 If the average electric field inside the toner is E t ′, the above equation can replace the integral with the product,
となる。キャリアについても同様に、 It becomes. Similarly for carriers,
となる。従って、接触部の電界Ekは、電界の向きに注意して、 It becomes. Therefore, the electric field E k of the contact portion is careful of the direction of the electric field,
となる。 It becomes.
次に、電束密度の連続性からqtとqcの関係を導く。接触面でのトナー側の電界をEt"、キャリア側の電界をEc"とすると、接触面での電束密度が連続であるから、次式が成り立つ。 Next, the relationship between q t and q c is derived from the continuity of the electric flux density. Assuming that the electric field on the toner side at the contact surface is E t ″ and the electric field on the carrier side is E c ″, since the electric flux density at the contact surface is continuous, the following equation is established.
トナーとキャリアそれぞれの内部の電束の連続性を考慮する。接触面での電束の通過面積をSiとし、キャリアの電荷から流れ出た電束がそこを通過して、トナーの電荷に流れ込むとすると、次式が成り立つ。 Consider the continuity of the electric flux inside each toner and carrier. The passage area of the electric flux at the interface and S i, and passes therethrough the electric flux flowing out of the carrier charge, when the flow into the toner charge, the following equation holds.
数2、数3、数5、数6、数7式から、
From
が得られる。また、電荷は表面に一様に分布しているので、qtとqcの絶対値は総表面積比に反比例することから、 Is obtained. In addition, since charges are uniformly distributed on the surface, the absolute values of q t and q c are inversely proportional to the total surface area ratio.
となる。従って、 It becomes. Therefore,
となる。これをqtについて解くと、次式を得る。 It becomes. Solving this for qt, we get
更に、nとトナーとキャリアの重量混合比T/Cの関係式、 Further, a relational expression of the weight mixing ratio T / C of n, toner and carrier,
を用いると、トナーの電荷質量比Q/Mは、 Is used, the charge mass ratio Q / M of the toner is
となる。この式は、トナーとキャリアの誘電率を含んでいること以外は、非特許文献1や非特許文献2の式と等価である。
It becomes. This formula is equivalent to the formulas of Non-Patent Document 1 and
次に、誘電率と表面状態モデルの表面状態密度の関係について考察する。 Next, the relationship between the dielectric constant and the surface state density of the surface state model will be considered.
接触部が静電容量とすると、蓄積できる電荷量は誘電率に比例する。誘電体で電荷を蓄積する場所は、トナーやキャリアの電子の捕獲準位や放出準位等であるから、蓄積できる電荷量はその準位の数に比例すると考えられる。また、それらの準位は表面状態モデルでいう表面準位である。従って、誘電率εと表面状態密度Nの間には比例関係があると考えられる。 If the contact portion has a capacitance, the amount of charge that can be accumulated is proportional to the dielectric constant. The place where charges are accumulated in the dielectric is the electron capture level or emission level of toner or carrier, and therefore the amount of charge that can be accumulated is considered to be proportional to the number of levels. These levels are surface levels in the surface state model. Therefore, it is considered that there is a proportional relationship between the dielectric constant ε and the surface state density N.
この関係を用いて、数13の誘電率を表面状態密度に置き換えることができる。本発明者が非特許文献4の理論と同様にして解析した非特許文献5の記述に合わせて、単位重量当りの表面状態密度bt、bcを用いると、
Using this relationship, the dielectric constant of Equation 13 can be replaced with the surface state density. In accordance with the description of
の関係式を得る。従って、数13式は、 Is obtained. Therefore, Equation 13 is
となる。このQ/M−T/C特性式は、表面状態モデルから導いた非特許文献5に開示されている次の特性式、
It becomes. This Q / M-T / C characteristic equation is the following characteristic equation disclosed in
と形式が全く同じである。kEk=e(Wc−Wt)が2つの特性式の関係であり、接触電界Ekは仕事関数の差に比例することが分かる。 And the format is exactly the same. It can be seen that kE k = e (W c −W t ) is the relationship between the two characteristic formulas, and the contact electric field E k is proportional to the work function difference.
