JP2006243214A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定した画質を長期間に渡って得るために、一定のトナー濃度を維持できる制御手段を有する画像形成装置を提供すること。
【解決手段】 像担持体と、帯電手段と、当該像担持体上に静電潜像を形成する画像書込み手段と、形成された静電潜像を現像して前記像担持体上にトナー像を形成する現像手段と、トナーと磁性キャリアとからなる二成分現像剤の透磁率を基にトナー濃度を検知する検出手段と、前記現像手段にトナーを補給するトナー補給手段と、前記検出手段の出力に基づいて、前記トナー補給手段を制御する制御部とを有する画像形成装置において、前記検出手段の所定の出力値を得るために、当該所定の出力値近傍における前記検出手段の出力値ＶＬと当該出力値ＶＬを得るための調整値ＶＣとの勾配ΔＶＬ／ΔＶＣを検出し、所定の出力値からずれていた場合には補正を加えることを特徴とする画像形成装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は電子写真方式の画像形成装置に関し、特に、現像に用いられる二成分現像剤のトナー濃度制御技術に関する。

電子写真方式により画像を形成する画像形成装置においては、トナーと磁性キャリアとを有する二成分現像剤により静電潜像を現像する現像装置が最も多く使用されている。そして、二成分現像剤を用いた現像においては、現像剤のトナー濃度を適正に制御することが一定の画質を維持する上で重要である。

トナー濃度制御のためのトナー濃度センサとしては、各種のものが開発され実用化されているが、二成分現像剤の透磁率を検知することにより、トナー濃度を検知する技術が開発されている。

このように現像剤（キャリア）の透磁率を検出してトナー濃度を検出するトナー濃度センサにおいては、画像プリント数が進むとキャリア側の劣化に伴いトナー濃度センサの出力が変化してくるためトナー濃度センサの調整値は画像プリント数に応じて変えてゆく必要がある。しかし、トナー濃度センサの調整値を変化させていくと、トナー濃度センサの調整値に対する現像剤濃度検出時の出力の勾配（傾き）がずれてくることがあり、トナー濃度制御に不具合を生じてしまう問題がある。

後述するが、この問題を回避するために現像剤投入時（無プリント状態）に決定された調整値を保ち、トナー濃度補正テーブルを参照し、前記画像プリント数に応じて調整値を変化させ、現像剤寿命後半の磁性キャリア劣化によって発生しがちなトナー濃度検出ずれを抑制する方法が提案されている。

また、環境検出手段を設け、作動環境が変化した場合であっても、実測値に近似した補正制御を行う方法（例えば、特許文献１参照）や、湿度等の変動に応じてビデオカウント数から換算されるトナー補給時間を補正し、常時適正量のトナーを精度良く補給する方法（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。
特開２００１ー２３５９３９号公報 特開平５ー２７５２７号公報

しかしながら、上述した磁性キャリア劣化によって発生しがちなトナー濃度検出ずれを抑制する方法は、制御点近傍における調整値に対するトナー濃度センサの出力値の勾配が異なってくるため、調整値の小さな変化に対してトナー濃度が大きく変動する問題が生じる。

また、特許文献１、２方法は、作動環境がトナー濃度に与える影響を回避するための濃度補正に偏っており、トナー劣化による問題は解決されない。

本発明は、定期的にトナー濃度センサの調整値に対するトナー濃度センサの出力値の勾配を検出し、所定のトナー濃度とのずれを補正することにより一定のトナー濃度を維持できる制御手段を有する画像形成装置を提供することを目的とする。

像担持体と、帯電手段と、当該像担持体上に静電潜像を形成する画像書込み手段と、形成された静電潜像を現像して前記像担持体上にトナー像を形成する現像手段と、トナーと磁性キャリアとからなる二成分現像剤の透磁率を基にトナー濃度を検知する検出手段と、前記現像手段にトナーを補給するトナー補給手段と、前記検出手段の出力に基づいて、前記トナー補給手段を制御する制御部とを有する画像形成装置において、前記検出手段の所定の出力値を得るために、当該所定の出力値近傍における前記検出手段の出力値ＶＬと当該出力値ＶＬを得るための調整値ＶＣとの勾配ΔＶＬ／ΔＶＣを検出し、所定の出力値からずれていた場合には補正を加えることを特徴とする画像形成装置。

