JP2015079116A - 現像剤補給容器及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
現像剤収容袋を膨張させる圧力発生手段に必要とされる発生圧力を低減することで圧力発生手段を小型化する。
【解決手段】
現像剤を用いて画像形成を行う画像形成装置の装置本体に着脱可能で、前記装置本体に前記現像剤を補給する現像剤補給容器であって、弾性復元力を有し、前記現像剤を収容する現像剤収容袋と、前記装置本体に装着された場合に前記現像剤収容袋に収容されている現像剤を前記装置本体へ排出するための現像剤排出路とを具備し、前記装置本体に装着された場合に前記装置本体に設けられた圧力発生手段により前記現像剤収容袋を膨張させることが可能であり、前記現像剤収容袋に収容されている前記現像剤の量は、前記現像剤が収容されることにより前記現像剤収容袋の容積が、前記現像剤収容袋の収縮圧力が極大値をとる際の容積以上となる量であることを特徴とする現像剤補給容器。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電子写真方式によって画像形成を行う複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に脱着可能に設けられた現像剤を補給する現像剤補給容器、および、これを有する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の多くでは、粉体に加工された現像剤が使用され、画像形成を行うにつれて現像器内の現像剤は消費されていく。そして、現像器の耐用期間内に現像器内の現像剤を消費してしまった時に、脱着可能な現像剤補給容器を画像形成装置に装着して、現像剤を現像剤補給容器から現像器内に搬送する。

現像剤を現像剤補給容器から現像器に搬送するために、現像剤補給容器にはスクリューなどの撹拌搬送部材が用いられている場合がある。現像剤補給容器はいわゆる消耗品であり、使用後は空容器となって廃棄され、あるいは、部品毎に分解してリサイクルされる。近年は環境に配慮し、消耗品である現像剤補給容器の部品点数を少なく構成する設計が望まれている。

例えば特許文献１では、部品点数の少ない現像剤補給容器として、現像剤を収容する現像剤収容袋を伸縮可能な弾性材料で形成している。現像剤収容袋には空気を含み流動化した現像剤が充填されており、現像剤収容袋の復元力によって現像剤を現像器に搬送している。

特開昭６０−２３２５７８号公報

伸縮可能な弾性材料でできた現像剤収容袋に、空気を含み流動化した現像剤を充填した現像剤補給容器の場合には、以下のような問題がある。すなわち、一般的に伸縮可能な弾性材料は気体透過性が高いので、現像剤補給容器の製造から使用されるまでに長い期間が経った場合に、弾性材料内部の空気が漏出してしまう。すると、現像剤収容袋内の空気が減少した分、弾性材料が収縮して、弾性材料の復元力が低減する。

このために、製造から使用されるまでに長い期間が経った現像剤補給容器は、現像剤の排出性能が低下してしまう。この排出性能の低下を回復するために、現像剤補給容器に空気を供給するポンプを画像形成装置に設けることがある。

ポンプは現像剤収容袋を膨張させるために、現像剤収容袋の復元力による収縮圧力よりも高い圧力を発生させなければならない。特に、伸縮可能な弾性材料できた現像剤収容袋は膨らみ始めの領域に圧力の極大値がある。ポンプは、この極大値を超える高い発生圧力が必要であり、ポンプの大型化していた。

そこで本発明の目的は、現像剤収容袋を膨張させる力を小さくすることが可能な現像剤補給容器を提供する。これにより、ポンプに必要とされる発生圧力を低減することでポンプの小型化が可能となる。

この目的を達成するために、本発明の現像剤補給容器は、
現像剤を用いて画像形成を行う画像形成装置の装置本体に着脱可能で、前記装置本体に前記現像剤を補給する現像剤補給容器であって、
弾性復元力を有し、前記現像剤を収容する現像剤収容袋と、
前記装置本体に装着された場合に前記現像剤収容袋に収容されている現像剤を前記装置本体へ排出するための現像剤排出路とを具備し、
前記装置本体に装着された場合に前記装置本体に設けられた圧力発生手段により前記現像剤収容袋を膨張させることが可能であり、前記現像剤収容袋に収容されている前記現像剤の量は、前記現像剤が収容されることにより前記現像剤収容袋の容積が、前記現像剤収容袋の収縮圧力が極大値をとる際の容積以上となる量であることを特徴とする。

本発明では、現像剤収容袋には、前記現像剤収容袋の容積が、前記現像剤収容袋の収縮圧力が極大値となる容積以上となる量の現像剤が収容されている。

このため、現像剤収容袋が収縮圧力の極大値となる容積を下回ることがないので、圧力発生手段にかかる負荷を低減することができ、圧力発生手段を小型化することができる。

本発明の実施形態の画像形成装置の概略断面図である。 本発明の実施形態のプロセスカートリッジの概略断面図である。 本発明の実施形態のトナーカートリッジの概略断面図である。 本発明の実施形態のトナーカートリッジの外観図である。 本発明の実施形態の画像形成装置の外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態のトナーカートリッジと画像形成装置との装着状態を示す断面図と画像形成装置の動作のモードを示す表である。図６（ａ）はトナーカートリッジと画像形成装置との装着状態を示す断面図であり、図６（ｂ）は、画像形成装置の動作のモードを示す表である。 本発明の実施形態のトナー収容袋の内圧と半径の関係を示すグラフである。 本発明の実施形態において、トナーの充填量を変えた場合の空気の充填量と、ポンプの発生圧力の関係を示すグラフである。 本発明の実施形態において、トナーの充填量と充填時のポンプの最大圧力との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態において、トナーの充填量を変化させて、トナー収容袋内のトナーを排出させた時のトナーの充填量と、トナー収容袋に残ったトナーの質量との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態のトナーカートリッジの概略断面図である。 本発明の他の実施形態のトナーカートリッジの外観図である。 本発明の他の実施形態のトナーカートリッジと画像形成装置の装置本体との装着状態を示す断面図と画像形成装置の動作のモードを示す表である。図１３（ａ）はトナーカートリッジと画像形成装置の装置本位との装着状態を示す断面図であり、図１３（ｂ）は、画像形成装置の動作のモードを示す表である。 本発明の他の実施形態において、トナーの充填量を変えた場合の、空気の充填量とポンプの発生圧力との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。