以上に説明したように、トナーとキャリア双方の誘電率を考慮すれば、平衡接触電場モデルから導いた飽和帯電量の式は、表面状態モデルから導いた式と一致することが分かった。 As described above, when the dielectric constants of both the toner and the carrier are taken into consideration, it has been found that the equation of the saturation charge amount derived from the equilibrium contact electric field model coincides with the equation derived from the surface state model.
ここで、誘電率と表面状態密度の関係について説明する。 Here, the relationship between the dielectric constant and the surface state density will be described.
非特許文献6より、誘電体の静的(直流)誘電率εは、 From Non-Patent Document 6, the static (DC) dielectric constant ε of the dielectric is
で表される。ωpはプラズマ振動数、ω0は電荷移動を有限に抑える復元力係数である。更に、ωpは、電子密度n、電子電荷の絶対値e、電子質量mを用いて、 It is represented by ω p is the plasma frequency, and ω 0 is a restoring force coefficient that suppresses charge transfer in a finite manner. Further, ω p is obtained by using the electron density n, the absolute value e of the electron charge, and the electron mass m.
と表される。従って、 It is expressed. Therefore,
となる。電子密度nは、表面付近について考えれば表面状態密度Nに比例する(比例係数はs)と考えられる。また、上式でε0の項は電子の有無には無関係であることから省略して、 It becomes. The electron density n is considered to be proportional to the surface state density N (proportional coefficient is s) when considering the vicinity of the surface. Also, since the term of ε 0 in the above equation is irrelevant to the presence or absence of electrons,
を得る。 Get.
即ち、本発明で示した新たな平衡接触電場モデルの数式に現れている材料の誘電率という物理量が、表面状態モデルにおける表面状態密度と関係があることが判った。本発明者の先に提案した特許文献1では、トナーとキャリアの表面状態数の大小関係が、トナー帯電量とトナーとキャリアの重量混合比との関係を決定し、トナー帯電量が環境に対して安定な望ましい現像剤は、トナー帯電量がトナーとキャリアの重量混合比に対して変化が少ない特性があることを解明している。このような現像剤は、トナーの表面状態数に比べて、キャリアの表面状態数が多い場合であり、その表面状態数が、上記に述べたように、誘電率に対応することがわかったので、トナーとキャリアを設計する場合、トナーの誘電率に対して、キャリアの誘電率を大きく設計すればよいことが導かれる。そして、このキャリアの誘電率は、帯電に寄与するキャリア表面付近の誘電率であることから、キャリアの表面を覆っている樹脂コーティング層、即ち樹脂コート材の誘電率であると考え、樹脂コート材として、その誘電率がトナーの誘電率より大きいものを選べばよいという結論に達したのである。 That is, it has been found that the physical quantity called the dielectric constant of the material appearing in the formula of the new equilibrium contact electric field model shown in the present invention is related to the surface state density in the surface state model. In Patent Document 1 previously proposed by the present inventor, the relationship between the number of surface states of the toner and the carrier determines the relationship between the toner charge amount and the weight mixing ratio of the toner and carrier, and the toner charge amount is less than the environment. It has been elucidated that a desirable and stable developer has a characteristic that the toner charge amount is little changed with respect to the weight mixing ratio of the toner and the carrier. Such a developer is a case where the number of surface states of the carrier is larger than the number of surface states of the toner, and it has been found that the number of surface states corresponds to the dielectric constant as described above. In designing the toner and the carrier, it can be derived that the dielectric constant of the carrier should be designed larger than the dielectric constant of the toner. And since the dielectric constant of this carrier is a dielectric constant in the vicinity of the carrier surface that contributes to charging, it is considered that it is the dielectric constant of the resin coating layer covering the carrier surface, that is, the resin coating material. As a result, it was concluded that the dielectric constant should be selected to be larger than that of the toner.
