JP4829154B2 - 現像装置および画像形成装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、両ローラ間の現像剤密度を高くすると、現像剤の目詰まりによるトルク上昇や発熱といった不具合が生じるという問題がある。
トナーとキャリアを含み、前記トナーとキャリアは相互の摩擦接触によって前記トナーが第1の極性に帯電されると共に前記キャリアが前記第1の極性とは異なる第2の極性に帯電される現像剤と、
回転駆動される第1の搬送部材と、
第1の領域を介して前記第1の搬送部材に対向し、前記第1の領域において前記第1の搬送部材とは逆方向に移動するように回転駆動され、かつ第2の領域を介して前記静電潜像担持体に対向する第2の搬送部材と、
前記第1の搬送部材と前記第2の搬送部材との間に第1の電界を形成して、前記第1の搬送部材が保持している現像剤中のトナーを前記第2の搬送部材に移動させる第1の電界形成手段と、
前記第2の搬送部材と前記静電潜像担持体との間に第2の電界を形成して、前記第2の搬送部材が保持している前記トナーを前記静電潜像担持体の静電潜像に移動させて前記静電潜像を可視像化する第2の電界形成手段とを備えており、
前記前記第1の電界は、該電界を発生させる振動電圧の平均電位が前記トナーを前記第1の搬送部材から前記第2の搬送部材に供給する側に偏りつつも前記トナーを前記第2の搬送部材に供給する作用および前記トナーを前記第2の搬送部材から回収する作用の両方の作用を有する振動電界であって、かつ前記振動電圧に関して前記第2の搬送部剤から前記第1の搬送部剤に前記トナーを回収する作用を果たす時間比率が60〜80%であることを特徴とするものである。
図1は、本願発明に係る電子写真式画像形成装置の画像形成に関連する部分を示す。画像形成装置は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、およびそれらの機能を複合的に備えた複合機のいずれであってもよい。画像形成装置1は、静電潜像坦持体である感光体12を有する。実施形態において、感光体12は円筒体で構成されているが、本願発明はそのような形態に限定されるものでなく、代わりに無端ベルト式の感光体も使用可能である。感光体12は、図示しないモータに駆動連結されており、モータの駆動に基づいて矢印14方向に回転するようにしてある。感光体12の周囲には、感光体12の回転方向に沿って、帯電ステーション16、露光ステーション18、現像ステーション20、転写ステーション22、およびクリーニングステーション24が配置されている。
現像装置34は、第1の成分粒子である非磁性トナーと第2の成分粒子である磁性キャリアを含む2成分現像剤と以下に説明する種々の部材を収容するハウジング42を備えている。図面を簡略化することで発明の理解を容易にするため、ハウジング42の一部は削除してある。ハウジング42は感光体12に向けて開放された開口部44を備えており、この開口部44の近傍に形成された空間46にトナー搬送部材(第2の搬送部材)である現像ローラ48が設けてある。現像ローラ48は、円筒状の部材(第2の回転円筒体)であり、感光体12と平行に且つ感光体12の外周面と所定の現像ギャップ50を介して、回転可能に配置されている。
供給領域90でスリーブ60から現像ローラ48にトナー6を効率的に移動させるために、現像ローラ48とスリーブ60は電界形成装置110と電気的に接続されている。電源の具体例が図5A〜図9に示してある。
次に、本願発明のポイントとなるバイアス印加の条件について説明する。図10に、負極性のトナー6で反転現像を行う場合の、現像ローラ48および搬送ローラ54(すなわちスリーブ60)にそれぞれ印加するバイアスの組み合わせを示す。ここで、「GND」は接地電位すなわち0ボルトを示す。(a)〜(d)は現像ローラ48に印加されるバイアス(以下、「現像バイアス」という。)が所定のデューティ比に設定された矩形波の振動電圧(AC電圧)の場合であり、(e)〜(g)は現像バイアスが直流電圧である場合である。ここで、スリーブ60に印加されるバイアス(以下、「搬送ローラバイアス」という。)と現像バイアスとは、スリーブ60から現像ローラ48へトナー6を供給でき、かつ現像ローラ48から感光体12上の静電潜像画像部にトナー6を供給できる電位関係にあることが必要である。
