JP2005331719A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 キャリア減耗量を正確に管理して現像剤ライフを決めると共に、現像剤ライフを通して、常に安定した画像濃度制御を行えると共に、モノクロやカラーに関係なくトナーのかぶりや飛散を起こすことのない画像形成装置を提供することを課題目的にする。
【解決手段】 像担持体としての感光体上に静電潜像を形成し、現像装置の現像剤担持体から供給される現像剤のトナーによって前記静電潜像を現像する画像形成装置において、作像する画像の面積率を検知する画像面積率検知手段と、前記現像装置の現像剤駆動距離を検知する現像剤駆動距離検知手段とを有し、前記の各検知手段によって検知される現像剤駆動距離と平均画像面積率から現像剤ライフを決定することを特徴とする画像形成装置。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、現像剤のライフを正確に決定し、画像濃度が常に適正値に維持され、かぶりや飛散やキャリア付着等現像時に起こる故障が無く安定した画像が得られるように制御できる画像形成装置に関する。

従来から、現像剤の使用過程を通じて、常に安定した画像が形成できるように画像形成装置を制御する試みが為されてきた。例えば、特許文献１に示すように消耗品としてのトナーの残量を検知記憶して残りプリント可能枚数を表示するようにしたものや、特許文献２に示すように、プロセスカートリッジ内のトナー情報を読み取り帯電バイアス条件を補正して適正画像を維持させようとするものや、特許文献３に示すように第１の画像面積率（以下印字率とも言う）で印字したときの印字枚数及びトナー濃度センサー出力の関係データと、第２の印字率で印字したときの印字枚数及びトナー濃度センサー出力の関係データと、を記憶し記憶されたデータに基づく所定計算式から推定した出力電圧とトナー濃度出力値によってトナー補給を制御するようにしたものや、特許文献４に示すように、１プリント毎の印字率が所定値より小さい場合に、画像形成を行う前に帯電露光現像の各手段を動作させ、印字率の割合に応じて市松模様パターンを形成させ転写をさせないように切り替えてそのパターンのトナーを強制排出させるようにしたものや、特許文献５に示すように、トナー濃度センサの検出値に基づくトナー消費量と、印字枚数，印字率，高圧手段のバイアス値に基づき算出されるトナー消費量との差分に応じてトナー帯電量を予測し、その予測トナー帯電量に基づき、トナー付着量が所定値になるように高圧手段の電圧値を調整するようにしたものや、特許文献６に示すように、現像剤搬送部材の温度情報と現像剤搬送部材の動作時間を積算し、その積算値に基づきライフエンドをを表示するようにしたものや、特許文献７に示すように、現像剤カートリッジのトナーシール開封検知をして開封スタート後からの画像形成時間を測定し、所定時間が経過したら、感光体帯電及び現像バイアスを変更してゆくようにしたもの等が知られている。

また、キャリア膜厚やスペント等は、現像剤担持体としての現像ローラの現像剤駆動距離（現像剤摺動距離）に応じて変化することは従来から知られていて、現像剤駆動距離（現像剤摺動距離）のカウント値で現像剤交換のメッセージをだしたり、トナー補給制御を実施していた。しかし、比較的高い印字率のコピーが行われるカラー画像形成装置においては、所定の現像剤駆動距離（現像剤摺動距離）に達していないにもかかわらず、トナーのかぶりや飛散が多くなったり、膜厚減耗の進行によりキャリア付着が発生しやすくなるといった問題が起こって来た。

そして、何れも正確な現像剤のライフエンドを把握できず、的確なトナー濃度や画像濃度に制御することが困難であった。

また、テスト時には比較的トナー濃度がばらつかないように制御されていても、市場においては、狙いより大きくばらつき、その結果かぶりや飛散の発生や、画像濃度が薄くなってしまう等の問題もあった。
特開２０００−３５１２７０号公報 特開平９−１２０２４９号公報 特許第２９３７３９２号公報 特許第３０２９６４８号公報 特開２００１−４２６１３号公報 特開２００３−２０８０６３号公報 特開２００１−１５４４７５号公報

本発明は上述のような問題点を解消して現像剤ライフを通して、常に安定した画像濃度制御を行えると共に、モノクロやカラーに関係なくトナーのかぶりや飛散を起こすことのない画像形成装置を提供することを課題目的にする。

この目的は次の（１）〜（８）の技術手段の何れかによって達成される。

（１）像担持体としての感光体上に静電潜像を形成し、現像装置の現像剤担持体から供給される現像剤のトナーによって前記静電潜像を現像する画像形成装置において、作像する画像の面積率を検知する画像面積率検知手段と、前記現像装置の現像剤駆動距離を検知する現像剤駆動距離検知手段とを有し、前記の各検知手段によって検知される現像剤駆動距離と平均画像面積率から現像剤ライフを決定することを特徴とする画像形成装置。

（２）前記の各検知手段によって検知される現像剤駆動距離Ｙと平均画像面積率Ｘを、現像剤駆動距離Ｙがある特定値Ｐ未満のときは下記の数式数１に入力し演算されて求まるキャリア膜厚減耗量Ｚ１、現像剤駆動距離Ｙがある特定値Ｐ以上のときは下記の数式数２に入力し、演算されて求まるキャリア膜厚減耗量Ｚ２が、規定された所定値に達したときを現像剤ライフに決定することを特徴とする（１）項に記載の画像形成装置。
ただし、α１、α２は現像剤駆動距離Ｙがそれぞれある特定値Ｐ未満のとき及びＰ以上のとき、補正係数を表す関数の方向係数であり、β１，β２は切片であり、α３、β３は数２の最終項の切片を構成する係数である。