次に、本発明に係る画像形成装置の一実施例について図2を用いて説明する。 Next, an embodiment of the image forming apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
図2において、1は感光体で、その周囲に帯電器2、露光器3、現像機4が配置されている。時計方向に回転する感光体1は帯電器2によってその表面が一様に帯電される。露光器3では画像デ−タに応じた光ビームが生成され、この光が感光体1表面に照射される。感光体1上では光が照射された部分が導電化して表面の電荷が消失する。
In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a photosensitive member, around which a
現像機4には、本実施例ではトナーとキャリアからなる2成分現像剤が用いられている。この現像剤は、内部に磁石を備えた現像ロ−ル41の回転にともなって、感光体1と現像ロール41との対向する空間領域に搬送される。現像ロ−ル41は現像バイアス電源48が接続されており、この電源48から直流に交流を重畳した現像バイアス電圧が印加されている。上記の構造により、感光体1と同じ帯電極性のトナーは感光体1と現像ロール41間の電界の作用で、感光体1表面の電荷が消失した場所に付着する。現像によって感光体1上に形成されたトナー像は、転写器5によって用紙7に転写される。用紙7に転写されたトナー像は、定着機(図示せず)での加熱によって融解されて、用紙7上に固定され、画像が形成される。なお、感光体1上に残留したトナーは清掃機6で除去される。清掃機6で除去されたトナーは、トナーホッパ42に回収されて再び現像に使用される。
In the present embodiment, a two-component developer composed of toner and carrier is used for the developing device 4. The developer is transported to a space area where the photosensitive member 1 and the developing
現像によってトナーが消費されると、現像機4の現像剤中のトナー濃度が低下し、トナー濃度センサ44の出力値が変化する。トナー濃度センサ44の検出信号は制御部46で基準値と比較され、トナー濃度が所定値より低下したことを検出すると、トナー補給ローラ43を駆動して、トナーホッパ42から現像機4内にトナーを補給する。トナー濃度センサ44の出力が所定のトナー濃度に対応した値になると、現像機4内のトナー濃度が過剰にならないように制御部46は補給ローラ43を停止させる。
When the toner is consumed by the development, the toner concentration in the developer of the developing machine 4 is lowered and the output value of the
感光体1と現像ロール41との対向する空間領域が、現像が行われる部分であり、感光体1と現像ロール41の間隔を現像ギャップと呼ぶ。また、感光体1の周表面の移動速度と、現像ロール41の周表面の移動速度の比を周速比と呼ぶ。
A space area where the photoconductor 1 and the developing
本発明の実施例では、上記現像ギャップに供給される2成分現像剤として、トナーの誘電率よりキャリアの表面の誘電率の方が大きい現像剤を用いている。以下キャリア表面の誘電率を大きくするための具体例について説明する。 In the embodiment of the present invention, as the two-component developer supplied to the development gap, a developer having a larger dielectric constant on the surface of the carrier than that of the toner is used. A specific example for increasing the dielectric constant of the carrier surface will be described below.
先ず、キャリア表面のコーティングによって上記の誘電率の関係を実現した例について説明する。体積平均粒径55μmのマグネシウムフェライトをコア材として、シリコーン樹脂、アクリル樹脂をコーティングした。キャリア表面のコート膜の誘電率を高くする方法として、導電性材料であるカーボンブラックをコート樹脂に添加した。導電性材料は誘電率が高いので、それをコート膜に添加することで、比誘電率が2〜2.9程度の樹脂の誘電率を高くすることができると考えられる。使用したカーボンブラックは平均粒径が0.03μm程度の非凝集性のカーボンブラックである。
試作したキャリア(1)、(2)、(3)を以下に示す。
(キャリア1)
記号名 :D−1
コート樹脂:シリコーン
コート膜厚:0.9μm
導電剤 :平均粒径0.03μmのカーボンブラックをコート樹脂重量の10%添加
(キャリア2)
記号名 :D−2
コート樹脂:シリコーン
コート膜厚:0.6μm
導電剤 :平均粒径0.03μmのカーボンブラックをコート樹脂重量の10%添加
(キャリア3)
記号名 :D−3
コート樹脂:アクリル
コート膜厚:0.9μm
導電剤 :平均粒径0.03μmのカーボンブラックをコート樹脂重量の3%添加
これらのキャリアをシアン色のポリエステルトナーと、トナー/キャリア重量比T/Cが、0.053、0.075、0.111となるように各10gを10ccのポリエチレン容器に混合したのち、ターブラミキサT2C型(Willy Bachofen Manufacturing Engineers社製)という攪拌混合装置によって回転数42rpmで10分間混合した。その後、210HS型帯電量測定装置(トレックジャパン社製)によってトナー帯電量Q/Mを測定した。図3にトナー帯電量Q/Mと混合比T/Cとの関係を示す。この測定結果を、特許文献1に記載されている下記の数式23に当てはめて、パラメータLchの値を求めた結果は以下の通りであった。
First, an example in which the above dielectric constant relationship is realized by coating the carrier surface will be described. Silicone resin and acrylic resin were coated with magnesium ferrite having a volume average particle size of 55 μm as a core material. As a method for increasing the dielectric constant of the coating film on the carrier surface, carbon black, which is a conductive material, was added to the coating resin. Since the conductive material has a high dielectric constant, it is considered that the dielectric constant of a resin having a relative dielectric constant of about 2 to 2.9 can be increased by adding it to the coating film. The carbon black used is non-aggregating carbon black having an average particle size of about 0.03 μm.
