JP4492670B2 - 現像装置、画像形成装置および現像方法 - Google Patents

Description

この発明は、表面にトナーを担持するトナー担持ローラを有する現像装置、画像形成装置および該ローラを用いて静電潜像をトナーにより現像する現像方法に関するものである。

静電潜像をトナーにより現像する技術においては、略円筒形状に形成されたトナー担持ローラの表面にトナーを担持させるものがある。本願出願人は、このようなトナー担持ローラの表面に担持されるトナーの特性を改善するため、円筒形状に形成されたローラの表面に規則的に配置された凸部と、該凸部の周囲を取り囲む凹部とを設けたトナー担持ローラの構造について先に開示した（特許文献１参照）。このような構造は、表面の凹凸パターンが管理されて均一であるために、ローラ表面に担持されるトナー層の厚さや帯電量等を制御しやすいという利点がある。

特開２００７−１２７８００号公報（図７）

しかしながら、上記のような構造を有するトナー担持ローラを使用する場合、凹凸が均一であるが故に、トナー担持ローラ上のトナー層厚を厳密に管理しなければトナー担持ローラ表面からのトナーの飛散やカブリの発生が問題となる。本願発明者の研究によれば、これらの現象が起きる主たる原因の１つは、特性の良好な新しいトナーに混じって、使用につれて特性の劣化した古いトナーが存在した場合、特にトナー担持ローラの表面から離れた層に古いトナーが担持されやすいという点にあると考えられる。そして、トナー担持ローラ表面から離れたトナー層ではトナー担持ローラへの付着力が弱いため、トナーの漏れ、飛散、カブリになりやすいと考えられる。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、表面に凹凸を設けたトナー担持ローラを用いる現像装置、画像形成装置および現像方法において、トナー担持ローラからのトナーの漏れや飛散、カブリを低減させることを目的とする。

この発明にかかる現像装置は、上記目的を達成するため、トナーを収容する収容部と、規則的に配置された複数の凸部および該凸部を取り囲む凹部を表面に有する略円筒形状に形成され、その表面に帯電トナーによるトナー層を担持するトナー担持ローラと、前記トナー担持ローラ表面のトナー層に当接して該トナー層の厚さを規制する規制部材とを備え、前記規制部材は、前記トナー担持ローラ表面のうち前記凸部に担持されるトナー層をトナー１層以下に規制することを特徴としている。

詳しくは後に説明するが、本願発明者が種々の実験に基づき得た知見を簡単に説明する。トナー担持ローラの表面に担持されるトナーのうち、トナー担持ローラの表面近くには特性の良好な新しいトナー（以下、「新トナー」という）が集積している一方、これらのトナーの上に積層しトナー担持ローラの表面から離れた状態で担持されているトナーには、長期の使用に伴って特性の劣化したトナー（以下、「旧トナー」という）が多く含まれている。つまり、トナー担持ローラの表面には、まず新トナー主体のトナー層が形成され、さらにその表面に旧トナーを多く含むトナー層が形成されるという形になる。このような旧トナーはトナー担持ローラとの接触が少ないため十分な帯電量が得られず、漏れ、飛散したりカブリを生じさせる。

そこで、この発明では、トナー担持ローラ表面のうち凸部に担持されるトナー層を規制部材によりトナー１層以下に規制する。このようにすれば、トナー担持ローラ表面に担持されるトナーは特性の良好なものとなるので、トナー飛散やカブリの発生を抑えることができる。

このようなトナー層規制を行うためには、例えば、前記規制部材のうち前記トナー担持ローラの回転方向における上流側端部と前記トナー担持ローラ表面の前記凸部との間隔が、前記トナーの体積平均粒径の２倍未満となるようにすればよい。このような構成によれば、トナー担持ローラ表面の凸部に付着したトナーのうち、トナー担持ローラ表面に直接付着した第１層目を除き、第２層目以降のトナーは規制部材により掻き落とされることとなる。掻き落とされたトナーには高い帯電量を有する新トナーも含まれており、トナー担持ローラ表面近傍に存在する帯電量の小さな旧トナーはこの高帯電トナーにより置換される。こうしてトナー担持ローラ表面近傍から旧トナーが排除されることにより、トナー担持ローラに付着する旧トナーを低減させることができるので、トナー担持ローラからのトナー飛散やカブリの発生を抑えることができる。

また、前記トナー担持体表面の前記凸部と前記凹部との高低差が、前記トナーの体積平均粒径よりも小さくなるようにしてもよい。トナー担持体表面における凸部と凹部との高低差が大きいと凹部に劣化トナーが入り込みやすく、特にその高低差がトナーの体積平均粒径以上であると、凹部に直接付着した新トナーの上にさらに旧トナーが付着する可能性が高い。これに対し、凸部と凹部との高低差をトナーの体積平均粒径よりも小さくなるようにすれば、凹部に付着した旧トナーはトナー担持ローラの表面に露出するため規制部材により掻き落とされる確率が高くなる。このため、トナー担持ローラ表面に残存する旧トナーの量を少なくして、トナー飛散やカブリの発生を抑えることができる。

また、前記規制部材のうち前記トナー担持ローラの回転方向における上流側端部と前記トナー担持ローラ表面の前記凹部との間隔が、前記トナーの体積平均粒径の２倍未満となるようにしてもよい。こうすることで、トナー担持ローラの凸部および凹部のいずれにおいてもトナー層の厚さは２層未満となるので、トナー担持ローラの表面に付着する旧トナーの量を少なくすることができる。

また、前記トナー担持ローラの表面が導電性材料により形成されてもよい。本願発明者の実験によれば、上記した現象、すなわちトナー担持ローラ表面に新トナーを主体とする層と旧トナーを主体とする層とが積層される現象（以下、「層分離現象」という）は、トナー担持ローラの表面が導電性材料により形成されている場合に特に顕著である。このような構成の現像装置に本発明の思想を適用すれば、より効果的である。

また、前記収容部が外部からトナーを補給するための補給口を有している場合にも、本発明の効果が顕著である。このような構成を有する現像装置では、長期間使用された収容部内の旧トナーに対し、補給口から大量の新トナーが注入されるという現象が起こり得る。このような場合に上記した層分離現象が起きやすくトナー飛散やカブリを生じやすい。このような構成の現像装置に本発明の思想を適用することにより、トナー飛散やカブリの発生を抑えることができる。

