JP5988103B2 - 現像装置及びそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は現像装置及びそれを用いた画像形成装置に関し、より詳細には、劣化した現像剤を少しずつ排出すると同時に新しい現像剤を補給するいわゆるトリクル方式の現像装置及びそれを用いた画像形成装置に関するものである。

トナーとキャリアとを含む二成分現像剤を用いた現像器では、画像形成によってトナーが消費されるのに対し、キャリアは現像器内に留まり続けるため、キャリアの経時劣化が生じる。そこで、キャリアを含む現像剤を少しずつ現像器から廃棄しながら、新しい現像剤を現像器に補給するいわゆるトリクル方式が近年注目されつつあり、種々の提案もなされている（例えば、特許文献１を参照）。

また、新しいキャリアが現像器に補給されることによるトナー帯電性の変化を抑えるために、現像器内のキャリアと抵抗の異なるキャリアを含む現像剤を現像器に補給することも提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

特開2010-217219号公報 特開平08-234550号公報

現像器内のトナー濃度は、例えば透磁率センサーなどの検知手段によって検知され、この検知値に基づいてトナー濃度が所定範囲内を保つように補給容器からの現像剤の補給が制御される。ところが、現像器に補給されるキャリアが現像器内のキャリアの物性と異なっていると、現像器内の実際のトナー濃度と透磁率センサーの検知値との相関関係が崩れて、透磁率センサーの検知値が同じであっても現像器内の実際のトナー濃度が変化する場合がある。現像器内のトナー濃度が変化すると、トナー帯電量が変化し、カブリや濃度ムラなどの画像ノイズが生じるおそれがある。

本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、現像器内のキャリアと嵩密度の異なるキャリアを現像器に補給した場合であっても、現像器内のトナー濃度を所定範囲内に保つことができる現像装置を提供することにある。

また本発明の目的は、トナー帯電量の変化に起因するカブリや濃度ムラなどの画像ノイズが生じない画像形成装置を提供することにある。

本発明によれば、第１キャリアとトナーとを含む現像剤を収容する現像器と、第１キャリアと嵩密度が異なる第２キャリアとトナーとを含む補給用現像剤を収容する補給容器と、前記現像器内のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段とを備え、前記トナー濃度検知手段による検知値に基づいて、補給用現像剤を前記補給容器から前記現像器に補給するとともに、前記現像器内で過剰になった現像剤を前記現像器から排出する現像装置であって、前記現像器内の第２キャリアの存在比率を検知するキャリア比率検知手段をさらに備え、前記キャリア比率検知手段で検知された第２キャリアの存在比率に基づいて前記トナー濃度検知手段の検知値を補正することを特徴とする現像装置が提供される。

ここで、第２キャリアの嵩密度が、第１キャリアの嵩密度に対して０．６倍〜０．９５倍であるのが好ましい。

前記キャリア比率検知手段としては、蛍光Ｘ線検知器であってもよい。

また、前記現像器内に、現像剤を撹拌する撹拌部材を備える場合は、前記キャリア比率検知手段としては、前記撹拌部材の撹拌トルクを検知するものであってもよい。

本発明によれば、前記のいずれかに記載の現像装置を備えたことを特徴とする画像形成装置が提供される。

本発明の現像装置では、前記現像器内の第２キャリアの存在比率をキャリア比率検知手段で検知し、前記キャリア比率検知手段で検知された第２キャリアの存在比率に基づいて前記トナー濃度検知手段の検知値を補正するので、現像器内のトナー濃度を常に所定範囲内に保つことができる。これにより、トナー帯電量の変化に起因するカブリや濃度ムラなどの画像ノイズを効果的に防止できる。

本発明に係る画像形成装置の一例を示す概説図である。 作像ユニットの概説図である。 現像装置の垂直断面図である。 現像装置の水平断面図である。 蛍光Ｘ線スペクトルデータの一例である。 透磁率センサーの検知値の補正制御フローチャートである。

