JP5002169B2 - 現像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば電子写真方式によって電子写真感光体等の像担持体上に形成された静電像を現像して現像剤像を形成する現像装置に関する。
従来の電子写真方式を採用した画像形成装置の一例の概略構成を図14に示す。
本例にて、画像形成装置は、像担持体としてドラム形状の電子写真感光体(以下、「感光ドラム」という。)100を用いている。感光ドラム100は、表面にアモルファスシリコンやOPC等の光導電層を有しており、図で示す矢印の方向(時計回り)に図示しない駆動系で回転している。
感光ドラム100表面に電位を載せる帯電方式について述べる。一次帯電器101は、感光ドラム100の表面に電位を付与することができる。例えば、感光ドラム100の表面を+600Vに帯電する。その後、感光ドラム100を露光装置(図示せず)からの画像信号に応じた光像Lで露光し、感光ドラム100表面の電位を、例えば、+200Vに低減する。これによって、感光ドラム100上に画像信号に応じた潜像電位を形成することができる。
現像剤が入っている現像装置102において、感光ドラム100と同じ極性、例えば現像剤がプラス極性の時、プラス側の高圧電位を現像装置に印加することで、感光ドラム100上の静電像を反転現像方式にて可視化する。
逆に、露光装置によって、ベタ白部の画像信号に応じて露光し、感光ドラム表面電位を例えば+200Vに低減し、現像剤がマイナス極性、マイナス側の高圧電位を現像装置に印加することで静電像を可視化するバックグラウンド露光による正規現像方式がある。
現像剤は、現像剤がコートされている現像剤担持体102aに高圧を印加することで、現像剤担持体102a表面の現像剤が感光ドラム100へ飛翔し、静電像を可視化する。反転現像の場合、帯電電位と同じ極性の現像剤で可視化することができ、また逆に正規現像の場合、帯電電位とは逆の極性の現像剤で可視化できる。
現像装置102で可視化した現像剤像に対して、転写前帯電器103(ポスト帯電)を用いて、電荷を付与している。これは、転写前帯電器103で転写するときに発生する現像剤と感光ドラム100との静電吸着力を弱める働きがある。そのため、次の転写工程で転写材、例えば転写紙Pを感光ドラム100から分離し易くなる。
次に、現像剤が可視化された感光ドラム100表面が転写部104に到達するタイミングにあわせるように、図示しない給紙カセット内の転写紙Pを給紙ローラで搬送し、レジストローラで斜行を補正、画像部と同じタイミングで転写紙Pを給紙する。搬送された転写紙Pに現像剤と逆極性の高圧を印加することで、感光ドラム100上の現像剤を感光ドラム100から静電的に引き剥がし、かつ転写紙Pへ移動させることができる。
また、分離帯電器105によって、転写紙Pは感光ドラム100から分離できる。
現像剤で可視化された画像が形成された転写紙Pは、定着装置107の定着ローラ107aと加圧ローラ107bで形成されたニップ部で現像剤を転写紙Pに加圧及び加熱することで定着し、画像形成装置外部へ排出される。
なお、転写帯電器104を通過した後、感光ドラム100表面に残留している転写残トナーは、クリーニング装置106によって除去され、図示しない回収容器に収集される。
上記説明した従来の現像装置102は、現像剤として磁性一成分トナーを用いてジャンピング現像を行う現像装置である。斯かる現像装置は、一般的に用いられている2成分現像剤を用いた現像装置に比べ、キャリアが存在しないため、交換のメンテナンス性を省くことができる。更に、トナーとキャリアの比率を検知及び補正する手段も省くことが可能である。つまり、磁性一成分トナーを用いた現像装置は、2成分現像装置に比べ、高耐久で、かつ、高寿命を得ることができる。
図15を参照して、上記磁性一成分トナーを用いたジャンピング現像装置102について説明する。
感光ドラム100と、現像装置102の現像剤担持体102aとは、所定の間隔Gを設け、非接触である。また、現像剤担持体102aは、感光ドラム100と同じ方向(図の矢印の方向)へ回転する。現像剤担持体表面は、現像剤規制部材102bによって、所定のトナー量で規制されている。また、現像剤担持体102aの内部には、磁界発生手段としての複数の磁極を備えたマグネットロール102cが固定配置されている。
つまり、磁性一成分トナーは、規制部材102bによる規制と、マグネットロール102cによって磁気的にトナーを磁気拘束することによって、トナー同士又は現像剤担持体表面とトナーの摩擦帯電で電荷が付与される。そして、現像剤担持体表面に、図示しない印加手段で現像バイアス電圧が印加される。現像剤担持体102aの現像バイアス電位と、感光ドラム表面の潜像電位の電位差によって、感光ドラム側にトナーを飛翔させ、静電像を可視化する。
近年、複写機やプリンタ等の画像形成装置は、ユーザからのニーズでもある高速対応に伴い、現像装置の現像剤担持体も高速回転する必要がある。このため、現像剤担持体上の現像剤を感光ドラム上の静電像を可視化する時間が短くなり、現像不良が発生する問題が生じている。
また、高速化とともに、高耐久性、高信頼性の要望も増えている。
しかしながら、従来の電子写真技術は、ユーザの使用条件、例えば、使用環境や転写紙の種類、1日の使用枚数、原稿の画像比率などによって、画像品質へ影響を及ぼすことが知られている。
更に、近年、業務の効率化が進み、画像形成装置の稼働時間が問題視され、特に、高速(100ppm以上)の画像形成装置では、10時間連続して停止しない高生産性・高耐久性も求められている。
これらに対して、特許文献1に示す現像装置102では、図16に示すように、複数の現像剤担持体、本例では2つの現像剤担持体102a1、102a2が感光ドラム100に近接して配置される。また、現像剤担持体102a1、102a2は、ともに感光ドラム100と同じ方向に回転する。
上記構成では、現像剤担持体102a1、102a2内にはそれぞれ、磁界発生手段としてのマグネットロール102c1、102c2を具備し、かつ、両現像剤担持体の最近接位置近傍の磁極極性と、半値幅と、角度を規定することで、高速化・高信頼性に対応している。