また、前記収容部が、トナーを収容するトナー収容室を複数有しており、前記トナー担持ローラの表面の少なくとも一部が前記複数のトナー収容室のうち１つの内部に露出するとともに、該１つのトナー収容室に対し他のトナー収容室に収容されたトナーを送り込むためのトナー移送機構を備えている場合も同様である。このような構成においても、トナー担持ローラ近傍の旧トナーに他のトナー収容室から新トナーが送り込まれてくるからである。

また、トナーの体積平均粒径が５μｍ以上である場合、トナー間に作用するファンデルワールス力が弱いためトナーの転動性が良好であり、このことが逆に層分離現象を生じさせる。また、ファンデルワールス力が小さいために層分離現象が生じたときのトナーの漏れや飛散も多くなる。したがって、このようなトナーを用いる場合に本発明の効果が特に大きくなる。

また、この発明にかかる画像形成装置は、上記目的を達成するため、静電潜像を担持する像担持体と、規則的に配置された複数の凸部および該凸部を取り囲む凹部を表面に有する略円筒形状に形成され、その表面に帯電トナーによるトナー層を担持するトナー担持ローラを有し、前記像担持体に担持された静電潜像を前記トナーにより現像する現像器とを備え、前記トナー担持ローラ表面のうち前記凸部に担持されるトナー層が、トナー１層以下に規制されていることを特徴としている。

また、この発明にかかる現像方法は、上記目的を達成するため、静電潜像を担持する像担持体に対し、規則的に配置された複数の凸部および該凸部を取り囲む凹部を表面に有する略円筒形状に形成されその表面に帯電トナーによるトナー層を担持するトナー担持ローラを対向配置して、前記静電潜像を前記トナーにより現像し、しかも、前記トナー担持ローラ表面のうち前記凸部に担持させるトナー層を、トナー１層以下に規制することを特徴としている。

これらの発明によれば、上記した現像装置と同様に、トナー担持ローラに担持される旧トナーの量を低減させて、トナー担持ローラからのトナー飛散やカブリ、漏れを抑制することができる。

図１はこの発明にかかる画像形成装置の一実施形態を示す図である。また、図２は図１の画像形成装置の電気的構成を示すブロック図である。この装置は、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の４色のトナー（現像剤）を重ね合わせてフルカラー画像を形成したり、ブラック（Ｋ）のトナーのみを用いてモノクロ画像を形成する画像形成装置である。この画像形成装置では、ホストコンピュータなどの外部装置から画像信号がメインコントローラ１１に与えられると、このメインコントローラ１１からの指令に応じてエンジンコントローラ１０に設けられたＣＰＵ１０１がエンジン部ＥＧ各部を制御して所定の画像形成動作を実行し、シートＳに画像信号に対応する画像を形成する。

このエンジン部ＥＧでは、感光体２２が図１の矢印方向Ｄ1に回転自在に設けられている。また、この感光体２２の周りにその回転方向Ｄ1に沿って、帯電ユニット２３、ロータリー現像ユニット４およびクリーニング部２５がそれぞれ配置されている。帯電ユニット２３は所定の帯電バイアスを印加されており、感光体２２の外周面を所定の表面電位に均一に帯電させる。クリーニング部２５は一次転写後に感光体２２の表面に残留付着したトナーを除去し、内部に設けられた廃トナータンクに回収する。これらの感光体２２、帯電ユニット２３およびクリーニング部２５は一体的に感光体カートリッジ２を構成しており、この感光体カートリッジ２は一体として装置本体に対し着脱自在となっている。

そして、この帯電ユニット２３によって帯電された感光体２２の外周面に向けて露光ユニット６から光ビームＬが照射される。この露光ユニット６は、外部装置から与えられた画像信号に応じて光ビームＬを感光体２２上に露光して画像信号に対応する静電潜像を形成する。

こうして形成された静電潜像は現像ユニット４によってトナー現像される。すなわち、この実施形態では、現像ユニット４は、図１紙面に直交する回転軸中心に回転自在に設けられた支持フレーム４０、支持フレーム４０に対して着脱自在のカートリッジとして構成されてそれぞれの色のトナーを内蔵するイエロー用の現像器４Ｙ、シアン用の現像器４Ｃ、マゼンタ用の現像器４Ｍ、およびブラック用の現像器４Ｋを備えている。この現像ユニット４は、エンジンコントローラ１０により制御されている。そして、このエンジンコントローラ１０からの制御指令に基づいて、現像ユニット４が回転駆動されるとともにこれらの現像器４Ｙ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｋが選択的に感光体２２と当接してまたは所定のギャップを隔てて対向する所定の現像位置に位置決めされると、当該現像器に設けられて選択された色のトナーを担持する現像ローラ４４が感光体２２に対し対向配置され、その対向位置において現像ローラ４４から感光体２２の表面にトナーを付与する。これによって、感光体２２上の静電潜像が選択トナー色で顕像化される。

図３は現像器の外観を示す図である。また、図４は現像器の構造を示す断面図である。各現像器４Ｙ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｋはいずれも同一構造を有している。したがって、ここでは、現像器４Ｋの構成について図３および図４を参照しながらさらに詳しく説明するが、その他の現像器４Ｙ、４Ｃ、４Ｍについてもその構造および機能は同じである。この現像器４Ｋでは、その内部にトナーＴを収容するハウジング４１に供給ローラ４３および現像ローラ４４が軸着されており、当該現像器４Ｋが上記現像位置に位置決めされると、現像ローラ４４が感光体２と当接してまたは所定のギャップを隔てて対向位置決めされるとともに、これらのローラ４３、４４が本体側に設けられた回転駆動部（図示省略）と係合されて所定の方向に回転する。供給ローラ４３は例えば発泡ウレタンゴム、シリコンゴムなどの弾性材料により円筒状に形成されている。また、現像ローラ４４は、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属または合金により円筒状に形成されている。そして、２つのローラ４３、４４が接触しながら回転することでトナーが現像ローラ４４の表面に擦り付けられて所定厚みのトナー層が現像ローラ４４表面に形成される。

