JP3219926B2 - 静電潜像現像剤用磁性キャリア、静電潜像現像剤および画像形成方法 - Google Patents

静電潜像現像剤用磁性キャリア、静電潜像現像剤および画像形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子写真を応用した画
像形成方法およびそれに用いられるキャリアならびに現
像剤に関し、特に、低帯電電位、低現像バイアス電圧に
より画像形成が可能な画像形成システムに関する。
【0002】
【従来の技術】C.F.カールソンによる電子写真法の
発明(米国特許第2,297,691号明細書)以来、
この方法を基礎として各種の工夫が提案されている。カ
ールソン方式に代表される電子写真方式は現在広く用い
られており、感光体の均一帯電→選択露光による潜像の
形成→現像剤によるトナー像の形成→転写→定着を基本
プロセスとする。
【0003】従来、現像方式としてはキャリアとトナー
とを用いる2成分現像法、1成分ジャンピング現像法等
の現像方式が主流を占めており、例えば樹脂コーティン
グフェライトキャリア等の絶縁性キャリアを用いる2成
分現像剤においては、平均粒径80μm程度のキャリア
を用い、トナー濃度3〜5重量%程度の現像剤を用いて
現像している。これらの現像方式においては、現像工程
において、感光体上に形成された静電潜像の現像領域に
トナー(着色樹脂粉)を付着させ、一方、非現像領域に
付着させないためには、トナー中の磁性粉の量を調整す
るか、又は帯電工程で感光体の表面帯電電位を約500
V以上とし、露光工程で形成される静電潜像の高電位部
と低電位部との差を約400V以上とし、さらに、現像
工程における現像バイアス電界として約500V/mm
以上が必要であり、また、画像のカブリを防止するため
に約200V/mm以上のカブリ除去電界が必要であっ
た。
【0004】このため、感光体としては約500V以上
の帯電能を有する光導電性材料が要求され、材料選択の
上での制約が大きかった。また、必要な帯電電位が大き
いため、感光層の膜厚も厚くする必要があり、例えば、
アモルファスシリコン(a−Si)系感光層の場合は、
膜耐圧が12V/μmであるため、約500V以上帯電
させるためには34μm以上の膜厚が必要となる。ま
た、有機感光体(OPC)の場合は20μm以上の膜厚
が必要となる。a−Si系感光体の場合は、一般にプラ
ズマグロー放電方式で膜生成を行なっており膜の堆積速
度が小さいため、膜厚に比例して製造コストの上昇を招
き、また、膜欠陥の発生割合も増加する。
【0005】一方、OPC系感光体は、感光層の硬度が
低く、使用により約1万枚のプリントで1μmの割合で
膜厚が減少していくため、しだいに帯電能が低下してい
く。そのため、初期膜厚20μmのOPC系感光体で
は、5万枚以下のプリントで帯電不良を生じ、寿命が短
いという問題があった。OPC系感光体層の膜厚を20
μmを超えてより厚く、例えば40μm程度とすること
も考えられるが、塗布法による現在の膜形成技術では、
厚膜化には限界がある。さらに感光体を約500V以上
の高電位に帯電させるためには、出力の大きな帯電装置
と相応の帯電処理時間が必要となり、装置の大型化と高
電力消費を招いていた。特に、a−Si系感光体は、帯
電能が低いため、大きな帯電処理領域が必要であった。
【0006】また、露光工程においても、約500V以
上の表面帯電電位をすみやかに消失させる光量が必要で
あり、やはり光源の選択上の制約や露光装置の大型化、
高電力消費の原因となる。さらに、現像バイアス電圧も
高電圧が必要なため事情は同じであり、装置全体の大型
化、高電力消費につながる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、低い表面帯
電電位ならびに現像バイアス電圧で画像形成が可能なキ
ャリア、現像剤および画像形成方法を提供するものであ
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明の静電潜像現像
剤用磁性キャリアは、キャリア粒子の集合体からなり、
粒径35μm以下のキャリア粒子を15重量%以上含
み、前記キャリア粒子の集合体の体積固有抵抗を10
〜10Ω・cmの範囲とするとともに、前記キャリア
粒子の平均粒径を25〜40μm未満とすることを特徴
とする。
【0009】本発明の静電潜像現像剤は、磁性キャリア
粒子とトナー粒子とを含み、前記磁性キャリアが、キャ
リア粒子の集合体からなり、粒径35μm以下のキャリ
ア粒子を15重量%以上含み、前記キャリア粒子の集合
体の体積固有抵抗を10〜10Ω・cmの範囲とす
るとともに、前記キャリア粒子の平均粒径を25〜40
μm未満とすることを特徴とする。
【0010】本発明の画像形成方法は、感光体を均一帯
電させる帯電工程;選択的な光照射により感光体の帯電
電位を選択的に低下せしめて低電位部と高電位部とより
なる静電潜像を感光体上に形成する潜像形成工程;静電
潜像が形成された感光体と現像剤とを接触せしめて、ト
ナーを選択的に感光体上に付着せしめ、トナーからなる
画像を感光体上に形成する現像工程を含み、前記現像剤
として、磁性キャリア粒子とトナー粒子とを含み、当該
磁性キャリアが、キャリア粒子の集合体からなり、粒径
35μm以下のキャリア粒子を15重量%以上含み、当
該キャリア粒子の集合体の体積固有抵抗を10〜10
Ω・cmの範囲とするとともに、当該キャリア粒子の
平均粒径を25〜40μm未満である現像剤を用いるこ
とを特徴とする。
【0011】帯電工程においては、感光体を500ボル
