JP2008058605A - 現像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ハイブリッド現像において、現像ゴーストを改善し、かつキャリ飛びの発生を防止し、長期間安定した画像品質が得られる現像装置を提供することにある。
【解決手段】ハイブリッド現像方式による現像装置において、キャリア4の平均粒子径を30〜40μm、飽和磁化を35emu/g以上、現像剤担持体1の主極磁力を80mT以上とし、紙間および最終印字終了後のトナー担持体2のAC印加電圧の周波数を8.0kHz以上とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリそれらの複合機などの画像形成装置に使用する現像装置に関し、特に磁性キャリアを用いて非磁性のトナーを帯電させる2成分現像剤を使用し、帯電されたトナーのみを現像ローラ上に均一に薄層形成し、現像ローラの交流重畳直流電圧により現像ローラ上のトナーを静電潜像に飛翔させることで該潜像を現像するようにした現像装置に関する。
従来より、電子写真方式の画像形成装置における、乾式トナーを用いる現像方式としては、一成分現像方式および二成分現像方式が知られている。
一成分現像方式は、キャリアを含まないため、キャリアおよびトナーから形成される磁気ブラシによって感光体の静電潜像が乱されることがなく、高画質化に適している。しかし、一成分現像方式は、トナーの帯電量を安定して維持することが難しい。また、カラートナーの場合、透過性が求められるため、非磁性トナーである必要がある。そのため、フルカラー画像形成装置においては、トナーを帯電および搬送する媒体としてキャリアを用いる二成分現像方式を採用する場合が多い。
二成分現像方式は、安定した帯電量が長期にわたって得られるため、長寿命化に適している。しかし、二成分現像方式は、上述の磁気ブラシによる影響のため、画質の点では不利である。
近年、これら現像方式のそれぞれの利点を活かすべく、長寿命化を考慮して帯電領域は二成分現像方式を採用し、高画質化を狙って現像領域は一成分現像方式を採用したハイブリッド現像方式が注目されている。特に、高画質化および長寿命化が重視されるフルカラー画像形成装置においては、この現像方式の特徴が充分に発揮される。
ハイブリッド現像方式は、トナーおよびキャリアを含有する二成分現像剤を磁気ローラの表面に担持させて磁気ブラシを形成し、該磁気ブラシからトナーのみを現像ローラの表面に移送させてトナー層を形成し、該トナー層からトナーを、静電潜像が形成された感光体の表面に飛翔させて静電潜像をトナー像として現像する方式である。
従来のハイブリッド現像装置では、現像ローラのトナー薄層において 現像性の高い粗粉トナーは選択的に静電潜像担持体に現像されやすく、帯電量の高い微粉トナーは現像されにくく所謂選択現像のため、連続印字を続けているとやがて現像ローラ表面に、微粉トナーが付着し、画像濃度の低下といった不具合がある。このような不具合に対して、例えば、特許文献1では、現像ローラへのトナー付着防止のため、紙間及び最終印字終了後現像ローラ直流電圧+100V、交流電圧Vp-p1.4〜1.7kV、周波数4〜8kHzとすることにより、印字後の現像ローラ表面の残トナーをマグローラへ回収し、現像ローラ表面へのトナー付着を防止している。
特開2005−10290号公報
しかしながら、前記残トナーのマグローラへの回収時は、現像ローラとマグローラ間の電圧差が+100Vであることにより、キャリアはマグローラから現像ローラ方向への力を受けることとなる。このため、キャリア飛び防止のためマグローラ主極による磁気拘束力が低下しないよう、通常50μm以上の粒径のキャリアを使う。その結果 従来のハイブリッド現像においては、キャリア飛びの防止はできるが、一方で現像ゴーストに対してはまだ改良の余地を残すものとなっている。
本発明の課題は、ハイブリッド現像において、現像ゴーストを改善し、かつキャリア飛びの発生を防止し、長期間安定した画像品質が得られる現像装置を提供することにある。
