JP2019028322A - 現像装置及びプロセスカートリッジ及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】搬送中の現像剤を最大限に利用して現像ローラに受け渡し、規制部材を通過後の現像剤量を安定に維持しつつ、充分な画像濃度を維持する。【解決手段】現像装置１２は、現像剤を保持する現像ローラ１２ａと、現像剤を搬送する第１搬送スクリュ１２ｂおよび第２搬送スクリュ１２ｃと、を備え、第２搬送スクリュ１２ｃが現像ローラ１２ａに対して下方に位置する現像装置１２において、現像ケーシング１２１内の現像ローラ１２ａに保持される現像剤の現像ローラ保持量をＭ１、現像ローラ１２ａの長手方向の現像剤保持幅をＬ1、現像ケーシング１２１内の現像ローラ保持量を除いた現像剤の現像ケーシング量をＭ２としたとき、以下の式（１）および式（２）を満たす。Ｍ１／Ｌ１＞０．５６ｇ／ｃｍ ・・・（１）Ｍ１／Ｍ２＞０．５０ ・・・・・・（２）【選択図】図７

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、又は、それらの複合機やデジタルダイレクト製版機等の画像形成装置と、そこに設置される現像装置及びプロセスカートリッジとに関する。

従来の電子写真方式に用いられる現像装置として、２本の搬送スクリュの間で現像剤を循環させるとともに、１本のスクリュから隣接配置させた現像ローラに対して現像剤を供給するとともに、現像動作後の現像剤を回収して、容器中の現像剤と混合撹拌する方式の現像装置が広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されているような従来の現像装置では、搬送スクリュが現像剤で隠れるレベルまで現像剤を充填しており、搬送スクリュが止まっていても現像ローラの磁力で現像剤が汲み上げられるような状態で使用している。現像ローラ上に保持された現像剤は現像ブレードで規制され、規制部を通過せずに残った余剰現像剤は、現像ブレードに沿うように現像ローラから離れていき、現像ローラの磁力で保持できる範囲から外れたものから順次落下して搬送スクリュ搬送部に戻っていくように構成されている。

しかしながら、このような現像装置において、近年の環境負荷低減の要求を満足させるべく現像剤の量を大幅に（例えば従来の５０％程度）低減させた場合、搬送スクリュから現像ローラへの受け渡し効率が悪く、規制部の前に十分な現像剤量を確保できない。さらに、現像ローラ上に汲み上げた現像剤が搬送スクリュの羽根の周期で変動してしまい、画像上に斜め線状の濃度ムラを発生してしまうという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、従来よりも大幅に現像剤量を削減させた場合でも、現像ローラの現像剤量を確保しつつ、画像濃度ムラを防止することができる現像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る現像装置は、上記目的を達成するため、現像剤を保持する現像ローラと、現像剤を搬送する搬送部材と、を備え、前記搬送部材が前記現像ローラに対して下方に位置する現像装置において、現像ケーシング内の前記現像ローラに保持される現像剤の現像ローラ保持量をＭ１、前記現像ローラの長手方向の現像剤保持幅をＬ１、前記現像ケーシング内の前記現像ローラ保持量を除いた前記現像剤の現像ケーシング量をＭ２としたとき、以下の式（１）および式（２）を満たすことを特徴とする。
Ｍ１／Ｌ１＞０．５６ｇ／ｃｍ ・・・（１）
Ｍ１／Ｍ２＞０．５０ ・・・・・・（２）

本発明によれば、現像ローラの現像剤量を確保しつつ、画像濃度ムラを防止することができる。

本発明の実施の形態に係る画像形成装置の概略構成を示す断面図である。 図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係るプロセスカートリッジの斜視図であり、図２（ｂ）はプロセスカートリッジの断面図である。 本発明の実施の形態に係る現像装置の斜視図である。 本発明の実施の形態に係る現像装置の上下ケーシングを分解した状態の斜視図である。 本発明の実施の形態に係る現像装置内の循環経路を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る現像装置の現像ローラ、搬送スクリュ、現像ドクタの周辺を拡大した部分拡大図である。 本発明の実施の形態に係る現像装置の現像剤のくみ上げから現像剤離れの挙動と剤面高さを示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る現像装置の稼働を停止した状態の現像剤の分布を示す部分拡大図である。 本発明の実施の形態に係る現像装置の現像されるトナーの単位面積当たりの重量Ｍａと像担持体表面の移動速度Ｖ１を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る現像装置の現像ローラの現像剤担持幅Ｌ１と第２搬送スクリュの現像剤循環経路中における現像ローラの回転軸方向と平行な向きの現像剤移動速度Ｖ２を説明する説明図である。 本発明の実施の形態に係る現像装置の第２搬送スクリュが配置されている現像剤循環経路を説明する説明図である。 従来の現像装置のトナー濃度ＴＣと画像ＩＤの現像剤循環方向の上流側と下流側の変化および偏差を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る現像装置のトナー濃度ＴＣと画像ＩＤの現像剤循環方向の上流側と下流側の変化および偏差を示すグラフである。

以下、本発明の形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る画像形成装置の概略を示す図である。画像形成装置たる複写機の装置本体１００の上部には、画像読取装置２００が取り付けられている。装置本体１００の内部には、プロセスカートリッジ１が設けられている。

