JP4289959B2

JP4289959B2 - 画像形成装置

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Description

本発明は、複写機、プリンタ、ＦＡＸ等に用いられる現像装置に関する。

図１１に画像形成装置の一例を示す。

現像剤攪拌搬送手段１１、１２によって現像剤担持体である現像スリーブ３の表面に供給された現像剤をマグネットローラ１３の磁力にて磁気ブラシの状態で保持し、これを現像スリーブ３の回転に基づいて像担持体である感光ドラム４０との対向部の現像領域に搬送すると共に、現像スリーブ上剤だまり量規制部材である返し部材１及び穂高規制部材であるブレード２で上記磁気ブラシを穂切りして現像領域に搬送される現像剤量を適正に維持するようにしたものが提供されている。

更に詳しく述べると、現像装置４４の内部は垂直方向に延在する隔壁６によって現像室１６と攪拌室１７とに区画され、現像室１６及び攪拌室１７には非磁性トナーと磁性キャリアを含む２成分現像剤が収容されている。

現像室１６及び攪拌室１７には上述のようにそれぞれスクリュータイプの第１及び第２の現像剤攪拌搬送手段１１、１２が配置されている。第１の攪拌搬送手段１１は現像室１６内の現像剤を攪拌搬送し、また第２の攪拌搬送手段１２は現像剤濃度制御装置の制御のもとでトナー補給槽（図示せず）からこの第２の攪拌搬送手段１２の上流側に供給されるトナーと既に攪拌室１７内にある現像剤とを攪拌搬送し、トナー濃度を均一化する。隔壁６には手前側と奥側の端部において現像室１６と攪拌室１７とを相互に連通させる現像剤通路（図示せず）が形成されており、第１および第２の攪拌搬送手段１１、１２の搬送力により、現像によってトナーが消費されてトナー濃度の低下した現像室１６内の現像剤が他方の通路から攪拌室１７内へ移動するように構成されている。

図１１に示すように、上記スクリュータイプの第１の攪拌搬送手段１１は、現像室１６内の底部に現像スリーブ３の軸線方向、即ち現像幅方向に沿ってほぼ平行に配置されており、回転軸の周りに羽根部材をスパイラル形状に設けたスクリュー構造とされ、回転して現像室１６内の現像剤を現像室１６の底部にて現像スリーブ３の軸線方向に沿って一方向に搬送する。また、第２の攪拌搬送手段１２も、このスクリュータイプの第１の攪拌搬送手段１１と同様のスクリュー構造（回転軸の周りに羽根部材を第１の攪拌搬送手段１１とは逆向きにしてスパイラル形状に設けたスクリュー構造）とされ、攪拌室１７内の底部に第１の攪拌搬送手段１１とほぼ平行に配置され、第１の攪拌搬送手段１１と同方向に回転して攪拌室１７内の現像剤を第１の攪拌搬送手段１１とは反対の方向に搬送する。かくして、第１及び第２の攪拌搬送手段１１、１２の回転によって現像剤は現像室１６と攪拌室１７との間で循環される。

このような現像剤の循環の中で、従来、トナーとキャリアの比を検知するために現像剤中のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段７は現像室１６内の現像スリーブ３の近傍でスラスト方向で手前側に設けられていた。トナー濃度検知手段７が奥側でなく手前側に設けられている理由は、奥側（つまり現像室１６内の現像剤循環の上流側）に設けると下流側でトナーが消費される場合にトナー濃度の低下の検知ができないが、手前側に設けると検知位置が現像室１６内でスラスト方向下流側になるのでスラスト方向のどこでトナーが消費されてもトナー濃度低下の検知が行えるためである。

このように現像剤のトナーとキャリアの比を一定に保っても、キャリアの劣化、環境の変化、原稿画像の変化等により現像したトナー像の濃度は変動してしまう場合がある。

では、感光ドラム上に所定の濃度のパッチ画像を作成し、この濃度検知手段の検知濃度に基づき、トナーとキャリアの比の目標値を変更することで、トナー像の濃度を一定にすることが提案されている（特許文献１）。

また、トナー消費量の変化の大きいコピーモードの場合に生じるトナー濃度制御のアンダーシュート及びオーバーシュートをなくし、いかなるコピーモードが設定されても安定したトナー濃度制御が達成するように、形成する画像が切り替わる際、原稿濃度が、前回コピー時のものに対して所定値以上変化する場合には、現像装置４４内に備えたトナー濃度検知手段７からの信号に基づくことなく、ビデオカウント数に基づいてトナー補給を行うことが提案されている（特許文献２）。
特開平０９−０２２１７９号公報特開平０９−１２７７８０号公報

しかしながら、特許文献１に示すような構成では、補給したトナーがトナー濃度検知手段７に到達するまでに時間がかかることにより、図１２に示すように、トナー補給量がリップルを有し、トナー濃度が大きく振れる。画像濃度が切り替わった際には、トナー補給量が変化することにより、より大きなリップルが発生する。また、剤の嵩密度振れや、トナー濃度検知手段７の汚れ等により、トナー濃度検知手段７の結果にノイズが入った場合にも、トナー補給量が不適切となる。それらの時には、図１３に示すように、画像濃度が振れたり、おかしくなったりする。

