KR20120135369A - 현상기 및 이를 채용한 전자사진방식 화상형성장치 - Google Patents

Abstract

개시된 현상기는, 토너와 캐리어가 혼합된 이성분 현상제를 사용하는 현상기로서, 제1, 제2연통구가 마련된 격벽에 의하여 서로 구분된 제1, 제2현상제수용부를 구비한다. 제1현상제수용부에는 현상부재가 설치되며, 제1, 제2현상제수용부에는 각각 제1, 제2교반기가 설치된다. 평형상태에서 제1, 제2현상제수용부의 현상제의 중량을 각각 Wa, Wb라 할 때, 1.8≤(Wa/Wb)≤3.0을 만족한다.

Description

현상기 및 이를 채용한 전자사진방식 화상형성장치{developing device and electrophotographic image forming apparatus using the same}

토너와 자성 캐리어를 포함하는 이성분 현상제를 채용하는 현상기 및 이를 채용한 화상형성장치가 개시된다.

전자사진 화상형성장치는 화상정보에 대응되어 변조된 광을 감광체에 조사하여 감광체의 표면에 정전잠상을 형성하고, 이 정전잠상에 토너를 공급하여 가시적인 토너화상으로 현상시키고, 이 토너화상을 기록매체에 전사하여 정착시킴으로써 기록매체에 화상을 인쇄한다.

전자사진 화상형성장치의 화상형성방식은 토너로 된 일성분 현상제를 사용하는 일성분 현상방식과, 토너와 캐리어가 혼합된 이성분 현상제를 사용하고 이 중에서 토너만을 감광체로 현상시키는 이성분 현상방식으로 구분될 수 있다.

이성분 현상 방식에서, 화상 형성 속도를 고속화하거나 고인자율의 화상을 연속하여 인쇄하면, 현상기에서 단위시간　당의 토너 소비량이 증가되며 이에 맞추어 현상기로의 토너 보급량과 토너 보급속도를 증가시켜야 한다. 토너 보급량의 증가는 현상기의 대형화를 초래할 수 있으며, 토너 보급속도의 증가는 토너의 대전 불량과 화상농도의 불균일을 초래할 수 있다.

고속 인쇄시에 양호한 화상 품질을 구현할 수 있는 현상기 및 이를 채용한 화상형성장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

고인자율 화상 인쇄시에 균일한 화상품질을 확보할 수 있는 현상기 및 이를 채용한 화상형성장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

소형화된 현상기 및 이를 채용한 화상형성장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 현상기는, 토너와 캐리어가 혼합된 현상제 중에서 토너를 상담지체에 형성된 정전잠상으로 공급하여 현상시키는 현상기로서, 현상제를 그 외주에 부착시켜 토너를 상기 상담지체에 공급하는 현상부재와, 현상제를 제1축방향으로 교반/이송시키는 제1교반부재가 설치된 제1현상제수용부; 현상제를 상기 제1축방향과 반대방향인 제2축방향으로 교반/이송시키는 제2교반부재가 설치된 제2현상제수용부; 상기 제1, 제2현상제수용부를 구분하며, 현상제가 상기 제1, 제2축방향으로 이송되면서 상기 제1, 제2현상제수용부 사이에서 순환될 수 있도록 상기 제2축방향의 하류측에 위치되는 제1연통구와 상기 제1축방향의 하류측에 위치되는 제2연통구가 마련된 격벽;을 포함하며, 평형 상태에서 상기 제1, 제2현상세수용부의 현상제의 중량을 각각 Wa, Wb라 할 때, 1.8≤(Wa/Wb)≤3.0 을 만족한다.

상기 현상기는, 기준 용지에의 분당 인쇄 매수를 PPM, 상기 기준 용지의 면적을 Pa, 현상제의 1회 순환에 걸리는 시간을 Tcirc, 상기 상담지체 상의 단위 면적당의 토너량을 TMA라 하면,

을 만족할 수 있다.

상기 제1연통구와 상기 제2연통구의 길이를 각각 Z1, Z2라 할 때, Z1>Z2일 수 있다.

상기 제1, 제2교반기는 축과 나선형 날개부를 구비하는 오거이며, 상기 제1교반기의 날개부의 피치는 상기 제2교반기의 날개부의 피치보다 작을 수 있다.

상기 제1연통구와 상기 제2연통구의 길이를 각각 Z1, Z2, 상기 제1, 제2연통구의 내측 간격을 X, 상기 현상부재의 유효 화상 영역의 길이를 Y라 하면, 0 < Y-{X+(Z1+Z2)/2} < 15mm 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 현상기는, 토너와 캐리어가 혼합된 현상제 중에서 토너를 상담지체에 형성된 정전잠상으로 공급하여 현상시키는 현상기로서, 현상제를 그 외주에 부착시켜 토너를 상기 상담지체에 공급하는 현상부재와, 현상제를 제1축방향으로 교반/이송시키는 제1교반부재가 설치된 제1현상제수용부; 현상제를 상기 제1축방향과 반대방향인 제2축방향으로 교반/이송시키는 제2교반부재가 설치된 제2현상제수용부; 상기 제1, 제2현상제수용부를 구분하며, 현상제가 상기 제1, 제2축방향으로 이송되면서 상기 제1, 제2현상제수용부 사이에서 순환될 수 있도록 상기 제2축방향의 하류측에 위치되는 제1연통구와 상기 제1축방향의 하류측에 위치되는 제2연통구가 마련된 격벽;을 포함하며, 상기 제1연통구와 상기 제2연통구의 길이를 각각 Z1, Z2, 상기 제1, 제2연통구의 내측 간격을 X, 상기 현상부재의 유효 화상 영역의 길이를 Y라 하면, 0 < Y-{X+(Z1+Z2)/2} < 15mm 을 만족한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자사진방식 화상형성장치는, 토너와 캐리어가 혼합된 현상제 중토너와 캐리어가 혼합된 현상제를 사용하는 전자사진방식 화상형성장치로서, 정전잠상이 형성되는 상담지체; 상기 정전잠상에 토너를 공급하여 현상시키는 것으로서, 상술한 현상기;를 포함한다.

