KR20120069520A

KR20120069520A - 화상형성장치

Info

Publication number: KR20120069520A
Application number: KR1020110068970A
Authority: KR
Inventors: 히로아키 요시다
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2012-06-28
Also published as: JP5873630B2; KR101813638B1; JP2012133050A

Abstract

화상형성장치가 개시되어 있다. 개시된 화상형성장치는 현상 롤러의 축방향을 따라 2성분 현상제를 반송하는 반송부, 반송부의 단부에 설치되고, 신규로 투입된 토너와 캐리어를 혼합하는 대경의 교반 스크류를 포함하는 예비 교반부를 가지며, 감광체 드럼이 매체 상에 화상 형성을 행하는 프로세스 스피드가 300[mm/s]이상이고, 감광체 드럼이 화상 형성을 행하는 매체의 폭이 레터 사이즈 폭 216[mm]이하이며, 예비 교반부는 2성분 현상제 표면으로부터 상측방향의 교반 스크류의 돌출량을 [rmm], 교반 스크류의 피치를 P[mm], 교반 스크류의 회전수를 R[rps], 혼합 교반에 필요한 시간을 T[s]라고 했을 때에, 하기의 식을 만족시킨다.

Description

화상형성장치{Image forming apparatus}

본 발명은 화상형성장치에 관한 것이다.

레이저 프린터, 레이저 팩스 혹은 디지털 복사기 등의 전자 사진 방식에 의한 화상 형성 장치에서는 감광체 드럼 상을 거의 똑같이 대전시키고, 해당 감광체 드럼을 노광하여 화상 신호에 따른 정전잠상을 형성 후, 현상기에 의해 대전된 토너를 감광체 드럼 상에 공급하여 현상화하고, 그 현상제상을 전사지 등의 인자 매체에 전사한 후, 정착기에 의해 정착하여 화상을 형성하고 있다.

화상 형성 장치에 있어서, 감광체 드럼 상에 토너를 공급하는 방법으로서 마그넷 롤러를 이용하는 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 하기 발명의 배경이 되는 기술란에 기재된 특허문헌 1, 2에는 토너와 캐리어로 이루어지는 2성분 현상제를 이용하는 장치가 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 1에는 토너를 예비적으로 현상제에 혼합하여 보급하는 구성이 개시되어 있다.

최근에는 화상 형성 장치의 처리 능력이 증대하여 단위 시간당 인쇄 가능한 매수가 매우 많아지고 있다. 이 때문에, 2성분 현상제를 이용하는 장치에서는 소비된 토너를 계속적으로 보충함과 동시에 보충한 토너와 캐리어를 단시간에 혼합할 필요가 있다.

그러나, 상기한 종래의 장치에서는 이러한 고속으로의 인쇄를 상정하지 않기 때문에, 고속 인쇄에 의해 소비된 토너를 보충하여 공급할 때에 토너와 캐리어의 혼합이 불충분해지는 문제가 있다.

특히, 최근에는 A4사이즈의 용지를 인쇄하는 비교적 소형의 장치에 대한 수요가 많아지고 있다. 이러한 소형의 장치에서는 토너의 반송로의 길이도 짧아지기 때문에, 토너와 캐리어가 교반되는 거리가 짧아져 토너와 캐리어의 혼합이 불충분해져 버린다.

그리고, 토너와 캐리어의 혼합이 불충분해지면, 토너가 캐리어와 마찰 대전하여 적정한 극성의 대전량으로 제어되지 않게 된다. 그 때문에, 반대극성이나 대전량이 낮은 토너에 의해 화질이 저하되는 문제가 있었다.

또한, 최근에는 화상 형성 장치의 소형화에 의해 현상제의 양을 적게 하는 방향으로 움직이고 있다. 특히 고화질, 1페이지당 저비용화로부터, 토너의 고안료 첨가화와 캐리어의 소입경화에 의해 적은 현상제량으로도 화상 농도 유지가 가능하게 되었다. 그러나, 2성분 현상제를 이용하는 시스템에서는, 소비된 토너를 정확하게 계량하여 캐리어 중에 투입하여 교반 대전, 분산시킬 필요가 있다. 이를 위해서는 교반 시간이 필요하다. 교반 시간이 짧으면 토너는 충분히 대전되지 않고, 또한 캐리어 표면에 담지되지 않은 상태로 현상 영역에 반송된다.

또한, 현상제는 페라이트나 마그네타이트 등의 표면에 수지를 코트(Coat)한 분체를 이용하고 이것에 수지가 주성분인 토너를 혼합하고 있다. 그 때문에, 현상제의 흐름 중에 토너를 혼합시킨 경우, 비중 차가 있기 때문에 토너가 현상제 중에 말려들지 않기 때문에, 대전, 분산이 불충분한 채로 현상 영역에 반송되는 문제가 있다. 토너는 본래 적정한 극성의 대전량으로 제어될 필요가 있는데, 대전/분산이 불충분한 경우, 반대극성이나 대전량이 낮아진다. 이 때문에, 감광체 드럼 상의 본래 토너가 부착되지 않아야 할 영역에 토너가 부착되어 화상의 열화(화상 B/G 증가), 화상 오염이 생겨 버린다. 또한, 대전이 불충분하면 기내 오염이 발생하는 문제도 생긴다. 특히 A4사이즈의 고속 현상기의 경우, 교반 시간이 A3기에 비교하여 25% 정도 적어지기 때문에, 종래의 현상기에서는 고속화에 한계가 있었다.

