JP2016095477A - 現像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】現像ローラ22の表面に複数の凹部221を設けた構造で、現像ローラ22に担持されるトナーの入れ替わりを良好に行える構成を実現する。
【解決手段】トナーがキャリアの表面を被覆する割合である被覆率が、90%以上、200%以下である。現像ローラ22の表面には、複数の凹部221が形成されている。複数の凹部221は、少なくとも平均粒径のトナーが凹部221の内面に接触可能で、且つ、平均粒径のキャリアがこの内面に接触不能であるように形成されている。また、複数の凹部221は、凹部221の底面に接触した平均粒径のトナーの重心位置よりも凹部221の頂点が底面側に位置するように形成されている。これにより、現像ローラ22が現像剤を担持して搬送する過程で、現像ローラ22に担持されるトナーの入れ替わりが良好に行われる。
【選択図】図2
【解決手段】トナーがキャリアの表面を被覆する割合である被覆率が、90%以上、200%以下である。現像ローラ22の表面には、複数の凹部221が形成されている。複数の凹部221は、少なくとも平均粒径のトナーが凹部221の内面に接触可能で、且つ、平均粒径のキャリアがこの内面に接触不能であるように形成されている。また、複数の凹部221は、凹部221の底面に接触した平均粒径のトナーの重心位置よりも凹部221の頂点が底面側に位置するように形成されている。これにより、現像ローラ22が現像剤を担持して搬送する過程で、現像ローラ22に担持されるトナーの入れ替わりが良好に行われる。
【選択図】図2
Description
本発明は、電子写真方式、静電記録方式などによって像担持体上に形成された静電潜像を現像して可視画像を形成する現像装置に関する。
電子写真方式に適用される乾式現像方式としては、トナーのみを用いる一成分現像方式と、トナーと磁性キャリアから成る現像剤を用いる二成分現像方式が知られている。このような一成分現像方式の現像装置では、例えば、発泡材により形成されたトナー供給ローラによりトナーを現像剤担持体としての現像ローラの表面に担持させて、像担持体上の静電潜像をトナーにより現像する。現像後に現像ローラ表面に残ったトナーはトナー供給ローラにより剥ぎ取られる。
また、このような構成を有する現像装置として、現像ローラの表面に複数の凹部を設けて現像ローラの表面に均一なトナーを担持させる構造も提案されている(特許文献1参照)。
ここで、特許文献1に記載されたような一成分現像方式の現像装置の場合、現像ローラ上のトナーの入れ替わり不良が発生する可能性がある。即ち、現像後に現像ローラに残存したトナーはトナー供給ローラにより剥ぎ取られる。このとき、トナー供給部材から新たなトナーが現像ローラに供給され、現像ローラ上の残存トナーが新たなトナーに入れ替わることになる。しかしながら、上述のように現像ローラに複数の凹部を有する構成の場合、凹部内の残留トナーがトナー供給ローラにより剥ぎ取られにくくなる。これは、トナー供給部材が凹部にコートされた残留トナーと十分に接触できず、剥ぎ取りに必要な力をトナーに与えにくくなるためである。
一方で、トナー供給ローラの表層形状を工夫するなどして、凹部内の残留トナーとの接触性を改善してトナーを剥ぎ取り易くすることも考えられる。但し、それに伴う剛性や耐久性の低下により、所望の剥ぎ取り性を実現し継続することは困難である。更に、仮にトナーの剥ぎ取り性を高くできても、そのスペースへ確実に新しいトナーを供給するためには、トナー供給ローラによるトナー供給量には限度があり、それを保証することは困難である。
以上の理由により、特許文献1に記載された現像装置の場合は、トナーの入れ替わり不良が発生し易い。そして、このようなトナーの入れ替わり不良が発生すると、現像ローラ上に同じトナーが残留し易くなり、新旧トナーの特性の違いにより発生するゴースト画像や、現像ローラのフィルミングなどによる画質低下を引き起こし易い。
本発明は、このような事情に鑑み、現像剤担持体の表面に複数の凹部を設けた構造で、現像剤担持体に担持されるトナーの入れ替わりを良好に行える構成を実現すべく発明したものである。
本発明は、非磁性のトナーと磁性を有するキャリアとを含む現像剤を収容する現像容器と、前記現像容器内で現像剤を搬送する搬送手段と、静電潜像を担持する像担持体と対向して配置され、表面に前記搬送手段により搬送された現像剤を担持して搬送する現像剤担持体と、前記現像剤担持体の現像剤搬送方向に関して、前記現像剤担持体が前記像担持体と対向する現像部よりも上流で、且つ、前記搬送手段により搬送された現像剤が前記現像剤担持体に供給される供給部よりも下流に、前記現像剤担持体と対向して配置され、前記現像剤担持体に担持された現像剤の一部を回収する回収手段と、を備え、トナーがキャリアの表面を被覆する割合である被覆率が、90%以上、200%以下であり、前記現像剤担持体は、前記表面に複数の凹部を有する現像装置である。
そして、前記複数の凹部は、少なくとも平均粒径のトナーが前記凹部の内面に接触可能で、且つ、平均粒径のキャリアが前記内面に接触不能であり、前記凹部の底面に接触した平均粒径のトナーの重心位置よりも前記凹部の頂点が前記底面側に位置するように形成されていることを特徴とする。
また、前記複数の凹部は、前記現像剤担持体の現像剤搬送方向に関して深さがほぼ変わらない底面を有し、少なくとも平均粒径のトナーが前記凹部の内面に接触可能で、且つ、平均粒径のキャリアが前記内面に接触不能であり、前記凹部の深さがトナーの平均粒径の半分以下になるように形成されていることを特徴とする。
また、前記複数の凹部は、前記現像剤担持体の現像剤搬送方向下流側の側面と、前記現像剤搬送方向下流側から上流側に向けて前記凹部の深さが浅くなる方向に傾斜した底面とを有し、少なくとも平均粒径のトナーが前記凹部の内面に接触可能で、且つ、平均粒径のキャリアが前記内面に接触不能であり、平均粒径のトナーが前記側面又は前記側面の頂点と前記底面とに接触した場合に、接触した前記トナーを前記凹部の頂点を通り現像剤搬送方向に直交する仮想面に投影した仮想円上の前記凹部の頂点から前記底面側に最も離れた点と、前記凹部の頂点との間の距離がトナーの平均粒径の半分以下になるように形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、現像剤担持体の表面に複数の凹部を設けた構造で、現像剤担持体に担持されるトナーの入れ替わりを良好に行える。
<第1の実施形態>
本発明の第1の実施形態について、図1ないし図22を用いて説明する。なお、本実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その他の相対配置などは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。まず、本実施形態の現像装置の概略構成について、図1を用いて説明する。
本発明の第1の実施形態について、図1ないし図22を用いて説明する。なお、本実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その他の相対配置などは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。まず、本実施形態の現像装置の概略構成について、図1を用いて説明する。
[画像形成装置]
本実施形態の画像形成装置100は、電子写真方式を用いたもので、静電潜像を担持する像担持体としての感光ドラム1を有する。感光ドラム1は、導電基板上に光導電層を塗布して構成されるドラム状の感光体で、不図示のフレームに回転自在に設けられており、不図示の駆動手段(モータなど)により図1の矢印方向に回転駆動される。感光ドラム1は、帯電手段としての帯電器2で表面が一様に帯電される。そして、露光手段として例えばレーザ光を発光する発光素子(レーザスキャナ)3が画像情報に応じて露光することで、感光ドラム1の表面に静電潜像が形成される。感光ドラム1上の静電潜像は、現像装置20でトナー像として現像され可視化される。次いで、感光ドラム1上のトナー像は、転写手段としての転写帯電器4で記録材5に転写され、更に定着装置6によりトナー像が記録材に定着される。記録材5は、例えば、用紙、OHPシートなどのシート材である。転写後に感光ドラム1上に残った転写残トナーは、クリーニング装置7によってクリーニングされる。なお、本実施形態においては、像担持体は、ドラム状の基層上に感光層を有した感光ドラムとしているが、ベルト状の感光ベルトでも構わない。
本実施形態の画像形成装置100は、電子写真方式を用いたもので、静電潜像を担持する像担持体としての感光ドラム1を有する。感光ドラム1は、導電基板上に光導電層を塗布して構成されるドラム状の感光体で、不図示のフレームに回転自在に設けられており、不図示の駆動手段(モータなど)により図1の矢印方向に回転駆動される。感光ドラム1は、帯電手段としての帯電器2で表面が一様に帯電される。そして、露光手段として例えばレーザ光を発光する発光素子(レーザスキャナ)3が画像情報に応じて露光することで、感光ドラム1の表面に静電潜像が形成される。感光ドラム1上の静電潜像は、現像装置20でトナー像として現像され可視化される。次いで、感光ドラム1上のトナー像は、転写手段としての転写帯電器4で記録材5に転写され、更に定着装置6によりトナー像が記録材に定着される。記録材5は、例えば、用紙、OHPシートなどのシート材である。転写後に感光ドラム1上に残った転写残トナーは、クリーニング装置7によってクリーニングされる。なお、本実施形態においては、像担持体は、ドラム状の基層上に感光層を有した感光ドラムとしているが、ベルト状の感光ベルトでも構わない。
[現像装置]
次に、本実施形態の現像装置20について詳しく説明する。まず、現像装置20の全体構成について図2を用いて説明する。図2に示すように、現像装置20は、非磁性のトナーと磁性を有するキャリアとを含む現像剤を収容する現像容器21を備える。ここで、現像剤について述べると、本実施形態では現像方式として二成分現像方式を用い、非磁性トナーと磁性キャリアを混合して現像剤として用いる。非磁性トナーはポリエステル、スチレンアクリル等の樹脂に着色料、ワックス成分などを内包し、粉砕あるいは重合によって粉体としたものである。磁性キャリアは、フェライト粒子や磁性粉を混錬した樹脂粒子からなるコアの表層に樹脂コートを施したものである。
次に、本実施形態の現像装置20について詳しく説明する。まず、現像装置20の全体構成について図2を用いて説明する。図2に示すように、現像装置20は、非磁性のトナーと磁性を有するキャリアとを含む現像剤を収容する現像容器21を備える。ここで、現像剤について述べると、本実施形態では現像方式として二成分現像方式を用い、非磁性トナーと磁性キャリアを混合して現像剤として用いる。非磁性トナーはポリエステル、スチレンアクリル等の樹脂に着色料、ワックス成分などを内包し、粉砕あるいは重合によって粉体としたものである。磁性キャリアは、フェライト粒子や磁性粉を混錬した樹脂粒子からなるコアの表層に樹脂コートを施したものである。
本実施形態では、非磁性トナーは、重合法により製造された個数平均粒径(D50)rtが7.8μm、平均円形度が0.97のポジ極性トナーである。平均円形度は、凹部内のトナーが十分に入れ替わり易くするために、0.95以上であることが好ましい。磁性キャリアは、個数平均粒径rcが90μmの標準キャリアP−02(日本画像学会製)を用いた。なお、トナーおよび磁性キャリアの個数平均粒径、トナーの平均円形度の測定方法に関しては後述する。二成分現像剤は全体の質量に対するトナー質量比(以下TD比q)が10%になるように混合した。
現像容器21は、感光ドラム1に対向する部分が開口し、この開口部に現像剤担持体として、円筒状の現像ローラ22が回転自在に支持されている。そして、現像ローラ22は不図示の駆動手段により図2の矢印h方向に回転駆動される。また、現像ローラ22の表面には、後述するような複数の凹部221が形成されている。更に、現像ローラ22の内部には、固定配置された複数の磁極を有する現像マグネット(永久磁石)222が配置されている。現像ローラ22は、感光ドラム1に接触するように配置されている。なお、本発明では、現像剤担持体と像担持体とは、接触していても非接触であっても良いが、本実施形態では、現像剤担持体としての現像ローラ22を、像担持体としての感光ドラム1に接触するように配置している。そして、現像ローラ22は、感光ドラム1の回転方向mに対して、現像ローラ22が感光ドラム1と対向し、現像ローラ22に担持搬送されたトナーが感光ドラム1に移行する現像部Tにおいて、同方向hに回転可能に設けられている。なお、現像容器21の開口部には、現像容器21の外に現像剤が飛散することを抑制するために飛散抑制シート28を設けている。
また、現像容器21には、現像容器内で現像剤を搬送する搬送手段としてスクリューなどの搬送部材24a、24bが設けられている。現像容器21内に供給された現像剤及び次述する現像剤回収装置23により回収された現像剤は、搬送部材24a、24bにより攪拌されつつ現像ローラ22の近傍まで搬送される。この搬送過程でトナーとキャリアとが互いに異極に帯電される。搬送された現像剤は、供給部Wにて現像ローラ22内に配置された現像マグネット222の磁気力により現像ローラ22に担持される。即ち、磁性を有するキャリアが現像マグネット222の磁気力により引っ張られて現像ローラ22に担持される。このとき、キャリアの表面には異極に帯電したトナーが静電的に付着しているので、トナーとキャリアとが現像ローラ22の表面に担持される。したがって、搬送部材24a、24bにより搬送されたトナーとキャリアとを含む現像剤は、供給部Wにて現像ローラ22に供給されることになる。
また、現像容器21内には、現像ローラ22に担持された現像剤の一部を回収する回収手段としての現像剤回収装置23が配置されている。現像剤回収装置23は、現像ローラ22の現像剤搬送方向(回転方向h)に関して、現像部Tよりも上流で、且つ、供給部Wよりも下流に、現像ローラ22と間隙を有するように対向して配置されている。現像剤回収装置23は、現像容器21に回転自在に支持される回収ローラ231と、回収ローラ231の内部に固定配置された複数の磁極を有する回収マグネット(永久磁石)232とを有する。回収ローラ231は、現像ローラ22と対向する回収部Uにおいて逆方向に移動するように不図示の駆動手段により回転駆動される。なお、回収ローラ231、現像ローラ22及び搬送部材24a、24bは、駆動手段としての単一の駆動モータからの駆動がギア列により分配されることで駆動される。但し、それぞれ、或いは、何れかを別の駆動モータにより駆動するようにしても良い。
