(57)【要約】【課題】トナーへの負荷を低減してトナーの劣化を最小限に抑え、長期に亘って高品位な画像を形成できると共に、カラー画像も安価に提供できる画像形成装置を提供する。【解決手段】回転する円筒状の感光体ドラム１と、静電潜像が形成された感光体ドラム１に面して開口部を有し、非磁性一成分のトナー５を貯蔵するトナーホッパと、トナー５が供給された感光体ドラム１と所定の間隙を保持して対向し、感光体ドラム１との対向位置で表面が感光体ドラム１の表面と逆方向に移動する円筒状の電極ローラ６と、対向位置を通過した後の電極ローラ６の表面からトナー５を除去する除去手段と、電極ローラ６に対して交流電圧に直流電圧を重畳して印加する電極電源１０とを備えた。感光体ドラム１と電極ローラ６との間隙を、所定濃度を得るために必要な感光体ドラム１上のトナー層厚よりも大きくした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持された円筒状の感光体ドラムと、
静電潜像が形成された前記感光体ドラムに面する開口部を有し、非磁性一成分のトナーを貯蔵するトナーホッパと、
前記トナーが供給された前記感光体ドラムと所定の間隙を保持して対向し、前記感光体ドラムとの対向位置で表面が前記感光体ドラムの表面と逆方向に移動する円筒状の電極ローラと、
前記対向位置を通過した後の前記電極ローラの表面からトナーを除去する除去手段と、  前記電極ローラに対して交流電圧に直流電圧を重畳して印加する電極電源とを備え、
前記所定の間隙が、所定濃度を得るために必要な前記感光体ドラム上のトナー層厚よりも大きいことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記トナーホッパから前記感光体ドラムへトナーを供給するトナー供給手段を備え、
前記トナー供給手段が、トナーホッパの開口部において感光体ドラムに対向する回転部材を備えることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記回転部材は、少なくとも表面が導電性を有することを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記回転部材にトナー帯電極性と同極性の電圧を供給する供給電源を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記回転部材は、感光体ドラムとの間に、前記所定の間隙より広い間隙を設けたことを特徴とする請求項２〜４に記載の画像形成装置。
【請求項６】
前記回転部材は、ローラ形状であり、表面が前記感光体ドラムと対向する位置において前記感光体ドラムの表面速度より高速で前記感光体ドラムの表面と同方向に移動することを特徴とする請求項２〜５に記載の画像形成装置。
【請求項７】
前記感光体ドラムは導電性の円筒状基材の表面に少なくとも感光層を含む複数の層を積層して構成され、最外層の表面から前記基材の表面までの層厚が４０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６に記載の画像形成装置。
【請求項８】
前記交流電圧は、前記対向位置でトナーが振動可能な電圧であることを特徴とする請求項１〜７に記載の画像形成装置。
【請求項９】
前記対向位置における前記電極電源による電極ローラの電位と、感光体ドラム表面の潜像による電位との電位差が、大気中における放電開始電圧よりも低いことを特徴とする請求項１〜８に記載の画像形成装置。
【請求項１０】
前記電極ローラの表面速度が、感光体ドラムの表面速度以上であることを特徴とする請求項１〜９に記載の画像形成装置。
【請求項１１】
前記トナーは、少なくとも結着樹脂と着色剤とを有し、軟化点が９５℃以上１２０℃以下であることを特徴とする請求項１〜１０に記載の画像形成装置。
【請求項１２】
前記トナーは、少なくとも結着樹脂と着色剤である顔料とを有し、前記顔料濃度が７％以上２５％以下であることを特徴とする請求項１〜１１に記載の画像形成装置。
【請求項１３】
前記トナーは、少なくとも結着樹脂、着色剤及び、離型材としてのワックスを有し、前記ワックスの含有率が６％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１〜１２に記載の画像形成装置。
【請求項１４】
前記トナーの体積平均粒子径は、４μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１３に記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリなどの画像形成装置、特に像担持体上に形成された静電潜像をトナーによって現像する画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トナーを用いる画像形成装置としては、静電潜像担持体感光体ドラムに近接または当接して配置される現像剤担持体と、現像剤担持体にトナーを供給する現像剤供給部材と、現像剤担持体に当接して現像剤担持体上のトナーを薄層化するとともに摩擦帯電により電荷を付与する層規制ブレードとを備えたものが実用化されている。この画像形成装置で適切な現像を行うには、現像剤担持体上に常に安定したトナーの薄層を形成することが非常に重要である。しかし、現像剤担持体上のトナー層の帯電および均一なトナー層を形成するためには層規制ブレードと現像剤担持体との当接圧を高く設定することが必要である。
【０００３】
しかしながら、層規制ブレードと現像剤担持体の当接圧を高くすると、当接部でトナーに過剰な負荷がかかりトナーが劣化し、トナーの流動性や帯電性が低下する。このため、層規制ブレードへのトナー融着による白筋の発生や、搬送されるトナー量の低下による濃度低下さらに正常に帯電していないトナーが感光体ドラムに供給されてカブリやトナー飛散などにより画像が劣化する。
