JP2760501B2 - 現像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、電子写真装置や静電記録装置において静電
潜像を可視像化するする現像装置に係り、さらに詳しく
は一成分現像剤を用いて現像を行う現像装置に関する。 （従来の技術） 一成分現像剤（以下では“トナー”と呼ぶ）を、静電
潜像保持体に形成保持された静電潜像に接触させること
によって、現像を行う現像方法の一手段として、加圧現
像法（Impression Development）が知られている（特開
昭47−13088号公報、特開昭47−13089号公報、米国特許
第3,152,012号明細書、米国特許第3,731,146号明細書な
ど）。このような従来公知の加圧現像法は、静電潜像と
トナー粒子（もしくはトナー担持体ローラ）とを実質的
に零の相対周辺速度で接触させる点を特徴としており、
磁気作用を必要としないため、現像装置を簡素化・小型
化することができ、また、非磁性一成分トナーを使用で
きるため、カラー化に適しているなどの多くの利点を有
している。 本発明者らは、このような公知の加圧現像法のうち、
特開昭47−13088号報に記載の方法を追試すべく次のよ
うな実験を行った。すなわち、第２図に示すように、金
属シャフト１の外周面に、ポリウレタンフォームから成
る弾性層２を設け、その外周面に可撓性導電性基体３、
さらにその表面にグラファイト粒子を分散した樹脂層４
を被覆した弾性体ローラ５をトナー担持体ローラとし、
その表面にトナー分配ブレード６によって非磁性トナー
薄層７を形成した。 そして、前記静電潜像保持体８と弾性体ローラ５面の
トナー薄層７とを、実質的に零の相対速度で接触させな
がら現像を行ったところ、一応潜像の可視像化は行われ
たが次の問題点が見出された。すなわち、 充分な画像濃度を得ようとすると非画像部に地カブ
リが発生してしまい、逆に、トナー粒子を確実に摩擦帯
電させ地カブリを抑制すべくトナー層厚を薄くすると画
像濃度が不充分となる。 トナー薄層７の層厚に若干の不均一が生じるのは避
け難いが、上記の加圧現像法においては、このトナー層
のムラが画像に顕著に現われる。 ベタ画像のエッジやライン画像の切れが悪く、シャ
ープな画像が得られない。 これらの問題に対し、上記の一連の公知の現像装置で
は何らの解決策をも与えていない。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記の問題点に鑑み、新規ですぐれた現装装
置を提供すべくなされたもので、上記の加圧現像法の長
所を保持しつつ、より良好な画質が得られる現像装置を
提供することを目的とする。 ［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、弾力性を有し、かつ少なくとも表面が導電
性を有するトナー担持体ローラと、このトナー担持体ロ
ーラ表面にトナー薄層を形成する手段を有し、このトナ
ー薄層を静電潜像保持体に接触させることによって、前
記静電潜像保持体に形成された静電潜像を可視像化する
現像装置であって、 前記トナー担持体ローラ表面の粗さが２μｍ以下で、
表面の担持トナー薄層と前記静電潜像保持体との接触位
置において、トナー担持体ローラ表面および静電潜像保
持体表面が同一方向に移動し、かつ前記トナー担持体ロ
ーラ表面の移動速度が前記静電潜像保持体の移動速度よ
りも速く設定されて成ることを特徴とし、このような構
成・手段の採用により、前記従来の問題点を解決するこ
とができる。 （作 用） トナー担持体表面の移動速度をVr、静電潜像保持体表
面の移動速度をVe、トナー担持体ローラ表面に形成され
るトナー層の付着密度、すなわちローラ表面1cm²当たり
に付着するトナーの重量をｍ［mg/cm²］、トナー担持体
ローラとの接触によって静電潜像保持体表面の単位面積
当たりに供給されるトナーの量をＭ［mg/cm²］とする
と、Ｍとｍの間には次の関係が成立する。 したがって、たとえばトナー担持体ローラを潜像保持
体の２倍の速度で移動させると、トナー担持体ローラ表
面には、等速移動の際に必要とされるトナー層の1/2の
量のトナー層を形成すればよいことになる。第２図に示
したトナー分配ブレード６のような規制部材によってト
ナー層を形成する場合、トナー粒子はブレード６および
トナー担持体ローラ５との摩擦によって帯電するが、ト
