JP4159905B2 - 現像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トナーとキャリアからなる２成分現像剤を用いる現像装置に関し、特に電子写真方式を利用した複写機・光プリンター・ＦＡＸ等に用いられる現像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子写真方式でのトナーとキャリアからなる２成分現像剤を用いた画像形成装置におけるトナー濃度制御は、２成分現像剤を透磁率センサで検知し、低くなればトナー補給を行い常に一定のトナー濃度を保持している。
【０００３】
しかしながら、この制御を用いて、高い印字率パターンを多数枚連続印字した時に現像剤中のトナー消費速度が速い場合や、現像剤のトナー濃度が限界まで低くなったトナーエンドからトナー補給を実行する場合などのように、トナーが急速に補給されるような場合が考えられる。このときは、トナーホッパーからのトナー供給速度に対して現像剤の混合攪拌能力が十分行われない事が原因でトナーの帯電不良が発生し、更にはこれに伴い現像剤のトナー濃度も所定のトナー濃度を越えた状態までトナー補給が行われてしまい、記録紙上へのカブリやトナー飛散といった問題がしばしば発生する。
【０００４】
このような問題に対して、例えば、予め定められた下限値までトナー濃度が低下した後のトナー補給においては、印字動作を一時中断してトナー補給を行うと共に、およそ６０秒以上のイニシャル動作によって、現像剤を十分攪拌帯電させる事が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
一方、トナー濃度が限界まで低くなったトナーエンドからトナー補給を実行する場合について、予め定められた基準値よりもトナー濃度が低い方向の第３の基準値でトナー補給を停止する事が提案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
上述２件の報告とは異なり、感光体上へのテストパッチ濃度を光学的に検知し、この検知結果に基づいてトナー補給量やその後のトナー補給制御を決定しているものが提案されている（特許文献３参照）。又、潜像を形成するドットを計数し、この計数結果に基づいて、トナー補給量を決定したり、画像作像間隔を補正する事が提案されている（特許文献４）。
【０００７】
又、トナーの急速な補給をトナー供給部材の駆動頻度にて検知する方法も考えられる。しかしながら、トナー供給部材駆動による単位時間あたりのトナー補給量は、用いるトナーホッパーの個体差や、使用環境条件、トナーホッパー内のトナー残量などによって異なるため、トナー供給部材の駆動頻度による検知方法は不正確にならざるを得ない。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１１６６１５号公報
【特許文献２】
特開平１−１３１５８５号公報
【特許文献３】
特開昭６３−１６８４４６号公報
【特許文献４】
特開平９−１８５２４３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１においては、印字動作で且つトナー補給がトナー消費に追従しない場合に限られている。つまり、予め定められた下限値までトナー濃度が低下した場合にのみ対応できる制御である。更に、イニシャル動作は印字動作を一時中断することからＪＯＢ効率の低下は免れない。
【００１０】
一方、特許文献２では、逆にトナー濃度が限界まで低くなったトナーエンドからトナー補給を実行する場合に限り対応できる方法であり、トナーエンド以外のトナー補給や、高い印字率パターンを多数枚連続印字する場合の対応がなされていない。
【００１１】
特許文献３のテストパッチ濃度検知や、特許文献４のドット計数においては、トナー補給量やトナー濃度に対応する感光体上濃度を検知する方法でありトナー補給誤の弊害抑制には有益ではあるが、ドット計数のシステムや感光体上濃度検知手段が必要になり、コストアップや複雑な制御方法、機構的な複雑さを伴う。
【００１２】
以上のことから、本発明の目的は、トナーが急速に補給されることを検知して、ＪＯＢ効率を低下させる事無く適切なトナー濃度制御を行うことができ、カブリやトナー飛散等の無い良好な画質を得ることが安価で簡易的に実現できる現像装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、 トナーとキャリアからなる現像剤を用いる現像装置において、現像剤を収容している現像槽と、トナーを収容しているトナーホッパーと、トナーホッパーから現像槽にトナーを供給するトナー供給手段と、トナー濃度を検知してトナー濃度を信号に変換した出力を行うトナー濃度センサと、所定サンプリング周期にて得られたトナー濃度センサ出力信号の平均値と、トナー濃度が低いことを判定するための基準となる制御値とを比較して、トナー濃度が低いと判定された場合に前記トナー供給手段を制御しトナー補給を実行させる制御手段とを有し、
前記制御手段は、制御値に対してトナー濃度が高いトナー濃度センサ出力信号を全て制御値に変換した上で、所定区間時間における前記トナー濃度センサ出力信号の標準偏差を求め、該標準偏差が所定値以上の場合は、急速なトナー補給であると判断して制御値をトナー濃度が低い方に変更することを特徴とするものである。
【００１５】
このような構成とすることにより、安価で、簡易的に、トナー消費速度若しくは供給速度をより顕著に検知することが可能となる。また、このような構成にすることにより、トナー消費速度若しくは供給速度が速い場合、攪拌不足やこれに伴うオーバートナーを抑制し、画像カブリを抑制する。
【００１６】
また、前記所定区間時間は、印字動作と非印字動作で異なることを特徴とする。
【００１７】
このような構成にすることにより、攪拌不足やこれに伴うオーバートナーに至るトナー補給は、トナー消費を伴う場合とそうでない場合では異なるため、最適な判定区間を個々に設定することにより、精度の高い判定を行うことができる。
【００２０】
また、前記制御手段は、求めた標準偏差が所定値以上の場合、制御値の変更量を、印字動作と非印字動作で異なるようにしたことを特徴とする。
【００２１】
このような構成にすることにより、印字動作と非印字動作でオーバートナーになる程度が異なるため、この程度に応じた適切な補正を行い、適正な画像濃度を保ちつつ、画像カブリを抑制する。
【００２２】
また、前記制御手段は、制御値を変更した場合、前記トナー供給手段によるトナー補給が終了し次のトナー補給開始直後は変更した制御値で制御を開始し、補給時間に伴って徐々に変更前の制御値に変化させることを特徴とする。
【００２３】
このような構成にすることにより、制御値を変更した状態から、即、元の制御値に戻すと、その戻した値数差分だけ急速補給となり、カブリが悪化してしまう。前回駆動でカブリを抑制した状態を維持しつつ、もとの制御値に徐々に戻す事によって、カブリの無い良好な画質を得る。
【００２４】
前記制御手段は、印字動作中において、求めた標準偏差が所定値以上の場合、トナー補給を禁止し印字動作を継続し、トナー濃度センサ出力信号が制御値から一定値以上はなれた時点でトナー補給禁止を解除し、解除後、トナー濃度センサ出力信号が制御値に達した時点で再度補給を禁止することを特徴とする。
【００２５】
このような構成にすることにより、トナー消費速度若しくは供給速度が速い場合、攪拌不足やこれに伴うオーバートナーを抑制し、画像カブリを抑制する。
【００２７】
このような構成にすることにより、トナー補給禁止によりトナー濃度は低下の一途をたどり画像濃度が低下する。所定のセンサー出力にてトナー補給を許可し、再度制御値に戻った時点でトナー補給を禁止する制御を行うことにより、画像濃度が著しく低下したり、カブリが増大する事を抑制する。
【００２８】
また、前記制御手段は、前記トナー供給手段による補給時間が所定時間以上になった場合、トナー補給を禁止することを特徴とする。
【００２９】
このような構成にすることにより、トナーホッパー内のトナー残量が少ない場合は、トナー消費速度若しくは供給速度の判定を誤って行う場合がある。このようなトナーホッパーからのトナー補給能力が著しく少ない場合は、懸念されるカブリも良化する方向である事から、トナー供給速度の誤検知による誤制御を防止する。
【００３０】
次に、本発明の作用効果について詳しく説明する。
高い印字率パターンを多数枚連続印字した時の現像剤中のトナー消費速度は速くなるが、トナーセンサの出力に対する判定に基づくトナー補給によって、トナー補給が追従できる限り、トナーセンサ出力は平均的には常に一定の値を保つ事になる。
【００３１】
しかしながら瞬時瞬時のトナーセンサ出力に着眼してみると、トナーが消費された直後はトナー濃度が下がったことに対応する出力を行い、よりトナーが消費された場合は更に低いトナー濃度を示す。つまり、現像剤中の瞬時瞬時のトナー消費速度は、そのタイミングに対応したトナーセンサ出力の変動にあらわれることになる。逆に言うならば、トナーセンサ出力の瞬時の増大量が大きい場合や、この現象が頻繁に発生している状態は現像剤中のトナー消費速度が速いこと、強いては高い印字率パターンを印字している、更には急速にトナー補給を行っている事を意味している。
