説明

現像方法

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、静電荷像を担持する像担持体の表面に形成された静電荷像を、円筒状に形成された永久磁石部材からなる現像剤支持搬送手段の表面に吸着保持された、トナーと磁性キャリアとを主成分とする二成分系の磁性現像剤によって顕像化する現像方法に関し、特に長期間に亘って濃度ムラの発生を防止し、安定した高画質の現像を行い得る現像方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来電子写真法や静電記録を応用したプリンタ、ファクシミリ等における画像形成方法では、例えば円筒状に形成した感光体ドラムの表面に静電荷像を形成した後、この感光体ドラムと対向して設けられ、永久磁石部材を内蔵すると共にこの永久磁石部材と同軸的に相対回転自在に嵌挿してなるスリーブとからなる現像ロールにより、磁性現像剤をスリーブの表面に吸着して搬送する。その後現像領域において磁気ブラシを形成すると共に、この磁気ブラシによって前記感光体ドラム上の静電荷像形成面を摺擦し、トナー像として顕像化する方法を採用している。そしてこの顕像化したトナー像を記録紙に転写した後、熱定着するのが最も一般的な手段である。
【0003】近年、上記のような画像形成に使用される装置の小型化の要求が強まっており、現像部を小型化することが重要となっている。このような要求を満足するための手段として、スリーブを使用せずに、永久磁石部材の表面に磁性現像剤を直接吸着し、永久磁石部材の回転によって磁性現像剤を搬送する提案がなされている(例えば特開昭62−201463号公報等参照)。
【0004】図2は従来の現像手段の例を示す要部横断面図である。図2において、1は現像剤槽であり、トナーと磁性キャリアとを主成分とする磁性現像剤2を収容すると共に、その下方に永久磁石部材4を回転可能に設ける。永久磁石部材4は少なくとも表面を導電性に形成し、外周面に軸方向に延びる複数個の磁極を設け、円柱状に形成する。
【0005】上記の永久磁石部材4は、強磁性粉末と樹脂との混合物からなる樹脂磁石(特開昭57−130407号、同59−905号、同59−226367号公報等参照)によって形成できる。表面を導電性に形成する手段としては、表面に導電層を接着、メッキ等によって形成するか、原料混練時に粉末状の導電性物質を添加してもよい。また永久磁石部材4をハードフェライト磁石によって形成し、半導電性としてもよい。
【0006】7は感光体ドラムであり、矢印方向に回転可能に形成し、永久磁石部材4と間隙gを介して対向させてある。8はドクターブレードであり、現像剤槽1に設けられ、永久磁石部材4と間隙tを介して対向させ、永久磁石部材4の表面に吸着される磁性現像剤2の層厚を規制するものである。10は直流電源であり、永久磁石部材4の表面にバイアス電圧を印加するものである。
【0007】上記の構成により、永久磁石部材4を矢印方向に回転させると、磁性現像剤2が永久磁石部材4に吸着されて搬送され、感光体ドラム7と対向する現像領域に至ると、感光体ドラム7上に形成されている静電荷像の電界によって、磁性現像剤2中のトナーが転移し、静電荷像を顕像化することができるのである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記のような画像形成手段において、二成分系の磁性現像剤としては、例えば5〜20μmの粒度分布を有する磁性トナーと、粒度分布70〜140μmのフェライトキャリア(例えば日立金属製KBN−100)との混合材料である磁性現像剤2が使用される。なお磁性トナーに代えて非磁性トナーを使用する場合もある。
【0009】この場合において、高精細画像を形成するためには、小粒径(例えば粒度分布が4〜16μm)のトナーを使用する必要があるが、磁性キャリアとして上記のように大粒径のものを使用すると、トナーに対する帯電付与能力が不足するためかぶりが発生し易く、画質を低下させるという問題点がある。従って高精細画像を得るためには、小粒径のトナーを必要とすると共に、磁性キャリアとしても小粒径(例えば平均粒径50μm以下)のものが必要となる。
