JP2020122871A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】帯電部材の寿命を正確に予測可能な画像形成装置を提供する。【解決手段】画像形成装置は、像担持体と、帯電部材と、高圧発生回路と、電流検出部と、接触電極と、制御部と、を備える。像担持体は、表面に感光層が形成される。帯電部材は、像担持体の表面に接触して像担持体を帯電させる。高圧発生回路は、帯電部材に交流電圧を印加する。電流検出部は、帯電部材に流れる電流を検出する。接触電極は、帯電部材に接触する。制御部は、高圧発生回路を制御する。制御部は、非画像形成時に周波数を変化させて帯電部材に交流電圧を印加したときに帯電部材に流れる電流値を測定し、測定された電流値の振幅と位相差から取得されるインピーダンススペクトルに含まれるＷａｒｂｕｒｇインピーダンスに基づいて帯電部材の寿命を予測する。【選択図】図２

Description

本発明は、像担持体に接触する帯電部材を備えた複写機、プリンター、ファクシミリ、それらの複合機等の画像形成装置に関し、特に、帯電部材の寿命を予測する方法に関するものである。

電子写真プロセスを用いた画像形成装置において、像担持体である感光体ドラムの表面を均一に帯電させる手段として、コロナ放電器を備えたスコロトロン帯電装置やコロトロン帯電装置等のコロナ帯電方式と、帯電ローラーに代表される導電性の帯電部材を備えた接触帯電方式とがある。近年、スコロトロン方式やコロトロン方式の帯電装置に代えて、感光体ドラムに対し接触配置又は近接配置されて感光体ドラムを帯電する帯電部材（帯電ローラー等）を備えたオゾン発生量の少ない接触帯電式の帯電装置が用いられる。

例えば、特許文献１に開示される帯電ローラーは、金属製のシャフト（芯金）の外周面上に、帯電ローラー表面の電気抵抗の調整等を目的として、半導電性の弾性体からなる導電層が設けられている。帯電ローラーの導電層は、自身がイオン導電性を有する半導電性ゴムポリマーにイオン導電剤を含有せしめてなるゴム組成物から形成されている。帯電ローラーの導電層は、イオン導電剤を含有していることで半導電性および低硬度等の特性を維持することができる。

近年、画像形成装置の高耐久化が進められ、帯電ローラーが使用される期間も長くなっている。そのため、帯電ローラーへの通電による導電層の電気抵抗が上昇して帯電性を低下させ、形成される画像に画像ムラや画像欠陥等の種々の不具合が発生し易くなるという問題があった。

そこで、例えば特許文献２には、帯電ローラーに流れる電流値を読み取り、電流値から帯電ローラーの抵抗上昇の程度を推測して帯電ローラーの寿命判定を行うことにより、帯電装置の予知保全を行う技術が開示されている。

特開２００６−１５４６３４号公報 特開平９−１７９３８５号公報

特許文献２の方法は、電流値を測定したタイミングでの帯電ローラーの抵抗を検知することは可能であるが、仮に寿命に達していないと判定しても今後いつ寿命に達するかの予測をすることは困難であった。また、帯電ローラーの寿命を推定するにあたり、特にイオン導電性を有する帯電ローラーにおいては、通電によるイオン導電剤の消費に加え、ゴム中のイオンの偏り状態に伴う分極抵抗分も含まれるため、印刷枚数だけでなく実際の使用状況によって抵抗が変動する。即ち、特許文献２のように単に電圧と電流の比から求めた抵抗を測定する手法ではその瞬間の電流の流れやすさの情報しか得られず、帯電ローラーの寿命を精度よく推定するためには通電を続けた場合の電流の流れやすさの持続性についての情報を得る必要があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、帯電部材の寿命を正確に判定可能な画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の第１の構成は、像担持体と、帯電部材と、高圧発生回路と、電流検出部と、接触電極と、制御部と、を備えた画像形成装置である。像担持体は、表面に感光層が形成される。帯電部材は、像担持体の表面に接触して像担持体を帯電させる。高圧発生回路は、帯電部材に交流電圧を印加する。電流検出部は、帯電部材に流れる電流を検出する。接触電極は、帯電部材に接触する。制御部は、高圧発生回路を制御する。制御部は、非画像形成時に周波数を変化させて帯電部材に交流電圧を印加したときに帯電部材に流れる電流値を測定し、測定された電流値の振幅と位相差から取得されるインピーダンススペクトルに含まれるＷａｒｂｕｒｇインピーダンスに基づいて帯電部材の寿命を予測する。

