JP2006023513A - 現像装置及び該装置を備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トナー消費量が多くても、クリーニング性能がほとんど低下しないようにする。
【解決手段】 現像器１は、第１、第２現像ローラ３Ａ，３Ｂとに現像バイアスを印加して現像剤のトナーによって静電潜像を現像し、かつ感光ドラム２８上のトナーを回収するようになっており、第１現像ローラと感光ドラムとの最近接距離をＳＤ１（ｍ）、第２現像ローラと感光ドラムとの最近接距離をＳＤ２（ｍ）、第１現像ローラへ印加する現像バイアスのピーク間電圧をＶ１（Ｖ）、第２現像ローラへ印加する現像バイアスのピーク間電圧をＶ２（Ｖ）、キャリアの体積抵抗値を１．０×１０^ｘ（Ω・ｃｍ）とすると、Ｖ１／ＳＤ１−Ｖ２／ＳＤ２≦（０．６５ｘ−４．５）×１０^６（Ｖ／ｍ）、１．２×１０^６≦Ｖ１／ＳＤ１≦（０．３５ｘ＋３．５）×１０^６（Ｖ／ｍ）、（０．３０ｘ−１．５）×１０^６≦Ｖ２／ＳＤ２≦９．０×１０^６（Ｖ／ｍ）、９．０≦ｘ≦１３．０、を満たしている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、感光体を現像するとともに、感光体に残ったトナーを除去するクリーニング機能を備えた現像装置と、この現像装置を備えた画像形成装置とに関する。

従来、電子写真方式を採用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、及びこれらの複合機等の画像形成装置において、転写媒体に転写されずに感光体上に残留した転写残トナーを回収するのに、感光体に当接するクリーナ装置を用いないで、現像器で回収する、いわゆる「クリーナレス方式」によって回収する場合がある。

このクリーナレス方式を用いると、転写残トナーを廃棄せず再利用することができる。また、感光体に摺擦部材が当接することがないので感光体の摩耗を防止することもできる。したがって、維持費（ランニングコスト）を下げることができる。

特に、現像方式に、トナーと磁性キャリアを混合した現像剤を用いる２成分現像方式を用いると、磁気ブラシによる転写残トナーの回収性と、回収したトナーへの再帯電性が向上する。このため、２成分現像方式は、クリーナレス方式に適している。

クリーナレス方式を採用した現像装置の一例として次のようなものがある。

すなわち、感光体に対向して配置された少なくとも２本のローラを有し、２成分現像剤を用いるクリーニング兼用現像装置であって、上記感光体の回転方向に対して上流側に配置されたローラが感光体をクリーニングするクリーニングローラであり、上記感光体の回転方向に対して上記クリーニングローラよりも下流側に配置されたローラが感光体上の静電潜像を上記２成分現像剤で現像する現像ローラである(特許文献１参照)。

この現像装置は、同一画像の形成に対し、クリーニング機能をもたせたローラと、現像機能をもたせたローラとを配置することで、クリーナレス方式において重要な転写残トナーの回収性と、現像性とを両立させている。

その現像装置は、図７に示すように、クリーニングローラ１１と現像ローラ１２とに２成分現像剤を担持させ、所定のバイアスを印加しているため、事実上２本の現像ローラを用いて感光体ドラム１の潜像を現像するいわゆる「多段現像方式」の構成になっている。

特開平０８−１２３１９６号公報（請求項１、図３参照）

しかし、上記従来例を含めて、従来提案されてきたクリーナレス方式は、次の問題があった。

すなわち、形成される画像内に高濃度の部分が多い場合、現像器のトナー消費量が多くなる。このため、通常、２成分現像方式においては消費した分のトナーが逐次補給されるようになっているので、トナー補給量も増加していた。このような場合、２成分現像剤の攪拌によるトナーへの帯電付与が不十分になりがちであり、現像器のかぶり特性自体が若干悪化する場合があった。かぶり特性の悪化は、感光体上のかぶりトナーを増やすとともに、クリーニング特性の低下を併発することになる。

また、感光体に当接するクリーナ部材を有しないクリーナレス方式の場合、クリーニングされなかったトナーやかぶりトナーが増加すると、感光体の帯電時に帯電阻害をひきおこし、さらなるかぶりの増加を生ずるという悪循環に陥る場合があった。特に、高濃度部分が多い画像形成が連続的に行なわれた場合、このような悪循環を引き起こすことが多かった。

本発明は、トナー消費量が多いことがあっても、クリーニング性能がほとんど低下しないようにした現像装置を提供することを目的としている。

本発明は、トナー消費量の多いことがあっても、クリーニング性能が低下しない現像装置を備えて、良好な画質が得られる画像形成装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の現像装置は、静電潜像が形成される像担持体の回転方向の上流側から下流側に前記像担持体に対向して順に配設した第１の現像部材及び第２の現像部材と、前記第１の現像部材及び前記第２の現像部材に直流電圧と交流電圧とを重畳した現像バイアスを印加する印加手段と、を備え、前記第１の現像部材と前記第２の現像部材とに前記現像バイアスを印加してトナー及びキャリアを備えた現像剤によって前記静電潜像を現像し、かつ像担持体上のトナーを回収するようになっており、
前記第１の現像部材と前記像担持体との最近接距離をＳＤ１（ｍ）、前記第２の現像部材と前記像担持体との最近接距離をＳＤ２（ｍ）、前記第１の現像部材へ印加する前記現像バイアスのピーク間電圧をＶ１（Ｖ）、前記第２の現像部材へ印加する前記現像バイアスのピーク間電圧をＶ２（Ｖ）、前記キャリアの体積抵抗値を１．０×１０^ｘ（Ω・ｃｍ）とすると、
Ｖ１／ＳＤ１−Ｖ２／ＳＤ２≦（０．６５ｘ−４．５）×１０^６（Ｖ／ｍ）、
１．２×１０^６≦Ｖ１／ＳＤ１≦（０．３５ｘ＋３．５）×１０^６（Ｖ／ｍ）、
（０．３０ｘ−１．５）×１０^６≦Ｖ２／ＳＤ２≦９．０×１０^６（Ｖ／ｍ）、
９．０≦ｘ≦１３．０、
を満たしている。

