JP3768702B2 - 現像装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば電子写真複写機、電子写真プリンター等の画像形成装置に関し、特にその現像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザービームプリンターや複写機等の電子写真方式の画像形成装置において、その現像装置は粉体状の現像剤、すなわちトナーを用いている。このトナーは、現像容器内に収容され、現像剤搬送手段により現像剤担持体へ搬送され、現像剤担持体上に担持される。そして規制部材により現像剤層厚を規制するとともに所定の電荷を付与された後、現像剤担持体と像担持体とが対向した現像領域へ搬送され、像担持体上の静電潜像の現像に使用される。
【０００３】
図１４に、従来の現像装置の一例として磁性１成分現像装置を示す。本現像装置は、磁性１成分現像剤の磁性トナー（図示せず）を収容した現像容器４３を備え、この磁性トナーは、平均粒径６．６〜９．０μｍ程度で、絶縁性のネガトナーとされている。現像容器４３の開口部には、現像剤担持体としてアルミニウムのパイプから形成された現像スリーブ４０が、感光ドラム１と３００μｍ程度の間隔をあけて回転自在に設置されている。本例の現像装置は小型に構成されており、それにともない、現像スリーブ４０は直径１２ｍｍとされている。この現像スリーブ４０の表面は、その上に所望量のトナーを担持して搬送できるように、適当な表面粗さに加工されている。
【０００４】
現像スリーブ４０の内側には、直径１０ｍｍのマグネットローラ４２が非回転に配設され、このマグネットローラ４２には磁極Ｎ、Ｓが交互に２組形成されている。現像スリーブ４０の上方には、現像剤規制部材として、たとえばウレタンゴム製の弾性ブレード４１が設置され、この弾性ブレード４１は、現像スリーブ４０の表面に８ｇ／ｃｍ程度の当接圧で当接されている。現像容器４３の奥側には、現像剤搬送部材１５が設置されている。
【０００５】
弾性ブレード４１の当接圧はいわゆる引き抜き圧で、本明細書においては、弾性ブレードの当接圧は全て引き抜き圧を示す。引き抜き圧は図１５に示すように測定した。
【０００６】
図１５に示すように、厚さ２５μｍのＳＵＳ薄板４５ａを折り曲げて、その中間に同じ厚さの別のＳＵＳ薄板４５ｂを挟んだものを、現像スリーブ４０とこれに当接した弾性ブレード４１との間に挿入し、中間のＳＵＳ薄板４５ｂを図示しないバネ秤で引っ張って、引き抜けた際のバネ秤の荷重の読みをＳＵＳ薄板４５ｂの幅、すなわち引き抜き方向の長さで割って求めた。これを引き抜き圧の測定値とした。
【０００７】
現像容器４３内に収容された磁性トナーは、搬送部材１５により現像スリーブ４０に送られ、マグネットローラ４２の磁力により現像スリーブ４０の表面に担持される。担持されたトナーは、現像スリーブ４０の回転にともない弾性ブレード４１のところに運ばれ、そこで現像スリーブ４０に当接した弾性ブレード４１により層厚を適当量に規制され、さらに現像スリーブ４０と弾性ブレード４１との間で摺擦されることにより、適当な摩擦帯電電荷を付与される。
【０００８】
層厚を規制され、摩擦帯電電荷を付与された磁性トナーは、現像スリーブ４０の回転につれて感光ドラム１と対向した現像領域へと搬送され、感光ドラム１上に形成された静電潜像の現像に供される。
【０００９】
現像時、高圧電源４４により現像スリーブ４０に交流と直流を重畳した現像バイアスが印加され、この現像バイアスの交流成分の電位変化に従い、現像スリーブ４０上のトナーが、あたかもジャンプをし続けているかのように、現像スリーブ４０と感光ドラム１との間を往復しながら、感光ドラム１上の潜像に付着していき、潜像を現像する。現像により潜像はトナー像として可視化される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、画像の高画質化のために、静電潜像に忠実な画像の再現を目的として、トナーの微粒子化が進められているが、重量平均粒径Ｄ４が６．５μｍ以下の微粒子トナーは帯電しづらいので、前記の図１４の小型の現像装置に使用すると、画像の濃度薄を発生する傾向があることが分かってきた。
【００１１】
図１６に、画像形成枚数に対する画像濃度の推移のトナーの平均粒径６μｍおと８μｍとによる違いを示す。
【００１２】
なお、トナーの平均粒径は種々の方法で測定できるが、本明細書では、コールターマルチサイザーII型（コールター社製）を用いて行った。測定方法はつぎの通りである。
【００１３】
電解液として、１級塩化ナトリウムを用いて約１％のＮａｃｌ水溶液を調製する（市販品としてコールターサイエンティフィックジャパン社製のＩＳＯＴＲＯＮ（Ｒ）-II が入手できる）。まず、電解液１００〜１５０ｍｌ中に分散剤として界面活性剤、好ましくはアルキルベンゼンスルホン酸塩を０．１〜５ｍｌ加え、さらに測定試料のトナーを２〜２０ｍｇ加える。ついで、試料を懸濁した電解液を超音波分散器で約１〜３分間分散処理した後、上記の測定装置により１００μｍのアパーチャーを用いて、トナーの体積、個数を測定し、体積分布と個数分布を算出する。つぎに体積分布から求めた重量基準の重量平均粒径Ｄ４（各チャンネルの中央値をチャンネルごとの代表値とする）を求める。
