JP2006243114A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 印字率に基づいて、トナーの強制排出を行うトナーの劣化対策では、トナーの劣化による画質の低下を防止するのに不十分であるという問題を解決する。
【解決手段】 トナー帯電量を検知し、検知したトナー帯電量に基づいてトナーの強制排出を制御する。
【選択図】 図４

Description

本発明は電子写真方式の画像形成装置に関し、特に、現像装置からトナーを強制排出させることにより、劣化トナーによる画質の低下を防止した画像形成装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置においては、解像度や細部の画像再現性等の画像特性において優れた高画質の画像を形成する技術が開発され、印刷並の高画質画像を形成することが可能となっている。しかして、高画質化が進むに従って、トナーの劣化に伴う画質の低下が問題となり、これに対する対策が研究されている。

トナーの劣化は主として、現像装置内にトナーが長期間滞留する場合に起こり、現像装置内において、攪拌・搬送によりトナーが長期間にわたって、ストレスを受けることが原因であることが明らかになっている。

このようなトナーの劣化に対する対策として、現像装置内のトナーを強制的に排出し、新しいトナーを補給するトナーの入れ替えを行う技術が開発されている（特許文献１参照）。特許文献１では、現像ローラの回転数と画像ドット数とを計数して記憶し、所定の回転数における画像ドット数が所定の閾値より小さい場合に、現像装置からトナーを排出している。
特開２００４−１２５８２９号公報

特許文献１の方法により、画質の低下はある程度改善されるが、なお、画質の改善に関して不十分であることが判明した。特に、現像剤の寿命に近い時期における画像形成や、高温高湿等の環境下での画像形成においては、特許文献１の方法を含む従来技術によっては、画質の低下を防止することが困難であることが判明した。

本発明は、前記に説明した画質の低下を追求した結果発想されたものであり、トナー帯電量の不安定化に伴う画質の低下を防止し、画像形成が行われる環境や画像形成装置の使用状況に左右されることなく、高い画質の画像を安定して形成する画像形成装置を提供することを目的とする。

前記目的は下記の発明により達成される。
（請求項１）
像担持体、該像担持体上に静電潜像を形成する潜像形成手段、前記像担持体上の静電潜像を現像してトナー像を形成する現像装置、前記現像装置からトナーを強制排出させる強制排出手段及び強制排出された分のトナーを補給するトナー補給装置を有する画像形成装置において、
トナー帯電量を検知する帯電量検知手段を有し、前記強制排出手段は、前記帯電量検知手段の検知結果に基づいて、トナーを前記現像装置から強制排出することを特徴とする画像形成装置。
（請求項２）
前記帯電量検知手段は、前記像担持体上のトナー層電位を検知する電位センサ、トナー像の濃度を検知する画像濃度センサ及び前記電位センサにより検知されたトナー層電位と前記画像濃度センサにより検知された濃度とからトナー帯電量を算出する算出手段を有す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３）
前記強制排出手段は、前記帯電量検知置手段の検知結果に対応した量のトナーを排出させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像形成装置。
（請求項４）
環境湿度を検知する湿度センサ及び該湿度センサの検知結果に基づいて、現像剤のトナー濃度を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像形成装置。
（請求項５）
画像形成枚数をカウントする枚数カウンタ及び該枚数カウンタのカウント値に基づいて、現像剤のトナー濃度を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像形成装置。

請求高１〜５のいずれかの発明により、トナーの帯電量に基づいて、トナーの強制排出制御を行うので、劣化し、帯電量が低下したトナーの増加が確実に検知され、劣化したトナーを入れ替えることにより、劣化トナーが原因で発生するかぶり、ハーフトーン荒れ、トナー飛散等が確実、且つ、十分に防止され、高画質の画像を安定して形成する画像形成装置が実現される。

