JP4280585B2

JP4280585B2 - 画像形成装置における現像方法

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Publication number: JP4280585B2
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Inventors: 桂輔礒田; 雄二神山
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Description

本発明は、電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機などの画像形成装置における現像方法に係り、特に、磁性キャリアを用いて非磁性のトナーを帯電させる２成分現像剤を使用し、現像ローラ上に帯電されたトナーのみを保持させて静電潜像に飛翔させ、該潜像を現像するようにしたハイブリッド型現像装置を有する画像形成装置において、現像ローラ上のトナー層厚を常に安定させられるようにした画像形成装置における現像方法に関するものである。

電子写真方式を利用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、それらの複合機などの画像形成装置における現像方式には、トナーと磁性キャリアを用いた２成分現像方式、絶縁トナーや導電トナーを用いた１成分現像方式、磁性キャリアを用いて非磁性のトナーを帯電させる２成分現像剤を使用し、現像ローラ上に帯電されたトナーのみを保持させて静電潜像に飛翔させ、該潜像を現像するようにしたハイブリッド現像方式などがある。

２成分現像方式は、キャリアによるトナーの帯電性に優れ、長寿命化が可能であると共にベタ画像の均一化などの利点がある反面、現像装置が大きく複雑になる、トナー飛散やキャリア引きが発生する、キャリアの耐久性によって画質が変化するなどの欠点がある。また１成分現像方式は、現像装置がコンパクトになってドット再現性に優れているが、現像ローラ、チャージローラの劣化のために耐久性が低く、現像装置を交換するため消耗品価格が高価になる、選択現像が発生するなどの欠点を有している。ハイブリッド現像方式は、ドット再現性に優れて長寿命化、高速の画像形成が可能な方式ではあるが、従来では、現像ゴーストの発生やトナー粒度分布の変化に伴って現像剤中に微粉トナーが増え、この微粉トナーによるキャリア表面が汚染されて帯電量が低下し、現像装置からのトナーの飛散、現像ローラ上への微粉トナーの付着などの問題があった。

そしてハイブリッド現像方式は、従来、非接触の１成分現像の手段として検討されてきたが、近年、高速の画像形成が可能な現像方式として、特に感光体（感光体）上に複数のカラー画像を順次形成する１ドラム色重ね方式用としても検討されてきた。この方式では、感光体上に正確にトナーを重ねることで色ズレの少ないカラー画像形成が可能であり、カラーの高画質化に対応する技術として注目されてきた。

しかしながらこの１ドラム色重ね方式では、使用する色数分の現像装置を感光体の周りに配置せねばならないから、感光体が大型になり、画像形成装置の小型化の妨げになる。そのため、使用するトナーの色に対応した複数の電子写真プロセス部材を並べて配置し、転写部材の送りに同期させてカラ−画像を形成して転写部材上で色重ねを行うタンデム方式が注目されてきた。しかしながらこの方式では、高速性に優れている利点があるものの、各色の電子写真プロセス部材を並べて配置しなければならないために大型化する欠点を有していた。この対策として感光体同志の間隔を狭くし、小型化した画像形成ユニットを配置した小型タンデム型画像形成装置が提案されている。

このように構成された小型のタンデム型画像形成装置においては、画像形成ユニットの幅方向のサイズを極小にするため、現像装置を縦型とすることが有利である。すなわち、感光体の上部方向に現像装置を配置することがレイアウト上望ましい。しかしながら従来の２成分現像方式では、このように現像装置を縦型に配置した場合、現像剤の還流、すなわち現像剤攪拌部から感光体に近接した現像部材への供給が複雑になり、装置の小型化に限界が生じると共に感光体へのキャリアの付着、トナーの飛散が避けられないという間題があった。

他の方法として、キャリアを用いない１成分現像方式も提案されているが、現像ローラを感光体に接触する方式では感光体のトルク変動をきたし、タンデム型の弱点である色ずれを助長させてしまう欠点があった。また、感光体に非接触な方式では、トナーをチャージロールで帯電させ、弾性規制ブレードで現像ローラ上の層厚を規制していたため、トナーの添加剤がチャ−ジロールに付着して帯電能力が低下したり、規制ブレードにトナーが付着し層形成が不均一になってしまい、画像欠陥をきたすことがあった。

そのため、これらの問題を解決する手段の一つとして、前記したハイブリッド現像方式が注目されてきた。すなわちハイブリッド現像方式では、現像ローラが感光体と非接触であるからトルク変動をきたすことがなく、ドット再現性に優れて長寿命化が可能な高速の画像形成装置が提供できる。

こういった技術に関する従来技術としては、特許文献１に静電潜像担持体に対して非接触に設置したドナーロール（現像ローラ）上に非磁性トナーで薄層を形成し、交流電界によって静電潜像担持体上の潜像に該トナーを飛翔させる提案がなされている。また特許文献２には、磁気ロールを用いて現像剤をドナーロールに進ませ、このドナーロール上にトナーを転移させてトナー層を形成する現像装置が示されている。

しかしながらこれらの提案では、２成分現像剤を採用してドナーロール上への薄層形成は可能なものの、トナーの帯電が高くなった場合にドナーロール上のトナーの分離が困難になり、強い交流電界が必要とされる。この電界が静電潜像担持体上のトナー層を乱してしまうので、色重ねなどには間題を有していた。そのため特許文献３には、ドナーロールと静電潜像担持体の間にワイヤからなる補助電極を設け、この補助電極に弱い交流電界を印加して現像されたトナーを乱さないようにした、いわゆるパウダ−クラウド現像法が提案されている。