ナーを確実に帯電させるためにはトナー層の厚さ（また
はトナー付着量）をできるだけ小さくすることが好まし
い。何故ならば、トナー層が厚い場合には、トナー担持
体ローラ５およびトナー分配ブレード６のいずれにも接
触せずにブレードの下を通過するトナー粒子、すなわち
未帯電トナー粒子がトナー層中に混入し、これが非画像
部に付着して地カブリを生ぜしめるからである。 これに対して、（１）式はトナー担持体表面の速度を
増せば、薄いトナー層で高濃度の現像像を得ることがで
き、かつ地カブリを抑制することが可能で、前述した
の問題を解決できることを示している。そして、本発明
によれば、以下述べるように、前述したおよびの問
題をも同時に解決することができる。 すなわち、トナー担持体ローラ表面と静電潜像保持体
表面との間に速度差があると、現像位置において両者が
互いに摺擦し合うため、トナー層の不均一性が画像に直
接現れることがなくなり、特に、トナー担持体ローラ表
面の移動速度が速い場合には、現像位置の前段におい
て、一旦潜像保持体上に付着した不均一画像が後続のト
ナー層によって均一化される。同時に、このような摺擦
過程においては、トナー担持体ローラと静電潜像保持体
との間に存在するトナー粒子が、ころがり運動やすべり
運動を呈し、その結果、画像部にトナー粒子を寄せ集め
る効果が得られるため、両者の相対速度を零とした場合
に比べ、画像のシャープネスは著しく改良される。ここ
で、トナー粒子のころがり運動やすべり運動は、トナー
担持体ローラ表面粗さにも左右され、表面粗さがたとえ
ば3.2μｍでは、シャープな画像が得られず、カブリも
目立つ傾向が認められた。一方2.0μｍ以下のときはシ
ャープネス、濃度およびカブリの何れにも問題は生じな
い。このような相違は、表面が粗い場合トナー層が厚く
なり未帯電トナーが増加すること、トナーとトナー担持
体ローラ表面の摩擦力が大きいために、現像位置におけ
るトナー粒子のころがり運動やすべり運動が制約を受け
ることに起因するものと思われる。したがって、トナー
担持体ローラの表面粗さは２μｍ以下に選択・設定され
る。 周知の磁気ブラシ現像法においても、現像剤層の静電
潜像保持体の相対速度がゼロの場合には、シャープな画
像を得ることができず、速度差を与えることによって、
始めて磁気ブラシの掃き寄せ効果（磁気ブラシで潜像面
を掃くことによって粒子を画像部へ寄せ集め画像のシャ
ープネスを改良する効果）が得られることは周知の事実
であるが、本発明においても、同様の現像が生起される
のである。 加えて、静電潜像保持体の画像部およびトナー担持体
ローラ表面に絶対値100〜600Vの電位差が付けると、1.2
以上の画像濃度を確実に確保し得る。また、静電潜像保
持体の非画像部およびトナー担持体表面に絶対値50V以
上の電位差を付けた場合は、事実上カブリのない高品質
な画像（カブリ１％以下）の現像が、される。 このようにして、本発明によれば前述した〜の従
来技術の問題をことごとく解決する顕著な作用が得られ
る。 （実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。 第１図は、本発明に係る現像装置の一実施例を示す要
部断面図である。現像ローラ（トナー担持体ローラ）５
は、金属シャフト11の外周に弾性体層12および導電体層
13を順に設けたもので、反時計まわりに回転する。弾性
体層12はゴムスポンジより構成され、導電体層13は導電
性カーボン粒子が分散された樹脂層より構成されてい
る。なお、導電体層の抵抗は10²Ω・cmになるように調
整されており、またその表面粗さは0.5〜２μである。
トナー薄層形成用ブレード14は厚さ0.2mmのリン青銅板
より成っており、その自由端が現像ローラ５に軽く押圧
されている。このブレード14には、10MΩの保護抵抗を
介して直流電源15が接続されており、現像ローラ５の表
面導電層13にバイアス電圧を供給できるようになってい
る。現像ローラ５の表面には、上記ブレード14の他に、
トナーこぼれ防止用シール部材16、トナー供給ローラ17
および感光体ドラム（静電潜像保持体）18が接触してい
る。 ここで、シール部材16は、トナー容器19の中のトナー
20が、外部にこぼれることを防止すると同時に、現像ロ
ーラ５表面の現像残りのトナーをこぼさずにトナー容器
19内に回収する機能を持っている。本実施例では厚さ0.
