JP4949807B2 - 現像装置、画像形成装置及び現像方法 - Google Patents

Description

本発明は現像装置、画像形成装置及び現像方法に関する。

従来、複写機，プリンタ，ファクシミリ等の画像形成装置に用いられる現像装置には、従来技術１としての２成分現像方式や従来技術２としての１成分現像方式などがある。
２成分現像方式は、高速現像に非常に適しており、現在の中速や高速の画像形成装置の主流方式である。１成分現像方式は、機構が小型軽量になることから現在の低速出力機の主流方式である。
従来技術３として、上記２成分現像方式と上記１成分現像方式との欠点を補い合うべく、特許文献１記載のものなどのように２成分現像方式と１成分現像方式とをハイブリッド化したハイブリッド化方式も幾つか提案されている。

高解像度の微小均一ドットを現像する方式としては、例えば従来技術４としての特許文献２記載の現像方式がある。この現像方式は、上記ハイブリッド化方式に対して、現像部に高周波バイアスを印加したワイヤを設置することにより、現像部でのトナークラウド化を行い、高解像度のドット現像性を実現するものである。
特許文献３には、従来技術５として、最も効率良く、且つ安定なトナークラウドを形成するために、回転ローラ上に電界カーテンを形成する現像方式が提案されている。
特許文献４には、従来技術６として、トナー担持体の機械的な駆動を無くし、３相以上の交互電場によってトナーを静電的に搬送し現像する現像方式が記載されている。特許文献５には、従来技術７として、固定搬送基板とその表面を移動するトナー担持体の組合せの構造も提案されている。

特開２００３−１００５７５ 特開２００３−１１３４７４ 特開２００３−２１９６７ 特開２００２−３４１６５６ 特開２００４−２８６８３７

２成分現像方式では、高画質を狙うためには、潜像担持体上の静電潜像との接触部における現像剤の状態を非常に緻密にする必要がある。そのために、現在はキャリア粒子の小径化が進んでおり、商用レベルでは３０μｍ程度のキャリアも使われ始めている。

しかし、２成分現像方式では、高画質化に対する要求が益々高まっており、必要とされる画素のドットサイズ自身が現状のキャリア粒子径と同等もしくはそれよりも小さい必要があるために、孤立ドットの再現性という意味では更にキャリア粒子を小さくする必要がある。ところが、キャリア粒子径を小さくしていくと、キャリア粒子の透磁率が低下するために、現像ローラからのキャリア離脱が生じやすくなり、離脱したキャリア粒子が潜像担持体に付着した場合には、キャリア付着そのものによる画像欠陥が生じるだけでなく、それを起点として潜像担持体に傷をつけてしまうなどいろいろな副作用が生じる。

このキャリア離脱を防止するために、材料面からキャリア粒子の透磁率を上げる試みや、現像ローラに内包されるマグネットの磁力を強くする試みが進められているが、低コスト化及び高画質化との兼ね合いの中で開発は困難を極めている。また、小型化の煽りを受けて、現像ローラは益々小径化の一途をたどっていることからも、キャリア離脱を完全に抑止できるような強力な磁場構成を有した現像ローラ設計が困難となっている。

そもそも２成分現像方式は、磁気ブラシと呼ばれる２成分現像剤の穂を静電潜像に対して擦り付けるようにしてトナー像を形成する方式であるために、どうしても現像剤の穂の不均一性によって、孤立ドットの現像性にムラが生じやすい。現像ローラと潜像担持体との間に交番電界を形成することで画質の向上は可能であるが、現像剤の穂のムラといった根本的な画像ムラを完全に消滅させることは困難である。

また、潜像担持体上の現像されたトナー像を転写する工程や、転写後に潜像担持体上に残存するトナーをクリーニングする工程において、転写効率やクリーニング効率を向上させるためには、潜像担持体とトナーとの非静電的付着力を極力下げる必要がある。潜像担持体とトナーとの非静電的付着力を下げる方法としては、潜像担持体表面の摩擦係数を下げることが効果的であることが知られているが、この場合、２成分現像剤の穂が滑らかに現像部をすり抜けてしまうために現像効率やドット再現性が非常に悪くなってしまう。

１成分現像方式は、現像ローラ上にトナー薄層を形成するために、ブレードやローラなどのトナー規制部材を当接させ、そのときにトナーは現像ローラやトナー規制部材との摩擦によって帯電される。現像ローラ上に薄層に形成された帯電トナー層は、現像部に運ばれて潜像担持体上の静電潜像を現像する。ここで、潜像担持体上の静電潜像を現像する現像方式には大きく分けて接触型と非接触型があり、前者は現像ローラと潜像担持体とが非接触であり、後者は現像ローラと潜像担持体とが接触しているものである。いずれの現像方式にしても、現像ローラ上に薄層化されているトナー層は、十分に現像ローラに圧接されてしまっているために、現像部での電場に対するトナー応答性が非常に悪い。よって、通常は高画質を得るために、現像ローラと潜像担持体との間に強力な交番電場を形成するのが主流であるが、この交番電場の形成をもってしても静電潜像に対して一定量のトナーを安定して現像することは困難であり、高解像度の微小ドットを均一に現像することは難しい。

また、１成分現像方式は、現像ローラへのトナー薄層形成時にトナーに対して非常に大きなストレスをかけてしまうため、現像装置内を循環するトナーの劣化が非常に早い。トナーの劣化に連れて、現像ローラへのトナー薄層形成の工程でもムラなどが生じやすくなり、一般には高速や高耐久の画像形成装置としては向かない。
また、ハイブリッド化方式では、現像装置そのものの大きさや部品点数は増えてしまうものの、幾つかの課題は克服される。しかし、現像部においては、やはり１成分現像方式と同様の問題があり、つまり、高解像度の微小均一ドットを現像することには難が残る。 特許文献２記載の従来技術４は、高安定且つ高画質な現像が実現できるものと考えられるが、現像装置の構成が複雑になる。

特許文献３記載の従来技術５は、小型且つ高画質の現像を得るには非常に優れたものと解釈できるが、本発明者らが鋭意研究した結果、理想的な高画質を得るためには、形成する電界カーテンや現像などの条件を限定しなくてはならないことが発見された。すなわち、適正な条件から外れた条件で作像を行ってしまうと、全く効果が得られないばかりか、返って粗悪な画質を提供してしまうことになる。

