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JP5087464B2 - 現像剤補給装置及び画像形成装置 - Google Patents
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JP5087464B2 - 現像剤補給装置及び画像形成装置 - Google Patents

現像剤補給装置及び画像形成装置 Download PDF

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本発明は、トナーとキャリアからなる2成分現像剤を現像装置に補給する現像剤補給装置及び画像形成装置に関するものである。
プリンタ、ファクシミリ、複写機、これらの少なくとも2つの機能を有する複合機等の画像形成装置においては、潜像担持体である感光体上に担持されている静電潜像に対してトナーなどの現像剤を用いて可視像処理が行われる。この可視像処理として、転写性、ハーフトーンの再現性、温度・湿度に対する安定性などの観点から、トナーとキャリアからなる2成分現像剤を用いた2成分現像方式が広く利用されている。2成分現像剤を用いた現像方式の場合には、可視像処理に用いられることで消費されたトナーを補給して現像剤濃度を一定に保つことが必要であり、このためトナーボトルやトナータンク等のトナー収容容器やトナーホッパから現像装置に新規トナー等が補給される。その一方で、キャリアは概ね新規トナーの補給に拘わらすそのまま使用されることが多い。
このため、キャリアの経時的な変化として、攪拌頻度の増加による劣化がある。キャリアの劣化はトナー消費量と関連があり、トナー消費量が少ないとき、つまり、画像面積率が小さい場合は、キャリアコート層の摩耗による低抵抗化の劣化が起こる。また、トナー消費量が多いとき、つまり、画像面積率が大きい場合には、トナーが表面に融着してしまうトナーフィルミングによる低帯電化の劣化が起こり易い。低抵抗化した場合は、ベタ部へのキャリア付着が発生する。一方、低帯電化した場合は、帯電不足による地肌汚れやトナー飛散が発生する。このようなキャリアの劣化による低抵抗化や低帯電化を防止するために、トナーの補給とは別にキャリアを補給することにより過剰となった現像剤を現像槽内から排出して劣化したキャリアを含む現像剤を新規な現像剤に置換するプレミックス現像方式と称される現像剤交換システムが特許文献1等により提案されている。
また、特許文献2に記載の画像形成装置では機械内部にサブホッパを有し、この種の装置では図1のようにトナーボトルからサブホッパにトナー搬送を行い、サブホッパから現像装置にトナー補給を行う方式が実用化されている。
このように機械内部にサブホッパを持つことで、ユーザーが交換を行うトナーボトルのトナーがなくなっても、しばらくはサブホッパ内のトナーによって印刷が可能になる。そのためトナーボトルにトナーがなくなり、トナーボトルの交換が必要になっても、一定の間は印刷が可能であり、空いた時間にトナーボトルを交換することができるため、マシンのダウンタイムの低減に大きな効果をもたらす。さらに、機械内部に設置されたサブホッパはトナーボトルから直接現像装置に補給するよりも高精度にトナーを現像装置に供給することが容易である。
一方、サブホッパがない場合は、トナーボトルと現像装置の配置に制約が設けられ、レイアウト上の理由から機械の小型化が困難であり、高精度にトナーを現像装置に供給する工夫もしなければならない。
ところで、トナーとキャリアを混合して現像装置に補給するプレミックス方式の場合、トナーとキャリアの比重の差が大きいため、トナーボトルから供給されるトナーに含まれるキャリアの割合が変動し、通常はトナーボトルの後半にキャリアの割合が多くなる。
