JP3766091B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

この発明は、画像データに基づいて画像を形成する画像形成装置に関し、特に、周期的な縞状の濃度ムラ（バンディング）の発生を抑える画像形成装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置では、像担持体の周面に形成された静電潜像を現像するための現像ユニットが使用される。この現像ユニットの構成の例を図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示す。

図１（Ａ）の例では、像担持体５１の近傍において現像ユニット５２が回転軸６０を中心に回動自在に設けられる。回転軸６０は、像担持体５１の回転軸に平行に配置される。現像ユニット５２は、現像ローラ５３、トナー層規制部材５５、トナー供給ローラ５４を備えている。現像ユニット５２は、加圧部材５７を介して本体サイドフレーム５６に接続される。加圧部材５７は、現像ユニット５２を像担持体５１に接近させる力を現像ユニット５２に対して加える。加圧部材５７の作用により、現像ローラ５３の周面と像担持体５１の周面とが所望の圧接力で互いに圧接する。

一方、図１（Ｂ）の例では、現像ユニット５２が像担持体５１に接触または離間するときに回動ではなく直線移動をする。ここでは、現像ユニット５２が直線ガイド部材６１を介して本体ボトムフレーム６２に当接する。直線ガイド部材６１には現像ユニット５２との摩擦がほとんど生じない部材が使用される。

上述のように、像担持体５１の回転軸６０と現像ローラ５３の回転軸との相対位置を固定しないことにより、像担持体５１または現像ローラ５３が偏心している場合でも、現像ニップ部における圧接力の変動が生じにくい。

電子写真方式による画像形成装置においては、メカニカルな振動が原因で、バンディングと呼ばれる周期的な縞状の濃度ムラが発生し、画像不良の大きな問題となっていた。バンディングの原因の機械的振動には様々なものがあり、その原因に応じた対策が従来よりなされてきた。

最も一般的なバンディングは感光体の回転ムラを原因とするものである。例えば、感光体を駆動するギアが偏心している場合は、ギアの回転周期の濃淡ムラが発生し、またギアのバックラッシが大きい場合やギアの精度が悪い場合はギアの歯の周期の濃淡ムラが画像に現れ、バンディングとなるものである。

また、感光体の駆動軸がカップリングで連結されている場合のカップリングの強度不足やギア列を支持する板金やシャフト等の構造部材の強度不足が原因で共振が発生し、その共振周波数で濃淡ムラが画像に現れ、バンディングとなるものもある。

このような駆動系の振動が外乱として感光体に伝達する場合、振動源側からの対策としては、ギアの制度を向上させることにより振動強度を小さくする方法があり、共振を起こしている場合は、構造部材の強度調整や粘弾性部材の付加により共振を回避または遮断する対策などが取られてきた（例えば、特許文献１参照。）
振動を受ける側の対策としては、感光体の駆動軸にフライホイールを連結させて振動強度を小さくする方法や、粘性流動体などによるダンパを連結する方法、さらに、像担持体の内部に慣性部材およびダイナミックダンパを設け、像担持体の回転に伴う振動を低減する技術もある（例えば、特許文献２参照。）。

また、現像ユニットにおける固有振動周波数を調整する従来技術として、摩擦帯電用ブレードを支持するブレード支持部材に防振材を取り付ける技術がある（例えば、特許文献３参照。）。
特開平１０−２４００６７号公報 特開平６−９５５６２号公報 特開平１−１３８５８０号公報

しかしながら、図１に記載の従来技術では、画像形成時において共振現象が発生して現像ユニット５２全体が振動することがあった。現像ユニット５２が振動すると、バンディングという周期的な縞状の濃度ムラが発生するという不都合が生じる。この不都合を回避するためには、現像ユニット５２における共振現象の発生を抑えることが重要となり、共振を回避するために、現像ユニットにおける固有振動周波数と現像ユニットに対する外乱振動周波数とを一致させないようにする必要があった。

ここで、現像ユニットにおける固有振動周波数を調整する際には、以下のような困難が伴う。構造部材の固有振動周波数ｆは、質量をｍ、バネ定数をｋとしたときに、

で表される。

この式が示すように、固有振動周波数を変化させるためには、質量や剛性を変化させればよい。ところが、現像ユニット５２は、現像ローラ５３、トナー供給ローラ５４、トナー層規制部材５５を含むため、質量および剛性が大きく、質量や剛性を変化させることが困難になる。

さらに、バネ定数が変化して固有振動周波数が一定しないような特殊な共振が発生する場合には、現像ユニットにおける固有振動周波数および現像ユニットに対する外乱振動周波数のいずれを調整しても共振を防止できないことがあった。

