JP4625874B2 - 画像形成装置及び画像形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真法を用いた複写機、ファクシミリ、プリンタ等の、いわゆる、画像形成装置に関し、特に、粉末状のトナーを用いた画像形成装置における画像の制御に関する。

電子写真法を用いて感光体上にトナー可視画像を現像し、その画像を記録用紙に転写させる前記画像形成装置においては、一般に、かかる感光体の周囲には、帯電装置、像書き込み露光装置、現像装置、転写装置、クリーニング装置、除電装置等が設けられている。なお、かかる装置では、帯電装置により感上記光体を一様に帯電した後、像書き込み露光装置により感光体上に静電潜像を形成する。この静電潜像を現像装置によりトナー像に現像した後、給紙装置から搬送されてくる転写材（例えば、紙）上に転写装置により前記トナー像を転写する。その後、この得られた転写像を定着する。一方、感光体においては、クリーニング装置により感光体上の残留トナーを除去した後、除電装置により感光体の電荷を除去するという一連のプロセスで画像形成を行っている。

このように、前記画像形成装置においては、静電潜像の現像に利用される粉末状のトナーへの帯電量が、印刷画像の品質を決める重要なファクターとなっている。すなわち、このトナー帯電量が通常設定される値に比べて小さかった場合には、トナーと感光体との静電的付着力が弱くなり、トナーが飛翔しやすくなると共に、静電潜像の現像を行う際のトナー消費量が多くなり、そのため、印刷された画像が濃くなってしまうという現象が生じる。

これに対し、トナー帯電量が通常設定される値に比べて大きかった場合には、トナーは静電気力の増大によって感光体への付着力が増大し、静電潜像の現像及び現像後の可視画像の転写が難しくなる上に、トナー消費量が減少し、そのため、画像が薄くなってしまうという現象が生じる。

これらのことからも、印刷される画像の状態を最適にするためには、上記トナー帯電量を、その最適範囲内になるように制御する必要がある。

ところで、平均トナー帯電量を長期に亘って適正な範囲に維持する手法としては、従来、例えば特許文献１の特開平５−１１５９９号公報に記載されるように、トナーの層厚を規制する際、その層厚規制部材に対し、摩擦帯電による極性と同極性の電荷（負の電荷）を現像剤層に注入する、すなわち、負の電荷注入電圧を印加する方法が既に知られている。

また、特にカラー画像を形成する画像形成装置において、上記のトナー帯電量とは異なり、トナーの濃度を測定し、その測定結果より各画像形成条件を制御する方式は、例えば特許文献２の特公平３−２６３８９号公報に開示されている。なお、この従来技術は、感光体ドラム上に所定のパターンで形成したトナーの濃度を非接触で測定し、もって、各画像形成条件の制御を行うものである。

特開平５−１１５９９号公報 特公平３−２６３８９号公報

このように、上記トナー帯電量を適正な範囲に維持する手法は既に公知である。しかしながら、上記前者の従来技術、すなわち、特許文献１の特開平５−１１５９９号公報に記載された装置では、トナー帯電量を算出するため、まず、現像装置から現像ローラを取り外してトナー層厚をレーザースキャンマイクロ測定装置で測定し、これにより得られたトナー層の測定電位とトナー層厚から、トナー帯電量を算出する。そして、その結果より、現像ローラと層厚規制部材との間に電界（具体的には、層厚規制部材に対して負の電位を印加する）を形成し、もって、トナー帯電量を変更するようになっている。

すなわち、この従来技術では、トナー層厚及び帯電量の測定は、現像装置から現像ローラを取り外して行われるため、そのためには、装置を一旦停止しなければならず、また、トナー帯電量の調整（すなわち、層厚規制部材へ印加する負電位）は、既に前もって測定されたトナー層厚に基づいて決定される。そのため、装置毎の使用条件・環境の相違や突発的な事象による環境変動などによってトナー層厚、すなわち、トナー帯電量が変化した場合には、即座に対応することはできず、装置毎にトナー帯電量を適切に維持することは難しかった。

また、上記後者の従来技術、すなわち、特許文献２の特公平３−２６３８９号公報に記載の上記従来技術では、上述のように、感光体ドラム上に形成された所定のパターンからトナーの濃度を非接触で測定し、もって、制御を行うものである。しかしながら、トナーの帯電量を直接的に測定し、これを制御するという技術的思想は何ら開示されていない。

そこで、本発明では、上記の従来技術に鑑みてなされたものであり、特に、環境変動に起因するトナーの帯電量の変化に着目し、このトナー帯電量を直接的に測定してこれを最適に補正することにより、環境が変動した場合でも高品位で安定した画像を出力する画像形成装置を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明によれば、まず、表面に感光体フィルムを設けた感光体ドラムと、この感光体ドラム表面の前記感光体フィルムを一様に帯電する帯電器と、前記帯電したフィルム上に露光を行って静電潜像を形成する露光装置と、前記感光体フィルム上に形成した静電潜像を現像剤により現像して可視画像とする現像器と、前記可視画像を記録用部材に転写させる転写装置と、転写後の可視画像の定着を行う定着器とからなる画像形成装置において、前記現像器は、その内部に粒体状の現像剤を収納し、且つ前記現像剤をその外周面上に層状に付着させて前記感光体ドラム上に移動するための現像ローラと、該現像ローラの外周面上に前記現像剤を層状に付着させる層厚規制部材とを有しており、さらに、前記現像ローラの内側に設けられ、且つ前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤に直接接触して、前記現像剤の帯電量を検出する手段と、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の帯電量を付与する手段とを備え、そして、前記検出手段により検出した前記現像剤の帯電量に基づいて前記帯電量付与手段により、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の帯電量を制御する手段を備えたことを特徴とする画像形成装置が提供される。