特許文献２に提案されているように、画像濃度の変化が大きい場合には、ビデオカウンタ数の結果に基づいてトナー補給をすることで、上記リップルは若干軽減できるものの十分ではなかった。

本発明は、像担持体と、前記像担持体に形成された潜像をトナーとキャリアを有する現像剤にて現像する現像装置と、前記現像装置内のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段と、前記トナー濃度検知手段の検知結果とトナー濃度基準値に基いて、前記補給手段の補給量が補給量下限値以上、補給量上限値以下となるように前記現像装置へのトナー補給量を制御する制御手段と、記録材に形成されるトナー画像の面積量が大きくなるに従い、前記補給量下限値及び前記補給量上限値が大きくなるように前記補給量下限値及び前記補給量上限値を変更する変更手段と、を有することを特徴とする。

本発明のよれば、画像濃度が切り替わった際や、剤の嵩密度振れや、トナー濃度を検知する検知手段の汚れや使用環境が変わった場合等により、トナー補給量が振れやすい場合にも、トナー補給量を適切かつ、安定に推移させることができる。これにより、非常に適切な濃度推移、安定性を確保できる。

以下に、本発明の実施例を示す。

図１は本発明の実施の形態の現像装置を用いた画像形成装置である電子写真方式のデジタル複写機の模式図である。

図１に示す電子写真方式ディジタル複写機において、複写されるべき原稿３１の画像はレンズ３２によってＣＣＤ等の撮像３３に投影される。この撮像素子３３は原稿画像を多数の画素に分解し、角画素の濃度に対応した光変換信号を発生する。撮像素子３３から出力されるアナログ画像信号は画像信号処理回路３４に送られる。ここで各画素毎にその画素の濃度に対応した出力レベルを有する画素画像信号に変換され、そのパルス幅変調回路３５に送られる。

このパルス幅変調回路３５は入力される画素画像信号毎に、レベルに対応した幅（時間長）のレーザー駆動パルスを形成して出力する。即ち、図２の（ａ）に示すように、高濃度の画素画像信号に対してはより幅の広い駆動パルスＷを、低濃度の画素画像信号に対してはより幅の狭い駆動パルスＳを、中濃度の画素画像信号に対しては中間の幅の駆動パルスＩをそれぞれ形成する。

パルス幅変調回路３５から出力されたレーザー駆動パルスは半導体レーザ３６に供給され、半導体レーザー３６をそのパルス幅に対応する時間だけ発光させる。従って、半導体レーザ３６は高濃度画素に対してはより長い時間駆動され、低濃度画素に対してはより短い時間駆動されることになる。それ故、像担持体である感光ドラム４は、次に説明する光学系によって、高濃度画素に対しては主走査方向により長い範囲が露光され、低濃度画素に対しては主走査方向により短い範囲が露光される。つまり、原稿の画像濃度情報に基づいて、画素の濃度に対応したドットサイズが異なる静電潜像が形成される。従って当然のことながら、高濃度画素に対するトナー消費量は低濃度画素に対するそれよりも大である。尚、図２の（ｄ）に低、中、高濃度画素の静電潜像をそれぞれＬ、Ｍ、Ｈで示した。

なお、本発明では、原稿を複写する機能の他に、ネットワークケーブルを介して画像形成装置と接続されたパーソナルコンピュータから送信された画像を紙等の記録材に形成するプリンタ機能や、ファクシミリ機能を有している。即ち、紙の原稿以外の画像濃度情報に基づいて画像を形成することが可能となっている。

半導体レーザ３６から放射されたレーザ光３６ａは、回転多面鏡３７によって掃引され、ｆ／θレンズ等のレンズ３８及びレーザ光３６ａを像担持体たる感光ドラム４方向に指向させる固定ミラー３９によって、感光ドラム４０上にスポット結像される。かくして、レーザ光３６ａは感光ドラム４０の回転ドラムの回転軸とほぼ平行な方向（主走査方向）にこのドラム４０を走査し、静電潜像を形成することになる。

感光ドラム４０はアモルファスシリコン、セレン、ＯＰＣ等の感光層を表面に有し、矢印方向に回転する電子写真感光体であり、前露光器４１で均一に除電を受けた後、一次帯電器４２により均一に帯電される。その後、上述した画像情報信号に対応して変調されたレーザ光で露光走査され、これによって画像信号に対応した静電画像が形成される。この静電潜像はトナー粒子とキャリア粒子が混合された２成分現像剤を使用する現像器４４によって反転現像され、可視画像（トナー像）が形成される。尚、反転現像とは、感光体の光で露光された領域に、潜像と同極性に帯電したトナーを付着させてこれを可視化する現像方法である。６０はトナーを収容するホッパーであり、６２は現像容器にトナーを補給する補給スクリューであり、７０は駆動モータである。このトナー像は２個のローラ４５、４６間に架張され、図示矢印方向に無端駆動される転写材担持ベルト４７上に保持された転写材４８に転写帯電器４９の作用により転写される。

