画像形成装置
【課題】高速印刷を行う場合に、最小限のスペースでトナーとキャリアを確実に混合する。
【解決手段】現像ローラーの軸方向に沿って２成分現像剤を搬送する搬送部の端部に設けられ、新規に投入されたトナーとキャリアを混合する大径の攪拌スクリューを含む予備攪拌部３０を備え、感光体ドラム１４が媒体上に画像形成を行うプロセススピードが３００［ｍｍ／ｓ］以上であり、感光体ドラム１４が画像形成を行う媒体の幅がレター（Ｌｅｔｔｅｒ）サイズ幅２１６［ｍｍ］以下であり、予備攪拌部３０は、２成分現像剤表面から上方向の前記攪拌スクリューの突出量を［ｒｍｍ］、攪拌スクリューのピッチをＰ［ｍｍ］、攪拌スクリューの回転数をＲ［ｒｐｓ］、混合撹拌に必要な時間Ｔ［ｓ］をとしたときに、下記の式（１）を満たす画像形成装置が提供される。
【解決手段】現像ローラーの軸方向に沿って２成分現像剤を搬送する搬送部の端部に設けられ、新規に投入されたトナーとキャリアを混合する大径の攪拌スクリューを含む予備攪拌部３０を備え、感光体ドラム１４が媒体上に画像形成を行うプロセススピードが３００［ｍｍ／ｓ］以上であり、感光体ドラム１４が画像形成を行う媒体の幅がレター（Ｌｅｔｔｅｒ）サイズ幅２１６［ｍｍ］以下であり、予備攪拌部３０は、２成分現像剤表面から上方向の前記攪拌スクリューの突出量を［ｒｍｍ］、攪拌スクリューのピッチをＰ［ｍｍ］、攪拌スクリューの回転数をＲ［ｒｐｓ］、混合撹拌に必要な時間Ｔ［ｓ］をとしたときに、下記の式（１）を満たす画像形成装置が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザープリンター、レーザーファックスあるいはデジタル複写機などの電子写真方式による画像形成装置では、感光体ドラム上をほぼ一様に帯電させ、当該感光体ドラムを露光して画像信号に応じた静電潜像を形成後、現像器により帯電されたトナーを感光体ドラム上に供給して顕像化し、その現像剤像を転写紙などの印字媒体に転写した後、定着器により定着して画像を形成している。
【０００３】
画像形成装置において、感光体ドラム上にトナーを供給する方法として、マグネットローラを用いる方法が知られている。例えば、特許文献１，２には、トナーとキャリアとからなる２成分現像剤を用いる装置が記載されている。また、特許文献１には、トナーを予備的に現像剤に混合して補給する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１４２９１６号公報
【特許文献２】特開２００６−３２３２３８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】佐藤、木村、日本画像学会誌、２００２年発行、第４１巻、第１号、ｐ．３４〜ｐ．３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近時においては、画像形成装置の処理能力が増大し、単位時間当たりの印刷可能な枚数が非常に多くなっている。このため、２成分現像剤を用いる装置においては、消費されたトナーを継続的に補充するとともに、補充したトナーとキャリアを短時間で混合する必要がある。
【０００７】
しかしながら、上記従来の装置では、このような高速での印刷を想定していないため、高速印刷によって消費されたトナーを補充して供給する際に、トナーとキャリアの混合が不十分になる問題がある。
【０００８】
特に、近時では、Ａ４サイズの用紙を印刷する比較的小型の装置に対する需要が多くなっている。このような小型の装置では、トナーの搬送路の長さも短くなるため、トナーとキャリアが攪拌される距離が短くなり、トナーとキャリアの混合が不十分になってしまう。
【０００９】
そして、トナーとキャリアの混合が不十分になると、トナーがキャリアと摩擦帯電して適正な極性の帯電量に制御されなくなる。そのため、逆極性や帯電量の低いトナーにより画質が、低下するという問題があった。
【００１０】
また、近時においては、画像形成装置の小型化により現像剤の量を少なくする方向に動いている。特に高画質、１ページ当たりの低コスト化から、トナーの高顔料添加化とキャリアの小粒径化により少ない現像剤量でも画像濃度維持が可能になった。しかし、２成分現像剤を用いるシステムでは、消費されたトナーを正確に計量してキャリア中に投入し、攪拌帯電、分散させる必要がある。このためには、攪拌時間が必要である。攪拌時間が短いと、トナーは十分に帯電されず、また、キャリア表面に担持されない状態で現像領域に搬送される。
【００１１】
また、現像剤は、フェライトやマグネタイトなどの表面に樹脂をコート（Coat）した粉体を用いこれに樹脂が主成分のトナーを混合している。そのため、現像剤の流れの中にトナーを混合させた場合、比重差があるため、トナーが現像剤中に巻き込まれないため、帯電、分散が不十分のまま現像領域に搬送される問題がある。トナーは本来、適正な極性の帯電量に制御される必要があるが、帯電/分散が不十分の場合、逆極性や帯電量が、低くなる。このため、感光体ドラム上の本来トナーが付着すべきでない領域にトナーが付着してしまい、画像の劣化（画像B/G増加）、画像汚染が生じてしまう。また、帯電が不十分であると、機内汚染が発生する問題も生じる。特にＡ４サイズの高速現像器の場合、攪拌時間がＡ３機に比較して２５％程度少なくなるため、従来の現像器では、高速化に限界が生じていた。
【００１２】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、高速印刷を行う場合に、最小限のスペースでトナーとキャリアを確実に混合することが可能な、新規かつ改良された画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、静電潜像に応じて供給されたトナーを転写して媒体上に画像形成を行う感光体ドラムと、前記静電潜像担持体にトナーを供給する現像ローラーと、前記現像ローラーにトナーとキャリアが混合された２成分現像剤を供給する現像ユニットと、を備え、前記現像ユニットは、前記現像ローラーの軸方向に沿って２成分現像剤を搬送する搬送部と、前記搬送部の端部に設けられ、新規に投入されたトナーとキャリアを混合する大径の攪拌スクリューを含む予備攪拌部を有し、前記感光体ドラムが前記媒体上に画像形成を行うプロセススピードが３００［ｍｍ／ｓ］以上であり、前記感光体ドラムが画像形成を行う前記媒体の幅がレター（Ｌｅｔｔｅｒ）サイズ幅２１６［ｍｍ］以下であり、前記予備攪拌部は、２成分現像剤表面から上方向の前記攪拌スクリューの突出量を［ｒｍｍ］、前記攪拌スクリューのピッチをＰ［ｍｍ］、攪拌スクリューの回転数をＲ［ｒｐｓ］、混合撹拌に必要な時間Ｔ［ｓ］をとしたときに、下記の式（１）を満たす画像形成装置が提供される。
【００１４】
上記構成によれば、上記の式（１）を満たすことにより、プロセススピードが３００［ｍｍ／ｓ］以上の場合であっても、予備攪拌部においてトナーとキャリアの混合を完了して、トナーを所定の極性の帯電量にすることができる。そして、攪拌スクリューを大径に構成した場合に、予備攪拌部における混合攪拌に必要な時間Ｔを最小限に抑えることが可能となり、予備攪拌部の搬送方向の長さを最小限に抑えることが可能となる。従って、プロセススピードが高速の画像形成装置において、最小限のスペース内でトナーとキャリアを短時間で混合することができる。
【００１５】
また、前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記予備撹拌部の断面積をＳ１［ｍｍ２］、前記感光体ドラムの断面積をＳ２［ｍｍ２］、前記現像ローラーの断 面積をＳ３［ｍｍ２］、前記搬送部に設けられた搬送スクリューの断面積をＳ４［ｍｍ２］とすると、以下の式（２）を満たす。
Ｓ１＜Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４ ・・・（２）
かかる構成によれば、予備攪拌部の面積Ｓ１を最小限に抑えることができるため、予備攪拌部の占有スペースを最小限に抑えることが可能となる。
【００１６】
また、前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記感光体ドラム、前記現像ローラー、及び前記現像ユニットを含むプロセスユニットの前記感光体ドラムの軸と直交する断面における断面積が３５００［ｍｍ２］以下である。かかる構成によれば、プロセスユニットの断面積を最小限に抑えることができるため、画像形成装置の更なる小型化を達成することができる。
【００１７】
また、前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記感光体ドラム、前記現像ローラー、及び前記現像ユニットを含むプロセスユニットの前記感光体ドラムの軸と直交する断面における水平方向の幅が７０［ｍｍ］以下である。かかる構成によれば、プロセスユニットの幅を最小限に抑えることができるため、画像形成装置の更なる小型化を達成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高速印刷を行う場合に、最小限のスペースでトナーとキャリアを確実に混合することが可能な画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一般的な画像形成装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る画像形成装置の構成を示す模式図である。
【図３】現像ユニットを図２の上部から見た状態を示す模式図である。
【図４】予備攪拌部の構成を示す模式図である。
【図５】本実施形態が想定する各条件を示す模式図である。
【図６】式（１）における、マグローラー（Ｍａｇ Ｒｏｌｌｅｒ）上のトナー濃度差ΔＣｔと、現像剤搬送量Ｗとの関係を示す特性図である。
【図７】図６の条件１、条件２、条件３のそれぞれについて、トナー濃度差ΔＣｔを１％以下にするための現像剤搬送量Ｗを示す模式図である。
【図８】面積ＳとスクリューのピッチＰとの関係を、条件１、条件２、条件３のそれぞれについて示す特性図である。
【図９】スクリューの外径Ｄと、ピッチＰとの関係を、条件１、条件２、条件３のそれぞれについて示す特性図である。
【図１０】条件１、条件２、条件３のそれぞれについて、現像剤量ｍと、現像剤が現像ユニット内を１周する時間Ｔ１、混合攪拌の時間Ｔ２を示す模式図である。
【図１１】混合攪拌の時間Ｔを説明するための模式図である。
【図１２】混合攪拌に必要な時間Ｔと、図４に示すｒの値との関係を示す特性図である。
【図１３】感光体ドラムをφ３０、現像ローラーをφ２０、第１の搬送スクリューをφ１８とした構成を示す模式図である。