【０００４】
上記の層規制ブレードを用いない画像形成装置として、図５に示す構成を備えたものが知られている。
【０００５】
図において１０６は磁性粉を含有する磁性トナー、１０５はトナー溜め、１０１は静電潜像が形成される静電潜像担持体としての感光体ドラム、１０２は感光体ドラム１０１に内包され固定された磁石、１０７は感光体ドラム１０１と所定の間隔を保って対向する電極ローラ、１０８は電極ローラに内包され固された磁石、１０３は感光体ドラム１０１を均一に帯電するコロナ帯電器、１０４は感光体ドラム１０１に潜像を書き込む信号光、１１１は記録紙、１１２は感光体ドラム１０１上のトナー像を記録紙へ転写する転写器、１０９は電極ローラ１０７に電圧を印加する交流高圧電源、１１０は電極ローラ１０７上のトナーを掻き取るスクレーパである。トナーは感光体ドラム１０１内の磁石１０２と電極ローラ１０７内の磁石１０８の磁力により、それぞれ感光体ドラム１０１と電極ローラ１０７に強力に引きつけられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
以上のように構成された画像形成装置について、以下、その動作を説明する。まず、感光体ドラム１０１をコロナ帯電器１０３で帯電させた後、信号光１０４で露光して静電潜像を形成する。この感光体ドラム１０１の表面の全面にトナー１０６をトナー溜め１０５内で磁力により付着させ、感光体ドラム１０１を回転させて電極ローラ１０７との対向部を通過させる。このとき、電極ローラ１０７に所定の電圧を印加することにより、感光体ドラム１０１の非画像部に付着したトナーは電極ローラ１０７に回収され、感光体ドラム１０１上には画像部のみにトナー１０６が残ることによってトナー像が形成される。矢印方向に回転する電極ローラ１０７に付着したトナー１０６はスクレーパ１１０により掻き取られ、再びトナー溜め１０５内に戻り、次の画像形成に用いられる。こうして感光体ドラム１０１上に得られたトナー像を転写器１１２により記録紙１１１へ転写して不図示の定着器により定着する。
【特許文献１】特開平５−１８１３５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような構成では感光体ドラム１０１は、内部に固定された磁石１０２でトナー１０６を強力に引きつけながら回転する。同様に、電極ローラ１０７は、内部に固定された磁石１０８でトナー１０６を強力に引きつけながら回転する。このため、感光体ドラム１０１と電極ローラ１０７との回転により、トナー１０６に強い負荷が作用する。この負荷によりトナー１０６が劣化するために、感光体ドラム１０１の表面に付着するトナー１０６の減少によって画像濃度が低下したり、トナー飛散したトナーによるカブリを生じて画像品位が劣化する。
【０００８】
また、磁力により感光体ドラム１０１へ強力に引きつけるため、トナー１０６の帯電特性とは関係なく感光体ドラム１０１と電極ローラ１０７との現像位置へトナー１０６が搬送される。このため、帯電能力の低いトナー１０６も対向部へ搬送されて現像に供されるので、帯電量の低いトナー１０６が非画像部へ付着してカブリを生じる。
【０００９】
また、構成が簡単な一成分トナーを用いるためには、トナー１０６が磁性体を含む必要がある。このため、カラートナーには高価な透明磁性体が必要となり、カラー画像形成のコストが上昇する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、上記の課題解決するために、以下の構成を備えている。
【００１１】
（１）回転自在に支持される円筒状の感光体ドラムと、
静電潜像が形成された前記感光体ドラムに面する開口部を有し、非磁性一成分のトナーを貯蔵するトナーホッパと、
前記トナーが供給された前記感光体ドラムと所定の間隙を保持して対向し、前記感光体ドラムとの対向位置で表面が前記感光体ドラムの表面と逆方向に移動する円筒状の電極ローラと、
前記対向位置を通過した後の前記電極ローラの表面からトナーを除去する除去手段と、  前記電極ローラに対して交流電圧に直流電圧を重畳して印加する電極電源とを備え、
前記所定間隙が、所定濃度を得るために必要な前記感光体ドラム上のトナー層厚よりも大きいことを特徴とする。
【００１２】
この構成では、感光体ドラムが回転すると、感光体ドラム近傍のトナーが感光体表面との摩擦、およびトナー同士の摩擦により帯電する。トナー同士の摩擦による帯電では、全体が同極性とはならないが、各粒子が電荷を得て帯電する。この電荷による鏡像力により、トナーは感光体ドラムの表面に付着し、感光体ドラムの回転にしたがって感光体ドラムと電極ローラとが対向する位置に搬送されるため、帯電しやすいトナーが搬送され、帯電しにくいトナーは搬送されない。感光体ドラムと電極ローラの対向部の感光体ドラムの回転方向の上流側では、対向間隔が除々に狭くなる楔部が形成される。感光体ドラム上に供給されたトナーは、感光体ドラムの回転により楔部で対向部の最接部へ搬送される時に、トナー量が減少する。これにより最近接部付近の現像ギャップへ搬送されるトナー量は適量に規制される。また、感光体と電極ローラの間隙が画像形成に必要なトナー層厚よりも大きいので、トナーが交番電圧により間隙を往復運動することにより、トナーの接触帯電機会が確保され、トナーは現像に十分な帯電量となる。
【００１３】
これらによって磁力によりトナーを感光体に付着させたり、一般的な層規制ブレードによってトナーを帯電させる必要がない。また、非磁性トナーは、磁性体を用いないので、カラートナーが安価に作成される。
【００１４】
（２）トナー供給手段が、トナーホッパの開口部において感光体ドラムに対向する回転部材を備えることを特徴とする。
【００１５】
