JP2006251301A - 現像装置並びにこれを用いたプロセスカートリッジ及び画像形成装置、トナー - Google Patents

Abstract

【課題】 二成分現像剤を用いた現像装置において、現像剤搬送性能を維持して経時のピッチムラの発生を防止し、高画質な現像をおこなう。
【解決手段】 トナーとキャリアとを含む二成分現像剤を用いた現像装置において、現像剤担持体としての磁界発生手段を内包する回転可能な非磁性スリーブ５１の表面に長手方向に延びる略Ｖ字状の溝５７を複数形成し、溝の深さをｈ、略Ｖ字状の溝の開き角度をθ、二成分現像剤のキャリアの体積平均粒径をＲとしたとき、ｈ≧５０＋Ｒ／２+｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝を満たすようにする。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、複写機、ファックス、プリンタ等に用いられる現像装置並びにこれを用いたプロセスカートリッジ及び画像形成装置に関する。さらに、この現像装置に用いられるトナーに関する。

従来、上記画像形成装置には、トナーとキャリアとからなる二成分現像剤を用いた二成分現像装置が広く採用されている。この現像装置には現像剤担持体として複数の磁石内包する回転可能な非磁性の現像スリーブが用いられている。現像スリーブの表面は、低速機の場合を除き、サンドブラスト加工等の荒らし加工または溝加工を施している。これは高速で回転する現像スリーブ上で現像剤がスリップして停滞することによる画像濃度の低下の発生を防止するためである。

上記サンドブラスト加工では、現像スリーブの材質としてアルミニウム、真鍮、ステンレス、導電性樹脂の使用が可能であるが、コスト及び精度を考慮するとアルミニウムが一般的である。アルミニウム製の現像スリーブにサンドブラスト加工を行う場合、例えば、高温でスリーブ状に押し出されたアルミ管に冷間で砥粒を吹き付け表面に凹凸を作る。表面粗さは、Ｒｚ５〜１５μｍ程度が多く使用される。このようなサンドブラスト加工を施した現像スリーブでは、高速で回転しても、現像剤は凹凸に引っかかりスリップの発生が防止可能となる。

ところが、サンドブラスト加工を施した現像スリーブでは、経時で表面の凹凸が摩耗し、現像剤搬送能力が低下するという耐久性の問題がある。現像スリーブの材質を高硬度のステンレスにしたり、表面の硬化処理を施したりすることで改善されるが、コストアップになってしまう。

また、上記溝加工では、現像スリーブの材質としてアルミニウム、真鍮、ステンレス、導電性樹脂の使用が可能であるが、コスト及び精度を考慮するとアルミニウムが一般的である。アルミニウム製の現像スリーブに溝加工を行う場合、例えば、高温でスリーブ状に押し出されたアルミ管を冷間で引き抜き、ダイスにより溝を形成する。溝の形状としては図１〜３に示すような台形型、Ｖ字型、Ｕ字型等（総じて略Ｖ字形状）が一般的である。また、溝の深さは現像スリーブ表面から０．０５〜０．２０ｍｍ程度、溝の数は例えば外径φ１８ｍｍの現像スリーブで５０〜１２０本程度が一般的である。このような溝加工を施した現像スリーブでは、高速で回転しても、現像剤は溝部に引っかかりスリップの発生が防止可能となる。また、サンドブラスト加工を施した現像スリーブに比べ長期間の使用でも摩耗が少なく、安定した現像剤の搬送が可能という利点もある。

しかし、溝加工を施した現像スリーブでは、溝による画像濃度の周期的な変動、いわゆるピッチムラの発生が見られる。一般に溝が深いほど現像剤搬送性能は向上するが、溝の有無による現像電界強度の差によるピッチムラが発生しやすくなる。一方、溝が浅いと、現像電解強度の観点ではピッチムラは発生しにくくなるが、溝部に現像剤中のトナーや添加剤、またはキャリアが詰まった場合、現像剤搬送性能低下度合いが大きくなり、汲み上げ現像剤量不足によるピッチムラが発生し易い。

そこで、本出願人は、特許文献１にて現像剤担持体の溝の深さを０．０５ｍｍ以上、０．１５ｍｍ以下と規定することで、ピッチムラの発生を防止しつつ、現像剤搬送機能を維持する画像形成装置を提案した。

しかし、近年では、高画質を得るために、小粒径トナーや小粒径キャリアの採用や近接現像による画像形成技術の進歩により画像再現性が向上しているため、ピッチムラが目立ち易くなっている。特に、体積平均粒径が例えば８．５μｍ以下の小粒径トナーを用いた現像方式では、画像再現性が良いため、現像に使われる現像剤量の変動に敏感になり、ピッチムラが目立って発生し易くなっている。このため、上記特許文献１の画像形成装置であっても、ピッチムラが発生することがあった。

この原因について検討したところ、現像スリーブと感光体とが対向する現像領域において、溝が形成されていない現像スリーブの表面で現像剤がスリップして現像剤量が減少し、画像濃度の低下によるものであった。図４、図５を用いて説明する。図４に示すように一般に現像スリーブ５１と感光体２０とは対向する現像領域Ｄにおいて同一方向に移動するが、十分な画像濃度が得られるよう大量の現像剤５８を現像領域へ搬送する必要がある。そのため、通常、現像スリーブ５１は感光体２０より１．１〜２．５倍の表面速度で駆動される。現像剤５８が高速で現像領域Ｄを通過する際、相対的に低速な感光体との摩擦は負荷抵抗となり、溝５７が浅い部分での現像スリーブ５１表面では図４に示すように現像剤５８のスリップや汲み上げ量不足が発生してしまう。このため、現像領域Ｄでは、現像スリーブ５１の回転方向上流側に比べて下流側の現像剤量が少なくなってしまう。一方、図５に示すように、現像領域Ｄ内を溝が通過する間は十分な搬送力が得られるためスリップの発生が無いし汲み上げ量も十分である。つまり、現像領域Ｄ内を通過する溝５７の周期にて、スリップ発生の有無により現像剤量が変動し、画像濃度差によるピッチムラが発生してしまう。