ト以下の低帯電電位に帯電せしめることが好ましい。ま
た、潜像形成工程(露光工程)により、高電位部と低電
位部の電位差(以下、コントラスト電位と呼ぶこともあ
る)が300ボルト以下の静電潜像を形成し、これを現
像バイアス電圧の印加下に現像することが望ましい。現
像バイアス電圧は200ボルト以下が望ましい。
【0012】
【実施例】図1は、本発明の画像形成方法の実施例につ
いて示す説明図である。導電性支持体13上に感光層1
5が形成されたドラム状の感光体11の周囲には、帯電
ユニット21、露光ユニット(LED露光光学系4
1)、現像ユニット51、転写ユニット71、定着ユニ
ット81が配設されている。なお、感光体11として
は、ベルト状(シート状)のものを用いてもよい。感光
体としては、従来より実用化されているa−Si系感光
体、OPC系感光体、Se系感光体など適宜のものを採
用でき、また、後述のように帯電工程での表面帯電電位
は低くてもよいので、従来は帯電能が低いため使用不能
とされてきた有機系あるいは無機系の感光体の光導電材
料を使用することもできる。
【0013】さらに、低表面帯電電位で足りるため感光
層15の膜厚が薄くてもよく、例えばa−Si系感光体
であれば、3〜15μm程度で十分であり、膜堆積時間
の短縮および膜欠陥の発生の改善が可能となり、大幅な
コストダウンにつながる。また、OPC系感光体(有機
感光材料を用いた感光体)の場合は、3.3μm以上の
感光層膜厚があれば十分に画像形成が可能である。よっ
て、例えば膜厚20μmのOPC系感光体を用いると、
それが3.3μmに摩耗減少するまで画像形成を行なう
ことができ、摩耗減少速度を1μm/10,000枚と
すると、150,000枚以上のプリントが可能となり
長寿命化を実現できる。もちろん、OPC系感光体の初
期膜厚をより厚く設定すれば、より長寿命化が可能とな
る。
【0014】電子写真の現像は、理想的には、感光体上
に形成された静電潜像の高電位部と低電位部の静電電位
の差をトナーの帯電で打ち消した時点で終結する。すな
わち、感光体上にトナーが付着し、トナーの特っている
電荷によって電位差が消失したときに、もはや感光体に
トナーを移行・付着せしめようとする力が働かなくな
り、現像は終結する。したがって、現像性を向上させる
ためには、一定電荷がトナーにより感光体上に持ち込ま
れても、感光体の実質電位が上昇しにくいようにすれば
よい。感光体の実質電位が上昇しにくく感光体上に電位
差が存在すれば、トナーを感光体上に移行せしめて現像
しようとする力が働くことになる。
【0015】感光体の構成は基本的にコンデンサーと同
じである。そこで、感光層の静電容量を大きくすれば、
同じ電位になるのに必要な電荷量が大きくなり、上述の
ように現像特性が改善される。したがって、本発明で
は、静電容量の大きな感光層を有する感光体を用いるこ
とが望ましい。感光層の静電容量は、以下の数2の式
(I)で表わすことができる。
【0016】
【数2】 C=ke×εo×S/d …(I) (C:静電容量 ke:感光層の比誘電率 εo:真空の誘電率 S:面積 d:感光層の膜厚)
【0017】そこで、比誘電率keの大きな感光層を用
い、感光層の膜厚dを薄くすることが望ましい。比誘電
率keは、感光層の材料および層構成によって決まり、
例えば、a−Si系感光体ではke=11〜12程度、
セレン系感光体ではke=5.97〜6.60程度、O
PC系感光体ではke=3〜3.5程度である。
【0018】感光体の膜厚dを薄くすると、感光層上に
帯電しうる帯電電位が低下する。従来の画像形成におい
ては、400ボルト以上の高い帯電量を感光体に付与す
る必要があったため、感光層の膜厚を自ずと厚くなり、
その薄膜化には限界がある。これに対して本発明の画像
形成方法では、後述のように、低い帯電量で、電位差が
小さな静電潜像を形成して画像形成することができ、感
光層の膜厚dを小さく設定して感光層の静電容量Cを大
きくすることができる。具体的には上記の式(I)で、
ke/d>0.3(1/μm)とすることが好ましく、
特に好ましくはke/d>0.4(1/μm)である。
このように感光層の誘電率と膜厚とを設定することによ
り現像特性を改善することができる。
【0019】感光体11は、まず、帯電ユニット21で
暗下に帯電させられる。帯電ユニット21は、マグロー
ラ25を内包し導電性の帯電スリーブ27を有する磁気
ブラシローラ23と、導電性かつ磁性の帯電用粒子29
と、帯電バイアス電源31とから構成されている。帯電
用粒子29は、帯電スリーブ27を介して帯電バイアス
電源31から電圧が印加され、感光体11に接触して感
光体11に電荷を注入し帯電させる導電部材であり、磁
気ブラシローラ23に対して磁気的に結合していわゆる
磁気ブラシを形成し、磁気ブラシローラ23の回転に伴
なって感光体11と接触しながら回転する。
【0020】感光体11の表面帯電電位は、500V以
下でよく、好ましくは400V以下、さらに好ましくは
350V以下とする。本発明の画像形成方法は、表面帯
電電位の低電位化を特徴とするものであり、必要最低表
面電位は、画像形成可能であれば特に問わないが、一般
に30V以上であり、好ましくは50V以上である。な
お、本発明での電位の大きさは絶対値であり、正・負は
適宜決定される。
【0021】図1の実施例では、帯電ユニット11にお
いて磁性導電性粒子を用いる接触帯電装置を用いる場合
を示したが、導電ブラシや導電ローラなどを用いる他の
接触帯電装置や、コロトロンチャージャーやスコロトロ
ンチャージャーを用いるコロナ帯電装置などを使用する