これに対し、サブホッパから現像装置に補給するトナーはキャリアの割合によって変化し、キャリアの割合が増加するにつれて、単位時間当たりのトナー供給量は減少する。かかる現象が発生する原因について完全に究明されていないが、サブホッパから補給するトナーはある程度締まってしまい、流動性が後退してしまうことが原因であると推測される。通常、現像装置にトナーを補給する際には、必要なトナー量を計算し、その量に対応する時間だけサブホッパから現像装置にトナー補給が行われる。その結果、現像装置の求める狙いのトナー量に対して実際に補給されるトナーの量はキャリアの割合によって変動し、現像装置内のトナー濃度調整に狂いが生じ、印刷画像の濃度変動や地汚れ、トナー飛散、キャリア付着等の悪影響を引き起こす問題があった。
特開2004−29306号公報 特許第4006215号公報
本発明は、上記した従来の問題を解消し、サブホッパを介してトナーとキャリアが混合された現像剤を精度良く補給することができる現像剤補給装置及び画像形成装置を提供することである。
上記の目的を達成するため、本発明は、トナーとキャリアからなる2成分現像剤を収納する交換可能な現像剤容器と、該現像剤容器に収納された現像剤を搬送する現像剤搬送手段と、該現像剤搬送手段を介して搬送された現像剤を一時的に貯蔵するサブホッパと、該サブホッパに貯蔵した現像剤を現像装置に補給する現像剤補給手段とを有する現像剤補給装置において、前記サブホッパ内におけるトナーに対するキャリアの重量比を算出し、算出したサブホッパ内でのトナーに対するキャリアの重量比に応じて前記現像剤補給手段の作動時間を調整することを特徴とする現像剤補給装置を提案する。
なお、本発明は、前記サブホッパ内におけるトナーに対するキャリアの重量比が前記現像剤容器の現像剤残量をもとにして算出すると有利である。
さらに、本発明は、前記現像剤搬送手段がポンプによる圧力差を利用して搬送する装置で、前記現像剤補給手段が螺旋状部材の回転によって補給する装置であり、前記現像剤搬送手段と前記現像剤補給手段とにおけるある量のトナーに対する作動時間の差から前記サブホッパ内におけるトナーに対するキャリアの重量比を算出すると有利である。
さらにまた、本発明は、前記現像剤搬送手段と前記現像剤補給手段との比較を、真近の一定時間の平均を用いて行うと有利である。
さらにまた、本発明は、前記現像剤搬送手段が一軸偏芯スクリューポンプであると有利である。
さらにまた、本発明は、前記現像剤補給手段がスクリューであると有利である。
また、上記の目的を達成するため、本発明は、請求項1ないし6の何れかに記載の現像剤補給装置を用いることを特徴とする画像形成装置を提案する。
本発明のよれば、サブホッパから現像装置へのトナー補給において、キャリアの割合を考慮して補給時間を調整することによって、プレミックス方式でも現像装置が求めるトナー量を正確に供給することが可能になり、印刷物の濃度安定化や異常画像の防止を行うことが可能になった。
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る現像補給装置を用いる画像形成装置の一例を示すカラーレーザープリンタの要部を示す概略構成図である。このプリンタは、イエロー,シアン,マゼンタ,ブラック(以下、Y,C,M,Kと記す)の各色のトナー像を形成するための4つの感光体1Y,C,M,Kを備えている。また、互いに水平方向に並べられたこれら感光体1Y,C,M,Kの下方に、転写装置5を備えている。
感光体1Y,C,M,Kを備えた各色の画像形成部は形成されるトナーの色が異なる点の他は、ほぼ同様の構成になっているおり、ここではYトナー像を形成するためのY用の画像形成部について説明する。
Y用の画像形成部は、図中反時計回り方向に回転駆動されるドラム状の感光体1Yの周りに、一様帯電装置2Y、光書込ユニット3Y、現像装置4Y、クリーニング装置5Y等を有しており、これらを共通のケーシングで保持してプリンタ本体に対して一体的に着脱されるようになっている。感光体1Yは、アルミ等の素管に有機感光層が被覆されたものである。
一様帯電装置2Yは、図中矢印A方向(反時計回り方向)に回転駆動される感光体1Yの表面をコロナチャージによって例えば負極性に一様帯電せしめる。