특개평10-142916호 공보 특개 2006-323238호 공보

사토, 기무라, 일본 화상 학회지, 2002년 발행, 제41권, 제1호, p.34~p.39

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 고속 인쇄를 하는 경우에 최소한의 공간에서 토너와 캐리어를 확실히 혼합하는 것이 가능한 화상 형성 장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 화상형성장치는 정전잠상에 따라 공급된 토너를 전사하여 매체 상에 화상 형성을 행하는 감광체 드럼, 감광체 드럼에 토너를 공급하는 현상 롤러, 현상 롤러에 토너와 캐리어가 혼합된 2성분 현상제를 공급하는 현상 유닛;을 구비하고, 현상 유닛은,

현상 롤러의 축방향을 따라 2성분 현상제를 반송하는 반송부

반송부의 단부에 설치되고, 신규로 투입된 토너와 캐리어를 혼합하는 대경의 교반 스크류를 포함하는 예비 교반부를 가지며,

감광체 드럼이 매체 상에 화상 형성을 행하는 프로세스 스피드가 300[mm/s]이상이고, 감광체 드럼이 화상 형성을 행하는 매체의 폭이 레터 사이즈 폭 216[mm]이하이며, 예비 교반부는 2성분 현상제 표면으로부터 상측방향의 교반 스크류의 돌출량을 [rmm], 교반 스크류의 피치를 P[mm], 교반 스크류의 회전수를 R[rps], 혼합 교반에 필요한 시간을 T[s]라고 했을 때에, 하기의 식을 만족시킨다.

감광체 드럼의 외경이 30[mm]이하이고, 예비 교반부의 단면적을 S1[mm²], 감광체 드럼의 단면적을 S2[mm²], 현상 롤러의 단면적을 S3[mm²], 반송부에 설치된 반송 스크류의 단면적을 S4[mm²]라고 하면, 이하의 식를 만족시킨다. S1<S2+S3+S4.

감광체 드럼의 외경이 30[mm]이하이고, 감광체 드럼, 현상 롤러 및 현상 유닛을 포함하는 프로세스 유닛의 감광체 드럼의 축과 직교하는 단면에서의 단면적이 3500[mm²]이하이다.

감광체 드럼의 외경이 30[mm]이하이고, 감광체 드럼, 현상 롤러 및 현상 유닛을 포함하는 프로세스 유닛의 감광체 드럼의 축과 직교하는 단면에서의 수평 방향의 폭이 70[mm]이하이다.

본 발명의 화상형성장치는 고속 인쇄를 하는 경우에 최소한의 공간에서 토너와 캐리어를 확실히 혼합하는 것이 가능하다.

도 1은 일반적인 화상 형성 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 모식도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 화상 형성 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 3은 현상 유닛을 도 2의 상부에서 본 상태를 나타내는 모식도.
도 4는 예비 교반부의 구성을 도시하는 모식도.
도 5는 본 실시형태가 상정하는 각 조건을 나타내는 모식도이다.
도 6은 식(1)에서의 마그 롤러(Mag Roller)상의 토너 농도 차(ΔCt)와 현상제 반송량(W)의 관계를 나타내는 특성도.
도 7은 도 6의 조건 1, 조건 2 및 조건 3 각각에 대해 토너 농도 차(ΔCt)를 1% 이하로 하기 위한 현상제 반송량(W)을 나타내는 모식도.
도 8은 면적(S)과 스크류의 피치(P)의 관계를 조건 1, 조건 2, 조건 3 각각에 대해 나타내는 특성도.
도 9는 스크류의 외경(D)과 피치(P)의 관계를 조건 1, 조건 2, 조건 3 각각에 대해 나타내는 특성도.
도 10은 조건 1, 조건 2, 조건 3 각각에 대해 현상제량(m)과 현상제가 현상 유닛 내를 1주하는 시간(T1), 혼합 교반의 시간(T2)을 나타내는 모식도.
도 11은 혼합 교반의 시간(T)을 설명하기 위한 모식도.
도 12는 혼합 교반에 필요한 시간(T)과 도 4에 도시된 r의 값의 관계를 나타내는 특성도.
도 13은 감광체 드럼을 φ30, 현상 롤러를 φ20, 제1 반송 스크류를 φ18로 한 구성을 도시하는 모식도.
도 14는 대경의 예비 교반부를 이용하여 프로세스 피치 간을 최소로 한 예를 도시하는 모식도.
도 15는 회전수 R=500rpm, P=15mm으로 하여 r과 T의 관계를 실험에 의해 구한 결과를 나타내는 특성도.
도 16은 r= 3mm, P=15mm으로 하여 R과 T의 관계를 실험에 의해 구한 결과를 나타내는 특성도.
도 17은 회전수 R=500rpm, r=3mm로 하여 P와 T의 관계를 실험에 의해 구한 결과를 나타내는 특성도.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 일반적인 화상 형성 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 모식도이다.

도 1을 참조하면, 화상 형성 장치는 토너 및 캐리어를 포함하는 2성분 현상제를 이용하는 것으로, 현상제를 담지하여 감광체 드럼(102)에 토너를 공급하는 현상 롤러(104), 현상제를 교반하여 마찰에 의해 토너 입자를 대전시키는 제1 및 제2 교반 스크류(106, 108) 및 이들을 수용 유지하는 현상 케이스(110)를 가지고 있다.

2성분 현상제를 이용하는 현상 장치에서는 현상제로서 토너와 캐리어를 혼합한 것을 이용하고 있다. 현상 영역에서는 토너만이 소비되고 캐리어는 재이용된다. 소비된 토너를 보급하기 위해, 미리 인쇄한 토너량을 비트 카운트(Bit Count) 등으로 계측하여 예측하고, 또한 토너 농도 센서로 검출된 부족분을 보급한다. 최근의 화상 형성 장치는 디지털화가 진행되어, 레이저 스캐너(Laser Scanner)나 LED 헤드 등의 디지털 노광 장치에 의해 화상을 형성한다. 그 때문에, 묘화량을 디지털적으로 파악하여 계산할 수 있기 때문에 토너의 시간적인 소비량을 예상하여 보급할 수 있다. 한편, 실제의 토너 소비량은 사용 상황의 환경이나 전자 사진 부재의 사용 상황에서 변화한다. 또한, 토너 보급 장치도 기구 부품 때문에 기계적인 치수의 편차 등에 의해 보급량이 변화한다. 그 때문에, 토너 농도 센서 등으로 확인하여 보급하는 것이 바람직하다.

