JP4678173B2 - トナー電流検出装置及びトナー電流検出方法 - Google Patents
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Description
従来から絶縁性高分子などの部材中における電荷の移動特性を測定する方法として、走行時間(Time Of Flight)法が知られている(非特許文献1)。走行時間法は、測定対象となる部材を挟む対向電極間に予め電圧を与えたうえで、光、電子線、X線等を当該部材に照射して電荷を発生させ、当該電荷の前記電圧による移動を電極間に流れる電流として検出するものである。この検出結果を用いて前記部材内における電荷の移動度(mobility)などの移動特性を測定することができる。
共立出版株式会社 高分子学会編 新高分子実験学 第9巻 高分子の物性(2)−電気・光・磁気的性質− 第1章 p.27-p.30
上記構成によれば、第1及び第2の電極間の静電容量が変化したとしても、キャパシタの静電容量をそれにあわせて変化させることができる。前記電極間の静電容量の変化要因としては、例えば、トナー層の厚み、電極間距離または電極面積の変化が挙げられる。したがって、当該トナー電流検出装置は、それらの要因を変化させて様々な条件でトナーの移動特性を測定する場合にも利用することができる。
現実の画像形成装置において、トナーが移動する箇所は、感光体ドラムと現像ローラとの間など、円筒面形状の部材間が多い。上記構成によれば、現実の部材の形状に近い条件でトナーの移動特性を測定することができる。
また、前記第1及び第2の電極の面積は、1乃至10cm2であることとしてもよい。
また、前記トナー電流検出装置は、さらに、前記第1及び第2の電極間の距離を調整する電極間距離調整機構を備えることとしてもよい。
また、前記電源は、ステップ波形状の電圧を発生することとしてもよい。
また、前記電源は、交番電圧を発生することとしてもよい。
上記構成によれば、例えば、電源は、−400Vと+800Vとを交互にとる矩形波形状の電圧を印加することができる。この場合、トナー電流の検出結果から交番電界下におけるトナーの移動度を導き出すことができる。その結果、交番電界下におけるトナーの離脱性などの往復挙動を明らかにすることができる。
回路の応答性の観点ではCR回路の時定数は小さいほうが望ましい。時定数が大きすぎれば電極間の電圧の変化が鈍くなるので、電極間の電圧を所望の電圧へと変化させる前にトナーが移動してしまうからである。時定数が1μsecより長ければこのような問題が生じる。一方、CR回路の時定数を小さくするには検出感度の観点から限度がある。時定数を小さくするには、電極面積を小さくする必要があるので、トナー電流の検出感度が悪化するからである。時定数が1nsecより短ければこのような問題が生じる。上記構成によれば、上述した回路の応答性及び電流の検出感度に関する上述の問題を回避することができる。
また、前記第1及び第2の電極、前記キャパシタ、前記第1の抵抗素子、前記第2の抵抗素子及び前記検出器、並びに、これらの間を接続する配線は、電磁波を遮断するシールド容器内に格納されていることとしてもよい。
また、前記調整ステップは、前記第1ノードと前記第2ノードとの間に交番電圧を印加しつつ、前記第1の電極と前記キャパシタの第1の端子との間の電位差が最小となるように、キャパシタの静電容量を調整することとしてもよい。
また、前記調整ステップにおいて前記交番電圧の振幅は、前記印加ステップにおける電圧の変化幅の10分の1以下であることとしてもよい。
また、前記トナー電流検出方法は、さらに、前記形成ステップの前に、前記第1及び第2の電極間に帯電トナー及びキャリア液を成分とする液体現像剤を封入するとともに、前記キャパシタの誘電体としてキャリア液を封入するステップを含むこととしてもよい。
液体現像剤には、電荷担体としてトナーのほかにキャリア液のイオンが存在する。したがって、電極間の電圧印加に伴って、トナー電流、充電電流のほかに、イオンの移動による電流(以下、「イオン電流」という。)も流れる。上記構成によれば、第1及び第2の電極間には充電電流、トナー電流及びイオン電流の合成電流が流れ、キャパシタには充電電流及びイオン電流の合成電流が流れる。したがって、当該トナー電流検出方法は、トナー電流のみを検出することができる。
