JP2015203731A - 現像装置、プロセスカートリッジ、及び、画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】現像剤担持体や像担持体の偏心などによって現像ギャップが短い周期で変動してしまっても、短周期の画像濃度ムラが生じにくい、現像装置、プロセスカートリッジ、及び、画像形成装置を提供する。
【解決手段】周波数が１ｋＨｚ以下の所定値に設定されてデューティ（Ａ／Ｂ）が２０％以下の値に可変可能に設定されたＡＣ電圧が現像バイアスとして現像電源４１（電圧印可手段）から現像ローラ１３ａ（現像剤担持体）に印可される。そして、現像電源４１から出力される電流の値と、感光体ドラム１１上に形成されたトナー像のトナー付着量（Ｍ／Ａ）の値と、から求めたトナー像の単位重量当たりの電荷量（Ｑ／Ｍ）に基いて、現像ローラ１３ａに印可されるＡＣ電圧のピーク電位（Ｖｐｐ）とデューティ（Ａ／Ｂ）とのうち少なくとも一方を可変制御している。
【選択図】図２

Description

この発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、又は、それらの複合機等の電子写真方式を用いた画像形成装置と、そこに設置される現像装置及びプロセスカートリッジと、に関するものである。

従来から、複写機、プリンタ等の画像形成装置において、トナーとキャリアとからなる２成分現像剤（添加剤等を添加する場合も含むものとする。）を収容した現像装置であって、現像剤を担持する現像ローラ（現像剤担持体）に印可する現像バイアスとしてＡＣ電圧を用いる技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。

２成分現像剤を用いた現像装置において、現像剤は、現像装置内において充分に撹拌・混合された後に、現像ローラに担持される。現像ローラに担持された現像剤は、現像ローラに対向するドクターブレード（現像剤規制部材）によって適量に規制された後に、その２成分現像剤中のトナーが、感光体ドラム（像担持体）との対向位置（現像ギャップ）で、所定の現像バイアスが印可された現像ローラと、所望の表面電位に帯電された感光体ドラムと、の間に形成される電界（現像電界）によって、感光体ドラム上の潜像に移動・付着してトナー像が形成される。

一方、特許文献１には、ＤＣ電圧にＡＣ電圧を重畳したものを現像バイアスとして用いる現像装置であって、感光体ドラムと現像ローラとの間で放電が生じた場合には、現像ローラに印可する現像バイアスにおいてＡＣ電圧のピーク電位（Ｖｐｐ）とデューティとを小さく可変制御する技術が開示されている。
また、特許文献２には、ＤＣ電圧にＡＣ電圧を重畳したものを現像バイアスとして用いる現像装置であって、トナー濃度がほぼ狙いの値であるのに画像濃度が低下又は上昇してしまったときに、現像ローラに印可する現像バイアスにおけるＡＣ電圧のピーク電位（Ｖｐｐ）を可変制御する技術が開示されている。
他方、特許文献３には、現像ローラに現像バイアスを印可するときに電圧印可手段から出力される電流の値と、感光体ドラム上に形成されるトナー像のトナー付着量の値と、からトナー像の単位重量当たりの帯電量（Ｑ／Ｍ）を求めて、その求めた値に基いて作像条件（現像ポテンシャル）を調整する技術が開示されている。

上述した従来の技術は、現像ローラに印可する現像バイアスとしてＡＣ電圧を用いているため、現像バイアスとしてＤＣ電圧のみを用いる場合に比べて、画像濃度が安定して良好な画質のトナー像が形成される効果が期待できる。
しかし、従来の技術は、現像ローラ（現像剤担持体）や感光体ドラム（像担持体）の偏心などによって現像ギャップが短い周期で変動してしまうことによって生じる、短周期の画像濃度ムラを抑止することができなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、現像剤担持体や像担持体の偏心などによって現像ギャップが短い周期で変動してしまっても、短周期の画像濃度ムラが生じにくい、現像装置、プロセスカートリッジ、及び、画像形成装置を提供することにある。

この発明の請求項１記載の発明にかかる現像装置は、像担持体上に形成される潜像を現像してトナー像を形成する現像装置であって、前記像担持体に対向するとともにトナーを担持して、周波数が１ｋＨｚ以下の所定値に設定されて、１周期分のバイアス印可時間に対する前記像担持体の側からトナーが引き戻される方向のバイアス印可時間のデューティが２０％以下の値に可変可能に設定されたＡＣ電圧が現像バイアスとして電圧印可手段から印可される現像剤担持体を備え、前記像担持体上にトナー像を形成するために前記現像剤担持体に現像バイアスが印可されるときに前記電圧印可手段から出力される電流の値と、前記像担持体上に形成された当該トナー像のトナー付着量の値と、から求めた当該トナー像の単位重量当たりの電荷量に基いて、前記電圧印可手段から前記現像剤担持体に印可される前記ＡＣ電圧のピーク電位と前記デューティとのうち少なくとも一方が可変制御されるものである。

本発明によれば、現像剤担持体や像担持体の偏心などによって現像ギャップが短い周期で変動してしまっても、短周期の画像濃度ムラが生じにくい、現像装置、プロセスカートリッジ、及び、画像形成装置を提供することができる。

この発明の実施の形態における画像形成装置を示す全体構成図である。 作像部を示す構成図である。 現像バイアスのＡＣ波形を示す波形図である。 現像領域内における感光体ドラムの回転方向の位置と、感光体ドラム上のトナー像のトナー付着量と、の関係を示すグラフである。 現像ギャップと、感光体ドラム上のトナー像のトナー付着量と、の関係を示すグラフである。 （Ａ）単位重量当たりの電荷量と現像バイアスにおけるデューティの設定値との関係を示すグラフと、（Ｂ）単位重量当たりの電荷量と現像バイアスにおけるピーク電位の設定値との関係を示すグラフと、である。