また、本発明によれば、前記に記載した画像形成装置において、前記帯電量制御手段は、前記検出手段により検出した前記現像剤の帯電量に基づいてその比電荷を算出する手段を備えている。

さらに、本発明によれば、前記に記載した画像形成装置において、前記現像器は、さらに、前記帯電量制御手段によって検出した前記現像剤の付着重量を検出する手段を設け、前記帯電量制御手段は、前記帯電量制御手段及び前記付着重量検出手段からの検出出力に基づいて比電荷を算出し、もって、前記帯電量付与手段により前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の帯電量を制御するものである。

また、本発明によれば、前記に記載した画像形成装置において、前記帯電量制御手段は、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の比電荷を７〜１７μＣ／ｇの範囲に制御する。

また、本発明によれば、前記に記載した画像形成装置において、前記帯電量制御手段は、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の比電荷を、さらに、１０〜１５μＣ／ｇの範囲に制御する。

さらに、また、本発明によれば、前記に記載した画像形成装置において、前記帯電量検出手段は、前記現像ローラの内側に設けられ、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の電荷に対応した電荷が誘導される誘電体を有しており、当該誘電体の電荷を測定して現像剤粒体の帯電量を検出する。

また、さらに、本発明によれば、前記に記載した画像形成装置において、前記現像剤の付着重量検出手段は、前記現像ローラの外周面の一部に設けたクリーナーによって除去された前記現像剤の重量を検出する。

さらに、本発明によれば、前記に記載した画像形成装置において、前記現像剤の付着重量検出手段は、前記現像ローラ外周面の一部から吸引した前記現像剤の重量を検出する。

さらに、本発明によれば、前記に記載した画像形成装置において、前記帯電量付与手段は、前記現像ローラ外周面に近接し、当該ローラの回転方向において、前記帯電量検出手段の後部に配置されている。

加えて、やはり上記目的を達成するために、本発明によれば、感光体ドラムの表面に設けた感光体フィルムを表面帯電器により一様に帯電し、この帯電した感光体フィルム上に、露光装置によって露光を行って静電潜像を形成し、この感光体フィルム上に形成した静電潜像を現像器により現像剤により現像して可視画像とし、この可視画像を転写装置により記録用部材に転写し、その後、定着器により転写後の可視画像の定着を行う画像形成方法において、前記現像器内に収納した粒体状の現像剤を、前記感光体ドラム上に移動するための現像ローラの外周面上に層状に付着させ、さらに、前記現像ローラの内側に備えられ、且つ前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤に直接接触して、前記現像剤の帯電量を直接検出し、当該検出した前記現像剤の帯電量に基づいて、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の帯電量を制御することを特徴とする画像形成方法が提供される。

また、さらに、本発明によれば、前記に記載した画像形成装置において、前記現像ローラは、対接する第１の現像ローラ及び第２の現像ローラからなり、前記第１の現像ローラの内側に前記検出手段が備えられ、前記第２の現像ローラの外周面に前記帯電量付与手段が備えられている。

より具体的に説明すると、以下の発明の実施の形態からも明らかとなるように、本発明における画像形成装置では、上記現像器内部にはトナーが収容されており、トナーはトナー撹拌ローラにより撹拌され、トナー供給兼回収ローラにより現像ローラ上に移動する。現像ローラの周囲の一部は現像器の開口部から露出し、この露出部分は感光体ドラムに対向している。現像ローラは反時計方向に回転し、感光体ドラム上にトナー像を形成する。そのときに層厚規制部材が現像ローラに図示しないコイルバネ等により圧接されており、現像ローラ上の現像トナーを均一な薄層とする。トナーが供給兼回収ローラによって現像ローラ上に搬送され、層厚規制部材により均一な薄層が現像ローラ上に形成される。形成されたトナー層は、現像ローラの内側に設けられ、且つ現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤に直接接触したトナー付着量、帯電量測定装置によりトナー付着量及び帯電量が測定される。測定された付着量及び帯電量は瞬時にＣＰＵ装置に送られ、トナー比電荷（＝単位重量あたりのトナー帯電量）が計算される。ＣＰＵ装置は検出されたトナー比電荷により常温常湿時（例えば、温度＝２２℃、湿度＝５０％）に比較してどれだけトナー比電荷が低下、または、上昇しているかを比較し、低下している場合は正の、上昇している場合は負の電荷を与えるように帯電量付与装置に指令を出力する。帯電量付与装置はＣＰＵ装置で計算された所望の電荷を現像ローラ上のトナー薄層に与える。電荷を与えられたトナー層はすぐに感光体ドラムとの接触部分に搬送され、感光体ドラム上の静電潜像にトナー画像を形成する。

