JP6016457B2 - 現像装置およびプロセスカートリッジ - Google Patents

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Description

本発明は、例えば電子写真方式や静電記録方式の画像形成装置に用いられる現像装置及びプロセスカートリッジに関するものである。
電子写真プロセスを用いたプリンタ等の画像形成装置は、像担持体としての電子写真感光体(以下、単に「感光体」ともいう)を一様に帯電させる。次いで、帯電した感光体を選択的に露光することによって、感光体上に静電像を形成する。次いで、感光体上に形成された静電像を、現像剤のトナーでトナー像として顕像化する。そして、感光体上に形成されたトナー像を、記録用紙、プラスチックシート等の記録材に転写し、更に記録材上に転写されたトナー像に熱や圧力を加えることでトナー像を記録材に定着させ画像記録を行う。
このような画像形成装置は、一般に、現像剤の補給や各種のプロセス手段のメンテナンスを必要とする。この現像剤の補給作業や各種のプロセス手段のメンテナンスを容易にするために、感光体、帯電手段、現像手段、クリーニング手段等を枠体内にまとめてカートリッジ化し、画像形成装置本体に着脱可能なプロセスカートリッジとすることが実用化されている。プロセスカートリッジ方式によれば、ユーザビリティーに優れた画像形成装置を提供することができる。
ここで上記のような画像形成装置では、現像装置(現像手段)において、現像剤担持体(現像ローラ)に担持される現像剤(トナー)の層厚を所定の厚さに規制するため現像ブレードが用いられることがある。現像ブレードは現像ローラに接触することで、トナーを摩擦帯電すると同時に、現像ローラ上に一定の厚さのトナー層を形成する。
このような現像ブレードを現像ローラに当接させる方法について説明すると、現像ブレードの先端部を現像ローラに当接させるいわゆるエッジ当接と、現像ローラに対して現像ブレードを平面において接触させるいわゆる腹当ての2つがある。
ところで、近年、機器の省エネルギー化に伴い定着過程における消費電力の低減が望まれている。定着過程での低消費電力化を達成するためには、トナーを溶融するのに必要な熱量の低減、すなわちトナーの融点を低くすることが有効である。ところが、低融点のトナーは低温定着が容易になる反面、トナーストレス(負荷)に対する耐性が低下してしまう。トナーがブレードを通過する際には、熱や機械的なストレスを受けるため、低融点のトナーを長期間に渡って使用する場合、トナーの付着力を下げるために配合されたシリカ等の外添剤がトナーの中に埋め込まれることがある。またトナーの中のワックスが表面に染み出してくることがある。これにより、トナーの付着力が高くなってしまう。その結果、トナーが現像ブレードに付着する、いわゆる現像ブレード融着が発生しやすくなる。現像ブレード融着が発生してしまうと、現像ローラ上でのトナー層の安定形成が阻害され、画像にいわゆる「白筋」が発生して画像品質の低下につながる可能性がある。
先に説明した現像ブレードを現像ローラに腹当てで当接させる場合、現像ローラとブレードの当接ニップ部(当接領域)の手前、すなわち当接ニップ部よりも現像ローラ回転方向上流側にはトナーの取り込み口が形成される。トナーの取り込み口においては、現像ブレードと現像ローラとの当接圧が発生しない。そのため、トナーが現像ブレードに一旦付着した場合であっても一般には、トナーの取り込み口におけるトナーの流動によって、その付着したトナーを剥ぎ取ることができる。しかしながら、低融点のトナーを使用した場合には、トナーの付着力が高くなるために、トナーの取り込み口におけるトナーの流動だけでは、現像ブレードに付着したトナーを剥ぎ取ることが難しくなる。
結果として、現像ブレードを現像ローラに腹当てで当接させる構成では、現像ローラと現像ブレードの当接ニップ部の現像ローラ回転方向上流側において、現像ブレード融着が発生しやすい。
上記の問題を解消する為には現像ブレードの先端部を現像ローラに当接させるエッジ当接が望ましい。従来、現像ブレードの先端部を現像ローラにエッジ当接させるために様々な方法および装置が提案されている。
ここで、従来の現像ブレードを装備した現像装置の一部は、例えば、図14〜図16に模式的に示す通りである。
特許文献1には、図14に示すような構成の現像装置が記載されている。図14の現像装置は、薄板弾性部材221aの一端側を片持ちで支持し、他端側の対向部を現像ローラ217に当接させている。すなわち片持ち支持された薄板弾性部材221aを自由長Xの板バネとして、距離Yだけ撓みを与えることによって現像ローラ217に対する薄板弾性部材221aの当接圧を確保している。
また特許文献1には、図15に示すような構成の現像装置も記載されている。図15の現像装置では、板厚が2mmから4mmで比較的高硬度の樹脂又は金属からなる現像ブレード321をブレードガイド内にコイルスプリング324を介して進退自在に取付けてある。現像ブレード321は、コイルスプリング324の力によって回転する現像ローラ317に対して一定圧力で圧接している。
また特許文献2には図16に示すような構成の現像装置が記載されている。図16の現像装置では、板状部材421aの一端に曲面を形成している。そして板状部材421aの他端を支点軸423を介して現像容器に回転自在に支持させ、かつ板状部材421aをバネ424によって付勢することで、板状部材421aに形成された曲面を現像ローラ417の周面と接触させている。
特開平09−062096号公報 特開平10−239991号公報
しかしながら、上記のような従来技術の場合には、現像ローラと現像ブレードの当接ニップ部の現像ローラ回転方向下流側において、現像ブレード融着を抑制することが難しく、また、それぞれ解決されるべき課題を抱えている。
図14の現像装置では、片持ち支持された薄板弾性部材221aを板バネとして、一定量の撓みを設定した上で現像容器に固定することによって現像ローラ217に対する当接圧を確保する構成である。そのため、薄板弾性部材221aの先端部だけでなく腹面も同時に現像ローラ217と当接させる必要がある。その場合、薄板弾性部材221aと現像ローラ227との当接ニップ(当接領域)における圧分布は、当接ニップ部の現像ローラ回転方向下流側の腹面部においては、当接圧が低くなる。
当接圧の低い領域では、トナーやトナー外添剤が滞留する傾向があり、さらに当接圧の低い領域が広く存在すると、薄板弾性部材221aに付着したトナーを剥ぎ取ることが難しくなる。結果として、現像ローラ217と薄板弾性部材221aの当接ニップ部の現像ローラ回転方向下流側において、現像ブレードにトナーが融着してしまう。
尚、薄板弾性部材221aのたわみ量を小さく設定した上で現像容器に固定することにより、薄板弾性部材221aの先端部付近のみで現像ローラ217と当接する状態にすることも可能である。しかし、このとき薄板弾性部材221aのたわみ量の設定が小さくなる。この結果、現像ブレードの寸法や設定位置のばらつき、現像ローラ217の円周振れ(円周方向に沿って現像ローラの半径がばらつくこと)などに対して、薄板弾性部材221aと現像ローラ217の当接圧が不安定になってしまう。そのため、安定した当接圧に設定するためには、高精度な組み立てが必要であった。
図15の現像装置では、ブレードガイドに対する現像ブレード321のガタつきが構成上発生する。そのため、現像ブレード321と現像ローラ317との当接部における摩擦力によって、現像ローラ317の回転方向に現像ブレード321が傾き、所定の姿勢を保つことが難しい。それにより、安定して現像ローラ317上に所定のトナー量を規制することが難しいという課題がある。
図16の現像装置では、板状部材421aに曲面を形成し、その曲面を現像ローラ417の周面と接触させるものであり、曲面によってトナーの取り込み口が大きく形成される。そのため、現像ローラ417と板状部材421aの当接ニップ部の現像ローラ回転方向上流側において、板状部材421aにトナーの融着が発生しやすい。また、曲面を現像ローラ417の周面と接触させる場合、当接ニップ部における圧分布は当接ニップ部の現像ローラ回転方向下流側において当接圧の低い領域が広く形成される。このため、現像ローラ417と現像ブレードの当接ニップ部における現像ローラ回転方向下流側において、現像ブレードにトナーの融着が発生しやすい。
さらに、トナーの取り込み口が大きく形成されると、取り込み口に入ってきたトナーが現像ブレードをくさび効果によって持ち上げてしまうため、より大きな荷重をかけて規制しなければ、トナーを薄層にコートすることが難しくなる。現像ブレードが現像ローラ417に加える荷重が増加すると、トナーに対する機械的なストレスも大きくなる。その結果、トナーの劣化が進みやすくなることで、トナーの付着力が高くなってしまう。さらにトナーの現像ブレード融着が発生しやすくなる。
本発明は、上記のような課題を解決したものである。すなわち本発明の目的は、現像剤が現像剤規制部材へ融着することを抑制することができる現像装置およびプロセスカートリッジを提供するものである。
上記目的を達成するための、本出願に係る代表的な構成は、
画像形成装置で用いられる現像装置において、
像担持体に形成された静電潜像を現像するために、現像剤を担持する現像剤担持体と、