（３）前記現像剤ライフが決定されて現像剤の交換時期が来たときには現像剤交換のメッセイジが表示されるようにしたことを特徴とする（１）又は（２）項に記載の画像形成装置。

（４）像担持体としての感光体上に静電潜像を形成し、現像装置の現像剤担持体から供給される現像剤のトナーによって前記静電潜像を現像する画像形成装置において、作像する画像の面積率を検知する画像面積率検知手段と、前記現像装置の現像剤駆動距離を検知する現像剤駆動距離検知手段と、前記現像装置の現像剤のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段と、前記現像装置にトナーを補給するトナー補給手段とを有し、前記の各検知手段によって検知される現像剤駆動距離と平均画像面積率とトナー濃度に基づいて、前記トナー補給手段を制御することを特徴とする画像形成装置。

（５）前記の各検知手段によって検知される現像剤駆動距離Ｙと平均画像面積率Ｘを、現像剤駆動距離Ｙがある特定値Ｐ未満のときは下記の数式数３に、現像剤駆動距離Ｙがある特定値Ｐ以上のときは下記の数式数４に入力し、演算されてトナー濃度検知手段に印加するコントロール電圧の補正値Ｖｃ１が求められ、下記の数式数５に示すように、そのコントロール電圧の補正値Ｖｃ１を、初期現像剤で決定したトナー濃度検知手段に印加するコントロール電圧の初期値Ｖｏから差し引いた値Ｖｃをトナー濃度検知手段に印加してトナー補給手段を制御するようにしたことを特徴とする（４）項に記載の画像形成装置。
ただし、Ｚ１、Ｚ２はそれぞれ現像剤駆動距離Ｙがある特定値Ｐ未満及びＰ以上の場合のキャリア膜厚減耗量であり、α４はキャリア膜厚減耗量とセンサ補正値Ｖｃ１のステップ値との関係を示す関数の方向係数である。

（６）像担持体としての感光体上に静電潜像を形成し、現像装置の現像剤担持体から供給される現像剤のトナーによって前記静電潜像を現像する画像形成装置において、前記現像装置の現像剤駆動距離を検知する現像剤駆動距離検知手段と、前記現像剤担持体にＤＣバイアスを印加するＤＣバイアス印加手段とを有し、少なくとも現像剤駆動距離に基づいて、前記ＤＣバイアス印加手段のＤＣバイアス値を制御することを特徴とする画像形成装置。

（７）像担持体としての感光体上に静電潜像を形成し、現像装置の現像剤担持体から供求される現像剤のトナーによって前記静電潜像を現像する画像形成装置において、作像する画像の面積率を検知する画像面積率検知手段と、前記現像装置の現像剤駆動距離を検知する現像剤駆動距離検知手段と、前記現像剤担持体に対しＤＣバイアスにＡＣバイアスを重畳したバイアス印加手段とを有し、少なくとも現像剤駆動距離と平均画像面積率に基づいて、前記バイアス印加手段のＡＣバイアス値を制御することを特徴とする画像形成装置。

（８）前記画像形成装置はカラー画像形成装置であることを特徴とする（１）〜（５）項の何れか１項に記載の画像形成装置。

本発明により、次のような効果を奏することができた。

第１に現像剤担持体としての現像ローラによる現像剤駆動距離と平均画像の面積率から現像剤ライフの警告を表示し、画像形成のダメージとなる不具合を防止することができる。

第２に現像剤のライフを正確に判断することができるため、適切なトナー濃度補正が可能となり常に安定した画像濃度制御が行われ、画像形成のダメージとなる不具合を防止することができる。

第３に現像剤のライフを通して、キャリア現像を防ぐことができるため、ベタパッチ画像上にキャリアが付着するといった問題も発生しなくなり、パッチ検査においても正確な画像濃度検知が可能になり、常に安定した画像濃度制御が行われ、画像形成のダメージとなる不具合を防止することができる。

第４に現像剤のライフと共に現像ローラの回転数をアップすることで、現像ＤＣバイアスやＡＣバイアスを下げることが可能になり、現像剤のライフを通してキャリア現像を防ぐことができるため、正確な画像濃度検知が可能になり、常に安定した画像濃度制御が行われ、画像形成のダメージとなる不具合を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、本欄の記載は請求項の技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、以下の、本発明の実施の形態における断定的な説明は、ベストモードを示すものであって、本発明の用語の意義や技術的範囲を限定するものではない。

図１は、本発明の画像形成装置の実施の形態としてのカラー画像形成装置を示す断面構成図である。

このカラー画像形成装置は、タンデム型カラー画像形成装置と称せられるもので、複数組の画像形成部１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋと、無端ベルト状中間転写体ユニット７と、給紙搬送手段２１及び定着手段としてのベルト式定着装置２４とから成る。画像形成装置の本体Ａの上部には、原稿画像読み取り装置ＳＣが配置されている。

