JP5277608B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明はプリンタ、複写機、ファックス等、画像形成装置において空気輸送によって現像剤を搬送するに際して問題となる脈動搬送による現像ムラの発生を抑える機構に関するものである。

トナーとキャリアを有する２成分現像剤を用いた現像装置では、トナーとキャリアの摩擦帯電によって電荷を発生させ、像担持体である感光体の表面の潜像を現像している。従来の２成分現像方式を利用した現像装置では、水平に配置された２本のスクリュを回転させることで現像剤の撹拌、搬送を行う構成をとっているのが一般的である。しかし、この方式では帯電付与ができるほど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の劣化を招いていた。

そこで、現像部とは別に帯電量を調整する撹拌部を設け、ドクタの帯電付与能力を下げることで現像剤に与えるストレスを低減する方法が考えられる。その例として、特許文献１に開示されるように、現像部とは別に撹拌部を設け、当該撹拌部で現像剤と補助トナーとを混合撹拌して、トナーの帯電量を立ち上げた後、混合現像剤を現像部へ搬送供給する現像装置が知られている。

このように現像部と攪拌部とを別に設ける現像装置は、スクリュを用いて撹拌と搬送を同時に行っている現像装置に比べ、現像部での未帯電、弱帯電トナーが少なくトナー補給時のトナー飛散、地汚れが起こり難い利点がある。ただ、撹拌部と現像部の間で現像剤を循環させる手段が必要である。その方法としてはエアポンプやモーノポンプを用いた空気輸送によって行われている。

このような空気輸送方式では、攪拌部から現像部への搬送経路の内部において現像剤の密度が一定でなく、脈動している状態で搬送される。そのままの状態で現像部に供給されると、図７に示すように搬送部材上で現像剤の嵩が場所によって異なり、汲み上げ量のばらつきを生じる。

ポンプを用いた搬送では脈動を起こすことはよく知られている。脈動を防止するために、複雑に入り組んだ供給路としたり、供給口の形を工夫することが行われている。例えば、液体を搬送する場合の脈動防止装置として、特許文献２での提案などがある。この提案によれば、細い管を複数束ねたものを通過させて流れを細分化し、再び混ぜ合わせることで、脈動を抑える。しかし、現像剤のような粉体を搬送するにあたっては、複雑な供給路や細い管を通すと架橋したり、詰まりを生じることがあり、特許文献２の提案技術を利用することは適さない。

特許第３３９１９２６号公報 特開平１０−２２７２８０号公報

その他に脈動させずに搬送するやり方もないわけではないが、搬送経路内に粉体が詰まった状態になるため非常に効率が悪い。また大型のポンプが必要になってしまう。本発明は、エア搬送を用いた画像形成装置において、現像部への現像剤供給が脈動しても、現像スリーブに搬送される現像剤の量が変動しない装置を提供することを目的とする。

上記課題は、本発明にしたがって、像担持体上の潜像を現像する現像部と、ポンプ作用を利用してエアによって現像剤を現像部に供給する供給装置とを備えた画像形成装置において、エア搬送による現像剤の脈動を整える搬送量調整機構を、供給装置の現像剤供給方向で下流側であって、供給装置と現像部との接続部近傍に設け、搬送量調整機構はスクリュで構成され、その現像剤搬送速度は現像部での現像剤移送速度よりも遅く設定されることで、解決される。

搬送量調整機構であるスクリュの巻き方向が、現像部に設けられたスクリュの巻き方向と逆であれば、一層効果的である。搬送量調整機構と現像部との境界に現像剤搬送を制約する仕切りを設ければ、一段と好ましい。搬送量調整機構であるスクリュのピッチを現像部に設けられたスクリュのピッチより小さくするのも、好都合である。搬送量調整機構であるスクリュの外径を現像部に設けられたスクリュの外径より小さくしても、よい。