【図１４】大径の予備撹拌部を用いて、プロセスピッチ間を最小にした例を示す模式図である。
【図１５】回転数Ｒ＝５００ｒｐｍ、Ｐ＝１５ｍｍとして、ｒとＴの関係を実験によって求めた結果を示す特性図である。
【図１６】ｒ＝３ｍｍ、Ｐ＝１５ｍｍとして、ＲとＴの関係を実験によって求めた結果を示す特性図である。
【図１７】回転数Ｒ＝５００ｒｐｍ、ｒ＝３ｍｍとして、ＰとＴの関係を実験によって求めた結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成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。
【００２１】
［画像形成装置の構成例］
図１は、一般的な画像形成装置の概略構成を示す模式図である。画像形成装置は、トナー及びキャリアを含む２成分現像剤を用いるものであり、現像剤を担持して感光体ドラム１０２にトナーを供給する現像ローラー１０４と、現像剤を攪拌して摩擦によりトナー粒子を帯電させる第１及び第２の攪拌スクリュー１０６，１０８と、これらを収容保持する現像ケース１１０とを有している。
【００２２】
２成分現像剤を用いる現像装置では、現像剤としてトナーとキャリアを混合したものを用いている。現像領域では、トナーのみが消費されキャリアは、再利用される。消費されたトナーを補給するため、あらかじめ印刷したトナー量をビットカウント（Bit Count）などで計測して予測し、また、トナー濃度センサーで検出された不足分を補給する。近年の画像形成装置は、デジタル化が進み、レーザースキャナー（Laser Scanner）やＬＥＤヘッドなどのデジタル露光装置により画像を形成する。そのため、描画量をデジタル的に把握して計算できるためトナーの時間的な消費量を予想して補給することができる。一方、実際のトナー消費量は、使用状況の環境や電子写真部材の使用状況で変化する。また、トナー補給装置も機構部品のため機械的な寸法のばらつき等により補給量が変化する。そのためトナー濃度センサーなどで確認して補給することが望ましい。
【００２３】
トナー補給装置は、トナーを定量的に補給するためスポンジや溝を切ったシャフトの補給ローラーを狭い隙間を通過させるなどの構成をしている。補給トナーは、２次粒子以上の凝集した状態で現像器内の現像剤の中に投入される。投入されたトナー粒子群は、現像剤のキャリア表面と接触し、帯電してキャリアの表面に付着する。この過程でトナーが適正に帯電され、キャリア表面に担持されていく。投入されたトナー粒子群は、この状態になって初めて現像可能な状態となる。混合攪拌装置は、例えば図１のようなスクリューによる循環方式でトナーを現像剤中に投入し、搬送しながら混合攪拌、分散、帯電付与して現像ローラー１０４などの現像領域に搬送される。
【００２４】
図１において、現像ケース１１０は、第１及び第２の攪拌スクリュー１０６，１０８がそれぞれ配設される第１及び第２の攪拌室１１２，１１４を備え、第１の攪拌室１１２は、現像ローラ１０４に近接配置されて現像剤を現像ローラー１０４に接触させるようにしている。
【００２５】
現像ケース１１０では、第１及び第２の攪拌室１１２，１１４の間で現像剤が循環搬送されるように、両攪拌室１１２，１１４を仕切る仕切壁１１６の両端部に、その仕切壁１１６を貫通するように、第１の攪拌室１１２から第２の攪拌室１１４へ現像剤を受け渡す通路と、第２の攪拌室１１４から第１の攪拌室１１２へ現像剤を受け渡す通路とが設けられている。
【００２６】
ところで、プリンターなどの画像形成装置においては、更なる高速化が進み、最近ではプロセススピードが３００ｍｍ／ｓを超える高速化された装置が出現している。また、高速化とともに、Ａ３サイズの装置からＡ４サイズ（またはレター（Ｌｅｔｔｅｒ）サイズ）の装置への移行、パドルを含む３軸構成から２軸螺旋撹拌スクリューへの移行、現像ユニット内で使用する現像剤の低量化（４００ｇから半減の２００ｇへ）などの要請により、装置の小型化も進行している。
【００２７】
このような要請により、より限られた空間内でより高速にトナーを攪拌する必要が生じており、図１に示すような２軸タイプの現像ユニットの構成では、もはや限界となっている。このため、本実施形態では、トナーの混合撹拌を円滑に進めるために、予備撹拌を行う。予備撹拌を用いると、２軸の螺旋撹拌スクリュー外径は、レイアウト構成に対する影響が小さくなるために、現像ローラー１０４の外径よりも大幅に小さくすることも可能となる。
【００２８】
図２は、本発明の一実施形態に係る画像形成装置１０の構成を示す模式図であってローラーの軸方向から見た状態を示している。本実施形態による画像形成装置１０は、画像信号に応じて変調されたレーザービーム１２を感光体ドラム１４へ走査露光して、乾式電子写真方式により紙やプラスチックシートなどの印字媒体１５へ印字等を行うものである。画像形成装置１０は、レーザープリンター、レーザーファクス、デジタル複写機などとして、あるいはその一部として用いることができる。画像形成装置１０は、トナーとキャリアとからなる２成分現像剤を用いて印字等を行うものである。
【００２９】
画像形成装置１０は、レーザービーム１２を射出するレーザー露光ユニット（図示省略）を備えている。レーザー露光ユニットは、微小スポットに結像されたレーザービーム１２を、感光体ドラム１４上の露光位置ａにおいて、感光体ドラム１４の回転軸に平行な直線上を一定方向に走査するものである。感光体ドラム１４の表面にレーザービーム１２が走査されると、感光体ドラム１４の露光部分が非露光部分に対して相対的に正電位となる。
【００３０】
感光体ドラム１４上の露光位置ａの下流側には、現像ローラー１６が配置されている。また、現像ローラー１６と隣接して、現像ユニット１８が配置されている。現像ユニット１８内には、トナーとキャリアとからなる２成分現像剤Ｃが貯留されている。現像ユニット１８内の２成分現像剤Ｃは、現像ユニット１８内の第１の搬送スクリュー２０によって軸方向に移動し、現像ローラー１６の磁力によって現像ローラー１６の表面に付着する。現像ローラー１６上に供給された２成分現像剤Ｃのうち、負電位に帯電したトナーは、電位差によって現像ローラー１６から感光体ドラム１４の表面に供給される。一方、キャリアは、現像ローラー１６の表面から現像ユニット１８内に回収される。
【００３１】
現像ユニット１８内には、所定の色を有する粉体のトナーと、金属粉体のキャリアとからなる２成分現像剤Ｃが貯留されている。一例として、トナーは、直径７〜８μｍ程度のポリエステル粒子に、顔料、ＣＣＡ、ＰＭＭＡなどが含まれたものである。また、一例として、キャリアは、直径３５〜６０ｎｍ程度のフェライト粒子にシリコンコーティングが施されたものである。
【００３２】
また、現像ユニット１８には、透磁率センサ（不図示）が設けられており、２成分現像剤Ｃの総重量に対するトナーの重量％が所定値となるように、現像ユニット１８へのトナーの供給量が調整される。
【００３３】
図３は、現像ユニット１８を図２の上部から見た状態を示す模式図である。現像ユニット１８内には、２成分現像剤Ｃを軸方向（矢印Ａ１方向）に搬送する第１の搬送スクリュー２０が設けられている。また、現像ユニット１８内には、第１の搬送スクリュー２０と平行に第２の搬送スクリュー２２が配置されており、第１の搬送スクリュー２０と第２の搬送スクリュー２２との間には、仕切壁２４が設けられている。第１の搬送スクリュー２０によって搬送された２成分現像剤Ｃは、現像ローラー１６に供給されながら、矢印Ａ１方向に進み、仕切壁２４の端部に設けられた通路から第２の搬送スクリュー２２側の搬送室に入り、第２の搬送スクリュー２２によって矢印Ａ２方向に搬送される。
【００３４】
現像ユニット１８内で２成分現像剤Ｃが攪拌されると、トナーは負に帯電し、キャリアは正に帯電する。このとき、トナーの帯電量は、例えば−２５〜−１５［μＣ／ｇ］程度である。これにより、負に帯電したトナーは、正に帯電したキャリアの表面に付着する。この際、現像ユニット１８内に貯留されているトナーの重量％を６〜１０％程度とすると、キャリアの表面積の６０〜８０％程度にトナーが付着した状態となる。
【００３５】
トナーが付着したキャリアは、第１の搬送スクリュー２０によって矢印Ａ１方向に搬送されながら、現像ローラー１６の表面に送られる。そして、現像ローラー１６の磁力によって、トナーが付着したキャリアは、現像ローラー１６の表面に付着する。
【００３６】
［予備攪拌部の構成］ 次に、現像ユニット１８の予備攪拌部３０について説明する。図３に示すように、現像ユニット１８の端部には、予備攪拌部３０が設けられている。予備攪拌部３０には、攪拌スクリュー３２が設けられている。図２に示すように、予備攪拌部３０は、感光体ドラム１４、現像ローラー１６、第１の搬送スクリュー２０、及び第２の搬送スクリュー２２よりも大きな直径を有して構成されている。予備攪拌部３０は、第１の搬送スクリュー２０、及び第２の搬送スクリュー２２が配置された攪拌部と、搬送通路を介して接続されている。予備攪拌部３０で混合された２成分現像剤は、搬送通路から第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａの位置に供給され、第１の搬送スクリュー２０によって搬送される。
【００３７】
上述したように、トナーが付着したキャリアは、第１の搬送スクリュー２０によって矢印Ａ１方向に搬送されながら、現像ローラー１６の表面に送られた後、第２の搬送スクリュー２２によって図３中の矢印Ａ２方向に搬送される。このため、第２の搬送スクリュー２２によって搬送された２成分現像剤Ｃにおいては、総重量に対するトナーの重量％が低下している。このため、トナーの重量％が低下した２成分現像剤Ｃは、第２の搬送スクリュー２２によって予備攪拌部３０に送られて、予備攪拌部３０にて新たにトナーが投入される。
【００３８】
図３に示すように、新たにトナーが供給される位置は、予備攪拌部３０の端部である。第２の搬送スクリュー２２によって予備攪拌部３０に供給された２成分現像剤Ｃは、攪拌スクリュー３２の回転によって、新たに投入されたトナーと混合されながら、予備攪拌部３０内を矢印Ａ３方向に送られる。そして、本実施形態においては、予備攪拌部３０内で新たに投入されたトナーは、予備攪拌部３０内でキャリアに付着してマイナスの電位に帯電されて、第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａの位置に送られる。第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａの位置に送られた２成分現像剤Ｃは、第１の搬送スクリュー２０によって矢印Ａ１方向に送られて、現像ローラー１６へ供給される。
【００３９】
