JP2017083559A - 現像装置、プロセスカートリッジ及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】現像装置内の内圧上昇に伴って起こる現像装置からのトナー噴出を、フィルタを用いることなく防止する現像装置を提供する。
【解決手段】現像装置４において、トナーが供給されるトナー補給口２９と、トナー補給口２９から供給されるトナーを排出して現像を行なう開口３４と、開口３４に設けられ、所定の担持力でトナーを担持する現像ローラ６と、トナー補給口２９から供給されるトナーを所定量以下収納し、トナー補給口２９からトナーが供給される際、内圧の増加によって、前記所定量以下のトナーが収納された状態では現像ローラ６による前記所定の担持力が作用する開口３４から、トナーが噴出しないようにする空間体積を備えた現像器３０と、を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、電子写真画像形成方式を用いて記録媒体に画像を形成する電子写真複写機、電子写真プリンタ（例えばレーザービームプリンタ、ＬＥＤプリンタ等）、ファクシミリ装置などの画像形成装置、画像形成装置に着脱可能なプロセスカートリッジ及び画像形成装置又はプロセスカートリッジに組み込まれる現像装置に関する。

画像形成装置に用いられる現像装置としては、画像形成に伴い消費されるトナーを、トナーを収容するトナーボトルから現像を行う現像装置に補給する構成がある。特に、現像剤加圧補給機構としてトナーボトルとポンプとを有し、このポンプの収縮による内圧の増加によって現像剤加圧補給機構から現像装置にトナーを補給する構成がある。

しかし、このようなポンプによってトナーを補給する構成では、トナー補給時に現像装置内の内圧変化が生じ、それに伴ってトナー補給時の現像装置内の内圧が装置外の気圧よりも大きくなることでトナーが現像装置外に噴出してしまうおそれがあった。従って、これを防止するための方法が従来から開示されてきた。

例えば特許文献１に係る現像装置は、ポンプを有するポンプ収容部から搬送路を有する搬送室を介して現像装置にトナーを補給する構成において、搬送室内にトナーの流出を阻止しつつ外部との通気を許容するフィルタを有する構成が開示されている。これにより外部との通気を行って内圧の上昇を防止して現像装置外にトナーが噴出することを防止する。

特開２０１２−９３７３６号公報

しかし、上記特許文献１のようにフィルタによって内圧の上昇を防止してトナーの噴出を防止する構成では、種々の対策を講じたとしても、現像装置を長期的に使用する際などにフィルタの目詰まりが発生するおそれがあった。また、フィルタに目詰まりが発生した場合には、フィルタの通気機能が損なわれて現像装置内の内圧上昇が生じ、現像装置からトナーが噴出して画像形成装置内でトナーが飛散することでシートなどが汚れて画像品位低下につながるおそれがある。

そこで本発明の目的は、現像装置内の内圧上昇に伴って起こる現像装置からのトナー噴出を、フィルタを用いることなく防止する現像装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る現像装置は、現像剤が供給される供給路と、前記供給路から供給される現像剤を排出して現像を行なう排出路と、前記排出路に設けられ、所定の担持力で現像剤を担持する現像剤担持部と、前記供給路から供給される現像剤を所定量以下収納し、前記供給路から現像剤が供給される際、内圧の増加によって、前記所定量以下の現像剤が収納された状態では前記現像剤担持部による前記所定の担持力が作用する前記排出路から、現像剤が噴出しないようにする空間体積を備えた現像剤収納部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、現像装置内の内圧上昇に伴って起こる現像装置からのトナー噴出を、フィルタを用いることなく防止することができる。

本発明に係る画像形成装置の断面概略図である。 本発明に係るトナー加圧補給機構と現像装置の断面概略図である。 本発明に係るトナー加圧補給機構との構成を説明する説明図である。 本発明に係る現像装置を説明するための斜視図と断面概略図である。 トナー補給前後の現像器内のトナーの剤面の様子を示す図である。 気圧差に基づいて現像ローラに担持されたトナーに作用する力を説明するための概略図である。 トナーが現像ローラに担持される力を説明するための概略図である。 現像装置外へのトナーの噴出の有無に関する実験の結果を示す表である。 画像の白抜けの発生の有無に関する実験の結果を示す表である。