The prototype carriers (1), (2), and (3) are shown below.
(Carrier 1)
Symbol name: D-1
Coat resin: Silicone Coat film thickness: 0.9 μm
Conductive agent: Carbon black having an average particle size of 0.03 μm is added at 10% of the coating resin weight (carrier 2)
Symbol name: D-2
Coat resin: Silicone Coat film thickness: 0.6 μm
Conductive agent: Carbon black having an average particle size of 0.03 μm is added at 10% of the coating resin weight (carrier 3).
Symbol name: D-3
Coat resin: Acrylic Coat film thickness: 0.9 μm
Conductive agent: Carbon black having an average particle size of 0.03 μm is added at 3% of the weight of the coating resin. These carriers are cyan polyester toner, and the toner / carrier weight ratio T / C is 0.053, 0.075, 0 Each 10 g was mixed in a 10 cc polyethylene container so as to be .111, and then mixed for 10 minutes at a rotational speed of 42 rpm by a stirring mixer called Turbula mixer T2C type (manufactured by Willy Bachofen Manufacturing Engineers). Thereafter, the toner charge amount Q / M was measured with a 210HS type charge amount measuring device (manufactured by Trek Japan). FIG. 3 shows the relationship between the toner charge amount Q / M and the mixing ratio T / C. The measurement result was applied to the following Equation 23 described in Patent Document 1, and the value of the parameter Lch was obtained as follows.
(キャリア1)
Lch=35
(キャリア2)
Lch=23
(キャリア3)
Lch=69
これらのキャリアとシアン色ポリエステルトナーを混合比0.05で調合した現像剤を、プリンタDDP92(日立プリンティングソリューションズ社製)によって印刷評価した。その結果、キャリアD−1、D−2を用いた現像剤は、連続印刷を行った場合において、混合比、トナー帯電量共に比較的安定であった。しかし、キャリアD−3を用いた現像剤では、トナー補給後に白地部に若干のカブリが発生してしまうことが判明した。キャリアD−1、D−2は、数23のパラメーラLchの値が50以下を満足しており、特許文献1に記載の通りの理由で安定性に優れていたものと考える。なお、キャリアD−1とD−2では、Lchの値はD−2の方が小さくなっており、僅かではあるが、帯電量の変動もキャリアD−2を用いた場合の方が少なかった。現在の印刷品質基準は特許文献1が出願された頃に比べて高くなっており、本実験結果からは、キャリアD−1を用いた現像剤では十分ではなく、キャリアD−2を用いた現像剤が合格レベルと判断された。
(Carrier 1)
Lch = 35
(Carrier 2)
Lch = 23
(Carrier 3)
Lch = 69
A developer prepared by mixing these carriers and cyan polyester toner at a mixing ratio of 0.05 was subjected to printing evaluation by a printer DDP92 (manufactured by Hitachi Printing Solutions). As a result, the developers using the carriers D-1 and D-2 were relatively stable in both the mixing ratio and the toner charge amount when continuous printing was performed. However, it has been found that with the developer using the carrier D-3, a slight fog is generated on the white background portion after the toner is replenished. Carriers D-1 and D-2 satisfy the parameter Lch value of Equation 23 of 50 or less, and are considered to have excellent stability for the reason described in Patent Document 1. In addition, in the carriers D-1 and D-2, the value of the Lch is smaller in the D-2, and although it is slight, the variation in the charge amount is also less when the carrier D-2 is used. . The current print quality standard is higher than when the patent document 1 was filed. From the results of this experiment, the developer using the carrier D-1 is not sufficient, and the development using the carrier D-2 is not sufficient. The agent was judged to be at an acceptable level.