この発明の目的は、現像ユニットの振動に起因するバンディングの発生を抑える画像形成装置を提供することである。

この発明は以下の構成を備えている。

（１）本発明に係る画像形成装置は、
設定された周速で回転するとともに周面に像を担持する像担持体と、
前記像担持体とは異なる周速で回転し、周面に所定の厚さの現像剤層を有し、かつ前記現像剤層を介して前記像担持体に接触する現像剤担持体を備えるとともに、前記像担持体の周囲に配置される現像ユニットと、
前記現像ユニットを前記像担持体に対して接近および離間自在に支持する支持手段と、
前記像担持体に接近する方向に前記現像ユニットを付勢する付勢手段と、
前記支持手段とは別に設けられるとともに、前記像担持体に現像剤が供給される際における前記現像ユニットの振動を減衰させる負荷を前記現像ユニットに加える負荷印加手段と、
を備えたことを特徴とする。

本発明に係る画像形成装置は、像担持体、現像ユニット、支持手段、付勢手段、および負荷印加手段を備えている。

像担持体に現像剤を供給する現像ユニットは、像担持体に対して接近および離間自在に支持されている。付勢手段が現像ユニットを像担持体に押し当てることにより、現像ユニットと像担持体との当接部に現像ニップが形成される。付勢手段や画像形成処理時の像担持体の周面から加えられた力により現像ユニットが振動することがあるが、本発明では負荷印加手段が現像ユニットの振動を抑える負荷を現像ユニットに加える。

現像ユニットの振動は、自励振動であることが本出願人の実験により判明している。負荷印加手段から負荷を受けると現像ユニットの振動が減衰するため、負荷印加手段から現像ユニットに負荷が加えられると、現像ユニットの自励振動が抑えられる。

本発明における像担持体の代表例として感光体ドラムが挙げられる。前記像担持体に対して接近および離間する現像ユニットの動きの例として、回動や往復移動が挙げられる。現像ユニットが回動する場合、その回動軸は像担持体の回転軸に平行に配置するとよい。負荷印加手段の例として、現像ユニットに当接してその振動を抑える防振部材や、ダンパが挙げられる。

（２） （１）に記載の画像形成装置であって、
前記負荷印加手段は、前記像担持体に接近または離間する前記現像ユニットに摩擦力を作用させる防振部材であることを特徴とする。

この構成においては、像担持体に接近または離間する現像ユニットに接触して、現像ユニットとの間に所望の大きさの摩擦を生じさせる防振部材によって負荷印加手段が構成される。防振部材の例として、現像ユニットと本体フレームとの間に介在する摩擦部材や板バネ等が挙げられる。

（３） （２）に記載の画像形成装置であって、
前記防振部材と前記現像ユニットと間の摩擦力が、前記像担持体と現像剤担持体との間の圧接力の１／４〜１／５０であることを特徴とする。

この構成においては、防振部材の摩擦力が圧接部の圧接力の１／４〜１／５０になるように防振部材が構成され、また防振部材が現像ユニットを鉛直上向きに押し上げる力の大きさが調整される。

このとき、防振部材の摩擦係数が０．１５〜０．２５程度にされている。防振部材と現像ユニットとの間の摩擦力が大きすぎると、現像ユニットの振動を抑制するだけでなく、現像ユニットと像担持体との相対位置も固定してしまう。逆に、防振部材と現像ユニットとの間の摩擦力が小さすぎると、現像ユニットの振動を抑制することができない。

すなわち、防振部材の摩擦力は、現像ユニットの自励振動を抑制するのに充分な大きさであって、かつ、現像ユニットと像担持体との間の現像ニップ圧に影響を与えない大きさになるようにするのが良い。

本発明のように、防振部材の摩擦係数を０．２程度にしていると、防振部材が現像ユニットに加える摩擦による負荷の大きさが、現像ニップ圧の１／４〜１／５０程度に抑えられる。

（４） （３）に記載の画像形成装置であって、
前記防振部材は、スポンジ部材を含むとともに、摩擦力を発生させる摺動部の前記現像ユニットに対する動摩擦係数が略０．２の材料で構成されることを特徴とする。

（５） （２）〜（５）のいずれかに記載の画像形成装置であって、
前記防振部材は、画像形成装置の内部フレームと前記現像ユニットとの間に介在することを特徴する。

この構成においては、現像ユニットよりも高剛性の性質を有する内部フレームに防振部材が接続される。ここで、防振部材の接続先が現像ユニットよりも高剛性なのは、防振部材から伝わる振動で内部フレームが共振することを防止するためである。

（６） （２）〜（５）のいずれかに記載の画像形成装置であって、
前記現像ユニットは、前記像担持体の回転軸に平行な方向に沿って前記現像ユニットの上面または底面のいずれか一方の面の近傍に配置された回転軸を中心に回動し、
前記防振部材は、前記現像ユニットの他方の面に接触するように配置されることを特徴とする。

この構成においては、現像ユニットにおける回動軸から離れた位置に接触するように防振部材が配置される。このように防振部材を配置するのは、現像ユニットにおいて振動の振幅が大きくなる位置に防振部材を接触させるためである。