実施の形態．
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

まず、図１にて、画像形成装置全体の構成・動作について説明する。
図１において、１は画像形成装置としてのタンデム型カラー複写機、３は原稿を原稿読込部に搬送する原稿搬送部、４は原稿の画像情報を読み込む原稿読込部、５は出力画像が積載される排紙トレイ、７は転写紙等の記録媒体Ｐが収容される給紙部、９は記録媒体Ｐの搬送タイミングを調整するレジストローラ（タイミングローラ）、１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫは各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）のトナー像が形成される像担持体としての感光体ドラム、１３は各感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ上に形成される静電潜像を現像する現像装置、１４は各感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ上に形成されたトナー像を記録媒体Ｐ上に重ねて転写する１次転写バイアスローラ、を示す。
また、１７は複数色のトナー像が重ねて転写される中間転写ベルト、１８は中間転写ベルト１７上のカラートナー像を記録媒体Ｐ上に転写するための２次転写バイアスローラ、２０は記録媒体Ｐ上の未定着画像を定着する定着装置、２８は各色（イエロー、シアン、マゼンタ、ブラック）のトナーを現像装置１３に供給する各色のトナー容器、を示す。

以下、画像形成装置における、通常のカラー画像形成時の動作について説明する。なお、感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ上でおこなわれる作像プロセスについては、図２をも参照することができる。
まず、原稿は、原稿搬送部３の搬送ローラによって、原稿台から搬送されて、原稿読込部４のコンタクトガラス上に載置される。そして、原稿読込部４で、コンタクトガラス上に載置された原稿の画像情報が光学的に読み取られる。

詳しくは、原稿読込部４は、コンタクトガラス上の原稿の画像に対して、照明ランプから発した光を照射しながら走査させる。そして、原稿にて反射した光を、ミラー群及びレンズを介して、カラーセンサに結像する。原稿のカラー画像情報は、カラーセンサにてＲＧＢ（レッド、グリーン、ブルー）の色分解光ごとに読み取られた後に、電気的な画像信号に変換される。さらに、ＲＧＢの色分解画像信号をもとにして画像処理部で色変換処理、色補正処理、空間周波数補正処理等の処理をおこない、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのカラー画像情報を得る。

そして、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色の画像情報は、書込み部（不図示である。）に送信される。そして、書込み部からは、各色の画像情報に基づいたレーザ光Ｌ（図２を参照できる。）が、それぞれ、対応する感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ上に向けて発せられる。

一方、４つの感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫは、それぞれ、図１の時計方向に回転している。そして、まず、感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫの表面は、帯電部１２（図２を参照できる。）との対向部で、一様に帯電される（帯電工程である。）。こうして、感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ上には、帯電電位が形成される。その後、帯電された感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ表面は、それぞれのレーザ光の照射位置に達する。
書込み部において、４つの光源から画像信号に対応したレーザ光が各色に対応してそれぞれ射出される。各レーザ光は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの色成分ごとに別の光路を通過することになる（露光工程である。）。

イエロー成分に対応したレーザ光は、紙面左側から１番目の感光体ドラム１１Ｙ表面に照射される。このとき、イエロー成分のレーザ光は、高速回転するポリゴンミラーにより、感光体ドラム１１Ｙの回転軸方向（主走査方向）に走査される。こうして、帯電部１２にて帯電された後の感光体ドラム１１Ｙ上には、イエロー成分に対応した静電潜像が形成される。

同様に、マゼンタ成分に対応したレーザ光は、紙面左から２番目の感光体ドラム１１Ｍ表面に照射されて、マゼンタ成分に対応した静電潜像が形成される。シアン成分のレーザ光は、紙面左から３番目の感光体ドラム１１Ｃ表面に照射されて、シアン成分の静電潜像が形成される。ブラック成分のレーザ光は、紙面左から４番目の感光体ドラム１１ＢＫ表面に照射されて、ブラック成分の静電潜像が形成される。

その後、各色の静電潜像が形成された感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ表面は、それぞれ、現像装置１３との対向位置に達する。そして、各現像装置１３から感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ上に各色のトナーが供給されて、感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ上の潜像が現像される（現像工程である。）。
その後、現像工程後の感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ表面は、それぞれ、中間転写ベルト１７との対向部に達する。ここで、それぞれの対向部には、中間転写ベルト１７の内周面に当接するように１次転写バイアスローラ１４が設置されている。そして、１次転写バイアスローラ１４の位置（１次転写ニップ）で、中間転写ベルト１７上に、感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ上に形成された各色のトナー像が、順次重ねて転写される（１次転写工程である。）。

そして、転写工程後の感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ表面は、それぞれ、クリーニング部１５との対向位置に達する。そして、クリーニング部１５で、感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ上に残存する未転写トナーが回収される（クリーニング工程である。）。
その後、感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ表面は、不図示の除電部を通過して、感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫにおける一連の作像プロセスが終了する。

他方、感光体ドラム１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１ＢＫ上の各色のトナーが重ねて転写（担持）された中間転写ベルト１７は、図中の反時計方向に走行して、２次転写バイアスローラ１８との対向位置に達する。そして、２次転写バイアスローラ１８との対向位置で、記録媒体Ｐ上に中間転写ベルト１７上に担持されたカラーのトナー像が転写される（２次転写工程である。）。
その後、中間転写ベルト１７表面は、中間転写ベルトクリーニング部（不図示である。）の位置に達する。そして、中間転写ベルト１７上に付着した未転写トナーが中間転写ベルトクリーニング部に回収されて、中間転写ベルト１７における一連の転写プロセスが終了する。