上記構成によれば、トナー層を容易に形成することができる。
(実施の形態1)
<構成>
図1は、実施の形態1に係るトナー電流検出装置の構成を示す図である。
トナー電流検出装置は、対向電極対c1、キャパシタc2、抵抗素子r1、r2、可変電圧電源4、差動増幅器5、電圧検出部6及びシールド容器7からなる。
キャパシタc2は、可変容量キャパシタである。キャパシタc2の静電容量は、トナー電流の検出時においては電極11にトナー層tが形成されたときの電極11及び電極12間の静電容量と略等しくなるように調整される。
電圧検出部6は、差動増幅器5が出力した信号電圧を検出し、検出結果をデジタル信号に変換して外部に出力する。
<動作手順>
図2は、実施の形態1に係るトナー電流検出装置の動作手順を示す図である。
キャパシタc2の静電容量の調整後、トナー電流の検出を行う。そのために、ユーザは可変電圧電源4に本番電圧を印加させ(ステップS17)、本番電圧印加中における電圧検出部6の検出結果を取得し(ステップS18)、その後本番電圧の印加を停止する(ステップS19)。本番電圧は、例えば、0Vから800Vへ変化するステップ波形状や、−400Vと+800Vとを交互にとる矩形波形状とすることができる。本番電圧の印加中には、対向電極対c1の電極11と電極12間にはトナー電流及び充電電流の合成電流が流れ、キャパシタc2にはキャパシタc1の充電電流と略同じ充電電流が流れる。したがって、電圧検出部6は、トナー電流のみによる信号電圧を検出することができる。
<検出例>
次に、実施の形態1に係るトナー電流検出装置を用いて実際に電流を検出した例を示す。ここで、対向電極対c1については、電極11、12の面積を、それぞれ約3cm2とし、電極間距離を150μmとしている。トナー層については、粒径約6.5μmのトナーをキャリアとの混合により帯電させ、磁気ブラシ現像法により形成している。この例ではトナー付着量は約4.5g/m2であった。
図3(a)は、トナー電流を検出するときに印加される本番電圧を示す。第1の検出例では、本番電圧を0Vから800Vに変化するステップ波形状とする。
図3(b)は、キャパシタc2の静電容量を対向電極対c1の電極11と電極12との間の静電容量と略同一になるように調整した場合に、電圧検出部6の検出結果から得られた電流を示す。
一方、図3(b)では充電電流がほとんど検出されていないことが明らかである。したがって、ユーザは、本実施の形態に係るトナー電流検出装置を用いることでトナー電流のみを読み取ることができる。
図4(a)は、トナー電流を検出するときに印加される本番電圧を示す。第2の検出例では、本番電圧を−400Vと+800Vとをとる矩形波形状とする。
図4(b)は、キャパシタc2の静電容量を対向電極対c1の電極11と電極12間の静電容量と略同一になるように調整した場合に、電圧検出部6の検出結果から得られた電流を示す。
(実施の形態2)
<構成>
実施の形態1では、乾式トナーのトナー電流を検出する装置を説明した。実施の形態2では、液体現像剤におけるトナー電流を検出する装置を説明する。
トナー電流検出装置は、対向電極対c1、キャパシタc2、抵抗素子r1、r2、可変電圧電源4、差動増幅器5、電圧検出部6及びシールド容器7からなる。実施の形態2のトナー電流検出装置は、実施の形態1のトナー電流検出装置と回路上の構成は同じである。ただし、実施の形態2では液体現像剤を取り扱うため、対向電極対c1は、液体を封入できる構造である必要がある。したがって、電気泳動セルと同様の構成を持つものが好ましく、実施の形態2においても、上述の特開2001−264294号公報に開示されている電気泳動セルを用いることができる。
<動作手順>
図6は、実施の形態2に係るトナー電流検出装置の動作手順を示す図である。
<検出例>
次に、実施の形態2に係るトナー電流検出装置を用いて実際に電流を検出した例を示す。ここで、対向電極対c1については、電極11、12の面積を、それぞれ約1cm2とし、電極間距離を15μmとしている。キャパシタc2についても同様である。液体現像剤については、粒径約3.5μmのトナーを誘電体液体(モレスコホワイトP120:松村石油研究所社)と分散剤(ソルスパース3000:アビシア社)からなるキャリア液に24重量パーセントとなるように分散したものを用いた。
