JP2014128909A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、環境変化や経時変化等で電子写真プロセスが変動しても、筋ムラのない良好な画像を得ることができる画像形成装置を提供する。
【解決手段】主走査方向に複数の発光素子及び発光素子を集光する複数のレンズを有し、帯電された像担持体に光を照射して静電潜像を形成する露光装置と、静電潜像に供給するトナー量が一定になるよう現像特性に応じて現像バイアスが印加される現像装置を備え、帯電装置に印加される帯電バイアスは現像バイアスの変動に連動して制御され、帯電バイアスにより帯電した像担持体の表面電位に基づいて露光装置の光量を、予め設定された光量を前記像担持体の基準となる表面電位における半減露光量のＥ０倍、変動した現像バイアスおよび表面電位に連動して変動する光量を変動後の表面電位における半減露光量のＥ１倍としたときに、下記式を満たす範囲で制御する。１≦Ｅ０≦３．０、Ｅ０×０．８≦Ｅ１≦Ｅ０×１．２。
【選択図】図６

Description

本実施形態は、電子写真法による画像形成装置、特に複数の発光素子が主走査方向に配列された走査ヘッドによって像担持体への潜像形成を行う画像形成装置に関する。

近年、電子写真法による画像形成装置では、画像情報を感光体へ露光する装置としてＬＥＤやＯＬＥＤに代表される小型の露光デバイスが注目されている。ＬＥＤを用いた露光装置としては、例えば画像の１ドットに対応した微小なＬＥＤを感光体の軸方向（主走査方向）に複数個直線状に配列したＬＥＤアレイと、ＬＥＤからの光を感光体上にビームとして収束し結像させる複数のレンズからなるセルフォックレンズアレイを備えた露光装置がある。

このような露光装置では、レーザー光学系等に比べ発光点がケタ違いに多い上にレンズの数も多い。このため、各発光点の特性やセルフォックレンズの特性のばらつきによってそれぞれのビームプロファイル（光強度分布）が異なり、主走査方向に光学特性のばらつきが発生する。このような光学特性のばらつきにより、ハーフトーン画像を印字した場合に副走査方向に沿った縦筋上の濃度ムラとなる。

これに対し、ＬＥＤ等を備えた露光装置側にビーム径補正と呼ばれる補正処理が一般的に行われるが、ビーム径補正による補正処理は条件が変わると逆効果になる場合があるため、例えば、各発光点のビーム径を一定にするための補正のデータと、各発光点の光量を一定にする派生データを露光ヘッドごとに２種類格納しておき、使用環境等の変化に応じてそれらを演算して各発光点の光強度を制御することで、安定したドット径補正をかける等の方法がなされている。

特許第４３６０００２号明細書

しかしながら、上記した方法では２種類の補正データを露光ヘッド内に格納しなければならずメモリ量が多くなるうえ、露光ヘッドの調整工程にも時間がかかる。また、制御自体も複雑になるという欠点があるうえ、正確に強度を合せるのは難しい。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、環境変化や経時変化等で電子写真プロセスが変動しても、筋ムラのない良好な画像を維持することが可能な画像形成装置を提供することにある。

本実施形態の画像形成装置は、主走査方向に複数の発光素子及びこれら発光素子を集光する複数のレンズを有し、帯電装置により帯電された像担持体に光を照射することにより静電潜像を形成する露光装置と、トナーを有する現像剤を収容し、上記静電潜像に供給するトナー量が一定になるよう現像特性に応じて現像バイアスが印加される現像装置を備え、上記帯電装置に印加される帯電バイアスは上記現像バイアスの変動に連動して制御され、上記帯電バイアスにより帯電した上記像担持体の表面電位に基づいて上記露光装置の光量を、予め設定された上記光量を上記像担持体の基準となる表面電位における半減露光量のＥ０倍、変動した上記現像バイアスおよび上記表面電位に連動して変動する上記光量を変動後の表面電位における半減露光量のＥ１倍としたときに、下記式を満たす範囲で制御することを特徴とする。

