JP2009151120A - 画像形成装置、及び補充用現像剤 - Google Patents

Abstract

【課題】二成分現像剤の無駄な消費を伴うことなく、初期状態の現像装置の使用開始後における非磁性トナーの帯電性能の低下を抑制できる画像形成装置及び補充用現像剤を提供する。
【解決手段】現像装置は、攪拌して帯電させた二成分現像剤を回転する現像剤担持体に担持させて二成分現像剤中のトナーを感光ドラムに供給して静電像を現像する。現像剤補充装置は現像装置のトナー消費量に見合った供給速度で補充用現像剤を現像装置に供給する。初期状態の現像装置に充填された初期現像剤におけるトナーの外添剤混合比率は、現像剤補充装置に随時供給する補充用現像剤におけるトナーの外添剤混合比率の１５０％に設定してある。
【選択図】図７

Description

本発明は、二成分現像剤を用いて静電像を現像する画像形成装置に関し、詳しくは、トナー消費に伴って現像装置に補充される補充用現像剤における外添剤混合比率に関する。

非磁性トナーに磁性キャリアを混合した二成分現像剤を攪拌して帯電させた後に現像剤担持体に担持させて、像担持体に形成された静電像をトナー像に現像する現像装置を備えた画像形成装置が実用化されている。

二成分現像剤は、攪拌されることによって非磁性トナーと磁性キャリアとが摩擦帯電して、それぞれが反対極性に帯電して相互に静電気的な引力を及ぼし合う。現像剤担持体に磁気力的に担持されたキャリアの表面に非磁性トナーが静電気的に拘束された状態で、二成分現像剤が像担持体の静電像を摺擦する。現像剤担持体に現像電圧が印加されて現像剤担持体よりも相対的に非磁性トナーの帯電極性と反対極性になった静電像の部分へ、現像剤担持体から非磁性トナーが移転して、トナー像が現像される。

画像形成を通じて、非磁性トナーは、像担持体に移転して消費され続ける一方で、磁性キャリアは、現像によって消費されることなく現像装置内を循環し続ける。このため、画像形成装置では、現像装置に現像剤補充装置を付設して、消費された量に見合った非磁性トナーを現像装置に補充して、二成分現像剤に占めるトナー比率を一定範囲に保持している。

現像装置内で循環して攪拌され続ける磁性キャリアは、時間経過とともに少しずつ帯電性能が低下する。このため、現像装置に現像剤排出装置を付設して現像装置内を循環する二成分現像剤の一部を外部へ排出させるようにした画像形成装置が実用化されている。ここでは、使い古されて帯電性能が劣化した磁性キャリアを現像剤排出装置によって排出する一方で現像剤補充装置が磁性キャリアを含む補充用現像剤を補充して、磁性キャリアについても少しずつ新陳代謝させている。

現像剤補充装置を付設した現像装置を用いて画像比率の低い画像の画像形成を続けると、非磁性トナーの毎分消費量が不足して、新しい非磁性トナーへの置き換わりが遅れて非磁性トナーの帯電性能が低下する。非磁性トナーもまた、磁性キャリアと攪拌され続けることによって次第に帯電性能が低下するからである。

特許文献１には、現像剤補充装置を付設したシアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの画像形成部を記録材搬送ベルトに沿って配列したタンデム型直接転写方式の画像形成装置が示される。ここでは、画像比率の低い画像形成が続いて現像剤の補充が途切れると、画像の間隔にトナー像を形成して強制的に現像剤を消費させ、現像剤補充装置から現像装置へ新しい現像剤を補充する余地を自ら作り出す。

特開平８−３１４２５３号公報

初期状態の現像装置に充填された二成分現像剤は、画像形成を累積して現像装置内での攪拌時間が長くなると、補充用現像剤を供給し続けていても次第に平均的なトナー帯電量が低下する（図１０参照）。

特許文献１に示されるように、現像装置内の現像剤を強制排出すれば、現像剤補充装置から補充した新しい現像剤に置き換えることで、現像装置内の現像剤の平均的な帯電性能を高めることができる。しかし、初期状態のトナー帯電量まで戻すためには大量の現像剤を強制排出して廃棄する他なく、像担持体に付設されたクリーニング装置に過重な負担をかけたり、像担持体の周辺の深刻な汚染を招いたりする。

本発明は、二成分現像剤の無駄な消費を伴うことなく、初期状態の現像装置の使用開始後における非磁性トナーの帯電性能の低下を抑制できる画像形成装置及び補充用現像剤を提供することを目的としている。

本発明の画像形成装置は、像担持体と、前記像担持体に静電像を形成する静電像形成手段と、攪拌して帯電させた二成分現像剤を回転する現像剤担持体に担持させて前記二成分現像剤中のトナーを前記像担持体に供給して前記静電像を現像する現像装置と、前記現像装置に補充用現像剤を補充する現像剤補充装置とを備えたものである。そして、初期状態の前記現像装置に充填された二成分現像剤におけるトナーに対する外添剤の混合比率は、前記補充用現像剤におけるトナーに対する外添剤の混合比率よりも低い。

本発明の補充用現像剤は、像担持体と、前記像担持体に静電像を形成する静電像形成手段と、攪拌して帯電させた二成分現像剤を回転する現像剤担持体に担持させて前記二成分現像剤中のトナーを前記像担持体に供給して前記静電像を現像する現像装置と、前記現像装置に補充用現像剤を補充する現像剤補充装置とを備える画像形成装置に補充される前記補充用現像剤である。そして、前記補充用現像剤におけるトナーに対する外添剤の混合比率は、前記現像装置の初期状態にて充填された二成分現像剤におけるトナーに対する外添剤の混合比率よりも高い。

本発明の画像形成装置では、補充現像剤によって現像装置へ余分に補充された外添剤が、二成分現像剤の攪拌累積に伴って発生したトナー粒子の不足を補って、低下したトナー粒子の流動性を回復させる。これにより、二成分現像剤を攪拌した際のトナー粒子とキャリア粒子との摩擦機会が増えて安定し、トナーの帯電性能の低下が抑制される。