（第１実施形態）
＜画像形成装置＞
以下、まず本発明の第１実施形態に係る画像形成装置Ａの全体構成を画像形成時の動作とともに図面を参照しながら説明する。

図１に示す様に、画像形成装置Ａはシートにトナー像を転写する画像形成部と、画像形成部へシートを供給するシート給送部と、シートにトナー像を定着する定着部と、を備える。

画像形成部は、感光体ドラム１（像担持体）、帯電ローラ２、現像装置４、クリーニングブレード７、転写ローラ５、レーザスキャナユニット３などを備えている。

画像形成に際しては、図３（ｂ）に示す制御装置５５がプリント信号を発すると、給送ローラ９及び搬送ローラ８によってシート積載部１０に積載収納されたシートが画像形成部に送り出される。

一方、画像形成部においては、帯電ローラ２に帯電バイアスが印加されることにより、帯電ローラ２と接触する感光体ドラム１の表面が帯電させられる。

その後、レーザスキャナユニット３が、内部に備える光源（不図示）からレーザ光を出射し、レーザ光を感光体ドラム１に照射する。これにより、感光体ドラム１の電位が部分的に低下して画像情報に応じた静電潜像が感光体ドラム１の表面上に形成される。

その後、現像装置４が備える現像ローラ６に現像バイアスが印加されることにより、現像ローラ６から感光体ドラム１表面に形成された静電潜像にトナーを付着させてトナー像が形成される。感光体ドラム１表面に形成されたトナー像は、それぞれ回転可能に設けられた感光体ドラム１と転写ローラ５との間に形成された転写ニップ部に送り込まれる。トナー像が転写ニップ部に到着すると、転写ローラ５にトナーと逆極性の転写バイアスが印加されてトナー像がシートに転写される。

その後、トナー像が転写されたシートは定着装置１１に送られ、定着装置１１の加熱部と加圧部との間に形成された定着ニップ部において加熱・加圧され、トナー像がシートに定着される。その後、シートは排出ローラ１２によって搬送されて排出部１３に排出される。

＜トナー加圧補給機構＞
次に、本実施形態に係るトナー加圧補給機構６０（現像剤補給手段）の構成について詳しく説明する。本実施形態に係るトナー加圧補給機構６０は、図２に示す様に、トナーボトル２１内のトナーを搬送路３２を介してトナーを現像装置４に補給する。なお、本実施形態では、トナーは磁性一成分トナーを使用した。

トナー加圧補給機構６０は、トナーを収容するトナーボトル２１、トナーボトル２１に収容されたトナーをポンプ２３（内圧可変手段）による内圧変化によりトナー排出口２５から搬送路３２にトナーを供給するポンプ収容部２４などを有する。

トナーボトル２１から搬送路３２にトナーを補給する為の機構は、図３（ａ）に示す様に、トナーボトル２１を回転可能に支持するポンプ収容部２４と、駆動することによりトナーボトル２１を回転させる回転駆動機構５０とにより構成されている。そして、この回転駆動機構５０によって与えられる回転駆動によりトナーはトナーボトル２１からポンプ収容部２４へと案内される。なお、トナーボトル２１はポンプ収容部２４に着脱可能となっている。

ポンプ収容部２４においては、搬送路３２内のトナーセンサ３１のトナー残量検知結果に基づいて、図３（ｂ）に示す制御装置５５によって制御された駆動モータ５６によりポンプ駆動ギア５１を駆動させる。その後、ポンプ駆動ギア５１により駆動受け取り部５２を介して駆動が与えられることで、結合部５３によりつながれたポンプ駆動部材５４が駆動してポンプ２３が収縮動作を行う。この収縮動作により、空気とともにトナーがトナー排出口２５から搬送路３２へ供給される。

なお、本実施形態ではポンプ２３として、往復動に伴いその容積が可変な容積可変型ポンプである樹脂製の蛇腹状のポンプを採用している。この蛇腹状のポンプには「山折り」部と「谷折り」部が周期的に交互に複数形成されている。

