JP2023012672A - 現像装置およびそれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二成分現像式においてトナーの帯電立ち上がり性を向上させ、画像かぶりやキャリア現像の発生を抑制できる現像装置およびそれを備えた画像形成装置を提供する。【解決手段】現像装置は、現像容器と、第１攪拌搬送部材と、第２攪拌搬送部材と、現像剤担持体と、を備える。現像容器は、互いに並列配置され、仕切壁によって区画される第１搬送室、第２搬送室を含む複数の搬送室と、仕切壁の両端部側で第１搬送室および第２搬送室を連通する連通部と、を有し、キャリアとトナーとを含む二成分現像剤を収容する。第１攪拌搬送部材は、第１搬送室内の現像剤を第１方向に攪拌、搬送する。第２攪拌搬送部材は、第２搬送室内の現像剤を第２方向に攪拌、搬送する。現像容器は、第１方向に対し第１搬送室の上流側から第１搬送室内の現像剤中に補給トナーを直接送り込むトナー補給部を備える。キャリアは０．７３≦ＦＲ×ＡＤ／形状係数≦２．１０を満たす。【選択図】図４

Description

本発明は、電子写真方式を利用した複写機、プリンター、ファクシミリ、それらの複合機等の画像形成装置に用いる現像装置およびそれを備えた画像形成装置に関し、特に、トナーとキャリアとを含む二成分現像剤を用いる二成分現像方式の現像装置に関する。

画像形成装置においては、感光体ドラム等の像担持体上に形成した静電潜像を、現像装置により現像しトナー像として可視化することを行っている。このような現像装置の一つとして、二成分現像剤を用いる二成分現像方式が採用されている。この種の現像装置は、現像容器内にキャリアとトナーとからなる二成分現像剤（以下、単に現像剤とも言う）を収容し、像担持体に現像剤を供給する現像ローラー（現像剤担持体）を配設するとともに、現像容器内の現像剤を攪拌搬送しながら現像ローラーへと供給する攪拌搬送部材を配設している。

二成分現像方式の現像装置では、トナー補給部を現像ローラーへの現像剤の供給を行わない側に設けた現像装置が提案されている。この構成によれば、補給されたトナーが現像容器内の現像剤と十分に攪拌された後に現像ローラーに到達するため、トナーの帯電量不足によるかぶりやキャリア現像の発生を抑制することができる。

一方、現像容器に収容される二成分現像剤中のトナーは、現像に必要な量だけが消費されるため、長期間に亘って現像容器内に貯留されることがある。そのため、現像容器内においてトナーが凝集し固化した状態であるブロッキングが発生すると、現像ローラーを用いてトナーを静電潜像に十分供給することができず、画像劣化が生じるおそれがあった。

そこで、耐ブロッキング性に優れた現像剤が提案されており、例えば特許文献１には、非晶質樹脂および結晶性樹脂を含む結着樹脂と、ラジカル重合性単量体９９～８０重量％とスルホン酸系単量体１～２０重量％とを含む単量体を重合させて得られる共重合体粒子であり、流動性指数としてＦＲ（流動度）×ＡＤ（見掛け密度）、ＡＤ×Ｈｃ（保磁力）を所定範囲に規定した現像剤が開示されている。

特開２００５－１６４６４７号公報

特許文献１の現像剤では、キャリアの飽和磁化が低く、キャリア現像が発生し易いため、現像電位と感光体の表面電位との電位差（現像電位差）を低く設定する必要が生じる。その結果、画像かぶりが悪化するため、トナー帯電量を高くする必要が生じる。一方、現像装置においては、攪拌部の上方からトナーを落下させて補給する方式が一般的である。この補給方式では、補給トナーが現像装置内の現像剤に取り込まれ難く、混合され難い。そのため、トナー帯電量が狙いの値まで上昇する前に現像ローラーに到着してしまい、画像かぶりが発生してしまうおそれがある。

特に、キャリア現像と画像かぶりに対する裕度（マージン）が狭い高速印字の場合、現像装置内の攪拌搬送部材も高速回転するため、帯電不足のトナーが現像ローラーに到着してしまう確率が高くなってしまい、且つ前述の通り設計マージンが狭いために不具合が発生し易くなる。

本発明は、上記問題点に鑑み、二成分現像式においてトナーの帯電立ち上がり性を向上させ、画像かぶりやキャリア現像の発生を抑制できる現像装置およびそれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の第１の構成は、現像容器と、第１攪拌搬送部材と、第２攪拌搬送部材と、現像剤担持体と、を備えた現像装置である。現像容器は、互いに並列配置される第１搬送室、第２搬送室を含む複数の搬送室と、第１搬送室および第２搬送室を長手方向に沿って区画する仕切壁と、仕切壁の両端部側で第１搬送室および第２搬送室を連通する連通部と、を有し、キャリアとトナーとを含む二成分現像剤を収容する。第１攪拌搬送部材は、第１搬送室内の現像剤を第１方向に攪拌、搬送する。第２攪拌搬送部材は、第２搬送室内の現像剤を第１方向と逆方向である第２方向に攪拌、搬送する。現像剤担持体は、現像容器に回転可能に支持され、第２搬送室内の現像剤を表面に担持する。現像容器は、第１方向に対し第１搬送室の上流側から第１搬送室内の現像剤中に補給トナーを直接送り込むトナー補給部を備える。キャリアは以下の式（１）を満たす。
０．７３≦ＦＲ×ＡＤ／形状係数≦２．１０ ・・・（１）
ただし、
ＦＲ；５０ｇのキャリアが排出される時間［ｓ／５０ｇ］
ＡＤ；キャリアの嵩比重［ｇ／ｃｍ^３］
形状係数；実測キャリア体積平均粒子径／ＢＥＴ比表面積から計算されるキャリア粒子径
である。

本発明の第１の構成によれば、第１搬送室の上流側から第１搬送室内の現像剤中にトナーを直接送り込む方式の現像装置に、式（１）を満たすキャリアを用いることで、現像剤の流動性が向上し、第１搬送室に送り込まれた補給トナーが現像容器内を循環する現像剤との合流部で押し戻され難くなる。その結果、補給トナーが現像容器内の現像剤中に速やかに取り込まれ、トナーの帯電量を迅速に、且つ、安定して目標値まで立ち上げることができる。

