JP4872354B2 - 膜厚測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電を帯電原理とする接触帯電方式で、ＤＣ電圧にＡＣ電流又はＡＣ電圧を重畳して感光体を帯電又は除電させる技術に関する。特に、感光体の膜厚検出技術に関する。

画像形成装置に搭載された感光体の表面には各種の部材、例えば、帯電ローラや現像ブラシ、転写ローラ、さらにはクリーニングブラシやクリーニングブレード等が物理的に接触し、この物理的接触により、感光層表面が画像形成プロセスの繰返しに伴ない次第に磨耗していく。特に、クリーニングブラシやクリーニングブレードによる摺擦力は大きく、感光層磨耗の大きな要因となる。

このような磨耗に伴ない、感光層の厚みがある程度以上減少すると、光感度が著しく減退したり、帯電特性が劣化して表面を所望の電位に均一帯電させることができなくなったりして、鮮明な画像を形成できなくなる。

このため、感光体の感光層の厚みを経時的に測定し、感光体の余命を検知することが意図されている。

感光体の膜厚ｄ（μｍ）は、帯電器の帯電処理による感光体の表面電位の上昇分をＶｐ（Ｖ）、感光体に流れるＤＣ電流をＩｄｃ（μＡ）、感光体の誘電体層の比誘電率をε、真空中の誘電率をε０、帯電器の有効帯電幅をＬ（ｍｍ）、プロセススピードをＰＳ（ｍｍ／ｓｅｃ）とした場合に、これらから感光体の静電容量Ｃが計算され、以下の関係式が導かれる。

帯電電荷量Ｑ＝∫Ｉｄｃ・ｄｔ＝Ｃ・Ｖｐ…（１）
（１）式より、帯電電流Ｉｄｃ＝ｄ／ｄｔ（Ｃ・Ｖｐ）…（２）
が得られる。ここで、ｄＣ／ｄｔ＝ε・ε０・Ｌ・ＰＳ／ｄであることより、帯電電流Ｉｄｃ＝ε・ε０・Ｌ・ＰＳ・Ｖｐ／ｄ…（３）
（３）式より、感光体の膜厚ｄ＝ε・ε０・Ｌ・ＰＳ・Ｖｐ／ｄ…（４）
が得られる。

（４）式において、ε、ε０、Ｌ、ＰＳは、画像形成装置および感光体の誘電体層の特性によって決まる定数であるため、感光体の膜厚ｄは、ＶｐおよびＩｄの関数としてみることができる。つまり、上記ＶｐおよびＩｄの関係を得ることにより、感光体の膜厚ｄを検知することができる。

特許文献１では、転写バイアスを印加する電源を転写バイアス用のプラス極性のＤＣ電源と、転写バイアスとは逆極性のマイナス極性のＤＣ電源と、この両電源を転写ローラ５に対して選択的に切換え接続するスイッチング回路とで構成している。感光体の帯電時には、帯電ローラによって感光体帯電電位をＶ２＝−７００Ｖに設定し、感光体の除電時には転写ローラによって感光体表面電位をＶ１＝−１００Ｖに設定している。

特開平５−２２３５１３号公報

感光体帯電時の電圧を一定のまま除電時に印加するＤＣ電圧（以下、除電電圧と呼ぶ）を０から徐々に増大していくと、本来帯電によって流れるＤＣ電流（以下、帯電電流と呼ぶ）は、除電電圧と帯電電圧の電位差の減少に応じ直線的に減少するはずである。
しかしながら、実際は、図１に示すように除電電位０Ｖ〜数１０Ｖの付近は直線にのっておらず数１０Ｖ以上になってはじめて直線状に変化することが観察されている。感光体２を帯電させる時に流れるＤＣ電流が膜厚の逆数に比例するのは、この除電電圧に対する除電電流が直線にのっている領域でのみ成り立ち、除電電圧０Ｖ〜数１０Ｖ付近の直線状に無い点で測定した電荷量で膜厚を求めようとすると検知誤差を生じる。