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、現像剤担持体の主極を所定値以上の磁力とし、そしてキャリアを所定の平均粒子径と所定値以上の飽和磁化とし、紙間および最終印字後のトナー担持体の交流印加電圧の周波数を所定値以上とすることにより、キャリア飛びを防止でき、かつ現像ゴーストの発生を抑制できることを見出して、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明の現像装置は、以下の構成を有する。
(1)トナーおよびキャリアを含有する二成分現像剤を現像剤担持体の表面に担持させ、該現像剤担持体の表面の二成分現像剤からトナーのみをトナー担持体の表面に移送させてトナー担持体の表面にトナー層を形成させ、該トナー層からトナーを、静電潜像が形成された静電潜像担持体の表面に飛翔させて静電潜像をトナー像として現像する画像形成装置における現像装置であって、前記キャリアは、平均粒子径が30〜40μm、飽和磁化が35emu/g以上、前記現像剤担持体の主極磁力は80mT以上であり、紙間および最終印字終了後の前記トナー担持体のAC印加電圧の周波数が8.0kHz以上であることを特徴とする現像装置。
本発明によれば、所定の平均粒子径をもった小粒径のキャリアを用いるので、キャリア表面積の増加により、トナー薄層形成およびトナー剥ぎ取り性能が向上し、現像ゴーストの発生が低減する。また、キャリアが所定以上の飽和磁化を有し、現像剤担持体の主極を所定以上の磁力とし、また、紙間および最終印字後のトナー担持体の交流印加電圧の周波数を所定以上とするので、キャリアの磁気拘束力を保持でき、キャリア飛びを防止することができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。図1、2に本発明にかかる現像装置の一例を示す。本発明の現像装置は、上記したようなハイブリッド現像方式であり、磁性キャリアおよび非磁性トナーからなる2成分現像剤が収容される。この現像剤における磁性キャリアは、体積平均粒径が30〜40μmであり、飽和磁化が35emu/g以上である。
キャリアの体積平均粒径が上記範囲内であれば、すなわち従来用いられている50μmのものに比べて小粒径にすることにより、従来のものと同じ重量に対して表面積を略2倍近くにすることができ、これにより、磁気ブラシの現像ローラへの接触ニップの先端はキャリアの比表面積が大きくなって現像ローラ上の現像残トナーを剥ぎ取る効果が大きくなり、現像ゴーストの改善を図ることができる。30μm未満であると、現像剤の流動性が悪くなり、トナーとの攪拌混合時に均一分散が困難になる。また、40μmを超えるとトナー薄層の形成が弱くなる。
また、飽和磁化が35emu/g以上であると、現像に使用されなかった現像ローラ上の残トナーを磁気ローラ上に形成された現像剤の磁気ブラシで摺擦しながら掻き取る際に、十分な摺擦力を得ることができ、現像ゴーストの発生を抑制できる。しかし、35emu/g未満であると、十分な摺擦力を得ることができず、またキャリア飛びが発生しやすくなる。
キャリアの体積平均粒径は、図6に示すようなレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(例えば、堀場製作所製LA−500)により求めることができる。測定方法としては、試料10gを測り取り、溶媒としてメタノールを100mL使用し、メタノールが入っているサンプルホルダーに試料を少しずつ入れ、撹拌する。サンプル溶液を超音波分散バス31で分散、撹拌しながら循環ポンプ32で循環し、レーザ照射部33にサンプル溶液を流し込む。次いで、光源としてHe−Neレーザ34を使用し、照射されたレーザのビーム径をビーム拡大器35で拡大してレーザ照射部33に照射し、回折光Mを集光レンズ36を通して検出器37で検出し、AD変換器39にて電気信号に変換して装置制御・演算部38で粒度分布を計算してデータを測定する。
