JP5569260B2 - 現像装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、現像装置および画像形成装置に関し、さらに詳しくは、二成分系現像剤の撹拌機構に関する。

複写機やプリンタあるいはファクシミリ装置や印刷機などの画像形成装置においては、潜像担持体である感光体に対して形成された静電潜像を現像装置により可視像処理し、可視像をシートなどに転写することにより記録出力を得ることができる。

現像に用いられる現像剤には、磁性あるいは非磁性トナーのみの一成分系現像剤の他にトナーとキャリアとを混合した二成分系現像剤がある。
二成分系現像剤は、攪拌混合時に生起される摩擦帯電作用によりトナーを帯電させて感光体上の静電潜像に対して静電吸着できる状態とされる。

現像装置には、磁力により周面に現像剤を穂立ちさせて感光体上の静電潜像に向け現像剤を供給する現像スリーブと、現像スリーブに対して撹拌混合した現像剤を供給する撹拌スリーブとを備えた構成が知られており、感光体上の静電潜像の可視像処理にトナーが消費された現像剤が現像装置に回収されるようになっている。

一方、現像剤に含まれるトナーは消費されると画像濃度が低下することから補給対象となるものであり、補給の際には撹拌スリーブとしてスクリューオーガを備えた搬送スクリューの上部あるいは軸方向端部から注ぎ込まれる状態で補給されることがある。

トナーの補給は、トナー濃度センサなどの検知手段による現像剤濃度の検知結果に応じて、トナー補給部に収容されているトナーを繰り出す補給部材の回転量を制御することで行われる。補給されたトナーは、現像槽内に収容されている現像剤に注がれると、補給部材の近傍に配置されている搬送スクリューによりキャリアと撹拌混合されて摩擦帯電されることにより所定の帯電量を付与された状態で現像スリーブに向け供給される。

一般に、現像剤の攪拌混合による摩擦帯電処理は、補給されたトナーが現像スリーブに向け移送されるまでの僅かな時間の間にスクリューオーガの回転による撹拌効果を利用してトナーの分散・帯電を行うようになっている。
このため、トナーの出入りが激しい場合には補給されたトナーが十分に分散できないことがあり、撹拌効果による帯電が不十分となり、結果として帯電量不足のトナーが現像スリーブに達してしまうと浮遊トナーによる感光体の地肌汚れや飛散による周辺部への汚染等の不具合が発生し、品質低下を招く虞がある。

スクリューオーガを用いた場合には、撹拌パドルの場合と同様にスクリュー部分に接触する現像剤が撹拌されるに過ぎず、現像槽内全域でのトナーの分散・帯電を行うことが困難となる場合がある。
このようなスクリューオーガによる不具合を解消する目的で、回転軸に対して外側およびこれの内側にそれぞれスクリューオーガを設けて現像剤を複数の流れにより撹拌することも考えられるが、各スクリューオーガ同士の間の隙間では撹拌されない現像剤が存在することもあり、依然として十分な撹拌による帯電処理が行えないのが現状である。

そこで、いずれの場合においても撹拌効率を上げるために、回転部材の回転速度の増加や回転数の増加あるいはスクリューオーガ同士の隙間を狭めることが考えられる。

しかし、このような対策を採った場合、撹拌時での現像剤からの移動抵抗増加が顕著となることにより駆動系への負担が増加したり、撹拌時での現像剤への衝撃増加や摩擦による発熱などによりトナーの劣化等を含むダメージが大きくなり、現像剤のストレス増加に繋がるという新たな問題が生じる。
現像剤のストレス増加が起こると、キャリアのコート膜剥がれによる帯電能力の低下やトナーの外添剤が埋没することによる帯電能力の低下および流動性の悪化が発生する。流動性の悪化によっては帯電能力の変化や転写率の変化を招き、画質低下の原因となる。

一方、現像装置内での攪拌混合方式に代えて、現像装置とは別位置にて現像剤および補給トナーの攪拌混合を行うための現像剤収容部を設け、現像装置との間に現像剤の循環経路を接続した構成が提案されている（例えば特許文献１）。
この構成においては、漏斗状の断面形状を有する現像剤収容部の内部に攪拌スクリューおよびこれの外周囲で回転する攪拌羽根が備えられており、攪拌スクリューによる現像剤の上昇移動と上昇した現像剤の自由落下時に攪拌羽根による攪拌が行われ、落下位置に設けられた気流搬送手段により攪拌混合された現像剤を現像装置に向け移送するようになっている。