トナー濃度センサの調整値に対するトナー濃度センサの出力値の勾配を検出し、その勾配に対応した補正値が正しく選択できるので、安定したトナー濃度を維持することができる。

はじめに、本発明に係わる画像形成装置について説明する。

本発明の実施の形態における説明では、本明細書に用いる用語により本発明の技術範囲が限定されることはない。

図１は画像形成装置の全体構成の一例を示す模式図である。

図１において、１０は像担持体である感光体、１１は帯電手段であるスコロトロン帯電器、１２は画像書込み手段である書込み装置、１３は現像手段である現像装置で、使用される現像剤としては、体積平均粒径２０μｍ以上５０μｍ以下の樹脂コーティングキャリアと体積平均粒径４．０μｍ以上７．０μｍ以下の重合トナーが好ましく用いられるが、その他の周知の任意の磁性キャリアとトナーを用いることができる。５５はトナー補給手段であるトナー補給装置で、５２は、現像装置１３中のトナー濃度を検知する検知手段で
あるトナー濃度センサで、現像剤をフェライトコアで構成される共振回路のコイル内に誘導通過させ、磁界の強さを測定する。すなわち、この磁界中に流れる磁性粒子であるキャリアの量は、トナーが多いと少なくなり、トナーが少ないと多くなり、そのインダクタンスが変化する。この変化を共振回路の周波数変化としてとらえ、トナー濃度を測定する方式がとられている。
１４は感光体１０の表面を清掃するためのクリーニング装置、１５はクリーニングブレード、１６は現像スリーブ、２０は中間転写ベルトを示す。画像形成手段１は感光体１０、スコロトロン帯電器１１、現像装置１３、およびクリーニング装置１４等からなっており、各色毎の画像形成手段１の機械的な構成は同じであるので、図１ではＹ（イエロー）系列のみの構成について参照符号を付けており、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）およびＫ（黒）の構成要素については参照符号を省略した。

各色毎の画像形成手段１の配置は中間転写ベルト２０の走行方向に対して、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋの順になっており、各感光体１０は中間転写ベルト２０の張設面に接触し、接触点で中間転写ベルト２０の走行方向と同方向、かつ、同線速度で回転する。

中間転写ベルト２０は駆動ローラ２１、アースローラ２２、テンションローラ２３、従動ローラ２４に張架され、これらのローラと中間転写ベルト２０、転写器２５、クリーニング装置２８等でベルトユニット３を構成する。

中間転写ベルト２０の走行は不図示の駆動モータによる駆動ローラ２１の回転によって行われる。

感光体１０は、例えばアルミ材によって形成される円筒状の金属基体の外周に導電層、ａ−Ｓｉ層あるいは有機感光体（ＯＰＣ）等の感光層を形成したものであり、導電層を接地した状態で図１の矢印で示す反時計方向に回転する。

読み取り装置８０からの画像データに対応する電気信号は画像形成レーザで光信号に変換され、書き込み装置１２によって感光体１０上に投光される。

現像装置１３は、感光体１０の周面に対し所定の間隔を保ち、感光体１０の回転方向と最接近位置において逆方向に回転する円筒状の非磁性ステンレスあるいはアルミ材で形成された現像スリーブ１６を有している。

中間転写ベルト２０は、体積抵抗率１０⁶〜１０¹²Ω・ｃｍの無端ベルトであり、例えば変性ポリイミド、熱硬化ポリイミド、エチレンテトラフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ナイロンアロイ等のエンジニアリングプラスチックに導電材料を分散した、厚さ０．０５〜０．１５ｍｍの半導電性シームレスベルトである。

２５は転写器で、トナーと反対極性の直流が印加され、感光体１０上に形成されたトナー画像を中間転写ベルト２０上に転写させる機能を有する。転写器２５としてはコロナ放電器の他に転写ローラを用いることもできる。

