JP2007279120A - 現像装置およびこれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トナー現在量を逐一検出して高精度の定量制御が可能になることで過不足のない安定したトナー供給を実現でき、しかも構造は簡素にして低コストで小型化が可能な現像装置を提供する。
【解決手段】現像容器４ａはトナーを収容して攪拌部材４ｂを有する１室構造である。好適部位に配置されたトナー検出センサ１０は攪拌部材４ｂの回転で運ばれてきたトナーを検出する。その検出信号に基づいてデューティ値を求めて現像容器４ａに現存するトナーの残量を高精度に算出し、トナー補給ホッパー７および搬送スクリュー８，４ｃから現像容器４ａに補給すべきトナー補給量を決めて補給する。そのようにして常時トナーの定量制御が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真技術を利用した複写機や情報記録装置などの画像形成装置にあって、静電潜像担持体である電子写真感光体ドラム（以下、「感光体ドラム」という）上に形成された潜像を現像剤（トナー）で現像する現像装置に関するものである。

近年、画像形成装置の小型化の進展に伴って感光体ドラムの周囲のスペースも制限され、そこに配置される現像装置についても小型化が求められている。現像装置の小型化で現像剤（トナー）の収納量が少量とならざるを得ないため、トナーを補給するホッパー（容器）を別途設けて、ホッパーから現像装置にトナーを補給するようにした装置が増えている。その場合、ホッパーからのトナー補給は、現像装置に備わるトナー担持体である現像スリーブに対してスリーブ軸方向の全長全域にわたって均一に行われるのが最良とされる。しかし、現像装置の上部や周辺にホッパーを有する複雑なトナー補給機構を設置するだけのスペースに余裕はない。そのため、現像装置を感光体ドラムの長さ寸法よりも長く回転軸方向に延長し、その現像装置の延長部分にホッパーを配置してホッパーからトナーの補給を受けるような構造的工夫がなされている。

ホッパーからトナーを補給する構造として、スクリューを回転させてトナーを押し送りする方式が知られている。このスクリュー搬送方式に関するものとして、先に本出願人は現像剤供給方法および現像装置を提案している（たとえば、特許文献１参照）。それによると、ホッパーからのトナーを搬送スクリューによって押し送りし、トナー規制壁を乗り越えさせて撹拌室に供給する。攪拌室では撹拌部材によって新旧トナーを混ぜて撹拌してからトナー担持体である現像スリーブに担持させる。現像スリーブの回転によってトナーは搬送されながらトナー規制部材によって薄層にコーティングし、所定の現像方法によって感光体ドラム上に現像される。この装置ではトナーを間欠的に補給することで、原稿の画像比率によっては現像容器内の長手方向にトナー補給ムラが生じるのを防止している。また、ホッパーからのトナーを押し送りして補給する搬送スクリューを備え、この搬送スクリューからほぼ均一に落下させたトナーを緩やかに回転攪拌するクランク型の棒状部材を例えば３個備えた装置構成もある。（特許文献２）

特開平５−２６５３２５号公報 特開２０００−９８８２７号公報

しかしながら、上記特許文献に開示された現像装置および従来その種装置全般に共通するつぎの問題点がある。

１つは、現像装置が複雑化しかつ小型化を困難なものとしていることである。すなわち、特許文献２の構成では、現像装置の部品点数が増してコスト高となる。

また１つは、攪拌がたとえば連続使用時でも1分間に２〜３回転程度緩やかに行われること、また攪拌部材の形状がクランク形状を含む棒状であるため、トナー搬送方向は落下地点から現像スリーブへ向かう方向であり、その方向と垂直方向（現像スリーブの軸方向）へのトナー搬送力は非常に小さいものとなることである。そのため、画像が長手方向（現像スリーブの軸方向）で１個所の領域に集中したような場合、それに対応する現像スリーブ位置にトナー供給が行き渡らず不足する事態が生じる。局部的に生じた現像スリーブ上のトナー不足はその検出が困難もしくはできないので、印字画像の一部にいわゆる「白抜け」が生じてしまう不具合がある。

