一成分接触現像ニップでの電荷移動現象に関する検討 Study of Charge Transfer Phenomenon in Development Nip of Mono-component System 中川 秀一* 生野 秀一** Shuuichi NAKAGAWA Hidekazu SHONO 要 旨 一成分接触現像ニップにおける電荷移動現象について調査した結果，感光体表面に形成された 静電潜像の電位が，現像ニップ通過の前後で変化していることが確認された．これは，現像ロー ラに印加された現像バイアスが，トナー層を伝って感光体表面に充電される現象であり，このと きのトナー層内を流れる電流量は，感光体と現像ローラの速度差に依存することがわかった．そ こで，現像ニップ中のトナー層の動的抵抗を想定した感光体表面の充電モデルを作成し，注目す べき制御因子や，誤差因子への影響に関する考察を行った． ABSTRACT We have examined the charge transfer phenomena in contact development nip of monocomponent system in electrophotography. As a result, the potential of the electrostatic latent image on the photoconductor surface was changed by passing the development nip. This phenomenon is obviously a charge transfer to the photoconductor surface through the toner layer from development roller by developing bias between photoconductor and development roller. In addition, the amount of current by the charge transfer depends on the speed difference between the photoconductor and development roller. Based on the experimental results, we proposed a model of the charge transfer to the photoconductor surface due to the dynamic resistance of the toner layer in development nip, and considered the noteworthy control factor and the error factor. * 画像エンジン開発本部 機能材料開発センター Functional Material Development Center, Imaging Engine Development Devision ** プリンタ事業本部 ＬＰ設計センター LP Designing Center, Printer Business Group Ricoh Technical Report No.37 110 DECEMBER, 2011 Development Roller 1. 背景と目的 Regulating Blade PET Film 乾式電子写真プロセスにおいて，一成分接触現像方 式は小型化や低コスト化が容易であることやメンテナ ンスフリーに対応可能であるという特長を活かして， おもに低価格帯のプリンターを中心に採用されている． 1, 2) この現像方式の現像特性 は現像ローラ上に形成した Metal Roller トナー層の帯電量に大きく依存することから，規制 I ニップにおける規制ブレードとトナーの摩擦帯電メカ VB ニズムや，トナー層内の電荷移動に関する研究3, 4, 5)が 進められてきた． Supply Roller そこで，接触現像ニップにおいても同様に電荷移動 が感光体やトナー層に影響を与えていると推測し，市 Fig.1 販の一成分レーザープリンターに種々のトナーを詰め Schematic simulator. drawing of the development 替えて調べたところ，トナーが現像付着していない箇 所の感光体表面電位が接触現像ニップ通過前後で変化 主要部材の設定値をTable 1に示す．PETフィルムの していることが観察された．また，その変化程度がト 初期表面電位はゼロに設定し，現像バイアスVBの水準 ナーによって異なることも確認された． を段階的に振ることによって，接触現像ニップにおけ るPETフィルムと現像ローラとの電位差を変化させた． 本研究では，接触現像ニップでの電荷移動に関する 実験結果に基づいて現象メカニズムを解明するととも トナーは負帯電極性を有するもので，前述の観察結果 に，今後の一成分接触現像システムの設計での新たな で最も現象が顕著に現れていたトナーAを用いた． 評価特性値を提示するための検討を行なった． Table 1 Main Specifications of the development simulator. 2. 実験 2-1 実験装置 Development Roller Diameter : 12 mm Elastic material : Urethane Rubber PET Film Thickness : 0.04 mm Permittivity : 2.9×10－11 Metal Roller Diameter : 40 mm Contact nip length : 1.1 mm Contact nip width : 60 mm 接触現像ニップ通過が感光体の表面電位に与える影 響に関する実験は，Fig.1に示す現像シミュレータを用 いて行なった．