JP4997153B2 - 画像形成装置および画像形成方法 - Google Patents
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Description
画像を形成する工程では、例えば、回転駆動される感光体の表面を帯電装置によって均一に帯電し、露光装置によって帯電した感光体表面にレーザ光が照射されて静電潜像が形成される。続いて、現像装置によって感光体上の静電潜像が現像されて感光体表面上にトナー像が形成される。次いで、転写装置によって感光体上のトナー像は転写材上に転写され、その後、定着装置によって加熱されることによってトナー像は転写材上に固定される。また、感光体表面上に残った転写残留トナーは、クリーニング装置により除去されて所定の回収部に回収される。また、クリーニングされた後の感光体表面は、次の画像形成に備えるために、除電装置により残留電荷が除去される。
一成分現像剤はキャリアを使用しないことから、二成分現像剤のようにトナーとキャリアを均一に混合するための攪拌機構等を必要としない。そのため、現像装置がシンプルになるといった利点を有する。しかし、トナーの帯電量が安定しにくい等の欠点がある。
二成分現像剤は、トナーとキャリアを均一に混合するための攪拌機構等を必要とすることから、現像装置が複雑になるといった欠点を有する。しかし、帯電安定性や高速機への適合性に優れている。そのため、高速画像形成装置やカラー画像形成装置によく使用されている。
また、二成分現像剤に使用されるキャリアとしては、粒子径が20〜100μmのフェライトからなる磁性粒子が一般に使用される。また、その他のキャリアとしては、前記磁性粒子からなるコア粒子と、その表面にカーボンブラックのような導電材を含有するアクリル系樹脂またはシリコーン系樹脂からなる被覆層とを備えたコーティングキャリアが知られている。このコーティングキャリアは、湿度依存性やトナー成分の融着を防止する機能を有している。
このような流動性低下に起因する問題を解決する方法として、二成分現像剤の流動性低下を検知し、現像ローラの周速を上げることによって、画像濃度の低下を防止する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
前記トナー画像形成手段は、感光体表面を規定電位に帯電させる帯電装置と、この帯電装置により帯電された前記感光体に静電潜像を形成する露光装置と、トナーおよびキャリアからなる二成分現像剤と、該二成分現像剤および現像ローラを収容しかつ二成分現像剤を前記現像ローラにて感光体へ移送して前記静電潜像をトナー画像に現像する現像装置と、該現像装置内の二成分現像剤の嵩高さを検知して検知信号を前記制御装置へ出力する嵩高さ検知センサと、現像装置内にトナーを補給するトナー補給装置と、前記現像ローラに現像バイアス電圧を印加する現像バイアス印加装置とを具備し、
前記トナーは、着色樹脂粒子と、該着色樹脂粒子100重量部に対して0.2〜2.0重量部添加されて前記該着色樹脂粒子の表面に付着された外添剤とを含んでなり、
前記制御装置は、現像装置内の二成分現像剤の嵩高さが所定値以上に上昇した際に、現像動作で印加する現像バイアス電圧よりも低い現像バイアス電圧を現像ローラに印加しながら感光体および現像ローラを所定時間動作させることによって、二成分現像剤中のトナーを感光体上に移動させるトナー排出動作と、前記トナー排出動作が終了した時点で、前記トナー補給装置から現像装置内へトナーを所定濃度となるまで補給するトナー補給動作とが行われるように、前記トナー画像形成手段を制御する画像形成装置が提供される。
つまり、本発明によれば、トナーの消費量が少ない印字率の小さい画像を多数枚連続印字したことによって、現像装置内に収容されているトナー中に外添剤によるコロ効果が低下したトナーが多量に発生した場合でも、次の転写材への画像印刷を行う前に現像装置内のトナーを新しいトナーに入れ替えることができるため、極端に流動性が低下したトナーによる画像濃度の低下を抑えることができ、適正な画像濃度で次の画像印刷を行うことができる。
また、トナーは、個数平均粒径80〜300nmの外添剤を含むものであるため、外添剤のトナー(着色樹脂粒子)表面への埋没を遅らせてトナーの流動性低下を遅らせることができるので、現像装置内において、トナー排出動作によって排出されるトナー量を少なくすることができる。なお、外添剤の前記個数平均粒径が80nmよりも小さいと、外添剤がトナー表面へ埋没しやすくなるためトナーの流動性低下を遅らせる効果が得られにくくなり、個数平均粒径が300nmより大きくなると、トナーとの結着性が十分に得られないことにより、外添効果が不十分となるため好ましくない。また、個数平均粒径80〜300nmの外添剤の添加量は、着色樹脂粒子100重量部に対して0.2〜2.0重量部であるため、0.2重量部未満である場合に十分な外添効果が得られなくなることや、2.0重量部を超える場合に定着性が悪化するということがない。
