JP5288231B2 - トナー担持体、現像装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、トナー担持体、現像装置、及び複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関する。

従来、複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に用いられる現像装置には、２成分現像方式や１成分現像方式などがある。
２成分現像方式は、高速現像に非常に適しており、現在の中速や高速の画像形成装置の主流方式である。この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。
１成分現像方式は、機構が小型軽量になることから、現在の低速の画像形成装置の主流方式である。この１成分現像方式では、現像ローラ上にトナー薄層を形成するために、ブレードやローラなどのトナー規制部材を現像ローラ上のトナーに当接させ、そのときに現像ローラやトナー規制部材とトナーとの摩擦によってトナーは帯電される。現像ローラ上に薄層状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ものである。

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（特開平３−１００５７５号公報）記載のものなどのように２成分現像方式と１成分現像方式とをハイブリッド化したハイブリッド化方式も幾つか提案されている。
高解像度の微小均一ドットを現像する方法としては、例えば特許文献２（特開平３−１１３４７４号公報）記載の方式がある。この方式は、上記ハイブリッド化方式に対して、現像部に高周波バイアスを印加したワイヤを設置することにより、現像部でのトナークラウド化を行ない、高解像度のドット現像性を実現するものである。
特許文献３（特開平３−２１９６７号公報）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。

また、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特許文献６（特開２００３−１５４１９号公報）に記載され、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特許文献７（特開平９−２６９６６１号公報）に記載されている。特許文献８（特開２００３−８４５６０号公報）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。

２成分現像方式では、高画質化に対する要求が益々高まっており、必要とされる画素のドットサイズ自身が現状のキャリア粒子径と同等もしくはそれよりも小さい必要があるために、孤立ドットの再現性という意味では更にキャリア粒子を小さくする必要がある。しかし、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。

このキャリア離脱を防止するために、材料面からキャリア粒子の透磁率を上げる試みや、現像ローラに内包されるマグネットの磁力を強くする試みが進められているが、低コスト化及び高画質化との兼ね合いの中で開発は困難を極めている。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。

また、潜像担持体上の現像されたトナー像を転写する工程や、転写後に潜像担持体上に残存するトナーをクリーニングする工程において、転写効率やクリーニング効率を向上させるためには、潜像担持体とトナーとの非静電的付着力を極力下げる必要がある。潜像担持体とトナーとの非静電的付着力を下げる方法としては、潜像担持体表面の摩擦係数を下げることが効果的であることが知られているが、この場合、２成分現像剤の穂が滑らかに現像部をすり抜けてしまうために現像効率やドット再現性が非常に悪くなってしまう。

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供給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、この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、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。
前述特許文献２（特開平３−１１３４７４号公報）記載の方式は、高安定且つ高画質な現像が実現できるものと考えられるが、現像装置の構成が複雑になる。

特許文献３（特開平３−２１９６７号公報）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たものと解釈できるが、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。

ところで、潜像担持体に第一のトナー像が形成され、その上に順次に第二のトナー像、第三のトナー像を形成していくような作像プロセスにおいては、先に潜像担持体上に形成されているトナー像を乱さないような現像方式でなくてはいけない。非接触一成分現像方式や、特許文献２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。

このようなクラウド現像を実現できる方法としては、先に挙げた特許文献３（特開平３−２１９６７号公報）記載の方式などが有効と考えられるが、これに関しては先にも述べた通り、適当な条件の下で利用しないと全く効果が無い。
また、特許文献４（特開２００２−３４１６５６号公報）記載の方式などの様に、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、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しまう。このような問題を解決すべく、例えば特許文献５（特開２００４−２８６８３７号公報）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。
また、電極に電圧を印加する場合、電極とトナー間でのリークが問題になる。電極とトナー間でのリークが発生すると、トナーを介して電流が流れホッピング電界が弱まってしまう恐れもある。特許文献３（特開平３−２１９６７号公報）には電極材料等の記載がされていないが、電極からトナーへのリークを起こしてしまう可能性が高い。

特開平３−１００５７５号公報 特開平３−１１３４７４号公報 特開平３−２１９６７号公報 特開２００２−３４１６５６号公報 特開２００４−２８６８３７号公報 特開２００３−１５４１９号公報 特開平９−２６９６６１号公報 特開２００３−８４５６０号公報