ここで、中間転写ベルト１７と２次転写バイアスローラ１８との間（２次転写ニップである。）に搬送される記録媒体Ｐは、給紙部７からレジストローラ９等を経由して搬送されたものである。
詳しくは、記録媒体Ｐを収納する給紙部７から、給紙ローラ８により給送された記録媒体Ｐが、搬送ガイドを通過した後に、レジストローラ９に導かれる。レジストローラ９に達した記録媒体Ｐは、タイミングを合わせて、２次転写ニップに向けて搬送される。

そして、フルカラー画像が転写された記録媒体Ｐは、その後に定着装置２０に導かれる。定着装置２０では、定着ローラと加圧ローラとのニップにて、カラー画像が記録媒体Ｐ上に定着される。
そして、定着工程後の記録媒体Ｐは、排紙ローラによって装置本体１外に出力画像として排出されて、排紙トレイ５上にスタックされて、一連の画像形成プロセスが完了する。

次に、図２を用いて、画像形成装置における作像部について詳述する。
各作像部はほぼ同一構造であるために、図２にて作像部及び現像装置は符号のアルファベット（Ｙ、Ｃ、Ｍ、ＢＫ）を除して図示する。
図２に示すように、作像部は、像担持体としての感光体ドラム１１、帯電部１２、現像装置１３（現像部）、クリーニング部１５、等で構成される。
像担持体としての感光体ドラム１１は、外径が３０ｍｍ程度の負帯電の有機感光体であって、不図示の回転駆動機構によって反時計方向に回転駆動される。

帯電部１２は、芯金上に、ウレタン樹脂、導電性粒子としてのカーボンブラック、硫化剤、発泡剤等を処方した中抵抗の発泡ウレタン層をローラ状に形成した弾性を有する帯電ローラである。帯電部１２の中抵抗層の材質としては、ウレタン、エチレン−プロピレン−ジエンポリエチレン（ＥＰＤＭ）、ブタジエンアクリロニトリルゴム（ＮＢＲ）、シリコーンゴムや、イソプレンゴム等に抵抗調整のためにカーボンブラックや金属酸化物等の導電性物質を分散したゴム材や、またこれらを発泡させたものを用いることもできる。
クリーニング部１５は、感光体ドラム１１に摺接するクリーニングブレードが設置されていて、感光体ドラム１１上の未転写トナーを機械的に除去・回収する。

現像装置１３は、現像剤担持体としての現像ローラ１３ａが感光体ドラム１１に所定のギャップ（現像ギャップ）をあけて近接するように配置されていて、双方の対向部分には感光体ドラム１１と磁気ブラシとが接触する現像領域が形成される。現像装置１３内には、トナーＴとキャリアＣとからなる現像剤Ｇ（２成分現像剤）が収容されている。なお、本実施の形態では、現像装置１３内に、トナー濃度が７重量％の現像剤Ｇが所定量収容されている。そして、現像装置１３は、感光体ドラム１１上に形成される静電潜像を現像する（トナー像を形成する。）。なお、現像装置１３の構成・動作については、後で詳しく説明する。

図１及び図２を参照して、トナー容器２８は、その内部に現像装置１３内に供給するためのトナーＴを収容している。具体的に、現像装置１３に設置されたトナー濃度検知手段としての磁気センサ１３ｍによって検知されるトナー濃度（現像剤Ｇ中のトナーの割合である。）の情報に基いて、不図示のトナー搬送管を介して、トナー容器２８から現像装置１３内に向けてトナー補給口からトナーＴを適宜に補給する。
なお、トナーＴの補給は、直接的なトナー濃度の情報に限定されず、後述する光学センサ５０によって検知される画像濃度の情報（間接的なトナー濃度の情報）に基づいて実施されてもよい。また、これらの異なる情報を組み合わせて、トナーＴの供給の実施を判断してもよい。

図２を参照して、本実施の形態では、現像ローラ１３ａ（現像領域）に対して感光体ドラム１１の回転方向下流側であって、中間転写ベルト１７（１次転写ニップ）に対して感光体ドラム１１の回転方向上流側に、感光体ドラム１１に対向するように、トナー付着量検知手段としての光学センサ５０（反射型フォトセンサ）が設置されている。そして、この光学センサ５０によって感光体ドラム１１上に形成されたトナー像のトナー付着量が検知されることになるが、これについては後で詳しく説明する。

以下、画像形成装置における現像装置１３について詳述する。
図２を参照して、現像装置１３は、現像剤担持体としての現像ローラ１３ａ、第１搬送部材としての第１搬送スクリュ１３ｂ１、第２搬送部材としての第２搬送スクリュ１３ｂ２、現像剤規制部材としてのドクターブレード１３ｃ、等で構成されている。
現像剤担持体としての現像ローラ１３ａは、外径が１８ｍｍ程度の小径の現像ローラであって、アルミニウム、真鍮、ステンレス、導電性樹脂等の非磁性体を円筒形に形成してなるスリーブが駆動モータ（不図示である。）によって反時計方向に回転されるように構成されている。現像ローラ１３ａのスリーブ内には、スリーブの周面に複数の磁極を形成するマグネットが固設されている。現像ローラ１３ａ上に担持された現像剤Ｇは、現像ローラ１３ａの矢印方向の回転にともなって搬送されて、ドクターブレード１３ｃ（現像剤規制部材）の位置に達する。そして、現像ローラ１３ａ上の現像剤Ｇは、この位置で適量に規制された後に、感光体ドラム１１との対向位置（現像領域である。）まで搬送される。そして、現像領域に形成された電界（現像電界）によって、感光体ドラム１１上に形成された潜像にトナーが吸着される。
なお、本実施の形態では、現像電界を形成するために、電圧印可手段としての現像電源４１から現像ローラ１３ａにＡＣ電圧が現像バイアスとして印可されているが、これについては後で詳しく説明する。

