JP2005070649A - 画像形成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】長期に亘って良好な出力画像を安定的に得ることができる画像形成装置を提供すること。
【解決手段】光導電性の像担持体と、前記像担持体を均一帯電する帯電手段と、帯電後の像担持体表面を像露光して静電潜像を形成する露光手段と、前記静電潜像にトナーを付着させてトナー像を形成する現像手段と、得られたトナー像を普通紙等最終支持部材に転写する転写手段とを備えた画像形成装置において、前記露光手段として380nm〜450nmに発光波長を有する光源を用い、静電潜像を顕在化するトナー粒子として重量平均粒径が6μm以下のものを使用する。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば複写機、プリンタ、ファクシミリ、製版システム等に用いる電子写真方式の画像形成装置に関するものである。
高速で高画質な画像形成装置として、電子写真方式を採用した複写機やレーザービームプリンタが知られている。近年、デジタルコンテンツがオフィスや家庭で一般的なものとなったことで、前記電子写真画像記録装置の高画質化への要求は更に高まっている。
この電子写真画像記録装置は、像担持体にレーザービーム等により光を照射し、そのとき光が照射された量により画像が記録されるもので、文字等の2値的な画像から写真等の中間調を含んだ画像まであらゆる画像を形成することができる。文字、図形等の2値的な記録であれば、像露光をプリンタの解像度に合わせ、600dpiや1200dpiで2値記録することによって十分精細な画像が得られる。
又、中間調濃度を再現するときには、ディザ法、濃度パターン法等を採用することにより良好な中間調濃度を再現することができる。
又、記録密度を低下させることなく高解像度で、各画素において中間調を形成するパルス幅変調方式(PWM方式)の画像形成装置も提案されている。このPWM方式の画像形成装置は、画像信号によってレーザービームの照射時間を変調することにより、中間調の画素形成を行うもので、高解像度で且つ高階調性の画像を形成できるため、カラー画像の形成に特に適している。即ち、上記PWM方式によると、1画素毎にビームスポットにより形成されるドットの面積階調を行うことができ、解像度を低下させることなく中間調を表現することができる。
ところが、上述したPWM方式の画像形成装置において、画素密度を更に高めていくと、ビームスポット径に対して画素が相対的に小さくなるために露光時間変調による階調を十分に取ることができないという問題があった。このため、階調性を保持したまま解像度を向上させるには、ビームスポット径をより小さくする必要がある。尚、ここで言うビームスポット径とは略ガウシアン分布を有するレーザー光学スポットのピーク光量から1/e の光量での直径である。
例えば、スポットサイズと波長の関係は”スポットサイズ∝K・F・λ”で表され、近年上市されている青色発光半導体レーザー(380nm〜450nm)を用いることにより、従来使用されている赤色半導体レーザー(680nm,780nm)に比して、従来品と同様の光学系を用いてレーザースポット径を約1/2に絞ることが可能となる。ここで、K:定数、F:Fナンバー、λ:波長である。
青色発光半導体レーザーを用いることにより小径のレーザースポット光を形成することができ、特にハイライトからハーフトーンにかけて忠実な面積階調制御を行うことで高精細画像記録、特に良好な階調特性を実現することが可能となる。
又、特許文献1に記載されているように、光量分布のピーク強度の1/e における面積と感光体の厚さの積を20000μm 以下とすることで、その効果がより顕著になることが知られており、レーザースポットを小径化した際には、感光体膜厚を最適化することで、より高精細な画像記録が実現するものである。
特開平8−272197号公報
上述のように、階調再現特性については、レーザースポットの小径化と感光体膜厚の最適化により良好な結果を得ることができるが、粒状性については、トナー粒子の影響が大きく、トナー粒子の特性を最適化しなければ充分な効果を得ることができない。
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、長期に亘って良好な出力画像を安定的に得ることができる画像形成装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項1記載の発明は、光導電性の像担持体と、前記像担持体を均一帯電する帯電手段と、帯電後の像担持体表面を像露光して静電潜像を形成する露光手段と、前記静電潜像にトナーを付着させてトナー像を形成する現像手段と、得られたトナー像を普通紙等最終支持部材に転写する転写手段とを備えた画像形成装置において、前記露光手段として380nm〜450nmに発光波長を有する光源を用い、静電潜像を顕在化するトナー粒子として重量平均粒径が6μm以下のものを使用することを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、光学系の光量分布ピーク強度の1/e における径の平均値が40μm以下であることを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記像担持体の膜厚Tが20μm以下であることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項1記載の発明において、光学系の光量分布ピーク強度の1/e における面積と前記像担持体の厚さの積が20000μm 以下であることを特徴とする。
