KR100907756B1 - 화상 형성 장치 - Google Patents

Abstract

화상 형성 장치(100)는, 상 담지체(1)와, 토너와 캐리어를 구비하는 현상제를 담지하는 현상제 담지체(41) - 현상제 담지체는, 상 담지체에 형성된 정전상을 현상제로 현상하며, 현상제 담지체와 상 담지체 사이에 교번 전계를 형성하기 위해, 현상제 담지체는 교번 전압이 인가됨 - 를 구비하고, 전계 강도 Eb, Ed를, Eb=|(Vp1-VL)/D|, Ed=|(Vp2-VL)/D|로 하고, Ed에서의 기울기를 K1, Eb에서의 기울기를 K2로 하면, 0≥K1>K2를 충족시키고, 전계 강도 Eb에서의 캐리어의 저항률 ρb가, 1.1×10⁶×eⁿ<ρb<6.0×10⁷[Ω·m]을 충족시킨다(단, e는 자연 대수의 밑이며, n=4×Eb×10^-7).

상 담지체, 현상제 담지체, 토너, 캐리어, 전계 강도, 저항률, 현상 바이어스, 정전상, 감광체

Description

화상 형성 장치{IMAGE FORMING APPARATUS}

본 발명은, 상 담지체 상에 형성된 정전상을 가시화하여 화상을 얻는 복사기, 프린터 등의 화상 형성 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 현상제로서 토너와 캐리어를 구비하는 2성분 현상제를 이용하는 화상 형성 장치에 관한 것이다.

종래, 전자 사진 인쇄 방식을 이용한 복사기 또는 프린터 등의 화상 형성 장치에서는, 상 담지체로서의 전자 사진 감광체(이하, 간단히 "감광체"라고 함)의 표면을 균일하게 대전시킨 후, 그 표면을 화상 정보에 따라서 노광한다. 이에 의해, 감광체의 표면에 정전상(잠상)을 형성한다. 감광체에 형성된 정전상은, 현상 디바이스에 의해 현상제를 이용하여 토너상으로서 현상된다. 감광체 상의 토너상은, 직접 또는 중간 전사체를 통하여 전사재에 전사된다. 그 후, 전사재에 토너상을 정착시킴으로써 기록 화상을 얻는다.

현상제의 예로서는, 실질적으로 토너 입자만을 구비한 1성분 현상제와, 토너 입자와 캐리어 입자를 구비한 2성분 현상제가 있다. 2성분 현상제를 이용한 현상 방식은, 일반적으로, 보다 고선명이며 색상 또는 색조가 양호한 화상을 형성할 수 있는 점 등에서 유리하다.

2성분 현상제는, 일반적으로, 입경이 5㎛∼100㎛ 정도인 자성 입자(캐리어)와, 입경이 1㎛∼10㎛ 정도인 토너가 소정의 혼합비로 혼합된 것이다. 캐리어는, 대전된 토너를 담지하여 현상부까지 반송하는 기능을 한다. 또한, 토너는, 캐리어와 혼합됨으로써, 마찰 대전에 의해 소정의 극성의 소정의 대전량으로 대전된다.

그런데, 근년, 전자 사진 방식의 복사기 및 프린터 등의 화상 형성 장치가 디지털화, 풀 컬러화, 고속화됨에 따라서, 그 출력 화상이 오리지날의 출력물로서의 가치를 갖고, 나아가서는 인쇄 시장에의 진입도 매우 기대되고 있다. 따라서, 보다 고품질(고선명)이며 안정된 화질의 화상을 출력할 수 있는 것이 요구되고 있다. 고선명의 화질을 얻기 위한 절차 중 하나로서, 2성분 현상제 중의 캐리어의 전기적 저항을 높게 하는 방법이 제안되어 있다(일본 특개평 08-160671호 공보).

즉, 통상적으로, 2성분 현상제를 이용한 현상 방식에서는, 현상 디바이스의 현상제 담지체 상에 담지된 2성분 현상제가, 감광체 상의 정전상과 대향하는 현상부로 반송된다. 그리고, 현상제 담지체 상의 2성분 현상제의 자기 브러쉬를 감광체에 접촉 또는 근접시킨다. 그 후, 현상제 담지체와 감광체 사이에 인가된 소정의 현상 바이어스에 의해, 토너만이 감광체 상에 전사된다. 이에 의해, 감광체 상에 정전상에 따른 토너상이 형성된다. 이 때, 토너를 담지하여 반송하는 캐리어의 전기적 저항이 낮으면, 현상제 담지체로부터 캐리어를 통하여 정전상에 전하가 주입되어, 정전상이 흐트러지는 경우가 있다. 정전상에 전하가 주입되면, 정전상이 대전됨으로써 전위가 올라가, 화상 농도가 낮아질 수 있다.

또한, 현상 바이어스로서는, DC 전압 성분과 AC 전압 성분이 중첩된 교번 바 이어스 전압이 널리 이용되고 있다.

최근, 상술한 바와 같은 인쇄 시장에의 진입을 위해, 고해상도의 정전상이 형성되고 있다. 예를 들면, 2400dpi의 경우, 1dpi의 도트 형성 폭은 약 20㎛로, 매우 미소하다. 예를 들면, 이와 같은 고해상도에서 정전상이 형성될 경우, 상술한 바와 같이 현상제 담지체로부터의 캐리어를 통한 전하 주입으로 정전상은 크게 영향을 받기 쉬워진다. 따라서, 이와 같은 미소한 정전상을 파괴하지 않고, 현상 공정을 종료시키는 것이 요구되고 있다.

종래, 감광체로서는, 금속 기체 상에 유기 재료로 이루어지는 전하 발생층, 전하 수송층, 표면 보호층이 적층된 OPC(유기 광도전성) 감광체가 널리 이용되고 있다.

반면, 상술한 바와 같은 고해상도의 정전상을 형성하기 위해서는, 감광체로서, 아몰퍼스 실리콘(비정질 실리콘) 감광체(이하 "a-Si 감광체"라고 함) 등의 단층의 감광체를 이용하는 것이 유리함을 알 수 있었다. 그 이유 중 하나는, 다음과 같이 생각된다. 즉, OPC 감광체에서는, 감광체의 내부의 전하 발생 기구가 감광체의 기체 부근에 존재한다. 반면, a-Si 감광체에서는, 감광체의 내부의 전하 발생 기구가 감광체의 표면에 존재한다. 그 때문에, a-Si 감광체의 경우, 내부에서 발생한 전하가 감광체의 표면에 이를 때까지 확산되지 않아, 매우 고휘도의 정전상이 얻어진다.

그러나, a-Si 감광체는, OPC 감광체와 비교하여 그 표면 저항이 낮아, 상술한 바와 같은 현상제 담지체로부터의 캐리어를 통한 전하 주입의 영향이 OPC 감광 체보다 매우 커진다. 따라서, a-Si 감광체를 이용하는 경우에는, 형성된 정전상이 쉽게 흐트러지게 된다. 따라서, 캐리어의 전기적 저항을 높게 설정하거나, 교번 바이어스 전압으로 되는 현상 바이어스의 Vpp(피크-투-피크 전압)를 작게 하여, 전하의 이동량을 억제하는 것이 한층 더 요구된다.

여기서, 현상 바이어스의 Vpp를 작게 하면, 현상제 담지체로부터의 캐리어를 통한 전하 주입은 저감되지만, 현상제에 걸리는 전계가 약해진다. 그 때문에, 캐리어로부터 토너를 분리하는 힘이 저감되어, 현상성이 저하되게 된다. 따라서, 고화질의 화상 형성을 행하기 위해서는, 캐리어의 전기적 저항을 보다 높게 설정하는 것이 유리하다.

그러나, 캐리어의 전기적 저항을 높게 하면, 현상성, 즉, 토너가 캐리어로부터 분리되는(토출되는) 능력이 저하되기 쉬워짐을 알 수 있었다.

전술한 바와 같이, 2성분 현상제의 캐리어는, 토너를 현상부에 반송하는 역할과 함께, 마찰 대전에 의해 토너에 전하를 부여하는 역할을 한다. 그 때문에, 캐리어는, 토너의 대전 극성과는 반대 극성의 전하가 부여되어, 대전하게 된다. 예를 들면, 토너가 부극성으로 대전할 때에는, 캐리어에는 정극성의 전하가 부여된다.

이 때, 캐리어의 전기적 저항이 높으면 캐리어에 축적된 전하가 이동하기 어렵게 되기 때문에, 이 캐리어의 전하와 토너의 전하가 서로 끌어당겨 큰 부착력으로 되어, 토너가 캐리어로부터 분리되기 어려워진다. 캐리어의 전기적 저항이 낮으면, 캐리어 내의 전하가 캐리어의 표면에서 확산되기 쉬워지기 때문에, 토너와 캐리어의 부착력도 작아져, 토너는 캐리어로부터 분리되기 쉬워진다.

도 2는, 전기적인 저항 특성이 서로 다른 종래의 일반적인 2종류의 캐리어(저저항 캐리어 A, 고저항 캐리어 B)를 이용한 경우의 현상성의 차를 도시한다. 도 2에서, 횡축은 현상 바이어스의 피크-투-피크 전압 Vpp를 나타내고, 종축은 감광체 상에 형성된 토너상의 토너층의 단위 면적당의 대전량 Q/S[C/㎠]를 나타내고 있다. 이 Q/S[C/㎠]는, 최고 농도를 얻을 때의 감광체 상의 토너층의 토너의 단위 중량당의 대전량 Q/M[μC/g]과, 그 토너층의 토너 잔량 M/S[㎎/㎠]를 곱한 값을 이용하고 있다. 상기 Q/S[C/㎠]는, 현상제의 현상 능력, 즉, 토너가 캐리어와 토너 사이의 부착력을 이겨내어, 감광체 상에 얼마만큼 전이되었는지를 나타낸다.

또한, 도 2는, 감광체로서, 막 두께(감광층의 두께) 30㎛의 OPC 감광체를 이용한 경우의 결과를 도시하고 있다.

도 2는, 현상 바이어스의 Vpp가 큰 경우에는, 고저항 캐리어 B의 경우에도 저저항 캐리어 A와 동등한 Q/S[C/㎠]가 얻어지는 것을 도시한다. 반면, 현상 바이어스의 Vpp가 낮은 경우에는, 캐리어로부터 토너를 분리하기 위한 전계가 작아지므로, 고저항 캐리어 B에서는 현상성이 저하됨을 알 수 있다. 즉, 토너에 걸리는 힘 중, 토너와 캐리어 사이의 부착력이 매우 커지게 되어, 현상성 저하를 초래하게 된다.

또한, 현상성은, 감광체의 정전 용량에 크게 영향을 받는다. 감광체의 정전 용량(단위 면적당의 정전 용량)이 커짐에 따라서 현상성이 허용 범위를 초과하여 저하되면, 여러 가지의 화상 결함이 발생하게 된다. 다음으로, 감광체의 정전 용 량과 현상성에 대하여 설명한다.

예를 들면, 다음의 조건에서 최고 농도의 토너상을 형성하는 경우에 대하여 생각한다. 현상 콘트라스트(감광체 상의 화상부 전위와 현상 바이어스의 DC 전압간의 전위차) Vcont=250V, 토너의 전하량 Q/M=-30μC/g, 토너 잔량 M/S=0.65mg/㎠이다. 이 토너상의 토너층이 OPC 감광체 상에서 만드는 전위(충전 전위) ΔV는, OPC 감광체의 막 두께를 30㎛로 한 경우, 하기 식으로부터 계산된다.

여기서, Q/M은 감광체 상에서의 단위 중량당의 토너 전하량이고,

M/S는 감광체 상에서의 최고 농도부의 단위 면적당의 토너 중량이고,

λt는 감광체 상에서의 최고 농도부의 토너층 두께이고,

d는 감광체의 막 두께이고,

εt는 토너층의 상대 유전율이고,

εd는 감광체의 상대 유전율이며,

ε0은 진공의 유전율이다.