このように構成される現像剤回収装置23は、現像ローラ22内に配置された現像マグネット222と回収マグネット232とが協働して磁場を形成することで、磁気力により現像ローラ22に担持された現像剤の一部を回収する。即ち、現像マグネット222のN22極と回収マグネット232のS23極とにより形成される磁界により、現像剤の一部が回収ローラ231の表面に担持される。このとき、現像剤回収装置23は、現像ローラ22の回転方向に関して、供給部Wよりも下流で現像部Tよりも上流に位置するため、現像ローラ22に供給された現像剤の一部が現像部Tに搬送される前に回収することになる。
そして、回収ローラ231に担持された現像剤は、矢印i方向に移動することでS23極の下流にある2つのN極(反発極)の反発磁界により回収ローラ231から剥ぎ取られ、搬送部材24a、24bによる現像剤の搬送経路に送られる。なお、反発極と対向する回収ローラ231の表面に、回収ブレード25が接触又は近接するように設けられ、回収ローラ231上の現像剤は回収ブレード25でも剥ぎ取られて搬送経路に送られる。
[現像ローラの凹部の構成]
次に、現像ローラ22の表面に形成される複数の凹部221の構成(凹凸構造)について、図3及び図4を用いて説明する。図中の矢印hは、図中jを回転軸とした現像ローラ22の回転方向を示している。複数の凹部221は回転軸jに対し平行、且つ回転方向hに対し規則的に並ぶ複数の溝により形成されている。現像ローラ22は、金属材料からなる円筒状の部材である基層221a上に、弾性層221bを被覆した構造の部材で形成されている。基層221aは、導電性と剛性のある素材であれば限定されることなく、SUS、鉄、アルミなどで形成できる。
次に、現像ローラ22の表面に形成される複数の凹部221の構成(凹凸構造)について、図3及び図4を用いて説明する。図中の矢印hは、図中jを回転軸とした現像ローラ22の回転方向を示している。複数の凹部221は回転軸jに対し平行、且つ回転方向hに対し規則的に並ぶ複数の溝により形成されている。現像ローラ22は、金属材料からなる円筒状の部材である基層221a上に、弾性層221bを被覆した構造の部材で形成されている。基層221aは、導電性と剛性のある素材であれば限定されることなく、SUS、鉄、アルミなどで形成できる。
弾性層221bは、適度な弾性を有するゴム材料を基材として、これに導電性微粒子を添加して導電性を付与したものである。基材としては、シリコーンゴム、アクリルゴム、二トリルゴム、ウレタンゴム、エチレンプロピレンゴム、イソプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴムなどが挙げられる。また、導電性微粒子としては、カーボン、酸化チタン、金属微粒子などが挙げられる。また、弾性層221bは、導電性微粒子以外にも、表面粗さを調整するために球形状樹脂を分散させても構わない。本実施形態においては、現像ローラ22は、ステンレス製の基層221a上にカーボンが分散されたシリコーンゴム及びウレタンゴムから成る弾性層221b、さらにその上に複数の凹部221が形成されたコーティング層221cからなる。
具体的には、弾性層221b上に樹脂材料から成るコーティング層221cを設け、コーティング層221cに複数の凹部221を形成している。コーティング層221cは、フッ素系UV硬化樹脂からなり、UV硬化により複数の凹部221が形成されている。このとき、弾性層221bとコーティング層221cの接着性を上げるために、両者の間にプライマー層を設けても構わない。また、本実施形態においては、弾性層上のコーティング層に凹凸構造を形成したが、弾性層に凹凸構造を形成しても構わない。このとき、弾性層上にコーティング層があってもなくても構わない。
また、現像ローラ22は、弾性層221bがあってもなくても構わない。具体的には、基層221a上に樹脂や金属から成るコーティング層221cを設け、コーティング層に凹凸構造を形成したり、基層221aに直接凹凸構造を形成しても構わない。更に、凹凸構造が形成されたコーティング層、弾性層や基層上に、削れ防止や絶縁処理のために、高硬度材料や絶縁材料をコートしても構わない。このとき、凹凸構造が十分残る程度に薄いコート層にする必要がある。
図4は、凹凸構造を形成したコーティング層221cの断面図である。本実施形態の凹凸構造は、各点Pn・Qn・Qn+1・Pn+1により形成される矩形状を断面とした溝で形成されている。即ち、本実施形態の凹部221は、隣接する頂点(Pn、Pn+1)間の領域で形成される凹形状を指し、凹部221の内面とは、前記頂点を除いた、頂点PnとPn+1間の構造面を指す。また、頂点Pn、Pn+1とは、凹部221の現像剤搬送方向両側の側面220a、220b上で底面220から最も離れた点である。言い換えれば、隣接する凹部221の間に存在する凸部219の頂点である。
このような複数の凹部221は、それぞれ現像ローラ22の現像剤搬送方向に関して深さdがほぼ変わらない底面220を有する。このような凹凸構造は、現像ローラ22の回転方向hに対して周期Eで規則的に並び、最小開口幅Lの溝である。本実施形態において、凹部221の周期Eは9μm、最小開口幅Lは8μm、深さdは2μm、コーティング層221cの厚さDは5μmである。なお、本実施形態では、前記溝が回転軸jに対し平行に配されているが、傾きを有していても構わない。
[現像装置内の現像剤の挙動]
このような本実施形態の現像装置20における二成分現像剤の搬送時の挙動について、図5を用いて説明する。上述のように、現像容器21内には、少なくとも非磁性トナーと磁性キャリアから成る二成分現像剤10が収容される。二成分現像剤10は、供給部Wにおいて表面に複数の凹部221が形成された現像ローラ22に供給される。二成分現像剤10が現像ローラ22に供給されて、現像剤回収装置23により回収されるまでの搬送過程において、現像ローラ22と接触する二成分現像剤10中のトナー11は、安定して複数の凹部221内に薄層且つ均一にコートされる。即ち、現像ローラ22と接触する二成分現像剤10中のトナー11は、複数の凹部221の内面と接触し、構造による拘束力により、磁性キャリアから脱離し、安定して凹部内に薄層且つ均一にコートされる。
このような本実施形態の現像装置20における二成分現像剤の搬送時の挙動について、図5を用いて説明する。上述のように、現像容器21内には、少なくとも非磁性トナーと磁性キャリアから成る二成分現像剤10が収容される。二成分現像剤10は、供給部Wにおいて表面に複数の凹部221が形成された現像ローラ22に供給される。二成分現像剤10が現像ローラ22に供給されて、現像剤回収装置23により回収されるまでの搬送過程において、現像ローラ22と接触する二成分現像剤10中のトナー11は、安定して複数の凹部221内に薄層且つ均一にコートされる。即ち、現像ローラ22と接触する二成分現像剤10中のトナー11は、複数の凹部221の内面と接触し、構造による拘束力により、磁性キャリアから脱離し、安定して凹部内に薄層且つ均一にコートされる。
ここで、コートされたトナー11を除く二成分現像剤10は、回収部Uにおいて現像剤回収装置23により、磁気力で回収され、矢印cの経路で再び搬送部材24による搬送経路に送られ、搬送部材24により攪拌搬送される。以後これを繰り返す。
一方、現像剤回収装置23により回収されずに現像ローラ22上に薄層且つ均一にコートされたトナー11は、現像部Tにおいて感光ドラム1と接触する。そして、電圧印加部26により現像ローラ22に印加される電圧と感光ドラム1の潜像電位により発生する電位差により、感光ドラム1上の静電潜像のイメージ部Imをトナー11aにより現像する。
このとき、現像ローラ22の移動速度v22と感光ドラム1の移動速度v1とにより決定される移動速度比v22/v1を適正に設定することにより、感光ドラム1上に所望のトナー量を現像することができる。本実施形態においては移動速度比を1.05倍とした。現像に寄与せずに現像ローラ22上に残留した残留トナー11bは、現像ローラ22の回転により、供給部Wまで搬送され、再び現像剤の供給を受け、新しいトナーと入れ替わり、以後これを繰り返す。なお、本実施形態においては、電圧印加部26により、現像ローラ22と現像剤回収装置23とは等電位であるが、現像剤回収装置23には電圧を印加しないフロートの状態でも構わない。
[現像ローラへのトナーコート及びトナーの入れ替わり]
次に、このような現像ローラ22上へのトナーコート、及び、トナーの入れ替わりについて詳細に説明する。まず、現像ローラ22へのトナーコートについて説明する。上述のように、供給部Wまで搬送された二成分現像剤10は、現像ローラ22内部に固定配置される現像マグネット222によって作られる磁界により、現像ローラ22に供給される。供給された二成分現像剤10は、現像ローラ22の回転及び現像マグネット222によって作られる磁界の影響を受けて磁気穂化し、現像ローラ22の回転方向hに搬送される。
次に、このような現像ローラ22上へのトナーコート、及び、トナーの入れ替わりについて詳細に説明する。まず、現像ローラ22へのトナーコートについて説明する。上述のように、供給部Wまで搬送された二成分現像剤10は、現像ローラ22内部に固定配置される現像マグネット222によって作られる磁界により、現像ローラ22に供給される。供給された二成分現像剤10は、現像ローラ22の回転及び現像マグネット222によって作られる磁界の影響を受けて磁気穂化し、現像ローラ22の回転方向hに搬送される。
図6は、二成分現像剤10の搬送の様子を説明する模式図である。なお、図面上、ローラ表面における凹凸構造は省略している。まず、図6(a)に示すように、現像マグネット222による磁界により、二成分現像剤10は磁気穂化する。そして、図6(b)に示すように、現像ローラ22の回転に伴い、磁気穂は隣接する極の影響を受け始める。次いで、図6(c)に示すように、さらに回転すると磁気穂が現像ローラ22上に倒れ、図6(d)に示すように、さらに回転すると磁気穂が隣接する極の影響を強く受けて立ち上がり、以後これを繰り返す。
このとき、磁気穂は、現像ローラ22による搬送力以外に磁気力の影響を受けるため、現像ローラ22の移動速度に比べて、磁気穂の移動速度が速まり易い。つまり、搬送過程において、現像ローラ22に対し速度差を有して二成分現像剤10を搬送するためには、少なくとも現像ローラ22内部には2極以上の複数の磁極を有する現像マグネット222が配されることが必要である。
図7は、二成分現像剤10の搬送時における現像ローラ22上の様子を説明する模式図である。説明上不要なトナーや磁性キャリアは省略している。現像ローラ22上の磁気穂、特に現像マグネット222に近い現像ローラ22に接触する磁性キャリア12には、強い磁気力が作用する。さらに、現像ローラ22の回転及び現像マグネット222による磁気力により、磁性キャリア12は、図中の矢印g方向に現像ローラ22の移動速度に比べて速く移動する。このため、磁性キャリア12に被覆されたトナー11が、磁性キャリア12と凹部221間に挟まれ、摺擦され帯電し、凹部221の頂点や凹部221の内面と多点接触することにより、凹部221の構造に強く拘束される。
その結果、非磁性トナー11は磁性キャリア12から脱離し、凹部221へ移行する。凹部221に移行したトナーは、後続から搬送される磁気穂と接触し、これに剥ぎ取られたり、再び移行したりすることを繰り返す。このとき、トナーが凹部221に移行する確率xが、トナーが磁気穂により凹部221から剥ぎ取られる確率yに比べて十分大きければ、搬送過程におけるトナーの接触頻度の増加に伴い、凹部221へ移行するトナーが増加していく。
これにより、回収部Uを通過後には、現像ローラ22上の凹部221へ選択的に薄層且つ均一にトナーがコートされる。つまり、搬送過程においてトナーを凹部221へ均一にコートするためには、トナーが凹部221に拘束され易く、且つ、凹部221に拘束されなかったトナーが後続するキャリアにより剥ぎ取られ易くする。このために本実施形態では、少なくとも現像ローラ22の表面に形成される複数の凹部221が、少なくとも平均粒径のトナーが凹部221の内面に接触可能で、且つ、平均粒径のキャリアが凹部221の内面に接触不能であるように形成されている。また、本実施形態では、上述のように現像ローラ22により二成分現像剤10を搬送するために、現像ローラ22の内部に2極以上の複数の磁極を有する現像マグネット222が配置されている。
次にトナーの入れ替わりについて詳細に説明する。図8は、現像に寄与せずに現像ローラ22上に残留した残留トナー11bが、供給部Wまで搬送され、再び搬送過程を通過する様子を説明する模式図である。先で説明したように、凹部221上の残留トナー11bは、新たに供給される二成分現像剤10が形成する磁気穂と接触する。トナーの入れ替わりが良い場合は、搬送過程において、残留トナー11bが磁気穂と接触し、剥ぎ取られ、さらに新しいトナー11が供給されることによりこれと入れ替わる。一方、トナーの入れ替わりが良くない場合、例えば、凹部221の構造による残留トナー11bへの拘束力が大き過ぎると、残留トナー11bは搬送過程において、磁気穂により剥ぎ取られにくくなる。この結果、再び現像部Tまで搬送されてしまい、新しいトナーと入れ替わることができないトナーが多くなってしまう。
図9は、トナーの入れ替わりを調べるために、凹部221の深さdを可変して、残留トナーの剥ぎ取り率を測定した結果である。具体的な測定方法に関しては後述する。図9から明らかなように、凹部221の深さdがトナーの平均粒径rtの50%(rt/2)近辺で、急激に剥ぎ取り率が変化する。理由は次のように考えられる。
図10は凹部221の深さdがトナーの平均粒径rtの50%を超える際の様子を示す模式図である。磁性キャリア12から残留トナー11bへ作用する力、及び凹部221から残留トナー11bへ作用する力により、残留トナー11bには偶力が作用し、図の回転方向kに回転しようとする。このとき、残留トナー11bが凹部221から離脱するためには、残留トナー11bが回転して凹部221の頂点(凸部)の上方へ乗り越える必要がある。しかしながら、凹部221の深さdがトナーの平均粒径rtの50%を超える場合は、これが困難なためと考えられる。
