(57)【要約】【課題】潜像担持体とトナー担持ローラとをギャップを隔てて対向させた非接触現像方式の画像形成装置および画像形成方法において、十分な現像濃度を得るとともに、装置内外へのトナー飛散や地カブリ等を低く抑える。【解決手段】現像ローラ上に１層を超えるトナー層を担持させ、感光体とトナー担持ローラとの間の現像ギャップにおける電界強度を以下のように設定する。感光体の露光部に対応する位置での電界（露光部電界）の電界強度を、現像ローラ表面に直接接触している接触トナーの飛翔開始電界強度よりも高くする。一方、感光体の非露光部に対応する位置での電界（非露光部電界）の電界強度については、接触トナーの飛翔開始電界強度より低く現像ローラ表面に直接接触していない非接触トナーの飛翔開始電界強度よりも高くする。露光部では接触トナー、非接触トナーの双方が飛翔するが、非露光部では非接触トナーのみが飛翔する。【選択図】図１０
2010066531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トナーを付着させるべき画像部とトナーを付着させない非画像部との間で電位を異ならせた静電潜像を表面に担持可能な潜像担持体と、
ローラ状に形成されて前記潜像担持体と所定のギャップを隔てて対向配置され、前記ローラ表面に直接接触する接触トナーおよび該接触トナーに接触し前記ローラ表面には接触しない非接触トナーの双方を含むトナー層を担持するトナー担持ローラと、
前記非接触トナーが前記トナー担持ローラ表面から飛翔するために前記トナー担持ローラ表面において必要な電界強度を非接触トナー飛翔開始電界強度、前記接触トナーが前記トナー担持ローラ表面から飛翔するために前記トナー担持ローラ表面において必要な電界強度を接触トナー飛翔開始電界強度と定義したとき、前記潜像担持体表面のうち前記非画像部と前記トナー担持ローラ表面との間における電界強度が前記接触トナー飛翔開始電界強度よりも低くかつ前記非接触トナー飛翔開始電界強度よりも高くなる交番電界を、トナー飛翔電界として前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの間に形成する電界形成手段と
を備えることを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記電界形成手段は、前記潜像担持体表面のうち前記画像部と前記トナー担持ローラ表面との間における電界強度が前記接触トナー飛翔開始電界強度よりも高くなる前記トナー飛翔電界を形成する請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項３】
トナーを付着させるべき画像部とトナーを付着させない非画像部との間で電位を異ならせた静電潜像を担持可能な潜像担持体と、
ローラ状に形成されて前記潜像担持体と所定のギャップを隔てて対向配置され、前記ローラ表面に直接接触する接触トナーおよび該接触トナーに接触し前記ローラ表面には接触しない非接触トナーの双方を含むトナー層を担持するトナー担持ローラと、
前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの間に、前記トナー担持ローラ表面のトナーを飛翔させる交番電界をトナー飛翔電界として形成する電界形成手段と
を備え、
前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの対向位置において、前記潜像担持体表面のうち前記非画像部と前記トナー担持ローラ表面との間では、前記非接触トナーを飛翔させる一方、前記接触トナーを飛翔させないことを特徴とする画像形成装置。
【請求項４】
前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの対向位置において、前記潜像担持体表面のうち前記画像部と前記トナー担持ローラ表面との間では、前記接触トナーおよび前記非接触トナーの双方を飛翔させる請求項３に記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記電界形成手段は、トナーを前記潜像担持体から前記トナー担持ローラに向かう方向に飛翔させる極性の電界が生じる期間がこれとは逆極性の電界が生じる期間よりも長くなる電界を形成する請求項１ないし４のいずれかに記載の画像形成装置。
【請求項６】
前記トナー担持ローラは、トナーを担持する表面が導電性を有する材料により形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載の画像形成装置。
【請求項７】
前記トナー担持ローラは、金属素管の表面に転造加工により前記凹部が形成されたものである請求項１ないし６のいずれかに記載の画像形成装置。
【請求項８】
前記トナー担持ローラは、円筒形状の表面にトナーを収容するための凹部を形成されており、前記凹部の深さがトナーの体積平均粒径の２倍以上である請求項１ないし７のいずれかに記載の画像形成装置。
【請求項９】
前記トナー担持ローラ表面のうち前記凹部以外に形成されるトナー層をトナー１層以下に規制する規制部材を備える請求項８に記載の画像形成装置。
【請求項１０】
前記トナー担持ローラ表面のうち前記凹部以外へのトナー担持を規制する規制部材を備える請求項８に記載の画像形成装置。
【請求項１１】
トナーの体積平均粒径が５μｍ以下である請求項１ないし１０のいずれかに記載の画像形成装置。
【請求項１２】
静電潜像を担持可能な潜像担持体とローラ状に形成したトナー担持ローラとを所定のギャップを隔てて対向配置し、
トナーを付着させるべき画像部とトナーを付着させない非画像部との間で電位を異ならせた静電潜像を、前記潜像担持体表面に形成し、
前記ローラ表面に直接接触する接触トナーおよび該接触トナーに接触し前記ローラ表面には接触しない非接触トナーの双方を含むトナー層を前記トナー担持ローラ表面に形成して前記潜像担持体との対向位置に搬送し、
前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの間に、前記トナー担持ローラ表面のトナーを飛翔させる交番電界をトナー飛翔電界として形成することで前記静電潜像を前記トナーにより現像し、しかも、
前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの対向位置において、前記潜像担持体表面のうち前記非画像部と前記トナー担持ローラ表面との間では、前記非接触トナーを飛翔させる一方、前記接触トナーを飛翔させない
ことを特徴とする画像形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、静電潜像を担持する潜像担持体とトナーを担持するトナー担持ローラとを非接触に対向配置した状態で、静電潜像をトナーにより現像する画像形成装置および画像形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
静電潜像をトナーにより現像する技術においては、静電潜像を担持する潜像担持体とトナーを担持するトナー担持ローラとをギャップを隔てて対向させ、該ギャップにトナーを飛翔させることにより静電潜像を現像する、いわゆる非接触現像方式のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の画像形成装置においては、これまでその体積平均粒径が８ないし１０μｍ程度のトナーが主に用いられてきたが、画像の高精細化、プロセスの高速化および定着温度の低温化などの目的のために、トナーのさらなる小粒径化（例えば、体積平均粒径で５μｍ以下）が求められている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２７８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような小粒径のトナーでは、より大きな粒径を有するトナーとは異なる振る舞いをすることが近年明らかになってきている。例えば、小粒径の帯電トナーに対しトナー担持ローラが及ぼす鏡像力やファンデルワールス力が大きくなるため、帯電トナーがトナー担持ローラから飛翔しにくくなる。このため、画像を十分な濃度で現像することが難しくなる。また、粒径が小さく質量の小さなトナーは飛散しやすいという性質があり、これが画像形成装置内部や外部に付着したり、いわゆる地カブリとなって形成される画像を汚してしまうことがある。
【０００５】
ここで、トナー担持ローラ上のトナー搬送量を多くしたり、潜像担持体とトナー担持ローラとのギャップに発生させる電界を強くしたりすることで上記した現像濃度の不足を補うことは可能であるが、このようにするとトナー飛散がさらに多くなったり、潜像担持体とトナー担持ローラとの間で放電が発生し画像を乱してしまうという問題がある。このように、十分な現像濃度を得るという課題と装置内外へのトナー飛散や地カブリ等を低く抑えるという課題とは相反するものであり、これらを両立させつつトナーの小粒径化を図るためには、従来の技術には改善の余地が残されていた。
【０００６】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、潜像担持体とトナー担持ローラとをギャップを隔てて対向させた非接触現像方式の画像形成装置および画像形成方法において、十分な現像濃度を得るとともに、装置内外へのトナー飛散や地カブリ等を低く抑えることのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明にかかる画像形成装置は、上記目的を達成するため、トナーを付着させるべき画像部とトナーを付着させない非画像部との間で電位を異ならせた静電潜像を表面に担持可能な潜像担持体と、ローラ状に形成されて前記潜像担持体と所定のギャップを隔てて対向配置され、前記ローラ表面に直接接触する接触トナーおよび該接触トナーに接触し前記ローラ表面には接触しない非接触トナーの双方を含むトナー層を担持するトナー担持ローラと、前記非接触トナーが前記トナー担持ローラ表面から飛翔するために前記トナー担持ローラ表面において必要な電界強度を非接触トナー飛翔開始電界強度、前記接触トナーが前記トナー担持ローラ表面から飛翔するために前記トナー担持ローラ表面において必要な電界強度を接触トナー飛翔開始電界強度と定義したとき、前記潜像担持体表面のうち前記非画像部と前記トナー担持ローラ表面との間における電界強度が前記接触トナー飛翔開始電界強度よりも低くかつ前記非接触トナー飛翔開始電界強度よりも高くなる交番電界を、トナー飛翔電界として前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの間に形成する電界形成手段とを備えることを特徴としている。
【０００８】