板状の弾性部材を有し、前記弾性部材の先端部を前記現像剤担持体の回転方向において上流側へ向くように前記現像剤担持体に当接させることで、前記現像剤担持体に担持された現像剤の量を規制する、回転可能に支持された現像剤規制部材と、
前記現像剤規制部材にモーメントを加えることで、前記現像剤規制部材を前記現像剤担持体に対して圧接させる付勢手段と、
を備え、
前記現像剤規制部材の回転中心から前記弾性部材の先端部までの距離よりも、前記現像剤規制部材の回転中心から前記現像剤担持体の中心までの距離の方が長く設定されており、
前記現像剤規制部材が前記現像剤担持体との当接によって受ける荷重をP(N)とし、
前記現像剤規制部材の自由長をL(m)とし、
前記現像剤規制部材のヤング率をE(Pa)とし、
前記現像剤規制部材の断面二次モーメントをI(m)とし、
前記弾性部材が前記荷重を受けずに前記現像剤担持体と当接した場合に、前記現像剤規制部材の先端部と前記現像剤規制部材の当接部における前記現像剤担持体の接線に対して、前記弾性部材が成す角度を設定角α(rad)とする場合、
以下の式(1)から求められる前記弾性部材のたわみ角度βが前記設定角αよりも小さいことを特徴とする。
β=PL/2EI……式(1)。
本発明によれば、現像剤規制部材に融着物が発生することを抑制することができる。
本発明に係る現像装置の概略断面図。 本発明に係る画像形成装置本体の概略断面図。 本発明に係るプロセスカートリッジの概略断面図。 本発明に係る現像ブレードに作用する力を示した現像装置の概略断面図。 本発明に係る現像ブレードの設定角について説明する概略図。 現像ローラと現像ブレードとの当接ニップ内における圧力分布を示すグラフ。 比較例1における現像ブレードの位置設定に対して、現像ローラと現像ブレードにおける当接ニップ内の圧力分布を示すグラフ。 薄板弾性部材の形状プロファイルを示す概略図。 現像ブレードの使用前後に対して、現像ローラと現像ブレードにおける当接ニップ内の圧力分布を示すグラフ。 現像ブレードの設定角を示すプロセスカートリッジの概略断面図。 現像ブレードの先端部の形状を示す現像装置の概略断面図。 揺動支点軸の位置を示す現像装置の概略断面図。 実施例3におけるプロセスカートリッジの概略断面図。 従来の現像規制部材の概略断面図。 従来の現像規制部材の概略断面図。 従来の現像規制部材の概略断面図。
<実施例1>
以下、本発明における実施形態について図面に則して更に詳しく説明する。
[電子写真画像形成装置]
先ず、本実施例のプロセスカートリッジを着脱可能に装着する画像形成装置について図2および図3を参照して説明する。図2は、本実施例の画像形成装置100の概略断面図であり、図3は本実施例のプロセスカートリッジ7の概略断面図である。本実施例の画像形成装置100は、インライン方式、中間転写方式を採用したフルカラーレーザープリンタである。画像形成装置100は、画像情報に従って、記録材12(例えば、記録用紙、プラスチックシート、布など)にフルカラー画像を形成することができる。画像情報は、画像形成装置本体に接続された画像読み取り装置、或いは画像形成装置本体に通信可能に接続されたパーンナルコンピュータ等のホスト機器から、画像形成装置本体に入力される。
画像形成装置100は、複数の画像形成部として、それぞれイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の各色の画像を形成するための第1、第2、第3、第4の画像形成部を有する。本実施例では、第1〜第4の画像形成部は、第1から第4のプロセスカートリッジ7Y、7M、7C、7Kとして鉛直方向と交差する方向に一列に配置されている。
尚、本実施形態では、第1〜第4の画像形成部の構成及び動作は、形成する画像の色が異なることを除いて実質的に同じである。従って、以下、特に区別を要しない場合は、いずれかの色用に設けられた要素であることを表すために符号に与えた添え字Y、M、C、Kは省略して、総括的に説明する。
即ち、本実施形態では、画像形成装置100は、複数の像担持体として、鉛直方向と交差する方向に並設された4個のドラム型の電子写真感光体、即ち、感光体ドラム1を有する。感光体ドラム1は、図示矢印A方向(時計方向)に図示しない駆動手段(駆動源)により回転駆動される。感光体ドラム1の周囲には、感光体ドラム1の表面を均一に帯電する帯電手段としての帯電ローラ2、画像情報に基づきレーザーを照射して感光体ドラム1上に静電像(静電潜像)を形成する露光手段としてのスキャナユニット(露光装置)3が配置されている。又、感光体ドラム1の周囲には、静電像をトナー像として現像する現像手段としての現像ユニット(現像装置)4、転写後の感光体ドラム1の表面に残ったトナー(転写残トナー)を除去するクリーニング手段としてのクリーニング部材6が配置されている。更に、4個の感光体ドラム1に対向して、感光体ドラム1上のトナー像を記録材12に転写するための中間転写体としての中間転写ベルト5が配置されている。感光体ドラム1の回転方向において、帯電ローラ2による帯電位置、スキャナユニット3による露光位置、現像ユニット4による現像位置、中間転写ベルト5へのトナー像の転写位置、クリーニング部材6によるクリーニング位置は、この順番で設けられている。
尚、本実施形態では、現像ユニット4は、現像剤として非磁性一成分現像剤、即ち、トナーを用いる。又、本実施形態では、現像ユニット4は、現像剤担持体としての現像ローラ(後述)を感光体ドラム1に対して接触させて反転現像を行うものである。即ち、本実施形態では、現像ユニット4は、感光体ドラム1の帯電極性と同極性(本実施例では負極性)に帯電したトナーを、感光体ドラム1上の露光により電荷が減衰した部分(画像部、露光部)に付着させる。これにより感光体ドラム1上に形成された静電像(静電潜像)を現像する。
本実施形態では、感光体ドラム1と、感光体ドラム1に作用するプロセス手段としての帯電ローラ2、現像ユニット4及びクリーニング部材6は、一体的にカートリンジ化されて、プロセスカートリッジ7を形成している。プロセスカートリッジ7は、画像形成装置100の装置本体100Aに設けられた装着ガイド、位置決め部材などの装着手段を介して、装置本体100Aに対して着脱可能となっている。なお、ここで装置本体100Aとは、画像形成装置100からプロセスカートリッジ7を除いた部分である。
本実施例では、各色用のプロセスカートリッジ7は全て同一形状を有しており、各色用のプロセスカートリッジ7内には、それぞれイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブランク(K)の各色のトナーが収容されている。
中間転写体としての無端状のベルトで形成された中間転写ベルト5は、全ての感光体ドラム1に当接し、図示矢印B方向(時計方向)に循環移動(回転)する。中間転写ベルト5は、複数の支持部材として、従動ローラ51、二次転写対向ローラ52、駆動ローラ53に掛け渡されている。
中間転写ベルト5の内周面側には、中間転写ベルト5を間に介して各感光体ドラム1に対向するように、一次転写手段としての、4個の一次転写ローラ8が並設されている。一次転写ローラ8は、中間転写ベルト5を感光体ドラム1に向けて押圧し、中間転写ベルト5と感光体ドラム1とが当接する一次転写部N1を形成する。そして、一次転写ローラ8に、図示しない一次転写バイアス印加手段としての一次転写バイアス電源(高圧電源)から、トナーの正規の帯電極性とは逆極性のバイアスが印加される。これによって、感光体ドラム1上のトナー像が中間転写ベルト5上に転写(一次転写)される。
又、中間転写ベルト5の外周面側において、中間転写ベルト5を間に介して二次転写対向ローラ52に対向する位置には、二次転写手段としての二次転写ローラ9が配置されている。二次転写ローラ9は中間転写ベルト5を介して二次転写対向ローラ52に圧接し、中間転写ベルト5と二次転写ローラ9とが当接する二次転写部N2を形成する。そして、二次転写ローラ9に、図示しない二次転写バイアス印加手段としての二次転写バイアス電源(高圧電源)から、トナーの正規の帯電極性とは逆極性のバイアスが印加される。これによって、中間転写ベルト5上のトナー像が記録材12に転写(二次転写)される。一次転写ローラ8と二次転写ローラ9とは同様の構成を有する。
画像形成時には、先ず、感光体ドラム1の表面が帯電ローラ2によって一様に帯電される。次いで、スキャナユニット3から発された画像情報に応じたレーザー光によって、帯電した感光体ドラム1の表面が走査露光され、感光体ドラム1上に画像情報に従った静電像が形成される。次いで、感光体ドラム1上に形成された静電像は、現像ユニット4によってトナー像として現像される。感光体ドラム1上に形成されたトナー像は、一次転写ローラ8の作用によって中間転写ベルト5上に転写(一次転写)される。
例えば、フルカラー画像の形成時には、上述のプロセスが、第1〜第4の画像形成部(プロセスカートリッジ7Y、7M、7C、7K)において順次に行われ、中間転写ベルト5上に各色のトナー像が次に重ね合わせて一次転写される。
その後、中間転写ベルト5の移動と同期が取られて記録材12が二次転写部N2へと搬送され、記録材12を介して中間転写ベルト5に当接している二次転写ローラ9の作用によって、中間転写ベルト5上の4色トナー像は、一括して記録材12上に二次転写される。
