JP5151940B2 - 分級装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真法、静電記録法、静電印刷法、またはトナージェット方式記録法の如き画像形成方法に用いられるトナーの分級装置に関する。

トナーの製造法としては粉砕法及び重合法に大別される。粉砕法による一般的な製造方法としては、転写材に定着させるための結着樹脂、トナーとしての色味を出させる着色剤が使用され、必要に応じてトナー粒子に電荷を付与させるための荷電制御剤、トナー自身に搬送性などを付与するための磁性材料や、離型剤、流動性付与剤などの添加剤を加えて混合し、溶融混練して冷却固化した後、混練物を粉砕手段により微細化し、分級手段により所望の粒度分布に分級したり、更に流動化剤などを添加したりして、画像形成に供するトナーとしている。また、二成分現像方法に用いるトナーの場合には、各種磁性キャリアと上記トナーとを混合した後、画像形成に供する。
近年、高速印字のためにトナー材料として、低融点樹脂そして高解像度を得るために小粒径で離型剤（ワックス）を含有したトナーが増えてきている。特に粒径２μｍ以下のトナー粒子は耐熱保存性、地肌汚れ、感光体へのフィルミング等の副作用を発生させトナー粒子中への混入削減が課題となっている。
図４は、トナーの粉砕（（含む粗粉分級）〜分級工程（微粉））から微粉分級までの説明図である。粉砕原料（４１）は、粗粉分級手段を備えた粉砕手段（４２）により閉回路粉砕を繰り返して粉砕され、規定粒度よりも大きい粒度の粗粉は再び粉砕される。粉砕手段には、公知の気流式粉砕機や機械式粉砕機等が使用される。粉砕された原料は、分級手段（４３）によって目的とする分級物（４４）と微粉（４５）とに分けられる。分級手段（４３）には後述する多分割気流式分級機や鉛直軸式の空気分流機公知の各種分級機が使用される。

トナー分級装置は、羽根車型でない分級装置と、羽根車型の分級装置とに分けることができる。羽根車型のトナー分級装置には、後述する図１に示されているＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ）と称される風力分級機がある。ＴＴＳＰは、回転するロータに設けられた羽根による遠心力（粗粉収集・取り出し）とファン吸引力による求心力（回転軸周辺部からの微粉収集・取り出し）との均衡によって分級を行うものであり、一つのケーシング内で片側を支承されていてモータで駆動可能な２つの羽根車型分級ロータを有し、同軸上の該各分級ロータが、その軸方向の第一の端部において閉じられたカバー円板を有し、且つその軸方向の第二の端部において微粒物若しくは中粒物の取り出し機構を有し各分級ロータの互いに向き合う端部間において、分級ロータ両方の第一の端部は端面が互いに向き合うように配置されていて、軸方向に微小な流動空間を形成している軸方向に微小な流動空間を形成しているものである。

また、近年、高画質の要請から、現像、転写工程でドット変動が少ないためにドット再現性に優れる小粒径分布なトナーが求められている。このため、製造装置として、粒子径２μｍ以下のトナーを精度良く分級して粒子径３〜４μｍのトナーを製品側に効率良く回収し、平均粒子径５μｍ程度のトナーを高い収率で得ることができる装置が求められている。
また、近年では特に次のような要請により、付着、融着し易いトナーが用いられている。すなわち、（１）消費エネルギー低減の観点から、トナーの低温定着化、（２）カラートナーにおいては、混色性の要請から低軟化点のバインダー樹脂を使用する、（３）オイルレス定着に対応した、離型剤を含有したトナー、が求められている。
これらのトナー分布の内、特に粒径２μｍ以下のトナー粒子は耐熱保存性、地肌汚れ、感光体へのフィルミング等の副作用を発生させトナー粒子中への混入削減が課題となっており、このため粒径２μｍ以下のトナーを取り除くシャープな分級が求められている。

