以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は本発明の実施の形態における現像装置の構成を示す断面図、図2は本発明の実施の形態における画像形成装置の概略構成を示す断面図である。
図2において、10は本実施の形態における画像形成装置であり、例えば、プリンタ、ファクシミリ機、複写機、MFP等であるが、いかなる種類のものであってもよい。ここでは、前記画像形成装置10が、電子写真方式によって画像を形成する電子写真式プリンタであるものとして説明する。なお、前記画像形成装置10は、カラー画像を形成する装置であってもよいが、説明の都合上、モノクロ画像を形成する装置であるものとする。
この場合、前記画像形成装置10の内部には、画像形成ユニット28及び定着器27が媒体としての記録媒体21の搬送路に沿って配設されている。そして、用紙カセット等に積層されてセットされた記録媒体21は、給紙ローラ31によって1枚ずつ分離された状態で給紙され、矢印Bで示される方向に搬送されて用紙搬送ローラ32に送り込まれる。続いて、記録媒体21は、用紙搬送ローラ32によって所定のタイミングで矢印Cで示される方向に送り出され、搬送路に沿って搬送される途中で、画像形成ユニット28によって形成された現像剤像であるトナー像が転写ローラ25により、転写される。
そして、記録媒体21が定着器27に送り込まれると、該定着器27によって定着プロセスが行われ、トナー像が記録媒体21上に定着される。続いて、トナー像が定着された記録媒体21は、矢印Dで示される方向に搬送され、用紙排出ローラ33によって矢印Eで示される方向に排出され、画像形成装置10の外部におけるスタッカに収容される。
ここで、画像形成ユニット28は、現像装置20を有する。該現像装置20は、図1に示されるように、現像剤収容器としてのトナー収容部22と、該トナー収容部22から補給された現像剤としてのトナー17を内部に収容するケーシング23とを備える。また、現像装置20は、静電潜像担持体としての感光ドラム13、該感光ドラム13に対向させて配設された現像剤担持体としての現像ローラ11、該現像ローラ11にトナー17を供給する現像剤供給部材としてのトナー供給ローラ12、前記感光ドラム13を帯電させる帯電部材としての帯電ローラ14、前記現像ローラ11上に供給されたトナー17を薄層に形成するトナー層厚規制ブレードとしての現像ブレード15、ケーシング23内のトナー17の流動性を維持するための撹拌部材24a、24b及び24c、並びに、前記感光ドラム13上の転写残トナーを掻き落として回収するためのクリーニングブレード16を備える。
前記現像ローラ11、トナー供給ローラ12、感光ドラム13及び帯電ローラ14は、それぞれ、矢印で示される方向に回転する。前記撹拌部材24a、24b及び24cは、クランク形状の捧体であり、図に示される破線上を矢印で示される方向に回転する。
また、26は、発光素子としてのLEDを備え、イメージデータに基づいて感光ドラム13の表面を露光して静電潜像を形成するための露光装置としてのLEDヘッドである。
なお、図1に示される点Aは、現像ローラ11上において、後述されるトナー層電位及びトナー付着量の上昇量の測定が行われる位置である。
次に、前記画像形成装置10の制御装置について説明する。
図3は本発明の実施の形態における画像形成装置の制御系の構成を示す制御ブロック図である。
図において、30は、マイクロプロセッサ、ROM、RAM、入出力ポート、タイマ等を備える印刷制御部であり、図示されない上位装置からインターフェイス(I/F)制御部36を介して印刷データ及び制御コマンドを受信し、画像形成装置10の全体のシーケンスを制御して印刷動作を行わせる。
また、37は、前記上位装置からインターフェイス制御部36を介して入力された印刷データを一時的に記録する受信メモリである。さらに、41は、該受信メモリ37に記録された印刷データを受け取るとともに、該印刷データを編集処理することによって形成された画像データ、すなわち、イメージデータを記録する画像データ編集メモリである。
そして、42は、画像形成装置10の状態を表示するためのLED等の表示手段、及び、画像形成装置10に操作者からの指示を与えるためのスイッチ等の入力手段を備える操作部である。さらに、43は、センサ群であり、画像形成装置10の動作状態を監視するための各種のセンサ、例えば、用紙位置検出センサ、温湿度センサ、印刷濃度センサ、トナー残量検知センサ等を含んでいる。
また、46は、帯電ローラ用電源であり、印刷制御部30の指示によって帯電ローラ14に電圧を印加し、感光ドラム13の表面を帯電させる。そして、44は、静電潜像にトナー17を付着させるために現像ローラ11に所定の電圧を印加する現像ローラ用電源である。また、45は、前記現像ローラ11にトナー17を供給するためのトナー供給ローラ12に所定の電圧を印加するトナー供給ローラ用電源である。
さらに、47は、前記現像ローラ11の表面にトナー17の薄層を形成するための現像ブレード15に所定の電圧を印加する現像ブレード用電源である。そして、51は、前記感光ドラム13に形成されたトナー像を記録媒体21に転写するための転写ローラ25に所定の電圧を印加する転写ローラ用電源である。
なお、前記帯電ローラ用電源46、現像ローラ用電源44、トナー供給ローラ用電源45、現像ブレード用電源47及び転写ローラ用電源51は、印刷制御部30の指示によって各部材に印加する電圧を変更することができるようになっている。
