JP5019954B2 - 現像装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、現像装置及び画像形成装置に関するものである。

プリンタ、複写機、ファクシミリ及びこれら少なくとも２つの機能を備える画像形成装置において、感光体上に形成された静電潜像を現像する装置に２成分現像方式を採用しているものが多い。この２成分現像方式を利用した現像装置は、水平に配置された２本のスクリューを回転させることで現像剤の撹拌、搬送を行う構成が一般的である。

しかしながら、この２本のスクリューを回転させることで現像剤の撹拌、搬送を行う装置では現像剤を十分に撹拌を行うことができず、現像剤への帯電付与は大部分をドクタ部での摺擦に依存している。その結果、ドクタ部での強いストレスを現像剤に与えることによってトナーへの添加剤埋没やキャリアの膜削れといった現像剤劣化が問題になっている。

そこで、ドクタ部でのストレスを低減させることを目的とした現像装置が検討されてきた。しかし、ドクタ部でのストレスを低減すると現像剤への帯電付与が十分に行われず、未帯電のトナーが現像領域に搬送され、トナー飛散や地汚れの問題が発生しやすい。これを解決するには撹拌部で十分に帯電させた現像剤を現像ローラに供給すればよい。

特許第３３４９２８６号公報 特開２００５−２６２１５６号

例えば、特許文献１に記載されているように現像手段と撹拌部を別体で配置し、撹拌部でトナー濃度と帯電量を適正に制御した現像剤を循環手段によって現像部に搬送する方式がある。この構成ではドクタ部の低ストレス化、トナーへの十分な帯電付与が行えるが、新たに撹拌部を追加したことによるストレスの増大が懸念される。

ストレスの少ない現像剤の撹拌方式としては、内部に撹拌羽を設けた容器を回転させることで撹拌を行う容器回転型撹拌方式がある。
容器回転型の撹拌装置は回転数の増加に伴い搬送量は増大する。しかし、臨界回転数（剤に働く遠心力＝重力となる回転数）を超えると搬送量は急激に低下しゼロになる。そのため比較的低い回転数で用いられる。例えば特許文献２では０．５から５ｒｐｍの回転数で駆動している。このように回転が遅いため、投入物を連続的に撹拌し排出を行う場合、容器の大きさの割に搬送量が少ないという問題があった。

本発明は、上記した従来の問題を解消し、小型で、現像剤へのストレスが少なく、搬送量、帯電量ともに優れた撹拌部を備えた現像装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、２成分現像剤を用いて像担持体上の潜像を現像する現像手段と、該現像手段とは別に配置され、前記現像手段から排出された現像剤とトナー補給部から補給されたトナーを撹拌する撹拌部と、前記現像手段から排出された現像剤を前記撹拌部に送り、前記撹拌部から排出された現像剤を前記現像手段に戻す循環経路とを有する現像装置において、
前記撹拌部は、中空の撹拌容器と該容器の内側に固定された複数の撹拌部材を備え、撹拌容器の軸線を水平方向にして回転させることで撹拌を行う装置であって、
前記撹拌容器の軸線方向における両端には開口部を有し、その片方の開口部からは前記現像手段から排出された現像剤が補給され、他方の開口部からは当該撹拌容器内で前記現像手段から排出された現像剤と、前記補給されたトナーとを混合撹拌した現像剤を排出するように構成されており、
前記撹拌容器を以下の式で示される回転数Ｎよりも大きな回転数で撹拌する際、前記攪拌容器が一回転する間に少なくとも一度、回転を一時停止することを特徴とする現像装置を提案する。
Ｎ＝√（ｇ／ｒ）×６０／（２π）
ただし、ｒは撹拌容器の回転半径（ｃｍ）、ｍは現像剤の質量、Ｎは１分あたりの回転数である。

なお、本発明は、前記撹拌容器を撹拌中にその角加速度を変化させると、効果的である。
さらに、本発明は、前記撹拌部の排出部近傍に設けられ、当該撹拌部から排出された現像剤を一旦収容する現像剤収容部を設けると、効果的である。

さらにまた、本発明は、前記撹拌部材がコイルであると、効果的である。

さらにまた、本発明は、前記撹拌部材が角度をもった羽であると、効果的である。
さらにまた、本発明は、前記撹拌部の入口側に剤を強制的に送り込むスクリューを設けると、効果的である。

さらにまた、本発明は、前記撹拌容器の内壁を帯電付与部材で構成すると、効果的である。
また、上記の目的を達成するため、本発明は、請求項１ないし７の何れかに記載の現像装置を用いることを特徴とする画像形成装置を提案する。

