JP4951662B2 - トナーカートリッジ、画像形成装置および画像形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、トナーカートリッジ、トナーカートリッジを備える画像形成装置および画像形成方法に関する。

レーザプリンタ、複写機、複合機などの電子写真方式の画像形成装置には、印刷処理に
使用されるトナーを収容するトナーカートリッジが着脱自在に装着されている。画像形成装置において、印刷処理が実行されると、トナーカートリッジ内のトナーが徐々に消費され、トナーカートリッジが空になれば、空になった使用済みのトナーカートリッジとトナーが満たされているトナーカートリッジとが交換される。

トナーカートリッジは、外観が直方体で、トナーが収容されるトナー収容空間を有する容器本体と、容器本体内に設けられるトナー搬送スクリューとを含む。トナー搬送スクリューは、容器本体の長手方向に平行に延びる回転軸に螺旋状のトナー搬送ブレードが設けられてなり、回転軸が軸線まわりに回転駆動されることで容器本体内のトナーをトナー排出口に向けて搬送する。搬送されたトナーは、トナー排出口から現像装置に向けて排出される。

トナー搬送スクリューは、容器本体の内壁面に隙間をあけて設けられている。そして、前記隙間を小さく設定することによって、トナー搬送スクリューによるトナー搬送能力を向上させることができる。

しかしながら、前記隙間が小さく設定されたトナーカートリッジでは、トナー搬送スクリューが回転されたとき、前記隙間に入り込んだトナーに付与される摺擦力が大きくなってしまい、そのため、トナー粒子同士が押し固められた状態でトナー凝集が起こる。押し固められた状態で凝集したトナーは、帯電性が低下するため、現像装置内で適度な帯電量に帯電されず、印刷された画像の品質が低下するという問題がある。

このような問題を解決するために、特許文献１には、トナー搬送スクリューにおいて、螺旋羽根の外径を局部的に小さく形成する、螺旋羽根の旋回周期（ピッチ）を小さく設定する、または螺旋羽根の外径を局部的に小さく形成し、かつ螺旋羽根の旋回周期（ピッチ）を小さく設定したトナーカートリッジが開示されている。特許文献１に開示のトナーカートリッジによれば、トナー搬送スクリューの搬送能力を局部的に低減させることで、トナー搬送スクリューと容器本体の内壁面との隙間に入り込んだトナーに付与される摺擦力を低減させ、トナー凝集の発生を抑制することができる。

特開２００４−３３４０５４号公報

しかしながら、特許文献１に開示のトナーカートリッジでは、トナー凝集の発生は抑制できたとしても、トナー搬送スクリューによるトナー搬送能力が低下するので、現像装置に対するトナー補給能力が低下する。

本発明の目的は、現像装置に対するトナー補給能力が高い状態で維持されるとともに、トナー凝集の発生を抑制することができるトナーカートリッジ、画像形成装置および画像形成方法を提供することである。

本発明は、トナーが収容されるトナー収容空間を有する容器本体と、容器本体のトナー収容空間内に設けられ、前記トナーを排出するためのトナー排出部に臨み、前記トナー排出部に向けて前記トナーを搬送するスクリューコンベア手段とを備えるトナーカートリッジであって、
スクリューコンベア手段は、
トナーの搬送方向に平行な軸線まわりに回転駆動される回転軸であって、前記トナー排出部を臨む位置にのみ設けられる第１回転軸部分と、第１回転軸部分に同軸に連なり、第１回転軸部分よりも小径の第２回転軸部分とを含む回転軸と、
前記回転軸に設けられる螺旋状のトナー搬送ブレードであって、前記第１回転軸部分に形成される第１ブレード部分と、前記第２回転軸部分において、前記第１ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期よりも小さい旋回周期で形成される第２ブレード部分とを含むトナー搬送ブレードとを有し、
前記スクリューコンベア手段の外径をＲとし、第１回転軸部分の軸径をｒ１とし、第２回転軸部分の軸径をｒ２とし、第１ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期をＰ１とし、第２ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期をＰ２とした場合、下記式（１）で表わされる、スクリューコンベア手段における第１回転軸部分の有効スクリュー断面積Ｓ１と、下記式（２）で表わされる、スクリューコンベア手段における第２回転軸部分の有効スクリュー断面積Ｓ２と、第１ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期Ｐ１と、第２ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期Ｐ２とが下記式（３）を満たすことを特徴とするトナーカートリッジである。
Ｐ１×Ｓ１＝Ｐ２×Ｓ２ …(３)

また本発明は、前記スクリューコンベア手段は、前記回転軸を回転駆動させる駆動力を前記回転軸に伝達する伝達手段を含み、
前記伝達手段は、前記第１回転軸部分に連結されていることを特徴とする。

また本発明は、静電潜像が形成される感光体と、感光体にトナーを供給して前記静電潜像を現像する現像手段と、現像手段にトナーを補給するトナー補給手段とを備える画像形成装置であって、
前記トナー補給手段が、前記トナーカートリッジであることを特徴とする画像形成装置である。

また本発明は、トナーカートリッジの前記トナー排出部から排出されるトナーを前記現像手段に導く案内手段をさらに含み、
前記案内手段は、鉛直方向両側に開放される連通空間であって、前記トナーが前記トナー排出部から前記現像手段に向けて流過する連通空間を有する連通案内部を含むことを特徴とする。

また本発明は、前記画像形成装置を用いて画像を形成することを特徴とする画像形成方法である。

本発明によれば、トナーカートリッジは、トナーが収容されるトナー収容空間を有する容器本体と、容器本体のトナー収容空間内に設けられ、トナーを排出するためのトナー排出部に向けてトナーを搬送するスクリューコンベア手段とを備える。スクリューコンベア手段は、トナーの搬送方向に平行な軸線まわりに回転駆動される回転軸と、回転軸に設けられる螺旋状のトナー搬送ブレードとを有する。回転軸は、第１回転軸部分と、第１回転軸部分に同軸に連なり、第１回転軸部分よりも小径の第２回転軸部分とを有する。トナー搬送ブレードは、第１回転軸部分に形成される第１ブレード部分と、第２回転軸部分に第１ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期よりも小さい旋回周期で形成される第２ブレード部分とを有する。

