JPH11258209A - 液体溶液内の電荷密度及び移動度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 実際の現像処理動作に即して溶液内の電荷密
度及び移動度を測定する。 【解決手段】 直列コンデンサセンサ１２は、外部電流
の測定により液体現像材料サンプルの電圧減衰及び緩和
をモニターする。サンプルはセンサ１２へ流れる。シリ
ンダ９４の内部表面は誘電層９８に覆われる。電極９３
は直流電源８８に接続され、インクサンプルに電圧を運
ぶ。シリンダ９４は、結合コンデンサ８２の１極板に連
結され、コンデンサ８２の他方の極板は、演算増幅器８
４の逆相入力端子８１に接続される。サンプル全体の電
圧は、測定のために増幅器８４に運ばれる。増幅器８４
の入力端子８１と出力端子８５の間に接続されたフィー
ドバック抵抗器８９は、出力電圧の一部を入力電圧と位
相外れの入力８１に返す。抵抗器８９、コンデンサ８２
及び増幅器８４は、その出力信号が入力信号の変化率に
比例するような微分回路を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に、静電写真プ
リント装置に関し、より詳細には、液体現像材料を基礎
とする複写装置又はプリント装置内の液体現像剤材料に
おけるトナー電荷の総密度及びその移動度をモニターす
るための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】画像形成処理における液体現像剤材料の
使用は周知である。同様に、液体現像剤材料による静電
写真潜像の現像技術もまた周知である。実際に、様々な
種類の液体現像材料現像システムが、これまでに開示さ
れている。

【０００３】液体現像剤は、多くの利点を有する。例え
ば、液体現像剤により現像される画像は固定又は定着ス
テップなしで用紙に付着されることが可能であり、それ
によって定着目的のために液体現像剤に樹脂を含む必要
性を取り除いている。更に、トナー粒子は、小粒子トナ
ーとしばしば関連して生じる問題、例えば装置の信頼性
に悪影響を及ぼし、潜在的な健康上の危険をもたらし得
る空中汚染物等を生じさせることなく、非常に小さく作
られることができる。非常に細かいトナー粒子の使用
は、乾燥トナーにより通常形成される画像より高品質の
画像の産出を可能にする。フルカラー画像形成処理にお
いて、表面のきれいな出力ドキュメントの産出は、液体
現像剤の使用により多層トナーの蓄積高さを最小にする
ことで可能となる（一方、乾燥トナーにより現像された
フルカラー画像は、カラー領域が重なる領域において、
画像の相当な高さの蓄積をしばしば示す）。また、液体
現像剤によるフルカラー画像形成は、トナー粒子を含ん
でいる余剰液体キャリアが着色剤のクロス汚染なしに経
済的に再生できる場合には特に、経済面で魅力的であ
る。更に、液体現像剤により作成されたフルカラープリ
ントは実質的に均一に仕上げることが可能であるが、仕
上げの均一性は、他の要素の中でも特に、熱定着の必要
性ならびにトナー蓄積高さにおけるばらつきのために、
粉末トナーで達成するのは難しい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】液体現像剤の電気特性
を特徴づける最も便利な方法は、低交流電場（１０ボル
ト／センチメートル未満）を誘導することで容易になる
導電率測定によるものである。導電率は重要なパラメー
タであるが、それはそれぞれが現像処理の効率を決定す
る２つの構成要素、即ち電荷密度と移動度の積である。
電荷密度及び移動度測定の従来の方法は、掃引セル(swe
ep-out cell)を定電圧に保たれた一対の並列電極と共に
使用する。しかし、低交流電場及び定電圧のどちらも、
電場が１０ ⁵ ボルト／センチメートル程度まで高くなり
得る実際の現像環境を表さず、トナー付着が進むにつれ
て、インク層全体に渡る電圧はミリ秒時間領域で減少す
る。同様に、光学的過渡現象に基づく技法が実現され
た。これらの技法の使用は通常、実際の液体現像材料に
おけるトナー密度よりも非常に低いトナー密度に限定さ
れる。液体現像材料の特性は電場及び密度に依存してい
るので、このような特性付け方法は実際の現像処理にお
ける材料の真の挙動を表さない。そこで、本発明は、実
際の現像処理動作に即して液体溶液内の電荷密度及び移
動度を測定するための装置を提供する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の一態様では、帯
電粒子をその中に有する液体溶液内の電荷密度及び移動
度を測定するための装置が提供される。この装置は、電
極を含む。電極の反対側に位置される第一の表面を有す
る誘電体部材は、液体のサンプルが配置され得る容積
（分の空間）をそれらの間に備える。固定バイアス電圧
が、液体溶液及び誘電体部材を通る電流の流れを作り出
すために電極に印加される。誘電体部材に連結される装
置は、液体溶液全体に渡る電圧減衰の測定をもたらす時
間関数として、電流を測定する。電圧減衰は、液体溶液
の電荷密度に対応する。また、電流を測定するための手
段は微分器を含む。該微分器は、逆相入力、アースに接
続された非逆相入力、及び出力を有する演算増幅器と、
出力とアース電位との間に連結され、固定バイアス電圧
を印加する手段により起動されるインジケータとを備え
る。また微分器は、結合コンデンサを含む。結合コンデ
ンサは、第一の端子及び第二の端子を有し、第一の端子
は逆相入力に接続され、第二の端子は入力電圧を逆相入
力に連結するために誘電体部材に接続される。更に微分
器は、フィードバック抵抗器を含む。フィードバック抵
抗器は、第一の端子及び第二の端子を有し、第一の端子
は出力に接続され、第二の端子は出力電圧の一部を逆相
入力に返すために逆相入力に接続される。出力電圧が入
力電圧と位相が外れ、且つその変化率に比例するように
出力電圧を生成するように、フィードバック抵抗器及び
結合コンデンサは、予め選択されたパラメータにより定
義される。