こともできる。必要な帯電量が少なくてすむので、接触
帯電が容易であり、また、接触帯電、コロナ帯電いずれ
の場合でも装置の小型化、低消費電力化が可能となる。
さらに、コロナ帯電を用いた場合でも、オゾンの生成量
は従来と比べて著しく低減する。また、a−Si系感光
体のように帯電能が低い感光体を用いた場合でも、帯電
必要領域(帯電時間)は短くてすみ、装置全体のコンパ
クト化が可能となる。
【0022】表面が均一帯電された感光体11は、つい
でLED露光光学系41により画像露光がなされる。画
像露光により、露光部の表面電位が選択的に低下し、低
電位部と高電位部とからなる静電潜像が形成される。
【0023】低電位部と高電位部との電位差は、450
V以下でよく、好ましくは350V以下、さらに好まし
くは300V以下でもよい。上述のように本発明の画像
形成の特徴は低帯電電位、すなわちコントラスト電位が
小さくてもよいことを特徴とするものであり、その下限
は画像形成が可能な範囲で特に問わないが、一般には5
0V以上である。このように、露光により低下せしめる
電位量が少なくてすむので、露光光量を低くすることが
でき、露光装置の選択の自由度、小型化・省エネルギー
化が可能となる。
【0024】なお、図1に示した実施例ではプリンター
としての使用を念頭におき、LED露光光学系61によ
り、将来の画像部に相当する部位の電位を低下させてい
る。LED露光光学系61はLEDチップを記録画素の
数だけ直線状に配列したLEDアレイにセルフォックレ
ンズ等からなる結像光学系を組み合わせたものである
が、LED露光光学系に代えて、回転ミラーとf−θレ
ンズを用いるレーザ露光光学系、あるいは複写機へ応用
する場合はオリジナル原稿から反射光を照射する複写光
学系などを用いることができる。静電潜像が形成された
感光体11は、ついで、現像ユニット51により現像さ
れる。
【0025】現像ユニット51は、現像ローラ53によ
り現像剤91を感光体11の表面に供給する。現像ロー
ラ53の導電性の現像スリーブ57には、感光体11と
現像ローラ53との間に現像バイアス電圧を印加する現
像バイアス電源59が接続されている。現像ローラ53
は、いくつかの磁極(N,S極)を有するマグローラ5
5を導電性の現像スリーブ57が内包してなる。本実施
例では、感光体11および現像ローラ53をそれぞれ矢
印PおよびS方向に回転して(順方向)、現像剤91を感
光体11の表面に搬送、供給している。なお、現像ロー
ラ53は、マグローラ55、現像スリーブ57のいず
れ、あるいは双方を回転させてもよい。
【0026】現像に際しては、現像バイアス電源59か
らバイアス電圧を印加して、現像ローラ53と感光体1
1との間に現像バイアス電界を発生せしめる。この現像
バイアス電圧(現像スリーブ57の電位)は、400V以
下とすることが好ましい。現像により、現像剤91中の
トナーが、感光体の静電潜像に対して選択的に付着し、
感光体11上にトナーからなる画像が形成される。例え
ば、感光体11を正帯電させ、画像露光により画像形成
部の電位を低下させて静電潜像を形成し、正帯電トナー
を用いて反転現像法により画像形成する場合を考える
と、現像バイアス電圧と低電位部との間の電位差を駆動
力として、感光体11の低電位部にトナーが選択的に移
行・付着し、一方、感光体11の高電位部と現像バイア
ス電圧の電位差を駆動力として、感光体11上の高電位
部に接触している正帯電トナーが、ファンデルワールス
力などの感光体11との親和力を振り切って、現像剤9
1中に回収される。
【0027】後述の図2にも示すように、現像バイアス
電圧の大きさは、帯電電位(潜像の高電位部電位)と露
光後電位(潜像の低電位部電位)との間にある。現像バ
イアス電圧と低電位部電位の電位差、すなわち現像バイ
アス電圧とトナーが付着される部位の感光体電位との電
位差は、350V以下が好ましく、より好ましくは30
0V以下である。また、下限は前述の如く問わないが、
10V以上が好適であり、好ましくは20V以上であ
る。現像バイアス電圧と高電位部電位の電位差、すなわ
ち現像バイアス電圧とトナーが付着されない部位の感光
体電位との電位差は、50V以下が好ましく、より好ま
しくは30V以下である。また、下限は前述の如く問わ
ないが、5V以上が好適であり、好ましくは10V以上
である。
【0028】なお、本実施例では、現像バイアス電圧を
感光体の高電位部より低い電位に設定しており、この電
位差で高電位部(背景部)のトナーを現像剤91中に回
収しているが、これに限定されず、例えば、現像バイア
ス電圧を感光体の高電位部の電位よりも高く設定しても
よい。この場合は、例えば、トナーとして磁性トナーを
用い、トナーに含有させる磁性粉の量を多くしたり、マ
グローラ55の磁力を強くするなどして、磁気的な力に
より高電位部(背景部)のトナーを現像剤91中に回収
すればよい。
【0029】本実施例では現像剤91としては、少なく
とも磁性キャリアと絶縁性トナーとを含む2成分現像剤
が用いられる。磁性キャリアとしては、抵抗が比較的低
い導電性磁性キャリア、抵抗が比較的高い高抵抗磁性キ
ャリアのいずれを用いてもよく、ともに従来から知られ
ているものをそのまま用いることができる。高抵抗磁性
キャリアとしては、フェライト粒子そのものから成るフ
ェライトキャリア、フェライト粒子を合成樹脂で被覆し
たコーティングフェライトキャリア、マグネタイト等の
磁性微粒子を樹脂中に分散、造粒した磁性樹脂粒子キャ
リアなどが用いられる。
【0030】導電性磁性キャリアは、表面抵抗層を形成
して安定化した鉄粉のように素材自体が導電性と磁性を
