(57)【要約】【課題】  画像濃度が適正で、かつ、カブリがなく、優れた解像度の高品位な画像を形成できる画像形成装置を提供する。【解決手段】  画像形成装置Ａは、表面に静電潜像を保持して搬送する感光体ドラム１と、感光体ドラム１に対向して配置され、表面に担持する薄層化されたトナー４を感光体ドラム１と同方向に搬送して感光体ドラム１の表面に供給する現像ローラ７と、を備える。トナー４の体積平均粒径をＤ、薄層化されたトナー４の単位面積当たりの質量をトナー４の密度で除算して得られる充填トナー層厚をｔｄ、感光体ドラム１の搬送速度をｖｐ、現像ローラ７の搬送速度をｖｔ、とするとき、０．８×Ｄ≦ｔｄ≦３．０×Ｄ、かつ、０．２５×ｖｐ≦ｖｔ＜０．５×ｖｐ、かつ、０．６≦（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）≦１．０、の関係が満たされる。【選択図】  図１
2005316313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に静電潜像を保持して搬送する潜像保持体と、
前記潜像保持体に対向して配置され、表面に担持する薄層化されたトナーを前記潜像担持体と同方向に搬送して前記潜像担持体の前記表面に供給する現像剤担持体と、を備え、
前記トナーの体積平均粒径をＤ、前記薄層化されたトナーの単位面積当たりの質量を前記トナーの密度で除算して得られる充填トナー層厚をｔｄ、前記潜像保持体の搬送速度をｖｐ、前記現像剤担持体の搬送速度をｖｔ、とするとき、
０．８×Ｄ≦ｔｄ≦３．０×Ｄ、かつ、
０．２５×ｖｐ≦ｖｔ＜０．５×ｖｐ、かつ、
０．６≦（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）≦１．０、
の関係を満たすことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記潜像保持体の表面のうち、前記静電潜像が保持された部分である画像部の電位をＶＬ、前記画像部以外の部分である非画像部の電位をＶ０、前記現像剤担持体に印加される現像電圧をＶｂ、とするとき、
｜Ｖ０−Ｖｂ｜≧２×｜Ｖｂ−ＶＬ｜、
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記現像剤担持体は、前記表面に担持する薄層化された前記トナーが前記潜像保持体の前記表面に接触する状態に配置され、
前記現像剤担持体に印加される現像電圧は、前記潜像保持体の表面のうち前記静電潜像が保持された画像部と前記現像剤担持体との対向位置の近傍の電界の方向を変化させる振動電圧であることを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記現像剤担持体は、前記表面に担持する薄層化された前記トナーが前記潜像保持体の前記表面と離間した状態に配置され、前記トナーを前記潜像保持体の前記表面に飛翔させることで前記潜像保持体の前記表面に供給し、
前記現像剤担持体に印加される現像電圧は、前記潜像保持体の表面のうち前記静電潜像が保持された画像部と前記現像剤担持体との対向位置の近傍の電界の方向を変化させる振動電圧であり、前記トナーに前記潜像保持体の前記画像部と前記現像剤担持体との間を往復運動させることを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記潜像保持体は、剛性を有するとともに円柱状の外形を有して回転し、
前記現像剤担持体は、前記表面に弾性を有するとともに円柱状の外形を有し、前記表面が前記潜像保持体の前記表面に押圧された状態で回転し、
前記潜像保持体の回転中心と前記現像剤担持体の回転中心との距離を規制する距離規制手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、潜像保持体に保持された静電潜像を現像剤担持体によって供給されるトナーで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、潜像保持体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って電荷を付与する層規制ブレードと、を備えたものがある。
【０００３】
上述のような層規制ブレードを備えた画像形成装置として、図１４に示すように構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
図１４に示す従来の画像形成装置１００は、現像器１０１内に、現像剤である非磁性一成分トナー１０２、このトナー１０２を担持する現像ローラ１０３、攪拌羽根１０４、およびトナー供給ローラ１０５を備える。また、画像形成装置１００はさらに、現像ローラ１０３に圧接して現像ローラ１０３上のトナー層を規制する層規制ブレード１０６、現像ローラ１０３の下方に配置されたリカバリーブレード１０７、および現像ローラ１０３上のトナー層と接触した状態で回転する感光体ドラム１０８を備える。
【０００５】
上述のように構成された画像形成装置１００は、以下のように動作する。攪拌羽根１０４は現像器１０１内に収容されたトナー１０２を攪拌する。トナー供給ローラ１０５は図示した矢印の方向（反時計方向）に回転してトナー１０２を現像ローラ１０３の表面へ供給する。現像ローラ１０３上のトナーは、層規制ブレード１０６によって適切な量に規制されて、現像ローラ１０３が感光体ドラム１０８と接触する現像ニップ部へ搬送される。現像ローラ１０３は、図示した矢印の方向（反時計方向）に回転し、現像ニップ部において感光体ドラム１０８に対して１．６倍の周速比を有する。現像ニップ部において、感光体ドラム１０８上の静電潜像にトナーが付着することで、静電潜像が現像されてトナー像となる。リカバリーブレード１０７は、現像に使用されずに現像ローラ１０３上に残留したトナーを回収する。
【０００６】
上述のようにして感光体ドラム１０８上に形成されたトナー像は、図示しない転写器によって記録紙へ転写され、図示しない定着器によって記録紙に定着される。
【特許文献１】特開平２−２２１９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述のような画像形成装置１００では、現像ローラ１０３の周速度が感光体ドラム１０８の周速度よりも速く、適切な現像を行うためには現像ローラ１０３上に常に安定したトナー１０２の薄層を形成することが非常に重要である。
【０００８】
しかし、現像ローラ１０３上に薄い均一なトナー層を形成するためには、層規制ブレード１０６と現像ローラ１０３との当接圧を高く設定する必要がある。層規制ブレード１０６と現像ローラ１０３との当接圧を高くすると、層規制ブレード１０６へのトナー融着による白筋が短時間で発生し、画像上に筋状のムラが発生する。さらに、層規制ブレード１０６と現像ローラ１０３との当接部でトナー１０２に過剰な負荷がかかってトナー１０２が劣化し、トナー１０２の流動性および帯電性が低下する。このため、搬送されるトナー量の低下による濃度低下や、正常に帯電していないトナー１０２の現像ニップ部への供給によるカブリおよびトナー飛散などが発生し、画像品位が低下する。
【０００９】
特に、トナー１０２の顔料濃度を向上させて、少量のトナーで十分な画像濃度を得られるようにした場合は、現像ローラ１０３上のトナー層をより薄く形成する必要があり、上述のような課題が顕著にあらわれる。
【００１０】
この発明の目的は、画像濃度が適正で、かつ、カブリがなく、優れた解像度の高品位な画像を形成できる画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の画像形成装置は、上述の課題を解決するために以下のように構成される。
【００１２】