しかし、上記特許文献に開示されているような構成、特に、現像装置とは別に攪拌混合部を設けた構成においては、現像剤の収容部の構成とこの内部に収容される現像剤との関係によっては十分な攪拌効率が得られない場合がある。
特許文献に開示されているように、現像剤収容部での攪拌部の構成は、下部に位置する漏斗状断面部に連続する円筒部で構成された収容部本体からなり、攪拌羽根により生起される遠心力により現像剤が円筒部に向けて漏斗状断面部を上昇するとともに、中心部に位置する攪拌スクリューによって現像剤が持ち上げられ、円筒部内で上昇した後、自重落下するようになっている。

攪拌羽根により漏斗状断面部の形状と遠心力とを利用して上昇した現像剤は、円筒部の重力方向長さが漏斗状断面部のそれに比べて長いと、上昇力が多く採れないことにより、攪拌スクリューにより上昇した現像剤との混合率が低下する。
従って、攪拌スクリューにより持ち上げられた現像剤は円筒部の長さに関係なく上昇するものの、その上昇端では攪拌羽根の遠心力を利用した現像剤が混ざる量が少なくなり、現像剤が現像剤収容部内で上下に循環する過程で上下方向での攪拌が十分に行われないという現象が発生する。

一方、現像剤収容部に収容される現像剤の量に影響する現像剤の嵩密度が高い場合には、収容部下部に位置する現像剤への負荷増加によりストレスが増加する。このため、下側の現像剤には上の現像剤の重さで圧力がかかり、攪拌トルクの増加とともに、前述したように、経時的に現像剤の劣化を招いて画質低下を生じする虞がある。

本発明の目的は、上記従来の現像装置、特に、現像剤供給部とは別に設けられている現像剤の攪拌部での攪拌性の向上を、現像剤へのストレスを増加させることなく、かつ大型化することなく達成することができる構成を備えた現像装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明は次の構成よりなる。
（１）潜像担持体に形成されている静電潜像をトナーとキャリアとからなる現像剤により可視像処理する現像部と、該現像部から回収した現像剤を再度該現像部の現像剤供給部に向け移送する循環部とを備え、該循環部には、上記現像部に至る前の位置に現像剤の一部を収容する収容部が設けられ、該収容部内には上記回収された現像剤と新たに補給されるトナーとを撹拌混合する攪拌部材が設けられている現像装置において、上記収容部は、円筒部または円錐部とその下方に連設される逆円錐部とで形成され、上記収容部内に収容される現像剤の静止粉面位置が、上記円筒部または円錐部と上記逆円錐部との接合部近傍で、現像剤の嵩密度上限では上記円筒部または円錐部と上記逆円錐部との接合部以下に設定され、現像剤の嵩密度下限では上記円筒部または円錐部と上記逆円錐部との接合部以上に設定されていることを特徴とする現像装置。

（２）上記円筒部または円錐部の長手方向長さは上記逆円錐部のそれよりも短い関係とされていることを特徴とする（１）記載の現像装置。

（３）上記現像剤の収容部には、上記円筒部または円錐部とその下方に連設される逆円錐部の連設方向に軸方向を有する回転軸に装備された攪拌部材が配置され、該攪拌部材は、上記現像剤を上記逆円錐部から上記円筒部または円錐部に向け移動させる回転方向が設定されていることを特徴とする（１）または（２）のうちの一つに記載の現像装置。

（４）上記攪拌部材の回転数として、上記円筒部または円錐部と逆円錐部との接合部よりも上記円筒部または円錐部側に上記現像剤を持ち上げ、該円筒部または円錐部に達した現像剤を重力により落下させることができる汲み上げ量が得られる回転数を設定されていることを特徴とする（３）記載の現像装置。

（５）上記現像剤の収容部には、上記円筒部または円錐部の上部に設けられた現像剤供給部と上記逆円錐部の下部に設けられている現像剤排出部とが備えられていることを特徴とする（１）乃至（４）のうちの一つに記載の現像装置。

（６）（１）乃至（５）のうちの一つ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。

本発明によれば、現像部とは別に設けられて現像剤の攪拌部材を備えた収容部に収容される現像剤が、その静止粉面位置を、収容部の構成をなす円筒部または円錐部と逆円錐部との連続位置に相当する接合位置近傍に設定され、攪拌部材により逆円錐部から円筒部または円錐部に向けて移動するようになっている。これにより、現像剤は、逆円錐部を移動することで重力方向下層に向けた荷重の影響を軽減され、下層の現像剤が受けるストレスを小さくすることができる。
しかも、現像剤中のトナーが補充された場合においても、その総容量が現像剤の上昇移動に支障がない量に設定されていることにより、上昇移動と落下という循環過程において分散性を高めてストレス軽減を図ることができる。