本発明の目的は、電極からトナーへのリークを抑制し、かつホッピングしているトナーの帯電量を適正な値に維持する手段を提供することである。

上記目的は、以下の本発明により達成される。
（１）「内部に所定の間隔で並べられた複数の電極を有するトナー担持体と、前記複数の電極間の電界が時間的に変化するように電極に電圧を印加する電圧印加手段と、前記トナー担持体上のトナー量を規制する規制部材を備え、前記電極間の電界によりトナー担持体上のトナーを飛翔させてクラウドを形成する一成分現像装置において、前記トナー担持体は、絶縁性支持体上に電極、表面保護層を順次積層して形成されていることを特徴とする一成分現像装置」、
（２）「前記絶縁性支持体は、アルミニウムからなる金属支持体の表面に陽極酸化処理を施すことにより形成された陽極酸化皮膜で被覆されていることを特徴とする前記第（１）項に記載の一成分現像装置」、
（３）「前記陽極酸化処理が、ｐＨ７．０以上の水溶液を電解質として行うことを特徴とする前記第（２）項に記載の一成分現像装置」、
（４）「前記金属支持体は、純度９９％以上のアルミニウムであることを特徴とする前記第（２）項に記載の一成分現像装置」、
（５）「前記陽極酸化皮膜は、絶縁耐圧２００Ｖ以上であることを特徴とする前記第（２）項乃至第（４）項のいずれかに記載の一成分現像装置」、
（６）「前記電圧印加手段は、前記複数の電極の奇数番と偶数番とでは逆位相となる交流バイアスを印加することを特徴とする前記第（１）項乃至第（５）項のいずれかに記載の一成分現像装置」、
（７）「前記第（６）項に記載の一成分現像装置を用いて電子写真画像を形成することを特徴とする画像形成装置」。

本発明によれば、トナーと電極間のリークの恐れなく、安定してホッピング電界を形成することができる。

前記本発明のトナー担持体の構成について、さらに詳細に説明する。
まず、絶縁性支持体としては、ポリイミド、ポリカーボネート、ナイロン、フッ素系樹脂、ポリアセタール、フェノール、ポリスチレン等の合成樹脂から形成された円筒状の支持体、あるいは、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、チタン、ステンレスなどを切削、研摩などの金属加工をした円筒状の金属の支持体に前記合成樹脂を被覆したものを使用することができる。また、前記アルミニウム、アルミニウム合金、チタンなどの円筒状の金属の支持体に陽極酸化処理を施し、金属の支持体表面に陽極酸化皮膜を被覆したものを絶縁性支持体として用いることができる。これらの中でも合成樹脂から形成された円筒状の支持体は外力あるいは温度により変形しやすいため、円筒状の金属の支持体を用いることが好ましい。

円筒状の金属の支持体を用いた絶縁性支持体としては、円筒状の金属の支持体に合成樹脂を被覆したものが一般的であるが、金属加工を施した円筒状の金属の支持体は、金属加工の後洗浄工程を要する。従来、洗浄工程の際ハロゲン系の洗浄液が用いられていたが、近年、自然環境への配慮から水溶性の洗浄液を使用することが望ましいとされている。また、有機溶媒に溶解した合成樹脂を被覆する場合、前記洗浄工程後の乾燥工程及び異物混入防止のための環境が必要となる。

水溶液中で行なうことが可能である陽極酸化処理を円筒状の金属の支持体に施し、円筒状の金属の支持体表面に陽極酸化皮膜を被覆したものを絶縁性支持体として用いる場合、金属加工後の洗浄及び陽極酸化処理はいずれも水溶性の溶液中で行なわれるため、乾燥工程が不要となり作業効率が高い。
そもそも、陽極酸化皮膜は、有機樹脂皮膜に比べ疲労劣化の可能性が低いため、変化が少なく安定している。

また、陽極酸化処理はチタン、アルミニウム等の金属に施すことが可能であるが、加工が容易でかつ安価なアルミニウムを用いることで、低コスト化を図ることができる。

一般的に、陽極酸化処理は、クロム酸、硫酸、蓚酸、リン酸などの酸性水溶液中において行なわれることが知られているが、このように形成される陽極酸化皮膜は多数の微細孔を有する厚い多孔層と、緻密で非常に薄い絶縁層とからなる構造となっている。陽極酸化処理部分にこのような多数の微細孔が存在すると、陽極酸化皮膜の絶縁耐圧を高くすることができない。

一方、硼酸アンモニウム、酒石酸アンモニウム、クエン酸アンモニウムなどの中性塩あるいは弱アルカリ性塩、もしくは前記中性塩、弱アルカリ性塩にマレイン酸、マロン酸、フタル酸、クエン酸、酒石酸などの有機酸を混合したｐＨ７．０以上の水溶液中で形成される陽極酸化皮膜は緻密で非常に薄い絶縁層のみから形成されているため、陽極酸化皮膜の絶縁耐圧を高くすることが可能である。

また、円筒状の金属の支持体として用いるアルミニウム合金は、純度９９％以上の純アルミニウムであることが望ましい。具体的にはＪＩＳ１０００番台のアルミニウムが最も適している。アルミニウムの純度がこれより低すぎる場合には、アルミニウム以外の金属がアルミニウム合金の支持体表面に形成された陽極酸化皮膜の絶縁性を低下させる場合がある。