そして、52は、前記画像データ編集メモリ41に記録されたイメージデータをLEDヘッド26に送り、該LEDヘッド26を駆動するヘッド駆動制御部である。また、53は、転写されたトナー像を記録媒体21に定着させるために、定着手段としての定着器27に電圧を印加する定着制御部である。なお、前記定着器27は、記録媒体21上のトナー像を構成するトナー17を溶融させるための図示されないヒータ、温度を検出する図示されない温度センサ等を備える。前記定着制御部53は、前記温度センサのセンサ出力を読み込み、該センサ出力に基づいてヒータを通電させ、定着器27が一定の温度になるように制御を行う。
そして、54は、前記記録媒体21を搬送するための用紙搬送モータ34の制御を行う搬送モータ制御部である。該搬送モータ制御部54は、印刷制御部30の指示によって所定のタイミングで記録媒体21を搬送したり停止させたりする。なお、前記給紙ローラ31、用紙搬送ローラ32及び用紙排出ローラ33は、用紙搬送モータ34によって回転させられる。そして、記録媒体21は矢印B〜Eで示される方向に搬送される。
また、55は、前記感光ドラム13を動作させるための駆動モータ35を駆動する駆動制御部である。そして、該駆動制御部55によって駆動モータ35が駆動されると、図1に示されるように、感光ドラム13が矢印で示される方向に回転させられるとともに、帯電ローラ14、現像ローラ11及びトナー供給ローラ12が、それぞれ、矢印で示される方向に回転させられる。
次に、前記現像装置20の主な構成要素について詳細に説明する。まず、前記トナー17について説明する。
本実施の形態におけるトナー17は、粉砕法で製造され、バインダとしてポリエステル樹脂を用いた非磁性一成分の負帯電性トナーである。そして、少なくとも結着樹脂を含有するトナー母粒子に無機微粉体や有機微粉体などの外部添加剤(以下、外添剤という。)が添加されたものである。前記結着樹脂は、特に限定するものではないが、ポリエステル系樹脂、スチレン−アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂又はスチレン−ブタジエン系樹脂であることが好ましい。前記結着樹脂には、離型剤、着色剤等が添加され、その他に、帯電制御剤、導電性調整剤、流動性向上剤、クリーニング性向上剤等の添加剤が適宜添加されていてもよい。また、前記結着樹脂は、複数の種類の樹脂を混合したものであってもよく、本実施の形態においては、複数の非晶性ポリエステル系樹脂の他に、結晶構造を持った結晶性ポリエステル樹脂を混合した結着樹脂を用いた。
トナー17の粒子の体積平均粒径は、6.0〔μm〕、円形度は、0.96である。なお、体積平均粒径の測定には、コールターマルチサイザーIII (コールター社製)を使用した。また、円形度の測定には、フロー式粒子像分析装置FPIA−3000(シスメックス株式会社製)を使用した。
また、離型剤としては、特に限定するものではないが、低分子量ポリエチレン、低分子量ポリプロピレン、オレフィンの共重合物、マイクロクリスタリンワックス、パラフィンワックス、フィッシャートロプシュワックスの如き脂肪族炭化水素系ワックス、酸化ポリエチレンワックスの如き脂肪族炭化水素系ワックスの酸化物、又は、それらのブロック共重合物、カルナバワックス、モンタン酸エステルワックスの如き脂肪酸エステルを主成分とするワックス類、脱酸カルナバワックスの如き脂肪酸エステル類の一部又は全部を脱酸化したものなどの公知のものが挙げられる。そして、離型剤は、結着樹脂100重量部に対して0.1〜20重量部、好ましくは、0.5〜12重量部添加されるのが効果的であり、また、複数のワックスを併用することも好ましい。
そして、着色剤としては、特に限定するものではないが、従来のブラック、イエロー、マゼンタ、シアンのトナー用着色剤として用いられている染料、顔料等を単独又は複数種類併用して使用することができ、例えば、カーボンブラック、酸化鉄、フタロシアニンブルー、パーマネントブラウンFG、ブリリアントファーストスカーレット、ピグメントグリーンB、ローダミン−Bベース、ソルベントレッド49、ソルベントレッド146、ピグメントブルー15:3、ソルベントブルー35、キナクリドン、カーミン6B、ジスアゾエロー等が挙げられる。着色剤は、結着樹脂100重量部に対して2〜25重量部、好ましくは、2〜15重量部添加される。
さらに、帯電制御剤としては、公知のものを用いることができる。例えば、負帯電性トナーの場合には、アゾ系錯体帯電制御剤、サリチル酸系錯体帯電制御剤、カリックスアレン系帯電制御剤などが挙げられる。帯電制御剤は、結着樹脂100重量部に対して0.05〜15重量部、好ましくは、0.1〜10重量部添加される。
さらに、トナー17の外添剤は、環境安定性、帯電安定性、現像性、流動性及び保存性向上のために添加され、公知のものを用いることができる。そして、外添剤は、結着樹脂100重量部に対して0.01〜10重量部、好ましくは、0.05〜8重量部添加される。本実施の形態では、母粒子100重量部に、平均粒径14〔μm〕のシリカを数種類(帯電極性が正のものと負のもの)と、平均粒径110〔μm〕のコロイダルシリカ(負帯電)と、平均粒径200〔μm〕のメラミン(正帯電)とを添加し、その総量は、上記範囲に収まるようにした。