【0010】しかしながら、上記の小粒径の磁性キャリアを使用した場合には、本来的に永久磁石部材4の表面に吸着残留すべき磁性キャリアが、感光体ドラム7に付着するという非所望な現象が起こる。これは磁性キャリア自体にも粒度分布があるため、小粒径の領域のものが感光体ドラム7側に転移するためである。このような小粒径の領域の磁性キャリアが感光体ドラム7に付着しても、画質的には殆ど悪影響はないものの、磁性現像剤中の磁性キャリアの減少により、トナー濃度が相対的に高くなり、濃度ムラ、地カブリを発生するという問題点がある。
【0011】次に前記スリーブ付の現像ロールにおいては、スリーブの表面に吸着された磁性現像剤がスリーブ表面において自転するため、磁気ブラシの穂の高さが比較的均一になり易いが、スリーブを欠如する構成のものにおいては、磁気ブラシの穂の高さに変動が発生する。すなわち永久磁石部材4の磁極直上においては磁気ブラシの穂の高さが大となり、一方磁極間においてはそれが小となる。従って磁気ブラシと感光体ドラム7との接触状態に変動が発生し、濃度ムラが発生するという問題点がある。
【0012】上記のような濃度ムラを防止するために、永久磁石部材4の回転数を増大することも考えられるが、永久磁石部材4を高速回転させるためには、駆動トルクを大にする必要があると共に、騒音の発生、磁性現像剤を構成する磁性キャリアの摩耗を招来するという問題点がある。
【0013】本発明は、上記従来技術に存在する問題点を解決し、長期間に亘って濃度ムラ、地カブリ等の発生を防止し、安定した高画質の現像を行い得る現像方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明においては、静電荷像を担持して移動する像担持体上の静電荷像をトナーと磁性キャリアからなる二成分系の磁性現像剤を使用して現像する現像方法において、磁性現像剤を支持搬送する手段として、表面に複数個の磁極を設け円筒状にかつ回転可能に形成した永久磁石部材を使用し、この永久磁石部材の表面に磁性現像剤を吸着搬送し、かつトナー補給時にトナーと共に補給用磁性キャリアを補給すると共に、この補給用の磁性キャリアとして平均粒径がスタート時のトナーの平均粒径と同等若しくはそれより小粒径の粒子が含まれるものを使用する、という技術的手段を採用した。
【0015】本発明における永久磁石部材は、フェライト磁石のみに限らず、磁性粉と樹脂材料とを主成分とする樹脂磁石であってもよい。またこの永久磁石部材は、シャフトの外周に上記磁石をロール状に一体に形成したものでも、あるいはシャフトを含めて全体を磁石材料で形成したものでもよい。但し、この永久磁石部材は、現像ムラを防止するために、円周方向および軸方向に継目がなく、全体が一体に形成されていることが必要である。
【0016】上記永久磁石部材の表面には、異極性の磁極が微小間隔を置いて円周方向に交互に配設されているため、磁極数が増加すると表面磁束密度が減少する。一方磁性現像剤の飛散防止の点から、永久磁石部材の表面磁束密度は50G以上であることが好ましく、またトナーが像担持体の表面に形成された静電荷像に付着し易くするために、1200G以下であることが好ましい。また磁極数は、上記表面磁束密度50〜1200Gに対応する8〜60極とすることが好ましい。なお上記表面磁束密度のより好ましい範囲は100〜800Gである。
【0017】次に磁極数を大にすると、永久磁石部材の周囲に形成される磁界が小さくなり、永久磁石部材の表面への磁性現像剤の付着量が少なくなる。このため永久磁石部材の表面に形成される磁性現像剤層の厚さが不均一となり易いので、このような非所望な現象を防止するために永久磁石部材を高速で回転させる必要がある。しかしながら永久磁石部材の回転速度が早すぎると、駆動トルクが大になったり、磁性現像剤を構成するキャリアの摩耗が発生する。一方上記回転速度が遅すぎると、画像に濃度ムラが発生する。従って永久磁石部材の周速Vm(mm/秒)は像担持体の周速Vp(mm/秒)の1〜10倍に設定することが好ましく、より好ましくは2〜6倍である。