請求項３の発明により、トナーの劣化度に応じた量のトナーが補給されるので、高い精度でトナー劣化の補正が行われ、より一層安定し、且つ高画質の画像形成が行われる。

請求項４又は請求項５の発明により、環境の変化や画像形成の履歴に影響されないで、高画質の画像を形成する画像形成装置が実現される。

＜画像形成装置＞
以下図示の実施の形態により本発明を説明するが、本発明は図示の実施の形態に限定されない。特に、実施の形態はモノクロの画像を形成する装置であるが、本発明はカラー画像形成装置にも適用される。

図１歯本発明の実施の形態に係る画像形成装置の全体を示す図である。

１は像形成体のドラム状した感光体であって、マイナス帯電する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したものを金属製のシリンダ状の基板上に塗布してあり、電荷輸送層を含めた感光体層の膜厚３０μｍであって、ドラム径φ８０ｍｍで矢示方向に２８０ｍｍ／ｓの周速（ｖｐ）で駆動回転される。

２は回転する感光体１の周囲を所定の極性・電位に一様に帯電処理するスコロトロン帯電器からなる帯電装置である。

３はレーザ走査方式をとった露光装置であり、波長７００ｎｍの半導体レーザ（ＬＤ）を用い、その出力パワーは３００μＷである。露光装置３はレーザビームを出射して感光体１の一様に帯電した表面を走査露光し、静電潜像を形成する。

現像装置４は、感光体１に対向して回転する現像剤担持体４１により感光体１上の静電潜像を現像する。接触或いは非接触による現像が、トナーとキャリアを含む２成分現像剤を用いた反転現像によりトナー像を形成する。現像剤担持体４１はマグネットロールの周囲にステンレス溶射表面加工を施したアルミ製のスリーブを被せた構成とし、現像剤担持体４１のローラ径φ４０ｍｍ、線速（ｖｓ）５６０ｍｍ／ｓで回転し、感光体１との線速比（ｖｓ／ｖｐ）は２としている。現像剤担持体４１には直流成分の現像バイアスによって現像が行われるが、直流成分としては−６００ＶのＤＣバイアス（Ｖｄｃ）に交流成分として周波数（Ｆａｃ）２ｋＨｚ、ピーク値Ｖａｃｐ−ｐ１ｋＶのＡＣバイアスを重畳して印加して反転現像が行われる。

非磁性トナーと磁性キャリアを含有する２成分現像剤のトナーとしては、体積平均粒径が３〜６．５μｍの重合トナーが好ましい。重合トナーを用いることにより、高解像力であり、濃度が安定しかぶりの発生が極めて少ない画像形成装置が可能となる。

重合トナーは次のような製造方法により製造される。

トナー用バインダー樹脂の生成とトナー形状とがバインダー樹脂の原料モノマー又はプレポリマーの重合及びその後の化学的処理により形成されて得られる。より具体的には、懸濁重合又は乳化重合等の重合反応と必要によりその後に行われる粒子同士の融着工程を経て得られ、重合トナーでは、原料モノマー又はプレポリマーを水系で均一に分散した後に重合させトナーを製造することから、トナーの粒度分布及び形状の均一な球形トナーが得られる。

トナーは球形の度合いを示す形状係数ＳＦ−１が１００〜１４０、凹凸の度合いを示す形状係数ＳＦ−２が１００〜１２０の間にあることが好ましい。なお、形状係数ＳＦ−１、ＳＦ−２は下記の式で与えられる。

ＳＦ−１＝（Ｌｍａｘ²／Ａ）×（π／４）×１００
ＳＦ−２＝（Ｌａｒｏｕｎｄ²／Ａ）×（１／４π）×１００
Ｌｍａｘ；最大直径 Ｌａｒｏｕｎｄ；周長 Ａ；トナー投影面積
トナーは体積平均粒径が３μｍを下回ると、かぶりの発生やトナー飛散が起こりやすくなる。上限６．５μｍは本実施の形態が目標とする高画質を形成することを可能する粒径の上限である。