また、現像装置では、潜像担持体に第一のトナー像を形成し、その上に順次に第二のトナー像、第三のトナー像を形成していくような作像プロセスにおいては、先に潜像担持体上に形成されているトナー像を次のトナー像形成で乱さないように現像を行う現像方式でなくてはいけない。上記の非接触型一成分現像方式や、特許文献２記載のようなトナークラウド現像方式を用いることで、潜像担持体上に順次に各色トナーを現像していくことは可能であるが（例えば、ゼロックス社はｉＧｅｎ３（商品名）という機種を近年市販した）、いずれの方式も、潜像担持体と現像ローラとの間には交番電界が形成されてしまうために、潜像担持体上に先に形成されたトナー像からトナーの一部が次のトナー像形成で引き剥がされて現像装置に入り込んでしまう。これによって、潜像担持体上の画像が乱されてしまうばかりでなく、現像装置内のトナー混色の問題も生じてしまう。これらは高画質画像を得るには致命的であり、この問題を解決する方式としては潜像担持体と現像ローラとの間には交番電場を形成しない方式で、クラウド現像を実現する必要がある。

このようなクラウド現像を実現できる方式としては、先に挙げた特許文献３記載の従来技術５などが有効と考えられるが、これに関しては先にも述べた通り、適当な条件の元で利用しないと全く効果が無い。
また、特許文献４記載の従来技術６によれば、何かのきっかけで静電搬送できなくなったトナーを起点として、搬送基板上にトナーが堆積してしまい、結果として機能しなくなる問題を抱えてしまう。このような問題を解決すべく、例えば特許文献５には、従来技術７として、固定搬送基板とその表面を移動するトナー担持体の組合せの構造も提案されているが、これは機構が非常に複雑になってしまう。

本発明の目的は、高画質（地肌汚れの少ない高解像度のドット再現性）を実現できる現像装置、画像形成装置及び現像方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、位置ズレのない高画質のフルカラー画像を得るために、潜像担持体上で色重ねができる現像装置及び画像形成装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、潜像担持体上での各色トナー像重ねを、混色が無く且つ非常にドット再現性が高い状態に実現できる現像装置及び画像形成装置を提案することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、潜像担持体上に形成された静電潜像を、表面が回転移動するトナー担持体の担持するトナーで現像してトナー像を形成する現像装置において、前記トナー担持体は空間周期的な凹凸が表面に形成されており、前記トナー担持体の表面における凹部の内部に時間周期的に変化する電場を形成し、前記凹部の内壁に電位分布を発生させて該電位分布により前記電場を形成させ、前記電位分布は時間周期的に変化し、前記電位分布を発生させるために、前記トナー担持体の表層もしくは内部の前記凹部近傍には、複数の電極が配置されており、前記複数の電極が、２つの電極群に分かれており、その一方の電極群とそれ以外の他方の電極群との間には時間周期的な電位差を与え、前記時間周期的な電位差は前記凹部の内部でトナーが往復運動をする時間周期的な電位差であるものである。
請求項２に係る発明は、潜像担持体上に形成された静電潜像を、表面が回転移動するトナー担持体の担持するトナーで現像してトナー像を形成する現像装置において、前記トナー担持体は空間周期的な凹凸が形成された表層を有し、前記表層における前記凹部の内部に時間周期的に変化する電場を形成し、前記凹部の内壁に電位分布を発生させて該電位分布により前記電場を形成させ、前記電位分布は時間周期的に変化し、前記電位分布を発生させるために、前記トナー担持体の表層もしくは内部の前記凹部近傍には、複数の電極が配置されており、前記複数の電極が、２つの電極群に分かれており、その一方の電極群とそれ以外の他方の電極群との間には時間周期的な電位差を与え、前記時間周期的な電位差は前記凹部の内部でトナーが往復運動をする時間周期的な電位差であるものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の現像装置において、前記凹部の深さの最大値が、使用するトナーの平均粒径より大きいものである。
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の現像装置において、前記凹部の幅の最大値が、使用するトナーの平均粒径より大きいものである。
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の現像装置において、前記凹部の内部に形成される電場の最大値が１０ ⁵ ［Ｖ／ｍ］以上であるものである。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれか１つに記載の現像装置において、瞬間における前記トナー担持体表面の空間的平均電位が、前記潜像担持体に形成された静電潜像電位の最大値と最小値の間にあるものである。
請求項７に係る発明は、請求項６記載の現像装置において、前記トナー担持体表面の時間的平均電位が、前記潜像担持体に形成された静電潜像電位の最大値と最小値の間にあるものである。
請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１つに記載の現像装置を利用して、１つの潜像担持体上に２種類以上のトナー画像を重ね合わせるものである。

請求項９に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１つに記載の現像装置を利用して、１つの潜像担持体上に複数色のトナー画像を重ね合わせてカラー画像を形成するものである。
請求項１０に係る発明は、潜像担持体上に形成された静電潜像を、表面が回転移動するトナー担持体の担持するトナーで現像してトナー像を形成する現像方法において、前記トナー担持体は空間周期的な凹凸が表面に形成されており、前記トナー担持体の表面における前記凹部の内部に時間周期的に変化する電場を形成して前記凹部の内部でトナーに往復運動をさせ、前記凹部の内壁に電位分布を発生させて該電位分布により前記電場を形成させ、前記電位分布は時間周期的に変化し、前記電位分布を発生させるために、前記トナー担持体の表層もしくは内部の前記凹部近傍には、複数の電極を配置しておき、前記複数の電極が、２つの電極群に分かれており、その一方の電極群とそれ以外の他方の電極群との間には時間周期的な電位差を与え、前記時間周期的な電位差は前記凹部の内部でトナーが往復運動をする時間周期的な電位差であることを特徴とする。