トナー像が転写された記録材12は、定着手段としての定着装置10に搬送される。定着装置10において記録材12に熱及び圧力を加えられることで、記録材12にトナー像が定着される。
又、一次転写工程後に感光体ドラム1上に残留した一次転写残トナーは、クリーニング部材6によって除去、回収される。又、二次転写工程後に中間転写ベルト5上に残留した二次転写残トナーは、中間転写ベルトクリーニング装置11によって清掃される。
尚、画像形成装置100は、所望の単独又はいくつか(全てではない)の画像形成部のみを用いて、単色又はマルチカラーの画像を形成することもできるようになっている。
[プロセスカートリッジ]
次に、本実施例の画像形成装置100の装置本体100Aに装着されるプロセスカートリッジ7の全体構成について説明する。
尚、本明細書において、現像ユニット(現像装置)4或いはプロセスカートリッジ7の構成や動作について、上、下、垂直、水平といった方向を表す用語は、特に断りのない場合は、それらの通常の使用状態において見た時の方向を表す。現像ユニット(現像装置)4或いはプロセスカートリッジ7の通常の使用状態は、適正に配置された画像形成装置100の装置本体100Aに対して適正に装着され、画像形成動作に供し得る状態である。
図3は、感光体ドラム1の長手方向(回転軸線方向)に沿って見た本実施例のプロセスカートリッジ7の概略断面(主断面)図である。尚、本実施例では、収容している現像剤の種類(色)を除いて、各色用のプロセスカートリッジ7の構成及び動作は実質的に同一である。
プロセスカートリッジ7は、感光体ドラム1等を備えた感光体ユニット13と、現像ローラ17等を備えた現像ユニット4とを有する。
感光体ユニット13は、感光体ユニット13内の各種要素を支持する枠体としてのクリーニング枠体14を有する。クリーニング枠体14には、感光体ドラム1が図示しない軸受を介して回転可能に取り付けられている。感光体ドラム1は、装置本体100Aに設けられた駆動モータの駆動力が感光体ユニット13に伝達されることで、画像形成動作に応じて図示矢印A方向(反時計方向)に回転駆動される。画像形成プロセスの中心となる感光体ドラム1は、アルミニウム製シリンダの外周面に機能性膜をコーティングして構成される有機感光体ドラムである。ここで機能性膜とは、画像形成に必要な機能を感光体ドラム1に付与する膜のことであって、本実施例ではアルミニウム製シリンダから近い順に、下引き層、キャリア発生層、キャリア移送層を有する。画像形成時における感光体ドラム1の回転速度は100mm/secとしている。
又、感光体ユニット13には、感光体ドラム1の周面上に接触するように、クリーニング部材6、帯電ローラ2が配置されている。クリーニング部材6によって感光体ドラム1の表面から除去された転写残トナーは、クリーニング枠体14内に落下、収容される。
帯電手段である帯電ローラ2は、導電性ゴムのローラ部を感光体ドラム1に加圧接触することで、感光体ドラム1の回転に従動して回転する。ここで帯電ローラ2の芯金には、感光体ドラム1を帯電する帯電工程として、感光ドラム1に対して−1100Vとなる直流電圧が印加される。これにより感光ドラム1の表面には、約−550Vとなる一様な暗部電位(Vd)が形成される。
前述のスキャナユニット3から画像データに対応して発光されるレーザ光のスポットパターンは、感光ドラムを露光し、露光された部位は、キャリア発生層から発生したキャリアにより表面の電荷が消失し、電位が低下する。この結果、露光部位の電位は明部電位Vl=−100V、未露光部位の電位は暗部電位Vd=−550Vとなって感光体ドラム1に静電潜像が形成される。
[現像ユニット(現像装置)]
以下、本実施例で用いられる現像ユニット(現像装置)について説明する。
一方、現像ユニット4は、現像ユニット4内の各種要素を支持する枠体としての現像枠体18を有する。現像ユニット4には、感光体ドラム1と接触して図示矢印D方向(時計方向)に回転する現像剤担持体としての現像ローラ17が設けられている。本実施例では、現像ローラ17と感光体ドラム1とは、対向部(接触部)において互いの表面が同方向(本実施例では上から下に向かう方向)に移動するようにそれぞれ回転する。また、現像ローラ17の回転速度は感光ドラム1の回転速度の約1.3倍に設定されている。
現像ローラ17は、その長手方向(回転軸線方向)の両端部において、図示しない現像側板を介して、回転可能に現像枠体18に支持されている。尚、本実施例では、現像ローラ17は感光体ドラム1に接触して配置されているが、現像ローラ17は、感光体ドラム1に対して所定間隔を開けて近接配置される構成であってもよい。
本実施形態においては、現像ローラ17に印加されたDCバイアス=−350Vに対して、摩擦帯電によりマイナスに帯電したトナーが、感光体ドラム1に接触する現像部において、その電位差から、明部電位部にのみ転移して静電潜像を顕像化する。用いられるトナーは非磁性一成分トナーであり、本実施形態は被露光部にトナーを転移させる反転現像系である。
現像ローラ17は、芯金上に弾性層を有する、弾性現像ローラである。本実施形態においては、φ6mmのステンレス製の芯金上にシリコーンゴムにカーボンが分散されたソリッドゴムからなる第1層(基層)を約3mm形成している。更に、第2層(表層)として、導電剤により抵抗調整されたアクリル・ウレタン系ゴムを約10μm形成している。現像ローラ17のASKER−C硬度は45〜65°であり、MD−1(マイクロゴム硬度計(高分子計器株式会社製))で測定したマイクロゴム硬度が35〜50°である。現像ローラ17の抵抗(電気抵抗)は104〜106Ωである。
また、現像ローラ17表面は、トナーとの摺擦性を高め、かつ、トナーの搬送を良好に行うため、適度な凹凸を有しており、中心線平均粗さRaが0.6〜2.8μmである。
又、現像ユニット4には、現像ローラ17の周面上に接触するように、図示矢印E方向(時計方向)に回転する現像剤供給部材としてのトナー供給ローラ20が配置されている。即ち、本実施例では、トナー供給ローラ20と現像ローラ17とは、対向部(接触部)において互いの表面が逆方向に移動するようにそれぞれ回転する。トナー供給ローラ20の表面の周速は、現像ローラ17の表面の周速の0.85倍とした。
トナー供給ローラ20は、現像ローラ17上にトナーを供給すると共に、現像に供されずに現像ローラ17上に残留したトナーを現像ローラ17上から剥ぎ取る作用をなす。又、現像ユニット4には、現像ローラ17の周面上に接触するように、トナー供給ローラ20によって現像ローラ17上に供給されたトナーの層厚を規制する現像剤規制部材としての現像ブレード21が配置されている。
トナー供給ローラ20は導電性芯金の外周に発泡体を重ねて形成される。以下、発泡体が形成する層を発砲層と呼ぶ。このトナー供給ローラ20の発泡層は現像ローラ17へトナーの供給をすること及び、現像に寄与しなかったトナーを現像ローラ17から剥ぎ取ることの2つの役目を担う。供給ローラ20の発砲層に形成された発泡セルが、その縁の部分を現像ローラ17に摺擦させることで、現像ローラ17上のトナーをはぎ取る。
また、トナー供給ローラ20は、本実施例においては、芯金の外径をφ5mmとした。さらにこの芯金上に、発泡骨格構造で比較的低い硬度のポリウレタンフォームを上述の発砲層として重ねた。この発砲層の厚さは5.5mmであり、セル径が300乃至450μmの発砲セルが形成されている。つまり本実施例のトナー供給ローラ20は外径φ16mmの弾性スポンジローラとなる。
トナー供給ローラ20の外周部を発泡体で構成することにより、トナー供給ローラ20は、過大な圧を加えることなく現像ローラ17と当接する。そして発泡体表面の適度な凸凹で現像ローラ17上へのトナー供給および、現像時に消費されずに残留したトナーを現像ローラ上から剥ぎ取ることを行っている。
なお、このように発泡骨格構造によってトナーの掻き取り性を有する物質はウレタンフォームに限定されるものでない。例えば、トナー供給ローラ20に用いられる発砲体(発泡層)の材料としては、NBRゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、ヒドリンゴム、エチレンプロピレンゴム(EPDM)、クロロプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム及びこれらの複合混合物等、一般的に用いられるゴムが使用可能である。
また発泡層の抵抗(電気抵抗)を調整するために、発泡層に適宜、公知のイオン導電剤、無機微粒子若しくはカーボンブラック等を分散可能である。
またトナー供給ローラ20には現像ローラ17へのトナー供給を補助するために、トナー供給ローラ20側から現像ローラ17側へトナーを付勢するバイアスを印加してもよい。現像ローラ17側に負帯電トナーを付勢するバイアスを印加することで、現像ブレード21前に現像ローラ17に担持されるトナー量を増加させることが可能となる。さらにバイアスにより現像ローラ17上でのトナー密度が上がりやすく、現像ローラ17の表面粗さが低い場合においても均一なトナー濃度を得やすくなる。
本実施の形態において、一成分現像剤として負帯電性の非磁性トナー32には、高画質化を図るために、小粒径化を達成し、かつ、転写効率を向上させるため、略球形トナーを用いている。具体的には形状係数として、SF−1が100〜180であり、SF−2が100〜140であるものを用いている。