（７） （２）または（３）に記載の画像形成装置であって、
前記現像ユニットは、直線状のガイド部材に沿って直動することにより前記像担持体に圧接し、
前記防振部材は、前記直線状のガイド部材自体の摩擦負荷が、前記圧接部の圧接力の１／４〜１／５０であることを特徴とする。

（１）請求項１に係る発明によれば、現像ユニットの振動に起因するバンディングの発生を抑えることができる。

（２）請求項２に係る発明によれば、現像ユニットの振動を抑えるために必要となる部材を少なくすることができる。

（３）請求項３に係る発明によれば、防振部材により現像ユニットの振動を抑制し、かつ、良好な現像ニップ圧を得ることができる。

（４）請求項４に係る発明によれば、簡易な構成の防振部材によって現像ユニットの振動を抑制することができる。

（５）請求項５に係る発明によれば、現像ユニットの振動をより確実に抑制することができる。

（６）請求項６に係る発明によれば、防振部材をより効果的に用いることができる。

（７）請求項７に係る発明によれば、現像ユニットの直線的な振動をより確実に抑制することができる。

以下、図を用いて本発明の画像形成装置の実施形態を説明する。

図２は、本発明の実施形態であるディジタル複写機１００の概略構成であるを示す図である。

以下、図を用いて本発明の画像形成装置の実施形態であるディジタル複写機を説明する。

図２は、本発明に係るディジタル複写機１の概略構成を示す。同図に示すように、ディジタル複写機１は、原稿読取部１１０、画像形成部２１０、多段給紙デスク３００、および後処理装置２６０を備えている。

原稿読取部１１０は、透明ガラスからなる原稿台１１１、原稿読取部１１０の上方に配置される自動原稿搬送装置１１２、および原稿台１１１に載置された原稿の画像を読み取る光学系ユニットを備えている。

自動原稿搬送装置１１２は、原稿セットトレイ上にセットされた複数枚の原稿を１枚ずつ自動的に原稿台１１１上へ給送する装置である。また、自動原稿搬送装置１１２は、原稿カバーとしても機能する。自動原稿搬送装置１１２には、ジョブの入力や画像形成内容の設定等のユーザから入力操作を受け付ける操作パネル４０が配置される。

光学系ユニットは、原稿台１１１の下方に配置され、原稿台１１１上に載置された原稿の画像を走査して読み取る。この光学系ユニットは、第１の走査ユニット１１３、第２の走査ユニット１１４、光学レンズ１１５、および光電変換素子であるＣＣＤラインセンサ１１６を有している。

第１の走査ユニット１１３は、原稿面上を露光する露光ランプユニット、原稿からの反射光像を所定の方向に反射させる第１ミラーを備えている。第２の走査ユニット１１４は、第１ミラーから反射されてくる原稿からの反射光をＣＣＤラインセンサ１１６に導く第２ミラーおよび第３ミラーを備えている。光学レンズ１１５は、原稿からの反射光をＣＣＤラインセンサ１１６上に結像させる。ＣＣＤラインセンサ１１６は、原稿からの反射光を光電変換して画像データを生成する。なお、この画像データは、図示しない画像処理部を介して、画像形成部２１０に出力される。

画像形成部２１０の下部には、手差しトレイ２５４、用紙カセット２５１，２５２，２５３、および両面ユニット２５５が備えられている。手差しトレイ２５４、用紙カセット２５１，２５２，２５３、および両面ユニット２５５によって給紙部３００が構成される。

用紙カセット２５１〜２５３、および手差しトレイ２５４のそれぞれから、画像形成位置を経由して後処理装置２６０までの間に用紙搬送路が形成される。また、用紙カセット２５１〜２５３、または手差しトレイ２５４や両面ユニット２５５から給紙された用紙は搬送ローラを有する搬送ユニット２５０を介して画像形成部２１０に供給される。

両面ユニット２５５は、用紙を反転させるスイッチバック路２２１に通じており、用紙の両面に画像形成を行う時に用いられる。なお、両面ユニット２５５は通常の用紙カセットと交換可能な構成となっており、両面ユニット２５５を通常の用紙カセットに置き換えて構成しても良い。

画像形成部２１０は、用紙搬送路に沿って上流側から順番に画像形成ユニット、定着ユニット２１７、および排紙ローラ２１９を備えている。画像形成ユニットは、像担持体としての感光体ドラム１、露光装置としての光書込装置２２７、感光体ドラム１を所定の電位に帯電させる帯電器２２３、感光体ドラム１上に形成された静電潜像にトナーを供給して顕像化する現像ユニット２、感光体ドラム１表面に形成されたトナー像を用紙に転写するチャージャ方式の転写器２２５、用紙を除電し感光体ドラム１から剥離し易くする除電器２２９、余分なトナーを回収するクリーニング器２２６を備えている。