上述したＴＴＳＰにおいても、ロータ周速の最大値が概略６５ｍ／ｓでは、二成分トナー又は非磁性一成分トナーを分級すると、トナーの質量が小さすぎて粒子径３〜４μｍのトナーまでも微粉として分級され、製品から取り除かれてしまう問題があった。
また、特許文献１に開示された分級装置において、仮にロータ軸を改良しロータ周速を７０ｍ／ｓ以上に改良できたとしても、ロータの遠心力作用によって、渦巻部材２７に製品となるトナーが貼り付けられる確率が高く、さらに出口短管１８の付根の製品出口部が狭いため、トナー付着、トナー融着による排出性が問題であった。
ＴＴＳＰにおける連続稼働時の課題は、以下に示すとおりである。
（１）粒子径３〜４μｍのトナーを微粉として多量に分級してしまい、これらが製品から取り除かれることにより製品収率が低下する。
（２）渦巻部材内面に製品トナーが停滞することで固着の発生や、固着物が脱離して粗粒側（製品側）に混入する。
（３）分級室において、トナー付着によりトナーの滞留時間が不安定になり分級精度が低下する。
分級装置、分級装置を用いたトナーの製造方法は、特許文献２ないし６にも開示されているが、分級精度がより向上した分級装置が求められている。

特開２００８−０２６４５７号公報 特開２００４−１９８６４０号公報 特開２００１−２９３４３８号公報 特開２００６−２９３２６８号公報 ＷＯ２００４／０８８４３１号公報 特開２００８−１６１８２３号公報

本発明の目的は、機械的遠心力型風力分級機（ＴＴＳＰ；タンデムトナーセパレータ）の風力分級機における上記の問題点を解決し、長期にわたって該機械的遠心力型風力分級機を含むトナー製造設備機内にトナー付着がなく、安定した分級粒度の確保ができ、トナーを高処理量かつ高収率で生産できるトナーの製造設備、製造方法を提供することにある。

すなわち、以下の１ないし５の発明によって、上記課題は解決される。
１．本発明の分級装置は、羽根車型の二段式重ね分級機（通称ＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ））における上下分級ロータ内の上部カバー円板の貫通孔の径と下部カバー円板の貫通孔の径とが異なり、上記上部カバー円板の貫通孔の断面積Ａ１と上記下部カバー円板の貫通孔の断面積Ａ２とが、Ａ１＞Ａ２の関係にあることを特徴とする。
２．本発明の分級装置は、上記１に記載の分級装置おいて、羽根車型の二段式重ね分級機（通称ＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ））の上部カバー円板の貫通孔を通過するブロワーの静圧Ｐ１と下部カバー円板の貫通孔を通過するブロワーの静圧Ｐ２とが、Ｐ１＜Ｐ２の関係にあることを特徴とする。
３．本発明の分級装置は、上記１又は２に記載の分級装置において、羽根車型の二段式重ね分級機（通称ＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ））の上下分級ロータ内の上部カバー円板の貫通孔と下部カバー円板の貫通孔とに短管を装着することを特徴とする。
４．本発明の分級装置は、上記１乃至３のいずれかに記載の分級装置において、羽根車型の二段式重ね分級機（通称ＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ））の上下分級ロータ内上部カバー円板の貫通孔の高さＨ１と下部カバー円板の貫通孔の高さＨ２とが、Ｈ１＞Ｈ２の関係にあることを特徴とする。
５．本発明の分級装置は、上記１乃至４のいずれかに記載の分級装置において、羽根車型の二段式重ね分級機（通称ＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ））の分級機出口におけるマイナス静圧ＰＳ１と出口配管におけるマイナス静圧ＰＳ２とが、ＰＳ１＜ＰＳ２の関係にあることを特徴とする。