상기 조건의 경우, ΔV=243V이므로, Vcont=250V가 충전된다. 즉, 정전상의 전위를, 토너층의 전하에 의해, 충분히 충전한 상태(충전 효율 97%)로 되어 있다.

한편, a-Si 감광체는, OPC 감광체와 비교하여 상대 유전율이 약 3배 큰(a-Si 감광체: 약 10, OPC 감광체: 약 3.3) 재료 특성을 갖고 있다. 따라서, a-Si 감광체는, OPC 감광체와 동등한 막 두께(예를 들면, 30㎛)를 갖는 경우에는, OPC 감광체의 정전 용량(예를 들면, 0.97×10^-6F/㎡)의 3배의 정전 용량(예를 들면, 2.95×10^-6F/㎡)을 갖게 된다.

상기 OPC 감광체의 경우와 마찬가지의 Vcont(=250V), 토너의 전하량 Q/M(=-30μC/g)의 조건에서 a-Si 감광체 상에 최고 농도의 토너상을 형성한 경우를 생각한다. 이 경우, 상기 식으로부터, ΔV=250V를 충족시키기 위해 필요한 토너량은 1.15mg/㎠이므로, 상기 OPC 감광체의 경우의 약 1.7배의 토너량이 a-Si 감광체 상에 전이된다. 반대로 말하면, 약 1/1.7의 현상 콘트라스트 Vcont에서, 토너 잔량 M/S=0.65mg/㎠가 얻어지게 된다. 따라서, a-Si 감광체의 경우, Vcont=147V 정도에서, 고농도부의 전하를 충전하게 된다.

그러나, 예를 들면, 경인쇄 시장에 투입하자고 하는 경우 등에는, 폭넓은 계조가 얻어지는 것이 요구된다. 이 때문에, Vcont=147V에서는 γ특성이 급변하게 되어, 높은 계조성을 얻는 것이 곤란하게 되는 경우가 있다.

또한, OPC 감광체이어도, 정전상의 선예화(sharpness)를 목적으로 하여, 감광체의 막 두께(감광층의 두께)를 저감시키는 시도가 이루어지고 있다. 이와 같은 경우라도, 감광체의 막 두께가 작아짐으로써 감광체의 정전 용량이 커지기 때문에, 상기 a-Si 감광체에 대하여 설명한 것과 마찬가지의 문제가 발생할 수 있다.

이와 같은 감광체의 큰 상대 유전율 혹은 감광체의 작은 막 두께로 인한 문 제에 대처하기 위해서는, 토너상의 토너층의 Q/S[C/㎠]를 올리는, 즉, 토너의 대전량 Q/M[μC/g]을 올리는 방법이 생각된다. 예를 들면, 토너 대전량 Q/M[μC/g]을, 상술한 -30μC/g에 대하여 -60μC/g로 한다. 이 상태에서, 예를 들면, 현상 콘트라스트 Vcont가 240V일 때에, 0.65mg/㎠의 토너 잔량 M/S[㎎/㎠]를 얻을 수 있으면, 토너층이 만드는 ΔV는 238V(즉, 약 240V)로 되어, 충전 효율은 약 100%로 된다.

그러나, 실제로는, 토너의 대전량 Q/M[μC/g]이 높아지면, 캐리어 및 토너의 정전기력이 매우 커지기 때문에, 현상성이 현저하게 저하될 수 있다.

통상적으로, 정전 용량이 큰 감광체에 대하여, 고저항 캐리어 및 높은 Q/M의 토너를 사용하는 경우에서는, 고저항 캐리어가 형성하는 약한 전계라도, 충분히 토너가 캐리어로부터 분리되도록 컨트롤되고 있다. 즉, 토너의 형상이나 외첨제(extraneous additive), 나아가서는 캐리어의 표면의 재료에 의해, 캐리어와 토너 사이의 부착력(쿨롱력 + 반데르 발스력 + 가교력)이 컨트롤되고 있다. 그러나, 장기간의 작업 수행 등에 의해 토너나 캐리어의 표면의 상태가 변화되면, 상기 부착력을 제어할 수 없게 될 수 있다.

예를 들면, 토너에는, 대전량이나 유동성을 컨트롤하기 위해 여러 가지의 입자(예컨대, 실리카)가 외부 첨가되어 있다. 이 외첨제는, 토너와 캐리어 사이에서 스페이서 입자로서도 기능하며, 토너와 캐리어 사이의 부착력에 크게 영향을 미치고 있다. 그 때문에, 예를 들면, 저인자 비율의 화상 출력이 장기간에 걸쳐 계속되는 경우, 현상제는 현상 디바이스 내에서 반복적으로 전단력을 받아, 외첨제가 토너의 표면에 매립되거나 이탈되거나 하여, 상술한 스페이서로서의 효과가 저감되는 경우가 있다. 그 결과, 토너와 캐리어 사이의 부착력이 대폭 증가되게 된다. 따라서, 장기간의 화상 출력 후에는, 초기와 비교하여 충분한 현상성을 확보할 수 없게 되어, 예컨대, 화상 불량이 발생할 가능성이 있다.

예를 들면, 사용하는 현상제에 따라서는, 초기에는 Vcont=240V에서 M/S=0.65mg/㎠를 확보할 수 있었던 것이, 시간 경과에 따라 Vcont=240V에서 M/S=0.45mg/㎠만 얻을 수 있는 경우가 있다. 이 경우, Vcont에 대한 충전 전위 ΔV는, 152V/240V≒0.63으로 되어, 감광체 상의 토너층이 만드는 전위 ΔV는, Vcont의 63% 정도만을 메우게 된다.

이와 같은, 정전상의 전위를 토너의 전하로 메우지 않는 상태를 "충전 불량"으로 표현할 수 있다. 이 "충전 불량"의 상태로 되면, 화상 불량이 발생하게 된다.

예를 들면, 저농도의 하프톤 화상 형성 후에, 고농도의 베타 화상(최고 화상 농도 레벨의 화상)이 연속하여 출력되는 경우, 현상부(현상 닙) 내에서 고농도부 측의 전위가 토너의 정전하로 메워져 있지 않으면, 경계부에서, 저농도부로부터 고농도부로 돌아 들어가는 전계가 잔류한다. 이 돌아 들어가는 전계는, 경계부에서의 저농도 측의 토너를 고농도 측으로 이동시키도록 기능하기 때문에, 소위, "백화(blank area)"가 발생한다. 즉, "백화"는, 저농도부와 고농도부의 경계에서 화상이 하얗게 되는 현상이다. 또한, 고농도부에서, 에지부와 중앙부의 전계 강도차에 의해, 에지에 토너가 모이는, 소위, "끌어 모음(sweep together)" 현상이 발생 한다. 즉, "끌어 모음"은, 화상의 에지에서의 농도가 다른 부분보다 높아지게 되는 현상이다.

이상 설명한 바와 같이, 예를 들면 a-Si 감광체와 같이 표면 저항이 낮은 감광체의 경우, 형성되는 정전상을 충실하게 현상하기 위해서는, 현상 시에 정전상에 대하여 전하 주입이 발생하지 않는 전기적으로 고저항의 캐리어가 요망된다. 반면, a-Si 감광체나 박막 OPC 감광체와 같은, 정전 용량이 큰 감광체에 대해서는, 토너의 대전량 Q/M[μC/g]을 높게 하는 것이 백화 등의 화상 결함을 발생시키지 않고, 안정성이 있는 충분한 계조성을 얻기에 유효한 수단으로 된다. 그러나, 토너의 대전량 Q/M[μC/g]을 높게 하면, 현상성이 현저하게 저하될 수 있다. 이 현상성의 저하는, 캐리어의 전기적 저항이 커지면 커질수록 현저하게 된다.

이와 같이, 토너와 캐리어를 구비하는 2성분 현상제를 이용하는 화상 형성 장치에서, 현상 시에서의 정전상으로의 전하 주입을 방지하기 위해 캐리어의 전기적 저항을 높게 설정하며, 또한, 정전 용량이 큰 감광체에 대응하기 위해 토너의 대전량을 높이는 경우가 있다. 그리고, 이와 같은 경우에서도, 토너가 정전상의 전위를 메우는 현상 능력을 저하시키지 않는 것이 요망된다.

본 발명의 목적은, 토너와 캐리어를 구비하는 2성분 현상제를 이용하는 화상 형성 장치에서, 캐리어를 통한 정전상에의 전하 주입을 컨트롤하면서, 양호한 현상성을 얻는 것을 가능하게 하는 화상 형성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 고저항 캐리어를 이용하면서, 대전량이 높은 토너를 이용하는 경우라도 현상성을 비약적으로 개선시키는 현상 방식을 갖는 화상 형성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 정전 용량이 큰 감광체를 이용하는 경우라도, 장기간에 걸쳐, 고선명이며 안정성 있는 화상을 형성할 수 있는 화상 형성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 상 담지체와 현상제 담지체 사이의 전계의 변화에 기초하여 캐리어 저항 특성을 적정하게 설정한 화상 형성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 특징들은 첨부 도면을 참조하여 이하의 예시적인 실시예들의 상세한 설명으로부터 명확하게 될 것이다.

이하, 본 발명에 따른 화상 형성 장치를 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

<실시예 1>

[화상 형성 장치]

도 24는, 본 발명의 일 실시예에 따른 화상 형성 장치(100)의 주요부의 개략적인 단면 구성을 도시한다.

화상 형성 장치(100)는, 상 담지체로서의 원통형의 감광체(감광 드럼)(1)를 갖는다. 감광체(1)의 주위에는, 대전 유닛으로 동작하는 대전기(2), 노광 유닛으로 동작하는 노광 디바이스(3), 현상 유닛으로 동작하는 현상 디바이스(4), 전사 유닛으로 동작하는 전사 대전기(5), 클리닝 유닛으로 동작하는 클리너(7), 전노광 유닛으로 동작하는 전노광 디바이스(8) 등이 배치되어 있다. 또한, 전사재 S의 반송 방향에서, 감광체(1)와 전사 대전기(5)가 대향하는 전사부의 하류에는, 정착 유닛으로 동작하는 정착 디바이스(6)가 배치되어 있다.

감광체(1)로서는, 일반적인 OPC 감광체 또는 a-Si 감광체를 이용할 수 있다.

OPC 감광체는, 도전성 기체 상에, 유기 광도전체를 주성분으로 하는 광도전층을 구비한 감광층(감광 막)이 형성된다. OPC 감광체는, 일반적으로는, 도 25와 같이 금속 기체(감광체용 지지체)(11) 상에 유기 재료로 이루어지는 전하 발생층(12), 전하 수송층(13), 표면 보호층(14)이 적층되어 구성된다.

또한, a-Si 감광체는, 도전성 기체 상에, 비정질 실리콘(아몰퍼스 실리콘)을 주성분으로 하는 광 도전층을 구비한 감광층(감광막)을 갖는다. a-Si 감광체로서는, 일반적으로, 다음과 같은 층 구성을 갖는다. 즉, 도 26a에 도시하는 a-Si 감광체에는, 감광체용 지지체(기체)(21) 상에, 감광막(22)이 형성되어 있다. 그 감광막(22)은, a-Si:H, X(H는 수소 원자, X는 할로겐 원자)로 이루어지며 광 도전성을 갖는 광 도전층(23)으로 구성되어 있다. 도 26b에 도시하는 a-Si 감광체는, 감광체용 지지체(21) 상에, 감광막(22)이 형성되어 있다. 그 감광막(22)은, a-Si:X, X로 이루어지며 광 도전성을 갖는 광 도전층(23)과, 아몰퍼스 실리콘계 표면층(24)으로 구성되어 있다. 도 26c에 도시하는 a-Si 감광체는, 감광체용 지지체(21) 상에, 감광막(22)이 형성되어 있다. 그 감광막(22)은, a-Si:H, X로 이루어지며 광 도전성을 갖는 광 도전층(23)과, 아몰퍼스 실리콘계 표면층(24)과, 아몰퍼스 실리 콘계 전하 주입 저지층(25)으로 구성되어 있다. 도 26d에 도시하는 a-Si 감광체는, 감광체용 지지체(21) 상에, 감광막(22)이 형성되어 있다. 그 감광막(22)은, 광 도전층(23)을 구성하는 a-Si:H, X로 이루어지는 전하 발생층(26) 및 전하 수송층(27)과, 아몰퍼스 실리콘계 표면층(24)으로 구성되어 있다.