そして理論面では、非特許文献１で東芝（株）から、２成分現像剤を用いた現像ローラ上のトナー層の形成についての報告がなされ、特許文献４に特許としての出願がある。

また上記した従来の技術は、現像性の高いトナーの粗粉が選択的に静電潜像担持体に現像されやすく、連続印刷を行うと帯電性の高いトナーの微粉が現像スリーブに堆積して選択現像が起こりやすく、画像濃度の低下が生じる傾向があった。さらに、トナーの帯電制御が複雑で、静電潜像担持体に高い表面電位と大きな現像電界を印加することを必要としていた。そのため、現像ローラ上にトナーの消費領域と非消費領域とが生じると、その現像ローラ上におけるトナーの付着状態とトナーの電位差にばらつきが生じる関係から、前の現像画像の一部が次の現像時に残像（ゴースト）として現れる現象、いわゆる履歴現象が発生しやすいという不具合がある。さらに、高濃度の現像パターンを連続して印字した場合、描画後のトナーの需要と供給のバランスが悪く、現像ローラ上のトナー層形成が良好に行われず、画像濃度にムラが生じるなどの画像不均一性がおこりやすく、現像装置を小型化する場合の課題となっていた。

これを防止し、現像ローラ上のトナーを確実に回収する方法として特許文献５には、専用の回収ロールを用いる提案がなされている。しかしながらこれらの方法は、複雑な機構が必要で小型の電子写真プロセスには実用化されていない。さらに磁気ブラシを用いた履歴現象の対応策として特許文献６に、磁気ロールの磁束密度の半値幅領域を広く設定することにより、現像ローラ上のトナーの回収と供給を図る提案がなされている。また、タンデム型の現像装置の制御方法として特許文献７には、転写工程を行っている画像形成部以外の画像形成部における現像装置の動作を停止させ、現像剤の劣化を防ぐようにした出願がなされている。

またこういったハイブリッド現像方式においては、選択現像による画像濃度低下、トナーを現像ローラに保持させたまま長時間放置することによる現像欠陥、画像劣化、現像ゴースト、トナー飛散、スリーブ付着などが生じるため、特許文献８（特許文献９）には、２成分現像剤による磁気ブラシを形成する磁気ロールと、この磁気ロールから供給されたトナーの薄層を担持するドナーロール（現像ローラ）と、このドナーロールと静電潜像担持体との間に設けられた電極とを有し、この電極には直流と交流からなるバイアスを、現像ローラには直流バイアスを、そして磁気ロールにはスイッチで異極性となる電圧に切り替えられるようにした直流バイアスを印加するよう構成し、コピーとコピーの間や紙間を利用して、電位差で現像ローラ上のトナーを磁気ロールに回収することで、トナーの帯電を安定化させて上記問題点を解決するようにしたハイブリッド型現像装置が示されている。

また特許文献１０には、前記特許文献８に示された現像ローラと静電潜像担持体との間に電極を設ける方式につき、電気的にバイアスされて張力のかかった電極線の振動による不均一な現像や、塵が瞬間的に電極に付着して現像ローラに条痕を生じさせる現象が生じるとして、電極を埋め込んだ現像ローラを用いたハイブリッド型現像装置が従来例として紹介され、さらにこの電極を埋め込んだ現像ローラを用いた場合でも、現像ローラ上に付着したキャリアの画像への付着、現像ローラに埋め込んだ電極が所定間隔を持っているため静電潜像担持体へのトナー供給効率が悪く、画像比率が高い画像を連続して現像処理した場合に画像抜けを生じる現象、磁気ロールと現像ローラへ印加する交番バイアスで選択現像が生じ、画質低下、濃度低下を生じる現象などを防止するようにしたハイブリッド型現像装置が示されている。

しかしながら前記特許文献３に記載されたパウダークラウド現像法は、補助電極のワイヤが非常に汚れやすく、また、振動による画像劣化等が発生するため、あまり一般的な方法とはなっていない。さらに特許文献５、特許文献６などに示された装置も、トナーの掻き取り装置や回収ロールの設置が必要であったり、特別な回収バイアスの印加などによってトナーのストレスが増し、トナーの耐久性能劣化の要因になったり、次の現像タイミングでの現像ローラの層形成に時間を要し、高速性を損なったりしていた。また長期使用時に、キャリアの耐久性能劣化によってトナーの帯電性が変化し、現像ローラ上のトナーの帯電特性が大きく変化して補給トナーや回収トナーの帯電の分布が広くなり、帯電不良によるトナーの飛散やカブリの原因になっていた。さらに劣化したキャリアの交換の煩わしさがあり、実用にはいたっていないのが実情である。

また、タンデム型の現像装置の制御方法としての特許文献７に示された装置は、転写工程を行っている画像形成部以外の現像装置の動作を停止させたり、現像ローラと磁気ロール間に印加する高圧を高周波数で切り替える装置や制御が必要であり、高価にならざるを得ないと共に、現像装置はトナーロールや磁気ロール、及び撹拌部材を横に並べた構成となっており、小型化が難しいという欠点がある。

また、特許文献８（特許文献９）、特許文献１０に示された装置も、特許文献８のものは前記したパウダークラウド現像法であって、補助電極のワイヤが非常に汚れやすく、振動による画像劣化等が発生する。さらに特許文献１０に示された装置も、現像ローラに電極を埋め込む必要があると共にこの電極にＡＣとＤＣを重畳したバイアスを供給するためのブラシ電極が必要な複雑な構成であり、電極が周方向に断続していると共に、ブラシ電極が何らかの理由で汚れたり振動などでトナーが固着し、現像ローラの電極に接触できなくなると全くトナーの制御ができなくなる。

