JP2011048322A

JP2011048322A - トナー挙動可視化装置

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Publication number: JP2011048322A
Application number: JP2009271580A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Uchida; 圭亮内田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2029-11-30
Also published as: JP5347921B2

Abstract

【課題】動的にかつ、高速に運動する電子写真現像剤中に含まれるトナー領域を動的に可視化する、または、画像演算によりその体積・濃度などを定量的に計測するトナー挙動可視化装置を提供する。
【解決手段】トナー挙動可視化装置１は、電子写真方式の画像形成装置に用いるトナーとキャリアとを含む二成分現像剤を搬送する現像剤搬送装置１１と、前記現像剤搬送装置１１の搬送する領域に、中性子線を照射し、その透過像を視覚化する光学装置２０と、その透過像を記録する画像情報記録装置２２とを有し、前記現像剤搬送装置１１の情報と現像剤材料の情報とから線量強度を求め、かつ、現像剤中のトナーが存在する領域を算出する画像演算装置２１を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、二成分現像剤方式の電子写真画像形成装置で用いるトナーとキャリアから成る現像剤粉体の動的挙動状態において、トナー領域を可視化させるトナー挙動可視化装置に関する。

スクリューやパドルを粉体に作用させ、搬送力を与える方式の粉体搬送方式は、建築・食品など、多数の工業分野で使用されている。特に、乾式の電子写真画像形成装置は、一般にキャリアと呼ばれるフェライト、鉄等の磁性体粒子とポリエステル樹脂に顔料等を混入させたトナー粒子の混合粉体を現像剤として利用している。更に詳細には、電子写真画像形成装置の内部では、現像器などでキャリア粒子とトナー粒子との現像剤粉体を、スクリューやパドルのような機構によって、混合、攪拌、搬送している。

このような粉体搬送では、均一に精度よく搬送量を制御することが必要であり、そのために、モニタリングや解析の手段として計測手法が必要となる。しかしながら、現像器等の内部の観察が、可視光では不可能なため、解析的なアプローチが困難で、工業製品設計などでは経験的な手法が改善の主な手段となっており、精度良く搬送し、混合することに関して不具合がある。
また、特に、キャリア、トナー等の現像剤粉体を用いる電子写真画像形成装置では、画像形成で消費されて、量的に少なくなってゆく現像剤中のトナーを、随時補給し、かつ、キャリアと速やかに、均一に混合させる必要があり、そのために、スクリューやパドルの形状、回転数等を制御して混合・攪拌させることが必要である。
しかし、比重、粒径が異なるトナーが、キャリアに対して、どのような状態で、物理的に混合、攪拌されていくのは、キャリア、トナー等の粒径が、人間の目に対して非常に小さいために、観察が極めて困難である。このために、キャリア、トナー等の搬送、混合に関しては、設計経験的・試行錯誤的手法で進められているのが現状である。

したがって、このように、現像剤中のトナーのように視覚的に観察することができない粉体中の、更に特有の物質の拡散状態の観察、という非常に難易度の高い観察手法が望まれている。
したがって、通常の環境である可視光環境では不可能な粉体内部の観察手段として、エックス線を用いたＣＴ方式、透過観察方式が挙げられる。
ＣＴ方式は、基本的に光学系もしくはサンプルが周囲を回転し、各角度での透過像を演算しサンプルの三次元情報をコンピュータ演算によって算出する方式であり、原理的に動的現象の観察には向かない。
また、透過観察方式は、近年１／５０００ｓｅｃ，以下で反応するシンチレータの開発により、高速現象を観察することも可能になってきている。

エックス線はこのように、可視光では内部が不可視の対象、例えば粉体挙動を、観察することができる。
実際に、動的に観察・計測する技術としては、以下のようなものがある。
例えば、特許文献１では、粉体内部に金属トレーサーを混入させ、エックス線で挙動を観察しており、パスラインや流速などの物理特徴量が計測できる。
また、特許文献２では、エックス線などで粉体搬送を動的・場全体で計測することにより、粉体搬送物構造体の情報を合わせて演算することによって、粉体比重場を動的に計測しようとしている。

しかしながら、これらのエックス線を用いる手法では、電子写真現像剤中のトナーのような物質はうまく観察することができない。エックス線透過画像は、原理的に式（１）のように透過領域における物質中を透過してくるエックス線の線量の差を画像化している。