【００３２】
この考え方を用いて、高い印字率パターンを多数枚連続印字した場合などの急速なトナー消費状態にある事を判定する。判定により何らかの対応が必要になるまでの時間区間において、短いサンプリング周期にてトナーセンサ出力をサンプリングし、その区間内でのｎ回のサンプリング回数にて得られたｎ個のトナーセンサ出力データを用いて、その変動を標準偏差が区間でのセンサ出力変動の程度であるとする事が出来る。ここで得られた標準偏差が大きければ大きいほど、所定時間区間でのトナーの消費速度が速いと判断する事が出来る。つまり高い印字率パターンを印字している、更には急速にトナー補給を行っていると判断する事が出来る。
【００３３】
前述のトナー消費速度が速い状態では、その消費分を補おうとする為に、トナーホッパーからのトナー供給回数が多くなり、ある所定時間内の総トナー補給量が多くなる。この状態は、前述の印字動作時のみならず非印字動作においても存在し、特にトナーエンド後等のトナー補給動作がその代表例である。よって、非印字動作におけるトナー補給が要因となり、直後の印字におけるカブリも同様に問題になる。この非印字動作における特にトナーエンド後等のトナー補給時のトナーセンサ出力データに着眼すると、補給開始時は制御値からかけ離れた値を示し、その後トナー補給に連れてその値は制御値に近づく。つまり、この場合の所定期間時間内で所定サンプリング周期にて得られた複数のトナーセンサ出力データは非常にばらついており、これらデータによる標準偏差が非常に大きくなる事は容易に想像できる。よって、印字動作と同様に、所定時間区間における短いサンプリング周期で得られたトナーセンサ出力データから算出される標準偏差が大きければ大きいほど急速なトナー補給を行っていると判断する事ができる。
【００３４】
以上のように、所定期間時間内で所定サンプリング周期にて得られた複数のトナーセンサ出力データによる標準偏差は、トナー補給速度の指標になりうるものである。
【００３５】
標準偏差による判断方法に基づいて、ここでは特にトナー補給が急速に行われていることを判断して、
（１） トナー濃度が低くなる方向に制御値を変更し、更に印字動作中であれば印字動作を継続する
（２） トナー補給を禁止し、更に印字動作中であれば印字動作を継続する
のいずれかの対応を行い、カブリやトナー飛散を抑制するものである。
【００３６】
つまり、トナーホッパーからのトナー補給が現像剤中のトナー消費に対して追従しているか否かに関わらず、更には印字動作か否かにかかわらず、トナー急速補給であることを検知し、ＪＯＢ効率を低下させる事無く適切なトナー濃度制御を行い、カブリやトナー飛散等の無い良好な画質を得ることができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１は、２成分現像方式を使用した画像形成装置の構成を示す概略図である。図２は、この画像形成装置の現像装置の構成を示す概略図である。図１及び図２に示す画像形成装置の各部は、帯電、露光、現像、転写、定着、及びクリーニング工程に用いられる。
【００３８】
直径３０ｍｍの感光体ドラム１は、矢印方向に回転可能に設けられる。感光体ドラム１の表面は、帯電手段２であるコロナチャージャーや接触ローラ帯電器によって所定の帯電量に均一に帯電され、露光手段３で所定の静電潜像ポテンシャルを形成することによって静電潜像を担持する。感光体ドラム１は、金属または樹脂製の導電性基体と、その表面に形成される下引き層と、その上に形成される感光層とを含んで構成される。感光層は、下引き層上に形成される比較的薄いキャリア発生層（ＣＧＬ）と、最外層に形成されるポリカーボネイト等を主成分としたキャリア移動層（ＣＴＬ）とで構成される。露光によってキャリア発生層でキャリアが発生し、ＣＴＬ中を移動した該キャリアによって感光体ドラム１の表面に帯電した電荷が相殺されて前記静電潜像ポテンシャルが形成される。
【００３９】
感光体ドラム１に担持された静電潜像は、該ドラム１が回転することによって現像装置４の現像剤担持体４１上に付着した現像剤と接触する現像領域に搬送される。前記方向とは反対の矢印方向に回転する現像剤担持体４１は、感光体ドラム１に圧接される。但し、現像剤担持体４１の回転方向はこれに限定されるものではない。そして、現像剤担持体４１に担持された現像剤中のトナーＴが、感光体ドラム１の静電潜像に従って移動し付着することによって、静電潜像が顕像化され、現像される。現像剤担持体４１には、図示しない接続された電源から所定のバイアス電圧が印加される。
【００４０】
現像後、感光体ドラム１に付着したトナーＴは、所定の転写領域に搬送される。転写領域には給紙手段によって紙などの記録材Ｐが給紙されており、感光体ドラム１上にトナー像と同期して接触する。転写領域に設けられる転写手段５には高圧電源を具備したチャージャ型や接触ローラ型があり、トナーＴが転写される側の極性の電圧を感光体ドラム１に印加する。これによって、トナーＴが記録材Ｐに移動し、トナー像が転写される。記録材Ｐが剥離手段６により感光体ドラム１から分離された後、該記録材Ｐ上のトナーＴは定着手段７によって、たとえば、熱融解や圧力等によって定着される。そして、装置外部に排紙される。また、転写後の感光体ドラム１の表面は、クリーニング手段８によって清掃される。
【００４１】
上記基本システムにて、感光体光応答性や現像性などを考慮し、諸設定を下表のように行った。
【００４２】
現像剤坦持体線速 ３６６ｍｍ／ｓ
感光体ドラム線速 １２２ｍｍ／ｓ
印字速度（Ａ４） ２７ＣＰＭ
レーザーパワー ０．４０ｍＷ
帯電電位 −６００Ｖ
現像バイアス −４５０Ｖ
トナー濃度 ６％
【００４３】
次に、現像装置４は図２に示すように現像剤収容容器４３とトナーホッパー４５から構成されており、現像剤収容容器４３には現像剤を攪拌する現像剤攪拌パドル４２と現像剤を感光体ドラム１へ搬送させる現像剤担持体４１が具備されており、更に現像剤担持体４１の近傍には現像剤中のトナー濃度を検知するための透磁率によるトナーセンサ４４が具備されている。
【００４４】
このような現像装置４では一般的に磁気ブラシを形成するものが広く用いられており、トナーを内部に収容する現像ケーシング内に、トナーとキャリアを攪拌する現像剤攪拌パドル４２、攪拌された現像剤を現像剤担持体４１に供給する供給ローラ、トナー濃度を検出するトナーセンサ４４などを有し、かつ、トナーを感光体ドラム１に供給する現像剤担持体４１と、現像ローラに吸着した現像剤の層厚を規制する層厚規制板とを備えている。そして、現像ケーシングには、現像剤担持体４１を感光体ドラム１に接触させるための開口部が形成されている。
【００４５】
現像剤担持体４１は、マグネットローラと呼ばれ、現像ケーシングに対して非回転に設けられた固定磁石体と、その固定磁石体に対して所定方向に回転自在に外嵌された現像スリーブとで構成され、その固定磁石体は、現像剤を感光体ドラム１に供給するために複数の磁極を有している。この複数の磁極は、それぞれスリーブ表面に現像剤を吸着して搬送し、感光体ドラム１と接近する部分では、現像剤が穂立ちした状態の磁気ブラシを形成するように機能する。特に、感光体ドラム１に対向配置された磁極は、現像主極と呼ばれ、現像のために重要な役割を担っている。
【００４６】
現像スリーブの材質としては非磁性の金属が使用され、その表面は、トナーの保持や搬送、トナーへの良好な摩擦帯電電荷付与のために、適当な粗面に形成され、良好な現像を実現するために、現像の際には現像スリーブに現像バイアス電圧が印加される。この現像バイアス電圧としては、ＡＣ電圧、ＤＣ電圧またはこれら両者を重畳した電圧が使用される。そのため、現像スリーブの材質としては導電性を有する金属材料が使用される。
【００４７】
一方、現像剤としては、磁性トナーからなる１成分磁性現像剤、非磁性トナーからなる１成分非磁性現像剤、本発明に用いられる非磁性トナーと磁性キャリアとからなる２成分現像剤があり、使用する現像剤に応じて現像スリーブの材質が選択される。この磁性キャリアは、鉄粉、フェライト粉末、ニッケル粉末等若しくはそれらの表面を有機重合体で被覆したものであり、また、トナー粒子は樹脂中に着色顔料や染料等の添加物を分散したものである。
【００４８】
次に、本発明の現像装置４に用いられるトナー濃度センサ（トナーセンサ４４）について説明する。
この現像装置４においては、２成分系現像剤を用い、現像剤を撹拌して摩擦によってトナーを帯電させ、この帯電トナーを感光体ドラム１上に形成された静電潜像に静電気的に付着させ可視像を形成している。この種の現像装置ではトナー濃度を測定するためのトナー濃度センサ（トナーセンサ４４）として透磁率センサを用いる。トナー濃度を測定する透磁率センサは、透磁率によって磁性体である磁性キャリア濃度を検知するものである。従って、図３に示すように、トナー濃度が低いときにはトナー濃度センサ出力ＶＴは高くなり、トナー濃度が高いときにはトナー濃度センサ出力ＶＴは低くなる。つまり、図３において、トナー濃度がＴ0からＴ1に減少すると、それぞれに対応する透磁率センサ出力値は、ＶT0からＶT1に増加するものである。実際にはトナーセンサ４４は２４Ｖの電源供給を受けて、現像剤中のトナー濃度によって０〜５Ｖの出力を行い、トナー濃度が高い場合は小さい出力、低い場合大きい出力を示す。
