JP4577530B2 - 現像ローラ、現像装置、画像形成装置および現像ローラの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は外周面に凹凸部を有してトナーを潜像担持体に搬送する現像ローラ、現像ローラを有する現像装置、現像装置を備えた画像形成装置、および現像ローラの製造方法の技術分野に関する。

従来、非磁性一成分トナーで静電潜像を現像する現像装置では、現像ローラ上で摩擦帯電によりトナーに電荷を付与している。この現像ローラとして、外周面に凹凸部を有しかつ凸部の表面が平坦またはほぼ平坦な現像ローラが知られている（例えば、特許文献１参照）。この凹凸部でトナーを現像ローラ上で効果的に摩擦帯電させている。図１０（ａ）に示すように現像ローラａは基材ｂとこの基材ｂの表面をめっき等により被覆した表面層ｃとからなる。
特開２００７−１２１９４８号公報。

一般に、現像ローラａには、図示しないがトナー供給ローラおよびトナー規制部材が当接されている。また、トナー母粒子を被覆する外添剤の１つとして、硬度の高いシリカが用いられている。一方、基材ｂの外周面には基材凹部ｄおよび基材凸部ｅからなる複数の基材凹凸部が形成されている。そして、表面層ｃにもこれらの基材凹部ｄおよび基材凸部ｅに対応して凹部ｆおよび凸部ｇからなる複数の基材凹凸部が形成されている

ところで、画像形成により、トナー供給ローラ、トナー規制部材あるいはトナー粒子により表面層ｃが摩耗する。一方、近年では画像の高画質化およびトナー使用量削減が求められており、そのためにトナーがより小径化してきている。この小粒径のトナーを用いて長期にわたって画像形成を行うと、図１０（ｂ）に示すように凹部ｆの表面層はほとんど摩耗しないのに対して、凸部ｇの頂部ｈの表面層が比較的大きくほぼ平坦状に摩耗する。このように、凹部ｆと凸部ｇとで摩耗状態や摩耗量が異なると、凹凸部の深さが長期的な画像形成により小さくなる。このため、現像ローラで搬送されるトナー量が減少してきて、画像の濃度維持が困難になり、長期にわたって良好な現像を行うことが難しいという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、長期にわたって画像を形成しても、凹凸部の深さの減少をできるだけ抑制して長期にわたって良好な現像を行うことのできる現像ローラ、現像装置、画像形成装置および現像ローラの製造方法を提供することである。

前述の課題を解決するために、本発明に係る現像ローラによれば、連続して形成された傾斜基材溝からなる基材凹部および基材凹部の間に形成されるとともに軸方向に平坦な平坦部を有する基材凸部を有する基材と、この基材の外周面に基材凹部に対応しかつ連続して形成された傾斜溝からなる凹部および基材の外周面に基材凸部に対応して形成されかつ軸方向に平坦状の頂部を有する凸部を有する表面層とを少なくとも有し、凸部の前記平坦状の頂部における表面硬度が凹部の表面硬度より大きい。したがって、長期にわたる画像形成で比較的摩耗しやすい凸部の平坦状の頂部における表面層の摩耗を抑制できる。これにより、比較的摩耗の少ない凹部の表面層と凸部の平坦状の頂部における表面層との摩耗の差を従来の現像ローラに比べてより少なくすることができる。つまり、長期にわたって画像形成を行っても、現像ローラの凹凸部の深さが変化するのを抑制できる。その結果、現像ローラで搬送されるトナー量がほとんど変化しなく、画像の濃度を長期にわたってほぼ一定に維持することができる。したがって、長期にわたって良好な現像を行うことが可能となる。

また、現像ローラの凹部の表面硬度を小さくして積極的に表層を削れるようにすることで、トナー供給ローラのリセット性が悪い凹部に劣化トナーが滞留して生じるフィルミングを防止することができる。更に、凹部ではトナー規制ブレードからの距離が遠いことからトナー帯電性が悪化しがちであるが、この凹部を非晶質に維持することで、トナー帯電性の低下を抑制することができる。これによりトナーかぶりやトナー飛散などを抑制でき、良好な現像特性を得ることができる。
そして、トナー規制部材で凸部の表面にトナーを搬送しないトナー搬送方式では、凹部表面でのトナー帯電性の確保という凹部の機能と凸部表面での耐摩耗性確保（凹凸部の深さの維持）という凸部の機能を分離して、両機能を達成することができる。

また、凸部の頂部を結晶化することで、頂部でのトナー帯電性を低下させることができる。トナー帯電性が良好でないことにより、逆に、トナー規制ブレードと現像ローラの凸部との間の摺擦による過剰帯電（チャージアップ）を防止できるとともに、現像りれきを改善することができる。また、現像ローラの凹凸深さより小さい粒径のトナーを用い、トナー規制ブレードの先端を現像ローラに当てて、現像ローラの凹部にトナーを搬送し、凸部にトナーを搬送しないようにする方式においては凸部へのトナーをより効果的に抑制することが可能になり、更に凸平坦面へのトナーのフィルミングや過剰帯電を防止することが可能になる。

更に、表面層の凹凸部を同一材料で構成し、凸部と凹部との結晶化度合いを相違させる（例えば、凸部の結晶化度合いを凹部の結晶化度合いより高くする）ことで、凸部と凹部との表面硬度および電気抵抗を制御可能となる。その場合、凸部と凹部との各表面層は完全に結晶化していないようにする。これにより、現像ローラの表面組成を簡便に作成することができる。特に、凸部の硬度を高くしてその摩耗を少なくし過ぎるとトナーが融着するフィルミングを生じるが、結晶化度合いを制御することで、このフィルミングの発生を抑制することができる。
更に、凸部の表面層を局所的に加熱することで、基材の結晶化に対して影響を与えることはほとんどない。したがって、基材の応力開放や結晶化度の変化による基材の反りや曲がりを防止できる。

