JP3145035B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、静電写真プロセ
スにより感光体に画像を形成し、トナーを用いて画像を
現像したのち被転写材としての用紙上に出力する画像形
成装置およびこの画像形成装置に適した現像装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電子写真プロセスが利用されている画像
形成装置は、光導電性を有する感光体に所定の電位を与
えたのち画像情報に対応する光を照射して感光体の電位
を選択的に減衰させることで静電潜像を形成し、静電潜
像にトナーを供給することで、複写対象物の複写像また
は印字すべき画像を出力する。

【０００３】感光体に供給されたトナーすなわち形成さ
れたトナー像は、被転写材としての用紙に転写され、定
着装置を介して記録用紙に定着される。一方、感光体に
残った未転写トナーは、クリーニング装置を介して感光
体から除去される。

【０００４】ところで、多くの複写装置においては、ト
ナーをキャリアを用いて十分に摩擦帯電させ、感光体の
静電潜像にこの帯電したトナーを感光体の表面に対して
所定の間隔で配置された現像スリーブ (現像ローラ) か
ら供給することで現像を行っている。そして、現像スリ
ーブの外周面の移動速度を感光体の表面が移動される速
度よりも速い速度で移動させる (高速回転させる) こと
で、静電潜像に付着されるトナーの量すなわち画像濃度
を確保している。

【０００５】しかしながら、現像スリーブを高速回転さ
せることは、感光体の周囲あるいは複写装置内部にトナ
ーを飛散させることになる。このトナー飛散は、トナー
の中に十分帯電していないものがあり、この帯電が弱い
トナー (以下弱帯電トナーと称する) とキャリアとの静
電吸着力が弱いために、現像ローラの回転時に弱帯電ト
ナーが遠心力を受けてキャリアから離脱することで生じ
るものである。

【０００６】このトナー飛散を防止するには、現像剤側
を改良する方法と現像装置側を改良する方法の２つの方
法がある。まず、現像剤側の改良法として、トナーの摩
擦帯電量を上げることによりトナーとキャリアとの静電
吸着力を大きくする方法がある。しかし、この方法で
は、トナー飛散を防止することはできるが、トナーの摩
擦帯電量が高いために、十分な画像濃度が得られないと
いう問題がある。

【０００７】一方、現像装置側の改良としては、像形成
スピード (以下プロセススピードと称する) に比較して
大径の現像ローラを使用することにより、遠心力を小さ
くすることが試みられている。

【０００８】しかしながら、大径の現像ローラは、装置
の大型化ひいてはコストアップを招くという問題があ
る。このようなさまざまな問題を考慮し、近年、キャリ
アの小粒径化が試みられている。このキャリアの小粒径
化により、キャリアのトナーに対する比表面積が増大す
るので、トナー濃度を高く設定することができ、現像効
率がアップする。この現像効率のアップは、現像スリー
ブを従来ほど高速に回転させなくとも、十分な画像濃度
が得られることを意味しており、現像ローラに対する制
約を低減させることができる。

【０００９】しかしながら、小粒径キャリアを使用した
場合、特に、粒径が５０μｍ以下のキャリアを使用した
場合には、通常の現像では見られない、感光体にキャリ
アが付着する現象 (以下キャリア付着と称する) が起き
ることが判明した。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述した通り、従来
は、小粒径キャリアを使用した場合には、現像効率をア
ップさせることができるものの、感光体へのキャリア付
着を招き、十分満足し得る現像を行うことができなかっ
た。

【００１１】この発明の目的は、小粒径キャリアを使用
して、現像効率が高くかつキャリア付着のない現像装置
を提供することにある。また、現像ローラを大型化する
ことなくトナー飛散を防止できる現像装置を提供するこ
とにある。

【００１２】

【問題を解決するための手段】この発明は、上記問題点
に基づきなされたもので、像担持体に帯電する帯電手段
と、前記帯電手段にて帯電された像担持体に露光して静
電潜像を形成する露光手段と、前記像担持体から離間し
て設けられ、粒径が３０ないし５０μｍのキャリアとこ
のキャリアの被覆率が３０から４０％となるようにキャ
リアに対して混合されたトナーとからなる現像剤を収容
し、この収容した現像剤を用いて前記露光手段により形
成された静電潜像を現像する現像ローラと、前記像担持
体および現像剤のうちの少なくとも一方の使用度数を計
数する計数手段と、前記現像ローラに現像バイアス電圧
Ｖｂを印加するもので、前記現像バイアス電圧Ｖｂと前
記露光手段にて露光された像担持体の非画像部電位Ｖｗ
との差を、像担持体と前記現像ローラとの間の間隔にて
除算して得られるコントラスト電界の大きさである値が
６０ないし２２０ (Ｖ／ｍｍ) となるように、現像バイ
アス電圧を印加する電圧印加手段と、前記コントラスト
電界の大きさを６０ないし２２０ (Ｖ／ｍｍ) に保つよ
うに前記計数手段が計数する使用度数に応じて前記電圧
印加手段を制御する制御手段とを備え、画像形成速度を
Ｖ (ｍｍ／ｓ) とし、前記像担持体の外周面の移動速度
に対する現像ローラの外周面の移動速度の比をＫとした
とき、現像ローラの径が、 ２ (ＫＶ) ^２ ／１２０００ないし２ (ＫＶ) ^２ ／８０００ であり、なおかつ前記制御手段は、前記計数手段が計数
する使用度数に応じた前記非画像部電位Ｖｗを記憶する
とともに、この非画像部電位Ｖｗと前記現像バイアス電
圧Ｖｂとの差であるＶｂ−Ｖｗ、並びに像担持体の帯電
電位Ｖｏと前記現像バイアス電圧Ｖｂとの差であるＶｏ
−Ｖｗを記憶している手段を有し、この記憶された前記
非画像部電位Ｖｗの値に基づいて、前記現像バイアス電
圧および像担持体の帯電電圧を制御する ことを特徴とす
る画像形成装置を提供するものである。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いてこの発明の実
施の形態を説明する。図１に示されるように、画像形成
装置すなわち複写装置２は、原稿Ｄの画像に対応する情
報を記録用紙に複写する画像形成部すなわち複写装置本
体１０および複写装置本体１０の上部に配置され、後述
する原稿載置台に複写すべき原稿Ｄを１枚ずつ給送する
自動原稿送り装置 (以下、ＡＤＦと略示する) １００か
ら構成されている。

