JP2004272205A - 画像形成装置と画像形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】現像剤の置かれる環境変化に対して適切な現像コントラスト電位や背景電位に調整して常に最適な濃度の画像を形成する。
【解決手段】本発明の画像形成装置におけるＣＰＵは、環境検出手段により検出された温度及び相対湿度とから飽和水分量を算出し、相対湿度の２乗値と掛け合わせて環境パラメータ値とし、環境パラメータ値を用いて予め算出した現像コントラスト電位との相関近似式に則って、適正な現像コントラスト電位を設定する。
【選択図】図２

Description

この発明は、電子写真方式を用いて原稿の画像を読み取り画像を形成する画像形成装置と画像形成方法に関する。

従来、電子写真方式を用いた画像形成装置においては、形成する画像の濃度を一定に保つため、感光体ドラムの帯電電位、現像器に印加する現像バイアス電位等を調整し、現像コントラスト電位や背景電位等の画像形成条件の制御を行っている。特にカラー画像形成装置においては、各色毎の現像剤の特性に応じた画像形成条件を設定し、各色毎の濃度がおおよそ同一濃度となるように調整している。

調整方法は、現像工程を経て感光体ドラムまたは中間転写体に未定着のトナー像（濃度パッチ）を形成し、センサで濃度を測定し、方式により装置内の環境条件をモニタし、濃度再現状況を修正した上で目標濃度との誤差分を求める。この誤差分に対しフィードバックゲインを乗じることにより、制御ループ内での設定値補正量を算出し、適切な現像コントラスト電位や背景電位を求めている。

しかしながら、最適な現像コントラスト電位や背景電位を算出した上で、帯電電位、現像バイアス、露光量の設定をする制御において、これらの値を算出するには複雑な計算が必要とされる。また、濃度調整後、濃度パッチが目標値に対して誤差の修正がなされているか確認するため、再度、濃度パッチを作成して検出する必要がある。その結果、目標値との誤差が修正しきれていない場合、再び、濃度パッチと目標値との誤差からフィードバックゲインを乗じることにより設定値の補正量を算出し、制御ループ内で現像コントラスト電位や背景電位を求め直すことになる。

これらの処理にかかる時間は、濃度パッチの作成方式にもよるが、比較的長い時間を必要とする。その間に装置内の環境条件の変動等が加わった場合、濃度パッチの濃度再現状況にも変化が生じて、目標値との誤差が縮小しない現象が発生する。その結果、過大な処理時間が必要になることがある。これは、装置内の湿度の変化による現像剤の吸湿具合が濃度パッチの濃度に変化を与えるからで、その現象は顕著である。特にカラー画像形成装置では、各色毎の現像剤の吸湿による濃度パッチの濃度変化はまちまちであり、結果として濃度差が目立ってしまうという問題があった。
特許番号第２８０８１０７号公報 特開平６−２８２１６６号公報

上記したように、最適な現像コントラスト電位や背景電位を算出した上で、帯電電位、現像バイアス、露光量の設定をする制御において、濃度パッチの作成方式にもよるが、その処理に比較的長い時間を必要とする。その間に装置内の環境条件の変動等が加わった場合、濃度パッチの濃度再現状況にも変化が生じて、目標値との誤差が縮小しない現象が発生する。その結果、過大な処理時間が必要になることがある。これは、装置内の湿度の変化による現像剤の吸湿具合が濃度パッチの濃度に変化を与えるからで、その現象は顕著である。特にカラー画像形成装置では、各色毎の現像剤の吸湿による濃度パッチの濃度変化はまちまちであり、結果として濃度差が目立ってしまうという問題があった。

この発明の目的は、現像剤の置かれる環境変化に対して適切な現像コントラスト電位や背景電位に調整して常に最適な濃度の画像を形成できる画像形成装置と画像形成方法を提供することである。

