JP2009163107A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】現像装置４の寿命初期から末期まで、現像剤担持体４４の回転速度を適正に設定し続けて磁性キャリアの劣化を抑制できる画像形成装置１００を提供する。
【解決手段】現像容器４１には二成分現像剤が充填されて消費した非磁性トナーがトナー補給槽６０から供給される。磁性キャリアは、規制部材４９による厚み規制や攪拌によって劣化するので、画像比率が５％以下の連続画像形成では感光ドラム１に対する現像剤担持体４４の周速比を通常の１．７から１．３まで低下させる。現像剤担持体４４の回転速度を低下させた状態で制御用トナー像を形成して規定濃度を満たしていることを確認した後に連続画像形成を開始する。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像形成中の現像装置における現像剤担持体の回転周速度を低下させて二成分現像剤中の磁性キャリアの帯電性能の低下を抑制する画像形成装置に関する。

トナーの色が異なる二成分現像剤を用いて形成された複数色のトナー像を重ねてフルカラー画像を形成する画像形成装置が広く用いられている。

二成分現像剤は、非磁性トナーに磁性キャリアを混合して構成され、現像装置内の攪拌部材によって攪拌されて非磁性トナーと磁性キャリアとが摩擦帯電により反対極性に帯電する。非磁性トナーは、画像形成に伴って消費されるので、消費量に見合った量が補充用現像剤として現像装置へ補給され続けるが、磁性キャリアは、初期状態で充填された量が現像装置内を循環し続ける。

このため、画像形成枚数の累積に伴って磁性キャリアの帯電性能が次第に失われると、出力される非磁性トナーの帯電量が低下して、現像濃度の変化やトナーの飛散が発生することが知られている。そして、磁性キャリアの帯電性能の低下を抑制するための種々の対策が提案されている。

特許文献１には、現像装置の運転に伴って現像装置内の磁性キャリアの一部を排出させる一方で、補充用現像剤として磁性キャリアを含む非磁性トナーを供給する画像形成装置が示される。ここでは、現像装置内の古い磁性キャリアを少しずつ新しい磁性キャリアに新陳代謝させることにより、現像装置内の磁性キャリアの平均的な帯電性能が保たれている。

特許文献２には、現像剤担持体に担持される二成分現像剤の層厚を規制する規制部材を通過する際に、磁性キャリアに大きなストレスがかかることが示される。ここでは、現像装置が実質的に現像を行っていない期間について、現像剤担持体の回転速度を低下させることにより、規制部材によるストレスを軽減して二成分現像剤の無駄な劣化を阻止している。

特許文献３には、二成分現像剤の劣化については言及されないが、現像剤を担持して回転する現像剤担持体の回転速度を、画像形成しようとする画像の画像比率（印字比率）に応じて設定する制御が示される。

特開２００５−１９５７０５号公報 特開２００５−３０９０４２号公報 特開２００１−３５０３４０号公報

特許文献１に示される方法では、磁性キャリアを補充し続けないと、磁性キャリアの帯電性能は次第に低下してしまう。補充する磁性キャリアのコストが運転費用に上乗せされ、廃棄される二成分現像剤の貯留容器を機体内に配置する必要がある。

特許文献２に示される方法では、現像装置の休止間隔が短い画像形成、例えばタンデム型の画像形成装置で連続画像形成を行う場合、現像剤担持体の回転速度を低下させる時間を十分に確保できなくなる。このため、画像形成枚数の累積とともに磁性キャリアの帯電性能は速やかに低下する。

そこで、特許文献３に示される制御を参考にして、画像比率が低くなるほど現像中の現像剤担持体の回転速度を低下させ、これにより画像形成枚数の累積に伴う現像剤担持体の累積回転回数を抑制する制御が提案された。

しかし、特許文献３に示される制御では、設定される現像剤担持体の回転速度は、初期状態から寿命末期まで画像比率に応じて一律一定に定められるので、設定される回転速度が途中から適正でなくなる可能性がある。

後述するように、二成分現像剤の劣化度、現像装置の状態、環境湿度等に応じて規定濃度の現像を行うために必要な現像剤担持体の回転速度は大きく変化するからである。

本発明は、現像装置の寿命初期から末期まで、現像剤担持体の回転速度を適正に設定し続けて磁性キャリアの劣化を抑制できる画像形成装置を提供することを目的としている。

本発明の画像形成装置は、像担持体と、前記像担持体に静電像を形成する静電像形成手段と、磁性キャリアを含む現像剤を担持して回転する現像剤担持体と、前記現像剤担持体に担持される二成分現像剤の層厚を規制する規制部材とを有して、前記静電像をトナー像に現像する現像装置とを備えたものである。そして、トナー使用量が少ない画像形成では、トナー使用量が多い画像形成よりも低くなるように前記現像剤担持体の回転速度を制御する制御手段と、前記回転速度を低下させた状態で前記静電像形成手段及び前記現像装置を制御して制御用トナー像を形成させ、前記制御用トナー像の濃度が不足している場合に前記回転速度を増すように前記回転速度を変更する変更手段とを備える。