本発明の第１の構成によれば、帯電部材の劣化状況を精度よく把握して帯電部材の適切な交換時期を通知することができ、像担持体の帯電不良に起因する縦筋画像やカブリ画像の発生を効果的に抑制することができる。また、画像形成装置の予知保全を確実に行うことができ、サービスマンによる監視負担やメンテナンスコストも極力軽減することができる。

本発明の一実施形態に係る画像形成装置１００の内部構成を示す側面断面図 帯電装置４の制御経路を含む画像形成部Ｐ周辺の部分拡大図 帯電ローラー４１を径方向に切断した側面断面図 本実施形態の画像形成装置１００における帯電ローラー４１の寿命予測モードの制御例を示すフローチャート 交流電圧の周波数を変化させて帯電ローラー４１に流れる交流電流の振幅と位相差を測定することにより得られるインピーダンススペクトルを示すグラフ 帯電ローラー４１の電荷移動のインピーダンスとＷａｒｂｕｒｇインピーダンスの両方を含む等価回路モデルの一例を示す図 実施例において、図６の等価回路モデルを用いた通電時間５０ｈｒ時点のインピーダンススペクトルのフィッティング結果を示すグラフ 図６の等価回路モデルからＷａｒｂｕｒｇインピーダンスＺｗを除外した等価回路を用いた通電時間５０ｈｒ時点のインピーダンススペクトルのフィッティング結果を示すグラフ

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る画像形成装置１００の内部構造を示す側面断面図である。画像形成装置（ここではモノクロプリンター）１００内には、帯電、露光、現像および転写の各工程によりモノクロ画像を形成する画像形成部Ｐが配設されている。画像形成部Ｐには、感光体ドラム５の回転方向（図１の反時計回り方向）に沿って、帯電装置４、露光装置（レーザー走査ユニット等）７、現像装置８、転写ローラー１４、クリーニング装置１９、および除電装置６が配設されている。

感光体ドラム５は、例えば、アルミニウム製のドラム素管の表面に、感光層として正帯電性光導電体であるアモルファスシリコン層が蒸着されて形成される。感光体ドラム５は、ドラム駆動部（図示せず）によって、支軸を中心に定速回転駆動される。

画像形成動作を行う場合、図１の反時計回り方向に回転する感光体ドラム５が帯電装置４により一様に帯電され、原稿画像データに基づく露光装置７からのレーザービームにより感光体ドラム５上に静電潜像が形成され、現像装置８により静電潜像に現像剤（以下、トナーという）が付着されてトナー像が形成される。

現像装置８へのトナーの供給はトナーコンテナ９から行われる。なお、画像データはパーソナルコンピューター（図示せず）等から送信される。また、感光体ドラム５の表面に除電光を照射して残留電荷を除去する除電装置６が、感光体ドラム５の回転方向に対しクリーニング装置１９の下流側に設けられている。

上記のようにトナー像が形成された感光体ドラム５に向けて、用紙（記録媒体）が給紙カセット１０又は手差し給紙装置１１から用紙搬送路１２およびレジストローラー対１３を経由して搬送され、転写ローラー１４により感光体ドラム５の表面に形成されたトナー像が用紙に転写される。トナー像が転写された用紙は感光体ドラム５から分離され、定着装置１５に搬送されてトナー像が定着される。定着装置１５を通過した用紙は、用紙搬送路１６により装置上部に搬送され、用紙の片面のみに画像を形成する場合（片面印字時）は、排出ローラー対１７により排出トレイ１８に排出される。

