JP5679870B2 - 現像装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、複写機やプリンターなど、記録媒体上に画像を形成する機能を備えた現像装置及び画像形成装置において、トナー容器に収容されたトナーを上方へ搬送する方式（以下、汲み上げ方式とする）を採用した現像装置及び画像形成装置に関する。

従来から、複写機やプリンターなどの画像形成装置において、汲み上げ方式を採用する現像装置を備えるものがある。この構成によれば、画像形成装置の設置面積の縮小化や紙搬送路の短縮化を図ることが可能となる。

この汲み上げ方式を採用した現像装置としては、例えば、特許文献１に開示されているように、トナー容器と、感光体ドラムと、現像ローラーと、現像ブレードと、溜め部部材と、トナー攪拌部材と、を有するように構成したものがある。ここで、特許文献１に開示されている発明について説明をする。トナー容器に収容されるトナーが、トナー攪拌部材によって、攪拌されつつ溜め部部材上へ搬送される。溜め部部材上へと搬送されたトナーは、磁力を有する現像ローラーに引き付けられてその表面に付着する。付着したトナーは、現像スリーブの回転とともに現像ブレードによって、層厚が規制されるとともに摩擦帯電される。このようにして帯電されたトナーは、感光ドラムとの近接部に回転搬送されるとともに、現像スリーブに印加されたバイアスと感光ドラム表面の静電潜像の間の電場、磁場、ファンデルワールス力などに従って、感光ドラムへ飛翔することで現像剤像を形成する。

このような現像方式においては、トナー容器内や溜め部部材上でのトナーの存在状態が現像スリーブ上の現像剤層の状態に影響する。安定して良好な画質を得るために、様々な現像搬送、攪拌、循環方法が考えられてきた。例えば、特許文献２，３において、現像容器３の外部に備えたマグネットによって、トナーを攪拌し、搬送を良好にする技術事項が開示されている。

特開２００３−２９５３２号公報 特開昭５９−５８４５４号公報 特開平１０−１９８１７０号公報

しかしながら、上記汲み上げ方式を採用した現像装置を備える画像形成装置には以下のような課題がある。

まず、特許文献１において説明される構成においては、溜め部部材上にトナー溜まりが生じ、循環されずに溜まったトナーは劣化し、流動性を失う。

また、特許文献１の汲み上げ方式を採用した画像形成装置に特許文献２の技術事項を適用したとしても、次のような問題が生じ得る。特許文献２に開示されるような、現像剤攪拌用のマグネットが現像容器の外部にあって、長手方向に移動する構成では、一度マグネットに引き付けられた現像剤以外の現像剤がほとんど動かない。その上、現像剤は、容器端部で磁力線から逃れるため、端部に寄せ集められ、現像スリーブ上のトナー量が長手方
向で不均一になり易い。

また、特許文献１の汲み上げ方式を採用した画像形成装置に特許文献３の技術事項を適用したとしても、次のような問題が生じ得る。特許文献３に開示されるような、現像剤攪拌用のマグネットローラーが現像装置の外部にあって、これを回転させる構成では、マグネットを回転させたとしても現像剤が磁力に引き付けられたままになり、現像剤の搬送が良好に行われない。その上、現像剤が壁を形成することで現像剤の循環を阻害することとなる。

そこで本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、汲み上げ方式を採用する現像装置を備えた画像形成装置において、良好な画像形成が可能な画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明にあっては、
磁力により現像剤を担持する現像剤担持体と、前記現像剤担持体近傍に設けられた現像剤溜まり部と、前記現像剤担持体に担持される現像剤の層厚を規制する現像剤規制部材とを有する現像容器と、
収容された現像剤を攪拌しながら上部の開口部を通じて前記現像剤溜まり部へ搬送する攪拌部材を備え、かつ、前記現像容器の下部に設けられる現像剤容器と、
を備える現像装置において、
前記開口部を介して現像剤溜まり部の反対側に位置し、かつ、前記現像容器の外壁面に面し、前記開口部の長手方向に沿うように移動可能な磁力発生手段と、
前記現像容器の内壁面に、前記磁力発生手段の移動に伴う現像剤の移動を妨げる複数の突起部を有することを特徴とする。