また、キャリアの飽和磁化は、振動試料型磁力計(VSM−P7−15型:東英工業製)を用いて、専用容器に試料を充填し秤量した後、サンプルホルダーにセットし3.98×105A/mの印加磁場の飽和磁化を測定する。
本発明におけるキャリアは、例えば鉄、ニッケル、コバルト等の磁性体金属及びそれらの合金、あるいは希土類を含有する合金類、ヘマタイト、マグネタイト、マンガン−亜鉛系フェライト、ニッケル−亜鉛系フェライト、マンガン−マグネシウム系フェライト、リチウム系フェライトなどのソフトフェライト、銅−亜鉛系フェライト等の鉄系酸化物およびこれらの混合物等の磁性体材料を焼結、アトマイズ等を行うことによって製造した磁性体粒子を使用することができる。また、該磁性体粒子の表面をスチレンアクリル樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂、シリコン樹脂、アクリル変性シリコン樹脂、フッ素樹脂等の樹脂で被覆してもよい。また、上記キャリアとして磁性体分散型樹脂を使用することもできる。この場合、用いる磁性体としては上記磁性体材料が使用でき、結着樹脂としては、例えばビニル系樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、セルロース樹脂、ポリエーテル樹脂あるいはこれらの混合物を挙げることができる。
本発明における非磁性トナーは、平均粒径が6〜10μmであり、結着樹脂、着色剤などで構成されている。結着樹脂としては、例えばポリスチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン−アクリル系共重合体、ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、ビニルエーテル系樹脂、N−ビニル系樹脂、スチレン−ブタジエン樹脂等の熱可塑性樹脂を使用するのがよい。
着色剤としては、特に限定されるものではないが、例えばブラック、マゼンタ、シアンおよびイエローの顔料などが挙げられ、公知の材料を用いることができる。これらの着色剤は結着樹脂100質量部に対して、通常2〜20質量部、好ましくは5〜15質量部の割合で配合される。
2成分現像剤中のトナー濃度は1〜20質量%、好ましくは3〜15質量%であるのがよい。トナー濃度が1質量%未満の場合、画像濃度が薄くなりすぎるおそれがある。一方、トナー濃度が20質量%を超える場合、現像装置内でトナー飛散が発生し、機内汚れや記録紙などの背景部分にトナーが付着する不具合が生じるおそれがある。
次に、本発明にかかる現像装置について説明する。
図1において、感光体3と現像ローラ2を配設し、該現像ローラ2から所定間隔をおいて非磁性金属材料で円筒状に形成され、円筒内には複数の固定磁石が配設されて、該固定磁石の周囲を回転可能に構成されたスリーブを有した磁気ローラ1が配設されている。
本発明では、磁気ローラ1の主極の磁力は80mT以上である。好ましくは120mT以上である。磁気ローラ1の主極の磁力を80mT以上とすることにより、キャリア4を磁気ローラ1により強く引き付けることができ、紙間およびイメージ間でのキャリア飛びを防止できる。
10a、10bはパドルミキサーで、トナー5がこれによって攪拌帯電させられる。感光体1と現像ローラ2との間には現像バイアス電圧DC7aとAC7bが印加され、磁気ローラ1には現像バイアス電圧DC8が印加される(図2参照)。9は磁気ブラシの厚さを制御する規制ブレードである。この規制ブレード9と磁気ローラ1表面との間のギャップは0.45〜0.65mmの範囲であることが好ましい。
次に、感光体3と、現像装置内の磁気ローラ1と、現像ローラ2との作用を説明する。
