本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図1に本発明の一実施形態による画像形成装置の主要部を示す。この画像形成装置は、電子写真方式により像担持体(感光体)1に形成されたトナー像を用紙等の転写媒体Pに転写して画像形成を行うプリンタである。この画像形成装置は画像を担持するための像担持体1を有しており、像担持体1の周辺には、像担持体1を帯電するための帯電手段としての帯電装置3、像担持体1上の静電潜像を現像する現像装置2、像担持体1上のトナー像を転写するための転写ローラ5、及び像担持体1上の残留トナー除去用のクリーニングブレード6が、像担持体1の回転方向Aに沿って順に配置されている。
像担持体1は、帯電装置3で帯電された後に、図中のE点の位置でレーザ発光器などを備えた露光装置4により露光されて、その表面上に静電潜像が形成される。現像装置2は、この静電潜像をトナー像に現像する。転写ローラ5は、この像担持体1上のトナー像を転写媒体Pに転写した後、図中の矢印F方向に排出する。クリーニングブレード6は、転写後の像担持体1上の残留トナーを、その機械的な力で除去する。画像形成装置に用いられる像担持体1、帯電装置3、露光装置4、転写ローラ5、クリーニングブレード6等は、周知の電子写真方式の技術を任意に使用してよい。例えば、帯電手段として図中、帯電ローラが示されているが、像担持体1と非接触の帯電装置であってもよい。また例えば、クリーニングブレードはなくてもよい。
本実施形態において現像装置2は、現像剤24を収容する現像剤槽16、該現像剤槽16から供給された現像剤24を表面に担持して搬送するトナー供給用現像剤担持体11、トナー供給用現像剤担持体11からトナー供給領域7においてトナーが供給され、前記像担持体1上に形成された静電潜像を現像するトナー担持体25、現像領域8を通過した後にトナー担持体25上に残留する現像残トナーをトナー回収領域9において回収するトナー回収用現像剤担持体26を備えている。現像剤24はトナー、該トナーを帯電するためのキャリアおよび現像剤中でトナーと逆極性の帯電性を有する逆極性粒子を含んでなるものである。像担持体1上の潜像を現像するためのトナーをトナー供給用現像剤担持体11がトナー担持体25に供給する時には、トナー供給領域7においては、トナー供給と同時に逆極性粒子を現像剤中に回収する電界を形成することで、現像領域8に搬送される逆極性粒子を低減できるようになっている。これによって逆極性粒子の像担持体1への消費を抑制でき、逆極性粒子を現像剤槽16に回収することで、当該逆極性粒子がキャリアの荷電性を有効に補うことができ、結果として長期にわたってキャリアの劣化を抑制できる。
画像形成時に、トナー供給領域7において逆極性粒子を現像剤中に回収しないと、特に画像面積率が小さい場合において逆極性粒子の現像装置2外への消費が多くなり、現像装置2内における逆極性粒子が少なくなり、キャリア劣化抑制効果が低下する。その現象の発現は以下のメカニズムに基づくものと考えられる。現像装置2では、現像領域8において振動電界を印加するなどして強電界を形成することで、トナー担持体25上のトナーを静電潜像に飛翔させ現像効率を向上させるため、逆極性粒子を含むトナーが現像領域8に搬送させると、現像領域8の強電界によってトナーに付着した逆極性粒子がトナーから離脱し、トナーは静電潜像の画像部に逆極性粒子は非画像部にそれぞれ消費される。したがって、画像面積率によってトナーと逆極性粒子の消費バランスが安定せず、特に背景部面積の大きい画像を大量に印刷した場合には現像剤中の逆極性粒子が優先的に消費され、キャリアの荷電性を補うことができず、キャリア劣化抑制効果が低下するものと考えられる。
逆極性粒子は、使用されるキャリアによってトナーの帯電極性に対して逆極性に帯電されるものである。キャリアによって負に帯電されるトナーを用いる場合、逆極性粒子は現像剤中で正に帯電されている正帯電性粒子である。キャリアによって正に帯電されるトナーを用いる場合、逆極性粒子は現像剤中で負に帯電されている負帯電性粒子である。逆極性粒子を二成分系現像剤に含有させ、かつ耐久に伴い現像剤中に逆極性粒子を蓄積させることにより、トナーや後処理剤のキャリアへのスペント等によりキャリアの荷電性が低下しても、逆極性粒子もトナーを正規極性に荷電し得るため、キャリアの荷電性を有効に補うことができ、結果としてキャリアの劣化を抑制できる。
好適に使用される逆極性粒子はトナーの帯電極性によって適宜選択される。トナーとして負帯電性トナーを用いる場合、逆極性粒子としては、正帯電性を有する微粒子が用いられ、例えば、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、アルミナ等の無機微粒子やアクリル樹脂、ベンゾグァナミン樹脂、ナイロン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂で構成された微粒子を使用することができ、また樹脂中に正帯電性を付与する正荷電制御剤を含有させたり、含窒素モノマーの共重合体を構成するようにしてもよい。ここで、上記の正荷電制御剤としては、例えば、ニグロシン染料、四級アンモニウム塩等を使用することができ、また上記の含窒素モノマーとしては、アクリル酸2−ジメチルアミノエチル、アクリル酸2−ジエチルアミノエチル、メタクリル酸2−ジメチルアミノエチル、メタクリル酸2−ジエチルアミノエチル、ビニルピリジン、N−ビニルカルバゾール、ビニルイミダゾール等を使用することができる。