つまり、搬送過程においてトナーの入れ替わりを良好に行うためには、凹部221の深さdがトナーの平均粒径rtの半分以下になるように、複数の凹部221が形成されていることが好ましい。更に言えば、少なくとも凹部221の底面220に接触した平均粒径rtのトナーの重心位置よりも凹部221の頂点が底面側に位置する(トナーの重心位置よりも頂点が低くなる)ように、複数の凹部221が形成されていることが好ましい。このように凹部221を形成することで、トナー11bが回転して凹部221の頂点の上方へ乗り越え易くなり、トナーの剥ぎ取り性が良好になる。
ここで、図示の例では、トナー11bが凹部221から離脱するためには、トナー11bが回転して凹部221の頂点を乗り越えるように、凹部221が形成されている。但し、凹部221の現像ローラ22の現像剤搬送方向下流側(回転方向h下流側)の側面220aの形状或いは傾斜によっては、底面220に接触したトナーが頂点に接触せず、側面220aの一部と接触する場合がある。例えば、側面220aが下流側に向かう程底面220から離れる方向に傾斜している場合、底面220に接触したトナーが頂点に接触せず、側面220aの一部と接触する場合がある。但し、このような形状の凹部221であっても、トナーが離脱するためには頂点を乗り越える必要があるため、頂点と平均粒径のトナーとの関係を上述のように規定する。
一方、トナーの剥ぎ取りを良好にするために、複数の凹部221の深さdを浅くすると、トナーが磁気穂により凹部から剥ぎ取られる確率yが大きくなる。このため、最終的に回収部Uを通過後に、十分な量の新しいトナーを凹部221へコートすることができない。このため、十分な量の新しいトナーを凹部221へコートするためには、剥ぎ取られるトナー量に対して、十分な量の新しいトナーを凹部221へ移行させる必要がある。
図11は、新しいトナーの凹部221へのコート量を調べるために、凹部221の深さdを上述の範囲内(d=2μm)とし、二成分現像剤10の被覆率Sを可変して、現像ローラ22上に新たにコートされたトナーのカバー率を測定した結果である。具体的な測定方法に関しては後述する。ここで、被覆率Sとはキャリアの表面をトナーが被覆する割合を示し、二成分現像剤のTD比q、及び各粒径r、密度ρから次の式1により算出される。
ここで、ρc:キャリア真密度(4.8g/cm3)、ρt:トナー真密度(1.1g/cm3)である。被覆率Sが90%近辺で、急激に新しいトナーのカバー率が変化する。理由は次のように考えられる。搬送過程において十分な量の新しいトナーを凹部221へ移行するためには、トナーと凹部221の接触頻度を上げて、且つトナーが凹部221に移行する確率xを、磁気穂により凹部221から剥ぎ取られる確率yに比べて十分大きくする必要がある。二成分現像剤10の被覆率が高いと、凹部221と接触するトナー数が増加し、上述の接触頻度を上げられることに加え、トナーが磁性キャリアの表面を被覆することにより磁性キャリア表面が露出し難くなり、確率xが確率yに比べて大きくなり易い。このため、磁性キャリアの表面がほぼ露出しなくなる90%以上の場合、前記カバー率が飛躍的に良好になると考えられる。
逆に前記被覆率Sが90%を下回る場合は、残留トナーの剥ぎ取りができても、十分な量の新しいトナーを現像ローラ22上にコートすることができない。一方、前記被覆率Sが200%を超えると、現像ローラ22上にコートされるトナーの中で、凹部221に接触する単層のトナー上に付着するトナーの割合が急激に増加し、コート量が不安定になる。これは、磁性キャリアに三層以上のトナーが被覆されることが難しく、磁性キャリアにより制御し切れないトナーが増加するためと考えられる。したがって、現像ローラ22上に十分な量の新しいトナーをコートするためには、トナーがキャリアの表面を被覆する割合である被覆率が、90%以上、200%以下であることが好ましい。
以上、まとめると、搬送過程において残留トナーを剥ぎ取り、且つ十分な量の新しいトナーをコートしてトナーの入れ替わりを良好にするためには、次の要件を満たすようにする。まず、凹部221の深さdがトナーの平均粒径rtの半分以下になるように、複数の凹部221が形成されているようにする。或いは、少なくとも凹部221の底面220に接触した平均粒径rtのトナーの重心位置よりも凹部221の頂点が低くなるように、複数の凹部221が形成されているようにする。更に、トナーがキャリアの表面を被覆する割合である被覆率が、90%以上、200%以下であるようにする。
なお、図12は、本実施形態の現像容器21内のトナーの帯電量測定結果(図12(a))、現像ローラ22上にコートされたトナーの帯電量測定結果(図12(b))である。帯電量測定は、E−SPART Analyzer(ホソカワミクロン社製)を用い、前記測定装置の操作マニュアルに従い測定を行った。そして、各トナーの粒径、帯電量データ、及びトナーの真比重ρtより、トナーの粒径(μm)とトナーの帯電量Q/M(μC/g)の関係をグラフ化した。図12(a)に示すように、現像容器内のトナーは、前記理由により被覆率(TD比)を高く設定しているために、トナーの帯電量が低いことが分かる。これに対し、図12(b)に示すように、現像ローラ22上にコートされたトナーは、凹部や磁性キャリアとの接触、摺擦により十分に帯電されていることがわかる。
その結果、TD比(被覆率)が高いことが原因で発生し易い、未帯電トナーによるかぶりやトナー飛散などの弊害を抑えることができる。また、本実施形態のように凹部221に接触できない粗粉が含まれていても、現像ローラ22上にコートされることはなく、粒度分布がシャープなトナーが選択的にコートされる。但し、上述のように選択的にコートされると、コートに寄与しない粗粉などのトナーが現像容器内に滞留し易くなるため、粒度分布を適正化することが好ましい。詳細は後述する。
[トナーの入れ替わりの検証実験]
次に、上述したようなトナーの入れ替わりについて検証した実験について説明する。実験では、図2に示したような本実施形態の現像装置A(実施例)と、図13に示す構造を有する現像装置B(比較例)とについて、現像ローラ上のトナーの入れ替わりについて検証した。まず、比較例である現像装置Bについて説明する。図13に示すように、現像装置Bは、現像容器321内に、現像ローラ322と、トナー供給部材330と、トナー攪拌部材331と、規制部材332を備える。
次に、上述したようなトナーの入れ替わりについて検証した実験について説明する。実験では、図2に示したような本実施形態の現像装置A(実施例)と、図13に示す構造を有する現像装置B(比較例)とについて、現像ローラ上のトナーの入れ替わりについて検証した。まず、比較例である現像装置Bについて説明する。図13に示すように、現像装置Bは、現像容器321内に、現像ローラ322と、トナー供給部材330と、トナー攪拌部材331と、規制部材332を備える。
現像容器321は、現像剤として、現像装置Aと同じ非磁性トナーのみが収容されている。現像装置Aと同様に、現像ローラ322は、感光ドラム1に対して接触しながら、接触部で感光ドラム1と同方向に回転する。一方、トナー供給部材330は、現像ローラ322に対して接触しながら、接触部で現像ローラ322と逆方向に回転する。規制部材332は、現像ローラ322の回転方向に対し、トナー供給部材330の下流側で現像ローラ322に当接するように配される。
現像ローラ322は、ステンレス製の基層上にカーボンが分散されたシリコーンゴム及びウレタンゴムから成る弾性層、さらにその上に現像装置Aと同じ凹凸構造が形成されたコーティング層から成るローラである。トナー供給部材330は、芯金上に発泡骨格構造で比較的低硬度のポリウレタンフォームを4mm形成した弾性スポンジローラであり、トナー担持体に対する押し込み量は1.2mmである。規制部材332は、現像容器に固定された厚さ1.2mmの鉄板を支持板金として、厚み80μmのSUS板を薄板状弾性部材として、前記支持板金に片持ちで支持している。前記薄板状弾性部材の片持ち支持部から現像ローラ322との当接部までの距離は10mmであり、現像ローラ322に対する当接圧は線圧30g/cmである。
このように構成される現像装置Bは、次のように動作する。まず、現像容器321内のトナーは、トナー攪拌部材331により攪拌され、トナー供給部材330に搬送される。トナー攪拌部材331により搬送されるトナーはトナー供給部材330表面の発泡材に充填され、現像ローラ322との接触部まで搬送される。前記接触部において、充填されたトナーは現像ローラ322との接触により帯電し、現像ローラ322上に移行する。さらにトナー供給部材330は、現像後に現像ローラ322上に残留する残留トナーを剥ぎ取る機能も有する。トナー供給部材330により現像ローラ322上に供給されたトナーは、規制部材332により規制を受け、所望のトナー量及び帯電量になるように調整され、現像部まで搬送され、感光ドラム1上の静電潜像を現像する。
次に、このような現像装置Bと本実施形態の構成を有する現像装置Aとにおける、トナーの入れ替わりの検証実験について説明する。現像残トナーと新しいトナーを区別するために、異なる2色のトナーを用いて以下のような検証実験を行った。現像装置Aには、上述した二成分現像剤が収容され、現像装置Bには、Aと同じ非磁性トナーのみが収容されている。始めに、現像装置A、Bをそれぞれ画像形成装置に装着して、シアンのトナーを用いて、通常の現像動作を行い、現像動作中に電源を強制的に切った。
図14は現像動作を停止した際の、感光ドラム1上のトナー像(図14(a))、現像ローラ22、322上のトナー像(図14(b))を示す模式図である。ここで、図14(a)に示すように、感光ドラム1には、600dpiの1L1S(1ライン1スペース)の静電潜像を形成した。このため、図14(b)に示すように、現像後の現像ローラ22、322上には、1スペース分相当(42μm)のシアンの残留トナー11bが残った。
次に現像装置A、Bを画像形成装置から取り外し、それぞれの現像容器内の現像剤を回収し、新たにイエローのトナーを含む現像剤を現像容器内に収容した。そして、外部の駆動用モータを利用して、上述の現像動作と同じ動作を画像形成装置外で行い、現像ローラ22、322を1回転して駆動を停止させた。図15は駆動を停止した際の、現像装置Aにおける現像ローラ22上のトナー像(図15(a))、現像装置Bにおける現像ローラ322上のトナー像(図15(b))を示す模式図である。
ここで、白抜きのトナーはシアンの残留トナー11bを示し、塗り潰しのトナーは新たにコートされたイエローのトナー11を示す。図15(a)に示すように、本実施形態における現像装置Aの現像ローラ22上は、1回転後に残留トナー11bが剥ぎ取られ、新しいトナー11が十分量コートされ、トナーの入れ替わりが良いことが分かる。一方、図15(b)に示すように、比較例としての現像装置Bの現像ローラ322上は、1回転後に残留トナー11bが剥ぎ取り切れず、新しいトナー11も十分量コートされず、トナーの入れ替わりが良くないことがわかる。
次に、このような残留トナーの剥ぎ取り性、新しいトナーのコート性を数値化するために、剥ぎ取り率、カバー率を導入した。具体的な測定方法について説明する。
[剥ぎ取り率の測定方法]
剥ぎ取り率の測定は以下のように行った。まず、前述の図14(b)に示したように、現像後の現像ローラ22、322上における残留トナー11bが存在する領域(40μm×80μm)をマイクロスコープ(Keyence社製VHX−5000)で撮影した。そして、その画像から画像処理ソフト(アドビ社製photoshop)を用いて、シアンの残留トナー11bの面積(px)のみを抽出し、全体の面積に対する比率H1(%)を算出した。次に、図15に示したように、イエローのトナーを含む現像剤でコート後の現像ローラ22、322上における同領域をマイクロスコープで撮影した。そして、その画像から画像処理ソフトを用いて、シアンの残留トナー11bの面積(px)のみを抽出し、全体の面積に対する比率H2(%)を算出した。剥ぎ取り率はH1、H2から次の式2により算出される。このような測定方法により算出された剥ぎ取り率は、現像装置Aが98%、現像装置Bが50%であった。
剥ぎ取り率の測定は以下のように行った。まず、前述の図14(b)に示したように、現像後の現像ローラ22、322上における残留トナー11bが存在する領域(40μm×80μm)をマイクロスコープ(Keyence社製VHX−5000)で撮影した。そして、その画像から画像処理ソフト(アドビ社製photoshop)を用いて、シアンの残留トナー11bの面積(px)のみを抽出し、全体の面積に対する比率H1(%)を算出した。次に、図15に示したように、イエローのトナーを含む現像剤でコート後の現像ローラ22、322上における同領域をマイクロスコープで撮影した。そして、その画像から画像処理ソフトを用いて、シアンの残留トナー11bの面積(px)のみを抽出し、全体の面積に対する比率H2(%)を算出した。剥ぎ取り率はH1、H2から次の式2により算出される。このような測定方法により算出された剥ぎ取り率は、現像装置Aが98%、現像装置Bが50%であった。
[カバー率の測定方法]
カバー率の測定は以下のように行った。上述の剥ぎ取り率の測定と同様に、イエローのトナーを含む現像剤でコート後の現像ローラ22、322上(図15)における同領域をマイクロスコープで撮影した。そして、その画像から画像処理ソフトを用いて、イエローのトナー11の面積(px)のみを抽出し、全体の面積に対する比率H3(%)を算出し、現像ローラ22、322上におけるトナーのカバー率とした。このような測定方法により算出されたカバー率は、現像装置Aが71%、現像装置Bが25%であった。
カバー率の測定は以下のように行った。上述の剥ぎ取り率の測定と同様に、イエローのトナーを含む現像剤でコート後の現像ローラ22、322上(図15)における同領域をマイクロスコープで撮影した。そして、その画像から画像処理ソフトを用いて、イエローのトナー11の面積(px)のみを抽出し、全体の面積に対する比率H3(%)を算出し、現像ローラ22、322上におけるトナーのカバー率とした。このような測定方法により算出されたカバー率は、現像装置Aが71%、現像装置Bが25%であった。