以下、本発明に係る現像装置及び画像形成装置について図に基づいてさらに詳しく説明するが本発明はこれらの実施形態に何ら限定されるものではない。

図１に、本発明に係る画像形成装置の一例を示す所謂タンデム方式のカラープリンターの概説図を示す。この図に示すプリンターは、導電性を有する無端状の中間転写ベルト３０を有する。中間転写ベルト３０は、ローラ３１，３２，３３に張架されている。ローラ３１は不図示のモータに連結されており、モータの駆動によってローラ３１は反時計回りに回転し、これによって中間転写ベルト３０とこれに接するローラ３２，３３は従動回転する。ローラ３３は、不図示の付勢手段によって中間転写ベルト３０を外方へ付勢し中間転写ベルト３０に張力を与えている。ローラ３１に支持されているベルト部分の外側には、２次転写ローラ３４が圧接している。この２次転写ローラ３４と中間転写ベルト３０とのニップ部（２次転写領域）において中間転写ベルト３０上に形成されたトナー画像が、搬送されてきた用紙Ｐに転写される。

また、ローラ３２に支持されているベルト部分の外側には、中間転写ベルト３０の表面をクリーニングするベルトクリーニングブレード３５が設けられている。ベルトクリーニングブレード３５は、中間転写ベルト３０を介してローラ３２に圧接し、中間転写ベルト３０との当接部で未転写の残留トナーを除去・回収する。

中間転写ベルト３０の下側には、中間転写ベルト３０の回転方向上流側から順に、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４つの作像ユニット１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋ（以下、「作像ユニット１０」と総称することがある）が、装置本体１に対して着脱自在に配置されている。これらの作像ユニット１０では、各色の現像剤をそれぞれ用いて対応する色のトナー画像が作成される。

図２に、作像ユニット１０の概説図を示す。作像ユニット１０は、静電潜像担持体としての円筒状の感光体１１を有する。そして、感光体１１の周囲には、その回転方向（時計回り方向）に沿って順に、帯電装置１２、露光装置１３、現像装置２、１次転写ローラ１４、およびクリーニング装置１５が配置されている。１次転写ローラ１４は中間転写ベルト３０を挟んで感光体１１に圧接し、ニップ部（１次転写領域）を形成している。

図１に示すように、作像ユニット１０の下部には、給紙装置として給紙カセット４１が着脱可能に配置されている。給紙カセット４１内に積載収容された用紙Ｐは、給紙カセット４１の近傍に配置された給紙ローラの回転によって最上紙から順に１枚ずつ搬送路Ｒに送り出される。給紙カセット４１から送り出された用紙Ｐは、レジストローラ対４２に搬送され、ここで所定のタイミングで２次転写領域に送り出される。

画像形成装置は、１色のトナー（例えばブラック）を用いてモノクロ画像を形成するモノクロモードと、４色のトナーを用いてカラー画像を形成するカラーモードとに切り替え可能となっている。

カラーモードにおける画像形成動作例について簡単に説明すると、まず、各作像ユニット１０において、所定の周速度で回転駆動される感光体１１の外周面が帯電装置１２により帯電される。次に、帯電された感光体１１の表面に、画像情報に応じた光が露光装置１３から投射されて静電潜像が形成される。続いて、この静電潜像は、現像装置２から供給される現像剤としてのトナーにより顕在化される。このようにして感光体１１の表面に形成された各色のトナー画像は、感光体１１の回転によって１次転写領域に達すると、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの順で、感光体１１から中間転写ベルト３０上へ転写（１次転写）されて重ねられる。

中間転写ベルト３０に転写されることなく感光体１１上に残った残留トナーは、クリーニング装置１５で掻き取られ、感光体１１の外周面から除去される。

重ね合わされた４色のトナー画像は、中間転写ベルト３０によって２次転写領域に搬送される。一方、そのタイミングに合わせて、レジストローラ対４２から２次転写領域に用紙Ｐが搬送される。そして、４色のトナー画像が、２次転写領域において中間転写ベルト３０から用紙Ｐに転写（２次転写）される。４色のトナー画像が転写された用紙Ｐは、定着ローラ対４３へ搬送される。定着ローラ対４３において用紙Ｐは、定着ローラと加圧ローラとのニップ部を通過する。この間に用紙Ｐは加熱・加圧され、用紙Ｐ上のトナー画像は用紙Ｐに溶融定着する。トナー画像が定着した用紙Ｐは排出ローラ対によって排紙トレイに排出される。

