JP4926571B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

この発明は、画像形成装置に関し、特に、電子写真画像形成装置等に使用可能な帯電装置、プロセスカートリッジおよび電子写真画像形成装置に適用して好適なものである。

従来、電子写真の帯電装置としてはコロナ帯電器が使用されている。そして、近年では、オゾンレスや低電力化のための接触式の帯電装置が用いられるようになってきている。これは、被帯電体に電圧を印加した帯電部材を当接させて被帯電体面を所定の極性・電位に帯電させるものである。

接触帯電部材としては、磁気ブラシ方式がある。磁気ブラシ方式は、導電性の磁性粒子をマグネット自体やこれを内包したスリーブ上に磁気ブラシとして磁気的に拘束させて、磁気ブラシを被帯電体面に停止や回転をさせつつ接触させ、これに電圧を印加することによって帯電を行う方式である。

また、導電性の繊維をブラシ状にしたファーブラシ帯電方式や、導電性の弾性ローラを被帯電体に加圧当接させ、これに高電圧を印加することによって被帯電体への帯電を行うローラ帯電方式がある。特に、帯電部材として導電性ローラを用いたローラ帯電方式が帯電の安定性という点から好ましく用いられている。

具体的には、帯電は帯電ローラから感光体ドラムヘの放電によって行われる。図１６（ａ）に、帯電ローラ、感光体ドラム、およびこれらの間の微小ギャップの空気層を電気的な等価回路で示す。ここで、帯電ローラのインピーダンスは、感光体ドラムや空気層のインピーダンスに比して十分小さいため無視することができる。これにより、帯電ローラでの電圧降下はないと考えられるので、帯電ローラに印加された電圧が全て感光体ドラムの帯電に用いられることになる。

帯電ローラに印加する電圧としては、直流電圧、または直流電圧に交流電圧を重畳した振動電圧が用いられる。直流電圧を印加した場合には、感光体ドラムの表面電位は印加電圧から帯電開始電圧を減算した値である。ここで、帯電開始電圧とは、空気層のインピーダンスと感光体ドラムのインピーダンスとの比、および空気層の絶縁破壊電圧から求められる値である。

直流電圧に交流電圧を重畳した場合には、交流電圧に収束効果があるため、感光体ドラムの表面電位は印加した直流電圧値に収束する。印加電圧が、直流電圧、または直流電圧に交流電圧を重畳した振動電圧のいずれであっても、感光体ドラムの表面電位は、印加電圧の直流成分に比例するため、表面電位を均一にするためには印加電圧の直流成分を定電圧制御することが好ましい。
特開平９−２１１９３８号公報

しかしながら、接触式の帯電装置においては、印刷を繰り返すにつれて帯電部材表面に汚れが付着するという問題がある。接触帯電部材の過度の汚染は、帯電性能の低下により帯電ムラを生じさせ、結果として画像上において濃度ムラといった画質の低下を招くことになる。この汚れは、主に、クリーニング装置をすり抜けた微粉トナーや外添剤である。外添剤は以下の理由によりトナーとともに外添される。

すなわち、
（１）トナーの流動性をあげるため
（２）感光体ドラム表面に付着する紙粉等の低電気抵抗物質およびトナーを削り取るため
（３）現像剤の帯電を補助するため
である。

また、この外添材は、具体的に、シリカ、マグネシウム、アルミニウム、チタン、鉄、ジルコニウム、セリウム、チタン酸カルシウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウムなどの無機微粉体である。また、重量平均径は、一次粒子（個々の単位粒子に分離した状態の粒子）、または二次粒子（一次粒子が凝集した状態）で０．１〜５．０μｍ、好ましくは０．５〜５．０μｍ、より好ましくは１．０〜５．０μｍである。

上述した外添剤や微分トナーの抵抗は基本的に高い。そのため、特に印字枚数が増えるにつれ、トナーや外添剤が接触帯電部材に付着、混入して堆積するとそのインピーダンスは無視できなくなる。なお、図１６（ｂ）に、帯電ローラの表面に汚染層が形成されたときの電気的な等価回路を示す。

トナーや外添剤の付着量が増えたり、低温低湿環境でトナーそのものの抵抗が上がったりすると、汚染層のインピーダンスは、感光体ドラムや空気層のインピーダンスに近いオーダーまで上昇する。この場合、帯電ローラに印加した電圧の直流成分は汚染層により電圧降下が生じ、実際に感光体ドラムの帯電に用いられる帯電電圧が小さくなる。そして、この場合、感光体ドラムの表面電位は帯電電圧に比例して低下する。感光体ドラムの表面電位が現像電位に近付くと、非画像部にもトナーが現像され、印字品質が著しく損なわれる。そのため、帯電ローラを寿命まで使うために、本体付けとした場合や、帯電ローラを単体で交換できる場合には、特に帯電ローラ表面の汚染量検知手段が必要となる。

接触帯電部材の汚染状態が検知できれば、汚染が発生した場合のみにクリーニングを実行することができたり、汚染の度合いによって接触帯電部材の交換時期を知らせたりすることも可能となる。

また、汚染の度合いを検知する手段としては、表面電位センサによって、初期の帯電能の値に対してどれだけ下がったかを検知する方法や、光反射などを利用した被帯電体上のトナー量を検知する方法がある。また、帯電手段による帯電に伴って流れる帯電電流を検出して算出される算出量で検知する方法がある（特許文献１参照）。

しかしながら、一般的に使われている表面電位センサに検知できるほど帯電能が落ちてしまった場合には、画像欠陥として現れてしまい、また表面電位センサを用いた測定時のノイズの影響によっても検知精度が変動してしまう。また、光反射を利用する場合においても接触帯電部材の汚れ具合によって測定精度が変動してしまう可能性がある。また、現在のように寿命が長く印刷可能枚数が多い場合、帯電電流値を検出する方法においては帯電部材の抵抗変動などを考慮に入れると精度が落ちるといった問題が生じる。