現像ローラ48上に付着保持されている現像残トナーは、回収方向電界の作用によって現像ローラ48から剥離される方向の力を受ける。この力が現像ローラ48に対する付着力を上回ると、現像剤トナーは現像ローラ48から剥離して搬送ローラ54上の磁気ブラシに回収され易くなる。この剥離力を電気的に与えつつ現像ローラ48へのトナー供給作用を損なわないようにするためには、前記特許文献3,4に開示されるように、強い回収電界を供給電界より短い時間で作用させることが考えられるが、供給電界・回収電界が共に強いために、供給回収領域88でのリーク(絶縁破壊)という問題が生じ易い。
一般に、トナーとキャリアを主成分とする2成分現像剤は、キャリアの表面にトナーが付着してできる汚れ(スペント)が発生し、これがキャリアの寿命を低下させる。そこで、この問題を解消するために、本実施形態では、2成分現像剤に第3の成分として荷電粒子(インプラント粒子)が添加されている。
トナー、キャリア、荷電粒子、および現像剤に含まれる他の粒子の具体的な材料を説明する。
好適に使用される荷電粒子は、トナーの帯電極性に応じて適宜選択される。荷電粒子の個数平均粒径は、例えば、100〜1000nmである。キャリアとの摩擦接触により負極性に帯電するトナーを用いる場合、荷電粒子は、トナーとの接触により正極性に帯電する微粒子が用いられる。そのような微粒子は、例えば、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、チタン酸カルシウム、アルミナ等の無機微粒子やアクリル樹脂、ベンゾグァナミン樹脂、ナイロン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂等の、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂で構成できる。微粒子を構成する樹脂にトナーとの接触により正極性に帯電する正荷電制御剤を含有させてもよい。正荷電制御剤には、例えば、ニグロシン染料、四級アンモニウム塩等が使用できる。荷電粒子は含窒素モノマーで構成してもよい。含窒素モノマーを構成する材料には、例えば、アクリル酸2−ジメチルアミノエチル、アクリル酸2−ジエチルアミノエチル、メタクリル酸2−ジメチルアミノエチル、メタクリル酸2−ジエチルアミノエチル、ビニールピリジン、N−ビニールカルバゾール、ビニールイミダゾールがある。
トナーには、画像形成装置で従来から一般に使用されている公知のトナーを使用できる。トナー粒径は、例えば約3〜15μmである。バインダー樹脂中に着色剤を含有させたトナー、荷電制御剤や離型剤を含有するトナー、表面に添加剤を保持するトナーも使用できる。
トナーに使用されるバインダー樹脂は、限定的ではないが、例えば、スチレン系樹脂(スチレンまたはスチレン置換体を含む単重合体または共重合体)、ポリエステル樹脂、エポキシ系樹脂、塩化ビニル樹脂、フェノール樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、またはそれらの樹脂を任意に混ぜ合わせたものである。バインダー樹脂は、軟化温度が約80〜160℃の範囲、ガラス転移点が約50〜75℃の範囲であることが好ましい。
着色剤は、公知の材料、例えば、カーボンブラック、アニリンブラック、活性炭、マグネタイト、ベンジンイエロー、パーマネントイエロー、ナフトールイエロー、フタロシアニンブルー、ファーストスカイブルー、ウルトラマリンブルー、ローズベンガル、レーキーレッド等を用いることができる。着色剤の添加量は、一般に、バインダー樹脂100重量部に対して、2〜20重量部であることが好ましい。
荷電制御剤は、従来から荷電制御剤として知られている材料が使用できる。具体的に、正極性に帯電するトナーには、例えばニグロシン系染料、4級アンモニウム塩系化合物、トリフェニルメタン系化合物、イミダゾール系化合物、ポリアミン樹脂が荷電制御剤として使用できる。負極性に帯電するトナーには、Cr、Co、Al、Fe等の金属含有アゾ系染料、サリチル酸金属化合物、アルキルサリチル酸金属化合物、カーリックスアレーン化合物が荷電制御剤として使用できる。荷電制御剤は、バインダー樹脂100重量部に対して、0.1〜10重量部の割合で用いることが好ましい。