上記目的を達成するため、本発明の画像形成装置は、静電潜像が形成される像担持体と、前記静電潜像をトナー現像する現像装置と、前記トナー現像をシートに転写する転写手段と、を備え、前記現像装置が、上記現像装置である。

本発明の現像装置は、トナー消費量が多いことがあっても、最後に像担持体上の静電潜像と対向する第２の現像部材においてトナーが消費されるように構成したため、最初に像担持体上の静電潜像と対向する第１の現像部材に搬送されるトナーの濃度が自動的に下がり、クリーニング性能が殆ど低下することがない。

本発明の画像形成装置は、トナー消費量の多いことがあっても、クリーニング性能が低下しない現像装置を備えているので、シートに良好な画質を形成することができる。

以下、本発明の実施形態の画像形成装置としての複写機、及び現像装置としての現像器を説明する。

なお、本実施形態で取り上げている数値は、参考数値であり、本発明は、これらの数値に限定されるものではない。また、数値は、おおよその数値であり、数値そのものに限定されるものではない。

画像形成装置としての複写機５０は、一次帯電器２１、レーザビームスキャナ２２、感光ドラム２８、補助帯電ブラシ３２、現像装置としての現像器１、転写帯電器２３、及び定着器２５等を備えている。画像形成装置には、複写機、プリンタ、ファクシミリ、及びこれらの複合機等があり、複写機のみに限定されるものではない。また、本実施形態の複写機は、単色複写機を例に挙げて説明するが、現像器１を複数備えた複数色の画像をシートとしての転写紙に形成することのできる多色複写機であってもよい。

図１において、感光ドラム２８は、不図示の駆動装置によって所定の回転速度で、図１の矢印で示す方向に回転（右回転）するようになっている。感光ドラム２８は、直径６０ｍｍの円筒形である。感光ドラム２８の円筒外周表面の周速度は、５０ｍｍ／ｓｅｃ乃至５００ｍｍ／ｓｅｃの範囲内が好ましい。本実施形態では２００ｍｍ／ｓｅｃである。感光ドラム２８には、表層に弾性層を有する１次帯電器２１が当接している。１次帯電器２１には、不図示の帯電バイアス電源によって１次帯電バイアスが印加されている。１次帯電バイアスは、直流成分−３５０乃至−８００Ｖと、交流成分としてピーク間電圧が１２００乃至１８００Ｖの正弦波とを重畳したバイアスである。直流成分、および交流成分の値は、周囲の温度、湿度などに応じて決定されるが、直流成分の値を−５００Ｖ、交流成分の値を１５００Ｖとしておく。

１次帯電器２１によって一様に帯電された感光ドラム２８は、レーザビームスキャナ２２によって画像情報に応じた露光を施される。これによって感光ドラム２８上に、画像情報に応じた静電潜像が形成される。レーザビームスキャナ２２の露光を受けない部分は画像上の白地に相当し、その表面電位Ｖｄａｒｋは１次帯電バイアスの直流成分とほぼ同一で−５００Ｖである。また、レーザビームスキャナ２２の露光を受けた部分は画像上の最大濃度部に相当し、その表面電位Ｖｌｉｇｈｔは露光量や感光ドラム２８の感光特性に応じて変化するが、説明のため都合上−１００Ｖとしておく。画像上の中間濃度部分は、レーザビームスキャナ２２の発光時間を時分割することで形成する。

このようにして形成された静電潜像を、現像器１によって現像する。現像器１は、主としてトナーと磁性キャリアからなる２成分現像剤を収容する現像容器２、現像容器２の感光ドラム２８側開口部に感光ドラムの回転方向の上流側から順に配置された第１の現像部材としての第１現像ローラ３Ａ及び第２現像部材としての第２現像ローラ３Ｂ、第１、第２現像ローラ３Ａ，３Ｂの共通の印加手段としての現像バイアス電源３０等を備えている。

第１現像ローラ３Ａ及び第２現像ローラ３Ｂと、感光ドラム２８の最近接距離は、ともに４００μｍである。第１現像ローラ３Ａ及び第２現像ローラ３Ｂは、円筒形の非磁性材料で形成されて、不図示の駆動装置によってそれぞれ所定の回転速度で矢印方向の右回転するようになっている。また、第１現像ローラ３Ａの直径は２４．５ｍｍ、第２現像ローラ３Ｂの直径は２０ｍｍである。

本実施形態において、第１現像ローラ３Ａに対する第２現像ローラ３Ｂの周速比は０．５乃至２．０の範囲が好ましい。また、それぞれ感光ドラム２８の外周表面の周速度に対して１．２倍乃至４．０倍の範囲内であることが好ましい。本実施形態においては、第１現像ローラ３Ａ、第２現像ローラ３Ｂの外周表面の周速度はともに３００ｍｍ／ｓｅｃであり、感光ドラム２８の外周表面の周速度に対しては１．５倍である（感光ドラム２８の周速度は２００ｍｍ／ｓである）。また、第１現像ローラ３Ａに対する第２現像ローラ３Ｂの周速比は１．０である。

第１現像ローラ３Ａ、第２現像ローラ３Ｂの内部には、現像容器２に対して固定配置された第１マグネット５Ａ、第２マグネット５Ｂが、それぞれ内包されている。第１マグネット５Ａ、５Ｂには、図１に示すような磁極が配置されている。