従って、二成分現像剤の無駄な消費を伴うことなく、初期状態の現像装置の使用開始後におけるトナーの帯電性能の低下を抑制できる。

以下、本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明は、初期状態の現像装置に充填された二成分現像剤よりも外添剤／トナー比率の高い補充用現像剤を用いる限りにおいて、各実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実施できる。

従って、中間転写体方式に限らず、記録材搬送体を用いた直接転写方式、感光体に形成したトナー像を記録材へ直接転写する直接転写方式でも実施できる。また、中間転写体に沿って複数の感光ドラムを配置したタンデム型に限らず、中間転写体に沿って１個の感光ドラムを配置した１ドラム型でも実施できる。

本実施形態では、トナー像の形成／転写に係る主要部のみを説明するが、本発明は、必要な機器、装備、筐体構造を加えて、プリンタ、各種印刷機、複写機、ＦＡＸ、複合機等、種々の用途で実施できる。

なお、特許文献１に示される画像形成装置の一般的な事項については、図示を省略して重複する説明を省略する。説明中、特許請求の範囲で用いた構成名に括弧を付して示した参照記号は、発明の理解を助けるための例示であって、実施形態中の該当する部材等に構成を限定する趣旨のものではない。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の画像形成装置の構成の説明図、図２はイエローの画像形成部の構成の説明図である。

図１に示すように、第１実施形態の画像形成装置１００は、中間転写ベルト５１の直線区間にイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＫを配列したタンデム型中間転写方式のフルカラープリンタである。

画像形成部ＰＹは、感光ドラム１Ｙにイエロートナー像を形成して中間転写ベルト５１に一次転写する。画像形成部ＰＭは、感光ドラム１Ｍにマゼンタトナー像を形成して中間転写ベルト５１のイエロートナー像に重ね合わせて一次転写する。画像形成部ＰＣは、感光ドラム１Ｃにシアントナー像を形成して中間転写ベルト５１のイエロー、マゼンタトナー像に重ね合わせて一次転写する。画像形成部ＰＫは、感光ドラム１Ｋにブラックトナー像を形成して中間転写ベルト５１のイエロー、マゼンタ、シアントナー像に重ね合わせて一次転写する。

中間転写ベルト５１に担持されたイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックトナー像は、中間転写ベルト５１の回転に伴って二次転写部Ｔ２へ搬送される。

記録材収納カセット９から１枚ずつ取り出された記録材は、レジストローラ５７で待機して、中間転写ベルト５１のトナー像にタイミングを合わせて二次転写部Ｔ２へ給送される。

中間転写ベルト５１は、複数の支持ローラ及び駆動ローラに支持されて矢印Ｒ２方向に回転する。

二次転写ローラ５３は、中間転写ベルト５１を介して対向ローラ５４に圧接して中間転写ベルト５１と二次転写ローラ５３との間に二次転写部Ｔ２を形成する。

電源Ｄ２は、二次転写ローラ５３へトナー像の帯電極性と逆極性の電圧を出力して、中間転写ベルト５１のトナー像に重ね合わせて二次転写部Ｔ２を挟持搬送される記録材へトナー像を二次転写する。

トナー像を二次転写された記録材は、搬送ベルト５８へ受け渡して定着装置６へ搬送される。定着装置６は、トナー像を担持した記録材に加熱・加圧を及ぼしつつ挟持搬送して、トナー像を記録材の表面に定着する。トナー像を定着された記録材は排出トレイ１０へ排出して積載される。

二次転写部Ｔ２を通過して中間転写ベルト５１に残留した転写残トナーは、ベルトクリーニング装置５６によって除去される。

画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＫは、それぞれイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの二成分現像剤を用いてトナー像を現像する現像装置４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋを付設している。

画像形成装置１００の上部には、現像装置４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋに補充用現像剤を供給する現像剤補充装置２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋが配置されている。

画像形成装置１００は、画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＫを用いて上述のようにフルカラー画像を形成するフルカラーモードと、画像形成部ＰＫを用いてモノクロ画像を形成するブラック単色モードとを実行可能である。

＜像担持体、静電像形成手段＞
画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＫは、現像装置４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋの現像色が異なる以外はほぼ同様に構成される。従って、以下ではイエローの画像形成部ＰＹを説明して、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成部ＰＭ、ＰＣ、ＰＫについては、説明中の記号の末尾のＹをそれぞれＭ、Ｃ、Ｋに読み替えて理解されるものとする。

図２に示すように、画像形成部ＰＹは、回転する感光ドラム１Ｙを囲んで帯電装置２Ｙ、露光装置３、現像装置４Ｙ、一次転写ローラ５２Ｙ、クリーニング装置７Ｙ、除電装置８Ｙを配置している。

帯電装置２Ｙは、電源Ｄ３から電圧を印加されて、コロナ放電による帯電粒子を形成して感光ドラム１Ｙへ照射することにより、感光ドラム１Ｙの表面を負極性の一様な暗部電位ＶＤに帯電させる。

露光装置３Ｙは、イエローの分解色画像を展開した走査線画像データをＯＮ−ＯＦＦ変調したレーザービームを回転ミラーで走査して画像の静電像を書き込む。暗部電位ＶＤに帯電した感光ドラム１Ｙの表面は、露光によって帯電電荷を放電して明部電位ＶＬまで電位の絶対値を低下させる。

現像装置４Ｙは、二成分現像剤を攪拌して二成分現像剤を摩擦帯電させ、帯電した二成分現像剤を回転する現像剤担持体４４に担持させて感光ドラム１Ｙに摺擦させる。

電源Ｄ４は、負極性の直流電圧に交流電圧を重畳した現像電圧を現像剤担持体４４に印加して、負極性に帯電したトナーを、現像剤担持体４４よりも相対的に正極性となった感光ドラム１Ｙの明部電位ＶＬの部分へ付着させて静電像を反転現像する。

トナー像の形成に伴って現像装置４Ｙに充填された二成分現像剤のトナーだけが感光ドラム１Ｙへ持ち出されるので、放置しておくと、現像装置４Ｙ内の二成分現像剤に占めるトナー比率が低下する。このため、トナー像の形成で消費されるトナー量に相当するだけの補充用現像剤が現像剤補充装置２０Ｙから現像装置４Ｙへ補充される。