本発明によれば、臨界回転数以上の回転数で間欠的に撹拌動作を行うことで、搬送量を確保でき、撹拌装置の小型化に寄与する。また、帯電量の高い現像剤を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
図１は本発明の現像装置全体の構成を示す斜視図である。
図１において、符号１は像担持体としての感光体ドラムであり、図示しない帯電器及び光書込み装置によって表面に静電潜像が形成される。符号１０は現像手段であり、図２に示すように、現像手段１０はトナーとキャリアを有する乾式の二成分系現像剤Ｄを収容した現像ケース１１と、感光体ドラム１に対向配置されて回転する現像ローラ１２と、回転しながら現像剤Ｄを撹拌しながら搬送するスクリュー１３，１４と、前記現像ローラ１３によって磁力で吸い上げ、吸着され、ドクターブレード１５で均一が厚さに均されてから、感光体に接する事で感光体上の静電潜像をトナーで現像してトナー像を形成する構成である。
また、図１の符号２０は現像剤排出路としての循環往路であり、現像器内部で循環する現像剤を外部の撹拌部３０に向けて排出する。撹拌部３０では現像剤とトナーを撹拌し、適切な帯電量、トナー濃度に調整する。調整された現像剤は現像剤循環路としての循環復路２１を経由して再び現像手段１０に搬送される。
撹拌部３０は、現像手段１０とは別体のユニットとして構成されていて、別位置に配置され、現像剤のトナー濃度と帯電量を一定に調整する機能を有する。また、循環往路２０の撹拌部直前には、新しいトナーを補給するトナーカートリッジ１６が撹拌部３０にトナー補給路１７を介して接続されている。

撹拌部３０は、図３に示すように、内部に撹拌部材としての撹拌羽３２を複数供えた円筒状の撹拌容器３１であって軸線が水平方向の回転軸４０をもち、該軸が基台４１によって両側で支持されている。基台４１には撹拌容器を回転駆動させるモータ４２が設けられている。モータ４２と撹拌容器３１はギア４３を介して駆動連結されており、モータ４２の回転数は任意に調整可能である。撹拌容器３１の両端には入口開口部３３と出口開口部３４が設けられ、入口開口部３３から現像剤とトナーが補給され、出口開口部３４から撹拌されトナー濃度と帯電量の適正化された現像剤が排出される。

なお、撹拌部３０の入口開口部３３にはスクリュー３５を設置し、現像剤とトナーを補給する際にスクリューを用いて撹拌部３０内に強制的に送り込むように構成してある。撹拌部３０の回転動作によって取り込める現像剤の量は少ないため、上記のように強制的に取り込むことで供給量を増加させることができ、撹拌部３０の小型化が可能になる。

現像手段１０から撹拌部３０へ接続する循環往路２０は重力による自由落下を利用している。循環往路２０は内部が空洞のパイプであり、現像後の現像剤は自動的に撹拌部３０へ送られ、入口開口部３３を通ってスクリュー３５によって内部へに取り込まれる。また、撹拌部３０から現像１０部への循環復路２１はオーガによって現像剤を現像手段１０まで搬送している。なお、オーガの代わりにエアポンプ、粉体ポンプによる搬送などが利用することができる。

撹拌部３０の出口側には、該撹拌部から排出される現像剤を一時的に収容する現像剤収容部４４を設けており、現像剤収容部４４を設けることにより、現像手段１０へ常に一定量の現像剤を送り出すことができる。すなわち、現像剤収容部４４を設けると、撹拌部３０からの排出量が変動する場合もその変動を吸収できるため、常に現像手段１０へ一定量の現像剤を供給することができる。しかも、撹拌部３０から排出直後の現像剤は空気を含んでおり、密度が一定ではないが、このような現像剤収容部４４を設けると、空気を含んでいる現像剤も現像剤収容部４４内で滞在している間に嵩が減るため、現像剤の嵩密度を落ち着かせる効果もある。

画像形成を繰り返すと現像剤収容部４４内の現像剤が空になる可能性が考えられるが、その場合は一旦画像形成を中止して、現像剤の循環のみ行いバッファに現像剤を溜める。その後、現像剤収容部４４にある程度たまったのを確認してから再び画像形成を開始する。通常は画像形成を行わない間を利用して現像剤の循環のみを行いバッファに現像剤を溜めておくように制御してもよい。

現像手段１０から撹拌部３０へ現像剤を搬送する循環往路２０の一端にトナー濃度検知部材２２が設けられており、現像後の現像剤のトナー濃度を検知する。検知されたトナー濃度に応じてトナーカートリッジ１６から新しいトナーがトナー補給路１７を介して適量補給する。補給量に応じて撹拌部の回転数を調整することで、適切なトナー濃度帯電量の現像剤を現像部に供給できる。