イエロー色の画像を形成する画像形成部１０Ｙは、第１の像担持体としてのドラム状の感光体１Ｙ、該感光体１Ｙの周囲に配置された帯電手段２Ｙ、露光手段３Ｙ、現像装置４Ｙ、一次転写手段としての一次転写ローラ５Ｙ、クリーニング手段６Ｙを有する。マゼンタ色の画像を形成する画像形成部１０Ｍは、第１の像担持体としてのドラム状の感光体１Ｍ、該感光体１Ｍの周囲に配置された帯電手段２Ｍ、露光手段３Ｍ、現像装置４Ｍ、一次転写手段としての一次転写ローラ５Ｍ、クリーニング手段６Ｍを有する。シアン色の画像を形成する画像形成部１０Ｃは、第１の像担持体としてのドラム状の感光体１Ｃ、該感光体１Ｃの周囲に配置された帯電手段２Ｃ、露光手段３Ｃ、現像装置４Ｃ、一次転写手段としての一次転写ローラ５Ｃ、クリーニング手段６Ｃを有する。黒色画像を形成する画像形成部１０Ｋは、第１の像担持体としてのドラム状の感光体１Ｋ、該感光体１Ｋの周囲に配置された帯電手段２Ｋ、露光手段３Ｋ、現像装置４Ｋ、一次転写手段としての一次転写ローラ５Ｋ、クリーニング手段６Ｋを有する。

無端ベルト状中間転写体ユニット７は、複数のローラにより巻回され、回動可能に支持された半導電性エンドレスベルト状の第２の像担持体としての無端ベルト状中間転写体７０を有する。

画像形成部１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋより形成された各色の画像は、一次転写ローラ５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋにより、回動する無端ベルト状中間転写体７０上に逐次転写されて、合成されたカラー画像が形成される。給紙カセット２０内に収容された記録媒体として用紙等の転写材Ｐは、給紙手段２１により給紙され、複数の中間ローラ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ、レジストローラ２３を経て、二次転写手段５Ａに搬送され、転写材Ｐ上にカラー画像が一括転写される。カラー画像が転写された転写材Ｐは、定着装置、例えばベルト式定着装置２４により定着処理され、排紙ローラ２５に挟持されて機外の排紙トレイ２６上に載置される。

一方、二次転写手段としての二次転写ローラ５Ａにより転写材Ｐにカラー画像を転写した後、転写材Ｐを曲率分離した無端ベルト状中間転写体７０は、クリーニング手段６Ａにより残留トナーが除去される。

画像形成処理中、一次転写ローラ５Ｋは常時、感光体１Ｋに圧接している。他の一次転写ローラ５Ｙ，５Ｍ，５Ｃはカラー画像形成時にのみ、それぞれ対応する感光体１Ｙ，１Ｍ，１Ｃに圧接する。

二次転写ローラ５Ａは、ここを転写材Ｐが通過して二次転写が行われる時にのみ、無端ベルト状中間転写体７０に圧接する。

また、装置本体Ａから筐体８を支持レール８２Ｌ，８２Ｒを介して引き出し可能にしてある。

筐体８は、画像形成部１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋと、無端ベルト状中間転写体ユニット７とから成る。

画像形成部１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋは、垂直方向に縦列配置されている。感光体１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋの図示左側方には無端ベルト状中間転写体ユニット７が配置されている。無端ベルト状中間転写体ユニット７は、ローラ７１，７２，７３，７４，７６を巻回して回動可能な無端ベルト状中間転写体７０、一次転写ローラ５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋ及びクリーニング手段６Ａとから成る。

筐体８の引き出し操作により、画像形成部１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ，１０Ｋと、無端ベルト状中間転写体ユニット７とは、一体となって、本体Ａから引き出される。

このように感光体１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋ上に帯電、露光、現像によりトナー像を形成し、転写ベルト２６０上で各色を重ね合わせ、一括して転写材Ｐに転写し、定着装置、例えばベルト式定着装置２４で加圧及び加熱により固定して定着する。トナー像を転写材Ｐに転移させた後の感光体１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋは、クリーニング装置６Ａで転写時に感光体に残されたトナーを清掃した後、上記の帯電、露光、現像のサイクルに入り、次の像形成が行われる。

本発明の画像形成装置の各現像装置４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｋには、現像剤担持体としての現像ローラ４０１とそれにＤＣバイアスを印加するＤＣバイアス印加手段４０３又は直流と共に交流のバイアスも印加させるＤＣ−ＡＣバイアス印加手段４０５が設けられている。更に各現像装置４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｋには、トナー濃度検知手段４１０とトナー補給手段４２０が設けられ、それぞれＹＭＣＫのトナー濃度が検知され、トナー濃度が適正値になるようにトナーが補給されるようになっている。また、それとは別に感光体上に形成されるパッチ画像の画像濃度を検知する画像濃度検知手段４３０が設けられている。

本発明は現像剤耐久力が画像面積率（印字率）に依存するものであり、その現像剤耐久力に対して、現像剤駆動距離の要素も取り入れて現像装置中のトナー濃度を常に適正に保持するためにトナー補給量を制御したり、画像濃度を適正にするために、更にはキャリア現像やトナー飛散を防止するために、現像ローラに印加するＤＣバイアスやＡＣバイアスを制御する手段を提供するものである。