本発明の分級装置を用いると、安定した分級粒度を確保することができ、長期にわたって粒径２μｍ以下の微粉を効率よくシャープに分級し、製品から取り除くことができるので、分級精度、分級歩留が向上し、高処理量かつ高収率で生産できるトナーの製造設備が提供される。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明における最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。
本発明の分級装置は、機械的遠心力型風力分級機（ＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ））と称される羽根車型の分級機を有する。図１、図２及び図３を参照して本発明に係る分級機の一例を説明する。図１は、本発明に係るＴＴＳＰ型トナー分級機全体の内部構造を示す斜視図、図２は、図１の一部切り欠き部分拡大図、図３は、図１に示すＴＴＳＰにおける円板カバー部の説明図である。
先に説明したように、図１に示すＴＴＳＰは、一つのケーシング内で片側を支承されていてモータで駆動可能な２つの羽根車型分級ロータを有し、同軸上の該各分級ロータが、その軸方向の第一の端部において閉じられたカバー円板を有し、且つその軸方向の第二の端部において微粒物若しくは中粒物の取り出し機構を有し各分級ロータの互いに向き合う端部間において、分級ロータ両方の第一の端部は端面が互いに向き合うように配置されていて、軸方向に微小な流動空間を形成している軸方向に微小な流動空間を形成しているものである。

すなわち、図１に示す分級機（１）は、分割可能で且つ蝶番（２）を介して矢印（Ｒ）方向に開き旋回可能なケーシングから成っており、このケーシングは、上方のケーシング半部（３）と、下方のケーシング半部（４）とを有していて、それぞれ分級ロータ（５）及び（９）を収容している。同図ではケーシング半部が閉じた状態を示している。分級ロータ（５）は、上方のケーシング半部（３）内で、その駆動軸（７）が不図示の軸受け部内に回転可能に嵌合されている。分級ロータ（５）の駆動は駆動モータ（８）によって行われ、この駆動モータ（８）は伝達機構（８’）を介して駆動軸（７）及び分級ロータ（５）と接続されている。
同様にして、上方のケーシング半部（３）と同軸上に対称的に向き合っている下方のケーシング半部（４）において、分級ロータ（９）は、その駆動軸（１０）が不図示の軸受け部内に回転可能に嵌合されている。分級ロータ（９）の駆動は駆動モータ（１２）によって行われ、この駆動モータ（１２）は伝達機構（１２’）を介して駆動軸（１０）及び分級ロータ（９）と接続されている。

各分級ロータ（５）及び（９）は、片側を支承されている分級ロータであり、それぞれの駆動軸（７）及び（１０）、微粒物取出室（１４）及び（１３）、並びに不図示の軸受け部は、軸方向外方（上下端側）に対称に配置されている。また、それぞれ逆の側（軸方向中央側）に、閉じたカバー円板（１６）及び（１５）を有している。分級ロータ（５）及び（９）の軸方向外方側にはそれぞれ粗粒物−排出リング（セントリフューガルリング）（２８）及び（２９）が配設されている。
分級ロータ（５）の上側には、短管（１７）が配置されており、この短管（１７）を介して、分級される粒状物（Ｔ）（原料）が円周範囲の一つの箇所から装入される。粗粒物のための出口短管（粗粒（製品）排出口）（１８ｂ）は、分級ロータ（９）の下側に配置されている。分級空気の供給は、分級ロータ（５）及び（９）の円周において、両方の接線方向側に開口した分級空気供給部（１９）及び（２０）を介して行われる。

分級ロータ（５）及び（９）は、分級機（１）内で同軸上に対称的に向き合って配置されており、それぞれのカバー円板（１６）及び（１５）は間隔をおいて互いに平行な平面内にある。この状態で、分級ロータ（５）及び（９）は同方向に回転する。そして、分級ロータ（５）及び（９）の回転数を同一に調整することにより、微粒物と粗粒物とに分級することができる。さらに、分級ロータ（５）及び（９）の回転数を異ならせて調整することにより、例えば微粒物取出室（１４）からは微粒物を、微粒物取出室（１３）からは中粒物を、そして出口短管（１８ｂ）からは粗粒物を、それぞれ取り出すことができる。なお、分級ロータ（５）及び（９）が互いに逆方向に回転する構成とすることもできる。上記カバー円板（１６）及び（１５）の間には流動空間（Ｂ）が形成されている。