（１）表面に静電潜像を保持して搬送する潜像保持体と、前記潜像保持体に対向して配置され、表面に担持する薄層化されたトナーを前記潜像担持体と同方向に搬送して前記潜像担持体の前記表面に供給する現像剤担持体と、を備え、前記トナーの体積平均粒径をＤ、前記薄層化されたトナーの単位面積当たりの質量を前記トナーの密度で除算して得られる充填トナー層厚をｔｄ、前記潜像保持体の搬送速度をｖｐ、前記現像剤担持体の搬送速度をｖｔ、とするとき、０．８×Ｄ≦ｔｄ≦３．０×Ｄ、かつ、０．２５×ｖｐ≦ｖｔ＜０．５×ｖｐ、かつ、０．６≦（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）≦１．０、の関係を満たすことを特徴とする。
【００１３】
この構成においては、トナー層の充填トナー層厚ｔｄをトナーの体積平均粒径Ｄで除算して得られる値が０．８以上３．０以下であり、かつ、現像剤担持体と潜像保持体との速度比（ｖｔ／ｖｐ）が０．２５以上０．５未満であり、かつ、充填トナー層厚ｔｄとトナーの体積平均粒径Ｄとの比と、現像剤担持体の搬送速度ｖｔと潜像保持体の搬送速度ｖｐとの比と、の積（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）で略決定される潜像保持体上へのトナーの供給量が、０．６以上１．０以下であるとき、画像濃度が十分で、かつ、カブリが無く、解像度に優れた、高品位な画像が形成される。また、現像剤担持体の搬送速度は潜像保持体の搬送速度より低いので、トナーの飛び散りが抑制される。
【００１４】
（２）前記潜像保持体の表面のうち、前記静電潜像が保持された部分である画像部の電位をＶＬ、前記画像部以外の部分である非画像部の電位をＶ０、前記現像剤担持体に印加される現像電圧をＶｂ、とするとき、｜Ｖ０−Ｖｂ｜≧２×｜Ｖｂ−ＶＬ｜、の関係を満たすことを特徴とする。
【００１５】
この構成においては、非画像部でトナーを現像剤担持体側へ引きつける電位差を、画像部でトナーを潜像保持体側へ引き付ける電位差の、２倍以上の大きさにしており、この場合に、現像剤担持体上のトナーの搬送量を潜像保持体上の現像量より多くしながら、カブリの発生が防止される。
【００１６】
（３）前記現像剤担持体は、前記表面に担持する薄層化された前記トナーが前記潜像保持体の前記表面に接触する状態に配置され、前記現像剤担持体に印加される現像電圧は、前記潜像保持体の表面のうち前記静電潜像が保持された画像部と前記現像剤担持体との対向位置の近傍の電界の方向を変化させる振動電圧であることを特徴とする。
【００１７】
この構成においては、現像剤担持体に印加される振動電圧によって、潜像保持体上の画像部と現像剤担持体との間でトナーが振動するとともに往復運動する。これによって、トナーの現像剤担持体および潜像保持体との接触による帯電機会が増加して、トナーの帯電の均一性が向上する。
【００１８】
（４）前記現像剤担持体は、前記表面に担持する薄層化された前記トナーが前記潜像保持体の前記表面と離間した状態に配置され、前記トナーを前記潜像保持体の前記表面に飛翔させることで前記潜像保持体の前記表面に供給し、前記現像剤担持体に印加される現像電圧は、前記潜像保持体の表面のうち前記静電潜像が保持された画像部と前記現像剤担持体との対向位置の近傍の電界の方向を変化させる振動電圧であり、前記トナーに前記潜像保持体の前記画像部と前記現像剤担持体との間を往復運動させることを特徴とする。
【００１９】
この構成においては、現像剤担持体に印加される振動電圧によって、潜像保持体上の画像部と現像剤担持体との間でトナーが飛翔して往復運動する。これによって、トナー同士の接触による帯電機会、ならびに、トナーの現像剤担持体および潜像保持体との接触による帯電機会、が増加し、トナー層のうち内部のトナーまで適正に帯電される。
【００２０】
（５）前記潜像保持体は、剛性を有するとともに円柱状の外形を有して回転し、前記現像剤担持体は、前記表面に弾性を有するとともに円柱状の外形を有し、前記表面が前記潜像保持体の前記表面に押圧された状態で回転し、前記潜像保持体の回転中心と前記現像剤担持体の回転中心との距離を規制する距離規制手段をさらに備えることを特徴とする。
【００２１】
この構成においては、潜像保持体の回転中心と現像剤担持体の回転中心との距離が規制されることで、潜像保持体と現像剤担持体との押圧力が安定化される。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によれば、以下の効果を奏することができる。
【００２３】
（１）画像濃度が十分で、かつ、カブリが無く、解像度に優れた、高品位な画像を形成することができる。また、現像剤担持体の搬送速度は潜像保持体の搬送速度より低いので、トナーの飛び散りを抑制することができる。
【００２４】
（２）現像剤担持体上のトナーの搬送量を潜像保持体上の現像量より多くしながら、カブリの発生を防止することができる。
【００２５】
（３）トナーの帯電の均一性が向上し、トナーが潜像保持体の画像部上にムラなく供給されるので、高品位な画像を形成することができる。
【００２６】
（４）トナー層のうち内部のトナーまで適正に帯電させることができるので、濃度が均一でカブリのない高品位な画像を形成することができる。
【００２７】
（５）潜像保持体と現像剤担持体との押圧力を安定化させることができるので、潜像保持体の部分的な磨耗を抑制することができ、長期間にわたって濃度が均一で高品位な画像を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１は、この発明の実施形態に係る画像形成装置の一部の構成を示す断面図である。この実施形態に係る画像形成装置Ａは、静電潜像を保持する感光体ドラム１、静電潜像にトナーを供給する現像器８等を備える。感光体ドラム１の周囲には、感光体ドラム１を所定の電位に帯電させる帯電ローラ２、および感光体ドラム１上に形成されたトナー像を記録紙１４に転写する転写ローラ１３が配設される。また、図示していないが画像形成装置Ａはさらに、帯電ローラ２によって所定電位に帯電された感光体ドラム１上に信号光３を照射して静電潜像を形成する光走査ユニット、記録紙１４に転写されたトナー像をその記録紙１４に定着させる定着器、感光体ドラム１と転写ローラ１３とが対向する転写部へ供給すべき記録紙１４を収容する記録紙供給部等を備える。
【００２９】
感光体ドラム１は、基材としてのアルミ素管と、アルミ素管上に形成される有機光感光層と、を含む。アルミ素管は、ＧＮＤ電位に接続される。感光体ドラム１の直径は３０ｍｍであり、感光体ドラム１は時計方向に周速度１００ｍｍ／ｓで回転する。有機光感光層の材料としては、酸化亜鉛、セレン、アモルファスシリコン等が用いられる。アルミ素管上の有機光感光層は、電荷発生層および電荷輸送層を積層して形成される。有機光感光層の層厚は２０μｍである。なお、有機光感光層の層構成は上述の構成に限定されず、有機光感光層の下層に下地層、表面に表面層を設けてもよい。
【００３０】
帯電ローラ２には所定の電圧が印加され、帯電ローラ２は、感光体ドラム１の表面を負極性の均一な電位に帯電させる。帯電ローラ２として例えば、スコロトロン等のコロナ帯電器を用いてもよい。
【００３１】
この実施形態で使用されるトナー４は、結着樹脂に着色剤および離型剤を分散して構成されており、体積平均粒径が６μｍ、軟化点が１００℃、顔料の含有率が１５％、離型剤としてのワックスの含有率が１２％の、負帯電性の絶縁性非磁性一成分トナーである。このトナー４において所定の画像濃度（Ｘ−Ｒｉｔｅ社製３１０による反射濃度測定値が１．４）を得るために必要な、単位面積当たりのトナー量は３．６ｇ／ｃｍ2であり、トナ ー密度は１．０×１０3ｋｇ／ｍ3である。
【００３２】