ハウジング４１の内部空間は隔壁４１ａによって第１室４１１および第２室４１２に仕切られている。供給ローラ４３および現像ローラ４４はともに第２室４１２に設けられており、これらのローラの回転に伴って第２室４１２内のトナーが流動し攪拌されながら現像ローラ４４の表面に供給される。一方、第１室４１１に貯留されているトナーは、供給ローラ４３および現像ローラ４４とは隔離されているので、これらの回転によっては流動しない。このトナーは、現像ユニット４が現像器を保持したまま回転することによって、第２室４１２に貯留されたトナーと混合され攪拌される。

このように、この現像器では、ハウジング内部を２室に仕切り、供給ローラ４３および現像ローラ４４の周囲をハウジング４１の側壁および隔壁４１ａで囲み比較的容積の小さい第２室４１２を設けることにより、トナー残量が少なくなった場合でも、トナーが効率よく現像ローラ４４の近傍に供給されるようにしている。また、第１室４１１から第２室４１２へのトナー供給およびトナー全体の攪拌を現像ユニット４の回転によって行うようにすることで、現像器内部にトナー攪拌のための攪拌部材（オーガ）を省いたオーガレス構造を実現している。

また、この現像器４Ｋでは、現像ローラ４４の表面に形成されるトナー層の厚みを所定厚みに規制するための規制ブレード４６が配置されている。この規制ブレード４６は、ステンレスやリン青銅などの弾性を有する板状部材４６１と、板状部材４６１の先端部に取り付けられたシリコンゴムやウレタンゴムなどの樹脂部材からなる弾性部材４６２とで構成されている。この板状部材４６１の後端部はハウジング４１に固着されており、図４の矢印に示す現像ローラ４４の回転方向において、板状部材４６１の先端部に取り付けられた弾性部材４６２が板状部材４６１の後端部よりも上流側に位置するように配設されている。そして、その弾性部材４６２が現像ローラ４４表面に弾性的に当接して現像ローラ４４の表面に形成されるトナー層を最終的に所定の厚みに規制する。

このようにして現像ローラ４４の表面に形成されたトナー層は、現像ローラ４４の回転によって順次、その表面に静電潜像が形成されている感光体２２との対向位置に搬送される。そして、図示を省略するバイアス用電源からの現像バイアスが現像ローラ４４に印加されると、現像ローラ４４上に担持されたトナーは、感光体２２の表面各部にその表面電位に応じて部分的に付着し、こうして感光体２２上の静電潜像が当該トナー色のトナー像として顕像化される。

さらに、ハウジング４１には、現像ローラ４４の回転方向において感光体２２との対向位置よりも下流側で現像ローラ４４表面に圧接されたシール部材４７が設けられている。シール部材４７は、感光体２２との対向位置を通過した現像ローラ４４表面に残留しているトナーをハウジング４１内に案内するともに、ハウジング内のトナーが外部へ漏れ出すのを防止している。

図５は現像ローラおよびその表面の部分拡大図を示す図である。現像ローラ４４は略円筒形のローラ状に形成されており、その長手方向の両端にはローラと同軸にシャフト４４０が設けられており、該シャフト４４０が現像器本体により軸支されて現像ローラ４４全体が回転自在となっている。現像ローラ４４表面のうちその中央部４４ａには、図５の部分拡大図（点線円内）に示すように、規則的に配置された複数の凸部４４１と、それらの凸部４４１を取り囲む凹部４４２とが設けられている。

複数の凸部４４１のそれぞれは、図５紙面の手前側に向けて突出しており、各凸部４４１の頂面は、現像ローラ４４の回転軸と同軸である単一の円筒面の一部をそれぞれ成している。また、凹部４４２は凸部４４１の周りを網目状に取り囲む連続した溝となっており、凹部４４２全体も現像ローラ４４の回転軸と同軸かつ凸部の成す円筒面とは異なる１つの円筒面を成す。このような構造の現像ローラ４４については、例えば特開２００７−１４００８０号公報に記載の製造方法により製造することができる。

各凸部４４１の頂面の１辺の長さＬ1および各凸部の間隔Ｌ2は、例えば１０〜１００μｍ程度とすることができるがこれに限定されるものではない。また、凸部４４１の形状やその配列も、ここに説明したものには限定されない。また、凸部４４１と凹部４４２との高低差については後に説明する。

図１に戻って画像形成装置の説明を続ける。上記のようにして現像ユニット４で現像されたトナー像は、一次転写領域ＴＲ1で転写ユニット７の中間転写ベルト７１上に一次転写される。転写ユニット７は、複数のローラ７２〜７５に掛け渡された中間転写ベルト７１と、ローラ７３を回転駆動することで中間転写ベルト７１を所定の回転方向Ｄ2に回転させる駆動部（図示省略）とを備えている。そして、カラー画像をシートＳに転写する場合には、感光体２２上に形成される各色のトナー像を中間転写ベルト７１上に重ね合わせてカラー画像を形成するとともに、カセット８から１枚ずつ取り出され搬送経路Ｆに沿って二次転写領域ＴＲ2まで搬送されてくるシートＳ上にカラー画像を二次転写する。

このとき、中間転写ベルト７１上の画像をシートＳ上の所定位置に正しく転写するため、二次転写領域ＴＲ2にシートＳを送り込むタイミングが管理されている。具体的には、搬送経路Ｆ上において二次転写領域ＴＲ2の手前側にゲートローラ８１が設けられており、中間転写ベルト７１の周回移動のタイミングに合わせてゲートローラ８１が回転することにより、シートＳが所定のタイミングで二次転写領域ＴＲ2に送り込まれる。

また、こうしてカラー画像が形成されたシートＳは定着ユニット９によりトナー像を定着され、排出前ローラ８２および排出ローラ８３を経由して装置本体の上面部に設けられた排出トレイ部８９に搬送される。また、シートＳの両面に画像を形成する場合には、上記のようにして片面に画像を形成されたシートＳの後端部が排出前ローラ８２後方の反転位置ＰＲまで搬送されてきた時点で排出ローラ８３の回転方向を反転し、これによりシートＳは反転搬送経路ＦＲに沿って矢印Ｄ3方向に搬送される。そして、ゲートローラ８１の手前で再び搬送経路Ｆに乗せられるが、このとき、二次転写領域ＴＲ2において中間転写ベルト７１と当接し画像を転写されるシートＳの面は、先に画像が転写された面とは反対の面である。このようにして、シートＳの両面に画像を形成することができる。