図２を参照して、ドクターブレード１３ｃは、現像ローラ１３ａの下方に配設された非磁性の板状部材（その一部を磁性材料で形成することもできる。）である。そして、現像ローラ１３ａは図２の反時計方向に回転して、感光体ドラム１１は図２の時計方向に回転する。
２つの搬送スクリュ１３ｂ１、１３ｂ２（搬送部材）は、現像装置１３内に収容された現像剤Ｇを長手方向（図２の紙面垂直方向である。）に循環しながら撹拌・混合する。
第１搬送スクリュ１３ｂ１は、現像ローラ１３ａに対向する位置に配設されていて、現像剤Ｇを長手方向（回転軸方向）の一端側から他端側に向けて水平に搬送するとともに、汲上げ磁極の位置で現像ローラ１３ａ上に現像剤Ｇを供給する。第１搬送スクリュ１３ｂ１は、図２の反時計方向に回転する。

第２搬送スクリュ１３ｂ２は、第１搬送スクリュ１３ｂ１の上方であって現像ローラ１３ａに対向する位置に配設されている。そして、現像ローラ１３ａから離脱した現像剤Ｇ（現像工程後に現像ローラ１３ａ上から強制的に離脱された現像剤Ｇである。）を長手方向の他端側から一端側に向かって水平に搬送する。なお、本実施の形態では、第２搬送スクリュ１３ｂ２の回転方向が、現像ローラ１３ａの回転方向に対して逆方向（図２の時計方向である。）になるように設定されている。
そして、第２搬送スクリュ１３ｂ２は、第１搬送スクリュ１３ｂ１による第１搬送経路の下流側から第１中継部を介して流入される現像剤Ｇを、第１搬送スクリュ１３ｂ１による第１搬送経路の上流側に第２中継部を介して搬送する。

ここで、第１搬送スクリュ１３ｂ１による第１搬送経路と、第２搬送スクリュ１３ｂ２による第２搬送経路と、は壁部によって隔絶されている。
図示は省略するが、第２搬送スクリュ１３ｂ２による第２搬送経路の下流側と、第１搬送スクリュ１３ｂ１による第１搬送経路の上流側と、は第２中継部を介して連通している。第２搬送スクリュ１３ｂ２による第２搬送経路の下流側に達した現像剤Ｇが、第２中継部１３ｇにて自重落下して、第１搬送経路の上流側に達することになる。
また、第１搬送スクリュ１３ｂ１による第１搬送経路の下流側と、第２搬送スクリュ１３ｂ２による第２搬送経路の上流側と、は第１中継部を介して連通している。そして、第１搬送スクリュ１３ｂ１による第１搬送経路にて現像ローラ１３ａ上に供給されなかった現像剤Ｇが、第１中継部の近傍に留まって盛り上がって、第１中継部を介して第２搬送スクリュ１３ｂ２による第２搬送経路の上流側に流入（搬送）されることになる。

なお、第１搬送スクリュ１３ｂ１による搬送経路中には、装置内を循環する現像剤のトナー濃度を検知する磁気センサ１３ｍ（トナー濃度検知手段）が設置されている。そして、磁気センサ１３ｍによって検知されるトナー濃度の情報に基いて、トナー容器２８からトナー補給口（第１中継部の近傍に配設されている。）を介して現像装置１３内に向けて新品のトナーＴ（補給トナー）が補給される。

以下、本実施の形態において用いられる現像剤Ｇについて、簡単に説明する。
本実施の形態において用いられるトナーＴ（現像剤Ｇ中のトナー、トナー容器２８中のトナーである。）は、重合トナーであって、結着樹脂として、スチレン−アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体等のスチレン系樹脂（スチレン又はスチレン置換体を含む単重合体又は共重合体）、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、又は、それらを複合したもの、等を用いることができる。また、これらの重合トナーの製造方法（重合方法）としては、塊状重合、溶液重合、乳化重合、懸濁重合等を用いることができる。
また、トナーＴの外添剤としては、無機微粒子（例えば、シリカ１．０重量％、酸化チタン０．５重量％のものである。）を用いることが好ましい。さらに、離型剤として、酸化ライスワックス、低分子量ポリプロピレンワックス、カルナウバワックス、等を用いることができる。また、必要に応じて、帯電制御剤を含有させることもできる。
また、本実施の形態において用いられるトナーＴは、体積平均粒径が５．８μｍの小径トナーであり、粒径が５μｍ以下のものが６０〜８０個数％になるように形成されている。また、本実施の形態において用いられるトナーＴは、マイナス極性に帯電するように形成されている。
なお、本実施の形態では重合トナーを用いたが、粉砕トナーを用いることもできる。