一方、正帯電性トナーを用いる場合、逆極性粒子としては、負帯電性を有する微粒子が用いられ、例えば、シリカ、酸化チタン等の無機微粒子に加え、フッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂等の熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂で構成された微粒子を使用することができ、また樹脂中に負帯電性を付与する負荷電制御剤を含有させたり、含フッ素アクリル系モノマーや含フッ素メタクリル系モノマーの共重合体を構成するようにしてもよい。ここで、上記の負荷電制御剤としては、例えば、サリチル酸系、ナフトール系のクロム錯体、アルミニウム錯体、鉄錯体、亜鉛錯体等を使用することができる。
また、逆極性粒子の帯電性および疎水性を制御するために、無機微粒子の表面をシランカップリング剤、チタンカップリング剤、シリコーンオイル等で表面処理するようにしてもよく、特に、無機微粒子に正帯電性を付与する場合には、アミノ基含有カップリング剤で表面処理することが好ましく、また負帯電性を付与する場合には、フッ素基含有カップリング剤で表面処理することが好ましい。
逆極性粒子の個数平均粒径は、100〜1000nmであることが好ましい。
トナーとしては、特に限定されず、一般に使用されている公知のトナーを使用することができ、バインダー樹脂中に着色剤や必要に応じて、荷電制御剤や離型剤等を含有させ、外添剤を処理させたものを使用できる。トナー粒径としてはこれに限定されるものではないが、3〜15μm程度が好ましい。
このようなトナーを製造するにあたっては、一般に使用されている公知の方法で製造することができ、例えば、粉砕法、乳化重合法、懸濁重合法等を用いて製造することができる。
トナーに使用するバインダー樹脂としては、これに限定されるものではないが、例えば、スチレン系樹脂(スチレンまたはスチレン置換体を含む単重合体または共重合体)やポリエステル樹脂、エポキシ系樹脂、塩化ビニル樹脂、フェノール樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。これらの樹脂単体もしくは複合体により、軟化温度が80〜160℃の範囲のものを、またガラス転移点が50〜75℃の範囲のものを用いることが好ましい。
また、着色剤としては、一般に使用されている公知のものを用いることができ、例えば、カーボンブラック、アニリンブラック、活性炭、マグネタイト、ベンジンイエロー、パーマネントイエロー、ナフトールイエロー、フタロシアニンブルー、ファーストスカイブルー、ウルトラマリンブルー、ローズベンガル、レーキーレッド等を用いることができ、一般に上記のバインダー樹脂100質量部に対して2〜20質量部の割合で用いることが好ましい。
また、上記の荷電制御剤としても、公知のものを用いることができ、正帯電性トナー用の荷電制御剤としては、例えばニグロシン系染料、4級アンモニウム塩系化合物、トリフェニルメタン系化合物、イミダゾール系化合物、ポリアミン樹脂などがある。負帯電性トナー用荷電制御剤としては、Cr、Co、Al、Fe等の金属含有アゾ系染料、サリチル酸金属化合物、アルキルサリチル酸金属化合物、カーリックスアレーン化合物などがある。荷電制御剤は一般に上記のバインダー樹脂100質量部に対して0.1〜10質量部の割合で用いることが好ましい。
また、上記の離型剤としても、一般に使用されている公知のものを用いることができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、カルナバワックス、サゾールワックス等を単独あるいは2種類以上組み合わせて使用することができ、一般に上記のバインダー樹脂100質量部に対して0.1〜10質量部の割合で用いることが好ましい。
また、上記の外添剤としても、一般に使用されている公知のものを用いることができ、流動性改善例えば、シリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム等の無機微粒子や、アクリル樹脂、スチレン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等の樹脂微粒子を使用することができ、特にシランカップリング剤やチタンカップリング剤やシリコーンオイル等で疎水化したものを用いるのが好ましい。そして、このような流動化剤を上記のトナー100質量部に対して0.1〜5質量部の割合で添加させて用いるようにする。外添剤の個数平均一次粒径は10〜100nmであることが好ましい。