そこで、本出願人は、特許文献２にて現像剤として体積平均粒径が４μｍ以上、８．５μｍ以下のトナーを用い、現像スリーブは表面の長手方向に延びる複数の溝を有し、互いに隣接する溝の溝ピッチの大きさが、現像剤が感光体に接触する現像領域の感光体の表面移動方向の幅に比べて小さく設定する画像形成装置を提案した。この画像形成装置によれば、現像領域内には、常に現像剤担持体の溝が少なくとも１本存在し、溝が現像スリーブに担持された現像剤のスリップを抑える。よって、現像領域内に現像剤担持体の溝が存在しなくなることがある場合に比べ、現像領域内での現像剤量の変動を小さく抑えることができる。これにより、体積平均粒径が８．５μｍ以下の小粒径トナーを用いて、画像再現性のよい高品質な画像を形成するとともに、画像濃度差によるピッチムラを目立ちにくくすることができる。

特開２００３−２５５６９２号公報 特開２００４−１９１８３５号公報

上述のように画像再現性をよくするために小粒径トナーや小粒径キャリアを採用するなかで、これらは従来の大きさのトナーやキャリアに較べスリーブの溝に詰まりやすいことがわかってきた。さらに、経時では溝の壁面にトナーが付着して固着してしまい、さらに固着したトナーを介してキャリアが固着してしまうことがわかってきた。スリーブの溝へのトナー及びトナーを介したキャリアの固着は、実質的にはスリーブの溝が浅くなるのと同じ状態となり、経時で十分な搬送力が得られずに、画像濃度差によるピッチムラが発生し易くなってしまう。このように高画質化への対応と逆行して、経時での溝へのトナー及びトナーを介したキャリアの固着によるピッチムラが発生し易くなっており、問題となっている。

また、小粒径化キャリアを採用するに伴い、使用するキャリアの大きさにより固着によるピッチムラの発生の仕方が異なることがわかってきた。これは、スリーブの溝を浅くするのは、トナーに較べて粒径の大きいキャリア（３０〜９０μｍ程度）によるところが大きく、さらにキャリアの大きさによりスリーブの溝を浅くするレベルが異なるためと考えられる。このことから、使用するキャリアの大きさに応じて溝の深さの適正範囲は異なり、高画質化へ対応するには、使用するキャリアの大きさを考慮して溝の深さを規定することが必要と考えられる。このような状況の中で、特許文献１のスリーブの溝深さに対する規定ではこれに対応することは難しい。また、上記特許文献２でも、経時での溝へのトナー及びトナーを介したキャリアの固着によるピッチムラへの対応はおこなわれていない。

本発明はこのような背景に鑑みなされたものである。その目的とするところは、二成分現像剤を用いた現像装置において、現像剤搬送性能を維持して経時のピッチムラの発生を防止し、高画質な現像をおこなうことができる現像装置並びにこれを用いたプロセスカートリッジ及び画像形成装置を提案することである。さらに、この現像装置に用いられるトナーを提案することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、トナーとキャリアとを含む二成分現像剤を収容する現像剤収容部と、該現像剤収容部内の二成分現像剤を攪拌搬送する現像剤攪拌搬送手段と、複数の磁極を形成するための固定磁石を有する磁界発生手段を内包する回転可能な非磁性スリーブを有し、該現像剤収容部内の二成分現像剤を汲み上げて担持搬送する現像剤担持体と、該現像剤担持体表面と一定の間隙をもって対向するよう配置され、該現像剤担持体上の二成分現像剤の量を規制する現像剤規制部材とを備えた現像装置において、上記現像剤担持体の非磁性スリーブの表面に長手方向に延びる略Ｖ字状の溝を複数有し、該溝の深さをｈ、略Ｖ字状の溝の開き角度をθ、上記二成分現像剤のキャリアの体積平均粒径をＲとしたとき、ｈ≧５０＋Ｒ／２+｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝を満たすことを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の現像装置において、上記キャリアの体積平均粒径Ｒが３０〜７２μｍであることを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１または２の現像装置において、上記溝の開き角度θは６０°〜１２０°であることを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、現像手段と、像担持体、帯電手段、クリ−ニング手段より選ばれる少なくとも一つの手段とを一体に支持し、画像形成装置本体に着脱自在であるプロセスカ−トリッジにおいて、上記現像手段として請求項１、２または３の現像装置を採用することを特徴とするものである。
また、請求項５の発明は、像担持体と、該像担持体に潜像を形成する潜像形成手段と、該潜像担持体上の潜像を現像する現像手段とを備える画像形成装置において、上記現像手段として請求項１、２または３の現像装置を備えることを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、像担持体と、該像担持体に潜像を形成する潜像形成手段と、該潜像担持体上の潜像を現像する現像手段とを備える画像形成装置において、請求項４のプロセスカートリッジを備えたことを特徴とするものである。
また、請求項７の発明は、請求項１、２または３の現像装置に用いられるトナーにおいて、重量平均粒径（Ｄ４）が３〜１０μｍであることを特徴とするものである。
また、請求項８の発明は、請求項１、２または３の現像装置に用いられるトナーにおいて、紡錘形状であることを特徴とするものである。
また、請求項９の発明は、請求項８のトナーにおいて、長軸ｒ１と短軸ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）が０．５〜０．８で、厚さｒ３と短軸ｒ２との比（ｒ３／ｒ２）が０．７〜１．０で表されることを特徴とするものである。

