JP2008139400A - 画像形成装置及び画像形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】現像手段から劣化トナーを排出する強制トナー排出によりトナー消費量が増加するのを抑制し、トナー消費量が少なく、且つ、項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。
【解決手段】強制トナー排出時に現像電界を小さくするとともに、トナー劣化度を監視し、トナー劣化をが検知されたときにのみ、トナー強制排出を行う。
【選択図】図８

Description

本発明は電子写真プロセスにより画像を形成する画像形成装置に関し、特に、トナーの劣化による画質低下を防止する技術に関する。

電子写真画像形成プロセスでは、像担持体上の静電潜像をトナーを用いた現像により現像し可視像が形成される。

二成分現像剤を用いた現像においては、トナーはキャリアとの摩擦により帯電され、静電潜像を現像するが、トナーの劣化によりトナーの帯電量が減少し画質が低下することが知られており、このような画質の低下に対する対策として、現像手段内に滞留しているトナーを強制的に排出させ、新しいトナーを入れ替えるトナーの強制排出の技術が開発されている。例えば、特許文献１では、現像バイアス印加手段を第１現像バイアス及び該第１現像バイアスよりも低い第２現像バイアスを印加可能に構成し、第１現像バイアスにより記録画像を形成し、第２現像バイアスにより、トナーを強制排出することが提案されている。低い現像バイアスにより帯電量の低いトナーが選択的に現像手段から像担持体に付着して帯電量の低いトナーが強制的に現像手段から排出される。

特許文献１ではトナーの強制排出、即ち、クリーニングモードを定期的に実行している。

特許文献２では、画像形成において、直流電圧に交流電圧が断続的に重畳されたブランクパルスを現像バイアイスとして印加し、トナーの強制排出時に、直流電圧に連続した交流電圧を重畳した現像バイアスを印加することが提案されている。

特許文献２においては、トナーの強制排出を画像形成終了後の後処理として実行するか又はメンテナンスモードにおいて実行している。
特開平１１−３１６４９０号公報 特開２０００−２９３０２３号公報

現像手段内のトナーは、攪拌によりキャリアーや現像手段の器壁と摩擦し帯電するが、現像手段内にトナーが長期間滞留していると、トナーが劣化し、帯電性能が次第に劣化することが知られており、トナーの強制排出はこのような劣化トナーを現像手段から排出する処理である。

従って、劣化していない正常なトナーを排出することなく、劣化トナーのみを排出することが理想である。しかしながら、従来技術においては、劣化トナーとともに正常なトナーも排出されるためにトナーの消費量が多くなるという問題がある。

特許文献１や特許文献２では、強制排出時に交流バイアスの振幅を小さくするか又は交流バイアスを印加しないことにより、低帯電トナー、即ち、劣化トナーを選択的に排出することが行われているが、特許文献１、２の方法ではなお、強制排出によりトナー消費量を増加するという問題が解決されていない。