前記トナー画像形成手段は、感光体表面を規定電位に帯電させる帯電装置と、この帯電装置により帯電された前記感光体に静電潜像を形成する露光装置と、トナーおよびキャリアからなる二成分現像剤と、該二成分現像剤および現像ローラを収容しかつ二成分現像剤を前記現像ローラにて感光体へ移送して前記静電潜像をトナー画像に現像する現像装置と、該現像装置内の二成分現像剤の嵩高さを検知して検知信号を前記制御装置へ出力する嵩高さ検知センサと、現像装置内にトナーを補給するトナー補給装置と、前記現像ローラに現像バイアス電圧を印加する現像バイアス印加装置とを具備し、
前記トナーは、着色樹脂粒子と、該着色樹脂粒子100重量部に対して0.2〜2.0重量部添加されて前記該着色樹脂粒子の表面に付着された外添剤とを含んでなり、
前記制御装置は、現像装置内の二成分現像剤の嵩高さが所定値以上に上昇した際に、現像動作で印加する現像バイアス電圧よりも低い現像バイアス電圧を現像ローラに印加しながら感光体および現像ローラを所定時間動作させることによって、二成分現像剤中のトナーを感光体上に移動させるトナー排出動作と、前記トナー排出動作が終了した時点で、前記トナー補給装置から現像装置内へトナーを所定濃度となるまで補給するトナー補給動作とが行われるように、前記トナー画像形成手段を制御することを特徴とする。
本発明において、画像濃度IDは、転写材に印刷した画像を光反射法で測定した画像濃度であり、画像から反射される光量をX、バックグラウンドから反射される光量をXmとしたとき、ID=−log(X/Xm)で表される。
本発明において、ある時点での画像形成装置による印刷画像が画像濃度ID1.2以下で印刷されること、すなわち現像装置内のトナーの流動性が低下したことを判断する基準として、現像装置内の二成分現像剤の嵩高さを用いる。
トナー排出量が少なく印字率の小さい画像を多数枚連続印字した後は、現像装置内で二成分現像剤が長時間攪拌され、外添剤がトナー表面に埋没することによって、上述のようにコロ効果が低下したトナーが増加することに加え、二成分現像剤中に豊富に空気が取り込まれて嵩高さが上昇するため、二成分現像剤の嵩高さをトナーの流動性低下の判断基準とすることができる。
現像装置内の二成分現像剤の嵩高さを検知する嵩高さ検知センサとしては、特に限定されず、例えば、圧電センサ、透磁率センサ等を用いることができる。
前記制御装置には、二成分現像剤の嵩高さのしきい値が設定入力され、嵩高さ検知センサによって検知された二成分現像剤の嵩高さの検知信号がしきい値に達したか否かが制御装置によって判定され、しきい値に達したと判断されればトナー排出動作が行われるよう制御装置が現像装置、感光体等の各装置の駆動を制御する。なお、これについて詳しくは後述する。
トナー濃度検知センサとしては、二成分現像剤の透磁率を計測することによりトナー濃度を検知する透磁率センサが用いられる。
そこで、本発明は、できるだけコロ効果が失われていないトナーは残し、コロ効果が失われたトナーを優先的に排出できるよう、次の(1)〜(5)のように画像形成装置を構成してもよい。
外添剤によるコロ効果が失われた劣化トナーは、帯電性が低く、低い電位差で感光体に移動するためカブリを生じ易い。したがって、画像濃度IDが0.5以下となるような低い電位差でトナー排出動作を行うことによって、現像装置内において、帯電性の低い劣化トナーから優先的に除去され、劣化の小さいトナーおよび劣化していないトナーが残り易くなるため、少ないトナー排出量およびトナー補給量でトナーの流動性を回復することができる。なお、トナー排出動作における前記画像濃度IDが0.5を超えると、帯電性が劣化していないトナーまで排出されやすくなる。
このようにすれば、現像装置内において、正常に帯電している劣化の小さいトナーおよび劣化していないトナーの排出量を抑えながら、効果的に二成分現像剤から帯電不良トナーを除去することができる。なお、トナー排出動作における前記電位差が−100V以上である(マイナス側に大きい)と、帯電不良トナーのみならず、帯電性が劣化していないトナーまで排出されやすくなる。一方、前記電位差が+100V以上である(プラス側に大きい)と、帯電不良トナーがトナー排出動作によって除去されにくくなる。
このようにすれば、現像装置内において、不必要な攪拌を防ぎつつ、効果的に二成分現像剤から帯電不良トナーを除去することができる。なお、トナー排出動作における前記トナー排出時間が5秒より短いと、二成分現像剤から帯電不良トナーを十分に除去することができず、トナー排出時間が60秒より長いと、帯電性が劣化していないトナーまで排出されていくことになる。
このようにすれば、キャリア表面が固い樹脂で被覆され、外添剤がキャリア表面に埋没する(固着する)ことを防止できるので、キャリアが長期にわたって安定した帯電性を保持でき、帯電不良トナーの発生を抑えることができる。
このようにすれば、比重の軽いキャリアが得られ、二成分現像剤を攪拌する際の攪拌トルクを小さくすることができる。その結果、トナー粒子表面への外添剤の埋没が遅くなり、帯電不良トナーの発生を少なくすることができる。
以下、図面を参照しながら画像形成装置の一実施形態を具体的に説明する。
図1は、本発明の一実施形態である画像形成装置の全体構成を示す模式図である。
