JP4362336B2 - 現像剤供給装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式の画像形成装置、特に２成分現像剤または１成分現像剤を用いたプリンタ、ファクシミリ、複写機、およびそれらの複合機等に備える現像剤供給装置、ならびにそれを備えた画像形成装置に関する。

従来、電子写真方式の画像形成装置に備える現像剤供給装置は、現像装置に現像剤収容容器を取り付けたものであり、乾式の現像剤（トナーまたはキャリア、トナーとキャリアの混合物など、以下省略して「トナー」という。）をハードボトルなどの収納容器に収容し、収容容器内部にトナー攪拌手段兼排出手段としてのアジテータを設けたものや、容器壁面に螺旋溝を設けて容器を回転させることにより内部のトナーを移動させ排出するもの、または排出機構を持たずに手で補給するもの等がある。

一般にトナーを消費した後のハードボトルはユーザー側で廃棄され、新しいトナーボトルに入ったトナーをメーカーがユーザーに届けるというシステムになっていた。
しかし近年、環境問題が重視され、トナー容器の回収、リサイクル性が求められてきた。そこで、回収する際にかさばらないフレキシブルな材料で作られた、減容可能なソフト容器の提案がされている。

電子写真方式の乾式トナーは一般に流動性が悪く、凝集しやすい性質があるために、ソフト容器からの排出が非常に困難とされている。なぜなら容器がソフトであるためにアジテータや排出機構を付加しにくく、一方、アジテータや排出機構などを設けるとソフト容器の減容が妨げられたり、回収したソフト容器に手でトナーを補給する際にハンドリング性が悪い等の問題がある。

そこで、ソフト容器内のトナーにエアーを供給することによって、従来のアジテータや排出機構などに代わる撹拌、流動化機能を付加する技術が開発されている。一例として、吸引型の粉体ポンプ（一軸偏心スクリューポンプ）によりトナーを吸引排出する技術や、トナーが排出されるとともにトナー容器を減容させる技術（以下自動減容型トナー搬送方法）が本発明者等から提案されている。

袋状のトナー収納容器から現像装置にトナーを搬送する方法として、（１）吸引型粉体ポンプを使用して袋状トナー収納容器からトナーを吸引して現像装置に補給する方式と、（２）エアーポンプを袋状トナー収納容器に取り付けて、吸引型粉体ポンプと併用してトナーを現像装置に補給する方式がある。
これらの技術としては、袋状トナー収納容器内部のトナーを吸引排出することにより、トナー排出後の容器を減容（容器がしぼんだ状態）させるものなどが開示されている（例えば、特許文献１、２）。
また、袋状トナー収納容器などに用いる開閉弁つきの口金部材については、例えば、下記特許文献３に開示されている。

上記の袋状トナー収納容器を備えたトナー搬送装置は、図６に示すように、トナー収納容器と吸引手段を備えた現像装置とが主にフレキシブルなパイプｐ（またはチューブ）などによって接続されており、吸引手段の吸引圧力（負圧）によってパイプｐ内をトナーｔが搬送されるようになっている。したがって、画像形成装置内におけるトナー収納容器と、現像装置との配置を制約なしに設定できるという利点がある。
特開２００１−３２４８６３号公報 特開２００２−７２６４９号公報 特開平１０−５００６１０号公報

しかしながら、パイプｐ内では吸引ポンプの発生する負圧力によりトナーｔが順次図の右方向に動いていく。このとき経路の断面全体をトナーｔが動いていくのが理想であるが図７（ａ），（ｂ）に示すように、吸引圧力が低下、あるいは容器側の経路断面が吸引手段側より大きい場合、トナーｔの流速が低下する。粉体は一般的な流体とは異なり粉体間の摩擦力、及び付着力が有り、粉体と経路内の壁面摩擦も大きいため、流速が極端に遅くなるとトナーｔが動きにくくなる。

すると、パイプｐの断面に滞留するトナーｔ１が発生し、トナーｔが動いている断面積が減少しながらトナーｔが移動する。パイプｐ内の摩擦損失が大きくなるため、この現象はパイプｐの距離が大きくなるほど顕著になる。
このような滞留トナーｔ１は、周囲の環境条件などにより経時で劣化し、パイプｐへの付着力が増加し、さらに滞留トナーｔ１を増加させて、パイプｐを完全に塞いでしまう恐れがあるという問題があった。