この現像シミュレータは一般的な一成 分接触現像方式の構成を再現したものであり，潜像担 2-2 持体にはPETフィルム（東レ社製メタルミー）を用い 速度設定条件 ている．PETフィルム裏面にはアルミ蒸着が施されて 主要部材の速度設定条件はTable 2に示す24種類の組 おり，金属ローラに密着して取り付けることによって み合わせとした．とくに#1～#16は，PETフィルムが接 電気的に接地される．室内照明下でも蓄えた電荷を保 触現像ニップを通過する時間と，接触現像ニップにお 持できるので，潜像状態に関する詳細な測定を行なう けるPETフィルムと現像ローラの速度差に着目したも ことができる． のである． Ricoh Technical Report No.37 111 DECEMBER, 2011 Table 2 2-4 Experimental conditions of the development simulator. Speed of PET film (mm/sec) Speed of dev. Roller (mm/sec) Time for passage (msec) Speed difference (mm/sec) Speed of PET film (mm/sec) Speed of dev. Roller (mm/sec) Time for passage (msec) Speed difference (mm/sec) トナー層表面電位測定 現像動作途中に駆動を停止させた後，接触現像ニッ #1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 プ通過前と通過後の2箇所について現像ローラ上トナー 25 50 100 25 50 100 150 180 層表面電位を測定し，その差分を計算してトナー層電 182 207 257 132 157 207 257 287 44 22 11 44 22 11 7 6 位変化量⊿VTを求めた．測定は，現像バイアスVBをゼ ロとした状態で表面電位計を用いて行なった．ただし 現像によるトナー移動のない状態でのデータを取るた めに，限定した範囲の現像バイアスVB水準のみで測定 157 107 した． #9 #10 #11 #12 #13 #14 #15 #16 25 50 100 150 180 50 100 180 82 107 157 207 237 77 127 207 44 22 11 7 6 22 11 6 2-5 PETフィルム電流測定 現像動作中にPETフィルムから流れる電流Iを測定し た．測定は，金属ローラとGNDとの間にマルチメータ を接続して行なった．測定した電流Iの値は，PETフィ ルムの静電容量と接触現像ニップ通過に要した時間か らPETフィルム表面電位に換算した．ここでも現像に 57 27 よるトナー移動のない状態でのデータを取るために， 限定した範囲の現像バイアスVB水準のみで測定した． Speed of PET film (mm/sec) Speed of dev. Roller (mm/sec) Time for passage (msec) Speed difference (mm/sec) #17 #18 #19 #20 #21 #22 #23 #24 80 60 140 80 120 150 100 140 205 155 215 155 165 177 105 140 14 18 8 14 9 7 11 8 125 95 75 75 45 27 5 0 3. 実験結果 3-1 現像バイアスと表面電位変化量の関係 Fig.2は，接触現像ニップ通過後のPETフィルム表面 電位VPETおよび通過前後でのトナー層電位変化量⊿VT について，現像バイアスVBに対する変化挙動を表した 2-3 グラフの代表例である．PETフィルム表面電位VPETの PET表面電位測定 データは，2-3で説明した方法によるVPET（実測値）と， 現像動作途中に駆動を停止させた後，接触現像ニッ 2-5で説明した方法によるVPET （換算値）の両方をプ プ通過後のPETフィルム表面電位VPETを測定した．測 ロットしたが，ともに現像バイアスVBに依存して直線 定は，金属ローラを接地した状態で表面電位計を用い 的に変化した．一方で，現像ローラ上トナー層電位は て行なった．現像バイアスVB水準によってはトナーが 接触現像ニップ通過前後で殆ど変化せず，現像バイア 現像されてPETフィルム表面に付着してしまうが，エ スVBの影響を受けることもなかった．なお，この所見 アーブロー清掃によって付着トナーを除去した後の表 は全ての実験データに共通して確認されたものである． 面電位を測定した． Ricoh Technical Report No.37 112 DECEMBER, 2011 Potential Changes VPET （Measured） High 速度条件の影響 3-2 #1から#16の速度条件について，現像バイアスVBに VPET （Converted） 対するPETフィルム表面電位VPET実測値の関係を示し ⊿VT たものがFig.4である． 0 Fig.4では現像ローラとPETフィルムの速度差（以下， 現像速度差βと呼ぶ）によってグラフ(A)から(D)に分 High 類し，それぞれに接触現像ニップ通過時間tの影響を表 Developing Bias VB #1:t=44 msec #2:t=22 msec #3:t=11 msec Relationship between developing bias and amount of surface potentials changes. 400 Fig.3には，全速度条件におけるVPET （実測値）と Measured VPET （V） VPET（換算値）の相関関係を示した．