図1に示すように、この画像形成装置100は、横一列に併設された画像形成ユニット1〜4および制御装置34を備えるトナー画像形成手段と、第1〜第4画像形成ユニット1〜4の上方に配置された転写定着手段とを備えるタンデム方式のカラー画像形成装置である。
以下、中間転写ベルト5の回動方向Rに対し、2次転写ローラ8が配置されている2次転写位置を基準として、回動方向上流、下流を規定する。
4つの画像形成ユニットは、中間転写ベルト5の回動方向Rの上流側から、第1画像形成ユニット1(ブラック)、第2画像形成ユニット2(シアン)、第3画像形成ユニット3(マゼンタ)、第4画像形成ユニット4(イエロー)の順に配置されている。
各1次転写ローラ7は、第1〜第4画像形成ユニット1〜4で形成された単色トナー画像を中間転写ベルト5上に転写するものであり、第1〜第4画像形成ユニット1〜4で形成された単色トナー画像は、中間転写ベルト5上に重ね合うように転写され、一つのカラートナー像を形成する。
また、2次転写ローラ8よりも中間転写ベルト5の回動方向Rの下流側(支持ロール6a近傍)には、転写後の中間転写ベルト5の表面をクリーニングするためのベルトクリーニングユニット10が設けられている。ベルトクリーニングユニット10は、中間転写ベルト5に接触配置されるベルトクリーニングブラシ11と、ベルトクリーニングブレード12とを有している。ベルトクリーニングブレード12は、ベルトクリーニングブラシ11より中間転写ベルト5の回転方向Rの下流側に配置される。
2次転写ローラ8の用紙搬送方向下流側には、用紙に転写されたカラートナー像を用紙上に定着するための前記定着ユニット15が設けられている。そして、定着ユニット15のさらに搬送方向P下流側には、定着ユニット15でカラートナー像が定着された用紙を画像形成装置100から排出する排紙ローラ13aが設けられている。
図2に示すように、第1画像形成ユニット1は、ドラム形の感光体16と、帯電装置17と、露光装置18と、トナーおよびキャリアからなる二成分現像剤(図示省略)と、現像装置19と、カブリ濃度センサ26と、クリーニング装置20と、除電装置25と、トナー補給装置40と、現像バイアス印加装置35とを備え、感光体ドラム16の周囲には、帯電装置17、露光装置18、現像装置19、カブリ濃度センサ26、クリーニング装置20、除電ランプ25がこの順序で感光体ドラム16の回転方向Rdに沿って配置されている。
ノコ歯電極17aには数kVの高電圧を出力する高電圧電源(図示せず)が接続されている。また、制御グリッド17bには、切替えスイッチ31を介して、高電圧用トランス(TH)を有する高電圧電源32と、低電圧用トランス(TL )を有する定電圧電源としての低電圧電源33とが接続されている。本実施の形態において、低電圧電源33の出力電圧は約200Vであり、高電圧電源32の出力電圧は約650Vである。但し、電圧の極性は何れもマイナスである。前記切替えスイッチ31の切換動作は、制御装置34によって制御される。
さらに、現像装置19には、内部のトナー濃度を検知して検知信号を前記制御装置へ出力するトナー濃度検知センサ28が備えられている。このトナー濃度検知センサ28としては、例えば透磁率センサが用いられ、現像槽の底部に配置される。
クリーニング装置20は、転写後の感光体16の表面に残留する転写残トナーを除去し回収する装置であり、感光体16の表面から転写残トナーをケーシング内に掻き取るクリーニングブレードと、掬い取った転写残トナーを廃トナー回収ボックスへ搬送する搬送機構部とを備える。
現像バイアス印加装置35は、現像ローラ24に現像バイアス電圧を印加する現像バイアス電源である。
トナー補給装置40は、その内部に収容した補給用の新しいトナーを現像装置19内に供給する装置であり、現像装置19のトナー導入口と接続するトナー排出口と、トナー排出口の内側に配置されたトナー補給ローラ41とを有し、トナー補給ローラ41の回転量に応じたトナー量のトナーが現像装置19内に補給される。
次に、本発明の画像形成装置に使用できる二成分現像剤について説明する。
二成分現像剤は、トナーとキャリアをナウターミキサ等の混合機で攪拌混合することによって作製でき、一般に、キャリア100重量部に対してトナー3〜15重量部の割合で混合される。
トナーとしては、特に限定されず、公知のトナーをいずれも使用できる。例えば、以下で説明するトナーを使用することができる。
トナーは、着色樹脂粒子(トナー粒子)と、必要に応じて着色樹脂粒子の表面に付着され外添剤とを含んでなる。
外添剤は、トナーの凝集を防ぎ、感光体ドラムから転写材(記録媒体)へ転写する際の転写効率低下を防ぐ観点から、着色樹脂粒子に外添されていることが好ましい。
トナーは、例えば、外添剤を着色樹脂粒子とヘンシェルミキサのような気流混合機を用いて混合する(すなわち、外添処理する)ことによって作製できる。着色樹脂粒子の体積平均粒径は、4〜7μmの範囲内のものが好ましい。この範囲内であれば、ドット再現性に優れ、カブリやトナー飛散の少ない、高画質画像が得られる。
前記着色剤としては、特に限定されず、トナーに一般に用いられている公知の顔料や染料を使用できる。