また、特許文献2では、以下の構成にて高速化に対応している。つまり、図17に示すように、複数の現像剤担持体を有し、本例では2つの現像剤担持体102a1、102a2を有する。また、現像剤担持体102a1、102a2の内部にマグネットロール102c1、102c2を具備している。マグネットロール102c1の感光ドラム100に近接する磁極をS1(図17(b)にて「磁極A」)、両現像剤担持体102a1、102a2が近接する位置におけるマグネットロール102c1の磁極をN2(図17(b)にて「磁極B」)、マグネットロール102c2の磁極をS1(図17(b)にて「磁極C」)とする。このような構成にて、磁極の大きさを|A|>|B|>|C|とすることで高速化に対応している。
一方で、磁性一成分ではなく2成分現像装置の従来例を図18に示す。2成分現像方式でも高速対応、高品質、高耐久、高画質を狙った複数の現像剤担持体による現像システムが提案されている。
本例では、現像剤担持体を複数、ここでは2つの現像剤担持体302a1、302a2を用いた現像装置300を示す。現像装置300では、現像剤担持体302a1上の現像剤は、規制部材302bで規制され、300A方向へ搬送される。マグネットロール302c1の現像極であるS1で感光ドラム100へトナーを飛翔させ、残トナー及びキャリアは、300C方向へ搬送される。さらに、残トナー及びキャリアは、現像剤担持体302a2のマグネットロール302c2の磁極S1へと300D及び300Eの方向に移動し、現像剤担持体302a2のマグネットロール302c2の現像極N1で再度、感光ドラム表面の静電像を可視化している。
このように、一般的に2成分現像装置にて複数の現像剤担持体を用いる系では、現像剤の搬送経路が上流側の現像剤担持体302a1から下流側の現像剤担持体302a2へと感光ドラム面側を搬送している。そのため、一つの現像剤担持体を使用した場合に比べ、現像ニップを増加させ、静電像に対して忠実にトナーを載せることができる。更に、感光ドラム上の電位差が原因であるベタ部とハーフトーン部の境界で発生する白抜けも防ぐことが可能になる。
特開2004−85629号公報 特開2002−365916号公報
しかしながら、上記で述べた従来例は、様々な欠点がある。つまり、
(a)図18に示す上記構成の2成分現像装置では、現像剤担持体は搬送のみを主体とし、帯電は現像容器内でキャリアとトナーの摩擦帯電で用いている。そのため、上記2成分現像装置の構成で磁性一成分トナーを用いた場合、充分な画像を得ることが出来ない。
(b)現像極の大きさを規定した例では、トナーの循環が現像剤担持体302a2から現像剤担持体302a1へ流れるため、現像剤溜まりが発生し、長期的な品質安定性に問題がある。また、特にトナーが凝集し易いユーザ環境、また、回転速度が早い条件では、トナーへの負荷が大きくなり、パッキングする。
(c)上下現像極の位置と半値幅を規定した件では、現像容器側より感光ドラム側半値幅を大きくしている。そのため、結果として、現像剤循環が現像剤担持体302a2から現像剤担持体302a1へと300F、300G方向に流れ、現像剤溜まりが発生し、凝集する。
上記現像剤溜まりの発生は、現像剤担持体表面のトナー層の均一化を阻害し、かつ、現像剤担持体302a1、302a2の近接位置における帯電付与能力の低下を招き、画質全体を劣化される重要な要因のひとつである。
このため、磁性一成分トナー(一成分現像剤)を用いた場合には、特に現像剤搬送経路にて下流側の現像剤担持体302a2上に安定して均一に現像剤(トナー)を薄層にコートすることが難しく、良好な現像を行うことができなかった。
そこで、本発明の目的は、磁性一成分トナー(一成分現像剤)を用いた場合でも、特に現像剤搬送経路にて下流側の現像剤担持体上に安定して均一に現像剤(トナー)を薄層に長期間コートすることができる現像装置を提供することである。
上記目的は本発明に係る現像装置にて達成される。要約すれば、本発明によれば、
像担持体と、
回転可能に設けられ、前記像担持体と対向する第1現像位置へ磁性一成分現像剤を担持搬送して前記像担持体上の潜像を現像する第1現像剤担持体と、
前記第1現像剤担持体よりも前記像担持体回転方向下流側に配置され、前記第1現像剤担持体の回転方向と同方向に回転することで前記第1現像剤担持体との対向位置に磁性一成分現像剤を搬送するとともに、前記対向位置で前記第1現像剤担持体によって規制された磁性一成分現像剤を前記像担持体と対向する第2現像位置に担持搬送して前記像担持体上の潜像を現像する第2現像剤担持体と、
前記第1現像剤担持体内に設けられ、複数の磁極を有する第1磁性部材と、
前記第2現像剤担持体内に設けられ、複数の磁極を有する第2磁性部材と、を備え、
前記第1磁性部材の前記複数の磁極は、前記像担持体に最近接する上流現像磁極と、前記第2現像剤担持体との対向部に近接配置され、前記上流現像磁極と同極性の上流カット磁極と、前記上流現像磁極と前記上流カット磁極との間に隣接して設けられ前記上流現像磁極と異極性の第1搬送磁極と、前記上流カット磁極よりも前記第1現像剤担持体回転方向下流側で隣接する前記上流カット磁極と同極性の反発磁極と、を少なくとも有し、
前記第2磁性部材の前記複数の磁極は、前記第1現像剤担持体との対向部で前記上流カット磁極と対向するように配置され、前記上流カット磁極と異極性の下流カット磁極と、前記下流カット磁極よりも前記第2現像剤担持体の回転方向上流側で隣接する前記下流カット磁極と異極性の第2搬送磁極と、を少なくとも有する現像装置であって、
前記下流カット磁極の磁力は、前記上流カット磁極の磁力以上であることを特徴とする現像装置が提供される。
本発明によれば、従来の現像装置に比べ、現像剤の循環性を理想的な方向へ設定することができる。その結果、現像剤の滞りをなくし、現像剤に対する圧力を極力低減することで、昇温や高速回転等によるパッキング、現像剤の凝集等を防止することができ、現像剤の長寿命化を達成することが可能である。また、従来技術に比べ、現像剤のコート性、帯電性、現像剤循環性を向上させ、現像剤消費量安定化、画像品位を向上させる効果もある。