一方、用紙の両面に画像を形成する場合（両面印字時）は、用紙の後端が用紙搬送路１６の分岐部２０を通過した後に搬送方向を逆転させる。これにより、用紙は分岐部２０から分岐する反転搬送路２１に振り分けられ、画像面を反転させた状態でレジストローラー対１３に再搬送される。そして、感光体ドラム５上に形成された次のトナー像が、転写ローラー１４によって用紙の画像が形成されていない面に転写される。トナー像が転写された用紙は、定着装置１５に搬送されてトナー像が定着された後、排出ローラー対１７により排出トレイ１８に排出される。

図２は、帯電装置４の制御経路を含む画像形成部Ｐ周辺の部分拡大図である。帯電装置４は、感光体ドラム５に接触するように配置され感光体ドラム５を帯電処理する帯電ローラー４１を備える。

図３は、帯電ローラー４１を径方向に切断した側面断面図である。帯電ローラー４１は、芯金４１ａに導電層４１ｂおよびコート層４１ｃを被覆することにより形成されており、感光体ドラム５に当接するように配置されている。導電層４１ｂは、架橋ゴム中にイオン導電剤を配合することによりイオン導電性を有するものである。架橋ゴムとしてはエピクロルヒドリンゴム等が用いられる。イオン導電剤としては、４級アンモニウム塩やホウ酸塩等が用いられる。

図２に示すように、感光体ドラム５が反時計回り方向に回転すると、感光体ドラム５の表面に接触する帯電ローラー４１が時計回り方向に従動回転する。このとき、帯電ローラー４１に所定の電圧を印加することにより、感光体ドラム５の表面が一様に帯電される。

帯電ローラー４１は、直流電圧と交流電圧が重畳された振動電圧を生成する高圧発生回路４３に接続されている。高圧発生回路４３は、交流定電圧電源４３ａと、直流定電圧電源４３ｂとを備える。交流定電圧電源４３ａは、昇圧トランス（図示せず）を用いてパルス状に変調した低圧直流電圧から発生させた正弦波の交流電圧を出力する。直流定電圧電源４３ｂは、昇圧トランスを用いてパルス状に変調した低圧直流電圧から発生させた正弦波の交流電圧を整流した直流電圧を出力する。

高圧発生回路４３は、画像形成時には交流定電圧電源４３ａおよび直流定電圧電源４３ｂから直流電圧に交流電圧を重畳させた帯電電圧を出力する。また、後述する寿命予測モードの実行時には交流定電圧電源４３ａから交流電圧のみを出力するか、或いは直流定電圧電源４３ｂおよび直流定電圧電源４３ｂから直流電圧に交流電圧を重畳させた電圧を出力する。電流検出部４４は、帯電ローラー４１と高圧発生回路４３の間に流れる交流電流の振幅および位相差を検出する。

接触電極５０は、帯電ローラー４１の外周面に接触するように配置され、帯電ローラー４１に従動して回転する。帯電ローラー４１には感光体ドラム５が接触しているが、感光体ドラム５の外周面には感光層（アモルファスシリコン層）が積層されているため、帯電ローラー４１から感光体ドラム５へ電流が流れにくくなっている。そこで、本実施形態のように接触電極５０を配置することで、寿命予測モードの実行時に帯電ローラー４１の導電層４１ｂから接触電極５０に流れる電流を電流検出部４４によりダイレクトで検出することができる。

接触電極５０は、ＳＵＳ（ステンレス）やアルミニウム製の金属ローラーでもよいし、ゴムやスポンジのような弾性体のローラーでもよい。弾性体の場合はカーボンブラック等の導電材を配合して導電性を付与することで電極としての機能を発現させる。また、弾性体のローラーを用いる場合は帯電ローラー４１のクリーニング部材としての機能を持たせることも可能である。

接触電極５０は、接地（アース）状態と非接地状態とに切り替え可能である。後述する寿命予測モードにおいては接触電極５０がグランドに接地（アース）されている。画像形成時においては帯電ローラー４１によって感光体ドラム５を効率よく帯電させるために、接触電極５０とグランドとの接続が遮断された非接地状態とすることが好ましい。