一次転写ローラ５２Ｙは、中間転写ベルト５１を介して感光ドラム１Ｙに圧接して中間転写ベルト５１と感光ドラム１Ｙとの間に一次転写部Ｔ１を形成する。

電源Ｄ１は、トナーの帯電極性の反対極性である正極性の一次転写電圧を一次転写ローラ５２Ｙに出力して、感光ドラム１Ｙのトナー像に重ねて一次転写部Ｔ１を通過する中間転写ベルト５１にトナー像を一次転写する。

クリーニング装置７Ｙは、一次転写部Ｔ１を通過して感光ドラム１Ｙに残留した転写残トナーを除去する。

除電装置８Ｙは、感光ドラム１Ｙの表面に残留した電荷を除電する。

＜現像装置＞
図３は現像装置の構成の平断面図である。

図２に示すように、攪拌スクリュー４３、搬送スクリュー４２は、現像容器４１内の二成分現像剤を攪拌して二成分現像剤中の非磁性トナーと磁性キャリアとを相互に摩擦させてそれぞれ負極性と正極性とに帯電させる。

搬送スクリュー４２は、現像剤担持体４４に二成分現像剤を供給する。現像剤担持体４４は、磁性キャリアを拘束する磁界を発生する固定磁極４５の周囲で感光ドラム１Ｙとウイズ方向に回転する。

攪拌スクリュー４３、搬送スクリュー４２によって攪拌されながら搬送されて、摩擦帯電によりキャリアの表面にトナーが付着した状態にある二成分現像剤は、固定磁極４５が発生する磁界によって現像剤担持体４４の表面に引き付けられて担持される。

現像剤担持体４４に担持された二成分現像剤は、固定磁極４５が発生する磁界に応じた所定の量が回転して規制板４６にせき止められることにより剤溜まりを形成する。回転する現像剤担持体４４に担持された二成分現像剤は、剤溜まりを通過して規制板４６によって層厚を規制される。

規制板４６は、固定磁極４５の磁界に拘束されて現像剤担持体４４に担持された二成分現像剤を層厚規制して薄層状態に揃える。

二成分現像剤は、現像剤担持体４４に薄層担持されて感光体１との対向部まで搬送される。感光ドラム１Ｙとの対向部では、固定磁極４５が発生する磁界によって二成分現像剤は鎖状の磁気穂を形成する。非磁性トナーは、穂立ちした磁性キャリアに対して静電気的に拘束されているので、感光ドラム１Ｙとの対向部では、負極性に帯電した非磁性トナーを担持した磁気穂の穂先が感光ドラム１Ｙの表面に感光ドラム１に近接若しくは接触する。そして、現像剤担持体４４に印加される現像電圧によって、非磁性トナーのみが感光ドラム１Ｙの表面に形成された静電潜像に転移する。

現像効率、即ち、潜像へのトナーの付与率を向上させるために、現像剤担持体４４には、直流電圧に交流電圧を重畳した現像電圧が印加される。感光ドラム１Ｙにトナーを供給した後の現像剤担持体４４の現像剤は、更に現像剤担持体４４が回転することによって現像容器４１に戻る。

図３に示すように、現像容器４１の内部は、垂直方向に延在する隔壁４１ｃによって、現像室（現像剤搬送経路）４１ａと攪拌室（現像剤搬送経路）４１ｂとに区画されている。隔壁４１ｃの長手方向の両端部には、現像室４１ａと攪拌室４１ｂとの間で二成分現像剤を受け渡す連絡部（現像剤搬送経路）４１ｄ、４１ｅが設けられている。

現像室４１ａには搬送スクリュー４２が配置され、攪拌室４１ｂには攪拌スクリュー４３が配置されている。搬送スクリュー４２及び攪拌スクリュー４３は、不図示のギア列を介して現像剤担持体４４に連結されているので、現像剤担持体４４に対する一定の回転速度比で回転する。

搬送スクリュー４２及び攪拌スクリュー４３は、それぞれ、磁性体の軸（回転軸）４２ａ、４３ａの周りに、螺旋形状の羽根４２ｂ、４３ｂを設けてある。

攪拌スクリュー４３は、羽根４３ｂに加えて、軸４３ａからその半径方向に突出し、現像剤の搬送方向に所定の幅を有する攪拌リブ４３ｃも設けてある。攪拌リブ４３ｃは、軸４３ａの回転に伴って現像剤を攪拌する。

搬送スクリュー４２は、現像室４１ａ内の現像剤を攪拌しながら矢印方向に搬送する。攪拌スクリュー４３は、トナー供給口２０４から供給された補充用現像剤を、既に攪拌室４１ｂ内にある二成分現像剤に攪拌混合しながら矢印方向に搬送して二成分現像剤中の非磁性トナーの濃度を均一化する。

搬送スクリュー４２及び攪拌スクリュー４３は、平行に配置されて互いに逆方向に二成分現像剤を搬送することにより、連絡部４１ｄ、４１ｅを介して現像容器４１内で二成分現像剤を循環させる。

現像剤担持体４４を通じて非磁性トナーが消費されてトナー濃度が低下した現像室４１ａ内の現像剤は、連絡部４１ｅを介して撹拌室４１ｂ内へ移動する。一方、補充用現像剤が供給されて攪拌された攪拌室４１ｂ内の現像剤は、連絡部４１ｄを介して現像室４１ａへ移動する。

現像室４１ａは、感光ドラム（１Ｙ：図２）に対向した領域が開口しており、この開口部に、一部露出するように、非磁性材料で構成された現像剤担持体４４が回転可能に配置されている。現像室４１ａ内の二成分現像剤は、搬送スクリュー４２によって現像剤担持体４４に供給される。

＜現像剤補充装置＞
図４は現像剤補充装置の構成の説明図である。

図４に示すように、現像装置４Ｙの現像容器４１には、非磁性トナーと磁性キャリアとを所定比率で混合した二成分現像剤が収容される。現像剤補充装置２０Ｙは、自動トナー補給制御（ＡＴＲ：Ａｕｔｏ Ｔｏｎｅｒ Ｒｅｐｌｅｎｉｓｈｅｒ）のもとで、現像装置４Ｙに非磁性トナーを主成分とする補充用現像剤を補充する。