また、帯電ローラの長寿命化のために、スポンジやブラシを帯電ローラに当接させてクリーニングを行い、帯電ローラ表面に汚れが付着するのを防止する方法がある。ところがこの方法では、長時間摺動させるとクリーニング部材が帯電ローラの表面を傷つけたり、トナーが融着したりするので、帯電ローラの寿命を縮めてしまう。

そのため、この発明の目的は、印字枚数が多く寿命が長い場合においてもより精度良く、帯電部材の抵抗変動などに左右されることなく帯電部材の汚染量を検知して帯電部材に印加する電圧を制御することができる画像形成装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の発明は、
電子写真感光体に接触し回転可能な帯電部材に定電流制御される振動電圧を印加する電圧印加手段と、前記帯電部材に印加された前記振動電圧の振幅値Ｖｐを検出する電圧振幅値検出手段と、前記振動電圧の微分波形の振幅値Ｖｄを検出する微分電圧振幅値検出手段と、を有し、｜Ｖｐ−Ｖｄ｜が閾値Ｖｔｈ以上となった場合に、前記帯電部材表面に付着した汚染物を除去するためのクリーニングシーケンスを実行することを特徴とする画像形成装置である。

以上説明したように、この発明によれば、印字枚数が多く寿命が長い場合においてもより精度良く、帯電部材の抵抗変動などに左右されることなく帯電部材の汚染量を検知して帯電部材に印加する電圧を制御することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、以下の実施形態において、電子写真画像形成装置とは、電子写真画像形成方式を用いて記録媒体に画像を形成するものである。電子写真画像形成装置の例として、例えば電子写真複写機、電子写真プリンタ（例えばレーザビームプリンタ、ＬＥＤプリンタなど）、ファクシミリ装置およびワードプロセッサなどが含まれる。また、以下の実施形態において、プロセスカートリッジとは、帯電手段、現像手段、またはクリーニング手段と電子写真感光体とを一体的にカートリッジ化し、このカートリッジを画像形成装置本体に対して着脱可能とするものである。また、帯電手段、現像手段およびクリーニング手段の少なくとも一つと電子写真感光体とを一体的にカートリッジ化して電子写真画像形成装置本体に着脱可能とするものである。

（第１の実施形態）
以下、この発明の第１の実施形態について図面を用いて説明する。図２に、この第１の実施形態によるレーザビームプリンタ２００を示す。

図２に示すように、レーザビームプリンタ２００は、デッキ２０１、デッキ紙有無センサ２０２、紙サイズ検知センサ２０３、ピックアップローラ２０４が設けられている。デッキ２０１は、記録紙Ｐを収納するためのものである。デッキ紙有無センサ２０２は、デ
ッキ２０１内の記録紙Ｐの有無を検知するための検知手段である。紙サイズ検知センサ２０３は、デッキ２０１内の記録紙Ｐのサイズを検知するためのサイズ検知手段である。ピックアップローラ２０４は、デッキ２０１から記録紙Ｐを繰り出すためのものである。

また、前記ピックアップローラ２０４によって繰り出された記録紙Ｐを搬送するデッキ給紙ローラ、前記デッキ給紙ローラ２０５と対をなし、記録紙Ｐの重送を防止するためのリタードローラ２０６が設けられている。そして、デッキ給紙ローラ２０５の下流にはデッキ２０１と、後述する両面反転部からの給紙搬送状態を検知する給紙センサ２０７、さらに下流に記録紙Ｐを搬送する給紙搬送ローラ２０８が設けられている。また、記録紙Ｐを同期搬送するレジストローラ対２０９、前記レジストローラ対２０９への記録紙Ｐの搬送状態を検知するレジ前センサ２１０が配設されている。

また、レジストローラ対２０９の下流に、プロセスカートリッジ２１２、ローラ部材としての転写ローラ２１３および、放電部材としての除電針２１４が配設されている。プロセスカートリッジ２１２は、後述するレーザスキャナ部２１１からのレーザ光に基づいて感光体ドラム１上にトナー像を形成するためのものである。ローラ部材（転写ローラ２１３）は、感光体ドラム１上に形成されたトナー像を記録紙Ｐ上に転写するためのローラである。また、放電部材（以後除電針と記す）２１４は、記録紙Ｐ上の電荷を除去し感光体ドラム１からの分離を促進するための部材である。

さらに、除電針２１４の下流には、搬送ガイド２１５、ハロゲンヒータ２１６を備えた定着ローラ２１７と加圧ローラ２１８の対、定着排紙センサ２１９、両面フラッパ２２０が配設されている。ハロゲンヒータ２１６は、記録紙Ｐ上に転写されたトナー像を熱定着するために、定着ローラ２１７の内部に設けられた加熱用のヒータである。定着排紙センサ２１９は、定着部からの搬送状態を検知するセンサである。両面フラッパ２２０は、定着部から搬送されてきた記録紙Ｐを排紙部か両面反転部に行き先を切り替えるためのフラッパである。

また、排紙部側の下流には、排紙部の紙搬送状態を検知する排紙センサ、記録紙を排紙する排紙ローラ対２２２が配設されている。一方、両面反転部側に、反転ローラ対、反転センサ、Ｄカットローラ２２５、両面センサ２２６、両面搬送ローラ対２２７が配設されている。両面反転部は、記録紙Ｐの両面に印字するために片面印字終了後の記録紙Ｐを表裏反転させ、再度画像形成部に給紙する機構である。反転ローラ対は、正逆転によって記録紙Ｐをスイッチバックさせるローラ対である。反転センサは、この反転ローラへの紙搬送状態を検知するためのセンサである。Ｄカットローラ２２５は、記録紙Ｐの横方向位置を合わせるための横方向レジスト部（図示せず）から記録紙Ｐを搬送するためのローラである。両面センサ２２６は、両面反転部の記録紙Ｐの搬送状態を検知するセンサである。両面搬送ローラ対２２７は、両面反転部から給紙部へと記録紙Ｐを搬送するためのローラ対である。