更に、凸部の結晶化を進行させる範囲を、凸部の上面から、使用されるトナーの平均粒径以内とすることで、帯電性が低下しやすい凹部に搬送されたトナーを非晶質である凹部に接触させることができる。したがって、トナーの帯電低下を防止することができる。つまり、凹部のトナー帯電性を凸部の帯電性より高くすることで、トナー帯電をより効果的に行うことができる。

更に、基材に凹凸部を形成する前に無電解めっきにより表面層を基材に形成することで、比較的加工し難い材料を基材に用いても、このめっきによる表面層により、凹凸部の形状安定性を向上することができる。これにより、凹凸部の表面の平滑性を向上でき、トナー粒子の転動性が良好になるとともに、凹凸部でのトナーのフィルミングを抑制できる。したがって、トナー搬送性およびトナー帯電性を長期にわたって更に良好に維持することができる。

一方、本発明の現像ローラを有する現像装置によれば、潜像担持体の静電潜像を長期にわたって良好に現像することができる。更に、この現像装置を備える画像形成装置は長期にわたって安定した良好な画質の画像を形成することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明にかかる画像形成装置の実施の形態の一例を模式的に示す図である。
図１に示すように、この例の画像形成装置１は、基本的には前述の特許文献１に記載の従来の画像形成装置１と同じ構成を有している。まず、この従来の画像形成装置１と同じ構成について説明する。

装置本体２内に図１において時計回りの回転方向αに回転可能に設けられた潜像担持体である感光体３を備えている。この感光体３の外周近傍に位置して、帯電装置４が設けられている。また、感光体３の外周近傍には、現像装置であるロータリー現像ユニット５、一次転写装置６、およびクリーニング装置７が、それぞれ帯電装置４より感光体３の回転方向αに向かってこれらの順に配置されている。ロータリー現像ユニット５は、イエロー用の現像装置５Ｙ、マゼンタ用の現像装置５Ｍ、シアン用の現像装置５Ｃ、およびブラック用の現像装置５Ｋを有している。そして、これらの各現像装置５Ｙ,５Ｍ,５Ｃ,５Ｋは、中心軸を中心に回転方向β（図１において反時計回り）に回転可能に設けられたロータリ５ａに着脱可能に支持されている。更に、帯電装置４およびクリーニング装置７の下方には、露光装置８が配置されている。

更に、画像形成装置１は、中間転写媒体である無端ベルト状の中間転写ベルト９を備えている。この中間転写ベルト９は、ベルト駆動ローラ１０および従動ローラ１１に掛け渡されている。ベルト駆動ローラ１０には、図示しないモータの回転駆動力が伝達される。そして、ベルト駆動ローラ１０によって、中間転写ベルト９は一次転写装置６で感光体２に圧接されながら、回転方向γ（図１において、反時計回り）に回転するようになっている。

中間転写ベルト９のベルト駆動ローラ１０側には、二次転写装置１２が設けられている。また、露光装置８の下方には、転写紙等のシート状の転写材（不図示；本発明の転写媒体に相当）が収納された転写材カセット１３が設けられている。更に、転写材カセット１３から二次転写装置１２への転写材搬送経路１４には、二次転写装置１２の近傍に位置してピックアップローラ１５およびゲートローラ対１６が設けられている。

二次転写装置１２の上方には、定着装置１７が設けられている。この定着装置１７は、加熱ローラ１８と、この加熱ローラに圧接される加圧ローラ１９とを有している。更に、装置本体２の上部には、排転写材トレイ２０が設けられている。また、定着装置１７と排転写材トレイ２０との間には、排転写材ローラ対２１が設けられている。

このように構成されたこの例の画像形成装置１においては、帯電装置４によって一様に帯電された感光体３に、露光装置８の例えばレーザ光Ｌ等によって、例えばまずイエローの静電潜像を形成される。感光体３のイエローの静電潜像は、ロータリ５ａの回転で図示の現像位置に位置決めされたイエロー用の現像装置５Ｙのイエローのトナーによって現像される。こうして、感光体３にイエローのトナー像が形成される。このイエロートナー像は一次転写装置６によって中間転写ベルト９に転写される。転写後に感光体３に残留するトナーは、クリーニング装置７のクリーニングブレード等によって掻き落とされて、回収される。

次に、前述と同様に帯電装置４によって再び一様に帯電された感光体３に、露光装置８によって、マゼンタの静電潜像を形成される。このマゼンタの静電潜像は、現像位置に位置決めされたマゼンタ用の現像装置５Ｍのマゼンタのトナーによって現像される。この感光体３上のマゼンタのトナー像は一次転写装置６によって中間転写ベルト９に、イエローのトナー像に色重ねされて転写される。転写後に感光体３に残留するトナーは、クリーニング装置７によって回収される。以後、シアンおよびブラックについても同様にしてそれぞれ感光体３にトナー像が順次形成され、これらのトナー像が順次中間転写ベルト９に、先に転写されたトナー像に色重ねされて転写される。こうして、中間転写ベルト９にフルカラーのトナー像が形成される。同様にして、転写後に感光体３に残留する各トナーは、それぞれクリーニング装置７によって回収される。

