(8) 進行波電界によるトナー搬送を利用した現像システム
足立真司、中村 雅
シャープ株式会社
ドキュメントシステム事業本部
ドキュメント商品開発センター

１．はじめに克己、山名

うな所定間隔で配列された電極をポリイミドフィルム

近年、家庭向けやオフィス用途のプリンタやコピー機で挟んだ構造の FPC(Flexible Print Circuit)を用いた。の画質は目覚しく向上してきている。低価格帯ではイン

この電極体に Fig.1 下図に示すような 4 相交流電圧を印クジェット方式が主流となり、専用紙を用いた場合には加し、進行波電界を発生させ、トナー搬送を行う。各電従来の銀塩写真並みの画質まで到達している。またオ極への印加電圧が変化する毎に隣接電極間にトナーをフィス用途としては、普通紙対応や高速印字の需要ある所定方向に移動させる電界が発生し、トナーが各電極間いはメンテナンスの容易性から、ドライトナーを用いたを順次移動していく。このような作用を受けて、トナー電子写真方式の機器が主流であり、これもまた大きな進はクラウド状態となって、数 100mm/ｓないし数 m/s の化を遂げてきている。電子写真方式の画像形成プロセス速度で搬送される。

で特徴的な工程の一つは現像工程であり、トナーを担持

次に進行波現像システムの狙いについて説明する。

した現像ローラを高速回転させて感光体に接触させてFig.2 は従来の現像システムでの課題と、進行波現像シ感光体上の静電潜像を現像して可視化する作用を担う。

ステムの特徴を示したものである。

一方、電子写真方式の高画質化へのアプローチとして、トナーを小粒径化し、感光体上への現像トナー量を軽減して薄層トナー像を形成する手法や１)、高解像度化の検討が行われている。従来の現像方式では、現像ローラ上のトナー層の薄層化や、感光体との接触による掻き乱し作用や、現像ローラの駆動負荷変動などが高画質化アプローチの障害となる懸念がある。
我々は上述の点に着目し、進行波電界によるトナー搬
送２―５)を利用した現像システム（以下、進行波現像シス
テムと記す。）について検討を行ってきた。本稿では進行波現像システムの電子写真装置への適用の可能性、画質向上効果、現状の課題について説明する。
Fig.2 従来方式での課題と進行波現像システムの特徴

２．進行波電界によるトナー搬送原理と狙い
まず進行波電界によるトナー搬送原理について簡単

従来の現像方式では、感光体上へ薄層トナー像を形成に説明する。Fig.1 は本検討で使用した進行波電界によするには現像ローラ上にも非常に薄いトナー層を均一るトナー搬送装置の概略図である。に形成しなければならない。特に非磁性 1 成分方式の現像装置では、トナー薄層を形成する際のトナー層規制ブレードへのトナー固着がより助長される。また現像工程においては、現像ローラと感光体との接触による掻き乱し作用が微小ドット形成を妨げる。さらには現像ローラを感光体周速度よりも速く回転させるために駆動負荷が大きく、この回転負荷の変動によってジッターなどの画像欠陥が発生しやすい。
一方、進行波現像システムでは現像工程で必要なトナー量はトナー供給部材上のトナー量や回転数などにより調整される。FPC 上に供給されたトナーは進行波電界の作用により、クラウド状になって高速搬送される。

Fig.1 進行波電界によるトナー搬送システム

つまり、空間密度の希薄なトナー流を高速に搬送して単位時間当たりに必要なトナー量を現像工程に供給する。

進行波電界を発生させる電極体は Fig.1 上図に示すよ1

よってトナー供給部材側では比較的厚いトナー層をの回動に伴って進行波電界を発生する FPC 装着部までゆっくり形成し、現像部への少量トナー供給は進行波電移動する。進行波電界発生領域に到達したトナー層は、界の作用により行うため、従来のように機械的な薄いト進行波電界の作用により、クラウド状となり、空間密度ナー層の形成や、高速回転駆動の制約が緩和される。まの極めて疎な状態でベルト移動速度の数十倍の速度でたトナーがクラウド化されて現像工程に供給されるた搬送され、現像領域に供給される。イメージ的にはムーめ、非接触現像が容易になり、感光体との接触による掻ビングウォークのような感じである。