本発明によれば、トナー担持体上の凹部の内部でトナーのクラウド状態を形成させることが可能となり、トナー担持体から潜像担持体にダイレクトに向かう運動量を持つトナーの量を減少させることができ、且つ、活性なトナークラウドを形成することができるため、高画質（地肌汚れの少ない高解像度のドット再現性）の現像を実現できる。
本発明によれば、トナー担持体上の凹部の内部で閉じた電気力線を形成でき、トナー担持体上の凹部の外部に漏れる交番電場を非常に少なくすることができ、活性なトナークラウドを凹部に集中した形で形成することができる。

本発明によれば、複数の電極によって、トナー担持体上の凹部の内部に積極的に、トナークラウド形成のための交番電場を形成することができる。
本発明によれば、非常に多数の電極を２つの群にまとめることにより、最もシンプルなバイアス印加の構成を採用することができる。
本発明によれば、トナー担持体上の凹部に対して大きな確率でクラウド状態のトナーを封じ込めることができる。
本発明によれば、活性なトナークラウドを生成させることができる。
本発明によれば、地肌汚れが非常に少なく、且つ高精細な現像を実現することができる。
本発明によれば、混色が無く、地肌汚れのない、高精細で位置ズレのほとんど無いフルカラー画像を形成することができる。
本発明によれば、潜像担持体上での各色トナー像重ねを、混色が無く且つ非常にドット再現性が高い状態に実現できる。

まず、本発明の実施形態の説明に先立って、本発明に関連した現像装置の実施形態について説明する。この現像装置（以下先行現像装置という）は、上記従来技術１〜５の現像方式と比較して、ドット再現性の圧倒的に優れた高画質画像を得ることのできる現像装置として本発明者等が提案したものであり、また、位置ズレの無いフルカラー画像を得るための一つの手段として考えられる潜像担持体上での各色トナー像重ね（すなわち重ね現像）プロセスを、混色が無く且つ非常にドット再現性が高い状態に実現できる現像装置として提案したものである。
ところが、この先行現像装置によると、非常にシンプルな構造で実現できるメリットがあるが、使用されるトナーの種類如何によっては、高画質（高解像度のドット再現性と地肌汚れ防止の両立）を達成させるための現像条件（各電極群へ印加されるバイアスの条件など）の幅が狭くなってしまうことがある。

以下、先行現像装置の実施形態をより具体的に説明する。
図１は上記先行現像装置におけるトナー担持体の試作した代表例３１を示す。このトナー担持体３１は、回転ローラ形状に形成したもので、移動方向に一定のピッチで配列されて空間周期的に配置された複数の電極４１、４２、４３・・・からなる電極バターンにおける奇数番目の電極の集合体である奇数番目電極群を束ねた電極軸４０Ａと、偶数番目の電極の集合体である偶数番目電極群を束ねた電極軸４０Ｂを回転軸として回転することができる。それぞれの電極軸４０A、４０Bには、図示しない電極ブラシ等によって交流電源からバイアス電位として交流電圧が印加される。

このトナー担持体３１は、図２（ａ）に示すように、絶縁体であるアクリル樹脂のローラ（円筒）５１に軸穴５２を設け、図２（ｂ）（ｃ）に示すように導電性を有するステンレス製の電極軸４０Ａ、４０Bを円筒５１の軸穴５２に圧入して電極軸４０Ａ、４０Bを奇数番目電極群４１、４３・・・、偶数番目電極群４２・・・にそれぞれ接続する。次に、図３（ａ）〜（ｅ）に示す各工程でパターン電極を形成する。図３はトナー担持ローラ３１の表面を回転軸に沿った方向に見た図である。図３（ａ）に示す工程では、図２に示す工程よって得られたローラ５１の表面を外周旋削によって平滑に仕上げる。図３（ｂ）に示す工程では、溝のピッチが１００[μｍ]、溝幅が５０[μｍ]となるように溝５３の切削を行う。図３（ｃ）に示す工程では、溝切削を行ったローラ５１に無電解ニッケル５４のメッキを施し、図３（ｄ）に示す工程では、無電解ニッケル５４のメッキを施したローラ５１の外周を旋削して不要な導体膜を取り除く。この時点で電極４１、４２、４３・・・が溝５３の部分に互いに絶縁して形成される。その後、ローラ５１にシリコーン系樹脂をコーティングすることでローラ５１の表面を平滑にし、同時に表面保護層（厚み約５[μｍ]、体積抵抗率約１０＾１０（１０^１０）[Ω・ｃｍ]）５５を形成してトナー担持ローラ３１を製作した。図４は、トナー担持ローラ３１を平面状に展開した状態を示す。尚、電極パターンの作成には、銀などの導電性微粒子を含んだペースト等を、インクジェット法によって形成しても良い。

このトナー担持ローラ３１は、図６に示すように、保護層５５上に薄いトナー層６１が形成され、電極軸４０A、４０Bに交流電源６３から電極ブラシ等によってバイアス電位として交流電圧が印加されることにより、保護層５５上のトナーが奇数番目電極群４１、４３・・・と偶数番目電極群４２・・・との間を往復するような運動（フレア状態）をする。

図５は上記先行現像装置の実施形態を有する画像形成装置の一部示す。この先行現像装置は前述した従来の１成分現像方式の代表的な現像装置に上記トナー担持ローラ３１を利用したもの６４である。この先行現像装置６４は、容器６０内の１成分現像剤としてのトナー６１を供給部材としての供給ローラ６２によりトナー担持ローラ３１に供給して担持させ、トナー担持ローラ３１上のトナーは、トナー担持体３１が図示しない駆動部により回転駆動されることで、トナー担持ローラ３１と潜像担持体５８とが対向する現像ギャップ部に搬送され、その途中でトナー規制部材としてのメータリングブレード６８により一定厚に規制されて薄いトナー層となる。

トナー担持ローラ３１上のトナーは、現像ギャップ部にて、トナー担持ローラ３１と潜像担持体５８との間に現像バイアス電源６５（図６参照）から印加される現像バイアス電圧（直流電圧）によって潜像担持体５８上の静電潜像に付着することで該静電潜像を現像してトナー像を形成する。なお、電極軸４０A、４０B間には交流電源５９から電極ブラシ等によってバイアス電位として交流電圧が印加され、奇数番目電極群４１、４３・・・と偶数番目電極群４２・・・との間に時間周期的な電位差が形成され、この時間周期的な電位差はトナー担持ローラ３１の凹部の内部でトナーが往復運動をする時間周期的な電位差である。