中間転写ベルト９に転写されたフルカラーのトナー像は転写材カセット１３から転写材搬送経路１４を通って搬送されてくる転写材に、二次転写装置１２によって転写される。このとき、転写材はゲートローラ対１６によって、中間転写ベルト９のフルカラーのトナー像にタイミングを合わされて二次転写装置１２に搬送される。

転写材に定着されたトナー像は、定着装置１２の加熱ローラ１８および加圧ローラ１９によって加熱、加圧定着される。こうして画像が形成された転写材は転写材搬送経路１４を通って搬送されて、排転写材ローラ対２１によって排転写材トレイ２０に排出され、収容される。

次に、この例の画像形成装置１の特徴部分の構成について説明する。
この例の画像形成装置１における各色の現像装置５Ｙ,５Ｍ,５Ｃ,５Ｋは、いずれもまったく同じ構成を有している。したがって、以下の現像装置５Ｙ,５Ｍ,５Ｃ,５Ｋの説明においては、各色の符号Ｙ,Ｍ,Ｃ,Ｋを省略して説明する。その場合、現像装置には、ロータリー現像ユニット５と区別するために符号５′を付す。

図２は、この例の実施の形態の現像装置の長手方向と直交する方向に沿う断面図である。
この例の現像装置５′は長い容器状に形成される。図２に示すように、この現像装置５′は、前述の特許文献１に記載の現像装置と同様に長いハウジング２２に、トナー収容部２３、トナー供給ローラ２４、現像ローラ２５、およびトナー規制部材２６を有している。これらのトナー収容部２３、トナー供給ローラ２４、現像ローラ２５、およびトナー規制部材２６は、現像装置５′の長手方向（図２において紙面と直交する方向）に沿って延設されている。

トナー収容部２３は、仕切り壁２７によって２つの第１および第２トナー収容部２３ａ,２３ｂに区画されている。その場合、トナー収容部２３は、図２において第１および第２トナー収容部２３ａ,２３ｂの上部が互いに連通する連通部２３ｃとして形成されている。この状態では、仕切り壁２７により第１および第２トナー収容部２３ａ,２３ｂ間のトナー２８の移動が抑制される。ロータリー現像ユニット５のロータリ５ａが回転して現像装置５′が図２に示す状態と上下逆の状態になると、第１および第２トナー収容部２３ａ,２３ｂにそれぞれ収容されたトナー２８が連通部２３ｃ側に移動する。ロータリ５ａが更に回転して現像装置５′が図２に示す状態になると、トナー２８は第１および第２トナー収容部２３ａ,２３ｂ側に再び移動する。これにより、前に第１トナー収容部２３ａ内に収容されたトナー２８の一部が第２トナー収容部２３ｂ内に移動し、また前に第２トナー収容部２３ｂ内に収容されたトナー２８の一部が第１トナー収容部２３ａ内に移動して、トナー収容部２３内のトナー２８が混合撹拌される。このトナー２８はそのトナー母粒子が外添剤で被覆された非磁性一成分トナーである。その場合、本発明では外添剤として少なくともシリカが用いられる。

第１トナー収容部２３ａ内の図２において下部には、トナー供給ローラ２４が図２において時計回りに回転可能に設けられている。また、ハンジング２２の外部には現像ローラ２５が図２において反時計回りに回転可能に設けられている。そして、現像ローラ２５は、感光体３に近接して（非接触で）設けられている。また、現像ローラ２５はハウジング２２の開口２２ａを通してトナー供給ローラ２４に所定の当接圧で当接されている。更に、トナー規制部材２６がハウジング２２に設けられている。このトナー規制部材２６は、現像ローラ２５とトナー供給ローラ２４とのニップ部（当接部）より現像ローラ２５の回転方向下流側の位置で現像ローラ２５に当接している。これにより、トナー規制部材２６は、トナー供給ローラ２４から現像ローラ２５に供給されたトナー２８の層厚を規制する。したがって、トナー規制部材２６によって規制されたトナー２８が現像ローラ２５によって感光体３の方へ搬送される。そして、現像ローラ２５で搬送されたトナー２８によって感光体３の静電潜像が非接触で現像されて、感光体３に各色のトナー像が形成される。

図３（ａ）に示すように、現像ローラ２５の外周面には、前述の特許文献１に記載の現像ローラと同様に網の目状の凹凸パターンが形成されている。この例の現像ローラ２５ではこの凹凸パターンとして、その外周面の軸方向所定位置に溝２９が全周にわたって形成されている。その場合、溝２９は、現像ローラ２５の軸方向に対して所定角（図示例では４５°であるが、これに限定されない）で傾斜した螺旋状に連続して形成され規則性を有する所定数の第１傾斜溝２９ａと、これらの第１傾斜溝２９ａと傾斜が逆方向に傾斜した螺旋状に連続する所定数の第２傾斜溝２９ｂとからなる。これらの第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂは、いずれもそれらの傾斜方向に所定のピッチ間隔ｐでかつ軸方向に所定幅Ｗに形成されている。なお、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの各傾斜角および各ピッチは、いずれも互いに異ならせることもできる。

図３（ｂ）に示すように、現像ローラ２５は、基材２５ａと、この基材２５ａの外周面に形成された表面層２５ｂとからなる。基材２５ａは、５０５６アルミ合金や６０６３アルミ合金等のアルミニウム系やＳＴＫＭ等の鉄系等の金属材料のスリーブからなる。また、表面層２５ｂは基材２５ａ上に施されたニッケル系めっきやクロム系めっき等のめっき層からなる。