搬送量調整機構が現像剤滞留部であり、搬送量調整機構での供給口が供給装置から搬送量調整機構への供給路より小さく設定されているのも、好適である。供給装置と搬送量調整機構を結ぶ供給路からの現像剤の送り方向が、搬送量調整機構から現像部への現像剤搬送方向と逆向きのベクトル成分を備えるように設定されているのも、効果的である。搬送量調整機構の容積が脈動する現像剤１周期分の体積以上を収容可能であれば、一層好都合である。

請求項１に係る発明によれば、ポンプ作用を利用したエア搬送による現像剤の脈動を整える搬送量調整機構を、現像剤を現像部へ供給する供給装置の現像剤供給方向で下流側であって、供給装置と現像部との接続部近傍に設けるので、現像剤の脈動供給が抑えられ、画像ムラを抑制できる。

さらに、搬送量調整機構をスクリュで構成し、その現像剤搬送速度は現像部での現像剤移送速度よりも遅く設定されているため、搬送速度を遅くした部分で現像剤が滞留することで現像剤の嵩が増え、脈動の影響が低減される。その結果、汲み上げ量が安定する。また、脈動分を見越して余分に現像剤を搬送しなくてもよく、現像部に搬送する量が最小限で済む。搬送量調整機構であるスクリュの巻き方向が、現像部に設けられたスクリュの巻き方向と逆であれば、逆巻きのスクリュによって本来の搬送方向とは反対方向に現像剤が搬送され、筐体に衝突し、搬送量調整機構の部分が現像剤で満たされた後に搬送されていくため、逆巻き部分で本来の方向に搬送される現像剤の流れと反対方向に搬送される現像剤の流れが干渉して、搬送量に変動が少なくなる。

搬送量調整機構と現像部との境界に現像剤搬送を制約する仕切りを設ければ、供給された現像剤は搬送量調整機構内に溜まってゆき、しかる後に仕切りを超えた量が搬送されていく。仕切りを通過させることで現像部内での搬送量の変動が低減する。搬送量調整機構であるスクリュのピッチを現像部に設けられたスクリュのピッチより小さくすれば、現像剤が複数の羽根にまたがって分散供給されるため、脈動の影響が少なくなる。また、搬送量が低下して現像剤が滞留するため、搬送量が安定する。搬送量調整機構であるスクリュの外径を現像部に設けられたスクリュの外径より小さくすれば、外径が小さいことにより搬送量が低下して現像剤が滞留するため、搬送量が安定する。

搬送量調整機構が現像剤滞留部であり、搬送量調整機構での供給口が供給装置から搬送量調整機構への供給路より小さく設定されていれば、搬送量調整機構から現像部への供給口の上流側に現像剤が滞留し、脈動を小さくできる。供給装置と搬送量調整機構を結ぶ供給路からの現像剤の送り方向が、搬送量調整機構から現像部への現像剤搬送方向と逆向きのベクトル成分を備えるように設定されることで、現像剤の供給がいったん搬送量調整機構で上流に向くため、供給された現像剤が一度筐体にぶつかった上で、搬送量調整機構から現像部へ搬送されてゆく。従って、搬送量のばらつきが少なくなる。搬送量調整機構の容積が脈動する現像剤１周期分の体積以上を収容可能であれば、１周期分の現像剤を収容して平均化するため、搬送量を均一化する効果が高い。

このように搬送量調整機構を設けることで、エア搬送による脈動の影響を低減することができ、スクリュの搬送量の変動幅が、従来型の機械式現像ユニット並になることが確認できた。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。図１の画像形成装置は、多色画像形成装置であり、中間転写ベルト８５の下方にイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４色に対応する作像ユニットが配置されている。各色作像ユニットの構成は同様であり、感光体１ａ、帯電部８２ａ、現像部１０、一次転写部８４ａ、クリーニング部８３ａなどで構成されている。現像剤としてはトナーとキャリアを有する二成分現像剤が用いられている。