以下に本発明についての詳細を説明する。

画像形成装置として、上記のようなタンデムフルカラー複写機を用いて本発明を展開したが、その諸元を記すと以下のようになる。
ラインスピードＬ／Ｓ＝２２０ｍｍ／ｓであり、
感光体のドラム外径は６０ｍｍであり、有機半導体層としてフタロシアニン顔料をポリカーボネイトに分散させたものを塗布してある。電荷輸送層を含めた感光体層の膜厚は２５μｍである。
感光体非画像部電位：フィードバック制御され、制御可能範囲は−２５０Ｖ〜−９００Ｖである。
感光体の全露光電位：−４０〜１５０Ｖ。
露光：レーザー走査方式であり、半導体レーザー（ＬＤ）のパワーは３００μＷである。
現像：２成分現像方式
現像ローラ：外径３０ｍｍ
現像ローラ駆動モータとしてはＤＣモータが用いられている。
現像バイアス印加手段として
ＤＣバイアス：−２００〜−７００Ｖ、
ＡＣバイアス：０．５ｋＶｐ−ｐ〜２．０ｋＶｐ−ｐ、２ｋＨｚ〜７ｋＨｚ
トナー濃度検知手段（以下トナー濃度センサとも言う）：キャリアの透磁率を用いてキャリアに対するトナーの比率を検出するセンサである。
トナー補給器：トナー濃度センサの検知情報に応じてトナー補給量を決めて現像装置へ補給する。
Ｄｏｔカウンタ：各プリントにおいてプリント画像を構成するドット数がカウントされフルカウントに対する割合が画像の面積率即ち印字率として正確に記禄され、それまでの累積と平均印字率を正確に割り出すことができる。
摺動距離（現像剤駆動距離）カウンタ：現像ローラの周速に時間を乗じた累積量である。
２成分現像剤：
キャリアはそのコアにコーティング樹脂をコートしたものであり、バージンのキャリア粒径を４２μｍにしてある。

重合トナーとしての、トナー粒径は６．５μｍである。
無端ベルト状中間転写体は、シームレス半導電樹脂ベルトであり、材質がポリイミド、表面抵抗率が１×１０¹¹Ω／□、体積抵抗率が１×１０⁸Ω・ｃｍである。
１次転写手段：無端ベルト状中間転写体背面に発泡ローラを設置（外径２０ｍｍ、抵抗値は１×１０⁶Ω）し、温湿度とカウンタでマトリックスを組んだ電流値テーブルから所定の電流値を選択し印加する。
無端ベルト状中間転写体の張力は４９Ｎにした。
１次転写導電性部材は電性ローラを使用、該導電性ローラの押圧力は４．９Ｎにした。
２次転写手段は無端ベルト状中間転写体をバックアップローラと二次転写ローラで挟み込んだ構成で抵抗値はともに１×１０⁷Ω、温湿度とカウンターでマトリックスを組んだ電流値テーブルから所定の電流値を選択して印加するようにした。
無端ベルト状中間転写体のクリーニングブレードはウレタンブレードを用い、自由長９ｍｍ、厚さ２ｍｍ、当接角１７度にした。
無端ベルト状転写体の駆動ローラ外径は３０ｍｍのものを用いた。

［現像剤耐久力の印字率依存性について］
現像剤耐久力の指標としては従来から認知されているものとして
１．キャリア膜厚（コーティング樹脂の質量％）
２．トナースペント
がある。これら指標の測定方法としては、現像剤を界面活性剤（洗剤等）で溶かしてトナーとキャリアとに分割し、キャリアに対して有機溶剤ＭＥＫ（メチルエチルケトン）でキャリアのコア表面に付着している樹脂とスペントトナーを溶剤中に溶解する。キャリア膜厚については、その溶剤にて樹脂を溶かした前後のキャリア重量比から算出し、トナースペントに関しては顔料の溶け出した溶剤を、所定の波長の光を透過させた際の透過率で計測する
これら現像剤耐久力を示す指標は現像ローラの現像剤駆動距離（現像剤摺動距離）に応じて変化し、距離が進むほどキャリア膜厚の減耗は進み、スペントするトナー量は増えて行って透過率は減少していく。図２と図３のグラフに、印字率を変えたときの現像剤摺動距離に対するキャリア膜減耗量と、トナースペント量（透過率）を示す。

上記図２のグラフのように、現像剤摺動距離が進むほど、キャリア膜減耗量は大きくなる。また、図３のグラフのように、トナースペント量を示す透過率（％Ｔ）は現像剤摺動距離が進むほど低下している。これはキャリア表面に対するトナースペント量が多くなって溶剤中に溶け出したトナー量も多くなり、透過率（％Ｔ）が低下していることを示す。

また、印字率依存性について見てみると、印字率が高い時の方がキャリア膜減耗量、トナースぺント量（透過率％Ｔ）ともに悪化していることがわかる。キャリア膜減耗量に関しては、トナーが消費される課程においてキャリア側がトナーから何らかのストレスを受けてキャリアコーティング剤が削られると推定。トナースペントに関しては、現像剤中を通過するトナーの量が大きいほど、トナースペント量は大きくなると推定しており、キャリア膜減耗、トナースペント、ともに印字率が高いほど（トナーの消費量が大きいほど）キャリアの劣化が進むということを示している。

キャリア膜減耗量の増加や、トナースペント量の増加が発生すると、トナー帯電量が低下し、それにともなってトナー飛散や「カブリ」といった不具合を発生するようになる。また、トナー濃度制御についても、印字率に応じて膜減耗量やトナースペント量が変化してくれば、それらの違いによってトナー濃度のバラツキが生じてくる。また、高い印字率（トナー消費量）で使用しつづけた場合、キャリア膜減耗量が大きく進んでキャリア膜厚が薄くなり、現像剤ライフ後半においてＤＣバイアスが高くなった時にキャリアがトナーと一緒に現像されてしまう現象である「キャリア現像」といった不具合も生じてくる。

これらのことより、印字率（トナー消費量）に応じてキャリア劣化（キャリア膜減耗量やトナースペント量の増加）の進み具合が異なり、現像剤ライフは使用の仕方（どれくらいの印字率で使用するか？、どのくらいのトナー消費量で使用するか？）によって異なってくるということを示す。従って、現像剤に対するライフの決め方、また現像剤の耐久補正などは印字率（トナー消費量）を考慮したものにしなければならない。

