JP2014132290A - 画像形成装置と現像剤回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】劣化した現像剤を、作像を中断せず、消費電力を上げることもなく、精度良く回収して、劣化現像剤の排出効率を上げる。
【解決手段】電位差によりトナーを潜像担持体へ転移する現像ローラと、現像ローラと潜像担持体が対向する箇所より現像ローラ表面移動方向下流側に配された回収ローラと、現像ローラと回収ローラの間に電位差を生成するか同じ電位とするかを切り替える切り替え手段と、を備える現像器、及び印刷枚数、現像ローラの走行距離、画像面積率を算出し、夫々の閾値と比較し、比較結果に応じて前記切り替え手段の切替を指示する手段、を備えて構成される画像形成装置において、現像ローラと回収ローラの間の電位差によって現像剤の回収を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子写真方式を用いた複写機、プリンタ、ファクシミリ装置、あるいはそれらの機能を併せ持った複合機等、画像形成装置に関するものである。

電子写真方式の画像形成装置における現像処理として、トナーとキャリアから成る二成分現像剤を用いる態様が広く知られている。そのための二成分現像器では、内部に収容するトナーとキャリアを攪拌して摩擦帯電させた後、現像ローラにより感光体近傍まで搬送して、そのうちのトナーを静電力により感光体に転移させ、感光体上の静電潜像を現像する。

このような現像処理では、トナーは消費されて減り、適宜新たなものがトナーカートリッジ等から補給されるのに対し、キャリアは消費されず現像器内に残る。そして、現像器内に長時間滞留したキャリアは、性能劣化をきたし、例えばトナー帯電量が不安定化したり、キャリア自体が静電潜像に転移して画像が白く抜ける（ベタキャリア付着）等の印刷画質の低下を招く。劣化キャリアとして代表的なベタキャリア付着し易いキャリアが感光体上の静電潜像へ転移する現象は、静電誘導によって起こると推定されている。推定メカニズムを図５に示す。キャリアは繰り返し現像プロセスに使用されると、その絶縁膜層がストレスにより削れ、絶縁破壊を起こすことで、電荷移動が起こり、キャリアが分極する場合がある。このような状態のキャリアでは、電界を受けると、トナーと同様に感光体上へ転移してしまうと推定される。図６から分かるように、キャリア周辺のトナー濃度が低いほど、ベタキャリア付着が起こり易い。

このようなキャリア劣化の問題に対処するため、以前は所定の現像剤寿命に達すると作業者が現像器を開けて古い現像剤を捨て、新しい現像剤を補給したり、現像器自体を交換していた。しかしながら、メンテナンスのために現像剤を手作業で入れ替えるのは非常に手間がかかり、また専門の保守員に作業させたり、現像器自体を交換したのでは、コストがかさんでしまう。

そこで近年では、特許文献１等で提案された所謂「トリクル現像方式」を採用した画像形成装置が増えている。トリクル現像方式は、現像器に対してトナーだけでなくキャリアも適宜補給し、このトナー／キャリア補給により過剰となった現像剤をオーバーフローで現像器から外部に排出して回収する方式である。この方式によれば、現像処理により消費されるトナーを補充できると同時に、劣化したキャリアを新しいキャリアに置き換えることができ、現像器内のキャリアの性能を全体として維持し、印刷画質の低下を抑えることができる。

しかしながら、トリクル現像方式では、劣化の度合いにかかわらず、現像器内に収容された現像剤の上面に近いキャリアが排出されることになる。そのため、例えば、補給したばかりのキャリアや、まったく劣化していないキャリアも一律に排出されてしまうという問題があった。この問題を解決するために、攪拌搬送スクリューを磁化物質製スクリュー軸と非磁性フィンとで構成して、帯電性能が低いキャリアのみを非磁性フィンを用いて排出させる構成が提案されている（特許文献２）。しかし、ベタ画像時のキャリア付着による白抜け異常画像は帯電量の低下だけで起こるものでない。また、キャリアがトナーに囲まれていることにより、電荷的に中和されていて、劣化キャリアの選択の精度が悪い等の問題もある。

