JP4508197B2

JP4508197B2 - 現像装置および画像形成装置

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Publication number: JP4508197B2
Application number: JP2007006720A
Authority: JP
Inventors: 浩後藤; 主税筒井; 隆幸高井
Original assignee: Konica Minolta Business Technologies Inc
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Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2010-07-21
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Description

本発明は、電子写真方式の画像形成装置、及びこの画像形成装置に使用される現像装置に関する。本発明はまた、電子写真方式の画像形成装置に含まれる現像剤を荷電する方法に関する。

電子写真方式の画像形成装置に採用されている現像方式として、現像剤の主成分としてトナーのみを用いる一成分現像方式と、現像剤の主成分としてトナーとキャリアを用いる二成分現像方式が知られている。

一成分現像方式の現像装置は、トナーを担持して搬送するトナー担持部材と該トナー担持部材のトナー担持面に接触する摩擦荷電部材を備えている。トナー担持部材に担持されているトナーは、摩擦荷電部材の接触位置を通過する際、摩擦荷電部材と摩擦接触して薄層化されると共に所定の極性に帯電される。このように、一成分現像装置は、トナーの帯電を摩擦荷電部材との摩擦接触によって行っているため、構成が簡単・小型・安価であるという利点がある。しかし、摩擦荷電部材の接触位置で強いストレスを受けることからトナーが劣化し易く、そのためにトナーの帯電性が比較的早期に損なわれる。また、トナー担持部材と摩擦荷電部材との接触圧によって両者にトナーが付着してトナーを帯電する能力が低下し、結果的に、現像装置の寿命が比較的短くなる。

二成分現像方式の現像装置は、トナーとキャリアを摩擦接触させることによって両者を所定の極性に荷電するため、トナーの受けるストレスは一成分現像装置に比べて少ない。キャリアも、その表面積はトナーに比べて大きいことから、トナーが付着して汚れることも少ない。しかし、長期間の使用によりキャリアの表面に付着する汚れ（スペント）が増加し、そのためにトナーを帯電する能力が低下し、かぶりやトナー飛散の問題が生じる。二成分現像装置の長寿命化を図るために、現像装置に収容するキャリアの量を増やすことが考えられるが、これは現像装置の大型化を招く。

二成分現像装置に係わる上述の問題を解消するため、特許文献１には、キャリア又はキャリアとトナーを少しずつ現像剤に補給するとともに、帯電性能の低下した現像剤を少しずつ排出することによって、劣化したキャリアの増加を抑える現像装置が開示されている。この技術によれば、現像装置を大型化することなく、現像剤の長寿命化が可能である。しかし、排出されたキャリアを回収する機構が必要である。また、キャリアの消費量が多く、それによるコストと環境面の問題を含む。さらに、未劣化キャリアと劣化キャリアの比率が安定するまでに所定量の印刷を行う必要がある。

特許文献２には、マトリックス樹脂中に樹脂微粒子と導電性微粉末を分散して含有した樹脂被覆層を芯材上に設けたキャリア及びそれを用いた画像形成方法が開示されている。このキャリアは、他の粒子（キャリア粒子、トナー粒子）や部材（ローラ、スクリュー）との接触によってその表面が部分的に削れた場合、新たな樹脂微粒子が表面に露出し、これがトナーと接触して該トナーを必要程度まで帯電する。しかし、樹脂被覆層の厚さは限られており、この樹脂被覆層が消費されるとキャリアが寿命に達する。

特許文献３には、キャリアと荷電粒子を表面に担持したトナーとからなる二成分現像剤及びそれを用いた現像方法が提案されている。荷電粒子は、キャリアの表面に主にトナーが付着してできる汚れ（スペント）を取り除き、キャリアの長寿命化を図るための研磨材として添加されている。また、特許文献３には、静電潜像担持体のクリーニング領域において、荷電粒子が静電潜像担持体の表面を研磨する機能を発揮することも記載されている。しかし、荷電粒子はトナーの帯電極性と逆の極性に帯電される性質を有することから、静電潜像の非画像部に付着して早期に消費されてしまうという問題がある。特に、画像部の面積が小さな画像（例えば、文字画像）を作成する場合、大量の荷電粒子が消費され、キャリアを研磨して再生する能力が十分に発揮されないという問題がある。

特許文献４には、磁気ローラと、現像ローラを備えた現像装置を有し、磁気ローラの外周面に保持されたトナーとキャリアを含む現像剤からトナーだけを選択的に現像ローラの外周面に供給し、この現像ローラの外周面に保持されたトナーを用いて感光体上の静電潜像（静電潜像画像部）を現像する画像形成装置が提案されている。特徴として、特許文献４の発明では、トナーとキャリアのいずれの表面にも保持されることなくトナーとキャリアとの間に介在し、トナーの粉砕微粉がキャリアの表面に付着してスペントが形成されることを防止する荷電粒子が現像剤に含まれている。しかし、荷電粒子は、現像装置に初期導入された現像剤中にのみ含まれている。また、荷電粒子はトナーとキャリアのいずれの表面にも保持されていないために、その一部が、トナーとの電気的な結合によってトナーと共に現像ローラに供給された後感光体上の静電潜像非画像部に付着して徐々に消費されることから、例えば文字画像のように画像面積比（白黒比）の小さな画像を大量に印刷すると、荷電粒子だけが大量に消費されてしまい、長期的に安定したトナーの荷電性が得られないという問題がある。
特開昭５９−１００４７２号公報特開平９−２６９６１４号公報特開２００３−２１５８５５号公報特開２００６−３０８６８７号公報

そこで、本発明は、トナーとキャリアを含む二成分現像剤のキャリアに、長期に亘って安定したトナー帯電性を付与し得る現像装置、画像形成装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明は、トナーとキャリアを含む現像剤を用いて、静電潜像担持体上の静電潜像を可視像化する現像装置であって、
トナーとキャリアを含み、上記トナーとキャリアは相互の摩擦接触によって上記トナーが第１の極性に帯電されると共に上記キャリアが上記第１の極性とは異なる第２の極性に帯電される現像剤と、
第１の搬送部材と、
第１の領域を介して上記第１の搬送部材に対向し、第２の領域を介して上記静電潜像担持体に対向する第２の搬送部材と、
上記第１の搬送部材と上記第２の搬送部材との間に第１の電界を形成して、上記第１の搬送部材が保持している現像剤中のトナーを上記第２の搬送部材に移動させる第１の電界形成手段と、
上記第２の搬送部材と上記静電潜像担持体との間に第２の電界を形成して、上記第２の搬送部材が保持している上記トナーを上記静電潜像担持体の静電潜像に移動させて上記静電潜像を可視像化する第２の電界形成手段と、
上記現像剤に上記荷電粒子を補給する補給部を備えており、
上記現像剤は更に荷電粒子を含み、上記荷電粒子は、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン、アルミナ、チタン酸バリウムから選択された少なくとも一つの無機金属粒子を含み、個数平均粒径が１００ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲にあって、上記第２の極性に帯電可能であり、上記トナーの表面に離脱可能に保持された状態で供給され、上記トナーの表面から分離した後、上記トナーが上記キャリアの表面に付着してできる上記キャリア表面のスペントに吸着され、上記キャリアとの間に作用するストレスによって上記キャリアの表面に保持され又は打ち込まれ、上記トナーとの摩擦接触によって上記トナーを上記第１の極性に帯電することを特徴とする。

本発明の他の形態は、電子写真方式の画像形成装置に含まれる現像剤を荷電する方法であって、
画像形成装置によってシート材料に転写されて可視画像を形成する第１の粒子と、上記第１の粒子との摩擦接触によって上記第１の粒子に所定の極性の電荷を付与する第２と第３の粒子を含み、上記第３の粒子は上記第１の粒子の表面に保持されている現像剤を用意する第１の工程と、
上記第１の粒子の表面に保持されている第３の粒子を上記第１の粒子から分離させる第２の工程と、
上記第１の粒子から分離した上記第３の粒子を上記第２の粒子の表面に保持させる第３の工程と、
上記第２の粒子の表面に保持された上記第３の粒子を上記第１の粒子と摩擦接触させて上記第１の粒子に上記所定の極性の電荷を付与する第４の工程を有することを特徴とする。