トナーを搬送するスクリューコンベア手段が有する回転軸において、第２回転軸部分は、第１回転軸部分よりも小径であるので、第１回転軸部分よりも剛性が低い部分となる。すなわち、回転軸は、軸線方向に関して第１回転軸部分に対応する高剛性領域と、第２回転軸部分に対応する低剛性領域とを有する。このような回転軸を有するスクリューコンベア手段では、第２回転軸部分に形成される第２ブレード部分が、第２ブレード部分と容器本体の内壁面との隙間に入り込んだトナーに接触したとき、第２回転軸部分は軸線方向に垂直な方向に撓んだ状態となる。そのため、スクリューコンベア手段では、回転軸が回転駆動されたときに、第２回転軸部分に形成される第２ブレード部分と容器本体の内壁面との隙間に入り込んだトナーに付与される摺擦力を小さくすることができる。これによって、トナーカートリッジは、トナーが押し固められた状態で凝集するトナー凝集の発生を抑制することができる。

また、第２回転軸部分では、第１ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期よりも小さい旋回周期で第２ブレード部分が形成されているので、第２回転軸部分が第１回転軸部分よりも剛性が低くても、第１ブレード部分と同様の高いトナー搬送能力を有することができる。したがって、現像手段に対するトナー補給能力が高い状態で維持されるとともに、トナー凝集を抑制することができるトナーカートリッジを実現できる。
また、前記スクリューコンベア手段の外径をＲとし、第１回転軸部分の軸径をｒ１とし、第２回転軸部分の軸径をｒ２とし、第１ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期をＰ１とし、第２ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期をＰ２とした場合、下記式（１）で表わされる、スクリューコンベア手段における第１回転軸部分の有効スクリュー断面積Ｓ１と、下記式（２）で表わされる、スクリューコンベア手段における第２回転軸部分の有効スクリュー断面積Ｓ２と、第１ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期Ｐ１と、第２ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期Ｐ２とが下記式（３）を満たす。
Ｐ１×Ｓ１＝Ｐ２×Ｓ２ …(３)
また、回転軸における第１回転軸部分は、トナー排出部を臨む位置にのみ設けられる。トナーカートリッジにおいてトナー排出部は、スクリューコンベア手段によって搬送されるトナーが堆積される部分である。そのため、回転軸の軸線方向におけるトナー滞留量は、トナー排出部近傍で多くなる。本発明に係るトナーカートリッジでは、トナー滞留量が多いトナー排出部に臨む位置にのみ第１回転軸部分が設けられている。第１回転軸部分は、回転軸における高剛性領域の部分であるので、トナー滞留量が多い場合であっても、軸線方向に垂直な方向に撓むことなく、スムーズにトナー排出部からトナーを排出することができる。したがって、トナーカートリッジは、現像手段に対するトナー補給能力が高い状態で維持される。

また本発明によれば、スクリューコンベア手段は、回転軸を回転駆動させる駆動力を回転軸に伝達する伝達手段を含み、伝達手段は第１回転軸部分に連結されている。第１回転軸部分は、回転軸における高剛性領域の部分であるので、伝達手段が連結された場合であっても、軸線方向に垂直な方向に撓むことなく、駆動力を回転軸に安定して伝達することができる。そのため、トナー搬送ブレードのトナー搬送能力を安定して高い状態で維持することができ、現像手段に対するトナー補給能力が高い状態で安定して維持される。

また本発明によれば、画像形成装置は、静電潜像が形成される感光体と、感光体にトナーを供給して静電潜像を現像する現像手段と、現像手段にトナーを補給するトナー補給手段とを備え、トナー補給手段が本発明のトナーカートリッジである。本発明のトナーカートリッジは、現像手段に対するトナー補給能力が高い状態で維持されるとともに、トナー凝集を抑制することができるので、画像形成装置は、トナー消費速度が速い高速プロセスにも対応できるとともに、高品位の画像を形成することができる。

また本発明によれば、画像形成装置は、トナーカートリッジのトナー排出部から排出されるトナーを現像手段に導く案内手段をさらに含み、案内手段は、鉛直方向両側に開放される連通空間であって、トナーがトナー排出部から現像手段に向けて流過する連通空間を有する連通案内部を含む。これによって、トナー排出部から排出されたトナーがつまることなく安定して現像手段に供給されるので、現像手段に対するトナー補給能力が高い状態で安定して維持される。そのため、画像形成装置は、トナー消費速度が速い高速プロセスにも対応することができる。

また本発明によれば、画像形成方法では、本発明の画像形成装置を用いて画像を形成する。本発明の画像形成装置は、トナー凝集のないトナーを現像手段に安定して供給することができるので、この画像形成方法は、トナー消費速度が速い高速プロセスにも対応できるとともに、長期間に渡って高品位の画像を安定して形成することができる。

本実施形態のトナーカートリッジ２００が装着される画像形成装置１００の構成を模式的に示す図である。 トナーカートリッジ２００の構成を示す平面図である。 トナーカートリッジ２００の断面図である。 トナーカートリッジ２００と現像ユニット２との接続状態を模式的に示す図である。 図２に示す切断面線Ｓ２０３−Ｓ２０３からみた、トナーカートリッジ２００におけるトナー排出部２０２ａ周辺の拡大図である。

