JP4810447B2

JP4810447B2 - 画像形成装置

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Publication number: JP4810447B2
Application number: JP2007015704A
Authority: JP
Inventors: 朋子高橋; 勝弘青木; 英樹善波
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: US20070212121A1; JP2007272195A; US7672625B2

Description

本発明は画像形成装置に関し、詳細にはＥＴＨ（Electrostatic Transport & Hopping）現象を用いて、低電圧駆動で高い現像効率が得られる現像装置を備えた画像形成装置に関する。

複写装置、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置として、電子写真式プロセスを用いて、潜像担持体に潜像を形成し、この潜像に粉体である現像剤（以下、トナーと称す）を付着させて現像してトナー像として可視像化し、このトナー像を記録媒体に転写し、あるいは中間転写部材に一旦転写した後記録媒体に転写することで画像を形成するものがある。

このような画像形成装置において、潜像担持体に形成された潜像を現像する現像装置として、従来から、現像装置内で攪拌させたトナーを現像剤担持体である現像ローラの表面に担持し、当該現像ローラを回転させることによって潜像担持体の表面に対して対向する位置まで搬送し、潜像担持体の潜像を現像する。そして、現像終了後、潜像担持体に転写しなかったトナーは現像ローラの回転により現像装置内に回収され、新たにトナーを攪拌・帯電して再び現像ローラに担持して搬送するようにしたものが知られている。

また、従来の画像形成装置として、特許文献１、特許文献２に記載されているように、潜像担持体と現像ローラとの間にＤＣとＡＣの重畳電圧を印加して、非接触で現像ローラから潜像担持体にトナーを転移させる所謂ジャンピング現像と称する方式で現像するものも知られている。更に、従来の他の画像形成装置としては、特許文献３、特許文献４に記載されているように、静電搬送基板を用いて、トナーを潜像担持体に対向する位置まで搬送し、振動、浮遊、スモーク化させて、潜像担持体との間で生じる吸引力で搬送面からトナーを分離して潜像担持体表面に付着させるようにしたものも提案されている。また、多色のトナーを潜像担持体上で重ねることで、カラー画像を得る画像形成装置としては、特許文献５に記載されているように、現像ローラからトナーをジャンピングさせて行う方法が知られており、また特許文献６に記載されているように、電界カーテンの作用により飛翔させたトナーにより重ね現像を行うものも提案されている。
特開平９−１９７７８１号公報特開平９−３２９９４７号公報特公平５−０３１１４６号公報特公平５−０３１１４７号公報特公平８−００３６７３号公報特開平３−０２１９６７号公報

しかしながら、上述した現像ローラを用いてトナーを潜像担持体に与える現像装置を備えた画像形成装置にあっては、現像ローラと現像装置側板との間にトナーが侵入して、トナーが擦れてトナー固着等が発生し、画像に悪影響を及ぼしたり、現像装置周りのシール材が経時劣化することで、現像装置内にて現像剤もしくはトナーを攪拌・帯電させることにより、トナーが飛散し、画像の地汚れなどを生じることがある。

また、摩擦帯電やコロナ放電帯電によってトナーを帯電させた場合、飽和帯電したトナーと不飽和帯電のトナーとが混在し、大きな帯電分布を有することになる。このようなトナーを強制的に磁気ブラシや転写ローラなどを用いて現像ローラに転写すると、現像ローラの現像速度（線速１００ｃｍ／sec程度）の速さでは、一旦現像ローラに担持させた現像剤のうちの電荷が小さなトナーは離脱して、トナーが飛散したり、形成画像の地汚れが生じ易くなる。

更に、所謂ジャンピング現像を行う現像装置にあっては、高電圧による帯電トナーの授受を行わなければならないため、高電圧電源が必要になり、装置の大型化、コストの増加を招くという課題がある。また、粉体を用いる画像形成装置における現在の課題は、画質とコストと環境をいかにして満足するかということである。

また、画質について言えば、カラー画像を形成する場合に、直径わずか約３０μｍの１２００ｄｐｉの孤立１ドットをいかに現像するか、それも好ましくは地汚れなしに現像するかということである。更に、コストについて言えば、パーソナルのレーザプリンタを考えた場合、現像器や現像剤の単体コストのみならず、メンテナンス及び最終処分費用まで含めたトータルのコストを下げることが重要になる。また、環境について言えば、特に、微小粉末であるトナーが装置内や装置外に飛散することを防止することが重要になる。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、ＥＴＨ（Electrostatic Transport & Hopping）現象を用いて、より簡易な構成での良好な多色画像形成が可能となり、しかも粉体の飛散を防止できる、現像装置、プロセスカートリッジ及び画像形成装置を提供することを目的とする。

ここで、ＥＴＨ現象とは、粉体が移相電界のエネルギーを与えられ、そのエネルギーが機械的なエネルギーに変換されて、粉体自身が動的に変動する現象をいう。このＥＴＨ現象は、静電気力による粉体の水平方向の移動（搬送）と垂直方向の移動（ホッピング）を含む現象であり、静電搬送部材の表面を、移相電界によって粉体が進行方向の成分を持って飛び跳ねる現象であり、このＥＴＨ現象を用いた現像方式をＥＴＨ現像という。

なお、本明細書において、ＥＴＨ現象における搬送部材上の粉体の振る舞いを区別して表現する場合、基板水平方向への移動については、「搬送」、「搬送速度」、「搬送方向」、「搬送距離」という表現を使用し、基板垂直方向への飛翔（移動）については、「ホッピング」、「ホッピング速度」、「ホッピング方向」、「ホッピング高さ（距離）」という表現を使用し、搬送部材上での「搬送及びホッピング」は「移送」と総称する。なお、搬送装置、搬送基板という用語に含まれる「搬送」は「移送」と同義である。

前記問題点を解決するために、本発明の画像形成装置は、潜像担持体の表面移動方向に潜像担持体を帯電する帯電装置と、レーザー光が照射されて潜像担持体上に静電潜像が形成される露光部と、現像装置とからなる組を複数配設し、各現像装置は、前記潜像担持体に対向して配置され、粉体を移動させる電界を発生させる複数の搬送電極を有する搬送部材と、該搬送電極にｎ相（ｎは２以上の正の整数）の電圧を印加する電圧供給手段と、該搬送部材の表面電位を検知する搬送部材表面電位検出手段とを具備し、前記潜像担持体上に前記粉体を付着させて潜像担持体上の潜像を現像するものであって、各組により前記潜像担持体上に帯電、露光、現像を順次行って、各組の現像装置により、互いに異なる色の粉体を前記潜像担持体上に順次付着させ、カラー画像を前記潜像担持体に形成する画像形成装置である。そして、本発明の画像形成装置は、前記潜像担持体上に前記粉体を最初に付着させる１組目の現像装置については、前記搬送部材の表面電位が、１組目の露光部で形成された静電潜像部の電位と非静電潜像部の電位との間となるように、前記搬送部材表面電位検出手段の検知結果に基づいて電圧供給手段を制御し、２組目以降の現像装置については、前記搬送部材の表面電位が、当該組の露光部で形成された静電潜像部のうち当該組より前の組の粉体が付着した箇所の電位と非静電潜像部の電位との間となるように、前記搬送部材表面電位検出手段の検知結果に基づいて電圧供給手段を制御する電位制御手段を設けたことに特徴がある。よって、潜像担持体の画像部には粉体を確実に付着させ、非画像部への粉体付着を低減させた良好な画像を得ることができる。

また、多色の粉体を重ね合わせる場合においても、潜像担持体の画像部には粉体を確実に付着させ、非画像部への粉体付着を低減させた良好な画像を得られる。

更に、前記粉体が付着した箇所の静電潜像部の電位を、前記粉体が付着していない静電潜像部の電位に対して潜像担持体上に前記粉体を付着させるときから粉体が保持している電荷量分低下した電位とした。よって、２色目以降の粉体の現像において、先に現像した粉体が有する電荷によって潜像担持体の画像部の電位が低下した場合においても、良好な多色の画像を得ることができる。

また、前記粉体が付着した箇所の静電潜像部の電位を、前記粉体が付着していない静電潜像部の電位に対して帯電工程により増加した粉体の電荷量分低下した電位とした。よって、２色目以降の粉体の現像において、潜像書き込みに先駆けて行う帯電によって先に現像した粉体電荷が増加した場合においても良好な多色の画像を得ることができる。

更に、前記粉体が付着した箇所の静電潜像部の電位を、前記粉体が付着していない静電潜像部の電位に対して潜像担持体上に前記粉体を付着させるときから粉体が保持している電荷量に帯電工程により増加した電荷量を加えた分低下した電位とした。よって、２色目以降の粉体の現像において、潜像担持体の画像部の電位が先に現像した粉体が有する電荷と潜像書き込みに先駆けて行う帯電によって増加した粉体の電荷とにより低下した場合においても、良好な多色の画像を得ることができる。