토너 보급 장치는 토너를 정량적으로 보급하기 때문에 스폰지나 홈을 자른 샤프트의 보급 롤러를 좁은 간극을 통과시키는 등의 구성을 하고 있다. 보급 토너는 2차 입자 이상의 응집한 상태로 현상기 내의 현상제 중에 투입된다. 투입된 토너 입자군은 현상제의 캐리어 표면과 접촉하고 대전하여 캐리어의 표면에 부착한다. 이 과정에서 토너가 적정하게 대전되고 캐리어 표면에 담지되어 간다. 투입된 토너 입자군은 이 상태가 되어 비로소 현상 가능한 상태가 된다. 혼합 교반 장치는 예를 들면 도 1과 같은 스크류에 의한 순환 방식으로 토너를 현상제 중에 투입하고 반송하면서 혼합 교반, 분산, 대전 부여하여 현상 롤러(104) 등의 현상 영역에 반송된다.

도 1에서, 현상 케이스(110)는 제1 및 제2 교반 스크류(106, 108)가 각각 설치되는 제1 및 제2 교반실(112, 114)을 구비하고, 제1 교반실(112)은 현상 롤러(104)에 근접 배치되어 현상제를 현상 롤러(104)에 접촉시키도록 하고 있다.

현상 케이스(110)에서는, 제1 및 제2 교반실(112, 114)의 사이에서 현상제가 순환 반송되도록 두 교반실(112, 114)을 구획하는 구획벽(116)의 양단부에 그 구획벽(116)을 관통하도록, 제1 교반실(112)에서 제2 교반실(114)로 현상제를 주고받는 통로와 제2 교반실(114)에서 제1 교반실(112)로 현상제를 주고받는 통로가 설치되어 있다.

그런데, 프린터 등의 화상 형성 장치에서는 더욱 고속화가 진행되어 최근에는 프로세스 스피드가 300mm/s를 넘는 고속화된 장치가 출현하고 있다. 또한, 고속화와 함께 A3사이즈의 장치에서 A4사이즈(또는 레터(Letter) 사이즈)의 장치로의 이행, 패들을 포함하는 3축 구성에서 2축 나선 교반 스크류로의 이행, 현상 유닛 내에서 사용하는 현상제의 저량화(400g에서 반감인 200g으로) 등의 요청에 의해 장치의 소형화도 진행되고 있다.

이러한 요청에 의해, 보다 제한된 공간 내에서 보다 고속으로 토너를 교반할 필요가 있고, 도 1에 도시된 바와 같은 2축 타입의 현상 유닛의 구성에서는 이미 한계가 되어 있다. 이 때문에, 본 실시형태에서는 토너의 혼합 교반을 원활하게 진행하기 위해 예비 교반을 행한다. 예비 교반을 이용하면 2축의 나선 교반 스크류 외경은 레이아웃 구성에 대한 영향이 작아지기 때문에, 현상 롤러(104)의 외경보다도 대폭적으로 작게 하는 것도 가능하게 된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 화상 형성 장치의 구성을 도시하는 모식도로서, 롤러의 축방향에서 본 상태를 나타내고 있다. 본 실시형태에 의한 화상 형성 장치(10)는 화상 신호에 따라 변조된 레이저 빔(12)을 감광체 드럼(14)에 주사 노광하여 건식 전자 사진 방식에 의해 종이나 플라스틱 시트 등의 인자 매체(15)에 인자 등을 행하는 것이다. 화상 형성 장치(10)는 레이저 프린터, 레이저 팩스, 디지털 복사기 등으로서 혹은 그 일부로서 이용할 수 있다. 화상 형성 장치(10)는 토너와 캐리어로 이루어지는 2성분 현상제를 이용하여 인자 등을 행하는 것이다.

도 2를 참조하면, 화상 형성 장치(10)는, 레이저 빔(12)을 사출하는 레이저 노광 유닛(도시생략)을 구비하고 있다. 레이저 노광 유닛은 미소 스폿에 결상된 레이저 빔(12)을 감광체 드럼(14) 상의 노광 위치(a)에서 감광체 드럼(14)의 회전축에 평행한 직선 상을 일정 방향으로 주사하는 것이다. 감광체 드럼(14)의 표면에 레이저 빔(12)이 주사되면, 감광체 드럼(14)의 노광 부분이 비노광 부분에 대해 상대적으로 양전위가 된다.

감광체 드럼(14) 상의 노광 위치(a)의 하류측에는 현상 롤러(16)가 배치되어 있다. 또한, 현상 롤러(16)와 인접하여 현상 유닛(18)이 배치되어 있다. 현상 유닛(18) 내에는 토너와 캐리어로 이루어지는 2성분 현상제(C)가 저류되어 있다. 현상 유닛(18) 내의 2성분 현상제(C)는 현상 유닛(18) 내의 제1 반송 스크류(20)에 의해 축방향으로 이동하고, 현상 롤러(16)의 자력에 의해 현상 롤러(16)의 표면에 부착된다. 현상 롤러(16) 상에 공급된 2성분 현상제(C) 중에서 음전위로 대전한 토너는 전위차에 의해 현상 롤러(16)로부터 감광체 드럼(14)의 표면에 공급된다. 한편, 캐리어는 현상 롤러(16)의 표면으로부터 현상 유닛(18) 내에 회수된다.

현상 유닛(18) 내에는 소정의 색을 가지는 분체의 토너와 금속 분체의 캐리어로 이루어지는 2성분 현상제(C)가 저류되어 있다. 일례로서 토너는 직경 7~8μm정도의 폴리에스테르 입자에 안료, CCA, PMMA 등이 포함된 것이다. 또한, 일례로서 캐리어는 직경 35~60nm정도의 페라이트 입자에 실리콘 코팅이 실시된 것이다.

또한, 현상 유닛(18)에는 투자율 센서(도시생략)가 설치되어 있고, 2성분 현상제(C)의 총중량에 대한 토너의 중량%가 소정 값이 되도록 현상 유닛(18)에의 토너의 공급량이 조정된다.

도 3은 현상 유닛을 도 2의 상부에서 본 상태를 나타내는 모식도이다.