図１は、本実施形態のトナーカートリッジ２００が装着される画像形成装置１００の構成を模式的に示す図である。まず、本実施形態のトナーカートリッジ２００が装着される画像形成装置１００について説明する。画像形成装置１００は、外部から伝達された画像データまたは原稿読取りにより得られた画像データに基づいて、記録媒体である記録用紙に対して多色または単色の画像を形成する装置であり、装置本体１１０と、自動原稿処理装置１２０とを含んで構成されている。

装置本体１１０は、露光ユニット１、４つの画像形成部Ｐ、中間転写ベルト６１を含む中間転写ユニット６、定着ユニット７、内部給紙ユニット８１、手差し給紙ユニット８２、および排紙ユニット９１を含む。装置本体１１０の上部には、原稿が載置される透明ガラスからなる原稿載置台９２が設けられ、原稿載置台９２の上側には自動原稿処理装置１２０が取り付けられている。自動原稿処理装置１２０は、原稿載置台９２の上に自動で原稿を搬送する。また自動原稿処理装置１２０は矢印Ｍ方向に回動自在に構成され、原稿載置台９２の上を開放することにより原稿を手置きで置くことができるようになっている。

画像形成装置１００は、ブラック（Ｋ）、ならびにカラー画像を色分解して得られる減法混色の３原色であるシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）およびイエロー（Ｙ）の４色の各色相に対応した画像データを用いて、画像形成部Ｐにおいて画像形成を行う。４つの画像形成部Ｐは、中間転写ベルト６１の移動方向（回転方向）に一列に配置されている。

４つの画像形成部Ｐは、それぞれ同様の構成であり、現像手段である現像ユニット２、感光体３、クリーナユニット４、帯電装置５および本発明に係るトナーカートリッジ２００を有している。感光体３は像担持体であり、この周囲に、現像ユニット２、クリーナユニット４および帯電装置５が配置される。また、４つの画像形成部Ｐの各現像ユニット２には、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各色トナーが収容されている。

感光体３は、円筒状のドラム形状を呈し、図示しない駆動手段によって軸線まわりに回転駆動される。感光体３は、円筒状の導電性基体、および、導電性基体の表面に設けられる感光層を有する。

帯電装置５は、感光体３を臨み、感光体３の軸線方向に沿って感光体３の表面から間隙を有して離隔するように配置される。帯電装置５は、チャージャ型の装置であり、感光体３の表面を所定の電位に均一に帯電させる。

露光ユニット１は、レーザ出射部および反射ミラーなどを備えたレーザスキャニングユニット（ＬＳＵ）である。露光ユニット１は、自動原稿処理装置１２０または外部から伝達された画像データに応じて変調されるレーザ光を出射するレーザ出射部と、レーザ出射部から出射されるレーザ光を主走査方向に偏向させるポリゴンミラーと、ポリゴンミラーにより主走査方向に偏向されるレーザ光を感光体３の表面に結像するように収束する収束レンズと、収束レンズにより収束されるレーザ光を反射する反射ミラーとを含んで構成される。レーザ出射部から出射されるレーザ光は、ポリゴンミラーにより偏向され、さらに収束レンズにより収束され、反射ミラーによって反射されて、所定の電位および極性に帯電する感光体３の表面に照射され、画像データに応じた静電潜像が感光体３に形成される。なお、露光ユニット１としては、前記レーザスキャニングユニット（ＬＳＵ）の他、ＥＬ（Electro Luminescence）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子をアレイ状に並べた書込み装置（たとえば、書込みヘッド）を使用することもできる。

現像ユニット２は、感光体３に対向しかつ圧接するように設けられ、感光体３の表面に形成される静電潜像に現像剤であるトナーを供給して、静電潜像を顕像化させるものである。

クリーナユニット４は、現像・画像転写後における感光体３の表面に残留したトナーを、除去・回収する。

トナーカートリッジ２００は、現像によるトナー消費に対応するために、現像ユニット２にトナーを補給する。トナーカートリッジ２００は、装置本体１１０に着脱自在に設けられる。

中間転写ユニット６は、感光体３の上方に配置され、中間転写ベルト６１、中間転写ベルト駆動ローラ６２、中間転写ベルト従動ローラ６３、一次転写ローラ６４、および中間転写ベルトクリーニングユニット６５を備えている。

中間転写ベルト６１は、中間転写ベルト駆動ローラ６２と中間転写ベルト従動ローラ６３との間に張架されてループ状の移動経路を形成している無端状のベルト部材であり、その厚みは１００μｍ〜１５０μｍ程度である。この中間転写ベルト６１を挟んで感光体３に対向する位置に、一次転写ローラ６４が配置されている。中間転写ベルト６１が感光体３に対向する位置が一次転写位置である。

一次転写ローラ６４には、感光体３の表面に担持されたトナー像を中間転写ベルト６１上に転写するために、トナーの帯電極性と逆極性の一次転写バイアスが定電圧制御によって印加される。これによって、感光体３に形成された各色相のトナー像は中間転写ベルト６１の外周面に順次重ねて転写され、中間転写ベルト６１の外周面にフルカラーのトナー像が形成される。但し、イエロー、マゼンタ、シアンおよびブラックの色相の一部のみの画像データが入力された場合には、４つの画像形成部Ｐの各感光体３のうち、入力された画像データの色相に対応する一部のみにおいて静電潜像およびトナー像の形成が行われる。たとえば、モノクロ画像形成時には、ブラックの色相に対応した感光体３のみにおいて静電潜像の形成およびトナー像の形成が行われ、中間転写ベルト６１の外周面にはブラックのトナー像のみが転写される。一次転写ローラ６４は、直径８〜１０ｍｍの金属（たとえばステンレス）を素材とする軸の表面を導電性の弾性材（たとえば、ＥＰＤＭ：エチレンプロピレン共重合ゴム、発泡ウレタンなど）により被覆して構成されており、導電性の弾性材によって中間転写ベルト６１に均一に高電圧を印加する。