このSF−1、SF−2は、日立製作所FE−SEM(S−800)を用いて、トナー像を無作為に100個サンプリングし、それら画像情報を、イニコレ社製画像解析装置(Lusex3)に導入し解析を行い、下式より算出し得られた値を定義している。
SF−1={(MXLNG)/AREA}×(π/4)×100
SF−2={(PERI)/AREA}×(π/4)×100
但し、
MXLNG:トナーを二次元平面に投影してできる形状の最大長
AREA:トナーを二次元平面に投影してできる形状の面積
PERI:トナーを二次元平面に投影してできる形状の周長
である。
このトナーの形状係数SF−1はトナー粒子の球形度合を示し、100から大きくなるにつれて球形から徐々に不定形になる。SF−2はトナー粒子の凹凸度合を示し、100から大きくなるにつれてトナー表面の凸凹が顕著になる。¥
トナーの製造方法としては、トナーが上記形状係数の範囲内になれば、こだわるものではない。例えば従来の粉砕トナーの表面を熱的・機械的ストレスにより塑性球形化処理することも可能であるし、混濁重合法により直接トナーを製造する方法も可能である。また分散重合方法か、又はソープフリー重合方法に代表される乳化重合法等を用いることも可能である。
本実施の形態においては、モノマーとしてスチレンとn−ブチルアクリレート、荷電制御剤としてサリチル酸金属化合物、極性レジンとして飽和ポリエステルを用いて、さらにこれらに着色剤を加えて、常圧下または加圧下で混濁重合を行った。これにより比較的容易にトナーの形状係数SF−1を100〜180にし、かつSF−2を100〜140にするようコントロールできる。この結果、トナーの粒度分布がシャープとなって、主なトナーの粒径が4〜8μmの範囲に収まる。トナーの重量平均粒径は、10μm以下、好ましくは、7μm以下とするのが良い。
トナーの重量平均粒径の測定には、コールターカウンターTAII型あるいはコールターマルチライザー(コールター社製)を用いている。測定の際に用いる電解液は、1級塩化ナトリウムを溶質として用いたNaCl水溶液を濃度が1%となるよう調整したものである。
この電解水溶液100〜150ml中に、分散剤として界面活性剤、好ましくはアルキルベンゼンスルホン酸塩を0.1〜5ml加え、さらに測定試料を2〜20mg加える。試料を混濁した電解液は、超音波分散器で約1〜3分間分散処理され、前記測定装置により、100μmのアパーチャーを用いて、2μm以上のトナーの体積、個数を測定して、体積分布と個数分布とを算出し、体積分布から重量基準の重量平均粒径D4を求めている。
その後、流動性付与剤として、疎水性シリカを1.5wt%外添している。外添量は、当然これに限るものではない。トナー表面を外添剤によって被膜することで、負性帯電性能の向上、かつ、トナー間に微小な間隙を設けることによる、流動性の向上を達成している。
ここまで説明した画像形成装置構成については、本発明の実施例を説明するために一例を示したものであり、本発明の主旨からして限定されるものではない。
[トナー規制部材]
本実施例におけるトナー規制部材(現像剤規制部材)について説明する。図1は現像ユニットの概略構成図である。
トナー規制部材としての現像ブレード21は現像ローラ17の回転方向Dに対して前記トナー供給ローラ20よりも下流側で前記現像ローラ17に当接するように設置されている。現像ブレード21は薄板弾性部材21aと、薄板弾性部材21aを支持する支持板金21bとから構成されており、薄板弾性部材21aの自由端は現像ローラ17回転方向Dの下流側から上流側に向かうように支持板金21bによって片持ち支持されている。薄板弾性部材21aは薄い板状の金属からなる弾性部材(板バネ)である。
一方、支持板金21bは薄板弾性部材21aより厚い金属板であってL字形状に屈曲し、揺動枠体22に取り付けられている。支持板金21bは薄板弾性部材21aを支持する支持部材である。
揺動枠体22は、長手方向(現像ローラ17の軸線方向)においてその両端に揺動支点軸23を有する枠体である。揺動支点軸23は、揺動枠体22を回転可能にする軸部であって、現像枠体18に支持されている。つまり、現像枠体18に設けられた現像側板が、現像ローラ17に加えて揺動支点軸23を回転可能に支持することで、揺動枠体22は揺動支点軸23の軸線zを回転中心として回転可能である。
この結果、現像ブレード21も揺動枠体22と一体となって揺動支点軸23の軸線zを回転中心として現像枠体18に対して回転可能となる。尚、本実施例では、支持板金21bを揺動枠体22に取り付けたが、揺動支点軸23を支持板金21bに直接設置することによって、現像ブレード21を現像枠体18に対して回転可能に支持することも可能である。
また、現像枠体18と現像ブレード21との間には、現像ブレード21の長手方向(現像ローラ17の軸線方向)に渡って、トナー漏れ防止のためのシール部材25を設置している。シール部材25は現像枠体18の一部として設けられた座面(貼り付け面)に貼り付けられており、シール部材25が現像ブレード21により一定量圧縮されることにより、現像枠体18と現像ブレード21との間からのトナー漏れを防いでいる。本実施例においてはシール部材25としてEPDM(エチレン・プロピレンゴム)混合物の発泡体を使用した。
ここで図4を用いて、現像ブレード21の現像ローラ17に対する押圧力について説明する。現像枠体18には揺動枠体22に対して押圧する加圧バネ24が設置されており、揺動支点軸23の軸線zを回転中心として揺動枠体22および現像ブレード21に対してモーメントを付加している。つまり、加圧バネ24は、L字状に折り曲げられた支持板金21bに接触することにより力Fsを加え、これにより現像ブレード21および揺動枠体22に反時計回りのモーメントを加える。この結果、現像ブレード21は現像ローラ17に押し付けられる。
本実施例においては、図に示すように加圧バネ24は圧縮バネであるが、現像ブレード21を加圧する方法には特に制約はなく、圧縮バネではなく引張りコイルばねや板バネ等を代替加圧方法として適用してもよい。
揺動支点軸23の軸線zを回転中心としたモーメントを付加することによって、現像ブレード21を現像ローラ17に押圧することが可能となる。尚、現像ブレード21の現像ローラ17に対する押圧力は揺動支点軸23の軸線zを中心とした力のモーメントのつり合いで決定し、下記の式(1)により求められる。
Figure 0006016457
ここで、各符号は以下のように定義される。
Fd:現像ローラ17と現像ブレード21との押圧力
Ld:揺動支点軸23の中心(軸線z)から、現像ローラ17と現像ブレード21との接触部までの距離
θd:揺動支点軸23の中心(軸線z)から現像ローラ17と現像ブレード21との接触部までを結ぶ直線と、Fdの方向が成す角度
Fs:加圧バネ24が揺動枠体22に付勢する荷重
Ls:揺動支点軸23中心から、加圧バネ24と揺動枠体22との接触部までの距離
θs:揺動支点軸23中心から、加圧バネ24と揺動枠体22との接点を結ぶ直線と、Fsの方向とが成す角度
Fsl:シール部材25が揺動枠体22に付勢する荷重
Lsl:揺動支点軸23中心からシール部材25と揺動枠体22との接触部までの距離
θsl:揺動支点軸23中心からシール部材25と揺動枠体22との接点を結ぶ直線と、Fslの方向とが成す角度
図4に示すようにFdは、現像ブレード21が現像ローラ17との接触部から受ける荷重であり、現像ブレード21が現像ローラ17を押圧する押圧力に等しい。Fsは、加圧バネ24が揺動枠体22と接触する接触部を始点として、加圧バネ24が伸びる方向に生じる。
本実施例では、揺動支点軸23の軸線zからシール部材25と揺動枠体22との接触部までの距離Lslが小さくなるように設定しているため、シール部材25による力のモーメントの項を省略して計算している。すなわち式(1)において
Fsl・Lsl・sinθsl=0
とした。
ここで、式(1)の左辺は図4において、揺動支点軸23の軸線zを中心とした時計回りのモーメントであり、式(1)の右辺は軸線zを中心とした反時計回りのモーメントである。加圧バネ24によって現像ブレード21が現像ローラ17に押圧された状態では、式(1)が成り立つ。
ここで式(1)によって現像ローラ17が現像ブレード21に加える力Fdは、Ld、θd、Fs、Ls、θs、Fs、Fsl、Lslから求められる。つまり、加圧バネ24や揺動枠体22の構成、配置などを変えることによって、現像ブレード21の薄板弾性部材21aが現像ローラ17を押圧する力を画像形成に適した大きさにすることができる。
なお加圧バネ24は、薄板弾性部材21aに取り付けられるのではなく、支持板金21bに取り付けられている。加圧バネ24が薄板弾性部材21aを直接付勢した場合に、薄板弾性部材21aが変形するのを避けるためである。特に本実施例では支持板金21bは薄板弾性部材21aより厚い金属であって、さらにL字形状に屈曲しているため強度が高く、加圧バネ24から付勢力を受けた場合であっても変形しにくい。これにより支持板金21bの変形も抑えられる。この結果、現像ブレード21の薄板弾性部材21aが現像ローラ17を押圧する力を一定に保てるようになる。