トナー像が転写された転写材４８は転写材担持ベルト４７から分離されて図示しない定着器に搬送され、永久像に定着される。又、転写後に感光ドラム４上に残った残留トナーはその後クリーナ５０によって除去される。

なお、説明を簡単にするために単一の画像形成ステーション（感光ドラム４、一次帯電器４２、現像器９等を含む）のみを図示するが、カラー画像形成装置の場合には、例えばシアン、マゼンタ、イエロー、及びブラックの各色に対する画像形成ステーションが転写材担持ベルト４７上にその移動方向に沿って順次に配列され、各画像形成ステーションの感光ドラム上に原稿の画像を色分解した各色毎の静電潜像が順次に形成され、対応する色トナーを有する現像器で現像され、転写材担持ベルト４７によって保持、搬送される転写材４８に順次に転写されることになる。

次に現像装置４４について説明する。

図３に示すように、感光ドラム４０に対向して配置された２成分現像装置４４は現像剤担持体としての現像スリーブ３、現像剤の供給位置から穂切り位置まで汲み上げられる現像剤量を規制する剤返し部材１、現像剤の穂高規制部材としてのブレード２、さらに２成分現像剤のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段７ａを有している。

現像装置４４は現像容器が、垂直方向に延在する隔壁６によって、現像室１６と攪拌室１７とに区画されている。隔壁６の上方部は解放されており、現像室１６で余分となった２成分現像剤が攪拌室１７側に回収されるようになっている。現像室１６及び攪拌室１７には非磁性トナーと磁性キャリアを含む２成分現像剤が収容されている。

現像室１６及び攪拌室１７にはそれぞれスクリュータイプの第１及び第２の現像剤攪拌搬送手段１１、１２が配置されている。第１の攪拌搬送手段１１は現像室１６内の現像剤を攪拌搬送し、また第２の攪拌搬送手段１２は、現像剤濃度制御装置のもとでトナー補給槽（図示せず）から第２の攪拌搬送手段１２の上流側に供給されるトナーと既に攪拌室１７内にある現像剤とを攪拌搬送し、トナー濃度を均一化する。隔壁６には図１における手前側と奥側の端部において現像室１６と攪拌室１７とを相互に連通させる現像剤通路（図示せず）が形成されており、第１及び第２の攪拌搬送手段１１、１２の搬送力により、現像によってトナーが消費されてトナー濃度の低下した現像室１６内の現像剤が他方の通路から攪拌室１７内へ移動するように構成されている。

現像装置４４の現像室１６には感光ドラム４に対面した現像領域に相当する位置に開口部が形成されており、この開口部に一部露出するようにして現像スリーブ３が回転可能に配置されている。現像スリーブ３は非磁性材料で構成され、現像動作時には図示矢印方向に回転し、その内部には磁界発生手段である磁石１３が固定されている。現像スリーブ３はブレード２によって層厚規制された２成分現像剤の層を担持搬送し、感光ドラム４０に対向する現像領域で現像剤を感光ドラム４０に供給して潜像を現像する。このとき、現像効率、即ち感光ドラム上の潜像へのトナーの付与率を向上させるために、現像スリーブ３には電源１５から直流電圧と交流電圧と重畳した現像バイアス電圧が印加される。

磁石１３は、本実施例では、現像磁極Ｎ１と現像剤を搬送する磁極Ｓ１、Ｎ２、Ｓ２、Ｓ３とを有する、また、ブレード２は、アルミニウム（Ａ１）等の非磁性材料にて構成され、感光ドラム４よりも現像スリーブ３の回転方向上流側に配置されており、現像スリーブ３の表面との間の隙間を調整することにより現像スリーブ３上を現像領域へと搬送される現像剤の厚さを規制する。従って、本実施例においては、ブレード２の先端部と現像スリーブ３との間を非磁性トナーと磁性キャリアの両方が通過して現像領域へと送られる。

上記スクリュータイプの第１の攪拌搬送手段１１は現像室１６内の底部に現像スリーブ３の軸線方向、即ち現像幅方向に沿ってほぼ平行に配置されており、本実施例では、回転軸の周りに羽根部材をスパイラル形状に設けたスクリュー構造とされ、回転して現像室１６内の現像剤を現像室１６の底部にて現像スリーブ３の軸線方向に沿って一方向に搬送する。また、第２の攪拌搬送手段１２も、このスクリュータイプの第１の攪拌搬送手段１１と同様のスクリュー構造（回転軸の周りに羽根部材を第１の攪拌搬送手段１１とは逆向きにしてスパイラル形状に設けたスクリュー構造）とされ、攪拌室１７内の底部に第１の攪拌搬送手段１１とほぼ平行に配置され、第１の攪拌搬送手段１１と同方向に回転して攪拌室１７内の現像剤を第１の攪拌搬送手段１１とは反対の方向に搬送する。かくして、第１及び第２の攪拌搬送手段１１、１２の回転によって現像剤は現像室１６と攪拌室１７との間で循環される。

