JP2007086621A - 現像装置及びこれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、トナー補給時にトナー凝集体を解砕して現像器に補給することにより、現像部において画像形成時に帯電量不足あるいは逆極性に帯電したトナーによる地かぶり等の画像不良を防止し、同時に１０ｍｇオーダーのトナー補給精度を実現する。
【解決手段】潜像担持体の潜像を現像する現像器と、該現像器内に補給するトナーを収容しトナー補給口を備えたトナー容器と、該トナー容器からトナーを該現像器内に補給するトナー補給部材とを有する二成分現像方式の現像装置において、該トナー補給部材が単数或は複数のキャピラリーと、該キャピラリーに振動を印加する振動印加手段から構成され、該振動印加手段により該キャピラリーに振動を印加することにより、該トナー補給部材を介して該トナーを該現像器内へ補給する。
【選択図】図６

Description

本発明は、複写機、ファクシミリ、プリンタ等の画像形成装置及び該画像形成装置に用いられる現像装置に関するものであり、詳しくは、画像形成に用いるトナーをキャリアとの摩擦により帯電させる二成分現像方式を採用した現像装置及び該現像装置を用いた画像形成装置に関する。

従来、この種の画像形成装置としては、潜像担持体上の潜像を現像する現像器と、該現像器内に補給するトナーを収容しトナー補給口を備えたトナー容器と、該トナー補給口を介して該現像器内に該トナーを補給するトナー補給部材とを有する現像装置が用いられている。この種の現像装置におけるトナー補給法としては、トナー補給部材に備えられたトナー搬送用スクリューにより補給する方法が一般的に用いられている。この場合、トナー補給量はスクリューの回転数により制御する。

トナー容器内のトナーは、一粒子が単独で存在することが理想的であるが、一般的にトナーとトナーの間には、静電気的付着力、分子間力、液架橋力等の付着力が比較的強く働くため、一部のものはトナー自体が凝集した状態で存在する。スクリューによるトナー補給法では、補給時にトナー凝集体を完全に解砕することができない。

現像器に補給されたトナーは、現像器に備えられた攪拌搬送スクリューで現像剤と混合される。この過程において、凝集力の弱いトナー凝集体は解砕されて現像剤と均一に混合してゆくが、中にはスクリューによる攪拌では完全に解砕し切らないほど凝集力の強いトナー凝集体が存在する。トナーが凝集した状態では、凝集体内部のトナーはキャリアとの接触が不十分になるため、帯電量が不十分でゼロ近傍のままであったり、或は所望の帯電極性とは逆の極性のまま存在したりするということが生じる。そのため、補給された凝集トナーが解砕されぬまま現像スリーブに担持され現像されると、地かぶり等の画像不良の原因となる。

同時に、最近では電子写真で銀塩写真レベルの画質を実現するという要求に応えるために、補給トナー量を１０ｍｇのオーダーで制御する技術の確立が求められている。

上記の問題を解決するためには、トナー凝集体が現像プロセスに達するまでに凝集体を解砕することが重要である。このための方法としては、大きく２つのアプローチが考えられている。１つは現像器へのトナー補給後にトナー凝集体を現像器内で解砕するものであり、もう１つはトナー容器から現像器内へ補給する際に凝集体を解砕しながら補給する方法である。

トナー補給後に凝集体を解砕するものとしては、現像器内攪拌搬送スクリューに複数のフィンを設ける方法がある（特許文献１参照）。この方法では、現像器に補給されたトナー凝集体はスクリューに設けられたフィンと衝突することにより解砕される。

スクリューにフィンを設ける方法以外のものとしては、現像器トナー入り口部に弾性板材を設け、補給トナーを弾性板材に衝突させてトナー凝集体を解砕する方法が提案されている（特許文献２参照）。

