JP2004279916A

JP2004279916A - 現像装置及び画像形成装置

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Publication number: JP2004279916A
Application number: JP2003073645A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Ota; 康裕太田; Mitsuru Obara; 満小原
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】特に１成分非接触現像方式を用いる場合において、像担持体と現像剤担持体との間の交番電界の波形のなまりの抑制を図ることが可能となり、さらに耐久性が向上する可能性のある現像装置及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】現像剤担持体（例えば現像ローラ）を構成する樹脂層やゴム層（ベース層５２）としてカーボンナノチューブ及び／又はそれに類似する気相成長炭素繊維を含有させた高分子材料を用いる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、現像装置及び画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真方式の画像形成装置では、一様帯電された感光体ドラム等の像担持体表面を露光して形成された静電潜像をトナーにより可視化し、形成されたトナー像を記録シート上に転写することにより画像を形成する。この電子写真プロセスの中で、像担持体表面に形成された静電潜像をトナーにより可視化する現像プロセスにおいては、トナー粒子をどのように像担持体表面に付着させるかが重要な問題となる。
【０００３】
特に図５及び図６に示されるような、トナー粒子を現像ローラから飛翔させ、静電潜像に対して現像を行う１成分非接触現像方式においては、トナー粒子の挙動（トナーの飛翔現象）の改善が出力画像の画質改善に直結している。従来１成分非接触現像方式においては、現像バイアスとして交番電界を印加し、像担持体表面と現像ローラとの間でトナー粒子を往復飛翔させるジャンピング現像方式が一般的であり、トナー粒子の飛翔の観点から、現像バイアスとしてはデューティ設定が可変できる、図７に示されるような矩形波を用いるのが適切であると言われている。
【０００４】
与えられた矩形波ＡＣ現像バイアスに対して、理論的（理想的）には、現像ローラと像担持体表面との間での交番電界、あるいはトナー粒子の飛翔現象は与えられた矩形波に追従することが望まれている。即ち、個々のトナー粒子が、与えられた矩形波ＡＣ現像バイアスの交番電界に理想的に追従するならば、トナー粒子が現像ローラと像担持体表面との間を対称的な軌跡を描きながら往復飛翔することになる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１３２０１６号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−５２５９８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の現像装置では、現像ローラ等の現像剤担持体を構成する材料の電気的特性の影響により、現実に発生する交番電界は理想的な矩形波からかけ離れた、なまった波形となってしまうという問題があった。即ち、従来の現像剤担持体に矩形波のＡＣバイアス電圧をかけても、現像剤担持体固有の時定数の分だけ遅延が生じ、図８に示されるように矩形波がなまってしまう。
【０００８】
矩形波がなまってしまうと、トナー粒子は、現像剤担持体と像担持体表面との間で非対称的な軌跡を描きながら現像されてしまう上、現像効率が低下し、出力される画像の画質劣化を招来するおそれがあるという問題点を有していた。また、現像剤担持体を構成する材料の抵抗値が高いと、ゴースト画像やメモリ画像が発生する可能性が高くなるという問題が発生し得る。
【０００９】
従って、現像効率の低下や画質劣化を防止するためには、現像剤担持体の時定数をできるだけ小さくし、現像バイアスの出力に遅延が生じないようにすることが重要である。