制御部３０は、透磁率センサ４８の出力を検知して透磁率が規定値に達すると、モータ２０６を作動させて搬送スクリュー２０５を回転させることにより、現像剤補充装置２０Ｙから現像装置４Ｙへ補充用現像剤を供給する。ここでは、トナー消費に伴って現像容器４１内の二成分現像剤に占める磁性キャリア比率が高まると、二成分現像剤の透磁率が上昇するという検出原理が用いられている。

トナーカートリッジ２０１は、非磁性トナーを主成分とする補充用現像剤が充填されて、現像剤補充装置２０Ｙに対して着脱交換が自在である。

バッファ部２０２は、トナーカートリッジ２０１から供給された補充用現像剤を一時的に貯蔵する。バッファ部２０２内の補充用現像剤が減少してくると、バッファ部２０２に設けられた不図示のトナーセンサが補充用現像剤の不足を検知し、トナーカートリッジ２０１から補充用現像剤がバッファ部２０２に供給される。これにより、常にバッファ部２０２内の補充用現像剤量を一定に保って、搬送スクリュー２０５の回転角度に対する補充用現像剤の供給量の再現性を確保している。

バッファ部２０２は、縦長の形状をしており、トナーカートリッジ２０１から供給された補充用現像剤は、バッファ部２０２へ重力で落下して溜まる。

補充用現像剤は、バッファ部２０２の底面に連通した補給パイプ２０３に設けられた搬送スクリュー２０５によってトナー供給口２０４へ搬送されて現像装置４Ｙへ供給されていく。

初期状態の現像容器４１には、二成分現像剤として外添剤を外添した非磁性トナーに磁性キャリアを所定重量比（トナー＜キャリア）で攪拌混合した初期現像剤が充填されている。初期現像剤は、画像形成装置１００の設置時以降の使い始めの段階で現像装置に充填されている二成分現像剤である。

＜二成分現像剤＞
二成分現像剤は、非磁性トナーと磁性キャリアとに加えてコロイダルシリカ微粉末のような外添剤を含む。非磁性トナーは、結着樹脂、着色剤、そして、必要に応じてその他の添加剤を含む着色樹脂粒子を主成分としている。

第１実施形態における非磁性トナーは、負帯電性のポリエステル系樹脂であり、体積平均粒径は５μm以上、８μm以下が好ましい。第１実施形態では、非磁性トナーの体積平均粒径が７．０μｍである。

非磁性トナーの体積平均粒径の測定装置は、コールターカウンターＴＡ−II型（コールター社製）を使用した。測定方法は、一級塩化ナトリウムを用いて調製した１％ＮａＣｌ水溶液から成る電解液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酸塩を０．１ｍｌ加え、測定試料を０．５〜５０ｍｇ加える。

試料を懸濁した電界水溶液は、超音波分散器で約１〜３分間分散処理を行い、コールターカウンターＴＡ−II型により、アパーチャーとして１００μｍアパーチャーを用いて２〜４０μｍの粒子の粒度分布を測定して体積平均分布を求めた。こうして求めた体積平均分布より、体積平均粒径を得た。

磁性キャリアは、例えば表面酸化或は未酸化の鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、クロム、希土類などの金属、及びそれらの合金、或は酸化物フェライトなどが好適に使用化能である。磁性キャリアは、体積平均粒径が２０〜５０μｍ、好ましくは３０〜４０μｍであり、抵抗率が１０^７Ωｃｍ以上、好ましくは１０^８Ωｃｍ以上である。第１実施形態における磁性キャリアは、体積平均粒径が４０μｍ、抵抗率が５×１０^７Ωｃｍ、磁化量が２６０ｅｍｕ／ｃｃである。

磁性キャリアの抵抗率は、測定電極面積４ｃｍ、電極間間隔０．４ｃｍのサンドイッチタイプのセルを用いて、片方の電極に１０Ｎの重量の加圧下で、両電極間の印加電圧を印加して、回路に流れた電流から、キャリアの抵抗率を得る方法によって測定した。

外添剤は、金属酸化物（酸化アルミニウム、酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸化クロム、酸化スズ、酸化亜鉛など）が用いられる。窒化物（窒化ケイ素など）、炭化物（炭化ケイ素など）、金属塩（硫酸カルシウム、硫酸バリウム、炭酸カルシウムなど）、脂肪族金属塩（ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウムなど）、カーボンブラック、シリカ等も用いられる。

外添剤の粒径は、非磁性トナーに外添したときの耐久性の点から、非磁性トナー粒子の重量平均径の１／１０以下であることが好ましい。外添剤の粒径とは、電子顕微鏡によるトナー粒子の表面観察で求めた平均粒径を意味する。

外添剤は単独で用いても、複数併用してもよく、それぞれ疎水化処理したものがより好ましい。外添剤の使用量は、非磁性トナー１００重量部あたり０．０１〜１０重量部であり、好ましくは０．０５〜５重量部である。

＜初期状態の混合比率＞
図２に示すように、現像装置４Ｙにおいては、現像容器４１に収容されている二成分現像剤の非磁性トナーと磁性キャリアとを攪拌して摩擦帯電させた後、規制板４６にせき止められた剤溜まりを通過する。

このような二成分現像剤の攪拌流動の過程で、当初、非磁性トナーの表面に均等に分散付着して所定の機能を担っていた外添剤は、分布に偏りを生じて、所定の機能を担いきれなくなる。非磁性トナーに付着していた外添剤が遊離して二成分現像剤中で凝集したり、非磁性トナーや磁性キャリアの表面の窪みに凝集（埋め込まれ）たりして、非磁性トナーの粒子表面に正常に存在する外添剤が次第に減ってくる。外添剤は、非磁性トナーの融着や凝集を防止して二成分現像剤の流動性を保持し、非磁性トナーと磁性キャリアとの摩擦状態のばらつきを減らして摩擦帯電を安定させたり、粒子の破損を防止したりする所定の機能を担っている。