加えて、図７（ｂ）に示すように、トナー収納容器と吸引手段との間を結ぶパイプｐの断面積Ａが吸引手段側で小さくなってＡ１となっているような場合には、パイプｐ中に滞留するトナーｔ１をいっそう増加させるという問題があった。
そこでこの発明の目的は、搬送路内に残留現像剤を生じない現像剤供給装置を提供することにある。

請求項１の発明は、電子写真方式の画像形成装置に用いる現像剤収納容器と、
該現像剤収納容器内の現像剤を負圧力によって現像装置に搬送するための吸引手段と、
前記現像剤収納容器に挿入されたノズルが一端に設けられるとともに前記吸引手段内の搬送空間が他端に設けられた前記現像剤収納容器と現像装置との間を接続する搬送路とを備え、
該搬送路を介して前記現像剤が前記現像装置に搬送される現像剤供給装置において、
前記吸引手段が一軸偏心スクリューポンプであり、該一軸偏心スクリューポンプ内の前記現像剤が搬送される空間の断面積をＡｐ、前記ノズル中の搬送路の断面積をＡｎ、前記ノズルと前記一軸偏心スクリューポンプとの間の搬送路の断面積をＡｔとするとき、
Ａｐ＞Ａｔ＞Ａｎ
であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、搬送路の断面積のうち、一軸偏心スクリューポンプ内の現像剤が搬送される空間の断面積をＡｐ、ノズル中の搬送路の断面積をＡｎ、ノズルと一軸偏心スクリューポンプとの間の搬送路の断面積をＡｔとするとき、Ａｐ＞Ａｔ＞Ａｎであるので、搬送路中に現像剤が滞留することなく、現像剤収納容器から吸引手段に搬送される。また、現像剤が一軸偏心スクリューポンプ内へ現像剤収納容器からスムーズに搬送される。さらに、ノズルから搬送路に現像剤を滞留させることなく搬送することができる。

請求項２の発明は、前記現像剤収納容器は、袋状の現像剤収容部を備えることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の現像剤供給装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。

請求項３の発明によれば、請求項１または２に記載の現像剤供給装置を用いて、搬送路に現像剤を滞留させることなく搬送する画像形成装置を提供する。

請求項１に記載の発明によれば、搬送路の断面積のうち、一軸偏心スクリューポンプ内の現像剤が搬送される空間の断面積をＡｐ、ノズル中の搬送路の断面積をＡｎ、ノズルと一軸偏心スクリューポンプとの間の搬送路の断面積をＡｔとするとき、Ａｐ＞Ａｔ＞Ａｎであるので、搬送路中に現像剤が滞留することなく、現像剤収納容器から現像装置に搬送することができる。したがって、現像剤の搬送量が安定する。また、搬送路の断面積が吸引手段側よりも現像剤収納容器側の方が大きい場合、一般的な流体であれば断面積の大きい方が流速が遅くなるため、容器側の速度が吸引手段側より遅くなる。

流速が遅くなっても、流量は一定であるから排出量は断面積に因らず変わりないが、粉体の場合は流体とは異なり粉体間の摩擦力及び付着力が有り、粉体と搬送路内の壁面摩擦も大きいため、流速が極端に遅くなると現像剤が動きにくくなる。こうなると現像剤は、搬送路の断面積中に滞留する部分が生じ、現像剤収納容器から吸引手段までの距離が遠いほど顕著になる。したがって、容器側の断面積を、吸引手段側より小さくしておけば、流速の低下が起きず（吸引手段側より流速を速くする）断面全体を現像剤が移動するため、現像剤が搬送路中に滞留することがない。
したがって、搬送路内に残留現像剤を生じない現像剤供給装置を提供することができる。

また、請求項１に記載の発明によれば、搬送路の断面積Ａｔがノズルの断面積Ａｎより大きいので、ノズルから搬送路に現像剤を滞留させることなく搬送することができる。また、ノズル内の現像剤は、上部からの現像剤の自重によって圧縮されやすい。従って確実に現像剤の滞留を防止するために、搬送路の断面積より小さくする。すると、ノズル上部の圧力が高くなるため、容器から現像剤が排出されやすくなるため、現像剤の残量が低減できる。加えて、排出口が小さくなるため、容器を脱着するときのトナー汚れが低減可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１または２に記載の現像剤供給装置を用いて、搬送路に現像剤を滞留させることなく搬送する画像形成装置を提供することができる。また、現像剤を安定供給することにより、画像形成時の画像濃度の安定化が実現できる。