さらに問題点の１つは、一般にはトナー検出センサとしてピエゾ素子または磁気センサが使用され、センサ設置高さの位置を基準にしてトナー量の過不足を監視する定量制御を行っていることである。そのようにセンサ設置高さをトナー有無の判断基準にする制御を行えば、基準位置に対して現在のトナー面が上にあるか下にあるかの判定は可能である。しかしトナーがどれだけの量基準面に対して上であるかの判定は困難である。現像容器内トナー残量検知方法としてトナーが今現在どれだけ残存しているか、トナー量を正確に検出して把握し、しかも把握したトナー量を表示する「ニアエンド検出」が可能であることが望ましい。しかし、従来はそうした「ニアエンド検出」が困難である。

以上から、本発明の主たる目的は、トナー現在量を逐一検出して高精度の定量制御が可能になることで過不足のない安定したトナー供給を実現でき、かつニアエンドの検出、表示が可能であり、しかも構造は簡素にして低コストで小型化が可能な現像装置を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、印字画像の白抜けを有効に抑制でき、また大型化を抑えた現像装置を備えることで、装置本体の性能アップが期待でき、コスト低減を実現できる画像形成装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の現像装置は、現像剤を収容する現像容器と、
該現像容器に設けられ、現像剤を担持搬送して静電像を現像する現像剤担持体と、
前記現像容器に現像剤を補給する現像剤補給機構と、
前記現像容器内に回転軸を中心として回転可能に設けられ、前記現像容器内の貯留現像剤を持ち上げながら攪拌する攪拌部材と、
回転中の前記攪拌部材に保持された現像剤を検出する現像剤検出手段と、
前記現像剤検出手段の検出信号に基づいて前記現像剤補給機構の動作制御を行なう制御手段と、
を備え、
前記現像剤検出手段の現像剤検知位置が、
ａ）前記現像容器の側面、かつ、
ｂ）前記攪拌部材の回転中心と前記攪拌部材の先端とを結ぶ線と水平方向とのなす角度θが、前記先端が最下位置の時を０°とし、攪拌部材回転方向を正とし、前記現像剤の安息角をθr°としたとき、０＜θ＜９０＋θrの範囲内で前記攪拌部材が回転した時の、前記攪拌部材の移動領域内、かつ、
ｃ）前記現像容器内に貯留された現像剤の平均的な上面よりも上の領域、であることを特徴とするものである。

本発明の現像装置によれば、小型化とコスト低減を実現でき、その現像容器内の好適部位に配置した現像剤検出手段によって現像容器内の現像剤量を逐一高精度に検出することで、補給制御が安定化する。

以下、本発明による現像装置および画像形成装置のそれぞれ好適な一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

画像形成装置であるたとえばプリンタの画像形成部には、図１に示すように、静電潜像担持体としての感光体ドラム１が備わり、この感光体ドラム１に作用するつぎのプロセス手段が備わっている。すなわち、ドラム周辺にドラム回転方向に沿って帯電手段２、レーザLを照射する露光装置３、現像装置４、転写装置５、そしてクリーニング装置６が配置されている。図１には、転写材である記録紙などのシート（図示略）が図でいう下方から上方に向かって搬送される縦パス構成のものが示されている。

（現像装置）
現像装置４に対して、現像容器４ａ内に存在するトナーをトナー検出センサ（現像剤検出手段）１０が検出したトナー有りの出力信号レベルに基づき、図５のフローに従ってトナー補給が必要か否かのの判断を行い、トナー補給が必要な場合は一定量のトナーの補給を行う。具体的には不図示のトナー補給ホッパーから搬送スクリュー８，４ｃ（現像剤補給機構）で押し送りしてトナーを現像容器４ａに搬入して補給する。搬送スクリュー４ｃの回転軸線はつぎに説明する攪拌部材４ｂの回転軸線に平行となっている。現像剤であるトナーには磁性１成分現像剤が使用されている。トナー検出センサとしては、例えば、検出がピエゾ方式のものや、磁気検知方式のもの等、公知のセンサを適宜選択して用いればよい。