5mmのウレタンゴムシートをスポンジ上に接着したもの
を用いた。また、トナー供給ローラ17は、軟質ポリウレ
タンフォームより成っており、現像ローラ５との接触位
置において、現像ローラ５とは逆向きに回転する。本実
施例のように、一成分系非磁性トナーを用いる場合に
は、トナー粒子を現像ローラ５の表面に付着させる力は
鏡像力のみであり、磁性トナーに作用する磁力に相当す
る遠隔作用力が存在しないため、ベタ画像の現像などに
よって、トナー20が大量に消費された直後には、現像ロ
ーラ５へのトナー20の供給が不充分となり、後続の画像
にいわゆるゴーストを生じる場合がある。さらに、トナ
ー供給ローラ17は、表面に多数の発泡セルを有してお
り、これによって大量のトナー20を現像ローラ５表面へ
供給できるため、上記ゴーストを解消する上で大きな効
果を発揮する。現像ローラ５と感光体ドラム18の接触幅
は約3mm、現像ローラ５の回転周速は188mm/sec（感光体
ドラム18の周速の4.0倍）とした。 本実施例においては、レーザビームを感光体表面に照
射することによって，潜像形成を行ういわゆるレーザビ
ームプリンタに，上記の現像装置を適用する場合につい
て述べるが、原稿からの反射光を感光体上に結像させる
方式のいわゆる複写装置にも適用できることは勿論であ
る。また感光体は、負帯電型の有機光導電体とするが、
セレン系やアモルファスシリコン系の感光体を用いても
よい。周知のコロナチャージャによって，表面電位−55
0Vとなるように均一帯電された感光体ドラムにレーザー
ビームを照射し画像部電位が−50V（露光部）、非画像
部電位が−550Vの静電潜像を形成する。 しかる後に、上記の現像装置によって反転現像を行
う。トナー容器19内には、負帯電型のポリエステル系樹
脂を主成分とする黒色の１成分非磁性トナー20が収納さ
れており、現像ローラ５の回転によって、現像ローラ５
の表面に均一なトナー薄層が形成される。トナー粒子
は、ブレード14の圧力下を通過する際に、ブレード14お
よび現像ローラ５表面の摩擦によって負に帯電する。現
像ローラ５に対するブレード14の線圧、すなわち（全圧
力）／（ブレード自由端の長さ）を20g/cmとしたとき、
現像ローラ５の表面の単位面積当たりのトナー付着量は
0.5mg/cm²、トナー帯電量は−８μC/gであった。ただ
し、トナー帯電量は、現像ローラ５の表面に付着したト
ナーをエアーでファラデーケージ内に捕集し、電荷量Ｑ
および捕集トナー量Ｍを測定してQ/Mより算出した。ま
た、ブレード14と現像ローラ５表面の導電層の間の電気
抵抗を測定したところ、ローラ回転時および静止時とも
に１×10³Ω前後の値を示した。この事実はブレード・
ローラ間にトナー薄層が介在していても、ブレード14の
エッジとローラ５表面の導電層の電気的導通は比較的良
好であり、ブレード14に電圧を印加すれば、現像ローラ
５にもほぼ同じ現像バイアスが印加されることを示して
いる。 上記条件で、ブレード14に−250Vの現像バイアスを印
加し、潜像の反転現像を実行したところ、画像濃度1.3
以上でカブリの全くない極めてシャープな現像像が得ら
れた。 次に、諸現像条件の最適範囲を調べることを目的とし
て種々の実験を行なった。はじめに、現像ローラ５の回
転周速を16mm/secから423mm/secの範囲内で、すなわち
感光体ドラム18の回転周速の1/3倍ないし９倍の範囲内
で可変とし、画像との相関を調べた。1.0倍以下ではド
ラム18よりもローラ５の速度が遅いため潜像へのトナー
供給量が不足し、充分な濃度の画像が得られなかった。
1.0倍から1.5倍の範囲内では、ローラ５・ドラム18間の
速度差が小さいため（作用）の項で述べた画像の均一性
およびシャープネスを改良する効果が充分に得られず、
画質は貧弱なものとなった。また、画像濃度も不充分と
なる傾向を示した。他方、７倍を越えると画像濃度は充
分なものの、カブリや画像の尾引きなどが生じた。これ
は、ローラ回転の遠心力によるトナー飛散や感光体への
トナー供給過剰によるものと思われる。1.5倍ないし7.0
倍の範囲内では極めて良好な画像が得られた。 現像ローラ５と感光体ドラム18の接触幅を０〜12mmの
範囲で変化させたところ、０〜0.3mmの範囲では画像に
ムラを生じやすく、またシャープネスも不満足なものと
なった。一方6mmを越えるとカブリや尾引きが発生し
た。したがって、0.3〜6mmの範囲が良好であった。現像
ローラ５および感光体ドラム18の外径が，おのおの20m