また、特許文献１のように除電電位を−１００Ｖに設定すると、除電電圧と除電電流量とに非線形の関係による誤差は生じないが、転写ローラによって除電しているため、除電電位は実際には転写ベルトの抵抗や環境の影響を受け−１００Ｖに制御することは困難で，−１００Ｖとはならず膜厚検知はこれらの影響で誤差を生じてしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、感光体膜厚を精度よく求めることができる膜厚測定装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために本発明の膜厚測定装置は、被帯電体に接触又は近接して配置され、前記被帯電体を帯電又は除電する接触部材と、前記被帯電体に供給する直流電圧を、前記被帯電体の基材と所定電位差を有する第１直流電圧と第２直流電圧とで切り換える切換手段と、前記切換手段で切り換えられた直流電圧に交流電流又は交流電圧を重畳して前記被帯電体に供給し、前記被帯電体に流れる直流電流を測定する測定手段と、前記測定手段で測定された直流電流を積分して電荷量を求め、該電荷量から前記被帯電体の膜厚を求める膜厚算出手段とを有し、前記切換手段は、積分開始時と積分終了時とで電圧が異なるように直流電圧を切り換え、前記被帯電体の基材と、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧との電位差が３０Ｖ以上で、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧が前記接触部材への直流電圧であり、前記膜厚算出手段は、前記接触部材に前記第１直流電圧を供給して帯電状態にある前記被帯電体を除電した際に算出された第１電荷量と、前記接触部材に第２直流電圧を供給して除電状態にある前記被帯電体を帯電した際に算出された第２電荷量との差によりリーク電流が発生しているか否かを判定し、前記リーク電流が発生していないと判定される場合には、前記第２電荷量により前記被帯電体の膜厚を算出し、前記リーク電流が発生していると判定される場合には、前記接触部材に前記第１直流電圧を供給して前記被帯電体を帯電し、前記被帯電体の帯電の際に前記測定手段で測定される直流電流から前記被帯電体の１周当たりのリーク電流量を算出し、前記接触部材に前記第１直流電圧を供給して帯電状態にある前記被帯電体を除電し、除電の際に前記測定手段で測定される電流量に前記リーク電流量を加算した電流量から電荷量を求めて、前記被帯電体の膜厚を算出することを特徴とする。
このように本発明は、被帯電体に供給する直流電圧が、被帯電体の基材と所定電位差を有し、かつ被帯電体表面電位を直流電圧で決めているので、被帯電体の膜厚に比例した電荷量を求めることができる。従って、被帯電体の膜厚を精度よく求めることができる。
また、積分開始時と終了時で被帯電体の内部の電界強度を一定に保つことで膜内のキャリアを吐き出させて弱電界時に残留する膜内の電荷の影響を排除し、被帯電体の膜厚を精度よく求めることができる。
また、被帯電体を帯電させる際にリーク電流が発生している場合であっても、被帯電体の膜厚を精度よく算出することができる。

本発明によれば、感光体の膜厚を精度よく求めることができる。

添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例を説明する。

まず、図２を参照しながら本実施例の構成を説明する。像担持体としての感光体２は、円筒状ＯＰＣ感光体であり、紙面に垂直方向の中心軸線を中心に矢示の時計方向に所定のプロセススピード（周速度）で回転駆動される。
感光体２は、アルミニウムドラムの外周にＯＰＣ感光体膜を塗工形成したものであり、この感光体膜は電荷発生層の上に所定の厚みの電荷輸送層（Carrier Transfer Layer）を配置したものである。なお、以下では、感光体膜の下地となっているアルミニウムを感光体の基材と呼ぶ。感光体膜への電界は、この基材と感光体表面の帯電電位との電位差で決定される。

感光体２の周囲には、感光体２に接触させた帯電ロール（接触部材）３、露光装置としてのＲＯＳ（Ｒａｓｔｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｃａｎｎｅｒ）４、現像器５、クリーニングブレード７、除電ランプ８などが配置されている。

帯電ロール３は、感光体２の回転に従動して回転し、また電源部１１からＡＣ＋ＤＣの電圧又は電流が供給され、回転する感光体２の周面が所定の極性・電位に一様に帯電（本例では負帯電）される。
なおここで電圧または電流と言っているのは、実際にはＤＣ電圧にＡＣ電圧を重畳して印加し、そのとき流れるＡＣ電流が一定となるように制御していることによりこのように表現している。

次いで回転する感光体２の帯電処理面に、ＲＯＳ４から出力される、画像変調されたレーザビームが照射（走査露光）され、露光部分の電位が減衰して静電潜像が形成される。

感光体２の回転にともなって静電潜像が現像器５に対向する現像部位に到来すると、現像器５から負帯電されたトナーが供給されて反転現像によってトナー像が形成される。

感光体２の回転方向に見て現像器５の下流側には導電性の転写ロール６が感光体２に圧接配置してあって、感光体２と転写ロール６とのニップ部が転写部位を形成している。

感光体２表面に形成されたトナー像が感光体２の回転につれて上記転写部位に到達すると、これとタイミングをあわせて用紙が転写位置に供給され、これとともに所定の電圧が転写ロール６に印加されて、トナー像が感光体２の表面から用紙に転写される。