また本実施例において支持板金21bは屈曲することで、薄板弾性部材21aが取り付けられた第一の面21b1と、加圧バネ24から付勢力を受ける第二の面21b2は交差(本実例では略直交)してある。そのため、面21b2が仮に加圧バネ24からの付勢力によって変形しても、薄板弾性部材21aに対して影響を及ぼすことは抑制される。
ここで現像ブレード21を支持する揺動枠体22の揺動支点軸23と現像枠体18の間には揺動支点軸23を回転可能とするために多少の隙間がある。そのため、薄板弾性部材21aの先端部が現像ローラ17から力を受けると、この隙間の分だけ揺動枠体22および現像ブレード21が移動して薄板弾性部材21aと現像ローラ17との接触状態に影響を及ぼす可能性がある。
しかし本実施例では支持板金21bにおいて面21b1に対して、面21b2が屈曲していることで、加圧バネ24から現像ブレード21が受ける力Fsは、薄板弾性部材21aが支持板金21bから現像ローラ17に向って延びる方向に沿って生じる。
つまり力Fsが、薄板弾性部材21aの先端を現像ローラ17に近づける向きに作用している。そのため薄板弾性部材21aが現像ローラ17から力を受けたとしても、薄板弾性部材21aの先端が現像ローラ17に対して離れる向きに移動してしまうのを抑制できる。この結果、薄板弾性部材21aと現像ローラ17との接触状態を良好に保つことができる。
特に本実施例では加圧バネ24の力Fsが生じる方向が、薄板弾性部材21aに対して略平行となるように構成したが、必ずしも平行に限るものではなく、薄板弾性部材21aが現像ローラ17に延びる方向に沿った方向であればよい。
次に、本実施例における薄板弾性部材21aの自由端側における先端の位置設定に関して説明する。説明のために、揺動支点軸23の中心(軸線z)から現像ローラ17の回転中心までの距離をr1とし、揺動支点軸23の中心(軸線z)から薄板弾性部材21aの先端までの距離をr2(Ldと同義)とする。このとき本実施例においては下記の式(2)を満たすように、薄板弾性部材21aの先端位置を設定している。
r1 > r2・・・式(2)
この式(2)を満たす限りにおいては、薄板弾性部材21aの先端が軸線z周りを回転した際に描く軌跡は現像ローラ17における円弧の頂点を超えることがなく、確実に薄板弾性部材21aはその先端(エッジ)から現像ローラ17に当接し始めることができる。
次に本発明における現像ブレード21の設定角について図5、図10を用いて説明する。図5(a)は現像ブレード21に対して押圧力を印加していない状態、図5(b)は現像ブレード21に対して押圧力を印加している状態をモデル化して示している。
また図10は、現像ブレード21を付勢する加圧バネ24を現像ユニット4から取り外した場合を示した図である。
図5(a)、図10には、現像ブレード21に加圧バネ24によるモーメントを付加せず、現像ブレード21が現像ローラ17から負荷を受けない無負荷状態が示されている。この無負荷状態において、現像ローラ17と現像ブレード21との当接点における現像ローラ17の表面の接線と現像ブレード21のなす角度を設定角αとする。ここで、現像ブレード21の設定角αを以下の式(3)を満たすように設定している。
Figure 0006016457
各符号は以下のように定義される。なお括弧内は、単位である。
α:設定角(rad)
Fd:現像ローラ17と現像ブレード21との押圧力(N)
Lb:薄板弾性部材21aの自由長さ。つまり片持ち支点から先端までの距離(m)
E:薄板弾性部材21aのヤング率(Pa)
I:薄板弾性部材21aの断面2次モーメント(m
なお図5(b)に示すように、加圧バネ24によるモーメントを付加した状態では、現像ブレード21は現像ローラ17の当接部から荷重を受ける。そのため、支持板金21bによって片持ち支持されている薄板弾性部材21aはたわみ変形し、先端部が角度(以下「たわみ角度」と呼ぶ)βだけ傾く。
ここで一般に、ヤング率E、自由長L、断面二次モーメントIの片持ち梁が荷重Pを受けた際のたわみ角度は、弾性曲線方程式を解くこと、あるいはモールの定理を用いることでPL/2EIと求めることができる。この式においてP=Fd、L=Lbを代入すると、薄板弾性部材21aのたわみ角度βは、式(3)の左辺のように
β(rad)=FdLb/2EI
と求めることができる。
つまり、式(3)は、薄板弾性部材21aがたわみ変形して形成されるたわみ角度βよりも、無負荷状態(薄板弾性部材21aが現像ローラ17から荷重を受けていない状態)において定義される現像ブレード21の設定角αのほうが大きいことを意味している。
具体的には、本実施例において、無負荷状態、すなわち加圧バネ24によるモーメントが現像ブレード21に付加されていない状態での設定角αは13°(0.227rad)である。
また、支持板金は厚さ1.2mmの鉄板を使用した。薄板弾性部材21aは厚み80μmのステンレス板であり、薄板弾性部材21aの自由長Lbは10mmである。また現像ローラ17の長手方向に沿って測った薄板弾性部材21aの幅は215mmである。またステンレス板のヤング率Eは197000MPaであり、薄板弾性部材21aの断面2次モーメントは9.17×10−15である。
また本実施例において、現像ローラ17と現像ブレード21との間に生じる押圧力Fdが5.0Nになるように設定している。これらを(3)式における左辺に当てはめた結果は
β=FdLb/2EI=0.138rad(7.93°)
となり、たわみ角度βは、無負荷状態における現像ブレード21の設定角α=13°(0.227rad)よりも小さい。これにより、薄板弾性部材21aがたわみ変形することによって薄板弾性部材21aの先端部以外の部分、すなわち腹面部が現像ローラ17と当接することを抑制でき、先端部付近のみで現像ローラ17と当接させることができる。
図6は現像ローラ17と現像ブレード21の接触領域である当接ニップ内の圧力分布を示している。実施例1では、薄板弾性部材21aのたわみ変形を抑えることによって、薄板弾性部材21aの腹面部が現像ローラ17と当接することを抑制している。そのため、実線で示す実施例1の圧分布では、薄板弾性部材21aの先端部における圧ピークから当接ニップ出口までの距離が短く、当接圧の低い領域を縮小することができる。
尚、無負荷時における現像ブレード21の設定角αは30°以下に設定することが望ましい。30°を超えるように設定した場合、現像ブレード21によって現像ローラ17上のトナーを規制した際、現像ローラ17に形成されるトナー層に縦筋が発生する場合がある。これは薄板弾性部材21aとして、型抜き板(うち抜き加工で形成された板)を使用したためと考えられる。つまり、型抜き板は安定的に生産することが可能であるが、うち抜き加工の際に、図11に示すように型抜き板の破断面21a2にバリ21a1が形成される場合がある。通常、バリ21a1が現像ローラ17とは反対側を向くように薄板弾性部材21aの向きを決めるが、仮に現像ブレード21の設定角αを30°以上に設定すると、バリ21a1が現像ローラ17に近づき、トナー層の規制に影響してくる可能性がある。この結果、トナー層に縦筋が発生するものと考えられる。また、設定角αが大きすぎると、現像ローラ17の回転によって、薄板弾性部材21aの先端がめくれてしまう場合がある。そこで本実施例では上記のことを踏まえて設定角αを30°以下とした。
また、現像ローラ17と現像ブレード21の間に生じる押圧力Fdに対して、薄板弾性部材21aのたわみ変形の度合い(たわみ角度の大きさ)が安定するためには、ヤング率が68000MPa以上の材料であることが望ましい。すなわち薄板弾性部材21aが金属製であることが望ましい。そのため本実施例においては、薄板弾性部材21aとしてステンレスを使用したが、リン青銅やアルミ等の他の金属であっても良い。なおここで言う金属には、合金を含むものとする。
<実施例2>
次に別の実施例について説明する。本実施例におけるトナー規制部材は、基本的には、実施例1に準ずる。ただし、無負荷状態、すなわち加圧バネ24によるモーメントを付加していない状態での現像ブレード21の設定角αは8°と実施例1よりも小さく設定している点において実施例1と異なる。(3)式における左辺に当てはめた薄板弾性部材21aのたわみ角度は実施例1と同じく7.93°(0.138rad)である。本実施例における現像ブレード21の設定角αはたわみ角度よりもわずかに大きい程度である。
本実施例における圧分布では、図6の一点鎖線で示すように、実施例1と比較すると、当接圧の低い領域が広くなっている。この理由としては、無負荷状態において定義される現像ブレード21の設定角αがたわみ角度よりもわずかに大きい程度であるためと考えられる。つまり薄板弾性部材21aがたわみ変形した際に、現像ローラ17の変形によって薄板弾性部材21aの腹面部が現像ローラ17と当接し始めているためと考えられる。
<比較例1>
次に、上記実施例1と実施例2の効果を確認するための比較例について説明する。本比較例におけるトナー規制部材について図14を用いて説明する。本比較例におけるトナー規制部材としての現像ブレードは現像容器に固定された支持板金に、リン青銅板やステンレス板などの薄板弾性部材221aを片持ちで支持し、その対向部の自由端側を現像ローラ217に対して当接している。