き乱しの影響の低減や、クラウド化されたトナーは感光

進行波電界により搬送されたトナーは感光体との対体上の微小な潜像に対してのレスポンスが高く、高解像峙領域に到達し、感光体上の静電潜像を非接触状態で現度現像性能が期待できる。

像する。

このような作用を利用することで、従来の現像システ

現像工程で使用されなかったトナーは進行波電界のムでの課題を解決することが本システムの狙いである。

発生しない領域にて、再びベルト上に戻り、ベルト上のトナー回収機構によって再利用される。さらに次回のト３．ベルト被覆型システム

ナー層形成過程に到達するまでにベルトの除電が行われるように構成されている。

本検討で用いた進行波現像システムの構成を Fig.3 にこのベルト被覆型システムの機能面の特徴は下記の示す。特徴的な構成は進行波電界を発生させる FPC 表面２点である。

を回動可能な高抵抗の薄膜ベルトで被覆した点である。

A) トナー搬送面のリフレッシュ機能

以降、特に本構成を指す場合、ベルト被覆型システム⇒ベルト面の連続的なクリーニングと除電（Belt‑covered system）と記す。また Table.1 に代表的な動作条件を示す。

B)

トナー供給/搬送の機能分離⇒トナー供給条件とトナー搬送条件の最適化

次節では、これらの機能面の特徴がトナー搬送性能に与える効果について説明する。

４．トナー搬送性能検討
進行波現像システムにおいて、従来の現像システムの主要機能に対して大きく異なる部分はトナー搬送に関する部分である。以下、トナー搬送の重要機能である
1)安定性、2)供給能力、3)均一性に関する検討結果について述べる。

Fig.3 ベルト被覆型構造（ Belt-covered system）

4‑1．搬送安定性に関して

Table1. 実験条件

①FPC のチャージアップとトナー付着
検討の初期では Fig.4 に示すような実験装置にて検討を行った。前述のベルト被覆型システムと異なり、帯電トナーを直接 FPC 上に電界供給し、FPC 上に移動したトナーを進行波電界で搬送するというシンプルな構成となっている。

以下、ベルト被覆型システムの現像デバイスの構成および動作について簡単に説明する。
まずベルト上にトナー層を形成する。ベルトの移動速度は 30〜60×10‑3m/s 程度の低速条件であり、ベルト上に形成するトナー層の付着量は 0.8〜1.5×10‑2kg/m2 とFig.4 初期検討における実験装置の概要

比較的厚いトナー層である。なお、本検討では市販の非磁性 1 成分現像装置の現像ローラ上に形成された帯電Fig.4 の実験系にてトナー搬送を継続すると、トナートナー層をベルト上に転移させてベルト上のトナー層の搬送状態が不安定となり、次第に FPC 面全域へのト形成を行った。ベルト上に形成されたトナー層はベルトナー付着現象が発生した。

2

Fig.5 はトナー搬送量の累積量に対する FPC 表面電位位の変化である。高抵抗層は厚みが約 30μm のカーボン変化である。負極性側（下側）へのチャージアップが絶を分散したポリイミドフィルムであり、抵抗率は 100V縁性の表面保護層を持つ FPC 単体を用いた場合の結果印加での値である。抵抗率が 10１２Ω･cm 以下では大きなを示しており、トナー搬送の増加に伴って FPC 表面電位除電効果が得られることがわかる。

が上昇することを示している。ここでの単位時間当たり次に高抵抗フィルム層の時定数の作用によるトナー‑4のトナー搬送量は約 3×10 kg/(m･s)であり、数秒から搬送能力への影響を調査した。Fig.7 はフィルム抵抗率数十秒で FPC 表面電位が数 100V まで上昇することがわをパラメーターに、電極ピッチが 254μm での進行波電かる。進行波現像システムでは、FPC 自体が現像部の対界周波数とトナー搬送量の関係を示したものである。ト

向電極であること、また FPC 表面の電界分布がトナー搬ナー搬送量の測定は FPC 端部まで搬送されたトナーを送特性に影響するため、FPC の帯電は現像特性および搬吸引採取して秤量し、単位幅および単位時間当たりの搬送特性の変動要因となる。また表面電位上昇の度合いは送量を求めた。