兼ね備えた粒子でもよく、また、磁性を有すコア粒子の
表面に導電層を形成して導電性を付与したものでもよ
く、後者のコア粒子としては、次の2つのタイプが代表
的である。 (1) 磁性材微粒子をバインダー樹脂中に分散・担持
せしめた磁性樹脂粒子コア。 (2) フェライト、マグネタイト等の磁性粉体粒子そ
のものからなる磁性粉体粒子コア。
【0031】一方、粒子コア上の導電性表面層の形成
法、すなわち粒子コアの導電化法としては、以下の
(イ)〜(ハ)がいずれも適用できる。 (イ) 導電性カーボンブラック等の導電性微粒子を磁
性粒子コアの表面に固着させる。この方法は、特に、上
記(1)の磁性樹脂粒子コアに好適である。粒子コアへ
の導電性微粒子の固着は、磁性材微粒子をバインダー樹
脂中に分散させた磁性粒子コアと導電性微粒子とを均一
混合し、粒子コアの表面に導電性微粒子を付着させた
後、機械的・熱的な衝撃力を与え導電性微粒子を磁性粒
子コアの表層中に打ち込むようにして固定することによ
り行なわれる。このような表面改質装置としては、例え
ば、ハイブリダイザー((株)奈良機械製作所製)など
がある。このような導電性磁性キャリアは特開平5−5
3368号公報に記載されている。
【0032】(ロ) 合成樹脂中に導電性微粒子が分散
された導電性樹脂被覆層を、磁性粒子コアの表面に形成
する。この方法は、上記(1)の磁性樹脂粒子コア
(2)の磁性粉体粒子コアの両方に適用でき、具体的に
は以下の(1)〜(3)の方法を採用できる。 (1) 樹脂を溶媒等に溶解し、その中に導電性微粒子
を分散させ、これを粒子コア上に塗布し、加熱により溶
媒を揮発、除去して導電性樹脂被覆層を形成する方法。 (2) 樹脂を溶媒等に溶解し、その中に導電性微粒子
を分散させ、これを粒子コア上に塗布し、加熱して溶媒
を除去するとともに、樹脂成分の架橋、重合を進め、強
固な導電性樹脂被覆層を形成する方法。 (3) カーボンブラック等の導電性微粒子の存在下
に、フェライト粒子等の粒子コアの表面でモノマーを直
接重合せしめ、導電性微粒子を巻き込むようにして導電
性樹脂被覆層を成長、形成する方法。この方法は、例え
ば特開平2−187771号公報に、特開昭60−10
6808号公報を引用して記載されている。
【0033】(ハ) CVD法、蒸着法、スパッタリン
グ法等の薄膜形成法により、ITO(Indium−T
io−Oxide)、酸化インジウム、酸化スズ、アル
ミニウム、ニッケル、クロム、金などの導電性薄膜を、
磁性粒子コアの表面に形成する。導電性磁性キャリア
は、体積固有抵抗が101〜105Ω・cm、より好まし
くは102〜104Ω・cmである。体積固有抵抗が余り
大きくなると、現像に必要なバイアス電位が十分にかか
らず、一方、小さすぎると、露光により形成された感光
体の低電位部を再帯電させてしまう。
【0034】なお、導電性磁性キャリアの体積固有抵抗
は、底部に電極を有する内径20mmのテフロン製筒体
にキャリアを1.5g入れ、外径20mmφの電極を挿
入し、上部から1kgの荷重を掛けて測定した時の値で
ある。本発明では、磁性キャリアを構成するキャリア粒
子中に小径キャリア粒子が含まれることが、低帯電・低
電界条件下での現像を実現するうえで重要であり、具体
的には、キャリア粒子の集合体である磁性キャリアが、
粒径35μm以下のキャリア粒子を15重量%以上、好
ましくは15〜90重量%含む。
【0035】また、磁性キャリアは、25μm以下のキ
ャリア粒子を15〜50重量%以上含むことが好まし
く、さらに好ましくは20μm以下のキャリア粒子を1
5〜30重量%含むことが必要であることを見い出し
た。このような小径のキャリア粒子の働きについては、
後述する。また、キャリア粒子の平均粒径は、20〜5
0μmが好適であり、好ましくは25〜40μmであ
る。極端に小粒径のキャリアが増加すると、現像剤の流
動性が悪化し、現像剤の均一混合撹拌、搬送に支障を生
じる。
【0036】磁性キャリアの磁力は、ある程度以上に大
きいことが必要であり、好ましくは5KOe(エールス
テッド)の磁場での最大磁化(磁束密度)が50emu
/g以上、より好ましくは50〜200emu/g、さ
らに好ましくは60〜180emu/gである。また、
1KOeの磁場での最大磁化は、40emu/g以上が
好適であり、好ましくは40〜90emu/gであり、
さらに好ましくは45〜70emu/gである。キャリ
アの磁力が余り小さくなると、現像時にキャリアが感光
体側に引き寄せられて感光体上に移行してしまう現像
(以下、キャリア引きと呼ぶ)を生じる。
【0037】絶縁性トナーとしては、体積固有抵抗が1
14Ω・cm以上のものが適当であり、好ましくは10
15Ω・cm以上が用いられる。この値は、キャリアの場
合と同様に測定される。絶縁性トナーは、磁性トナーで
も非磁性トナーでもよい。トナーとしては、従来と同様
の構成のものが用いられ、例えば、バインダー樹脂、着
色剤、電荷制御剤、オフセット防止剤などを配合するこ
とができる。また、磁性材を添加して磁性トナーとする
こともでき、現像特性の改善、トナーの機内飛散の防止
に有効である。
【0038】バインダー樹脂としては、スチレン・アク
リル共重合物等のポリスチレン系樹脂に代表されるビニ
ル系樹脂、ポリエステル系樹脂などが用いられる。着色
剤としてはカーボンブラックをはじめ各種の顔料、染料
が;荷電制御剤としては第4級アンモニウム化合物、ニ
グロシン、ニグロシン塩基、クリスタルバイオレット、
トリフェニルメタン化合物等が;オフセット防止剤、定
着向上助剤としては低分子量ポリプロピレン、低分子ポ