従って、感光体ドラム上に形成されるトナー像の付着量は環境が変動した場合でも常に一定値となるため画像濃度の変動が防止される。

本発明によれば、上記従来技術のように現像装置から現像ローラを取り外すことなく、画像形成装置内で、トナー現像を行う直前の、すなわち、現像ローラ上のトナー帯電量を、さらには、その比電荷量を正確に検出し、温度や湿度等の環境が変動した場合でも、感光体ドラム上に移動して現像されるトナーの帯電量を、常に、適切に維持し、良好な範囲内にトナー帯電量を保つことができるので、画像濃度が不安定になることを防止でき、より高品位な画像を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態における画像形成装置の特徴をなす現像器の内部詳細を示す断面図である。 本発明になる画像形成装置の概観構成を示すブロック図である。 上記現像器の内部詳細を示すための斜視図である。 やはり、上記現像器の内部詳細を示すため他の断面図である。 上記本発明の画像形成装置におけるトナーの帯電量制御動作を説明するためのフローチャート図である。 上記本発明の画像形成装置におけるトナー帯電量検出手段の一構造例を説明する断面図である。 上記本発明の画像形成装置におけるトナー帯電量検出手段の他の構造例を説明する断面図である。 本発明の第２の実施の形態における画像形成装置における現像器の内部詳細を示す断面図である。 上記第２の実施の形態になる現像器の内部詳細を示すための斜視図である。 本発明の第３の実施の形態における画像形成装置における現像器の内部詳細を示す断面図である。 上記第３の実施の形態になる現像器の内部詳細を示すための斜視図である。 本発明の第４の実施の形態における画像形成装置における現像器の内部詳細を示す断面図である。 上記第４の実施の形態になる現像器の内部詳細を示すための斜視図である。 上記第４の実施の形態になる現像器におけるトナー帯電量測定装置の具体的構造を示す図である。 本発明の第５の実施の形態における画像形成装置における現像器の内部詳細を示す断面図である。 上記第５の実施の形態になる現像器の内部詳細を示すための斜視図である。 上記第５の実施の形態になる現像器の上面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。

添付の図２は、本発明の一実施の形態になる静電気録による画像形成装置１００の主要部を示す構成図である。なお、この図において、符号１は感光体ドラムであり、また、符号２は感光体ドラム上に巻き付けられている感光体フィルムである。さらに、図中の符号３は帯電器、４は露光装置、５は現像器、６は転写装置、７はクリーナー装置をそれぞれ示している。

前記構成による静電気録装置においては、以下のような動作が行われる。すなわち、動作時に感光体ドラム１が矢印方向に回転を行い、この時、感光体ドラム１に巻き付けられている感光体フィルム２の表面は、まず、帯電器３において、一様に帯電される。次いで、この一様に帯電された前記感光体フィルム２は、露光装置４において印刷される画像に対応して変化する露光信号によって露光され、これにより、その露光に対応した静電潜像が形成される。

続いて、前記静電潜像は、その内部に図示しない粉体（粒体）状のトナーを収納した現像器５においてトナー現像が行われ、これにより、感光体フィルム２の表面には前記静電潜像に対応した可視画像が形成される。次に、この可視画像は、転写装置６において記録用紙１２上に転写され、さらに、記録用紙１２上に転写された可視画像は、定着器１１において記録用紙（記録用部材）上に定着され、所定の画像印刷が行われる。また、可視画像転写後の感光体フィルム２の表面では、前記クリーナー装置７によって残留トナーの除去が行われ、その後、再び前記帯電器３において一様に帯電が行われるものである。

一般に画像形成装置は、帯電装置により感光体を一様に帯電した後、像書き込み露光装置により感光体を一様に帯電した後、像書き込み露光装置により感光体上に静電潜像を形成し、この静電潜像を現像装置によりトナー像に現像している。しかしながら、温湿度などの環境が変化すると、現像装置内のトナー帯電量が変化するため、感光体上に形成されるトナー像のトナー付着量も変化する。すなわち、トナー付着量は、トナー帯電量と感光体ドラム上の電位及び現像バイアス電位によって決定される。従って、感光体ドラム電位とバイアス電位が一定の場合、トナー帯電量が高くなると付着量は低下し、トナー帯電量が低くなるとトナー付着量は上昇する。

次に、本発明の特徴となる、前記画像形成装置１００における現像器５の詳細を図１、図３及び図４に示す。図１にも示すように、前記現像器５は、その内部に、撹拌ローラ５ａ、トナー供給兼回収ローラ５ｂ、円筒形状の弾性体の外周面に誘電体の層を形成した現像ローラ５ｃ、及び、トナー層厚規制部材５ｄを備えている。また、上記現像ローラ５ｃの内部およびその外周表面には、トナー帯電量測定装置５ｅ1が設けられており、さらに、前記現像器５の外部において、上記現像ローラ５ｃの外周に沿って、トナー帯電量付与装置５ｆが設けられている。なお、この図においても、符号１はトナー画像を形成する感光体ドラムを示している。また、図中の符号１４は、例えばＣＰＵ等から構成されるトナー電荷演算部を示している。

上記にその構成を示した現像器５の動作を説明すると、図には示していないが、上記現像器５の内部には粉体（粒体）状の現像剤であるトナーが収容されており、このトナーはトナー撹拌ローラ５ａにより撹拌され、そして、トナー供給兼回収ローラ５ｂを介して上記現像ローラ５ｃ上に移動される。なお、この現像ローラ５ｃの外周面の一部は、図にも示すように、現像器５の開口部（図の左側）から外部に露出しており、かつ、この露出部分は、感光体ドラム１の外表面に対向して接触している。また、この現像ローラ５ｃは、この図において矢印で示すように反時計方向に回転しており、これにより、感光体ドラム１上にトナーを移動させてトナー像を形成する。なお、この時、上記層厚規制部材５ｄが現像ローラ５ｃに対し、図示しないコイルバネ等により圧接されており、もって、現像ローラ５ｃ上の現像トナーを均一な薄層とする。すなわち、現像器５内のトナーは、上記供給兼回収ローラ５ｂによって現像ローラ５ｃ上に搬送され、層厚規制部材５ｄにより均一な薄層が現像ローラ５ｃ上に形成されることとなる。