以下、本発明に係る画像形成装置を図面に則して更に詳しく説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の実施形態に限定する趣旨のものではない。

〔第１実施形態〕
（画像形成装置の全体構成）
先ず、本実施形態の画像形成装置の全体構成について説明する。

図１は、画像形成装置１００の概略断面図である。

画像形成装置１００は、インライン方式、中間転写方式を採用したフルカラーレーザプリンタであり、画像情報に従って、記録シート、プラスチックシート、布などの記録材１２にフルカラー画像を形成することができる。

画像形成装置１００は、複数の画像形成部として、それぞれイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各色の画像を形成するための画像形成部ＳＹ、ＳＭ、ＳＣ、ＳＫを有する。

尚、画像形成部ＳＹ、ＳＭ、ＳＣ、ＳＫの構成及び動作は形成する画像の色が異なることを除いて実質的に同じである。従って、以下、特に区別を要しない場合は、いずれかの色用に設けられた要素であることを表すために符号に与えた添え字Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋは省略して、総括的に説明する。

画像形成装置１００は、並設された４個の感光体ドラム１を有し、感光体ドラム１は回転駆動される。感光体ドラム１の周囲には、画像情報に基づきレーザ光を照射して感光体ドラム１上に静電潜像を形成するスキャナユニット３が配置されている。

さらに、感光体ドラム１の周囲には、静電像をトナー像として現像する現像ユニット４が設けられている。そして、感光体ドラム１に対向して、感光体ドラム１上のトナー像を記録材１２に転写するための中間転写ベルト５が配置されている。

現像ユニット４は、感光体ドラム１の帯電極性と同極性に帯電したトナーを、感光体ドラム１上の露光により電荷が減衰した画像部に付着させることで静電像を現像する。

本実施形態では、感光体ドラム１と、現像ユニット４等のプロセス手段等は、一体的にカートリンジ化されて、プロセスカートリッジ７を形成している。プロセスカートリッジ７は、画像形成装置１００に着脱可能となっている。

中間転写ベルト５は、全ての感光体ドラム１に当接し、矢印Ｂの方向に回転する。中間転写ベルト５は、複数の支持部材として、従動ローラ５１、二次転写対向ローラ５２、駆動ローラ５３に掛け渡されている。

また、中間転写ベルト５の内周面側には、感光体ドラム１に対向するように、４個の一次転写ローラ８が並設されている。一次転写ローラ８は、中間転写ベルト５を感光体ドラム１に向けて押圧し、中間転写ベルト５と感光体ドラム１とが当接する一次転写部Ｎ１を形成する。そして、一次転写ローラ８には、トナーの正規の帯電極性とは逆極性のバイアスが印加され、感光体ドラム１上のトナー像が中間転写ベルト５上に一次転写される。

さらに、中間転写ベルト５の外周面側において二次転写対向ローラ５２に対向する位置には、二次転写ローラ９が配置されている。二次転写ローラ９は中間転写ベルト５を介して二次転写対向ローラ５２に圧接し、中間転写ベルト５と二次転写ローラ９とが当接する二次転写部Ｎ２を形成する。そして、二次転写ローラ９に、トナーの正規の帯電極性とは逆極性のバイアスが印加され、中間転写ベルト５上のトナー像が記録材１２に二次転写される。

画像形成時には、まず、感光体ドラム１の表面が帯電され、スキャナユニット３から発された画像情報に応じたレーザ光によって帯電した感光体ドラム１の表面が走査露光され、感光体ドラム１上に画像情報に従った静電像が形成される。

次いで、感光体ドラム１上に形成された静電像は、現像ユニット４によってトナー像として現像される。感光体ドラム１上に形成されたトナー像は、一次転写ローラ８の作用によって中間転写ベルト５上に一次転写される。

例えば、フルカラー画像の形成時には、上述のプロセスが、画像形成部ＳＹ、ＳＭ、ＳＣ、ＳＫにおいて順次行われ、中間転写ベルト５上に各色のトナー像が重ね合わせられて一次転写される。

その後、中間転写ベルト５の移動と同期が取られて記録材１２が二次転写部Ｎ２へと搬送され、記録材１２を介して中間転写ベルト５に当接している二次転写ローラ９の作用で、中間転写ベルト５上の４色トナー像は、一括して記録材１２上に二次転写される。

トナー像が転写された記録材１２は定着装置１０に搬送され、記録材１２に熱及び圧力を加えられることで記録材１２にトナー像が定着される。

本実施形態においては、現像剤として１成分非磁性トナーを用いた例について説明するが、このような例だけではなく、以下のような構成としても構わない。 具体的には、１成分磁性トナーを用いて現像を行う１成分現像器を用いる場合、現像剤として１成分磁性トナーを補給することになる。また、磁性キャリアと非磁性トナーを混合した２成分現像剤を用いて現像を行う２成分現像器を用いる場合、現像剤として非磁性トナーを補給することなる。なお、この場合、現像剤として非磁性トナーとともに磁性キャリアも併せて補給する構成としても構わない。

（プロセスカートリッジの構成）
次に、画像形成装置１００に装着されるプロセスカートリッジ７の構成について説明する。

尚、現像ユニット或いはプロセスカートリッジの構成や動作について、上、下、垂直、水平といった方向を表す用語は、特に断りのない場合は、それらの通常の使用状態において見た時の方向を表す。つまり、現像ユニット或いはプロセスカートリッジの通常の使用状態は、適正に配置された画像形成装置本体に対して適正に装着され、画像形成動作に供し得る状態である。