本発明実施例による現像装置が用いられる画像形成装置の構成を示す断面図である。 図１に示した現像装置を含むトナー供給機構の全体構成を説明するための図である。 本発明実施例による現像装置の要部構成の一例を示す模式図である。 本発明実施例による現像装置に用いられる現像剤収容部の構成を説明するための模式図である。 現像剤の嵩密度と粉面位置との関係を説明するための図である。 劣化現像剤における弛み嵩密度の変化を示す線図である。 図４に示した現像剤収容部での現像剤の移動状態を説明するための図であり、（Ａ）は、円筒状部を用いた場合を、（Ｂ）は円錐状部を用いた場合をそれぞれ示している。 現像剤の粉面位置に関し、本発明実施例による構成と、粉面位置を円筒状部側に位置させた場合の構成と、粉面位置を逆円錐状部側に位置させた場合の構成とをそれぞれ示す図である。 図８に示した構成を対象とした攪拌性能の比較を説明するための図である。 重力方向と直角な方向での攪拌性能の比較を説明するための図である。 図８に示した構成を対象として、攪拌部材に係る攪拌トルクの違いを説明するための線図である。 本発明実施例による現像装置に適用される攪拌部材を対象とした駆動トルクと回転数の関係を説明するための線図である。 本発明の別実施例による現像装置の要部構成を示す図である。 図１３に示した構成の一部変形例を示す図である。

以下、図面により本発明を実施するための形態を実施例として説明する。
図１は、本発明による現像装置を用いる画像形成装置を示しており、同図に示す画像形成装置は、タンデム方式によるフルカラープリンタであるが、本発明は、これに限らず、複写機やファクシミリ装置などにも適用することができる。
図１に示す画像形成装置は、装置本体１００内で中間転写ユニット１０に設けられている未定着像担持体としての中間転写ベルト１０Ａの下面に対向して、各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）に対応した作像部６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｋが並設されている。

これらの作像部６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｋは、作像プロセスに用いられるトナーの色が異なる以外は同一構造である。なお、以下の説明では、各作像部で共通する数字の符号のみを挙げて説明し、トナーの色を示すアルファベットの符号は省く。

各作像部６は、潜像担持体としての感光体ドラム１と、感光体ドラム１の周囲に配設された帯電手段２、現像装置３、クリーニング手段４等で構成されている。
感光体ドラム１上で、作像プロセス（帯電工程、露光工程、現像工程、転写工程、クリーニング工程）が行われ、感光体ドラム１上に所望のトナー像が形成される。
感光体ドラム１は、不図示の駆動部によって図中、時計回り方向に回転駆動され、帯電手段２の位置で表面が一様に帯電される（帯電工程）。
感光体ドラム１の表面は、不図示の露光部から発せられたレーザ光の照射位置に達して、この位置での露光走査によって静電潜像が形成され（露光工程）、現像装置３と対向する位置に達すると、そこから供給される現像剤に含まれるトナーにより可視像処理されて現像工程を実行される。

現像工程において可視像処理されたトナー像を担持する感光体ドラム１の表面は、中間転写ベルト１０Ａ及び１次転写バイアスローラ５との対向位置に達して、この位置で感光体ドラム１上のトナー像が中間転写ベルト１０Ａ上に転写される（１次転写工程）。
転写を終えて感光体１の表面は、クリーニング手段４との対向位置に達し、この位置で感光体ドラム１上に残存した未転写トナーが回収される（クリーニング工程）。クリーニング後、感光体ドラム１の表面は図示しない除電ローラにより電位を初期化される。このような工程を経過することで、感光体ドラム１上で行われる一連の作像プロセスが終了する。

上述した作像プロセスは、モノクロ画像のみの単一画像形成時およびフルカラー画像形成時にそれぞれ行われるが、フルカラー画像形成時には、図１に示した４つの作像部６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｋにおいて各工程がそれぞれ行われる。すなわち、作像部の下方に配設された不図示の露光部（光書き込み装置）から、画像情報に基づいたレーザ光が、各作像部６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｋの感光体ドラム上に向けて照射される。その後、現像工程を経て各感光体ドラム上に形成した各色のトナー像を、中間転写ベルト１０Ａ上に重ねて転写する。こうして、中間転写ベルト１０Ａ上にカラー画像が形成される。

４つの１次転写バイアスローラ５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋは、それぞれ、中間転写ベルト１０Ａを感光体ドラム１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｋとの間に挟み込んで１次転写ニップを形成している。１次転写バイアスローラ５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋにはトナーの極性とは逆極性の転写バイアスが印加される。
中間転写ベルト１０Ａは、矢印方向に走行して、各１次転写バイアスローラ５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ、５Ｋの１次転写ニップを順次通過する。こうして、感光体ドラム１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｋ上の各色のトナー像が、中間転写ベルト１０Ａ上に重ねて１次転写される。