給紙部材たるローラを備える装置本体１００は、複数段のシートカセット２２と呼出ローラ２７と供給ローラ２８と分離ローラ２９を有している。シートカセット２２は、シートＳを収容する。呼出ローラ２７はシートカセット２２に収容されたシートＳをピックアップし、ピックアップされたシートＳを供給ローラ２８と分離ローラ２９で１枚ずつ分離して供給路Ｒ１に送る。

供給路Ｒ１は、分離給紙されたシートＳを排紙スタック部３２まで搬送する経路であり、中途にシート搬送ローラ３０、レジストローラ２３、排紙ローラ３１等の各種ローラを有している。

図１に示す転写部材たる転写ローラ１６を備える転写装置１７の転写ローラ１６は、感光体１０の周面に押圧されて当接されている。転写装置１７は感光体１０上のトナー画像を供給路Ｒ１上に搬送されたシートＳに転写する。また、転写装置１７の上方には、定着部材たる定着装置２４が設けられている。定着装置２４は、加熱ローラ２５と加圧ローラ２６を有する。定着装置２４は、シートＳ上のトナー像を加熱ローラ２５と加圧ローラ２６により加熱および加圧し定着させる。また、排紙ローラ３１は定着装置２４によりトナー画像が定着されたシートＳを排紙スタック部３２上に排出する。

また、装置本体１００には、潜像形成部材たるレーザ光源を備えるレーザ書込装置２１が備えられている。レーザ書込装置２１には、レーザ光源、走査用の回転多面鏡、ポリゴンモータ、ｆθレンズなどを備えている。また、装置本体は、転写紙、フィルム、布、ガラス板、金属板などの印刷媒体のシートＳを収納するシートカセット２２が多段に備えられている。

以上のような構成の画像形成装置を用いてコピーするとき、スタートスイッチがユーザーに押されると画像読取装置２００にセットされた原稿内容を読み取る。また、このとき同時に、感光体駆動モータで感光体１０を回転し、帯電ローラ１１ａを用いた帯電装置１１（図２（ｂ）参照）で感光体１０の表面を一様に帯電する。次いで画像読取装置２００によって読み取った原稿内容に応じてレーザ光を照射してレーザ書込装置２１を用いて書き込み工程を実行する。そして、感光体１０の表面に静電潜像を形成した後、現像装置１２（図２（ｂ）参照）を用いてトナーを付着させて静電潜像を可視像化（現像）する。

また、スタートスイッチがユーザーに押されると同時に、多段のシートカセット２２から選択されたシートＳを呼出ローラ２７により送り出す。次いで、供給ローラ２８と分離ローラ２９で１枚ずつ分離して供給路Ｒ１に送る。供給路Ｒ１に送られたシートＳは、シート搬送ローラ３０で搬送されて、レジストローラ２３に突き当てて止められる。そして、感光体１０の可視像化したトナー画像と回転タイミングを合わせて、転写ローラ１６が感光体１０と当接して形成された転写ニップへと送り込まれる。

転写ニップへと送り込まれたシートＳは、転写装置１７により感光体１０上のトナー画像を転写される。画像転写後の感光体１０上の残留トナーはクリーニング装置１４（図２（ｂ）参照）で除去・清掃され、残留トナーを除去された感光体１０上の残留電位は、除電装置１３で除去される。そして、帯電装置１１から始まる次の画像形成に備える。

一方、画像転写された後のシートＳは、定着装置２４に導かれ、加熱ローラ２５と加圧ローラ２６の間に通されて、これらローラに搬送されながら、熱と圧力を加えられてトナー画像を定着される。画像定着されたシートＳは、その後、排紙ローラ３１により排紙スタック部３２上に排出されてスタックされる。

図２（ａ）は、図１のプロセスカートリッジ１の斜視図であり、図２（ｂ）は、プロセスカートリッジの断面図である。

図２（ｂ）に示すように、プロセスカートリッジ１は、潜像担持体たる感光体１０と、感光体１０の周囲に配置され、感光体１０に対向し帯電装置１１、現像装置１２およびクリーニング装置１４を備えている。プロセスカートリッジ１は、装置本体１００（図１参照）に着脱可能に装着されている。感光体１０、帯電装置１１、現像装置１２及びクリーニング装置１４がプロセスカートリッジ１としてユニット化され、一体に構成されることにより、装置本体１００からの交換やメンテナンスの作業が容易になる。また、プロセスカートリッジ１の両端部の面板は各装置を固定しており、各部材間の位置精度を高精度に維持することができ、現像装置１２等における現像後の画像品質の向上を図ることができる。

帯電部材たる帯電ローラ１１ａを備える帯電装置１１は、帯電バイアスを印加され、感光体１０表面に電荷を与えて感光体１０を一様帯電する帯電ローラ１１ａと、帯電ローラ１１ａの表面に付着したトナーなどの付着物を除去する除去ローラ１１ｂとを備えている。

現像部材たる現像ローラ１２ａを備える現像装置１２は、現像剤搬送部材としての第１搬送スクリュ１２ｂが配設された第１剤収容室Ｒ１を有している。また、現像剤搬送部材としての第２搬送スクリュ１２ｃ、現像剤担持体としての現像ローラ１２ａ、現像剤規制部材としての現像ドクタ１２ｄなどが配設された第２剤収容室Ｒ２も有している。第２搬送スクリュ１２ｃは、第１搬送スクリュ１２ｂよりも現像ローラ１２ａに近い位置に配置されており、現像ローラ１２ａに近い搬送部材である。すなわち、第２搬送スクリュ１２ｃの中心軸と現像ローラ１２ａの中心軸との間の距離は、第１搬送スクリュ１２ｂの中心軸と現像ローラ１２ａの中心軸との間の距離よりも小さく、第２搬送スクリュ１２ｃは現像ローラ１２ａに近い位置に配置されている。

