高耐久一成分現像方式の開発
Development of High-durabe Development System Using Single-component Developer
飯尾 雅人
*松代 博之
*木村 則幸
*田中 真也
*岸 和人
**Masato IIO Hiroyuki MATSUSHIRO Noriyuki KIMURA Shinya TANAKA Kazuhito KISHI
要 旨
これまでトナーカートリッジ補給タイプの小型一成分現像方式では，耐久性に課題があり，画 質を維持することが困難であった．これらの課題を解決する為に，現像ローラ上のトナー薄層を 均一化するためのドクターローラ形状をシミュレーションから求めた．また，現像ホッパー内に 残留したトナーと新たに補給されるトナーの循環方法を改善することでトナーの帯電特性を安定 化できることを確認した．ABSTRACT
Single component development units with a detachable toner cartridge system have a difficulty maintaining image quality because of their poor durability.
In order to resolve the problem, a doctor roller configuration, which can form an uniform toner layer on a development roller, has been simulated.
In addition, charging characteristics of toner on the development roller have been stabilized by improving a circulation of new and old toner in a development unit.
* 画像エンジン開発本部 プラットフォーム開発センター
Platform Development Center, Imaging Engine Development Division **研究開発本部 先端技術研究所
1．背景と目的
複写機・プリンタのデジタル化，カラー化，複合化の進 展とともに，高画質・高信頼性・低価格・省スペース商品へ の市場要求は年々増大している． これらの市場要求に応えるべく，低ランニングコスト， 高耐久のカラー対応小型一成分現像方式を開発した． 本方式は，従来の小型一成分現像方式の耐久性の決定要 因になっていたトナー薄層形成部に，回動式のドクターロー ラを採用し，高耐久を実現すると共に，トナーはカートリッ ジ交換で補充するタイプとすることで，低ランニングコスト を実現した． これまで，トナーを補充するタイプでは，現像ユニット に残留するトナーと補充トナーの帯電能力の違いでトナーの 帯電特性が不安定になり，画質を維持するのが困難であった． 今回，耐久性とトナー帯電性の課題を解決するために， 最適なドクターローラ形状をシミュレーションから求め，現 像ローラ上のトナー層の均一化を行った．また，現像ユニッ ト内に残留したトナーと新たに補充されるトナーの循環方法 を改善することで，トナーの帯電特性を安定化した．2．技術
2-1
現像装置概要
現像装置の概略図をFig.1に示す． 現像方式は，乾式一成分非磁性トナー現像方式である． 感光体に対して上下方向に4色の現像ユニットが配置されて おり，1ユニットのサイズは，217×400×50（黒は70）mm （W×D×H）でA3サイズ対応と，省スペースを実現している． また，トナーの補充は，現像ユニットは本体内に据え置 きでトナーカートリッジのみを前方に引き出し交換する方式 を採用し，操作性の向上も実現している． 現像ユニットは，現像ローラ，トナー補給ローラ，ドク ターローラで構成され，さらにトナーの攪拌と補給のための アジテータが現像ユニットとトナーカートリッジそれぞれに 設けられている．トナーカートリッジの補給口にシャッター 機構が設けられており，交換時に自動的に補給口を塞ぐことFig.1 Cross sectional view of development unit.
2-2
トナー薄層形成部概要
現像ユニットのトナー薄層形成部は ①現像ローラΦ26：ハード（金属）ローラ＋ 機能性表層 ②ドクターローラΦ16：弾性ローラ＋ フッ素系樹脂表層 とし，トナーに対する現像ローラの帯電能力とドクターロー ラの離形性の向上を図った．また，ドクターローラの端部に はワンウェイクラッチを圧入した軸受を設け，作像時の現像 ローラが正回転時にはワンウェイクラッチがロックし，ドク ターローラは回転しないが，作像終了後に現像ローラを逆回 転することにより連れ回りし，現像ローラとの当接面を逐次 変更する構成とした．この結果，ドクターローラへのトナー 固着，磨耗を防止し，従来の一成分現像の5倍以上の耐久性 を達成した．2-3
トナー薄層の均一化
2-3-1 シミュレーションによる最適化 ドクターローラは両端の軸受部に荷重をかけ，現像ロー ラに押圧されている．ドクターローラと現像ローラの圧力分 布を均一化する必要があるが，ドクターローラの軸や弾性層 の変形が極めて複雑であるため，シミュレーションにより形 状の最適化を行った． ドクターローラの弾性層にはMooney-Rivlinモデルを用い行った． 検討因子は「ドクターローラ軸径」と「ドクターローラ の端部と中央部の外径差」と「ドクターローラ軸方向断面の 稜線形状」をとった． ドクターローラの稜線を円弧形状とした場合，軸径が大 きいと，Fig.2のように軸のたわみが小さいため，端部で圧 力が低下する．逆に細い軸では，軸がたわんで中央部の圧力 が低下する． Doctor roller ← hi gh roller center Development Doctor roller ← hi gh roller center Development
Fig.2 Load Distribution of doctor roller (large diameter).