以下、本発明に係る現像装置を図面に則して更に詳しく説明する。ここでは、本発明の複数の実施例について説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものでない。
実施例1
図1は、本発明に係る現像装置を備えた画像形成装置の一実施例を示す概略構成図であり、図2は、現像装置の一実施例の概略構成図である。
本実施例にて、画像形成装置は、像担持体としてのドラム形状の電子写真感光体、本実施例では正帯電のa−Si感光体(以下、「感光ドラム」という。)1を備えている。
感光ドラム1の周囲には、一次帯電器2、現像装置3、転写前帯電器(ポスト帯電器)4、転写帯電器5、分離帯電器6、クリーニング装置7が配置されている。また、感光ドラム1と転写帯電器5間に形成される転写部Tの転写材搬送方向の下流側には、定着装置8が配置されている。
本実施例では直径84mmとされ、画像形成時には、時計回り(矢印方向)に所定の周速(本実施例では450mm/sec)で回転している感光ドラム1は、一次帯電器2により例えば+500Vに帯電される。次いで、感光ドラム1は、露光装置(図示せず)により1200dpiで画像露光Lが与えられ、入力される画像情報に応じた静電像が形成される。
この静電像は、現像装置3の2つの現像剤担持体3a、3bにより、感光ドラム1の帯電極性と逆極性に帯電された現像剤tを感光ドラム1表面に付着させて、ジャンピング現像法により現像してトナー像として可視像化する。本実施例にて、現像剤tは、磁性一成分トナーとされ、現像装置3の現像剤担持体3a、3bには、感光ドラム1の帯電極性と同極性の現像バイアス(DC成分にAC成分を重畳したバイアス)が印加される。なお、本実施例における現像装置3の詳細については後述する。
トナー像が形成された感光ドラム1表面を転写前帯電器(ポスト帯電器)4で転写前帯電する。感光ドラム1表面のトナー像が感光ドラム1と転写帯電器5間の転写部に到達すると、このタイミングに合わせて給紙カセット(図示せず)内の転写用紙などとされる転写材Pが転写部Tに搬送される。転写部Tでは、トナーと逆極性の転写電圧が印加された転写帯電器5によりトナー像が転写材Pに転写される。そして、トナー像が転写された転写材Pは、分離帯電器6で感光ドラム1から分離されて定着装置8に搬送される。転写材P上のトナー像は、定着装置8の定着ローラ8aと加圧ローラ8b間の定着ニップ部にて転写材Pに加熱、加圧して熱定着する。トナー像が定着された転写材Pは、その後、外部に排出する。
なお、トナー像転写後の感光ドラム1表面に残留している転写残トナーは、クリーニング装置7によって除去され回収される。
次に、本実施例における現像装置3について詳細に説明する。
本実施例における現像装置3は、図2に示すように、感光ドラム1と対向する現像部D(Da、Db)に位置して、現像剤担持体3a、3bが配置される。現像剤担持体3a、3bは、感光ドラム1に近接して、感光ドラム1の回転方向に沿って現像容器31の開口部に配置され、矢印方向(反時計方向)に回転自在とされる。本実施例にて、現像剤担持体3a、3bは互いに同一方向で、かつ、感光ドラム1と対向配置した領域にて感光ドラム1と同じ方向に回転される。
図示するように、現像剤担持体3aは、感光ドラム1の回転方向に対して感光ドラム1と対向する現像部Dの上流側(Da)に位置し、現像剤担持体3bは、感光ドラム1の回転方向に対して現像剤担持体3aの下流側(Db)に位置している。
感光ドラム1の回転方向に対して上流側に位置する現像剤担持体3aは、層厚規制ブレード32によってトナーtのコート厚が規制される。一方、感光ドラム1の回転方向に対して下流側に位置する現像剤担持体3bは、近接して配置されている現像剤担持体3aによってトナーtのコート厚が規制される。
現像容器31内には、現像容器31内のトナーtを攪拌して現像剤担持体3a、3b側に搬送するトナー攪拌部材33、34、及びトナー撹拌部材35を有する。更に、現像容器31内のトナー量を検知するトナー量検知センサ36を備えている。
本実施例で用いたトナー(磁性一成分トナー)tは、ネガトナーで、重量平均粒径は5.0〜7.5μmであり、樹脂は少なくともスチレンアクリル樹脂またはポリエステル樹脂のどちらか一方から成り磁性体を70〜90重量部入れている。また、外添剤として、0.5〜1.5%(重量%)のSiO2を含有している。
また、現像容器31の上部には、現像容器31内に補給するトナー(磁性一成分トナー)tを収納したトナー補給容器9が設けられている。現像時に現像容器31内のトナーtの量が所定量より減少したことをトナー量検知センサ36で検知した場合には、トナー補給容器9内のトナーtが現像容器31内に補給される。トナー補給は、トナー補給容器9の補給口に設けたマグネットローラ(以下、単に「マグローラ」という。)9aを制御装置10からの制御信号によって回転させることによって行われる。
更に、トナー補給について説明する。
マグローラ9aの磁力によってトナー補給容器9内のトナーtをマグローラ9a表面に引き付け、マグローラ9aを回転させる。マグローラ9aと対向配置したトナー規制板9bとの間の所定のギャップ(隙間)で、マグローラ9a表面に担持されるトナーtの量を規制する。そして、マグローラ9a表面に一定量担持されたトナーを、マグローラ9aに当接されたトナー掻き取り板9cによって掻き取り、現像容器31内へ落下させる。これによって、現像容器31内へトナーtが補給され、トナー撹拌部材35によって新旧トンーが混合撹拌される。
現像剤担持体3a、3bは、非磁性部材である直径20mmのSUS305の上にFGB#600でブラスト処理をして表面粗さRzを3μmとした。この表面粗さRzの測定には、接触式表面粗さ計(サーフコーダーSE−3300(株)小坂研究所)を用いた。また、測定条件は、カットオフ値が0.8mm、測定長さが2.5mm、送りスピードが0.1mm/sec、倍率5000倍である。