次にこれらのキャリアにコーティングした膜の誘電率について確認した。キャリアは55μmと小さく、その表面のコート膜の誘電率は測定できない。従って、数15、16、17及び特許文献1に記載された数式23を比較し、次の数式24
Next, the dielectric constants of the films coated on these carriers were confirmed. The carrier is as small as 55 μm, and the dielectric constant of the coating film on the surface cannot be measured. Accordingly,
の関係が得られるので、この式からキャリアの誘電率を導いた。なお、トナーの誘電率はトナーをペレット状に成形し、誘電体損測定装置TRS−10T(安藤電気社製)で測定した。ポリエステルトナーの比誘電率εt/ε0(但しε0は真空の誘電率)は、3.0であった。 Therefore, the dielectric constant of the carrier was derived from this equation. The dielectric constant of the toner was measured by using a dielectric loss measuring device TRS-10T (manufactured by Ando Electric Co., Ltd.) after molding the toner into a pellet. The relative dielectric constant ε t / ε 0 (where ε 0 is the dielectric constant of vacuum) of the polyester toner was 3.0.
数式24で、R=55μm、r=8.5μm、εt=3ε0(ε0は真空の誘電率)ρc=5g/立方cm、ρt=1.1g/立方cmを代入して以下の結果を得た。
(キャリア1)
εc=2.5ε0
(キャリア2)
εc=3.8ε0
(キャリア3)
εc=1.3ε0
以上の解析より、現在の印刷品質基準に合格しているキャリアD−2の表面コート膜の誘電率(=3.8)は、トナーの誘電率(=3.0)より大きく、前述の理論的解明とよく一致していることが判明した。なお、キャリアD−1とD−2はコート樹脂中に添加する導電剤の重量割合は同じであるが、キャリアD−2の方が誘電率が大きくなっている。これは、キャリア表面への樹脂コーティングは、樹脂を溶剤に溶かしてキャリアと混合した後、焼付によって樹脂の溶剤分を揮発させて行うのであるが、キャリアD−2のようにコート膜が薄い場合には、焼付時のコート膜の収縮が大きくなり、焼付後のコート膜中での導電剤の密度が高くなったためと推定している。
In Equation 24, R = 55 μm, r = 8.5 μm, ε t = 3ε 0 (ε 0 is the dielectric constant of vacuum) ρ c = 5 g / cubic cm, ρ t = 1.1 g / cubic cm The result was obtained.
(Carrier 1)
ε c = 2.5ε 0
(Carrier 2)
ε c = 3.8ε 0
(Carrier 3)
ε c = 1.3ε 0
From the above analysis, the dielectric constant (= 3.8) of the surface coat film of the carrier D-2 that has passed the current print quality standard is larger than the dielectric constant (= 3.0) of the toner. It was found to be in good agreement with the elucidation. Carriers D-1 and D-2 have the same weight ratio of the conductive agent added to the coating resin, but carrier D-2 has a higher dielectric constant. This is because the resin coating on the carrier surface is carried out by dissolving the resin in a solvent and mixing it with the carrier, and then volatilizing the solvent of the resin by baking, but when the coating film is thin like carrier D-2 It is presumed that the shrinkage of the coating film at the time of baking increased and the density of the conductive agent in the coated film after baking increased.