キャリアとしては、特に限定されず、一般に使用されている公知のキャリアを使用することができ、バインダー型キャリアやコート型キャリアなどが使用できる。キャリア粒径としてはこれに限定されるものではないが、15〜100μmが好ましい。
バインダー型キャリアは、磁性体微粒子をバインダー樹脂中に分散させたものであり、キャリア表面に正または負帯電性の帯電性微粒子を固着させたり、表面コーティング層を設けることもできる。バインダー型キャリアの極性等の帯電特性は、バインダー樹脂の材質、帯電性微粒子、表面コーティング層の種類によって制御することができる。
バインダー型キャリアに用いられるバインダー樹脂としては、ポリスチレン系樹脂に代表されるビニル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ナイロン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂などの熱可塑性樹脂、フェノール樹脂等の硬化性樹脂が例示される。
バインダー型キャリアの磁性体微粒子としては、マグネタイト、ガンマ酸化鉄等のスピネルフェライト、鉄以外の金属(Mn、Ni、Mg、Cu等)を一種または二種以上含有するスピネルフェライト、バリウムフェライト等のマグネトプランバイト型フェライト、表面に酸化層を有する鉄や合金の粒子を用いることができる。その形状は粒状、球状、針状のいずれであってもよい。特に高磁化を要する場合には、鉄系の強磁性微粒子を用いることが好ましい。また、化学的な安定性を考慮すると、マグネタイト、ガンマ酸化鉄を含むスピネルフェライトやバリウムフェライト等のマグネトプランバイト型フェライトの強磁性微粒子を用いることが好ましい。強磁性微粒子の種類及び含有量を適宜選択することにより、所望の磁化を有する磁性樹脂キャリアを得ることができる。磁性体微粒子は磁性樹脂キャリア中に50〜90質量%の量で添加することが適当である。
バインダー型キャリアの表面コート材としては、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂等が用いられ、これらの樹脂を表面にコートし硬化させてコート層を形成することにより、帯電付与能力を向上させることができる。
バインダー型キャリアの表面への帯電性微粒子あるいは導電性微粒子の固着は、例えば、磁性樹脂キャリアと微粒子とを均一混合し、磁性樹脂キャリアの表面にこれら微粒子を付着させた後、機械的・熱的な衝撃力を与え、微粒子を磁性樹脂キャリア中に打ち込むようにして固定することにより行われる。この場合、微粒子は、磁性樹脂キャリア中に完全に埋設されるのではなく、その一部を磁性樹脂キャリア表面から突き出すようにして固定される。帯電性微粒子としては、有機、無機の絶縁性材料が用いられる。具体的には、有機系としては、ポリスチレン、スチレン系共重合物、アクリル樹脂、各種アクリル共重合物、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素樹脂およびこれらの架橋物などの有機絶縁性微粒子を用いることができ、帯電レベルおよび極性については、素材、重合触媒、表面処理等により、希望するレベルの帯電および極性を得ることができる。また、無機系としては、シリカ、二酸化チタン等の負帯電性の無機微粒子や、チタン酸ストロンチウム、アルミナ等の正帯電性の無機微粒子などが用いられる。
一方、コート型キャリアは磁性体からなるキャリアコア粒子に樹脂コートがなされてなるキャリアであり、コート型キャリアにおいてもバインダー型キャリア同様、キャリア表面に正または負帯電性の帯電性微粒子を固着させたりできる。コート型キャリアの極性等の帯電特性は、表面コーティング層の種類や帯電性微粒子により制御することができ、バインダー型キャリアと同様の材料を用いることができる。特にコート樹脂はバインダー型キャリアのバインダー樹脂と同様の樹脂が使用可能である。
トナーとキャリアの混合比は所望のトナー帯電量が得られるよう調整されれば良く、トナー比はトナーとキャリアとの合計量に対して3〜50質量%、好ましくは6〜30質量%が適している。
現像剤に含まれる逆極性粒子の量は、本発明の目的が達成される限り特に制限されず、例えば、キャリア100質量部に対して0.01〜5.00質量部、特に0.01〜2.00質量部が好ましい。
現像剤は、例えば、予めトナーに逆極性粒子を外添処理した後で、キャリアと混合することによって調製することができる。
図1に示すように、トナー供給用現像剤担持体11には電源Vb1、トナー担持体25には電源Vb2が接続されており、画像形成時には、電源Vb1と電源Vb2により形成される電界により、供給領域7の現像剤中のトナーがトナー担持体25に供給され、逆極性粒子はトナー供給用現像剤担持体11上に回収されるようになっている。また、現像領域8においては、接地されている像担持体1上の静電潜像を、トナー担持体25上のトナーにより電源Vb2による現像バイアスで形成される電界により、現像する。また、トナー回収用現像剤担持体26には電源Vb3が接続され、画像形成時、トナー回収領域9において、トナー担持体25とトナー回収用現像剤担持体26との間の電界により、現像後のトナー担持体25上のトナーを回収する。