【００２０】複写装置本体１０は、原稿Ｄの画像情報を
読み取る原稿読取り部１２、原稿読取り部１２により読
み取られた画像データまたは外部から供給される画像デ
ータに基づいて画像を形成する画像形成部１４、画像形
成部１４により形成された画像を保持する記録用紙を給
送する用紙供給部１６および画像形成部１４にて形成さ
れた画像が転写された用紙を装置外部へ搬送して出力す
る用紙搬送部１８等を含んでいる。

【００２１】複写装置本体１０の上部であって、ＡＤＦ
１００の後述する搬送ベルトと対向される位置には、複
写すべき原稿Ｄが載置されるすなわち原稿Ｄを保持する
原稿テーブル２０が配置されている。なお、原稿テーブ
ル２０は、たとえば、厚さ５ミリメートル (以下、ｍｍ
と示す) の透明なガラスなどにより構成される。

【００２２】原稿テーブル２０の一端の原稿が載置され
る側の面 (以下原稿載置面と示す）上には、原稿テーブ
ルに原稿Ｄをセットする際に原稿をセットすべき先端の
位置を指示する原稿突当板２２が配置されている。な
お、原稿突当板２２は、原稿ＤがＡＤＦ１００により搬
送される場合に原稿Ｄの先端を停止させるために、原稿
テーブル２０を断面方向から見た状態で原稿載置面から
僅かに突出されている。

【００２３】原稿テーブル２０の下方には、原稿テーブ
ル２０に概ね平行かつ原稿テーブル２０に沿って移動可
能に配置され、原稿に記載されている情報を光の明暗と
して取り出す第一キャリッジ３０および第一キャリッジ
３０に従動するとともに第一キャリッジ３０によって取
り出された情報を、情報記録媒体 （後述) に伝達する
る第二キャリッジ４０が、それぞれ、原稿テーブル２０
に沿って移動可能に配置されている。

【００２４】第一キャリッジ３０には、原稿Ｄを照明す
る照明ランプ３２、照明ランプ３２からの光を原稿Ｄに
集光させ、照明効率を増大させるリフレクタ３４および
原稿Ｄからの反射光を第二キャリッジ４０へ向かって反
射させる第１ミラー３６が配置されている。

【００２５】第二キャリッジ４０には、第１ミラー３６
から反射された反射光を９０°折返す第２ミラー４１お
よび第２ミラー４１により折返された原稿Ｄからの反射
光をさらに９０°折返す第３ミラー４２が配置されてい
る。

【００２６】第一キャリッジ３０の下方であって、第二
キャリッジ４０の第３ミラー４２で反射された光が伝達
される面内には、原稿Ｄからの反射光を入力された複写
倍率に対応する倍率で集束させる結像レンズ４３および
結像レンズ４３を通過された原稿Ｄからの反射光をさら
に折り返して、以下に説明する情報記憶媒体すなわち像
担持体に向けて案内する第４，第５ミラー４４，４５お
よび露光ミラー４６が配置されている。なお、第４，第
５ミラー４４，４５は、詳述しないミラー保持枠４７に
より第３ミラー４２で反射された光が伝達される面内を
結像レンズ４３を通る光軸に沿って移動可能に形成さ
れ、複写倍率に基づいて結像レンズ４３が移動された場
合に生じる原稿テーブル２０と以下に説明する像担持体
の間の光路長 (光学距離) を補正する。

【００２７】画像形成部１４は、本体１０の概ね中央に
配置された像担持体としてのドラム状の感光体すなわち
感光体ドラム５０を含んでいる。感光体ドラム５０の周
囲には、感光体ドラム５０を所定の表面電位に帯電する
帯電手段としての帯電装置５２、後述するレーザ露光装
置を介して感光体ドラム５０に形成された静電潜像に図
示しないトナーを供給することで潜像を現像する現像手
段としての現像装置５４および感光体ドラム５０に残さ
れたトナーを取除くとともに感光体ドラム５０に残った
電荷を除去するクリーニング装置５６などが、感光体ド
ラム５０が回転される方向に沿って、順に、配置されて
いる。

【００２８】感光体ドラム５０の近傍であって、現像装
置５４に対して感光体ドラム５０が回転される方向の上
流側、かつ帯電装置５２と現像装置５４との間の空間に
は、露光ミラー４６に伝達された原稿Ｄからの反射光が
露光ミラー４６により感光体ドラム５０の外周に照射さ
れる露光位置５８が規定されている。

【００２９】また、現像装置５４とクリーニング装置５
６との間には、現像装置５４により現像された感光体ド
ラム５０上の潜像すなわちトナー像を後述するカセット
から供給される被転写材たとえば複写用紙Ｐに転写させ
る転写装置６０が配置されている。

【００３０】画像形成部１４の右側には、画像形成部１
４により形成された画像を保持するための用紙Ｐを収容
する用紙カセット６２ａおよび用紙カセット６２ａの上
部にカセット６２ａに一体的に形成されたバイパストレ
イ６２ｂが配置されている。また、カセット６２ａの下
方には、たとえば、２０００枚の用紙Ｐを収容可能な大
容量カセット (以下、ラージキャパシティカセット、Ｌ
ＣＣとする) ６２ｃが配置されている。

【００３１】用紙カセット６２ａならびに大容量カセッ
ト６２ｃと感光体ドラム５０との間には、カセット６２
ａから供給される用紙Ｐを感光体ドラム５０に向かって
導く上段給紙ローラ６４ａおよび上段給紙ガイド６６
ａ、及び、ＬＣＣ６２ｃから供給される用紙Ｐを感光体
ドラム５０に向かって導く下段給紙ローラ６４ｂおよび
下段給紙ガイド６６ｂが、それぞれ、配置されている。
なお、バイパストレイ６２ｂには、トレイ６２ｂに載置
された用紙Ｐを上段給紙ローラ６４ａに案内するための
バイパスフィードローラ６８が配置されている。

