JPH0664394B2 - 二成分現像剤を用いた現像方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電子写真複写機等に供される像形成体上に形成
された静電潜像を現像する現像装置に関し、特に二成分
現像剤を用いた非接触現像方法による現像装置の改良に
関する。

〔発明の背景〕

像形成体上の静電潜像を現像により可視化して最終画像
とする電子写真方式においては、現在一成分系の現像剤
を用いた現像方法と、磁性キャリアと非磁性トナーとか
らなる二成分系現像剤を用いた現像方法に大別される。

しかし、一成分系の現像剤を用いた現像方法にあって
も、一成分非磁性現像剤を用いた現像方法は、現像剤担
持体に、現像剤を担持する力が現像剤の持つ電荷による
クーロン力とファン・デル・ワールス力だけであり、安
定にかつ均一な現像剤層を形成するのが困難である。ま
た一成分磁性現像剤を用いた現像方法では一般に黒色の
マグネタイト粉である磁性体をトナー中に含むこととな
るので、黒以外の色について鮮やかな色のトナーを得る
ことは困難である。一方、二成分現像剤を用いた現像法
は他の現像法に比べ、安定した現像剤層を形成し、鮮や
かな色トナーを用いることができるという長所がある。

一般に像形成体（感光体）上の潜像を、現像剤担持体上
に保持・搬送された現像剤により現像する際、得られる
画像のコントラストを大きくするためには像形成体と現
像剤担持体の距離を小さくすることによって、画質を向
上させることができる。像形成体と現像剤担持体との間
隙を小さくすれば、像形成体と現像剤層を接触させて現
像を行なう接触式現像法においては像形成体と現像剤担
持体との間で現像剤が押し固められたり、その圧力で、
潜像や現像した画像を破壊したりせぬように、現像剤担
持体上に保持・搬送される現像剤量も小さくして適性な
範囲におさめる必要がある。なおここでいう「現像剤
量」とは、現像剤担持体表面に保持されている単位面積
あたりの現像剤重量である。

また像形成体と現像剤層とを非接触の状態に保って、現
像を行なう非接触現像法においても、像形成体と現像剤
担持体の間隙を小さくしたときには、像形成体と現像剤
層が接触しないように、現像剤担持体上の現像剤量を小
さくして、適正な範囲におさめる必要がある。

従来の二成分現像剤を用いた現像法では例えば、次のよ
うな構成の現像器によって現像を行なってきた。第８図
は従来の現像装置の部分構成図である。

図において、現像ロールは、等磁力で等磁角にＮ極、Ｓ
極を交互に着磁された磁気ロール104と、非磁性の円筒
状をなす現像剤担持体（スリーブ）103とから成ってい
た。そして磁気ロール104と現像剤担持体103とは相対的
に回転可能となっている。この現像ロール上にキャリア
とトナー等を含む二成分現像剤を供給し、これを磁気ロ
ール104及びスリーブ103の相対回転により、像形成体10
1、例えば感光体ドラムと対向する現像域まで搬送す
る。

従来は、現像剤担持体面上に保持された現像剤層を所望
の現像剤量や現像剤層厚にするために、第８図に示した
ような金属や樹脂などでつくった層厚規制板105を現像
剤担持体103面に近接して配設し、現像剤ｄは現像剤担
持体103面に保持されて移動してきて、層厚規制板105と
現像剤担持体103面の間隙をすり抜けて現像領域へと運
ばれるよう構成されていた。

現像剤担持面上の現像剤のうち磁性キャリアは、現像剤
担持面の反対側に配置された磁気ロール104のマグネッ
トの磁界から力を受け、マグネットの磁力とキャリアの
磁性に応じて、穂と成って立ち上がり、キャリアは現像
剤担持面に保持される。非磁性のトナーは、現像剤容器
102の中で攪拌を受けることによって、磁性キャリアと
摩擦帯電され、非磁性トナーと磁性キャリアは反対極性
の電荷を持つこととなり、クーロン力によって互いに束
縛される。磁性キャリアはマグネットの磁界よって現像
剤担持面に保持されているため、非磁性トナーも、磁性
キャリアといっしょに現像剤担持面上に保持されること
になり、現像剤担持面上に磁性キャリアと非磁性トナー
からなる現像剤層が形成される。この現像剤層は現像剤
担持面上に保持・搬送され、像形成体101上の潜像を現
像する。