또한, 감광체(1)는, 상술한 바와 같은 층 구성에 한정되는 것이 아니라, 그 밖의 층 구성의 감광체도 이용할 수 있다.

감광체(1)는, 도 24에 도시한 바와 같이, 도 24에 화살표로 지시된 소정의 원주속도로 회전 구동된다. 회전하는 감광체(1)의 표면은, 대전기(2)에 의해 실질적으로 균일하게 대전된다. 그리고, 노광 디바이스(3)에 대향하는 위치에서는, 화상 신호에 대응하여 발광되는 레이저가 노광 디바이스(3)로부터 조사되어, 원고 화상에 대응한 정전상이 감광체(1) 상에 형성된다.

감광체(1)에 형성된 정전상은, 감광체(1)의 회전에 의해 현상 디바이스(4)에 대향하는 위치까지 도달하면, 현상 디바이스(4) 내의 비자성 토너 입자(토너)와 자성 캐리어 입자(캐리어)를 구비하는 2성분 현상제에 의해 토너상으로서 현상된다. 정전상은, 2성분 현상제 중 실질적으로 토너만으로 현상된다.

현상 디바이스(4)는, 2성분 현상제를 수용하는 현상 용기(현상 디바이스 본체)(44)를 갖는다. 또한, 현상 디바이스(4)는, 현상제 담지체로 동작하는 현상 슬리브(41)를 갖는다. 현상 슬리브(41)는, 현상 용기(44)의 개구부에 회전 가능하게 배치되며, 또한, 내부에 자계 발생 유닛으로 동작하는 마그네트(42)를 내포하고 있다. 본 실시예에서, 현상 슬리브(41)는, 그 표면이, 감광체(1)와 대향하는 현상부 G에서 감광체(1)의 표면 이동 방향과 동일 방향으로 이동하도록 회전 구동된다. 2성분 현상제는, 현상 슬리브(41)의 표면 상에 담지된 후, 규제 부재(43)에 의해 양이 규제되어, 감광체(1)와 대향하는 현상부 G까지 반송된다. 캐리어는, 대전된 토너를 담지하여 현상부 G까지 반송하는 기능을 한다. 또한, 토너는, 캐리어와 혼합됨으로써, 마찰 대전에 의해 소정의 극성의 소정의 대전량으로 대전된다. 현상 슬리브(41) 상의 2성분 현상제는, 현상부 G에서, 마그네트(42)가 발생시키는 자계에 의해 냅핑되어(napped) 자기 브러시를 형성한다. 그리고, 본 실시예에서는, 이 자기 브러시를 감광체(1)의 표면에 접촉시키며, 또한 현상 슬리브(41)에 소정의 현상 바이어스를 인가함으로써, 2성분 현상제의 토너만을 감광체(1) 상의 정전상으로 전이시킨다.

감광체(1) 상에 형성된 토너상은, 전사 대전기(5)에 의해 전사재 S 상에 정전적으로 전사된다. 그 후, 전사재 S는, 정착 디바이스(6)에 반송되고, 여기서 가열, 가압됨으로써, 그 표면에 토너가 정착된다. 그 후, 전사재 S는, 출력 화상으로서 장치 밖으로 배출된다.

또한, 전사 공정 후에 감광체(1) 상에 잔류한 토너는, 클리너(7)에 의해 제거된다. 그 후, 클리너(7)에 의해 청소된 감광체는, 전노광 디바이스(8)로부터의 광조사에 의해 전기적으로 초기화되어, 상기한 화상 형성 동작이 반복된다.

[캐리어의 전기적 저항]

전술한 바와 같이, 토너와 캐리어를 구비하는 2성분 현상제를 이용하는 화상 형성 장치에서, 현상 시에서의 정전상에의 전하 주입을 방지하기 위해 캐리어의 전 기적 저항을 높게 설정하며, 또한, 정전 용량이 큰 감광체에 인가하기 위해 토너의 대전량을 높이는 몇가지 경우가 있다. 그리고, 이와 같은 경우에도, 토너가 정전상의 전위를 메우는 현상 능력을 저하시키지 않는 것이 요망된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 고저항 캐리어를 이용하면서, 대전량이 높은 토너를 이용하는 경우라도 현상성을 비약적으로 높이는 현상 방식을 제안하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 이 구성에 의해, 정전 용량이 큰 감광체를 이용하는 경우라도, 장기간에 걸쳐, 고선명이며 안정성 있는 화상의 형성을 가능하게 하는 것이다.

이어서, 본 예에서는, 현상 바이어스 하에서의 캐리어의 전기적 저항의 전계 의존성을 제어한다. 이하, 상세하게 설명한다.

도 3은, 전기적인 저항 특성이 상이한 종래의 일반적인 2종류의 캐리어(저저항 캐리어 A, 고저항 캐리어 B)에서의 저항률 ρ[Ω·m]의 전계 의존성을 도시한다. 도 3에서, 횡축은 전계[V/m]를 나타내고, 종축은 저항률 ρ[Ω·m]를 나타낸다. 그러나, 도 3은 종축이 대수 표시(대수축)인 반대수 그래프이다. 이하, 마찬가지로, 저항률 ρ의 그래프는 그 수치를 대수로 기술한다.

또한, 저항률 ρ[Ω·m]는, 도 4에 도시하는 바와 같은 장치를 이용하여 측정할 수 있다. 즉, 소정의 원주속도(표면 이동 속도)로 회전하는 알루미늄으로 이루어진 원통체(이하, "알루미늄 드럼"이라고 함) Dr에 대해, 캐리어만을 내포한 현상 슬리브(41)를 소정의 거리(최근접 거리) 이격시켜 대향시킨다. 그리고, 소정의 원주속도로 현상 슬리브(41)를 회전시키면서, 알루미늄 드럼 Dr과 현상 슬리브(41) 사이에 AC 전압을 인가하여, 도 4에서 Z로 나타낸 임피던스 측정 장치에 의해 캐리어의 임피던스를 측정한다. 그 측정값으로부터 캐리어의 저항률을 산출할 수 있다.

또한, 알루미늄 드럼 Dr의 원주속도 및 현상 슬리브의 원주속도는, 각각 실제의 화상 형성 장치의 감광 드럼의 원주속도 및 현상 슬리브의 원주속도와 동일하게 하는 것이 바람직하다. 또한, 알루미늄 드럼 Dr과 현상 슬리브의 거리는, 실제의 화상 형성 장치의 감광 드럼과 현상 슬리브의 거리로 하는 것이 바람직하다.

또한, 횡축의 전계 E[V/m]는, 알루미늄 드럼 Dr과 현상 슬리브(41)의 최근접 위치(알루미늄 드럼 Dr과 현상 슬리브(41) 사이의 최근접 거리 D)에서의 전계 강도이며, 알루미늄 드럼 Dr과 현상 슬리브(41) 사이의 인가 전압을 거리 D로 나눔으로써 얻어진다.

도 3에서, 일점 쇄선으로 나타내는 라인은 저저항 캐리어 A의 저항률의 전계 의존성이며, 파선으로 나타내는 라인은 고저항 캐리어 B의 저항률의 전계 의존성이다. 또한, 각 캐리어는, 약 100V의 바이어스 인가 시의 저항률이 하기와 같은 것이다.

저저항 캐리어 A: 약 9.0×10⁶Ω·m

고저항 캐리어 B: 약 1.0×10⁸Ω·m

도 3으로부터, 두 캐리어 모두 저항률에 전계 의존성을 갖지만(즉, 전계가 커지면, 저항률이 감소함), 저저항 캐리어 A가, 고저항 캐리어 B보다도, 그 전계 의존성의 기울기(변화율)가 큰 것을 알 수 있다. 저저항 캐리어 A, 고저항 캐리어 B 양방 모두의 기울기는, 캐리어에 인가되는 전계의 변화에 대하여 실질적으로 일정, 즉 직선이다.

또한, 상술한 캐리어의 저항률은, 캐리어에서만의 측정 결과이다. 토너와 혼합된 2성분 현상제의 상태에서는, 캐리어간에 전기적으로 고저항의 토너가 존재하기 때문에, 상술한 캐리어만의 저항률보다 약간 클 것이다. 그러나, 현상 동작 중에서는, 토너가 캐리어로부터 분리되어, 캐리어만의 상태에 가까워지기 때문에, 상술한 바와 같이 하여 측정된 저항률은 실질적으로 실제 상태를 나타내고 있다. 따라서, 본 명세서에서는, 상술한 바와 같이 하여 측정된 캐리어만의 저항률을 이용하여 설명한다.

도 5는, 현상 동작 시에서의 감광체(1) 상의 정전상의 전위 및 현상 슬리브(41)에 인가되는 현상 바이어스를 도시하고 있다. 도 5에서, 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 전위를 나타낸다.

본 실시예에서는, 현상 바이어스로서는, 일반적인 구형파의 현상 바이어스(교번 전압)가 이용된다. 이 현상 바이어스는, AC 바이어스에, Vdc로 표시되는 DC 바이어스 성분이 중첩된 현상 바이어스이다. 이 현상 바이어스가, 감광체(1)의 정전상과 현상 슬리브(41) 사이에 인가된다.

또한, 본 실시예에서는, 정전상은, 화상부에 노광을 행함으로써 정전상을 형성하는 이미지 노광 방식으로 형성되는 것으로서 설명한다. 또한, 본 실시예에서는, 감광체(1)는, 부극성으로 대전되는 것으로서 설명한다. 또한, 본 실시예에서 는, 토너는 캐리어와의 마찰 대전에 의해 부극성으로 대전되고, 현상 방식으로서는, 감광체의 대전 극성과 동일 극성으로 대전된 토너를 이용하는(감광체 상의 노광된 화상부를 현상하는) 반전 현상 방식을 이용하는 것으로서 설명한다.

도 5에서, VD는, 감광체(1)의 대전 전위이며, 본 실시예에서는, 대전 유닛에 의해 부극성으로 대전되어 있다. 도 5에서, VL은, 노광 유닛에 의해 노광된 화상부의 영역이며, 최고 농도를 얻기 위한 전위로 되어 있다. 즉, VL 전위부는, 토너 T의 부착량이 가장 많아지는 영역이다.

현상 슬리브(41)에는, 상술한 바와 같이 구형파의 현상 바이어스가 인가되어 있다. 그 때문에, 현상 슬리브(41)에 피크 전위 중 Vp1 전위가 인가되었을 때에는, VL 전위부에 대하여 가장 큰 전위차가 형성되고, 이 전위차에 의한 전계(이하 "현상 전계"라고 함)에 의하여, 토너 T가 감광체(1)에 전이된다. 또한, 반대로, 현상 슬리브(41)에 피크 전위 중 Vp2 전위가 인가되었을 때에는, VL 전위에 대하여, 현상 전계가 형성될 때와는 역방향의 전위차가 형성되어, VL 전위부로부터 토너 T가 현상 슬리브(41) 측으로 되돌려지는 전계(이하 "풀백 전계"라고 함.)가 형성된다. 이와 같은 구성으로, 현상 바이어스가 인가된 현상 슬리브는, VL 전위부에 대하여 교번 전계를 형성한다. 또한, 현상 바이어스가 인가된 현상 슬리브는, VD 전위부에 대해서도 교번 전계를 형성한다.