このように、本実施形態では、予備攪拌部３０を大径に構成することで、新たに投入したトナーを予備攪拌部３０内で完全にキャリアと混合することができ、所定の電位に帯電した状態とすることができる。
【００４０】
従って、本実施形態では、図２のトナー供給位置でトナーが供給されてから、トナーが第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａの位置に到達するまでの時間Ｔ（以下、混合攪拌に必要な時間という）の間に、トナーとキャリアの混合を完了することができ、トナーを負電位にすることができる。
【００４１】
これにより、２成分現像剤Ｃが第１の搬送スクリュー２０によって搬送される際には、トナーは既にマイナスの電位に帯電しているため、現像ローラー１６に対してプラスの電位に帯電したトナーが供給されることを確実に抑止できる。
【００４２】
本実施形態では、主攪拌部の側部に大径の予備攪拌部３０を設けている。このような構成により、図１に示したような、断面積の小さい第１及び第２の攪拌スクリュー１０６，１０８で混合を行う場合と比較すると、新たに投入されたトナーとキャリアとを確実に混合することができる。そして、予備攪拌部３０における攪拌のみで、トナーの電位を確実に負電位にすることができる。
【００４３】
そして、予備攪拌部３０におけるこのような攪拌を実現するため、本実施形態では、予備攪拌部３０内での２成分現像剤Ｃの量（新たに投入されたトナーを含む）と、攪拌スクリュー３２のピッチ、攪拌スクリューの回転数Ｒ、混合攪拌に必要な時間Ｔとの間に所定の関係を成立させている。
【００４４】
以下、これらの関係について詳細に説明する。図４は、予備攪拌部３０の構成を示す模式図であって、攪拌スクリュー３２の軸方向から予備攪拌部３０を見た状態を模式的に示している。図４に示すように、予備攪拌部３０には、攪拌スクリュー３２が設けられている。図４に示すように、本実施形態では、予備攪拌部３０において、２成分現像剤Ｃ（新たに投入されたトナーを含む）によって攪拌スクリュー３２が完全に埋まらないように、攪拌スクリュー３２の外径の最上部から予備攪拌部３０内の２成分現像剤Ｃの表面までの間に距離ｒを確保するようにしている。
【００４５】
非特許文献１には、図１に示したような２軸の螺旋撹拌スクリュー（Ａｕｇｅｒ）を用いた２成分磁気ブラシスクリュー現像における画像濃度均一性の研究に於いて、マグローラー（Ｍａｇ Ｒｏｌｌｅｒ；本実施形態の現像ローラー１８に相当）上の両端における現像剤のトナー濃度差ΔＣｔと、現像剤の搬送量Ｗの関係（以下の（１）式）が示されている。ここで、現像剤搬送量Ｗは、現像ユニットが単位時間に搬送する現像剤の量（ｇ／ｓ）である。また、（２）式は、現像剤搬送量Ｗと、搬送（現像剤）断面積Ｓ、スクリューのピッチＰ、スクリューの回転数Ｒとの関係を示す式である。また、（３）式は、図４に示す状態において、現像剤の断面積Ｓ（図４中にドットを付した領域の面積）を算出する式である。
【００４６】
ΔＣｔ＝ （Ｍ／Ａ）*Ｖ*Ｌ／Ｗ ・・・（１）
Ｗ＝η*ρ*Ｓ*Ｐ*Ｒ ・・・（２）
Ｓ＝π*（Ｄ／２＋Ｇ）２／２ ＋（Ｄ＋２*Ｇ）*ｄ−π*（ｄ／２）２ ・・・（３）
【００４７】
また、上式において、
Ｐ：スクリューのピッチ（Ｐｉｔｃｈ）
Ｒ：スクリューの回転数
Ｄ：スクリュー外径
ｄ：スクリュー軸径
Ｇ：スクリューとケーシング（Ｃａｓｉｎｇ）の間隙（図４参照）
ΔＣt：トナー濃度差
Ｍ／Ａ：感光体（感光体ドラム１４）上のトナー付着量
Ｖ：感光体（感光体ドラム１４）の周速
Ｌ：現像幅（現像ローラー１６、感光体ドラム１４の有効長）
Ｗ：現像剤搬送量
η：搬送効率
ρ：現像剤嵩密度
Ｓ：搬送（現像剤）断面積
である。
【００４８】
（１）式から、現像剤搬送量Ｗが多くなるほど、トナー濃度差ΔＣｔを低下できることが判る。図５は、本実施形態が想定する各条件を示す模式図である。図５において、条件１は、３００ｍｍ／ｓ程度の高速化は想定していない従来までの条件を示しており、プロセススピード（感光体周速Ｖ）は１６１ｍｍ／ｓ程度である。一方、条件２、条件３は、本実施形態に係る画像形成装置１０が想定している条件であり、３００ｍｍ／ｓ以上のプロセススピードを想定している。また、条件１は、Ａ３サイズの印字媒体１５を想定したもので、現像幅は２９４ｍｍと比較的大きな値となっている。一方、条件２、条件３は、Ａ４サイズ（またはレター（Ｌｅｔｔｅｒ）サイズ）の印字媒体１５を想定したもので、現像幅は２２０ｍｍと小さい。
【００４９】
プロセススピードの高速化に応じて、新たに投入されたトナーとキャリアとをより高速に混合する必要が生じる。また、図１から判るように、現像幅が少なくなると、第１及び代２の攪拌スクリュー１０６，１０８によって攪拌される距離が減るため、トナーとキャリアを混合する観点からは不利となる。図５に示すように、条件１〜３のいずれにおいても、トナー濃度差ΔＣｔは１％以下を想定している。マグローラー両端における現像剤のトナー濃度差ΔＣｔが１％を超えると、用紙の両端での濃度差が目立つためである。本実施形態では、これらの要因を大径の予備攪拌部３０を設けることによって解決する。
【００５０】
（１）式より、トナー濃度差ΔＣｔと現像ユニット１８の現像剤搬送量Ｗとの関係が求まる。図６は、式（１）における、マグローラー（Ｍａｇ Ｒｏｌｌｅｒ）上のトナー濃度差ΔＣｔと、現像剤搬送量Ｗとの関係を示す特性図である。ΔＣｔは、１．０％を超えると印字媒体１５上での濃度差が認識されてしまうため、１．０％以下を目標値とする。図６は、図５の条件１、条件２、条件３のそれぞれについて、トナー濃度差ΔＣｔと現像剤搬送量Ｗとの関係を示している。図６に示すように、現像剤搬送量Ｗが多くなるほど、トナーとキャリアを効率良く混合できるため、トナー濃度差ΔＣｔは小さくなる。
【００５１】
図７は、図６の条件１、条件２、条件３のそれぞれについて、トナー濃度差ΔＣｔを１％以下にするための現像剤搬送量Ｗを示す模式図である。図６によれば、トナー濃度差ΔＣｔを１％以下にするためには、図７に示すように、条件１の場合は現像剤搬送量Ｗを２８ｇ／ｓ以下、条件２の場合は現像剤搬送量Ｗを４７ｇ／ｓ以下、条件３の場合は現像剤搬送量Ｗを３７ｇ／ｓ以下とする必要がある。
【００５２】
一方、現像剤を搬送するスクリューの回転数は、軸受部の温度上昇、現像剤に対するストレスなどの要因を考慮すると、５００ｒｐｍ近傍とするのが好ましく、ここでは、スクリューの回転数を５００ｒｐｍとする。Ｗの値が条件１〜３のぞれぞれで求まり、Ｒ＝５００ｒｐｍであることから、式（２）より、必要とされる搬送（現像剤）断面積ＳとピッチＰの関係を求めることができる。
【００５３】
図８は、面積ＳとスクリューのピッチＰとの関係を、条件１（Ｗ＝２８ｇ／ｓ）、条件２（Ｗ＝４７ｇ／ｓ）、条件３（Ｗ＝３７ｇ／ｓ）のそれぞれについて示す特性図である。スクリューの回転数は５００ｒｐｍとしている。このように、スクリューの面積Ｓを大きくするほど、また、ピッチＰを大きくするほど、現像剤搬送量Ｗを増加することができる。
【００５４】
ところで、スクリューの内径は、強度上の観点から、下限値を６ｍｍとする必要がある。このため、スクリューの内径は最小の６ｍｍとする。また、スクリューとハウジングの隙間Ｇは、公差内で両者が接触しない隙間にする必要があり、Ｇ＝１とする。このため、図８に示す結果に対して、式（３）を導入することにより、スクリューの外径ＤとピッチＰとの関係を求めることができる。図９は、スクリューの外径Ｄと、ピッチＰとの関係を、条件１（Ｗ＝２８ｇ／ｓ）、条件２（Ｗ＝４７ｇ／ｓ）、条件３（Ｗ＝３７ｇ／ｓ）のそれぞれについて示す特性図である。
【００５５】
図９に示すように、攪拌スクリュー３２の外径Ｄを大きくするほど、また、ピッチＰを大きくするほど、現像剤搬送量Ｗを増加することができる。従って、本実施形態のように、予備攪拌部３０の攪拌スクリュー３２を大径にすることによって、現像剤搬送量Ｗを増加することができ、この結果、トナー濃度差ΔＣｔを小さくすることができる。一例として、図９によれば、現像剤搬送量Ｗ＝３７ｇ／ｓを確保するためには、攪拌スクリュー３２の外径Ｄ＝４００ｍｍとし、ピッチＰ＝３ｍｍとすることにより実現可能である。
【００５６】
一方で、上述したように、現像ユニット１８内に存在する現像剤量ｍは、現像ユニット１８の小型化のために低量化の傾向にあり、従来は３５０ｇ程度であったが、本実施形態では、２００ｇ程度を想定している。また、現像ユニット１８内に存在する現像剤量と、現像剤搬送量Ｗとから、２つのスクリューで現像ユニット内を周回させる構成において、現像剤が現像ユニット内を１周する際に要する時間を求めることができ、２軸系の混合撹拌に必要な時間が求められる。図１０は、条件１（Ｗ＝２８ｇ／ｓ）、条件２（Ｗ＝４７ｇ／ｓ）、条件３（Ｗ＝３７ｇ／ｓ）のそれぞれについて、現像剤量ｍと、現像剤が現像ユニット内を１周する時間Ｔ１、混合攪拌の時間Ｔ２を示す模式図である。図１０に示すように、本実施形態においては、条件２及び条件３における現像ユニット１８内の現像剤量ｍを２００ｇとする。一方、従来の条件１における現像剤量ｍは３５０ｇである。現像剤が現像ユニット内を一周する時間Ｔ１は、現像剤量ｍ（ｇ）を現像剤搬送量Ｗ（ｇ／ｓ）で除算することによって算出できる。また、混合攪拌の時間Ｔ２は、２軸のスクリューを有する構成において、往路のみで攪拌を行う場合の時間であり、現像剤が現像ユニット内を１周する時間Ｔ１の１／２の値である。
【００５７】
図１０に示すように、本実施形態（条件２、条件３）では、混合攪拌の時間Ｔ２が、従来（条件１）の混合撹拌の１／２〜１／３程度になることが判る。従って、大径のスクリューを使用した予備攪拌部３０を設けた場合に、現像ユニット１８自体の大きさを従来と同様のままにして、トナー濃度差ΔＣｔを最小に抑えるともに、混合撹拌の時間も短くする必要がある。
【００５８】
ここで、図１１は、図３で説明した混合攪拌の時間Ｔをより詳細に説明するための模式図である。図１１は、攪拌スクリュー１００によって２成分現像剤Ｃを矢印Ａ４方向に搬送しながら攪拌する場合に、図１１に示すトナー供給位置で供給されたトナー１１０が２成分現像剤Ｃと混ざる様子を模式的に示している。
【００５９】
図１１に示すように、トナー供給位置新たにトナー１０１を供給すると、トナー１０１の比重は２成分現像剤Ｃよりも小さいため、投入された直後は、トナー１０１は２成分現像剤Ｃと混ざることなく、トナー１０１は２成分現像剤Ｃの上に積層した状態となる。その後、トナー１０１及び２成分現像剤Ｃが矢印Ａ４方向に搬送されていくと、時間の経過とともに、トナー１０１が２成分現像剤Ｃと混合されていき、トナー１１０が２成分現像剤Ｃのキャリアに付着していく。これにより、トナー１０１が図１１の左に進むほど、２成分現像剤Ｃの上のトナー１１０の厚さが薄くなり、地点Ｂに達するとトナー１０１が完全に２成分現像剤Ｃと混合された状態となる。