この現像剤層は前述したように、像形成体101と現像剤
担持体102との間隙で押し固められたり、非接触に保た
れるべき像形成体101と現像剤層が接触したりしないと
いう最低限の条件は満たさなければならない。さらに 画像部以外の像形成体面上にトナーが付着する「かぶ
り」の現象が発生しない。

像形成体面上にキャリアが付着する「キャリア付着」
の現象が発生しない。

十分な画像濃度が得られるだけのトナーが潜像部分に
付着する。

潜像の持つ階調を再現できるだけの階調性を付着した
トナー像が持つ。

などの条件を満たすような現像剤層でなければならな
い。

これらの条件を満たすためには、現像剤そのものの物性
やその攪拌方法、潜像担持体の物性や像形成体と現像剤
層の相対速度、潜像担持体に潜像を形成する手段、像形
成体と現像剤担持体の間にかけられる電気的バイアス、
マグネットの磁力や磁界の形状なども適正な範囲にしな
ければならない。そのような条件のなかには、現像剤担
持体面上の現像剤量や現像剤層厚もあり、前述した最低
限の条件よりも、適正範囲はさらに小さい。

上述の如く、キャリアとトナーからなる二成分現像剤を
用いて、これらを磁気的に現像スリーブ上に保持し、現
像領域の狭隘な空間に搬送し、像形成体上の静電潜像を
現像する現像方法においては、 ○DCおよびAC電圧バイアス印加、 ○スリーブ上の現像剤層が像形成体表面に接触しない、 ○キャリア粒径が10〜50μｍの微小粒径であること、 ○反転現像に用いられる、 等の特徴を有する現像方法があり、最近注目されてきて
いる。特に、上記現像方法はカラー画像形成には有効な
方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述の如き従来の現像方法においては、
微小粒径のキャリアを用い、像形成体と非接触状態にお
いて現像を行なう際に、現像性を向上させるために、AC
バイアスを印加することから、像形成体の潜像形成面に
キャリア付着を生じやすくなる欠点があった。特に、反
転現像においては、バックグランドにあたる部分の電位
が高く、また、画像形成体の特性によっては、変動が大
きく、この部分へのキャリア付着が発生しやすいという
問題があった。

〔問題点を解決するための手段〕

（発明の目的） 本発明は、上記のキャリア付着の軽減を目的に研究した
結果得られたものである。

即ち、本発明は鮮明なカラートナーが使用可能で、安定
した現像剤層を形成できる磁性キャリアと非磁性トナー
を含む二成分現像剤を用いた非接触現像方式において、
十分なトナーの現像性を得ることができるとともに、キ
ャリア付着が発生しないACバイアス条件を見出すことを
目的とするものである。特に上記非接触二成分現像法を
用いて、高画質の多色画像形成のための現像方法を達成
する手段を提供することを目的とするものである。

（発明の構成） 上記目的は、現像剤担持体上に磁界下で画像形成体に接
しないように層を形成し、二成分現像剤を用い現像剤担
持体と画像形成体間に交流バイアス電圧印加の下に画像
形成体上の潜像を可視像化する現像装置において、前記
交流バイアス電圧の周波数ｆを下記の如くしたことを特
徴とする二成分現像剤を用いた現像方法により達成され
る。