上述の感光体ドラム１の周囲において、帯電器２２３、光書込装置２２７、現像ユニット２、転写器２２５、除電器２２９、およびクリーニング器２２６によって、帯電処理、露光処理、現像処理、転写処理、および清掃処理が行われる。画像形成処理時には、感光体ドラム１は周速１１７ｍｍ／ｓで回転駆動される。

感光体ドラム１および転写器２２５の間に位置する画像形成位置において、画像データに基づいた未定着の現像剤像が用紙の表面に転写される。その後、用紙搬送路における画像形成位置の下流側に配置されている定着ユニット２１７に導かれ、定着ユニット２１７によって、用紙上の未定着の現像剤像が加熱および加圧され用紙に定着する。

定着ユニット２１７の下流側において用紙搬送路は２方向に分岐しており、一方が、用紙の裏面に再度画像を形成するために用紙の前後を反転させるスイッチバック路２２１に通じており、他方が、画像が形成された用紙に対してステープル処理等の後処理を行い昇降トレイ２６１上に用紙を排出する後処理装置２６０に通じている。

ディジタル複写機１００は、画像形成処理時における現像ユニット２の振動を抑えて、再現画像に周期的な縞状のムラがでるバンディングという現象を発生させないようにすることを特徴としている。

図３は、現像ユニット２の配設状態を示す図である。現像ユニット２は、感光体ドラム１の周囲に配置される。現像ユニット２は、筐体の内部に現像ローラ３、トナー供給ローラ４、トナー層規制部材５を備えており、トナーを収容する図示しないトナー収容部に接続されている。本実施形態では、現像ユニット２の総重量は１．４ｋｇである。

感光体ドラム１にトナーを供給する現像ローラ３は、その周面の一部が筐体の開口部から突出するように配置される。筐体から突出した現像ローラ３の周面が感光体ドラムの周面に圧接して現像ニップ９が形成され、現像ニップ９を介してトナーの供給が行われる。

現像ローラ３は、カーボンブラック等の導電化剤が添加された、体積抵抗率１０6 Ω・ｃｍ、ＪＩＳ−Ａ硬度５０度の導電性ウレタンゴムからなる導電性ローラである。本実施形態では、現像ローラ３は直径１６ｍｍであり、その表面粗さＲｚは５μｍである。画像形成処時には、現像ローラ３は矢印Ｂの方向に周速１００ｍｍ／ｓで回転駆動され、ステンレス製の回転軸を介して図示しない現像バイアス電源により−２００Ｖの現像バイアス電圧が印加される。

トナー供給ローラ４は、トナー収容部から現像ユニット２内に供給されたトナーを攪拌する。その他にトナー供給ローラ４は、および現像処理後に現像ローラ３に付着したトナーの除去を行う。トナー供給ローラ４は、体積抵抗率約１０4 Ω・ｃｍ、セル密度８０個／インチ、日本ゴム協会規格０１０１によるゴム硬度３０度〜４０度の導電性ウレタンフォームからなる導電性弾性発泡体ローラである。ここでは、トナー供給ローラ４の直径は１６ｍｍである。トナー供給ローラ４は、その周面が現像ローラ３の周面に当接しており、周速５０ｍｍ／ｓで矢印Ｃ方向に回転駆動される。

トナー層規制部材５は、現像ローラ３の周面に付着したトナー層の層厚を規制する。トナー層厚規制部材５は、ステンレス製の厚さ０．１ｍｍの板バネ材を片持ち状に支持して構成される。トナー層厚規制部材５の固定端側は、ディジタル複写機１００の所定の位置に固定されており、自由端側が断面Ｌ字状を呈するように加工されている。トナー層厚規制部材５には、図示しないブレードバイアス電源より、−３００Ｖのブレードバイアス電圧が印加される。現像ローラ３の周囲に担持されたトナーは、現像ローラ３の回転に伴って搬送され、トナー層規制部材５によって所定の厚さに層厚が規制される。このトナー層厚規制部材５の作用により、現像ローラ３の表面に所定の厚みのトナー薄層が形成されるとともに、トナーに電荷が付与される。

現像ユニット２の上面近傍には、現像ユニット２を回動自在に支持する回転軸１０が配置される。回動軸１０は、ディジタル複写機１００の所定の位置に、感光体ドラム１の回転軸に平行に配置される。本実施形態では、ディジタル複写機１００本体側に配設された軸および現像ユニット２側に配設された軸受部によって回転軸１０が構成される。現像ユニット２に配設される軸受部は、現像ユニット２の上面の近傍に配置される。なお、回動軸１０の構成は本実施形態に限定されるものではなく、現像ユニット２側に軸を配設し、ディジタル複写機１００側に軸受部を配設するようにすることもできる。