このように構成された発明では、トナー担持ローラ表面に直接接触する接触トナーと、トナー担持ローラ表面には直接接触しない非接触トナーとの双方をトナー担持ローラに担持させる。これにより、潜像担持体とトナー担持ローラとの間で多くのトナーを飛翔させることができ、現像濃度を向上させることができる。その一方、トナー飛翔量を確保するためにトナー飛翔電界を強くするとトナー飛散が起こりやすい。特に、本来トナーを付着させる必要のない非画像部に対向するトナー担持ローラ表面から飛翔したトナーが問題となる。というのは、このようなトナーは最終的にはトナー担持ローラ表面に戻らなければならないが、交番電界の作用により往復飛翔する間に潜像担持体に付着して地カブリとなったり、電界の拘束を逃れて飛散したりするからである。
【０００９】
ここで、接触トナーはトナー担持ローラ表面から受けるクーロン力やファンデルワールス力によりトナー担持ローラへの拘束が強いのに対し、非接触トナーに対してはこの拘束が比較的弱い。このことから、トナー担持ローラ表面からトナーを飛翔させるために必要な電界強度は、接触トナーで高く、非接触トナーではより低い。つまり、接触トナー飛翔開始電界強度は非接触トナー飛翔開始電界強度よりも大きな値となる。本発明では、このような飛翔開始電界強度の差異を利用して、上記問題を解決するようにしている。
【００１０】
すなわち、本発明では、潜像担持体表面のうち非画像部とトナー担持ローラ表面との間に形成されるトナー飛翔電界が接触トナー飛翔開始電界強度よりも低くかつ非接触トナー飛翔開始電界強度よりも高くなるように、トナー飛翔電界を設定している。この条件下では、非画像部とトナー担持ローラ表面との間で非接触トナーの飛翔が許容されるのに対して接触トナーはトナー担持ローラ表面からほとんど飛翔しない。トナー担持ローラに直接接触している接触トナーは非接触トナーよりも高い帯電量を有している場合が多く、このようなトナーが飛翔し交番電界により往復移動する間に非画像部に付着して地カブリを生じさせたり、装置内部に飛散しやすい。この発明では潜像担持体表面の非画像部とトナー担持ローラ表面との間で接触トナーを飛翔させないので、地カブリやトナー飛散の発生が抑えられる。一方で、非接触トナーについては飛翔を許容し現像に寄与させることで、トナー飛翔量の減少に起因する現像濃度の低下を抑えることができる。
【００１１】
このように、本発明では、トナー担持ローラに接触トナーと非接触トナーとの双方を担持させることで、比較的低いトナー飛翔電界でも十分なトナー飛翔量を得て現像濃度を増大させることができる。また、このようにトナー飛翔電界を低く抑えることができることから、トナー飛散についても抑制することができる。さらに、潜像担持体表面のうち非画像部とトナー担持ローラ表面との間では接触トナーを飛翔させないようにしているので、トナー飛散をさらに抑えるとともに潜像担持体の非画像部にトナーが付着し地カブリを生じさせるのを抑制することができる。
【００１２】
この発明において、前記電界形成手段は、前記潜像担持体表面のうち前記画像部と前記トナー担持ローラ表面との間における電界強度が前記接触トナー飛翔開始電界強度よりも高くなるように、前記トナー飛翔電界を形成することが好ましい。このようにすると、画像部とトナー担持ローラ表面との間では接触トナーおよび非接触トナーのいずれもが飛翔する。このため、画像部を十分な現像濃度で現像することが可能である。
【００１３】
また、この発明にかかる画像形成装置の他の態様は、上記目的を達成するため、トナーを付着させるべき画像部とトナーを付着させない非画像部との間で電位を異ならせた静電潜像を担持可能な潜像担持体と、ローラ状に形成されて前記潜像担持体と所定のギャップを隔てて対向配置され、前記ローラ表面に直接接触する接触トナーおよび該接触トナーに接触し前記ローラ表面には接触しない非接触トナーの双方を含むトナー層を担持するトナー担持ローラと、前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの間に、前記トナー担持ローラ表面のトナーを飛翔させる交番電界をトナー飛翔電界として形成する電界形成手段と
を備え、前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの対向位置において、前記潜像担持体表面のうち前記非画像部と前記トナー担持ローラ表面との間では、前記非接触トナーを飛翔させる一方前記接触トナーを飛翔させないことを特徴としている。
【００１４】
また、この発明にかかる画像形成方法は、上記目的を達成するため、静電潜像を担持可能な潜像担持体とローラ状に形成したトナー担持ローラとを所定のギャップを隔てて対向配置し、トナーを付着させるべき画像部とトナーを付着させない非画像部との間で電位を異ならせた静電潜像を、前記潜像担持体表面に形成し、前記ローラ表面に直接接触する接触トナーおよび該接触トナーに接触し前記ローラ表面には接触しない非接触トナーの双方を含むトナー層を前記トナー担持ローラ表面に形成して前記潜像担持体との対向位置に搬送し、前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの間に、前記トナー担持ローラ表面のトナーを飛翔させる交番電界をトナー飛翔電界として形成することで前記静電潜像を前記トナーにより現像し、しかも、前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの対向位置において、前記潜像担持体表面のうち前記非画像部と前記トナー担持ローラ表面との間では、前記非接触トナーを飛翔させる一方、前記接触トナーを飛翔させないことを特徴としている。
【００１５】
このように構成された発明では、前述した画像形成装置と同様に、非画像部とトナー担持ローラ表面との間において接触トナーについては飛翔させないことで地カブリやトナー飛散を抑えつつ、非接触トナーについては飛翔を許容することで十分な現像濃度を得ることが可能となっている。
【００１６】
この発明において、前記潜像担持体と前記トナー担持ローラとの対向位置において、前記潜像担持体表面のうち前記画像部と前記トナー担持ローラ表面との間では、前記接触トナーおよび前記非接触トナーの双方を飛翔させることが好ましい。こうすることで、前述した画像形成装置と同様に画像部を十分な現像濃度で現像することができる。
【００１７】
上記各発明において、トナーを前記潜像担持体から前記トナー担持ローラに向かう方向に飛翔させる極性の電界が生じる期間がこれとは逆極性の電界が生じる期間よりも長くなる電界を形成するようにしてもよい。このようにすると、いったんトナー担持ローラ表面から飛翔したトナーであって画像部に付着しなかったものの回収を促進して、地カブリやトナー飛散をさらに抑えることができる。
【００１８】
また、前記トナー担持ローラは、トナーを担持する表面が導電性を有する材料により形成されていてもよい。このような構成では、導電性を有するトナー担持ローラとこれに接触するトナーとの間で鏡像力が強く作用するため、接触トナーが飛翔しにくいという性質が強く現れる。そのため、十分な現像濃度を得ることと地カブリやトナー飛散を抑えることとを両立させるのが難しい。このような装置に本発明を適用すると、特に優れた効果を得ることができる。
【００１９】
また、前記トナー担持ローラは、金属素管の表面に転造加工により凹部が形成されたものであってもよい。また、円筒形状の表面にトナーを収容するための凹部を形成されており、前記凹部の深さがトナーの体積平均粒径の２倍以上であってもよい。このようにすると、平均的には凹部に２層以上のトナーを担持することが可能である。したがって、トナー担持ローラ表面に直接接触する接触トナーの層と、この接触トナーの層に接するが直接にはトナー担持ローラ表面に接触しない非接触トナーの層とを担持することができる。
【００２０】
また、トナーを凹部に担持する構造とすることにより、より確実に非接触トナーを担持することができる。非接触トナーはトナー担持ローラへの拘束力が比較的弱いため、トナー担持ローラ表面から離脱して飛散しやすいが、トナーを凹部内に収容した状態で担持することによって、このような離脱を抑制することができる。
【００２１】
この場合において、前記トナー担持ローラ表面のうち前記凹部以外に形成されるトナー層をトナー１層以下に規制する規制部材を備えるようにしてもよく、また前記トナー担持ローラ表面のうち前記凹部以外へのトナー担持を規制する規制部材を備えるようにしてもよい。凹部以外に担持されたトナーはトナー担持ローラ表面に露出しているため飛散しやすいが、そのトナーをトナー１層以下に抑えてトナーがトナー担持ローラ表面に直接接触するようにすれば、トナー担持ローラ表面からの強い拘束力によって離脱を抑制することができる。特に、凹部以外でトナーを担持させないようにすればその効果はより高くなる。
【００２２】
また、本発明は、体積平均粒径が５μｍ以下であるトナーを用いる場合に特に有効である。このような小粒径のトナーでは、ファンデルワールス力やクーロン力の作用が強いためトナー担持ローラから飛翔しにくく、十分な現像濃度を得るためには強いトナー飛翔電界を必要とする。その一方で、いったん飛翔したトナーは帯電量や質量が小さいためトナー飛翔電界による拘束を逃れて飛散しやすい。このため、現像濃度と地カブリやトナー飛散の抑制とを両立させることが、大きな粒径のトナーを用いた場合よりもさらに困難である。このようなトナーを用いる場合に本発明を適用することにより、地カブリやトナー飛散の発生を抑えながら十分な現像濃度を得ることができる。すなわち、本発明はトナーの小粒径化を図る上で好適な技術を提供するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１はこの発明を適用した画像形成装置の一実施形態を示す図である。また、図２は図１の画像形成装置の電気的構成を示すブロック図である。この装置は、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の４色のトナー（現像剤）を重ね合わせてフルカラー画像を形成したり、ブラック（Ｋ）のトナーのみを用いてモノクロ画像を形成する画像形成装置である。この画像形成装置では、ホストコンピュータなどの外部装置から画像信号がメインコントローラ１１に与えられると、このメインコントローラ１１からの指令に応じてエンジンコントローラ１０に設けられたＣＰＵ１０１がエンジン部ＥＧ各部を制御して所定の画像形成動作を実行し、シートＳに画像信号に対応する画像を形成する。
【００２４】
このエンジン部ＥＧでは、感光体２２が図１の矢印方向Ｄ1に回転自在に設けられている。また、この感光体２２の周りにその回転方向Ｄ1に沿って、帯電ユニット２３、ロータリー現像ユニット４およびクリーニング部２５がそれぞれ配置されている。帯電ユニット２３は所定の帯電バイアスを印加されており、感光体２２の外周面を所定の表面電位に均一に帯電させる。クリーニング部２５は一次転写後に感光体２２の表面に残留付着したトナーを除去し、内部に設けられた廃トナータンクに回収する。これらの感光体２２、帯電ユニット２３およびクリーニング部２５は一体的に感光体カートリッジ２を構成しており、この感光体カートリッジ２は一体として装置本体に対し着脱自在となっている。