【００４９】
次に、現像装置によるトナー濃度の制御について説明する。
図４は、この現像装置のトナー濃度制御部分を示す要部ブロック図である。この制御部５１は、トナーセンサ４４の検出信号に基づいてトナー消費速度、印字率、トナー供給速度等を判定する判定手段５２と、判定手段５２の判定結果やトナー供給時間記憶部材４８の信号に基づいて、トナー補給駆動手段６０や現像駆動手段６１を制御してトナー供給部材４６，４７、現像剤担持体４１及び現像攪拌パドル４２を駆動するトナー供給制御手段５３とからなる。
現像装置４は、制御部５１により制御されているわけであるが、この制御部は、画像形成装置の各部を制御する機能を有するものである。しかし、この図では、トナー濃度制御に関する部分だけ抽出して記載している。
この図に基づいて、以下にトナー濃度の具体的実施例について説明する。
【００５０】
＜実施例１＞
トナーセンサ４４の検出結果に基づいて、制御部５１がトナー濃度制御を行う実施例１について説明する。なお、実施例１においては、トナー供給時間記憶部材４８による制御は対象としていない。
【００５１】
まず、制御部５１のトナー供給制御手段５２は、トナーホッパー４５内のトナー供給部材４６，４７をトナー補給駆動手段６０により駆動し、トナー濃度が６．０％に調整された未使用現像剤を現像剤収容容器４３に投入する。次にトナー供給制御手段５２は、現像駆動手段６１を通じて現像剤坦持体４１を速度３６６ｍｍ／ｓにて駆動して、図５に示すように、１２０秒間攪拌する。制御部５１の判定手段５２は、最終１．８秒のトナーセンサ出力値のサンプリング平均値で制御電圧を決定する。その後の電源投入や印字動作における現像剤担持体４１の駆動におけるトナー補給制御は、判定手段５２が図６に示す様に６００ｍｓの区間の後半５４０ｍｓ内の１０ｍｓ毎のトナーセンサー出力の平均値を制御電圧と比較し、出力電圧が高い場合は、トナー供給制御手段５２がトナー補給駆動手段６０によりトナー供給部材４６及び４７を駆動することによって、トナーホッパー４５内のトナーが現像剤収容容器４３へ補給される。さらに、現像駆動手段６１を通じて現像剤攪拌パドル４２を駆動して攪拌し、常時一定のトナーセンサ出力、つまり一定のトナー濃度になるようにトナー補給が制御される。常時一定のトナーセンサ出力が確保された現像剤は現像剤担持体４１で坦持され、感光体ドラム１へ搬送され現像される。
【００５２】
前述のトナー濃度制御において、その消費と補給の関係を説明する。
今、ｔ時間トナー補給駆動部材を駆動した際に、トナーがｈグラム補給され、出力電圧がＶ１からＶ２に変化した際、これらは以下のように表せる。
【００５３】
（Ｖ２−Ｖ１）＝ｋ｛（Ｔ＋ｈ）／（Ｃ＋Ｔ＋ｈ）−（Ｔ）／（Ｃ＋Ｔ）｝
ｋ＝定数、Ｔ＝現像剤中のトナー質量、Ｃ＝現像剤中のキャリア質量、ｈ＝補給されたトナー質量
【００５４】
現像剤質量に比較して、補給されたトナー量は圧倒的に小さいので、（Ｃ＋Ｔ）≒（Ｃ＋Ｔ＋ｈ）とすることが出来る。また（Ｃ＋Ｔ）は既知の値であるので、ａ＝ｋ／（Ｃ＋Ｔ）とすることが出来る。これにより上の式は
ΔＶ＝ａ＊ｈ
ΔＶ＝（Ｖ２−Ｖ１）
となる。
すなわち、ｔ時間トナー補給駆動手段６０を駆動した際の出力の変化は、補給量の関数とすることが出来る。
【００５５】
次に、本発明に関わるトナー消費速度、強いては印字率やトナー補給速度の判定について説明する。
高い印字率パターンを多数枚連続印字した時の現像剤中のトナー消費速度は速くなるが、前述のようにトナーセンサ４４の出力に対する判定に基づくトナー補給によって、トナー補給が追従できる限り、トナーセンサ出力は平均的には常に一定の値を保つ事になる。しかしながら瞬時瞬時のトナーセンサ出力に着眼してみると、トナーセンサ４４はトナーが消費された直後はトナー濃度が下がったことに対応する出力、つまり制御電圧より高い電圧を出力し、よりトナーが消費された場合は更に低いトナー濃度、つまり更に高い電圧出力を示す。
【００５６】
つまり、現像剤中の瞬時瞬時のトナー消費速度は、そのタイミングに対応したトナーセンサ出力の変動のうち、トナー濃度が瞬間的に低くなる、つまりトナーセンサ出力が高くなることにあらわれることになる。逆に言うならば、トナーセンサ出力の瞬時の増大量が大きい場合や、この現象が頻繁に発生している状態は現像剤中のトナー消費速度が速いこと、強いては高い印字率パターンを印字している、更には急速にトナー補給を行っている事を意味している。
【００５７】
この状態を定量的に把握する為に、高い印字率パターンを多数枚連続印字した場合などの急速なトナー消費状態にある事の判定により何らかの対応が必要になるまでの時間区間において、短いサンプリング周期にてトナーセンサ出力をサンプリングし、その区間内でのｎ回のサンプリング回数にて得られたｎ個のトナーセンサ出力データを用いて、標準偏差を算出し、これを利用する。ここで得られた標準偏差が大きければ大きいほど、所定時間区間でのトナーの消費速度が速いと判断する事が出来る。つまり高い印字率パターンを印字している、更には急速にトナー補給を行っていると判断する事が出来る。
【００５８】
このような方法を用いて、トナー消費速度、強いては高い印字率パターンを印字している、更には急速にトナー補給を行っている事を判定して、このような状態に陥った場合に発生しうるカブリ等の諸問題を解決する為の対応制御を実行するものである。
【００５９】
前述のトナー消費速度が速い状態では、その消費分を補おうとする為に、トナーホッパーからのトナー供給回数が多くなり、ある所定時間内の総トナー補給量が多くなる。この状態は、前述の印字動作時のみならず非印字動作においても存在し、特にトナーエンド後等のトナー補給動作がその代表例である。よって、非印字動作におけるトナー補給が要因となり、直後の印字におけるカブリも同様に問題になる。この非印字動作における特にトナーエンド後等のトナー補給時のトナーセンサ出力データに着眼すると、補給開始時は制御値からかけ離れた値を示し、その後トナー補給に連れてその値は制御値に近づく。つまり、この場合の所定期間時間内で所定サンプリング周期にて得られた複数のトナーセンサ出力データは非常にばらついており、これらデータによる標準偏差が非常に大きくなる事は容易に想像できる。よって、印字動作と同様に、所定時間区間における短いサンプリング周期で得られたトナーセンサ出力データから算出される標準偏差が大きければ大きいほど急速なトナー補給を行っていると判断する事ができる。
【００６０】
次にトナー急速補給判定及びこれに基づくトナー濃度制御を以下に述べる。
以下に示す実施例は、上述した各電圧は、５Ｖを２５６分割した値数で管理・判定・制御を行う。つまり２．５０Ｖならば１２８の値数として以降、取り扱う事とする。
【００６１】
まず未使用現像剤を用いて制御値の決定を行ったところ、値数として１２６を得た。
この制御値数にて任意の印字率原稿にて１００枚連続印字を行った場合の、トナー急速補給であるか否かの判定について図６に従って説明する。印字動作開始信号に伴い現像並びに感光体を駆動するメインモーターが駆動を開始する。判定手段５２は、駆動開始＝２０秒後から＝３０秒の間の１０秒間における６００ｍｓ毎のセンサ出力の総数１６回の値に基づいて判定を行うが、判定を行う閾値を制御値である１２６とした。総数１６回のセンサ出力にて、閾値１２６に満たないｄａｔａ数は４個存在し、これら４データは全て１２６に変換した。この変換した値を含む計１６個の各々のデータにて標準偏差を求める事とした。
【００６２】
この方法にて印字率が３５％、２０％、６％の異なる３パターンにて１００枚の連続印字を行い標準偏差を求めたところ、図７に示す様に３５％では２．０８９、２０％では１．２１１、６％では０．４４７であった。
【００６３】
以上の結果から、算出した標準偏差が大きい場合は高印字率原稿を使用した印字、つまりトナー補給が非常に急速に行われている事がわかる。そこで算出された標準偏差が１．０００以上になった場合に、トナー急速補給であると判定し、次の制御を行う。逆に標準偏差が１．０００に満たない場合は、それまでの制御を継続する事とした。
【００６４】
駆動時間＝２０秒後から＝３０秒の間の１０秒間の標準偏差が１．０００以上と判定した場合、その時点から、それまで制御していた制御値数に補正量＝１０を加算した値で制御する補正を実行する。つまり前述の制御の場合、制御値は１２６から１３６に変更して印字終了まで制御することとした。この判定並びに制御方法を用いて、原稿印字率が３５％、２０％、６％の３種にて１００枚の連続印字を行ったところ、３５％及び２０％原稿では補正動作が適用され、印字率の異なる３パターンとも画像濃度は確保しつつ、カブリの無い良好な印字を１００枚継続する事ができた。
【００６５】