具体的には、負帯電性を付与する帯電制御剤としては、クロムアゾ錯体染料、鉄アゾ錯体染料、コバルトアゾ錯体染料、サリチル酸もしくはその誘導体のクロム・亜鉛・アルミニウム・ホウ素錯体もしくは塩化合物、ナフトール酸もしくはその誘導体のクロム・亜鉛・アルミニウム・ホウ素錯体もしくは塩化合物、ベンジル酸もしくはその誘導体のクロム・亜鉛・アルミニウム・ホウ素錯体もしくは塩化合物、長鎖アルキル・カルボン酸塩、長鎖アルキル・スルフォン酸塩等が挙げられる。
正帯電性を付与する帯電制御剤としては、ニグロシン染料、及びその誘導体、トリフェニルメタン誘導体、四級アンモニウム塩、四級ホスフォニウム塩、四級ピリジニウム塩、グアニジン塩、アミジン塩等の誘導体等が挙げられる。
これらの帯電制御剤の含有量としては、バインダー樹脂100重量部に対して0.1重量部〜20重量部の範囲内が好ましく、0.5重量部〜10重量部の範囲内がさらに好ましい。
外添剤全体の添加量は、着色樹脂粒子100重量部に対して0.2〜3重量部が好ましく、0.2重量部未満ではトナーに十分な流動性を付与しにくくなる傾向にあり、3重量部を超えるとトナーの定着性が低下する傾向にある。
特に、個数平均粒径80〜300nmの外添剤の添加量は、着色樹脂粒子100重量部に対して0.2〜2.0重量部が好ましく、0.2重量部未満であると十分な外添効果が得られなくなり、2.0重量部を超えると定着性が悪化するため好ましくない。
本発明に使用できるキャリアとしては、特に制限されるものはないが、体積平均粒径が20〜100μmであることが好ましく、30〜60μmがさらに好ましい。キャリアの体積平均粒径が20μmより小さくなると、現像時に現像ローラから感光体にキャリアが移動し、それによって転写材に形成された画像に白抜けが発生する傾向にある。また、キャリアの体積平均粒径が100μmより大きくなると、ドット再現性が悪くなり、画像が粗くなる傾向にある。
キャリアの飽和磁化は、30〜100emu/gの範囲内が好ましく、50〜80emu/gの範囲内がより好ましい。キャリアの飽和磁化は、低いほど感光体と接する磁気ブラシが柔らかくなるので、静電潜像に忠実なトナー画像が得られる。しかし、飽和磁化が30emu/gよりも低くなると、感光体表面にキャリアが付着して画像の白抜け現象が発生しやすくなる。一方、飽和磁化が100emu/gよりも高くなると、磁気ブラシの剛直化により、静電潜像に忠実な画像が得られにくくなる。
本発明において、二成分現像剤のキャリアとしては特に限定されないが、コア粒子に樹脂被覆層が形成されたコーティングキャリアが好ましい。以下、本発明において好ましいコーティングキャリアについて説明する。
コア粒子としては、公知の磁性粒子を使用することができるが、フェライト成分を含む粒子(フェライト系粒子)が好ましい。フェライト系粒子は、飽和磁化が高く、密度の小さいキャリアを得ることができる。そのため、感光体へのキャリア付着が起こりにくく、ソフトな穂立形成によるドット再現性の高い画像が得られる。
フェライト系粒子としては公知のものを使用でき、例えば、亜鉛系フェライト、ニッケル系フェライト、銅系フェライト、ニッケル−亜鉛系フェライト、マンガン−マグネシウム系フェライト、銅−マグネシウム系フェライト、マンガン−亜鉛系フェライト、マンガン−銅−亜鉛系フェライト等の粒子が挙げられる。
フェライト系粒子は、公知の方法で作製することができる。例えば、Fe2O3やMg(OH)2等のフェライト原料を混合し、この混合粉を加熱炉で加熱して仮焼する。得られた仮焼品を冷却した後、振動ミルでほぼ1μm程度の粒子となるように粉砕し、粉砕粉に分散剤と水を加えてスラリーを作製する。このスラリーを湿式ボールミルで湿式粉砕し、得られた懸濁液をスプレードライヤーで造粒乾燥することによって、フェライト系粒子が得られる。
樹脂被覆層の材料としては、特に限定されず、樹脂被覆層として用いられている公知の樹脂をいずれも使用することができ、例えば、アクリル樹脂やシリコーン樹脂等が挙げられる。また、樹脂被服層は、1種の樹脂または2種以上の樹脂混合物からなる1層または2層以上の構造とすることができる。
特に、ストレートシリコーン樹脂(アルキル置換シリコーン樹脂)の層を備えたキャリアは、その表面にトナー成分のバインダー樹脂が付着(フィルミング)しにくく、長期に渡ってトナーの帯電付与能力を維持できる上で好ましい。
架橋型シリコーン樹脂としては、加熱硬化型シリコーン樹脂、常温硬化型シリコーン樹脂のいずれをも使用することができる。加熱硬化型シリコーン樹脂を架橋させるには、該樹脂を200〜250℃程度に加熱する必要がある。常温硬化型シリコーン樹脂を硬化させるには加熱の必要はないが、硬化時間の短縮のために150〜280℃で加熱するのが好ましい。
架橋型シリコーン樹脂の中でも、Rで示される1価の有機基がメチル基であるものが好ましい。Rがメチル基である架橋型シリコーン樹脂は架橋構造が緻密であることから、該架橋型シリコーン樹脂を用いてキャリア芯材であるコア粒子を被覆する樹脂被覆層を形成すると、撥水性、耐湿性などが良好なキャリアが得られる。ただし、架橋構造が緻密になりすぎると、樹脂被覆層が脆くなる傾向があるので、架橋型シリコーン樹脂の分子量の選択が重要である。