【００３２】給紙ガイド６６ａおよび６６ｂと感光体ド
ラム５０との間には、カセット６２ａまたはバイパスト
レイ６２ｂおよびＬＣＣ６２ｃから給送される用紙Ｐを
一時停止させることで用紙Ｐの傾きを補正するととも
に、感光体ドラム５０の表面に形成され、感光体ドラム
５０の回転とともに転写ローラ６０に向かって搬送され
る画像すなわちトナー像と用紙Ｐとの先端位置を整合さ
せるレジストローラ７０が配置されている。

【００３３】画像形成部１４の左側には、転写装置６０
により感光体ドラム５０からトナー像が転写された用紙
Ｐに、トナー像を定着させる定着装置７２、定着装置７
２と転写装置６０との間に配置され、トナー像が転写さ
れた用紙Ｐを定着装置７２に向かって送出する搬送装置
７４、定着装置７２を介して画像が定着された用紙Ｐ
を、複写装置本体１０の外部あるいは後述する用紙反転
部のいづれかへ案内する分岐ゲート７６、分岐ゲート７
６により複写装置本体１０の外部に向かって案内される
用紙Ｐを複写装置本体１０の外部へ送出する排出ローラ
７８および排出された用紙Ｐを保持するトレイ８０が配
置されている。

【００３４】画像形成部１４の下方には、分岐ゲート７
６により分岐された用紙Ｐの表裏を反転させたのち、再
び、レジストローラ７０に案内するための用紙反転部９
０が配置されている。

【００３５】用紙反転部９０は、片面に既に画像が複写
された用紙Ｐを案内する反転ガイド９１、反転ガイド９
１を所定の間隔すなわち反転可能な用紙Ｐの大きさに依
存して規定される間隔で配置された搬送ローラ９２、反
転ガイド９１ならびに搬送ローラ９２により案内される
用紙Ｐを一時的に収容する格納領域部９３、格納領域部
９３に収容された用紙Ｐを、レジストローラ７０に向か
って搬送するための反転給紙ローラ９４、反転給紙ロー
ラ９４により後端側から引き出された用紙Ｐを案内する
反転給紙ガイド９５、及び、反転給紙ガイド９５ないを
通過される用紙Ｐをレジストローラ７０に向かって推進
する中間搬送ローラ９６などにより構成される。

【００３６】図２には、図１に示した複写装置の各部の
電気的接続および制御のための制御ブロックが概略的に
示されている。図２に示されるように、制御部１００
は、主制御部としてのＣＰＵ (中央処理装置) １１０を
含んでいる。

【００３７】ＣＰＵ１１０には、たとえば、感光体ドラ
ム５０の外周面の移動速度が所定の速度となるよう感光
体ドラム５０を回転させる図示しない主モータ、第一お
よび第二のキャリッジ３０および４０を原稿テーブルに
沿って移動させる図示しない走査モータ (ステッピング
モータ) および現像装置の現像ローラの現像スリーブを
回転する現像モータ等を独立にあるいは所定の組み合わ
せで回転させるモータ駆動回路１１２、結像レンズ４３
を入力された複写倍率に対応される位置に移動する図示
しないレンズモータを制御するレンズ位置制御回路１１
４、図示しない多くのセンサからの出力信号を取り込ん
でＣＰＵ１１０に報知する入力回路１１６などが接続さ
れる。

【００３８】また、ＣＰＵ１１０には、帯電装置５２に
帯電電圧を供給する高電圧発生回路１２２、帯電装置５
２に所定のグリッドバイアス電圧を与えるグリッド電圧
発生回路１２４、現像装置５４に所定の現像バイアス電
圧を与える現像バイアス電圧発生回路１２６および転写
装置６０に転写電圧を提供する転写電圧発生回路１２８
等が接続されている。

【００３９】ＣＰＵ１１０にはさらに、予め決められて
いるイニシャルデータ、装置本体２が組み立てられる際
に設定された調整データ、あるいは、図示しない操作パ
ネルにより入力される変数データ等が記憶されるメモリ
ユニット１３０が接続されている。なお、メモリユニッ
ト１３０は、予め決められている数値データあるいは装
置２を動作させるための制御データなどが記憶されてい
る読みだし専用メモリ(ＲＯＭ) １３２、図示しない操
作パネルにより入力された複写条件データ等が記憶され
るランダム・アクセス・メモリ (ＲＡＭ) １３４、並び
に複写装置２が組立てられる際に入力される調整データ
たとえば照明ランプ３２を点灯させるための基準電圧等
が記憶される不揮発性メモリ (ＮＶＭ) １３６を含んで
いる。

【００４０】なお、モータ駆動回路１１２から図示しな
い主モータに供給される駆動パルスは、例えば、カウン
タ１４２ (図１４により後述するカウンタ装置２０１お
よび２０２) で随時積算されるとともに、ＮＶＭ１３６
およびＲＡＭ１３４の所定の領域で、更新記憶される。
この記憶された駆動パルスに基づいて、感光体ドラム５
０が回転された累積時間および画像形成に要した累積時
間 (現像剤使用時間)に相当する度数が計測される。

【００４１】この画像形成に要した累積時間に基づい
て、この発明の実施の形態では、後段に詳述するよう
に、現像バイアス電圧の制御並びに感光体ドラム５０の
帯電量を制御するものである。

【００４２】次に、図１および図２に示した複写装置の
動作の特徴を説明する。図１に示されるように、ＡＤＦ
１００ (あるいは利用者) により原稿テーブル２０の所
定の位置にセットされた複写対象物すなわち原稿Ｄは、
ＡＤＦ１００の詳述しないベルトを介して原稿テーブル
２０に密着される。