各色のトナー像が重ねて転写された中間転写ベルト１０Ａは、２次転写手段としての２次転写ローラ７との対向位置に達する。中間転写ベルト１０Ａ上に形成されたカラートナー像は、２次転写ニップの位置に搬送された記録媒体としての転写紙Ｐ上に一括転写される。

装置本体１００の下部に配設された給紙部８には、転写紙Ｐが複数枚重ねて収納されており、給紙コロ９により１枚ずつ分離されて給紙される。給紙された転写紙Ｐはレジストローラ対１０で一旦停止され、斜めずれを修正された後レジストローラ対１０により所定のタイミングで２次転写ニップに向けて搬送される。そして、前記のように、２次転写ニップにおいて転写紙Ｐ上に、所望のカラー画像が転写される。

２次転写ニップの位置でカラー画像を転写された転写紙Ｐは、定着部１１へ搬送され、ここで、定着ローラ及び圧力ローラによる熱と圧力とにより、表面に転写されたカラー画像を定着される。
定着を終えた転写紙Ｐは、排紙ローラ対１２により、装置本体１００の上面に形成された排紙部１００Ａへ出力画像として排出され、スタックされる。こうして、画像形成装置における一連の画像形成プロセスが完了する。なお、図１において符号１３は、中間転写ベルト１０Ａのクリーニング装置を示している。

図２は、本発明実施例による現像装置を含むトナーの供給機構の全体構成を示す図である。
図２において現像装置は、後で詳しく説明するが、感光体ドラムに対してキャリアとトナーとを混合した二成分系現像剤により現像工程を実行する現像部と、現像部から回収した現像剤を再度現像部の現像剤供給部に向け移送する循環部と備えている。

図２において現像装置３は、感光体ドラム１上の静電潜像を現像する現像剤を収容可能な現像槽３０と、現像槽３０から離れた位置に設けられて現像槽３０から回収された現像剤および消費されたトナーに見合う新規トナーを撹拌混合する現像剤収容部４０と、現像剤収容部４０に向け新規トナーを補給するトナー供給部６０と、現像剤収容部４０から排出される撹拌混合後の現像剤を移送するためのロータリーフィーダ５０と、現像剤を空気圧で現像槽３０に向け移送するための現像剤循環駆動源に相当するエアポンプ５１とを主要部として備えている。図１では、現像槽３０がカートリッジ状に構成されている。

現像槽３０と現像剤収容部４０とは、現像槽３０内から接続されている現像剤回収流路４１およびロータリーフィーダ５０と現像槽３０の上部に接続された現像剤供給流路４２とで接続されて現像剤の循環路を構成し、循環路に設けられている部材を含めた循環部が構成されている。

現像槽３０に接続されている現像剤供給流路４２は、図３において説明するが搬送スクリュー３２の軸方向一端に対峙するように接続されている。また、現像剤回収流路４１は、現像槽３０に設けられている今ひとつの搬送スクリューの軸方向で現像剤供給路４２が接続されている側と同じ側あるいは反対側となる位置に接続されている。図２においては現像剤供給路４２と軸方向で同じ側に設けた場合が示されている。

現像剤収容部４０は、円筒部または円錐部とその下方に連設される逆円錐部とを備えた構成からなり、本実施例では、上部に円筒部が、そしてこれに連続する下部が下向き円錐部とされて、いわゆる、サイロのような外観を呈しており、内部には、攪拌部材が設けられている。
現像剤収容部４０の上部には、攪拌部材の駆動部をなす駆動モータ４０Ａおよび攪拌部材の回転トルクを検知するトルクセンサ４０Ｂが設けられている。

現像剤収容部４０において攪拌混合された現像剤は、供給量を調整できるパドルを内部に備えて駆動モータ５０Ａにより回転駆動されるロータリーフィーダ５０に給送され、この位置で供給量を調整される現像剤がエアポンプ５１により生成される気流により現像槽３０に向け搬送される。
トナー供給部６０は、トナータンク６１と、このトナータンク６１と現像剤収容部４０との間に接続されているトナー供給路６２とトナー供給路６２内に配置されているスクリューオーガなどの搬送部材（図示されず）を駆動する駆動モータ６３とを備えている。

図３は、現像装置３に用いられている現像槽３０の内部構造を示している。
図３において現像槽３０の内部には、感光体ドラム１に対向して現像剤を担持する現像スリーブ３１と、現像スリーブ３１の近傍で上下に配置されて相対するリード方向を設定された搬送スクリュー３２，３３と、現像スリーブ３１表面での現像剤担持量を規定するドクターブレード３４とが設けられている。

現像槽３０内での現像剤は、搬送スクリュー３２，３３によって、図中手前から奥側に搬送され、この一部が、現像スリーブ３１において磁力で吸い上げられて吸着されるとドクターブレード３４で均一な厚さに均されてから、感光体ドラム１に接することで感光体ドラム１上の静電潜像をトナーで現像してトナー像が形成される。