【００１４】
さて、図１６に示されるように、平均粒径８μｍのトナーを使用した場合には、画像の濃度は、画像形成初期で薄い傾向にあるが、２５００枚の画像形成の後期に至るまで全体的に濃い。これに対し、平均粒径６μｍのトナーを使用した場合は、画像濃度は、画像形成初期に特に薄い他、画像形成の後期に至るまで全体的に薄い。
【００１５】
これから分かるように、小型の現像装置に平均粒径６．５μｍ以下の微粒子トナーを使用した場合は、画像の濃度薄が生じる傾向にあり、改善の必要がある。
【００１６】
そこで、図１４の現像装置で、弾性ブレード４１の現像スリーブ４０への当接圧（引き抜き圧）を８ｇ／ｃｍから３０ｇ／ｃｍ程度に引き上げて、弾性ブレード４１による微粒子トナーの摩擦帯電性を高めたところ、微粒子トナーに大きな帯電電荷が付与されて、画像の濃度薄が改善された。
【００１７】
図１７に、弾性ブレードの当接圧に対するベタ黒画像の初期濃度の推移を示す。図１７に示されるように、ベタ黒画像の濃度を画像形成初期から満足できるようにするためには、弾性ブレード４１の当接圧を２０ｇ／ｃｍ以上にする必要がある。
【００１８】
しかしながら、小径、薄肉の現像スリーブ４０に対し、このように弾性ブレード４１の当接圧を高めると、現像スリーブ４０は撓んでしまい、現像スリーブ４０が長手方向中央部で内側のマグネットローラ４２に近づいて、ついには現像スリーブ４０がマグネットローラ４２と接触する事態を生じる。
【００１９】
マグネットローラ４２への接触があると、現像スリーブ４０は回転にともないマグネットローラ４２と摺擦し、また異音が発生したり、現像スリーブ４０の回転トルクが高くなるといった弊害を引き起こす。
【００２０】
このように、平均粒径６．５μｍ以下の微粒子トナーによる現像で濃度薄を回避するには、弾性ブレード４１による高い当接圧に耐えられるように、現像スリーブ４０の直径をたとえば１６ｍｍ程度に大きくし、厚さを増して、強度を強くする等の対策が必要となる。
【００２１】
しかしながら、その場合には、現像装置の大型化を招く。またプロセスカートリッジでは小型化の要請が強いが、その小型化を十分に達成できない。
【００２２】
本発明の目的は、弾性ブレードの当接圧を高くしないでも、微粒子トナーを用いた現像で濃度薄を防止することができ、現像スリーブの小径化等による小型化を可能とした現像装置、それを備えた画像形成装置を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的は本発明に係る現像装置および画像形成装置にて達成される。要約すれば、本発明は、現像剤担持体上に現像剤を担持し、現像剤担持体に当接した弾性ブレードにより現像剤担持体上の現像剤の量を規制しながら、現像剤担持体により現像剤を像担持体と対向した現像領域へ搬送し、像担持体上に形成された静電潜像を現像剤により、現像剤担持体に現像バイアスを印加下に現像する現像装置において、
前記現像剤は、重量平均粒径が６．５μｍ以下のネガ帯電性の磁性トナーであり、現像剤の帯電極性と逆極性のポジ帯電性のチタン酸ストロンチウム又はメラニン樹脂の粒子が外添されており、このポジ帯電性の粒子は現像剤と接離可能であり、さらに、前記弾性ブレードの現像剤担持体への当接圧が２０ｇ／ｃｍ以下であり、
前記現像バイアスは、直流電圧と、前記現像領域において現像剤担持体上の現像剤に対し、現像剤担持体から像担持体に向かう方向に力を及ぼす第１ピーク電圧Ｖ１と、像担持体から現像剤担持体に向かう方向に力を及ぼす第２ピーク電圧Ｖ２とが交互に現れる振動電圧とを重畳してなり、前記第１、第２ピーク電圧Ｖ１、Ｖ２が、前記像担持体表面の明部電位ＶＬ、暗部電位ＶＤ、現像剤担持体と像担持体とのＳＤギャップＨに関し、
｜Ｖ１−ＶＬ｜／Ｈ≧３．７×１０ ^−６ Ｖ／ｍ
｜Ｖ２−ＶＤ｜／Ｈ≦２．９×１０ ^−６ Ｖ／ｍ
の関係を満たすことを特徴とする現像装置である。
【００２４】
本発明の一実施態様によれば、前記現像剤担持体は直径が１４ｍｍ以下である。
【００２６】
さらに、本発明は、少なくとも、像担持体と、像担持体上に帯電および露光により静電潜像を形成する潜像形成手段と、像担持体上に形成された静電潜像を現像する現像装置とを備えた画像形成装置において、前記現像装置が上記の現像装置であることを特徴とする画像形成装置である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施例を図面に則して更に詳しく説明する。
【００２９】
図１は、本発明の画像形成装置の一実施例を示す概略構成図である。本画像形成装置は、電子写真プロセスを利用したレーザービームプリンターで、プロセスカートリッジ方式とされている。
【００３０】