상술한 본 발명의 현상기 및 이를 채용한 전자사진방식 화상형성장치의 실시예들에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 고속 인쇄 시에도 안정적인 화상품질을 유지할 수 있는 소형화된 현상기 및 전자사진방식 화상형성장치를 구현할 수 있다.

둘째, 고인자율 화상을 인쇄하는 경우에도 인쇄된 화상의 폭 방향의 양단부의 화상농도 차이가 거의 없는 인쇄화상을 얻을 수 있다.

셋째, 현상기의 폭방향의 길이를 줄임으로써 소형화된 현상기 및 이를 채용한 전자사진방식 화상형성장치를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 화상형성장치의 일 실시예의 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 화상형성장치에 의한 현상과정을 도시한 도면.
도 3은 도 1에 도시된 현상기의 개략적인 평면도.
도 4는 감광드럼 상의 단위 면적 당의 토너량을 설명하는 도면.
도 5는 토너 입경과 감광드럼 상의 단위 면적 당의 토너량의 관계를 도시한 도면.
도 6은 도 1에 도시된 현상기의 개략적인 평면도.

이하, 도면들 참조하면서 본 발명에 따른 현상기 및 화상형성장치의 실시예들에 관하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 화상형성장치의 일 실시예를 간략히 도시한 구성도이다. 본 실시예의 화상형성장치는 현상제로서 토너와 자성 캐리어를 포함하는 이성분 현상제를 채용하는 단색 화상형성장치이다. 토너의 색상은 예를 들어 블랙색상이다.

감광드럼(10)은 정전잠상이 형성되는 상담지체의 일 예로서, 원통형 금속 파이프의 외주에 광도전성을 가지는 감광층이 형성된 것이다. 감광드럼(10) 대신에 순환주행되는 벨트의 외면에 감광층이 형성된 감광벨트가 채용될 수도 있다.

대전롤러(40)는 감광드럼(10)의 표면을 균일한 대전 전위로 대전시키기 위한 대전기의 일 예이다. 대전롤러(40)에는 대전 바이어스 전압이 인가된다. 대전롤러(40) 대신에 코로나 방전을 이용하는 코로나 대전기가 채용될 수도 있다.

노광기(50)는 대전된 감광드럼(10)의 표면에 화상정보에 대응되는 광을 조사하여 정전잠상을 형성한다. 노광기(50)로서, 예를 들면 레이저 다이오드로부터 조사되는 광을 폴리 곤미러를 이용하여 주주사방향으로 편향시켜 감광드럼(10)에 주사하는 LSU(laser scanning unit)가 채용될 수 있다.

현상기(100)에는 현상제가 수용된다. 현상기(100)는 현상제 중에서 토너를 감광드럼(10)에 형성된 정전잠상에 공급하여 감광드럼(10)의 표면에 가시적인 토너화상을 형성한다. 현상기(100) 내부에 수용된 현상제는 제1, 제2교반기(3)(4)에 의하여 교반되어 이송된다. 교반과정에서 토너와 캐리어가 마찰되어 토너가 대전된다.

현상롤러(1)는 감광드럼(10)의 표면으로 토너를 공급하는 현상부재이다. 현상롤러(1)는 감광드럼(10)과 대면되게 위치된다. 현상롤러(1)는 감광드럼(10)과 현상갭만큼 이격되게 위치될 수 있다. 현상갭은 수십 내지 수백 미크론 정도로 설정될 수 있다. 도 2를 참조하면, 일 예로서, 현상롤러(1)는 회전되는 슬리브(11)와, 슬리브(11) 내부에 설치되는 마그넷(12)을 구비할 수 있다. 슬리브(11)와 감광드럼(10)의 회전방향은 반대방향일 수 있다. 즉, 슬리브(11)와 감광드럼(10)이 대면된 영역에서 두 부재의 표면의 이동방향은 동일한 방향일 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 슬리브(11)의 회전선속도는 감광드럼(10)의 회전선속도의 약 1,6배 정도로 설정될 수 있다. 다만, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니며, 슬리브(11)와 감광드럼(10)의 회전방향은 동일할 수도 있다.