この実施形態のトナー４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。具体的には例えば、結着樹脂として、ポリスチレン、スチレンおよびその置換体の単重合体、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、脂肪族また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の結着樹脂としては、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。
【００３３】
また、この実施形態のトナー４に使用可能な着色剤は、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。具体的には例えば、着色剤として、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および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、ペリレン系顔料、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および金属錯体系顔料などの有機系顔料、酸化チタン、モリブデンレッド、クロムイエロー、チタンイエロー、酸化クロムおよびベルリンブルーなどの無機系顔料、または、アルミニウム粉などの金属粉等、の公知の染料や顔料を使用することができる。
【００３４】
この実施形態のトナー４に使用可能な離型剤としてのワックスは、特に限定されるものではなく、ワックスとして例えば、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を使用することができる。
【００３５】
なお、この実施形態で使用されるトナー４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、導電剤が適宜選択して添加される。
【００３６】
上述のようなトナー４は、現像器８のトナーホッパ５に収容される。現像器８は、感光体ドラム１に対向する現像ローラ７、トナーホッパ５内に設けられるトナーパドル１１およびトナー供給ローラ６等を備える。トナー供給ローラ６は、芯材と、芯材の周囲に形成されるウレタンスポンジとを含み、反時計方向に回転して現像ローラ７の表面にトナー４を供給する。現像ローラ７は、表面に担持するトナー層を介して感光体ドラム１に接触している。図２に示すように、現像ローラ７および感光体ドラム１は、現像ローラ７と感光体ドラム１とがトナー層を介して接触する現像ニップ部で、それぞれの表面が互いに同じ方向に移動するように回転する。この実施形態では現像ローラ７は、反時計方向に回転する。現像ローラ７の周速度は、４５ｍｍ／ｓである。
【００３７】
現像ローラ７は例えば、ステンレス等の金属材料で形成される外径１２ｍｍの芯金と、この芯金の外側に被覆される導電性および弾性を有する厚さ３ｍｍのウレタンゴムと、を含む。現像ローラ７には、ウレタンゴムの他、エチレンプロピレンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム等に、導電性を付与するためにカーボンブラック等の導電剤を添加したものが用いられる。現像ローラ７の芯金の外側に形成される被覆層の材料は、ゴム材料に限定されず、弾性および導電性を有する材料であれば、他の材料であってもよい。現像ローラ７の被覆層の導電性は、体積抵抗率で１０7Ω・ｃｍ以下であればよい。
【００３８】
現像ローラ７のトナー層担持面の長さは３３０ｍｍで、感光体ドラム１と現像ローラ７との圧接力は５Ｎである。感光体ドラム１と現像ローラ７との圧接力は、画像形成時の感光体ドラム１と現像ローラ７との摩擦力で感光体ドラム１と現像ローラ７とが離間せず、所定の現像ニップを安定して形成するように、３Ｎ〜１５Ｎの範囲で設定可能である。現像ローラ７は、感光体ドラム１への圧接力を、トナーホッパ５を感光体ドラム１側へ押圧するバネ９によって付与される。現像ローラ７と感光体ドラム１とが圧接する現像ニップ部での、感光体ドラム１の食い込みによる現像ローラ７の変形量は、バネ９による押圧力と現像ローラ７の変形による反作用力とで決定される。
【００３９】
現像ローラ７に用いられる弾性を有する材料の硬度は、現像ローラにされた状態でＡｓｋｅｒＣ硬度で２０度以上８０度以下であればよい。硬度が２０度より低い場合は、現像ローラ７の柔軟性が過大となり、後述する層規制ブレード１０の押圧による圧接痕が顕著にあらわれるようになり、画像上に筋上の濃度ムラが発生する。硬度が８０度より高い場合は、感光体ドラム１との圧接部（現像ニップ部）の圧力が過大となり、感光体ドラム１の摩耗、現像ローラ７の摩耗、トナー４の劣化が引き起こされ、各部材が所定の寿命を得ることができなくなる。２０度以上８０度以下であれば、濃度ムラ、感光体ドラム１および現像ローラ７の摩耗、およびトナー４の劣化を抑制して、長期間にわたって高品位な画像を形成することができる。
【００４０】
また、現像ローラ７の表面には、現像ローラ７によるトナー４の搬送量を所定の値にするために、Ｒａ（中心線平均粗さ）で０．５μｍの凹凸が形成されており、現像ローラ７の芯金には後述の現像電圧が供給されている。
【００４１】
トナー供給ローラ６は、現像ローラ７と同様の材料で形成されるが、弾性をさらに大きくするために発泡された素材を用いて形成される。トナー供給ローラ６には、トナー４を現像ローラ７側へ移動させる方向に、現像ローラ７との電位差が１００Ｖとなるような供給電圧が印加される。トナー供給ローラ６の周速度は、現像ローラ７と同じく４５ｍｍ／ｓである。
【００４２】
現像ローラ７の周囲であって現像ローラ７の現像ニップ部より現像ローラ７の回転方向の上流側に、層規制ブレード１０が配置される。層規制ブレード１０はステンレス製で、層規制ブレード１０の厚さは１００μｍである。層規制ブレード１０は、先端から３ｍｍの部分を曲げ半径０．５ｍｍで略直角に曲げて形成された曲げエッジ部を有し、自由端長を９ｍｍに設定される。
【００４３】
図３は、現像ローラ上のトナー層が規制されるトナー層規制部の拡大図である。層規制ブレード１０は、曲げエッジ部を現像ローラ７の表面に押圧され、現像ローラ７上のトナー層を規制するとともに摩擦帯電させる。層規制ブレード１０が現像ローラ７に圧接している部分をトナー層規制部と呼ぶ。層規制ブレード１０の押圧条件および形状、ならびに現像ローラ７の表面粗さによって、層規制されたトナー層の搬送量が決定される。
【００４４】
トナーパドル１１は厚さ２００μｍのＰＥＴシートからなる。トナーパドル１１は、時計方向に回転して、トナーホッパ５内のトナー４をトナー供給ローラ６へ供給する。トナー供給ローラ６は現像ローラ７に接触して、トナーホッパ５内のトナー４を現像ローラ７へ供給する。
【００４５】
現像ニップ部より現像ローラ７の回転方向の下流側であって、トナーホッパ５の感光体ドラム１に対向する開口部と現像ローラ７との間隙部に、回収シール１２が設けられる。回収シール１２は、厚さが４０μｍで自由端長が６ｍｍのシート状のウレタンゴムからなり、現像ローラ７と同等の導電性を有し、現像ローラ７と電気的に導通している。回収シール１２は、現像に使用されなかった現像ローラ７上のトナー４をトナーホッパ５内に回収するとともに、トナーホッパ５内のトナー４の流出を防止する。また、回収シール１２の導電性によって、現像ローラ７上のトナー層の電荷が逃がされ、トナー層が過度に帯電することが防止される。
【００４６】
次に、上述のように構成された画像形成装置Ａの動作について説明する。感光体ドラム１が、帯電ローラ２によって−６００Ｖに均一に帯電され、さらに信号光３によって露光されることで、感光体ドラム１上に静電潜像が形成される。感光体ドラム１の露光電位は例えば−７０Ｖである。
【００４７】