続いて、上記の様にして現像ローラ５ｃ上に均一な薄層として形成されたトナー層は、上記現像ローラ５ｃの外周面に設けられたトナー帯電量測定装置５ｅ1により、そのトナー帯電量が測定される。その後、この測定されたトナー帯電量に基づき、トナー電荷補正量が上記トナー電荷演算部１４によって計算される。そして、この算出されたトナー電荷補正量に基づいて、上記現像器５の開口部付近に現像ローラ５ｃの外周表面に対向して設けられたトナー帯電量付与装置５ｆにより補正される。

添付の図３には、上記実施の形態になる現像器５の、特に、その現像ローラ５ｃのさらに詳しい構成を示す。この図３において、符号５ｄは、上記と同様に、層厚規制部材を示しており、この図から、現像ローラ５ｃの回転軸方向に沿って延びていることが分かる。また、符号５ｅ１も、上記同様に、現像ローラ５ｃの外周に設けたトナー帯電量測定装置であり、現像ローラ５ｃの回転軸方向の一部にだけ設けられたものである。なお、この図３において、符号５ｈは画像形成領域であり、また、符号５ｉはトナー帯電量測定領域を示している。また、この図にも符号１４で示すトナー電荷演算部は、上記トナー帯電量測定装置５ｅ１で測定されたトナー帯電量に基づき、トナー電荷補正量を算出することは上述の通りである。

さらに、添付の図４には、上記の現像器５における、特に、上記現像ローラ５ｃの下部に設けられたクリーナー５ｊが示されている。すなわち、このクリーナー５ｊには、小型で高精度なロードセル（荷重変換器）５ｋが設けられている。これにより、感光体ドラム１上にトナーの可視画像を形成した後に上記現像ローラ５ｃの外周面上に付着しているトナーをクリーナー５ｊによって除去する際、これを上記ロードセル５ｋ内に回収することにより、その時のトナー重量を測定することが可能である。また、図中における上記図１及び図３と同じ符号は、やはり、上記図１及び図３における同じ部材を示している。

以上に説明したように、本発明になる前記画像形成装置１００における現像器５内の現像ローラ５ｃには、トナー帯電量測定装置５ｅ1が設けられている。なお、この現像器５内のトナーは、上述のように、そのトナー層厚が層厚規制部材５ｄにより規制されており、これにより、現像ローラ５ｃ上にトナー薄層が形成される。そして、このトナー薄層は、図３に示した画像形成領域５ｈとトナー帯電量測定領域５ｉの外周面上に形成され、さらに、このトナー帯電量測定領域５ｉ上に形成されたトナーは、上記のトナー帯電量測定装置５ｅ1により、そのトナー帯電量が測定されることとなる。

その後、この測定されたトナー帯電量は、上記ＣＰＵ等から構成されるトナー電荷演算部１４に送られる。このトナー電荷演算部１４は、例えば、添付の図５に示すフローチャートに示すように、上記トナー帯電量測定装置５ｅ1により測定されたトナー帯電量に基づいて、トナー比電荷（ｑ＝Ｑ／Ｗ＝単位重量あたりのトナー帯電量）を計算する（ステップＳ１）。続いて、このトナー電荷演算部１４は、上記により検出されたトナー比電荷により、常温常湿時のトナー比電荷（例えば、温度＝２２℃、湿度＝５０％）、すなわち、基準トナー比電荷（ｑ_Ref）に比較し（ステップＳ２）、どれだけトナー比電荷が低下、または、上昇しているかを検出する。この比較の結果、検出されたトナー比電荷が負に、すなわち、「低下」していると判定された場合には、正の電荷を与えるように帯電量付与装置５ｆに指令を出力し（ステップＳ３）、他方、検出されたトナー比電荷が「上昇」していると判定された場合には、負の電荷を与えるように帯電量付与装置５ｆに指令を出力する（ステップＳ４）を行い、処理を終了する。なお、このトナー電荷演算部１４は、上記の処理を所定のタイミングで繰り返してこれを実行する。

このようにして、現像器５内の帯電量付与装置５ｆは、上記トナー電荷演算部１４による上記演算処理によって、所望の電荷を現像ローラ５ｃ上のトナー薄層に与える。そして、かかる所望の電荷を与えられたトナー層は、直ちに、感光体ドラム1との接触部分に搬送され、感光体ドラム1上の静電潜像にトナー画像を形成することとなる。また、上記現像ローラ５ｃ上の帯電量測定領域５ｉ表面のトナーは、その後、上記クリーナー５ｊによって清掃され、ロードセル（荷重変換器）５ｋ内に回収することにより、その時のトナー重量を測定する。

次に、図６には、上記トナー帯電量測定装置５ｅ1の構成の一例が示されている。この図からも明らかなように、このトナー帯電量測定装置の５ｅ1は、接地用スイッチ２１、コンデンサ２２、電圧計２３、そして、積分回路２４から構成されている。

上記図６に示された構成からなる電荷量検出手段、すなわち、トナー帯電量測定装置５ｅ1の動作を説明する。上記現像ローラ５ｃの外周表面上に設けられた誘電体をその一部の部品として構成されるこのトナー帯電量測定装置５ｅ1では、上記誘電体の部分に、上述のように、均一な厚さのトナー層が形成され、これにより、この誘電体内には、前記トナー層の保持電荷（マイナス極性又はプラス極性）が誘導される。そこで、トナー帯電量測定装置５ｅ1では、この誘導された誘導電荷を上記コンデンサ２２に蓄積させ、そして、この電荷が蓄積されたコンデンサ２２の端子間電圧を電圧計３３で測定する。