請求項１乃至９の発明においては、経時でトナー及びトナーを介したキャリアが溝に固着しても、現像スリーブが現像剤搬送性能を維持しピッチムラが発生せずに高画質な現像をおこなうことができる溝の条件を提示する。以下、これについて詳しく説明する。まず、経時でトナー及びトナーを介してキャリアが非磁性スリーブの溝に固着したモデル図を考える。図１３は、非磁性スリーブ５１の略Ｖ字状の溝５７にトナー５９ｂを介してキャリア５９ａが一個詰まった様子を示すモデル図である。また、図１４は非磁性スリーブ５１の略Ｖ字状の溝５７にトナー５９ｂを介してキャリア５９ａが縦に二個詰まった様子を示すモデル図である。通常キャリア５９ａは図１３のように、トナー５９ｂを介して溝５７の下方に詰まった状態で一個固着するのがせいぜいであり、図１４のようにキャリア５９aが縦に２個並んで詰まることは無いか、もしくは確率的に低いものと考えられる。これは、図１３のように溝５７の壁とキャリア５９ａがトナー５９ｂを介して２点で付着・固着はし易いが、図１４のように１点での付着・固着がし難いためと考えられる。そこで、図１３をキャリア５９ａがトナー５９ｂを介して溝５７に固着した状態を表すモデル図と考える。ここで、非磁性スリーブ５１の初期の溝の深さをｈ(μｍ)とすると、経時で溝の下方にキャリアが一個詰まった場合の実質的な溝の深さは初期の溝の深さｈ(μｍ)よりもキャリア５９ａが固着して詰まっている部分の長さだけ浅くなる。溝５７の略Ｖ字状の開き角度をθ°、キャリア５９ａの体積平均粒径をＲ（μｍ）とすると、キャリア５９ａが固着して詰まっている部分の長さは、溝５７の底からＲ／２＋｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝と表せる。よって、実質的な溝５７の深さは、ｈ−Ｒ／２―｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝と表すことができる。キャリアが溝に詰まって固着したとしても、この実質的な溝の深さが、後述する実験により、５０μｍ以上を保っていれば、現像剤搬送能力には大きな影響はなく、ピッチムラは発生しないことがわかった。実質的な溝の深さが５０μmよりも浅くなってしまうと、非磁性スリーブ上で現像剤がスリップしたり、溝による現像剤の搬送量が低下したりするために現像剤搬送性能が低下してしまい、ピッチムラが発生した。また、この傾向は、溝の本数にかかわらず同じであることが実験により確認できている。そこで、初期の溝の深さｈをｈ≧５０＋Ｒ／２+｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝を満たすようにすることで、経時でトナー及びトナーを介したキャリアが溝に固着しても、現像スリーブの現像剤搬送性能を維持し、ピッチムラの発生を防止することができる。

本発明によれば、二成分現像剤を用いた現像装置において、現像剤搬送性能を維持して経時のピッチムラの発生を防止し、高画質な現像をおこなうことができるという優れた効果がある。

以下、本発明をカラー画像形成装置に適用した場合の実施形態について説明する。図６は、このカラー画像形成装置の概略構成を示す構成図である。このカラー画像形成装置の中央部には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、黒（Ｂｋ）の各色のトナー像を形成するための画像ステーション１５Ｙ、１５Ｃ、１５Ｍ、１５Ｂｋを備えている。以下、各符号の添字Ｙ、Ｃ、Ｍ、Ｂｋは、それぞれイエロー、シアン、マゼンダ、黒用の部材であることを示す。各画像ステーション１５Ｙ、１５Ｃ、１５Ｍ、１５Ｂｋは、像担持体としてのドラム状の感光体２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋをそれぞれ有している。また、画像ステーション１５Ｙ、１５Ｃ、１５Ｍ、１５Ｂｋの下部には、感光体２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋにレーザ光を照射可能な露光手段としての光学ユニット８を備えている。画像ステーション１５の上方には、各画像ステーション１５により形成されたトナー画像が２次転写される中間転写ベルト１１を備えた中間転写ユニット１０を備えている。また、中間転写ベルト１１に転写されたトナー画像を転写紙２に定着する定着ユニット６を備えている。また、画像形成装置上部には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、黒（Ｂｋ）の各色のトナーを収容するトナーボトル９Ｙ、９Ｃ、９Ｍ、９Ｂｋが装填されている。

各画像ステーション１５Ｙ、１５Ｃ、１５Ｍ、１５Ｂｋの構造は同一であるので、ひとつの画像ステーション１５について説明する。図７は、画像ステーションの内部構成を示す構成図である。画像ステーション１５は、図７に示すように、感光体２０、感光体２０を帯電する帯電装置３０、感光体４に形成された潜像を現像する現像装置５０、感光体２０上の残留トナーをクリーニングするクリーニング装置４０を備えている。帯電装置３０は帯電ローラであり、帯電ローラ表面をクリーニングするクリーニングローラ３１を備えている。現像装置４０は、開口部を有する現像剤収容部としての現像ケース５５内に、感光体２０表面に近接対向するように配置された現像剤担持体としての現像スリーブ５１を備えている。クリーニング装置４０は、開口部を有するクリーニングケース４３、感光体２０の表面をクリーニングするクリーニングブレード４１、クリーニングした廃トナーを図示しない廃トナーボトルに搬送するための廃トナースクリュウ４２等より構成される。

また、中間転写ユニット１０は、図６に示すように、複数のローラに張架される中間転写ベルト１１、感光体２０Ｙ、２０Ｃ、２０Ｍ、２０Ｂｋに形成されたトナー像を中間転写ベルト１１上に転写する一次転写ローラ１２Ｙ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｂｋを備えている。これらの部品は、中間転写ベルトケース１４によって一体に支持されている。また、中間転写ユニット１０は、中間転写ベルト１１上に転写されたトナー像を転写紙２に転写する二次転写ローラ５、転写紙２上に転写されなかった中間転写ベルト１１上の転写残トナーをクリーニングするベルトクリーニング装置１３を備えている。