また、図２に示すように、各現像器４Ｙ，４Ｃ，４Ｍおよび４Ｋには該現像器の製造ロットや使用履歴、内蔵トナーの残量などに関するデータを記憶するメモリ９１〜９４がそれぞれ設けられている。さらに、各現像器４Ｙ，４Ｃ，４Ｍ、４Ｋには無線通信器４９Ｙ、４９Ｃ、４９Ｍ、４９Ｋがそれぞれ設けられている。そして、必要に応じて、これらが選択的に本体側に設けられた無線通信器１０９と非接触にてデータ通信を行い、インターフェース１０５を介してＣＰＵ１０１と各メモリ９１〜９４との間でデータの送受を行って該現像器に関する消耗品管理等の各種情報の管理を行っている。なお、この実施形態では、無線通信等の電磁的手段を用いて非接触にてデータ送受を行っているが、本体側および各現像器側にコネクタ等を設け、コネクタ等を機械的に嵌合させることで相互にデータ送受を行うようにしてもよい。

また、この装置では、図２に示すように、メインコントローラ１１のＣＰＵ１１１により制御される表示部１２を備えている。この表示部１２は、例えば液晶ディスプレイにより構成され、ＣＰＵ１１１からの制御指令に応じて、ユーザへの操作案内や画像形成動作の進行状況、さらに装置の異常発生やいずれかのユニットの交換時期などを知らせるための所定のメッセージを表示する。

なお、図２において、符号１１３はホストコンピュータなどの外部装置よりインターフェース１１２を介して与えられた画像を記憶するためにメインコントローラ１１に設けられた画像メモリである。また、符号１０６はＣＰＵ１０１が実行する演算プログラムやエンジン部ＥＧを制御するための制御データなどを記憶するためのＲＯＭ、また符号１０７はＣＰＵ１０１における演算結果やその他のデータを一時的に記憶するＲＡＭである。

また、ローラ７５の近傍には、クリーナ７６が配置されている。このクリーナ７６は図示を省略する電磁クラッチによってローラ７５に対して近接・離間移動可能となっている。そして、ローラ７５側に移動した状態でクリーナ７６のブレードがローラ７５に掛け渡された中間転写ベルト７１の表面に当接し、二次転写後に中間転写ベルト７１の外周面に残留付着しているトナーを除去する。

さらに、ローラ７５の近傍には、濃度センサ６０が配置されている。この濃度センサ６０は、中間転写ベルト７１の表面に対向して設けられており、必要に応じ、中間転写ベルト７１の外周面に形成されるトナー像の画像濃度を測定する。そして、その測定結果に基づき、この装置では、画像品質に影響を与える装置各部の動作条件、例えば各現像器に与える現像バイアスや、露光ビームＬの強度、さらには装置の階調補正特性などの調整を行っている。

この濃度センサ６０は、例えば反射型フォトセンサを用いて、中間転写ベルト７１上の所定面積の領域の濃淡に対応した信号を出力するように構成されている。そして、ＣＰＵ１０１は、中間転写ベルト７１を周回移動させながらこの濃度センサ６０からの出力信号を定期的にサンプリングすることで、中間転写ベルト７１上のトナー像各部の画像濃度を検出することができる。

次に、上記のように構成された画像形成装置の現像器４Ｋ等における、現像ローラ４４上のトナー層規制の詳細について説明する。前記したように、この画像形成装置の現像器４Ｋ等では、トナーＴを収容したハウジング４１内部において現像ローラ４４の表面に供給ローラ４３が当接するとともに、その現像ローラ回転方向において下流側で規制ブレード４６が現像ローラ上のトナー層に当接することによって、現像ローラ４４表面に担持されるトナー層の厚さを規定している。この厚さが適切でないと画像形成動作に影響を及ぼす。すなわち、トナー層が薄すぎると、感光体２２との対向位置へのトナー搬送量が少なくなり十分な画像濃度を得ることができない。また、トナー層を厚くしすぎると、トナーが現像ローラ４４表面から落下して装置内に漏れたり、現像ローラ上からクラウドとして飛散したり、また感光体２２上に付着してカブリを生じさせたりする（以下ではこれらの現象を総称して「トナー飛散等」という）。

まず、この実施形態におけるトナー層規制の原理について説明する。本願発明者は、トナー層を比較的厚く（トナーの体積平均粒径の数倍程度）した状態で、トナー層が形成された現像ローラ４４の表面状態とトナー飛散等との因果関係について種々の実験を行った。その結果トナー飛散等の発生メカニズムについては、例えば以下のモデルにより説明することができることが明らかになった。

図６はトナー飛散等の発生メカニズムを説明するモデルを示す図である。現像器内には当初、新しいトナーが充填されているが、現像器を用いた画像形成動作が繰り返されるにつれて現像器内には、未使用で当初の特性を保持したトナー（本明細書では「新トナー」という）と、いったん現像ローラ４４表面に担持されたものの現像には使用されず再び現像器内に戻されたことによって特性が劣化した使用済みのトナー（本明細書では「旧トナー」という）とが混在することになる。そのため、図６（ａ）に示すように、現像ローラ４４の周囲は新トナーＴnと旧トナーＴoとが混在した状態となっている。なお、図６においては、新トナーＴnを白丸印により、旧トナーＴoをハッチング付きの丸印により表している。

このうち、新トナーＴnは流動性が高くまた帯電量も高いため、静電気力Ｆtにより現像ローラ４４の表面に引き寄せられる。一方、旧トナーは外添剤の埋没や剥離などの原因から流動性および帯電性に劣るため、現像ローラ４４に引き寄せられる力やそのスピードは新トナーよりも弱い。この結果、図６（ｂ）に示すように、現像ローラ４４に直接接触するトナーはその殆どが新トナーＴnとなる。つまり、現像ローラ４４表面に形成されるトナー層のうち現像ローラ４４直近の第１層は新トナーにより形成される。

