JP5172182B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機等の画像形成装置に関し、特に、磁性キャリアと非磁性トナーとを有する２成分現像剤を用いて、現像ローラ上にトナーを保持させて静電潜像を現像するようにした現像装置を備えた画像形成装置に関するものである。

画像形成装置における現像方式には、トナーとキャリアを用いた２成分現像方式、キャリアを使用しない１成分現像方式があるが、２成分現像方式はキャリアによるトナーの帯電性に優れ、長寿命化が可能である反面、現像装置が大きく複雑になること、キャリアの耐久性によって画質が変化するなどの欠点がある。また非磁性１成分現像方式は、現像装置がコンパクトになり、またドット再現性にも優れているが、現像ローラ、補給ローラの耐久性が概して低く、定期的に現像装置を交換するため消耗品価格が高価になる。また、現像ローラへの現像可能な帯電特性を有したトナーの供給性が高速機には適しておらず、高速化には問題があった。

こうした双方の現像方式の特徴を生かし、トナーとキャリアを有する２成分現像剤を使用して十分に帯電したトナーを有する磁気ブラシで現像ローラ上にトナー層を形成し、現像ローラ上に保持されたトナーで感光体上に形成した静電潜像を非接触で現像するようにした所謂タッチダウン現像方式がある。特にこのタッチダウン現像方式は、高速の画像形成が可能な現像方式として、感光体上に複数のカラー画像を順次形成する１ドラム色重ね方式、複数の電子写真プロセス部材を並べて配置し、転写部材の送りに同期させてカラー画像を形成して転写部材上で色重ねを行うタンデム方式、複数の電子写真プロセス部材を中間転写部材に並べて配置し中間転写部材上で色重ねを行うタンデム方式用などの現像装置として、適用することができる。

このうちタンデム方式の画像形成装置の場合には、複数の電子写真プロセス部材を並べて配置するため、感光体に対して現像ローラや磁気ローラを横に配置すると電子写真プロセス部材そのものの幅が大きくなり、小型化の妨げになる。そのため、電子写真プロセス部材を構成する現像ローラや磁気ローラを感光体の上方または下方に配置して現像装置を縦型とし、小型化した画像形成装置が提案されている。

こういった技術に関する従来技術としては、特許文献１に磁気ローラを用いて現像剤をドナーローラ（現像ローラ）に進ませ、このドナーローラ上にトナーを移送させてトナー薄層を形成する現像装置が示されている。しかしながらこの方式では、トナーの帯電制御が複雑で、感光体に高い表面電位と大きな現像電界を印加することを必要としており、さらにドナーローラ上の未現像トナーをリフレッシュすることが困難で、ドナーローラ上にトナーの消費領域と非消費領域とが生じると、そのドナーローラ上におけるトナーの付着状態とトナーの電位差にばらつきが生じる関係から、前の現像画像の一部が次の現像時に残像（ゴースト）として現れる現象、いわゆる履歴現象が発生しやすいという不具合がある。

そのため例えば特許文献２、３には、内部に固定された磁極部材によりキャリアとトナーを有する２成分現像剤で形成した磁気ブラシを保持する磁気ローラと、この磁気ローラに保持された磁気ブラシによる摺擦でトナー薄層を形成する現像ローラと、この現像ローラと感光体との間に交流バイアスを形成する電源とを設け、この交流バイアスにより、現像ローラ上に形成されたトナー薄層から飛翔させたトナーで感光体上の潜像を現像して、カブリの発生を回避しつつ現像時の残像（ゴースト）の発生を防止するようにした現像装置が示されている。しかしながら、この方式では、現像ローラと感光体との間に形成される交流バイアスと、現像ローラと磁気ローラのそれぞれに印加される直流バイアスなどのバランスを取るためには精度の高い制御が要求される。

また特許文献４には、内部に固定された磁極部材によりキャリアとトナーを有する２成分現像剤で形成した磁気ブラシを保持する磁気ローラと、この磁気ローラに保持された磁気ブラシによる摺擦でトナー薄層を形成する現像ローラとを備え、この現像ローラに直流バイアスを重畳させた交流バイアスを印加するが、この交流バイアスのデューティ比を１０〜５０％に設定することにより、トナー引き戻しが行えるようになるとともに現像ローラから磁気ローラへの引き戻し（回収）が増大して現像ローラへのトナーの汚染を解消するようにした現像装置が示されている。しかしながら、この方式の現像装置においても、現像ローラに印加する交流バイアスと、現像ローラと磁気ローラのそれぞれに印加される直流バイアスなどのバランスを取るためには精度の高い制御が要求され、一層制御精度に余裕のある技術が望まれている。

また特許文献５には、１成分現像剤を用い、感光体に接触した現像ローラとその現像ローラに接触した供給ローラとを備えて、供給ローラでトナーを現像ローラに供給し、現像ローラ上で規制ブレードによって摩擦帯電させてトナーを薄層状態にして感光体上の潜像を現像する現像装置において、現像ローラに交流電圧を印加して、低濃度画像や細線画像が現像されにくい問題及びトナー帯電量の上昇により濃度ムラが生じる問題を防止するとともに、現像未消費のトナーを掻き落とし（回収し）やすくしている。しかし現像電界を形成する現像ローラの交流電圧を高くするとカブリが発生し、低いと現像未消費のトナーを掻き落とす効果が小さくなるという問題が発生するので、その問題を解決するため、供給ローラにも交流電圧を印加して、両者の交流電圧を同周波数で異なる位相とした現像装置が示されている。しかしながらこの方式では、現像ローラに感光体と供給ローラとが接触する１成分現像剤を用いた形式の現像装置であり、このような感光体と現像ローラが接触する形式の現像装置をタンデム型の画像形成装置に用いると、転写ベルトのトルク変動をきたしてタンデム型の弱点である色ズレを助長する恐れがある。

そこで、特許文献６には、内部に固定された磁極部材によりキャリアとトナーを有する２成分現像剤で形成した磁気ブラシを保持する磁気ローラと、この磁気ローラに保持された磁気ブラシによる摺擦でトナー薄層を形成する現像ローラと、この現像ローラに交流バイアスを形成する電源とを設け、さらにこの交流バイアスと同周波数、逆位相であり、かつデューティ比を逆転させた矩形波からなる交流バイアスを磁気ローラに形成する電源を設けている。このことにより、現像ローラの交流バイアスと磁気ローラの交流バイアスと電位差を大きくして、現像ローラへのトナー薄層を形成し易くし、現像ローラからのトナー回収をし易くしている。このようにしてタンデム型の画像形成装置に用いても感光体と現像ローラ間の電位差は文献２乃至４と同様に何も変化させずに、現像性を維持することができるように、現像ローラと感光体間及び現像ローラと磁気ローラ間に形成する各バイアスとのバランスを取っている。

しかしながら、近年の画像形成装置における印刷の高速化、さらに装置の小型化、一層の画像の高画質化に対応すべく、感光体の高速回転及び小径化、またトナー粒径の小径化が要望されている。感光体の小径化や高速回転及び現像ローラの小径化により現像領域を通過する時間が短くなると感光体への現像性を向上させるために、現像電界を増大させるか、現像ローラのトナー付着力を低減させなくてはならない。また現像ローラの小径化や高速回転及び磁気ローラの小径化によりトナー層形成領域を通過する時間が短くなると、現像ローラからトナーを回収する電界を強くしながら現像ローラへの付着力を低減させなくてはならない。さらにトナー粒径を小径化すると、やはり現像ローラ表面へのトナーの付着力が増大するのを抑制しながら、感光体と現像ローラ間に強い電界を形成して現像ローラから感光体に飛翔する力を大きくしなくてはならず、また現像ローラと磁気ローラ間では現像ローラから磁気ローラへトナーを回収する電界も強くしなければならない。しかしながら、現像ローラと磁気ローラに印加するバイアスは現像ローラと磁気ローラ間で合成バイアスとなるため、現像性、回収性を維持し、放電を抑制するために印加できるバイアスは位相、周期、波形などが制限されていまい、小型化、高速化の妨げとなっていた。具体的には、現像ローラ上のトナーは、磁気ブラシによって現像ローラに供給された後も現像ローラの回転に従って何度も磁気ブラシと接触し、その都度、磁気ブラシと現像ローラとの間に印加されている電界にさらされる。そのために高速化などによって、この現像ローラ側に供給される方向の電界を強くした場合には、現像ローラにトナーが強固に付着しやすくなり、現像ローラから感光体へ現像するときの妨げとなり、且つ現像ローラから磁気ローラへの回収も困難となるなど、現像ローラと感光体との間に形成するバイアスと現像ローラと磁気ローラとの間に形成するバイアスとをバランスさせる範囲が一層狭くなってくる。