現像剤担持体3a、3b内には、図3に示すように、磁界発生手段としての複数の磁極を備えた固定マグネットロール30a、30bがそれぞれ固定配置されている。現像剤担持体3a内の固定マグネットロール30aは、図3に示すような磁場パターンを有する各磁極(N1、N2、S1、S2、S3)が配置されている。一方、現像剤担持体3b内の固定マグネットロール30bは、図3に示すような磁場パターンを有する各磁極(N1、N2、S1、S2)が配置されている。本実施例における、マグネット(磁極)の配列(マグネットパターン)の詳細については後で述べる。
現像剤担持体3a、3bは、感光ドラム1の回転速度(プロセススピード)に対して100〜150%の速度で回転し、現像位置での現像剤担持体3a、3bと感光ドラム1間の隙間(ギャップ)Ga、Gbは150〜400μmである。固定マグネットロール30aの磁力によって現像剤担持体3a上に担持されるトナーは、層厚規制ブレード32でコート厚が規制される。一方、固定マグネットロール30bの磁力によって現像剤担持体3b上に担持されるトナーは、現像剤担持体3aでコート厚が規制される。なお、現像剤担持体3aと現像剤担持体3bの回転中心を結ぶ直線上における現像剤担持体3aと現像剤担持体3b間の隙間(ギャップ)Gabは、200〜400μmである。
現像剤担持体3a、3bには、図示しない現像バイアス電源から−300Vの直流バイアスと交流バイアスを重畳した現像バイアスが印加される。これにより、トナー(磁性一成分トナー)を感光ドラム1側に飛翔させて静電像を非接触現像する。
なお、交流バイアスとは、本実施例では、図4に示すようなピーク間電圧(Vpp)が900〜1700V、周波数が1.2〜3.6kHzの矩形波である。また、本実施例では矩形波を用いているが、トナーの種類、感光ドラム、潜像方式等に応じて波形の形状を最適化する必要がある。本実施例では、現像コントラストは飛翔方向に200Vとし、かぶりとりコントラストは150Vとした。
このように本実施例では、現像剤担持体3a、3bに直流バイアスに重畳して交流バイアスが印加される。これによって、現像剤担持体3aによる現像に寄与しなかった余分なトナーを現像剤担持体3bによって回収し、再び現像容器31内に戻すことができる。その結果、トナーの消費量を減らすことができる。
例えば、画像比率6%原稿を画像出力した場合において、従来の磁性一成分トナーを用いた現像装置ではトナー消費量が50〜60mg/枚であったが、本実施例1の現像装置3では、トナー消費量は約40mg/枚であった。
また、現像剤担持体3a、3bの長手方向両端近傍の周面上には、図5に示すように、磁気シール部材11a、11bがそれぞれ配置されている。磁気シール部材11a、11bは、主に鉄よりなるモルダロイ(KNメッキ、透磁率10〜6)、又は、プラスティックマグネット(Nd−Fe−B:プラスティックマグネット、残留磁化Br400〜800mT)で作製されている。各現像剤担持体3a、3b表面と各磁気シール部材11a、11bとのギャップGsは400μm±200μmとした。
磁性シール部材11a、11bの取り付け位置については、固定マグネットロール30a、30bの端部の位置と一致させるのが好ましい。これは、磁性シール部材11a、11bの外側より固定マグネットロール30a、30bが外に出ると長手方向の外にも磁力が存在するために、その磁力でトナーが外に運ばれてしまい、トナー漏れを引き起こすためである。
また、逆に磁性シール部材11a、11bの外端に対して固定マグネットロール30a、30bの端部が中に入り過ぎると、次のような問題が生じる。
つまり、本来、磁性シール部材11a、11bと固定マグネットロール30a、30bの間で磁気ブラシを形成して、磁性シール部材11a、11bが、その外端部では磁力が存在しない。それにもかかわらず、各現像剤担持体3a、3b上には磁性シール部材11a、11bの幅で磁気ブラシを形成する。そのために、外側のトナーは現像剤担持体3a、3bの端部から漏れると同時に、トナー層厚も大きくなってボタ落ちを引き起こすためである。
そこで、図6に示すプラスティックマグネットによる端部シール11a、11bを用いることで、高速に回転した場合でも、端部トナー漏れを防ぐことができる。マグネットロール30a、30bと磁性シール11a、11bとの間に磁気拘束力を高めることで飛散を防止している。磁性シール11aはS、N、S、Nで構成され、規制部材32近傍ではマグネットロール30aの磁極N1と異極であるS極にすることでトナー漏れを防止している。また、磁性シール11bはN、S、N、Sで構成され、磁気シール11bのマグネットロール30bのN2極と対向する磁極は、N2極と異極であるS極にすることで、端部からのトナー飛散を防止している。
次に、本実施例における現像装置3の現像剤担持体3a、3bについて更に詳細に説明する。
図7に従来例のマグネットロールのマグネットパターンを示す。現像剤担持体3a、3bは、それぞれ、内部に固定マグネットロール30a、30bを有する。まず、現像剤担持体3a、3bの近接対向部の磁極(現像剤担持体3aのS2、現像剤担持体3bのN1)と、感光ドラム1の近接対向部の磁極(現像剤担持体3aのN1、現像剤担持体3bのS1)の磁力に対する特性について検討した。本実験では、コート性、帯電性、現像剤循環性、現像性について検討した。検討結果を表1に示す。
Figure 0005002169
尚、現像剤担持体3aのN1極、現像剤担持体3bのS1極はそれぞれ、感光ドラム1と対向位置である。また、現像剤担持体3a、3b近接対向部のマグネットロール30aのS2極、マグネットロール30bのN1極は、ほぼ対向位置とした。
「コート性」とは、現像剤担持体3a、3b表面に所定のトナー層が形成されるかどうかである。特に、トナー量の長手分布均一性、回転方向の均一性、また、量だけでなくマグネットロールの磁力とトナーの比透磁率との関係からスリーブ上に形成される磁気的な穂立ちの高さや密度、などを意味する。前記トナー量は、スリーブ表面の一定面積のトナー量を吸引することで判別できる。また、磁気的な穂立ちは、光学顕微鏡を用いて、マグネットロールの各磁力位置で高さ、密度を観察することができる。