図7(a)は、トナー層を形成するとき及びトナー電流を検出するときに印加される電圧を示す。当該検出例では、印加電圧を−50Vから150Vに変化するステップ波形とする。−50Vのときにトナー層が形成され、150Vのときにトナー電流が検出される。
(1)実施の形態1では対向電極対c1の電極として平行平板を用いたが、これに限らない。例えば、円筒面形状の電極を用いても構わない。
当該トナー電流検出装置は、実施の形態1のトナー電流検出装置と回路上の構成は同じである。対向電極対c1は、電極31と電極32とが所定の間隔で対向配置されることにより形成される。電極31、32は、それぞれ円筒面形状を有する。
現実の画像形成装置において、トナーが移動する箇所は、感光体ドラムと現像ローラとの間など、円筒形状の部材間が多い。このように対向電極対c1の電極を円筒面形状にすることにより、現実の部材の形状に近い条件でトナーの移動特性を測定することができる。
(2)実施の形態では対向電極対c1の電極の素材については特に言及していないが、トナー層が形成される電極のトナー形成面は導電性弾性体(例えば導電性ゴム)で構成されていてもよい。例えば、図8において、電極31は、導電性弾性体層31aと導電性基板31bとの二層構造になっている。現実の画像形成装置では、現像ローラなど導電性弾性体層にトナーを付着するものがある。このように、電極のトナー形成面を導電性弾性体で構成することにより、現実の部材の材質に近い条件でトナーの移動特性を測定することができる。
(3)実施の形態で説明したトナー電流検出装置では、対向電極対c1と抵抗素子r1とでCR回路が形成されている。また、キャパシタc2と抵抗素子r2とでCR回路が形成されている。回路の応答性の観点ではCR回路の時定数は小さいほうが望ましい。時定数が大きすぎれば電極間の電圧の変化が鈍くなるので、電極間の電圧を所望の電圧へと変化させる前にトナーの移動が完了してしまうという事態が生じうるからである。時定数が1μsecより長ければこの問題が生じる。一方、CR回路の時定数を小さくするには検出感度の観点から限度がある。時定数を小さくするには、電極面積を小さくする必要があるので、電流の検出感度が悪化するからである。時定数が1nsecより短ければこの問題が生じる。
(4)実施の形態では、対向電極対c1の各電極の面積を1cm2の場合と3cm2の場合とで説明しているが、これに限らない。しかしながら、対向電極対c1の極板面積が1cm2を下回ると測定精度が不十分となりやすく、また、10cm2を上回るとトナー層を均一に形成しにくくなりやはり測定精度が不十分となりやすい。また、現実の画像形成装置において、電界が作用する領域の面積は、感光体ドラムと現像ローラとの間など、1乃至10cm2の範囲内(より詳しくは1乃至3cm2の範囲内)にあることが多い。したがって、現実の画像形成装置と同様の条件でトナー電流を検出する観点から、対向電極対c1の極板面積を1乃至10cm2の範囲内とするのが望ましい。
(5)実施の形態では、対向電極対c1の両電極のうち電極11にトナー層tを形成しているが、これに限らず、電極12にトナー層tを形成してもよい。
c2 キャパシタ
r1、r2 抵抗素子
4 可変電圧電源
5 差動増幅器
6 電圧検出部
7 シールド容器
8、9
11、12、31、32 電極
31a 導電性弾性体層
31b 導電性基板
Claims (15)
- 帯電トナーが移動することにより生じるトナー電流を検出するトナー電流検出装置であって、
相対向する第1及び第2の電極からなり、第1の電極が第1の抵抗素子を介して第1ノードに接続され、第2の電極が第2ノードに接続されている対向電極対と、
前記第1及び第2のいずれかの電極に帯電トナーが堆積されたときの両電極間の静電容量と等しい静電容量を有し、第1の端子が前記第1の抵抗素子と等しい電気抵抗を有する第2の抵抗素子を介して前記第1ノードに接続され、第2の端子が前記第2ノードに接続されているキャパシタと、
前記第1ノードと前記第2ノードとの間に電圧を印加するための電源と、