補正が実行されて終了した次の動作では、図８に示す様に、メインモーター駆動時間によって、補正量＝１０を補正解除期間＝１８０秒をかけて、徐々に解除する制御を行った。この制御により、補正を行った駆動終了後の次の印字動作でもカブリの無い良好な印字を得ることができた。尚、この補正解除期間内における駆動時間＝２０秒後から＝３０秒の間の１０秒間でも、前述同様の標準偏差による判定及び補正は行う。又、補正解除期間内にて駆動が停止した場合は、次の駆動でも継続して補正を解除する事とした。これらについては図１２、図１３に示す。
【００６６】
更に、非印字動作の一つであるトナーエンド後等のトナー補給動作においても、トナー急速補給であることの検知を図１４に示す様に、印字動作と同様の手法で行った。この動作におけるトナー補給はメインモーター駆動後から連続的に行われる為、判定手段５２は、駆動開始＝５秒後から＝１５秒の間の１０秒間における６００ｍｓ毎のセンサ出力の総数１６回の値に対して同様に判定を行った。総数１６回のセンサ出力は全て閾値１２６を越えている、つまり、トナー補給が常時行われている事を意味している。次いで計１６個の各々のデータにて標準偏差を計算したところ、図１５に示す様に２．４２２であった。ここでのトナー急速補給である判定基準は、前述の印字動作時と同様標準偏差が１．０００以上の場合として、更にトナー急速補給であると判定した場合は、その時点から、トナー供給制御手段それまで制御していた制御値数に補正量＝５を加算した値で制御する補正を実行した。つまり前述の制御の場合、制御値は１２６から１３１に変更して、トナーセンサ出力が１３１に到達するまでトナー補給並びに駆動を行い、マシンをＲｅａｄｙ状態にする制御を行った。この制御により、補正を行いマシンがＲｅａｄｙ状態になった後の印字動作でもカブリの無い良好な印字を得ることができた。尚、Ｒｅａｄｙ状態からの補正の解除は、解除期間を９０秒とする他は、印字動作時と同様の制御を行うものとした。
【００６７】
以上のように、トナーエンドなど現像剤中のトナー量が不足している場合や、現像剤中のトナー消費速度が速い場合に生じるトナーホッパーからのトナー急速補給を、判定手段５２がトナーセンサ出力の標準偏差で検知判定し、トナー供給制御手段５３が検知判定に対応したトナー濃度制御を行うことにより、カブリの無い良好な画質を得ることが出来た。
【００６８】
＜実施例２＞
実施例１におけるトナー急速補給判定の結果、制御値を変更する変わりにトナー補給を禁止した。図１６に示すように、３５％原稿連続１００枚印字において、トナー急速補給であると判定され時点から、トナーセンサ出力に依らずトナー補給を禁止する。この間も印字は継続されるので、トナーセンサ出力は上昇していくが、制御値に対して＝１０上回った出力になった時点で、禁止していたトナー補給を解除する。トナー消費速度以上のトナー補給が行えれば、トナーセンサ出力は制御値に向かうが、制御値まで復帰した時点で再度トナー補給を禁止する。以降この繰り返しを行い、１００枚の印字を終了したところ、カブリの無い良好な画質を得ることが出来た。
【００６９】
＜実施例３＞
実施例１や２にて用いるトナーホッパー４５は、未使用状態で７４５ｇのトナーが充填されており、且つ、図２に示す様にトナー供給時間記憶部材４８を有している。このトナー供給時間記憶部材４８は、トナー補給駆動手段６０により駆動されるトナー供給部材４６及び４７のトナーホッパー４５使用開始からの総駆動時間を記憶している。図１７には、トナーホッパー４５におけるトナー補給総駆動時間に対するトナー残量並びにトナー供給速度を示すが、トナー補給総駆動時間が長くなると急激にトナー供給速度は低下する。このような状態において実施例１で行った判定を行うと、トナー供給速度が速いと判定した場合でも、実際のトナー供給速度は非常に遅い状態であり、誤った判定をしてしまう。つまり、例えば６％原稿の連続印字でもトナー急速補給であると判断し、実施例１や２の制御を行い、結果的には画像濃度が不足する場合が考えられる。そこで、トナー供給制御手段５３が、トナー供給時間記憶部材４８が記憶しているトナー補給総駆動時間が９５分以上になった場合は、実施例１や２で行った判定による制御を禁止したところ、画像濃度は十分確保する事が出来た。
【００７０】
＜実施例４＞
判定手段５２は、実施例１における判定を行う場合に、閾値（＝制御値）に満たないセンサ出力ｄａｔａを全て閾値に変換したうえで、この変換した値を含む各々のデータにて標準偏差を求めているが、この実施例に対して閾値に満たないセンサ出力データもそのまま扱い標準偏差を求めた結果、図１８に示す関係が得られた。
【００７１】
この場合におけるトナー急速補給である判定基準は、標準偏差が１．５００以上とすることで、その後の補正制御を行うか否かを決定すればよい事がわかる。この方法にて判定並びに補正制御を行った結果、実施例１同様、３つの異なる印字率の連続印字においても、画像濃度やカブリは問題なく良好な画像を得ることができた。
図１８でわかるように、印字率による標準偏差の差異は、実施例１の方が大きい。つまり、より精度を求める場合は実施例１の判定方法が好ましい事になる。
【００７２】
＜比較例＞
実施例１におけるトナー急速補給判定及びこれに基づく補正を行わなずに、原稿印字率が３５％、２０％、６％の３種にて１００枚の連続印字を行ったところ、印字率が６％の場合は画像濃度は確保しつつ、カブリの無い良好な印字を１００枚継続する事ができた。しかし、印字率２０％になると許容限度限界のカブリが発生し、更に３５％の印字になるとカブリが非常に悪化し、耐えうる画像ではではなかった。
又、トナーエンド後のトナー補給直後のカブリも許容限度限界のカブリが発生し、何らかの対応が必要な事がわかった。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の現像装置によれば、所定区間時間において、前記トナー濃度センサの出力の標準偏差によって、トナー消費速度あるいは前記トナーホッパーからのトナー供給速度を判断するので、安価で、簡易的に、トナー消費速度若しくは供給速度をより顕著に検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２成分現像方式を使用した画像形成装置の構成を示す概略図である。
【図２】この画像形成装置の現像装置の構成を示す概略図である。
【図３】透磁率センサにおけるトナー濃度とセンサ出力の関係を示す図である。
【図４】現像装置のトナー濃度制御部分を示す要部ブロック図である。
【図５】未使用現像剤における制御電圧の決定を示す図である。
【図６】トナー補給の判定と制御を示す図である。
【図７】実施例１における３５％原稿連続印字時のトナーセンサ出力とその取り扱いを示す図である。
【図８】実施例１における原稿印字率３５％による被判定値演算結果を示す図である。
【図９】実施例１における原稿印字率２０％による被判定値演算結果を示す図である。
【図１０】実施例１における原稿印字率６％による被判定値演算結果を示す図である。
【図１１】実施例１で補正が行われた次の駆動での補正解除を示す図である。
【図１２】実施例１で補正解除期間中の再判定及び再補正を示す図である。
【図１３】実施例１で補正解除期間中駆動が途切れた場合の制御を示す図である。
【図１４】実施例１における非印字時のトナー補給における判定と補正を示す図である。
【図１５】実施例１における非印字時のトナー補給動作時の被判定値演算結果を示す図である。
【図１６】実施例２における３５％原稿連続印字時のトナーセンサ出力とその取り扱いを示す図である。
【図１７】代表的なトナーホッパーのトナー供給能力を示す図である。
【図１８】実施例４におけるトナー急速補給判定の比較を示す図である。
【符号の説明】
１ 感光体ドラム
２ 帯電手段
３ 露光手段
４ 現像手段
５ 転写手段
６ 剥離手段
７ 定着手段
８ クリーニング手段
４１ 現像剤担持体
４２ 現像剤攪拌パドル
４３ 現像剤収容容器
４４ トナーセンサ
４５ トナーホッパー
４６，４７ トナー供給部材
４８ ニア−エンド・トナーエンド時間及びトナー供給時間記憶部材
５１ 制御部
５２ 判定手段
５３ トナー補給制御手段
６０ トナー補給駆動手段
６１ 現像駆動手段
Ｔ トナー
Ｐ 記録材
【発明の属する技術分野】
本発明は、トナーとキャリアからなる２成分現像剤を用いる現像装置に関し、特に電子写真方式を利用した複写機・光プリンター・ＦＡＸ等に用いられる現像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子写真方式でのトナーとキャリアからなる２成分現像剤を用いた画像形成装置におけるトナー濃度制御は、２成分現像剤を透磁率センサで検知し、低くなればトナー補給を行い常に一定のトナー濃度を保持している。
【０００３】
しかしながら、この制御を用いて、高い印字率パターンを多数枚連続印字した時に現像剤中のトナー消費速度が速い場合や、現像剤のトナー濃度が限界まで低くなったトナーエンドからトナー補給を実行する場合などのように、トナーが急速に補給されるような場合が考えられる。このときは、トナーホッパーからのトナー供給速度に対して現像剤の混合攪拌能力が十分行われない事が原因でトナーの帯電不良が発生し、更にはこれに伴い現像剤のトナー濃度も所定のトナー濃度を越えた状態までトナー補給が行われてしまい、記録紙上へのカブリやトナー飛散といった問題がしばしば発生する。