また、粉体を移動させる電界は進行波電界であることが好ましい。

また、搬送部材の電極に印加される電圧の波形は、パルス電圧と直流バイアスとを重畳した波形であることにより、容易に粉体搬送を行わせ、良好な多色の画像を得ることができる。

更に、搬送部材上の表面電位Ｖを、潜像担持体上に粉体を付着する順にｍ番目（ｍは正の整数）をＶｍとすると、Ｖ_ｍ＞Ｖ_ｍ＋１であることにより、容易に多色重ね現像を行うことができる。

本発明の現像装置の電圧供給手段は、搬送部材上の表面電位が潜像担持体の画像部の電位と非画像部の電位との間となるように、搬送電極にｎ相の電圧を印加することに特徴がある。よって、潜像担持体の画像部には粉体を確実に付着させ、非画像部への粉体付着を低減させた良好な画像を得ることができると共に、粉体の飛散を防止できる。

図１は本発明の一実施の形態例に係る現像装置の構成を示す概略図である。同図に示す現像装置１０は、粉体であるトナーＴを搬送、ホッピング、回収するための電界を発生するための複数の搬送電極１０２を有する搬送部材である搬送基板１１を備え、この搬送基板１１の各搬送電極１０２に対しては駆動回路１２から所要の電界を発生させるためのｎ相（ｎは２以上の正の整数。ここでは３相とする。）の異なる駆動波形Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖｃ１及びＶａ２，Ｖｂ２，Ｖｃ２が印加される。ここでは、搬送基板１１は、駆動波形Ｖａ１，Ｖｂ１，Ｖｃ１及びＶａ２，Ｖｂ２，Ｖｃ２を与える搬送電極１０２の範囲及び潜像担持体である感光体ドラム２０との関係において、トナーＴを感光体ドラム２０近傍まで搬送する搬送領域、感光体ドラム２０の潜像にトナーＴを付着させてトナー像を形成するための現像領域、トナーＴを搬送基板１１側に回収するための現像領域通過後の回収領域とに分けられる。

そして、この現像装置１０において、搬送基板１１の搬送領域ではトナーＴを感光体ドラム２０の近傍まで搬送し、現像領域では感光体ドラム２０上の潜像の画像部に対してはトナーＴが感光ドラム２０側に向かい、非画像部に対してはトナーＴが感光ドラム２０と反対側（搬送基板側）に向かう方向の電界を形成して、トナーＴを潜像に付着させて現像を行うための電界を発生し、回収領域ではトナーＴが潜像の画像部及び非画像部のいずれに対しても感光体ドラム２０と反対側（搬送基板１１側）に向かう方向の電界を形成する。

ここで、本実施の形態例の現像装置における搬送基板の構成について、図２〜図６を参照して詳細に説明する。なお、図２は搬送基板の平面図、図３は図２のＡ−Ａ’線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ’線断面図、図５は図２のＣ−Ｃ’線断面図、図６は図２のＤ−Ｄ’線断面図である。

本実施の形態例の現像装置における搬送基板１１は、図３の支持基板１０１上に３本の搬送電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ（これらを搬送電極１０２と総称する）を１セットとして、図２及び図３の矢印方向のトナー搬送方向に沿って所定の間隔で、かつトナー搬送方向と略直交する方向に繰り返し形成され配置し、この上に搬送面を形成する絶縁性の搬送面形成部材となり、これらの搬送電極１０１の表面を覆う保護膜となる、無機又は有機の絶縁性材料で形成した表面保護層１０３を積層したものである。なお、ここでは、表面保護層１０３が搬送面を形成しているが、表面保護層１０３上に更に粉体（トナー）との適合性に優れた表面層を別途成膜することもできる。

これらの搬送電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの両側には、搬送電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃとそれぞれ両端部で相互接続した共通電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ（これらを共通電極１０４と総称する）をトナー搬送方向に沿って、すなわち搬送電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの各々と略直交する方向に設けている。この場合、共通電極１０４の幅（この幅は、トナー搬送方向と直交する方向の幅）は搬送電極１０２の幅（この幅は、トナー搬送方向に沿う方向の幅）よりも広くしている。なお、図２では、共通電極１０４を、搬送領域では共通電極１０４ａ１、１０４ｂ１、１０４ｃ１を、現像領域では共通電極１０４ａ２、１０４ｂ２、１０４ｃ２、回収領域では共通電極１０４ａ３、１０４ｂ３、１０４ｃ３と、区別して表記している。

ここでは、図４に示すように、支持基板１０１上に共通電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃのパターンを形成した後層間絶縁膜１０５を形成し、この層間絶縁膜１０５にコンタクトホール１０６を形成した後搬送電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを形成することによって、搬送電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと共通電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃとをそれぞれ相互接続している。なお、層間絶縁膜１０５は表面保護層１０３と同じ材料でも異なる材料のいずれでも良い。また、搬送電極１０２ａと共通電極１０４ａを一体形成したパターン上に層間絶縁膜１０５を形成し、この層間絶縁膜１０５上に搬送電極１０２ｂと共通電極１０４ｂを一体形成したパターンを形成し、更に層間絶縁膜１０５を形成して、この層間絶縁膜１０５上に搬送電極１０２ｃと共通電極１０４ｃを一体形成したパターンを形成する、つまり、電極を三層構造とすることもでき、あるいは一体形成に相互接続とコンタクトホール１０６による相互接続とを混在させることもできる。

更に、これらの共通電極１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃには、図１の駆動回路１２からの駆動信号（駆動波形）Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力するための駆動信号印加用入力端子（図示せず）を設けている。この駆動信号入力用端子は、支持基板１０１に裏面側に設けてスルーホールを介して各共通電極１０４に接続してもよいし、あるいは層間絶縁膜１０５上に設けてもよい。

ここで、支持基板１０１としては、ガラス基板、樹脂基板或いはセラミックス基板等の絶縁性材料からなる基板、或いはＳＵＳなどの導電性材料からなる基板にＳｉＯ_２等の絶縁膜を成膜したもの、ポリイミドフィルムなどのフレキシブルに変形可能な材料からなる基板などを用いることができる。

また、搬送電極１０２は、支持基板１０１上にＡｌ、Ｎｉ−Ｃｒ等の導電性材料を０．１〜１０μｍ厚、好ましくは０．５〜２．０μｍで成膜し、これをフォトリソ技術等を用いて所要の電極形状にパターン化して形成している。これらの複数の搬送電極１０２の粉体進行方向における幅Ｌは移動させる粉体の平均粒径の１倍以上２０倍以下とし、かつ搬送電極１０２の粉体進行方向の間隔Ｒも移動させる粉体の平均粒径の１倍以上２０倍以下としている。

更に、表面保護層１０３としては、例えばＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＴｉＯ_４、ＳｉＯＮ、ＢＮ、ＴｉＮ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、ＢａＴｉＯ_３などを厚さ０．５〜１０μｍ、好ましくは厚さ０．５〜３μｍで成膜して形成している。また、無機ナイトライド化合物、例えばＳｉＮ、Ｂｎ、Ｗなどを用いることができる。特に、表面水酸基が増えると帯電トナーの帯電量が搬送途中で下がる傾向にあるので、表面水酸基（ＳｉＯＨ、シラトール基）が少ない無機ナイトライド化合物が好ましい。

次に、このように構成した搬送基板１１におけるトナーの静電搬送の原理について説明する。搬送基板１１の複数の搬送電極１０２に対してｎ相の駆動波形を印加することにより、複数の搬送電極１０２によって移相電界（進行波電界）が発生し、搬送基板１１上の帯電したトナーは反発力及び／又は吸引力を受けて移送方向にホッピングと搬送を含んで移動する。

例えば、搬送基板１１の複数の搬送電極１０２に対して図７に示すようにグランドＧ（０Ｖ）と正の電圧＋との間で変化する３相のパルス状駆動波形（駆動信号）Ａ（Ａ相）、Ｂ（Ｂ相）、Ｃ（Ｃ相）を、タイミングをずらして印加する。

このとき、図８に示すように、搬送基板１１上に負帯電のトナーＴがあり、搬送基板１１の連続した複数の搬送電極１０２に同図に（１）で示すようにそれぞれ「Ｇ」、「Ｇ」、「＋」、「Ｇ」、「Ｇ」が印加されたとすると、負帯電のトナーＴは「＋」の搬送電極１０２上に位置する。