一方、用紙Ｐに転写されることなく中間転写ベルト３０上に残った残留トナーは、クリーニングブレード３５で掻き取られ、中間転写ベルト３０の外周面から除去される。その後、各感光体１１及び中間転写ベルト３０の回転駆動が停止される。

図３及び図４に、現像装置２の垂直断面図及び水平断面図をそれぞれ示す。これらの図に示す現像装置２は、現像器２０と現像剤ホッパー（補給容器）５（図４に図示）とを備え、磁性粒子からなる第１キャリアとトナーとを有する二成分系現像剤Ｄ１を用いて感光体１１の静電潜像を現像するものである。この現像器２０は、回転自在の現像ローラ２１と、現像部に搬送される現像剤量を規制する板状の規制部材２２と、現像ローラ２１に沿って形成された第１搬送路２３と、第１搬送路２３と仕切り板２７を隔てて平行に形成された第２搬送路２４と、第１搬送路２３及び第２搬送路２４に配置された第１搬送スクリュー２５及び第２搬送スクリュー２６を備える。仕切り板２７の長手方向両端部には第１連通口２７１及び第２連通口２７２（図４に図示）が形成され、第１搬送路２３と第２搬送路２４とは長手方向両端部において連通している。また、第２搬送路２４の現像剤搬送方向上流端には、現像剤ホッパー（現像剤収納部）５から補給される補給現像剤Ｄ２を受け入れるための補給開口２７３が形成されている。さらに、第１搬送路２３の現像剤搬送方向下流端には、現像器２０内の現像剤Ｄ１を排出するための排出口２７４が形成されている。そして、第２搬送路２４の底面には、現像剤Ｄ１のトナー濃度を検知する透磁率センサー（トナー濃度検知手段）Ｓ１が設けられ、第１搬送路２３の上部には、現像器２０内における第２キャリアの存在比率を検知する蛍光Ｘ線検知器Ｓ２が設けられている。

現像ローラ２１は、不図示の駆動機構によって図３において時計回りに回転する筒状体２１ａと、筒状体２１ａの内部に設けられた複数の磁極から構成される磁界発生手段２１ｂとを有する。磁界発生手段２１ｂを構成する各磁極はそれぞれ次のような働きをする。まず、磁極（汲み上げ極）Ｎ_１は、現像剤Ｄ１を筒状体２１ａに汲み上げる働きを奏する。磁極Ｓ_１は、規制部材２２と共に現像部に搬送する現像剤Ｄ１の量を制御する働きを奏する。そして、磁極Ｎ_２は、現像剤Ｄ１をブラシ状に穂立ちさせて感光体１１表面の静電潜像をトナーで現像する働きを奏する。磁極Ｓ_２は、現像剤Ｄ１を現像装置内に搬送する働きを奏する。磁極Ｎ_３は、現像器２０内に現像剤Ｄ１を搬送すると共に、隣り合う磁極Ｎ_１との間で発生する反発磁界によって現像剤Ｄ１を円筒体２１ａから剥離させて第１搬送スクリュー２５による撹拌部に戻す働きを奏する。

第１搬送スクリュー２５及び第２搬送スクリュー２６は、軸部材２５ａ，２６ａの外周に螺旋状の羽根２５ｂ，２６ｂが設けられ、第１搬送スクリュー２５の、第２連通口２７２よりも現像剤搬送方向やや下流側には、羽根の傾斜方向が逆方向の逆流発生部２８が設けられている。そして、第１搬送スクリュー２５及び第２搬送スクリュー２６は、不図示の駆動機構によって互いに逆方向に回転する。