２６はアースローラ２２から当接および当接解除可能な転写ローラで、中間転写ベルト２０上に形成されたトナー画像を転写材Ｐに再転写する。

２８はクリーニング装置で、中間転写ベルト２０を挟んで従動ローラ２４に対向して設けられている。トナー画像を転写材Ｐに転写後、中間転写ベルト２０は、クリーニングブレード２９によって周面上に残ったトナーが清掃される。

７０は紙送り出しローラ、７１はタイミングローラ、７２は紙カセット、７３は搬送ローラである。

４は定着装置で、中間転写ベルト２０上のトナー像が転写された転写材を、加熱ローラ４１と加圧ローラ４２とで形成されるニップ部Ｔに挟持、加圧して定着する。８１は排紙ローラで、定着された転写材を排紙皿８２へ排紙する。Ｂ１は、各駆動部、画像形成プロセス、トナー補給手段等をコントロールする主制御部である。

次に、上記画像形成装置の画像形成プロセス（画像形成工程）について図１を基に説明する。

画像記録のスタートにより不図示の感光体ドラムの駆動モータの始動によりイエロー（Ｙ）の画像形成手段１の感光体１０が矢印で示す方向に回転され、同時にスコロトロン帯電器１１の帯電作用により感光体１０に電位の付与が開始される。

感光体１０は電位を付与されたあと、書き込み装置１２によって第１の色信号すなわちＹの画像データに対応する電気信号による画像書込が開始され、感光体１０の表面に原稿画像のＹの画像に対応する静電潜像が形成される。

前記の潜像は現像装置１３により非接触の状態で反転現像され、感光体１０の回転に応じイエロー（Ｙ）のトナー像が形成される。

上記画像形成プロセスによって画像形成体である感光体１０上に形成されたＹのトナー像が、転写器２５によって、中間転写ベルト２０上に転写される。

次いで中間転写ベルト２０は、Ｙのトナー像と同期が取られ、マゼンタ（Ｍ）の画像形成手段１により、スコロトロン帯電器１１の帯電作用により電位が付与され、書き込み装置１２によってＭの色信号すなわちＭの画像データに対応する電気信号による画像書込が行われ、現像装置１３による非接触の反転現像によって感光体１０上に形成されたＭのトナー像が、Ｍの転写器２５によって、前記のＹのトナー像の上から重ね合わせて形成される。

同様のプロセスにより、Ｙ、Ｍの重ね合わせトナー像と同期が取られ、シアン（Ｃ）の画像形成手段１により、感光体１０上に形成された、Ｃの色信号によるＣの画像データに対応するＣのトナー像が、Ｃの転写器２５によって、前記のＹ、Ｍ、のトナー像上から重ね合わせて形成され、更にＹ、Ｍ、Ｃの重ね合わせトナー像と同期が取られ、黒色（Ｋ）の画像形成手段１により、感光体１０上に形成された、Ｋの色信号によるＫの画像データに対応するＫのトナー像が、Ｋの転写器によって、前記のＹ、Ｍ、Ｃ、のトナー像の上からＫのトナー像が重ね合わせて形成され、中間転写ベルト２０上それぞれにＹ、Ｍ、Ｃ、およびＫの重ね合わせカラートナー画像が形成される。

また、一次転写後の各色の感光体１０上の面に残ったトナーは、クリーニングユニット１４により残留トナーが除去され、不図示の帯電前の一様露光器により先の画像形成における感光体１０、履歴が解消されて、次の画像形成サイクルにはいる。

前記重ね合わせトナー画像を担持している中間転写ベルト２０は矢印Ｆの方向に送られ、転写材Ｐが、転写材収納手段である給紙カセット７２より、送り出しローラ７０によって送り出され、搬送ローラ７３を経てタイミングローラ７１へ搬送され、中間転写ベルト２０上のトナー画像と同期がとられて、タイミングローラ７１の駆動によって、転写ローラ２６の転写領域Ｓに給送される。

中間転写ベルト２０に重畳した転写材Ｐは、転写領域Ｓでアースローラ２２と転写ローラ２６に挟持転写され、定着装置４で加熱ローラ４１、加圧ローラ４２のニップ部Ｔで挟持、加圧して定着され、排紙ローラ８１で、排紙皿８２へ排紙される。