도 3을 참조하면, 현상 유닛(18) 내에는 2성분 현상제(C)를 축방향(화살표(A1) 방향)으로 반송하는 제1 반송 스크류(20)가 설치되어 있다. 또한, 현상 유닛(18) 내에는 제1 반송 스크류(20)와 평행하게 제2 반송 스크류(22)가 배치되어 있고, 제1 반송 스크류(20)와 제2 반송 스크류(22) 사이에는 구획벽(24)이 설치되어 있다. 제1 반송 스크류(20)에 의해 반송된 2성분 현상제(C)는 현상 롤러(16)에 공급되면서 화살표(A1) 방향으로 진행하여 구획벽(24)의 단부에 설치된 통로로부터 제2 반송 스크류(22) 측의 반송실로 들어가고, 제2 반송 스크류(22)에 의해 화살표(A2) 방향으로 반송된다.

현상 유닛(18) 내에서 2성분 현상제(C)가 교반되면, 토너는 음으로 대전하고 캐리어는 양으로 대전한다. 이 때, 토너의 대전량은 예를 들면 -25~-15[μC/g]정도이다. 이에 의해, 음으로 대전한 토너는 양으로 대전한 캐리어의 표면에 부착된다. 이 때, 현상 유닛(18) 내에 저류되어 있는 토너의 중량%를 6~10% 정도로 하면, 캐리어의 표면적의 60~80% 정도로 토너가 부착된 상태가 된다.

토너가 부착된 캐리어는 제1 반송 스크류(20)에 의해 화살표(A1) 방향으로 반송되면서 현상 롤러(16)의 표면에 보내진다. 그리고, 현상 롤러(16)의 자력에 의해 토너가 부착된 캐리어는 현상 롤러(16)의 표면에 부착된다.

다음에, 현상 유닛(18)의 예비 교반부(30)에 대해 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 현상 유닛(18)의 단부에는 예비 교반부(30)가 설치되어 있다. 예비 교반부(30)에는 교반 스크류(32)가 설치되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예비 교반부(30)는 감광체 드럼(14), 현상 롤러(16), 제1 반송 스크류(20) 및 제2 반송 스크류(22)보다도 큰 직경을 가지고 구성되어 있다. 예비 교반부(30)는 제1 반송 스크류(20) 및 제2 반송 스크류(22)가 배치된 교반부와 반송 통로를 개재하여 접속되어 있다. 예비 교반부(30)에서 혼합된 2성분 현상제는 반송 통로로부터 제1 반송 스크류(20)의 단부(20a)의 위치로 공급되고, 제1 반송 스크류(20)에 의해 반송된다.

상술한 바와 같이, 토너가 부착된 캐리어는 제1 반송 스크류(20)에 의해 화살표(A1) 방향으로 반송되면서 현상 롤러(16)의 표면에 보내진 후, 제2 반송 스크류(22)에 의해 도 3 중의 화살표(A2) 방향으로 반송된다. 이 때문에, 제2 반송 스크류(22)에 의해 반송된 2성분 현상제(C)에서는 총중량에 대한 토너의 중량%가 저하되고 있다. 이 때문에, 토너의 중량%가 저하된 2성분 현상제(C)는 제2 반송 스크류(22)에 의해 예비 교반부(30)로 보내져 예비 교반부(30)에서 새로 토너가 투입된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 새로 토너가 공급되는 위치는 예비 교반부(30)의 단부이다. 제2 반송 스크류(22)에 의해 예비 교반부(30)에 공급된 2성분 현상제(C)는 교반 스크류(32)의 회전에 의해 새로 투입된 토너와 혼합되면서 예비 교반부(30) 안을 화살표(A3) 방향으로 보내진다. 그리고, 본 실시형태에서는, 예비 교반부(30) 내에서 새로 투입된 토너는 예비 교반부(30) 내에서 캐리어에 부착되어 마이너스의 전위로 대전되어 제1 반송 스크류(20)의 단부(20a)의 위치로 보내진다. 제1 반송 스크류(20)의 단부(20a)의 위치로 보내진 2성분 현상제(C)는 제1 반송 스크류(20)에 의해 화살표(A1) 방향으로 보내져 현상 롤러(16)에 공급된다.

이와 같이, 본 실시형태에서는, 예비 교반부(30)를 대경으로 구성함으로써 새로 투입한 토너를 예비 교반부(30) 내에서 완전히 캐리어와 혼합할 수 있고, 소정의 전위로 대전한 상태로 할 수 있다.

따라서, 본 실시형태에서는, 도 2의 토너 공급 위치에서 토너가 공급되고 나서 토너가 제1 반송 스크류(20)의 단부(20a)의 위치에 도달하기까지의 시간(T)(이하, 혼합 교반에 필요한 시간이라고 함) 동안에 토너와 캐리어의 혼합을 완료할 수 있고, 토너를 음전위로 할 수 있다.

이에 의해, 2성분 현상제(C)가 제1 반송 스크류(20)에 의해 반송될 때에는 토너는 이미 마이너스의 전위로 대전하고 있기 때문에, 현상 롤러(16)에 대해 플러스의 전위로 대전한 토너가 공급되는 것을 확실히 억제할 수 있다.

본 실시형태에서는, 주요 교반부의 측부에 대경의 예비 교반부(30)를 설치하고 있다. 이러한 구성에 의해, 도 1에 도시된 바와 같은 단면적이 작은 제1 및 제2 교반 스크류(106, 108)에서 혼합을 하는 경우와 비교하면, 새로 투입된 토너와 캐리어를 확실히 혼합할 수 있다. 그리고, 예비 교반부(30)에서의 교반만으로 토너의 전위를 확실히 음전위로 할 수 있다.

그리고, 예비 교반부(30)에서의 이러한 교반을 실현하기 위해, 본 실시형태에서는 예비 교반부(30) 내에서의 2성분 현상제(C)의 양(새로 투입된 토너를 포함함)과 교반 스크류(32)의 피치, 교반 스크류의 회전수(R), 혼합 교반에 필요한 시간(T) 사이에 소정의 관계를 성립시키고 있다.