図１に示すように、プリンターは、プリンター本体に着脱自在なプロセスカートリッジ１６を備え、このカートリッジ１６は、感光ドラム１、帯電ローラ２、現像装置３およびクリーニング装置９の４つのプロセス機器を、カートリッジフレーム２３内に組み込んでなっている。プロセスカートリッジ１６は、プリンター本体側の複数箇所の支持部材１４で受けることにより、プリンター本体に対し着脱自在に装着され、位置決めされる。
【００３１】
なお、本発明で、プロセスカートリッジとは、感光ドラム１の他に、帯電ローラ２、現像装置３およびクリーニング装置９のうちの少なくとも１つを組み合わせて構成したものならば、いずれでもよい。
【００３２】
プロセスカートリッジ１６のフレーム２３の上面部分には、レーザービームＬが侵入するスリット窓穴部２４が設けられている。またフレーム２３の下面部分は開口していて、そこに感光ドラム１の下面露出部に対する図示しない開閉シャッターが設けられている。このシャッターは、プロセスカートリッジ１６をプリンター本体から取り出したときは閉じて、感光ドラム１の下面を覆い、プリンター本体へ装着したときには開いて、感光ドラム１の下面を露出するようになっている。
【００３３】
またプロセスカートリッジ１６はプリンター本体に装着されると、プリンター本体と機械的、電気的にカップリングして、プリンター本体側の駆動機構で感光ドラム１や現像装置３の現像スリーブ６等の駆動を可能とし、プリンター本体側の電源から帯電ローラ２や現像スリーブ６等への所定のバイアスが印加可能としてある。
【００３４】
感光ドラム１は、回転ドラム型の電子写真感光体で、本実施例では、円筒状のアルミニウム製基体の外周に、有機光導電体層（ＯＰＣ）からなる感光体層を形成してなっており、アルミニウム基体は接地されている。感光ドラム１は、矢印の時計方向に所定の周速度（プロセススピード）、たとえば５０ｍｍ／秒で回転駆動される。
【００３５】
感光ドラム１はその回転過程で、帯電ローラ２により表面を所定の極性、所定の電位ＶD （暗部電位）に一様帯電される。帯電ローラ２は、感光ドラム１の表面に接触して従動回転し、高圧電源１８からの交流電圧と直流電圧を重畳した振動電圧の印加により、感光ドラム１の表面を帯電する。本実施例では、感光ドラム１の表面を暗部電位ＶD ＝−６００Ｖに帯電した。
【００３６】
帯電された感光ドラム１に対し、レーザースキャナ５から画像情報の時系列電気デジタル画像信号に対応して変調されたレーザービームＬが出力され、レーザービームＬは、反射ミラー４を介して感光ドラム１の表面を走査露光し、感光ドラム１の表面に目的の画像情報に応じた静電潜像が、暗部電位ＶD を背景部電位として電位ＶL （明部電位）で形成される。本実施例では、静電潜像を明部電位ＶL ＝１５０Ｖで形成した。
【００３７】
感光ドラム１に形成された静電潜像は、現像装置３により負に帯電したトナーを用いて反転現像され、トナー像として可視化される。現像時、現像装置３の現像スリーブ６に高圧電源２０から所定の現像バイアスが印加される。現像装置３について後で詳述する。
【００３８】
一方、図示しない給紙部から転写ガイド７を経て搬送された記録材Ｐが、感光ドラム１とこれに当接した転写ローラ８との当接ニップ部（転写部）に、感光ドラム１上のトナー像の形成とタイミングを合わせて供給される。感光ドラム１上のトナー像は、図示しない高圧電源からの所定の転写バイアスを印加した転写ローラ８により、記録材Ｐの表面に転写される。
【００３９】
トナー像の転写を受けた記録材Ｐは、転写部を経て定着装置３０へ導入され、そこで加熱および加圧することにより、トナー像を記録材Ｐの表面に固定する定着処理をした後、画像形成物（プリント）として、プリンターの機外に排出される。
【００４０】
現像装置３は、図２に示すように、現像剤として磁性１成分現像剤の磁性トナーを収容した現像容器１２を有し、現像容器１２の開口部に前記の現像スリーブ６が、感光ドラム１と所定の間隔をあけて回転自在に設置されている。現像スリーブ６は小径、薄肉とされ、直径１２ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウムパイプからなっている。現像スリーブ６の表面は、導電性樹脂層を形成して粗面化している。導電性樹脂層は、フェノール樹脂にカーボン粒子、固体潤滑性を有するグラファイトを混合して形成されている。
【００４１】
現像スリーブ６の内側には、直径１０ｍｍのマグネットローラ１１が非回転に配設され、このマグネットローラ１１には磁極Ｎ１、Ｓ１、Ｎ２、Ｓ２が交互に形成されている。現像スリーブ６の上方には、現像剤規制部材として弾性ブレード１０が設置され、この弾性ブレード６は現像スリーブ４０の表面に所定の当接圧で当接されている。現像容器１２の奥側には、現像剤搬送部材１５が設置されている。
【００４２】
磁性トナーは、ネガ帯電性の高抵抗絶縁性トナーであり、平均粒径（重量平均粒径Ｄ４）６μｍの微粒子トナーとされている。この微粒子トナーは、バインダー樹脂１００重量部に対し、磁性体を１００重量部、ネガ帯電性の荷電制御剤を１重量部配合して、これらを混合し、溶融混練し、粉砕し、重量平均粒径Ｄ４が６μｍの分級品とし、さらに分級品１００重量部に対して、疎水性シリカ微粉体を１．５重量部、およびポジ性外添剤としてのチタン酸ストロンチウムを０．６重量部、乾式混合して製造した。