마그넷(12)의 자기력에 의하여 캐리어는 현상롤러(1)의 외주에 부착되고 토너는 정전기력에 의하여 캐리어에 부착된다. 그러면, 도 2에 도시된 바와 같이 현상롤러(1)의 외주에는 캐리어와 토너로 된 현상제층이 형성된다. 규제부재(2)는 현상제층의 두께를 일정한 두께로 규제한다. 규제부재(2)와 현상롤러(1) 사이의 간격은 예를 들면 0.3 ~ 1.5mm 정도로 할 수 있다.

현상롤러(1)에 인가되는 현상 바이어스 전압에 의하여 현상롤러(1)의 표면에 형성된 현상제층으로부터 토너가 현상갭을 가로질로 감광드럼(10)의 표면에 형성된 정전잠상으로 이동되어 부착된다.

전사롤러(60)는 감광드럼(10)에 형성된 토너화상을 용지로 전사시키는 전사기의 일 예이다. 전사롤러(60)는 감광드럼(10)과 대면되어 전사닙을 형성하며, 전사롤러(60)에는 전사 바이어스 전압이 인가된다. 전사 바이어스 전압에 의하여 감광드럼(10)과 전사롤러(60) 사이에 형성되는 전사전계에 의하여 감광드럼(10)의 표면에 현상된 토너화상이 기록매체(P)로 전사된다. 전사롤러(60) 대신에 코로나 방전을 이용하는 코로나 전사기가 채용될 수도 있다.

기록매체(P)에 전사된 토너화상은 정전기적 힘에 의하여 기록매체(P)에 부착되어 있다. 정착기(80)는 열과 압력을 가하여 토너화상을 기록매체(P)에 정착시킨다.

상술한 구성에 의한 화상형성과정을 간략하게 설명한다. 대전롤러(40)에 대전 바이어스 전압이가 인가되면, 감광드럼(10)이 표면은 균일한 전위로 대전된다. 노광기(50)는 화상정보에 대응되는 광을 감광드럼(10)의 표면에 조사하여 정전잠상을 형성한다. 현상롤러(1)에 현상 바이어스 전압이 인가되어 현상롤러(1)과 감광드럼(10) 사이에 현상 전계가 형성되면, 현상롤러(1)의 표면에 형성된 현상제층으로부터 토너가 감광드럼(10)의 표면으로 이동되어 정전잠상을 현상시킨다. 감광드럼(10)의 표면에는 토너화상이 형성된다. 도시되지 않은 급지수단으로부터 기록매체(P)가 감광드럼(10)과 전사롤러(60)가 대면된 전사닙로 공급된다. 전사 바이어스 전압에 의하여 형성되는 전사전계에 의하여 토너화상은 감광드럼(10)의 표면으로부터 기록매체(P)로 이동되어 부착된다. 기록매체(P)가 정착기(80)를 통과하면, 열과 압력에 의하여 토너화상이 기록매체(P)에 정착됨으로써 화상인쇄가 완료된다. 클리닝 블레이드(70)는 감광드럼(10)의 표면에 접촉되어, 전사 후에 감광드럼(10)의 표면에 잔류되는 토너를 제거한다.

도 1과 도 3을 보면, 현상기(100)는 격벽(102)에 의하여 구분된 제1현상제수용부(110)와 제2현상제수용부(120)를 구비한다. 예를 들어, 현상기(100)의 하우징(101)의 중앙부를 현상롤러(1)의 길이방향으로 가로지르는 격벽(102)에 의하여 제1현상제수용부(110)와 제2현상제수용부(120)가 구분될 수 있다. 제1, 제2현상제수용부(110)(120)가 서로 연통될 수 있도록 격벽(102)에는 제1, 제2연통구(103)(104)가 마련된다. 제1연통구(103)는 제2축방향(A2)의 하류측에 마련되어 제2현상제수용부(120)에서 제1현상제수용부(110)로의 현상제의 이동통로가 된다. 제2연통구(104)는 제1축방향(A1)의 하류측에 마련되어 제1현상제수용부(110)에서 제2현상제수용부(120)로의 현상제의 이동통로가 된다.

제1현상제수용부(110)에는 제1교반기(3)와 현상롤러(1)가 설치된다. 제1교반기(3)는 예를 들어 축(31)과 나선형 날개(32)를 구비하는 오거(auger)일 수 있다. 제1교반기(3)가 회전되면 제1현상제수용부(110) 내부의 현상제는 제1축방향(X1), 예를 들어 도 3의 좌측 방향으로 교반/이송된다.

제2현상제수용부(120)에는 제2교반기(4)가 설치된다. 제2교반기(4)는 예를 들어 축(41)과 나선형 날개(42)를 구비하는 오거일 수 있다. 제2교반기(4)가 회전되면 제2현상제수용부(120) 내부의 현상제는 제2축방향(X2), 예를 들어 도 3의 우측 방향으로 교반/이송된다.

제2교반기(4)에 의하여 제2축방향(A2)을 교반/이송된 현상제는 제1연통구(103)를 통하여 제1현상제수용부(110)로 운반된다. 제1교반기(3)는 현상제를 제1축방향(A1)으로 이송하여 제2연통구(104)를 통하여 제2현상제수용부(120)로 교반/이송한다. 이와 같은 구성에 의하여 현상제는 제2현상제수용부(120)-제1연통구(103)-제1현상제수용부(110)-제2연통구(104)-제2현상제수용부(120)로 운반되어, 제1, 제2현상제수용부(110)(120)사이에서 순환된다.