本発明では市販の架橋型シリコーン樹脂を使用でき、たとえば、SR2400、SR2410、SR2411、SR2510、SR2405、840RESIN、804RESIN(いずれも商品名、東レダウコーニング株式会社製)、KR271、KR272、KR274、KR216、KR280、KR282、KR261、KR260、KR255、KR266、KR251、KR155、KR152、KR214、KR220、X−4040−171、KR201、KR5202、KR3093(いずれも商品名、信越化学工業株式会社製)などが挙げられる。架橋型シリコーン樹脂は1種を単独で使用することができ、あるいは2種以上を併用することもできる。
これらの導電材の中でも、作製安定性、コスト、電気抵抗の低さという観点からカーボンブラックが好ましい。
カーボンブラックの種類は特に限定されないが、DBP(ジブチルフタレート)吸油量が90〜170ml/100gの範囲にあるものが、作製安定性に優れる点で好ましい。
また、導電材は一次粒径として50nm以下のものが分散性に優れるため特に好ましく、1種を単独で使用することができ、あるいは2種以上を併用することもできる。
また、樹脂被覆層が2層構造である場合、コア粒子と接触する第1被覆層に含まれる導電材の含有率は、3.0〜10.0重量部であることが好ましく、3.0〜7.0重量部であることがより好ましい。含有率がこの範囲であることで、キャリアが感光体に付着したキャリア付着現象を抑制することができる。一方、第1被覆層上の第2被覆層に含まれる導電材の含有率は、7.0〜25.0重量部であることが好ましく、15.0〜25.0重量部であることがより好ましい。含有率がこの範囲であることで、キャリアの帯電量上昇を防止することができる。
樹脂被覆層の形成方法としては、公知の方法を採用することができる。例えば、原料樹脂を溶媒(例えば、トルエン、アセトン等の有機溶媒)に溶解し、得られた原料溶液中にコア粒子を浸漬させる浸漬法、原料溶液をコア粒子に噴霧するスプレー法、コア粒子を流動エアにより浮遊させた状態で原料溶液を噴霧する流動床法等、ニーダーコーター中でコア粒子と原料溶液とを混合し、溶媒を除去するニーダーコーター法等が挙げられる。導電材は、原料溶液中に添加することができる。
次に、本発明の画像形成装置の画像形成動作の一例について図1〜図6を参照しながら説明する。
図1および図2に示すように、画像形成装置100における通常の画像形成動作は、まず、感光体16がドラムモータにより回転駆動され、感光体16の表面が帯電装置17によって均一な電位に帯電される。次に、感光体16の表面に、露光装置18からレーザ光が照射されて静電潜像が形成される。感光体16での静電潜像の形成は、感光体16の基体をなすアルミニウム素管(図示せず)がドラムフランジからドラムシャフトを介してグランドに接続されており、前記レーザ光による露光部の電位が未露光部分よりも低下することにより行われる。
形成された静電潜像は、現像装置19から供給される帯電されたトナーによって現像され、トナー像となる。このとき、現像装置19の現像ローラ24には、トナーを感光体16の表面に供給するために、現像バイアス電源35から現像バイアスが印加されている。本実施形態において、プラス側の出力電圧は150Vで、マイナス側の出力電圧は100Vと500Vであり、出力電圧はマイクロコンピュータを備えた制御装置34によって制御される。
ドラムモータの回転開始から感光体16の表面電位が規定電位に立ち上がるまでの間に、図3に示すタイミングにて各部が動作する。
時刻t1において、ドラムモータが回転を開始すると同時に、帯電装置17ではノコ歯電極17aに高電圧が供給されるとともに、切替えスイッチ31が低電圧電源33側に切り替えられることにより、制御グリッド17bに低電圧電源33から所定の低グリッド電圧(−200V)が供給される。なお、図3には記載されていないが、同時に除電ランプ25がONとなる。
また、時刻t1において、現像装置19では現像ローラ24に現像バイアス供給手段35から所定のプラス側現像バイアス電圧(+150V)が供給される。
一方、時刻t1から所定時間a後の時刻t3において、現像装置19では現像ローラ24にマイナス側低現像バイアス電圧(−100V)が供給され、時刻t3から所定時間b後の時刻t4に、マイナス側高現像バイアス電圧(−500V)が供給される。
図4は、感光体16の表面電位の立ち上がりを示すグラフであり、横軸は経過時間(sec)を示し、縦軸は電位(V)を示す。
本発明の画像形成装置では、電源投入後において、上述の通常の画像形成動作に先立って、後述のトナー排出動作およびトナー補給動作が行われる。
図5は、トナー排出動作実施時のドラムモータ、制御グリッド電圧および現像バイアスの動作タイミングおよび印加タイミングを示すタイミングチャートである。また、図6は、トナー排出動作およびトナー補給動作を示すフローチャートである。
