JP2549278B2

JP2549278B2 - 現像装置

Info

Publication number: JP2549278B2
Application number: JP7127436A
Authority: JP
Inventors: 雅弘細矢; 眞也戸村; 勤上原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 1996-10-30
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: JPH07281518A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は現像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子写真技術を用いた現像装置として
は、トナーとキャリアからなる二成分現像剤を用いるも
の、磁性トナーのみからなる一成分現像剤を用いるもの
と技術的な進歩がなさり、さらに磁性トナーのみからな
る一成分現像剤の欠点を解消し得る一成分非磁性現像剤
を用いる現像装置へと発展している。しかしながら、一
成分非磁性現像剤を使用しているがゆえに、均一なトナ
ー薄層を可動現像剤担持体表面に安定的に形成すること
が困難であるという唯一の大きな問題を有し、そのため
に実用化が阻まれていた。このようなことから、本発明
者らはすでに図１に示す現像装置（特願昭５７−１５５
９３４号）を発明し、非磁性現像剤の薄層形成を可能な
らしめることに成功した。かかる発明は、可動現像剤担
持体としての現像ロール１に弾性ブレードとしてのゴム
ブレード２をその自由端、つまり現像剤の流れの下流側
に面接触するように配設することによって、例えばトナ
ー４を前記ゴムブレード２により現像ロール１表面に塗
布してトナー薄層を形成し、これを潜像保持体としての
感光ドラム５に対向させてその静電潜像を現像する装置
である。なお、容器３は合成金属片６及び側壁７によっ
て構成されている。

【０００３】上述した現像装置によれば現像ロール表面
と弾性ブレードとの接触面積を大きく設定することが可
能であり、しかも弾性ブレードのエッジが現像ロール表
面に接触しないために圧接力が局所的に加わるのを回避
できる。その結果、設定条件や機械精度の微妙な不良や
摩耗等が原因となって発生する圧接力の不均一性を緩和
でき、より均一な現像剤層の形成が可能となる。また、
現像ロール表面と弾性ブレードとの接触面積が大きいた
めに、現像剤はこの接触部分を通過する際、より長時間
に亘って圧接力下にて摩擦を受けることになり、その結
果現像剤は均一且つ十分な帯電電荷が与えられることに
なる。したがって、十分な電荷を持った現像剤の均一な
薄層を形成することができるため、静電潜像の現像を良
好に行える。

【０００４】しかしながら、本発明者らのその後の実験
により前述した現像装置には以下に示す問題点が見出だ
された。

【０００５】即ち、前述した発明は非磁性トナーを用い
るものであるため、カラー現像に適している。しかしな
がら、カラートナーは各色ごとに異なった染料もしくは
顔料によって着色されているため、例え同一の樹脂を母
体として製造されたものであっても、その物理的特性は
通常、色ごとに異なっている、もちろん、同一の物質に
よって着色されたトナーであっても、樹脂や添加剤など
の材料、トナーの粒度分布、粒子形状、さらに製造方法
などによってその物理的特性は大きく異なる。事実、物
理的特性の異なる様々なトナーを用いて実験を行った結
果、前記発明の装置では必ずしもあらゆるトナーに対し
て良好に動作するものではなく、あるトナーを使用した
場合には現像剤担持体の表面に均一なトナー薄層を安定
的に形成できず、したがって形成された現像剤には濃度
ムラ、濃度不足、地かぶりなどの欠点が認められた。

【０００６】このようなことから、トナー薄層が不均一
になるといずれの現像方法を用いても良質な現像像を潜
像保持体に上に得ることができない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の一成分非磁性現像剤を用いた現像装置では、極めて薄
い薄層を均一に形成することが困難であり、そのため高
品質の現像像を再現性良く形成することができなかっ
た。

【０００８】本願発明は、このような問題に鑑みて成さ
れたものであり、極めて薄い薄層を均一に形成すること
が困難であり、そのため高品質の現像像を再現性良く形
成できる現像装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願発明は、一成分非磁
性現像剤を収納する現像剤容器と、この現像剤容器の開
口部に配置されかつ回転可能に支持されたローラ状の現
像剤担持体と、前記担持体表面に前記現像剤の薄層を形
成するように、前記現像剤容器に一端が固定されかつ他
端が前記担持体と非接触で、所定の面が前記担持体の周
面に圧接するように配置された現像剤塗布部材と、前記
薄層が形成された前記担持体に対向するように配置され
た潜像保持体とからなり、前記現像剤の内部摩擦係数を
μｉ、前記担持体の周面と前記現像剤との間の運動摩擦
係数をμｒ、前記現像剤塗布部材の面と前記現像剤との
間の運動摩擦係数をμｂとした時、μｉ＜μｂ＜μｒと
なるように現像剤、現像剤担持体および現像剤塗布部材
を用いることを特徴とする現像装置である。