また、レーザスキャナ部２１１は、レーザユニット２２９、レーザユニット２２９からのレーザ光を感光体ドラム１上に走査するためのポリゴンミラー２３０とスキャナモータ２３１、結像レンズ群２３２および折り返しミラー２３３から構成されている。レーザユニット２２９は、後述外部装置２２８から送出される画像信号に基づいて変調されたレーザ光を発光するためのユニットである。

また、プロセスカートリッジ２１２は従来公知の電子写真プロセスに必要な感光体ドラム１、帯電部材である帯電ローラ２と現像ローラ２３４、トナー格納容器２３５などを備えている。そして、このプロセスカートリッジ２１２は、レーザビームプリンタ２００に対して着脱可能に構成されている。

また、図２に示すように、高圧電源部３が設けられており、後述する帯電高圧回路の他に、現像ローラ２３４、転写ローラ２１３、除電針２１４に所望の電圧を給電する高圧回路が設けられている。メインモータ２３６は、各部に動力を供給している。

また、プリンタ制御部４は、レーザビームプリンタ２００を制御する。プリンタ制御部４は、ＭＰＵ５、および各種入出力制御回路（図示せず）などから構成されている。ＭＰＵ５は、ＲＡＭ５ａ、ＲＯＭ５ｂ、タイマ５ｃ、デジタル入出力ポート（Ｉ／Ｏポート５ｄ）、アナログ−デジタル変換入力ポート（Ａ／Ｄポート５ｅ）、デジタル−アナログ出力ポート（Ｄ／Ａポート５ｆ）などを具備している。また、プリンタ制御部４は、インターフェイス２３８を介して、パーソナルコンピュータなどの外部装置２２８に接続されている。

次に、図３に示す帯電出力回路の回路図に基づいて帯電高圧出力制御について説明する。図３に示す帯電出力回路は、直流高圧に交流高圧が重畳された帯電高圧を生成し、出力端子３５９から出力するものである。出力端子は、感光体ドラムに当接した帯電ローラに接続されている。

まず、ＣＰＵ３４５のＩ／Ｏポート３４５ｄからクロックパルス(ＰＲＩＣＬＫ)が出力されると、プルアップ抵抗３６０およびベース抵抗３３８を介してトランジスタ３３９がスイッチング動作する。続いて、プルアップ抵抗３３７およびダイオード３４０を介して接続されているオペアンプ３６５の出力に応じた振幅のクロックパルスに増幅される。この振幅が大きいと、後述する高圧トランス３０４に入力される正弦波の駆動電圧振幅も大きくなるので、高圧交流電圧レベルが大きくなる。クロックパルスは、コンデンサ３２４を介し、抵抗３２３〜３３２、コンデンサ３１６〜３２０と、オペアンプ３１７,３２０
によって構成されるフィルタ回路３３５に入力され、フィルタ回路３３５からは＋１２Ｖを中心とした正弦波として出力される。この出力は、プッシュプルの高圧トランスドライブ回路３０５を介して高圧トランス３０４の一次巻線に入力され、二次巻線側に正弦波の交流高圧が発生する。

また、高圧トランス３０４の二次側の一方は、抵抗３４６を介して直流高圧発生回路３４７に接続されている。これにより、直流高圧に交流高圧が重畳された高圧バイアスが出力保護抵抗３０３を介して出力端子から出力され、帯電ローラ３０２に給電される。

次に、交流高圧回路の電流検知部について説明する。上述した交流高圧発生回路の駆動によって発生した交流帯電電流は、コンデンサ３４８を通過し、矢印Ａ方向の半波はダイオード３５０、矢印Ｂ方向の半波はダイオード３４９を介して流れる。ダイオード３５０を通過した矢印Ａ方向の半波電流は抵抗３５７、コンデンサ３５６で構成された積分回路によって、直流電圧に変換される。オペアンプ３６５の負極入力端子の電圧：Ｖｎは下記の様な特性となる。

……（式１−１）
ここで、Ｉmeanは帯電交流電流の半波の平均値、Ｒｓは抵抗３５７の抵抗値である。

一方、オペアンプ３６５の正極入力端子には、ＣＰＵ３４５から出力された電流制御信号（ＰＲＩＣＮＴ）が入力される。電流制御信号(ＰＲＩＣＮＴ)は交流電流レベルを設定する信号であり、０Ｖから５Ｖまでの間で変化するアナログ信号である。

オペアンプ３６５の負極入力端子の電圧Ｖｎが、電流制御信号ＰＲＩＣＮＴよりも小さい場合は、オペアンプ３６５の出力が大きくなる。上述したように、オペアンプ３６５の出力が大きくなると、フィルタ回路３３５に入力されるクロックパルスの振幅が大きくなり、高圧交流電圧は大きくなる。このような構成とすることで、高圧交流電圧のレベルは、交流電流が電流制御信号：ＰＲＩＣＮＴに応じた値となるように制御される。すなわち、電流制御信号：ＰＲＩＣＮＴに応じた定電流制御が行われる。帯電交流電流の制御値は下記式の特性となる。

……（式１−２）

また、オペアンプ３６５正極入力端子にはトランジスタ３６０が接続されている。トランジスタ３６０はＣＰＵ２４５から出力された帯電高圧駆動信号(ＰＲＩＯＮ)信号によって駆動する。帯電高圧駆動信号(ＰＲＩＯＮ)は帯電高圧出力の駆動、停止を切り替える信号である。信号がＨＩＧＨレベルの場合はトランジスタ３６０がＯｎ状態となり、オペアンプ３６５の正極入力が０Ｖとなることでオペアンプ３６５の出力が０Ｖとなる。これにより、帯電交流出力が停止状態となる。