【０００４】
このような問題に対して、例えば、予め定められた下限値までトナー濃度が低下した後のトナー補給においては、印字動作を一時中断してトナー補給を行うと共に、およそ６０秒以上のイニシャル動作によって、現像剤を十分攪拌帯電させる事が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
一方、トナー濃度が限界まで低くなったトナーエンドからトナー補給を実行する場合について、予め定められた基準値よりもトナー濃度が低い方向の第３の基準値でトナー補給を停止する事が提案されている（特許文献２参照）。
【０００６】
上述２件の報告とは異なり、感光体上へのテストパッチ濃度を光学的に検知し、この検知結果に基づいてトナー補給量やその後のトナー補給制御を決定しているものが提案されている（特許文献３参照）。又、潜像を形成するドットを計数し、この計数結果に基づいて、トナー補給量を決定したり、画像作像間隔を補正する事が提案されている（特許文献４）。
【０００７】
又、トナーの急速な補給をトナー供給部材の駆動頻度にて検知する方法も考えられる。しかしながら、トナー供給部材駆動による単位時間あたりのトナー補給量は、用いるトナーホッパーの個体差や、使用環境条件、トナーホッパー内のトナー残量などによって異なるため、トナー供給部材の駆動頻度による検知方法は不正確にならざるを得ない。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１１６６１５号公報
【特許文献２】
特開平１−１３１５８５号公報
【特許文献３】
特開昭６３−１６８４４６号公報
【特許文献４】
特開平９−１８５２４３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１においては、印字動作で且つトナー補給がトナー消費に追従しない場合に限られている。つまり、予め定められた下限値までトナー濃度が低下した場合にのみ対応できる制御である。更に、イニシャル動作は印字動作を一時中断することからＪＯＢ効率の低下は免れない。
【００１０】
一方、特許文献２では、逆にトナー濃度が限界まで低くなったトナーエンドからトナー補給を実行する場合に限り対応できる方法であり、トナーエンド以外のトナー補給や、高い印字率パターンを多数枚連続印字する場合の対応がなされていない。
【００１１】
特許文献３のテストパッチ濃度検知や、特許文献４のドット計数においては、トナー補給量やトナー濃度に対応する感光体上濃度を検知する方法でありトナー補給誤の弊害抑制には有益ではあるが、ドット計数のシステムや感光体上濃度検知手段が必要になり、コストアップや複雑な制御方法、機構的な複雑さを伴う。
【００１２】
以上のことから、本発明の目的は、トナーが急速に補給されることを検知して、ＪＯＢ効率を低下させる事無く適切なトナー濃度制御を行うことができ、カブリやトナー飛散等の無い良好な画質を得ることが安価で簡易的に実現できる現像装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、 トナーとキャリアからなる現像剤を用いる現像装置において、現像剤を収容している現像槽と、トナーを収容しているトナーホッパーと、トナーホッパーから現像槽にトナーを供給するトナー供給手段と、トナー濃度を検知してトナー濃度を信号に変換した出力を行うトナー濃度センサと、所定サンプリング周期にて得られたトナー濃度センサ出力信号の平均値と、トナー濃度が低いことを判定するための基準となる制御値とを比較して、トナー濃度が低いと判定された場合に前記トナー供給手段を制御しトナー補給を実行させる制御手段とを有し、
前記制御手段は、制御値に対してトナー濃度が高いトナー濃度センサ出力信号を全て制御値に変換した上で、所定区間時間における前記トナー濃度センサ出力信号の標準偏差を求め、該標準偏差が所定値以上の場合は、急速なトナー補給であると判断して制御値をトナー濃度が低い方に変更することを特徴とするものである。
【００１５】
このような構成とすることにより、安価で、簡易的に、トナー消費速度若しくは供給速度をより顕著に検知することが可能となる。また、このような構成にすることにより、トナー消費速度若しくは供給速度が速い場合、攪拌不足やこれに伴うオーバートナーを抑制し、画像カブリを抑制する。
【００１６】
また、前記所定区間時間は、印字動作と非印字動作で異なることを特徴とする。
【００１７】
このような構成にすることにより、攪拌不足やこれに伴うオーバートナーに至るトナー補給は、トナー消費を伴う場合とそうでない場合では異なるため、最適な判定区間を個々に設定することにより、精度の高い判定を行うことができる。
【００２０】
また、前記制御手段は、求めた標準偏差が所定値以上の場合、制御値の変更量を、印字動作と非印字動作で異なるようにしたことを特徴とする。
【００２１】
このような構成にすることにより、印字動作と非印字動作でオーバートナーになる程度が異なるため、この程度に応じた適切な補正を行い、適正な画像濃度を保ちつつ、画像カブリを抑制する。
【００２２】
また、前記制御手段は、制御値を変更した場合、前記トナー供給手段によるトナー補給が終了し次のトナー補給開始直後は変更した制御値で制御を開始し、補給時間に伴って徐々に変更前の制御値に変化させることを特徴とする。
【００２３】
このような構成にすることにより、制御値を変更した状態から、即、元の制御値に戻すと、その戻した値数差分だけ急速補給となり、カブリが悪化してしまう。前回駆動でカブリを抑制した状態を維持しつつ、もとの制御値に徐々に戻す事によって、カブリの無い良好な画質を得る。
【００２４】
前記制御手段は、印字動作中において、求めた標準偏差が所定値以上の場合、トナー補給を禁止し印字動作を継続し、トナー濃度センサ出力信号が制御値から一定値以上はなれた時点でトナー補給禁止を解除し、解除後、トナー濃度センサ出力信号が制御値に達した時点で再度補給を禁止することを特徴とする。
【００２５】
このような構成にすることにより、トナー消費速度若しくは供給速度が速い場合、攪拌不足やこれに伴うオーバートナーを抑制し、画像カブリを抑制する。
【００２７】
このような構成にすることにより、トナー補給禁止によりトナー濃度は低下の一途をたどり画像濃度が低下する。所定のセンサー出力にてトナー補給を許可し、再度制御値に戻った時点でトナー補給を禁止する制御を行うことにより、画像濃度が著しく低下したり、カブリが増大する事を抑制する。
【００２８】
また、前記制御手段は、前記トナー供給手段による補給時間が所定時間以上になった場合、トナー補給を禁止することを特徴とする。
【００２９】
このような構成にすることにより、トナーホッパー内のトナー残量が少ない場合は、トナー消費速度若しくは供給速度の判定を誤って行う場合がある。このようなトナーホッパーからのトナー補給能力が著しく少ない場合は、懸念されるカブリも良化する方向である事から、トナー供給速度の誤検知による誤制御を防止する。
【００３０】
次に、本発明の作用効果について詳しく説明する。
高い印字率パターンを多数枚連続印字した時の現像剤中のトナー消費速度は速くなるが、トナーセンサの出力に対する判定に基づくトナー補給によって、トナー補給が追従できる限り、トナーセンサ出力は平均的には常に一定の値を保つ事になる。
【００３１】
しかしながら瞬時瞬時のトナーセンサ出力に着眼してみると、トナーが消費された直後はトナー濃度が下がったことに対応する出力を行い、よりトナーが消費された場合は更に低いトナー濃度を示す。つまり、現像剤中の瞬時瞬時のトナー消費速度は、そのタイミングに対応したトナーセンサ出力の変動にあらわれることになる。逆に言うならば、トナーセンサ出力の瞬時の増大量が大きい場合や、この現象が頻繁に発生している状態は現像剤中のトナー消費速度が速いこと、強いては高い印字率パターンを印字している、更には急速にトナー補給を行っている事を意味している。
【００３２】
この考え方を用いて、高い印字率パターンを多数枚連続印字した場合などの急速なトナー消費状態にある事を判定する。判定により何らかの対応が必要になるまでの時間区間において、短いサンプリング周期にてトナーセンサ出力をサンプリングし、その区間内でのｎ回のサンプリング回数にて得られたｎ個のトナーセンサ出力データを用いて、その変動を標準偏差が区間でのセンサ出力変動の程度であるとする事が出来る。ここで得られた標準偏差が大きければ大きいほど、所定時間区間でのトナーの消費速度が速いと判断する事が出来る。つまり高い印字率パターンを印字している、更には急速にトナー補給を行っていると判断する事が出来る。
【００３３】