尚、トナースペントも耐久性に影響を及ぼしているが、下限値７０％に対して殆ど影響しない汚れであり、キャリア膜減耗量の影響の方がはるかに大きいといえる。

次に各請求項についての実施の形態例について述べる。

［現像剤摺動距離と平均画像面積率からの現像剤ライフ決定について］
これは請求項１、２、３に関連するものである。すでに述べたように、キャリア膜減耗量が進むとキャリアの帯電性能が衰え、トナー帯電量の低下を引き起こしてトナー飛散やカブリと言った不具合を生じるようになる。また、膜減耗がある一定の値以上になるまで進むとキャリア抵抗の低下がさらに進み、キャリアに電荷が注入されるようになって「キャリア現像」といった不具合が生じるようになる。従来からの知見として、キャリア粒径が４２μｍの場合はキャリア膜厚が１．３％まで低下してくると上記のような「キャリア現像」といった不具合を生じるようになるため、キャリア膜厚限界としては１．３％とし、キャリア膜厚が１．３％に達したら現像剤のライフエンドとする。こうすることで「キャリア現像」のような不具合も生じることなく、現像剤ライフエンドまで良好な画像が得られるようになる。

そこで、以下の手段によって現像剤摺動距離と現像剤の平均画像面積率からキャリア膜減耗量を算出し、現像剤のライフエンドを決定するようにした。

［現像剤耐久力の印字率依存性について］
以下に、平均画像面積率を変えたときのキャリア膜減耗量の推移を示す。現像剤摺動距離が増加するに応じてキャリア膜減耗量は大きくなり、また現像剤を使用する際の平均画像面積率が高いほどその傾きは高くなっているのがわかる。

また、現像剤摺動距離に対するキャリア膜減耗量と画像面積率（印字率）との関係を図４に示すグラフから、印字率に対する補正係数α０１と方向係数α１、切片β１との関係式は、摺動距離Ｙのある特定値Ｐとしての実施の形態例としてＰが１０ｋｍに算出された例について述べると次のようになる。Ｐ未満、即ちＰが１０ｋｍ未満のときＺ１＝（α１・Ｘ＋β１）Ｙとなり、摺動距離のＹのある特定値Ｐが１０ｋｍ以上のときＺ２＝（α２・Ｘ＋β２）Ｙ＋α３・Ｘ＋β３となることは、グラフで示せば図５、図６、図７のようになる。それらのグラフより、現像剤摺動距離と平均画像面積率からキャリア膜減耗量の推定値を具体的に算出することが出来る。その算出式を以下の数６及び数７に示す。

上記に示したキャリア膜減耗量の印字率に対する依存性や、上記算出式に示した各係数は、現像剤（キャリア粒径やキャリアコアの抵抗値、トナー粒径、トナーの外添剤処方等）や現像システムの違いによって変わってくるものである。

尚、上記のある特定値Ｐは現像剤の処方や現像システムの違い等によって変わるものであるが、極一般的なトナー現像においてテストを試みた結果ではＰ＝１０ｋｍとして差し支えないことを確認した。しかし、このようにＰは上記現像条件によって変わるので１０ｋｍに限定されるものではない。

上記の算出式、数１１及び数１２は極く一般の現像や現像システムに適用されるものであるが、現像条件や現像システムが変わってきても、数１〜数４の一般式の係数や定数を実験的テストに基づいて変更することにより、簡単に再構築することが可能である。

上記式より、算出したキャリア膜減耗量がある一定値を超えた場合に現像剤ライフエンドとする。例えばキャリア４２μｍ、初期キャリア膜厚を１．８％とした場合は「キャリア現像」が発生するキャリア膜厚限界が１．３％のため、キャリア膜減耗量の限界値としては１．８％−１．３％＝０．５％となる。

従って、上記式より算出した膜減耗量が「０．５％」となった場合に現像剤ライフエンドとすれば、上記計算を実施するタイミングは、朝の一番に本画像形成装置を立ち上げて運転開始したとき、もしくは環境変動時、あるいはある定期プリント数（例えば１０００プリント）毎に行い、算出された「予想キャリア膜減耗量」が０．５％を超えていれば現像剤ライフエンドに到達したと判断して、ユーザーに「現像剤交換」を伝える。

また算出した減耗量から、基本印字率＝５％の関係式を用いて、実際の想定現像剤摺動距離が算出でき、平均印字率を加味した摺動距離を求めることができる。従って、平均印字率が高いユーザーに対しては、早めのライフエンドを表示できる。このような使い方も可能になる。

上記の請求項１〜３の発明の実施の形態の一例によって現像剤ライフエンドをユーザーに正確に伝えることができるので、トナー飛散やカブリと言った不具合を起こさず、スタートから現像剤ライフエンドまで良好な画像を得ることが可能となる。

［現像剤摺動距離と平均画像面積率からトナー補給手段の制御を行うことについて］
これは請求項４、５に関するものであり、現像剤の摺動距離や印字率の違いによってキャリア膜減耗量が異なり、現像剤の使い方によって現像剤の劣化度合いは異なってくる。そのため、その劣化度合いのバラツキに応じてトナー濃度も当然、バラツキが生じるようになる。従って、この現像剤の劣化度合いのバラツキを現像剤の使用環境から予想し、劣化度合いに応じたトナー濃度制御の補正が必要となってくる。

現像剤の劣化因子（キャリア膜減耗量とトナースペント量）は画像の印字率（トナー消費量）に依存しており、印字率が高いほど（トナーの消費量が高いほど）現像剤の劣化は進む。従って、その使用した平均画像面積率（平均印字率）に対しても補正が必要になってくる。