トナー担持体25に印加される現像バイアスはトナーの帯電極性によって異なり、すなわち負帯電性トナーを用いる場合は、トナー供給用現像剤担持体11に印加される電圧の平均値よりも高い平均値となる電圧であり、正帯電性トナーを用いる場合は、トナー供給用現像剤担持体11に印加される電圧の平均値よりも低い平均値となる電圧である。負帯電又は正帯電のいずれのトナーを用いる場合でも、トナー担持体25に印加される平均電圧と現像剤担持体に印加される平均電圧との差は20〜500V、特に50〜300Vであることが好ましい。電位差が小さすぎると、トナー担持体25上のトナー量が少なく十分な画像濃度が得られない。一方、電位差が大きすぎると、トナー供給過多となり、無駄なトナー消費が増加する恐れがある。
現像装置2においては、さらに、トナー担持体25とトナー供給用現像剤担持体11との間に形成される電界(トナー供給電界)は、交流電界が形成されることが好ましい。このようなトナー供給電界は通常、トナー担持体25またはトナー供給用現像剤担持体11の一方、または両方に交流電圧を印加することで得られる。特に静電潜像をトナーで現像するためにトナー担持体25に交流電圧が印加される場合、トナー担持体25に印加される交流電圧を利用して、トナー供給電界を形成することが望ましい。交流電界が形成されることで、トナーが往復振動するため、トナーと逆極性粒子を有効に分離することができる。その際、2.5×106V/m以上5×106V/m以下の電界が形成されることが好ましい。2.5×106V/m以上の電界が形成されることで、電界によってもトナーから逆極性粒子を分離することが可能となり、より一層、トナーと逆極性粒子の分離性を向上させることが可能となる。また、5×106V/mを越えるとトナー担持体25とトナー供給用現像剤担持体11との間で放電が発生しやすくなり好ましくない。
例えば、トナーの帯電極性が正であり、トナー供給用現像剤担持体11には直流電圧と交流電圧が印加され、トナー担持体25には直流電圧のみが印加されるとき、トナー担持体25にはトナー供給用現像剤担持体11に印加される電圧(直流+交流)の平均値よりも低い直流電圧のみが印加される。また例えば、トナーの帯電極性が負であり、トナー供給用現像剤担持体11には直流電圧と交流電圧が印加され、トナー担持体25には直流電圧のみが印加されるとき、トナー担持体25には現像剤担持体に印加される電圧(直流+交流)の平均値よりも高い直流電圧のみが印加される。これらのとき、トナー供給電界の絶対値の最大値は、トナー供給用現像剤担持体11に印加される電圧(直流+交流)とトナー担持体25に印加される電圧(直流)との電位差の最大値を、トナー担持体25とトナー供給用現像剤担持体11との最近接部ギャップで除した値であり、当該値が上記範囲にあることが望ましい。
また例えば、トナーの帯電極性が正であり、トナー供給用現像剤担持体11には直流電圧のみが印加され、トナー担持体25には交流電界と直流電圧が印加されるとき、トナー担持体25にはトナー供給用現像剤担持体11に印加される直流電圧よりも低い平均電圧となるよう交流電界を重畳した直流電圧が印加される。また例えば、トナーの帯電極性が負であり、トナー供給用現像剤担持体11には直流電圧のみが印加され、トナー担持体25には交流電界と直流電圧が印加されるとき、トナー担持体25にはトナー供給用現像剤担持体11に印加される直流電圧よりも高い平均電圧となるよう交流電界を重畳した直流電圧が印加される。これらのとき、トナー供給電界の絶対値の最大値は、トナー供給用現像剤担持体11に印加される電圧(直流)とトナー担持体25に印加される電圧(直流+交流)との電位差の最大値を、トナー担持体25とトナー供給用現像剤担持体11との最近接部ギャップで除した値であり、当該値が上記範囲にあることが望ましい。
また例えば、トナーの帯電極性が正であり、トナー供給用現像剤担持体11およびトナー担持体25の双方に交流電圧が重畳された直流電圧を印加するとき、トナー担持体25にはトナー供給用現像剤担持体11に印加される電圧(直流+交流)の平均値より平均電圧が小さい電圧(直流+交流)が印加される。また例えば、トナーの帯電極性が負であり、トナー供給用現像剤担持体11およびトナー担持体25の双方に交流電圧が重畳された直流電圧を印加するとき、トナー担持体25にはトナー供給用現像剤担持体11に印加される電圧(直流+交流)の平均値より平均電圧が大きい電圧(直流+交流)が印加される。これらのとき、それぞれに印加される交流電圧成分の振幅や位相、周波数、デューティー比等の相違によって生じる、トナー供給用現像剤担持体11に印加される電圧(直流+交流)とトナー担持体25に印加される電圧(直流+交流)との電位差の最大値を、トナー担持体25とトナー供給用現像剤担持体11との最近接部ギャップで除した値が、トナー供給電界の絶対値の最大値となり、当該値が上記範囲とすることが望ましい。