このような発明によれば、現像装置に収容されているトナー（第１の粒子）は、キャリア（第２の粒子）に保持された荷電粒子（第３の粒子）との摩擦接触によって安定した帯電量を維持する。したがって、本発明を組み入れた現像装置、画像形成装置は、長期に亘って良質の画像を形成できる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。なお、以下の説明では、特定の方向を意味する用語（例えば、「上」、「下」、「左」、「右」、およびそれらを含む他の用語、「時計回り方向」、「反時計回り方向」）を使用するが、それらの使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明は限定的に解釈されるべきものでない。また、以下に説明する画像形成装置及び現像装置では、同一又は類似の構成部分には同一の符号を用いている。

〔１．画像形成装置〕
図１は、本発明に係る電子写真式画像形成装置の画像形成に関連する部分を示す。画像形成装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、およびそれらの機能を複合的に備えた複合機のいずれであってもよい。画像形成装置１は、静電潜像坦持体である感光体１２を有する。実施形態において、感光体１２は円筒体で構成されているが、本発明はそのような形態に限定されるものでなく、代わりに無端ベルト式の感光体も使用可能である。感光体１２は、図示しないモータに駆動連結されており、モータの駆動に基づいて矢印１４方向に回転するようにしてある。感光体１２の周囲には、感光体１２の回転方向に沿って、帯電ステーション１６、露光ステーション１８、現像ステーション２０、転写ステーション２２、およびクリーニングステーション２４が配置されている。

帯電ステーション１６は、感光体１２の外周面である感光体層を所定の電位に帯電する帯電装置２６を備えている。実施形態では、帯電装置２６は円筒形状のローラとして表されているが、これに代えて他の形態の帯電装置（例えば、回転型又は固定型のブラシ式帯電装置、ワイヤ放電式帯電装置）も使用できる。露光ステーション１８は、感光体１２の近傍又は感光体１２から離れた場所に配置された露光装置２８から出射された画像光３０が、帯電された感光体１２の外周面に向けて進行するための通路３２を有する。露光ステーション１８を通過した感光体１２の外周面には、画像光が投射されて電位の減衰した部分とほぼ帯電電位を維持する部分からなる、静電潜像が形成される。実施形態では、電位の減衰した部分が静電潜像画像部、ほぼ帯電電位を維持する部分が静電潜像非画像部である。現像ステーション２０は、粉体現像剤を用いて静電潜像を可視像化する現像装置３４を有する。現像装置３４の詳細は後に説明する。転写ステーション２２は、感光体１２の外周面に形成された可視像を紙やフィルムなどのシート３８に転写する転写装置３６を有する。実施形態では、転写装置３６は円筒形状のローラとして表されているが、他の形態の転写装置（例えば、ワイヤ放電式転写装置）も使用できる。クリーニングステーション２４は、転写ステーション２２でシート３８に転写されることなく感光体１２の外周面に残留する未転写トナーを感光体１２の外周面から回収するクリーニング装置４０を有する。実施形態では、クリーニング装置４０は板状のブレードとして示されているが、代わりに他の形態のクリーニング装置（例えば、回転型又は固定型のブラシ式クリーニング装置）も使用できる。

このような構成を備えた画像形成装置１の画像形成時、感光体１２はモータ（図示せず）の駆動に基づいて時計周り方向に回転する。このとき、帯電ステーション１６を通過する感光体外周部分は、帯電装置２６で所定の電位に帯電される。帯電された感光体外周部分は、露光ステーション１８で画像光３０が露光されて静電潜像が形成される。静電潜像は、感光体１２の回転と共に現像ステーション２０に搬送され、そこで現像装置３４によって現像剤像として可視像化される。可視像化された現像剤像は、感光体１２の回転と共に転写ステーション２２に搬送され、そこで転写装置３６によりシート３８に転写される。現像剤像が転写されたシート３８は図示しない定着ステーションに搬送され、そこでシート３８に現像剤像が固定される。転写ステーション２２を通過した感光体外周部分はクリーニングステーション２４に搬送され、そこでシート３８に転写されることなく感光体１２の外周面に残存する現像剤が回収される。

〔２．現像装置〕
現像装置３４は、第１の成分粒子である非磁性トナーと第２の成分粒子である磁性キャリアを含む２成分現像剤と以下に説明する種々の部材を収容するハウジング４２を備えている。図面を簡略化することで発明の理解を容易にするため、ハウジング４２の一部は削除してある。ハウジング４２は感光体１２に向けて開放された開口部４４を備えており、この開口部４４の近傍に形成された空間４６にトナー搬送部材（第２の搬送部材）である現像ローラ４８が設けてある。現像ローラ４８は、円筒状の部材（第２の回転円筒体）であり、感光体１２と平行に且つ感光体１２の外周面と所定の現像ギャップ５０を介して、回転可能に配置されている。

現像ローラ４８の背後には、別の空間５２が形成されている。空間５２には、現像剤搬送部材（第１の搬送部材）である搬送ローラ５４が、現像ローラ４８と平行に且つ現像ローラ４８の外周面と所定の供給回収ギャップ５６を介して配置されている。搬送ローラ５４は、回転不能に固定された磁石体５８と、磁石体５８の周囲を回転可能に支持された円筒スリーブ６０（第１の回転円筒体）を有する。スリーブ６０の上方には、ハウジング４２に固定され、スリーブ６０の中心軸と平行に伸びる規制板６２が、所定の規制ギャップ６４を介して対向配置されている。

磁石体５８は、搬送ローラ５４の内面に対向し、搬送ローラ５４の中心軸方向に伸びる、複数の磁極を有する。実施形態では、複数の磁極は、規制板６２の近傍にある搬送ローラ５４の上部内周面部分に対向する磁極Ｓ１、供給回収ギャップ５６の近傍にある搬送ローラ５４の左側内周面部分に対向する磁極Ｎ１、搬送ローラ５４の下部内周面部分に対向する磁極Ｓ２、搬送ローラ５４の右側内周面部分に対向する、２つの隣接する同極性の磁極Ｎ２，Ｎ３を含む。

搬送ローラ５４の背後には、現像剤攪拌室６６が形成されている。攪拌室６６は、搬送ローラ５４の近傍に形成された前室６８と搬送ローラ５４から離れた後室７０を有する。前室６８には図面の表面から裏面に向かって現像剤を攪拌しながら搬送する前攪拌搬送部材である前スクリュー７２が回転可能に配置され、後室７０には図面の裏面から表面に向かって現像剤を攪拌しながら搬送する後攪拌部材搬送部材である後スクリュー７４が回転可能に配置されている。図示するように、前室６８と後室７０は、両者の間に設けた隔壁７６で分離してもよい。この場合、前室６８と後室７０の両端近傍にある隔壁部分は除かれて連絡通路が形成されており、前室６８の下流側端部に到達した現像剤が連絡通路を介して後室７０へ送り込まれ、また後室７０の下流側端部に到達した現像剤が連絡通路を介して前室６８に送り込まれるようにしてある。

このように構成された現像装置３４の動作を説明する。画像形成時、図示しないモータの駆動に基づいて、現像ローラ４８とスリーブ６０はそれぞれ矢印７８，８０方向に回転する。前スクリュー７２は矢印８２方向に回転し、後スクリュー７４は矢印８４方向に回転する。これにより、現像剤攪拌室６６に収容されている現像剤２は、前室６８と後室７０を循環搬送されながら、攪拌される。その結果、現像剤に含まれるトナーとキャリアが摩擦接触し、互いに逆の極性に帯電される。実施形態では、キャリアは正極性、トナーは負極性に帯電されるものとする。図２に示すように、キャリア４はトナー６に比べて相当大きい。そのため、図３に示すように、正極性に帯電したキャリア４の周囲に、負極性に帯電したトナー６が、主として両者の電気的な吸引力に基づいて付着している。