여기서, 도 6을 참조하여, 현상 바이어스의 VL 전위에 대한 시간적 변화를 생각하면, 도 6 중에 표시하는 ａ, b, c, d, e의 각 시점에서의 전계 Ea, Eb, Ec, Ed는, 각각 하기 식으로 표현된다.

Ea=Ec=Ee=|(Vdc-VL)/D|

Eb=|(Vp1-VL)/D|

Ed=|(Vp2-VL)/D|

여기서, VL은, 최고 농도를 얻기 위한 정전상의 전위 [V]이고,

Vp1은, 교번 전압에서의 피크 전위 중, VL 전위에 대하여 토너를 감광체를 향하여 이동시키는 전위차를 설정하는 피크 전위 [V]이고,

Vp2는, 교번 전압에서의 피크 전위 중, VL 전위에 대하여 토너를 현상제 담지체를 향하여 이동시키는 전위차를 설정하는 피크 전위 [V]이고,

Vdc는, 현상 바이어스의 DC 바이어스 성분 [V]이고,

D는, 감광체(1)와 현상 슬리브(41) 사이의 최근접 거리 [m]이다.

또한, Vp1, Vp2는, 토너의 대전 극성에 따라서, 하기 식으로 표현된다.

토너가 부극성인 경우: Vp1=Vdc-|Vpp/2|

토너가 정극성인 경우: Vp1=Vdc+|Vpp/2|

토너가 부극성인 경우: Vp2=Vdc+|Vpp/2|

토너가 정극성인 경우: Vp2=Vdc-|Vpp/2|

여기서, Vpp는 교번 전압에서의 피크-투-피크 전압이며, Vdc는 현상 바이어스의 DC 바이어스 성분이다.

즉, 전계 Ea, Ec 및 Ee는, 현상 바이어스의 DC 바이어스와 감광체(1) 상의 정전상의 최고 농도부의 전위[VL 전위] 사이의 전위차를, 감광체(1)와 현상 슬리브(41)의 최근접 위치에서의 거리 D로 나눈 것이다. 전계 Eb(현상 전계)는, 감광 체(1) 상의 VL 전위에 대하여, 토너를 감광체(1)를 향하여 이동시키는 측의 전계를 형성하는 전위차를 설정하는 피크 전위와, 감광체(1) 상의 VL 전위와의 사이의 전위차를, 감광체(1)와 현상 슬리브(41)의 최근접 거리 D로 나눈 것이다. 또한, 전계 Ed(풀백 전계)는, 감광체(1) 상의 VL 전위에 대하여, 토너를 현상 슬리브(41)를 향하여 이동시키는 측의 전계를 형성하는 전위차를 설정하는 피크 전위와 VL 전위 간의 전위차를, 감광체(1)와 현상 슬리브(41)의 최근접 거리 D로 나눈 것이다.

한편, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 캐리어의 저항률은 전계 의존성을 갖는다. 그 때문에, 도 7에서, 화살표로 표시하는 바와 같이, 현상 바이어스 하에서는, 전계 강도가 Ea→Eb→Ec→Ed→Ee로 변화되는 것에 따라서, 캐리어의 저항률이 변화될 것이다. 따라서, 예를 들면 저저항 캐리어 A의 경우에는, 그 저항률은 R1→R3→R1→R2→R1로 변화되고, 고저항 캐리어 B의 경우에는, 그 저항률은 R4→R6→R4→R5→R4로 변화되게 된다.

시간에 따른 저항률의 변화를 작성하면 도 8에 도시하는 바와 같이 된다.

즉, 저저항 캐리어 A의 경우에는, 현상 전계가 인가될 때의 캐리어의 저항률은, 보다 낮은 저항률 R3으로 된다. 반면, 고저항 캐리어 B의 경우에는, 현상 전계가 걸릴 때의 캐리어의 저항률은 보다 높은 R6 정도이다. 즉, 현상 전계가 인가될 때의 캐리어의 저항률의 저하율은, 고저항 캐리어 B에서는, 저저항 캐리어 A와 비교하여 작다. 이 차가, 캐리어 내의 전하 이동에 영향을 미쳐, 현상성의 차로 된다.

여기서, 도 1에, 본 실시예에 따른 캐리어 C(이하, 간단히 "캐리어 C"라고 함)의 저항률의 전계 의존성을 도시한다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교예로서의, 저저항 캐리어 A 및 고저항 캐리어 B의 경우와 마찬가지로, 캐리어 C의 저항률은 전계 의존성을 갖지만, 캐리어 C의 경우에는, 소정의 전계 Ep에서 그 저항률의 전계 의존성의 기울기(변화율)가 가파르게 되는 특성을 갖는다.

즉, 캐리어 C의 경우, 그 저항률 ρ가, 현상 슬리브(41)의 전위와 감광체(1) 상의 정전상의 전위의 전위차 ΔV를, 감광체(1)와 현상 슬리브(41)의 최근접 거리 D로 나누어 얻어진 값인 전계 강도 E(=ΔV/D)의 변화에 대하여, 기울기(Δρ/ΔE)를 갖는다. 그리고, 캐리어 C는, Ed<Ep<Eb의 관계의 전계 강도 Ep에서 저항률 ρ의 전계 의존성의 기울기(Δρ/ΔE)가 변화된다.

또한, 캐리어의 저항률의 전계 의존성의 기울기(변화율)는, 그 저항률을 반대수 그래프의 세로축(대수축)에 취하고, 전계 강도를 횡축에 취한 경우에 실질적으로 선형 관계로 되는, 저항률과 전계 강도의 관계의 기울기로 표현된다.

또한, 캐리어 C에서, 전계 강도 Ed에서의 저항률 ρ의 전계 의존성의 기울기(Δρ/ΔE)를 K1로 하고, 전계 강도 Eb에서의 저항률 ρ의 전계 의존성의 기울기(Δρ/ΔE)를 K2로 한 경우, 0≥K1>K2의 관계가 성립한다. 즉, K1이 0이 아닐 때, K1과 K2는 동일 부호(여기서는 마이너스)이다.

따라서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 캐리어 C에 상술한 바와 같은 현상 바이어스가 인가되면, 전계 강도가 Ea→Eb→Ec→Ed→Ee로 변화됨에 따라, 캐리어의 저항률은 R7→R9→R7→R8→R7로 변화된다.

시간에 따른 캐리어 C의 저항률의 변화를 작성하면, 도 9b에 도시하는 바와 같이 된다. 도 9a는, 도 8과 마찬가지의 캐리어 A 및 캐리어 B에서의 저항률의 변화를 도시한다.

즉, 캐리어 C의 저항률은, 현상 전계 Eb의 인가 동안에는, 보다 낮은 저항률 R9로 되고, 반대로 풀백 전계 Ed의 인가 동안에는, 보다 높은 저항률 R8이 유지된다.

캐리어 C의 경우는, 현상 전계 Eb가 형성되었을 때에만, 그 저항률이 급격하게 저하되며, 캐리어에 축적된 역전하가 확산되기 쉬워져, 토너와 캐리어의 부착력이 저감된다. 따라서, 고저항 캐리어 B보다, 토너가 캐리어로부터 분리되기 쉬워진다.

한편, 풀백 전계 Ed가 형성되었을 때에는, 캐리어의 저항률이 높아지므로, 전하가 쉽게 이동되지 않게 되어, 현상 슬리브(41) 측으로부터 캐리어에 반대 극성의 전하가 흐르기 어려운 상태로 된다. 그 때문에, 캐리어에는 역전하가 그다지 존재하지 않게 된다. 따라서, 풀백 전계가 인가된 경우, 감광체(1)로부터 토너가 재차 캐리어에 되돌려져, 포획되기도 쉽지 않게 될 것이다.

이와 같은 구성으로, 캐리어 C에서는, 현상 전계 Eb가 인가될 때에만 전기적 저항이 낮아져, 저저항 캐리어 A와 같이 현상성이 확보된다. 반면, 풀백 전계 Ed가 인가될 때에는, 높은 전기적 저항이 유지되어, 풀백력이 약해진다. 그 결과, 고저항 캐리어 B보다 토탈해서 현상성이 향상된다.

다음으로, 감광체(1) 상의 정전상의 전위를 흐트러뜨리는 전하 주입에 대하여 캐리어 C의 작용을 설명한다. 여기서는, 감광체(1)로서 a-Si 감광체를 이용한 경우의 전하 주입을 예로 들어 설명한다.

도 10에, 캐리어 A, B, C의 경우의 VL 전위에 대한 전하 주입량을 도시한다. 도 10에서, 횡축은 현상 슬리브(41)의 전위와 감광체(1) 상의 VL 전위 사이에서 형성되는 전계 E를 나타내고, 종축은 VL 전위와 그 VL 전위부의 전하 주입 후의 전위 VL'의 차, 즉, |VL-VL'｜를 나타내고 있다.

여기서, VL'와 VL은, 도 11에 도시하는 바와 같이, 감광체(1)의 표면 이동 방향에서 현상부 G보다도 하류에서 표면 전위계 Vs에 의해 측정된다. 현상 디바이스(4)가 없이 측정된 전위를 VL(전술한 VL 전위와 동등)로 하고, 현상 디바이스(4)가 설치되어, 소정의 현상 바이어스가 인가된 경우의 VL 전위를 VL'로 정의하고 있다.

즉, 도 10은, VL 전위가 현상부 G를 통과할 때에, 그 VL 전위부에 접촉하고 있는 캐리어로부터의 전하 주입에 의해, 얼마만큼 전위가 변화되는지를 모식적으로 도시한 것이다.

도 10은, 저저항 캐리어 A의 경우에는, 전계 Ef에서 전하 주입이 시작되고, 캐리어 C의 경우에는, 전계 Eg에서 전하 주입이 시작되는 것을 나타내고 있다.

이 전계 Ef 및 Eg에서의 캐리어의 저항률을, 도 1의 그래프로부터 구하면, 도 12에 도시하는 바와 같이, 전계 Ef에서의 캐리어 A의 저항률은 ρAs, 전계 Eg에서의 캐리어 C의 저항률은 ρCs로 된다.

또한, 플롯 Ef, ρAs 및 플롯 Eg, ρCs를 연결한 라인을 주입 임계값 저항 라인 ρs로 하면, 그 주입 임계값 저항 라인 ρs보다 캐리어의 저항률이 낮으면, 감광체에의 전하 주입이 발생하는 것을 의미하고 있다.

여기서, 전계 Ef 및 Eg를 현상 전계 Eb 및 풀백 전계 Ed와 비교해 보면, 캐리어 A는, Ef<Ed, Ef<Eb의 관계로 되어 있다. 그 때문에, 현상 시에도, 풀백 시에도, 전하 주입이 발생하고 있는 것을 알 수 있다.

반면, 캐리어 C는, Eg>Ed, Eg>Eb의 관계로 되어 있다. 그 때문에, 현상 시에도, 풀백 시에도, 전하 주입이 발생하지 않는다.

여기서, 만약 캐리어 A의 경우, 예를 들면 Ed<Ef<Eb의 관계로 되는 풀백 전계 Ed' 및 현상 전계 Eb'를 선택한 것으로 한다. 이 경우에서도, 풀백 전계 Ed'에서는 전하 주입이 발생하지 않지만, 현상 전계 Eb'에서는 역시 전하 주입이 발생할 것이다.

도 13a 및 도 13b는, 도 9a 및 도 9b에 저항률 ρAs 및 ρCs를 나타내는 라인을 중첩한 것이다. 예를 들면, 저저항 캐리어 A에서는, 현상 전계 Eb 및 풀백 전계 Ed가 인가될 때, 캐리어의 저항률이 도 13a에서의 ρAs보다 낮기 때문에, 즉 주입 임계값 저항 라인 ρs 이하이기 때문에, VL의 정전상 전위에 대하여 전하 주입이 발생한다. 반면, 캐리어 C의 경우, 전계 Eb 및 Ed에서, 캐리어의 저항률이 ρCs보다 높기 때문에, 즉 주입 임계값 저항 라인 ρs 이상이기 때문에, 전하 주입이 발생하지 않는다.