図３（ｃ）に示すように、現像ローラ２５の基材２５ａの外周面には、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂを構成するための第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′がそれぞれ転造加工によって形成されている。この基材における第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′の加工方法は従来公知の加工方法を採用することができる。したがって、この加工方法の説明は省略する。そして、基材２５ａの外周面には、第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′で囲まれた所定数の島状の基材凸部３０′が形成されている。なお、本発明では、基材凹部は第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′の深さの２分の１より基材２５a側をいい、基材凸部３０′は第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′の深さの２分の１より基材２５ａ外方に突出している側をいう。

図３（ｃ）および図４に示すように、基材凸部３０′の頂部は基材平坦部３０ａ′に形成されている。各基材凸部３０′の基材平坦部３０ａ′の形状は、第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′の傾斜角が４５°でかつそれらのピッチｐが互いに同じに設定された場合には正方形状を呈し、第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′の傾斜角が４５°以外の角度でかつそれらのピッチｐが互いに同じに設定された場合には菱形形状を呈する。また、各基材凸部３０′の基材平坦部３０ａ′の形状は、第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′の傾斜角が４５°でかつそれらのピッチｐが互いに異なるように設定された場合には長方形状を呈し、第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′の傾斜角が４５°以外の角度でかつそれらのピッチｐが互いに異なるように設定された場合には平行四辺形状を呈する。そして、基材平坦部３０ａ′はいずれの四辺形形状でも、基材凸部３０′の基材平坦部３０ａ′側は、その四方の側壁が傾斜して截頭四角錐台形状に形成されている。

第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′の基材凹部を構成する部分は、それぞれそれらの傾斜方向に沿う正弦波形状凹面の湾曲凹部に形成されている。そして、基材凸部３０′の截頭四角錐台形状の四方の側壁が、それぞれ基材凹部の正弦波形状の湾曲凹部における四方の側壁に連続して形成されている。このとき、基材凸部３０′の截頭四角錐台形状の四方の側壁と基材凹部の正弦波形状の四方の側壁とが連続する点は凹凸部の深さの２分の１である。

第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′および基材凸部３０′の基材平坦部３０ａ′が形成された基材２５ａの外周面にニッケル系無電解めっき等のめっきを施すことで、基材２５ａの表面に表面層２５ｂが形成される。この表面層２５ｂに第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′の基材凹部、基材凸部３０′とそれぞれ同形状の第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの凹部、凸部３０が形成される。

凸部３０は四辺形状の平坦状の頂部３０ａが形成される。また、基材２５ａに表面層２５ｂが形成された状態では、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの頂部３０ａ側は、その四方の側壁が傾斜して截頭四角錐台形状に形成されている。そして、截頭四角錐台形状の四方の側壁が、それぞれ第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの凹部側の正弦波形状の四方の側壁に連続して形成されている。

更に、この例の現像ローラ２５では、凸部３０の頂部３０ａにおける表面層２５ｂの表面硬度が他の部分の表面硬度より大きい高硬度部３０ａ″に形成されている。その場合、この高硬度部３０ａ″が形成される凸部３０の範囲（凸部３０の頂部上面からの深さｔ）は、使用されるトナーの平均粒径以内に設定されている。また、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの凹部を含む高硬度部３０ａ″以外の部分の表面層２５ｂのトナー帯電性は、高硬度部３０ａ″のトナー帯電性より高くなっている。

一方、本発明者は、前述の図１０（ｂ）に示すように現像ローラ２５の凸部３０の表面層２５ｂが比較的大きく平坦状に摩耗するのに対して、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９の凹部形成部分の表面層２５ｂがほとんど摩耗する現象について、更に耐久実験をしながら検討した。なお、この摩耗の形状は、３次元測定用レーザ顕微鏡であるＫｅｙｅｎｃｅ ＶＫ−９５００で測定した。実験に用いた画像形成装置は、セイコーエプソン社製ＬＰ９０００Ｃのプリンタである。そして、このプリンタに用いられている現像ローラに代えて、次の現像ローラ２５を用いた。その場合、この現像ローラ２５が使用可能にするために、セイコーエプソン社製ＬＰ９０００Ｃのプリンタを改造した。耐久実験における画像形成条件は、ＬＰ９０００Ｃのプリンタの標準の画像形成条件である。

現像ローラ２５の基材２５ａにＳＴＫＭ材を用いて、基材２５ａに凹凸部を加工する前にセンタレス加工により基材２５ａの表面仕上げを行った。次に、転造加工により基材２５ａに第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′を形成した。次に、表面層２５ｂとして、無電解ニッケル-リン（Ｎｉ-Ｐ）めっきにより厚み３μｍのめっき層を基材表面に形成した。このとき、図５（ａ）に示すように、現像ローラ２５の凹凸部は、凹凸深さ（溝２９ａ,２９ｂの底から凸部３０の上面までの高さ）６μｍ、凹凸ピッチ１００μｍ、凹凸深さの１／２ラインでの凸部３０の幅６０μｍ、凹凸深さの１／２ラインでの凹部（溝２９ａ,２９ｂ）の幅４０μｍであった。

また、トナー供給ローラ２４はウレタン発泡ローラで形成して現像ローラ２５に対して食い込み量１.５ｍｍで設置した。更に、トナー規制部材２６はウレタンゴムからなるブレードで構成し、現像ローラ２５に対して当接圧４０ｇ／ｃｍで設置した。

