JP4993453B2 - 現像装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンタなどの画像形成装置に使用される現像装置及び現像装置を有する画像形成装置に関するものである。

従来、現像方式としては、実用化されているものも含めて多数存在する。代表的な現像方式としては、２成分現像方式と１成分現像方式がある。
２成分現像方式は、高速現像に非常に適しており、現在の中速や高速出力機の主流方式である。高画質を狙うためには、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、高画質化に対する要求は益々高まっており、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ことが必要であるために、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。しかしキャリア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。
また、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プロセスであるために、どうしても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、潜像担持体に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の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、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。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、そのときに現像ローラやトナー規制部材との摩擦によってトナーは帯電される。現像ローラ上に薄層形成された帯電トナー層は、現像部に運ばれて現像される。ここでの現像方式には大きく、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、後者は接触しているものである。いずれの方式にしても、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、この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。

そこで、２成分方式と１成分方式の欠点を補い合うべく、特許文献１などのように、ハイブリッド化されたものも幾つか提案されている。こういったハイブリッド化によって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。しかしながら、現像部においてはやはり１成分と同様の問題、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。
そこで、高解像度の微小均一ドットを現像する方法として、例えば特許文献２の方法がある。これは上記ハイブリッド構成に対して、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。この方式により、現像装置の構成こそ複雑にはなったが、高安定かつ高画質な現像が実現できているものと考えられる。
また、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、特許文献３及びそこで引用されている公知例においては、回転ローラ上に電界カーテンを形成する方法が提案されている。この方法は、小型か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、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。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。
そこで、トナークラウドを形成する現像方式としては、特許文献４などのように、トナー担持体の機械的な駆動をなくし、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方法が開示されている。搬送基板へ供給するトナーの帯電量を一定にするために、特許文献５では、現像領域手前にトナーを貯める領域を設けてその領域で電圧を印加しトナーの帯電を行っている。
しかしながら、上記方法では、局所的にトナーの帯電を高めることはできても、トナーの帯電を均一にすることは非常に困難であり、高画質を得るためにより均一な帯電が望まれていた。

特開平３−１００５７５号公報 特開平３−１１３４７４号公報 特開平３−２１９６７号公報 特開２００２−３４１６５６号公報 特開２００４−２０５６４４号公報

そこで、本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、ドット再現性に優れたフレア現像方式において、供給トナーの帯電量分布を安定させ、高画質を維持できる現像装置及び画像形成装置を提供することである。

前記課題を解決する手段である本発明の特徴を以下に挙げる。
本発明の現像装置は、移動するトナー担持体表層に、絶縁部を介して、前記移動方向に対して交互に電極群を設け、前記交互の電極群の間に時間周期的な電位差が形成される現像装置において、前記トナー担持体が回転ローラ形状であり、回転軸の一方に、電極群が接続され、回転軸のもう一方に、電極群が接続され、複数の磁極を有する磁界発生手段を内蔵した現像剤担持体上に磁性粒子と非磁性トナーとを有する２成分現像剤を担持して、トナー担持体と対向した供給領域へ搬送し、前記供給領域で前記現像剤の磁気ブラシを形成し、前記現像剤担持体に直流電圧を印加してトナーを前記トナー担持体に供給することを特徴とする。ここで、電極群とは、両端から交互に設置されている電極の集合体である。
本発明の現像装置は、さらに、トナー担持体と現像剤担持体の距離をｄ（ｍｍ）、現像剤担持体に形成される単位面積あたりの磁気ブラシの重量をρ（ｍｇ／ｍｍ²）、トナー担持体と現像剤担持体の移動速度比（現像剤担持体速度／トナー担持体速度）をａとしたとき、
ρ・ａ／ｄ＞４
の関係が成立することを特徴とする。
本発明の現像装置は、さらに、トナー担持体の表面が、トナーとの摩擦においてトナーに対して正規の電荷を与えることができる材料によって被覆されていることを特徴とする。
本発明の現像装置は、さらに、トナー担持体の表面が、体積抵抗率にして１０⁹〜１０¹²（Ω・ｃｍ）の材料によって被覆されていることを特徴とする。
本発明の現像装置は、さらに、前記交互の電極群に印加される時間周期的電位の各瞬間における電位平均値が、静電潜像担持体に形成されている画像部電位と非画像部電位との間の値であることを特徴とする。
本発明の画像形成装置は、前記現像装置を使用することで、静電潜像担持体上に２種以上のトナー画像を重ね合わせることを特徴とする。