図２は、プロセスカートリッジ７の概略断面図である。尚、収容している現像剤の色を除いて、各色用のプロセスカートリッジ７の構成及び動作は実質的に同一である。

プロセスカートリッジ７は、感光体ドラム１等を備えた感光体ユニット１３と、現像ローラ１７等を備えた現像ユニット４とが一体となった構成である。なお、感光体ユニット１３と現像ユニット４とは、別枠体となっている。

感光体ユニット１３は、感光体ユニット１３内の各種要素を支持する枠体としての枠体１４を有する。そして、枠体１４には、感光体ドラム１の他に、帯電ローラ２や、クリーニング部材６などが配設されている。帯電ローラ２は感光体ドラム１表面に対して一様に帯電を行う。クリーニング部材６は、現像後の感光体ドラム１表面に残った転写残トナーを回収する。なお、感光体ドラム１は、矢印Ａの方向に回転駆動される。

一方、現像ユニット４は、現像ユニット４内の各種要素を支持する枠体としての枠体１８を有する。現像ユニット４には、感光体ドラム１と接触して矢印Ｄ方向に回転し、現像剤を担持する現像ローラ１７が設けられている。現像ローラ１７と感光体ドラム１とは、対向部（接触部）において互いの表面が同方向（上から下に向かう方向）に移動するようにそれぞれ回転する。また、現像ローラ１７の回転速度は感光体ドラム１の回転速度より約１．３倍早回しするよう設定されている。現像ローラ１７は、芯金上にシリコーン、ウレタンなどの低硬度のゴム材或は発泡体、及びその組み合わせにより構成された弾性現像ローラである。

また、現像ユニット４には、現像ローラ１７の周面上に接触するように、矢印Ｅ方向に回転して現像剤を現像ローラ１７に供給するトナー供給ローラ２０（現像剤供給ローラ）が配置されている。トナー供給ローラ２０と現像ローラ１７とは、対向部（接触部）において互いの表面が逆方向に移動するようにそれぞれ回転する。また、トナー供給ローラ２０は導電性芯金の外周に連泡性の発泡体が設けられて構成されており、その表面回転速度は、現像ローラ１７の表面回転速度の０．８５倍とした。

枠体１８には、現像剤の層厚を規制する現像ブレード２１が設けられている。現像ブレード２１は金属製の板ばねであり、所定の当接圧にて現像ローラ１７と当接している。現像ローラ１７上に供給されたトナーは、この現像ブレード２１によって層厚が規制されるとともに摩擦帯電により電荷が付与される。これによって、現像ローラ１７上にトナーの薄層が形成され、現像領域へと搬送される。

また、現像には寄与せず、現像ローラ１７上に担持されたままのトナーは、トナー供給ローラ２０による摺擦で現像ローラ１７上から剥ぎ取られる。そして、その一部は新たにトナー供給ローラ２０上に供給されたトナーと共に再びトナー供給ローラ２０によって現像ローラ１７上へと供給され、残りは枠体１８内へと戻される。

また、枠体１８は、枠体１８の外部から供給されるトナーが一時的に収容されるためのトナー収納室１８ａと、現像ローラ１７やトナー供給ローラ２０が設けられている現像室１８ｂとを有している。すなわち、枠体１８は、現像剤容器を構成する。

トナー収納室１８ａと現像室１８ｂとは、トナーが通過するための開口部１８ｃによって仕切られており、トナー収納室１８ａに供給されたトナーは、トナー収納室１８ａに設けられている撹拌部材１９によって現像室１８ｂへと搬送される。

さらに、トナー収納室１８ａにはトナーカートリッジ１５から排出されるトナーを受け入れるためのトナー流入口２２が備えられている。

尚、本実施形態においては、現像ユニット４に供給されたトナーがトナー収納室１８ａにおいて一時的に収容される構成としているが、直接に現像室１８ｂへとトナーが搬送される構成としてもよい。

（トナーカートリッジの構成）
次に、本実施形態における現像剤補給容器としてのトナーカートリッジ１５について説明する。

図３はトナーカートリッジ１５の概略断面図であり、図４はトナーカートリッジ１５の外観図である。

図３に示すように、トナーカートリッジ１５はトナーカートリッジ１５内の各種要素を支持する枠体としての容器枠体４０と、トナーＴを収容するための弾性（弾性復元力）を有するトナー収容袋４１（現像剤収容袋）とを有している。また、容器枠体４０にはトナー排出路４２、空気連通路４３及び装着ガイド４８が設けられている。

トナー排出路４２はトナー収容袋４１と容器枠体４０の内部において接続されており、トナー収容袋４１内のトナーはトナー排出路４２（現像剤排出路）を経由して排出される。トナー収容袋４１はトナー排出路４２と接続されることにより容器枠体４０に支持される。空気連通路４３は容器枠体４０とトナー収容袋４１との間を容器外と接続し、容器枠体４０とトナー収容袋４１との間を大気圧に保つ。

このように構成されるトナーカートリッジ１５に対して、トナー排出路４２を経由して所定量のトナーが空気と共にトナー収容袋４１に充填される。トナー充填が終了したら、トナー収容袋４１の膨張を維持したまま、トナー排出路４２に対し、排出路封止部材４６を取り付ける。排出路封止部材４６は、トナーカートリッジ１５が製造されてから使用されるまでの間、トナー収容袋４１内の気密を保っている。

容器枠体４０の材質としては、内外からの力に対して大きく変形しない程度の剛性を有するものを採用するのが好ましい。本実施形態においては、容器枠体４０の材質としてポリスチレン樹脂を採用している。尚、使用する材質として、内外からの力に耐えうる素材であれば、例えば、ＡＢＳ、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン等の樹脂を使用することも可能であるし、金属製であっても構わない。本実施形態において、容器枠体４０の内容積は１２０ｃｃである。