さらに、特許文献８（特許文献９）、特許文献１０に示された装置においては、画像形成完了時に現像ローラから磁気ロールへトナーを回収し、再度の画像形成に際してスイッチを切り替え、磁気ロールから現像ローラへトナーを移動させる方向の直流バイアスを印加するようにしているが、トナーを磁気ロール側から現像ローラに再供給する際、図９におけるＡのラインで示したように、現像ローラ上に何もトナー層がないと最初の１周目で形成される層厚が薄くなる。そのため、トナー層形成の２周目である程度の厚さの層が形成されても、その状態で高濃度の印字を行った場合、形成されたトナーが殆ど使用されてしまい、次の３周目の印字は、図９におけるＢのラインのようにトナー層厚が薄い状態で印字がされて、その分、イメージ先端の画像濃度が低下することがある。またこういった現象は、現像ローラへの再供給時だけでなく、現像開始時にも生じることがあり、さらに、温度や湿度などの周囲環境の変動によっても生じることがある。

そのため特許文献１１、特許文献１２には、１成分現像剤を用いた現像装置ではあるが、現像ローラから中間ローラを介して感光体上の潜像を現像するようにした画像形成装置においては、耐久において現像装置内の添加剤量の増加、逆極性に帯電したトナー、帯電極性を持たないトナー、帯電が低いトナーが増加などにより、トナーの流動性が悪くなって黒ベタ濃度の低下や細線の欠落、感光体の地肌汚れなどの不具合が発生するため、感光体上のトナー濃度、現像ローラと中間ローラの表面電位などを検出し、画像濃度が所定値以下になったときは現像ローラへのバイアスを変化させて中間ローラに付着させるトナー量を増加させたり、現像ローラと中間ローラとの電位差を設定し、逆極性トナーなどが転移しないようにした現像装置が示されている。

また特許文献１３には、１成分現像剤を用い、トナーを現像ローラで搬送して現像するようにした現像方法において、印字に使用されないトナーはリセットローラで掻き落とすようにしているが、かなりの量のトナーが残り、ドクターブレードに搬送されるために新しいトナーとの帯電量が異なる現象が生じ、残像が発生していたため、印字領域と非印字領域とで、ドクターブレード、リセットローラなどに印加する電圧を異ならせ、トナーの帯電量が一定となるようにした現像方法が示されている。

さらに特許文献１４には、画像形成装置における感光体ドラムは、露光によって感度特性が変化していく場合があるため、定期的に感光体の表面電位や画像濃度を検出し、トナー濃度が所定値となるよう感光体帯電出力設定、現像ローラ現像電圧出力設定を最適化する画像調整プロセス制御手段を設け、プリント枚数が所定値になる毎に画像調整プロセスモードを実行し、調整後の出力値を不揮発性メモリに記録するようにした画像形成装置が示されている。

米国特許第３，８６６，５７４号公報米国特許第３，９２９，０９８号公報特開平３−１１３４７４号公報特開昭５９−１２１０７７号特開２０００−８１７８８公報特開平７−１２８９８３号公報特開昭６３−２４９１６４号公報特開平７−７２７３３号公報ＵＳＰ５，４２０，３７５号公報特開２０００−２５０２９４号公報特開平７−２６１４６８号公報特開平８−２０２１５９号公報特開平９−３２９９５８号公報特開２００３−８４５１３公報電子写真学会誌第１９巻第２号（１９８１）第４４頁〜第５１頁、「タッチダウン現像法」東芝（株）、保坂靖夫、米田等

しかしながら特許文献１１、１２、１３に示された装置は、ハイブリッド現像装置とは異なる１成分現像剤を用いた現像装置であってトナーを感光体に対面した現像ローラに保持させるプロセスが異なり、画像形成完了時に現像ローラから磁気ロールへトナーを回収し、画像形成に当たって再度現像ローラ上にトナー層を形成するなどのことは行っておらず、また特許文献１４に示された装置も、感光体ドラムの感度特性の変化に対処するようにしたものであって、前記図９で説明したような、現像ローラ上に何もトナー層がないと最初の１周目で形成される層厚が薄くなるといった現象に対する対策とはならない。

上記の事情に鑑み本発明は、現像装置を複雑にすることなく、長期にわたって現像ローラ上のトナー層厚を常に安定させ、濃度変化のない安定した画像を維持するための画像形成装置における現像方法を提供することが課題である。

上記課題を解決するため本発明においては、
キャリアとトナーからなる２成分現像剤を帯電させて現像剤搬送用磁気ロールに磁気ブラシとして保持させ、該磁気ブラシから現像ローラへトナーを搬送する搬送バイアスとを利用して現像ローラ表面にトナーのみの薄層を形成し、前記現像ローラと静電潜像担持体の間に印加した現像バイアスによって静電潜像担持体上の潜像の現像を行うと共に、所定時期に、前記搬送バイアスを変化させて前記現像ローラ上の残留トナーを前記磁気ロールに回収するようにした画像形成装置における現像方法において、
前記静電潜像担持体上に、前記現像ローラ上のトナー層厚を検知するため、前記現像ローラの現像バイアスを印加し始めてから２周目に形成されたトナー層を用いたベタパターンと、次の１回転の間に形成されたトナー層を用いたハーフトーンパターンとを配したトナー層厚検知用パターンを顕像化させ、該静電潜像担持体上のトナー層厚検知用パターン、または前記静電潜像担持体上のトナー層厚検知用パターンを転写された転写体上のトナー層厚検知用パターンにおけるトナー濃度を濃度センサにより検出し、該検出したトナー濃度によって前記現像ローラ上のトナー層を所定層厚に制御するようにしたことを特徴とする。

そして、前記検出したトナー濃度により行う前記現像ローラ上のトナー層厚を所定層厚にする制御は、前記磁気ブラシから現像ローラへトナーを搬送する搬送バイアスを制御して行うようにする。

また、前記検出したトナー濃度により行う前記現像ローラ上のトナー層厚を所定層厚にする制御は、前記ハーフトーンパターンにおけるトナー濃度を検知し、前記磁気ブラシから現像ローラへトナーを搬送する搬送バイアスを制御しておこなう。