Ｉ＝Ｉ_０ｅｘｐ（−μ、ｘ）……式（１）
（ここで、Ｉ：線量、Ｉ₀：真空中の透過線量、μ：その物質の線減弱係数、ｘ：その物質の透過距離を表している。）

つまり、物質の透過距離が等しければ、画像濃度は線減弱係数の差で決まる。しかしながら、電子写真現像剤はキャリア（マグネタイト、フェライト等の金属酸化物、鉄粉等の金属）とトナー（ポリエステル、スチレンアクリル等の熱可塑性樹脂）から成っている。キャリアとして広く用いられている鉄の線減弱係数（３．０ｃｍ^−１）は、トナーのそれ（０．１〜０．５ｃｍ^−１）より遥かに大きい。更に、トナーの質量混合比は約５〜１０％である。
このため、エックス線に観察では、現像剤中のトナーのみを分離して、可視化するのが困難という問題がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、動的にかつ、高速に運動する電子写真現像剤中に含まれるトナー領域を動的に可視化する、または、画像演算によりその体積・濃度などを定量的に計測するトナー挙動可視化装置を提供することである。

上記課題を解決する手段である本発明の特徴を以下に挙げる。
本発明のトナー挙動可視化装置は、電子写真方式の画像形成装置に用いるトナーとキャリアとを含む二成分現像剤を搬送する装置（以下、「現像剤搬送装置」と記す。）と、前記現像剤搬送装置の搬送する領域に、中性子線を照射し、その透過像を視覚化する光学装置と、その透過像を記録する画像情報記録装置とを有し、前記現像剤搬送装置の情報と現像剤材料の情報とから線量強度を求め、かつ、現像剤中のトナーが存在する領域を算出する画像演算装置を有することを特徴とする。
また、本発明のトナー挙動可視化装置は、さらに、前記現像剤搬送装置は、現像剤を円筒内部に封入し、回転させることによってトナーとキャリアを混合させる円筒回転装置であることを特徴とする。
また、本発明のトナー挙動可視化装置は、さらに、前記画像情報記録装置は、高速度カメラであることを特徴とする。
また、本発明のトナー挙動可視化装置は、さらに、前記光学装置は、中性子線をパルス発生させることを特徴とする。
また、本発明のトナー挙動可視化装置は、さらに、中性子線のパルスの周期を可変にでき、かつ、前記高速度カメラが、前記中性子線のパルスの周期と同期をとって透過像を視覚化することを特徴とする。

上記課題を解決する手段である本発明によって、以下のような特有の効果を奏する。
本発明によれば、可視光やエックス線では不可能な、電子写真現像剤中のトナー領域を可視化することが可能になる。また、回転体攪拌装置のように特殊なトナー混合装置のトナー領域を可視化することが可能になる。また、高速な攪拌混合状態のトナー領域を可視化することが可能になる。また、回転体攪拌装置のように特殊なトナー混合装置について対応が可能となる。

中性子線とエックス線の質量減弱係数を示す図である。アルミニウムの回転円筒体内部に現像剤粉体を入れた状態を中性子ラジオグラフィで観察した図である。トナーとキャリアとの混合状態を、中性子ラジオグラフィで観察した写真である。本発明の一実施形態であるトナー挙動可視化装置の構成を示す概略図である。本発明の他の実施形態であるトナー挙動可視化装置の構成を示す概略図である。

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。本発明は、これらの実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、これら本発明の実施の形態及び実施例を、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、変更又は変形することができる。

図１に、中性子線とエックス線の質量減弱係数を示す図である。ここで、縦軸は、線減弱係数を比重で割った値で、単位質量あたりの線減弱係数を示している。さらに、減弱係数とは、光子強度の減衰を定量的に表す量。光子が物質中の微小厚さ（Δｘ）を透過するときの、強度の変化量の相対値（ΔＩ／Ｉ）を示す量であり、−（ΔＩ／Ｉ）／Δｘで定義される。通常、物体に入射した光子強度は深さに対して指数関数的に減衰する。減弱係数とはこの指数の肩の数値である。図１では各元素と中性子線とエックス線の線弱係数との関係を示めしているが、中性子線は、日本原子力研究開発機構所有の軽水型研究炉ＪＲＲ３を用いた計測されたもので、エックス線はタングステンターゲットを用いて管電圧１２５ｋVで計測された値である。
図１から明らかなように、このようにエックス線は基本的に原子番号の増加に伴い、減弱係数は大きく、すなわち透過量が小さくなる。中性子線は全く異なる性質を有する。例えば、ホウ素（Ｂ）・水素（Ｈ）・炭素（Ｃ）などが、鉄（Ｆｅ）などの金属より中性子の大きい吸収量を持っている。つまり、エックス線と逆に、水素・炭素を多く含むポリエステルトナーの方がキャリアよりも吸収量が大きくなる。本発明では、この中性子線の特有の性質を用いて、電子写真現像剤中のトナー領域を可視化するトナー挙動可視化装置を提供することができる。