これら２つの剤収容室Ｒ１，Ｒ２内には、磁性キャリアとマイナス帯電性のトナーとからなる二成分現像剤である現像剤が内包されている。第１搬送スクリュ１２ｂは、駆動モータである駆動部材によって回転駆動することで、第１剤収容室Ｒ１内の現像剤を図２（ｂ）中の手前側へ撹拌しながら搬送（図２（ａ）においては左側から右側に向かって撹拌しながら搬送）する。そして、第１搬送スクリュ１２ｂにより第１剤収容室Ｒ１の図中手前側端部まで搬送された現像剤は、第２剤収容室Ｒ２の図中手前側端部から第２剤収容室Ｒ２に進入する。

第２剤収容室Ｒ２内の第２搬送スクリュ１２ｃは、駆動部材によって回転駆動することで、現像剤を図２（ｂ）中の奥側へ搬送する。第２搬送スクリュ１２ｃの上方には、現像ローラ１２ａが第２搬送スクリュ１２ｃと平行な姿勢で配設されている。この現像ローラ１２ａは、回転駆動する非磁性スリーブからなる現像スリーブ内に固定配置されたマグネットローラ（図６参照）を内包した構成となっている。

第２搬送スクリュ１２ｃによって長手方向に搬送される現像剤の一部は、現像ローラ１２ａ内のマグネットローラの発する磁力によって現像ローラ１２ａの表面に汲み上げられ担持される。そして、現像ローラ１２ａの回転により現像ローラ１２ａの表面と所定の間隙を維持するように配設された現像ドクタ１２ｄによって担持（保持）した現像剤の層厚が規制された後、現像ローラ１２ａと感光体１０とが対向する現像領域に現像ローラ１２ａの回転により搬送され、感光体１０上の静電潜像に現像剤中のトナーを付着させ現像する。この付着により、感光体１０上にトナー像が形成される。現像によってトナーを消費した現像ローラ１２ａの表面の現像剤は、現像ローラ１２ａの表面移動である回転に伴って第２搬送スクリュ１２ｃ上に戻される。そして、第２搬送スクリュ１２ｃにより第２剤収容室Ｒ２の奥側端部まで搬送された現像剤は、第１剤収容室Ｒ１の奥側端部から第１剤収容室Ｒ１内に戻る。このようにして、現像剤は現像装置内を撹拌され、循環搬送される。

また、現像装置１２は、第１剤収容室Ｒ１の現像剤のトナー濃度を検知するトナー濃度センサ１２４（図５参照）を第１搬送スクリュ１２ｂの下流側に有している。トナー濃度センサ１２４は、現像剤の透磁率から現像剤のトナー濃度を測定するもので、トナー濃度が低くなると磁性体のキャリアが密集してくるので透磁率は高くなる。このトナー濃度センサ１２４によって測定された値が、狙いの値（閾値）を超える場合はトナーボトル２０（図１参照）から現像装置１２にトナー補給され、トナー濃度を所定濃度に制御する。狙いの値は、事前に感光体１０に形成されたトナーパターンのトナー付着量を光学センサで検知し、その検知結果に基づいて決められる。

このように感光体上の基準パターン濃度を所定濃度に保つように制御しているが、トナーボトル２０のトナーが空になった場合は、濃度低下を抑制できなくなる。このような場合は、所定期間、トナーボトル２０からトナーを補給する動作をしたにも係わらず、その後の光学センサによるトナーパターンの検知結果が改善されないため、トナーがなくなった（トナーエンド）と判断（あるいは推定判断）する。

クリーニング部材たるクリーニングブレード１４ａを備えるクリーニング装置１４は、感光体１０表面に当接して感光体１０に付着している転写残トナーを掻き取るクリーニングブレード１４ａを備えている。また、掻き取られたトナーを回収し収容する回収部Ｗには、クリーニングブレード１４ａにより回収された回収トナーを搬送するトナー回収コイル１４ｂを備えている。トナー回収コイル１４ｂにより搬送された回収トナーは、トナー搬送装置により、現像装置１２または廃トナーボトルへ搬送される。

次に、現像装置１２の構成及び動作について、さらに詳しく説明する。

図３は、図２の現像装置１２の外観を示す斜視図である。図４は、現像装置１２の現像剤収容部内が視認できるように上下ケーシング（ケース）を分解した状態の斜視図である。図５は、現像装置１２内の現像剤の循環経路を模式的に示す図である。図５中の破線の矢印が現像剤の流れを示し、図５中の実線の矢印が、図３のトナー補給口１２ｅから補給されるトナーの流れを示している。

図３の現像装置１２は、図４に示すように、上ケース１２１１と下ケース１２１２を互いに組み付けて構成される。図４において、現像ケーシング１２１は、上ケース１２１１と下ケース１２１２との二分割で構成されており、上ケース１２１１には現像ローラ１２ａおよび現像ドクタ１２ｄが組み付けられ、下ケース１２１２には２本の搬送スクリュである第１搬送スクリュ１２ｂ，第２搬送スクリュ１２ｃが組み付けられている。