まず、感光体１ａは帯電部８２ａによって一様な帯電され、次に不図示の光書き込みユニットによって、作成する画像に対応した静電潜像が感光体表面に形成され、現像部１０によって潜像が現像されて、トナー像が感光体上に形成される。このようにして各作像ユニットで出来た各色のトナー像はそれぞれ一次転写部８４ａによって中間転写ベルト８５の表面に順に転写される。これによって中間転写ベルト８５上にはフルカラーのトナー像が形成される。このフルカラートナー像は、各色作像ユニットの下方に配された給紙カセット８７から供給される転写紙へ二次転写部８８によって転写され、定着部８９を通過することで、熱によってトナーが溶け転写紙にカラー画像が定着される。符号９０は作成された画像を排出する排紙部である。

図２は現像装置の全体図である。現像装置は、現像部１０と、撹拌部４０と、それらの間に現像剤を循環させる現像剤供給装置５０と、供給路３０，３１で構成されている。現像部１０では、磁石が内蔵配置された現像スリーブ上に現像剤が汲み上げられ、磁気ブラシを用いて感光体上の潜像を現像する。現像部内部には現像スリーブ３７（図１）と平行に２本のスクリュ１１，１２が配置されている。現像部１０に供給された現像剤はスクリュ１１の回転によって搬送され、現像スリーブ３７に汲み上げられ、現像に供される。現像後の現像剤は再びスクリュ１１によって搬送され、スクリュ１１の下流側に設けられた受け渡し部（図示せず）を経由して、スクリュ１２の側へ移動する。その後、スクリュ１２の下流に設けられた排出口から撹拌部４０に向けて排出される。

図３は撹拌部４０の断面図である。撹拌部４０は、図２から理解できるように、現像部１０とは離れた場所に設けられている。その筐体は逆円錐型など、下方の排出口に向かうほど径が細くなる形状をしており、その上面には現像部１０から供給路３０を介して現像剤が搬入される現像剤供給口が、下面にはロータリフィーダへとつながる排出口３４が設けられている。中心には下から上向きに現像剤を搬送するスクリュ４３が、その外側には回転可能な板状の攪拌羽根４４が２本設けられており、これら撹拌部材の回転動作によって現像剤を対流させ撹拌する。外側の撹拌羽根４４とスクリュ４３とは同じモータ４５によって回転する。撹拌羽根４４の回転数は任意に調整可能である。図２に示されるように、トナーがトナーカートリッジ２０から別のモータ２２の回転によって搬送管２１を通って撹拌部４０に補給されると、撹拌羽根４４とスクリュ４３を回転させて現像剤とトナーを撹拌、混合する。現像部１０でのスクリュ撹拌に比べ強力に現像剤を撹拌することで、撹拌性能が高くなっている。スクリュ４３の回転によって下から上に持ち上げられた現像剤は、外側を回転する撹拌羽根４４の回転に伴って下方に動き、再びスクリュ４３の周囲に寄せ集められる。このように攪拌部４０の収容容器では絶えず現像剤が対流している。この対流により、容器内全体が、均一に混合される。

現像剤供給装置５０はロータリフィーダとエアポンプとによって構成されている。ロータリフィーダは、撹拌部４０から現像部１０への現像剤供給量を調整するためのものであり、内部には羽根車５１が配置され、モータ５５（図２）によって回転する。羽根車５１が回転すると一定量ずつの現像剤が下方出口５２から排出される構成である。現像剤は、エアポンプ２８の圧力による空気の流れにのって、供給路３１を介して供給口３２から現像部１０へ搬送される。供給路３１はチューブなどで構成されている。

現像部１０から供給路３０を介した撹拌部４０への現像剤搬送は重力を利用して行うのに対して、撹拌部４０から現像部１０への現像剤搬送はエアポンプを使用している。そのため、供給路３１内の現像剤は、図４に示すように、密度の高い部分と低い部分が交互に存在して、脈動状態になっている。このように脈動した状態で現像部１０へ供給されると、スクリュ１１上の現像剤の嵩は、図８に示すように、場所によって大きく変動した状態となり、搬送されていく。従って、現像スリーブに汲み上がる現像剤の量も変動し、汲み上げ不良や搬送部材として使用されるスクリュのピッチの周期に応じたムラ（スクリュピッチムラ）が生じる。