その結果、非磁性トナー粒子の流動性が低下して、磁性キャリアとの接触機会の減少、摩擦状態のばらつきの増大を引き起して、単位重量あたりのトナー帯電量が少しずつ減少する（図７：外添比率１００％参照）。

現像装置４Ｙの運転時間の累積に伴ってトナー帯電量が減少し続けると、濃度むらや白地部かぶりなどの画像不良が発生したり、回転する現像剤担持体４４や感光ドラム１Ｙからのトナー飛散が増えたりする。

現像装置４Ｙの運転時間の累積に伴って二成分現像剤の流動性が低下し続けると、流動性の不足から現像容器４１内における循環バランスが崩れて、二成分現像剤が溢れたり、最悪の場合には現像剤担持体４４がロックしたりする。

しかし、現像装置４Ｙの運転時間の累積に伴う正常な外添剤の不足を補うために、初期状態の二成分現像剤における外添剤の混合比率を高めた場合、現像装置４Ｙの運転時間の初期段階で非磁性トナーのトナー帯電量が過剰になってしまう。

トナー帯電量が上がり過ぎると、感光ドラム１Ｙ上に同じトナー量を現像させるための暗部電位ＶＤと現像剤担持体４４に印加する現像電圧の平均電位Ｖｄｃとの差電位が大きくなり過ぎる。このことにより、磁性キャリアから感光ドラム１Ｙに多くの電荷が注入されるため、非磁性キャリアと感光ドラム１Ｙ間の鏡映力が増大して、非磁性キャリアが感光ドラム１Ｙに付着し易くなる。

また、単純に初期状態で外添剤の混合比率を増すと、非磁性トナーに付着している外添剤の偏りの進行を早めて、現像装置４Ｙの運転時間の累積に伴うトナー帯電量の変動はかえって大きくなる。

いずれにせよ、トナー帯電量が変動すると、出力画像の色味や濃度変動の要因となるため、トナー帯電量は出来るだけ一定に保たれることが望ましい。

そこで、画像形成装置（１００：図１）では、現像剤補充装置２０に、非磁性トナーに対する外添剤の混合比率を初期現像剤よりも５０％高く設定した非磁性トナーを補充用現像剤として充填している。これにより、現像装置４Ｙの運転時間の累積に伴う初期現像剤中の正常な外添剤の不足を、補充用現像剤に含まれる余分な外添剤で補って、現像容器４１内の二成分現像剤における正常な外添剤の量がほぼ一定量に保たれるようにしている。

第１実施形態では、初期現像剤におけるトナー、キャリア、外添剤の重量混合比率は、１０％、９０％、０．０５％、補充用現像剤における同比率は、１００％、０％、０．７５％である。

以下の説明では、非磁性トナーを単にトナーと呼び、非磁性体トナーに対する外添剤の混合比率を外添比率と呼ぶ。

＜実施例１＞
図５は二成分現像剤における外添比率とトナー帯電量との関係の説明図である。

最初に、外添比率が異なる２種類の二成分現像剤を調合して現像装置（４Ｙ：図２）に充填し、二成分現像剤の攪拌時間とトナー帯電量との関係を調べた。

二成分現像剤Ａは、初期現像剤、補充用現像剤に含まれる外添剤の添加量が、トナー１００重量部に対して２重量部である。

二成分現像剤Ｂは、初期現像剤に含まれる外添剤の添加量がトナー１００重量部に対して３重量部である。

二成分現像剤Ａ、Ｂは、上記のように調合したトナーに同じ磁性キャリアを混合して、トナーと二成分現像剤の重量比（Ｔ／Ｄ）が１０％となるように調合した。

調合した二成分現像剤を現像装置（４Ｙ：図２）に規定量４００ｇ充填して単独で空回転動作させ、所定時間ごとに現像剤担持体４４からトナーを採取して、トナー帯電量を測定した。トナー帯電量分布は、ホソカワミクロン株式会社製Ｅ−ＳＰＡＲＴ ＡＮＡＬＹＳＥＲを用いて測定した。

図５に示すように、現像装置（４Ｙ：図２）の等しい運転条件下では、トナーの外添比率が高い二成分現像剤は、トナーの外添比率が低い二成分現像剤外よりもトナー帯電量の安定値が高くなる。従って、補充用現像剤に含まれるトナーの外添比率を高くすることで、運転時間の累積に伴って低下したトナー帯電量を回復できる。

＜実施例２＞
図６は連続画像形成における初期現像剤に含まれていたトナーの残量のシミュレーション結果である。

図２を参照して図６に示すように、連続画像形成中、現像容器４１の初期現像剤からトナーが感光ドラム１Ｙへ排出され続ける一方で、現像剤補充装置２０Ｙからトナーが補充され続ける。このため、現像容器４１では、初期現像剤に含まれていたトナーが補充用現像剤のトナーに薄められて、初期現像剤に含まれていたトナーの存在確率が指数関数的に減少し、補充用現像剤のトナーの存在確率が上昇する。

そして、初期現像剤に含まれていたトナーがほぼ消費される時期は、現像容器４１内のトナー総量に対するトナー消費量の比（消費率又は回転率）に応じて変化する。ここでは、Ａ４サイズ普通紙に画像比率１０％の横帯画像を連続画像形成した場合をシミュレーションしている。

図６に示すように、画像形成装置１００の現像装置４Ｙで上記の連続画像形成を行った場合、１０万枚程で初期現像剤に含まれていたトナーが補充用現像剤のトナーにほぼ置き換えられる。

従って、連続画像形成１０万枚程で初期現像剤の初期状態のトナー帯電電位に収束するような外添比率の補助現像剤を用いれば、初期現像剤の初期状態におけるトナー帯電量を安定して利用できる。

また、初期状態の現像装置に充填される二成分現像剤量に対する現像装置の毎分最大トナー消費量の比（消費率、回転率）が大きい現像装置に補充される補充用現像剤ほど混合比率を低くすることが望ましい。比が小さいほど現像装置内での初期現像剤トナーの滞在時間が伸びて、平均攪拌時間が長くなり、これにより、トナー帯電の平均低下量も増えるからである。