一次転写ローラ６４によって中間転写ベルト６１の外周面に転写されたトナー像は、中間転写ベルト６１の回転によって、二次転写ローラ１０との対向位置である二次転写位置に搬送される。

二次転写ローラ１０は、画像形成時において、内周面が中間転写ベルト駆動ローラ６２の周面に接触する中間転写ベルト６１の外周面に所定のニップ圧で圧接されている。内部給紙ユニット８１または手差し給紙ユニット８２から給紙された記録用紙が二次転写ローラ１０と中間転写ベルト６１との間を通過する際に、二次転写ローラ１０にトナーの帯電極性とは逆極性の高電圧が印加される。これによって、中間転写ベルト６１の外周面から記録用紙の表面にトナー像が転写される。また、二次転写位置において前記ニップ圧を定常的に得るために、二次転写ローラ１０および中間転写ベルト駆動ローラ６２のいずれか一方のローラが、金属などからなる硬質材料で構成され、他方のローラが、弾性ゴムや発泡性樹脂などからなる軟質材料で構成されている。

感光体３の一部または全部から中間転写ベルト６１に付着したトナーのうち記録用紙上に転写されずに中間転写ベルト６１上に残存したトナーは、次工程での混色を防止するために、中間転写ベルトクリーニングユニット６５によって除去・回収される。中間転写ベルトクリーニングユニット６５には、中間転写ベルト６１に当接してトナーを除去するクリーニングブレードが備えられている。

定着ユニット７は、ヒートローラ７１および加圧ローラ７２を有する。トナー像が転写された記録用紙は、定着ユニット７へ導かれ、ヒートローラ７１と加圧ローラ７２との間を通過することで加熱および加圧される。これによって、トナー像が、記録用紙の表面に堅牢に定着する。なお、定着ユニット７においてヒートローラ７１には、外部からヒートローラ７１を加熱する外部定着ベルト７３が接触して設けられ、図示しない温度検出器によって検出される温度データに基づいて、ヒートローラ７１が所定の定着温度となるように制御される。トナー像が定着した記録用紙は、搬送ローラ１２ｂによって排紙ユニット９１上へ排出される。

画像形成装置１００には、内部給紙ユニット８１および手差し給紙ユニット８２に収容されている記録用紙を二次転写ローラ１０と中間転写ベルト６１との間および定着ユニット７を経由して排紙ユニット９１へ送るための略垂直方向に延びる用紙搬送路Ｓが設けられている。用紙搬送路Ｓの近傍には、ピックアップローラ１１ａ，１１ｂ、複数の搬送ローラ１２ａ〜１２ｄ、レジストローラ１３が配置されている。

搬送ローラ１２ａ〜１２ｄは、記録用紙の搬送を促進・補助するための小型のローラであり、用紙搬送路Ｓに沿って複数設けられている。ピックアップローラ１１ａは、内部給紙ユニット８１の端部近傍に備えられ、内部給紙ユニット８１から記録用紙を１枚ずつピックアップして用紙搬送路Ｓに供給する。また、ピックアップローラ１１ｂは、手差し給紙ユニット８２の端部近傍に備えられ、手差し給紙ユニット８２から記録用紙を１枚ずつピックアップして用紙搬送路Ｓに供給する。

レジストローラ１３は、用紙搬送路Ｓを搬送されている記録用紙を一旦保持するものである。そして、レジストローラ１３は、感光体３上のトナー像の先端と記録用紙の先端とを合わせるタイミングで記録用紙を、二次転写ローラ１０と中間転写ベルト６１との間に搬送する機能を有している。

画像形成装置１００において、内部給紙ユニット８１および手差し給紙ユニット８２から搬送される記録用紙は、用紙搬送路Ｓの搬送ローラ１２ａによってレジストローラ１３まで搬送され、レジストローラ１３によって所定のタイミングで二次転写ローラ１０に搬送されて、二次転写ローラ１０と中間転写ベルト６１との間を通過したときにトナー像が転写される。トナー像が転写された記録用紙は、定着ユニット７を通過することによってトナー像が熱で溶融・固着され、搬送ローラ１２ｂを経て排紙ユニット９１上に排出される。

また、画像形成装置１００において、記録用紙の両面に画像を形成する両面印字の場合には、片面印字が終了し定着ユニット７を通過した記録用紙は、その後端が搬送ローラ１２ｂで把持されたときに、搬送ローラ１２ｂが逆回転することによって記録用紙を搬送ローラ１２ｃ，１２ｄに導く。搬送ローラ１２ｃ、１２ｄに導かれた記録用紙は、レジストローラ１３、二次転写ローラ１０および定着ユニット７を通過し、裏面の印字が行われて、排紙ユニット９１に排出される。

次に、本実施形態のトナーカートリッジ２００の構成について図面を参照して説明する。

図２は、トナーカートリッジ２００の構成を示す平面図である。図３は、トナーカートリッジ２００の断面図であり、図３（ａ）は、図２に示す切断面線Ｓ２０４−Ｓ２０４からみた断面図であり、図３（ｂ）は、図２に示す切断面線Ｓ２０３−Ｓ２０３からみた断面図である。なお、図２は説明が容易なように後述する蓋体を取り外した状態を示す図である。

トナーカートリッジ２００は、容器本体２０５と、スクリューコンベア手段２０８と、撹拌手段２０６とを含む。

容器本体２０５は、有底四角筒状に形成されて、トナーが収容されるトナー収容空間２０５ａを有する容器状部材であり、高さ方向Ｚ一方側で開放する開口を覆うように、蓋体２０５ｂが着脱可能に設けられている。容器本体２０５の長手方向Ｘ一方側で、かつ高さ方向Ｚ他端面部（底面部）には、トナーを排出するためのトナー排出部２０２ａが設けられ、トナー排出部２０２ａは、容器本体２０５の底面部を貫通するように形成されている貫通口であってトナーを容器本体２０５外の現像ユニット２に排出するトナー排出口２０２を含む。なお、図３（ｂ）は、トナー排出口２０２が形成されている箇所におけるトナーカートリッジ２００の断面図である。