次に、現像部への供給において脈動の影響を低減する搬送量調整機構の構成について説明する。この搬送量調整機構が本発明の特徴を成すものである。搬送量調整機構は、供給路３１の終端以降、現像部１０への入口に設けられ、現像剤供給装置５０からの脈動する搬送量を整え、現像部１０のスクリュ１１に搬送するようになっている。搬送量調整機構は現像部１０の外部に設けられ、現像スリーブ３７に対向していないため、この部分で現像剤の嵩が変動しても画像に影響はない。

搬送量調整機構として簡単な構成として考えられるのは、現像部１０の搬送スクリュ１１と軸を共通化した延長スクリュである。スクリュの搬送量はピッチや条数、外径などによって決まる。搬送量調整機構の搬送速度をその下流部に比べ遅くすることで、搬送量調整機構に現像剤の滞留部を作ることができる。この滞留部からスクリュ１１で現像剤を搬送していくことで脈動の影響を低減できる。

図５は、スクリュ型搬送量調整機構の一例を示しており、羽根の巻き方向を現像部１０のスクリュ１１と逆巻きにしたスクリュ３６である。供給口周辺では逆巻きスクリュ３６によって、本来の搬送方向ａとは反対方向ｂに現像剤を送る作用が働く。脈動によって現像剤が大量に供給された場合、現像剤は反対方向ｂに搬送され、現像部筐体にぶつかり、逆巻きの空間は徐々に現像剤で満たされる。この空間からあふれた現像剤が、本来の搬送方向ａへ送り出されるため、大量に搬送されることはない。また、一度筐体に衝突した現像剤の流れと、供給された現像剤の流れが供給口周辺で干渉するため、脈動が抑えられる。供給量が少ない場合は、エアポンプのエアの勢いによって逆巻き部分に滞留した現像剤が押し出される。従って、脈動の影響を低減できる。

搬送量調整機構としてスクリュを用いる場合、上記のような逆巻き構成以外にも、図１０に示すように、本来の羽根の巻き方向のままでスクリュの外径を小さくしても、本来の搬送方向ａへの搬送速度が低下するため、同様の効果を得ることができる。

スクリュのピッチは作像部１０と同じである必要もない。図６に示すように、スクリュピッチを供給路３１の開口径より小さくすると、矢印のように現像剤の流れがスクリュピッチの間隔で分断され、搬送量を均一にする効果が高まる。また、１ピッチの羽根で押し出される現像剤の量が少なくなり、下流部へ送り出される嵩の変動が少なくなる。このように搬送量調整機構として用いるスクリュの搬送速度を作像部に存するスクリュに比べて下げることで図６のように現像剤の搬送量が安定する。搬送量を変化させなかった場合（図７）に比べて脈動の影響を低減することができ、現像スリーブへの汲み上げ量が安定する。

図８は、搬送量調整機構と現像部１０との間に仕切り板を設ける例を示しており、現像剤供給部の直後に仕切り板３５を設けることでバッファを作り、搬送量を調整する。仕切り板３５には中央にスクリュの軸が通る穴が明けられており、左右または上下に分割して（半体化）、現像ユニットに取り付けることができるようになっており、現像剤が移動可能なように上側領域が途切れていたり、谷状に形成されている。現像剤が供給されると、仕切り板３５があるため、まず仕切り板３５より供給部側に現像剤が貯まっていく。さらに現像剤が供給されると、現像剤は仕切り３５を越えて現像部１０へ搬送される。供給部から仕切り板の間が搬送量調整機構として機能している。仕切りがあるために必要以上に搬送されることが防止でき、搬送量が安定する。

搬送量調整機構の長さは、脈動する１周期分の現像剤を収容できる大きさ以上あることが望ましい。具体的には脈動する周期をＴ、脈動する１周期分の体積をＭ１とすると、Ｍ１×Ｔ以上の現像剤を貯めることができる大きさである。このように構成すると脈動する１周期分の現像剤を平均化しながら搬送することができ、搬送量を安定させる効果が高くなる。