本発明は、トナーの強制排出を行うことにより、トナーの劣化による画質低下を防止しながら、トナーの強制排出によるトナー消費量の増大を十分に抑制した画像形成装置を実現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。
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及び、形成された静電潜像を現像する現像手段を有し、前記現像手段が、トナーを前記現像手段から前記像担持体に移動させる現像電界を形成するバイアス電源を有する画像形成装置であって、画像を形成しないトナーを前記現像手段から前記像担持体に移動させる強制排出を行う画像形成装置において、
制御手段を有し、該制御手段は、トナーの劣化度を監視し、劣化度が措定値を超えたときにのみ前記強制排出を行うことを特徴とする画像形成装置。
２．
前記制御手段は、前記現像手段の駆動時間の累積値とトナー消費量の累積値との比較により前記トナーの劣化度を監視することを特徴とする前記１に記載の画像形成装置。
３．
前記制御手段は、前記トナー消費量として印字量を用いることを特徴とする前記１又は前記２に記載の画像形成装置。
４．
前記制御手段は、前記トナー消費量として前記現像手段に供給されるトナーの量であるトナー補給量を用いることを特徴とする前記１又は前記２に記載の画像形成装置。
５．
前記制御手段は、前記駆動時間の累積値及び前記トナー消費量の累積値を前記強制排出が行われたときにクリアすることを特徴とする前記１〜４のいずれか１項に記載の画像形成装置。
６．
前記制御手段は、前記強制排出時において、画像形成時よりも低い前記現像電界を形成するように、前記バイアス電源を制御することを特徴とする前記１〜５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
７．
前記バイアス電源は、直流電圧に交流電圧が重畳された現像バイアスを印加することにより前記現像電界を形成するものであり、前記交流電圧のピーク電圧を画像形成時よりも前記強制排出時に下げることにより、低い前記現像電界を形成することを特徴とする前記１〜５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
８．
前記バイアス電源は、直流電圧に交流電圧が重畳された現像バイアスを印加することにより前記現像電界を形成するものであり、画像形成時には前記直流電圧に前記交流電圧が重畳された現像バイアスを印加し、前記強制排出時には、前記直流電圧のみからなる現像バイアスを印加することにより低い前記現像電界を形成することを特徴とする前記１〜５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
９．
前記バイアス電源は、直流電圧に交流電圧が重畳された現像バイアスを印加することにより前記現像電界を形成するものであり、前記直流電圧を画像形成時よりも前記強制排出時に下げることにより、低い前記現像電界を形成することを特徴とする前記１〜５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
１０．
潜像形成手段により像担持体上に静電潜像を形成し、現像手段により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画像形成方法であって、画像を形成しないトナーを前記現像手段から前記像担持体に移動させる強制排出が行われる画像形成方法において、
トナーの劣化度を監視し、該トナーの劣化度が所定値を超えたときにのみ前記強制排出を行うことを特徴とする画像形成方法。

本発明により、トナー消費量が少なく、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。

＜装置構成＞
図１は本発明の実施の形態係る画像形成装置の全体構成を示す図である。画像形成装置は画像読取部Ａと画像形成部Ｂとで構成される。

画像形成部Ｂにおいては、像担持体としてのドラム状の感光体１の周囲に帯電装置２、露光装置３、現像手段４、転写装置５及びクリーニング装置６が配置される。

画像形成部Ｂの下方には、記録紙Ｐを収納する給紙トレイ１０が配置され、記録紙Ｐは給紙トレイ１０から１枚ずつ搬出されて、レジストローラ１２により搬送されて転写装置５により形成される転写位置を通過し、搬送ベルト１３により搬送されて定着装置７を通過し、排紙ローラ１４により排紙トレイ１５上に排出される。

１１は手差し給紙トレイである。

帯電装置２による帯電及び露光装置３の露光で静電潜像が感光体１上に形成され、帯電装置２及び露光装置は像担持体上に静電潜像を形成する潜像形成手段を構成する。

形成された静電潜像が現像手段４により現像されて感光体１上にトナー像が形成される。

感光体上のトナー像は転写装置５により記録紙Ｐに転写され、転写されたトナー像が定着装置７により定着される。

転写後の感光体１はクリーニング装置６によりクリーニングされる。

図２は現像手段４及び現像手段４における現像バイアスを制御する制御系を示す。

現像手段４はトナーとキャリアとを主成分とする二成分現像剤を用いて現像を行う現像手段であり、実施の形態においては負帯電トナーを用いた反転現像を行ってトナー像を形成する。

現像手段４は、回転する現像ローラ４１，現像ローラ４１の中に配置され、現像磁極、現像剤搬送磁極等の複数の磁極を有する磁石ロール４２、現像ローラ４１上の搬送される現像剤の量を規制する規制部材４３、現像剤を攪拌・搬送するスクリュー４４、４５、現像剤を現像ローラ４１に供給する搬送部材４６を有する。

矢印のように回転する現像ローラ４１により現像剤が現像領域Ｒに搬送され、現像領域Ｒにおいて、感光体１上の静電潜像を現像してトナー像を形成する。

現像ローラ４１には、直流電源５１及び交流電源５２からなるバイアス電源により、現像バイアスが印加され現像領域Ｒにおいて、トナーを現像ローラ４１から感光体１に移動させる現像電界が形成される。
＜強制排出＞
図１に示す画像形成装置においては、記録紙に画像を形成する画像形成及び記録紙に画像を形成しないで、現像手段４からトナーを感光体１に移動させて感光体１に付着させ、付着したトナーをクリーニング装置６により回収する強制排出が行われる。