転写位置でトナー像転写を受けた用紙は定着器９へ搬送されてトナー像の定着を受けて機外へ排出される。

一方、感光体２の表面に残った転写残りトナーはクリーニングブレード７によってかき落されることで、感光体２はその表面が清掃されて、次の画像形成に備える。また、感光体２上の静電潜像は、除電ランプ８で消去される。

さらに本実施例では、感光体２の膜厚を測定する膜厚測定装置１０を備えている。この膜厚測定装置１０には、電源部１１、ＤＣ電流検知部１２、膜厚検出部１３、タイミング制御部１４が設けられている。電源部１１は、ＤＣ電源１６とＡＣ電源１５とを直列に接続した構成を備え、ＤＣ電圧にＡＣ電流を重畳して帯電ロール３に供給する。ＤＣ電流検知部１２は、帯電ロール３から感光体２に流れ込むＤＣ電流を積分して電荷を測定し、測定値を膜厚検出部１３に出力する。

タイミング制御部１４は、感光体２に印加するＤＣ電圧をＶ１とＶ２とに切り換えるタイミング、除電又は帯電期間中に、転写６への電流をＯＦＦにするタイミングと、イレーズランプをＯＦＦにするタイミングとを制御すると共に、ＤＣ電流検知部１２でＤＣ電流を積分するタイミングを制御する。タイミング制御部１４は、ソフトウェアによるコンピュータ制御によって実現される。膜厚検出部１３は、測定されたＤＣ電流を積分して、帯電又は除電時に流れた電荷量を求める。求めた電荷量から感光体２の膜厚を算出する。

図１は、帯電時に、感光体２に印加するＤＣ電圧をＶ１からＶ２まで変化したときの電荷量をＶ１をスイープした場合を示している。この図１に示すように、Ｖ１と感光体基材との電位差が３０Ｖ〜７０Ｖ以下の領域では、帯電電荷量が印加したＶ１とＶ２との電位差と比例しない。このため現在の膜厚を検知するため初期膜厚に電流比初期電荷量Ｑ２／測定電荷量Ｑ１をかけるところをＱ２/Ｑ１’をかけて膜厚を算出するため誤差を生じる。

この誤差の原因は、感光体表面の電荷輸送層にかかる電界強度が小さいと、トラップに捕獲されるキャリアが増え、再び電界強度が高くなるとそれらトラップされたキャリアがリリースされることにより、誤差が生じてしまうと考えられる。あるいは０Ｖ近辺のＤＣ電圧にＡＣ電圧を重畳していると、感光体表面がプラス電圧側に振られてその結果電荷注入が行われていることも考えられる。いずれの場合も、感光体基材に対して一定電位差を常に与えることで電荷輸送層にかかる電界強度を一定以上に維持することでトラップされるキャリアの影響を抑えるかあるいは感光体表面からの電荷の注入を抑制することでそれら誤差を防止することが可能となる。

図３及び図４に示すフローチャートを参照しながら、膜厚検出の手順を説明する。図３には感光体２を帯電する時に流れるＤＣ電流と、ＤＣ電流を積分する積分期間と、感光体２に印加するＡＣ電流の波形と、同じくＤＣ電圧の波形とが示されている。
ＤＣ電源１６はタイミング制御部１４によって感光体２の基材と電位差を有する二つの電位Ｖ１，Ｖ２に切り替えられる。まず、感光体２に印加するＤＣ電圧をＶ１（＝−１００Ｖ）に設定し、これにＡＣ電流を重畳して感光体２に供給する。感光体２からはＤＣ電流が流れ除電が行われる。除電が終了すると（ステップＳ１／ＹＥＳ）、ＤＣ電流の積分を開始する（ステップＳ２）。電荷量を算出するための積分開始タイミングはＶ１，Ｖ２切り替えに同期して必ずＶ１が印加されている状態で開始し、Ｖ２が印加されている状態で終了する。Ｖ１及びＶ２は感光体２の基材と電位差が３０Ｖ以上あるように設定されている。タイミング制御部１４は、感光体２に印加しているＤＣ電圧をＶ１からＶ２（−７００Ｖ）に切り換える（ステップＳ３）。