２成分現像剤は、第２マグネット５ＢのＳ１極による磁力で現像容器２内から第２現像ローラ３Ｂ上に汲み上げられる。Ｓ１極付近には、第２現像ローラ３Ｂの表面と所定の間隙（３００μｍ）を保持して規制ブレード４を現像容器２に設けてある。規制ブレード４は、第２現像ローラ３Ｂ上の２成分現像剤の層厚を所望量に規制するようになっている。規制された後における、第２現像ローラ３Ｂ上の２成分現像剤の量は４０ｍｇ／ｃｍ^２である。層厚規制された現像剤は、第２現像ローラ３Ｂの回転および第２マグネット５Ｂの磁気搬送力によって搬送されて、感光ドラム２８との第２対向部２９Ｂで感光ドラム２８に接触する。第２対向部２９Ｂを通過した２成分現像剤はさらに搬送されて、第２マグネット５ＢのＳ２極から第１マグネット５ＡのＮ２極に受け渡される。このとき、第２マグネット５Ｂの右側部分のＳ２乃至Ｓ１極間部分には、第２現像ローラ３Ｂ表面での磁束密度が０ｍＴに近い低磁束密度領域を形成しているため、その部分に２成分現像剤が搬送されることはない。つまり第２現像ローラ３Ｂ上の２成分現像剤は、Ｓ２極乃至Ｎ２極部分において、すべて第１現像ローラ３Ａに受け渡される。

Ｎ２極で第１現像ローラ３Ａに受け渡された２成分現像剤は、第１現像ローラ３Ａの回転および第１マグネット５Ａの磁気搬送力によって搬送され、感光ドラム２８との第１対向部２９Ａで感光ドラム２８に接触する。このとき、第２現像ローラ３Ｂ上の２成分現像剤の量は４０ｍｇ／ｃｍ^２であって、第１現像ローラ３Ａ、第２現像ローラ３Ｂの外周表面の周速度は３００ｍｍ／ｓｅｃで同一であるから、第１現像ローラ３Ａ上の２成分現像剤の量は第２現像ローラ３Ｂ上と同じく４０ｍｇ／ｃｍ^２となる。第１対向部２９Ａを通過した２成分現像剤はさらに搬送されてＮ４極に達する。Ｎ４極乃至Ｎ２極間には、Ｓ２乃至Ｓ１極間部分と同様の低磁束密度領域が形成されており、２成分現像剤は第１現像ローラ３Ａから剥離され、現像容器２内に回収される。

このように、２成分現像剤は図１の下方から上方に搬送される。これに対して、感光ドラム２８表面は現像器１に対向する領域では下方に移動する。このため、静電潜像と２成分現像剤の進行方向は互い逆である。

第１現像ローラ３Ａ、第２現像ローラ３Ｂには、共通の現像バイアス電源３０から現像バイアスが印加されている。現像バイアスは直流電圧に交流電圧成分を重畳したものである。直流成分の値Ｖｄｅｖは−３５０Ｖである。また、交流電圧成分はピークトゥピーク電圧２０００Ｖ、周波数６ｋＨｚの矩形波である。

静電潜像のＶｄａｒｋ電位と現像バイアスＶｄｅｖとの電位差をＶｂａｃｋ（かぶり保証電位）と呼び、本実施形態では１５０Ｖである。

次に２成分現像剤を構成するトナーとキャリアについて説明する。

本実施形態で用いられるトナーは、スチレンアクリルモノマーに着色剤および荷電制御剤を添加したモノマー組成物を水系の媒体中で懸濁重合を行なう懸濁重合法によって製造された球形状のトナー（重合トナー）であり、体積平均粒径は７．５μｍである。球状あるいは球に類した形状のトナーを用いることで、粉砕分級によって製造された不定形のトナーに比べ、転写残トナー量を大きく減少させることが可能となり、クリーナレス方式において非常に有利である。

また、本実施形態で用いられるキャリアは、重合法により生成されたものであって、磁性体や非磁性金属酸化物が分散された樹脂製のコアをシリコーン樹脂で被覆した樹脂磁性キャリアである。キャリアの体積平均粒径は４０μｍ、抵抗値は１．０×１０^１２Ω・ｃｍである。

なお、キャリアの抵抗は、図２に示す測定装置を用いて測定を行った。セルＥに、キャリア３３に接する様に上部電極３４及び下部電極３５を配して、これらの電極間に電源３６より所定の電圧を印加する。そのときに流れる電流を測定することにより比抵抗を求めた。本実施形態に用いた比抵抗の測定条件は、充填キャリアと電極との接触面積（Ｓ）を約２．３ｃｍ^２、厚み（ｄ）を約２ｍｍ、上部電極３４の荷重を１８０ｇ、測定電界強度を３×１０^５Ｖ／ｍ、また、測定環境を気温２３℃、相対湿度を５０％とした。

抵抗値の表記に関して、本実施形態においては抵抗値Ｒの常用対数をｘとし、Ｒ＝１．０^Ｘと表記する。たとえば、５．０×１０^１１という数値（仮数５．０、指数１１）は、その常用対数をとると約１１．７となるので、抵抗値Ｒが５．０×１０^１１Ω・ｃｍだった場合、これを、１．０×１０^１１．７Ω・ｃｍと表記する。

トナーは、トナーとキャリアの摩擦帯電により、マイナス帯電される。

２成分現像剤中におけるトナーの重量百分率（トナー濃度）は、本実施形態の現像器１が設置初期の状態において８％に調整してある。

静電潜像の現像によって、２成分現像剤中のトナーが消費されて、トナー濃度が減少する。減少した分のトナーは、不図示のトナー補給槽から、消費されたトナー量に応じて現像容器２内の２成分現像剤に適宜補給される。

トナー補給層から現像容器２へのトナー補給量の決定は、感光ドラム２８上の基準潜像を現像して形成した基準トナー像に対し、光学センサ３１によって反射光量を計測する方式によって行なわれる。基準トナー像のトナー付着量は２成分現像剤のトナー濃度に応じて変化するため、現像器１に対してどれだけのトナー消費が行われたか、すなわち必要とされるトナー補給量を決定することができる。

現像容器２に補給されたトナーは、攪拌部材６によって２成分現像剤と混合攪拌されて、摩擦帯電をうけることで所定量の電荷量を付与される。

以上のようにして感光ドラム２８上に形成されたトナー像は、転写帯電器２３によって転写紙Ｐの表面に静電的に転写される。トナー像を転写された転写紙Ｐは、定着器２５に加熱加圧されて、トナー像を定着される。トナー像は、永久定着される。