【００１０】以下、本発明について図面を用いて詳細に
説明する。

【００１１】図２は、本発明の現像装置を示す概略図で
ある。現像ロール２１は時計回り方向（矢印）に回転可
能に支持されている。現像ロール２１は交流電源２２、
および直流電源２２´に接続されており、ピーク値差
１．８ｋＶ、周波数１ｋＨｚの交流電圧が印加される。
前記現像ロール２１は例えば２４ｍｍのアルミニウム円
柱体の表面をサンドプラスト処理によって粗面化し、更
にその表面に厚さ５μｍの硬質クロムメッキを施したも
ので、最終的な表面粗さは３μｍである。ここで、表面
粗さはＪＩＳ規格の１０点平均粗さ（ＪＩＳＢ０６０
１）による。また、第１の弾性ブレード２３は、例えば
厚さ０．２ｍｍ、長さ２７０ｍｍ、幅３５ｍｍのリン青
銅板からなる。この弾性ブレード２３の一端は取付ネジ
２４によって支持体２５に固定されており、かつ他端側
はその側面の内の一定の面積が前記現像ロール２１の表
面に圧接されている。但し、第１の弾性ブレード２３の
エッジ、つまり自由端は現像ロール２１の表面に接触し
ていない。かかる第１の弾性ブレード２３の現像ロール
２１に対する圧接力Ｐ₁は例えば７８ｇ／ｃｍに設定し
てある。ここで、Ｐ₁はブレードの現圧力Ｐ_t、ブレー
ドの現像ロールの回転軸方向の長さｌ_b（２７ｃｍ）よ
りＰ₁＝Ｐ_t／ｌ_bにて算出される線圧、つまり単位長
さ当たりの圧力である。

【００１２】さらに第２の弾性ブレード２６は例えば厚
さ７５ｍｍのポリエステルフィルムからなる。この弾性
ブレード２６の一端側は支持体２７に固定されており、
かつ他端側は前記第１の弾性ブレード２３と同様、エッ
ジを含まない側面の一定の面積が前記現像ロール２１に
対して圧接されている。かかる第２の弾性ブレード２６
の現像ロール２１に対する圧接力Ｐ₂は１０ｇ／ｃｍに
設定されている。つまり、前記第１の弾性ブレード２３
と第２の弾性ブレード２６の圧接力。Ｐ₁、Ｐ₂の関係
はＰ₁＞Ｐ₂となっている。図中トナー２９はトナー容
器２８内に収納されている。このトナー容器２８は基本
的には前記現像ロール２１の上部、第１、第２の弾性ブ
レード２３、２６によって構成されているが、更に前記
支持体２５、２７、容器壁３０、３１および現像ロール
２１の両端に平行に配置されている図示しない一対のサ
イドフレームにより構成されている。なお、前記支持体
２５、２７および容器壁３０、３１は前記一対のサイド
フレームに固定されており、かつ前記現像ロール２１も
同様なサイドフレームに回転可能に支持されている。ま
た、前記トナー容器２８内には収納したトナー２９を撹
拌するための撹拌羽根３２が配設されており、かつこの
撹拌羽根３２は前記一対のサイドフレームに回転可能に
支持されている。

【００１３】上述した構成の現像装置は例えば外径７８
ｍｍのセレン系感光ドラム３３に対し、現像ロール２１
とドラム３３の最小間隙が０．２ｍｍとなるように配置
されている。前記ドラム３３は半時計回り方向に回転
し、その表面には図示しないコロナ帯電器および像露光
装置によって最大表面電位が９００Ｖの静電潜像が形成
されるようになっている。こうした現像装置と感光ドラ
ムからなる複写装置において、現像ロール２１と感光ド
ラム３３を回転させると、トナー容器２８内のトナー２
９は第１の弾性ブレード２３によって薄層化され、同時
に摩擦帯電によって負の静電荷が付与される。現像ロー
ル２１の回転にともなって搬送されたトナーは、感光ド
ラム３３上の静電潜像に接近し、現像ロール２１と感光
ドラム３３間の間隙をクーロン力によって飛翔してドラ
ム３３表面に付着することにより現像像が形成される。