現像剤槽16は、ケーシング19より形成されており、通常は内部に現像剤を混合・撹拌し、トナー供給用現像剤担持体11へ現像剤を供給する混合撹拌部材17、18を収納している。ケーシング19の混合撹拌部材18に対向する位置には、好ましくは、トナー濃度検出用のATDC(Automatic Toner Density Control)センサ20が配設されている。
現像装置2は通常、現像領域8で消費される分のトナーを現像剤槽16内に補給するための補給部21を有している。補給部21において、補給トナー23を収納した図示しないホッパから送られた補給トナー23が現像剤槽16内へ補給される。
補給トナー23としては逆極性粒子を外添処理されたトナーを用いることが望ましい。
逆極性粒子を外添されたトナーを用いることで、耐久によって徐々に劣化するキャリアの荷電性低下を有効に補助することが可能となる。補給トナー23における逆極性粒子の外添量はトナーに対して0.1〜10.0質量%、特に0.5〜5.0質量%が好ましい。
現像装置2は、トナー供給用現像剤担持体11上の現像剤量を規制するための現像剤薄層化用の規制部材15を有している。トナー供給用現像剤担持体11は、固定配置された磁石ローラ13と、これを内包する回転自在なスリーブローラ12とから構成され、トナー担持体25へとトナーを供給するためのトナー供給バイアスが電源Vb1により印加される。磁石ローラ13は、スリーブローラ12の回転方向Bに沿ってN1,S1,N2,N3,S2の5つの磁極を有する。これらの磁極のうち、主磁極N1は、トナー担持体25と対向するトナー供給領域7の位置に配されている。トナー回収用現像剤担持体26も同様に、固定配置された磁石ローラ28と、これを内包する回転自在なスリーブローラ27とから構成され、トナー担持体25上の現像残トナーを回収するための回収バイアスが電源Vb3により印加される。磁石ローラ28は、スリーブローラ27の回転方向Cに沿ってN4,S3,N5,S4,N6の5つの磁極を有する。これらの磁極のうち、主磁極S3は、トナー担持体25と対向するトナー回収領域9の位置に配されており、また、スリーブローラ27上の現像剤24を剥離するための反発磁界を発生させる同極部N6,N4は、現像剤槽16内部に対向した位置に配置されている。さらに、図1の現像装置2においてはトナー供給用現像剤担持体11上の現像剤をトナー回収用現像剤担持体26へと受け渡すために、S1、N4がトナー供給用現像剤担持体11とトナー回収用現像剤担持体26の対向部に配されている。トナー担持体25はトナー供給用現像剤担持体11、トナー回収用現像剤担持体26および像担持体1のそれぞれに対向するように配され、像担持体上の静電潜像を現像するための現像バイアスが電源Vb2によって印加されている。
トナー担持体25は上記電圧を印加可能な限りいかなる材料からなっていてよく、例えば、表面処理を施したアルミローラが挙げられる。そのほかアルミ等の導電性基体上に、例えば、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポルスルホン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等の樹脂コートやシリコーンゴム、ウレタンゴム、ニトリルゴム、天然ゴム、イソプレンゴム等のゴムコーティングを施したものを用いてもよい。コーティング材料としては、これに限定されるものではない。さらに上記コーティングのバルクもしくは表面に導電剤が添加されていてもよい。導電剤としては、電子導電剤もしくはイオン導電剤が挙げられる。電子導電剤として、ケッチンブラック、アセチレンブラック、ファーネスブラック等のカーボンブラックや、金属粉、金属酸化物の微粒子等が挙げられるが、これに制約されない。イオン導電剤として、四級アンモニウム塩等のカチオン性化合物や、両性化合物、その他イオン性高分子材料が挙げられるが、これにこだわらない。さらに、アルミ等の金属材料からなる導電性ローラであっても構わない。
図1に示す現像装置2においてその動作を詳しく説明する。
現像剤槽16内の現像剤24は、混合撹拌部材17、18の回転により混合撹拌され、摩擦帯電すると同時に現像剤槽16内で循環搬送され、トナー供給用現像剤担持体11表面のスリーブローラ12へと供給される。この現像剤24は、トナー供給用現像剤担持体11内部の磁石ローラ13の磁力によってスリーブローラ12の表面側に保持され、スリーブローラ12と共に回転移動して、トナー供給用現像剤担持体11に対向して設けられた規制部材15で通過量を規制される。その後、現像剤はトナー担持体25と対向するトナー供給領域7へと搬送される。
トナー供給領域7では磁石ローラ13の主磁極N1の磁力によって現像剤穂立ちが形成され、トナー担持体25に印加された現像バイアスとトナー供給用現像剤担持体11に印加されたトナー供給バイアスにより形成された電界がトナーに与える力により、現像剤中のトナーがトナー担持体25側へ供給され、同時に逆極性粒子がトナー供給用現像剤担持体11上の現像剤中へ回収される。