このように、電界を強くすると現像ローラから放電が発生するが、また耐刷時における磁気ブラシの粗密の変化によっても放電が発生する。この放電現象を防ぐためには、現像ローラの表面に高い抵抗層を形成することが必要となる。高い抵抗層を形成するには、特許文献７に示すように、アルミニウムを材質とする現像ローラ表面にはアルマイト皮膜が施されているが、そのアルマイト皮膜は硫酸水溶液中で陽極酸化され、酢酸ニッケルで封孔処理して形成されている。アルマイト皮膜は、誘電率が高く外部印加電界またはトナーの作る電界に対して、その内側に電荷を励起し、トナー粒子を電気的に保持しやすくしてしまう傾向があり、トナー付着性が高く、現像ギャップのフレに対する画像濃度の変動を受けやすい。また酢酸ニッケルで封孔処理した表面には、封孔処理特有の粉吹きといわれる現象が現れる。その粉吹きの成分としては酢酸、アルミ、ニッケル等があるが、酢酸などのイオンにより現像ローラに対するトナーの付着性を増大させてしまうおそれがある。特に粉吹きが不均一に生じた場合には、そのむらに従って画像ムラが発生する。特にハイブリッド現像方式では、現像ローラに対するトナーの付着性は、感光体への現像性と現像ローラから磁気ブラシローラへのトナーの引き剥がし性(回収性)に影響しており、画質に影響を及ぼしやすい。

上述した特許文献では、感光体の高速回転及び小径化、またトナー粒径の小径化が要望される現像プロセスにおいて、現像ローラ上のトナーの付着性を良好にしながら、現像ローラと感光体との間に形成するバイアスと現像ローラと磁気ローラとの間に形成するバイアスとをバランスさせて、現像ローラへのトナー薄層の形成及び現像ローラからのトナー回収に対応させながら、感光体への現像性を向上させることが困難であった。
米国特許第３，９２９，０９８号公報（２欄１０行〜４３行） 特開２００３−２１９６１号公報（段落［００２６］、［００２７］、図２） 特開２００３−２１９６６号公報（段落［００３５］、図１） 特開２００３−２８０３５７号公報（段落［００２７］、図２） 特開２００１−１３４０５０号公報（段落［００２６］、［００４６］、図１） 特開２００５−２４２２８１号公報（段落［００１８］、図１） 特開２００３−３５９９２号公報（段落［００２１］）

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、現像ローラ上のトナーの付着性を良好にしながら、現像ローラと感光体との間に形成するバイアスと現像ローラと磁気ローラとの間に形成するバイアスとのバランスを容易に取ることができ、また現像ローラ上へのトナー薄層の形成及び現像ローラのトナーの回収を良好に行い、感光体への現像性を向上させ、画像ムラ等の画像不良を抑制する現像装置を備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、潜像を形成する感光体に対向配置し、第１のバイアスによって前記感光体上に形成された潜像を現像する現像ローラと、キャリアとトナーとを有する２成分現像剤で磁気ブラシを形成し、第２のバイアスよって前記現像ローラにトナー薄層を形成する磁気ローラとを備えた画像形成装置において、前記現像ローラは、基体がアルミニウムで形成され、該表面が酸水溶液中で陽極酸化処理し酢酸ニッケル溶液で封孔処理した後に酸洗浄してフッ素含有微粒子により表面処理され、前記トナー薄層の厚みをＴ、前記第１のバイアスにおける第１の交流バイアスのデューティ比をＤ１で表すとき、７μｍ≦Ｔ≦１３μｍであり、前記第１の交流バイアスは矩形波を形成し、デューティ比は前記現像ローラから前記感光体に向かう方向を正とした場合、３５％≦Ｄ１≦７０％の関係を満たすことを特徴としている。

この構成によると、現像ローラは、基体がアルミニウムで形成され、該表面が酸水溶液中で陽極酸化処理し酢酸ニッケル溶液で封孔処理した後に酸洗浄してフッ素含有微粒子により表面処理されていることにより、現像ローラ表面の抵抗が高くなり、またトナー付着性が低減する。またトナー薄層の厚みＴを７μｍ≦Ｔ≦１３μｍにすることにより、現像ローラから感光体にトナーを飛翔させて潜像を現像するときに、現像ローラ上に残留する未現像トナー量が低減する。また第１の交流バイアスのデューティ比Ｄ１が３５％≦Ｄ１≦７０％の関係を満たすことにより、感光体上に形成された潜像を現像する方向の現像電界を形成する時間を十分に得ることが出来る。

また、本発明は、上記の構成の画像形成装置において、前記第１の交流バイアスのデューティ比Ｄ１が４５％≦Ｄ１≦６０％の関係を満たすことを特徴としている。この構成によると、感光体上に形成された潜像を現像する現像時間が増加する。

また、本発明は、上記の構成の画像形成装置において、前記感光体の周速が１８０ｍｍ／ｓｅｃ以上であることを特徴としている。この構成によると、感光体への帯電、露光、現像及び除電等のプロセス時間が短くなる。

また、本発明は、上記の構成の画像形成装置において、前記第２のバイアスにおける磁気ローラから現像ロールにトナーが向かう方向を正とした場合の第２の交流バイアスのデューティ比をＤ２で表すとき、前記第１の交流バイアスと前記第２の交流バイアスとは、Ｄ１＞１００−Ｄ２の関係を満たすことを特徴としている。この構成によると、２成分現像剤によって磁気ローラ上に磁気ブラシが形成され、この磁気ブラシが現像ローラに接触し、磁気ローラと現像ローラ間に形成したデューティ比Ｄ２の交流バイアスにより現像ローラ上にトナー薄層が形成される。感光体上の潜像は、現像ローラと感光体間に形成されたデューティ比Ｄ１のバイアスにより、現像ローラ上のトナー薄層から感光体に飛翔したトナーで現像され、トナー像が形成される。

また、本発明は、上記の構成の画像形成装置において、前記トナーの体積平均粒子径をＤt、前記キャリアの重量平均粒子径をＤcで表すとき、４μｍ≦Ｄt≦７μｍであり、２５μｍ≦Ｄc≦４５μｍであることを特徴としている。この構成によると、前記トナー体積平均粒子径が４μm未満であると、付着力が強固過ぎるため、現像性及び現像ローラからのトナーの回収性において好ましくない。逆に、前記トナー体積平均粒子径が７μmを越えると、１ドットの再現性が困難となり、高画質を達成することが難しい。また、キャリアの重量平均粒子径Ｄcを２５μｍ≦Ｄc≦４５μｍの範囲に規定すると良い。小粒子径のトナーを用いるときには、キャリアの重量平均粒子径Ｄｃが４５μm以下であることにより、現像ローラ上のトナー薄層を密に形成することができて、より高画質なり、キャリアの重量平均粒子径Ｄｃが２５μm未満では、キャリア飛びが発生しやすくなり、好ましくはない。

また、本発明は、上記の構成の画像形成装置において、前記現像ローラは第１の電源のバイアスが印加され、前記磁気ローラに印加する前記第２のバイアスは、前記第１の電源のバイアスをベースに第２の電源のバイアスを重畳して印加していることを特徴としている。この構成によると、第１のバイアスに関わらず、現像ローラと磁気ローラ間の電位差が磁気ローラに印加する第２の電源の電圧に等しくなる。