上記の請求項１、２及び３の現像剤のライフ決定手段として、現像剤摺動距離と使用した平均画像面積率からのキャリア膜減耗量の推定値算出方法はすでに述べた。このキャリア膜減耗量推定値から、トナー濃度検知手段（以下トナー濃度センサということもある）４１０に対する補正量を決定する。

このトナー濃度センサは現像装置内のキャリアとトナーの割合を測定するものであり、図１４の模式図のように電源電圧Ｖｉの入力部とセンサ出力電圧ＶＬの出力部とコントロール電圧Ｖｃ印加部とアース機能を持たせる部とで結線部が構成されており、その機能を簡単に具体的に説明すると図１５の線図に示すように、トナー濃度が例えば６．０％の初期現像剤に対する、トナー濃度センサ出力値ＶＬが２．５Ｖとなるためのコントロール電圧値Ｖｃの初期値を９．０Ｖとした場合に、初期現像剤に対してＶｃ＝９．０Ｖの制御電圧を印加することで、ＶＬが２．５Ｖより大きくなって行くときにトナー補給を行えばトナー濃度を６．０％前後で制御が可能である。これに対してＶｃ＝８．５Ｖで印加すると、ＶＬは１．９Ｖ付近にずれるため、ＶＬが２．５Ｖとなるまでトナー補給が行われず、トナー濃度は５．４％まで低下させることができる。この状態を維持して制御すればトナー濃度は５．４％前後で制御される。

現像剤摺動距離とその時の平均画像面積率から各数１及び数２の一般式やそれを具体化した数１１及び数１２を用いてキャリア膜厚減耗量の推定値を算出し、実験より求めた以下の関係式（キャリア膜減耗量に対するトナー濃度検知手段に印加するコントロール電圧値Ｖｃの関係式）を用いてＶｃを割り出す。（ここで言っているＶｃとはキャリアの透磁率を検出するトナー濃度センサの出力値を可変できる制御電圧値であるコントロール電圧値を示し、グラフでは２〜１２Ｖの電圧値を０〜２５５ｓｔｅｐのデジタル値で示し、１ｓｔｅｐは１０Ｖ／２５５＝０．０３９Ｖにしてある。）
キャリアの膜減耗量が大きくなるとキャリアの抵抗値は下がり、トナー帯電量が低下するためトナー濃度としては、一般的に上昇傾向になる。従って、トナー濃度センサに印加するコントロール電圧値としてはトナー濃度を下げる方向（Ｖｃを下げる方向）に補正を加える必要がある。膜減耗量に対するＶｃの下げ量Ｖｃ１を示したグラフが図８のようになる。

従って上記式数１及び数２を具体化した、数６及び数７を用いて現像剤摺動距離とその時の平均印字率より求まる、トナー濃度センサに印加するコントロール電圧値の補正値は前述の数３及び数４を具体化した以下の数８及び数９の数式より求まる。

現像剤摺動距離と平均画像面積率によるキャリア膜減耗量のバラツキに対して、上記式より算出されるトナー濃度センサに印加する前記補正値Ｖｃ１の分だけ、数式数１０に示すようにトナー濃度センサのＶｃの初期値Ｖｏから差し引いたコントロール電圧値をトナー濃度センサに印加することで安定したトナー濃度制御が可能となる。（平均画像面積率のトナースペントに対する補正は、前述のように、トナースペントより影響の大きいキャリア膜厚減耗量に対する補正値の中でカバーされるものとした。）

［効果確認実写テスト］
上記補正値の算出はプリント中でも常に行い、その補正値を加算したコントロール電圧値Ｖｃで現像剤駆動距離に対するトナー濃度制御を行う。以下に、その補正値を加えない従来のトナー濃度制御を行った時のトナー濃度推移を図９のグラフに、上記のように今回コントロール電圧値Ｖｃに補正を加えてトナー濃度制御を行った時のトナー濃度推移を図１０のグラフに示す。

今回の補正を加えたトナー濃度制御時のトナー濃度推移の方が安定したトナー濃度推移を得られているのがわかる。

［現像剤摺動距離と平均画像面積率から現像ＤＣバイアス値と現像剤担持体の回転数の制御について］
これは請求項６に関連するものである。

現像剤摺動距離（現像剤駆動距離）が進むと、キャリア膜減耗量も進んで膜厚が薄くなり、現像ＤＣバイアスが高くなった時に「キャリア現像」が発生するようになることはすでに述べた。

また、キャリア膜厚が薄くなってくるほどキャリアの抵抗は下がってトナー帯電量も下がり、現像性は高い方向になるため、「キャリア現像」を発生させない観点からも現像ＤＣバイアスを高く設定してしまうことは好ましくない。

通常、現像ＤＣバイアス値は「画像安定化制御」にて決定されるもので、この画像安定化制御とは、例えば中間転写ベルト上にパッチ画像を作成し、そのパッチ画像を光学センサなどで読み取り、その出力に応じて目標の画像濃度に達しているかどうかを判断し、達していない場合には現像ＤＣバイアスを変えて目標の現像性が得られるような現像ＤＣバイアス値を決定する制御のことである。

従って、上記「画像安定化制御」時に決定される現像ＤＣバイアス値の上限値を、キャリア膜減耗量に応じて「キャリア現像」が発生してしまう「限界ＤＣバイアス値」以下にしてやることで現像剤ライフを通して「キャリア現像」の発生ない、安定した画像を得ることが可能となる。しかし、上限値を超えたＤＣバイアスで現像した場合、キャリア現像が発生するために画像濃度としては淡いと判断し、ＤＣバイアスを更に高い設定としてしまうため、結果的に適正な濃度の画像が得られなくなってしまう。図１１のグラフにその例を示す。