離型剤は、従来から離型剤として使用されている公知のものを使用できる。離型剤の材料には、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、カルナバワックス、サゾールワックス、又はそれらを適宜組み合わせた混合物が用いられる。離型剤は、バインダー樹脂100重量部に対して、0.1〜10重量部の割合で用いることが好ましい。
その他、現像剤の流動化を促進する流動化剤を添加してもよい。流動化剤には、例えば、シリカ、酸化チタン、酸化アルミニウム等の無機微粒子や、アクリル樹脂、スチレン樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂等の樹脂微粒子が使用できる。特にシランカップリング剤、チタンカップリング剤、およびシリコーンオイル等で疎水化した材料を用いるのが好ましい。流動化剤は、トナー100重量部に対して、0.1〜5重量部の割合で添加させることが好ましい。これら添加剤の個数平均一次粒径は9〜100nmであることが好ましい。
キャリアは、従来から一般に使用されている公知のキャリアを使用できる。バインダー型キャリアやコート型キャリアのいずれを用いてもよい。キャリア粒径は、限定的ではないが、約15〜100μmが好ましい。
図1の現像装置を有する画像形成装置を用いて、以下に述べるような種々の実験を行って、現像ローラからの現像残トナーの回収性能等を調べた。
実験に用いたトナーの製造方法は以下のとおりである。湿式造粒法で作成された体積平均粒径約6.5μmのトナー母材100重量部に、複数の添加剤−第1の疎水性シリカ0.2重量部、第2の疎水性シリカ0.5重量部、疎水性酸化チタン0.5重量部−を添加した。次に、三井鉱山社製のヘンシェルミキサを用い、添加剤が添加されたトナー母材を攪拌して添加剤をトナー母材の表面に付着させ、負極帯電性のトナーを得た。ミキサの回転速度は40m/秒、攪拌時間は3分間であった。第1の疎水性シリカは、個数平均一次粒径16nmのシリカ(#130:日本アエロジル社製)を疎水化剤のヘキサメチルジラザン(HMDS)で表面処理して得たものである。第2の疎水性シリカは、固体平均一次粒径20nmのシリカ(#90:日本アエロジル社製)をHMDSで表面処理して得たものである。疎水性酸化チタンは、個数平均一次粒径30nmのアナターゼ型酸化チタンを、水系湿式環境で、疎水化剤のイソブチルトリメトキシシランにより表面処理して得たものである。
実験に用いたキャリアは、コニカミノルタビジネステクノロジーズ社製bizhub C350キャリア(平均粒径約33μm)である。このキャリアは、磁性体からなるキャリアコア粒子にアクリル系樹脂をコーティングしたコート型キャリアである。
実験に用いた荷電粒子として、個数平均粒径350nmのチタン酸ストロンチウムを添加した。荷電粒子の添加量は、トナーAに含まれるトナー母材粒子100重量部に対して、2重量部であった。次に、荷電粒子が添加されたトナーAを三井鉱山社製のヘンシェルミキサで攪拌し、トナーの表面に荷電粒子を付着させた。ミキサの回転速度は40m/秒、攪拌時間は3分間であった。
実験で用いた現像剤は、上記トナーA、キャリア、荷電粒子、およびその他の添加剤(例えば、離型剤および流動化剤)を混合して、現像剤中のトナー比率を8%に調整した。トナー比率は、現像剤全体の重量に対する、トナーと荷電粒子を含む添加材との合計重量の割合である。
現像ローラと搬送ローラとの間の最接近部である供給回収ギャップを0.3mmに設定した。また、現像ローラには直流電圧−300ボルトの現像バイアスを印加した。さらに、現像ローラがトナー層を介して感光体に接触する所謂接触現像の構成で実験を行った。