図１に戻り、帯電された現像剤２は、前スクリュー７２によって前室６８を搬送される過程で搬送ローラ５４に供給される。前スクリュー７２から搬送ローラ５４に供給された現像剤２は、磁極Ｎ３の近傍で、磁極Ｎ３の磁力によって、スリーブ６０の外周面に保持される。スリーブ６０に保持された現像剤２は、磁石体５８によって形成された磁力線に沿って磁気ブラシを構成しており、スリーブ６０の回転に基づいて反時計周り方向に搬送される。規制板６２の対向領域（規制領域８６）で磁極Ｓ１に保持されている現像剤２は、規制板６２により、規制ギャップ６４を通過する量が所定量に規制される。規制ギャップ６４を通過した現像剤２は、磁極Ｎ１が対向する、現像ローラ４８と搬送ローラ５４が対向する領域（供給回収領域）８８に搬送される。後に詳細に説明するように、供給回収領域８８のうち、主にスリーブ６０の回転方向に関して上流側の領域（供給領域）９０では、現像ローラ４８とスリーブ６０との間に形成された電界の存在により、キャリア４に付着しているトナー６が現像ローラ４８に電気的に供給される。また、供給回収領域８８のうち、主にスリーブ６０の回転方向に関して下流側の領域（回収領域）９２では、後に説明するように、現像に寄与することなく供給回収領域８８に送り戻された現像ローラ４８上のトナーが、磁極Ｎ１の磁力線に沿って形成されている磁気ブラシに掻き取られてスリーブ６０に回収される。キャリア４は磁石体５８の磁力によってスリーブ６０の外周面に保持されており、スリーブ６０から現像ローラ４８に移動することはない。供給回収領域８８を通過した現像剤２は、磁石体５８の磁力に保持され、スリーブ６０の回転と共に磁極Ｓ２の対向部を通過して磁極Ｎ２とＮ３の対向領域（放出領域９４）に到達すると、磁極Ｎ２とＮ３によって形成される反発磁界によってスリーブ６０の外周面から前室６８に放出され、前室６８を搬送されている現像剤２に混合される。

供給領域９０で現像ローラ４８に保持されたトナー６は、現像ローラ４８の回転と共に反時計周り方向に搬送され、感光体１２と現像ローラ４８が対向する領域（現像領域）９６で、感光体１２の外周面に形成されている静電潜像画像部に付着する。実施形態の画像形成装置では、感光体１２の外周面は帯電装置２６で負極性の所定の電位Ｖ_Ｈが付与され、露光装置２８で画像光３０が投射された静電潜像画像部が所定の電位Ｖ_Ｌまで減衰し、露光装置２８で画像光３０が投射されていない静電潜像非画像部はほぼ帯電電位Ｖ_Ｈを維持している。したがって、現像領域９６では、感光体１２と現像ローラ４８との間に形成されている電界の作用を受けて、負極性に帯電したトナー６が静電潜像画像部に付着し、この静電潜像を現像剤像として可視像化する。

このようにして現像剤２からトナー６が消費されると、消費された量に見合う量のトナーが現像剤２に補給されることが好ましい。そのために、現像装置３４は、ハウジング４２に収容されているトナーとキャリアの混合比を測定する手段を備えている。また、後室７０の上方にはトナー補給部９８が設けてある。トナー補給部９８は、トナーを収容するための容器１００を有する。容器１００の底部には開口部１０２が形成されており、この開口部１０２に補給ローラ１０４が配置されている。補給ローラ１０４は図示しないモータに駆動連結されており、トナーとキャリアの混合比を測定する手段の出力に基づいてモータが駆動し、トナーが後室７０に落下補給するようにしてある。

〔３．電界形成手段〕
供給領域９０でスリーブ６０から現像ローラ４８にトナー６を効率的に移動させるために、現像ローラ４８とスリーブ６０は電界形成装置１１０と電気的に接続されている。電源の具体例が図５Ａ〜図９に示してある。

図５Ａに示す実施形態１の電界形成装置１１０は、現像ローラ４８に接続された第１の電源１１２（請求項の第２の電界形成手段に相当する。）とスリーブ６０に接続された第２の電源１１４（請求項の第１の電界形成手段に相当する。）を有する。第１の電源１１２は、現像ローラ４８とグランド１１６との間に接続された直流電源１１８を有し、トナー６の帯電極性と同一極性の第１の直流電圧Ｖ_ＤＣ１（例えば、−２００ボルト）を現像ローラ４８に印加している。第２の電源１１４は、スリーブ６０とグランド１１６との間に接続された直流電源１２０を有し、トナー６の帯電極性と同一極性で且つ第１の直流電圧よりも高圧の第２の直流電圧Ｖ_ＤＣ２（例えば、−４００ボルト）をスリーブ６０に印加する。この結果、供給領域９０では、現像ローラ４８とスリーブ６０との間に形成された直流電界の作用を受けて、負極性に帯電しているトナー６がスリーブ６０から現像ローラ４８に電気的に吸引される。このとき、正極性に帯電しているキャリア４は、スリーブ６０から現像ローラ４８に吸引されることはない。また、現像領域９６では、現像ローラ４８に保持されている負極性トナーが、図５Ｂに示すように、現像ローラ４８（Ｖ_ＤＣ１：−２００ボルト）と静電潜像画像部（Ｖ_Ｌ：−８０ボルト）との電位差に基づき、静電潜像画像部に付着する。このとき、負極性トナーは、現像ローラ４８（Ｖ_ＤＣ１：−２００ボルト）と静電潜像非画像部（Ｖ_Ｈ：−６００ボルト）との電位差により、静電潜像非画像部に付着することはない。

実施形態２に係る図６Ａの電界形成装置１２２において、第１の電源１２４は、実施形態１の電源と同様に、現像ローラ４８とグランド１２６との間に接続された直流電源１２８を有し、トナー６の帯電極性と同一極性の第１の直流電圧Ｖ_ＤＣ１（例えば、−２００ボルト）を現像ローラ４８に印加している。第２の電源１３０は、スリーブ６０とグランド１２６との間に直流電源１３２と交流電源１３４を有する。直流電源１３２は、トナー６の帯電極性と同一極性で且つ第１の直流電圧よりも高圧の第２の直流電圧Ｖ_ＤＣ２（例えば、−４００ボルト）をスリーブ６０に印加している。図６Ｂに示すように、交流電源１３４は、スリーブ６０とグランド１２６との間にピーク・ツー・ピーク電圧Ｖ_Ｐ−Ｐが例えば３００ボルトの交流電圧Ｖ_ＡＣを印加する。その結果、供給領域９０では、現像ローラ４８とスリーブ６０との間に形成された脈流電界の作用を受けて、負極性に帯電しているトナー６がスリーブ６０から現像ローラ４８に電気的に吸引される。このとき、正極性に帯電しているキャリア４は、スリーブ６０の内部の固定磁石の磁力によってスリーブ６０に保持され、現像ローラ４８に供給されることはない。また、現像領域９６では、現像ローラ４８に保持されている負極性トナーは、現像ローラ４８（Ｖ_ＤＣ１：−２００ボルト）と静電潜像画像部（Ｖ_Ｌ：−８０ボルト）との電位差に基づき、静電潜像画像部に付着する。

図７Ａに示す電界形成装置１３６において、第１の電源１３８は、現像ローラ４８とグランド１４０との間に直流電源１４２と交流電源１４４を有する。直流電源１４２は、トナー６の帯電極性と同一極性の第１の直流電圧Ｖ_ＤＣ１（例えば、−２００ボルト）を現像ローラ４８に印加する。交流電源１４４は、現像ローラ４８とグランド１４０との間に振幅（ピーク・ツー・ピーク電圧）Ｖ_Ｐ−Ｐが例えば１，６００ボルトの交流電圧Ｖ_ＡＣを印加する。第２の電源１４６は、現像ローラ４８と交流電源１４４との間の端子１４８とスリーブ６０との間に接続された直流電源１５０を有する。直流電源１５０は、所定の直流電圧Ｖ_ＤＣ２を出力することができ、陽極が端子１４８、陰極がスリーブ６０に接続されており、これにより、スリーブ６０が現像ローラ４８に対して負極性にバイアスされている（図７Ｂ参照）。したがって、供給領域９０では、現像ローラ４８とスリーブ６０との間に形成された脈流電界の作用を受けて、負極性に帯電しているトナー６がスリーブ６０から現像ローラ４８に電気的に吸引される。また、現像領域９６では、現像ローラ４８上の負極性トナーが、現像ローラ４８（Ｖ_ＤＣ１：−２００ボルト）と静電潜像画像部（Ｖ_Ｌ：−８０ボルト）との電位差に基づき、静電潜像画像部に付着する。