前述のトナー消費速度が速い状態では、その消費分を補おうとする為に、トナーホッパーからのトナー供給回数が多くなり、ある所定時間内の総トナー補給量が多くなる。この状態は、前述の印字動作時のみならず非印字動作においても存在し、特にトナーエンド後等のトナー補給動作がその代表例である。よって、非印字動作におけるトナー補給が要因となり、直後の印字におけるカブリも同様に問題になる。この非印字動作における特にトナーエンド後等のトナー補給時のトナーセンサ出力データに着眼すると、補給開始時は制御値からかけ離れた値を示し、その後トナー補給に連れてその値は制御値に近づく。つまり、この場合の所定期間時間内で所定サンプリング周期にて得られた複数のトナーセンサ出力データは非常にばらついており、これらデータによる標準偏差が非常に大きくなる事は容易に想像できる。よって、印字動作と同様に、所定時間区間における短いサンプリング周期で得られたトナーセンサ出力データから算出される標準偏差が大きければ大きいほど急速なトナー補給を行っていると判断する事ができる。
【００３４】
以上のように、所定期間時間内で所定サンプリング周期にて得られた複数のトナーセンサ出力データによる標準偏差は、トナー補給速度の指標になりうるものである。
【００３５】
標準偏差による判断方法に基づいて、ここでは特にトナー補給が急速に行われていることを判断して、
（１） トナー濃度が低くなる方向に制御値を変更し、更に印字動作中であれば印字動作を継続する
（２） トナー補給を禁止し、更に印字動作中であれば印字動作を継続する
のいずれかの対応を行い、カブリやトナー飛散を抑制するものである。
【００３６】
つまり、トナーホッパーからのトナー補給が現像剤中のトナー消費に対して追従しているか否かに関わらず、更には印字動作か否かにかかわらず、トナー急速補給であることを検知し、ＪＯＢ効率を低下させる事無く適切なトナー濃度制御を行い、カブリやトナー飛散等の無い良好な画質を得ることができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１は、２成分現像方式を使用した画像形成装置の構成を示す概略図である。図２は、この画像形成装置の現像装置の構成を示す概略図である。図１及び図２に示す画像形成装置の各部は、帯電、露光、現像、転写、定着、及びクリーニング工程に用いられる。
【００３８】
直径３０ｍｍの感光体ドラム１は、矢印方向に回転可能に設けられる。感光体ドラム１の表面は、帯電手段２であるコロナチャージャーや接触ローラ帯電器によって所定の帯電量に均一に帯電され、露光手段３で所定の静電潜像ポテンシャルを形成することによって静電潜像を担持する。感光体ドラム１は、金属または樹脂製の導電性基体と、その表面に形成される下引き層と、その上に形成される感光層とを含んで構成される。感光層は、下引き層上に形成される比較的薄いキャリア発生層（ＣＧＬ）と、最外層に形成されるポリカーボネイト等を主成分としたキャリア移動層（ＣＴＬ）とで構成される。露光によってキャリア発生層でキャリアが発生し、ＣＴＬ中を移動した該キャリアによって感光体ドラム１の表面に帯電した電荷が相殺されて前記静電潜像ポテンシャルが形成される。
【００３９】
感光体ドラム１に担持された静電潜像は、該ドラム１が回転することによって現像装置４の現像剤担持体４１上に付着した現像剤と接触する現像領域に搬送される。前記方向とは反対の矢印方向に回転する現像剤担持体４１は、感光体ドラム１に圧接される。但し、現像剤担持体４１の回転方向はこれに限定されるものではない。そして、現像剤担持体４１に担持された現像剤中のトナーＴが、感光体ドラム１の静電潜像に従って移動し付着することによって、静電潜像が顕像化され、現像される。現像剤担持体４１には、図示しない接続された電源から所定のバイアス電圧が印加される。
【００４０】
現像後、感光体ドラム１に付着したトナーＴは、所定の転写領域に搬送される。転写領域には給紙手段によって紙などの記録材Ｐが給紙されており、感光体ドラム１上にトナー像と同期して接触する。転写領域に設けられる転写手段５には高圧電源を具備したチャージャ型や接触ローラ型があり、トナーＴが転写される側の極性の電圧を感光体ドラム１に印加する。これによって、トナーＴが記録材Ｐに移動し、トナー像が転写される。記録材Ｐが剥離手段６により感光体ドラム１から分離された後、該記録材Ｐ上のトナーＴは定着手段７によって、たとえば、熱融解や圧力等によって定着される。そして、装置外部に排紙される。また、転写後の感光体ドラム１の表面は、クリーニング手段８によって清掃される。
【００４１】
上記基本システムにて、感光体光応答性や現像性などを考慮し、諸設定を下表のように行った。
【００４２】
現像剤坦持体線速 ３６６ｍｍ／ｓ
感光体ドラム線速 １２２ｍｍ／ｓ
印字速度（Ａ４） ２７ＣＰＭ
レーザーパワー ０．４０ｍＷ
帯電電位 −６００Ｖ
現像バイアス −４５０Ｖ
トナー濃度 ６％
【００４３】
次に、現像装置４は図２に示すように現像剤収容容器４３とトナーホッパー４５から構成されており、現像剤収容容器４３には現像剤を攪拌する現像剤攪拌パドル４２と現像剤を感光体ドラム１へ搬送させる現像剤担持体４１が具備されており、更に現像剤担持体４１の近傍には現像剤中のトナー濃度を検知するための透磁率によるトナーセンサ４４が具備されている。
【００４４】
このような現像装置４では一般的に磁気ブラシを形成するものが広く用いられており、トナーを内部に収容する現像ケーシング内に、トナーとキャリアを攪拌する現像剤攪拌パドル４２、攪拌された現像剤を現像剤担持体４１に供給する供給ローラ、トナー濃度を検出するトナーセンサ４４などを有し、かつ、トナーを感光体ドラム１に供給する現像剤担持体４１と、現像ローラに吸着した現像剤の層厚を規制する層厚規制板とを備えている。そして、現像ケーシングには、現像剤担持体４１を感光体ドラム１に接触させるための開口部が形成されている。
【００４５】
現像剤担持体４１は、マグネットローラと呼ばれ、現像ケーシングに対して非回転に設けられた固定磁石体と、その固定磁石体に対して所定方向に回転自在に外嵌された現像スリーブとで構成され、その固定磁石体は、現像剤を感光体ドラム１に供給するために複数の磁極を有している。この複数の磁極は、それぞれスリーブ表面に現像剤を吸着して搬送し、感光体ドラム１と接近する部分では、現像剤が穂立ちした状態の磁気ブラシを形成するように機能する。特に、感光体ドラム１に対向配置された磁極は、現像主極と呼ばれ、現像のために重要な役割を担っている。
【００４６】
現像スリーブの材質としては非磁性の金属が使用され、その表面は、トナーの保持や搬送、トナーへの良好な摩擦帯電電荷付与のために、適当な粗面に形成され、良好な現像を実現するために、現像の際には現像スリーブに現像バイアス電圧が印加される。この現像バイアス電圧としては、ＡＣ電圧、ＤＣ電圧またはこれら両者を重畳した電圧が使用される。そのため、現像スリーブの材質としては導電性を有する金属材料が使用される。
【００４７】
一方、現像剤としては、磁性トナーからなる１成分磁性現像剤、非磁性トナーからなる１成分非磁性現像剤、本発明に用いられる非磁性トナーと磁性キャリアとからなる２成分現像剤があり、使用する現像剤に応じて現像スリーブの材質が選択される。この磁性キャリアは、鉄粉、フェライト粉末、ニッケル粉末等若しくはそれらの表面を有機重合体で被覆したものであり、また、トナー粒子は樹脂中に着色顔料や染料等の添加物を分散したものである。
【００４８】
次に、本発明の現像装置４に用いられるトナー濃度センサ（トナーセンサ４４）について説明する。
この現像装置４においては、２成分系現像剤を用い、現像剤を撹拌して摩擦によってトナーを帯電させ、この帯電トナーを感光体ドラム１上に形成された静電潜像に静電気的に付着させ可視像を形成している。この種の現像装置ではトナー濃度を測定するためのトナー濃度センサ（トナーセンサ４４）として透磁率センサを用いる。トナー濃度を測定する透磁率センサは、透磁率によって磁性体である磁性キャリア濃度を検知するものである。従って、図３に示すように、トナー濃度が低いときにはトナー濃度センサ出力ＶＴは高くなり、トナー濃度が高いときにはトナー濃度センサ出力ＶＴは低くなる。つまり、図３において、トナー濃度がＴ0からＴ1に減少すると、それぞれに対応する透磁率センサ出力値は、ＶT0からＶT1に増加するものである。実際にはトナーセンサ４４は２４Ｖの電源供給を受けて、現像剤中のトナー濃度によって０〜５Ｖの出力を行い、トナー濃度が高い場合は小さい出力、低い場合大きい出力を示す。
【００４９】
次に、現像装置によるトナー濃度の制御について説明する。
図４は、この現像装置のトナー濃度制御部分を示す要部ブロック図である。この制御部５１は、トナーセンサ４４の検出信号に基づいてトナー消費速度、印字率、トナー供給速度等を判定する判定手段５２と、判定手段５２の判定結果やトナー供給時間記憶部材４８の信号に基づいて、トナー補給駆動手段６０や現像駆動手段６１を制御してトナー供給部材４６，４７、現像剤担持体４１及び現像攪拌パドル４２を駆動するトナー供給制御手段５３とからなる。
現像装置４は、制御部５１により制御されているわけであるが、この制御部は、画像形成装置の各部を制御する機能を有するものである。しかし、この図では、トナー濃度制御に関する部分だけ抽出して記載している。
この図に基づいて、以下にトナー濃度の具体的実施例について説明する。
【００５０】
＜実施例１＞