光書込ユニット3Yは、レーザーダイオード等からなる光源、正六面体のポリゴンミラー、これを回転駆動するためのポリゴンモータ、fθレンズ、レンズ、反射ミラー等を有している。図示しないパーソナルコンピュータ等から送られてくる画像情報に基づいて駆動される光源から射出されたレーザー光Lは、ポリゴンミラー面で反射してポリゴンミラーの回転に伴って偏向せしめられながら、感光体1Yに到達する。これにより、感光体1Yの表面がそれぞれ光走査されて、感光体1Yの表面にY用の静電潜像が形成される。
Y用の現像装置4Yは、ケーシングに設けられた開口から周面の一部を露出させる第1現像ロール41Yと第2現像ロール42Yとを有している。これら現像ロールは、それぞれ図示しない駆動手段によって回転駆動せしめられる非磁性パイプからなる現像スリーブと、これに連れ回らないように内包される図示しないマグネットローラとを有している。現像装置4Y内には、磁性キャリアとマイナス帯電性のYトナーとを含む図示しないY現像剤が内包されている。このY現像剤は、図示していない3本の搬送スクリューによって撹拌搬送されてYトナーの摩擦帯電が促されながら、それら現像ロールの現像スリーブに担持されて現像に使用される。
現像スリーブと感光体1Yとが対向する現像領域では、図示しない電源から出力される負極性の現像バイアスが印加される現像スリーブと、感光体1Y上の静電潜像との間に、負極性のYトナーをスリーブ側から潜像側に静電移動させる現像ポテンシャルが作用する。また、現像スリーブと感光体1Yの一様帯電箇所(地肌部)との間に、負極性のMトナーを地肌部側からスリーブ側に静電移動させる非現像ポテンシャルが作用する。現像スリーブ上のY現像剤内のYトナーは、現像ポテンシャルの作用によってスリーブ上から離脱して感光体1Yの静電潜像上に転移する。この転移により、感光体1Y上の静電潜像がYトナー像に現像される。なお、感光体1Y上のYトナー像は、後述する転写装置5によって矢印B方向に走行される中間転写ベルト7上に転写される。
現像装置4Yには、収容されているY現像剤の透磁率に応じた値の電圧を出力する透磁率センサ(図2に示す)としてのトナー濃度センサを有し、トナー濃度センサはトナー濃度に応じた値の電圧を出力する。この出力電圧の値は、図示しない補給制御部に送られる。この補給制御部は、RAM等の記憶手段を備えており、その中にY用のトナー濃度センサからの出力電圧の目標値であるM用Vtrefや、他の現像装置に搭載されたトナー濃度センサからの出力電圧の目標値であるC,M,K用のVtrefのデータを格納している。Y用の現像装置4Yについては、Y用のトナー濃度センサからの出力電圧の値とY用のVtrefを比較し、後述する現像剤補給装置10を比較結果に応じた時間だけ駆動させる。そして、これにより、補給用のY現像剤を現像装置4Yに補給する。このように制御されることで、現像に伴ってYトナー濃度を低下させたY現像剤に適量のY現像剤が補給され、現像装置4Y内のY現像剤のYトナー濃度が所定の範囲内に維持される。なお、現像装置4C,M,Kについても、同様の補給制御が実施される。
感光体1Y上で現像されたYトナー像は、後述する中間転写ベルト7のおもて面に転写される。転写工程を経た感光体1Yの表面には、中間転写ベルト7上に転写されなかった転写残トナーが付着している。この転写残トナーは、クリーニング装置5Yによって除去される。このようにして転写残トナーが除去された感光体1Yの表面は、除電ランプ(図示せず)によって除電された後、一様帯電装置2Yによって再び一様帯電せしめられる。
Y用の画像形成部について詳しく説明したが、他色用の画像形成部においても、同様のプロセスによって感光体1C,M,Kの表面にC,M,Kトナー像が形成される。
上記転写装置5は、感光体1Y,C,M,Kの図中下方で、無端状の中間転写ベルト7のループ内に配設されている。各色の感光体1Y,C,M,K上に形成されたY,C,M,Kトナー像は、転写装置5により中間転写ベルト7上に順次重ね合わせて転写される。これにより、中間転写ベルト7上には4色重ね合わせトナー像(以下、4色トナー像という)が形成される。
中間転写ベルト7が巻き掛けられたローラの1つ、本例では最下位置のローラが2次転写バイアスローラ71として構成され、この2次転写バイアスローラ71には、図示しない電源や配線からなる電圧印加手段によって2次転写バイアスが印加される。
