JP2008299217A - 現像装置・画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】適切なトナー濃度と帯電量を持った現像剤を現像部に効率よく連続的に供給（エア搬送）することができる現像装置を提供する。
【解決手段】潜像担持体上の潜像を現像する現像部５０における現像後の現像剤は、循環路５５により撹拌部５１に入れられ、トナーカートリッジ５２から補給されたトナーとともに、トナーが適正な濃度、帯電量を持つように攪拌・混合される。調整された現像剤はロータリフィーダ５３により定量的に排出されながら、エアーポンプ５４のエアにより循環路５６を介して現像部５０に戻される。ロータリフィーダ５３のロータの外径と、ステータの内径との隙間をｔ、現像剤の粒径をＤとするとき、ｔ＜２Ｄ（但し、Ｄは、トナーの粒径をｄｔ、キャリアの粒径をｄｃとするとき、Ｄ＝ｄｃ＋２ｄｔ）を満たすようにロータの寸法が設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、潜像担持体上の静電潜像を現像する現像装置、該現像装置を備えた複写機、プリンタ、ファクシミリ、プロッタ、これらのうち少なくとも１つを備えた複合機等の画像形成装置に関する。

現像装置は、トナーとキャリアから成る二成分現像剤を用いて潜像担持体上に形成された静電潜像を現像して可視化する装置である。
現像領域で現像処理を終了してトナーが消費された現像剤は回収され、補給されるトナーと混合、攪拌され、再び現像に供される。このような構成の現像装置に用いられる現像剤は、安定したトナー画像を得るために、一定のトナー濃度と帯電量を維持する必要がある。
トナー濃度は現像で消費したトナーと補給トナー量により調整され、帯電量はキャリアとトナーとの混合時の摩擦帯電により付与される。現像装置では、トナーとキャリアから成る二成分現像剤の攪拌を充分に行い、トナー濃度分布を均一化するとともに、トナーに帯電を付与し、トナー画像の安定化を行っている。

一般的な現像装置では、補給されたトナーが現像スリーブに汲み上がるまでのわずかな時間の間に２本のスクリュの回転による攪拌効果を利用してトナーの分散・帯電付与を行っているため、特にトナーの収支が多い場合、補給されたトナーが十分に分散せずに、現像スリーブに汲み上がり、地汚れ、トナー飛散といった品質課題が発生している。
これを解決するために、現像部から離れた場所に別途撹拌部を設け、現像部と撹拌部とを現像剤循環手段によって接続し、撹拌部で現像剤の状態に応じた撹拌を行い、トナー濃度、帯電量を適切に調整した現像剤を現像部に供給する現像装置が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。
撹拌部で調整（適正化）された現像剤はロータリフィーダで排出量を規制しながら、空気圧で現像部へ搬送（移送）するようになっている。

特許第３７３４０９６号公報 特開平１１−１４３１９６号公報 特開平１−０５７３４６号公報 特開２００３−２９２１５６号公報 特開昭５９−０１１９４４号公報 特開平７−００２５０４号公報 特開２０００−０１９８２２号公報

現像剤を、空気圧を利用して管内を連続的に搬送する場合、主な構成は現像剤貯蔵部、現像剤供給部、輸送管、空気供給源である（図２参照）。
現像剤を空気の圧力（正圧）と流れを利用して搬送するため、空気搬送元と、搬送先（大気圧）には差圧が発生する。送られた現像剤が現像部から、現像剤貯蔵部に回収され、再び搬送される（循環している）ため、現像剤貯蔵部も大気圧である。従って、現像剤を現像部へ搬送するためには、現像剤供給部をシールし、空気供給源の空気が現像剤貯蔵部へ洩れないようにする必要がある。