그 결과, 본 실시예의 저항 특성을 갖는 캐리어를 이용함으로써, 캐리어로부터 정전상에의 전하 주입이 발생하지 않음으로써, VL 전위가 올라가는 일이 없으므로, 화상 농도가 연해지는 것을 억제할 수 있다.

이상, 캐리어 C의 전기적인 저항 특성을 모식적으로 설명하였다. 상술한 캐리어 C와 같은 전기적인 저항 특성을 가짐으로써, 종래의 저저항 캐리어를 이용하는 경우의 과제인 캐리어를 통한 정전상에의 전하 주입을 방지하면서, 종래의 고저항 캐리어를 이용하는 경우와 비교하여 현상성을 비약적으로 높이는 것이 가능하게 된다. 즉, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 캐리어를 사용함으로써, 대전량이 높은 토너의 현상성을 비약적으로 개선시킬 수 있다. 또한, 정전 용량이 큰 감광체이어도, 고선명이며 안정성 있는 화상을 형성할 수 있다.

이하, 보다 구체적인 시험예에 의거하여 본 실시예의 이점을 더욱 상세하게 설명한다.

(예1)

본 실시예의 이점을 확인하기 위해, 종래의 저저항 캐리어 A 및 고저항 캐리어 B, 및 본 실시예에 따른 캐리어 C를 이용하여 비교 평가를 행하였다.

저저항 캐리어 A:

저저항 캐리어 A의 예들은, 코어재로서 하기 식 (1) 또는 (2)로 표현되는 자성을 갖는 마그네타이트 또는 페라이트를 이용하는 것이 있다.

MO·Fe₂O₃ … (1)

M·Fe₂O₄ … (2)

상기 식에서, M은 3가, 2가 또는 1가의 금속 이온을 나타낸다.

M의 예로서는, Be, Mg, Ca, Rb, Sr, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Cd, Pb 및 Li를 들 수 있다. 이 구성물들은, 단독 혹은 조합하여 이용할 수 있다.

상기한 자성을 갖는 금속 화합물 입자의 구체적 화합물의 예로서는, Cu-Zn-Fe계 페라이트, Mn-Mg-Fe계 페라이트, Mn-Mg-Sr-Fe계 페라이트 및 Li-Fe계 페라이트와 같은 철계 산화물을 들 수 있다.

페라이트 입자의 제조 방법으로서는, 예를 들면, 다음과 같은 방법을 포함하는 공지의 방법을 채용할 수 있다. 즉, 분쇄된 페라이트 조성물에, 바인더, 물, 분산제, 유기 용매 등을 혼합하여, 스프레이 드라이어법 또는 유동 조립법에 의해 입자를 형성한다. 그 후, 로터리 킬른(rotary kiln) 또는 회분식 소성로(batch-type baking furnace)에서 700℃∼1400℃, 바람직하게는 800℃∼1300℃의 범위의 온도에서 소성한다. 다음으로, 그 결과물을 체로 걸러 분류하여, 입자 크기 분포를 제어하여, 캐리어용의 코어재 입자로 한다. 또한, 페라이트 입자 표면에, 침지법(dipping method)에 의해 실리콘 수지 등의 수지를 0.1∼1.0질량％ 정도 코팅한다.

이와 같이 하여 제작된 캐리어를, 여기서는 저저항 캐리어 A로 부른다.

고저항 캐리어 B:

고저항 캐리어 B의 예로서는, 다음과 같은 것을 들 수 있다.

첫째로는, 마그네타이트 입자와 열가소성 수지를 용융하여 혼합하고, 이를 분쇄함으로써, 제조하는 자성체 분산형 수지 캐리어를 코어재로서 이용하는 것이다. 둘째로는, 마그네타이트 입자와 열가소성 수지를 용매 중에 용융하여 분산시 킨 슬러리를, 예컨대, 스프레이 드라이어에 의해 분무 건조시켜 제조하는 자성체 분산형 수지 캐리어를 코어재로서 이용하는 것이다. 셋째로는, 마그네타이트 입자 및 헤마타이트 입자의 존재 시에 페놀을 직접 중합에 의해 경화 반응시킴으로써, 자성체 분산형 수지 캐리어를 코어재로서 이용하는 것이다. 이러한 캐리어의 코어재에, 유동층 코팅 장치 등을 이용하여, 열가소성 수지 등의 수지를 1.0∼4.0질량％ 정도 더 코팅한다.

이와 같이 하여 제작된 캐리어를, 여기서는 고저항 캐리어 B로 부른다.

실시예에 따른 캐리어 C:

한편, 본 예에 따른 캐리어 C로서는, 예를 들면, 포러스 형상의 코어에 실리콘 수지 등의 수지를 유입시켜, 코어 내의 공극을 수지로 충전한 포러스 형상 수지 충전 캐리어를 이용할 수 있다.

이러한 캐리어 C의 제작 방법으로서는, 다음과 같은 방법을 들 수 있다. 우선, 상기 저저항 캐리어 A에 이용되는 금속 산화물, 산화철(Fe₂O₃) 및 첨가물을 소정량 칭량하여(weighed), 혼합한다. 상기 첨가물의 예로서는, 주기율표의 IA, IIA, IIIA, IVA, VA, IIIB 및 VB족에 속하는 원소들 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 산화물, 예를 들면, BaO, Al₂O₃, TiO₂, SiO₂, SnO₂ 및 Bi₂O₅ 등을 들 수 있다. 다음으로, 얻어진 혼합물을 700℃∼1000℃의 범위에서 5시간 가소하고, 그 후, 0.3∼3㎛ 정도의 입경으로 분쇄한다. 얻어진 분쇄물에, 필요에 따라서 결착제, 나아가서는 발포제를 혼합하고, 100℃∼200℃의 가열 분위기 하에서 분무 건조하여, 20 ∼50㎛ 정도의 크기로 조립한다. 그 후, 산소 농도 5% 이하의 불활성 가스(예를 들면, N₂ 가스)의 분위기 하에서 소결 온도 1000℃∼1400℃에서 8∼12시간동안 소성한다. 이에 의해 포러스 형상의 코어가 얻어진다. 다음으로, 이 포러스 형상의 코어에 실리콘 수지를 침지법에 의해 8∼15질량％ 충전하고, 180℃∼220℃ 불활성 가스 분위기 하에서 그 실리콘 수지를 경화시킨다.

상술한 제법에서, 코어의 포러스 레벨뿐만 아니라, 코어 자체의 전기적 저항, 나아가서는, 충전하는 실리콘 수지 등의 수지량 등을 제어함으로써, 변곡점, 기울기 K1, K2, 및 전계 Eb, Ed 인가 시의 저항률 등의 캐리어의 저항률의 전계 의존성을 제어할 수 있다.

상기한 바와 같이 제어함으로써, 캐리어 C의 내부에서, 절연부와 도전부를 원하는 상태로 혼재시키는 것이 가능하게 되어, 캐리어를 통해 흐르는 전하량을 제어하는 것이 가능하게 된다. 예를 들면, 캐리어 A와 같이, 코어 모두가 도전성의 재료로 형성된 캐리어의 경우, 현상 바이어스가 인가되었을 때, 캐리어 내 및 캐리어간에서 전기적인 패스가 생기기 쉬워, 급격하게 저항값이 저하하게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 캐리어 C의 내부에서, 포러스 형상 코어의 공극에, 수지가 충전되어 있기 때문에, 그 수지부에서 전하의 흐름이 어느 정도 저지되는 구성으로 되어 있다. 따라서, 현상 바이어스가 인가되었을 때, 급격한 저항 저하가 발생하지 않아, 원하는 전계 강도에서, 저항을 저하시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 코어의 포러스 레벨 또는 저항값은, 전술한 발포제량뿐만 아니라, 소 성 분위기를 컨트롤하기 위한 불활성 가스 농도, 및 소결 온도를 컨트롤함으로써 제어할 수 있게 된다. 예를 들면, 하기 표 1에 나타내는 조건에서 제작된 캐리어의 저항률을 도 27에 도시한다.

(캐리어 제작 조건)

	C-1	C-2
산소 농도	1.0%	0.5%
소결 온도	1200℃	1250℃
발포제량	5%	3%

캐리어 C-1은, 소결 온도를 낮게 하고, 발포제량을 많게 함으로써 포러스 레벨을 크게 하여, 충전되는 수지량이 많아지도록 제어하고 있다. 수지를 많이 충전함으로써 저항값을 크게 할 수 있다. 또한, 소성 분위기를 컨트롤하기 위한 산소 농도를 높게 함으로써, 코어의 저항값을 높게 하는 것이 가능하다.

반면, 캐리어 C-2는, 소결 온도를 높게 하고, 발포제량을 적게 함으로써, 포러스 레벨을 작게 하여, 충전되는 수지량이 적어지도록 제어하고 있다. 충전되는 수지량이 적으면 저항값을 낮게 할 수 있다. 또한, 소성 분위기를 컨트롤하기 위한 산소 농도를 낮게 함으로써, 코어의 저항값을 낮게 할 수 있다.

이와 같은 구성으로, 각 공정에서의 제조 상의 제어를 행함으로써, 원하는 변곡점뿐 아니라, K1 및 K2를 얻는 것이 가능하게 된다.

비교 평가:

도 14는, 저저항 캐리어 A, 고저항 캐리어 B 및 캐리어 C의 저항률의 전계 의존성을 도시한다. 저저항 캐리어 A, 고저항 캐리어 B 및 캐리어 C 각각은, 저항률에 전계 의존성을 갖는다. 일반적으로, 전계가 커지면, 저항률이 저하된다.

각각의 캐리어의 저항률 ρ는, 도 4에 도시하는 장치를 이용하여 측정된 것이다. 즉, 300㎜/sec의 원주속도(표면 이동 속도)로 회전하는 알루미늄 드럼 Dr에 대하여, 캐리어만을 충전한 현상 디바이스(4)의 현상 슬리브(41)를 300㎛의 거리(최근접 거리)를 이격시켜 대향시킨다. 그리고, 현상 슬리브(41)를 540㎜/sec의 원주속도로 회전시키면서, 알루미늄 드럼 Dr과 현상 슬리브(41) 사이에 AC 전압을 인가하여, 캐리어의 임피던스 측정을 행한다. 따라서, 그 측정값으로부터 캐리어의 저항값 R을 구하였다. 그 때, 임피던스 측정은, 임피던스 측정 장치 Z로서의 Solartron사에 의해 제조된 126096W를 이용하여 행하였다. 또한, 알루미늄 드럼 Dr과 캐리어가 접촉하고 있는 면적 S를 측정하고, 하기 수학식으로부터, 캐리어의 저항률 ρ를 구하였다.

또한, 횡축의 전계 E는, 알루미늄 드럼 Dr과 현상 슬리브(41)의 최근접 위치(최근접 거리 D)에서의 전계 강도이며, 알루미늄 드럼 Dr과 현상 슬리브(41) 사이의 인가 전압을 단순하게 거리 D로 나누어 얻은 것이다.

도 15는, 실제의 현상 동작 시에서의, 감광체(1) 상의 정전상의 전위 및 현상 슬리브(41)에 인가되는 현상 바이어스를 도시하고 있다. 도 15에서, 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 전위를 나타낸다.

본 시험예에서는, 현상 바이어스로서는, 피크-투-피크 전압 Vpp=1.8kV, DC 성분 Vdc=-350V, 주파수 f=12KHz(1주기 83.3μsec)의 구형파의 현상 바이어스(교번 전압)를 이용한다. 이 현상 바이어스는, 현상 슬리브(41)에 인가된다.

본 시험예에서는, 정전상은, 이미지 노광 방식으로 형성된다. 또한, 본 시험예에서는, 토너는 캐리어와의 마찰 대전에 의해 부극성으로 대전된다. 현상 방식으로서는, 반전 현상 방식을 이용한다.