この発明の画像形成装置は、単数または複数の色の現像剤を用いて感光体上に潜像を形成する像形成手段を有して画像を形成する画像形成装置であって、前記単数または複数の色の現像剤を供給する現像部の近傍に設けられ、温度、相対湿度とを含む前記現像剤の環境を検出する環境検出部と、この環境検出部で検出された環境条件に基づいて環境パラメータ値を算出する算出部と、この算出部で算出された環境パラメータ値を用いて現像コントラスト電位を現像剤の色毎に決定する決定部と、この決定部で決定された現像コントラスト電位が得られるよう前記像形成手段を制御する制御部とから構成されている。

また、この発明の画像形成方法は、単数または複数の色の現像剤を用いて感光体上に潜像を形成する像形成手段を有して画像を形成する画像形成方法であって、前記単数または複数の色の現像剤を供給する現像器の近傍で温度を検出し、この検出された温度から飽和水分量を算出し、前記単数または複数の色の現像剤を供給する現像器の近傍で相対湿度を検出し、この検出された相対湿度と前記算出された飽和水分量とから環境パラメータ値を算出し、この算出された環境パラメータ値に基づいて現像コントラスト電位を前記現像剤の色毎に決定し、この決定された現像コントラスト電位が得られるよう前記像形成手段を制御するようにしたことを特徴とする。

本発明の画像形成装置は、現像剤の置かれる環境変化に対して適切な現像コントラスト電位や背景電位に調整し、常に最適な濃度の画像を形成することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、この発明の画像形成装置に係る電子写真方式を用いたカラーデジタル複写装置１の内部構成を示す断面図である。すなわち、カラーデジタル複写装置１は，複写対象物Ｏが保持する画像情報を光の明暗として読み取って画像信号を生成するスキャナ１０１、およびスキャナ１０１あるいは外部から供給される画像信号に対応する画像を形成するプリンタ１０２からなる。

スキャナ１０１により読み取られて画像メモリ（図示しない）に記憶されている画像データに基づく露光光が、露光装置１０５から感光体ドラム１０３の所定の位置に照射される。これにより、感光体ドラム１０３に、露光光の強度に応じた潜像が形成される。

感光体ドラム１０３に形成された潜像は、黒の単色すなわちＢｋ画像を現像するための黒（Ｂｋ）現像装置１１、またはカラー画像を構成するＣ（Cyan），Ｍ（Magenta），Ｙ（Yellow）の３色の単色画像を現像するためのカラー現像装置２１のいずれかから対応する色のトナーが選択的に供給されることで、トナー像として可視化（現像）される。なお、カラー現像装置２１には、Ｃ（Cyan）のトナーで現像するＣ現像装置２３、Ｍ（Magenta）のトナーで現像するＭ現像装置２４、Ｙ（Yellow）のトナーで現像するＹ現像装置２５とが配置されている。

感光体ドラム１０３上のトナー像は、感光体ドラム１０３が回転されることにより、転写ベルト（中間転写体）１０６と感光体ドラム１０３とが対向されている中間転写位置に搬送される。

中間転写位置に搬送された感光体ドラム１０３上のトナー像は、中間転写装置１０７から提供される中間転写電圧により、転写ベルト１０６に転写される。

転写ベルト１０６に転写されたトナー像は、出力媒体へのトナー像の転写位置である転写装置１０８と転写ベルト１０６とが対向される領域に搬送される。また、所定のタイミングでカセット１２１ａまたは１２１ｂから取り出された用紙Ｐは、アライニングローラ１２３により、感光体ドラム１０３上のトナー像の位置とタイミングが整合されて転写位置に搬送され、トナー像が転写される。なお、転写装置１０８からは、所定の転写電圧が出力される。また、用紙Ｐは、利用者の要求に従って，例えば着色された用紙や透明な樹脂シートに置き換えられてもよい。

トナー像が転写された用紙Ｐは，定着装置１０９に搬送され，定着装置１０９から所定の熱が供給される。これにより、トナー像を構成するトナーが溶融され、用紙Ｐに定着される。