제2현상제수용부(120)에는 토너가 보급되는 토너보급구(121)가 마련된다. 토너보급구(121)를 통하여 예를 들어 현상기(100)에 토너 수용부(5)로부터 토너가 제2현상제수용부(120)로 보급된다. 토너보급수단(6)은 도시되지 않은 제어부에 의하여 제어되어, 토너 수용부(5)로부터 제2현상제수용부(120)로의 토너보급을 선택적으로 허용한다. 도 1에서는 토너 수용부(5)가 현상기(100)에 장착되는 실시예가 도시되어 있으나, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 토너 수용부(5)는 현상기(100)와는 독립적으로 위치될 수 있으며, 교체될 수도 있다. 또한, 토너 수용부(5)는 현상기(100)와 분리되어 위치되고, 도시되지 않은 보급 경로에 의하여 토너 보급구(121)와 연결될 수도 있다. 토너 보급구(121)는 제2현상제수용부(120)의 제2축방향(A2)의 상류측에 위치된다. 이에 따르면, 현상기(100)의 크기를 증가시키지 않으면서도 새로 보급된 토너를 포함하는 현상제가 제2교반기(4)에 의하여 제1연통구(103) 쪽으로 이송되는 동안에 충분히 교반되어 토너가 충분히 대전되도록 하기 위함이다.

토너농도센서(200)는 제2현상제수용부(120)에 설치되어 현상제 중의 토너 농도를 검출한다. 제2현상제수용부(120) 내의 토너 농도는 소정의 표준 토너 농도로 유지된다. 토너 농도는 현상제의 총중량에 대한 토너의 중량의 비로 표시될 수 있다. 예를 들어, 토너농도센서(200)에 의하여 검출된 토너 농도가 표준 토너 농도에 미달되는 경우에는 도시되지 않은 제어부는 토너보급수단(6)을 구동하여 토너 수용부(5)로부터 토너 보급구(121)를 통하여 제2현상제수용부(120)로 토너를 보급한다. 표준토너농도는 예를 들어 약 7% 정도로 설정될 수 있다. 토너농도센서(200)는 예를 들어, 자성 캐리어를 측정하여 토너 농도를 간접적으로 검출하는 자기센서일 수 있다. 토너농도센서(200)의 검출영역에 캐리어가 상대적으로 많고 토너가 적으면 자기센서에 의하여 검출되는 자기장의 세기가 커지지며, 반대로 검출영역에 토너가 상대적으로 많으면 자기센서에 의하여 검출되는 자기장의 세기가 작아진다. 자기센서는 검출되는 자기장의 세기와 토너농도와의 관계를 이용하여 토너농도센서를 검출할 수 있다. 다른 예로서, 토너농도센서(200)는 캐리어와 토너의 유전율의 차이를 이용하여 토너농도를 검출하는 정전용량센서일 수도 있다.

화상형성장치의 인쇄속도가 고속화되면, 단위시간 당의 토너 소비량이 증가된다. 또, 인자율(coverage)이 높은 화상을 인쇄하는 경우에는 현상롤러(1)를 통하여 감광드럼(10)으로 현상되는 토너의 양이 많으므로, 제1축방향(A1)을 기준으로 하여 하류측으로 갈수록 토너의 농도가 저하되어 인쇄된 화상의 폭방향의 양단부의 화상농도 차이가 커질 수 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여는 제1, 제2현상제수용부(110)(120) 사이에서 현상제를 고속으로 순환시켜야 할 뿐 아니라, 토너의 보급량 역시 증가시켜야 한다. 또한, 고속 순환되는 토너가 충분히 대전되어 현상롤러(1)로 공급되도록 하기 위하여, 현상기(100) 내에 수용되는 현상제의 양을 증가시켜야 한다. 많은 현상제를 수용하기 위하여는 현상기(100)의 크기가 커져야 한다. 토너가 충분히 대전되지 않으면, 현상롤러(1)로부터 감광드럼(10)으로 현상될 때에 토너가 비산되어 현상기(100) 밖으로 누출되어 화상형성장치 내부를 오염시킬 수 있다. 충분한 토너 대전 성능을 확보하기 위하여 제2현상제수용부(120)에 복수개의 교반기가 설치될 수 있으나, 이는, 화상형성장치의 대형화와 비용의 상승을 초래한다.

따라서, 적은 양의 현상제를 수용하고 충분한 토너 대전 능력을 가짐으로써 고속 인쇄시와 고인자율 인쇄시에 인쇄화상의 농도편차가 적은 소형화, 저가격화된 현상기의 제공이 요망된다.

하류측까지 이송되는 동안의 토너농도의 저하율을 ΔTc(%)라 하면, 제1현상제수용부(110)에서 현상제가 제1축방향(A1)의 상류측에서 하류측까지 이송되는 동안에 소비되는 토너의 양 Tsa은,

Tsa = Wa×ΔTc/100 ---(1)

으로 나타낼 수 있다.

토너농도의 저하율은 화상형성과정에서 제1현상제수용부(110) 내에서 제1축방향(A1)의 상류측과 하류측의 토너 농도의 차이를 의미한다. 토너 농도의 차이는 화상형성과정에서 토너가 현상롤러(1)로부터 감광드럼(10)으로 현상되기 때문에 발생된다.