【００２５】
そして、この帯電ユニット２３によって帯電された感光体２２の外周面に向けて露光ユニット６から光ビームＬが照射される。この露光ユニット６は、外部装置から与えられた画像信号に応じて光ビームＬを感光体２２上に露光して画像信号に対応する静電潜像を形成する。
【００２６】
こうして形成された静電潜像は現像ユニット４によってトナー現像される。すなわち、この実施形態では、現像ユニット４は、図１紙面に直交する回転軸中心に回転自在に設けられた支持フレーム４０、支持フレーム４０に対して着脱自在のカートリッジとして構成されてそれぞれの色のトナーを内蔵するイエロー用の現像器４Ｙ、シアン用の現像器４Ｃ、マゼンタ用の現像器４Ｍ、およびブラック用の現像器４Ｋを備えている。この現像ユニット４は、エンジンコントローラ１０により制御されている。そして、このエンジンコントローラ１０からの制御指令に基づいて、現像ユニット４が回転駆動されるとともにこれらの現像器４Ｙ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｋが選択的に感光体２２と所定のギャップを隔てて対向する所定の現像位置に位置決めされると、当該現像器に設けられて選択された色のトナーを担持する現像ローラ４４が感光体２２に対し対向配置され、その対向位置において現像ローラ４４から感光体２２の表面にトナーを付与する。これによって、感光体２２上の静電潜像が選択トナー色で顕像化される。
【００２７】
図３は現像器の外観を示す図である。また、図４は現像器の構造および感光体の電位分布を示す図である。より詳しくは、図４（ａ）は現像器４Ｋの構造を示す断面図である。また、図４（ｂ）は感光体２２表面の電位分布の例を示す図である。各現像器４Ｙ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｋはいずれも同一構造を有している。したがって、ここでは、現像器４Ｋの構成について図３および図４（ａ）を参照しながらさらに詳しく説明するが、その他の現像器４Ｙ、４Ｃ、４Ｍについてもその構造および機能は同じである。
【００２８】
この現像器４Ｋでは、その内部に一成分トナーＴを収容するハウジング４１に供給ローラ４３および現像ローラ４４が軸着されており、当該現像器４Ｋが上記現像位置に位置決めされると、現像ローラ４４が感光体２と現像ギャップＤＧを隔てて対向位置決めされるとともに、これらのローラ４３、４４が本体側に設けられた回転駆動部（図示省略）と係合されて所定の方向に回転する。供給ローラ４３は例えば発泡ウレタンゴム、シリコンゴムなどの弾性材料により円筒状に形成されている。また、現像ローラ４４は、銅、アルミニウム、ステンレス等の金属または合金などの導電性材料の金属素管により円筒状に形成されている。そして、２つのローラ４３、４４が接触しながら回転することでトナーが現像ローラ４４の表面に擦り付けられて所定厚みのトナー層が現像ローラ４４表面に形成される。この実施形態では負帯電トナーを用いるが、正帯電トナーであってもよく、その場合には以下に説明する各部の電位についてはその極性を反転して考えればよい。
【００２９】
ハウジング４１の内部空間は隔壁４１ａによって第１室４１１および第２室４１２に仕切られている。供給ローラ４３および現像ローラ４４はともに第２室４１２に設けられており、これらのローラの回転に伴って第２室４１２内のトナーが流動し攪拌されながら現像ローラ４４の表面に供給される。一方、第１室４１１に貯留されているトナーは、供給ローラ４３および現像ローラ４４とは隔離されているので、これらの回転によっては流動しない。このトナーは、現像ユニット４が現像器を保持したまま回転することによって、第２室４１２に貯留されたトナーと混合され攪拌される。
【００３０】
このように、この現像器では、ハウジング内部を２室に仕切り、供給ローラ４３および現像ローラ４４の周囲をハウジング４１の側壁および隔壁４１ａで囲み比較的容積の小さい第２室４１２を設けることにより、トナー残量が少なくなった場合でも、トナーが効率よく現像ローラ４４の近傍に供給されるようにしている。また、第１室４１１から第２室４１２へのトナー供給およびトナー全体の攪拌を現像ユニット４の回転によって行うようにすることで、現像器内部にトナー攪拌のための攪拌部材（オーガ）を省いたオーガレス構造を実現している。
【００３１】
また、この現像器４Ｋでは、現像ローラ４４の表面に形成されるトナー層の厚みを所定厚みに規制するための規制ブレード４６が配置されている。この規制ブレード４６は、ステンレスやリン青銅などの弾性を有する板状部材４６１と、板状部材４６１の先端部に取り付けられたシリコンゴムやウレタンゴムなどの樹脂部材からなる弾性部材４６２とで構成されている。この板状部材４６１の後端部はハウジング４１に固着されており、図４の矢印に示す現像ローラ４４の回転方向Ｄ4において、板状部材４６１の先端部に取り付けられた弾性部材４６２が板状部材４６１の後端部よりも上流側に位置するように配設されている。そして、その弾性部材４６２が現像ローラ４４表面に弾性的に当接することで規制ニップを形成し、現像ローラ４４の表面に形成されるトナー層を最終的に所定の厚みに規制する。現像ローラ４４の表面構造については、後に詳しく説明する。
【００３２】
このようにして現像ローラ４４の表面に形成されたトナー層は、現像ローラ４４の回転によって順次、その表面に静電潜像が形成されている感光体２との対向位置に搬送される。そして、エンジンコントローラ１０に制御されるバイアス用電源１４０からの現像バイアスが現像ローラ４４に印加される。図４（ｂ）に示すように、感光体２２の表面電位Ｖsは、帯電ユニット２３により均一に帯電された後露光ユニット６からの光ビームＬの照射を受けた露光部の電位ＶLは感光体２２の残留電位程度にまで低下し、光ビームＬが照射されなかった非露光部ではほぼ均一の電位Ｖoとなっている。一方、現像ローラ４４に与えられる現像バイアスＶbは矩形波交流電圧であり、このような現像バイアスＶbが印加されることにより、現像ローラ４４上に担持されたトナーは現像ギャップＤＧにおいて飛翔して感光体２２の表面各部にその表面電位Ｖsに応じて部分的に付着し、こうして感光体２２上の静電潜像が当該トナー色のトナー像として顕像化される。なおこの説明では一般的なネガ潜像型、つまり露光により電荷が除去された部分にトナーを付着させるタイプの画像形成装置を想定している。
【００３３】
さらに、ハウジング４１には、現像ローラ４４の回転方向において感光体２２との対向位置よりも下流側で現像ローラ４４表面に圧接されたシール部材４７が設けられている。シール部材４７は、ポリエチレン、ナイロンまたはフッ素樹脂などの柔軟性を有する材料により形成され、現像ローラ４４の回転軸に平行な方向Ｘに沿って延びる帯状のフィルムであり、長手方向Ｘに直交する短手方向における一方端部がハウジング４１に固着されるとともに、他方端部が現像ローラ４４表面に当接されている。他方端部は現像ローラ４４の回転方向Ｄ4における下流側に向かうように、いわゆるトレイル方向に現像ローラ４４に当接されており、感光体２２との対向位置を通過した現像ローラ４４表面に残留しているトナーをハウジング４１内に案内するともに、ハウジング内のトナーが外部へ漏れ出すのを防止している。
【００３４】
図１に戻って画像形成装置の説明を続ける。上記のようにして現像ユニット４で現像されたトナー像は、一次転写領域ＴＲ1で転写ユニット７の中間転写ベルト７１上に一次転写される。転写ユニット７は、複数のローラ７２〜７５に掛け渡された中間転写ベルト７１と、ローラ７３を回転駆動することで中間転写ベルト７１を所定の回転方向Ｄ2に回転させる駆動部（図示省略）とを備えている。そして、カラー画像をシートＳに転写する場合には、感光体２２上に形成される各色のトナー像を中間転写ベルト７１上に重ね合わせてカラー画像を形成するとともに、カセット８から１枚ずつ取り出され搬送経路Ｆに沿って二次転写領域ＴＲ2まで搬送されてくるシートＳ上にカラー画像を二次転写する。
【００３５】
このとき、中間転写ベルト７１上の画像をシートＳ上の所定位置に正しく転写するため、二次転写領域ＴＲ2にシートＳを送り込むタイミングが管理されている。具体的には、搬送経路Ｆ上において二次転写領域ＴＲ2の手前側にゲートローラ８１が設けられており、中間転写ベルト７１の周回移動のタイミングに合わせてゲートローラ８１が回転することにより、シートＳが所定のタイミングで二次転写領域ＴＲ2に送り込まれる。
【００３６】
また、こうしてカラー画像が形成されたシートＳは定着ユニット９によりトナー像を定着され、排出前ローラ８２および排出ローラ８３を経由して装置本体の上面部に設けられた排出トレイ部８９に搬送される。また、シートＳの両面に画像を形成する場合には、上記のようにして片面に画像を形成されたシートＳの後端部が排出前ローラ８２後方の反転位置ＰＲまで搬送されてきた時点で排出ローラ８３の回転方向を反転し、これによりシートＳは反転搬送経路ＦＲに沿って矢印Ｄ3方向に搬送される。そして、ゲートローラ８１の手前で再び搬送経路Ｆに乗せられるが、このとき、二次転写領域ＴＲ2において中間転写ベルト７１と当接し画像を転写されるシートＳの面は、先に画像が転写された面とは反対の面である。このようにして、シートＳの両面に画像を形成することができる。
【００３７】
また、図２に示すように、各現像器４Ｙ，４Ｃ，４Ｍおよび４Ｋには該現像器の製造ロットや使用履歴、内蔵トナーの残量などに関するデータを記憶するメモリ９１〜９４がそれぞれ設けられている。さらに、各現像器４Ｙ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｋには無線通信器４９Ｙ、４９Ｃ、４９Ｍ、４９Ｋがそれぞれ設けられている。そして、必要に応じて、これらが選択的に本体側に設けられた無線通信器１０９と非接触にてデータ通信を行い、インターフェース１０５を介してＣＰＵ１０１と各メモリ９１〜９４との間でデータの送受を行って該現像器に関する消耗品管理等の各種情報の管理を行っている。なお、この実施形態では、無線通信等の電磁的手段を用いて非接触にてデータ送受を行っているが、本体側および各現像器側にコネクタ等を設け、コネクタ等を機械的に嵌合させることで相互にデータ送受を行うようにしてもよい。
【００３８】
また、この装置では、図２に示すように、メインコントローラ１１のＣＰＵ１１１により制御される表示部１２を備えている。この表示部１２は、例えば液晶ディスプレイにより構成され、ＣＰＵ１１１からの制御指令に応じて、ユーザへの操作案内や画像形成動作の進行状況、さらに装置の異常発生やいずれかのユニットの交換時期などを知らせるための所定のメッセージを表示する。
