JP4512237B2 - 現像装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタル方式の電子写真複写機、レーザビームプリンタ等に装着されて好適な現像装置に関し、詳しくは、像担持体上に形成されたドット潜像を、磁性粒子とトナーからなる二成分現像剤による磁気ブラシによって現像する現像装置及び当該現像装置を備えた画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複写機・プリンタ等の画像形成装置としては、電子写真式又は静電記録式の装置が広く用いられている。このような装置は感光体ドラムや感光体ベルトなどからなる像担持体上に静電潜像を形成し、これに現像装置によってトナーを転移して可視像とした後、このトナー像を記録用紙等に転写するように構成されている。
【０００３】
上記像担持体上の静電潜像を可視化する現像装置には、トナー及び磁性キャリアからなる二成分現像剤を像担持体表面に接触させ、トナーの転移によって現像を行なういわゆる接触型二成分現像装置がある。この現像装置は、現像剤中におけるトナー濃度の制御が必要であること、現像剤の攪拌機構が必要となり装置が大型化するという課題を有するものの、画質特性および現像剤の搬送性等の点で優れており、現像装置の主流となっている。
【０００４】
図２は、上記接触型二成分現像装置の一例を示す概略構成図であり、磁石ローラ体（４４）とその周囲で回転駆動する現像スリーブ（４３）とを備えた現像ローラ（４１）（現像剤担持体）を有している。また、スリーブ（４３）の周面に二成分現像剤を供給するスクリュ（４７）と、層厚を規制するドクタブレード（４５）とを備えており、これによってスリーブ上に適切な厚さの現像剤層を形成する。このようにして形成された現像剤層は磁石ローラ（４４）による磁界にしたがってキャリアが穂状に連なったいわゆる磁気ブラシを形成し、像担持体（１）との対向位置でこの像担持体（１）と接触してトナーを転移するようになっている。
このような接触型二成分現像装置では、像担持体と現像ローラとの間に交番電界を印加しながら該静電潜像を顕画現像する方法が知られている（特開昭５５−３２０６０号公報、同５９−１６５０８２号公報等記載）。
【０００５】
しかし、特開昭５５−３２０６０号公報、同５９−１６５０８２号公報等記載の方法では、感光体ドラムに形成されている静電潜像の電界と印加する交番電界の作用で現像濃度を上げ、またかぶりを取り除く現像方式であるため、得られる顕画像の画像端部における鮮明度を上げることが困難であるという問題があった。
【０００６】
そこで、交番電界の周波数を変化させる方法が提案されているが、周波数を上げた場合、画像自身が硬調なものとなり、非画像部ばかりでなくこの非画像部の電位に近い画像部（いわゆるハイライト部）におけるトナーの付着が減少し、再現性が低下し易いという別の問題を招いた。一方、交番電界の周波数を下げた（例えば数百Ｈｚ程度）場合、かぶりの悪化やキャリアが感光体ドラムに付着するといった問題がでてきた。このように、交番電界を用いた二成分現像方法においては、得られる顕画画像について、かぶりやキャリア付着を少なくすることと、階調性に優れたものとすることを同時に満足させることが困難であるという問題があった。
【０００７】
これらを解決する手段として、特許第２５１０２４７号明細書等では、交番電界として、キャリア粒子を静電像担持体側に向かわしめる方向の電界を印加する期間の一部において、弱めるようにする方法が提案されている。
【０００８】
ところで、上述のように交番電界を印加した場合、一時的に高電界となり、白ポチと呼ばれる画像欠陥が発生しやすくなる傾向がある。ここでいう白ポチとは、黒ベタ部に発生する２ｍｍ以下の白く抜けた画像のことである。そして、この白ポチは、一時的に高電界となったとき、局所的に火花放電が発生し、画像部電位が上昇し、白ポチになると考えられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、白ポチの発生原因である火花放電が起こる原因を調べ、その火花放電が起こる原因を断つことで、白ポチと呼ばれる画像欠陥の発生を低減する画像形成装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明の（１）「非磁性体のスリーブと当該スリーブ内に固定配置された複数の磁極を備えた磁石ローラとを備えて構成され、前記スリーブを回転させ、その外周面に磁性粒子を磁気吸着させて磁気ブラシを形成し、潜像担持体とスリーブとの間に交番電界を印加しながら対向する潜像担持体に当該磁気ブラシを摺擦させる現像装置であって、