現像ユニット２は、弾性部材で構成される加圧部材７を介してディジタル複写機１００内部の垂直フレーム６に接続される。加圧部材７は、現像ユニット２を感光体ドラム１に接触させる方法の力を現像ユニット２に対して加える。本実施形態では、加圧部材７は、バネ定数が１ｋＮ／ｍのバネであり、本発明の付勢手段を構成する。なお、加圧部材７の接続箇所は垂直フレーム６に限定されることはなく、ディジタル複写機１００の筐体のサイドフレーム等、現像ユニット２よりも高剛性な部材であれば加圧部材７の接続箇所にすることができる。

現像ユニット２の底面は、ディジタル複写機１００内部の水平フレーム１２との間に２．５〜３ｍｍ程度の間隙を設けて配置される。現像ユニット２と水平フレーム１２との間に、本発明の負荷印加手段である防振部材８が介在する。上述の垂直フレーム６と同様に水平フレーム１２も現像ユニット２より高剛性な部材が使用される。

図４（Ａ）は、防振部材８の構成の例を示す図である。防振部材８は、エーテル系ウレタンフォームからなるスポンジ２１と、ＰＥＴからなる樹脂フィルム２２を備える。防振部材８を取り付ける際には、水平フレーム１２の上面にスポンジ２１が取り付けられ、続いて、スポンジ２１の上に樹脂フィルム２２が付着される。スポンジ２１および樹脂フィルムのサイズは共に、長さ５０ｍｍ、幅１５〜３５ｍｍであり、厚さに関しては、スポンジ２１が３ｍｍ、樹脂フィルム２２が０．２ｍｍ程度である。防振部材８における樹脂フィルム２２の上面は、現像ユニット２の底面に摺動部２３を介して当接し、この当接面によって所定の大きさの摩擦力が発生する。

図４（Ｂ）は、防振部材８の構成の他の例を示す図である。同図に示す例では、防振部材８は、片持ち状に支持された板バネ２６を現像ユニット２に押し当てて、現像ユニット２の振動を抑制する負荷を加えている。板バネ２６は、固定端２４が水平フレーム１２に固定され、バネ中央部が現像ユニット２に当接し、自由端２５が固定されていない片持ちバネ構造である。

図５は、現像ユニット２に防振部材８を適用した際における、防振部材８の荷重と振動強度との関係を測定した結果を示している。丸印は防振部材８を適用する前の結果であり、三角印は防振部材８を適用した後の結果を示している。図の横軸は、防振部材８に対して垂直に加わる力の大きさ（単位はキログラム）を示しており、図の縦軸は、振動強度の大きさ（単位はデシベル）を表している。なお、同図において、振動強度が−５０ｄＢ以上のものについて視認できる程度のバンディングが発生している。

同図に示すように、現像ユニット２に対して防振部材８から鉛直上向きに約９０ｇ以上の力が加われば、振動強度が低減される。三角印のプロットにより、約９０ｇ以上１１５０ｇまでの範囲では、荷重に依存せず振動強度の低減が図れていることが示されている。本実施形態では、現像ユニット２から防振部材８に対して約１００ｇの荷重が加えられる。

ここで、防振部材８によって防振効果が確認されたときの摩擦力を考える。防振部材８により現像ユニット２が受ける上向きの力において、振動低減効果が確認された範囲は、約９０ｇ以上１１５０ｇまである。これに摩擦係数μ＝０．２をかけると、防振部材８から現像ユニット２に加えられる摩擦力は、１８〜２３０ｇの範囲になる。これを現像ローラ３の有効軸方向長さ３０ｃｍで割ると、単位長さあたりの摩擦力は、０．６〜７．７ｇ／ｃｍとなる。

図５において、ひし形印は防振部材８によって振動部２３にテフロン（登録商標）テープを貼り付け、摩擦係数を略０．１としたときの結果を示す。振動抑制効果が僅かに悪くなった−６０ｄＢの時の荷重は１４０ｇであり、摩擦係数μ＝０．１をかけると、防振部材８から現像ユニット２に加えられる摩擦力は、１４ｇになる。

これらの摺動部２３における摩擦はすべてすべり摩擦である。摩擦係数μが０．０１以下の転がり摩擦では摩擦力が小さく防振効果が得られない。また、摩擦係数が０．３以上では摩擦力が大きく現像ニップ圧が不安定となり画像劣化が発生する。したがって、摺動部２３の摩擦係数μは略０．２（±０．１）が好適である。

また、ディジタル複写機１００において、加圧部材７によって現像ローラ３と感光体ドラム１との当接圧が３０ｇｆ／ｃｍに設定されている。従って、前記振動低減効果が確認された摩擦力範囲は、現像ローラと感光体との当接圧の１／５０〜１／４程度となる。防振部材による摩擦力の方向と、現像ローラと感光体との当接圧の方向とがほぼ一致するため、現像ユニット２の自励振動を減衰させる代償として、良好な現像ニップ圧が得られなくなるという不都合が生じる懸念があったが、上記摩擦力の範囲ではこの不都合が生じないことが確認できた。