本発明によると、現像ローラは、基体がアルミニウムで形成され、該表面が酸水溶液中で陽極酸化処理し酢酸ニッケル溶液で封孔処理した後に酸洗浄してフッ素含有微粒子により表面処理されているので、現像ローラにバイアスを印加すると現像ローラ表面の抵抗が高くなり、現像ローラ上のトナーが感光体に良好に飛翔して現像性が良くなり、またトナー付着性が低減されて、現像ローラから磁気ローラへのトナーの引き剥がし性(回収性)を良好にすることができる。また、トナー薄層の厚みＴを７μｍ≦Ｔ≦１３μｍにすることにより、潜像を現像するときの現像ローラ上に残留する未現像トナー量が低減するので、ゴースト現象及び画像ムラを抑制させることができる。また第１の交流バイアスのデューティ比Ｄ１が３５％≦Ｄ１≦７０％の関係を満たすことにより、感光体上に形成された潜像を現像する現像時間が増加するので、画像ムラを抑制させることができる。

また本発明によると、第１の交流バイアスのデューティ比Ｄ１が４５％≦Ｄ１≦６０％の関係を満たすため、感光体上に形成された潜像を現像する方向の現像電界を形成する時間を十分に得ることが出来るので、画像ムラを抑制させることができる。

また本発明によると、感光体の周速が１８０ｍｍ／ｓｅｃ以上であるので、感光体への帯電、露光、現像及び除電等のプロセス時間が短くなり、画像形成装置の印刷を高速にすることができる。

また本発明によると、現像に用いる第１の交流バイアスと現像ローラ上へのトナー薄層を形成する第２の交流バイアスとを、各デューティ比Ｄ１、Ｄ２をＤ１＞１００−Ｄ２の関係にすることにより、感光体と現像ローラ間のバイアス印加時間が長くなり、現像性が向上し、特に低階調画像の現像による画像ムラを抑制することができ、現像ローラと磁気ローラ間では、現像ローラ上へのトナー薄層の形成と現像ローラからのトナー回収をともに良好にして、現像性、トナー薄層の形成及び現像ローラからのトナー回収をバランスさせることができる。

また本発明によると、トナーの体積平均粒子径Ｄtを４μｍ≦Ｄt≦７μｍ、キャリアの重量平均粒子径Ｄcを２５μｍ≦Ｄc≦４５μｍにすることによって、１ドット再現性の向上、トナー薄層の均一化などを達成することができる。

また、本発明によると、第１のバイアスが現像ローラに印加する第１の電源により設定され、第２のバイアスが磁気ローラに印加する第２の電源により設定され、互いのバイアスに影響を及ぼすことがない。そのために、第１のバイアスによる感光体への現像性、第２のバイアスによる現像ローラへのトナー薄層形成及び現像ローラ上の残トナーの回収をバランスさせるのに、各バイアスのデューティ比及び周波数を互いに独立して設定しても、現像ローラと磁気ローラ間のバイアス印加時間が短くなったり、またその矩形波の波形が乱れたりして、未現像トナーの回収及びトナー薄層の形成が不具合になるということがない。

以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は、この実施形態に限定されない。本発明の実施形態は発明の最も好ましい形態を示すものであり、また発明の用途やここで示す用語等はこれに限定されるものではない。

図１は、本発明の画像形成装置２０の全体構成を示す概略図である。回転自在である感光体３ａ〜３ｄは、感光層を形成する感光材料としては、アモルファスシリコン感光体や有機感光体（ＯＰＣ感光体）が用いられ、ブラック（Ｂ）、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）及びマゼンタ（Ｍ）の各色に対応し、各感光体３ａ〜３ｄの周囲に、現像器１１ａ〜１１ｄ、光学露光器１２ａ〜１２ｄ、帯電器１３ａ〜１３ｄ及び除電器１４ａ〜１４ｄが配置される。現像器１１ａ〜１１ｄは現像ローラと各色のトナーの収容容器とを有する。露光ユニット１２は、パーソナルコンピュータ等から画像入力部（図示せず）に入力された原稿画像データに基づいて、光学露光器１２ａ〜１２ｄから感光体３ａ〜３ｄ上にレーザビームを照射する。

中間転写ベルト１７がテンションローラ６、駆動ローラ２５及び従動ローラ２７に張架されており、中間転写ベルト１７に接触するように各感光体３ａ〜３ｄが中間転写ベルト１７の搬送方向（図１中矢印方向）に沿って上流側から隣り合うように対向して配列されている。各１次転写ローラ２６ａ〜２６ｄは、中間転写ベルト１７を挟んで各感光体３ａ〜３ｄと対向して中間転写ベルト１７に接触するよう配置されている。また、２次転写ローラ２３は、中間転写ベルト１７を挟んで駆動ローラ２５と対向して中間転写ベルト１７に接触するよう配置されている。また、クリーニングローラ２４は、中間転写ベルト１７を挟んで従動ローラ２７と対向して中間転写ベルト１７に接触するよう配置されている。

また、中間転写ベルト１７は、基材である弾性ベルトと、その表面に設けられたフッ素樹脂層と、弾性ベルトを挟んでフッ素樹脂層と反対側に設けられた補強用樹脂層とを有し、この補強用樹脂層により弾性ベルトの伸縮による転写ずれを有効に防止している。これに限らず中間転写ベルト１７は、樹脂フィルム単層構造であってもよい。また、１次転写ローラ２６ａ〜２６ｄおよび２次転写ローラ２３は発泡ＥＰＤＭ等の導電性ゴムから形成されている。また、クリーニングローラ２４はローラの替わりにクリーニングブレードやクリーニングブラシ等を使用してもよい。

画像形成開始操作がされると、各感光体３ａ〜３ｄは図１中反時計周りに回転し、各帯電器１３ａ〜１３ｄが各感光体３ａ〜３ｄ表面を一様に帯電し、次いで各光学露光器１２ａ〜１２ｄが画像データに基づき各感光体３ａ〜３ｄ表面に光を照射し、各感光体３ａ〜３ｄ表面に静電潜像が形成される。次いで各現像器１１ａ〜１１ｄが有する現像ローラに印加された現像バイアス電圧により、各感光体３ａ〜３ｄ表面に形成された静電潜像に各色トナーが付着し、トナー像が形成される。

各感光体３ａ〜３ｄ表面に形成された各色のトナー像は、１次転写バイアス電位（トナーの帯電極性と逆極性）を印加された１次転写ローラ２６ａ〜２６ｄにより、図１中矢印方向に搬送されている中間転写ベルト１７に順次１次転写されて色重ねされ、中間転写ベルト１７上にフルカラーのトナー像が形成される。

用紙搬送部２２は、給紙カセット２１に積載された用紙Ｐを１枚ずつ繰り出し、搬送ローラ２２ａ、２２ｂ、レジストローラ２２ｃ、２２ｄが用紙Ｐを中間転写ベルト１７と２次転写ローラ２３の間に搬送する。そして、２次転写バイアス電位（トナーの帯電極性と逆極性）が印加された２次転写ローラ２３により、中間転写ベルト１７上に形成されたフルカラーのトナー像が用紙Ｐに２次転写される。

フルカラーのトナー像が転写された用紙Ｐは、定着器１８に搬送され、定着ローラにより加熱および加圧されてトナー像が用紙Ｐの表面に定着され、フルカラー画像が形成される。フルカラー画像が形成された用紙Ｐは、その後排出ローラ１９ａ、１９ｂによって装置本体外に排出される。

各感光体３ａ〜３ｄから中間転写ベルト１７に１次転写されずに残ったトナーがクリーニング装置によって除去されると共に、除電器１４ａ〜１４ｄが感光体３ａ〜３ｄ表面に残った電荷を除電する。また、中間転写ベルト１７から用紙Ｐに２次転写されずに残ったトナーは、クリーニングバイアス電位（トナーの帯電極性と逆極性）が印加されたクリーニングローラ２４により除去され、次の画像形成に備えられる。