本比較例において、無負荷時、すなわち現像ローラを薄板弾性部材221aに対して押し込んでいない状態での現像ブレードの設定角αは8°である。また、支持板金は厚さ1.2mmの鉄板を使用し、薄板弾性部材は厚み80μmのステンレス板であり、薄板弾性部材21aの自由長さLbは10mmである。ステンレス板のヤング率Eは197000MPaであり、薄板弾性部材21aの断面2次モーメントは9.17×10−15である。
本比較例においては、薄板弾性部材に対し、現像ローラを一定量押し込んだ状態で薄板弾性部材217を撓み変形させることによって当接圧を確保することが可能となる。そこで、現像ローラの薄板弾性部材221aに対する押し込み量は1.2mmとしている。
本比較例において、現像ローラを薄板弾性部材221aに押し込んだ状態では、薄板弾性部材221aと現像ローラとの当接部における薄板弾性部材221aのたわみ角度は10.31°であり、現像ブレードの設定角である8°よりも大きい。このため、本比較例1における薄板弾性部材221aと現像ローラとの当接状態は、薄板弾性部材の先端部に加え、薄板弾性部材の先端部以外の腹面も同時に現像ローラと当接している。
本比較例における圧分布では、図6の点線で示すように、実施例1および実施例2と比較すると、当接圧の低い領域が広く存在している。
尚、実施例1および実施例2における現像ローラ17から現像ブレード21に加わる押圧力Fdと、比較例1における現像ローラの薄板弾性部材に対する押し込み量は、各条件において、現像ローラ上のトナーコート量が同等程度になるように設定値を決定した。
(各実施例及び比較例の評価方法)
本発明における実施例の構成について、以下の評価を行った。
(1)スジ画像評価
画像評価は全面に黒を印字するベタ画像を出力し、長手方向(レーザー主走査方向)に対して垂直方向に延びた縦スジの有無を目視により評価した。
ベタ画像におけるこのスジ画像評価は、画像形成装置を温度15.0℃、相対湿度10%Rhの評価環境に1日放置して当該環境になじませた後、さらに5000枚の記録用紙に印字テストを行った後に行った。この印字テストは、複数の横線(感光体ドラムの軸線方向に沿った線)によって形成された、画像比率5%の記録画像を、連続的に通紙される記録用紙に印字するものである。この結果を以下の表1に示す。なおスジ画像評価の欄で用いた評価記号○、△、×の定義は以下の通りである。
○:スジ画像が、1本以下で認識される。
△:スジ画像が、2本以上、5本未満で、認識される。
×:スジ画像が、5本以上、認識される。
(2)組立誤差に対する画像濃度評価
現像ブレードの組立誤差を考慮し、基準位置から薄板弾性部材の平面に対して垂直方向に±0.1mmすなわち0.2mmの範囲で現像ブレード位置を動かして画像濃度を評価した。現像ブレードを+0.1mmの設定位置と−0.1mmの設定位置に配置した時に、ベタ黒画像を出力し、X−Rite製spectordensitometer 500を用いて濃度を測定した。印字テスト及び評価画像は単色で出力している。なお以下の表1において「組立誤差に対する画像濃度評価」の欄で用いた評価記号○、×の定義は以下の通りである。
○:ベタ黒画像において、現像ブレードの位置設定範囲内での濃度差が0.2未満
×:ベタ黒画像において、現像ブレードの位置設定範囲内での濃度差が0.2以上
ベタ黒画像における画像濃度評価は、画像形成装置を評価環境(25.0℃、50%Rh)にて1日放置して当該環境になじませた後、さらに100枚の記録用紙に印字テストを行った後に行った。この印字テストは、複数の横線によって形成された画像比率5%の記録画像を、連続的に通紙する記録用紙に印字するものである。
(3)現像ブレードの耐久性
現像ブレードの耐久性の評価に際しては、まず画像形成装置を評価環境(25.0℃、50%Rh)に置いて、10000枚の記録用紙に上述の印字テストを行った後、現像ブレードを取り出し、これを新しい現像ユニットに設置した。そして新しい現像ブレードを用いた現像ユニットと、使用後(1000枚分の印字テスト後)の現像ブレードを用いた現像ユニットそれぞれを使って、ベタ黒画像を出力し、X−Rite製spectordensitometer 500を用いて濃度を測定した。印字テスト及び評価画像は単色で出力している。また、以下の表1において現像ブレードのリサイクル性の欄で用いた評価記号○、×の定義は以下の通りである。
○:使用後の現像ブレードを用いた場合と新しい現像ブレードを用いた場合とを比較して、ベタ黒画像の濃度差が0.2未満
×:使用後の現像ブレードを用いた場合と新しい現像ブレードを用いた場合とを比較して、ベタ黒画像の濃度差が0.2以上
新しい現像ブレードを用いた現像ユニットを使って、ベタ黒画像を形成する際には、事前に画像形成装置を評価環境(25.0℃、50%Rh)に1日放置して当該環境になじませ、さらに100枚の記録用紙に印字テストを行なった。この印字テストは、画像比率5%となる、複数の横線による記録画像を、連続的に通紙する記録用紙に印字するものである。
[実施例1〜2および比較例1の評価結果]
表1に、前述した評価方法を実施例1〜2および比較例1に適用した評価結果を示す。
Figure 0006016457
(従来技術に対する優位性)
従来技術に対する本発明の優位性を示す。
まず、スジ画像評価について述べる。5000枚の印字テスト後であっても、実施例1ではスジ画像の発生がほぼなく、また実施例2でもスジ画像の発生を抑制することができた。一方、比較例1においては、印字テスト後においてスジ画像が発生した。
図6は現像ローラと現像ブレードの接触領域である当接ニップ内の圧力分布を示している。実線は実施例1、一点鎖線は実施例2、点線は比較例1を示しており、当接ニップ部の現像ローラ回転方向下流側を揃えて表示している。全条件において、薄板弾性部材の先端部が当接しているため、先端部において当接圧のピークがあり、当接ニップ部の現像ローラ回転方向下流側にかけて当接圧の低い領域が形成されている点においては共通している。
しかし、比較例1では、実施例1および実施例2と比較すると、当接圧の低い領域が広く存在している。これは、片持ち支持された薄板弾性部材を板バネとして、一定量の撓みを設定した上で現像容器に固定することによって当接圧を確保する構成のため、薄板弾性部材の先端部以外の腹面部も同時に現像ローラと当接するためである。ところが、当接圧の低い領域においては、トナーやトナー外添剤が滞留する傾向があり、さらに当接圧の低い領域が広く存在すると、現像ブレードに付着したトナーを剥ぎ取ることが難しくなる。結果として、現像ローラと現像ブレードの当接ニップ部の現像ローラ回転方向下流側において、現像ブレード融着が発生してしまう。
実際にスジ画像評価において、比較例1の現像ブレードを観察したところ、スジ画像に対応して融着物が付着していた。また、融着の発生の様子を調べたところ、現像ブレードと現像ローラの当接部において、現像ローラ回転方向下流側から融着物が発生し、上流に向かって成長することが分かった。
これに対して、実施例1においては、印字テスト後におけるスジ画像の発生を抑制することができた。また、実施例1の現像ブレードを観察したところ、融着物の発生はなかった。これは実施例1では、薄板弾性部材21aがたわみ変形して形成されるたわみ角度βに対して、無負荷状態において定義される現像ブレード21の設定角αが大きくなるように設定したためと考えらえる。つまり薄板弾性部材21aがたわみ変形しても、薄板弾性部材21aの腹面部が現像ローラ17と当接することを抑制できるためと考えられる。
本実施例において、現像ローラ17のゴム材質(弾性層)は薄板弾性部材21aと比較すると柔らかい。そのため、薄板弾性部材21aと現像ローラ17の当接によって、現像ローラ17の変形し、薄板弾性部材21aと現像ローラ17の間には多少の当接ニップ(当接領域)が形成される。しかし、たわみ角度βを設定角αより小さくすることでその当接ニップの範囲を小さくできる。この結果として図6の実線に示すように、先端部における圧ピークから当接ニップ出口までの距離が短く、当接圧の低い領域を縮小することができる。当接圧の低い領域を縮小することによって、トナーやトナー外添剤が滞留することを抑制することができ、現像ブレードに融着物が発生することを抑制することが可能となる。
また、実施例2においては、記録用紙5000枚分の印字テストの後に行った画像評価の際に、スジ画像の発生がわずかに見られたものの、比較例1に対してスジ画像の発生数を抑制することができた。
ここで、実施例2では、無負荷状態において定義される現像ブレード21の設定角αがたわみ角度β=FdLb / 2EIよりもわずかに大きくなるよう設定している。そのため、薄板弾性部材21aがたわみ変形すると、現像ローラ17の変形によって薄板弾性部材21aの腹面部が現像ローラ17と多少当接し始めており、実施例1と比較すると、当接圧の低い領域が広くなっている。その結果として、実施例2の方が、実施例1よりもトナーやトナー外添剤が滞留することを抑制する効果が弱くなったと考えられる。実際、実施例2の現像ブレード21を観察したところ、融着物が軽微に付着していた。しかしこれもエアを吹きつけると取り除ける程度のものであった。
以上のように実施例1,2においては、薄板弾性部材21aと現像ローラ17の間の当接圧の低い領域を縮小することができた。これによって、トナーやトナー外添剤が滞留することを抑制することができ、現像ブレード21に融着物が発生することを抑制することができる。
