JP6743464B2 - 現像剤担持体及び現像装置及びプロセスカートリッジ及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、現像剤担持体、現像装置、プロセスカートリッジ、画像形成装置に関する。

従来、電子写真方式の画像形成を行う現像装置として、トナーと磁性キャリアとからなる二成分現像剤を現像剤担持体上に担持し、現像剤担持体の内部に配設された固定磁極により磁気ブラシを形成させて現像を行うものが知られている。このような現像装置では、ドクタブレード等の現像剤規制部材により現像剤担持体上に形成される現像剤層の層厚を規制した後、その表面に担持された現像剤を現像剤担持体の表面移動によって潜像担持体と対向する現像領域まで搬送している。ここで、現像剤を良好に搬送するため、現像剤担持体の表面には凹凸、溝、窪み等の形状変化を持たせている。

現像剤を搬送する際に、現像剤担持体の表面は現像剤規制部材と潜像担持体との双方からの摩擦ストレスを受ける。この摩擦ストレスにより現像剤担持体の表面に形成された凹凸、溝、窪み等の形状変化が摩耗し、現像剤搬送力が低下して所定量の現像剤を搬送することができなくなるという問題点があった。現像剤搬送力が低下すると現像剤の汲み上げ量が減少し、これにより現像能力が低下してしまう。現像能力が低下すると、能力低下を補うためにトナー濃度を増加させることとなるが、これによりトナー飛散という問題点が発生する。トナー飛散は、装置内部を汚損すると共に、用紙にトナーが落ちたような異常画像である、いわゆるトナー落ちを発生させてしまう。

特に、近年の高速画像形成化と装置の長寿命化とにより現像装置における現像剤担持体もその回転数の高速化が進むと共に長寿命化が要求され、現像剤担持体として表面摩耗に対する耐久性が要求されている。そこで、ディンプル状の窪みにコーティングを施すことにより摩耗を防止する技術が知られている（例えば「特許文献１」参照）。この技術では、一般的な表面粗し処理であるブラスト処理と比較すると、ディンプル状に削ることによって一つの窪みが大きくなり、摩耗した場合であっても搬送力が低下しにくいように構成されている。また、コーティングが摩耗しない限りはエッジ部分の摩耗を防止することができるため、高耐久といえる。

しかし上述の技術では、窪みのエッジ部分にストレスが集中するためにエッジ部分が摩耗し易いという問題点があった。これにより、さらなる高速化や長寿命化には不十分であるという問題点がある。
本発明は上述の問題点を解決し、高速化及び長寿命化に対応可能であり、表面摩耗に対する耐久性に優れ、トナー飛散やトナー落ちといった不具合の発生を防止することが可能な現像剤担持体の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、キャリアとトナーとを有する現像剤を担持して所定方向に回転し、前記現像剤を担持する表面にはステンレス溶射層の上にダイヤモンドライクカーボンの被膜が形成され、前記表面の十点平均粗さは３０〜８０μｍであり、Δｑが０．４〜０．６であることを特徴とする。

本発明によれば、従来の現像スリーブに比して耐摩耗性が良好であることから現像剤担持体の搬送性が低下せず、異常画像等の発生を防止して信頼性を向上することが可能な現像剤担持体を提供することができる。

本発明の一実施形態を適用可能な画像形成装置の概略正面図である。 本発明の一実施形態を適用可能な現像装置の概略図である。 本発明の一実施形態の他の例に用いられる現像装置の概略図である。 本発明の一実施形態に用いられる現像装置の要部概略図である。 本発明の一実施形態に用いられる現像スリーブ表面の要部概略図である。 本発明の一実施形態に用いられる現像スリーブのコーティング層を代えた場 合における走行距離と表面粗さとの関係を示す線図である。 本発明の一実施形態に用いられる現像スリーブのコーティング層を代えた場 合における走行距離と表面の凹凸の角度との関係を示す線図である。 本発明の一実施形態に用いられる現像スリーブの表面粗さと現像剤汲み上げ 量との関係を示す線図である。 本発明の一実施形態に用いられる現像スリーブの表面粗さと振れとの関係を 示す線図である。