また、カラー現像装置２１の近傍には、トナー濃度検出器３０が設けられている。

さらに、本発明では、カラー現像装置２１の近傍（図示しないトナーホッパ近傍）に、トナーの置かれている環境（主に吸湿）が良く反映される位置に、温度センサ３１、大気圧センサ３２、及び相対湿度センサ３３とで構成された環境検出手段としての環境センサが設けられている。さらに、転写ベルト１０６の近傍にも、濃度検出器３４が設けられている。

図２は、カラーデジタル複写装置１の制御系を示すものである。すなわち、カラーデジタル複写装置１の全体を制御するＣＰＵ２が設けられている。ＣＰＵ２には、予め決められた数値データあるいはカラーデジタル複写装置１を動作させるための制御データなどが記憶されているＲＯＭ３、入力される複写条件データなどが一時的に記憶されるＲＡＭ４、及び画像形成手段としての複写機構部５とが接続されている。

複写機構部５は、図１で説明したカラーデジタル複写装置１の内部構成の各部に対応している。また、複写機構部５は、現像コントラスト電位が得られるグリッド電圧等がＣＰＵ２によって制御される。

ＣＰＵ２には、トナー濃度検出器３０、温度センサ３１、大気圧センサ３２、相対湿度センサ３３、及び濃度検出器３４等から、検出出力及びセンサ出力が入力される。

次に、本発明の概略を説明する。

図３は、グリッドバイアス電圧（横軸のＶｇ）と感光体ドラム１０３の表面電位（縦軸）の関係を示すものである。Ｖｏは露光されない表面電位とグリッドバイアス電圧Ｖｇとの関係を示し、Ｖｅｒ（１，２）は露光された箇所の表面電位とグリッドバイアス電圧との関係を示したもので通常残留電位と呼ばれる。

ＶｏはＶｇと比例関係にあるが、長期間に渡る使用においてはこの比例式の傾きと切片が変化する。そのため、感光体ドラム１０３のライフ進行に合わせて適宜傾きと切片を修正することで、より正確にグリッドバイアスと表面電位との関係を制御できる。

Ｖｅｒ（１，２）も同様にＶｇとおおよそ比例関係にあるが、Ｖｏと比較して傾きと切片はＶｏより小さく、また、Ｖｇが大きくなるにつれてＶｅｒの傾きは大きく切片は小さくなる傾向にある。従って、図中のように２直線以上の近似式を用意しておくことがより効果的である。

ＣＰＵ２は、図３に示したＶｏ、Ｖｅｒ（１，２）ような帯電カーブを想定し、このカーブ内において後述する現像コントラスト電位、すなわち現像バイアスのＤＣ成分とＶｅｒ（１，２）の差分を、後述する現像コントラスト電位の演算結果と一致するよう制御する。この場合、グリッドバイアス電圧Ｖｇを演算により求めることで、必要とされる現像コントラスト電位を得ることが可能である。

次に、このような構成において、現像コントラスト電位の制御動作について図４のフロチャートを参照して説明する。

まず、ＣＰＵ２は、温度センサ３１と大気圧センサ３２とを用いて温度と大気圧を測定する（ＳＴ１）。

また、ＣＰＵ２は、図３で説明した制御ループ内に帯電カーブを作成する（ＳＴ２）。

ここで、ＣＰＵ２は、該条件での温度、さらに大気圧下における環境情報により、単位体積あたりに含有できる最大の水分量（飽和水分量）を算出する（ＳＴ３）。飽和水分量は厳密に言えば大気圧によって変化するが、一般的な１気圧（１０１３．２５ｈＰａ）と仮定する。