図８に示す電源１５２は、図５Ａに示す実施形態の電源において、第１の電源１１２と第２の電源１１４にそれぞれ交流電界形成装置１５４，１５６を追加したものである。交流電界形成装置１５４，１５６の出力電圧はＶ_ＡＣ１，Ｖ_ＡＣ２である。電圧Ｖ_ＡＣ１，Ｖ_ＡＣ２は同一であってもよいし、違ってもよい。図９に示す電界形成装置１５８は、図５Ａに示す実施形態の電源において、第１の電源１１２に交流電源１６０を追加したものである。交流電源１６０の出力電圧はＶ_ＡＣである。これらの形態の電界形成装置１５２，１５８も、電源１１０，１２２，１３６と同様に、現像ローラ４８とスリーブ６０との間に形成された脈流電界の作用を受けて、供給領域９０では負極性に帯電しているトナー６をスリーブ６０から現像ローラ４８に供給し、現像領域９６では負極性に帯電しているトナー６を現像ローラ４８から静電潜像画像部（Ｖ_Ｌ：−８０ボルト）との電位差に基づき、静電潜像画像部に供給する。

〔４．現像剤〕
一般に、トナーとキャリアを主成分とする２成分現像剤は、キャリアの表面にトナーが付着してできる汚れ（スペント）が発生し、これがキャリアの寿命を低下させる。そこで、この問題を解消するために、本発明では、２成分現像剤に第３の成分として荷電粒子（インプラント粒子）が添加されている。

図２〜４を参照して具体的に説明すると、本発明の画像形成装置及び現像装置は、トナー６とキャリア４の他に、トナー６との摩擦接触によりトナー６を正規の極性（実施形態では負極性）に帯電する、トナー６よりも小径の荷電粒子８を含む。実施の形態において、荷電粒子８は、トナー６の外周面に離脱可能に保持されており、トナー補給部９８からトナー６と共に補給される。

画像形成時、荷電粒子８はトナー６やキャリア４とともに、ハウジング４２の中を搬送された後、スリーブ６０に保持されて規制領域８６、供給回収領域８８、放出領域９４を移動する。この搬送過程で、トナー６の表面に保持されて正極性に帯電している荷電粒子８は、供給回収領域８８の電界中に置かれると、トナー６に作用する電気的な力とは逆の方向の電気的な力を受けてトナー６の外周面から離脱する。離脱した荷電粒子８は、該分離した荷電粒子８とキャリア４との間に作用するストレスによってキャリア４の外周面に保持される又は打ち込まれる。図４に示すように、キャリア４の外周面の一部又は全体がスペント１０で覆われている場合、荷電粒子８はスペント１０に打ち込まれる。キャリア４の外周面に保持され又は打ち込まれた荷電粒子８は、トナー６との摩擦接触によりトナー６と逆の極性に帯電する。実施形態では、トナー６は負極性に帯電されるため、荷電粒子８は正極性に帯電される。その結果、荷電粒子８が打ち込まれたキャリア４は、たとえその外周面の少なくとも一部がスペント１０に被覆されていても、スペント１０の無い状態と同様の荷電性を維持し、トナー６を所定の極性に帯電する。

上述のように、荷電粒子８は、トナー６と逆の極性に帯電される。そのため、図１０に示すように、供給回収領域８８では、現像ローラ４８とスリーブ６０の間に形成される電界に基づいてトナー６はスリーブ６０から現像ローラ４８に移動する。また、トナー６から分離した荷電粒子８は、供給領域９０でトナー６が奪われることによって比較的キャリアリッチとなっている現像剤のキャリア表面に素早く保持されて、トナー６と共に現像ローラ４８に供給されることがない、または現像ローラ６に供給されるとしてもその量は極めて僅かである。

ところで、図１１に示すように、図１に示す現像装置から現像ローラを除いた形態の現像装置３４’に同様の荷電粒子を用いた場合、異なる結果を招く。具体的に、現像装置３４’の搬送ローラ５４が対向する感光体１２の外周面には静電潜像が形成されている。静電潜像は、例えば、ほぼ帯電電位を維持している高電位の静電潜像非画像部と、露光装置２８で光３０が投射されて電位の減衰している低電位の静電潜像画像部を有し、これら高電位の静電潜像非画像部と低電位の静電潜像画像部が搬送ローラ５４の対向部を通過していく。そして、画像形成時、現像領域において、例えば、負極性に帯電されているトナー６は、低電位の静電潜像画像部に付着し、静電潜像非画像部には付着しない。しかし、トナー６を負極性に帯電させる荷電粒子８は、それ自身が正極性に帯電している。したがって、現像領域で自由状態にある荷電粒子８は、図１２に示すように、静電潜像非画像部に付着する。このように、現像装置３４’によれば、トナー６から分離した荷電粒子８が現像領域で感光体１２の静電潜像非画像部に大量消費される。その結果、上述した現像装置３４に比べてキャリア４の外周面に打ち込まれる荷電粒子８の数が極めて少なく、スペントが付着したキャリア４は十分なトナー荷電性能を持ち得ない。

ところで、上述の特許文献４で説明した現像装置では、荷電粒子は、トナーとキャリアのいずれの表面にも保持されることなく両者の間に比較的自由な状態で存在する。また、現像装置に初期導入された荷電粒子は、トナーの帯電極性とは逆の極性に帯電している。そのため、トナーと電気的に結合してトナーと共に現像ローラに供給された後、感光体上の静電潜像非画像部に付着して徐々に無くなり、それと共にトナーの荷電性が低下する。しかし、本願発明の現像装置では、上述のように、供給回収領域８８でトナー６から分離した荷電粒子８はその後素早くキャリア４に保持されてスリーブ６０の外周面に留まることから、トナー６と同じように現像ローラ４８を介して感光体１２に供給されて消費されることはないので、長期に亘って安定したトナーの荷電性が得られる。もっとも、本実施例においてもいくらかの荷電粒子８はトナー６と共に現像ローラ４８に供給されるが、荷電粒子８はトナーと共に補給部９８から新たに補給されるため、無くなることはなく、よって、長期に亘って安定したトナーの荷電性が得られる。

なお、実施形態では、トナー６とキャリア４との摩擦接触によりトナー６は負極性、キャリア４は正極性に帯電される。また、荷電粒子８は、トナー６との接触により該トナーを負極性に帯電するとともに、荷電粒子８は正極性に帯電する。本発明に用いるトナー、キャリア、荷電粒子の帯電性は、そのような組み合わせに限るものでない。具体的に、トナー６とキャリア４との摩擦接触によりトナー６は正極性、キャリア４は負極性に帯電され、荷電粒子８は、トナー６との接触により該トナーを正極性に帯電するとともに、荷電粒子８は負極性に帯電する組み合わせも考えられる。

〔５．具体的な材料〕
トナー、キャリア、荷電粒子、および現像剤に含まれる他の粒子の具体的な材料を説明する。

〔荷電粒子〕
好適に使用される荷電粒子は、トナーの帯電極性に応じて適宜選択される。荷電粒子の個数平均粒径は、例えば、１００〜１０００ｎｍである。キャリアとの摩擦接触により負極性に帯電するトナーを用いる場合、荷電粒子は、トナーとの接触により正極性に帯電する微粒子が用いられる。そのような微粒子は、例えば、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、アルミナ等の無機微粒子やアクリル樹脂、ベンゾグァナミン樹脂、ナイロン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂等の、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂で構成できる。微粒子を構成する樹脂にトナーとの接触により正極性に帯電する正荷電制御剤を含有させてもよい。正荷電制御剤には、例えば、ニグロシン染料、四級アンモニウム塩等が使用できる。荷電粒子は含窒素モノマーで構成してもよい。含窒素モノマーを構成する材料には、例えば、アクリル酸２−ジメチルアミノエチル、アクリル酸２−ジエチルアミノエチル、メタクリル酸２−ジメチルアミノエチル、メタクリル酸２−ジエチルアミノエチル、ビニールピリジン、Ｎ−ビニールカルバゾール、ビニールイミダゾールがある。