【００６０】
本実施形態では、図１１において、トナー供給位置で新たにトナー１０１を供給した後、供給したトナーが地点Ｂに到達して完全にキャリアと混合されるまでの時間を混合攪拌に必要な時間Ｔと定義する。図１０で説明したように、本実施形態の条件２、条件３のように現像ユニット１８内の現像剤量を２００ｇまで少なくすると、時間Ｔ２がより小さくなるため、混合攪拌の時間Ｔの値も十分に小さくする必要があり、条件２の場合は２．１秒、条件３の場合は２．７秒程度まで小さくする必要がある。従って、高速プロセスである条件２、条件３を達成するためには、より短時間でトナーをキャリアに混合する必要があり、混合攪拌に必要な時間Ｔを可能な限り小さくする必要がある。
【００６１】
従って、図９の結果から、攪拌スクリュー３２を大径にし、かつピッチＰを大きくして所望の現像剤搬送量Ｗを確保するとともに、混合攪拌に必要な時間Ｔを最小限に抑える必要がある。この点に関し、本発明者は、混合撹拌に必要な時間Ｔは、図４で説明したｒの値と、スクリューの回転数Ｒ、スクリューのピッチＰとの間で下式（４）のような関係があることを見出した。
Ｔ＞α・Ｐ／（ｒ・Ｒ） ・・・（４）
【００６２】
換言すれば、混合撹拌に必要な時間Ｔは、ｒが大きいほど小さくなる。また、時間Ｔの値はＲが大きいほど小さくなる。更に、Ｔの値はピッチＰが小さいほど小さくなる。ここで、図１５〜図１７に基づいて、式（４）が成立する根拠について説明する。先ず、実際の装置を用いて、回転数Ｒ＝５００ｒｐｍ、Ｐ＝１５ｍｍとして、ｒとＴの関係を実験によって求めたところ、図１５に示す結果が得られた。図１５の結果から、ｒが大きくなると時間Ｔは小さくなることが判明した。また、同様にして、ｒ＝３ｍｍ、Ｐ＝１５ｍｍとして、ＲとＴの関係を実験によって求めたところ、図１６に示す結果が得られた。図１６の結果から、Ｒを大きくすると、Ｔの値が小さくなることが判明した。また、回転数Ｒ＝５００ｒｐｍ、ｒ＝３ｍｍとして、ＰとＴの関係を実験によって求めたところ、図１７に示す結果が得られた。図１７の結果から、Ｐを大きくするとＴの値が大きくなることが判明した。従って、αを係数として、式（４）の関係が成立することが判明した。
【００６３】
図９によれば、予備攪拌部３０において、外径Ｄが４０ｍｍ程度の大径の撹拌スクリュー３２を用いる場合、攪拌スクリュー３２のピッチＰは３ｍｍ程度（Ｗ＝３７ｇ／ｓの場合）となる。図１２は、混合攪拌に必要な時間Ｔと、図４に示すｒの値との関係を示す特性図であって、撹拌スクリュー３２の外径Ｄを４０ｍｍとし、スクリューのピッチＰが１４ｍｍである場合の理論値と実験値（実測値）、及び、ピッチＰを３ｍｍとした場合の理論値と実験値を示す特性図である。ここで、理論値は、（４）式を表したものであり、（４）式の不等号を等号にした場合のｒとＴの関係を示す特性曲線である。また、実験値は、外径Ｄが４０ｍｍの攪拌スクリュー３２を実際に用いて、ｒの値を変えながら時間Ｔを測定して得られた値である。なお、時間Ｔは、搬送経路の任意の位置にトナーの電荷の分布を測定するセンサー（帯電量分布測定器）を配置し、トナー供給位置から最も近い地点であって、正電位のトナーが存在しない地点（図１１中の地点Ｂ）にトナーが到達するまでの時間を測定することによって得ることができる。このように、ｒとＴの関係を求めると、図１２の理論値と実験値が得られ、この結果から式（４）の定数αを求めると、α＝２０であることが判明した。
【００６４】
図１２の結果から、ピッチＰを３ｍｍとした場合、図１０で説明した２秒程度まで混合攪拌に必要な時間Ｔを小さくするためには、ｒの値を３ｍｍ以上確保すれば良いことが判る。
【００６５】
このように、予備攪拌部３０において、ｒとＴの関係が（４）式を満たすことにより、混合攪拌の条件が満たされ、予備攪拌部３０から図３の矢印Ａ３方向に搬送され、第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａに到達したトナーが全て負に帯電していることになる。従って、（４）式を変形することにより、大径の予備攪拌部３０を設けた場合に、必要とされるｒとＴの関係は以下の（５）式で表すことができる。
ｒ＞α・Ｐ／（Ｒ・Ｔ） ・・・（５）
【００６６】
一例として、予備撹拌部３０の外径Ｄの大きさを４０ｍｍ、内径を６ｍｍ、回転数Ｒを５００ｒｐｍ（８．３ｒｐｓ）とすると、図９の結果からピッチＰは３ｍｍ程度（条件３；Ｗ＝３７ｇ／ｓの場合）となる。このとき、ｒの値を７ｍｍにすれば、（４）式、（５）式より混合攪拌に必要な時間Ｔは１秒程度となる。
【００６７】
従って、大径の攪拌スクリュー３２を設けた際に、（５）式を満たすように予備攪拌部３０及び攪拌スクリュー３２を構成し、必要なｒの値を確保することで、混合攪拌に必要な時間Ｔを所望の時間に設定することが可能である。
【００６８】
次に、本実施形態による予備攪拌部３０の具体的な適用例について説明する。図１３は、感光体ドラム１４をφ３０、現像ローラー１６をφ２０、第１の搬送スクリュー２０をφ１８とし、現像ユニット１８におけるトナーとキャリアの撹拌機能を予備撹拌部３０のみで実施する構成を示している。攪拌スクリュー３２の外径は４００ｍｍとする。（５）式を満たすことにより、予備攪拌部３０でトナーとキャリアが完全に混合されて、第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａの位置に供給される。これにより、第１の搬送スクリュー２０、第２の搬送スクリュー２２には、混合が完了した２成分現像剤Ｃを搬送する機能のみ持たせることができる。従って、第１の搬送スクリュー２０及び第２の搬送スクリュー２２には、攪拌機能が必要なく、搬送機能のみを持たせれば良いため、第１の搬送スクリュー２０及び第２の搬送スクリュー２２の外径を大幅に縮小することができ、図１３に示すプロセス（処理）ユニットを大幅に小型化することが可能となる。図１３の例による配置では、作図上から、横幅を６０ｍｍ〜７０ｍｍ程度、高さを４０ｍｍ〜５０ｍｍ程度まで縮小することができる。従って、図１３に示す構成のプロセスユニット断面積を大幅に縮小することができ、（図１３の例では、３５００ｍｍ２以下）、複数の色を印刷可能なカラープリンタ等の場合、隣接する他色のプロセスユニットとの間のプロセス間ピッチも小さくすることができる。図１３の例では、左右の幅が最大７０ｍｍであるため、プロセス間ピッチを７０ｍｍ以下に抑えることが可能となる。
【００６９】
また、図１３において、感光体ドラム１４の外径が３０ ［ｍｍ］以下とした場合に、予備撹拌部３０の断面積をＳ１［ｍｍ２］、感光体ドラム１４の断面積をＳ２［ｍｍ２］、現像ローラー１６の断面積をＳ３［ｍｍ２］、第１の搬送スクリュー２０の断面積をＳ４［ｍｍ２］とすると、以下の式（６）が成立する。
Ｓ１＜Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４ ・・・（６）
【００７０】
また、図１３は、予備攪拌部３０の攪拌スクリュー３２の回転方向による現像剤の流れを考慮して、予備攪拌部３０から第１の攪拌スクリュー２０への現像剤の受け渡し位置を設定した例を示す模式図である。図１３に示すように、予備攪拌部３０の攪拌スクリュー３２が矢印Ａ１０方向に回動する場合、図１３中にドットを付して示す２成分現像剤Ｃは、攪拌スクリュー３２の回動に伴って予備攪拌部３０内での表面が傾斜する。このため、予備攪拌部３０と第１の搬送スクリュー２０が設けられた搬送室とが連通する搬送通路を図１３中に一点鎖線Ｂで示す領域内に設けることで、搬送通路内に現像剤が完全に充填されてしまうことを回避でき、搬送通路内に空隙を確保することができるため、第１の攪拌スクリュー２０への２成分現像剤Ｃの移動を効率良く行うことができる。
【００７１】
図１４は、大径の予備撹拌部３０を用いて、プロセスピッチ間を最小にした例を示す模式図である。図１４に示すように、第１の搬送スクリュー２０を第２の搬送スクリュー２２よりも下に配置することで、図１３の構成よりもプロセス間ピッチを小さくすることができる。この場合、プロセス間ピッチを５０ｍｍ〜６０ｍｍ程度まで小さくすることが可能である。
【００７２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００７３】
１４ 感光体ドラム
１６ 現像ローラー
１８ 現像ユニット
３０ 予備攪拌部
３２ 攪拌スクリュー
２０ 第１の搬送スクリュー
２２ 第２の搬送スクリュー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザープリンター、レーザーファックスあるいはデジタル複写機などの電子写真方式による画像形成装置では、感光体ドラム上をほぼ一様に帯電させ、当該感光体ドラムを露光して画像信号に応じた静電潜像を形成後、現像器により帯電されたトナーを感光体ドラム上に供給して顕像化し、その現像剤像を転写紙などの印字媒体に転写した後、定着器により定着して画像を形成している。
【０００３】
画像形成装置において、感光体ドラム上にトナーを供給する方法として、マグネットローラを用いる方法が知られている。例えば、特許文献１，２には、トナーとキャリアとからなる２成分現像剤を用いる装置が記載されている。また、特許文献１には、トナーを予備的に現像剤に混合して補給する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１４２９１６号公報
【特許文献２】特開２００６−３２３２３８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】佐藤、木村、日本画像学会誌、２００２年発行、第４１巻、第１号、ｐ．３４〜ｐ．３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近時においては、画像形成装置の処理能力が増大し、単位時間当たりの印刷可能な枚数が非常に多くなっている。このため、２成分現像剤を用いる装置においては、消費されたトナーを継続的に補充するとともに、補充したトナーとキャリアを短時間で混合する必要がある。
【０００７】
しかしながら、上記従来の装置では、このような高速での印刷を想定していないため、高速印刷によって消費されたトナーを補充して供給する際に、トナーとキャリアの混合が不十分になる問題がある。
【０００８】
特に、近時では、Ａ４サイズの用紙を印刷する比較的小型の装置に対する需要が多くなっている。このような小型の装置では、トナーの搬送路の長さも短くなるため、トナーとキャリアが攪拌される距離が短くなり、トナーとキャリアの混合が不十分になってしまう。