上述したように、比較例としての現像装置Bは、剥ぎ取り率、カバー率ともに低く、トナーの入れ替わりが良くなかった。一方、本実施形態における現像装置Aは、剥ぎ取り率、カバー率ともに高く、トナーの入れ替わりが良いことを確認した。
次に、本実施形態における現像装置Aを用いて、凹部221の深さd、二成分現像剤のTD比qを調整し、被覆率Sを可変した際の前記剥ぎ取り率、カバー率を測定した。図16は、前記剥ぎ取り率の測定結果である。ここで、剥ぎ取り率の許容値をゴースト画像の目視評価より80%としている。前記許容値は製品スペックなどにより異なるが、少なくとも剥ぎ取り率が高く、且つ深さdの変動に対して変化の少ない値以上であることが好ましい。
図16から明らかなように、凹部221の深さdが非磁性トナーの平均粒径rtの50%近辺で、被覆率によらず急激に剥ぎ取り率が変化する。これは先で説明したように、深さdが非磁性トナーの平均粒径rtの50%を超える場合は、非磁性トナーが回転して凹部221の頂点の上方を乗り越える必要があり、これが困難なためと考えられる。
図17は、前記カバー率の測定結果である。ここで、カバー率の許容値を飽和値wの90%としている。前記許容値は製品スペックなどにより異なるが、少なくともカバー率が高く、且つ被覆率の変動に対して変化の少ない値以上であることが好ましい。
図17から明らかなように、前記被覆率Sが90%近辺で、急激に新しいトナーのカバー率が変化する。これは先で説明したように、被覆率Sが90%を下回る場合は、磁性キャリアに被覆されるトナー数が減り、接触頻度が下がることに加え、トナーが磁性キャリアの表面を被覆し切れずに露出されるため、確率xに対して確率yが大きくなり易い。このため、残留トナーの剥ぎ取りができても、十分な量の新しいトナーを現像ローラ22上にコートすることができないと考えられる。一方、前記被覆率Sが200%を超えると、現像ローラ22上にコートされるトナーの中で、凹部221に接触しないトナーの割合が急激に増加し、コート量が不安定になる。これは、磁性キャリアに三層以上のトナーが被覆されることが難しく、磁性キャリアにより制御し切れないトナーが増加するためと考えられる。つまり、搬送過程において残留トナーを剥ぎ取り、且つ十分な量の新しいトナーをコートしてトナーの入れ替わりを改善するためには、上述したように、以下の要件を満たす必要がある。即ち、少なくとも凹部221に接触したトナーの重心よりも凹部221の頂点が低く、且つ二成分現像剤の被覆率が90%以上、200%以下であることが必要である。さらに被覆率を100%以上、200%以下にすることでカバー率が飽和領域で安定するためより好ましい。
[凹凸構造の形成方法]
本実施形態の現像ローラ22の表面の凹凸構造は、以下のような方法で形成することができる。即ち、光硬化性樹脂を用いた光ナノインプリント法、熱可塑性樹脂を用いた熱ナノインプリント法、レーザーを走査しエッジングを行うレーザーエッジング法、ダイヤモンド刃により機械的に削るダイヤモンドエッジング法などにより形成できる。更に、それらの成型から電鋳技術などによる複製などにより形成することもできる。
本実施形態の現像ローラ22の表面の凹凸構造は、以下のような方法で形成することができる。即ち、光硬化性樹脂を用いた光ナノインプリント法、熱可塑性樹脂を用いた熱ナノインプリント法、レーザーを走査しエッジングを行うレーザーエッジング法、ダイヤモンド刃により機械的に削るダイヤモンドエッジング法などにより形成できる。更に、それらの成型から電鋳技術などによる複製などにより形成することもできる。
図18は、熱ナノインプリント法による形成方法の概略図である。ハロゲンヒーター41を内包した転写用ローラ40上に、所望の凹凸構造とは逆形状の構造を有したフィルムモールド42を固定し、現像ローラ22の表面に接触、加圧させる。転写用ローラ40と現像ローラ22を等速で回転させながら、ハロゲンヒーター41により、熱可塑性樹脂のガラス転移温度から融点の範囲内に加熱し、現像ローラ22上に凹凸構造を形成する。このとき、上述したように、現像ローラ22の弾性層221bに直接形成しても構わないし、あらかじめ弾性層221b上に熱可塑性樹脂から成るコーティング層221cを塗工し、前記コーティング層221cに形成しても構わない。
光ナノインプリント法は、光硬化性樹脂を現像ローラ22の表面に塗工し、ハロゲンヒーターの代わりに設置したUV光源により、UV照射し、凹凸構造を形成する。本実施形態で使用した現像ローラ22は、前記光ナノインプリント法により形成されている。そして、2mmの弾性層221b上に接着性を上げるために数nmのプライマー層を設け、その上方に数μmのフッ素系光硬化性樹脂を塗工し、前記光ナノインプリント法により凹凸構造を形成した。
図19は、ダイヤモンドエッジング法による形成方法の概略図である。現像ローラ22に対して、先端が構造形状をしたダイヤモンド刃を有す針43を矢印f方向に走査し、現像ローラ22の表面を機械的に削り凹部221を形成する。更に現像ローラ22を矢印g方向にわずかに回転し、再度針43をf方向に走査し、これを繰り返すことで、現像ローラ22の表面に凹凸構造を形成する。同様にレーザーを走査し、凹凸構造を形成するレーザーエッジング法などでも形成可能である。
[凹凸構造の判定方法]
現像ローラ22上における凹凸構造の判定は、AFM(Pacific nanotechnology社製Nano−I)を用い、この測定装置の操作マニュアルに従い測定を行った。以下判定方法について説明する。図20は凹凸構造のサンプリングについて説明する模式図である。サンプリングは現像ローラ22の中央部における表面をカッターやレーザーなどにより切り取り、平滑なシート状に加工する。加工が難しい場合は、汎用の光硬化性樹脂などを用いて、現像ローラ22上の形状を転写し、それをシート状に加工しても構わない。
現像ローラ22上における凹凸構造の判定は、AFM(Pacific nanotechnology社製Nano−I)を用い、この測定装置の操作マニュアルに従い測定を行った。以下判定方法について説明する。図20は凹凸構造のサンプリングについて説明する模式図である。サンプリングは現像ローラ22の中央部における表面をカッターやレーザーなどにより切り取り、平滑なシート状に加工する。加工が難しい場合は、汎用の光硬化性樹脂などを用いて、現像ローラ22上の形状を転写し、それをシート状に加工しても構わない。
AFMの測定は、現像ローラ22の回転軸jの水平方向j″に対して垂直方向である図中矢印s方向に走査して行い、走査エリアは水平方向j″、垂直方向sともに、トナー粒径の10倍程度の面積とする。なお、AFMにより直接現像ローラ22上を測定し、円筒補正を行っても構わない。
図21はAFMの測定で用いる2種類のカンチレバー(探針)の先端形状の模式図である。図21(a)に示す探針51は、先端がトナーの平均粒径rt相当の半球状の探針である。図21(b)に示す探針52は、先端がキャリアの平均粒径rc相当の半球状の探針である。図22は、前記走査エリア中において、垂直方向sに走査した際の、探針51と探針52を用いて前記AFMにより計測される形状を示す。図22中の実線で示される形状J1は、探針51によりAFMで測定される凹凸構造の形状を示す。図22中の破線で示される形状J2は、探針52によりAFMで測定される凹凸構造の形状を示す。図22中の点線で示される形状J3は、非接触表面・層断面形状システムVertScan(菱化システム社製)により計測される構造形状を示す。
AFMによる計測は、走査方向に対して、探針の先端位置を計測することにより、前記形状が得られる。このとき、探針51の先端径rtに対して、走査方向の解像度を十分に確保して測定を行う。具体的には、先端径rtの1/10以下であることが好ましい。得られる形状の差分(J2−J1)を取り、差分|J2−J1|>0の領域があれば、その領域が平均粒径のトナーが接触可能であり、且つ平均粒径の磁性キャリアが接触不可能な凹部であると判定できる。
ここで、前記領域の幅Lを前記凹部221の最小開口幅とする。さらに前記差分|J2−J1|>0の領域において、|J2−J1|の最大値がrt/2以下であれば、凹部221に接触するトナーの重心よりも凹部221の頂点が低いと判定され、本実施形態における凹凸構造であると判定される。前記走査エリア中において、凹凸構造が複数あるかを判定する。また、AFMを用いずに、非接触表面・層断面形状システムにより計測される構造形状J3を用いて、トナーの平均粒径rt相当の円及びキャリアの平均粒径rc相当の円を形状J3に接触するように動かして、形状J1、J2を予測しても構わない。但し、その場合、3次元的にトナーや磁性キャリア相当の球が接触可能かを考慮する必要がある。
本実施形態における現像ローラ22は、前記判定方法により決定される凹凸構造が表面に複数形成されている。なお、探針51が追従できない微小構造や周期の短い構造、探針52が侵入できる周期の長い構造に関しては、本発明の課題に影響せず、現像ローラ22表面に前記構造が含まれていても構わない。
[粒径の測定方法]
次に、トナー及びキャリアの粒径の測定方法について説明する。トナーの粒径は、コールターマルチサイザ−III(ベックマンコールター社製)を用い、前記測定装置の操作マニュアルに従い測定を行う。具体的には、電解液100ml(ISOTON)に、分散剤として界面活性剤を0.1g加え、さらに測定試料(トナー)を5mg加える。試料を懸濁した電解液を超音波分散器で約2分間分散処理して測定サンプルとする。アパーチャ−は100μmのアパーチャ−とし、試料の個数を、チャンネルごとに測定して、メジアン径d50、累積粒度分布の10%径d10、90%径d90を算出し、試料の個数平均粒径rt、rt10、rt90とする。
次に、トナー及びキャリアの粒径の測定方法について説明する。トナーの粒径は、コールターマルチサイザ−III(ベックマンコールター社製)を用い、前記測定装置の操作マニュアルに従い測定を行う。具体的には、電解液100ml(ISOTON)に、分散剤として界面活性剤を0.1g加え、さらに測定試料(トナー)を5mg加える。試料を懸濁した電解液を超音波分散器で約2分間分散処理して測定サンプルとする。アパーチャ−は100μmのアパーチャ−とし、試料の個数を、チャンネルごとに測定して、メジアン径d50、累積粒度分布の10%径d10、90%径d90を算出し、試料の個数平均粒径rt、rt10、rt90とする。
キャリアの粒径は、レーザー回折式粒度分布測定器SALD−3000(島津製作所製)を用い、前記測定装置の操作マニュアルに従い測定を行う。具体的には、磁性キャリア0.1gを装置に導入し測定を行い、試料の個数を、チャンネルごとに測定して、メジアン径d50を算出し、試料の個数平均粒径rcとする。
[円形度の測定方法]
次に、トナーの円形度の測定方法について説明する。トナーの円相当径、円形度及びそれらの頻度分布は、FPIA−2100型(シスメックス社製)を用い、前記測定装置の操作マニュアルに従い測定を行い、次の式3、4を用い算出する。
円相当径=(粒子投影面積/π)1/2×2・・・式3
円形度=(粒子投影面積と同じ面積の円の周囲長)/(粒子投影像の周囲長)・・・式4
次に、トナーの円形度の測定方法について説明する。トナーの円相当径、円形度及びそれらの頻度分布は、FPIA−2100型(シスメックス社製)を用い、前記測定装置の操作マニュアルに従い測定を行い、次の式3、4を用い算出する。
円相当径=(粒子投影面積/π)1/2×2・・・式3
円形度=(粒子投影面積と同じ面積の円の周囲長)/(粒子投影像の周囲長)・・・式4
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」とは前記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。
本実施形態における円形度は、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1.00を示し、表面形状が複雑になるほど、円形度は小さい値となる。また、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、次の式5から算出される。
具体的な測定方法としては、容器中に予め不純固形物など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、均一に分散させる。分散させる手段としては、超音波分散器Tetora150型(日科機バイオス社製)を用い、2分間分散処理を行い、測定用の分散液とする。その際、前記分散液の温度が40℃以上に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FPIA−2100型を用い、測定時のトナー粒子濃度が3000〜1万個/μlとなるように前記分散液濃度を調整し、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、トナー粒子の平均円形度を求める。
[真密度の測定方法>
次に、トナー及びキャリアの真密度の測定方法について説明する。トナー及びキャリアの真密度は、乾式自動密度計アキュピック1330(島津製作所社製)を用い、前記測定装置の操作マニュアルに従い測定を行う。この際、10cm3の測定用セルを用い、真密度を自動計測し、5回の平均値をそれぞれの真密度ρt、ρcとする。
次に、トナー及びキャリアの真密度の測定方法について説明する。トナー及びキャリアの真密度は、乾式自動密度計アキュピック1330(島津製作所社製)を用い、前記測定装置の操作マニュアルに従い測定を行う。この際、10cm3の測定用セルを用い、真密度を自動計測し、5回の平均値をそれぞれの真密度ρt、ρcとする。
[被覆率の測定方法]
次に、トナーがキャリアの表面を被覆する割合である被覆率について説明する。十分に撹拌された現像容器21内の二成分現像剤を0.3g程度取り、水と界面活性剤(例えばヤシノミ洗剤)の混合液に混ぜ、溶融したトナーとキャリアを分離し、それぞれの重量を測定することにより、二成分現像剤のTD比qを求める。そして、このTD比qを用いて、前述した式1により被覆率Sを算出する。
次に、トナーがキャリアの表面を被覆する割合である被覆率について説明する。十分に撹拌された現像容器21内の二成分現像剤を0.3g程度取り、水と界面活性剤(例えばヤシノミ洗剤)の混合液に混ぜ、溶融したトナーとキャリアを分離し、それぞれの重量を測定することにより、二成分現像剤のTD比qを求める。そして、このTD比qを用いて、前述した式1により被覆率Sを算出する。