１≦Ｅ０≦３．０
Ｅ０×０．８≦Ｅ１≦Ｅ０×１．２

本実施形態の画像形成装置の一例を示す概略構成図。 露光ヘッドと感光体の関係を示す概略断面図。 ドット径補正の概念図。 光量設定と感光体の特性、現像特性、及び現像されるドットの関係を模式図。 感光体表面電位と光量との関係を示す図。 半減露光量を基準光量とした場合の筋ムラの評価結果を示す図。 半減露光量の３倍を基準光量とした場合の筋ムラの評価結果を示す図。 感光体表面電位と基準光量との関係を示す図。

以下、本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一の符号が使われている場合、その同一の符号は、同様の構成・機能を有していることを意味する。

（画像形成装置）
図１は、本実施形態の画像形成装置の概略構成を示す図である。

画像形成装置１は、イエロー、マゼンタ、シアンおよびブラックのトナー像を形成する４組の画像形成部２Ｙ，２Ｍ，２Ｃおよび２Ｋを有し、画像形成部２Ｙ，２Ｍ，２Ｃおよび２Ｋの順に中間転写ベルト９に沿って上流から下流に並列に配置される。なお、これら画像形成部２Ｙ，２Ｍ，２Ｃおよび２Ｋは同じ構成である。

画像形成部２Ｙ，２Ｍ，２Ｃおよび２Ｋは、それぞれ感光層に有機光半導体（optical photo-conductor）を用いた感光体ドラム（像担持体）３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋを有する。感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋの周囲に、その矢印ｓ方向の回転方向に沿って帯電装置４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ及び４Ｋ、現像装置５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ及び５Ｋ、及び感光体ドラムクリーナー６Ｙ，６Ｍ，６Ｃ及び６Ｋ等を備える。これら画像形成部の下方には、画像形成部２Ｙ，２Ｍ，２Ｃおよび２Ｋに対応する露光ヘッド７Ｙ，７Ｍ，７Ｃ及び７Ｋを有する露光装置８を備える。露光装置８は、露光ヘッド７Ｙ，７Ｍ，７Ｃ及び７Ｋから感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋの外周面にそれぞれレーザーを照射して静電潜像を形成する。静電潜像は、感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋ上の帯電装置４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ及び４Ｋから現像装置５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ及び５Ｋに至る間に形成される。

帯電装置４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ及び４Ｋは、例えば帯電電極としてのタングステンワイヤーと、グリットを有するストロコロン方式の帯電装置等であり、露光装置８による露光操作が行われる前に予め感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋの外周面を一様に帯電する。

現像装置５Ｙ、５Ｍ、５Ｃ及び５Ｋは、それぞれ現像ローラを有する現像容器を備え、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）のトナーを有する現像剤を収容している。各トナーは、キャリアと共に現像容器内を攪拌搬送されることで帯電する。各トナーは、現像ローラに現像バイアスが印加されることで感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋの外周面に形成された静電潜像に供給され、イエロートナー像、マゼンダトナー像、シアントナー像、及びブラックトナー像をそれぞれ顕像化させる。なお、現像バイアスは、感光体ドラム上の静電潜像が帯電したトナーを引きつける際の閾値（現像閾値）として作用している。

中間転写ベルト９は、バックアップローラ１０、従動ローラ１１及びテンションローラ１２，１３により張架され、矢印ｒ方向に循環的に走行する。中間転写ベルト９は、感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋに接触する。中間転写ベルト９に対して感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋの対向する位置に１次転写ローラ１４Ｙ，１４Ｍ，１４Ｃ及び１４Ｋを備える。中間転写ベルト９、１次転写ローラ１４Ｙ，１４Ｍ，１４Ｃ及び１４Ｋ、および感光体３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋから形成される各画像形成部２Ｙ，２Ｍ，２Ｃおよび２Ｋの１次転写領域において、先ず、感光体ドラム３Ｙの外周面に形成されたイエロートナー像が、１次転写ローラ１４Ｙから印加されるバイアスの作用により中間転写ベルト９上に１次転写される。イエロートナー像が転写された中間転写ベルト９は、その後、順次各色の画像形成部の１次転写領域に搬送され、マゼンタトナー像、シアントナー像、黒トナー像が中間転写ベルト９上に転写される。これら転写されたトナー像に対し、例えば光センサー等によってそれらのトナー濃度を検出し、この検出結果に基づいて現像バイアスを制御して感光体３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋに現像されるトナー量が一定になるようにしている。