空気が洩れると、現像剤を搬送するための圧力が低下し、搬送量が十分確保できない。また、空気が現像剤貯蔵部に逆流する（現像材貯蔵部に圧力がかかる）と、現像剤貯蔵部から現像剤供給部へ入る現像剤が逆流する空気によって妨げられ、排出量の低下、ばらつきが発生する。
現像剤供給部における供給装置として一般的に用いられるものに、ロータリフィーダがある。ロータリフィーダは、回転する複数の羽根を持ったロータと、ロータを覆うステータからなり、定量性、制御性に優れた方式であるが、シール性が不足して前記した空気の逆流が発生する。
シール性を確保する方法として、ロータの羽根を弾性体とし、ステータに対して食い込みを持たせる方法があるが、径時の劣化（ロータ、ステータの削れ）が顕著になり、実用的ではない。
特に現像剤のキャリアは、鉄やフェライトであるため、硬度が高く、この方法では耐久性を得ることは困難である。

本発明は、適切なトナー濃度と帯電量を持った現像剤を現像部に効率よく連続的に供給することができる現像装置、該現像装置を備えた画像形成装置の提供を、その目的とする。
本発明は、さらに、現像剤に与えるストレスを少なくして撹拌できるとともに、トナー帯電を行うことができる現像装置、該現像装置を備えた画像形成装置の提供を、その目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明では、潜像担持体上の潜像を現像する現像部と、該現像部の外部に設けられ、現像剤の一部を収容して現像剤を撹拌する撹拌部と、該撹拌部の現像剤を定量的に排出するロータリフィーダとを備え、前記ロータリフィーダから排出された現像剤を、空気圧を利用して前記現像部に搬送する現像装置において、前記ロータリフィーダのロータの外径と、ステータの内径との隙間をｔ、現像剤の粒径をＤとするとき、
ｔ＜２Ｄ
（但し、Ｄは、トナーの粒径をｄｔ、キャリアの粒径をｄｃとするとき、Ｄ＝ｄｃ＋２ｄｔ）
を満たすことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、潜像担持体上の潜像を現像する現像部と、該現像部の外部に設けられ、現像剤の一部を収容して現像剤を撹拌する撹拌部と、該撹拌部の現像剤を定量的に排出するロータリフィーダとを備え、前記ロータリフィーダから排出された現像剤を、空気圧を利用して前記現像部に搬送する現像装置において、前記ロータリフィーダのロータの外径と、ステータの内径との隙間をｔ、現像剤の粒径Ｄとするとき、
ｔ＜Ｄ
（但し、Ｄは、トナーの粒径をｄｔ、キャリアの粒径をｄｃとするとき、Ｄ＝ｄｃ＋２ｄｔ）
を持たすことを特徴とする。

請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の現像装置において、前記ロータ、ステータの材質は、少なくとも一方が樹脂又は弾性体であることを特徴とする。
請求項４記載の発明では、請求項１〜３のいずれか１つに記載の現像装置において、前記ロータの先端部は、該ロータの回転軸と直交する断面において曲面形状を有していることを特徴とする。

請求項５記載の発明では、請求項１〜４のいずれか１つに記載の現像装置において、前記ステータの内面の表面粗さをＲｍａｘ、トナーの粒径をｄｔ［μｍ］とするとき、
Ｒｍａｘ＜ｄｔ
を満たすことを特徴とする。
請求項６記載の発明では、画像形成装置において、請求項１〜５のいずれか１つに記載の現像装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、現像剤搬送に利用する空気が、撹拌部へ流入することを防止することにより、現像剤を確実に現像部に搬送でき、また撹拌部からの現像剤の排出量を安定化することができる。
また、現像剤が、ロータとステータの間に挟まることがなくなるため、現像剤の劣化を低減できる。
また、ロータとステータに、現像剤が挟まった場合でも、ロータ、ステータの少なくとも一方の硬度をキャリアより低くすることにより、現像剤へのダメージを低減することができる。
また、ロータの先端をＲ形状にすることで、現像剤が挟まるのを防ぐことができる。
また、トナーがステータの内壁に付着しにくくなるため、経時における、トナー固着を低減できる。
また、帯電量の安定化が図れるため、画質の安定化を実現できる。