次のタイミングで複数の搬送電極１０２には（２）に示すようにそれぞれ「＋」、「Ｇ」、「Ｇ」、「＋」、「Ｇ」が印加され、負帯電のトナーＴには同図で左側の「Ｇ」の搬送電極１０２との間で反発力が、右側の「＋」の搬送電極１０２との間で吸引力がそれぞれ作用するので、負帯電のトナーＴは「＋」の搬送電極１０２側に移動する。さらに、次のタイミングで複数の搬送電極１０２には（３）に示すようにそれぞれ「Ｇ」、「＋」、「Ｇ」、「Ｇ」、「＋」が印加され、負帯電のトナーＴには同様に反発力と吸引力がそれぞれ作用するので、負帯電のトナーＴは更に「＋」の搬送電極１０２側に移動する。

このように複数の搬送電極１０２に電圧の変化する複相の駆動波形を印加することで、搬送基板１上には進行波電界が発生し、この進行波電界の進行方向に負帯電のトナーＴは搬送及びホッピングを行いながら移動する。なお、正帯電のトナーＴの場合には駆動波形の変化パターンを逆にすることで同様に同方向に移動する。

このようなトナーＴの搬送の様子について図９を参照して具体的に説明すると、同図の（ａ）に示すように、搬送基板１１の搬送電極Ａ〜Ｆがいずれも０Ｖ（Ｇ）で搬送基板１１上に負帯電のトナーＴが載っている状態から、同図の（ｂ）に示すように搬送電極Ａ、Ｄに「＋」が印加されると、負帯電のトナーＴは搬送電極Ａ及び搬送電極Ｄに吸引されて搬送電極Ａ、Ｄ上に移る。次のタイミングで、同図の（ｃ）に示すように、搬送電極Ａ、Ｄがいずれも「０」になり、搬送電極Ｂ、Ｅに「＋」が印加されると、搬送電極Ａ、Ｄ上のトナーＴは反発力を受けるとともに、搬送電極Ｂ、Ｅの吸引力を受けることになって、負帯電のトナーＴは搬送電極Ｂ及び搬送電極Ｅに搬送される。更に、次のタイミングで、同図の（ｄ）に示すように、搬送電極Ｂ、Ｅがいずれも「０」になり、搬送電極Ｃ、Ｆに「＋」が印加されると、搬送電極Ｂ、Ｅ上のトナーＴは反発力を受けるとともに、搬送電極Ｃ、Ｆの吸引力を受けることになって負帯電のトナーＴは搬送電極Ｃ及び搬送電極Ｆに搬送される。このように進行波電界によって負帯電のトナーは順次図中の右方向に搬送されることになる。

次に、図１の駆動回路の全体構成について図１０を参照して説明する。この駆動回路１２は、パルス信号を生成出力するパスル信号発生回路２１と、このパルス信号発生回路２１からのパルス信号を入力して駆動波形Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖｃ１を生成出力する波形増幅器２２ａ、２２ｂ、２２ｃと、パルス信号発生回路２１からのパルス信号を入力して駆動波形Ｖａ２、Ｖｂ２、Ｖｃ２を生成出力する波形増幅器２３ａ、２３ｂ、２３ｃとを含んで構成されている。そして、パルス信号発生回路２１は、例えばロジックレベルの入力パルスを受けて、各１２０°に位相シフトした２組のパルスで、次段の波形増幅器２２ａ〜２２ｃ、２３ａ〜２３ｃに含まれるスイッチング手段（図示せず）、例えばトランジスタを駆動して１００Ｖのスイッチングを行うことができるレベルの出力電圧１０〜１５Ｖのパルス信号を生成して出力する。

また、波形増幅器２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、図１の搬送領域の各搬送電極１０２及び回収領域の各搬送電極１０２に対して、例えば図１１に示すように、各相の＋１００Ｖの印加時間ｔａを繰り返し周期ｔｆの１／３である約３３％に設定した（以下、これを「搬送電圧パターン」又は「回収搬送電圧パターン」と称す）３相の駆動波形（駆動パルス）Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖｃ１を印加する。更に、波形増幅器２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、図１の現像領域の各搬送電極１０２に対して、例えば図１２又は図１３に示すように、各相の＋１００Ｖ又は０Ｖの印加時間ｔａを繰り返し周期ｔｆの２／３である約６７％に設定した（以下、これを「ホッピング電圧パターン」と称す）３相の駆動波形（駆動パルス）Ｖａ２、Ｖｂ２、Ｖｃ２を印加する。

以上の説明のように、ＥＴＨ現像はトナーの静電搬送を利用するものであるが、従来の静電搬送を用いた現像装置のように、静電搬送に伴って自然発生的に生じるトナーのスモーク化、クラウド化を利用して現像するのではなく、トナーを積極的に潜像担持体に向かって打ち上げて現像するものである。また、ＥＴＨ現象は、従来の静電搬送基板を用いただけでは発生せず、電極幅、電極間隔と駆動波形との関係を設定することで発生することが見出されている。

以下、トナーの搬送及びホッピングを行うための搬送基板１１の複数の搬送電極１０２の電極幅Ｌ及び電極間隔Ｒ、並びに表面保護層１０３について説明する。

搬送基板１１における電極幅Ｌと電極間隔Ｒはトナーの搬送効率、ホッピング効率に大きく影響する。すなわち、搬送電極と搬送電極の間にあるトナーはほぼ水平方向の電界により、基板表面を隣接する搬送電極まで移動する。これに対して、搬送電極上に乗っているトナーは、少なくとも垂直方向の成分も持った初速が与えられることから、多くは基板面から離れて飛翔する。特に、電極端面付近にあるトナーは、隣接する搬送電極を飛び越えて移動するため、電極幅Ｌが広い場合には、その電極上に乗っているトナーの数が多くなり、移動距離の大きいトナーが増えて搬送効率が上がる。ただし、電極幅Ｌが広すぎると、電極中央付近の電界強度が低下するためにトナーが搬送電極に付着し、搬送効率が低下することになる。そこで、本発明は、低電圧で効率良く粉体を搬送、ホッピングするための適正な電極幅があることを見出した。

また、電極間隔Ｒは、距離と印加電圧の関係から電極間の電界強度を決定し、間隔Ｒが狭い程電界強度は当然強く、搬送、ホッピングの初速が得られやすい。しかし、搬送電極から搬送電極へ移動するようなトナーについては、一回の移動距離が短くなり、駆動周波数を高くしないと移動効率が上がらないことになる。これについても、本発明によれば、低電圧で効率良く粉体を搬送、ホッピングするための適正な電極間隔があることを見出した。

また、電極間隔Ｒは、距離と印加電圧の関係から電極間の電界強度を決定し、間隔Ｒが狭い程電界強度は当然強く、搬送、ホッピングの初速が得られやすい。しかし、電極から電極へ移動するようなトナーについては、一回の移動距離が短くなり、駆動周波数を高くしないと移動効率が上がらないことになる。これについても、本発明によれば、低電圧で効率よく粉体を搬送、ホッピングするための適正な電極間隔があることを見出した。

更に、電極表面を覆う表面保護層の厚さも電極表面の電界強度に影響を与え、特に垂直方向成分の電気力線への影響が大きく、ホッピングの効率を決定することをも見出した。

そこで、搬送基板の電極幅、電極間隔、表面保護層厚さの関係を適正に設定することによって、電極表面でのトナー吸着問題を解決し、低電圧で効率的な移動を行うことができる。

詳細に説明すると、先ず電極幅Ｌについては、電極幅Ｌをトナー径（粉体径）の１倍としたときは、最低１個のトナーを乗せて搬送、ホピングするための幅寸法であり、これより狭いとトナーに作用する電界が少なくなり、搬送力、飛翔力が低下して実用上は十分でない。また、電極幅Ｌが広くなるに従って、特に、電極上面中央付近で、電気力線が進行方向（水平方向）に傾斜し、垂直方向の電界の弱い領域が発生し、ホッピングの発生力が小さくなる。電極幅Ｌがあまり広くなると、極端な場合、トナーの帯電電荷に応じた鏡像力、ファンデルワールス力、水分等による吸着力が勝り、トナーの堆積が発生することがある。

そして、搬送及びホッピングの効率から、搬送電極の上にトナー２０個程度が乗る幅であれば吸着が発生しにくく、１００Ｖ程度の低電圧の駆動波形で効率良く搬送、ホッピングの動作が可能である。それ以上広いと部分的に吸着が発生する領域が生じる。例えば、トナーの平均粒径を５μｍとすると、５μｍ〜１００μｍまでの範囲に相当する。

よって、電極幅Ｌのより好ましい範囲は、駆動波形による印加電圧を１００Ｖ以下の低電圧でより効率的に駆動するため、粉体の平均粒径の２倍以上〜１０倍以下である。電極幅Ｌをこの範囲内とすることで、電極表面中央付近の電界強度の低下が１／３以下に抑えられ、ホッピングの効率低下は１０％以下となって、効率の大幅な低下をきたすことがなくなる。これは、例えばトナーの平均粒径を５μｍとすると、１０μｍ〜５０μｍの範囲に相当する。