トナー17の帯電量(ブローオフ帯電量)は、トナーとキャリアとを振とうによって撹拌して測定した。ここでは、キャリアとして、パウダーテック株式会社製のフェライトキャリア「EF96−35」を用い、トナー0.5〔g〕とキャリア9.5〔g〕とを混合した。トナーとキャリアとの混合物(150〔mg〕)を容器に収容し、株式会社ヤヨイ製の振とう器「YS−LD」を用いて振とうした。振とう回数を200回/分とし、振とう時間は300秒間とした。
振とう後、京セラケミカル株式会社製の粉体帯電量測定装置「TB−203」を使用し、ブロー圧力を7.0〔kPa〕、吸引圧力を−4.5〔kPa〕として10秒間の吸引を行い、PC(パーソナルコンピュータ)に0.1秒毎の電荷量と吸引量とを出力させた。吸引時間(10秒間)の最後の2秒間に出力された電荷量及び吸引量の各平均値から算出されたトナー粒子の単位重量当たりの電荷量Q/Mは、約−35〔μC/g〕であった。なお、測定は、温度25度、相対湿度50〔%〕で行った。
次に、前記現像ローラ11について説明する。
図4は本発明の実施の形態における現像ローラの断面図である。
図に示されるように、現像ローラ11は、軸としての導電性の芯金61、該芯金61上に配設された弾性層62、及び、該弾性層62の表面を被覆する表面層63を備える。
前記芯金61は、良好な導電特性を有する材料であればいかなる材料から成るものであってもよく、例えば、鉄、アルミニウム、ステンレス鋼等から成る。本実施の形態においては、前記芯金61の材料として、SUM23材(硫黄及び硫黄複合快削鋼鋼材)を使用した。
前記弾性層62のロール形状でのゴム硬度は、一般的に、アスカーC硬度55〜80度であることが好ましい。弾性層62のアスカーC硬度が55度より低いと、現像装置20を長期間に亘って動作させない場合、現像ローラ11における感光ドラム13及び現像ブレード15との当接部に凹みが発生し、印刷画像上に横スジが発生してしまう、という問題がある。また、弾性層62のアスカーC硬度が80度より高いと、現像ローラ11にかかる機械的負荷が大きくなり、現像ローラ11の表面にトナーフィルミングが発生しやすくなる。
前記弾性層62の材料としては、シリコーンゴム、ウレタン等の一般的なゴム材料を使用することができる。弾性層62としてポリウレタンを用いる場合には、ポリエーテル系ポリオールを主体とするポリウレタンであることが好ましい。エーテル系ポリウレタンは、ポリエーテル系ポリオールを主体とするポリオールとポリイソシアネートとを反応することによって得られる、いわゆる注型タイプのポリウレタンである。これは、圧縮永久ひずみを小さくするためである。一方、エステル系ポリウレタンを用いた場合には、加水分解特性が悪く、長期に亘って安定して使用することができない。
また、前記弾性層62としてポリウレタンを用いる場合、ポリオールと反応させるイソシアネートとしては、例えば、トリフェニルメタントリイソシアネート、トリス(イソシアネートフェニール)チオホスフェート、ビシクロヘプタントリイソシアネート等の3官能イソシアネート単体、ヘキサメチレンジイソシアネートのネレート変性ポリイソシアネートや、ポリメリックMDIなどの混合物を用いることができる。また、これら3官能以上のポリイソシアネートと、一般的な2官能イソシアネート化合物との混合物としてもよい。2官能イソシアネート化合物の例として、2,4−トリレンジイソシアネート(TDI)、4,4−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、パラフェニレンジイソシアネート(PPDI)、1,5−ナフタレンジイソシアネート(NDI)、3,3−ジメチルジフェニルー4,4−ジイソシアネート(TODI)、及び、これらのイソシアネートを両末端に有するプレポリマー等の変性体や多量体などを挙げることができる。
前記弾性層62は、上述したようなゴム基材にカーボンブラックを添加し、カーボンの分散状態を保持したまま加熱硬化させて形成する。これにより、固有抵抗として0.1〜10〔Ωcm〕程度を示すカーボンブラックを、絶縁体ともいえるエラストマー(1012〜1016〔Ωcm〕)に分散させ、104 〜108 〔Ωcm〕の中抵抗領域が安定するように形成することができる。
本実施の形態において、表面層63は、弾性層62の表層部に表面処理液を含浸させて形成した。該表面処理液は、有機溶媒に少なくともイソシアネート成分を溶解させたものである。前記有機溶媒としては、酢酸メチル、酢酸ブチル、酢酸ペンチル等が挙げられる。このような有機溶媒を用いる場合、例えば、表面処理液に含まれるイソシアネート成分として、2,4−トリレンジイソシアネート(TDI)、4,4−ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)等のイソシアネート化合物、及び、前述の変性体や多量体などを用いることができる。
前記表面処理液には、ポリエーテル系ポリマーを含有させてもよい。該ポリエーテル系ポリマーは、有機溶剤に可溶であるものが好ましく、また、活性水素を有し、イソシアネート化合物と反応して化学的に結合可能なものが好ましい。活性水素を有する好適なポリエーテル系ポリマーとしては、水酸基又はアリル基を有するポリマーが挙げられ、例えば、末端イソシアネートプレポリマーに用いるポリオール、グリコール等が挙げられる。