また、トリクル現像方式ではオーバーフローした現像剤を現像器から廃棄用容器まで搬送する機構が必要となり、装置の大型化や複雑化、高コスト化を招くという問題もあったので、そのような問題を解消するための提案もなされている。例えば特許文献３では、電位制御によって現像器内の劣化キャリアを感光体上に転移させ、更に感光体上から直接あるいは間接的にクリーニング手段を用いて回収することが開示されている。

しかしながら、劣化キャリア排出モードを実行するためには、感光体上にキャリアを転移するので、作像処理が中断されざるを得ず、作業者がプリントしたい場合でも待ち時間を作らざるを得ない。また劣化キャリアの回収のための新たな電力が必要となり、消費電力が上がってしまう等の問題があった。

更に、キャリアが樹脂中にパウダー状の磁性体を分散させた所謂レジンキャリアの場合、経時的に小径化していくことを利用して、劣化し小径化したレジンキャリアを回収する提案も特許文献４においてなされている。

本発明の課題は、劣化した現像剤を、作像を中断せず、消費電力を上げることもなく、精度良く回収して、劣化現像剤の排出効率を上げることにある。

上記課題は、電位差によりトナーを潜像担持体へ転移する現像ローラと、現像ローラと潜像担持体が対向する箇所より現像ローラ表面移動方向下流側に配された回収ローラと、現像ローラと回収ローラの間に電位差を生成するか同じ電位とするかを切り替える切り替え手段と、を備える現像器、及び印刷枚数、現像ローラの走行距離、画像面積率を算出し、夫々の閾値と比較し、比較結果に応じて前記切り替え手段の切替を指示する手段、を備えて構成され、現像ローラと回収ローラの間の電位差によって現像剤の回収を行う、画像形成装置によって、解決される。

本発明によれば、劣化した現像剤を、作像を中断することなく、消費電力を上げることもなく、精度良く回収することができる。作像や画像調整において現像ローラにバイアスが印加されるが、本発明では、それを利用して、現像ローラと回収ローラの間にも電界を生じさせ、静電誘導にて劣化現像剤を回収ローラへ転移させる。所謂現像領域より下流側に回収ローラがあることで、現像プロセスでトナー濃度が減少した現像剤を回収ローラに転移させることになり、劣化キャリアが異常画像を引き起こす前に回収することが可能となり、回収効率も良い。作像や画質調整と同時進行で劣化キャリアの回収を行うので、待ち時間もなく、新たな消費電力も生じない。

本発明の実施形態に係る画像形成装置の概略的な全体構成図である。 図１における現像部を構成する２成分現像方式現像器の動作を説明するための画像形成ステーションの構成図である。 劣化キャリアを選択的に排出するための機構を説明するための概念図である。 劣化現像剤の排出に関するフローチャートである。 ベタキャリア付着を起こす推定メカニズムを説明する概念図である。 トナー濃度とベタキャリア付着個数の関係を示すグラフである。

本発明の一例に係る画像形成装置１の全体構成を図１に示す。これは、４連タンデム構造の所謂ワンパス転写の複写機であり、給紙部１３の上方にプリンタ部１２があり、その上にスキャナ部１４が配置されている。更に後処理装置２も付設されている。

プリンタ部１２には、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、黒（Ｋ）の色順に画像形成ステーションが設定されている。各画像形成ステーションは色以外については構成的に同じであり、以下では、色を示すＣ，Ｍ，Ｙ，Ｋは必要に応じてのみ付す。なお、プロセスの色順についてはどのような組み合わせも可能である。画像形成ステーションは、潜像担持体たる感光体１２２、帯電装置１２３、現像部１２４等を有している。プリンタ部１２は、各画像形成ステーションの他、カートリッジ１２１、中間転写ベルト１２５、二次転写ローラ１２６、定着部１２７、及び反転部１２８等を有している。