[本実施形態の効果]
このような本実施形態によれば、現像ローラ22の表面に複数の凹部221を設けた構造で、現像ローラ22に担持されるトナーの入れ替わりを良好に行える。まず、表面に複数の凹部221が形成される現像ローラ22上に供給された現像剤が、主に磁気力により搬送される過程において、凹部221に接触するトナーが均一にコートされる。その後、現像ローラ22上に担持される現像剤は、凹部221にコートされるトナーを除き、現像剤回収装置23により回収される。残留した凹部221のトナーは、感光ドラム1と対向する現像部Tまで搬送され、感光ドラム1上の静電潜像を現像する。
このような本実施形態によれば、現像ローラ22の表面に複数の凹部221を設けた構造で、現像ローラ22に担持されるトナーの入れ替わりを良好に行える。まず、表面に複数の凹部221が形成される現像ローラ22上に供給された現像剤が、主に磁気力により搬送される過程において、凹部221に接触するトナーが均一にコートされる。その後、現像ローラ22上に担持される現像剤は、凹部221にコートされるトナーを除き、現像剤回収装置23により回収される。残留した凹部221のトナーは、感光ドラム1と対向する現像部Tまで搬送され、感光ドラム1上の静電潜像を現像する。
一方、現像に寄与せずに現像ローラ22上に残留した残留トナーは、現像ローラ22の回転により、再び現像ローラ22に現像剤が供給される供給部Wまで搬送される。このとき、現像ローラ22の表面に形成される凹凸構造は、凹部221の内面に少なくとも平均粒径のトナーが接触可能であるとともに、該接触したトナーの重心よりも凹部221の頂点が低い。或いは、凹部221の深さdがトナーの平均粒径rtの半分以下である。このため、搬送過程において新たに供給される現像剤と接触する残留トナーは、前記現像剤により剥ぎ取られ易くなる。
また、現像剤中におけるキャリアの表面積に占めるトナーの総断面積として求められる被覆率が90%以上かつ200%以下のため、キャリアの表面がほぼ露出していない。このため、凹部221に接触したトナーが凹部221にコートされる確率が、剥ぎ取られる確率に対して十分大きくなる。
更に、搬送過程において、現像ローラ22内部に配した複数の磁極を有する現像マグネット222により、現像剤と凹部221は十分に接触、摺擦が行われる。このため、搬送過程において、残留トナーは剥ぎ取られ、且つ新しいトナーが凹部221に均一にコートされ、現像ローラ22上に担持されるトナーの入れ替わりを良好にすることができる。この結果、入れ替わり不良に伴う画質低下を抑制することができる。
<第2の実施形態>
本実施形態の第2の実施形態について、第1の実施形態で説明した図2などを適宜参照しつつ、図23ないし図29を用いて説明する。本実施形態では、上述の第1の実施形態の構成に、以下に説明するような構成を加えることで、より好ましく現像ローラ22上に担持されるトナーの入れ替わりを良好にすることができる。
本実施形態の第2の実施形態について、第1の実施形態で説明した図2などを適宜参照しつつ、図23ないし図29を用いて説明する。本実施形態では、上述の第1の実施形態の構成に、以下に説明するような構成を加えることで、より好ましく現像ローラ22上に担持されるトナーの入れ替わりを良好にすることができる。
まず、次述するようなトナー(A〜C)、キャリア(A〜C)、及び構造形状(A〜D)が異なる現像ローラを備える現像装置を用いて、トナーの入れ替わり評価を行った。
トナーA:rt=7.8μm、 ρt=1.1g/cm3、平均円形度=0.97
トナーB:rt=5.5μm、 ρt=1.1g/cm3、平均円形度=0.97
トナーC:rt=3.0μm、 ρt=1.1g/cm3、平均円形度=0.97
磁性キャリアA:rc=90μm、 ρc=4.8g/cm3
磁性キャリアB:rc=60μm、 ρc=4.8g/cm3
磁性キャリアC:rc=30μm、 ρc=4.8g/cm3
構造A:L=8μm、d=0.7μm
構造B:L=8μm、d=1.0μm
構造C:L=8μm、d=2.0μm
構造D:L=8μm、d=3.9μm
トナーA:rt=7.8μm、 ρt=1.1g/cm3、平均円形度=0.97
トナーB:rt=5.5μm、 ρt=1.1g/cm3、平均円形度=0.97
トナーC:rt=3.0μm、 ρt=1.1g/cm3、平均円形度=0.97
磁性キャリアA:rc=90μm、 ρc=4.8g/cm3
磁性キャリアB:rc=60μm、 ρc=4.8g/cm3
磁性キャリアC:rc=30μm、 ρc=4.8g/cm3
構造A:L=8μm、d=0.7μm
構造B:L=8μm、d=1.0μm
構造C:L=8μm、d=2.0μm
構造D:L=8μm、d=3.9μm
本実施形態における各トナーは重合法により製造され、重合条件や分級条件を可変して粒度の調整を行ったポジ極性トナーである。キャリアは、フェライトコアを表面処理した球形キャリアで、焼結条件や分級条件を可変して粒度の調整を行い、コート材料の種類や量により帯電制御を行っている。トナー及びキャリアから成る二成分現像剤は、被覆率Sが120%になるようにTD比を調整している。構造形状は、所望の構造を有すフィルムモールドを用いて、第1の実施形態と同様の方法で現像ローラ上に形成した。トナーの入れ替わり評価は、第1の実施形態と同様の評価基準に従い、基準以上の場合○、基準を下回る場合は×で評価を行った。評価基準は、剥ぎ取り率≧80%、且つカバー率≧0.9wである。この結果を表1に示す。
評価結果の理由は次のように考えられる。まず、図23に示すように、第1仮想線k1及び第2仮想線k2を定義する。第1仮想線k1は、凹部221の頂点(Pn、Pn+1)同士(頂点同士)を結ぶ線(破線)である。第2仮想線k2は、凹部221の底面220と凹部221の側面220a又は頂点Pnとに接触したトナー11の重心Otと、第1仮想線k1及び該トナー11に接触する所定の粒径を有するキャリア12の重心Ocとを結ぶ線(実線)である。
図のように、第2仮想線k2が頂点Pn、或いは、凹部221の内面を通る場合、トナーに作用する力は凹部221方向であり、トナーは凹部221から外れ難い。一方、第2仮想線k2が頂点Pn、或いは、凹部221の内面を通らない場合、トナーに作用する力は凹部221の外側の方向であり、トナーは必要以上に凹部221から外れ易くなるため、カバー率が低下し易くなると考えられる。
図24は、矩形状(Pn、Qn、Qn+1、Pn+1)の断面を有する凹部221、粒径Rtのトナーに相当する円t及び粒径Rcに相当する円cを示す模式図である。円tが頂点Pn且つ凹部221の内面に接触するとき、円cが円tと接触し且つ第1仮想線k1に接し、さらに第2仮想線k2が頂点Pnを通る幾何学的な条件は次の式6の通りである。
図25は、上式より求められるトナー粒径rt、キャリア粒径rc、凹部221の深さdの関係である。例えば、rt=5.5μm(トナーB)、rc=30μm(キャリアC)のとき、深さdは0.74μmとなる。つまり、深さdが0.74μmを下回る場合(構造A)は、第2仮想線k2が頂点Pn、或いは凹部221の内面を通らないため、カバー率が低下してしまい、トナーの入れ替わり評価が基準を満たさないと考えられる。一方、深さdがトナー粒径の50%(2.75μm)を超える場合(構造D)は、第1仮想線k1は重心Otの上方を通過し、先に述べた理由により剥ぎ取り率が低下してしまい、トナーの入れ替わり評価が基準を満たさないと考えられる。そこで、現像容器21(図2参照)に収容されるトナーは、次のように規定する。
図26は、凹部221及びキャリア12により求められるトナー粒径を説明する模式図である。図26(a)に示すように、第1仮想線k1が、凹部221の現像ローラ22の現像剤搬送方向下流側(回転方向hの下流側)の側面220aの頂点Pn及び底面220に接触したトナー11の重心Otを通る場合のトナーの粒径をRtnとする。ここで、図示の例では、トナー11は頂点Pnに接するが、側面220aの形状或いは傾斜によっては、頂点Pnと接しない場合がある。したがって、この点を考慮すると、側面220a又は頂点Pnと底面220とに接触したトナー重心Otを第1仮想線k1が通る場合のトナーの粒径を、Rtnとする。
また、図26(b)に示すように、底面220と側面220a又は頂点Pnとに接触したトナー11の重心Otとキャリア12の重心Ocとを結ぶ第2仮想線k2が、側面220aの頂点Pnを通る場合のトナーの粒径をRtxとする。キャリア12は、上述したように、第1仮想線k1及び該トナー11に接触し、所定の粒径を有する。このとき、現像容器21に収容されるトナーは、平均粒径がRtn以上、Rtx以下とする。これにより、上述のトナーの入れ替わり評価が基準を満たし、トナーの入れ替わりを良好に行える。具体的なトナーの粒径の規定方法について説明する。
[凹凸構造におけるトナー粒径の規定方法]
上述した凹凸構造の判定方法と同様に、AFMなどを用いて、形状の差分(J2−J1)を取る。J2−J1=0となる頂点2点(Pn、Pn+1)に挟まれた|J2−J1|>0の領域において、前記|J2−J1|の最大値を求め、その2倍であるRtnを算出する。一方、得られる形状及びキャリアの粒径rcから、頂点Pnと凹部221の内面に接触するトナーが第1仮想線k1に接するキャリアと接触し、重心Ot、Ocを結ぶ第2仮想線k2が頂点Pnを通るときのトナーの粒径Rtxを幾何学的に算出する。トナー粒径rtは、Rtn以上、Rtx以下の範囲内に規定される。
上述した凹凸構造の判定方法と同様に、AFMなどを用いて、形状の差分(J2−J1)を取る。J2−J1=0となる頂点2点(Pn、Pn+1)に挟まれた|J2−J1|>0の領域において、前記|J2−J1|の最大値を求め、その2倍であるRtnを算出する。一方、得られる形状及びキャリアの粒径rcから、頂点Pnと凹部221の内面に接触するトナーが第1仮想線k1に接するキャリアと接触し、重心Ot、Ocを結ぶ第2仮想線k2が頂点Pnを通るときのトナーの粒径Rtxを幾何学的に算出する。トナー粒径rtは、Rtn以上、Rtx以下の範囲内に規定される。
ここで、非磁性トナーの累積粒度分布における10%の粒径rt10がRtn以上、前記累積粒度分布における90%の粒径rt90がRtx以下であることがさらに好ましい。即ち、非磁性トナーの粒径がRtn≦rt10≦rt90≦Rtxであることが好ましい。これにより、微粉トナーが凹部221内に蓄積し、トナーの融着を引き起こしたり、粗粉トナーが現像容器内に蓄積し、帯電安定性を低下させるなどの弊害を抑制することができる。ここで、rt10は累積粒度分布における10%の粒径、rt90は累積粒度分布における90%の粒径である。
[トナー粒径と凹部の最小開口幅との関係]
また、トナーの粒径は、凹部221の最小開口幅Lとの関係でも規定することが好ましい。図27は、凹部221の最小開口幅Lをトナー粒径の3倍とした場合の模式図である。図のように、頂点と凹部221内面に接触できるトナー11cや11eは、凹部221に拘束され易く、安定してコートされる。一方、トナー11cと11eの間に位置するトナー11dは、凹凸構造と一点接触であるため、拘束され難く、コートが不安定になる。これに伴い、現像量の安定性が低下してしまう。これを回避するために、凹部221に拘束されるトナー数を制限することが好ましい。具体的には、最小開口幅Lは、トナーの平均粒径rtの3倍よりも小さく、更に好ましくはトナーの平均粒径rtの2倍よりも小さいことが好ましい。これにより、凹部221に拘束されるトナー量の変動が抑制され、コート量、現像量の安定性を良好にすることができる。
また、トナーの粒径は、凹部221の最小開口幅Lとの関係でも規定することが好ましい。図27は、凹部221の最小開口幅Lをトナー粒径の3倍とした場合の模式図である。図のように、頂点と凹部221内面に接触できるトナー11cや11eは、凹部221に拘束され易く、安定してコートされる。一方、トナー11cと11eの間に位置するトナー11dは、凹凸構造と一点接触であるため、拘束され難く、コートが不安定になる。これに伴い、現像量の安定性が低下してしまう。これを回避するために、凹部221に拘束されるトナー数を制限することが好ましい。具体的には、最小開口幅Lは、トナーの平均粒径rtの3倍よりも小さく、更に好ましくはトナーの平均粒径rtの2倍よりも小さいことが好ましい。これにより、凹部221に拘束されるトナー量の変動が抑制され、コート量、現像量の安定性を良好にすることができる。
なお、最小開口幅Lは、前述の図22で説明したように、差分|J2−J1|>0の領域の幅である。但し、底面220に接触したトナーが頂点Pnではなく側面220aの一部に接触するような場合、最小開口幅Lを次のように定義しても良い。即ち、底面220に接触した平均粒径のトナーが凹部221の下流側の側面220aに接触する点と上流側の側面220bに接触する点との距離を最小開口幅Lと定義しても良い。この場合、例えば、前述した非接触表面・層断面形状システムにより計測される構造形状J3を用いて最小開口幅Lを求める。
[トナーと凹部との静電的付着力の関係]
次に、トナー11と凹部221との静電的付着力の関係について説明する。凹部221に対するトナーのコート量の安定性をより良好にするためには、トナー11と凹部221の接触点における静電的付着力を上げることが効果的である。即ち、前記付着力が大きければ、トナー11は凹部221にさらに拘束され易くなり、コート量の安定性が良好になる。また、二成分現像剤10の搬送過程において、現像ローラ22とトナー11の接触頻度や摩擦を過度に付与する必要がなくなり、二成分現像剤10の劣化を抑えることができる。
次に、トナー11と凹部221との静電的付着力の関係について説明する。凹部221に対するトナーのコート量の安定性をより良好にするためには、トナー11と凹部221の接触点における静電的付着力を上げることが効果的である。即ち、前記付着力が大きければ、トナー11は凹部221にさらに拘束され易くなり、コート量の安定性が良好になる。また、二成分現像剤10の搬送過程において、現像ローラ22とトナー11の接触頻度や摩擦を過度に付与する必要がなくなり、二成分現像剤10の劣化を抑えることができる。