現像後の現像剤は、搬送スクリュー３３の端部に接続されている現像剤回収流路４１（図２参照）から現像剤収容部４０に搬送される。
搬送スクリュー３３の最下流には図示しないトナー濃度検知手段が設置されており、その信号を基にトナータンク６１から新規トナーの補給が行われる。トナーの補給は前述したように現像剤供給路４１内に配置されている搬送スクリューを介して行われる。

図４には、現像剤収容部４０およびロータリーフィーダ５０，そしてエアポンプ５１が示されている。
図４において、現像剤収容部４０は、上部側に位置する円筒状部分４０Ｃと円筒状部分４０Ｃの下部に連続して設けられている逆円錐状部分４０Ｄとからなり、下向き錘状をなす漏斗状の形状とされた容器４３が用いられている。

円筒状部分４０Ｃと逆円錐状部分４０Ｄとは、接合部ＳＧを介して連続しており、接合部ＳＧを境に上記各部分が連続する方向の長さの関係として、円筒状部分４０Ｃの長さ（Ｌ１）が逆円錐状部分４０Ｄの長さ（Ｌ２）よりも短い関係（Ｌ１＜Ｌ２）に設定されている。
これは、後述するが、攪拌部材の一つである攪拌羽根による遠心力が現像剤に作用した際に、現像剤を逆円錐状部分４０Ｄの内壁面に沿って円筒状部分４０Ｃに向けて移動させることを意図したものである。

図４において容器４３の上部には現像剤回収流路４１およびトナー供給路６２が設けられ、逆円錐部分の最下部においては、最も小径の排出口４００がロータリーフィーダ５０に連通している。

一方、現像剤収容部４０の内部空間には、攪拌部材として、容器４３の平面視断面中心に位置するスクリュー４４と、スクリュー４４の外周囲に配置されている複数の攪拌羽根４５Ａとが用いられる。
スクリュー４４Ａは、モータ４０Ａから垂下して円筒状部分４０Ｃおよび逆円錐状部分４０Ｄが連続する方向の軸方向を有する回転軸４４に一体化されており、また、攪拌羽根４５Ａは、回転軸４４により駆動される減速ギヤ群ＧＲの出力ギヤと連動可能な端板４５と一体化されることにより回転可能に設けられている。なお、図４には、図２において示したトルクセンサ（４０Ｂ）が省略されている。
モータ４０Ａからの回転は、回転軸４４に連動するスクリュー４４Ａに伝達されると共に、回転軸４４に連動可能な減速ギヤ群ＲＧを介して端板４５に伝達されることでスクリュー４４Ａとは異なる周速で回転するようになっている。

本実施例においては、スクリュー４４Ａが、現像剤の流下方向と逆方向に移動させるリード方向を設定され、攪拌羽根４５Ａが、流下する現像剤を横切って移動することで流下を抑制する方向に回転し、その際に生じる遠心力が現像剤に作用するようになっている。

攪拌羽根４５Ａの回転数は、上記接合部ＳＧよりも上方に位置する円筒状部４０Ｃに向けて逆円錐状部４０Ｄを移動してきた現像剤が持ち上げられて円筒状部４０Ｃにおいて持ち上がった現像剤が重力により落下することができる汲み上げ量が得られる回転数を設定されている。つまり、攪拌羽根４５Ａの回転時に生じる遠心力が作用し、逆円錐状部４０Ｄを上昇する現像剤は、円筒状部４０Ｃに到達した時点でそれまで移動していた部分が重力によって容器中心に向けて倒れ円筒状部４０Ｃから逆円錐状部４０Ｄに向けて落下する。

一方、スクリュー４４Ａは、攪拌羽根４５Ａと同様に現像剤を逆円錐状部４０Ｄから円筒状部４０Ｃに向けて移動させることから、複数の攪拌部材で搬送される現像剤が円筒状部４０Ｄの上部において混合されることになる。

上述した構成の現像剤収容部４０を対象として、本発明の特徴を説明する。
本発明の特徴は、円筒状部４０Ｃと逆円錐状部４０Ｄとの接合部ＳＧ近傍に現像剤の静止粉面位置が設定されて現像剤が収容されている点にある。

つまり、収容部４０に収容される現像剤の量は、攪拌性、現像剤へのストレスに影響し、量が多くなれば攪拌効率はよくなる反面、下層の現像剤には上層の現像剤の重量が作用することでストレスが増加してしまう。
そこで、下層の現像剤への重量負荷を避けるために、本発明では現像剤を逆円錐上部４０Ｄから円筒状部４０Ｃに向けて移動させることで、円筒状部を移動する場合のような下層の現像剤への重量負荷を作用させないようにしている。