リエチレンあるいはその変性物等のオレフィンワック
ス;磁性材としてはマグネタイト、フェライトなどが使
用できる。トナーの平均粒径は20μm以下が好まし
く、より好ましくは5〜15μmである。
【0039】本発明では、磁性キャリア粒子と、キャリ
ア粒子よりも粒径が小さなトナー粒子とを均一に混合す
ることにより静電潜像現像剤が調製される。現像剤とし
ての体積固有抵抗値は10 2 〜10 7 Ω・cmが好適であ
り、好ましくは103〜106Ω・cmである。この値
は、キャリアと同様にして測定される。
【0040】本発明では、磁性キャリア粒子とトナー粒
子との混合割合を調整することにより現像特性を改善す
ることができる。なお、本明細書では、誤解の生じない
範囲で、キャリア粒子を単にキャリアと、トナー粒子を
単にトナーと呼ぶ場合もある。現像剤中に存在するトナ
ー粒子量を多くすると、現像特性が向上し高濃度の画像
を得ることができる。これは、一定電界にある荷電粒子
が一定時間に移動できる量は、その一定空間内に存在す
る粒子の数が多いほど多くなるからである。
【0041】また一方において、2成分現像剤において
は、トナー粒子が十分に帯電しキャリア粒子表面に保持
される必要がある。トナー粒子は、キャリア粒子の表面
と接触して摩擦帯電し、かつ静電電気的に付着してい
る。そのため、表面がトナー粒子により覆いつくされて
いるキャリア粒子は、もはや新たなトナー粒子と接触で
きないため、新たなトナー粒子を摩擦帯電する能力がな
い。そこで、トナーの量がキャリアに対して著しく多い
場合は、キャリアはトナーを確実に帯電し、かつ、静電
気的に保持できないため、現像剤中に未帯電浮遊トナー
が存在することになり、これらが感光体の非画像形成部
に付着して地カブリ等の問題が発生する。よってキャリ
ア粒子の表面積は、トナー粒子を摩擦帯電させ、かつ表
面に保持するに十分な面積が必要となる。本発明の現像
剤は、前述のように小径のキャリア粒子を一定量以上含
むため、同じ重量の大径のキャリア粒子からなる従来の
キャリアに比べて、トナー粒子を保持する表面積を広く
確保することができる。そこで、本発明の現像剤は、地
カブリ等の不都合を防止しつつトナー粒子量を多く含有
すること、すなわちトナー濃度を高めることができ、画
像濃度が高い良好な画像を得ることができる。また、上
述のようにキャリアの表面積が決まると、帯電、保持可
能なトナー粒子量も決定するので、キャリアの粒径分布
に応じて好適なトナー量を決めることができる。
【0042】本発明では、キャリア粒子の表面にトナー
が1層最密充填付着したときのトナー粒子量を最大トナ
ー被覆量と定義したとき、最大トナー被覆量の10〜8
0%、好ましくは30〜70%のトナー粒子とキャリア
粒子とを混合して現像剤とすることが好ましく、これに
より、現像特性が改善され、良好な画像を得ることがで
きる。
【0043】最大トナー被覆量は、トナーの投影面積と
キャリアの表面積を測定することにより求められる。ま
た、トナー、キャリアは真球形状でない場合も多いが、
真球であるとして粒径分布から近似的に計算することも
可能である。なお、最密充填の方式としては単斜方配列
(Simple rhombic)として計算する。こ
の場合、付着する粒子間に存在する隙間を単斜方配列で
充填した場合を計算する。
【0044】本発明のキャリア、現像剤、画像形成シス
テムにおいては、粒径が小さい小粒径キャリア粒子成分
が存在することが重要であり、これにより現像剤中のト
ナー粒子量を増加させ、トナー濃度を高めることができ
る。小粒径キャリア粒子が存在することにより、小粒径
キャリア粒子が多くのトナー粒子を帯電保持し、静電潜
像が形成された感光体表面に一定時間内に多量のトナー
粒子を供給することが可能となる。この結果、現像特性
が飛躍的に向上し、帯電工程での感光体の表面帯電電位
が低く、露光工程で形成される静電潜像の高電位部と低
電位部の電位差が小さい画像形成システムにおいても、
高濃度で鮮明な高品質の画像を形成することができる。
【0045】また、キャリア全体としての表面積が大き
く多数のトナー粒子を帯電、保持可能なので、トナー濃
度の設定幅の自由度が増し、画像形成システムの要請に
応じてトナー濃度を最適化しやすい。
【0046】さらに、小粒径のキャリア粒子成分を有す
ることで、平均的粒径のキャリア粒子間に小径キャリア
粒子が入り込んで現像剤の密度が高くなり、また、前述
の通りキャリア全体の表面積も上がることとなる。この
状態で多量の絶縁性トナーを含有させても、小粒径成分
を含まない、或いは少量含まれたキャリアに比べて現像
剤自身の所望の抵抗率が変化しにくくなる。つまり、こ
のような従来のキャリアに絶縁性トナーを含有させたと
きは、キャリア粒子間の間隙に絶縁性のトナーが入りや
すく、これにより磁性キャリアの連鎖が絶縁性キャリア
により分断され、結果的に、少量の絶縁性トナーでも現
像剤抵抗率が上昇する。本発明のキャリアは上記のよう
なキャリア粒子間のすき間にトナーが入りこむことが少
なくなるため、現像剤の電気抵抗が広範囲で維持でき
る。従って、小粒径成分を有するキャリアを使うこと
は、現像剤の電気抵抗の安定性の観点からも、トナー濃
度を広い範囲で設定することを可能とする。以上の電気
的特性の安定化効果は、キャリアとして導電性キャリア
を用いる場合でも、高抵抗キャリアを用いる場合でも得
られるが、特に絶縁性トナーによる影響を受やすい導電
性磁性キャリアを用いた現像剤において、効果が大き
い。
【0047】また、本発明のキャリアまたは現像剤にお
いて導電性磁性キャリア粒子を用いた場合は、現像バイ