式中 qc；キャリアの電荷量、mc；キャリアの質量 qt；トナーの電荷量、mt；トナーの質量 Ｅ；現像空間における印加電界 ｌ；現像ギャップ Fm；磁気力 ここで、 但し、Vc；キャリアの体積 Ｍ；キャリアの磁化(emu/g) Ｈ；磁場の強さ ｒ；キャリアの粒径 単位はM.K.S単位系 本発明の現像方法においては、現像剤が後記するように
粒径50μｍ以下、好ましくは15μｍ以下のトナー及び該
トナーの粒径と余り変わらない小粒径のキャリアから構
成され、現像領域において、300μｍ以下好ましくは200
μｍ以下という二成分現像剤としては従来になく薄い現
像剤層により非接触で現像するようにしている。

トナー粒径としては１〜20μｍ、キャリア径としては10
〜50μｍが好ましく、これらを用いると現像性がより向
上する。

第１図には本発明の現像方法を行う上で好適な現像装置
の断面図が示される。図中１は像形成体、２はハウジン
グ、３はスリーブ、４はＮ，Ｓ８極を有する磁気ロー
ル、５は薄層形成部材、６は該部材の固定部材、７は第
１攪拌部材、８は第２攪拌部材である。９及び10は前記
攪拌部材７及び８の回転軸、11は現像剤溜り、12は補給
トナー容器、13はトナー補給ローラ、14は現像バイアス
電源、15は現像領域すなわちスリーブ上のトナーが静電
的な力を受けて像形成体上に移行しうる領域、ｔは補給
用のトナー、ｄは現像剤を表す。

かかる現像装置において、現像剤溜り13内の現像剤ｄは
矢印方向に回転する第一攪拌部材７と、これと反対方向
で互いに重複するように回転する第２攪拌部材８とによ
り充分攪拌混合させ、矢印方向に回転するスリーブ３と
これと反対方向に回転する磁気ロール４の搬送力によ
り、前記スリーブ３の表面に付着搬送される。前記スリ
ーブ３表面にはハウジング２から延びる固定部材６によ
り保持された層形成部材５が端部に近い面の部分で圧接
されていて、搬送される現像剤ｄの層厚を規制し、10μ
ｍ〜300μｍ、好ましくは50μｍ〜200μｍの範囲の薄い
現像剤層を形成するようになる。ここで10μｍ未満の場
合は現像濃度が低下し、250μｍを超えるとキャリア及
びトナーの飛散が生ずるようになる。この現像剤層は現
像領域15において矢印方向に回転する像形成体１上の潜
像を間隔をへだてて非接触で現像し、トナー像を形成す
る。この非接触現像時には電源14から交流成分を含む現
像バイアスが前記スリーブ３に印加され、その結果スリ
ーブ３上の現像剤中のトナーのみが選択的に前記潜像の
面に移行して付着される。なお、現像剤の層厚は以下の
ようにして測定する。すなわち、日本光学（株）製ニコ
ンプロフィールプロジェクターを用い、スリーブのスク
リーンの投影像と、スリーブに薄層を形成した状態の投
影像との位置の比較により層厚が求められる。

前記層形成部材５は、固定部材６により一端が固定され
て弾性が付与された、例えば磁性又は非磁性の金属、金
属化合物、プラスチック、ゴム等から成る極めて均一に
形成された薄板であり、その厚さ50〜500μｍとされ
る。

前記のように一端が固定された薄層形成部材の他端に近
い部分でスリーブ３を弾性的にわずかに押圧するように
され、該押圧により、スリーブ３と薄板の接触位置にお
いてキャリア及びトナー粒子の薄層のみが通過すること
ができ、現像剤ｄ中の不純物やキャリア及び／又はトナ
ーの凝集物などを通過させないようにしている。従って
現像領域15に到る現像剤が常に薄層にして均一かつ安定
したものが得られる。

なお現像領域15に到る現像剤の厚さは、前記薄層形成部
材５のスリーブ３に対する押接力や接触角を変えること
により制御される。

前記したように現像剤を構成するキャリア及びトナーが
小粒径の方が画質の解像力及び階調再現性の点から有利
とされ、例えば現像剤層のキャリアを30μｍ以下の小粒
径とした場合でも前記した薄層形成部材５のような手段
を用いることにより現像剤中の不純物や粒塊等を自動的
に排除して均一な薄層を形成することができる。しかも
前記キャリアがトナーと同程度の小粒径とされた場合で
も同様不純物の混入が排除されて均一な薄層形成が可能
とされる。前記現像装置に組み込まれる前記２つの攪拌
部材７及び８は、攪拌羽根が互い衝突することなく互い
にオーバーラップするように構成されているため、左右
方向（第１図）の攪拌が十分に行なわれると共に、攪拌
板の傾斜のため前後方向（第１図）の攪拌も十分に行な
われる。