次に、画像形成装置１００の制御システムについて図２を参照して説明する。画像形成装置１００には、ＣＰＵ等で構成される主制御部８０が設けられている。主制御部８０は、ＲＯＭやＲＡＭ等からなる記憶部７０に接続される。主制御部８０は、記憶部７０に格納された制御プログラムや制御用データに基づいて画像形成装置１００の各部（帯電装置４、除電装置６、露光装置７、現像装置８、転写ローラー１４、クリーニング装置１９、定着装置１５、高圧発生回路４３、電流検出部４４、電圧制御部４５等）を制御する。

電圧制御部４５は、帯電ローラー４１に振動電圧を印加する高圧発生回路４３を制御する。なお、電圧制御部４５は、記憶部７０に記憶される制御プログラムで構成されていてもよい。

主制御部８０には液晶表示部９０、送受信部９１が接続されている。液晶表示部９０は、ユーザーが画像形成装置１００の各種設定を行うためのタッチパネルとして機能するとともに、画像形成装置１００の状態、画像形成状況や印字枚数等を表示する。送受信部９１は、電話回線やインターネット回線を用いて外部との通信を行う。

前述したように、帯電装置４を長期間使用すると、帯電ローラー４１への通電による導電層４１ｂの電気抵抗が上昇して帯電性を低下させ、形成される画像に画像ムラや画像欠陥等の種々の不具合が発生し易くなる。そこで、本発明の画像形成装置１００では、帯電ローラー４１の寿命を予測する寿命予測モードを実行可能としている。

図４は、本発明の画像形成装置１００における帯電ローラー４１の寿命予測モードの制御例を示すフローチャートである。必要に応じて図１〜図３、および後述する図５、図６を参照しながら、図４のステップに沿って寿命予測モードの実行手順について詳細に説明する。

先ず、主制御部８０から電圧制御部４５に制御信号を送信することにより、接触電極５０をグランドに接地させた状態で、交流定電圧電源４３ａから帯電ローラー４１に正弦波形の交流電圧を印加する（ステップＳ１）。そして、交流電圧の周波数を変化させて帯電ローラー４１に流れる交流電流の振幅と位相差を電流検出部４４により測定し（ステップＳ２）、記憶部７０に測定値を保存する。交流電流の測定は所定の周期毎に実行してもよいし、測定データ量の削減のために時間が経過するほど測定間隔を大きくするようにしてもよい。また、低周波領域の測定の際は、導電層４１ｂの周方向の同一箇所における交流電流の振幅と位相差を測定できるように帯電ローラー４１の回転を停止させた状態で測定することが好ましい。次に、主制御部８０は測定された交流電流の振幅と位相差を用いてインピーダンススペクトルを取得する（ステップＳ３）。

図５は、交流電圧の周波数を変化させて帯電ローラー４１に流れる交流電流の振幅と位相差を測定することにより得られるインピーダンススペクトルを示すグラフである。上述の交流電流の測定を実施すれば、図５のようなインピーダンススペクトル（ナイキスト線図）を取得することができる。ナイキスト線図は、制御理論における周波数の応答の実数部（Ｒｅ）を横軸に、虚数部（−ｌｍ）を縦軸にとる極座標系において、角周波数ωを０から∞まで変化させたときの軌跡である。本発明では、取得されたインピーダンススペクトルを用いて帯電ローラー４１の劣化状態を判定し、判定結果を画像形成装置１００の予知保全にフィードバックすることを特徴としている。

インピーダンススペクトルを取得する狙いは、幅広い周波数の正弦波信号を与えることで、時定数τの異なる電極素過程を分離するところにある。ここで電極素過程とは、電極／電解質界面での酸化還元反応における電荷移動過程と、電解質中でのイオンの濃度勾配に応じた拡散による物質移動過程を指す。一般に、物質移動速度は電荷移動速度と比較して遅いので、高周波領域で電荷移動に由来するインピーダンスが現れ、低周波領域で拡散による物質移動のインピーダンスが現れることが知られている。特に、拡散による物質移動のインピーダンスはＷａｒｂｕｒｇインピーダンスと呼ばれ、このＷａｒｂｕｒｇインピーダンスは帯電ローラー４１の導電層４１ｂ内部のイオンの拡散されやすさを表していると言える。帯電ローラー４１において実測されるＷａｒｂｕｒｇインピーダンスは以下の式（１）に当てはめるとよい一致を示す。
Ｚ（ω）＝（Ａ／√ｊωτ）ｔａｎｈ（√ｊωτ） ・・・（１）