この構成では、感光体表面へ供給されるトナーが回転部材の回転により攪拌され、回転部材とトナーあるいはトナー同士が摩擦力により予備帯電することにより、鏡像力による感光体への付着力が増加する。
【００１６】
（３）前記回転部材は、少なくとも表面が導電性を有することを特徴とする。
【００１７】
この構成では、感光体ドラムの表面に接近する前のトナーが導電性を有する回転部材の表面に接触する。したがって、トナーは感光体ドラムの表面に近づいた回転部材の表面から連続して電荷が付与される。
【００１８】
（４）前記回転部材にトナー帯電極性と同極性の電圧を供給する供給電源を備えることを特徴とする。
【００１９】
この構成では、供給電源から回転部材にトナー帯電極性と同極性の電圧が印加される。したがって、回転部材の表面からのトナーに対する電荷の付与作用が強まる。
【００２０】
（５）前記回転部材は、感光体ドラムとの間に、前記所定の間隙以上の間隙を設けたことを特徴とする。
【００２１】
この構成では、回転部材と感光体ドラムとの間に前記所定の間隙以上の間隙が設けられる。したがって、さらに多くのトナーが現像ギャップに送られ、感光体ドラムと電極ローラが搬送するトナー量が現像に必要なトナー量以上となる。
【００２２】
（６）前記回転部材は、ローラ形状であり、表面が前記感光体ドラムと対向する位置において前記感光体ドラムの表面速度より高速で前記感光体ドラムの表面と同方向に移動することを特徴とする。
【００２３】
この構成では、回転部材の周面が感光体ドラムとの対向位置において感光体ドラムの表面速度より高速で同方向に移動する。したがって、さらに多くのトナーが現像ギャップに送られ、感光体が搬送するトナー量を現像に必要なトナー量以上となる。
【００２４】
（７）前記感光体ドラムは導電性の円筒状基材の表面に少なくとも感光層を含む複数の層を積層して構成され、最外層の表面から前記基材の表面までの層厚が４０μｍ以下であることを特徴とする。
【００２５】
この構成では、円筒状基材の表面に４０μｍ以下の層厚の層を形成した感光体ドラムが画像形成に使用される。トナーと感光体ドラムの基材との距離が増加するとトナーを感光体ドラムに付着させる力はこの距離の二乗に反比例して低下するが、トナーと感光体ドラムの基材との距離が４０μｍ以下であれば、トナーが感光体へ付着するための十分な鏡像力が得られる。
【００２６】
（８）前記交流電圧は、前記対向位置でトナーが振動可能な電圧であることを特徴とする。
【００２７】
この構成では、対向部でトナーが確実に振動する。したがって、トナーと感光体ドラムおよび電極ローラとの接触機会が増加し、トナーが十分に帯電する。また、感光体上の非画像部に付着したトナーが振動したトナーとの衝突によって感光体ドラムの表面から離脱する。
【００２８】
（９）前記対向位置における電極電源による電極ローラの電位と、感光体ドラム表面の潜像による電位との電位差が、大気中における放電開始電圧よりも低いことを特徴とする。  この構成では、感光体ドラムと電極ローラの電位差が放電を発生しない範囲に設定される。したがって、電極ローラから感光体ドラムへの放電防止される。
【００２９】
（１０）前記電極ローラの表面速度が、感光体ドラムの表面速度以上であることを特徴とする。
【００３０】
この構成では、電極ローラによる電極ローラと感光体ドラムとの対向部からトナーの搬送力が、感光体ドラムによる電極ローラと感光体ドラムとの対向部へのトナーの搬送力より大きくなる。したがって対向部においてトナーの密度が疎になる。
【００３１】
（１１）前記トナーは、少なくとも結着樹脂と着色剤とを有し、前記トナーの軟化点が９５℃以上１２０℃以下であることを特徴とする。
【００３２】
この構成では、低温定着トナーが使用される。したがって定着温度が低温化され、省エネルギー化および高速化が容易になる。
【００３３】
（１２）前記トナーは、少なくとも結着樹脂と着色剤である顔料とを有し、前記トナーの顔料濃度が７％以上２５％以下であることを特徴とする。
【００３４】
この構成では、顔料濃度が高いトナーが使用される。したがって、トナーの消費量を低減する。
【００３５】
（１３）前記トナーは、少なくとも結着樹脂、着色剤及び、離型材としてのワックスを有し、前記トナーのワックスの含有率が６％以上２０％以下であることを特徴とする。
【００３６】
この構成では、６〜２０％以上のワックスを含有したトナーが使用される。したがって、定着時の離型性が確保される。
【００３７】
（１４）前記トナーの体積平均粒子径は、４μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする。
【００３８】
この構成では体積平均粒子径が４〜８μｍの小粒径トナーが画像形成に使用される。したがって、画像の高画質化及びトナー消費量の低減が容易になる。
【発明の効果】
【００３９】
この発明によれば、以下の効果を奏することができる。
【００４０】
（１）磁力による強力な負荷が作用することがなく、一般的な層規制ブレードによる強力な機械的な負荷が作用することもないためトナーへの負荷を軽減することができ、トナーの劣化を防止して、長時間にわたって均一で高品位な画像を形成することができる。
【００４１】
また、トナーに磁性体を含める必要がないため安価なカラートナーを作成することができ、構成の簡略化によって安価なカラー現像器を実現することが容易となる。
【００４２】
（２）鏡像力による感光体への付着力を増加させることができることにより十分な画像濃度が得られると共に、画像の安定性を向上させることができる。
【００４３】
（３）感光体へ供給されるトナーの帯電極性を順極性に近づけることが可能であるため、現像ニップへ供給される逆極性のトナーが減少するので感光体へ供給されるトナーの帯電極性を順極性に近づけることが可能であるため、現像ニップへ供給される逆極性のトナーを減少させることができ、カブリによる画像の劣化や、トナーの飛散を防止できる。