各画像ステーションの感光体１２２は、帯電装置１２３により表面を一様に帯電され、不図示のＣＰＵから受け取った画像情報に基づいて、露光プロセスによって表面に静電潜像が形成される。更に、感光体１２２は、静電潜像を形成された表面に、現像部１２４によってトナー付着されて、画像が形成される。各画像ステーションの帯電装置１２３は、不図示のＣＰＵに属する制御部の網点面積率決定部によって決定された網点面積率（その決定のやり方は周知なので説明を省略する）に基づいて、感光体１２２に接触して電圧印加して、感光体１２２の表面を帯電させる。各画像ステーションの現像部１２４は、カートリッジ１２１から適宜補給されたトナーを、帯電装置１２３により帯電された感光体１２２に付着させ、感光体１２２の表面に画像を形成する。

４つのカートリッジ１２１Ｃ、１２１Ｍ、１２１Ｙ、１２１Ｋはシアン、マゼンタ、イエロー、黒の各色トナーをそれぞれ収容している。中間転写ベルト１２５は、各感光体１２２Ｃ、１２２Ｍ、１２２Ｙ、１２２Ｋに当接しながら回転移動することにより、その表面に画像が形成され、画像形成後、記録媒体たる用紙へその画像を転写する。二次転写ローラ１２６は、後述する給紙部１３から搬送された用紙を、中間転写ベルト１２５との間に挟み込むことで、中間転写ベルト１２５上に形成された画像を用紙に転写し、画像形成された用紙を定着部１２７に送る。

定着部１２７は、二次転写ローラ１２６から送られた用紙に画像を定着させるもので、加圧ローラ１２７１、定着ベルト１２７２等を有している。加圧ローラ１２７１と定着ベルト１２７２は、それらで用紙を押圧挟持して、熱付与することにより、用紙に画像を定着させる。

反転部１２８は定着部１２７で定着された用紙の面の向きを反転させるもので、用紙の裏面にも画像形成する場合、あるいは用紙を反転させてフェイスダウンで排紙する場合に用いられる。定着部１２７を通過した用紙を、搬送経路を切り替える切替爪（図示せず）を用いて反転部１２８に導入する。反転部１２８に導入された用紙は、搬送方向を切り替えられ、不図示の両面ユニットに送られるか、排紙部１５へ送られる。排紙部１５は、プリンタ部１２で画像が形成された用紙を排紙するものである。

給紙部１３は、用紙をプリンタ部１２に供給するもので、給紙トレイ１３１、給紙ローラ１３２、レジストローラ１３３を有している。給紙トレイ１３１は用紙を収容し。給紙ローラ１３２は、給紙トレイ１３１に収容された用紙を取り出し、レジストローラと称されるタイミング合わせ兼スキュー補正ローラ１３３に差し入れる。レジストローラ１３３は、給紙ローラ１３２によって差し入れられた用紙を、中間転写ベルト１２５上のトナー画像にタイミングを合わせて、中間転写ベルト１２５と二次転写ローラ１２６との間に送り入れる。

スキャナ部１４は、原稿等に記載された画像情報を読み取るもので、コンタクトガラス１４１、読取センサ１４２を有している。コンタクトガラス１４１上には、画像が記載された原稿や本が載置される。コンタクトガラス１４１に載置された原稿等に記されている画像情報が読取センサ１４２によって読み取られる。

図２は図１における１つの画像形成ステーションの構成を示す図である。この画像形成ステーションを構成する現像器は、２成分現像方式の１つである磁気ブラシ現像方式において現像を実行する。