【００１４】上述した方法においてトナー２９の内部摩
擦係数をμｉ、現像ロール２１の周面とトナー２９との
間の運動摩擦係数をμｒ、弾性ブレード２３の面とトナ
ー２９との間の運動摩擦係数をμｂとしたとき、μｉ＜
μｂ＜μｒとなるような現像ロール、弾性ブレードおよ
びトナーを用いることで、現像ロール２１周面に極めて
薄い厚みの均一なトナー層を形成でき、トナー粒子に均
一かつ十分な電荷が付与され、良好な画像を得ることが
できる。

【００１５】

【作用】図３に本発明の現像装置の部分拡大図を、図４
にトナー層の剪断を説明するための原理図を示す。

【００１６】トナー層の剪断が行われるための条件を図
３、図４（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。現像剤２
９、現像ロール２１、現像剤塗布塗布部材２３の３者間
の摩擦係数及び摩擦力を下記表１のようにすると、現像
剤に作用する圧力Ｎと摩擦力Ｆの間にはＦ＝μＮなる関
係が成り立つ。

【００１７】

【表１】現像ロールの移動に伴ってトナー層中に剪断作用が生じ
るためにはＦ´ｉ，Ｆｉ＜Ｆ´ｂ，Ｆｂ，Ｆ´ｒ，Ｆｒ（１）の関係を満たす必要がある。この条件下で現像剤塗布部
材現像剤の間、現像ロールと現像剤の間に滑りが生じ、
トナー層の剪断が行われる。剪断の繰り返しによって最
終的に一層化されたトナー層は、現像ロールの表面に付
着したまま現像剤塗布部材の圧力下を脱出しなければな
らない（図４（ｃ）（ｄ）図示）。このためには、現像
剤と現像剤塗布部材の間に滑りが生じることが必要であ
り、Ｆ´ｂ，Ｆｂ＜Ｆ´ｒ，Ｆｒ（２）なる条件を満たすことが必要である。

【００１８】前記（１）、（２）式より、現像ロール表
面にトナーの薄層を得るための条件はＦ´ｉ，Ｆｉ＜Ｆ´ｂ，Ｆｂ＜Ｆ´ｒ，Ｆｒ（３）または μ´ｉ，μｉ＜μ´ｂ，μｂ＜μ´ｒ，μｒ（４）と考えられる。ただし、トナー層に作用する圧力Ｎは常
に一定とした。

【００１９】一般に、トナーなどの粉体層内の応力状態
を考える場合、粉体層の力学的挙動として限界釣合状態
（又は堕性平衡状態）が基準となる。即ち、粉体層内の
任意の一面に一定な圧縮応力σを加え、その面に沿って
剪断応力γを加えていくと、γの限界の値において滑り
が生じ、γはそれ以上の値とならない。種々の圧縮応力
σの値に大して夫々限界値のγが対応するから、この関
係σ、γを座標軸とする平面上に一本の線で表わされ、
これを破壊包絡線という。破壊包絡線が図５の（１）、
（２）のように直線で表わされる場合は、固体の摩擦に
関するクーロンの法則が適用できるようになり、ｒ＝μｉσ＋Ｃ＝σｔａｎφ₁＋Ｃ（５）のしきから粉体層の摩擦係数を一義的に決定できる。但
し、μｉは内部摩擦係数、φ₁は内部摩擦角、Ｃは粉体
の付着、凝集性の表示である。非付着性粉体では前記
（５）式中のＣ＝０、つまり図５の（１）がこれに相当
する。同図中の（１）、（２）のように直線で表わされ
るものをクーロン粉体という。同図中の（３）は非クー
ロン粉体で、次式（γ／Ｃ）ⁿ＝（σ＋σ_r）／σ_r （６）で表される。但し、式中のσ_rは粉体層の引張り強度、
ｎは剪断指数を示し、ｎ＝１の場合はクーロン粉体とな
る。非クーロン粉体は一般にｎ＞１で、ｎが大きいほど
流動性が悪いとされている。測定法としては、直接一面
剪断法が知られている。原理的には図６に示すように上
下のセル５１、５２を重ねて粉体を充填し、一方のセル
（固定セル）５２を固定し、垂直応力σを加えて可動セ
ル５１を水平方向に引いて粉体層が剪断される際の応力
γを測定するものである。σの異なる値に対してγを測
定すれば、破壊包絡線が得られ、粉体の内部摩擦係数を
知ることができる。