トナー担持体25に供給されたトナー層は、トナー担持体25の回転に伴って現像領域8へと搬送され、現像バイアスと像担持体1上の潜像電位とによって形成される電界により静電潜像が顕像へと現像される。現像方式は反転現像方式であってもよいし、または正規現像方式であってもよい。現像領域8でトナーを消費したトナー担持体25上の現像残トナー層は、さらにトナー回収用現像剤担持体26と対向するトナー回収領域9へと搬送される。
一方、トナー供給領域7においてトナー担持体25へトナーを供給し、逆極性粒子を回収した残りの現像剤はトナー回収用現像剤担持体26との対向部まで搬送され、トナー供給用現像剤担持体11の磁極S1とトナー回収用現像剤担持体26の磁極N4により形成される磁界によってトナー回収用現像剤担持体26へと受け渡される。
トナー回収用現像剤担持体26へと受け渡された現像剤は、トナー回収用現像剤担持体26のスリーブローラ27と共に回転移動して、トナー担持体25と対向するトナー回収領域9まで搬送される。
トナー回収領域9において、トナー担持体25上の現像残トナーは、トナー担持体25に印加された現像バイアスとトナー回収用現像剤担持体26に印加されたトナー回収バイアスとの形成する電界による静電気力および、トナー回収用現像剤担持体26の主磁極S3の磁力によって穂立ちした現像剤による機械的摺擦力によって、トナー担持体25からトナー回収用現像剤担持体26へと回収される。この際トナー回収用現像剤担持体26上の現像剤中の逆極性粒子には、トナーとは逆方向の静電気力が働くためトナー担持体25への移行が生じる。トナー回収用現像剤担持体26上に回収されたトナーを含む現像剤は現像剤槽16に向けて搬送され、磁石ローラ28の同極部N6,N4の反発磁界によってトナー回収用現像剤担持体26上から剥離され、現像剤槽16内へと回収される。補給部に設けられた不図示の補給制御部は、ATDCセンサ20の出力値から現像剤24中のトナー濃度が画像濃度確保のための最低トナー濃度以下になったことを検出すると、非図示のトナー補給手段によってホッパ内に貯蔵された補給トナー23がトナー補給部21を介して現像剤槽16内へ供給される。
図1では、トナー供給用現像剤担持体11とトナー回収用現像剤担持体26が対向して配置され、現像剤槽16からトナー供給用現像剤担持体11上に供給された現像剤をトナー供給用現像剤担持体11上で規制し、トナー供給用現像剤担持体11からトナー回収用現像剤担持体26へ受渡し、トナー回収用現像剤担持体26から分離して現像剤槽16へと戻すようにしているが、現像剤の流れはこれに限定されるものではない。例えば、トナー回収用現像剤担持体26から再度トナー供給用現像剤担持体11に現像剤を受渡した後にトナー供給用現像剤担持体11から現像剤槽16へと戻すようにしてもよい。
ここで、逆極性粒子の滞留について図2を用い、負帯電トナーを用いた場合で説明する。図2に示すようにトナー供給用現像剤担持体11とトナー回収用現像剤担持体26を備えたトナー供給回収機能分離型のハイブリッド現像方式では、トナー供給用現像剤担持体11には、トナー担持体25にトナーを供給するためにトナー担持体25に印加された交流電圧の平均値よりも低い直流電圧が印加され、トナー回収用現像剤担持体26には、トナー担持体25上の現像残トナーを回収するためにトナー担持体25に印加された交流電圧の平均値よりも高い直流電圧が印加される。
規制部材15により規制された現像剤は、トナー供給用現像剤担持体11の回転に伴いトナー供給領域7に搬送され、トナー供給領域7において形成される電界によって現像剤中の負帯電トナーには図中の黒実線で示した矢印の方向に静電気力が作用するため、トナー担持体25へのトナー供給が行われる。トナー担持体25に供給されたトナーはトナー担持体25の回転に伴い搬送され、現像領域8を通過後のトナー回収領域9まで搬送される。
一方、トナー供給を終えた現像剤は、トナー供給用現像剤担持体11の回転によってトナー回収用現像剤担持体26との対向領域へと搬送され、S1とN4の磁力によってトナー回収用現像剤担持体26へと受け渡され、トナー回収用現像剤担持体26の回転によってトナー回収領域9へと搬送される(図中の点線矢印が現像剤の流れ)。
トナー回収領域9においては、トナー供給領域7とは逆の電界が形成されているためにトナー担持体25上の現像残トナーは、黒矢印の方向の静電気力を受け、トナー回収用現像剤担持体26上の現像剤中に回収され、現像剤とともに現像剤槽16に回収される。このようにして、トナー回収領域9においてトナー担持体25上の現像履歴を受けたトナー層がリセットされるため現像履歴(画像メモリー)の発生しない高画質の画像を得ることが可能となる。
しかしながら、現像剤中の逆極性粒子は、トナーと逆極性に荷電しているため(ここでは正帯電)に、トナー供給領域7およびトナー回収領域9において、トナーとは逆方向の静電気力を受ける(図中の白抜きで示した矢印)。トナー供給領域7では逆極性粒子をトナー担持体25からトナー供給用現像剤担持体11側へ移動させる電界が作用するため、トナー供給と同時にトナーやトナー担持体25に付着していた逆極性粒子は現像剤中に回収される。そのため、トナー担持体25の回転によって現像領域8に搬送される逆極性粒子量を低減することが可能となり、現像領域8において像担持体1へと吐き出される逆極性粒子量を低減することが可能となる。トナー供給領域7で現像剤中に回収された逆極性粒子は現像剤の流れにともないトナー回収領域9まで搬送され、トナー回収領域9では逆にトナー担持体25側に供給される方向の静電気力が作用するためトナー担持体25に供給され、トナー担持体25の回転によって再びトナー供給領域7へと搬送される。