【０００９】
そして、トナーとキャリアの混合が不十分になると、トナーがキャリアと摩擦帯電して適正な極性の帯電量に制御されなくなる。そのため、逆極性や帯電量の低いトナーにより画質が、低下するという問題があった。
【００１０】
また、近時においては、画像形成装置の小型化により現像剤の量を少なくする方向に動いている。特に高画質、１ページ当たりの低コスト化から、トナーの高顔料添加化とキャリアの小粒径化により少ない現像剤量でも画像濃度維持が可能になった。しかし、２成分現像剤を用いるシステムでは、消費されたトナーを正確に計量してキャリア中に投入し、攪拌帯電、分散させる必要がある。このためには、攪拌時間が必要である。攪拌時間が短いと、トナーは十分に帯電されず、また、キャリア表面に担持されない状態で現像領域に搬送される。
【００１１】
また、現像剤は、フェライトやマグネタイトなどの表面に樹脂をコート（Coat）した粉体を用いこれに樹脂が主成分のトナーを混合している。そのため、現像剤の流れの中にトナーを混合させた場合、比重差があるため、トナーが現像剤中に巻き込まれないため、帯電、分散が不十分のまま現像領域に搬送される問題がある。トナーは本来、適正な極性の帯電量に制御される必要があるが、帯電/分散が不十分の場合、逆極性や帯電量が、低くなる。このため、感光体ドラム上の本来トナーが付着すべきでない領域にトナーが付着してしまい、画像の劣化（画像B/G増加）、画像汚染が生じてしまう。また、帯電が不十分であると、機内汚染が発生する問題も生じる。特にＡ４サイズの高速現像器の場合、攪拌時間がＡ３機に比較して２５％程度少なくなるため、従来の現像器では、高速化に限界が生じていた。
【００１２】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、高速印刷を行う場合に、最小限のスペースでトナーとキャリアを確実に混合することが可能な、新規かつ改良された画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、静電潜像に応じて供給されたトナーを転写して媒体上に画像形成を行う感光体ドラムと、前記静電潜像担持体にトナーを供給する現像ローラーと、前記現像ローラーにトナーとキャリアが混合された２成分現像剤を供給する現像ユニットと、を備え、前記現像ユニットは、前記現像ローラーの軸方向に沿って２成分現像剤を搬送する搬送部と、前記搬送部の端部に設けられ、新規に投入されたトナーとキャリアを混合する大径の攪拌スクリューを含む予備攪拌部を有し、前記感光体ドラムが前記媒体上に画像形成を行うプロセススピードが３００［ｍｍ／ｓ］以上であり、前記感光体ドラムが画像形成を行う前記媒体の幅がレター（Ｌｅｔｔｅｒ）サイズ幅２１６［ｍｍ］以下であり、前記予備攪拌部は、２成分現像剤表面から上方向の前記攪拌スクリューの突出量を［ｒｍｍ］、前記攪拌スクリューのピッチをＰ［ｍｍ］、攪拌スクリューの回転数をＲ［ｒｐｓ］、混合撹拌に必要な時間Ｔ［ｓ］をとしたときに、下記の式（１）を満たす画像形成装置が提供される。
【００１４】
上記構成によれば、上記の式（１）を満たすことにより、プロセススピードが３００［ｍｍ／ｓ］以上の場合であっても、予備攪拌部においてトナーとキャリアの混合を完了して、トナーを所定の極性の帯電量にすることができる。そして、攪拌スクリューを大径に構成した場合に、予備攪拌部における混合攪拌に必要な時間Ｔを最小限に抑えることが可能となり、予備攪拌部の搬送方向の長さを最小限に抑えることが可能となる。従って、プロセススピードが高速の画像形成装置において、最小限のスペース内でトナーとキャリアを短時間で混合することができる。
【００１５】
また、前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記予備撹拌部の断面積をＳ１［ｍｍ２］、前記感光体ドラムの断面積をＳ２［ｍｍ２］、前記現像ローラーの断 面積をＳ３［ｍｍ２］、前記搬送部に設けられた搬送スクリューの断面積をＳ４［ｍｍ２］とすると、以下の式（２）を満たす。
Ｓ１＜Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４ ・・・（２）
かかる構成によれば、予備攪拌部の面積Ｓ１を最小限に抑えることができるため、予備攪拌部の占有スペースを最小限に抑えることが可能となる。
【００１６】
また、前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記感光体ドラム、前記現像ローラー、及び前記現像ユニットを含むプロセスユニットの前記感光体ドラムの軸と直交する断面における断面積が３５００［ｍｍ２］以下である。かかる構成によれば、プロセスユニットの断面積を最小限に抑えることができるため、画像形成装置の更なる小型化を達成することができる。
【００１７】
また、前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記感光体ドラム、前記現像ローラー、及び前記現像ユニットを含むプロセスユニットの前記感光体ドラムの軸と直交する断面における水平方向の幅が７０［ｍｍ］以下である。かかる構成によれば、プロセスユニットの幅を最小限に抑えることができるため、画像形成装置の更なる小型化を達成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高速印刷を行う場合に、最小限のスペースでトナーとキャリアを確実に混合することが可能な画像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一般的な画像形成装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る画像形成装置の構成を示す模式図である。
【図３】現像ユニットを図２の上部から見た状態を示す模式図である。
【図４】予備攪拌部の構成を示す模式図である。
【図５】本実施形態が想定する各条件を示す模式図である。
【図６】式（１）における、マグローラー（Ｍａｇ Ｒｏｌｌｅｒ）上のトナー濃度差ΔＣｔと、現像剤搬送量Ｗとの関係を示す特性図である。
【図７】図６の条件１、条件２、条件３のそれぞれについて、トナー濃度差ΔＣｔを１％以下にするための現像剤搬送量Ｗを示す模式図である。
【図８】面積ＳとスクリューのピッチＰとの関係を、条件１、条件２、条件３のそれぞれについて示す特性図である。
【図９】スクリューの外径Ｄと、ピッチＰとの関係を、条件１、条件２、条件３のそれぞれについて示す特性図である。
【図１０】条件１、条件２、条件３のそれぞれについて、現像剤量ｍと、現像剤が現像ユニット内を１周する時間Ｔ１、混合攪拌の時間Ｔ２を示す模式図である。
【図１１】混合攪拌の時間Ｔを説明するための模式図である。
【図１２】混合攪拌に必要な時間Ｔと、図４に示すｒの値との関係を示す特性図である。
【図１３】感光体ドラムをφ３０、現像ローラーをφ２０、第１の搬送スクリューをφ１８とした構成を示す模式図である。
【図１４】大径の予備撹拌部を用いて、プロセスピッチ間を最小にした例を示す模式図である。
【図１５】回転数Ｒ＝５００ｒｐｍ、Ｐ＝１５ｍｍとして、ｒとＴの関係を実験によって求めた結果を示す特性図である。
【図１６】ｒ＝３ｍｍ、Ｐ＝１５ｍｍとして、ＲとＴの関係を実験によって求めた結果を示す特性図である。
【図１７】回転数Ｒ＝５００ｒｐｍ、ｒ＝３ｍｍとして、ＰとＴの関係を実験によって求めた結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成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。
【００２１】
［画像形成装置の構成例］
図１は、一般的な画像形成装置の概略構成を示す模式図である。画像形成装置は、トナー及びキャリアを含む２成分現像剤を用いるものであり、現像剤を担持して感光体ドラム１０２にトナーを供給する現像ローラー１０４と、現像剤を攪拌して摩擦によりトナー粒子を帯電させる第１及び第２の攪拌スクリュー１０６，１０８と、これらを収容保持する現像ケース１１０とを有している。
【００２２】
２成分現像剤を用いる現像装置では、現像剤としてトナーとキャリアを混合したものを用いている。現像領域では、トナーのみが消費されキャリアは、再利用される。消費されたトナーを補給するため、あらかじめ印刷したトナー量をビットカウント（Bit Count）などで計測して予測し、また、トナー濃度センサーで検出された不足分を補給する。近年の画像形成装置は、デジタル化が進み、レーザースキャナー（Laser Scanner）やＬＥＤヘッドなどのデジタル露光装置により画像を形成する。そのため、描画量をデジタル的に把握して計算できるためトナーの時間的な消費量を予想して補給することができる。一方、実際のトナー消費量は、使用状況の環境や電子写真部材の使用状況で変化する。また、トナー補給装置も機構部品のため機械的な寸法のばらつき等により補給量が変化する。そのためトナー濃度センサーなどで確認して補給することが望ましい。
【００２３】
トナー補給装置は、トナーを定量的に補給するためスポンジや溝を切ったシャフトの補給ローラーを狭い隙間を通過させるなどの構成をしている。補給トナーは、２次粒子以上の凝集した状態で現像器内の現像剤の中に投入される。投入されたトナー粒子群は、現像剤のキャリア表面と接触し、帯電してキャリアの表面に付着する。この過程でトナーが適正に帯電され、キャリア表面に担持されていく。投入されたトナー粒子群は、この状態になって初めて現像可能な状態となる。混合攪拌装置は、例えば図１のようなスクリューによる循環方式でトナーを現像剤中に投入し、搬送しながら混合攪拌、分散、帯電付与して現像ローラー１０４などの現像領域に搬送される。
【００２４】
図１において、現像ケース１１０は、第１及び第２の攪拌スクリュー１０６，１０８がそれぞれ配設される第１及び第２の攪拌室１１２，１１４を備え、第１の攪拌室１１２は、現像ローラ１０４に近接配置されて現像剤を現像ローラー１０４に接触させるようにしている。
【００２５】
現像ケース１１０では、第１及び第２の攪拌室１１２，１１４の間で現像剤が循環搬送されるように、両攪拌室１１２，１１４を仕切る仕切壁１１６の両端部に、その仕切壁１１６を貫通するように、第１の攪拌室１１２から第２の攪拌室１１４へ現像剤を受け渡す通路と、第２の攪拌室１１４から第１の攪拌室１１２へ現像剤を受け渡す通路とが設けられている。
【００２６】