図２は、上述の画像形成装置に用いられる現像装置の構成を示す側面断面図である。なお、以下の説明では、図１の感光体３ａと相対する現像器１１ａの構成及び動作について説明するが、現像器１１ｂ〜１１ｄの構成及び動作については同様であり説明を省略する。

現像器１１ａ内の第１、第２攪拌スクリュー３１ａ、３１ｂが図示しないトナーコンテナから供給されるトナーをキャリアと混合して撹拌することにより、トナーとキャリアを帯電させる。この帯電されたトナーとキャリアからなる現像剤によって磁気ローラ１上に磁気ブラシが形成され、この磁気ブラシが一定の層厚で現像ローラ２に接触し、磁気ローラ１と現像ローラ２間に形成されるバイアスにより現像ローラ２上にトナー薄層が形成される。現像ローラ２と感光体３間に形成されるバイアスにより現像ローラ２上のトナー薄層からトナーが感光体３に飛翔して、移送されたトナーが感光体３表面に形成された静電潜像に付着し、トナー像が形成される。現像ローラ２と感光体３間に形成されるバイアスを第１のバイアス、現像ローラ２と磁気ローラ１間に形成されるバイアスを第２のバイアスとする。

図３の現像装置の模式図を用いて現像装置を以下に詳しく説明する。

感光体３は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）感光体、有機感光体（ＯＰＣ）などを用いることができる。感光体３の感光材料としてａ−Ｓｉ感光体を用いた場合、その表面の露光後電位が２０Ｖ以下の非常に低いという特徴を有しているが、その膜厚を薄くすると飽和帯電電位が低下し、絶縁破壊に至る耐電圧が低下する。その一方で、潜像形成した時における感光体３の表面の電荷密度は向上し、現像性能は向上する傾向がある。この特性は、誘電率が約１０程度と高いａ−Ｓｉ感光体では、膜厚を２５μｍ以下、さらに好ましくは２０μｍ以下とした場合に特に顕著である。感光体３として正帯電の有機感光体（ＯＰＣ）を用いた場合、正帯電有機感光体（正ＯＰＣ）は、オゾンなどの発生が少なくて帯電が安定しており、特に単層構造の正帯電有機感光体は、長期にわたる使用によって膜厚が変化した場合においても感光特性に変化が少なく、画質も安定するため長寿命のシステムには好適である。そして、正帯電有機感光体を長寿命のシステムに用いる場合、残留電位を１００Ｖ以下にするため、感光層の膜厚を２５μｍ以上に設定し、電荷発生材料の添加量を増やすことが特に重要である。特に単層構造のＯＰＣは、感光層の中に電荷発生材を添加することから感光層の膜減りによっても感度変化が少なく、有利である。感光体３の周速を１８０ｍｍ／ｓｅｃ以上にすると、感光体３への帯電、露光、現像及び除電等のプロセス時間が短くなり、画像形成装置の印刷を高速にすることができるが、現像ローラ２上のトナー薄層６中のトナー５に作用する現像電界の印加時間が短くなり、より現像性を高める必要があり、現像ローラ２へのトナー５の付着力を低減させるか、現像電界を強める又は現像電界の印加時間を長くすることが重要となる。この対応は後述する。

トナー５は、選択現像性を回避するために粒度分布を規定することが重要である。一般的にトナー５の粒度分布の広がりはマルチサイザーIII（ベックマン・コールター社製）、アパチャー径１００μｍ（測定範囲２．０〜６０μｍ）で測定され、粒度分布の広がりは、その体積分布平均粒径と個数分布平均粒径の比でもって表現される。選択現像を防止するためにはその比率を小さくすることが重要である。分布が広いと、連続印刷時に現像ローラ２に比較的粒度の小さなトナー５が堆積し、現像性を低下させる。また、高画質化においてトナー体積平均粒子径を小さくすることが一般的によく知られており、トナー体積平均粒子径を小さくするとファンデルワールス力の影響が強くなるために、現像ローラ２への付着力が増し、トナー５をキャリア４から引き離す、或いは現像ローラ２表面から引き剥がすことが困難となることが知られている。そこで、トナー５の体積平均粒子径Ｄtを４μｍ≦Ｄt≦７μｍの範囲に規定すると良い。この範囲の下限に達しないと、付着力が強固過ぎるため、現像性及び現像ローラからのトナーの回収性において好ましくない。逆に、この範囲の上限を越えると、１ドットの再現性が困難となり、高画質を達成することが難しい。また、トナー５の個数粒度分布におけるＣＶ値を２５％以下に規定すると良い。この範囲超えると、粒子径の分布の広がりが大きく選択現像性が顕著になるため、好ましくない。個数粒度分布におけるＣＶ値は２２％以下であれば更に好ましい。

キャリア４としては、マグネタイトキャリア、Ｍｎ系フェライト、Ｍｎ−Ｍｇ系フェライト、Ｃｕ−Ｚｎ系、樹脂中に磁性体を分散した樹脂キャリアなどを用いることができ、適正な抵抗値を上げない範囲で表面処理して用いることも可能である。このキャリア４は、現像ローラ２上の現像残トナーの回収とその後のトナー供給の役割を有し、体積固有抵抗率が１０⁶Ωｃｍ〜１０¹⁴Ωｃｍの範囲のキャリア４であれば、現像ローラ２と磁気ローラ１間のニップで強固に静電的に付着したトナー５を磁気ブラシ１０で引き剥がし、現像に必要なトナー５を供給することができる。また、高画質化においてキャリア４の重量平均粒子径を小さくして、磁気ブラシ１０の密度を大きくし現像ローラ２上のトナー薄層６を低層厚・高密度とすることで、高画質となるが、キャリア４の重量平均粒子径を小さくすると、キャリア４の保持力が弱まるために、現像ローラ２と磁気ローラ１間のバイアスを大きくするとキャリア飛びが発生してしまう。そこでキャリア４の重量平均粒子径Ｄcを２５μｍ≦Ｄc≦４５μｍの範囲に規定すると良い。小粒子径のトナー５を用いるときには、キャリア４の重量平均粒子径Ｄｃが４５μm以下であることにより、現像ローラ２上のトナー薄層６を密に形成することができて、より高画質なり、キャリア４の重量平均粒子径Ｄｃが２５μm未満では、キャリア飛びが発生しやすくなり、好ましくはない。

現像ローラ２は、磁気ブラシ１０から供給されたトナー５によるトナー薄層６を担持して、トナー薄層６からトナー５を飛翔させて感光体３上の静電潜像を現像する。現像ローラ２の表面は、均一な導電性のアルミニウム、ＳＵＳ、導電樹脂被覆などからなるスリーブで構成する。現像ローラ２をアルミニウムで形成する場合には、その表面を酸水溶液中で陽極酸化処理し酢酸ニッケル溶液で封孔処理した後に酸（硫酸）洗浄してフッ素微粒子又は／及びフッ素含有微粒子により表面処理すると良い。こうすることによりトナー付着性を低減させることができるために、現像ローラ２からトナー５が飛翔しやすくなって現像性を向上させ、また現像ローラ２から磁気ローラ１へのトナーの引き剥がし性（回収性）を向上させることができる。そして現像ローラ２のシャフト部には、第１の電源７を接続している。回転する現像ローラ２と感光体３との間には第１の電源７の直流と交流を重畳したバイアスが作用するようにして、感光体３上の潜像に対する現像性を高める。