이하, 이들 관계에 대해 상세하게 설명한다.

도 4는 예비 교반부의 구성을 도시하는 모식도로서, 교반 스크류(32)의 축방향에서 예비 교반부(30)를 본 상태를 모식적으로 나타내고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 예비 교반부(30)에는 교반 스크류(32)가 설치되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에서는 예비 교반부(30)에서 2성분 현상제(C)(새로 투입된 토너를 포함함)에 의해 교반 스크류(32)가 완전히 매설되지 않도록, 교반 스크류(32)의 외경의 최상부부터 예비 교반부(30) 내의 2성분 현상제(C)의 표면까지의 사이에 거리(r)를 확보하도록 하고 있다.

비특허문헌 1에는, 도 1에 도시된 바와 같은 2축의 나선 교반 스크류(Auger)를 이용한 2성분 자기 브러시 스크류 현상에서의 화상 농도 균일성의 연구에 있어서, 마그 롤러(Mag Roller; 본 실시형태의 현상 롤러(18)에 상당) 상의 양단에서의 현상제의 토너 농도 차(ΔCt)와 현상제의 반송량(W)의 관계(이하의 (1)식)가 나타나 있다. 여기서, 현상제 반송량(W)은 현상 유닛이 단위 시간에 반송하는 현상제의 양(g/s)이다. 또한, (2)식은 현상제 반송량(W)과 반송(현상제) 단면적(S), 스크류의 피치(P), 스크류의 회전수(R)의 관계를 나타내는 식이다. 또한, (3)식은 도 4에 도시된 상태에서 현상제의 단면적(S)(도 4 중에 도트를 부여한 영역의 면적)을 산출하는 식이다.

[수학식1]

ΔCt=(M/A)*V*L/W

[수학식2]

W=η*ρ*S*P*R

[수학식3]

S=π*(D/2+G)²/2+(D+2*G)*d-π*(d/2)²

상기 식에서,

P: 스크류의 피치(Pitch)

R: 스크류의 회전수

D: 스크류 외경

d: 스크류 축경

G: 스크류와 케이싱(Casing)의 간격(도 4 참조)

ΔCt: 토너 농도 차

M/A: 감광체(감광체 드럼(14)) 상의 토너 부착량

V: 감광체(감광체 드럼(14))의 주속

L: 현상 폭(현상 롤러(16), 감광체 드럼(14)의 유효 길이)

W: 현상제 반송량

η: 반송 효율

ρ: 현상제 부피 밀도

S: 반송(현상제) 단면적을 나타낸다.

수학식1로부터, 현상제 반송량(W)이 많아질수록 토너 농도 차(ΔCt)를 저하시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

도 5는 본 실시형태가 상정하는 각 조건을 나타내는 모식도이다.

도 5를 참조하면, 조건 1은 300mm/s정도의 고속화는 상정하지 않은 종래까지의 조건을 나타내고 있고, 프로세스 스피드(감광체 주속(V))는 161mm/s정도이다. 한편, 조건 2 및 조건 3은 본 실시형태에 관한 화상 형성 장치(10)가 상정하고 있는 조건으로, 300mm/s이상의 프로세스 스피드를 상정하고 있다. 또한, 조건 1은 A3사이즈의 인자 매체(15)를 상정한 것으로, 현상 폭은 294mm로 비교적 큰 값이 되어 있다. 한편, 조건 2 및 조건 3은 A4사이즈(또는 레터(Letter) 사이즈)의 인자 매체(15)를 상정한 것으로, 현상 폭은 220mm로 작다.

프로세스 스피드의 고속화에 따라, 새로 투입된 토너와 캐리어를 보다 고속으로 혼합할 필요가 있다. 또한, 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 현상 폭이 적어지면 제1 및 제2 교반 스크류(106, 108)에 의해 교반되는 거리가 줄기 때문에, 토너와 캐리어를 혼합하는 관점에서는 불리해진다. 도 5에 도시된 바와 같이, 조건 1 내지 3 중 어느 것에서도 토너 농도 차(ΔCt)는 1% 이하를 상정하고 있다. 마그 롤러 양단에서의 현상제의 토너 농도 차(ΔCt)가 1%를 넘으면, 용지의 양단에서의 농도 차가 두드러지기 때문이다. 본 실시형태에서는, 이들 요인을 대경의 예비 교반부(30)를 설치함으로써 해결한다. 수학식1으로부터, 토너 농도 차(ΔCt)와 현상 유닛(18)의 현상제 반송량(W)의 관계가 구해진다.

도 6은 식(1)에서의 마그 롤러(Mag Roller) 상의 토너 농도 차(ΔCt)와 현상제 반송량(W)의 관계를 나타내는 특성도이다. ΔCt는 1.0%를 넘으면 인자 매체(15) 상에서의 농도 차가 인식되어 버리기 때문에, 1.0% 이하를 목표값으로 한다. 도 6은 도 5의 조건 1, 조건 2, 조건 3 각각에 대해 토너 농도 차(ΔCt)와 현상제 반송량(W)의 관계를 나타내고 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 현상제 반송량(W)이 많아질수록 토너와 캐리어를 효율적으로 혼합할 수 있기 때문에, 토너 농도 차(ΔCt)는 작아진다.

도 7은 도 6의 조건 1, 조건 2, 조건 3 각각에 대해 토너 농도 차(ΔCt)를 1% 이하로 하기 위한 현상제 반송량(W)을 나타내는 모식도이다.

도 6에 의하면, 토너 농도 차(ΔCt)를 1% 이하로 하기 위해서는, 도 7에 도시된 바와 같이 조건 1의 경우는 현상제 반송량(W)을 28g/s이하, 조건 2의 경우는 현상제 반송량(W)을 47g/s이하, 조건 3의 경우는 현상제 반송량(W)을 37g/s이하로 할 필요가 있다.

한편, 현상제를 반송하는 스크류의 회전수는 베어링부의 온도 상승, 현상제에 대한 스트레스 등의 요인을 고려하면 500rpm 근방으로 하는 것이 바람직하고, 여기서는 스크류의 회전수를 500rpm으로 한다. W의 값이 조건 1~3 각각에서 구해지고, R=500rpm인 점에서, 식(2)로부터 필요로 하는 반송(현상제) 단면적(S)과 피치(P)의 관계를 구할 수 있다.