【0018】次に永久磁石部材の外径をD(mm)、表面に設けられる磁極数をMとすると、下記の式で表されるh(mm)の値が2より小になるように、D,M,Vmを設定することが好ましい。
【0019】h=πD・Vp/M・Vm上記hは、像担持体の表面が単位時間内に永久磁石部材の磁極と対面するピッチであるが、hが2mm以上であると、現像ムラが目立つため2mmより小とするのが好ましく、より好ましくは1mm以下とするのがよい。この場合、hの値を小にするためには、永久磁石部材の磁極数Mと周速Vmを大にすればよいが、磁極数Mが多すぎると表面磁束密度が低下して、磁性現像剤の飛散が発生し易く、周速Vmが大きすぎると前記のような不具合が発生するので、実用上hの値は0.4〜1.0mmとするのが好ましい。
【0020】また永久磁石部材の表面とドクターブレード先端との間隙であるドクターギャップtを設ける場合には、画像品質の点から永久磁石部材と像担持体との間隙である現像ギャップgとの差を、(g−t)=0.2±0.15mmとすることが好ましい。なお上記ドクターブレードを永久磁石部材の表面に接触若しくは圧接させてt=0としてもよい。この場合においては、ドクターブレードをSK材などの磁性材料またはSUS304やリン青銅などの非磁性材料によって弾性ブレード状に形成し、その一端を現像剤槽に固定し、他端を前記永久磁石部材の表面に接触させればよい。
【0021】次に本発明における永久磁石部材が、半導電性若しくは絶縁性の材料である場合は、バイアス電圧を印加する箇所としてはドクターブレードが好ましく、この場合ドクターブレードは金属等の導電性材料によって形成すればよい。また永久磁石部材が導電性の材料である場合は、バイアス電圧はシャフト等から印加することが好ましい。
【0022】次に二成分系の磁性現像剤としては、予め所定のトナー濃度に調整されたものを現像剤槽内に投入するか、または永久磁石部材の表面に所定量の磁性キャリアを付着させておき、その後現像剤槽内にトナーを投入して、スタート用の二成分系の磁性現像剤として使用することができる。そしてトナーの補給時において、トナーと磁性キャリアとを併せて補給するのである。この場合、予めトナーと磁性キャリアとを混合しておくことが好ましい。なお現像器を交換する方式、すなわち使い捨て現像カートリッジの場合には、消費量以上の磁性キャリアをトナーと混合させておくように構成する。
【0023】磁性現像剤を構成する磁性キャリアとしては、通常の二成分系のものにおいて使用される鉄粉、フェライト粒子(Ni−Zn系、Mn−Zn系、Cu−Zn系等)およびマグネタイト粒子等を使用することができる。またこれらの磁性粉が樹脂中に分散されたバインダー型のものであってもよい。この場合、平状の鉄粉を使用すると、磁化の値が大であると共に、形状的に永久磁石部材への残留性が大であるため、キャリア付着が少ないため好ましい
【0024】またトナーと共に補給すべき磁性キャリアは、平均粒径がスタート時のトナーの平均粒径と同等若しくはそれより小粒径の粒子が含まれるものを使用する。すなわち磁性現像剤中の磁性キャリアは例えば粒度分布1〜50μmのものが使用されるが、比較的小粒径のものがトナーと共に像担持体側に転移し易く、連続使用中に減少するため、この減少分を補給する必要があると共に、高精細画像を得るためである。
【0025】なお磁性キャリアの粒径が大であると、トナーに対する帯電付与能力が低下すると共に、高精細画像が得られなくなるため好ましくない。一方磁性キャリアの粒径があまりに小であると、キャリア付着が発生するため好ましくない。従って上記のものを使用することが好ましい。また磁性キャリアとしては、前記磁性粒子およびバインダー型の磁性粒子を2種以上混合したものであってもよく、混合比率は磁性粒子の大きさや磁気特性等を考慮して定めればよい。