実験例2では、−300ボルトの直流電圧に、周波数2kHzで振幅1600ボルトの矩形波振動バイアスを重畳した現像バイアスを現像ローラに印加し、感光体と現像ローラとの間の最近接部の現像ギャップを0.15mmとした所謂非接触現像の構成で実験を行って、上記実験例1と同様の評価を行った。供給回収ギャップは、上記実験例1と同様に0.3mmとした。現像ローラに印加するバイアスは振動バイアスとしたが、現像ローラおよび搬送ローラ間の供給回収領域での電界については上記実験例1と同様になるよう、搬送ローラに印加するバイアスを調整した。すなわち、搬送ローラに対し図10(b),(c)に示す波形の電圧を印加して、図11(b),(c)に示すような振動電界を供給回収領域に作用させている。図10(c)において、搬送ローラバイアスは、現像ローラバイアスに対して同期するとともに振幅がより大きく設定されている。ここで、現像ローラに印加する現像バイアスと搬送ローラに印加するバイアスのデューティ比が異なると、両者間で過大な電位差が生じて供給回収領域でリークが発生してしまうため、供給回収領域に作用させる振動電界のデューティ比に応じて、現像バイアスのデューティ比を変えながら実験を行った。また、現像ローラに対して50%を超えるデューティ比を与えた場合、画像のキメが著しく悪化する現象が認められたため、現像ローラに印加するデューティ比は50%までとし、図10(b)に示す状態になるように搬送ローラにバイアスを印加することで供給回収領域の電界の回収側デューティ比を10〜50%とし、一方、図10(c)に示す状態になるように搬送ローラにバイアスを印加することで回収側デューティ比を50〜90%とした。このような条件下で実験を行い、実験結果と、その評価を下記表2に示す。また、表1と同様に、各評価における4段階のランク付けの判定基準も表2と併せて示す。
実験例2と同様の装置を用い、現像ローラおよび搬送ローラに印加する振動バイアスの周波数を、3kHzおよび4kHzとした場合に、実験例2と同様の作用が得られるかどうかを調べる実験を行った。その実験結果としてベタ帯電量差比率を、実験例2の結果と併せて、図15において表とグラフで示す。図15から明らかなように、周波数に依らず、現像ローラ上のトナーをポンピングさせるのに効率的な回収側デューティ比が60%〜80%であることが分かる。
実験例1と同様の装置を用い、搬送ローラに印加する振動バイアスの振幅値を600ボルト、900ボルト、1200ボルトの3レベルとして実験を行った。その実験結果としてベタ帯電量差比率を、図16において表とグラフで示す。図16から明らかなように、搬送ローラに印加する振動バイアスの振幅を900ボルト以上とすることで、回収性能を特に向上できることが分かる。ここで、実験例1では供給回収ギャップを0.3mmに設定しているため、現像ローラ上のトナーのポンピング作用に関わる電界としては、本実験例ではそれぞれ2×106V/m、3×106V/m、4×106V/mに相当する。したがって、ポンピング作用を生じさせて回収性能を向上させるという本願発明の作用を満足させるためには、3×106V/m以上の電界強度振幅値を付与する必要があることが判明した。
実験例1の条件を基本として、搬送ローラに印加する振動バイアスの振幅中央値を変化させて実験を行った。ここで、中央値が−700ボルトについては、実験例1と同じものである。また、本実験例では、メモリー画像の発生の有無に加えて、現像ローラ上のトナー搬送量についても評価を行った。その結果を下記表3に示すとともに、ベタ帯電量差比率の評価のランク付け判定基準を併せて示す。
実験例2と同様の装置を用い、図10(c),(d)に示すようなバイアスを印加して、回収性能および供給回収領域でのリーク現象を調べる実験を行った。ここで、図10(d)に示す波形のバイアス印加については、回収電界強度を強めることによって回収性能を確保する考え方であるため、デューティ比を固定して搬送ローラに印加する振動バイアスの振幅値を変えることで回収電界強度を変化させた。その結果を下記表4に示すとともに、ベタ帯電量差比率の評価のランク付け判定基準を併せて示す。