【００４４】
（４）感光体へ供給されるトナーの帯電極性を順極性に近づけることが可能であるため、現像ニップへ供給される逆極性のトナーが減少するので、現像特性が向上することにより画像の濃度が向上すると共に、解像度を向上させることができる。
【００４５】
（５）（６）感光体が搬送するトナー量を現像に必要なトナー量以上とすることができるので、十分な画像濃度が得られると共に、画像の安定性を向上させることができる。
【００４６】
（７）感光体へ付着する力が十分に得られるので、感光体が搬送するトナー量が十分に確保できることにより、所定濃度の画像を安定して得ることができる。
【００４７】
（８）感光体との付着力を低減させることができるため、電界力により非画像部のトナーを容易に除去することができる。
【００４８】
（９）感光体ドラムと電極ローラ間で放電して、対向部で感光体、電極ローラ、トナーが変質、劣化することを防止できる。
【００４９】
（１０）現像ニップはトナーが疎で、トナーが振動できる状態を保つことができる。
【００５０】
（１１）省エネおよび高速化が実現できる。
【００５１】
（１２）トナーの消費量を低減することができるので、トナーホッパの小型化および超寿命化ができる。顔料の濃度が高いトナーは負荷により劣化しやすいが、本構成では負荷が小さいので、高顔料トナーを用いても、長時間にわたって安定した画像を形成することができる。
【００５２】
（１３）定着時の離型性を確保することができるので、オイル等の離型材の供給が不要になり、装置を小型化できる。ワックスを有するトナーは負荷により劣化しやすいが、本構成では負荷が小さいので、ワックス含有量の高いトナーを用いても、長時間にわたって安定した画像を形成することができる。
【００５３】
（１４）低付着量での高画質化およびトナー消費量の低減を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００５５】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態における画像形成装置の断面図である。
【００５６】
図１において、感光体ドラム１はＧＮＤ電位に接続された円筒状基材のアルミ素管上に有機光感光層を有し、直径３０ｍｍで、図示の方向に周速度８０ｍｍ／ｓで回転する。感光体の材料としては酸化亜鉛、セレン、アモルファスシリコン等の材料を用いることができる。素管上の感光層は電荷発生層、電荷輸送層を積層して、４０μｍ以下の層厚に形成されている。感光体の層構成は上記に限るものではなく、感光層の下層に下地層、表面に表面層を設けても良い。
【００５７】
帯電ローラ２は所定の電圧を印加されることにより感光体ドラム１の表面を均一に負極性に帯電させる。感光体を均一に帯電させる手段としては、スコロトロン等のコロナ帯電器を用いても良い。信号光３は感光体ドラム上に潜像を形成する。
【００５８】
トナー５は負帯電性の絶縁性非磁性一成分トナーであり、結着樹脂に着色剤及び、離型剤が分散されており、体積平均粒径を６．５μｍ、軟化点を１００℃、顔料の含有率を１５％、離型剤としてのワックスの含有率を１２％としている。
【００５９】
本発明で使用するトナーに使用可能な結着樹脂は、一般の電子写真技術において使用されているトナー用樹脂であれば特に制限はない。具体的には、ポリスチレン、ポリ−ｐ−クロルスチレン、ポリビニルトルエンなどのスチレンおよびその置換体の単重合体、スチレン−Ｐ−クロルスチレン共重合体、スチレン−プロピレン共重合体、スチレン−ビニルトルエン共重合体、スチレン−ビニルナフタレン共重合体、スチレン−アクリル酸メチル共重合体、スチレン−アクリル酸エチル共重合体、スチレン−アクリル酸ブチル共重合体、スチレン−メタアクリル酸メチル共重合体、スチレン−メタアクリル酸エチル共重合体、スチレン−メタアクリル酸ブチル共重合体、スチレン−α−クロロメタアクリル酸メチル共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−ビニルメチルエーテル共重合体、スチレン−ビニルメチルケトン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−イソプレン共重合体、スチレン−アクリロニトリル−インデン共重合体などのスチレン系共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリビニルブチラール、ロジン変性レジン、テルペン樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、脂肪族又は脂環族炭化水素樹脂、芳香族系石油樹脂、塩素化パラフィン、パラフィンワックス等を単独または２種以上の組合せで使用することができる。特にフルカラートナー用としては、熱特性制御などから軟化点が９５℃以上、１２０℃以下のポリエステル樹脂が好ましい。
【００６０】
また、本発明で使用する現像剤に使用可能な着色剤としては、一般の電子写真技術で使用されているトナー用着色剤であれば特に制限はない。例えば、従来からモノクロ用として用いられているカーボンブラックやニグロシン染料などの他に、アゾ系染料、アントラキノン系染料、インジゴ染料、フタロシアニン系染料若しくはキサンテン系染料などの染料、アゾ系顔料、ベンズイミダゾロン系顔料、キナクリドン系顔料、フタロシアニン系顔料、イソインドリノン系顔料、イソインドリン系顔料、ジオキサジン系顔料、アントラキノン系顔料、ぺリレン系顔料、ぺリノン系顔料、チオインジゴ系顔料、キノフタロン系顔料、金属錯体系顔料などの有機系顔料、酸化チタン、カーボンブラック、モリブデンレッド、クロムイエロー、チタンイエロー、酸化クロム、ベルリンブルーなどの無機系顔料、又は、アルミニウム粉などの金属粉等の公知の染料や顔料を用いることができる。離型剤としてのワックスとしては特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックス、パラフィンワックス等が採用できる。