請求項5記載の発明は、請求項1記載の発明において、現像剤であるトナー粒子の平均円形度が0.940以上、0.965以下であることを特徴とする。
本発明によれば、長期に亘って良好な出力画像を安定的に得ることができる。
図1は本発明に係る画像形成装置要部の断面図である。
画像形成装置は、感光ドラム11とその周りに配置された帯電器12、画像露光器17、現像器19、転写帯電器14、定着器15及びクリーニング部材16から成る電子写真記録装置である。
像担持体である感光ドラム11は、導電性の支持基体を最下層として、電荷発生層、電荷輸送層のように2層構造より成る機能分離タイプのものや、単層型のものが使用できる。単層タイプの像担持体は、電荷が発生して後の拡散過程がないことから、高精細な潜像形成を実現することができ好適である。又、積層タイプの像担持体については、電荷が発生した後の拡散を最小限に留めるため、20μm以下の薄層であることが望ましい。
電荷発生層としては、感度を有するものであれば何でも使用することができ、フタロシアニン系顔料、アゾ顔料やペリレン顔料等の様々な材料を用いることができる。
フタロシアニン系顔料を電荷発生層に用いた像担持体の構成については、特開2000−105479号公報等で提案されており、記載の構成を用いることも当然可能である。
又、像担持体表層に0.5μm〜8μm、より好ましくは3〜5μm程度の保護層を設けることも可能で、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂、電子線硬化樹脂等の各種硬化性樹脂やスプレー塗布タイプの表層を設けることも可能である。光や熱により硬化する樹脂としては、特開平9−281736号公報等で提案されているものを用いることもできる。このときの表層には、潤滑剤やその他の機能性物質を分散混合することも可能であり、潤滑剤としてはPTFE等のフッ素系樹脂等が挙げられる。
単層感光体としては、有機感光体や無機感光体を使用することができる。無機感光体としては、アモルファスシリコンを用いることも可能である。
帯電手段としては、ワイヤーと電界制御グリッドより成るコロナ帯電器を用いたコロナ帯電方式、像担持体に接触させた帯電ローラに直流或は直流と交流の重畳バイアスを印加して帯電するローラ帯電方式等が挙げられる。
露光手段としての光学系17には、半導体レーザーを使用したスキャナータイプのものや、LEDに集光装置であるセルフォックレンズを介して像露光を行うもの、又、EL素子やプラズマ発光素子等の他の光学系も使用することができる。
本発明では、短波長光のレーザー発信ができ、光学スポットの小径化が可能な青色半導体レーザー発光素子を用いたスキャナー式光学系を用い、図2に示すように、半導体レーザー部21、高速回転するポリゴンミラー24、fθレンズ25から成り、レーザドライバの発光信号に応じて明滅される。
半導体レーザー21から放射されたレーザー光束は、コリメータレンズ22にて略平行光とされ、シリンドリカルレンズ23によりポリゴンミラー24上に集光され、一定速度で回転するポリゴンミラー24上を反射、偏向されてfθレンズ25を通り、折り返しミラー26で再び偏光されて感光ドラム上27にスポット状に結像され、所定の方向28に等速度で走査される。
このとき、特開2002−277803号公報に記載の通り、500nm以下の短波長光源を用いた際に、絶対反射率が高く、波長依存性と角度依存性が少ない反射ミラーを用いた走査光学系を用いることも可能である。
又、特開2002−303810号公報に記載の通り、波長変動による主走査方向の結像位置ズレや、環境変動に伴う副走査方向のピントズレを抑え、高精細な印字を得ることができる走査光学系を用いることも可能であり、このように、光源波長が短波長であることにより、光学部品の分光感度や屈折率の増加を加味した光学設計を施すことで、より効果的な画像出力が可能となる。
又、特開2002−277803号、特開2002−303810号公報に記載のその他の構成についても使用可能である。
更に、高精細潜像を形成できる本発明では、像担持体に射出するビーム数を増やすことにより、高速で高解像な画像を出力することもより好適である。