静電潜像が形成された感光体ドラム１の表面に、トナー４を担持した現像ローラ７が接触する。現像ローラ７には現像電位として−２４０Ｖの直流電圧が印加されており、感光体ドラム１の表面にトナー４を供給することで感光体ドラム１上の静電潜像が現像され、感光体ドラム１上に静電潜像に対応したトナー像が形成される。ここで、感光体ドラム１の表面のうち静電潜像が保持された部分を画像部、感光体ドラム１の表面のうち静電潜像が保持されていない部分を非画像部、と呼ぶことにする。画像形成装置Ａでは、感光体ドラム１の非画像部の表面電位をＶ０、感光体ドラム１の画像部の表面電位をＶＬ、現像ローラ７に印加される現像電圧をＶｂとするとき、［数１］に示す関係を満たすように、感光体ドラム１の画像部および非画像部が帯電し、現像ローラ７が電圧を印加される。
【００４８】
【数１】
2005316313.tif 000003
【００４９】
感光体ドラム１上に形成されたトナー像は、転写ローラ１３に印加された電圧によって記録紙１４に転写される。記録紙１４に転写されたトナー像は、図示しない定着器で加熱および加圧されることで記録紙１４上に定着され、これによって記録紙１４上に画像が形成される。記録紙１４に転写されずに感光体ドラム１上に残留したトナーは、図示しないクリーナによって除去される。そして、感光体ドラム１は帯電ローラ２によって再び帯電され、感光体ドラム１上に静電潜像が形成され、静電潜像が現像されてトナー像が形成され、トナー像が記録紙１４に転写され定着されるというようにして、繰り返し画像が形成される。
【００５０】
静電潜像の現像後に現像ローラ７上の残留したトナーは、回収シール１２を通過してトナーホッパ５へ戻される。現像ローラ７上のトナーは、回収シール１２を通過後、現像ローラ７とトナー供給ローラ６とが摺擦しながら回転することによって初期化されるとともに、トナー供給ローラ６から現像ローラ７へ新たにトナー４が供給される。
【００５１】
ここで、画像形成時に現像ローラ７上に形成されるトナー層について詳しく説明する。
【００５２】
まず、図１において、トナーホッパ５内のトナー４はトナー供給ローラ６の回転によって現像ローラ７へ供給される。現像ローラ７上のトナー４のうち、余分なトナー４は層規制ブレード１０によって掻き取られ、必要量のトナー４が層規制ブレード１０を通過して現像ローラ７上に所定の厚さのトナー層を形成する。この実施形態では、トナー層の単位面積当たりの質量は９ｇ／ｍ2であり、このときのトナー層厚ｔｄは３６μｍである。こ の場合の質量は、使用しているトナー４で所定の画像濃度を得るための単位面積当たりの質量３．６ｇ／ｍ2よりも多い。トナー層の充填トナー層厚ｔｄは、上述の単位面積当た りの質量をトナーの密度で除算することで得られる。したがって、上述の場合の充填トナー層厚ｔｄは、［数２］のようになる。
【００５３】
【数２】
2005316313.tif 000004
【００５４】
従って、このトナー層の充填率は２５％である。図３に示すように、層規制されたトナー層には、微視的には不均一な凹凸があり、トナー層中には隙間がある。
【００５５】
なお、現像ローラ７上のトナー層厚は、トナー層のある状態とトナー層を除去した状態の差をレーザーマイクロメーターで測定した値である。
【００５６】
ここで、トナーの体積平均粒径をＤ（この実施形態では６μｍ）、トナー層の充填トナー層厚をｔｄ（この実施形態では９μｍ）、感光体ドラム１によるトナーの搬送速度（感光体ドラム１の周速度）をｖｐ（この実施形態では１００ｍｍ／ｓ）、現像ローラ７によるトナーの搬送速度（現像ローラ７の周速度）をｖｔ（この実施形態では４５ｍｍ／ｓ）とするとき、［数３］の関係が成立する。
【００５７】
【数３】
2005316313.tif 000005
【００５８】
現像ローラ７上のトナー４の搬送量は９ｇ／ｍ2であり、ｖｔ＝０．４５×ｖｐなので 、現像ローラ７上のトナー４が全て現像に使用されるとすると、感光体ドラム１上に供給されたトナー層の単位面積当たりの質量は９×０．４５≒約４ｇ／ｍ2となる。これは、 必要な濃度を得るために十分なトナー量である。
【００５９】
感光体ドラム１上に供給されたトナー層の単位面積当たりの質量が過多である場合は、現像時や転写時にトナー４の飛び散りが生じて画像品位を低下させてしまう。この実施形態では、必要な画像濃度を得るためのトナー量は３．６ｇ／ｍ2である。この感光体ドラム１上でのトナー層に ついて充填トナー層厚ｔｐを算出すると、３．６μｍとなるので、ｔｐ＝０．６×Ｄが成立する。トナー４の仕様にもよるが、概ね、感光体ドラム１上での充填トナー層厚ｔｐが０．６以上１．０以下の範囲内である場合に、高品位な画像が得られるとともに、現像量の過多によるトナー４の飛び散り等を防止できる。
【００６０】
このように、感光体ドラム１上へのトナー４の供給量は、充填トナー層厚ｔｄとトナー４の体積平均粒径Ｄとの比と、現像ローラ７の周速度ｖｔと感光体ドラム１の周速度ｖｐとの比と、の積（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）で略決定される。この関係式（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）で表される値は、０．６以上１．０以下であれば適正であり、この場合に十分な画像濃度と解像度とが得られる。この実施形態では、（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）＝０．６７５であるので、十分な画像濃度と解像度とが得られる。
【００６１】
また、この実施形態において、トナー層規制部で規制された後に現像ローラ７によって搬送されるトナー層の単位面積当たりの質量は、必要な濃度を得るために現像ニップ部で必要とされる単位面積当たりのトナー量より多いが、この画像形成装置Ａでは、静電潜像を現像する現像ローラ７の周速度が感光体ドラム１の周速度より遅いので、所定の濃度を得るためのトナー量として適正である。したがって、画像形成装置Ａは、適正な画像濃度を確保でき、トナー４の飛び散りを防止することができる。
【００６２】
図４は、画像形成装置Ａに関する実験結果を示す図である。「濃度」の欄には、画像形成動作の初期に所定の濃度（Ｘ−Ｒｉｔｅ社製３１０による反射濃度測定値が１．４）を得られた場合に「○」を記し、上述の反射濃度測定値が１．４以下であった場合に「△」を記した。「飛び散り（解像度）」の欄には、１２００ｄｐｉの１ドットラインペアの顕微鏡観察時にライン間に非画像部を認識できた場合に「○」を記し、飛び散ったトナーでライン間が薄くつながっている状態が認識された場合は「△」を記した。また、「カブリ」の欄には、画像が形成された記録紙１４の非画像部のＸ−Ｒｉｔｅ社製３１０による反射濃度測定値が０．２未満であった場合に「○」を記し、０．２以上であった場合に「×」を記した。「劣化」の欄には、現像器を１０時間空転させた後の画像濃度が１．４以上であった場合に「○」を記し、１．４未満であった場合に「△」を記した。さらに、「感光体磨耗」の欄には、感光体ドラム１の磨耗筋を記録紙１４の画像上に目視で判別不可能な場合に「○」を記し、目視で判別可能な場合に「△」を記し、目視で顕著に判別可能な場合に「×」を記した。なお、各欄の「○」「△」「×」の基準については、後述の図５および図１１においても同様である。
【００６３】
図４（ａ）に示すように、画像形成装置Ａにおいて、（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）の値が、０．６以上１．０以下である場合に、適正な濃度かつ高解像度の高品位な画像を形成できるという実験結果を得た。
【００６４】
また、現像ローラ７と感光体ドラム１との周速比（ｖｔ／ｖｐ）が適度に高いので、現像ニップ部において感光体ドラム１上のトナーへの摺擦作用が得られ、感光体ドラム１上の非画像部に付着するトナー４を除去する作用も十分に得られる。このため、濃度が十分かつ均一で、カブリが無く、細線をも鮮明に表現できるほど解像度に優れた高品位な画像を形成することができる。
【００６５】