図１は、本発明の一実施形態を適用可能な画像形成装置を示している。同図において画像形成装置は、その装置本体１の内部にシート状の転写紙Ｓが収納された給紙テーブル４を有している。また装置本体１の内部には、複数の画像形成ユニット３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ，３Ｋが並設された画像形成部２が設けられている。なお、符号に付した添え字Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋは、イエロ、マゼンタ、シアン、ブラックの各色をそれぞれ示している。

装置本体１のほぼ中央部には、複数の支持ローラ等に掛け渡された無端ベルト状の中間転写ベルト３０が時計回り方向に走行可能に設けられている。中間転写ベルト３０の上方には、その走行方向に沿って各画像形成ユニット３が並設されており、タンデム型の画像形成部２が形成されている。各画像形成ユニット３は、イエロ、マゼンタ、シアン、ブラックの各色トナー像を担持する潜像担持体としての感光体ドラム２０Ｙ，２０Ｍ，２０Ｃ，２０Ｋをそれぞれ有している。

画像形成部２の上方には露光装置１００が配設されている。露光装置１００としては、光走査方式の露光装置を用いることができる。光走査方式の露光装置は、例えば４個の光源（半導体レーザ、半導体レーザアレイ、マルチビーム光源等）を備え、カップリング光学系、共通の光偏向器（ポリゴンミラー等）、４系統の走査結像光学系等で構成される。そして、露光装置１００によりイエロ、マゼンタ、シアン、ブラックの各色の画像情報に応じて各感光体ドラム２０に露光を行い、各感光体ドラム２０の外周面上に静電潜像を形成する。

各感光体ドラム２０の周囲には、露光に先立ち各感光体ドラム２０を均一に帯電する帯電装置２３Ｙ，２３Ｍ，２３Ｃ，２３Ｋ、露光装置１００によって形成された静電潜像を各色のトナーで現像する現像装置２２Ｙ，２２Ｍ，２２Ｃ，２２Ｋが設けられている。また各感光体ドラム２０の周囲には、各感光体ドラム２０上の転写残トナーを除去するクリーニング装置２４Ｙ，２４Ｍ，２４Ｃ，２４Ｋが配設されている。さらに各感光体ドラム２０の周囲には、各感光体ドラム２０から中間転写ベルト３０にトナー画像を１次転写する１次転写ローラ２５Ｙ，２５Ｍ，２５Ｃ，２５Ｋが配設されている。各１次転写ローラ２５は、中間転写ベルト３０を介して対応する各感光体ドラム２０に対向配置されている。

中間転写ベルト３０を支持する複数のローラのうち、支持ローラ２６ａは中間転写ベルト３０を走行駆動する駆動ローラであり、図示しないギヤやベルトやプーリ等の駆動伝達機構を介してモータに接続されている。そして、ブラックの単色画像を中間転写ベルト３０上に形成する際には、図示しない移動機構により支持ローラ２６ａ及び１次転写ローラ２５Ｋ以外の支持ローラ２６ｂや各１次転写ローラ２５Ｙ，２５Ｍ，２５Ｃ等を下方に移動させる。これにより、各感光体ドラム２０Ｙ，２０Ｍ，２０Ｃから中間転写ベルト３０を離間させる。

中間転写ベルト３０を介して画像形成部２と対向する側には２次転写装置３１が配設されている。２次転写装置３１は、中間転写ベルト３０の支持ローラである２次転写対向ローラ３１ｂに中間転写ベルト３０のオモテ面側から２次転写ローラ３１ａを圧接させている。２次転写装置３１は、２次転写ローラ３１ａと２次転写対向ローラ３１ｂとの間に転写バイアスを印加して転写電界を形成させ、これにより中間転写ベルト３０上の画像を記録媒体である転写紙Ｓ上に転写させる。２次転写装置３１の転写紙搬送方向下流側には、転写紙Ｓ上の画像を熱及び圧力によって転写紙Ｓに定着させる定着装置５０が配設されている。定着装置５０は、図示しない加熱手段（ヒータ、ランプ、電磁誘導式の加熱装置等）を有する定着ローラ５２と、定着ローラ５２に圧接する加圧ローラ５１とから構成されている。２次転写装置３１で画像が転写された転写紙Ｓは、ローラ３２ａ，３２ｂに支持された搬送ベルト３２により定着装置５０へと送られる。搬送ベルト３２に代えて、固定されたガイド部材や搬送ローラ、搬送コロでもよい。

