JP3812955B2 - 現像剤用キャリアおよびそれを使用した画像形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，電子写真プリンタ，ファクシミリ等において使用される静電荷像現像用現像剤の構成要素である現像剤用キャリア，およびこの現像剤用キャリアとトナーとを混合してなる現像剤によって形成される磁気ブラシを近接させた領域において画像担体表面の残留磁性トナーの回収と静電荷像の顕像化とを併せて行なう画像形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来電子写真法を応用したプリンタ，ファクシミリ等においては，例えば円筒状に形成した感光体ドラム上に情報に対応した静電荷像を形成し，感光体ドラムと対向して設けた永久磁石部材を内蔵する現像ロールにより，磁性現像剤を吸着搬送し，現像領域において磁気ブラシを形成すると共に，この磁気ブラシによって前記感光体ドラム上の静電荷像形成面を摺擦し，トナー像として顕像化する。そしてこの顕像化したトナー像を記録紙に転写した後，熱定着するのが最も一般的な手段である。
【０００３】
この場合トナー像を記録紙に転写した後においても，画像担体である感光体ドラム上にはトナーが若干残留しているため，この残留トナーを除去するためのクリーニング装置を設けているのが通常である。このため感光体ドラムの周辺に上記クリーニング装置のためのスペースを確保しなければならず，画像形成装置全体のコンパクト化を阻害するという問題点がある。
【０００４】
一方装置全体の小型化を図る手段の例として，上記クリーニング装置を省略し，感光体ドラムと現像ロールとが対向する領域において，感光体ドラム上に残留するトナーの回収と静電荷像の顕像化とを併せて行なう，所謂現像清掃器を設けたものがある（例えば特開平4-86878 号公報参照）。このようにクリーニング装置を省略した画像形成装置においては，トナーと球形状に形成した磁性キャリアとを混合してなる磁性現像剤を使用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のように球形状に形成した磁性キャリアを使用した場合には，磁性キャリアの比表面積が小であるため，トナーとの接触面積が必然的に小となる結果，トナーの摩擦帯電量が小となり，画像濃度が低く，鮮明な画像を形成することができないという問題点がある。
【０００６】
また精細な画像を形成するために，磁性キャリアを小粒径化すると，薄い現像剤層が形成され，解像度の高い，高品質の画像を得ることができるが，現像手段による磁性キャリアに対する磁気的保持力が不足する結果，キャリア飛散が増加し，現像手段近傍の汚染，画質の低下等を惹起するという問題点がある。
【０００７】
更に上記のようにトナーの回収と静電荷像の顕像化とを併せて行う現像清掃器を使用して，感光体ドラム１回転につき１回現像を行なった場合，記録紙にトナー像を転写した後の残留トナーが感光体ドラムに存在した際に，現像清掃部で残留トナーが完全に回収されず，現像後においても前の静電荷像形成部に付着残留していることがある。
【０００８】
上記のような残留トナーの回収不良があると，得られた画像の品質を著しく低下させるという問題点がある。一方このような問題点を解決するために，感光体ドラム２回転につき１回現像を行なう手段を使用し，前記残留トナーの完全回収を行なう方式もあるが，このような方式においては，必然的に画像形成速度が低下し，情報伝達の迅速化の要請に応えられない場合があるという問題点がある。
【０００９】
本発明は，上記従来技術に存在する問題点を解決し，画質の向上が可能であると共に，画像担体表面の残留トナー回収が完全であり，かつ装置全体の小型化が可能である静電荷像現像に使用する現像剤用キャリアおよびそれを使用した画像形成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，まず第１の発明においては，画像担体上に静電荷像を形成し，トナーと現像剤用キャリアとを混合してなる現像剤によって形成される磁気ブラシにより画像担体の表面を摺擦し，顕像化したトナー像の記録材上への転写を行なうと共に，前記磁気ブラシによる前記画像担体表面の摺擦時に，直前の転写終了後の画像担体の表面に残留したトナーの除去と静電荷像の顕像化とを併せて行なう画像形成方法にて使用する現像剤用キャリアであって，重量平均粒径１０〜５０μｍの非球形状に形成した鉄粉粒子の表面を樹脂材料によって被覆する，という技術的手段を採用した。