さらに、現像ローラ７の周速度ｖｔが大きいほど、単位時間当たりに現像ニップ部へ搬送されるトナー量が多くなるので、感光体ドラム１上に供給されるトナー量を適正にするために、現像ローラ７上の充填トナー層厚ｔｄを低く設定する必要がある。図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、実験によれば、感光体ドラム１と現像ローラ７との周速比（ｖｔ／ｖｐ）が０．５より大きい場合はカブリが発生し、現像ローラ７上に充填トナー層厚ｔｄが０．８×Ｄより小さいトナー層を担持させる必要があった。また、現像ローラ７と感光体ドラム１との周速比（Ｖｔ／Ｖｐ）が０．２５より小さい場合は感光体ドラム１の磨耗による筋が発生し、所定濃度を得るために、現像ローラ７上に充填トナー層厚ｔｄが３．０×Ｄより大きいトナー層を担持させる必要があった。
【００６６】
しかし、現像ローラ７上の充填トナー層厚ｔｄが３．０×Ｄより大きくなると、現像ニップ部内で感光体ドラム１との摺擦によって、トナーが搬送方向の現像ニップ部の下流側へ掻き出され、現像ニップ部の出口のトナー量が過大になる。このため、非画像部のカブリが顕著になるとともに、トナーの飛散およびこぼれが発生する。また、トナー層厚ｔｄが３．０×Ｄより大きくなると、現像ローラ７や層規制ブレード１０とトナー４との接触帯電機会が不足する。このため、トナー４の帯電量が不足して、非画像部のカブリが増大する。一方、充填トナー層厚ｔｄが０．８×Ｄより小さくなると、トナー層の規制時のトナー４へのストレスが増加して、トナー４の劣化が顕著になり、所定の印刷枚数を出力する前に、画像濃度の低下や解像度の悪化が引き起こされる。
【００６７】
したがって、上述の実験から、高品位の画像を形成するためには、０．８×Ｄ≦ｔｄ≦３．０×Ｄ、かつ、０．２５×ｖｐ≦ｖｔ＜０．５×ｖｐ、の関係を満たす必要があるという結果を得た。
【００６８】
この実施形態では、充填トナー層厚ｔｄ＝１．５×Ｄであるので、カブリ、トナー飛散、トナー４のこぼれの発生を防止できるとともに、トナー層規制時のストレスを抑制して、トナー４の劣化による画像品位の低下を防止することができる。
【００６９】
また、層規制ブレード１０へのトナー４の融着は、現像ローラ７と層規制ブレード１０との摺擦距離に依存するが、この実施形態の構成では現像ローラ７の回転速度ｖｔが低いので、層規制ブレード１０にトナー４が融着するまでの期間を長くして層規制ブレード１０の寿命を延ばすことができる。
【００７０】
さらに、現像ローラ７上に形成されるトナー層の充填トナー層厚ｔｄが０．８×Ｄ以上であるので、トナー層の充填率（２５％）を考慮すると、図３に示すように、トナー層規制部でのトナー層は２層を越えて、トナー層中には現像ローラ７にも層規制ブレード１０にも接触しないトナー４が生じる。このトナー層を適正に帯電させるためには、さらなる帯電機会を付与することが必要である。
【００７１】
上述のようにこの実施形態では、現像ニップ部内での現像ローラ７と感光体ドラム１との周速比が０．４５である。現像ローラ７と感光体ドラム１との周速差によって、図２に示す現像ニップ部内でトナー４を流動させ、トナー４同士の接触や、トナー４の感光体ドラム１および現像ローラ７との接触による帯電機会を増加させることによって、トナー４を均一に帯電させることができる。図４（ｃ）に示すように、実験では、感光体ドラム１と現像ローラ７との周速比（ｖｔ／ｖｐ）を０．５未満にした場合、現像ニップ部内でトナー４を十分に帯電させることができた。一方、感光体ドラム１と現像ローラ７との周速比（ｖｔ／ｖｐ）が０．２５より小さい場合、感光体ドラム１の摩耗が顕著になり、所定の印刷枚数の出力前に画像の品位が低下した。
【００７２】
この実施形態では、画像形成装置Ａは、現像ニップ部において現像ローラ７の表面と感光体ドラム１の表面とが互いに同じ方向に移動するように構成されている。これによって、現像ニップ部を通過した感光体ドラム１の表面の画像部が、現像ニップ部内で十分に帯電されたトナー層と最後に接触するようにすることができる。従って、帯電量の低いトナー４が画像部に供給されることを防止できるとともに、非画像部のカブリを防止することができる。
【００７３】
また、この実施形態では、現像ローラ７上の単位面積当たりのトナー量が、適正な画像濃度を得るために感光体ドラム１上に供給されるべき単位面積当たりのトナー量より多いので、非画像部にトナー４のカブリが発生しやすいとも考えられる。図５に示す実験結果から、非画像部でトナー４を現像ローラ７側へ引きつける非画像部電位差を、画像部でトナー４を感光体ドラム１側へ引き付ける現像電位差の、２倍以上の大きさにした場合、カブリを抑制することができるという結果を得た。すなわち、感光体ドラム１の非画像部の表面電位をＶ０、画像部の表面電位をＶＬ、現像ローラ７に印加される現像電圧をＶｂ、とするとき、次の［数４］の関係を満たす場合に、現像ローラ７上の単位面積当たりのトナー量を感光体ドラム１上に供給されるべき単位面積当たりのトナー量より多くしながら、カブリの発生を防止することができるということが判明した。
【００７４】
【数４】
2005316313.tif 000006
【００７５】
なお、この実施形態では、使用するトナー４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って、省エネおよび高速化を実現できる。低温定着トナーは負荷によって劣化しやすいが、この実施形態の構成では、トナー４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できる。
【００７６】
また、トナー４中の着色剤の濃度を１５％としたが、７％以上２５％以下とすることが好ましい。このような着色剤の濃度が高いトナーを使用することによって、トナーの消費量を低減させることができるので、トナーホッパ５の小型化および長寿命化を実現することができる。着色剤の比率が高いトナーは一般的には負荷によって劣化しやすいが、画像形成装置Ａの構成では、トナー４への負荷が小さいので、着色剤の比率が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。
【００７７】
さらに、トナー４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、ワックスの含有率は６％以上２０％以下であることが好ましい。ワックスを有するトナー４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、画像形成装置Ａを小型化できる。ワックスを有するトナーは一般的には負荷によって劣化しやすいが、画像形成装置Ａの構成では、トナー４に作用する負荷が小さいので、ワックスを有するトナー４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。
【００７８】
また、トナー４の体積平均粒子径は、上述の実施形態では６μｍであるが、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によって、単位面積当たりのトナーの質量が同じ場合でも記録紙１４に対する被覆率が向上するので、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することができる。このため、画像濃度を十分に確保できるとともに、トナー４の飛び散りが少なく、潜像に忠実なシャープな細線の画像をも形成することができる。
【００７９】