転写後に感光ドラム２８上に残った転写残トナーは、クリーナレス方式によって現像器１に回収され、再利用される。回収は、次のようにして行なわれる。

現像時に現像器１から感光ドラム２８の表面に付着したトナーは、マイナスに帯電している。このトナーは、転写時に転写帯電器２３に印加されたプラス極性のバイアスを受けながら転写紙Ｐに転写される。このとき、わずかではあるがトナー中で極性がプラスであったものや、転写帯電器２３による転写工程で帯電されて極性がプラスになったものが感光ドラム２８の表面に残り、これが転写残トナーとなる。このプラス極性を持つ転写残トナーに対して、まず、補助帯電ブラシ３２によるマイナス方向への帯電を行なう。導電性のブラシを備えた補助帯電ブラシ３２には、不図示のバイアス電源から補助帯電バイアスとして−７００Ｖの直流電圧が印加される。補助帯電バイアスがマイナス極性であるため、補助帯電ブラシ３２は、プラス極性の転写残トナーを捕捉する。転写残トナーは感光ドラム２８と補助帯電ブラシ３２間で一時的に滞留する。転写残トナーは、滞留している間に補助帯電バイアスによる帯電を受けてマイナスの極性となる。補助帯電バイアスを受けた転写残トナーの帯電量は、現像器１内のトナーに対してマイナス側に絶対値が大きくなっている。しかし、転写残トナーの帯電量は、１次帯電バイアスの交流成分によって平均的にトナーの帯電量の絶対値が小さくなる。このため、１次帯電器２１を通過した転写残トナーは現像器２内のトナーとほぼ同等の帯電量になる。このようにして帯電量を調整された転写残トナーは、第１対向部２９Ａにおいて、２成分現像剤によるかきとり力と、現像バイアスの交流成分による電界によって感光ドラム２８から剥離され、Ｖｂａｃｋの電位差による電気力によって、感光ドラム２８表面から第１現像ローラ３Ａへと異動する。このようにして感光ドラム２８表面から転写残トナーがクリーニングされる。

次に、本実施形態の現像器の特徴的な部分を詳しく説明する。

本実施形態の現像器の特徴は、トナー消費量が多い画像が連続した場合のような厳しい条件下においてもクリーナレス方式におけるクリーニング性能を良好に維持できるという点にある。すなわち、本実施形態の現像器は、トナー消費量が多いことがあってもクリーニング性能を良好に維持することができる特長がある。

前述したように、クリーナレス方式の性能は、現像ローラ３Ａ，３Ｂによるクリーニング特性とかぶり特性に依存するところが大きい。クリーニング性能が悪くても、かぶり特性が悪くても、感光ドラム２８上をつれまわるトナー（転写残トナーが残ったトナー）の量が増えることになる。

つれまわるトナーは、ある所定量以下であれば感光ドラム２８上に定常的に存在するものの、画像やクリーニング性能を阻害することはない。しかし、つれまわるトナーの量が１次帯電器２１での帯電を阻害するような量になると、Ｖｄａｒｋと各現像バイアス直流成分の差分が縮まり、クリーニング特性とかぶり特性がともに悪化してさらにつれまわるトナーの量が増加する。

特に、トナー消費量が多い画像を転写紙Ｐに連続して転写する場合、補給トナーの増加によって攪拌によるトナーへの帯電付与が不足気味になることがある。このような場合、かぶり特性の悪化によって、上記のような悪循環を引き起こすことがある。

つまり、クリーナレス方式を安定的に成立させるためには、トナー消費量の多い画像を転写紙Ｐに連続して転写する厳しい条件下においても、クリーニング特性やかぶり特性の向上によってつれまわるトナーの量を所定値以下に抑制することが必要になる。

そこで、本実施形態の現像器は、２成分現像剤を感光ドラム２８の移動方向とは逆方向に搬送し、かつ第２現像ローラ３Ｂで必ずトナーを消費する構成にすることで、特にトナー消費量が多い場合でも、第１現像ローラ３Ａに搬送される２成分現像剤のトナー濃度が下がるようにした。このように構成すると、つれまわるトナーの量が増加しやすい条件である、トナー消費量が多い場合、その度合いに応じて自動的に第１現像ローラ３Ａ上の２成分現像剤のトナー濃度が低下して、クリーニング性能を向上させることができる。

上記のように、第１現像ローラ３Ａ上の２成分現像剤のトナー濃度を低下させるためには、第１現像ローラ３Ａ上に２成分現像剤を供給する側の第２現像ローラ３Ｂにおいて、静電潜像に対しトナーを付着させる必要がある。このためには、静電潜像に対し第１現像ローラ３Ａによる現像行為が少なくなり、第２現像ローラ３Ｂでの現像によるトナー付着が行われる余地を残しておくことが必要である。この構成に関して図３を用いて説明する。

図３は、感光ドラム２８上の潜像表面電位Ｖｄａｒｋ，Ｖｌｉｇｈｔ、現像バイアスの直流成分Ｖｄｅｖ、および第１現像ローラ３Ａにおける現像終了後のトナー表層電位Ｖｔ１、第２現像ローラ３Ｂにおける現像終了後のトナー表層電位Ｖｔ２の関係を示したものである。

感光ドラム２８上の潜像表面電位、およびトナー表層電位はトレック・ジャパン（株）の表面電位計Ｍｏｄｅｌ３４４を用いて測定する。潜像表面電位は現像器１の上下付近で測定してもよいし、実験的に第１現像ローラ３Ａ、第２現像ローラ３Ｂを取り除いてその位置で測定してもよい。トナー表層電位Ｖｔ１は、実際の装置構成で測定することは困難であるが、実験的には第２現像ローラ３Ｂを取り除いて第１現像ローラ３Ａ上に実動作と同量の２成分現像剤を担持搬送させ、第２現像ローラ３Ｂないしは現像器１の下方近傍に測定プローブを対向させることで測定することができる。また、トナー表層電位Ｖｔ２は、現像器１の下方近傍で感光ドラム２８の表面を測定すればよい。