更に、用いたトナーは２種類のトナーである。そのうち１つのトナーは、粉砕法で作製されたポリエステル粒子にＣＣＡ、ＷＡＸ、顔料を適量内添してトナー母粒子を構成するとともに、このトナー母粒子に２０ｎｍの小粒径シリカ、４０ｎｍの中粒径シリカ、１００ｎｍの大粒径シリカ、および３０ｎｍチタニアを外添して、平均粒径Ｄ５０が４.５μｍであり凹凸深さ６μｍより小さい小粒径トナーである。他の１つのトナーは、重合法で作製されたスチレンアクリル粒子にＷＡＸ、顔料を適量内添してトナー母粒子を構成するとともに、このトナー母粒子に２０ｎｍの小粒径シリカ、４０ｎｍの中粒径シリカ、１００ｎｍの大粒径シリカ、および３０ｎｍチタニアを外添して、平均粒径Ｄ５０が前述のトナーと同じく４.５μｍである小粒径トナーである。

そして、ＬＰ９０００Ｃの標準画像形成条件で、Ａ４普通紙にモノクロの画占率５％の文字パターンで耐久画像形成実験を行った。この実験の結果、図５（ｂ）に実線で示された初期のプロファイルを有する凸部３０の表面層２５ｂの頂部３０ａが、画像形成回数が増加するにしたがって一点鎖線で示すように平坦状のプロファイルに摩耗する傾向となった。凸部３０のこのような平坦状の摩耗プロファイルは、前述の２番目の小粒径トナーを用いた場合にも、同様の湾曲したプロファイルに摩耗する傾向となった。

この理由は次のように考えられる。図６（ａ）において現像ローラ２５の回転に伴い、現像ローラ２５にそれぞれ圧接されるトナー供給ローラ２４およびトナー規制部材２６により、凸部３０の平坦面３０ａに位置するトナー粒子が第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂ内にそれぞれ移動する。このとき、図６（ａ）において現像ローラ２５の回転に伴い、凸部３０の頂部３０ａに位置するトナー粒子が第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂ内にそれぞれ移動する。このとき、トナー粒子の平均粒径（Ｄ５０粒径）が凹凸部の深さより小さいことから、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂ内に移動したトナー２８の粒子は複数の層になる。更に、現像ローラ２５の回転に伴い、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂに位置するトナー粒子が凸部３０の頂部３０ａに移動する。このとき、最上層のトナー粒子の位置は凸部３０の頂部３０ａとほぼ同じ高さ位置となっているため、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂ内に位置するトナー２８の粒子のうち、主として最上層のトナー粒子がほぼ横移動し、下層のトナー粒子はほとんど移動しない。この最上層のトナー粒子の横移動により、トナー粒子の表面の比較的硬い外添剤によって表面層２５ｂの表面が長期にわたって徐々に平坦状に摩耗される。

なお、図６（ａ）および（ｂ）は、図３（ｂ）と同様に第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの傾斜方向に沿う断面図である。このため、これらの現像ローラ２５の部分断面は、現像ローラ２５の回転方向と異なる。したがって、第１傾斜溝２９ａに位置するトナー粒子が凸部３０の頂部３０ａ上に移動し、その後頂部３０ａ上のトナーは、この頂部３０ａに隣接する第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂのいずれにも移動するようになる。また、第２傾斜溝２９ａに位置するトナー粒子が凸部３０の頂部３０ａ上に移動し、その後頂部３０ａ上のトナーは、この頂部３０ａに隣接する第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂのいずれにも移動するようになる。以下の他の例の説明についても同様である。

このように構成された現像ローラ２５の製造方法の一例について説明する。
図７（ａ）に示すように、基材２５ａに転造加工により第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′を形成する。次に、図７（ｂ）に示すように、第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′が形成された基材２５ａの表面に、無電解めっきにより非晶質の表面層２５ｂを形成する。これにより、第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′に対応して第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂが形成される。このとき、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの深さの２分の１より頂部３０ａ側が凸部３０で、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの深さの２分の１より基材２５ａ側（頂部３０ａと反対側）が凹部である。この場合、基材２５ａの硬度より表面層２５ｂの硬度が高く設定されている。

次に、図７（ｃ）に示すように凸部３０の頂部３０ａにおける表面層２５ｂを、イオンビームあるいは局所加熱等により加熱して表面結晶化する。このとき、表面層２５ｂの表面結晶化部分（高硬度部３０ａ″）における頂部３０ａの上面から深さｔは、この現像ローラ２５を備える現像装置５′に使用されるトナーの平均粒径（Ｄ５０粒径）以内の範囲にする。この表面層２５ｂの表面結晶化部分（高硬度部３０ａ″）の表面硬度は、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの凹部を含む他の部分の表面層２５ｂの表面硬度より大きくなっている。また、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの凹部を含む、表面層２５ｂの表面結晶化部分（高硬度部３０ａ″）以外の部分の表面層２５ｂのトナー帯電性は、この高硬度部３０ａ″のトナー帯電性より高くなっている。

更に、この例の現像ローラ２５の製造方法の他の例について説明する。
図８（ａ）に示すように、基材２５ａの表面に、無電解めっきにより非晶質の表面層２５ｂを形成する。この場合、基材２５ａの硬度より表面層２５ｂの硬度が高く設定されている。次に、図８（ｂ）に示すように、非晶質の表面層２５ｂを焼鈍により完全結晶化する。このときの焼鈍の温度は、例えば３００℃以上であるが、基材２５ａの熱処理温度以下である。次に、図８（ｃ）に示すように、結晶化された表面層２５ｂを有する基材２５ａの表面に、転造加工により第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂを形成する。このとき、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの深さの２分の１より頂部３０ａ側が凸部３０で、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの深さの２分の１より基材２５ａ側（頂部３０ａと反対側）が凹部である。そして、結晶化された表面層２５ｂにおける、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの形成部分は、転造加工による圧延により再び非晶質（アモルファス）化される。したがって、頂部３０ａの結晶化された表面層２５ｂの表面硬度が再非晶質化された表面層２５ｂの表面硬度より大きくなる。こうして、この例の現像ローラ２５が形成される。