更に、より好ましくは、電極幅Ｌは粉体の平均粒径の２倍以上〜６倍以下の範囲である。これは、例えばトナーの平均粒径を５μｍとすると、１０μｍ〜３０μｍに相当する範囲である。この範囲とすることによって非常に効率が良くなることが判明している。

ここで、図１４に示すように、図１の搬送基板１１上の搬送電極１０２の電極幅Ｌを３０μｍ、電極間隔Ｒを３０μｍ、搬送電極１０２の厚みを５μｍ、表面保護層１０３の厚みを０．１μｍとし、隣接する２つの搬送電極１０２にそれぞれ＋１００Ｖ、０Ｖを印加し、電極幅Ｌ、電極間隔Ｒに対する搬送電界ＴＥ、ホッピング電界ＨＥの強度を測定した結果を図１５及び図１６に示している。

なお、各評価データはシミュレーションと実測、および粒子の振る舞いについて高速度ビデオにより実測評価した結果である。図１４では細部を分かり易くするために搬送電極１０２は２つを示しているが、実際のシミュレーション、及び実験は前述したように十分な数の搬送電極を有する領域について評価している。また、トナーＴの粒径は８μｍ、電荷量は−２０μＣ／ｇである。

これらの図１５及び図１６で示す電界の強度は電極表面の代表点の値であり、搬送電界ＴＥの代表点ＴＥａは図１４に示す電極端部の５μｍ上方の点、ホッピング電界ＨＥの代表点ＨＥａは図１４に示す電極中央部の５μｍ上方の点とし、それぞれＸ方向、Ｙ方向のトナーに作用する一番電界の強い代表点に相当する。

これらの図１５及び図１６から、トナーの搬送、ホッピングに作用する力を付与できる電界としては（５Ｅ＋５）Ｖ／ｍ以上、吸着の問題がない好ましい電界としては（１Ｅ＋６）Ｖ／ｍ以上、更に十分な力を付与できるより好ましい電界としては（２Ｅ＋６）Ｖ／ｍ以上の範囲であることが分かる。

電極間隔Ｒについては、間隔が広くなるほど搬送方向の電界強度は低下するため、上記電界強度の範囲に対応する値としても同様で、前述したように、トナーの平均粒径の１倍以上〜２０倍以下、好ましくは２倍以上〜１０倍以下、更により好ましくは２倍以上〜６倍以下である。

また、図１６からホッピングの効率は電極間隔Ｒが広がると低下するが、トナー平均粒径の２０倍までは実用上のホッピング効率が得られる。トナー平均粒径の２０倍を越えるとやはり多くのトナーの吸着力が無視できなくなり、ホッピングが全く発生しないトナーが発生するため、この点でも電極間隔Ｒはトナーの平均粒径の２０倍以下とする必要がある。

以上のように、Ｙ方向の電界強度は電極幅Ｌ、電極間隔Ｒで決定され、狭い方が電界強度は高くなる。また、電極端部寄りのＸ方向の電界強度も電極間隔Ｒで決定され、狭い方が電界強度は高くなる。

このように、電極のトナー進行方向における幅をトナーの平均粒径の１倍以上２０倍以下で、かつ電極のトナー進行方向の間隔を粉体の平均粒径の１倍以上２０倍以下とすることによって、電極上又は電極間にある帯電したトナーに対し、その鏡像力、ファンデルワールス力、その他、吸着力にうち勝って、トナーを搬送、ホッピングさせるのに十分な静電力を作用させることができ、トナーの滞留が防止されて、低電圧で安定して効率的に搬送及びホッピングをさせることができる。

また、トナーの平均粒径が２〜１０μｍ、Ｑ／Ｍが負帯電の場合には−３〜−４０μＣ／ｇ、より好ましくは、−１０〜−３０μＣ／ｇ、正帯電の場合には＋３〜＋４０μＣ／ｇ、より好ましくは、＋１０〜＋３０μＣ／ｇであるときに、特に、上述した電極構成による搬送及びホッピングを効率的に行うことができた。

以上の説明のように、ＥＴＨ現像ではトナーをホッピングさせることによって潜像担持体の静電潜像を一成分現像方式で反転現像を行うことができる。すなわち、現像領域でトナーが潜像の画像部に対しては潜像担持体に付着し、非画像部に対してはトナーが潜像担持体に付着しない電界を形成する手段を備えることによって現像を行うことができる。

また、搬送部材上のトナーが潜像担持体に付着するか、潜像担持体に付着しないかは、潜像担持体上と搬送部材上電位の関係で決まる。本発明によれば、搬送電圧の平均値が画像部電位と非画像部電位との間に位置することが、潜像担持体上の画像部に対してはトナーが向かい、非画像部に対してはトナーが静電潜像と反対側に向かうことを述べたが、この条件に関して詳細に検討した。その結果、ホッピングしているトナーの帯電量・密度・ホッピング高さによって、潜像担持体への付着の有無が変化することがわかった。ここで重要になるのがホッピングしているトナー（基板）側の電位であり、ホッピングするトナーの状態によって搬送部材上の電位が変化するためであり、基板上表面電位を把握することで、潜像担持体へのトナーの付着の有無を判断できることがわかった。すなわち、この搬送部材上電位に対し、潜像担持体側の電位が高い場合、マイナス極性を持ったトナーは潜像担持体に付着し、潜像担持体側の電位が搬送部材上電位より低い場合、マイナス極性を持ったトナーは潜像担持体に付着しない。

具体的には、搬送電極に図１３に示すような駆動パターンの０〜−１００Ｖで遷移する波形を印加しトナー搬送し、潜像を現像させた。潜像担持体上の電位は、非画像部−１００Ｖ、画像部−２０Ｖとし、搬送部材上をホッピングするトナーによって現像させた。潜像担持体上の画像部にはトナーが付着し、非画像部にはトナーが付着しない状態となり、良好な現像が得られた。潜像担持体側の条件を固定として、搬送電極に印加する電圧パターンにＤＣバイアスをオフセットすることで、良好な画像再現の限界を調べた。その結果、−３０Ｖオフセットしたときに、非画像部にトナーの付着が見られた。このときの搬送部材上電位は約−９０Ｖ〜−１００Ｖ程度であった。また、プラスのＤＣバイアスをオフセットした場合には、搬送部材上電位が−２０Ｖ前後となったところで、トナーが付着しない部分が生じた。その結果、搬送部材上の電位が潜像担持体上の画像部電位と非画像部との間に設定されている場合に、画像部にはトナーが付着し、非画像部にはトナーが付着しない良好な現像が可能であることがわかった。

このとき、ホッピングしているトナーに対する潜像の画像部への引力は、基板側の電位と潜像側の電位差による電界から受ける力である。搬送電極上のホッピングトナーの密度・電荷量・ホッピング高さにより、トナー層による電位は決定し、トナーの密度が低く、電荷量が小さく、ホッピング高さが低い場合にはトナー層による電位は低くなり、無視できるレベルとなる。

このように、ＥＴＨ現像においては、トナーがホッピングしていることにより潜像の画像部に対してトナーが吸引付着し、非画像部ではトナーが反発されて付着されないので、トナーによる潜像の現像を行うことができ、このとき、既にホッピングしているトナーは搬送基板１との間で吸着力が生じないため、容易に潜像担持体側に搬送することができ、高い画像品質が得られる現像を低電圧で行うことができるようになる。

すなわち、従来の所謂ジャンピング現像方式にあっては、現像ローラから帯電トナーを剥離させて感光体に搬送させるには、トナーの現像ローラに対する付着力以上の印加電圧が必要であり、ＤＣ６００〜９００Ｖのバイアス電圧をかけなければならない。これに対して、本発明によれば、トナーの付着力は通常５０〜２００ｎＮであるが、搬送基板１１上でホッピングしているために搬送基板１１に対する付着力が略零になるので、トナーを搬送基板１１から剥離する力が不要になり、低電圧で十分にトナーを潜像担持体側に搬送することが可能になるのである。

しかも、各搬送電極１０２間に印加する電圧が｜１５０〜１００｜Ｖ以下の低電圧であっても発生する電界が非常に大きい値となり、搬送電極１０２の表面に付着しているトナーを容易に剥離し、飛翔、ホッピングさせることが可能になる。また、ＯＰＣ等の感光体を帯電する時に発生するオゾン、ＮＯxが非常に少なく、又は皆無にすることができて、環境問題、感光体の耐久性に非常に有利となる。

従って、従来方式の現像ローラ表面、またはキャリア表面に付着しているトナーを剥離するために現像ローラと感光体の間に印加していた５００Ｖ〜数ＫＶの高電圧バイアスを必要とすることがなく、感光体の帯電電位を非常に低い値として、潜像を形成して現像することが可能になる。