【００４３】原稿テーブル２０に密着された原稿の画像
は、照明ランプ３２及びリフレクタ３４により照明され
ることにより生じる反射光として、第一キャリッジ３０
の第１ミラー３６、第二キャリッジ４０の第２ミラー４
１および第３ミラー４２で順に反射され、結像レンズ４
３を通過されて、さらに第４ミラー４４，第５ミラー４
５および露光ミラー４６で順に反射されて、露光位置５
８ａで、感光体ドラム５０の外周面に、照射される。な
お、図示しない操作パネルから入力された複写倍率に対
応する所定の位置に、照明ランプ３２の点灯および第一
キャリッジ３０(第二キャリッジ４０) の移動に先立っ
て、結像レンズ４３が移動される。

【００４４】上述した原稿Ｄの反射光が感光体ドラム５
０に案内される工程に並列にまたは僅かに先行して、高
電圧発生回路１１４により付勢された帯電装置５２によ
り、感光体ドラム５０の外周面が所定の表面電位に帯電
される。

【００４５】この状態で、感光体ドラム５０の外周面の
露光位置５８に、露光ミラー４６で反射された原稿Ｄか
らの反射光が照射されることにより感光体ドラム５０の
外周面に静電潜像が形成される。

【００４６】感光体ドラム５０に形成された静電潜像
は、現像装置５４を介して供給されるトナーによりトナ
ー像として現像されたのち、転写装置６０により、用紙
Ｐに、転写される。

【００４７】トナー像が転写された用紙は、搬送装置７
４により定着装置７２に搬送され、定着装置７２から提
供される熱によりトナー像すなわちトナーが固着された
後、用紙反転部または装置２の外部へ案内される。

【００４８】トナー像を用紙に引き渡した感光体ドラム
５０は、クリーニング装置５６により、表面に残った電
荷およびトナーが除去され、引き続き、次の画像形成に
利用される。

【００４９】なお、複写枚数が２以上の場合あるいは次
の原稿が供給された場合には、上記一連の複写動作が繰
り返される。次に、図１および図２に示した複写装置に
適した現像装置、現像条件、現像剤およびトナーについ
て詳細に説明する。

【００５０】既に説明したように、トナー飛散は、トナ
ー濃度にも支配されるものの現像スリーブの回転により
生じる遠心力により、弱帯電トナーが吹き飛ばされるこ
とが主たる要因であることが既に明らかにされている。

【００５１】このことから、この発明では、小粒径キャ
リアを使用して感光体ドラム５０へのトナーの供給能力
を高め、現像スリーブの回転を低くするようにした。ま
た、小粒径キャリアを使用した時に生じるキャリア付着
の問題をコントラスト電位、すなわち現像バイアス電圧
Ｖｂと感光体ドラム５０上の非画像部電位Ｖｗとの差を
適度に設定することでキャリア付着を低減するようにし
た。次に、上記高現像効率の現像剤の採用により現像ス
リーブの周速比を最低値に抑え、最小径の現像ローラを
提供するようにした。

【００５２】以下に、高現像効率の現像剤を作成するた
めの条件について詳細に説明する。トナー供給能力を最
大とするためには、トナー濃度を高く設定する方向であ
るが、むやみに高く上げられる訳でなく、キャリアとト
ナーとを混合するプロセスにおいて、トナーが十分に摩
擦帯電されることが必要となる。

【００５３】すなわち、キャリアとトナーが出会ったと
きに、キャリア上をトナーが十分に動き回ることができ
る状態であることが必要である。なお、トナーを十分に
摩擦帯電するために必要な要件としては、図３に示すよ
うに、トナーがキャリアの外周に付着する程度を示す被
覆率が約３０〜５０％程度の範囲にあることが好まし
い。なお、被覆率は、ＮａｔｉｏｎａｌＴｅｃｎｉｃａ
ｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｖｏ１．２８，Ｎｏ４，Ａｕｇ．１
９８２の「新しいプロセスと現像材料を用いた高画質の
普通紙複写機」に示されており、Ｅを被覆率、ρｃをキ
ャリアの密度 (ｇ／ｃｍ³ ) 、ρｔをトナーの密度 (ｇ
／ｃｍ³ ) 、Ｃをトナー濃度 (重量％) 、ｄｃをキャリ
アの平均粒径 (ｃｍ) および、ｄｔをトナーの平均粒径
(ｃｍ) とするとき、 Ｅ＝１００・Ｃ・ρｃ・ｄｃ・Ｓ／π・ (１００−Ｃ) ・ρｔ・ｄｔ³ ‥‥‥ (１) ここで、Ｓ＝πｄｃ² × (１− (√ｄｃ (ｄｃ＋２ｄｔ) ／ｄｃ＋ｄｔ) ‥‥‥ (２) により求められる。

【００５４】図３に、キャリア被覆率と弱帯電トナー発
生率との関係を示す。図３において、曲線ａは、キャリ
ア平均粒径が３０μｍである場合を、曲線ｂは、キャリ
ア平均粒径が５０μｍである場合を、それぞれ、示して
いる。

【００５５】図３に示した結果を求めるために、東芝製
電子複写機レオドライ２５４０を用いた。使用キャリア
は、シリコン (Ｓｉ) 系コートキャリアを用いた。トナ
ーは、スチレン−アクリル系で、平均粒径が１１μｍの
ものである。

【００５６】図３より、キャリアの平均粒径に拘らず、
被覆率によって、弱帯電トナーの割合が定まり、弱帯電
トナーの量を低減するためには、キャリア粒径が３０な
いし５０μｍの範囲で、被覆率が４０％以下であること
が望ましいことがわかる。

【００５７】しかし、逆に、トナー濃度が低いと、トナ
ーの供給量が不足し、画像濃度が得られなくなる。ま
た、現像装置中のトナー濃度のばらつきを考慮すると、
被覆率を３０ないし４０％に設定することが望ましい。

【００５８】このように、キャリア被覆率を３０ないし
４０％と決定し、キャリアの粒径、トナーの粒径、およ
び密度から上記 (１) 式により、被覆率が３０ないし４
０％となるトナー濃度を定め、これを現像装置中のトナ
ー濃度とする。