【０００６】本発明の他の態様は、図面が参照され、以
下の記述が進むにつれて明白になるであろう。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１を参照すると、本発明の液体
現像材料サンプルを射出する直列コンデンサの概略的な
機器構成が示される。図１では、モニターされるべき液
体現像材料層７０の側面には、暗所で代理受光体として
作用する理想的なコンデンサである接地された誘電体７
２と、一定のバイアス電圧Ｖ_b に保たれた対極７４とが
並ぶ。外部電流Ｊ_T は、そこへの電荷輸送に起因する現
像材料層７０全体に渡る電圧減衰の尺度となっているこ
とが分かる。この現象は本質的に誘電緩和である一方
で、空間電荷により摂動される状況と関連する全く別の
特長が、現像材料の低移動度と高電荷密度、及び現像材
料層全体に渡って減衰している電圧から生じ得る。本発
明は、帯電された化学種をその中に有する液体溶液内の
電荷密度及び移動度を測定することを目的とするが、当
業者は液体溶液が衝突分散を含むことを理解するであろ
う。更に、帯電される化学種は、粒子、対イオン及び共
イオンを含む。

【０００８】図２は、図１に示される直列コンデンサの
機器構成における誘電緩和と電気的に等価な回路であ
る。システムの輸送特性は、サンプル抵抗７６（Ｒ）及
びサンプル（Ｃ_s ）と誘電層（Ｃ_d ）のそれぞれのキャ
パシタンス７８及び８０により表される。電流密度Ｊ_RC
は、 Ｊ_RC＝（Ｖ_b ／Ｒ)[Ｃ_d ／（Ｃ_s ＋Ｃ_d ）］² ｅｘｐ（−ｔ／τ） （１） により与えられ、そこにおいて緩和時間τは、 τ＝（Ｃ_s ＋Ｃ_d ）Ｒ （２） である。