現像室１６内の現像剤は現像スリーブ３に内蔵された磁石１３の働きによって現像スリーブ３に担持され、ブレード２にて層厚が規制されて現像領域へと搬送される。現像領域にて現像に供されずに残った現像剤は現像スリーブ３にて再び現像室１６へ搬送され反発磁極Ｓ３、Ｓ２により現像スリーブ３上から現像室１６内へ掻き落とされて回収される。

一方、第１の攪拌搬送手段１１の回転に伴い攪拌搬送された現像剤は反発磁極の片側の磁極Ｓ２にて現像スリーブ３の方向に汲み上げられる。この汲め上げられる際に剤返し部材１により汲み上げられ、現像スリーブ３に搬送される現像剤量がある程度規制される。

この磁極Ｓ２で汲み上げられた現像剤は、次の磁極Ｎ２からの磁界で形成され、現像スリーブ３の中心方向へ作用し、かつ返し部材１で規制された現像剤量に応じて決まる磁気拘束力と、現像スリーブ３の回転方向に作用する搬送力とによりブレード部へ搬送される。

そして、現像剤の汲み上げ位置からブレード部へ搬送される途中の、磁極Ｓ２と磁極Ｎ２との間で現像スリーブ３に対向した位置に、トナーとキャリアの比を検知するために現像剤中のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段７ａが返し部材１内に組み入れられている。

図４に示すように、本実施の形態におけるトナー濃度検知手段７ａは、双方向発光のＬＥＤ７１ａ、参照光用受光素子７２ａ、反射光用受光素子７３ａ、及び検出窓８ａ、とからなる現像剤反射方式である。そして、その検出窓８ａは透明アクリル樹脂で作られており、その現像剤と面している検出面はトナー付着を防止するため検出面を覆うように離型性樹脂であるＦＥＰシート８１が張り付けられている。

本実施の形態で用いた非磁性トナーは、ポリエステル樹脂８０〜９０ｗｔ％に着色用顔料を５〜１５ｗｔ％、更に負電荷制御剤としてアルキル置換サリチル酸の金属鎖体を分散させた平均５〜１１μｍのトナーを用い、これに酸化チタンＴｉＯ２を０．２〜２ｗｔ％外添して使用した。外添剤にはこの他シリカを用いてもよい。

また、磁性キャリアは任意のフェライトキャリア、特に燒結フェライト粒子が使用される。つまり、コア材としてＺｎ系フェライト、Ｎｉ系フェライト、Ｃｕ系フェライト、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｍｎ−Ｍｇ系フェライト、Ｃｕ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト等を用い、これに摩擦帯電性、環境安定性、耐久性向上を目的としてアクリル系樹脂を０．５〜２ｗｔ％コートした平均粒径３０〜６０μｍのキャリアを用いた。コート剤としてはこの他にポリエステル樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂等を適宜選択して用いることができる。

ここで、現像装置のトナー濃度検出手段について説明する。トナー濃度検知手段は現像容器内のスラスト方向で手前側に（図４にて７ａ）設けられている。この現像剤濃度検知手段７ａは、２成分現像剤中のトナーが赤外光を反射し、逆にキャリアが赤外光を吸収するという特性を用い、現像容器内の現像剤に現像剤濃度検知手段７ａにより赤外光を照射して反射される赤外光の反射量を受光素子７３ａによりモニターし、２成分現像剤のトナー濃度を算出し、トナー補給を行うことでトナー濃度の安定維持を図るものである。

そのトナー補給濃度の制御は、先ず２成分現像剤を現像容器に投入し、未使用の状態での２成分現像剤の反射光量による受光素子７３ａからの出力Ｓｉｇ−ｉｎｉｔを測定し、この値を目標値として本体内のメモリに格納する。そして、コピーをスタートし、２成分現像剤の使用が開始されると、コピー１枚毎にその時の２成分現像剤の反射光量による受光素子７３ａからの出力Ｓｉｇ−ｃｕｒを測定する。そして、メモリに格納されているＳｉｇ−ｉｎｉｔとの差分△Ｓｉｇを計算する。
△Ｓｉｇ＝（Ｓｉｇ−ｉｎｉｔ）−（Ｓｉｇ−ｃｕｒ）（１）
（１）式と予め測定されたトナー濃度１ｗｔ％変動当たりの出力感度値ｒａｔｅにより、その時のトナー濃度の初期からのずれ量△Ｄを算出する。
△Ｄ＝△Ｓｉｇ／ｒａｔｅ（２）
上記△Ｄの計算値により、現像容器内に補給されるトナー量が決定される。つまり、トナー濃度の初期からのずれ量がマイナスの場合はそのずれ量に見合う分のトナー量を補給し、又プラスの場合は、補給を停止する。例えば、△Ｄ＝−１ｗｔ％の時は、１ｗｔ％相当のトナーを補給し、又、△Ｄ＝＋１ｗｔ％の時は補給をしない。このようにして初期のトナー濃度を維持するような制御が行われる。