上述のようにトナー11と凹部221との静電的付着力を上げるためには、凹凸構造が形成される現像ローラ22の表面と、キャリア12と、トナー11との帯電系列が、次のように並ぶことが好ましい。即ち、トナー11と現像ローラ22の表面(例えばコーティング層221c)との間に、キャリア12が並ぶことが好ましい。図28は、ポジ極性トナーの場合の帯電系列順序(図28(a))、ネガ極性トナーの場合の帯電系列順序(図28(b))を示す模式図である。ここで、Vは現像ローラ22の表面材料、Xはキャリア12、Zはトナー11を示す。
この条件においては、トナー11と現像ローラ22の表面材料の帯電系列差が、トナー11とキャリア12の帯電系列差に比べて大きくなる。このため、トナー11と現像ローラ22が接触、摩擦して帯電した際に、トナー11とキャリア12の静電的付着力に比べて、強い静電的付着力が発生し、トナー11はキャリア12から脱離し、現像ローラ22の表面に付着し易くなる。
一方、図29に示す帯電系列順序も、トナー11(Z)と現像ローラ22の表面材料(V)の帯電系列差が、トナー11(Z)とキャリア12(X)の帯電系列差に比べて大きくなる。しかし、この順序の場合、トナー11はキャリア12との摩擦でネガ極性、現像ローラ22との摩擦でポジ極性になり易い。このように異極性のトナーが混在すると、凹部221に拘束されるトナー以外に、トナー間で付着するトナーが増加し、コート量の安定性を低下させる原因となる。
以上の理由により、凹凸構造が形成される現像ローラ22の表面と、キャリア12と、トナー11との帯電系列が、トナー11と現像ローラ22の表面との間に、キャリア12が並ぶことが好ましい。
[帯電系列の決定方法]
具体的な帯電系列の決定方法について、図2を参照しつつ説明する。現像装置20の現像容器21内に磁性キャリアのみを入れて、1分程度通常の現像回転動作を行う。このとき、電圧印加部26は取り外し、現像ローラ22と現像剤回収装置23は電気的にフロートの状態とする。現像部Tの位置において、現像ローラ22に対向するように、表面電位計MODEL347(トレック社製)のプローブを設置し、現像ローラ22の表面電位を測定する。前記回転動作前後の電位差(動作後電位−動作前電位)を計測し、電位差がプラスであれば現像ローラ22の表面は磁性キャリアに比べて帯電系列上ポジ側、マイナスであればネガ側と判断することができる。一方、前記磁性キャリアとトナーの摩擦帯電により、トナーが磁性キャリアに比べて帯電系列上ポジ側か、ネガ側かを判断できるため、3者の相対的な帯電系列を決定することができる。
具体的な帯電系列の決定方法について、図2を参照しつつ説明する。現像装置20の現像容器21内に磁性キャリアのみを入れて、1分程度通常の現像回転動作を行う。このとき、電圧印加部26は取り外し、現像ローラ22と現像剤回収装置23は電気的にフロートの状態とする。現像部Tの位置において、現像ローラ22に対向するように、表面電位計MODEL347(トレック社製)のプローブを設置し、現像ローラ22の表面電位を測定する。前記回転動作前後の電位差(動作後電位−動作前電位)を計測し、電位差がプラスであれば現像ローラ22の表面は磁性キャリアに比べて帯電系列上ポジ側、マイナスであればネガ側と判断することができる。一方、前記磁性キャリアとトナーの摩擦帯電により、トナーが磁性キャリアに比べて帯電系列上ポジ側か、ネガ側かを判断できるため、3者の相対的な帯電系列を決定することができる。
<第3の実施形態>
本発明の第3の実施形態について、前述の図2を参照しつつ、図30ないし図35を用いて説明する。上述の第1、第2の実施形態では、現像ローラ22の表面に形成される複数の凹部221を断面略矩形状とした。これに対して本実施形態では、現像ローラ22Aの凹部221Aの底面220Aを傾斜させた形状としている。その他の構成及び作用は、上述の第1の実施形態又は第2の実施形態と同様である。
本発明の第3の実施形態について、前述の図2を参照しつつ、図30ないし図35を用いて説明する。上述の第1、第2の実施形態では、現像ローラ22の表面に形成される複数の凹部221を断面略矩形状とした。これに対して本実施形態では、現像ローラ22Aの凹部221Aの底面220Aを傾斜させた形状としている。その他の構成及び作用は、上述の第1の実施形態又は第2の実施形態と同様である。
このような現像ローラ22Aの表面に形成される複数の凹部221Aの構成(凹凸構造)について、図30及び図31を用いて説明する。図中の矢印hは、図中jを回転軸とした現像ローラ22Aの回転方向を示している。複数の凹部221Aは回転軸jに対し平行、且つ回転方向hに対し規則的に並ぶ複数の溝により形成されている。また、現像ローラ22Aは、第1の実施形態と同様に、円筒状の部材である基層221a上に、弾性層221bを被覆した構造の部材で形成され、弾性層221bは、複数の凹部221Aが形成されたコーティング層221cにより覆われている。
図31は、本実施形態の凹凸構造を形成したコーティング層221cの断面図である。本実施形態の凹凸構造は、各点Pn・Qn・Pn+1により形成される略三角形状を断面とした溝で形成されている。このため、複数の凹部221Aは、現像ローラ22Aの現像剤搬送方向下流側(回転方向hの下流側)の側面220Aaと、現像剤搬送方向下流側から上流側に向けて凹部221Aの深さが浅くなる方向に傾斜した底面220Aとを有する。ここで、頂点Pnと底点Qn間の側面220Aaの傾斜SRと、頂点Pn+1と底点Qn間の底面220Aの傾斜SLはその傾斜角度が異なり、傾斜SLは傾斜SRに比べて緩い。
本実施形態における凹部221Aとは、隣接する頂点(Pn、Pn+1)間の領域で形成される凹形状を指し、凹部221Aの内面とは、前記頂点を除いた、頂点PnとPn+1間の構造面を指す。このような凹凸構造は、現像ローラ22Aの回転方向hに対して周期Lで規則的に並び、深さd、最小開口幅L、緩傾斜SLの幅xLの溝である。本実施形態において、深さdは1.9μm、最小開口幅Lは8μm、緩傾斜SLの幅xLは7.3μmである。なお、深さdは、現像剤搬送方向と平行で頂点Pnを通る線と、現像剤搬送方向と平行で底点Qnを通る線との間隔である。また、最小開口幅Lは、隣接する頂点(Pn、Pn+1)間の間隔である。
また、本実施形態の場合も、複数の凹部221Aは、少なくとも平均粒径のトナーが凹部221Aの内面に接触可能で、且つ、平均粒径のキャリアが凹部221Aの内面に接触不能となるように形成されている。また、凹部221Aの底面220Aに接触した平均粒径のトナーの重心位置よりも凹部221Aの頂点Pnが底面側に位置するように、凹部221Aが形成されている。或いは、図31に示すように、平均粒径のトナー11が側面220Aa又は側面220Aaの頂点Pnと底面220Aとに接触した場合を考える。また、このように接触したトナー11を凹部221Aの頂点Pnを通り現像剤搬送方向に直交する仮想面Fに投影した仮想円上の凹部221Aの頂点Pnから底面側に最も離れた点FPを定義する。この場合に、複数の凹部221Aは、この点FPと凹部221Aの頂点Pnとの間の距離FDがトナーの平均粒径rtの半分以下になるように形成されている。
図32は、二成分現像剤10の搬送時における現像ローラ22A上の様子を説明する模式図である。説明上不要な非磁性トナーや磁性キャリアは省略している。先に説明したように、現像ローラ22Aに対して、磁気穂は相対速度差を有して図中の矢印g方向に移動する。したがって、キャリア12に被覆されたトナー11が、キャリア12と凹部221A間に挟まれ、摺擦され帯電し、凹部221Aの頂点や凹部221Aの内面と多点接触するためには、次の条件を満たす必要がある。即ち、二成分現像剤の搬送方向gに対して、凹部221Aの頂点Pnに隣接する傾斜SRが上流、傾斜SLが下流に位置する必要がある。言い換えれば、側面220Aaが搬送方向gの下流側に位置し、底面220Aが搬送方向gの下流側から上流側に向けて凹部221Aの深さが浅くなる方向に傾斜している必要がある。
図33は、凹部221A及びキャリア12により求められるトナーの粒径を説明する模式図である。まず、第2の実施形態と同様に、第1仮想線k1及び第2仮想線k2を定義する。即ち、第1仮想線k1は、凹部221Aの頂点(Pn、Pn+1)同士を結ぶ線(破線)である。第2仮想線k2は、凹部221Aの底面220Aと凹部221Aの側面220Aa又は頂点Pnとに接触したトナー11の重心Otと、第1仮想線k1及び該トナー11に接触する所定の粒径を有するキャリア12の重心Ocとを結ぶ線(実線)である。
そして、図33(a)に示すように、第1仮想線k1が、凹部221Aの現像ローラ22の回転方向hの下流側の側面220Aa又は側面220Aaの頂点Pnと底面220Aとに接触したトナー11の重心Otを通る場合のトナーの粒径をRtnとする。また、図33(b)に示すように、底面220Aと側面220Aa又は頂点Pnとに接触したトナー11の重心Otとキャリア12の重心Ocとを結ぶ第2仮想線k2が、側面220Aaの頂点Pnを通る場合のトナーの粒径をRtxとする。キャリア12は、第1仮想線k1及び該トナー11に接触し、所定の粒径を有する。このとき、本実施形態の場合も、現像容器21に収容されるトナーは、平均粒径がRtn以上、Rtx以下とする。
図34は、現像部T(図2参照)における模式図である。なお、図中のm(v1)は、図2に示した矢印m方向に速度v1で移動することを示し、h(v22)は、図2に示した矢印h方向に速度v22で移動することを示す。現像ローラ22A上の凹部221Aの頂点pnに対し、隣接する急傾斜SRを登って緩傾斜SLを降りる矢印z方向を正とする。このとき、図34(a)に示すように、感光ドラム1の表面の移動速度v1に対する現像ローラ22Aの表面の移動速度v22(>v1)の相対速度が矢印z方向に関して正に設定される場合を考える。この場合、前記速度差、及び感光ドラム1と現像ローラ22A間に作用する電界により、凹部221Aに拘束されたトナー11にはトルクが作用し、矢印nt方向に回転し、凹部221Aの拘束力が下がる。このため、現像ローラ22Aに過剰な電圧を印加せずに、現像ローラ22A上のトナー11を感光ドラム1上の画像部Im(図5参照)に移動させることができる。
一方、図34(b)に示すように、感光ドラム1の表面の移動速度v1に対する現像ローラ22Aの表面の移動速度v22(>v1)の相対速度が矢印z方向に関して負に設定される場合を考える。この場合、同様にトルクが作用し、矢印nt方向に回転しようとするが、急傾斜SRの影響により、凹部221の拘束力は下がり難く、現像ローラ22Aに過剰な電圧を印加する必要がある。
このため、現像部Tにおいて、現像ローラ22A上の凹部221Aの頂点pnに対し、隣接する急傾斜SRを登って緩傾斜SLを降りる矢印z方向を正とすると、次のような条件とすることが好ましい。即ち、感光ドラム1の表面の移動速度v1に対する現像ローラ22Aの表面の移動速度v22の相対速度が矢印z方向に関して正に設定されることが好ましい。
[第3の実施形態の変形例]
本実施形態の変形例について、図35を用いて説明する。図35(a)に示すように、現像ローラ22Bの表面に形成される複数の凹部221Bは、急傾斜SRや緩傾斜SLの他に、角度の異なる傾斜SFaを備える。即ち、凹部221Bは、現像ローラ22の回転方向hの下流側に側面220Aa、回転方向hの上流側から下流側に向けて深さが浅くなる方向に傾斜した底面220Aを備える。そして、更に側面220Aaと底面220Aとの間に、これらと傾斜角度が異なる(例えば回転方向と平行)の底面220Bを備える。このとき、凹部221Bに拘束されるトナーは、底面220Bに接触するようにしても良い。
本実施形態の変形例について、図35を用いて説明する。図35(a)に示すように、現像ローラ22Bの表面に形成される複数の凹部221Bは、急傾斜SRや緩傾斜SLの他に、角度の異なる傾斜SFaを備える。即ち、凹部221Bは、現像ローラ22の回転方向hの下流側に側面220Aa、回転方向hの上流側から下流側に向けて深さが浅くなる方向に傾斜した底面220Aを備える。そして、更に側面220Aaと底面220Aとの間に、これらと傾斜角度が異なる(例えば回転方向と平行)の底面220Bを備える。このとき、凹部221Bに拘束されるトナーは、底面220Bに接触するようにしても良い。
図35(b)に示すように、現像ローラ22Cの表面に形成される複数の凹部221Cは、凹部間に平坦なスペース部SFbを備える。即ち、或る凹部221Cの側面220Aaと、この凹部221Cの下流側の凹部221Cの底面220Aとの間に、平坦面220Cを備える。更に、図35(c)に示すように、現像ローラ22Dの表面に形成される複数の凹部221Dは、図35(a)と図35(b)の構成を組み合わせた構成としている。なお、凹部の形状は、前記判定方法により本発明における凹凸構造であると判定される形状であれば、いかなる形状にも限定されない。
<第4の実施形態>
本発明の第4の実施形態について、図36を用いて説明する。上述の第1〜第3の実施形態では、複数の凹部を溝形状としたが、本実施形態では、現像ローラ22Eの表面に形成される複数の凹部221Eの形状をハニカム構造としている。その他の構成及び作用は、上述の第1〜第3の実施形態の少なくとも何れかと同様である。
本発明の第4の実施形態について、図36を用いて説明する。上述の第1〜第3の実施形態では、複数の凹部を溝形状としたが、本実施形態では、現像ローラ22Eの表面に形成される複数の凹部221Eの形状をハニカム構造としている。その他の構成及び作用は、上述の第1〜第3の実施形態の少なくとも何れかと同様である。
図36の矢印hは、図中jを回転軸とした現像ローラ22Eの回転方向を示している。現像ローラ22Eは、その表面に、回転軸jに対し孤立した凹部221Eを複数備え、それら凹部221E同士が最密に並んだハニカム構造を有している。また、現像ローラ22Eは、第1の実施形態と同様に、円筒状の部材である基層221a上に、弾性層221bを被覆した構造の部材で形成され、弾性層221bは、複数の凹部221Eが形成されたコーティング層221cにより覆われている。また、複数の凹部221Eの底面220Dは、第1の実施形態と同様に、現像ローラ22Eの回転方向hに関して深さがほぼ変わらないように形成されている。
本実施形態において、深さdは1.5μm、最小開口幅Lは8μm、パターン幅Eは9.5μmである。なお、底面220Dは、第3の実施形態のように傾斜させるようにしても良いし、図35に示したような形状としても良い。また、複数の凹部は、本実施形態のように、周期性のある溝やハニカム構造のような均一な凹凸構造以外にも、周期性のないランダムな凹凸構造でも構わない。