【０００９】抵抗７６は、平衡状態での電荷密度に関し
て定義される。電荷化学種の制限された供給、或いは空
間電荷により摂動される電場によって電荷輸送が非オー
ム性になる例において、電荷密度は不均一になり得、明
確な「抵抗」の概念がもはや有効でないように平衡状態
値とかなり異なり得る。以下において、上述の公式の適
用可能性が、第一原理である電荷輸送理論から電流式を
導き出すことにより考察される。

【００１０】一般に、図１及び２に示されるシステムの
時間ｔでの総電流密度Ｊ_T は、伝導電流及び変位電流密
度の合計として、 J_T (t) = ( μ_p ρ_p + μ_n ρ_n ) Ｅ(x,t) + ∈ (∂Ｅ／∂t) （３） と書くことができ、ここにおいてＥ(x,t) は電場であ
り、∈は誘電率であり、ρは体積電荷密度であり、そし
てμは電荷化学種の移動度である。下付き添字ｐ及びｎ
はそれぞれ、正及び負の化学種を表す。

【００１１】理想的なコンデンサ（「誘電体」）内には
伝導電流が存在しないことに留意すると、厚さＬ_d の誘
電体及び厚さＬ_s のリークしやすいコンデンサ（「サン
プル」）に渡って式（３）を辺々積分すると、以下の数
式のようになる。

【数１】 この数式において、Ｖ_d 及びＶ_s はそれぞれ、誘電体及
びサンプル全体に渡る電圧を表し、∈_d 及び∈_s はそれ
ぞれ、誘電体及びサンプルの誘電率である。Ｖの時間導
関数は、Ｖ_d 及びＶ_s の和が一定のバイアス電圧Ｖ_b に
等しいという条件、即ち、 dＶ_d ／dt＋ dＶ_s ／dt＝ dＶ_b ／dt＝ 0 （５） から消去することができる。次に、総電流密度は以下の
数式のように表すことができる。

【数２】 そして、電圧の減衰速度は、 dＶ_s ／dt＝-dＶ_d ／dt＝ -Ｊ_T ／Ｃ_d （７） により得られ、そこにおいてＣ_s ＝∈_s ／Ｌ_s 及びＣ_d
＝∈_d ／Ｌ_d はそれぞれ、サンプル及び誘電体のキャパ
シタンスである。これらの結果は、総電流密度Ｊ _T 及び
層電圧Ｖ_s とＶ_d を、電荷密度ρ(x,t) 及び電場Ｅ(x,
t) の瞬時の局所的値を使用して時間の関数として計算
することを可能にする。後者の量は、結合された連続方
程式及びポアソンの方程式を解くことにより得ることが
できる。それらの方程式は、一次元の幾何学で、 ∂ρ_p ／∂t = -(∂／∂x)( μ_p ρ_p Ｅ) + g （８） ∂ρ_n ／∂t = (∂／∂x)( μ_n ρ_n Ｅ) - g （９） ∂Ｅ／∂x = ( ρ_p + ρ_n ) ／∈ （１０） として与えられ、そこにおいてｇは電荷生成速度を表
し、それは局所的な電場Ｅ(x,t) への依存性からの位置
及び時間の関数であり得る。

【００１２】これらの方程式の境界条件は、サンプル層
の電荷化学種と電極との間の相互作用を特定する。例え
ばインクの場合には、インクと電極との間での電荷交換
はなく、従って電荷化学種の密度はインク層内で保存さ
れると推測されるであろう。これは、外に流れ出す伝導
電流をゼロにすることにより表される。正電荷化学種の
場合、x = 0 では、Ｊ_p = μ_p ρ_p Ｅ >= 0 であり、 x = Ｌ_s では、Ｊ_p = μ_p ρ_p Ｅ <= 0 （１１） である。負電荷化学種の場合、x = 0 では、Ｊ_n = μ_n
ρ_n Ｅ <= 0 であり、 x = Ｌ_s では、Ｊ_n = μ_n ρ_n Ｅ >= 0 （１２） である。