また現像ローラ２は、表面に樹脂コートを全面均一に塗布するとリークマージンを確保することができる。樹脂コートとしては、トナー５の離形性が良いフッ素樹脂やウレタン系樹脂を塗布することでより効果的であり、トナー５がプラス帯電性の場合は同極性であるウレタン系樹脂を使用することでより低い電圧で感光体３上に現像することが可能であり、膜厚２０μm以下の薄膜のアモルファスシリコン感光体ドラムを用いた場合でも、リークを抑制することができ、感光体ドラムの黒点などの不具合を抑制することができる。また、現像ローラ２表面層に存在する抵抗層は、トナー５と同極性の帯電性を持つことが好ましい。例えば、現像ローラ２表面にフッ素樹脂を塗布した場合、トナー５がプラス極性を有する場合には逆極性であるので静電的な付着力が発生してしまう。そこで、絶縁層である中間層にトナー５と同極性の材料を使用することにより、トナー５との結着性を低下させることができる。現像ローラ２表面の固有抵抗値ｐｖを１０⁵Ω・ｃｍ≦ｐｖ≦１０⁹Ω・ｃｍにすると良い。この範囲に規定することにより、現像ローラ２上のトナー５が感光体３に飛翔しやすく、現像性が向上し、また現像ローラ２から磁気ローラ１へのトナー５の引き剥がし性(回収性)を良好にする。また現像ローラ２表面の算術平均粗さＲａを０．４μｍ≦Ｒａ≦１．５μｍにすると良い。この範囲に規定することにより、現像ローラ２上へのトナー薄層６が密に形成され、画像ムラを抑制させることができ、またトナー５の現像ローラ２への付着性が低減するので、画像濃度の不良、ゴースト現象を抑制させることができる。算術表面粗さＲａが０．４μm未満では、デューティ比を低めに設定した場合、トナー薄層６が密に形成されず、画像ムラが発生するおそれがあり、逆に算術表面粗さＲａが１．５μｍより大きいとトナー５との付着性が強まり、画像濃度不良、ゴースト現象が発生するおそれがある。

磁気ローラ１は、非磁性金属材料で回転可能な円筒状に形成され、内部に複数の固定磁石が配設されて、その磁石によって現像剤に含まれるキャリア４による磁気ブラシ１０を発生させ、磁気ブラシ１０の層厚が規制ブレード９により規制されている。そしてそのシャフト部には、第１の電源７に加えて第２の電源８を接続している。現像ローラ２と磁気ローラ１との間に、現像ローラ２に接続した第１の電源７のバイアスとともに、磁気ローラ１に接続した第１の電源７と第２の電源８のバイアスが作用するようにして、現像ローラ２上へのトナー薄層６の形成及び現像ローラ２上の現像残トナーの磁気ローラ１への回収が行われる。トナー薄層６の厚みＴは７μｍ≦Ｔ≦１３μｍにすると良い。トナー薄層６の厚みＴをこの範囲に収めることにより、潜像を現像するときの現像ローラ２上に残留する未現像トナー量が低減するので、ゴースト現象及び画像ムラを抑制させることができる。

連続印刷での画像濃度を安定させるためには、定期的に現像ローラ２からトナー５を磁気ローラ１に回収し、現像ローラ２の表面をリフレッシュしても良い。これは、磁気ローラ１を現像ローラ２に対して１倍超２倍以下の速度に設定すると、現像ローラ２上の現像残トナーは、磁気ローラ１上に形成された磁気ブラシ１０が現像ローラ２上のトナー薄層６に接触することで、磁気ローラ１及び現像ローラ２の周速差で生じるブラシ効果で回収され、回収されたトナー５が攪拌スクリュー３１ａで撹拌されて、トナー５の入れ替えが促進される。この時、磁気ブラシ１０の幅が、現像ローラ２上のトナー５を回収する幅であるために、現像ローラ２の幅を磁気ブラシ１０の幅より短くすることにより、確実にトナー５の未回収領域をなくすことができる。そうすることにより、磁気ブラシ１０領域外の現像ローラ２のスリーブに付着するトナー５がなくなり、現像ローラ２の両端部のトナー飛散をなくすことができる。

現像ローラ２と磁気ローラ１に印加するバイアスについて、図３及び図４を用いて説明する。図４（ａ）は、第１の電源７から印加するバイアス波形であり、図４（ｂ）は第２の電源８から印加するバイアス波形を示す図である。

第１の電源７は、直流電源７ａと交流電源７ｂを備え、直流電源７ａの電圧がＶ_dc1であり、交流電源７ｂのバイアスが図４（ａ）に示すように電圧Ｖ _ac1で、（ａ１／（ａ１＋ａ２））×１００（以下、「ａ％」と記すことがある）のデューティ比の矩形波である。

第２の電源８は、直流電源８ａと交流電源８ｂを備え、直流電源８ａの電圧がＶ_dc2であり、交流電源８ｂのバイアスが図４（ｂ）に示すように電圧Ｖ _ac2で、（ｂ１／（ｂ１＋ｂ２））×１００（以下、「ｂ％」と記すことがある）のデューティ比の矩形波である。交流電源８ｂのバイアスは、第１の電源７の交流電源７ｂとは同周波数、逆位相であり、交流電源７ｂよりデューティ比が大きい。

図３に示す現像ローラ２は、第１の電源７の直流電源７ａに交流電源７ｂを重畳したバイアスが印加される。磁気ローラ１は、第１の電源７のバイアスに、第２の電源８の直流電源８ａと交流電源８ｂのバイアスが重畳して印加される。これにより現像ローラ２と感光体３間及び現像ローラ２と磁気ローラ１間には、図５に示す各第１及び第２のバイアスによる電界が形成される。

図５（ａ）は現像ローラ２と感光体３間に形成される第１のバイアスを示し、図５（ｂ）は現像ローラ２と磁気ローラ１間に形成される第２のバイアスを示す。

図５（ａ）に示す第１のバイアスは、その第１の直流バイアスの電圧Ｖｄｓが第１の電源７における直流電源７ａの電圧Ｖ_dc1となり、第１の交流バイアスの電圧Ｖｐｐが第１の電源７における交流電源の電圧Ｖ_ac1であり、そのデューティ比Ｄ１が（ａ１／（ａ１＋ａ２））×１００であり、交流電源７ｂのバイアスのデューティ比に等しくなる。

図５（ｂ）に示す第２のバイアスは、現像ローラ２に印加したバイアスと磁気ローラ１に印加したバイアスの差分である。つまり第２の直流バイアスの電圧Ｖｍａｇ_dcが第２の電源８における直流電源７ｂの電圧Ｖ_dc2であり、第２の交流バイアスの電圧Ｖｐｐが第２の電源８における交流電源の電圧Ｖ_ac2であり、そのデューティ比Ｄ２が（ｂ１／（ｂ１＋ｂ２））×１００であり、交流電源８ｂのバイアスのデューティ比に等しくなる。第１の交流バイアスと第２の交流バイアスとのデューティ比Ｄ１、Ｄ２の関係はＤ１＞１００−Ｄ２となる。

次に、本発明の現像装置の動作について図３及び図５を用いて説明する。図３に示した帯電されたトナー５とキャリア４からなる現像剤によって磁気ローラ１上に磁気ブラシ１０を形成し、磁気ブラシ１０は規制ブレード９によって層規制され、図５（ｂ）に示す第２の直流バイアスＶｍａｇ_dcと第２の交流バイアスＶｐｐ、デューティ比（ｂ１／（ｂ１＋ｂ２））×１００が印加されて、現像ローラ２にトナー５のみの薄層６を形成する。

次に、露光されて感光体３上に形成された潜像は、図５（ａ）に示す第１の直流バイアスＶｄｓと第１の交流バイアスＶｐｐ、デューティ比（ａ１／（ａ１＋ａ２））×１００が印加されて、感光体３へトナー５が飛翔して現像され、トナー像が感光体３上に形成される。このとき第１の交流バイアスは現像の直前に印加すると、トナー５が現像ローラ２の両端部から飛散することを防ぐことができる。そして、感光体３のトナー像が中間転写ベルトに１次転写され、中間転写ベルトに搬送された用紙にトナー像が２次転写されて、定着装置で定着されて排紙される。

その後、図５（ｂ）に示す第２の直流バイアスＶｍａｇ_dcと第２の交流バイアスＶｐｐ、デューティ比（ｂ１／（ｂ１＋ｂ２））×１００により現像ローラ２上の現像残トナーを剥ぎ取って磁気ローラ１に回収する。