キャリアとしては、体積平均粒径が２５〜６５μｍで磁化量が２０〜７０ｅｍｕ／ｇの磁性粒子からなるフェライトコアのキャリアが好ましい。２５μｍよりも粒径の小さなキャリアではキャリア付着が生じやすくなる。また、６５μｍよりも粒径の大きなキャリアでは、均一な濃度の画像が形成されない場合が生じうる。

５はトナー像の転写性を高めるために照射する転写前露光光源で、光波長７００ｎｍのＬＥＤで、光出力１０ｌｕｘをもって照射する。

６はコロトロン帯電器からなる分離装置であり、ワイヤ〜感光体１間距離８ｍｍ、ワイヤ〜バックプレート間距離１２ｍｍの構成となっていて、転写電流（Ｉｔｒ）２００μＡの定電流制御によって感光体１上のトナー像の記録材上への転写を行う。

７はコロトロン帯電器からなる分離装置であり、ワイヤ〜感光体１間距離８ｍｍ、ワイヤ〜バックプレート間距離１２ｍｍの構成となていて、ＡＣ成分１００μＡ、ＤＣ成分−２００μＡの分離電流によって記録材の感光体１からの分離を促す。

給紙部より給紙された記録材Ｐは、レジストローラ２１によって感光体１上に形成されたトナー像と同期して給紙され、転写ニップ部において転写装置６によってトナー像の転写を受ける。転写ニップ部を通過した記録材Ｐは、感光体１の面から分離装置７によって分離され、搬送ベルト２２によって定着装置２３へ搬送される。

定着装置２３は内部にヒータを配置した加熱ローラ２３ａと加圧ローラ２３ｂとより成り、トナー像を保持した記録材Ｐは加熱ローラ２３ａと加圧ローラ２３ｂとの間で加熱・加圧により定着処理され、トナー像が定着された記録材Ｐは排紙ローラ２４によって機外の排紙トレイ上に排出される。

一方、記録材Ｐへのトナー像の転写後の感光体１の表面はクリーニング装置８により転写残トナーの清掃が行われる。本実施例においてはクリーニング手段としてウレタンゴム製のブレードが用いられ、クリーニングブレードはカウンタタイプに感光体１周面に摺接して清掃を行っている。クリーニング装置８を通過いて表面が清掃された感光体１周面は、光波長７００ｎｍ、光出力１０ｌｕｘ光源を用いた帯電前露光（ＰＣＬ）手段９によって照射がなされ、残留電位を低下して次の画像形成サイクルへと移行する。

ＴＳは現像装置４中の現像剤のトナー濃度を検知するトナー濃度センサであり、現像剤の透磁率を測定することにより、現像剤中のトナー濃度を検知する。４２はトナーを収容するトナーホッパー、４３はトナーホッパーからトナーを現像装置４に供給するトナー補給装置である。
＜トナー帯電量検知＞
制御部ＣＲ（図４に示す）は記録材に画像を形成する画像形成工程を実行するとともに、メイスイッチのオンによる装置の起動時に、所定枚数の画像形成毎に、画像形成ジョブ毎に、等において以下に説明するトナー帯電量検知及びトナーの入れ替えを含む画質調整工程を実行する。

図１に示す画像形成装置では、感光体１上の電位を測定する電位センサＣＳ１、ＣＳ２と、感光体１上のパッチ画像の濃度を検知する画像濃度センサＧＳが設けられていて、電位センサＣＳ１、ＣＳ２と画像濃度センサＧＳとを用いてトナー帯電量Ｑｔ（μＣ／ｇ）の算出が行われるが、以下トナー帯電量の算出について詳しく説明する。

感光体１に対向し、現像装置４を挟んで感光体１の移動方向に関して上流側と下流側に電位センサＣＳ１とＣＳ２とが設けられていて、両者の間では感度調整が十分なされた状態に維持されている。また現像装置４とクリーニング装置８との間には感光体１上の反射濃度を検出して感光体１上のパッチ画像の濃度の計測を行う画像濃度センサＧＳが設けられている。この画像濃度センサＧＳは後に説明するように、トナー帯電量検知に用いられるが、パッチ画像の濃度検出を行って、現像バイアス制御、現像剤担持体の回転速度制御、画像処理部の制御等の画質制御にも用いられる。