【００１３】或いは、ｘ＝Ｌ_s での電極は、バイアス電
圧と同じ極性の電荷をｘ＝Ｌ_s での電場に依存する速度
で注入すると仮定される。

【００１４】別の境界条件は、境界面ｘ＝０での変位の
連続性で、 ∈_s Ｅ（０）−∈_d Ｅ_d ＝Ｑ_s （１３） であり、そこにおいてＥ_d ＝−Ｖ_d ／Ｌ_d は（空間電荷
のない）誘電体における一様な電場である。電送写真の
用途において、Ｑ_s は電気泳動のためのドライビングフ
ォースである潜像電荷を表す。電荷化学種を駆動するた
めに必要とされる電場は、バイアス電圧Ｖ_b により供給
され、従って、Ｑ_s ＝０の場合が考慮される。

【００１５】通常の初期条件は、サンプルが正及び負の
電荷化学種の一様な分布を持ち、電荷的に中性であるこ
とであり、 如何なるｘ且つt=0 で、ρ_p (x,0) =-ρ_n (x,0) = ρ_o （１４） であり、従って最初の電場の分布もまた一様であり、 如何なるｘ且つt=0 で、Ｅ(x,0) =-Ｖ_b ／Ｌ_s (1 +Ｃ_s ／Ｃ_d ） （１５） である。

【００１６】結合された方程式８、９、１０は、有限差
分法により数値的に解かれる。数値的結果は、サンプル
厚さＬ_s 、誘電率∈_s 、負化学種の移動度μ_n 及び電荷
密度ρ_o を基礎的な単位とする単位系で提示される。他
の単位は、各単位の典型的な値と共に表１に示されるこ
れらの４つの基本単位から導き出すことができる。導き
出された単位は、重要な物理的意味を持つ。例えば、単
位電圧Ｖ_o は、サンプルの単位面積当たりの総電荷ρ_o
Ｌ_s が「１ＣＶに当たる量(one-CV's worth)」に等しい
電圧に対応する。時間単位ｔ_o は、単位電圧での負化学
種のトランジットタイム（走行時間）であり、またサン
プルの（固有）誘電緩和時間に等しい。

【表１】

【００１７】ここで図３を参照すると、液体電送写真現
像で生じる電気泳動をシミュレーションするために設計
された実験装置１０が概略的に示される。図３に示され
る装置１０は、直列に連結されるサンプル７０及び誘電
体７２を表す２つのコンデンサから成る。直流電源８８
からの一定のバイアス電圧が、高速で動作するリレース
イッチ９０によりコンデンサ７０に印加される。結合コ
ンデンサ８２は、コンデンサ７２を演算増幅器８４に連
結する。増幅器８４の出力は、陰極線管（ＣＲＴ）等の
視覚的な出力装置８６に連結される。コンデンサ７２
は、理想的な誘電体であり、電送写真の用途において、
電送写真の電荷（即ち、静電潜像）を帯びた画像形成部
材である。もう１つのコンデンサ７０は、液体インクサ
ンプルシステムを含み、直径約１μｍの帯電され肉眼で
見える粒子の分散の有無にかかわらず、例えば液体炭化
水素に界面活性剤分子を含んでいるフィルムから成る。
電源８８は装置１０に印加される一定のバイアス電圧を
提供するが、帯電された化学種が液体サンプル内で移動
するにつれて、コンデンサ７０内のコロイド層電圧は減
衰する。従って、装置１０は、外部電流の測定により、
電圧減衰及び液体現像材料サンプルの誘電緩和の観測を
可能にする。これは光学的検知を含まない純粋に電気的
な測定であるため、この技法は界面活性剤分子、及び逆
ミセル等のその集合体のみを含む分散にも同様に適用可
能である。装置１０は、コロイド状の粒子の有無にかか
わらず分散の電気特性の比較研究のための手段を提供す
る。しかし、二極化学種の空間的に一様な分布のため、
この技法は全ての電荷の運動に敏感であり、正及び負の
化学種の寄与を容易に区別することができない。