ミクロ的なコート性について述べたが、マクロ的にもコート性は重要である。現像剤担持体3aは、規制部材32の位置、材質、角度、等、並びに、マグネットロール30aの磁力によって、コート性を制御している。しかし、現像剤担持体3bは、現像剤担持体3aとの近接若しくは近傍の磁力と、現像剤担持体3bの磁力、現像剤担持体3a、3bのギャップGab等で決定される。
十分に磁気的にトナー量を規制できない場合、現像剤担持体の回転方向にトナー量ムラが発生する。更に、感光ドラム1と近接する位置(図7の領域Da、Db)で、濃度ムラが発生する。また、現像剤担持体3a、3bは同じ方向に回転しているため、現像剤担持体3aからのトナーが現像剤担持体3bへ完全に移動すると、現像剤担持体3b表面のコート層が増大し、均一性を保つことが出来ない。
次に、「帯電性」について述べる。上記でも述べたが、磁性一成分現像方式では、現像剤であるトナーの帯電は、トナー同士並びに現像剤担持体とトナーにおける摩擦帯電によって電荷が付与される。現像剤担持体3aでは、規制部材32近傍において帯電が、現像剤担持体3bでは、現像剤担持体3aとの近接位置(図7の領域B)において帯電が行われている。今回、帯電性について、現像剤担持体3a、3b表面のトナーを吸引しトナー自体が保持している電荷量を測定した。
なお、本実施例では、約−5〜−12μc/mgを目標値として、それ以上もしくはそれ以下の場合、基準外と判断している。
次に、「現像剤循環性」について述べる。現像剤循環性とは、現像剤担持体3a、3bに対するトナーへの圧、並びに、トナー同士の圧を極力抑え、トナーの移動スピードを高くし、かつ、時間に対して安定することである。つまり、トナーがある特定個所で滞るとパッキングが発生、トナーの劣化につながる。
前記現像剤循環性について、本実施例では、図8で示す領域A、B、Cの3ポイントにおいて、CCDスコープ拡大顕微鏡と高速ビデオカメラを用いて、トナーの挙動を1秒間に約256コマ間隔で観察した。つまり、領域A、B、Cのポイントとは、A:現像剤担持体3a、3bの感光ドラム側、B:現像剤担持体3a、3b同士近接近傍、C:現像剤担持体3a、3bの現像容器側、のポイントである。
理想的な現像剤循環を図8に示す。現像剤担持体3a、3bのトナーはそれぞれ、独立して流れている。C領域では、現像剤担持体3bから、現像剤担持体3aへの現像剤が滞ることなく移動することである。また、B領域では、現像剤担持体3a、3b両者のトナーが接触する面積を極力抑え、それぞれの現像剤の移動を規制することが重要である。つまり、現像剤担持体3a、3bの近接近傍では、それぞれのマグネットによって保持される力を高めることが重要になる。また、A領域では、現像剤担持体3a上のトナーの現像剤担持体3bへの移動がほとんどなく、B領域、C領域へ搬送されることがもっとも理想である。万が一、現像剤担持体3bへ移動した場合、2成分現像方式と異なり、磁性一成分現像装置では、マグネットロール方向への力よりむしろ静電的な力によって感光ドラム方向へひきつけられる。それによって、画像不良となり、白地部へのかぶり、ラインの飛び散り、等を引き起こす可能性が高くなる。
次に、「現像性」の検討方法を述べる。
上記でも述べたが、現像剤担持体3a、3bと感光ドラム1との近接位置である図8の領域Da、領域Dbにおいては、潜像が形成された感光ドラム1上の潜像電位に対して、現像剤担持体3a、3bに高圧が印加される。これによって生じた電位差によって、現像剤担持体3a、3bから感光ドラム1へとトナーを飛翔させている。
つまり、潜像を忠実に再現するためには、現像領域Da、Dbにおいて、適正なトナー量、トナー電荷量を保持し、かつ、適正な現像条件であることが重要である。
本実施例では、磁性一成分現像方式にてネガトナーを用いている。トナーは、感光ドラムと現像剤担持体間に働く電位差による電界で感光ドラム方向へ引き付けられる。一方で、トナーは、磁性体が含まれるためマグネットロールによる磁力が現像剤担持体方向へかかっている。また、現像剤担持体表面の裏側には、トナーの帯電によって発生したポジ系の電荷が生じ、鏡映力として現像剤担持体方向に力が働く。
本実施例では、現像条件は、上述のように、DC成分とAC成分によるバイアスを印加している。一方で、トナーの挙動へ影響を与えるマグネットロールの磁極、特に、現像領域Da、Dbの磁極は、上述のように、画像形成に大きな影響を及ぼすことは明らかである。
本実施例では、現像性として、ある所定の感光ドラム電位、現像バイアスにおける感光ドラム上のトナーの飛翔状態、例えば、ベタ白部のトナー量やベタ黒部のトナー量、画像飛び散り度合いなどを総合的に観測し、判定している。
このような検討方法にて、マグネットロール30a及びマグネットロール30bにおける領域Da及び領域Dbの磁極(以下、「現像極」と呼ぶ。)、及び、領域Bの磁極(以下、「カット極」と呼ぶ。)に含まれる磁極の大きさを振り、マグネットパターンの方向性を確認した。
実験は、表1に示したマグネットロール30a、30bのパターンそれぞれについて、上記説明した磁性一成分トナーを入れ、上記説明した回転速度、現像条件で、コート性、帯電性、現像性を確認した。
なお、トナーは、外乱因子である環境水分量や出力画像比率などに影響を与えるため、それぞれ厳しい環境で検討を実施した。例えば、コート性や現像剤循環性、帯電性であれば、トナーの流動性が悪くなる高温高湿環境下で、また、現像性のベタ白部へのトナー飛翔については低温低湿環境下で、かつ、低画像比率で確認している。
実験1−1は、図7に示す従来例のマグネットパターンにほぼ近い系である。マグネットロール30aの現像極N1がマグネットロール30aのカット極S2より大きく、かつ、マグネットロール30aのカット極S2の磁力はマグネットロール30bのカット極N1より大きくなっている。
この系による実験の結果、コート性、帯電性、現像性は、問題ないレベルである。
一方、本実験例における現像剤循環性の観察においては、現像剤の滞りが図7の領域Bで確認された。これは、現像剤担持体3aのカット極S2の磁力が、下カット極N1より大きいため、現像剤は領域Bにおいて磁極S2へ移動するからである。