搬送路３２は、図２に示す様に回転可能に設けられた搬送路スクリュー３３を有し、この搬送路スクリュー３３が回転することでトナーが現像装置４の方向（図２に示す矢印Ｘ方向）に搬送される。その後、トナーは搬送方向下流であって、現像装置４の長手方向一端部に設けられたトナー補給口２９（供給路）に搬送され、このトナー補給口２９からトナーが現像装置４に補給される。

＜現像装置＞
次に、本実施形態に係る現像装置４の構成について詳しく説明する。本実施形態に係る現像装置４は、図４に示す様に、トナー加圧補給機構６０から補給されたトナーを収納する現像剤収納部としての現像器３０を有する。

また現像装置４は、現像器スクリュー２７、撹拌搬送部材２６、現像ローラ６、現像ブレード１５を有する。現像剤担持部としての現像ローラ６は現像器３０からトナーを排出して現像を行うための開口３４（排出路）に設けられており、内部に現像マグネット１４を備える。そしてこの現像マグネット１４の磁気吸引力によりトナーをローラ上に担持して、感光体ドラム１表面に形成された静電潜像にトナーを供給して現像を行う。また、現像ブレード１５は現像ローラ６に担持されたトナーの層厚を規制する。また、現像器スクリュー２７はトナー補給口２９の直下に設けられ、回転することにより現像器３０の長手方向一端側に補給されたトナーを長手方向他端側（図４（ａ）の矢印Ｙ方向）に搬送する。また、現像器スクリュー２７に搬送されるトナーの一部は搬送中に撹拌搬送部材２６側に落下する。そして、撹拌搬送部材２６の回転によりトナーは撹拌されながら現像ローラ６に供給される。

なお、図２に示す様に、現像器３０内と搬送路３２内には、それぞれトナー残量を検知するトナーセンサ２８とトナーセンサ３１が設けられている。これらのトナーセンサは本実施形態では透磁率センサを用いており、検知面付近に磁性体であるトナーが多ければ高い出力電圧を示し、トナーが少なければ低い出力電圧を示す。このため、得られた出力電圧からトナー残量を検知することができる。また、本実施形態ではトナーセンサとして透磁率センサを用いたものの、本発明はこれに限らず、トナーの量に応じた出力を行うセンサであればよい。

またトナーの補給に際しては、前述した通り、搬送路３２内のトナーセンサ３１の出力が所定以下のときに制御装置５５の指示によりトナーボトル２１が回転を開始する。また、現像器３０内のトナーセンサ２８の出力が所定以下のときに、制御装置５５の指示により搬送路スクリュー３３が回転して現像器３０にトナーを補給する。

＜ポンプによるトナー補給時のトナー噴出について＞
次に、ポンプ２３によるトナー補給時のトナー噴出について詳しく説明する。図５はトナー補給前（図５（ａ））とトナー補給後（図５（ｂ））の現像器３０内のトナーの剤面の様子を示す図である。ポンプ２３の収縮に伴う内圧変化に伴って現像器３０にトナーが補給されることで、図５に示す様に、現像器３０内のトナーの剤面が上昇して現像器３０内の内圧が上昇する。また、当該内圧変化に伴って現像器３０内に空気も補給されるため、これにより現像器３０内の内圧が上昇する。このようなトナー補給時における現像器３０内の内圧の上昇よって現像器３０の内外で気圧差が生じると、この影響で現像器３０内外の境界にある現像ローラ６に担持されたトナーが現像器３０外に噴出するおそれがある。この場合、噴出したトナーが画像形成装置Ａ内に飛散して他の部材やシートが汚れて画像品位低下に繋がる。

そこで、本実施形態に係る現像装置４は、ポンプ２３の収縮による現像装置４内の内圧の増加によって現像ローラ６に担持されたトナーに作用する力Ｆａｉｒ（以下、噴出力Ｆａｉｒという。）が、現像ローラ６がトナーを担持する力Ｆｔｎｒ（以下、担持力Ｆｔｎｒという。）を上回らないように現像器３０の空間体積を設定する。すなわち、噴出力Ｆａｉｒ≦担持力Ｆｔｎｒを成立させる。これにより、現像装置４外へのトナーの噴出を防止することができる。以下、これについて具体的に説明する。