また、前記トナー層厚検知用パターンにおけるハーフトーンパターンは、印字率１０乃至４０％の間であり、前記濃度センサは、反射型濃度センサであることが好ましい。

このように、静電潜像担持体上に現像ローラ上のトナー層厚を検知するため、現像ローラの現像バイアスを印加し始めてから２周目に形成されたトナー層を用いたベタパターンと、次の１回転の間に形成されたトナー層を用いたハーフトーンパターンとを配したトナー層厚検知用パターンを顕像化させ、この静電潜像担持体上のトナー層厚検知用パターン、または静電潜像担持体上のトナー層厚検知用パターンを転写された転写体上のトナー層厚検知用パターンにおけるトナー濃度を濃度センサにより検出し、該検出したトナー濃度によって前記現像ローラ上のトナー層を所定層厚に制御するようにしたことにより、ベタパターン形成で消費された現像ローラ上のトナー層が、次の１回転の間にどの程度の層厚で形成されるかをハーフトーンパターンで構成された層厚検知用パターンによって確実に知ることができ、それによって現像ローラ上のトナー層厚を制御することで、常に一定した適切な層厚制御をおこなうことができる現像方法を提供できる。

そして、前記検出したトナー濃度により行う前記現像ローラ上のトナー層厚を所定層厚にする制御は、前記磁気ブラシから現像ローラへトナーを搬送する搬送バイアスを制御して行うことにより、簡単な構成で適切な層厚制御をおこなうことができる。

また、前記検出したトナー濃度により行う前記現像ローラ上のトナー層厚を所定層厚にする制御は、前記ハーフトーンパターンにおけるトナー濃度を検知し、前記磁気ブラシから現像ローラへトナーを搬送する搬送バイアスを制御しておこなうことにより、ハーフトーンパターンは濃度センサによる濃度の検出に最適であり、微妙な濃度変化に対応できるから、環境変動に依存しない、常に安定した出力画像が得られる画像形成装置における現像方法を提供できる。

さらに、前記トナー層厚検知用パターンにおけるハーフトーンパターンは、印字率１０乃至４０％の間、好ましくは印字率が略２５％のパターンとすることで、濃度の検知をより確実にし、前記濃度センサを、反射型濃度センサとすることにより、簡単にトナー濃度を検出することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は本発明になる現像方法を実施する画像形成装置の一実施例の模式図、図２は本発明になる現像方法を実施するハイブリッド型現像装置の概略構成図、図３は本発明になる画像形成装置における現像装置の現像ローラ上に形成されるトナー層の厚さと現像ローラの回転数の関係を説明するための図、図４は本発明になる画像形成装置における現像方法のフロー図、図５は濃度センサ出力値と現像ローラ上のトナー層厚の関係を示したグラフ、図６はトナー濃度センサの一概略構成例、図７は印字率とトナー濃度センサ出力電圧との関係を示したグラフ、図８は本発明になる現像方法に用いる像担持体上に設けるトナー層厚検知用パターンの一実施例である。

図中１は非磁性金属材料で円筒状に形成され、内部に複数の固定磁石が配設されて該固定磁石の周囲を回転可能としたスリーブ状の磁気ロール、２は磁気ロール１上に形成される磁気ブラシによってトナーの薄層を形成される現像ローラ、３は感光体（静電潜像担持体）ドラム、４は現像剤を構成するキャリア、５は同じくトナー、６は現像ローラ２上に形成されたトナー薄層、７ａは現像ローラ２へ直流（ＤＣ）バイアスＶ_ｄｃ１を印加する電源、７ｂは同じく現像ローラ２へ交流（ＡＣ）バイアスＶ_ａｃを印加する電源、８は磁気ロール１へ直流（ＤＣ）バイアスＶ_ｄｃ２を印加する電源、９は磁気ロール１上に形成された磁気ブラシの高さを一定に保つための穂切りブレード、２０は画像形成装置、５０Ａは画像形成装置２０のブラック用現像装置、５０Ｂは同じくイエロー用現像装置、５０Ｃは同じくシアン用現像装置、５０Ｄは同じくマゼンタ用現像装置、５３は記録紙を収容した給紙カセット、５４は記録紙を搬送するための無端状ベルト、５６は感光体ドラム３を帯電するための帯電器、５７は帯電された感光体ドラム３を露光して潜像を形成するための露光器、５８は現像されたトナー像を記録紙に転写するための転写装置、５９はトナー像を転写された記録紙上のトナー像を定着するための定着装置、６０はトナー、６１はＬＥＤなどを用いた発光素子、６２は発光素子６１からの光を、トナー６０がある感光体ドラム３方向と、この発光素子６１の発光量を検出し、フィードバック回路により光量を一定に保つためのモニタ用受光素子１（ＰｈｏｔｏＤｅｔｅｃｔｏｒ）６３方向に向かわせるためのビームスプリッター１（ＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ）、６４は感光体ドラム３上のトナー６０で反射された光を、受光素子３（ＰｈｏｔｏＤｅｔｅｃｔｏｒ）６５、受光素子２（ＰｈｏｔｏＤｅｔｅｃｔｏｒ）６６に分けるためのビームスプリッター２（ＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ）である。なお、タンデム型画像形成装置においては、感光体ドラム（静電潜像担持体）３の周りに設置する帯電器５６、露光器５７、現像装置５０、転写装置５８、クリーニング装置などをコンパクトに設計することが重要であり、本発明においては、現像装置５０は感光体ドラム３に対して隣接し、略垂直の方向に配置される。

このうち感光体ドラム（静電潜像担持体）３の材料としては、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）感光体、有機感光体（ＯＰＣ）などを用いることができる。正帯電有機感光体（正ＯＰＣ）は、オゾンなどの発生が少なくて帯電が安定しており、特に単層構造の正帯電有機感光体は、長期にわたる使用によって膜厚が変化した場合においても感光特性に変化が少なく、画質も安定するため長寿命のシステムには好適である。そして、正帯電有機感光体を長寿命のシステムに用いる場合、膜厚を２０μｍから４０μｍ程度に設定することが好ましい。２０μｍ以下の場合は、膜厚が減少して１０μｍ程度になったときに絶縁破壊によって黒点の発生が目だってくる。また、４０μｍ以上とした場合は感度が低下し、画像濃度低下の要因となる。