【００５９】ところで、キャリアの平均粒径は、上述し
たようにトナー濃度の点で、より小さい方がその表面積
が大きくなるので小径のものが望ましいが、感光体ドラ
ム５０の表面へのキャリアの付着を防止する点では、図
４に示されるように、キャリアの平均粒径が大きい方
(５０μｍ以上) が有益である。なお、実際には、感光
体ドラム５０の表面にキャリアが付着される要因とし
て、感光体ドラム５０の表面の非画像部電位Ｖｗと現像
装置により現像剤 (キャリア) に印加される現像バイア
ス電圧Ｖｂの差および感光体ドラム５０と現像スリーブ
との間の距離Ｄｄにより規定される地かぶり防止電界
(コントラスト電位) すなわち (Ｖｂ−Ｖｗ)／Ｄｄの大
きさに支配されることから、図５に示されるように現像
電界の大きさを最適に設定することにより、より小径の
キャリア (３０μｍ以上) を利用可能な条件も提供され
る。なお、図５において、曲線ａは、キャリア平均粒径
が３０μｍの例を、曲線ｂは、キャリア平均粒径が４０
μｍの例を、曲線ｃは、キャリア平均粒径が５０μｍの
例を、それぞれ、示している。なお、図５の実験条件
は、図３の実験条件と同一である。感光体ドラム５０へ
のキャリア付着を防止するためには、図５より、平均粒
径が３０ないし５０μｍのキャリアにおいて、コントラ
スト電位を２２０ (Ｖ／ｍｍ) にする必要があることが
わかる。また、より好ましくは、コントラスト電位は、
１８０ (Ｖ／ｍｍ) である。

【００６０】一方、図６は、キャリアおよびトナーの平
均粒径のそれぞれを変化させた場合の地かぶり防止電界
(コントラスト電位) すなわち (Ｖｂ−Ｖｗ) ／Ｄｄに
対するかぶりの程度の変化を測定した結果を示すグラフ
である。なお、図６は、現像剤および感光体ドラムのそ
れぞれに経時変化がない状態すなわち初期状態に関する
グラフである。また、図６において、曲線ａは、キャリ
ア平均粒径が３０μｍでトナー平均粒径が７μｍの現像
剤について、曲線ｂは、キャリア平均粒径が４０μｍで
トナー平均粒径が７μｍの現像剤ついて、曲線ｃは、キ
ャリア平均粒径が５０μｍでトナー平均粒径が７μｍの
現像剤ついて、曲線ｄは、キャリア平均粒径が３０μｍ
でトナー平均粒径が１２μｍの現像剤ついて、曲線ｅ
は、キャリア平均粒径が４０μｍでトナー平均粒径が１
２μｍの現像剤ついて、曲線ｆは、キャリア平均粒径が
５０μｍでトナー平均粒径が１２μｍの現像剤ついて、
それぞれ、示している。なお、曲線ａ，ｃ，ｅは、それ
ぞれ、実質的に、曲線ｂ，ｄ，ｆと同一である。

【００６１】図７は、図６に示したと同一の条件におい
て、Ａ４サイズの用紙に、１０万回画像を形成した時に
発生するかぶりを測定したものである。なお、図７にお
いて、曲線ａは、キャリア平均粒径が３０μｍでトナー
平均粒径が７μｍの現像剤について、曲線ｂは、キャリ
ア平均粒径が４０μｍでトナー平均粒径が７μｍの現像
剤ついて、曲線ｃは、キャリア平均粒径が５０μｍでト
ナー平均粒径が７μｍの現像剤ついて、曲線ｄは、キャ
リア平均粒径が３０μｍでトナー平均粒径が１２μｍの
現像剤ついて、曲線ｅは、キャリア平均粒径が４０μｍ
でトナー平均粒径が１２μｍの現像剤ついて、曲線ｆ
は、キャリア平均粒径が５０μｍでトナー平均粒径が１
２μｍの現像剤ついて、それぞれ、示している。また、
曲線ｄ，ｆは、それぞれ、実質的に、曲線ｃ，ｅと同一
である。

【００６２】図６および図７より、初期状態とライフ時
において、かぶりを防止する最適なコントラスト電位は
変化するが、概ね、コントラスト電位が６０ (Ｖ／ｍ
ｍ) 、より好ましくは、８０ (Ｖ／ｍｍ) 以上であれ
ば、良好な現像が可能であることがわかる。

【００６３】図６および図７より、コントラスト電位
を、６０ (Ｖ／ｍｍ) 〜２８０ (Ｖ／ｍｍ) 、粒径を、
３０〜５０μｍ、被覆率を、３０〜４０％のキャリアを
使用することで、感光体ドラム５０へのキャリア付着を
防止し、さらに、かぶりを防止できることがわかった。

【００６４】次に、上述したように、キャリアの粒径、
被覆率、およびコントラスト電位が設定された現像剤を
使用して、トナー供給能力の適性化を行うが、これらと
密接な遠心力とトナー飛散の関係およびトナー供給能力
と画像濃度の関係について説明する。

【００６５】第１にトナー飛散と遠心力について述べ、
結果を図８に示す。なお、使用した現像剤は、上述した
例と同等のものを用い、キャリアの平均粒径は、５０μ
ｍとした。また、実験に用いた装置は、東芝製電子複写
装置レオドライ２５４０、同４５５０および同６５５０
で、Ａ４サイズの用紙に、４万回画像を形成した時に現
像装置の下部に落下したトナーを採取した。なお、経験
則により５０ｍｇ以下で、トナー飛散の実用上の許容値
を満足できることがわかっている。

【００６６】図８において、曲線Ａはスリーブ径が２０
ｍｍの例を、曲線Ｂは同３８ｍｍの例を、曲線Ｃは同が
５０ｍｍの例を、それぞれ、示している。図８から明ら
かなように、現像剤の単位重量当たりの遠心力が概ね１
２０００(ｄｙｎ) より小さい場合、スリーブ径に拘り
なく、トナー飛散の程度は、許容値内に収まることが認
められる。