現像装置４は、攪拌室を有する現像容器４ａのみからなる１室構成であり、トナー担持体である現像スリーブ４ｄの図でいう左斜め下方位置に攪拌部材４ｂが回転可能に設けられている。図２に示すように、攪拌部材４ｂはたとえば樹脂製の回転軸4bcを有し、回転軸方向のほぼ全長に弾性変形可能なシート4baが設けられ、回転動作中はシート先端が図１に示す現像容器４ａの内底面に近接して通過する。攪拌部材４ｂはそのシート面にトナーを抱いて保持し、回転して攪拌する。トナー検出センサ１０は攪拌部材４ｂのシート面によって持ち上げられて移動してくるトナーがセンサ前を通過するとそれを検出し、トナー有りを示す検出信号を出力する。攪拌部材４ｂをそのように弾性シートで形成すると、回転攪拌中に保持したトナーの重量で弾性変形してトナー検出センサ１０の検出精度に誤差が生じるおそれがある。それを防ぐために、シート縁端を枠体状の保持部材4bbで支持した攪拌部材４ｂとすることで、トナー検出センサ１０前では攪拌部材４ｂがトナーの重さで弾性変形することなく、シート面にトナーを抱いて保持した状態で通過できるようにしている。それにより、安定した状態でトナーがトナー検出センサ１０の前を通過するので、偽りのない高精度の検出信号を出力することが可能になる。

回転攪拌による動作中、攪拌部材４ｂは現像スリーブ４ｄが磁気吸着力で拘束保持しているトナーの一部を掻き取るようになっている。そのため、現像容器４ａ内の存在するトナーとしては、現像スリーブ４ｄに磁気的拘束によって保持され、それ以外のトナーは攪拌部材４ｂによって攪拌中のものである。したがって、現像スリーブ４ｄに磁気的拘束されているトナーを除き、回転攪拌中のトナーの量だけを測定できれば、現像容器４ａ内にトナーが現在どれだけの量存在しているか、トナー残量を判断することができる。そのためには、トナー検出センサ１０によって回転攪拌中のトナーをより高精度に検出し、その検出信号に基づいて制御手段による判断制御が行われるように条件を整えることが必要不可欠である。その実現によって制御信号が駆動信号としてトナー補給ホッパー７および搬送スクリュー７，４ｃによる現像剤補給機構に送信され、トナーの不足量に見合うだけのトナーを現像容器４ａに搬入して補給する。

そこで、トナー高精度検出を実現するために、トナー検出センサ１０の取付部位（現像剤検知位置）が重要な意味をもち、本実施形態においてはつぎのいくつか条件の下にセンサ位置を設定している。センサはトナー検出面を有し、本発明における検知位置は、トナー検出面における中心位置を指す。

センサ検知位置の条件の１つは、攪拌部材４ｂのシート先端が描く回転の軌道円よりも内側の領域（攪拌部材の移動領域内）で、現像容器４ａの側面に位置することである。容器の側面とは、攪拌部材４ｂの回転軸方向において、回転軸方向と交差する面のことである。また１つは、現像容器４ａの側壁面において「平均的な現像剤上面」よりも上位の位置である。かつ、攪拌部材の回転に伴い移動する領域のうち、以下に定義する移動領域の範囲内である。攪拌部材４ｂの回転中心と攪拌部材の先端とを結ぶ線と水平方向とのなす角度θが、先端が最下位置の時を０°とし、攪拌部材回転方向を正とし、現像剤の安息角をθr°とする。この時、０＜θ＜９０＋θrの範囲内で攪拌部材４ｂが回転した時の、攪拌部材の移動領域内である。図１及び図４（b）によって、この範囲が示されている。平均的な現像剤上面は、１１である。先端が最下位置の状態は15である。反時計廻り方向に回転する攪拌部材４ｂのシート先端が上位領域に入ってシート面の傾斜によってシート面上のトナーが回転軸線を通る鉛直面の左側に向かって落下し始める、位置は１３である。この13の位置は、現像剤の安息角θr°の位置である。現像剤の安息角（angle of repose）とは、現像剤を山状に積み上げた時に、自重によって崩れて形成された斜面と水平方向の成す角度のことである。この安息角は、現像剤（トナー）の流動性を表す有効な手段であり、値が小さい程、流動性が高い性質を表している。なお、平均的な現像剤上面とは以下をいう。攪拌部材４ｂが反時計廻りに回転してそのシート先端が上位領域に入ると、シートが下向き姿勢になってそれまでシート面で抱えていたトナーの殆どがこぼれて現像容器４ａの底に溜まる。その容器底に溜まった状態のままでは高さに多少のムラが生じる。よって、容器底部に貯留された現像剤の表面を均した状態の現像剤面を、平均的な現像剤の上面と呼ぶ。以上の複数の条件を同時に満たす領域が、図１中のハッチングで示した領域１４である。