ここで、本発明に係る現像装置中のトナー濃度センサの出力補正について説明する。

前述したが、画像プリント数が進むとキャリア側の劣化に伴いトナー濃度センサの出力が変化してくるためトナー濃度センサの調整値は画像プリント数に応じて変えてゆく必要がある。

はじめに、従来の出力補正方法について説明する。

図２は、トナー濃度検知に係わる制御系のブロック図を示す。

図１、図２において、５０はＣＰＵで構成される制御手段５１と記憶手段としての不揮発メモリ５３とからなる制御部、５２は現像剤の透磁率を検知するトナー濃度センサ、５３は不揮発メモリ、５４は画像形成枚数をカウントする枚数カウンタ、５５はトナー補給手段である。なお、制御部５０、制御手段５１、枚数カウンタ５４は主制御部Ｂ１に配置されている。

トナー濃度センサ５２は、出力端子ａ及び制御端子ｂを有し、これら端子で制御手段５１と接続されている。

出力端子ａからは現像剤のトナー濃度に対応した出力値（電圧）ＶＬが出力される。出力値ＶＬは、高透磁率で高く、低透磁率で低い値を示し従って、低トナー濃度で高く、高トナー濃度で低い値の出力値ＶＬが出力端子ａから出力される。

端子ｂは制御端子であり、制御端子ｂの制御電圧ＶＣに応じて出力電圧ＶＬが変化する。

トナー補給装置５５は、周知のようにモータを有し、たとえば、トナー搬送スクリュー５５Ａを回転駆動してトナーを現像装置１３に補給する。制御手段５１はトナー濃度センサ５２の出力に基づいてトナー補給装置５５を制御してトナー補給を行う。

具体的には、制御手段５１は、一定のサイクルでトナー濃度センサ５２の出力を読み込み、トナー濃度センサ５２の出力に応じた時間だけトナー補給装置５５を作動させてトナー補給を行う。一例では、トナー濃度センサ５２の所定の制御点（閾値）を２．５Ｖとして、トナー濃度センサ５２の出力値ＶＬを制御点２．５Ｖに低下させるのに必要な時間長、トナー補給装置５５を作動させる。

不揮発メモリ５３には、トナー濃度センサ５２の出力値ＶＬを補正する調整値及びトナー濃度センサ５２の出力に対するトナー補給装置５５の駆動時間の情報が記憶される。

トナー補給装置５５の駆動時間の情報は、トナー濃度センサ５２の出力値ＶＬを所定の制御点、例えば、２．５Ｖまで下げるのに必要なトナー量から算出されたトナー補給装置５５の作動時間のテーブルから得ることができる。

広く使用されている従来の透磁率検知方式のトナー濃度検知方法について図３にて説明する。

図３はプリント枚数に対するトナー濃度センサ出力値、トナー濃度センサ調整値の推移を示す図である。

図３（ａ）において、電圧２．５Ｖはトナー補給装置５５を作動させて、所定量のトナーを補給する閾値としてのトナー濃度センサ５２の出力を示す。しかるに、画像形成枚数の増加に従って、初期において２．５Ｖを出力したトナー濃度の現像剤に対して、トナー濃度センサ５２の出力が曲線Ｌのように上昇する。すなわち、画像形成枚数の増加に従って、同一のトナー濃度の現像剤に対して、トナー濃度センサ５２が高い出力を示すようになる。従って、図１（ａ）の曲線Ｌのような出力特性を有するトナー濃度センサ５２を用いて、トナー補給装置５５を作動させる動作点を一定にして（たとえば、２．５Ｖ）トナー補給制御を行うと、画像形成枚数の増加に従ってトナー濃度が上昇し、結果としてかぶりの発生やトナー飛散等の現象が起こる。

このような現象は、前述したが、画像形成工程において、現像剤中のキャリアが疲労し、帯電性能の低下等を受けて現像剤の嵩密度が上昇することが主たる原因であると考えられる。

このために、図１（ｂ）に示すように、トナー濃度センサの調整値を画像形成枚数の増加に応じて下げる調整が行われている。すなわち、プリント枚数に左右されないで安定したトナー濃度を保つためには、出力値ＶＬが２．５Ｖになるようにトナー濃度センサの調整値を変更してゆく必要がある。