図３に示す撹拌部３０は、撹拌容器３１の内壁に複数設けた撹拌羽３２の形状がコイル状である。このようにコイル状の撹拌羽３２の場合、現像剤を上下に移動させる能力は低いが、現像剤の搬送量が安定する。
また、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す本発明の別の実施形態の撹拌部６０では軸線を水平方向にして回転させる撹拌容器６１の内壁に４枚の角度を付けてねじった撹拌羽６２ａ〜６２ｄで構成された撹拌部材が設けられている。この４枚の撹拌羽６２ａ〜６２ｄは入口側と出口側で同じ方向へ９０度回転した位置にねじられて取り付けられている。

このように板をひねり撹拌羽６２ａ〜６２ｄとして用いた撹拌部６０の場合、回転に伴い現像剤は羽の上に載せられ、容器の上部まで持ち上げられ、落下する運動を繰り返す。図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は撹拌部６０が回転した際の現像剤Ｄの動きを表す図である。撹拌部６０の回転に伴い、内部の現像剤Ｄ全体がゆっくりと持ち上げられてから落下する。この運動により現像剤Ｄとトナーが混合される。

なお、撹拌羽６２ａ〜６２ｄの角度を調整することで現像剤の滑り落ちる方向を変化させることができる。角度が小さい場合は一回の回転で搬送される距離が長くなるため、撹拌性は低下する。一方、角度を大きくすると一回転で搬送される距離が少ないため撹拌性は高い。従って、必要な搬送量と撹拌性によって角度を決定すればよい。

撹拌羽６２のねじり角度は３０度から９０度が適当である。
なお、図３及び図４の撹拌容器３１，６１の内部を帯電付与部材で構成すると、回転時の容器内壁と現像剤との摩擦によってトナーへの帯電付与が期待でき望ましい。

本実施の形態では、容器全体を回転させる撹拌方式は撹拌の回転数が３００ｒｐｍ以下でありスクリューに比べると低速である。
そのため、撹拌時に現像剤同士の衝突による現像剤へのストレスは小さく、現像剤の劣化が起こり難い撹拌方式である。そのため撹拌部を新たに設けることによるストレスの増加はほとんどないという利点がある。

このような容器回転型の撹拌装置は搬送量、帯電量は回転数に依存する。回転が速いほど内部の現像剤に働く遠心力が増大し、現像剤は高く持ち上げられる。従って回転数が大きいほど、内部での現像剤の移動が促進され摩擦帯電量も大きくなる。

搬送量は回転が速いほど多くなる。しかし、臨界回転数（剤に働く遠心力＝重力となる回転数）を超えると遠心力によって剤が撹拌容器にはりつき搬送量は急激に低下し最悪の場合ゼロになる。遠心力の影響を避けるため、比較的低い回転数で制御すればよいが、容器の大きさの割に空隙が多く搬送量が少ないという欠点がある。また、回転数が低いと混合は十分に行われるが、現像に必要な帯電量を確保できない場合がある。

そこで、本発明者らは実験結果等から検討すると、臨界回転数以上の回転数で撹拌する場合、回転を不連続に行うことで搬送量はそれほど低下せず、帯電量の高い剤が得られることが判明した。なお、臨界回転数とは剤に働く遠心力＝重力であり、このとき剤に働く力のつりあいの式
ｍｒ（２πＮ／６０)^２＝ｍｇから
Ｎ＝√（ｇ／ｒ）×６０／（２π）である。
ただし、ｒは撹拌容器の回転半径（ｃｍ）、ｍは現像剤の質量、Ｎは１分あたりの回転数である。

Ｎは現像剤を撹拌容器から排出できるか否かの臨海回転数であり、この回転数以下で回転させると現像剤は排出される。従って、現像剤を撹拌容器から排出できないＮｒｐｍ以上の回転数で回転している場合、撹拌容器が一回転する間に少なくとも一度回転数をＮｒｐｍ以下に下げることで、遠心力による搬送性の低下を防止し、所望の搬送量と現像に必要な帯電量を確保することができる。

また、容器が半回転する時間は３０／Ｎである。この間隔で回転動作を中断し、再び回転するように制御すると内部の現像剤は撹拌容器の最上部まで搬送され、落下する運動を繰り返す。このように制御すると、現像剤の衝突による摩擦帯電が効率的に行われ、高い帯電量を持った現像剤を供給でき効果的である。よって、回転を中断する時間は√（４ｒ／ｇ）にすることが望ましいことが判った。

撹拌容器が半回転し、現像剤が撹拌容器の頂上から落下する場合、完全に落下し終えるまでにかかる時間は√（４ｒ／ｇ）である。回転を止めてから√（４ｒ／ｇ）待てば容器に張り付いていた現像剤はすべて落下すると考えられる。