上述の実験は平均粒径が0.03μmのカーボンブラックを添加した場合であるが、コート膜に添加する導電剤のカーボンブラックの粒径を変えた場合についても実験を行った。実施例1と同様に、フェライトキャリア表面を、平均粒径が0.06μmの凝集性のカーボンブラックを添加したシリコーン樹脂でコーティングした。これを赤色のポリエステルトナーと混合して、連続紙プリンタL160型(日立プリンティングソリューションズ社製)で印刷評価を行った。その結果、印刷するに従い、赤色がやや黒味を帯びてくるようになった。更に、印刷を継続すると、再び黒味が減少し、鮮明な赤色に戻っていった。しかし、帯電量が上昇してしまった。このキャリアを走査型電子顕微鏡(SEM)で観察すると、コート膜中にカーボンブラックの凝集物と思われる黒く映った微小部分が観察され、またコート膜も不均一に見えた。凝集性の比較的大粒径のカーボンブラックでは、コート膜中でのカーボンブラックの分散が不均一になり、カーボンブラックがコート膜と共にキャリア表面から脱落し、赤色トナーを汚染して黒味を帯びてしまったものと考えられる。また、カーボンブラックと樹脂との親和性が悪いためにカーボンブラックが脱落してしまうため、印刷を持続していくと帯電量が上昇すると共に、脱落するカーボンが無くなってくるため再び印刷色が鮮明になっていったものと考えられる。 The experiment described above is performed when carbon black having an average particle size of 0.03 μm is added. However, the experiment was also performed when the particle size of carbon black as a conductive agent added to the coating film was changed. In the same manner as in Example 1, the ferrite carrier surface was coated with a silicone resin added with cohesive carbon black having an average particle size of 0.06 μm. This was mixed with a red polyester toner, and printing evaluation was performed with a continuous paper printer L160 (manufactured by Hitachi Printing Solutions). As a result, the red color became slightly darker as it was printed. Furthermore, when printing was continued, the blackness decreased again and returned to a bright red color. However, the charge amount has increased. When this carrier was observed with a scanning electron microscope (SEM), a minute portion that appeared black in the coating film, which was considered to be an aggregate of carbon black, was observed, and the coating film also appeared uneven. In the case of carbon black having a relatively large particle size, which is agglomerated, the carbon black is unevenly distributed in the coating film, and the carbon black falls off the carrier surface together with the coating film, contaminates red toner and becomes blackish. It is thought that it has been. In addition, carbon black drops off due to the poor affinity between carbon black and resin, so as printing continues, the amount of charge increases and the carbon that falls off disappears. It is thought that it became.
これらの実験の結果、キャリアのコート膜としてはシリコーン樹脂に0.05μm以下の粒径のカーボンブラックを添加することが望ましいことが判明した。また、平均粒径が0.001μm以下は、歩留まりが低く製造コストが極めて高いものとなり、コスト面から適用は難しい。従って、使用するカーボンブラックの粒径は0.001から0.05μmの範囲とすることが望ましい。なお、シリコーン樹脂の代りにフッ素樹脂を用いてもよい。 As a result of these experiments, it was found that it is desirable to add carbon black having a particle diameter of 0.05 μm or less to the silicone resin as the carrier coating film. On the other hand, when the average particle size is 0.001 μm or less, the yield is low and the production cost is extremely high, and it is difficult to apply from the viewpoint of cost. Therefore, it is desirable that the carbon black used has a particle size in the range of 0.001 to 0.05 μm. A fluororesin may be used instead of the silicone resin.
一方、カーボンブラックの添加量は、シリコーン樹脂に対して重量で5%以上15%以下が望ましいことが判明した。即ち、カーボンブラックの添加量が重量で5%より少ないと、帯電量を安定させるという効果が不十分となり、また15%より多いとコーティングの均一性が悪く、コート膜のはがれが起き易くなる。 On the other hand, it has been found that the addition amount of carbon black is desirably 5% to 15% by weight with respect to the silicone resin. That is, if the added amount of carbon black is less than 5% by weight, the effect of stabilizing the charge amount is insufficient, and if it is more than 15%, the coating uniformity is poor and the coating film is liable to peel off.
次にキャリアのコア材について述べる。前述の実験ではコア材として、酸化鉄に副成分として酸化マグネシウムを添加してなるフェライトを用いた。この様なマグネシウムフェライトキャリアはマグネタイトキャリアに比べて電気抵抗が4桁から5桁高く、キャリアのコート膜に導電剤を添加してもキャリアの電気抵抗を高く維持できる。従って、2成分現像装置の現像ロールに印加する現像バイアスに交流を重畳しても絶縁破壊を生じず、キャリア飛びや画像欠陥が生じにくい。 Next, the core material of the carrier will be described. In the above-described experiment, ferrite formed by adding magnesium oxide as an accessory component to iron oxide was used as the core material. Such a magnesium ferrite carrier has an electrical resistance that is 4 to 5 orders of magnitude higher than that of the magnetite carrier, and the electrical resistance of the carrier can be maintained high even when a conductive agent is added to the carrier coating film. Therefore, even if alternating current is superimposed on the developing bias applied to the developing roll of the two-component developing device, dielectric breakdown does not occur, and carrier skipping and image defects are unlikely to occur.