中間転写ベルト９への転写後、感光体ドラムクリーナー６Ｙ，６Ｍ，６Ｃ及び６Ｋが、中間転写ベルト９へ転写されずに感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋ上に残存した転写残りトナーを除去する。その後、感光体ドラム３Ｙ，３Ｍ，３Ｃ及び３Ｋは、再度帯電装置４Ｙ，４Ｍ，４Ｃ及び４Ｋにより帯電されて前述の動作を繰り返す。

中間転写ベルト９に対してバックアップローラ１０の対向する位置に２次転写ローラ１５を備える。２次転写ローラ１５から画像形成部１０へ至る間に、中間転写ベルトクリーナー１６を備える。露光装置８の下方には記録紙Ｐを供給する給紙装置１７を備える。記録紙Ｐの搬送路には給紙装置１７から２次転写ローラ１５に到る間にピックアップローラ１８、搬送ローラ１９及びレジストローラ２０を備える。

レジストローラ２０は、トナー像と同期して中間転写ベルト９、２次転写ローラ１５，バックアップローラ１０から形成される２次転写領域に給紙装置１７から給紙された記録紙Ｐを搬送する。２次転写領域では、２次転写ローラ１５から印加されるバイアスの作用により中間転写ベルト９上に形成された、イエロー、マゼンダ、シアンおよびブラックの各トナー像を記録紙Ｐに転写する。記録紙Ｐへの転写後、中間転写ベルトクリーナー１６が記録紙Ｐ上に転写されずに中間転写ベルト９上に残留したトナーを除去する。

２次転写ローラ１５の下流には定着装置２１を備える。定着装置２１は、例えば一対の加熱ローラ等の加熱部材を備え、搬送られてくる記録紙Ｐに対し、熱及び圧力を与えながら転写されたトナーを溶融させ、記録紙Ｐ上に定着させる。

次に、本実施形態の画像形成について説明する。

図２は、露光ヘッド７Ｙと感光体ドラム３Ｙの関係を示す断面概略図である。

図２に示すように、露光ヘッド７Ｙは、感光体ドラム３Ｙの主走査方向に沿って、複数のＬＥＤ（発光素子）７１Ｙを有する発光基板７２Ｙと、複数のレンズを有するセルフォックレンズアレイ７３Ｙを備える。各ＬＥＤ７１Ｙから射出される光は、対応するセルフォックレンズアレイ７３Ｙに入射する。セルフォックレンズアレイ７３Ｙは、複数の光を集光したビームを感光体ドラム３Ｙの露光位置に到達させる。なお、発光素子は、有機ＥＬ素子を用いてもよいし、セルフォックレンズアレイは、例えばマイクロレンズアレイ等、アレイ状のレンズであれば、特に限定はされない。

従来、このような構成の露光ヘッドでは各ビームのガウシアン状の光強度分布（ビームプロファイル）７４Ｙは均一とならず、各ビーム径にばらつきが発生する。ビーム径は、印字の際のドット径に略対応するものであり、ビーム径のばらつきが画像濃度のムラの原因となる。これに対し、以下に説明するドット径補正を行うことによって各ビーム径を補正していた。

図３は、ドット径補正の概念図である。Ａ，Ｂは、２種類のビームプロファイルを、Ｔは現像閾値を示しており、Ｔよりも上側で現像されることを示している。また、図３の右側には現像閾値ＴにおけるＡ，Ｂのビーム径を示している。図３(a)では、ビームプロファイルＡはビームプロファイルＢに比べより絞れているため、現像閾値Ｔにおけるビーム径は、ビームプロファイルＢ（直径６５μｍ）より小さい。ドット径補正は、図３（ｂ）に示すように、より絞れているビームプロファイルＡの光量を大きくし（矢印Ｑ）、現像閾値ＴにおいてビームプロファイルＢのビーム径（６５μｍ）と同じになるよう補正する。

また、通常、ＬＥＤには個別に、各発光点に対しビームプロファイルに応じた電流値等による補正処理を行うのが一般的である。この補正処理が最適に維持できていればハーフトーン画像でも筋ムラが発生しない。しかしながら、露光ヘッド（レンズ）と感光体との焦点深度は、±１５μｍ程度であり、焦点深度が変動するとビームプロファイルも変動する。感光体と露光ヘッドとの位置調整は、装置のコストや耐久性を考慮すると、上記した範囲内で使いこなすことは難しい。