本発明の画像形成装置は、トナー使用量が少ない画像形成に対して適用される現像剤担持体の回転数を随時変更するので、現像装置の状況変化や経時変化に追従して適正な回転速度を設定し続けることができる。そして、画像形成中の回転速度を現像に差し支えない範囲で低下させることにより、現像剤担持体の累積回転回数を減らして、磁性キャリアの劣化を抑制できる。

従って、現像装置の寿命初期から末期まで、現像剤担持体の回転速度を適正に設定し続けて磁性キャリアの劣化を抑制できる。

以下、本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明は、トナー使用量の少ない画像形成に際して、現像剤担持体の回転周速度を低下させる限りにおいて、各実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実施できる。

従って、記録材搬送ベルトに担持された記録材へトナー像を転写する画像形成装置に限らず、像担持体から記録材へ単純にトナー像を転写する画像形成装置、中間転写ベルトを用いる画像形成装置でも実施できる。複数の像担持体を直列配置したタンデム型フルカラー画像形成装置、１つの像担持体で複数のトナー像を形成する１ドラム型フルカラー画像形成装置でも実施できる。

本実施形態では、トナー像の形成／転写に係る主要部のみを説明するが、本発明は、必要な機器、装備、筐体構造を加えて、プリンタ、各種印刷機、複写機、ＦＡＸ、複合機等、種々の用途で実施できる。

なお、特許文献１、２、３に示される画像形成装置の一般的な事項については、図示を省略して重複する説明を省略する。説明中、特許請求の範囲で用いた構成名に括弧を付して示した参照記号は、発明の理解を助けるための例示であって、実施形態中の構成に限定する趣旨のものではない。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の画像形成装置の構成の説明図である。

図１に示すように、第１実施形態の画像形成装置１００は、電子写真方式のデジタル複写機である。

複写されるべき原稿３１の画像は、レンズ３２によってＣＣＤなどの撮像素子３３に投影される。撮像素子３３は、原稿画像を多数の画素に分解し、各画素の濃度に対応した光電変換信号を発生する。

撮像素子３３から出力されるアナログ画像信号は、画像信号処理回路３４に送られ、ここで各画素ごとにその画素の濃度に対応した出力レベルを有する画素画像信号に変換され、パルス幅変調回路３５に送られる。

パルス幅変調回路３５は、入力される画素画像信号毎に、そのレベルに対応した幅（時間長）のレーザ駆動パルスを形成して出力する。すなわち、高濃度の画素画像信号に対しては大きなパルス幅を、低濃度の画素画像信号に対しては小さなパルス幅を、中濃度の画素画像信号に対しては中間のパルス幅をそれぞれ形成する。

パルス幅変調回路３５から出力されたレーザ駆動パルスは、半導体レーザ３６に供給され、半導体レーザ３６をそのパルス幅に対応する時間だけ発光させる。

従って、半導体レーザ３６は、高濃度画素に対してはより長い時間駆動され、低濃度画素に対してはより短い時間駆動されることになる。

それ故、感光ドラム１は、次に述べる光学系によって、高濃度画素に対しては主走査方向により長い範囲が露光され、低濃度画素に対しては主走査方向により短い範囲が露光される。つまり、画素の濃度に対応して静電像のドットサイズが異なる。従って、当然のことながら、高濃度画素に対するトナー消費量は、低濃度画素に対するそれよりも大である。

半導体レーザ３６から照射されたレーザ光３６ａは、回転多面鏡３７によって掃引され、ｆ／θレンズ等のレンズ３８及びレーザ光３６ａを像担持体たる感光ドラム４０方向に指向させる固定ミラー３９によって、感光ドラム４０上にスポット結像される。

かくして、レーザ光３６ａは、感光ドラム４０をその回転軸とほぼ平行な方向（主走査方向）に走査し、静電像を形成することになる。

感光ドラム１は、アモルファスシリコン、セレン、ＯＰＣ等の感光体を表面に有し、矢印Ｒ１方向に回転する電子写真感光ドラムである。

感光ドラム１は、露光器７で均一に除電を受けた後、静電像形成手段によって静電像を書き込まれる。すなわち、一次帯電器２により均一に帯電され、その後、露光装置３が出力するレーザ光３６ａによって露光されて、画像情報に対応した静電像が形成される。

静電像は、二成分現像剤４３を使用する現像装置４によって反転現像され、トナー像として可視化される。反転現像とは、感光ドラム１の光で露光された領域に、静電像と同極性に帯電したトナーを付着させる現像方法である。

トナー像は、記録材搬送ベルト９に担持させて感光ドラム１に搬送された記録材Ｐ上に、転写帯電器５の作用により転写される。記録材搬送ベルト９は、２個のローラ４５ａ、４５ｂ間に張架され、矢印Ｒ２方向に無端駆動されることにより、担持した記録材Ｐを感光ドラム１に搬送する。

トナー像が転写された記録材Ｐは、記録材搬送ベルト９から分離されて、図示しない定着器に搬送され、永久像に定着される。トナー像の転写後に感光ドラム１上に残った転写残トナーは、クリーニング装置６によって除去される。