また、本実施例においては、上述した式(2)を満たすように、薄板弾性部材21aの先端位置を設定しているため、確実に薄板弾性部材21aの先端エッジから現像ローラ17に当接し始めることができる。さらに加圧バネ24によるモーメントを付加した状態においても薄板弾性部材21aの腹面部が現像ローラ17と当接することを抑制している。そのため、現像ブレード21の現像ローラ17への先端当接を安定して行うことができる。その結果として、現像ローラ17と現像ブレード21との当接ニップ部の現像ローラ回転方向上流側における現像ブレード融着も抑制することができる。
次に、組立誤差に対する画像濃度評価について述べる。
実施例1および実施例2においては、現像ブレードの位置設定範囲内での濃度変動を抑制したのに対して、比較例1においては、現像ブレードの位置設定範囲内で濃度変動が発生した。
比較例1は片持ち支持された薄板弾性部材を板バネとして、一定量の撓みを設定した上で現像容器に固定することによって当接圧を確保する構成である。そのため、現像ブレードの位置設定が薄板弾性部材の平面に対して垂直方向に変化すると、たわみ量の変化に直結し、当接圧が大きく変わってしまう。図7には、比較例1における現像ブレードの位置設定に対して、現像ローラと現像ブレードの接触領域である当接ニップ内の圧力分布を示している。
図7に示すように、現像ローラに対する現像ブレード侵入量が増加すると、腹面部である当接圧の低い領域が広がり、先端部の当接圧が低くなる。つまり、薄板弾性部材の状態としては、薄板弾性部材の変形量が大きくなり、腹面で現像ローラと当接する比率が大きくなり先端部が浮き上がってくる。これは比較例1のように薄板弾性部材の先端部以外の腹面も同時に現像ローラと当接する構成における傾向である。
一方、実施例1および実施例2においては、現像ブレード21の位置設定が薄板弾性部材の平面に対して垂直方向に変化した場合でも、現像ブレード21が揺動支点軸23を支点に揺動することで、現像ブレード21の先端部が現像ローラ17に当接する。そして、現像ブレード21と現像ローラ17が当接した時点から、現像ブレード21を付勢する加圧バネ24の力によって現像ブレード21から現像ローラ17に荷重が印加される。現像ブレード21の位置が変化すると加圧バネ24の圧縮具合に多少変化は生じるものの、あらかじめ加圧バネ24のバネ定数を適切に設定することにより、現像ブレード21と現像ローラ17の当接圧が変動するのを抑制できる。つまり、現像ブレード21の位置設定変化に対する薄板弾性部材21aの変形具合の変化を抑制することができ、現像ブレード21と現像ローラ17の当接状態を安定させることが可能となる。その結果として、現像ブレード21の配置の誤差に対して濃度変動を抑制することができる。
次に、現像ブレードの耐久性の評価について述べる。
図8は実施例1、比較例1における薄板弾性部材の形状を示したものであり、実線が使用前の形状プロファイルであり、一点鎖線は実施例1における使用後の形状、点線は比較例1における使用後の形状である。尚、形状の取得に際してはレーザー走査型共焦点顕微鏡(キーエンス_VK9500)を用いている。
本発明における実施例および比較例では薄板弾性部材として耐久性の高いステンレス板を使用しているが、長期間使用後に薄板弾性部材21aの形状を観察すると、図8に示すように実施例および比較例ともに当接部において微小な削れが発生する可能性がある。削れの程度としては、数μmである。特に当接圧の高い先端部における削れが比較的大きい。このような削れは、薄板弾性部材21aがトナーに外添されているシリカのような硬い粒子によって少しずつ削られていくことで生じるものと考えられている。
本評価においては、記録用紙10000枚分の印字テストを行い、その先端部に削れの発生した現像ブレードを取り出した上で新しい現像ユニットに設置した。実施例1および実施例2においては、10000枚分の印字テストに使用後の現像ブレードを用いた場合と、新しい現像ブレードを用いた場合とで、形成した画像に濃度差が生じるのを抑制することができた。これに対して、比較例1においては、使用後の現像ブレードを用いた場合と新しい現像ブレードを用いた場合とで画像の濃度差を抑制することができなかった。
図9(a)、図9(b)はそれぞれ実施例1、比較例1において現像ローラと現像ブレードの接触領域である当接ニップ内の圧力分布である。それぞれの現像ブレードを印字テスト使用後の場合と、印字テスト使用前の場合とで、圧力分布を示している。実線は印字テスト使用前の新しい現像ブレードにおける圧力分布、点線は印字テスト使用後の削れが発生した現像ブレードにおける圧力分布を示しており、当接ニップ部の現像ローラ回転方向下流側を揃えて表示している。
比較例1では、使用前の現像ブレードにおける圧分布に対して、腹面部である当接圧の低い領域が広がり、先端部の当接圧が低くなっている。比較例1においては、現像ブレードは現像容器に固定されており、薄板弾性部材の先端部以外の腹面も同時に現像ローラに当接している。この場合、腹面部において当接圧を受けることによって、削られてしまった先端部を積極的に現像ローラへと当接させていくことが構成的にできないため、先端部の当接圧が低くなると考えられる。
一方、実施例1では、先端部における当接圧の低下は比較例1と比べると抑制されている。実施例1は上述した式(2)を満たすように設定されているため、確実に薄板弾性部材21aの先端エッジから現像ローラ17に当接し始めることができる。そして、薄板弾性部材21aの腹面部が現像ローラ17と当接することを抑制している。そのため、先端部が削れてしまった場合においても、削られてできた新たな先端部を現像ローラへと積極的に当接させていくことが可能であるため、先端部における当接圧の低下が抑制することができると考えられる。
以上のように、本発明における実施例においては、削れの発生した使用後の現像ブレードに対しても、使用前の新しい現像ブレードとの濃度差を抑制することができるため、現像ブレードの耐久性に優れている。これにより現像ユニットを長期に渡って使用したり、使用済みの現像ブレードを再利用(リサイクル)することも可能になる。
ところで、比較例1のような構成の現像ブレードにおいても、現像ローラに対する侵入量を浅く設定し、たわみ量を減らすことによって、本発明における実施例と同様な圧分布を形成することが可能である。しかしながら、比較例1の構成では現像ブレードのたわみ量が小さくなると、現像ローラの半径の変動(誤差)や現像ローラの凹み、現像ユニットの組み立て公差のばらつき等に対して、現像ローラに対する圧の分布が大きく変化しやすい。そのため実使用上の設定としては使いこなすことが難しい。
これに対して、実施例1、2では、現像ローラ17の半径の変動や凹み、現像ユニット4の組み立て公差のばらつき等が生じても、現像ブレード21が揺動支点軸23を支点に回転することで両者は確実に当接する。そして現像ブレード21から現像ローラ17には加圧バネ24により適切な荷重が印加される。つまり、薄板弾性部材21aに一定量の撓みを設定することにより当接荷重を確保しているのではなく、加圧バネ24によって荷重を設定しているため、薄板弾性部材21aの撓みが少ない状態においても、安定して使用することが可能である。
尚、上述した現像ローラと現像ブレードの接触領域である当接ニップ内の圧力分布は有限要素法によるシミュレーションで得られた結果である。ここではDassault Systemes Simulia Corp.製の汎用有限要素法ソフト「ABAQUS」を用いた。また、諸条件は実施例および比較例に示した条件を適用している。
[まとめ]
上述したように本実施例では、現像剤規制部材としての現像ブレード21を揺動支点軸23の軸線zを回転中心として現像枠体18に揺動(回転)可能に取り付けた。そしてこの現像ブレード21を付勢手段としての加圧バネ24によって付勢している。これにより、加圧バネ24の力を利用して現像ローラ17を画像形成に適した所定の押圧力で押圧することができる。また現像ブレード21の位置が変動した場合や、長期に渡って使用した場合であっても、現像ブレード21が現像ローラ17を押圧する押圧力の変動を小さく保てる。
特に本実施例においては現像ブレード21の自由長を、揺動支点軸23の軸線zから現像ローラ17の中心までの距離よりも短くしたうえで、現像ブレード21が撓んだ状態でもこの際のたわみ角度βが、現像ブレード21の設定角αを超えないように規定してある。すなわち、現像ブレード21が現像ローラ17との当接によって受ける荷重、現像ブレード21のヤング率、断面二次モーメントが下の式(3a)を満たすように現像ブレード21や加圧バネ24の構成、配置等を規定してある。
Figure 0006016457
この結果、現像ブレード21の薄板弾性部材21aは、現像ローラ17と接触して撓んだとしても、その先端部以外を現像ローラ17に接触させにくくなり薄板弾性部材21aと現像ローラ17の接触面積が小さくなる。つまり、現像ブレード21が現像ローラ17に加える圧力のピーク値が高まり、また、現像ブレード21が弱い圧力でもって現像ローラ17と接触する部分の領域が小さくなる。そのため、現像ブレード21は現像ローラ17に担持された現像剤の量を所定量に規制しやすくなる。
[変形例]