本発明の現像装置３ａ～３ｄが搭載される画像形成装置１００の概略断面図 本発明の一実施形態に係る現像装置３ａの斜視図 現像装置３ａの側面断面図 現像装置３ａの攪拌部を示す平面断面図 現像装置３ａの攪拌搬送室２１の側面断面図 実施例２において、トナーを攪拌搬送部２１の上流側に落下させる現像装置３ａ（比較例２、３）の攪拌部を示す平面断面図 キャリアの（ＦＲ×ＡＤ／形状係数）およびトナー補給方式の組み合わせとトナーの帯電立ち上がり性との関係を示すグラフ

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る画像形成装置１００の内部構造を示す断面図である。画像形成装置１００（ここではカラープリンター）本体内には４つの画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、ＰｃおよびＰｄが、搬送方向上流側（図１では左側）から順に配設されている。これらの画像形成部Ｐａ～Ｐｄは、異なる４色（イエロー、シアン、マゼンタおよびブラック）の画像に対応して設けられており、それぞれ帯電、露光、現像および転写の各工程によりイエロー、シアン、マゼンタおよびブラックの画像を順次形成する。

これらの画像形成部Ｐａ～Ｐｄには、各色の可視像（トナー像）を担持する感光体ドラム（像担持体）１ａ、１ｂ、１ｃおよび１ｄが配設されている。さらにベルト駆動モーター（図示せず）により図１において反時計回り方向に回転する中間転写ベルト（中間転写体）８が各画像形成部Ｐａ～Ｐｄに隣接して設けられている。これらの感光体ドラム１ａ～１ｄ上に形成されたトナー像が、各感光体ドラム１ａ～１ｄに当接しながら移動する中間転写ベルト８上に順次一次転写されて重畳される。その後、中間転写ベルト８上に一次転写されたトナー像は、二次転写ローラー９によって記録媒体の一例としての転写紙Ｐ上に二次転写される。さらに、トナー像が二次転写された転写紙Ｐは、定着部１３においてトナー像が定着された後、画像形成装置１００本体より排出される。感光体ドラム１ａ～１ｄを図１において時計回り方向に回転させながら、各感光体ドラム１ａ～１ｄに対する画像形成プロセスが実行される。

トナー像が二次転写される転写紙Ｐは、画像形成装置１００の本体下部に配置された用紙カセット１６内に収容されており、給紙ローラー１２ａおよびレジストローラー対１２ｂを介して二次転写ローラー９と中間転写ベルト８の駆動ローラー１１とのニップ部へと搬送される。中間転写ベルト８には誘電体樹脂製のシートが用いられ、継ぎ目を有しない（シームレス）ベルトが主に用いられる。また、二次転写ローラー９の下流側には中間転写ベルト８表面に残存するトナー等を除去するためのブレード状のベルトクリーナー１９が配置されている。

次に、画像形成部Ｐａ～Ｐｄについて説明する。回転可能に配設された感光体ドラム１ａ～１ｄの周囲および下方には、感光体ドラム１ａ～１ｄを帯電させる帯電装置２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄと、各感光体ドラム１ａ～１ｄに画像情報を露光する露光装置５と、感光体ドラム１ａ～１ｄ上にトナー像を形成する現像装置３ａ、３ｂ、３ｃおよび３ｄと、感光体ドラム１ａ～１ｄ上に残留した現像剤（トナー）等を除去するクリーニング装置７ａ、７ｂ、７ｃおよび７ｄが設けられている。

パソコン等の上位装置から画像データが入力されると、先ず、帯電装置２ａ～２ｄによって感光体ドラム１ａ～１ｄの表面を一様に帯電させる。次いで露光装置５によって画像データに応じて光照射し、各感光体ドラム１ａ～１ｄ上に画像データに応じた静電潜像を形成する。現像装置３ａ～３ｄには、それぞれイエロー、シアン、マゼンタおよびブラックのトナーを含む二成分現像剤が所定量充填されている。なお、後述のトナー像の形成によって各現像装置３ａ～３ｄ内に充填された二成分現像剤中のトナーの割合が規定値を下回った場合にはトナーコンテナ４ａ～４ｄから各現像装置３ａ～３ｄにトナーが補給される。この現像剤中のトナーは、現像装置３ａ～３ｄにより感光体ドラム１ａ～１ｄ上に供給され、静電的に付着する。これにより、露光装置５からの露光により形成された静電潜像に応じたトナー像が形成される。

そして、一次転写ローラー６ａ～６ｄにより一次転写ローラー６ａ～６ｄと感光体ドラム１ａ～１ｄとの間に所定の転写電圧で電界が付与され、感光体ドラム１ａ～１ｄ上のイエロー、マゼンタ、シアンおよびブラックのトナー像が中間転写ベルト８上に一次転写される。これらの画像は、予め定められた所定の位置関係をもって形成される。その後、引き続き行われる新たな静電潜像の形成に備え、一次転写後に感光体ドラム１ａ～１ｄの表面に残留したトナー等がクリーニング装置７ａ～７ｄにより除去される。

中間転写ベルト８は、上流側の従動ローラー１０と、下流側の駆動ローラー１１とに掛け渡されている。ベルト駆動モーター（図示せず）による駆動ローラー１１の回転に伴い中間転写ベルト８が反時計回り方向に回転を開始すると、転写紙Ｐがレジストローラー対１２ｂから所定のタイミングで駆動ローラー１１と、これに隣接して設けられた二次転写ローラー９とのニップ部（二次転写ニップ部）へ搬送される。そして、中間転写ベルト８上のトナー像がニップ部を通過する転写紙Ｐ上に二次転写される。トナー像が二次転写された転写紙Ｐは定着部１３へと搬送される。

定着部１３に搬送された転写紙Ｐは、定着ローラー対１３ａにより加熱および加圧されてトナー像が転写紙Ｐの表面に定着され、所定のフルカラー画像が形成される。フルカラー画像が形成された転写紙Ｐは、複数方向に分岐した分岐部１４によって搬送方向が振り分けられ、そのまま（或いは、両面搬送路１８に送られて両面に画像が形成された後に）、排出ローラー対１５によって排出トレイ１７に排出される。