また，外径差が小さいとFig.3のように軸のたわみで端部 の接触が強いため，中央部の圧力が低下し，逆に大きいと中 央部のゴムをつぶす必要があるため，端部の圧力が低下する． ドクターローラの稜線が材料力学の梁のたわみで用いら れる4次式形状とした場合，4次の曲線部分を広くなるように 検討因子を設定することで，ドクターローラと現像ローラの 圧力分布を全幅で均一にすることが出来た（Fig.4）． ← hi gh ← hi gh
Fig.3 Load Distribution of doctor roller (low height arc).
← hi gh ← hi gh
Fig.4 Load Distribution of doctor roller (coordinated fourth formula shape).
2-3-2 シミュレーション結果と実測値の比較 ドクターローラ長手方向の圧力分布のシミュレーション 結果と実測値をFig.5，6に示す．シミュレーションの結果と 実測値はよく一致しており，圧力分布均一化が達成できた． また，現像ローラ長手方向の現像ローラ上のトナー付着 量（M/A），トナー帯電量（Q/M）をFig.7，8に示す． M/A，Q/M共に，ドクターローラの稜線を円弧形状から4 次式形状にすることで，約20％以下の偏差に低減することが できた． 㫊㫀㫄㫌㫃㪸㫋㫀㫆㫅 㪇 㪈㪇 㪉㪇 㪊㪇 㪋㪇 㪌㪇 㪍㪇 㪎㪇 㪏㪇 㫇㫆㫊㫀㫋㫀㫆㫅㩿㫄㫄㪀 㫃㫆 㪸㪻 㩿㪥 㪆 㫄 㪀 㪸㫉㪺 㪺㫆㫆㪻㫀㫅㪸㫋㪼㪻㩷㪽㫆㫌㫉㫋㪿㩷㪽㫆㫉㫄㫌㫃㪸 㪠㫄㪸㪾㪼㩷㪘㫉㪼㪸
Fig.5 Load distribution (simulation).
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Fig.7 M/A on development roller.
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Fig.8 Q/M on development roller.
2-4
トナー帯電特性の安定化
2-4-1 トナーカートリッジ交換時の課題 トナーカートリッジ交換時に現像ユニット内に残留して いるトナーは，トナー粒径分布は大きい側にシフトし，ト ナーの外添剤は離脱又は埋没しており，帯電能力が低下して いる．一方，交換するカートリッジに入っている新品トナー は，粒径分布が所定の分布にあり，外添剤も多く，十分な帯 電能力を持っている．このような帯電能力の異なるトナーを 混合すると，帯電能力が高いトナーはさらに高い側に，低い トナーはさらに低い側にシフトする（Fig.9）．低い側にシ フトした低逆帯電トナーが多いと地肌汚れが発生する．また， 低逆帯電トナーが不均一に混在していると縦帯状の濃度ムラ が発生するなど，カートリッジ交換時の画質を維持すること は，大きな課題であった． この課題に対して現像ユニットとトナーカートリッジ間 のトナーの循環性に着目して，トナー帯電能力の均一化を 図った． Remained toner New toner 0 （＋） （－） New toner after New toner before Remained toner before Remained toner after Particle size ： Sift in large directin Additive ： Little Particle size ： Sift in small direction Additive ： Much Mix am ount → Remained toner New toner 0 （＋） （－） New toner after New toner before Remained toner before Remained toner after Particle size ： Sift in large directin Additive ： Little Particle size ： Sift in small direction Additive ： MuchMix am
ount
→
Fig.9 Change of toner charge distribution.
2-4-2 トナー補給口の検討 種々のトナー補給口の検討を行ったが，今回は代表的な Fig.10，11の2つのタイプについて紹介する．タイプ1は，中 央からの補充タイプで，シャッター機構が容易でトナー飛散 防止に優れている．タイプ2は，長手方向全面に小さい補給 口を設けたタイプで，シャッター機構が複雑になるが，幅方 向のトナー補給均一性が優れている．タイプ2には，Fig.14 のように現像ユニット内に弁を付け，アジテータで叩く構成 として，残留トナーをトナーカートリッジに戻すとともに補 充トナーを現像ユニットに引き込む．また，トナーカート リッジ底面には突起物を設け，トナーカートリッジのアジ テータの接触により補給口近傍に空間を作り，残留トナーを 効率的に引き込んでいる． 現像ユニットとカートリッジにそれぞれ異なった色のト ナーを入れ，混ざり具合を観察し，特性値化することで，ト ナーの循環性の評価を行った（Fig12，13）．
Fig.10 Overview of type1.