【００１８】更に図３を参照すると、２５μｍマイラー
（デラウェア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．デュポン ド
ヌムール商会(E.I. DuPont de Nemours and Co.)によ
り製造されたポリビニールのフィルム材料のための登録
商標）のシート７３が、「理想的な」コンデンサ７２を
形成するために、研磨されたアルミニウムブロックの電
極７５上に配置される。もう１つのアルミニウム極板７
７（５×５ｃｍ）と共にそのシートを覆う時に、２５ｃ
ｍ² の領域全体を満たすように溶液が流れるように、液
体溶液の公知の量（約０．１３ｃｃ）がシート７３上に
容れられる。溶液のキャリア流体濃度及び重さがわかる
と、形成される液体層の厚さは約６０μｍと算出され
る。幾つかの測定が、約１２５μｍの液体高さをもたら
すセルを使用して行われた。総実験時間は通常１分より
かなり短いが、動作中に装置１０のシート７３上にコロ
イド粒子を定着させることに起因して発生しうる如何な
る複雑な要素も、各測定実行のために溶液の新しい層の
みを使用することにより回避される。

【００１９】直流電圧はコンデンサ７０に印加され、リ
レー９０はニコレのモデルプロ１０オシロスコープであ
るＣＲＴ８６上の外部トリガにより起動される。図３に
示される装置構成により、コンデンサ７０全体に渡る電
圧における変化及びインクサンプル中の関連する電荷が
測定され、総電流をもたらすために結合コンデンサ８２
及び増幅器８４により電子的に微分される。様々な利用
可能なサンプリング時間（最短で１μ秒）を利用し、異
なる総ポイント数（最大で５０，０００）を使用するこ
とにより、時間分解された過渡電流、及び１０^-5乃至１
０^-2秒の時間範囲で積分された収集電荷量を測定するこ
とが可能である。

【００２０】図４は、液体炭化水素に約２％のトナー粒
子と約０．１％の電荷ディレクター(charge director)
を含んでいる典型的な液体現像材料から様々なバイアス
電圧Ｖｂで得られる実験電流対時間曲線の例を示す。電
荷ディレクター溶液（トナーを含んでいない）の結果と
の比較は、トナー粒子の輸送により、第一の電流のピー
クを（最短時間で）識別する。トナー移動度は、印加さ
れたバイアス電圧、液体層の厚さ及び誘電体の特性と共
に、トランジットタイム又は電流のピークが生じる時間
を決定する。

【００２１】図４の曲線の電流の時間積分は、１周期時
間内に収集可能なトナー電荷の尺度をもたらす。従っ
て、トナー密度又はトナー電荷／質量比率における変化
は、図５に示される電流積分対時間の関係に反映され
る。電荷／質量比（及び、その結果として移動度）の著
しい低下を伴わないトナー密度の低下は、飽和時間に大
きな遅延をもたらすことなく、積分の飽和レベルを低下
させる。他方、電荷／質量比（及び、その結果として移
動度）における変化は、飽和値の低下及び飽和時間の遅
延という結果をもたらす。従って、現像時間に相当する
時間に測定される電流積分値の低下は、液体現像材料効
率における変化及び現像材料組成物又は現像処理パラメ
ータへの調整の必要性のために、不充分なＤＭＡ（単位
面積当たりの現像質量）の可能性を伝える信号である。