本プリンタは、図示しない給紙カセットを備えており、その中に記録紙8を複数枚重ねた記録紙束の状態で収容している。そして、一番上の記録紙8を所定のタイミングで給紙路に送り出す。送り出された記録紙8は、給紙路の末端に配設されたレジストローラ対(図示せず)を介して中間転写ベルト7上の4色トナー像に同期させ得るタイミングで送り出され、2次転写バイアスローラ71の作用によって記録紙8上に一括2次転写される。このようにしてフルカラー画像が形成された記録紙8は、2次転写ニップから排出された後、図示しない定着装置に送られてフルカラー画像が定着せしめられる。
図2は、現像剤補給装置10の一構成例を示す概略図である。
図2において、現像剤補給装置10はトナーとキャリアからなるプレミックス現像剤を収納する交換可能な現像剤容器としての現像剤ボトル11と、その現像剤ボトル11に収納されたプレミックス現像剤を搬送する現像剤搬送手段としての搬送ポンプ12と、その搬送ポンプ12を介して搬送された現像剤を一時的に貯蔵するサブホッパ13と、該サブホッパ13に貯蔵した現像剤を現像装置に補給する現像剤補給手段としての搬送スクリュー14を有している。
この現像剤補給装置10は印刷動作によって消費したトナー分をサブホッパ13から搬送スクリュー14を介して現像装置4に補給する。そして、サブホッパ13にはセンサ15が設けられ、現像装置4への補給により収容している現像剤が減ると、現像剤ボトル11から搬送ポンプ12を介して現像剤が搬送され、サブホッパ13はセンサ15が取り付けられた検知位置までの量の現像剤が常時存在するように制御される。
このように構成される現像剤補給装置10は、トナーとキャリアからなるプレミックス現像剤を補給するので、キャリア劣化による画質低下を防止でき、さらにサブホッパ13を備えているので、現像剤ボトル内の現像剤が空になりボトル交換が必要になっても、一定の間は印刷が可能であるので、空いた時間にボトル交換ができる。さらに、サブホッパ13から搬送スクリュー14を用いて現像剤を補給するので、高精度に現像剤を現像装置に供給することが容易である。
このように、現像剤補給装置10は種々の利点を有しているが、プレミックス現像剤はキャリアの比重がトナーに比べて非常に大きいため、現像剤ボトル11から排出しにくい。図3は、現像剤ボトル11内に存在するトナー量と現像剤ボトル11から排出されるトナーが有するキャリアの重量比の関係を表したものである。ここで最初に現像剤ボトル11に充填したトナーとキャリアはそれぞれ1840g、160gであり、キャリアの割合は重量比で8%であった。図3のグラフから前半はほとんどキャリアが出てこないことが判る。
また、図4はサブホッパ13から搬送スクリュー14を用いて現像装置4に供給される時間当たりのトナー重量を表したグラフであり、破線はトナーとキャリアの合計、実線はキャリアを除いたトナー重量に換算してある。この結果から、搬送スクリュー14の補給はキャリアの割合が増加するにつれて、時間当たりのトナー補給量が減少することがわかる。したがって、キャリア率が高くなると、計算された時間、搬送スクリュー14を稼動させても補給されるトナー量が少なくなってしまった。この問題が発生する原因は、完全に解明されていないが、トナーの凝集度が関係しているものと推察される。この結果、現像装置4に狙いのトナー量が補給されれずに、トナー濃度が不安定になり画像品質の悪化等を招くおそれがあることは先に説明した。
そこで、本実施形態の現像剤補給装置10は補給制御部によって図5に示すフローチャートに従って制御される。
図5において、印刷画像の画像面積やトナー濃度センサの値等から現像装置4に補給するトナー量を計算し(ステップ1)、図3のグラフを基に現像剤ボトル11の残量からキャリア率を計算する(ステップ2)。その計算したキャリア率から図4のグラフを基に補給時間を算出し(ステップ3)、搬送スクリュー14をその算出した補給時間稼動させる(ステップ4)。具体的には必要とするトナー時間に対してキャリアの割合が多いほど補給時間を長くする補正を行うが、例として図4でキャリア率が40%のときのトナー補給量は0%のときの0.775倍であるので、キャリア率が40%ときは実際の補給時間を狙いの計算値から1.29(=1/0.775)倍とする。