ここで、上記コンデンサの容量をＣ、前記電位計２３で測定した電位をＶとすると、前記トナー層の電荷量Ｑは、前記容量Ｃと前記電圧Ｖとの積として、以下のように求められる。
Ｑ＝Ｃ×Ｖ
さらに、添付の図７には、上記トナー帯電量測定装置５ｅ１の他の一例を示す。この図７においても、やはり上記図６と同様、図中の符号２１は接地用スイッチを、符号２３は電圧計を示している。また、図中の符号２４は抵抗を、符号２５は積分回路を示している。この図７に示された電荷量検出手段であるトナー帯電量測定装置５ｅ１においても、上記現像ローラ５ｃ上に設けられた誘電体により構成されるトナー帯電量測定装置５ｅ1の部分に均一な厚さのトナー層が形成され、このトナー層によって、上記誘電体内には保持電荷（マイナス極性又はプラス極性）が誘導されることは同様である。そこで、この他の例になるトナー帯電量測定装置５ｅ１では、この保持電荷を誘導する際に生じる電流を抵抗２４の両端で検出し、その検出電流を積分回路２５によって積分し、もって、前記トナー層の電荷量Ｑを測定するものである。

次に、トナー付着量の測定について説明する。一般に、現像ローラ５ｃ上のトナー付着量は、トナー層厚及びトナー帯電量測定装置の表面積により計算される。すなわち、トナー層の厚さは層厚規制部材５ｄにより規制され、従って、その平均厚さをｔ、トナー帯電量測定装置５ｅ１の表面積をＳとすると、その部分のトナー体積Ｖは下記の式で与えられる。
Ｖ＝ｔ×Ｓ
すなわち、その付着量はトナー粒子の密度をρとすると、付着量Ｗは、下記の式で与えられることとなる。
Ｗ＝ρ×Ｖ
しかしながら、上記に示した方法では、トナー層の不均一等の原因から、トナーの付着量を正確に測定できないなどの不具合が生じる。従って、さらに高精度にトナー付着量を測定する方法としては、上記図４において符号５ｊで示した前記クリーナーの部分に、小型で高精度なロードセル（荷重変換器）５ｋが設けられている。そして、現像ローラ５ｃ上の帯電量測定時のトナーを上記クリーナー５ｊによって除去する際に、そのトナーをロードセル５ｋ内に回収することにより、その時のトナー重量を正確に測定することが可能である。また、１回の除去により回収されるトナーの重量が少な過ぎるときには、数回の除去により回収されるトナーを計測してもよい。または、上記の測定を数回繰り返して行い、これにより得られたトナー帯電量Ｑ及び付着量Ｗからそれらの平均値を計算することにより、より高精度にトナー比電荷を求めることが可能となる。

従って、上記の測定結果より、上記トナー比電荷はｑ＝Ｑ／Ｗとなり、この比電荷ｑを、上記トナー電荷演算部１４の制御動作によって所定の範囲内に制御することとなる。なお、ここで、このトナー比電荷ｑ＝Ｑ／Ｗの所定の範囲としては、発明者等による種々の実験によれば、後にも詳細に説明するが、例えば、１０〜１５μＣ／ｇの範囲になるようにトナーの電荷を補正することが好ましいことが分かった。

なお、具体的には、上記に示すように、トナー薄層形成と共に測定されたトナー帯電量及び付着量は、上記トナー電荷演算部１４を構成するＣＰＵ装置に送られ、上記図５に示す手順によりそのトナー比電荷ｑが計算される。そして、この計算結果により、ＣＰＵ装置はトナー帯電量付与装置５ｆにトナー薄層に所望の電荷を与えるように指示し、これにより、トナー帯電量付与装置５ｆは上記指令に基づいてトナー薄層に電荷を与えることは、上記で述べた通りである。

ここで、トナー帯電量とトナー画像との関係について説明する。上述したように、現像器５において、現像ローラ５ｃは、図示しないトナーを収容する現像器５内に回転可能に配置されており、その一部は、上記現像器５から露出され、かつ、所定の押圧力で感光体ドラム１に対して弾性的に押圧させられている。

そして、弾性体の現像ローラ５ｃが回転駆動させられると、その回転表面にはトナーが摩擦力で付着し、トナー層が形成される。なお、このトナー層は、上述のように、層厚規制部材５ｄによって所望の層厚に規制され、その後、感光体ドラム１との対接部分に搬送される。また、上記層厚規制部材５ｄは、上記トナー層の層厚規制時に、そのトナー内のトナー粒子を摩擦帯電によって所望の帯電量とする。

しかしながら、上述のような帯電摩擦によるトナー帯電は、環境の変化、特に温湿度の変動によって影響を受け易い。なお、一般的な傾向としては、低温低湿の環境下では、トナー帯電量は多く、これとは反対に、高温高湿の環境下ではトナー帯電量は少ない。

また、平均トナー帯電量と現像特性との関係を考えると、現像濃度はトナー帯電量が１０μＣ／ｇ以上になるにつれて徐々に低下し、特に、その値が１８μＣ／ｇ以上になると画像濃度に悪影響を与える。すなわち、平均トナー帯電量が１８μＣ／ｇ以上の場合には、個々のトナー粒子の電荷が比較的大きくなるので、現像時に静電領域（すなわち、感光体ドラム１表面に形成される電位井戸）へ少量のトナー粒子の付着するだけでその電位が背景領域の電位と等しくなり、それ以上のトナー粒子の付着が妨げられるからである。

また、トナー画像のかぶり濃度は、平均トナー帯電量が７μＣ／ｇ以下になるにつれて上昇する。何故ならば、このトナー帯電量が７μＣ／ｇ以下の場合には、個々のトナー粒子の中には無電荷のものも含まれ、この無電荷のトナー粒子は、現像バイアス電圧に作用されずに感光体ドラム表面に物理的に付着し得るため、これが、上記かぶりの原因になるものと思われる。従って、平均トナー帯電量は７〜１７μＣ／ｇの範囲内に収めるのが良好といえる。