なお、本発明の複数の凹部は、上述のような構造に限定されるわけではなく、以下の要件を満たせば良い。即ち、凹部の内面に少なくとも平均粒径のトナーが接触可能、且つ平均粒径の磁性キャリアが接触不可能であり、該接触したトナーの重心よりも凹部の頂点が低い構造であれば本発明の範囲に含まれる。例えば、凹部の底面についても、上述のような平坦面、傾斜面以外に、少なくとも一部が湾曲した面としても良い。また、凹部の側面についても、底面に対して垂直な面、傾斜した面、湾曲した面などとしても良い。
[凹部が占める割合について]
以上のように、本発明における、現像ローラの表面の凹凸構造は様々な形状を取り得るが、現像ローラ上に必要量のトナーを均一にコートするためには、現像ローラ表面の凹部の割合や配置は、以下に説明する条件を満たすことが好ましい。図37(a)は、第1〜第3の実施形態で説明したような溝形状の凹部の一部を、図37(b)は、第4の実施形態で説明したようなハニカム構造の一部を、それぞれ示している。図37は、両構造に対して、前記凹凸構造の判定方法に従い、本発明における凹部と判定された領域(斜線部分)を示す模式図である。両構造における最小単位領域(破線の領域)の面積をSTn、前記最小単位領域における凹部(黒塗り部分)の総面積をSDnとする。
以上のように、本発明における、現像ローラの表面の凹凸構造は様々な形状を取り得るが、現像ローラ上に必要量のトナーを均一にコートするためには、現像ローラ表面の凹部の割合や配置は、以下に説明する条件を満たすことが好ましい。図37(a)は、第1〜第3の実施形態で説明したような溝形状の凹部の一部を、図37(b)は、第4の実施形態で説明したようなハニカム構造の一部を、それぞれ示している。図37は、両構造に対して、前記凹凸構造の判定方法に従い、本発明における凹部と判定された領域(斜線部分)を示す模式図である。両構造における最小単位領域(破線の領域)の面積をSTn、前記最小単位領域における凹部(黒塗り部分)の総面積をSDnとする。
ここで、凹部にコートされたトナーが感光ドラムへ現像され、記録材上に転写、定着されるが、少なくとも定着トナー像が凹部間の隙間の影響なく、トナー同士が接着し、記録材上を覆う必要がある。具体的には、前記最小単位領域において、前記領域内の凹部にコートされるトナーの総体積が、前記最小単位領域の面積STnと定着後の限界トナー層厚dtの積で決定される三角柱の体積以上である。つまり次の式7の通りである。なお、式7のSTnは最小単位領域の面積cm2、SDnは最小単位領域における凹部の総面積(cm2)、ρtはトナー真比重(g/cm3)、dtは定着後の限界トナー層厚(cm)、κは凹部におけるトナー載り量(g/cm2)である。
凹部におけるトナー載り量κは、ほぼ最密に充填されるために、次の式8で近似することができる。なお、式8のrtはトナー粒径(cm)である。
また、定着後の限界トナー層厚dtは、一般的な定着条件で、トナー粒径rtの1/3程度まで潰すことができることから、式7は次の式9で近似することができる。
式9を満たせば、微視的な領域(前記最小単位領域)において、隣接する凹部にコートされるトナーにより隙間なく定着することができる。言い換えれば、現像ローラの表面の少なくとも現像剤を担持可能な担持領域(トナー担持領域)において、凹部が単位面積当たりに占める割合が平均して55%以上であれば、トナーにより隙間なく定着することが可能となる。
ここで、本発明における凹凸構造とは、前記凹凸構造の判定方法により、凹部の内面に少なくとも平均粒径のトナーが接触可能、且つ平均粒径のキャリアが接触不可能であり、接触したトナーの重心よりも凹部の頂点が低いと判定された構造である。当然、現像ローラと感光ドラムの周速差を利用して、感光ドラムへより多くのトナーを供給することにより、凹部間の隙間の影響を抑えることは可能である。しかし、前記周速差を過剰につけると、画像後端部の濃度が上がるはき寄せと呼ばれる画像不良や劣化の促進などの弊害があるため好ましくない。つまり、周速差が小さい条件においても、少なくとも式9を満たすことにより、凹部間の隙間の影響を抑えることできる。
一方、現像ローラのトナー担持領域における単位面積当たりに占める凹部の割合の変動率は±10%以内に抑えることが好ましい。図38は、現像ローラのコート量の変動率と色差ΔEの関係を示す。具体的には、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)、ブラック(K)の各トナーを現像ローラ上に0.4mg/cm2コートしたときを基準として、コート量の変動率と、色差ΔEの関係を示す図である。なお、図38は中心のコート量からのΔEを示している。つまり、コート量が10%増加すると、中心からΔEが2.5変動し、コート量が10%減少すると、中心からΔEが2.5変動することを意味する。したがって、各色ともに、面内の色差ΔEを5以内に抑えるためには、中心から上限2.5、下限2.5以内に抑制すべく、コート量の変動率Δは±10%以内にする必要がある。また、面内の色差ΔEを3以内に抑えるためには、コート量の変動率Δは±6%以内にすることがより好ましい。また、更に面内の色差を抑えるためには、±5%以内、更には±3%以内にすることが好ましい。前記コート量M/S(g/cm2)は、次の式10の通りである。
つまり、コート量の変動率Δを±10%以内にするためには、現像ローラのトナー担持領域における単位面積当たりに占める凹部の割合の変動率を±10%以内に抑える必要がある。即ち、現像ローラの少なくともトナー担持領域において、単位面積当たりに占める凹部の割合が平均して55%以上である。また、単位面積当たりに占める凹部の割合の変動率は、±10%以内、好ましくは±6%以内、より好ましくは±5%以内、更に好ましくは±3%以内とする。具体的な凹部の割合、及び前記割合の変動率の測定方法について説明する。
[凹部の割合の測定方法]
現像ローラのトナー担持領域に占める凹部の割合は以下のように求める。図39は、現像ローラ22を示す図である。軸方向に対して、任意の5ヶ所の表層面(α、β、γ、δ、ε)を切り取り、現像ローラ22の表層面の凹部を測定する。具体的な測定方法は前記凹凸構造の判定方法と同様である。このとき、各観察点(α、β、γ、δ、ε)において、トナー粒径の10倍を一辺とする表層面(78μm×78μm)に存在する凹部の割合を求め、これらの平均値をもってトナー担持領域に占める凹部の割合とする。
現像ローラのトナー担持領域に占める凹部の割合は以下のように求める。図39は、現像ローラ22を示す図である。軸方向に対して、任意の5ヶ所の表層面(α、β、γ、δ、ε)を切り取り、現像ローラ22の表層面の凹部を測定する。具体的な測定方法は前記凹凸構造の判定方法と同様である。このとき、各観察点(α、β、γ、δ、ε)において、トナー粒径の10倍を一辺とする表層面(78μm×78μm)に存在する凹部の割合を求め、これらの平均値をもってトナー担持領域に占める凹部の割合とする。
[凹部の割合の変動率の測定方法]
前記凹部の割合の測定方法で求めた各観察点(α、β、γ、δ、ε)における凹部の割合の最小値Mnと最大値Mxを求める。そして、その平均値Av(=(Mn+Mx)/2)からの変動分Δ(=Mx−Av)の平均値Avに対する割合(=±Δ/Av×100%)を変動率とする。
前記凹部の割合の測定方法で求めた各観察点(α、β、γ、δ、ε)における凹部の割合の最小値Mnと最大値Mxを求める。そして、その平均値Av(=(Mn+Mx)/2)からの変動分Δ(=Mx−Av)の平均値Avに対する割合(=±Δ/Av×100%)を変動率とする。
<第5の実施形態>
本発明の第5の実施形態について、図40を用いて説明する。上述の各実施形態では、図2に示したように、現像装置20は、現像ローラ22に担持された現像剤の一部を回収する回収手段としての現像剤回収装置23を備えている。現像剤回収装置23は、回収ローラ231の内部に回収マグネット232を配置している。これに対して本実施形態の現像装置20Aでは、現像ローラ22に担持された現像剤の一部を回収する回収手段としての現像剤回収部材230は、磁性材料、又は、透磁率が所定量よりも高い金属材料で形成されている。その他の構成及び作用は、基本的に図2に示した現像装置20と同様であるため、以下、図2に示した構成と異なる部分を中心に説明する。
本発明の第5の実施形態について、図40を用いて説明する。上述の各実施形態では、図2に示したように、現像装置20は、現像ローラ22に担持された現像剤の一部を回収する回収手段としての現像剤回収装置23を備えている。現像剤回収装置23は、回収ローラ231の内部に回収マグネット232を配置している。これに対して本実施形態の現像装置20Aでは、現像ローラ22に担持された現像剤の一部を回収する回収手段としての現像剤回収部材230は、磁性材料、又は、透磁率が所定量よりも高い金属材料で形成されている。その他の構成及び作用は、基本的に図2に示した現像装置20と同様であるため、以下、図2に示した構成と異なる部分を中心に説明する。
現像ローラ22は、回転自在に支持される回転方向hに回転可能に設けられ、内部に複数の磁極を有する現像マグネット222が固定配置されている。現像ローラ22の表面には、上述の各実施形態の何れかの構成の凹凸構造が形成され、現像ローラ22と感光ドラム1は非接触となるように配置される。なお、現像ローラ22を感光ドラム1と接触させるようにしても良い。現像容器21の内部には、現像ローラ22に現像剤を供給するための搬送部材24a、24bと、現像ローラ22上の現像剤の一部を回収する現像剤回収部材230とが、現像ローラ22に対向し、間隙を有して配置される。搬送部材24a、24bは、現像容器21の内部の後述する現像剤回収部材230により回収された現像剤を撹拌しつつ現像ローラ22と搬送部材24bが対向する供給部Wに搬送する。そして、現像ローラ22内の現像マグネット222により作用する磁気力により現像剤を現像ローラ22に供給する。
現像剤回収部材230は、磁性材料、又は透磁率が所定量よりも高い金属材料で板状に形成される。そして、現像マグネット222と現像剤回収部材230とが協働して磁場を形成して、現像剤回収部材230が磁気力により現像剤を回収する。回収部Uにおいて、現像剤回収部材230に拘束された現像剤は最終的に重力により現像容器21内へ落下し、再び搬送部材24a、24bにより供給部Wへ搬送される。現像剤回収部材230は、現像ローラ22の回転方向hに対して、現像部Tより上流、且つ供給部Wより下流の位置に配される。現像容器21の開口部においては、現像容器21の外へトナー11が飛散することを抑制するために、飛散抑制シート28が備えられている。
本実施形態において、現像ローラ22は、Al(アルミニウム)製の素管から成り、前記素管上にダイヤモンドエッジング法もしくはレーザーエッジング法などにより、凹凸構造を形成し、ネガ極性トナーをコートしている。この他にも、AlやSUS素管上にNi−Pなどの透磁率の低い金属層を電鋳などにより設け、前記金属層に対してダイヤモンドエッジング法などにより凹凸構造を形成しても構わない。また、基材上に熱可塑性樹脂や光硬化性樹脂から成るコーティング層を設け、前記コーティング層に対してナノインプリント法により凹凸構造を形成しても構わない。また、現像ローラ22と感光ドラム1が接触するように配置される場合は、第1の実施形態と同様に、弾性層や弾性層上のコーティング層に凹凸構造を形成する。本実施形態における現像装置20Aは、現像剤回収部材230が簡易な構成であるために、現像装置20Aの小型化に対応することができる。
<第6の実施形態>
本発明の第6の実施形態について、図41を用いて説明する。上述の各実施形態では、現像剤を担持する現像剤担持体として現像ローラを用いた例について説明した。これに対して本実施形態の現像装置20B、20Cでは、現像剤担持体として現像ベルト60を用いている。現像ベルト60は、現像容器21に回転自在に支持され、表面に複数の凹部61が形成される無端状のベルトである。複数の凹部61は、上述の各実施形態の何れかで説明したような凹凸構造である。
本発明の第6の実施形態について、図41を用いて説明する。上述の各実施形態では、現像剤を担持する現像剤担持体として現像ローラを用いた例について説明した。これに対して本実施形態の現像装置20B、20Cでは、現像剤担持体として現像ベルト60を用いている。現像ベルト60は、現像容器21に回転自在に支持され、表面に複数の凹部61が形成される無端状のベルトである。複数の凹部61は、上述の各実施形態の何れかで説明したような凹凸構造である。
現像ベルト60の内部には、固定配置された複数の磁極を有する現像マグネット(永久磁石)62と、現像ベルト60を張架する複数のローラ63と、弾性ローラ64とが配置されている。複数のローラ63の何れかのローラは、不図示のモータにより駆動される駆動ローラであり、この駆動ローラが回転することで現像ベルト60が矢印h方向に回転する。また、現像ベルト60は、表面が感光ドラム1の表面に接触するように配置されている。弾性ローラ64は、感光ドラム1との間で現像ベルト60を挟持するように配置されており、現像ベルト60の表面を感光ドラム1に接触させている。そして、電圧印加部26により弾性ローラ64に電圧を印加することで、現像ベルト60上に担持されたトナーにより感光ドラム1上の静電潜像を現像するようにしている。
現像容器21の内部には、現像ベルト60に現像剤を供給するための搬送部材24a、24bが、現像ベルト60に対向し、間隙を有して配置される。また、図41(a)の構成の場合、現像ベルト60上の現像剤の一部を回収する現像剤回収装置23Aが、現像ベルト60に対向し、間隙を有して配置される。一方、図41(b)の構成の場合、現像ベルト60上の現像剤の一部を回収する現像剤回収部材230が、現像ベルト60に対向し、間隙を有して配置される。
搬送部材24a、24bは、現像容器21の内部の現像剤回収装置23A又は現像剤回収部材230により回収された現像剤を撹拌しつつ現像ベルト60と搬送部材24bが対向する供給部Wに搬送する。そして、現像ベルト60内の現像マグネット62により作用する磁気力により現像剤を現像ベルト60に供給する。