以下、本発明の一実施形態を、図１乃至図７を参照して説明する。まず、図１に基づいて本実施形態に係る現像装置を備えた画像形成装置の構成の概要を説明する。
中間転写ユニット１０における未定着像担持体としての中間転写ベルト８の下面に対向して、各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）に対応した作像部６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｂｋが並設されている。これらの作像部６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｂｋは、作像プロセスに用いられるトナーの色が異なる以外は同一構造である。
各作像部６は、潜像担持体としての感光体ドラム１と、感光体ドラム１の周囲に配設された図示しない帯電手段、現像装置５、図示しないクリーニング手段等で構成されている。

感光体ドラム１上で、作像プロセス（帯電工程、露光工程、現像工程、転写工程、クリーニング工程）が行われ、感光体ドラム１上に所望のトナー像が形成される。
感光体ドラム１は、不図示の駆動部によって図中、時計回り方向に回転駆動され、帯電手段の位置で表面が一様に帯電される（帯電工程）。
その後、感光体ドラム１の表面は、不図示の露光部から発せられたレーザ光の照射位置に達して、この位置での露光走査によって静電潜像が形成される（露光工程）。
その後、感光体ドラム１の表面は、現像装置５との対向位置に達し、この位置で静電潜像が現像されて、所望のトナー像が形成される（現像工程）。
その後、感光体ドラム１の表面は、中間転写ベルト８及び１次転写バイアスローラ９との対向位置に達して、この位置で感光体ドラム１上のトナー像が中間転写ベルト８上に転写される（１次転写工程）。
その後、感光体１の表面は、クリーニング手段との対向位置に達し、この位置で感光体ドラム１上に残存した未転写トナーが回収される（クリーニング工程）。クリーニング後感光体ドラム１の表面は図示しない除電ローラにより電位を初期化される。こうして、感光体ドラム１上で行われる一連の作像プロセスが終了する。

上述した作像プロセスは、図１に示すように、４つの作像部６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｂｋで、それぞれ行われる。すなわち、作像部の下方に配設された不図示の露光部（光書き込み装置）から、画像情報に基づいたレーザ光が、各作像部６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｂｋの感光体ドラム上に向けて照射される。その後、現像工程を経て各感光体ドラム上に形成した各色のトナー像を、中間転写ベルト８上に重ねて転写する。こうして、中間転写ベルト８上にカラー画像が形成される。

４つの１次転写バイアスローラ９Ｙ、９Ｍ、９Ｃ、９Ｂｋは、それぞれ、中間転写ベルト８を感光体ドラム１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｂｋとの間に挟み込んで１次転写ニップを形成している。１次転写バイアスローラ９Ｙ、９Ｍ、９Ｃ、９Ｂｋにはトナーの極性とは逆極性の転写バイアスが印加される。
中間転写ベルト８は、矢印方向に走行して、各１次転写バイアスローラ９Ｙ、９Ｍ、９Ｃ、９Ｂｋの１次転写ニップを順次通過する。こうして、感光体ドラム１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｂｋ上の各色のトナー像が、中間転写ベルト８上に重ねて１次転写される。

その後、各色のトナー像が重ねて転写された中間転写ベルト８は、２次転写手段としての２次転写ローラ１９との対向位置に達する。中間転写ベルト８上に形成されたカラートナー像は、２次転写ニップの位置に搬送された記録媒体としての転写紙Ｐ上に転写される。
こうして、中間転写ベルト８上で行われる、一連の転写プロセスが終了する。
装置本体１００の下部に配設された給紙部２６には転写紙Ｐが複数枚重ねて収納されており、給紙コロ２７により１枚ずつ分離されて給紙される。給紙された転写紙Ｐはレジストローラ対２８で一旦停止され、斜めずれを修正された後レジストローラ対２８により所定のタイミングで２次転写ニップに向けて搬送される。そして、上記のように、２次転写ニップにおいて転写紙Ｐ上に、所望のカラー画像が転写される。

