JPH0862885A

JPH0862885A - 電子写真用トナーの帯電特性の測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH0862885A
Application number: JP6196742A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Ikezaki; 和男池▲崎▼; Kenji Hori; 健志堀; Joji Matsumoto; 丞士松本; Masanori Matsuda; 政準松田
Original assignee: Mita Industrial Co Ltd
Current assignee: Kyocera Mita Industrial Co Ltd
Priority date: 1994-08-22
Filing date: 1994-08-22
Publication date: 1996-03-08

Abstract

(57)【要約】【目的】昇温により温度を変化させるという簡単な操
作で、帯電トナー粒子内の電荷トラップの熱的安定性に
関する定量的データを、正確に且つ再現性よく得ること
が可能な新規な電子写真用トナーの帯電特性の測定方法
及び装置を提供すると共に、該データをトナー樹脂のガ
ラス転移点や融点等の熱的特性とも関連の下に測定でき
る方法及び装置を提供する。【構成】帯電させた電子写真用トナーの試料を対向電
極間に位置させ、この帯電試料について温度を昇温変化
させて熱刺激電流を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子写真用トナーの帯電
特性の測定方法及び装置に関するもので、より詳細に
は、熱刺激電流測定により電子写真用トナーの種々の帯
電特性を測定する方法及び装置に関する。

【０００２】

【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。

【０００３】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。

【０００４】従来、トナーの帯電特性の評価方法として
は、ブローオフ帯電量測定装置を用いる方法が知られて
おり、この方法によれば、トナーとキャリヤとを混合し
て、摩擦帯電を行わせ、この混合物からトナーのみをＮ
₂ガスで吹き飛ばし、単位重量当りの帯電量を測定す
る。

【０００５】また、トナー帯電の分布を測定する方法も
多数使用されており、例えばイ−スパートアナライザー
を用いる方法や、特公平５−５２９０１号公報に記載さ
れているとおり、平行な対向電極板間の垂直通路内に下
向きの気流を形成すると共に、対向電極板に電圧を印加
し、キャリヤと顕電性トナーとの混合物から成る現像剤
を前記垂直通路内に供給し、該気流の流速をトナー粒子
が電極板に付着するが、キャリヤ粒子が電極板に付着し
ない範囲内のものとし、電極板に付着したトナーパター
ンを、直接或いは転写した後、付着位置と反射濃度又は
透過濃度との関係で評価することを特徴とするトナー帯
電特性の評価方法等も知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のトナー帯電量の
測定法は、トナーの平均の帯電量や個々のトナー粒子の
帯電量の分布は測定できるとしても、トナー中の樹脂の
組成や物性或いは粉体製造条件等に伴う電荷トラップ等
の内部の情報については全く知ることができない。

【０００７】本発明者らは、帯電させた電子写真用トナ
ーについて熱刺激電流を測定することにより、帯電トナ
ー粒子内の電荷トラップの熱的安定性に関する定量的デ
ータ、つまり各温度での電荷の消失量や保持量について
の定量的データが正確に且つ再現性よく得られることを
見いだした。

【０００８】即ち、本発明の目的は、昇温により温度を
変化させるという簡単な操作で、帯電トナー粒子内の電
荷トラップの熱的安定性に関する定量的データ、つまり
各温度での電荷の消失量や保持量についての定量的デー
タを、正確に且つ再現性よく得ることが可能な新規な電
子写真用トナーの帯電特性の測定方法及び装置を提供す
るにある。

【０００９】本発明の他の目的は、帯電トナー粒子内の
電荷トラップの熱的安定性に関する定量的データ、つま
り各温度での電荷の消失量や保持量についての定量的デ
ータを、トナー樹脂のガラス転移点や融点等の熱的特性
とも関連の下に測定できる方法及び装置を提供するにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、帯電さ
せた電子写真用トナーの試料を対向電極間に位置させ、
この帯電試料について温度を昇温変化させて、熱刺激電
流を測定することを特徴とする電子写真用トナーの帯電
特性の測定方法が提供される。