キャリアとの摩擦接触により正極性に帯電するトナーの場合、荷電粒子は、トナーとの接触により負極性に帯電する微粒子が用いられる。このような微粒子は、例えば、シリカ、酸化チタン等の無機微粒子、また、フッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂等の、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂で構成された微粒子が使用できる。トナーとの接触により負極性に帯電する負荷電制御剤を、荷電粒子を構成する樹脂に含有させてもよい。負荷電制御剤には、例えば、サリチル酸系、ナフトール系のクロム錯体、アルミニウム錯体、鉄錯体、亜鉛錯体等を使用できる。荷電粒子は、含フッ素アクリル系モノマーや含フッ素メタクリル系モノマーの共重合体であってもよい。

荷電粒子の帯電性および疎水性を制御するために、無機微粒子の表面をシランカップリング剤、チタンカップリング剤、シリコーンオイル等で表面処理してもよい。特に、無機微粒子に正極帯電性を付与する場合、アミノ基含有カップリング剤で表面処理することが好ましい。微粒子に負極性帯電性を付与する場合、フッ素基含有カップリング剤で表面処理することが好ましい。

〔トナー〕
トナーには、画像形成装置で従来から一般に使用されている公知のトナーを使用できる。トナー粒径は、例えば約３〜１５μｍである。バインダー樹脂中に着色剤を含有させたトナー、荷電制御剤や離型剤を含有するトナー、表面に添加剤を保持するトナーも使用できる。

トナーは、例えば、粉砕法、乳化重合法、懸濁重合法等の公知の方法で製造できる。

〔バインダー樹脂〕
トナーに使用されるバインダー樹脂は、限定的ではないが、例えば、スチレン系樹脂（スチレンまたはスチレン置換体を含む単重合体または共重合体）、ポリエステル樹脂、エポキシ系樹脂、塩化ビニル樹脂、フェノール樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、またはそれらの樹脂を任意に混ぜ合わせたものである。バインダー樹脂は、軟化温度が約８０〜１６０℃の範囲、ガラス転移点が約５０〜７５℃の範囲であることが好ましい。

〔着色剤〕
着色剤は、公知の材料、例えば、カーボンブラック、アニリンブラック、活性炭、マグネタイト、ベンジンイエロー、パーマネントイエロー、ナフトールイエロー、フタロシアニンブルー、ファーストスカイブルー、ウルトラマリンブルー、ローズベンガル、レーキーレッド等を用いることができる。着色剤の添加量は、一般に、バインダー樹脂１００重量部に対して、２〜２０重量部であることが好ましい。

〔荷電制御剤〕
荷電制御剤は、従来から荷電制御剤として知られている材料が使用できる。具体的に、正極性に帯電するトナーには、例えばニグロシン系染料、４級アンモニウム塩系化合物、トリフェニルメタン系化合物、イミダゾール系化合物、ポリアミン樹脂が荷電制御剤として使用できる。負極性に帯電するトナーには、Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｆｅ等の金属含有アゾ系染料、サリチル酸金属化合物、アルキルサリチル酸金属化合物、カーリックスアレーン化合物が荷電制御剤として使用できる。荷電制御剤は、バインダー樹脂１００重量部に対して、０．１〜１０重量部の割合で用いることが好ましい。

離型剤は、従来から離型剤として使用されている公知のものを使用できる。離型剤の材料には、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、カルナバワックス、サゾールワックス、又はそれらを適宜組み合わせた混合物が用いられる。離型剤は、バインダー樹脂１００重量部に対して、０．１〜１０重量部の割合で用いることが好ましい。

〔その他の添加剤〕
その他、現像剤の流動化を促進する流動化剤を添加してもよい。流動化剤には、例えば、シリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム等の無機微粒子や、アクリル樹脂、スチレン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等の樹脂微粒子が使用できる。特にシランカップリング剤、チタンカップリング剤、およびシリコンオイル等で疎水化した材料を用いるのが好ましい。流動化剤は、トナー１００重量部に対して、０．１〜５重量部の割合で添加させることが好ましい。これら添加剤の個数平均一次粒径は９〜１００ｎｍであることが好ましい。

〔キャリア〕
キャリアは、従来から一般に使用されている公知のキャリアを使用できる。バインダー型キャリアやコート型キャリアのいずれを用いてもよい。キャリア粒径は、限定的ではないが、約１５〜１００μｍが好ましい。

バインダー型キャリアは、磁性体微粒子をバインダー樹脂中に分散させたものであり、表面に正極性または負極性に帯電する微粒子又はコーティング層を有するものが使用できる。バインダー型キャリアの極性等の帯電特性は、バインダー樹脂の材質、帯電性微粒子、表面コーティング層の種類によって制御できる。

バインダー型キャリアに用いられるバインダー樹脂としては、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、ナイロン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂などの熱可塑性樹脂、フェノール樹脂等の硬化性樹脂が例示される。

バインダー型キャリアの磁性体微粒子としては、マグネタイト、ガンマ酸化鉄等のスピネルフェライト、鉄以外の金属（Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｃｕ等）を一種または二種以上含有するスピネルフェライト、バリウムフェライト等のマグネトプランバイト型フェライト、表面に酸化層を有する鉄や合金の粒子を用いることができる。キャリアの形状は、粒状、球状、針状のいずれであってもよい。特に高磁化を要する場合には、鉄系の強磁性微粒子を用いることが好ましい。化学的な安定性を考慮すると、マグネタイト、ガンマ酸化鉄を含むスピネルフェライトやバリウムフェライト等のマグネトプランバイト型フェライトの強磁性微粒子を用いることが好ましい。強磁性微粒子の種類及び含有量を適宜選択することにより、所望の磁化を有する磁性樹脂キャリアを得ることができる。磁性体微粒子は磁性樹脂キャリア中に５０〜９０重量％の量で添加することが適当である。

バインダー型キャリアの表面コート材としては、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂等が用いられる。これらの樹脂をキャリア表面にコートし硬化させてコート層を形成することにより、キャリアの電荷付与能力を向上できる。

バインダー型キャリアの表面への帯電性微粒子あるいは導電性微粒子の固着は、例えば、磁性樹脂キャリアと微粒子とを均一混合し、磁性樹脂キャリアの表面にこれら微粒子を付着させた後、機械的・熱的な衝撃力を与えることにより微粒子を磁性樹脂キャリア中に打ち込むことで行われる。この場合、微粒子は、磁性樹脂キャリア中に完全に埋設されるのではなく、その一部が磁性樹脂キャリア表面から突出するように固定される。帯電性微粒子には、有機、無機の絶縁性材料が用いられる。具体的に、有機系の絶縁性材料としては、ポリスチレン、スチレン系共重合物、アクリル樹脂、各種アクリル共重合物、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂およびこれらの架橋物などの有機絶縁性微粒子がある。電荷付与能力および帯電極性は、帯電性微粒子の素材、重合触媒、表面処理等に調整できる。無機系の絶縁性材料としては、シリカ、二酸化チタン等の負極性に帯電する無機微粒子や、チタン酸ストロンチウム、アルミナ等の正極性に帯電する無機微粒子が用いられる。

コート型キャリアは、磁性体からなるキャリアコア粒子を樹脂で被覆したキャリアであり、バインダー型キャリア同様に、キャリア表面に正極性または負極性に帯電する帯電性微粒子を固着することができる。コート型キャリアの極性等の帯電特性は、表面コーティング層の種類や帯電性微粒子の選択により調整できる。コーティング樹脂は、バインダー型キャリアのバインダー樹脂と同様の樹脂が使用可能である。

トナーとキャリアの混合比は所望のトナー帯電量が得られるよう調整されれば良く、トナー比はトナーとキャリアとの合計量に対して３〜５０重量％、好ましくは６〜３０重量％が好ましい。

〔実験Ａ〕
図１の現像装置を有する画像形成装置と図１１に示す現像装置を備えた画像形成装置を用いて、荷電粒子の効果を調べた。実験用に、荷電粒子を担持していないトナーＡと、荷電粒子を担持したトナーＢを用意した。