【００１１】
本発明において鉄粉粒子の粒径が小であると，所謂キャリア飛散が発生して画像担体の表面に付着して画質を低下させることとなり，一方粒径が大であると画像が荒れ易くなる。従って鉄粉粒子の重量平均粒径（以下単に「平均粒径」と記述する）は１０〜５０μｍの範囲とするのがよい。
なお，本発明において，キャリアの平均粒径は，鉄粉の粒度分布の測定では慣用されている方法であるフルイ分け法によって測定した粒度分布から算出した値である。
すなわち，振動フルイ機に所定の開口部を有するＪＩＳ規格の直径２００ｍｍの所定数のフルイをセットした後，１００ｇのサンプルを精秤し，最上部のフルイ中に静かにかつ均一に装入し，蓋を閉塞して１５分間分級する。分級後，各フルイに回収された量を精秤し，次式によって算出する。
Ｄ＝ Σｄ _i ｗ _i ／Ｗ
但し Ｄ ：平均粒径
ｄ _i ：各フルイの粒度 ( 各フルイの目の大きさ）
ｗ _i ：所定粒度回収重量
Ｗ ：全回収重量
【００１２】
上記のような鉄粉粒子は，粉砕鉄粉，還元鉄粉の何れでもよく，形状としては，多面体形，多面形状，鱗状，偏平状，不定形状等の非球形状に形成し，比表面積を大にすることが好ましい。
【００１３】
また本発明の現像剤用キャリアは，上記の鉄粉粒子の表面を樹脂材料によって被覆して形成するのであるが，このような樹脂材料としては，Ｐ−クロルスチレン，メチルスチレン等のスチレン類：塩化ビニル，臭化ビニル，フッ化ビニル等のハロゲン化ビニル類：酢酸ビニル，プロピオン酸ビニル，ベンゾエ酸ビニル，酢酸ビニル等のビニルエステル類：アクリル酸メチル，アクリル酸エチル，アクリル酸ルーブチル，アクリル酸イソブチル，アクリル酸ドデシル，アクリル酸ｎ−オクチル，アクリル酸３−クロルエチル，アクリル酸フェニル，α−クロルアクリル酸メチル，メタアクリル酸ブチル等のα−メチレン脂肪族モノカルボン酸のエステル類：アクリルニトリル，メタアクリロニトリル，アクリルアミド，ビニルメチルエーテル，ビニルイソブチルエーテル，ビニルエチルエーテル等のビニルエーテル類：ビニルエチルケトン，ビニルヘキシルケトン，メチルイソプロペニルケトン等のビニルケトン類などの単量体を重合させたホモポリマー又はコポリマー，あるいはこの他の樹脂としてエポキシ樹脂，シリコーン樹脂，ロジン変性フェノールホルマリン樹脂，セルローズ樹脂，ポリエーテル樹脂，ポリビニルブチラール樹脂，ポリエステル樹脂，スチレン−ブタジエン樹脂，ポリウレタン樹脂，ポリカーボネート樹脂，４フッ化エチレン等のフッ素樹脂などを単独でもしくはブレンドして使用することができる。
【００１４】
このうち，スチレン−アクリル系樹脂，シリコーン樹脂，エポキシ樹脂，スチレン−ブタジエン樹脂，セルローズ樹脂等が特に有用である。
本発明の現像剤用キャリアは，例えば次のようにして作製することができる。まず樹脂を適当に溶解するが溶剤として，例えばベンゼン，トルエン，キシレン，メチルエチルケトン，テトラヒドロフラン，クロロホルム，ヘキサン等を使用することができる。また樹脂をエマルジエンとして使用することもできる。樹脂溶液又はエマルジョンは鉄粉粒子の表面を均一に被覆するようにスプレーする。均一な表面被覆を得るために，鉄粉粒子を流動状態に維持するのが好ましい。この目的にはスプレードライヤー又は流動床等を使用することが望ましい。樹脂溶液のスプレーは約２００℃以下，好ましくは約１００〜１５０℃の雰囲気で行い，溶剤を迅速に除去する。この工程で樹脂被覆の乾燥まで行う。また樹脂エマルジョンの場合，スプレーは，常温〜１００℃で行い，樹脂を鉄粉粒子表面に融着させる。
【００１５】
次に前記の目的を達成するために，第２の発明においては，画像担体上に静電荷像を形成し，トナーと平均粒径１０〜５０μｍの非球形状に形成した鉄粉粒子の表面を樹脂材料によって被覆した現像剤用キャリアとを混合してなる現像剤によって形成される磁気ブラシにより画像担体の表面を摺擦し，顕像化したトナー像の記録材上への転写を行なうと共に，前記磁気ブラシによる前記画像担体表面の摺擦時に，直前の転写終了後の画像担体の表面に残留したトナーの除去と静電荷像の顕像化とを併せて行う，という技術的手段を採用した。