도 8은 면적(S)과 스크류의 피치(P)의 관계를 조건 1(W=28g/s), 조건 2(W=47g/s), 조건 3(W=37g/s) 각각에 대해 나타내는 특성도이다. 스크류의 회전수는 500rpm으로 하고 있다. 이와 같이 스크류의 면적(S)을 크게 할수록, 또한 피치(P)를 크게 할수록 현상제 반송량(W)을 증가시킬 수 있다.

그런데, 스크류의 내경은 강도상의 관점에서 하한값을 6mm로 할 필요가 있다. 이 때문에, 스크류의 내경은 최소인 6mm로 한다. 또한, 스크류와 하우징의 간극(G)은 공차 내에서 양자가 접촉하지 않는 간극으로 할 필요가 있어 G=1로 한다. 이 때문에, 도 8에 도시된 결과에 대해 식(3)을 도입함으로써 스크류의 외경(D)과 피치(P)의 관계를 구할 수 있다.

도 9는 스크류의 외경(D)과 피치(P)의 관계를 조건 1(W=28g/s), 조건 2(W=47g/s), 조건 3(W=37g/s) 각각에 대해 나타내는 특성도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 교반 스크류(32)의 외경(D)을 크게 할수록, 또한 피치(P)를 크게 할수록 현상제 반송량(W)을 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 실시형태와 같이, 예비 교반부(30)의 교반 스크류(32)를 대경으로 함으로써 현상제 반송량(W)을 증가시킬 수 있고, 이 결과, 토너 농도 차(ΔCt)를 작게 할 수 있다. 일례로서, 도 9에 의하면, 현상제 반송량(W=37g/s)을 확보하기 위해서는 교반 스크류(32)의 외경 D=400mm로 하고, 피치 P=3mm로 함으로써 실현 가능하다.

한편으로, 상술한 바와 같이, 현상 유닛(18) 내에 존재하는 현상제량(m)은 현상 유닛(18)의 소형화를 위해 저량화의 경향이 있어, 종래는 350g정도이었지만 본 실시형태에서는 200g정도를 상정하고 있다. 또한, 현상 유닛(18) 내에 존재하는 현상제량과 현상제 반송량(W)으로부터 2개의 스크류에서 현상 유닛 내를 순회시키는 구성에 있어서, 현상제가 현상 유닛 내를 1주할 때에 필요로 하는 시간을 구할 수 있어 2축계의 혼합 교반에 필요한 시간이 구해진다.

도 10은 조건 1(W=28g/s), 조건 2(W=47g/s), 조건 3(W=37g/s) 각각에 대해 현상제량(m)과 현상제가 현상 유닛 내를 1주하는 시간(T1), 혼합 교반의 시간(T2)을 나타내는 모식도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에서는 조건 2 및 조건 3에서의 현상 유닛(18) 내의 현상제량(m)을 200g으로 한다. 한편, 종래의 조건 1에서의 현상제량(m)은 350g이다. 현상제가 현상 유닛 내를 일주하는 시간(T1)은 현상제량(m(g))을 현상제 반송량(W(g/s))으로 나눗셈함으로써 산출할 수 있다. 또한, 혼합 교반의 시간(T2)은 2축의 스크류를 가지는 구성에 있어서 왕로만으로 교반을 행하는 경우의 시간이고, 현상제가 현상 유닛 내를 1주하는 시간(T1)의 1/2의 값이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시형태(조건 2, 조건 3)에서는 혼합 교반의 시간(T2)이 종래(조건 1)의 혼합 교반의 1/2~1/3정도가 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 대경의 스크류를 사용한 예비 교반부(30)를 설치한 경우에, 현상 유닛(18) 자체의 크기를 종래와 같은 채로 하여 토너 농도 차(ΔCt)를 최소로 억제함과 동시에 혼합 교반의 시간도 짧게 할 필요가 있다.

도 11은 도 3에서 설명한 혼합 교반의 시간(T)을 보다 상세하게 설명하기 위한 모식도이다. 도 11은 교반 스크류(100)에 의해 2성분 현상제(C)를 화살표(A4) 방향으로 반송하면서 교반하는 경우에, 도 11에 도시된 토너 공급 위치에서 공급된 토너(110)가 2성분 현상제(C)와 섞이는 상태를 모식적으로 나타내고 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 토너 공급 위치에 새로 토너(101)를 공급하면 토너(101)의 비중은 2성분 현상제(C)보다도 작기 때문에, 투입된 직후 토너(101)는 2성분 현상제(C)와 섞이지 않고 토너(101)는 2성분 현상제(C) 상에 적층한 상태가 된다. 그 후, 토너(101) 및 2성분 현상제(C)가 화살표(A4) 방향으로 반송되어 가면, 시간의 경과와 함께 토너(101)가 2성분 현상제(C)와 혼합되어 가고, 토너(110)가 2성분 현상제(C)의 캐리어에 부착되어 간다. 이에 의해, 토너(101)가 도 11의 왼쪽으로 진행할수록 2성분 현상제(C) 상의 토너(110)의 두께가 얇아지고, 지점(B)에 도달하면 토너(101)가 완전히 2성분 현상제(C)와 혼합된 상태가 된다.

본 실시형태에서는, 도 11에서 토너 공급 위치에서 새로 토너(101)를 공급한 후, 공급한 토너가 지점(B)에 도달하여 완전히 캐리어와 혼합되기까지의 시간을 혼합 교반에 필요한 시간(T)으로 정의한다. 도 10에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 조건 2 및 조건 3과 같이 현상 유닛(18) 내의 현상제량을 200g까지 적게 하면 시간(T2)이 보다 작아지기 때문에, 혼합 교반의 시간(T)의 값도 충분히 작게 할 필요가 있고, 조건 2의 경우는 2.1초, 조건 3의 경우는 2.7초 정도까지 작게 할 필요가 있다. 따라서, 고속 프로세스인 조건 2, 조건 3을 달성하기 위해서는 보다 단시간에 토너를 캐리어에 혼합할 필요가 있고, 혼합 교반에 필요한 시간(T)을 가능한 한 작게 할 필요가 있다.