図2に示すように、この磁気ローラ1は、トナー5を帯電させて保持するキャリア4による磁気ブラシを発生させる。また、現像ローラ2の表面には、磁気ブラシから供給されたトナー5によりトナー薄層6が形成される。そして、感光体3は、トナー薄層6のトナーを静電潜像に応じて選択的に飛翔させて画像形成を行なう。この画像が、1次転写ローラ13との間を通過する印刷体14に転写される。
感光体3としては、正帯電有機感光体(正OPC)がオゾンなどの発生が少なく帯電が安定しており、特に単層構造の正OPCは長期にわたって使用し膜厚が変化した場合においても、感光特性に変化が少なく画質も安定するため、長寿命のシステムにおいて最適である。これに加えて、a−Si感光体も用いることもできる。
長寿命のシステムとする場合、正OPCの膜厚を20μmから40μm程度に設定するのが有利である。正OPCは、画像形成に使用するときに膜厚が減少して10μmに達すると絶縁破壊によって黒点の発生が目だってくることからこれを防ぐ意味で20μm以上に設定することが好ましいが、40μmを超えると感度が低下し画質低下の要因と成り易くなる。
露光装置11は、半導体レーザーもしくはLEDを用いたシステムが適当である。この場合、正OPCでは770nm付近の波長が有効であり、a−Si感光体では685nm付近の波長が有効である。以下、正OPC用いた場合を例に挙げて説明する。
帯電装置12によって静電潜像担持体である正OPC3を400Vに帯電する。その後、770nmの波長のLEDによって露光を行うと露光後電位は70Vに設定される。正OPC3は現像ローラ2に対し、約250μmの空間をもって配置される。この空間にはワイヤー電極等は用いない。
現像ローラ2の表面は導電性のアルミニュウムからなる回転体である。現像ローラ2と磁気ローラ1の電位差にて現像ローラ2にトナー薄層6を形成する。電位差は、現像ローラ2の電位を70V、磁気ローラ1の電位を400Vにすることで、現像ローラ2に約1〜1.5mg/cm2のトナー層6が形成される。この時のトナー5の帯電量は、約10〜20μC/gが適正であり、10μC/gに達しないときはトナー5飛散が目立ち、20μC/gを超えると薄層形成されたトナー5が感光体3へ飛翔し難くなる。
現像ローラ2から感光体3へとトナーを飛翔させるために現像ローラ2へ交流電圧を印加することで現像性が高められる。電圧としては、VP-P=1.5kV、f=3.0kHzで画像濃度・ドット再現・カブリ除去のバランスをとることができる。また、デューティ(Duty)比(現像ローラに印加する交流電圧のデューティ比で、トナー5が感光体側に移動するような電圧を現像ローラ2に印加する時間をa、トナー5が感光体3と反対方向(即ち現像ローラ方向)に移動するような電圧を現像ローラ2に印加する時間をbとして、デューティ比=a/(a+b)(×100)%)は30%にすることで現像ゴーストの発生を抑制することができる。
現像ローラ2のトナー層表面越しの電位を測定すると約320Vとなっており、320V−70V(全露光後感光体電位)=250Vが実質の現像の実行電位であるといえる。
磁気ローラ1と現像ローラ2とのギャップは、通常400μmに設定されており、規制ブレード9と磁気ローラ1のギャップはキャリア4の粒径に応じて調整される。例えば、平均粒径35μmのキャリア4とトナー5が10%の現像剤においては350〜500μmに設定し、磁気ブラシが現像ローラ2に接触する設定とする。現像ローラ2と磁気ローラ1のギャップが狭すぎると現像剤がローラ間を通過できずに溢れてしまい、広すぎると現像ローラ2に接触できず現像ローラ2のトナーを回収することが困難になり、現像動作を繰り返すと次第に現像ローラ2にトナー5が固着してしまい、感光体3にトナー5が飛翔できなくなってしまう。
次に、本発明の現像装置を備えた画像形成装置を用いて現像を行なう際には、現像ローラ2から感光体ドラム3へトナーを飛翔させるために現像ローラ2へ交流電圧を印加させるが、非現像時の交流電流の周波数は静電潜像の現像時における周波数以上となるように制御する。なお、ここで非現像時とは現像ローラ2回転中で且つ感光体ドラム3が帯電されている時間の内、静電潜像が現像されている時間を除いた時間である。