次に画像濃度検知手段１９について説明する。

この画像濃度検知手段は、図１のように画像形成装置の現像後でありかつ転写部材４９の後に感光ドラム４０に対向して設けられている。画像濃度検知手段１９は、前述の現像剤濃度制御法と同様の構成をしており図４のように双方向発光のＬＥＤ７１ａ参照光用受光素子７２ａ反射光用受光素子７３ａ及び検出窓８ａからなっており、検出面はトナー付着防止するためのＦＥＰシート８１が張りつけられている。この構成により感光ドラム４０上のパッチ画像２８の反射濃度を検知している。

電子写真複写機では、現像スリーブ３上のトナーの帯電量によって画像濃度が変わる。２成分現像装置を用いた電子写真複写機では、単位重さあたりのトナーの帯電量が低くなるほど画像濃度が高くなる。帯電・露光の条件等が同じであれば、感光ドラム４０に現像される電荷量は決まるため、単位重さあたりの帯電量が低いほど、多くのトナーが現像されるためである。画像濃度を一定にするためには、トナーの単位重さあたりの電荷量を一定にする必要があるが、トナーの電荷量を逐次検知し、制御するのは困難である。そこで、感光ドラム４上の画像濃度を検知し、画像濃度が一定になるようにトナー濃度を制御し、単位重さあたりのトナー電荷量や画像濃度を一定にする。画像濃度検知手段１９は感光ドラム上の画像濃度に対してマゼンタ、シアン、イエロー（以下色剤）のトナーに対しては図５の曲線Ｂのように、ブラックトナーに対しては図５の曲線Ａのような検知出力を示す。

本実施例では、パッチ画像２８の濃度を画像濃度検知手段から算出（パッチ検ＡＴＲ）し、そこから求まるトナー過剰もしくは不足量を剤反射ＡＴＲから求まる現在のトナー濃度にフィードバックをかけていくことで、トナーの単位重さあたりの電荷量が一定となるように、トナー濃度を変更し、濃度を一定に制御する。一般に、現像剤のトナー濃度が高くなると、画像濃度が濃くなってくる。これは、トナーとキャリアの接触機会が減るために、単位重さあたりのトナー電荷量が減るためである。具体的な制御としては、初期の現像剤のトナー濃度が６ｗｔ％であるとする。（４７０ｇの磁性キャリア＋３０ｇトナー）トナー濃度検知手段７ａの出力に基づきトナー濃度が６ｗｔ％となるようにトナーが補給された状態でパッチ検ＡＴＲをおこなったところ、画像濃度が初期に比べ下がっており、初期濃度に戻すにはトナーが５ｇ必要であると判断したとするとトナー濃度にして−１ｗｔ％の状態であると考えられる。したがって、トナー濃度の目標値を６ｗｔ％から７ｗｔ％に変え、今後この目標値でトナー濃度制御をおこなうことである一定の画像濃度レベルに収束することが可能となる。

このようなトナー濃度検知手段７ａによる検知に基づき、トナーの補給制御を行うことにより、一定の画像の連続コピーや、画像濃度が大きく異ならない画像を混ぜながらコピーする時には、比較的良好な濃度推移を示す。

しかし、画像面積率の差が大きい時、例えば、５０％以上の差を有した原稿の連続コピー、例えば、ベタ白の連続コピーから７０％画像（階調レベルで１７８／２５５レベル）の連続コピーに移ると、画像濃度は図１３に示すように１５枚周期での振れを生じながら、徐々に濃くなっていく。この時、パッチ検ＡＴＲ制御によるトナー濃度目標変更は３３枚ごとであった。

このような、濃度推移を示す理由を以下に示す。

濃い原稿のコピーが始まった直後では、トナー濃度検知手段７ａから、濃い原稿の消費量相当の補給信号が出力されず、少し遅れてからベタ黒原稿の消費量相当の補給信号が出力されるので、しばらくの間過少補給となる。その時、トナー濃度が大きく減少し、濃度薄となる。その後、減少してしまったトナー濃度を上げるために、トナー補給信号が多目に出る。数枚後に、トナー濃度が適切となり、トナー濃度検知手段７ａから原稿消費量相当の補給信号が出るが、その数枚前に補給した多目のトナー補給が遅れて現像スリーブ３に到達するため、今度は、しばらくの間過大補給となり、トナー濃度が増大し、濃度が濃くなる。これを繰り返すため、ある周期をもった濃度推移となる。この時のトナー補給量推移を図１２に示す。補給量推移も同様の周期を有している。この周期は、トナー濃度検知手段７ａと補給用スクリュー６２との距離による時定数で決まる。一方、濃度振れや補給量振れの振幅は、原稿濃度の変化量によって決まるが、それ以外に、トナー濃度検知手段７ａ近傍の剤挙動の変化にも影響される。