スクリューコンベア手段２０８は、トナー搬送スクリュー部２０１と、伝達部２０７とを含む。トナー搬送スクリュー部２０１は、回転することでトナー収容空間２０５ａ内のトナーを撹拌しながら、トナー排出部２０２ａに向けて矢符Ａの方向（容器本体２０５の長手方向Ｘに平行）にトナーを搬送する部材であり、回転軸２０１ａと、トナー搬送ブレード２０１ｂとを有する。回転軸２０１ａは、容器本体２０５の長手方向Ｘに平行に延びる円柱状の部材であり、トナーの搬送方向Ａに平行な軸線まわりに回転駆動される。トナー搬送ブレード２０１ｂは、回転軸２０１ａの表面から、半径方向外方に連なるように設けられる螺旋状の部材である。本実施形態において、トナー搬送スクリュー部２０１の材質は、ポリスチレンである。

撹拌手段２０６は、トナー収容空間２０５ａ内において、トナー搬送スクリュー部２０１に対して容器本体２０５の幅方向Ｙに間隔をあけて設けられ、表面に突出部を有する棒状の部材であり、トナーの搬送方向Ａに平行な軸線まわりに回転駆動される。撹拌手段２０６が回転することでトナー収容空間２０５ａのトナーが撹拌され、撹拌手段２０６に撹拌されたトナーはトナー搬送スクリュー部２０１の周囲に送り込まれる。

伝達手段である伝達部２０７は、容器本体２０５の長手方向Ｘ一端部を挟んだ容器本体２０５外において、回転軸２０１ａと連結して設けられ、回転軸２０１ａを回転駆動させる駆動力を回転軸２０１ａに伝達する。伝達部２０７は、画像形成装置１００の図示しない駆動源（たとえばモータ）からの駆動力を回転軸２０１ａに伝達する。

図４は、トナーカートリッジ２００と現像ユニット２との接続状態を模式的に示す図である。現像ユニット２は、現像槽２１３と、現像ローラ２１０と、供給ローラ２１１と、撹拌ローラ２１２と、図示しないトナー補給口とを含む。現像槽２１３は感光体３表面を臨むように配置され、感光体３の表面に形成される静電潜像にトナーを供給して現像し、可視像であるトナー像を形成する容器状部材である。現像槽２１３は、その内部空間にトナーを収容し、かつ現像ローラ２１０、供給ローラ２１１、撹拌ローラ２１２などのローラ部材を収容して回転自在に支持する。

現像槽２１３の感光体３を臨む側面には開口部５３が形成され、この開口部５３を介して感光体３に対向する位置に現像ローラ２１０が回転駆動可能に設けられる。現像ローラ２１０は、感光体３との圧接部または最近接部において感光体３表面の静電潜像にトナーを供給するローラ状部材である。トナーの供給に際しては、現像ローラ２１０表面にトナーの帯電電位とは逆極性の電位が現像バイアス電圧（以下、単に「現像バイアス」とする）として印加される。これによって、現像ローラ２１０表面のトナーが感光体３表面の静電潜像に円滑に供給される。さらに、現像バイアス値を変更することによって、静電潜像に供給されるトナー量、すなわち静電潜像のトナー付着量を制御できる。

供給ローラ２１１は現像ローラ２１０を臨んで回転駆動可能に設けられるローラ状部材であり、現像ローラ２１０周辺にトナーを供給する。

撹拌ローラ２１２は供給ローラ２１１を臨んで回転駆動可能に設けられるローラ状部材であり、トナーカートリッジ２００から現像槽２１３内に新たに補給されるトナーを供給ローラ２１１周辺に送給する。

トナーカートリッジ２００と現像ユニット２との間には、案内手段２１４が設けられる。案内手段２１４は、トナーカートリッジ２００のトナー排出部２０２ａから排出されるトナーを現像ユニット２に導くものであり、連通案内部２１４ａと囲み部材２１４ｂとを含む。連通案内部２１４ａは、鉛直方向両側に開放され、現像ユニット２でのトナー消費状況に応じて現像ユニット２に補給されるトナーがトナー排出部２０２ａから現像ユニット２に向けて流過する連通空間２１５を有する。連通案内部２１４ａは、筒状に形成されて、鉛直方向一端部がトナーカートリッジ２００のトナー排出口２０２と連結し、鉛直方向他端部が現像槽２１３における撹拌ローラ２１２の鉛直方向上方に対応する位置に設けられるトナー補給口と連結している。連通案内部２１４ａは、トナーが連通空間２１５に詰まることを防止するため、鉛直方向に遥動する構造となっている。そして、連通案内部２１４ａは、ガイド部２１４ｄに案内されて遥動する。また、囲み部材２１４ｂは、連通案内部２１４ａを覆うように設けられる部材であり、固定ビス止め部２１４ｃによって固定されている。

案内手段２１４が、鉛直方向両側に開放される連通空間２１５であって、トナーがトナー排出部２０２ａから現像ユニット２に向けて流過する連通空間２１５を有する連通案内部２１４ａを含むことによって、トナー排出部２０２ａから排出されたトナーがつまることなく安定して現像ユニット２に供給されるので、現像ユニット２に対するトナー補給能力が高い状態で安定して維持される。そのため、画像形成装置１００は、トナー消費速度が速い高速プロセスにも対応することができる。

トナーカートリッジ２００において、トナー搬送スクリュー部２０１によってトナー排出部２０２ａまで搬送され、トナー排出口２０２から排出されたトナーは、連通案内部２１４ａを流過し、トナー補給口を介して現像槽２１３内に補給される。トナー補給口から撹拌ローラ２１２に向けて補給されたトナーは、撹拌ローラ２１２に撹拌されることで帯電し、供給ローラ２１１を介して現像ローラ２１０まで搬送され、感光体３表面の静電潜像を現像してトナー像を形成する。