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、特に１成分非接触現像方式を用いる場合において、像担持体表面と現像剤担持体との間の交番電界の波形のなまりの抑制を図ることができる現像装置及び画像形成装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る現像装置は、像担持体表面との間に所定の間隔をおいて設けられる現像剤担持体を備え、当該現像剤担持体と前記像担持体表面との間に電界が形成されることにより、像担持体表面に現像剤を移動させる構成を有する現像装置において、前記現像剤担持体がカーボンナノチューブ及び／又はそれに類似する気相成長炭素繊維を含有する高分子材料により形成されていることを特徴としている。
【００１１】
カーボンナノチューブは、高分子材料中に混入することで、耐久性の上昇効果が期待されている材料である。上記構成により現像剤担持体の強度の上昇が期待でき、もって、例えば現像ローラ等の現像剤担持体の厚みを薄くする、といったことが可能となり、これにより現像剤担持体中の電荷の移動を速めることができるので、特に１成分非接触現像方式の現像バイアスとして矩形波ＡＣ電圧が印加された場合において、実際に形成される交番電界の波形のなまりを抑制することができる。なお、樹脂中にカーボンナノチューブを混入した場合の電気抵抗について上記特許文献１に記載がある。もっとも、混入される材料はカーボンナノチューブに限定されず、これと類似の構造、物性を有する、例えばカーボンナノファイバーなどの気相成長炭素繊維を用いてもよい。
【００１２】
また、前記現像剤担持体はローラ状若しくはベルト状の部材であるとすることができる。
さらに、本発明の画像形成装置は、上記本発明に係る現像装置が用いられていることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る画像形成装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（１）画像形成装置の全体構成
図１は、本実施の形態に係る画像形成装置の全体構成を示す概略断面図である。本実施の形態の画像形成装置１は、露光走査部１０と、画像形成部２０とに分けられる。
【００１４】
本実施の形態の画像形成装置は、例えば、図示しない外部のコンピュータや、イメージリーダ等と接続することが可能であり、制御部１００が、当該外部コンピュータ等から送られてきた画像信号に必要な処理を行い、生成された画像データに基づいて、レーザダイオード（以下、「ＬＤ」と表記する。）１１に駆動信号を出力する。
【００１５】
ＬＤ１１は、駆動信号を受けてレーザ光を発光する。レーザ光はコリメートレンズ１２を通過して平行光となり、さらにポリゴンモータ１４により高速で回転駆動されるポリゴンミラー１３のミラー面で反射して偏向される。偏向されたレーザ光は、ｆθレンズ１５を通過して、折り返しミラー１６に反射され、感光体ドラム２１の表面を露光走査する。
【００１６】
画像形成部２０の感光体ドラム２１は、上記露光を受ける前にクリーナ２２で感光体表面の残留トナーが除去され、さらにイレーサランプ２３に照射されて除電された後、帯電チャージャ２４により一様に帯電されており、このように一様に帯電した状態で露光を受けることにより、感光体ドラム２１の表面に静電潜像が形成される。
【００１７】
この静電潜像が現像装置４０により可視化されることにより、感光体ドラム２１の表面にトナー像が形成される。現像装置４０は、現像ローラや攪拌装置を備えた現像器５０と、当該現像器５０内に適宜トナーを供給するためのトナー容器６０とを含んでいる。なお、本実施の形態の現像装置４０は、現像ローラ表面と感光体ドラム２１とが接触しない１成分非接触方式の現像装置であり、現像バイアスとして矩形波ＡＣ電圧が印加される。
【００１８】
感光体ドラム２１の回転動作と同期してカセット２６にセットされた図示しない記録シートが給紙ローラ２６１、タイミングローラ対２５及び搬送ベルト２７によって感光体ドラム２１の下方の転写位置まで搬送され、当該転写位置において、搬送ベルト２７の裏面側に設置された転写チャージャ２８の作用により、感光体ドラム２１の表面に形成されたトナー像が記録シート上に転写される。
【００１９】
トナー像が転写された記録シートは、搬送ベルト２７により定着装置２９まで搬送され、ここで高温で加圧されて定着された後、排出ローラ対３０により排紙トレイ３１上に排出される。
（２）現像ローラの特性向上に関する考察
上記したように、従来の現像ローラ等の現像剤担持体においては、その電気的特性の影響により、現像バイアスとして矩形波ＡＣ電圧を印加しても、実際に像担持体表面との間に形成される交番電界は、矩形波の波形がなまったものとなるという問題があった。即ち、現像剤担持体の電気的特性の設計は、現像剤担持体を設計するに際して極めて重要な事項である。以下、本実施の形態の現像ローラを例として、現像剤担持体の電気的特性の向上について説明する。