＜実施例３＞
図７は補充用現像剤の外添比率とトナー帯電量との関係の説明図である。

初期現像剤に含まれるトナーの外添比率を１００％として、外添比率がそれぞれ１１０％、１５０％、１９０％、２３０％となる４種類の補充用現像剤を調合した。

外添比率が１００％、１１０％、１５０％、１９０％、２３０％の補充用現像剤における外添剤の添加量は、トナー１００重量部に対して、それぞれ２、２．２、３、３．８、４．６重量部である。

キヤノン（登録商標）の複写機を改造した試験用改造機を用いて、各種類の補充用現像剤を現像剤補充装置（２０Ｙ：図２）に充填し、画像形成条件を揃えて連続画像形成を行い、トナー帯電量の推移を測定した。トナー帯電量は、ホソカワミクロン株式会社製Ｅ−ＳＰＡＲＴ ＡＮＡＬＹＳＥＲを用いて測定した。

現像装置（４Ｙ：図２）に充填される初期現像剤のトナーと二成分現像剤の重量比（Ｔ／Ｄ）を１０％とし、画像比率１０％の横帯画像をＡ４サイズ普通紙に３０万枚まで連続画像形成した。

図７に示すように、外添比率１１０％の補充用現像剤を使用した場合、初期現像剤と等しい外添比率１００％の補充用現像剤を用いる場合よりも、トナー帯電量の低下が少し軽減された。

外添比率２３０％の補充用現像剤を使用した場合、初期状態のトナー帯電量から徐々にトナー帯電量が高まって最後まで高い値を示した。これは、図５に示すように、外添比率が高いほどトナー帯電量の立ち上がりが早くトナー帯電量の安定値も高いためである。

表１は、外添比率が異なる補充用現像剤を用いて連続画像形成を行った際の画像形成枚数の累積に伴うかぶり発生の推移である。

以下の各表において、○は問題ないレベル、△は発生しているが許容できるレベル、×は無視できないレベルである。

表１に示すように、外添比率１１０％の補充用現像剤を用いた場合、外添比率１００％の補助現像剤を用いる場合に比較すれば、かぶりレベルは向上したが、３０万枚で若干のかぶりが生じた。

表２は、外添比率が異なる補充用現像剤を用いて連続画像形成を行った際の画像形成枚数の累積に伴う画像濃度低下の発生の推移である。

表２に示すように、外添比率が２３０％の補充用現像剤を用いた場合、画像形成枚数が１０万枚に達してトナー帯電量が飽和したところで、画像濃度が若干低下する傾向がみられた。

現像容器４１に充填される初期現像剤におけるトナーの重量比（Ｔ／Ｄ）を高めれば、トナー帯電量の平均値を下げて、画像濃度の低下を阻止することは可能である。しかし、二成分現像剤中のトナー比率を増すと、トナー帯電量分布が広がって未帯電トナーや反転トナーが増える結果、白地部かぶり画像不良が発生し易くなる。

従って、補充用現像剤の外添比率としては１１０％〜１９０％の範囲が好ましく、外添比率１５０％の補充用現像剤は、画像形成枚数の累積に伴うトナー帯電量の変化が最も小さいという結果が得られた。

＜実施例４＞
図８は外添比率１５０％の補充用現像剤によるトナー帯電量の推移の説明図である。

外添比率１００％、１５０％の初期現像剤と外添比率１００％、１５０％の補充現像剤との組み合わせを異ならせて、実施例３と同様にトナー帯電量の変化を比較した。

図２に示すように、組み合わせＡは、外添比率１００％の初期現像剤を現像装置４Ｙに充填して外添比率１００％の補充現像剤を現像剤補充装置２０Ｙから供給した。組み合わせＡは、初期現像剤、補充用現像剤に含まれる外添剤の添加量が、トナー１００重量部に対して共に２重量部である。

組み合わせＢは、外添比率１００％の初期現像剤を現像装置４Ｙに充填して外添比率１５０％の補充現像剤を現像剤補充装置２０Ｙから供給した。組み合わせＢは、初期現像剤に含まれる外添剤の添加量がトナー１００重量部に対して２重量部であるのに対して、補充用現像剤に含まれる外添剤の添加量はトナー１００重量部に対して３重量部である。つまり、補充用現像剤に含まれるトナーの外添比率が初期現像剤に含まれるトナーの外添比率よりも約５０％多い。

組み合わせＣは、外添比率１５０％の初期現像剤を現像装置４Ｙに充填して外添比率１５０％の補充現像剤を現像剤補充装置２０Ｙから供給した。組み合わせＣは、初期現像剤、補充用現像剤に含まれるトナーの外添比率が共に３重量部である。つまり、初期現像剤と補充用現像剤とに含まれるトナーの外添比率が共に組み合わせＢにおける補充用現像剤のトナーの外添比率に等しい。

そして、画像比率等の条件を揃えて、実施例３と同一装置、同一条件で連続画像形成動作を行わせ、組み合わせＡ、Ｂ、Ｃにおけるトナー帯電量や画像不良の有無を測定して比較した。

図８に示すように、組み合わせＡの場合、画像形成回数と共にトナー帯電量は低下し、１０万枚を超えたあたりからほぼ一定に推移する結果となった。

これに対して、組み合わせＢの場合、トナー帯電量は、初期１万枚までは若干低下する傾向にあるが、その後、徐々に回復して、初期状態とほぼ同じトナー帯電量でほぼ一定の推移を示した。

また、組み合わせＣでは、組み合わせＡのと同様に１０万枚程までトナー帯電量が低下し続けた後に、組み合わせＢとほぼ同等のトナー帯電量で一定に安定した。

図６に示すように、組み合わせＡ、Ｂ、Ｃの違いとは無関係に、累積の画像形成枚数が１０万枚あたりで初期現像剤に含まれていたトナーがほぼ消費されて、補充用現像剤のトナーに置き換わる。この結果、図８に示すように、組み合わせＡ、Ｂ、Ｃが、いずれも１０万枚あたりからトナー帯電量がほぼ一定に推移して安定すると考えられる。