本実施の形態において用いられる現像剤Ｇ中のキャリアＣは、重量平均粒径が２０〜６０μｍになるように形成された小径キャリアである。なお、本実施の形態では、重量平均粒径が３５μｍになるように形成されたキャリアＣを用いている。
詳しくは、キャリアＣは、芯材となるフェライト粒子に、膜厚が０．５μｍのメチルメタクリレート樹脂（ＭＭＡ）をコートして、上述した粒径になるように形成したものである。また、キャリアＣとしては、マグネタイトを芯材としたコーティングキャリアを用いることもできる。
このような小粒径のキャリアＣを用いることで、出力画像のベタ均一性やハーフトーン画質を向上させることができる。また、このような小粒径のキャリアＣは、トナーのキャリア被覆率を高められるため、高画質化に適した小粒径トナーとの相性が良好である。

以下、本実施の形態の現像装置１３における、特徴的な構成・動作について説明する。
先に図２を用いて説明したように、本実施の形態における現像装置１３には、感光体ドラム１１（像担持体）に対向して、キャリアとともにトナーを担持する現像剤担持体としての現像ローラ１３ａが設置されている。そして、この現像ローラ１３ａには、ＡＣ電圧（交番電圧）が現像バイアス（ＡＣ波形の現像バイアスである。）として現像電源４１（電圧印可手段）から印可されている。これにより、所望の表面電位に帯電した感光体ドラム１１の画像部（露光部）と、現像バイアスが印可された現像ローラ１３ａと、の間に現像電界が形成されて、現像ローラ１３ａから感光体ドラム１１に向けてトナーが静電気的に飛翔して、感光体ドラム１１上の静電潜像（画像部）にトナー像が形成されることになる。

ここで、本実施の形態において、現像ローラ１３ａに印可される現像バイアス（ＡＣ電圧）は、図３に示すように、周波数が１ｋＨｚ以下の所定値（本実施の形態では、１ｋＨｚである。）に設定されて、１周期分のバイアス印可時間（Ｂ）に対する感光体ドラム１１の側からトナーが引き戻される方向のバイアス印可時間（Ａ）のデューティ（Ａ／Ｂ）が２０％以下の値に可変可能に設定されている。

詳しくは、図３を参照して、現像ローラ１３ａに印可される現像バイアス（ＡＣ電圧）は、周波数が１ｋＨｚ（波長が１ｍｓ）に固定して設定されて、デフォルト時（通常時）においてピーク電位Ｖｐｐが８００Ｖ程度に、デューティ（Ａ／Ｂ）が１５％程度に設定されている。ＡＣ波形の１周期分のバイアス印可時間（Ｂ）において、マイナス極性となるバイアス印可時間（Ｂ−Ａ）と、プラス極性となるバイアス印可時間（Ａ）と、があり、これらが交互に切り替えられる。デフォルト時においてマイナス極性の電圧は−６００Ｖ程度、プラス極性の電圧は＋２００Ｖ程度であって、感光体ドラム１１上の画像部（露光部）の表面電位が−１００Ｖ程度であり、トナーがマイナス極性に帯電することから、現像領域において、マイナス極性の電圧によって形成される現像電界が現像ローラ１３ａから感光体ドラム１１の側にトナーを移動させるように作用して、プラス極性の電圧によって形成される現像電界が感光体ドラム１１の側から現像ローラ１３ａにトナーを引き戻すように作用することになる。

このように、本実施の形態では、周波数が１ｋＨｚ以下となる比較的低周波のＡＣ電圧を現像バイアスとして用いているため、従来のように３ｋＨｚ程度の比較的高周波のＡＣ電圧を現像バイアスとして用いる場合に比べて、現像領域において感光体ドラム１１に一度付着したトナーを現像ローラ１３ａに引き戻しやくなり、短周期の画像濃度ムラを生じにくくすることができる。

詳しくは、現像バイアスとしてＤＣ電圧のみを用いる場合、現像ギャップが大きくなると現像電界が弱くなって感光体ドラム１１上トナー像の画像濃度が低くなり、現像ギャップが小さくなると現像電界が強くなって感光体ドラム１１上トナー像の画像濃度が高くなる。そのため、現像ローラ１３ａや感光体ドラム１１の偏心などによって現像ギャップ（双方の部材１１、１３ａの間隔である。）が短い周期で変動してしまうと、それらの回転周期に同期するように短周期の画像濃度ムラ（ピッチムラ）が生じてしまうことになる。
これに対して、現像バイアスとしてＡＣ電圧を用いる場合、現像ギャップが大きくなるとマイナス極性電圧による現像電界が弱くなって感光体ドラム１１側へのトナー移行が少なくなってもプラス極性電圧によるトナーの引き戻しも少なくなって感光体ドラム１１上トナー像の画像濃度が低くならず、現像ギャップが小さくなるとマイナス極性電圧による現像電界が強くなって感光体ドラム１１側へのトナー移行が多くなってもプラス極性電圧によるトナーの引き戻しも多くなって感光体ドラム１１上トナー像の画像濃度が高くならず、結果として画像濃度ムラの少ない安定したトナー像が形成されることになる。そして、本実施の形態では、低周波のＡＣ電圧を現像バイアスとして用いているために、このような感光体ドラム１１と現像ローラ１３ａとの間のトナーの受け渡し（往復動作）を短い周期でおこなうことができるため、短周期の画像濃度ムラを応答性よく確実に軽減することができる。