図５において現像ケーシング１２１によって、現像装置１２の内部には、現像剤収容部が形成される。現像剤収容部には、第１の剤収容室Ｒ１と第２の剤収容室Ｒ２とに仕切る仕切壁１２２を有している。第１の剤収容室Ｒ１と、第２の剤収容室Ｒ２には、それぞれ、第１搬送スクリュ１２ｂ，第２搬送スクリュ１２ｃが設けられている。第１の剤収容室Ｒ１と第２の剤収容室Ｒ２とは、仕切壁１２２の端部の受け渡し開口部１２１ａ，１２１ｂにより連通している。

搬送スクリュ１２ｃにより第２の剤収容室Ｒ２の下流端まで搬送された現像剤は仕切壁１２２の端部の受け渡し開口部１２１ａを通過し、第１の剤収容室Ｒ１へと移動する。第１の剤収容室Ｒ１内の現像剤は、第１搬送スクリュ１２ｂにより攪拌されながら第２の剤収容室Ｒ２内の現像剤とは反対方向に搬送される。そして、第１の剤収容室Ｒ１の搬送方向下流側端部に達すると、仕切壁１２２の端部の受け渡し開口部１２１ｂを通過して第２の剤収容室Ｒ２へと移動する。このように現像剤は、第１の剤収容室Ｒ１と第２の剤収容室Ｒ２とにそれぞれ設けた各搬送スクリュ１２ｂ，１２ｃによって、仕切壁１２２により仕切られた現像剤収容部内を循環している。

また、第１の剤収容室Ｒ１の現像剤搬送上流側端部には、補給トナー搬送路１２３が連結されている。補給トナー搬送路１２３には、トナー補給口１２ｅが設けられており、このトナー補給口１２ｅから、後述するように、新品のトナーや、クリーニング装置１４で回収された回収トナーが補給される。第１の剤収容室Ｒ１に設けられた第１搬送スクリュ１２ｂは、補給トナー搬送路１２３まで延設されている。トナー補給口１２ｅから補給されたトナーは、第１搬送スクリュ１２ｂにより補給トナー搬送路１２３内を搬送された後、第１の剤収容室Ｒ１と補給トナー搬送路１２３とを連通する連通穴１２３ａを通って第１の剤収容室Ｒ１に受け渡される。また、図５中の符号１２４は、現像剤のトナー濃度を検知する濃度検知センサであり、現像ケーシング１２１の第１の剤収容室Ｒ１の下に設置されている。

図６は図２中の現像装置１２について、現像ローラ１２ａ、第１搬送スクリュ１２ｂ、第２搬送スクリュ１２ｃ、現像ドクタ１２ｄの周辺を拡大した図であり、図中Ｐ１〜Ｐ５は現像ローラ１２ａに内蔵される磁界発生部材であるマグネットロールが有する磁極の法線方向磁力（磁束密度）のピークの角度位置を示したものである。

図６において、ガイド板１２ｇは現像装置１２のケースに固定され第２搬送スクリュ１２ｃの上方を覆いながら、現像ドクタ１２ｄの規制部近傍まで略直線状に延在するとともに、一端を現像ドクタ１２ｄに当接させ、現像ローラ１２ａ側に撓ませている。また、現像ドクタ１２ｄには円柱状の棒材を用いている。現像ドクタ１２ｄは、無垢の棒材を切り出して端面処理を施しただけのものであり、上ケース１２１１に対して嵌合穴１２１１ａに差し込むだけで組み付けられるので、非常に安価であるとともに高度な位置精度を得ることができる。

現像ドクタ１２ｄの中心部Ｃは現像ローラ１２ａの回転中心より図６中の矢印で示す鉛直方向に見て上方に位置する。また、現像ドクタ１２ｄと現像ローラ１２ａの対向する位置も現像ローラ１２ａの回転中心より鉛直方向に見て上方に位置する。

図７は現像装置１２について、本実施の形態における現像剤の汲み上げから剤離れの挙動と剤面高さを模式的に表したものである。ここで図７を用いて、現像剤が第２搬送スクリュ１２ｃに汲み上げられてから、現像領域通過後に剤離れして第２の剤収容室Ｒ２に落下して他の剤と混合攪拌されるまでの一連の剤挙動を説明する。図の灰色のハッチング部は現像剤を表している。第２搬送スクリュ１２ｃ、現像ローラ１２ａはともに時計回りに回転駆動される。

感光体１０と対向する磁極Ｐ１は現像磁極（Ｎ極）である。また、剤離れ磁極Ｐ２と汲み上げ磁極Ｐ３は、現像ローラ１２ａの回転方向で互いに隣り合う同極性の磁極（Ｓ極）であって、現像スリーブから現像剤を離脱させる磁力の磁極である。また、搬送磁極Ｐ４は、剤離れ磁極Ｐ２と汲み上げ磁極Ｐ３とは異なる磁極（Ｎ極）であり、第２の剤収容室Ｒ２の現像剤を引き寄せる磁力の搬送磁極である。また、現像ドクタ１２ｄと対向する磁極Ｐ５は規制磁極（Ｓ極）である。

第２搬送スクリュ１２ｃが回転すると第２搬送スクリュ１２ｃの軸の回転が上方に向かう側（図の左側）は現像剤が持ち上げられるため剤面が高くなり、下流側は潜り込むため剤面が低くなる。なお、第２搬送スクリュ１２ｃの回転が静止した直後も、剤面の高低差は若干均されるものの、図の左側が高く右側が低い傾向は変わらない。本発明の請求項に記載した剤面高さは、第２搬送スクリュ１２ｃの回転が静止した直後の高さを指す。