Ｚ（ω）は、周波数ω［Ｈｚ］におけるインピーダンスであり、ｊは虚数単位、Ａ、τは定数である。このＷａｒｂｕｒｇインピーダンスが大きいほど拡散による物質移動の抵抗が大きい状態にあることを意味する。即ち、現在の状態から印字動作を継続していくと早期に電気抵抗が上昇し、帯電ローラー４１の寿命（耐用期間の終期）が近いことを予測できる。

次に、Ｗａｒｂｕｒｇインピーダンスのパラメーターの取得方法について述べる。帯電ローラー４１の正弦波信号に対する応答性を等価回路モデルで定義し、得られたインピーダンススペクトルに対して所定のフィッティング手法を用いて等価回路を構成するパラメーターを推定する。帯電ローラー４１の電荷移動のインピーダンスとＷａｒｂｕｒｇインピーダンスの両方を含めた形で等価回路モデルを構成することで、それぞれのインピーダンス成分を分離することが可能となる。等価回路の構成の一例を図６に示す。

図６に示す等価回路モデルでは、電荷移動のインピーダンスとして、導電層４１ｂに対応するインピーダンス（Ｃ１、Ｒ１を含む回路部分）とコート層４１ｃに対応するインピーダンス（Ｃ２、Ｒ２を含む回路部分）とに分けている。つまり、図５に示した帯電ローラー４１全体のインピーダンススペクトルデータから電荷移動のインピーダンス（導電層４１ｂに対応するインピーダンスとコート層４１ｃに対応するインピーダンス）を差し引くことでＷａｒｂｕｒｇインピーダンスＺｗを取得することができる。

交流電流の測定時に印加する交流電圧の周波数領域は１Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲が電荷移動過程と物質移動過程それぞれのインピーダンス成分の抽出に好ましい範囲である。また交流電圧のＶｐｐは１〜１００Ｖの範囲が好ましい。また交流電圧に直流電圧を重畳して印加してもよい。直流電圧が低すぎるとＳ／Ｎ比が低下してしまい、直流電圧が高すぎると帯電ローラー４１の劣化を促進させてしまう。そのため、直流電圧は１〜１００Ｖの範囲が好ましい。

図４に戻って、主制御部８０は上述したパラメーターの取得方法を用いて定数Ａ、時定数τを算出する（ステップＳ４）。具体的には、取得したＷａｒｂｕｒｇインピーダンスのデータを、式（１）を用いてフィッティング（曲線あてはめ）して定数Ａ、時定数τを算出する。フィッティング方法としては、例えばＬＭ（Levenberg Marquardt）法などの非線形最小二乗法を用いてパラメーターを推定（同定）する方法が挙げられる。非線形最小二乗法は、実際の計測波形と推定されたパラメーターによる疑似応答波形とを各サンプリングデータにおいて比較し、その誤差ｅの２乗の総和を最小化するようにパラメーターを調整する方法である。

主制御部８０は、算出された定数Ａ、時定数τに基づいて帯電ローラー４１の寿命を予測する。寿命予測の例として、ここでは、定数Ａおよび時定数τをそれぞれ基準定数Ａ０、基準時定数τ０と比較する（ステップＳ５）。主制御部８０は、Ａ＜Ａ０、τ＜τ０であるか否かを判定し（ステップＳ６）、Ａ＜Ａ０、τ＜τ０である場合は（ステップＳ６でＹｅｓ）帯電ローラー４１が寿命に到達したと判定して帯電ローラー４１の交換を通知する（ステップＳ７）。