本発明は、前記解決するための手段によって、ドット再現性に優れたフレア現像方式において、供給トナーの帯電量分布を安定させ、高画質を維持できる現像装置及び画像形成装置を提供することが可能となった。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明における最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。

図１は、フレア現像基板を示した図である。ここで、フレアとは、例えば交互に配置された２つの電極群に、反転位相の交流電圧を印加することで、電極上でトナーが浮遊する現象である。図１のように、ガラス基板４上にアルミ蒸着によって電極パターン３を形成し、その上に保護層として厚み約３μｍ、体積抵抗率約１０¹⁰Ω・ｃｍの樹脂コート２を施したフレア現像基板に対して、２成分現像装置によってトナー供給を行った。２成分現像装置は通常のものを用いたが、具体的には粒径５５μｍの磁性キャリア粉と粒径約７μｍのポリエステルトナーを重量比５〜７ｗｔ％で混合された２成分現像剤を、現像剤担持体１２によってフレア現像基板への供給領域まで搬送し、供給領域にて印加されるバイアス電位によってトナーの一部がフレア現像基板へと転移する。ここで、現像剤担持体１２は、内部に複数の磁極を有する磁界発生手段である固定されたマグネットローラの外周を被覆した非磁性体であり、表面に凹凸を有している。

図２には、供給領域にて直流バイアスを印加した場合と交流バイアスを印加した場合における、２成分現像装置内のトナーの帯電量分布とフレア現像基板上に供給されたトナー帯電量分布をそれぞれ示す。
なお、本実施例で用いたのは実際にプリントを繰り返し行った現像装置内のトナーで、トナーの帯電量はおよそ−３０μＣ／ｇ程度であった。図２から、直流バイアスと交流バイアスでは、フレア現像基板上に供給されるトナーの帯電量分布が異なっている。交流バイアスを印加した場合、瞬間的に強い電圧が印加されるために、帯電量の高いトナーや付着力の高いトナーも供給される。それに対して直流バイアスを印加した場合は、現像されやすいトナーのみが選択的に供給される。

図３には、フレア現像基板上に供給されたトナーの帯電量と、現像基板上でのフレア活性度を示している。ここで、フレア活性度とは、基板表面に張り付いて動かないトナーの様子を観察することで約５段階の官能評価により求められたものである。具体的には、目視観察により静電搬送基板上のトナーが１００％飛び跳ねていれば「非常に活性」、全部静止していて１個も跳ねていなければ「完全静止」、ｎ％飛んでいれば「非常に活性」を１００％「完全静止」を０％としてｎ％にプロットしている。
フレア現像基板上のトナーの帯電量が高すぎると鏡像力の寄与が大きくなるため、トナーは動きにくくなる。すなわち、フレアを活性化するための最適な帯電量が存在する。２成分現像装置内ではトナーはキャリアとの混合・攪拌および消費・補給が繰り返されることで帯電量は変化している。帯電量が変化してしまうと、フレアの活性度も変化してしまうため、図２で示すように、直流バイアスを印加して常に供給される帯電量分布を一定にしている。

直流バイアス印加時であってもその条件によっては供給される帯電量分布は異なる。図４には、上記の供給条件で現像装置内の現像剤が劣化した場合の結果を示している。なお、このときの供給条件は下記に示すとおりである。
トナー担持体と現像剤担持体の距離ｄ： ０．３５ｍｍ
現像剤担持体上磁気ブラシ重量ρ： １ｍｇ／ｍｍ²
トナー担持体と現像剤担持体速度比ａ： ２
ρ・ａ／ｄ＝５．７（＞４）
この条件は、本発明で規定する範囲内である。図４から、現像剤の劣化にもかかわらず供給される帯電量分布がほぼ同範囲となっている。
これに対して、規定範囲外での帯電量分布についても図４に併せて示す。なお、供給条件は下記に示すとおりである。
トナー担持体と現像剤担持体の距離ｄ： ０．５５ｍｍ
現像剤担持体上磁気ブラシ重量ρ： １ｍｇ／ｍｍ²
トナー担持体と現像剤担持体速度比ａ： ２
ρ・ａ／ｄ＝３．６（＜４）
図４から、上記条件では、現像剤の帯電量分布の変化につられて供給されるトナーの帯電量分布も変化している。これは、付着力の増加に伴って弱帯電トナーが供給できなくなったためである。供給領域においてフレア現像基板極近傍にトナーが多く存在するために、実際にはフレア現像に適さない帯電量分布のトナーも供給されるからである。