m、60mmのとき、この接触幅を接触深さに置きかえると
0.1〜2.0mmが適正範囲であった。 弾性体層12が硬度12、120および220の３種類の硬質ウ
レタンフォームから成るローラとシリコーンゴムから成
るローラの合計４種類のローラを試作し、現像ローラ５
の感光体ドラム18の接触圧力をパラメータとして画質の
変化を調べた。ただし、接触圧力は（ドラムに対するロ
ーラの全圧力）／（接触面積）により算出した。接触圧
力は小さい方が好ましいが、1kg/cm²以下であれば、特
に画像に問題は生じなかった。1kg/cm²を越えると、カ
ブリや尾引きが目立ち、画像部に濃度ムラを生じること
もあった。 現像ローラ５の表面粗さをパラメータとし、画質との
相関を調べた。現像ローラ５の表面導電相は導電性カー
ボンを分散したポリエステル樹脂をコーティングしたも
のを用いた。コーティング層の表面粗さは0.1μｍであ
った。この表面をサンドブラスト処理によって粗面化
し、表面粗さ0.5μm 2.0μｍ、3.2μｍ、5.3μｍとした
ものおよび無処理のローラの合計５種類のローラを作成
した。 実験による比較検討を行なったところ、3.2μｍおよ
び5.3μｍのローラではシャープな画像が得られず、カ
ブリも目立つ傾向が認められた。一方2.0μｍ以下のと
きはシャープネス、濃度およびカブリの何れにも問題は
生じなかった。この現像は、表面が粗いときにはトナー
層が厚くなり未帯電トナーが増加すること、トナーと現
像ローラ５表面の摩擦力が大きいために、現像位置にお
けるトナー粒子のころがり運動やすべり運動が制約を受
けることの２つの原因によるものと思われる。したがっ
て、現像ローラ５の表面粗さは２μｍ以下とする。 導電性カーボン添加量の異なる導電層を有する５種類
の現像ローラを作成し、導電層の電気抵抗と画質の関係
を調べた。導電層の比抵抗は10²、10⁵、10⁹、10¹¹およ
び10¹³［Ω・cm］であった。10⁹Ω・cm以下において
は、現像バイアスの効果が顕著に現われ、現像バイアス
を−400V以下とすることでカブリを完全に抑制すること
ができた。一方10¹⁰および10¹²Ω・cmのローラを使用す
ると現像バイアスの効果が認られず、カブリを抑制する
ことは困難であった。 現像ローラ５の表面のトナー付着量は、画質に対し大
きな影響を与える。付着量が0.1mg/cm²未満のときに
は、充分な画像濃度を得るためには現像ローラを感光体
ドラムの7.0倍以上の速度で回転させなければならず、
遠心力によるトナー飛散が生じたりベタ画像に濃度ムラ
が発生したりした。1.2mg/cm²を超えるとトナー層が厚
すぎるために未帯電トナーが混入し、これがカブリや尾
びきをひき起こした。0.1mg/cm²ないし1.2mg/cm²の範囲
内であれば良好な画像を得ることができた。 帯電したトナー粒子が現像ローラ５表面に付着する力
は、主としてローラ表面の導電層へ向かう鏡像力による
ものである。したがって、トナーが重力に打ち勝ってロ
ーラ表面からこぼれ落ちずに付着し続けるためには、ト
ナーはある値以上の大きさの電荷量を持っていなければ
ならない。実験によれば、トナー帯電量の絶対値が1.0
μC/g以上であればこぼれ落ちないことがわかった。逆
に、25μC/gを超えると、トナー粒子はローラ表面に強
く束縛されるため感光体表面に転移することができない
場合があり画像濃度が不充分となる傾向を示した。した
がって本発明においては、トナー帯電量の絶対値が１な
いし25μC/gの範囲内となるよう、トナー材料および現
像機構造を調整することが必要である。 第３図は、本実施例の現像特性を、現像ローラ表面と
静電潜像の間の電位差をパラメータとして測定した結果
を示す特性曲線である。本発明の重要な特徴のひとつと
して、現像電位の静電潜像が極めて近接しているため、
ドラム18・ローラ５間の電位差が小さい場合にも良好な
現像が行なわれること、すなわち低電位現像が可能であ
ることがあげられる。第３図の実験結果はこの特徴を良
く表わしており、現像ローラ表面と静電潜像の画像部の
間の電位差の絶対値が100V以上、600V以下であれば画像
濃度1.2以上の良好な現像が行われることがわかる。た
だし、画像濃度とは、周知のコロナ転写法によってドラ
ム上のトナー像を普通紙へ転写し、これを熱定着した後
にその光学濃度を測定することによって得た値である。
また、同図に示されているカブリの測定結果から、静電
潜像の非画像部と現像ローラ表面との電位差の絶対値が
50V以上であればカブリを１％以下におさえられること