飽和水分量は、温度別に予め制御ループ内に用意されたテーブル３ａによって求める。このテーブル３ａは、ＲＯＭ３に予め記憶されている。

図５は、テーブル３ａの一例である。

測定された温度がテーブル３ａ内に設けられた整数で示される温度と一致しなかった場合（例えば、２７℃）は、２５℃と３０℃で示される値で線形補間して求めることにする。なお、テーブル３ａ内に用意する温度の区分わけを細かくすれば、より正確な値が求められるのは言うまでもない。飽和水分量の値は、単位を（ｘ１０^−３ｋｇ／ｋｇＤ．Ａ．）として、そのまま使用する。

続いて、ＣＰＵ２は、相対湿度センサ３３を用いて相対湿度（％R.H.）を測定する（ＳＴ４）。相対湿度の測定値は、単位を（％R.H.）としてそのまま使用する。相対湿度センサ３３は、電子写真方式の画像形成装置に用いられる各種のものが利用可能である。

続いて、ＣＰＵ２は、以下の演算式を用いて環境パラメータ値を算出する（ＳＴ５）。

環境パラメータ値＝（ステップＳＴ３で求められた飽和水分量）×（ステップＳＴ４で測定した相対湿度の値）^２
図６は、上述したステップＳＴ５で求められた環境パラメータ値を横軸に、そのパラメータ値から割り出される現像コントラスト電位を縦軸に示したものである。図中の線は、対数変換された相関近似式によるものであるが、複数の直線近似式を組み合わせることによって現像コントラスト電位を設定することも可能である。これは、図７に示すように、環境パラメータ値をいくつかのブロックに分割し、直線近似式の端々の現像コントラスト電位をテーブル３ａ上に用意し、２直線間で線形補間した式から、環境パラメータ値に合わせた現像コントラスト電位を割り出して設定するものである。

ステップＳＴ５で用意される対数変換された相関近似式、あるいは複数の直線近似式を組み合わせた近似式は、現像剤の種類別に実験により求められる。従って、電子写真方式の画像形成装置において、単色機では一種類の現像コントラスト電位算出の近似式を用意すれば良いが、カラー機では色毎に近似式を求めて制御ループ内に用意しておく必要がある。

なお、ステップＳＴ３では大気圧を１気圧（１０１３．２５ｈＰａ）の時として説明したが、大気圧毎のテーブルを用意しても良い。この場合、その都度、演算テーブルを切り換えることで、より正確な最大含有水分量を算出できる。従って、最終的にステップＳＴ５で求められる現像コントラスト電位がより正確な値となる。

そして、ＣＰＵ２は、現像コントラスト電位を算出してＲＡＭ４に格納する（ＳＴ６）。

そこで、ＣＰＵ２は、帯電カーブ上で算出された現像コントラスト電位が得られるグリッド電圧を演算して設定する（ＳＴ７）。

以下に、図６，７で示した近似式の実行性（有効性）を確認する方法について述べる。以下、実験例である。

本発明による現像コントラスト電位算出のための近似式を求めるにあたり、以下の現像剤を使用した。

現像剤は２成分現像方式であり、ポリエステル系の樹脂成分を持つトナーとフェライト系の磁性キャリアとを攪拌混合したもので、摩擦帯電によりトナーに電荷量が与えられている。そして、トナーは、像担持体である感光体ドラム１０３上の静電潜像に付着する。トナーの付着量は、トナーの各環境下における帯電特性と画像形成装置の現像コントラスト電位により決定される。上述したトナー及び同材質のキャリアが同一条件で混合され、同一環境に一定時間放置された際、各現像剤のトナーの帯電特性は、初期時、常に一定である。従って、帯電量に見合って得られる画像濃度は、現像コントラスト電位によって変化されるものとして扱った。

まず、感光体ドラム１０３の光減衰特性を求める。環境は、１０℃、２５℃、５０℃の三つの環境とし、グリッドバイアスを３００Ｖ、６００Ｖ、９００Ｖとして感光体ドラム１０３の一面に帯電させて表面電位Ｖｏを測定した。