【００６１】
本発明で使用するトナー中には、必要に応じて、帯電制御剤、流動性向上剤、定着促進剤、導電剤を、適宜選択して添加することができる。
【００６２】
トナーホッパ４はトナー５を収容するトナー溜めである。本実施の形態では、トナー５を感光体ドラム１へ供給するトナー供給するトナー供給手段として、トナーホッパ４の下方に感光体ドラム１に面する開口部を設け、重力によりトナー５が感光体に接触する構成としている。
【００６３】
電極ローラ６は感光体ドラム１との間に２００μｍのギャップを設けて対向させた直径１５ｍｍのステンレス製のものであり、図中矢印で示す方向へ周速度８０ｍｍ／ｓで回転する。感光体ドラム１と電極ローラ６の回転方向は図示のように対向部で表面が逆方向へ移動する方向で、周速は等速である。電極ローラ６の材質は導電性であれば良く、体積抵抗としては１０5 Ωｃｍ以下であればよい。電極ローラ６の径は１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲が良い。電極電源１０は電極ローラ６に対して直流電圧に交番電圧を重畳した電圧を印加する。電極ローラ６には図２に示すように、−４００Ｖの直流電圧（ＤＣＶ）に周波数２ｋＨｚで振幅が１．６ｋＶｐ−ｐ（Ｖｐｐ）の交番電圧を重畳して印加している。この交番電圧はｓｉｎ波でも矩形波でもよく、潜像が形成された感光体表面と電極ローラ６との間に実質的に交番電界が作用すればよい。
【００６４】
スクレーパ９は、この発明の除去手段であり、ステンレス製厚さ５０μｍの板材により構成されており、電極ローラ６上のトナー５を掻き落とす。転写ローラ８は感光体ドラム１上のトナー像を記録紙７へ転写する。
【００６５】
次に、以上のように構成した画像形成装置の動作を説明する。
【００６６】
まず、感光体ドラム１を帯電ローラ２により−６００Ｖに均一に帯電させる。この感光体を信号光３が露光することで、感光体ドラム１上に静電潜像を形成する。この感光体ドラム１の露光電位は一例として−７０Ｖである。この感光体ドラム１表面に重力によりトナー５が供給される。感光体ドラム１近傍のトナー５が感光体ドラム１の回転により電極ローラ２との対向部である現像ギャップへ搬送される。
【００６７】
静電潜像とトナー５を搬送する感光体ドラム１が電極ローラとの対向部を通過すると、感光体ドラム１上には静電潜像に対応したトナー像が得られる。図示の矢印方向に回転する電極ローラ６の表面に付着して搬送されるトナー５はスクレーパ９により掻き取られて、トナーホッパ４へ戻される。こうして感光体ドラム１上に得られたトナー像は転写ローラ８へ印加される電圧により記録紙７に転写される。この記録紙７に転写されたトナー像を不図示の定着器により加熱及び加圧されることにより、記録紙７上に画像が形成される。この結果、画像はカブリも無く、濃度も十分で均一で、細線にも優れた高品位な画像が実現できる。
ここで、画像形成時のトナーの挙動について詳しく述べる。まず、トナーホッパ４内のトナー５は感光体ドラム１表面に重力により供給される、感光体ドラム１近傍のトナー５は感光体ドラム１と接触して接触帯電するとともに、感光体ドラム１の回転によりトナ−５同士が摩擦帯電して電荷を帯びる。このトナ−５の電荷による鏡像力により、トナー５の感光体ドラム１への付着力が増加し、より多くのトナー５が感光体ドラム１の回転により搬送される。感光体ドラム１の回転により搬送されるトナー５は、感光体ドラム１と電極ローラ６の対向部に形成される楔状の空間に進入するに従って搬送される量が規制される。こうして、所定量のトナー５が感光体ドラム１の回転により電極ローラ６との現像位置の現像ギャップへ搬送される。このとき、トナー５は全体としてー５μＣ／ｇに帯電する。
【００６８】
現像ギャップへ搬送されたトナー５は、電極ローラ６に印加された現像電位と感光体ドラム１の電位により形成される現像電界により運動する。電極電圧には交番電圧が重畳されているので現像ギャップにおいてトナー５が往復運動してクラウド状になる。この交番電圧による電界によっても現像ギャップの内部へ侵入するトナー量は規制される。また、クラウド状態での往復運動により、トナー粒子と感光体ドラム１及び電極ローラ６との接触機会が増加する。この接触によりトナー５が接触帯電するために、現像ギャップ中でトナー５の帯電は正規の極性に揃うと共に帯電量が増加する。これにより、静電潜像に忠実に細線もシャープに現像できると共に、画像濃度も確保でき、カブリの少ない良好な画像を得ることができる。
【００６９】
また、トナー５の往復運動により、感光体ドラム１の非画像部に付着したトナー粒子と運動するトナー粒子との衝突が発生する。この衝突時に感光体ドラム１上のトナー５が弾き飛ばされて移動するので、非画像部のトナー５と感光体ドラム１との付着力を低減させて、電界力により除去することが容易になる。この作用によって、非画像部のカブリを除去して良好な画像を得ることができる。現像後の感光体ドラム１上のトナー像は全体として−１８μＣ／ｇに帯電する。
【００７０】
また、感光体ドラム１へ供給されたトナー５は、トナー粒子同士が凝集しているために流動性が低下しているので、トナー粒子径よりも大きな現像ギャップから流出することは無い。一方、現像ギャップ付近では交番電界によりトナー５の凝集が分散されるので、現像ニップへは適量のトナー５が搬送される。
【００７１】