潜像担持体としての感光体５８は、図示しない駆動部により回転駆動されて図示しない帯電装置により一様に帯電され、図示しない露光手段としてのレーザ書き込み系により露光されて静電潜像が形成される。この感光体５８上の静電潜像は、現像装置６４におけるトナー担持体３１上のトナーにより現像されてトナー像となる。感光体５８上のトナー像は図示しない給紙装置から給送されてきた記録紙等の記録媒体へ図示しない転写手段により転写され、その記録媒体は図示しない定着装置によりトナー像が定着されて外部へ排出される。

図６は上記先行現像装置の現像ギャップ部を拡大したものの模式図を示す。トナー担持体３１の表層５６は、電極軸４０A、４０Bに交流電源６３から電極ブラシ等によってバイアス電位として交流電圧が印加されて奇数番目電極群４１、４３・・・と偶数番目電極群４２・・・との間に交流電圧が印加されることにより、図示矢印のような軌跡を辿ってトナーが往復運動（フレア状態）をする。潜像担持体５８は導電体６６上に絶縁層（感光体層）６７が形成され、潜像担持体５８の導電体６６とトナー担持体３１の電極４１、４２、４３・・・との間に現像バイアス電源６５から現像バイアス電圧として直流電圧が印加されて現像電場が形成される。トナー担持体３１の表面から大きく飛翔するトナーは、潜像担持体５８の表面にまで到達し、その一部は現像電場に誘導されてトナー像を形成する。

この際に、トナー担持体３１からの飛翔の運動エネルギーが非常に大きいトナーは、潜像担持体５８上の地肌部に対する地肌汚れ防止電場（現像電場）による力に打ち勝って、潜像担持体５８上の地肌部に到達してしまう場合がある。トナーは、潜像担持体５８上の地肌部に一旦到達してしまうと、トナー自身が有する電荷によって潜像担持体５８の地肌部に鏡像電場が形成されることで付着力が生じ、さらに潜像担持体５８の地肌部に付着したことによって非静電的な付着力も生じる。そのために、地肌汚れが生じる結果となる。このような地肌汚れを防止するためには、トナー担持体３１の奇数番目電極群４１、４３・・・と偶数番目電極群４２・・・との間に交流電源６３から印加する交番電位の電位差（いわゆる、ピーク・トゥ・ピーク電位）を小さくしたりすることにより、トナーの運動エネルギーを低下させることで対応することが可能である。しかし、あまりに上記交番電位の電位差を小さくしてしまうと、トナーのフレア状態を安定に形成することが難しくなってしまう。そのために、上記交番電位の電位差は、トナーのフレアが安定に生成し、且つ、地肌汚れが少ないような適当な条件に設定する必要がある。この適当な条件は、トナーの種類によって大きく変わる。つまり、この適当な条件は、保持する電荷量の違うトナーや非静電的付着力の違うトナー（例えば、トナー外添状態の違うトナー）で大きく異なってくる。

よって、ここでは、高画質を達成させるための現像条件に大きな余裕度を与えることができる新しい現像装置の提案を行う。より具体的には、図７に示すようなトナー担持体３１上でのトナークラウド（フレア状態）においては上空部の電場が弱い領域７９においてはトナー６１の運動を制御し難いために上記課題が生じやすいのに対して、例えば本発明の実施形態によれば、トナー担持体として図８に示すような凹凸構造の電極４１、４２、４３・・・を構成したトナー担持体３２を用いることによって運動が制御し難い領域７９のトナー６１を大幅に減少させることができるために、上記課題を克服することができる。

以下、本発明の第１の実施形態について説明する。この第１の実施形態では、上記図５に示すような現像装置において、図８に示すような凹凸構造の電極４１、４２、４３・・・を構成したトナー担持体３２、例えば図９に示すような現像ローラ３２が用いられ、この現像ローラ３２の表層５６は平坦な表面（外周面）に断面が縦３０μｍ、横３０μｍの矩形状（または方形状）である電極４１、４２、４３・・・を移動方向に一定のピッチで（６０μｍの間隔をおいて）配列して空間周期的に配置することで、空間周期的な凹凸を表面に形成した表面構造を有する現像ローラとする。この現像ローラ３２のベースの絶縁材料としては、上記先行現像装置のように樹脂を用いても良いし、無機系の材料を用いても良い。電極４１、４２、４３・・・を構成する導電材料としては、金属を用いても良いし、導電性の有機材料を用いても良い。現像ローラ３２は、図示していないが、凹凸構造の表層５６上に、サブミクロンから数ミクロンの厚みを有する保護層、例えばシリカやチタン酸バリウムなどの無機保護層、または、シリコーン系樹脂やアクリル系樹脂などの有機保護層を設けても良い。

本実施形態では、現像ローラ３２としては、例えば、アルミニウムからなるローラに陽極酸化によって絶縁層５６を形成し（または１０^１２［Ωｃｍ］以上の高抵抗の層を形成し）、この層５６の上に、クロムを３０μｍ程度の厚みにメッキし、このクロムの層をレーザ加工（レーザ・アブレーション）もしくはフォトリソの工程を利用して電極４１、４２、４３・・・を形成する。奇数番目の電極群４１、４３・・・には交流電源６３から例えばＡ相の矩形波を印加し、偶数番目の電極群４２、４４・・・にはＡ相の矩形波とは位相がπずれたＢ相の矩形波を交流電源６３から印加することで、図８に示すように主として現像ローラ３２の表層５６と電極４１、４２、４３・・・とで形成される凹部の内壁には電位分布を発生させて該電位分布により時間周期的に変化する電場を形成させ、凹部の内部に安定したトナークラウドを形成することができる。現像ローラ３２上の凹部の内部に形成される電場の最大値は１０⁵［Ｖ／ｍ］以上である。