【0026】次に上記キャリアと混合させるべきトナーとしては、磁性若しくは非磁性の何れのものでもよいが、転写性を向上させる点から体積固有抵抗が1014Ω・cm以上の絶縁性のものが好ましく、またキャリアとドクターブレードとの摩擦により帯電し易いもの(摩擦帯電量が10μc/g以上)が好ましい。なおトナーの平均粒径は高精細画像を得るために、平均粒径を5〜10μmに形成するのが好ましい。なお磁性現像剤中のトナーの混合比率は、磁性トナーの場合には10〜90重量%、非磁性トナーの場合には5〜60重量%とするのがよい。
【0027】トナーの組成は通常使用されるトナーと同様に、結着樹脂(スチレン−アクリル系共重合体、ポリエステル樹脂等)、着色剤(カーボンブラック等、但し後述する磁性粉としてマグネタイトを使用する場合には特に添加しなくてもよい)を必須成分とし、任意成分として磁性粉(マグネタイト、ソフトフェライト等)、帯電制御剤(ニグロシン、含金属アゾ染料等)、離型剤(ポリオレフィン等)、流動化剤(疏水性シリカ)を含有(内添および/または外添)したものを使用できる。なお磁性トナーとする場合は、磁性粉が多いと定着性が低下するので、70重量%以下の磁性粉量とするのが好ましい。また着色剤を適宜選定することにより、カラートナーを作製することもできる。
【0028】なお上記トナーの体積固有抵抗は、DC4KV/cmの電場で、内径3.05mmのテフロン(商品名)製シリンダー中に試料を10数mg充填し、100gfの荷重を印加して、絶縁抵抗計(横河ヒューレットパッカード製4329A型)により測定した値である。更に摩擦帯電量は市販のブローオフ摩擦帯電量測定器(東芝ケミカル製TB−200型)により、トナー濃度5%(標準キャリアとしてフェライトキャリア(日立金属製KBN−100)を使用)にて測定した値である。
【0029】
【作用】上記の構成により、二成分系の磁性現像剤により連続的に現像を行った場合に、磁性現像剤中のトナーのみならず、磁性キャリアも像担持体側に付着して減少するが、トナーと共に磁性キャリアを補給することにより、濃度ムラ、地カブリ等の発生を防止し、広いトナー濃度範囲においても安定した高画質の現像を行い得るのである。
【0030】
【実施例】図1は本発明の実施例における現像手段の例を示す要部横断面図であり、同一部分は前記図2と同一の参照符号で示す。図1において永久磁石部材4は体積固有抵抗が106 Ω・cmを超える半導電性ないし絶縁性の例えば等方性フェライト磁石により形成し、外周面に軸方向に延びる複数個の磁極を設け、円柱状に形成し、現像剤槽1の下方に回転自在に設ける。10は直流電源であり、ドクターブレード8と感光体ドラム7との間に接続する。
【0031】次に磁性トナーとして、平均粒径10μm、粒度分布4〜16μm、体積固有抵抗1015Ω・cm、摩擦帯電量−23μc/gのものを作製した。なお配合比は重量比で、スチレン−nブチルメタクリレート45、マグネタイト(戸田工業製EPT500)50、ポリプロピレン(三洋化成製 TP32)3、帯電制御剤(オリエント化学製 ボントロンE−81)2とし、これらによって形成された粒子に外添剤(日本アエロジル製 R972)0.5を添加した。
【0032】磁性キャリアとしては、平均粒径30μm、粒度分布1〜50μm、体積固有抵抗106 Ω・cm、1000Oeにおける磁化σ1000が120emu/gの平鉄粉を使用した。なおキャリアの体積固有抵抗は、トナーの場合と同様にして試料を採取してDC100V/cmの電場を印加して測定した抵抗値を基にして算出した。また磁化の値は、振動試料型磁力計(東英工業製 VSM−3型)を使用し、トナーの平均粒径(体積)は、粒度分析計(コールターエレクトロニクス社製コールターカウンターモデルTA−II)を使用して測定した。
【0033】一方感光体ドラム7はOPCにより形成し、表面電位−700V、周速30mm/秒とした。永久磁石部材4はフェライト磁石(日立金属製 YBM−3)により、外径20mm、16極、表面磁束密度500Gに形成し、現像ギャップg= 0.4mm、ドクターギャップt= 0.3mm、直流バイアス電圧−550Vをドクターブレード8を介して印加した。