従って、温湿度が変化した場合でも、トナー帯電量を７〜１７μＣ／ｇの範囲、さらに、転写効率等も併せて考えると、より好ましくは、１０〜１５μＣ／ｇの範囲内に保つことにより、画像濃度及び転写効率を安定に保つことができることが発明者等により実験的に確認されている。

このように、本発明の画像形成装置によれば、感光体ドラム１の表面上に静電現像を行う直前の現像ローラ５ｃ表面のトナー帯電量変化を直接に測定し、この測定結果に基づいて、トナーに最適な電荷を付与することにより、画像形成装置内のトナー帯電量が環境の変化（例えば、突然雨が降る、エアコンをつける等）により急激に変化した場合でも、即座に対応できるため、得られる画像品質の低下を防止することができる。

図８には、本発明の第２の実施の形態になる画像形成装置の現像器５が示されており、さらに、図９にはその斜視図が示されている。

すなわち、この第２の実施の形態の現像器５では、第１の現像ローラ５ｃ１上に付着したトナーは、上記トナー帯電量測定装置５ｅ1によって、その帯電量が測定され、その後、第２の現像ローラ５ｃ２との対接部分に搬送される。そして、この対接部分に搬送されたトナーは、上記第１及び第２の現像ローラ５ｃ１、５ｃ２との間に印加した電圧によって、静電的に移動される。そして、この移動によって、トナー粒子の中に混入している不良帯電トナーが除去されることとなる。そして、この第２の現像ローラ５Ｃ２上に移動した良好な（帯電した）トナーには、上記帯電量付与装置５ｆによって所望の電荷量が与えられる。具体的には、上記のように、トナー帯電量が１０〜１５μＣ／ｇの範囲内に保たれる。

その後、この電荷を付与されたトナーは、さらに、上記感光体ドラム１との対接部分に搬送され、ここで感光体ドラム１上の静電潜像にトナー画像を形成することは上記の実施の形態と同様である。以上述べたように、本発明の第２の実施の形態になる現像器５では、不良帯電トナーを除去した後に良好なトナーに電荷を与えることにより、画像形成におけるトナー帯電の不安定さを低減・減少し、もって、画素の飛び散りや抜けを防止することが出来る。

さらに、添付の図１０及び図１１には、本発明の第３の実施の形態になる画像形成装置の現像器５を示す。この第３の実施の形態では、図１０にも示すように、上記現像ローラ５ｃの上側面に対向して測定ローラ５ｇを設けたものである。なお、本実施の形態では、上記の実施の形態とは異なり、本発明のトナー帯電量測定装置５ｅ1を、この測定ローラ５ｇ内に内蔵し、もって、トナー帯電量を測定するものである。

これを、図１１を参照しながらさらに詳しく説明すると、上記現像ローラ５ｃの外周表面上に形成されるトナー薄層は、その画像形成領域５ｈ及びトナー帯電量測定領域５ｉに形成される。そして、トナー帯電量測定領域５ｉ上のトナー薄層は、上記測定ローラ５ｇ内に形成されたトナー帯電量測定装置５ｅ１により、例えば、上記の実施の形態と同様の手法を用いることにより、そのトナー帯電量が測定される。

この第３の実施の形態によれば、上記のように、現像ローラ５ｃの対面側に小型の測定ローラ５ｇを設けて、その内部にトナー帯電量測定装置５ｅ１を構成することにより、現像ローラ５ｃ自体を改造することなく、測定ローラ５ｇを設けるだけの簡単な構成により、上記トナー帯電量の測定を行うことが可能となる。

また、さらに、上記の測定ローラ５ｇは小型の（すなわち、上記現像ローラ５ｃの径に対して小さい径を有する）ため、このローラの回転数を多く（すなわち、上記現像ローラ５ｃの回転数よりも多く）することが出来る。これによれば、トナー帯電量を測定し、その測定後にクリーナーでトナーを除去し、再度、上記測定ローラ５ｇを回転してトナーを測定するという動作を繰り返し行うことにより、上述のように、トナー帯電量の測定を何回か繰り返してその平均値よりトナーの比電荷を計算する構成とすることが可能であり、これにより、トナー帯電量の測定誤差を減らし、より正確な測定をすることが可能となる。また、上記の測定ローラ５ｇの小型化により、トナー帯電量の測定を素早く行うことが可能となり、もって、トナー帯電量を短い時間で測定することが可能となる。

さらに、添付の図１２及び図１３には、本発明の第４の実施の形態になる画像形成装置の現像器５を示す。まず、図１２には、上述のトナー帯電量測定装置５ｅ１に代えて、その詳細は後述するが、トナーを吸引してその付着量及び帯電量を測定するトナー付着量兼帯電量測定装置５ｅ２が、上記現像ローラ５ｃの上方に対向して設けられている。なお、このトナー付着量兼帯電量測定装置５ｅ２は、図示しない移動機構により、図の矢印で示すように上下に移動可能である。すなわち、トナー吸引時には、下降して現像ローラ５ｃに接してトナーを吸引し、測定後には、上昇して上記現像ローラ５ｃの表面からは離れる構成となっている。

図１３は、本実施の形態になるトナー付着量兼帯電量測定装置５ｅ２と上記現像ローラ５ｃを示す斜視図であり、その動作を、この図１３を参照しながら、さらに詳しく説明する。なお、現像器５内のトナーが現像ローラ５ｃ上にトナー薄層を形成することは上記と同様である。