一般的な強制振動による共振の場合、ダンパや摩擦部材による防振部材を付与すると、その防振部材の大きさや強さに比例して振動強度が低減されていくのが特長である。ところが本発明の防振部材では、図５のように防振効果が荷重に依存せず、わずかな荷重で大幅に振動が低減する結果から、振動原理が自励振動であり、対策としての防振部材が系の安定化であることがわかる。

この原理に基づけば、現像ユニット２の振動を止める部材は防振部材８のように摩擦力を現像ユニット２と水平フレーム１２との間に摩擦力を生じさせる部材に限定されるものではないことが分かる。例えば、粘性を付与するダンパを用いて現像ユニット２の振動を止めるようにしても良い。

本実施形態によれば、防振部材８によって現像ユニット２の振動が抑えられる。その結果、現像ユニット２の振動に起因するバンディングの発生を抑えることができる。

なお、以下において、本発明の原理の理解をさらに深めるために、現像ユニット２の振動が強制振動ではなく自励振動である点についての実験結果およびその結果に対する検討結果について説明する。以下に示す図６〜図８に係る実験では、現像ユニット２に防振部材８が適用されていない。

ディジタル複写機１００において加圧部材７によって現像ローラ３と感光体ドラム１との当接圧が３０ｇｆ／ｃｍに設定されている。なお、当接圧が小さいと軸方向の中央部と端部とで画像の濃度差が発生し易い。逆に、当接圧が大きいと、ベタ画像やハーフトーン画像にムラが発生し易くなったり、現像ローラ３や感光体ドラム１の駆動トルクを大きくする必要があるという不都合が生じる。

バンディングの解析するために、ディジタル複写機１００における様々な箇所に加速度ピックアップやロータリーエンコーダを配置し、その出力を周波数分析装置によって測定した。まず、バンディングの主要因は、現像ローラ３の回転振動やトナー層厚規制部材５の振動ではなく、回転軸１０を中心に現像ユニット２全体が振動することであることが判明した。このとき測定された振動の周波数は、約８４Ｈｚであった。

続いて、振動要因のバネ要素の特定を行った。加圧部材７はバネ定数が１ｋＮであり、現像ユニット２の重量が１．４ｋｇであることから、固有振動周波数は、約４．３Ｈｚになる。このため、加圧部材７は、バンディングの主要因を構成するバネ要素にはならない。

そこで、現像ローラ３のゴム層がバンディングの主要因を構成するバネ要素であると仮定してバネ定数の測定を行った。

図６は、現像ローラのゴム層のバネ定数測定結果を示している。図の横軸は現像ローラ３の変形量を示しており、縦軸は有効長さがＡ４長辺の長さである現像ローラに加えた荷重を示している。同図において、曲線の傾きがバネ定数を示している。

感光体ドラム１の周面と現像ローラ３の周面とは３０ｇｆ／ｃｍの力で圧接することから、全長３０ｃｍの現像ローラ３全体で０．９ｋｇｆの荷重になる。曲線における荷重０．９ｋｇｆを示す箇所の傾きからバネ定数を求めると、このときのバネ定数が３９０ｋＮ／ｍになった。このバネ定数の値と現像ユニット２の重量から固有振動周波数を求めると８４Ｈｚになった。したがって、現像ローラ３のゴム層がバンディングの主要因を構成するバネ要素である上述の仮定が誤っていないことが示された。

続いて、加圧部材７のバネ定数を変えずに変形量を大きくすることで現像ニップ部の当接圧を３４ｇｆ／ｃｍ、３７ｇｆ／ｃｍと大きくすると、振動周波数がそれぞれ８７Ｈｚ、８９Ｈｚと大きくなった。

バネ要素が線形特性を示す通常の固有振動では、バネの変形量を大きくしても固有振動周波数が変化しないが、上述の実験結果は、固有振動周波数が変化する特殊なものでバネが非線形硬化バネの特性を有することを示している。この結果も、現像ローラ３のゴム層がバネ要素であることを裏づけている。

図７は、現像ユニット２に取り付けた加速度ピックアップの出力をＦＦＴサーボアナライザ（アドバンテスト社Ｒ９２１１Ｃ）にて周波数分析した結果を示している。

上段の図は、横軸が時間を示しており、縦軸が電荷量を示している。ここでは、加速度ピックアップに印加された加速度に比例した電荷が発生し、その電荷量が測定されている。同図に示すように、いったん共振が生じると現像ユニット２は継続して振動している。

下段の図は、横軸が周波数を示しており、縦軸が振動強度を示している。同図により、周波数が８４Ｈｚ、強度が−３７ｄＢの共振が生じていることが分かる。また、現像ユニット２による出力画像には、その振動周波数に対応する縞状の周期的濃度ムラが表れていた。出力画像にバンディングが表れない場合も、加速度ピックアップによる測定を行うと、周波数８４Ｈｚ近傍で強度が小さい振動が測定された。