一方、こうして形成された第１層の上に堆積する層では、図６（ｃ）に示すように、新トナーＴnおよび旧トナーＴoが混在している。というのは、現像ローラ４４表面が新トナー層により覆われると、その上層では現像ローラ自身の静電気力の影響が弱まるので、新トナーの持つ電荷が新たなトナーを引き寄せることになり、結果として新トナーだけでなく劣化して帯電量が低下したり逆極性に帯電するようになった旧トナーがこのような電荷に引き寄せられるからである。この明細書では、このように現像ローラ４４表面に近い層に新トナーが集中する一方、該表面から遠い層に旧トナーが多く含まれるという現象を「層分離現象」という。

なお、現像ローラ４４の持つ静電気力やトナー自身の帯電特性によっては、図６（ｄ）に示すように、現像ローラ４４の表面に２層以上の新トナー層が形成される場合もあり得る。このような場合においても、現像ローラ４４表面から離れた層では新トナーＴnと旧トナーＴoとが混在し層分離現象が起きている。

このように、現像ローラ４４の表面に形成されるトナー層のうち現像ローラ４４から離れた外側の層では旧トナーＴoの割合が多くなっている。旧トナーＴoは帯電量が低いため現像ローラ４４表面あるいはその上のトナー層への付着力が弱く、その結果、現像ローラ４４の回転によるトナー搬送の過程で現像ローラ４４表面から剥がれ落ちて装置内に飛散してしまう。また、本来の帯電極性とは逆極性に帯電したトナーは、感光体２２の静電潜像のうち本来トナーを付着させるべきでない領域に付着してカブリを生じさせる。

このモデルにより以下のような実験事実を説明することができる。例えば、長期間使用されてトナー残量が少なくなった現像器に新しいトナーを補充したところ、一時的にトナー飛散やカブリが多くなり、その後次第に減少してゆくことが観測された。これは、現像器内の劣化したトナーに大量の新トナーが混入された結果、現像ローラ４４表面近傍は新トナーにより占められ、トナー層の最表面が旧トナーを多く含むようになったためと考えられる。そして、さらに使用を続けると、新トナーが選択的に使用された結果、旧トナーとの特性差が少なくなって層分離現象は緩和されるため、トナー飛散等のレベルも低下するものと考えられる。

このことは、元のトナー色とは異なる色のトナーを補充する実験によってより裏付けられる。例えば、トナー残量が少なくなったシアン現像器４Ｃに新しいイエロートナーを補充して現像ローラ４４の表面を観察した。その結果、現像ローラ表面にはシアントナーとイエロートナーとが混じり合ったグリーンに近い色のトナー層が形成されたが、その表面にエアを吹き付けたり刷毛で払うなどして表面のトナーを除去してゆくと、現像ローラ４４表面の色は次第にイエロー色に変化していった。特に、現像ローラ４４の表面に直接接触している第１層のトナーは元のトナー色とほぼ同じイエロー色であった。一方、このような現像器を用いて画像形成動作を実行してみると、現像器の周囲に飛散したり、感光体２２上でカブリとなっていたのは主にシアン色のトナーであった。

これらのことから、現像ローラ４４表面に近い層は主に新トナーによって占められる一方、該表面から遠い層には旧トナーも多く含まれるという層分離現象が起きていること、トナー飛散等は主に旧トナーによって引き起こされていることがわかる。

なお、ここでいう「新トナー」および「旧トナー」は、現像器内のトナー粒子間の相対的な特性差を表す概念であって、トナー自体が新品であるか否かとは必ずしも関係しない。例えば新品のトナーであっても、その中には上記した旧トナーと同様に十分な特性の出ないトナーがいくらか含まれていることがあり、このような場合には当該トナーが「旧トナー」と同じように作用することになる。また、新品でないトナーであっても、各トナー粒子間の相対的な特性差が少なければ全て「新トナー」と考えることができる。

また、同様の現象は、現像器にトナーを補充するための補給口を設けた構造としている場合はもちろんのこと、そうでない場合であっても生じる。例えば本実施形態のように、現像器内が２室以上に分かれておりあるタイミングで１つの室から他の室へトナーが供給されるように構成されている場合には、その供給のタイミングで新トナーと旧トナーとの混合が生じる。この実施形態では現像器内にオーガを設けていないが、ロータリー現像ユニット４の回転に伴い現像器４Ｋ等が回転されると、第１室４１１に貯留されていた新トナーが旧トナーの比率の増大した第２室４１２に流れ込むことにより混合が起きる。現像器内にオーガ等のトナー輸送機構を設けた構成や、現像器とは別個に設けたトナータンクから定期的にトナーを補給する構成においても同様である。

以上より、トナー飛散等を低減させるためには、現像ローラ４４に担持されるトナー層において層分離現象を生じさせないことが効果的である。理想的には、図７に示すように現像ローラ４４表面全体に新トナーによる均一なトナー層が形成されていることが望ましい。

図７は理想的なトナー層を示す図である。この図では、現像ローラ４４表面の凸部４４１および凹部４４２に１層の新トナーのみからなるトナー層が形成されている場合を示しているが、２層以上の新トナー層であってもよい。また、単にトナー飛散等の抑制という観点からはトナー層の厚さが均一であることは必須の要件ではなく、例えば凸部４４１と凹部４４２とでトナー層の厚さが異なっていてもよい。ただし、トナー層には旧トナーをできるだけ含まないことが求められる。この実施形態では、現像ローラ４４に対する規制ブレード４６の位置を調整し、規制ブレード４６の先端と現像ローラ４４との間隔（楔高さ）を調節することによって、現像ローラ４４に担持されるトナー層の規制を行っている。

図８は現像ローラと規制ブレードとの位置関係を示す図である。また、図９は現像ローラと規制ブレードとの当接部位の拡大模式図である。この実施形態では、規制ブレード４６に設けた弾性部材４６２の現像ローラ回転方向における最上流側端部４６２ａと、この最上流側端部４６２ａに最も近い現像ローラ４４表面、特にその凸部４４１との間のギャップＧ1を管理することにより、現像ローラ４４表面の凸部４４１に担持されるトナー層を１層以下に規制するようにしている。より詳しくは、トナーＴの体積平均粒径をＤaveとしたとき、次式：
Ｇ1＜２・Ｄave … （式１）
の関係が成立するように、ギャップＧ1を設定している。ギャップの調整は、ハウジング４１への規制ブレード４６の取り付け位置を図８に示す調整方向に動かすことによって行う。