現像ローラ３２上の凹部の深さの最大値は、図８に示すように、使用するトナー６１の平均粒径より大きい。現像ローラ３２上の凹部の幅の最大値は、図８に示すように、使用するトナー６１の平均粒径より大きい。トナー担持体３２上の凹部に対して大きな確率でクラウド状態のトナーを封じ込めるために、ある瞬間におけるトナー担持体３２の表面の空間的平均電位は潜像担持体５８に形成された静電潜像電位の最大値と最小値の間にあり、トナー担持体３２の表面の時間的平均電位は潜像担持体５８に形成された潜像電位の最大値と最小値の間にある。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。この第２の実施形態では、上記第１の実施形態の現像装置において、図１０に示すように、トナー担持体としての現像ローラ３２は、空間周期的な凹凸を表面に形成した表面構造を有する現像ローラとする。この現像ローラ３２の製作では、現像ローラ３２の表層５６上に断面が方形である凸部８１、８２、８３・・・を移動方向に一定の間隔をおいて形成し、この凸部８１、８２、８３・・・は厚さ１μｍの絶縁層または１０^１２［Ωｃｍ］以上の高抵抗の層で構成する。

この現像ローラ３２は、例えば絶縁材料である樹脂やセラミックからなるローラの表面を上述のような凸部８１、８２、８３・・・を有する凹凸構造に成形する。その成形の方法としては、型を利用する方法や、レーザ加工（レーザ・アブレーション）などが使える。現像ローラ３２は、上述のような凸部８１、８２、８３・・・を有する凹凸構造に成形した後、凸部８１、８２、８３・・・に対して、例えばナノ・サイズの銀粒子を液中に分散した導電ペーストをインクジェット方式のヘッドを使って吐出することによって、断面が縦３０μｍ、横３０μｍの矩形状である電極４１、４２、４３・・・を移動方向に一定のピッチで（６０μｍの間隔をおいて）配列して空間周期的に配置することで、電極４１、４２、４３・・・からなる電極パターンの層を形成する。この電極パターン層の厚みとしては、サブミクロンから1ミクロン程度の厚みが良い。この際に、導電ペーストが滲んだりせずに、きっちりと導電パターンが形成できるように、凸部８１、８２、８３・・・を有する凹凸構造の絶縁層表面に特殊な処理、例えば表面改質などを施すと良い。
図１１は上記第２の実施形態を変形した変形例の現像ローラ３２の一部を示す。この変形例では、現像ローラ３２における凸部８１、８２、８３・・・の側面を上端が２０μｍで下端が４０μｍとなるようにやや傾斜した構造とする。この変形例では、現像ローラ３２における凹部の側面がやや傾斜した構造であるため、インクジェットヘッドによって吐出された導電ペーストの着弾性が高まり、滲み等が少なくきれいな導電膜（電極４１、４２、４３・・・）を形成できる。

図１２は、上記変形例において、奇数番目の電極群４１、４３・・・に交流電源６３からＡ相の矩形波を印加し、偶数番目の電極群４２、４４・・・にＡ相の矩形波とは位相がπずれたＢ相の矩形波を交流電源６３から印加したときに形成される電場の様子を、ある時間におけるスナップショットとして表現した模式図である。現像ローラ３２の凹部内において図１２中で左右に往復する交互の電場、つまり、時間周期的に変化する電場が形成されることでトナー担持ローラ３１上の凹部の内部で閉じた電気力線１１が形成され、５μｍ程度の粒径と２０[μＣ／ｇ]程度の電荷量をもったトナー６１が、現像ローラ３２の凹部内で往復運動をする。奇数番目の電極群４１、４３・・・と偶数番目の電極群４２、４４・・・に印加されるそれぞれの矩形波のピーク・ツゥ・ピーク電圧は例えば２００Ｖ程度（電場の最大値は約１０＾７[Ｖ／ｍ]、平均的には約６×１０＾６[Ｖ／ｍ]程度）、周波数を１[ｋＨｚ]程度とすることにより、現像ローラ３２の凹部に活性なトナークラウドを形成することができる。上記矩形波のピーク・ツゥ・ピーク電圧は必要となる最小のピーク・ツゥ・ピーク電圧がトナーの種類（電荷量、非静電的付着力など）によって大きく変わるので、トナーの種類に応じて決定すれば良い。上記矩形波の最適周波数に関しても、トナーの種類（電荷量や、粒径など）によって変わるので、トナーの種類に応じて適宜決めてやればよい。

次に、本発明の第３の実施形態及び第４の実施形態について説明する。この第３の実施形態及び第４の実施形態では、上記第２の実施形態及び上記変形例において、図１３、図１４に示すように、トナー担持体としての現像ローラ３２は、それぞれ電極４１、４２、４３・・・の一部、すなわち上部を無くしたものである。図１５は図１４に示す第４の実施形態における現像ローラ３２の凹部で形成される電場のスナップショットを示すが、これは図１２に示す上記変形例の現像ローラ３２の凹部で形成される電場と比較して、現像ローラ３２の凹部外に漏れる電場が少ないため、上記変形例の場合よりも、現像ローラ３２の凹部へのトナークラウドの閉じ込め効果が大きい。図１２のような上記変形例の構成が良いか、図１５のような第４の実施形態の構成が良いかは、トナーの種類や現像に求める条件によって変わってくる。上記変形例も第４の実施形態もあくまでも本発明のバリエーションの一例である。

次に、本発明の第５の実施形態及び第６の実施形態について説明する。この第５の実施形態及び第６の実施形態では、上記第２の実施形態及び上記変形例において、図１６、図１７に示すように、トナー担持体としての現像ローラ３２は、凹部に奇数番目の電極群４１、４３・・・を設け、凸部８１、８２、８３・・・の上部に偶数番目の電極群４２、４４・・・を設けたものである。この第５の実施形態及び第６の実施形態は、いずれも、上記第２の実施形態及び上記変形例、もしくは上記第３の実施形態及び上記第４の実施形態に比べて、電極パターンの形成が簡易となる場合がある。例えば、インクジェット方式による電極形成の際には、上記第２の実施形態及び上記変形例、もしくは上記第３の実施形態及び上記第４の実施形態に比べて、図１０、図１１、図１３、図１４に示すように２方向以上からのインクジェットヘッドによる導電ペーストの吐出が不要であり、１方向からのインクジェットヘッドによる導電ペーストの吐出が可能である。
図１８は図１７に示す第６の実施形態の現像ローラ３２で形成される電場のスナップショットである。