以上のことから、逆極性粒子はトナー担持体25、トナー供給用現像剤担持体11、トナー回収用現像剤担持体26とに囲まれた領域内を循環(滞留)することになる。そのために、現像剤槽16に逆極性粒子が十分に回収されず、キャリアの荷電性を補助する効果が低下するという問題が生じることが判った。
そこで、逆極性粒子の閉ループ循環(滞留)を断ち切り、滞留していた逆極性粒子を現像剤槽16に回収することができれば、逆極性粒子によるキャリア荷電補助効果も得られ、かつ、現像履歴(画像メモリー)の発生しない高画質の画像を安定に長期に渡って提供することが可能となる。
そのためには像担持体1上の潜像の現像に影響を与えないタイミング、即ち画像形成動作に影響を及ぼさない非画像形成時を利用することで、トナー担持体25、トナー供給用現像剤担持体11、トナー回収用現像剤担持体26に囲まれた領域内での逆極性粒子の閉ループ循環(滞留)を断ち切る制御(以降、滞留解除動作ともいう。)を行えばよい。
ここで、図3(a)に示すように非画像形成時とは、画像形成動作の前後や頁間(像間、紙間ともいう)を意味する。より詳細に説明するため、図3(a)の画像領域と非画像領域の切り替え時の部分のタイムスケールを拡大した図を図3(b)に示す。
像担持体1上に画像形成が開始されるタイミングは、露光位置において、露光装置4から像担持体1上に像露光が行われ、静電潜像が形成されて始まる。露光開始から露光終了までの期間を画像領域(T)として示している。
トナー担持体25上のトナー層で像担持体1上の静電潜像を現像する現像動作の開始タイミングは、画像信号ONの時点から、露光位置で形成された静電潜像が現像領域8まで回転するのに必要な時間(Tg)だけ遅れてからONとなり、現像動作が開始される。
また、トナー供給用現像剤担持体11のトナー担持体25へのトナー供給動作の開始タイミングは、トナー担持体25がトナー供給領域7から現像領域8まで回転するのに必要な時間(Tk)だけ早く開始する必要がある。
また、トナー回収用現像剤担持体26のトナー回収動作の開始タイミングは、トナー担持体25がトナー回収領域9からトナー供給領域7まで回転するのに要する時間(Tc)だけ、トナー回収動作開始より先立って行う必要がある。これは、トナー供給用現像剤担持体11が現像履歴のないトナー担持体25の表面にトナー供給するため、トナー供給動作に先立ってトナー担持体25上の現像履歴を解消するためである。
また、上記それぞれの開始タイミングに対応した終了タイミングは、開始から画像領域(T)の時間だけずれて終了することになる。
したがって、潜像の現像に影響を与えない、非画像形成時に行う滞留解除動作が適用可能なタイミング(斜線部)としては、これらの時間差を考慮すると図3(b)に示すように、トナー供給動作終了後からトナー回収動作開始時までの間に適用することができる。滞留解除動作を適用するタイミングとしては、特に限定されるものではなく、印刷1枚ごとに適用してもよいし、所定印刷枚数ごとに適用しても良い。また1回のジョブでの印刷枚数が所定枚数以下であればジョブ終了時に、1回のジョブでの印刷枚数が所定枚数以上であれば所定枚数ごとに行うなど、適宜適用することが可能である。
次に、滞留解除動作について詳細に説明する。
トナー担持体25、トナー供給用現像剤担持体11、トナー回収用現像剤担持体26に囲まれた領域の逆極性粒子量の増えた現像剤を現像剤槽16に回収するためには、逆極性粒子量の増えた現像剤を直接現像剤槽16に戻すことで可能となる。すなわち、トナー供給用現像剤担持体11上の現像剤をトナー回収用現像剤担持体26に受け渡さず、トナー供給用現像剤担持体11で現像剤槽16に向けて搬送し、磁石ローラ13の同極部N2,N3の反発磁界によってトナー回収用現像剤担持体26上から剥離し、現像剤槽16内へと回収すればよい。このときトナー供給用現像剤担持体11とトナー回収用現像剤担持体26間のギャップは、トナー供給用現像剤担持体11上の現像剤を通過させるため、トナー供給用現像剤担持体11と規制部材15とのギャップよりも広いことが望ましい。
また、トナー供給用現像剤担持体11上の現像剤をトナー供給用現像剤担持体11に保持した状態で、トナー供給用現像剤担持体11とトナー回収用現像剤担持体26との間を通過させるためには、トナー回収用現像剤担持体26の現像剤搬送力よりもトナー供給用現像剤担持体11の現像剤搬送力を大きくすれば良い。
具体的には図4(a)に示すように、トナー供給用現像剤担持体11の速度よりもトナー回収用現像剤担持体26の速度が遅くなるよう制御手段によりトナー回収用現像剤担持体駆動手段M3を制御することで、トナー供給用現像剤担持体11に搬送されてきた現像剤の一部をトナー回収用現像剤担持体26に受け渡さずに、直接トナー供給用現像剤担持体11から現像剤槽16に回収することが可能になる。これによって、トナー担持体25、トナー供給用現像剤担持体11、トナー回収用現像剤担持体26に囲まれた領域の逆極性粒子量の増えた現像剤は徐々に現像剤槽16へと回収され、逆極性粒子の滞留を解除することが可能となる。