小粒径のトナー４は、流動性が低いため一般的にはトナー層に対するストレスによって劣化しやすいが、画像形成装置Ａの構成ではトナー４に対する負荷が小さいので、小粒径のトナーを用いても、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。但し、トナーの粒径が４μｍ未満になると、トナー層に対するストレスでトナーが層規制ブレード１０に融着しやすくなる。このため、例えば、トナー層に対するストレスが最も弱い、ｖｔ／ｖｐ＝０．２５の条件で用いた場合でも、連続回転時の融着発生までの時間が１０時間未満となる。一方、トナーの粒径が８μｍを越える場合は、所定の画像濃度を得るために必要なトナー量が多くなるとともに融着が発生しにくくなる。このため、層規制後のトナー搬送量が最小になる、ｖｔ／ｖｐ＝０．５の条件で用いても、連続回転時の融着発生までの時間が所定時間を越え、周速比ｖｔ／ｖｐを０．５未満にする必要がない。
【００８０】
また、トナー４の製法は、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あってもよいが、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４を製造することが好ましい。これらの製法では、粒子形状を球形または球形に近い形状に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うことができる等の利点がある。この流動性の制御によって、感光体ドラム１のトナー搬送量を適切に設定することができる。これによって、十分な画像濃度を安定して得ることが容易になる。
【００８１】
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、着色剤濃度が７％以上２０％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、定着温度の低温度化（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、この画像形成装置Ａであればトナーへの負荷が小さいので、高品位な画像形成に十分に使用可能である。
【００８２】
上述のように、画像形成装置Ａによれば、画像濃度が十分かつ均一で、カブリも無く、細線にも優れた高品位な画像を、長期間にわたって安定して得ることができる。
【００８３】
なお、この実施形態では、現像ローラ７へ印加する現像電圧は直流電圧としたが、感光体ドラム１の表面の画像部の電位ＶＬ（−７０Ｖ）に対して、トナー４が感光体ドラム１に接触する現像ニップ部とその近傍で、電界の方向が変化する振幅の振動電圧を現像ローラ７にさらに印加し、トナー４に感光体ドラム１の画像部と現像ローラ７との間を往復運動させるようにしてもよい。
【００８４】
上述の振動電圧は、感光体ドラム１の表面の画像部の電位ＶＬ（−７０Ｖ）に対して、電界の方向が変化する振幅の振動電圧であればよいが、図６に示すように、ピーク電圧が、画像部の電位に対して５０Ｖ以上の電位差を有することが望ましい。例えば、現像電圧の直流成分が−２４０Ｖ、画像部の電位が−７０Ｖである場合、振動成分の振幅電圧は４４０Ｖｐｐ以上であることが望ましい。
【００８５】
一般的に、図２に示すように、機械的な層規制手段によって形成された現像ローラ７上のトナー層は、完全に均一な層ではなく、不均一な凹凸がある。上述の実施形態では、現像ローラ７の速度が感光体ドラム１の速度より低いために、トナー層が感光体ドラム１上で引き伸ばされる。これによって、トナー層の不均一性が感光体ドラム１上で移動方向に拡大され、現像された画像は、トナー層の不均一性に基づいてムラが顕著な画像になる。
【００８６】
しかし、現像ニップ部とその近傍で電界の方向が変化する振動電圧を現像ローラ７に印加することによって、トナー４は、現像ニップ部とその近傍で振動するとともに、感光体ドラム１と現像ローラ７との間を往復運動する。これによって、トナー層の凹凸が均一化され、感光体ドラム１上に現像されたトナー像におけるムラの発生を解消し、均一で高品位な画像を得ることができる。
【００８７】
現像ローラ７に印加される振動電圧の周波数は、５００Ｈｚ〜３ｋＨｚの範囲内であることが望ましい。３ｋＨｚを超える周波数の電圧では、トナーの振動が追従できず、５００Ｈｚ未満の周波数の電圧では、トナーの振動回数が過小で十分な効果が得られない。
【００８８】
現像ローラ７に印加される振動電圧が、画像部と現像ローラ７との間およびその近傍でトナー４を振動させるとともに、画像部と現像ローラ７との間でトナー４を往復運動させることによって、トナー４が現像ローラ７および感光体ドラム１と接触する機会が増加し、トナーの帯電の均一性が向上する。したがって、画像部上にトナー４がムラなく供給され、感光体ドラム１上に形成されるトナー像の品位を向上させることができる。
【００８９】
さらに、図７に示すように、振動電圧のピーク電圧は、画像部電位および非画像部電位に対して各々５０Ｖ以上の電位差を有することが好ましい。例えば、現像電圧の直流成分が−２４０Ｖ、画像部電位が−７０Ｖ、非画像部電位が−６００Ｖである場合、振動成分の振幅電圧は８２０Ｖｐｐ以上であることが望ましい。
【００９０】
現像ローラ７に印加される振動電圧は、画像部のトナーのみならず非画像部のトナーをも振動させることによって、すべてのトナー４に現像ローラ７や感光体ドラム１との帯電機会を付与することができるので、画像部トナーのみならず、非画像部のトナーの帯電をも向上させることができる。さらに、現像ニップ部を通過した感光体ドラム１の非画像部に付着したトナー４に、別のトナー４の粒子を衝突させることによって、非画像部のカブリを除去する効果も得ることができる。
【００９１】
なお、振動電圧が過大な場合は、トナー４の飛散が顕著になり、画像上にカブリが発生する場合がある。このカブリを防止するため、電圧の振幅の上限は２ｋＶｐｐ以下にすることが必要である。
【００９２】
上述の現像電圧によって、さらに均一かつ適度な画像濃度で、カブリがなく、細線にも優れた高品位な画像を、長期間にわたって安定して形成することができるようになる。
【００９３】
図８は、他の実施形態に係る画像形成装置Ｂの一部の構成を示す断面図である。図９は、画像形成装置Ｂの現像ニップ部の拡大図である。この実施形態に係る画像形成装置Ｂは、感光体ドラム１の表面と現像ローラ７上に担持されるトナー層との間に間隙が設けられる点と、現像ローラ７に印加する現像電圧の条件と、を除いて、上述の実施形態に係る画像形成装置Ａと同様に形成される。なお、画像形成装置Ａの各部材と同様の構成を有する部材には画像形成装置Ａの場合と同一の符号を付している。
【００９４】
現像ローラ７および感光体ドラム１の回転軸はそれぞれ、現像ローラ７の表面と感光体ドラム１の表面との間隔が２５０μｍとなるように位置決めされる。これによって、感光体ドラム１の表面と現像ローラ７上のトナー層との間に間隙が設けられる。
【００９５】
図１０は、画像形成装置Ｂの現像ローラ７に印加される振動電圧の波形の一例を示す図である。現像ローラ７には、直流電圧−２４０Ｖと、周波数１．５ｋＨｚ、振幅１８００Ｖｐｐの振動電圧と、が重畳された現像電圧が印加される。この現像電圧は、感光体ドラム１上の画像部の電位ＶＬ（−７０Ｖ）に対して、感光体ドラム１に対向する現像ローラ７の表面とその近傍で電界の方向が変化する振動電圧である。この振動電圧による電界によって、トナー４は、現像ニップ部である感光体ドラム１と現像ローラ７との間を往復運動する。
【００９６】
ここで、トナー４を往復運動させるためには、両方向の電界強度が１ＭＶ／ｍ以上であればよい。感光体ドラム１と現像ローラ７との間隔が２５０μｍの場合は、往復両方向の電位差がそれぞれ２５０Ｖ以上となる。従って、−７０Ｖの画像部の電位に対しては、＋電位のピークが＋１８０Ｖより、−電位のピークが−３２０Ｖより、それぞれ絶対値で大きくなる振動電圧を現像ローラ７に印加すればよい。
【００９７】
感光体ドラム１の表面と現像ローラ７上のトナー層との間に間隙が設けられることで、現像ニップ部内で感光体ドラム１と現像ローラ７上のトナー層との摺擦作用がないので、トナー４が現像ニップ部のトナー４の搬送方向の下流側へ掻き出され、現像ニップ部の出口のトナー量が過大になるというようなことがない。これによって、非画像部のカブリ、およびトナー４のこぼれを防止することができる。また、感光体ドラム１と現像ローラ７とが非接触に配置されるので、感光体ドラム１および現像ローラ７の現像ニップ部での摩耗を防止することができる。