〔トナーＡ〕
トナーＡの製造方法は以下のとおりである。湿式造粒法で作成された体積平均粒径約６．５μｍのトナー母材１００重量部に、複数の添加剤−第１の疎水性シリカ０．２重量部、第２の疎水性シリカ０．５重量部、疎水性酸化チタン０．５重量部−を添加した。次に、三井鉱山社製のヘンシェルミキサを用い、添加剤が添加されたトナー母材を攪拌して添加剤をトナー母材の表面に付着させ、負極帯電性のトナーＡを得た。ミキサの回転速度は４０ｍ／秒、攪拌時間は３分間であった。第１の疎水性シリカは、個数平均一次粒径１６ｎｍのシリカ（＃１３０：日本アエロジル社製）を疎水化剤のヘキサメチルジラザン（ＨＭＤＳ）で表面処理して得たものである。第２の疎水性シリカは、固体平均一次粒径２０ｎｍのシリカ（＃９０：日本アエロジル社製）をＨＭＤＳで表面処理して得たものである。疎水性酸化チタンは、個数平均一次粒径３０ｎｍのアナターゼ型酸化チタンを、水系湿式環境で、疎水化剤のイソブチルトリメトキシシランにより表面処理して得たものである。

〔トナーＢ〕
トナーＢの製造方法は以下のとおりである。トナーＡに、荷電粒子として個数平均粒径３５０ｎｍのチタン酸ストロンチウムを添加した。荷電粒子の添加量は、トナーＡに含まれるトナー母材粒子１００重量部に対して、２重量部であった。次に、荷電粒子が添加されたトナーＡを三井鉱山社製のヘンシェルミキサで攪拌し、トナーの表面に荷電粒子を付着させて、トナーＢを得た。ミキサの回転速度は４０ｍ／秒、攪拌時間は３分間であった。

〔キャリア〕
実験に用いたキャリアは、コニカミノルタビジネステクノロジーズ社製bizhub C350キャリアである。このキャリアは、磁性体からなるキャリアコア粒子にアクリル系樹脂をコーティングしたコート型キャリアである。

〔実施例１〕
現像装置は図１に示す形態の現像装置を使用した。現像剤は、上述のキャリアとトナーＢを用いた。現像剤中のトナー比率を８％に調整した。トナー比率は、現像剤全体の重量に対する、トナーと荷電粒子を含む添加材との合計重量の割合である。電界形成装置は、図９に示す形態を採用し、搬送ローラに直流電圧Ｖ_ＤＣ２：−５００ボルトを印加し、現像ローラには、直流電圧Ｖ_ＤＣ１：−３００ボルトと交流電圧を印加した。交流電圧は、周波数：２ｋＨｚ、振幅Ｖ_Ｐ−Ｐ：１，６００ボルト、マイナスデューティ比（トナー回収デューティ比）：４０％、プラスデューティ比（トナー供給デューティ比）：６０％の矩形波であった（図１３参照）。したがって、負極性に帯電したトナーをスリーブから現像ローラにバイアスする供給電位差（トナー供給電圧）は１，０００ボルト、現像ローラからスリーブにトナーをバイアスする回収電圧差（トナー回収電圧）は６００ボルトである。

現像ローラには、表面をアルマイト処理したアルミニウムローラを用いた。現像ローラとスリーブの供給回収ギャップは０．３ｍｍに設定した。これにより、現像ローラとスリーブの間に形成されるトナーの供給電界は、３．３×１０^６Ｖ／ｍ（＝１，０００Ｖ／０．３ｍｍ）であった。規制板とスリーブの規制ギャップは、スリーブ上の磁気ブラシが現像ローラの外周面に接触するように、０．４ｍｍとした。現像ローラとスリーブは同一方向に回転し、供給回収領域でスリーブ上の現像剤搬送方向と現像ローラ上のトナーが逆方向に移動するようにした。感光体の帯電電位は−５５０ボルト、感光体に形成された静電潜像非画像部画像部の電位は−６０ボルトであった。感光体と現像ローラの現像ギャップは０．１５ｍｍに設定した。

〔比較例１〕
実施例１と同一の現像剤を用いた。現像装置は、図１１に示す現像装置を用いた。スリーブには、振幅１，４００ボルト、直流電圧−３００ボルト、マイナスデューティ比５０％、周波数４ｋＨｚの矩形波を印加した。スリーブと感光体の現像ギャップは０．３ｍｍに設定した。その他の条件は、実施例１と同一である。

〔比較例２〕
荷電粒子を有するトナーＢに代えて、荷電粒子の無いトナーＡを用いた。その他の条件は、実施例１と同一である。

〔評価〕
コニカミノルタビジネステクノロジーズ社製複写機bizhub C３５０を改造した画像形成装置を用い、複数の条件で画像面積率５％のオリジナル画像を５０，０００枚印刷した。１０，０００枚の印刷ごとに現像装置内の現像剤をサンプリングし、トナー帯電量を測定した。結果を図１４に示す。この図から明らかなように、実施例１では、印刷枚数の増加に拘わらず、トナーの帯電量はほぼ一定の値を維持した。これに対し、比較例１，２では、印刷枚数の増加と共にトナーの帯電量が低下した。

５０，０００枚印刷後、現像剤からキャリアを分離し、キャリアの表面を走査電子顕微鏡で観察した。図１５Ａは、荷電粒子を有するトナーＢを含む現像剤から分離されたキャリアの表面拡大写真である。写真に表れている小さな粒子をＸ線光電子分光法（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）で分析したところ、荷電粒子の主成分であるストロンチウムが検出された。この検出結果は、キャリアの表面に荷電粒子が打ち込まれていることが裏付けるものであった。図１５Ｂ、図１５Ｃは、荷電粒子の無いトナーＢを含む現像剤から分離されたキャリアの表面拡大写真である。図１５Ａと比較すると明らかなように、キャリアの表面に微小粒子は殆ど存在しなかった。

〔荷電粒子の帯電極性〕
図１６に示す実験装置１７０を用いて荷電粒子の帯電極性を確認した。実験装置１７０は、固定円筒体１７２と、円筒体１７２の内部に回転可能に配置されたマグネットローラ１７４と、マグネットローラ１７４を囲む外筒１７６を有する。円筒体１７２と外筒１７６との間には、負極性のトナーを円筒体１７２から外筒１７６に向けて電気的に付勢しない電界、すなわち、トナーと逆極性の荷電粒子を円筒体１７２から外筒１７６に向けて付勢する電界を加えた。そして、荷電粒子を含むトナーＢとキャリアからなる現像剤を攪拌した後、攪拌後の現像剤を円筒体１７２の外周面に保持させてマグネットローラ１７４を回転した。結果、円筒体１７２から外筒１７６に向かう電界付勢力を受けた荷電粒子のチタン酸ストロンチウムが現像剤から分離して離脱し、外筒１７６の内面上に確認された。これにより、チタン酸ストロンチウムがトナーとは逆の極性（正極性）に帯電していることが分かる。

〔結論〕
以上より、現像装置の中で、トナーとは逆の極性に帯電するチタン酸ストロンチウムがキャリアの表面に付着し、それにより、キャリアがトナーを帯電する能力の低下を補い、長期に亘ってトナーの帯電量が必要な値に保たれることが分かった。

〔実験Ｂ〕
実施例１で用いたトナーＢと図１の現像装置を用いて、スリーブと現像ローラの間で現像剤に作用する電界の強さを変化させ、画像面積率が５％の画像を５０，０００枚印刷後、現像ローラの表面に担持されているトナー帯電量の低下量を測定した。実験の条件と結果を、表１，２に示す。

表１から分かるように、供給回収領域に直流電界であって１×１０^６Ｖ／ｍ以下の弱いトナー供給電界の場合（実験１，１３）、比較的大きな帯電量の低下が見られた。ただし、そのような条件下にあっても実用上問題の無い画質が得られた。このような帯電量の低下は、荷電粒子をトナーから分離する電界が弱いことからトナーと共に挙動し、キャリア表面への荷電粒子付着量が少なく、十分なトナー荷電性能が得られなかった事に原因があるものと考えられる。したがって、直流電界を採用する場合、供給回収領域には１×１０^６Ｖ／ｍ以上のトナー供給電界を形成することが好ましい。