上記磁気ブラシを保持するスリーブ表面に凹凸を有し、前記凹凸はスリーブ表面の軸方向及び円周方向に略等間隔おきに延在する複数個の溝から形成され、前記溝は幅２００μｍ以下の平坦底部を有しており、平坦底部を有する溝と、次の平坦底部を有する溝との間に、幅２００μｍ以下の平坦頂部を有する凸部が介在しており、
前記磁性粒子は重量平均粒径が３０μｍ以上１００μｍ以下であり、且つ、体積抵抗率が１０^３Ωｃｍ以上であることを特徴とする現像装置」により解決される。
ここで、従来より、上記磁性粒子の汲み上げを良好に行なうため、表面に凹凸を有する担持体が開発され、実用化されていたが、本発明は、上記磁気ブラシの疎密と該凹凸の間隔の関係に着目し、火花放電の防止を目的としたものである。
【００１２】
また、上記課題は、本発明の（２）「前記第（１）項に記載の現像装置を備えた画像形成装置」、（３）「潜像担持体に対する現像装置の非磁性体スリーブの線速比を５よりも低く、１．１に近づけて設定することを特徴とする前記第（２）項に記載の画像形成装置」により解決される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成、動作及び作用を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、上記現像装置を含む感光体ユニット全体の一例を示す概略構成図である。図１において、静電潜像担持体である感光体ドラム（１）の周囲には、当該ドラム表面を帯電するための帯電装置（２）、一様帯電処理面に潜像を形成するためのレーザー光線でなる露光手段（３）、ドラム表面の潜像に帯電トナーを付着することでトナー像を形成する現像装置（４）、形成されたドラム上のトナー像を記録紙へ転写するための転写装置（５）、ドラム上の残留トナーを除去するためのクリーニング装置（７）、ドラム上の残留電位を除去するための除電装置（８）が順に配設されている。このような構成において、帯電装置（２）の帯電ローラによって表面を一様に帯電された感光体（１）は、露光（３）によって静電潜像を形成され、現像装置（４）によってトナー像を形成される。当該トナー像は、転写ベルトなどでなる転写装置（５）によって、感光体ドラム（１）表面から、不図示の給紙トレイから搬送された記録紙へ転写される。この転写の際に感光体ドラムに静電的に付着した記録紙は、分離爪によって感光体ドラム（１）から分離される。そして未定着の記録紙上のトナー像は定着器によって記録紙に定着される。一方、転写されずに感光体ドラム上に残留したトナーは、クリーニング装置（７）によって除去され回収される。残留トナーを除去された感光体ドラム（１）は除電ランプ（８）で初期化され、次回の画像形成プロセスに供される。
【００１４】
上記現像装置（４）の構成を図２に示す。現像装置（４）内には、現像担持体である現像ローラ（４１）が感光体ドラム（１）に近接するように配置されていて、双方の対向部分に現像領域が形成されている。現像ローラ（４１）では、アルミニウム、真鍮、ステンレス、導電性樹脂などの非磁性体を円筒形に形成してなる現像スリーブ（４３）が不図示の回転駆動機構によって時計回り方向に回転されるようになっている。本例においては、感光体ドラム（１）のドラム径が６０ｍｍで、ドラム線速が２４０ｍｍ／秒に設定され、現像スリーブ（４３）のスリーブ径が２０ｍｍで、スリーブ線速が６００ｍｍ／秒に設定されている。したがって、ドラム線速に対するスリーブ線速の比は２．５である。また感光体ドラム（１）と現像スリーブ（４３）との間隔である現像ギャップは０．４ｍｍに設定されている。現像ギャップは、従来ではキャリア粒径が５０μｍであれば０．６５ｍｍから０．８ｍｍ程度、言い換えれば、現像剤粒径の１０倍前後に設定されていたが、本発明では現像剤粒径の３０倍程度に設定することすら可能である。これより広くすると望ましいとされる画像濃度が出にくくなる。スリーブ線速のドラム線速に対する比は最低１．１にまで下げてもなお必要な画像濃度を得ることができる。