【００４３】
現像容器１２内に収容された磁性トナーは、搬送部材１５により現像スリーブ６に送られ、マグネットローラ１１の磁力により現像スリーブ６の表面に担持される。担持されたトナーは、現像スリーブ６の回転にともない弾性ブレード１０のところに運ばれ、そこで現像スリーブ６に当接した弾性ブレード１０により層厚を適当量に規制され、さらに現像スリーブ６と弾性ブレード１０との間で摺擦されることにより、適当な摩擦帯電電荷を付与される。
【００４４】
マグネットローラ１１の磁力は、感光ドラム１との対向位置の磁極Ｓ１が７５ｍＴ、弾性ブレード１０付近の磁極Ｎ１が６５ｍＴ、現像容器１２の奥方向を向いた磁極Ｓ２が６０ｍＴ、現像スリーブ６下部との対向位置の磁極Ｎ２が６５ｍＴである。
【００４５】
層厚を規制され、摩擦帯電電荷を付与されたトナーは、現像スリーブ６の回転につれて現像領域へと搬送され、感光ドラム１上に形成された静電潜像の現像に供される。現像時、高圧電源２０により現像スリーブ６に交流と直流を重畳した現像バイアスが印加される。現像バイアスについては後述する。
【００４６】
ところで、重量平均粒径Ｄ４が６．５μｍ以下の微粒子トナーは、摩擦帯電しづらいので、十分な摩擦帯電電荷を付与しようとしたら、弾性ブレード１０の当接圧を高くする必要があるが、小型の現像装置では、現像スリーブ６が小径、薄肉になるので、弾性ブレード１０による押圧で撓みやすい。
【００４７】
そこで、本発明は、弾性ブレード１０の当接圧を２０ｇ／ｃｍ以下に小さくしても、帯電しづらい微粒子トナーに十分に帯電電荷を付与できるようにして、現像画像の濃度薄を防止することにある。以下、詳述する。
【００４８】
本実施例で、磁性トナーは、ネガ帯電性の平均粒径（重量平均粒径Ｄ４）６μｍの微粒子トナーとしたが、この微粒子トナーは、通常の外添剤の疎水性シリカ微粉体の他に、前記のように、ポジ性外添剤のチタン酸ストロンチウムを外添して使用した。このポジ性外添剤を、トナー粒子間に介在して電荷付与を行う、いわゆるマイクロキャリアとして作用する。このようなネガ帯電性のトナーに対するポジ性外添剤としては、上記の他にメラニン樹脂粒子などを使用することもできる。
【００４９】
弾性ブレード１０は、厚さ０．９ｍｍのウレタンゴムを支持板金に接着して構成したが、本実施例では、この弾性ブレード１０を現像スリーブ６に、従来の３０ｇ／ｃｍよりも低い８ｇ／ｃｍの当接圧（引き抜き圧）で当接した。
【００５０】
上記８ｇ／ｃｍの低当接圧の弾性ブレード１０でポジ性外添剤を添加した微粒子トナーを規制したときの、現像スリーブ６へのトナーコート量Ｍ／Ｓとトナーの平均電荷量Ｑ／Ｍを表１に示す。また、ポジ性外添剤の添加のない微粒子トナーを、弾性ブレード１０の当接圧を８ｇ／ｃｍ、２０ｇ／ｃｍ、３０ｇ／ｃｍとして規制したときの結果を、比較例１、２、３として、表１に併せて示す。
【００５１】
【表１】

【００５２】
表１に示されるように、本発明によれば、ネガの微粒子トナーへポジ性外添剤を添加したので、規制後の現像スリーブ６上のトナーに、比較例２、３の弾性ブレード１０の当接圧２０〜３０ｇ／ｃｍに相当する平均電荷量Ｑ／Ｍ＝−１２μＣ／ｇが得られた。
【００５３】
弾性ブレードの当接圧に対するネガ微粒子トナーの平均電荷量Ｑ／Ｍの変化のトナーへのポジ性外添剤の添加の有無による違いを図３に、同じく、弾性ブレードの当接圧に対するトナーのコート量の変化の違いを図４に示す。図３、図４に示されるように、現像スリーブ６へのトナーのコート量は、ネガの微粒子トナーへのポジ性外添剤の添加の有無の違いによる変化がほとんど認められないが、トナーの平均電荷量は、ポジ性外添剤の添加により、かなり上昇することが分かる。
【００５４】
このように、本発明は、微粒子トナーにこれと帯電性が逆極性の外添剤を添加することにより、低当接圧の弾性ブレードによる規制で、トナーに十分な平均電荷量を達成するものである。
【００５５】
本発明をさらに説明すると、従来、トナーの帯電の機会には、トナー粒子相互の摩擦、トナーの現像スリーブ６との摩擦、および弾性ブレード１０との摩擦がある。しかしながら、トナー粒子相互の摩擦は、トナーの大半が現像容器１２内を循環し、摩擦の機会が圧倒的に多いにもかかわらず、同極性トナー同士の摩擦であるため、トナーの帯電にほとんど寄与しない。したがって、トナーは、主として、現像スリーブ６や弾性ブレード１０との摩擦で帯電せざるを得ず、このためトナーの帯電が不十分となる。特に平均粒径６．５μｍ以下の微粒子トナーは、粒径が小さいため同一重量のトナーでも、粒径の大きいトナーよりも個数が多くなり、個々のトナーは現像スリーブ６や弾性ブレード１０との接触の機会が少なくなるため、帯電がより不十分となる。
【００５６】
本発明では、上記のトナーと現像スリーブ６および弾性ブレード１０との摩擦帯電に加えて、前述したように、ネガ性の微粒子トナーにポジ性外添剤を添加して、ネガ性トナーとポジ性外添剤の摩擦といった新たな帯電の機会を与えた。このポジ性外添剤は、ネガ性の微粒子トナーのトナー粒子間に介在して、いわゆるマイクロキャリアとして働き、スペーサおよびコロ的な役割をしながら、トナーと摩擦してトナーに帯電電荷を付与する。このようなポジ性外添剤を添加したトナーによれば、現像容器１２内での循環中に十分な摩擦帯電がなされ、現像に適当な帯電電荷を獲得することが可能となる。