次に、帯電出力回路の電圧検出部について説明する。本帯電出力回路においては、電圧検出回路Ａ、電圧検出回路Ｂの２つの電圧検出回路がある。

（Ａ）電圧検出回路Ａ
電圧検出回路Ａは帯電交流電圧のピーク電圧値を検出する。図４に帯電交流波形と電圧検出回路Ａによって検出されるピーク電圧値との関係を示す。図４Ａは、帯電交流波形が正弦波の場合である。この場合、Ｖｐ１のレベルが電圧検出回路Ａによって検出される。一方、図４Ｂに、交流波形のピーク部で歪みが発生した場合の波形を示す。破線は正弦波である図４Ａの正弦波波形を示し、図４Ｂにおいてはピークとなる部分で歪みが生じてピーク電圧がＶｐ１よりΔｈ低下している。電圧検出回路Ａにおいては、Ｖｐ２の値が検出される。

次に、電圧検出回路Ａの動作について説明する。ピーク電圧の検出は帯電高圧出力端子３５９と同電位のラインに接続されたコンデンサ３７１に流れる電流を検出することで行う。コンデンサ３７１には帯電交流電圧の印加によって交流電流が流れ、ダイオード３７６と３８９で分流される。

矢印Ｄの方向の半波電流はダイオード３７６、矢印Ｃ方向の半波電流はダイオード３８９を介して流れる。矢印Ｃおよび矢印Ｄの半波電流の平均値：Icap（av）は下式で表される。

……（式２−１）
ここで、Ｃ３７１はコンデンサＣ３７１の静電容量値、ｆは帯電交流出力の周波数、Ｖｐは帯電交流出力のピーク電圧値である。この（式２−１）から明らかなように、半波電流の平均値：Ｉcap(av)は、帯電交流電圧のピーク値に応じたレベルである。

ダイオード３７６を通過した矢印Ｄの方向半波電流はオペアンプ３８１、抵抗３８２、抵抗３８３、コンデンサ３８８で構成された積分回路に入力される。コンデンサ３８８の
容量は十分に大きく設定されており、半波電流はコンデンサ３８８および抵抗３８３によって整流されてコンデンサ３８８の端子間には直流電圧が発生する。

コンデンサ３８８の端子間に発生する電圧：Ｖ３８８は下記式で表せる。

……（式２−２）

コンデンサ３８８の端子間電圧Ｖ３８８はオペアンプ３８１によって、ＣＰＵ３４５のアナログ入力端子３４５ｆにピーク電圧検出信号ＰＲＩＶＳとして入力される。ピーク電圧検出信号ＰＲＩＶＳのレベルは（式２−１）および（式２−２）から下式のようになる。

……（式２−３）

（Ｂ）電圧検出回路Ｂ
電圧検出回路Ｂは帯電交流電圧波形の微分波形のピーク電圧値を検出する。

図４Ｃに、図４Ａに示す交流電圧波形の微分波形を示す。破線部は正弦波の形状を示す。図４Ｂに示す波形において歪みが発生しているピーク付近の領域においては、微分波形（図４Ｃ）も正弦波から歪んだ形状となる。

一方、図４Ｂに示す波形の歪みが発生していない位相の領域においては、図４Ｃに示す微分波形は正弦波の形状であり、そのピーク値は、図４Ｂに示す波形のピーク値と同じＶｐ１となる。すなわち、電圧検出回路Ｂは、歪みが発生した帯電交流波形のピーク電圧値に対して歪み量Δｈを加算したＶｐ１の電圧を検出する。

次に、電圧検出回路Ｂの動作について説明する。帯電出力電圧はコンデンサ３７１と抵抗３７３によって分圧されて低い電圧レベルに変換される。コンデンサ３７１と抵抗３７３の間にはダイオード３８９が介されているため、オペアンプ３８６の正入力には半波の交流波形が入力される。ここで、コンデンサ３７１のインピーダンスは抵抗３７３のインピーダンスよりも十分に大きく設定されている。

すなわち、オペアンプ３８６の正極入力部には、帯電交流電圧の微分波形が分圧された交流波形の半波波形が発生する。微分された波形は、さらに、オペアンプ３８６、オペアンプ３８０、ダイオード３７２、ダイオード３７９、コンデンサ３８４、抵抗３８５、抵抗３９９、抵抗３９８で構成されたピーク電圧検出回路によって、オペアンプ３８１の負極入力端子に発生した交流波形のピーク値に応じた直流電圧に変換され、微分電圧検出信号ＰＲＩＤＶＳとして、ＣＰＵ３４５のアナログ入力端子３４５ｆに入力される。微分電圧検出信号ＰＲＩＤＶＳのレベルは下式により表すことができる。

……（式３）
ここで、Ｃ３７１はコンデンサＣ３７１の静電容量値、ｆは帯電交流出力の周波数、Ｒ３７３はＲ３７３の抵抗値、πは円周率、Ｖｄは帯電交流電圧の微分値のピーク電圧である。上述した（式２）および（式３）から、ピーク電圧検出信号ＰＲＩＶＳと微分電圧検出信号ＰＲＩＤＶＳとは、いずれもコンデンサＣ３７１の静電容量値に対し比例関係にある。すなわち、コンデンサＣ３７１の静電容量値が環境条件等によって変動した場合でも、両信号間の相対値は一定となる。