第１対向部２９Ａにおいて、第１現像ローラ３Ａによる現像が終了した直後のトナー表層電位Ｖｔ１は−２３５Ｖであって、第１現像ローラ３Ａに印加された現像バイアスの直流成分Ｖｄｅｖの値である−３５０Ｖまで達していない。これは高抵抗キャリアを用いたため、第１対向部２９Ａにおけるインピーダンスが大きく、現像工程という電気的な過渡現象が第１対向部２９Ａの範囲内で終了（「現像工程の終了」）しないからである。このため、第１対向部２９Ａで形成されたトナー像の表層電位Ｖｔ１と、第２現像ローラ３Ｂに印加された現像バイアスの直流成分Ｖｄｅｖの間には１１５Ｖの電位差があり、第２現像ローラ３Ｂにおけるトナー消費をおこなう余地が充分残っている。この電位差に対して第２現像ローラ３Ｂで現像を行なうとトナー表層電位Ｖｔ２は−３００Ｖとなり、すなわちトナー表層電位にして６５Ｖ分のトナーが感光ドラム２８上に付着したことになり、第２現像ローラ３Ｂでのトナー消費が十分に行われたことを示している。

このようにして第２現像ローラ３Ｂでトナーを消費した２成分現像剤が第１現像ローラ３Ａに搬送され、第１対向部２９Ａで現像およびクリーニング工程を行なう。

クリーニング特性に関しては、トナー濃度が下がることで２成分現像剤の転写残トナー回収能力が高まる。これは、トナー濃度が下がることで２成分現像剤中のキャリア表面に、転写残トナーを受け入れられる領域が増加するためである。

この作用は、特にトナー消費量が多い画像が形成される場合に顕著となるため、トナー消費量が多い画像が連続した場合のような厳しい条件下においてもクリーナレス方式におけるクリーニング性能を良好に維持することができる。

ここで、本実施形態における高抵抗キャリアの効果を詳しく説明する。

上記で述べた「現像工程の終了」とは、以下のような「潜像充電率」という指標を用いて表現することができる。潜像充電率とは、潜像コントラスト電位（Ｖｌｉｇｈｔ−Ｖｄｅｖ）に対する、現像されたトナー像の形成する電位差（Ｖｌｉｇｈｔ−Ｖｔ）の比で表される。すなわち 潜像充電率＝（Ｖｌｉｇｈｔ−Ｖｔ）／（Ｖｌｉｇｈｔ−Ｖｄｅｖ）
と表わすことができる。

「現像工程の終了」とは、この潜像充電率が指数関数に従い所定値（Ｖｄｅｖ）に収束し、実質上１００％となることを示す。つまり、本実施形態のような高抵抗キャリアを用いた系で現像工程が終了しないということは、上記の潜像充電率が１００％に達していないことを示す。

上記指数関数の時定数は感光ドラム２８と現像ローラ３Ａ，３Ｂ間におけるインピーダンスに依存する。このインピーダンスが高い場合、時定数は大きくなり、現象が飽和するまでに多くの時間を要する。逆にインピーダンスが低い場合、時定数は小さくなり、現象が飽和するまでの時間は短くなる。

図４は比較例として、キャリアとして抵抗値が１．０×１０^７Ω・ｃｍである場合の、感光ドラム２８上の潜像表面電位、現像バイアスの直流成分Ｖｄｅｖ、および第１現像ローラ３Ａ、第２現像ローラ３Ｂにおける現像終了後のトナー表層電位Ｖｔ１、Ｖｔ２の関係を示したものである。

キャリア抵抗値が１．０×１０^７Ω・ｃｍとなるのは、たとえば、樹脂キャリアのコアに導電性物質を多く含有させた場合や、キャリアのコアにフェライトを用いた場合などがある。

第１対向部２９Ａにおいて、第１現像ローラ３Ａによる現像が終了した直後のトナー表層電位Ｖｔ１は−３５０Ｖとなり、第１現像ローラ３Ａに印加された現像バイアスの直流成分Ｖｄｅｖの値である−３５０Ｖとほぼ同一となる。これは本実施形態のような高抵抗キャリアに比して、第１対向部２９Ａにおけるインピーダンスが小さく、現像工程という電気的な過渡現象はあるものの本実施形態の系に対して時定数が小さいため、実質上瞬時に現象が飽和してしまうためである。つまり、１．０×１０^７Ω・ｃｍの抵抗値をもつキャリアを用いると、第１現像ローラ３Ａによる現像によって潜像充電率が１００％に達してしまうということである。

このため、第１対向部２９Ａで形成されたトナー像の表層電位Ｖｔ１と、第２現像ローラ３Ｂに印加された現像バイアスの直流成分Ｖｄｅｖの間に電位差を形成することができず、第２現像ローラ３Ｂにおけるトナー消費を行なう余地がない。このためキャリア抵抗値が１０^７Ω・ｃｍであると本実施形態のような効果を得ることはできない。

本実施形態のように、第２現像ローラ３Ｂでかならずトナーが消費されるようにするためには、キャリアの抵抗値が１．０×１０^９Ω・ｃｍ以上のものを用いる必要がある。

ただし、キャリアの抵抗値が１．０×１０^１３Ω・ｃｍを超えると、本実施形態のような効果は得られるものの、現像特性の悪化が顕著となり、所望の画像濃度を得ることが困難となる。また、現像特性の悪化に付随して、潜像エッジ部にトナーが過剰に付着して濃度が濃くなる「エッジ強調」とよばれる現象が悪化するため、好ましくない。

このため本実施形態に用いられるキャリアの抵抗値としては、１．０×１０^９Ω・ｃｍ以上１．０×１０^１３Ω・ｃｍ以下の範囲であることが必要である。

すなわち、前述したように、キャリアの抵抗値Ｒの常用対数をｘとすると、
９．０≦ｘ≦１３．０ ・・・式１
が成り立つ必要がある。

さらに、本発明の効果を好適に得るための諸条件について説明する。

図５は、本実施形態の特徴的を示す、第１現像ローラ３Ａ、第２現像ローラ３Ｂと感光ドラム２８との間に印加される交流電界の相対関係図である。これらの電界の値をそれぞれ横軸、縦軸に示してある。