トナー収容袋４１の材質としては、伸縮可能な弾性材料である各種樹脂が使用可能であり、例えばポリアミド、ポリウレタン、ポリアミドエラストマー、ポリエステルエラストマー、ポリウレタンエラストマー、ポリスチレンエラストマー、フッ素系エラストマー、シリコーンゴム、ラテックスゴム等の各種エラストマー、またはこれらのうちの２種以上を組合せたもの等を使用することができる。このような材料は一般に空気の透過率が高い。そのため、トナー収容袋４１にトナーと共に充填された空気は、徐々にトナー収容袋４１から漏出してトナー収容袋４１は収縮してしまう。

特にトナーの排出能力を高くするためには、大きな伸度と復元力を持つ材料を採用することが好ましい。このような特性を持つ材料としては、エントロピー弾性体がり、本実施形態では、エントロピー弾性体の一種であるラテックスゴムを採用している。

トナー収容袋４１には、自然状態の体積が５．５（ｃｍ^３）で、厚さ０．２（ｍｍ）の風船様のものを用いた。また、トナー収容袋４１は容器枠体４０内で、容器枠体４０の内容積に等しい１２０ｃｃまで膨張可能である。

トナー収容袋４１に収容したトナーは、懸濁重合法で製造した非磁性のトナーで平均粒径が６．５μｍ程度のものである。表面性を改質するために、トナー重量の１．５％程度の量の２０ｎｍ程度の酸化ケイ素粒子をトナーの表面に均一に付着させている。ここで、トナーの平均粒径はベックマン・コールター株式会社製のレーザ回折式粒度分布測定器ＬＳ−２３０で測定した体積平均粒径である。

トナーの流動時の嵩密度は０．３２（ｇ／ｃｍ^３）で、加圧時の嵩密度は０．５０（ｇ／ｃｍ^３）である。流動時の嵩密度はＪＩＳ−Ｋ−５１０１−１２−１に従って測定した。トナーは嵩密度の時間変化が大きいので、トナーを受器に入れ始めてから受器に山盛りになったトナーをすり切るまでの時間が１０秒になるように測定した。

また、ＪＩＳ−Ｋ−５１０１−１２−１で規定されている見掛け密度（Apparent Density）は嵩密度（Bulk Density）の同義語である。加圧時の嵩密度は、Malvern Instruments Ltd.製のパウダーレオメーターＦＴ４を用いて行った。加圧力はトナー収容袋の収縮圧力に略等しい１０（ｋＰａ）で行った。本実施形態において、トナー収容袋４１にトナーを１２．５（ｇ）充填した。

トナー排出路４２はトナーが排出される際の流路抵抗の観点から内径４ｍｍ以上が望ましい。一方で、空気連通路４３は空気が流出入する経路であって、流路抵抗の影響は少ない。そのため、トナー排出路４２の内径よりも小さくすることが可能であり、空気連通路４３としては内径２ｍｍ以上が望ましい。本実施形態において、具体的にトナー排出路４２は内径６ｍｍ、空気連通路４３は内径４ｍｍとしている。

（トナーカートリッジ装着動作）
次に、トナーカートリッジ１５を画像形成装置１００に装着して、トナーカートリッジ１５からトナー収納室１８ａへトナーを補給する動作について説明する。

図５は画像形成装置１００の外観図を示している。

同図に示すように、画像形成装置１００の外装カバーの一部である前扉７０を操作者が開けると、トナーカートリッジ１５を装着するための挿入口７１が現れる。画像形成装置１００には装着の為のガイドとなる装着リブ７２が備えられており、容器枠体４０に設けられた装着ガイド４８を装着リブ７２に沿わせてスライド挿入する。

図６は、トナーカートリッジ１５と画像形成装置１００との装着状態を示す断面図と画像形成装置１００の動作のモードを示す表である。図６（ａ）はトナーカートリッジ１５と画像形成装置１００との装着状態を示す断面図であり、図６（ｂ）は、画像形成装置１００の動作のモードを示す表である。

図６（ａ）に示すように、トナーカートリッジ１５を画像形成装置１００に対してスライドして挿入していくと、トナー排出路４２が画像形成装置１００に備えられたトナー排出路受入部８０に対して進入する。そして、排出路封止部材４６が破断して、トナー排出路４２はトナー収納室１８ａに設けられたトナー流入口２２に結合される。これにより、トナーカートリッジ１５からトナー収納室１８ａにトナーＴを供給することができる。また、トナー排出路４２はトナー排出路受入部８０に設けられた受入シール部材８１に係合されている。

受入シール部材８１はトナー供給時にトナー飛散を防止すると共に、トナー排出路４２との摩擦によりトナーカートリッジ１５が脱落してしまうことを防止している。

本実施形態においては、排出路封止部材４６に樹脂と金属箔の複合フィルムを使用した。トナー排出路受入部８０による破断を容易にするために、予め排出路封止部材４６の表面にＶ字状の切り込み溝が成形されているとより好適である。また、受入シール部材８１としてオイルシールを用いたが、その他の例としては、フェルト材や発泡スポンジ材を一定量圧縮するようにして使用してもよい。

トナー排出路受入部８０とトナー流入口２２は、トナー導入路２０１により接続される。そして、トナー導入路２０１には、トナー導入路を開閉する開閉部材８２が設けられている。さらに、トナー排出路受入部８０と開閉部材８２との間には、ポンプ７３（圧力発生手段）と連通している空気注入路８３（第２の接続路）が設置されている。空気注入路８３には開閉部材９４が取り付けられている。開閉部材９４が開いた状態の時にポンプ７３を動作させることによって、空気注入路８３およびトナー排出路４２を経由して、トナー収容袋４１に空気が供給される。

また、トナー排出路４２は、トナーカートリッジ１５を画像形成装置１００の装置本体に装着した場合に、トナー収容袋４１に対して鉛直下方に位置するように取り付けられている。これにより、ポンプ７３がトナー収容袋４１に空気を送り込む際にトナーが撹拌され、トナーの流動化が促される。また、トナー収容袋４１からトナーを排出する際には、空気よりトナーを優先的に排出するのでトナーの排出能力が高まる。