以上のようにして形成される陽極酸化皮膜の絶縁耐圧は、２００Ｖ以上であることが望ましい。陽極酸化皮膜の絶縁耐圧がこれより低すぎる場合には、トナー担持体の電極に電圧を印加した際に陽極酸化皮膜に絶縁破壊が生じ、絶縁性支持体の絶縁性が保たれず、電極間の電界によりトナー担持体上のトナーを飛翔させてクラウドを形成することができない可能性がある。

このようにして得られた絶縁性支持体上に電極、表面保護層を順次積層して形成し、トナー担持体を作製した。

［現像装置例］
図１は本発明の一実施形態を示す。また、図２は本発明の実施形態におけるトナー担持体の一部を示す断面図である。この実施形態は上記トナー担持体（２）を利用した現像装置を有する画像形成装置であり、トナーのみを有する１成分現像器（７）が用いられ、この１成分現像器（７）はトナー担持体（２）に対してトナーを転位させてトナー担持体（２）上に薄いトナー層を形成する。この場合、１成分現像器（７）は、トナー（６）を循環パドル（３）で攪拌して循環させながらトナー担持体（２）に供給し、トナー担持体（２）上のトナーをトナー量規制部材（５）により一定厚に規制して薄いトナー層とする。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例６は参考例である。
陽極酸化皮膜を作製した条件を表１に示す。陽極酸化処理を施す金属の支持体として、直径３０ｍｍ、高さ２３０ｍｍの円筒状のアルミニウムを使用した。また、陰極にアルミ板を用いて、印加電流は３００ｍＡで開始し、電流が流れなくなるまで続けた（浴温：この例では２６℃（一般的には２０〜４０℃であることができる）、電流密度：１．４ｍＡ／ｃｍ^２、電圧，処理時間：電流が流れなくなるまで続けるという実施例の性質上、正確な記録なし（記録の意味が薄い））。

得られた絶縁性支持体の絶縁耐圧を測定した。測定結果を表２に示す。また、絶縁性支持体上にスクリーン印刷により電極を形成し、さらに絶縁性支持体及び電極を覆う表面保護層として１０μｍのポリカーボネートをコーティングすることにより作製したトナー担持体を用いた現像装置において、トナー担持体の奇数番目電極群と偶数番目電極群（電極の幅、電極間距離ともにこの例では、６０μｍであるが、一般的には４０〜８０μｍ程度がより好ましい。電極数は支持体のサイズによって変化させるのがよい）に−４００［Ｖ］と０［Ｖ］のそれぞれをピークに持つ各瞬間瞬間における平均電位が−２００［Ｖ］の交流バイアスを５［ｋＨｚ］の周波数で交流電源から印加した際のトナー飛翔の有無を観察した。前記奇数番目電極群と偶数番目電極群の交流バイアスは逆位相である。また、トナー担持上に乗っている単位面積当りのトナー量は０．２［ｍｇ／ｃｍ^２］となるようにした（使用現像剤（１成分なのでトナーのみ）：５〜７μｍの重合トナー、感光体−トナーの間隔：０．１〜０．５ｍｍ、現像速度とトナーの周速：ともに２４０ｍｍ／ｓ）。観察結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例１〜６の条件により作製した絶縁性支持体を用いたトナー担持体の奇数番目電極群と偶数番目電極群に逆位相の交流バイアスを印加すると、電極間の電界によりトナー担持体上のトナーを飛翔させてクラウドを形成することができた。
また、比較例１の条件により作製した絶縁性支持体を用いたトナー担持体は、実施例１〜６と同様の操作で電極間の電界によりトナー担持体上のトナーを飛翔させてクラウドを形成することができなかった。

本発明の実施形態を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるトナー担持体の一部を示す断面図である。

符号の説明

１ 感光体
２ トナー担持体
３ 循環パドル
４ トナー供給口
５ トナー量規制部材
６ トナー
７ １成分現像器
８ 表層
９Ａ，９Ｂ 電極
１０ 絶縁層
１１ 支持体

Claims (3)

1. 内部に所定の間隔で並べられた複数の電極を有するトナー担持体と、前記複数の電極間の電界が時間的に変化するように電極に電圧を印加する電圧印加手段と、前記トナー担持体上のトナー量を規制する規制部材を備え、前記電極間の電界によりトナー担持体上のトナーを飛翔させてクラウドを形成する一成分現像装置において、前記電圧印加手段は、前記複数の電極の奇数番と偶数番とでは逆位相となる交流バイアスを印加し、前記トナー担持体は、絶縁性支持体上に電極、表面保護層を順次積層して形成され、前記絶縁性支持体は、アルミニウムからなる金属支持体の表面に陽極酸化処理を施すことにより形成され、絶縁耐圧が２００Ｖ以上の陽極酸化皮膜で被覆され、前記陽極酸化処理は、ｐＨ７．０以上の水溶液を電解質として行うことを特徴とする一成分現像装置。
2. 前記金属支持体は、純度９９％以上のアルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の一成分現像装置。
3. 請求項１または２に記載の一成分現像装置を用いて電子写真画像を形成することを特徴とする画像形成装置。

Images