或いは、算出されたＡ、τを式（１）に代入し、さらに周波数ωに基準周波数ω０を代入して求められる基準インピーダンスＺ（ω０）の値を計算し、閾値Ｚ０（ω０）と比較してＺ（ω０）≧Ｚ０（ω０）である場合に寿命に到達したと判定することもできる。基準定数Ａ０、基準時定数τ０、閾値Ｚ０（ω０）は、帯電ローラー４１の設計時に耐久試験、シミュレーション等に基づいて、帯電ローラー４１が寿命に到達したと推定される値に決定される。基準定数Ａ０、基準時定数τ０、閾値Ｚ０（ω０）は製品出荷時に予め設定した固定値でもよいし、ユーザーの使用状況（例えば、温湿度、累積印字枚数）に応じて補正される変動値でもよい。

或いは、例えば帯電ローラー４１の導電層４１ｂ内のイオンの残量および分布状態から電圧印加に対する電流値の応答性を計算するシミュレーターを製品に実装しておき、主制御部８０において、測定パラメーターを代入することで今後どのような使い方をしていけばどの程度のタイミングで電流が流れにくくなっていくか（電気抵抗が上昇するか）の計算を実行し、計算結果から帯電ローラー４１の寿命を予測することも可能である。つまり、測定されたＷａｒｂｕｒｇインピーダンスのパラメーターＡ、τが帯電ローラー４１の寿命判定の要素に含まれていることが重要である。

図４に示した寿命予測モードは、画像形成装置１００の電源投入時、または画像形成装置１００が所定時間印字動作を行わなかった場合に画像形成装置１００を構成する各部材、装置への電力供給を制限する省電力モード（スリープモード）からの復帰時、或いは直前の寿命予測モードの実行後、所定の印字枚数に到達したタイミング等で、非画像形成時に実行される。また、インピーダンスを測定する際は低周波領域の測定を考慮して帯電ローラー４１の回転を停止させて測定することが望ましい。

このように定数Ａ、時定数τを用いて寿命を予測することにより、帯電ローラー４１の導電層４１ｂの劣化状況を精度よく把握して帯電ローラー４１の適切な交換時期を通知することができ、感光体ドラム５の帯電不良に起因する縦筋画像やカブリ画像の発生を効果的に抑制することができる。また、画像形成装置１００の予知保全を確実に行うことができ、サービスマンによる監視負担やメンテナンスコストも極力軽減することができる。サービスマンへの通知方法としては、例えば送受信部９１からメンテナンスを行うサービスマンの通信端末に帯電ローラー４１の交換を促す通知をＣＢＭ（Condition Based Maintenance）アラートとして送信する。

その他本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では送受信部９１を用いて帯電ローラー４１の寿命が近いことをサービスマンに直接通知するようにしたが、例えば液晶表示部９０に帯電ローラー４１の交換を促す通知を表示することにより、帯電ローラー４１の寿命が近いことをユーザーに通知するようにしてもよい。

また、上記実施形態では画像形成装置１００として図１に示したようなモノクロプリンターを例に挙げて説明したが、モノクロプリンターに限らず、モノクロおよびカラー複写機、デジタル複合機、カラープリンター、ファクシミリ等の他の画像形成装置であってもよい。以下、実施例により本発明の効果について更に詳細に説明する。

寿命予測モードによる帯電ローラー４１の寿命予測精度についての検証試験を行った。試験方法としては、帯電ローラー４１に接触電極５０を接触させて線速２５０ｍｍ／ｓｅｃで従動回転させながら１２０μＡの定電流電源に接続して通電し、帯電ローラー４１の通電エージングを行った。なお、図２に示した構成では直流定電圧電源４３ｂを備えた高圧発生回路４３を用いているが、直流定電圧電源４３ｂを用いた定電圧制御においても感光体ドラム５に一定の電荷を供給するため帯電ローラー４１には定電流が流れると解することができる。そのため、定電流電源による通電エージングは、画像形成装置１００での通電による帯電ローラー４１の劣化を再現するものといえる。

そして、通電開始後５０、１００、１５０、２００［ｈｒ］経過時に、帯電ローラー４１の回転を停止させて交流電流の周波数を変化させたときの振幅および位相差を測定し、Ｗａｒｂｕｒｇインピーダンスの絶対値を取得して帯電ローラー４１の寿命を予測した。