도 15에서, VD는 감광체(1)의 대전 전위(암부 전위)이며, 본 예에서는, 대전기(2)에 의해 -500V로 대전되어 있다. 도 15에서, VL은, 노광 디바이스(3)에 의해 노광된 화상부의 전위(명부 전위)이며, 최고 농도를 얻기 위한 전위인 -100V로 설정되어 있다.

현상 슬리브(41)에는, 상술한 바와 같은 구형파의 현상 바이어스가 인가되어 있다. 그 때문에, Vp1 전위=-1250V가 인가되었을 때에는, VL 전위=-100V에 대하여 가장 큰 전위차(=1150V)가 형성된다. 또한, 이 전위차에 의해 형성되는 현상 전계에 의해서, 토너가 캐리어로부터 분리된다. 또한, 현상 슬리브(41)에 Vp2 전위=+550V가 인가되었을 때에는, VL 전위(=-100V)에 대하여 650V의 전위차가 형성되므로, VL 전위부로부터 토너가 현상 슬리브(41) 측으로 되돌려지는 풀백 전계가 형성된다.

도 16을 참조하여, 현상 바이어스의 VL 전위에 대한 시간적 변화를 생각하면, a, b, c, d, e의 각 시점에서의 전계 Ea, Eb, Ec, Ed, Ee는, 각각 하기 식에 의해 산출된다. 또한, 감광체(1)와 현상 슬리브(41) 사이의 최근접 거리 D는 300 ㎛로 설정되어 있다.

Ea=Ec=Ee=|(Vdc-VL)/D|=0.83×10⁶V/m

Eb=|(Vp1-VL)/D|=3.8×10⁶V/m

Ed=|(Vp2-VL)/D|=2.2×10⁶V/m

따라서, 도 14 및 도 16으로부터, 현상 바이어스 하에서의 캐리어의 저항률의 변화를 시간 변화에 대하여 플롯하면, 저저항 캐리어 A 및 캐리어 B의 경우에는 도 17에 도시하는 바와 같이 된다.

즉, 저저항 캐리어 A의 경우에는, 현상 전계 Eb의 인가 시의 캐리어의 저항률 R3은 (전계 3.3×10⁵V/m일 때의 저항률 ρ=9.0×10⁶Ω·m로부터) 약 5.0×10⁴Ω·m이다. 즉, 이 때, 캐리어의 저항률은 매우 저하되고, 그 결과, 캐리어 내의 전하 이동이 용이한 것으로 된다. 또한, 전계 Ea, Ec 및 Ee가 인가되어 있을 때의 저저항 캐리어 A의 저항률 R1은 약 4.7×10⁶Ω·m이다. 또한, 풀백 전계 Ed가 인가되어 있을 때의 저저항 캐리어 A의 저항률 R2는 약 6.2×10⁵Ω·m이다.

또한, 고저항 캐리어 B의 경우에는, 현상 전계 Eb의 인가 시의 캐리어의 저항률 R6은(전계 3.3×10⁵V/m일 때의 저항률 ρ=1.0×10⁸Ω·m로부터) 약 6.0×10⁷Ω·m이다. 즉, 이 때, 캐리어의 저항률은 저하되지만, 그 저하율은 작다. 그 결과, 캐리어 내의 전하 이동이 없으므로, 저저항 캐리어 A보다도 현상성이 저하되게 된다. 또한, 전계 Ea, Ec 및 Ee의 인가 시의 고저항 캐리어 B의 저항률 R4는 약 9.3×10⁷Ω·m이다. 또한, 풀백 전계 Ed의 인가 시의 고저항 캐리어 B의 저항률 R5는 약 7.7×10⁷Ω·m이다.

반면, 본 실시예에 따른 캐리어 C의 경우에는, 도 14에 도시하는 바와 같이, 2.2×10⁶∼3.2×10⁶V/m 부근의 전계 Ep(보다 상세하게는, 본 예에서는, 2.7×10⁶V/m)에서 그 저항률의 변화(전계 의존성)의 기울기가 급격하게 되는 특성(변곡점 P)을 갖는다.

즉, 전술한 바와 같이, 캐리어 C의 경우, Ed<Ep<Eb의 관계가 성립하는 전계 강도 Ep에서 저항률 ρ의 전계 의존성의 기울기(Δρ/ΔE)가 변화된다. 이 기울기를, 저항률에 대하여 그래프의 종축의 지수 표시를 이용하여 표시하면, 본 시험예의 캐리어 C의 경우, 전계 강도 Ed에서의 저항률 ρ의 전계 의존성의 기울기 K1은, -2.14[Ω·㎡/V]이다. 또한, 전계 강도 Eb에서의 저항률 ρ의 전계 의존성의 기울기 K2는, -3.73[Ω·㎡/V]이다. 즉, 0≥K1>K2가 성립한다.

그 때문에, 현상 바이어스의 인가 하에서, 전계 강도가 Ea→Eb→Ec→Ed→Ee로 변화됨에 따라서, 캐리어 C의 저항률은 R7→R9→R7→R8→R7로 변화된다. 따라서, 저항률 R9일 때에만 저항률이 대폭 저하된다.

시간 변화에 따라 작성한 캐리어 C의 저항률의 변화는, 도 18에 도시하는 바와 같이 된다.

즉, 캐리어 C의 저항률은, 현상 전계 Eb의 인가 동안에는, Eb>Ep이기 때문에, 저항률 R9가 약 6.5×10⁶Ω·m로 된다. 반대로, 풀백 전계 Ed의 인가 동안에는, Ed<Ep이기 때문에, 저항률 R8이 약 5.8×10⁷Ω·m로 된다.

또한, 전계 Ea, Ec 및 Ee의 인가 시의 캐리어 C의 저항률 R7은 약 8.6×10⁷Ω·m이다.

캐리어 C의 경우, 현상 전계 Eb가 형성되었을 때에만, 그 저항률이 2자릿수 정도 저하되므로, 토너와 캐리어의 부착력이 저감된다. 따라서, 고저항 캐리어 B의 경우보다, 토너가 캐리어로부터 분리되기 쉬워진다. 한편, 풀백 전계 Ed가 형성되었을 때에는, 캐리어의 저항률이 높아지므로, 전하는 쉽게 이동되지 않는다. 따라서, 현상 전계 Ed가 인가되었을 때에는 현상 슬리브(41) 측으로부터 캐리어에 반대 극성의 전하가 흐르기 어려워지므로, 캐리어에는 역전하가 그다지 존재하지 않을 것이다. 따라서, 감광체(1)로부터 토너가 재차 캐리어에 되돌려져, 포획되기도 쉽지 않게 될 것이다.

이와 같은 구성으로, 캐리어 C의 경우, 현상 전계 Eb가 인가될 때에만 전기적 저항이 낮아져, 저저항 캐리어 A와 같이 현상성이 확보된다. 반면, 풀백 전계 Ed가 인가될 때에는, 높은 전기적 저항이 유지되어, 고저항 캐리어 B와 같이 풀백력이 약해진다. 그 결과, 고저항 캐리어 B보다 토탈해서 현상성이 높아진다.

도 19는, 감광체(1)로서 OPC 감광체를 이용하여 실제로 현상 동작을 행하였을 경우의 현상성을 조사한 결과를 도시한다. 도 2와 마찬가지로, 도 19에서, 횡 축은 현상 바이어스의 Vpp를 나타내며, 종축은 감광체(1) 상에 현상된 토너상을 형성하는 토너층의 단위 면적당의 대전량 Q/S[C/㎠]를 나타내고 있다. 또한, 도 19는, 막 두께(감광층의 두께)가 30㎛이고 상대 유전율이 3.3인 OPC 감광체에 대하여, Q/M=-30μC/g의 토너를 이용하여, Vcont=250V(주파수 12㎑, 구형파)에서 현상하였을 때의, Q/S [C/㎠]의 Vpp 의존성을 나타내고 있다.

도 19로부터, 캐리어 C를 이용하는 경우, 종래의 고저항 캐리어 B를 이용하는 경우보다도 Q/S[C/㎠]의 Vpp 의존성이 적음을 알 수 있다. 또한, 캐리어 C를 이용하는 경우에는, 저저항 캐리어 A를 이용하는 경우와 비교해도, Vpp=1.0kV 정도까지 현상성에 차가 없는 것을 알 수 있다.

예를 들면, 고저항 캐리어 B를 이용하는 경우에는, Vpp=1kV일 때에, M/S=0.5mg/㎠ 정도만 얻어질 수 있는 반면, 저저항 캐리어 A 및 캐리어 C의 경우에는, 동 Vpp일 때에, M/S=0.65mg/㎠ 이상을 확보할 수 있다.

이 사실은, 현상 바이어스 Vpp의 값을 1.0kV 이상, 예를 들면 1.6kV로 결정한 상태에서, 장기간의 화상 출력을 행할 때에, 토너의 외첨제의 양이 이탈 및 매립에 의해 저감되어, 토너와 캐리어 사이의 부착력이 증가되었다고 해도 현상성이 저하되지 않는 것을 나타내고 있다. 이는 현상제에 인가되는 전계에 대하여, 충분한 현상성이 있기 때문이다.

도 20은, 감광체(1)로서 a-Si 감광체를 이용하여 실제 현상 동작을 행하였을 때의 현상성을 조사한 결과를 도시한다. 도 20의 횡축 및 종축은, 도 2 및 도 19와 마찬가지이다.

도 20은, Q/M=약 -60μC/g의 토너를 사용하고, 막 두께(감광층의 두께)가 30㎛이고 상대 유전율이 10인 경우의 결과를 도시하고 있다. 현상 바이어스의 설정은, 도 19에 도시된 결과를 상기 OPC 감광체를 이용한 경우와 마찬가지이다.

또한, 저저항 캐리어 A를 이용하여 상기 a-Si 감광체에 대하여 현상 동작을 행하면, 현상 시에 캐리어를 통하여 감광체(1)에 전하가 주입되므로, 감광체(1) 상의 정전상 전위가 흐트러지게 된다. 그 때문에, 도 20에는, 저저항 캐리어 A를 이용한 경우의 데이터는 도시하고 있지 않다.

도 20은, 고저항 캐리어 B를 이용하는 경우, Vpp=1.8kV일 때라도, M/S=0.4mg/㎠ 정도만을 얻을 수 있는 반면, 캐리어 C를 이용하는 경우에는, 동 Vpp일 때에, M/S=0.6mg/㎠ 정도를 얻을 수 있음을 도시한다. 이와 같은 구성으로, 감광체(1)의 정전 용량이 큰 경우, 본 실시예의 이점을 보다 현저하게 얻을 수 있었다.

본 발명자들의 검토에 따르면, 감광체(1)의 단위 면적당의 정전 용량이, 1.7×10^-6F/㎡ 이상인 경우에는, 현상성의 저하를 방지하는 상기 이점이 특히 현저하게 나타난다. 일반적으로, a-Si 감광체는, 상기 범위의 정전 용량을 갖는다. 또한, 막 두께가 비교적 얇은 OPC 감광체에서도, 상기 범위의 정전 용량을 갖는 경우가 있다. 또한, 통상 감광체(1)의 막 두께는, 약 20㎛ 이상이므로 단위 면적당의 정전 용량은, 약 1.46×10^-6F/㎡ 이하이다.

또한, 감광체(1)의 단위 면적당의 정전 용량은, 다음과 같이 구할 수 있다.

C=(ε0×εd)/d

C: 정전 용량

ε0: 진공의 유전율

εd: 감광체의 유전율

d: 감광체의 막 두께

다음으로, 감광체(1)의 정전상의 전위를 흐트러뜨리는 전하 주입에 대하여 설명한다.

여기서는, 전하 주입의 영향을 받기 쉬운 조건으로서, 감광체(1)로서 a-Si 감광체를 이용하고, 캐리어로서 저저항 캐리어 A를 이용하여, 도 12를 참조하여 전술한 전하 주입이 시작되는 전계를 검토하였다.