上述の構成の画像形成装置による画像形成方法は、嵩高さ検知センサ36によって現像装置19内の二成分現像剤の嵩高さを検知するステップS1と、ステップS1において検知した嵩高さが所定高さ(所定しきい値)以上であるか否かを制御装置34にて判定するステップS2と、ステップS2において嵩高さが所定高さ以上であると判定した場合、トナー排出動作を所定時間行って現像装置19内のトナーを感光体16へ移送するステップS3と、ステップS3の後、トナー補給動作を行ってトナー補給装置40から現像装置19内へトナーを所定濃度となるまで補給するステップS4とを含む。
また、ステップ4は、トナー補給装置40を駆動させるステップ4aと、トナー濃度検知センサ28によって現像装置19内の二成分現像剤のトナー濃度を検知するステップ4bと、ステップ4bにて検知したトナー濃度が所定濃度(所定しきい値)以上であるか否かを制御装置34にて判定するステップ4cとを含み、ステップS4cにおいてトナー濃度が所定濃度以上であると判定した場合、トナー補給動作が停止する。
嵩高さ検知センサ36によって、現像装置19内の二成分現像剤の嵩高さが所定高さ(所定しきい値)以上に上昇したことが検知されると、時刻txにてドラムモータの回転を開始し、時刻txから所定時間経過(例えば30秒経過)した後の時刻tyまで、−10Vの現像バイアス電位が現像ローラ24に印加される。ここで、時刻tx、時刻tyはともに時刻t1より前の時刻である。なお、時刻txから時刻tyまでの間、ノコ歯電極17aおよび制御グリッド17bには制御グリッド電圧が印加されない。
制御グリッド電圧を印加する際、感光体16の表面電位と現像バイアス電位との電位差が±100V未満、好ましくは−50V〜+50Vとなるように現像バイアス電位が印加される。現像ローラ24に−10Vの現像バイアス電位が印加された場合、制御グリッド17bに印加される制御グリッド電圧は−60V〜+40Vが好ましい。印加時間としては、5秒間〜60秒間が好ましく、5秒間〜30秒間が特に好ましい。
印加時間が5秒間より短いと、カブリの原因となる帯電不良トナーをトナー排出動作によって十分に除去されず、一方、印加時間が60秒間を超えると、帯電量不良トナー以外の余分なトナーまでが現像されてしまう。また、前記電位差が−100V以上である(マイナス側に大きい)と、帯電不良トナーのみならず、正常な帯電量を有するトナーまでもがトナー排出動作により除去されやすくなり、余分なトナーが消費される。逆に、前記電位差が+100V以上である(プラス側に大きい)と、帯電不良トナーがトナー排出動作によって除去されない。
トナー補給動作では、トナー補給装置40のトナー補給ローラ41が図示しないモータにて回転することにより、トナー補給装置40内の新しいトナーが現像装置19内へ補給されていき、二成分現像剤のトナー濃度が上昇していく。この間、現像装置19内の攪拌移送ローラ27が回転して二成分現像剤が攪拌されてキャリア中にトナーが均一に分散されると共に、トナー濃度検知センサ28によって二成分現像剤のトナー濃度が検知され、その検知信号が制御装置34に向かって出力されている。
そして、トナー濃度が所定濃度(所定しきい値)以上であると制御装置34が判定したところで、トナー補給ローラ41および攪拌移送ローラ27の回転が停止して、トナー補給動作が完了する。
なお、トナー排出動作およびトナー補給動作における各駆動部の動作と動作時間、印加電圧と印加時間等の制御は、各センサからの検出信号に基く制御装置34によって行われている。
本実施形態では、第1〜第4画像形成ユニット1〜4のうち、第1画像形成ユニット1を代表に挙げて構成および動作を説明をしたが、第2〜第4画像形成ユニット2〜4の構成および動作も第1画像形成ユニット1と同様であり、画像形成装置の実使用時では、各画像形成ユニットは独立してトナー排出動作およびトナー補給動作が二成分現像剤の状態に応じて制御される。
実施例及び比較例で用いるキャリアを、以下に示す方法により作製した。
フェライト原料(KDK社製)をボールミルにて混合した後、ロータリーキルンにて900℃で仮焼し、得られた仮焼粉を、湿式粉砕機(粉砕媒体としてスチールボール使用)により平均粒径2μm以下にまで微粉砕した。得られたフェライト粉末をスプレードライ方式により造粒し、造粒物を1300℃で焼成した。焼成後、クラッシャを用いて解砕することで、体積平均粒子径が43μm、体積抵抗率が1×109Ω・cmのフェライト成分からなるコア粒子を得た。
得られたキャリアC1は、体積平均粒子径が40μm、体積抵抗率が2×1011Ω・cm、飽和磁化60emu/gであった。
実施例及び比較例で用いるトナーを、以下に示す方法で作製した。
トナー材料を下記する。
・バインダー樹脂(ビスフェノールAプロピレンオキサイド、テレフタル酸又は無水トリメリット酸を単量体として重縮合して得られるポリエステル樹脂:ガラス転移温度60℃、軟化温度115℃:藤倉化成工業社製) 100重量部
・着色剤(C.I.ピグメント・ブルー15:3) 5重量部
・帯電制御剤(ホウ素化合物:日本カーリット社製LR−147) 2重量部
・離型剤(マイクロクリスタリンワックス:日本精鑞社製HNP−9) 3重量部