図４に示すように、現像器２０には現像剤ホッパー５が接続している。現像剤ホッパー５は、第２キャリアとトナーとを有する補給現像剤Ｄ２を収納する収納部５１と、補給現像剤Ｄ２を補給する補給スクリュー５２とを有する。補給スクリュー５２は、不図示のモータによって回転し、回転数は変動可能である。補給スクリュー５２の回転数を制御することによって、現像器２０への補給現像剤Ｄ２の補給量を調整できる。現像によってトナーが消費され現像器２０内のトナー濃度が低下し、透磁率センサーＳ１による検知値が閾値を超えると、現像剤ホッパー５から補給現像剤Ｄ２が現像器２０に補給される。

現像剤ホッパー５から補給される補給現像剤Ｄ２は、第２搬送路２４の現像剤搬送方向上流端に形成された補給開口２７３から現像器２０内に受け入れられる。なお、補給開口２７３の形成位置は、第２搬送路２４上であれば特に限定はないが、現像ローラ２１に供給されるまでの間に十分な撹拌混合を行うためには、第２搬送路２４の現像剤搬送方向上流端に形成するのが好ましい。補給開口２７３から現像器２０に補給された現像剤は、第２搬送スクリュー２６の回転によって図の左方向に撹拌されながら搬送された後、第１連通口２７１を通って第１搬送路２３へ搬送される。第１搬送路２３では、第１搬送スクリュー２５の回転によって現像剤Ｄ１は図の右方向に撹拌されながら搬送される。そして、逆流発生部２８において、現像剤Ｄ１は図の右方向への搬送が妨げられるので、第２連通口２７２を通って再び第２搬送路２４へ搬送される。これにより、現像剤Ｄ１は、第１搬送路２３と第２搬送路２４とで構成される循環路内を循環し撹拌される。

トナーの補給と共に第２キャリアが補給されて、現像器２０内の現像剤量が増えてくると、逆流発生部２８における現像剤の滞留量が多くなり、現像剤の一部は逆流発生部２８を乗り越えるようになる。そして、逆流発生部２８を乗り越えた現像剤は、図４の右方向に搬送されて、排出口２７４から現像器２０外へ排出される。このように、現像剤ホッパー５から補給現像剤Ｄ２を現像器２０に補給しながら、使用によって劣化した現像剤を現像器２０から排出することにより、現像剤の劣化に起因するカブリや文字散りなどの画像不良の発生が抑制される。

ここで、本発明の現像装置では、現像剤ホッパー５内の第２キャリアとして、現像器２０内の第１キャリアと嵩密度が異なるキャリアを用いる。具体的には、第２キャリアとして第１キャリアよりも嵩密度の小さいキャリアを用いる。これにより、補給現像剤Ｄ２の軽量化を図ることができる。第２キャリアの嵩密度としては第１キャリアの嵩密度の０．６倍〜０．９５倍が好ましい。

ところが、補給現像剤Ｄ２の第２キャリアと現像剤Ｄ１の第１キャリアとの嵩密度が異なると、現像器２０内の第２キャリアの存在比率によって、透磁率センサーＳ１の検知値が同じ値であっても現像器２０内のトナー濃度が変化する。そこで、本発明では、現像器２０内における第２キャリアの存在比率を蛍光Ｘ線検知器Ｓ２によって検知し、第２キャリアの存在比率に基づいて透磁率センサーＳ１の検知値を補正して、現像器２０内のトナー濃度が一定となるようにした。

図５に、蛍光Ｘ線検知器Ｓ２による蛍光Ｘ線スペクトルの強度測定の一例を示す。これはＭｎ−Ｍｇ系フェライトキャリアの蛍光Ｘ線スペクトルデータである。Ｍｎ−Ｍｇ系フェライトキャリアでは、Ｍｇに対するＭｎの割合が大きくなるほど嵩密度は小さくなる。したがって、第１キャリアとしてＭｇに対するＭｎの割合が小さいＭｎ−Ｍｇ系フェライトキャリアを用い、第２キャリアとしてＭｇに対するＭｎの割合が大きいＭｎ−Ｍｇ系フェライトキャリアを用いた場合、現像器２０内の第２キャリアの存在比率は、蛍光Ｘ線スペクトルデータにおけるＭｇに対するＭｎの割合から検知することができる。