このように構成することで、現像装置4に補給されるトナー量が必要なトナー量となるため、現像装置4のトナー濃度が安定になる。なお、この制御において現像剤ボトル11内に存在する現像剤量を把握する必要があり、このため図6に示すようにフローチャートに基づいて制御し、現像剤ボトル11内の残量を認識している。
ところで、上記実施形態では図2に示すように、現像剤搬送手段として負圧を発生させてトナーを搬送する搬送ポンプ12を用いている。この搬送ポンプ12は、図6に示すように、通称モーノポンプと呼ばれる吸い込み型の1軸偏芯粉体ポンプであって、その構成は金属などの剛性をもつ材料で偏芯したスクリュー形状に作られたロータ20と、ゴム等の弾性体で作られた2条スクリュー形状に作られたステータ21と、これらを包む樹脂材料などで作られたケース22とを有し、ステータ21はケース22に固定設置される。上記ロータ20は、図示していない駆動源と駆動連結された補給クラッチ23、そして軸継ぎ手24を介して回転駆動される。
このように構成された搬送ポンプ12は、補給クラッチ23がオンしてロータ20が回転されることにより、ポンプに強い自吸力が生じ,ケース22先端の吸い込み部から現像剤を吸い込み、吸い込んだ現像剤を軸継ぎ手24の近傍の排出部(図示せず)からサブホッパ13に送り出すことが可能となる。さらに、現像剤ボトル11から搬送ポンプ12までの搬送経路はシリコンチューブ16を用いるため、搬送にスクリューを使用する場合に比べて機械内部での這い回しが容易である。その結果、レイアウトの自由度が増し、機械の小型化を実現しやすくなる。またスクリューは、その搬送経路が長くなるとトナーにストレスを与えて、品質の劣化させるのに対して、搬送ポンプ12による搬送の場合、搬送経路が長くなることの影響はほとんど見られない。さらに、1軸偏芯粉体ポンプは単位時間当たりの搬送量がほぼ一定しているので、その稼動時間から現像剤ボトル11の残量を知ることができる。
このような搬送ポンプ12による現像剤搬送を行ったときの、キャリアの割合と搬送能力の関係を図7に示す。圧力差を用いて現像剤を搬送する場合、ポンプ内を通過する現像剤量で搬送能力が決定される。このため時間当たりの搬送能力は体積が一定となる。ここでキャリアに比べてトナーの比重は小さく、体積が大きいため、時間当たりに搬送されるトナーの量はサブホッパ13から現像装置4への補給量と異なりほぼ一定となる。
また、図2で示すようにサブホッパ内のトナーは、サブホッパ13が有するセンサ15の位置になるように制御されており、サブホッパ13から現像装置4に補給したトナーと同じ量のトナーが現像剤ボトル11から搬送される。
そこで、現像剤ボトル11からサブホッパ13への搬送時間とサブホッパ13から現像装置4への補給時間を比較することで、サブホッパ内のキャリアの割合を推定することが可能になり、その結果からキャリアの割合に応じてトナー補給の時間を決定する。
図8は、本実施形態の補給制御部による現像剤補給装置10の制御を示すフローチャートである。
図8において、一定期間内に現像装置4に補給したトナー量を計算し(ステップ1)、一定期間内にサブホッパ13に搬送した時間を計算する(ステップ2)。このとき、サブホッパ13のトナー量はほぼ一定であるため、現像剤ボトル11から搬送されるトナー量と現像機に補給するトナー量は同量とみなすことができる。また、一定期間とはサブホッパ13のトナー量のばらつきに対して十分長い時間、例えば搬送されるトナー量が数10g以上に相当する。
次に、サブホッパ13に搬送したトナー量と時間の比からキャリア率を推定し(ステップ3)、図5のフローチャートと同様に補給時間を計算する(ステップ4)。そして、計算された補給時間のトナー補給を行う(ステップ5)