【００３９】
なお、図２において、符号１１３はホストコンピュータなどの外部装置よりインターフェース１１２を介して与えられた画像を記憶するためにメインコントローラ１１に設けられた画像メモリである。また、符号１０６はＣＰＵ１０１が実行する演算プログラムやエンジン部ＥＧを制御するための制御データなどを記憶するためのＲＯＭ、また符号１０７はＣＰＵ１０１における演算結果やその他のデータを一時的に記憶するＲＡＭである。
【００４０】
また、ローラ７５の近傍には、クリーナ７６が配置されている。このクリーナ７６は図示を省略する電磁クラッチによってローラ７５に対して近接・離間移動可能となっている。そして、ローラ７５側に移動した状態でクリーナ７６のブレードがローラ７５に掛け渡された中間転写ベルト７１の表面に当接し、二次転写後に中間転写ベルト７１の外周面に残留付着しているトナーを除去する。
【００４１】
さらに、ローラ７５の近傍には、濃度センサ６０が配置されている。この濃度センサ６０は、中間転写ベルト７１の表面に対向して設けられており、必要に応じ、中間転写ベルト７１の外周面に形成されるトナー像の画像濃度を測定する。そして、その測定結果に基づき、この装置では、画像品質に影響を与える装置各部の動作条件、例えば各現像器に与える現像バイアスや、露光ビームＬの強度、さらには装置の階調補正特性などの調整を行っている。
【００４２】
この濃度センサ６０は、例えば反射型フォトセンサを用いて、中間転写ベルト７１上の所定面積の領域の濃淡に対応した信号を出力するように構成されている。そして、ＣＰＵ１０１は、中間転写ベルト７１を周回移動させながらこの濃度センサ６０からの出力信号を定期的にサンプリングすることで、中間転写ベルト７１上のトナー像各部の画像濃度を検出することができる。
【００４３】
次に、上記のように構成された画像形成装置、具体的には、感光体と現像ローラとを離隔対向配置し両者間のギャップに交番電界を発生させてトナーを飛翔させる、いわゆるＡＣジャンピング現像方式の画像形成装置における感光体２２の表面電位と現像バイアスＶｂとの好ましい関係について説明する。本願発明者らは、上記のような画像形成装置において、現像ローラ４４表面に担持されるトナー層をトナー２層以上とし、しかも静電潜像の電位および現像バイアス電位を適切に設定することにより、特に小粒径トナーで顕著となる現像濃度の低下や地カブリおよびトナー飛散の増大の問題を効果的に解決できることを見出した。以下、その知見について説明する。
【００４４】
図５は図１の画像形成装置の主要部を示す模式図である。また、図６は図５の構成における各部の電位の例を示す図である。この画像形成装置では、図５に示すように、感光体２２が帯電ユニット２３により所定の表面電位に均一に帯電される。そして、画像信号に応じて露光ユニット６が感光体２２表面を露光して感光体２２表面に静電潜像が形成される。現像ギャップＤＧの近傍における感光体２２の表面電位Ｖsは、前記したように露光部でＶL、非露光部でＶoである。
【００４５】
一方、感光体２２と現像ギャップＤＧを隔てて対向配置された現像ローラ４４の表面にはトナー層が担持されており、バイアス用電源１４０からの現像バイアスＶbが印加されている。図５に示すように、現像バイアスＶbは交流電圧Ｖacと直流電圧Ｖdcとが重畳されたものであり、図６に示すように、交流電圧Ｖacは矩形波電圧である。その振幅（ピーク間電圧）を符号Ｖppにより示す。したがって現像バイアスＶbの瞬時値は直流電位Ｖdcを中心に±（Ｖpp／２）の間で変化する。現像バイアスＶbの正側最大値および負側最大値をそれぞれ符号ＶmaxおよびＶminにより示す。
【００４６】
現像バイアスＶbの交流成分Ｖacの繰り返し周期Ｔcのうち、電位が正側に振れている期間を符号Ｔp、負側に振れている期間を符号Ｔnにより表すとともに、現像バイアスＶbの波形デューティＷＤを次式：
ＷＤ＝Ｔp／（Ｔp＋Ｔn）＝Ｔp／Ｔc
により定義する。後述するように、この実施形態ではＴp＞Ｔnとなるように、つまり波形デューティＷＤが５０％より大きくなるように、バイアス波形が定められている。したがって、波形デューティも含めた現像バイアスＶbの実効的な平均値、すなわち加重平均電圧Ｖaveは、現像バイアスＶbの直流成分Ｖdcとは必ずしも一致せず、この実施形態では直流成分Ｖdcよりもゼロ電位に近い値となる。
【００４７】
現像バイアスＶbの加重平均電圧Ｖaveと感光体２２表面のうち露光部の電位ＶLとの電位差がいわゆる「現像コントラスト電圧」であり、現像濃度に大きく影響するパラメータである。また、現像ギャップＤＧにおいて対向する感光体２２表面と現像ローラ４４表面との電位差に起因して現像ローラ４４表面近傍に形成される電界は、現像ローラ４４表面に担持されたトナーを飛翔させる作用を有する。
【００４８】
すなわち、現像ローラ４４表面に担持されたトナーは、現像ローラ４４表面と感光体２２表面との電位差に起因して現像ギャップＤＧに形成される電界の強度がある程度以上になると、図５に符号Ｔで示すように、トナーが電界から受けるクーロン力が現像ローラ４４への付着力を上回って現像ローラ４４表面から飛翔する。負帯電トナーが用いられている場合、現像ローラ４４に印加された現像バイアスＶbが負側の値Ｖminとなるときに、現像ギャップＤＧにはトナーを現像ローラ４４表面から引き離す極性の電界が生じる。そして、交番電界の作用により、トナーは現像ギャップＤＧ内を往復運動するようになる。この明細書では、トナーを飛翔させるために現像ギャップＤＧ内に形成される電界を「トナー飛翔電界」と称する。
【００４９】
ここで、現像ローラ４４からトナーを飛翔させるために必要な電界強度について検討する。なお、以下では現像ローラ４４表面においてトナーを飛翔させるために最低限必要な電界強度を「飛翔開始電界強度」と称する。
【００５０】
図７はトナー粒子径と飛翔開始電界強度との関係を測定した結果を示す図である。より具体的には、図７（ａ）はトナー粒子径に対する飛翔開始電界強度の変化を示す図であり、図７（ｂ）は飛翔開始電界強度の実測値の例を示す図である。なお、飛翔開始電界強度の具体的な測定方法については後に説明する。図７（ａ）において実線で示す曲線Ａは、現像ローラ４４表面にトナー１層以下のトナー層を担持させた場合の飛翔開始電界強度（以下、「単層トナー飛翔開始電界強度」という）の実測結果である。トナーの粒子径が小さいほど飛翔開始電界強度が高くなることが示されている。これは、トナー粒子径が小さいほど質量当たりの表面積や帯電量が大きくなるため、より現像ローラ４４表面への付着力が大きくなるためと考えられる。
【００５１】
また、破線で示す曲線Ｂおよび一点鎖線で示す曲線Ｃは、現像ローラ４４表面にトナー２層からなるトナー層を担持させた場合の実測結果である。現像ローラ４４の表面に２層、より厳密には１層を超えるトナー層を担持させた場合には、全てのトナーが現像ローラ４４表面に接触するのではなく、一部のトナーは現像ローラ４４表面に接触するトナーに接触することによって間接的に現像ローラ４４に担持されることとなる。本願発明者らの知見によればこれら２種類のトナーの振る舞いの差異が現像動作の特性に大きく寄与することがわかっている。以下ではこれらを区別するため、トナー層を構成するトナーのうち現像ローラ４４に直接接しているものを「接触トナー（符号Ｔ1）」、現像ローラ４４には接触せず上記接触トナーに接触することで現像ローラ４４に担持されているトナーを「非接触トナー（符号Ｔ2）」と称する。
【００５２】
図７（ａ）に示す曲線Ｂは、接触トナーについての飛翔開始電界強度（以下、「接触トナー飛翔開始電界強度」という）を示している。また、曲線Ｃは、非接触トナーについての飛翔開始電界強度（以下、「非接触トナー飛翔開始電界強度」という）を示している。これらは個別に測定することが可能であり、その測定方法についても後に詳述する。
【００５３】
図７（ａ）の曲線ＢおよびＣに示すように、トナー層が２層の場合でもトナー粒子径が小さいほど飛翔開始電界強度が高くなっている。そして、接触トナー飛翔開始電界強度（曲線Ｂ）は単層トナー飛翔開始電界強度（曲線Ａ）よりも小さく、また非接触トナー飛翔開始電界強度（曲線Ｃ）は接触トナー飛翔開始電界強度（曲線Ｂ）よりもさらに小さい。なお、以下では、体積平均粒径がある値Ｄtであるトナーにおける単層トナー飛翔開始電界強度、接触トナー飛翔開始電界強度および非接触トナー飛翔開始電界強度の値を、それぞれ符号Ｅ0、Ｅ1およびＥ2により表す。
【００５４】
実測数値例として、体積平均粒径Ｄtが４．５μｍであるトナーを用いて測定したときの、単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0、接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1および非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2の実測結果を図７（ｂ）に示す。このような結果となる理由については、次のように説明することができる。
【００５５】
図８は電界が印加されたときの現像ローラ表面での挙動を示す図である。現像ローラ４４表面に担持されたトナー層がトナー１層であるとき、前記したように、トナーは現像ローラ４４表面に直接接触しているため強く拘束されている。したがって、図８（ａ）に示すように、強い電界Ｅ0を加えなければトナーは飛翔しない。
【００５６】
これに対して、現像ローラ４４表面に担持されたトナー層がトナー１層分を超えているとき、図８（ｂ）に示すように、現像ローラ４４表面に直接接触している接触トナーＴ1（白丸印により示す）の他に、このような接触トナーに接触しているものの現像ローラ４４表面には直接接触しない非接触トナーＴ2（ハッチングを付した丸印により示す）が存在する。このような非接触トナーＴ2に対しては現像ローラ４４表面からの拘束力が弱い。したがって、非接触トナーＴ2が現像ローラ４４から飛翔するために必要な電界強度（非接触トナー飛翔開始電界強度）Ｅ2は、トナー層がトナー１層であるときの飛翔開始電界強度Ｅ0より大幅に低くて済む。
【００５７】
一方、現像ローラ４４表面に担持されたトナー層がトナー１層分を超えている場合であっても現像ローラ４４表面に直接接触しているトナー（接触トナー）Ｔ1は、トナー層がトナー１層であるときのトナーと同様の拘束力を現像ローラ４４から受けている。したがって、単純には単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0と同等の電界を加えなければトナーＴ1は飛翔しないと考えられる。
【００５８】