【００２０】
現像剤担持体の電気的特性について検討するに際し、まず図５で示された現像剤担持体のモデルを等価回路に置き換えたモデルを考える。図２は、等価回路を示す回路図である。現像剤担持体の等価回路としては、全てがコンデンサの直列回路と見立てたモデルも存在するが、樹脂層やゴム層（以下、「ベース層」という。）を有する現像ローラ等の場合には、図２のように抵抗成分（Ｒ_ＤＥＶ）と容量成分（Ｃ_ＤＥＶ）とを有するモデルで表すことが妥当である。この等価回路の時定数は現像剤担持体を構成するベース層の抵抗と容量との積で決まり、この時定数が現像剤担持体にかかる現像バイアスの矩形波ＡＣ波形のなまり度合いを左右する。即ち現像バイアス波形のなまりを抑制するためには現像剤担持体の抵抗を小さくすることが必要である。
【００２１】
現像剤担持体の抵抗を小さくするには、一般的には現像剤担持体を構成するベース層の厚みを薄くすることで達成できるのだが、ベース層の素材強度が十分といえない場合、現像剤担持体が径時的に磨耗し、初期の電気抵抗から変化してしまう場合があり得る。つまり、現像剤担持体の抵抗値の設計仕様値に基づいて現像装置や画像形成装置が最適にチューニングされていても、現像剤担持体の磨耗によって抵抗値が径時的に変化すると、画像安定化制御等に誤差が生じて最適化が困難となり、画質の劣化を招来する。
【００２２】
また、いわゆるタンデム型のフルカラー画像形成装置の場合のように、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色のトナーを独立して現像する画像形成方法の場合には、各色の現像剤担持体の電気抵抗が変化することで、各色間の現像バイアス波形に差が生じ、各色間でのトナーの飛翔現象が変化し、現像ムラによる画質の劣化が生じる恐れもある。従って、ベース層の厚さは現実的には、径時的な磨耗に充分耐えられるような厚みを確保して設計されているのが通常である。
【００２３】
以上のような考察に基づいて、本発明に係る現像装置について、以下、さらに詳細に説明する。本実施の形態の現像装置は、現像ローラ等の現像剤担持体のベース層を構成する樹脂層やゴム層の中にカーボンナノチューブを含有させたことを特徴としている。
図３は、本発明の実施の形態としての現像ローラの一例の断面を模式的に示す図である。同図のように、本実施の形態の現像ローラは、芯金５１の周囲に形成されたベース層５２を構成する樹脂、ゴム等の高分子材料（本実施の形態ではゴム系材料）中にカーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」という。）を均一に分散させている。
【００２４】
ＣＮＴとは、グラファイト状炭素原子面を丸めた円筒が一個（「単層カーボンナノチューブ」と呼ぶ）又は複数個円筒状に配列した繊維状（ファイバー）構造（「多層カーボンナノチューブ」と呼ぶ）を有し、直径がナノメートルオーダーの極めて微細な物質である。ＣＮＴは、その構造によって金属あるいは半導体といった異なる電気的特性を示すことが知られており、微小で表面積が大きいこと、アスペクト比（長さ／直径比）が大きいこと、中空であるといった独特の構造を有する。そのため、ガス分子の吸着性が高く、燃料電池における水素ガスの貯蔵への応用が検討されているし、またＣＮＴの先端には強い局所電界が生じやすいことから、電界放出素子として用いることも検討されている。
【００２５】
ＣＮＴ、若しくはそれに類似する気相成長炭素繊維（カーボンナノファイバー等）は、高分子材料中に含有させることにより耐久性の向上等が期待されているものであり、本実施の形態のベース層５２にＣＮＴを含有させることにより、ベース層５２の耐久性を向上させ、使用開始時からのベース層５２の厚みを薄くすることによって、電気抵抗を小さくすることを図ることができる。即ち、現像剤担持体の時定数を小さくすることができるので、ＡＣ矩形波バイアスの波形のなまりが多少抑制される（図４参照）。これによって像担持体表面と現像剤担持体との間のトナー粒子の飛翔現象の追従性が向上する。また、高分子材料中にＣＮＴを分散させることにより、ベース層の耐久性の向上を図ることができるため、同図の例では、従来ベース層表面に形成されていた、いわゆるコート層を設ける必要がない。
【００２６】