表１に、Ｍｇに対するＭｎの割合Ｘと、現像器２０内の第２キャリアの存在比率αとの関係を示す。Ｍｇに対するＭｎの割合Ｘが２０以上であると、現像器２０内のキャリアはすべて第２キャリアと判断され、逆に、Ｍｇに対するＭｎの割合Ｘが１未満以上であると、現像器２０内には第２キャリアは１０％しか存在しないと判断される。

嵩密度の小さい第２キャリアが現像器２０内に多く存在するほど、透磁率センサーＳ１の検知値は高くなる。そして、透磁率センサーＳ１の検知値が高いと、現像器２０内のトナー濃度は低いと判断され現像剤ホッパー５から現像剤が補給される。これにより、現像器２０内の実際のトナー濃度が高くなりすぎる場合が生じる。そこで、本発明では、第２キャリアの存在比率αによって、透磁率センサーＳ１の検知値を補正することとした。表２に一例を示す。

表２から理解されるように、トナー濃度Ｔｃが同じであれば、第２キャリアの存在比率αが大きくなるほど、透磁率センサーＳ１の検知値から減じる補正値を大きくする。また、第２キャリアの存在比率αが同じであれば、トナー濃度Ｔｃが高いほど、透磁率センサーＳ１の検知値から減じる補正値を大きくする。これにより、第１キャリアよりも嵩密度の小さい第２キャリアが現像器２０内に補給されても、現像器２０内のトナー濃度を一定に保つことができるようになる。なお、第２キャリアの存在比率αが２０％未満の場合は、透磁率センサーＳ１の検知値を補正せず、透磁率センサーＳ１の検知値をそのまま用いる。

図６に、第２キャリアの存在比率αに基づく透磁率センサーＳ１の検知値の補正制御フローチャートを示す。まず、透磁率センサーＳ１によって現像器２０内のトナー濃度を検知する（ステップＳ１０１）。次いで、蛍光Ｘ線検知器Ｓ２による蛍光Ｘ線スペクトルデータから現像器２０内の第２キャリアの存在比率αを求める（ステップＳ１０２）。そして、第２キャリアの存在比率αが２０％以上かどうかが判断される（ステップＳ１０３）。第２キャリアの存在比率αが２０％以上の場合は、表２に示される、第２キャリアの存在比率αとトナー濃度とから、透磁率センサーＳ１の検知値の補正値を決定し（ステップＳ１０４）、透磁率センサーＳ１の検知値を補正する（ステップＳ１０５）。一方、第２キャリアの存在比率αが２０％未満の場合は（ステップＳ１０３）、透磁率センサーＳ１の検知値を補正せず、そのまま用いる。

現像器２０内の第２キャリアの存在比率を検知するキャリア比率検知手段としては、蛍光Ｘ線検知器Ｓ２の他にトルク検知器を用いることができる。具体的には、現像器２０内の現像剤を撹拌・搬送する第１搬送スクリュー２５及び第２搬送スクリュー２６の少なくとも一方に撹拌トルクを検知するトルク検知器を設ける。嵩密度の大きい第１キャリアに、嵩密度の小さい第２キャリアを供給するほど、搬送スクリューの撹拌トルクは小さくなる。したがって、搬送スクリューの撹拌トルクから現像器２０内の第２キャリアの存在比率αが検知できる。

表３に、搬送スクリューの撹拌トルクＹと、現像器２０内の第２キャリアの存在比率αとの関係を示す。例えば、撹拌トルクＹが０．３０（Ｎ・ｍ）以上であると、現像器２０内の第２キャリアの存在比率αは１０％と判断され、逆に、撹拌トルクＹが０．１０（Ｎ・ｍ）未満であると、現像器２０内のキャリアはすべて第２キャリアであると判断される。

前述のように、嵩密度の小さい第２キャリアが現像器２０内に多く存在するほど、透磁率センサーＳ１の検知値は高くなるので、表２に示した、第２キャリアの存在比率αと透磁率センサーＳ１の検知値の補正値との関係を使用して、透磁率センサーＳ１の検知値を補正する。