現像ローラ２には第１の電源７のバイアスを印加して、磁気ローラ１には第１の電源７のバイアスに第２の電源８のバイアスを重畳して印加しているために、現像ローラ２と磁気ローラ１間に形成される合成バイアス波形が第２の電源８のバイアスに等しくなり、現像ローラ２に印加する第１の電源８のバイアスによる影響を受けることがない。また現像ローラ２と感光体３間に形成される第１のバイアスも第２の電源８のバイアスによる影響を受けることなく、第１の電源７のバイアスのみで制御することになり、第１及び第２のバイアスは、互いに独立させて各バイアスの電圧とデューティ比を設定することができる。このために、現像ローラ２と感光体３間のバイアス電圧とともにデューティ比Ｄ１を大きく設定して現像性を向上させ、また現像ローラ２へのトナー薄層６の形成及び現像ローラ２からのトナー回収を良好に維持するように、現像ローラ２と磁気ローラ１間のバイアス電圧及びデューティ比を設定することができ、現像ローラ２と感光体３間及び現像ローラ２と磁気ローラ１間とのバイアスのバランスを容易に取ることができる。

現像ローラ２と感光体３間における第１の交流バイアスのデューティ比Ｄ１を３５％≦Ｄ１≦７５％とすることで、現像する方向の現像電界を形成する時間を十分に得ることが出来、現像性が向上させることができる。デューティ比Ｄ１が３５％未満であると、感光体３の周速が１８０ｍｍ／ｓｅｃ以上で、トナー体積平均粒子径が７．０μm以下の場合、現像性が不十分になり、十分な画像濃度を得ることが困難になり、また画像ムラが発生する恐れがある。逆にデューティ比Ｄ１が７５％を超えると、感光体３上の静電潜像の非露光部（白紙部）にもトナー５が付着して、画像カブリが発生する恐れがある。また、デューティ比Ｄ１を上記のように規定して現像性が向上すると、小粒径トナーを用いることが可能になり、より高画質を達成することができ、また現像ローラ２から剥ぎ取るトナー量が減少し、更に現像ローラ２へのトナー付着性が低減しているために、電気的な剥ぎ取り力を低減させることができる。また飽和磁化が小さく小粒径のキャリア４を用いても、キャリア飛びが発生せず、剥ぎ取りが可能となる。また、小粒径トナーと小粒径キャリアを用いることで現像ローラ２上のトナー薄層６も均一となり一層高画質な画像を得ることができ、また画像ムラを抑制することができる。

ここまでの実施形態では、現像ローラ２と感光体３間及び現像ローラ２と磁気ローラ１間の第１及び第２の交流バイアスの周波数を等しくしていたが、これに替えて、第１の交流バイアスの周波数ｆ１と第２の交流バイアスの周波数ｆ２とにおける関係を、ｆ２＞ｆ１にすると、現像ローラ２へのトナー薄層６の形成を安定させることができ、またキャリア引きを抑制することができ、この範囲を超えると現像ローラ２上のトナー薄層６が減少する恐れがある。

これまで述べた実施形態において、画像形成装置を下記に示す試験条件に設定して、現像ローラ２と感光体３間の第１のバイアスにおけるデューティ比Ｄ１と周波数ｆ１を変化させて画像性能を評価した。

感光体３はアモルファスシリコンドラムを用いその外径が３０ｍｍ、現像ローラ２の外径が２０ｍｍ及び磁気ローラ１の外径が２５ｍｍにして、それらの周速については感光体３が３００ｍｍ／ｓｅｃ、現像ローラ２が４５０ｍｍ／ｓｅｃ及び磁気ローラ１が６７５ｍｍ／ｓｅｃである。現像ローラ２表面には、硫酸水溶液中で陽極酸化して酢酸ニッケルで封孔処理した後に、酸（硫酸）洗浄しフッ素微粒子処理（トップカチラス(奥野製薬社製)）した。現像ローラ２と磁気ローラ１間のギャップが３５０μmであり、現像ローラ２と磁気ローラ１間では、第２の交流バイアスの電圧Ｖｐｐが１．８ｋＶ、周波数ｆ２が４ｋＨｚ、デューティ比Ｄ２が７０％及び直流バイアスＶｍａｇ_dcを１００〜３００Ｖの間で変えた。感光体３の暗電位は３５０Ｖ、その明電位は２０Ｖに設定した。

現像ローラ２と感光体３間では、第１の交流バイアスのデューティ比Ｄ１を３０％、４０％及び５０％と変化させて、画像濃度と画像ムラの性能を評価した。なお、デューティ比Ｄ１を変化させる場合に第１の交流バイアスの最大交流バイアスＶｐｐ_(max)と最小交流バイアスＶｐｐ_(mIN)を維持させたままでもよいが、第１の交流バイアスのデューティ比Ｄ１を大きくしていくと、Ｖｐｐ_(mIN)の印加時間が短くなり非画像部のカブリが悪化する場合があるため、非画像部のカブリが一定になるようにデューティ比Ｄ１を変化させるにしたがって最大交流バイアスＶｐｐ_(max)を一定に維持しながら、最小交流バイアスＶｐｐ_(mIN)を可変させてもよい。

デューティ比Ｄ１の変化に伴う画像濃度の変化を図６に示し、デューティ比Ｄ１の変化に伴う画像ムラの変化を図７に示す。図６は、横軸が直流バイアスＶｍａｇ_dc、縦軸が５０％網点面積率（６００ｄｐｉ）のハーフトーン画像における画像濃度Ｉ．Ｄを示す。画像濃度Ｉ．Ｄは、ベタ画像をポータブル反射濃度計ＲＤ−１９（サカタインクスエンジニアリング社製）で測定した反射濃度を示している。図７は、横軸が直流バイアスＶｍａｇ_dc、縦軸が２５％網点面積率（６００ｄｐｉ）のハーフトーン画像における画像ムラを示している。画像ムラＡは、Ａ＝σ_D／Ｄａにより算出した。算出の方法は、２５％網点面積率（６００ｄｐｉ）のハーフトーン画像を、カラースキャナＥＳ８５００（セイコーエプソン社製）を用いて３０００ｄｐｉで取り込み、Ｄｏｔ Ａｎａｌｙｚｅｒ ＤＡ−６０００（王子計測機器社製）を用いて輝度を測定した。測定した輝度Ｐｉを式Ｄｉ＝Ｌｏｇ[（Ｐｍａｘ−Ｐｉ）/Ｐｍｉｎ]により画像濃度に換算して、［数１］で画像上での画像濃度の平均値を算出し、［数２］で画像濃度の平均値に対する偏差を算出して、Ａ＝σ_D／Ｄａを画像ムラ評価指数として評価した。なお、なおＰｍａｘはベタ画像の輝度を示し、Ｐｍｉｎは白紙の輝度示す。

図６に示す結果では、直流バイアスＶｍａｇ_dcを大きくすると現像ローラ２上のトナー薄層厚が厚くなっていくが、低トナー層厚でもデューティ比Ｄ１を３０％、４０％及び５０％と可変させることでトナー層厚に関わらず画像濃度Ｉ．Ｄがほぼ一定であることを示している。図７に示す結果では、デューティ比Ｄ１を大きくすると画像ムラが向上し、デューティ比Ｄ１が４０％及び５０％では、直流バイアスＶｍａｇ_dcの値に係らず、顕著に向上している。これは、Ｖｍａｇ_dcを大きくし現像ローラ２上に形成されるトナー薄層を厚くすることで画像ムラを低減することができるが、同時にトナー薄層が厚くなっていることにより磁気ローラ１による現像ローラ２上のトナーの回収が困難となるのに対し、Ｖｍａｇ_dcを小さしトナー薄層を薄くすることで画像ムラが低減でき且つ、更に図６に示す結果と合わせて画像濃度Ｉ．Ｄを維持することが出来る。更に従来の方法ではデューティ比Ｄ１を大きくすると磁気ローラ１への回収性が低下していたが、デューティ比Ｄ１が磁気ローラ１への回収性に影響を及ぼさないため、ゴースト現象やトナー帯電の上昇による画像濃度不良も低減できることを示している。すなわち、第１の交流バイアスのデューティ比Ｄ１を大きくすると画像濃度Ｉ．Ｄを維持しつつ画像ムラを抑制することができることを示し、第２の交流バイアスのデューティ比Ｄ２の７０％に対して第１の交流バイアスのデューティ比Ｄ１が４０％及び５０％、つまりＤ１＞１００−Ｄ２の関係を満たすことにより、ゴースト現象やトナー帯電の上昇による画像濃度不良も低減できることを示している。