【0034】上記現像条件により、スタート用の磁性現像剤、すなわちスタート時に現像剤槽1内に投入する磁性現像剤2中のトナー濃度T/C(重量%)を変化させて連続現像を行い、1万枚連続印字(A4サイズ)後の回収キャリア量D(重量%)を測定した結果を表1に示す。なお回収キャリア量Dは下記の式によって求めた値である。
【0035】D=A/(A+B+C)(重量%)
但し、A:クリーナによって回収されたキャリア量B:クリーナによって回収されたトナー量C:消費されたトナー量
【0036】
【表1】


【0037】表1から明らかなように、連続現像により磁性現像剤中のトナーは当然に消費されて減少するのであるが、同時に磁性現像剤2中の磁性キャリアもまた感光体ドラム7に転移していることが認められる。なお磁性キャリアの転移量は、スタート用の磁性現像剤2中のトナー濃度T/Cが低いもの程大であることがわかる。このように磁性現像剤2中の磁性キャリアが消費されることにより、磁性現像剤2中のトナー濃度が高くなり、結果として前述のように濃度ムラ、地カブリが発生するのである。
【0038】次に上記現像条件により、トナーと磁性キャリアとからなる磁性現像剤を補給しながら1万枚連続印字後の画像評価結果を表2に示す。なお補給用の磁性現像剤はスタート用のものと同一組成のものを使用したが、磁性キャリアの平均粒径を変化させたものについても併記した。
【0039】
【表2】


【0040】表2から明らかなように、連続現像においてトナーのみを補給する態様の比較例No.5〜8においては、前記表1に示すようにトナーと共に磁性キャリアも図1に示す感光体ドラム7側に転移して消費される結果、磁性現像剤2中のトナー濃度が高くなり、地カブリ、チリの発生が認められる。
【0041】これに対してトナーと共に平均粒径10μmの磁性キャリアを補給する態様のNo.1〜4においては、磁性現像剤2中のトナー濃度を安定化させ得る結果、地カブリ、チリのない良好な画像が得られていることがわかる。なお補給用の磁性現像剤中のキャリア重量%は、スタート用の磁性現像剤中のトナー濃度に略反比例した値とすることが好ましい。これは前記表1に示すように、磁性現像剤のトナー濃度が低いもの程、磁性キャリアの感光体ドラム7側への転移量が大であるという結果によるものである。
【0042】次にスタート用磁性現像剤のトナー濃度を一定にして、補給用の磁性キャリアの平均粒径を変化させた場合においても、No.9〜12に示すように地カブリ、チリのない良好な画像が得られることがわかる。なお補給用の磁性キャリアの平均粒径は、スタート用の磁性現像剤中のトナーのそれと同等か、それより小粒径とすることが好ましい。
【0043】次に非磁性トナーとして、平均粒径8.5μm、粒度分布10〜70μm、体積固有抵抗5×1014Ω・cm、摩擦帯電量−29μc/gのものを作製した。なお配合比は重量比で、ポリエステル(花王製 KTR2150)87、カーボンブラック(三菱化成工業製 #44)10、ポリプロピレン(三洋化成製 TP32)2、帯電制御剤(T2N)1とし、これらによって形成された粒子に外添剤(日本アエロジル製 R972)0.5を添加した。
【0044】磁性キャリアとしては、平均粒径50μm、粒度分布10〜70μm、体積固有抵抗108 Ω・cm、1000Oeにおける磁化σ1000が120emu/gの平鉄粉を使用した。
【0045】一方感光体ドラム7はOPCにより形成し、表面電位−650V、周速30mm/秒とした。永久磁石部材4はフェライト磁石(日立金属製 YBM−3)により、外径20mm、32極、表面磁束密度350Gに形成し、現像ギャップg=0.4mm、ドクターギャップt=0.25mm、直流バイアス電圧−500Vをドクターブレード8を介して印加した。
【0046】上記の現像条件により、前記実施例と同様にスタート用の磁性現像剤中のトナー濃度を変化させて連続印字を行い、1万枚印字後の回収キャリア量D(重量%)を測定した結果を表3に示す。なお回収キャリア量Dの値は、前記実施例における値に対応する。
【0047】
【表3】