２次転写ニップの位置でカラー画像を転写された転写紙Ｐは、定着部２０へ搬送され、ここで、定着ローラ及び圧力ローラによる熱と圧力とにより、表面に転写されたカラー画像を定着される。
定着を終えた転写紙Ｐは、排紙ローラ対２９により、装置本体上面に形成された排紙部３０へ出力画像として排出され、スタックされる。こうして、画像形成装置における一連の画像形成プロセスが完了する。
図１において、符号３２は読み取り部を示している。

次に、現像剤攪拌・循環システムとしての現像装置５の構成を詳細に説明する。
図２に示すように、現像装置５は、感光体ドラム１上の静電潜像を現像する現像部５０と、現像部５０から離れた位置で現像剤（以下、単に「剤」ともいう）の状態に応じた撹拌を行う撹拌部５１と、撹拌部５１にトナーを補給するためのトナーカートリッジ５２と、撹拌部５１の下方に設けられたロータリフィーダ５３と、現像剤を空気圧で搬送する現像剤循環駆動源としてのエアポンプ５４等を有している。図１では現像部５０のみ示している。
現像部５０と撹拌部５１との間は循環路５５で接続され、ロータリフィーダ５３と現像部５０との間は循環路５６で接続されている。トナーカートリッジ５２と撹拌部５１はトナー補給路５７で接続され、エアポンプ５４とロータリフィーダ５３は管路５８で接続されている。
図２において、符号５９はトナー補給駆動源としてのモータを、６０は攪拌駆動源としてのモータを、６１はロータリフィーダ５３の駆動源としてのモータをそれぞれ示している。

現像部５０は、図５に示すように、現像器を構成するケーシング６２と、ケーシング６２内に回転可能に支持され、螺旋状のフィンを有する搬送スクリュ６３、６４と、現像ローラ６５を有している。ケーシング６２内には、トナーとキャリアを混合した２成分現像剤が入っている。搬送スクリュ６３、６４により現像剤はケーシング６２内で循環搬送される。
搬送スクリュ６３によって、現像剤が図中手前から奥側に搬送され、この一部が、現像ローラ６５によって磁力で吸い上げ、吸着され、ドクターブレード６６で均一な厚さに均されてから、感光体ドラム１に接することで感光体ドラム１上の静電潜像をトナーで現像してトナー像が形成される。

現像後の現像剤は搬送スクリュ６４の端部に構成された排出口６７（図１参照）から、循環路５５を通って撹拌部５１に搬送される。搬送スクリュ６４の最下流に図示しないトナー濃度検知手段が設置されており、その信号を基にトナーカートリッジ５２からトナー補給が行われる。
トナー補給はモータ５９によってトナー補給路５７内の図示しないスクリュを回転させることで行われる。トナー補給は循環経路内で撹拌部５１の入り口直前の部位で行われる。
撹拌部５１では現像後の現像剤と、補給されたトナーとが混合され適切なトナー濃度と帯電量を持つ現像剤となる。この現像剤は撹拌部５１の下部に形成された排出口７０を通り、ロータリフィーダ５３に入る。
ロータリフィーダ５３内のロータ７５の回転により、現像剤は下方に定量的に排出され、循環路５６を通り、受取口６８を介して再び現像部５０に供給される。

図３は撹拌部５１の断面図である。撹拌部５１の上面には現像剤補給口６９が、下面には排出口７０が設けられており、攪拌部本体５１ａは、排出口７０に向かうほど径が細くなる逆円錐型の形状を有している。
攪拌部本体５１ａ内の中心には下から上に剤を搬送するスクリュ７１が、その外側には回転可能な２本の攪拌部材７２が設けられており、これらの撹拌部材の回転動作によって現像剤が攪拌・混合される。
外側の撹拌部材７２とスクリュ７１はモータ６０によって回転する。スクリュ７１はモータ６０と直結されており、外側の撹拌部材７２は、減速ギヤ列７３ａ〜７３ｄを介して回転する。撹拌部材７２は、図３（ａ）に示すように、減速ギヤ列に直結された支持部７４に対して斜めに固定されている。
撹拌部５１での補給口６９から、排出口７０までの搬送は重力を利用している。撹拌部５１にはバッファとして常に現像剤が存在するため、未混合の現像剤がそのまま排出されることはない。
ロータリフィーダ５３は、モータ６１によって回転され、放射状に延びる複数の羽根７５ａを有するロータ７５と、ロータ７５を覆うステータ７６を有している。ロータリフィーダ５３と、循環路５６及び管路５８は継手管路７７で接続されている。