【００６７】すなわち、現像スリーブの直径Φ (ｍｍ)
は、周速比をＫおよびプロセススピードをＶとすると
き、 ２ (ＫＶ) ² ／ Φ ≦ １２０００ ‥‥‥ (３) により、与えられることがわかる。

【００６８】なお、実際の複写装置においては、装置内
部の温度上昇等により画像形成部材への悪影響が及ぶこ
とを考慮して、装置内部に、冷却装置としてのファンが
設けられている。このファンにより、トナー飛散が助長
されることがある。ファンにより、トナー飛散が劣化さ
れる程度は、複写装置の構造等により異なるが、同等あ
るいは４０％程度ダウンすることが過去の経験から明ら
かである。

【００６９】このことから、ファン等によるトナー飛散
の劣化を考慮すると、トナー飛散を防止するための遠心
力は、４０％程度小さくする必要があり、結果として、 ８０００ ≦ ２ (ＫＶ) ² ／ Φ ≦ １２０００ ‥‥‥ (４) の範囲にスリーブ径を設定すれば良いことがわかる。

【００７０】一方、図９は、トナー供給能力すなわちト
ナー濃度と感光体ドラムの外周の移動速度に対する現像
スリーブの外周の移動速度の比を掛け合わせた数値と画
像濃度との関係を示すグラフである。なお、図９におい
て、曲線ａは、４０μｍの平均粒径のキャリアに７μｍ
の平均粒径のトナー平均粒径を重量比６％で混合した現
像剤により提供される画像濃度を、曲線ｂは、５０μｍ
の平均粒径のキャリアに１２μｍの平均粒径のトナー平
均粒径を重量比８％で混合した現像剤により提供される
画像濃度を、曲線ｃは、３０μｍの平均粒径のキャリア
に１２μｍの平均粒径のトナー平均粒径を重量比１２％
で混合した現像剤により提供される画像濃度を、曲線ｄ
は、４０μｍの平均粒径のキャリアに１１μｍの平均粒
径のトナー平均粒径を重量比９％で混合した現像剤によ
り提供される画像濃度を、それぞれ、示している。

【００７１】図９から明らかなように、キャリア粒径と
トナー粒径とが異なる組み合わせでも、トナー濃度に拘
りなく、トナー供給能力が概ね１２より大きな場合に、
画像濃度が１．４を越えることが認められる。なお、図
９に示す結果は、図８に示した遠心力の関係を満足する
現像スリーブの直径および回転数 (スリーブ周速) とは
独立に達成されるものであって、結果として、画像濃度
は、現像スリーブ径およびプロセススピードにほとんど
依存せず、トナー濃度と周速比Ｋの積に依存することを
示している。すなわち、

【００７２】

【数１】 が満足される。

【００７３】ここで、トナー濃度は、キャリア粒径、被
覆率等の要因と (１) 式， (２) により適正な濃度を求
めることが可能であるから、 (５) 式から、画像濃度Ｉ
Ｄを確保するために最低限必要な周速比ｋを求めること
ができる。

【００７４】ここで、現像ローラの直径に着目すると、
遠心力は、 (３) 式に示したよう、２ (ＫＶ) ² ／Φで
表されるから、 (３) 式を満足するように現像ローラの
直径Φ (ｍｍ) を設定することで、トナー飛散を防止で
きる。

【００７５】従って、現像ローラの直径Φ (ｍｍ) の最
小値は、 (３) 式より、 Φ ＝ ２ (ＫＶ) ² ／１２０００ ‥‥‥ (６) と一義的に求められる。

【００７６】なお、 (４) 式を用いて既に説明したと同
一の理由により、 (６) 式は、遠心力の範囲が８０００
〜１２０００ (ｄｙｎ) である場合、 ２ (ＫＶ) ² ／１２０００ ≦ Φ ≦ ２ (ＫＶ) ² ／８０００ ‥‥‥ (７) と変形できる。

【００７７】このように、キャリア粒径、被覆率、コン
トラスト電位を適正な範囲とすることで、後は、トナー
飛散を防止すべく、 (７) 式を満たすよう、最小のロー
ラ径Φを設定することにより、装置を小形化できる。

【００７８】実際の確認には、東芝製電子複写装置レオ
ドライ３２４０を改造した実験装置に、Φ＝２０ｍｍの
現像ローラを組み込み、キャリアに、平均粒径が４０μ
ｍの関東電化製コートキャリアを用い、平均粒径が１
０．５μｍの東芝製スチレン−アクリル系トナー (カー
ボン比率６％、帯電制御剤０．５％、シリカ０．５％)
を、９ (重量％) の濃度に設定した現像剤で、プロセス
スピードＶをＶ＝２０５ｍｍ／ｓ、表面電位ＶｏをＶｏ
＝−６００Ｖ、現像バイアス電圧ＶｂをＶｂ＝−１００
Ｖ、周速比ｋをｋ＝１．４として、Ａ４サイズの用紙に
画像を形成して、トナー飛散の量を測定した。なお、感
光体ドラムは、東芝製電子複写装置レオドライ４５５０
に利用する感光体ドラムと同等の感度を与えた試作品で
ある。

【００７９】上述した条件で１０万枚の画像を形成した
結果、トナー飛散の量は、７５ｍｇであった。この結果
は、図８を用いて説明した４万回の画像形成におけるト
ナー飛散の量の許容値である５０ｍｇに比較して、６０
％に改善されている。