具体的には、交流電圧の周波数ωを１０＾ｎ（ｎ＝１，１．２，１．４，・・・５）の２０段階とし、各周波数において５周期分のデータを取得して実効電流値と位相差を測定した。そして、図６に示したフィッティング等価回路モデルを用い、ＬＭ法を用いて取得された電流値データを式（１）によりフィッティングした。初期値はＲ１＝１０⁵［Ω］、Ｃ１＝１０^-10［Ｆ］、Ｒ２＝１０⁶［Ω］、Ｃ２＝１０^-9［Ｆ］、Ａ＝１０⁶［Ω］、τ＝０．００１として繰り返し演算回数が１００に到達した時点で計算を終了し、パラメーター推定値を決定した。

寿命予測方法は、推定したＡ、τおよび基準周波数ω０＝２５００［Ｈｚ］を式（１）に代入して基準インピーダンスＺ（ω０）を算出し、さらにＺ（ω０）の絶対値｜Ｚ（ω０）｜＝√（Ｒｅ²＋Ｉｍ²）を計算した。基準値Ｚ０（ω０）（＝１０⁵）に対して｜Ｚ（ω０）｜＜Ｚ０（ω０）であれば寿命に到達しておらず（○）、｜Ｚ（ω０）｜≧Ｚ０（ω０）であれば寿命に到達した（×）と判定した。

一方、比較例として、帯電ローラー４１を線速１００ｍｍ／ｓｅｃで回転させた状態で直流電圧５００Ｖを印加し、５ｓｅｃ経過時点の電流値を取得し、取得した電流値に基づいて帯電ローラー４１の寿命を予測した。寿命予測方法は、電流値が１．０ｍＡよりも小さくなったとき寿命に到達したと判定した。

感光体ドラム５はアモルファスシリコン感光層を有するアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）ドラムを用い、帯電ローラー４１は、エピクロルヒドリンゴムを主成分とするゴムにイオン導電剤として４級アンモニウム塩を含有させた導電層４１ｂを用いた。接触電極５０はＳＵＳ製の金属ローラーを用いた。結果を表１に示す。

また、図６の等価回路モデルを用いた通電時間５０ｈｒ時点のインピーダンススペクトルのフィッティング結果を図７に、図６の等価回路モデルからＷａｒｂｕｒｇインピーダンスＺｗを除外した等価回路を用いた通電時間５０ｈｒ時点のインピーダンススペクトルのフィッティング結果を図８に示す。

表１から明らかなように、Ｗａｒｂｕｒｇインピーダンスに基づいて帯電ローラー４１の寿命予測を行う本発明では、通電時間１５０ｈｒとなった時点でＺ≧Ｚ０となり、寿命に到達したと判定される。一方、電流Ｉに基づいて帯電ローラー４１の寿命予測を行う比較例では、通電時間１５０ｈｒ時点までの電流は１．０ｍＡ付近を維持しているが、１５０ｈｒから２００ｈｒに至る過程で急激に電流が減少してしまう傾向が確認された。

すなわち、比較例の測定手法では通電時間１５０ｈｒの時点では帯電ローラー４１の電気抵抗が正常な範囲であるという情報しか得られず、今後どのタイミングで電気抵抗が上昇し、電流が減少し始めるかの予測は難しい。本発明の測定手法では、イオンの濃度勾配状態を示唆する情報を得ることができ、Ｗａｒｂｕｒｇインピーダンスの基準値を下回った段階から電気抵抗が上昇し始めることを予想することができる。実際に通電時間が１５０ｈｒを越えると図７のように電気抵抗が上昇し、電流が流れにくくなることが確認された。

また、図７および図８の比較から、Ｗａｒｂｕｒｇインピーダンスを考慮することで、インピーダンススペクトルの実測値（■で表示）と計算結果（実線で表示）とがよく一致していることがわかる。これにより、本発明の手法で帯電ローラー４１の電気特性をより正確に表現できることが確認された。