組み合わせＡにおけるトナー帯電量の低下に起因する画像不良は、表３の結果となった。

表３に示すように、組み合わせＡでは、トナー帯電量が一定になった１０万枚程から画像に濃度ムラが見られるようになり、２０万枚からは若干かぶり画像がみられた。

組み合わせＢにおけるトナー帯電量の低下に起因する画像不良は、表４の結果となった。

表４に示すように、組み合わせＢでは、画像濃度むら、かぶりは共に発生しなかった。

画像濃度を安定的に一定にするには、トナー帯電量が変化しないことが好ましいことは自明である。組み合わせＢは、最初から１０万枚までのトナー帯電量の変化が少なく画像濃度が一定で、且つ画像不良も発生しなかった。

組み合わせＣでは、トナー帯電量の低下に起因する濃度ムラやかぶりなどは見られなかったが、最初から１万枚までは、トナー帯電量が大きいことにより、キャリア付着やエッジ強調などの画像不良が見られた。

図２に示すように、組み合わせＣでは、感光ドラム１Ｙ上のトナー最大載り量を組み合わせＡの初期現像剤と同等にするには、静電像の暗部電位ＶＤと現像剤担持体４４に印加する電位の平均電位との差電位を大きくする必要がある。そして、差電位を大きくすると、弊害であるキャリア付着やエッジ強調などの画像不良が発生する。

ここでも、初期現像剤におけるトナーの重量比（Ｔ／Ｄ）を高めたり、現像装置４Ｙにおける攪拌回転数を低下させれば、トナー帯電量の平均値を下げて、画像濃度の低下を阻止できる。しかし、上述したように、未帯電トナーや反転トナーが増える結果、組み合わせＡと同様に、白地部かぶり画像不良が発生し易くなって１０万枚程から画像に濃度ムラが見られるようになり、２０万枚から若干かぶり画像がみられた。

＜実施例５＞
図９は組み合わせＢによる画像形成３０万枚でのトナー帯電量分布の説明図、図１０は組み合わせＡによる画像形成３０万枚でのトナー帯電量分布の説明図である。

連続画像形成の累積枚数が３０万枚となった時点で現像容器４１から二成分現像剤を少量取り出してトナーを分離し、トナー帯電量分布を測定した。トナー帯電量分布は、ホソカワミクロン株式会社製Ｅ−ＳＰＡＲＴ ＡＮＡＬＹＳＥＲを用いて測定した。

図９に示すように、組み合わせＢでは、トナー帯電量の平均値が初期状態に比較して若干低くなるが、おおよそ初期状態でのトナー帯電量分布と同様のトナー帯電量分布を維持している。

これは、補充用現像剤の外添比率を高くすることで、外添剤の遊離や埋め込みの損失があっても、追加した外添剤によって初期現像剤とほぼ同じ外添比率を維持できるからと考えられる。これにより、３０万枚の画像形成を行った後でも、画像濃度むらやかぶり画像の発生を防止できる。

図１０に示すように、組み合わせＡでは、初期状態のトナー帯電量分布よりもトナー帯電量分布がばらついて広がっており、トナー帯電量の平均値も低くなっている。これにより、３０万枚の画像形成を行うと、画像濃度ムラやかぶり画像が発生してしまう。

＜実施例６＞
図１１は現像容器の容量を変化させた場合の組み合わせＢによるトナー帯電量の変化の説明図である。

二成分現像剤を４００ｇ充填する現像装置４Ｙを改造して、二成分現像剤を１．５倍の６００ｇまで充填する改造機を試作した。そして、改造機を画像形成装置１００に搭載して、画像比率１０％の横帯画像をＡ４サイズ普通紙に３０万枚まで連続画像形成した。

図１１に示すように、二成分現像剤を６００ｇ充填する改造機では、トナー帯電量が一定状態になるまでの時間が長くなったが、トナー帯電量が一定になった以降のトナー帯電量に違いは無かった。そして、４００ｇ充填する現像装置４Ｙの場合と同様に、高画質な画像を提供することが可能となった。

以上説明したように、画像形成装置（１００：図１）では、補充用現像剤の外添比率を、初期現像剤の外添比率より１０〜９０％大きい範囲としたので、現像装置４Ｙでトナーをばらつき少なく十分に帯電できる。このため、画像形成枚数の累積に伴ってかぶり画像が発生せず、高品質な画像を安定して形成できる。

なお、二成分現像剤の組成及び画像形成装置の構成は、説明した内容に限ったものではなく、本発明が様々な組成の二成分現像剤及び様々な構成の画像形成装置に適用可能であることは言うまでもない。

具体的には、外添比率を上げるとトナー帯電量が下がる場合においても、補充用現像剤の外添比率を上げることで、トナー帯電量を揃えることができる。

トナー濃度が上がり過ぎて、かぶり画像等が発生する場合でも、補充用現像剤の外添比率を上げることで、初期現像剤の外添比率に近いトナーの帯電量にする効果が得られる。

＜第２実施形態＞
図１２は第２実施形態における現像装置の構成の説明図、図１３は外添剤のキャリア付着量とトナー帯電量との関係の説明図、図１４は補充用現像剤にキャリアを含む効果の説明図である。

第２実施形態は、図１の画像形成装置１００に図２の現像装置４Ｙに代えて図１２の現像装置４Ｙを搭載して構成される。従って、図１２中、第１実施形態と共通する構成には図２と共通の符号を付して重複する説明を省略する。

図１２に示すように、現像装置４Ｙは、攪拌室４１ｂの上流側に、オーバーフローした余剰の二成分現像剤を排出するための、現像剤排出装置４９を有する。

現像剤排出装置４９は、排出口４９ａ、余剰現像剤搬送部材４９ｂ、余剰現像剤格納部４９ｃで構成されている。

現像容器４１内の現像剤面が所定の高さ以上になったときに、余剰現像剤が、排出口４９ａを乗り越えて現像剤排出装置４９へ排出される。排出された余剰現像剤は、搬送スクリューで構成される余剰現像剤搬送部材４９ｂによって画像形成装置（１００：図１）の背面側へ搬送されて、機体外から取り出し可能な余剰現像剤格納部４９ｃに格納される。