画質調整モード時にはパッチ画像を形成し、現像前と現像後の感光体１のパッチ画像部の電位を電位センサＣＳ１とＣＳ２とによって計測される。パッチ画像としては非ソリッドテストパターンが用いられる。非ソリッドテストパターンとしては、ドット画像又は線画像からなり、印字率で３０〜７０％の間にあるか、もしくはプリント出力時の反射濃度が０．４〜０．９の範囲内にある中間調濃度の画像が用いられる。パッチ画像は、露光装置３をパッチ画像形成用の所定の画素値を持った画像データに基づいて駆動することにより形成され、パッチ画像の濃度が画像濃度センサＧＳの感度が低下する領域を避けた値となるようにパッチ画像用の画像データが設定される。

図２には画像濃度センサＧＳの出力（Ｖ）と画像濃度との関係を示している。図２において、画像濃度センサ出力と画像濃度との関係を示すカーブが直線で示される領域にパッチ画像の濃度が入るように、パッチ画像用の画像データが設定される。

後に説明するように、画像濃度センサＧＳの検出値からパッチ画像を形成しているトナーのトナー付着量が求められるが、図２におけるカーブの直線領域を用いれば、画像濃度センサＧＳの出力とトナー付着量とは略比例関係になる。

ただし、同一の画像濃度であっても、トナー付着量はトナー特性によって相違し、小粒径トナーを用いたときは大粒径トナーを用いたときに比較して小量のトナー付着量でも同じ画像濃度として検知されるので、本実施の形態においては、使用する現像剤を用いて予めテストを行い、画像濃度センサＧＳによるセンサ読み取り値とトナー付着量との関係を示すテーブルをメモリに記憶している。

図３は電位センサＣＳ１，ＣＳ２によって検知されるパッチ画像の電位の状態を模式的に示した説明図である。帯電手段２によって帯電電位Ｖｈに一様帯電された感光体１に対してパッチ画像の露光が行われ、電位センサＣＳ１によってパッチ画像の静電潜像の電位Ｖａが検知される。パッチ画像の静電潜像は現像装置４を通過して現像され、トナー像からなるパッチ画像が感光体１上に形成される。次いで、パッチ画像が電位センサＣＳ２を通過して、パッチ画像の電位Ｖｂが検知される。電位Ｖｂから電位Ｖａを差し引いた値の絶対値が、感光体１に付着した帯電トナー付着により形成された電位差である。なお電位センサＣＳ２による電位の検知は電位センサＣＳ１による電位検知よりも遅れて検知されるので、感光体１の暗減衰によって生じる誤差を演算時に補正することが行われる。

電位センサＣＳ２による電位検知後、感光体１の回転により、パッチ画像の濃度が、画像濃度センサＧＳによって検知される。

電位差Ｖｂ−Ｖａ＝Ｖｔ、トナー帯電量（単位質量当たりのトナーの電荷量）をＱｔ、トナー付着量（単位面積当たりの付着トナーの質量）をＭとするとき、これらは、次の式（１）、（２）で表される関係にある。
（１）・・・・・Ｑｓ＝ＣＶｔ
（２）・・・・・Ｑｓ＝Ｑｔ×Ｍ
Ｃはトナーや感光体の静電容量、Ｑｓはパッチ画像単位面積当たりのトナーの電荷量である。トナー付着量Ｍは画像濃度センサＧＳにより検知された濃度に比例するする値であり、検知されたパッチ画像の濃度から算出され、静電容量Ｃは固定の係数であるので、トナー帯電量Ｑｔは電位差Ｖｔと検知濃度とから算出される。