その後、再び回転をはじめるように制御すると効率がよく撹拌できる。
回転数の制御例を図６に示す。
図６のａは間欠的に回転数をゼロにする場合、ｂは間欠的に回転数をＮ未満にする場合、ｃは角加速度を変化させる場合の制御例である。いずれの場合も撹拌容器が一回転する間に一度回転数がＮ未満になっている。ａのように回転を止める制御を行うと現像剤の帯電量は高くなる。またｂのように回転を止めない場合搬送量の低下が少ない。ｃのように角加速度を変動させると、制御は複雑になるが、搬送量の時間的な変動が少ない。なお、図６では回転数を周期的に変動させているが、必ずしも周期的である必要はない。

長さ９０ｍｍ,外径４０ｍｍで内部に６０度ねじった羽を４本設けた撹拌部６０について搬送量と、帯電量の回転数依存性を調べた。
図７は回転数と搬送量の関係を示す図である。

図７において、□は一定の回転数で駆動した比較例である。●は図５の方法で間欠的に回転を行った場合の実施例である。
比較例のように、一定の回転数で駆動すると回転数が２１０ｒｐｍを超えると搬送量がゼロになる。それに対し本実施例のように間欠動作で回転させた場合は、搬送量は維持できる。

図８は０．５ｓ間隔で間欠的に回転動作を行った際の回転数と帯電量の関係を示す図である。回転数が高いほど帯電量が高くなることがわかる。
本実施例の構成では、２１０ｒｐｍ以上の回転数で間欠的に回転を行うことで、それ以下の一定の回転数で撹拌する場合に比べると、帯電量が高い現像剤を十分に供給することが可能になる。

本発明に係る画像形成装置の一例を示す垂直断面図である。 現像装置を示す断面説明図である。 本発明の撹拌部の一例を示す断面説明図である。 ａ，ｂ，ｃは本発明の別の撹拌部を示す左右断面図及び断面説明図である。 撹拌容器内の現像剤の動きを示す説明図である。 撹拌容器の回転数の制御例を示すグラフである。 本発明と従来の回転数と流量の関係を示すグラフである。 撹拌容器の回転数と帯電量の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 現像手段
３０，６０ 撹拌部
３１，６１ 撹拌容器
３２，６２ａ〜６２ｄ 撹拌羽

Claims (8)

1. ２成分現像剤を用いて像担持体上の潜像を現像する現像手段と、該現像手段とは別に配置され、前記現像手段から排出された現像剤とトナー補給部から補給されたトナーを撹拌する撹拌部と、前記現像手段から排出された現像剤を前記撹拌部に送り、前記撹拌部から排出された現像剤を前記現像手段に戻す循環経路とを有する現像装置において、
   前記撹拌部は、中空の撹拌容器と該容器の内側に固定された複数の撹拌部材を備え、撹拌容器の軸線を水平方向にして回転させることで撹拌を行う装置であって、
   前記撹拌容器の軸線方向における両端には開口部を有し、その片方の開口部からは前記現像手段から排出された現像剤が補給され、他方の開口部からは当該撹拌容器内で前記現像手段から排出された現像剤と、前記補給されたトナーとを混合撹拌した現像剤を排出するように構成されており、
   前記撹拌容器を以下の式で示される回転数Ｎよりも大きな回転数で撹拌する際、前記攪拌容器が一回転する間に少なくとも一度、回転を一時停止することを特徴とする現像装置。
   Ｎ＝√（ｇ／ｒ）×６０／（２π）
   ただし、ｒは撹拌容器の回転半径（ｃｍ）、ｍは現像剤の質量、Ｎは１分あたりの回転数である。
2. 請求項１に記載の現像装置おいて、前記撹拌容器を撹拌中にその角加速度を変化させることを特徴とする現像装置。
3. 請求項１または２に記載の現像装置において、前記撹拌部の排出部近傍に設けられ、当該撹拌部から排出された現像剤を一旦収容する現像剤収容部を設けたことを特徴とする現像装置。
4. 請求項１ないし３の何れかに記載の現像装置において、前記撹拌部に備えた前記撹拌部材がコイルであることを特徴とする現像装置。
5. 請求項１ないし３の何れかに記載の現像装置において、前記撹拌部に備えた前記撹拌部材が角度をもった羽であることを特徴とする現像装置。
6. 請求項４または５に記載の現像装置において、前記撹拌部の入口側に剤を強制的に送り込むスクリューを設けたことを特徴とする現像装置。
7. 請求項６に記載の現像装置において、前記撹拌容器の内壁を帯電付与部材で構成することを特徴とする現像装置。
8. 請求項１ないし７の何れかに記載の現像装置を用いることを特徴とする画像形成装置。

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