本実施形態の作用を好適に得るための第１の必要条件は、第１現像ローラ３Ａ及び第２現像ローラ３Ｂと感光ドラム２８との最近接距離をＳＤ１（ｍ）、ＳＤ２（ｍ）、第１現像ローラ３Ａ、第２現像ローラ３Ｂに印加されるバイアス電圧の交流成分のピーク間電圧をＶ１（Ｖ）、Ｖ２（Ｖ）、前記磁性キャリアの体積抵抗値を１．０×１０^Ｘ（Ω・ｃｍ）としたとき、
Ｖ１／ＳＤ１−Ｖ２／ＳＤ２≦（０．６５ｘ−４．５）×１０^６（Ｖ／ｍ）・・・式２
となることである。

式２に関し、Ｖ１／ＳＤ１−Ｖ２／ＳＤ２の値が（０．６５ｘ−４．５）×１０^６（Ｖ／ｍ）を上回る（図５において式２を示す直線２の右下側の領域）と、第１現像ローラ３Ａによる静電潜像への現像能力が高く、第２現像ローラ３Ｂによる静電潜像への現像能力が減じることとなり、第２現像ローラ３Ｂでのトナー消費効果を阻害し、本発明の効果を充分に得ることができなくなる恐れがある。

式２に示したように、この相対関係はキャリアの抵抗値によって変化するものであって、ｘの値が大きいほどＶ１／ＳＤ１を大きく、Ｖ２／ＳＤ２を小さく設定することが可能である。つまり、キャリアの抵抗値が大きいほど、本発明の特徴的な効果である第２現像ローラによるトナー消費効果を容易に得ることができる。

次に本実施形態の作用を好適に得るための第２の必要条件は、Ｖ１／ＳＤ１、Ｖ２／ＳＤ２のそれぞれが最適範囲内に収まっていることである。その条件とは以下のようなものである。

１．２×１０^６≦Ｖ１／ＳＤ１≦（０．３５ｘ＋３．５）×１０^６（Ｖ／ｍ）・・・式３
（０．３ｘ−１．５）×１０^６≦Ｖ２／ＳＤ２≦９．０×１０^６（Ｖ／ｍ） ・・・式４
式３は、第１現像ローラ３Ａに印加される交流電界に関するものである。

Ｖ１／ＳＤ１が１．２×１０^６（Ｖ／ｍ）を下回る（図５において式３の左辺を示す直線２−１の左側の領域）と、第１現像ローラ３Ａと感光ドラム２８との第１対向部２９Ａにおいて交流電界による転写残トナーの引き剥がし能力が得られず、第１現像ローラ３Ａにおけるクリーニング性能が十分に得られない恐れがある。

また、Ｖ１／ＳＤ１が（０．３５ｘ＋３．５）×１０^６（Ｖ／ｍ）を上回る（図５において式３の右辺を示す直線２−２の右側の領域）と、第１現像ローラ３Ａによる静電潜像への現像能力が高まり、第２現像ローラ３Ｂでのトナー消費効果を阻害し、本発明の効果を十分に得ることができなくなる恐れがある。

式３の右辺に示すように、Ｖ１／ＳＤ１の上限値はキャリアの抵抗値によって変化する。キャリアの抵抗値が高い場合は、第１現像ローラ３Ａによる静電潜像への現像能力が高まる度合いが少ないため、第２現像ローラ３Ｂでのトナー消費効果を比較的阻害しにくい。このため、第１現像ローラ３Ａに印加される交流電界を大きく設定してクリーニング効果を高めることが可能である。

式４は第２現像ローラ３Ｂに印加される交流電界に関するものである。

Ｖ２／ＳＤ２が（０．３０ｘ−１．５）×１０^６（Ｖ／ｍ）を下回る（図５において式４の左辺を示す直線３−１の下側の領域）と、第２現像ローラ３Ｂによる静電潜像への現像能力が減じ、第２現像ローラ３Ｂでのトナー消費効果を阻害し、本発明の効果を十分に得ることができなくなる恐れがある。

式４の左辺に示すように、Ｖ２／ＳＤ２の下限値はキャリアの抵抗値によって変化する。キャリアの抵抗値が高い場合は、第２現像ローラ３Ｂによる静電潜像への現像能力が減じやすく、第２現像ローラ３Ｂでのトナー消費効果が阻害されやすくなるため、第２現像ローラ３Ｂに印加される交流電界を比較的大きく設定する必要がある。

また、Ｖ２／ＳＤ２が９．０×１０^６（Ｖ／ｍ）を上回る（図５において式４の右辺を示す直線３−２の上側の領域）と、第１現像ローラ３Ａと感光ドラム２８との対向部において絶縁破壊が発生し画像形成機能を損なう恐れがあるため好ましくない。

さらに本発明の効果を好適に得るためには、
第１現像ローラ３Ａと、第２現像ローラ３Ｂに印加するバイアス電圧の直流成分の値を同一としたとき、
前記静電潜像の最大濃度部の表面電位をＶｌｉｇｈｔ（Ｖ）、
前記静電潜像の最大濃度部を、第１現像ローラ３Ａによって現像した後の、前記潜像担持体上におけるトナー表層電位をＶｔ１（Ｖ）、第２現像ローラ３Ｂによって現像された後の、前記潜像担持体上におけるトナー表層電位をＶｔ２（Ｖ）としたとき、
０．１５≦（Ｖｔ２−Ｖｔ１）／（Ｖｔ２−Ｖｌｉｇｈｔ）≦０．５０ ・・・式５
となるように構成するのが好ましい。