上記トナー材料をヘンシェルミキサにて10分間混合した後、混練分散処理装置(三井鉱山社製:ニーディックスMOS140−800)で溶融混練分散処理した。その混練物をカッティングミルで粗粉砕した後、ジェット式粉砕機(日本ニューマチック工業社製:IDS−2型)によって微粉砕した。微粉砕物を、風力分級機(日本ニューマチック工業社製:MP−250型)を用いて分級することによって、体積平均粒径が6.0μmの着色樹脂粒子を得た。
得られた着色樹脂粒子100重量部に、ヘキサメチルジシラザンで表面を疎水処理した個数平均粒径が7nmのシリカ粒子(デグサ社製)1重量部を加えて、攪拌羽根の先端速度を15m/秒に設定した気流混合機(三井鉱山社製:ヘンシェルミキサ)で2分間攪拌することによって負帯電性のトナーT1を作製した。
キャリアC1とトナーT1とを混合することによって、実施例及び比較例で用いる二成分現像剤G1を作製した。二成分現像剤G1は、トナーT1の6重量部とキャリアC1の94重量部とをナウターミキサ(商品名:VL−0、ホソカワミクロン社製)に投入し、20分間攪拌混合することによって作製した。
実施例および比較例に用いた画像形成装置として図1および図2で示した構成の画像形成装置と同様の画像形成装置を使用し、画像形成は、第1〜第4画像形成ユニット1〜4のうち、第1画像形成ユニット1のみを用いて行った。なお、画像形成装置の現像条件として、感光体16の周速を400mm/秒、現像ローラ24の周速560mm/秒、感光体16と現像ローラ24のギャップを0.40mm、現像ローラ24と規制ブレードのギャップを0.4mmとなるように設定し、感光体16の表面電位を−600V、現像ローラ24の現像バイアスを−450Vにそれぞれ調整した。試験紙(転写材)として、A4サイズの電子写真用紙(マルチレシーバー:シャープドキュメントシステム社製)を使用した。
〔カブリ濃度〕
5枚の白画像サンプルをプリントし、カブリ濃度の測定を行った。カブリ濃度については、非画像部(0%濃度)の濃度を次の手順により算出した。
白度計(日本電色工業社製:Z−Σ90 COLOR MEASURING SYSTEM)を用いて、予めプリント前の紙の白色度を測定した。次に、プリント後の紙の非画像部における白色度を、白度計を用いて測定し、プリント前の白色度との差を求め、この差をカブリ濃度とした。カブリ濃度が0.6未満(肉眼ではカブリがほとんど見えない状態)を良好、0.6以上1.0未満をやや不良、1.0以上(肉眼ではカブリが明確に見える状態)を不良と判定した。
画像濃度については、一辺が2.4cmのベタ画像(100%濃度)をプリントし、反射濃度計(マクベス社製:RD918)を用いて測定し、画像濃度が1.3以上(紙の繊維がトナーで完全に覆われた状態)を良好とし、1.2以上1.3未満をやや不良、1.2未満(紙の繊維がトナーで不完全に覆われた状態)を不良とした。
二成分現像剤G1を画像形成装置の現像装置19にセットすると共に、トナーT1をトナー補給装置40にセットし、印字率3%(トナーカバレージ)のテキスト画像の50K枚(1K枚=1000枚)連続印刷テストを行った。
50K枚の連続印刷テストの最中、トナー排出動作とトナー補給動作との一連の動作が計10回実施された。この際、トナー排出動作は、現像バイアス+10V、感光体表面電位0V(帯電装置OFF)の条件で60秒間行われ、トナー補給動作は、トナー排出動作を行う直前のトナー濃度センサの出力値になるまで新トナーを補給した。なお、10回のトナー排出動作において、画像濃度IDを測定するために各トナー排出動作中に30枚の試験紙にトナーを定着させ、それらの画像濃度を測定したところ、0.1〜0.2の範囲であった。
10K枚毎に印刷した画像サンプルは、画像濃度IDが1.4〜1.6であり、カブリ濃度が0.3〜0.4であり、ともに良好な結果が得られた。
トナー排出動作において、現像バイアスを−120V、排出時間を60秒間に設定したこと以外は、実施例1と同様の条件で50K枚の連続印刷テストを行った。50K枚の連続印刷テストの最中、トナー排出動作とトナー補給動作との一連の動作が計12回実施された。
なお、12回のトナー排出動作において、画像濃度IDを測定するために各トナー排出動作中に30枚の試験紙にトナーを定着させ、それらの画像濃度を測定したところ、0.3〜0.4の範囲であった。
10K枚毎に印刷した画像サンプルは、画像濃度IDが1.4〜1.6であり、カブリ濃度が0.2〜0.3であり、ともに良好な結果が得られた。
トナー排出動作において、現像バイアスを−150V、排出時間を3秒間に設定したこと以外は、実施例1と同様の条件で50K枚の連続印刷テストを行った。50K枚の連続印刷テストの最中、トナー排出動作とトナー補給動作との一連の動作が計11回実施された。
なお、11回のトナー排出動作において、画像濃度IDを測定するために各トナー排出動作中に2枚の試験紙にトナーを定着させ、それらの画像濃度を測定したところ、0.4〜0.5の範囲であった。
10K枚毎に印刷した画像サンプルは、画像濃度IDが1.4〜1.6であり、カブリ濃度が0.3〜0.5であり、ともに良好な結果が得られた。
トナー排出動作において、現像バイアスを−300V、排出時間を2秒間に設定したこと以外は、実施例1と同様の条件で50K枚の連続印刷テストを行った。50K枚の連続印刷テストの最中、トナー排出動作とトナー補給動作との一連の動作が計12回実施された。