様々の速度条件 下であっても両者はほぼ合致した． Converted VPET （V） 400 300 300 200 100 0 200 (A) Speed difference β=157 mm/sec 100 0 100 200 300 Measured VPET （V） Relationship between measured VPET and converted VPET. 200 100 0 -100 -200 0 200 400 Developing Bias VB （V） (B) Speed difference β=107 mm/sec #14:t=22 msec #15:t=11 msec #16:t= 6 msec 400 400 これらのことから，接触現像ニップ通過によるPET フィルム表面電位の変化は，現像ローラに印加された 現像バイアスがトナー層を介してPETフィルムに充電 300 200 100 される現象であり，PETフィルム表面電位VPETは接触 現像ニップを通過する時間内にPETフィルムに注入さ 0 -100 -200 0 200 400 Developing Bias VB （V） れた電荷量によって決まるものと言える． そこでFig.2のグラフ中の近似直線の傾きを注入効率 αと定義し，PETフィルムへの電荷注入しやすさを示 (C) Speed difference β=57 mm/sec す数値指標として用いることにした． Fig.4 Ricoh Technical Report No.37 300 # 9:t=44 msec #10:t=22 msec #11:t=11 msec #12:t= 7 msec #13:t= 6 msec 400 Measured VPET （V） Fig.3 400 -100 -200 0 200 400 Developing Bias VB （V） 0 #4:t=44 msec #5:t=22 msec #6:t=11 msec #7:t= 7 msec #8:t= 6 msec Measured VPET （V） Fig.2 Measured VPET （V） 0 113 300 200 100 0 -100 -200 0 200 400 Developing Bias VB （V） (D) Speed difference β=27 mm/sec Relationship between developing bias and measured VPET in various speed conditions. DECEMBER, 2011 した．その結果，各グラフに共通して，注入効率αが ここでは，RTによって式(1)を実験データにフィッ 接触現像ニップ通過時間tの順に並んでいることが確認 ティングさせているが，現像速度差βごとに異なるRT された．また現像速度差βの異なるグラフ間比較でも， の値を選択することで，全ての実験データを近似曲線 現像速度差βが小さいほど注入効率αも小さくなると の変化挙動にほぼ一致させることができた． いう傾向が見られた． RT = 5.4×108 Ω RT = 2.6×108 Ω 8 RT = 3.5×10 Ω 1.0 4. 充電モデル考察 0.8 等価回路モデルとその検証 ここまでの実験結果から，接触現像ニップ内におけ 0.4 るPETフィルムの静電容量CPETとトナー層の抵抗RTの β= 157 mm/sec β= 107 mm/sec β= 57 mm/sec β= 27 mm/sec 0.2 直列回路による充電モデルを考えた． CPET RT = 1.0×109 Ω 0.6 α 4-1 0.0 0.E+00 2.E-02 4.E-02 6.E-02 8.E-02 1.E-01 RT t （sec） VPET VT Fig.6 Relationship between t and α. VB これは，PETフィルム静電容量CPETとトナー層抵抗 Fig.5 Equivalent circuit of the development process. RTの直列という簡単な等価回路によって現象が表され， 式(1)の関係が成立していることを裏付けるものである． Fig.5の等価回路による充電特性の式をもとに，注入 従ってトナー層抵抗RTの値は式(1)を変形させて得た式 (2)から求めることができる． 効率αは接触現像ニップ通過時間tの関数として式(1) で表される． V PET α= = 1 e VB RT = - t C PET R T t C PET Log(1-α) (2) (1) 4-2 実験では注入効率αの値は時間tだけでなく現像速度 トナー層の動的抵抗 差βでも変化していたことから，式(1)中に現像速度差 次に#1から#24の全実験データについて，接触現像 βによって変動する可能性のあるものを探すと，ト ニップ通過時間t，PETフィルム静電容量CPET，および ナー層抵抗RTのみがそれに該当する．従ってこのモデ 実験結果として得られた注入効率αから，式(2)を用い ルでRTは定数ではなく，現像速度差βによって変化す てトナー層抵抗RTを計算した．得られたRTの値と現像 るパラメータであると言える． 速度差βとの相関関係グラフをFig.7に示す． モデルの検証は，Fig.4の実験データにおいて式(1)の またグラフには，比較用データとしてトナーBを用 示す関係が成り立っていたか否かを確認することによ いた同様実験の結果も併せてプロットした．このト り行った．まず#1から#16の速度条件について注入効 ナーBは，第1章に記した感光体表面電位観察の際に， 率αの値を求め，接触現像ニップ通過時間tとの関係を トナーAに比べて電位変化が小さかったものである． プロットした．そこに式(1)を当てはめて近似曲線を引 いたものがFig.6である． Ricoh Technical Report No.37 114 DECEMBER, 2011 1.E+10 4-3 toner B toner A 制御因子の効果予測 式(1)に，tとCPETの算出式および式(3)を代入すると RT （Ω） 式(4)が得られる． 