アス電圧の印加電極を感光体表面に近接させたと同じ効
果(以下、近接電極効果と呼ぶ)を、得ることもでき
る。これにより、低帯電・低電界現像が、よりいっそう
容易となる。
【0048】図1において、バイアス印加電圧の印加電
極は、現像スリーブ57である。この現像スリーブ57
と感光体11の表面との距離が現像ギャップとなり、現
像ギャップの幅が狭ければ狭いほど、効率的に現像バイ
アス電圧を印加することができることになる。しかしな
がら、感光体11、スリーブ57は駆動部品であり、機
械的精度にも限界があることから、現像剤ギャップを
0.1mm以下にすることは非常に難しい。本発明では
上述のように近接電極効果が働くので、現像ギャップが
大きい場合でも、現像バイアス電圧の印加電極を感光体
11の表面近傍に設けたのと同様の効果が得られる。こ
の理由は以下のように考えられており、それを模式図と
して図2に示した。
【0049】従来の2成分現像システムにおいては、図
2(A)に示すようにキャリアの径が大きく、また、キ
ャリアとして導電性キャリアを用いる場合でも、上記の
ようにその導電性の程度は本発明のものよりも大きな抵
抗を有するものであった。そこで、図2(A)に示すよ
うにいわば現像電極である現像ローラスリーブ57から
感光体表面までに電位がほぼ一様に低下する。いま、感
光体を正帯電させ、正帯電トナーを用いて反転現像する
場合を想定すると、露光後電位と現像バイアス電圧との
差によって作られるスリーブ−感光体間の電位の傾き
(電界の強さ)が、正帯電トナーを感光体上に現像させ
る駆動力となる。また一方、非露光部の帯電電位と現像
バイアス電圧との電位差によって作られるスリーブ−感
光体間の電位の傾きが、非露光部に接触しているトナー
を現像剤中に回収しカブリを防止する駆動力となる。従
来はキャリアの粒径が大きく、かつ、現像剤の抵抗が大
きく、スリーブ−感光体間で傾きが一様となるため、帯
電電位を十分高く設定し、かつ露光後電位を十分低く設
定しないと、現像とカブリ防止を行なうのに必要な現像
バイアス電圧を設定できず、また、現像のための電位の
傾きを大きくとる(電界を強くとる)ためにこの現像バ
イアス電圧も高い値となる。
【0050】これに対して本願発明では、キャリアの粒
径が十分小さい小粒径成分を含有しているため、感光体
とスリーブがキャリアを介して電気的に結合される接触
点が多く取れ、しかも、キャリアからなる磁気ブラシの
導電性が高いため、感光体の表面の近傍に近接電極を設
けた場合と同じ効果が得られる。そのため、スリーブ−
感光体間で電位が一様に低下ないしは上昇するのではな
く、感光体表面近傍の仮想的な近接電極から感光体面に
向けて電位の変化量が大きく立ち上がり、大きな傾きが
得られる。この傾きの大きさがトナーの現像およびカブ
リ防止の駆動力の大きさと対応するのであるから、感光
体の表面帯電電位を低く設定し、帯電電位と露光後電位
の差を小さく設定しても良好な画像を形成することが可
能となり、必然的に現像バイアス電圧を低く設定するこ
とが可能となる。
【0051】また、近接電極の形成により、スリーブ−
感光体間隔は現像特性に対する影響が小さくなるので、
本発明の画像形成方法によれば、スリーブ−感光体ギャ
ップ(現像ギャップ)の調整が容易である。現像ユニッ
ト51により、感光体11上にトナー93からなる可視
画像が形成される。このトナー93は、転写ユニット7
3で、転写バイアス電源75により負のバイアス電圧が
印加された転写ローラ73により、紙95に転写され
る。69は、紙95を送り出すレジストローラを示す。
【0052】ついで、転写トナーは、定着ユニット81
で定着ローラ83(加熱ローラ)により紙95に定着さ
れる。85は、加圧ローラを示す。転写時に転写されず
に感光体11上に残った残存トナーは、クリーニングブ
レード99で除かれる。以上の説明では主として、感光
体11を正帯電させ2成分現像剤を用い反転現像により
画像形成する場合を説明したが、本発明はこれに限定さ
れず正規現像法等の他の現像プロセスに適用することも
できる。
【0053】
【発明の効果】本発明によれば、低帯電電位かつ低現像
バイアス電圧で良好な画像を形成することができる。そ
のため、帯電、露光、現像の各プロセスでの処理の簡便
化や用いられる装置の小型化、省電力化が可能となり、
また、感光体の簡素化や自由度が増すなどの優れた効果
を有し、画像形成システム全体の改善について著しい波
及効果を有する。また、感光体が低帯電電位でもよいこ
とから、感光層の膜厚を薄くすることができ、現像特性
の改善が可能となるとともに、省エネルギー、省資源に
貢献することができる。
【0054】実験例1 (1) 導電性磁性キャリアの調製 スチレン/アクリル酸n−ブチル共重合体(共重合比80/20) 25重量部 マグネタイト 75重量部 上記混合物を混練後、ジェットミルで粉砕、分級してキ
ャリアコアを得た。このキャリアコア100重量部に対
して、2重量部の導電性カーボンブラック(導電性微粒
子、平均粒径20〜30nm)をヘンシェルミキサーで
十分混合してキャリアコアの表面に均一に付着させた。
ついで表面処理装置(ハイブリタイザー、奈良機械製作
所製)を用い、機械的衝撃力によりキャリアコアの表層
にこれら微粒子を固着させ、本発明の導電性磁性樹脂キ
ャリアを得た。このキャリアの性状は以下の通りであっ
た。 体積固有抵抗:5×103Ω・cm 飽和磁化:64emu/g(5KOe) 35μm以下の粒子が占める割合:40重量%