（実施例１）
図１に示したカラープリンター（３８枚／ｍｉｎ，用紙搬送速度１８０ｍｍ／ｓ）を用いて、Ａ４サイズ用紙でカラー画像（印字率：各色５％）を連続１０万枚耐刷試験を行い、感光体の表面電位Ｖ_０と現像ローラに印加される現像バイアス電圧Ｖ_ｄｃとの差を変えて、かぶりが生じない範囲（「かぶりマージン」）を調べた。結果を表４に示す。また、２万枚毎にトナーかぶり及び濃度ムラを程度を調べた。結果を表６に示す。トナーかぶり及び濃度ムラの評価基準はＲａｎｋ５（良）←Ｒａｎｋ１（悪）である。

なお、かぶりマージンは、表面電位Ｖ_０は−２００Ｖ〜−８００Ｖの範囲、現像バイアス電圧Ｖ_ｄｃは−２００Ｖ〜−６００Ｖの範囲で変化させて調べた。また、トナーかぶり及び濃度ムラは、表面電位Ｖ_０を−４５０Ｖとし、現像バイアス電圧Ｖ_ｄｃを−３００Ｖとして画像形成を行って調査した。

（比較例１）
蛍光Ｘ線検知器を設けず、透磁率センサーの検知値を補正しなかった以外は、実施例１と同様にして連続１０万枚の耐刷試験を行い、かぶりマージン、トナーかぶり及び濃度ムラの程度を調べた。結果を表５及び表６に合わせて示す。

表４及び表５から明らかなように、かぶりマージンは、実施例１のカラープリンターの方が、比較例１のカラープリンターよりも安定していた。また、表６から明らかなように、実施例１のカラープリンターでは、トナーかぶり及び濃度ムラはいずれも抑えられ良好な画像が得られた。これに対し、比較例１のカラープリンターでは、耐刷によってトナーかぶり及び濃度ムラが生じ、画質が悪くなった。

本発明の現像装置では、補給容器から現像器に補給された第２キャリアの、現像器内の存在比率をキャリア比率検知手段で検知し、検知された第２キャリアの存在比率に基づいてトナー濃度検知手段の検知値を補正するので、現像器内のトナー濃度を常に所定範囲内に保つことができ、トナー帯電量の変化に起因するカブリや濃度ムラなどの画像ノイズを効果的に防止でき有用である。

２ 現像装置
５ 現像剤ホッパー（補給容器）
Ｄ１ 現像剤
Ｄ２ 補給現像剤
Ｓ１ 透磁率センサー（トナー濃度検知手段）
Ｓ２ 蛍光Ｘ線検知器（キャリア比率検知手段）
２０ 現像器
２５ 第１搬送スクリュー（撹拌部材）
２６ 第２搬送スクリュー（撹拌部材）

Claims (5)

1. 第１キャリアとトナーとを含む現像剤を収容する現像器と、第１キャリアと嵩密度が異なる第２キャリアとトナーとを含む補給用現像剤を収容する補給容器と、前記現像器内のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段とを備え、前記トナー濃度検知手段による検知値に基づいて、補給用現像剤を前記補給容器から前記現像器に補給するとともに、前記現像器内で過剰になった現像剤を前記現像器から排出する現像装置であって、
   前記現像器内の第２キャリアの存在比率を検知するキャリア比率検知手段をさらに備え、
   前記キャリア比率検知手段で検知された第２キャリアの存在比率に基づいて前記トナー濃度検知手段の検知値を補正することを特徴とする現像装置。
2. 第２キャリアの嵩密度が、第１キャリアの嵩密度に対して０．６倍〜０．９５倍である請求項１記載の現像装置。
3. 前記キャリア比率検知手段が蛍光Ｘ線検知器である請求項１又は２記載の現像装置。
4. 前記現像器内に、現像剤を撹拌する撹拌部材を備え、前記キャリア比率検知手段が、前記撹拌部材の撹拌トルクを検知するものである請求項１又は２記載の現像装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の現像装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。