図４は、現像ローラ１３ａに印可する現像バイアス（ＡＣ電圧）として、周波数が１ｋＨｚ、デューティ（Ａ／Ｂ）が４％、ピーク電位Ｖｐｐが８００Ｖに設定されたものを用いて、現像領域の位置ごとの感光体ドラム１１上のトナー像のトナー付着量Ｍ／Ａの変化をシミュレーションしたものである。図４において、横軸の「０」は現像領域の中心（感光体ドラム１１と現像ローラ１３ａとの最近接位置である。）を示し、マイナス側が感光体ドラム１１の回転方向上流側（現像領域の入口側）であって、プラス側が感光体ドラム１１の回転方向下流側（現像領域の出口側）である。また、図４において、４種類の実線グラフは現像ギャップを０．２〜０．３ｍｍの範囲で４水準振ってＡＣ電圧を現像バイアスと用いたときのシミュレーション結果であって、４本の破線グラフは現像ギャップを０．２〜０．３ｍｍの範囲で４水準振ってＤＣ電圧を現像バイアスと用いたときのシミュレーション結果である。
図４に示す結果からも、ＡＣ電圧を現像バイアスとして用いる場合には、感光体ドラム１１に付着したトナーが引き戻しバイアス（図３のＡの範囲のバイアスである。）で戻されトナー付着量Ｍ／Ａが変動しているのがわかる。また、回転方向下流側（現像領域の出口側）のトナー付着量Ｍ／Ａを見ると、ＤＣ電圧印可時には現像ギャップが大きくなるほどがトナー付着量Ｍ／Ａ低くなるのに対して、ＡＣ電圧印可時には現像ギャップによらずトナー付着量Ｍ／Ａが安定するのがわかる。このように、低周波数のＡＣ波形の現像バイアスを現像ローラ１３ａに印加することにより、現像ギャップの変動による画像濃度ムラを低減できることがわかる。

また、図５は、現像ギャップを可変したときの、感光体ドラム１１上のトナー像のトナー付着量Ｍ／Ａを実機で測定した実験結果である。図５において、実線グラフは低周波ＡＣ電圧を現像バイアスとして用いたときの実験結果であって、破線グラフはＤＣ電圧を現像バイアスとして用いたときの実験結果である。
図５に示す実験結果からも、図４に示すシミュレーション結果と同様に、低周波数のＡＣ波形の現像バイアスを現像ローラ１３ａに印加することにより、現像ギャップの変動による画像濃度ムラを低減できることがわかる。

他方、ピーク電位ＶｐｐやデューティＡ／Ｂが大きなＡＣ波形の現像バイアスを印可してしまうと、感光体ドラム上に形成されるトナー像にボソツキが生じてしまう。ピーク電位Ｖｐｐの値は、感光体ドラム１１上の表面電位との関係で１０００Ｖ以下の範囲であればトナー像にボソツキが生じることはほとんどないものの、デューティＡ／Ｂの値は、２０％を超える値に設定してしまうと、トナー像にボソツキが生じてしまう。そのため、本実施の形態では、デューティＡ／Ｂを２０％以下に設定している。

ここで、本実施の形態では、感光体ドラム１１（像担持体）上にトナー像を形成するために現像ローラ１３ａ（現像剤担持体）に現像バイアスが印可されるときに現像電源４１（電圧印可手段）から出力される電流の値と、感光体ドラム１１上に形成されたトナー像のトナー付着量Ｍ／Ａの値と、から求めたトナー像の単位重量当たりの電荷量Ｑ／Ｍに基いて、現像電源４１から現像ローラ１３ａに印可されるＡＣ電圧のピーク電位ＶｐｐとデューティＡ／Ｂとのうち少なくとも一方を可変制御している。
詳しくは、単位重量当たりの電荷量Ｑ／Ｍが大きいときに、単位重量当たりの電荷量Ｑ／Ｍが小さいときに比べて、ピーク電位ＶｐｐとデューティＡ／Ｂとのうち少なくとも一方が小さくなるように制御部４０で可変制御している。
このような制御をおこなうのは、トナーの電荷量Ｑ／Ｍが低くなると、ＡＣ電圧に対する応答性が低くなってしまい、ＡＣ電圧を現像バイアスとして用いることにより画像濃度ムラを軽減する効果が発揮されにくくなるとともに、トナー像のボソツキも生じやすくなってしまうためである。

以下、このようなトナーの電荷量Ｑ／Ｍに基く制御について詳述する。
図２を参照して、感光体ドラム１１上に形成されたトナー像のトナー付着量Ｍ／Ａが、感光体ドラム１１に対向するトナー付着量検知手段としての光学センサ５０（反射型フォトセンサ）によって検知される。詳しくは、まず、先に説明した作像プロセス（帯電工程、露光工程、現像工程）を経て、感光体ドラム１１上にパッチパターン（約３０ｍｍ角の矩形パターンであって、ベタのトナー像である。）を形成する。このパッチパターンに向けて、光学センサ５０の発光素子（ＬＥＤ）から光を照射する。そして、パッチパターンで反射した光を、光学センサ５０の受光素子（フォトダイオード）で受光する。このとき、受光素子が受光した光量の大きさ（出力電圧の大きさである。）に係わる情報は制御部４０に送信されて、制御部４０にてパッチパターンにおける単位面積当たりのトナー付着量Ｍ／Ａ（ｍｇ／ｃｍ²）の値が求められる。
すなわち、制御部４０の演算部には、光学センサ５０の出力電圧に対応したトナー付着量（Ｍ）に係わる情報と、パッチパターンの面積（Ａ）に係わる情報と、が予め保持されている。そして、光学センサ５０から送信された出力値に基いて、制御部４０の演算部にて、感光体ドラム１１上における単位面積当りのトナー付着量（Ｍ／Ａ）が求められる。