さらに、画像形成部１ｄの下流側であって中間転写ベルト８と対向する位置には画像濃度センサー４０が配置されている。画像濃度センサー４０としては、一般にＬＥＤ等から成る発光素子と、フォトダイオード等から成る受光素子を備えた光学センサーが用いられる。中間転写ベルト８上のトナー付着量を測定する際、発光素子から中間転写ベルト８上に形成された各基準画像に対し測定光を照射すると、測定光はトナーによって反射される光、およびベルト表面によって反射される光として受光素子に入射する。

トナーおよびベルト表面からの反射光には正反射光と乱反射光とが含まれる。この正反射光および乱反射光は、偏光分離プリズムで分離された後、それぞれ別個の受光素子に入射する。各受光素子は、受光した正反射光と乱反射光を光電変換して制御部（図示せず）に出力信号を出力する。そして、正反射光と乱反射光の出力信号の特性変化からトナー量を検知し、予め定められた基準濃度と比較して現像電圧の特性値などを調整することにより濃度補正（キャリブレーション）が行われる。

次に、現像装置３ａ～３ｄの構成について説明する。図２は、画像形成装置１００に搭載される本発明の一実施形態に係る現像装置３ａの斜視図である。図３は、現像装置３ａの側面断面図である。図４は、現像装置３ａの攪拌部を示す平面断面図（図３のＸＸ′矢視断面図）である。図５は、現像装置３ａの攪拌搬送室２１の側面断面図（図４のＹＹ′矢視断面図）である。なお、図２では現像容器２０のカバー部材２０ａおよび現像ローラー３１を取り外した状態を示している。また、以下の説明では図１の画像形成部Ｐａに配置される現像装置３ａを例示するが、画像形成部Ｐｂ～Ｐｄに配置される現像装置３ｂ～３ｄの構成についても基本的に同様であるため説明を省略する。

図２および図３に示すように、現像装置３ａは、磁性キャリアとトナーとを含む二成分現像剤（以下、単に現像剤ともいう）が収納される現像容器２０を備えている。現像容器２０は、カバー部材２０ａと、仕切壁２０ｂと、第１連通部２０ｃ、第２連通部２０ｄと、攪拌搬送室２１（第１搬送室）と、供給搬送室２２（第２搬送室）と、トナー補給部３２と、を備える。

カバー部材２０ａは、現像容器２０本体に対し着脱可能であり、現像容器２０の上部を構成している。仕切壁２０ｂは、現像容器２０の内部を並列に配置された攪拌搬送室２１と供給搬送室２２とに区画している。第１連通部２０ｃ、第２連通部２０ｄは、仕切壁２０ｂの長手方向の両端部で攪拌搬送室２１と供給搬送室２２とを連通させている。

攪拌搬送室２１および供給搬送室２２には、トナーコンテナ４ａ（図１参照）から供給されるトナーを磁性キャリアと混合して攪拌し、帯電させるための攪拌搬送スクリュー２５および供給搬送スクリュー２６がそれぞれ回転可能に配設されている。本実施形態では、正帯電性トナーと、フェライト・樹脂コートキャリアからなる二成分現像剤を用いている。トナーおよびキャリアの詳細な構成については後述する。

攪拌搬送スクリュー２５は、回転軸２５ａと、回転軸２５ａの軸方向に一定のピッチで螺旋状に形成される第１搬送羽根２５ｂとを有する。回転軸２５ａと第１搬送羽根２５ｂは合成樹脂によって一体成形される。第１搬送羽根２５ｂは、攪拌搬送室２１の長手方向の両端部側まで延び、第１連通部２０ｃ、第２連通部２０ｄにも対向して設けられている。回転軸２５ａは現像容器２０の第１側壁部２０ｆと第２側壁部２０ｇに回転可能に軸支されている。攪拌搬送スクリュー２５は、攪拌搬送室２１内の現像剤を攪拌しながら一定方向（第１方向、矢印Ａ１方向）に搬送する。

供給搬送スクリュー２６は、回転軸２６ａと、回転軸２６ａの軸方向に一定のピッチで螺旋状に形成される第２搬送羽根２６ｂとを有する。回転軸２６ａと第２搬送羽根２６ｂは合成樹脂によって一体成形される。第２搬送羽根２６ｂは、現像ローラー３０の軸方向長さ以上の長さを有し、更に、第１連通部２０ｃに対向する位置まで延びて設けられている。回転軸２６ａは、回転軸２５ａと平行に配置され、現像容器２０の第１側壁部２０ｆと第２側壁部２０ｇに回転可能に軸支されている。供給搬送スクリュー２６は、供給搬送室２２内の現像剤を攪拌しながら攪拌搬送スクリュー２５と反対方向（第２方向、矢印Ａ２方向）に搬送する。

そして、攪拌搬送スクリュー２５および供給搬送スクリュー２６によって現像剤が攪拌されつつ軸方向（図３の紙面と垂直な方向）に搬送され、仕切壁２０ｂの両端部に形成された第１連通部２０ｃ、第２連通部２０ｄを介して攪拌搬送室２１、供給搬送室２２間を循環する。即ち、攪拌搬送室２１、第１連通部２０ｃ、供給搬送室２２、第２連通部２０ｄによって現像容器２０内に現像剤の循環経路が形成されている。

現像容器２０は図３の右斜め上方に延在しており、現像容器２０内において供給搬送スクリュー２６の右斜め上方には現像ローラー３０が配置されている。そして、現像ローラー３０の外周面の一部が現像容器２０の開口部２０ｅから露出し、感光体ドラム１ａに所定の間隔（現像ギャップ）を隔てて対向している。現像ローラー３０は、図３において反時計回り方向に回転（感光体ドラム１ａとの対向位置でトレール回転）する。