（検知方法）
この発明は、帯電交流電圧のピーク値と帯電交流電圧微分値のピーク値とを検出して、帯電ローラの汚染量を検知する。このときの検知方法を以下に説明する。

（Ｃ）帯電ローラ汚染量検知方法
図５に、帯電ローラに印加する帯電交流電圧ピーク値および帯電交流電圧微分ピーク値と帯電交流電流値Ｉｃとの特性を示す。帯電ローラに帯電交流電圧を印加することで帯電電流Ｉｃが流れる。帯電交流電圧が放電開始電圧Ｖｈ以下の領域（非放電発生領域）においては、帯電交流電圧の上昇に伴って帯電交流電圧のレベルに比例して帯電交流電流が直線的に上昇する。この領域においては、帯電ローラと感光体ドラム間の抵抗性負荷と容量性負荷に応じたニップ電流のみが流れる。さらに帯電交流電圧が上昇し、放電開始電圧Ｖｈを超える領域（放電発生領域）に達すると、帯電ローラと感光体ドラム間において放電が起こり、前述のニップ電流に放電電流が加算された帯電電流Ｉｃが流れる。非放電発生領域においては、帯電交流電圧ピーク値と帯電交流電圧微分ピーク値とは一致する特性となる。ところが、放電開始領域においては、帯電交流電圧ピーク値はＬＩＮＥ−Ａ、帯電交流電圧微分ピーク値はＬＩＮＥ−Ｂとなり、２つの特性に差が発生する。このときのＬＩＮＥ−ＡとＬＩＮＥ−Ｂとの差が図５（ａ）の放電電流値Ｉｓに対応することになる。

ＬＩＮＥ−ＡとＬＩＮＥ−Ｂの特性に差が生じる原因について、図１を用いて説明する。図１に、帯電交流電圧を放電開始電圧Ｖｈより高いＶａ１としたときの帯電交流電圧波形を示し、交流波形のピーク付近において波形の歪みが発生している。この波形歪みは放電発生によってトランス３０４の出力に歪みが生じるために起こる。帯電交流電圧が放電開始電圧を超えると、交流電圧のピーク付近のタイミングにおいて放電が発生し、放電電流が流れる。この放電電流は急激な立ち上がりにおいて瞬間的に流れる。帯電交流電圧を生成するトランス３０４に放電電流が流れると、トランス３０４のリーケージインダクタンスの働きによってトランス３０４の出力端子間において電圧降下が発生し、出力電圧波形に歪みが生じる。

このとき、帯電交流電圧のピーク値はＶａ１となる。一方、帯電交流電圧微分値のピーク値はＶａ１に対して歪み量が加算されたＶｂ１となり、ＬＩＮＥ−ＡとＬＩＮＥ−Ｂとにおいて異なる特性になる。ＬＩＮＥ−Ａは放電開始電圧Ｖｈを境界として不連続な特性となる。これに対して、ＬＩＮＥ−Ｂは帯電交流電圧微分値のピーク値に対し直線的に変化する特性となる。これは、トランスの動作特性により、トランスの出力電力は放電の有無に関係なく一定で動作するためである。

この第１の実施形態による画像形成装置においては、帯電交流電圧ピーク値Ｖｐを電圧検出回路Ａにおいて検出、帯電交流電圧微分ピーク値Ｖｄを電圧検出回路Ｂにおいて検出、帯電電流Ｉｃは定電流制御回路において設定している。図５（ｂ）および図５（ｃ）は、図５（ａ）に対応するＰＲＩＶＳ信号およびＰＲＩＤＶＳ信号の検出特性である。帯電交流電流ＩｃがＩｃ（１）の場合、帯電交流電圧ピーク値はＶａ１、ＰＲＩＶＳ信号はPRIVS(1)となる。また、帯電交流電圧微分ピーク値はＶｂ（１）、ＰＲＩＤＶＳ信号はPRIDVS(1)となる。

次に、実際に印字前後の交流電圧ピーク値、帯電交流電圧微分ピーク値を用いた帯電ローラの汚染量検知に関して説明する。通紙枚数が多くなると、トナーやトナーに含まれる外添剤の影響で帯電ローラ表面に汚れが付着する。このとき、帯電ローラ表面の汚染物の影響で帯電ローラ自体の抵抗が大きくなる。このため、ＬＩＮＥ−Ａはインピーダンスが増加するので図６のように初期に比べて電流が流れにくくなり、このとき放電量は増加することになる。

放電量が増加すると、先に説明したように出力電圧波形の歪みが大きくなることにより、帯電ローラの汚染量に応じて帯電交流電圧ピーク値と帯電交流電圧微分ピーク値の差が大きくなる。そのため、帯電交流電圧ピーク値と帯電交流電圧微分ピーク値の差を検出することにより、帯電ローラ表面の汚染量を検出することが可能となる。

｜Ｖｐ−Ｖｄ｜＝ΔＶ≧Ｖ_init.……（式４）
ここでΔＶは、帯電交流電圧ピーク値と帯電交流電圧微分ピーク値との差分、Ｖ_init.は
初期の帯電交流電圧ピーク値と帯電交流電圧微分ピーク値の差分を示している。ここで、ΔＶは帯電ローラの汚染量と関連づけているが感光体ドラムの膜厚による影響も考えられる。しかし、本実施例においてはある程度汚れた帯電ローラの表面の汚れを除去すると初期のＬＩＮＥ−Ａに戻ることから感光体の膜厚による影響は殆ど小さいといってよい。このため、ΔＶは印字枚数が増加するにつれて大きくなり、ある閾値をもって画像上にハーフトーンの濃度むらといった画像不良が発生することとなる。

このときの閾値をＶthとすると、ΔＶ＜Ｖth（画像上問題なし）、ΔＶ≧Ｖth（画像不良発生）であり、この第１の実施形態においては、Ｖthを閾値として、クリーニングシーケンスを導入して帯電ローラ上の汚染物を除去するようにする。なお、帯電ローラの汚染量は印字枚数の増加に伴って増加する傾向にあるが、ある程度汚染量が飽和状態になると逆に汚染量が減少することがある。これは、印字枚数が増加したときにトナーに含まれる外添剤が前半で多くドラム上に飛翔し、後半は感光体ドラム上に飛翔する外添剤が減るということがあるためである。そのため、汚染量として供給量と、回転によって汚染物がはがれる量の関係によって飽和後に汚染量が減少するのである。これにより、Ｖthとしては当然ΔＶが飽和点前の値をとることを付記する。