露光器５７は、半導体レーザ、もしくはＬＥＤを用いることができる。正帯電有機感光体を用いた場合は７７０ｎｍ付近の波長が有効であり、アモルファスシリコン感光体の場合は６８５ｎｍ付近の波長が有効である。以下本発明においては、感光体ドラム３として正帯電有機感光体を用い、露光器５７の光源としてＬＥＤを用いた場合を例に説明してゆく。

現像ローラ２の最表面は、均一な導電性のアルミニウム、ＳＵＳ、導電樹脂被覆などからなるスリーブで構成する。そしてそのシャフト部には、直流（ＤＣ）バイアス（Ｖ_ｄｃ１）７ａ、交流（ＡＣ）バイアス７ｂを接続し、回転する現像ローラ２と感光体ドラム３、及び磁気ロール１との間にこの直流と交流を重畳したバイアスが作用するようにする。そして、この交流バイアス７ｂが供給する交流成分は、デューティ（Ｄｕｔｙ）比を５０％以下の矩形波で構成する。本発明においては、一例として直流バイアス（Ｖ_ｄｃ１）７ａを１００Ｖ、交流バイアス７ｂをＶｐｐが１．５ｋＶ、周波数３．０ｋＨｚ、デューティ（Ｄｕｔｙ）
比３０％に設定した。このように直流バイアス（Ｖ_ｄｃ１）７ａと交流バイアス７ｂを現像ローラ２に直接印加することによって、現像時に現像ローラ２と感光体ドラム３、及び、磁気ロール１との間に鋭いバイアス成分を印加することができ、現像開始時のトナー層形成の反応を良くすることができる。また、感光体ドラム３上の潜像に対して良好な現像性と共に、磁気ロール１に対してのトナー薄層６の回収性が高まり、連続印字の安定性が改善される。感光体ドラム３と現像ローラ２との間隔は、一例として約２５０μｍとしてこの間にワイヤ電極等は用いない。

トナー５は、選択現像性を回避するために粒度分布を規定することが重要である。一般的にトナーの粒度分布の広がりはコールカウンターで測定され、粒度分布の広がりは、その体積分布平均粒径と個数分布平均粒径の比でもって表現される。選択現像を防止するためにはその比率を小さくすることが重要である。分布が広いと、連続印刷時に現像ローラ２に比較的粒度の小さなトナーが堆積し、現像性を低下させる。本発明においては、正帯電のトナーを用いる場合を一例として説明するが、前記したバイアスとの関係を逆にすることで、負帯電のトナーを用いた場合でも同様に構成できることは自明である。

キャリア４としては、マグネタイトキャリア、Ｍｎ系フェライト、Ｍｎ−Ｍｇ系フェライトなどを用いることができ、適正な抵抗値を上げない範囲で表面処理して用いることも可能である。本発明では一例として、体積固有抵抗が１０^８Ωｃｍ^３にシリコーン樹脂被覆をし、飽和磁化が４０ｅｍｕ／ｇ、平均粒径３５μｍのフェライトキャリアを用いた。平均粒度が５０μｍを超えるとキャリアのストレスが増大すると共にトナー濃度を上げられず、現像ローラ２へのトナー供給量が減少する。これらのキャリアをそのまま用いても良いが、適正な抵抗値を上げない範囲で表面処理して用いることも可能である。

現像ローラ上のトナー薄層６の飽和トナー量は、直流バイアス（Ｖ_ｄｃ２）８と直流バイアス（Ｖ_ｄｃ１）７ａの差によって決定される。直流バイアス（Ｖ_ｄｃ１）７ａを１５０Ｖ、直流バイアス（Ｖ_ｄｃ２）８の値を４００Ｖに設定すると、現像ローラの２周目で約１．０ｍｇ／ｃｍ^２のトナー層が得られる。トナー層６の厚さの調整は、基本的には｜（Ｖ_ｄｃ２）−（Ｖ_ｄｃ１）｜の電位差によって得られるが、トナーの帯電量や磁気ロールの磁極の強さなどの要因も寄与する場合がある。トナー層６の厚さは、直流バイアス（Ｖ_ｄｃ２）８の値を画像データによって変化させると均一な画像を得ることができる。

トナー層６が０．５ｍｇ／ｃｍ^２以下と薄すぎると高濃度画像が連続した場合の濃度の追随性が低下し、画像ムラが発生しやすくなり、トナー層が１．５ｍｇ／ｃｍ^２を超えて厚すぎると現像ゴーストが目立ち、トナー飛散が目立つ傾向がある。トナー薄層６の厚さは、トナーの帯電量によっても左右され、トナー帯電量が１０μＣ／g以下、特に５μＣ／g以下と低いとトナー層厚が厚くなり、飛散が増大する。一方、トナー帯電量が２０μＣ／g以上になるとトナー層厚が薄くなり、帯電が上昇してトナーの現像性が低下する。

連続印刷での画像濃度を安定させるためには、印刷データによって定期的に現像ローラ２からトナー６を剥ぎ取り、リフレッシュする必要がある。これは、現像終了時に交流（ＡＣ）バイアス（Ｖ_ａｃ）７ｂを印加したまま、直流（ＤＣ）バイアス（Ｖ_ｄｃ２）８を変化させて現像ローラ上のトナー薄層６を磁気ブラシ１０に回収する。現像終了時毎に現像ローラ２からトナーを剥ぎ取れば常にリフレッシュされるが、再度安定なトナー層を形成するのに時間を要し、十分な印刷速度を達成できない。良好な印刷速度を維持するためには、用紙間隔を調整して一定期間に現像ローラ２上のトナー薄層６を出し入れする時間を調整すればよい。用紙間隔を大きくしないで感光体ドラム３上の潜像に十分なトナーを供給するためには、感光体ドラム３に対して現像ローラ２の周速を１．５倍以上に設定すると、短時間にトナーの出し入れが可能になる。また、磁気ロール１を現像ローラ２に対して１超２倍以下の速度に設定すると、トナー薄層６の入れ替えが促進される。この時、磁気ロール１の回転方向が現像ローラ２に対して逆方向であることが好ましい。