図２は、アルミニウムの回転円筒体内部に現像剤粉体を入れた状態を中性子ラジオグラフィで観察した図である。
回転体内径は３５ｍｍ、回転速度は１ｒｐｓである。透過像は二次元投影像であるが、透過方向の材料の透過厚みが等しいと考えられる。トナー領域（トナーが存在する領域）がキャリア領域（キャリアが存在する領域）よりも吸収量が高いために、トナー領域は周囲よりも画像的に黒く撮影されている。
その左下側に存在するキャリア領域が、若干明るく撮影されている。
上方に存在する白い、明るい領域は、トナー、キャリアが存在しない空間である。
白い矢印は、回転する方向を示している。
エックス線では円筒体構造体やキャリアの吸収率よりもトナーのそれが低いので、このようにトナー領域を強調して観察することは不可能である。したがって、トナーとキャリアと、これらを有するアルミニウム等の金属製の現像剤搬送装置とを中性子を用いた中性子ラジオグラフィで画像化することで区別して観察することができる。

この考え方を用いて中性子ラジオグラフィによって、効果的にトナー領域を観察する装置について説明する。
図３は、トナーとキャリアとの混合状態を、中性子ラジオグラフィで観察した写真である。（ａ）は、下側にあった現像剤を回転開始直後（０〜１ｓｅｃ．）の状態を示している。最初に、トナーとキャリアとは、水平状態に層を成して、上部にトナー・下部にキャリアが体積した状態で回転円筒体内部に置かれていた。次ぎに、回転直後では、トナーだけが巻き上げられることにより、トナーとキャリアとが分離している。
（ｂ）は、回転開始後（１〜２０ｓｅｃ．）の状態を示している。更に回転させ続けている状態を示している。１０，３７ｓｅｃ、１０．４７ｓｅｃで観察された写真では、トナーとキャリアとの界面が明確に観察できるものの、トナーとキャリアとは振動しながら、界面で次第に混合が進んでいっているのが観察できる。
（ｃ）は、回転開始後（２０〜４０ｓｅｃ．）の状態を示している。混合が進み、界面が不明確になり、振動が納めっているのがわかる。
このように、中性子ラジオグラフィによって、回転に応じてキャリアとトナーが混合していく様子が明瞭に観察することが可能となる。このような観察はエックス線や可視光では不可能である。
なお、ここに、回転円筒体、トナー、キャリアの主な構成材料として、それぞれアルミニウム、ポリエステル、鉄の特性、中性子線に対する線減弱係数を示す。

図４は、本発明の一実施形態であるトナー挙動可視化装置の構成を示す概略図である。
トナー挙動可視化装置１は、内部に光学装置２０とトナーとキャリアとを有する現像剤を収納する回転構造体としての現像剤搬送装置１１とを備える中性子線防護装置１０と、外部に置かれる画像演算装置２１と画像情報記録装置２２とから構成されている。
また、中性子線防護装置１０内の光学装置２０には、中性子線を発生させる中性子線源１２、中性子線源１２から回転構造体１１を通過した中性子線を受けるイメージシンテンシファイヤー１４、シンチレータ１５、高速カメラ１６とを備えている。
このイメージシンテンシファイヤー１４は、一端に感光性の電子放出器を、他端に蛍光板を持った電子管であり、この電子管の内側の電子レンズが像をリレーする。シンチレータ１５は、入射した放射線のエネルギーを利用し、発光する材料で、電子管の代わりに設けられている。このシンチレータ１５の状態を高速カメラで画像として記録する。
さらに、中性子線の影響を受けにくいように、中性子線防護装置１０の外部に、高速カメラの画像を演算する画像演算装置２１と、演算した画像を記録する画像情報記録装置２２とが設けられている。

さらに、このトナー挙動可視化装置１の動作について説明する。中性子線は人体に有害なため、所定の厚さを有する鉛とホウ素を有するコンクリートで補強された中性子線防護装置１０内部に設けられている中性子線源１２から発生した中性子線は、計測対象である回転する円筒形状の回転構造体の現像剤搬送装置１１を垂直方向に透過し、対向するシンチレータ１５に入射される。入射した中性子線はここで可視光化され、更にイメージインテンシファイヤー１４によって光増幅され、高速度カメラ１６で画像化される。高速度カメラ１６でデジタル化された画像は、画像演算装置２１に取り込まれる。画像は平面画像であり、各座標における中性子線の吸収率を所定の効率によって計算することができる。また、シンチレータ１５の中性子線像を可視光化する変換速度は、約１／５０００ｓｅｃ．以下であるため、ＣＣＤカメラのデジタルデータ取り込みを高速度化することで、通常のビデオレート（１／３０ｓｅｃ．）以上の高速取り込みが可能となっている。