図4は、横軸に、原稿濃度に相当する階調面積率(単位面積当りのドット数)、縦軸に、得られた画像の濃度をとった階調濃度特性を示し、直流バイアス電圧のみの場合は曲線81のように濃度変化が少ない階調特性になるが、交流を重畳すると、82の曲線で示すように、明るい低濃度の画像から、暗い高濃度の画像まで、濃度変化範囲が広がった画像を得ることが可能になる。従って、キャリアのコア材としてマグネシウムフェライトを用いると共に、直流と交流を重畳した現像バイアス方式を採用することにより、濃度変化範囲の広い階調特性を得ることができる。
In FIG. 4, the horizontal axis shows the gradation area ratio (number of dots per unit area) corresponding to the original density, and the vertical axis shows the gradation density characteristics taking the density of the obtained image, and only the DC bias voltage is shown. In this case, the gradation characteristic has a small density change as shown by the
1は感光体、2は帯電器、3は露光器、4は現像機、5は転写器、6は清掃機、7は用紙、41は現像ロ−ル、42はトナーホッパ、43はトナー補給ローラ、44はトナー濃度センサ、45は攪拌スクリュー、47は現像剤規制部材、48は現像バイアス電源、53は転写電源
1 is a photosensitive member, 2 is a charger, 3 is an exposure unit, 4 is a developing unit, 5 is a transfer unit, 6 is a cleaning unit, 7 is paper, 41 is a developing roll, 42 is a toner hopper, and 43 is a toner supply roller. , 44 is a toner concentration sensor, 45 is a stirring screw, 47 is a developer regulating member, 48 is a developing bias power supply, and 53 is a transfer power supply.
Claims (12)
Q/M=Q/M(0)/(1+Lch×T/C)………(1)
ここで、Q/M(0)はT/C零におけるQ/Mの近似値、R、ρc、εcはそれぞれキャリアの粒径、真密度、キャリア表面の誘電率、r、ρt、εtはそれぞれトナーの粒径、真密度、誘電率を表す。 In a two-component developer composed of a mixture of toner and carrier, Lch represents the relationship between the triboelectric charge amount (Q / M) of the toner with respect to the carrier and the toner concentration (T / C) with respect to the developer of toner. = Rρ c ε c / rρ t ε t , and ε c > ε t is satisfied.
Q / M = Q / M (0) / (1 + Lch × T / C) (1)
Here, Q / M (0) is an approximate value of Q / M at T / C zero, R, ρ c , and ε c are carrier particle diameter, true density, carrier surface dielectric constant, r, ρ t , epsilon t each toner particle diameter, represents the true density, the dielectric constant.
Q/M=Q/M(0)/(1+Lch×T/C)………(1)
ここで、Q/M(0)はT/C零におけるQ/Mの近似値、R、ρc、εcはそれぞれキャリアの粒径、真密度、キャリア表面の誘電率、r、ρt、εtはそれぞれトナーの粒径、真密度、誘電率を表す。 A photoconductor, a charger that uniformly charges the surface of the photoconductor, an optical device that irradiates the photoconductor surface with a light beam according to image data and forms a charge pattern according to the image pattern, and the charge In an image forming apparatus including a developing device that develops toner according to a pattern to form a toner image and a transfer device that transfers the toner image to a recording medium, the developing device uses a mixture of toner and carrier as a developer. In the empirical formula (1) showing the relationship between the triboelectric charge amount (Q / M) of the toner with respect to the carrier and the toner concentration (T / C) with respect to the developer of the toner, Lch = Rρ c ε c An image forming apparatus using a developer that satisfies / rρ t ε t and ε c > ε t .
Q / M = Q / M (0) / (1 + Lch × T / C) (1)
Here, Q / M (0) is an approximate value of Q / M at T / C zero, R, ρ c , and ε c are carrier particle diameter, true density, carrier surface dielectric constant, r, ρ t , epsilon t each toner particle diameter, represents the true density, the dielectric constant.
10. The image according to claim 9, wherein the developer carrying member that carries and conveys the two-component developer containing toner and carrier in the developing device is connected to a developing bias source in which alternating current is superimposed on direct current. Forming equipment.
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