本発明は、像担持体に接触する帯電部材を用いて像担持体を帯電させる接触帯電式の帯電装置を備えた画像形成装置に利用可能である。本発明の利用により、帯電部材の寿命を精度よく予測可能な画像形成装置を提供することができる。

４ 帯電装置
５ 感光体ドラム（像担持体）
６ 除電装置
７ 露光装置
８ 現像装置
１４ 転写ローラー
４１ 帯電ローラー（帯電部材）
４１ａ 芯金
４１ｂ 導電層
４３ 高圧発生回路
４３ａ 交流定電圧電源
４３ｂ 直流定電圧電源
４４ 電流検出部
４５ 電圧制御部
７０ 記憶部
８０ 主制御部（制御部）
９０ 液晶表示部（通知装置）
９１ 送受信部（通知装置）
１００ 画像形成装置

Claims (9)

1. 表面に感光層が形成された像担持体と、
   前記像担持体の表面に接触して前記像担持体を帯電させる帯電部材と、
   前記帯電部材に交流電圧を印加する高圧発生回路と、
   前記帯電部材に流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記高圧発生回路を制御する制御部と、
   を備えた画像形成装置において、
   前記帯電部材に接触する接触電極を有し、
   前記制御部は、
   非画像形成時に周波数を変化させて前記帯電部材に前記交流電圧を印加したときに前記帯電部材に流れる電流値を測定し、測定された前記電流値の振幅と位相差から取得されるインピーダンススペクトルに含まれるＷａｒｂｕｒｇインピーダンスに基づいて前記帯電部材の寿命を予測することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記制御部は、前記インピーダンススペクトルを以下の式（１）で表される前記ＷａｒｂｕｒｇインピーダンスＺ（ω）を含む等価回路モデルで表現し、所定のフィッティング方法によりフィッティングさせて前記Ｚ（ω）に含まれる定数Ａ、時定数τを決定し、決定された前記定数Ａ、前記時定数τを用いて前記帯電部材が寿命に到達したか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
   Ｚ（ω）＝（Ａ／√ｊωτ）ｔａｎｈ（√ｊωτ） ・・・（１）
   ただし、
   ω；周波数、
   ｊ；虚数単位、
   Ａ；定数、
   τ；時定数、
   である。
3. 前記制御部は、前記定数Ａ、前記時定数τを、それぞれ予め設定された基準定数Ａ０、基準時定数τ０と比較し、Ａ＜Ａ０、且つτ＜τ０であるとき前記帯電部材が寿命に到達したと判定することを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記制御部は、前記定数Ａ、前記時定数τ、および基準周波数ω０を前記式（１）に代入して基準インピーダンスＺ（ω０）を算出し、算出された前記Ｚ（ω０）を予め設定された閾値Ｚ０（ω０）と比較し、Ｚ（ω０）≧Ｚ０（ω０）であるとき前記帯電部材が寿命に到達したと判定することを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
5. 前記フィッティング方法は、非線形最小二乗法であることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の画像形成装置。
6. 前記帯電部材は、画像形成時に前記像担持体に対し従動回転しながら前記像担持体を帯電させ、前記帯電部材の寿命を予測する際は前記帯電部材を停止させた状態で前記交流電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の画像形成装置。
7. 前記接触電極は、接地状態と非接地状態とに切り替え可能であり、前記帯電部材の寿命を予測する際は前記接触電極を前記接地状態として前記交流電圧を印加し、画像形成時は前記接触電極を前記非接地状態とすることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の画像形成装置。
8. 前記帯電部材は、架橋ゴムにイオン導電剤を配合した導電層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の画像形成装置。
9. 前記制御部は、印字動作が所定時間継続して行われなかった場合、前記画像形成装置を構成する各部材または装置への電力供給を制限する省電力モードへ移行するとともに、
   前記制御部は、前記画像形成装置への電源投入時、前記省電力モードからの復帰時、または直前の寿命予測からの印字枚数が所定枚数に到達する毎に前記帯電部材の寿命を予測する寿命予測モードを実行することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の画像形成装置。

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