따라서, 도 9의 결과로부터, 교반 스크류(32)를 대경으로 하면서 피치(P)를 크게 하여 원하는 현상제 반송량(W)을 확보함과 동시에, 혼합 교반에 필요한 시간(T)을 최소한으로 억제할 필요가 있다. 이 점에 관해, 본 발명자는 혼합 교반에 필요한 시간(T)은 도 4에서 설명한 r의 값과 스크류의 회전수(R), 스크류의 피치(P) 간에 하기 수학식4와 같은 관계가 있는 것을 발견하였다.

[수학식4]

T>α?P/(r?R)

다시 말하면, 혼합 교반에 필요한 시간(T)은 r이 클수록 작아진다. 또한, 시간(T)의 값은 R이 클수록 작아진다. 또, T의 값은 피치(P)가 작을수록 작아진다.

여기서, 도 15 내지 도 17에 기초하여 식(4)가 성립하는 근거에 대해 설명한다. 우선, 실제의 장치를 이용하여 회전수 R=500rpm, P=15mm으로 하여 r과 T의 관계를 실험에 의해 구한 바, 도 15에 나타내는 결과가 얻어졌다. 도 15의 결과로부터, r이 커지면 시간(T)은 작아지는 것이 판명되었다.

또한, 마찬가지로 하여 r=3mm, P=15mm로 하여 R과 T의 관계를 실험에 의해 구한 바, 도 16에 나타내는 결과가 얻어졌다. 도 16의 결과로부터, R을 크게 하면 T의 값이 작아지는 것이 판명되었다.

또한, 회전수 R=500rpm, r=3mm로 하여 P와 T의 관계를 실험에 의해 구한 바, 도 17에 나타내는 결과가 얻어졌다. 도 17의 결과로부터, P를 크게 하면 T의 값이 커지는 것이 판명되었다. 따라서, α를 계수로 하여 식(4)의 관계가 성립하는 것이 판명되었다.

도 9에 의하면, 예비 교반부(30)에서 외경(D)이 40mm정도인 대경의 교반 스크류(32)를 이용하는 경우, 교반 스크류(32)의 피치(P)는 3mm정도(W=37g/s의 경우)가 된다. 도 12는 혼합 교반에 필요한 시간(T)과 도 4에 나타내는 r의 값의 관계를 나타내는 특성도로서, 교반 스크류(32)의 외경(D)을 40mm로 하고, 스크류의 피치(P)가 14mm인 경우의 이론값과 실험값(실측값) 및 피치(P)를 3mm로 한 경우의 이론값과 실험값을 나타내는 특성도이다. 여기서, 이론값은 수학식4을 나타낸 것으로, 수학식4의 부등호를 등호로 한 경우의 r과 T의 관계를 나타내는 특성 곡선이다. 또한, 실험값은 외경(D)이 40mm인 교반 스크류(32)를 실제로 이용하여 r의 값을 바꾸면서 시간(T)을 측정하여 얻어진 값이다. 또, 시간(T)은 반송 경로의 임의의 위치에 토너의 전하의 분포를 측정하는 센서(대전량 분포 측정기)를 배치하고, 토너 공급 위치로부터 가장 가까운 지점으로서, 양전위의 토너가 존재하지 않는 지점(도 11 중의 지점(B))에 토너가 도달하기까지의 시간을 측정함으로써 얻을 수 있다. 이와 같이 r과 T의 관계를 구하면, 도 12의 이론값과 실험값이 얻어지고, 이 결과로부터 식(4)의 상수(α)를 구하면 α=20인 것이 판명되었다.

도 12의 결과로부터, 피치(P)를 3mm로 한 경우, 도 10에서 설명한 2초 정도까지 혼합 교반에 필요한 시간(T)을 작게 하기 위해서는 r의 값을 3mm이상 확보하면 되는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 예비 교반부(30)에서 r과 T의 관계가 (4)식을 만족시킴으로써 혼합 교반의 조건이 만족되고, 예비 교반부(30)로부터 도 3의 화살표(A3) 방향으로 반송되어 제1 반송 스크류(20)의 단부(20a)에 도달한 토너가 전부 음으로 대전하게 된다. 따라서, (4)식을 변형함으로써 대경의 예비 교반부(30)를 설치한 경우에 필요로 하는 r과 T의 관계는 이하의 수학식5으로 나타낼 수 있다.

[수학식5]

r>α?P/(R?T)

일례로서 예비 교반부(30)의 외경(D)의 크기를 40mm, 내경을 6mm, 회전수(R)를 500rpm(8.3rps)이라고 하면, 도 9의 결과로부터 피치(P)는 3mm정도(조건 3; W=37g/s의 경우)가 된다. 이 때, r의 값을 7mm로 하면, 수학식4, 수학식5에 의해 혼합 교반에 필요한 시간(T)은 1초 정도가 된다.

따라서, 대경의 교반 스크류(32)를 설치했을 때에, 수학식5를 만족시키도록 예비 교반부(30) 및 교반 스크류(32)를 구성하여 필요한 r의 값을 확보함으로써, 혼합 교반에 필요한 시간(T)을 원하는 시간으로 설정하는 것이 가능하다.