（トナー補給動作）
次に、トナーカートリッジ１５からトナー収納室１８ａへトナーを補給する動作の工程を順に説明する。

図６（ｂ）は開閉部材８２、開閉部材９４、およびポンプ７３の制御モードを示している。

モード１は初期状態であり、開閉部材８２、開閉部材９４ともに閉じた状態であり、ポンプ７３は停止している。

続くモード２においては、開閉部材８２は閉じた状態を維持し、開閉部材９４を開いた状態に切り替える。そして、ポンプ７３を駆動させて、空気を供給し始める。空気はトナー収容袋４１に流入して、トナー収容袋４１を膨張させる。トナー収容袋４１が容器枠体４０に接触するまで膨張したら、モード３に切り替えて、開閉部材９４を閉じて、ポンプを停止させる。

モード３では、開閉部材８２と開閉部材９４は共に閉じられており、トナー収容袋４１は膨張した状態を維持している。

そして、モード４において開閉部材８２を開くと、トナー収容袋４１が復元力によって収縮して、内容物であるトナーと空気を排出する。トナーは空気と共にトナー排出路４２、トナー流入口２２を経由して、トナー収納室１８ａに供給される。

トナー収容袋４１からトナーの排出が終了したら、次回のトナー排出に備えるために、初期状態であるモード１に戻る。

（ポンプ負荷）
本実施形態において、トナー収容袋４１に、エントロピー弾性体の一種であるラテックスゴムを用いている。このような伸縮可能な弾性材料で作られた風船様の袋を膨張させた時の内圧と半径の関係について考える。

袋が球状に膨らむと仮定すると、袋の内圧と応力の関係は式１のラプラスの法則で与えられる。

Δｐ＝２σｔ／ｒ … （式１）
Δｐ：袋の内圧、σ：袋の応力、ｔ：袋の厚さ、ｒ：袋の半径
薄い球面の構成則は式２で与えられる。

σ＝Ｅε／（１−ν） … （式２）
Ｅ：ヤング率、ν：ポアソン比、ε：ひずみ
また、球面が膨張した時の歪は式３で与えられる。

ε＝（２πｒ−２πｒ_０）／２πｒ_０＝（ｒ−ｒ_０）／ｒ_０ … （式３）
ｒ_０：袋の初期半径
球面の厚みは全域で一定であるとすると、球面が膨張した時の厚みの変化は式４で与えられる。

４πｒ^２ｔ＝４πｒ_０ ^２ｔ_０
従って、ｔ＝ｒ_０ ^２ｔ_０／ｒ^２ … （式４）
ｔ０：袋の初期厚さ
以上から、袋の内圧と半径の関係を求めると式５となる。

Δｐ＝ｋ・（ｒ−ｒ_０）／ｒ^３、 ｋ＝２Ｅｒ_０ｔ_０／（１−ν） … （式５）
図７は、式５を示すグラフである。

同図に示すように、伸縮可能な弾性材料で作られた袋を膨張させると、圧力の極大値が存在することが分かる。そして、圧力の極大値を与える半径よりも大きくなると、袋を膨張させるのに必要な圧力は低下する。ここでは、袋が球形に膨らむこと、袋の厚さが一定であることなど理想的な条件で述べたが、現実の伸縮可能な弾性材料で作られた袋においても、ここで述べた圧力の極大値は存在する。

ポンプ７３でトナー収容袋４１に空気を充填して、トナー収容袋４１を膨張させた時の、空気の充填量に対するポンプ７３の発生圧力を測定した。トナーの充填量は、０（ｇ）から１７．５（ｇ）まで変化させた。測定は、トナー収容袋４１から空気が漏出して、トナー収容袋４１は収縮しきった状態から開始した。

図８は、トナーの充填量を変えた場合の空気の充填量と、ポンプ７３の発生圧力の関係を示すグラフである。

同図に示すように、トナーの充填重量が０（ｇ）の場合には、図７に示すものと同様に大きな極大値が存在する。この時の空気の充填量、つまりトナー収容袋４１の体積は体積８．８（ｃｍ^３）である。トナー収容袋４１にトナーを充填して測定した場合には、トナーの充填量が５（ｇ）を超えるとポンプ７３の最大圧力が減少し始める。

最大圧力が減少した要因は、トナー収容袋４１が圧力の極大値となる半径以下に収縮しないように、トナーがトナー収容袋４１を支持していたためである。

ポンプ７３の最大圧力を減少させるのに必要なトナーの充填量を考える。空気を充填する前のトナー収容袋４１内のトナーは、トナー収容袋４１の復元力により加圧された状態にある。そこで、トナーの密度として、加圧時の嵩密度０．５０（ｇ／ｃｍ^３）を用いる。

すなわち、加圧時の嵩密度にトナー収容袋４１の圧力が極大値となるときの体積を掛けた量のトナーをトナー収容袋４１に封入しておけば、トナー収容袋４１の圧力が極大値となる半径以下には収縮しないことになる。

本実施形態の場合に、具体的なトナー量を計算すると、圧力の極大値となるトナー収容袋４１の体積８．８（ｃｍ^３）を支持するのに必要なトナーの充填量は、以下のとおりとなる。

８．８（ｃｍ^３）×０．５０（ｇ／ｃｍ^３）＝４．４（ｇ）となる。

図９は、トナーの充填量と充填時のポンプ７３の最大圧力との関係を示すグラフである。

同図に示すように、トナー充填量が４．４（ｇ）を超えた付近から、ポンプ７３の最大圧力が減少していることが確認できる。

本実施形態のようにトナーの充填量が１２．５（ｇ）の場合も最大圧力は大きく低下し、トナー収容袋４１を膨張させ時のポンプの最大圧力を低減できた。

すなわち、本実施形態では、トナー収容袋４１には、所定の圧力で現像剤を加圧した場合の現像剤の嵩密度とトナー収容袋４１の収縮圧力が極大値となる容積との積によって求められる量以上の現像剤が収容されている。