式５において、（Ｖｔ２−Ｖｌｉｇｈｔ）は本実施形態の現像器全体によって現像されたトナーによる表面電位差を表わし、（Ｖｔ２−Ｖｔ１）は第２現像ローラ３Ｂによって現像された分のトナーによる表面電位差を表わす。本実施形態のような２成分接触ＡＣ現像を用いた多段現像器においては、各現像ローラにおいて現像されたトナーの重量あたりの電荷量はほぼ一定と考えてよいから、この値が現像されたトナーのうち第２現像ローラ３Ｂによって現像された分の比率を示すことになる。

先に述べた本実施形態の構成は、実質上（Ｖｔ２−Ｖｔ１）／（Ｖｔ２−Ｖｌｉｇｈｔ）の値を０．１５以上とする構成であって、これが０．１５を下回る場合は、第２現像ローラ３Ｂでのトナー消費効果が不足し、本発明の効果を十分に得ることができなくなる恐れがある。

また、先に説明した本実施形態の構成の範囲内では（Ｖｔ２−Ｖｔ１）／（Ｖｔ２−Ｖｌｉｇｈｔ）は実質上０．５０を越えることはないと考えられる。仮にこの値が０．５０を超えた場合を考えると、第２現像ローラ３Ｂでのトナー消費効果は十分に得られるものの、逆に第１現像ローラ３Ａによる現像性が低すぎる条件であることを示している。先に述べたように本実施形態の構成では、第１現像ローラ３Ａの現像性能が低いような条件は、同時に第１現像ローラ３Ａのクリーニング性能を減ずる方向となるため好ましくない。

Ｖｌｉｇｈｔ（Ｖ）、Ｖｔ１（Ｖ）、Ｖｔ２（Ｖ）の測定方法に関しては先述したとおりである。

また、本実施形態においては前記ＳＤ１、ＳＤ２、Ｖ１、Ｖ２に関して
０．２×１０^−３（ｍ）≦ＳＤ１≦１．０×１０^−３（ｍ） ・・・式６
０．２×１０^−３（ｍ）≦ＳＤ２≦１．０×１０^−３（ｍ） ・・・式７
５００（Ｖ）≦Ｖ１≦３０００（Ｖ） ・・・式８
５００（Ｖ）≦Ｖ２≦３０００（Ｖ） ・・・式９
となるように構成することが好ましい。

式６、式７に関し、ＳＤ１、ＳＤ２が０．２×１０^−３（ｍ）を下回ると、現像ローラと感光ドラム２８との対向部における現像剤の滞留が発生する可能性が大きくなることと、バイアス電圧による対向部の電界が強まって絶縁破壊を発生する可能性が大きくなるため好ましくない。また、ＳＤ１、ＳＤ２が１．０×１０^−３（ｍ）を上回ると、感光ドラム２８に対する接触が弱くなりクリーニング性能、現像性能を減ずる可能性が大きくなるため好ましくない。

式８、式９に関し、Ｖ１、Ｖ２が５００（Ｖ）を下回ると、現像ローラと感光ドラム２８との対向部における交流電界が弱まりクリーニング性能、現像性能を減ずる可能性が大きくなるため好ましくない。また、Ｖ１、Ｖ２が３０００（Ｖ）を上回ると、バイアス電圧による対向部の電界が強まって絶縁破壊を発生する可能性が大きくなるため好ましくない。

（第２の実施形態）
（第２実施形態の現像器）
本実施形態の現像器は、第１実施形態の現像器の交流バイアス波形を変更したものである。本実施形態の現像バイアスの交流成分は、図６に示したように、周波数８ｋＨｚ、ピーク間電圧１．８ｋＶの矩形波を、２周期分発生した後、２周期分休止するという動作を繰り返す構成のブランクパルス波形とした。

本実施形態においては、図６において2周期分休止しているときの一定電圧と、現像バイアスの直流成分は一致するようになっている。これは、本実施形態の現像バイアスの交流成分が2周期分休止しているときの一定電圧に対して対称となっているからである。

ただし、本発明において現像バイアスの交流波形は必ずしも上下対称のものに限られるものではなく、特に、本実施形態のような休止部を設けた波形において交流波形が上下対称でない場合、その休止部として設定される電圧値と現像バイアスの直流成分の値とは必ずしも一致しない。

先に説明したように、静電潜像のＶｄａｒｋ電位と現像バイアスＶｄｅｖとの電位差をＶｂａｃｋ（かぶり保証電位）と呼び、本実施形態では１５０Ｖとなっている。このＶｂａｃｋが中心設定値に対して小さくなった場合、かぶりはそれに応じて徐々に増加していく。ここで、本実施形態のブランクパルス波形を現像バイアスとして用いると、第１の実施形態のような矩形波を用いた場合に比べ、かぶりが最小の状態から増加していく傾きを小さくすることができる。すなわち、たとえば、転写残トナーの回収不良による１次帯電器２１での帯電不良によってＶｂａｃｋが小さくなった場合でも、第１の実施形態に比較してかぶりの悪化度合いが少ない。このため、本発明の効果をより効果的に得ることができて好ましい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、詳細な構成は必ずしもこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の目的が好適に得られる範囲内で様々な形態をとることができる。また、勿論、上記実施形態の方法を適宜組み合わせて使用することも可能であり、諸条件を鑑みて条件を調整しながら本発明の効果が適切に得られるようにすればよい。

たとえば、上記のような現像ローラ間の２成分現像剤受け渡し部の磁極配置は、異極配置に限るものではなく、同極を配置してもよい。

たとえば、トナー補給量の決定方式に関しては従来様々な提案がなされているとおり、現像容器２内の光学センサや透磁率センサでトナー濃度を検知する方式、画像情報やレーザビームスキャナ２２の発光頻度によってトナー消費量を検知する方法などがある。本実施形態で挙げた方式を含めいずれの方式を用いても、また、それらの方法を組み合わせて使用してもよい。いずれの方式をとっても、画像濃度の高い、又は、面積率の高い画像を取った場合には、トナー補給量がそれに応じて増加する点に関しては同様である。