一方、トナー補給時に凝集体を解砕するものとしては、トナー補給部をブラシを植え込んだブラシローラと、ブラシと接する板状ばね部材から構成し、ブラシローラによって補給するトナーに含まれる凝集塊を解砕する方法が提案されている（特許文献３参照）。
特開２００４−２７２０１７号公報 特開平５−２６５３２４号公報 特開昭６４−０４２６６９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法は、スクリューにフィンが無い場合に比べて現像剤攪拌搬送時に現像剤に対して付加される剪断力が大きくなる。そのため、現像剤、特にキャリア表面の劣化の進行が著しくなり、キャリアの寿命が短くなるという問題が生じる。同時に、フィンが存在する部分においては現像剤の進行方向に対する移動速度が遅くなるため、現像剤搬送能力が低下し、同時に現像器中の現像剤面高さの制御が難しくなる。

又、特許文献２に記載された方法では、全てのトナー凝集体を解砕するには必ずしも十分ではない。特許文献２にには、弾性板材に超音波振動を印加して衝突時のエネルギーを大きくし、凝集体解砕効率を向上させることも提案されているが、この方法では現像器内の二成分現像剤に振動が伝わることにより、トナーとキャリアが現像器内で上下に分離してしまう可能性がある。

更に、特許文献３に記載されたトナー補給機構においては、トナー補給ローラがブラシを植え込んだブラシローラで構成されているため、コストが高い、或はブラシローラを配置するためスペースを多く取られる等の不具合があった。

別の方法としては、トナー補給部に網目状部材（メッシュ）を設けることが考えられる。この方法においては、トナー補給時に網目状部材に振動を印加することによってトナー凝集体を解砕しながら現像器にトナーを補給する。

しかしながら、上記方法において、メッシュの目の粗さ粗くすると凝集体の解砕が不十分になってしまう。又、メッシュの目の粗さを細かくするとメッシュが目詰まりを起こし、トナー補給精度が低下してしまう。更に、振動印加時にトナーが飛散し、周囲を汚染する可能性も高くなる。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであって、その目的は、トナー補給時にトナー凝集体を解砕して現像器に補給することにより、現像部において画像形成時に帯電量不足或は逆極性に帯電したトナーによる地かぶり等の画像不良を防止することにある。又同時に、１０ｍｇオーダーのトナー補給精度を実現させることにある。

上記目的を達成するために、請求項１の現像装置は、潜像担持体の潜像を現像する現像器と、該現像器内に補給するトナーを収容しトナー補給口を備えたトナー容器と、該トナー容器からトナーを該現像器内に補給するトナー補給部材とを有し、該トナーをキャリアとの摩擦により帯電させる二成分現像方式の現像装置において、該トナー補給部材が単数或は複数のキャピラリーと、該キャピラリーに振動を印加する振動印加手段から構成され、該振動印加手段により該キャピラリーに振動を印加することによって、該トナー補給部材を介して該トナーを該現像器内へ補給することを特徴とするものである。

又、請求項２の現像装置は、請求項１記載の現像装置において、該キャピラリー内壁に該キャリア表面コート剤成分を塗布したことを特徴とするものである。

請求項３の画像形成装置は、画像が形成される潜像担持体と、該潜像担持体上の潜像を現像しトナー像を形成する現像装置とを備えた画像形成装置において、該現像装置として、請求項１又は２記載の現像装置を用いることを特徴とするものである。

本発明の方法によりトナーが補給される原理について説明する。

キャピラリーは、内径がサブｍｍ〜ｍｍオーダーで、長さが内径に対して十分長い（約１０倍以上）構造の細管である。

電子写真方式の画像形成装置において使用されるトナーは、平均粒径が約５μｍ〜数１０μｍの粉体である。上記のような粉体がキャピラリー内に充填された状態においては、粉体は粉体同士の間に働く付着力による凝集と、キャピラリー内壁との付着性により、重力だけで落下することができない。そのため、キャピラリーに振動が印加されていない状態では、粉体は落下することなくキャピラリー内にとどまることになる。