第２搬送スクリュ１２ｃが回転するとスクリュの回転軸の左側では現像剤が上向きに持ち上げられ、現像ローラ１２ａの搬送磁極Ｐ４の磁力に保持されて、現像スリーブ表面の移動にともなって規制部材である現像ドクタ１２ｄに搬送され、現像ドクタ１２ｄで余剰な現像が規制された後、感光体１０との対向部でトナーが現像され、剤離れ磁極Ｐ２の反発磁力によって現像剤が現像ローラから離れて第２の剤収容室Ｒ２に落下する。

本実施の形態では、第２搬送スクリュ１２ｃとして外径φ１７ｍｍ、軸径φ１１ｍｍ、羽根の高さ３ｍｍのものを用いた。このとき、スクリュ軸径のスクリュ外径に対する比率は略６５％である。

図７に示すように、第２搬送スクリュ１２ｃの軸である軸部１２ｃ１のうち矢印で示す鉛直方向で最も高い位置を頂点Ｘとすると、本実施の形態に係る現像装置１２では、現像ローラ１２ａの剤離れ磁極Ｐ２と汲み上げ磁極Ｐ３との間の領域から剤離れにより離脱した現像剤は頂点Ｘより鉛直方向下側かつ右側であって、現像剤をガイドする傾斜面１２ｋの上に落下する構成としている。

落下した現像剤は、傾斜面１２ｋの傾斜に沿って第２搬送スクリュ１２ｃ内に移動する。この位置に現像剤を落下させることにより、落下した現像剤が汲み上げ極Ｐ３の磁力に保持されて再汲み上げされてしまうことがない。すなわち、第２の剤収容室Ｒ２に落下した現像剤は、他の剤と混ざって第２搬送スクリュ１２ｃの回転にともなって下方に潜り込んでいき、撹拌・混合されてトナー濃度が均一化されてから再度、上方に捲き上げられて汲み上げられる。

図８は、現像装置１２の稼働を停止した状態、すなわち現像ローラ１２ａや第１搬送スクリュ１２ｂおよび第２搬送スクリュ１２ｃが停止した状態を示しており、図８（ａ）は現像ローラ１２ａ付近の部分拡大図であり、図８（ｂ）は第１搬送スクリュ１２ｂおよび第２搬送スクリュ１２ｃ付近の部分拡大図である。図８（ａ）の状態で現像ローラ１２ａには重量Ｍ１の現像剤が付着している。また、図８（ｂ）の状態で第１搬送スクリュ１２ｂおよび第２搬送スクリュ１２ｃの側に重量Ｍ２の現像剤が存在している。

次に本実施の形態に係る現像装置１２の第１搬送スクリュ１２ｂおよび第２搬送スクリュ１２ｃのピッチと回転数及び現像剤の量とスクリュピッチムラによる濃度ムラとの関係について説明する。

表１は搬送スクリュのピッチＰ１、Ｐ２と回転数及び現像剤の総量を変化させたときの濃度ムラの程度を示す実験結果である。濃度ムラの評価基準は、濃度ムラが出ず画像状態が良好であるものを「○」、濃度ムラが若干出る状態のものを「△」、濃度ムラが出て画像状態が良好でないものを「×」とし、表１中の結果の欄に記した。

現像装置１２の稼働を停止した状態で磁力によって現像ローラ１２ａに保持されている現像剤の量をＭ１、現像ケーシング１２１内の現像剤の量から現像ローラ１２ａに保持された現像剤の量Ｍ１を除いた現像剤の量（現像ケーシング量）をＭ２（図８参照）、現像ローラ１２ａの現像剤担持幅（現像剤保持幅）をＬ１（図１０参照）とする。Ｌ１は現像ローラ１２ａが担持する現像剤の長手方向の長さ、すなわち、現像ローラ１２ａ内の磁極Ｐ１〜Ｐ５の長手方向両端部間の距離である。

また、感光体１０に現像されるトナーの単位面積当たりの最大重量をＭａ（図９参照）、現像装置１２が印刷できるシートＳの長手方向の最大幅をＬｐ、現像ローラ１２ａに近い搬送部材である第２搬送スクリュ１２ｃが配置されている現像剤循環経路の長手方向の長さをＬ２（図１１参照）、感光体１０表面の移動速度をＶ１、第２搬送スクリュ１２ｃが配置されている現像剤循環経路中における現像ローラ１２ａの回転軸方向と平行な向きの現像剤移動速度をＶ２とする。

現像剤の量Ｍ１とＭ２の計量については、現像装置１２の稼働を停止した状態で行う。現像剤の量Ｍ１は、現像ケーシング１２１から現像ローラ１２ａを取り出し、磁力によって現像ローラ１２ａに保持されている現像剤の量である。現像ローラ１２ａの磁力によって保持されている現像剤（Ｍ１）は磁石を外側から現像ローラ１２ａに近づけることによって取ることができる。現像剤の量Ｍ２は、現像ケーシング１２１から現像ローラ１２ａを取り出した状態で、現像ケーシング１２１側に残った現像剤の量である。

Ｍ１/Ｌ１について着目すると、比較例７ではＭ１/Ｌ１の値は０．５６（ｇ/ｃｍ）となっており結果も「○」であるが、比較例８ではＭ１/Ｌ１の値は０．５７（ｇ/ｃｍ）となっており、結果は「△」である。比較例１〜比較例６では、いずれもＭ１/Ｌ１の値は０．５３（ｇ/ｃｍ）以下であり、結果は「×」である。また、実施例１〜実施例３ではいずれもＭ１/Ｌ１の値は０．６２（ｇ/ｃｍ）以上であり、結果は「○」である。