装置本体１に画像データが送られて作像開始の信号を受けると、画像形成部２では支持ローラ２６ａが回転されて中間転写ベルト３０が図１において時計回り方向に走行駆動される。同時に各画像形成ユニット３では、各感光体ドラム２０が反時計回り方向に回転し、各帯電装置２３による帯電及び露光装置１００による露光が行われる。次に、各現像装置２２における各色トナーによる現像プロセスが行われ、各感光体ドラム２０上にそれぞれイエロ、マゼンタ、シアン、ブラックの単色画像が形成される。そして、中間転写ベルト３０の走行に合わせて、各感光体ドラム２０上の各単色画像を各１次転写ローラ２５によって中間転写ベルト３０上に重畳転写し、これにより中間転写ベルト３０上にフルカラートナー画像が形成される。

一方、上述の画像形成動作に合わせて給紙テーブル４内の給紙カセット４ａから転写紙Ｓが給送され、給送された転写紙Ｓは給紙路４０に案内されてレジストローラ対４１に突き当てられて一時停止される。そして、中間転写ベルト３０上の画像が２次転写装置３１に到達するタイミングに合わせてレジストローラ対４１が回転駆動される。これにより中間転写ベルト３０と２次転写装置３１との間に転写紙Ｓが送り込まれ、転写紙Ｓ上に中間転写ベルト３０上のフルカラートナー画像が一括転写される。画像が転写された転写紙Ｓは搬送ベルト３２により定着装置５０へと送られ、定着装置５０において熱と圧力とにより画像を定着された後、排出ローラ４２によって機外へと排出され、排紙トレイ４３上にスタックされる。

画像転写後の各感光体ドラム２０は、その表面に残留するトナーを各クリーニング装置２４によって除去される。また画像転写後の中間転写ベルト３０は、その表面に残留するトナーを図示しないベルトクリーニング装置によって除去される。そしてこのクリーニング工程後、画像形成装置は画像形成部２による再度の画像形成に備える。

露光装置１００の上方には、イエロ、マゼンタ、シアン、ブラックの各色トナーが充填されたトナーボトル１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋが配設されている。各トナーボトル１０はそれぞれ装置本体１に対して着脱自在に設けられており、各色トナーはトナー補給装置によって対応する各現像装置２２にそれぞれ供給される。各トナーボトル１０は、内部のトナーが消費されると交換される消耗品であり、トナーが全て消費されたときに装置本体１より取り外されて交換される。
装置本体１の上部には操作部６０が配設されている。操作部６０は、装置本体１に対して図示しないインタフェースにより接続され、操作部６０からのキー入力により装置本体１に対してユーザからの操作入力が行われる。

図２は、本発明の一実施形態を適用可能な現像装置２２の一例を示している。現像装置２２は、現像剤担持体である現像ローラ２７，２８、３本のスクリュ９，１４，１１、規制ブレード１２、これ等を収容するケース２９等を有している。各現像ローラ２７，２８は、それぞれ回転自在なスリーブとその内部に固定配置された複数の磁石を有している。各スクリュ９，１４，１１のそれぞれの回転軸１６，１７，１３は、感光体ドラム２０に対してそれぞれ平行となるように設けられている。また、上方に配設された第１のスクリュ（供給スクリュ）９と下方に配設された第２のスクリュ（回収スクリュ）１４との間の位置に第３のスクリュ（攪拌スクリュ）１１が配設されている。各スクリュ９，１４，１１は、図示しない駆動源からの駆動力によってそれぞれ回転し、現像装置２２内の現像剤を攪拌搬送する。