【００１５】
現像剤の搬送方向（図で見て時計回り方向）における現像領域の上流側部分には、現像剤チェーン穂の穂高さ、即ち、現像スリーブ上の現像剤量を規制するドクタブレード（４５）が設置されている。このドクタブレード（４５）と現像スリーブ（４３）との間隔であるドクタギャップは０．４ｍｍに設定されている。更に現像ローラの感光体ドラムとは反対側領域には、現像ケーシング（４６）内の現像剤を攪拌しながら現像ローラ（４１）へ汲み上げるためのスクリュ（４７）が設置されている。
【００１６】
上記現像スリーブ（４３）内には、当該現像スリーブ（４３）の周表面に現像剤を穂立ちさせるように磁界を形成する磁石ローラ体（４４）が固定状態で備えられている。この磁石ローラ体から発せられる法線方向磁力線に沿うように、現像剤のキャリアが現像スリーブ（４３）上にチェーン状に穂立ちされ、このチェーン状に穂立ちされたキャリアに帯電トナーが付着されて、磁気ブラシが構成される。当該磁気ブラシは現像スリーブ（４３）の回転によって現像スリーブ（４３）と同方向（図で見て時計回り方向）に移送されることとなる。上記磁石ローラ体（４４）は、複数の磁極（磁石）を備えている。具体的には、現像領域部分に現像剤を穂立ちさせる現像主磁石（Ｐ１）、現像スリーブ（４３）上に現像剤を汲み上げるための磁石（Ｐ４）、汲み上げられた現像剤を現像領域まで搬送する磁石（Ｐ５）、（Ｐ６）、現像後の領域で現像剤を搬送する磁極（Ｐ２）、（Ｐ３）を備えている。これら各磁石（Ｐ１）、（Ｐ４）、（Ｐ５）、（Ｐ２）及び（Ｐ３）は、現像スリーブ（４３）の半径方向に向けて配置されている。本例では、磁石ローラ体（４４）を６極の磁石によって構成しているが、汲み上げ性、黒ベタ画像追従性を向上させるために（Ｐ３）極からドクタブレード（４５）の間に磁石（磁極）を更に増やして８極以上で構成しても良い。
【００１７】
本例では、現像スリーブ（４３）上に現像剤を汲み上げるための磁石（Ｐ４）と、汲み上げられた現像剤を現像領域まで搬送する磁石（Ｐ６）と、現像後の領域で現像剤を搬送する磁石（Ｐ２）、（Ｐ３）がＮ極をなし、現像主磁石（Ｐ１）と、汲み上げられた現像剤を搬送する磁石（Ｐ５）がＳ極をなしている。現像剤搬送磁極をなす下流側の磁石（Ｐ２）は主磁極磁力形成を補助する働きもあるようで、小さすぎるとキャリア付着を起こす。
【００１８】
次に、キャリア（磁性粒子）（４０３）について説明する。
磁気ブラシ（Ｂ）を構成するキャリア（４０３）としては、感光体（１）表面へのダメージを軽減するために球形の粒子を用いるのが好ましく、キャリア（４０３）の平均粒径は１５０μｍ以下のものが好ましい。但し、キャリア（４０３）は平均粒径が大きすぎると最密状態に配置してあっても曲率半径が大きく、感光体（１）と接触していない面積が増え、トナー像のかけや抜けが発生したり、逆に平均粒径があまり小さすぎると、交流電圧を印加する場合には、粒子が動きやすくなって粒子間の磁力を上回り、粒子が飛散してキャリア付着の原因となってしまうので、キャリア（４０３）の平均粒径は３０μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。さらに、キャリア（４０３）の体積抵抗率としては、体積抵抗率が低すぎると現像バイアスの印加時にキャリア（４０３）に電荷が注入され、感光体（１）面へのキャリア付着を起こしたり、現像バイアス電圧により感光体（１）の絶縁破壊を起こしたりするため、キャリア（４０３）には、体積抵抗率が１０³Ωｃｍ以上のものを使用する。
【００１９】
ところで、図３に示した従来の磁気ブラシ現像装置では、現像スリーブ（４３）の表面に磁気ブラシ（Ｂ）がランダムに形成され、磁気ブラシ（Ｂ）の穂立ちの高さや穂間距離にばらつきが生じ、磁気ブラシ（Ｂ）に疎な部分が発生していた。このため、磁気ブラシ（Ｂ）を用いた接触現像方式で、現像スリーブと感光体との間に交番電界を印加する現像装置においては、磁気ブラシ（Ｂ）と感光体（１）とが接触している現像ニップ部で磁気ブラシ（Ｂ）に疎な部分が存在すると、現像スリーブ（４３）の表面から火花放電が発生し、画像形成装置において感光体（１）を用いて画像形成を行なった場合に、最終的な出力画像に白ポチという異常画像が発生してしまうという不具合があった。