続いて、露光にはレーザ光を用い、レーザパワーを０〜６００μＷ間で任意に変化させて露光量を制御し、残留電位Ｖｅｒを測定した。

以上の結果から図３に示したようなグリッドバイアス電圧と表面電位の関係を求めた。

背景電位Ｖｂｇを一定として、現像バイアス電位Ｖｂの式を設ける。表面電位Ｖｏに対し、残留電位Ｖｅｒの傾きが緩やかであることから、グリッドバイアス電位Ｖｇを大きくとることで現像コントラスト電位Ｖｃが徐々に大きくなっていく。従って、グリッドバイアスＶｇを変化させることで、現像コントラスト電位も所望の値に調整することが可能となった。

続いて、現像剤のγカーブを測定した。γカーブは、コントスト電位を変化させて画像濃度を変化させ、現像剤の特性を示したものである。これにより、得たい画像濃度を「１．４」とした場合の必要な現像コントラスト電位を割り出すことができ、その値を記録する。

さらに、現像剤を各種環境下に放置し、上記同様γカーブを測定する。環境の影響によりトナーの帯電特性が変化して画像濃度は変化するが、得たい画像濃度を「１．４」として必要な現像コントラスト電位をγカーブより割り出し、その値を記録する。同時に、測定環境下での温度、相対湿度を測定し、環境パラメータ値の算出のため記録しておく。実験槽内の大気圧は常に一定（１気圧）に維持されている。

環境パラメータは、以下の式で求められる。

環境パラメータ＝(各実験時の温度に対する飽和水分量)×(相対湿度の値)^２
上述した結果を元に、環境パラメータを算出して横軸に配置し、その際、画像濃度１．４を得るのに必要な現像コントラスト電位Ｖｃを縦軸に配置したものを図８に示した。この図８上のプロット点を対数近似して相関式を求めた。

相関式が求められたことで、各環境あたりで必要とされる現像コントラスト電位が算出可能となった。この相関式が有効であるかを確認するため、上記で既に実施した環境と大気圧以外は異なる温度、相対湿度下で、算出された現像コントラスト電位による画像濃度がどれくらいかを確認した。

図９は、その結果を示すものである。

上述したように、目標とする画像濃度「１．４」に対し、±０．５の範囲内で画像濃度が得られた。従って、環境パラメータと現像コントラスト電位値の相関式は有効であると結論づけられる。

上述した実験は、カラーデジタル複写装置１に使用される各色毎に同様に行った。この場合、色毎にγカーブが異なり画像濃度１．４が得られる現像コントラスト電位は異なったが、環境パラメータ値と現像コントラスト電位値が対数近似によって行われる点は同様であった。その相関式によって環境を変化させた際に必要とされる現像コントラスト電位に設定した上で得られる画像濃度は、常に１．４±０．５の範囲内であった。

よって、環境パラメータを元に算出される現像コントラスト電位はカラー現像装置に対しても有効であり、様々な電子写真方式の画像形成装置に適用ができると結論づけられる。

さらに、上記実験例では、２成分現像方式で実施したが、同様にトナーの帯電により画像濃度が左右される非磁性１成分現像方式でも有効である。

また、上記実施例では現像コントラスト電位をグリッドバイアス電圧により決定させたが、所望する現像コントラスト電位が得られれば現像剤の帯電電位等他の条件を変化させることにより決定させてもかまわない。

以上説明したように上記発明の実施の形態によれば、予め算出した現像コントラスト電位との相関近似式に則って適正な現像コントラスト電位を画像形成装置に与えることにより、環境変化に影響されず適正な画像濃度を得ることが可能となる。

これにより、従来のように、感光体又は中間転写体に未定着のトナー像（濃度パッチ）を形成してセンサで濃度を測定し、方式により装置内の環境条件をモニタして濃度再現状況を修正した上で目標濃度との誤差分を求め、これにフィードバックゲインを乗じることにより制御ループ内での設定値を補正する工程を省き、複雑な制御及び演算と濃度パッチを形成するのに必要な時間を削減することが可能になり、制御ループの簡略化と時間短縮とを図ることができる。