ところで、プリンターなどの画像形成装置においては、更なる高速化が進み、最近ではプロセススピードが３００ｍｍ／ｓを超える高速化された装置が出現している。また、高速化とともに、Ａ３サイズの装置からＡ４サイズ（またはレター（Ｌｅｔｔｅｒ）サイズ）の装置への移行、パドルを含む３軸構成から２軸螺旋撹拌スクリューへの移行、現像ユニット内で使用する現像剤の低量化（４００ｇから半減の２００ｇへ）などの要請により、装置の小型化も進行している。
【００２７】
このような要請により、より限られた空間内でより高速にトナーを攪拌する必要が生じており、図１に示すような２軸タイプの現像ユニットの構成では、もはや限界となっている。このため、本実施形態では、トナーの混合撹拌を円滑に進めるために、予備撹拌を行う。予備撹拌を用いると、２軸の螺旋撹拌スクリュー外径は、レイアウト構成に対する影響が小さくなるために、現像ローラー１０４の外径よりも大幅に小さくすることも可能となる。
【００２８】
図２は、本発明の一実施形態に係る画像形成装置１０の構成を示す模式図であってローラーの軸方向から見た状態を示している。本実施形態による画像形成装置１０は、画像信号に応じて変調されたレーザービーム１２を感光体ドラム１４へ走査露光して、乾式電子写真方式により紙やプラスチックシートなどの印字媒体１５へ印字等を行うものである。画像形成装置１０は、レーザープリンター、レーザーファクス、デジタル複写機などとして、あるいはその一部として用いることができる。画像形成装置１０は、トナーとキャリアとからなる２成分現像剤を用いて印字等を行うものである。
【００２９】
画像形成装置１０は、レーザービーム１２を射出するレーザー露光ユニット（図示省略）を備えている。レーザー露光ユニットは、微小スポットに結像されたレーザービーム１２を、感光体ドラム１４上の露光位置ａにおいて、感光体ドラム１４の回転軸に平行な直線上を一定方向に走査するものである。感光体ドラム１４の表面にレーザービーム１２が走査されると、感光体ドラム１４の露光部分が非露光部分に対して相対的に正電位となる。
【００３０】
感光体ドラム１４上の露光位置ａの下流側には、現像ローラー１６が配置されている。また、現像ローラー１６と隣接して、現像ユニット１８が配置されている。現像ユニット１８内には、トナーとキャリアとからなる２成分現像剤Ｃが貯留されている。現像ユニット１８内の２成分現像剤Ｃは、現像ユニット１８内の第１の搬送スクリュー２０によって軸方向に移動し、現像ローラー１６の磁力によって現像ローラー１６の表面に付着する。現像ローラー１６上に供給された２成分現像剤Ｃのうち、負電位に帯電したトナーは、電位差によって現像ローラー１６から感光体ドラム１４の表面に供給される。一方、キャリアは、現像ローラー１６の表面から現像ユニット１８内に回収される。
【００３１】
現像ユニット１８内には、所定の色を有する粉体のトナーと、金属粉体のキャリアとからなる２成分現像剤Ｃが貯留されている。一例として、トナーは、直径７〜８μｍ程度のポリエステル粒子に、顔料、ＣＣＡ、ＰＭＭＡなどが含まれたものである。また、一例として、キャリアは、直径３５〜６０ｎｍ程度のフェライト粒子にシリコンコーティングが施されたものである。
【００３２】
また、現像ユニット１８には、透磁率センサ（不図示）が設けられており、２成分現像剤Ｃの総重量に対するトナーの重量％が所定値となるように、現像ユニット１８へのトナーの供給量が調整される。
【００３３】
図３は、現像ユニット１８を図２の上部から見た状態を示す模式図である。現像ユニット１８内には、２成分現像剤Ｃを軸方向（矢印Ａ１方向）に搬送する第１の搬送スクリュー２０が設けられている。また、現像ユニット１８内には、第１の搬送スクリュー２０と平行に第２の搬送スクリュー２２が配置されており、第１の搬送スクリュー２０と第２の搬送スクリュー２２との間には、仕切壁２４が設けられている。第１の搬送スクリュー２０によって搬送された２成分現像剤Ｃは、現像ローラー１６に供給されながら、矢印Ａ１方向に進み、仕切壁２４の端部に設けられた通路から第２の搬送スクリュー２２側の搬送室に入り、第２の搬送スクリュー２２によって矢印Ａ２方向に搬送される。
【００３４】
現像ユニット１８内で２成分現像剤Ｃが攪拌されると、トナーは負に帯電し、キャリアは正に帯電する。このとき、トナーの帯電量は、例えば−２５〜−１５［μＣ／ｇ］程度である。これにより、負に帯電したトナーは、正に帯電したキャリアの表面に付着する。この際、現像ユニット１８内に貯留されているトナーの重量％を６〜１０％程度とすると、キャリアの表面積の６０〜８０％程度にトナーが付着した状態となる。
【００３５】
トナーが付着したキャリアは、第１の搬送スクリュー２０によって矢印Ａ１方向に搬送されながら、現像ローラー１６の表面に送られる。そして、現像ローラー１６の磁力によって、トナーが付着したキャリアは、現像ローラー１６の表面に付着する。
【００３６】
［予備攪拌部の構成］ 次に、現像ユニット１８の予備攪拌部３０について説明する。図３に示すように、現像ユニット１８の端部には、予備攪拌部３０が設けられている。予備攪拌部３０には、攪拌スクリュー３２が設けられている。図２に示すように、予備攪拌部３０は、感光体ドラム１４、現像ローラー１６、第１の搬送スクリュー２０、及び第２の搬送スクリュー２２よりも大きな直径を有して構成されている。予備攪拌部３０は、第１の搬送スクリュー２０、及び第２の搬送スクリュー２２が配置された攪拌部と、搬送通路を介して接続されている。予備攪拌部３０で混合された２成分現像剤は、搬送通路から第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａの位置に供給され、第１の搬送スクリュー２０によって搬送される。
【００３７】
上述したように、トナーが付着したキャリアは、第１の搬送スクリュー２０によって矢印Ａ１方向に搬送されながら、現像ローラー１６の表面に送られた後、第２の搬送スクリュー２２によって図３中の矢印Ａ２方向に搬送される。このため、第２の搬送スクリュー２２によって搬送された２成分現像剤Ｃにおいては、総重量に対するトナーの重量％が低下している。このため、トナーの重量％が低下した２成分現像剤Ｃは、第２の搬送スクリュー２２によって予備攪拌部３０に送られて、予備攪拌部３０にて新たにトナーが投入される。
【００３８】
図３に示すように、新たにトナーが供給される位置は、予備攪拌部３０の端部である。第２の搬送スクリュー２２によって予備攪拌部３０に供給された２成分現像剤Ｃは、攪拌スクリュー３２の回転によって、新たに投入されたトナーと混合されながら、予備攪拌部３０内を矢印Ａ３方向に送られる。そして、本実施形態においては、予備攪拌部３０内で新たに投入されたトナーは、予備攪拌部３０内でキャリアに付着してマイナスの電位に帯電されて、第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａの位置に送られる。第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａの位置に送られた２成分現像剤Ｃは、第１の搬送スクリュー２０によって矢印Ａ１方向に送られて、現像ローラー１６へ供給される。
【００３９】
このように、本実施形態では、予備攪拌部３０を大径に構成することで、新たに投入したトナーを予備攪拌部３０内で完全にキャリアと混合することができ、所定の電位に帯電した状態とすることができる。
【００４０】
従って、本実施形態では、図２のトナー供給位置でトナーが供給されてから、トナーが第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａの位置に到達するまでの時間Ｔ（以下、混合攪拌に必要な時間という）の間に、トナーとキャリアの混合を完了することができ、トナーを負電位にすることができる。
【００４１】
これにより、２成分現像剤Ｃが第１の搬送スクリュー２０によって搬送される際には、トナーは既にマイナスの電位に帯電しているため、現像ローラー１６に対してプラスの電位に帯電したトナーが供給されることを確実に抑止できる。
【００４２】
本実施形態では、主攪拌部の側部に大径の予備攪拌部３０を設けている。このような構成により、図１に示したような、断面積の小さい第１及び第２の攪拌スクリュー１０６，１０８で混合を行う場合と比較すると、新たに投入されたトナーとキャリアとを確実に混合することができる。そして、予備攪拌部３０における攪拌のみで、トナーの電位を確実に負電位にすることができる。
【００４３】
そして、予備攪拌部３０におけるこのような攪拌を実現するため、本実施形態では、予備攪拌部３０内での２成分現像剤Ｃの量（新たに投入されたトナーを含む）と、攪拌スクリュー３２のピッチ、攪拌スクリューの回転数Ｒ、混合攪拌に必要な時間Ｔとの間に所定の関係を成立させている。
【００４４】
以下、これらの関係について詳細に説明する。図４は、予備攪拌部３０の構成を示す模式図であって、攪拌スクリュー３２の軸方向から予備攪拌部３０を見た状態を模式的に示している。図４に示すように、予備攪拌部３０には、攪拌スクリュー３２が設けられている。図４に示すように、本実施形態では、予備攪拌部３０において、２成分現像剤Ｃ（新たに投入されたトナーを含む）によって攪拌スクリュー３２が完全に埋まらないように、攪拌スクリュー３２の外径の最上部から予備攪拌部３０内の２成分現像剤Ｃの表面までの間に距離ｒを確保するようにしている。
【００４５】
非特許文献１には、図１に示したような２軸の螺旋撹拌スクリュー（Ａｕｇｅｒ）を用いた２成分磁気ブラシスクリュー現像における画像濃度均一性の研究に於いて、マグローラー（Ｍａｇ Ｒｏｌｌｅｒ；本実施形態の現像ローラー１８に相当）上の両端における現像剤のトナー濃度差ΔＣｔと、現像剤の搬送量Ｗの関係（以下の（１）式）が示されている。ここで、現像剤搬送量Ｗは、現像ユニットが単位時間に搬送する現像剤の量（ｇ／ｓ）である。また、（２）式は、現像剤搬送量Ｗと、搬送（現像剤）断面積Ｓ、スクリューのピッチＰ、スクリューの回転数Ｒとの関係を示す式である。また、（３）式は、図４に示す状態において、現像剤の断面積Ｓ（図４中にドットを付した領域の面積）を算出する式である。
【００４６】
ΔＣｔ＝ （Ｍ／Ａ）*Ｖ*Ｌ／Ｗ ・・・（１）
Ｗ＝η*ρ*Ｓ*Ｐ*Ｒ ・・・（２）
Ｓ＝π*（Ｄ／２＋Ｇ）２／２ ＋（Ｄ＋２*Ｇ）*ｄ−π*（ｄ／２）２ ・・・（３）
【００４７】
また、上式において、
Ｐ：スクリューのピッチ（Ｐｉｔｃｈ）
Ｒ：スクリューの回転数
Ｄ：スクリュー外径
ｄ：スクリュー軸径
Ｇ：スクリューとケーシング（Ｃａｓｉｎｇ）の間隙（図４参照）
ΔＣt：トナー濃度差
Ｍ／Ａ：感光体（感光体ドラム１４）上のトナー付着量
Ｖ：感光体（感光体ドラム１４）の周速