上記、図１１のグラフのように、現像剤摺動距離に応じて現像ＤＣバイアス値の上限値を小さくしてやることで、現像剤摺動距離が進んでキャリア膜減耗量が大きくなった時に発生しやすくなる「キャリア現像」を回避し、安定した画像を得ることが可能となる。

［効果確認実写テスト］
安定化制御で決定される際の現像ＤＣバイアスの上限値を上記のグラフのように決めて行った時の実写テストの評価の結果を以下の表１に示す。ここに○はキャリア現像が全く無く良好、△はキャリア現像が僅か見られるが実用上差し支えない程度、×はキャリア現像が多く実用不可を表す。

従来の制御では現像剤ライフの後半でキャリア現像が発生する場合があり、不安定であったのに対し、新しい制御によって、高温高湿（ＨＨ）、常温常湿（ＮＮ）、低温低湿（ＬＬ）の全ての環境条件において本発明の制御はキャリア現像の発生は全くないことが分かる。

現像剤摺動距離に応じて現像ＤＣバイアスを制御することで、現像剤ライフ後半で発生
していたキャリア現像の抑制をすることが出来た。

特に、パッチの濃度を検出し、画像濃度制御にフィードバックさせる制御において、上記ＤＣ現像バイアス範囲内で行うことで、適正な制御が行われることになる。範囲外（高い場合）であると、キャリア現像によるパッチ濃度が低下するため、ＤＣバイアスを制御して画像濃度を所定範囲に押さえる系においては、さらに、ＤＣバイアスを上げてしまい、悪循環に入ることになる。

［現像剤摺動距離と平均画像面積率から現像ＡＣバイアス値を制御する手段］
これは請求項７に関連するものである。

キャリア膜減耗量が進み、膜厚が薄くなってくると、現像バイアスが高くなった時に「キャリア現像」が発生するようになる。これは、キャリアの膜厚が薄くなって来たことでキャリアの抵抗値が下がり、キャリアに電荷が注入され、トナーと一緒にキャリアも現像されてしまう現象である。

従って、平均画像面積率が非常に大きい状態で現像剤を使用していた場合、キャリアの膜減耗量も大きくなって現像剤ライフに到達する前に上記のような不具合を発生してしまう可能性がある。

それを防ぐためには、キャリア膜厚の低下に応じて現像バイアス値をキャリア現像が発生しないような低いバイアス値に変更して行く必要がある。現像バイアスとして「ＤＣバイアス」と「ＡＣバイアス」を重畳している場合は、「ＡＣバイアス」を低くしていくことの方がキャリア現像に対して特に効果的であり、現像ＤＣバイアス値の操作は従来と同じであっても、ＡＣバイアスを低くすることで図１３のグラフに示すようにキャリア現像に対するＤＣバイアス値のマージンがかなり広がることがわかった。

そこで、キャリア現像が発生しやすくなる現像剤ライフ後半では、キャリア膜減耗量に応じて「現像ＡＣバイアス」を下げることでキャリア現像を回避し、安定した画像を得るようにした。

図１２にキャリア膜減耗量に応じた現像ＡＣバイアス値の制御テーブルをグラフにしたものを示す。

本実施例では、前提条件として現像ＤＣバイアス値は「画像安定化制御」にて決定されるものとする。

この画像安定化制御とは例えば中間転写ベルト上にパッチ画像を作成し、そのパッチ画像を光学センサなどで読み取り、その出力に応じて目標の画像濃度に達しているかどうかを判断し、達していない場合には現像ＤＣバイアスを変えて目標の現像性が得られるような現像ＤＣバイアス値を決定する制御のことである。

また、現像ＡＣバイアス値は安定化制御内では使用しないが可変可能なものとしている。

上記図１２のグラフのように、現像剤膜減耗量に応じて現像ＡＣバイアス値を小さくしてやることで、キャリア膜減耗量が大きくなった時に発生しやすくなる「キャリア現像」を回避し、安定した画像を得ることが可能となる。

［効果確認実写テスト］
上記制御テーブルをグラフで示す図１２に従って、現像ＡＣバイアスを制御したときの結果を表２に示すが、上記表１の結果と同様に、環境条件を変えても従来の制御条件に較べてキャリア現像の発生のない安定した制御が得られることが分かる。

従来の制御では現像剤ライフの後半でキャリア現像が発生する場合があり、不安定であったのに対し、新しい制御ではキャリア膜減耗量に応じて現像ＡＣバイアスを制御することで、現像剤ライフ後半で発生していたキャリア現像の抑制をより大きくすることが出来た。

本発明の画像形成装置の実施の形態例としてのカラー画像形成装置を示す断面構成図である。 現像剤駆動距離（現像剤摺動距離）に対するキャリア膜厚推移を示すグラフである。 現像剤駆動距離（現像剤摺動距離）に対するトナースペント推移を示すグラフである。 キャリア膜減耗量の画像面積率（印字率）依存性を示すグラフである。 画像平均面積率（印字率）と補正係数αの関係を示すグラフである。（現像剤駆動距離が１０ｋｍ未満の場合） 画像平均面積率（印字率）と補正係数αの関係を示すグラフである。（現像剤駆動距離が１０ｋｍ以上の場合） 画像平均面積率（印字率）と切片βの関係を示すグラフである。 トナー濃度をフラットに推移させるためのキャリア膜減耗量に対するＶｃの補正量Ｖｃ１の関係を示すグラフである。 従来のトナー濃度制御時の現像剤駆動距離に対するトナー濃度の関係を示すグラフである。 本発明のトナー濃度補正を施したときの現像剤駆動距離に対するトナー濃度の関係を示すグラフである。 現像剤駆動距離に対する現像ＤＣバイアス推移を示すグラフである。 キャリア膜厚減耗量に対する現像ＡＣバイアス推移を示すグラフである。 キャリア現像の起こらない適正現像領域が得られるキャリア減耗量とＤＣバイアスとの関係を示すグラフである。 トナー濃度の結線端子を示す模式図である。 トナー補給手段におけるトナー濃度と出力電圧の関係をコントロール電圧をパラメータとして示したグラフである。