現像方式には磁性トナーを磁力により搬送し、現像ニップにて非接触で像担持体上に飛翔現像させる磁性1成分の非接触現像方式、或は現像ニップで像担持体に接触させて現像処理を行う磁性接触現像方式、非磁性トナーをブレードにより規制し帯電させ、現像スリーブに担時して搬送し現像ニップにおいて非接触でトナーを飛翔現像させる非磁性1成分の非接触現像方式、或は現像ニップで像担持体に接触させ現像処理を行う非磁性1成分の接触現像方式、同じく非磁性トナーを磁性粉体であるキャリアに混合させ同じく現像スリーブで現像ニップまで搬送し現像処理を行う2成分現像方式等の様々な現像法を使用することができる。
そのときのトナー粒子には、粉砕法や重合法等、何れの製造方式によるものも使用することができる。
懸濁重合法としては、例えば、特公昭36−10231号、特公昭43−10799号、特公昭51−14895号、特開平7−152217号公報等に記載されているものを使用することができる。
又、会合重合法等と呼ばれる、一次粒子を複数個融合・合一することにより得られるトナー粒子として、特許第2537503号、特登録03196754号、特開2000−250261号公報等に記載されたトナー粒子を用いることも可能である。
又、粉砕法により得られるトナーの中でも、ワックス等の離型剤を含有するものも使用することが可能であり、離型剤を内包した重合トナーと同様、オイルを用いない定着方式により良好な出力画像が得られるものである。
より具体的には、トナー粒子が少なくとも結着樹脂、着色剤、離型剤及び無機粉体を含有して構成され、「結着樹脂が少なくともポリエステルユニットを含み」、「重量平均粒径が3.0〜8.0μmであり」、「平均円形度が0.94以上、0.965以下であり」、「離型剤がトナー100質量部に対して1〜40%含有する」トナー粒子を用いることがより好適であり、その製造手段等は特開2002−072544号公報に記載されている。
又、現像方式に2成分現像方式を用いる場合、トナー粒子とキャリア粒子を混合し、現像剤とする。そのキャリア粒子としては、ビニル系、非ビニル系の熱可塑性樹脂、金属酸化物、その他、硬化剤等の添加剤を混合機により十分に混合し、加熱ロール、ニーダー、エクストルーダー等の混練機を用いて溶融、混練し、これを冷却後、粉砕分級を行って磁性体が分散されている磁性キャリアとすることができる。又、以下に述べる重合法によって作製された磁性キャリア用いることも好適である。
重合法としては、直接、モノマーと金属酸化物を混合、重合して磁性体が分散されている磁性キャリアを得る際に用いられるモノマーとしては、前述したビニル系モノマーの他に、エポキシ樹脂の出発原料となるビスフェノール類とエピクロルヒドリン、フェノール樹脂のフェノール類とアルデヒド類、尿素樹脂の尿素とアルデヒド類、メラミンとアルデヒド類等が用いられる。例えば、硬化系フェノール樹脂を用いた磁性キャリアの製造方法としては、水性媒体中でフェノール類とアルデヒド類を塩基性触媒の存在下で、前述した金属酸化物及び必要に応じては分散安定剤を入れて懸濁重合し磁性体が分散されている磁性キャリアが得られる。
一般に、上記したような樹脂キャリアの場合は、金属酸化物の含有量が70%以上である場合には、特に、機械的強度が脆くなり易いという傾向があるため、キャリアの強度をアップさせるために、バインダー樹脂を架橋させて用いることが好ましい。架橋させる方法としては、例えば、溶融混練時に架橋成分を添加し混練時に架橋させる、或は直接重合時に硬化型樹脂を選択する、或は架橋成分を入れたモノマーを使用する等の方法が挙げられる。
更に、本発明において使用する磁性キャリアは、以上の製造方法等で得られる磁性体がバインダー樹脂中に分散されているキャリアをそのまま用いても良いが、該磁性キャリアをキャリアコアとして用い、絶縁性樹脂をコート剤とし、キャリアコア表面に被覆してコート磁性キャリアとして用いても良い。その際に使用されるコート剤のコート量としては、0.5〜15重量%の範囲であることが好ましい。
転写方式には電気的な力、或は機械的な力を利用した転写方式を使用することができる。電気的な力を利用して転写を行う方法として、コロナワイヤーによりトナーの帯電極性と逆極性の直流バイアスを印加して転写を行うコロナ転写方式、ローラを当接させ、トナーと逆極性のバイアスを印加するローラ転写方式等が挙げられる。
定着方式としては、ローラ状のものやベルト状のもの等が使用可能で、本発明により出力された高精細画像をより効果的に仕上げるために、定着後画像にラミネート加工や再処理することもより好適である。
入力情報となる画像処理法としては様々なものが使用可能である。通常、最も多く用いられる方法としてディザ法(Dither Method)と濃度パターン法(Dot Pattern Method)がある。ディザ法は、図3(a)に示されるように読み取った入力信号の1画素を2値記録の1画素に対応させる方法であり、濃度パターン法は、図3(c)に示されるように、読み取った入力信号の1画素を複数の記録画素に対応させる方法である。両者の中間に位置する手法として、図3(b)に示されるように、読み取った入力信号の1画素をm×mのマトリックス内の部分マトリックス(L×L)へ対応させる方法がある。この部分画素への対応において、L=1のときディザ法、L=mのときが濃度パターン法に相当し、任意の値を取ることにより出力画像サイズを変化し得る。