まず、担持力Ｆｔｎｒについて説明する。ここでいう担持力Ｆｔｎｒとは、現像ローラ６がトナーを担持する力であって、噴出力Ｆａｉｒが現像ローラ６に担持されたトナーに作用したときに、噴出力Ｆａｉｒに抗してトナーが現像ローラ６上に留まろうとする力である。

上記の通り、現像ローラ６に担時されているトナーには、現像マグネット１４の影響により現像ローラ６に向かう方向に磁気吸引力が作用する。このとき、現像装置４外へのトナーが噴出を考える際に噴出力Ｆａｉｒの影響を最も受けやすい領域Ｒにおいて現像ローラ６に担時されたトナーの磁気吸引力の合計をＮとする（図６参照）。また、領域Ｒにおいて担持されたトナーの粒子間の摩擦係数をμとする。そうすると、担持力Ｆｔｎｒは以下の式１により求めることができる。

Ｆｔｎｒ＝μＮ・・・（式１）

なお、厳密には担持力Ｆｔｎｒを算出するにはトナー粒子間の摩擦係数μだけでなく、現像ローラ６とトナーとの摩擦係数も考慮する必要がある。しかし、一般的に現像ローラ６とトナーとの摩擦係数はトナー粒子間の摩擦係数より大きい。従って、前記の担持力Ｆｔｎｒの算出結果は摩擦係数を最小とした場合の算出結果となるため、この算出結果で現像器３０からトナーが噴出しなければ、現像ローラ６とトナーとの摩擦係数を考慮するか否かに関わらず、トナーが現像器３０から噴出することはない。

また、本実施形態ではトナーとして磁性一成分トナーを使用するものの、磁気吸引力の合計Ｎとトナー粒子間の摩擦係数がわかるものであれば磁性二成分トナーなど他の磁性トナーを使用しても構わない。しかし、磁気吸引力とトナー量との関係が明瞭であるため磁性一成分トナーを使用するのが好ましい。

次に、噴出力Ｆａｉｒについて説明する。図７に示す様に、現像ローラ６の軸方向のトナー担持領域の長さをＬ（不図示）とし、現像ローラ６に担持されたトナーの厚みをｒとする。そうすると領域Ｒの面積はＬｒとなる。このとき、領域Ｒに作用する噴出力Ｆａｉｒの大きさは圧力と面積の積により算出できる。従って、トナー補給前の現像器３０の内圧をＰ１と、トナー補給後の現像器３０の内圧をＰ２とすると、噴出力Ｆａｉｒは以下の式２より算出できる。

Ｆａｉｒ＝（Ｐ２−Ｐ１）Ｌｒ・・・（式２）

なお、厳密にはトナーは粒子であるため、トナー粒子間に存在する空気に加わる力とトナー粒子そのものに加わる力は異なる。しかし、現像マグネット１４によって発生する磁気吸引力によりトナー粒子は圧縮されているため、トナー粒子間の空気量は極微小である。従って、本実施形態では噴出力Ｆａｉｒを考える際にトナーに加わる力のみを考えている。

ここで、トナー補給前の現像器３０の内圧Ｐ１は、現像ローラ６を境界として装置内外が通気されているため、大気圧と同じ状態と考えることができる。一方、トナー補給後の現像器３０の内圧Ｐ２は、トナー補給前の現像器３０内に収納されたトナーの体積を含まない空間体積をＶ１（以下、単に空間体積Ｖ１という。）とし、ポンプ２３の収縮によって補給されるトナーと空気の補給体積をＶ２（以下、単に補給体積Ｖ２という。）とすると、ボイルの法則に基づいて、以下の式３により求めることができる。