つまり、トナー収容袋４１には、トナー収容袋４１の容積が、トナー収容袋４１の収縮圧力が極大値となる容積以上となる量のトナーが収容されていることになる。

なお、上述のように、所定の圧力は、トナー収容袋４１の収縮圧力に略等しい１０（ｋＰａ）が適切であるが、圧力値の変化に対して、トナー密度の変化がそれほど大きく変化しない場合には、他の圧力値であっても良い。すなわち、トナー収容袋４１の収縮圧力が極大値となる際のトナーの量が正確に求められる範囲内の圧力値で現像剤の嵩密度を調べれば良い。

（トナー排出能力）
伸縮可能な弾性材料でできたトナー収容袋４１は膨張により容積が変化する。また、トナーは空気の含有量により嵩密度が変化する。そのために、トナー収容袋４１へのトナーの充填量は様々な値を取り得る。しかし、トナーに対する空気の比率が低減すると、トナーの流動性が低下して、トナーカートリッジ１５は、トナーの排出性能が低下してしまう。そこで、トナー排出時のトナーの流動性を高めて、トナーの排出性能を高める必要がある。

トナーの充填量を５（ｇ）から５０（ｇ）まで変化させて、トナー収容袋４１内のトナーを排出させた時に、トナー収容袋４１に残ったトナーの質量を測定した。測定は、トナー収容袋から空気が漏出して、トナー収容袋４１は収縮しきった状態から開始した。

図１０は、トナーの充填量を５（ｇ）から５０（ｇ）まで変化させて、トナー収容袋４１内のトナーを排出させた時のトナーの充填量と、トナー収容袋４１に残ったトナーの質量との関係を示すグラフである。

同図に示すように、トナーの充填量を増加させていくと、ある値からトナー収容袋４１のトナー残量が急増する。トナー収容袋４１内のトナーが排出されるためには、トナーに対して適切な量の空気が含まれ、トナーが十分に流動化している必要がある。トナー収容袋４１の最大容積は、容器枠体４０の内容積で制限されている。トナー収容袋４１が容器枠体４０に内包されていない場合の最大体積は、トナー収容袋が破断する体積、または、ポンプ７３の最大圧力で膨張させることができる限界の体積で制限される。そのため、過剰にトナー収容袋４１にトナーが充填されていると、トナーを流動化させるために必要な空気を充填することが出来ないのでトナー残量が増加してしまう。

次に、トナー収容袋４１内のトナーが流動化することができるトナーの充填量を考える。流動化しているトナーの流動時の嵩密度はＪＩＳ−Ｋ−５１０１−１２−１に従って測定することができる。

この測定法では、所定の体積の受器を用いる。そして、漏斗上にふるいを載せ、試料１さじをふるいの上に載せ，これをはけでふるいの全面に均等に軽くはき，ふるいを通った試料を受器に受ける。これを、試料が受器に山盛りとなるまで繰り返す。ヘラを用いて山の部分を削り取り、試料の入った受器の質量をはかる。これにより受器の体積と受器内に保持された資料の質量から嵩密度が求められる。

従って、トナーの流動時の嵩密度とトナー収容袋４１の最大の内容積との積により、トナー収容袋４１内のトナーが流動化することができるトナーの充填量を求めることが出来る。

本実施形態の場合はトナーの流動時の嵩密度０．３２（ｇ／ｃｍ^３）と、トナー収容袋４１の最大の内容積が１２０（ｃｍ^３）から、トナー収容袋４１内のトナーが流動化することができるトナーの充填量は、以下のように求めることができる。

１２０（ｃｍ^３）×０．３２（ｇ／ｃｍ^３）＝３８．４（ｇ）となる。

図１０を見ると、トナー充填量が３８．４（ｇ）を超えた付近から、トナー残量が急増していることが確認できる。

本実施形態のようにトナーの充填量が１２．５（ｇ）の場合はトナー残量１（ｇ）以下で、トナー収容袋４１にトナーをほとんど残すことなくトナーを排出することが出来た。

したがって、ポンプ７３の最大圧力を低下させ、かつ、トナーの流動性によりトナー排出時のトナー残量を少なくするためには、トナー収容袋４１に収容されるトナーの量は、以下のようにするのが適当である。すなわち、トナーの量は、加圧時の嵩密度にトナー収容袋４１の圧力が極大値となるときの体積を掛けた量よりも大きく、トナーの流動時の嵩密度にトナー収容袋４１の最大の内容積を掛けた量よりも小さいようにすれば良い。

つまり、トナー収容袋４１には、トナーの流動時の嵩密度とトナーの排出を開始する直前のトナー収容袋４１の容積との積によって求められる量以下の現像剤が収容されている。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の他の実施形態の画像形成装置について説明する。

本実施形態の構成は、基本的には第１実施形態の画像形成装置に準ずるが、以下の点が異なる。なお、第１実施形態と同一又は類似の部分には、同一の符号を付し、重複する説明は、省略する。

（トナーカートリッジの構成）
図１１は本実施形態のトナーカートリッジ１５ａの概略断面図であり、図１２はトナーカートリッジ１５ａの外観図である。

容器枠体４０とトナー収容袋４１との間の空間は空気連通路４３を出入口とした密閉空間をなし、気密室４４を形成する。

このように構成されるトナーカートリッジ１５ａに対してトナー充填装置（不図示）によりトナーを充填する工程について説明する。

トナー排出路４２を経由して所定量のトナーＴが空気と共にトナー収容袋４１に充填される。トナーが充填されるにつれて、トナー収容袋４１が膨張して、気密室４４の空気を空気連通路４３から排出する。トナー充填が終了したら、トナー収容袋４１の膨張を維持したまま、空気連通路４３に薄膜シール部材４７（第１の開閉手段）を取り付けて、気密室４４を封止して気密状態にする。すると、トナー排出路４２に排出路封止部材４６を取り付けなくても、トナー収容袋４１は収縮しない。