【００５７】
図５により、ポジ性外添剤のマイクロキャリアとしての作用をさらに説明する。
【００５８】
図５（ａ）において、ネガ性の微粒子トナーＴの平均粒径Ｒｓ＝６μｍ、ポジ性外添剤ｍの平均粒径Ｒｐ＝１μｍで、トナーＴとポジ性外添剤ｍの粒径比はＲｓ：Ｒｐ＝６：１であり、ポジ性外添剤ｍは、常時、トナーＴに付着できるほど小さくない。このため、外添剤ｍは、現像容器１２内での循環中のメカニカルな力により、トナーＴと相互に接触したり離れたりして、電荷のやりとりをする。
【００５９】
つまり、図５（ａ）に示すように、ポジ性外添剤ｍがネガ性の微粒子トナーＴの不定形の表面で接触しつつ回転し、微粒子トナーＴに電子ｅを与え、ポジ性外添剤ｍ自身はプラスの電荷を受け取る。その後、ポジ性外添剤ｍが微粒子トナーＴを離れると、微粒子トナーＴは受け取った電子ｅの分だけ、よりネガ方向に帯電することになる。
【００６０】
これに対し、図５（ｂ）に示す通常粒径の従来のネガ性のトナーＴ′は、平均粒径Ｒｓ＝８μｍで、トナーＴ′とポジ性外添剤ｍ（平均粒径Ｒｐ＝１μｍ）の粒径比はＲｓ：Ｒｐ＝８：１であり、ポジ性外添剤ｍは従来トナーＴ′と比べてかなり小さくなるので、トナーＴ′に付着しやすい。このため、現像容器１２内での循環中のメカニカルな力に対し、外添剤ｍがトナーＴ′から振り落とされづらい。
【００６１】
つまり、図５（ｂ）に示すように、ネガ性のトナーＴ′の不定形の表面でのポジ性外添剤ｍの接触、回転により、トナーＴ′が外添剤ｍから電子ｅをもらってネガに帯電しても、自身がプラスに帯電した外添剤ｍがトナーＴ′に付着したままであると、トナーＴ′のマイナスの電荷が中和される。したがって、ポジ性外添剤ｍはトナーＴ′を良好に帯電できない。
【００６２】
このように、ポジ性外添剤はマイクロキャリアとして、従来トナーのときよりも微粒子トナーに対して効果的に働いて、微粒子トナーに現像に適当な帯電電荷を獲得させることができる。
【００６３】
図６は、弾性ブレードの当接圧に対するベタ黒画像の初期濃度の変化のネガ微粒子トナーへのポジ性外添剤の添加の有無による違いを示すグラフである。図６に示されるように、弾性ブレード１０の当接圧が２０ｇ／ｃｍ以下でも、微粒子トナーにポジ性外添剤を添加すれば、１．３６以上の初期ベタ黒濃度が得られており、画像形成初期から十分な濃度を得ることができるのが分かる。
【００６４】
ところで、ポジ性外添剤は、ネガトナーと帯電極性が逆極性であるため、画像上白地部（暗部電位部）に飛翔しやすく、また印字比率上、通常は白地部の方が黒地部よりも多く、画像形成初期からポジ性外添剤が消費されやすいので、これらに対する対策が必要となる。ポジ性外添剤の白地部への飛翔を防止して消費を抑えるためには、現像バイアスを弱めればよいが、そうすると、微粒子トナーの現像性も低下してしまう。
【００６５】
そこで、本発明では、現像スリーブ６に印加する現像バイアスを、白地部へのポジ性外添剤の飛翔による消費を抑え、同時に微粒子トナーの現像性を低下させないように工夫した。
【００６６】
前述したように、現像スリーブ６は両端のスペーサにより、感光ドラム１との間隔（ＳＤギャップ）を３００μｍに保持されている。本発明では、現像時、この現像スリーブ６に感光ドラム１との間で、現像バイアスとして、図７（ａ）に示すような矩形波の交流バイアスを印加した。反転現像系では、静電潜像は明部電位ＶL 部で形成され、ネガ帯電しているトナーは、現像バイアスの印加によって、明部電位ＶL 部に向かって飛翔し付着する。すなわち潜像を現像する。
【００６７】
図７（ａ）において、矩形波の交流バイアスは、ピーク間電圧Ｖｐｐ＝１５００Ｖ、周波数ｆ＝１８００Ｈz で、第１ピーク電圧Ｖ１は現像促進電位でＶ１＝−１３５０Ｖ、第２ピーク電圧Ｖ２は現像引き戻し電位でＶ２＝＋１５０Ｖである。第１ピーク電圧の時間Ｔ１と第２ピーク電圧の時間Ｔ２の比Ｔ１／Ｔ２がデューティー比（略してデューティー（ｄｕｔｙ））で、デューティーが５０％でない矩形波交流バイアスをデューティーバイアスと呼ぶ。本デューティーバスは、デューティー比３６．７％であり、こうすると、直流成分ＶdcはＶdc＝−４００Ｖであった。感光ドラム１の明部電位ＶL ＝−１５０Ｖ、暗部電位ＶD ＝−６００Ｖである。
【００６８】
図７（ａ）の本発明バイアスにおいて、実線の長い方の矢印は、ネガ帯電のトナーの現像スリーブ６からの感光ドラム１への飛翔を示し、トナーは、現像促進電位Ｖ１と明部電位ＶL の差｜Ｖ１−ＶL ｜＝１２００Ｖに比例して飛翔が起こり、現像が促進される。実線の短い方の矢印は、上記と逆に、ネガ帯電のトナーの感光ドラム１からの現像スリーブ６への引き戻しを示し、トナーは、現像引き戻し電位Ｖ２と明部電位ＶL の差｜Ｖ２−ＶL ｜＝３００Ｖに比例して引き戻しが起こる。
【００６９】