この分級機（１）は、各分級ロータ（５）及び（９）の外周面に接する円筒状の分級空間（分級室）（２６）内には分級ロータ外周面から半径方向外側に間隔をおいて分級ロータ（５）及び（９）と同軸状に配置された円環状部材（ベーンリング）に螺旋状の渦巻部材（２７）を備えている（分級ロータ（９）のための渦巻部材は図１では省略されている）。渦巻部材（２７）は、分級空間（２６）内部における被分級物の滞留時間と凝集を制御するための部材で、帯状部材を螺旋状に形成しベーンリングとして構成してあり、ケーシング半部（３）及び／又は（４）の内周部に固定され、分級空間（２６）の高さ方向に延びている。渦巻部材（２７）の内周部と分級羽根環（８）の外周部の間には微小な間隙が形成されている。

図２及び図３において、（１６１）は上部カバー円板（１６）の貫通孔、（１５１）は下部カバー円板（１５）の貫通孔、（１６２）及び（１５２）は短管を示し、Ｐ１は貫通孔（１６１）を通過するブロワーの静圧、Ｐ２は貫通孔（１５１）を通過するブロアーの静圧を示す。図３において、Ａ１及びＨ１は貫通孔（１６１）の断面積及び高さを示し、Ａ２及びＨ２は貫通孔（１５１）の断面積及び高さを示す。
以上のように構成された分級機の上分級ロータ内カバー円板の貫通孔の径と下分級ロータ内カバー円板の貫通孔の径が異なる関係とすることにより、ロータ回転によって発生する遠心力が上下共に同一であっても貫通孔の径変更によって向心力の調整が可能となりシャープな分級を効率良く行うことができる。このため、下部ロータにおいて必要以上の微粉カットを防止することができ、さらに微粉内への製品の飛び込みが防止できることで、分級精度が高く高収率で製品を確保することが可能となる。

貫通孔の断面積Ａ１とＡ２とは、Ａ１＞Ａ２の関係にあることが好ましく、０．８０×Ａ１≦Ａ２≦０．９８×Ａ１であることがより好ましい。Ａ１＞Ａ２とすることで下部ロータの向心力が緩和され分級点が小粒径側にシフトする。したがって、分級ロータ周速を最大にしなくても、周速４０〜６０ｍ／ｓ程度で目的とする製品を得ることができる。また、出口短管１８ｂの付根の製品出口部が狭さによって停滞するトナーの排出性が向上し、シャープな分級精度を効率良く得ることができる。
貫通孔からの吸引条件としては、上部カバー円板の貫通孔（１６１）を通過するブロワーの静圧Ｐ１（ｋＰａ）と下部カバー円板の貫通孔（１５１）を通過するブロワーの静圧Ｐ２（ｋＰａ）とが、Ｐ１＜Ｐ２の関係にあることが好ましく、Ｐ２−０．３ｋＰａ≦Ｐ１≦Ｐ２−０．１ｋＰａとすることがより好ましい。Ｐ１＜Ｐ２とすることで下部ロータの向心力は著しく向上し、よりシャープな分級制度をより低速で効率良く得ることができる。Ｐ２は、１５〜２５ｋＰａ程度とすることができる。

図３に示すように、貫通孔（１６１）及び（１５１）には、ロータ内側に位置する貫通孔開口部の内周に短管（１６２）及び（１５２）を装着することが好ましい。貫通孔を通過する向心力によって微粉中に含まれる製品が短管リングをはい上がる際、短管がねずみ返しのように機能するため、製品分を微粉側に取り込まないことが可能となる。短管の高さは、１〜２５ｍｍ程度とすることができる。
貫通孔の高さＨ１とＨ２とは、Ｈ１＞Ｈ２の関係にあることが好ましく、１．１×Ｈ２≦Ｈ１≦１．３×Ｈ２とすることがより好ましい。Ｈ１＞Ｈ２とすることで、下部ロータ（分級ロータ（９））の下側に配置されている製品排出機構（出口短管（１８ｂ））からの排出により上部ロータ周辺でのトナー濃度が上昇し、このトナー濃度上昇によって上部ロータ貫通孔からの製品通過を防止することができ、分級精度及び歩留の向上が可能となる。貫通孔の高さＨ１は、５〜５０ｍｍ程度とすることができ、好ましくは１５〜３５ｍｍである。

