マグネトグラフィ Retry    Reason

（1997．4．1 受理）

マグネトグラフィは磁気の持つ安定性や記憶機能を利用するものであって，いったん潜像を記録すると，繰り返し現像•転写することができ，いわゆるマルチコピー が大量かつ高速に得られるという特徴を有するプリント方式である。 Retry    Reason

トナーを使い，潜像記録，現像，転写，定着というプ ロセスを経てハードコピーを得るという点で，電子写真 と似ているが，静電気と磁気の本質的な違いが，画像形成プロセスを異なるものにしている。最も大きな違い は，静電気が（ + ）または（ - ）の単極で存在するのに対し て，磁気は常に N，S 両極が一体になって存在するこ とである。本稿では主に筆者らの開発したシステムに基 づいてマグネトグラフィの画像形成プロセスを論ずる。始めに記録媒体からトナーにどのような力が働くかを論 じ，次いで記録媒体上の磁気潜像がトナーによって可視像化されるプロセスを説明し，次いでトナーについて述 べる。最後に今後の課題と展望に触れる。なお，磁気学 の慣例として，図中 N 極を＋で， S 極を—で表示して あるので，電気の,$+-$$+-$+-+ ~- ではないことをおことわりして おく。 Retry    Reason

Fig． 1 に示すように磁化の向きを反転させて記録する と記録媒体上の転移領域に体積磁荷密度 $\rho =-\mathrm{div}M$$\rho =-\mathrm{div}M$rho=-div M\rho=-\operatorname{div} M な る磁荷が生ずる（ $M$$M$MM ：記録媒体の磁化の強さ）．この磁荷から空中に形成された磁界により磁性トナーが磁化さ Retry    Reason

れ，磁性トナー内部に磁荷が誘導される。その結果，磁性トナーは記録媒体に近い側で異極同士の吸引力を受け るとともに，記録媒体から遠い側では同極同士の反発力 を受ける（かつてはこれがマグネトグラフィで濃い画面 を実現することの難しさであるといわれていた¹）。こ のようにマグネトグラフィでは磁性トナーが常にN，S両極を持った双極子として存在するが，このことは電子写真や静電記録におけるトナーが＋またはーの電荷を持 つ単極粒子として存在するのと本質的に異なる点であ る。 Retry    Reason

磁界中に微細な軟磁性粒子が置かれたとき、磁界によ Retry    Reason
り磁性粒子に働く磁気力は一般に次のように表される。 Retry    Reason

ここで $F$$F$FF ：磁性粒子単位体積当たりに働く磁気力 Retry    Reason
$H$$H$HH ：空間の磁界 Retry    Reason
$r$$r$rr ：空間の位置 Retry    Reason
$M$$M$MM ：磁性粒子単位体積当りの磁気モーメン ト（磁界 $H$$H$HH により磁性粒子に誘起され る．$M=\chi H)$$M=\chi H)$M=chi H)M=\chi H) Retry    Reason
$\chi$$\chi$chi\chi ：磁性粒子の実効磁化率（減磁係数を含 む） Retry    Reason

Fig． 1 記録媒体の磁荷とトナーに誘導される磁荷の関係。 Retry    Reason
$F,H,r$$F,H,r$F,H,rF, H, r は同じ方向を有する。この式は磁界の空間勾配があるところに磁性粒子が置かれると、磁界の大きい方に磁性粒子を移動させる磁気力が働くが，磁界が均一 な空間に置かれた場合には磁性粒子を移動させる力が働 かないことを意味する。 Retry    Reason

NRZ（Non－Return to Zero）記録を行ったときの転移領域を逆正接関数近似すると，磁界と磁気力は以下の近似式で表される ${}^{2)3)}$${}^{2)3)}$^(2)3)){ }^{2) 3)} ．これらの式の導出にはマグネト グラフィに使用する代表的な金属めっき媒体と乾式トナ ーを想定してある。転移領域の中心を原点にとると，空間 $(x_0,z_0)$$\left(x_0,z_0\right)$(x_(0),z_(0))\left(x_{0}, z_{0}\right) における磁界 $H$$H$HH ，と単位体積当りのトナーに働く磁気力 $F$$F$FF は，次式で表すことができる。 Retry    Reason

（磁荷の正負と複合同順） Retry    Reason

（磁荷の正負に拘らず） Retry    Reason
ここで $M_r$$M_r$M_(r)M_{r} ：記録媒体の残留磁化 Retry    Reason
$a$$a$aa ：磁化反転定数 $(a=\iota /\pi ,\iota$$(a=\iota /\pi ,\iota$(a=iota//pi,iota(a=\iota / \pi, \iota ：反転幅 $)$$)$))