なお、12回のトナー排出動作において、画像濃度IDを測定するために各トナー排出動作中に1枚の試験紙にトナーを定着させ、それらの画像濃度を測定したところ、0.8〜1.0の範囲であった。
10K枚毎に印刷した画像サンプルは、画像濃度IDが1.4〜1.6であり、カブリ濃度が0.4〜0.5であり、ともに良好な結果が得られた。
トナー排出動作を行わずにトナー補給動作を行ったこと以外は、実施例1と同様の条件で50K枚の連続印刷テストを行った。50K枚の連続印刷テストの最中、トナー補給動作は計50回実施された。
50K枚連続印刷テストの結果、10K枚時に印刷した画像サンプルにおいては、画像濃度IDが1.5、カブリ濃度が0.2であってともに良好な結果が得られたが、20K枚時および50K枚時に印刷した画像サンプルにおいては、画像濃度IDが0.9〜1.2に低下し、カブリ濃度が0.7〜1.2に上昇し、不良が見られた。また、30Kおよび40K枚時の画像濃度IDおよびカブリ濃度の結果は、30K:ID=1.5、かぶり濃度=0.5、40K:ID=1.4、かぶり濃度=0.5であった。
また、実施例1〜4の中では、実施例2の結果が最も良好であり、これは排出動作によるトナー排出量(入れ替え量)が最も多いことが原因であると考えられる。
16 感光体
17 帯電装置
18 露光装置
19 現像装置
20 クリーニング装置
24 現像ローラ
25 除電ランプ
26 カブリ濃度センサ
28 トナー濃度センサ
31 切替スイッチ
32 高電圧電源
33 低電圧電源
34 制御装置
35 現像バイアス電源
36 嵩高さ検知センサ
100 画像形成装置
Claims (8)
- 感光体を有しかつ該感光体の表面にトナー画像を形成するトナー画像形成手段と、感光体表面のトナー画像を転写材に転写し定着させて画像を印刷する転写定着手段と、前記トナー画像形成手段および前記転写定着手段を制御する制御装置と備え、
前記トナー画像形成手段は、感光体表面を規定電位に帯電させる帯電装置と、この帯電装置により帯電された前記感光体に静電潜像を形成する露光装置と、トナーおよびキャリアからなる二成分現像剤と、該二成分現像剤および現像ローラを収容しかつ二成分現像剤を前記現像ローラにて感光体へ移送して前記静電潜像をトナー画像に現像する現像装置と、該現像装置内の二成分現像剤の嵩高さを検知して検知信号を前記制御装置へ出力する嵩高さ検知センサと、現像装置内にトナーを補給するトナー補給装置と、前記現像ローラに現像バイアス電圧を印加する現像バイアス印加装置とを具備し、
前記トナーは、着色樹脂粒子と、該着色樹脂粒子100重量部に対して0.2〜2.0重量部添加されて前記該着色樹脂粒子の表面に付着された外添剤とを含んでなり、
前記制御装置は、現像装置内の二成分現像剤の嵩高さが所定値以上に上昇した際に、現像動作で印加する現像バイアス電圧よりも低い現像バイアス電圧を現像ローラに印加しながら感光体および現像ローラを所定時間動作させることによって、二成分現像剤中のトナーを感光体上に移動させるトナー排出動作と、前記トナー排出動作が終了した時点で、前記トナー補給装置から現像装置内へトナーを所定濃度となるまで補給するトナー補給動作とが行われるように、前記トナー画像形成手段を制御することを特徴とする画像形成装置。 - 前記現像装置が、内部のトナー濃度を検知して検知信号を前記制御装置へ出力するトナー濃度検知センサをさらに有し、
前記制御装置は、前記トナー濃度検知センサからの検知信号に基いて前記トナー補給動作を停止させるよう制御可能である請求項1に記載の画像形成装置。 - 前記制御装置は、前記トナー排出動作において、転写材に印刷された画像の画像濃度IDが0.5以下となるような電位差に前記現像ローラの電位と前記感光体の電位を制御可能である請求項1または2に記載の画像形成装置。
- 前記制御装置は、前記電位差を±100V未満に制御可能である請求項3に記載の画像形成装置。
- 前記制御装置は、前記トナー排出動作の時間を5〜60秒間に制御可能である請求項1〜4のいずれか1つに記載の画像形成装置。
- 前記キャリアは、コア粒子と、該コア粒子の表面を覆う熱硬化性シリコーン樹脂からなる樹脂被覆層とを有してなるコーティングキャリアである請求項1〜5のいずれか1つに記載の画像形成装置。
- 前記コア粒子が、フェライト系粒子である請求項6に記載の画像形成装置。
- 請求項1に記載の画像形成装置を用いる画像形成方法であって、
前記嵩高さ検知センサによって前記現像装置内の二成分現像剤の嵩高さを検知するステップS1と、
前記ステップS1において検知した嵩高さが所定高さ以上であるか否かを前記制御装置にて判定するステップS2と、
前記ステップS2において嵩高さが所定高さ以上であると判定した場合、前記トナー排出動作を所定時間行って現像装置内のトナーを感光体へ移送するステップS3と、
前記ステップS3の後、前記トナー補給動作を行って前記トナー補給装置から現像装置内へトナーを所定濃度となるまで補給するステップS4とを含む画像形成方法。
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