これは以下の機構による。トナー収容袋４１はその復元力により収縮しようとする。しかし、トナー収容袋４１が収縮すると、気密室４４の気圧は大気圧よりも低い状態（負圧状態）となる。その結果、トナー収容袋４１の復元力と、トナー収容袋４１と気密室４４の圧力差による力が釣り合い、トナー収容袋４１は収縮しない。

その後、トナー排出路４２に対し、排出路封止部材４６を取り付ける。排出路封止部材４６は、トナーカートリッジ１５が製造されてから使用されるまでの間に、トナー排出路４２からトナー収容袋４１内のトナーが排出されるのを防止している。

本実施形態において、容器枠体４０の容積は１２０ｃｃで、トナーの充填量は１２．５（ｇ）である。

製造時の気密室４４の圧力は大気圧に対して−１０ｋＰａ程度である。トナー収容袋４１には、空気の透過率が高いラテックスゴムが使用されている。そのため、トナー収容袋４１にトナーと共に充填された空気は、徐々にトナー収容袋４１から気密室４４に漏出する。このため、製造から使用までの時間経過につれて、トナー収容袋４１内と気密室４４の圧力差は小さくなり、トナー収容袋４１は収縮していく。トナー収容袋４１の収縮と共に、トナーの嵩密度も上昇していく。

（トナー補給動作）
次に、トナーカートリッジ１５ａを画像形成装置１００の装置本体に装着して、トナーカートリッジ１５ａからトナー収納室１８ａへトナーを補給する動作について説明する。

図１３は、トナーカートリッジ１５ａと画像形成装置１００の装置本体との装着状態を示す断面図と画像形成装置１００の動作のモードを示す表である。図１３（ａ）はトナーカートリッジ１５ａと画像形成装置１００の装置本位との装着状態を示す断面図であり、図１３（ｂ）は、画像形成装置１００の動作のモードを示す表である。

図１３（ａ）に示すように、トナーカートリッジ１５ａを画像形成装置１００の装置本体に対してスライドして挿入していくと、トナー排出路４２が画像形成装置１００に備えられたトナー排出路受入部８０に進入する。そして、排出路封止部材４６が破断して、トナー排出路４２はトナー収納室１８ａに設けられたトナー流入口２２に結合される。

同様に、空気連通路４３が空気連通路受入部９０に進入し、シール破断部材９１により薄膜シール部材４７が破断して、空気連通路４３は空気注入路８３を経由してポンプ７３に結合して、トナーＴが排出可能になる。空気連通路４３と係合する空気連通路受入部９０には、空気連通路受入部９０と空気連通路４３との気密性を保つための空気シール部材９２が備えられている。

なお、トナーカートリッジ１５ａが画像形成装置１００の装置本体に装着された場合に、トナー排出路４２とトナー流入口２２とを接続するトナー導入路２０１が設けられている。そして、トナー導入路２０１には、トナー導入路２０１を開閉する開閉部材８２が設けられている。一方、空気連通路４３には、空気導入路２０２（第１の接続路）が設けられている。そして、空気導入路２０２には、空気導入路２０２を開閉する開閉部材９３（第２の開閉手段）が設けられている。さらに、空気導入路２０２の空気連通路受入部９０と開閉部材９３との間には、空気注入路８３（第２の接続路）が設けられている。そして、空気注入路８３には、空気注入路８３を開閉する開閉部材９４が設けられている。

図１３（ｂ）に示す表は、開閉部材８２、開閉部材９３、開閉部材９４およびポンプ７３の制御モードを示している。

次に、トナーカートリッジ１５ａからトナー収納室１８ａへトナーを補給する動作について説明する。

図１３（ｂ）に示すモード１は初期状態であり、開閉部材８２、開閉部材９３、開閉部材９４は、ともに閉じた状態であり、ポンプ７３は停止している。この状態においては、気密室４４は負圧状態を保っており、トナー収容袋４１は現状を維持する。

続くモード２においては、開閉部材８２と開閉部材９４とが開いた状態に切り替わる。そして、ポンプ７３を駆動させて、空気注入路８３と、空気導入路２０２、及び空気連通路４３を経由して気密室４４から空気を排気する。

トナー収容袋４１と気密室４４の圧力差による力がトナー収容袋４１の復元力を上回ると、トナー収容袋４１が膨張する。トナー収容袋４１が容器枠体４０に接触するまで膨張したら、モード３に切り替えて、開閉部材９４を閉じて、ポンプを停止させる。

モード３では、トナー収容袋４１と気密室４４の圧力差による力とトナー収容袋４１の復元力が釣り合っており、トナー収容袋４１は膨張した状態を維持している。

次に、モード４において開閉部材９３を開くと、気密室４４の圧力がトナー収容袋４１内と同じ大気圧に戻り、トナー収容袋４１と気密室４４の圧力差による力がなくなる。すると、トナー収容袋４１が復元力によって収縮して、内容物であるトナーを空気と共に排出する。トナーと空気はトナー排出路４２、トナー導入路２０１、及びトナー流入口２２を経由して、トナー収納室１８ａに供給される。

トナー収容袋４１からトナーの排出が終了したら、次回のトナー排出に備えるために、初期状態であるモード１に戻る。

（ポンプ負荷）
本実施形態では、ポンプ７３は空気注入路８３、空気導入路２０２、及び空気連通路４３を経由して気密室４４に接続されている。トナー収容袋４１内の圧力と気密室４４の圧力は、正負が逆であるだけで絶対値は等しい。そのため、第１実施形態と同様に、トナー収容袋４１が圧力の極大値となる半径以下に収縮しないように、トナーがトナー収容袋４１を支持すれば、ポンプ７３の最大圧力は減少する（但し、圧力の符号は逆）。

すなわち、加圧時の嵩密度にトナー収容袋４１の圧力が極大値となるときの体積を掛けた量のトナーをトナー収容袋４１に封入しておけば、トナー収容袋４１の圧力が極大値となる半径以下には収縮しないことになる。具体的には、第１実施形態と同様に、４．４（ｇ）以上のトナーをトナー収容袋４１に封入しておけば、良い。