また、感光ドラム２８からのトナー像転写に関しては、多様な物性値をもつ転写紙に対するよりも、物性値を所定の条件で設計できる中間転写ベルトを用いたほうが安定しており、転写残トナーの量を少なくすることができることが知られているため、この方式を用いてもよい。

さらに、第１現像ローラ３Ａ、第２現像ローラ３Ｂに印加する現像バイアスを個別にし、かぶりや第１現像ローラ３Ａでのトナー消費量を本発明の効果が出やすいように設定することも可能である。しかし、現像バイアス電源を個別に配置する必要が生じることと、第１現像ローラ３Ａ、第２現像ローラ３Ｂ間の電位差（特に交流成分）が生じるので別途第１現像ローラ３Ａ、第２現像ローラ３Ｂ間のリーク対策を施す必要があり、構成の複雑化を招くため好ましくない。

本実施形態の複写機１は、トナー消費量の多いことがあっても、クリーニング性能が低下しない現像器１を備えているので、転写紙に良好な画質を形成することができる。

本発明の実施形態の画像形成装置としての複写機、及び第１実施形態の現像装置としての現像器の概略図である。 キャリア抵抗の測定装置の概略図である。 感光ドラムの潜像電位、現像器のトナー表層電位、現像バイアス直流成分の関係を説明する図である。 キャリアとして抵抗値が１．０×１０^７Ω・ｃｍである場合の、感光ドラム上の潜像表面電位、現像バイアスの直流成分Ｖｄｅｖ、および第１現像ローラ、第２現像ローラにおける現像終了後のトナー表層電位Ｖｔ１、Ｖｔ２の関係を示した図である。 第１現像ローラ、第２現像ローラ、感光ドラムとの間に印加される交流電界の相対関係図である。 第２の実施形態における現像器の現像バイアスのブランクパルス波形図である。 従来の現像装置の概略図である。

符号の説明

Ｐ 転写紙（シート）
１ 現像器（現像装置）
３Ａ 第１現像ローラ（第１の現像部材）
３Ｂ 第２現像ローラ（第２の現像部材）
４ 規制ブレード
５Ａ 第１マグネット
５Ｂ 第２マグネット
６ 攪拌部材
２１ １次帯電器
２２ レーザビームスキャナ
２３ 転写帯電器
２５ 定着器
２８ 感光ドラム（像担持体）
２９Ａ 第１対向部
２９Ｂ 第２対向部
３０ 現像バイアス電源（印加手段）
３１ 光学センサ
３２ 補助帯電ブラシ
３３ キャリア
３４ 上部電極
３５ 下部電極
３６ 電源
５０ 複写機(画像形成装置)

Claims (6)

1. 静電潜像が形成される像担持体の回転方向の上流側から下流側に前記像担持体に対向して順に配設した第１の現像部材及び第２の現像部材と、
   前記第１の現像部材及び前記第２の現像部材に直流電圧と交流電圧とを重畳した現像バイアスを印加する印加手段と、を備え、
   前記第１の現像部材と前記第２の現像部材とに前記現像バイアスを印加してトナー及びキャリアを備えた現像剤によって前記静電潜像を現像し、かつ像担持体上のトナーを回収する現像装置であって、
   前記第１の現像部材と前記像担持体との最近接距離をＳＤ１（ｍ）、前記第２の現像部材と前記像担持体との最近接距離をＳＤ２（ｍ）、前記第１の現像部材へ印加する前記現像バイアスのピーク間電圧をＶ１（Ｖ）、前記第２の現像部材へ印加する前記現像バイアスのピーク間電圧をＶ２（Ｖ）、前記キャリアの体積抵抗値を１．０×１０^ｘ（Ω・ｃｍ）とすると、
   Ｖ１／ＳＤ１−Ｖ２／ＳＤ２≦（０．６５ｘ−４．５）×１０^６（Ｖ／ｍ）、
   １．２×１０^６≦Ｖ１／ＳＤ１≦（０．３５ｘ＋３．５）×１０^６（Ｖ／ｍ）、
   （０．３０ｘ−１．５）×１０^６≦Ｖ２／ＳＤ２≦９．０×１０^６（Ｖ／ｍ）、
   ９．０≦ｘ≦１３．０、
   を満たしていることを特徴とする現像装置。
2. 前記第１の現像部材と前記第２の現像部材とに印加する前記現像バイアスの直流成分値を同一としたとき、
   前記静電潜像の最大濃度部の表面電位を、Ｖｌｉｇｈｔ（Ｖ）、
   前記静電潜像の最大濃度部を、前記第１の現像部材によって現像した後の前記像担持体上におけるトナー表層電位をＶｔ１（Ｖ）、前記第２の現像部材によって現像した後の前記像担持体上におけるトナー表層電位をＶｔ２（Ｖ）としたとき、
   ０．１５≦（Ｖｔ２−Ｖｔ１）／（Ｖｔ２−Ｖｌｉｇｈｔ）≦０．５０
   を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の現像装置。
3. 前記ＳＤ１、ＳＤ２、Ｖ１、Ｖ２が、
   ０．２×１０^−３（ｍ）≦ＳＤ１≦１．０×１０^−３（ｍ）
   ０．２×１０^−３（ｍ）≦ＳＤ２≦１．０×１０^−３（ｍ）
   ５００（Ｖ）≦Ｖ１≦３０００（Ｖ）
   ５００（Ｖ）≦Ｖ２≦３０００（Ｖ）
   を満たしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の現像装置。
4. 前記第１の現像部材と前記第２の現像部材に印加される現像バイアスの交流成分波形は、矩形部と休止部が交互に繰り返される波形であることを特徴とする請求項１又は３に記載の現像装置。
5. 前記第１の現像部材と前記第２の現像部材が、同一の印加手段によって同一の現像バイアスが印加されることを特徴とする請求項１，２，４のいずれか１項に記載の現像装置。
6. 静電潜像が形成される像担持体と、
   前記静電潜像をトナー現像する現像装置と、
   前記トナー現像をシートに転写する転写手段と、を備え、
   前記現像装置が、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の現像装置であることを特徴とする画像形成装置。
   

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