【００１１】帯電試料を一定昇温速度で昇温させ、温度
と電流との分布を求めるのがよく、電子写真用トナーの
粉体を板状に加圧成形し、帯電させた後、測定に付する
ことが好ましい。

【００１２】本発明によればまた、電磁シールドと、該
電磁シールド内に収容された加熱昇温機構と、加熱昇温
機構の内部に収容され且つ電子写真用トナーの帯電試料
を載せる支持電極を備えた支持体と、加熱昇温機構の内
部に収容され且つ前記支持電極に対向して離隔して設け
られた対向電極と、支持体に設けられた熱電対と、対向
電極からの電流を検出する電流検出機構と、電流検出機
構からの電流信号と熱電対からの温度信号に基づいて温
度と電流との分布を表示し或いは記録する表示記録機構
とから成ることを特徴とする電子写真用トナーの帯電特
性の測定装置が提供される。

【００１３】

【作用】本発明では、トナーが有する帯電量を、トナー
の温度を昇温変化させて、熱刺激電流（Ｔｈｅｒｍａｌ
ｌｙＳｔｉｍｕｌａｔｅｄＣｕｒｒｅｎｔ）として
測定する。熱刺激電流（ＴＳＣ）とは、絶縁体中に蓄積
されていた電荷（双極子空間電荷、以下保持電荷量と称
す）の内、ある温度変化（δＴ）で放出（解放）される
電荷の変化量（δＱ）に対応する電流（ｉ）であり、こ
れらは、下記式（１）ｉ＝δＱ／δＴ ‥‥‥‥（１）で表される。かくして、温度Ｔと熱刺激電流ｉとの関係
をプロットすれば、各温度に対応する電荷消失量の分布
を一目瞭然な形で正確に求めることができる。

【００１４】また、式（１）を変形して積分すると、下
記式（２） ∫ｉδＴ＝Ｑ ‥‥‥‥（２）となり、Ｔ−ｉ分布曲線を全温度範囲（実際は室温から
融点より若干上の温度までの範囲）で積分することによ
りトータルの電荷量が得られ、ある一定温度範囲での積
分を行うことにより、その温度範囲での消失電荷量を求
めることができる。ある温度での消失電荷量と保持電荷
量とは、下記式（３）の関係にある。消失電荷量＋保持電荷量＝トータルの電荷量 ‥‥（３）尚、上記トータルの電荷量は、Ｔ−ｉ分布曲線の面積に
相当するので、電荷量の分布の理解も容易である。

【００１５】一般に、電子写真用トナーには、結着剤樹
脂が必ず含有されており、この樹脂はトナーの定着性の
みならず、トナーの帯電電荷保持にも重要な役目を担っ
ている。トナー用樹脂の重要な熱的特性として、ガラス
転移点（Ｔｇ）と融点（Ｔｍ）とがあり、前者のガラス
転移点（Ｔｇ）はトナーの耐熱性に、後者の融点（Ｔ
ｍ）はトナーの熱定着性に密接に関係している。

【００１６】本発明によれば、温度と熱刺激電流との分
布図（スペクトルという）を求めることにより、トナー
用樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）や融点（Ｔｍ）との関連
の下での帯電量の分布を知ることができる。

【００１７】例えば、添付図面図１は、後述する実施
例１でのトナーＡ及びＢについての熱刺激電流スペクト
ルである。このスペクトルにおいて、左側の低温側の低
いピークＰ0 と右側の高温側の高いピークＰ1 とが観察
され、低温側ピークＰ0 の右側の山裾がガラス転移点
（Ｔｇ）に、高温側ピークＰ1 の右側の山裾が融点（Ｔ
ｍ）に相当する。これから、トナー用樹脂高分子がガラ
ス状態からゴム状態に転移する過程での電荷の放出の程
度は少なく、高分子の結晶乃至微結晶の融解に伴う電荷
の放出は大きいということがわかる。勿論、各温度範囲
において、どのくらいの電荷量が消失し、どのくらいの
電荷量が保持されるという値も正確に算出することがで
きる。