又、補給ローラ12を介してホッパ11から補給されたトナ
ーＴも短時間で現像剤ｄ中に均一混合される。

以上のように十分に攪拌され望ましい摩擦帯電が付与さ
れた現像剤ｄは、スリーブ３上に付着搬送される過程で
前記薄層形成部材５により、規制され極めて薄くかつ均
一な現像剤層が形成される。この現像剤層はスリーブ３
の回転により一方向に搬送されると共に、磁気ロール４
の反対方向への回転により振動成分を有する磁気バイア
スが生じ、前記スリーブ３上で例えばローリング等の複
雑な運動をするので現像領域15に達して像形成体１の潜
像を非接触で現像するとき、該潜像面に向けてトナーを
効果的に供給するようになる。前記現像剤層は前記した
ように極めて薄層（10μｍ〜250μｍ）なものとされる
ので、像形成体１とスリーブ３とのギャップ、即ち現像
ギャップを200μｍ付近まで狭くして非接触現像が可能
となる。このように現像ギャップを狭くすると現像領域
15の電界が大きくなるので、スリーブ３に印加する現像
バイアスが小さくても十分な現像が達成され、現像バイ
アスのリーク放電等も軽減される利点がある。さらには
現像して得られる画像の解像力その他画質が全般的に向
上する。

本発明は、上記現像方法において、現像バイアス中の交
流成分、特に周波数成分に着目して研究した成果であ
る。

即ち、本発明の現像方法は、スリーブ３に交流電界を印
加することにより、スリーブ３上の現像剤ｄを振動させ
て、トナーとキャリアを分離し、トナーのみを潜像電界
に沿って移動させ、像形成体１上に像に付着させようと
いうものである。

従って交流電界中におけるトナー及びキャリアの分離移
動には、この電界に対するそれぞれの運動レスポンスが
重要な因子となる。そして、このレスポンスにより、現
像性が変化する。

本発明は、二成分現像剤を用いて非接触現像する現像方
法の欠点の一つである、キャリア付着が起りやすいとい
う問題点について、トナーとキャリアの交流電界に対す
るレスポンスの違いを利用して解決するものである。

以下に実験結果を第２図ないし第４図に示して説明す
る。

第２図はACバイアスと周波数との関係を示すグラフであ
る。ここでは代表的な一例を示す。この現像方法による
作像条件を第１表に示す。なお現像器のDCバイアス電位
は−500Ｖとし、反転現像を行なっている。また、現像
に使用したトナー、キャリアより成る二成分現像剤の処
方は第２表のようになっている。ここで、トナーの平均
粒径は11μｍ、キャリアの平均粒径は30μｍのものを用
いた。

第２図の曲線Ａに示す如く、キャリア付着の条件とし
て、適正条件の下限を与える周波数が、ACバイアス電
圧の平方根にほぼ比例していることがわかる。

次に第３図は、キャリアの磁化と周波数との関係を示す
図である。ここでACバイアス電圧は、２KV_p-pに設定し
た。図の曲線Ｂに示す如く、キャリア付着の条件とし
て、適正条件の上限を与える周波数が、磁化Ｍの平方
根と相関があることがわかる。即ち、スリーブ側へのキ
ャリア吸引力が強まるに従って、低周波数に対してもレ
スポンスが低下していることが明らかである。

更に、第４図は、キャリアの質量ｍと周波数の関係を
示す図である。これはキャリア付着容易域の上限を示す
曲線Ｃがキャリアの質量ｍの平方根に反比例しているこ
とを示している。また、トナーの付着量適正上限の値に
ついても、上記と同様にトナーの質量の平方根に反比例
していることがわかっている。