次の評価では、現像ローラ２と感光体３間で第１の交流バイアスの周波数ｆ１を３ｋＨｚ、４ｋＨｚ及び５ｋＨｚと変化させて、画像濃度と画像ムラの性能を評価した。試験条件は上記のデューティ比Ｄ１の変化に伴う評価と同じある。第１の交流バイアスにおける周波数ｆ１の変化に伴う画像濃度の変化を図８に示し、周波数ｆ１の変化に伴う画像ムラの変化を図９に示す。グラフの座標軸は図６及び図７と同じである。

図８に示す結果では、周波数ｆ１を５ｋＨｚ、４ｋＨｚ及び３ｋＨｚと小さくしていくと各バイアスＶｍａｇ_dcにおいて画像濃度Ｉ．Ｄが高くなることを示している。図９示す測定結果では、周波数ｆ１を５ｋＨｚ、４ｋＨｚ及び３ｋＨｚと小さくしていくと各バイアスＶｍａｇ_dcにおいて画像ムラが向上することを示している。

次の評価では、現像ローラ２と磁気ローラ１間で第２の交流バイアスの周波数ｆ２を３ｋＨｚ、４ｋＨｚ及び５ｋＨｚと変化させて、キャリア引きを評価した。試験条件は、第１の交流バイアスの電圧Ｖｐｐが１．６ｋＶ、周波数ｆ１が３ｋＨｚ、デューティ比Ｄ１が４０％であり、直流バイアスＶｍａｇ_dcを３５０〜５００Ｖの間で変えた。他の試験条件は、上記のデューティ比Ｄ１の変化に伴う評価と同じある。

評価結果を表１に示す。キャリア引きは、現像ローラ２にトナー薄層６を形成するときに、現像ローラ２上に付着して残るキュリアを磁石で採取しその重量を測定した。○は現像ローラ２上に残るキャリア４が３０ｍｇ未満、△は同じくキャリア４が３０ｍｇ以上で５０ｍｇ未満及び×が同じく５０ｍｇ以上を示す。

表１に示す結果から、直流バイアスＶｍａｇ_dcを小さくするとキャリア引きが良好になり、また周波数ｆ２を大きくしてもキャリア引きが良好になり、特に直流バイアスＶｍａｇ_dcが３５０Ｖから４００Ｖであると、周波数ｆ２を４ｋＨｚ及び５ｋＨｚと、第１の交流バイアスの周波数ｆ１より大きくするとキャリア引きが良好になる。

次の評価では、現像ローラ２にアルマイト処理を施し、その現像ローラ２を組み込んだ画像形成装置を用いて画像ムラを評価した。試験条件については、感光体３はアモルファスシリコンドラムを用い、感光体径が３０ｍｍ、現像ローラ径が２０ｍｍ、磁気ローラ径が２５ｍｍであり、各周速は、感光体３が３００ｍｍ／ｓｅｃ、現像ローラ２が４５０ｍｍ／ｓｅｃ及び磁気ローラ１が６７５ｍｍ／ｓｅｃであり、現像ローラ２と磁気ローラ１間のギャップが３５０μｍである。現像ローラ２と感光体３間では、第１のバイアスにおける第１の交流バイアスの電圧Ｖｐｐが１．６ｋＶ、周波数ｆ１が２．７ｋＨｚ、デューティ比Ｄ１が３５％であり、第１の直流バイアスの電圧Ｖｄｓを１７５〜３２５Ｖで変化させた。現像ローラ２と磁気ローラ１間では、第２のバイアスにおける第２の直流バイアスＶｍａｇ_dcが３００Ｖであり、第２の交流バイアスを第１の交流バイアスと同周期で逆位相であり、その電圧Ｖｐｐが１．６ｋＶ、周波数ｆ２が２．７ｋＨｚ及びデューティ比Ｄ２が６５％である。トナー５は体積平均粒子径が７．０μm、個数分布のＣＶ値が２４％であり、キャリア４の重量平均粒子径を５０μm、飽和磁化が８０ｅｍｕ／ｇのものを用いた。

現像ローラ２表面のアルマイト処理とその後の表面処理は、表２に示すように３通り行い、各処理の違いによる画像ムラの評価結果を図１０に示す。図１０は、横軸が第１の直流バイアスＶｄｓ、横軸が画像ムラＡを示し、画像ムラＡの定義は上記の図７のものと同じである。

図１０に示す結果では、第１の直流バイアスＶｄｓを下げるほど画像ムラが悪化しているが、これは現像ローラ２から剥離できないトナー５が増加していることによる。また、処理１に比べ処理２のように酸洗浄を施し、さらに処理３のように酸洗浄後フッ素微粒子処理を施すと、現像ローラ２へのトナー付着性が改善され、画像ムラが改善している。

次の評価では、表３に示すようにデューティ比Ｄ１、デューティ比Ｄ２及びトナー薄層６の厚みを変化させて、画像性能を評価した。試験条件については、感光体３はアモルファスシリコンドラムを用い、感光体径は３０ｍｍ、現像ローラ径は２０ｍｍ、磁気ローラ径は２５ｍｍで、各周速は、感光体３が３００ｍｍ／ｓｅｃ、現像ローラ２が４５０ｍｍ／ｓｅｃ及び磁気ローラ１が６７５ｍｍ／ｓｅｃであり、現像ローラ２と磁気ローラ１間のギャップは３５０μｍである。実施例１において、現像ローラ２と感光体３間の第１のバイアスは、第１の直流バイアスの電圧Ｖｄｓが３００Ｖ、第１の交流バイアスの電圧Ｖｐｐが１．６ｋＶ、周波数ｆ１が２．７ｋＨｚ、デューティ比Ｄ１が３５％である。現像ローラ２と磁気ローラ１間の第２のバイアスは、第２の直流バイアスＶｍａｇ_dcが４００Ｖ、第２の交流バイアスが第１の交流バイアスと同周期で逆位相の電圧Ｖｐｐが２．８ｋＶ、周波数ｆ２が２．７ｋＨｚ、デューティ比Ｄ２が７０％である。トナー５は体積平均粒子径が６．５μｍ、個数分布のＣＶ値が２５％以下であり、キャリア４の重量平均粒子径は４５μｍ、飽和磁化が６５ｅｍｕ／ｇのものを用いた。なお、トナー薄層６の厚さは、トナー薄層６が形成された現像ローラ径とトナー薄層６が形成されていない現像ローラ径をＬＡＳＥＲ ＳＣＡＮ ＤＩＡＭＥＴＥＲ ＬＳ−３１００（キーエンス社製）を用いて測定することにより算出した。なお、実施例２〜６、比較例１、２において、デューティ比Ｄ１はＶｐｐ_(max)が実施例１と等しくなるようにＶｐｐ及びＶｄｃを適宜変更し、デューティ比Ｄ２はＶｐｐ_(mIN)が実施例１と等しくなるようにＶｐｐ及びＶｄｃを適宜変更したバイアスを印加した。また実施例７、８は実施例３、１のデューティ比Ｄ２のＶｐｐ_(max)を適宜変更してトナー層厚を調整した。