Ｌ：現像幅（現像ローラー１６、感光体ドラム１４の有効長）
Ｗ：現像剤搬送量
η：搬送効率
ρ：現像剤嵩密度
Ｓ：搬送（現像剤）断面積
である。
【００４８】
（１）式から、現像剤搬送量Ｗが多くなるほど、トナー濃度差ΔＣｔを低下できることが判る。図５は、本実施形態が想定する各条件を示す模式図である。図５において、条件１は、３００ｍｍ／ｓ程度の高速化は想定していない従来までの条件を示しており、プロセススピード（感光体周速Ｖ）は１６１ｍｍ／ｓ程度である。一方、条件２、条件３は、本実施形態に係る画像形成装置１０が想定している条件であり、３００ｍｍ／ｓ以上のプロセススピードを想定している。また、条件１は、Ａ３サイズの印字媒体１５を想定したもので、現像幅は２９４ｍｍと比較的大きな値となっている。一方、条件２、条件３は、Ａ４サイズ（またはレター（Ｌｅｔｔｅｒ）サイズ）の印字媒体１５を想定したもので、現像幅は２２０ｍｍと小さい。
【００４９】
プロセススピードの高速化に応じて、新たに投入されたトナーとキャリアとをより高速に混合する必要が生じる。また、図１から判るように、現像幅が少なくなると、第１及び代２の攪拌スクリュー１０６，１０８によって攪拌される距離が減るため、トナーとキャリアを混合する観点からは不利となる。図５に示すように、条件１〜３のいずれにおいても、トナー濃度差ΔＣｔは１％以下を想定している。マグローラー両端における現像剤のトナー濃度差ΔＣｔが１％を超えると、用紙の両端での濃度差が目立つためである。本実施形態では、これらの要因を大径の予備攪拌部３０を設けることによって解決する。
【００５０】
（１）式より、トナー濃度差ΔＣｔと現像ユニット１８の現像剤搬送量Ｗとの関係が求まる。図６は、式（１）における、マグローラー（Ｍａｇ Ｒｏｌｌｅｒ）上のトナー濃度差ΔＣｔと、現像剤搬送量Ｗとの関係を示す特性図である。ΔＣｔは、１．０％を超えると印字媒体１５上での濃度差が認識されてしまうため、１．０％以下を目標値とする。図６は、図５の条件１、条件２、条件３のそれぞれについて、トナー濃度差ΔＣｔと現像剤搬送量Ｗとの関係を示している。図６に示すように、現像剤搬送量Ｗが多くなるほど、トナーとキャリアを効率良く混合できるため、トナー濃度差ΔＣｔは小さくなる。
【００５１】
図７は、図６の条件１、条件２、条件３のそれぞれについて、トナー濃度差ΔＣｔを１％以下にするための現像剤搬送量Ｗを示す模式図である。図６によれば、トナー濃度差ΔＣｔを１％以下にするためには、図７に示すように、条件１の場合は現像剤搬送量Ｗを２８ｇ／ｓ以下、条件２の場合は現像剤搬送量Ｗを４７ｇ／ｓ以下、条件３の場合は現像剤搬送量Ｗを３７ｇ／ｓ以下とする必要がある。
【００５２】
一方、現像剤を搬送するスクリューの回転数は、軸受部の温度上昇、現像剤に対するストレスなどの要因を考慮すると、５００ｒｐｍ近傍とするのが好ましく、ここでは、スクリューの回転数を５００ｒｐｍとする。Ｗの値が条件１〜３のぞれぞれで求まり、Ｒ＝５００ｒｐｍであることから、式（２）より、必要とされる搬送（現像剤）断面積ＳとピッチＰの関係を求めることができる。
【００５３】
図８は、面積ＳとスクリューのピッチＰとの関係を、条件１（Ｗ＝２８ｇ／ｓ）、条件２（Ｗ＝４７ｇ／ｓ）、条件３（Ｗ＝３７ｇ／ｓ）のそれぞれについて示す特性図である。スクリューの回転数は５００ｒｐｍとしている。このように、スクリューの面積Ｓを大きくするほど、また、ピッチＰを大きくするほど、現像剤搬送量Ｗを増加することができる。
【００５４】
ところで、スクリューの内径は、強度上の観点から、下限値を６ｍｍとする必要がある。このため、スクリューの内径は最小の６ｍｍとする。また、スクリューとハウジングの隙間Ｇは、公差内で両者が接触しない隙間にする必要があり、Ｇ＝１とする。このため、図８に示す結果に対して、式（３）を導入することにより、スクリューの外径ＤとピッチＰとの関係を求めることができる。図９は、スクリューの外径Ｄと、ピッチＰとの関係を、条件１（Ｗ＝２８ｇ／ｓ）、条件２（Ｗ＝４７ｇ／ｓ）、条件３（Ｗ＝３７ｇ／ｓ）のそれぞれについて示す特性図である。
【００５５】
図９に示すように、攪拌スクリュー３２の外径Ｄを大きくするほど、また、ピッチＰを大きくするほど、現像剤搬送量Ｗを増加することができる。従って、本実施形態のように、予備攪拌部３０の攪拌スクリュー３２を大径にすることによって、現像剤搬送量Ｗを増加することができ、この結果、トナー濃度差ΔＣｔを小さくすることができる。一例として、図９によれば、現像剤搬送量Ｗ＝３７ｇ／ｓを確保するためには、攪拌スクリュー３２の外径Ｄ＝４００ｍｍとし、ピッチＰ＝３ｍｍとすることにより実現可能である。
【００５６】
一方で、上述したように、現像ユニット１８内に存在する現像剤量ｍは、現像ユニット１８の小型化のために低量化の傾向にあり、従来は３５０ｇ程度であったが、本実施形態では、２００ｇ程度を想定している。また、現像ユニット１８内に存在する現像剤量と、現像剤搬送量Ｗとから、２つのスクリューで現像ユニット内を周回させる構成において、現像剤が現像ユニット内を１周する際に要する時間を求めることができ、２軸系の混合撹拌に必要な時間が求められる。図１０は、条件１（Ｗ＝２８ｇ／ｓ）、条件２（Ｗ＝４７ｇ／ｓ）、条件３（Ｗ＝３７ｇ／ｓ）のそれぞれについて、現像剤量ｍと、現像剤が現像ユニット内を１周する時間Ｔ１、混合攪拌の時間Ｔ２を示す模式図である。図１０に示すように、本実施形態においては、条件２及び条件３における現像ユニット１８内の現像剤量ｍを２００ｇとする。一方、従来の条件１における現像剤量ｍは３５０ｇである。現像剤が現像ユニット内を一周する時間Ｔ１は、現像剤量ｍ（ｇ）を現像剤搬送量Ｗ（ｇ／ｓ）で除算することによって算出できる。また、混合攪拌の時間Ｔ２は、２軸のスクリューを有する構成において、往路のみで攪拌を行う場合の時間であり、現像剤が現像ユニット内を１周する時間Ｔ１の１／２の値である。
【００５７】
図１０に示すように、本実施形態（条件２、条件３）では、混合攪拌の時間Ｔ２が、従来（条件１）の混合撹拌の１／２〜１／３程度になることが判る。従って、大径のスクリューを使用した予備攪拌部３０を設けた場合に、現像ユニット１８自体の大きさを従来と同様のままにして、トナー濃度差ΔＣｔを最小に抑えるともに、混合撹拌の時間も短くする必要がある。
【００５８】
ここで、図１１は、図３で説明した混合攪拌の時間Ｔをより詳細に説明するための模式図である。図１１は、攪拌スクリュー１００によって２成分現像剤Ｃを矢印Ａ４方向に搬送しながら攪拌する場合に、図１１に示すトナー供給位置で供給されたトナー１１０が２成分現像剤Ｃと混ざる様子を模式的に示している。
【００５９】
図１１に示すように、トナー供給位置新たにトナー１０１を供給すると、トナー１０１の比重は２成分現像剤Ｃよりも小さいため、投入された直後は、トナー１０１は２成分現像剤Ｃと混ざることなく、トナー１０１は２成分現像剤Ｃの上に積層した状態となる。その後、トナー１０１及び２成分現像剤Ｃが矢印Ａ４方向に搬送されていくと、時間の経過とともに、トナー１０１が２成分現像剤Ｃと混合されていき、トナー１１０が２成分現像剤Ｃのキャリアに付着していく。これにより、トナー１０１が図１１の左に進むほど、２成分現像剤Ｃの上のトナー１１０の厚さが薄くなり、地点Ｂに達するとトナー１０１が完全に２成分現像剤Ｃと混合された状態となる。
【００６０】
本実施形態では、図１１において、トナー供給位置で新たにトナー１０１を供給した後、供給したトナーが地点Ｂに到達して完全にキャリアと混合されるまでの時間を混合攪拌に必要な時間Ｔと定義する。図１０で説明したように、本実施形態の条件２、条件３のように現像ユニット１８内の現像剤量を２００ｇまで少なくすると、時間Ｔ２がより小さくなるため、混合攪拌の時間Ｔの値も十分に小さくする必要があり、条件２の場合は２．１秒、条件３の場合は２．７秒程度まで小さくする必要がある。従って、高速プロセスである条件２、条件３を達成するためには、より短時間でトナーをキャリアに混合する必要があり、混合攪拌に必要な時間Ｔを可能な限り小さくする必要がある。
【００６１】
従って、図９の結果から、攪拌スクリュー３２を大径にし、かつピッチＰを大きくして所望の現像剤搬送量Ｗを確保するとともに、混合攪拌に必要な時間Ｔを最小限に抑える必要がある。この点に関し、本発明者は、混合撹拌に必要な時間Ｔは、図４で説明したｒの値と、スクリューの回転数Ｒ、スクリューのピッチＰとの間で下式（４）のような関係があることを見出した。
Ｔ＞α・Ｐ／（ｒ・Ｒ） ・・・（４）
【００６２】
換言すれば、混合撹拌に必要な時間Ｔは、ｒが大きいほど小さくなる。また、時間Ｔの値はＲが大きいほど小さくなる。更に、Ｔの値はピッチＰが小さいほど小さくなる。ここで、図１５〜図１７に基づいて、式（４）が成立する根拠について説明する。先ず、実際の装置を用いて、回転数Ｒ＝５００ｒｐｍ、Ｐ＝１５ｍｍとして、ｒとＴの関係を実験によって求めたところ、図１５に示す結果が得られた。図１５の結果から、ｒが大きくなると時間Ｔは小さくなることが判明した。また、同様にして、ｒ＝３ｍｍ、Ｐ＝１５ｍｍとして、ＲとＴの関係を実験によって求めたところ、図１６に示す結果が得られた。図１６の結果から、Ｒを大きくすると、Ｔの値が小さくなることが判明した。また、回転数Ｒ＝５００ｒｐｍ、ｒ＝３ｍｍとして、ＰとＴの関係を実験によって求めたところ、図１７に示す結果が得られた。図１７の結果から、Ｐを大きくするとＴの値が大きくなることが判明した。従って、αを係数として、式（４）の関係が成立することが判明した。
【００６３】
図９によれば、予備攪拌部３０において、外径Ｄが４０ｍｍ程度の大径の撹拌スクリュー３２を用いる場合、攪拌スクリュー３２のピッチＰは３ｍｍ程度（Ｗ＝３７ｇ／ｓの場合）となる。図１２は、混合攪拌に必要な時間Ｔと、図４に示すｒの値との関係を示す特性図であって、撹拌スクリュー３２の外径Ｄを４０ｍｍとし、スクリューのピッチＰが１４ｍｍである場合の理論値と実験値（実測値）、及び、ピッチＰを３ｍｍとした場合の理論値と実験値を示す特性図である。ここで、理論値は、（４）式を表したものであり、（４）式の不等号を等号にした場合のｒとＴの関係を示す特性曲線である。また、実験値は、外径Ｄが４０ｍｍの攪拌スクリュー３２を実際に用いて、ｒの値を変えながら時間Ｔを測定して得られた値である。なお、時間Ｔは、搬送経路の任意の位置にトナーの電荷の分布を測定するセンサー（帯電量分布測定器）を配置し、トナー供給位置から最も近い地点であって、正電位のトナーが存在しない地点（図１１中の地点Ｂ）にトナーが到達するまでの時間を測定することによって得ることができる。このように、ｒとＴの関係を求めると、図１２の理論値と実験値が得られ、この結果から式（４）の定数αを求めると、α＝２０であることが判明した。