がわかる。ただし、同図におけるカブリ（BG）とは、未
転写紙の光学反射率をR₀、転写・定着後の画像の非画像
部における光学反射率をＲとしたとき、 BG＝R₀−Ｒ によって定義され、BG1％以下のときには事実上カブリ
が無いものとしこの値をカブリの良否の判断基準とし
た。 上記実施例においては、負帯電型感光体と負帯電型ト
ナーの組合わせによる反転現像について述べたが、本発
明はこの組みあわせに限定されるものではない。また、
トナー薄層形成手段として弾性金属板を例示したが、金
属、樹脂等からなる剛性部材を現像ローラ表面に押圧す
ることによって良好のトナー薄層を形成することもでき
る。現像ローラの弾性体層は、スポンジのような発泡材
料であってもシリコーンゴム、ネオプレンゴムなどのゴ
ム材料であってもよい。現像バイアスは上記の実施例で
は金属ブレードを介して現像ローラに印加されている
が、その他の手段として現像ローラの弾性体層を導電性
とし、金属シャフトと弾性体層を介して現像ローラ表面
に給電する方法等も実施可能である。 ［発明の効果］ 以下、詳述したように、本発明によれば従来の加圧現
像技術の問題点、すなわち 充分な画像濃度を得ようとすると非画像部に地カブ
リが発生し、逆に地カブリを抑制すべくトナー層厚を薄
くすると画像濃度が不足する。 トナー薄層のムラが画像の濃度ムラとなって顕著に
現れる。 ベタ画像のエッジやライン画像の切れが悪くシャー
プな画像が得られない。 といった画質にかかわる本質的な問題をことごとく解決
することができる。また、現像ローラを弾性体層と表面
導電層とから構成しているため極めて柔軟なローラを構
成することができ、潜像保持体表面を傷つけることなく
広い現像接触幅を得ることが可能となる。さらに、上記
の柔軟性により現像ローラの真円度などの機械精度にか
かわる要求を大幅に緩和することができる。このように
して、本発明によれば常にムラの無いシャープな現像像
が得られ、画質および装置の設計、製作に対し多大の効
果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示す要部断面図、第２図は
従来技術の一例を示す要部断面図、第３図は本発明に係
る現像装置による実験の結果を示す特性図である。 ５……トナー担持体ローラ 13……導電体層 14……トナー薄層形成手段 15……第１の電圧印加手段（直流電源） 18……静電潜像保持体 20……トナー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 三長 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝総合研究所内 (72)発明者 佐藤 周逸 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝総合研究所内 (72)発明者 遠藤 光治 静岡県三島市南町６―78 東京電気株式 会社技術研究所内 (72)発明者 二俣 幸男 静岡県田方郡大仁町大仁570 東京電気 株式会社大仁工場内 (56)参考文献 特開 昭53−3233（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−149632（ＪＰ，Ａ) 特公 昭52−36414（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G03G 15/08 G03G 15/00 303

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．弾力性を有し、かつ少なくとも表面が導電性を有す
   るトナー担持体と、このトナー担持体表面にトナー薄層
   を形成する手段を有し、このトナー薄層を静電潜像保持
   体に接触させることによって、前記静電潜像保持体に形
   成された静電潜像を可視像化する現像装置であって、 前記トナー担持体ローラ表面の粗さが２μｍ以下で、表
   面の担持トナー薄層と前記静電潜像保持体との接触位置
   において、トナー担持体ローラ表面および静電潜像保持
   体表面が同一方向に移動し、かつ前記トナー担持体ロー
   ラ表面の移動速度が前記静電潜像保持体の移動速度の1.
   5〜7.0倍に設定されて成ることを特徴とする現像装置。 ２．担持トナー薄層の帯電量の絶対値が１μC/g〜25μC
   /gの範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の現像
   装置。