【００１８】本発明により、熱刺激電流測定により得ら
れる情報は、上述したトナー用樹脂のガラス転移点（Ｔ
ｇ）や融点（Ｔｍ）と帯電量との関係に限定されない。
例えば、図４に示すとおり、トナーを粉砕法で製造した
か、トナーを溶融造粒法で製造したか、トナーを溶液造
粒法で製造したか等によるトナーのモルフォロジーや造
粒履歴の相違による帯電特性（温度的特性）の違いも検
出することができる。また、図２及び図３に示すとお
り、粉砕法によるトナーでも、粉砕条件によるトナー帯
電特性（温度的特性）への影響をも調べることができ
る。

【００１９】帯電試料を対向電極間に位置させ、一定昇
温速度で昇温させ、温度と電流との分布を求めることも
重要であり、これにより、標準化された熱刺激電流曲線
が得られ、これを積分することにより、一定温度まで昇
温させた場合に失われた電荷量が容易に算出される。

【００２０】電子写真用トナーの粉体を直接セルをも兼
ねる電極上に充填し、粉体充填層を帯電し測定に付する
こともできるが、一般に取り扱いの点では、電子写真用
トナーの粉体を板状に加圧成形し、帯電させた後、測定
に付することが望ましい。

【００２１】このように、本発明によれば、帯電トナー
粒子内の電荷トラップの熱的安定性に関する定量的デー
タ、つまり各温度での電荷の消失量や保持量についての
定量的データを正確に且つ再現性よく得ることができ、
トナー用樹脂の組成や物性、トナー調製法やその条件と
トナー帯電特性との関係を究明するのに有用である。

【００２２】

【発明の好適態様】本発明に用いる測定装置の一例を示
す図５において、この装置は、測定試料支持電極（上部
電極）１と、対向電極（下部電極）２とからなる。測定
試料支持電極１は、その上部に帯電された電子写真用ト
ナーの粉体試料３を支持するものである。対向電極２
は、支持電極１から一定間隔をおいて上下に重なる位置
で設けられている。対向電極２はその位置が調節可能に
設けられていることが理解されるべきである。

【００２３】支持電極１には、その温度（測定試料温
度）を検出するための熱電対４が設けられている。

【００２４】上記の測定試料支持電極１、対向電極２及
び熱電対４のセットは、加熱昇温機構５の内部に収納さ
れており、加熱昇温機構（ヒーター）５には、熱制御機
構（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）６が付属し
ていて、測定試料を一定昇温速度で昇温させるように、
上記セットを加熱する。

【００２５】上記加熱昇温機構５はノイズを防止するた
めに、電磁シールド（この具体例では三重の電磁シール
ド）７内に収容されている。

【００２６】支持電極１は接地され、一方対向電極２か
らは、その出力が配線８を介して取り出され、電流計
（ピコアンメータｐＡ）９により読みとられる。電流計
９からの信号及び熱電対４からの信号は、Ｘ−Ｙ記録装
置１０に読みとられ、温度を一方の座標軸（Ｘ）、電流
を他方の座標軸（Ｙ）として表示し且つ記録する。ま
た、熱電対４からの信号は、Ｙ−Ｔ記録装置１１に読み
とられ、温度を一方の座標軸（Ｙ）、時間を他方の座標
軸（Ｔ）として表示し且つ記録する。更に、電流計９か
らの信号及び熱電対４からの信号は、ホストコンピュー
タ１２で制御されるデータ記録装置１３に読みとられ、
これらのデータを電子ファイル（フロッピーデスク）等
の形で記録し、保存する。尚、Ｙ−Ｔ記録装置１１は、
試料３の昇温がリニアに行われているか否かをチェック
するためのものである。