図１に本発明による画像形成装置に用いる現像剤供給装置の一例の構成図を示す。
現像剤供給装置（以下、「トナー供給装置」という。）ＴＳは、トナー（現像剤）４５０を収容するトナー収納容器（現像剤収納容器）４００と現像装置２００に取り付けた粉体ポンプ（吸引手段）３０４、両者の間を接続するチューブ３０１、トナー収容容器４００にエアーを供給するエアー供給手段６００、チューブ３０１とエアー供給手段６００とを結ぶノズル５１０などを備える。

なお、この発明において、搬送路とは、トナー収納容器４００に挿入されたノズル５１０が一端に設けられるとともに粉体ポンプ３０４が他端に設けられたチューブ３０１、ノズル５１０内のトナー搬送路５１３、粉体ポンプ３０４内の空間Ｑをいう。
現像装置２００は、不図示の感光体に形成された静電潜像を顕像化するためのものであり、その一部にホルダ３０５に収容された粉体ポンプ３０４を取り付け、粉体ポンプ３０４の作動により現像装置２００内にトナー４５０が供給される。

粉体ポンプ３０４は、不図示の駆動手段を接続した駆動軸３１０により回転が伝達される吸引型一軸偏芯スクリューポンプ（通称モーノポンプ）を用いる。その構成は、金属などの剛性をもつ材料で偏芯したスクリュー形状につくられたロータ３０２、ゴム材料で内側が２条のスクリュー形状につくられ固定されて設置されるステータ３０３、これらを包みかつ粉体の移送路を形成する樹脂材料などで作られたホルダ３０５よりなる。また、トナー導入孔２４１は、粉体ポンプ３０４から供給されたトナー４５０を現像装置２００に供給するためのものであり、現像装置２００の開口部に形成されている。このような構成によって、ロータ３０２の回転によりポンプに強い負圧力（吸引圧）を生じトナー収納容器４００のトナー４５０を吸引して、現像装置２００に供給することが可能となる。

トナー収納容器４００内のトナー４５０は重力によってノズル５１０付近に随時落下しトナー４５０が粉体ポンプ３０４の吸引力を利用して容器外へ移送されるが、電子写真のトナー４５０は流動性が悪いため、粉体ポンプ３０４でノズル５１０付近のトナー４５０を吸引した後、トナー収納容器４００内で架橋現象（なくなったトナーの部分に空洞ができる）が生じることがある。

このためトナー補給量が不安定になったり、トナー収納容器４００内のトナー４５０の残量が極端に多くなったりすることがあるが、本例ではエアー供給手段６００を設けて、エアー供給手段６００からノズル５１０を介してトナー収納容器４００内へエアーを供給する。エアー供給手段６００は従来公知のエアーポンプであり、毎分１〜３Ｌ程度の流量のエアーを発生する。トナー収納容器４００内部へエアーを供給することにより、トナー４５０を攪拌・流動化し、トナー４５０の架橋現象を防止したり、架橋したトナー４５０を供給したエアーにより崩すことができるため、トナー補給量の安定化、容器内トナー残量の低減化が実現できる。

チューブ３０１は、内径φ２〜１０のチューブ状で、例えば、ポリウレタン、ニトリル、ＥＰＤＭ、シリコン等のフレキシブルでかつ耐トナー性に優れたゴム材料や、ポリエチレン、ナイロン等プラスチック材料を用いることが非常に有効である。
容器ホルダ５００は樹脂等で形成され、トナー収納容器４００の保護ケース４０１を保持する。保護ケース４０１は剛性を有する紙、段ボールやプラスチック等の材料で作られ、袋状のトナー収納袋４１０の周囲を包み、一部が口金部材４２０と係合した構造となっている。

袋状のトナー収納袋４１０は、ポリエチレンやナイロン等の樹脂製又は紙製のシート状（８０〜２００μｍ程度の厚み）のフレキシブルなシートを単層または複層構成にして折り紙製作のように作られ、袋上部には容器の内圧が過度に上昇するのを防止するフィルタ４１１が設けられている。また収納したトナー４５０を排出しやすくするため、上下方向の中間部より底部の排出口に向かって適宜絞り込まれた形状に形成されている。

口金部材４２０は、ケース４２１とシール材４２２からなり、ケースはポリエチレンやナイロン等の樹脂製からなり、これらはシート４１０と同一部材を使用することが、リサイクルの観点で望ましく、袋容器への溶着も容易にすることができる。
ノズル５１０は容器ホルダ５００と一体または脱着可能に形成されている。また、ノズル５１０は、エアー供給路５１１がトナー搬送路（搬送路）５１３に合流するように構成されている。