本発明によれば、汲み上げ方式を採用した現像装置において、現像容器中のトナー溜まりを解消すること、及び、現像スリーブに付着するトナーの層厚の均一化を図ることが出来る。

本発明の実施例における画像形成装置を示す概略断面図 本発明の実施例における現像装置とマグネットの移動を示す概略斜視図 本発明の実施例における現像装置の概略断面図 本発明の実施例における現像装置を上部から見た概略図 比較例１における画像形成装置を示す概略断面図 比較例２における画像形成装置を示す概略断面図 比較例３における画像形成装置を示す概略断面図

以下に図面を参照して、この発明の実施をするための形態を例示的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより、重複説明を省略する。

（実施例）
以下、本発明に適用した画像形成装置としてのレーザビームプリンター（以下、ＬＢＰとする）について図１を用いて説明する。ＬＢＰ１は、給紙カセット１７、プロセスカートッリジ２０、露光装置１６、転写ローラー１４、定着装置１５、排紙トレー１９を有する。さらに不図示の電装基盤なども有する。

パソコンなどからプリント信号を受信したＬＢＰ１は、給紙カセット１７から紙１８を給紙し、転写ローラー１４まで搬送する。それとともに一方で、プロセスカートリッジ２０と露光装置１６によって感光ドラム１１の回転に従って、感光ドラム１１上のトナーによる像を形成する。このトナー像中のトナーは、帯電しているため、転写ローラー１４の芯金に印加された転写バイアスによって、感光ドラム１１上から紙１８に転写される。このとき、転写し切れずに残った転写残りのトナーは、感光ドラム１１の回転とともにクリーナー１２によって、クリーニングされる。転写された紙上のトナー像は定着装置１５の熱と圧力によって定着され、排紙トレー１９に排紙、積載される。Ａ４サイズの普通紙で片面印字時に１６枚/分程度のプリントが可能である。

さらに、以下、本発明に適用したＬＢＰ１の各部の詳細について説明する。給紙カセット１７は、紙１８やＯＨＴシートといった記録媒体を複数枚積載することが可能で、給紙動作によって、一枚ずつ給紙、搬送することができる。プロセスカートリッジ２０は、感光ドラム１１、クリーナー１２、帯電ローラー１３、現像装置２を備えている。トナー容器４中のトナー５が少なくなり良好な画像形成が困難になった時点でユーザーが交換可能であるため、メンテナンスが容易に可能である。感光ドラム１１には、直径２４ｍｍのアルミ素管の表面に数層の有機半導体樹脂からなる感光体層が、２５μｍ程度の膜として塗布してある。ＬＢＰ１本体内にある場合は、アルミ素管は接地されている。感光体層は、特定の波長の光が照射されると、表面の静電潜像はリセットされるように設計されている。転写動作までの画像形成動作は感光ドラム１１が回転することによって行われる。クリーナー１２は、クリーニングブレードと廃トナー容器を備える。金属板金に取り付けられたウレタンゴムからなるクリーニングブレードは、感光ドラム１１の回転によって感光ドラム１１上のトナーをかき落とし、廃トナー容器に溜める機能を持つ。帯電ローラー１３は、直径６ｍｍの芯金と、その周囲に設けられた芯金とその周囲に設けられた中抵抗のゴム層からなる外径１６ｍｍのゴムローラーである。帯電ローラー１３には、ＬＢＰ１からバイアスが印加できるようになっており、感光ドラム１１の表面との微小な空隙に大きな電界を形成することで放電させ、感光ドラム１１の表面を均一に帯電することが可能である。

現像装置２は、大きく分けて現像容器３と現像剤容器としてのトナー容器４からなる。現像装置２の容器外枠は、ＨＩＰＳ（耐衝撃性ポリスチレン）でできている。現像容器３は、現像動作を行うことを主な機能とする。現像容器３は、現像剤を担持する現像剤担持体としての現像スリーブ８と、現像スリーブ８の内側に固定された現像用マグネット９と、現像剤規制部材としての規制ブレード７を備えている。現像容器３の下部に設けられるトナー容器４は、現像剤としてのトナー５を攪拌しつつ収容し、適宜現像容器３に搬送する機能をもつ。トナー容器４には樹脂フィルムが樹脂棒に取り付けられた攪拌部材としての攪拌羽４ａがあり、ＬＢＰ１本体からのギア駆動によって回転することでトナー５を攪拌する。それとともにトナー容器４の上部に設けられた幅８ｍｍの開口部４ｂを通じ、現像スリーブ８近傍に設けられた現像剤溜まり部１０へトナー５を搬送することができる。