すなわち、このトナー付着量兼帯電量測定装置５ｅ２は、図示しないが、トナー帯電量測定の指令（例えば、上記トナー電荷演算部１４が発生してもよい）が来ると、図示しない移動機構により現像ローラ５ｃの表面上に接するように下降する。そして、この下降したトナー付着量兼帯電量測定装置５ｅ２は、所望の量だけトナーを吸引し、その後、トナー付着量及び帯電量を測定する。

このトナー付着量兼帯電量測定装置５ｅ２の具体的構造の一例を、添付の図１４に示す。この図１４において、トナー付着量兼帯電量測定装置５ｅ２は、所謂、トナー吸引装置、トナーの帯電量測定器５１、及び、トナー粒子のカウンター５２から構成されている。そして、このトナー付着量兼帯電量測定装置５ｅ２は、上記現像ローラ５ｃ上に形成されたトナー層から所定の量のトナーを吸い取る段階で、そのトナー帯電量及びトナー粒子数を、上記帯電量測定器５１及びカウンター５２によって、これらを測定し及びカウントできる構成となっているものである。なお、このトナー付着量兼帯電量測定装置５ｅ２は、上記図１２や図１３にも示したように、上記現像ローラ５ｃの外側に設けてもよいが、あるいは、その内部に設ける（内蔵する）ことも可能である。

上記のような構成のトナー付着量兼帯電量測定装置５ｅ２によれば、従って、撹拌されたトナーが上記現像ローラ５ｃ上に均一の厚さで形成された直後に、ある所望の面積のトナー層が上記トナー付着量兼帯電量測定装置５ｅ２により吸引される。そして、その時のトナー粒子カウント数により、トナー付着量が、内蔵された検出回路（図示せず）により検出され、もって、トナー帯電量が検出される。そして、この検出された測定結果は、瞬時に、上記ＣＰＵ装置からなるトナー電荷演算部１４に送られ、そこでトナー比電荷、あるいは、補正電荷量（例えば、ΔＱ＝Ｑ_Ref−Ｑ）が計算され、これに基づいて帯電量付与装置5ｆに指令が出力される。また、上記のようにしてそのトナー帯電量が検出された検出済みのトナーは、その後、内部に設けた廃棄ボックスに入れられ、または、現像器５内に戻される等の操作が行われる。上記のような構成により、より正確にトナー付着量及び帯電量を測定し、もって、上記トナー比電荷ｑを得ることが可能となる。

なお、上記のような構成とすることにより、トナー帯電量及び付着量をより正確に、かつ、素早く測定し、もって、トナー帯電量を適切な値に制御することが可能となる。

最後に、図１５には、本発明の第５の実施の形態になる画像形成装置の現像器５、すなわち、現像ローラ部５を、現像ローラ５ｃと、ローラ部分と同等の材質（弾性体）のベルト状部材５ｌとで構成したものを示す。また、図１６には、特に、上記図１５に示した第５の実施の形態の現像ローラ５ｃとベルト状部材５ｌとで構成される現像ローラ部５の斜視図が、さらに、図１６には、上記現像ローラ部５の上面図を示している。

これらの図からも明らかなように、上記現像ローラ部５を構成するベルト状部材５ｌの中心部分には、本発明のトナー帯電量測定装置５ｅ1が、上記現像ローラ５ｃの内部に配置されており、これにより、ベルト状部材５ｌを介してトナー付着量及び帯電量を測定するようになっている。また、図中の符号５５、５６は、上記ベルト状部材５ｌを移動させるため、上記現像ローラ５ｃの両側に回動可能に設けられたローラを示している。

上記図１６により、さらに詳しく説明すると、上記現像ローラ５ｃの外周には、ベルト状部材５７が設けられており、これにより、現像器５内に収納されるトナーは、このベルト状部材５７の外周表面上に薄層を形成する。このベルト状部材５７の外周表面上に形成された薄層は、上記ローラ５５、５６の回動に伴って感光体ドラム１との接触部分まで搬送される。

なお、現像ローラ５ｃ上には、やはり、画像形成領域５ｈとトナー測定領域５ｉとが設けられている。また、上記ベルト状部材５７のトナー測定領域５ｉに対応する部分は、誘電性部材から形成されており（符号５ｍで示す）、この誘電性部材から形成されたベルト状部材５ｍが現像ローラ５ｃ内部に設けられたトナー帯電量測定装置５ｅ1と接することにより、トナー帯電量がこのベルト状部材５７を介して、トナー測定領域５ｉによって測定されるようになっている。

さらに、図１７には、上記ベルト状部材５７と現像ローラ５ｃとを、その上方から見た図を示している。なお、この図では、説明のため、ベルト状部材５ｌを透明にして示している。

すなわち、上記ベルト状部材５７のトナー測定領域部分は上記の誘電性部材５ｍで形成されている。そのため、この部分にトナー薄層が形成されると、そのトナー帯電量は、上記現像ローラ５ｃ内部のトナー帯電量測定装置５ｅ1によりベルト状部材５ｌとトナー帯電量測定装置５ｅ1が接した時にトナー帯電量を測定することが可能となる。この現像ローラ５ｃの位置をベルト状部材５ｌ内部で可変にすることにより、トナー帯電量測定時とトナー電荷付与時との間の時間を可変にすることができ、これにより、トナー帯電付与量を計算する演算時間を調整することが可能となる。

以上述べたように、上記のような構成とすることにより、トナー付着量及び帯電量を測定し、ＣＰＵ装置を備えたトナー電荷演算部１４において、トナーの補正電荷量（比電荷量ｑを所定の値にするために必要な、トナーに付加すべき電荷量）を計算し、これを帯電量付与装置５ｆに出力し、電荷を与えるまでの演算時間を長くすることができ、より正確に計算を行うことが可能となる。