ところで、現像閾値がビームプロファイルの裾野付近にある場合、ビームプロファイルが変動したときには現像閾値Ｔにおけるドット径の変動は大きくなる。一方、ビームプロファイルの中央部ではドット径の変動は小さいため、現像閾値Ｔをビームプロファイルの中央部に設定できれば、ビームプロファイルが変動してもドット径への影響は少ない。

図４は、光量設定と感光体の特性、現像特性、及び現像されるドットの関係を模式図にて表したものである。図４（a）に示すように、感光体特性として、感光体表面電位は露光エネルギーが強くなるに従って減衰してき所定の露光エネルギー以上では減衰しない。また、現像特性として、現像閾値Ｔにおける露光エネルギー近傍から現像閾値Ｔでは徐々に現像されていき、現像閾値Ｔ以降は、ベタ画像となる。

図４（a）では、現像閾値Ｔは、ビームプロファイルの裾野付近にあり、ビームプロファイルの露光エネルギーの１７％の位置となっている。これに対して、光量設定を低くした場合、図４（ｂ）に示すように、露光エネルギーが小さくなることで、ビームプロファイル上に示した現像閾値Ｔは、ビームプロファイルの露光エネルギーの３０％の位置となり、図４（a）の裾野付近から中央部分に移動していることが分かる。

一方で、現像特性や感光体の帯電電位（表面電位）によっても、現像閾値は変動する。特に感光体の帯電電位が大幅に変動した場合、この変動に伴って光量（露光エネルギー）を変化させると、現像閾値が大きくずれてしまう。

図５に、異なる感光体表面電位と光量の関係図を示す。横軸が光量、縦軸が感光体表面電位を示す。感光体の帯電電位が高いときの現像閾値に必要な光量をα２とした場合において、感光体の帯電電位を下げた場合には、感光体に対して帯電電位が高いときと同じ影響を与える光量α１に下げる必要があり、帯電電位が高いときと同じ光量α２のままでは、みかけ上の光量が強くなりすぎることが分かる。

電子写真装置では、トナーが静電気で帯電することもあり、トナーの置かれている環境や経時によるトナーの劣化等の変化により、トナーの帯電量が大きく変動する。そのため、現像電界を調節して、トナーの現像量を常に一定にする制御が一般的である。このとき、感光体の帯電電位も合せて変化させることが多く、それによって感光体の表面電位が大きく変化してしまう。このときに光量も連動して変化させる必要がある。

これらを踏まえ、２成分現像方式で直流バイアスによりトナーを以下のようにして感光体上に現像後、用紙への転写を行い、得られた画像の筋ムラを評価した。なお、露光ヘッドには沖デジタルイメージング社製の６００dpiヘッドを用いた。

温度２０℃、湿度５０％の環境での現像バイアス（−４００ｖ）に対して、白地電位を加えた感光体の帯電電位（−５００ｖ）に対する半減露光量（帯電電位を半分に減衰するために必要となる露光量）を求めた。露光ヘッドのＬＥＤの光量を上記半減露光量に合わせ、これを基準とし、そのときに光量（発光時間）を変えて筋ムラの状況を調べた。また、環境（温湿度）を変えたり、現像剤を別のものに交換したりすることによってトナーの帯電量を変えて、この帯電量の変化に伴い一定量のトナーを現像するために現像バイアスを変更し、それに白地電位を加えた感光体の帯電電位の半減露光量で画像印字すると共に、光量をかえて画像の筋を確認した。筋ムラレベルが良いものを○、ＮＧレベルを×とした。結果を図６に示す。なお、図中の横軸は半減露光量（Ｅ０）、縦軸は光量（Ｅ１）（ｎＪ／ｍｍ２）を示す。

図６に示すように、帯電電位が変更されて半減露光量（Ｅ０）が変動しても、半減露光量（Ｅ０）の０．８倍から１．２倍までの間に光量（Ｅ１）を設定できていれば、筋ムラはＮＧにならないことがわかる。

また、基準光量を半減露光量（Ｅ０）の３倍にまで設定し、そのときの光量（Ｅ１）でドット径補正を最適化したときの、同様な実験結果を図７に示す。図６に示した半減露光量での結果と傾向は同じであり、画像形成時の光量（Ｅ１）が、基準光量である「半減露光量の３倍」（Ｅ０）の０．８倍から１．２倍の範囲であれば、筋ムラはＮＧレベルにならないことがわかる。