ここで言う搬送基板の電極に印加する電位の平均値（平均値電位）とは、搬送部材上の時間的空間的平均値電位である。前述のように、搬送基板の電極パターンには周期的に変化する電位が与えられているが、搬送基板からある程度の距離をもった現像部の潜像担持体表面では、平均的な電位となっている。駆動電圧パターンのデューティーが５０％であれば、駆動電圧パターンのハイレベル電位とローレベル電位の平均の値となる。従って、この平均値電位にトナー層の電位の影響を加えた値が搬送部材上表面電位となり、搬送部材上表面電位を潜像担持体の潜像の画像部電位と非画像部電位の間に設定することで、高品質の現像が可能となる。

更に、このような現像方式を用いた場合、カラー画像形成においても、従来方式と比較して効率的に、高画質の画像を得ることができる。すなわちＥＴＨ現像においては、トナーがホッピングしていることにより潜像の画像部に対してトナーが吸引付着し、非画像部ではトナーが反発されて付着されないので、感光体上の潜像電界に忠実なトナーの付着が行われる。このとき、既にホッピングしているトナーは搬送基板との間で吸着力が生じないため、従来の現像方式において必要であったトナーをトナー担持体から引き剥がすための大きな力は不要となり、容易に潜像担持体側に搬送することができ、高い品質の現像が低電圧で可能となる。従来の現像方式においては、トナーをトナー担持体から引き剥がすためのおおきな力のために、例えばトナー像の上にさらにトナー像を形成しようとした場合、すでに存在するトナー像を乱してしまう問題点が生じていた。このＥＴＨ現像では、すでに存在しているトナー像を乱すことなく、潜像にトナー像を形成することが可能である。

従って、前述のように２色目以降の場合においても、現像領域で、現像されようとしている色のトナーについて、トナーが潜像の画像部に付着し、非画像部に対してはトナーが潜像担持体付着しない電界を形成する手段を備えることによってすでに感光体上に存在するトナーを乱さず、良好な現像が可能となる。

次に、感光体上で多色のトナーを重ね合わせて画像を得る場合について、例を挙げて説明する。
第一のトナーについては、単色の場合と同様に考えられる。図１３に示すホッピング電圧パターンの駆動波形のように、０〜−１００Ｖで遷移するパルス状電圧波形である場合、潜像の非画像部の電位を−１５０Ｖや−１７０Ｖとした場合に、非画像部に対してはトナー付着せず、画像部を−２０Ｖとしたとき、トナーは画像部に対しては潜像担持体方向に向かうことが確認された。このときの搬送部材上の電位を測定したところ−７０Ｖ〜−８０Ｖであった。

次に、トナー像が形成された潜像担持体上にさらに第二のトナー層を形成する。第二のトナーのホッピング電圧パターンとして、−５０〜−１５０Ｖで遷移するパルス状電圧波形を設定した。潜像の非画像部の電位を−２００Ｖや−２２０Ｖとした時に非画像部に対してトナーは潜像担持体に付着せず、画像部に対して潜像担持体に付着することを確認した。また、第二の現像に対する潜像の画像部の電位を−５０Ｖとしたが、この場合画像部ではトナーは潜像担持体側に付着した。このときの搬送部材上の電位は−１１０Ｖ〜−１２０Ｖであった。

一色のみの現像時と同様に、画像部の電位と非画像部の電位の間の値に搬送部材上の電位が設定される場合、画像部に選択的にトナーを潜像担持体付着させることが可能であり良好な画像が得られる。現像されようとしている画像部が、既に潜像担持体上にトナーが付着している部分である場合には、この画像部の電位と非画像部の電位との間の値に搬送部材上の電位を設定することで、トナーを画像部では潜像担持体へ付着させ、非画像部ではトナーを潜像担持体に付着させないことができる。現像されようとしている画像部が既に潜像担持体上にトナーが付着している部分であるとき、既に潜像担持体上に付着しているトナーの持つ電荷の極性がマイナスであれば、その分画像部の電位は低下し、この低下した画像部の電位と非画像部の電位との間の値に搬送部材上の電位を設定すれば、画像部に選択的にトナーを潜像担持体へ付着させることができる。既に潜像担持体上に付着しているトナーが、該トナーの現像時から保持している電荷を持っている場合、トナーの電荷の極性がマイナスであれば、その分画像部の電位は低下し、この低下した画像部の電位と非画像部の電位との間の値に搬送部材上の電位を設定すれば、画像部に選択的にトナーを潜像担持体へ付着させることができる。

既に潜像担持体上に付着しているトナーが、潜像担持体に付着した以降、帯電又は露光により与えられた電荷を持っていた場合、トナーの電荷の極性がマイナスであれば、その分画像部の電位は低下し、この低下した画像部の電位と非画像部の電位との間の値に搬送部材上の電位を設定すれば、画像部に選択的にトナーを潜像担持体へ付着することができる。

前述したように現像されようとしている画像部が、既に潜像担持体上にトナーが付着している部分である場合の、トナー層上の画像部電位について説明する。図１７はトナーが付着した感光体上の電位を示す図である。非画像部の電位が−Ｖｄであり、潜像の画像部の電位がＶｓである。この画像部にトナーが付着したのちの電位がＶｔであるとすると、Ｖｔには潜像の電位Ｖｓと、トナー自体が持っている電位Ｖｐが含まれている。次に二色目のトナーを付着させるために、潜像形成をする際、トナー層上に帯電、露光を行った場合、トナー層の電位は潜像の画像部の電位Ｖｓ２とトナー層が保持していた電位Ｖｐと帯電によりトナーが付与された電位Ｖｐ２を含む電位となる。第二のトナー層の現像に先駆けて、帯電を行わないプロセスでは、帯電により加味されるＶｐ２は作用せず、また、二色目の潜像形成の前に感光体上のトナーを除電するプロセスでは、二色目の現像時には、Ｖｐは無視できる。

＜実験例１＞
感光体上に二色のトナー像を形成する実験を行った。感光体は直径６０ｍｍのドラム、感光体に対し、スコロトロン帯電器により感光体上を均一帯電する。その後、パターンに応じたレーザ光を照射する事で、感光体上に静電潜像を形成する。この静電潜像を本発明のＥＴＨ現像方式によりトナーを選択的に付着させ、顕像化する。本実験では、この感光体上の均一帯電からトナー付着までの工程を２回繰り返し、感光体上に２色の像を形成した。実際のシステムにおいては、４色のトナーで画像を形成するのが一般的であるが、トナーの色数だけ繰り返し、感光体上に多色画像を形成する。その後転写媒体に転写し、定着することで画像が得られる。この実験では、２色トナー像形成後の感光体上の画像を評価した。一色目のトナーをシアン、二色目のトナーをマゼンタとした。トナーの平均帯電量は両色とも約−２０μＣ／ｇであった。

先ず、感光体上を約−１５０Ｖに均一に帯電し、シアンのパターンのレーザ光を照射した。感光体上に、レーザ光が照射された部分が画像部となり、画像部が約−３５Ｖ、そして非画像部が約−１５０Ｖの潜像が形成された。現像用の搬送電極は図２に示したようなものを使用し、駆動電圧パルスは図１３のように３相、周波数５ＫＨｚ、デューティー５０％のパターンとし、ハイレベルの電位を−２０Ｖ、ローレベルの電位を−１２０Ｖとした。現像後の画像部の電位は約−７０Ｖ、非画像部の電位は約−１４０Ｖであった。このときの搬送部材上の電位は−８０Ｖ〜−９０Ｖであった。この状態で一旦、明室シアントナーの付着した感光体を取り出した。画像部にトナーが付着し、非画像部へのトナーの付着は見られなかった。このときに電位は画像部が約−３５Ｖ、非画像部が０Ｖであった。明室では、感光体の電位はほぼ０になっており、画像部で測定された電位−３５Ｖは、トナーの有している電荷による電位であると考えられる。次に２色重ねた実験を行う。前述のような方法で感光体上にシアンのトナー像を形成したのち、再び感光体上をスコロトロン帯電器で帯電した。帯電後の感光体上の電位が約−３００Ｖとなるように帯電を行った。２色目のマゼンタのパターンをレーザでシアンのトナー像に重ねて書き込んだ。書き込み後の画像部の電位は約−９５Ｖ、非画像部の電位は約−３００Ｖであった。二色目の現像の駆動電圧は、一色目と同様で、ハイレベルを−７０Ｖ、ローレベルを−１７０Ｖとして行った。現像後感光体を取り出し確認したところ、シアントナー層上にマゼンタトナー層を付着し、非画像部へのトナー付着は見られなかった。このときの搬送部材上の電位は−１３０Ｖ〜−１４０Ｖであった。明室に出した後の画像部の電位は約−８０Ｖであり、一色目の現像の後測定されたトナー層電位と比較し、−４５Ｖ程度低くなっている。これは、二色目のトナーの持つ電荷による電位と一色目のトナーが二色目のトナーの作像に先駆けて行われた帯電により、帯電した電荷とによると考えられる。このときの比較のために、二色目現像の駆動電圧のハイレベル、ローレベルを一色目と同じとし現像を試みたところ、画像部にもマゼンタトナーは付着していなかった。この場合、搬送部材上の電位が−８０Ｖ〜−９０Ｖとなり、二色目の画像での非画像部の電位と画像部の電位の間となっていなかったためと考えられる。