【００１６】
本発明において，転写後の画像担体表面を静電荷像形成前に照射する全面露光手段を設け，または画像担体の磁気ブラシ摺擦部位より画像担体移動方向上流側に，導電性材料からなる除電手段を画像担体表面に接触させて設けることができる。
【００１７】
上記の画像形成方法における現像剤の搬送方式は特に限定されないが，現像剤を構成する磁性キャリアの磁気的凝集を防止するために，少なくともスリーブを回転させる方式が望ましい。従ってスリーブのみを回転させる方式の他に，スリーブと永久磁石部材とを同方向に回転させる方式（例えば特公昭５７−１２１４８号公報参照）若しくは逆方向に回転させる方式でもよい。
【００１８】
現像ギャップ（現像位置における画像担体とスリーブとのギャップ）は，磁気ブラシと画像担体との接触幅を確保すると共に，残留トナーの回収作用を確実にするために，1.０mm以下とする必要があり，磁気ブラシが画像担体に軟かく接触するために，0.２mm以上とすることが望ましい。好ましい範囲は0.３〜0.６mmである。またドクターギャップは，上記現像ギャップに応じて設定すればよい。
【００１９】
【作用】
上記の構成により，現像清掃領域における磁気ブラシの残留トナーに対する剥離回収作用を向上させることができ，静電荷像形成前における画像担体の表面の清掃工程を省略した画像形成手段においても，静電化荷像形成部の残留トナーを完全に回収することができ，鮮明かつ高品質の画像を得ることができる。なお本発明の静電荷像現像用現像剤は，静電荷像形成前において画像担体の表面の清掃を行なう画像形成方法に対しても，当然に使用可能である。
【００２０】
【実施例】
まず軟鋼屑を一次粉砕した後，油焼，選鉱等の工程を経た後，窒化処理して脆い一次粒子を形成する。この一次粒子を粉砕処理した後，分級して平均粒径が夫々１０μｍ，３０μｍ，５０μｍ，７０μｍの鉄粉粒子を得た。これらの鉄粉粒子は多面形状，偏平状を呈する非球形状であり，体積固有抵抗は４×１０⁴ Ω・cmであった。次にこの鉄粉粒子に流動床中においてスチレン−アクリル系エマルジョンで被覆し，体積固有抵抗６×１０⁸ Ω・cmの現像剤用キャリアを得た。
【００２１】
一方比較例として球形状の鉄粉粒子からなる現像剤用キャリアを次の要領で作製した。すなわち上記一次粒子の粉砕処理後，脱窒処理し，表面を酸化，還元処理して分級後，平均粒径３０μｍの球形状の現像剤用キャリア（樹脂被覆なし）を得た。この現像剤用キャリアの体積固有抵抗は８×１０⁷ Ω・cmであった。
【００２２】
次に下記の原材料配合により，荷電型磁性トナーを作製した。
スチレン−ｎブチルメタクリレート ５０重量部
（Ｍｗ＝２１×１０⁴ ，Ｍｎ＝1.６×１０⁴ ）
マグネタイト（戸田工業製 ＥＰＴ５００） ４５重量部
ポリプロピレン（三洋化成製 ビスコール５５０Ｐ） ３重量部
荷電制御剤（オリエント化学製 ボントロンＥ−８１） ２重量部
上記配合の原料を，加熱ローラを有するニーダで３０分間混練を行ない，冷却，固化後，粉砕，分級を行なって，平均粒径９μｍの磁性トナーとした。この磁性トナーの体積固有抵抗は３×１０¹⁴Ω・cmであった。
【００２３】
なお上記体積固有抵抗は，測定すべきサンプルを数十mg採取し，ダイヤルゲージを改良した3.05mmφ（断面積0.073cm²）のテフロン（商品名）製絶縁シリンダ中に充填し， 0.1kgf の圧力を印加した状態で,D.C.4000V/cm の電場で荷電型磁性トナーに対するものを，またD.C.200V/cm の電場で現像剤用キャリアに対するものを測定して算出した。測定には横河ヒューレッドパッカード製絶縁抵抗計（４３２９Ａ型）を使用した。
【００２４】
上記現像剤用キャリアと磁性トナーとを混合してトナー濃度３０重量％の現像剤を作製し，次に記述する画像形成手段により画像評価した。
次に図１は本発明の実施例における画像形成手段の例を示す要部構成説明図である。図１において，１は画像形成ユニットであり，後述する構成部材を収容すると共に，コントロールユニット２上に一体に設けられている。３は感光体ドラムであり，円筒状に形成され，外周面に酸化亜鉛若しくは有機半導体からなる感光層（図示せず）を備え，画像形成ユニット１内に矢印方向に回転可能に設けられる。４は帯電器，５は後述するように形成した現像清掃器，６は転写器であり，夫々感光体ドラム３の外周近傍に設けられる。８はマグネットロールであり，現像清掃器５に回転可能に設けられると共に感光体ドラム３に臨むように形成されている。