なお、ＣＮＴ、その他の気相成長炭素繊維を含有させる現像ローラ等の現像剤担持体を構成するゴム系材料は特に限定されるものではなく、例えば、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム等、種々の材料を用いることができる。また、現像剤担持体を構成する材料はゴム系に限定されず、ポリエチレン、ポリテレフタル酸エチレン（ＰＥＴ）、ポリテレフタル酸ブチレン（ＰＢＴ）、などのポリエステル、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ塩化ビニリデン、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリウレタン、ポリフッ化ビニリデン、エチレン−ビニルアルコール共重合体などの樹脂や軟質塩化ビニル樹脂、シリコーン樹脂、アセタール樹脂等、各種の樹脂を用いることもできる。
【００２７】
＜変形例＞
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明の内容が、上記実施の形態に示された具体例に限定されないことは勿論であり、例えば、以下のような変形例を考えることができる。
（１）即ち、現像剤担持体の電気抵抗のコントロールは、ＣＮＴ単体を材料中に含有させるだけでなく、金属フィラーや金属微粒子、カーボンブラック、金属酸化物粒子などを併用して含有させるようにしてもよい。また、ＣＮＴを用いる場合は、単層カーボンナノチューブだけでなく多層カーボンナノチューブ、あるいは、それらの混合物を用いてもよい。ＣＮＴには、先端部が開いているものと閉じているものとが存在するが、いずれを用いてもよいし、各種の構造を有するＣＮＴの混合物を用いてもよい。
【００２８】
（２）さらに現像剤担持体中に含有させる物質としても、ＣＮＴに限定されず、それと類似する気相成長炭素繊維であれば、例えばカーボンナノファイバーを用いても良い。それらにグラファイトやフラーレン（Ｃ_６０）を混入してもよい。
（３）上記実施の形態では、現像剤担持体の一例として、本願発明を現像ローラに適用した場合について説明したが、現像ローラに限らず、シート状の部品に適用することもできる。また、上記実施の形態で説明した構成以外の現像ローラ等に適用することも可能である。画像形成装置についてもカラー、モノクロのいずれでもよい。
【００２９】
（４）さらに、現像方式としても、上記に説明したようないわゆるジャンピング現像方式に限定されるわけではなく、接触式現像方式の場合の現像装置に適用することも可能である。また、現像バイアスの波形も特に矩形波に限定されるわけではなく交流波形、パルス波形などでもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る画像形成装置によれば、現像剤担持体にＣＮＴ等を含有する構成としているので、現像剤担持体の厚みを薄くして電気抵抗を小さくし、現像バイアス波形のなまりの抑制を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る画像形成装置の一例の全体構成を示す概略断面図である。
【図２】現像剤担持体の等価回路の回路図である。
【図３】本発明の実施の形態としての現像ローラの一例の断面を模式的に示す図である。
【図４】波形のなまりが抑制されたＡＣ矩形波バイアス波形の一例を示す図である。
【図５】トナー粒子を現像ローラから飛翔させ、静電潜像に対して現像を行う１成分非接触現像方式の様子を示す図である。
【図６】１成分非接触現像方式のモデルの一例を示す図である。
【図７】ジャンピング現像方式の現像バイアス波形の一例を示す図である。
【図８】波形がなまったＡＣ矩形波バイアス波形の一例を示す図である。
【符号の説明】
１画像形成装置
２１感光体ドラム
４０現像装置
５０現像器
５１芯金
５２ベース層

Claims

像担持体表面との間に所定の間隔をおいて設けられる現像剤担持体を備え、当該現像剤担持体と前記像担持体表面との間に電界が形成されることにより、像担持体表面に現像剤を移動させる構成を有する現像装置において、
前記現像剤担持体がカーボンナノチューブ及び／又はそれに類似する気相成長炭素繊維を含有する高分子材料により形成されている
ことを特徴とする現像装置。
前記現像装置は、
１成分現像剤を用い、前記像担持体表面との間において非接触現像を行うものである
ことを特徴とする請求項１に記載の現像装置。
現像バイアスとして交番電圧が印加される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の現像装置。
前記現像剤担持体はローラ状若しくはベルト状の部材である
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の現像装置。
請求項１から４のいずれかに記載の現像装置が用いられていることを特徴とする画像形成装置。