また、前記表面処理液には、アクリルフッ素系ポリマー及びアクリルシリコーン系ポリマーから選択されるポリマーを含有させてもよい。アクリルフッ素系ポリマー及びアクリルシリコーン系ポリマーは、所定の溶剤に可溶で、イソシアネート化合物と反応して化学的に結合可能なものである。アクリルフッ素系ポリマーは、例えば、水酸基、アルキル基又はカルボキシル基を有する溶剤可溶性のフッ素系ポリマーであり、例えば、アクリル酸エステルとアクリル酸フッ化アルキルのブロックコポリマーやその誘導体を挙げることができる。また、アクリルシリコーン系ポリマーは、溶剤可溶性のシリコーン系ポリマーであり、例えば、アクリル酸エステルとアクリル酸シロキサンエステルのブロックコポリマーやその誘導体を挙げることができる。
また、前記表面処理液には、導電性付与材として、さらに、アセチレンブラック等のカーボンブラックを添加してもよい。
前記表面処理液中のポリエーテル系ポリマー、アクリルフッ素系ポリマー及びアクリルシリコーン系ポリマーは、イソシアネート成分に対し、ポリエーテル系ポリマー、アクリルフッ素系ポリマー及びアクリルシリコーン系ポリマーの総量を10〜70〔質量%〕となるようにすることが好ましい。10〔質量%〕より少ないとカーボンブラック等を表面処理液中に保持する効果が小さくなる。一方、70〔質量%〕より多いと、電気抵抗値が上昇したり、相対的にイソシアネート成分が少なくなって有効な表面処理層を形成することができないという問題がある。
前記表面処理液に弾性層62を浸漬させることによって塗布し、乾燥硬化させることにより、表面処理液が弾性層62の表層部に含浸され、該表層部が表面層63となる。
次に、前記現像ローラ11の抵抗値の測定方法について説明する。
図5は本発明の実施の形態における現像ローラの抵抗値測定方法を示す図である。
現像ローラ11の抵抗値の測定には、ハイレジスタンスメータ(型番:4339B)(ヒューレット・パッカード社製)64を使用した。現像ローラ11は、両端にW=300〔g〕の荷重をかけて、直径30〔mm〕のステンレス鋼(SUS)材の金属ローラ65に接触させた。該金属ローラ65を50〔rpm〕の速度で回転させ、現像ローラ11の芯金61に−100〔V〕の電圧を印加し、現像ローラ11の1周につき100ポイントで抵抗値を測定し、その平均値を現像ローラ11の抵抗値とした。
現像ローラ11の抵抗値は、1×104 〜1×107 〔Ω〕の範囲が好ましく、本実施の形態においては、抵抗値が1×106 〔Ω〕の現像ローラ11を用いる。
次に、前記トナー供給ローラ12について説明する。
トナー供給ローラ12は、軸としての導電性の芯金上に配設された弾性層としての発泡弾性層を備える。発泡弾性層の材料としては、シリコーンゴム、ウレタン等の一般的なゴム材料を使用することができる。
発泡弾性層を形成するゴム組成物は、ゴムと、発泡剤と、導電性付与剤と、所望によって各種添加剤とを含有する。本実施の形態においては、ゴムとして、耐熱性及び帯電特性に優れるシリコーンゴムを使用した。
前記発泡剤は、発泡ゴムに用いられる発泡剤であればいかなる種類のものであってもよく、例えば、無機系発泡剤としては、重炭酸ソーダ、炭酸アンモニウム等であり、有機系発泡剤としては、ジアゾアミノ誘導体、アゾニトリル誘導体、アゾジカルボン酸誘導体等の有機アゾ化合物である。なお、発泡弾性層に連通セル状態のセルを形成する場合には無機系発泡剤が用いられ、独立セル状態のセルを形成する場合には有機系発泡剤が用いられる。
前記ゴム組成物は、発泡剤に加えて、又は、発泡剤の代わりに、中空充填剤を含有してもよい。中空充填剤としては、例えば、ポリオルガノシロキサン系球状粉末を用いることができる。
前記導電性付与剤としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の導電性カーボンブラック、導電性ポリマー等を用いることができる。
各種添加剤は、充填剤、着色剤、離型剤等であり、所望の配合量で配合される。
前記ゴム組成物は、独立セル状態のセルを形成することができる発泡導電性シリコーンゴム系組成物であることが好ましい。独立セル状態のセルを形成することができる発泡導電性シリコーンゴム系組成物は、耐熱性、耐久性、耐残留歪み特性に優れ、トナー供給ローラ12の発泡弾性層として好適である。
また、トナー供給ローラ12の抵抗値は、図5に示される測定方法と同様の方法で測定した。トナー供給ローラ12の抵抗値は、−300〔V〕の電圧を印加したときに1×104 〜1×107 〔Ω〕の範囲が好ましく、本実施の形態においては、抵抗値が1×105 〔Ω〕のトナー供給ローラ12を用いる。
次に、前記現像ブレード15について説明する。
本実施の形態における現像ブレード15は、ステンレス鋼材製で、板厚が0.08〔mm〕であり、現像ローラ11との当接部に曲げ加工が施されており、曲げ部の曲率半径は0.18〔mm〕であり、現像ローラ11に対する圧力(線圧)は40〔gf/cm〕である。
前記現像ブレード15の設定条件に鑑み、現像ローラ11上のトナー層厚、トナー帯電量等を所望の量にするため、現像ローラ11の表面粗さ、抵抗値等を検討する必要がある。本実施の形態において使用する現像ローラ11の表面粗さは、周方向における十点平均粗さRz(JIS B0601−1994)が2〜10〔μm〕であることが適当である。