この現像剤循環の状態で長期使用した場合、領域Bで現像剤のブロッキングが発生、トナーが劣化、画像不良へつながる危険性が高いことが分かった。
実験1−2は、従来例である実験1−1に対して、マグネットロール30bのカット極N1の大きさを小さくしている。
その結果、コート性が×、現像剤循環性が××レベルであった。
原因は、マグネットロール30aのカット極S2の磁力に対してマグネットロール30bのカット極N1の磁力が小さすぎた。そのため、トナーがほとんど現像剤担持体3aへと搬送され、現像剤担持体3b表面にトナーがコートされなかった。また、現像剤担持体3aの現像極N1からのトナーによって、領域Bで現像剤の滞りが発生し、短時間で現像剤溜まりが形成されてしまった。
実験1−3は、実験1−1に対して、マグネットロール30aのカット極S2の大きさをマグネットロール30bのカット極N1と同じとしている。
その結果、コート性、帯電性、現像剤循環性、現像性は、問題ないレベルであった。
実験1−4は、実験1−1に対して、マグネットロール30aの現像極N1の大きさを小さくしている。しかしながら、マグネットロール30a、30bのカット極S2、N1の大きさは、マグネットロール30aのカット極S2がマグネットロール30bのカット極N1に比べ大きいため、実験1−1と同じく現像剤循環性が悪い。
また、今回の実験では、マグネットロール30aの現像極N1が90から70mTに下がっても現像性は低下しなかった。何故ならば、マグネットロール30aによる画像不良、例えばかぶりや、飛び散りなど発生しているが、マグネットロール30bによるかぶりトナーの回収、飛び散りトナーの再配列によって現像性は良好であった。
次に、実験1−5では、マグネットロール30bの現像極S1の大きさを小さくしたパターンである。
上記説明した通り、現像性が低下している。さらに、カット極は上カット極S2が下カット極N1に比べ大きいため、領域Bにおける現像剤溜まりが発生し、現像剤循環性が悪化している。
上記結果から、コート性、帯電性、現像剤循環性、現像性を満足する条件として、マグネットロール30aのカット極S2の大きさをマグネットロール30bのカット極N1の大きさより小さくすることが重要である。
更に、マグネットロール30bの現像極S1の大きさは、所定の大きさの値、即ち、今回の実験では図示していないが80mT以上は必要である。なお、上記値については、トナーの特性、現像バイアス、感光ドラム上の電位等により最適化する必要がある。
図9は、従来例(図7)に比べ、現像剤担持体3aのカット極S2と現像剤担持体3aの規制部材32との間で、かつ、現像容器側に現像剤担持体3aのカット極S2と同じ極性の磁極S3を配置した系である。
図7の従来例では、現像剤担持体3aのカット極S2により搬送されたトナーが現像剤担持体3aの搬送極N2によって搬送され、規制部材32付近に送られる。そして、磁気規制によって所定のトナー量にコートされ現像剤担持体3aの現像極N1から感光ドラム1へ移動する。本例では、規制部材32、領域Bを通過し、かつ現像されなかったトナーがそのまま搬送されるため領域Fでは、ほとんど同じトナーが搬送されている。
つまり、現像装置のなかで最もトナーへ圧の高い領域を通過する時間が長いため、低画像比率を使用するケースでは、トナーの劣化スピードが速くなることが実験で確認できた。
上記トナー劣化を抑えるためには、規制度合いを下げるか、若しくは、いったん現像剤担持体からトナーを引き離す方法がある。前者の場合、規制が緩くなると、まず帯電付与能力が低下、さらに現像極へ供給するトナー量が増加し、感光ドラムの白地部へのかぶりが発生することが分かっている。つまり、後者であるトナーを引き離す必要がある。特に高速対応では、攪拌スピード、温度上昇等によって、トナーの劣化の進行が早いため、対策を講じる必要がある。
図9にトナーを引き離すマグネットロールのパターンを示す。現像剤担持体3aのカット極S2と規制部材32との間に反発極S3極を設けている。
現像剤循環性について高速ビデオカメラで領域Gを観察すると、トナーが図9の矢印の方向へ移動していることが判明した。
その結果、領域Fの現像剤への圧が低下し、高速化した場合でも現像剤劣化に対して強い構成であることを確認した。
次に、現像剤担持体3a、現像剤担持体3bの磁極の極性について方向性を確認した結果を表2に示す。
Figure 0005002169
本実施例では、マグネットロール30bの現像極、カット極の極性について、
(1)上下カット極が異極である実験2−1、
(2)上下カット極が同極である実験2−2、
(3)マグネットロール30bの現像極とカット極が異極である実験2−3、
(4)マグネットロール30bの現像曲とカット極が同極である実験2−4、
についてコート性、帯電性、領域Bの剤循環性、現像性、に加えて、感光ドラム側の領域Aの剤循環性についても検証した。結果を表2に示す。
実験1で最良であった条件と同じ実験2−1では、領域Bの現像剤循環性が良かったが、高速化(例えば800mm/sec)によって領域Aにおいて多少の現像剤溜まりが発生していることが確認できた。改善が必要である。
原因について説明する。前記現像剤溜まりは、高速回転(例えば800mm/s程度)で発生し易いことが実験で判明した。一例を図10に示す。
これは、現像剤担持体3aによる現像後に、現像剤担持体3aと現像剤担持体3bの近接対向部で現像剤担持体3a側に0〜10mTの低磁力領域があると、トナー搬送力がなくなる。そのためにトナーtが現像剤担持体3a上に滞留してしまい、コート不良が発生することが分かった。特にこの現象は、高速回転する現像剤担持体3aが高速回転することでトナー搬送が追いつかず、より顕著になることが分かった。
実験2−2である上下カット極が同極の場合、領域Bにおいて現像剤循環性がきびしく、現像剤担持体3aのコート性が悪くなる現象が発生した。
原因は、上下カット極を同極にすることで、十分磁気カットされず、現像剤担持体3aのトナーが現像剤担持体3bへ移動したためである。また、マグネットロール30bの現像極とカット極を同極にするパターンでは、コート性で×レベルである(実験2−4)。