なお、本実施の形態ではトナー帯電量Ｑｔを算出するのに２個の電位センサＣＳ１，ＣＳ２を用いているが、上流側にある電位センサＣＳ１のみを用いてトナー帯電量Ｑｔを求めることもできる。この場合にはクリーニング装置８のブレードの感光体１への圧接を解除し、電位センサＣＳ１によって現像前のパッチ画像の静電潜像の電位を測定した後、現像によりパッチ画像が形成された感光体１を１回転させて電位センサＣＳ１を通過させ、現像により形成されたパッチ画像の電位を電位センサＣＳ１で検知することにより、パッチ画像による電位差を検知し、トナー帯電量を算出することが行われる。
＜トナーの入れ替え＞
図４はトナーの強制排出及び強制排出に伴うトナー補給を行う制御系のブロック図である。

制御部ＣＲは、画質調整工程において、画像処理部ＧＰを制御して、パッチ画像用の画像データを出力させる。該画像データに基づいた露光装置３の露光により、感光体１上に静電潜像が形成され、現像装置４の現像により感光体１上にパッチ画像が形成される。電位センサＣＳ１によりパッチ画像の静電潜像の電位が、電位センサＳＣ２によりトナー像からなるパッチ画像の電位がそれぞれ検知されるとともに、画像濃度センサＧＳによりトナー像からなるパッチ画像の濃度が検知される。

算出手段としての制御部ＣＲは電位センサＣＳ１、ＣＳ２の出力から電位差Ｖｂ−Ｖａ及び画像濃度センサＧＳの出力からトナー付着量を算出し、電位差Ｖｂ−Ｖａとトナー付着量とからトナー帯電量Ｑｔを算出する。

トナー帯電量Ｑｔの算出は前記に説明した計算式に従って行われるが、電位差Ｖｔとパッチ画像の濃度に対するトナー帯電量Ｑｔの関係は不揮発メモリＭＲに格納されており、制御部ＣＲは不揮発メモリＭＲのテーブルを参照して、トナー帯電量Ｑｔを算出する。

また、強制排出手段としての制御部ＣＲは、検知されたトナー帯電量Ｑｔに応じて、画像処理部ＧＰを駆動して、トナー帯電量に応じた画像データを出力させ、露光装置３を駆動する。露光装置３の露光により強制排出用の静電潜像が感光体１上に形成される。現像手段４が該強制排出用の静電潜像を現像することにより、感光体１上にトナー像が形成され、現像装置４からトナーが強制排出される。

表１にトナー帯電量に対応した強制排出用のトナー像の例を示す。

表１の強制排出用トナー像は一定濃度の画像からなり、その面積が強制排出量を示しているが、面積は記録画像の画像面積に対するパーセンテージで示されている。表１に示すテーブルも不揮発メモリＭＲに格納されており、制御部ＣＲは該テーブルを参照して、トナー帯電量に対する強制排出量を決定する。

制御部ＣＲはこのようにしてトナー帯電量Ｑｔに対応して、現装置４からトナーを強制排出した後に、トナー補給装置４３を制御して排出した分の補充する。このトナー補充は通常のトナー補給制御により行われる。即ち、トナー濃度センサＴＳにより現像装置４中の現像剤のトナー濃度を検知し、トナー濃度が所定の値に到達するまで、トナー補給を行うことにより、強制排出された分のトナーが補充される。

前記に説明したトナー帯電量に応じたトナーの強制排出及び強制補充に加えて、本実施の形態においては、図５に示すトナー濃度制御が行われる。

図５は環境及び画像形成枚数に対応したトナー濃度制御の例を示す。

図５において、縦軸は現像剤中のトナー濃度（質量％）を横軸は画像形成枚数をそれぞれ示し、曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ、適正な画質を形成することが出来るトナー濃度、即ち、トナー濃度の制御値を示す。Ｌ１は相対湿度３０％未満の低湿度環境下における適正濃度曲線を示し、Ｌ２は相対湿度３０％以上、５５％未満の常湿環境下における適正濃度曲線を示し、Ｌ３は相対湿度５５％以上の高湿度下における適正濃度曲線を示す。