但し、キャピラリーの内径がある大きさ以上になると、キャピラリー内のトナーに働く重力の大きさが粉体同士の凝集力やキャピラリー内壁との付着力の大きさを超えるため、粉体はキャピラリー内に留まることができなくなり排出される。粉体が重力のみでキャピラリーから排出されるキャピラリー内径の閾値は、その粉体の特性（粒径、形状、付着力及びそれらにより決定される流動性等）により異なる。

粉体がキャピラリー内に留まっている状態に対して、キャピラリーに一定以上の周波数、或は一定以上の振幅の振動を印加すると、粉体はキャピラリーから落下し現像器に補給される。これは、キャピラリーの振動が内部の粉体に伝わることにより、壁面近傍の粉体が流動化して内壁との摩擦応力が低下するためである。

図１はキャピラリーに印加する振動の振幅を一定として振動周波数を増加させていった場合における、キャピラリーからの単位時間当たりの粉体排出量の概要を表す。振動周波数がキャピラリー内壁とその近傍の粉体との間に働く摩擦応力を低下させ、粉体が流動化するのに十分なエネルギーを与えられる大きさを超えると、粉体はキャピラリーから排出され始める。振動周波数を増加させていくに連れて、単位時間当たりの粉体排出量はほぼ直線的に増加する。更に振動周波数を増加させていくと、或る周波数以上では粉体排出量は一定となる。これは、振動周波数が或る大きさ以上の領域においては、キャピラリー内壁とその近傍に存在する粉体の間に働く摩擦応力が変化しなくなるためである。

キャピラリーに印加する振動周波数を一定として振幅を増加させていった場合の、キャピラリーの振幅と単位時間当たりの粉体排出量の関係も、キャピラリーの振動周波数と粉体排出量の関係とほぼ同様である。こちらの場合においても粉体排出メカニズムは、キャピラリー内壁とその近傍の粉体との間に働く摩擦応力の低下である。

本発明の方法によるトナー補給の方法は、上記の原理を現像器のトナー補給機構に応用したものである。上記のように、キャピラリーからの単位時間当たりの粉体排出量は、キャピラリーの振動周波数と振幅の２つパラメータにより制御することが可能である。この原理を現像器におけるトナー補給機構に応用し、キャピラリーの振動周波数と振幅の何れか、或はその両方、更には振動を印加するキャピラリーの本数を制御することで、高精度にトナー補給量を制御することが可能となる。更に、トナーの排出・
停止はキャピラリーへの振動の印加・ 停止のみで制御することができるため、構成が簡易で済む。

粉体凝集体が振動しているキャピラリーを通過する場合、キャピラリーの振動のエネルギーが凝集体に伝わることによって凝集体は解砕・細分化される。本発明のトナー補給方法はまた、この原理を応用したものである。トナー凝集体を振動するキャピラリー内部を通過させて解砕することにより、現像器に補給されたトナーに含まれる凝集体の割合を、スクリューによる補給の場合に比べて極めて少なくすることが可能となる。

付加的な要素として、キャピラリー内壁にキャリア表面コート剤成分を塗布する。このことにより、キャピラリー内壁近傍のトナー内壁と接触した際にトナーが帯電する。この原理を応用して、現像器内にトナーが補給される前に予備帯電させることにより、トナー帯電効率を向上させることが可能である。

本実施の形態において、トナーは球形の重合トナー（平均粒径６．８μｍ）を使用した（キヤノン社製）。色はシアン、イエロー、マゼンタ、ブラックの４種類を用意した。
（構成）
先ず、本発明の実施形態の一構成例について説明する。
＜キャピラリー部分＞
図２に本実施の形態におけるキャピラリーの概略を示す。キャピラリー１は内径が１．５ｍｍ、長さが４０ｍｍとした。キャピラリー上部のトナー粉体圧を一定に保つために、キャピラリーとトナー補給口を繋ぐ直管部２は内径６ｍｍ、４０ｍｍとした。又、キャピラリーと上部直管の間のテーパー部３の長さは６ｍｍとした。