다음에, 본 실시형태에 의한 예비 교반부(30)의 구체적인 적용예에 대해 설명한다. 도 13은 감광체 드럼(14)을 φ30, 현상 롤러(16)를 φ20, 제1 반송 스크류(20)를 φ18로 하고, 현상 유닛(18)에서의 토너와 캐리어의 교반 기능을 예비 교반부(30)에서만 실시하는 구성을 나타내고 있다. 교반 스크류(32)의 외경은 400mm로 한다. 수학식5를 만족시킴으로써, 예비 교반부(30)에서 토너와 캐리어가 완전히 혼합되어 제1 반송 스크류(20)의 단부(20a)의 위치에 공급된다. 이에 의해, 제1 반송 스크류(20), 제2 반송 스크류(22)에는 혼합이 완료된 2성분 현상제(C)를 반송하는 기능만 가지게 할 수 있다. 따라서, 제1 반송 스크류(20) 및 제2 반송 스크류(22)에는 교반 기능이 필요 없고 반송 기능만을 가지게 하면 되기 때문에, 제1 반송 스크류(20) 및 제2 반송 스크류(22)의 외경을 대폭으로 축소할 수 있고, 도 13에 나타내는 프로세스(처리) 유닛을 대폭으로 소형화하는 것이 가능하게 된다. 도 13의 예에 의한 배치에서는, 작도 상에서 가로 폭을 60mm~70mm정도, 높이를 40mm~50mm정도까지 축소할 수 있다. 따라서, 도 13에 나타내는 구성의 프로세스 유닛 단면적을 대폭으로 축소할 수 있고(도 13의 예에서는 3500mm²이하), 복수의 색을 인쇄 가능한 컬러 프린터 등의 경우, 인접하는 다른 색의 프로세스 유닛과의 사이의 프로세스간 피치도 작게 할 수 있다. 도 13의 예에서는 좌우 폭이 최대 70mm이기 때문에, 프로세스간 피치를 70mm이하로 억제하는 것이 가능하게 된다.

또한, 도 13에서 감광체 드럼(14)의 외경이 30[mm]이하로 한 경우에, 예비 교반부(30)의 단면적을 S1[mm²], 감광체 드럼(14)의 단면적을 S2[mm²], 현상 롤러(16)의 단면적을 S3[mm²], 제1 반송 스크류(20)의 단면적을 S4[mm²]라고 하면, 이하의 수학식6이 성립한다.

[수학식6]

S1<S2+S3+S4

또한, 도 13은, 예비 교반부(30)의 교반 스크류(32)의 회전 방향에 의한 현상제의 흐름을 고려하여 예비 교반부(30)로부터 제1 교반 스크류(20)에의 현상제의 주고받음 위치를 설정한 예를 나타내는 모식도이다.

도 13에 도시된 바와 같이, 예비 교반부(30)의 교반 스크류(32)가 화살표(A10) 방향으로 회동하는 경우, 도 13 중에 도트를 부여하여 나타내는 2성분 현상제(C)는 교반 스크류(32)의 회동에 따라 예비 교반부(30) 내에서의 표면이 기울어진다. 이 때문에, 예비 교반부(30)와 제1 반송 스크류(20)가 설치된 반송실이 연통하는 반송 통로를 도 13 중에 일점쇄선(B)으로 나타내는 영역 내에 설치함으로써, 반송 통로 내에 현상제가 완전히 충진되어 버리는 것을 회피할 수 있어 반송 통로 내에 공극을 확보할 수 있기 때문에, 제1 교반 스크류(20)에의 2성분 현상제(C)의 이동을 효율적으로 행할 수 있다.

도 14는 대경의 예비 교반부(30)를 이용하여 프로세스 피치 간을 최소로 한 예를 나타내는 모식도이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 제1 반송 스크류(20)를 제2 반송 스크류(22)보다도 아래에 배치함으로써 도 13의 구성보다도 프로세스간 피치를 작게 할 수 있다. 이 경우, 프로세스간 피치를 50mm~60mm정도까지 작게 하는 것이 가능하다.

전술한 본 발명인 화상형성장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

14---감광체 드럼
16---현상 롤러
18---현상 유닛
30---예비 교반부
32---교반 스크류
20---제1 반송 스크류
22---제2 반송 스크류

Claims

정전잠상에 따라 공급된 토너를 전사하여 매체 상에 화상 형성을 행하는 감광체 드럼;
상기 감광체 드럼에 토너를 공급하는 현상 롤러;
상기 현상 롤러에 토너와 캐리어가 혼합된 2성분 현상제를 공급하는 현상 유닛;을 구비하고,
상기 현상 유닛은,
상기 현상 롤러의 축방향을 따라 2성분 현상제를 반송하는 반송부;
상기 반송부의 단부에 설치되고, 신규로 투입된 토너와 캐리어를 혼합하는 대경의 교반 스크류를 포함하는 예비 교반부;를 가지며,
상기 감광체 드럼이 상기 매체 상에 화상 형성을 행하는 프로세스 스피드가 300[mm/s]이상이고, 상기 감광체 드럼이 화상 형성을 행하는 상기 매체의 폭이 레터 사이즈 폭 216[mm]이하이며,
상기 예비 교반부는 2성분 현상제 표면으로부터 상측방향의 상기 교반 스크류의 돌출량을 [rmm], 상기 교반 스크류의 피치를 P[mm], 교반 스크류의 회전수를 R[rps], 혼합 교반에 필요한 시간을 T[s]라고 했을 때에, 하기의 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.
제1항에 있어서,
상기 감광체 드럼의 외경이 30[mm]이하이고, 상기 예비 교반부의 단면적을 S1[mm²], 상기 감광체 드럼의 단면적을 S2[mm²], 상기 현상 롤러의 단면적을 S3[mm²], 상기 반송부에 설치된 반송 스크류의 단면적을 S4[mm²]라고 하면, 이하의 식를 만족시키는 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.
S1<S2+S3+S4
제1항에 있어서,
상기 감광체 드럼의 외경이 30[mm]이하이고, 상기 감광체 드럼, 상기 현상 롤러 및 상기 현상 유닛을 포함하는 프로세스 유닛의 상기 감광체 드럼의 축과 직교하는 단면에서의 단면적이 3500[mm²]이하인 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.
제1항에 있어서,
상기 감광체 드럼의 외경이 30[mm]이하이고, 상기 감광체 드럼, 상기 현상 롤러 및 상기 현상 유닛을 포함하는 프로세스 유닛의 상기 감광체 드럼의 축과 직교하는 단면에서의 수평 방향의 폭이 70[mm]이하인 것을 특징으로 하는 화상 형성 장치.