ポンプ７３で気密室４４の空気を排気して、トナー収容袋４１を膨張させた時の、空気の排気量に対するポンプ７３の発生圧力を測定した。トナーの充填量は、０（ｇ）と１２．５（ｇ）について測定した。また、測定はトナー収容袋４１から空気が漏出して、トナー収容袋４１が収縮しきった状態から開始した。

図１４は、トナーの充填量は、０（ｇ）と１２．５（ｇ）とした場合の、空気の充填量とポンプ７３の発生圧力との関係を示すグラフである。

同図に示すように、第１実施形態と同様に、トナー充填量０（ｇ）の時は大きな圧力の極大値が存在し、ポンプ７３の最大圧力が大きい。本実施形態のようにトナーの充填量が１２．５（ｇ）の場合は、圧力の極大値は大きく低下し、トナー収容袋４１を膨張させ時のポンプの最大圧力を低減できた。

（トナー排出能力）
本実施形態においても、トナー収容袋４１内のトナーが排出されるためには、トナーに対して適切な量の空気が含まれ、トナーが十分に流動化している必要がある。これも第１実施形態と同様であり、容器枠体４０の内容積が１２０（ｃｃ）であるので、トナー充填量が３８．４（ｇ）以下であれば、トナー収容袋４１内のトナーが流動化することができる。

本実施形態のようにトナーの充填量が１２．５（ｇ）の場合はトナー残量１（ｇ）以下で、トナー収容袋４１にトナーをほとんど残すことなくトナーを排出することが出来た。

１５、１５ａ…トナーカートリッジ
２２…トナー流入口
４０…容器枠体
４１…トナー収容袋
４２…トナー排出路
４３…空気連通路
４４…気密室
４７…薄膜シール部材
７３…ポンプ
８２…トナー排出路開閉部材
８３…空気注入路
９１…シール破断部材
９３…開閉部材
９４…開閉部材
１００…画像形成装置
２０２…空気導入路

Claims (10)

1. 現像剤を用いて画像形成を行う画像形成装置の装置本体に着脱可能で、前記装置本体に前記現像剤を補給する現像剤補給容器であって、
   弾性復元力を有し、前記現像剤を収容する現像剤収容袋と、
   前記装置本体に装着された場合に前記現像剤収容袋に収容されている現像剤を前記装置本体へ排出するための現像剤排出路とを具備し、
   前記装置本体に装着された場合に前記装置本体に設けられた圧力発生手段により前記現像剤収容袋を膨張させることが可能であり、
   前記現像剤収容袋に収容されている前記現像剤の量は、前記現像剤が収容されることにより前記現像剤収容袋の容積が、前記現像剤収容袋の収縮圧力が極大値をとる際の容積以上となる量であることを特徴とする現像剤補給容器。
2. 前記現像剤収容袋には、現像剤を所定の圧力で加圧した場合の現像剤の嵩密度と前記現像剤収容袋の収縮圧力が極大値となる容積との積によって求められる量以上の現像剤が収容されていることを特徴とする請求項１に記載の現像剤補給容器。
3. 前記所定の圧力は、前記現像剤収容袋の収縮圧力の前記極大値であることを特徴とする請求項２に記載の現像剤補給容器。
4. 前記現像剤収容袋には、前記現像剤の流動時の嵩密度と前記現像剤の排出を開始する直前の前記現像剤収容袋の容積との積によって求められる量以下の現像剤が収容されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の現像剤補給容器。
5. 前記現像剤収容袋は、エントロピー弾性を有する材料により形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の現像剤補給容器。
6. 前記現像剤収容袋を内包する容器枠体と、
   前記容器枠体と前記現像剤収容袋との間の空間と前記現像剤補給容器の外部とを接続する空気連通路と、
   前記空気連通路を開閉する第１の開閉手段と
   を具備し、
   前記第１の開閉手段が閉じている場合には、前記空間が気密状態になり、前記現像剤収容袋の前記弾性復元力により前記現像剤収容袋が収縮し、前記空間の気圧が前記現像剤補給容器の外部の気圧よりも低い負圧状態を維持し、
   前記第１の開閉手段が開いている場合には、前記空間を前記装置本体と連通することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の現像剤補給容器。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の現像剤補給容器と、
   前記圧力発生手段と
   を具備することを特徴とする画像形成装置。
8. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の現像剤補給容器と、
   前記圧力発生手段とを具備し、
   前記圧力発生手段によって発生された圧力により前記現像剤排出路から前記現像剤収容袋に空気を注入することで前記現像剤収容袋を膨張させることができることを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項６に記載の現像剤補給容器と、
   前記圧力発生手段とを具備し、
   前記圧力発生手段は、負圧を発生させ、前記負圧により前記空気連通路から空気を吸い出すことにより前記現像剤収容袋を膨張させることができることを特徴とする画像形成装置。
10. 前記装置本体には、
    前記現像剤補給容器が前記装置本体に装着された際に、前記空気連通路を前記装置本体の内部に接続する第１の接続路と、
    前記第１の接続路を開閉する第２の開閉手段と、
    前記第１の接続路が前記空気連通路に接続される部分と前記第２の開閉手段との間の前記第１の接続路と前記圧力発生手段とを接続する第２の接続路と
    を具備し、
    前記現像剤補給容器が前記装置本体に装着されて、前記第２の開閉手段が開いた場合に、前記装置本体の内部から前記空間に空気が導入され、前記現像剤収容袋が前記弾性復元力により収縮して前記現像剤収容袋に収容されている現像剤が前記現像剤排出路から排出され、
    前記現像剤補給容器が前記装置本体に装着されて、前記第２の開閉手段が閉じた状態で、前記圧力発生手段により前記空気連通路から前記空間の空気を吸い出すことにより前記現像剤収容袋を膨張させることが可能であることを特徴とする請求項９に記載の画像形成装置。

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