本実施の形態においては、キャピラリー１、直管部２及びテーパー部３はガラス製とした。尚、キャピラリー１、直管部２、テーパー部３を構成する素材はその限りではない。例としては、ステンレス、アルミ等の金属、或はポリエステル等の樹脂等でも構成することが可能である。

キャピラリー１への振動印加手段４として、本実施の形態では小型直流モータを使用した。振動印加手段４の振動は、キャピラリー１上部直管部２に固定された樹脂製コネクター５を介してキャピラリー１へと印加される。

図３に、本実施の形態の方法における、キャピラリー振動周波数と単位時間当たりのシアン色トナー排出量の関係を示す。図３においては、キャピラリー１の振幅が２０μｍ、４０μｍ、６０μｍの３通りの場合において、キャピラリー１の振動周波数を変化させた場合における単位時間当たりのトナー排出量の変化が表されている。本結果から、本実施の形態に用いたトナーについては、前述のような粉体の特性が良く当ては嵌ることが確認された。尚、本実施の形態で使用したトナーには、色による粉体特性の差は殆どない。そのため、シアン以外のイエロー、マゼンタ及びブラックのトナーについても、同様の結果が得られることは明らかである。よって、この原理を利用して、補給後のトナー凝集体が極めて少なく、且つ、高精度なトナー補給の実現が可能である。
＜トナー補給部材、現像装置及び画像形成装置＞
次に、本実施の形態における本発明の方法によるトナー補給部材について詳細に説明する。

図４に示すように、本実施の形態におけるトナー補給部材１０は、上記に示したキャピラリー１及び直管２が一列に５本並んだ構成を採る。５本のキャピラリー１は、それぞれに単独の振動印加手段と接続されており、振動は単独に制御される。

図５はトナー補給部材１０にトナー容器１１を設置した状態を表す。トナー容器１１は、トナー補給部材１０の上部にトナー補給口１２を下に向けた状態で固定され、トナーはトナー補給口１２を介してトナー補給部材１０に重力により搬送される。

次に、上記トナー補給部材１０を用いた現像装置及び該現像装置を用いた画像形成装置の一構成について説明する。

図６及び図７は本実施形態の現像装置を説明する図であり、図６は現像装置要部断面図、図７は現像装置要部平面図である。又、図８はこの現像装置を用いた画像形成装置を説明する図である。

先ず、図６及び図７に基づいて現像装置２０について詳しく説明する。

現像装置２０には、トナーとキャリアから成る二成分現像剤が収容されている。現像装置２０は、感光ドラム２２に対向した現像領域が開口しており、この開口部に一部露出するようにして現像スリーブ２３が回転可能に配置されている。磁界発生手段である固定のマグネット２４を内包する現像スリーブ２３は、非磁性材料で構成され、現像動作時には図６の矢印方向に回転し、現像容器２１内の二成分現像剤を層状に保持して現像領域に担持搬送し、感光ドラム２２と対向する現像領域に二成分現像剤を供給して、感光ドラム２２に形成されている静電潜像を現像する。静電潜像を現像した後の現像剤は、現像スリーブ２３の回転に従って搬送され、現像容器２１内に回収される。

現像容器２１は、長手方向両端の一部を除いてその中央を隔壁２５により、現像室２１ａ（現像スリーブ２３に近い側）と攪拌室２１ｂ（現像スリーブ２３から遠い側）に分割されている。