尚、説明を簡単にするために、図１には、単一の画像形成ステーション（感光ドラム１、露光器７、一次帯電器２、現像装置４等を含む）のみを図示した。

しかし、画像形成装置１００は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色に対する個別の画像形成ステーションを具備したタンデム型のフルカラー画像形成装置である。画像形成装置１００は、現像色の異なる４つの画像形成ステーションを、記録材搬送ベルト９上にその移動方向に沿って順次に配列している。

各色の画像形成ステーションの感光ドラム１上に原稿の画像を色分解した各色毎（画像の各色成分毎）の静電像が順次に形成されて、対応する色のトナーを有する二成分現像剤を用いる現像装置４で現像される。各色の感光ドラム１に担持された各色のトナー像は、記録材搬送ベルト９に担持されて搬送される記録材Ｐ上に順次に重ね合わせて転写される。

現像容器４１には、磁性キャリアと非磁性トナーとを主成分とする二成分現像剤４８が収容され、現像容器４１の上部には、非磁性トナーを主成分とする補充用現像剤６３を収容したトナー補給槽６０が接続されている。

トナー像の形成に伴って現像装置４に充填された二成分現像剤４８の非磁性トナーだけが感光ドラム１へ持ち出されるので、放置しておくと、現像装置４内の二成分現像剤に占めるトナー比率が低下する。このため、トナー像の形成で消費されるトナー量に相当するだけの補充用現像剤６３がトナー補給槽６０から現像装置４へ補充される。

トナー補給槽６０内の下部には、トナー搬送スクリュー６２が設置されている。ギア列７１を介して接続したモータ７０でトナー搬送スクリュー６２を回転駆動することにより、トナー補給槽６０内の補充用現像剤６３が搬送されて現像装置４内に供給される。トナー搬送スクリュー６２によるトナーの供給は、制御部６７によりモータ駆動回路６９を介してモータ７０の回転を制御することにより制御される。

＜画像濃度制御＞
画像形成装置１００は、起動時及び５００枚の画像形成ごとに、感光ドラム１に濃度制御用トナー像を形成して濃度測定を行い、濃度測定結果を画像形成条件にフィードバックする。

画像濃度制御用トナー像は、１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさで、露光装置３によって最大濃度の静電像と所定の中間濃度の静電像を形成し、現像装置４によってこれらの静電像を現像して形成される。

画像濃度制御用トナー像の濃度測定は、照射部７３ａと受光部７３ｂとを有する光学センサであるパッチ検知センサ７３によって、感光ドラム１上の画像濃度制御用トナー像の反射光量を測定して行われる。

画像濃度は、最大濃度と中間濃度の反射光量が一定に保たれるように現像装置４の現像電圧条件を変化させることによって一定に保たれる。一次帯電器２の帯電電圧条件、露光装置３の露光強度等が調整される場合もあるが、現像剤担持体４４の回転速度は、通常の一定値（画像比率１００％の画像を現像可能な値）に保たれている。

＜現像装置＞
図２は現像装置の構成の説明図、図３は現像装置の平面断面図である。

図２に示すように、現像装置４は、回転する現像剤担持体４４の表面に二成分現像剤を担持して感光ドラム１に非磁性トナーを供給することにより静電像を現像する。

図３に示すように、現像容器４１の内部には、現像剤担持体４４と平行に、トナー搬送スクリュー４２及びトナー攪拌スクリュー４３が配置される。トナー搬送スクリュー４２とトナー攪拌スクリュー４３とは逆方向に二成分現像剤を搬送して現像容器４１内を循環させる。トナー搬送スクリュー４２及びトナー攪拌スクリュー４３が二成分現像剤を攪拌しつつ搬送する過程で、二成分現像剤中の磁性キャリアと非磁性トナーとが摩擦して、磁性キャリアが正極性に、非磁性トナーが負極性にそれぞれ帯電する。

図２に示すように、現像剤担持体４４は、ＳＵＳなどの非磁性材料にて作製され、中心に配置された固定磁極４５の周囲で矢印Ｒ４方向に回転する。トナー搬送スクリュー４２、トナー攪拌スクリュー４３、及び現像剤担持体４４はギア列４６で連結され、回転速度が可変のモータ４７によって駆動される。

トナー搬送スクリュー４２、トナー攪拌スクリュー４３、及び現像剤担持体４４は、同一駆動を採用しているため、現像剤担時体４４の回転速度を低下させるとトナー搬送スクリュー４２及びトナー攪拌スクリュー４３の回転速度も同一比率で低下する。

現像剤担持体４４は、トナー搬送スクリュー４３によって搬送される二成分現像剤を固定磁極４５の磁気力で汲み上げて表面に担持し、矢印Ｒ４方向に搬送する。現像剤担持体４４の表面に担持された二成分現像剤は、ゴム板で形成された層厚規制板４９にせき止められて現像剤溜まりを形成し、層厚規制板４９と現像剤担持体４４との隙間に層厚を規制される。