図７（ｂ）に従来の現像バイアスを示す。図７（ｂ）に示す従来バイアスは、デューティー比５０％の通常の矩形波交流バイアスであり、ピーク間電圧Ｖｐｐ＝１５００Ｖ、周波数ｆ＝１８００Ｈz で、現像促進電位（第１ピーク電圧）Ｖ１＝−１１５０Ｖ、現像引き戻し電位（第２ピーク電圧）Ｖ２＝＋３５０Ｖである。直流成分は、図７（ａ）の場合と同様、Ｖdc＝−４００Ｖである。
【００７０】
図７（ｂ）の従来バイアスによれば、ネガ帯電のトナーは、現像促進電位Ｖ１と明部電位ＶL の差｜Ｖ１−ＶL ｜＝１０００Ｖに比例して、現像スリーブ６から感光ドラム１方向へ飛翔し、現像引き戻し電位Ｖ２と明部電位ＶL の差｜Ｖ２−ＶL ｜＝５００Ｖに比例して、感光ドラム１から現像スリーブ６方向へ引き戻される。
【００７１】
一般に、感光ドラム１との間で現像促進電界Ｅが作用する現像スリーブ６上の電荷ｑのトナーに働く力は、トナーを現像スリーブに止める方向に、ファンデルワールス力や磁力がｑの０次（定数）で、鏡映力がｑの２次で働き、トナーを現像スリーブから飛翔させる方向に、現像バイアスがｑの１次で働くから、現像スリーブからトナーが飛翔するためには、ファンデルワールス力および磁力をＭ（定数）、ｋを鏡映力の係数として、
ｑ×Ｅ≧（Ｍ＋ｋ×ｑ² ）
の不等式が成り立てばよい。
【００７２】
この不等式をｑについて解いて、その解をｑ１、ｑ２とすれば、トナーの電荷ｑが、
ｑ１≦ｑ≦ｑ２
の範囲にあれば、トナーは現像スリーブから感光ドラムへ向けて飛翔することができる。
【００７３】
なお、一般にトナーの電荷ｑがｑ＜ｑ１であれば、電荷不足による濃度薄が生じ、ｑ２＜ｑであれば、チャージアップによる濃度薄が生じる。
【００７４】
上記の現像促進電界Ｅは、現像スリーブ６と感光ドラム１とのＳＤギャップをＨとすれば、現像促進電位Ｖ１、明部電位ＶL から、
Ｅ＝｜Ｖ１−ＶL ｜／Ｈ
である。
【００７５】
トナーは、現像促進電界Ｅに比例して、つまり電位差｜Ｖ１−ＶL ｜に比例して、現像スリーブから感光ドラムに向かう飛翔が開始される。この｜Ｖ１−ＶL ｜が低いと、トナーが現像スリーブから感光ドラムへ飛翔できる電荷量の範囲が狭まってしまう。
【００７６】
本実施例の現像バイアス（デューティーバイアス）と従来の現像バイアス（矩形交流バイアス）におけるトナー飛翔電荷範囲を表２に示す。
【００７７】
【表２】

【００７８】
表２に示されるように、本発明バイアスのデューティーバイアスの方が、従来バイアスよりもトナーを飛翔させる電位が高く、飛翔するトナーの電荷量の範囲が広がっていることが分かる。
【００７９】
トナーに働くファンデルワールス力や鏡映力は、現像スリーブに付着したトナーの粒径が小さくなると、トナーの質量中心からの現像スリーブまでの距離が短くなるので、大きくなることが知られている。表２でも、トナー粒径が８μｍから６μｍに小さくなると、ファンデルワールス力や鏡映力の増大により、飛翔し始めるトナーの電荷量が上昇していることが分かる。
【００８０】
前述した不等式の解の電荷ｑ１は、これ以上の電荷量になるとトナーが飛翔するので、トナーの飛翔開始電荷量である。トナー飛翔電位｜Ｖ１−ＶL ｜に対するトナーの飛翔開始電荷量ｑ１におけるトナーの平均粒径８μｍと６μｍによる変化の違いを図９に示す。図９において、各粒径に対するデータを結んだ曲線よりも上の領域が、それぞれの粒径のトナーが飛翔できる電荷量の範囲である。
【００８１】
図９に示されるように、トナーの平均粒径が８μｍであれば、トナーは比較的低い電荷量でも感光ドラムへ飛翔できる。これに対し、平均粒径６μｍの微粒子トナーでは、感光ドラムへ飛翔するのに高い電荷量を要し、低い電荷量ではトナー飛翔電位｜Ｖ１−ＶL ｜を高くしないと飛翔できなくなる。
【００８２】
微粒子トナーの電荷量は、ポジ性外添剤の添加効果により高くはなっているが、弾性ブレード１０の放置劣化などによる当接圧の極端な低下を考慮する必要があり、その場合には、８μＣ／ｇ程度に少なくなることがある。図９で、この８μＣ／ｇに対応する微粒子トナーの飛翔電位｜Ｖ１−ＶL ｜を見ると１１００Ｖであるから、そのときの現像促進電界Ｅは、ＳＤギャップ３００μｍとして、

である。
【００８３】
したがって、微粒子トナーを十分に飛翔できるようにするためには、現像促進電界Ｅが、
Ｅ＝│Ｖ１−ＶＬ│／Ｈ≧３．７×１０^−６Ｖ／ｍ ・・・（１）
を満たせばよい。
【００８４】
図７に示した本発明および従来の現像バイアスの電位図に、ポジ性外添剤の飛翔と引き戻しの動き方向を書き込んだ電位図を図８に示す。図８（ａ）、（ｂ）において、実線の矢印は、現像スリーブ６から感光ドラム１へポジ性外添剤が移動しやすく、点線の矢印は移動しにくいことを示している。表３にポジ性外添剤に作用する電位を示す。
【００８５】
【表３】

【００８６】
ポジ性外添剤はポジに帯電しており、現像スリーブ６から感光ドラム１のネガの暗部電位ＶD 部（白地部）に引き寄せられ、感光ドラム１へ飛翔しようとする。このポジ性外添剤のポジ電荷量は、ネガ性トナーの電荷量に比べて弱く、鏡映力やファンデルワールス力に打ち勝って、現像スリーブから感光ドラムへ飛翔するためには、十分な電位差｜Ｖ２−ＶD ｜が必要となる。