使用トナーによっても異なることを確認しており、トナー搬送過程における FPC 表面層とトナーの接触による帯電がチャージアップの主原因と考えられる。

Fig.7 高抵抗層によるトナー搬送能力への影響
フィルム抵抗が 109Ω･cm 以下ではトナーはほとんど搬送されず、1010Ω･cm 以上で搬送可能であった。また

Fig.5 FPC 表面のチャージアップ

トナー搬送量は周波数ｆが 1ｋHz 付近でピークを示し、また Fig.6 は、FPC 上へのトナー付着状態を示してい進行波電界変化にトナーが追従する最適周波数範囲がる。左側の写真は通常のトナー搬送を行った後の状態であることを確認した２‑４）。さらにフィルム層が 1010Ω･あり、FPC 表面全域にトナー付着が起こっていることがcm 以上ではピーク時の搬送量はほぼ同等であるが、抵わかる。また右側の写真は、FPC 表面の中央部を強制的抗が下がるにつれ、低周波数側での搬送能力が低下した。に帯電させた後、トナー搬送を行ったときのトナー付着よって高抵抗層を設けた場合には進行波電界周波数を状態である。強制的に帯電させた領域にのみトナーが付より適切に選定する必要があることが分かった。
このように高抵抗層を配することでチャージアップ着し、トナー付着現象も FPC の帯電に関連していることの抑制効果は確認できたが、長時間の使用では徐々にトが分かった。

ナー付着が進み、継続的な使用が困難であることが判明した。ベルト被覆型システムでは、高抵抗ベルトを回動させて、ベルト面の連続的なクリーニングと除電を行うことが可能であり、トナー搬送面は常にリフレッシュされた状態を維持できるため、長期使用でのトナー付着現象も解消され、安定したトナー搬送が継続可能となった。

4‑2．トナー搬送量に関して
Fig.8 は FPC の電極ピッチに対するトナー搬送能力のFig.6 FPC 表面へのトナー付着変化である。実験条件は Table.1 に示す内容であり、各②高抵抗層の影響とベルト被覆型構造の効果

電極ピッチでの周波数はトナー搬送能力が最大となる

FPC 表面の除電作用付与を目的に、FPC 表面に高抵抗条件としている。ベルト回転系におけるトナー搬送量の層を設けて、トナー搬送面の除電効果を検証した。Fig.5

評価は以下の方法で行った。ベルト上のトナー量（0.8のグラフにて、上側のプロットが高抵抗層の体積抵抗率〜1.5×10‑4kg/ｍ2）とベルト回転速度（3〜6×10‑2m/s）

ρを変更し、トナー搬送を連続して行った場合の表面電を変化させてトナー供給量を調整し、ベルト上にほとん

3

Fig.10-(a)〜(c)は進行波電界によるトナー搬送開始位

どトナーが残存しない条件を最大搬送量とした。

置を Fig.9 の(a)点から(c)点まで順次ずらし、現像領域までのトナー搬送距離（T.L.）を変化させて現像した像である。なお、(a)〜(c)点から現像部までの搬送距離は、それぞれ 30mm、8mm、約 0mm である。

Fig.8 トナー搬送能力
例えば、感光体周速度が 0.1m/s（印字速度が 20〜25PPM（A4 横送り換算）相当）、現像トナー量が 0.4×10‑2kg/m2（薄 層 ト ナ ー 像形 成 を 想 定 ） の 印 字 条 件 で は、4×10‑4kg/(m･s)のトナー搬送量が必要となるが、ベルト被覆型システムでの電極ピッチλが 254μm の条件でこれを満たすことが可能であった。更に電極ピッチを広げる

Fig.10ことでトナー搬送能力は増大し、例えば電極ピッチがスジ状ムラと斑状ムラ

508μm の条件では約 9×10−４kg/(m･s)の搬送能力であ搬送距離を短くするとスジ状のムラが次第に細くなり、40〜50PPM 相当の印字速度まで対応可能である。
よっり、現像領域近傍からの搬送条件にてスジ状パターンがてトナー搬送能力に関しては、電子写真装置で使用可能ほぼ消失した。これはトナー搬送面の微小な凹凸や局所であることが分かった。

的な帯電による搬送電界の不均一が、トナー搬送軌道を偏向し、搬送距離が長くなるにつれ、トナー流の離散・一方、ベルト無しの系ではトナー搬送能力が低くなっ−４ている。ここでは FPC 面に約 9×10集合を繰り返し、大きなスジ状ムラに成長するためと考kg/(m･s)のトナーえられる５)。