現像剤担持体４４に担持されて層厚規制されて現像容器４１の外側へ搬送された二成分現像剤は、固定磁極４５の磁極に応答して穂立ち状態となって、感光ドラム１の表面を摺擦する。

電源Ｄ４は、負極性の直流電圧に交流電圧を重畳した現像電圧を現像剤担持体４４に印加して、負極性に帯電したトナーを、露光によって現像剤担持体４４よりも相対的に正極性となった領域へ移動させる。

現像装置４内の二成分現像剤における非磁性トナーの濃度は、不図示の現像剤濃度センサによって適宜監視されている。現像剤濃度センサは、トナー濃度を反射光量にて検知して制御する方式（現像剤反射ＡＴＲ）、見かけの透磁率を検知して制御する方式（インダクタンス方式ＡＴＲ）、或いは非接触でトナー濃度を反射光量／見かけの透磁率等を検知して制御する方式（非接触ＡＴＲ）等があるが、本実施例では現像剤反射ＡＴＲを用いている。

そして、トナー濃度が規定値を割り込むと、トナー搬送スクリュー６２が回転して、トナー補給槽６０内の補充用現像剤６３が現像容器４１に補充される。

像担持体（１）は、直径が６０ｍｍであり、画像形成時に３００ｍｍ／ｓｅｃのプロセススピードで回転する。また、現像剤担持体（４４）は、直径が２０ｍｍであり、画像形成時に５１０ｍｍ／ｓｅｃの周速度で回転している。従って、現像剤担持体４４は感光ドラム１に対して１．７倍の速度で回転している。

以下では、感光ドラム１の周速度に対する現像剤担持体４４の周速度の比を単に『周速比』と記述する。

＜磁性キャリアの劣化＞
図４は低画像比率画像を連続画像形成した際のトナー帯電量の変化の説明図、図５はトナー帯電量分布の変化の説明図である。

二成分現像剤に用いられる磁性キャリア粒子は、非磁性トナー粒子に良好な帯電性を付与し、感光ドラム対向部において静電像上にトナーを付着させる。そして、非磁性キャリア粒子自身は、現像容器内に戻され新たな非磁性トナーと混合して良好な帯電を付与するというサイクルで長時間繰り返し使用される。

従って、磁性キャリア粒子に要求される性能として、トナーに良好な帯電を付与すること、繰り返しの使用でも帯電付与性能が劣化しないこと等が挙げられる。

しかし、実際は繰り返し使用することで磁性キャリアの帯電能は低下している。

図４に示すように、低画像比率（低印字率）の画像を連続して画像形成すると、現像されたトナー像の帯電量が次第に低下する。ここでは、画像濃度１％の前面ベタ画像の出力を１００００枚連続し、感光ドラム１から採取したトナーのトナー帯電量を、ホソカワミクロン株式会社製Ｅ−ＳＰＡＲＴ ＡＮＡＬＹＳＥＲにより測定した。

なお、上述したように、５００枚ごとに画像濃度制御が実行されているので、実験中、出力画像の画像濃度は、１％の濃度階調に対応した一定の濃度に保たれている。

図４に示すように、画像形成の累積枚数が増えるに従ってトナー帯電量が低下して、１００００枚を出力した時点ではトナー帯電量が初期の約半分になり、このまま出力を続けるとさらに帯電量が低下する傾向である。

トナー帯電量の低下の原因を探るべく、１００００枚連続出力した古い二成分現像剤を取り出して古い磁性キャリアと古い非磁性トナーとに分離した。そして、この古い磁性キャリアに新品の非磁性トナーを混合して磁性キャリアだけが古い二成分現像剤を試作した。そして、古い二成分現像剤と、磁性キャリアだけが古い二成分現像剤と、初期状態の二成分現像剤とを個別に現像装置４に充填して画像形成を行い、感光ドラム１から採取したトナーの帯電量分布を比較した。トナーの帯電量分布は、ホソカワミクロン株式会社製Ｅ−ＳＰＡＲＴ ＡＮＡＬＹＳＥＲにより測定した。

図５に示すように、古い二成分現像剤は、初期状態の二成分現像剤に比較して、トナー帯電量が低下するとともに分布が広がっている。そして、磁性キャリアが古い二成分現像剤のトナーの帯電量分布は、初期状態の二成分現像剤と古い二成分現像剤との中間に位置している。

すなわち、トナー帯電量の低下は、非磁性トナーの帯電性能の低下と磁性キャリアの帯電能力の低下との両方に起因している。

図２に示すように、画像比率が低い画像を連続画像形成したことによって、現像容器４１に対する補充用現像剤６３の補充が停滞して、同じ非磁性トナーが現像容器４１内で何度も攪拌される。同じ二成分現像剤が何度も層厚規制板４９にせき止められて層厚規制されることで大きなストレスを受ける。このため、非磁性トナーが変形又は破壊したり、非磁性トナーの表面から外添剤が遊離したり、非磁性トナーの表面に外添剤が埋め込まれたりして、非磁性トナーの帯電性能が低下している。