ＤＣ電源１６から帯電ローラ３、感光体２を通って再びＤＣ電源１６に戻る電流ループにおいてＤＣ電流を検知し、その結果を膜厚検出部１３で積算して電荷量を求める（ステップＳ４）。求めた電荷量から膜厚を求める（ステップＳ５）。膜厚を求める一例として、膜厚検出部１３には、電荷量に応じた膜厚を記録したテーブルが用意されており、このテーブルを参照して電荷量から感光体膜厚を求める。

なお、積分期間中にフィードバック制御のオーバーシュートや極めて短い時間のショートなどでＤＣ電位がゼロボルトになりトラップレベルの影響が出ても、積分終了時点で再び感光体電荷輸送層の電界強度が高くなればその間の影響は相殺される。したがって積分開始と終了時点の電圧が感光体基材と所定の電位差を有していることが精度を落とさないための要件である。

実際、電源部１１は、高圧のＡＣ電源１５と高圧のＤＣ電源１６とが直列に構成されていて、いずれもタイミング制御部１４（ＣＰＵ）からのデジタル信号でその電圧が制御されている。Ｖ１の除電電圧は実験によれば−３０Ｖあれば誤差を防止できる。なお、高圧電源ではＧＮＤ近くまたは電源電圧近くでは入力電圧のダイナミックレンジ上の制約から精度が悪いかまたは制御することができないため通常は可変範囲には下限がある。しかしその下限値に設定しても、−３０Ｖ以上あれば０Ｖ近辺で除電することによる誤差の発生は防止できるので支障はない。このときの注意点は帯電電圧に近くなるとつまりV1とV2の電位差が小さくなると検知される帯電電荷量が減少して精度にも影響するので可変範囲のＭｉｎ電圧に設定するのが望ましい。

また帯電電荷量を検知する積分器の積分開始と積分終了は同じＣＰＵ（タイミング制御部１４）で制御されており、積分開始のあと続いてＤＣ電圧をＶ１からＶ２へと切り替える。積分を終了するまではＤＣ電圧をＶ２で維持する。このように積分期間の開始時点と終了時点での感光体２の電荷輸送層の電界強度が高く維持することでトラップレベルを介した電荷の充放電による検知精度の悪化を防ぐことが可能となる。またＡＣ帯電時の注入もＤＣ電圧を上昇させることで、感光体表面がプラス電圧側に振られて起こるキャリア注入を防止することができる。

さらに、感光体２にピンホール等の低耐圧欠陥部が存在もしくは発生した場合、この部分に帯電に寄与しないリーク電流が過大に流れ込み、誤測定を引き起こす。このピンホールの影響を避けるために予め感光体２を帯電しておいて、除電する際の電流を検知して膜厚を求めることもできる。図５には、感光体２を−７００Ｖに帯電しておいて、除電する時に流れるＤＣ電流によって膜厚を測定する手順が示されている。また、図６にはこの処理手順が示されている。まず、図５に示すように感光体２に−７００ＶのＤＣ電圧を印加して感光体２を帯電させる（ステップＳ１１／ＹＥＳ）。感光体２の帯電が完了すると（ステップＳ１１／ＹＥＳ）、感光体２に流れるＤＣ電流の測定を開始する（ステップＳ１２）。その後、印加電圧を−１００Ｖに設定して除電する（ステップＳ１３）。このとき流れるＤＣ電流をＤＣ電流検知部１２で測定して、帯電電荷量を測定する（ステップＳ１４）。測定した電荷量から感光体膜厚を求める（ステップＳ１５）。本実施例では、除電したときの電流で求める際にも、帯電ロール３に印加する直流電圧で感光体基材に対して電位差を有するよう設定することで、感光体帯電電位を正確に制御してかつ感光体電位が基材電位に対し電位が小さいことによって生じる誤差を抑えることが可能となる。

また、上述した制御ではピンホールによって流れる異常電流の影響は受けないものの、リークによって帯電電圧が下がっていると検知される帯電電荷量は正確に求められない。また除電の時の電流をモニタしているだけではリークがあるのかどうか判定できないので、検知された膜厚が正しいかどうかを判定することができないという問題がある。この問題に対しては除電してから帯電する際の帯電電流と再び除電する際の除電電流の両方を検知することで検知した膜厚が正しいかどうかの判断が可能になる。そのために除電した後に帯電する際の電流を見てリークの有無を判定する。リークがなければ帯電電流で膜厚を検知しても誤差は生じない。一方リークの発生が見られた場合は２周目以降の帯電電流から１周当りのリーク電流を算出しておき、除電する際の電流にリーク電流を加算するとリークが補正された電流が検知でき、精度の良い膜厚検知が可能になる。