スクリュ９は、現像ローラ２７に現像剤を攪拌搬送しつつ供給する。時計回り方向に回転する現像ローラ２７のスリーブは、供給された現像剤を磁力により保持して磁気ブラシをその外周面に形成する。規制ブレード１２は、形成された磁気ブラシの高さを規制してスクリュ９に規制した現像剤を戻している。現像ローラ２７に供給されずにスクリュ９の図２（ｃ）において左側である下流位置に攪拌搬送された現像剤は、滞留により移動して開口部Ｎ３からスクリュ１４の周囲に落下する。規制ブレード１２を通過した現像剤は、感光体ドラム２０の静電潜像を顕像化させ、現像ローラ２８へと移動して再び感光体ドラム２０の静電潜像を顕像化させる。現像によりトナー濃度が低下した現像剤は、現像ローラ２８からスクリュ１４の攪拌搬送によって回収され、スクリュ１４の図２（ｃ）において左側である下流位置に搬送される。

スクリュ１４の下流位置に搬送されたそれぞれの現像剤は、一定量の滞留により開口部Ｎ１を通りスクリュ１１へと移動する。移動した現像剤は、補給口Ｎ４から補給されたトナーと共にスクリュ１１の攪拌搬送によって図２（ｃ）において右側である下流位置に搬送される。スクリュ１１による現像剤の攪拌搬送は、感光体ドラム２０が静電潜像を形成する画像領域の幅において、他のスクリュが攪拌搬送している現像剤と混在しないように設けられた隔壁１５で遮断された状態で行われる。

図３は、本発明の一実施形態を適用可能な現像装置の他の例を示している。この現像装置３３は、上述した現像装置２２と比較するとスクリュ１１に代えてスクリュ１８を用いる点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。スクリュ１８は、回転軸１３の上流側端部１３Ａが下方のスクリュ１４と同じ高さに設けられ、下流側端部１３Ｂが上方のスクリュ９と同じ高さに設けられている。現像によりトナー濃度が低下した現像剤はスクリュ１４の攪拌搬送によって回収され、スクリュ１４の下流位置に搬送される。スクリュ１４の下流位置に搬送された現像剤は、下流位置の滞留により開口部Ｎ１を通りスクリュ１８の端部１３Ａ側に移動する。移動した現像剤は、補給口Ｎ４から補給されたトナーと共に他のスクリュが攪拌搬送している現像剤と混在しないように隔壁１５で遮断された状態でスクリュ１８により攪拌搬送され、端部１３Ｂ側に搬送される。端部１３Ｂの周辺に搬送された現像剤は、滞留によって開口部Ｎ２を通りスクリュ９に移動する。スクリュ９に移動した現像剤は、現像ローラ２７に供給される。

図４は、本発明の一実施形態に用いられる現像装置２２を示している。なお、本実施形態に使用する現像装置としては、現像装置３３であってもよい。本実施形態では、各現像ローラ２７，２８が有するスリーブにテトラヘデラルアモルファスカーボン（ｔａ−Ｃ）層をそれぞれコーティング形成した。ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の複数のバリエーションの一つであるテトラヘデラルアモルファスカーボン（ｔａ−Ｃ）は、その電気比抵抗が１０^９〜１０^１４Ω・ｃｍである。

現像スリーブは円筒状を呈しており、その外径は１７〜１８ｍｍ程度、軸方向長さは３００〜３５０ｍｍ程度となるように形成されている。現像スリーブは図示しないマグネットローラを内包して軸芯回りに回転自在であり、その内周面が固定磁極に順に相対するように回転される。現像スリーブはアルミニウム合金、真鍮、ステンレス鋼、導電性の樹脂等の非磁性材料で形成されており、本形態ではステンレス、特にＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６が用いられる。

図５は、本実施形態に用いられる現像スリーブを示している。上述のように円筒状を呈する現像スリーブ６１はステンレスによって形成されており、その表面にはステンレス溶射層６２が形成されている。ステンレス溶射層６２は、溶解したステンレスを射出して現像スリーブ６１の表面に凹凸を形成しており、ステンレス製のために硬く摩耗しにくい層である。上述したように、近年では画像形成動作の高速化、画像形成装置の長寿命化が求められていることから現像装置にも高耐久性が求められており、ステンレス溶射で表面をあらしただけの現像スリーブでは不十分であり、さらに耐摩耗性を向上させることが望まれている。