本発明では、非現像時における現像ローラ2の交流電圧の周波数は8kHz以上である。好ましくは9kHz以上である。このとき電位差は、現像ローラ2の電位を100V、磁気ローラ1の電位を0Vにする。これにより紙間および最終印字後における現像ローラ2のトナー薄層6の剥ぎ取りの際、キャリア4飛びを防止できる。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
[実施例1、比較例1]
キャリア4の平均粒子径が現像ゴーストに及ぼす影響について調べた。図1に示したシステム構成からなる評価機B27(京セラミタ社製、プリンタ)において、実施例1としての平均粒径35μmのキャリア4(VB−12;パウダーテック社製)および比較例1としての60μmのキャリア4(VB−12−2;パウダーテック社製)、および平均粒径9μmトナー5(KT−C18B;花王社製)を用いて、下記の電界条件の下で、以下のようにして調べた。なお、キャリア(VB−12)は、コア;Cu−Zn、コート樹脂;PAI/F樹脂、飽和磁化;40Am2/kg(40emu/g)、残留磁化;1.34Am2/kg、抵抗;1.86×1014Ω/cm3であり、キャリア(FSL−22)は、平均粒径60μmを除いてVB−12と同じである。
電界条件等の設定:
(現像ローラ) (磁気ローラ)
直流電圧: 画像形成時;100V 250〜500V
剥ぎ取り時;100V 0V
交流電圧の周波数: 画像形成時;1.8〜3.6kHz −
剥ぎ取り時;3.0〜9.0kHz −
デューティ比: 27% 73%
P-P: 1.6kV 300V
磁気ローラの主極磁力強度: − 84mT
現像ローラ2にゴーストパターンの画像を次のように形成した。まず、現像ローラ2の1周目の画像の先端位置から現像ローラ2のトナー薄層6を形成した。ゴーストパターンの画像長さは、現像ローラ2の1周長さに設定し、1周目画像は現像ローラ2の1回転でのトナー薄層6による形成画像(ゴーストパターン画像出力)である。2周目画像は現像ローラ2の2回転でのトナー薄層6による形成画像であり、以下同様にして3、4周目画像を形成した。このとき、磁気ローラ1の直流電圧を250〜500V、現像ローラ2の交流電圧の周波数を1.8〜3.6kHz変化させて、前記ゴーストパターン画像出力をし、1周目画像に対する2周目、3周目、4周目画像の色差ΔEを測定した。色差ΔEは、反射濃度計(マクベス社製)を用いて測定した。結果を図3に示した。
図3で、「1−2」は現像ローラ2の1周目画像に対する2周目画像のΔE、「1−3」は1周目に対する3周目、「1−4」は1周目に対する4周目のΔEある。
図3に示すように、比較例1である60μmの大粒径のキャリア4では、各電界条件において現像ローラ2の1周目画像に対する2周目、3周目、4周目のΔEが増加し、4.0〜8.0となっている。それに対して、実施例1である35μmの小粒径のキャリア4ではΔEの変化幅は小さく4周目のΔEは2.0以下となった。ΔEの変化は、現像ローラ2の1〜4周目画像の各現像ローラ2のトナー薄層厚の変化を反映しているものと考えられる。したがって、60μmのキャリア4では、35μmのキャリア4に比べ、ΔEの増加幅が大きく、これは現像ローラ2の1周目からのトナー薄層厚の増加を示している。これに対して、35μmのキャリア4では、現像ローラ2の1周目からのトナー薄層厚の変化は小さく、小粒径のキャリア4を用いることにより、キャリアの比表面積が増加し、ハイブリッド現像の2成分現像ニップ部でのトナー薄層6の形成および剥ぎ取り性能が向上し、現像ゴーストの発生が少なくなっていることを示している。
[実施例2、比較例2]