比較例７の結果からＭ１/Ｌ１の値が０．５６（ｇ/ｃｍ）以上であれば、現像ローラ１２ａによる担持量が多くなることで結果が良好になると思われる。しかし、比較例８の結果から現像ローラ１２ａによる担持量が多くても結果が良好にならないことから、Ｍ１/Ｌ１の他に結果に影響を及ぼす要因を考慮する必要がある。このことについて、発明者は鋭意努力して原因を発見した。即ち、Ｍ１とＭ２の関係も結果に影響を及ぼすことが分かった。

Ｍ１/Ｍ２について着目すると、比較例７ではＭ１/Ｍ２の値は０．５０となっており結果も「○」であるが、比較例８ではＭ１/Ｍ２の値は０．４６となっており、結果は「△」である。比較例１〜比較例６では、いずれもＭ１/Ｍ２の値は０．４３以下であり、結果は「×」である。また、実施例１〜実施例３ではいずれもＭ１/Ｍ２の値は０．５２以上であり、結果は「○」である。

したがって、Ｍ１/Ｌ１の値が０．５６（ｇ/ｃｍ）以上、好ましくは０．６２（ｇ/ｃｍ）以上、かつＭ１/Ｍ２の値が０．５０以上、好ましくは０．５２以上とすることで画像の濃度ムラの発生を回避できる。

以上より、画像の濃度ムラの発生を回避する条件として、以下の式（１）および式（２）が成立する。
Ｍ１／Ｌ１＞０．５６ｇ／ｃｍ ・・・（１）
Ｍ１／Ｍ２＞０．５０ ・・・・・・（２）

一般に、現像装置内の現像剤の量を少なくしていくと、搬送スクリュのピッチに起因するスクリュピッチの濃度ムラが発生する傾向があるが、式（２）で示すように搬送経路上の現像剤が少なくても式（１）で示す様に現像ドクタ上流に一定以上の現像剤を保持していればスクリュピッチの濃度ムラを抑制できることが表１の実験結果より示された。

以上より、式（１）の条件により現像ドクタ１２ｄの上流側に必要な現像剤量を溜めることで現像ドクタ１２ｄの下流に搬送される現像剤の層厚が安定しムラのない画像形成に資することできる。また式（２）の条件により、ユニット内に必要な現像剤の量を最小限に抑えることができる。すなわち、式（１）および式（２）を満たし両立させることでスクリュピッチの濃度ムラを抑制できる。

更に、現像剤の搬送方向上流から下流までの長手方向のトナー濃度の変化について検討する。

用紙幅に対し最大限に現像したときの単位時間当たりの最大現像量は感光体１０に現像されるトナー量を示すＭａと感光体１０表面の回転速度を示す移動速度Ｖ１と印刷されるシートＳの最大幅である用紙幅Ｌｐを用いて、Ｍａ×Ｖ１×Ｌｐと表現できる。なお、Ｌｐは現像ローラ１２ａの現像剤担持幅Ｌ１より小さくＬｐ＜Ｌ１とする。また、現像ローラ１２ａに近い搬送部材である第２搬送スクリュ１２ｃが配置されている現像剤循環経路中を現像剤が通過するのに必要な時間はＬ２/Ｖ２と表現できる。よって、現像剤が上記の現像剤循環経路を通過する間に現像によって失われるトナー量は、Ｍａ×Ｖ１×Ｌｐ×Ｌ２/Ｖ２と表現できる。

このトナー量と、この間現像に供される現像剤の量（Ｍ１＋Ｍ２）の比、すなわち（Ｍａ×Ｖ１×Ｌｐ×Ｌ２/Ｖ２）/（Ｍ１＋Ｍ２）は、上記の現像剤循環経路中の最上流と最下流のトナー濃度の差を示す。このトナー濃度の差は所定の値よりも小さいことがムラが少ないことを示す。本実施の形態においては以下の式（３）に示す通り所定の任意の値（０．０１）よりも小さくすることで、更に濃度ムラを回避できた。
（Ｍａ×Ｖ１×Ｌｐ×Ｌ２/Ｖ２）/（Ｍ１＋Ｍ２）＜０．０１ ・・・（３）

Ｖ２、Ｍ１、Ｍ２は螺旋状の第２搬送スクリュ１２ｃの形状、回転数、現像ローラ１２ａの磁極配置を変えることで制御できる。すなわち、Ｖ２、Ｍ１、Ｍ２を適切に変えることで濃度ムラを回避できる。

例えば、スクリュ形状の代表的なパラメータは外周径とリード角である。リード角は、搬送スクリュウの羽根の面と、搬送スクリュウの回転軸と直交する仮想平面とのなす角度である。一般に、螺旋状の搬送スクリュはリード角が小さすぎると軸方向に現像剤を移動させる速度が遅く、リード角を大きくするに従って現像剤移動速度が速くなるが、大きすぎると軸方向力に移動させる作用よりも回転方向外側に弾き出す作用が強まり現像剤移動速度が低下していく。外周径を大きくするほどＶ２は大きくなる。リード角は０°から３０°程度までの範囲では大きいほどＶ２が大きくなり、それを越えると現像剤を軸方向に搬送する作用が低下して軸と直角方向に現像剤を跳ね上げる作用が強くなる。