現像室２１ａには第１現像剤循環スクリュー２６ａが、攪拌室には第２現像剤循環スクリュー２６ｂが備えられており、現像剤はこれらスクリュー２６により現像容器２１内を循環し、又、混合攪拌される。現像容器２１内における現像剤循環の方向は、本実施の形態では図６においては、現像室側２１ａで奥側から手前側に向かう方向、攪拌室側２１ｂで手前側から奥側に向かう方向であり、図７においては、現像室２１ａ側で右側から左側に向かう方向、攪拌室２１ｂ側で左側から右側に向かう方向である。

本実施の形態において使用した現像剤について説明する。

トナーは、上記キヤノン社製球形重合トナー、キャリアは球形・
磁性の樹脂コートキャリア（平均粒径３５μｍ）を使用した（キヤノン社製、上市された複写機に使用されているもの）。本実施の形態で使用したトナーとキャリアの組み合わせにおいて、トナーは負に帯電する。総現像剤重量に対するトナー重量比（以下、「Ｔ／Ｄ」と記す）が８ｗｔ％の場合において、トナー帯電量（比電荷、以下「Ｑ／Ｍ」と記す）の適正値は−２２〜−２５［μＣ／ｇ］である。尚、トナーＱ／Ｍの測定には、ホソカワミクロン社製Ｅ−ＳＰＡＲＴ Ａｎａｌｙｚｅｒを使用しており、３０００個のトナーの帯電量を測定してその平均値を代表値としている。

次に、図８に基づいて画像形成装置の全体の動作について説明する。

本実施の形態はフルカラー画像形成装置であり、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）及びブラック（Ｂｋ）の４色から画像を形成する。各色それぞれ感光ドラム上に画像を形成し、中間転写ベルト４３上で４色を重ねた後に紙上に画像を転写する方式である。

図８において、先ず帯電器４１によって帯電された感光ドラム２２表面をレーザー４２によって露光することで感光ドラム２２上に静電潜像を形成し、この潜像を現像装置２０によって現像することで感光ドラム２２上にトナー像を形成する。Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｂｋ各色の感光ドラム２２上に形成されたトナー像は、中間転写ベルト４３上に重ねて転写され、１つの画像を形成する。

中間転写ベルト４３上に形成された画像は、転写帯電器４４による転写バイアスによって転写ベルト４５により搬送される記録紙４７に転写された後、記録紙４７は転写ベルト４５から剥離され、定着器４８によって加圧／加熱され、永久画像を得る。又、転写後に感光ドラム２１上に残った残トナーは、クリーナー４６により除去され、次の画像形成に備える。

本実施の形態において、単位時間当たりのトナー補給量の制御は、キャピラリー１の振幅を４０μｍに固定し、振動周波数及び作動するキャピラリーの本数を変化させることにより行った。図９は、キャピラリーの振動周波数・作動キャピラリー本数とトナー補給量の関係を示す。図９から、本発明の方法により１０ｍｇのオーダーでトナー補給量の制御が実現できることが確認された。本実施の形態でのトナー補給部材において、単位時間当たりの最大補給量は２３．５ｍｇ／ｓｅｃである。これは、本実施の形態における画像形成装置において、Ａ３サイズのベタ画像を１０枚／分の速さで形成する補給量に相当する。

実施例１では、先ず、本実施の形態においてトナーを補給した場合において、凝集トナーが解砕されることにより帯電量が０のトナーや逆極性に帯電するトナーが削減されることを確認する。方法は、先ず本実施の形態の画像形成装置を用いて５分間画像を出力する。

その後、現像器２０現像室２１ａ側の現像剤を取り出してトナーの帯電量Ｅ−ＳＰＡＲＴＡｎａｌｙｚｅｒにより測定し、帯電量を測定した３０００個のトナーのうちに含まれる逆極性帯電トナーの数を数えるというものである。本実施例では、４色のトナーの代表としてシアンの現像器を使用した。