このように制御することで、現像装置4が要求する量のトナーを正確に補給することができる。この制御では、トナーが粉体であることからサブホッパ13内のトナー量にはばらつきが生じるため、現像剤ボトル11からサブホッパ13への搬送能力とサブホッパ13から現像装置4への補給能力の比較においては一定時間の平均で行い、その結果から得られるキャリアの割合に応じてトナー補給の時間を決定する。さらに、一定期間を直近の一定の時間とすることで精度の良い制御が得られる。さらにまた、サブホッパ13内には一定量のトナーを常に維持するため、現像剤ボトル11からサブホッパ13にトナーを搬送してから、サブホッパ13から現像装置4にトナーを補給するまでの間に時間差が生じる。そこで現像剤ボトル11からサブホッパ13への搬送能力とサブホッパ13から現像装置4への補給能力の比較においては、サブホッパ13のトナー量に対応するだけの時間差を持たせ、より正確にキャリアの割合を計算する。すなわち、図8のフローチャートにおいてサブホッパ13の量に対応する分だけ一定時間に時間差を与えるこのように構成する。
さらに、搬送ポンプ12に用いた一軸偏芯スクリューポンプは、高い補給分解能を持つため最少補給時間を短くできることから機能的にふさわしい。このポンプによってトナーの搬送量の分解能を高め、搬送量にばらつきの少ないトナー供給を可能とする。
さらにまた、現像剤ボトル11からサブホッパ13への搬送は、ある程度のばらつきがあっても影響はないが、現像装置4に補給するトナーは、現像装置4内のトナー濃度を適正に保つために、高精度の分解能が必要とされる。そこでサブホッパ13から現像装置4への補給には搬送スクリュー14を用いることで、高い分解能でトナー補給を行うことができる。
本発明に係る現像剤補給装置を用いた画像形成装置の一例を示す概略構成図である。 本発明に係る現像剤補給装置の構成を示す説明図である。 ボトル内のトナー残量とキャリア率の関係を示すグラフである。 サブホッパから現像装置への補給時におけるキャリア率とトナー補給量の関係を示すグラフである。 現像剤補給装置の一実施形態を示す補給制御のフローチャートである。 搬送ポンプの一例を示す説明図である。 現像剤ボトルからサブホッパへの補給時におけるキャリア率とトナー補給量の関係を示すグラフである。 現像剤補給装置の他の実施形態を示す補給制御のフローチャートである。
符号の説明
1 感光体
4 現像装置
11 現像剤ボトル
12 搬送ポンプ
13 サブホッパ
14 搬送スクリュー

Claims (7)

  1. トナーとキャリアからなる2成分現像剤を収納する交換可能な現像剤容器と、該現像剤容器に収納された現像剤を搬送する現像剤搬送手段と、該現像剤搬送手段を介して搬送された現像剤を一時的に貯蔵するサブホッパと、該サブホッパに貯蔵した現像剤を現像装置に補給する現像剤補給手段とを有する現像剤補給装置において、
    前記サブホッパ内におけるトナーに対するキャリアの重量比を算出し、算出したサブホッパ内でのトナーに対するキャリアの重量比に応じて前記現像剤補給手段の作動時間を調整することを特徴とする現像剤補給装置。
  2. 請求項1に記載の現像剤補給装置において、前記サブホッパ内におけるトナーに対するキャリアの重量比が前記現像剤容器の現像剤残量をもとにして算出することを特徴とする現像剤補給装置。
  3. 請求項1に記載の現像剤補給装置において、前記現像剤搬送手段がポンプによる圧力差を利用して搬送する装置で、前記現像剤補給手段が螺旋状部材の回転によって補給する装置であり、前記現像剤搬送手段と前記現像剤補給手段とにおけるある量のトナーに対する作動時間の差から前記サブホッパ内におけるトナーに対するキャリアの重量比を算出することを特徴とする現像剤補給装置。
  4. 請求項3に記載の現像剤補給装置において、前記現像剤搬送手段と前記現像剤補給手段との比較を、真近の一定時間の平均を用いて行うことを特徴とする現像剤補給装置。
  5. 請求項1ないし4の何れかに記載の現像剤補給装置において、前記現像剤搬送手段が一軸偏芯スクリューポンプであることを特徴とする現像剤補給装置。
  6. 請求項1ないし4の何れかに記載の現像剤補給装置において、前記現像剤補給手段がスクリューであることを特徴とする現像剤補給装置。
  7. 請求項1ないし6の何れかに記載の現像剤補給装置を用いることを特徴とする画像形成装置。
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