本実施の形態では、リード角θの範囲としてＶ２を大きくしつつ、現像剤を跳ね上げにくく羽根の周期で変動が少なくなるよう以下の式（４）を満たすようにした。
３５／１７π＜ｔａｎθ＜５０／１７π ・・・（４）

スクリュの回転数は早いほど、現像剤を軸方向に搬送する作用も軸と直角方向に跳ね上げる作用ともに強くなる。

現像ローラ１２ａの磁極配置では、磁極の磁力は規制部材である現像ドクタ１２ｄの手前の磁力が強くなるほどＭ１が大きくなる。これらのパラメータを変化させると現像剤がユニットのどの部分にどれだけ存在するかのバランスが変わり、Ｍ１，Ｍ２も変化する。

本実施の形態においては現像装置１２の構成要素の配置の一例として図７に示すような配置をとり、Ｍａ＝０．７ｍｇ/ｃｍ^２、Ｖ１＝２５６ｍｍ/ｓのとき第２搬送スクリュ１２ｃの外径をφ１７ｍｍ、中心軸部をφ１１ｍｍ、回転数を５００ｒｐｍ、ピッチＰ１＝４５ｍｍ、螺旋部条数を３条として、式（１）〜式（３）を満たすようにした。このときの現像ローラ１２ａの磁極配置および磁極の仕様は図７に示す通りである。

図１２、図１３を用いて画像濃度偏差の抑制について説明する。図１２は従来の式（３）を満たす対策を施す前の状態のトナー濃度ＴＣと画像ＩＤの現像剤循環方向の上流側と下流側の変化および偏差を示すグラフであり、図１３は式（３）を満たす対策を施した後の状態のトナー濃度ＴＣと画像ＩＤの現像剤循環方向の上流側と下流側の変化および偏差を示すグラフである。図中上流側をＦ、中央付近をＣ、下流側をＲとした。ＩＤ偏差は画像濃度の最も高い部分と最も低い部分との画像濃度差である。

ここでは、画像濃度偏差の抑制度合いの評価として画像ＩＤ偏差が０．１未満と関連するトナー濃度ＴＣ偏差が１％未満であれば画像濃度偏差を抑制できていると評価した。トナー濃度ＴＣ偏差が１％未満というのは式（３）の条件と同等である。

図１２に示すように対策前のトナー濃度ＴＣ偏差は１．３４％、画像ＩＤ偏差は０．１２５であり、若干の画像濃度偏差が発生している。これに対し、図１３に示す対策後のトナー濃度ＴＣ偏差は０．８８％、画像ＩＤ偏差は０．０９４であり画像濃度偏差を抑制できている。

以上のように、式（１）および式（２）を満たすことでスクリュピッチムラを抑制できるが、式（３）または式（４）を更に満たすようにすることで、画像濃度偏差を抑制できる。

また、第１搬送スクリュ１２ｃは螺旋の条数を多条として３条としている。らせん状搬送スクリュは螺旋の条数を多くすることで軸方向の搬送効率を高くし安定的に搬送することができる。特に本発明の目的としている少ない現像剤で良好な画像を出力する為には現像ローラ１２ａに保持される現像剤Ｍ１の量を確保する為に搬送スクリュのリード角を大きくするのが有利であるが、そうすると搬送スクリュの軸方向の搬送速度が低下してしまい式（３）を満たすのが困難となる。そのため条数の多い搬送スクリュを用いることで現像ローラ１２ａに保持される現像剤Ｍ１の確保でき、更に式（３）の条件を満たすことを両立させるのが容易となる。

以上のように、本実施の形態に係る現像装置１２は、内部に磁界発生部材を備える現像ローラ１２ａと、現像剤を搬送する第１搬送スクリュ１２ｂおよび第２搬送スクリュ１２ｃと、を備え、第２搬送スクリュ１２ｃが前記現像ローラ１２ａに対して下方に位置する現像装置において、磁界発生部材の磁力によって現像ローラ１２ａに保持されている現像剤の現像ローラ保持量をＭ１、現像ケーシング１２１内の現像ローラ保持量Ｍ１を除いた現像剤の現像ケーシング量をＭ２、現像ローラ１２ａの長手方向の現像剤担持幅をＬ１としたとき、以下の式（１）および式（２）を満たす。
Ｍ１／Ｌ１＞０．５６ｇ／ｃｍ ・・・（１）
Ｍ１／Ｍ２＞０．５０ ・・・・・・（２）

この構成により、現像装置１２は、式（１）の条件により、現像ドクタ１２ｄの上流側に必要な現像剤量を溜めることで現像ドクタ１２ｄの下流に搬送される現像剤の層厚が安定しムラのない画像を形成することができる。さらに、式（２）の条件によってユニット内に必要な現像剤の量を最小限に抑えることができる。

したがって、現像剤（トナーと磁性キャリアから成る二成分現像剤）量を削減させた場合でも、搬送中の現像剤を最大限に利用して現像ローラ１２ａに受け渡し、現像ドクタ１２ｄを通過後の現像剤量を安定に維持しつつ、充分な画像濃度を維持することができる。なお、二成分現像剤に代えて磁性トナーを用いた一成分現像剤、さらには現像ローラに担持することができる現像剤であれば、現像剤量を安定に維持しつつ、充分な画像濃度を維持することができる。