強制排出においては、このようにトナーを現像手段から強制排出するとともに、強制排出分を補うニュートナーが現像手段に補給される。

まず、記録紙上に画像を形成する画像形成及びトナーを強制排出する強制排出における現像バイアスについて説明する。

なお、以下の説明においては、電圧値を絶対値で示す。

現像手段内に収容されているトナーが幅を持った帯電量を有していることは知られており、現像でトナーが消費されることによりトナーの帯電量分布が変化することも知られている。

トナーの帯電量分布の変化は現像確率を用いることにより説明することができる。次に、現像確率について説明する。

トナー帯電量分布の入力値の分布Ｘを、出力値の分布Ｙに変換する関数を正方行列Ａで定義し、これを現像確率マトリクスと呼ぶことにする。

入力値の分布Ｘを出力値の分布Ｙに変換する式は次の式１で表される。

現像確率には、帯電量間の相互作用はほとんどないために、マトリクスＡは対角行列Ａｉｊ＝０（ｉ≠ｊ）として記述することができ、現像されるトナーの帯電量分布は単純なスカラー値として求められる。

即ち、式１は次の式２として表される。

図３は現像によるトナーの帯電量分布の変化と現像確率を示す。

現像前のトナー帯電量分布、即ち、入力値の分布Ｘは矢印で示すように高帯電側にシフトして現像後のトナー帯電量分布、即ち、出力値の分布Ｙとなる。現像確率ＡはＡ１〜Ａｊのように帯電量の違いにより異なった値をとる。

このような解析から現像確率Ａを制御することにより、現像におけるトナーの帯電量分布を制御することが可能であることが判明したが、現像確率は、現像バイアスを制御し、像担持体である感光体１と現像ローラ４１との間に形成される現像電界を制御することにより制御可能であることも判明した。

図４は、現像バイアスとして直流電圧に交流電圧を重畳したものを用いた場合に、交流電圧のピーク電圧、即ち、振幅を変えた場合の現像確率の変化示す。

曲線Ｌ１は４００Ｖの直流電圧にピーク電圧１０００Ｖの交流電圧を重畳した現像バイアスを印加した画像形成時の場合の現像確率を示し、曲線Ｌ２は４００Ｖの直流電圧にピーク電圧５００Ｖの交流電圧を重畳した現像バイアスを印加したパッチ画像形成時の場合の現像確率を示す。

曲線Ｌ１はトナー帯電量の高低による現像確率の変化が少ないが、曲線Ｌ２は高帯電側で現像確率が顕著に下がっている。

曲線Ｌ２は、交流電圧を低くすることにより、低帯電量トナーが消費される割合を多くすることができることを示している。

従って、トナーの強制排出時に交流電圧を低くすることにより、現像手段から低帯電トナーを効率よく排出できるが分かる。

また、画像形成試験により、交流電圧を低く設定したトナーの強制排出を行うことにより、低帯電トナーによる画質低下が抑制され、高画質の画像が形成されることを確認することができた。

低帯電トナーは、現像電界を小さくすることにより、選択的に排出される。直流電圧に交流電圧を重畳した現像バイアスにおいて、交流電圧を低くすることによって、低帯電トナーが選択的に現像手段から排出されることは前記のとおりであるが、現像電界を小さくする同等な手段、即ち、交流電圧を印加せず、直流電圧のみを印加するか、又は、直流電圧を低い値に設定するという手段を用いることも可能である。

図５〜図７に画像形成時に現像バイアスと強制排出時の現像バイアスの例を示す。

図５〜７において、（ａ）は画像形成時の現像バイアスを、（ｂ）は強制排出時の現像バイアスをそれぞれ示す。また、ＶＬは露光部電位、即ち、最大露光量で露光した場合の感光体表面電位、Ｖｄｃは現像バイアスの直流成分の現像電位、Ｖｐｐは交流電圧のピーク電圧をそれぞれ示す。