図41(a)に示す現像剤回収装置23Aは、図2に示した構成と同様に、現像容器21に回転自在に支持される回収ローラ231Aと、回収ローラ231Aの内部に固定配置された複数の磁極を有する回収マグネット232Aとを有する。回収ローラ231Aは、現像ローラ22と対向する回収部Uにおいて逆方向に移動するように不図示の駆動手段により回転駆動される。そして、現像剤回収装置23Aは、現像ベルト60内に配置された現像マグネット62と回収マグネット232Aとが協働して磁場を形成することで、磁気力により現像ベルト60に担持された現像剤の一部を回収する。なお、本実施形態の回収マグネット232Aは、図2に示した構成と異なり、回収ローラ231Aにより回収された現像剤を剥ぎ取る反発極を備えていない。したがって、回収部Uにおいて回収ローラ231Aに拘束された現像剤は、矢印i方向に搬送され、磁極を有しない部分で最終的に重力により現像容器内へ落下し、再び搬送部材24a、24bにより供給部Wへ搬送される。
図41(b)に示す現像剤回収部材230は、図40に示した構成と同様に、磁性材料、又は透磁率が所定量よりも高い金属材料で板状に形成される。そして、現像マグネット62と現像剤回収部材230とが協働して磁場を形成して、現像剤回収部材230が磁気力により現像剤を回収する。回収部Uにおいて、現像剤回収部材230に拘束された現像剤は最終的に重力により現像容器内へ落下し、再び搬送部材24a、24bにより供給部Wへ搬送される。なお、透磁率が所定量よりも高い金属材料とは、現像マグネット62との間で磁場を形成して、現像剤回収部材230により現像剤を回収できるものであれば良い。
これら現像剤回収装置23A及び現像剤回収部材230は、現像ベルト60の回転方向hに対して、現像部Tより上流、且つ供給部Wより下流の位置に配置される。また、現像容器21の開口部においては、現像容器21の外へトナー11が飛散することを抑制するために、飛散抑制シート28が備えられている。
本実施形態において、現像ベルト60として、ナイロン製の基材上に直接熱ナノインプリント法により、上述の各実施形態に記載したような凹凸構造を形成し、ネガ極性トナーをコートしている。この他にも、ポリイミドやPMMA製の基材上に凹凸構造を形成しても構わない。また、基材上に熱可塑性樹脂や光硬化性樹脂から成るコーティング層を設け、前記コーティング層に対してナノインプリント法により凹凸構造を形成しても構わない。また、SUSなどの基材上にNi−Pなどの透磁率の低い金属層を電鋳などにより設け、前記金属層に対してダイヤモンドエッジング法により凹凸構造を形成しても構わない。
更に削れ防止や絶縁処理のために、前記凹凸構造上に高硬度材料や絶縁材料をコートしても構わない。このとき、前記凹凸構造が十分残る程度に薄いコート層にする必要がある。また、本実施形態においては、現像ベルト60の内部に配した弾性ローラ64に給電しているが、現像ベルト60の基材に直接給電しても構わない。また、弾性ローラ64の代わりに、現像ベルト60に弾性層を設けても構わない。本実施形態における現像装置20B、20Cは、現像ベルト60を用いることにより、供給部Wから回収部Uまでの搬送距離を任意に可変することができるため、空間の制約を受け難く、搬送距離を確保し易い。その他の構成及び作用は、上述の各実施形態の何れかと同様である。
<第7の実施形態>
本発明の第7の実施形態について、図42を用いて説明する。上述の第6の実施形態では、現像ベルト60内に配置される現像マグネット62を固定とした。これに対して本実施形態の現像装置20Dは、現像ベルト60A内に配置される現像マグネット62Aを回転自在とした。その他の構成及び作用は、上述の図41(b)の構成と同様であるため、以下、図41(b)の構成と異なる部分を中心に説明する。
本発明の第7の実施形態について、図42を用いて説明する。上述の第6の実施形態では、現像ベルト60内に配置される現像マグネット62を固定とした。これに対して本実施形態の現像装置20Dは、現像ベルト60A内に配置される現像マグネット62Aを回転自在とした。その他の構成及び作用は、上述の図41(b)の構成と同様であるため、以下、図41(b)の構成と異なる部分を中心に説明する。
現像ベルト60Aは、現像容器21に回転自在に支持され、表面に複数の凹部61が形成される無端状のベルトである。複数の凹部61は、上述の各実施形態の何れかで説明したような凹凸構造である。現像ベルト60Aの内部には、複数の磁極を有する現像マグネット(永久磁石)62Aと、現像ベルト60Aを張架する複数のローラ63と、弾性ローラ64とが配置されている。
現像マグネット62Aは、周面が円筒状に形成されており、不図示のモータにより矢印p方向に回転駆動される。現像ベルト60Aは、現像マグネット62A及び複数のローラ63により張架される。複数のローラ63の何れかのローラは、不図示のモータにより駆動される駆動ローラであり、この駆動ローラが回転することで現像ベルト60が矢印h方向に回転する。本実施形態では、現像ベルト60Aの回転方向と現像マグネット62Aの回転方向とを逆にしている。
現像容器21の内部には、現像ベルト60Aに現像剤を供給するための搬送部材24a、24bと、現像ベルト60A上の現像剤の一部を回収する現像剤回収部材230とが現像ベルト60Aに対向し、間隙を有して配置される。搬送部材24a、24bは、現像容器21の内部の現像剤回収部材230により回収された現像剤を撹拌しつつ現像ベルト60Aと搬送部材24bが対向する供給部Wに搬送する。そして、現像ベルト60A内の現像マグネット62Aにより作用する磁気力により現像剤を現像ベルト60Aに供給する。現像剤回収部材230は、鉄などの透磁率が高い金属材料で形成されている。
なお、本実施形態においては、現像剤回収部材230を、図41(b)に示した構成と同様に固定配置しているが、金属ローラのように回転可能に設けても構わない。また、本実施形態の場合も、図41(a)に示した構成と同様に、現像剤回収装置23Aを配置するようにしても良い。
本実施形態の現像装置20Dは、現像ベルト60A内部に配置される現像マグネット62Aが回転することにより、磁気穂が現像ベルト60A上を回転しながら搬送される。このために、短い搬送距離、搬送時間で現像ベルト60Aとトナーの接触頻度を上げることができる。また、現像マグネット62Aの回転速度を制御することにより、他の構成に影響を与えずに現像ベルト60Aに対するトナーのコート量の変動を抑えることができる。
1・・・感光ドラム(像担持体)/10・・・二成分現像剤/11・・・トナー(非磁性トナー)/12・・・キャリア(磁性キャリア)/20、20A、20B、20C、20D・・・現像装置/21・・・現像容器/22、22A、22B、22C、22D、22E・・・現像ローラ(現像剤担持体)/221、221A、221B、221C、221D、221E・・・凹部/222・・・現像マグネット/23、23A・・・現像剤回収装置(回収手段)/231、231A・・・回収ローラ/232、232A・・・回収マグネット/230・・・現像剤回収部材(回収手段)/24a、24b・・・搬送部材(搬送手段)/60、60A・・・現像ベルト(現像剤担持体)/61・・・凹部/62、62A・・・現像マグネット/63・・・ローラ/d・・・凹部の深さ/L・・・最小開口幅/rt・・・トナーの平均粒径/rc・・・キャリアの平均粒径/T・・・現像部/U・・・回収部/W・・・供給部
Claims (14)
- 非磁性のトナーと磁性を有するキャリアとを含む現像剤を収容する現像容器と、
前記現像容器内で現像剤を搬送する搬送手段と、
静電潜像を担持する像担持体と対向して配置され、表面に前記搬送手段により搬送された現像剤を担持して搬送する現像剤担持体と、
前記現像剤担持体の現像剤搬送方向に関して、前記現像剤担持体が前記像担持体と対向する現像部よりも上流で、且つ、前記搬送手段により搬送された現像剤が前記現像剤担持体に供給される供給部よりも下流に、前記現像剤担持体と対向して配置され、前記現像剤担持体に担持された現像剤の一部を回収する回収手段と、を備え、
トナーがキャリアの表面を被覆する割合である被覆率が、90%以上、200%以下であり、
前記現像剤担持体は、前記表面に複数の凹部を有し、
前記複数の凹部は、少なくとも平均粒径のトナーが前記凹部の内面に接触可能で、且つ、平均粒径のキャリアが前記内面に接触不能であり、前記凹部の底面に接触した平均粒径のトナーの重心位置よりも前記凹部の頂点が前記底面側に位置するように形成されている、
ことを特徴とする現像装置。 - 非磁性のトナーと磁性を有するキャリアとを含む現像剤を収容する現像容器と、
前記現像容器内で現像剤を搬送する搬送手段と、
静電潜像を担持する像担持体と対向して配置され、表面に前記搬送手段により搬送された現像剤を担持して搬送する現像剤担持体と、
前記現像剤担持体の現像剤搬送方向に関して、前記現像剤担持体が前記像担持体と対向する現像部よりも上流で、且つ、前記搬送手段により搬送された現像剤が前記現像剤担持体に供給される供給部よりも下流に、前記現像剤担持体と対向して配置され、前記現像剤担持体に担持された現像剤の一部を回収する回収手段と、を備え、
トナーがキャリアの表面を被覆する割合である被覆率が、90%以上、200%以下であり、
前記現像剤担持体は、前記表面に複数の凹部を有し、
前記複数の凹部は、前記現像剤担持体の現像剤搬送方向に関して深さがほぼ変わらない底面を有し、少なくとも平均粒径のトナーが前記凹部の内面に接触可能で、且つ、平均粒径のキャリアが前記内面に接触不能であり、前記凹部の深さがトナーの平均粒径の半分以下になるように形成されている、
ことを特徴とする現像装置。 - 非磁性のトナーと磁性を有するキャリアとを含む現像剤を収容する現像容器と、
前記現像容器内で現像剤を搬送する搬送手段と、
静電潜像を担持する像担持体と対向して配置され、表面に前記搬送手段により搬送された現像剤を担持して搬送する現像剤担持体と、
前記現像剤担持体の現像剤搬送方向に関して、前記現像剤担持体が前記像担持体と対向する現像部よりも上流で、且つ、前記搬送手段により搬送された現像剤が前記現像剤担持体に供給される供給部よりも下流に、前記現像剤担持体と対向して配置され、前記現像剤担持体に担持された現像剤の一部を回収する回収手段と、を備え、
トナーがキャリアの表面を被覆する割合である被覆率が、90%以上、200%以下であり、
前記現像剤担持体は、前記表面に複数の凹部を有し、
前記複数の凹部は、前記現像剤担持体の現像剤搬送方向下流側の側面と、前記現像剤搬送方向下流側から上流側に向けて前記凹部の深さが浅くなる方向に傾斜した底面とを有し、少なくとも平均粒径のトナーが前記凹部の内面に接触可能で、且つ、平均粒径のキャリアが前記内面に接触不能であり、平均粒径のトナーが前記側面又は前記側面の頂点と前記底面とに接触した場合に、接触した前記トナーを前記凹部の頂点を通り現像剤搬送方向に直交する仮想面に投影した仮想円上の前記凹部の頂点から前記底面側に最も離れた点と、前記凹部の頂点との間の距離がトナーの平均粒径の半分以下になるように形成されている、
ことを特徴とする現像装置。 - 前記凹部の頂点同士を結ぶ第1仮想線が、前記凹部の前記現像剤担持体の現像剤搬送方向下流側の側面又は前記側面の頂点と前記底面とに接触したトナーの重心を通る場合のトナーの粒径をRtn、
前記底面と前記側面又は前記頂点とに接触したトナーの重心と、前記第1仮想線及び該トナーに接触する所定の粒径を有するキャリアの重心とを結ぶ第2仮想線が、前記側面の前記頂点を通る場合のトナーの粒径をRtxとしたときに、
前記現像容器に収容されるトナーは、平均粒径がRtn以上、Rtx以下である、
ことを特徴とする、請求項1ないし3のうちの何れか1項に記載の現像装置。 - 前記現像容器に収容されるトナーは、累積粒度分布における10%の粒径が前記Rtn以上であり、累積粒度分布における90%の粒径が前記Rtx以下である、
ことを特徴とする、請求項4に記載の現像装置。 - 前記凹部は、前記現像剤担持体の現像剤搬送方向の最小開口幅がトナーの平均粒径の3倍よりも小さい、
ことを特徴とする、請求項1ないし5のうちの何れか1項に記載の現像装置。 - 前記現像剤担持体の表面と、トナーと、キャリアと、の帯電系列は、トナーと前記現像剤担持体の表面との間に、キャリアが並ぶ、
ことを特徴とする、請求項1ないし6のうちの何れか1項に記載の現像装置。 - 前記現像剤担持体の表面の現像剤を担持可能な担持領域において、前記凹部が単位面積当たりに占める割合が55%以上である、
ことを特徴とする、請求項1ないし7のうちの何れか1項に記載の現像装置。 - 前記現像剤担持体の表面の現像剤を担持可能な担持領域において、前記凹部が単位面積当たりに占める割合の変動率が±10%以内である、
ことを特徴とする、請求項1ないし8のうちの何れか1項に記載の現像装置。 - 前記現像剤担持体は、前記現像容器に回転自在に支持される現像ローラであり、
前記現像ローラの内部に固定配置された複数の磁極を有する現像マグネットを備えた、
ことを特徴とする、請求項1ないし9のうちの何れか1項に記載の現像装置。 - 前記現像剤担持体は、前記現像容器に回転自在に支持されるベルトであり、
前記ベルトの内部に固定配置された複数の磁極を有する現像マグネットと、前記ベルトを張架する複数のローラと、を備えた、
ことを特徴とする、請求項1ないし9のうちの何れか1項に記載の現像装置。 - 前記現像剤担持体は、前記現像容器に回転自在に支持されるベルトであり、
前記ベルトの内部に回転自在に支持される複数の磁極を有する現像マグネットと、前記ベルトを張架する複数のローラと、を備えた、
ことを特徴とする、請求項1ないし9のうちの何れか1項に記載の現像装置。 - 前記回収手段は、前記現像容器に回転自在に支持される回収ローラと、前記回収ローラの内部に固定配置された複数の磁極を有する回収マグネットと、を有し、
前記現像マグネットと前記回収マグネットとが協働して磁場を形成して、前記回収手段が磁気力により現像剤の一部を回収する、
ことを特徴とする、請求項10ないし12のうちの何れか1項に記載の現像装置。 - 前記回収手段は、磁性材料、又は、透磁率が所定量よりも高い金属材料で形成され、
前記現像マグネットと前記回収手段とが協働して磁場を形成して、前記回収手段が磁気力により現像剤を回収する、
ことを特徴とする請求項10ないし12のうちの何れか1項に記載の現像装置。
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