給紙カセット１内の転写紙２は、給紙カセット２の近傍に配設された給紙ローラ３によって、中間転写ベルト１１と２次転写ローラ５との間の二次転写部へ搬送される。給紙ローラ３と二次転写ローラ５との間の転写紙搬送経路には、給紙された転写紙２の二次転写部への送り出しタイミングを図るレジストローラ対４が配置されている。

定着ユニット８は、転写紙Ｐ上に転写されたトナー像に熱と圧を加えることで定着を行う。そして、定着を終えた転写紙Ｐを機外に排出する排出ローラ対７を備えている。

次に、上記構成の画像形成装置において、カラー画像を得る工程について説明する。まず、各画像ステーション１５において、感光体２０が帯電装置３０によって一様に帯電される。その後、光学ユニット８により、画像情報に基づきレーザ光が走査露光されて感光体２０表面に潜像が形成される。感光体２０上の潜像は、現像装置５０の現像スリーブ５１に担持された各色のトナーによって現像されてトナー像として可視像化される。感光体２０上のトナー像は、各一次転写バイアスローラ１２の作用によって反時計回りに回転駆動される転写ベルト１１上に順次重ねて転写される。このときの各色の作像動作は、そのトナー像が中間転写ベルト１１上の同じ位置に重ねて転写されるように、中間転写ベルト１１の移動方向上流側から下流側に向けてタイミングをずらして実行される。一次転写終了後の感光体２０は、クリーニング装置４０によってその表面がクリーニングされ、次の画像形成に備えられる。

一方、上記給紙カセット１内の転写紙２は、給紙カセット１の近傍に配設された給紙ローラ３によって搬送され、レジストローラ対４によって所定のタイミングで２次転写部に搬送される。そして、二次転写部において、中間転写ベルト１１上に形成されたトナー画像が転写紙２に転写される。トナー画像が転写された転写紙２は、定着ユニット６を通過することで画像定着が行われ、排出ローラ７によって機外に排出される。感光体２０と同様に、転写ベルト１１上に残った転写残のトナーは、中間転写ベルト１１に接触するベルトクリーニング装置１３によってクリーニングされる。また、トナーボトル９に充填されているトナーは、必要性に応じて図示しない搬送経路によって各現像装置５０に所定量補給される。

次に、現像装置５０について詳細に説明する。現像装置５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂｋは、トナー色が異なる以外は同一構成になっているので、ひとつの現像装置５０について構成を説明する。図８は、現像装置の内部構成を示す構成図である。図８に示すように、現像装置５０は、現像ケース５５内に、現像ケース５５の開口部を介して感光体２０と所定間隙を形成して対向するように配置された現像スリーブ５１と、現像スリーブ５１上の現像剤担持量を規制するドクタブレード５２とを備える。また、現像ケース５５内には、現像剤攪拌搬送手段としての第１攪拌搬送スクリュウ５３と第２攪拌搬送スクリュウ５４とを備える。現像スリーブ５１は、アルミニウム、真鍮、ステンレス、導電性樹脂などの非磁性体を円筒状に形成してなる筒であり、回転駆動機構（不図示）によって反時計回りに回転される。この回転可能な現像スリーブ５１は、複数個の固定した磁石からなる磁界発生手段としてのマグネットローラを内包しており、磁力により現像スリーブ５１上にキャリアとトナーから成る二成分現像剤を担持する。ここで、ピーク磁気力が感光体ドラム２０の中心へ向かうように設定されて対向配置された極が主極（Ｐ１極）であり、Ｐ１極から現像スリーブ５１の回転方向順にＰ２極、Ｐ３極、Ｐ４極、Ｐ５極の順に磁極が配置されている。現像領域Ｄで現像に使用された現像剤を現像スリーブ５１の回転との相乗作用によって現像ケース５５側に引き寄せるのがＰ２極であり、第１攪拌搬送スクリュウ５３から現像剤を現像スリーブ５１に引き寄せるのがＰ４極である。Ｐ４極と同極の磁気力で構成してＰ２極とＰ４極の間に位置し、Ｐ４極の磁気力との反発磁界によってＰ２極で引き寄せられた現像剤を現像スリーブ５１から離脱させるのがＰ３極である。なお、Ｐ４極の磁気力で現像ローラ表面に拘束されている現像剤を、現像剤の厚み（量）を規制するドクタブレード５２まで引き寄せて移動するのがＰ５極である。なお、このＰ５極は第１攪拌搬送スクリュウ５３により搬送される現像剤を搬送過程で汲み上げる機能も併せ持つ。

この現像装置５０における現像剤の動きについて説明する。現像ケース５５内では、第１攪拌搬送スクリュウ５３、第２攪拌搬送スクリュウ５４が２成分現像剤を攪拌しながら搬送する。二成分現像剤のトナーとキャリアを攪拌しながら搬送することでトナーとキャリアとは摩擦帯電する。このキャリアを現像スリーブ５１は内包するマグネットローラから発せられる磁力線に沿うようにチェーン状に穂立ちさせて担持する。チェーン状に穂立ちされたキャリアには帯電したトナーが付着しており、磁気ブラシが形成される。磁気ブラシは現像スリーブ５１の回転移送にともなって現像スリーブ５１と同方向に移送され、現像領域Ｄの上流側部分に設置されたドクタブレード５２によりその高さ（担持量）を規制された後、感光体２０と対向する現像領域Ｄに搬送される。現像領域Ｄでは、現像スリーブ５１上に形成された磁気ブラシが感光体２０に対して接触しながら、感光体２０上の静電潜像にトナーを供給してトナー像化する。現像に寄与した後の現像スリーブ５１上の現像剤は、現像スリーブ５１内の磁極Ｐ２、Ｐ３の反発力によって現像スリーブ５１上から引き剥がされて現像ケース５５に戻される。戻された現像剤は、再び第１攪拌搬送スクリュウ５３、第２攪拌搬送スクリュウ５４により攪拌搬送される。そして、現像ケース５５内の現像剤のトナー濃度が所定濃度以下になると、トナーが図示しないトナー補給口から補給される。このトナーは第１攪拌搬送スクリュウ５３、第２攪拌搬送スクリュウ５４による攪拌で現像剤と混合される。所定濃度に調整された現像剤は、現像スリーブ５１に担持され、ドクタブレード５２を通過して薄層化され、以上のサイクルを繰り返す。