＜実験例２＞
実験例１と同様に一色目のトナー像を形成し、その後トナーの付着した感光体上にＡＣコロトロン帯電器で除電を行った。感光体上の電位はトナー層のある部分でもほぼ０Ｖとなった。その後、シアントナー上にマゼンタトナーを付着させる。除電後の感光体を−３００Ｖに均一帯電し、シアントナー上にレーザで書き込みし、マゼンタ現像用の画像パターンを形成した。このときの画像部の電位は、約−６０Ｖであった。この−６０Ｖは一色目のシアントナーが二色目の現像に先駆けて行われた帯電により、帯電した電荷による電位と画像部の感光体の電位であると考えられる。この場合にも、実験例１と同様の現像条件で二色目の現像を行ったところ良好な画像が得られた。

このように、除電を行うことで、トナーの重ね合わせによるトナー層電位の変化を少なくすることができ、多色画像形成時の現像駆動電圧を低く抑えることが可能である。

そして、感光体上にベタの一色目のトナー像を形成し、更に二色目のトナー像を形成する際、二色目の潜像形成を、一色目のトナーの付着した感光体を帯電し画像を書き込む方法で行った。一色目のトナー像上の潜像の電位は、約−７０Ｖであったので、搬送電極上の電位を−１２０Ｖに調節して現像を行った。このときの非画像部の電位は−１８０Ｖであったので、搬送駆動電圧の平均値が画像部と非画像部の電位の間の値となっており、良好な現像が行われた。同じ条件で一色目の画像形成を行い、感光体近傍に設置したＡＣチャージャにより、感光体上の一色目のトナーの電荷を除電した。その後、二色目の潜像形成のための帯電、露光を行い一色目のトナー層上の画像部の電位を計測した結果約−４０Ｖであり、非画像部の電位は−１８０Ｖであったので、搬送電極上の電位を−１２０Ｖとして現像を行い、良好な画像が得られた。

このように搬送電極上の電位を潜像担持体の画像部と非画像部の間の値に設定することで、潜像担持体の画像部にはトナーを向かわせ、非画像部にはトナーを向かわせないようにする場合において、複数の現像間でのホッピング電圧と画像部の電位、非画像部の電位の関係を図１８に示し説明する。なお、同図は一つの潜像担持体上に複数色のトナーを付着させるものであり、図１８の（ａ）が一色目、図１８の（ｂ）が二色目である。先ず、一色目のトナーの現像に使用する搬送基板には、デューティー５０％の搬送駆動電圧が印加されている。このときの搬送部材上電位はＶ１である。これに対し、潜像担持体上に形成される一色目の画像パターンＰ１の非画像部の電位と画像部の電位との関係が図１８に示すようであるとする。この図１８でのトナーはマイナス帯電を想定しているので、図中上方ほどトナーが付着しやすい電位の関係である。従って、このような電位の関係になっている場合、Ｖ_１が画像部の電位と非画像部の電位の間の値となっており、良好な現像が行われている。トナーの画像部への付着は、トナー層電位Ｖ_ｔ１がＶ_１を下回らない値で終了する。従ってＶ_ｔ１の下限はＶ_１である。

このトナー層の上にさらに二色目のトナーを付着させる場合を（ｂ）で考える。二色目の画像幅はＰ２であるとする。Ｐ２に更にトナーを付着させるには、二色目の現像に使用する搬送部材上の電位Ｖ_２がＶ_ｔ１より小さい値である必要がある。そして、二色目トナーの現像後の電位Ｖ_ｔ２はＶ_２を下回らない。従って、Ｖ_ｔ２の下限はＶ_２である。

このような関係を繰り返すことで、トナー上に複数色のトナーを重ねることが可能である。つまり、ｍ番目（ｍは正の整数）の現像に使用する搬送部材上の電位をＶ_ｍとするとＶ_ｍ＞Ｖ_ｍ＋１の関係が成り立つ場合良好なトナー重ね現像が可能である。

具体的には、一色目の現像に使用する搬送基板に印加する駆動電圧パルス電圧のハイレベルを−５０Ｖ、ローレベルを−１５０Ｖとし現像を行った。このときの搬送部材上電位はおおよそ−１２０Ｖである。潜像の電位は、非画像部が−１７０Ｖ、画像部は約−８０Ｖとした。トナーは良好に付着していることが確認できた。二色目のトナーを更に付着させるために、駆動電圧パルスをハイレベル−７０Ｖ、ローレベル−１７０Ｖとした、搬送部材上の電位は−１５０Ｖ程度であった。二色目のトナー上の画像部の電位は約−１００Ｖであり、非画像部の電位は−１９０Ｖであった。このとき、二色目のトナーは一色目のトナー上に良好に付着していることが確認できた。

このようなパルス電圧を印加する代わりに、±５０Ｖのパルス電圧を作成し、ＤＣ成分をそれぞれ、−１００Ｖ、−１２０Ｖ印加しても全く同じ結果が簡易な方法で得られた。

ここで、上述した図１３に示すホッピング電圧パターンの駆動波形を発生するための波形増幅器２３ａ〜２３ｃの一例について図１９を参照して説明する。

なお、前述したように図１３に示すホッピング電圧パターンの駆動波形は、各相が０〜−１００Ｖのパルス波形で、電位が相対的に＋の時間（０Ｖの時間）が６７％デューティーの波形であるが、ここでは、電位が相対的に＋の時間（０Ｖの時間）が３３％デューティーの波形で説明する。

波形増幅器２３ａ〜２３ｃは、入力信号を分圧するための抵抗Ｒ１、Ｒ２と、スイッチング用のトランジスタＴｒ１と、コレクタ抵抗Ｒ３と、トランジスタＴｒ２と、電流制限抵抗Ｒ４と、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ５、ダイオードＤ１からなるクランプ回路２５とで構成している。

この波形増幅器２３ａ〜２３ｃに対し、前述したパルス信号発生回路２１から図２０の（ａ）に示すように、例えば０〜１５Ｖの図示の波形で１５Ｖのデューティーが約６７％の入力信号ＩＮが与えられると、この入力信号ＩＮは抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧されてトランジスタＴｒ１のベースに入力され、トランジスタＴｒ１がスイッチングを動作することで、位相が反転され、０〜＋１００Ｖにレベルアップされた同図の（ｂ）に示すような電圧波形（コレクタ電圧）ｍが得られる。

このコレクタ電圧ｍをトランジスタＴｒ２が受け、同じレベルの波形を低インピーダンスで出力する。このトランジスタＴｒ２のエミッタに接続されたクランプ回路２５は、＋波形に対しては時定数が小さく、−波形に対しては時定数がコンデンサＣ１及び抵抗Ｒ５で決定されるが、パルスの周期に対してこの時定数を十分大きな値に設定することで、クランプ回路２５からは、同図の（ｃ）に示すように、０レベルがクランプされた０〜−１００Ｖの出力波形ＯＵＴが得られる。

次に、上述した図１１に示す回収搬送電圧パターンの駆動波形を発生するための波形増幅器２２ａ〜２２ｃの一例について図２１を参照して説明する。
前述したように図１１に示す回収搬送電圧パターンの駆動波形は、各相が０〜＋１００Ｖのパルス波形で、電位が相対的に＋の時間（＋１００Ｖの時間）が３３％デューティーの波形の例である。

波形増幅器２２ａ〜２２ｃは、入力信号を分圧するための抵抗Ｒ１、Ｒ２と、スイッチング用のトランジスタＴｒ１と、コレクタ抵抗Ｒ３と、トランジスタＴｒ２と、電流制限抵抗Ｒ４と、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ５、ダイオードＤ２からなるクランプ回路２６とで構成している。すなわち、波形増幅器２３ａ〜２３ｃのクランプ回路２５のダイオードＤ１と波形増幅器２２ａ〜２２ｃのクランプ回路２６のダイオードＤ２の向きが異なるだけである。

この波形増幅器２２ａ〜２２ｃに対し、前述したパルス信号発生回路２１から図２２の（ａ）に示すように、例えば、０〜１５Ｖの図示の波形で１５Ｖのデューティーが約６７％の入力信号ＩＮが与えられると、この入力信号ＩＮは抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧されてトランジスタＴｒ１のベースに入力され、トランジスタＴｒ１がスイッチングを動作することで、位相が反転され、０〜＋１００Ｖにレベルアップされた同図の（ｂ）に示すような電圧波形（コレクタ電圧）ｍが得られる。