量が通過するようにトナー供給条件を設定し、前述（4‑1‑②）の方法にて測定した。Fig.4 の構造から判る

短距離搬送によりスジ状のムラはほぼ解消したが、ように、ベルト無しの形態ではトナー供給と搬送がほぼFig.10-(c)のような斑状の不均一が認められた。これは搬同時に行われ、FPC 面へのトナー供給時に大きな供給電送開始時のトナー挙動のバラツキが影響していると考界を与えると、トナー搬送を阻害するためである。

えられる。その要因としては、トナー層とベルトの付着ベルト被覆型システムではトナー供給と搬送の機能力バラツキ、あるいはトナー層自体の不均一性が挙げら分離により、進行波電界による搬送能力を有効に作用される。Fig.11 は進行波電界による搬送開始前に、位相差せる特徴があることも分かった。

180°の 2 相交番電界（定在波）を発生させ、搬送前のトナー層を事前にクラウド化（プレクラウド）して、進4‑3．搬送均一性に関して行波搬送開始時の挙動を揃えるための構成である。

次にトナー搬送状態の均一性について述べる。Fig.9に示す実験装置を用い、感光体の導体基板に直接電圧を印加してバイアス現像によりハーフトーン画像を形成し、その画像状態からトナー搬送の均一性を評価した。

Fig.11

プレクラウドシステム

プレクラウド部の電極ピッチや印加電圧は、進行波発生条件と同じとした。またベルト上トナー層の均一性向上の観点から、トナー供給ローラの表面精度やトナー層形成条件の改善も行い、その結果、Fig.10-(d)に示すようFig.9 搬送均一性確認の実験系

4

つぶれが少なく、階調再現性の改善効果が認められ、画に、斑状のムラを解消出来た。

質改善効果があることを確認した。

よってトナー搬送の均一化に関しても、適切な搬送距離と搬送開始条件を設定できる点で、ベルト被覆型システムが有効であることを確認した。

５．非接触現像性能検討
以上の結果を基に、進行波現像システムの現像特性の検討を行った。本節ではクラウド現像による高画質化への寄与と、現像特性の諸課題について述べる。

5‑1．解像性能と画質向上効果
まず、Fig.3 の実験装置にて感光体への非接触現像を行い、解像性能を検討した。なお露光装置は市販 MFP（Sharp 製 AR255P）の 1200dpi の LSU を用いた。Fig.12

画質改善効果Fig.13に 1200dpi ドットの現像状態を示す。印字条件は感光体5‑2．エッジ部の細りと高速化の両立

帯 電 電 位 を ‑800V 、 現 像 電 位 （ 進 行 波 電 圧 の 中 心 値V(fpc)）を‑500V、現像ギャップを 0.25mm、感光体膜厚最後に進行波現像システムでの課題を述べる。Fig.14は 22μm、感光体周速度は LSU 仕様より 61mm/s とした。

は 7mm 角のパッチ画像の現像状態である。左の現像

またトナー搬送量は電極ピッチ 254μm の FPC を用いて、ギャップが 1mm の条件では画像エッジ部の細りが発生‑43×10 kg/(m･s)となるよう設定した。

している。細りはトナー搬送方向（赤矢印）だけでなく、横方向にも発生しており、露光部周囲の電界の回りこみの影響を強く受けているものと考えられる。Fig.1 に示したように、進行波現像システムでは FPC 内の個々の電極には周期的に高い電圧が印加されるが、FPC 表面から離れるに従い、電位分布は減衰し、感光体表面近傍では印加電圧の中心値 V(fpc)が実効的な現像バイアスとして作用する。つまり DC 非接触現像に近い挙動となる。

Fig.12

よって現像ギャップが広い状態では感光体側へ向かう1200dpi ドットの形成状態

現像電界はさほど高い状態ではなく、潜像エッジ部の回進行波現像システムでは 1 ドットを７ドット間隔でりこみ電界の寄与が強くなるためと考えられる。非接触配置した 1by7 孤立ドットと、1 ドット間隔で配置した現像の場合、画像端部に欠陥が出やすいことが報告され