以下、揺動支点軸23の配置を異ならせた実施例1、2に対する変形例について図12を用いて説明する。図12は、現像ユニットの断面を模式的に示したものであって、現像ローラ17の軸線に対して垂直な断面である。
実施例1、2では、現像ローラ17の中心と、揺動支点軸23がともに現像ブレード21よりも下側になるようにこれらを配置した(図4参照)。つまり実施例1,2では揺動支点軸23を位置23cに設けてあり、これは薄板弾性部材21aに対して現像ローラ17の中心と揺動支点軸23が同じ側に位置することを意味している。
しかし必ずしも現像ローラ17と揺動支点軸23の配置を実施例1,2の様に限定する必要はない。実施例1,2に対する変形例として、現像ブレード21に対して現像ローラ17の中心とは反対側の位置23aに揺動支点軸23を設けることも可能である。また揺動支点軸23を、図12の断面において現像ブレード21の支持板金21bと重なる位置(位置23b)に設けることも可能である。
ただし、揺動支点軸23の位置を異ならせた場合に、現像ローラ17に対して現像ブレード21が食い込んだ際、現像ローラ17に対して現像ブレード21の角度が変化する度合いが異なってくるので以下に説明する。
現像ローラ17は弾性層を有することから、現像ローラ17に対して薄板弾性部材21aの先端が食い込み、現像ローラ17に対する薄板弾性部材21aの角度が設定角αから変化する場合がある(図11参照)。この際、図12に示すように揺動支点軸23がそれぞれ位置23a、23b、23cにあるときには、薄板弾性部材21aの先端の移動軌跡はそれぞれ軌跡Ta,Tb、Tcとなる。つまり揺動支点軸23の位置によって薄板弾性部材21aの移動軌跡も異なり、これによって薄板弾性部材21aの角度の変動具合も異なる。
薄板弾性部材21aが現像ローラ17の弾性層に食い込むと、現像ローラ17に対する薄板弾性部材21aの角度は設定角αに対して大きくなる。このとき、図12から分かるように揺動支点軸23を位置23aに設けた場合の方が、揺動支点軸23を位置23b、23cに設けた場合に比べて、現像ローラ17に対する薄板弾性部材21aの角度が大きくなりやすい。
つまり揺動支点軸23を位置23aに設けた場合には、薄板弾性部材21aが現像ローラ17に対して食い込んだ場合に、現像ローラ17に対して薄板弾性部材21aの傾きを、薄板弾性部材21aのたわみ角度βよりも大きい状態に保ちやすくなる。
ただし、現像ローラ17に対する薄板弾性部材21aの角度が当初の設定角αを超えて大きくなりすぎてしまうと、上述したように薄板弾性部材21aのバリ21a1(図11参照)がトナーの規制に影響を及ぼす可能性がある。また、現像ローラ17の回転によって薄板弾性部材21aの先端がめくれる可能性がある。よって揺動支点軸23を位置23aに設ける際には、設定角αを上限値に対して余裕を持って設定する必要がある。
一方、揺動支点軸23を位置23bに設けた場合には、薄板弾性部材21aが現像ローラ17に食い込んだ場合でも、現像ローラ17に対する薄板弾性部材21aの角度が設定角αから大きくなりにくい。つまり薄板弾性部材21aのバリ21a1(図11参照)がトナー規制に影響を与えることや、薄板弾性部材21aがめくれることを抑制できる。
設定角αの大きさを下限値である「たわみ角度β」に対して十分大きく設定できる場合には、薄板弾性部材21aが現像ローラ17に食い込んだ際に、現像ローラ17に対する角度が大きくならない方がむしろ好ましい。つまりこのような場合は、揺動支点軸23は位置23bあるいは、実施例1,2のように位置23cに設けることが好ましい。
本変形例として示したように、揺動支点軸23を位置23bに設けた場合には、揺動支点軸23を直接、支持板金に取り付けることが可能になるので、実施例1において用いた揺動枠体22(図4参照)が不要になる。揺動枠体22が占めていたスペースの分だけ、現像装置を小型化することができる。
なお、揺動支点軸23を位置23cに設けると、揺動支点軸23を位置23bに設けた場合よりさらに、現像ローラ17に対して薄板弾性部材21aの角度を大きくしにくくすることができる。すなわち揺動支点軸23を位置23cに設けることは、バリ21a1の影響を抑える観点や、薄板弾性部材21aのめくれを抑える観点では最も好ましい。
<実施例3>
本発明の別の実施例について図13を用いて説明する。本実施例では、上述の実施例とは異なり、現像ブレード21を付勢する付勢手段として、引っ張りばね26を用いることを特徴とする。なお、以下の説明において上述の実施例1,2と同様の機能、構成を有する部材については同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
本実施例においては、現像ブレード21に、薄板弾性部材21aを支持する支持板金21cが設けられている。支持板金21cは先述の実施例で用いられた支持板金21bと異なり屈曲していない。この支持板金21cには引っ張りばね26が取り付けられている。
引っ張りばね26は、支持板金21cを引っ張ることで、現像ブレード21に力Fs2を加える。この結果、現像ブレード21には反時計方向のモーメントが付与され、薄板弾性部材21aは現像ローラ17に押圧される。このとき、本実施例においても上述の式(3a)を満たすようにすることで、薄板弾性部材21aのたわみ角度βが、設定角αを下回る。薄板弾性部材21aはその先端部のみを現像ローラ17に接触させることが可能となる。
1 感光体ドラム
4 現像ユニット(現像装置)
7 プロセスカートリッジ
17 現像ローラ
21 現像ブレード
21a 薄板弾性部材
21b 支持板金
22 揺動枠体
23 揺動支点軸
24 加圧バネ

Claims (10)

  1. 画像形成装置で用いられる現像装置において、
    像担持体に形成された静電潜像を現像するために、現像剤を担持する現像剤担持体と、
    板状の弾性部材を有し、前記弾性部材の先端部を前記現像剤担持体の回転方向において上流側へ向くようにして前記現像剤担持体に当接させることで、前記現像剤担持体に担持された現像剤の量を規制する、回転可能に支持された現像剤規制部材と、
    前記現像剤規制部材にモーメントを加えることで、前記現像剤規制部材を前記現像剤担持体に対して圧接させる付勢手段と、
    を備え、
    前記現像剤規制部材に対し、前記規制部材の回転中心と前記現像剤担持体の中心は、同一側に配置され、前記現像剤規制部材の回転中心から前記弾性部材の先端部までの距離よりも、前記現像剤規制部材の回転中心から前記現像剤担持体の中心までの距離の方が長く設定されており、
    前記現像剤規制部材が前記現像剤担持体との当接によって受ける荷重をP(N)とし、
    前記現像剤規制部材の自由長をL(m)とし、
    前記現像剤規制部材のヤング率をE(Pa)とし、
    前記現像剤規制部材の断面二次モーメントをI(m4)とし、
    前記弾性部材が前記荷重を受けずに前記現像剤担持体と当接した場合に、前記現像剤規制部材の先端部と前記現像剤規制部材の当接部における前記現像剤担持体の接線に対して、前記弾性部材が成す角度を設定角α(rad)とする場合、
    以下の式(1)から求められる前記弾性部材のたわみ角度βが前記設定角αよりも小さいことを特徴とする現像装置。
    β=PL2/2EI 式(1)
  2. 前記弾性部材は金属製であることを特徴とする請求項1に記載の現像装置。
  3. 前記現像剤規制部材は、前記弾性部材を支持する支持部材を有し、前記付勢手段は前記支持部材に対して付勢力を加えることを特徴とする請求項1又は2に記載の現像装置。
  4. 前記支持部材は屈曲した金属板であって、前記弾性部材が固定された第一の面と、第一の面に対して交差し、前記付勢手段から付勢力を受ける第二の面を有することを特徴とする請求項3に記載の現像装置。
  5. 前記弾性部材が前記現像剤担持体に向けて延びる方向に沿って、前記付勢手段は前記現像剤規制部材に付勢力を加えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の現像装置。
  6. 前記弾性部材に対して前記現像剤規制部材の回転中心と前記現像剤担持体の回転中心は同じ側にあることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の現像装置。
  7. 前記現像剤規制部材は前記弾性部材を支持する支持部材を有し、前記現像剤担持体の軸線と垂直な平面において、前記現像剤規制部材の回転中心は前記支持部材と重なる位置に配置されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の現像装置。
  8. 前記現像剤規制部材のヤング率Eは6.8×1010Pa以上であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の現像装置。
  9. 前記現像装置は、前記画像形成装置の装置本体に対して着脱可能であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の現像装置。
  10. 像担持体と、
    請求項1乃至8の何れか1項に記載の現像装置を有し、
    前記画像形成装置の装置本体に着脱可能なプロセスカートリッジ。
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