$H_c$$H_c$H_(c)H_{c} ：記録媒体の保磁力 Retry    Reason
$\delta :$$\delta :$delta:\delta: 記録媒体の厚さ Retry    Reason
$r_0$$r_0$r_(0)r_{0} ：仮想磁荷中心 $(0,-a)$$(0,-a)$(0,-a)(0,-a) から点 $(x_0,z_0)$$\left(x_0,z_0\right)$(x_(0),z_(0))\left(x_{0}, z_{0}\right) Retry    Reason

$\chi$$\chi$chi\chi ：トナーの実効磁化率 Retry    Reason
これらの式から点 $(0,0,-a)$$(0,0,-a)$(0,0,-a)(0,0,-a) を通り，$Y$$Y$YY 軸に平行な線状または円筒状の仮想磁荷を等価モデルとして考える ことができる。トナーに働く磁気力は仮想磁荷中心 $(0$$(0$(0(0, $y_0,-a)$$\left.y_0,-a\right)${:y_(0),-a)\left.y_{0},-a\right) に向かう吸引力であり，磁荷中心からの距離の 3 乗に逆比例する。 Retry    Reason

Fig． 2 に磁気力の分布を，Fig． 3 に磁界と磁気力の分布のベクトル表示を示す。 $X$$X$XX 軸は水平磁化の方向に， $Z$$Z$ZZ 軸は記録媒体平面から垂直な空間にとってある。な お，$Y$$Y$YY 軸方向には一様であるとして扱っている。パラ メータの値には筆者らが開発した磁気プリンタにおける典型的な以下の数値を用いた． Retry    Reason
$M_r=600$$M_r=600$M_(r)=600M_{r}=600 Gauss，$H_c=400\mathrm{Oe},\delta =1\mu \mathrm{m},a=3\mu \mathrm{m}$$H_c=400\mathrm{Oe},\delta =1\mu \mathrm{m},a=3\mu \mathrm{m}$H_(c)=400Oe,delta=1mum,a=3mumH_{c}=400 \mathrm{Oe}, \delta=1 \mu \mathrm{~m}, a=3 \mu \mathrm{~m} ， $\chi =0.1,z_0=10\mu \mathrm{m}$$\chi =0.1,z_0=10\mu \mathrm{m}$chi=0.1,z_(0)=10 mum\chi=0.1, z_{0}=10 \mu \mathrm{~m}（トナー層の厚みを $20\mu \mathrm{m}$$20\mu \mathrm{m}$20 mum20 \mu \mathrm{~m} としたと きのトナー層の中心部で代表させた） Retry    Reason
Fig． 2 より $x>0$$x>0$x > 0x>0 の領域では $F_x$$F_x$F_(x)F_{x}（磁気力 $F$$F$FF の媒体面 に平行な $x$$x$xx 方向成分）が負であるから、トナーは $x$$x$xx の負の方向に向かって引かれる。 $x<0$$x<0$x < 0x<0 の領域では $F_x$$F_x$F_(x)F_{x} は正であるから、トナーは $x$$x$xx の正の方向に向かって引か れる。つまり $F_x$$F_x$F_(x)F_{x} はトナーを $x=0$$x=0$x=0x=0 ，すなわち磁荷中心 に運ぶように働く。 $F_x$$F_x$F_(x)F_{x} は磁化反転幅（の端部付近で最 Retry    Reason

Fig． 2 記録媒体から生ずる磁気力の分布． Retry    Reason

（c） Retry    Reason

Fig． 3 記録媒体から生ずる磁界と磁気力のベクトル表示． Retry    Reason
（a）磁界分布のベクトル表示 Retry    Reason
（b）磁気力分布のベクトル表示 Retry    Reason
（c）記録媒体内の磁化パターン Retry    Reason

大になる。これは磁化転移領域から外に出て行こうとす るトナーを転移領域内に引き込もうとする力が，最も強 く働くことを意味する。磁荷中心 $x=0$$x=0$x=0x=0 で $F_x=0$$F_x=0$F_(x)=0F_{x}=0 である のは，ここがトナーにとって最も居心地がいいからであ る．磁気力 $F$$F$FF の $z$$z$zz 方向（媒体面に垂直な方向）成分， Retry    Reason
$F_z$$F_z$F_(z)F_{z} は $x$$x$xx のすべての領域にわたって負である。これはト ナーが $z=0$$z=0$z=0z=0 の方向に、すなわち媒体面に向かって引か れることを意味する。磁気力 $F$$F$FF が負であるのは，磁気力 $F$$F$FF の向きが仮想磁荷中心 $(0,-a)$$(0,-a)$(0,-a)(0,-a) からの距離 $r$$r$rr と逆向きであること，すなわち磁気力 $F$$F$FF は磁性トナーを仮想磁荷中心に向けて吸引する力であることを意味する。 Retry    Reason
Fig． 3 において磁界のベクトルが仮想磁荷中心から外に向いているのに対して，磁気力のベクトルの矢は仮想磁荷中心 $(0,-a)$$(0,-a)$(0,-a)(0,-a) を向いている。磁荷の極性が逆の場合に は，磁界も磁気力もベクトルの矢は仮想磁荷中心に向か う。 Retry    Reason