現像器内のトナーやキャリアが劣化もしくは不足する場合、補給口２０１を介して、現像器へトナーやキャリアが補給される。本実施形態では、トナーはカートリッジ１２１（図１）から補給され、キャリアは不図示のキャリア容器から供給される。トナーとキャリアを別々の容器に収容せず、トナーにキャリアを予め混合した現像剤を現像剤収容容器から補給することも可能である。現像器内には、トナーとキャリアから成る現像剤２０２を循環させる搬送スクリュー２０３、２０４、２０５が互いに平行に配置されている。循環搬送される現像剤２０２を現像ローラ２０６によって汲み上げて、感光体１２２へトナーを移送する。

現像ローラ２０６は磁力を有し、キャリアを磁力によりスリーブ上に固定、離脱させることが可能である。現像ローラ２０６の表面にキャリアを固定する場合、現像ローラ上にキャリアの穂（ブラシ）を形成する。このキャリアのブラシは主にキャリアが連なって形成され、キャリアの周辺には、トナーが静電的な力で吸着している。キャリアは、磁性を備えた金属粉（鉄、フェラタイト等の酸化鉄）に絶縁膜（シリコーン系、アクリル系樹脂等）のコーティングが施されている。絶縁膜層が循環搬送の際の攪拌により、削れたり、トナー成分が付着してしまい、帯電特性がトナーと同電荷になってしまう場合がある。このようにキャリアが初期の帯電特性を発揮できなくなったキャリアを劣化キャリアと称する。劣化キャリアに電界をかけた場合、静電誘導が起こり、潜像にキャリアが転移し、キャリアが転移した部分のみ白く抜けるという現象が起こる。

感光体１２２の周囲には、現像器や帯電装置１２３以外の部材も備えられている。感光体１２２の回転移動方向上流側から、まず感光体上の転写されなかったトナー等をクリーニングするクリーニングブレード２１１があり、次いで添加物の固着、ブレードめくれを防ぐために滑剤を塗布する塗布ローラ２１２がある。クリーニングブレード２１１の下方には、感光体上から除去されたトナーを回収し排出するための排出ローラ２１０が付設されている。塗布ローラ２１２からの滑剤供給によって感光体１２２とブレード２１１の間の摩擦が低減される。更に帯電装置１２３の上流側には除電装置２１３も配置されている。

一方、現像ローラ２０６の下方で、且つ現像ローラ２０６と感光体１２２が対向する箇所である現像領域より現像ローラ表面移動方向下流側には、劣化キャリアを、キャリアの静電誘導を利用して転移させるための回収ローラ２１４が配設されている。この回収ローラ２１４は導電層を備え、現像剤の劣化状態に応じて、あるいは随意に、現像ローラ２０６との間で電界を生成することが可能である。現像剤の劣化状態は、後述するように、印刷枚数や走行距離、あるいは累積の画像面積率から求める。回収ローラ２１４に移った劣化キャリアは排出スクリュー２１５によって不図示の廃棄用容器へ移される。

図３を用いて、トナー、劣化キャリア、劣化トナーを転移するプロセスを説明する。感光体１２２は、アースされた芯金３０２上に導電基板層３０３が形成され、その外周に絶縁体の感光体層３０４が配されている。

作像プロセスにおいて感光体１２２にトナーを転移するプロセスはよく知られているように、まず現像ローラ２０６に内蔵されたマグネットローラの磁力により現像ローラ２０６の表面に現像剤２０２が汲み上げられる。汲み上げられた現像剤２０２は、現像ローラ２０６の表面と微小な隙間を保持して対向するドクターブレード（図示せず）によって、その層厚（汲み上げ量）を規制され、感光体１２２と対向する現像領域まで搬送される。現像ローラ２０６の感光体層３０４に印加された現像電位（現像バイアス）と感光体１２２の露光部の表面電位の電位差による電界により、現像領域に搬送された現像剤２０２のトナーのみが感光体１２２の露光部に付着して、トナー像が形成される。現像によりトナーを消費した現像剤２０２は搬送スクリュー２０５（図２）を備える現像器搬送路に戻される。