도 21a 및 도 21b는 저저항 캐리어 A를 이용하고, 감광체(1)로서 a-Si 감광체를 이용한 경우의 전하 주입의 발생 상황을 조사한 결과의 일례를 도시한다.

도 21a 및 도 21b는, 감광체(1) 상에 형성된 정전상의 VL 전위 및 VD 전위가, 현상 바이어스의 인가 하에서 캐리어와 접촉함으로써 얼마만큼 변화되는지, 즉, Vpp를 변화시킴으로써, ΔVL 및 ΔVD의 결과를 도시한다. ΔVL 및 ΔVD는 하기 식으로 표현된다.

ΔVL=VL-VL'

여기서, VL은 원래의(캐리어가 접촉하기 전의) 최고 농도부(베타 흑부)의 전위이며,

VL'는 캐리어가 접촉한 후의 VL 전위이다.

ΔVD=VD-VD'

여기서, VD는 원래의(캐리어가 접촉하기 전의) 비화상부(베타 백부)의 전위이며,

VD'는 캐리어가 접촉한 후의 VD 전위이다.

여기서, 상기 VL, VL', VD, VD'는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 감광체(1)의 표면 이동 방향에서 현상부 G의 하류에서 표면 전위계 Vs에 의해 측정된 것이다. 현상 디바이스(4)가 없는 상태에서 VL, VD를 측정하고, 현상 디바이스(4)가 설치되어 소정의 현상 바이어스가 인가된 상태에서 VL', VD'를 측정한다.

또한, 현상 바이어스는, 주파수 f=12㎑(구형파), Vdc=-350V의 교번 바이어스이다. 또한, 캐리어를 접촉시키지 않는 경우의 VL 전위 및 VD 전위는, 각각, VL=-100V 및 VD=-500V로 설정하였다.

도 21a에서, ■로 작성된 라인은 VL 전위에 대한 전하 주입량을 나타낸다. Vpp=0.7kV일 때에는, VL'=-125V로 되고, ΔVL=약 25V로 된다. 또한, Vpp=1.3kV일 때에는, VL'=-165V로 되고, ΔVL=약 65V로 된다. 또한, Vpp=1.8kV일 때에는, VL'=-200V로 되고, ΔVL=약 100V로 된다.

또한, 도 21a에서, △로 작성된 라인은 VD 전위에 대한 전하 주입량을 나타낸다. Vpp=1kV, 1.3kV, 1.8kV에서, 각각 ΔVD=약 -25V, -45V, -75V로 된다.

도 21a의 그래프로부터, 전하 주입량이 0으로 되는 Vpp는, VL 전위에 대해서는 약 0.35kV이다. 이 때의 전계는, Ef1=|(Vp1-VL)/D|=1.4×10⁶V/m로 된다.

반면, 도 21a의 그래프로부터, 전하 주입량이 0으로 되는 Vpp는, VD 전위에 대해서는 약 0.5kV이다. 이 때의 전계도 역시 Ef2=|(Vp2-VD)/D|=1.4×10⁶V/m로 된다.

즉, 캐리어의 저항률이, 상기 1.4×10⁶V/m의 전계가 인가되고 있을 때의 캐리어의 저항률보다 낮아지면, 캐리어를 통한 감광체(1) 상의 정전상에의 전하 주입이 발생할 것이다. 그리고, 상기 전계가 인가되어 있을 때의 캐리어 A의 저항률 ρ=ρAs는, 약 2.2×10⁶Ω·m로 되는 것을 알 수 있다.

상기 결과를 도 14와 대조한 것을 도 22에 도시하고, 도 17과 대조한 것을 도 23a에 도시한다.

또한, 상기 마찬가지의 실험을 캐리어 C에서 행한 결과를 도 21b에 도시한다.

도 21b에서, ◆로 작성한 라인은 VL 전위에 대한 전하 주입량을 나타낸다.

Vpp=1.8kV일 때에는, VL'=-100V이고, ΔVL=0V로 된다. 또한, Vpp=2.0kV일 때, VL'=약 -110이고, ΔVL=10V로 된다. 또한, Vpp=2.2kV일 때, VL'=약 -125V이고, ΔVL=25V로 된다.

또한, 도 21b에서, ◇로 작성한 라인은 VD 전위에 대한 전하 주입량을 나타낸다. Vpp=2.0kV, 2.2kV에서, 각각 ΔVD=0V, -10V로 된다.

도 21b의 그래프로부터, 전하 주입량이 0으로 되는 Vpp는, VL 전위에 대해서 는 약 1.9kV이다. 이 때의 전계는, Eg1=|(Vp1-VL)/D|=4.0×10⁶V/m로 된다.

반면, 도 21b의 그래프로부터, 전하 주입량이 0으로 되는 Vpp는, VD 전위에 대해서는 약 2.1kV이다. 이 때의 전계도 역시 Eg2=|(Vp2-VD)/D|=4.0×10⁶V/m로 된다.

즉, 캐리어 C의 저항률이, 상기 4.0×10⁶V/m의 전계가 인가되어 있을 때의 캐리어의 저항률보다 낮아지면, 정전상에의 전하 주입이 발생하게 된다. 그리고, 상기 전계가 인가되어 있을 때의 캐리어 C의 저항률 ρ=ρCs는, 약 5.0×10⁶Ω·m로 되는 것을 알 수 있다.

상기 결과를 도 14와 대조한 것을 도 22에 도시하고, 도 18과 대조한 것을 도 23b에 도시한다.

도 22 및 도 23에 도시하는 바와 같이, 예를 들면, 현상 바이어스의 인가 하에서의 Vpp가 1.8kV인 경우, 즉, 현상 전계 Eb=3.8×10⁶V/m 및 풀백 전계 Ed=2.2×10⁶V/m가 형성되었을 때를 생각한다. 여기서, 전계 Eb 및 Ed가 인가되었을 때의 캐리어 A의 저항률을, 각각 ρAEb, ρAEd로 한다. 또한, 전계 Eb, Ed가 인가되었을 때의 캐리어 C의 저항률을, 각각 ρCEb, ρCEd로 한다.

이 때, 캐리어 A에서는, ρAs>ρAEd, ρAEb의 관계이다. 그 때문에, 현상 전계 Eb가 형성될 때와, 풀백 전계 Ed가 형성될 때, 전하 주입이 발생하게 된다.

반면, 캐리어 C에서는, ρCs<ρCEd, ρCEb의 관계이다. 그 때문에, 현상 전계 Eb가 형성될 때와, 풀백 전계 Ed가 형성될 때, 전하 주입이 방지된다.

여기서, 상기 ρAs와 ρCs를 연결한 라인을 주입 임계값 저항 라인 ρs로 하면, 캐리어의 저항률이 그 라인 ρs 이하로 되면, 전하 주입이 발생함을 의미하고 있다. 이하, 주입 임계값 저항 라인 ρs에 대하여 설명한다.

캐리어 A의 경우, 전하 주입이 시작되는 저항률은 ρAs로 되는 것을 상술하였다. 이 때, 캐리어를 통하여 흐르는 전류량은, 약 2.2×10^-4A로 되어 있다. 한편, 캐리어 C에서의 저항률 ρCs 시의 전류값도, 약 2.2×10^-4A로 된다. 즉, 캐리어를 통해 소정의 전류값(전류 임계값)이 흐르기 시작한 상태가, 전하 주입이 시작되는 상태라고 생각된다. 따라서, 주입 임계값 저항 라인 ρs 상의 저항률은, 상기 전류 임계값(소정값)에서의 저항률을 나타낸다. 그 때문에, 그 주입 임계값 저항 라인 ρs보다 아래의 저항률로 되면, 상기 전류 임계값보다 많은 전류가 흐르고 있게 된다(도 30에 도시하는 주입 임계값 전류 라인 L을 참조). 이와 같은 구성으로, 주입 임계값 저항 라인 ρs는, 전하 주입의 임계값을 의미한다.

여기서, 주입 임계값 저항 라인 ρs를 근사하면, ρs=1.1×10⁶×e^N[Ω·m]이며,

여기서, e는 자연 대수의 밑(e≒2.71828)이며,

N=4×E×10^-7으로 된다.

그리고, 현상 전계 Eb에서의 캐리어의 저항률을 ρsEb로 하면, 그 저항률이, 하기 식,

ρsEb=1.1×10⁶×eⁿ[Ω·m]

(여기서, e는 자연 대수의 밑(e≒2.71828)이며,

n=4×Eb×10^-7)으로 표현되는 저항률 ρsEb 이상이면, 현상 전계 인가 시에 전하 주입이 방지되는 것을 나타내고 있다.

도 29에 도시하는 바와 같이, 본 예에서는, 캐리어 A에서의 전계 Eb 인가 시의 저항률 ρAEb는 약 5.0×10⁴Ω·m이다. 한편, 캐리어 C에서의 전계 Eb 인가 시의 저항률 ρCEb는 약 6.5×10⁶Ω·m이다. 여기서, 주입 임계값 저항 라인 ρs 상에서의 전계 Eb 인가 시의 저항률 ρsEb는 약 5.1×10⁶Ω·m이다. 그 때문에, ρAEb<ρEb<ρCEb의 관계로 된다. 따라서, 캐리어 A에서는 전하 주입이 발생하지만, 캐리어 C에서는 전하 주입은 발생하지 않는다.

또한, 본 실시예에서는, 캐리어 A에서의 전계 Ed 인가 시의 저항률 ρAEd는 약 6.2×10⁵Ω·m이다. 한편, 캐리어 C에서의 전계 Ed 인가 시의 저항률 ρCEd는 약 5.8×10⁷Ω·m이다. 전하 주입을 억제하기 위해, 캐리어 C에서의 전계 Ed 인가 시의 저항률 ρCEd는, 6.2×10⁵Ω·m보다도 큰 것이 바람직하다. 여기서, 주입 임 계값 저항 라인 ρs 상에서의 전계 Ed 인가 시의 저항률 ρsEd는 약 2.6×10⁶Ω·m이다. 그 때문에, ρAEd<ρsEd<ρCEd의 관계로 된다. 따라서, 캐리어 A에서는 전하 주입이 발생하지만, 캐리어 C에서는 전하 주입은 발생하지 않는다.

다음으로, 전계 Eb, Ed와 주입 임계값 저항 라인 ρs 간의 관계를 설명한다. 여기서는, 이하의 설명을 보다 알기 쉽게 하기 위해, 캐리어 C와 특성이 유사한 캐리어 D를 이용하여 설명한다.

캐리어 D는, 전술한 바와 같이, 제조 과정에서의 소결 온도 및 발포제량을 컨트롤하여, 캐리어 C와는 상이한 변곡점 및 K1, K2를 갖는다. 도 28에서는, 캐리어 A, B, C의 저항률의 전계 의존성뿐만 아니라, 캐리어 D의 저항률의 전계 의존성도 도시한다.

캐리어 D는, 캐리어 C와 유사한 특성을 갖지만, 현상 전계 Eb=3.8×10⁶V/m(Vpp 1.8kV)의 인가 시에서의 저항률 ρDEb가, 주입 임계값 저항 라인 ρs보다 낮다. 그 때문에, ρsEb>ρDEb의 관계로 되어, 전계 Eb 인가 시에 전하 주입이 발생한다.

이와 같은 구성으로, 캐리어 C와 같은 변곡점 및 K1, K2를 갖는 캐리어라도, 전계 Eb에서의 저항률이 주입 임계값 라인 ρs보다 낮으면, 전하 주입이 발생하게 된다.

그렇지만, 이러한 경우, 전계 Eb, Ed의 값, 즉, 현상 바이어스에 관한 Vpp를 내림으로써, 전하 주입을 방지할 수 있다.