図５では、例えば、現像バイアスの直流成分Ｖｄｃ＝４００Ｖ、露光電圧ＶＬ＝５０Ｖとして、画像形成時の現像バイアスの交流成分ピーク電圧Ｖｐｐ＝１０００Ｖとしたのに対して、トナー強制排出時には、Ｖｐｐ＝５００Ｖとした。

図６では、例えば、Ｖｄｃ＝４００Ｖ、ＶＬ＝５０Ｖとして、画像形成時のＶｐｐ＝１０００Ｖとしたのに対して、トナー強制排出時には、Ｖｐｐ＝０Ｖとした。

図７では、例えば、ＶＬ＝５０Ｖ、Ｖｐｐ＝１０００Ｖとして、画像形成時のＶｄｃ＝４００Ｖとしたのに対して、トナー強制排出時には、Ｖｄｃ＝２００Ｖとした。

次に、強制排出の制御について説明する。

図４に示すように、現像バイアスを変えることによっても、高帯電トナー、すなわち、劣化が進んでいないトナーの現像確率が低下はするが、ゼロにはならない。これは、強制排出時にも正常なトナーが消費されることを示している。

従って、強制排出をできるだけ少なくしてトナーの消費量を抑制する必要がある。本発明においては、以下に説明するように、トナーの劣化状態を監視し、劣化度が進んだ時にのみ強制排出及び補給を実行するトナー強制排出制御により、トナー消費量を抑制している。

図８、９はトナー強制排出制御のフローチャートであり、図８，９に示し以下に説明するトナー強制排出制御及び制御のための演算は、制御手段５０（図２に示す）により行われる。

図８のＳＴＥＰ１において、画像一枚を印字し、ＳＴＥＰ２において、現像手段の駆動時間ｔを加算する。現像手段の駆動時間ｔは、図２における現像ローラ４１を駆動するモータ５３の１枚の画像形成における作動時間である。

続くＳＴＥＰ３において、制御手段５０内に設けられている印字量カウンタにＳＴＥＰ１で印字した画像の印字量Ｍ１を加算する。印字量Ｍ１は露光装置３（図１に示す）を駆動する画像データを生成する画像処理装置５４からの画像データを画像１枚について積算したものであり、印字画素数と濃度値との積の画像１枚当たり累積値である。

続くＳＴＥＰ４において、トナー排出処理のサブルーチンを実行する。

トナー排出処理は図９に示すものであり、ＳＴＥＰ１０、１１において、駆動時間の積算値（Σｔ）及び印字量の積算値（ΣＭ１）を取得する。これら積算値（Σｔ、ΣＭ１）は後に説明するように、最後のトナー排出処理が行われた時点を基点として積算された値である。

ＳＴＥＰ１２において、トナー劣化度αを算出する。トナー劣化度α＝ΣＭ１／Σｔであり、αが低いほど劣化が進行している。

ＳＴＥＰ１３において、トナー劣化度αを閾値βと比較し、閾値βよりαが大きいときは、劣化が進行していないので終了し、αが閾値β以下のときは、即ち、劣化度αが所定の閾値βを超えたときに、劣化度が進行しているので、トナー排出処理を実行する。

トナー排出処理では、ＳＴＥＰ１４において、バイアス電源（直流電源５１、交流電源５２）を制御して現像バイアスを排出用に設定する。この強制排出用の現像バイアスは、前記に説明したように、交流電圧のピーク電圧を下げる等である。

ＳＴＥＰ１５においてトナー排出動作を実行する。トナー排出動作は、帯電装置２及び露光装置３（図２に示す）を駆動して感光体１（図１に示す）上にパッチ画像の潜像を形成し、形成したパッチ画像の潜像を現像手段４により現像することである。パッチ画像は、記録画像間の間隔、記録画像の幅方向に隣接した感光体端部等に形成される。

また、強制排出は、画像形成に先立つ前処理として、あるいは、画像形成終了後に実行される後処理として実行さる場合もある。

トナー排出後に、現像バイアスを印字用の値に設定し（ＳＴＥＰ１６）、ＳＴＥＰ１７、１８において、現像手段の駆動時間カウンタ及び印字カウンタをクリア（ｔ＝０、Ｍ１＝０）して終了する。