また、逆極性粒子の滞留を解除する別の手段としては、図4(b)に示すように制御手段によりトナー回収用現像剤担持体駆動手段M3を制御し、トナー回収用現像剤担持体26を停止させることで、トナー回収用現像剤担持体26による現像剤搬送力をゼロにする(新たに搬送される現像剤量がなくなる)ことができ、トナー供給用現像剤担持体11によって逆極性粒子量の増えた現像剤をすばやく現像剤槽16に回収することが可能となる。
更に別手段として、図4(c)に示すように制御手段によってトナー回収用現像剤担持体駆動手段M3を制御し、トナー回収用現像剤担持体26の現像剤搬送方向を反転させることでも、トナー担持体25、トナー供給用現像剤担持体11、トナー回収用現像剤担持体26に囲まれた領域の逆極性粒子量の増えた現像剤を現像剤槽16戻し、逆極性粒子の滞留を解除することが可能となる。
この場合、トナー回収用現像剤担持体26上の現像剤もトナー供給用現像剤担持体11を介して現像剤槽16に戻すことが可能となり、より確実に逆極性粒子の滞留を解除することができる。
一方、トナー供給用現像剤担持体11からトナー回収用現像剤担持体26への現像剤受渡し能力を変えることによっても逆極性粒子の滞留を解除することも可能である。すなわち、図5に示すように制御手段によりトナー回収用現像剤担持体26内部の磁石ローラ駆動手段M4を制御し、トナー回収用現像剤担持体26内部の磁石ローラ28を一定角度回転させ、例えば同極部N4、N6がトナー供給用現像剤担持体11と対向する位置に配置する。このことでトナー供給用現像剤担持体11からトナー回収用現像剤担持体26への現像剤受渡し性が低下するため、トナー供給用現像剤担持体11上の現像剤が直接現像剤槽16に回収されるようになり、逆極性粒子の滞留を解除することが可能となる。
以上、図4および図5を用いて滞留解除動作の説明を行ったが、これらの動作は非画像形成時に行われるものであるため、トナー担持体25へのトナー供給またはトナー担持体25からのトナー回収は行われても良いし、行わなくても良い。さらに、トナー担持体25の回転駆動の有無についても同様の理由から、回転していても良いし、停止していても良い。
ここで、図2で説明したように、画像形成動作中に逆極性粒子にはトナー供給用現像剤担持体11への静電気力が作用している。このとき、前述のようにトナーおよびトナーに付着した逆極性粒子をなるべく現像剤中に回収するために、トナー担持体25とトナー供給用現像剤担持体11間には大きな振動電界が形成されている。そのため、大きな振動電界によって遊離した逆極性粒子は静電気力によってトナー供給用現像剤担持体11方向に引きつけられる。
このような条件下においては、現像剤中に回収された逆極性粒子の一部はその静電気力の作用により現像剤中からさらにトナー供給用現像剤担持体11表面へと移動するため、同極部N2、N3の反発磁界によりトナー供給用現像剤担持体11から現像剤が現像剤槽16に回収される際にトナー供給用現像剤担持体11上に残留することがある。
この現象はトナー供給用現像剤担持体11には電源Vb1によりトナー供給用現像剤バイアスが、トナー回収用現像剤担持体26には電源Vb3によりトナー回収用現像バイアスが印加されているため、逆極性粒子にトナー回収用現像剤担持体26からトナー供給用現像剤担持体11に向かう静電気力が作用しているために一層促進される。
そこで、図4および図5に示した滞留解消動作時に、トナー供給用現像剤担持体11とトナー回収用現像剤担持体26間の電界を逆極性粒子がトナー供給用現像剤担持体11方向に静電気力が作用しないように制御手段により電源Vb1および電源Vb3の電圧を制御することで、トナー供給用現像剤担持体11への逆極性粒子の残留を低減することが可能となる。
さらに、制御手段により電源Vb1と電源Vb3の電圧を制御することで、トナー供給用現像剤担持体11とトナー回収用現像剤担持体26間に振動電界が形成されるようにし、トナー供給用現像剤担持体11表面に付着した逆極性粒子を剥離して現像剤とともに現像剤槽16に回収することができる。よって、逆極性粒子によるキャリア荷電補助機能を十分に発揮させる可能となる。このとき振動電界の最大電界強度は、トナー供給電界と同様の電界であることが望ましい。
以上のことから明らかなように、非画像形成時に逆極性粒子滞留解除動作を行うことで、トナー担持体25とトナー供給用現像剤担持体11、トナー回収用現像剤担持体26間に不必要に滞留していた逆極性粒子を適宜、現像剤槽16に回収することができる。その結果、トナー回収用現像剤担持体26を設けることによる現像履歴(画像メモリー)の発生しない高画質な画像提供と、逆極性粒子によるキャリア荷電性補助によるトナー帯電量低下抑制による画像品質の安定化の効果を両立することが可能となり、長期にわたって高画質の画像を提供することできる。