図７に示すような表面構造を有する現像ローラ３１を備えた上記先行現像装置と図９に示すような表面構造を有する現像ローラ３２を備えた上記第１の実施形態について、現像性の評価を実施した。上記先行現像装置では、電極間ピッチ（隣り合う２つの電極の距離は６０[μｍ]）は第１の実施形態のそれと同じとした。上記先行現像装置の現像ローラ３１と上記第１の実施形態の現像ローラ３２の両者とも、最表層には同一の薄膜保護層が施されており、トナー粒子とローラ表面との電荷の授受に関しては同等とした。

いずれの現像ローラ３１、３２にも、単位表面積当りのトナー付着量が同じとなるように、メータリングブレード６８のトナー規制条件を調節し、また、クラウドが形成されている状態でのトナー６１の電荷量に関しても、ほぼ同じ（約２０[μＣ／ｇ]）となるようなトナーを選んだ。トナー６１の粒径は平均粒径が約５[μｍ]である。また、いずれの現像ローラ３１、３２に関しても、奇数番目の電極群４１、４３・・・と偶数番目の電極群４２、４４・・・にはＡ相とＢ相とには矩形波を印加し、それらの位相は互いにπずらしたものとし、それらの矩形波の周波数は３[ｋＨｚ]とした。
いずれの現像ローラ３１、３２に関しても、その最表面と感光体５８との距離、すなわち現像ギャップは、約１５０[μｍ]とし、感光体５８表面の移動速度と現像ローラ表層の移動速度はほぼ等速（１００[ｍｍ／ｓ]）とした。

上記先行現像装置の現像ローラ３１に関しては、交流電源６３から奇数番目の電極群４１、４３・・・と偶数番目の電極群４２、４４・・・に加えるＡ相及びＢ相のバイアスのピーク・ツゥ・ピーク電圧が２２０[Ｖ]以上でフレアが安定活性となったため、Ａ相及びＢ相のピーク・ツゥ・ピーク電圧を２２０[Ｖ]とした。上記第１の実施形態の現像ローラ３２に関しては、Ａ相及びＢ相に加えるバイアスのピーク・ツゥ・ピーク電圧が１５０[Ｖ]以上でフレアが安定活性となったため、ピーク・ツゥ・ピーク電圧を１５０[Ｖ]とした。

感光体５８側の潜像条件としては、１３[μｍ]の有機感光層６７に対して−４００[Ｖ]の地肌電位を与え、そこにレーザ書き込み系により１２００ｄｐｉの１ドットを形成した（１ドット部の中心の推定電位は約−１５０[Ｖ]である）。それぞれの現像ローラ３１、３２に対して、交流電源６３から奇数番目の電極群４１、４３・・・と偶数番目の電極群４２、４４・・・にそれぞれ加えるＡ相及びＢ相の矩形波のピーク・ツゥ・ピーク電圧の平均値（Ａ相とＢ相の時間的空間的平均電位）を−１５０[Ｖ]から−４５０[Ｖ]まで変化させた時の、１ドット再現性と地肌汚れ良好性を調べた結果が、図１９及び図２０である。図１９は上記先行現像装置の現像ローラ３１を上記条件で使用した場合の結果、図２０は第１の実施形態の現像ローラ３２を上記条件で使用した場合の結果である。図１９及び図２０において、斜線部分は、１ドット再現性と地肌汚れ良好性が良好な領域である。

この結果から、第１の実施形態の現像ローラ３２、すなわち凹凸形状を有する現像ローラ３２の方が、１ドット再現性と地肌汚れの両立を可能とする現像バイアス条件の幅、すなわち余裕度が高く、ロバスト性の高い現像装置を提供できることが分かる。これは、現像ローラ３２の表面に形成される微細且つ周期的な電場変動が現像ローラ３２の凹部内部に集中することにより、トナークラウドを現像ローラ３２の凹部内部に保持できていることに他ならない。その結果、感光体５８に向かって不本意に打ち上げられてしまい、地肌防止の電場に打ち勝ってしまう高運動エネルギーのトナーが感光体５８の地肌部に到達してしまう不本意な現象を抑止できる。

なお、上記第１の実施形態を有する画像形成装置において、上記第１の実施形態の代りに上記第２の実施形態乃至上記第６の実施形態及び上記変形例のいずれか１つを用いて同様な効果を得ることもできる。また、上記実施形態及び上記変形例では、電極４１、４２、４３・・・は、移動方向と直交する方向に配列したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、トナー担持体３２上の凹凸は、任意の形状に形成することが可能である。

上記実施形態及び変形例によれば、トナー担持体３２は空間周期的な凹凸が表面に形成されており、トナー担持体３２の表面における凹部の内部に時間周期的に変化する電場を形成するので、トナー担持体上の凹部の内部でトナーのクラウド状態を形成させることが可能となり、トナー担持体から潜像担持体にダイレクトに向かう運動量を持つトナーの量を減少させることができ、且つ、活性なトナークラウドを形成することができるため、高画質（地肌汚れの少ない高解像度のドット再現性）の現像を実現できる。

上記実施形態及び変形例によれば、トナー担持体３２は空間周期的な凹凸が形成された表層５６を有し、表層５６における凹部の内部に時間周期的に変化する電場を形成するので、トナー担持体上の凹部の内部でトナーのクラウド状態を形成させることが可能となり、トナー担持体から潜像担持体にダイレクトに向かう運動量を持つトナーの量を減少させることができ、且つ、活性なトナークラウドを形成することができるため、高画質（地肌汚れの少ない高解像度のドット再現性）な現像を実現できる。

上記実施形態及び変形例によれば、トナー担持体上の凹部の内壁には電極４１、４２、４３・・・により電位分布を発生させて該電位分布により前記電場を形成させ、前記電位分布は時間周期的に変化するので、トナー担持体上の凹部の内部で閉じた電気力線を形成でき、トナー担持体上の凹部の外部に漏れる交番電場を非常に少なくすることができ、活性なトナークラウドを凹部に集中した形で形成することができる。