次に、本発明の現像ローラ２５の具体例について説明する。
現像ローラ２５の基材２５ａに硬度がＨｖで１５０であるＳＴＫＭ材を用いて、基材２５ａに凹凸部を加工する前にセンタレス加工により基材２５ａの表面仕上げを行った。次いで、転造加工で基材２５ａの表面に深さ６μｍの基材凹凸部を形成した。その場合、基材凹部２９ａ′,２９ｂ′（基材凸部３０′の基材凹部の底部側）を正弦波形状に形成する。また、基材凸部３０′の頂部３０ａ′側を截頭四角錐台形状に形成した。そして、截頭四角錐台形状の四方の側壁を、それぞれ正弦波形状の湾曲凹部２９ａ′,２９ｂ′における四方の側壁に連続して形成した。このとき、基材凸部３０′の截頭四角錐台形状の四方の側壁と正弦波形状の四方の側壁とが連続する点は基材凹凸部の深さの２分の１の点である。

表面層２５ｂとして、無電解ニッケル-リン（Ｎｉ-Ｐ）めっきにより厚みｔが３μｍのめっき層を基材表面に形成した。このときの表面層２５ｂの表面硬度は、Ｈｖで５５０であった。次に、頂部３０ａの表面層２５ｂの部分に、凸部３０の頂部上面からの深さｔが１.５μｍの範囲でイオンビームを照射して加熱することにより、この表面層２５ｂの部分を結晶化した。このときの結晶化した表面層２５ｂの表面硬度は、Ｈｖで１０００であった。すなわち、頂部３０ａの高硬度部３０ａ″が、この高硬度部３０ａ″以外の表面層２５ｂの部分の表面硬度より大きい。

次に、本発明の現像ローラにおけるトナー帯電性および現像ローラの表面電位について実験を行った。実験は、トナー擦り試験によるトナーの帯電量測定と現像ローラのトナー搬送面の表面電位試験である。

トナー擦り試験は、現像ローラのサンプルとして、ＳＴＫＭ材を無電解ニッケル-リン（Ｎｉ-Ｐ）めっきにより厚み３μｍの表面層を形成したサンプルプレートを作製した。このサンプルプレートの表面硬さはＨｖで５５０であった。更に、同じサンプルプレートをもう１枚作製し、このサンプルプレートの表面層を４００℃で２時間焼鈍処理して表面層を結晶化した。このサンプルプレートの表面硬さはＨｖで１０００であった。したがって、焼鈍処理により表面層の硬度が高くなることが分かった。

また、トナーとして、前述の最初のトナーを用いた。更に、前述のトナー規制部材２６に用いたウレタンゴムからなるブレードを作製した。そして、各サンプルプレート上にそれぞれトナーをまぶし、各サンプルプレート上のトナーをウレタンゴムのブレードで擦った。その後、擦ったトナーの帯電量を帯電量測定器で測定した。これを擦り回数を増やして所定の擦り回数毎に擦った後、トナーの帯電量を帯電量測定器で測定した。このときのトナー擦り試験結果を図９（ａ）に示す。図９（ａ）に示すように、めっき層の表面層に焼鈍処理を行わない方がトナー帯電性が良好であることが分かった。

一方、現像ローラのトナー搬送面の表面電位試験は、駆動実験機として前述のＬＰ９０００Ｃのプリンタを用いるとともにる実験現像カートリッジを用いた。その場合、現像ローラの表面が見えるように駆動実験機および実験現像カートリッジを改造した。また、ＳＴＫＭ材を無電解ニッケル-リン（Ｎｉ-Ｐ）めっきにより厚み３μｍの表面層を形成したサンプル現像ローラとこの表面層に前述と同様に４００℃で２時間焼鈍処理を行ったサンプル現像ローラの１つの現像ローラを作製した。

また、トナーとして、前述の最初のトナーを用いた。そして、実験現像カートリッジを駆動実験機にセットして、駆動実験機を空回しした。そして、現像ローラ周面のトナーの一部を除去して現像ローラの表面の一部をむき出しにした。更に、現像ローラに表面電位計をセットした。この状態で、現像ローラを回転させて、トナー除去部とトナー見除去部との電位差を測定して、表面伝に回復率を見た。このときの表面電位試験を図９（ｂ）および（ｃ）に示す。図９（ｂ）および（ｃ）に示すように現像ローラ（ＤＲ）駆動開始により、現像ローラの表面電位が向上する。その場合、図９（ｂ）および（ｃ）に示す各実験結果とも、この現像ローラ（ＤＲ）駆動開始で周期的に表面電位の悪いピーク値が周期的に現れる。これらの表面電位の悪いピーク値の部分が搬送面からトナーが除去された部分である。そして、全体的にみると、図９（ｂ）に示す焼鈍処理を行わない方が図９（ｃ）に示す焼鈍処理を行った方より表面電位が良好であった。すなわち、焼鈍処理により、トナー現像後の現像ローラのトナー搬送面の表面電位回復性が悪くなることが分かった。

これらの実験により、凸部の頂部の表面が焼鈍処理に結晶化されて、その硬度が高くなり、また、凹部の表面が焼鈍処理されず非晶質となってトナー帯電性が良好になることが分かった。

