JP5114717B2 - 画像形成装置 - Google Patents
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Description
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。
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。ここでの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接触するものであり、後者は現像ローラと潜像担持体とが非接触である。
上記2成分現像方式と1成分現像方式との欠点を補い合うべく、特許文献1に記載されているように、2成分現像方式と1成分現像方式とを混成したハイブリッド化方式も幾つか提案されている。
特許文献3には、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方法が提案されている。
特許文献6には、進行波電界による電界カーテンで現像剤を搬送する現像装置が記載されている。
特許文献7には、現像ローラの周面上にほぼ1層のキャリアをほぼ均等に吸着する複数の磁極を有する現像装置が記載されている。
特許文献8には、非磁性トナーを担持する現像剤担持体表面に、絶縁部を介して周期的な導電性電極パターンを設け、該電極に所定のバイアス電位を与えることで現像剤担持体表面近傍に電界勾配を発生せしめ、前記現像剤担持体上に前記非磁性トナーを付着搬送させる現像装置が記載されている。
しかしながら、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。
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。
1成分現像方式では、トナー規制部材により薄層化された現像ローラ上のトナー層は、現像ローラ上に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、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、1成分現像方式は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。
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。しかしながら、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3記載の方法は、小型且つ高画質の現像を得るには非常に優れていると言えるが、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厳密に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。
非接触一成分現像方式や、特許文献2に記載の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形成していくことは可能であるが、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が混色するという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法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法で、クラウド現像を実現する必要がある。
また、特許文献4記載の方式などのように、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方法も有効と考えられる。
しかしながら、この方法によれば、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いる。
このような問題を解決すべく、例えば特許文献5記載の方式のように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ような構造も提案されているが、機構が非常に複雑になってしまう。
本発明の他の目的は、潜像担持体上で色重ねができて位置ずれのない高画質のフルカラー画像を得ることができる画像形成装置を提供することにある。
請求項3記載の発明では、請求項1又は2記載の画像形成装置において、前記潜像担持体と前記トナー担持体との距離をd、前記潜像担持体の移動方向における前記電極間のピッチをpとするとき、
d>pとなることを特徴とする。
Vmax/p>2.5[V/μm]
を満たすことを特徴とする。
請求項5記載の発明では、請求項1〜4のいずれか1つに記載の画像形成装置において、前記現像装置は、前記トナー担持体へトナーを供給するための現像容器を有し、該現像容器には2成分現像剤が収容されていることを特徴とする。
請求項7記載の発明では、請求項1〜6のいずれか1つに記載の画像形成装置において、前記現像装置を複数備え、前記潜像担持体上で複数回の色重ねを行うことを特徴とする。
また、潜像担持体上で良好な色重ねができるので、位置ずれのない高画質のフルカラー画像を得ることができる。
まず、本発明の成立過程における実験について説明する。図1に示すように、ガラス基板1上にアルミニウムを蒸着することによって、p[μm]のピッチで潜像担持体の移動方向に配列された複数の電極21、22、23・・・からなる電極パターン2を形成し、その上に保護層3として厚み約3[μm]、体積抵抗率約1010[Ω・cm]の樹脂コートを施したものを形成してトナー担持体としての基板4を構成し、この基板4の上には、帯電させたトナー層5を形成する。
この状態のトナー層5に対して、図2に示すように、奇数番目の電極21、23・・・の集合体である奇数番目電極群と、偶数番目の電極22・・・の集合体である偶数番目電極群との間に電圧供給手段としての交流電源6から奇数番目電極群に交流電圧を偶数番目電極群に前記交流電圧の逆位相を印加すると、トナー層5の各トナー粒子は奇数番目電極群21、23・・・と偶数番目電極群22・・・を往復するような運動(ホッピング)を行う。
このトナーのホッピング運動による様子(状態)を以下、フレアと呼ぶ。換言すれば、フレアは、電界により基板4の表面からトナーが引き離されてクラウドが形成された状態である。