現像ローラー３０は、図３において反時計回り方向に回転する円筒状の現像スリーブと、現像スリーブ内に固定された複数の磁極を有するマグネット（図示せず）とで構成されている。なお、ここでは表面がローレット加工された現像スリーブを用いているが、表面に多数の凹形状（ディンプル）を形成したものや、表面がブラスト加工された現像スリーブ、更には、ローレット加工や凹形状の形成に加えてブラスト加工を施したものや、耐久性の向上を目的にメッキ処理を施したものや、アルマイト加工を施したもの、更に、アルマイト加工後にＮｉやＳｎ、Ｍｏなどの金属塩をアルマイトのポーラス部分に処理した、いわゆる二次電解着色法で処理したものを用いることもできる。

特に、アルマイト加工やアルマイト加工後に二次電解着色法で処理したものは、耐久性の向上だけでなく、現像リークの発生を抑制する効果も併せ持っている。これは、現像スリーブ３１の表面がアルマイト加工されていることで、磁気ブラシで発生したリーク電流が現像ローラー３０の表面で周方向へ広がりにくくなり、隣接する磁気ブラシを巻き込んだ大きなリークに発達しなくなるためである。現像ローラー３０には、現像電圧電源（図示せず）により直流電圧Ｖｄｃおよび交流電圧Ｖａｃからなる現像電圧が印加される。

また、現像容器２０には規制ブレード２７が現像ローラー３０の長手方向（図３の紙面と垂直方向）に沿って取り付けられている。規制ブレード２７の先端部と現像ローラー３０との間には僅かな隙間（ギャップ）が形成されている。本実施形態では、規制ブレード２７としてステンレス（ＳＵＳ４３０）製の磁性ブレードを用いている。

攪拌搬送室２１の側面には、攪拌搬送スクリュー２５と対向してトナー濃度センサー２９が配置されている。トナー濃度センサー２９は、現像容器２０内の現像剤中のトナー濃度（現像剤中のキャリアに対するトナーの混合比率；Ｔ／Ｃ）を検知する。トナー濃度センサー２９としては、例えば、現像容器２０内におけるトナーと磁性キャリアからなる二成分現像剤の透磁率を検出する透磁率センサーが用いられる。トナー濃度センサー２９で検知されるトナー濃度に応じてトナーコンテナ４ａ（図１参照）内のトナーがトナー補給部３２を介して現像容器２０内に補給される。

トナー補給部３２は、攪拌搬送室２１内の現像剤搬送方向に対し上流側に設けられる。トナー補給部３２は、トナー補給口３３と、トナー補給経路３４とを備える。トナー補給口３３は、トナー補給部３２の上部に開口し、トナーコンテナ４ａ（図１参照）に連結される。トナー補給経路３４は、トナー補給口３３の下方において水平に延在し、攪拌搬送室２１内の現像剤搬送方向（矢印Ａ１方向）に対し上流側（図４、図５の左側）から攪拌搬送室２１に連通している。

攪拌搬送スクリュー２５の回転軸２５ａは現像容器２０の第２側壁部２０ｇを通過し、トナー補給経路３４内まで延在している。回転軸２５ａのトナー補給経路３４内に配置された部分には、回転軸２５ａの軸方向に一定のピッチで螺旋状に形成される補給羽根２５ｃが一体形成されている。補給羽根２５ｃは、第１螺旋羽根２５ｂと巻き方向が同方向（同位相の）螺旋状の羽根によって形成されているとともに、第１螺旋羽根２５ｂと比べて小さいピッチおよび小さい直径に形成されている。即ち、攪拌搬送スクリュー２５はトナー補給経路３４内のトナーを攪拌搬送室２１に向けて搬送する搬送部材を兼ねている。

トナーコンテナ４ａ（図１参照）からトナー補給口３３を介してトナー補給部３２に搬入された補給トナーは、トナー補給経路３４に落下する。トナー補給経路３４に落下した補給トナーは、攪拌搬送スクリュー２５の補給羽根２５ｃにより水平方向（図４、図５の右方向）に搬送され、回転軸２５ａに沿って攪拌搬送室２１内に進入する。そして、攪拌搬送室２１内の現像剤（供給搬送室２２から第２連通部２０ｄを通過して循環する現像剤）と攪拌、混合されることで所定の帯電量に帯電される。

前述したように、現像容器２０内で循環している現像剤に対して真上からトナーを落下させる補給方法では、トナーとキャリアの比重差によりトナーが現像剤の上部から下部に潜り込むのに時間がかかってしまう。そのため、補給トナーが現像装置３ａ内の現像剤に混合されにくく、トナー帯電量が目標値まで上昇する前に現像ローラー３０に到着してしまい、画像かぶりが発生してしまうおそれがある。

例えば、印字速度（プロセス線速）の速い画像形成装置１００においてキャリア現像の発生を抑制できない場合、現像電位と感光体ドラム１ａ～１ｄの表面電位との現像電位差を低く設定することが必要となる。一方、現像電位差を低くすると画像かぶりが発生し易くなる。ここで、線速が速くなると画像かぶりの発生レベルも悪くなりやすいため、尚更設計が困難となる。

本実施形態では、現像容器２０内で循環している現像剤に対し、攪拌搬送室２１の上流側から攪拌搬送スクリュー２５の回転軸２５ａに沿って攪拌搬送室２１内の現像剤の内部にトナーを直接補給する構成となっている。これにより、補給トナーが現像剤に速やかに取り込まれて混合されるため、トナーの帯電立ち上がり性を向上させることができる。

特に、印字速度（プロセス線速）の速い画像形成装置１００に本実施形態のトナー補給方式を採用した場合、トナー帯電量が速やかに立ち上がるため、画像かぶりを抑制することができ、更にトナー帯電量を高めに設定することもできる。即ち、印字速度（プロセス線速）が速い場合に本実施形態の現像装置３ａ～３ｄの効果が顕著に現れる。

但し、本実施形態の現像装置３ａ～３ｄを用いた場合であっても、トナー補給経路３４から攪拌搬送室２１に送り込まれた補給トナーが、現像容器２０内を循環する現像剤との合流部（第２連通部２０ｄ付近）で押し戻されてしまい、補給トナーが必要量だけ送り込まれるまでに時間を要することがある。具体的には、現像容器２０内を循環する現像剤の流動性が悪い場合に補給トナーが取り込まれ難くなる。そこで、補給トナーが現像剤中に取り込まれ易くするために、流動性の高い現像剤を使用する必要がある。