【００２０】
そこで本発明者らは、まず上記の火花放電の原因を突き止めるため、図３の従来の磁気ブラシ現像装置において、現像スリーブ（４３）の表面に形成される磁気ブラシ（Ｂ）を観察したところ、磁気ブラシ（Ｂ）が疎になった部分が発生すると、放電が起こりやすくなることがわかった。
【００２１】
ここで、図４に示す磁気ブラシ（Ｂ）のモデルを用いて火花放電の発生原因を説明する。図４では、一例としてキャリア（４０３）の３本の穂を示してある。図４において、上側の境界が現像スリーブ（４３）の表面であり、下側の境界が感光体（１）の表面である。キャリア（４０３）の３本の穂は、それぞれ円錐状に形成されており、図中（Ａ）で示した部分が磁気ブラシ（Ｂ）の疎な部分である。そして、この疎な部分（Ａ）にある短い穂（Ｅ）の穂先では電界強度が非常に強くなるため、火花放電が発生するのである。
【００２２】
そこで、次に本発明者らは、図４のモデルを用いて、穂間距離（ｘ）をパラメータにとり、短い穂（Ｅ）の先端の電界強度をシミュレーションによって算出した。この結果を、図５のグラフに示す。図５において、縦軸は電界強度を、横軸は穂間距離（ｘ）を示している。図５のグラフより、放電開始の電界強度が５×１０⁶Ｖ／ｍ以上のとき、穂間距離（ｘ）が２００μｍを越えると放電が開始されることがわかった。なお、このシミュレーションにおいては、現像スリーブ（４３）に１４００Ｖを印加し、感光体（１）の裏面を接地し、キャリア（４０３）の平均粒径を５０μｍ、体積抵抗率を１０⁵Ωｃｍとして計算した。
【００２３】
また、上記現像スリーブ（４３）上の磁気ブラシの形成過程を観察したところ、磁気ブラシ（Ｂ）は磁力線に沿って形成されていることがわかった。すなわち、磁極の真上の磁力線は法線方向に向くため、磁極の真上では磁気ブラシ（Ｂ）はその法線方向に穂立つが、磁極間では磁力線はスリーブの周面に沿った方向を向くので、磁気ブラシ（Ｂ）も磁力線に沿って（スリーブの周面に沿って）寝た状態となる。さらに、磁極の真上の磁力線は法線方向を向くが、その両サイドの磁力線はそれぞれ逆方向に向かうため、磁極の真上では磁気ブラシが疎になりやすいこともわかった。
【００２４】
上記の結果より、本実施形態においては、上記現像スリーブ（４３）上に、穂間距離（ｘ）が２００μｍ以下の磁気ブラシ（Ｂ）を形成するために、現像スリーブ（４３）表面全体に凹凸を形成し、その凹凸の間隔を２００μｍ以下になるように構成した。この構成によると、磁気ブラシ（Ｂ）の穂は、凹凸に沿って形成されるので、穂間距離（ｘ）を２００μｍ以下にすることができ、火花放電の発生を防止できる。
【００２５】
また、この構成によれば、現像スリーブ（４３）表面全体に凹凸を形成されているので、スリーブ上にランダムに穂が形成されることはなく、磁気ブラシ（Ｂ）の疎密のコントロールも可能となる。したがって、上述したような、磁気ブラシ（Ｂ）の疎な部分の発生による、感光体（１）の現像不良の問題も解決することができる。
【００２６】
以下、本実施形態における現像スリーブ（４３）表面の凹凸形成方法について説明する。
図６及び図７に、現像スリーブ（４３）表面に形成した凹凸の例を示す。図６に示す例は、現像スリーブ（４３）表面に、該スリーブ（４３）の軸方向に延びる複数の溝を形成したものであり、図７に示す例は、該現像スリーブ（４３）の軸方向及び円周方向に延びるそれぞれ複数の溝を形成したものである。
【００２７】
現像スリーブ（４３）表面に凹凸を形成する方法としては、切削加工、引き抜き（Direct Ironing、Ｄ−Ｉ）工法等がある。本実施形態の図６で示したスリーブ軸方向に延びる複数の溝は、引き抜き工法の１工程のみで形成したものであり、簡単に、かつ、安価に凹凸を形成できる面で有利である。また、図７で示したスリーブ軸方向及び円周方向に延びるそれぞれ複数の溝は、引き抜き工法と切削加工を組み合わせて形成したものである。このような溝は、凹凸の間隔を正確に制御できるので、磁気ブラシＢの形成をコントロールするという面においては、非常に有利となる。
【００２９】
なお、上記現像スリーブ（４３）表面に形成する凹凸の間隔の下限値は特に設定しないが、キャリア（４０３）を十分に汲み上げられる程度に設定すればよい。