前述したように、不図示のトナー補給ホッパーから搬送スクリュー８，４ｃで搬送されてきた補給分のトナーは、現像容器４ａ内の攪拌室に現存しているトナーと十分に回転攪拌される。また、攪拌部材４ｂが弾性変形可能なシートで形成されているので、長手方向全域にわたって均一にトナーを分布させるには好都合である。画像が形成される長手方向にて画像が１つの領域に集中すると、現像スリーブ４ｄの長手方向では局部的に著しくトナーが消費される。その場合でも攪拌領域では攪拌部材４ｂがその攪拌能力で現像スリーブ４ｄの長手方向全長にわたって常に均一にトナーを分布させることができる。結果、現像スリーブ４ｂ上においてトナー量不足が原因の「白抜け」を発生させることはなく、トナー検出センサ１０を現像容器４ａの端部に設置した場合でも現像容器４ａの内部のトナー量を正確に検出できる。

参考までに、現像スリーブ４ｂに対してその近傍から金属棒を臨ませ、現像スリーブ４ｂに印加された現像バイアス電圧による金属棒への誘導電圧で現像容器４ａ内のトナー量を推定する方法が知られている。この方法と本実施形態が基本的に異なるのは、そのような金属棒を配置したのでは現像容器４ａ内の大部分の領域を攪拌する攪拌部材４ｂがその金属棒に干渉してしまう。すなわち、誘電金属棒を用いていない点である。

したがって、本実施形態にあってはトナー量が以下のように検出される。

まず、攪拌部材４ｂの回転駆動によって運ばれるトナーがトナー検出センサ１０前に達して通過中、トナー検出センサ１０は検出信号を出力し続ける。攪拌部材４ｂがトナー検出センサ１０の前を通り過ぎれば、トナーもセンサ前を通り過ぎてなくなるということであるから、その時点でトナー検出センサ１０から検出信号は出力されず途絶える。そのようにして攪拌部材４ｂが１回転する周期ごとに、検出信号が繰り返し出力されたり途絶えたりするので、検出信号としてはＡＣの矩形波形に近い出力波形となる。また、現像容器４ａ内に現存するトナー量に応じて、トナー検出センサ１０前をトナーが通過する時間も変わり、検出信号が出力されるタイミングも変化する。なお、攪拌部材の１周期回転の時間は固定値である。図３に示すように、その出力タイミングの変化による出力幅（ＡＣ波形のデューティ値）によって、制御手段は現像容器４ａ内に現存するトナー量つまり「トナー残量」を算定する。

センサ出力信号のデューティ値はたとえばつぎのように決めることができる。攪拌部材４ｂがたとえば２.５ｓｅｃ（秒）で１回転するとする。その場合、トナー検出センサ１０が出力する検出信号を０.１ｓｅｃ間隔でサンプリングする。すなわち、採取回数は１周期２５回である。その間、トナー検出センサ１０が「トナー有り」を示す検出信号を「ａ回」出力したとすると、デューティ値はａ／２５ × １００（％）となり、その時点での現像容器４ａ内に存在するトナー量を示すものとなる。そのようにして算出するデューティ値と実際の現像容器４ａ内のトナー量との相関についてデータ化し平均化処理することによって、高精度のセンサ出力信号のデューティ値をメモリに格納しておくことができる。制御手段はそうしたデューティ値をその都度参照し、トナー補給ホッパー７からトナーを現像装置４にどれだけの量を補給すればよいか、というトナー供給量の定量制御を行うことができる。