このようにした場合のトナー層規制について図９を参照しながら説明する。なお、図９では、現像ローラ４４の向きを図６とは逆にしてその表面を下向きにして表している。この図９では、固定された規制ブレード４６に対し、現像ローラ４４の回転に伴いその表面が図の左から右に向かって移動してゆく。このとき、現像ローラ４４の凸部４４１と弾性部材４６２との間のギャップＧ1は上記（式１）を満足するように、つまりトナーの体積平均粒径Ｄaveの２倍未満の値に設定されている。

現像ローラ４４上のトナー層が規制ブレード４６との当接位置に達する前の、図９において「規制前」と記した領域では、上記したように、現像ローラ４４表面に最も近い層が白丸印で表した新トナーＴnにより形成される一方、より遠い層（図９において下方）では新トナーＴnとハッチングを付して表す旧トナーＴoとが混在している。この状態で規制ブレード４６との当接位置に到達すると、凸部４４１においては第２層以降のトナー層を構成するトナーは弾性部材４６２の先端４６２ａにより掻き取られる。これにより、凸部４４１においては、１層分の新トナーＴnのみが担持されることとなる。

こうして掻き取られたトナーには新トナーおよび旧トナーが混在しているが、このうち新トナーＴnには、帯電量が高いため現像ローラ４４に引き寄せられる強い静電気力が作用している。一方、規制ブレード４６との当接位置よりも後方（図９において左方）には帯電量の低い旧トナーも存在している。このような旧トナーに掻き取られたトナーが衝突すると、高帯電量の新トナーＴn1、Ｔn2は後方の低帯電量の旧トナーＴo1、Ｔo2を弾き出してしまう。こうして現像ローラ４４表面近傍に存在する旧トナーは次第に新トナーＴnにより置換されてゆくこととなり、旧トナーは後方へ追いやられてゆく。結果として、規制ブレード４６により層規制された後の、図９において「規制後」と記した領域では、トナー層を構成するトナーに占める旧トナーの比率が極めて小さくなる。

特に、凸部４４１においては、トナー層が１層以下に規制されるためほぼ全てのトナーが新トナーとなる。一方、凹部４４２においては、規制ブレード４６とのギャップが許す範囲で２層以上のトナー層が形成され得るが、上記したようにこのような層からも旧トナーが排除されるため、凹部４４２に担持されるトナーにおける旧トナーの比率も十分に小さなものとすることができる。

これに対して、ギャップＧ1がトナーの体積平均粒径Ｄaveの２倍以上であるときには、２層以上のトナーが凸部４４１に付着した状態で規制ブレード４６との当接位置に到達することになる。２層目以降のトナー層を構成するトナーには高い比率で旧トナーが含まれており、またこのような旧トナーが規制ブレード４６の当接圧により現像ローラ４４表面に押し付けられることになる。このため、現像器外に露出した現像ローラ４４表面の凸部４４１には多くの旧トナーが担持された状態となり、トナー飛散やカブリを招いてしまうこととなる。

このように、この実施形態では、現像ローラ４４表面のうち凸部４４１に担持されるトナー層を１層以下に規制している。こうすることにより、凸部４４１に担持される旧トナーの量を減らすことができる。また、現像ローラ４４表面の凸部４４１と規制ブレード４６とのギャップＧ1をトナーの体積平均粒径Ｄaveの２倍未満とすることにより、トナー層に含まれる旧トナーを規制ブレード４６により掻き取られた新トナーにより置換して、凹部４４２に担持される旧トナーの量も減らすことができる。これにより、現像ローラ４４の回転に伴い現像器外へ搬送される旧トナーの量を少なくすることができる。その結果、この実施形態によれば、現像器外へのトナー飛散やカブリの程度を大きく低減することが可能となる。

上記実施形態では、現像ローラ４４表面の凸部４４１と規制ブレード４６との間隔Ｇ1を、トナーの体積平均粒径Ｄaveの２倍未満としたが、凸部４４１と凹部４４２との高低差については特に規定していない。このため、例えばこの高低差がトナー粒径より十分に大きければ、凹部４４２には何層ものトナー層が担持されることとなる。このことはトナー搬送量を大きく取る上では好ましいが、これらのトナー層に含まれる旧トナーを完全に排除することは難しいためトナー飛散やカブリを抑えるという観点からは最善とは言えない。そこで、トナー飛散やカブリのレベルをより低減させるために、例えば以下のようにしてもよい。

図１０はトナー層規制の他の例を示す図である。この例では、現像ローラ４４ｂの表面に設けた凸部４４１ｂと凹部４４２ｂとの高低差Ｇ2をトナーの体積平均粒径Ｄaveよりも小さな値となるように、現像ローラ４４ｂを構成している。一方、現像ローラ４４ｂの凸部４４１ｂと規制ブレード４６とのギャップについては上記実施形態と同じく、トナーの体積平均粒径Ｄaveの２倍未満である値Ｇ1としている。このようにすると、凹部４４２と規制ブレード４６とのギャップＧ3がトナーの体積平均粒径Ｄaveの３倍よりも小さな値となるため、凹部４４２ｂに担持されるトナー層は２層未満となる。このように、現像ローラ４４ｂの表面に近い層のトナーのみを残すようにすることで、現像ローラ４４ｂ表面、特に凹部４４２ｂに担持される旧トナーの量をさらに少なくすることが可能となり、トナー飛散やカブリのレベルをより低減させることができる。

さらに、凸部４４１ｂと凹部４４２ｂとの高低差Ｇ2をトナーの体積平均粒径Ｄaveよりも小さな値としつつ、現像ローラ４４ｂの凹部４４２ｂと規制ブレード４６とのギャップＧ3がトナーの体積平均粒径Ｄaveの２倍未満となるようにしてもよい。すなわち次式：
Ｇ2＜Ｄave，Ｇ3＝Ｇ1＋Ｇ2＜２Ｄave … （式２）
が成立するように、ギャップＧ1および高低差Ｇ2を設定してもよい。このようにすると、凹部４４２ｂにおけるトナー層についても１層以下とすることができ、また第１層には旧トナーがほとんど含まれないので、図７に示す理想状態に近いトナー層を形成することが可能となる。