このように現像プロセスを繰り返すとキャリアが性能劣化する。劣化キャリアを現像器から排出するための回収ローラ２１４は、スイッチ３０７の切り替えによりアースされたり、現像ローラ２０６と同電位をとることができるようになっている。回収ローラ２１４によって劣化キャリアを回収するかどうかは、選択可能である。スイッチ３０７を切り替えて、現像剤の劣化状態に応じて、回収ローラがアースを取って回収ローラ２１４と現像ローラ２０６の間に電界を生じさせ、あるいは現像ローラと同電位にして、電界を生じさせなかったりする。強制的に劣化キャリアを排出することもできる。現像領域より下流側に回収ローラ２１４が位置していることで、現像プロセス時でも、感光体上の静電潜像を現像してトナー消費されキャリア転移し易い状態で現像剤２０２を回収ローラ２１４に移すことができる。図６に関連して説明したように、トナー消費され周囲にトナーが減った状態の現像剤は静電誘導され易くなっており、回収ローラ２１４による効率的な回収が可能である。回収ローラ２１４は感光体１２２から、互いに電界の影響を受けないように十分離れている。その程度は、電界分布を使ったシミュレーションを行って暫定的に距離を決め、実際に実験を行い、最終的に決定することになる。

また回収ローラ２１４には除去ブレード３０５が付設され、回収した劣化キャリアを回収ローラ２１４から確実に剥がすことができるようになっている。回収ローラ２１４の表面が一般的なガラスの表面粗さ程度の平滑度を有していれば、劣化現像剤が除去ブレード３０５によって剥がし易い。回収ローラ２１４によって回収された劣化キャリアは既述のように、排出ローラ２１５によって不図示の廃棄用容器へ移される。排出ローラ２１５が磁性を帯びていれば、除去ブレード３０５によって強制的に剥がされる前に排出ローラ２１５に移る劣化キャリアの割合が増え、劣化キャリアによる除去ブレード３０５の磨耗を低減できる。

印刷画像面積率が低い状態で画像形成を繰り返すと、キャリアと共に現像ローラに汲み上げられたトナーの多くは現像に供されずに搬送スクリュー２０５に戻され、現像器内で繰り返し攪拌されることになる。このような状態が続くと、トナーの添加剤が離脱し、トナーも劣化した状態になる。このような場合、従来では、或る画像面積率以下の場合にトナー消費する制御を行うこともあった。しかしながら、このような制御は作像中に現像プロセスとは別に行われるため、お待たせ時間が発生する原因となっていた。本実施形態では、現像プロセス中でも劣化キャリアの回収において回収ローラ２１４がアースを取り、現像ローラ２０６と回収ローラ２１４の間に電界を生じさせるので、劣化トナーが劣化キャリアと共に回収される。

図４において、劣化現像剤の排出に関するフローを説明する。既述のように、劣化現像剤としては、キャリアの劣化による場合とトナーの劣化による場合がある。いずれにせよ、現像ローラ２０６と回収ローラ２１４の間に電界をかけることで劣化キャリアや劣化トナーを現像ローラ２０６から回収ローラ２１４へ転移させて、排出スクリュー２１５によって現像器から排出する。