ところで、前述のように、トナー検出センサ１０が設置される位置の設定条件の１つとして、「平均的なトナー面」よりも上位であることが挙げられた。仮に、平均的トナー面よりも下位にトナー検出センサ１０が設置されているとする。その場合、落下したトナーが再び攪拌部材４ｂに掻き取られ、トナー検出センサ１０前を運ばれて通り過ぎる時間というのは、実際には攪拌部材４ｂの１回転周期の半分程度である。その間、トナー検出センサ１０はトナーが多くても少なくても「トナー有り」を示す検出信号を出力する。そのようにトナー検出センサ１０が平均的トナー面より低いと、現像容器４ａ内のトナー量が一定量を越えたとき攪拌部材４ｂからこぼれたトナーでセンサ面がいつも埋まってしまうことになる。すると、デューティ値は現像容器４ａ内のトナー量増加があまり多くない状態であるにもかかわらず、１００％近くになる公算が大きい。

したがって、トナー検出センサ１０によるデューティ値と、現像容器４ａ内のトナー量との相関を図４のグラフに示す。図４（b）のB位置は、平均的なトナー面より下の領域の位置であり、図４（a）はこのB位置の時の検出特性を表している。検出可能なトナー量の領域幅が下限側では十分である。しかし、通常状態のたとえば２００ｇ前後で制御しようとすると検出の領域幅が小さくなってしまう。以上を考慮すると、必然的にトナー検出センサ１０の位置は「平均的なトナー面」よりも上位が好ましいことになる。

また、センサ位置の設定条件の１つに、センサ位置の上限がトナーの安息角の領域を示す直線の角度13よりも小さい位置であることが挙げられた。仮に、センサ上限がトナーの安息角と同等な位置であるとする。その場合、トナーが現像容器４ａ内で攪拌され続ける間、その凝集度は徐々に上昇していくので、現像装置４の設置直後、安息角近傍で攪拌部材４ｂのシート面上のトナーが崩れてこぼれ、それによりトナー検出センサ１０から出力される検出信号に「ばらつき」が生じる。しかし、放置または攪拌などでトナーの凝集度は時間経過に伴って上昇する方向に進むので、検出信号のばらつきという問題はやがて解消される。なお、図４に、A位置の時の検出特性も示した。A位置の時は、上述のように攪拌部材によるトナー搬送量が少ない領域となるので、検出範囲が狭くなってしまう。

よって図４における実施例位置の場合は、常に攪拌部材４ｂはシート面上にトナーを抱いて保持した状態でトナー検出センサ１０の前を通過するため、現像容器４ａ内のトナー量が少量時から増えたときまでの広範囲にわたって検出することが可能となる。したがって、トナー量を定量に維持する制御が可能になる。また、トナー補給ホッパー７内のトナーが無くなって、現像容器４ａ内のトナーが一定量になった時点で停止させる場合でも、現像容器４ａ内のトナー量を常に正確に把握できる。それにより、トナー無し状態をユーザに対して警告するまで詳細に表示できる。

トナー検出センサ１０を以上のような設定条件に基づいた位置に設けると、現像スリーブ４ｄの磁極の位置、あるいは強度次第では影響を受ける可能性はある。しかし、通常は磁力強度を大きくとるのはドラム対向位置近傍の現像極であり、またトナー検出センサ１０の設置部位に対向して磁極を設ける構成を採用しない限り、その影響は小であるということができる。またトナー検出センサ１０の設置部位は現像スリーブ４ｄ内のマグネットが磁気的にトナーを拘束している領域の外側にあたるので、その影響は小さい。

一方、トナー検出センサ１０をトナーの安息角よりも大きい上位に配置した場合、時計廻り方向に回転する攪拌部材４ｂのシート先端が上位領域に入ると、現像容器４ａ内のトナー量とセンサ検出信号との相関を示すデューティ値は以下のようになる。

攪拌部材４ｂのシート面が下向きとなり、トナーがこぼれて落下する状態でトナー検出センサ１０の前を通過し、そのときのトナー量を測定する。現像容器４ａ内のトナー量が減少しておれば、攪拌部材４ｂがトナーを保持した状態からシート先端が上位領域に入って下向き姿勢になった位置で測定する場合と比べ、トナーの嵩密度は減少する。そのために測定精度が低下してトナーが一定量以下になると実質測定ができなくなる。したがって、現像容器４ａ内のトナー量を一定量でたとえば２００ｇ〜２５０ｇの間で制御する場合、使用することに特に問題はない。しかし、トナー量が一定量を下回ってトナー無しで止める場合には、たとえば１５０ｇ近辺で測定値のばらつきは大きくなり、ニアエンド検出などを警告する表示が困難となる。