【００２５】
次に９は定着器であり，画像形成ユニット１の記録紙経路１０の下流側に設けられ，加熱ロール１９および加圧ロール２０を圧接回転可能に形成して構成される。なお加熱ロール１９および加圧ロール２０は各々外径を２０mmに形成し，線圧0.５kg/cm で圧接させて構成する。加熱ロール１９は例えばアルミニウムからなる芯材の外周に電気抵抗材料からなる発熱体を設けると共に，その外周に例えばＰＴＦＥからなる離型性層を１０μｍ程度被着させて構成する。一方加圧ロール２０は前記加熱ロール１９と同様な材料からなる芯材の外周に，例えばシリコンゴムからなる外層を被着させて構成する。
【００２６】
上記の構成により，コントロールユニット２を介して画像形成ユニット１内の夫々の構成部材を駆動状態若しくは作動状態とし，レーザスキャナ１６に情報若しくは画像に対応する電気信号を入力させる。次に感光体ドラム３は帯電器４により表面を一様に帯電され，この帯電された表面に前記電気信号によるレーザビームが照射されて静電荷像が形成される。そしてこの静電荷像は，現像清掃器５においてマグネットロール８によって吸着搬送される磁性現像剤により，トナー像として顕像化され，転写器６により記録紙経路１０を移動する記録紙（図示せず）上に転写される。なお転写後に感光体ドラム３上に残留する磁性トナーは，上記現像清掃器５における静電荷像の顕像化（現像）時において，感光体ドラム３上から同時に除去される。
【００２７】
次にトナー像を担持する記録紙は定着器９に給送され，加熱ロール１９の熱が記録紙上のトナー像に伝播され，磁性トナーを構成する結着樹脂が溶融し，定着が行なわれるのである。
【００２８】
図２は図１におけるマグネットロール８を示す要部拡大横断面図である。図２において，マグネットロール８は例えばハードフェライトのような焼結粉末磁石材料により円柱状に一体成形し，若しくは強磁性磁石材料粉末とバインダーとの混合物により円柱状に一体成形してなる永久磁石部材２１と，例えばアルミニウム合金若しくはステンレス鋼等の非磁性材料によって中空円筒状に形成したスリーブ２２とを同軸的に設けて形成する。
【００２９】
永久磁石部材２１の外周面には軸方向に延びる複数個の磁極を設け，特定の磁極（例えばＮ極）を感光体ドラム３と対向させて固定する。なおスリーブ２２は永久磁石部材２１の回りを反時計方向に回転することにより，磁性現像剤（図示せず）を吸着して，感光体ドラム３に搬送するように形成する。
【００３０】
上記の構成により，マグネットロール８と感光体ドラム３とが対向する領域においては，磁極Ｎにより磁性現像剤による磁気ブラシ２３が形成され，感光体ドラム３の表面を摺擦する。従って前記図１に示す転写器６を通過後においても感光体ドラム３上に残留する磁性トナーは，磁気ブラシ２３によって除去回収されると共に，感光体ドラム３上に形成された静電荷像が現像される。すなわち磁性現像剤中の磁性トナーが前記静電荷像に付着して顕像化したトナー像となるのである。
【００３１】
次に前記鉄粉キャリアと荷電型磁性トナーとを混合してなる現像剤を使用し，図１に示す画像形成ユニット１により，画像形成を行なった結果について記述する。まず感光体ドラム３を帯電器４によって−５５０Ｖに一様帯電させ，表面速度６０mm／秒で矢印方向に回転させる。
【００３２】
現像清掃器５を構成するマグネットロール８は，ＳＵＳ３０４からなるスリーブの外径を２０mmとし，矢印方向に１５０r.p.m.で回転させる。なお図２に示す永久磁石部材２１は７極着磁とし，スリーブ２２上の表面磁束密度を７００Ｇとした。なおスリーブ２２には−４００Ｖのバイアス電圧を印加し，ドクターギャップおよび現像ギャップを各々0.３５mmおよび0.３mmとした。また転写後の熱ロール定着は，温度１８０℃，線圧１kgf/cmで行なった。
【００３３】
表１は前記のようにして作製した現像剤を使用して画像形成した結果を示す表である。
【００３４】
【表１】

【００３５】