トナーセンサ４４の検出結果に基づいて、制御部５１がトナー濃度制御を行う実施例１について説明する。なお、実施例１においては、トナー供給時間記憶部材４８による制御は対象としていない。
【００５１】
まず、制御部５１のトナー供給制御手段５２は、トナーホッパー４５内のトナー供給部材４６，４７をトナー補給駆動手段６０により駆動し、トナー濃度が６．０％に調整された未使用現像剤を現像剤収容容器４３に投入する。次にトナー供給制御手段５２は、現像駆動手段６１を通じて現像剤坦持体４１を速度３６６ｍｍ／ｓにて駆動して、図５に示すように、１２０秒間攪拌する。制御部５１の判定手段５２は、最終１．８秒のトナーセンサ出力値のサンプリング平均値で制御電圧を決定する。その後の電源投入や印字動作における現像剤担持体４１の駆動におけるトナー補給制御は、判定手段５２が図６に示す様に６００ｍｓの区間の後半５４０ｍｓ内の１０ｍｓ毎のトナーセンサー出力の平均値を制御電圧と比較し、出力電圧が高い場合は、トナー供給制御手段５２がトナー補給駆動手段６０によりトナー供給部材４６及び４７を駆動することによって、トナーホッパー４５内のトナーが現像剤収容容器４３へ補給される。さらに、現像駆動手段６１を通じて現像剤攪拌パドル４２を駆動して攪拌し、常時一定のトナーセンサ出力、つまり一定のトナー濃度になるようにトナー補給が制御される。常時一定のトナーセンサ出力が確保された現像剤は現像剤担持体４１で坦持され、感光体ドラム１へ搬送され現像される。
【００５２】
前述のトナー濃度制御において、その消費と補給の関係を説明する。
今、ｔ時間トナー補給駆動部材を駆動した際に、トナーがｈグラム補給され、出力電圧がＶ１からＶ２に変化した際、これらは以下のように表せる。
【００５３】
（Ｖ２−Ｖ１）＝ｋ｛（Ｔ＋ｈ）／（Ｃ＋Ｔ＋ｈ）−（Ｔ）／（Ｃ＋Ｔ）｝
ｋ＝定数、Ｔ＝現像剤中のトナー質量、Ｃ＝現像剤中のキャリア質量、ｈ＝補給されたトナー質量
【００５４】
現像剤質量に比較して、補給されたトナー量は圧倒的に小さいので、（Ｃ＋Ｔ）≒（Ｃ＋Ｔ＋ｈ）とすることが出来る。また（Ｃ＋Ｔ）は既知の値であるので、ａ＝ｋ／（Ｃ＋Ｔ）とすることが出来る。これにより上の式は
ΔＶ＝ａ＊ｈ
ΔＶ＝（Ｖ２−Ｖ１）
となる。
すなわち、ｔ時間トナー補給駆動手段６０を駆動した際の出力の変化は、補給量の関数とすることが出来る。
【００５５】
次に、本発明に関わるトナー消費速度、強いては印字率やトナー補給速度の判定について説明する。
高い印字率パターンを多数枚連続印字した時の現像剤中のトナー消費速度は速くなるが、前述のようにトナーセンサ４４の出力に対する判定に基づくトナー補給によって、トナー補給が追従できる限り、トナーセンサ出力は平均的には常に一定の値を保つ事になる。しかしながら瞬時瞬時のトナーセンサ出力に着眼してみると、トナーセンサ４４はトナーが消費された直後はトナー濃度が下がったことに対応する出力、つまり制御電圧より高い電圧を出力し、よりトナーが消費された場合は更に低いトナー濃度、つまり更に高い電圧出力を示す。
【００５６】
つまり、現像剤中の瞬時瞬時のトナー消費速度は、そのタイミングに対応したトナーセンサ出力の変動のうち、トナー濃度が瞬間的に低くなる、つまりトナーセンサ出力が高くなることにあらわれることになる。逆に言うならば、トナーセンサ出力の瞬時の増大量が大きい場合や、この現象が頻繁に発生している状態は現像剤中のトナー消費速度が速いこと、強いては高い印字率パターンを印字している、更には急速にトナー補給を行っている事を意味している。
【００５７】
この状態を定量的に把握する為に、高い印字率パターンを多数枚連続印字した場合などの急速なトナー消費状態にある事の判定により何らかの対応が必要になるまでの時間区間において、短いサンプリング周期にてトナーセンサ出力をサンプリングし、その区間内でのｎ回のサンプリング回数にて得られたｎ個のトナーセンサ出力データを用いて、標準偏差を算出し、これを利用する。ここで得られた標準偏差が大きければ大きいほど、所定時間区間でのトナーの消費速度が速いと判断する事が出来る。つまり高い印字率パターンを印字している、更には急速にトナー補給を行っていると判断する事が出来る。
【００５８】
このような方法を用いて、トナー消費速度、強いては高い印字率パターンを印字している、更には急速にトナー補給を行っている事を判定して、このような状態に陥った場合に発生しうるカブリ等の諸問題を解決する為の対応制御を実行するものである。
【００５９】
前述のトナー消費速度が速い状態では、その消費分を補おうとする為に、トナーホッパーからのトナー供給回数が多くなり、ある所定時間内の総トナー補給量が多くなる。この状態は、前述の印字動作時のみならず非印字動作においても存在し、特にトナーエンド後等のトナー補給動作がその代表例である。よって、非印字動作におけるトナー補給が要因となり、直後の印字におけるカブリも同様に問題になる。この非印字動作における特にトナーエンド後等のトナー補給時のトナーセンサ出力データに着眼すると、補給開始時は制御値からかけ離れた値を示し、その後トナー補給に連れてその値は制御値に近づく。つまり、この場合の所定期間時間内で所定サンプリング周期にて得られた複数のトナーセンサ出力データは非常にばらついており、これらデータによる標準偏差が非常に大きくなる事は容易に想像できる。よって、印字動作と同様に、所定時間区間における短いサンプリング周期で得られたトナーセンサ出力データから算出される標準偏差が大きければ大きいほど急速なトナー補給を行っていると判断する事ができる。
【００６０】
次にトナー急速補給判定及びこれに基づくトナー濃度制御を以下に述べる。
以下に示す実施例は、上述した各電圧は、５Ｖを２５６分割した値数で管理・判定・制御を行う。つまり２．５０Ｖならば１２８の値数として以降、取り扱う事とする。
【００６１】
まず未使用現像剤を用いて制御値の決定を行ったところ、値数として１２６を得た。
この制御値数にて任意の印字率原稿にて１００枚連続印字を行った場合の、トナー急速補給であるか否かの判定について図６に従って説明する。印字動作開始信号に伴い現像並びに感光体を駆動するメインモーターが駆動を開始する。判定手段５２は、駆動開始＝２０秒後から＝３０秒の間の１０秒間における６００ｍｓ毎のセンサ出力の総数１６回の値に基づいて判定を行うが、判定を行う閾値を制御値である１２６とした。総数１６回のセンサ出力にて、閾値１２６に満たないｄａｔａ数は４個存在し、これら４データは全て１２６に変換した。この変換した値を含む計１６個の各々のデータにて標準偏差を求める事とした。
【００６２】
この方法にて印字率が３５％、２０％、６％の異なる３パターンにて１００枚の連続印字を行い標準偏差を求めたところ、図７に示す様に３５％では２．０８９、２０％では１．２１１、６％では０．４４７であった。
【００６３】
以上の結果から、算出した標準偏差が大きい場合は高印字率原稿を使用した印字、つまりトナー補給が非常に急速に行われている事がわかる。そこで算出された標準偏差が１．０００以上になった場合に、トナー急速補給であると判定し、次の制御を行う。逆に標準偏差が１．０００に満たない場合は、それまでの制御を継続する事とした。
【００６４】
駆動時間＝２０秒後から＝３０秒の間の１０秒間の標準偏差が１．０００以上と判定した場合、その時点から、それまで制御していた制御値数に補正量＝１０を加算した値で制御する補正を実行する。つまり前述の制御の場合、制御値は１２６から１３６に変更して印字終了まで制御することとした。この判定並びに制御方法を用いて、原稿印字率が３５％、２０％、６％の３種にて１００枚の連続印字を行ったところ、３５％及び２０％原稿では補正動作が適用され、印字率の異なる３パターンとも画像濃度は確保しつつ、カブリの無い良好な印字を１００枚継続する事ができた。
【００６５】
補正が実行されて終了した次の動作では、図８に示す様に、メインモーター駆動時間によって、補正量＝１０を補正解除期間＝１８０秒をかけて、徐々に解除する制御を行った。この制御により、補正を行った駆動終了後の次の印字動作でもカブリの無い良好な印字を得ることができた。尚、この補正解除期間内における駆動時間＝２０秒後から＝３０秒の間の１０秒間でも、前述同様の標準偏差による判定及び補正は行う。又、補正解除期間内にて駆動が停止した場合は、次の駆動でも継続して補正を解除する事とした。これらについては図１２、図１３に示す。
【００６６】
更に、非印字動作の一つであるトナーエンド後等のトナー補給動作においても、トナー急速補給であることの検知を図１４に示す様に、印字動作と同様の手法で行った。この動作におけるトナー補給はメインモーター駆動後から連続的に行われる為、判定手段５２は、駆動開始＝５秒後から＝１５秒の間の１０秒間における６００ｍｓ毎のセンサ出力の総数１６回の値に対して同様に判定を行った。総数１６回のセンサ出力は全て閾値１２６を越えている、つまり、トナー補給が常時行われている事を意味している。次いで計１６個の各々のデータにて標準偏差を計算したところ、図１５に示す様に２．４２２であった。ここでのトナー急速補給である判定基準は、前述の印字動作時と同様標準偏差が１．０００以上の場合として、更にトナー急速補給であると判定した場合は、その時点から、トナー供給制御手段それまで制御していた制御値数に補正量＝５を加算した値で制御する補正を実行した。つまり前述の制御の場合、制御値は１２６から１３１に変更して、トナーセンサ出力が１３１に到達するまでトナー補給並びに駆動を行い、マシンをＲｅａｄｙ状態にする制御を行った。この制御により、補正を行いマシンがＲｅａｄｙ状態になった後の印字動作でもカブリの無い良好な印字を得ることができた。尚、Ｒｅａｄｙ状態からの補正の解除は、解除期間を９０秒とする他は、印字動作時と同様の制御を行うものとした。