現像スリーブ８は、ＬＢＰ１本体からのギア駆動により回転可能に構成された直径１４ｍｍの表層付きアルミパイプからなる。アルミパイプの表層には、トナー５を搬送できるように適切な粗さを持つために樹脂コートなどを施してある。現像スリーブ８にはＬＢＰ１本体からバイアスを印加することができる。この現像バイアスは、後述する潜像を現像するためのものである。現像スリーブ８内の現像用マグネット９はＮ極とＳ極が交互に４極になるよう６００〜７５０Ｇ（単位：Gauss）に着磁したプラスチックマグネットである。規制ブレード７は、断面から見るとＬ字状に曲げられた金属板金に厚さ１．３ｍｍ、幅１２．５ｍｍ、硬度６５度（ＪＩＳ−Ａ）のウレタンゴムを張り付けたものである。自由長は８ｍｍに設定してある。

トナー容器４から搬送されたトナー５は、現像スリーブ８内の現像用マグネット９の磁力に引き付けられ、現像スリーブ８表面に付着する。付着したトナー５は、現像スリーブ８の回転とともに規制ブレード７によって層厚が規制され、均一かつ帯電したトナー５の層を形成する。さらに現像スリーブ８の回転とともにトナー層が感光ドラム１１との近接部、即ち現像ニップ部に到達し現像が可能となる。なお、現像スリーブ８表面と感光ドラム１１表面の最近接距離は、現像スリーブ８の両端部に設けた不図示の樹脂スペーサーによって約３００μmに保たれている。

露光装置１６は、回転するポリゴンミラーにレーザービームを反射させることで感光ドラム１１上を走査露光するように構成されている。帯電ローラ−１３によって、均一に帯電された感光ドラム１１の表面が露光されると、露光された部分の電位が変化し、電位の高低差による静電潜像を形成することができる。この静電潜像と現像スリーブ８に印加したバイアスによって、現像スリーブ８上の帯電したトナーが感光ドラム１１に飛翔し、潜像を現像することでトナー像を形成することができる。

転写ローラー１４は、芯金と中抵抗のゴム層からなる。転写ローラー１４の表面は、感光ドラム１１に加圧されニップ部を形成している。転写ローラー１４の芯金には、ＬＢＰ１の本体からバイアスが印加できるようになっており、感光ドラム１１上のトナー像を紙１８上に転写することが出来る。

定着装置１５は、加熱ユニットと加圧ローラーを備える。加熱ユニットは、ヒーターユニットを内包する耐熱フィルムからなり、耐熱フィルム表面が所望の温度になるように制御可能になっている。加圧ローラーは、耐熱フィルムとの間にニップ部を形成し、耐熱フィルムを回転駆動するとともに、ニップ部を通過する紙１８上のトナー５を紙１８に溶融定着しながら搬送する。排紙トレー１９は、定着後の紙１８を一定枚数積載することが出来るよう配置されている。

トナー５としては、磁性酸化鉄を９５質量部、ワックス（ポリプロピレンワックス 融点１４３℃、２５℃における針入度０．５ｍｍ）を４質量部とを混練したスチレン-アクリル樹脂（ＤＳＣ測定によるガラス転移温度Ｔｇが５８℃、酸価２３．０ｍｇＫＯＨ／ｇ、ＧＰＣによるＭｎ（数平均分子量）が７０００、Ｍｗ（重量平均分子量）が４０００００であり、モノマー比：スチレン７２．５部、ｎ−ブチルアクリレート２０部、モノ−ｎ−ブチルマレート７部、ジビニルベンゼン０．５部）からなるトナー母体を１００質量部に、表面疎水化処理を施した疎水性ケイ酸微粒子シリカを1質量部外添した磁性１成分トナーを用いた。トナーの磁性に関しては、７９．６ｋＡ／ｍにおける飽和磁化が４０Ａｍ２／ｋｇであった。磁性トナーの飽和磁化の強さは、振動型磁力計ＶＳＭＰ−１−１０（東英工業社製）を用いて、２５℃の室温で測定した。トナー作成方法は所謂粉砕法であり、上記トナー材料を、１３０℃に加熱された二軸エクストルーダーで溶融混練し、冷却した混練物をハンマーミルで祖粉砕した。粉砕はターボミル（ターボ工業社製）を用い、機械式粉砕を行った。得られた微粉砕物をコアンダ効果を利用した多分割分級装置（日鉄鉱業社製エルボジェット分級機）で、超微粉および粗粉を厳密に分級除去してトナー母体を得た。