原稿濃度が変化することにより、トナー補給量が変化したり、振れを有したりすることで、トナー濃度検知手段７ａ近傍の剤挙動が変化したり、振れを有したりする。トナー濃度制御では、検出窓８ａの検出面のトナー汚れの影響を受ける。トナー補給が過度に行われている時には、新品トナーが多く検出窓８ａに存在する。トナーには研磨粉、本実施例では酸化チタンが外添されている。新品トナーは研磨粉を適切に有しており検出窓８ａを適切に研磨し、トナー汚れを掻き落とすことができる。したがって、新品トナーが多い時には、トナー濃度を適切に検出できる。一方、耐久トナーは、研磨粉がトナーに埋め込まれたり、感光ドラム４０に移動したりしていて、研磨粉の量が少なく、検出窓８ａの汚れ除去能力が少なく、検出窓８ａの検出面のトナー汚れが生じやすい。過小補給している時には、検出窓８ａ近傍には耐久トナーが多く存在し、トナー汚れを生じやすい。トナー汚れが生じると、トナー濃度を高めに誤検知してしまうため、トナー補給を止めてしまう。それにより、より一層過小補給し、トナー濃度は下がり、濃度は薄くなる。このことにより、図１２や図１３に示すように非常に大きな濃度振れや補給量振れを有してしまう。

なお、逆に、濃い画像から薄い画像の連続コピーに変化する場合でも、変化した直後、トナー補給のバランスが崩れ、撹拌室１７から現像室１６へ過剰なトナーが補給されるので、現像室１６の奥側からトナー濃度の過剰が始まり、この現像剤が現像室１６の手前側へと搬送され、トナー濃度検知手段７ａにより検知されるまで最大補給が続けられ、それをきっかけに、濃度振れや補給量振れが生じる。

このように濃度振れが生じている時に、パッチ検ＡＴＲ制御は不適切となる場合がある。図１３の濃度推移で説明する。濃い画像に切り替わった直後であるために、徐々に濃度が濃くなっていく傾向が生じている。これをパッチ検ＡＴＲで修正していくのが本来だが、パッチ検ＡＴＲの動作タイミング（今回は３４枚目）で濃度が振幅の最小値となっている。そのため、濃度が濃くなっていることをパッチ検ＡＴＲで検知できず、その後もさらに濃くなっている。

そこで、本発明は、上述したトナー濃度検知手段７ａの検知信号に基づくトナー補給制御（以下、現像剤反射ＡＴＲと記す）だけでなく、ビデオカウントに基づくトナー補給手段６３よるトナー補給制御（以下、単にビデオカウントＡＴＲと記す）を組み合わせ、正確な必要トナー量を推定することにより、過少補給及び過大補給を防止して、濃度振れのない適切な濃度推移を達成したものである。それにより、パッチ検ＡＴＲ制御も適切に行われ、恒久的な濃度推移も安定なものとなる。以下、本発明によるトナー補給制御について説明する。

図６に本実施例の形態のフローチャートを示す。

本実施形態では、コピー動作が開始したら、まず始めに、Ｓ１０１により、トナー濃度検知手段７ａにより現像スリーブ３上のトナー濃度を検知する。次に、Ｓ１０２、前述の（１）式により目標トナー濃度（トナー濃度基準値）と現時点でのトナー濃度との差を求める。次に、Ｓ１０３、前述の（２）式により、暫定のトナー補給量ｘ’を求める。次に、Ｓ１０４により、ビデオカウントＣ１から、原稿の画像の面積量を算出する。次に、Ｓ１０５により、図８のような制御テーブルを用いてトナー補給量の上下限を決定する。次に、Ｓ１０６により暫定トナー補給量Ｘ’を、Ｓ１０５で求めたトナー補給量の上下限内に修正し、最終トナー補給量ｘを求める。上下限内への修正の仕方としては、本実施例では、上限以上なら上限値へ、下限以下なら下限値へ、上下限以内ならそのままとした。図７に例を示す。薄線はｘ’で、０．２ｇ近傍と０．６ｇ近傍の線は上下限を示している。薄線ｘ’を上下限内に修正することで、実線のような補給量とする。

次に、Ｓ１０７により、画像形成中に、Ｘ（ｇ）だけトナー補給する。次に、Ｓ１０８により設定枚数分のプリントが終了したかをチェックし、終了していたら、感光ドラム４０上の濃度を画像濃度検知手段１９で検知する。次に、Ｓ１１０により、初期で決めた濃度基準値（画像濃度基準値）と、現在の濃度を比較し、次に、Ｓ１１２により、その差分を戻せるようにトナー濃度基準値ａ’を変更し、コピー動作終了とする。Ｓ１０８の時に、設定枚数だけ終了していない場合には、画像濃度検知手段１９を動作させるタイミングかを調べる。なお、本実施例では、Ａ４等の小サイズ紙では５６枚に一回、Ａ３等のラージサイズ紙では３４枚に一回とした。そこで、動作タイミングでない場合には、次の紙のコピーへと続く。動作タイミングの場合には、前述のように画像濃度検知手段１９を動作させ、トナー濃度基準値ａ’を変更し、その後、残りのコピー動作を行う。

Ｓ１０４とＳ１０５の制御に関して、以下で詳しく説明する。

Ｓ１０４では、原稿の画像面積量を、図１のカウンタ６６で積算したビデオカウントＣ１により算出する。画像面積量は、画像形成装置通紙可能最大サイズの１２ｉｎｃｈ×１８ｉｎｃｈサイズのベタ画像（階調レベル２５５／２５５レベル）のビデオカウント数を５００として比例計算で求めた。例えば、１２ｉｎｃｈ×９ｉｎｃｈサイズの紙に、階調レベルで１２８／２５５レベルの均一なハーフトーン画像の場合には、画像面積量は１２５となる。この時、画像形成に必要なトナー量が画像面積量に比例すると考えると、この紙面上に必要なトナー量が一意に求めることができる。例えば、１２ｉｎｃｈ×１８ｉｎｃｈサイズ上でベタ黒時に要するトナー量が１．０ｇであれば、上記のハーフトーン画像に必要なトナー量は０．２５ｇとなる。