また、基板表面の電気的特性の影響を調べるために、表層の体積抵抗率を何点か振って、同様のフレア活性度を確認した。表層に用いた材料はシリコーン系樹脂であり、そこに分散されるカーボン微粒子の量を変更することにより、１０⁷〜１０¹⁴Ω・ｃｍの体積抵抗率、厚みは約５μｍの保護層を形成した。
図５は、体積抵抗率とフレア活性度の関係を示す図である。この図から、体積抵抗率が１０⁹〜１０¹²Ω・ｃｍの範囲にあることが適正である。これは、体積抵抗率が非常に高い表層を用いると、飛翔を繰り返すトナーとの摩擦によってトナー担持体であるトナー担持ローラ１９の表面が帯電したままになってしまい、また逆にあまりに導電性が高いと、電極群間で電荷のリーク（ショート）が発生してしまうために、効率的なバイアス効果が得られなくなるからである。基板表面に蓄積した電荷が電極群にうまく逃げられるように、適当な抵抗率として体積抵抗率で１０⁹〜１０¹²Ω・ｃｍとなっている必要がある。

さらに、基板表面の摩擦帯電特性の影響を調べるために、表面コート層を、シリコーン系樹脂及びフッ素系樹脂の２種類として上記と同様なフレア活性度観察を行った。カーボン微粒子を微量分散させることにより、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂のいずれのコート層に関しても体積抵抗率は１０¹¹〜１０¹²Ω・ｃｍとした。基板に交番バイアスを印加してフレア活性度を観察すると、シリコーン系樹脂では長時間フレア状態を維持していたが、フッ素系樹脂の場合には直ぐにフレアが消滅しトナーが基板に張り付いたままとなった。観察後に、基板上のトナーの帯電量を測定したところ、シリコーン系樹脂の場合には初期に比べて若干の低下がみられただけであったが、フッ素系樹脂の場合にはトナーの電荷がほとんど無くなっていた。そこで、帯電していないトナーをそれぞれの表面に擦り付けると、シリコーン系樹脂の場合にはトナーが正規の極性の摩擦電荷を得られたのに対し、フッ素系樹脂の場合にはほとんど摩擦電荷を得られないばかりか若干逆の極性となっていた。したがって、フレア現象は、トナーと基板表面とが無数回衝突するプロセスであるため、基板表面材料はトナーの電荷を奪ってしまうものではなく、トナーに正規の電荷を与えられる材質であることが好ましい。これは材料の摩擦帯電系列に習うものであり、基板表面材料としては、例えばガラス系のものや、２成分現像剤のキャリアコートに使用されている材料を用いることが好ましい。

図６に本発明のトナー担持体の代表例を示す。図６−１ａは概観であり、図中左手前から右奥への電極群を束ねた電極軸６と、前記電極群に対して交互に右奥から左手前に向けて設置された電極群を束ねた電極軸７とを回転軸として回転することができる。また、それぞれの電極軸６、７には、図示されない電極ブラシ等によってバイアス電位を印加することができる。以下にこのトナー担持体であるトナー担持ローラ１９の構成を説明する。
図６−１ｂの（１）のように、アクリル樹脂の円筒に軸穴を設け、（２）のようにステンレス製の電極軸を圧入する。次に、図６−２ｃの（１）〜（５）の工程によりパターン電極を形成する。図６−２ｃはトナー担持ローラ１９表面を、回転軸に沿った方向に見たときの図である。図６−２ｃ（１）では、図６−１ｂによって得られたローラの表面を外周旋削によって平滑に仕上げる。（２）では溝のピッチが１００μｍ、溝幅が５０μｍとなるように溝切削を行う。（３）では無電解ニッケルメッキを施し、（４）では外周を旋削して不要な導体膜を取り除く。この時点で電極が溝部分に形成される。その後、シリコーン系樹脂でコーティングすることでローラ表面を平滑にし、同時に表面保護層（厚み約５μｍ、体積抵抗率約１０¹⁰Ω・ｃｍ）とした。