なお、十点平均粗さRzが2〔μm〕より小さいと、現像ローラ11上に形成されるトナー層が薄くなり、トナー17の粒子1個当たりに加わるストレスが大きくなる。そのため、トナー17から離脱する外添剤の量が増え、該外添剤が、現像ローラ11と現像ブレード15との当接部に詰まって、該現像ブレード15にトナーフィルミングが発生しやすいという問題がある。
また、十点平均粗さRzが10〔μm〕より大きいと、現像ローラ11上のトナー層厚が大きくなるため、トナー供給ローラ12によるトナー17の掻き取りが十分に行えず、現像ローラ11の表面にトナーフィルミングが発生しやすいという問題がある。
次に、前記構成の現像装置20の画像形成時の動作について説明する。
駆動モータ35の回転に伴い、感光ドラム13、現像ローラ11及びトナー供給ローラ12が、図1において矢印で示される方向に回転する。
本実施の形態においては、画像形成装置10の印刷速度は、記録媒体21としてA4サイズの印刷用紙を使用したA4用紙縦方向印刷で40〔ppm〕相当とし、外径16.0〔mm〕の現像ローラ11の周速度、及び、外径15.5〔mm〕のトナー供給ローラ12の周速度は、それぞれ0.3〔m/s〕及び0.2〔m/s〕とした。
前記現像装置20において、スポンジ状の弾性体である発泡弾性層を備えるトナー供給ローラ12は、外周面及びセル内にトナー17を担持しながら回転し、現像ローラ11との接触部に到る。なお、トナー供給ローラ12には、トナー供給ローラ用電源45によって、−330〔V〕の直流電圧が印加される。また、現像ローラ11には、現像ローラ用電源44によって、−200〔V〕の直流電圧が印加される。そして、現像ローラ11とトナー供給ローラ12との間に生じた電位差によって、負に帯電したトナー17は、現像ローラ11に供給される。
該現像ローラ11の表面に担持されたトナー17は、現像ブレード用電源47によって−330〔V〕の直流電圧が印加された現像ブレード15により、薄層化される。
また、帯電ローラ14には、帯電ローラ用電源46によって−1050〔V〕の直流電圧が印加される。これにより、感光ドラム13の表面が一様に帯電される。
そして、LEDヘッド26の露光によって感光ドラム13上に形成された静電潜像に、現像ローラ11が担持するトナー17が供給され、前記静電潜像が現像される。
感光ドラム13に供給されなかった現像ローラ11上のトナー17は、トナー供給ローラ12の対向部において、トナー供給ローラ12によって掻き取られる。
次に、本実施の形態における効果を確認するために本発明の発明者が行った印刷試験について説明する。
図6は本発明の実施の形態における連続印刷パターンを示す図、図7は本発明の実施の形態におけるベタパターンを示す図、図8は本発明の実施の形態におけるハーフトーンパターンの印刷における汚れの発生を示す図、図9は本発明の実施の形態における現像ローラ表面にトナーフィルミングが発生したときのベタパターンを示す図である。
本発明の発明者は、本実施の形態における効果を確認するために、図2に示されるような画像形成装置10と同様の構成の実機を使用し、前述のように現像装置20を動作させて、A4用紙縦方向印刷で30000枚の連続印刷試験を行った。
該連続印刷試験の条件は、次の(a)〜(d)の通りである。
(a)印刷速度:A4縦方向40〔ppm〕
(b)1日の連続印刷枚数:3000枚(連続印刷試験を10日間行い、計30000枚を印刷した。)
(c)連続印刷時の印刷パターン:図6に示されるように、記録媒体21の印刷方向、すなわち、現像ローラ11の周方向に平行な罫線71a及び71bを配したパターン
(d)試験環境:温度20〔℃〕、相対湿度50〔%〕
効果を確認するための指標、及び、効果ありと判定する判定基準は、次の(1)及び(2)の通りである。
(1)指標:3000枚印刷開始前と印刷終了後とに、ハーフトーンパターンを印刷したときの「汚れ」の発生の有無
判定基準:ハーフトーンパターンの印刷において「汚れ」が一度も発生しない
(2)指標:30000枚印刷後の現像ローラ11上におけるトナーフィルミングの発生の有無
判定基準:ベタパターンの印刷において、現像ローラ11上にトナーフィルミングの発生が確認されない
ハーフトーンの印刷で発生する汚れとは、図8に示される汚れ74に示すようなもので、現像ローラ11上のトナー層電位の上昇及びトナー付着量の上昇によって、感光ドラム13上の非露光部にトナー17が供給されて現像する現象である。図8に示されるようなハーフトーンパターン73の場合、感光ドラム13上の静電潜像において露光部と非露光部とが規則的に配列されるため、その境界部は、帯電が高くなったトナー17によって現像されやすくなる。したがって、ハーフトーンパターン73の印刷で発生する汚れは、白地に発生する地汚れよりも高感度に検出することができる。
現像ローラ11上におけるトナーフィルミングの発生は、図9に示されるようなベタパターン75によって確認することができる。
連続印刷時に、罫線71a及び71bを印刷する場合、現像ローラ11上における罫線71a及び71bに対応する部分では、未現像のトナー17がほとんど残らないため、トナーフィルミングは発生しないことになる。一方、現像ローラ11上における罫線71a及び71b以外に対応する部分では、トナー17による現像が全く行われないため、トナー供給ローラ12による未現像のトナー17の掻き取り性が低いと、トナー17が滞留し続けることとなり、トナーフィルミングが発生する。