トナー薄層厚の変化に伴う画像性能の評価結果を表３に示す。表３の画像濃度ＩＤでは○は画像濃度ＩＤが１．３以上、×は１．３未満を示し、画像ムラの◎は画像ムラ評価係数が０．１３未満、○が０．１３以上で０．１５未満、△が０．１５以上で０．１６５未満、×が０．１６５以上を示す。ゴースト現象については、ゴースト現象評価画像を試験機から出力し、出力した画像を目視で評価した。○はゴースト現象がない、△はゴースト現象が僅かにある、×はゴースト現象が明らかにある、を示す。画像カブリについては、各現像条件において出力された画像のベタ部と白紙部をポータブル反射濃度計ＲＤ−１９（サカタインクスエンジニアリング社製）を用いて測定し、○は０．００５以下であり、×は０．００５を超えることを示す。

表３に示す結果から、比較例１では画像ムラが非常に大きく発生したが、実施例７では画像濃度が僅かに低く、またゴースト現象が僅かに発生し、実施例８では画像ムラが僅かに発生したが、その他の実施例では、画像濃度、画像ムラ、ゴースト現象及び画像カブリがすべて良好な画像性能であった。

次の評価では、トナー５の粒子径及び個数粒度分布、キャリア４の粒子径を変化させて画像性能を評価した。試験条件については、感光体径が３０ｍｍ、現像ローラ径が２０ｍｍ、磁気ローラ径が２５ｍｍ及び回収ローラ径が１０ｍｍであり、各周速は、感光体３が３００ｍｍ／ｓｅｃ、現像ローラ２が４５０ｍｍ/ｓｅｃ（現像ローラ周速／ドラム周速＝１．５）、磁気ローラ１が６７５ｍｍ/ｓｅｃ（磁気ローラ周速／現像ローラ周速＝１．５）及び回収ローラが３０ｍｍ/ｓｅｃであり、磁気ローラ１と現像ローラ２間距離が３５０μｍ、回収ローラと現像ローラ２間距離が１０００μｍ及び回収ローラと磁気ローラ１間距離が２５０μｍである。現像ローラ２と感光体３間の第１のバイアスは、第１の直流バイアスの電圧Ｖｄｓが１００Ｖ、第１の交流バイアスの電圧Ｖｐｐが１．６ｋＶ、周波数ｆ１が２．７ｋＨｚ、デューティ比Ｄ１が可変である。現像ローラ２と磁気ローラ１間の第２のバイアスは、第２の直流バイアスＶｍａｇ_dcが２００Ｖ、第２の交流バイアスが第１の交流バイアスと同周期で逆位相の電圧Ｖｐｐが３００Ｖ、周波数ｆ２が２．７ｋＨｚ、デューティ比Ｄ２が可変である。感光体ドラム表面電位が３１０Ｖ（露光後電位は２０Ｖ）である。キャリア４は、重量平均粒子径が４５μｍ、飽和磁化が６０ｅｍｕ／ｇ及び体積固有抵抗が１０¹⁰Ω・ｃｍである。

表４に評価結果を示す。１ドットの再現性の評価には、Ａ４サイズ用紙（６４ｇ紙）を用い，用紙の短辺方向を用紙搬送方向とし用い，測定用画像は，用紙に３Ｘ３ｃｍの解像度（６００ＤＰＩ）評価用のドット径が４０、５０、６０、７０、８０、９０μmであるドットを配列した画像を出力し、倍率２０倍の双眼顕微鏡を用いて目視評価した。ドット径５０μmが再現できていれば◎、６０μmは○、７０μmは△、８０μmは×とした。画像ムラ、ゴースト現象、画像カブリ及びキャリア飛びは、表１及び表３の評価方法と同じである。

表４に示す評価結果から、比較例２では、画像ムラ及びゴースト現象がかすかに見られ、比較例４では、画像ムラ及びゴースト現象がかすかに見られ、１ドット再現性が僅かに劣る。比較例５では画像ムラ、１ドット再現性が僅かに劣り、キャリア飛びも僅かに発生した。比較例６では画像ムラ、１ドット再現性が僅かに劣る結果となった。比較例３では画像ムラ、１ドット再現性が良くない結果となった。 実施例９〜１３では、画像濃度、画像ムラ、ゴースト現象及び画像カブリがすべて良好な画像性能であった。

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に利用することができ、特に磁性キャリアと非磁性トナーとを有する２成分現像剤を用いた現像装置を備えた画像形成装置に利用することができる。

は、本発明の実施形態である画像形成装置の全体構成を示す概略図である。 は、本発明の実施形態である現像装置の構成を示す側面断面図である。 は、本発明の実施形態である現像装置の模式図である。 は、本発明の実施形態である現像装置の現像ローラと磁気ローラに印加する電源のバイアス波形を示した図である。 は、本発明の実施形態である現像装置の現像ローラと感光体及び現像ローラと磁気ローラのそれぞれへ形成される交流バイアスと直流バイアスを示した図である。 は、本発明の実施形態である現像装置のデューティ比に対する画像濃度を示す図である。 は、本発明の実施形態である現像装置のデューティ比に対する画像ムラを示す図である。 は、本発明の実施形態である現像装置の周波数に対する画像濃度を示す図である。 は、本発明の実施形態である現像装置の周波数に対する画像ムラを示す図である。 は、本発明の実施形態である現像装置の現像ローラの表面処理に対する画像ムラを示す図である。

符号の説明

１ 磁気ローラ
２ 現像ローラ
３ 感光体
４ キャリア
５ トナー
６ トナー薄層
７ 第１の電源
７ａ、８ａ 直流電源
７ｂ、８ｂ 交流電源
８ 第２の電源
９ 規制ブレード
１０ 磁気ブラシ
１１ａ〜１１ｄ 現像器
１２ａ〜１２ｄ 光学露光器
１３ａ〜１３ｄ 帯電器
１４ａ〜１４ｄ 除電器
１７ 中間転写ベルト
１８ 定着器
１９ａ、１９ｂ 排出ローラ
２０ 画像形成装置
３１ａ、３１ｂ 攪拌スクリュー
Ｐ 用紙

Claims (5)

1. 潜像を形成する感光体に対向配置し、第１のバイアスによって前記感光体上に形成された潜像を現像する現像ローラと、キャリアとトナーとを有する２成分現像剤で磁気ブラシを形成し、第２のバイアスよって前記現像ローラにトナー薄層を形成する磁気ローラとを備えた画像形成装置において、
   前記現像ローラは、基体がアルミニウムで形成され、該表面が酸水溶液中で陽極酸化処理し酢酸ニッケル溶液で封孔処理した後に酸洗浄してフッ素含有微粒子により表面処理され、
   前記トナー薄層の厚みをＴ、前記第１のバイアスにおける第１の交流バイアスのデューティ比をＤ１で表すとき、
   ７μｍ≦Ｔ≦１３μｍであり、前記第１の交流バイアスは矩形波を形成し、デューティ比は前記現像ローラから前記感光体に向かう方向を正とした場合、３５％≦Ｄ１≦７０％の関係を満たし、
   前記第２のバイアスにおける第２の交流バイアスについてのデューティ比は前記磁気ローラから前記現像ローラにトナーが向かう方向を正とした場合に、前記第２の交流バイアスの正のデューティ比をＤ２で表すとき、前記第１の交流バイアスと前記第２の交流バイアスとは、１２０−Ｄ２≧Ｄ１＞１００−Ｄ２の関係を満たすことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記第１の交流バイアスのデューティ比Ｄ１が４５％≦Ｄ１≦６０％の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記感光体の周速が１８０ｍｍ／ｓｅｃ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記トナーの体積平均粒子径をＤt、前記キャリアの重量平均粒子径をＤcで表すとき、４μｍ≦Ｄt≦７μｍであり、２５μｍ≦Ｄc≦４５μｍであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の画像形成装置。
5. 前記現像ローラは第１の電源のバイアスが印加され、前記磁気ローラに印加する前記第２のバイアスは、前記第１の電源のバイアスをベースに第２の電源のバイアスを重畳して印加していることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の画像形成装置。

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