【0048】表3から明らかなように、前記表1と同様に、連続印字により磁性現像剤中の磁性キャリアがトナーと共に感光体ドラム7に転移していることが認められる。なおトナー濃度の大小による回収キャリア量の多寡の傾向は、前記表1と同様であるが、回収キャリア量の範囲は表1よりも若干圧縮されている。結局非磁性トナーと磁性キャリアとからなる磁性現像剤を使用する現像方法においても、連続現像により、磁性現像剤中のトナー濃度が高くなり、濃度ムラ、地カブリが発生することが認められるのである。
【0049】次に上記現像条件により、トナーと共に磁性キャリアを併せて補給しながら1万枚の連続印字を行った後の画像評価結果を表4に示す。なお画像評価は、5%の文字パターンに対して行ったものである。
【0050】
【表4】


【0051】表4から明らかなように、比較例であるトナーのみの補給では、画像濃度が低く、しかも濃度のムラ、チリおよび地カブリが発生すると共に、トナー濃度の変化が大である。これに対して本発明におけるトナーと磁性キャリアとを補給するものにおいては、画質が大幅に向上すると共に、トナー濃度の変化が小であることがわかる。
【0052】
【発明の効果】本発明は以上記述のような構成および作用であるから、下記の効果を奏し得る。
【0053】(1) トナーと共に磁性キャリアを補給するため、像担持体への磁性キャリアの転移による磁性現像剤のトナー濃度の上昇を防止し、地カブリ、チリ等の発生を防止し、良好な現像を行い得る。
【0054】(2) 現像ロールの構成部材を永久磁石部材のみとしたものであるため、現像装置を小型化することができ、画像形成装置全体を小型化することができる。
(3) 磁性現像剤の支持手段である永久磁石部材が硬質であるため、表面の摩耗が少なく、経時変化が少なく、耐久性を向上させ得る。
【0055】(4) 小粒径の磁性キャリアを使用することにより、高精細、高品質の画像が得られる。
(5) 磁性現像剤中のトナー濃度を広い範囲に設定できるため、例えばトナー濃度制御手段を使用する必要がなく、装置全体をコンパクト化し得る。
【0056】(6) 現像ロールを構成する永久磁石部材を必要以上に高精度加工する必要がなく、製作コストを低減させ得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における現像手段の例を示す要部横断面図である。
【図2】従来の現像手段の例を示す要部横断面図である。
【符号の説明】
4 永久磁石部材
7 感光体ドラム

【特許請求の範囲】
【請求項1】 静電荷像を担持して移動する像担持体上の静電荷像をトナーと磁性キャリアからなる二成分系の磁性現像剤を使用して現像する現像方法において、磁性現像剤を支持搬送する手段として、表面に複数個の磁極を設け円筒状にかつ回転可能に形成した永久磁石部材を使用し、この永久磁石部材の表面に磁性現像剤を吸着搬送し、かつトナー補給時にトナーと共に補給用の磁性キャリアを補給すると共に、この補給用の磁性キャリアとして平均粒径がスタート時のトナーの平均粒径と同等若しくはそれより小粒径の粒子が含まれるものを使用することを特徴とする現像方法。

【図1】
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【図2】
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【特許番号】特許第3384106号(P3384106)
【登録日】平成14年12月27日(2002.12.27)
【発行日】平成15年3月10日(2003.3.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願平6−105118
【出願日】平成6年5月19日(1994.5.19)
【公開番号】特開平7−319288
【公開日】平成7年12月8日(1995.12.8)
【審査請求日】平成13年4月6日(2001.4.6)
【出願人】(000005083)日立金属株式会社 (2,051)
【参考文献】
【文献】特開 平3−138674(JP,A)