また、破壊したトナーや遊離した外添剤がキャリアに付着することによって、非磁性トナーとの摩擦面積が減って磁性キャリアも非磁性トナーに対する帯電能力が低下している。

なお、画像比率の高い画像を連続画像形成する場合、補充用現像剤６３への入れ替えが頻繁に行われるため、二成分現像剤の劣化の進行は遅い。

以上のことから、画像比率の高い画像よりも画像比率の低い画像のほうが、連続画像形成において二成分現像剤に与える損傷が大きく二成分現像剤の劣化速度が著しく高いことが分かる。

そこで、画像形成装置１００では、規定画像比率以下の画像を規定枚数以上に連続画像形成する場合、画像濃度制御を行う通常の回転速度よりも低い低比率画像用回転速度を現像剤担持体に設定する。具体的には、画像比率５％以下の画像を５枚以上に連続画像形成する場合、通常の周速比１．７を例えば１．３まで低下させる。そして、トナー搬送スクリュー４２及びトナー攪拌スクリュー４３も同じ比率で回転速度を低下させる。

＜低画像比率用回転速度＞
図６は画像比率５％の連続画像形成における周速比と出力画像濃度の関係の説明図、図７は周速比１．３にて画像比率が異なる画像を連続画像形成した実験結果の説明図である。

まず、周速比を通常の１．７から０．１づつ段階的に低下させて、各段階にて５枚の連続画像形成を行い、最後の定着済み出力画像の濃度を測定した。画像は、画像比率５％の最大濃度画像（２５５／２５５階調）とした。

図６に示すように、画像比率５％の連続画像形成を行う場合、画像比率１００％を想定して設定された通常の周速比１．７は過剰であって、実際には、周速比を１．３まで低下させても画像濃度に影響が無いことが分かった。

次に、周速比を１．３に固定して、画像比率１００％、３０％、１０％、５％、１％の連続画像形成を５枚行った。

図２を参照して図７に示すように、画像比率５％の連続画像形成が十分に可能な周速比１．３は、当然、画像比率５％を越える連続画像形成では十分な画像濃度を確保できない。

周速比１．３まで現像剤担持体４４の回転速度を低下させても、画像比率５％、３％の画像であれば連続画像形成しても出力画像の濃度変化が無い。

しかし、画像比率１００％、３０％、１０％の画像を連続出力すると画像濃度が徐々に低下してしまう。これは、現像剤担持体４４の速度が遅いと、現像剤担持体４４の単位面積から感光ドラム１へ飛んで行くトナー量が増えて、現像剤担持体４４の単位面積に担持された非磁性トナーでは不足するからである。また、トナー搬送スクリュー４２の回転速度の低下によって現像剤担持体４４へ十分な量の非磁性トナーを供給できなくなるからである。

以上のことから、画像形成装置１００では、画像比率５％以下の画像であれば、周速比を１．３まで低下させても、出力画像の濃度変化を発生させること無く連続画像形成が可能である。

＜低画像比率用回転速度＞
図８は現像剤担持体の回転速度を低下させた効果の説明図である。

画像比率が５％以下を想定して、周速比が１．７と１．３の場合でベタ白画像（画像比率０％）を１万枚、連続画像形成する過程におけるトナー帯電量の変化を調べた。

図８に示すように、周速比１．７の時、１万枚までのトナー帯電量の低下値は、−１４−−３０＝１６μＣ／ｇ、周速比１．３の時、同低下値は、−２０−−３０＝１０μＣ／ｇである。

従って、第１実施形態では、周速比を１．７から例えば１．３に低下させることで、画像比率０％の画像形成におけるトナー帯電量の低下を６割程度に抑制できる。画像比率５％以下の画像を多量に出力したときに、周速比一定の従来機種に比較して二成分現像剤の寿命を約４割延ばせる。

＜制御用トナー像＞
図２に示すように、画像形成装置１００は、現像装置４の経時変化、二成分現像剤の劣化状態、運転環境（温度・湿度）変化に追従して、画像比率５％以下の画像形成に適用する周速比を最適化する。連続画像形成のジョブが入力された際に、画像比率５％以下に該当していれば、周速比を低下させた状態で制御用トナー像を形成して濃度測定し、その周速比で画像濃度低下が起きないことを確認した後に連続画像形成を開始させる。また、周速比を段階的に引き下げて制御用トナー像を形成／濃度測定する操作を繰り返すことによって、画像比率５％以下の連続画像形成に適用される周速比を画像濃度低下が起きない限界ぎりぎりに近付ける。これにより、最大限に現像剤担持体の回転速度を低下させて二成分現像剤の劣化を最大限に抑制する。

このときの制御用トナー像は、画像濃度制御で用いる画像濃度制御用トナー像とはサイズ及び濃度が異なる。制御用トナー像の幅は、トナー消費量を節約するためにパッチ検知センサ７３の検知に必要最小の値２０ｍｍとした。長さは、現像剤担持体の連続的なトナー供給性能を見積もるために現像剤担持体の周長の６．７倍（４２０ｍｍ）として、制御用トナー像の最後の部分で濃度検知する。制御用トナー像の濃度の規定値は、画像比率５％相当の濃度階調１２８／２５５で露光したベタ画像の濃度である。