図1に示したシステム構成からなる評価機B27(京セラミタ社製、プリンタ)を用いて、実施例2としての35μmのキャリア4(VB−12;パウダーテック社製)と比較例1としての50μmのキャリア4(FSL−22;パウダーテック社製)について、イメージ間における現像ローラ2のトナー薄層6の剥ぎ取り時でのキャリア飛びについて調べた。実施例1と同様の電界条件下で、印字された用紙の先端部の幅21.2mm(スリーブ1周分)の帯内のキャリア4の個数をマイクロスコープ(キーエンス社製)を用いてカウントし、キャリア飛びを測定した。結果を図4に示した。
図4に示すように、キャリア飛び発生頻度は、現像ローラ2の交流電圧の周波数に依存しており、周波数が大きくなるにしたがって飛翔キャリア個数は減少している。これは周波数が大きくなると、キャリアの振動が低下し、現像ローラ2への飛翔が抑えられるためである。また、磁気ローラ1の主極磁力強度については、84mTから120mTに上げると、キャリアがより強く磁気ローラ1に引き付けられるため、現像ローラ2の交流電圧の周波数3〜9kHzの全般にわたってキャリア飛びが半減しているのが示された。35μmのキャリア4では磁気ローラの主極磁力強度が120mTでは周波数7.0kHz以上で、また84mTでは周波数9.0kHz以上で、50μmの大粒径キャリアと同等のキャリア飛び性能が実現できることがわかった。なお、前記大粒径キャリアでは現像ゴーストが発生したが、35μmのキャリア4では現像ゴーストの発生は低減した。
[比較例3]
平均粒径35μmのキャリア4(VB−12;パウダーテック社製)および50μmのキャリア4(FSL−22;パウダーテック社製)を用いて、前記現像ローラ2の直流電圧を0〜150Vの範囲で変化させて、磁気ローラ1の主極磁力強度を84mTに、交流電圧の周波数を現像ローラ2および磁気ローラ1ともに6.0kHzに代えた以外は、実施例2と同様にしてキャリア飛びを測定した。結果を図5に示した。
図5に示すように、35μmのキャリア4は現像ローラ2と磁気ローラ1の電位差が75Vを超えるとキャリア飛びが発生している。また、大粒径キャリアと比べると、小粒径キャリアの方がキャリア飛びを発生しやすい。つまり、小粒径キャリアは、周波数が8kHz未満では、キャリアの振動が激しくなるため、現像ローラ2への飛翔しやくなり、イメージ間においてトナー薄層6の剥ぎ取り時の電位差が75V以上になると磁気拘束力の不足によりキャリア飛びが発生する。
本発明にかかる現像装置を用いた画像形成装置の一例を示す概略構成図である。 画像形成と非画像形成時のトナーの流れを説明する図である。 平均粒径35および60μmのキャリアについてのゴーストパターン画像出力回数とゴースト強度(ΔE)の関係を示すグラフである。 現像ローラにかかる交流電圧の周波数と飛翔キャリア個数との関係を示すグラフである。 現像ローラと磁気ローラ間の電位差と飛翔キャリア個数との関係を示すグラフである。 レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置の測定原理を説明する概略図である。
符号の説明
1 現像剤担持体(磁気ローラ)
2 トナー担持体(現像ローラ)
3 静電潜像担持体(感光体ドラム)
4 キャリア
5 トナー
6 トナー薄層
9 規制ブレード
10a,10b ミキサー
11 露光装置
12 帯電装置
13 1次転写ローラ
14 印刷体
15 トナーコンテナー

Claims (1)

  1. トナーおよびキャリアを含有する二成分現像剤を現像剤担持体の表面に担持させ、該現像剤担持体の表面の二成分現像剤からトナーのみをトナー担持体の表面に移送させてトナー担持体の表面にトナー層を形成させ、該トナー層からトナーを、静電潜像が形成された静電潜像担持体の表面に飛翔させて静電潜像をトナー像として現像する画像形成装置における現像装置であって、前記キャリアは、平均粒子径が30〜40μm、飽和磁化が35emu/g以上、前記現像剤担持体の主極磁力は80mT以上であり、紙間および最終印字終了後の前記トナー担持体のAC印加電圧の周波数が8.0kHz以上であることを特徴とする現像装置。
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