図４は、撹拌部５１における攪拌時の現像剤の流れを表す模式図である。
スクリュ７１の回転によって矢印Ａの向きに下から上に持ち上げられた剤は、外側を回転する撹拌部材７２の回転に伴い矢印Ｂの向きに移動し、再びスクリュ７１の周囲に寄せ集められる。
このように撹拌部５１では絶えず現像剤が対流している。この対流により、容器内（攪拌部本体５１ａ内）全体が均一に混合される仕組みである。トナーの帯電はトナーとキャリアの摩擦によって付与されるため、帯電量をすばやく得るためにはトナーとキャリアの接触確率を上げることが重要である。
本発明者らの検討によって、撹拌部５１内で現像剤が対流することにより接触確率が上がり、かつ、現像剤へのダメージも少ないことが分かった。

次に、ロータリフィーダ５３の特徴構成について説明する。
ロータリフィーダ５３のロータ７５とステータ７６は図６（ｂ）に示すように、ロータ７５の羽根７５ａの先端とステータ７６の内面（内径、内壁）がクリアランス（隙間）＝ｔを持っており、その幅は現像剤の直径をＤとすると、ｔ＜２Ｄとなっている。Ｄは、トナーの粒径をｄｔ、キャリアの粒径をｄｃとするとき、Ｄ＝ｄｃ＋２ｄｔである。ｄｔはトナーの平均粒径、ｄｃはキャリアの平均粒径であり、平均粒径は体積平均粒径である。
上述したように、ロータ７５とステータ７６間に隙間があると、エアポンプ５４から発生したエアの一部が、この隙間を通り撹拌部５１に流れ込み（図の下から上に）、現像剤を現像部５０に送るためのエアが減少する（圧力が低下する）。
当然、隙間が大きいほどエアが通り易い。ところが、現像剤を搬送しているときは、この隙間に現像剤が入り込み、シールの効果が発生し、上記空気の洩れが減少する。但し、隙間が大きすぎるとシールの効果が無くなり、エアの洩れを防ぐことができない。
すなわち、ロータリフィーダ５３から排出された現像剤を効率よく搬送するためには、すなわち、エアポンプ５４のエアを可能な限り、撹拌部５１に流入させず、現像剤の搬送に利用するためには、このクリアランスを適切に設定する必要がある。

本発明者らがクリアランスｔと、現像剤の搬送量を実験したところ、図７に示すような結果となった。クリアランスが０．０８ｍｍ付近以上になると、急激に搬送量が低下していることがわかる。
すなわち、エアの撹拌部５１への洩れが大きくなっている。この実験で使用した現像剤の、トナー及びキャリアの平均粒径はそれぞれ、５μｍ、３５μｍで現像剤として見かけ上の粒径Ｄは４５μｍである。
よって、現像剤約２個分の大きさ（９０μｍ）以上でエアの洩れが多くなり、搬送量が低下している。これはロータ７５とステータ７６のクリアランスｔに、２個以上の現像剤が存在する場合（図６（ａ）参照）、エアの圧力によって現像剤（特に図６（ａ）における、中心にいる現像剤）が動き易くなっているためである。
現像剤はキャリアにトナーが被覆されているが、トナーがキャリアのスペーサ（コロの役割）となるため、両側を現像剤に挟まれている現像剤は動きやすい。
従ってこのような状況ではエアが洩れやすく、搬送量が低下する。