【００６４】
図１２の結果から、ピッチＰを３ｍｍとした場合、図１０で説明した２秒程度まで混合攪拌に必要な時間Ｔを小さくするためには、ｒの値を３ｍｍ以上確保すれば良いことが判る。
【００６５】
このように、予備攪拌部３０において、ｒとＴの関係が（４）式を満たすことにより、混合攪拌の条件が満たされ、予備攪拌部３０から図３の矢印Ａ３方向に搬送され、第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａに到達したトナーが全て負に帯電していることになる。従って、（４）式を変形することにより、大径の予備攪拌部３０を設けた場合に、必要とされるｒとＴの関係は以下の（５）式で表すことができる。
ｒ＞α・Ｐ／（Ｒ・Ｔ） ・・・（５）
【００６６】
一例として、予備撹拌部３０の外径Ｄの大きさを４０ｍｍ、内径を６ｍｍ、回転数Ｒを５００ｒｐｍ（８．３ｒｐｓ）とすると、図９の結果からピッチＰは３ｍｍ程度（条件３；Ｗ＝３７ｇ／ｓの場合）となる。このとき、ｒの値を７ｍｍにすれば、（４）式、（５）式より混合攪拌に必要な時間Ｔは１秒程度となる。
【００６７】
従って、大径の攪拌スクリュー３２を設けた際に、（５）式を満たすように予備攪拌部３０及び攪拌スクリュー３２を構成し、必要なｒの値を確保することで、混合攪拌に必要な時間Ｔを所望の時間に設定することが可能である。
【００６８】
次に、本実施形態による予備攪拌部３０の具体的な適用例について説明する。図１３は、感光体ドラム１４をφ３０、現像ローラー１６をφ２０、第１の搬送スクリュー２０をφ１８とし、現像ユニット１８におけるトナーとキャリアの撹拌機能を予備撹拌部３０のみで実施する構成を示している。攪拌スクリュー３２の外径は４００ｍｍとする。（５）式を満たすことにより、予備攪拌部３０でトナーとキャリアが完全に混合されて、第１の搬送スクリュー２０の端部２０ａの位置に供給される。これにより、第１の搬送スクリュー２０、第２の搬送スクリュー２２には、混合が完了した２成分現像剤Ｃを搬送する機能のみ持たせることができる。従って、第１の搬送スクリュー２０及び第２の搬送スクリュー２２には、攪拌機能が必要なく、搬送機能のみを持たせれば良いため、第１の搬送スクリュー２０及び第２の搬送スクリュー２２の外径を大幅に縮小することができ、図１３に示すプロセス（処理）ユニットを大幅に小型化することが可能となる。図１３の例による配置では、作図上から、横幅を６０ｍｍ〜７０ｍｍ程度、高さを４０ｍｍ〜５０ｍｍ程度まで縮小することができる。従って、図１３に示す構成のプロセスユニット断面積を大幅に縮小することができ、（図１３の例では、３５００ｍｍ２以下）、複数の色を印刷可能なカラープリンタ等の場合、隣接する他色のプロセスユニットとの間のプロセス間ピッチも小さくすることができる。図１３の例では、左右の幅が最大７０ｍｍであるため、プロセス間ピッチを７０ｍｍ以下に抑えることが可能となる。
【００６９】
また、図１３において、感光体ドラム１４の外径が３０ ［ｍｍ］以下とした場合に、予備撹拌部３０の断面積をＳ１［ｍｍ２］、感光体ドラム１４の断面積をＳ２［ｍｍ２］、現像ローラー１６の断面積をＳ３［ｍｍ２］、第１の搬送スクリュー２０の断面積をＳ４［ｍｍ２］とすると、以下の式（６）が成立する。
Ｓ１＜Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４ ・・・（６）
【００７０】
また、図１３は、予備攪拌部３０の攪拌スクリュー３２の回転方向による現像剤の流れを考慮して、予備攪拌部３０から第１の攪拌スクリュー２０への現像剤の受け渡し位置を設定した例を示す模式図である。図１３に示すように、予備攪拌部３０の攪拌スクリュー３２が矢印Ａ１０方向に回動する場合、図１３中にドットを付して示す２成分現像剤Ｃは、攪拌スクリュー３２の回動に伴って予備攪拌部３０内での表面が傾斜する。このため、予備攪拌部３０と第１の搬送スクリュー２０が設けられた搬送室とが連通する搬送通路を図１３中に一点鎖線Ｂで示す領域内に設けることで、搬送通路内に現像剤が完全に充填されてしまうことを回避でき、搬送通路内に空隙を確保することができるため、第１の攪拌スクリュー２０への２成分現像剤Ｃの移動を効率良く行うことができる。
【００７１】
図１４は、大径の予備撹拌部３０を用いて、プロセスピッチ間を最小にした例を示す模式図である。図１４に示すように、第１の搬送スクリュー２０を第２の搬送スクリュー２２よりも下に配置することで、図１３の構成よりもプロセス間ピッチを小さくすることができる。この場合、プロセス間ピッチを５０ｍｍ〜６０ｍｍ程度まで小さくすることが可能である。
【００７２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００７３】
１４ 感光体ドラム
１６ 現像ローラー
１８ 現像ユニット
３０ 予備攪拌部
３２ 攪拌スクリュー
２０ 第１の搬送スクリュー
２２ 第２の搬送スクリュー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電潜像に応じて供給されたトナーを転写して媒体上に画像形成を行う感光体ドラムと、
前記感光体ドラムにトナーを供給する現像ローラーと、
前記現像ローラーにトナーとキャリアが混合された２成分現像剤を供給する現像ユニットと、を備え、
前記現像ユニットは、
前記現像ローラーの軸方向に沿って２成分現像剤を搬送する搬送部と、
前記搬送部の端部に設けられ、新規に投入されたトナーとキャリアを混合する大径の攪拌スクリューを含む予備攪拌部を有し、
前記感光体ドラムが前記媒体上に画像形成を行うプロセススピードが３００［ｍｍ／ｓ］以上であり、前記感光体ドラムが画像形成を行う前記媒体の幅がレターサイズ幅２１６［ｍｍ］以下であり、
前記予備攪拌部は、２成分現像剤表面から上方向の前記攪拌スクリューの突出量を［ｒｍｍ］、前記攪拌スクリューのピッチをＰ［ｍｍ］、攪拌スクリューの回転数をＲ［ｒｐｓ］、混合撹拌に必要な時間Ｔ［ｓ］をとしたときに、下記の式（１）を満たすことを特徴とする、画像形成装置。
【請求項２】
前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記予備撹拌部の断面積をＳ１［ｍｍ２］、前記感光体ドラムの断面積をＳ２［ｍｍ２］、前記現像ローラーの断面積をＳ３［ｍｍ２］、前記搬送部に設けられた搬送スクリューの断面積をＳ４［ｍｍ２］とすると、以下の式（２）を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の画像形成装置。
Ｓ１＜Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４ ・・・（２）
【請求項３】
前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記感光体ドラム、前記現像ローラー、及び前記現像ユニットを含むプロセスユニットの前記感光体ドラムの軸と直交する断面における断面積が３５００［ｍｍ２］以下であることを特徴とする、請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記感光体ドラム、前記現像ローラー、及び前記現像ユニットを含むプロセスユニットの前記感光体ドラムの軸と直交する断面における水平方向の幅が７０［ｍｍ］以下であることを特徴とする、請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項１】
静電潜像に応じて供給されたトナーを転写して媒体上に画像形成を行う感光体ドラムと、
前記感光体ドラムにトナーを供給する現像ローラーと、
前記現像ローラーにトナーとキャリアが混合された２成分現像剤を供給する現像ユニットと、を備え、
前記現像ユニットは、
前記現像ローラーの軸方向に沿って２成分現像剤を搬送する搬送部と、
前記搬送部の端部に設けられ、新規に投入されたトナーとキャリアを混合する大径の攪拌スクリューを含む予備攪拌部を有し、
前記感光体ドラムが前記媒体上に画像形成を行うプロセススピードが３００［ｍｍ／ｓ］以上であり、前記感光体ドラムが画像形成を行う前記媒体の幅がレターサイズ幅２１６［ｍｍ］以下であり、
前記予備攪拌部は、２成分現像剤表面から上方向の前記攪拌スクリューの突出量を［ｒｍｍ］、前記攪拌スクリューのピッチをＰ［ｍｍ］、攪拌スクリューの回転数をＲ［ｒｐｓ］、混合撹拌に必要な時間Ｔ［ｓ］をとしたときに、下記の式（１）を満たすことを特徴とする、画像形成装置。
【請求項２】
前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記予備撹拌部の断面積をＳ１［ｍｍ２］、前記感光体ドラムの断面積をＳ２［ｍｍ２］、前記現像ローラーの断面積をＳ３［ｍｍ２］、前記搬送部に設けられた搬送スクリューの断面積をＳ４［ｍｍ２］とすると、以下の式（２）を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の画像形成装置。
Ｓ１＜Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４ ・・・（２）
【請求項３】
前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記感光体ドラム、前記現像ローラー、及び前記現像ユニットを含むプロセスユニットの前記感光体ドラムの軸と直交する断面における断面積が３５００［ｍｍ２］以下であることを特徴とする、請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記感光体ドラムの外径が３０［ｍｍ］以下であり、前記感光体ドラム、前記現像ローラー、及び前記現像ユニットを含むプロセスユニットの前記感光体ドラムの軸と直交する断面における水平方向の幅が７０［ｍｍ］以下であることを特徴とする、請求項１に記載の画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−１３３０５０（Ｐ２０１２−１３３０５０Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８３８３０（Ｐ２０１０−２８３８３０）
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２０日（２０１０．１２．２０）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
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