【００６７】
以上のように、トナーエンドなど現像剤中のトナー量が不足している場合や、現像剤中のトナー消費速度が速い場合に生じるトナーホッパーからのトナー急速補給を、判定手段５２がトナーセンサ出力の標準偏差で検知判定し、トナー供給制御手段５３が検知判定に対応したトナー濃度制御を行うことにより、カブリの無い良好な画質を得ることが出来た。
【００６８】
＜実施例２＞
実施例１におけるトナー急速補給判定の結果、制御値を変更する変わりにトナー補給を禁止した。図１６に示すように、３５％原稿連続１００枚印字において、トナー急速補給であると判定され時点から、トナーセンサ出力に依らずトナー補給を禁止する。この間も印字は継続されるので、トナーセンサ出力は上昇していくが、制御値に対して＝１０上回った出力になった時点で、禁止していたトナー補給を解除する。トナー消費速度以上のトナー補給が行えれば、トナーセンサ出力は制御値に向かうが、制御値まで復帰した時点で再度トナー補給を禁止する。以降この繰り返しを行い、１００枚の印字を終了したところ、カブリの無い良好な画質を得ることが出来た。
【００６９】
＜実施例３＞
実施例１や２にて用いるトナーホッパー４５は、未使用状態で７４５ｇのトナーが充填されており、且つ、図２に示す様にトナー供給時間記憶部材４８を有している。このトナー供給時間記憶部材４８は、トナー補給駆動手段６０により駆動されるトナー供給部材４６及び４７のトナーホッパー４５使用開始からの総駆動時間を記憶している。図１７には、トナーホッパー４５におけるトナー補給総駆動時間に対するトナー残量並びにトナー供給速度を示すが、トナー補給総駆動時間が長くなると急激にトナー供給速度は低下する。このような状態において実施例１で行った判定を行うと、トナー供給速度が速いと判定した場合でも、実際のトナー供給速度は非常に遅い状態であり、誤った判定をしてしまう。つまり、例えば６％原稿の連続印字でもトナー急速補給であると判断し、実施例１や２の制御を行い、結果的には画像濃度が不足する場合が考えられる。そこで、トナー供給制御手段５３が、トナー供給時間記憶部材４８が記憶しているトナー補給総駆動時間が９５分以上になった場合は、実施例１や２で行った判定による制御を禁止したところ、画像濃度は十分確保する事が出来た。
【００７０】
＜実施例４＞
判定手段５２は、実施例１における判定を行う場合に、閾値（＝制御値）に満たないセンサ出力ｄａｔａを全て閾値に変換したうえで、この変換した値を含む各々のデータにて標準偏差を求めているが、この実施例に対して閾値に満たないセンサ出力データもそのまま扱い標準偏差を求めた結果、図１８に示す関係が得られた。
【００７１】
この場合におけるトナー急速補給である判定基準は、標準偏差が１．５００以上とすることで、その後の補正制御を行うか否かを決定すればよい事がわかる。この方法にて判定並びに補正制御を行った結果、実施例１同様、３つの異なる印字率の連続印字においても、画像濃度やカブリは問題なく良好な画像を得ることができた。
図１８でわかるように、印字率による標準偏差の差異は、実施例１の方が大きい。つまり、より精度を求める場合は実施例１の判定方法が好ましい事になる。
【００７２】
＜比較例＞
実施例１におけるトナー急速補給判定及びこれに基づく補正を行わなずに、原稿印字率が３５％、２０％、６％の３種にて１００枚の連続印字を行ったところ、印字率が６％の場合は画像濃度は確保しつつ、カブリの無い良好な印字を１００枚継続する事ができた。しかし、印字率２０％になると許容限度限界のカブリが発生し、更に３５％の印字になるとカブリが非常に悪化し、耐えうる画像ではではなかった。
又、トナーエンド後のトナー補給直後のカブリも許容限度限界のカブリが発生し、何らかの対応が必要な事がわかった。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の現像装置によれば、所定区間時間において、前記トナー濃度センサの出力の標準偏差によって、トナー消費速度あるいは前記トナーホッパーからのトナー供給速度を判断するので、安価で、簡易的に、トナー消費速度若しくは供給速度をより顕著に検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２成分現像方式を使用した画像形成装置の構成を示す概略図である。
【図２】この画像形成装置の現像装置の構成を示す概略図である。
【図３】透磁率センサにおけるトナー濃度とセンサ出力の関係を示す図である。
【図４】現像装置のトナー濃度制御部分を示す要部ブロック図である。
【図５】未使用現像剤における制御電圧の決定を示す図である。
【図６】トナー補給の判定と制御を示す図である。
【図７】実施例１における３５％原稿連続印字時のトナーセンサ出力とその取り扱いを示す図である。
【図８】実施例１における原稿印字率３５％による被判定値演算結果を示す図である。
【図９】実施例１における原稿印字率２０％による被判定値演算結果を示す図である。
【図１０】実施例１における原稿印字率６％による被判定値演算結果を示す図である。
【図１１】実施例１で補正が行われた次の駆動での補正解除を示す図である。
【図１２】実施例１で補正解除期間中の再判定及び再補正を示す図である。
【図１３】実施例１で補正解除期間中駆動が途切れた場合の制御を示す図である。
【図１４】実施例１における非印字時のトナー補給における判定と補正を示す図である。
【図１５】実施例１における非印字時のトナー補給動作時の被判定値演算結果を示す図である。
【図１６】実施例２における３５％原稿連続印字時のトナーセンサ出力とその取り扱いを示す図である。
【図１７】代表的なトナーホッパーのトナー供給能力を示す図である。
【図１８】実施例４におけるトナー急速補給判定の比較を示す図である。
【符号の説明】
１ 感光体ドラム
２ 帯電手段
３ 露光手段
４ 現像手段
５ 転写手段
６ 剥離手段
７ 定着手段
８ クリーニング手段
４１ 現像剤担持体
４２ 現像剤攪拌パドル
４３ 現像剤収容容器
４４ トナーセンサ
４５ トナーホッパー
４６，４７ トナー供給部材
４８ ニア−エンド・トナーエンド時間及びトナー供給時間記憶部材
５１ 制御部
５２ 判定手段
５３ トナー補給制御手段
６０ トナー補給駆動手段
６１ 現像駆動手段
Ｔ トナー
Ｐ 記録材
Claims (6)
- トナーとキャリアからなる現像剤を用いる現像装置において、
現像剤を収容している現像槽と、
トナーを収容しているトナーホッパーと、
トナーホッパーから現像槽にトナーを供給するトナー供給手段と、
トナー濃度を検知してトナー濃度を信号に変換した出力を行うトナー濃度センサと、
所定サンプリング周期にて得られたトナー濃度センサ出力信号の平均値と、トナー濃度が低いことを判定するための基準となる制御値とを比較して、トナー濃度が低いと判定された場合に前記トナー供給手段を制御しトナー補給を実行させる制御手段とを有し、
前記制御手段は、制御値に対してトナー濃度が高いトナー濃度センサ出力信号を全て制御値に変換した上で、所定区間時間における前記トナー濃度センサ出力信号の標準偏差を求め、該標準偏差が所定値以上の場合は、急速なトナー補給であると判断して制御値をトナー濃度が低い方に変更することを特徴とする現像装置。 - 前記所定区間時間は、印字動作と非印字動作で異なることを特徴とする請求項１記載の現像装置。
- 前記制御手段は、求めた標準偏差が所定値以上の場合、制御値の変更量を、印字動作と非印字動作で異なるようにしたことを特徴とする請求項１記載の現像装置。
- 前記制御手段は、制御値を変更した場合、前記トナー供給手段によるトナー補給が終了し次のトナー補給開始直後は変更した制御値で制御を開始し、補給時間に伴って徐々に変更前の制御値に変化させることを特徴とする請求項１記載の現像装置。
- 前記制御手段は、印字動作中において、求めた標準偏差が所定値より大きい場合、トナー補給を禁止し印字動作を継続し、トナー濃度センサ出力信号が制御値から一定値以上はなれた時点でトナー補給禁止を解除し、解除後、トナー濃度センサ出力信号が制御値に達した時点で再度補給を禁止することを特徴とした請求項１記載の現像装置。
- 前記制御手段は、前記トナー供給手段による補給時間が所定時間以上になった場合、トナー補給を禁止することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の現像装置。
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