このような2値化手法を用い各色のディザパターンを形成する。各色のディザパターンには、図4に示すように、a×aの画素から成る基本網点(基本セル)を適当にずらして配置することにより、スクリーン角を持った網点ドットを作ることができる。ずらす値(変位ベクトル)をu=(a,b)とすると、得られるスクリーン角θは、
θ=tan−1(b/a)
より求められる。斯かる変位ベクトルuの値をa,bを用いて網点の1周期に相当する正方閾値マトリックス・サイズNは、
N=LCM(a,b)×(b/a+a/b)
となる。ここで、LCM(a,b)はaとbの最小公倍数を表わす。
各色に異なるスクリーン角を設ける効果としては、各色の位置がずれた場合でも色の一様性を保てること、更に、モアレ縞の発生を抑えること等が挙げられる。特に、モアレ縞の発生については、各色のスクリーン角の組み合わせに大きく影響を受け、印刷装置等で広く普及している組み合わせは、イエロー0°、シアン(又はマゼンタ)15°、ブラック45°、マゼンタ(又はシアン)75°等に設定されている。電子写真画像記録装置においては、600dpi・1200dpi・2400dpi等の解像度の制限の範囲でスクリーン角度の調整が行われている。
又、上述のパルス幅変調方式(PWM方式)に位相差を設けて、スクリーン角を設ける技術を用いることも可能である。
又、本発明で用いられるディザパターン形成手法は、多値出力することも可能であり、入力画素値と各ディザマトリックスパターンの閾値とを比較し、閾値を超えたときのマトリックスパターンの階調を出力すれば良い。このときのレーザーパルスの点灯幅は、階調により制御されるが、そのときの点灯位置は画素中の“中央、左、右”と、マトリックスパターン内の画素位置や周辺画素の影響を考慮して設定可能である。
更に、誤差拡散法やブルーノイズマスクを用いた画像形成手段を用いることも、本発明で実現される高精細画像出力には好適である。
次に、本明細中で記述した粒度分布とトナー円形度の測定方法について説明する。
1.トナー粒子又はトナーの粒度分布の測定:
測定装置としては,コールターカウンターTA−II或はコールターマルチサイザーII(コールター社製)を用いる。電解液としては、約1%NaCl水溶液を用いる。電解液には、1級塩化ナトリウムを用いて調製された電解液や、例えば、ISOTON(登録商標)−II(コールターサイエンティフィックジャパン社製)を使用することができる。
測定方法としては、前記電解水溶液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ホン塩酸)を0.1〜5mlを加え、更に測定試料を2〜20mg加える。試料を懸濁した電解液を超音波分散器で約1〜3分間分散処理し、アパーチャーとして100μmアパーチャーを用いて、前記測定装置により試料の体積及び個数を各チャンネル毎に測定して試料の体積分布と個数分布とを算出する。得られたこれらの分布から試料の重量平均粒径を求める。
チャンネルとしては、2.00〜2.52μm;2.52〜3.17μm;3.17〜4.00μm;4.00〜5.04μm;5.04〜6.35μm;6.35〜8.00μm;8.00〜10.08μm;10.08〜12.70μm;12.70〜16.00μm;16.00〜20.20μm;20.20〜25.40μm;25.40〜32.00μm;32〜40.30μmの13チャンネルを用いる。
2.トナー平均円形度の測定:
トナーの円相当径、円形度及びそれらの頻度分布とは、トナー粒子の形状を定量的に表現する簡便な方法として用いたものであり、本発明ではフロー式粒子像測定装置「FPIA−2100型」(シスメックス社製)を用いて測定を行い、下式を用いて算出した。
Figure 2005070649
ここで、「粒子投影面積」とは二値化されたトナー粒子像の面積であり、「粒子投影像の周囲長」とは、トナー粒子像のエッジ点を結んで得られる輪郭線の長さと定義する。
本発明における円形度はトナー粒子の凹凸の度合いを示す指標であり、トナー粒子が完全な球形の場合に1.000を示し、表面形状が複雑になる程、円形度は小さな値となる。
又、円形度頻度分布の平均値を意味する平均円形度Cは、粒度分布の分割点iでの円形度(中心値)をci、頻度をfciとすると、次式から算出される。
Figure 2005070649
具体的な測定方法としては、容器中に予め不純固形物等を除去したイオン交換水10mlを用意し、その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ホン酸塩を加えた後、更に測定試料を0.02g加えて均一に分散させる。分散させる手段としては、超音波分散機「Tetora150型」(日科機バイオス社製)を用い、2分間分散処理を行って測定用の分散液とする。その際、該分散液の温度が40℃以上とならないように適宜冷却する。