次に、本発明の現像装置３ａ～３ｄに用いられる二成分現像剤について説明する。二成分現像剤は、トナーとキャリアとを含有するものである。二成分現像剤におけるトナー濃度（キャリアに対するトナーの重量比、Ｔ／Ｃ）は、キャリア１００質量部に対してトナー５～２０質量部が好ましい。

［トナー］
トナーとしては、例えば正帯電性トナーを用いることができる。正帯電性トナーは、キャリアとの摩擦により正（プラス）に帯電する。トナー粒子は、トナー母粒子と、必要に応じてトナー母粒子の表面に付着する外添剤とを含む。トナー母粒子の構成は特に限定されない。なお、必要がなければ外添剤を添加しなくてもよい。外添剤を添加しない場合には、トナー母粒子がトナー粒子に相当する。

トナー母粒子は、結着樹脂および着色剤を含有するものである。トナー母粒子には、必要に応じて離型剤、電荷制御剤、磁性粉等を含有させてもよい。トナー母粒子の重量平均粒子径は、５～１２μｍが好ましく、６～１０μｍがより好ましい。トナー母粒子の重量平均粒子径は、粒度分布測定装置（例えば、コールター社製、マルチサイザ－ＩＩ型）によって測定する。トナー母粒子は、粉砕分級法、溶融造粒法、スプレー造粒法、重合法等の公知の方法で製造される。

外添剤を添加する場合、流動性に優れるトナーを得るためには、個数平均一次粒子径５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の無機粒子を使用することが好ましい。外添剤をトナー粒子間でスペーサーとして機能させて、耐熱保存性に優れるトナーを得るためには、外添剤粒子として、個数平均一次粒子径５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の樹脂粒子を使用することが好ましい。外添剤としては、シリカ、酸化チタン、アルミナ等の無機酸化物、ステアリン酸カルシウム等の金属石鹸等が挙げられる。トナー母粒子からの外添剤の脱離を抑制しながら外添剤の機能を十分に発揮させるためには、外添剤の添加量をトナー母粒子１００質量部に対して１質量部以上１０質量部以下であることが好ましい。

トナー粒子は、シェル層を備えないトナー粒子（非カプセルトナー粒子）であってもよいし、シェル層を備えるトナー粒子（カプセルトナー粒子）であってもよい。カプセルトナー粒子は、トナーコアと、トナーコアの表面を覆うシェル層とを備えるトナー母粒子を含む。トナーコアの構成は、特に限定されない。シェル層は、実質的に熱硬化性樹脂のみからなってもよいし、実質的に熱可塑性樹脂のみからなってもよいし、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との両方を含有してもよい。画像形成に適したトナーを得るためには、トナー母粒子の体積平均粒子径（Ｄ５０）は、４μｍ以上９μｍ以下であることが好ましい。

更に、トナー粒子は、トナー母粒子に疎水性シリカ粒子およびスチレン－アクリル酸樹脂微粒子を付着させている。疎水性シリカ粒子は、トナーの帯電量を調整する帯電調整剤である。スチレン－アクリル酸樹脂微粒子は、シリカ粒子がトナー母粒子に埋没しないようにするためのスペーサーである。スチレン－アクリル酸樹脂微粒子は、通常、耐久時にキャリア表面に付着してキャリアの荷電性能低下を引き起こすが、後述する強誘電体粒子を含有するシリコーン樹脂製のコート層に対しては付着力が弱く、キャリアへの蓄積が増加し続けることはない。詳細な原理は不明であるが、コート層の表面に露出した強誘電体に対する付着力が小さく、剥がれやすいためであると推定される。

［キャリア］
本発明で用いられるキャリアは、磁性体の粒子であるキャリアコアの表面にシリコーン樹脂等のコート層を形成したものである。シリコーン系樹脂は、薄膜でのコーティングが可能であり、コート層の均一性が高くなる。また、コート層の厚みが薄い方が、コート層の静電容量も高くなり、コート層に添加する強誘電体の効果が発揮され易くなる。キャリアを真球としたときのコート層の単位面積当たりの平均重量（膜平均重量）は、０．２～２．７［ｇ／ｍ^２］であることが好ましい。

キャリアの形状は、不定形から球形まで用いることができる。さらに、キャリアの平均粒子径は、２０μｍ以上６５μｍ以下のものを用いることができる。キャリアの個数平均粒径を６５μｍ以下とすることにより、キャリアの比表面積が大きくなり、キャリアが担持できるトナーの量が増える。これにより、磁気ブラシ中のトナー濃度を高い状態で維持することができ、現像ローラー３１へのトナー供給が十分に行われるため、トナー層の厚さを十分に確保できる。その結果、トナー層から感光体の静電潜像に飛翔するトナーの量を十分に確保でき、画像濃度の低下が抑えられ、さらには画像の濃度ムラが抑えられる。また、現像ローラー３１へのトナー供給が十分に行われるため、現像ローラー３１のトナー層にトナー欠落部分が形成されにくくなり、履歴現像の発生が抑えられる。

キャリアの平均粒子径が２０μｍより小さいと、キャリアが感光体ドラム１ａ～１ｄに付着するキャリア現像が発生する、付着したキャリアは中間転写ベルト８に移行し、転写抜けを起こしたり、ベルトクリーニング装置１９に移動してクリーニング不良の原因になったりする。また、キャリアの平均粒子径が６５μｍより大きいと、二成分現像剤中のトナーを現像ローラー３１から感光体ドラム１ａ～１ｄへ移動させる際、二成分現像剤の磁気ブラシが粗くなり、画質が低下する。

キャリアコアとしては、例えば、鉄、ニッケル、コバルト等の磁性体金属、これらの合金、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、これらの混合物が挙げられる。キャリアコアは、焼結法、アトマイズ法等の公知の方法によって製造される。上記の中でも、フェライトキャリアは流動性が良く、化学的にも安定であるので、高画質化、長寿命化の観点で好ましく用いられる。キャリアコアは、磁場３０００Ｏｅを印加した場合の飽和磁化が６５ｅｍｕ／ｇ以上４５ｅｍｕ／ｇ以下、保磁力Ｈｃが１２０ｅ以上６００ｅ以下であることが好ましい。