保護ケース４０１は剛性を有し、例えばトナー収納容器４００を交換する際、トナー収納容器４００を容器ホルダ５００へ装填・離脱する操作性を容易にする。また、トナー収納容器４００内のトナー品質特性の保護・維持にも有効である。
なお、ブロー成形法などにより形成された一般的な口金部材４２０とトナー収納容器４００が一体構造をなすフレキシブルなトナー収納容器を用いてもよい。

使用後のトナー収納容器４００は保護ケース４０１とトナー収納袋４１０が容易に分離でき、保護ケース４０１は折り畳むことができ、袋状のトナー収納袋４１０はフレキシブルであるので、従来のカートリッジ、ハードボトルに比較し、容器がかさばらず、運搬や保管時の取扱が容易である。また、収納スペースをとらないため、ユーザー先からメーカーへ回収物流コストの大幅な低減が可能となる。

本トナー補給装置ＴＳは画像形成装置内において、搬送路にフレキシブルなチューブ３０１を用いているので、現像装置２００、トナー収納容器４００の設置位置や場所も制限されず、ユーザーのトナー収納容器４００の交換時の操作性がよい位置にトナー収納容器４００を設けることができる。

次に一軸偏芯スクリューポンプの原理について説明する。
図２（ａ）に示すようにロータ３０２はステータ３０３に挿入され、ロータ３０２が回転することにより内部に形成される空間が移動し負圧力が発生する。この空間にトナー４５０が充填されトナー４５０が搬送される原理となっている。
図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ矢視断面図である。ロータ３０２の回転により、ロータ３０２は上下に回転しながら往復運動を行う。ここで搬送される空間（搬送路）Ｑ（ロータ１回転当たりの移送量）は、ステータ３０３の軸心３０３Ｃのロータ３０２Ｃの軸心からの偏心量をＥ、ロータの直径をＤｒ、ステータのピッチをＨｓとすると、
Ｑ＝２Ｅ×Ｄｒ×Ｈｓ
で表される。従って１軸偏心スクリューポンプの内のトナーが搬送される空間Ｑの断面積Ａｐは、
Ａｐ＝２Ｅ×Ｄｒ
となる。

この発明のトナー供給装置ＴＳは、ノズル５１０のトナー搬送路５１３の断面積をＡｎ、チューブ３０１の断面積をＡｔとすると
Ａｐ＞ＡｎかつＡｐ＞Ａｔ、すなわち、チューブ３０１、トナー搬送路５１３、空間Ｑとからなる搬送路の断面積のうち、トナー収納容器４００側の断面積ＡｎまたはＡｔを粉体ポンプ３０４側の断面積Ａｐよりも小さくすることにより、トナー３０１の流速低下を生ぜずに確実にトナー３０１を搬送することができるため、トナー３０１の滞留を防止できる。

同様の理由でＡｔ＞Ａｎとなるようにノズル５１０の断面積Ａｎ及びチューブ３０１の断面積Ａｔを設定すれば、トナー４５０の滞留を防止することができる。
一軸偏心スクリューポンプはポンプの回転速度とポンプ内を通過する空間の流速、及び吸引圧力が比例関係にあるためよってポンプの回転速度が遅くなると吸引圧力は低下する。従ってチューブ及びノズルの断面積を小さくしすぎると、経路の壁面とトナーの摩擦力が大きくなるため（圧力損失が大きくなる）トナーを移送できない。そこで、チューブの断面積Ａｔ及びノズルの断面積Ａｎはポンプの回転数に応じて適正な値に設定すれば、確実にトナーを移送することができる。

また、駆動条件に制限あり、ポンプの回転速度が低い値を使用せざるを得ないときは、一軸偏心スクリューポンプのロータとステータの食い込み量を大きくすることにより吸引圧力を高くして、確実にトナーを移送させる。したがって、チューブの断面積Ａｔ及びノズルの断面積Ａｎを一軸偏心スクリューポンプの発生吸引圧力に応じて適正値に設定してもよい。