また、現像ローラ１３ａに現像バイアスを印加する電圧印加手段としての現像電源４１には、電源回路中に接続された抵抗器を備えた電流検知手段が設けられている。そして、上述したトナー付着量の検知に先立ったパッチパターンの現像工程において、すなわち、パッチパターンの潜像に向けて現像ローラ２３ａ上のトナーＴが移動する工程において、現像電源４１の電流検知手段によって抵抗器両端にかかる電圧を検出して、現像ローラ２３ａに流れる現像電流が検知される。この現像電源４１の電流検知手段にて検知された出力電流（現像電流）の情報は、制御部４０に送信される。具体的に、現像工程時に、時間（現像時間）に対する現像電流の変動値が、現像工程時に現像ギャップを移動するトナーＴに係わる総電荷量Ｑとなる。したがって、パッチパターンの現像に係わる、単位面積当りの電荷量（Ｑ／Ａ）は、（現像工程時の総電荷量Ｑ）／（パッチパターンの面積）となる。
このように、電流検知手段によって検知された現像電流に基いて、制御部４０の演算部にて単位面積当りの電荷量（Ｑ／Ａ）が求められる。

そして、制御部４０では、現像電流値に基く単位面積当りの電荷量（Ｑ／Ａ）と、反射光量に基く単位面積当りのトナー付着量（Ｍ／Ａ）と、によって、単位重量当りの電荷量Ｑ／Ｍが求められる。ここで、Ｑ／Ｍは、次式で求められる。
Ｑ／Ｍ＝（Ｑ／Ａ）／（Ｍ／Ａ）
その後、制御部４０にて算出された電荷量Ｑ／Ｍに基いて、現像バイアス（ＡＣ電圧）におけるピーク電位ＶｐｐやデューティＡ／Ｂが可変制御される。
具体的には、図６を参照して、制御部４０にて算出された電荷量Ｑ／Ｍが小さいときにはピーク電位ＶｐｐやデューティＡ／Ｂが大きくなるように制御して、制御部４０にて算出された電荷量Ｑ／Ｍが大きいときにはピーク電位ＶｐｐやデューティＡ／Ｂが小さくなるように制御する。なお、図６（Ａ）はピーク電位Ｖｐｐを６００Ｖに固定したときの電荷量Ｑ／Ｍと最適なデューティＡ／Ｂとの関係を示し、図６（Ｂ）はデューティＡ／Ｂを１０％に固定したときの電荷量Ｑ／Ｍと最適なピーク電位Ｖｐｐとの関係を示すものであるが、制御部４０の演算部には、それ以外の電荷量Ｑ／Ｍに対する最適なピーク電位ＶｐｐとデューティＡ／Ｂとの関係についての制御テーブルが保存されている。
なお、このような制御をおこなうにあたり、電荷量Ｑ／Ｍの変化に対して、ピーク電位Ｖｐｐのみを可変制御することもできるし、デューティＡ／Ｂのみを可変制御することもできる。

以下、本発明の効果についてまとめる。
従来の現像バイアス（ＡＣ電圧）は高周波数であって、感光体ドラムに一度付着したトナーは、引き戻しバイアスを印加しても、現像ローラに引き戻されず、感光体ドラムの近傍をホッピングするのみである。これに対して、本発明では、１ｋＨｚ程度の低周波数の現像バイアス（ＡＣ電圧）を用いて、短い周期で引き戻しバイアスを切り替えているので、感光体ドラム１１から現像ローラ１３ａへトナーの引き戻しを活性化することができる。そのため、現像ギャップが小さいときには現像電界が強くなるので、現像量（トナー付着量）も多くなるが引き戻し量も多くなり、現像ギャップが大きいときには現像電界が弱くなるので、現像量も少なくなるが引き戻し量も少なくなり、最終的な現像量のバランスが保たれることになる。すなわち、現像ギャップによらず、感光体ドラム１１上に形成されるトナー像の画像濃度を安定させることができる（画像濃度ムラを軽減することができる）。

一方、低周波数の現像バイアス（ＡＣ電圧）を用いる場合、引き戻しバイアスによって感光体ドラム１１から現像ローラ１３ａにトナーが戻されるときに、画像にボソツキが生じやすくなる。そのため、上述した画像濃度の安定化を維持しつつ、画像のボソツキを防止するために、デューティＡ／Ｂやピーク電位Ｖｐｐが大きくならないように設定して、現像領域の最近接付近でのみトナーの引き戻しが生じるようにしている。現像領域の最近接付近で画像にムラが生じても、現像領域出口側に達するまでに現像剤の磁気ブラシによって画像ムラを均すことができる。
さらに、デューティＡ／Ｂやピーク電位Ｖｐｐの最適値はトナーの帯電量によって変化するため、本発明では、現像電流と光学センサ５０の出力とにより現像装置１３内に収容された現像剤中のトナーの帯電量を予測して、そのトナー帯電量に応じて最適なデューティＡ／Ｂやピーク電位Ｖｐｐに可変するようにしている。これにより、画像濃度ムラ、ボソツキが少なく、画像濃度が高安したトナー像（出力画像）を形成することが可能になる。

以上説明したように、本実施の形態では、周波数が１ｋＨｚ以下の所定値に設定されてデューティ（Ａ／Ｂ）が２０％以下の値に可変可能に設定されたＡＣ電圧が現像バイアスとして現像電源４１（電圧印可手段）から現像ローラ１３ａ（現像剤担持体）に印可される。そして、現像電源４１から出力される電流の値と、感光体ドラム１１上に形成されたトナー像のトナー付着量（Ｍ／Ａ）の値と、から求めたトナー像の単位重量当たりの電荷量（Ｑ／Ｍ）に基いて、現像ローラ１３ａに印可されるＡＣ電圧のピーク電位（Ｖｐｐ）とデューティ（Ａ／Ｂ）とのうち少なくとも一方を可変制御している。これにより、現像ローラ１３ａや感光体ドラム１１の偏心などによって現像ギャップが短い周期で変動してしまっても、短周期の画像濃度ムラを生じにくくすることができる。