上述の問題点を解決すべく、ステンレス溶射層６２の上に窒化チタン（ＴｉＮ）をコーティングすることで耐摩耗性及び耐久性を向上させる技術が知られている。しかし、画像形成動作の高速化により窒化チタンコートでは長寿命化が不十分であることが実験により証明された。そこで本発明者等は、窒化チタンコーティングに代えて、真空アーク蒸着法により形成されたテトラヘデラルアモルファスカーボン（ＴＡＣ）の被膜（以下、「ＴＡＣ被膜」という）６３によって現像スリーブ６１の表面をコーティングし、この現像スリーブ６１を用いて実験を行った。ここでＴＡＣ被膜６３の厚みは１〜３μｍである。

図６は、上述した実験における現像スリーブ６１の走行距離とその十点平均表面粗さＲｚとの関係を示している。図６に示すように、ＴｉＮコートと比較してＴＡＣコートは表面粗さが経時においても低下しないことが判明した。従って、ＴＡＣ被膜６３を有する現像スリーブ６１を用いることにより、従来の現像スリーブに比して耐摩耗性が良好であることから現像ローラ２７，２８の現像剤搬送力が低下せず、異常画像等の発生を防止して信頼性を向上することが可能な現像ローラ２７，２８を提供することができる。

図７は、上述した現像スリーブ６１の表面における凹凸の角度を示している。ここでΔｑは、測定曲線を一定間隔ΔＸで横方向に区切り（このときの縦方向をΔＹｉとする）、この区間における測定曲線の始点と終点とを結ぶ線分の角度の二乗値の平均を求め、その値の平方根をいう。すなわちΔｑは、

となり、傾斜角はｔａｎ−１（ΔＹｉ／ΔＸ）で求められる。

Δｑは凹凸の角度を表す指標であるが、表面が摩耗すると小さくなるΔｑは０．４〜０．６であることが望ましいことが判明した。図７はコートの種類によるΔｑの変化量を示した線図である。図７に示した結果より、Δｑの変化量が０〜−０．１６の値であるＴｉＮコートに比してΔｑの変化量が＋０．０３〜−０．０３の値であるＴＡＣコートはΔｑが低下せず、摩耗が少ないことが判る。従って、現像スリーブ６１の表面が摩耗しないことから現像ローラ２７，２８の現像剤搬送力が低下せず、異常画像等の発生を防止して信頼性を向上することが可能な現像ローラ２７，２８を提供することができる。

本実施形態で示した２段現像ローラの場合には、感光体ドラム２０の回転方向上流側に位置する現像ローラ２７に対してのみ配置される規制ブレード１２により現像剤と現像ローラ２７とが摺擦してストレスとなるため、感光体ドラム２０の回転方向下流側に位置する現像ローラ２８に比して現像ローラ２７の摩耗が促進されることが判っている。従って、現像ローラ２８に比して現像ローラ２７の耐摩耗性を向上させることが望ましい。

図８は、現像スリーブの表面粗さＲｚと現像剤汲み上げ量ρとの関係を示している。図８から明らかなように、表面粗さが粗い方がρの低下が緩やかである。これは、耐摩耗性に優れるというよりも、同じ量だけ摩耗した場合に粗い（山が大きい）方が粗くない（山が小さい）方に比して搬送性への影響が小さいことを表している。すなわち、Ｒｚ７０μｍの方がＲｚ３５μｍよりも同じ量だけ摩耗した際にρの低下が小さくてすむということである。また、ステンレス溶射は現像スリーブの振れに影響し、表面粗さを粗くするほど振れが悪化することが判っており、振れが悪化すると現像スリーブ１周ピッチのムラが発生する。現像スリーブの振れによる１周ピッチのムラに対する感度は、図９に示す結果である。