예를 들면, Vpp=1.3kV인 경우, 현상 전계 Eb=3.0×10⁶V/m로 되고, 풀백 전계 Ed=1.3×10⁶V/m로 된다. 이 경우, 캐리어 D의 전계 Eb 인가 시의 저항률 ρDEb는 약 1×10⁷Ω·m로 된다. 반면, 현상 전계 Eb=3.0×10⁶V/m의 인가 시의 주입 임계값 저항 라인 ρs 상의 저항률 ρsEb는 3.7×10⁶Ω·m로 된다. 따라서, ρsEb<ρDEb의 관계로 되기 때문에, Vpp=1.3kV에서는 전하 주입이 발생하지 않게 된다.

그러나, 상술한 바와 같이 Vpp를 내림으로써, 현상 시의 전하 주입을 방지하는 것이 가능하게 되지만, 반대로 토너를 현상하기 위한 전계 강도가 약해지기 때문에, 현상성 그 자체에 영향을 미친다. 그 때문에, 제한없이 Vpp를 내리는 것은 바람직하지 않다.

적정한 Vpp는, 선택하는 토너와 캐리어의 부착력에 의해 변화되지만, 바람직하게는,

1.6×10⁶[V/m]<Eb<3.9×10⁶[V/m]이고,

1.6×10⁵[V/m]<Ed<2.5×10⁶[V/m]이다.

따라서, 상기 Eb, Ed의 범위에서, 캐리어 저항률의 변곡점 Ep가 Ed<Ep<Eb의 관계를 충족시키도록 조정하는 것이 바람직하다.

또한, 현상 전계 Eb의 인가 시의 캐리어의 저항률 ρb는, 바람직하게는, 6.0×10⁷Ω·m 이하이다. 이 값보다 큰 경우에는, 토너와 캐리어의 부착력을 저감시킬 수 없으므로, 양호한 현상성을 얻을 수 없을 우려가 있다.

즉, 바람직하게는, 현상 전계 Eb는, 1.6×10⁶[V/m]<Eb<3.9×10⁶[V/m]의 범위이다.

그리고, 바람직하게는, 이러한 전계 Eb의 인가 시의 캐리어 C의 저항률 ρb는, ρsEb=1.1×10⁶×eⁿ[Ω·m]

(여기서, e는 자연 대수의 밑이며,

n=4×Eb×10^-7)으로 표현되는 주입 임계값 저항 라인 이상이므로, ρsEb<ρb의 관계를 충족시킨다.

또한, 이러한 전계 Eb의 인가 시의 캐리어 C의 저항률 ρb는 6.0×10⁷Ω·m 이하이다.

이와 같은 구성으로, 1.6×10⁶[V/m]<Eb<3.9×10⁶[V/m]의 범위의 전계 Eb의 인가 시의 캐리어 C의 저항률 ρb[Ω·m]가, ρsEb<ρb<6.0×10⁷의 관계를 충족시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 설명에서는, 특히, 전하 주입의 영향을 받기 쉬운 조건으로서, 감광체(1)로서 a-Si 감광체를 이용하여, 정전상에의 전하 주입을 방지하기 위한 캐리어의 저항률을 검토한 예를 설명하였다. 본 발명자들의 검토에 따르면, 이러한 검토에 의해 저항률이 얻어진 정전상에의 전하 주입을 방지하기 위한 캐리어의 저 항률을 설정함으로써, OPC 감광체 등의 다른 감광체를 이용하는 경우라도, 양호하게 정전상에의 전하 주입을 방지할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 상술한 바와 같은 캐리어 C의 전기적인 저항 특성을 가짐으로써, AC 바이어스와 DC 바이어스가 중첩된 현상 바이어스(교번 바이어스 전압)의 인가 시에, 현상 전계 Eb가 형성되었을 때에만 캐리어의 저항값이 저하된다. 이에 의해, 캐리어의 주위에 형성되는 전계가 커지게 되므로, 토너를 캐리어로부터 분리시키는 힘이, 고저항 캐리어 B보다 커져, 현상성이 향상된다. 또한, 현상 동작 시의 현상 전계 Eb가 형성되었을 때의 캐리어의 저항률 ρb가 상기 ρsEb보다 크게 되도록 캐리어의 재료 및 구성을 조정함으로써, 현상 동작 시의 캐리어를 통한 감광체(1) 상의 정전상에의 전하 주입을 방지할 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예에 의거하여 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.

예를 들면, 상기 각 실시예에서는, 감광체는 부극성으로 대전하고, 이미지 노광 방식에 의해 감광체 상에 정전상이 형성되는 것으로서 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 감광체의 대전 극성은 정극성이어도 된다. 또한, 토너가 부착되어서는 안되는 비화상부에 노광을 행함으로써 정전상을 형성하는 배경 노광 방식에 의해, 감광체에 정전상이 형성되어도 된다. 또한, 현상 방식으로서는, 감광체의 대전 극성과는 반대 극성으로 대전된 토너를 이용하는(감광체의 노광되어 있지 않은 화상부를 현상하는) 정규 현상 방식을 이용해도 된다.

본 발명을 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 개시된 예시적인 실시에들에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다. 첨부 청구범위는 그 변경들, 등가 구조들 및 기능들을 모두 포함하도록 가장 넓게 해석되어야 한다.

도 1은 현상 바이어스 인가 중의 캐리어의 저항률 변동을 설명하기 위한 그래프도.

도 2는 캐리어에 의한 현상성의 차를 설명하기 위한 그래프도.

도 3은 현상 바이어스 인가 중의 캐리어의 저항률 변동을 설명하기 위한 그래프도.

도 4는 캐리어의 저항률의 측정 방법을 설명하기 위한 모식도.

도 5는 현상 바이어스와 정전상의 전위의 관계를 설명하기 위한 설명도.

도 6은 현상 바이어스와 정전상의 전위의 관계를 설명하기 위한 설명도.

도 7은 현상 바이어스 인가 중의 캐리어의 저항률 변동을 설명하기 위한 그래프도.

도 8은 현상 바이어스 하에서의 시간 변화에 대한 캐리어의 저항률 변동을 설명하기 위한 차트도.

도 9a 및 도 9b는, 현상 바이어스 하에서의 시간 변화에 대한 캐리어의 저항률 변동을 설명하기 위한 차트도.

도 10은 감광체에의 현상 시의 전하 주입량을 조사한 결과를 도시하는 그래프도.

도 11은 전하 주입량의 측정 방법을 설명하기 위한 모식도.

도 12는 현상 바이어스 인가 중의 캐리어의 저항률 변동과 전하 주입 임계값을 설명하기 위한 그래프도.

도 13a 및 도 13b는, 현상 바이어스 하에서의 시간 변화에 대한 캐리어의 저항률 변동과 전하 주입 임계값을 설명하기 위한 차트도.

도 14는 시험예에서의 현상 바이어스 인가 중의 캐리어의 저항률 변동을 설명하기 위한 그래프도.

도 15는 시험예에서의 현상 바이어스와 정전상의 전위의 관계를 설명하기 위한 설명도.

도 16은 시험예에서의 현상 바이어스와 정전상의 전위의 관계를 설명하기 위한 설명도.

도 17은 시험예에서의 현상 바이어스 하에서의 시간 변화에 대한 캐리어의 저항률 변동을 설명하기 위한 차트도.

도 18은 시험예에서의 현상 바이어스 하에서의 시간 변화에 대한 캐리어의 저항률 변동을 설명하기 위한 차트도.

도 19는 시험예에서의 캐리어에 의한 현상성의 차(OPC 감광체를 이용한 경우)를 설명하기 위한 그래프도.

도 20은 시험예에서의 캐리어에 의한 현상성의 차(a-Si 감광체를 이용한 경우)를 설명하기 위한 그래프도.

도 21a 및 도 21b는, 시험예에서의 캐리어의 전하 주입량을 조사한 결과를 도시하는 그래프도.

도 22는 시험예에서의 현상 바이어스 인가 중의 캐리어의 저항률 변동과 전하 주입 임계값을 설명하기 위한 그래프도.

도 23a 및 도 23b는, 시험예에서의 현상 바이어스 하에서의 시간 변화에 대한 캐리어의 저항률 변동과 전하 주입 임계값을 설명하기 위한 그래프도.

도 24는 본 발명을 적용할 수 있는 화상 형성의 일 실시예의 개략적인 단면 구성도.

도 25는 감광체의 층 구성의 일례를 설명하기 위한 모식도.

도 26a, 도 26b, 도 26c, 및 도 26d는, 감광체의 층 구성의 다른 예를 설명하기 위한 모식도.

도 27은 본 발명에 따른 캐리어의 종류에 의한 저항률 변동의 차를 설명하기 위한 그래프도.

도 28은 현상 바이어스 인가 중의 캐리어의 저항률 변동과 전하 주입 임계값을 설명하기 위한 그래프도.

도 29는 현상 바이어스 인가 중의 캐리어의 저항률 변동과 전하 주입 임계값을 설명하기 위한 그래프도.

도 30은 캐리어에 흐르는 전류와 전하 주입의 관계를 설명하기 위한 그래프도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 상 담지체

2 : 대전기

3 : 노광 디바이스

4 : 현상 디바이스

5 : 전사 대전기

6 : 정착 디바이스

7 : 클리너

8 : 전노광 디바이스

22 : 감광막

41 : 현상제 담지체

100 : 화상 형성 장치

Claims (6)

1. 화상 형성 장치에 있어서,

   상 담지체, 및

   토너와 캐리어를 구비하는 현상제를 담지하는 현상제 담지체 - 상기 현상제 담지체는, 상기 상 담지체에 형성된 정전상을 상기 현상제로 현상하며, 상기 현상제 담지체에는, 상기 현상제 담지체와 상기 상 담지체 사이에 교번 전계를 형성하기 위해, 교번 전압이 인가됨 -

   를 구비하고,

   횡축이 상기 캐리어에 인가되는 전계 강도를 나타내고, 종축이 상기 캐리어의 저항률을 대수로 나타내는 반대수(semi-logarithmic) 그래프에서,

   전계 강도 Eb, Ed를

   Eb=|(Vp1-VL)/D|

   Ed=|(Vp2-VL)/D|

   로 하고,

   (여기서, VL은, 최고 농도를 얻기 위한 상기 정전상의 전위[V]이며,

   Vp1은, 상기 교번 전압의 피크 전위 중, 상기 VL 전위에 대하여 상기 토너를 상기 상 담지체를 향하여 이동시키도록 전위차를 설정하는 피크 전위[V]이며,

   Vp2는, 상기 교번 전압에서의 피크 전위 중, 상기 VL 전위에 대하여 상기 토너를 상기 현상제 담지체를 향하여 이동시키도록 전위차를 설정하는 피크 전위[V]이며,

   D는, 상기 상 담지체와 상기 현상제 담지체 사이의 최근접 거리[m]임)

   Ed에서의 기울기를 K1, Eb에서의 기울기를 K2로 하면, K1 및 K2는 0≥K1>K2를 충족시키고,

   상기 전계 강도 Eb에서의 상기 캐리어의 저항률 ρb는,

   1.1×10⁶×eⁿ<ρb<6.0×10⁷[Ω·m]

   (여기서, e는 자연 대수의 밑이며, n=4×Eb×10^-7)

   을 충족시키는 화상 형성 장치.
2. 제1항에 있어서,

   1.6×10⁶<Eb<3.9×10⁶[V/m]

   1.6×10⁵<Ed<2.5×10⁶[V/m]

   의 관계를 충족시키는 화상 형성 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 상 담지체의 정전 용량은 1.7×10^-6[F/㎡〕이상인 화상 형성 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 상 담지체는, 아몰퍼스 실리콘층을 포함하는 감광체인 화상 형성 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 전계 강도 Ed에서의 상기 캐리어의 저항률 ρd는, 6.2×10⁵[Ω·m]보다 큰 화상 형성 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 캐리어는, 포러스 형상의 코어와, 상기 코어 내의 공극을 충전한 수지를 구비하는 화상 형성 장치.

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