Fig.11 Overview of type2.
Toner cartridge
Development unit
Toner
cartridge
6QPGTECTVTKFIG ᙀዅӝ &GXGNQROGPV WPKV ᙀዅӝ 6QPGTHGGFKPI RCVJ
Fig.13 Overview of type2.
Fig.14 Cross sectional view of type2.
タイプ1は，トナーカートリッジから補給されるトナーは ほとんどが補給口の中央に集中し，横方向への広がりはほと んどない．タイプ2は，全面に均一に混ざっている．タイプ2 の弁，突起物，アジテータの最適条件は，品質工学の手法及 びトナーの動きの観察から求め，トナー残量，トナー劣化， 画像面積，使用頻度等にも影響の少ない安定したトナー循環 性を実現した． 2-4-3 帯電量分布の比較 タイプ1，2でトナーカートリッジ交換後に現像ユニット 内とトナーカートリッジ内のトナーをサンプリングして二成 分法で帯電量分布を測定した結果をFig.15，16に示す．タイ プ1は，両者の帯電量分布が大きく異なるのに対して，タイ プ2は，循環性を向上することで，同等の帯電量分布を実現 できた． 㪄㪈㪇 㪄㪌 㪇 㪌 㫈㪆㪻㩿 㫈㪆㪻㩿㪽㪺㪆㪺㪆㱘㪾㪀 㪸㫄㫆㫌㫅㫋㪸㫄 㫆㫌 㫅㫋 㪛㪼㫍㪼㫃㫆㫇㫄㪼㫅㫋 㫌㫅㫀㫋 㫋㫆㫅㪼㫉 㪚㪸㫉㫋㫉㫀㪻㪾㪼㩷㫋㫆㫅㪼㫉
Fig.15 Toner charge distribution of type1.
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Fig.16 Toner charge distribution of type2.
2-4-4 経時帯電量分布の比較 低画像原稿で，タイプ1及び2のトナーカートリッジ交換 までの1サイクル（スタート→トナーエンド→トナー補充） の通紙耐久試験を行い，現像ローラ上のトナー帯電量分布を 測定したものをFig.17，18に示す．また，Fig.19には，地肌 汚れや濃度ムラの問題となるトナー補充後の低逆帯電トナー 量（太線）を示す．どちらもスタートよりは低逆帯電側にシ フトしているが，低逆帯電トナー量は，タイプ2で約35％改 善されている．
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Fig.17 Toner charge distribution on development roller of type1. 㪇 㪌㪇 㪈㪇㪇 㪈㪌㪇 㪉㪇㪇 㪉㪌㪇 㪊㪇㪇 㪄㪍 㪄㪌 㪄㪋 㪄㪊 㪄㪉 㪄㪈 㪇 㪈 㪉 㫈㪆㪻㩿㪽㪺㪆㱘㫄㪀 㪸㫄㫆㫌 㫅 㫋 㫊㫋㪸㫉㫋 㫋㫆㫅㪼㫉 㪼㫅㪻 㪸㪽㫋㪼㫉 㫊㫌㫇㫇㫃㫐 㫃㫆㫎㩷㪸㫅㪻 㫎㫉㫆㫅㪾 㫊㫀㪾㫅㩷㪸㫉㪼㪸 㪿㫀㪾㪿㩷㪸㫉㪼㪸 㫄㫀㪻㪻㫃㪼 㪸㫉㪼㪸
Fig.18 Toner charge distribution on development roller of type2. 㪇 㪉㪇㪇 㪋㪇㪇 㪍㪇㪇 㪏㪇㪇 㪈㪇㪇㪇 㪈㪉㪇㪇
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Fig.19 Comparison of amount of low and wrong sign toner.
Fig.20にはタイプ2で過負荷条件での評価を4サイクル繰り 返したときの各帯電範囲トナー量の推移を示す．4サイクル 繰り返した経時でも低逆帯電トナー量は，許容範囲内で推移 し，安定した帯電特性を実現できた． 㪇 㪌㪇㪇 㪈㪇㪇㪇 㪈㪌㪇㪇 㪉㪇㪇㪇 㪉㪌㪇㪇
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