【００９８】
また、感光体ドラム１が現像ローラ７上のトナーを摺擦しないので、現像ローラ７上のトナー層に不均一な部分があったとしても、その不均一性を感光体ドラム１が引き伸ばして拡大することがない。さらに、現像に用いられるトナー４は、現像ニップ部の間隙を飛翔して移動するので、現像ローラ７上のトナー層に不均一性があったとしても、その不均一性が感光体ドラム１の画像部上に供給されたトナー層に与えられる影響は小さくなる。
【００９９】
上述のように、この実施形態における現像ローラ７および感光体ドラム１のそれぞれの周速度やトナー４の構成は、画像形成装置Ａの場合と同様である。現像ローラ７に搬送されるトナー層の単位面積当たりの質量は９ｇ／ｍ2であり、このときのトナー層厚ｔｄは ３６μｍである。この質量は、使用しているトナー４で所定の画像濃度を得るための単位面積当たりの質量３．６ｇ／ｍ2よりも多い。トナー層の充填トナー層厚ｔｄは、上述の 単位面積当たりの質量をトナー密度で除算することで得られる。したがって、上述の場合の充填トナー層厚ｔｄは、［数５］のようになる。
【０１００】
【数５】
2005316313.tif 000007
【０１０１】
従って、このトナー層の充填率は４０％である。現像ローラ７に搬送されるトナー層の単位面積当たりの質量は９ｇ／ｍ2であり、ｖｔ＝０．４５×ｖｐなので、現像ローラ７ 上のトナーが全て現像に使用されるとすると、感光体ドラム１上に供給されたトナー層の単位面積当たりの質量は９×０．４５≒約４［ｇ／ｍ2］となる。これは、必要な濃度を 得るために十分なトナー量である。
【０１０２】
このように、感光体ドラム１上へのトナー４の供給量は、充填トナー層厚ｔｄとトナー４の体積平均粒径Ｄとの比と、現像ローラ７の周速度ｖｔと感光体ドラム１の周速度ｖｐとの比と、の積（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）で略決定される。この関係式（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）で表される値は、０．６以上１．０以下であれば適正であり、この場合に十分な画像濃度と解像度とが得られる。この実施形態では、（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）＝０．６７５であるので、十分な画像濃度と解像度とが得られる。
【０１０３】
感光体ドラム１上に供給されたトナー層の単位面積当たりの質量が過多である場合は、現像時や転写時にトナー４の飛び散りが生じて画像品位を低下させてしまう。この実施形態では、現像ローラ７によって搬送されるトナー層の単位面積当たりの質量は、必要な濃度を得るために現像ニップ部で必要とされる単位面積当たりのトナー量より多いが、この画像形成装置Ｂでは、現像ローラ７の周速度が感光体ドラム１の周速度より遅いので、所定の濃度を得るためのトナー量として適正である。したがって、画像形成装置Ｂは、濃度が均一かつ適正で、細線をも鮮明に表現できる高品位な画像を形成することができる。
【０１０４】
図１１は、画像形成装置Ｂに関する実験結果を示す図である。各欄の符号の意味については上述の図４の場合と同様である。
【０１０５】
図１１（ａ）に示すように、画像形成装置Ｂにおいて、（ｔｄ／Ｄ）×（ｖｔ／ｖｐ）の値が、０．６以上１．０以下である場合に、適正な濃度かつ高解像度の高品位な画像を形成することができるという実験結果を得た。
【０１０６】
また、感光体ドラム１と現像ローラ７との周速比（ｖｔ／ｖｐ）が大きいほど、単位時間当たりに現像ニップ部へ搬送されるトナー量が多くなるので、感光体ドラム１上に供給されるトナー量を適正にするために、現像ローラ７上の充填トナー層厚ｔｄを低く設定する必要がある。図１１（ｂ）および図１１（ｃ）に示すように、実験によれば、感光体ドラム１と現像ローラ７との周速比（ｖｔ／ｖｐ）が０．５より大きい場合はカブリが発生し、現像ローラ７上に充填トナー層厚ｔｄが０．８×Ｄより小さいトナー層を担持させる必要があった。また、現像ローラ７と感光体ドラム１との周速比（Ｖｔ／Ｖｐ）が０．２５より小さい場合は、所定の濃度を得るために、現像ローラ７上に充填トナー層厚ｔｄが３．０×Ｄより大きいトナー層を担持させる必要があった。
【０１０７】
しかし、現像ローラ７上の充填トナー層厚ｔｄが３．０×Ｄより大きくなると、現像ニップ部内で飛翔時および往復運動時にトナー４が飛散するため、非画像部のカブリが顕著になるとともに、トナー４のこぼれが発生する。また、充填トナー層厚ｔｄが３×Ｄより大きくなると、現像ローラ７や層規制ブレード１０とトナー４との接触による帯電機会が不足するので、トナー４の帯電量が不足して、非画像部のカブリが増加する。一方、充填トナー層厚ｔｄが０．８×Ｄより小さくなると、トナー層の規制時のトナー４へのストレスが増加して、トナー４の劣化が顕著になり、所定の印刷枚数を出力する前に、画像濃度の低下や解像度の悪化が引き起こされる。
【０１０８】
したがって、上述の実験から、高品位の画像を形成するためには、０．８×Ｄ≦ｔｄ≦３．０×Ｄ、かつ、０．２５×ｖｐ≦ｖｔ＜０．５×ｖｐ、の関係を満たす必要があるという結果を得た。
【０１０９】
この実施形態では、充填トナー層厚ｔｄ＝１．５×Ｄであるので、カブリ、トナー飛散、トナー４のこぼれの発生を防止できるとともに、トナー層規制時のストレスを抑制して、トナー４の劣化による画像品位の低下を防止することができる。
【０１１０】
また、層規制ブレード１０へのトナー４の融着は、現像ローラ７と層規制ブレード１０との摺擦距離に依存するが、この実施形態の構成では現像ローラ７の回転速度ｖｔが低いので、層規制ブレード１０にトナー４が融着するまでの期間を長くして層規制ブレード１０の寿命を延ばすことができる。
【０１１１】
さらに、現像ローラ７上に形成されるトナー層の充填トナー層厚ｔｄが０．８×Ｄ以上であるので、トナー層の充填率を考慮すると、図３に示すように、トナー層規制部でのトナー層は２層を越えて、トナー層中には現像ローラ７にも層規制ブレード１０にも接触しないトナー４が生じる。このトナー層を適正に帯電させるためには、さらなる帯電機会を付与することが必要である。この実施形態では、現像ニップ部内での現像ローラ７と感光体ドラム１との間を画像部のトナー４が往復運動するので、トナー４同士の接触や、トナー４の感光体ドラム１および現像ローラ７との接触による帯電機会を増加させることによって、トナーを均一に帯電させることができる。
【０１１２】
機械的な層規制手段によって形成された現像ローラ７上のトナー層は、完全に均一な層ではなく、図３に示すように、凹凸があり不均一な部分がある。上述の画像形成装置Ｂでは、現像ニップ部内でトナー４が往復運動して飛翔するので、トナー層の凹凸が均一化される。したがって、感光体ドラム１上に供給されトナー像となったトナー層のムラを解消し、均一で高品位な画像を形成することができる。
【０１１３】
なお、現像ローラ７に印加される振動電圧の周波数は、５００Ｈｚ〜３ｋＨｚの範囲内であることが望ましい。３ｋＨｚを超える周波数ではトナーの振動が追従できず、５００Ｈｚ未満の周波数では、トナー４の振動回数が過小で十分な効果が得られないからである。
【０１１４】
また、現像ローラ７に印加される振動電圧は、感光体ドラム１の表面の画像部の電位ＶＬ（−７０Ｖ）に対して、トナー４を電界力によって往復運動させるような振動電圧であればよい。トナー４を往復運動させるためには、両方向の電界強度が１ＭＶ／ｍ以上であればよい。振動電圧が画像部のトナー４を振動させることによって、現像ローラ７や感光体ドラム１とトナー４との帯電機会を増やすことができるので、画像部のトナー４をいっそう均一に所定電位まで帯電させることができる。