また、現像装置１２は、感光体１０に現像されるトナーの単位面積当たりの重量をＭａ、装置が印刷できる紙の最大幅をＬｐ、前記現像ローラに近い搬送部材が配置されている現像剤循環経路の長さをＬ２、感光体１０表面の移動速度をＶ１、現像ローラ１２ａに近い搬送部材である第２搬送スクリュ１２ｃが配置されている現像剤循環経路中における現像ローラ１２ａの回転軸方向と平行な向きの現像剤移動速度をＶ２、としたとき、式（１）、式（２）および以下の式（３）を満たすようにしてもよい。
Ｍａ×Ｖ１／Ｖ２×Ｌｐ×Ｌ２／（Ｍ１＋Ｍ２）＜０．０１ ・・・（３）

この構成により、式（１）、式（２）に加えて式（３）も満たすことで、現像剤が循環経路を通過する間に現像によって失われるトナー量とこの間に現像に供される現像剤の量（Ｍ１＋Ｍ２）の比、すなわち、現像剤循環経路中の最上流と最下流のトナー濃度の差を一定以下に抑制できるので、画像濃度の偏差を小さくすることができる。

また、現像装置１２は、現像ローラ１２ａに近い搬送部材である第２搬送スクリュ１２ｃが螺旋状の回転部材であり、螺旋の最外径のリード角をθとすると、以下の式（４）を満たすようにしてもよい。
３５／１７π＜ｔａｎθ＜５０／１７π ・・・（４）

この構成により、現像装置１２は、リード角θを一定の範囲内に保つことで、第２搬送スクリュ１２ｃの軸方向に現像剤を移動させる速度を確保しつつ、回転方向外側に弾き出す現像剤の量を抑えることができる。したがって、現像装置１２は、より少ない現像剤量で良好な画像を出力することができる。

また、現像装置１２は、第２搬送スクリュ１２ｃの形状として螺旋の条数が複数であるようにしてもよい。

この構成により、現像装置１２は、第２搬送スクリュ１２ｃの軸方向の搬送効率を高くすることができ、容易に式（３）を満たすことで画像濃度の偏差を小さくすることができる。また、良好な画像を出力するための現像剤量Ｍ１を確保するためリード角θを大きくすると第２搬送スクリュ１２ｃの軸方向の搬送速度が低下するが、その場合であっても搬送速度を確保できるので画像濃度の偏差を小さくすることができる。

本実施の形態に係るプロセスカートリッジ１は、現像装置１２を備え、少なくとも現像ローラ１２ａと感光体１０とが一体に構成され、装置本体１００に対して着脱可能であるよう構成した。

この構成により、プロセスカートリッジ１はユニット化されることにより、交換やメンテナンスの作業が容易になる。また、各部材間の位置精度を高精度の維持することができ、形成される画像品質の向上を図ることができる。

また、本実施の形態に係る画像形成装置の装置本体１００はプロセスカートリッジ１を備えた構成であり、充分な画像品質を得ることができる。

本発明によれば、従来よりも大幅に現像剤量を削減させた場合でも、搬送中の現像剤を最大限に利用して現像ローラに受け渡し、規制部材を通過後の現像剤量を安定に維持しつつ、充分な画像濃度を維持することができ現像装置、プロセスカートリッジおよび画像形成装置全般に有用である。

１ プロセスカートリッジ
１０ 感光体（像担持体）
１２ 現像装置
１２ａ 現像ローラ
１２ｂ 第１搬送スクリュ
１２ｃ 第２搬送スクリュ
１２ｄ 現像ドクタ（現像剤規制部材）
１００ 装置本体

特開２０１５−２１５３６９号公報

Claims (7)

1. 現像剤を保持する現像ローラと、
   現像剤を搬送する搬送部材と、を備え、
   前記搬送部材が前記現像ローラに対して下方に位置する現像装置において、
   現像ケーシング内の前記現像ローラに保持される現像剤の現像ローラ保持量をＭ１、前記現像ローラの長手方向の現像剤保持幅をＬ１、前記現像ケーシング内の前記現像ローラ保持量を除いた前記現像剤の現像ケーシング量をＭ２としたとき、以下の式（１）および式（２）を満たすことを特徴とする現像装置。
   Ｍ１／Ｌ１＞０．５６ｇ／ｃｍ ・・・（１）
   Ｍ１／Ｍ２＞０．５０ ・・・・・・（２）
2. 前記現像ローラに対向する像担持体に現像されるトナーの単位面積当たりの重量をＭａ、印刷できる印刷媒体の長手方向の最大幅をＬｐ、前記搬送部材が配置されている現像剤経路の長手方向の長さをＬ２、前記像担持体表面の移動速度をＶ１、前記搬送部材の現像剤移動速度をＶ２、としたとき、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の現像装置。
   Ｍａ×Ｖ１／Ｖ２×Ｌｐ×Ｌ２／（Ｍ１＋Ｍ２）＜０．０１
3. 前記搬送部材が螺旋状の回転部材であり、螺旋の最外径のリード角をθとすると、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の現像装置。
   ３５／１７π＜ｔａｎθ＜５０／１７π
4. 前記搬送部材が螺旋状の回転部材であり、螺旋の条数が複数であることを特徴とする請求項１に記載の現像装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の現像装置を備え、少なくとも前記現像ローラと像担持体とが一体に構成され、画像形成装置本体に対して着脱可能であることを特徴とするプロセスカートリッジ。
6. 請求項５に記載のプロセスカートリッジを備えたことを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の現像装置を備えた画像形成装置。

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