また、上記に説明した実施の形態になる付着量及び帯電量測定方法は、それぞれ、個々に組み合わせて使用することも可能である。また、上記に説明した実施例の帯電量付与装置５ｆは、現像器５の内部、その外部の現像ローラ５ｃの本体表面上、または、層厚規制部材５ｄと感光体ドラム１との対接部分との間に位置することが可能である。また、上記トナー帯電量付与装置５ｆは、例えば、コロトロンチャージャー等の電荷付与部材で構成されることも可能である。

１００ 画像形成装置
１ 感光体ドラム
２ 感光体フィルム
３ 帯電器
４ 露光装置
５ 現像器
６ 転写装置
７ クリーナー装置
１１ 定着器
１２ 記録用紙（部材）
１４ トナー電荷演算部（ＣＰＵ装置）
５ａ 撹拌ローラ
５ｂ トナー供給兼回収ローラ
５ｃ 現像ローラ
５ｄ 層厚規制部材
５ｅ１ トナー帯電量測定装置
５ｅ２ トナー付着量兼帯電量測定装置
５ｆ 帯電量付与装置
５ｇ 測定ローラ
５ｈ 画像形成領域
５ｉ トナー測定領域
５ｊ クリーナー
５ｋ ロードセル（荷重変換器）
５ｌ ベルト状部材
５ｍ 誘電部材

Claims (11)

1. 表面に感光体フィルムを設けた感光体ドラムと、この感光体ドラム表面の前記感光体フィルムを一様に帯電する帯電器と、前記帯電したフィルム上に露光を行って静電潜像を形成する露光装置と、前記感光体フィルム上に形成した静電潜像を現像剤により現像して可視画像とする現像器と、前記可視画像を記録用部材に転写させる転写装置と、転写後の可視画像の定着を行う定着器とからなる画像形成装置において、前記現像器は、その内部に粒体状の現像剤を収納し、前記感光体ドラム上に移動するための現像ローラと、該現像ローラの外周面上に前記現像剤を層状に付着させる層厚規制部材とを有しており、さらに、前記現像ローラの内側及び外周表面に備えられ、且つ前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤に直接接触して、前記現像剤の帯電量を検出する手段と、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の帯電量を付与する手段とを備え、そして、前記検出手段により検出した前記現像剤の帯電量に基づいて前記帯電量付与手段により、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の帯電量を制御する手段を備えたことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記請求項１に記載した画像形成装置において、前記帯電量制御手段は、前記検出手段により検出した前記現像剤の帯電量に基づいてその比電荷を算出する手段を備えたことを特徴とする画像形成装置。
3. 前記請求項２に記載した画像形成装置において、前記現像器は、さらに、前記帯電量制御手段によって検出した前記現像剤の付着重量を検出する手段を設け、前記帯電量制御手段は、前記帯電量制御手段及び前記付着重量検出手段からの検出出力に基づいて比電荷を算出し、もって、前記帯電量付与手段により前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の帯電量を制御することを特徴とする画像形成装置。
4. 前記請求項３に記載した画像形成装置において、前記帯電量制御手段は、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の比電荷を７〜１７μＣ／ｇの範囲に制御することを特徴とする画像形成装置。
5. 前記請求項４に記載した画像形成装置において、前記帯電量制御手段は、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の比電荷を、さらに、１０〜１５μＣ／ｇの範囲に制御することを特徴とする画像形成装置。
6. 前記請求項１に記載した画像形成装置において、前記帯電量検出手段は、前記現像ローラの内側に備えられ、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の電荷に対応した電荷が誘導される誘電体を有しており、当該誘電体の電荷を測定して前記現像剤の帯電量を検出することを特徴とする画像形成装置。
7. 前記請求項３に記載した画像形成装置において、前記現像剤の付着重量検出手段は、前記現像ローラの外周面の一部に設けたクリーナーによって除去された前記現像剤の重量を検出することを特徴とする画像形成装置。
8. 前記請求項３に記載した画像形成装置において、前記現像剤の付着重量検出手段は、前記現像ローラ外周面の一部から吸引した前記現像剤の重量を検出することを特徴とする画像形成装置。
9. 前記請求項１に記載した画像形成装置において、前記帯電量付与手段は、前記現像ローラ外周面に近接し、当該ローラの回転方向において、前記層厚規制部材の後部に配置されていることを特徴とする画像形成装置。
10. 感光体ドラムの表面に設けた感光体フィルムを表面帯電器により一様に帯電し、この帯電した感光体フィルム上に、露光装置によって露光を行って静電潜像を形成し、この感光体フィルム上に形成した静電潜像を現像器により現像剤により現像して可視画像とし、この可視画像を転写装置により記録用部材に転写し、その後、定着器により転写後の可視画像の定着を行う画像形成方法において、前記現像器内に収納した粒体状の現像剤を、前記感光体ドラム上に移動するための現像ローラの外周面上に層状に付着させ、さらに、前記現像ローラの内側及び外周表面に備えられ、且つ前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤に直接接触して、前記現像剤の帯電量を直接検出し、当該検出した前記現像剤の帯電量に基づいて、前記現像ローラの外周面上に付着した層状の現像剤の帯電量を制御することを特徴とする画像形成方法。
11. 前記請求項１に記載した画像形成装置において、前記現像ローラは、対接する第１の現像ローラ及び第２の現像ローラからなり、前記第１の現像ローラの内側に前記検出手段が備えられ、前記第２の現像ローラの外周面に前記帯電量付与手段が備えられていることを特徴とする画像形成装置。

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