【００２０】

【実施例】前記図２に示す現像装置を用いて本実施例を
行った。

【００２１】上述した図６の剪断セルを用いてトナー層
の内部摩擦係数を測定した。この時の条件は剪断セル５
１、５２として外径７６ｍｍ、内径６１ｍｍ、高さ５ｍ
ｍのリングを使用し、トナー層高さを上下ともに５ｍ
ｍ、剪断速度を０．１ｍｍ／ｓｅｃとして載荷垂直応用
範囲を変化させた。また、現像ブレードとトナーの間お
よび現像ロールとトナーの間の摩擦係数は図７に示すよ
うに弾性ブレードもしくは現像ロールと材質および表面
粗さが同一の固定された平板５３（寸法１００ｍｍ×１
００ｍｍ）の上に上述した可動セル５１を置き、荷重載
荷状態で可動セル５１を矢印の方向に引くことにより測
定した。この時の条件は、トナー層高さを５ｍｍセルの
移動速度を０．１ｍｍ／ｓｅｃ、予圧を４００ｇ／ｃｍ
²とし、荷重を５０ｇ／ｃｍ²から４００ｇ／ｃｍ²ま
で変化させた。

【００２２】前記トナー層の剪断応力の測定結果の一例
を図８に、この結果から得られる破壊包絡線の傾き、つ
まりトナー層の内部摩擦係数μｉは０．５３である。ま
た、樹脂組成、顔料、粒度分布などの異なる５種類のト
ナーＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに対し、上述した測定を行った
結果、内部摩擦係数は順に０．４２，０．４９，０．５
３，０．５８，０．６４であった。

【００２３】一方、図７の平板５３として、現像ロール
に相当するものとして下記表２に示す５種類のアルミニ
ウム板を、弾性ブレードに相当するものとして同表に示
す５種類のリン青銅板を用意した。

【００２４】

【表２】表２中のａのＡｌ板を用いて現像ロールとトナーの間の
摩擦係数μｒを測定したところ、前述した内部摩擦係数
μｉを有するトナーＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに対し、順に
０．４８，０．５０，０．５２，０．５４，０．５７で
あった。ｅのＡｌ板を用いた場合にはμｒはトナーＡ〜
Ｅに対して順に０．５０，０．５２，０．５４，０．５
７，０．６０であった。また、同図７の装置により表２
中のａのリン青銅板を用いて弾性ブレードとトナーの間
の運動摩擦係数μｂを測定したところ、前述した内部摩
擦係数μｉを有するトナーＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに対し、
順に０．４８，０．５１，０．５２，０．５４，０．５
７であった。同表中のｅのリン青銅板を用いた場合に
は、μｂはトナーＡ〜Ｅに対して順に０．５０，０．５
３，０．５５，０．５７，０．６０であった。

【００２５】しかして、前述した図２に図示する現像ロ
ール２１として表２中のｅのＡｌ板に相当するもの（表
面粗さが３μｍのＡｌロール）を使用した現像装置に前
述した内部摩擦係数μｉを有するトナーＡ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ，Ｅを入れ、同２表中のリン青銅板に相当する弾性ブ
レード２３を用いて現像ロール２１周面へのトナー層の
形成を行い、トナーの内部摩擦係数μｉと、弾性ロール
とトナーの間の運動摩擦係数μｒとの関係におけるトナ
ー層の良否、並びに同トナーの内部摩擦係数μｉと、弾
性ブレードとトナーの間の運動摩擦係数μｂとの関係に
おけるトナー層の良否、を夫々調べた。それらの結果を
図１０および図１１に示す。なお、これら図中の丸印は
厚さ１３〜７０μｍの均一なトナー層が得られること
を、バツ印は均一なトナー層が得られなかったことを表
している。これら図１０および図１１の結果より、均一
なトナー薄層を得るためには、 μｉ＜μｂ（７） μｉ＜μｒ（８）の関係を満足する必要があることが判る。

【００２６】さらに、図７の装置の可動セル５１内に前
述した内部摩擦係数（０．４２）のトナーＡを入れ、表
２中のａ〜ｅのＡｌ板及び同表中のａ〜ｅのリン青銅板
に対する運動摩擦係数を測定したところ、下記表３に示
す結果となった。