現像性に対する電極ローラ(トナー担持体)の回転の影響を検討するために、実験を行った。実験に使用した基板は、図1に示したような構成で電極幅が60μm、電極間隔が60μmのもので、ローラ状に構成されている(以降「フレアローラ」ともいう)。具体例については、図5に示し説明は後述する。
潜像担持体としての感光体とフレアローラとは距離d=0.3mmで対向し、対向する面が同方向に移動するように回転する。感光体の線速度(移動速度)を100mm/sに固定し、フレアローラの線速度を変化させ、感光体上に付着したトナー像を評価した。
感光体上には、10mm×10mmの正方形のベタ潜像を形成し感光体上の付着状態を観察した。フレアローラ上の電極へは、それぞれ位相が180度異なった電圧を印加する。印加電圧は300Vpp、周波数1kHzである。使用したトナーは、平均帯電量約−15μC/g、体積平均粒径が約6μmである。
感光体上は、非画像部の電位−500V、画像部の電位−100Vとなるような潜像を形成し、ネガポジの作像を行う。フレアローラへの印加電圧の平均値を−300Vとした。結果を表1に示す。
表1に示した線速度50mm/s、150mm/sはいずれもランク1であり、100mm/sではランク5である。ランク1は、1mm以上の幅で明らかなムラがある状態、ランク3は微小ではあるが明らかにムラがある状態、ランク5はムラが見られない状態、ランク2とランク4はその中間的な状態とし、ランク4以上を許容状態とした。
結果は、図3に示したように、フレアローラ線速が、95mm/sではランク3、98mm/sではランク4であり、105mm/sではランク3、102mm/sではランク4となっている。
すなわち、フレアローラの線速が感光体の線速よりも大きい場合には、トナークラウドがフレアローラの回転方向上流側になびいて感光体上の潜像の後端部濃度が増大し、フレアローラの線速が感光体の線速よりも小さい場合には、トナークラウドがフレアローラの回転方向下流側になびいて感光体上の潜像の後端部濃度が低下すると推測される。
感光体とフレアローラの線速度をほぼ等速に設定するため、ホッピングトナーの粗密がそのまま濃度ムラとなって現れやすいと考えられる。この現象は、電極ピッチpとdとの関係において、d<pとなる条件で発生しており、d>pとすることが、電極によるピッチムラ防止には有効であることが分かった。
フレア活性度が低くトナー担持体上のトナー層の活性化が十分でなく、部分的に活性化していない場合、トナー担持体上のホッピングトナーに粗密が生じる。特に、潜像担持体線速度とトナー担持体線速度とをほぼ等速として現像を行った場合、ホッピングトナーの粗密に対応したトナー付着ムラが生じ、画像の均一性を著しく損なうことになる。
電極ピッチ200μmのフレアローラを用い、印加する電圧を変化させフレア活性度を違えて、ベタ画像のムラの有無を観察したところ、フレア活性度が3の場合には、ムラが観察されず、2.5以上でムラが気にならない程度であった。
トナー担持体(以下、「トナー担持ローラ」ともいう)31は、回転ローラ形状に形成したもので、移動方向にp[μm]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・・・からなる電極パ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。印加される電圧を詳細に説明する。
図6(a)に示すように、奇数番目電極群を束ねた電極軸40Aに矩形波の交流電圧を印加し、偶数番目電極群を束ねた電極軸40Bに電極軸40Aに印加した電圧とは逆位相の矩形波の交流電圧を印加する。両者の平均電位は同じである。
また、図6(b)に示すように、一方に矩形波の交流電圧を印加し、他方に前記交流電圧の平均電位と同様な直流電圧を印加しても同様の効果が得られる。
次に、図8(a)〜(e)に示す各工程でパターン電極を形成する。図8はトナー担持ローラ31の表面を周方向に展開した図である。図8(a)に示す工程では、図7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8(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8(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8(d)に示す工程では、無電解ニッケル54のメッキを施したトナー担持ローラ31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1010[Ω・cm])55を形成してトナー担持ローラ31を製作した。
図9は、トナー担持ローラ31を平面状に展開した状態を示す。
また、トナー担持ローラ31は、上記基板4と同様に、表層55の体積抵抗率が109〜1012[Ω・cm]の範囲にあることが適正であり、表層55がシリコーン系樹脂である。表層55の材料は、上述のように、トナーとの摩擦で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く、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。
上述のように、電極ピッチpは現像ギャップdより小さく、すなわちp<dに設定される。
トナー担持ローラ31に対しては、通常の2成分現像器56により2成分現像剤の穂が当接されている。具体的には、粒径50[μm]の磁性キャリア粉と粒径約6[μm]のポリエステルトナーを重量比で7〜8[wt%]混合させた2成分現像剤を、2成分現像器56の永久磁石を内包するマグネットスリーブ57によってトナー担持ローラ31まで搬送し、そこでトナーの一部がマグネットスリーブ57とトナー担持ローラ31との間に印加される直流バイアス電位によってトナー担持ローラ31に転移する。
トナー担持ローラ31に転移したトナーは、トナー担持ローラ31上でフレアを形成しながら、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潜像担持体58との対向部に搬送され、トナー担持ローラ31表面の平均電位と潜像担持体58の電位との差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間には電圧供給手段としての交流電源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る。