トナー５は現像ローラと感光体ドラム１との間を往復運動しながら、所定極性に帯電する。従って、トナー５が感光体ドラム１上に複数層形成していても、全てのトナー５を均一にむらなく帯電することが可能である。この結果未帯電トナーや、弱帯電トナー、逆帯電トナーの発生を防止することが可能になり、カブリ、濃度低下の発生を防止することができる。
【００７２】
なお、感光体ドラム１と電極ローラ６の現像位置のギャップは２００μｍとしたが、ベタ濃度を実現するために必要な感光体ドラム１上のトナー層厚よりも広ければよい。これにより、感光体ドラム１と電極ローラ６の現像位置で、トナー５が交番電圧により現像ギャップ内を疎な状態で往復運動できるので、トナー５と電極ローラ６および感光体ドラム１との接触帯電機会が増加する。同時に、往復運動により、感光体ドラム１の非画像部に付着したトナー粒子に運動するトナー粒子を衝突させることができる。このため、非画像部のトナー５と感光体ドラム１との付着力を低減させて、電界力により除去することが可能になる。したがって、非画像部のカブリを除去して良好な画像を得ることができる。
【００７３】
また、感光体ドラム１の素管上の感光層の厚さは、４０μｍとしている。感光体ドラム１上のトナー５の感光体に付着させる鏡像力はトナー５の電荷と、この電荷によりＧＮＤ電位の素管に誘起される鏡像電荷の吸引力として考えられる。このため、トナー５と素管の距離が増加すると、トナー５を感光体ドラム１に付着させる力は距離の二乗に反比例して低下する。この感光体ドラム１の層厚が５０μｍの場合には十分なトナー搬送力が得られないため、十分な画像濃度が得られない。本実施の形態の４０μｍの層厚では、十分な画像濃度が得られる。この感光体ドラム１の層厚の決定には、転写や帯電、クリーニングといった感光体ドラム１への負荷による層厚の低下を考慮する必要があり、トナーホッパ４のトナー容量に対応する寿命を保証するために、５μｍの厚さが必要であり、１０μｍ以上とすることが望ましい。
【００７４】
電極電源１０の交番電圧としては、感光体ドラム１と電極ローラ６の対向部でトナー５が振動可能な電圧、電界強度としては５×１０6 Ｖ／ｍ（ｐ−ｐ）以上の電界が作用すればよい。本実施の形態では現像ギャップが２００μｍ、交番電圧が１．６ｋＶｐ−ｐなので、交番電界強度は８×１０6 Ｖ／ｍとなる。この範囲に電圧値を設定することによって、感光体ドラム１と電極ローラ６の現像位置でトナーが振動可能になり、対向部での帯電機会を確保し、非画像部のトナー５を除去する作用も十分に得られる。
【００７５】
一方、電源電圧を安価に製造するために、交番電圧の振幅はｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋで５ｋＶ以下とすることが望ましい。この電圧でトナーを感光体ドラム１と電極ローラ６とのギャップ内で往復運動させるために、現像ギャップは１ｍｍ以下とすることが望ましい。これにより、安価な電源で良好な画像を得ることができる。
【００７６】
さらに、電極電源１０による電極ローラ６の電位と、感光体ドラム１の潜像による電位により形成される電極ローラ６と感光体ドラム１の対向部における電位差が電界強度の最大値が大気中における放電開始電圧よりも低いことが好ましい。
【００７７】
なお、感光体ドラム１と電極ローラ６との放電開始電圧は、下記の式（１）で求まる。    Ｖｔｈ＝３１２＋６．２ｚ…（１）
上式にて、
ｚ：空隙距離［μｍ］
Ｖｔｈ：ｚ＞8 μｍの時のパッシェンの法則の近似式
本実施の形態では、感光体ドラム１と電極ローラ６との現像ギャップを２００μｍとしたが、このように設定したとき、１５５２Ｖより小さい電位差になる電圧を印加することがよい。感光体本表面の帯電電位が−６００Ｖ、露光電位が−７０Ｖなので電極電源１０による電圧は−１６２２Ｖ〜９５２Ｖとすればよい。本実施の形態では、電源電圧１０は−４００Ｖの直流電圧に１．６ｋＶｐｐの交番電圧を重畳しているので−１２００Ｖ〜＋４００Ｖの電圧が電極ローラ６に印加される。
【００７８】
このように、感光体ドラム１と電極ローラ６の現像ギャップで放電が発生しない範囲に電圧値を設定することによって、電極ローラ６から感光体ドラム１への放電を防止することができる。これにより、対向部で感光体ドラム１、電極ローラ６、トナー５が変質、劣化することを防止できる。
【００７９】
また、周波数は２ｋＨｚとしたが、周波数としては５００Ｈｚ以上３ｋＨｚ以下が好ましい。トナー５の重量や帯電量にも依存するが、５ｋＨｚを超える周波数では、トナー５の往復運動が追随できなくなる場合がある。一方、周波数が低い場合には、感光体と電極ローラ６との現像ギャップでのトナー５の往復運動の回数が不足して十分な帯電作用やカブリ除去作用が得られない。交番電圧の周波数を５００Ｈｚ〜３ｋＨｚとすることにより、トナー５が十分に均一に帯電され、カブリ等の異常画像の発生も防止される。
【００８０】
なお、本実施の形態では電極ローラ６の周速度を、感光体ドラム１を等速としたが電極ローラ６の周速が、感光体ドラム１の周速以上３倍以下であればよい。この構成により、電極ローラ６が現像ギャップからトナー５を搬送する作用が、感光体ドラム１が現像ギャップへ搬送する作用以上となる。このため、現像ギャップ内においてトナー５の粒子間隔が疎になり、トナー粒子が振動できる状態を保つことが出来る。一方、電極ローラ６の回転が速すぎる場合には、トナー５を現像ギャップから除去する作用が過大になり、十分な画像濃度が得られない。
【００８１】
なお、本発明で使用するトナー５の軟化点温度を１００℃としたが、９５℃以上１２０℃以下とすることが望ましい、このような低温定着トナーを使用することにより、省エネおよび高速化が実現できる、低温定着トナーは負荷により劣化しやすいが、本構成では、トナー５への負荷が小さいので、低温定着トナーを用いても、長時間にわたって安定した画像を形成することが出来る。
【００８２】