【００２７】

【表３】また、表３に示す数値と実際に形成されるトナー層の均
一性との相関を図１２に示した。これらの結果より次式 μｂ＜μｒ（９）の関係が満足するように設定すると、均一なトナー薄層
を確実に形成できる、ただし図１２に示すごとく、μｂ
≧μｒの領域内にも一部良好トナー層が形成される点が
存在している（例えば、μｂ＝０．６３，μｒ＝０．５
７の場合）。これらの点はμｒが大きい領域に分布して
おり、μｉ＜μｒでしかもμｒが十分に大きいときに
は、μｂ≧μｒであっても均一なトナー薄層の形成が可
能であることを示している。しかしながら、現像ロール
とトナー間の運動摩擦係数であるμｒを大きくするに
は、現像ロールの表面を粗くする必要があり、トナーの
薄層を飛翔させて感光ドラムに現像像を形成する際、現
像ロールの山と谷の部分での電界強度の差が大きくな
り、粗れなどの画質の低下を招く恐れがある。

【００２８】したがって、前記理由と図４のモデルより
推定した（２）式が前記（９）式に一致していることを
考え合わせると、（９）式の条件を満たすことが均一な
トナー薄層の形成、良好な画像形成の観点から好まし
い。よって、前記（７）、（８）、（９）式をまとめる
と μｉ＜μｂ＜μｒ（１０）が得られ、この条件は図４のモデルより推定された条件
である（４）式に一致している。（４）式には静止摩擦
係数μ´ｒが含まれているが、上述した実験結果より、
トナー薄層形成プロセスを支配する主要因は、運動摩擦
係数μｒであることが判る。このことは、実際には弾性
ブレードの圧接下におけるトナー層の剪断過程で現像ロ
ールとトナー間、弾性ブレードとトナー間にも滑りもし
くは転がりが生じていることを示唆している。

【００２９】前記（１０）式を満たす条件でトナー薄層
を形成し、これを用いて実際に潜像の現像を行ったとこ
ろ、ムラ、かぶり、濃度不良などのない良好な現像像が
得られた。なお、現像条件の最適範囲は現像ロール、感
光ドラム間距離０．１〜０．２５ｍｍ、ドラムの最大表
面電位４００〜１０００Ｖ、第１弾性ブレードの圧力３
０〜１８０ｇ／ｃｍ、交流現像バイアス８００〜２３０
０Ｖ（ピーク値差）、６００〜１５００Ｈｚ、直流現像
バイアス１００〜５００Ｖであった。

【００３０】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、一成
分非磁性現像剤により、高品質の現像像を再現性よく形
成し得る現像装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】現像装置の概略図。

【図２】本発明を説明するための現像装置の概略図。

【図３】トナー層形成プロセスを示す概略図。

【図４】トナー層形成プロセスを模式的に示す概略
図。

【図５】粉体の破壊包絡線の基本的タイプを示す断面
図。

【図６】トナーの直接一面剪断試験に用いた剪断装置
をしめす断面図。

【図７】現像ロールとトナー間、または弾性ブレード
とトナー間の運動摩擦係数を測定するための装置の示す
概略図。

【図８】図６に示す剪断装置によって測定したトナー
層の剪断応力のデータの一例を示す線図。

【図９】図８のデータから得られる破壊包絡線を示す
線図。

【図１０】トナー及び現像ロールの摩擦係数と形成さ
れたトナー薄層との関連を示す特性図。

【図１１】トナー及び弾性ブレードの摩擦係数と形成
されたトナー薄層との関連を示す特性図。

【図１２】現像ロールび弾性ブレードの摩擦係数と形
成されたトナー薄層との関連を示す特性図。

【符号の説明】

２１・・・現像ロール、２３・・・第１の
弾性ブレード、２６・・・第２の弾性ブレード、２
８・・・トナー容器、３３・・・感光ドラム

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一成分非磁性現像剤を収納する現像剤容
器と、この現像剤容器の開口部に配置されかつ回転可能に支持
されたローラ状の現像剤担持体と、前記担持体表面に前記現像剤の薄層を形成するように、
前記現像剤容器に一端が固定されかつ他端が前記担持体
と非接触で、所定の面が前記担持体の周面に圧接するよ
うに配置された現像剤塗布部材と、前記薄層が形成された前記担持体に対向するように配置
された潜像保持体とからなり、前記現像剤の内部摩擦係数をμｉ、前記担持体の周面と
前記現像剤との間の運動摩擦係数をμｒ、前記現像剤塗
布部材の面と前記現像剤との間の運動摩擦係数をμｂと
した時、 μｉ＜μｂ＜μｒとなるように現像剤、現像剤担持体および現像剤塗布部
材を用いることを特徴とする現像装置。