【００２７】本発明の測定を行うためには、先ず、測定
すべき電子写真用トナーの一定量を秤量し、秤量したト
ナーを導電性支持体上に載せ、室温で、プランジャーで
押圧して、一定厚みの円盤状成形体に加圧成形する。こ
の成形体を、導電性支持体に載せた状態でコロナ帯電器
による帯電等に付して、帯電されたトナー試料３とす
る。

【００２８】トナー試料としては、帯電量が検出できる
程度の量、一般に１０乃至１０００ｍｇ、特に５０乃至
２００ｍｇ程度の量があればよく、また成形体の厚み
は、特に制限はないが、１０乃至１０００μｍ程度の厚
みが適当である。その理由は、上記厚みよりも厚いと試
料内に温度の分布が生じるおそれがあり、正確な測定が
できないおそれがあるからである。粉体への押圧力も、
粉体の充填状態が一定の状態となり、取り扱いに際して
成形体の崩壊が生じないようなものであればよく、一般
に単位面積当たりの荷重が１乃至３５ｋｇ／ｃｍ² 程度
の範囲が適当である。

【００２９】コロナ帯電の極性は、正でも、負でもよ
く、その帯電量は、実際のトナーの帯電量にあたるよう
に、自由に調節することができる。例えばグリッド電極
付きの針状電極コロナ帯電器を用いて、グリッド電極に
印加する電圧を変化させることにより、表面帯電電位を
自由に調節することができる。

【００３０】帯電された電子写真用トナー試料の表面電
位は、非接触型表面電位計により測定でき、一般にその
表面電位が５０乃至７００ボルトの範囲にあるのが適当
である。

【００３１】板状のトナー成形体の試料３は、支持電極
１上に移し代えて、熱刺激電流測定を行うこともできる
し、また、導電性支持体１５と共に支持電極１上に載せ
て熱刺激電流測定を行ってもよい。また、計測するトナ
ーの帯電は、コロナ帯電に限定されず、Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ．Ｖｏｌ．
４７、Ｎｏ１０、Ｏｃｔ．１９７８のページ４４７５に
Ｐ．Ｗ．Ｃｈｕｄｌｅｉｇｈが記しているような液体の
接触による帯電、或いは摩擦帯電で行うことができる。
帯電されたトナーを支持電極に施すには、電極を帯電
し、帯電トナーを現像と同様な方法で支持電極に施せば
よい。

【００３２】測定電極の他の例を示す図６において、支
持電極１を試料充填セルをも兼ねる試料充電電極１５
と、支持部材１６とから形成すると共に、資料充填電極
１５と支持電極１６とが嵌合或いはネジ等で締結される
ようにして、測定作業を能率化することができる。この
図６に示す態様では、粉体を特に成形しなくても、充填
状態が一定となるようにするのみで、帯電試料の作成及
び測定装置への取り付けが可能となる。また、二成分系
現像剤からブローオフされる帯電トナーを試料充填セル
中に充填させることにより、より実際に近い帯電特性の
測定が可能となる。上部電極２の周囲にはガード電極１
７が配置されていて、上部電極と共に石英支持体に支持
され、上部電極からは信号線１９が引き出されている。
この具体例では、上記測定ユニットが昇温槽２０に浸漬
され、測定が行われるようになっている。

【００３３】熱刺激電流の測定は、図５に示す装置を用
いて、次のように行う。先ず、測定温度範囲を、室温か
らトナー融点よりも高い温度、例えば１８０℃程度まで
の温度として昇温速度を定め、昇温加熱機構５により前
記のように定められた一定昇温速度で昇温させて、電流
計９により電流値を読みとらせ、電流計９からの電流信
号及び熱電対４からの温度信号をＸ−Ｙ記録装置１０に
読みとらせて、これらのデータを記憶させ、表示させ
る。