図から明らかなように、画像枚数の増加に従って、トナー濃度の制御値は低下し、また、湿度が高い程、トナー濃度の制御値は低下する。

制御手段としての制御部ＣＲは環境湿度を検知する湿度センサＨＳによる検知湿度及び画像枚数カウンタＣＴによる枚数カウント値に応じて、図５に示すようなトナー像度制御を行う。

この制御により、更に高い画質の画像が安定して形成される。

印字率０．００１％、０．１％、１％、１０％の画像について５０，００００枚のプリントを行うランニングテストを行い、かぶり、ハーフトーン荒れ及びトナー飛散について評価した。

画像形成条件は次のとおりである。
・現像バイアス ＤＣ−５００Ｖ＋ＡＣ１ｋＶｐ−ｐ（周波数５ｋＨｚ）
・現像間隔 ０．３ｍｍ
・現像スリーブ線速度 ２
／感光体線速度比
・現像剤搬送量 ２００〜２４０ｇ／ｍ²
実施例 表１に示すトナー帯電量対強制排出用画像の面積比率でトナー の強制入れ替えを実施
比較例１ 印字率１％未満で一律にトナーの強制入れ替えを行い、・ １％以上で強制入れ替え無し
比較例２ トナーの強制入れ替え無し
実施例においては、ＮＮ環境（２０℃、相対湿度５０％）、ＨＨ環境（３０℃、相対湿度８０％）及びＬＬ環境（１０℃、相対湿度２０％）の全ての環境において、５，０００枚、１０，０００枚、５０，０００枚のいずれにおいても、かぶり、ハーフトーン荒れ、トナー散りの各評価項目に付いて良好であった。

比較例１では表２に示すように、ＨＨ環境において１０，０００枚以降においてハーフトーン荒れが発生した。

また、比較例２においては、表３に示すようにＮＮ環境において全ての評価項目について、画質不良が発生した。

なお、実施例においては、表２に相当する全ての評価項目について良好であったので、表を用いた評価の表示を省略し、また、比較例２では条件の良いＮＮ環境において画質不良が発生したので、より厳しい条件であるＬＬ環境及びＨＨ環境における結果の表示を省略した。

本発明の実施の形態に係る画像形成装置の全体を示す図である。 濃度センサの出力と画像濃度との関係を示すグラフである。 電位センサにより検知されるパッチ画像の電位を示す図である。 本発明の実施の形態に係る画像形成装置における制御系のブロック図である。 環境及び画像枚数に対応したトナー濃度制御の例を示すグラフである。

符号の説明

１ 感光体
２ 帯電装置
３ 露光装置
４ 現像装置
６ 転写装置
４１ 現像剤担持体
ＣＳ１、ＣＳ２ 電位センサ
ＧＳ 画像濃度センサ
ＴＳ トナー濃度センサ
ＣＲ 制御部

Claims (5)

1. 像担持体、該像担持体上に静電潜像を形成する潜像形成手段、前記像担持体上の静電潜像を現像してトナー像を形成する現像装置、前記現像装置からトナーを強制排出させる強制排出手段及び強制排出された分のトナーを補給するトナー補給装置を有する画像形成装置において、
   トナー帯電量を検知する帯電量検知手段を有し、前記強制排出手段は、前記帯電量検知手段の検知結果に基づいて、トナーを前記現像装置から強制排出することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記帯電量検知手段は、前記像担持体上のトナー層電位を検知する電位センサ、トナー像の濃度を検知する画像濃度センサ及び前記電位センサにより検知されたトナー層電位と前記画像濃度センサにより検知された濃度とからトナー帯電量を算出する算出手段を有することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記強制排出手段は、前記帯電量検知置手段の検知結果に対応した量のトナーを排出させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像形成装置。
4. 環境湿度を検知する湿度センサ及び該湿度センサの検知結果に基づいて、現像剤のトナー濃度を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像形成装置。
5. 画像形成枚数をカウントする枚数カウンタ及び該枚数カウンタのカウント値に基づいて、現像剤のトナー濃度を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像形成装置。

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