【００３０】
上記の方法により、図６及び図７で示した溝の間隔ａ，ｂ，ｃ，ｄをそれぞれ変化させ、下記表１の８種類の現像スリーブ（４３）を形成した。そして、図１に示す感光体ユニットを搭載した複写機にて画像形成を行なった。このとき、現像スリーブ（４３）に−９００Ｖの直流バイアスに、ピーク間電圧１０００Ｖ、周波数５ｋＨｚの交流バイアス重畳して帯電を行なった後、Ａ３全面黒ベタ画像を連続２０枚形成し、白ポチの個数を数えた。下記表１に、評価結果を示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１から、図６及び図７で示した溝の間隔ａ，ｂ，ｃ，ｄがそれぞれ２００μｍ以下であれば、出力画像に白ポチが発生することなく、良好な画像が得られることがわかる。
【００３３】
すなわち、参考例１乃至３の図６で示した構成によれば、現像スリーブ（４３）の軸方向に延びる溝に沿って穂が形成されるので、該スリーブ（２１）の円周方向の穂間距離（ｘ）が２００μｍ以下となるので、火花放電の発生を防止することができる。また、円周方向の磁気ブラシ（Ｂ）の疎密がコントロールされるので、感光体（１）の現像不良を防止することができる。
【００３４】
また、実施例１乃至３の図７で示した構成によれば、現像スリーブ（４３）の軸方向及び円周方向の穂間距離（ｘ）がそれぞれ２００μｍ以下となるので、火花放電の発生防止に対してより効果的となる。また、現像スリーブ（４３）の軸方向及び円周方向の磁気ブラシの疎密がコントロールされるので、感光体（１）の現像不良をより効果的に防止することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上、詳細且つ具体的な説明から明らかなように、本発明によれば、白ポチの発生原因である火花放電を防止し、白ポチと呼ばれる画像欠陥の発生を低減する画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る現像装置を含む感光体ユニットの概略構成図である。
【図２】図１における現像装置の詳細構成図である。
【図３】従来の磁気ブラシ現像装置を示した図である。
【図４】従来の磁気ブラシ現像の現像スリーブ表面に形成された磁気ブラシ（穂）のモデルを示す図である。
【図５】図４に磁気ブラシの穂間距離と穂先の電界強度の関係をシミュレーションによって算出した結果を示す図である。
【図６】本実施形態に係わる現像スリーブ表面に形成された凹凸部の実施例の拡大図である。
【図７】本実施形態に係わる現像スリーブ表面に形成された凹凸部の他の実施例の拡大図である。
【符号の説明】
１ 感光体ドラム
２ 帯電装置
３ 露光手段
４ 現像装置
５ 転写装置
７ クリーニング装置
８ 除電装置
４１ 現像ローラ
４３ 現像スリーブ
４４ 磁石ローラ体
４５ ドクタブレード
４７ スクリュ
４０３ キャリア（磁性粒子）
Ａ 磁気ブラシの疎な部分
Ｂ 磁気ブラシ
Ｅ 短い穂
Ｐ１ 磁石
Ｐ２ 磁石
Ｐ３ 磁石
Ｐ４ 磁石
Ｐ５ 磁石
Ｐ６ 磁石

Claims (3)

1. 非磁性体のスリーブと当該スリーブ内に固定配置された複数の磁極を備えた磁石ローラとを備えて構成され、前記スリーブを回転させ、その外周面に磁性粒子を磁気吸着させて磁気ブラシを形成し、潜像担持体とスリーブとの間に交番電界を印加しながら対向する潜像担持体に当該磁気ブラシを摺擦させる現像装置であって、
   上記磁気ブラシを保持するスリーブ表面に凹凸を有し、前記凹凸はスリーブ表面の軸方向及び円周方向に略等間隔おきに延在する複数個の溝から形成され、前記溝は幅２００μｍ以下の平坦底部を有しており、平坦底部を有する溝と、次の平坦底部を有する溝との間に、幅２００μｍ以下の平坦頂部を有する凸部が介在しており、
   前記磁性粒子は重量平均粒径が３０μｍ以上１００μｍ以下であり、且つ、体積抵抗率が１０^３Ωｃｍ以上であることを特徴とする現像装置。
2. 上記請求項１に記載の現像装置を備えた画像形成装置。
3. 潜像担持体に対する現像装置の非磁性体スリーブの線速比を５よりも低く、１．１に近づけて設定することを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。

Images