以下、図５を用いて、本実施形態のトナーカートリッジ２００について、より詳細に説明する。

図５は、図２に示す切断面線Ｓ２０３−Ｓ２０３からみた、トナーカートリッジ２００におけるトナー排出部２０２ａ周辺の拡大図である。図５に示すように、スクリューコンベア手段２０８が有する回転軸２０１ａは、容器本体２０５の長手方向Ｘにおいて軸径が一定ではなく、第１回転軸部分２１６ａと、第１回転軸部分２１６ａよりも小径の第２回転軸部分２１６ｂとを有している。第１回転軸部分２１６ａと第２回転軸部分２１６ｂとは、同軸に連なっており、第１回転軸部分２１６ａの軸心と第２回転軸部分２１６ｂの軸心とは同じである。第１回転軸部分２１６ａには第１ブレード部分２１７ａが形成されており、第２回転軸部分２１６ｂには第２ブレード部分２１７ｂが形成されている。

回転軸２０１ａにおいて、第２回転軸部分２１６ｂは、第１回転軸部分２１６ａよりも小径であるので、第１回転軸部分２１６ａよりも剛性が低い部分となる。すなわち、回転軸２０１ａは、軸線方向に関して第１回転軸部分２１６ａに対応する高剛性領域と、第２回転軸部分２１６ｂに対応する低剛性領域とを有する。このような回転軸２０１ａを有するスクリューコンベア手段２０８では、第２回転軸部分２１６ｂに形成される第２ブレード部分２１７ｂが、第２ブレード部分２１７ｂと容器本体２０５の内壁面２０５ｃとの隙間に入り込んだトナーに接触したとき、第２回転軸部分２１６ｂは軸線方向に垂直な方向に撓んだ状態となる。そのため、スクリューコンベア手段２０８では、回転軸２０１ａが回転駆動されたときに、第２回転軸部分２１６ｂに形成される第２ブレード部分２１７ｂと容器本体２０５の内壁面２０５ｃとの隙間に入り込んだトナーに付与される摺擦力を小さくすることができる。これによって、トナーカートリッジ２００は、トナーが押し固められた状態で凝集するトナー凝集の発生を抑制することができる。

本実施形態において、第２回転軸部分２１６ｂに形成される第２ブレード部分２１７ｂの旋回周期（ピッチ）２１８ｂは、第１回転軸部分２１６ａに形成される第１ブレード部分２１７ａの旋回周期２１８ａよりも小さく形成される。このように、第２回転軸部分２１６ｂにおいて、第１ブレード部分２１７ａの回転軸線に関する旋回周期２１８ａよりも小さい旋回周期２１８ｂで第２ブレード部分２１７ｂが形成されることによって、第２回転軸部分２１６ｂが第１回転軸部分２１６ａよりも剛性が低くても、第１ブレード部分２１７ａと同様の高いトナー搬送能力を有することができる。したがって、現像ユニット２に対するトナー補給能力が高い状態で維持されるとともに、トナー凝集を抑制することができるトナーカートリッジ２００を実現できる。

また、本実施形態において、回転軸２０１ａにおける第１回転軸部分２１６ａは、トナー排出部２０２ａに臨んでいる。トナーカートリッジ２００においてトナー排出部２０２ａは、スクリューコンベア手段２０８によって搬送されるトナーが堆積される部分である。そのため、回転軸２０１ａの軸線方向におけるトナー滞留量は、トナー排出部２０２ａ近傍で多くなる。トナーカートリッジ２００では、トナー滞留量が多いトナー排出部２０２ａに臨んで、第１回転軸部分２１６ａが設けられており、第１回転軸部分２１６ａは、回転軸２０１ａにおける高剛性領域の部分であるので、トナー滞留量が多い場合であっても、軸線方向に垂直な方向に撓むことなく、スムーズにトナー排出部２０２ａからトナーを排出することができる。したがって、トナーカートリッジ２００は、現像ユニット２に対するトナー補給能力が高い状態で維持される。

また、本実施形態において、伝達部２０７は第１回転軸部分２１６ａに連結されている。第１回転軸部分２１６ａは、回転軸２０１ａにおける高剛性領域の部分であるので、伝達部２０７が連結された場合であっても、軸線方向に垂直な方向に撓むことなく、駆動力を回転軸２０１ａに安定して伝達することができる。そのため、トナー搬送ブレード２０１ｂのトナー搬送能力を安定して高い状態で維持することができ、現像ユニット２に対するトナー補給能力が高い状態で安定して維持される。

ここで、本実施形態では、容器本体２０５の長手方向Ｘ一方側にトナー排出部２０２ａが形成され、かつ容器本体２０５の長手方向Ｘ一端部を挟んだ容器本体２０５外に伝達部２０７が設けられているため、第１回転軸部分２１６ａはトナー排出部２０２ａに臨む位置にのみ設ける。

次に、トナーカートリッジ２００におけるスクリューコンベア手段２０８のトナー搬送スクリュー部２０１の設計について、具体的な数値を示して以下に説明する。

トナーカートリッジ２００において、トナー搬送スクリュー部２０１によるトナー搬送量は、９ｇ／ｍｉｎ以上１５ｇ／ｍｉｎ以下（たとえば１１ｇ／ｍｉｎ）に設定され、トナー排出部２０２ａから排出されるトナー排出量は、９ｇ／ｍｉｎ以上１５ｇ／ｍｉｎ以下（たとえば１１ｇ／ｍｉｎ）に設定される。