ここで求まったコピーシーケンス中に要するトナー量（以下、ＤＴＯＴＡＬと示す）に応じてトナー補給することが望ましいと考えられる。しかしながら、ＤＴＯＴＡＬで常に補給しつづけるのは実際には望ましくない。ＤＴＯＴＡＬで補給しつづけた場合には、現像スリーブ３上のトナー濃度は一定となる。しかし、原稿の画像面積率に応じて、トナー補給量が変化し、それに伴い、トナーの単位重さあたりの電荷量が変化し、現像効率が変化するためである。適宜、具体的には、感光ドラム４上のパッチ画像２８が一定となるように、現像スリーブ３上のトナー濃度を変える必要がある。

そのため、ビデオカウントＣ１から求めた必要トナー量に幅を持たせ、補給量許容範囲を求める。それを図８に示している。

本補給量許容範囲は、ビデオカウントＣ１から求まる理想補給量に対して、おおよそ＋２０％を上限に、−４０％を下限に設定した。これらは、トナーとキャリアの帯電特性や接触確率等によって決まるものであり、これに限定されるものではない。画像濃度が変わった時等に、トナー濃度が適切に変えられるように補給量許容範囲を広くする一方で、補給量のばらつきが小さくなるように、補給量許容範囲を狭くするように設計していった結果から、求めたものである。

上記のようにして画像形成した結果を図９と図１０に示す。

直前にＡ３用紙で５％画像を２００枚通紙し、その後、Ａ３用紙で７０％画像を６４枚通紙した時の濃度推移と補給量推移である。

感光ドラム４０上の濃度が初期から一定となるようにトナー濃度目標値を制御し、そのトナー濃度目標値となるように決めた補給量を、原稿濃度に応じて適宜修正することで、濃度や補給量のアンダーシュートもしくはオーバーシュートを軽減し、安定な推移とすることができる。また、トナー濃度検知手段７ａと補給用スクリュー６２との距離差による補給振れを抑制でき、安定な濃度推移を達成できる。さらにまた、適宜、感光ドラム４０上の濃度を検知することで、トナー像の濃度を恒久的に一定に保つ可能である。

尚、トナー濃度をあるレベル以上もしくは以下にすると剤アフレ・コート不良現象を引き起こす可能性がある。この問題は、あるトナー濃度レベルのしきい値を設けることで解決できる。つまり剤反射ＡＴＲでの信号がしきい値に達したところでパッチ検ＡＴＲからの制御を止め、剤反射ＡＴＲのみの補給に切り替える。その際の剤反射ＡＴＲの目標値は上限・下限値に固定しておくことでよい。そして、パッチ検ＡＴＲからの信号がしきい値旧制御を要求した時に、再び剤反射ＡＴＲの目標値を変更していくことで良好な濃度推移が得られる。

本実施例は、パッチ検ＡＴＲによりトナー濃度の目標値を変える制御をより本発明に適したものにした例である。

実施例１に示した制御の場合、パッチ検ＡＴＲにより、感光ドラム４０上の濃度が薄いと検知しつづけた場合、トナー濃度目標値は上がりつづける。それにより、トナー補給量は上がるが、図８に示している補給量許容範囲以上には補給量は上がらない。そのため、頻繁にパッチ検ＡＴＲを動作させた場合等には、トナー濃度目標値は上がるが、実際のトナー濃度はさほど上がらない状態が起こる。次に、感光ドラム４０上の濃度が濃いと検知すると、トナー目標濃度は下がる。しかしながら、トナー濃度目標値が上がり過ぎているため、下がっても依然に実際のトナー濃度より高く、多くのトナー補給をしてしまうことがしばらく続き、濃度が高くなりすぎてしまう。そのような現象を回避するために、パッチ検ＡＴＲの結果が目標濃度（初期濃度）と同じだった場合には、トナー目標濃度を、現時点でのトナー濃度とする。

具体的には、パッチ検ＡＴＲの１回前の結果と今回の結果を比較し、濃いから薄い、あるいは薄いから濃いに変化した場合には、現時点でのトナー濃度を理想と判断し、トナー濃度目標値をその時のトナー濃度とする。

そうすることで、上記のようにトナー濃度目標値が発散して制御不良になる問題が回避でき、良好な濃度推移が達成できる。

さらには、濃いから薄いに変わった際には、トナー濃度がトナー濃度目標値より高い場合のみにトナー濃度目標値をトナー濃度にし、逆に、薄いから濃いに変わった場合には、トナー濃度がトナー濃度目標値よりも低い場合のみにトナー濃度目標値をトナー濃度にする制御にすると、なお望ましい。