現像ローラ11の表面にトナーフィルミングが発生しない場合には、図7に示されるように、均一なベタパターン72を印刷することができる。一方、現像ローラ11の表面にトナーフィルミングが発生した場合、図9に示されるように、罫線71a及び71b以外に対応する部分のベタパターン75の印刷濃度は、トナーフィルミングに起因する現像ローラ11の表面の抵抗値上昇に伴う現像効率の低下によって、罫線71a及び71bを印刷していた部分76a及び76bの印刷濃度より薄くなる。
前記印刷試験、すなわち、連続印刷試験においては、連続印刷後のベタパターンの印刷において、罫線71a及び71bを印刷していた部分76a及び76bと罫線71a及び71b以外に対応する部分のベタパターン75との濃度差を目視で確認することができなかった場合は、トナーフィルミングは発生していないと判定し、前記濃度差を目視で確認することができた場合は、トナーフィルミングが発生していると判定した。
また、前記印刷試験、すなわち、連続印刷試験を行って上記(1)及び(2)の判定基準すべてを満たす場合、現像ローラ11及びトナー供給ローラ12は、長期に亘る性能安定性に対して効果があるとみなした。
次に、前記印刷試験、すなわち、連続印刷試験において使用した現像ローラ11について説明する。
図10は本発明の実施の形態における負荷長さ率tp を説明する図、図11は本発明の実施の形態における凹凸の平均間隔Sm と負荷長さ率tp との関係を示す図である。
連続印刷試験において使用した現像ローラ11の表面粗さは、十点平均粗さRz(JIS B0601−1994)が5〔μm〕程度となるようにした。なお、前記現像ローラ11の表面組さは、弾性層62を研磨することによって実現した。該弾性層62の研磨は、湿式で行い、耐水研磨ペーパ、例えば、耐水性のサンドペーパを用い、これに研磨液を供給しながら、ロールを回転させた状態で当接させて行った。それにより、前記現像ローラ11の表面は、周方向に微細な縦溝が多数形成されたような形状となる。
また、前記現像ローラ11の表面粗さの形状を表す指標として、ここでは、負荷長さ率tp (JIS B0601−1994)に着目した。
図10に示されるように、負荷長さ率tp (C〔%〕)は、ある切断レベルCで粗さ曲線を切断したときの、切断部分長さの測定長さLに対する百分率であり、次の式(1)で表される。このとき、切断レベルCは、粗さ曲線の最高山頂が0〔%〕、最深谷底が100〔%〕となり、切断レベル0〔%〕のときの負荷長さ率tp (0〔%〕)は0〔%〕、切断レベル100〔%〕のときの負荷長さ率tp (100〔%〕)は100〔%〕となる。
このように、負荷長さ率tp は、粗さ曲線の山の幅(谷の幅)と粗さの高さ方向の情報を含んでいるので、表面粗さの範囲規定には有用である。
具体的には、粗さ曲線の山の部分が尖った形状のときは、切断レベルCが10〜30〔%〕のときの負荷長さ率tp (10〔%〕)〜tp (30〔%〕)の値は小さくなる傾向がある。また、粗さ曲線の谷の部分の幅が広いときは、切断レベルCが70〜90〔%〕のときの負荷長さ率tp (70〔%〕)〜tp (90〔%〕)の値は小さくなる傾向がある。そして、切断レベルC1〜C2〔%〕の範囲で、負荷長さ率の変化量tp (C2)−tp (C1)が大きいと、切断レベルC1〜C2〔%〕の間で、粗さ曲線の傾きが緩やかな部分があることを意味する。
トナー供給ローラ12による現像ローラ11上の未現像のトナー17の掻き取り性と、現像ローラ11の表面粗さ形状との関係については、粗さ曲線の谷の幅が狭い方が、掻き取り性が低下する傾向にあり、逆に、粗さ曲線の谷の幅が広い方が、掻き取り性が向上する傾向にある。現像ローラ11上の未現像のトナー17の掻き取り性が低下すると、現像ローラ11に当接する部材からの負荷が未現像のトナー17にかかり続けるため、現像ローラ11の表面にトナーフィルミングが発生しやすくなる。
一方、現像ローラ11の粗さ曲線の谷の幅が広い場合は、現像ローラ11が担持することができるトナー17の量が少なくなり、トナー17の1粒子当たりにかかる負荷が大きくなるため、トナーフィルミングが発生しやすくなる傾向がある。
以上のことから、負荷長さ率tp は、トナー供給ローラ12による現像ローラ11上のトナー17の掻き取り性を適正化させるために把握しておくべき指標である。
また、負荷長さ率tp とともに、JIS B0601−1994で規定される凹凸の平均間隔Sm に着目すると、表面粗さ形状をより正確に把握することができる。
図11において、プロファイル2は、プロファイル1の横方向の倍率を0.5倍にして、それを2つ連ねたものである。この場合、プロファイル1とプロファイル2の負荷長さ率tp は、全く同じとなる。それに対して、プロファイル2の凹凸の平均間隔Sm は、プロファイル1の半分となる。
凹凸の平均間隔Sm の大きさに応じて、トナー供給ローラ12によるトナー17の掻き取り性は異なる。凹凸の平均間隔Sm が小さくなると、表面粗さ形状の谷の部分が狭くなることで、掻き取り性が低下し、現像ローラ11表面にトナーフィルミングが発生しやすくなる。一方、凹凸の平均間隔Sm が大きくなると、表面粗さ形状の山/谷の勾配が緩やかになることで、現像ローラ11によるトナー17の搬送量が低下し、印刷濃度の確保が難しくなる。
以上のことから、本実施の形態においては、凹凸の平均間隔Sm が0.12〜0.23〔mm〕となるようにした。