次に、本画像形成装置のプリント動作時における一連の帯電部材汚染量の検知処理手順について説明する。図７にこのときの一連の工程を示す。装置本体２００のメイン電源がオンされると、定着装置を駆動し定着装置を所定温度まで立ち上げるなどの一連の処理を行う工程（前多回転工程）を実行した後にスタンバイ状態となる。

次に、プリント開始の命令が外部パーソナルコンピュータ等の外部装置２２８から受けると、所定の印字準備段階である工程（以降、前回転工程）を実行し、その後に一連の電子写真プロセスによって記録紙にプリント動作を行うプリント工程に入る。ここで、複数枚のプリント動作を行うモードの場合には、次の記録紙に対してのプリント動作を行うまでの紙間工程において所定の処理を実行後、２枚目以降のプリント工程に移る。最後の記録紙のプリント工程が終了すると、プリント工程終了から駆動停止までの工程（以降、後回転工程と呼ぶ）の後、再びスタンバイ状態に戻る。この第１の実施形態による画像形成装置においては、前回転工程期間、プリント工程および紙間工程において帯電ローラ汚染レベルを決定する処理を連続的に実行し、その結果に基づいてリアルタイムで帯電ローラ汚染レベルを検知する。

図８に、この第１の実施形態による画像形成装置のプリント動作時の帯電ローラ汚染検知制御フローを示す。

すなわち、図８に示すように、まず、プリント動作が開始されると、ステップ８０２にて帯電電流の定電流制御レベルの初期値設定が行われる。設定値はあらかじめ画像形成装置本体のメモリ内に格納された値が用いられる。次に、ステップ８０３において、前回転中の所定タイミングにおいて帯電ＤＣバイアスが駆動される。また、ステップ８０４において帯電交流バイアス駆動信号ＰＲＩＯＮがＬＯＷレベルに切り替えられる。これにより帯電交流バイアスが出力される。

続いて、ステップ８０５〜ステップ８０７においては帯電ローラの汚染量の測定を行う。ステップ８０５で電圧検出回路Ａの検出値ＰＲＩＶＳを読み込み、ステップ８０６で電圧検出回路Ｂ検出値：PRIDVSの読み込みを行う。ステップ８０７においては前工程で読み込んだPRIVS,PRIDVSの値から前述の方法で帯電ローラ汚染量の算出を行う。

次に、ステップ８０８においてはステップ８０７で算出した帯電ローラ汚染量：ΔＶと画像形成装置本体のメモリ内に格納された値：Ｖthの比較を行い、ΔＶがＶthよりも大きい場合はステップ８０９に進み、８０９においてプリント終了かを判断し、プリントが継続される場合はステップ８０５に戻り、同様の処理が繰り返される。

一方、ステップ８０９でプリント終了の場合は、帯電交流バイアス駆動信号：ＰＲＩＯＮ信号をＨＩＧＨレベルに切り替えて帯電交流バイアスを停止し（ステップ８１１）、その後ステップ８１２でクリーニングシーケンスを適用し帯電ローラの汚染物を除去する。その後帯電ＤＣバイアスを停止（ステップＳ８１４）して一連の処理を完了する。

また、ステップ８０８でΔＶがＶthよりも小さい場合はステップ８１０でプリント終了かを判断し、プリントが継続される場合はステップ８０５に戻り同様の処理が繰り返される。一方ステップ８１０でプリント終了の場合は、帯電交流バイアス駆動信号：ＰＲＩＯＮ信号をHIGHレベルに切り替えて帯電交流バイアスを停止し（ステップ８１３）、その後帯電ＤＣバイアスを停止（ステップ８１４）して一連の処理を完了する。上記一連の処理は、前回転工程期間、プリント工程および紙間工程において連続的に実行されるため、帯電ローラの汚染状態がリアルタイムで検知できるようになる。

（検証実験１）
ここで、本実施例における帯電ローラの汚染量の検知と前記検知量を判断してクリーニングシーケンスを行うことによって帯電ローラの汚染量がどのように変化するのかを検証した。

すなわち、温度２３℃、湿度５０％の環境において、プロセススピード１５０ｍｍ/ｓ
とし、印字時に帯電ローラに直流電圧−６００Ｖ、周波数１７００Ｈｚ、１．６ｋＶｐｐの交流電圧を重畳した帯電バイアスを印加している。また、帯電バイアスを印加することによって感光体ドラムを流れる電流値を帯電電流値として、汚染量検出には１４００μＡの電流値における値を検出するようにしている。このような条件を用いて本検証実験においては印字率２％で通紙を行った。図９に、このときの帯電ローラの印字枚数と汚染量を示し、図１０に、印字枚数とΔＶの検出値を示し、図１１に汚染量とΔＶの検出値を示す。

このとき、帯電ローラの汚染量が８ｍｇに達したとき、ハーフトーンにおける画像上の濃度ムラが発生した。そこで、８ｍｇに達する前（本検証実験においては７ｍｇ）に閾値を設定し（図１１からΔＶ＝Ｖth＝１．３５）クリーニングシーケンスを入れることによって帯電ローラ汚染量がどのように変化するのか、また画像上においてはハーフトーンにおける濃度ムラが発生するのかどうかの確認を行った。初めに本検証実験で使用したクリーニングシーケンスを説明する。本検証実験で使用したクリーニングシーケンスは印字後の後回転工程に行うこととする。