本実施形態のカラー画像形成装置の具体的な画像形成条件を示す。感光体２０の線速度は１５５ｍｍ/ｓｅｃとし、感光体電位は未露光部で−５００Ｖ、露光部で−５０Ｖとした。また、現像バイアスとしては−３５０Vを印加した。

次に、本実施形態の特徴部である現像スリーブ５１についてより詳細に説明する。図９は、現像スリーブ５１を軸方向からみた部分断面の拡大図である。現像スリーブ５１の表面には長手方向に延びる複数の溝５７が等間隔に形成されている。一般に溝５７が深いほど現像剤搬送性能は向上するが、溝５７の有無による現像電界強度の差によるピッチムラが発生しやすくなる。現像電解強度の観点では溝５７が浅いほどピッチムラは発生しにくくなるが、溝５７に現像剤中のトナーやキャリアが詰まった場合の現像剤搬送性能低下のダメージ度合いが大きい。

これらのことを考慮し、以下の実験をおこない溝５７の開き角度θと、溝の深さｈ（μｍ）の最適範囲を求めた。まず、溝５７の開き角度θを９０°として、キャリアの平均体積粒径を３０、３５、４５、５９、７２μｍ、溝深さを数水準振って、各々の組み合わせで以下の実験をした。

トナー濃度８重量％を維持しつつ、画像面積率５％のチャートを１job１００枚のペースで、トータル３００００枚（３００job）のランニングを実施する。ランニング終了後に全面ベタ画像を連続１０枚通紙して、１０枚の画像の中で最も現像スリーブピッチムラの程度が悪いものについて現像スリーブピッチムラランク判定した。ランク○はスリーブピッチムラ未発生、ランク△は極僅かに認識できるが問題ないレベル、ランク●をＮＧとした。この結果を図１１に示す。また、溝の開き角度を６０、１２０°に振って、それぞれの場合についても同様にキャリアの平均体積粒径と、溝深さを振って実験を実施した。この結果を図１０、１２に示す。なお、これら実験において、現像スリーブ径は１８ｍｍ、現像スリーブ５１上の溝５７の本数は１００本とした。

この結果、溝の深さｈ(μｍ)、溝の開き角度をθ°、キャリアの体積平均粒径をＲ(μｍ)の組み合わせによって、スリーブピッチムラが良好な範囲が決まることが分かった。すなわち、ランク○及び△の範囲と、ランク●の範囲の境界線を引くと（図１０、１１、１２がそれぞれ図１５、１６、１７に対応）と、概ねスリーブピッチが良好なすなわち○、△の範囲は以下の（１）式の範囲であることが分かる。
ｈ≧５０＋Ｒ／２+｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝・・・（１）
（１）式については、図１３に示すように現像スリーブ５１の溝５７にトナー５９ｂを介してキャリア５９ａが概一個詰まった状況で説明ができる。すなわち、初期の溝の深さがｈ(μｍ)、Ｖ字の開き角度をθ°、キャリアの体積平均粒径をＲ(μｍ)として、ランニング経時で溝にキャリア５９ａが一個詰まった場合の実質的な溝深さはｈ(μｍ)よりも浅く、
ｈ−Ｒ／２−｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝・・・（２）
で表すことができる。この実質的な溝深さが５０μm以上を保っていれば、現像スリーブピッチムラは良好であることを（１）式は示している。実質的な溝深さが５０μｍよりも浅くなってしまうと、現像スリーブ５１上で現像剤がスリップしたり、溝による現像剤の搬送量が低下したりするために現像剤搬送性能が低下してしまう。さらに、３００００枚以降の継続ランニングを実施し、６００００枚まで通紙したが、もはやスリーブピッチムラランクには大きな変動はなかった。

ここで、図１３のモデル図のように、キャリア５９ａは溝５７に１個詰まるのがせいぜいであり、図１４のように、縦に２個並んでより実質的な溝深さを浅くすることが無いか、もしくは確率的に低いものと考えられる。これは、図１３のように溝５７の壁とキャリア５９ａがトナー５９ｂを介して２点で付着・固着はし易いが、図１４のように１点での付着・固着がし難いためと考えられる。また、この傾向は溝本数が１００本以外の場合でも同様であり、５０〜１２０本でも確認できている。このモデル図では、溝形状はＶ字型を用いている。他にＵ字型や台形型形状でも同様のモデルで考えられる。

また、溝５７の開き角度によっても最適な溝深さは異なることがわかった。Ｖ字の開き角度が６０°よりも小さいと、現像スリーブ５１上で現像剤がスリップしたり、溝に５７よる現像剤の搬送量が低下したりするためと考えられる。一方、Ｖ字の開き角度が１２０°よりも大きいとピッチムラが目立ち始めてしまう。これは、現像領域Ｄにおいて、感光体２０と現像スリーブ５１の溝５７とが対向したときに、感光体２０と溝５７との間の現像電界が弱くなる。このため、現像能力が低下するが、溝の開き角度が大きいので溝幅が広いため濃度が薄くなる部分が広がってピッチムラが目立ちやすくなる。そこで、本実施形態に係る現像装置５０の現像スリーブ５１では、溝形状をＶ字型とし、その開き角度を６０°以上、１２０°以下の範囲内に設定し、かつ、ｈ≧５０＋Ｒ／２+｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝・・・（１）を満たすことによって、小粒径トナー、小粒径キャリアによる高画質と、スリープピッチムラ防止との両立を図る。