このような調整により画像形成枚数に左右されない一定値にトナー濃度が維持されて安定した画質の画像が形成されるようになった。

しかしながら、より高度な画質を安定して形成するには、このような調整では十分でないことが判明した。特に、カラー画像形成においては、各単色画像の濃度が安定しないと、濃度の変動だけでなく、色調が変動して画質を低下させるために、トナー濃度検知誤差に起因する問題が顕著になるという問題がある。

そこで、上記問題を改善するために、以下のような方法が提案された。

図４は、各プリント枚数における疲労したキャリアとトナー濃度センサとの組み合わせた場合の見かけ上のトナー濃度センサの特性の出力値ＶＬと調整値ＶＣを示す図である。

図４（ａ）において、縦軸はトナー濃度センサＳ１〜Ｓ４の出力、すなわち、図３におけるトナー濃度センサ５１の出力端子ａの出力値ＶＬを示し、横軸は調整値ＶＣを示し、プリント枚数によって特性が変化する。例えば、トナー濃度センサ５２の出力値ＶＬの閾値２．５Ｖを維持するために、プリント枚数２０ｋｃ、５０ｋｃ、１００ｋｃで見かけ上の特性の異なるトナー濃度センサＳ１〜Ｓ４があると仮定し、閾値２．５Ｖにするためには２０ｋｃでは１．６Ｖ、５０ｋｃではさらに１．６Ｖ、１００ｋｃではさらに０．９Ｖ下げてゆく調整方法が提案された。

しかしながら、当該調整方法でも、制御点Ｃ１、Ｃ２、Ｃ２、Ｃ４における調整値ＶＣに対する出力値ＶＬの勾配ΔＶＬ／ΔＶＣが異なっていく（傾きが大きくなって行く）ため、許容閾値（２．５±α）Ｖへの狙いに対し、前記トナーセンサＳ１とＳ４では調整値の許容幅Ｄ１＞Ｄ４となり、スタートからプリント数が進むほど閾値設定が厳しくなり、調整値の誤差に対して大きく出力値が変動し、適正なトナー濃度を維持することが厳しくなる不具合が生じる。

このような不具合を回避するために、本発明によると、定期的にトナー濃度調整値ＶＣに対する出力値ＶＬの傾きΔＶＬ／ΔＶＣを検出して所定（適正）な値からずれた場合にはそこに補正を加えることによって現像剤の耐久を通してΔＶＬ／ΔＶＣを提供し、トナー濃度を制御する方法がとられる。

以下、図５に示すグラフを基に本発明について説明する。

図５は、図４（ａ）における各プリント数をに対応するトナー濃度センサの出力値（閾値）２．５Ｖ近傍の勾配を示す図である。

図５に示すように、スタート時からプリント数が進む程、現像剤の耐久補正として調整値ＶＣを下げてゆくため、勾配が大きくなってゆくことがわかる。例えば、環境変動による例を上げると、表１のように、プリント数５０ｋｃ時にはスタート時の約２倍の傾きになっている。

すなわち、スタート時と５０ｃｋ時とでは５０ｃｋ時の方が約２倍、調整値ＶＣに対するトナー濃度変化量が大きくなっているため、例えば、スタート時には環境補正値ΔＶＣ値＝約１．０Ｖに設定すると、トナー濃度変化量ΔＴが約１％変動していたものが、５０ｋｃでは約２．０％も変動してしまうことになる。すなわち、スタート時と５０ｋｃ時の環境補正値を同じにしてしまった場合には、その時のトナー濃度変化量は倍も違ってします。

そこで、このトナー濃度制御性のずれを抑制するためには、５０ｋｃ時に加える環境補正値ΔＶＣは、スタート時に対して、（０ｋｃ時と５０ｋｃ時の勾配ΔＶＬ／ΔＶＣの比）×（スタート時の環境補正値）＝（０．９０６／１．８６５８）×（１．０）Ｖ＝０．４９Ｖに少なくしてやればよい（表２参照）。