そこで、この８４Ｈｚ近傍の振動強度と、実際の画像との関係を分析した結果、振動強度が−５０ｄＢ以上のものについて視認できる程度のバンディングが発生することが分かった。

さらに、上述の画像形成装置の試作品１５２個について、同様に加速度ピックアップによる周波数分析を行った。その結果、８４Ｈｚ近傍の振動強度の平均値は−６３．８ｄＢ、標準偏差σは７．２であった。振動強度のばらつきが正規分布と仮定すると、−５０ｄＢは（６３．８−５０．０）／７．２＝１．９２σとなり、バンディングが発生する確率は２．７％であった。

感光体ドラム１および現像ローラ３の円筒度や真直度の悪さや、互いの平行度の悪さの度合いは一定でなく製造時のばらつきがあることから、上記のような統計的な分布を持つ。

現像ユニット２の固有振動数８４Ｈｚに対し、共振が発生して振動強度が大きくなるためには、通常、８４Ｈｚ程度の該乱振動周波数による強制振動であることが必要になる。そこで、現像ローラ駆動系の振動周波数などを分析したが、駆動系等の外乱周波数には８４Ｈｚ近傍の振動が存在しないことが分かった。

分析の結果、固有振動数８４Ｈｚの振動振幅を増大させる励振力は、感光体ドラム１と現像ローラ３との間の摩擦力が、感光体ドラム１と現像ローラ３との周速比の関数となることによって系を励振させ、不安定にさせる自励振動であることが判明した。

以下、自励振動について説明する。振動体の質量をｍ、粘性係数をｃ、バネ係数をｋ、外力をｆとすると、バネ系の運動方程式は、下記の式で表される。

このとき外力ｆが速度の比例する励振力であった場合、比例定数をｃ0 とすると、運動方程式は

のようになる。

この式を、固有振動数ω、減衰比ζを用いた一般式に書き直すと

のようになる。

ここで、ｃ＜ｃ0 のとき、ζ＜０となるため、負減衰という状態になり、振動振幅ｘが時間とともに増大する不安定な系となる。このような振動を自励振動という。

本実施形態の現像ユニット２に対して、自励振動モデルを適用する。現像ユニット２の質量をｍ、回転軸１０等による粘性係数をｃ、現像ローラ３のゴム層のバネ定数をｋとする。感光体ドラム１および現像ローラ３がそれぞれＡまたはＢの方向の速度差をもって回転運動することによって、現像ニップ部９に摩擦力ｐが発生する。

ここで、現像ニップ部９および回転軸１０を結ぶ直線Ｌに直交する方向をＸとし、現像ニップ部９における摩擦力ｐの方向と直線Ｌとのなす角度をαとする。現像ユニット２をｘ方向に動かす外力ｆは、摩擦力ｐのｘ成分であることから、ｐ×ｓｉｎαで表される。さらに、摩擦力ｐが現像ローラ３の周速ｖ_dvr と感光体ドラム１の周速ｖ_opc との相対速度の関数であるとすると、摩擦力ｐは次式のようになる。

この式の右辺を予め設定された現像ローラの周速ｖ₀ のまわりでテイラー展開し、第２項までで近似すると次式のようになる。

現像ローラの速度変動のｘ成分Ｖ_x を、次式のように定義すると、

摩擦力pのｘ成分は、次式のようになる。

したがって、式２のｆに式８を代入すると、現像ユニット２の運動方程式は次式のようになる。

ここで、ｘ₁ を次式のように定義すると、

式９の運動方程式は次式のようになる。

この運動方程式は、式３の形と同様であることから、減衰比ζは

のようになる。

ここで、次式の条件のとき、ζ＜０となるため、負減衰となり自励振動となる。

現像ユニット２が自励振動する場合、現像ユニット２の運動によって励振力が発生し、系が不安定となって振動振幅が時間とともに増大し発散する。一般的な外力による強制振動は、振動体の運動の有無には無関係であることから、自励振動は根本的に振動原理を異にする。

また、一般的な摩擦力ｐは、図８（Ａ）に示すように、摺動する物体の速度ｖに依存しないクーロン摩擦であるが、上述の例の場合、感光体ドラム１と現像ローラ３はトナー層を介して接触していることから、トナー層の状態の影響を受けやすく、摩擦力が速度の関数となると推定される。例えば、摩擦力ｐと速度ｖとが図８（ｂ）に示すような関数となる場合、領域ａにおいて負に傾きを持つことから、上述の式１２でｃ＜−ｐ′となり、ζ＜０の負減衰となる。このような、自励振動の発生をあらかじめ予測することは非常に困難である。

一般的な強制振動による共振の場合の対策は、外力の周波数と振動体の固有振動数とを離すことや、ダンピング部材を付与すること等によって振動振幅を小さくすることであるが、自励振動の基本対策は系を安定化させることである。