한 매의 화상을 인쇄하는 경우에 소비되는 토너의 양 Tsb(g/page)은, 감광드럼(10) 상의 단위 면적당의 토너량을 TMA(g/㎠), 유효화상크기를 Pa(㎠), 인자율을 Co(%)라 하면,

Tsb = TMA×Pa×Co/100 ---(2)

으로 나타낼 수 있다.

여기서, 유효화상크기는 기준 용지, 예를 들어 A4용지의 전체 면적에서 선단, 후단, 좌측, 우측의 마진(margin) 영역의 면적을 제외한 유효 인쇄 면적을 의미한다.

인쇄속도, 즉, 1분 동안에 기준 용지에 화상을 인쇄할 수 있는 매수를 PPM(page per minute)이라 하면, 기준 용지 한 장을 인쇄하는데 소요되는 시간은 60/PPM(second)가 된다.

Ts와식 1과 식 2를 이용하면, 제1현상제수용부(110)의 상류측에서 하류측으로 이동되는 동안에 기준 용지의 인쇄매수 Ns는

Ns = Tsa/Tsb ---(3)

로 표시될 수 있다.

제1현상제수용부(110)의 상류측에서 하류측으로 이동되는데 걸리는 시간 T1은

T1 = Ns×60/PPM ---(4)

로 표시될 수 있다.

현상제가 제1현상제수용부(110)와 제2현상제수용부(120) 사이를 1회 순환하는데 걸리는 시간 Tcirc은 T1의 약 두 배가 되므로,

Tcirc = 2×T1

= 2×Ns×60/PPM

= 2×(Tsa/Tsb)×(60/PPM)

= 2×{(Wa×ΔTc/100)/(TMA×Pa×Co/100)}×(60/PPM)

= 2×{(Wa×ΔTc)/(TMA×Pa×Co)}×(60/PPM) ---(5)

으로 표시될 수 있다.

인자율이 높은 화상을 인쇄할 때에, 전사 매체, 예를 들어 도시되지 않은 중간 전사 매체 또는 기록매체(P)의 화상 농도가 저하되거나 또는 화상의 폭방향의 양측의 화상농도 차이가 커질 수 있음은 전술한 바와 같다. 이는, 제1현상제수용부(110)에 수용된 현상제의 토너만이 소비되기 때문에 현상롤러(1)에 부착되는 현상제의 중의 토너의 양이 축방향의 양단부에서 달라지기 때문이다. 즉, 제1축방향(A1)을 기준으로 하여 제1현상제수용부(110)의 하류측의 현상제 중의 토너농도가 낮아서, 충분한 양의 토너가 현상롤러(1)로 공급되지 않기 때문이다.

실험 결과 전사매체, 예를 들어 도시되지 않은 중간전사매체 또는 기록매체(P)상의 화상농도는 X-rite사의 Densitometer인 SpectroEye의 측정치로 0.2 이하면 화상으로서 허용가능한 레벨이다. 이러한 조건을 만족하기 위하여는 제1현상제수용부(110)의 상류측과 하류측의 현상제 중의 토너 농도의 저하, 즉 제1현상제수용부(110)에서의 토너농도의 저하율 ΔTc(%)가 1% 이내가 되도록 현상제를 순환시키면 된다.

인자율 Co(%)이 100%인 경우에도 좋은 화상품질을 얻을 수 있도록 조건을 설정하는 것이 이상적이나, 현실적으로 기준 용지로서 A4용지를 사용하는 경우에 상하좌우의 마진영역을 제외하면 용지 전체 면적의 약 92%만이 유효한 인쇄영역이 되고, 또 연속 인쇄시에는 토너 농도가 저하되더라도 토너 대전량이 낮은 상태이므로 화상농도가 오히려 높아지는 경향이 있다는 점을 감안하면, 인자율 Co(%)는 약 80% 이상으로 설정할 수 있다.

ΔTc ≤ 1%, Co = 80%의 조건을 식 (5)에 대입하면,

---(6)

이 된다.

여기서, 기준 용지로서 A4용지를 사용하는 경우에는 Pa는 약 623.7㎠가 되며, 기준 용지로서 Letter용지를 사용하는 경우에는 Pa는 약 603.2246㎠가 된다.

TMA는 감광드럼(10) 상의 단위면적 당의 토너량을 의미하며, 전사매체, 예를 들어 기록매체(P)상에 하나의 토너층을 형성하는 경우의 단위면적 당의 토너 중량이 되도록 결정될 수 있다. 감광드럼(10)으로부터 기록매체(P)로의 전사율은 토너의 종류, 전사방식 등에 따라 달라진다. 예를 들어 코로트론(corotron) 방식인 경우에 전사율은 약 85%정도, 전사롤러방식인 경우에 전사율은 약 90%정도, 중간전사매체를 이용하는 경우에는 두 번의 전사가 이루어지므로 전체적으로 전사율은 약 80% 정도가 된다. 또, 분쇄토너보다 중합토너가 전사율이 높고 또 토너가 구형에 가까워질수록 전사율이 높아진다. 이러한 점을 고려하여 적절한 전사율을 선정할 수 있다.