また、分級機出口近傍（１８ａ）におけるマイナス静圧ＰＳ１と出口配管（１８ｂ）におけるマイナス静圧ＰＳ２とが、ＰＳ１＜ＰＳ２の関係にあることが好ましい。すなわち、分級装置の出口配管の引圧を分級機内圧よりもマイナス側へ低くすることが好ましい。ＰＳ１とＰＳ２との関係は、ＰＳ２−０．４ｋＰａ≦ＰＳ１≦ＰＳ２−０．０５ｋＰａであることがより好ましい。
ＰＳ１＜ＰＳ２とすることで、排出管内の引圧が高まり、分級機内で分級されたトナーがスムーズに出口配管に排出されるので、トナー付着防止に良好な結果が効率的に得られる。ＰＳ１＜ＰＳ２とする手段としては、出口配管にホース等を接続し吸引することなどが挙げられる。ＰＳ２は、−０．０５〜−０．４ｋＰａ程度とすることができる。

次に、既述した実施形態での効果を実施例により以下に説明する。先ず、本発明の効果を確認するために粉粒体の付着発生の過多・分級品の収率等を評価する方法について、以下に説明する。粒径分布の測定はコールター法による。コールターカウンター法によるトナー粒子の粒度分布の測定装置としては、コールターカウンターＴＡ−ＩＩやコールターマルチサイザーＩＩ（いずれもコールター社製）が挙げられる。
以下に測定方法について説明する。
まず、電解水溶液１００〜１５０ｍｌ中に分散剤として界面活性剤（好ましくはアルキルベンゼンスルフォン酸塩）を０．１〜５ｍｌ加える。ここで、電解液とは１級塩化ナトリウムを用いて約１％ＮａＣｌ水溶液を調製したもので、例えばＩＳＯＴＯＮ−ＩＩ（コールター社製）が使用できる。ここで、更に測定試料を２〜２０ｍｇ加える。試料を懸濁した電解液は、超音波分散器で約１〜３分間分散処理を行ない、前記測定装置により、アパーチャーとして１００μｍアパーチャーを用いて、トナー粒子又はトナーの体積、個数を測定して、体積分布と個数分布を算出する。得られた分布から、トナーの重量平均粒径（Ｄ４）、個数平均粒径を求めることができる。

チャンネルとしては、２．００〜２．５２μｍ未満；２．５２〜３．１７μｍ未満；３．１７〜４．００μｍ未満；４．００〜５．０４μｍ未満；５．０４〜６．３５μｍ未満；６．３５〜８．００μｍ未満；８．００〜１０．０８μｍ未満；１０．０８〜１２．７０μｍ未満；１２．７０〜１６．００μｍ未満；１６．００〜２０．２０μｍ未満；２０．２０〜２５．４０μｍ未満；２５．４０〜３２．００μｍ未満；３２．００〜４０．３０μｍ未満の１３チャンネルを使用し、粒径２．００μｍ〜４０．３０μｍ未満の粒子を対象とする。粒径２μｍ以下の粒子の含有率の測定はシスメックス社製のＦＰＩＡ−２１００を用いた。

実施例１ないし６及び比較例６
＜トナー製造例＞
結着樹脂：ポリエステル樹脂 ８２質量部
帯電制御剤：３，５−ジ−ｔ−ブチルサリチル酸亜鉛塩 ２質量部
離型剤：カルナバワックス ５質量部
着色剤：カーボンブラック １０質量％
上記各素材の混合物を、２軸混練機で溶融混練後、冷却固化後粗粉砕してトナー原料を準備した。このトナー原料６００ｋｇをジェットミルにて粉砕して、重量平均粒径４．７０μｍ、４μｍ以下が８７．０個数％の被試験粉砕物を得た。Ｄ４（重量平均径）／Ｄ１（個数平均径）は、１．３３であった。