磁気力の大きさは ${10}^3\mathrm{gf}/{\mathrm{cm}}^3$${10}^3\mathrm{gf}/{\mathrm{cm}}^3$10^(3)gf//cm^(3)10^{3} \mathrm{gf} / \mathrm{cm}^{3} のオーダになる。これ は磁性トナーの重さよりおよそ 3 桁大きく，電子写真に おいてトナーに作用する静電気力と同程度である。磁気 プリンタでは電子写真プリンタと同程度の画像濃度が得 られており，トナーの付着量も同程度であるから，この値は妥当であるといえる。なお，垂直記録の場合も同程度の吸引力が働いている ${}^{4)}$${}^{4)}$^(4)){ }^{4)} 。 Retry    Reason

電子写真の現像法はトナーが（＋）または（ — ）という電荷を帯びた単極粒子として振舞うことを利用している が、マグネトグラフィでは 1 個のトナーの中に N，S両極があって，双極子として振る舞うため，新しい現像法の開発が必要であった。ここでは筆者らが開発した， トナーが双極子であるという性質に適合した弱磁界現像法（磁気チェーン法）を紹介する ${}^{5)}$${}^{5)}$^(5)){ }^{5)} 。 Retry    Reason

現像プロセスは現像機から記録媒体へのトナーの引渡 しのプロセスである．Fig． 4 に弱磁界現像法の原理を示 す．（a）に示すようにトナーを現像磁界により磁化して Retry    Reason
（a） Retry    Reason

（b） Retry    Reason

Fig． 4 弱磁界（磁気チェーン）現像法の原理。 （a）現像前（b）現像後 Retry    Reason

チェーン状に連ねておく。記録媒体の転移領域からは空中に潜像磁界が生じている。記録媒体のトナー吸引力と現像磁界との関係が次の条件を満たすように設定する。 Retry    Reason

画像部：記録媒体のトナー吸引力＞トナーチェーンの結合力 Retry    Reason
非画像部：記録媒体のトナー吸引力＜トナーチェーン の結合力 Retry    Reason
（b）に示すようにこの状態で記録媒体とトナーとを接触させると，記録媒体の画像部は媒体磁荷から近いため磁気吸引力が強く，かつ潜像磁界と現像磁界の向きとが同じであるから，トナーはそのままの向きですんなりと記録媒体側に移動し，黒画像を形成する。他方，記録媒体の背景部では潜像磁界と現像磁界の向きが逆であるた め、トナーを移動させるにはトナーの磁化の向きを逆転 させなければならない。が，この部分は媒体磁荷から遠 いため潜像磁界が弱いので、トナーはチェーン状のまま現像磁界側にとどまり，記録媒体側に移ってこない。こ うして画像部にトナーを引き渡し，背景部にトナーが付着するのを防止することができる。 Retry    Reason

Fig． 5 に基本的な現像機の構造と記録ドラムとの配置関係を示す。現像ロールは回転する非磁性のスリーブ と，それに囲まれて固定された磁気ロールとからなる。磁気ロールの ${\mathrm{N}}_1$${\mathrm{N}}_1$N_(1)\mathrm{N}_{1} 極と ${\mathrm{S}}_1$${\mathrm{S}}_1$S_(1)\mathrm{S}_{1} 極とで現像磁界を形成する。他の 4 極はトナーの運搬用である。トナーが記録ドラム と接触する現像領域では、トナーは ${\mathrm{N}}_1$${\mathrm{N}}_1$N_(1)\mathrm{N}_{1} 極から ${\mathrm{S}}_1$${\mathrm{S}}_1$S_(1)\mathrm{S}_{1} 極へ伸びている磁束線に沿って鎖状につながりトナーチェー ンを形成する。 ${\mathrm{N}}_1$${\mathrm{N}}_1$N_(1)\mathrm{N}_{1} 極上ではトナーがブラシ状に立って いるが，現像領域ではトナーが寝ている。電子写真の磁気ブラシ現像では現像磁石の磁極が現像領域にあってト ナーが立っているが，それと様相を異にする。 Retry    Reason

かぶりを除くために加える現像磁界は記録媒体の磁気 Retry    Reason

Fig． 5 現像機の基本構成と配置。 Retry    Reason