以上説明したように、上記実施形態においては、現像器４Ｋ等が本発明の「現像装置」に相当しており、ハウジング４１、現像ローラ４４および規制ブレード４６がそれぞれ本発明の「収容部」、「トナー担持ローラ」および「規制部材」として機能している。また、現像器４Ｋ内の第１室４１１および第２室４１２が本発明の「トナー収容室」に相当する一方、現像器全体を回転させることで第１室のトナーを第２室に送り込むロータリー現像ユニット４が本発明の「トナー移送機構」として機能している。また、上記実施形態の画像形成装置において、現像器４Ｋ等および感光体２２が本発明の「像担持体」および「現像器」として機能している。

次に、現像ローラ４４の凸部４４１に担持されているトナーが１層以下となっているか否かを判定するための方法について説明する。上記実施形態では規制ブレード４６の先端と現像ローラ４４との間隔を規定することにより凸部４４１のトナー層が１層以下になるようにしているが、同様に凸部４４１を覆うトナー層を１層以下とすることができれば他の手段によってもよい。凸部４４１のトナー層が１層以下となっているか否かは例えば次のようにして判定することができる。

規制ブレード４６により層規制された後の現像ローラ４４表面を、例えばレーザ顕微鏡を用いて１０００倍程度に拡大すると、図１１（ａ）のような画像ＩＭが得られる。すなわち、画像ＩＭでは、現像ローラ表面のうち凹部４４２および凸部４４１と凹部４４２とを繋ぐ側面部４４３はほぼトナーＴにより覆われている。一方、凸部においては、
（１）符号４４１ａで示すように、部分的にトナー群ＴＣが付着して該凸部４４１ａの表面が一部露出するケース；
（２）符号４４１ｂで示すように、凸部が完全にトナーにより覆われるケース；
（３）符号４４１ｃで示すように、凸部にほとんどトナーが付着せず凸部全体が露出するケース、
のように、層規制の仕方によって態様が大きく異なる。

一般にトナーはトナー層の上よりも露出した現像ローラ表面により付着しやすい傾向があるから、現像ローラ表面が露出しているにもかかわらずトナー同士が多層に積み重なることは考えにくく、ケース（１）では各トナー群ＴＣは１層のトナーから成っていると考えられる。一方、凸部が完全にトナーに覆われたケース（２）では、凸部に２層以上のトナーが付着している可能性が高い。したがって、望ましいのはケース（１）および（３）の状態であり、最も望ましいのはケース（１）の状態である。

ここで、凸部の頂面の面積のうちトナーにより覆われている面積の比率を「凸部被覆率」と呼ぶことにすると、望ましい状態は「凸部被覆率が１００％未満」の状態であると言える。凸部被覆率が１００％であってもトナー層がちょうど１層であれば構わないことになるが、これは極めて臨界的な状態であり、実際に凸部が完全にトナーに覆われている場合には２層以上のトナーが担持されていると考えるべきである。したがって、凸部被覆率が１００％未満、つまり凸部が完全にトナーにより覆われず、少なくともその表面の一部が露出した状態が、本発明における望ましい状態である。

この状態を判定する第１の方法は、図１１（ａ）のような顕微鏡画像ＩＭを目視によって判断する方法である。すなわち、得られた画像ＩＭにおいて各凸部の表面の少なくとも一部が露出していることが視認されれば、凸部被覆率が１００％未満であると判定することができる。なお、凸部被覆率にはばらつきがあるので、符号４４１ｂおよび４４１ｃに示すように凸部表面が完全にトナーにより覆われた、または完全に露出したものが一部に含まれていても構わない。

また、第２の方法として、上記画像ＩＭを画像処理によって２値化し、その値に基づき状態判定を行ってもよい。例えば、現像ローラ表面各部からの反射光のレベルからそれがトナーからの反射光であるか現像ローラ表面からの反射光であるかに区分し、その結果から現像ローラ表面の露出の有無を判定することができる。

また、第３の方法として、現像ローラ表面の断面プロファイルを利用する方法が考えられる。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＱ−Ｑ線を走査して得られる断面プロファイルの例を示している。なお、プロファイルの波形自体は図１１（ａ）に対応したものではない。図１１（ｂ）に示すように、層規制後の現像ローラ４４表面の断面プロファイルを取得して現像ローラ単体の断面プロファイルと比較し、現像ローラ４４表面からの高さがある閾値Ｔｈを超えている箇所については、当該箇所にトナーが付着していると判断することができる。これにより凸部被覆率を求めることができる。

なお、凸部頂面の一部が露出しているか否かを判定するという観点からは、凸部頂面の面積に対するトナー付着部分の面積比を表す凸部被覆率に代えて、現像ローラ表面全体の面積に対する露出部分の面積比を用いて評価してもよい。図１１（ａ）に示すように、現像ローラ表面全体のうち凸部以外はほぼ全面的にトナーに覆われるため、露出部分は凸部にほぼ限定されるからである。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態の現像ローラ４４の凸部４４１は略菱形に形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば凸部を円形や三角形など他の形状となるようにしてもよい。

また、上記実施形態の現像ローラ４４は金属製の円筒であるが、これ以外の材質により形成された現像ローラを有する装置に対しても本発明を適用することが可能である。ただし、本願発明者の実験によれば、金属製あるいは非金属に金属めっきを施した現像ローラなど、表面が導電性の材料で形成された現像ローラを使用した場合に前述の層分離現象が顕著に現れることが確認されており、本発明は、このような表面が導電性を有する現像ローラを持つ装置に適用されたときに特に大きな効果を発揮するものである。この点において、例えばゴムや樹脂製の円筒にカーボンブラックや金属微粉末などの導電性材料を分散させることによって導電性を持たせた現像ローラを備えた装置に対しても、本発明は有効である。

また、上記実施形態における規制ブレード４６は、金属製の板状部材４６１に樹脂製の弾性部材４６２を取り付けたものであるが、このような構造に限定されるものではない。例えば、金属板のみまたは金属板に樹脂コートしたものを用いることができる。また、規制ブレードに適宜のバイアス電位を与えてもよい。