上記の被試験粉砕物を、分級品のＤ４（重量平均径）／Ｄ１（個数平均径）が１．２８となるように初期条件設定し、ロータ周速５８ｍ／ｓｅｃ又は６２ｍ／ｓｅｃ、投入量６０ｋｇ／時の条件で、粉砕物２００ｋｇを連続処理し、分級品について、下記の１）〜４）の評価を行った。これらの評価結果を表１に示す。
１）分級品の体積平均粒径
２）分級品の４μｍ以下含有率
３）分級品の２μｍ以下微粉含有率
４）分級品の収率

表１から、本発明による分級装置を用いると、安定した分級粒度を確保できることが判った。

＜画像出力例１＞
実施例１にて得られた分級品１００質量部に、シリカ微粒子０．２質量部、酸化チタン０．２質量部を加え、ヘンシェルミキサーで混合し、篩にかけて、トナーＡを得た。このトナーＡ５質量部と、重量平均径５５μｍのシリコンコートキャリア９５質量部をターブラミキサーで混合し、二成分現像剤Ａを作製した。
この二成分現像剤Ａをリコー社製Ｉｍａｇｉｏ ＭＰ ４０００にセットして、画像出力を行ったところ、極めて鮮明で、かつ、なめらかな階調の画像が得られた。
＜画像出力例２＞
比較例１にて得られた分級品１００質量部に、シリカ微粒子０．２質量部、酸化チタン０．２質量部を加え、ヘンシェルミキサーで混合し、篩にかけて、トナーＢを得た。画像出力例１と同様に二成分現像剤を作製し、画像出力例１と同様に画像出力を行ったところ、画像出力例１に比べて、鮮明さに劣り、ざらついた画像が得られた。

本発明に係るＴＴＳＰ型トナー分級機全体の内部構造を示す斜視図である。 図１の一部切り欠き部分拡大図である。 図１に示すＴＴＳＰにおける円板カバー部の説明図である。 トナーの粉砕から微粉分級までの説明図である。

符号の説明

１ 分級機
２ 蝶番
３，４ ケーシング半部
５，９ 分級ロータ
７，１０ 駆動軸
８，１２ 駆動モータ
８’，１２’ 伝達機構
１３，１４ 微粒物取出室（微粉排出口）
１５，１６カバー円板
１５１，１６１ 貫通孔
１５２，１６２ 短管
１７ 短管（被分級物供給部）
１８ａ 分級機出口近傍
１８ｂ 出口短管（分級物の取り出し機構、出口配管）
１９，２０ 分級空気供給部
２６ 分級室（分級空間、案内羽根間隔）
２７ 渦巻部材
２８，２９ 粗粒物−排出リング
４１ 粉砕原料
４２ 粉砕手段
４３ 分級手段
４４ 分級物
４５ 微粉
Ｂ 分級羽根間隔
Ｔ 粒状物

Claims (5)

1. 羽根車型の二段式重ね分級機（通称ＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ））における上下分級ロータ内の上部カバー円板の貫通孔の径と下部カバー円板の貫通孔の径とが異なり、上記上部カバー円板の貫通孔の断面積Ａ１と上記下部カバー円板の貫通孔の断面積Ａ２とが、Ａ１＞Ａ２の関係にあることを特徴とする分級装置。
2. 羽根車型の二段式重ね分級機（通称ＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ））の上部カバー円板の貫通孔を通過するブロワーの静圧Ｐ１と下部カバー円板の貫通孔を通過するブロワーの静圧Ｐ２とが、Ｐ１＜Ｐ２の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の分級装置。
3. 羽根車型の二段式重ね分級機（通称ＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ））の上下分級ロータ内の上部カバー円板の貫通孔と下部カバー円板の貫通孔とに短管を装着することを特徴とする請求項１又は２に記載の分級装置。
4. 羽根車型の二段式重ね分級機（通称ＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ））の上下分級ロータ内上部カバー円板の貫通孔の高さＨ１と下部カバー円板の貫通孔の高さＨ２とが、Ｈ１＞Ｈ２の関係にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の分級装置。
5. 羽根車型の二段式重ね分級機（通称ＴＴＳＰ（タンデムトナーセパレータ））の分級機出口におけるマイナス静圧ＰＳ１と出口配管におけるマイナス静圧ＰＳ２とが、ＰＳ１＜ＰＳ２の関係にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の分級装置。

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