劣化現像剤の排出にあたっては、劣化キャリア排出の観点から、ステップ５０１では印刷枚数や走行距離を算出する。走行距離は、現像ローラ２０６の走行距離であり、ローラ径に現像ローラ２０６の回転数積算を乗じることで求めることができる。印刷枚数からもキャリアの劣化状態を推定することができる。これとは別に、劣化トナー排出の観点から、ステップ５０２において累積の画像面積率を算出する。累積の画像面積率は次のように求めることができる。画像プロセス毎に、スキャナ部１４（図１）で読み取られた画像情報や外部ＰＣ等から受信した画像情報に基づいて平均画像面積率を不図示のＣＰＵの記憶部に記憶し、蓄積し、所定の蓄積量において全体の平均画像面積率として決定する。ステップ５０４において、劣化現像剤を排出するか否かを、測定された印刷枚数、走行距離、累積の画像面積率を夫々、予め決められた閾値と比較することで決定する。現像剤排出の場合、現在の現像能力と現像バイアス（ステップ５０７）と、現像剤排出のために予め計算された現像剤排出量（ステップ５０６）を参考にして、回収ローラ２１４をアースする時間を計算する（ステップ５０５）。現像能力は、電界を印加したときの、トナーの単位面積あたりの付着量で規定される。アースを取ることで、現像バイアスを印加された現像ローラ２０６とアースされた回収ローラ２１４の間に電界を生じさせ（ステップ５０８）、ステップ５０５で計算された時間、電界を維持する。測定された印刷枚数、走行距離、累積の画像面積率と予め決められた閾値との比較結果とは無関係に、強制排出モード（ステップ５０３）を設定することも可能である。強制モードで現像剤回収・排出を実行する場合、任意の排出時間を設定して（ステップ５０９）、即ち、回収ローラ２１４に関する任意のアース時間を設定して、現像バイアスを印加された現像ローラ２０６とアースされた回収ローラ２１４の間に電界を生じさせる。ステップ５１０において、作像中に排出予定時間が終了するならば、そのまま現像剤排出を終了し、終わらない場合には、残りの時間分、次の作像中に現像ローラ２０６と回収ローラ２１４の間に電界を生じさせる。

１２２ 感光体
２０２ 現像剤
２０６ 現像ローラ
２１４ 回収ローラ
２１５ 排出スクリュー
３０２ 芯金
３０３ 導電基板層
３０４ 感光体層
３０５ 除去ブレード
３０７ スイッチ

特公平２−２１５９１号公報 特開２０１１−１１８１４９号公報 特開２００３−２７０９４８号公報 特許第３４４７８８０号公報

Claims (7)

1. 電位差によりトナーを潜像担持体へ転移する現像ローラと、現像ローラと潜像担持体が対向する箇所より現像ローラ表面移動方向下流側に配された回収ローラと、現像ローラと回収ローラの間に電位差を生成するか同じ電位とするかを切り替える切り替え手段と、を備える現像器、及び
   印刷枚数、現像ローラの走行距離、画像面積率を算出し、夫々の閾値と比較し、比較結果に応じて前記切り替え手段の切替を指示する手段、
   を備えて構成され、現像ローラと回収ローラの間の電位差によって現像剤の回収を行う、画像形成装置。
2. 前記現像器には、回収ローラへ転移した現像剤を搬送するための排出スクリューと、回収ローラに転移した現像剤を剥がすための除去ブレードとを更に備え、排出される現像剤に対応する量の新たな現像剤が補給される、請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記切替指示が、現像ローラと回収ローラの間で電位差を維持する時間を含む、請求項１又は２に記載の画像形成装置。
4. 前記比較結果と無関係に前記切り替え手段を切り替えて現像剤回収を行う強制モードを有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の画像形成装置。
5. 前記排出スクリューが磁性を帯びている、請求項２に記載の画像形成装置。
6. 前記回収ローラの表面がガラスの表面粗さに相当する平滑度を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像形成装置。
7. 印刷枚数、現像ローラの走行距離、画像面積率を算出し、夫々の閾値と比較するステップと、
   算出された印刷枚数もしくは算出された現像ローラ走行距離が夫々の閾値を超える場合、あるいは累積の画像面積率が閾値を下回る場合、現像剤排出のため予め特定された現像剤排出量に照らして、現像ローラと回収ローラの間に電界をかける時間を計算するステップと、
   現像ローラと回収ローラの間に前記時間の間、電界を生じさせるステップと、
   を有する、現像剤回収方法。

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