前記第1の電極と前記キャパシタの第1の端子との間の電位差を検出することにより前記第1及び第2の電極間を流れるトナー電流を検出する検出器と
を備えることを特徴とするトナー電流検出装置。 - 前記キャパシタは、可変容量キャパシタであることを特徴とする請求項1に記載のトナー電流検出装置。
- 前記第1及び第2の電極は、円筒面形状であることを特徴とする請求項1に記載のトナー電流検出装置。
- 前記第1及び第2の電極の面積は、1乃至10cm2であることを特徴とする請求項1に記載のトナー電流検出装置。
- 前記トナー電流検出装置は、さらに、前記第1及び第2の電極間の距離を調整する電極間距離調整機構を備えることを特徴とする請求項1に記載のトナー電流検出装置。
- 前記電源は、ステップ波形状の電圧を発生することを特徴とする請求項1に記載のトナー電流検出装置。
- 前記電源は、交番電圧を発生することを特徴とする請求項1に記載のトナー電流検出装置。
- 前記第1及び第2の電極間と前記第1の抵抗素子とから構成されるCR回路の時定数は、1nsec以上1μsec以下であることを特徴とする請求項1に記載のトナー電流検出装置。
- 前記第1の電極と前記第1の抵抗素子とを接続する配線長と前記キャパシタの第1の端子と前記第2の抵抗素子とを接続する配線長とが同一であり、
前記第1の抵抗素子を第1ノードに接続する配線長と前記第2の抵抗素子を第1ノードに接続する配線長が同一であり、
前記第2の電極と前記第2ノードとを接続する配線長と前記キャパシタの第2の端子と前記第2ノードとを接続する配線長とが同一であり、
前記第1の電極と前記検出器とを接続する配線長と前記キャパシタの第1の端子と前記検出器とを接続する配線長とが同一であること
を特徴とする請求項1に記載のトナー電流検出装置。 - 前記第1及び第2の電極、前記キャパシタ、前記第1の抵抗素子、前記第2の抵抗素子及び前記検出器、並びに、これらの間を接続する配線は、電磁波を遮断するシールド容器内に格納されていることを特徴とする請求項1に記載のトナー電流検出装置。
- 帯電トナーが移動することにより生じるトナー電流を検出するトナー電流検出方法であって、
相対向する第1及び第2の電極からなり、第1の電極が第1の抵抗素子を介して第1ノードに接続され、第2の電極が第2ノードに接続されている対向電極対において、前記第1及び第2のいずれかの電極に帯電トナー層を形成する形成ステップと、
前記形成ステップの後に、第1の端子が前記第1の抵抗素子と等しい電気抵抗を有する第2の抵抗素子を介して前記第1ノードに接続され、第2の端子が前記第2ノードに接続されているキャパシタにおける静電容量を、前記第1及び第2のいずれかの電極に帯電トナー層が形成されたときの両電極間の静電容量と等しい静電容量となるように調整する調整ステップと、
前記調整ステップの後に、前記第1ノードと前記第2ノードとの間に電圧を印加する印加ステップと、
前記第1の電極と前記キャパシタの第1の端子との間の電位差を検出することにより前記第1及び第2の電極間を流れるトナー電流を検出する検出ステップと
を含むことを特徴とするトナー電流検出方法。 - 前記調整ステップは、
前記第1ノードと前記第2ノードとの間に交番電圧を印加しつつ、前記第1の電極と前記キャパシタの第1の端子との間の電位差が最小となるように、キャパシタの静電容量を調整すること
を特徴とする請求項11に記載のトナー電流検出方法。 - 前記調整ステップにおいて前記交番電圧の振幅は、前記印加ステップにおける電圧の変化幅の10分の1以下であることを特徴とする請求項11に記載のトナー電流検出方法。
- 前記トナー電流検出方法は、さらに、前記形成ステップの前に、前記第1及び第2の電極間に帯電トナー及びキャリア液を成分とする液体現像剤を封入するとともに、前記キャパシタの誘電体としてキャリア液を封入するステップを含むことを特徴とする請求項11に記載のトナー電流検出方法。
- 前記形成ステップは、第1及び第2の電極間に電圧を印加することにより帯電トナーをいずれかの電極に堆積させることを特徴とする請求項14に記載のトナー電流検出方法。
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