現像剤の荷電性能を長期にわたって維持するためには、トナーに付着た状態で外添されて荷電粒子を供給回収領域において供給領域にいてトナーから離脱させ、搬送ローラ上の現像剤に取り込んだうえでキャリア表面に付着させることが必要となる。この作用による耐久印刷前後のトナー帯電量差の低減と、前記ポンピング作用との両立が図れるかどうかについて、実験例2の装置を用いて実験した。荷電粒子のトナーからの離脱に関わるパラメータはトナーを搬送ローラから現像ローラに供給するための供給電界であるため、回収方向の電界強度を固定しつつ供給方向の電界強度を変化させるよう、搬送ローラへの印加バイアスを調整した。実験で用いた条件と、メモリー画像発生の有無、および5万枚耐久印刷後の耐久帯電量差比率を下記表5に示す。メモリー画像とベタ帯電量差比率の各評価ランクの判定基準は、上述の各実験例と同様である。
実験例1に用いた画像形成装置の現像装置において、供給回収領域における現像ローラ外周面の移動方向と搬送ローラ外周面の移動方向とを同じ方向にして実験を行った。具体的には、搬送ローラを図1に示す方向とは反対方向(時計回り方向)に回転駆動するとともに、規制板を搬送ローラの上方ではなく下方に配置する構成とした。以後、このように供給回収領域における各ローラ外周面の移動方向が同じとなる回転方向を「ウィズ」と呼び、図1に示すように供給回収領域における各ローラ外周面の移動方向が逆方向となる回転方向を「カウンタ」と呼ぶ。
Claims (5)
- トナーとキャリアを含む現像剤を用いて、静電潜像担持体上の静電潜像を可視像化する現像装置であって、
トナーとキャリアを含み、前記トナーとキャリアは相互の摩擦接触によって前記トナーが第1の極性に帯電されると共に前記キャリアが前記第1の極性とは異なる第2の極性に帯電される現像剤と、
回転駆動される第1の搬送部材と、
第1の領域を介して前記第1の搬送部材に対向し、前記第1の領域において前記第1の搬送部材とは逆方向に移動するように回転駆動され、かつ第2の領域を介して前記静電潜像担持体に対向する第2の搬送部材と、
前記第1の搬送部材と前記第2の搬送部材との間に第1の電界を形成して、前記第1の搬送部材が保持している現像剤中のトナーを前記第2の搬送部材に移動させる第1の電界形成手段と、
前記第2の搬送部材と前記静電潜像担持体との間に第2の電界を形成して、前記第2の搬送部材が保持している前記トナーを前記静電潜像担持体の静電潜像に移動させて前記静電潜像を可視像化する第2の電界形成手段とを備えており、
前記第1の電界は、矩形波または交流波形で示される振動電界において、その上方とその下方との波形線内の各面積が同一になる境界である時間平均電界強度が前記トナーを前記第1の搬送部材から前記第2の搬送部材に供給する側に偏った、前記トナーを前記第2の搬送部材に供給する作用および前記トナーを前記第2の搬送部材から回収する作用の両方の作用を有する周波数が2000〜4000Hzの振動電界であって、かつ前記第2の搬送部材から前記第1の搬送部材に前記トナーを回収する作用を果たす時間比率が60〜80%であり、前記振動電界の電界強度振幅値が3.0×10 6 V/m以上であって回収方向の電界強度の上限が3.2×10 6 V/mであることを特徴とする現像装置。 - 前記現像剤は更に荷電粒子を含み、前記荷電粒子は、前記トナーの表面に離脱可能に保持された状態で供給され、前記トナーの表面から分離した後に前記キャリアの表面に保持されると、前記トナーとの摩擦接触によって前記トナーを前記第1の極性に帯電することを特徴とする請求項1に記載の現像装置。
- 直流バイアスを前記第2の搬送部材に印加し、前記第2の搬送部材から前記第1の搬送部材に前記トナーを回収する作用を果たす時間比率が60〜80%になるような振動バイアスを前記第1の搬送部材に印加することを特徴とする請求項1または2に記載の現像装置。
- 第2の振動バイアスを前記第2の搬送部材に印加し、前記第2の振動バイアスに対して位相が同期し且つ振幅が大きな第1の振動バイアスを前記第第1の搬送部材に印加することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の現像装置。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の現像装置を含む画像形成装置。
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