このような作用は、円筒状部４０Ｃに多くの現像剤が貯留した場合に顕著となるので、現像剤の静止粉面位置として、現像剤が円筒状部４０Ｃに多く入り込まないように、接合部近傍としている。

これにより、円筒状部４０Ｃに堆積する現像剤が少なくなることで円筒状部４０Ｃでの現像剤の堆積によるストレスの発生を抑制できるとともに、円筒状部４０Ｃでは、攪拌部材によりそれまで移動してきた現像剤が重力によりそれぞれ落下に転じることにより接合部近傍で現像剤が降り注ぐような状態で混ざり合うことになるので、分散混合特性を高めることができる。

一方、現像剤の静止粉面位置は、現像剤の嵩密度に基づき設定されるようにもなっている。以下、その理由について説明する。
現像剤は、湿度などの環境変動や、トナー濃度変動、さらには現像剤の劣化状態などにより嵩密度が変化する。例えば、トナー濃度変化および、劣化現像剤に関する緩み嵩密度の変化は、図６に示す結果が得られる。
ここでいう、緩み嵩密度はφ５ｍｍの穴を通して、現像剤を５０ｍＬの容器内へ落下させ、容器からはみ出した現像剤を摺りきり、そのときの重さから嵩密度を求めている。
トナーは約５μｍ、キャリアは約３５μｍのものを使用)。図では１.６〜１.９５ｇ/ｃｍ^３まで嵩密度が変化しているが、さらに環境変動が入ると、１.５〜２ｇ/ｃｍ^３程度の嵩密度変化が考えられる(ただし、トナーやキャリアの粒径や、添加剤などでも嵩密度は変化するため、その都度嵩密度の変動幅は考慮する必要がある)。

良好な撹拌性を得るためには、これらの変動を考慮して、現像剤の嵩(粉面高さ)を設定する必要がある。
本実施例では、現像剤の静止粉面位置を、現像剤の嵩密度上限で円筒部と逆円錐部の接合部以下の高さとなるように、そして、嵩密度下限で接合部以上の高さとなるように現像剤の粉面(収容部内現像剤量)を設定することで、現像剤が極端に多かったり、少なかったりすることを防ぎ、前述した現像剤量の適正化と同様な理由により、撹拌性を良好に保つことが可能となる。

図５には、現像剤の粉面の模式図が示されている。
図５における状態Ｂは、嵩密度が上限となる条件での粉面位置であり、円筒部と逆円錐部の接合位置(ａ)よりも下に静止粉面(ｂ)が位置している。
一方、状態Ｃは嵩密度の下限値を表しており、接合部位置(ａ)に対して上側に静止粉面位置(ｃ)が位置している。通常(制御中心値、例えばトナー濃度の中心値)は、状態Ａのように接合部と粉面が近い位置にあり、これにより低ストレスで良好な撹拌性を保つことができる。

図７（Ａ）は、図４に示した現像剤循環機構の構成を対象として、収容容器内部の現像剤の動きを模式的に示した図である。なお、図７（Ｂ）は、現像剤循環機構における一部構成を変更した例を示す図１３，１４の構成を対象として現像剤の動きを模式的に示す図である。
図７における矢印が現像剤の動きを表しており、板状の撹拌部材４５Ａが回転することにより、現像剤は押し動かされ、遠心力により容器側面に移動する。この際、収容部の容器４３は逆円錐形であるため、容器側面に沿って上側に現像剤が持上げられる(矢印ａ)。持上げられた現像剤は円筒状部４０Ｃに達し、重力により落下する(矢印ｂ)。
一方で、中心部に設けられたスクリュー４４Ａも現像剤を上方向に持上げる向きに回転しており、現像剤は矢印ｃのように上側に移動し、最終的には重力により落下する。

この際、外側および中心側からの現像剤が混ざり合い、高い分散性を得ることが可能である。仮に、撹拌時の粉面が円筒状部４０Ｃに到達しないような場合(撹拌粉面が接合部以下の高さ)、遠心力により外側に移動した現像剤は、外側に集まったまま中心部に移動できず、十分に混ざり合うことができない。