これを繰り返すことによって、トナー担持ローラ31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。2成分現像器56は、容器60内の2成分現像剤63を攪拌しながら搬送して循環させ、マグネットスリーブ57がその2成分現像剤の一部をトナー担持ローラ31まで搬送すると共に現像部から現像に寄与しなかった不要なトナーを戻す。
トナー担持体31の近傍には、トナー担持体31上のトナー量を検出するトナー量検出手段90が設けられている。トナー量検出手段90は光学的なセンサで構成され、トナー担持体31の表面からの反射光量を測定し、トナー重量を検知する。
2成分現像器56、トナー担持体31、交流電源59及びトナー量検出手段90により現像装置G1が構成され、これらと潜像担持体58とにより、図示しない画像形成装置本体に対して着脱自在なプロセスカートリッジPC1が構成されている。
この場合、感光体58の帯電電位は−500から−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静電潜像を形成する。
図示しないが、潜像担持体58上のトナー像は給紙装置から給送されてきた記録紙等の記録媒体へ転写手段により転写され、その記録媒体は定着装置によりトナー像を定着されて外部へ排出される。
現像器56は単純なカスケードを利用してトナー担持ローラ31に薄いトナー層を形成するため、トナー担持ローラ31へのトナー転移率が図10に示す実施形態に比べて低下するが、その分トナー担持ローラ31の回転速度を高くすることにより、感光体58への現像速度に対応することができる。
この実施形態のマグネットスリーブ57を省略した2成分現像器56及びトナー担持ローラ31からなる現像装置は、実質的に従来の2成分現像器と同サイズとなるため、小型で高画質の作像エンジンを構成することが可能である。
よって、本実施形態によれば、従来技術よりも高画質を実現でき、且つより小型にできる。
2成分現像器56、トナー担持体31、交流電源59及びトナー量検出手段90により現像装置G2が構成され、これらと潜像担持体58とにより、図示しない画像形成装置本体に対して着脱自在なプロセスカートリッジPC2が構成されている。
この場合、1成分現像器64は、容器65内のトナー66を循環パドル67で攪拌して循環させながらトナー担持ローラ31に給し、トナー担持ローラ31上のトナーを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して薄いトナー層とする。
よって、本実施形態によれば、従来技術よりも均一性に優れた高画質を実現でき、且つより小型にできる。
1成分現像器64、トナー担持体31、交流電源59及びトナー量検出手段90により現像装置G3が構成され、これらと潜像担持体58とにより、図示しない画像形成装置本体に対して着脱自在なプロセスカートリッジPC3が構成されている。
この実施形態では、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つのローラ間に掛け渡され、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、この静電潜像が図10に示す実施形態における2成分現像器56及びトナー担持ローラ31からなる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。
なお、現像装置73K、73Y、73C、73Mは、図11の2成分現像器56及びトナー担持ローラ31からなる現像装置又は図12の1成分現像器64及びトナー担持ローラ31からなる現像装置を用いてもよい。
また、上記実施形態の現像装置を用いることにより、感光体69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に亘り安定して行うことができる。
21、22、23、41、42、43 電極
31 トナー担持体
56 現像器としての2成分現像器
58、69 潜像担持体としての感光体
64 現像器としての1成分現像器
G1、G2、G3、73K、73Y、73C、73M 現像装置
PC1、PC2、PC3 プロセスカートリッジ
Claims (7)
- 潜像担持体と、現像装置とを有し、
前記現像装置は、前記潜像担持体に対向して配置されるローラ状のトナー担持体と、該トナー担持体の周方向に所定のピッチで空間周期的に配置された複数の電極と、前記複数の電極間の電界が時間的に切り替わるように前記電極に電圧を供給する電圧供給手段とを備え、
前記複数の電極を、前記トナー担持体の周方向の配置順において1つの電極を基準にして偶数番目の電極群と、奇数番目の電極群とに分けたときに、一方の電極群に対して他方の電極群が逆位相となる交流電圧を印加し、
前記電極間の電界により前記トナー担持体の表面に担持されたトナーをホッピングさせながらクラウドを形成し、前記潜像担持体上に形成された潜像にトナーを付着させて該潜像を現像し、
前記潜像担持体と前記トナー担持体とは対向する面が同方向に移動するように回転し、且つ、前記潜像担持体の移動速度と、前記トナー担持体の線速度とを略等速とすることを特徴とする画像形成装置。 - 請求項1記載の画像形成装置において、
前記潜像担持体の移動速度と、前記トナー担持体の線速度とが同一である場合を基準にして、前記トナー担持体の線速度のずれは前後2%以内であることを特徴とする画像形成装置。 - 請求項1又は2記載の画像形成装置において、
前記潜像担持体と前記トナー担持体との距離をd、前記潜像担持体の移動方向における前記電極間のピッチをpとするとき、
d>pとなることを特徴とする画像形成装置。 - 請求項1又は2記載の画像形成装置において、
前記電極間の電位差の絶対値をVmax[V]、前記潜像担持体の移動方向における前記電極間のピッチをp[μm]とするとき、
Vmax/p>2.5[V/μm]
を満たすことを特徴とする画像形成装置。 - 請求項1〜4のいずれか1つに記載の画像形成装置において、
前記現像装置は、前記トナー担持体へトナーを供給するための現像容器を有し、該現像容器には2成分現像剤が収容されていることを特徴とする画像形成装置。 - 請求項1〜4のいずれか1つに記載の画像形成装置において、
前記現像装置は、前記トナー担持体へトナーを供給するための現像容器を有し、該現像容器には1成分現像剤が収容されていることを特徴とする画像形成装置。 - 請求項1〜6のいずれか1つに記載の画像形成装置において、前記現像装置を複数備え、前記潜像担持体上で複数回の色重ねを行うことを特徴とする画像形成装置。
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