以上から明らかなように、トナー検出センサ１０を好適位置に設けることで、広い領域幅で現像容器４ａ内のトナー残量の検出によって複数レベルでのトナー制御が可能となり、トナー無しを表示するまでの警告を詳細に表示できる。その際、たとえばトナーの環境の違いによる凝集度変化に対応して、環境差による残量制御値の変更も可能である。

また、本実施形態においては、トナー補給ホッパー７からトナーを１室構成の現像容器４ａに補給するようにした補給機構を設けたことで現像装置４全体を小型化でき、またトナー残量の多値制御が可能になるという効果を有する。また、トナー検出センサ１０から出力された検出信号に基づいてデューティ値を算出する際、今回測定の算出値に対して前回測定までの何回かの算出値を含めて平均化処理や補正処理を行う。それによって、出力信号に偽誤差のない非常に高精度のセンサ検出が可能になり、それに基づく高精度のトナー補給量によるトナー定量化制御が可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内であれば他の実施形態、応用例、変形例およびそれらの組み合わせも可能である。

本発明による現像装置の実施形態を示す図。 本実施形態の攪拌部材を示すシート保持部材図。 トナー有りを示すセンサ出力信号のタイムチャート。 センサ出力信号のデューティ値とトナー量との相関を示すグラフ。 トナー残量検出、補給のフロー。 従来例。

符号の説明

４ 現像装置
４ａ 現像容器
４ｂ 攪拌部材
４ｃ，８ 搬送スクリュー（現像剤補給機構）
４ｄ 現像スリーブ
７ トナー補給ホッパー（現像剤補給機構）
１０ トナー検出センサ（現像剤検出手段）

Claims (6)

1. 現像剤を収容する現像容器と、
   該現像容器に設けられ、現像剤を担持搬送して静電像を現像する現像剤担持体と、
   前記現像容器に現像剤を補給する現像剤補給機構と、
   前記現像容器内に回転軸を中心として回転可能に設けられ、前記現像容器内の現像剤を攪拌する攪拌部材と、
   回転中の前記攪拌部材に保持された現像剤を検出する現像剤検出手段と、
   前記現像剤検出手段の検出信号に基づいて前記現像剤補給機構の動作制御を行なう制御手段と、
   を備え、
   前記現像剤検出手段の現像剤検知位置が、
   ａ）前記現像容器の側面、かつ、
   ｂ）前記攪拌部材の回転中心と前記攪拌部材の先端とを結ぶ線と水平方向とのなす角度θが、前記先端が最下位置の時を０°とし、攪拌部材回転方向を正とし、前記現像剤の安息角をθr°としたとき、０＜θ＜９０＋θrの範囲内で前記攪拌部材が回転した時の、前記攪拌部材の移動領域内、かつ、
   ｃ）前記現像容器内に貯留された現像剤の平均的な上面よりも上の領域、
   であることを特徴とする現像装置。
2. 前記制御手段は、
   前記攪拌部材の１回転周期において前記現像剤検出手段から出力される検出信号を予め決められた回数サンプリングし、総サンプリング数に対して、現像剤有りを示す検出信号が出力された回数との比率でもって算出したデューティ値に基づき、前記動作制御を行なうことを特徴とする請求項１の現像装置。
3. 前記デューティ値が前回の数回分の算出値を含めて平均化処理されて記憶手段に格納されることを特徴とする請求項２に記載の現像装置。
4. 前記攪拌部材が、前記現像容器内における回転軸方向一杯に展開した形状を有し、回転中に現像剤を掬って回転攪拌するシート部と、前記シート部の変形を抑制するシート保持部材とでなっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の現像装置。
5. 前記現像剤補給機構が貯留された現像剤を押し送りして前記現像容器に搬入する搬送スクリューを有し、前記搬送スクリューの回転軸線が前記攪拌部材の回転軸線と平行であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の現像装置。
6. １室からなる前記現像容器を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の現像装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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