このコレクタ電圧ｍをトランジスタＴｒ２が受け、同じレベルの波形を低インピーダンスで出力する。このトランジスタＴｒ２のエミッタに接続されたクランプ回路２６は、−波形に対しては時定数が小さく、＋波形に対しては時定数がコンデンサＣ１及び抵抗Ｒ５で決定されるが、パルスの周期に対してこの時定数を十分大きな値に設定することで、クランプ回路２６からは、同図の（ｃ）に示すように、０レベルがクランプされた０〜＋１００Ｖの出力波形ＯＵＴが得られる。

このように、搬送基板の各電極に印加する駆動波形をコンデンサ、抵抗、ダイオードから構成されるクランプ回路で形成することで、簡単な回路構成で、また低レベル側をクランプすることでドリフトのない、波高値が一定で安定な波形が得られるので、正確なトナー搬送、ホッピングが可能になる。

ここで、トナーの帯電極性と搬送基板１１の電極１０２に印加する電圧（電位）との関係について説明すると、負帯電トナーを用いる場合には、現像領域では０〜−Ｖ１の電圧とし、現像領域通過後の領域では０〜＋Ｖ２の電圧とする、つまりホッピング用駆動波形の電圧は０〜−Ｖとし、回収搬送用駆動波形の電圧は０〜＋Ｖとすることで、上述したように駆動回路の構成が簡単で、信頼性が向上する。

同様に、正帯電トナーを用いる場合には、現像領域では０〜＋Ｖ３の電圧とし、現像領域通過後の領域では０〜−Ｖ４の電圧とする、つまりホッピング用駆動波形の電圧は０〜＋Ｖとし、回収搬送用駆動波形の電圧は０〜−Ｖとすることで、上述したように駆動回路の構成が簡単で、信頼性が向上する。

なお、上述した電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は、同じ絶対値の電圧であっても、異なる絶対値の電圧であってもよい。

図２３は本発明の現像装置を使用した画像形成装置の構成例を示す図である。同図に示す画像形成装置３０は、感光体ベルト３１、レーザによる書き込み装置３２、感光体ベルト３１上を所定電位に帯電するスコロトロンチャージャ３３、感光体ベルト３１上の静電潜像にトナーを付着させる現像器３４、感光体ベルト３１上の画像を転写紙に転写する転写部３５、転写紙上のトナーを定着する定着部３６を含んで構成されている。また、現像器３４内には、搬送部材上の表面電位を検知する電位検出装置（図示せず）が備えられている。更に、スコロトロンチャージャ３３と現像器３４は色毎に設けられている。また、感光体ベルト３１は図中の矢印の方向に回転する。

次に、図２３に示す画像形成装置３０における作像時の動作について説明する。先ず、感光体ベルト３１の表面は、スコロトロンチャージャ３３−Ｙにより均一に帯電され、書き込み装置３２から選択的にレーザ光を照射されることで、感光体ベルト３１上にはイエローのデータに対応した静電潜像が形成される。この静電潜像には現像器３４−Ｙにより、イエローのトナーが付着され、感光体ベルト３１上にはイエローのトナー像が形成される。イエロートナー像は感光体ベルト３１の移動に伴って移動し、スコロトロンチャージャ３３−Ｍによって、再び均一に帯電される。これに対しマゼンタのデータに対応した静電潜像を形成するべくレーザの書き込みが行われ、更に現像器３４−Ｍによってマゼンタのトナーが現像される。同様にシアン、ブラックのトナー像が感光体上に付着し、４色のトナーが感光体ベルト３１上に付着した状態となる。この像は転写部３５で転写紙上に転写され、定着部３６で定着されカラー画像が得られる。このように本発明の現像装置を使用することで、感光体ベルト３１が１回転するのみでカラー画像を形成でき、また感光体ベルト３１上でトナー像を重ねるため中間転写体も不要であるので装置の小型化が可能であるとともに、感光体ベルト上のトナーが下流の現像によって乱されたり、下流の現像器に回収されたりすることが無いため、混色がなく良好な画像が経時に渡って得られる。

図２４は本実施の形態例の現像器の構成例を示す概略図である。同図に示す現像装置は、磁性キャリアと非磁性トナーから成る二成分現像剤を用いる現像装置であり、静電潜像が形成される潜像担持体４１との対向領域にトナーを搬送するローラ状に形成した搬送部材４２と、この搬送部材４２に対向し、搬送部材４２に対してトナーを供給するトナー供給手段である現像剤担持体４３と、この現像剤担持体４３で供給するトナー及び磁性キャリアを収容する現像剤収容部４４とを備えている。この場合、搬送部材４２は潜像担持体４１及び現像剤担持体４３に対して径方向の反対側の領域で対向している配置としている。

なお、この搬送部材４２と潜像担持体４１は、５０〜１０００μｍ、好ましくは１５０〜４００μｍの間隙を開けて非接触で対向している。また、搬送部材４２は回転せず、外周面をトナーが矢印Ａの方向に搬送電界（移相電界）で搬送される。一方、現像剤担持体４３は矢印Ｂの方向に回転する。

現像剤収容部４４は、２室に分けられており、各室は現像装置内の両端部の図示しない現像剤通路によって連通している。この現像剤収容部４４には二成分現像剤が収容されており、各室にある攪拌搬送スクリュー４５ａ、４５ｂによって攪拌されながら現像剤収容部４４内を搬送されている。

また、現像剤収容部４４には図示しないトナー収容部から現像剤を補給するためのトナー補給口４６を設けている。そして、現像剤収容部４４には現像剤の透磁率を検知する図示しないトナー濃度センサ（図示せず）が設置されており、現像剤の濃度を検知している。現像剤収容部４４のトナー濃度が減少すると、トナー補給口４６から現像剤収容部４４にトナーが補給される。

更に、現像剤担持体４３は、現像剤収容部４４の攪拌搬送スクリュー４５ａと対向する領域に配置されている。現像剤担持体４３の内部には、固定された磁石が配置されており、現像剤担持体４３の回転と磁力によって、現像剤収容部４４内の現像剤は現像剤担持体４３表面に汲み上げられる。

また、現像剤の汲み上げ領域より現像剤担持体４３の回転方向（矢印Ｂの方向）下流側で搬送部材４２との対向領域より上流側には、現像剤担持体４３と対向する領域に現像剤層規制部材４７を設け、汲み上げ領域で汲み上げたれた現像剤を一定量の現像剤層厚に規制される。そして、現像剤層規制部材４７を通った現像剤は現像剤担持体４３の回転に伴って、搬送部材４２と対向する領域まで搬送される。

ここで、現像剤担持体４３には、第１電圧印加手段４８によって供給バイアスが印加されている。また、搬送部材４２には、第２電圧印加手段４９によって搬送電極に電圧が印加されている。

これにより、現像剤担持体４３と搬送部材４２が対向する領域においては、第１電圧印加手段４８と第２電圧印加手段４９によって搬送部材４２と現像剤担持体４３との間に電界が生じている。その電界からの静電気力を受け、トナーはキャリアから解離し、搬送部材４２の表面に移動する。

次いで、潜像担持体４１と対向する領域まで搬送電界によって搬送されたトナーは、搬送部材４２と潜像担持体４１上の画像部との間の現像電界によって潜像担持体４１上に搬送されて潜像担持体４１上の潜像を可視像化（現像）する。搬送部材４２上の表面電位を検出する表面電位測定部５０が、搬送部材４２に対向して設けられている。搬送電圧が搬送部材４２上の電極に印加された状態での、搬送部材４２の表面電位は搬送電圧および搬送されているトナーの状態により変化する。この表面電位測定部４０により直接表面電位を測定し検出することで、正確な搬送部材３２上の電位を知ることが可能となる。