画像演算装置２１に取り込まれた画像データは、座標（ｘ、ｙ）・時間ｔにおける透過画像場の中性子線強度分布Ｉ（ｘ、ｙ、ｔ）にテーブル変換される。
ここでは、まず現像剤搬送装置１１のアルミ構造体のみの中性子ラジオグラフィの画像データを撮影しておき、この画像を初期状態Ｉ_０（ｘ、ｙ、ｔ）とする。画像分布ＩとＩ_０を減算することにより、アルミ構造体が存在しない、トナー・キャリアのみの存在状態を考えることができる。以下、この処理を施した中性子線吸収率Ｉ´（ｘ、ｙ、ｔ）を考える。
この現像剤搬送装置１１の透過方向の高さｈは一定である。座標（ｘ、ｙ）におけるトナー存在量とキャリア存在量の比をａ：ｂとする（ａ＋ｂ＝１）また、ポリエステルの線減弱係数をμ_p、キャリアのそれをμ_ｃとする。
すると、Ｉ´=Ｉ₀eｘp（−μ_pha）＋Ｉ₀（−μ_ｃhb）となる。
画像情報記録装置２２には、予め中性子ラジオグラフィで計測された既知の代表的なトナーとキャリアの存在量に関するＩ´_knownのデータテーブルが格納されている。このデータテーブルと、Ｉ´とを比較し誤差が最も小さくなるデータテーブル上の値を利用して、トナーとキャリアの存在量比を得ることが出来る。
この処理を、空間（ｘ、ｙ）時間ｔ方向に全て行うことにより、全ての時間・空間におけるトナーとキャリアの存在比を定量的に計測することが可能となる。

図５は、本発明の他の実施形態であるトナー挙動可視化装置の構成を示す概略図である。
図５では、図４に記載したトナー挙動可視化装置１とは異なり、中性子線源１２と、計測対象である現像剤搬送装置１１の間に、機械的なシャッター装置１３が設置されている。シャッター装置１３は、一定の箇所が透過するように設定されている回転円盤によって、適切な周波数で中性子線をシャッターリングすることが可能となっている。
ここで、回転体の回転数ωと等しい角速度ωをもって、シャッターリングする。すると、回転するスクリューによる動的な変化分がキャンセルされることになり、高速度カメラ１６には見かけ上スクリューが画像中静止してみえることになる。これにより、画像を高速度カメラ１６に長時間蓄積することが可能となる。これは、中性子線の線量が微弱な場合や、粉体粒子の密度が高く、透過距離が長く、画像化に十分な線量が得られない場合に、有効である。

１トナー挙動可視化装置
１０中性子線防護装置
１１現像剤搬送装置
１２中性子線源
１３シャッター装置
１４イメージインテンシファイヤー
１５シンチレータ
１６高速カメラ
２０光学装置
２１画像演算装置
２２画像情報記録装置

特開２００６−２５８５５３特開２００８−３２６７３２

Claims

電子写真方式の画像形成装置に用いるトナーとキャリアとを含む二成分現像剤を有する装置（以下、「現像剤搬送装置」と記す。）と、
前記現像剤搬送装置の搬送する領域に、中性子線を照射し、その透過像を視覚化する光学装置と、
その透過像を記録する画像情報記録装置とを有し、
前記現像剤搬送装置の情報と現像剤材料の情報とから線量強度を求め、かつ、現像剤中のトナーが存在する領域を算出する画像演算装置を有する
ことを特徴とするトナー挙動可視化装置。
請求項１に記載のトナー挙動可視化装置において、
前記現像剤搬送装置は、現像剤を円筒内部に封入し、回転させることによってトナーとキャリアを混合させる円筒回転装置である
ことを特徴とするトナー挙動可視化装置。
請求項１又は２に記載のトナー挙動可視化装置において、
前記記録装置は、高速度カメラである
ことを特徴とするトナー挙動可視化装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載のトナー挙動可視化装置において、
前記光学装置は、中性子線をパルス発生させる
ことを特徴とするトナー挙動可視化装置。
請求項４に記載のトナー挙動可視化装置において、
前記トナー挙動可視化装置は、中性子線のパルスの周期を可変にでき、かつ、前記高速度カメラが、前記中性子線のパルスの周期と同期をとって透過像を視覚化する
ことを特徴とするトナー挙動可視化装置。