【００８０】以上説明したように、キャリア粒径、被覆
率、コントラスト電位、および現像ローラ径等を適切な
範囲に設定することで、良好な現像を行うことが可能と
なるが、感光体ドラムの帯電能力の変動、例えば光疲
労、温度および湿度の変化、画像形成回数の増大に伴う
物理的あるいは化学的変化は、感光体ドラムの表面電位
Ｖｏおよび電位減衰度 (所定時間経過後の暗減衰による
残留電位の程度) に変化をもたらす。このような、感光
体ドラムの表面電位Ｖｏおよび電位減衰度の変化は、感
光体ドラムの非画像部電位Ｖｗを変化させることから、
結果として、コントラスト電位に関わる (Ｖｂ−Ｖｗ)
も変化させてしまう。このため、初期状態と同一の帯電
電位 (表面電位Ｖｏを提供するための帯電装置の出力)
およびコントラスト電位を使用していたのでは、かぶり
濃度が増大されたり、画像濃度が低下する問題がある。
同様に、現像剤の長時間の使用による現像剤劣化等によ
り、現像剤の帯電量等が変化するので、現像剤に対して
も、初期状態と同一の制御を行っていた場合、かぶり濃
度が増大されたり画像濃度が低下する問題がある。

【００８１】しかしながら、非画像部電位Ｖｗは、直接
制御することができないことから、(Ｖｂ−Ｖｗ) ／Ｄ
ｄが６０〜２２０ (Ｖ／ｍｍ) となるよう、現像バイア
ス電圧Ｖｂを変化させることにより制御する方法が考え
られる。ここで、現像バイアス電圧Ｖｂを変化させる
と、感光体ドラムの表面電位Ｖｏと現像バイアス電圧Ｖ
ｂとの差によって決まる画像のコントラストにも影響が
生じることから、現像バイアス電圧Ｖｂを変化させた場
合には、感光体ドラムの表面電位Ｖｏも合わせて変化さ
せる必要が生じることはいうまでもない。

【００８２】図１４は、画像形成回数が繰り返されるこ
とに応じて上述した感光体ドラムの表面電位Ｖｏと現像
バイアス電圧Ｖｂとを変化させるための制御を行う制御
装置を表すブロック図である (図２に示したブロック図
と一部重複する) 。

【００８３】図１４から明らかなように、制御装置は、
感光体ドラムの使用度数 (程度) 、現像剤使用度数 (程
度) のそれぞれをカウントする感光体ドラムの使用度数
カウント装置２０１および現像剤使用度数カウント装置
２０２を有している。なお、カウント装置を、感光体ド
ラムと現像剤の双方に設けることにより感光体ドラムと
現像剤の寿命が必ずしも等しくない場合であっても、寿
命に達したいづれかを交換できる。

【００８４】カウント装置２０１および２０２は、感光
体ドラムおよび現像剤のそれぞれの使用度数を計数する
とともに、対応する感光体ドラムまたは現像剤の少なく
とも一方が交換された場合には、図示しない操作パネル
からのリセット入力により、リセットされる。

【００８５】また、メモリユニット１３０のＲＯＭ１３
２ (あるいはＮＶＭ１３６であってもよい) には、画像
形成回数の累積すなわち経時変化に伴って変化する感光
体ドラムの非画像部電位Ｖｗの値が予め予測して記憶さ
れている。同様に、経時変化に伴って、かぶり防止電界
を一定の範囲 (６０〜２２０Ｖ／ｍｍ) とするために必
要な (Ｖｂ−Ｖｗ) および (Ｖｏ−Ｖｂ) の値も予測に
基づいて記憶されている。なお、上述した予測値は、図
１０を用いて既に説明したＶｗの変化に基づいて設定さ
れる。

【００８６】それぞれの記憶領域に記憶されているデー
タは、モータ駆動回路１１２に供給されるモータ駆動パ
ルスが図２ (図１４) に示したカウンタ２０１および２
０２で計数されるとともに、所定のパルス数ごとに、こ
のデータが参照されることにより取り出される。

【００８７】図１５は、図１４に示した画像形成回数が
繰り返されることに応じて上述した感光体ドラムの表面
電位Ｖｏと現像バイアス電圧Ｖｂとを変化させるための
制御の流れを説明するフローチャートである。

【００８８】図１５に示されるように、画像形成がある
程度行われた時点 (感光体使用度数カウント＝ステップ
ＳＴ１および現像剤使用度数カウント＝ステップＳＴ
２) で、ＲＯＭ１３２ (またはＮＶＭ１３６) の所定の
領域から、画像形成の累積に対応するＶｗ， (Ｖｂ−Ｖ
ｗ) および (Ｖｏ−Ｖｂ) が、それぞれ読み出される
(ステップＳＴ３，ＳＴ４，ＳＴ５) 。

【００８９】この読み出したＶｗと (Ｖｂ−Ｖｗ) とを
足し合わせてＶｂを求める (ステップＳＴ６) 。ステッ
プＳＴ６で求められたＶｂを現像バイアス電圧とするた
めに、ＣＰＵ１１０から現像バイアス発生回路１２６
に、所定の制御信号が出力される (ステップＳＴ７) 。

【００９０】続いて、ステップＳＴ６で求められたＶｂ
とステップＳＴ５により読み出された (Ｖｏ−Ｖｂ) を
求める (ステップＳＴ８) 。ステップＳＴ８で求められ
たＶｏが感光体ドラムの表面電位Ｖｏとなるよう、ＣＰ
Ｕ１１０からグリッドバイアス回路１２４に、所定の制
御信号が出力される(ステップＳＴ９) 。

【００９１】このように、経時変化を考慮して現像バイ
アス電圧および感光体ドラムの表面電位を変化させるこ
とで、感光体ドラムあるいは現像剤の特性変化によるか
ぶりの増大および画像濃度の低下が補償される。

【００９２】図１１は、図１５に示したフローチャート
に示した制御の一例を示すもので、横軸に画像形成回数
を時間に換算した換算値をとり、地かぶり防止電界 (Ｖ
ｏ−Ｖｗ) ／Ｄｄの変動を示すグラフである。また、実
際の現像バイアス電圧およびグリッドバイアス電圧は、
それぞれ、図１２および図１３に示すように変化され
る。

【００９３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、キャリア平均粒径、トナー平均粒径、トナー濃度、
現像スリーブ直径および現像スリーブ周速が最適化され
ることから、現像スリーブ直径を低減することにより装
置が小型化されるとともに、現像スリーブ直径が小さい
にも拘らず、高い画像濃度が確保され、さらに、トナー
飛散が低減される。