これらの例の現像ローラ２５によれば、現像ローラ２５の凸部３０における頂部３０ａの高硬度部３０ａ″の表面硬度が、第１および第２傾斜溝２９ａ,２９ｂの凹部を構成する部分のを含む、この高硬度部３０ａ″以外の部分の表面硬度より大きく設定している。したがって、長期にわたる画像形成で比較的摩耗しやすい頂部３０ａの表面層２５ａの摩耗が抑制され、また凹部の表面層２５ａの摩耗は少ない。したがって、凸部と凹部との摩耗の差を従来の現像ローラに比べてより少なくすることができる。これにより、長期にわたって画像形成を行っても、現像ローラ２５の凹凸部の深さがあまり変化しない。その結果、現像ローラ２５で搬送されるトナー量がほとんど変化しなく、画像の濃度を長期にわたってほぼ一定に維持することができる。したがって、長期にわたって良好な現像を行うことが可能となる。

また、現像ローラ２５の凹部の表面硬度が小さいので、リセット性が悪い凹部で生じるフィルミングを防止することができる。更に、凹部ではトナー規制ブレード２６からの距離が遠いことからトナー帯電性が悪化しがちであるが、この凹部を非晶質を維持することで、トナー帯電性の低下を抑制することができる。つまり、凹部のトナー帯電性を凸部の帯電性より高くすることで、トナー帯電をより効果的に行うことができる。これによりトナーかぶりやトナー飛散などを抑制でき、良好な現像特性を得ることができる。
そして、トナー規制部材２６で凸部３０の表面にトナーを搬送しないトナー搬送方式では、凹部表面でのトナー帯電性の確保という凹部の機能と凸部表面での耐摩耗性確保（凹凸部の深さの維持）という凸部の機能を分離して、両機能を達成することができる。

また、凸部３０の頂部３０ａを結晶化することで、頂部３０ａでのトナー帯電性があまり良好でなくなる。しかし、トナー帯電性が良好でないことにより、逆に、トナー規制ブレード２６と現像ローラ２５の凸部３０との間の摺擦による過剰帯電（チャージアップ）を防止できるとともに、現像りれきを改善することができる。また、現像ローラの凹凸深さより小さい粒径のトナーを用い、トナー規制ブレードの先端を現像ローラに当てて、現像ローラの凹部にトナーを搬送し、凸部にトナーを搬送しないようにする方式においては凸部へのトナーをより効果的に抑制することが可能になり、更に凸平坦面へのトナーのフィルミングや過剰帯電を防止することが可能になる。

表面層２５ｂの凹凸部を同一材料で構成し、凸部と凹部との結晶化度合いを相違させる（例えば、凸部の結晶化度合いを凹部の結晶化度合いより高くする）ことで、凸部と凹部との表面硬度および電気抵抗を制御可能となる。その場合、凸部と凹部との各表面層２５ｂは完全に結晶化していないようにする（完全に結晶化したかどうかは、ＸＲＤ解析で分かる）。これにより、現像ローラの表面組成を簡便に作成することができる。特に、凸部３０の硬度を高くしてその摩耗を少なくし過ぎるとトナーが融着するフィルミングを生じるが、結晶化度合いを制御することで、このフィルミングの発生を抑制することができる。
更に、凸部３０の表面層２５ｂを局所的に加熱することで、基材２５ａの結晶化に対して影響を与えることはほとんどない。したがって、基材２５ａの応力開放や結晶化度の変化による基材２５ａの反りや曲がりを防止できる。

更に、凸部３０の結晶化を進行させる範囲を、凸部３０の上面から、使用されるトナーの平均粒径（Ｄ５０粒径）以内とすることで、帯電性が低下しやすい凹部に搬送されたトナーを非晶質である凹部に接触させることができる。したがって、トナーの帯電低下を防止することができる。

更に、基材２５ａに凹凸部を形成する前に無電解めっきにより表面層２５ｂを基材２５ａに形成することで、比較的加工し難い材料を基材２５ａに用いても、このめっきによる表面層２５ｂにより、凹凸部の形状安定性を向上することができる。これにより、凹凸部の表面の平滑性を向上でき、トナー粒子の転動性が良好になるとともに、凹凸部でのトナーのフィルミングを抑制できる。したがって、トナー搬送性およびトナー帯電性を長期にわたって更に良好に維持することができる。

この現像ローラ２５を有する現像装置５′によれば、感光体３の静電潜像を長期にわたって良好に現像することができる。一方、この現像装置５′を備える画像形成装置１は長期にわたって安定した濃度の良好な画質の画像を形成することができる。

なお、本発明では、必ずしも第２傾斜溝２９ｂの軸方向の間隔および数は、いずれも第１傾斜溝２９ａのそれらと必ずしも同じである必要はなく異なってもよい。また、第１および第２傾斜溝２９ａ,２２ｂの数は１本以上任意の数だけ設けることができる。

また、外添剤に比較的硬いシリカを用いたトナーであって、トナー母粒子に対するシリカ被覆率が１００％以上であるトナーを用いた場合には、トナー母粒子の表面に多くのシリカが存在するため、凸部３０の表面層２５ｂの摩耗速度が比較的より速くなる。したがって、シリカ被覆率が１００％以上であるトナーを用いる現像装置５′にこの例の現像ローラ２５を用いても、現像ローラ２５の耐久性をより効果的に向上することができる。

更に、第１および第２傾斜基材溝２９ａ′,２９ｂ′からなる基材凹部は必ずしも正弦波形状に形成する必要はない。基材凹部は他の湾曲面で形成することできるし、平坦面の底を有する逆截頭四角錐台形状に形成することできる。その場合には、前述の変曲点（基材凹凸部の深さのほぼ１／２の位置）で基材凸部の截頭四角錐台形状に連続するようにして形成する。