上述の自励振動の場合では、減衰比ζを正にすることである。したがって、系を安定化させる対策としては、固有振動数を変化させたり、ダンピング機構を付与したりする大掛かりなものではなく、わずかな対策でよい。

本実施形態において、現像ユニット２に防振部材８を適用した後の防振効果は以下のとおりである。図９は、現像ユニット２に防振部材８を適用した後、現像ユニット２に取り付けた加速度ピックアップの出力をＦＥＴサーボアナライザにて周波数分析した結果を示している。８４Ｈｚ近傍の振動は、−７０．６ｄＢまで低減されていることが分かる。

上述のバンディング発生時と同様、１００個余りの試作条件にて防振効果を統計的に分析した結果は以下の通りである。

防振部材８が現像ユニット２から受ける荷重を１００ｇとしたとき、８４Ｈｚ近傍の振動強度の平均値は−７２．６ｄＢ、標準偏差σは５．６となった。振動強度のばらつきが正規分布と仮定すると、バンディングが画像として現れる−５０ｄＢは４．０２σとなり、バンディング発生確率は０．００３％になった。

また、上述の実施形態では、現像ニップ部９における摩擦力が、感光体ドラム１と現像ローラ３との相対速度の関数となり変化することに自励振動の原因がある。これは、現像ニップ部９と回転軸１０とを結ぶ直線Ｌと、現像ニップ部９における摩擦力ｐの方向と直線Ｌとのなす角度αを持ち、摩擦力が現像ユニット２を回転させる方向の成分を持つためである。したがって、現像ニップ部９における接線上に回転軸１０を設けることにより、摩擦力が現像ユニット２を回転させる方向の成分は０になるため、自励振動を防止することができる。

別の実施形態として、現像ユニット２が、直線状のガイド部材３０に沿って直動するものを図１０に示す。この場合、現像ニップ摩擦力が鉛直方向で、直動方向が水平方向であるため、上述と同様に角度αがゼロとなり、自励振動を防止することができる。角度αがゼロにならない場合も上述と同様の防振部材にて自励振動を防止することができる。

最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

従来の現像ユニットの構成の例を示す図である。 本発明に係る画像形成装置の構成を示す図である。 本発明に係る現像ユニットの構成を示す図である。 防振部材の構成を示す図である。 防振部材（摩擦付与部材）の荷重と振動強度との関係を示す図である。 現像ローラのゴム層のバネ定数測定結果を示す図である。 現像ユニットに取り付けた加速度ピックアップの出力結果を示す図である。 摺動する物体の速度と摩擦力との関係を示す図である。 現像ユニットに取り付けた加速度ピックアップの出力結果を示す図である。 現像ユニットの構成の他の例を示す図である。

符号の説明

１−感光体ドラム
２−現像ユニット
３−現像ローラ
７−加圧部材
８−防振部材
１００−ディジタル複写機

Claims (7)

1. 設定された周速で回転するとともに周面に像を担持する像担持体と、
   前記像担持体とは異なる周速で回転し、周面に所定の厚さの現像剤層を有し、かつ前記現像剤層を介して前記像担持体に接触する現像剤担持体を備えるとともに、前記像担持体の周囲に配置される現像ユニットと、
   前記現像ユニットを前記像担持体に対して接近および離間自在に支持する支持手段と、
   前記像担持体に接近する方向に前記現像ユニットを付勢する付勢手段と、
   前記支持手段とは別に設けられるとともに、前記像担持体に現像剤が供給される際における前記現像ユニットの振動を減衰させる負荷を前記現像ユニットに加える負荷印加手段と、
   を備えたことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記負荷印加手段は、前記像担持体に接近または離間する前記現像ユニットに摩擦力を作用させる防振部材であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記防振部材と前記現像ユニットと間の摩擦力が、前記像担持体と現像剤担持体との間の圧接力の１／４〜１／５０であることを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記防振部材は、スポンジ部材を含むとともに、摩擦力を発生させる摺動部の前記現像ユニットに対する動摩擦係数が略０．２の材料で構成されることを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
5. 前記防振部材は、画像形成装置の内部フレームと前記現像ユニットとの間に介在することを特徴する請求項２〜４のいずれか１項に記載の画像形成装置。
6. 前記現像ユニットは、前記像担持体の回転軸に平行な方向に沿って前記現像ユニットの上面または底面のいずれか一方の面の近傍に配置された回転軸を中心に回動し、
   前記防振部材は、前記現像ユニットの他方の面に接触するように配置されることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
7. 前記現像ユニットは、直線状のガイド部材に沿って直動することにより前記像担持体に圧接し、
   前記防振部材は、前記直線状のガイド部材自体の摩擦負荷が、前記圧接部の圧接力の１／４〜１／５０であることを特徴とする請求項２または３に記載の画像形成装置。

Images