また、上記実施形態において使用するトナーについては特に限定しないが、帯電特性の径時変化の比較的大きい１成分系トナーを用いた場合において特に本発明の効果が顕著である。また、特にファンデルワールス力が小さい５μｍ以上のトナーや、トナー母粒子に対する外添剤の被覆率が１００％以上のトナーでは、トナーの流動性が高いため層分離現象が起きやすく、トナーの漏れや飛散も多くなる。このようなトナーを用いる装置に本発明を適用すると、特に優れた効果を挙げることができる。

また、上記実施形態の画像形成装置は、ロータリー現像ユニット４に現像器４Ｋ等を装着したカラー画像形成装置であるとともに、現像器４Ｋ等を回転させることにより現像器内のトナーを混合させる装置であるが、前述した通り、本発明の適用対象はこれに限定されるものではない。例えば、現像器を１個だけ備えてモノクロ画像を形成するモノクロ画像形成装置に対しても本発明を適用することが可能であり、特に、現像器に設けた補給口からユーザまたは専任オペレータによりトナーを補充することが可能な装置や、現像器とは別個のトナータンク等から定期的にトナーを補給するように構成された装置に対して本発明を好適に適用することが可能である。

この発明にかかる画像形成装置の一実施形態を示す図。 図１の画像形成装置の電気的構成を示すブロック図。 現像器の外観を示す図。 現像器の構造を示す断面図。 現像ローラおよびその表面の部分拡大図を示す図。 トナー飛散等の発生メカニズムを説明するモデルを示す図。 理想的なトナー層を示す図。 現像ローラと規制ブレードとの位置関係を示す図。 現像ローラと規制ブレードとの当接部位の拡大模式図。 トナー層規制の他の例を示す図。 凸部のトナー被覆の状態を示す図。

符号の説明

４…ロータリー現像ユニット（トナー移送機構）、 ２２…感光体（像担持体）、 ４Ｃ，４Ｋ，４Ｍ，４Ｙ…現像器（現像装置、現像器）、 ４１…ハウジング（収容部）、 ４４，４４ｂ…現像ローラ（トナー担持ローラ）、 ４６…規制ブレード（規制部材）、 ４１１…第１室（トナー収容室）、 ４１２…第２室（トナー収容室）、 ４４１，４４１ｂ…（現像ローラ表面の）凸部、 ４４２，４４２ｂ…（現像ローラ表面の）凹部、 ４６１…板状部材（規制部材）、 ４６２…弾性部材（規制部材）

Claims (11)

1. トナーを収容する収容部と、
   規則的に配置された複数の凸部および該凸部を取り囲む凹部を表面に有する略円筒形状に形成され、その表面に帯電トナーによるトナー層を担持しながら回転するトナー担持ローラと、
   前記トナー担持ローラ表面のトナー層に当接して該トナー層の厚さを規制する規制部材と
   を備え、
   前記規制部材のうち前記トナー担持ローラの回転方向における上流側先端部の端面と前記トナー担持ローラに対向する面との角部は、前記凸部と非当接であり、かつ、前記角部と前記凸部との間隔は、前記トナーの体積平均粒径の２倍未満であり、前記上流側先端部が、前記凸部に担持されるトナー層のうち前記凸部に近い側から数えて２層目以降のトナー層を掻き取ることにより前記凸部に担持されるトナー層をトナー１層以下に規制することを特徴とする現像装置。
2. 前記凸部と前記凹部との高低差が、前記トナーの体積平均粒径よりも小さい請求項１に記載の現像装置。
3. 前記凸部の頂面が互いに同一の円筒面の一部を成している請求項１または２に記載の現像装置。
4. 前記角部と前記凹部との間隔が、前記トナーの体積平均粒径の２倍未満である請求項１ないし３のいずれかに記載の現像装置。
5. 前記トナー担持ローラの表面は導電性材料により形成されている請求項１ないし４のいずれかに記載の現像装置。
6. 前記収容部は、外部からトナーを補給するための補給口を有している請求項１ないし５のいずれかに記載の現像装置。
7. 前記収容部は、トナーを収容するトナー収容室を複数有しており、前記トナー担持ローラの表面の少なくとも一部が前記複数のトナー収容室のうち１つの内部に露出するとともに、該１つのトナー収容室に対し他のトナー収容室に収容されたトナーを送り込むためのトナー移送機構を備えている請求項１ないし６のいずれかに記載の現像装置。
8. 前記トナーの体積平均粒径が５μｍ以上である請求項１ないし７のいずれかに記載の現像装置。
9. 前記トナーは、トナー母粒子に対する外添剤の被覆率が１００％以上である請求項１ないし８のいずれかに記載の現像装置。
10. 静電潜像を担持する像担持体と、
    規則的に配置された複数の凸部および該凸部を取り囲む凹部を表面に有する略円筒形状に形成され、その表面に帯電トナーによるトナー層を担持するトナー担持ローラと、前記トナー担持ローラ表面のトナー層に当接して該トナー層の厚さを規制する規制部材とを有し、前記像担持体に担持された静電潜像を前記トナーにより現像する現像器と
    を備え、
    前記規制部材のうち前記トナー担持ローラの回転方向における上流側先端部の端面と前記トナー担持ローラに対向する面との角部は、前記凸部と非当接であり、かつ、前記角部と前記凸部との間隔は、前記トナーの体積平均粒径の２倍未満であり、前記上流側先端部が、前記凸部に担持されるトナー層のうち前記凸部に近い側から数えて２層目以降のトナー層を掻き取ることにより前記凸部に担持されるトナー層をトナー１層以下に規制することを特徴とする画像形成装置。
11. 静電潜像を担持する像担持体に対し、規則的に配置された複数の凸部および該凸部を取り囲む凹部を表面に有する略円筒形状に形成されその表面に帯電トナーによるトナー層を担持するトナー担持ローラを対向配置して、前記静電潜像を前記トナーにより現像し、しかも、
    前記トナー担持ローラ表面のトナー層に当接して該トナー層の厚さを規制する規制部材の前記トナー担持ローラの回転方向における上流側先端部で前記凸部に担持されるトナー層のうち前記凸部に近い側から数えて２層目以降のトナー層を掻き取ることにより、前記凸部に担持されるトナー層をトナー１層以下に規制することを特徴とする現像方法。

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