クリアランスｔが２Ｄ以下の場合は、両側を現像剤に挟まれることは無いため、現像剤は動かされにくくなり、エアの洩れも少ない。
さらに、クリアランスをＤ以下にすれば、実験結果で示すように、さらにエアの洩れは少なくなる。また、Ｄ以下にすることの効果としては、現像剤へのダメージの低減がある。
クリアランスｔに挟まれたトナーは、ロータ７５及びステータ７６との摩擦により劣化する虞があるが、Ｄ以下であれば、挟まれる確率は非常に少なくなるからである。
図６に示すように、ロータ７５の羽根７５ａの先端部（自由端部）の形状を、ロータ７５の回転軸と直交する断面において曲面形状（Ｒ形状）にすると、クリアランスｔに挟まる現像剤が少なくなるため、ダメージを与えにくくなる。
さらに、ロータ７５及びステータ７６のうち少なくとも一方の材質を、キャリアより柔らかい、好ましくはトナーより柔らかい樹脂や弾性体（弾性材）等にすることにより、現像剤へのダメージを低減することができる。
また、現像剤へのダメージを低減させるために、ステータ７６の内面の表面粗さＲｍａｘを、トナー粒径ｄｔ以下とする。表面粗さは、（ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１）に規格される算術平均粗さである。
これにより、ステータ７６の内面にトナーが付着しにくくなるため、トナーがロータリフィーダ５３内に滞留してストレスを受け続けることが無くなる。さらに、ロータ７５とステータ７６間の固着も防止することができる。

本発明の一実施形態に係る画像形成装置の概要断面図である。 現像装置の斜視図である。 撹拌部の断面図で、（ａ）はＣ−Ｃ線での水平断面図、（ｂ）は撹拌部の縦断面図である。 撹拌部での現像剤の流れを示す断面図である。 現像部の断面図である。 ロータとステータとの間の隙間とシール性との関係を示す図で、（ａ）は従来の条件を示す図、（ａ）、（ｂ）は本発明の条件を示す図である。 実験により得られたロータとステータとの間の隙間と現像剤の移送量との関係を示す特性図である。

符号の説明

１ 潜像担持体としての感光体ドラム
５ 現像装置
５０ 現像部
５１ 撹拌部
５３ ロータリフィーダ
７５ ロータ
７６ ステータ

Claims (6)

1. 潜像担持体上の潜像を現像する現像部と、該現像部の外部に設けられ、現像剤の一部を収容して現像剤を撹拌する撹拌部と、該撹拌部の現像剤を定量的に排出するロータリフィーダとを備え、前記ロータリフィーダから排出された現像剤を、空気圧を利用して前記現像部に搬送する現像装置において、
   前記ロータリフィーダのロータの外径と、ステータの内径との隙間をｔ、現像剤の粒径をＤとするとき、
   ｔ＜２Ｄ
   （但し、Ｄは、トナーの粒径をｄｔ、キャリアの粒径をｄｃとするとき、Ｄ＝ｄｃ＋２ｄｔ）
   を満たすことを特徴とする現像装置。
2. 潜像担持体上の潜像を現像する現像部と、該現像部の外部に設けられ、現像剤の一部を収容して現像剤を撹拌する撹拌部と、該撹拌部の現像剤を定量的に排出するロータリフィーダとを備え、前記ロータリフィーダから排出された現像剤を、空気圧を利用して前記現像部に搬送する現像装置において、
   前記ロータリフィーダのロータの外径と、ステータの内径との隙間をｔ、現像剤の粒径Ｄとするとき、
   ｔ＜Ｄ
   （但し、Ｄは、トナーの粒径をｄｔ、キャリアの粒径をｄｃとするとき、Ｄ＝ｄｃ＋２ｄｔ）
   を持たすことを特徴とする現像装置。
3. 請求項１又は２記載の現像装置において、
   前記ロータ、ステータの材質は、少なくとも一方が樹脂又は弾性体であることを特徴とする現像装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の現像装置において、
   前記ロータの先端部は、該ロータの回転軸と直交する断面において曲面形状を有していることを特徴とする現像装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の現像装置において、
   前記ステータの内面の表面粗さをＲｍａｘ、トナーの粒径をｄｔ［μｍ］とするとき、
   Ｒｍａｘ＜ｄｔ
   を満たすことを特徴とする現像装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の現像装置を備えた画像形成装置。

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