また、トナー５の顔料濃度を１５％としたが、7 ％以上２５％以下とすることが好ましい。このような顔料濃度の高いトナーを使用することにより、トナーの消費量を低減することができるので、トナーホッパーの小型化および超寿命化が実現できる。顔料濃度の高いトナー５は負荷により劣化しやすいが、本構成では負荷が小さいので、低温定着トナーを用いても、長時間にわたって安定した画像を形成することができる。
【００８３】
また、トナー５は離型剤としてのワックスを有し、ワックスの含有率を１２％としたが、この含有率は６％以上２０％以下とすることが好ましい。ワックスを有するトナー５を使用することで、定着時の離型性を確保することができるので、オイルなどの離型剤の供給が不要になり、装置を小型化できる。ワックスを有するトナー５は負荷により劣化しやすいが、本構成ではトナー５に作用する負荷が小さいので、ワックスを有するトナー５を用いても、長時間にわたって安定した画像を形成することが出来る。
【００８４】
また、トナー５の体積平均粒子径は、６．５μｍとしたが、トナー粒径としては４μｍ以上８μｍ以下であればよい。このような小粒径トナーを使用することで、低付着量での高画質化およびトナー消費量の低減を実現できる。トナー粒径が小さい方が重量あたりの帯電量（ｑ／ｍ）が増加するので、鏡像力によるトナー搬送や交番電界による往復運動の作用が大きくなる。このため、画像濃度を十分に確保できると共に、潜像に忠実なシャープな細線を現像することができる。
【００８５】
トナー５の製法としては、着色顔料や離型剤等を結着樹脂に分散し粉砕する粉砕法でも良いが、乳化重合法、縣濁重合法、溶液縣濁法に代表される湿式でトナー５を製造することが好ましい。これらの製法は、粒子形状が球形または球形に近い形状とすることが容易であり、工程を制御することでトナーの流動性制御を行えるなどの利点がある。この流動性の制御により、感光体ドラムのトナー搬送量を適切に設定することができる。これにより、十分な画像濃度を安定して得ることが容易になる。
【００８６】
トナーとしては、結着樹脂と、着色材としての顔料、離型材としてのワックスを含み、トナーの軟化点が９５℃以上１２０℃以下で、その体積平均粒子径が４μｍ以上８μｍ以下、顔料濃度が７％以上２５％以下、ワックスの含有率が６％以上２０％以下のものが使用可能である。このような、低着温度の低温度化（省エネ）や高画質化には好ましいが、融着や劣化が生じやすいトナーであっても、本方式であればトナーへの負荷が小さいので、十分に使用可能である。
【００８７】
（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施の形態における画像形成装置の構成を示す断面図である。なお、上記第１の実施の形態と同一の機能を有する部材には同一の符号を付与して、その説明は省略する。
【００８８】
本実施の形態は図３に示すように、回転するアクリルやＡＢＳ等の樹脂からなる回転部材２０を備える点が上記の第１の実施の形態と異なる。この発明のトナー供給手段である回転部材２０と感光体ドラム１との間隔は、前記感光体ドラム１と電極ローラ６の間隔（２００μｍ）以上の０，５ｍｍに設定している。回転部材２０の表面速度は、感光体ドラム１の表面速度と同方向で、前記感光体ドラム１の表面速度以上１００ｍｍ／ｓとしている。
【００８９】
回転部材２０が図示の矢印の方向に回転することにより、感光体ドラム１へ供給されるトナー量を安定させると共に、感光体ドラム１へ接触するトナー圧力を増加させることができる。このため、現像ギャップへ搬送されるトナー量を十分量とし、かつ安定させることができる。
【００９０】
こうして、十分な量のトナー５が感光体ドラム１の回転により電極ローラ６との対向部の現像ギャップへ搬送される。このとき、トナー５は全体としてー８μＣ／ｇに帯電する。
【００９１】
現像ギャップへ搬送されたトナー５は電極ローラ６に印加された現像電位と感光体ドラム１の電位とにより形成される現像電界により運動する。電極電圧には交番電圧が重畳されているので現像ニップにおいてトナーが往復運動してクラウド状になる。この交番電圧による電界によっても現像ニップの内部へ侵入するトナー量は規制される。また、クラウド状態での往復運動により、トナー粒子と感光体ドラム１及び電極ローラ６との接触機会が増加する。この接触によりトナー５が接触帯電するために、現像ニップ中でトナーの帯電は正規の極性に揃うと共に帯電量が増加する。これにより、細線もシャープに現像できると共に、画像濃度も確保でき、カブリの少ない良好な画像を得ることができる。
【００９２】
また、トナー５の往復運動により、感光体ドラム１の非画像部に付着したトナー粒子に運動するトナー粒子を衝突させることができる。この衝突時にトナー５が移動するので、非画像部のトナーと感光体ドラム１との付着力を低減させて、電界力による除去することが可能になる。この作用によって、非画像部のカブリを除去して良好な画像を得ることができる。現像後の感光体ドラム１上のトナー像は全体としてー２０μＣ／ｇに帯電する。  以上のように、トナー供給手段として、トナーホッパ４の開口部に設けられた回転部材２０を備えることにより、重力によるトナー供給だけでなく、感光体ドラム１表面へ供給されるトナー５を予備帯電させると同時に搬送力を増加させられるので、十分な画像濃度が得られると共に、画像の安定性を向上させることができる。
【００９３】
なお、本実施の形態では回転部材２０を円筒状のローラ形状としたが、この形状に限るものではなく、板状や多面形断面の棒状としてもよい。
【００９４】
（第３の実施形態）
図４は本発明の第３の実施の形態における画像形成装置の構成を示す断面図である。なお、上記第２の実施の形態と同一の機能を有する部材には同一の符号を付与して、その説明は省略する。
【００９５】