上記第２図ないし第４図に示されるこれらの現像は、次
の方程式によって記述される運動を基本としてなされる
ことに起因しているからである。

ｍ；質量ｑ；電荷量ｒ；粒子半径η；粒性抵抗ｋ；定数
項（磁気力，ファンデルワールス力etc.） 種々の実験から、この微分方程式の解により、この現象
を説明できることが判った。

即ち、キャリアの電場交番に対するレスポンスは、 で表わされる値を急に変化する。これに伴なって、実験
上もキャリア付着発生限界が変化していることがわか
る。

なお、上記（１）式において、 qc；キャリアの電荷量、mc；キャリアの質量 Ｅ；現像空間における印加電界 ｌ；現像ギャップ Fm；磁気力 ここで、 但し、Vc；キャリアの体積 Ｍ；キャリアの磁化（emu/g） Ｈ；磁場の強さ ｒ；キャリアの粒子半径 トナーについても同様のことが言え、 を境にトナー付着量が大きく変化したことが判ってい
る。

なお、上記（２）式において、 qt；トナーの電荷量、mt；トナーの質量従って、非接触
二成分現像法において、AC電圧を用いて現像する場合
は、正規・反転現像にかかわらず、AC電圧の周波数
は、上記（１）、（２）式から、 の範囲内に入っていることが必要条件となる。

ここでトナー及びキャリアの電荷量は、一般的に使用さ
れる。ブローoff法によった。また磁力については、ガ
ウスメーターを用いて を求めた。また、計算によっても求められる。粒径はコ
ールターカウンタで測定する。キャリアの磁化は、ヒス
テリシスカーブトレーサで測定した。

なお、上記第１表の有機感光層は、トリアゾ顔料を含む
キャリア発生層を下層として、芳香族アミノ化合物を含
むキャリア輸送層を上層とする機能分離型感光層から成
り、現像方法は非接触現像法であって、かつ反転現像方
法とされる。

〔実施例〕 以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。

第５図は使用する像形成装置の構造を示す。画像入力部
INは、照明光源１、ミラー22、レンズ23、一次元カラー
CCD撮像素子24が一体となってユニット化されていて、
画像入力部INが図示しない駆動装置によって矢印Ｘ方向
に移動し、CCD撮像素子24が原稿を読取る。画像入力部I
Nを固定し、原稿台を移動させることによって原稿25が
移動するようにしても良い。

画像入力部INで読取られた画像情報は、画像処理部TRで
記録に適したデータに変換される。

レーザー光学系26は、上記の画像データに基づいて以下
のようにして像形成体20上に潜像を形成し、この潜像が
現像されてトナー像が像形成体20上に形成される。像形
成体20はスコロトロン帯電極27により表面が均一に帯電
される。続いてレーザー光学系26から記録データに従っ
た像露光Ｌがレンズを介して像形成体20上に照射され
る。このようにして静電潜像が形成される。この静電潜
像はイエロートナーが収容されている現像装置Ａにより
現像される。トナー像を形成された像形成体20は、再び
スコロトロン帯電極27により均一に帯電され、別の色成
分の記録データに従った像露光Ｌを受ける。形成された
静電潜像はマゼンタトナーが収納されている現像装置Ｂ
により現像される。この結果、像形成体20上にイエロー
トナーとマゼンタトナーによる２色トナー像が形成され
る。以下同様にしてシアントナー、黒トナーが重ねて現
像され、像形成体20上に４色トナー像が形成される。な
お前記各色トナーを収容する現像装置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは
いづれも第１図の現像装置と同様の構造を有するものと
される。

このようにして得られた多色トナー像は、露光ランプ28
により除電されて転写され易くされた後、転写極29によ
り記録紙Ｐに転写される。記録紙Ｐは分離極30により像
形成体20から分離され、定着器31で定着される。一方、
像形成体20は除電極32とクリーニング装置33により清掃
される。