このように構成されたトナー供給装置ＴＳにおける、トナー収納容器４００からチューブ３０１を介して現像装置２００へ搬送されるトナー４５０の作用について説明する。
粉体ポンプ３０４により吸引されたトナー４５０は、エアー供給手段６００によりエアーを送り込まれて攪拌されながら、トナー収納容器４００からノズル５１０内のトナー搬送路５１３、チューブ３０１、粉体ポンプ３０４内の空間Ｑを介して現像装置２００の上部に設けられたトナー導入孔２４１に搬送され、現像装置２００内に落下し、不図示の撹拌搬送部材により攪拌されながら現像部に移送される。

このとき、ノズル５１０のトナー搬送路５１３の断面積Ａｎ、チューブ３０１の断面積Ａｔ、粉体ポンプ３０４とチューブ３０１との接続部分の粉体ポンプ３０４の空間Ｑの断面積Ａｐとの間には、Ａｐ＞ＡｎかつＡｐ＞Ａｔの関係があるので、トナー４５０がチューブ３０１内に滞留することがない。
従って少なくともトナー収納容器４００側の断面積Ａｎは、吸引手段側の断面積Ａｔと等しくするか、小さくすれば上記速度の低下が起きることはないので、トナーの滞留が発生することはない。

図３は本発明の別の例のトナー供給装置である。図１と比較して、トナー収納容器２１の構成のみが異なる。すなわち、図４に示すようにトナー収容容器２１にエアーポンプが接続されていない点とフィルタは設置されていない点が異なる。

この例では、トナー４５０は吸引手段であり粉体ポンプ３０４の一種である一軸偏心スクリューポンプの吸引力によって現像装置に供給され、トナー４５０が消費されていくと、それに伴ってトナー収納容器２１が減容していくのが特徴である。なお、図１に示した例では、トナー収納容器４００内のトナー４５０の攪拌のためにエアー供給手段６００によってエアーを供給したが、この例では、トナー収納容器２１がトナー４５０の消費に伴って減溶する際、トナー４５０が攪拌される。なお、トナー４５０の使用後はトナー収納容器２１は図５にようにコンパクトに折り畳まれる。

この発明の現像剤供給装置の概略構成図である。 （ａ）は粉体ポンプの中の移動空間の説明図、（ｂ）は、（ａ）のＡ矢視断面図である。 この発明の別の現像剤供給装置の概略構成図である。 図３のトナー容器の拡大斜視図である。 図４のトナー容器を折り畳んだ様子を説明するための図である。 従来の現像剤供給装置のパイプの中を搬送される現像剤の様子を説明するための図である。 （ａ）は、図６のパイプ中に滞留したトナーを説明するための図であり、（ｂ）は、吸引手段側が細くなったタイプのパイプにトナーが滞留している様子を説明するための図である。

符号の説明

２１，４００ トナー収納容器（現像剤収納容器）
２００ 現像装置
２４１ トナー導入孔
３０１ チューブ（搬送路）
３０２ ロータ
３０３ ステータ
３０４ 粉体ポンプ（吸引手段）
３０５ ホルダ
３１０ 駆動軸
４０１ 保護ケース
４１０ トナー収納袋
４１１ フィルタ
４２０ 口金部材
４２１ ケース
４２２ シール材
４５０ トナー（現像剤）
５１０ ノズル
５１１ エアー供給路
５１３ トナー搬送路（搬送路）
６００ エアー供給手段
Ｑ 空間（搬送路）
ＴＳ トナー供給装置（現像剤供給装置）

Claims (3)

1. 電子写真方式の画像形成装置に用いる現像剤収納容器と、
   該現像剤収納容器内の現像剤を負圧力によって現像装置に搬送するための吸引手段と、
   前記現像剤収納容器に挿入されたノズルが一端に設けられるとともに前記吸引手段内の搬送空間が他端に設けられた前記現像剤収納容器と現像装置との間を接続する搬送路とを備え、
   該搬送路を介して前記現像剤が前記現像装置に搬送される現像剤供給装置において、
   前記吸引手段が一軸偏心スクリューポンプであり、該一軸偏心スクリューポンプ内の前記現像剤が搬送される空間の断面積をＡｐ、前記ノズル中の搬送路の断面積をＡｎ、前記ノズルと前記一軸偏心スクリューポンプとの間の搬送路の断面積をＡｔとするとき、
   Ａｐ＞Ａｔ＞Ａｎ
   であることを特徴とする現像剤供給装置。
2. 前記現像剤収納容器は、袋状の現像剤収容部を備えることを特徴とする請求項１に記載の現像剤供給装置。
3. 請求項１または２に記載の現像剤供給装置を用いたことを特徴とする画像形成装置。

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