しかしながらこの場合、もともとトナー層が１層である場合と異なり、図８（ｃ）に示すように、現像ローラ４４表面近傍にはより弱い電界で飛翔する非接触トナーＴ2が存在している。こうして飛翔するトナーが交番電界により往復移動しながら加速された結果十分な運動エネルギーを得て、図８（ｄ）に示すように現像ローラ４４上の接触トナーＴ1に衝突してこれをはじき出し、結果として接触トナーＴ1を飛翔させることがある。つまり、非接触トナーＴ2がより弱い電界で飛翔開始することに起因して、単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0よりも弱い電界でも接触トナーＴ1が飛翔しうる。このため、接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1が、単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0よりも小さくなるものと考えられる。
【００５９】
このように、現像ローラ４４表面に１層を超えるトナーを担持させた場合、トナー層がトナー１層以下の場合よりも弱い電界でもトナーを飛翔させることが可能である。言い換えれば、現像ローラ４４表面に１層を超えるトナーを担持させることによって、現像ギャップＤＧにおいて必要なトナー飛翔量を確保するために必要な電界強度が低くて済む。なお、ここでは「現像ローラ４４表面に１層を超えるトナーを担持させる」と表現しているが、より厳密に原理に沿って言えば、トナー層の厚みの問題ではなく「現像ローラ４４表面に、接触トナー、非接触トナーの双方を含むトナー層を担持させる」点がより重要である。
【００６０】
なお、本願発明者らの研究によれば、接触トナーとなるトナーは一般的に帯電量が高く、非接触トナーとなるトナーは相対的に帯電量が低い傾向にある。これは、高い帯電量を有するトナーの方が現像ローラへより強い力で引き寄せられる反面、このようなトナーによって帯電量の低いトナーは現像ローラ表面近傍から遠い位置へ押しやられるためと考えられる。実際に、現像ローラ表面が金属など導電性材料で形成されている場合には接触トナーと非接触トナーとの挙動の差が顕著であることが確認されている。これは、導電性の高い材料と帯電量の高いトナーとの間で強い鏡像力が作用するためと考えられる。
【００６１】
また、次に説明するように、接触トナーと非接触トナーとで飛翔性に差があることをより積極的に利用して、現像濃度の向上と、地カブリやトナー飛散の抑制とを両立させることが可能である。まず、比較のためにトナー層が１層以下である場合のトナーの挙動について説明する。
【００６２】
図９はトナー層を１層以下としたときの電界強度分布を示す図である。図９のグラフにおける横軸は、現像ローラ４４の回転軸方向から現像ギャップＤＧを見たときの現像ローラ４４の表面位置を表している。すなわち、互いに略円筒形状をなす感光体２２と現像ローラ４４とが対向配置されてなる現像ギャップＤＧにおいて両者が最も接近している位置を原点Ｏとして、現像ローラ４４の周面上の各位置を該原点Ｏからの距離により表している。また縦軸は各位置における電界（トナー飛翔電界）の極性が現像ローラ４４表面からトナーを飛翔させる極性となるときの当該電界の電界強度を示している。これらは後出の図１０および１１においても同様である。
【００６３】
感光体２２と現像ローラ４４との電位差を各位置におけるギャップの大きさで除した値がその位置における電界強度であるが、前述のように感光体２２表面では露光部と非露光部とで表面電位が異なるため、現像ローラ４４表面各位置における電界強度は、当該位置が感光体２上の露光部と対向しているのか、非露光部と対向しているのかによって異なってくる。図６から明らかなように、感光体２２上の露光部と対向する現像ローラ４４表面における電界強度は、感光体表面電位ＶLと現像バイアス電位Ｖminとの差をギャップの大きさで除した値である。また、感光体２２上の非露光部と対向する現像ローラ４４表面における電界強度は、感光体表面電位Ｖoと現像バイアス電位Ｖminとの差をギャップの大きさで除した値である。
【００６４】
図６の関係からわかるように、現像ローラ４４表面のうち感光体２２の露光部と対向する位置では、非露光部と対向する位置よりも電界強度が高い。また、感光体２２と現像ローラ４４とが最近接する位置で電界強度は最高となり、この最近接位置から離れるにつれて電界強度は低下する。図９において実線で示す曲線Ａは、感光体２２上の露光部と対向する位置における電界（以下、「露光部電界」という）の電界強度を示している。また、破線で示す曲線Ｂは、感光体２２上の非露光部と対向する位置における電界（以下、「非露光部電界」という）の電界強度を示している。
【００６５】
現像ギャップＤＧにおいてトナーを飛翔させるためには、最近接ギャップ位置においてトナー飛翔電界の電界強度が単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0を越えていなければならない。より詳しくは、非露光部電界の電界強度が単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0を越えていなければならない。そうでなければ非露光部と対向する現像ローラ４４表面からトナーが飛翔せず、十分なトナー飛翔量を得られないからである。
【００６６】
ここで、電界強度が単層トナー飛翔開始電界強度以上である範囲がトナーが飛翔する領域であり、その幅が実効的な現像ギャップ幅であると言える。図９からわかるように、感光体２２の非露光部に対向する位置における現像ギャップ幅Ｌ01と、露光部に対向する位置における現像ギャップ幅Ｌ02は異なっており、非露光部に対向する位置における現像ギャップ幅Ｌ01は、露光部に対向する位置における現像ギャップ幅Ｌ02よりもかなり狭い。このことは、感光体２２の非露光部の近傍で飛翔するトナーの往復回数が、露光部の近傍で飛翔するトナーの往復回数よりも大幅に少ないことを意味している。
【００６７】
ＡＣジャンピング現像方式では、トナーが現像ギャップにおいて多数回往復飛翔することで十分な現像濃度と良好な画像コントラストを得ているが、特に非露光部でトナーの往復回数が少なく電界強度も低いということは、本来トナーが付着すべき領域ではない非露光部に付着してしまったトナーが現像ローラ４４に引き戻されなくなる可能性が高いことを意味している。こうして非露光部に付着してしまったトナーは現像されたトナー像に残留して地カブリを生じさせる。
【００６８】
カブリ現象については、本来の帯電極性（この実施形態では負極性）とは反対の極性に帯電したトナーや帯電量のごく小さいトナーが非露光部に付着することによって生じるものと一般には認識されているが、このようなトナーについては、感光体２２上で現像されたトナー像を他の転写媒体（中間転写体や記録材）に転写する際の転写バイアス等の工夫によって転写媒体に転写させないようにすることが可能である。しかしながら、本願発明者らの研究によれば、上記のように往復回数が少ないことに起因して非露光部にトナーが残留する現象はトナーの帯電極性と関係なく起こり、本来の帯電極性に帯電したトナーであっても非露光部に付着残留することがある。このようなトナーによって生じる地カブリについては転写時に防ぐことができない。
【００６９】
なお、非露光部に不要なトナーが付着するのを防ぐ、あるいは付着してしまったトナーを引き離すために、本実施形態でも行っているように現像バイアスの波形デューティを調整することが知られているが、このようにしても、十分な現像濃度を得ることと両立させながら地カブリを抑制することは容易でない。
【００７０】
また、前記したように単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0が比較的高いことから、現像ギャップＤＧにおいて十分なトナー飛翔量を得るためには、現像ギャップＤＧに比較的強いトナー飛翔電界を発生させる必要がある。そのような強い電界は飛翔トナーに大きな運動エネルギーを与えるため、装置内外へのトナー飛散が生じやすい。
【００７１】
このように、現像ローラ表面に１層以下のトナーを担持するように構成された装置においては、十分な現像濃度と地カブリやトナー飛散の抑制とを両立させることが難しい。特にトナーの粒子径を小さくしようとすると、図７（ａ）に示すように、トナー粒子径が小さいほどトナー飛翔開始電界強度が上昇するため、この問題はさらに顕著となる。
【００７２】
次に、現像ローラ表面に１層を超えるトナーを担持させた場合のトナーの挙動について検討する。この場合、現像ローラ表面には接触トナーと非接触トナーとが担持されているので、トナーの飛翔開始電界強度としては接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1、非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2の２つが存在する（Ｅ1＞Ｅ2）。したがって、これら２種類の飛翔開始電界強度と、露光部電界および非露光部電界の電界強度との関係によってトナーの挙動が決まる。
【００７３】
図１０はこの実施形態における現像ギャップの電界強度分布を示す図である。また、図１１はトナー層が１層を超える場合の電界強度分布の種々の比較例を示す図である。この実施形態では、図１０に曲線Ａで示す露光部電界の最近接ギャップ位置における電界強度が接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1よりも高くなるようにする。また、曲線Ｂで示す非露光部電界の最近接ギャップ位置における電界強度が、接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1よりも低く、かつ非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2よりも高くなるように、各部の電位を設定する。このようにする理由は以下の通りである。
【００７４】
露光部電界と非露光部電界とをどのように設定するかについては種々の組み合わせが考えられるが、まず、これらのいずれもが非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2を超えないケースは考えなくてよい。というのは、このようにすると現像ギャップにおいてトナーが飛翔せず、現像動作が成立しないからである。また、これらのいずれもが接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1を超えるケースでは、露光部、非露光部いずれに対向する現像ローラ表面からも接触トナー、非接触トナーの区別なく飛翔するので、トナーの挙動としては図９に示すトナー層が１層以下の場合と大差ない。したがって地カブリやトナー飛散の問題は依然として残るが、単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0に満たない電界でもトナーが飛翔するという利点はある。
【００７５】