【0055】(2) トナーの調製 スチレン/アクリル酸n−ブチル共重合体(共重合比80/20) 73重量部 マグネタイト 15重量部 カーボンブラック 5重量部 ポリプロピレンワックス 5重量部 荷電制御剤 2重量部 上記混合物を混練後、ジェットミルで粉砕し、分級して
平均粒径10μmのトナーを得た。
【0056】(3) 現像剤の調製および画像形成 上記のキャリアおよびトナーをトナー濃度〔トナー
(T)/現像剤(D)の重量比〕20重量%となるよう
に混合して現像剤(体積固有抵抗2×104Ω・cm)を
調製し、図1に示した装置を用い、以下の条件で画像形
成を行なったところ、画像濃度の鮮明な画像が得られ
た。 表面帯電電位:70V 露光後電位:5V 現像バイアス電位:50V なお、現像剤中のトナー粒子量は、最大トナー被覆量の
60%である。また、感光体としては、感光層の膜厚1
0μmのa−Si系感光体を(ke=11)用いた。こ
の感光体の比誘電率keと膜厚dとの比ke/dは1.
1(1/μm)である。
【0057】実験例2 特開平2−187771号公報および特開昭60−10
6808号公報に記載の方法に準拠し、フェライト粒子
の表面に導電性カーボンブラックを含むエチレンガスを
供給し、フェライト粒子の表面で直接、導電性ポリエチ
レン被膜を形成して導電性磁性キャリアを製造した。こ
のキャリアの磁力は、1キロエールステッドの磁場で6
0emu/gであった。種々の平均粒径のキャリアを作
成し、それらにおける粒径20μm以下の粒子の量を1
5重量%に統一し、キャリア抵抗を測定してその結果を
表1に示した。
【0058】ついで、平均粒径8μmの負帯電性トナー
と上記のキャリアとをT/D=10%となるように混合
して現像剤を作成し、各々の抵抗を測定してその結果を
表1に示した。図1に示した装置を用い、感光体として
感光体の膜厚d=22.5μmのOPC系感光体を使用
し、表面電位−140Vに帯電し(粒子帯電法)、画像
露光して露光後電位−30Vの静電潜像を形成し、現像
バイアス−110Vで現像し、画像を評価してその結果
を表1に示した。
【0059】なお、OPC系感光体の感光層の比誘電率
はke=2.0であり、ke/d=0.089(1/μ
m)であった。また、現像剤中のトナー粒子量は、いず
れも最大トナー被覆量の35〜65%であった。
【0060】
【表1】表1:評価結果 キャリア キャリア抵抗 現像剤抵抗 画像 総合 平均粒径 (Ω・cm) (Ω・cm) 評価*1 結果*1 25 μm 2×102 7×103 ○ ○ 30 μm 2×102 1×104 ○ ○ 32.5μm 3×102 2×104 ○ ○ 35 μm 2.5×102 3×104 ○ ○ 37.5μm 3×102 8×104 ○ ○ 40 μm 3.5×102 2×105 △ △ *1) ○:非常に良好 △:良好 ×:不良
【0061】実験例3 実験例2と同様にしてキャリアを作成した。但し、実験
例3ではキャリアの平均粒径を35μmに固定し、粒径
が20μm以下のキャリア粒子がキャリア中に占める割
合(小径キャリア量:重量%)を調整して種々のキャリ
アを作成した。これらキャリアをそれぞれ用いて実験例
1と同様にして現像剤を調製し、画像評価し、さらに現
像剤の流動性を併せて評価してその結果を表2に示し
た。また、現像剤中のトナー粒子量は、いずれも最大ト
ナー被覆量の35〜65%であった。
【0062】
【表2】表2:評価結果 小 径 キャリア抵抗 現像剤抵抗 キャリア量 (Ω・cm) (Ω・cm) 画像評価*1 流動性 0% 5×103 3×108 × 良 5% 1×103 2×106 × 良 10% 3×102 2×105 △ 良 15% 2.5×102 3×104 ○ 良 20% 2.5×102 7×103 ○ 良 30% 2×102 1×103 ○ 良 35% 2×102 1×103 △ 悪 *1) ○:非常に良好 △:良好 ×:不良
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の画像形成方法について示す説明図であ
る。
【図2】本発明の画像形成の原理について示す説明図で
ある。
【符号の説明】
11 感光体 13 導電性支持体 15 感光層 21 帯電ユニット 23 磁気ブラシローラ 25 帯電用マグローラ 27 帯電スリーブ 29 帯電用粒子 31 帯電バイアス電源 41 LED露光光学系 51 現像ユニット 53 現像ローラ 55 現像マグローラ 57 現像スリーブ 59 現像バイアス電源 71 転写ユニット 73 転写ローラ 77 転写バイアス電源 81 定着ユニット 83 定着ローラ 85 加圧ローラ 91 現像剤 93 トナー 95 紙 99 クリーニングブレード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 向高 寿 東京都世田谷区玉川台2丁目14番9号 京セラ株式会社東京用賀事業所内 (56)参考文献 特開 昭62−217254(JP,A) 特開 平3−164752(JP,A) 特開 昭62−294259(JP,A) 特開 昭62−175766(JP,A) 特開 平4−355769(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G03G 9/10

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 キャリア粒子の集合体からなり、粒径3
    5μm以下のキャリア粒子を15重量%以上含み、前記
    キャリア粒子の集合体の体積固有抵抗を10〜10
    Ω・cmの範囲とするとともに、前記キャリア粒子の平