そこで、本発明者は、本実施例の効果を示すため、以下の実験を行った。
図８(Ａ)は、本発明の実施例に用いる構成であり、円筒部と逆円錐の接合部近傍に静止粉面が来るように設定したものである。
図８(Ｂ)は、接合部よりも上に、そして図８(Ｃ)は、接合部以下となるような静止粉面位置に関する条件を設定した場合を示している。
特に、図８(Ｃ)では、撹拌時の粉面も接合部以下となるようにしている。
各容器内の現像剤容量は同量となるように容器形状を変化させている。図８(Ａ)を標準、図８(Ｂ)を小径、図８(Ｃ)を大径とそれぞれ呼称する。
まず、上下方向(重力方向)の撹拌性を調べるために、所望のトナー濃度(本実験ではトナー濃度１０ｗｔ%)になる量のキャリアを下方に、その上にトナーを図９(１)のように配置させ、下部の排出口を閉じた状態で撹拌を行った。
図９(１)のａ、ｂで示された位置の現像剤をサンプリングし、その時のトナー濃度を測定し、時間に対してプロットした。
図９(２)には、標準条件、図９(３)には、小径条件の結果をそれぞれ示す。
図９のグラフでは、小径条件に対して、標準条件のトナー濃度の収束が著しく速く(約１/６)なっていることがわかる。これは、現像剤の嵩が高くなると、上下方向の撹拌性が悪く、十分混ざるために時間が掛かることが理由である。

現像装置の稼動中は、収容容器内を現像剤が上から下へと流れる短い時間の間に、十分な撹拌を行う必要があるため、本発明のように適正な粉面に設定し、素早く容器全体を撹拌する必要がある。
図１０には容器の水平方向(横方向)の撹拌性を調べるため、高濃度現像剤(ＴＣ１０％)および低濃度現像剤(ＴＣ４％)を、容器内に図１０(１)に示す状態で配置し、撹拌後の現像剤をｃ、ｄの位置からサンプリングし、トナー濃度の測定を行った。
図１０(２)に標準条件、図１０(３)に大径条件の結果を示す。標準条件は大径条件よりも横方向のトナー濃度差の収束が速く、約１/６の時間で収束するという結果になった。
これは上でも説明したように、撹拌時に円筒部に粉面が届かないよう条件では、撹拌時の遠心力により外側に広がった現像剤が中心の現像剤と混ざることが出来ないためである。

このように、横方向の撹拌性を保つためには、円筒部と逆円錐部の接合部以上の粉面とする必要があり、粉面が高すぎると、上下方向の撹拌性が阻害されてしまうため、本発明のように接合部近傍に粉面を設定することで、容器全体均一な撹拌性を得ることが可能である。
また、収容部内の現像剤量を極端に減らすことで、容器内の現像剤を十分均一にするまでの時間を短くすることも可能であるが、それではトナー補給時のトナー濃度変動が大きくなってしまい(収容部の現像剤量が多くなればなるほど、あるトナー補給量に対するトナー濃度変化は小さくなる)、現像部に送り出される現像剤のトナー濃度が不安定になってしまい望ましくない。

次に、撹拌時に撹拌部材に掛かるトルクを図８に示した３条件（標準、小径、大径）で比較を行った。
図１１に撹拌部材４４Ａ、４５Ａに掛かる総撹拌トルクを現像剤容量に対してプロットしたグラフを示す。
標準条件は、他の２条件に対して、撹拌トルクが小さいことがわかる。小径(接合部以上の静止粉面条件)については、現像剤の嵩高さが高いため、上部の現像剤により下部の現像剤が圧縮され、圧縮された状態で撹拌されるためにトルクが上昇すると考えられる。
一方、大径については、撹拌時、図８(Ｃ)に示すように遠心力で現像剤が容器側面に寄り、さらに外側ほどトルクが大きくなることで、標準よりもトルクが増加していると考えられる(標準では、円筒部に達した現像剤は落下して、余計なトルクが掛からない)。

このような、小径、大径条件に見られるトルク上昇は、現像剤に過剰なストレスを与えて、現像剤を劣化させ、トナー飛散や地肌汚れなどの画像品質問題を引き起こす原因となる。

さらに、攪拌部材に対しては、最もトルクが掛からない撹拌部材の回転数を設定することで現像剤の均一性の向上およびストレス低減が可能である。
図１２に示すように撹拌部材の回転数を上げていくと、トルクは一旦下がり、その後上昇するという変化が生じる。これは、現像剤の流動状態が影響しており、低回転数から大きくなるに従い、現像剤が流動化して、最も小さなトルクになる。流動化がある状態にまで達すると、回転数を上げてもそれ以上流動化(低嵩密度となる)することはなく、撹拌部材が高回転数化することによるトルク上昇が生じる。最もトルクが小さい範囲の回転数を使用することで、現像剤に余計なストレスを与えずに劣化させることがない。

図１３は本発明の他の実施例であり、収容部が円錐部と逆円錐部が接合した形状をしている。上部を円錐部４０Ｃ’とすることで、撹拌部材に持上げられた現像剤が中心部へと落下するため、より分散性を向上させることが可能である。また、この構成においては外側と中心での現像剤の移動が大きいために、水平方向、垂直方向の撹拌性が十分に得られる。このため、図１４のように中心部に設けた螺旋状の撹拌部材を別途設ける必要がなく、攪拌羽根４５Ａ’のみとして、構成の簡略化も可能である。この場合、現像剤は図７(Ｂ)に示すような対流運動をすることになる。