以下、開口部４ｂを介して現像剤溜まり部１０の反対側に位置し、現像容器３の外壁面に設けられたマグネット２６を移動させる機構について説明する。磁力発生手段としてのマグネット２６を開口部４ｂの長手方向に沿うように移動させる機構として、ボールネジを使用する。図２に示したように、金属からなるボールネジ軸２３及びガイド軸２４は現像容器３と平行に配置されており、ボールネジ軸２３は移動モーター２２によって回転可能になっている。マグネット２６はボールネジ軸２３に取り付けられたボールネジユニッ
ト２５に埋め込まれている。ボールネジユニット２５は、ボールネジ軸２３とガイド軸２４を貫通させ保持するための貫通穴、ネジナット、マグネット２６を備えている。マグネット２６は、ボールネジユニット２５表面だけ露出するように埋め込まれ、他の部分は、接着剤によって接着されている。これらの構成により、マグネット２６は、移動モーター２２の回転駆動によって開口部４ｂの長手方向に往復運動が可能となっている。ここで、マグネット２６は、厚さ２ｍｍ、直径１３ｍｍのニッケルメッキが施されたネオジム磁石を用いた。この磁石の表面における磁力は約２０００Ｇであり、小型で安価だが非常に強力な磁束密度を有している。

以下、現像容器３の内壁面に設けられた突起部２１について説明する。突起部２１の材質は、現像容器３と一体的に成型された耐衝撃性ポリスチレンである。現像容器３の壁面からの突出し長さは４ｍｍ、幅は０．５ｍｍ、高さは２０ｍｍである。突起部２１は開口部４ｂの長手方向に約３０ｍｍ間隔で配置されている。トナー容器４から、トナー容器４の上部に設けられた開口部４ｂを通じてトナーが循環しやすいように、突起部２１同士の配置間隔は広く、突起部２１自体の幅は狭いほうが好ましい。

次に、現像容器３に備えられた現像剤溜まり部１０に溜まったトナーを循環させるための動作について図３，４を用いて説明する。トナー像形成のための現像動作が終了した時点からマグネット２６の移動が開始される。図３（Ｉ）は、現像動作時の現像装置２を示した概略断面図である。この動作時にマグネット２６の移動を行うと、後述するように、現像剤溜まり部１０にあるトナー５がトナー容器４に落ち、好ましいトナー形成ができなくなってしまう。良好なトナー像を形成するためには、現像動作中は現像スリーブ８の表面に形成されるトナー層が一定であることが好ましい。

高印字率の画像形成を行う場合、感光ドラム１１に形成された静電潜像に従って現像操作を行うと、現像スリーブ８の表面に形成されたトナー層は大量に消費されるため、新たなトナー５の供給を必要とする。この時に規制ブレード７の裏側にある程度のトナー５を溜めることのできる現像剤溜まり部１０を備えると、トナー容器４からの供給を待たなくてもトナー５の供給を現像スリーブ８にスムーズに行うことが出来る。逆に、規制ブレード７付近にトナーを貯める現像剤溜まり部１０がなければ、消費したトナー５をスムーズに供給することが出来なくなるため、画像濃度が薄くなるといった弊害を生み出してしまう。