次に、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、曲線Ｂで示す非露光部電界の最近接ギャップ位置における電界強度は非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2よりも低いが、曲線Ａで示す露光部電界の最近接ギャップ位置における電界強度が非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2よりも高いケースを考える。この場合、露光部に対向する現像ローラ表面からはトナーが飛翔するが、非露光部に対向する現像ローラ表面からは飛翔しない。ここで、図１１（ａ）に示すように露光部電界（曲線Ａ）の電界強度が接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1を超えていない場合には、飛翔するトナーは非接触トナーのみである。一方、図１１（ｂ）に示すように露光部電界（曲線Ａ）の電界強度が接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1を超えている場合には、非接触トナー、接触トナーのいずれもが飛翔する。いずれにせよ、感光体の非露光部と対向する現像ローラ表面からのトナー飛翔がないため、トナー飛翔量が少なく十分な現像濃度が得られない。
【００７６】
また、図１１（ｃ）に示すように、露光部電界（曲線Ａ）、非露光部電界（曲線Ｂ）のいずれもが接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1と非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2との間に位置しているケースでは、露光部、非露光部いずれに対向する現像ローラ表面からも非接触トナーのみが飛翔する。そのため、現像ギャップにおけるトナー飛翔量が少なく、また前記したように非接触トナーは帯電量の低いものが多いので、感光体表面の電位プロファイルに対する再現性が低い。つまり、感光体の表面電位の変化が忠実にトナー密度の変化として現れない。その結果、得られる画像は濃度が低くまた十分な画像コントラストが得られない場合がある。
【００７７】
これらの比較例に対し、図１０に示す本実施形態の電界分布では、非露光部に対向する現像ローラ表面からは非接触トナーのみが飛翔する一方、露光部に対向する現像ローラ表面からは非接触トナー、接触トナーのいずれもが飛翔する。このようにすれば、以下のような利点がある。
【００７８】
まず、非露光部で接触トナーを飛翔させないことで、非露光部への地カブリを減少させることができる。前記したように、接触トナーは帯電量の高いものが多い。このようなトナーが感光体の非露光部に付着した場合、これを再飛翔させて現像ローラに引き戻すには強い電界が必要である。しかしながら、非露光部電界は露光部電界よりも弱いのでこのような効果をあまり期待できず、接触トナーを飛翔させないことが地カブリ防止に最も効果的である。
【００７９】
また、非接触トナーであっても最近接ギャップ位置近傍の最も電界が強い位置で飛翔開始したものは比較的高い帯電量を持っていると考えられる。このようなトナーは最近接ギャップ位置を通り越して電界の弱い領域で感光体２２に付着してしまうとそれ以上往復運動しない。この実施形態では、感光体２２の非露光部に対向する位置においてトナーが飛翔する領域の幅、つまり実効的な現像ギャップ幅は、非露光部電界が非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2を上回る領域の幅Ｌ11であり、図９に示すトナー層が１層以下の場合よりも広くすることができる。このため、非露光部においても十分なトナーの往復回数を確保することができるので、飛翔した非接触トナーが感光体に付着残留する可能性が低くなっている。このことも、非露光部への地カブリを抑制する効果を有する。特に、この実施形態では、図６に示すように現像バイアスＶbの波形デューティを調節してトナーを現像ローラ４４に引き戻す極性の電界が生じる期間がその反対極性の電界が生じる期間より長くなるようにしているので、感光体２２の非露光部に移行したトナーをより効果的に現像ローラ４４へ引き戻すことができる。
【００８０】
一方、露光部について見ると、露光部電界が非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2を上回る領域が実効的な現像ギャップであり、その幅Ｌ12についても図９に示すトナー層が１層以下の場合よりも広くすることができる。このため、現像ギャップにおいて多くのトナーを飛翔させることができ、かつトナーの往復回数も増大するため、画像濃度および画像コントラストを向上させることができる。
【００８１】
これに加えて、露光部電界が接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1を上回るようにすると、露光部では非接触トナー、接触トナーの双方が飛翔するため、十分な現像濃度を得ることができる。また、前記したように非接触トナーは感光体上の電位プロファイルに対する再現性が低く、逆に帯電量の高い接触トナーは電位プロファイルに対する再現性が高いため小さな電位の変動が濃度変動として現れることがあるが、両トナーが混在した状態で現像を行わせることにより、このような欠点が相互に補完されて優れた画像品質を得ることができる。すなわち、細線画像については高い画像コントラストを得られ、また広い面積を有する画像については濃度ムラの少ない画像を得ることができる。
【００８２】
この場合において、接触トナーを飛翔させるために必要な電界強度Ｅ1は単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0よりも低いので、現像ギャップに発生させる電界の強度も低く抑えることができる。これによって、装置内外へのトナー飛散を抑制することができ、さらに現像ギャップにおける放電の発生をも防止することができる。
【００８３】
図１２はこの実施形態における各パラメータの設定方法の一例を示す図である。上記のような関係を実現するためのパラメータには、接触トナー飛翔開始電界強度（Ｅ1）、非接触トナー飛翔開始電界強度（Ｅ2）、露光部電界および非露光部電界がある。ただし、このうち接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1および非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2は、トナーに固有の属性であって使用するトナーが決まれば自動的に決まるものである。これらの値は、使用するトナーについて以下のような測定を行うことにより実験的に求めることができる。
【００８４】
図１３は飛翔開始電界強度の測定方法の第１の例を示す図である。この測定方法では、図１３（ａ）に示すように、感光体２２および現像ローラ４４を静止状態でギャップを隔てて対向させる。感光体２２表面については所定の表面電位に均一に帯電させる。一方、現像ローラ４４には２層以上のトナーを担持させるとともに、ギャップで放電が生じない程度の振幅を有する矩形波交流電圧を印加する。なお、この測定においては現像ローラ４４から飛翔したトナーは感光体２２側に移行することが望ましい。この点から感光体２２に与える表面電位が大きな負電位とならないようにすることが望ましい。
【００８５】
ギャップにおける電界強度は感光体２２と現像ローラ４４との最近接位置で最も高く、これから離れるにつれて低下してゆく。感光体２２の表面電位、現像ローラ４４に印加する交流電圧およびギャップの大きさから、図１３（ｂ）に示すような現像ローラ４４の周面上の位置Ｐに対するおける電界強度分布を求めることが可能である。
【００８６】
現像ローラ４４に交流電圧を所定時間印加した後、現像ローラ４４表面では、図１３（ａ）に示すように、ほとんどのトナーが飛翔して存在しなくなる領域Ｒ1、１層分のみトナーが残る領域Ｒ2およびトナーがほとんど飛翔しない領域Ｒ3が現れる。これは目視または顕微鏡を用いて観察することができる。また、工程が複雑になるが、現像ローラにある色のトナーを１層分担持させた後、異なる色のトナーをさらに担持させた状態でこの実験を行えば、より容易に各領域間の識別を行うことができる。
【００８７】
領域Ｒ1は接触トナーも飛翔する領域である一方、領域Ｒ2は非接触トナーは飛翔するが接触トナーは飛翔しない領域である。したがって、図１３（ｂ）に示すように、領域Ｒ1と領域Ｒ2との境界に当たる位置における電界強度が、接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1である。同様に、領域Ｒ3は非接触トナーも飛翔しない領域であるから、領域Ｒ2と領域Ｒ3との境界に当たる位置における電界強度が、非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2である。
【００８８】
このようにして接触および非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1およびＥ2を求めることができる。なお、上記実験については、同一条件で複数回行ったり、ギャップの大きさや交流電圧の振幅等の条件を変更して測定し結果を平均するなど統計的に処理することにより、数値の精度を向上させることができる。また、単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0を求める場合には、現像ローラ４４にトナーを１層のみ担持させた状態で上記と同様の実験を行い、現像ローラ４４表面からトナーがなくなる領域と層でない領域との境界における電界強度を求めてその値を単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0とすればよい。
【００８９】
図１４は飛翔開始電界強度の測定方法の第２の例を示す図である。この測定方法では、図１４（ａ）に示すように、上記方法と同様に感光体２２を帯電させ現像ローラ４４にトナーを担持させた状態で、現像ローラ４４を回転させながら矩形波交流電圧を印加する。この実験を、ギャップにおける電界Ｅを種々に変化させながら行い、電界強度と現像ローラ４４上のトナー残存量との関係を測定により求める。
【００９０】
なお、電界強度を変化させるためには感光体２２の表面電位、ギャップの大きさ、現像ローラ４４に与える交流電圧の振幅の組み合わせを変えればよいが、感光体２２の表面電位および交流電圧の振幅のいずれか一方を変化させるのが最も簡便である。また、現像ローラ４４へのトナー残存量を測定するのに代えて、感光体２２へのトナー付着量や、感光体２２に付着したトナーにより生じるトナー像の濃度を検出するようにしてもよい。
【００９１】