【００３４】これにより、温度変化に対する熱刺激電
流、即ち電荷の変化量の曲線が得られ、トータルの電荷
量、一定温度での電荷保持量（或いは電荷消失量）等の
広範囲の帯電特性を求めることができる。勿論、記録さ
れた温度及び電流値に基づいて、ホストコンピュータに
よる積分によりトータルの電荷量、各ピークの電荷量を
算出し、記録、表示させることも可能である。

【００３５】本発明の測定法に用いるトナーは、トナー
とキャリアーとの二成分からなる所謂二成分系現像剤の
トナーでも、またトナー単独を使用する一成分系トナー
でもよい。このトナーは、結着剤樹脂中に、着色剤、更
にトナー用配合剤、例えば、電荷制御剤、離型剤、磁性
粉等を配合したものであり、トナー粒子は、粉砕法で製
造された不定形粒子、溶液や溶融物のスプレー造粒や熱
気流中造粒で製造された球状粒子、直接重合法で形成さ
れた球状粒子等の任意のものであってよい。

【００３６】本発明の測定法によれば、このようにモル
フォロジーの異なる各種トナーについても、帯電トナー
粒子内の電荷トラップの熱的安定性に関する定量的デー
タ、つまり各温度での電荷の消失量や保存量についての
定量的データが正確に且つ再現性よく得ることができ
る。

【００３７】

【実施例】本発明を次の例で更に説明する。

【００３８】実施例１電子写真用トナーの試料としては、三田工業株式会社製
の市販トナーＡ（ＡＣ−６５００用トナー）及びＢ（Ｄ
Ｃ−２５５６用トナー）を用いた。径２４ｍｍ及び厚み
約１ｍｍのアルミ板の上に、秤量したトナーを載せ、室
温で厚さ約１ｍｍの円盤状に加圧成形した。アルミ板を
接地し、他方の試料面を針状電極コロナ帯電器を用いて
約２分間帯電させた。帯電した試料の表面電位を非接触
型の表面電位計で測定したところ、−５００ボルトであ
った。

【００３９】図５に示す装置の支持電極に帯電試料を載
せ、両電極間の距離を７ｍｍとし、３．５℃／分の一定
昇温速度で、室温から１７０℃迄昇温させながら熱刺激
電流を測定した。

【００４０】トナーＡについては、試料重量を１６２ｍ
ｇと１３７．３ｍｇとしたものの２種について、またト
ナーＢについては、試料重量を８１．５ｍｇと９７．３
ｍｇとしたものの２種について測定を行った。結果を図
１に示す。

【００４１】サンプリングしたトナーの充填率及び重量
によらず、ピークは同一温度に現れ、再現性は良好であ
った。電荷トラップの昇温による消失には、低温側の小
さいピークと高温側の大きいピークとの二つがあり、低
温側の小さいピークはゴム状態への転移によるものであ
り、高温側の大きいピークは高分子の融解に伴うものと
考えられる。

【００４２】実施例２及び３トナー製造時の粉砕条件の影響を調べるため、モデルと
して、市販のトナー用樹脂Ａ（スチレン−アクリル系樹
脂−実施例２）及び市販のトナー用樹脂Ｂ（スチレン−
アクリル系樹脂−実施例３）を乳鉢で粉砕し、粉砕時間
を５分、１０分、１５分とし、この粉体を用いる以外
は、実施例１と同様にして、熱刺激電流を測定した。

【００４３】得られた結果を図２及び図３に示す。図２
（実施例２）では、粉砕時間の増加と共に、ガラス転移
点に相当する低温側ピークの右側裾の部分で、ＴＳＣの
マイナス側へのシフトが認められる（試料粉体中の双極
子の脱配向に基づくものと認められる）。また図２にお
いては、粉砕時間が長くなるにつれて、高温側ピークが
低温側にシフトするのが認められた。