さらに、現像部１０への供給路３１を工夫することで脈動を低減可能である。図９は、搬送量調整機構に現像剤滞留部を備えた構成を示すもので、供給路３１から現像部１０へ現像剤を供給する供給口３２周辺の図である。

供給口３２の径ｄ２は供給路３１の径ｄ１に比べ細くなっている。供給口３２の径ｄ２は、脈動している現像剤搬送量が最も多くなるときの径L１より小さく、最も少なくなるときの径L２よりも大きく設定されている。現像剤搬送量が多い場合、その剤流が供給口３２を通過する際、その上流部に剤溜まりを形成する。反対に搬送量が少ない場合は、上流部に形成された剤溜まりの剤を崩しながら増量して現像部１０へ供給されることになる。このように供給口の径を設定することで、供給口の上流部に剤溜まりを作り、その量を増減させることで搬送量を調整でき、脈動の影響を吸収することができる。

図１０は、供給路３１からの現像剤の送り方向が現像部１０への現像剤搬送方向と逆向きベクトル成分を備える構成を示し、その結果、供給路３１の現像部近傍における現像剤送り方向とスクリュ１１の軸とによりなす角が鋭角になっている。供給路３１から供給された現像剤は勢いよく現像部筐体に衝突する。その後、スクリュ上に分散して落下する。衝突、分散によって脈動を解消する効果がある。

現像装置内の現像剤脈動の影響について例を挙げて説明する。
以下の条件の現像剤、現像部、攪拌部、供給装置を用いて実験を行った。
現像剤：トナー粒径６μｍ、キャリア粒径３５μｍ、トナー濃度７wt%
現像部１０
現像スリーブ：径１８ｍｍ、汲み上げ量７８mg/cm^２
スクリュ：外径１４mm、ピッチ２５ｍｍ、回転数５０８ｒｐｍ
撹拌部４０
現像剤容量：８０ｇ、スクリュ回転数４００rpm、攪拌羽根の回転数１００rpm
供給装置５０
エアポンプ：剤搬送時の搬送圧力平均１２kpa、エア流量６L/min
ロータリフィーダ：羽根外径５０mm、回転数６０ｒｐｍ
供給装置５０から現像部１０への供給路３１：内径８ｍｍシリコンチューブ、揚程：３０ｃｍ、長さ４５ｃｍ

搬送量調整機構として、現像部のスクリュとは逆巻きのスクリュを用いた。このときの供給装置の搬送量は脈動しており、供給装置５０から搬送量調整機構への供給量は８g/sから２７g/sであった。搬送量調整機構によって搬送量が調整された結果、搬送量調整機構からスクリュ１１への搬送量は１５g/sから２０g/sとなっていた。現像スリーブに対向するスクリュの搬送量が１５g/sより少なくなるとスクリュのピッチに応じたムラがベタ画像に現れ、好ましくない。また搬送量が２０g/s以上になると嵩がスクリュ羽根の高さ以上になり、現像剤後の現像剤がスクリュに回収されずに、スリーブに付着したまま連れ回る。スリーブ上の現像剤濃度が低下するため、好ましくない。

比較のために、搬送量調整機構を設けずに供給装置から直接現像部に供給した。その結果、スクリュ上の搬送量も脈動の影響を受け、１２g/sから２２g/sまで変動した。スクリュの搬送量が１２g/sとなった場所では、スリーブへの汲み上げ量が低下し、画像濃度が低下した。また、供給装置からの搬送量の下限値が１５g/sとなるようにロータリフィーダの羽根車の回転数を上げたところ、現像部に現像剤の大半が偏り撹拌部内の現像剤容量が低下し、現像剤とトナーとの撹拌が良好に行われなかった。なお、エア搬送を用いない従来の現像装置の場合、スクリュ１１の搬送速度はトナー濃度や現像剤の劣化によって変動するが、１５〜２０g/sである。