なお、本実施の形態では、回収スクリュとして機能する第２搬送スクリュ１３ｂ２が供給スクリュとして機能する第１搬送スクリュ１３ｂ１の上方に設置されて、ドクターブレード１３ｃが現像ローラ１３ａの下方に設置された現像装置１３に対して、本発明を適用した。しかし、本発明の適用はこのような現像装置１３に限定されることなく、種々の形態のものに対して本発明を適用することができる。例えば、回収スクリュとして機能する第２搬送スクリュ１３ｂ２が供給スクリュとして機能する第１搬送スクリュ１３ｂ１の下方に設置されて、ドクターブレード１３ｃが現像ローラ１３ａの上方に設置された現像装置１３に対しても、本発明を適用することができる。さらに、キャリアを含まずにトナーのみで形成された現像剤を用いる１成分現像方式の現像装置に対しても、現像バイアスとしてＡＣ電圧を用いたものであれば、本発明を適用することができる。
そして、そのような場合にも、本実施の形態のものと同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態においては、現像装置１３が単体で画像形成装置本体に着脱されるユニットして構成されている画像形成装置に対して、本発明を適用した。しかし、本発明の適用はこれに限定されることなく、作像部の一部又は全部がプロセスカートリッジ化されている画像形成装置に対しても、当然に本発明を適用することができる。その場合、作像部のメンテナンスの作業性が向上することになる。
なお、本願において、「プロセスカートリッジ」とは、像担持体を帯電する帯電部と、像担持体上に形成された潜像を現像する現像部（現像装置）と、像担持体上をクリーニングするクリーニング部とのうち、少なくとも１つと、像担持体とが、一体化されて、画像形成装置本体に対して着脱可能に設置されるユニットと定義する。

また、本実施の形態では、現像ローラ１３ａに印可する現像バイアスとしてＡＣ電圧のみを用いたが、現像ローラ１３ａに印可する現像バイアスとしてＤＣ電圧にＡＣ電圧を重畳したものを用いることもできる。その場合、ＤＣ電圧に重畳するＡＣ電圧に対して、本実施の形態のものと同様に構成・制御することにより、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、カラー画像形成装置１に設置された４色の現像装置１３のすべてに対して本発明を適用したが、複数の現像装置のうちの一部にのみ本発明を適用することもできる。具体的に、複数の現像装置のうち、濃度ムラが目立ちにくいトナーを用いた現像装置に対してはＤＣ電圧のみを現像バイアスとして用いて、その他の現像装置に対して本発明のＡＣ電圧による現像バイアスを用いることで、画像形成装置全体の電源や制御に対するコストを低くすることができる。

なお、本発明が本実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、本実施の形態の中で示唆した以外にも、本実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、前記構成部材の数、位置、形状等は本実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。

１ 画像形成装置（画像形成装置本体）、
１１、１１Ｙ、１１Ｃ、１１Ｍ、１１ＢＫ 感光体ドラム（像担持体）、
１３ 現像装置（現像部）、
１３ａ 現像ローラ（現像剤担持体）、
１３ｂ１ 第１搬送スクリュ（第１搬送部材）、
１３ｂ２ 第２搬送スクリュ（第２搬送部材）、
１３ｃ ドクターブレード（現像剤規制部材）、
４０ 制御部、
４１ 現像電源（電圧印可手段、電流検知手段）、
５０ 光学センサ（トナー付着量検知手段）、
Ｇ 現像剤（２成分現像剤）、 Ｔ トナー、 Ｃ キャリア。

特開２００９−２０４０５号公報 特開平５−２５７３６９号公報 特許第４４８００６６号公報

Claims (5)

1. 像担持体上に形成される潜像を現像してトナー像を形成する現像装置であって、
   前記像担持体に対向するとともにトナーを担持して、周波数が１ｋＨｚ以下の所定値に設定されて、１周期分のバイアス印可時間に対する前記像担持体の側からトナーが引き戻される方向のバイアス印可時間のデューティが２０％以下の値に可変可能に設定されたＡＣ電圧が現像バイアスとして電圧印可手段から印可される現像剤担持体を備え、
   前記像担持体上にトナー像を形成するために前記現像剤担持体に現像バイアスが印可されるときに前記電圧印可手段から出力される電流の値と、前記像担持体上に形成された当該トナー像のトナー付着量の値と、から求めた当該トナー像の単位重量当たりの電荷量に基いて、前記電圧印可手段から前記現像剤担持体に印可される前記ＡＣ電圧のピーク電位と前記デューティとのうち少なくとも一方が可変制御されることを特徴とする現像装置。
2. 前記単位重量当たりの電荷量が大きいときに、前記単位重量当たりの電荷量が小さいときに比べて、前記ピーク電位と前記デューティとのうち少なくとも一方が小さくなるように可変制御されることを特徴とする請求項１に記載の現像装置。
3. トナーとキャリアとを有する現像剤が収容され、
   前記現像剤担持体に前記現像剤が担持されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の現像装置。
4. 画像形成装置本体に対して着脱可能に設置されるプロセスカートリッジであって、
   請求項１〜請求項３のいずれかに記載の現像装置と前記像担持体とが一体化されたことを特徴とするプロセスカートリッジ。
5. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の現像装置と前記像担持体と前記電圧印可手段とを備えたことを特徴とする画像形成装置。

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