また、図１２に、このとき帯電ローラに印加するバイアスによる感光体ドラムの電位を示す。プリント工程終了後転写ローラのクリーニングバイアスが印加されるため、感光体ドラムの電位は約−４００Ｖになる。そのため、転写ローラクリーニングシーケンス後、帯電ローラに直流電圧−４００Ｖをかけ、感光体ドラムが二周する間に−４００±３００
ＶのＤＣ電圧を印加するようにした。このとき感光体ドラムφ３０、帯電ローラφ１４、プロセススピード１５０ｍｍ／secであり、２５０ｍsecごとに変化する振動電圧を印加する。そして、先に示した帯電ローラ汚染量の検知制御フローに応じて汚染量を検知し、上記クリーニングシーケンスを行うこととする。

また、このクリーニングシーケンスは汚染量ΔＶがΔＶ＝１．２５に達するときに中止するようにしている。このため、感光体ドラムの削れを最小限の範囲で抑えるようにしている。実際にクリーニングシーケンスを行った場合の帯電ローラ汚染量を図１３に示す。この図よりわかるように帯電ローラの汚染量を検知してクリーニングシーケンスを適用することにより、帯電ローラの汚染量を防止することが可能となる。ここで、クリーニングシーケンスを常に適用するという手段も考えられるが、感光体ドラムが削れてしまうことを考慮にいれると帯電ローラの汚染量に応じてクリーニングシーケンスを適用するほうがより効果的である。

以上説明したように、この第１の実施形態における帯電部材の汚染量検知によれば、帯電高圧出力部に１つのコンデンサを設け、コンデンサに流れる電流を測定することで帯電交流電圧ピーク値を検出している。また、コンデンサと直列に接続された抵抗に発生する電圧を測定することで帯電交流電圧微分ピーク値を検出している。さらに、検出した帯電交流電圧ピーク値と帯電交流電圧微分ピーク値から帯電部材の汚染量を検知し、検知した結果に応じて帯電部材の汚染物の除去を行う制御を行う。これにより、精度よく帯電部材の汚染量の検知が可能となり、前回転工程期間、プリント工程および紙間工程において帯電部材の汚染量を常にリアルタイムで最適に制御することができる。また、環境変動や製造時による帯電部材の特性ばらつき等にかかわらず、感光体ドラムの劣化を抑制しつつ、均一な帯電を達成することが可能となる。さらに、環境変化によってコンデンサの容量が変動した場合でも帯電交流電圧ピーク値と帯電交流電圧微分ピーク値の相対関係は変動しないことから、環境変動が発生した場合でも正確な放電電流の制御が実現でき、均一な帯電を達成することが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、この発明の第２の実施形態による画像形成装置について説明する。この第２の実施形態においては、帯電電圧印加時における感光体ドラムを通して流れる電流値を一定にする定電流値制御に関するものである。

まず、画像形成装置の帯電バイアスとして、環境変動の影響を受けにくいことから直流電圧と交流電圧を重畳した帯電バイアスを用いる場合がある。このとき、帯電バイアスの交流成分によって感光体ドラムの削れ量が増加することから、できるだけ帯電電流値を下げる必要がある。第１の実施形態で示すように、印字枚数が増えるにつれて帯電ローラが汚れてくると電流値一定の場合放電量が増加する。そのため帯電不良が発生しなくなる帯電電流値は帯電ローラが汚れてくるにつれて低くすることが可能となる。そこで、これまで耐久枚数に応じて帯電電流値を切り替えたり、感光体ドラムの削れ量に応じて帯電電流値を切り替えたりといったことが行われてきた。

しかし、帯電ローラの汚染具合は帯電ローラ自体や印字パターン、印字モードによって様々であり必ずしも同じように汚れることはない。そのため、帯電ローラの汚染量と帯電電流値が必ずしも一致しないまま帯電電流値を切り替える制御がおこなわれることがある。そのため、この第２の実施形態においては、帯電ローラの汚染量と帯電電流値の切り替えタイミングを精度よく制御することを目的とする。

次に、本画像形成装置のプリント動作時における一連の帯電部材汚染量を検知し帯電電流値を切り替える処理手順について説明する。

すなわち、まず、装置本体２００のメイン電源がオンされると、定着装置を駆動し定着装置を所定温度まで立ち上げる等の一連の処理を行う前多回転工程を実行し、その後にスタンバイ状態となる。

次に、プリント開始の命令が外部パーソナルコンピュータ等の外部装置１２８から受けると、所定の印字準備段階である前回転工程を実行し、その後に一連の電子写真プロセスによって記録紙にプリント動作を行うプリント工程に入る。ここで、複数枚のプリント動作を行うモードの場合には、次の記録紙に対してのプリント動作を行うまでの紙間工程で所定の処理を実行後、２枚目以降のプリント工程に移る。最後の記録紙のプリント工程が終了すると、後回転工程の後、再びスタンバイ状態に戻る。この第２の実施形態による画像形成装置においては、前回転工程期間、プリント工程および紙間工程において帯電ローラ汚染レベルを決定する処理を連続的に実行し、その結果に基づいてリアルタイムで帯電ローラ汚染レベルを検知する。

図１４に、この第２の実施形態による画像形成装置におけるプリント動作時の帯電ローラ汚染検知による帯電電流値を切り替える一連の制御フローを示す。

プリント動作が開始されると、ステップ１４０２においては帯電電流の定電流制御レベルの初期値設定を行う。設定値は画像形成装置本体のメモリ内に格納された値を用いて設定する。次にステップ１４０３においては前回転中の所定タイミングにおいて帯電ＤＣバイアスを駆動し、さらにステップ１４０４で帯電交流バイアス駆動信号ＰＲＩＯＮをＬＯＷレベルに切り替える。これにより帯電交流バイアスが出力される。