    均粒径を25〜40μm未満とした静電潜像現像剤用磁
    性キャリア。
  2. 【請求項2】 粒径25μm以下のキャリア粒子を15
    〜50重量%含む請求項1に記載の静電潜像現像剤用磁
    性キャリア。
  3. 【請求項3】 粒径20μm以下のキャリア粒子を15
    〜30重量%含む請求項1に記載の静電潜像現像剤用磁
    性キャリア。
  4. 【請求項4】 直接重合法により得られた導電性樹脂層
    を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項
    に記載の静電潜像現像剤用磁性キャリア。
  5. 【請求項5】 磁性キャリア粒子とトナー粒子とを含
    み、当該磁性キャリア粒子が、キャリア粒子の集合体か
    らなり、粒径35μm以下のキャリア粒子を15重量%
    以上含み、前記キャリア粒子の集合体の体積固有抵抗を
    10〜10Ω・cmの範囲とするとともに、前記
    ャリア粒子の平均粒径を25〜40μm未満としたこと
    を特徴とする静電潜像現像剤。
  6. 【請求項6】 キャリア粒子の15〜50重量%が粒径
    25μm以下である請求項5に記載の静電潜像現像剤。
  7. 【請求項7】 キャリア粒子の15〜30重量%が粒径
    20μm以下である請求項5記載の静電潜像現像剤。
  8. 【請求項8】 現像剤としての体積固有抵抗が10
    10Ω・cmの範囲にある請求項5〜7のいずれか一
    項に記載の静電潜像現像剤。
  9. 【請求項9】 キャリア粒子の表面にトナー粒子が1
    層最密充填付着したときのトナー粒子量を最大トナー被
    覆量と定義したとき、最大トナー被覆量の10〜80%
    のトナー粒子を含む請求項5〜7のいずれか一項に記載
    の静電潜像現像剤。
  10. 【請求項10】 感光体を均一帯電させる帯電工程;選
    択的な光照射により感光体の帯電電位を選択的に低下せ
    しめて低電位部と高電位部とよりなる静電潜像を感光体
    上に形成する潜像形成工程;静電潜像が形成された感光
    体と現像剤とを接触せしめて、トナーを選択的に感光体
    上に付着せしめ、トナーからなる画像を感光体上に形成
    する現像工程を含み、 前記現像剤として、磁性キャリア粒子とトナー粒子とを
    含み、当該磁性キャリア粒子が、キャリア粒子の集合体
    からなり、粒径35μm以下のキャリア粒子を15重量
    %以上含み、当該キャリア粒子の集合体の体積固有抵抗
    を10〜10Ω・cmの範囲とするとともに、当該
    キャリア粒子の平均粒径を25〜40μm未満とした現
    像剤を用いることを特徴とする画像形成方法。
  11. 【請求項11】 体積固有抵抗が10〜10Ω・c
    mの範囲にある現像剤を使用することを特徴とする請求
    項10に記載の画像形成方法。
  12. 【請求項12】 キャリア粒子の表面にトナー粒子が1
    層最密充填付着したときのトナー粒子量を最大トナー被
    覆量と定義したとき、最大トナー被覆量の10〜80%
    のトナー粒子を含む現像剤を用いる請求項10に記載の
    画像形成方法。
  13. 【請求項13】 感光体を均一帯電させる帯電工程;選
    択的な光照射により感光体の帯電電位を選択的に低下せ
    しめて低電位部と高電位部とよりなる静電潜像を感光体
    上に形成する潜像形成工程;静電潜像が形成された感光
    体と現像剤とを接触せしめて、トナーを選択的に感光体
    上に付着せしめ、トナーからなる画像を感光体上に形成
    する現像工程を含み、 前記現像剤として、磁性キャリア粒子とトナー粒子とを
    含み、当該磁性キャリア粒子が、キャリア粒子の集合体
    からなり、粒径35μm以下のキャリア粒子を15重量
    %以上含み、当該キャリア粒子の集合体の体積固有抵抗
    を10〜10Ω・cmの範囲とするとともに、当該
    キャリア粒子の平均粒径を25〜40μm未満とした現
    像剤を用い、かつ前記感光体の感光層の静電容量を下記
    式(I)で表わしたとき、ke/d>0.3(1/μ
    m)を満足する感光層を有する感光体を用いることを特
    徴とする画像形成方法。 【数1】 C=ke×εo×S/d …(I) (C:静電容量ke:感光層の比誘電率εo:真空の誘
    電率S:面積d:感光層の膜厚)
  14. 【請求項14】 体積固有抵抗が10〜10Ω・c
    mの範囲にある現像剤を使用することを特徴とする請求
    項13に記載の画像形成方法。
  15. 【請求項15】 キャリア粒子の表面にトナー粒子が1
    層最密充填付着したときのトナー粒子量を最大トナー被
    覆量と定義したとき、最大トナー被覆量の10〜80%
    のトナー粒子を含む現像剤を用いることを特徴とする請
    求項13に記載の画像形成方法。
  16. 【請求項16】 前記帯電工程において感光体を500
    ボルト以下に帯電せしめることを特徴とする請求項10
    〜15のいずれか一項に記載の画像形成方法。
  17. 【請求項17】 前記潜像形成工程において、静電潜像
    の高電位部と低電位部との電位差を450V以下とする
    ことを特徴とする請求項10〜15のいずれか一項に記
    載の画像形成方法。
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