上記実施形態及び変形例によれば、前記電位分布を発生させるために、トナー担持体３２の表層５６には複数の電極４１、４２、４３・・・が配置されているので、複数の電極によって、トナー担持体上の凹部の内部に積極的に、トナークラウド形成のための交番電場を形成することができる。なお、トナー担持体３２の内部の凹部近傍に複数の電極を配置して同様の効果を得るようにしてもよい。

上記実施形態及び変形例によれば、複数の電極４１、４２、４３・・・が、２つの電極群に分かれており、その一方の電極群とそれ以外の他方の電極群との間には時間周期的な電位差を与えるので、非常に多数の電極を２つの群にまとめることにより、最もシンプルなバイアス印加の構成を採用することができる。

上記実施形態及び変形例によれば、前記時間周期的な電位差はトナー担持体上の凹部の内部でトナーが往復運動をする時間周期的な電位差であるので、トナー担持体上の凹部の内部で閉じた電気力線を形成でき、トナー担持体上の凹部の外部に漏れる交番電場を非常に少なくすることができ、活性なトナークラウドを凹部に集中した形で形成することができる。

上記実施形態及び変形例によれば、トナー担持体上の凹部の深さの最大値が、使用するトナーの平均粒径より大きいので、トナー担持体上の凹部に対して大きな確率でクラウド状態のトナーを封じ込めることができる。

上記実施形態及び変形例によれば、トナー担持体上の凹部の幅の最大値が、使用するトナーの平均粒径より大きいので、トナー担持体上の凹部に対して大きな確率でクラウド状態のトナーを封じ込めることができる。

上記実施形態及び変形例によれば、トナー担持体上の凹部の内部に形成される電場の最大値が１０⁵［Ｖ／ｍ］以上であるので、活性なトナークラウドを生成させることができる。

上記実施形態及び変形例によれば、ある瞬間におけるトナー担持体３２の表面の空間的平均電位が、潜像担持体５８に形成された静電潜像電位の最大値と最小値の間にあるので、地肌汚れが非常に少なく、且つ高精細な現像を実現することができる。

上記実施形態及び変形例によれば、トナー担持体３２の表面の時間的平均電位が、潜像担持体５８に形成された潜像電位の最大値と最小値の間にあるので、地肌汚れが非常に少なく、且つ高精細な現像を実現することができる。

図２１は本発明の第７の実施形態であるカラー画像形成装置を示す。このカラー画像形成装置は、例えば図８に示すような表面構造を有する現像ローラ３２を用いた上記第１の実施形態の現像装置６４を備えた潜像担持体上色重ねシステムの例であり、このようなシステムにより同一の潜像担持体上に４色分の書き込みを行うことにより、通常の４連タンデム方式のカラー画像形成装置と比較すると原理的に位置ズレがほとんど発生しない。また、上記第１の実施形態の現像装置６４を用いることにより、潜像担持体上に一度形成されたトナー像に対してはその後の現像で全く影響を与えることが無いので、スキャベンジや混色などの問題が一切無く、高画質な作像プロセスを長期的に渡り安定して行うことができる。潜像担持体は、ベルト形状ではなく、ドラム形状でも良い。また、現像装置６４は、上記第２の実施形態乃至上記第６の実施形態及び上記変形例のいずれか１つを用いてもよい。

この第７の実施形態では、潜像担持体としてのベルト状の有機感光体６９は、図示しない２つのローラに掛け渡され、図示しない駆動部により回転駆動される。感光体６９の左側には、複数色、例えばブラック、イエロー、シアン、マゼンタの画像をそれぞれ形成する複数の画像形成手段としての作像装置７０K、７０Y、７０C、７０Mが配列されている。感光体６９は、まず、作像装置７０Kにて帯電装置７１Kにより一様に帯電されて図示しない露光手段としての書込装置により、ブラックの画像データで変調された光ビーム７２Kによって露光されることで静電潜像が形成され、この静電潜像が上記第１の実施形態の現像装置と同じ構成の現像装置７３Kにより現像されてブラックのトナー像となる。その後、感光体６９は除電器７４Kにより除電されて次の画像形成に備える。

次いで、感光体６９は、作像装置７０Yにて帯電装置７１Yにより一様に帯電されて図示しない露光手段としての書込装置により、イエローの画像データで変調された光ビーム７２Yによって露光されることで静電潜像が形成され、この静電潜像が上記第１の実施形態の現像装置と同じ構成の現像装置７３Yにより現像されて上記ブラックのトナー像と重なるイエローのトナー像となる。その後、感光体６９は除電器７４Yにより除電されて次の画像形成に備える。

次に、感光体６９は、作像装置７０Cにて帯電装置７１Cにより一様に帯電されて図示しない露光手段としての書込装置により、シアンの画像データで変調された光ビーム７２Cによって露光されることで静電潜像が形成され、この静電潜像が上記第１の実施形態の現像装置と同じ構成の現像装置７３Cにより現像されて上記ブラックのトナー像及び上記イエローのトナー像と重なるシアンのトナー像となる。その後、感光体６９は除電器７４Cにより除電されて次の画像形成に備える。

次に、感光体６９は、作像装置７０Mにて帯電装置７１Mにより一様に帯電されて図示しない露光手段としての書込装置により、マゼンタの画像データで変調された光ビーム７２Mによって露光されることで静電潜像が形成され、この静電潜像が上記第１の実施形態の現像装置と同じ構成の現像装置７３Mにより現像されて上記ブラックのトナー像、上記イエローのトナー像及び上記シアンのトナー像と重なるマゼンタのトナー像となることでフルカラー画像が形成される。