コート層には、強誘電体としてチタン酸バリウム粒子が添加される。チタン酸バリウムの製法としては、水熱重合法、蓚酸塩法等が挙げられるが、チタン酸バリウムは、その製法によって異なる物性を有する。中でも、水熱重合法で作成されたチタン酸バリウムは、内部に空隙を有することで真比重が小さく、粒子径分布もシャープになる。その結果、他の製法のものと比べてコート樹脂中での分散性が良く、均一な分散が可能となる。従って、キャリアの荷電性能も均一化するため、本発明での使用に適している。

チタン酸バリウムの体積平均粒子径は１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。チタン酸バリウムの粒子径が１００ｎｍより小さくなると、チタン酸バリウムの比誘電率が急激に低下するため、比誘電率に関する効果が小さくなる。一方、チタン酸バリウムの粒子径が５００ｎｍ以上になると、コート層中での均一な分散が困難となる。

コート重量に対してチタン酸バリウムを５質量部以上添加すると、帯電量の安定効果が発現し始め、２５質量部以上添加すると、帯電量の安定効果がより顕著に現れる。しかし、チタン酸バリウムの添加量が多すぎると、コート層に含有しきれなくなり、コート層から遊離してしまう。遊離したチタン酸バリウムが感光体ドラム１ａ～１ｄに移動し、クリーニング装置７ａ～７ｄのクリーニングブレード３２のエッジ部に噛み込むと、クリーニング不良を発生させる原因になる。そのため、チタン酸バリウムの添加量をコート樹脂１００質量部に対して５質量部以上４５質量部以下とすることが好ましく、２５質量部以上４５質量部以下とすることがより好ましい。

コート層には、導電体としてカーボンブラックが添加される。カーボンブラックの添加量が多すぎると、コート層から遊離したカーボンブラックがトナーに付着し、ブラック以外のトナーの色濁りを発生させてしまう。一方、カーボンブラックの添加量が少なすぎると、キャリアからトナーへの電荷の移動が起こりにくく、トナー帯電量の上昇が円滑に行えない。本発明のキャリアでは、コート層にチタン酸バリウム（強誘電体）が添加されることでキャリア抵抗が低下するため、キャリア抵抗の低下分だけカーボンブラックの添加量を低減することが可能となる。

コート層に強誘電体（チタン酸バリウム）を添加することで、キャリアの電荷保持能力が高くなり、トナーに十分な電荷を付与することが可能となる。また、コート層に導電体（カーボンブラック）を添加することで、キャリアからトナーへの電荷の移動を円滑に行わせることができる。この２つの相乗効果により、トナー濃度が高くなって荷電させるべきトナー粒子数が増加しても、トナー粒子の飽和帯電量レベルまで電荷を付与することが可能となる。

本実施形態では、キャリアのコート層に対する強誘電体と導電剤の添加量の調整、および、粒子径やコート膜厚の調整によって、以下の式（１）を満たすように設計している。
０．７３≦ＦＲ×ＡＤ／形状係数≦２．１０ ・・・（１）

式（１）中の形状係数は、粒子形状を代表する係数であり、以下の式（２）で定義される。
形状係数＝実測キャリア体積平均粒子径／ＢＥＴ比表面積から計算されるキャリア粒子径・・・（２）
ただし、
ＢＥＴ比表面積から計算されるキャリア粒子径＝６／（ＢＥＴ比表面積×真比重）
である。

形状係数が大きくなりすぎると、耐久印字でのコート層の削れ等により、形状係数が変化しやすくなり、耐久安定性に劣る。一方、形状係数が小さすぎると、トナー荷電性が低下してしまう。そのため、形状係数には適正範囲が存在する。

ＢＥＴ比表面積は、ＢＥＴ法（窒素吸着比表面積法）によって測定される比表面積であり、具体的には、キャリアの表面に吸着された液体窒素の吸着量から求められる。より具体的には、例えば、自動比表面積測定装置（Ｍａｃｓｏｒｂ ｍｏｄｅｌ １２０８、マウンテック社製）等を用い、試料表面に窒素を吸着させ、流動法（ＢＥＴ一点式）によって、試料のＢＥＴ比表面積［ｍ^２／ｇ］を測定することができる。

式（１）中のＦＲ×ＡＤは、キャリアの流動性を表す指標である。キャリアの流動性が高すぎると、トナーとの混合性が低下してトナー荷電性が低下する。一方、キャリアの流動性が低すぎると、現像容器２０内での現像剤の搬送速度が低下し、高印字率の画像が連続した場合に、画像濃度低下が発生してしまう。そのため、キャリアの流動性には適正範囲が存在する。

ＦＲはキャリア流動度であり、５０ｇのキャリアが排出される時間を表わす値［ｓ／５０ｇ］である。キャリアの排出量は重量よりも体積で考えた方が実際の挙動に合致するため、本実施形態ではキャリアの流動性の指標として、ＦＲをキャリアの嵩比重ＡＤ［ｇ／ｃｍ^３］で補正したＦＲ×ＡＤを用いている。

ＦＲは「ＪＩＳ（日本工業規格）Ｚ２５０２」に従って測定することができる。詳細には、金属製の漏斗（円錐角度：６０°、オリフィス直径：２．５ｍｍ、オリフィス長さ：３．２ｍｍ）を準備し、漏斗のオリフィスを塞いだ状態で、漏斗に試料（キャリア）５０ｇを入れる。続けて、漏斗のオリフィスを開けると同時にストップウォッチを用いて時間の計測を開始し、最後のキャリアがオリフィスを離れる瞬間に計測を終了する。測定された時間（通過時間）がＦＲに相当する。ＡＤは「金属粉の見掛密度試験法、ＪＩＳ－Ｚ２５０４」に準拠して測定することができる。