符号の説明

１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋ 感光体
４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ，４Ｋ 現像手段
５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ，５Ｋ 一次転写手段としての一次転写ローラ
５Ａ 二次転写手段としての二次転写ローラ
６Ｙ，６Ｍ，６Ｃ，６Ｋ クリーニング手段
７ 無端ベルト状中間転写体ユニット
２４ ベルト式定着装置
７０ 無端ベルト状中間転写体
４０１ 現像ローラ
４０３ ＤＣバイアス印加手段
４０５ ＤＣ−ＡＣバイアス印加手段
４１０ トナー濃度検知手段
４２０ トナー補給手段
４３０ 画像濃度検知手段
Ｐ 転写材

Claims (8)

1. 像担持体としての感光体上に静電潜像を形成し、現像装置の現像剤担持体から供給される現像剤のトナーによって前記静電潜像を現像する画像形成装置において、作像する画像の面積率を検知する画像面積率検知手段と、前記現像装置の現像剤駆動距離を検知する現像剤駆動距離検知手段とを有し、前記の各検知手段によって検知される現像剤駆動距離と平均画像面積率から現像剤ライフを決定することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記の各検知手段によって検知される現像剤駆動距離Ｙと平均画像面積率Ｘを、現像剤駆動距離Ｙがある特定値Ｐ未満のときは下記の数式数１に入力し演算されて求まるキャリア膜厚減耗量Ｚ１、現像剤駆動距離Ｙがある特定値Ｐ以上のときは下記の数式数２に入力し、演算されて求まるキャリア膜厚減耗量Ｚ２が、規定された所定値に達したときを現像剤ライフに決定することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
   ただし、α１、α２は現像剤駆動距離Ｙがそれぞれある特定値Ｐ未満のとき及びＰ以上のとき、補正係数を表す関数の方向係数であり、β１，β２は切片であり、α３、β３は数２の最終項の切片を構成する係数である。
   

   

   
3. 前記現像剤ライフが決定されて現像剤の交換時期が来たときには現像剤交換のメッセイジが表示されるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
4. 像担持体としての感光体上に静電潜像を形成し、現像装置の現像剤担持体から供給される現像剤のトナーによって前記静電潜像を現像する画像形成装置において、作像する画像の面積率を検知する画像面積率検知手段と、前記現像装置の現像剤駆動距離を検知する現像剤駆動距離検知手段と、前記現像装置の現像剤のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段と、前記現像装置にトナーを補給するトナー補給手段とを有し、前記の各検知手段によって検知される現像剤駆動距離と平均画像面積率とトナー濃度に基づいて、前記トナー補給手段を制御することを特徴とする画像形成装置。
5. 前記の各検知手段によって検知される現像剤駆動距離Ｙと平均画像面積率Ｘを、現像剤駆動距離Ｙがある特定値Ｐ未満のときは下記の数式数３に、現像剤駆動距離Ｙがある特定値Ｐ以上のときは下記の数式数４に入力し、演算されてトナー濃度検知手段に印加するコントロール電圧の補正値Ｖｃ１が求められ、下記の数式数５に示すように、そのコントロール電圧の補正値Ｖｃ１を、初期現像剤で決定したトナー濃度検知手段に印加するコントロール電圧の初期値Ｖｏから差し引いた値Ｖｃをトナー濃度検知手段に印加してトナー補給手段を制御するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の画像形成装置。
   ただしＺ１、Ｚ２はそれぞれ現像剤駆動距離Ｙがある特定値Ｐ未満及びＰ以上の場合のキャリア膜厚減耗量であり、α４はキャリア膜厚減耗量とセンサ補正値Ｖｃ１のステップ値との関係を示す関数の方向係数である。
   

   

   

   
6. 像担持体としての感光体上に静電潜像を形成し、現像装置の現像剤担持体から供給される現像剤のトナーによって前記静電潜像を現像する画像形成装置において、前記現像装置の現像剤駆動距離を検知する現像剤駆動距離検知手段と、前記現像剤担持体にＤＣバイアスを印加するＤＣバイアス印加手段とを有し、少なくとも現像剤駆動距離に基づいて、前記ＤＣバイアス印加手段のＤＣバイアス値を制御することを特徴とする画像形成装置。
7. 像担持体としての感光体上に静電潜像を形成し、現像装置の現像剤担持体から供給される現像剤のトナーによって前記静電潜像を現像する画像形成装置において、作像する画像の面積率を検知する画像面積率検知手段と、前記現像装置の現像剤駆動距離を検知する現像剤駆動距離検知手段と、前記現像剤担持体に対しＤＣバイアスにＡＣバイアスを重畳したバイアス印加手段とを有し、少なくとも現像剤駆動距離と平均画像面積率に基づいて、前記バイアス印加手段のＡＣバイアス値を制御することを特徴とする画像形成装置。
8. 前記画像形成装置はカラー画像形成装置であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の画像形成装置。

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