図１は本発明になる現像方法を実施する画像形成装置の一実施例の模式図であり、この画像形成装置２０は、無端状ベルト５４が、給紙カセット５３からの記録紙を定着装置５９に向かって搬送可能に配設されており、記録紙を搬送するベルト５４の上側には、ブラック用現像装置５０Ａ、イエロー用現像装置５０Ｂ、シアン用現像装置５０Ｃ及びマゼンタ用現像装置５０Ｄが配設されている。そしてこれらの現像装置５０（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）には、それぞれ磁気ロール１（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）、該磁気ロール１（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に近接して現像ローラ２（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）が配設され、該現像ローラ２に対面して感光体ドラム３（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）が、さらにこの感光体ドラム３の周囲には、帯電器５６（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）及び露光器５７（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）が配置されている。

このように構成したハイブリッド型現像装置を有する本発明のタンデム型画像形成装置において、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックなどのそれぞれの色に対応したトナー５とキャリア４からなる２成分現像剤は、現像剤容器からそれぞれの現像装置５０に供給され、図２に示した磁気ロール１上に磁気ブラシ１０を形成し、攪拌によってトナー５が帯電される。そして、磁気ロール１上の磁気ブラシ１０は規制ブレード９によって層規制され、磁気ロール１に加えられた直流バイアス（Ｖ_ｄｃ２）８と現像ローラ２に加えられた直流バイアス（Ｖ_ｄｃ１）７ａ間の電位差、及び交流バイアス７ｂによって現像ローラ２にトナー５のみの薄層６を形成する。

そして、図示していない制御回路からプリント開始信号が来ると、まず、帯電器５６によって正帯電有機感光体（正ＯＰＣ）で構成された感光体ドラム３が例えば４００Ｖに帯電され、その後、例えば７７０ｎｍの波長のＬＥＤを用いた露光器５７による露光により、感光体ドラム３の露光後電位は約７０Ｖになって潜像が形成される。そしてこの潜像は、現像ローラ２に加えられた直流バイアス（Ｖ_ｄｃ１）７ａと交流バイアス７ｂにより、現像ローラ２上のトナー薄層６から感光体ドラム３に飛翔したトナーで現像され、トナー像が形成される。そして記録紙が、給紙カセット５３から送りだされてベルト５４で送られ、その記録紙が記録紙が感光体ドラム３に達したとき、転写装置５８（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）による転写バイアスが印加されて記録紙にトナー像が転写され、定着装置５９で定着されて排紙される。その後前記したように、印刷データによって定期的に、交流（ＡＣ）バイアス（Ｖ_ａｃ）７ｂを印加したまま、直流（ＤＣ）バイアス（Ｖ_ｄｃ２）８を変化させて現像ローラ上のトナー薄層６を磁気ブラシ１０に回収する。

そして、このように構成した画像形成装置において本発明では、図４に示したフロー図に従い、現像ローラ２上のトナー層６の厚さを制御する。すなわちまず、ステップＳ２で電源がＯＮされ、ステップＳ３で現像ローラ２上のトナー層厚の制御が必要かどうかが判断され、不要な場合はステップＳ９に行き、必要な場合はステップＳ４に進む。

するとこのステップＳ４で図示していない画像形成装置の制御装置は、前記したように帯電器５６によって感光体ドラム３を帯電し、露光器５７により、層厚制御パターン潜像を形成した後に現像するわけであるが、各層厚制御パターン形成位置と現像ローラの回転周回を一致させるため、感光体ドラム３の周長や周速、並びに帯電開始位置から現像位置までの距離を考慮してそれ自体公知の方法でタイミング制御を行う。なお現像ローラ２の回転周回数は現像バイアスを印加開始時点から数えるものである。この理由は、現像バイアスの印加を開始し、１周目においてトナー層厚を確保した上で、２周目以降に後述する層厚制御パターンを現像するためである。具体的には、まず、図８に「現像ローラ２周目、ソリッド１００％」と示したようなベタパターンで形成されたトナー層厚検知用パターンを、前記現像ローラ２の現像バイアスを印加し始めてから２周目に形成されたトナー層により現像されるタイミングで書き込む。

そして次に、図８に「現像ローラ３周目、ハーフ２５％」として示したようなハーフトーンパターンで形成されたトナー層厚検知用パターンを、現像ローラ２が次の回転（すなわち３回転目）の間に形成されたトナー層により現像されるタイミングで書き込む。そしてこれらベタパターンとハーフトーンパターンを、ベタパターンは現像ローラ２が２回転している間に形成されたトナー層により現像し、ハーフトーンパターンは現像ローラ２の次の回転（すなわち３回転目）の間に形成されたトナー層により現像して、それぞれ顕像化させる。なお、このベタパターンとハーフトーンパターンとは、図８にＢと記したブラック、Ｙと記したイエロー、Ｍと記したマゼンタ、Ｃと記したシアンの各色について形成する。