例えば、表２のように、５０ｋｃの時、環境補正値ΔＶＣをスタート時との傾きΔＶＬ／ΔＶＣの違いだけ小さくしてやることでトナー濃度の変化量を同等レベルにすることが可能となる。こうすることで現像剤の寿命を通して安定したトナー濃度制御が可能になる。なお、表１、２中の感度１．０質量％／Ｖとはセンサ出力値ＶＬが１Ｖ変化したときのトナー濃度の変化量を表し、この場合１Ｖ変化したときのトナー量の変化量は１．０％変化することを意味する。

ここで言っている環境補正値とは、環境変動によって生じるトナー帯電量（Ｑ／Ｍ）の変動を抑制するため、トナー濃度レベルを変える目的で加える補正値のことである。例えば、高温高湿環境ではトナー帯電量が低下するためトナー濃度を下げてトナー帯電量を確保したり、逆に、低温低湿環境ではトナー帯電量が上がるためトナー濃度を上げてトナー帯電量を抑えたりして現像性を確保するための補正値をいう。

なお、トナー濃度センサの出力ＶＬ及び枚数カウンタの出力に基づく傾きΔＶＬ／ΔＶＣのデータは不揮発メモリ５３のテーブルに記憶されており、条件に応じて参照される。

上記のように定期的に傾きΔＶＬ／ΔＶＣを検出し、その傾きの違いの分だけトナー濃度センサの環境補正値ΔＶＣを修正してやることで現像剤寿命を通して安定したトナー濃度を制御することが可能となる。

この行為は環境補正値のみならず、それ以外に安定した画像を得る目的でトナー濃度センサに加えるあらゆるＶＣ値補正値（上述した耐久補正値や現像装置の撹拌停止時間に応じて加える履歴補正等）に対しても有効な手段となる。

また、傾きΔＶＬ／ΔＶＣの検出は、ある環境調整値ΔＶＣだけ変えてやったときの出力値ＶＬの変化量を検出することで可能となる。

傾きΔＶＬ／ΔＶＣを検出するタイミングは、１）プリント数（現像剤摺動距離）、２）環境温湿度が変化したとき、３）現像剤撹拌が停止している時間等に応じて行われるのが好ましい。

画像形成装置の全体構成の一例を示す模式図である。 トナー濃度検知に係わる制御系のブロック図を示す。 プリント枚数に対するトナー濃度センサ出力値、トナー濃度センサ調整値の推移を示す図である。 各プリント枚数における疲労したキャリアとトナー濃度センサとの組み合わせた場合の見かけ上のトナー濃度センサの特性の出力値ＶＬと調整値ＶＣを示す図である。 図４（ａ）における各プリント数をに対応するトナー濃度センサの出力値（閾値）２．５Ｖ近傍の勾配を示す図である。

符号の説明

１０ 感光体
１３ 現像装置
１６ 現像スリーブ
２０ 中間転写ベルト
５１ 制御手段
５２ トナー濃度センサ
５５ トナー補給装置
５４ 枚数カウンタ

Claims (3)

1. 像担持体と、帯電手段と、当該像担持体上に静電潜像を形成する画像書込み手段と、形成された静電潜像を現像して前記像担持体上にトナー像を形成する現像手段と、トナーと磁性キャリアとからなる二成分現像剤の透磁率を基にトナー濃度を検知する検出手段と、前記現像手段にトナーを補給するトナー補給手段と、前記検出手段の出力に基づいて、前記トナー補給手段を制御する制御部とを有する画像形成装置において、前記検出手段の所定の出力値を得るために、当該所定の出力値近傍における前記検出手段の出力値ＶＬと当該出力値ＶＬを得るための調整値ＶＣとの勾配ΔＶＬ／ΔＶＣを検出し、所定の出力値からずれていた場合には補正を加えることを特徴とする画像形成装置。
2. 前記勾配ΔＶＬ／ΔＶＣは、環境温湿度、プリント数、現像剤の攪拌時間いずれか、もしくはこれらの組み合わせに応じて検出されることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記二成分現像剤は体積平均粒径が２０μｍ以上５０μｍ以下の前記磁性キャリアと体積平均粒径が４．０μｍ以上７．０μｍ以下の前記トナーからなっている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。

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