図１８は、プロセスカートリッジの構成を示す構成図である。図１８に示すように、上記現像装置５０と感光体２０と帯電ローラ３０とクリーニング装置４０とを一体に形成し、画像形成装置本体に対して着脱可能なプロセスカートリッジとして構成してもよい。このようなプロセスカートリッジを用いることで、ユーザーはカートリッジ形態で感光体２０、現像装置５０、帯電ローラ３０、クリーニング装置４０をまとめて交換することができる。図１９は、各色のプロセスカートリッジ６０Ｙ、Ｃ、Ｍ、Ｂｋが装置本体から抜き取られようとしている状態を表す斜視図である。

次に、トナーについて詳しく説明する。高画質化のために用いられる小粒径トナーは凝集し易く、また凝集を押さえ摩擦帯電性を確保するため、トナーへのシリカ等の添加剤量を増やすことがある。添加剤量を増やすことで流動性は向上し、トナーとしての凝集はし難くなる一方で、添加剤そのもののトナーからの遊離脱絶対数は増加し、該添加剤を起点とした凝集体を形成することがある。このような凝集体も現像スリーブ５１の溝５７へ固着し易く、経時でのピッチムラを起こし易い。また環境を意識した定着オイルレス化のためのワックス含有トナーも使用されるようになっているが、これも現像スリーブ５１の溝５７へ固着し易い。しかし、本実施形態に係る現像装置５０を用いることで、ピッチムラを防止するとともに、高画質化を行うことができる。

本実施形態に係る現像装置５０に好適に用いられるトナーは以下のものがよい。まず、トナーの重量平均粒径は、３〜１０μｍであることが好ましい。トナーの重量平均粒径が上記範囲にあるトナーは、微小な潜像ドットに対して、十分に小さい粒径のトナー粒子を有していることから、ドット再現性に優れる。重量平均粒径が３μｍ未満では、転写効率の低下、ブレードクリーニング性の低下といった現象が発生しやすい。重量平均粒径が１０μｍを超えると、文字やラインの飛び散りを抑えることが難しい。また、小粒径化トナーの安定量産性のため、重合法によるトナーが多く使用されつつある。重合法によるトナーは、粉砕トナーよりも小さい３μｍ程度から精度良く作れ、形状までも制御できる。

次に、トナー粒子の粒度分布の測定方法について説明する。トナー粒子の粒度分布は、コールターカウンター法による測定装置、例えば、コールターカウンターＴＡ−ＩＩやコールターマルチサイザーＩＩ（いずれもコールター社製）により測定することができる。具体的には、まず、電解水溶液１００〜１５０ｍｌ中に分散剤として界面活性剤（好ましくはアルキルベンゼンスルフォン酸塩）を０．１〜５ｍｌ加える。電解水溶液とは１級塩化ナトリウムを用いて約１％ＮａＣｌ水溶液を調製したもので、例えばＩＳＯＴＯＮ−ＩＩ（コールター社製）を使用できる。ここで、更に測定試料を２〜２０ｍｇ加える。試料を懸濁した電解液は、超音波分散器で約１〜３分間分散処理を行い、前記測定装置により、アパーチャーとして１００μｍアパーチャーを用いて、トナー粒子又はトナーの体積、個数を測定して、体積分布と個数分布を算出する。得られた分布から、トナーの重量平均粒径（Ｄ４）、個数平均粒径（Ｄ１）を求めることができる。ここでは、粒径２．００μｍ以上、４０．３０μｍ未満の粒子を対象とし、次の１３チャンネルを使用する。２．００〜２．５２μｍ未満；２．５２〜３．１７μｍ未満；３．１７〜４．００μｍ未満；４．００〜５．０４μｍ未満；５．０４〜６．３５μｍ未満；６．３５〜８．００μｍ未満；８．００〜１０．０８μｍ未満；１０．０８〜１２．７０μｍ未満；１２．７０〜１６．００μｍ未満；１６．００〜２０．２０μｍ未満；２０．２０〜２５．４０μｍ未満；２５．４０〜３２．００μｍ未満；３２．００〜４０．３０μｍ未満の１３チャンネルを使用し、粒径２．００μｍ以上乃至４０．３０μｍ未満の粒子を対象とする。

さらに、本実施形態に用いられるトナーは、紡錘形状であることが好ましい。形状が一定しない不定形、又は扁平形状のトナーは、粉体流動性が悪いことから、摩擦帯電が円滑に行えずに地肌汚れ等の問題が発生しやすい。また、微小な潜像ドットを現像する際には、緻密で均一なトナー配置をとりにくいことから、ドット再現性に劣る。静電転写方式では、電気力線の影響を受けにくく、転写効率が劣る。また、真球に近いトナーでは、粉体流動性が良すぎて、外力に対して過度に作用してしまうことから、現像及び転写の際に、ドットの外側にトナー粒子が飛び散りやすいといった問題がある。また、球形のトナーでは、感光体上で転がりやすいため、感光体とクリーニング部材との間に潜り込みクリーニング不良になることが多いという問題点がある。

一方、紡錘形状のトナーは、粉体流動性が適度に調節されているために、摩擦帯電が円滑に行われて地肌汚れを発生させることがない。また、紡錘形状のトナーは、微小な潜像ドットに対して整然と現像され、その後効率よく転写されてドット再現性に優れる。その際の飛び散りに対しては、粉体流動性が適度にブレーキをかけて飛び散りを防いでいる。さらに、紡錘形状のトナーは球形トナーに比べて、転がる軸が限られていることから、クリーニング部材の下に潜り込むようなクリーニング不良が発生しにくい。