【００９４】また、画像形成回数に応じて、コントラス
ト電位の電位差の減少分が現像バイアス電圧およびグリ
ッドバイアス電圧のそれぞれの変化により補償されるこ
とから、画像濃度が一定に維持される。従って、トナー
飛散および画像濃度の変動が少ない画像形成装置が提供
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態が適用される画像形成装
置を示す概略図。

【図２】図１に示した画像形成装置の主要部の制御ブロ
ックを示すブロック図。

【図３】トナーによるキャリア表面の被覆率と弱帯電ト
ナーの比率を示すグラフ。

【図４】キャリアの平均粒径と感光体ドラムへのキャリ
ア付着数の関係を示すグラフ。

【図５】コントラスト電位とキャリア平均粒径とキャリ
ア付着数の関係を示すグラフ。

【図６】初期状態において、キャリアおよびトナーの平
均粒径のそれぞれを変化させた場合のコントラスト電位
とかぶりの程度の変化の関係を示すグラフ。

【図７】図６に示したと同一の条件において、Ａ４サイ
ズの用紙に、１０万回、画像を形成した時点での現像剤
および感光体ドラムの経時変化を、かぶりの程度として
捕らえたグラフ。

【図８】キャリア平均粒径とキャリアに作用する遠心力
の関係を示すグラフ。

【図９】トナー供給能力と画像濃度の関係を示すグラ
フ。

【図１０】感光体ドラムの非画像部電位の経時変化を示
すグラフ。

【図１１】感光体ドラムの特性の経時変化に対するコン
トラスト電位 (Ｖｂ−Ｖｗ) ／Ｄｄの変動を示すグラ
フ。

【図１２】感光体ドラムの特性の経時変化を補償するた
めに変化すべき現像バイアス電圧Ｖｂの大きさの変動を
示すグラフ。

【図１３】感光体ドラムの特性の経時変化を補償するた
めに変化すべき帯電装置のグリッドバイアス電圧Ｖｇの
大きさの変動を示すグラフ。

【図１４】画像形成回数が繰り返されることに応じて上
述した感光体ドラムの表面電位Ｖｏと現像バイアス電圧
Ｖｂとを変化させるための制御を行う制御装置を表すブ
ロック図。

【図１５】図１４に示した画像形成回数が繰り返される
ことに応じて上述した感光体ドラムの表面電位Ｖｏと現
像バイアス電圧Ｖｂとを変化させるための制御の流れを
説明するフローチャート。

【符号の説明】

２ …複写装置 (画像形成装置) 、 ２０ …原稿テーブル、 ３０ …第一キャリッジ、 ４０ …第二キャリッジ、 ４３ …結像レンズ、 ５０ …感光体ドラム、 ５２ …帯電装置、 ５４ …現像装置、 ５６ …転写分離装置、 ７０ …レジストローラ、 １００ …制御部、 １１０ …ＣＰＵ、 １１２ …モータ駆動回路、 １１４ …レンズ位置制御回路、 １１６ …入力回路、 １２２ …高電圧発生回路、 １２４ …グリッドバイアス電圧発生回路、 １２６ …現像バイアス電圧発生回路、 １２８ …転写電圧発生回路、 １３０ …メモリユニット、 １３２ …ＲＯＭ、 １３４ …ＲＡＭ、 １３６ …ＮＶＭ、 １４２ …カウンタ、 ２０１ …感光体使用度数カウント装置、 ２０２ …現像剤使用度数カウント装置、 Ｄ …原稿。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−56567（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−123371（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−132248（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−33266（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−129364（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−130818（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−110655（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−140730（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−154454（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03G 15/06 G03G 15/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】像担持体に帯電する帯電手段と、 前記帯電手段にて帯電された像担持体に露光して静電潜
   像を形成する露光手段と、 前記像担持体から離間して設けられ、粒径が３０ないし
   ５０μｍのキャリアとこのキャリアの被覆率が３０から
   ４０％となるようにキャリアに対して混合されたトナー
   とからなる現像剤を収容し、この収容した現像剤を用い
   て前記露光手段により形成された静電潜像を現像する現
   像ローラと、 前記像担持体および現像剤のうちの少なくとも一方の使
   用度数を計数する計数手段と、 前記現像ローラに現像バイアス電圧Ｖｂを印加するもの
   で、前記現像バイアス電圧Ｖｂと前記露光手段にて露光
   された像担持体の非画像部電位Ｖｗとの差を、像担持体
   と前記現像ローラとの間の間隔にて除算して得られるコ
   ントラスト電界の大きさである値が６０ないし２２０
   (Ｖ／ｍｍ) となるように、現像バイアス電圧を印加す
   る電圧印加手段と、 前記コントラスト電界の大きさを６０ないし２２０ (Ｖ
   ／ｍｍ) に保つように前記計数手段が計数する使用度数
   に応じて前記電圧印加手段を制御する制御手段とを備
   え、 画像形成速度をＶ (ｍｍ／ｓ) とし、前記像担持体の外
   周面の移動速度に対する現像ローラの外周面の移動速度
   の比をＫとしたとき、 現像ローラの径が、 ２ (ＫＶ) ^２ ／１２０００ないし２ (ＫＶ) ^２ ／８０００ であり、なおかつ前記制御手段は、前記計数手段が計数
   する使用度数に応じた前記非画像部電位Ｖｗを記憶する
   とともに、この非画像部電位Ｖｗと前記現像バイアス電
   圧Ｖｂとの差であるＶｂ−Ｖｗ、並びに像担持体の帯電
   電位Ｖｏと前記現像バイアス電圧Ｖｂとの差であるＶｏ
   −Ｖｗを記憶している手段を有し、この記憶された前記
   非画像部電位Ｖｗの値に基づいて、前記現像バイアス電
   圧および像担持体の帯電電圧を制御する ことを特徴とす
   る画像形成装置。