도 4에는 반경 r인 토너를 기록매체(P)상에 간격없이 전사했을 때의 모식도이다. 도 4를 보면, 4r×2√3r의 면적에 들어가는 토너의 수는 4개이다. 이때 면적비는

가 되며.

체적비는

가 된다.

진비중을 Dt g/㎤라 하면 토너 하나의 중량은,

가 된다.

따라서, TMA는

g/㎠가 된다.

예를 들어, 평균입경 6.7㎛, 진비중 Dt = 1.1 g/㎤를 이용하여 계산하면, 기록매체(P) TMA(paper)는 약 0.00045 g/㎠가 되며, 감광드럼(10)으로부터 기록매체(P)로의 전사율을 약 90%로 하면 감광드럼(10) 상의 TMA는 약 0.0005 g/㎠가 된다. 도 5는 진비중 Dt = 1.1 g/㎤, 전사율 90% 인 경우 토너의 입경과 TMA와의 관계를 보여주는 그래프이다.

예를 들어, TMA = 0.0005 g/㎠, 기준 용지로서 A4를 선정하는 경우 Pa = 623.7㎠를 식(6)에 대입하면, 1회 순환시간은

---(7)

로 표시될 수 있다.

참고로, 실험적으로 1회 순환시간(Tcirc)을 측정하는 방법의 일 예를 설명한다. 현상기(100)가 정지된 상태에서, 예를 들어 토너농도를 약 1% 증가시킬 수 있는 양의 토너를 토너 보급구(121)를 통하여 제2현상제수용부(120)에 공급한다. 현상기(100)를 규정된 동작속도로 작동시키면서 토너농도센서(200)를 이용하여 토너농도를 검출한다. 새로 보급된 토너가 토너농도센서(200)의 검출영역에 도달되면, 토너농도센서(200)에서는 높은 토너농도가 검출된다. 현상기(100)가 계속하여 동작되어 토너가 제2현상제수용부(120)를 거쳐 다시 제2현상제수용부(120)로 순환된다. 이 과정에서 토너는 현상제 중에 어느 정도 분산되므로 토너농도는 서서히 떨어지만 새로 보급된 토너가 다시 토너농도센서(200)의 검출영역에 도달되면 토너농도센서(200)에서는 높은 토너농도가 검출된다. 높은 토너농도가 검출되는 시간 간격을 측정하면, 이 시간 간격이 1회 순환시간(Tcirc)이 된다. 이 시간 간격은 토너농도센서(200)의 검출전기신호의 두 피크간의 간격을 측정하는 방식으로 얻을 수 있다.

도 3을 참조하면, 제1, 제2교반기(3)(4)가 작동되면, 현상제는 제1, 제2현상제수용부(110)(120) 사이를 순환하게 된다. 평형 상태에 도달되면 제1, 제2현상제수용부(110)120)의 현상제의 중량을 각각 일정하게 유지된다. 평형상태에서 제1현상제수용부(110)에 수용되는 현상제의 중량을 Wa, 제2현상제수용부(120)에 수용되는 현상제의 중량을 Wb라 한다.

교반기의 유효 운반 단면적을 S, 날개부(32)(42)의 피치를 P, 회전수를 R, 현상제의 밀도를 ρ, 교반기의 운반효율을 η라 하면, 교반기에 의하여 단위시간당 운반되는 현상제의 중량 M은,

M = ηρSPR

로 표시될 수 있다.

Wa와 Wb는 제1, 제2교반기(3)(4)의 설계사양을 조합함으로써 설정할 수 있다. 제1, 제2교반기(3)(4)의 설계사양은 예를 들어, 피치, 회전수, 유효운반단면적을 변경함으로써 조절될 수 있다. 유효운반단면적은 날개부(32)(42)의 외경이나 축(31)(41)의 직경을 변경함으로써 조절될 수 있다. 또, 제1, 제2교반기(3)(4)의 설계사양을 동일하게 하더라도 제1, 제2현상제수용부(110)(120) 내의 현상제의 수의(level)이 변하면 교반기의 운반효율이 변하여 운반되는 현상제의 중량이 달라진다. 예를 들어 제2현상제수용부(120)에 소정량의 현상제를 투입하고 제1, 제2교반기(3)(4)를 작동시킨다. 그러면, 현상제는 제1, 제2현상제수용부(110)(120) 사이에서 순환되면서 평형상태에 도달된다. 평형상태에서는 제1, 제2교반기(3)(4)에 의하여 단위시간당 운반되는 토너의 중량을 각각 Ma, Mb라 하면, Ma = Mb가 되어 Wa와 Wb는 일정하게 유지된다.

고속인쇄에서 안정적인 화상품질을 얻을 수 있도록 하기 위하여는 제2현상제수용부(120)에 공급된 토너가 충분히 대전되어 제1현상제수용부(110)로 공급되어야 하며, 제1현상제수용부(110)에서는 충분한 양의 토너가 현상롤러(1)로 공급될 수 있어야 한다. 이러한 조건을 만족하는 제1현상제수용부(110)와 제2현상제수용부(120)의 평형상태의 현상제의 양 Wa, Wb를 제1, 제2교반기(3)(4)의 설계사양을 변경하면서 실험적으로 구한다.