Ｐ２＝Ｐ１×Ｖ１／（Ｖ１−Ｖ２）・・・（式３）

ここで、上記通りトナー補給前の現像器３０の内圧Ｐ１は大気圧と同じ状態と考えるため、予め予測することが可能である。従って、空間体積Ｖ１と補給体積Ｖ２の値を変更して現像器３０にトナーを所定量以下収納させることで、内圧Ｐ２をコントロールすることができ、噴出力Ｆａｉｒもコントロールできる。

以上より、Ｆｔｎｒ≧Ｆａｉｒの関係を成立させることができ、トナーが現像装置４外に噴出することを防止することができる。また、フィルタを用いずにトナーを現像装置４外に噴出することを防止できるため、定期的なフィルタの交換やメンテナンスを必要とせず、ランニングコストを削減できる。さらに、長期間使用してもフィルタの目詰まりを考慮する必要がなく、現像装置４からトナーが噴出することを長期的に防止できる。

＜実験結果＞
次に、トナー補給前の空間体積Ｖ１に対するトナー補給時の補給体積Ｖ２の割合などを変更した数種類の現像装置４において、トナー補給時のトナー噴出有無の実験の結果を説明する。なお、本実験では、トナーとして磁性一成分トナーを使用し、トナー粒子間の摩擦係数が０．５５のトナーを使用した。

図８に示す様に、条件１では、トナー補給前の空間体積Ｖ１に対するトナー補給時の補給体積Ｖ２を４％とした。この結果、トナーの噴出は見られなかった。なお、計算結果も担持力Ｆｔｎｒ＞噴出力Ｆａｉｒとなっており、実験結果と計算結果は一致している。

次に、条件２ではトナー補給前の空間体積Ｖ１に対するトナー補給時の補給体積Ｖ２を８％とした。この結果、トナーの噴出は見られなかった。また、計算結果も担持力Ｆｔｎｒ＞噴出力Ｆａｉｒとなっており、実験結果と計算結果は一致している。

次に、条件３ではトナー補給前の空間体積Ｖ１に対するトナー補給時の補給体積Ｖ２を９％とした。この結果、トナーの噴出が見られた。また、計算結果も担持力Ｆｔｎｒ＜噴出力Ｆａｉｒとなっており、実験結果と計算結果は一致している。

次に、条件４ではトナー補給前の空間体積Ｖ１に対するトナー補給時の補給体積Ｖ２を２０％とした。この結果、トナーの噴出が見られた。また、計算結果も担持力Ｆｔｎｒ＜噴出力Ｆａｉｒとなり、実験結果と計算結果は一致している。

以上の実験から、上記式１、式２、式３に基づいて担持力Ｆｔｎｒ＜噴出力Ｆａｉｒの関係を成立させることで現像器３０からトナーが噴出しないことが確認された。また、トナーとして磁性一成分トナーを使用し、トナー粒子間の摩擦係数が０．５５以上であるとき、現像器３０の空間体積Ｖ１に対する補給体積Ｖ２が８％以下になるように現像器３０の空間体積Ｖ１を設定することでフィルタを設けることなく現像装置４からトナーが噴出することを防止できることが確認された。

また、本実験ではポンプ２３の収縮周期を０．３秒とした。これは、収縮周期を０．３秒以上とする場合には瞬間的にトナーに加わる圧力は低くなるため、トナーの噴出が発生しにくいためである。従って、ポンプ２３の収縮を０．３秒以上の周期で行うことが好ましい。

次に、現像器３０の容積に対する現像器３０内のトナーの体積の割合を変動させて画像形成時の白抜けの発生の有無を確認する実験の結果について説明する。なお、画像の印字率は１００％とした。

図９に示す様に、現像器３０の体積に対する現像器３０内のトナーの体積の割合が現像器３０の容積に対して３８％の状態で画像形成を行ったとき、白抜け現象は発生しなかった。

一方、現像器３０の容積に対する現像器３０内のトナーの体積の割合が現像器３０の空間体積に対して３７％の状態で画像形成を行ったとき、白抜け現象が発生した。

以上の結果、画像形成に係る画像の印字率が最大の場合であって画像形成に際してトナーを最も消費するときでも、現像器３０の容積に対して現像器３０内のトナーの体積が３７％以上収納されていれば白抜けが発生しないことがわかった。従って、現像器３０の容積に対する現像器３０内のトナーの体積を３７％以上になるようにトナーを補給することで、画像形成時に画像の白抜け現象が発生することを防止できる。なお、この現像器３０の容積は、現像器３０の空間体積と現像器３０に補給されるトナーの体積とを含むものである。