サブルーチンＳＴＥＰ５の後に、ジョブが終了していないときはＳＴＥＰ１に戻り、終了したときは制御を終了する。

トナー劣化度αは現像手段の駆動時間ｔの累積値Σｔとトナー消費量Ｍの累積値ΣＭとの比ΣＭ／Σｔで表され、図８、９も例では、トナー消費量Ｍとして印字量Ｍ１を用いているが、印字量Ｍ１に代えて、トナー補給量を用いることもできる。即ち、現像手段に供給されるトナーの量であるトナー補給量Ｍ２の積算値ΣＭ２を求め、トナー劣化度α＝ΣＭ２／Σｔを用いて強制排出制御を行うこともできる。トナー補給装置が１回のトナー補給で一定量のトナーを補給するものである場合には、トナー補給回数をカウントすることによりトナー補給量が求められる。

本発明の実施の形態係る画像形成装置の全体構成を示す図である。 現像手段４及び現像手段４における現像バイアスを制御する制御系を示す図である。 現像によるトナーの帯電量分布の変化と現像確率を示す図である。 現像バイアスとして直流電圧に交流電圧を重畳したものを用いた場合に、交流電圧のピーク電圧、即ち、振幅を変えた場合の現像確率の変化示す図である。 画像形成時に現像バイアスと強制排出時の現像バイアスの例を示す図である 画像形成時に現像バイアスと強制排出時の現像バイアスの例を示す図である。 画像形成時に現像バイアスと強制排出時の現像バイアスの例を示す図である。 トナー強制排出制御のフローチャートである。 トナー強制排出制御のフローチャートである。

符号の説明

１ 感光体
２ 帯電装置
３ 露光装置
４ 現像手段
５０ 制御手段
５１ 直流電源
５２ 交流電源
５３ モータ
５４ 画像処理装置

Claims (10)

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及び、形成された静電潜像を現像する現像手段を有し、前記現像手段が、トナーを前記現像手段から前記像担持体に移動させる現像電界を形成するバイアス電源を有する画像形成装置であって、画像を形成しないトナーを前記現像手段から前記像担持体に移動させる強制排出を行う画像形成装置において、
   制御手段を有し、該制御手段は、トナーの劣化度を監視し、劣化度が措定値を超えたときにのみ前記強制排出を行うことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記制御手段は、前記現像手段の駆動時間の累積値とトナー消費量の累積値との比較により前記トナーの劣化度を監視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. 前記制御手段は、前記トナー消費量として印字量を用い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. 前記制御手段は、前記トナー消費量として前記現像手段に供給されるトナーの量であるトナー補給量を用い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。
5. 前記制御手段は、前記駆動時間の累積値及び前記トナー消費量の累積値を前記強制排出が行われたときにクリア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。
6. 前記制御手段は、前記強制排出時において、画像形成時よりも低い前記現像電界を形成するように、前記バイアス電源を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
7. 前記バイアス電源は、直流電圧に交流電圧が重畳された現像バイアスを印加することにより前記現像電界を形成するものであり、前記交流電圧のピーク電圧を画像形成時よりも前記強制排出時に下げることにより、低い前記現像電界を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
8. 前記バイアス電源は、直流電圧に交流電圧が重畳された現像バイアスを印加することにより前記現像電界を形成するものであり、画像形成時には前記直流電圧に前記交流電圧が重畳された現像バイアスを印加し、前記強制排出時には、前記直流電圧のみからなる現像バイアスを印加することにより低い前記現像電界を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
9. 前記バイアス電源は、直流電圧に交流電圧が重畳された現像バイアスを印加することにより前記現像電界を形成するものであり、前記直流電圧を画像形成時よりも前記強制排出時に下げることにより、低い前記現像電界を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
10. 潜像形成手段により像担持体上に静電潜像を形成し、現像手段により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画像形成方法であって、画像を形成しないトナーを前記現像手段から前記像担持体に移動させる強制排出が行われる画像形成方法において、
    トナーの劣化度を監視し、該トナーの劣化度が所定値を超えたときにのみ前記強制排出を行うことを特徴とする画像形成方法。

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