図２０（ａ）は、トナーの形状を座標軸ｘ、ｙ、ｚ上に示す模式図、（ｂ）トナーの形状を座標軸ｘ、ｚ上に示す模式図、（ｃ）はトナーの形状を座標軸ｙ、ｚ上に示す模式図である。上述したトナーは、図２０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、長軸ｒ１と短軸ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）が０．５〜０．８で、厚さｒ３と短軸ｒ２との比（ｒ３／ｒ２）が０．７〜１．０で表される紡錘形状であることが好ましい。これに近い紡錘状形状にすることで不定形・扁平形状でもなく真球状でもない形状であって、摩擦帯電性、ドット再現性、転写効率、飛び散りの防止性、クリーニング性の全てを満足させる形状となる。長軸ｒ１と短軸ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）が０．５未満では、真球形状から離れるためにクリーニング性が高いが、ドット再現性及び転写効率が劣るために高品位な画質が得られなくなる。長軸ｒ１と短軸ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）が０．８を越えると、球形に近づくために、低温低湿の環境下では特にクリーニング不良が発生することがある。また、厚さｒ３と短軸ｒ２との比（ｒ３／ｒ２）が０．７未満では、扁平形状に近く、不定形トナーのように飛び散りは少ないが、球形トナーのような高転写率は得られない。特に、厚さｒ３と短軸ｒ２との比（ｒ３／ｒ２）が１．０を超えると、長軸を回転軸とする回転体となり、クリーニング不良が発生しやすくなる。このような紡錘状形状にすることで不定形・扁平形状でもなく真球状でもない形状であって、双方の形状が有する摩擦帯電性、ドット再現性、転写効率、飛び散りの防止性、クリーニング性の全てを満足させることができる。

以上、本実施形態に係る画像形成装置によれば、現像スリーブ５１の表面に長手方向に延びる略Ｖ字状の溝５７を複数有し、溝の深さをｈ、略Ｖ字状の溝の開き角度をθ、二成分現像剤のキャリア５９ａの体積平均粒径をＲとしたとき、ｈ≧５０＋Ｒ／２+｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝を満たすようにする。これは、キャリア５９ａがトナー５９ｂを介して溝５７に固着した状態では、実質的な溝の深さは初期の溝の深さｈ(μｍ)よりＲ／２＋｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝と表せることから、実質的な溝の深さは、ｈ−Ｒ／２―｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝となる。この実質的な溝の深さが、上述する実験により、５０μｍ以上を保っていれば、現像剤搬送能力には大きな影響はなく、ピッチムラは発生しないことがわかった。そこで、初期の溝の深さｈをｈ≧５０＋Ｒ／２+｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝を満たすようにすることで、経時でキャリア５９ａがトナー５９ｂを介して溝５７に固着しても、現像スリーブ５１の現像剤搬送性能を維持し、ピッチムラの発生を防止することができる。
また、キャリア５９ａの体積平均粒径Ｒが３０〜７２μｍとする。このような範囲のキャリアを用いることで、画像再現性のよい高画質な現像が行える。
また、溝の開き角度θは６０°〜１２０°とする。Ｖ字の開き角度が６０°よりも小さいと、現像スリーブ５１上で現像剤がスリップしたり、溝による現像剤の搬送量が低下したりする。一方、Ｖ字の開き角度が１２０°よりも大きいとピッチムラが目立ち始めてしまう。これは、現像領域Ｄにおいて、感光体２０と現像スリーブ５１の溝５７とが対向したときに、感光体２０と溝５７との間の現像電界が弱くなる。このため、現像能力が低下するが、溝の開き角度が大きいので溝幅が広いため濃度が薄くなる部分が広がってピッチムラが目立ちやすくなる。
また、感光体２０と、帯電装置３０と、現像装置５０と、クリーニング装置４０とを一体に形成し画像形成装置本体に対して着脱可能なプロセスカートリッジ６０として構成する。このようなプロセスカートリッジの形態をとることで長期使用においても保守性、交換性を向上することができる。
また、トナーの重量平均粒径が３〜１０μｍとする。トナーの重量平均粒径がこの範囲にあるトナーは、微小な潜像ドットに対して、十分に小さい粒径のトナー粒子を有していることから、ドット再現性に優れる。重量平均粒径が３μｍ未満では、転写効率の低下、ブレードクリーニング性の低下といった現象が発生しやすい。重量平均粒径が１０μｍを超えると、文字やラインの飛び散りを抑えることが難しい。
また、トナーを紡錘形状とする。紡錘形状のトナーは、粉体流動性が適度に調節されているために、摩擦帯電が円滑に行われて地肌汚れを発生させることがない。また、紡錘形状のトナーは、微小な潜像ドットに対して整然と現像され、その後効率よく転写されてドット再現性に優れる。その際の飛び散りに対しては、粉体流動性が適度にブレーキをかけて飛び散りを防いでいる。さらに、紡錘形状のトナーは球形トナーに比べて、転がる軸が限られていることから、クリーニング部材の下に潜り込むようなクリーニング不良が発生しにくい。
また、紡錘形状のトナーの長軸ｒ１と短軸ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）が０．５〜０．８で、厚さｒ３と短軸ｒ２との比（ｒ３／ｒ２）が０．７〜１．０とする。このような紡錘状形状にすることで不定形・扁平形状でもなく真球状でもない形状であって、摩擦帯電性、ドット再現性、転写効率、飛び散りの防止性、クリーニング性の全てを満足させる形状となる。長軸ｒ１と短軸ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）が０．５未満では、真球形状から離れるためにクリーニング性が高いが、ドット再現性及び転写効率が劣るために高品位な画質が得られなくなる。長軸ｒ１と短軸ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）が０．８を越えると、球形に近づくために、低温低湿の環境下では特にクリーニング不良が発生することがある。また、厚さｒ３と短軸ｒ２との比（ｒ３／ｒ２）が０．７未満では、扁平形状に近く、不定形トナーのように飛び散りは少ないが、球形トナーのような高転写率は得られない。特に、厚さｒ３と短軸ｒ２との比（ｒ３／ｒ２）が１．０を超えると、長軸を回転軸とする回転体となり、クリーニング不良が発生しやすくなる。このような紡錘状形状にすることで不定形・扁平形状でもなく真球状でもない形状であって、双方の形状が有する摩擦帯電性、ドット再現性、転写効率、飛び散りの防止性、クリーニング性の全てを満足させることができる。