このように、基準光量を基準の表面電位に対して半減露光量のＥ０倍、且つ現像バイアスおよび表面電位の変動に連動して、光量を画像形成時（変化後）の表面電位における半減露光量のＥ１倍とした場合に、下記式の範囲で制御することにより、筋ムラのない良好な画像を得ることができる。

１≦Ｅ０≦３．０
Ｅ０×０．８≦Ｅ１≦Ｅ０×１．２
図８に、３つの異なる感光体表面電位と半減露光量との関係を示す。横軸が光量、縦軸が感光体表面電位を示す。

図８に示すように、半減露光量未満の光量領域では、帯電バイアスV₀が変動して帯電電位が変化しても光量変動に対する感光体表面電位の変化の割合が大きくは変わらない（傾きが大きく変わらない）。また、半減露光量の３倍を超える領域でも、帯電バイアスV₀が変動して帯電電位が変化しても光量変動に対する感光体表面電位の変化の割合は大きく変わらない（電位が落ち切っている状態で傾きの変化が少ない。）。一方、半減露光量の２倍程度の領域では、帯電バイアスV₀が変動して帯電電位が変化すると、感光体電位の変化の割合は大きい（傾きの変化が大きい）。

このように、基準光量が半減露光量の１倍未満であると、ドット径補正よりも光量を均一に合わせたほうがよく、さらには微小点再現が悪化してしまう。一方、基準光量を半減露光量の３倍を超えて設定すると、現像閾値がビームプロファイルの裾野領域になっていくため、もともとの安定性が悪化し、デフォーカスの影響を受け安くなる。また、本実施形態では、トナーとキャリアからなる２成分現像で、現像バイアスに直流バイアスのみを印加すると孤立点再現が安定し、光量がある程度弱くても安定した微小点再現が可能となるため、これを組み合わせることで大きな効果が得られるが、光量が半減露光量（Ｅ０）の３倍を超えると、微小点が大きくなりすぎる。

以上、本実施形態によれば、感光体の帯電電位に連動して露光装置の光量（発光時間）を制御することで、簡単な構成で、環境変化や経時変化等で電子写真プロセスが変動しても、筋ムラを悪化させないようにすることができる。また、２成分現像で、現像装置と像担持体との間に直流電界を形成させて現像する方式を併用することで微小点再現性に優れるため、大きな効果を得ることができ、筋ムラのない良好な画像を維持することができる。

１…画像形成装置
２…画像形成部
３…感光体ドラム（像担持体）
４…帯電装置
５…現像装置
６…クリーナー
７…露光ヘッド
８…露光装置
７１…ＬＥＤ（発光素子）
７２…発光基板
７３…セルフォックレンズアレイ
７４…ビームプロファイル

Claims (5)

1. 主走査方向に複数の発光素子及びこれら発光素子を集光する複数のレンズを有し、帯電装置により帯電された像担持体に光を照射することにより静電潜像を形成する露光装置と、
   トナーを有する現像剤を収容し、前記静電潜像に供給するトナー量が一定になるよう現像特性に応じて現像バイアスが印加される現像装置を備え、
   前記帯電装置に印加される帯電バイアスは前記現像バイアスの変動に連動して制御され、前記帯電バイアスにより帯電した前記像担持体の表面電位に基づいて前記露光装置の光量を、
   予め設定された前記光量を前記像担持体の基準となる表面電位における半減露光量のＥ０倍、変動した前記現像バイアスおよび前記表面電位に連動して変動する前記光量を変動後の表面電位における半減露光量のＥ１倍としたときに、下記式を満たす範囲で制御する画像形成装置。
   １≦Ｅ０≦３．０
   Ｅ０×０．８≦Ｅ１≦Ｅ０×１．２
2. 前記現像剤はトナーおよびキャリア粒子を有し、前記現像装置と前記像担持体との間に直流電界を形成させて前記静電潜像に前記トナーを供給する請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記像担持体は複数設けられ、それぞれの像担持体に色の異なるトナー像を形成する請求項１又は請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記像担持体は、有機光半導体を用いる請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の画像形成装置。
5. 前記発光素子は、発光ダイオードである請求項１から請求項４の何れか一項に記載の画像形成装置。
   

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