図７は、図６のトナー担持ローラを利用した現像装置例である。図６−２（ｄ）において、トナー担持ローラ１９の移動方向に対して、交互に電極軸６と電極軸７からの電極群６ａ、７ａ及び絶縁部２２を有している。トナー担持ローラ１９に印加する交流電圧は、図６−２（ｄ）に示す電極軸６と電極軸７に反転位相で印加され、時間周期的な電位差が形成されている。交流電圧は、−４００Ｖと０Ｖのそれぞれをピークに持つ平均電位が−２００Ｖ、５ｋＨｚの周波数で印加することで実現した。なお、交流電圧は、ピークｔｏピークが２００Ｖ〜１０００Ｖ、周期が０．５ｋＨｚ〜５ｋＨｚで良好である。トナー担持ローラ１９に対しては、通常の２成分現像装置により２成分現像剤１０の穂が当接されている。具体的には、粒径５５μｍの磁性キャリア粉と粒径約６μｍのポリエステルトナーを重量比５〜７ｗｔ％で混合させた２成分現像剤１０である。
現像剤担持体１２には−４００Ｖの電圧が印加され、現像剤担持体１２の電位−４００Ｖとトナー担持ローラ１９の平均電圧−２００Ｖとの差により、マイナス帯電トナーが現像剤担持体１２からトナー担持ローラ１９へ供給される。
トナー担持ローラ１９に供給されたトナーは、トナー担持ローラ１９上でフレアを形成しながら潜像担持体１３との対向部に搬送され、トナー担持ローラ１９表面の平均電位と潜像担持体１３電位との差によってトナー像が形成され、現像に寄与しなかった不要なトナーは再び現像剤担持体１２に戻ってくる。フレアが形成されているので、トナー担持ローラ１９に対するトナーの付着力は非常に低く、トナー担持ローラ１９によって現像部から戻ってきたトナーは、現像剤担持体１２の回転に追随した２成分現像剤の穂によって容易に掻き取られたり均されたりする。これを繰り返すことによって、トナー担持ローラ１９上には常にほぼ一定量のトナーフレアが形成されることになる。

潜像担持体１３として、厚み１３μｍの有機感光体を使用し、１２００ｄｐｉのレーザー書き込み系を利用して潜像形成をする場合の実施例を以下に示す。感光体帯電電位を−３００Ｖとし、ベタ部での書き込み電位が−５０Ｖとなるような条件で潜像を形成する。この時、トナー帯電量が約−２２μＣ／ｇの６μｍトナーを使って地汚れが無く、ベタ埋まりも良く、かつ１２００ｄｐｉの１ドットが再現できるように条件設定したところ、トナー担持ローラ１９と感光体１３とのギャップは約５００μｍ、トナー担持ローラ１９に印加する電位は−４００Ｖと０Ｖのそれぞれをピークに持つ平均電位が−２００Ｖの交流バイアスを、５ｋＨｚの周波数で印加することで実現した。トナー担持ローラ１９上に過剰なトナーが乗っていると、トナーの電荷によって電界カーテンがシールドされてしまいフレアが形成できなくなるので、トナー担持ローラ１９上に乗っている単位面積辺りのトナー量は０．２ｍｇ／ｃｍ²となるように、現像剤担持体１２とトナー担持ローラ１９との間には直流バイアス約２００Ｖが印加されている。一方、感光体１３上のベタ画像として必要とされるトナー量が０．４ｍｇ／ｃｍ²であることから、現像部でのトナー枯渇が生じないように、トナー担持ローラ１９の移動速度は感光体１３の移動速度の２倍以上にする必要があり、ここでは２．５倍としている。トナー担持ローラ１９と感光体１３の移動方向は、図８のように同じ向きでも良いが、逆向きでも良い。現像剤担持体１２とトナー担持ローラ１９の移動方向は、戻りトナーの掻き取り効果を得るために、図８のように逆向きであるのが好ましい。以上の系によって、感光体線速３００ｍｍ／ｓのもとで、ベタ埋まり性、１２００ｄｐｉドット再現性、に優れた地汚れの無い高画質現像が実現できることが確認された。