また、従来のフィードバックループとの並存も可能であり、その際はより精度の高い画像濃度の制御が可能となる。

なお、本願発明は、上記（各）実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題（の少なくとも１つ）が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果（の少なくとも１つ）が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

この発明の画像形成装置に係る電子写真方式を用いたカラーデジタル複写装置の内部構成を示す断面図。 カラーデジタル複写装置の制御系を示すブロック図。 グリッドバイアス電圧と感光体ドラムの表面電位の関係を示す図。 現像コントラスト電位の制御動作について説明するためのフロチャート。 テーブルの例を示す図。 環境パラメータ値と現像コントラスト電位との関係を示す図。 複数の直線近似式を組み合わせた場合の環境パラメータ値と現像コントラスト電位との関係を示す図。 相関式を説明するための図。 環境パラメータ値と現像コントラスト電位による画像濃度を示す図。

符号の説明

１…カラーデジタル複写装置、２…ＣＰＵ、３…ＲＯＭ、４…ＲＡＭ、５…複写機構部、２１…カラー現像装置、３０…トナー濃度検出器、３１…温度センサ、３２…大気圧センサ、３３…相対湿度センサ、３４…濃度検出器、１０１…スキャナ、１０２…プリンタ、１０３…感光体ドラム、１０５…露光装置、１０６…転写ベルト、１０７…中間転写装置、１０８…転写装置、１０９…定着装置。

Claims (3)

1. 単数または複数の色の現像剤を用いて感光体上に潜像を形成する像形成手段を有して画像を形成する画像形成装置であって、
   前記単数または複数の色の現像剤を供給する現像部の近傍に設けられ、温度、相対湿度とを含む前記現像剤の環境を検出する環境検出部と、
   この環境検出部で検出された環境条件に基づいて環境パラメータ値を算出する算出部と、
   この算出部で算出された環境パラメータ値を用いて現像コントラスト電位を現像剤の色毎に決定する決定部と、
   この決定部で決定された現像コントラスト電位が得られるよう前記像形成手段を制御する制御部と、
   を具備したことを特徴とする画像形成装置。
2. 単数または複数の色の現像剤を用いて感光体上に潜像を形成する像形成手段を有して画像を形成する画像形成装置であって、
   前記単数または複数の色の現像剤を供給する現像器の近傍に設けられ、温度を検出する温度検出部と、
   この温度検出部で検出された温度から飽和水分量を算出する第１の算出部と、
   前記単数または複数の色の現像剤を供給する現像器の近傍に設けられ、相対湿度を検出する相対湿度検出部と、
   この相対湿度検出部で検出された相対湿度と前記第１の算出部で算出された飽和水分量とから環境パラメータ値を算出する第２の算出部と、
   この第２の算出部で算出された環境パラメータ値に基づいて現像コントラスト電位を前記現像剤の色毎に決定する決定部と、
   この決定部で決定された現像コントラスト電位が得られるよう前記像形成手段を制御する制御部と、
   を具備したことを特徴とする画像形成装置。
3. 単数または複数の色の現像剤を用いて感光体上に潜像を形成する像形成手段を有して画像を形成する画像形成方法であって、
   前記単数または複数の色の現像剤を供給する現像器の近傍で温度を検出し、
   この検出された温度から飽和水分量を算出し、
   前記単数または複数の色の現像剤を供給する現像器の近傍で相対湿度を検出し、
   この検出された相対湿度と前記算出された飽和水分量とから環境パラメータ値を算出し、
   この算出された環境パラメータ値に基づいて現像コントラスト電位を前記現像剤の色毎に決定し、
   この決定された現像コントラスト電位が得られるよう前記像形成手段を制御するようにしたことを特徴とする画像処理方法。

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