【０１１５】
さらに、現像ローラ７に印加される振動電圧のピーク電圧は、画像部電位および非画像部電位のそれぞれに対して、往復の両方向で電界強度が１ＭＶ／ｍ以上となるような電圧であることが望ましい。例えば、感光体ドラム１と現像ローラ７との間隔が２５０μｍである場合は、往復両方向の電位差が２５０Ｖ以上となる。したがって、図１２に示すように、画像部電位が−７０Ｖ、非画像部電位が−６００Ｖである場合、−７０Ｖの画像部電位に対して＋電位のピークが＋１８０Ｖより、−６００Ｖの非画像部に対して−電位のピークが−８５０Ｖより、それぞれ絶対値で大きくなる振動電圧を現像ローラ７に印加すればよい。現像電圧の直流成分が−２４０Ｖである場合、振動電圧の振幅は１２２０Ｖｐｐ以上であることが望ましい。
【０１１６】
振動電圧が、画像部のみならず非画像部に対向する位置にあるトナー４をも往復運動させることによって、現像ローラ７および感光体ドラム１とのトナー４の帯電機会を増やすことができるので、トナー４を所定電位に均一に帯電させることができる。また、現像ニップ部を通過した非画像部の感光体ドラム１に付着したトナー４に、他のトナー粒子を衝突させることによって、非画像部のカブリを除去することができる。さらに、非画像部のトナー４の帯電をも向上させることができるので、これによっても非画像部のカブリを抑制することができる。
【０１１７】
なお、振動電界が過大である場合は、トナー４の飛散が顕著になり、画像上にカブリが発生する。このカブリを防止するために、振動電界の振幅の上限は３ＭＶ／ｍ以下とすることが望ましい。
【０１１８】
上述の現像電圧によって、画像形成装置Ｂは、画像濃度が適正かつ均一で、カブリがなく、細線の表現にも優れた高品位な画像を、長期間にわたって安定して形成することができる。
【０１１９】
なお、この実施形態では、現像電圧を振動電圧としたが、直流電圧であっても、トナー４を現像ローラ７から感光体ドラム１へ飛翔させて現像することができる。この場合は、現像電圧の電源回路を安価に構成することができる。
【０１２０】
また、上述の各実施形態では、潜像保持体として感光体ドラムを用いたが、ベルト形態のものを用いることもできる。
【０１２１】
図１３は、さらに他の実施形態に係る画像形成装置Ｃの一部の構成を示す断面図である。なお、上述の画像形成装置Ａ，Ｂと同様に構成される部材には同一の符号を付している。
【０１２２】
この実施形態に係る画像形成装置Ｃは、現像ローラ７と感光体ドラム１とが圧接する現像ニップ部での感光体ドラム１の食い込みによる現像ローラ７の変形量を規制するギャップリング２０を、現像ローラ７の両端に備える。ギャップリング２０は、ポリアセタール樹脂やＰＰＳなどの摺動性に優れた絶縁性の樹脂材料からなる。ギャップリング２０の外径は、現像ローラ７の外径より４００μｍ小さく形成される。ギャップリング２０は、現像ローラ７と同軸に設けられ、感光層が塗工されていない感光体ドラム１の両端部に押圧し、感光体ドラム１の回転中心と現像ローラ７の回転中心との距離を規制する。また、現像ニップ部の押圧力を安定させるために、現像器８の後部を押圧するバネ９の押圧力は２０Ｎに設定される。これによって、感光体ドラム１の現像ローラ７への食い込み量は、２００μｍで安定して保持される。
【０１２３】
現像ニップ部を現像ローラ７の弾性変形による反作用で規制する構成では、起動や停止時に、感光体ドラム１と現像ローラ７とのタイミングのズレや、駆動力の衝撃的な作用によって現像ローラ７が軸方向に不均一な力を受けることがある。この場合は、現像ローラ７と感光体ドラム１との接触圧力が部分的に大きくなり、感光体ドラム１を部分的に摩耗させるおそれがある。ギャップリング２０を設けることによって、感光体ドラム１と現像ローラ７との中心間の距離を規制して、現像ローラ７と感光体ドラム１との押圧力を安定化させることができる。これによって、感光体ドラム１の部分的な摩耗を防止して、長期間にわたり濃度が均一で高品位な画像を形成することができる。
【０１２４】
なお、上述の各実施形態では、現像ローラ７の表面と感光体ドラム１の表面とが同方向に移動するように現像ローラ７および感光体ドラム１を回転させたが、この構成に限定されず、現像ローラ７の表面と感光体ドラム１の表面とが逆方向に移動するように現像ローラ７および感光体ドラム１を回転させてもよい。
【０１２５】
画像形成装置Ａ，Ｂ，Ｃによれば、現像ローラ７上のトナー層規制時のストレスを抑制して、トナー４の劣化や層規制ブレード１０への融着を防止することができる。これによって、筋状のムラ、画像濃度の低下、および解像度の悪化を防止することができる。また、現像ローラ７と感光体ドラム１との周速比を上述のように制御することによって、感光体ドラム１へのトナーの供給量を適正化して、画像濃度が適正かつ均一で、優れた解像度の画像を形成することができる。さらに、現像ローラ７の回転速度が低いので、層規制ブレード１０にトナー４が融着するまでの期間を長くして層規制ブレード１０の寿命を長くすることができる。
【０１２６】
なお、上述のような画像形成装置Ａ，Ｂ，Ｃは、具体的には例えば、複写機、プリンタ、ファクシミリ等として具現化される。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】この発明の実施形態に係る画像形成装置の一部の構成を示す断面図である。
【図２】現像ローラと感光体ドラムとがトナー層を介して接触する現像ニップ部の拡大図である。
【図３】現像ローラ上のトナー層が規制されるトナー層規制部の拡大図である。
【図４】図１に示す画像形成装置に関する実験結果を示す図である。
【図５】図１に示す画像形成装置に関する実験結果を示す図である。
【図６】現像ローラに印加される振動電圧の波形の一例を示す図である。
【図７】現像ローラに印加される振動電圧の波形の他の一例を示す図である。
【図８】他の実施形態に係る画像形成装置の一部の構成を示す断面図である。
【図９】図８に示す画像形成装置の現像ニップ部の拡大図である。
【図１０】図８に示す画像形成装置の現像ローラに印加される振動電圧の波形の一例を示す図である。
【図１１】図８に示す画像形成装置に関する実験結果を示す図である。
【図１２】図８に示す画像形成装置の現像ローラに印加される振動電圧の波形の他の一例を示す図である。
【図１３】さらに他の実施形態に係る画像形成装置の一部の構成を示す断面図である。
【図１４】従来の画像形成装置の一部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
Ａ，Ｂ，Ｃ  画像形成装置
１  感光体ドラム
４  トナー
７  現像ローラ
８  現像器
１０  層規制ブレード
【図１】
2005316313.tif 000008
【図２】
2005316313.tif 000009
【図３】
2005316313.tif 000010
【図４】
2005316313.tif 000011
【図５】
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【図６】
2005316313.tif 000013
【図７】
2005316313.tif 000014
【図８】
2005316313.tif 000015
【図９】
2005316313.tif 000016
【図１０】
2005316313.tif 000017
【図１１】
2005316313.tif 000018
【図１２】
2005316313.tif 000019
【図１３】
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【図１４】
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