＜実施例１＞
図９は現像剤担持体の周速比制御のフローチャートである。

図２を参照して図９に示すように、制御部６７は、画像形成ジョブを受け取ると、ビデオカウンタ６６によりビデオカウントを行う（Ｓ１１）。

制御部６７は、ビデオカウントによって画像比率５％以下と判断された場合（Ｓ１２のＹＥＳ）、周速比をひとまず一律に１．４に設定する（Ｓ１３）。

制御部６７は、画像形成枚数が４枚以下の場合（Ｓ１４のＮＯ）、周速比１．４にて画像形成を行う（Ｓ２２）。しかし、規定枚数以上の一例である５枚以上の場合（Ｓ１４のＹＥＳ）、連続画像形成に先立たせて、周速比を段階的にさらに０．１低下させて制御用トナー像を形成して（Ｓ１５）、濃度測定する（Ｓ１６）。

制御部６７は、濃度検知結果に基づいて画像比率５％以下の連続画像形成に適用される現像剤担持体４４の回転速度を変更する。

制御部６７は、濃度検知結果が規定値以上であれば（Ｓ１７のＮＯ）一段の低下余地があるので周速比を０．１下げて同じ操作を繰り返す（Ｓ１５〜Ｓ１７）。しかし、規定値を割り込むと（Ｓ１７のＹＥＳ）、周速比を１段階だけ上昇させ（Ｓ１８）、制御用トナー像を複数枚の一例である５枚連続形成し（Ｓ１９）、５枚目の制御用トナー像の最後の部分を濃度測定する（Ｓ２０）。

制御部６７は、濃度検知結果が規定値を満たしていれば（Ｓ２１のＮＯ）、その確認された周速比で連続画像形成を開始する（Ｓ２２）。しかし、規定値以下の場合（Ｓ２１のＹＥＳ）、周速比を段階的に１段階上げて現像剤担持体４４の回転速度を上昇させ、満たなくなる以前の回転速度に戻して同じ操作を繰り返す（Ｓ１８〜Ｓ２１）。

＜実施例２＞
実施例１では、画像比率５％以下の場合（Ｓ１２のＹＥＳ）、周速比を１．７から１．５に低下させた。

実施例２では、画像形成５００枚ごとに実行される画像濃度制御に続けて、図９のＳ１３、Ｓ１５〜Ｓ２１の制御を実行し、このようにして求めた周速比を、画像比率５％以下の場合に一律に適用する。

実施例２の制御によれば、画像比率５％以下の場合に予め準備された画像濃度低下を引き起さない限界値の周速比を一律に設定して直ちに画像形成を開始できる。

＜実施例３＞
図１０は実施例３の制御のフローチャートである。

二成分現像剤の初期状態を基準に周速比の低下量を一律に決定すると、実際は、二成分現像剤の劣化などにより現像性が低下してしまい、周速比を落とした時に画像濃度が初期状態に比べて低下する可能性がある。

図１を参照して図１０に示すように、実施例２では、画像比率５％以下で規定枚数以上の連続画像形成に備えて低下させた周速比を準備してある。そして、周速比を決定して準備させる制御のタイミングを２０００枚の画像形成ごとに設定した。また、パッチ検センサ７３は、感光ドラム１から記録材搬送ベルト９に転写されたパッチ（又は制御用トナー像）を検知するように配置される。これにより、二成分現像剤の劣化や種々の変動があっても適切な画像濃度を維持しながら周速比を落とすことができる。

まず、周速比の決定から行う。現在の周速比、例えば１．７から周速比を０．１落とす（Ｓ３１）。パッチの濃度が低下しなければ（Ｓ３３のＮＯ）、さらに０．１落として（Ｓ３２）、濃度低下するまで落としつづける。

そして、濃度が落ちた（Ｓ３３のＹＥＳ）周速比の一つ手前、例えば周速比１．２で画像濃度低下が発生したとしたら、周速比１．３が、濃度低下しない最も小さい周速比として決定される（Ｓ３４）。