キャリアの流動性が高すぎると、トナーとの混合性が低下してトナーに対する帯電性（荷電性）が低下する。一方、キャリアの流動性が低すぎると、現像容器２０内での現像剤の搬送速度が低下し、高印字率の画像を連続印字する場合に画像濃度低下が発生してしまう。そのため、（ＦＲ×ＡＤ／形状係数）の値が０．７３より小さくなると、耐久印字において流動性変化しやすくなる。また、荷電性のばらつきが大きくなり、画像かぶりの発生に繋がる。一方、（ＦＲ×ＡＤ／形状係数）の値が２．１０より大きくなると、高印字率の賀画像を出力する際の画像濃度低下の発生や、荷電不足（トナー帯電量の低下）が発生しやすく、この場合も画像かぶりの発生に繋がる。即ち、上記の式（１）を満たすことにより、キャリアの荷電性が安定し、画像かぶりの少ない状態を長期間に亘って維持することができる。

上述したようなキャリアを含む現像剤を、攪拌搬送スクリュー２５の回転軸２５ａに沿って攪拌搬送室２１内の現像剤中にトナーを直接補給する方式の、本実施形態の現像装置３ａ～３ｄに用いることで、トナー補給経路３４から攪拌搬送室２１に送り込まれた補給トナーが現像容器２０内を循環する現像剤との合流部で押し戻され難くなる。その結果、補給トナーが現像容器２０内の現像剤中に速やかに取り込まれ、トナーの帯電量を迅速に、且つ、安定して目標値まで立ち上げることができる。

その他本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、本発明は図２に示したような現像ローラー３０を備えた現像装置に限定されるものではなく、トナーとキャリアとを含む二成分現像剤を用いる種々の現像装置に適用可能である。例えば、外周面に現像剤を担持する磁気ローラー（トナー供給ローラー）を備え、磁気ローラーに担持された現像剤中のトナーのみを現像ローラー３０に供給することにより現像ローラー３０の外周面にトナー層を形成して感光体ドラムの静電潜像を現像する現像装置にも全く同様に適用可能である。

また、上記実施形態では攪拌搬送スクリュー２５の回転軸２５ａと同軸上に補給羽根２５ｃを設け、回転軸２５ａに沿ってトナーを補給する構成としたが、これに限定されるものではない。現像容器２０内の現像剤に攪拌搬送室２１の上流側からトナーを直接送り込む補給方式であれば、回転軸２５ａと同軸である構成に限らず、回転軸２５ａと異なる位置からトナーを補給する構成であってもよい。

また、本発明は図１に示したタンデム式のカラープリンターに限らず、デジタル或いはアナログ方式のモノクロ複写機、モノクロプリンター、カラー複写機、ファクシミリ等、二成分現像方式を用いた種々の画像形成装置に適用可能である。以下、実施例により本発明の効果について更に具体的に説明する。

［強誘電粒子含有キャリアの製造］
［製造例１］
シリコーン樹脂（信越化学工業社製、ＫＲ－２５５）５００ｇ、チタン酸バリウム（堺化学社製、水熱合成法）１５０ｇ、カーボンブラック（ライオン社製、ケッチェンブラックＥＣ）１０ｇ、トルエン１４５０ｇをホモミキサーにて分散し、コート液を得た。得られたコート液を、流動床型コーティング装置を用いてキャリアコア（Ｍｎフェライトキャリア、体積平均粒子径３４．７μｍ、飽和磁化７０ｅｍｕ／ｇ、保磁力８Ｏｅ、ＤＯＷＡ ＩＰクリエイション社製）５ｋｇに２００℃の加熱下で散布し、キャリアコアをコート液で被覆した。その後、電気炉を用いて２５０℃で１時間焼成を行い、冷却後に篩を用いて解砕、分級し、コート層に強誘電粒子（チタン酸バリウム）を３０質量部含有した体積平均粒子径（Ｄ５０）５２．３μｍのキャリアを得た。

なお、チタン酸バリウム、キャリアコアの体積平均粒子径（Ｄ５０）は、レーザー回折／散乱式粒度分布測定装置（ＬＡ－９５０、堀場製作所社製）を用いて測定した。

［トナー補給方式およびキャリアの違いによるトナー帯電量の立ち上がり性の評価］
現像装置３ａ～３ｄへのトナー補給方式、および現像剤中のキャリアの種類を変化させた場合のトナー帯電量の立ち上がり性について調査した。

試験方法としては、製造例１で製造した、ＦＲ×ＡＤ／形状係数＝１．１３のキャリアを含む二成分現像剤を充填した、図４および図５に示したようなトナー補給方式の現像装置３ａ（本発明）、ＦＲ×ＡＤ／形状係数＝０．６８のキャリアを含む二成分現像剤を充填した、図４および図５に示したようなトナー補給方式の現像装置３ａ（比較例１）、ＦＲ×ＡＤ／形状係数＝１．１３のキャリアを含む二成分現像剤を充填した、図６に示すような攪拌搬送室２１の上方にトナー補給口３３が配置され、攪拌搬送室２１の上流側に補給トナーを真上から落下させるトナー補給方式の現像装置３ａ（比較例２）、ＦＲ×ＡＤ／形状係数＝０．６８のキャリアを含む二成分現像剤を充填した、図６に示すような現像装置３ａ（比較例３）を準備した。

上記４種類の現像装置３ａに、それぞれ現像剤２００ｇを充填した。そして、常温常湿環環境（Ｒ／Ｒ環境、２３℃、５０％）で現像装置３ａの攪拌搬送スクリュー２５および供給搬送スクリュー２６を３５０［ｒｐｍ］で所定時間駆動し、図４、図６に示した各位置（Ａ～Ｅ）においてトナー帯電量を測定した。トナー補給口３３からトナー補給経路３４へのトナー補給量は１回当たり０．２５ｇとし、補給羽根２５ｃの回転によってトナー補給経路３４から攪拌搬送室２１へ一定量のトナーが補給されるようにした。

トナーは、平均粒子径６．８μｍの正帯電トナーを用い、現像剤中の初期トナー濃度（キャリアに対するトナーの重量比）を６％とした。使用した現像剤は、本実験条件でのトナー帯電量の飽和値は４１μＣ／ｇとなるように調整されており、Ｅの位置でトナー帯電量が４１μＣ／ｇに近いほどトナー帯電量が理論値に近い状態であるといえる。帯電量の測定結果を図７に示す。