一方、図示しない給紙装置から記録紙等の記録媒体が給送され、この記録媒体は電源から転写バイアスが印加される転写手段としての転写ローラ７５により感光体６９上のフルカラー画像が転写される。フルカラー画像が転写された記録媒体は、定着装置７６によりフルカラー画像が定着され、外部へ排出される。感光体６９は、フルカラー画像転写後にクリーニング手段としてのクリーナ７７により残留トナー等が除去される。
上記第７の実施形態によれば、上記第１の実施形態の現像装置を利用して、１つの潜像担持体６９上に２種類以上のトナー画像を重ね合わせるので、潜像担持体上での各色トナー像重ねを、混色が無く且つ非常にドット再現性が高い状態に実現できる。
上記第７の実施形態によれば、上記第１の実施形態の現像装置を利用して、１つの潜像担持体６９上に複数色のトナー画像を重ね合わせてカラー画像を形成するので、混色が無く、地肌汚れのない、高精細で位置ズレのほとんど無いフルカラー画像を形成することができる。
なお、上記第７の実施形態において、上記第１の実施形態の現像装置の代りに上記第２の実施形態乃至上記第６の実施形態及び上記変形例のいずれか１つを用いて同様な効果を得ることもできる。

先行現像装置におけるトナー担持体の試作した代表例を示す斜視図である。 同トナー担持体の各製造工程を示す断面図である。 同トナー担持体の各パターン電極形成工程を示す断面図である。 同トナー担持ローラを平面状に展開した状態を示す展開図である。 上記先行現像装置の実施形態を有する画像形成装置の一部を示す断面図である。 同画像形成装置の現像ギャップ部を拡大したものの模式図である。 上記先行現像装置の一部を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態の一部を示す概略図である。 同第１の実施形態における現像ローラの一部を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態における現像ローラの一部を示す断面図である。 本発明の変形例における現像ローラの一部を示す断面図である。 同変形例の現像ローラ上に形成される電場の様子を、ある時間におけるスナップショットとして示す模式図である。 本発明の第３の実施形態における現像ローラの一部を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態における現像ローラの一部を示す断面図である。 同第４の実施形態の現像ローラ上に形成される電場のスナップショットを示す模式図である。 本発明の第５の実施形態における現像ローラの一部を示す断面図である。 本発明の第６の実施形態における現像ローラの一部を示す断面図である。 同第６の実施形態の現像ローラ上に形成される電場のスナップショットを示す模式図である。 上記先行現像装置の１ドット再現性と地肌汚れ良好性の実験結果を示す図である。 上記第１の実施形態の１ドット再現性と地肌汚れ良好性の実験結果を示す図である。 本発明の第７の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

３１、３２ トナー担持体
４１、４２、４３ 電極
５８、６９ 潜像担持体
６１ トナー
６３ 交流電源
６５ 現像バイアス電源
７０K、７０Y、７０C、７０M 作像装置
７３K、７３Y、７３C、７３M 現像装置
８１、８２、８３ 凸部

Claims (10)

1. 潜像担持体上に形成された静電潜像を、表面が回転移動するトナー担持体の担持するトナーで現像してトナー像を形成する現像装置において、
   前記トナー担持体は空間周期的な凹凸が表面に形成されており、
   前記トナー担持体の表面における凹部の内部に時間周期的に変化する電場を形成し、
   前記凹部の内壁に電位分布を発生させて該電位分布により前記電場を形成させ、前記電位分布は時間周期的に変化し、
   前記電位分布を発生させるために、前記トナー担持体の表層もしくは内部の前記凹部近傍には、複数の電極が配置されており、
   前記複数の電極が、２つの電極群に分かれており、その一方の電極群とそれ以外の他方の電極群との間には時間周期的な電位差を与え、
   前記時間周期的な電位差は前記凹部の内部でトナーが往復運動をする時間周期的な電位差であることを特徴とする現像装置。
2. 潜像担持体上に形成された静電潜像を、表面が回転移動するトナー担持体の担持するトナーで現像してトナー像を形成する現像装置において、
   前記トナー担持体は空間周期的な凹凸が形成された表層を有し、
   前記表層における前記凹部の内部に時間周期的に変化する電場を形成し、
   前記凹部の内壁に電位分布を発生させて該電位分布により前記電場を形成させ、前記電位分布は時間周期的に変化し、
   前記電位分布を発生させるために、前記トナー担持体の表層もしくは内部の前記凹部近傍には、複数の電極が配置されており、
   前記複数の電極が、２つの電極群に分かれており、その一方の電極群とそれ以外の他方の電極群との間には時間周期的な電位差を与え、
   前記時間周期的な電位差は前記凹部の内部でトナーが往復運動をする時間周期的な電位差であることを特徴とする現像装置。
3. 請求項１または２に記載の現像装置において、前記凹部の深さの最大値が、使用するトナーの平均粒径より大きいことを特徴とする現像装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の現像装置において、前記凹部の幅の最大値が、使用するトナーの平均粒径より大きいことを特徴とする現像装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の現像装置において、前記凹部の内部に形成される電場の最大値が１０⁵［Ｖ／ｍ］以上であることを特徴とする現像装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の現像装置において、瞬間における前記トナー担持体表面の空間的平均電位が、前記潜像担持体に形成された静電潜像電位の最大値と最小値の間にあることを特徴とする現像装置。
7. 請求項６記載の現像装置において、前記トナー担持体表面の時間的平均電位が、前記潜像担持体に形成された静電潜像電位の最大値と最小値の間にあることを特徴とする現像装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の現像装置を利用して、１つの潜像担持体上に２種類以上のトナー画像を重ね合わせることを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の現像装置を利用して、１つの潜像担持体上に複数色のトナー画像を重ね合わせてカラー画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
10. 潜像担持体上に形成された静電潜像を、表面が回転移動するトナー担持体の担持するトナーで現像してトナー像を形成する現像方法において、
    前記トナー担持体は空間周期的な凹凸が表面に形成されており、
    前記トナー担持体の表面における前記凹部の内部に時間周期的に変化する電場を形成して前記凹部の内部でトナーに往復運動をさせ、
    前記凹部の内壁に電位分布を発生させて該電位分布により前記電場を形成させ、前記電位分布は時間周期的に変化し、
    前記電位分布を発生させるために、前記トナー担持体の表層もしくは内部の前記凹部近傍には、複数の電極を配置しておき、
    前記複数の電極が、２つの電極群に分かれており、その一方の電極群とそれ以外の他方の電極群との間には時間周期的な電位差を与え、
    前記時間周期的な電位差は前記凹部の内部でトナーが往復運動をする時間周期的な電位差であることを特徴とする現像方法。

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