ここまでで説明したように、現像容器３に備えられる現像剤溜まり部１０は、現像スリーブ８上に一定のトナー層を形成するために必要なものである。しかしながら、低印字率の画像形成が継続的に行われるような場合、現像剤溜まり部１０に溜められたトナーが消費されずに現像スリーブ８による磁力で引き付けられながら狭い範囲で循環することとなる。繰り返し規制ブレード７による層規制を受け、狭い範囲での循環によって圧力を受けたトナーは、表面の外添剤が遊離または剥離して、お互いの接触面積が増大し、流動性を失ってしまう。こうなると、現像スリーブ８への供給量は減少し、静電潜像を現像するのに十分なトナーを供給できなくなって、現像剤溜まり部１０にトナー溜まりがあるにも関わらず画像の濃度が低下してしまうという問題が生じる。

図３（ＩＩ）及び（ＩＩＩ）は、マグネット２６が開口部４ｂの長手方向に沿って、図２における断面図の奥側から手前に移動しているときに生ずる現象を段階的に示している。図３(ＩＩ)において、移動中のマグネット２６の磁力によってトナー５は現像容器３の内壁面に引き付けられている。図３(ＩＩＩ)においては、内壁面に引き付けられたトナー５が突起部２１によって移動が妨げられ、マグネット２６の磁力から解放されることでトナー容器４へと落下している。この２つの状態がマグネット２６の移動とともに繰り返されることで、現像剤溜まり部１０に溜まっていたトナー５は長手に渡ってトナー容器４へ
回収される仕組みになっている。この時の様子を、図２中に示した視点Ａから見た場合を示したものを図４に示す。図４では、トナー容器４と現像容器３を分けている容器内部の板上にあるトナー５に着目して表示しているため、その手前にある現像スリーブ８や規制ブレード７についての図示は省略した。

図４において、現像剤溜まり部１０に溜まったトナー５は、長手方向に移動可能なマグネット２６の磁力により引き付けられる。引き付けられたトナー５は、マグネット２６の移動に伴って移動するが、突起部２１に衝突することでその移動を妨げられる。そして、突起部２１に衝突したトナー５は、移動するマグネット２６から遠ざかることとなり、磁力から解放される。マグネット２６の磁力から解放されたトナーは、重力の影響により、トナー容器４の開口部４ｂを通じて、トナー容器４へと落下する。トナー５が落下することにより、現像剤溜まり部１０に溜まっているトナーが、新たにマグネット２６に付着する。そして、新たに付着したトナー５は、マグネット２６の移動方向において、最初にトナーが衝突した突起部２１の次に設けられた突起部２１に衝突し、磁力から解放され、トナー容器４へと落下する。

なお、本実施例では、マグネット２６の移動速度を、長手２６０ｍｍに渡る移動距離を約６秒で往復するように設定した。現像容器３の外部に設けられたマグネット２６の移動によって、現像剤溜まり部１０のトナー溜まりが一度解消される。そして、次の現像動作が始まる前に攪拌羽４ａの回転によって、トナー５が現像剤溜まり部１０に新たに蓄積され、トナー溜まりのリフレッシュが完了する。なお、上記のマグネット２６の移動動作は、現像スリーブ８を回転させながら行うと効果が高い。その理由は、一般的にトナー５のような数μm程度の樹脂をベースとする粒子は、流動が止まった後、徐々に嵩密度が増し、粒子同士の接触面積が大きくなりお互いの付着力が増す。そのため、外部の力に対して大きな塊のように振る舞うようになり、流動中よりも流動停止後の方が動きづらくなってしまうからである。

以上、説明してきたように本実施例によれば、現像動作時以外において現像剤溜まり部１０のトナー溜まりをリフレッシュすることができるため、現像装置２の継続使用時においても良好な画像形成を行うことができる。

（比較例１）
次に、比較例１として、現像容器３の外壁面に沿って移動するマグネット２６がない場合について図５を用いて説明する。図５は現像装置２の概略断面図である。図５のようにマグネット２６が無い場合、現像スリーブ８の裏側のトナー５は大きな循環をせず、繰り返し集中的に劣化し流動性が著しく低下する。そのため、現像スリーブ８へのトナー５の付着量が徐々に減ってくる。この場合、使用初期と比べて継続使用時には画像濃度が薄くなるという問題が発生する。特に低印字率の画像を連続して出力する場合においてこの問題が顕著になる。