【００８７】
ポジ性外添剤の電界による働きを説明する。図１０は、現像スリーブに印加した直流電圧に対するポジ性外添剤の感光ドラムへの飛翔量を調べたグラフである。ポジ性外添剤の飛翔量は、飛翔したトナーに対する重量比で示してある。
【００８８】
ポジ性外添剤の飛翔量は、図１１に示すように、現像装置３の現像容器１２内にトナーを入れ、現像スリーブ６と感光ドラム１とのＳＤギャップ３００μｍで、現像スリーブ６に高圧電源２１から直流電圧を複数段に変更して印加し、各直流電圧値ごとに、飛翔した感光ドラム１上のトナーを回収し、回収したトナー中のポジ性外添剤の重量比を測定することにより行った。印加時間は、各直流電圧とも十分飛翔するのに足ると思われる１秒に定めた。
【００８９】
図１０に示されるように、現像スリーブに印加した直流電圧が低い領域では、ポジ性外添剤はトナーに付随した形（トナーに付着もしくはトナー間に保持）で飛翔し、飛翔量がトナーに対し約０．４％でほぼ一定しているが、直流電圧を上げていくと、８７０Ｖ以上からポジ性外添剤の飛翔量が急激に増加し、トナーから遊離したポジ性外添剤が電位差に引かれて飛翔し始めている。
【００９０】
この結果から、ポジ性外添剤はポジの帯電量が低いため、８７０Ｖ程度の閾値電位が必要であり、これ以上の電位差がないと単独では飛翔しないことが分かる。つまり、現像バイアスの交流電圧の第２ピーク電圧Ｖ２と感光ドラム１上の暗部電位ＶD との電位差｜Ｖ２−ＶD ｜が８７０Ｖ以下であると、ポジ性外添剤は現像スリーブ６との鏡映力やファンデルワールス力に打ち勝ってず、単独では飛翔しない。
【００９１】
実際には、現像スリーブ６と感光ドラム１との間の電界にしたがってポジ性外添剤は移動するため、そのときの飛翔しない電界Ｅ′を計算すると、ＳＤギャップＨ＝３００μｍとして、

となる。
【００９２】
したがって、ポジ性外添剤が飛翔しないためには、電界Ｅ′が、
Ｅ′＝｜Ｖ２−ＶD ｜／Ｈ≦２．９×１０^-6Ｖ／ｍ ・・・（２）
を満たせばよい。
【００９３】
先の表３に示したように、従来バイアスの場合、｜Ｖ２−ＶD ｜＝９５０Ｖであり、ポジ性外添剤が単独飛翔できる８７０Ｖ以上の電位差を有しており、ポジ性外添剤の飛翔により、画像形成初期に直ちに消費されてしまうことが分かる。これに対し、本実施例では、飛翔側の電位である第２ピーク電圧Ｖ２を１５０Ｖに低くして、｜Ｖ２−ＶD ｜＝７５０Ｖに小さくしているので、ポジ性外添剤の単独の飛翔がなく、画像形成後期まで消費が抑制される。
【００９４】
図１２は、本発明および従来の現像バイアスにおける画像形成枚数に対するポジ性外添剤の飛翔量の変化を調べたグラフである。本発明のデューティーバイアスによれば、ポジ性外添剤の飛翔が起こりにくく、ポジ性外添剤の消費を抑制して、２５００枚の画像形成後期まで、ポジ性外添剤を現像容器１２内に残存できることが分かる。
【００９５】
図１３は、本発明および比較例における画像形成枚数に対するベタ黒濃度の推移を示したものである。比較例１は、微粒子トナーに従来の現像バイアス印加を組み合わせた場合、比較例２は、微粒子トナーにポジ性外添剤の添加および従来の現像バイアスの印加を組み合わせた場合を示す。
【００９６】
図１３に示されるように、比較例１では、２５００枚の画像形成の最後まで濃度が薄い。比較例２では、ポジ性外添剤の添加効果で初期濃度は良好であるが、従来バイアスを用いているので、前述したように、ポジ性外添剤が初期に消費されてしまい、ポジ性外添剤による微粒子トナーへの電荷付与がなくなって、画像形成後半に濃度が低下してしまった。本発明では、図１３に示した２５００枚の画像形成を超えて、プロセスカートリッジの全寿命を通じ、濃度が低下することなく良好であった。
【００９７】
以上のように、本発明では、微粒子トナーに帯電性が逆極性の外添剤を添加して、外添剤との摩擦による微粒子トナーへの帯電を加えたので、弾性ブレードの当接圧を低くしても、微粒子トナーを良好に帯電することができる。
【００９８】
また、現像バイアスとして、矩形波交流のデューティーバイアスを使用し、その現像促進側となる第１ピーク電圧Ｖ１を高くしたので、微粒子トナーの現像性が低下せず、またポジ性外添剤の飛翔側となる第２ピーク電圧Ｖ２を低めたので、暗部電位部（白地部）へのポジ性外添剤の飛翔を防止して消費を抑えることができる。したがって、多数枚の画像形成の初期から最後まで、十分な濃度の画像を得ることができる。
【００９９】