本実施例においては、Ａ３サイズで画像デューティーが５％、１０％、２０％に相当する３通りのトナー補給量について検討を実施した。何れの場合もトナー補給時に稼動するキャピラリー本数は１本であり、振動周波数はそれぞれ１９０Ｈｚ、２４０Ｈｚ、４００Ｈｚである。これにより、トナー凝集体解砕に対する、キャピラリー振動周波数の影響も調べることが可能である。尚、比較のために、Ａ３画像デューディー２０％相当の画像について、スクリューによるトナー補給機構を採用した現像器を用いて同様の検討を行った。

表１に、各画像デューティーで画像を５分出力した時の、現像器２０現像室２１ａ側のトナー３０００個の帯電量測定時に存在した正帯電トナー数を示す。

表１より、本発明の方法によるトナー補給法は、補給時にトナー凝集塊を開催することにより、スクリューによるトナー補給法に比べて現像時に含まれる逆極性に帯電したトナーの数を削減できることが確認された。同時に、キャピラリーの振動周波数が小さい場合においても、トナー凝集体を十分解砕して補給することが可能であることが確認された。

実施例２では、実際に紙上に画像を形成して地かぶりの度合いを調べ、本発明の方法によるトナー補給により地かぶりが良化されることを確認した。本実施例においては、本実施の形態及びスクリューによるトナー補給により画像デューティー２５％の画像を感光体ドラム上に形成し、ドラム上画像の白地部に相当する部分おける地かぶりの割合を調べた。

表２に、２通りの補給法による地かぶりの割合を示す。

表２より、本発明の方法により地かぶりが良化することが確認された。

キャピラリーの振動周波数と粉体排出量の関係を表す図である。 本発明の実施の形態におけるキャピラリー及びその周辺部の構成を表す図である。 本発明の実施の形態におけるキャピラリー振動周波数と単位時間当たりのトナー排出の関係を表す図である。 本発明の形態におけるトナー補給部材の構成を表す図である。 本発明の形態におけるトナー補給部材及びトナー容器の構成を表す図である。 本発明の実施形態における現像装置要部断面図である。 本発明の実施形態における現像装置要部平面図である。 本発明の実施形態の現像装置を用いた画像形成装置を説明する図である。 本発明の実施の形態におけるキャピラリー振動周波数と単位時間当たりのトナー補給量の関係を表す図である。

符号の説明

１ キャピラリー
２ キャピラリー上部直管
３ キャピラリー上部テーパー
４ 振動印加手段
１０ トナー補給部材
１１ トナー容器
１２ トナー補給口
２０ 現像装置
２１ 現像容器
２１ａ 現像室
２１ｂ 攪拌室
２２ 感光体ドラム
２３ 現像スリーブ
２４ マグネット
２５ 隔壁
２６ａ 第１現像剤搬送スクリュー
２６ｂ 第２現像剤搬送スクリュー
４１ 帯電器
４２ レーザー
４３ 中間転写ベルト
４４ 転写帯電器
４５ 転写紙搬送ベルト
４６ クリーナー
４７ 転写紙
４８ 定着器

Claims (3)

1. 潜像担持体の潜像を現像する現像器と、該現像器内に補給するトナーを収容しトナー補給口を備えたトナー容器と、該トナー容器からトナーを該現像器内に補給するトナー補給部材とを有し、該トナーをキャリアとの摩擦により帯電させる二成分現像方式の現像装置において、
   前記トナー補給部材が単数或は複数のキャピラリーと、該キャピラリーに振動を印加する振動印加手段から構成され、該振動印加手段により該キャピラリーに振動を印加することによって、該トナー補給部材を介して該トナーを該現像器内へ補給することを特徴とする現像装置。
2. 該キャピラリー内壁に該キャリア表面コート剤成分を塗布したことを特徴とする請求項１記載の現像装置。
3. 画像が形成される潜像担持体と、該潜像担持体上の潜像を現像しトナー像を形成する現像装置とを備えた画像形成装置において、
   前記現像装置として、請求項１又は２記載の現像装置を用いることを特徴とする画像形成装置。

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