1.E+09 - α= 1- e (4) D : PETフィルム厚 1.E+08 1.E-03 1.E-02 1.E-01 W : 接触現像ニップ幅 ε P : PETフィルム誘電率 1.E+00 Speed difference β （m/sec） Fig.7 D 0.29 -0.71 (k - 1) Y W εP υ υ : PETフィルム速度 k Relationship between Speed difference and toner layer resistance． : 速度比率（現像ローラ/PETフィルム） ここで式(4)を用いて計算することによって，速度比 kを固定したままシステム全体の速度υを変えたときの トナー層抵抗RTと現像速度差βの関係は両対数グラ 注入効率αの変化挙動を予測した．計算は，基準条件 フ上で直線を示し，近似式(3)で表される．今回の実験 である#a（トナーA使用）に対して，#b（トナーB使 7 における式中の係数Yは，トナーAが6.6×10 ，トナーB 用），#c（速度比kを低くした場合）の3条件について 7 行なった．計算に用いた数値条件をtable 3に，計算結 が9.5×10 であった． RT = Y β -0.71 果をFig.8に示す． (3) Table 3 Parameters for calculation. 現像速度差βがゼロの条件では，トナー層抵抗RTは 無限大に大きくなり，VPETは殆んど変化せず金属ロー #a #b #c PET Film ラ電流Iも流れなかった． Thickness (mm) tP 0.04 ← ← 回転している場合には，接触現像ニップ内に存在する Permittivity εP 2.9E-11 ← ← トナー層は絶縁体に近い性質を示すが，現像ローラと Speed (mm/sec) υ 72 ← ← 以上のことから，現像ローラとPETフィルムが等速 PETフィルムに速度差を設けると，トナー粒子に動き Contact NIP が生じることによってトナー層内の電荷移動が可能と Width (mm) W 60 ← ← なり，導電性が現れるものと考えられる．一般にト Speed ratio k 1.4 1.4 1.2 A B A 6.6E+7 9.5E+7 6.6E+7 ナーの電気的物性としての抵抗値測定は静的状態で行 Toner なわれるので，等速回転時のトナー層抵抗に同じとみ Sample No. なしてよい．これに対して速度差を設けた場合は，動 Dynamic resistance factor Y 的状態でのトナー層抵抗であると言える． また，係数Yはトナーによって値が異なり，感光体 表面電位変化の小さかったトナーBのほうがYの値が大 きく，トナー層動的抵抗RTも比較的高くなるという結 果になった．そこでYを動的抵抗係数と呼び，トナー層 動的抵抗RTを決定するトナー側の因子として用いるこ とにした． Ricoh Technical Report No.37 115 DECEMBER, 2011 トナー層動的抵抗RTは現像速度差に依存し，現像速 0.5 #a Reference #b Toner B #c Lower the value of k 0.4 度差がゼロ付近では絶縁体に近い性質を示すが，速度 差を大きくするほど抵抗値が低くなることから，接触 現像ニップ内でのトナーの動的な物性が関与している 0.3 α と考えられ，現像プロセスやトナー設計における新た 0.2 な特性値として留意すべきものである． 今後は，トナー層内の電荷伝搬メカニズム解明など, 0.1 トナー層動的抵抗の発現に関する検討を行なうことに 0.0 より，一成分接触現像システムの設計指針や新規制御 0 Fig.8 100 200 300 System speed υ （mm/s） 400 因子抽出に反映させていきたい． 参考文献 Calculated results of the relationship between υ and α at a constant speed ratio. 1) 今井力：一成分接触現像，電子写真学会誌，Vol.30, (1991), pp.183-193. グラフは右下がりのカーブを描き，システム速度υ 2) 細矢雅弘，斉藤三長：接触型一成分非磁性現像方 の低い領域では注入効率αが大きくなるという結果と 式 （ Ⅰ ） ， 電 子 写 真 学 会 誌 ， Vol.31, (1992), なったが，これは式(4)の示すとおりである．速度比k pp.531-541. および動的抵抗係数Yの効果の大きさも確認できるが， 3) 山口智責，竹内学：バイアス電圧印加非磁性一成 速度比kを下げることは現像トナーの最低必要量から限 分現像プロセスの特性，電子写真学会誌，Vol.36, 界があるため，動的抵抗係数Yを制御することが重要と (1997), pp.268-274. 4) 細矢雅弘ほか：一成分非磁性現像方式，電子写真 なる． 学会誌，Vol.26, (1987), pp.107-114. 5) 梶浦生也ほか：非磁性一成分現像プロセスにおけ 5. 結論 るトナー帯電量が現像特性に及ぼす影響，Imaging Conference JAPAN 2010 Fall Meeting 論文集， 一成分接触現像ニップを通過するときに潜像担持体 (2010), pp.9-12. の表面電位が変化するという現象は，現像ローラに印 加された現像バイアスが，トナー層を介して潜像担持 体の誘電層に充電されることによるものである．現像 バイアスと潜像電位変化量が線形関係であることから， グラフの傾きを潜像電位の変化しやすさを表す指標と して注入効率αと定義した．このときトナー層は単純 に電気抵抗としての挙動を示すことから，CR直列回路 の充電特性を適用でき，注入効率αは次式で表される． α= 1- e t - C PET R T t (5) : 接触現像ニップ通過時間 C PET : 潜像担持体の静電容量 R T : トナー層動的抵抗 Ricoh Technical Report No.37 116 DECEMBER, 2011