更に、前述の例ではロータリー現像ユニット５を有する画像形成装置１に適用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、例えば、画像形成ユニットがタンデムに配置された画像形成装置、４サイクルの画像形成装置、単色の画像形成装置、あるいはトナー像を潜像担持体から転写材（本発明の転写媒体に相当）へ直接転写する画像形成装置（つまり、中間転写媒体を備えない画像形成装置）等、少なくとも凹凸部を有する現像ローラを備える現像装置を備えたどのような画像形成装置にも適用することができる。要は、本発明は、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内でどのような画像形成装置にも適用することができる。

本発明にかかる画像形成装置の実施の形態の一例を模式的に示す図である。 図１に示す現像装置を模式的に示す断面図である。 （ａ）は現像ローラ、トナー供給ローラ、およびトナー規制部材を模式的に示す図、（ｂ）は（ａ）におけるIIIＢ−IIIＢ線に沿う部分断面図、（ｃ）は（ｂ）における基材のみを示す部分断面図である。 現像ローラの図３（ｂ）における部分拡大断面図である。 （ａ）現像ローラの凹凸部のサイズを示す図、（ｂ）はトナー粒径が現像ローラの凹凸部の深さより大きい場合における現像ローラの摩耗の過程を説明する図である。 （ａ）はトナー粒径が現像ローラの凹凸部の深さより小さい場合における現像ローラでのトナー粒子の挙動を説明する図、（ｂ）は（ａ）における現像ローラの摩耗状態を示す図である。 （ａ）ないし（ｃ）は図３および図４に示す現像ローラの製造方法の一例を説明する図である。 （ａ）ないし（ｃ）は図３および図４に示す現像ローラの製造方法の他の例を説明する図である。 （ａ）はトナー擦り試験結果を示す図、（ｂ）および（ｃ）は表面電位試験結果を示す図である。 （ａ）は従来の現像ローラにおける凹凸部の部分断面図、（ｂ）は（ａ）における凸部の摩耗を説明する部分断面図である。

符号の説明

１…画像形成装置、３…感光体、５…ロータリー現像ユニット、５Ｙ,５Ｍ,５Ｃ,５Ｋ,５′…現像装置、２４…トナー供給ローラ、２５…現像ローラ、２５ａ…基材、２５ｂ…表面層、２６…トナー規制部材、２８…トナー、２９…溝、２９ａ…第１傾斜溝、２９ｂ…第２傾斜溝、２９ａ′…第１傾斜基材溝、２９ｂ′…第２傾斜基材溝、３０…凸部、３０…頂部、３０′…基材凸部、３０ａ″…高硬度部

Claims (9)

1. 外周面の所定領域に連続して形成された傾斜基材溝からなる基材凹部および前記基材凹部の間に形成されるとともに軸方向に平坦な平坦部を有する基材凸部を有する基材と、この基材の外周面に前記基材凹部に対応しかつ連続して形成された傾斜溝からなる凹部および前記基材の外周面に前記基材凸部に対応して形成されかつ軸方向に平坦状の頂部を有する凸部を有する表面層とを少なくとも有し、
   前記凸部の前記平坦状の頂部における表面硬度が前記凹部の表面硬度より大きいことを特徴とする現像ローラ。
2. 前記凹凸部のトナーの帯電性において、前項凹部の帯電性が前記凸部の帯電性よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の現像ローラ。
3. 前記表面層は無電解めっきにより形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の現像ローラ。
4. 前記凹部の表面層および前記凸部の表面層のうち、前記凸部の表面層の結晶化度合いが前記凹部の表面層の結晶化度合いより高いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の現像ローラ。
5. 前記凹部の表面層および前記凸部の表面層は、いずれも、完全に結晶化していないことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１に記載の現像ローラ。
6. 前記凹部の表面硬度より大きい表面硬度の前記凸部の深さ方向の範囲は、使用されるトナーの平均粒径以内であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１に記載の現像ローラ。
7. 潜像担持体へトナーを搬送する現像ローラと、この現像ローラに当接して前記トナーを供給するトナー供給ローラと、前記現像ローラに当接して前記潜像担持体へ搬送するトナーの量を規制するトナー規制部材とを少なくとも有し、
   前記現像ローラは請求項１ないし６のいずれか１に記載の現像ローラであり、
   前記トナーの平均粒径が、前記現像ローラの前記凹部の深さより小さいことを特徴とする現像装置。
8. 潜像担持体へトナーを搬送する現像ローラと、この現像ローラに当接して前記トナーを供給するトナー供給ローラと、前記現像ローラに当接して前記潜像担持体へ搬送するトナーの量を規制するトナー規制部材とを少なくとも有し、
   前記現像ローラは請求項１ないし６のいずれか１に記載の現像ローラであり、
   前記トナーの平均粒径が、前記現像ローラの前記凹部の深さより小さく、かつ前記トナー規制ブレードが弾性体であり、前記トナー規制ブレードの先端が前記現像ローラに当接、あるいは規制ニップ内にトナー規制ブレードの先端が存在することを特徴とする現像装置。
9. 少なくとも静電潜像が形成される潜像担持体と、非接触現像で前記静電潜像をトナーにより現像して前記潜像担持体にトナー像を形成する現像装置と、前記潜像担持体のトナー像を転写媒体に転写する転写装置とを少なくとも備え、
   前記現像装置は請求項８に記載の現像装置であることを特徴とする画像形成装置。

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