次に、検知された搬送部材上の表面電位に従って、搬送部材４２上表面電位が潜像担持体４１上の画像部の電位と非画像部の電位の間の値となるようにプロセス条件を設定する。図２５はプロセス条件の設定手順の一例を示すフローチャートである。図２４の搬送部材４２上の搬送電極には、ＶＬとＶｈとの間で振動する３相の電圧が印加されている。そして、搬送部材３２上の図２４の表面電位測定部５０から表面電位データＶｓを読み込む（ステップＳ１０１）。このＶｓがＶＬより小さい場合には、ＶＬとＶｈから所定の値Ｖｐを減算する（ステップＳ１０２；ＹＥＳ、ステップＳ１０３）。ＶＬとＶｈは同時に動かすので、搬送電圧のＶｐｐは変化しない。反対に、ＶｓがＶＬより大きい場合であってＶｈよりＶｓが大きい場合には、ＶＬとＶｈにＶｐを加算する（ステップＳ１０１；ＮＯ、ステップＳ１０５；ＹＥＳ、ステップＳ１０６）。ＶｓがＶＬより大きくなるか（ステップ１０４；ＮＯ）、ＶｓがＶｈより小さくなる（ステップＳ１０７；ＮＯ）まで操作が繰り返される。具体的には、Ｖｐｐが一定の電圧に対しＤＣを重畳した形の搬送電圧を設定すれば、状況に合わせて、Ｖｓが図２４の潜像担持体４１の画像部の電位と非画像部の電位の間となるように、ＤＣバイアスを調整すればよい。このような操作により、簡易な方法で適正な搬送部材上電位を設定することが可能となる。

次に、別の発明に係るプロセスカートリッジを備えた一実施の形態例の画像形成装置について、図２６及び図２７を参照して簡単に説明する。なお、図２６は別の発明に係るプロセスカートリッジを備えた画像形成装置の概略構成図、図２７はプロセスカートリッジの概略構成図である。

図２６に示す画像形成装置２００は、水平に延在する転写ベルト（潜像担持体）２０１に沿って、各色のプロセスカ−トリッジ２０２−Ｙ、２０２−Ｍ、２０２−Ｃ、２０２−Ｂｋ（以下、プロセスカートリッジ２０２と総称する）を並置したタンデム方式のカラー画像形成装置である。なお、プロセスカートリッジ２０２は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの順で説明したが、この順番に特定されるものではなく、どの順番で並置してもよい。

そして、図２７に示すプロセスカ−トリッジ２０２は、潜像担持体２０５、帯電手段２０６、搬送基板２０７を含む本発明に係る現像装置２０８、クリーニング装置２０９等の構成要素のうち、複数のものをプロセスカートリッジとして一体に結合して構成し、このプロセスカートリッジを複写機やプリンタ等の画像形成装置本体に対して着脱可能に構成している。

通常、カラーの画像形成装置は複数の画像形成部を有するため装置が大きくなってしまう。また、現像装置、クリーニングや帯電などの各ユニットが個別で故障したり、寿命による交換時期がきた場合は、装置が複雑でユニットの交換に非常に手間がかかっていた。

そこで、少なくとも潜像担持体と現像装置の構成要素をプロセスカートリッジ２０２として一体に結合して構成することによって、ユーザによる交換も可能な小型で高耐久のカラー画像形成装置を提供することができる。

ここで、図２６に示すように、各色のプロセスカートリッジ２０２−Ｙ、２０２−Ｍ、２０２−Ｃ、２０２−Ｂｋで現像された潜像担持体２０５上の現像トナーは水平に延在する転写電圧が印加された転写ベルト２０１に順次転写される。

このようにイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックと画像の形成が行なわれ、転写ベルト２０１上に多重に転写され、転写手段２０３で転写材２０４にまとめて転写される。そして、転写材２０４上の多重トナー像は図示しない定着装置によって定着される。

上記各実施の形態例の画像形成装置は、いずれも本発明に係る現像装置を備えているので、装置の小型化、低コスト化を図れ、トナー飛散などもなく、画像品質を向上することができる。

なお、上記実施の形態例においては、粉体としてトナーを例に説明しているが、トナー以外の粉体を搬送するための装置などにも同様に適用することができる。また、搬送電極に印加する駆動信号は３相を例に説明しているが、４相、６相などのｎ相（ｎは２以上の正の整数）でもよい。更に、搬送基板を円筒又はベルト状にすることにより、搬送基板表面の移動が可能となり、搬送基板からのトナー回収効率の向上、また装置の小型化が図れるので、利用効率も向上する。

また、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施の形態例に係る現像装置の構成を示す概略図である。本実施の形態例の現像装置の搬送基板の平面図である。図２のＡ−Ａ’線断面図である。図２のＢ−Ｂ’線断面図である。図２のＣ−Ｃ’線断面図である。図２のＤ−Ｄ’線断面図である。搬送基板に与える駆動波形の一例を示す波形図である。粉体の搬送及びホッピングの様子を示す概略図である。粉体の搬送及びホッピングの様子の具体例を示す概略図である。図１の駆動回路の一例を示すブロック図である。搬送電圧パターン及び回収搬送電圧パターンの駆動波形の一例を示すタイムチャートである。ホッピング電圧パターンの駆動波形の一例を示すタイムチャートである。ホッピング電圧パターンの駆動波形の他の例を示すタイムチャートである。本実施の形態例の現像装置の搬送基板の電極幅及び電極間隔を示す図である。電極幅と０Ｖ電極端の電界（Ｘ方向）の関係の一例を示す特性図である。電極幅と０Ｖ電極端の電界（Ｙ方向）の関係の一例を示す特性図である。トナーが付着した感光体上の電位を示す図である。複数の現像間でのホッピング電圧と画像部の電位、非画像部の電位の関係を示す図である。図１０の波形増幅器の一例を示す回路図である。図１０のパルス信号発生回路からの信号波形を示す図である。図１０の波形増幅器の一例を示す回路図である。図１０のパルス信号発生回路からの信号波形を示す図である。本発明の現像装置を使用した画像形成装置の構成例を示す図である。本実施の形態例の現像器の構成例を示す概略図である。プロセス条件の設定手順の一例を示すフローチャートである。別の発明に係るプロセスカートリッジを備えた画像形成装置の概略構成図である。図２６のプロセスカートリッジの構成を示す拡大概略構成図である。

符号の説明

１０；現像装置、１１；搬送基板、１２；駆動回路、
２０；感光体ドラム、２１；パスル信号発生回路、
２２ａ〜２２ｃ、２３ａ〜２３ｃ；波形増幅器、
２５，２６；クランプ回路、３０，２００；画像形成装置、
１０１；支持基板、１０２；搬送電極、１０３；表面保護層、
１０４；共通電極、１０５；層間絶縁膜、１０６；コンタクトホール、
１０７；絶縁層、２０２；プロセスカートリッジ。

Claims

潜像担持体の表面移動方向に潜像担持体を帯電する帯電装置と、レーザー光が照射されて潜像担持体上に静電潜像が形成される露光部と、現像装置とからなる組を複数配設し、
各現像装置は、前記潜像担持体に対向して配置され、粉体を移動させる電界を発生させる複数の搬送電極を有する搬送部材と、該搬送電極にｎ相（ｎは２以上の正の整数）の電圧を印加する電圧供給手段と、該搬送部材の表面電位を検知する搬送部材表面電位検出手段とを具備し、前記潜像担持体上に前記粉体を付着させて潜像担持体上の潜像を現像するものであって、
各組により前記潜像担持体上に帯電、露光、現像を順次行って、各組の現像装置により、互いに異なる色の粉体を前記潜像担持体上に順次付着させ、カラー画像を前記潜像担持体に形成する画像形成装置において、
前記潜像担持体上に前記粉体を最初に付着させる１組目の現像装置については、前記搬送部材の表面電位が、１組目の露光部で形成された静電潜像部の電位と非静電潜像部の電位との間となるように、前記搬送部材表面電位検出手段の検知結果に基づいて電圧供給手段を制御し、
２組目以降の現像装置については、前記搬送部材の表面電位が、当該組の露光部で形成された静電潜像部のうち当該組より前の組の粉体が付着した箇所の電位と非静電潜像部の電位との間となるように、前記搬送部材表面電位検出手段の検知結果に基づいて電圧供給手段を制御する電位制御手段を設けたことを特徴とする画像形成装置。
前記粉体が付着した箇所の静電潜像部の電位を、前記粉体が付着していない静電潜像部の電位に対して潜像担持体上に前記粉体を付着させるときから粉体が保持している電荷量分低下した電位としたことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記粉体が付着した箇所の静電潜像部の電位を、前記粉体が付着していない静電潜像部の電位に対して帯電工程により増加した粉体の電荷量分低下した電位としたことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記粉体が付着した箇所の静電潜像部の電位を、前記粉体が付着していない静電潜像部の電位に対して潜像担持体上に前記粉体を付着させるときから粉体が保持している電荷量に帯電工程により増加した電荷量を加えた分低下した電位としたことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
前記粉体を移動させる電界は進行波電界である請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像形成装置。
前記搬送部材の電極に印加される電圧の波形は、パルス電圧と直流バイアスとを重畳した波形である請求項１〜５のいずれかに記載の画像形成装置。
前記搬送部材上の表面電位Ｖを、前記潜像担持体上に前記粉体を付着する順にｍ番目（ｍは正の整数）をＶ_ｍとすると、Ｖ_ｍ＞Ｖ_ｍ＋１である請求項１〜６のいずれかに記載の画像形成装置。