このようなトナー搬送量およびトナー排出量の設定値を実現するために、回転軸２０１ａの軸線方向に延びる長さ（軸長）は、３５ｃｍ以上４５ｃｍ以下（たとえば４０ｃｍ）に設定される。回転軸２０１ａの軸線方向の長さが４５ｃｍを超えると、第２回転軸部分２１６ｂに形成される第２ブレード部分２１７ｂが、第２ブレード部分２１７ｂと容器本体２０５の内壁面２０５ｃとの隙間に入り込んだトナーに接触したとき、第２回転軸部分２１６ｂは軸線方向に垂直な方向に撓みすぎるので、トナーを円滑にトナー排出部２０２ａに搬送できないおそれがある。回転軸２０１ａの軸線方向の長さが３５ｃｍ未満であると、トナーカートリッジ２００の容積が小さくなり、充分な量のトナーを収容できない。

また、トナー排出部２０２ａにおけるトナー排出口２０２の面積は、０.６ｃｍ^２以上１.２ｃｍ^２以下（たとえば０.８ｃｍ^２）に設定され、回転軸２０１ａの回転数は、１５ｒｐｍ以上２０ｒｐｍ以下（たとえば１７ｒｐｍ）に設定される。

さらに、トナー搬送スクリュー部２０１と容器本体２０５の内壁面２０５ｃとの最小の隙間の幅は、０.１ｍｍ以上０.４ｍｍ以下（たとえば０.２ｍｍ）に限定される。ここで、第１回転軸部分２１６ａに形成される第１ブレード部分２１７ａと容器本体２０５の内壁面２０５ｃとの隙間の幅と、第２回転軸部分２１６ｂに形成される第２ブレード部分２１７ｂと容器本体２０５の内壁面２０５ｃとの隙間の幅とは同じ幅である。第１回転軸部分２１６ａと第２回転軸部分２１６ｂとでは軸径が異なるので、第１ブレード部分２１７ａの外径と第２ブレード部分２１７ｂの外径とをそれぞれ調整することで、前記隙間の幅を同じにする。

トナー搬送スクリュー部２０１と容器本体２０５の内壁面２０５ｃとの最小の隙間の幅を、前記範囲に限定することによって、所望のトナー搬送量を実現することができるとともに、容器本体２０５から排出されずに容器本体２０５内に残留する残留トナーの量を低減することができる。

残留トナーは、トナー搬送ブレード２０１ｂと容器本体２０５の内壁面２０５ｃとの隙間に入り込み、トナー搬送スクリュー部２０１で搬送されないために発生する。そこで、従来のトナーカートリッジにおいて、トナー搬送ブレードと容器本体の内壁面との隙間の幅を小さくすることで、残留トナー量を低減することができる。

しかしながら、前記隙間の幅を前記範囲に設定した場合には、隙間に入り込んだトナーに強い摺擦力が付与されるので、トナーが押し固められた状態で凝集するトナー凝集が発生する。凝集したトナーは、現像ユニット２での帯電性が低下するので、形成される画像の品質が低下する。

そこで、本実施形態のトナーカートリッジ２００では、トナー搬送スクリュー部２０１を構成する回転軸２０１ａおよびトナー搬送ブレード２０１ｂを以下のように設定する。

具体的には、第１回転軸部分２１６ａおよび第２回転軸部分２１６ｂを有する回転軸２０１ａにおいて、第１回転軸部分２１６ａの軸径（直径）は、４.５ｍｍ以上６ｍｍ以下（たとえば５ｍｍ）に設定され、第２回転軸部分２１６ｂの軸径（直径）は、２ｍｍ以上４ｍｍ以下（たとえば３ｍｍ）に設定され、かつ第２回転軸部分２１６ｂの軸径（直径）は、第１回転軸部分２１６ａの軸径（直径）に対して８０％以下（好ましくは７５％）に設定される。また、第１回転軸部分２１６ａの軸線方向の長さは、第２回転軸部分２１６ｂの軸線方向の長さに対して５％以上１５％以下（たとえば１０％）に設定される。

また、トナー搬送スクリュー部２０１の外径、すなわち、トナー搬送ブレード２０１ｂの半径方向先端部の回転直径は、１６．２ｍｍ以上１６．８ｍｍ以下（たとえば１６．６ｍｍ）に設定される。そして、第１ブレード部分２１７ａの回転軸線に関する旋回周期２１８ａと、第２ブレード部分２１７ｂの回転軸線に関する旋回周期２１８ｂとは、回転軸２０１ａの軸線方向におけるトナーの搬送スピードが第１回転軸部分２１６ａと第２回転軸部分２１６ｂとで均一になるように、各回転軸部分２１６ａ，２１６ｂの軸径に対して以下のようにして決定する。

第１ブレード部分２１７ａの回転軸線に関する旋回周期２１８ａと、第２ブレード部分２１７ｂの回転軸線に関する旋回周期２１８ｂとは、トナー搬送スクリュー部２０１における有効スクリュー断面積に基づいて算出できる。

トナー搬送スクリュー部２０１の外径をＲとし、第１回転軸部分２１６ａの軸径をｒ１とし、第２回転軸部分２１６ｂの軸径をｒ２とした場合、トナー搬送スクリュー部２０１における第１回転軸部分２１６ａにおける有効スクリュー断面積Ｓ１は、下記式（１）で表わされる。

また、トナー搬送スクリュー部２０１における第２回転軸部分２１６ｂにおける有効スクリュー断面積Ｓ２は、下記式（２）で表わされる。

そして、第１ブレード部分２１７ａの回転軸線に関する旋回周期２１８ａをＰ１とし、第２ブレード部分２１７ｂの回転軸線に関する旋回周期２１８ｂをＰ２とした場合、Ｐ１およびＰ２は、上記のようにして求められるＳ１，Ｓ２を用いて下記式（３）を満たすように設定される。
Ｐ１×Ｓ１＝Ｐ２×Ｓ２ …（３）