収容部の容器形状としては、逆円錐部の傾斜角度は水平方向から３０度~６０度程度が望ましく、４５度が水平方向および垂直方向に現像剤が最も移動しやすく、最適な角度と考えら得る。ただし、現像剤の排出が架橋など妨げられることなく、スムーズに排出可能な角度が最低限の条件となる。収容部の上部の円錐部の傾斜角度についても現像剤が接触した際にストレスが掛からないように水平方向から４５度程度となることが望ましく、接合部に関しては現像剤やトナーが接合部の角に凝集しないようにＲを設けることが望ましい。

本発明では、現像剤収容部４０に収容される現像剤の量をその粉面位置と容器内の形状変化部との位置関係により設定するようになっているので、その粉面位置を監視する必要がある。この監視には、容器の接合部を含む範囲を外部から認識できる窓などの構成を設けて窓に光学検知センサを配置することや、粉面位置に応じて昇降可能なフロートセンサなどの機械的な検知手段を設けることなどが考えられる。

また、粉面位置を維持するための制御としては、本出願人の先願である特開２０１０−１３９５６４号公報に開示されている方法を応用することも可能である。
つまり、粉面位置を検知する圧電素子を用いた粉面位置検知センサと、このセンサが入力側に接続され、出力側には現像剤収容部４０から攪拌後の現像剤を排出する手段、本実施例では、ロータリーフィーダ５０の駆動部が接続された制御部を用い、粉面位置検知センサからの検知信号に応じて現像剤収容部４０からの現像剤の排出量を調整する。
例えば、圧電素子への圧力入力によって容器の接合部よりも高い位置に現像剤の粉面が位置していると判断した場合には、ロータリーフィーダ５０を駆動して現像剤収容部４０内での現像剤の排出を促すことにより粉面位置を下げるようにする。これとは逆に、圧電素子への圧力の入力がないことにより容器の接合部よりも低い位置に粉面が位置していると判断した場合には、ロータリーフィーダ５０の駆動条件を変更して現像剤の排出量を少なくする。ただし、現像装置内で現像剤の度が不足していることが判断された場合には、ロータリーフィーダ５０の動作条件を所定条件に戻して現像剤の濃度不足を補うようにすることが前提であること勿論である。

３ 現像装置
３０ 現像槽
４０ 現像剤収容部
４０Ｃ 円筒状部
４０Ｄ 逆円錐部
４３ 容器
４４Ａ スクリュー
４５Ａ 攪拌羽根
ＳＧ 接合部

特開２００８−２９９１９６号公報

Claims (6)

1. 潜像担持体に形成されている静電潜像をトナーとキャリアとからなる現像剤により可視像処理する現像部と、該現像部から回収した現像剤を再度該現像部の現像剤供給部に向け移送する循環部とを備え、該循環部には、上記現像部に至る前の位置に現像剤の一部を収容する収容部が設けられ、該収容部内には上記回収された現像剤と新たに補給されるトナーとを撹拌混合する攪拌部材が設けられている現像装置において、
   上記収容部は、円筒部または円錐部とその下方に連設される逆円錐部とで形成され、
   上記収容部内に収容される現像剤の静止粉面位置が、上記円筒部または円錐部と上記逆円錐部との接合部近傍で、現像剤の嵩密度上限では上記円筒部または円錐部と上記逆円錐部との接合部以下に設定され、現像剤の嵩密度下限では上記円筒部または円錐部と上記逆円錐部との接合部以上に設定されていることを特徴とする現像装置。
2. 上記円筒部または円錐部の長手方向長さは上記逆円錐部のそれよりも短い関係とされていることを特徴とする請求項１記載の現像装置。
3. 上記現像剤の収容部には、円筒部または円錐部とその下方に連設される逆円錐部の連設方向に軸方向を有する回転軸に装備された攪拌部材が配置され、該攪拌部材は、上記現像剤を上記逆円錐部から上記円筒部または円錐部に向け移動させる回転方向が設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の現像装置。
4. 上記攪拌部材の回転数として、上記円筒部または円錐部と逆円錐部との接合部よりも上記円筒部または円錐部側に上記現像剤を持ち上げ、該円筒部または円錐部に達した現像剤を重力により落下させることができる汲み上げ量が得られる回転数を設定されていることを特徴とする請求項３記載の現像装置。
5. 上記現像剤の収容部には、上記円筒部または円錐部の上部に設けられた現像剤供給部と上記逆円錐部の下部に設けられている現像剤排出部とが備えられていることを特徴とする請求項１乃至４のうちの一つに記載の現像装置。
6. 請求項１乃至５のうちの一つ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。

Images