ここで、パッチの濃度を検知する手段は、実施例１で記述したパッチ検センサ７３を用いて、感光ドラム１から記録材搬送ベルト９上に出力されたパッチを測定する。

次に、上記で決定した周速比で連続画像形成しても濃度低下を起こさない画像比率を決定する。

まず、画像比率が低い３％の画像をＡ４用紙換算で５枚連続で出力し（Ｓ３５）、パッチ検センサーで濃度の推移を検知する（Ｓ３７）。

その結果、濃度推移が低下していなければ（Ｓ３７のＮＯ）、２％大きい５％の画像（Ｓ３６）を同様に５枚出力する（Ｓ３５）。

このように２％ずつ画像比率を増やしていき（Ｓ３６）、濃度が低下した（Ｓ３７のＹＥＳ）画像比率の一つ手前の画像比率を採用する（Ｓ３８）。

例えば、画像比率７％で濃度低下が発生したとすれば画像比率５％を採用し、５％以下の画像が連続で出力されるときに周速比を１．３に設定して画像形成を開始させる。

ただし、画像比率が５％以下の画像が５枚以上連続で出力される時だけ、像担持体と現像剤担持体の周速比を落として使用する。

実施例３を用いることで、トナーの劣化などによる現像性の変化があっても、常に適切な周速比と周速比を落としても濃度変化しない画像比率を算出できる。

＜実施例４＞
図１１は周速比を低下させた画像形成で用いる現像電圧の説明図、図１２は現像電圧を変化させた画像比率５％の連続画像形成における周速比と出力画像濃度の関係の説明図である。図１３は現像電圧を変化させた際のかぶり発生の説明図、図１４は現像電圧を変化させた周速比１．３にて画像比率が異なる画像を連続画像形成した実験結果の説明図である。図１５は現像電圧を変化させて現像剤担持体の回転速度を低下させた効果の説明図である。

図６に示すように、実施例１では、像担持体に対する現像剤担持体の周速比が１．３以下になると画像濃度が低下して周速比をそれ以上には低下できない。

実施例２では、像担持体に対する現像剤担持体の周速比を小さくしたときに、現像電圧の交流電圧のデューティ比を変更して、画像濃度が低下しないで済む周速比を引き下げた。それ以外の構成及び制御は、実施例１と同様なので、詳細な説明は省略する。

図２を参照して図１１の（ａ）に示すように、画像比率が５％を越える連続画像形成では、現像剤担持体４４／感光ドラム１の周速比は１．７の通常値である。このとき、電源Ｄ４は、デューティ比５０％、ピークツーピーク電圧Ｖｐｐ１．５ｋＶの交流電圧を直流電圧Ｖｄｃに重畳した現像電圧を現像剤担持体４４に印加する。

図２を参照して図１１の（ｂ）に示すように、画像比率が５％以下の連続画像形成では、現像剤担持体４４／感光ドラム１の周速比は、例えば１．２まで低下される。このとき、電源Ｄ４は、デューティ比５３％、ピークツーピーク電圧Ｖｐｐ１．５ｋＶの交流電圧を直流電圧Ｖｄｃに重畳した現像電圧を現像剤担持体４４に印加する。

デューティ比５０％のまま周速比を１．２まで低下させると画像濃度が低下してしまうが、このとき、デューティ比５３％とすると画像濃度が低下しないことが実験により確認されたからである。

デューティ比５３％の場合、デューティ比５０％の場合に比較して、積分平均値である直流電圧Ｖｄｃが等しければ、現像剤担持体４４から感光ドラム１へのトナー飛翔方向の振幅Ｖｐｐ１が大きくなって印加時間が短くなる。逆に感光ドラム１から現像剤担持体４４へのトナー戻り方向の振幅Ｖｐｐ２が小さくなって印加時間が長くなる。

このとき、デューティ比をαとすると、以下の関係が成り立っている。
Ｖｐｐ１×Ｔ１＝Ｖｐｐ２×Ｔ２
α＝Ｖｐｐ１／（Ｖｐｐ１＋Ｖｐｐ２）

図１２に示すように、デューティ比を５０→５３％とすることによって、画像比率５％以下の連続画像形成における周速比が１．１でも、周速比１．７と同等の画像濃度が得られる。

これは、図１１の（ｂ）に示す現像電圧の波形が、トナー飛翔方向の電界（電圧振幅）を強くしてトナー戻り方向の電界（電圧振幅）を小さくしているため、現像剤担持体上のトナーが像担持体方向へ飛び易くなったからである。

このように、現像電圧に重畳された交流電圧のデューティ比を５３％に上げれば、像担持体に対する現像剤担持体の周速が１．３未満でも画像濃度を確保できる。

図１３に示すように、しかし、交流電圧のデューティ比を５６％まで上げてしまうと、かぶり画像不良の発生率が高まって、出力画像の品質が低下することが確認された。

そこで、実施例２では、画像比率５％以下の連続画像形成において直流電圧Ｖｄｃに重畳される交流電圧のデューティ比を５３％に設定した。

まず、周速比１．２として、画像比率１００％、３０％、１０％、５％、３％の連続画像形成を行って、定着済み出力画像の反射濃度の変化を測定した。

図１４に示すように、画像比率が高い１００％、３０％、１０％の画像は、画像濃度を維持できないが、画像比率が低い５％、３％の画像は画像濃度を維持できることが確認された。

実施例４の現像電圧の制御を加えることで、画像比率が３％、５％の画像であれば、像担持体に対する現像剤担持体の周速比が１．２でも、実施例１のような画像濃度の低下を招くことなく、連続画像形成できる。

次に、画像比率が５％以下の連続画像形成を想定して、周速比が１．７、１．３、１．２でベタ白画像を１０Ｋ枚出力したときのトナー帯電量の変化を測定した。

図１５に示すように、実施例２の現像電圧の制御を加えることで、二成分現像剤の劣化の割合が実施例１の４割弱程度に抑制できることが確認された。

実施例４の制御によれば、実施例１の制御以上に現像剤担持体の回転速度を低下できるので、画像比率５％以下の画像を多量に出力した場合に、周速比１．７一定の制御を行う場合に比較して二成分現像剤の寿命が約６割延びる。