本実施の形態は、図４に示すように、回転部材２０を少なくとも表面がステンレスやアルミなどの導電性材料として、装置本体のＧＮＤ電位部位に電気的に接続を備える点が上記の第２の実施の形態と異なる。なお、回転部材２０と感光体ドラム１との間隔は前記感光体ドラム１と電極ローラ６との間隔（２００μｍ）の２倍の４００μｍに設定している。回転部材２０の表面速度は、感光体ドラム１の表面速度と同方向で、前記感光体ドラム１の表面速度の１／２の４０ｍｍ／ｓとしている。
【００９６】
少なくとも表面がステンレスやアルミなどの導電性材料として、装置本体の所定電位部位に電気的に接続した回転部材２０が図示の矢印の方向に回転することにより、回転部材２０の表面からトナー５へ連続して電荷を付与することができる。これにより、逆帯電トナーを順極性に帯電させて、感光体ドラム１へ供給されるトナー５の帯電極性を、全体として順極性に近づけることが可能である。このため、現像ニップへ供給される逆極性のトナー５が減少するので、現像特性が向上する。これにより、画像の濃度が向上すると共に、解像度が向上する。
【００９７】
感光体ドラム１へ供給するトナー５の帯電量を増加させることにより、鏡像力による感光体ドラム１のトナー搬送力を増加させることができる。このため、現像ギャップへ搬送されるトナー量を十分量とし、かつ安定させることができる。
【００９８】
こうして、十分なトナー５が感光体ドラム１の回転により電極ローラとの対向部の現像ギャップへ搬送される。このとき、トナーは全体としてー１０μＣ／ｇに帯電する。
【００９９】
現像ギャップへ搬送されたトナー５は電極ローラ６に印加された現像電位と感光体ドラム１の電位により形成される現像電界により運動する。電極電圧には交番電圧が重畳されているので現像ギャップにおいてトナー５が往復運動してクラウド状になる。この交番電圧による電界によっても現像ギャップの内部へ侵入するトナー量は規制される。また、クラウド状態での往復運動により、トナー粒子と感光体ドラム１及び電極ローラ６との接触機会が増加する。この接触によりトナー５が接触帯電するために、現像ギャップ中でトナー５の帯電は正規の極性に揃うと共に帯電量が増加する。これにより、細線もシャープに現像できると共に、画像濃度も確保でき、カブリの少ない良好な画像を得ることができる。
【０１００】
また、トナー５の往復運動により、感光体ドラム１の非画像部に付着したトナー粒子に運動するトナー粒子を衝突させることができる。この衝突時にトナー５が移動するので、非画像部のトナー５と感光体ドラム１との付着力を低減させて、電界力により除去することが可能になる。この作用によって、非画像部のカブリを除去して良好な画像を得ることができる。現像後の感光体ドラム１上のトナー像は全体としてー２２μＣ／ｇに帯電する。
【０１０１】
回転部材２０と感光体ドラム１との間隔は、前記感光体ドラム１と電極ローラ６との間隔の２倍に設定しているので、回転部材２０の表面速度を、感光体ドラム１の表面速度と同方向で、前記感光体ドラム１の表面速度の１／２としても、感光体ドラム１へ供給されるトナー量は所定の画像濃度を得るために十分な量を確保できる。回転部材２０の速度が低いので、回転に必要なトルクが低減できると共に、回転部材２０の回転によりトナー５への負荷を低減することができる。これにより、長時間にわたって高品位な画像を安定して得ることができる。
【０１０２】
以上のように、回転部材２０の少なくとも表面がステンレスやアルミなどの導電性材料として、装置本体の所定電位部位に電気的に接続することにより、回転部材２０の表面からトナー５へ連続して電荷を付与することができるので、感光体ドラム１へ供給されるトナー５の帯電極性を順極性に近づけることが可能である。このため、現像ギャップへ供給される逆極性のトナー５が減少するので、現像特性が向上する。これにより、画像の濃度が向上すると共に、解像度が向上する。
【０１０３】
なお、本実施の形態では、回転部材２０の少なくとも表面がステンレスやアルミなどの導電性材料として、装置本体の所定電位部位に電気的に接続したが、回転部材２０にトナー帯電極性と同極性の電圧を供給する供給電源を備えてもよい。この電圧値としては感光体ドラム１の表面電位よりもトナー５の帯電極性側の−６５０Ｖ〜−３ｋＶ程度がよく、さらに−１．５ｋＶ〜−３ｋＶが望ましい。トナー帯電極性と同極性の電圧を回転部材２０に印加することにより、感光体ドラム１と回転部材２０の対向部において、回転部材２０から感光体ドラム１方向にトナー５に順極性の電荷を付与する電界が生じる。このため、回転部材２０がトナー５を帯電させる作用が強くなり、感光体ドラム１へ供給されるトナー５の帯電量を増加させることができる。これにより、現像ギャップへ搬送されるトナー量を増加させて十分な濃度の画像を安定して得られると共に、細線もシャープに再現できる高解像度な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１の実施の形態の画像形成装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の画像形成装置の電極ローラに印加する電圧の波形図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の画像形成装置の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の画像形成装置の構成を示す断面図である。
【図５】従来の画像形成装置の構成を示す断面図である。
【図１】
2005156790.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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