図７には、感光体２を−７００Ｖに帯電する時に流れるＤＣ電流と、帯電した感光体２を除電する時に流れるＤＣ電流とを検知して感光体膜厚を測定する制御を示す。感光体２に−７００ＶのＤＣ電圧を印加して感光体２を帯電させ、その時流れるＤＣ電流をＤＣ電流検知部１２で測定する。その後、感光体２に印加するＤＣ電圧を−１００Ｖに設定して除電する。このとき流れるＤＣ電流をＤＣ電流検知部１２で測定する。除電してから帯電する際の帯電電流と再び除電する際の除電電流を比較することで、検知した膜厚が正しいかどうかを判定する。

除電電位を０Ｖ近辺に設定したときに生じる感光体電荷輸送層中のトラップレベル、或いは感光体表面がプラス電圧側に振られて起こるキャリア注入の影響を、除電電位を高く設定することで回避することができる。また積分開始と終了タイミングをＤＣ電圧の切り替えタイミングに対して規定することで、高圧電源の制御上のスペックを緩めることが可能になる。

上述した実施例は本発明の好適な実施例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施例では、感光体２の帯電時又は除電時にＡＣ電流を印加しているが、ＡＣ電流に変えてＡＣ電圧を印加することも可能である。

除電時に感光体２に印加するＤＣ電圧をＶ１からＶ２まで変更していったときに、測定されるＤＣ電流を示す図である。 画像形成装置の構成を示す図である。 除電後に帯電を行う場合の動作タイミングを示す図である。 除電後に帯電を行う場合の動作手順を示すフローチャートである。 帯電後に除電を行う場合の動作タイミングを示す図である。 帯電後に除電を行う場合の動作手順を示すフローチャートである。 除電後に帯電を行い、さらにその後に除電を行う場合の動作タイミングを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 画像形成装置 ２ 感光体
３ 帯電ロール ４ 露光器
５ 現像器 ６ 転写ロール
７ クリーニングブレード ８ 除電ランプ
９ 定着器 １０ 膜厚測定装置
１１ 電源部 １２ ＤＣ電流検知部
１３ 膜厚検出部 １４ タイミング制御部
１５ ＤＣ電源 １６ ＡＣ電源

Claims (1)

1. 被帯電体に接触又は近接して配置され、前記被帯電体を帯電又は除電する接触部材と、
   前記被帯電体に供給する直流電圧を、前記被帯電体の基材と所定電位差を有する第１直流電圧と第２直流電圧とで切り換える切換手段と、
   前記切換手段で切り換えられた直流電圧に交流電流又は交流電圧を重畳して前記被帯電体に供給し、前記被帯電体に流れる直流電流を測定する測定手段と、
   前記測定手段で測定された直流電流を積分して電荷量を求め、該電荷量から前記被帯電体の膜厚を求める膜厚算出手段とを有し、
   前記切換手段は、積分開始時と積分終了時とで電圧が異なるように直流電圧を切り換え、
   前記被帯電体の基材と、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧との電位差が３０Ｖ以上で、前記第１直流電圧及び前記第２直流電圧が前記接触部材への直流電圧であり、
   前記膜厚算出手段は、前記接触部材に前記第１直流電圧を供給して帯電状態にある前記被帯電体を除電した際に算出された第１電荷量と、前記接触部材に第２直流電圧を供給して除電状態にある前記被帯電体を帯電した際に算出された第２電荷量との差によりリーク電流が発生しているか否かを判定し、前記リーク電流が発生していないと判定される場合には、前記第２電荷量により前記被帯電体の膜厚を算出し、前記リーク電流が発生していると判定される場合には、前記接触部材に前記第１直流電圧を供給して前記被帯電体を帯電し、前記被帯電体の帯電の際に前記測定手段で測定される直流電流から前記被帯電体の１周当たりのリーク電流量を算出し、前記接触部材に前記第１直流電圧を供給して帯電状態にある前記被帯電体を除電し、除電の際に前記測定手段で測定される電流量に前記リーク電流量を加算した電流量から電荷量を求めて、前記被帯電体の膜厚を算出することを特徴とする膜厚測定装置。

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