현상기(100) 내에 소정 중량의 현상제를 투입하고 Wa와 Wb가 평형상태에 도달될 때까지 제1, 제2교반기(3)(4)를 소정 시간 회전시킨다. 현상기(100)의 작동을 멈추고, 예를 들어 마그넷을 이용하여 제2현상제수용부(120) 내부의 현상제를 흡착하여 회수한다. 회수된 현상제의 중량을 측정하여 Wb를 구하고, 투입된 현상제의 중량에서 Wb를 빼면 Wa를 구할 수 있다. 그런 다음, 현상특성을 조사한다. 현상특성으로서 현상제 밸런스와 토너 교반성을 조사한다.

현상제 밸런스는 현상롤러(1)로 충분한 양의 현상제가 공급되는지를 의미하며, 토너 교반성은 토너가 충분히 대전되었는지를 의미한다. 현상제 밸런스는 평형 상태에 도달된 후에 현상롤러(1)에 부착된 현상제의 양을 측정하는 방법으로 확인할 수 있다. 토너의 대전이 불충분하면 토너가 현상롤러(1)와 감광드럼(10) 사이에서 비산되어 현상기(100) 외부로 누출된다. 누출된 토너의 양이 많으면 토너의 대전이 불충분하여 교반성이 나쁘다는 것을 의미한다. 누출된 토너의 양은 현상기(100)의 외부로 누출된 토너를 예를 들어 접착 테이프 등에 접착시키고 광학농도를 측정하는 방법으로 측정할 수 있으며, 이에 근거하여 토너 교반성을 확인할 수 있다.

위의 표에 개시된 실험결과에 따르면,

1.8≤(Wa/Wb)≤3.0 ---(8)

의 관계를 만족하는 경우에 고속 인쇄에서도 충분한 토너 대전성을 확보할 수 있으며, 충분한 양의 현상제를 현상롤러(1)로 공급할 수 있다.

위의 식(8)을 만족하는 현상기(100)는 소형이고, 교반성과 현상제 밸런스가 우수하여 고속에서도 안정적인 품질의 화상을 인쇄할 수 있다. 즉, 두 개의 교반기(3)(4)의 설계사양을 식(8)을 만족하도록 설정함으로써, 두 개의 교반기만으로도 고속 인쇄시에 안정적인 화상품질을 유지할 수 있다.

또한, 위의 식(6) 또는 식(7)을 만족하는 현상기(100)는 높인 인자율의 화상을 출력하더라도 인쇄된 화상의 폭 방향의 양단부의 화상농도 차이가 거의 없는 인쇄화상을 얻을 수 있다.

위의 식(6)(7)을 참조하면, 현상제가 제1현상제수용부(110)와 제2현상제수용부(120) 사이를 1회 순환하는데 걸리는 시간(Tcirc)는 가능한 한 길게 설정하는 것이 좋으며, 이를 위하여는 Wa를 크게 하는 것이 좋다.

Wa를 크게 하기 위하여는 제1연통구(103)를 제2연통구(104)보다 크게 하는 것이 유리하다. 또, 제1교반기(3)의 날개부(32)의 피치(P1)를 제2교반기(4)의 날개부(42)의 피치(P2)보다 작게 하는 것이 유리하다.

현상기(100)를 소형화하기 위하여는 전술한 바와 같이 제1, 제2현상제수용부(120)에 수용되는 현상제의 양이 고속인쇄시와 높은 인자율의 화상을 인쇄할 때에 양호한 화상품질을 확보하기에 적절한 최소량이 되도록 결정하는 것이 중요하다. 다른 한편으로는, 현상기(100)를 소형화하기 위하여는 현상기(100)의 폭(도 6: W)을 가능한 한 작게 하는 방안을 고려할 수 있다.

도 6을 보면, 제1, 제2연통부(103)(104)가 화상영역의 폭(Y)의 외측에 배치되면, 제1, 제2연통부(103)(104)의 개구의 크기(Z1)(Z2)만큼 현상기(100)의 폭(W)이 커지게 된다. 여기서 화상영역의 폭(Y)은 현상롤러(1) 상의 현상제층의 폭방향의 길이를 의미하며, 더 상세하게는 규제부재(2)에 의하여 규제되는 길이를 의미한다.

종래의 현상기는 현상제 밸런스를 안정화시키기 위해 화상영역의 폭(Y)보다 X+(Z1+Z2)/2가 더 크게 설정되어 있다.

제1, 제2연통부(103)(104)의 내측 간격(X)과 제1, 제2연통부(103)(104)의 개구의 크기(Z1)(Z2)를 변화시키면서, 현상롤러(10) 상의 DMA(developer mass / area) 밸런스, 즉 단위 면적당의 현상제량, 토너 비산을 조사한 결과, 다음의 식

0 < Y-{X+(Z1+Z2)/2} < 15mm ---(9)

을 만족하는 경우에 DMA 밸런스가 양호하고 토너 비산이 적은 폭 방향으로 소형화된 현상기(100)를 구현할 수 있다.

아래의 표에는 식(9)의 유용성을 확인하기 위한 실험 결과를 나타낸다. 아래 표에서 X1, X2는 각각 제1, 제2연통부(103)(104)의 외측으로부터 하우징(101)의 내벽 사이의 간격을 말한다.