一方で、実験2−3では、結果は、非常に良いレベルであるが、現像剤担持体3aから現像剤担持体3bへトナーが飛翔するため、白地部のかぶりが発生し、磁性一成分現像装置では採用できない。
これらの結果、トナーの物性、現像バイアス、現像剤担持体と感光ドラムとの距離、現像剤担持体3a、3b間隔などが現状条件の場合には次のことが分かった。つまり、マグネットロール30a、30bのカット極は、異極がよく、かつ、マグネットロール30a、マグネットロール30bの現像極とカット極との極性は異極がよい。
上記説明した通り、最良の実験2−1の系についても改善が必要である。
そこで、ユーザのニーズである高速対応の対策系である搬送極を追加するマグパターンを図11に示し、搬送極の極性に関する検討結果を表3に示す。
Figure 0005002169
前記搬送極は、現像剤担持体3aの現像極N1とカット極N2の間に極を設けることでトナーを磁気的に拘束して現像剤挙動を安定化させている。
搬送極の極性について説明する。
図12に搬送極(磁極N2)とカット極(磁極N3)が同じであるケースを示す。
現像剤挙動を観察した結果、現像剤担持体3a、3bの領域B及び領域Aにおいて、微小ではあるが現像剤の滞りが確認された。
つまり同極にすることで、現像剤担持体3a上のトナーが反発して現像剤担持体3bへ移動、回転して現像剤担持体3bの現像極(N2)へ搬送されるが、現像剤担持体3aの搬送極N2極の磁力によって引き付けられる。その結果、現像剤滞留が発生することが分かった。
つまり、マグネットロール30aの搬送極とカット極は異極であることが重要である。
本実施例にて、図3に示すように、領域Bにおけるマグネットロール30aとマグネットロール30bのカット極は、それぞれ、異極性の各磁極(図3ではS2極(磁極A)とN1極(磁極B))である。
つまり、上記実施例の現像装置3は、互いに近接配置された、感光ドラム1の回転方向における上流側の第1現像剤担持体(現像剤担持体3a)と、下流側の第2現像剤担持体(現像剤担持体3b)とを有する。現像剤担持体3a、3bは、それぞれ内部に複数の磁極を備えた磁界発生手段であるマグネットロール30a、30bを有している。
第1現像剤担持体3aの第1マグネットロール30aは、感光ドラム1との近傍に配置された第1磁極(現像極S1)を有する。また、第1現像剤担持体3aと第2現像剤担持体3bの近接部に配置された第2磁極(カット極S2)とを有する。
また、第2現像剤担持体3bの第2マグネットロール30bは、第1現像剤担持体3aと第2現像剤担持体3bの近接部に配置された第3磁極(カット極N1)を有する。
第1マグネットロール30aは、第1磁極(現像極S1)と第2磁極(カット極S2)との間に第4磁極(搬送極N2)を有し、第2磁極(カット極S2)と第1現像剤担持体3aの回転方向下流側で、かつ、第1磁極(現像極S1)との間に第5の磁極(搬送極S3)を有する。
また、上述にて理解されるように、第1磁極(現像極S1)と第4磁極(搬送極N2)、第2磁極(カット極S2)と第4磁極(搬送極N2)、第2磁極(カット極S2)と第3磁極(カット極N1)は異極である。そして、第2磁極(カット極S2)と第5の磁極(搬送極S3)は同極である。
さらに、上記領域Bにおけるマグネットロール30aとマグネットロール30bのカット極の、現像剤担持体3a、3bの各回転中心を結ぶ線(L)に対する角度(θ1、θ2)を変化させたとき、現像剤担持体3b上のコート性を検討した。
なお、マグネットロール30aとマグネットロール30bの各角度(θ1、θ2)は同じ角度である。また、現像剤担持体3a、3bの各回転中心を結ぶ線に対して感光ドラム1側の角度をマイナス(−)とした。
表4に角度依存性の結果を示す。
Figure 0005002169
マグネットロール30a、30bのカット極位置について対向位置、感光ドラム側に15°(−15°)移動、現像容器側に15°(+15°)移動して、コート性、帯電性、領域A、Bにおける現像剤循環性、現像性について確認した。
その結果、現像剤担持体3b上のトナーコートは、現像剤担持体3a側の現像剤担持体3aで層厚規制をするために、現像剤担持体3a側の磁極Aを、現像剤担持体3aと現像剤担持体3bの回転中心を結ぶ線Lよりも感光ドラム1側(外側)に出しすぎると、現像剤担持体3b上でのトナーコート不良を起こし、トナー帯電を安定させることができないことが分かった。
このように図3に示したマグネットロール30a、30bのパターンを含む本実施例の現像装置3を用いることにより、現像剤担持体3a及び現像剤担持体3b表面を共に安定して均一に現像剤(磁性一成分トナー)を薄層にコートすることができ、かつ、帯電性、現像剤循環性等が良好であり、良好な画像形成を行うことができる。
なお、上記した本実施例では、正帯電の感光ドラムとネガトナー、バックグラウンド露光を用いて正規現像を行う構成であったが、正帯電の感光ドラムとポジトナー、イメージ露光を用いて反転現像を行う構成でも同様の効果を得ることができる。
実施例2
以下、本発明の第2の実施例について、図面を参照して具体的に説明する。
図13は、本実施例に従ったマグネットロール30a、30bを備えた現像剤担持体3a、3bの構成を示す。
本実施例は、実施例1と同様の構成とされ、ただ、各磁極の大きさが異なっている。図中の矢印の長さが磁極の大きさを表す。また、各磁極の大きさについて検証した結果を表5に、各磁極の方向性及び機能性を表6に示す。
Figure 0005002169
Figure 0005002169
実験条件は、上記実施例1とほぼ同じだが、苛酷環境で、かつ、画像出力通紙による加速耐久試験を実施し、コート性、帯電性、現像剤循環性、現像性について長期使用状態の把握を実施した。耐久試験によるトナーの移動方向に注目した。実験により、従来の初期特性では分からなかった現像剤の滞りが今回新たに判明した。