濃いから薄いに変わっているにもかかわらずトナー濃度目標値を下げてしまうと、さらに薄くなる現象が起きるためである。そのため、トナー濃度目標値を上げる方向のみに変えるのが望ましい。

本実施例は、ビデオカウントＣ１からの信号が間に合わなく、１枚遅れで使用する場合の不具合を修正した例である。

原稿３１を読み取った後、前述したように、画像信号処理回路３４やパルス幅変調回路３５を用いて原稿信号をレーザ駆動信号へと変換する。対象原稿３１に対して、上述全ての変換が終わった後に、カウンタ６６での計算値が求められる。しかし、レーザ３６には、変換しながら、順次信号を送り、画像形成を行う。そのため、レーザ３６による画像形成終了と同時程度にカウンタ６６での計算値が求まる。したがって、本発明適用時には、通常、ビデオカウンタＣ１から計算して求めた補給量許容範囲は、次の画像形成に使う。その場合には、ラージ紙で高濃度の画像後に、スモール紙を通紙すると、ラージ紙高濃度から求まる補給量をスモール紙中に補給することになり、補給時間が足りない。その不具合を回避するため、紙サイズごとに可能な補給可能時間を考慮し、補給命令時間よりも補給可能時間が足りない場合には、補給可能時間だけ補給し、次の画像形成時にその不足分を追加で補給する。

そのようにすることで、補給時間不足が生じることなく、良好な濃度推移が得られる。

本実施例では、上述のような光ＡＴＲセンサではなく、現像器４４内現像剤の磁性キャリアの透磁率を検知する方式（インダクタンスＡＴＲ）を用いて、トナー濃度を検知した例である。

インダクタンスＡＴＲでは、現像器４４内現像剤中の磁性キャリアの透磁率を検知する。急激なトナー補給量の変化や現像剤中の磁性キャリアの変質や環境の変動により、現像剤中のトナーの流動性や摩擦帯電量（トリボ）が変化し現像剤のかさ密度が変化した場合、正しく磁性キャリアの透磁率を測定できなくなる欠点があった。そのため、本発明のように、画像濃度に応じて、適切な範囲内のみでトナー補給量を制御することで、上記のような測定不良によるトナー補給量の振れを回避できる。インダクタンスＡＴＲによるトナー濃度検知も本発明で使用するセンサとして好適である。

本発明の効果は、原稿がなく、画像信号があらかじめ電子化された、所謂、パーソナルコンピュータとネットワーク接続されたプリンタ、即ち、画像形成したい画像情報データがケーブルを通して入力され、この情報に基づいて画像形成を行う画像形成装置に適用した場合でも効果が発揮できる。

以上説明した上記各実施例によれば、トナーとキャリアの比を一定に制御する際のトナー補給量のばらつきに伴うトナー濃度の推移を安定化させることができ、そして補給されたトナーにトリボ不足（帯電不足）が生じ画像濃度不良となるのを防止することができる。

本発明の画像形成装置の概略図ＰＷＭ制御を説明する図本発明の実施の形態の現像装置の断面図トナー濃度検知センサーの配置を示す図画像濃度に対する検知濃度の出力を示す図本発明の実施の形態のフローチャート本発明の実施の形態のトナー補給量制御を示す概略図本発明の実施の形態のビデオカウンタＣ１と補給量可能範囲の関係を示す図本発明を適用した場合の、原稿濃度が濃くなった直後の濃度推移本発明を適用した場合の、原稿濃度が濃くなった直後のトナー補給推移従来の画像形成装置の概略図従来の画像形成装置における、原稿濃度が濃くなった直後のトナー補給推移従来の画像形成装置における、原稿濃度が濃くなった直後の濃度推移

符号の説明

７トナー濃度検知手段
１９画像濃度検知手段
６２補給スクリュー
６６カウンタ

Claims

像担持体と、前記像担持体に形成された潜像をトナーとキャリアを有する現像剤にて現像する現像装置と、前記現像装置内のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段と、前記トナー濃度検知手段の検知結果とトナー濃度基準値に基いて、前記補給手段の補給量が補給量下限値以上、補給量上限値以下となるように前記現像装置へのトナー補給量を制御する制御手段と、記録材に形成されるトナー画像の面積量が大きくなるに従い、前記補給量下限値及び前記補給量上限値が大きくなるように前記補給量下限値及び前記補給量上限値を変更する変更手段と、を有することを特徴とする画像形成装置。
前記現像装置内の現像剤を用いて形成されたトナー画像の濃度を検知する画像濃度検知手段を有し、前記画像濃度検知手段の出力と画像濃度基準値とにより前記トナー濃度基準値を補正し、
今回の画像濃度検知手段による検知結果が前記画像濃度基準値よりも大きく、かつ、前回の画像濃度検知手段による検知結果が前記画像濃度基準値より小さい場合、
または、
今回の画像濃度検知手段による検知結果が前記画像濃度基準値よりも小さく、かつ、前回の画像濃度検知手段による検知結果が前記画像濃度基準値より大きい場合、現時点での前記トナー濃度検知手段による検知結果を、前記トナー濃度基準値とすることを特徴とする請求項１の画像形成装置。