そして次のステップＳ５において、この形成されたトナー層厚検知用パターンのうち、ハーフトーンパターンの濃度を図６に示したようなトナー濃度センサにより測定する。この図６に示したトナー濃度センサは反射型の濃度センサであり、ＬＥＤなどを用いた発光素子６１を出た光は、ビームスプリッター１（ＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ）６２によってトナー６０がある感光体ドラム３（若しくは感光体ドラム３に形成されたトナー層厚検知用パターンを転写した中間転写体など）の方向と、この発光素子６１の発光量を検出し、フィードバック回路により光量を一定に保つためのモニタ用受光素子１（ＰｈｏｔｏＤｅｔｅｃｔｏｒ）６３に分割される。そして感光体ドラム３上のトナー６０で反射された光は、ビームスプリッター２（ＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ）６４によって受光素子２（ＰｈｏｔｏＤｅｔｅｃｔｏｒ）６６と、受光素子３（ＰｈｏｔｏＤｅｔｅｃｔｏｒ）６５の２つの偏光成分に分けられ、その比率でトナー量が検知される。

このトナー濃度センサの出力電圧と印字率の関係は、図７に示したグラフのようになる。この図７において横軸は％であらわした印字率、縦軸は出力電圧（Ｖ）であり、感光体ドラム３（若しくは感光体ドラム３に形成されたトナー層厚検知用パターンを転写した中間転写体など）にトナー６０が無い状態（印字率０）で反射光が最大となり、出力電圧も最大となる。そして、トナーの量が増えるに従って光が吸収されるために反射量が低下するが、印字率が１０％程度まではあまり大きな出力電圧低下はなく、印字率が１０％から４０％の間は、ほぼ一定傾斜で下がって行き、印字率が４０％を超えると出力電圧の変化が非常に少なくなる。

すなわち、この図７のグラフから明らかなように、反射型トナー濃度センサは、印字率が１０〜４０％程度の間の場合は濃度の変化を敏感に検出することができ、印字率が１０％以下と４０％以上とでは濃度変化を敏感に検出することができない。そのため本発明においては、図８に示し、前記したように、トナー濃度を正確に検出するため、トナー層厚検知用パターンにおけるハーフトーンパターンを、印字率が１０〜４０％の間、好ましくは略２５％としたものである。

すなわち前記したように、図８に「現像ローラ２周目、ソリッド１００％」と示したようなベタパターンで形成されたトナー層厚検知用パターンと、「現像ローラ３周目、ハーフ２５％」として示したようなハーフトーンパターンで形成されたトナー層厚検知用パターンを、現像ローラ２の現像バイアスを印加し始めてから２周目に形成されたトナー層により現像されるタイミングでベタパターンを、現像ローラ２が次の回転（すなわち３回転目）の間に形成されたトナー層により現像されるタイミングでハーフトーンパターンを書き込むことにより、図９にＡのラインで示したように、現像ローラの２周目である程度の厚さの層が形成されても層厚スレッシュに達していない場合、その状態で高濃度の印字（すなわちベタパターン）を行うと、現像ローラ２上に形成されたトナーが殆ど使用されてしまい、次の３周目の印字（すなわちハーフトーンパターン）は、図９におけるＢのラインのようにトナー層厚が薄い状態で印字がされて、その分、画像濃度が低下する。

そのため本発明では、現像ローラ２の現像バイアスを印加し始めてから２周目に形成されたトナー層により現像されるタイミングでベタパターンを書き込むことで、現像ローラ２上のトナー層を消費し、現像ローラ２が次の回転（すなわち３回転目）の間に形成されたトナー層により現像されるタイミングでハーフトーンパターンを書き込んでその濃度を検知することにより、現像ローラ２の現像バイアスを印加し始めてから２周目に形成されたトナー層が、図９に層厚スレッシュとして示された層厚に達していたかどうかを検出できるようにしたものである。すなわち、図３に示したように、現像ローラ２上に形成されるトナー層がＡ’のように現像ローラ２の１周目にかなりの厚さで形成され、２周目でこの層厚スレッシュを超えていた場合、全く同じように現像ローラ２が２回転している間に形成されたトナー層により現像されるタイミングでベタパターンを書き込んでトナーを消費しても、この図３に点線で示したＢのように現像ローラ２上のトナー層厚が極端に低下することが無く、現像ローラ２が次の回転（すなわち３回転目）の間に形成されたトナー層はすでにこの層厚スレッシュを超えるから、例えハーフトーンパターンを書き込んでも、その濃度が不足するということが無くなるわけである。

そのため図４における次のステップＳ６で、トナー濃度センサからの信号によってトナー層厚検知パターンにおけるハーフトーンパターンの濃度が適正かどうかを判断し、適正な場合はステップＳ９に行き、適正でない場合はステップＳ７に進む。現像ローラ２上のトナー薄層６の厚さの調整は、前記したように｜（Ｖ_ｄｃ２）−（Ｖ_ｄｃ１）｜の電位差によって行うことができ、濃度センサ出力と現像ローラ２へ印加する直流（ＤＣ）バイアス（Ｖ_ｄｃ１）７ａとの関係は、図５に示したグラフのようになるから、濃度センサ出力によってこのグラフに示された値に基づき、この図５に「現像ローラトナー層厚規定範囲」として示された濃度センサ出力値となるよう、直流（ＤＣ）バイアス（Ｖ_ｄｃ１）７ａ、直流（ＤＣ）バイアス（Ｖ_ｄｃ２）８の値をステップＳ７で設定して次のステップＳ８で濃度調整を行う。このようにして現像ローラ２上のトナー層厚を制御することで、印刷濃度を制御すれば常に一定した印刷濃度が得られることになり、次のステップＳ９でプリント可の信号が出力されて終了する。なおこの制御は、印字枚数と印字率の積算値、すなわち一定の印字率に達したときにするのが好ましい。