実験１、１３と実験４の結果、また実験２と実験８，９の結果を対比すれば明らかなように、供給回収領域に振動電界を作用させた場合、直流電界と同等の平均電界であっても、より高いトナー帯電性能が得られることが分かる。その理由は、振動電界によってトナーと荷電粒子には逆方向の付勢力が交互に作用し、それにより荷電粒子がトナーから効率的に分離したものと考えられる。したがって、供給回収領域には、直流電界よりも振動電界を形成することがより好ましいといえる。また、振動電界を用いる場合、トナー供給電界は約２．５×１０^６Ｖ／ｍ以上であることが好ましいと考えられる。

〔実験Ｃ〕
〔比較例３〕
図１の現像装置と図１７の現像装置を用いて、面積画像率５％の画像を５０，０００枚印刷し、トナー帯電量の低下と画像メモリの発生を調べた。図１７の現像装置が図１の現像装置と異なる点は、スリーブ６０の回転方向、磁石体５８における磁極の配置、規制板６２の取付位置である。結果を表３に示す。

表３に示すように、トナー帯電量の低下、画像メモリの点で、図１７の現像装置は図１の現像装置に劣ることが確認された。これらの点で両現像装置に明らかな違いが表れた原因は、現像領域を移動するスリーブと現像ローラの移動方向が異なることによるものと思われる。具体的に、図１の現像装置では、現像領域ではスリーブと現像ローラの表面が逆の方向に移動するのに対して、図１７の現像装置ではスリーブと現像ローラの表面が同一の方向に移動する。その結果、図１の現像装置では、現像ローラの表面部分はまず回収領域を通過し、そこで現像に寄与しなかったトナーがスリーブの磁気ブラシに回収される。このとき、磁気ブラシは、すでに供給領域で現像ローラにトナーが奪われて、トナーが少ない状態になっている。そして、トナーが少ない状態の磁気ブラシは、次の回収領域で効率良くトナーを回収する。したがって、供給回収領域を通過した現像ローラでは全て又は殆どのトナーが入れ替わり、画像メモリが生じることはない。これに対し、図１７の現像装置では、供給回収領域に到達した磁気ブラシが現像ローラに接触する。このとき、磁気ブラシにはトナーが十分付着しているため、供給回収領域の上流側でスリーブから現像ローラに移動するトナー量は少なく、そこを通過した磁気ブラシには比較的多くのトナーが付着している。そのため、供給回収領域の下流側で、比較的多くのトナーが付着している磁気ブラシは現像ローラから多くのトナーを回収できず、結果的に、現像ローラの表面に画像メモリが残った状態になるものと思われる。

以上のように、図１と図１７の現像装置では、現像ローラ上のトナーの入れ替わり、すなわち、供給回収領域におけるトナーの動きに大きな違いがあることから、トナーの動きに基づいてトナーから分離する荷電粒子の数も少なく、それがキャリアへの荷電粒子の打ち込み量、引いてはトナーを帯電する能力の違いとして表れたものと考えられる。

〔実験Ｄ〕
トナーＢの他に複数のトナーＣ〜Ｇを用意して、トナー帯電量の変化を調べた。トナーＣ〜Ｇは、それぞれ個数平均粒径２１０ｎｍ、１４０ｎｍ、７０ｎｍ、８５０ｎｍ、１，０００ｎｍのチタン酸ストロンチウムからなる荷電粒子をトナーＡに添加し攪拌して得た。荷電粒子の添加量は、トナー母材粒子１００重量部に対して２重量部とした。攪拌は、ヘンシェルミキサを用いて、４０ｍ／秒の攪拌速度で３分間行った。その他の条件は実施例１と同一である。

用意されたトナーＢ〜Ｇを図１の現像装置に装填し、画像面積率５％の画像を５０，０００枚印刷し、１０，０００枚ごとに現像ローラの外周面に保持されているトナーの帯電量を測定した。結果を図１８のグラフに示す。このグラフに示すように、トナーＢ，Ｃ，Ｄ，Ｆについては帯電量の低下は殆ど無かったが、トナーＥ，Ｇについては印刷枚数の増加と共にトナー帯電量が低下する傾向が得られた。その結果から、個数平均粒径が小さくなると、荷電粒子がトナーから分離し難くなり、結果的にキャリアに付着する量が減少するものと考えられる。また、個数平均粒径が大きくなると、キャリアへの荷電粒子の打ち込み性が低下し、トナーの帯電性を有効に発揮できないものと考えられる。これらの事実から、荷電粒子の粒径は約１００ｎｍ〜約８５０ｎｍの範囲であることが好ましいと考えられる。

〔実験Ｅ〕
トナーＢの他に複数のトナーＨ〜Ｋを用意して、トナー帯電量の変化を調べた。トナーＨ〜Ｋは、それぞれ個数平均粒径１５０ｎｍの酸化チタン、個数平均粒径２００ｎｍのアルミナ、個数平均粒径５００ｎｍのチタン酸バリウム、個数平均粒径２００ｎｍのメラミン樹脂ビーズからなる荷電粒子をトナーＡに添加し攪拌して得た。荷電粒子の添加量は、トナー母材粒子１００重量部に対して２重量部とした。攪拌は、ヘンシェルミキサを用いて、４０ｍ／秒の攪拌速度で３分間行った。その他の条件は実施例１と同一である。

用意されたトナーＨ〜Ｋを図１の現像装置に装填し、画像面積率５％の画像を５０，０００枚印刷し、１０，０００枚ごとに現像ローラの外周面に保持されているトナーの帯電量を測定した。結果を図１９のグラフに示す。このグラフに示すように、チタン酸ストロンチウムを添加したトナーＢ、チタン酸バリウムを添加したトナーＪ、酸化チタンを添加したトナーＨについては、トナー帯電量の低下は殆ど無かった。アルミナを添加したトナーＩについては、トナー帯電量が多少低下した。メラミン樹脂ビーズを添加したトナーＫについては、トナー帯電量の低下が最も大きくなった。

このように、荷電粒子を構成する材料の違いによって帯電量に違いが生じる原因は、材料自体の飽和帯電量にあるものと考えられる。つまり、粒子が持ち得る電荷量が少ない場合、粒子は早期に飽和し、その飽和帯電量はトナーを必要な程度まで帯電させるに足らないものであるが、粒子が持ち得る帯電量が多い場合、飽和状態まで帯電した粒子はトナーを必要程度まで帯電し得るものと考えられる。

粒子が持ち得る電荷量は、それを構成する材料の比誘電率に比例する。上述した荷電粒子材料の比誘電率を、実験Ｅで得られた帯電性の評価結果と共に、以下の表４に示す。この表より、トナーに添加する荷電粒子の比誘電率は、８．５以上であることが好ましいことが分かる。

〔実験Ｆ〕
〔比較例４〕
現像装置に荷電粒子を含む現像剤を装填し、トナー補給部の容器に荷電粒子を含まないトナーを装填し、画像面積率５％の画像を５０，０００枚印刷し、１０，０００枚ごとに現像ローラ上のトナーの帯電量を測定した。結果を、実施例１及び比較例２の結果とともに、図２０に示す。図２０のグラフに示すように、比較例４では、当初現像装置内に充填されている荷電粒子が消費されるまで（約、１０，０００枚の印刷まで）は帯電量の低下が見られなかったが、その後は印刷枚数の増加と共にトナーの帯電量が減少した。５０，０００枚の印刷が終了後、現像剤からキャリアをサンプリングして走査電子顕微鏡で表面を観察したところ、図１５Ａの写真とは異なり、キャリアの表面にチタン酸ストロンチウムは認められなかった。この実験から、荷電粒子を含む現像剤を現像装置に充填しても、その後の荷電粒子の補充がなければ、キャリアがトナーを荷電する能力が次第に低下することから、トナー補給機構を備えた現像装置にあっては補給用トナーに荷電粒子を含ませておくことが望ましいことが分かる。