画像形成動作によって、トナーのみが消費されると、現像容器４１内には、現像剤補充装置２０によってキャリアを含む補充用現像剤が供給される。これにより、現像容器４１中の二成分現像剤は、補充されたキャリアの分だけ少しずつ増加して二成分現像剤が次第に余剰になる。二成分現像剤が余剰になると、現像剤面の高さが高くなるため、排出口４９ａから溢れ出す。

現像装置４Ｙは、不図示のトナーカートリッジが連結された現像剤補充装置２０を備えている。

現像容器４１には、初期現像剤としてトナーＡとキャリアとが所定比率（重量比：トナー＜キャリア）で混合された初期現像剤が充填されている。

現像剤補充装置２０のトナーカートリッジには、トナーＢとキャリアが所定の比率（重量比：トナー＞キャリア）で混合された補充用現像剤が充填されている。

初期現像剤のキャリアと補充用現像剤のキャリアとは同じものであるが、トナーＢは、トナーＡに比べて、外添比率を５０％高めた外添剤豊富なトナーである。

第２実施形態では、初期現像剤におけるトナー、キャリア、外添剤の重量混合比率は、１０％、９０％、０．０５％、補充用現像剤における同比率は、１０〜２０％、８０〜９０％、０．０７５〜０．１５％である。

二成分現像剤が供給される一方で排出されるので、初期現像剤に含まれていたキャリアが補充用現像剤に含まれるキャリアに入れ替わる速度は、補充用現像剤における二成分現像剤に占めるキャリアの比率（Ｃ／Ｄ）に依る。

この時、使用する外添剤やキャリアによって、又は固定磁極４５の極配置によっては、キャリアに外添剤が付着し易いことがある。

図１３に示すように、キャリアに外添剤が付着すると二成分現像剤のトナーの帯電量（平均値）は低下する。そして、キャリアに外添剤が付着する量が増えるほど、トナー帯電量の低下量も増えている。これは、キャリア表面における外添剤によって被覆された面積が増えて、トナー粒子と接触して正常に摩擦帯電を発生する面積が小さくなったためと考えられる。キャリアに対する外添剤の付着は、外部からの圧力、例えば図１２に示す規制板４６を通過して層厚が規制される時などに発生する。

図１４に示すように、第２実施形態では、補充用現像剤にキャリアを入れていることで、常に外添剤付着の無いキャリアを供給するため、キャリアのトナーに対する帯電性能の低下を防止できる。

よって、初期現像剤よりも補充用現像剤のトナーの外添比率を上げたとしても、トナーを十分帯電することができ、かぶり画像が発生せず、高画質な画像を提供することができる。

第１実施形態の画像形成装置の構成の説明図である。 イエローの画像形成部の構成の説明図である。 現像装置の構成の平断面図である。 現像剤補充装置の構成の説明図である。 二成分現像剤における外添比率とトナー帯電量との関係の説明図である。 連続画像形成における初期現像剤に含まれていたトナーの残量のシミュレーション結果である。 補充用現像剤の外添比率とトナー帯電量との関係の説明図である。 外添比率１５０％の補充用現像剤によるトナー帯電量の推移の説明図である。 組み合わせＢによる画像形成３０万枚でのトナー帯電量分布の説明図である。 組み合わせＡによる画像形成３０万枚でのトナー帯電量分布の説明図である。 現像容器の容量を変化させた場合の組み合わせＢによるトナー帯電量の変化の説明図である。 第２実施形態における現像装置の構成の説明図である。 外添剤のキャリア付着量とトナー帯電量との関係の説明図である。 補充用現像剤にキャリアを含む効果の説明図である。

符号の説明

１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｋ 像担持体（感光ドラム）
２Ｙ、３ 静電像形成手段（帯電装置、露光装置）
４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋ 現像装置
２０Ｙ、２０Ｍ、２０Ｃ、２０Ｋ 現像剤補充装置
４１ 現像容器
４２、４３ 攪拌（搬送スクリュー、攪拌スクリュー）
４４ 現像剤担持体
４５ 固定磁極
４６ 現像剤規制部材（規制板）
４９ 現像剤排出装置

Claims (4)

1. 像担持体と、
   前記像担持体に静電像を形成する静電像形成手段と、
   攪拌して帯電させた二成分現像剤を回転する現像剤担持体に担持させて前記二成分現像剤中のトナーを前記像担持体に供給して前記静電像を現像する現像装置と、
   前記現像装置に補充用現像剤を補充する現像剤補充装置と、を備える画像形成装置において、
   初期状態の前記現像装置に充填された二成分現像剤におけるトナーに対する外添剤の混合比率は、前記補充用現像剤におけるトナーに対する外添剤の混合比率よりも低いことを特徴とする画像形成装置。
2. 像担持体と、
   前記像担持体に静電像を形成する静電像形成手段と、
   攪拌して帯電させた二成分現像剤を回転する現像剤担持体に担持させて前記二成分現像剤中のトナーを前記像担持体に供給して前記静電像を現像する現像装置と、
   前記現像装置に補充用現像剤を補充する現像剤補充装置と、を備える画像形成装置に補充される補充用現像剤において、
   前記補充用現像剤におけるトナーに対する外添剤の混合比率は、前記現像装置の初期状態にて充填された二成分現像剤におけるトナーに対する外添剤の混合比率よりも高いことを特徴とする補充用現像剤。
3. 像担持体と、
   前記像担持体に静電像を形成する静電像形成手段と、
   攪拌して帯電させた二成分現像剤を回転する現像剤担持体に担持させて前記二成分現像剤中のトナーを前記像担持体に供給して前記静電像を現像する現像装置と、
   前記現像装置内を循環する前記二成分現像剤の一部を前記現像装置から排出する現像剤排出装置と、
   前記現像装置にキャリアを含む補充用現像剤を補充する現像剤補充装置と、を備える画像形成装置に補充される補充用現像剤において、
   前記補充用現像剤におけるトナーに対する外添剤の混合比率は、前記現像装置の初期状態にて充填された二成分現像剤におけるトナーに対する外添剤の混合比率よりも高いことを特徴とする補充用現像剤。
4. 前記補充用現像剤における前記混合比率は、前記現像装置の初期状態にて充填された二成分現像剤における前記混合比率よりも１０％から９０％大きいことを特徴とする請求項２又は３記載の補充用現像剤。

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