【００４４】一方、図３（実施例３）では、粉砕時間の
増加と共に、ガラス転移点に相当する低温側ピークの右
側裾の部分で、ＴＳＣがプラス側に増加しているのが認
められる。このＴＳＣスペクトルの変化は、試料粉体の
モルフォルジーが粉砕過程の進行と共に変化し、その結
果とラップの分布が広がったものと思われる。

【００４５】実施例４トナー形態の影響を見るために、モデルとして次の試料
を用意した。即ち、トナーＡ（粉体）、トナーＡ（粉
体）の溶融キャストフィルム、トナーＡ（粉体）のトル
エン溶液からのキャストフィルム。

【００４６】これらの３種の試料について、実施例１に
従い、同一条件下で熱刺激電流を測定した。得られた結
果を図４に示す。これらの結果から、同一組成であって
も、形態により、ＴＳＣスペクトルは著しく異なってお
り、電荷トラップの熱的保持性も著しく相違している。
溶液法の試料は、電荷トラップが低温で失われやすく、
溶融法試料は電荷トラップが熱的に最も安定であり、粉
体試料はこれに次いでいることが明らかとなった。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、帯電トナー粒子内の電
荷トラップの熱的安定性に関する定量的データ、つまり
各温度での電荷の消失量や保持量についての定量的デー
タを正確に且つ再現性よく得ることができ、トナー用樹
脂の組成や物性、トナー調製法やその条件とトナー帯電
特性との関係を究明するのに有用である。

【００４８】また、帯電トナー粒子内の電荷トラップの
熱的安定性に関する定量的データ、つまり各温度での電
荷の消失量や保持量についての定量的データを、トナー
樹脂のガラス転移点や融点等の熱的特性とも関連の下に
測定できるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１でのトナーＡ及びＢについての熱刺激
電流スペクトルである。

【図２】実施例２での粉砕時間を変えた粉体Ａについて
の熱刺激電流スペクトルである。

【図３】実施例３での粉砕時間を変えた粉体Ｂについて
の熱刺激電流スペクトルである。

【図４】実施例４での各試料についての熱刺激電流スペ
クトルである。

【図５】本発明に用いる測定装置の一例を示す配置図で
ある。

【図６】測定試料支持電極の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

１測定試料支持電極２対向電極３電子写真用トナーの粉体試料４熱電対５加熱昇温機構６熱制御機構７電磁シールド８配線９電流計１０Ｘ−Ｙ記録装置１１Ｙ−Ｔ記録装置１２ホストコンピュータ１３データ記録装置１４電子写真用トナー１５試料充填電極１６支持部材１７ガード電極１８石英支持体１９信号線２０昇温槽

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松田政準大阪市中央区玉造１丁目２番28号三田工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】帯電させた電子写真用トナーの試料を対
向電極間に位置させ、この帯電試料について温度を昇温
変化させて熱刺激電流を測定することを特徴とする電子
写真用トナーの帯電特性の測定方法。
【請求項２】電子写真用トナーの粉体を板状に加圧成
形し、帯電させた後測定に付することを特徴とする請求
項１記載の測定方法。
【請求項３】帯電試料を一定昇温速度で昇温させ、温
度と熱刺激電流との分布を求める請求項１記載の帯電特
性の測定方法。
【請求項４】電磁シールドと、該電磁シールド内に収
容された加熱昇温機構と、加熱昇温機構の内部に収容さ
れ且つ電子写真用トナーの帯電試料を載せる支持電極を
備えた支持体と、加熱昇温機構の内部に収容され且つ前
記支持電極に対向して離隔して設けられた対向電極と、
支持体に設けられた熱電対と、対向電極からの電流を検
出する電流検出機構と、電流検出機構からの電流信号と
熱電対からの温度信号に基づいて温度と電流との分布を
表示し或いは記録する表示記録機構とから成ることを特
徴とする電子写真用トナーの帯電特性の測定装置。