図１に示すように、実施例２においても、実施例１と同様に、ビデオカウンタ６６によって画像比率を算出し、制御部６７によって周速比を変えるかどうかを判断する。

実施例２では、制御部６７で処理を行うため、リアルタイムに周速比を変化させることは難しい。以上を鑑みて、実際に実施例２を使用する場合は、画像比率が５％以下の画像が５枚以上連続で出力される時だけ、像担持体と現像剤担持体の周速比を落として画像形成を開始する。

第１実施形態の画像形成装置の構成の説明図である。 現像装置の構成の説明図である。 現像装置の平面断面図である。 低画像比率画像を連続画像形成した際のトナー帯電量の変化の説明図である。 トナー帯電量分布の変化の説明図である。 画像比率５％の連続画像形成における周速比と出力画像濃度の関係の説明図である。 周速比１．３にて画像比率が異なる画像を連続画像形成した実験結果の説明図である。 現像剤担持体の回転速度を低下させた効果の説明図である。 現像剤担持体の周速比制御のフローチャートである。 実施例３の制御のフローチャートである。 周速比を低下させた画像形成で用いる現像電圧の説明図である。 現像電圧を変化させた画像比率５％の連続画像形成における周速比と出力画像濃度の関係の説明図である。 現像電圧を変化させた際のかぶり発生の説明図である。 現像電圧を変化させた周速比１．２にて画像比率が異なる画像を連続画像形成した実験結果の説明図である。 現像電圧を変化させて現像剤担持体の回転速度を低下させた効果の説明図である。

符号の説明

１ 像担持体（感光ドラム）
２、３ 静電像形成手段（一次帯電器、露光装置）
４ 現像装置
９ 記録材搬送ベルト
４１ 現像容器
４２ トナー搬送スクリュー
４３ トナー攪拌スクリュー
４４ 現像剤担持体
４５ 固定磁極
４８ 二成分現像剤
４９ 規制部材（層厚規制板）
６０ トナー補給槽
６７ 制御手段、変更手段（制御部）
７３ 濃度検知手段（パッチ検センサ）
１００ 画像形成装置
Ｄ４ 電源手段（電源）

Claims (6)

1. 像担持体と、
   前記像担持体に静電像を形成する静電像形成手段と、
   磁性キャリアを含む現像剤を担持して回転する現像剤担持体と、前記現像剤担持体に担持される二成分現像剤の層厚を規制する規制部材とを有して、前記静電像をトナー像に現像する現像装置と、を備えた画像形成装置において、
   トナー使用量が少ない画像形成では、トナー使用量が多い画像形成よりも低くなるように前記現像剤担持体の回転速度を制御する制御手段と、
   前記回転速度を低下させた状態で前記静電像形成手段及び前記現像装置を制御して制御用トナー像を形成させ、前記制御用トナー像の濃度が不足している場合に前記回転速度を増すように前記回転速度を変更する変更手段と、を備えたことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記現像装置によって現像されたトナー像の濃度を検知する濃度検知手段を備え、
   前記制御手段は、規定画像比率以下の画像形成に対して、低下させた一律の低画像比率用回転速度を設定し、
   前記変更手段は、前記規定画像比率に対応させて形成した静電像を現像して前記制御用トナー像を形成することを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
3. 前記変更手段は、前記制御用トナー像が前記規定画像比率に対応させた規定濃度に満たなくなるまで前記回転速度を段階的に低下させて前記制御用トナー像を形成し、前記規定濃度に満たなくなる以前の回転速度に、前記低画像比率用回転速度を変更することを特徴とする請求項２記載の画像形成装置。
4. 前記変更手段は、複数枚の前記制御用トナー像を連続形成して、最後の前記制御用トナー像の濃度が前記規定濃度に満たない場合に、前記回転速度を段階的に上昇させて複数枚の前記制御用トナー像を形成し、前記規定濃度を満たす濃度検知結果が得られた前記回転速度に、前記低画像比率用回転速度を変更することを特徴とする請求項３記載の画像形成装置。
5. 前記変更手段は、前記規定画像比率以下の画像形成が規定枚数以上ある場合に、画像形成の開始に先立たせて前記低画像比率用回転速度を変更することを特徴とする請求項２乃至４いずれか１項記載の画像形成装置。
6. 前記現像剤担持体に交流電圧を重畳した現像電圧を出力する電源手段を備え、
   前記制御手段は、規定画像比率以下の画像形成では、規定画像比率を越える画像形成とは前記交流電圧のデューティ比を異ならせることにより、前記規定画像比率を越える画像形成における前記交流電圧と振幅を等しく保ちつつ前記像担持体へ向かわせる電圧振幅を高めることを特徴とする請求項２乃至５いずれか１項記載の画像形成装置。

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