DMA밸런스는 예를 들어, 현상롤러(1)의 표면의 좌우측단부로부터 내측으로 10~30mm 범위의 5×20mm영역의 현상제와, 중앙부의 5×20mm영역의 현상제의 DMA를 3회 측정한 평균치를 이용하여 조사하는 방식으로 평가할 수 있다. 토너 비산은 현상기(100)가 정지된 상태에서 토너 보급구(121)로 토너농도 양 1%에 해당되는 양의 토너를 제2현상제수용부(120)에 보급하고, 현상기(100)를 동작시키면서 현상롤러(1)에서 비산되는 토너를 관찰하는 방식으로 평가할 수 있다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

1......현상롤러 11......슬리브
12......마그넷 2.....규제부재
3, 4......제1, 제2교반기 31, 41...축
32, 42...날개부 5...토너 수용부
6......토너보급수단 10......감광드럼
40......대전롤러 50......노광기
60......전사롤러 70......클리닝 블레이드
80......정착기 100...현상기
101...하우징 102...격벽
103, 104...제1, 제2연통부 121...토너 보급구

Claims (9)

1. 토너와 캐리어가 혼합된 현상제 중에서 토너를 상담지체에 형성된 정전잠상으로 공급하여 현상시키는 현상기로서,
   현상제를 그 외주에 부착시켜 토너를 상기 상담지체에 공급하는 현상부재와, 현상제를 제1축방향으로 교반/이송시키는 제1교반부재가 설치된 제1현상제수용부;
   현상제를 상기 제1축방향과 반대방향인 제2축방향으로 교반/이송시키는 제2교반부재가 설치된 제2현상제수용부;
   상기 제1, 제2현상제수용부를 구분하며, 현상제가 상기 제1, 제2축방향으로 이송되면서 상기 제1, 제2현상제수용부 사이에서 순환될 수 있도록 상기 제2축방향의 하류측에 위치되는 제1연통구와 상기 제1축방향의 하류측에 위치되는 제2연통구가 마련된 격벽;을 포함하며,
   평형 상태에서 상기 제1, 제2현상제수용부의 현상제의 중량을 각각 Wa, Wb라 할 때,
   1.8≤(Wa/Wb)≤3.0
   을 만족하는 현상기.
2. 제1항에 있어서,
   기준 용지에의 분당 인쇄 매수를 PPM, 상기 기준 용지의 면적을 Pa, 현상제의 1회 순환에 걸리는 시간을 Tcirc, 상기 상담지체 상의 단위 면적당의 토너량을 TMA라 하면,
   

   

   
   을 만족하는 현상기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1연통구와 상기 제2연통구의 길이를 각각 Z1, Z2라 할 때, Z1>Z2인 현상기.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1, 제2교반기는 축과 나선형 날개부를 구비하는 오거이며,
   상기 제1교반기의 날개부의 피치는 상기 제2교반기의 날개부의 피치보다 작은 현상기.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1연통구와 상기 제2연통구의 길이를 각각 Z1, Z2, 상기 제1, 제2연통구의 내측 간격을 X, 상기 현상부재의 유효 화상 영역의 길이를 Y라 하면,
   0 < Y-{X+(Z1+Z2)/2} < 15mm
   인 현상기.
6. 토너와 캐리어가 혼합된 현상제 중에서 토너를 상담지체에 형성된 정전잠상으로 공급하여 현상시키는 현상기로서,
   현상제를 그 외주에 부착시켜 토너를 상기 상담지체에 공급하는 현상부재와, 현상제를 제1축방향으로 교반/이송시키는 제1교반부재가 설치된 제1현상제수용부;
   현상제를 상기 제1축방향과 반대방향인 제2축방향으로 교반/이송시키는 제2교반부재가 설치된 제2현상제수용부;
   상기 제1, 제2현상제수용부를 구분하며, 현상제가 상기 제1, 제2축방향으로 이송되면서 상기 제1, 제2현상제수용부 사이에서 순환될 수 있도록 상기 제2축방향의 하류측에 위치되는 제1연통구와 상기 제1축방향의 하류측에 위치되는 제2연통구가 마련된 격벽;을 포함하며,
   상기 제1연통구와 상기 제2연통구의 길이를 각각 Z1, Z2, 상기 제1, 제2연통구의 내측 간격을 X, 상기 현상부재의 유효 화상 영역의 길이를 Y라 하면,
   0 < Y-{X+(Z1+Z2)/2} < 15mm
   을 만족하는 현상기.
7. 토너와 캐리어가 혼합된 현상제를 사용하는 전자사진방식 화상형성장치로서,
   정전잠상이 형성되는 상담지체;
   상기 정전잠상에 토너를 공급하여 현상시키는 것으로서, 제1항, 제2항, 제6항 중 어느 한 항에 기재된 현상기;를 포함하는 전자사진방식 화상형성장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1연통구와 상기 제2연통구의 길이를 각각 Z1, Z2라 할 때, Z1>Z2인 전자사진방식 화상형성장치.
9. 제7항에 있어서,
   상기 제1, 제2교반기는 축과 나선형 날개부를 구비하는 오거이며,
   상기 제1교반기의 날개부의 피치는 상기 제2교반기의 날개부의 피치보다 작은 전자사진방식 화상형성장치.

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