図８は図７の現像装置を利用して構成された、感光体１３上色重ね画像形成装置の例であり、このようなシステムとすることにより同一感光体１３上に４色分の書き込みを行うので、通常の４連タンデム方式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、本発明による現像装置２０を用いることにより、感光体１３上に一度形成されたトナー像に対しては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。

フレア現像基板を示した図である。 ２成分現像装置内のトナーの帯電量分布とフレア現像基板上に供給されたトナー帯電量分布を示す図である。 フレア現像基板上に供給されたトナーの帯電量と、現像基板上でのフレア活性度を示した図である。 現像装置内の現像剤が劣化した場合の帯電量分布を示した図である。 体積抵抗率とフレア活性度の関係を示す図である。 本発明のトナー担持体の代表例を示した図である。 本発明のトナー担持体の代表例を示した図である。 図６のトナー担持ローラを利用した現像装置例である。 図７の現像装置を使用して構成された感光体上色重ね画像形成装置の例である。

符号の説明

１ トナー層
２ 樹脂コート
３ アルミ蒸着電極
４ ガラス基板
５ 樹脂ローラ
６ 電極軸Ａ
６ａ 電極群
７ 電極軸Ｂ
７ａ 電極群
８ 樹脂円筒
９ 軸
１０ ２成分現像剤
１１ 攪拌スクリュ
１２ 現像剤担持体
１３ 潜像担持体（感光体）
１４ クリーナ
１５ 帯電器
１６ 除電器
１７ ベルトＯＰＣ
１８ 定着器
１９ トナー担持ローラ（トナー担持体）
２０ 現像装置
２１ 画像形成装置
２２ 絶縁部

Claims (6)

1. 移動するトナー担持体表層に、絶縁部を介して、前記移動方向に対して交互に電極群を設け、前記交互の電極群の間に時間周期的な電位差が形成される現像装置において、
   前記トナー担持体が回転ローラ形状であり、回転軸の一方に、電極群が接続され、回転軸のもう一方に、電極群が接続され、
   複数の磁極を有する磁界発生手段を内蔵した現像剤担持体上に磁性粒子と非磁性トナーとを有する２成分現像剤を担持して、トナー担持体と対向した供給領域へ搬送し、前記供給領域で前記現像剤の磁気ブラシを形成し、前記現像剤担持体に直流電圧を印加してトナーを前記トナー担持体に供給する
   ことを特徴とする現像装置。
2. 請求項１に記載の現像装置において、
   トナー担持体と現像剤担持体の距離をｄ（ｍｍ）、現像剤担持体に形成される単位面積あたりの磁気ブラシの重量をρ（ｍｇ／ｍｍ²）、トナー担持体と現像剤担持体の移動速度比（現像剤担持体速度／トナー担持体速度）をａとしたとき、
   ρ・ａ／ｄ＞４
   の関係が成立する
   ことを特徴とする現像装置。
3. 請求項１又は２に記載の現像装置において、
   トナー担持体の表面が、トナーとの摩擦においてトナーに対して正規の電荷を与えることができる材料によって被覆されている
   ことを特徴とする現像装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つに記載の現像装置において、
   トナー担持体の表面が、体積抵抗率にして１０⁹〜１０¹²（Ω・ｃｍ）の材料によって被覆されている
   ことを特徴とする現像装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の現像装置において、
   前記交互の電極群に印加される時間周期的電位の各瞬間における電位平均値が、静電潜像担持体に形成されている画像部電位と非画像部電位との間の値である
   ことを特徴とする現像装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の現像装置を使用することで、静電潜像担持体上に２種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。

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