画像形成装置の概略構成図である。 現像部と、撹拌部と、それらの間に現像剤を循環させる現像剤供給装置の配置構成を示す図である。 攪拌部の断面図である。 搬送される現像剤が脈動する様子を説明する図である。 搬送量調整機構として逆向きにしたスクリュの構成例である。 スクリュピッチを供給路の開口径より小さく構成の図である。 スクリュピッチに工夫をしない場合に、現像部におけるスクリュ上の現像剤の嵩が場所によって大きく変動した状態を説明する図である。 搬送量調整機構と現像部の間に仕切りを設ける例を示す図である。 搬送量調整機構での供給口が供給装置から搬送量調整機構への供給路より小さい例である。 供給路からの現像剤の送り方向が現像部への現像剤搬送方向と逆向きのベクトル成分を備える構成例である。

符号の説明

１０ 現像部
１１，１２ スクリュ
２０ トナーカートリッジ
２１ 搬送管
２２ モータ
２８ エアポンプ
３０，３１ 供給路
３２ 供給口
３６ 逆向きスクリュ
３７ 現像スリーブ
４０ 攪拌部
４５ モータ
５０ 現像剤供給装置
５５ モータ

Claims (9)

1. 像担持体上の潜像を現像する現像部と、ポンプ作用を利用してエアによって現像剤を現像部に供給する供給装置とを備えた画像形成装置において、
   エア搬送による現像剤の脈動を整える搬送量調整機構を、供給装置の現像剤供給方向で下流側であって、供給装置と現像部との接続部近傍に設け、
   搬送量調整機構はスクリュで構成され、その現像剤搬送速度は現像部での現像剤移送速度よりも遅く設定されていることを特徴とする画像形成装置。
2. 搬送量調整機構であるスクリュの巻き方向が、現像部に設けられたスクリュの巻き方向と逆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. 搬送量調整機構と現像部との境界に現像剤搬送を制約する仕切りを設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
4. 搬送量調整機構であるスクリュのピッチを現像部に設けられたスクリュのピッチより小さくすることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
5. 搬送量調整機構であるスクリュの外径を現像部に設けられたスクリュの外径より小さくすることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
6. 像担持体上の潜像を現像する現像部と、ポンプ作用を利用してエアによって現像剤を現像部に供給する供給装置とを備えた画像形成装置において、
   エア搬送による現像剤の脈動を整える搬送量調整機構を、供給装置の現像剤供給方向で下流側であって、供給装置と現像部との接続部近傍に設け、
   供給装置と搬送量調整機構を結ぶ供給路からの現像剤の送り方向が、搬送量調整機構から現像部への現像剤搬送方向と逆向きのベクトル成分を備えるように設定されていることを特徴とする画像形成装置。
7. 搬送量調整機構の容積が脈動する現像剤１周期分の体積以上を収容可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の画像形成装置。
8. 像担持体上の潜像を現像する現像部と、ポンプ作用を利用してエアによって現像剤を現像部に供給する供給装置とを備えた画像形成装置において、
   現像剤の搬送速度が前記現像部での現像剤移送速度よりも遅く、前記現像部の搬送スクリュと軸を共通化し、前記共通化されている現像部の搬送スクリュと同一方向に前記現像剤を搬送するスクリュを前記供給装置の現像剤供給方向で下流側であって、供給装置と現像部との接続部近傍に設けることを特徴とする画像形成装置。
9. 像担持体上の潜像を現像する現像部と、ポンプ作用を利用してエアによって現像剤を現像部に供給する供給装置とを備えた画像形成装置において、
   現像剤の滞留部を、供給装置の現像剤供給方向で下流側であって、供給装置と現像部との接続部近傍に設け、前記供給装置と前記滞留部を結ぶ供給路からの現像剤の送り方向が、前記滞留部から前記現像部への現像剤搬送方向と逆向きのベクトル成分を備えていることを特徴とする画像形成装置。

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