本実施形態に係る画像形成装置の現像スリーブの台形型の溝を示す構成図。 本実施形態に係る画像形成装置の現像スリーブのＶ字型の溝を示す構成図。 本実施形態に係る画像形成装置の現像スリーブのＵ字型の溝を示す構成図。 現像領域で現像剤量の変動がある場合の説明図。 現像領域で現像剤量の変動がない場合の説明図。 同画像形成装置の概略構成をしめす構成図。 画像ステーションの内部構成を示す構成図。 同画像形成装置の現像装置の概略構成を示す構成図。 同画像形成装置の現像スリーブを軸方向からみた部分断面の拡大図。 溝の開き角度θ＝６０°のときのキャリア粒径及び溝の深さとピッチムラの発生との関係をしめすグラフ。 溝の開き角度θ＝９０°のときのキャリア粒径及び溝の深さとピッチムラの発生との関係をしめすグラフ。 溝の開き角度θ＝１２０°のときのキャリア粒径及び溝の深さとピッチムラの発生との関係をしめすグラフ。 現像スリーブの溝にキャリアが一個詰まった様子を表すモデル図。 現像スリーブの溝にキャリアが一個詰まった様子を表すモデル図。 溝の開き角度θ＝６０°のときのキャリア粒径及び溝の深さとピッチムラの発生との関係と良好な範囲をしめすグラフ。 溝の開き角度θ＝９０°のときのピッチムラの良好な範囲をしめすグラフ。 溝の開き角度θ＝１２０°のときのピッチムラの良好な範囲をしめすグラフ。 同画像形成装置のプロセスカートリッジ概略構成を示す構成図。 同画像形成装置本体へプロセスカートリッジを装着した状態を示す斜視図。 （ａ）トナーの形状を座標軸ｘ、ｙ、ｚ上に示す模式図。 （ｂ）トナーの形状を座標軸ｘ、ｚ上に示す模式図。 （ｃ）トナーの形状を座標軸ｙ、ｚ上に示す模式図。

符号の説明

１ 給紙カセット
２ 転写紙
３ 給紙ローラ
４ レジストローラ
５ 二次転写ローラ
８ 光学ユニット
８ 定着ユニット
９ トナーボトル
１０ 中間転写ユニット
１１ 中間転写ベルト
１２ 一次転写ローラ
１３ ベルトクリーニング装置
１５ 画像ステーション
２０ 感光体
３０ 帯電装置
４０ クリーニング装置
５０ 現像装置
５１ 現像ローラ
５２ ドクタブレード
５３ 第１攪拌搬送スクリュウ
５４ 第２攪拌搬送スクリュウ
５５ 現像ケース
５６ 仕切壁
５７ 溝
５８ 現像剤
５９ａ キャリア
５９ｂ トナー
６０ プロセスカートリッジ
７０ 装置本体

Claims (9)

1. トナーとキャリアとを含む二成分現像剤を収容する現像剤収容部と、該現像剤収容部内の二成分現像剤を攪拌搬送する現像剤攪拌搬送手段と、複数の磁極を形成するための固定磁石を有する磁界発生手段を内包する回転可能な非磁性スリーブを有し、該現像剤収容部内の二成分現像剤を汲み上げて担持搬送する現像剤担持体と、該現像剤担持体表面と一定の間隙をもって対向するよう配置され、該現像剤担持体上の二成分現像剤の量を規制する現像剤規制部材とを備えた現像装置において、
   上記現像剤担持体の非磁性スリーブの表面に長手方向に延びる略Ｖ字状の溝を複数有し、該溝の深さをｈ（μｍ）、略Ｖ字状の溝の開き角度をθ、上記二成分現像剤のキャリアの体積平均粒径をＲとしたとき、ｈ≧５０＋Ｒ／２+｛(Ｒ／２)／ｓｉｎ(θ／２)｝を満たすことを特徴とする現像装置。
2. 請求項１の現像装置において、上記キャリアの体積平均粒径Ｒが３０〜７２μｍであることを特徴とする現像装置。
3. 請求項１または２の現像装置において、上記溝の開き角度θは６０°〜１２０°であることを特徴とする現像装置。
4. 現像手段と、像担持体、帯電手段、クリ−ニング手段より選ばれる少なくとも一つの手段とを一体に支持し、画像形成装置本体に着脱自在であるプロセスカ−トリッジにおいて、
   上記現像手段として請求項１、２または３の現像装置を採用することを特徴とするプロセスカートリッジ。
5. 像担持体と、該像担持体に潜像を形成する潜像形成手段と、該潜像担持体上の潜像を現像する現像手段とを備える画像形成装置において、
   上記現像手段として請求項１、２または３の現像装置を備えることを特徴とする画像形成装置。
6. 像担持体と、該像担持体に潜像を形成する潜像形成手段と、該潜像担持体上の潜像を現像する現像手段とを備える画像形成装置において、
   請求項４のプロセスカートリッジを備えたことを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項１、２または３の現像装置に用いられるトナーにおいて、重量平均粒径が３〜１０μｍであることを特徴とするトナー。
8. 請求項１、２または３の現像装置に用いられるトナーにおいて、紡錘形状であることを特徴とするトナー。
9. 請求項８のトナーにおいて、長軸ｒ１と短軸ｒ２との比（ｒ２／ｒ１）が０．５〜０．８で、厚さｒ３と短軸ｒ２との比（ｒ３／ｒ２）が０．７〜１．０で表されることを特徴とするトナー。

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