上述の構成より、現像ローラ２８に比して現像ローラ２７の表面粗さを粗くすることにより、ローラ表面における現像剤の搬送性低下を低減することができ、異常画像等の発生を防止して信頼性を向上することが可能な現像装置２２，３３を提供することができる。また、上述の構成によりρの低下を低減することができ、１周ピッチのムラの発生を防止することができる。なお、各現像ローラ２７，２８における表面性状の差が大きすぎると現像剤の搬送力に影響を及ぼすため、各現像ローラ２７，２８の表面性状はＲｚで１０〜３０μｍの範囲が好ましい。

上述した実施形態では、各感光体ドラム２０、帯電手段である各帯電装置２３、クリーニング手段である各クリーニング装置２４、各現像装置２２，３３を装置本体１にそれぞれ別々に設けた例を示した。しかし本発明は、各現像装置２２，３３を、各感光体ドラム２０、各帯電装置２３、各クリーニング装置２４の少なくとも一つと一体的に設けられたプロセスカートリッジを構成してもよい。この場合、構成されたプロセスカートリッジは装置本体１に対して着脱自在に構成される。

上述した実施形態では、画像が形成される記録媒体として転写紙Ｓを示した。この転写紙Ｓとは記録紙には限定されず、厚紙、ハガキ、封筒、普通紙、薄紙、塗工紙（コート紙やアート紙等）、トレーシングペーパ等も含まれる。また用紙以外の記録媒体として、ＯＨＰシート、ＯＨＰフィルム、樹脂フィルム等、シート状を呈し画像形成可能な物質であればどのようなものを用いてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、本発明を適用する画像形成装置は、上述のタイプの画像形成装置に限らず、他のタイプの画像形成装置であってもよい。すなわち、本発明を適用する画像形成装置は、プリンタ、ファクシミリの単体、あるいはこれらの複合機、これらに関するモノクロ機やカラー機等の複合機であってもよい。その他、本発明を適用する画像形成装置は、電気回路形成に用いられる画像形成装置、バイオテクノロジー分野において所定の画像を形成するために用いられる画像形成装置であってもよい。
本発明の実施の形態に記載された効果は本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２０ 潜像担持体（感光体ドラム）
２２，３３ 現像装置
２７ 現像剤担持体（現像ローラ）
２８ 現像剤担持体（現像ローラ）
６２ ステンレス溶射層
６３ ＴＡＣ被膜

特許第５５３４４１２号公報

Claims (8)

1. キャリアとトナーとを有する現像剤を担持して所定方向に回転し、
   前記現像剤を担持する表面にはステンレス溶射層の上にダイヤモンドライクカーボンの被膜が形成され、前記表面の十点平均粗さは３０〜８０μｍであり、Δｑが０．４〜０．６である現像剤担持体。
2. 請求項１記載の現像剤担持体において、
   前記ダイヤモンドライクカーボンはテトラヘデラルアモルファスカーボンであることを特徴とする現像剤担持体。
3. 回転自在な潜像担持体に現像剤を供給する現像剤担持体を複数備え、前記複数の現像剤担持体のうち少なくとも一つが請求項１または２記載の現像剤担持体であることを特徴とする現像装置。
4. 請求項３記載の現像装置において、
   前記複数の現像剤担持体のうち、前記潜像担持体の回転方向上流側に位置する現像剤担持体のみが請求項１または２記載の現像剤担持体であることを特徴とする現像装置。
5. 請求項３または４記載の現像装置において、
   前記複数の現像剤担持体のうち、前記潜像担持体の回転方向上流側に位置する現像剤担持体の表面粗さが前記潜像担持体の回転方向下流側に位置する現像剤担持体の表面粗さよりも粗いことを特徴とする現像装置。
6. 請求項３ないし５の何れか一つに記載の現像装置と、少なくとも前記潜像担持体とを一体的に有することを特徴とするプロセスカートリッジ。
7. 請求項３ないし５の何れか一つに記載の現像装置を有することを特徴とする画像形成装置。
8. 請求項６記載のプロセスカートリッジを有することを特徴とする画像形成装置。

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