本発明に係る画像形成装置の概略構成と本発明に係る現像装置の断面を示す図。現像剤の組成を模式的に説明する図。キャリアの表面に、荷電粒子を保持したトナーが付着している状態を模式的に示す図。スペントが付着したキャリアの表面に荷電粒子が打ち込まれた状態を模式的に示す図。電界形成装置の一実施形態を示す図。図５Ａに示す電界形成装置からスリーブと現像スリーブに供給されている電圧の関係を示す図。電界形成装置の他の実施形態を示す図。図６Ａに示す電界形成装置からスリーブと現像スリーブに供給されている電圧の関係を示す図。電界形成装置の他の実施形態を示す図。図７Ａに示す電界形成装置からスリーブと現像スリーブに供給されている電圧の関係を示す図。電界形成装置の他の実施形態を示す図。電界形成装置の他の実施形態を示す図。供給回収領域におけるトナーと荷電粒子の動きを模式的に示す図。図１の現像装置から現像装置を削除した他の形態の現像装置の断面図とそれを含む画像形成装置の概略構成を示す図。図１１に示す現像装置の現像領域におけるトナーと荷電粒子の動きを模式的に示す図。実施例１においてスリーブと現像ローラに供給される電圧の波形を示す図。印刷枚数とトナー帯電量との関係を示すグラフ。表面に荷電粒子が打ち込まれたキャリアの拡大写真。表面に荷電粒子が打ち込まれていないキャリアの拡大写真。表面に荷電粒子が打ち込まれていないキャリアの拡大写真。荷電粒子の帯電状態を試験する装置の断面図。他の形態の現像装置の断面図。印刷枚数とトナー帯電量との関係を示す図。印刷枚数とトナー帯電量との関係を示す図。印刷枚数とトナー帯電量との関係を示す図。

符号の説明

１：画像形成装置、２：現像剤、４：キャリア、６：トナー、８：荷電粒子、１０：スペント、１２：感光体、１６：帯電ステーション、１８：露光ステーション、２０：現像ステーション、２２：転写ステーション、２４：クリーニングステーション、２６：帯電装置、２８：露光装置、３０：画像光、３２：通路、３４：現像装置、３６：転写装置、３８：シート、４０：クリーニング装置、４２：ハウジング、４４：開口部、４６：第２の空間、４８：現像ローラ、５０：現像ギャップ、５２：第２の空間、５４：搬送ローラ、５６：供給回収ギャップ、５８：磁石体、６０：スリーブ、６３：規制板、６４：規制ギャップ、６６：現像剤攪拌室、６８：前室、７０：後室、７２：前スクリュー、７４：後スクリュー、７６：隔壁、８６：規制領域、８８：供給回収領域、９０：供給領域、９２：回収領域、９４：放出領域、９６：現像領域、９８：トナー補給部、１００：容器、１０２：開口部、１０４：補給ローラ、１１０：電界形成装置、１１２：第１の電源、１１４：第２の電源、１１６：グランド、１１８：直流電源、１２０：直流電源、１２２：電界形成装置、１２４：第１の電源、１２６：グランド、１２８：直流電源、１３０：第２の電源、１３２：直流電源、１３４：交流電源、１３６：電界形成装置、１３８：第１の電源、１４０：グランド、１４２：直流電源、１４４：交流電源、１４６：第２の電源、１４８：端子、１５０：直流電源、１５２：電界形成装置、１５４：交流電源、１５６：交流電源、１５８：電界形成装置、１６０：交流電源。

Claims

トナーとキャリアを含む現像剤を用いて、静電潜像担持体上の静電潜像を可視像化する現像装置であって、
トナーとキャリアを含み、上記トナーとキャリアは相互の摩擦接触によって上記トナーが第１の極性に帯電されると共に上記キャリアが上記第１の極性とは異なる第２の極性に帯電される現像剤と、
第１の搬送部材と、
第１の領域を介して上記第１の搬送部材に対向し、第２の領域を介して上記静電潜像担持体に対向する第２の搬送部材と、
上記第１の搬送部材と上記第２の搬送部材との間に第１の電界を形成して、上記第１の搬送部材が保持している現像剤中のトナーを上記第２の搬送部材に移動させる第１の電界形成手段と、
上記第２の搬送部材と上記静電潜像担持体との間に第２の電界を形成して、上記第２の搬送部材が保持している上記トナーを上記静電潜像担持体の静電潜像に移動させて上記静電潜像を可視像化する第２の電界形成手段と、
上記現像剤に上記荷電粒子を補給する補給部を備えており、
上記現像剤は更に荷電粒子を含み、上記荷電粒子は、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン、アルミナ、チタン酸バリウムから選択された少なくとも一つの無機金属粒子を含み、個数平均粒径が１００ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲にあって、上記第２の極性に帯電可能であり、上記トナーの表面に離脱可能に保持された状態で供給され、上記トナーの表面から分離した後、上記トナーが上記キャリアの表面に付着してできる上記キャリア表面のスペントに吸着され、上記キャリアとの間に作用するストレスによって上記キャリアの表面に保持され又は打ち込まれ、上記トナーとの摩擦接触によって上記トナーを上記第１の極性に帯電することを特徴とする現像装置。
上記第１の電界形成手段は、上記トナーを上記第１の搬送部材から上記第２の搬送部材に向けて移動させる直流電界を形成することを特徴とする請求項１の現像装置。
上記第１の電界形成手段は、上記トナーを上記第１の搬送部材から上記第２の搬送部材に向けて移動させる振動電界を形成することを特徴とする請求項１の現像装置。
上記第１の電界形成手段によって上記第１の領域に形成される第１の電界が２．５×１０^６Ｖ／ｍ以上であることを特徴とする請求項２又は３の現像装置。
上記第１の搬送部材は固定磁石体と上記固定磁石体の周囲を回転する第１の回転円筒体を有し、上記第２の搬送部材は第２の回転円筒体を有し、上記第１の回転円筒体と上記第２の回転円筒体は上記第１の領域を介して対向して配置されており、上記第１の回転円筒体の外周面部分と上記第２の回転円筒体の外周面部分が上記第１の領域を逆方向に移動するようにしてあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの現像装置。
上記荷電粒子の比誘電率が８．５以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの現像装置。
請求項１〜６のいずれかの現像装置を含む画像形成装置。
電子写真方式の画像形成装置に含まれる現像剤を荷電する方法であって、
上記画像形成装置は、静電潜像担持体と、第１の搬送部材と、第１の領域を介して上記第１の搬送部材に対向し第２の領域を介して上記静電潜像担持体に対向する第２の搬送部材と、上記静電潜像担持体からシート材料に転写されて可視画像を形成する第１の粒子と、上記第１の粒子との摩擦接触によって上記第１の粒子に所定の極性の電荷を付与する第２と第３の粒子とを含み、
上記第３の粒子が上記第１の粒子の表面に保持されている現像剤を用意する第１の工程と、
上記第１の粒子の表面に保持されている第３の粒子を上記第１の領域において上記第１の粒子から分離させる第２の工程と、
上記第１の粒子から分離した上記第３の粒子を、上記第２の粒子の表面に付着してできるスペントに吸着させ、上記第２の粒子との間に作用するストレスによって上記第２の粒子の表面に保持させる又は打ち込む第３の工程と、
上記第２の粒子の表面に保持された上記第３の粒子を上記第１の粒子と摩擦接触させて上記第１の粒子に上記所定の極性の電荷を付与する第４の工程と、
上記第１の工程で用意された現像剤に上記第３の粒子を補給する工程を有し、
上記第３の粒子は、チタン酸ストロンチウム、酸化チタン、アルミナ、チタン酸バリウムから選択された少なくとも一つの無機金属粒子を含み、個数平均粒径が１００ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲にあることを特徴とする現像剤の荷電方法。
上記第１の工程において、上記第３の粒子は上記第１の粒子の表面に離脱可能に保持されていることを特徴とする請求項８の方法。
上記第２の工程において、上記第１〜第３の粒子は上記第１の搬送部材と上記第２の搬送部材との電位差により生じる電界中におかれ、上記電界から受ける力によって上記第３の粒子が上記第１の粒子から分離されることを特徴とする請求項８又は９の方法。