以上の実施例では、微粒子トナーに対し逆極性の外添剤としてチタン酸ストロンチウムを用いたが、同様の作用を果たせば、これに限定されるものではない。また現像バイアスについても、電界の強さの条件式（１）、（２）を満たすものであれば、これに限定されるものではない。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、平均粒径６．５μｍ以下の微粒子トナーにチタン酸ストロンチウムなどの、トナーと帯電極性が逆極性の外添剤を添加して、外添剤粒子との摩擦によるトナーの帯電を加えたので、弾性ブレードの現像スリーブへの当接圧が低くても、微粒子トナーを良好に帯電することができ、その結果、微粒子トナーによる現像で画像に濃度薄が発生するのを防止することができる。したがって、現像スリーブが小径、薄肉で撓みやすい小型の現像装置にも適用でき、小型のプロセスカートリッジも実現可能である。さらに現像バイアスとして、矩形波交流の第１ピーク電圧が高く、第２ピーク電圧が低めのデューティーバイアスを用いたので、微粒子トナーを感光ドラムに十分に飛翔させる一方、外添剤の感光ドラムへの飛翔を防止してその消費を抑えることができ、多数枚の画像形成の初期から後半まで、十分な画像濃度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の画像形成装置の一実施例の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１の画像形成装置の現像装置の部分を示す断面図である。
【図３】図２の現像装置に設置した弾性ブレードの当接圧に対するネガ微粒子トナーの平均電荷量の変化のトナーへのポジ性外添剤の添加の有無による違いを示すグラフである。
【図４】弾性ブレードの当接圧に対するネガ微粒子トナーのコート量の変化のトナーへのポジ性外添剤の添加の有無による違いを示すグラフである。
【図５】本発明でネガ性トナーに添加したポジ性外添剤のマイクロキャリアとしての作用を微粒子トナーと従来トナーとで対比して示す説明図である。
【図６】弾性ブレードの当接圧に対するベタ黒画像の初期濃度の変化のネガ微粒子トナーへのポジ性外添剤の添加の有無による違いを示すグラフである。
【図７】本発明および従来の現像バイアスの波形にネガ性トナーの動き方向を書き込んだ電位図である。
【図８】図７においてネガ性トナーの代わりにポジ性外添剤の動き方向を書き込んだ電位図である。
【図９】トナー飛翔電位｜Ｖ１−ＶL ｜に対するトナーの飛翔開始電荷量ｑ１の変化のトナーの平均粒径８μｍと６μｍによる違いを示すグラフである。
【図１０】現像スリーブに印加した直流電圧に対するポジ性外添剤の感光ドラムへの飛翔量を飛翔トナーに対する重量比で示すグラフである。
【図１１】本発明で行ったポジ性外添剤の飛翔量の測定方法を示す説明図である。
【図１２】本発明および従来の現像バイアスにおける画像形成枚数に対するポジ性外添剤の飛翔量の変化を示すグラフである。
【図１３】本発明および比較例における画像形成枚数に対するベタ黒濃度の推移を示すグラフである。
【図１４】従来の現像装置を示す概略図である。
【図１５】本発明で行った弾性ブレードの当接圧の測定方法を示す説明図である。
【図１６】画像形成枚数に対する画像濃度の推移のトナーの平均粒径６μｍと８μｍによる違いを示すグラフである。
【図１７】図１４の現像装置におけるネガ微粒子トナー使用時の弾性ブレードの当接圧に対するベタ黒画像の初期濃度の推移を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 感光ドラム
３ 現像装置
６ 現像スリーブ
１０ 弾性ブレード
１２ 現像容器
１６ プロセスカートリッジ
２０ 高圧電源
ｍ ポジ性外添剤
Ｔ 微粒子トナー

Claims (3)

1. 現像剤担持体上に現像剤を担持し、現像剤担持体に当接した弾性ブレードにより現像剤担持体上の現像剤の量を規制しながら、現像剤担持体により現像剤を像担持体と対向した現像領域へ搬送し、像担持体上に形成された静電潜像を現像剤により、現像剤担持体に現像バイアスを印加下に現像する現像装置において、
   前記現像剤は、重量平均粒径が６．５μｍ以下のネガ帯電性の磁性トナーであり、現像剤の帯電極性と逆極性のポジ帯電性のチタン酸ストロンチウム又はメラニン樹脂の粒子が外添されており、このポジ帯電性の粒子は現像剤と接離可能であり、さらに、前記弾性ブレードの現像剤担持体への当接圧が２０ｇ／ｃｍ以下であり、
   前記現像バイアスは、直流電圧と、前記現像領域において現像剤担持体上の現像剤に対し、現像剤担持体から像担持体に向かう方向に力を及ぼす第１ピーク電圧Ｖ１と、像担持体から現像剤担持体に向かう方向に力を及ぼす第２ピーク電圧Ｖ２とが交互に現れる振動電圧とを重畳してなり、前記第１、第２ピーク電圧Ｖ１、Ｖ２が、前記像担持体表面の明部電位ＶＬ、暗部電位ＶＤ、現像剤担持体と像担持体とのＳＤギャップＨに関し、
   ｜Ｖ１−ＶＬ｜／Ｈ≧３．７×１０ ^−６ Ｖ／ｍ
   ｜Ｖ２−ＶＤ｜／Ｈ≦２．９×１０ ^−６ Ｖ／ｍ
   の関係を満たすことを特徴とする現像装置。
2. 前記現像剤担持体は直径が１４ｍｍ以下である請求項１の現像装置。
3. 少なくとも、像担持体と、像担持体上に帯電および露光により静電潜像を形成する潜像形成手段と、像担持体上に形成された静電潜像を現像する現像装置とを備えた画像形成装置において、
   前記現像装置が請求項１又は２の現像装置であることを特徴とする画像形成装置。

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