本実施例の第1の条件である表5の実験5−1では、耐久によって現像剤担持体3a(マグネットロール30a)のカット極S2から現像剤担持体3b(マグネットロール30b)のカット極N1への現像剤の移動が顕著になる。また、挙動観察では現像剤の流れで分かりずらい領域Aと領域Bの境界、つまり現像剤担持体3aの搬送極N2と現像剤担持体3bのカット極N1で生じる低磁力領域が発生した。また、現像剤担持体3aの搬送力低下による現像極近傍に現像剤溜まりが発生し、現像剤担持体3bの現像極との低磁力領域と重なり現像剤溜まりが発生した。
これらを改善した条件が実験5−2である。実験5−1に比べ、マグネットロール30aの現像極S1、搬送極N2を下げ、かつ、カット極S2を上げている。結果、上記問題点を解決することができた。
表6には、各磁力の機能性と、磁力の方向による弊害を記載している。特に重要なのは、マグネットロール30bのカット極N1(第3磁極)の磁力に対する、各磁力の大きさである。基本的には、マグネットロール30bのカット極N1(第3磁極)の磁力に比べ、上カット極S2(第2磁極)、搬送極N2(第4磁極)、現像極S1(第1磁極)の磁力を小さくする。これによって、コート性、帯電性、剤循環性を安定させることが可能になる。
また、現像性については、現像剤担持体3bの現像極S1の大きさを所定の値、本件では90mT以上であれば、現像剤担持体3aの現像極S1がある程度小さくても、画像不良が発生しないことを確認した。
以上の結果から、実施例2の上記各磁極の磁力を設定することで実施例1に比べ、外乱因子に対して、コート性、帯電性、循環性で優位であることが分かった。
尚、本実施例における現像条件は実施例1と同じであるが、あくまでも一例であり、画像形成装置の仕様、条件に応じて最適化することが望ましい。
上記実施例1、2によると、従来の現像装置に比べ、現像剤の循環性を理想的な方向へ設定することができる。その結果、現像剤の滞りをなくし、現像剤に対する圧力を極力低減することで、昇温や高速回転等によるパッキング、現像剤の凝集等を防止することができ、現像剤の長寿命化を達成することが可能である。また、従来技術に比べ、現像剤のコート性、帯電性、現像剤循環性を向上させ、現像剤消費量安定化、画像品位を向上させる効果もある。
本発明に係る現像装置を備えた画像形成装置の一実施例の概略構成図である。 本発明に係る現像装置の一実施例を説明する概略構成図である。 現像装置の磁極配置構成を説明する概略図である。 本実施例の現像装置で用いる現像バイアス波形の概略図である。 現像装置の現像剤担持体端部に設けた端部シールを説明する概略図である。 現像装置の現像剤担持体端部に設けたマグネットタイプの端部シールを説明する概略図である。 従来例における現像剤溜まりを説明するための磁極配置(マグネットパターン)と現像剤循環方向を示す図である。 本発明の現像装置における現像剤の挙動を観察する領域を示す図である。 反発極を設けたマグネットパターンと現像剤の循環方向を示す図である。 現像剤溜まりを示すマグネットパターンと現像剤の循環方向を示す図である。 搬送極を設けたマグネットパターンと現像剤の循環方向を示す図である。 搬送極とカット極とが同極である時の現像剤の循環方向を示す図である。 本発明に係る現像装置のマグネットパターン及び現像剤の循環方向を示す図である。 従来の磁性一成分現像装置を搭載した画像形成装置の概略図である。 従来の磁性一成分現像装置の規制部材部近傍を説明する概略図である。 従来の複数の現像剤担持体を用いた現像装置におけるマグネットパターンの概略図である。 従来の複数の現像剤担持体を用いた現像装置におけるマグネットパターンの概略図である。 従来の複数の現像剤担持体を用いた現像装置におけるマグネットパターンと現像剤の循環方向を示した概略図である。
符号の説明
1 感光ドラム(像担持体)
2 一次帯電器
3 現像装置
4 転写前帯電器
5 転写帯電器
6 分離帯電器
7 クリーニング装置
8 定着装置
3a 第1現像剤担持体
3b 第2現像剤担持体
31 現像容器
32 規制部材
30a 第1マグネットロール(第1現像剤担持体の磁界発生手段)
30b 第2マグネットロール(第2現像剤担持体の磁界発生手段)

Claims (2)

  1. 像担持体と、
    回転可能に設けられ、前記像担持体と対向する第1現像位置へ磁性一成分現像剤を担持搬送して前記像担持体上の潜像を現像する第1現像剤担持体と、
    前記第1現像剤担持体よりも前記像担持体回転方向下流側に配置され、前記第1現像剤担持体の回転方向と同方向に回転することで前記第1現像剤担持体との対向位置に磁性一成分現像剤を搬送するとともに、前記対向位置で前記第1現像剤担持体によって規制された磁性一成分現像剤を前記像担持体と対向する第2現像位置に担持搬送して前記像担持体上の潜像を現像する第2現像剤担持体と、
    前記第1現像剤担持体内に設けられ、複数の磁極を有する第1磁性部材と、
    前記第2現像剤担持体内に設けられ、複数の磁極を有する第2磁性部材と、を備え、
    前記第1磁性部材の前記複数の磁極は、前記像担持体に最近接する上流現像磁極と、前記第2現像剤担持体との対向部に近接配置され、前記上流現像磁極と同極性の上流カット磁極と、前記上流現像磁極と前記上流カット磁極との間に隣接して設けられ前記上流現像磁極と異極性の第1搬送磁極と、前記上流カット磁極よりも前記第1現像剤担持体回転方向下流側で隣接する前記上流カット磁極と同極性の反発磁極と、を少なくとも有し、
    前記第2磁性部材の前記複数の磁極は、前記第1現像剤担持体との対向部で前記上流カット磁極と対向するように配置され、前記上流カット磁極と異極性の下流カット磁極と、前記下流カット磁極よりも前記第2現像剤担持体の回転方向上流側で隣接する前記下流カット磁極と異極性の第2搬送磁極と、を少なくとも有する現像装置であって、
    前記下流カット磁極の磁力は、前記上流カット磁極の磁力以上であることを特徴とする現像装置。
  2. 前記第2磁性部材は、前記像担持体と最近接する下流現像磁極を備え、前記下流現像磁極の磁力は、前記上流現像磁極の磁力よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の現像装置。
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