本実施の形態で使用した現像ローラ11には、研磨時における研磨ペーパの番手、ローラ回転速度、研磨ペーパのローラに対する押し込み量等を調整して、負荷長さ率tp 、凹凸の平均間隔Sm を変量させたものを使用した。
さらに、トナー供給ローラ12による現像ローラ11上のトナー17の掻き取り性を適正化させるために、現像ローラ11表面の摩擦係数にも着目した。
次に、前記現像ローラ11の表面の摩擦係数の測定方法について説明する。
図12は本発明の実施の形態における現像ローラの表面の摩擦係数の測定方法を示す図である。
現像ローラ11を治具等によって回転自在に支持し、ベルト81(幅50〔mm〕、長さ200〔mm〕)を、現像ローラ11の円形断面における中心角の所定の角度θ(本実施の形態においては、90度)範囲に亘って現像ローラ11の周面と接触するように配設し、ベルト81の一端をテンションゲージ83に取り付け、他端に重り82を取り付けた。この状態で、現像ローラ11を、図において矢印で示される方向に、周速1.0〔mm/s〕の速度で12秒間回転させ、6〜11秒の間にテンションゲージ83に加わる荷重の平均値Fを読み取った。
前記ベルト81には、表面状態の個体差が少ないものとして、「エクセレントホワイト紙PPR−CA4NA」(株式会社沖データ製、80〔g/m2 〕)を使用した。また、重り82は重量20〔g〕のものを使用した。
上記条件での摩擦係数μは、次の式(2)で表されるオイラーのベルト式によって算出することができる。
μ=1/θ×1n(F/W) ・・・式(2)
なお、本実施の形態で使用した現像ローラ11の摩擦係数は、表面処理液中にポリエーテル系ポリマーとともに添加するアクリルフッ素系ポリマーの添加量を変量することによって調整した。
次に、連続印刷試験において使用したトナー供給ローラ12について説明する。
「背景技術」の項で説明した従来のトナー供給ローラは、シリコーンゴムから成り、アスカーF硬度が55〜60度であり、現像ローラに対する食い込み量(ニップ量)は1.0〔mm〕程度であった。しかしながら、このような設定で使用すると、現像ローラとトナー供給ローラとの間の負荷が大きいため、トナーに対するストレスが大きいだけではなく、トナー供給ローラの磨耗量も大きくなってしまう。
そのため、本実施の形態においては、トナー17へのストレス低減、トナー供給ローラ12の磨耗量低減を目的として、トナー供給ローラ12のアスカーF硬度を40〜50度、現像ローラ11に対する食い込み量を0.4〜0.7〔mm〕とした。
次に、前記現像ローラ11の弾性層62の作製方法について説明する。
3官能ポリエーテル系ポリオールであるGP−3000(三洋化成社製)100質量部に、トーカブラック#5500(東海カーボン社製)を4質量部及びVALCAN XC(キャボネット社製)3質量部を添加し、粒度が20〔μm〕以下となる程度まで分散させ、80〔℃〕に温調した後、減圧下にて脱泡、脱水操作を行ってA液を得た。一方、プレポリマーアジプレンL100(ユニロイヤル社製)25質量部に、コロネートC−HX(日本ポリウレタン社製)11質量部を添加・混合し、80〔℃〕に温調してB液を得た。このA液とB液とを混合し、弾性層62を得た。この導電性ローラの表面を研磨し、所望の表面粗さを形成した。
次に、前記現像ローラ11の表面層63の作製方法について説明する。
図13は本発明の実施の形態における実験例1〜実験例8の試験結果を示す表、図14は本発明の実施の形態における実験例9〜実験例16の試験結果を示す表、図15は本発明の実施の形態における実験例17〜実験例24の試験結果を示す表、図16は本発明の実施の形態における実験例25〜実験例32の試験結果を示す表、図17は本発明の実施の形態における実験例33〜実験例40の試験結果を示す表、図18は本発明の実施の形態における実験例41〜実験例48の試験結果を示す表、図19は本発明の実施の形態における切断レベルと負荷長さ率tp との関係を示す図である。
前記現像ローラ11の表面層63は、以下のようにして作製された。
実験例4、実験例8、実験例12、実験例16、実験例20、実験例24、実験例28、実験例32、実験例36、実験例40、実験例44及び実験例48の現像ローラ11については、まず、酢酸エチル85質量部に、数平均分子量2000程度のエーテル系末端イソシアネートプレポリマー(アジプレンL100:ユニロイヤル社製)15質量部を添加混合溶解させ、表面処理液を作製した。そして、該表面処理液を25〔℃〕に保ったまま、前記ロールを30秒間浸漬後、120〔℃〕に保持されたオーブンで1時間加熱することによって表面層63を形成した。その結果、表面の摩擦係数は1.3となった。
また、前記表面処理液にアクリルフッ素ポリマー(モデイバーF600:日本油脂社製)を、1.5〜6質量部を混合し、現像ローラ11の表面の摩擦係数を変量した。
そして、実験例1、実験例5、実験例9、実験例13、実験例17、実験例21、実験例25、実験例29、実験例33、実験例37、実験例41及び実験例45の現像ローラ11の摩擦係数は0.2となった。
また、実験例2、実験例6、実験例10、実験例14、実験例18、実験例22、実験例26、実験例30、実験例34、実験例38、実験例42及び実験例46の現像ローラ11の摩擦係数は0.35となった。
さらに、実験例3、実験例7、実験例11、実験例15、実験例19、実験例23、実験例27、実験例31、実験例35、実験例39、実験例43及び実験例47の現像ローラ11の摩擦係数は0.9となった。