トナー粒子の形状測定には、前記フロー式粒子像測定装置を用い、測定時のトナー粒子濃度が3000〜1万個/μlとなるように該分散液濃度を再調整し、トナー粒子を1000個以上計測する。計測後、このデータを用いて、2μm未満のデータをカットしてトナー粒子の平均円形度を求める。
(従来例1)
波長680nmのレーザービームをキヤノン製複写機CLC1100に搭載し、感光体上スポットサイズ45×55nm、感光体膜厚26μm、解像度1200dpiとし、重量平均粒径7μm、円形度0.95のトナー粒子を、キャリア粒子と混合させた2成分現像装置で現像し、CLC1100製品の転写〜定着手段により最終画像を得た。
その結果、表1に示すように、粒状度は極不良(××)となった。
Figure 2005070649
(従来例2)
波長405nmのレーザービームを、キヤノン製複写機CLC1100に搭載し、感光体上スポットサイズ30×30nm、感光体膜厚15μm、解像度1200dpiとし、重量平均粒径7μm、円形度0.95のトナー粒子を、キャリア粒子と混合させた2成分現像装置で現像し、CLC1100製品の転写〜定着手段により最終画像を得た。
その結果、表1に示すように、粒状度は不良(×)となった。
波長405nmのレーザービームをキヤノン製複写機CLC1100に搭載し、感光体上スポットサイズ30×30m、感光体膜厚15μm、解像度1200dpiとし、重量平均粒径5μm、円形度0.955のトナー粒子を、キャリア粒子と混合させた2成分現像装置で現像し、CLC1100製品の転写〜定着手段により最終画像を得た。
その結果、表1に示すように、従来例に比べて良好な粒状性を得ることができた。
波長105mのレーザービームをキヤノン製複写機CLC5000に搭載し、感光体上スポットサイズ30×30m、感光体電荷輸送層膜厚12μm、表層膜厚3μm、解像度1200dpiとし、重量平均粒径4μm、円形度0.955のトナー粒子を、キャリア粒子と混合させた2成分現像装置で現像し、CLC5000製品の転写〜定着手段により最終画像を得た。
その結果、表1に示すように、従来例に比べて良好な粒状性を得ることができるとともに、実施例1に対しても良好な粒状性を得ることができた。
波長405mのレーザービームをキヤノン製複写機CLC1100に搭載し、感光体上スポットサイズ30×30nm、感光体膜厚15μm、解像度1200dpiとし、平均粒径6μm、円形度0.960のトナー粒子を、キャリア粒子と混合させた2成分現像装置で現像し、CLC1100製品の転写〜定着手段により最終画像を得た。
その結果、表1に示すように、従来例に比べて良好な粒状性を得ることができた。
本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、製版システム等に用いる電子写真方式の画像形成装置に対して適用可能である。
本発明に係る画像形成装置要部の断面図である。 本発明に係る画像形成装置の走査光学系の平面図である。 本発明の画像処理法を説明する図である。 本発明の画像処理法を説明する図である。
符号の説明
11 感光ドラム
12 帯電器
14 転写帯電器
15 定着器
16 クリーニング部材
17 画像露光部
19 現像器
21 半導体レーザー部
22 コリメータレンズ
23 シリンドリカルレンズ
24 ポリゴンミラー
25 fθレンズ
26 折り返しミラー
27 感光ドラム

Claims (5)

  1. 光導電性の像担持体と、前記像担持体を均一帯電する帯電手段と、帯電後の像担持体表面を像露光して静電潜像を形成する露光手段と、前記静電潜像にトナーを付着させてトナー像を形成する現像手段と、得られたトナー像を普通紙等最終支持部材に転写する転写手段とを備えた画像形成装置において、
    前記露光手段として380nm〜450nmに発光波長を有する光源を用い、静電潜像を顕在化するトナー粒子として重量平均粒径が6μm以下のものを使用することを特徴とする画像形成装置。
  2. 光学系の光量分布ピーク強度の1/e における径の平均値が40μm以下であることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置。
  3. 前記像担持体の膜厚Tが20μm以下であることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置。
  4. 光学系の光量分布ピーク強度の1/e における面積と前記像担持体の厚さの積が20000μm 以下であることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置。
  5. 現像剤であるトナー粒子の平均円形度が0.940以上、0.965以下であることを特徴とする請求項1記載の画像形成装置。
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