たとえば、Ｒを１６．６ｍｍ、ｒ１を５ｍｍ、ｒ２を３ｍｍとした場合、Ｓ１は１９６．８ｍｍ^２となり、Ｓ２は２０９．４ｍｍ^２となる。Ｐ１を１５ｍｍとすると、Ｐ２は１４ｍｍとなる。

すなわち、軸径が５ｍｍである第１回転軸部分２１６ａの第１ブレード部分２１７ａの旋回周期２１８ａを１５ｍｍとすると、軸径が３ｍｍである第２回転軸部分２１６ｂの第２ブレード部分２１７ｂの旋回周期２１８ｂは１４ｍｍとする。

なお、本実施形態では、第１回転軸部分２１６ａおよび第２回転軸部分２１６ｂを有する回転軸２０１ａにおいて、第１回転軸部分２１６ａと第２回転軸部分２１６ｂとを同一の材料によって構成し、各回転軸部分２１６ａ，２１６ｂの軸径が異なるように設定することによって、高剛性領域と低剛性領域とを有する回転軸２０１ａとした。しかしながら、これに限定されるものではなく、回転軸２０１ａは、第１回転軸部分２１６ａと、第１回転軸部分２１６ａよりも小径の第２回転軸部分２１６ｂとを有し、かつ第２回転軸部分２１６ｂが第１回転軸部分２１６ａを構成する材料よりも低い剛性の材料で構成されるようにしてもよい。

また、回転軸２０１ａは、第１回転軸部分２１６ａと第２回転軸部分２１６ｂとの連結部分が滑らかになるように形成されてもよい。第１回転軸部分２１６ａと第２回転軸部分２１６ｂとの連結部分が滑らかになるように形成されることで、前記連結部分に応力が集中しないので、回転軸２０１ａ自身が破損されることを防止できるとともに、トナー搬送スクリュー部２０１によってトナー排出部２０２ａに搬送されるトナーが前記連結部分に付着することを防止することができる。

以上のように、スクリューコンベア手段２０８のトナー搬送スクリュー部２０１が設定されたトナーカートリッジ２００は、現像ユニット２に対するトナー補給能力が高い状態で維持されるとともに、トナー凝集を抑制することができるので、トナーカートリッジ２００を備える画像形成装置１００は、トナー消費速度が速い高速プロセスにも対応できるとともに、高品位の画像を形成することができる。

また、この画像形成装置１００を用いて画像を形成する画像形成方法では、画像形成装置１００は、トナー凝集のないトナーを現像ユニット２に安定して供給することができるので、この画像形成方法では、トナー消費速度が速い高速プロセスにも対応できるとともに、長期間に渡って高品位の画像を安定して形成することができる。

２００ トナーカートリッジ
２０１ トナー搬送スクリュー部
２０１ａ 回転軸
２０１ｂ トナー搬送ブレード
２０２ トナー排出口
２０２ａ トナー排出部
２０５ 容器本体
２０５ａ トナー収容室
２０５ｂ 蓋体
２０５ｃ 内壁面
２０８ スクリューコンベア手段
２１６ａ 第１回転軸部分
２１６ｂ 第２回転軸部分
２１７ｂ 第２ブレード部分
２１８ａ，２１８ｂ 旋回周期

Claims (5)

1. トナーが収容されるトナー収容空間を有する容器本体と、容器本体のトナー収容空間内に設けられ、前記トナーを排出するためのトナー排出部に臨み、前記トナー排出部に向けて前記トナーを搬送するスクリューコンベア手段とを備えるトナーカートリッジであって、
   スクリューコンベア手段は、
   トナーの搬送方向に平行な軸線まわりに回転駆動される回転軸であって、前記トナー排出部を臨む位置にのみ設けられる第１回転軸部分と、第１回転軸部分に同軸に連なり、第１回転軸部分よりも小径の第２回転軸部分とを含む回転軸と、
   前記回転軸に設けられる螺旋状のトナー搬送ブレードであって、前記第１回転軸部分に形成される第１ブレード部分と、前記第２回転軸部分において、前記第１ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期よりも小さい旋回周期で形成される第２ブレード部分とを含むトナー搬送ブレードとを有し、
   前記スクリューコンベア手段の外径をＲとし、第１回転軸部分の軸径をｒ１とし、第２回転軸部分の軸径をｒ２とし、第１ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期をＰ１とし、第２ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期をＰ２とした場合、下記式（１）で表わされる、スクリューコンベア手段における第１回転軸部分の有効スクリュー断面積Ｓ１と、下記式（２）で表わされる、スクリューコンベア手段における第２回転軸部分の有効スクリュー断面積Ｓ２と、第１ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期Ｐ１と、第２ブレード部分の回転軸線に関する旋回周期Ｐ２とが下記式（３）を満たすことを特徴とするトナーカートリッジ。
   Ｐ１×Ｓ１＝Ｐ２×Ｓ２ …(３)
2. 前記スクリューコンベア手段は、前記回転軸を回転駆動させる駆動力を前記回転軸に伝達する伝達手段を含み、
   前記伝達手段は、前記第１回転軸部分に連結されていることを特徴とする請求項１に記載のトナーカートリッジ。
3. 静電潜像が形成される感光体と、感光体にトナーを供給して前記静電潜像を現像する現像手段と、現像手段にトナーを補給するトナー補給手段とを備える画像形成装置であって、
   前記トナー補給手段が、請求項１または２に記載のトナーカートリッジであることを特徴とする画像形成装置。
4. トナーカートリッジの前記トナー排出部から排出されるトナーを前記現像手段に導く案内手段をさらに含み、
   前記案内手段は、鉛直方向両側に開放される連通空間であって、前記トナーが前記トナー排出部から前記現像手段に向けて流過する連通空間を有する連通案内部を含むことを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
5. 請求項３または４に記載の画像形成装置を用いて画像を形成することを特徴とする画像形成方法。