また、現像装置４の体積を７００ｃｍ^３以下にすることにより、現像装置４の大型化を最小限に抑えつつ、本実施形態の現像装置４の上記に示した効果を得ることができる。

また、上記実施形態１では、画像形成装置Ａ本体に現像装置４を装着する構成であるものの、本発明はこれに限られない。すなわち、感光体ドラム、帯電ローラ、現像装置、クリーニングブレードなどを有し、画像形成装置に着脱可能なプロセスカートリッジに上記第１実施形態に記載の現像装置４を用いても、本発明の効果を得ることができる。

４…現像装置
６…現像ローラ
２１…トナーボトル
２３…ポンプ
３０…現像器

そこで本発明の目的は、現像装置内の内圧上昇に伴って起こる現像装置からのトナー噴出を、従来より効果的に防止する現像装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る現像装置は、現像剤が供給される供給路と、前記供給路から供給される現像剤を排出して現像を行なう排出路と、前記排出路において、所定の力で現像剤を担持する現像剤担持部と、前記供給路から供給される現像剤を収納し、所定量の現像剤が収納された状態で前記供給路から現像剤が供給される際、前記現像剤担持部による所定の力が作用する前記排出路から、内圧の増加により現像剤が噴出しないようにする空間体積を備えた現像剤収納部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、現像装置内の内圧上昇に伴って起こる現像装置からのトナー噴出を、
従来より効果的に防止することができる。

Claims (9)

1. 現像剤が供給される供給路と、
   前記供給路から供給される現像剤を排出して現像を行なう排出路と、
   前記排出路に設けられ、所定の担持力で現像剤を担持する現像剤担持部と、
   前記供給路から供給される現像剤を所定量以下収納し、前記供給路から現像剤が供給される際、内圧の増加によって、前記所定量以下の現像剤が収納された状態では前記現像剤担持部による前記所定の担持力が作用する前記排出路から、現像剤が噴出しないようにする空間体積を備えた現像剤収納部と、
   を有することを特徴とする現像装置。
2. 前記供給路に供給される現像剤が、所定の圧力による内圧の変化を伴って供給されることを特徴とする請求項１に記載の現像装置。
3. 前記現像剤収納部の空間体積が、前記現像剤収納部に収納する現像剤の体積を含まない空間体積であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の現像装置。
4. 現像剤として磁性一成分の現像剤を使用し、該現像剤の粒子間の摩擦係数が０．５５以上であるとき、前記現像剤収納部の空間体積が、前記所定量以下の現像剤が収納された状態の前記現像剤収納部の空間体積に対して供給される現像剤の体積が８％以下となるような空間体積であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の現像装置。
5. 前記供給される現像剤の体積は、前記現像剤収納部に供給される空気の体積を含んだ体積であることを特徴とする請求項４に記載の現像装置。
6. 画像形成時において、前記現像剤収納部の容積に対して前記現像剤収納部に収納される現像剤の体積が３７％以上であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の現像装置。
7. 前記現像剤収納部の容積が、前記現像剤収納部の空間体積と前記現像剤収納部に収納される現像剤の体積とを含んだものであることを特徴とする請求項６に記載の現像装置。
8. 像担持体に形成された静電潜像に現像剤担持部から現像剤を供給して画像を形成する画像形成装置に装着されるプロセスカートリッジにおいて、
   静電潜像を形成する像担持体と、
   請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の現像装置であって、前記像担持体に形成された静電潜像を現像する現像装置と、
   を有することを特徴とするプロセスカートリッジ。
9. 画像を形成する画像形成部と、
   請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の現像装置と、
   所定の圧力による内圧の変化を伴って前記現像装置に現像剤を補給する現像剤補給手段と、
   を有することを特徴とする画像形成装置。

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