このようにすると、図１４（ｂ）に実線で示すように、電界強度が低いときにはトナーはほとんど減らないが、電界強度がある値に達すると急激に減少する。非接触トナーの飛翔が始まったからであると考えられ、このときの電界強度が非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2である。さらに電界強度を高めるとトナー残存量の変化は小さくなる。ほとんどの非接触トナーは飛翔するが、接触トナーが飛翔するには至っていないと考えられる。さらに電界強度を高めるとある値で再びトナー残存量が急激に減少する。接触トナーの飛翔が始まったと考えられ、このときの電界強度が接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1である。
【００９２】
なお、現像ローラ４４上のトナー層が１層であるときには、図１４（ｂ）に破線で示すように、トナー残存量の急激な変化は１回だけであり、この変化に対応する電界強度が単層トナー飛翔開始電界強度Ｅ0である。
【００９３】
図１２に戻って、この実施形態における各パラメータの設定方法の説明を続ける。図１２に示すように、現像バイアスの振幅Ｖppを横軸、電界強度を縦軸として、露光部電界および非露光部電界の電界強度をプロットする。ここで、現像ギャップＤＧの最近接位置におけるギャップの大きさをＧとすると、当該位置における露光部電界の電界強度ＥLについては、図６より次式：
ＥL ＝（ＶL−Ｖmin）／Ｇ＝｛ＶL−（Ｖdc−Ｖpp／２）｝／Ｇ
＝｛Ｖpp＋２（ＶL−Ｖdc）｝／２Ｇ
により表すことができる。同様に、現像ギャップＤＧの最近接位置における非露光部電界の電界強度Ｅoについては次式：
Ｅo ＝（Ｖo−Ｖmin）／Ｇ＝｛Ｖpp＋２（Ｖo−Ｖdc）｝／２Ｇ
により表すことができる。このように、露光部電界および非露光部電界の電界強度は現像バイアスの振幅Ｖppに比例しギャップの大きさＧに反比例する。３種類の異なるギャップの大きさＧ1、Ｇ2およびＧ3（ただし、Ｇ1＜Ｇ2＜Ｇ3）について露光部電界および非露光部電界の電界強度をプロットしたのが図１２のグラフである。
【００９４】
このグラフにおいて、
（１）露光部電界の電界強度ＥLが接触トナー飛翔開始電界Ｅ1よりも大きい、
（２）非露光部電界の電界強度Ｅoが非接触トナー飛翔開始電界Ｅ2よりも大きく接触トナー飛翔開始電界Ｅ1よりも小さい、
という２つの条件をともに満足するような現像バイアスの振幅Ｖppとギャップの大きさＧとの組み合わせが好ましい組み合わせである。例えば、ギャップの大きさＧをＧ1としたときには、現像バイアスの振幅Ｖppについては図１２の値Ｖ1からＶ2までの間の値にすればよい。
【００９５】
なお、もしこのような組み合わせが見つからなかった場合には、感光体の表面電位Ｖoを加減することができる。感光体２２の露光部電位ＶLは感光体材料の特性に依存する値であって自由に設定することはできない。また画像濃度にも影響を及ぼす。また、現像バイアスの直流成分Ｖdcも画像濃度に大きな影響を及ぼすパラメータである。これに対し感光体２２の非露光部電位Ｖoは帯電ユニット２３に与える帯電バイアスの大きさによって制御可能であり、また画像濃度に及ぼす影響も小さい。これを加減することにより、上式からわかるように、非露光部電界の電界強度Ｅoのみを変化させることが可能である。
【００９６】
次に、上記のような現像動作を実現するために好適な現像ローラの表面構造について説明する。これまで述べてきたように、この実施形態は、現像ローラ表面に１層を超えるトナーを担持させる、厳密には接触トナーおよび非接触トナーの双方を担持させるとともに、現像ギャップに発生させる電界を適切に制御することにより、現像濃度の向上と、地カブリおよびトナー飛散の抑制とを両立させようとするものである。しかしながら、非接触トナーに作用する現像ローラへの拘束力が弱いことから、現像ローラの回転に起因して現像ローラ表面から離脱し装置内外へ飛散してしまうおそれがある。
【００９７】
特に、従来から広く用いられている、表面をブラスト加工して表面積を増大させたタイプのローラ（ブラストローラ）のように現像ローラ表面の全面にトナーを担持する構造のものでこの問題が顕著であり、このような構造の現像ローラに１層を超えるトナーを担持させてもトナー飛散が多く実用にならない。また、プロセス速度向上の要請に応えるために現像ローラの回転数を高くした場合にも、現像ローラ表面から離脱したトナーの飛散が増大する。
【００９８】
現像ローラ表面からのトナーの離脱はこれまで主に回転によってトナーに作用する遠心力に起因するものと考えられているが、本願発明者らの研究によれば、現像ローラの回転に伴って生じる現像ローラ表面近傍の気流の影響が大きいことが明らかになった。特に粒子径の小さなトナーでは、質量が小さいため遠心力が小さいにもかかわらず現像ローラ表面からの離脱は大粒径のトナーの場合よりも甚だしいという事実が確認されており、これは現像ローラ表面の回転による風圧をトナーが受けることによって引き起こされていると考えられる。そこで、この実施形態では、現像ローラの表面構造を次のようなものとすることでこの問題を解決している。
【００９９】
図１５は現像ローラおよびその表面の部分拡大図を示す図である。現像ローラ４４はその表面が導電性材料の金属素管で形成される略円筒形のローラ状に形成されており、その長手方向の両端にはローラと同軸にシャフト４４０が設けられており、該シャフト４４０が現像器本体により軸支されて現像ローラ４４全体が回転自在となっている。現像ローラ４４表面のうちその中央部４４ａには、図５の部分拡大図（点線円内）に示すように、規則的に配置された複数の凸部４４１と、それらの凸部４４１を取り囲む凹部４４２とが設けられている。
【０１００】
複数の凸部４４１のそれぞれは、図１５紙面の手前側に向けて突出しており、各凸部４４１の頂面は、現像ローラ４４の回転軸と同軸である単一の円筒面（包絡円筒面）の一部をそれぞれ成している。また、凹部４４２は凸部４４１の周りを網目状に取り囲む連続した溝となっており、凹部４４２全体も現像ローラ４４の回転軸と同軸かつ凸部の成す円筒面とは異なる１つの円筒面を成している。そして、凸部４４１とそれを取り囲む凹部４４２との間は緩やかな斜面４４３によって繋がれている。すなわち、該斜面４４３は現像ローラ４４の半径方向外向き（図１６において上方）、つまり現像ローラ４４の回転軸から遠ざかる方向の成分を有する。このような構造の現像ローラ４４については、例えば特開２００７−１４００８０号公報に記載のいわゆる転造加工を用いた製造方法により製造することができる。これにより、現像ローラ４４の円筒面に規則的かつ均一な凹凸部を形成することができる。そのため、得られる現像ローラ４４は、その円筒面に均一かつ最適な量のトナーを担持させることができ、また、現像ローラ４４の円筒面でのトナーの転動性（転がりやすさ）も均一なものとすることができる。その結果、トナーの局所的な帯電不良や搬送不良を防止して、優れた現像特性を発揮させることができる。また、型を用いて凹凸部を形成するため、ブラスト加工により得られた一般的な現像ローラと異なり、得られる凹凸部はその凸部の先端の幅を比較的大きくすることができる。このような凹凸部は優れた機械的強度を有する。特に、型により押圧された部位は機械的強度が向上するので、得られる凹凸部は、切削加工のような処理で得られたものと比しても優れた機械的強度を有する。このような凹凸部を有する現像ローラ４４は、優れた耐久性を発揮することができる。また、凹凸部の凸部の先端の幅が比較的大きいと、磨耗しても形状変化が少ないので、現像特性が急激に低下することも防止して、長期にわたり優れた現像特性を発揮することができる。
【０１０１】
図１６は現像ローラ表面の構造の詳細を示す断面図である。図１６（ａ）に示すように、現像ローラ４４表面を断面方向から見ると、周方向外側に向けて突出した凸部４４１と、これに比べると後退した凹部４４２とが交互に配列されている。また凸部４４１と凹部４４２とが斜面４４３により繋がれている。凸部４４１頂面の寸法および凹部４４２の幅は例えば１００μｍ程度とすることができるがこれに限定されない。一方、凸部４４１と凹部４４２との高低差、言い換えれば凸部４４１を取り囲む溝状の凹部４４２の深さについては、使用トナーの体積平均粒径Ｄaveの２倍またはそれより大きな値とする。
【０１０２】
こうすることで、図１６（ｂ）に示すように、凸部４４２頂面を結ぶ線（破線で示す）よりも外部に突出することなく凹部４４２に２層以上のトナーを担持させることが可能となる。図１６（ｂ）において、白丸印は現像ローラ４４表面に直接接触している接触トナーＴ1を示している。また、ハッチングを付した丸印は現像ローラ４４表面には直接接触せずに凹部４４２に担持されている非接触トナーＴ2を示している。
【０１０３】
また、図１６（ｂ）において破線で示した凸部４４２頂面を結ぶ線は、各凸部４４１の頂面を１つの円筒面の一部と考えたときの包絡円筒面上の曲線である。凹部４４２に担持されるトナーがこの線を越えないということは、現像ローラ４４表面においてこの包絡円筒面よりも外側にトナーが露出することがないということを意味する。したがって、現像ローラ４４の回転に起因して現像ローラ４４表面に強い気流が発生したとしても、現像ローラ４４表面から後退した位置に担持されているトナーにはその影響が及ばず、現像ローラへの拘束力の弱い非接触トナーであっても離脱、飛翔することは防止されている。
【０１０４】
現像ローラ４４表面に図１６（ｂ）に示すようにトナーを担持させるためには、図１６（ｃ）に示すように、現像ローラ回転方向Ｄ4における規制ブレード４６の弾性部材４６２の上流側エッジ４６２ａを現像ローラ４４の凸部４４１に当接させる、いわゆるエッジ規制によって凸部４４１へのトナー付着を規制する。これとともに、弾性部材４６２として適度な弾性を有する材料を選ぶことによって、凹部４４２との対向位置で弾性部材４６２が凹部４４２に向けてわずかにせり出すようにすればよい。こうすることで、凸部４４１へのトナー付着を規制するとともに、包絡円筒面を越えてトナーが凹部４４２に担持されることが防止される。
【０１０５】
なお、前記したように、接触トナーに対しては現像ローラ４４への強い拘束力が作用する。したがって、接触トナーについては気流への耐性が比較的高く包絡円筒面の外部に露出するようにしてもトナーの離脱は起こりにくいと考えられる。この観点からは、図１６（ｄ）に示すように、凸部４４１に１層以下のトナー付着を許容するように、規制ブレード４６の当接角度や当接圧等を調節してもよい。
【０１０６】
ただし、凹部４４２のみにトナーを担持させることによって、次のような効果も得られる。まず、凸部４４１に均一なトナー層を形成するためには規制ブレード４６と凸部４４１とのギャップの精密な管理が必要となるが、凹部４４２のみにトナーを担持させるためには規制ブレード４６と凸部４４１とを当接させて凸部４４１のトナーを全て除去すればよいので実現が比較的容易である。また、搬送されるトナーの量は規制ブレード４６と凹部４４２との隙間に生じる空間の容積によって決まるので、トナー搬送量を安定させることができる。