1by1 密集ドットの両立が可能であった。一般に潜像パている７）が、進行波現像システムではこの影響を受けやターンを高解像度化していくと画像部と非画像部の電すいものと思われる。この現象は現像ギャップを狭める

位差が小さくなるが６）、進行波現像システムではトナーことで軽減される。Fig.14 の右側は現像ギャップがのクラウド化により、微小ドットによる電位分布変化に0.25mm の条件であるが、この状態ではエッジ細り現象も敏感に追従できるためと考えられる。

がほぼ解消できている。

次に実際の画像パターンでの画質向上について検証を行った。Fig.13 は進行波現像システムと従来の市販MFP（ Sharp 製 AR255P。2 成分現像）の感光体上のトナー像を比較したものである。用いた画像パターンは SCIDの N1 および N3 パターンを 4.3cm×5.4cm の 1200dpi のモノクロ 2 値画像に変換したものであり、同じ LSU、プリンタコントローラを介した露光条件で印字を行ったものである。また進行波現像システムでの印字条件は前述の解像度検討の条件と同一である。

Fig.14

上段の画像を比較すると、衣服の繊維部分の描写状態

エッジ部の細り

より進行波現像システムではドット形成状態の均一性

現像ギャップを狭めることでエッジ細りは軽減できが高いことが分かる。また下段画像の比較では、陰影部るが、印字速度の高速化を行う際に別の問題が発生するの描写において、ハイライト部の白とびやシャドー部のことが判った。

5Fig.15 は現像ギャップ 0.25mm での FPC の電極ピッチ状態を如何に制御するかという点であり、進行波電界のが 254μm と 508μm の現像特性である。なお、横軸は感形成条件およびトナーの帯電制御が課題解決の重要な

光体電位 V(pc)と現像バイアス電位となる進行波電圧の要素と考える。

中心値 V(fpc)の差であり、通常の電子写真プロセスに６．まとめおける現像電位差に相当する。4‑2 項で述べたように、電極ピッチを広げることでトナー搬送能力が向上し、高進行波電界によるトナー搬送原理を利用した現像シ速印字対応が可能となるが、電極ピッチが広い条件では、ステムの電子写真装置への応用を検討した。その結果、感光体上の地カブリを抑制するために感光体の非画像ベルト被覆型構造を用いることで搬送の安定性、均一性部電位 Vo を高く設定し、逆現像電位差である Vo とが得られ、トナー搬送量も電子写真装置に適用可能な能V(fpc)の差を大きくすることが必要となる。

力があることを確認した。
またクラウド化されたトナーによる非接触現像が可能であり、1200dpi ドットを再現可能な高解像能力と、実画像における画質向上効果を確認した。一方、エッジ細りの抑制と高速印字への対応の両立が本方式の課題であることを確認した。

参考文献
1)

Fig.15

市村正則:
世界最小粒径フルカラートナー ,富士ゼロ ック ス テクニ カル レ ポート, No13, P168
(2000)
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Transport “, Proc. NIP15, IS&T, pg. 302 (1999)
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Transport on a Traveling Wave Device “, Proc. NIP15,IS&T, pg. P262 (1999)
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Proc. NIP14, IS&T, pg. 473 (1998)
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NIP15, IS&T, pg. 732 (1999)
7) 重田邦男ら: 制御電極を用いた 2 成分非接触現像法 , JapanHardcopy96 論文集,P73(1996)

現像特性の電極間ピッチλ依存性

一方、Fig.16 は逆現像電位差（Vo-V(fpc)）に対するエッジ細り量の関係を示したものである。なお、ここでは電極間ピッチλは 508μm の条件である。地カブリを抑制するために逆現像電位差を大きくすると、エッジ細り量が増大していくことが分かる。また現像ギャップを拡大すれば、地カブリを抑制するための逆現像電位差は小さくなるが、現像ギャップが広い条件では同じ逆現像電位におけるエッジ細り量が増大してしまうことが分かる。

Fig.16

逆現像電位差とエッジ細りの関係

以上の結果より、印字速度の高速化とエッジ細り抑制の両立が進行波現像システムの課題の一つであることが分かった。またこの問題の本質は、トナークラウドの6

禁無断転載2005 年度
ビジネス機器関連技術調査報告書(“Ⅲ-3”部)
発行

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