以上が本発明になる画像形成装置における現像方法であるが、本発明によれば、感光体ドラム３上に現像ローラ２上のトナー層厚を検知するため、前記現像ローラ２の現像バイアスを印加し始めてから２周目に形成されたトナー６層を用いたベタパターンと、次の１回転の間に形成されたトナー層を用いたハーフトーンパターンとを配したトナー層厚検知用パターンを顕像化させ、この感光体ドラム３上のトナー層厚検知用パターン、または感光体ドラム３上のトナー層厚検知用パターンを転写された転写体上のトナー層厚検知用パターンにおけるトナー濃度を濃度センサにより検出し、該検出したトナー濃度によって前記現像ローラ２上のトナー層を所定層厚に制御するようにしたことにより、ベタパターン形成で消費された現像ローラ上のトナー層が、次の１回転の間にどの程度の層厚で形成されるかをハーフトーンパターンで構成された層厚検知用パターンによって確実に知ることができ、それによって現像ローラ２上のトナー層厚を制御することで、常に一定した適切な層厚制御をおこなうことができる現像方法を提供できる。

そして、検出したトナー濃度により行う現像ローラ２上のトナー層厚を所定層厚にする制御は、磁気ブラシ１０から現像ローラ２へトナーを搬送する直流（ＤＣ）バイアス（Ｖ_ｄｃ１）７ａを制御して行うことにより、簡単な構成で適切な層厚制御をおこなうことができる。

また、検出したトナー濃度により行う現像ローラ２上のトナー層厚を所定層厚にする制御は、ハーフトーンパターンにおけるトナー濃度を検知し、磁気ブラシ１０から現像ローラ２へトナーを搬送する直流（ＤＣ）バイアス（Ｖ_ｄｃ１）７ａを制御しておこなうことにより、ハーフトーンパターンは濃度センサによる濃度の検出に最適であり、微妙な濃度変化に対応できるから、環境変動に依存しない、常に安定した出力画像が得られる画像形成装置における現像方法を提供できる。

さらに、トナー層厚検知用パターンにおけるハーフトーンパターンは、印字率１０乃至４０％の間、好ましくは印字率が略２５％のパターンとすることで、濃度の検知をより確実にし、前記濃度センサを、反射型濃度センサとすることにより、簡単にトナー濃度を検出することができる。

本発明によれば、現像ローラ２上のトナー層厚を常に適正な濃度が得られる値とすることができ、濃度変化のない、安定した出力画像が得られる画像形成装置における現像方法を提供できる。

本発明になる現像方法を実施する画像形成装置の一実施例の模式図である。本発明になる現像方法を実施するハイブリッド型現像装置の概略構成図である。本発明になる画像形成装置における現像装置の現像ローラ上に形成されるトナー層の厚さと現像ローラの回転数の関係を説明するための図である。本発明になる画像形成装置における現像方法のフロー図である。濃度センサ出力値と現像ローラ上のトナー層厚の関係を示したグラフである。トナー濃度センサの一概略構成例である。印字率とトナー濃度センサ出力電圧との関係を示したグラフである。本発明になる現像方法に用いる像担持体上に設けるトナー層厚検知用パターンの一実施例である。画像形成装置における現像装置の現像ローラ上に形成されるトナー層の厚さと現像ローラの回転数の関係を説明するための図である。

符号の説明

１磁気ロール
２現像ローラ
３感光体
４キャリア
５トナー
６現像ローラ上に形成されたトナー薄層
７ａ直流（ＤＣ）バイアス（Ｖ_ｄｃ１）電源
７ｂ交流（ＡＣ）バイアス（Ｖ_ａｃ）電源
８直流（ＤＣ）バイアス（Ｖ_ｄｃ２）電源
９穂切りブレード
２０画像形成装置
５０Ａブラック用現像装置
５０Ｂイエロー用現像装置
５０Ｃシアン用現像装置
５０Ｄマゼンタ用現像装置
５３給紙カセット
５４無端状ベルト
５６帯電器
５７露光器
５８転写装置
５９定着装置

Claims

キャリアとトナーからなる２成分現像剤を帯電させて現像剤搬送用磁気ロールに磁気ブラシとして保持させ、該磁気ブラシから現像ローラへトナーを搬送する搬送バイアスとを利用して現像ローラ表面にトナーのみの薄層を形成し、前記現像ローラと静電潜像担持体の間に印加した現像バイアスによって静電潜像担持体上の潜像の現像を行うと共に、所定時期に、前記搬送バイアスを変化させて前記現像ローラ上の残留トナーを前記磁気ロールに回収するようにした画像形成装置における現像方法において、
前記静電潜像担持体上に、前記現像ローラ上のトナー層厚を検知するため、前記現像ローラの現像バイアスを印加し始めてから２周目に形成されたトナー層を用いたベタパターンと、次の１回転の間に形成されたトナー層を用いたハーフトーンパターンとを配したトナー層厚検知用パターンを顕像化させ、該静電潜像担持体上のトナー層厚検知用パターン、または前記静電潜像担持体上のトナー層厚検知用パターンを転写された転写体上のトナー層厚検知用パターンにおけるトナー濃度を濃度センサにより検出し、該検出したトナー濃度によって前記現像ローラ上のトナー層を所定層厚に制御するようにしたことを特徴とする画像形成装置における現像方法。
前記検出したトナー濃度により行う前記現像ローラ上のトナー層厚を所定層厚にする制御は、前記磁気ブラシから現像ローラへトナーを搬送する搬送バイアスを制御して行うことを特徴とする請求項１に記載した画像形成装置における現像方法。
前記検出したトナー濃度により行う前記現像ローラ上のトナー層厚を所定層厚にする制御は、前記ハーフトーンパターンにおけるトナー濃度を検知し、前記磁気ブラシから現像ローラへトナーを搬送する搬送バイアスを制御しておこなうことを特徴とする請求項１に記載した画像形成装置における現像方法。
前記トナー層厚検知用パターンにおけるハーフトーンパターンは、印字率１０乃至４０％の間であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載した画像形成装置における現像方法。
前記濃度センサは、反射型濃度センサであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載した画像形成装置における現像方法。