表１から明らかなように，比較例のものは球形状であり，かつ樹脂被覆のないキャリアを使用したものであるため，トナーの摩擦帯電量が小であり，画像濃度が不充分であると共に，キャリア付着が発生している。これに対して実施例のものにおいては，非球形状に形成した鉄粉粒子に樹脂被覆を施したことにより，トナーの摩擦帯電量を向上させ得ることができ，画像濃度および解像度が高く，かつキャリア付着のない画像が得られる。但し，キャリアの平均粒径が７０μｍのものは，画像濃度および解像度が不充分である。
【００３６】
図３は本発明の他の実施例における画像形成手段を示す要部構成説明図であり，（ａ）は全面露光手段を設けたもの，（ｂ）は除電ロールを設けたもの，（ｃ）は除電ブラシを設けたものを夫々示す。まず図３（ａ）に示すものは，除電ランプ２５を転写後の感光体ドラム３の表面を照射するように設けたものである。このように構成することにより，転写後に感光体ドラム３の表面に残留する磁性トナーの帯電電位を消滅若しくは低下させ，現像清掃器５における現像清掃作用を向上させることができる。
【００３７】
図３（ｂ），（ｃ）に示すものは，導電性弾性材料からなる除電ロール２６，除電ブラシ２７を感光体ドラム３の表面に接触させて設けると共に，０〜４００Ｖの電圧を印加する。このように構成することにより，感光体表面に残留する磁性トナーの帯電電位を消滅させると共に，除電ロール２６，除電ブラシ２７の摺擦作用によって残留する磁性トナーを機械的に移動させ，現像清掃器５における現像清掃作用を向上させ得るのである。
【００３８】
上記の実施例においては，現像剤用キャリアと磁性トナーとを混合し，トナー濃度３０重量％としたものについて記述したが，この場合トナー濃度は１０〜９０重量％，好ましくは１０〜４０重量％の範囲とするのがよい。また非磁性トナーと混合した現像剤としてもよく，この場合トナー濃度は２〜９重量％とするのが好ましい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は以上記述のような構成および作用であるから，小粒径かつ非球形状のキャリアを使用することにより，画質を向上させ得ると共に，キャリア飛散を防止することができる。また現像清掃領域における磁気ブラシの残留トナーに対する剥離回収作用を向上させることができ，画像担体の表面の清掃手段若しくは清掃工程を省略した画像形成の場合においても，残留トナーを完全に回収することができる。従って鮮明かつ高品質の画像を得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における画像形成手段の例を示す要部構成説明図である。
【図２】図１におけるマグネットロール８を示す要部拡大横断面図である。
【図３】本発明の他の実施例における画像形成手段を示す要部構成説明図であり，（ａ）は全面露光手段を設けたもの，（ｂ）は除電ロールを設けたもの，（ｃ）は除電ブラシを設けたものを夫々示す。
【符号の説明】
３ 感光体ドラム
５ 現像清掃器
８ マグネットロール

Claims (4)

1. 画像担体上に静電荷像を形成し，トナーと現像剤用キャリアとを混合してなる現像剤によって形成される磁気ブラシにより画像担体の表面を摺擦し，顕像化したトナー像の記録材上への転写を行なうと共に，前記磁気ブラシによる前記画像担体表面の摺擦時に，直前の転写終了後の画像担体の表面に残留したトナーの除去と静電荷像の顕像化とを併せて行なう画像形成方法にて使用する現像剤用キャリアであって，重量平均粒径１０〜５０μｍの非球形状に形成した鉄粉粒子の表面を樹脂材料によって被覆したことを特徴とする現像剤用キャリア。
2. 画像担体上に静電荷像を形成し，トナーと重量平均粒径１０〜５０μｍの非球形状に形成した鉄粉粒子の表面を樹脂材料によって被覆した現像剤用キャリアとを混合してなる現像剤によって形成される磁気ブラシにより画像担体の表面を摺擦し，顕像化したトナー像の記録材上への転写を行なうと共に，前記磁気ブラシによる前記画像担体表面の摺擦時に，直前の転写終了後の画像担体の表面に残留したトナーの除去と静電荷像の顕像化とを併せて行なうことを特徴とする画像形成方法。
3. 転写後の画像担体表面を静電荷像形成前に照射する全面露光手段を設けたことを特徴とする請求項２記載の画像形成方法。
4. 画像担体の磁気ブラシ摺擦部位より画像担体移動方向上流側に，導電性材料からなる除電手段を画像担体表面に接触させて設けたことを特徴とする請求項２記載の画像形成方法。

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