【００２２】ここで図６を参照すると、先に図３に言及
して説明された実験装置１０に基づく直列コンデンサセ
ンサ１２が概略的に示される。センサ１２は、プリント
装置での使用が意図される。センサ１２は、一対の同心
のシリンダ９４及び９６を含む。誘電体層９８が、「理
想的な」コンデンサを形成するためにシリンダ９４の内
部表面上を覆っている。液体現像材料のサンプルは、セ
ンサ１２へ矢印９５の方向に流れ込む。シリンダ９４及
び９６と同軸の電極９３は、高速で動作するリレー９０
を介して直流電源８８に接続される。電極９３は、イン
クサンプルに電圧を運ぶ。シリンダ９４の外面は、結合
コンデンサ８２の１つの極板に連結される。コンデンサ
８２の他方の極板は、演算増幅器８４の逆相入力端子８
１に接続される。このように、液体現像材料サンプル全
体に渡る電圧は、その測定のために増幅器８４に運ばれ
る。演算増幅器８４の非逆相入力８３は、アース（接
地）される。入力端子８１と出力端子８５との間に接続
されたフィードバック抵抗器８９は、出力電圧の一部を
入力電圧と位相外れである入力８１に返す。フィードバ
ック抵抗器８９、結合コンデンサ８２及び演算増幅器８
４は、その出力信号が入力信号の変化率に比例するよう
な微分回路を形成する。インジケータ８７は、出力端子
８５とアースとの間に連結され、導線９１を介して電源
８８により起動される。本発明は、外部電流を測定する
ことにより液体現像材料サンプルの電圧減衰及び緩和を
モニターする直列コンデンサセンサを含む。液体現像材
料効率に変化があると、センサは液体現像材料組成物又
は現像処理を調整するために外部装置を起動させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液体現像剤材料サンプルを射出する直
列コンデンサの概略機器構成図である。

【図２】図１の等価電気回路図である。

【図３】電送写真の現像で生じる電気泳動をシミュレー
ションする電気回路の概略図である。

【図４】図３の実施の形態でテストされる典型的な液体
現像剤材料の電流対時間の曲線を様々なバイアス電圧
（Ｖｂ）で示すグラフである。

【図５】トナー密度又はトナー電荷／質量比における変
化を電流積分対時間の関係で示すグラフである。

【図６】静電写真プリント装置で用いられるように設計
された、本発明の直列コンデンサセンサの概略図であ
る。

【符号の説明】

１２ 直列コンデンサセンサ ８１ 逆相入力端子 ８２ 結合コンデンサ ８３ 非逆相入力 ８４ 演算増幅器 ８５ 出力端子 ８７ インジケータ ８８ 直流電源 ８９ フィードバック抵抗器 ９３ 電極 ９８ 誘電体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ モート アメリカ合衆国 14580 ニューヨーク州 ウェブスター ジェラッズ クロス 1209 (72)発明者 メアリー アン マコンキン アメリカ合衆国 34446 フロリダ州 ホ モサッサ クーパニア コート 19

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 帯電された化学種を中に有する液体溶液
   内の電荷密度及び移動度を測定するための装置であっ
   て、 電極と、 前記液体溶液のサンプルが配置され得る容積をその間に
   備えるために、前記電極と対向する位置に第一の表面を
   有する誘電体部材と、 前記液体溶液及び前記誘電体部材を通る電流の流れをも
   たらすように、前記電極に固定バイアス電圧を印加する
   ための手段と、 前記導電部材に連結され、液体溶液全体に渡る電圧減衰
   の測定値をもたらす時間関数として、電流の流れを測定
   するための手段と、 を備え、そこにおいて前記電圧減衰が前記液体溶液の電
   荷密度に対応しており、 前記電流を測定するための前記手段が微分器を含み、該
   微分器が、 逆相入力、アースに接続された非逆相入力、及び出力を
   有する演算増幅器と、 前記出力とアース電位との間に連結され、前記固定バイ
   アス電圧印加手段により起動されるインジケータと、 第一の端子及び第二の端子を有し、前記第一の端子は前
   記逆相入力に接続され、前記第二の端子は入力電圧を前
   記逆相入力に連結するために前記誘電体部材に接続され
   る結合コンデンサと、 第一の端子及び第二の端子を有し、前記第一の端子は前
   記出力に接続され、前記第二の端子は出力電圧の一部を
   前記逆相入力に返すために前記逆相入力に接続されるフ
   ィードバック抵抗器と、 を備え、そこにおいて、前記フィードバック抵抗器と前
   記結合コンデンサとが、前記出力電圧が前記入力電圧と
   位相が外れ、且つその変化率に比例するように前記出力
   電圧を生成するために、予め選択されたパラメータによ
   り定義される、 液体溶液内の電荷密度及び移動度測定装置。