（比較例２）
次に、比較例２として現像容器３の外壁面に沿って移動するマグネット２６はあるが、現像容器３の内壁面に突起部２１が設けられていない場合について図６を用いて説明する。

図６(Ｉ)は、本実施例と同じマグネット２６移動機構は持つが、内部に突起部２１を持たない現像装置２の概略断面図である。この場合、突起部２１がないため一度マグネット２６の磁力によって壁面に引き付けられたトナー５は、磁力から逃れられずに引きずられて移動してしまう。図６(ＩＩ)には、図４と同じ要領でマグネット２６が移動している様子を示している。図の左側端部から移動を開始したマグネット２６は、端部付近において
はトナー５を十分引きつける。しかし、そのトナー５が磁力から逃れられずそのまま引きずられ、他のトナー５を引きつけられなくなる。よって、容器外部を移動するマグネット２６は十分な効果を発揮できず、比較例１と同様に、規制ブレード７裏のトナー溜まりをリフレッシュすることができずに、現像装置２の継続使用によって画像濃度が薄くなる現象を解決することはできない。

（比較例３）
次に、比較例３として、現像装置２の外部に設けた回転式マグネット２７の場合について図７を用いて説明する。図７において、回転式マグネット２７は直径１４ｍｍで磁極としてＮ極とＳ極を有しており、表面の最大磁力密度は２０００Ｇ程度である。この回転式マグネット２７は、現像装置２の長手方向に沿って存在しており、移動式ではない。この場合、回転式マグネット２７の回転により規制ブレード７の裏側へ磁力の強弱をつけることによってトナー溜まりを解消できるように思える。しかし、このような構成の場合、回転式マグネット２７が回転しても、いくらかの磁力線が常にトナー５を壁面に引き付けているため、磁力を振りきれずに残ってしまうトナーがある。そのため、トナー容器４からのトナー供給を阻害してしまうため、トナー５が劣化していないものであっても画像濃度が薄くなる現象が発生してしまう。

図１に示したＬＢＰ１において、現像装置３とその外壁面に備えられるマグネットの部分を改造することで比較例１〜３の構成を実現し、画像濃度の耐久試験を行った場合の比較結果を以下の表において示す。

耐久試験は、室温環境において、Ａ４サイズの普通紙を印字率１％で連続通紙した。現像装置３に投入したトナー量は約１００ｇで、１００００枚通紙後を耐久後と定義した。画像濃度は、全面ベタ黒印字（１００％印字）で、９ポイントの反射濃度を平均値で比較した。反射濃度は、マクベス社製のマクベス反射濃度計を用いて測定した。

本実施例が良好な画像濃度を高めに維持できたのに対し、比較例１，２においては、耐久後の濃度が薄くなっている。また、比較例３においては、現像装置の外部回転式マグネットによるトナー搬送不良により初期から濃度が薄くなっている。

２…現像装置、３…現像容器、４…トナー容器、４ａ…攪拌羽、４ｂ…開口部、５…トナー、６…現像ユニット、７…規制ブレード、８…現像スリーブ、９…現像用マグネット、１０…現像剤溜まり部、２１…突起部

Claims (3)

1. 磁力により現像剤を担持する現像剤担持体と、前記現像剤担持体近傍に設けられた現像剤溜まり部と、前記現像剤担持体に担持される現像剤の層厚を規制する現像剤規制部材とを有する現像容器と、
   収容された現像剤を攪拌しながら上部の開口部を通じて前記現像剤溜まり部へ搬送する攪拌部材を備え、かつ、前記現像容器の下部に設けられる現像剤容器と、
   を備える現像装置において、
   前記開口部を介して現像剤溜まり部の反対側に位置し、かつ、前記現像容器の外壁面に面し、前記開口部の長手方向に沿うように移動可能な磁力発生手段と、
   前記現像容器の内壁面に、前記磁力発生手段の移動に伴う現像剤の移動を妨げる複数の突起部とを有することを特徴とする現像装置。
2. 前記磁力発生手段の移動を、前記現像剤担持体を回転駆動させながら行うことを特徴とする請求項１に記載の現像装置。
3. 請求項１又は２のいずれか１項に記載の現像装置を有することを特徴とする画像形成装置。

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