【０１０７】
また、搬送されるトナー層の良好さという点においても利点がある。すなわち、凸部４４１にトナーを担持させると規制ブレード４６との摺擦に起因するトナーの劣化が起こりやすい。具体的には、トナーの流動性や帯電性が低下したり、トナーが圧粉状態となり凝集したり現像ローラ４４に固着してフィルミングを生じさせるなどの問題がある。これに対し、規制ブレード４６からの押圧をあまり受けない凹部４４２にトナーを担持させるとこのような問題が起こりにくい。また、凸部４４１に担持されるトナーと凹部４４２に担持されるトナーとでは規制ブレード４６との摺接のされ方が大きく異なるため、トナーの帯電量のばらつきが大きくなることが予想されるが、凹部４４２のみにトナーを担持させることでこのようなばらつきも抑えられる。
【０１０８】
特に近年では、画像の高精細化やトナー消費量および消費電力の削減を実現するためにトナーの小粒径化や定着温度の低温化が求められているが、本実施形態の構成はこのような要求にも対応することが可能なものである。小粒径トナーにおいては帯電の立ち上がりが鈍いにもかかわらず飽和帯電量が高いため、凸部４４１に担持されたトナーは凹部４４２に担持されたトナーよりも帯電量が著しく高く（過帯電）なる傾向にある。このような帯電量の差はいわゆる現像履歴として画像に現れる。また、低融点トナーでは摺擦によるトナー同士または現像ローラ４４等への固着が起きやすい。しかしながら、凹部４４２のみにトナーを担持する本実施形態の構成ではこのような問題は生じにくい。
【０１０９】
なお、この実施形態において、使用するトナーの粒子径は特に限定されないが、体積平均粒径Ｄaveが５μｍ以下であるトナーを使用する場合に特に顕著な効果を発揮する。このような小粒径トナーは、その粒子径の小ささゆえにファンデルワールス力が強く作用し現像ローラ４４からの飛翔が難しい。また、導電性材料からなる現像ローラ４４に強く働く鏡像力により現像ローラ４４からの飛翔が難しい。このため、１層を越えるトナーを現像ローラ４４に担持させ、接触トナー、非接触トナーのいずれをも飛翔させて現像動作に寄与させる本実施形態の現像方式が、特に優れた効果を奏する。
【０１１０】
また、５μｍ程度を境にして、これ以下の体積平均粒径を有するトナーは粉体としての性質が強まり、より粒径の大きなトナーとは挙動が異なってくる。例えば、粒子径の小さなトナーは質量が小さいため、いったん飛散すると長い時間空中を漂うことになり、装置内ばかりか装置外部へも漏れ出してしまうことがある。本実施形態の装置はトナー飛散を効果的に抑制しているため、粒子径の小さなトナーを使用する場合でもこのような問題が生じることはない。
【０１１１】
実施例として、この実施形態の画像形成装置において体積平均粒径が４．５μｍであるトナーを使用した場合の各パラメータの設定値の一例を示す：
現像ギャップの大きさＧ＝１００μｍ；
現像バイアスの振幅Ｖpp＝１２００Ｖ（デューティＷＤ＝６０％）；
現像バイアスの加重平均電圧Ｖave＝−２００Ｖ；
非露光部電位（感光体帯電電位）Ｖo＝−４５０Ｖ；
露光部電位ＶL＝−１５０Ｖ。
【０１１２】
このような条件では、
非露光部電界の電界強度Ｅo＝４．７×１０6 Ｖ／ｍ
露光部電界の電界強度ＥL＝７．７×１０6 Ｖ／ｍ
となり、図７（ｂ）に示す接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1および非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2の実測値（それぞれ７．１×１０6 Ｖ／ｍ、３．９×１０6 Ｖ／ｍ）に対して前記した条件（１）、（２）が満足されている。
【０１１３】
以上のように、この実施形態では、現像ローラ４４の表面に１層を超えるトナー層、より厳密には現像ローラ表面に直接接触している接触トナーおよび現像ローラ表面には直接接触しない非接触トナーの双方を含むトナー層を担持させる。こうすることによって、現像ギャップＤＧに十分な量のトナーを搬送することができ、高い現像濃度を得ることができる。
【０１１４】
また、接触トナーおよび非接触トナーの双方を現像ローラに担持させることにより、より低い電界強度で飛翔開始する非接触トナーによって接触トナーをはじき出す効果を期待できるので、現像ギャップＤＧに発生させる電界の電界強度が低くて済む。このことは、現像ギャップＤＧに飛翔したトナーがギャップ外へ飛散するのを抑制するとともに、ギャップでの放電の発生を抑制するという効果をもたらす。
【０１１５】
また、接触トナーと非接触トナーとで飛翔開始電界強度が相違することに鑑み、感光体の非露光部と対向する現像ローラ表面におけるトナー飛翔電界の電界強度を非接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ2よりは高く、かつ接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1よりは低くなるように設定することで、非露光部と対向する現像ローラ表面からは非接触トナーのみを飛翔させて接触トナーが飛翔するのを抑制している。そのため、広い現像ギャップ幅を確保しながらも非露光部への不要なトナー付着を抑制して地カブリの発生を抑えることができる。
【０１１６】
また、感光体の露光部と対向する現像ローラ表面においてはトナー飛翔電界の電界強度が接触トナー飛翔開始電界強度Ｅ1より高くなるようにしているので、接触トナー、非接触トナーのいずれをも飛翔させて現像に寄与させることができ、高い現像濃度を得ることができる。また接触トナー、非接触トナーの双方を用いて現像を行うことで、細線画像、広い面積を有する画像のいずれにおいても良好な画像品質で画像を形成することができる。
【０１１７】
また、現像ローラ表面を規則的な凹凸を設けた構造とするとともに、その高低差をトナーの体積平均粒径の２倍以上となるようにして凹部のみにトナーを担持させるようにしているので、２層以上のトナーを確実に現像ローラ４４に担持させることが可能である。また凹部にトナーを収容した状態で現像ローラ４４を回転させるので、回転に起因する現像ローラ表面からのトナーの離脱を防止することができる。
【０１１８】
以上説明したように、この実施形態では、感光体２２および現像ローラ４４がそれぞれ本発明の「潜像担持体」および「トナー担持ローラ」として機能している。また、感光体２２表面のうち露光部が本発明の「画像部」、非露光部が本発明の「非画像部」にそれぞれ対応している。また、本実施形態においては、バイアス用電源１４０および規制ブレード４６がそれぞれ本発明の「電界形成手段」および「規制部材」としてそれぞれ機能している。
【０１１９】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態の説明において示した各数値は一例にすぎず、本発明がこれらに限定されるものではない。
【０１２０】
また、上記実施形態は帯電させた感光体２２表面のうち露光により電荷が除去された領域にトナーを付着させる、いわゆるネガ潜像タイプの画像形成装置であり、感光体２２上においては露光された領域（露光部）がトナーを付着させるべき本発明における「画像部」である一方、露光されなかった領域（非露光部）が本発明における「非画像部」となっている。しかしながら、本発明は露光により電荷の発生した領域にトナーを付着させる、いわゆるポジ潜像タイプの画像形成装置にも本発明を適用することが可能である。この場合には、感光体上の露光された領域が「画像部」、露光されなかった領域が「非画像部」となる。また、本実施形態では負帯電トナーを使用しているが、正帯電トナーを使用する画像形成装置に対しても本発明を適用することが可能である。
【０１２１】
また、本実施形態における現像ローラ４４の表面構造は、略菱形の頂面を有する凸部４４１とこれを取り囲むように設けられた凹部４４２とを規則的に配してなるものであるが、凸部の形状や現像ローラの表面構造はこれに限定されるものではない。これ以外にも例えば、ほぼ平滑な包絡円筒面上に多数のディンプルを設けた構造のものや、螺旋状の溝を設けたものも利用可能である。この場合においても、ディンプルや溝の深さをトナーの体積平均粒径の２倍以上とすることにより、２層以上のトナーを搬送することが可能となる。なお、現像ローラ表面でのトナー流動を許容し凹部へのトナー固着等を防止するという観点からは、トナーを担持する凹部については互いに連通していることが好ましい。
【０１２２】
また、上記実施形態の画像形成装置は、ロータリー現像ユニット４に現像器４Ｋ等を装着したカラー画像形成装置であるとともに、現像器４Ｋ等を回転させることにより現像器内のトナーを混合させる装置であるが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではない。例えば、現像器を１個だけ備えてモノクロ画像を形成するモノクロ画像形成装置や、複数の現像器を中間転写体の周囲に配置した、いわゆるタンデム型の画像形成装置に対しても本発明を好適に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】この発明を適用した画像形成装置の一実施形態を示す図。
【図２】図１の画像形成装置の電気的構成を示すブロック図。
【図３】現像器の外観を示す図。
【図４】現像器の構造および感光体の電位分布を示す図。
【図５】図１の画像形成装置の主要部を示す模式図。
【図６】図５の構成における各部の電位の例を示す図。
【図７】トナー粒子径と飛翔開始電界強度との関係を測定した結果を示す図。
【図８】電界が印加されたときの現像ローラ表面での挙動を示す図。
【図９】トナー層を１層以下としたときの電界強度分布を示す図。
【図１０】この実施形態における現像ギャップの電界強度分布を示す図。
【図１１】トナー層が１層を超える場合の電界強度分布の種々の比較例を示す図。
【図１２】この実施形態における各パラメータの設定方法の一例を示す図。
【図１３】飛翔開始電界強度の測定方法の第１の例を示す図。
【図１４】飛翔開始電界強度の測定方法の第２の例を示す図。
【図１５】現像ローラおよびその表面の部分拡大図を示す図。
【図１６】現像ローラ表面の構造の詳細を示す断面図。
【符号の説明】
【０１２４】
２２…感光体（潜像担持体）、  ４４…現像ローラ（トナー担持ローラ）、  １４０…バイアス用電源（電界形成手段）、  ４６…規制ブレード（規制部材）、  Ｅ1…接触トナー飛翔開始電界強度、  Ｅ2…非接触トナー飛翔開始電界強度、  Ｔ1…接触トナー、  Ｔ2…非接触トナー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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