図13〜18の表は、連続印刷試験において使用した現像ローラ11とトナー供給ローラ12との組み合わせ及び試験結果を示している。
図19は、実験例1〜48における現像ローラ11の表面粗さの切断レベルC〔%〕と負荷長さ率tp 〔%〕との関係をグラフ化したものである。前述のように、切断レベルCが小さいときの負荷長さ率tp が大きいものほど、表面粗さプロファイルの谷の幅が狭くなる傾向がある。
図13〜18の表においては、ハーフトーン印刷における汚れが発生したものを「×」、未発生のものを「○」、また、現像ローラフィルミングが発生したものを「×」、未発生のものを「○」と記した。ハーフトーン印刷における汚れと現像ローラフィルミングが、いずれも発生しなかったものは、現像ローラ11とトナー供給ローラ12との組み合わせとして長期に亘る性能安定性があるとみなして、判定の欄に「○」と記した。ハーフトーン印刷における汚れと現像ローラフィルミングの両方、もしくはいずれか一方が発生したものは、長期に亘る性能安定性が不十分とみなして、判定の欄に「×」と記した。
図13〜18の表に示される結果より、ハーフトーン印刷における汚れと現像ローラフィルミングが発生しなかった実験例2、実験例3、実験例6、実験例7、実験例10、実験例11、実験例14、実験例15、実験例18、実験例19、実験例22及び実験例23は、以下の条件を満たすことが分かった。
・現像ローラ11表面の摩擦係数が0.35以上0.9以下である。
・現像ローラ11表面の周方向の表面粗さの負荷長さ率tp (60〔%〕)が20〔%〕以上35〔%〕以下であり、かつ、負荷長さ率tp (80〔%〕)が52〔%〕以上70〔%〕以下である。
これに対し、摩擦係数が1.3である実験例4、実験例8、実験例12、実験例16、実験例20、実験例24、実験例28、実験例32、実験例36、実験例40、実験例44及び実験例48では、トナー供給ローラ12による現像ローラ11上のトナー17の掻き取り性が十分ではなく、現像ローラ11の表面にトナーフィルミングが発生した。
また、摩擦係数が0.2である実験例1、実験例5、実験例9、実験例13、実験例17、実験例21、実験例25、実験例29、実験例33、実験例37、実験例41及び実験例45においても、現像ローラ11の表面にトナーフィルミングが発生した。これらについては、トナー供給ローラ12によるトナー17の掻き取り性は十分であったが、現像ローラ11の摩擦係数が他のものに比べて小さいため、トナー17の摩擦帯電性が低下し、現像ローラ11上のトナー層厚が小さくなった。それにより、感光ドラム13及び現像ブレード15の当接部において、1粒子当たりのトナー17が受ける機械的負荷の影響が大きくなり、トナーフィルミングが発生した。
摩擦係数が0.35である実験例26、実験例30、実験例34、実験例38、実験例42及び実験例46と、摩擦係数が0.9である実験例27、実験例31、実験例35、実験例39、実験例43及び実験例47では、現像ローラ11の表面の表面粗さ形状が、トナー供給ローラ12によるトナー17の掻き取り性に対する適性がない、すなわち、トナー17を掻き取りづらい形状をしているため、トナーフィルミングが発生した。
本実施の形態のように、トナー供給ローラ12の硬度及び現像ローラ11に対する食い込み量が小さい現像装置20においては、現像ローラ11の表面粗さの谷の部分のトナー17の掻き取り性が低下する傾向にある。したがって、現像ローラ11の表面粗さにおいては、着目する負荷長さ率tp に対応する切断レベルCを50〜90〔%〕、好ましくは、60〔%〕及び80〔%〕とすることで、トナー供給ローラ12のトナー17の掻き取り不足による現像ローラ11表面のフィルミングが発生しないような現像ローラ11の表面粗さ形状を規定することができる。
このように、本実施の形態においては、静電潜像担持体としての感光ドラム13上に、現像剤であるトナー17を現像させるための現像剤担持体としての現像ローラ11と、該現像ローラ11へのトナー供給を行うトナー供給ローラ12とを有する現像装置20において、トナー供給ローラ12のアスカーF硬度が40度以上50度以下、トナー供給ローラ12の現像ローラ11に対する食い込み量が0.4〔mm〕以上0.7〔mm〕以下であり、かつ、現像ローラ11が、以下の条件を満足する。
現像ローラ11表面の摩擦係数が0.35以上0.9以下
現像ローラ11表面の周方向の表面粗さにおいて、
負荷長さ率tp (60〔%〕):20〔%〕以上35〔%〕以下
負荷長さ率tp (80〔%〕):52〔%〕以上70〔%〕以下
これにより、トナー供給ローラ12の耐磨耗性を向上し、かつ、連続印刷後の現像ローラ11上のトナー電位及びトナー付着量の上昇による汚れの発生と、現像ローラ11表面におけるトナーフィルミングの発生を抑制することができる。
なお、本実施の形態においては、現像装置20が単数の直接転写方式のモノクロプリンタである画像形成装置10に適用した場合について説明したが、現像装置20を複数有する画像形成装置10や、中間転写方式の画像形成装置10にも適用することができ、さらに、MFP(複合機)、ファクシミリ機、複写機にも適用することができる。
また、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。