クリーニング装置33はクリーニングブレード34とファー
ブラシ35とを有する。これらは像形成中は像形成体20と
は非接触に保たれていて、像形成体20に多色像が形成さ
れると像形成体20と接触し、転写残トナーを掻き取る。
その後、クリーニングブレード34が像形成体20から離
れ、少し遅れてファーブラシ35が像形成体20から離れ
る。ファーブラシ35はクリーニングブレード34が像形成
体20から離れる際、像形成体20上に残るトナーを除去す
る働きをする。36はブレード34で掻き取られたトナーを
補集するローラである。

レーザー光学系26を第６図に示す。図中、37は半導体レ
ーザー発振器、38は回転多面鏡、39はｆθレンズであ
る。

また、このような像形成装置では各画像の位置合わせの
ため、感光体上に光学的マークを受け、それを光センサ
ーなどで読み取ることにより、像露光開始のタイミング
をとることが効果的である。

第５図の複写装置における前記像形成プロセスは前記第
２表の処方の現像剤を用いて反転現像され、第１表及び
第３表乃至第５表の作像条件及び第７図の動作タイミン
グにより像形成が行なわれる。（第７図においてハイレ
ベルが動作状態を示している。） 又第７図のタイミングチャートにおいて、横軸は作像工
程を表し、縦軸は各作像部門を表す。又Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
はイエロートナー現像器、マゼンタトナー現像器、シア
ントナー現像器、黒トナー現像器を表す。

以上の条件で多色像を形成したところ、解像力が良好で
ドットによる凝似的な中間調の再現性も良好なものが得
られた。又トナー及びキャリアの飛散も最小限に押さえ
ることができた。

（実施例２） 次のトナーの平均粒径を３μｍとし、キャリアの平均粒
径30μｍとした。作像条件を第６表乃至第９表の如くし
た他は実施例１と同様にして多色像を形成した。

以上の条件で多色像を形成したところ、実施例１の場合
と同様トナー及びキャリアの飛散を伴うことなく高解像
力で良好な色調及び階調再現性を有する複写像が得られ
た。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明の現像方法に開示
した現像条件によれば、キャリア付着がなく、且つトナ
ー付着量の多い現像装置が得られ、実施例に述べたカラ
ー画像形成方法において、良好なカラー画質を得ること
ができるようになった。

更に、キャリアの種類、例えばCLキャリア、樹脂分散型
キャリア、フェライトキャリア等、質量、磁化等が変化
しても本発明による条件式を適用することにより、常に
良好な画質を得ることが可能である。またトナーについ
ても同様に、そのパラメーターが変化しても上記条件式
を適用することにより、安定した高品位画質の記録像形
成が達成されるなどの効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による現像方法を適用した現像装置の断
面図、第２図ないし第４図は本発明に係るACバイアス周
波数特性曲線を示す図である。第５図は上記現像装置を
装備した複写装置の一実施例を示す構成断面図、第６図
は該複写装置のレーザー光学系の構成図、第７図は実施
例における像形成タイミングを表す図である。第８図は
従来の現像装置の部分断面図である。 1,20,101……像形成体（感光体） 3,103……現像剤担持体（現像スリーブ） 4,104……磁気ロール 5,105……層厚規制板（穂切り板） 14……現像バイアス電源、15……現像領域 A,B,C,D……現像装置 ｄ……現像剤、ｔ……トナー ……ACバイアス周波数 ｌ……現像ギャップ

フロントページの続き (72)発明者 相馬 しのぶ 東京都八王子市石川町2970番地 小西六写 真工業株式会社内 審査官 篁 悟

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】現像剤担持体上に、磁界下で画像形成体に
   接しないように現像剤層を形成し、二成分現像剤を用い
   現像剤担持体と画像形成体間に交流バイアス電圧印加の
   下に画像形成体上の潜像を可視像化する現像装置におい
   て、前記交流バイアス電圧の周波数ｆを下記の如くした
   ことを特徴とする二成分現像剤を用いた現像方法。