図７に示すように、ＦＲ×ＡＤ／形状係数＝１．１３のキャリアと本実施形態の現像装置３ａとを組み合わせた本発明（図７の実線）では、Ａ～Ｄのいずれの位置においても帯電量が高く、Ｅの位置では４０μＣ／ｇまで上昇した。これに対し、ＦＲ×ＡＤ／形状係数＝０．６８のキャリアと本実施形態の現像装置３ａとを組み合わせた比較例１（図７の破線）では、トナー補給経路３４から攪拌搬送室２１へのトナーの補給遅延が発生し、本発明に比べてＡ～Ｅの位置でのトナー帯電量の立ち上がりが遅かった。

また、ＦＲ×ＡＤ／形状係数＝１．１３のキャリアと図６の現像装置３ａとを組み合わせた比較例２（図７の点線）では、真上から落下した補給トナーが現像剤中に取り込まれるまでに時間を要したため、比較例１と同程度にＡ～Ｅの位置でのトナー帯電量の立ち上がりが遅かった。さらに、ＦＲ×ＡＤ／形状係数＝０．６８のキャリアと図６の現像装置３ａとを組み合わせた比較例３（図７の一点鎖線）では、現像剤の流動性が低いため比較例１、２よりもさらにトナー帯電量の立ち上がりが遅くなった。

以上の結果より、図４および図５に示したようなトナー補給方式の現像装置３ａにおいて、０．７３≦ＦＲ×ＡＤ／形状係数≦２．１０を満たすキャリアを含む現像剤を用いることで、トナー補給経路３４から攪拌搬送室２１へ円滑にトナーが送り込まれ、トナーの帯電立ち上がり性が向上するため、画像かぶりやキャリア現像を効果的に抑制できることが確認された。

本発明は、トナーとキャリアとを含む二成分現像剤を用いる現像装置に利用可能である。本発明の利用により、二成分現像式においてトナーの帯電立ち上がり性を向上させ、画像かぶりやキャリア現像の発生を抑制できる現像装置、およびそれを備えた画像形成装置を提供することができる。

１ａ～１ｄ 感光体ドラム
３ａ～３ｄ 現像装置
２０ 現像容器
２０ｂ 仕切壁
２２ｃ 第１連通部
２２ｄ 第２連通部
２１ 攪拌搬送室（第１搬送室）
２２ 供給搬送室（第２搬送室）
２５ 攪拌搬送スクリュー（第１攪拌搬送部材）
２５ａ 回転軸
２５ｂ 第１搬送羽根
２５ｃ 補給羽根
２６ 供給搬送スクリュー（第２攪拌搬送部材）
２６ａ 回転軸
２６ｂ 第２搬送羽根
２７ 規制ブレード（規制部材）
２９ トナー濃度センサー
３０ 現像ローラー（現像剤担持体）
３２ トナー補給部
３３ トナー補給口
３４ トナー補給経路
１００ 画像形成装置

Claims (7)

1. 互いに並列配置される第１搬送室、第２搬送室を含む複数の搬送室と、
   前記第１搬送室および前記第２搬送室を長手方向に沿って区画する仕切壁と、
   前記仕切壁の両端部側で前記第１搬送室および前記第２搬送室を連通する連通部と、
   を有し、キャリアとトナーとを含む二成分現像剤を収容する現像容器と、
   前記第１搬送室内の前記現像剤を第１方向に攪拌、搬送する第１攪拌搬送部材と、
   前記第２搬送室内の前記現像剤を前記第１方向と逆方向である第２方向に攪拌、搬送する第２攪拌搬送部材と、
   前記現像容器に回転可能に支持され、前記第２搬送室内の前記現像剤を表面に担持する現像剤担持体と、
   を備えた現像装置において、
   前記現像容器は、前記第１方向に対し前記第１搬送室の上流側から前記第１搬送室内の現像剤中に補給トナーを直接送り込むトナー補給部を備え、
   前記キャリアが以下の式（１）を満たすことを特徴とする現像装置。
   ０．７３≦ＦＲ×ＡＤ／形状係数≦２．１０ ・・・（１）
   ただし、
   ＦＲ；５０ｇのキャリアが排出される時間［ｓ／５０ｇ］
   ＡＤ；キャリアの嵩比重［ｇ／ｃｍ^３］
   形状係数；実測キャリア体積平均粒子径／ＢＥＴ比表面積から計算されるキャリア粒子径
   である。
2. 前記トナー補給部は、トナー補給口と、前記トナー補給口の下方において水平に延在し、前記第１方向に対し上流側から第１搬送室に連通するトナー補給経路と、を有し、
   前記第１攪拌搬送部材の回転軸は前記トナー補給経路内まで延在し、前記回転軸の前記トナー補給経路内に配置された部分には、前記トナー補給経路内のトナーを前記回転軸に沿って前記第１搬送室内に送り込む補給羽根が形成されることを特徴とする請求項１に記載の現像装置。
3. 前記キャリアは、磁性体の粒子であるキャリアコアの表面に樹脂製のコート層を形成したものであり、前記コート層は、導電体としてカーボンブラックと、強誘電体としてチタン酸バリウムと、を含み、
   前記コート層は、前記キャリアコアを真球としたときの単位面積当たりの平均重量が０．２～２．７［ｇ／ｍ^２］であり、前記チタン酸バリウムの添加量が、前記コート層を形成するコート樹脂１００質量部に対し５～４５質量部であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の現像装置。
4. 前記チタン酸バリウムの添加量が、前記コート樹脂１００質量部に対し２５～４５質量部であることを特徴とする請求項３に記載の現像装置。
5. 前記チタン酸バリウムの体積平均粒子径が、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の現像装置。
6. 前記トナーは、トナー母粒子に、疎水性シリカ粒子およびスチレン－アクリル酸樹脂微粒子を付着させたものであることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の現像装置。
7. 像担持体と、
   前記像担持体に形成された静電潜像に前記トナーを付着させてトナー像を形成する請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の現像装置と、
   を備えた画像形成装置。

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