続いて、ステップ１４０５〜ステップ１４０７においては帯電ローラの汚染量の測定を行う。ステップ１４０５で電圧検出回路Ａの検出値ＰＲＩＶＳを読み込み、ステップ１４０６で電圧検出回路Ｂ検出値ＰＲＩＤＶＳの読み込みを行う。ステップ１４０７においては前工程で読み込んだＰＲＩＶＳ，ＰＲＩＤＶＳの値から、上述した方法で帯電ローラ汚染量の算出を行う。次に、ステップ１４０８においてはステップ１４０７で算出した帯電ローラ汚染量ΔＶと本体のメモリ内に格納された閾値Ｖth１、Ｖth２、Ｖth３、……Ｖthｘの比較を行い、ΔＶがＶthｘよりも大きい場合はステップ１４０９に進み、電流制御信号レベルを所定レベル小さくする処理を行う。これにより、帯電交流出力のレベルが小さく制御される。

続いて、ステップ１４１０においてプリント終了かを判断し、プリントが継続される場合はステップ１４０５に戻り、同様の処理が繰り返される。一方、ステップ１４１０でプリント終了の場合は、帯電交流バイアス駆動信号ＰＲＩＯＮをＨＩＧＨレベルに切り替えて帯電交流バイアスを停止し（ステップ１４１１）、帯電ＤＣバイアスを停止（ステップ１４１２）して一連の処理を完了する。上記一連の処理は、前回転工程期間、プリント工程および紙間工程において連続的に実行されるため、帯電ローラの汚染状態がリアルタイムで検知できるようになり、それに応じた帯電電流値を選択することが可能となる。

（検証実験１）
ここで、この第２の実施形態において帯電ローラの汚染量の検知と上述した検知量を判断して定電流値制御における帯電電流値を下げることによって、感光体ドラムの削れ量を低減できるか否かの検証を行う。条件としては、温度２３℃、湿度５０％の環境下において、プロセススピード１５０ｍｍ/ｓとし、印字時には帯電ローラに直流電圧-６００Ｖ、周波数１７００Ｈｚ、１．６ｋＶｐｐの交流電圧を重畳した帯電バイアスを印加する。ここで、帯電ローラの汚染量の検知機構は、第１の実施形態と同じものを用いる。

また、閾値Ｖthｘ（ｘ＝０，１，２，３，４）と切り替える帯電電流値を表１に示す。

この閾値と帯電電流値との関係は画像形成装置本体内のメモリ内に格納されている。上述した条件によって印字耐久を行ったときの感光体ドラムの削れ量を、帯電電流値を切り替えた場合と切り替えない場合とにおいて比較した。図１５に感光体ドラムの削れ率を示す。この図１５から感光体ドラムの削れ量を２５％程度抑えることが可能となることがわかる。

以上説明したように、この第２の実施形態における帯電部材の汚染量検知においては、帯電高圧出力部に１つのコンデンサを設け、コンデンサに流れる電流を測定することで帯電交流電圧ピーク値を検出している。また、コンデンサと直列に接続された抵抗に発生する電圧を測定することで帯電交流電圧微分ピーク値を検出している。さらに、検出した帯電交流電圧ピーク値と帯電交流電圧微分ピーク値から帯電部材の汚染量を検知し、検知した結果に応じて帯電電流値を切り替える制御を行っている。このような構成にすることによって、精度よく帯電部材の汚染量の検知が可能となり、前回転工程期間、プリント工程および紙間工程において帯電部材の汚染量を常にリアルタイムで最適に制御することができる。また、環境変動や製造時による帯電部材の特性ばらつきなどにかかわらず、感光体ドラムの劣化を抑制しつつ、均一な帯電を達成することが可能となる。さらに、環境変化によってコンデンサの容量が変動した場合でも帯電交流電圧ピーク値と帯電交流電圧微分ピーク値の相対関係は変動しない。このことから、環境変動が発生した場合でも正確な放電電流の制御が実現でき、均一な帯電を達成することが可能となる。

以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

この発明の第１の実施形態による帯電交流電圧の歪みを示すグラフである。 この発明の第１の実施形態による画像形成装置を示す略線図である。 この発明の第１の実施形態による帯電出力回路を示す回路図である。 この発明の第１の実施形態による帯電交流電圧を示すグラフである。 この発明の第１の実施形態による帯電交流電圧と帯電電流値との関係を示すグラフである。 この発明の第１の実施形態による耐久前後の帯電交流電圧と帯電電流値との関係を示すグラフである。 この発明の第１の実施形態によるプリント動作時の工程図である。 この発明の第１の実施形態による第１の実施形態による汚染量検知によるクリーニングシーケンスを示すフローチャートである。 第１の実施形態による印字枚数と汚染量の関係を示すグラフである。 第１の実施形態による印字枚数とΔＶの関係を示すグラフである。 第１の実施形態による汚染量とΔＶの関係を示すグラフである。 第１の実施形態によるクリーニングシーケンスである。 第１の実施形態による汚染量検知によるクリーニングシーケンス時の汚染量を示すグラフである。 第２の実施形態による汚染量検知による帯電電流値を切り替える動作を説明するためのフローチャートである。 第２の実施形態による感光体ドラム削れ量を示すグラフである。 帯電ローラおよび感光体ドラムにおける等価回路図である。

符号の説明

１ 感光体ドラム
２ 帯電ローラ
３ 高圧電源部
４ プリンタ制御部
５ｃ タイマ
１２８ 外部装置
２００ レーザビームプリンタ
２００ 装置本体
２０１ デッキ
２０２ デッキ紙有無センサ
２０３ 紙サイズ検知センサ
２０４ ピックアップローラ
２０５ デッキ給紙ローラ
２０６ リタードローラ
２０７ 給紙センサ
２０８ 給紙搬送ローラ
２０９ レジストローラ対
２１０ レジ前センサ
２１１ レーザスキャナ部
２１２ プロセスカートリッジ
２１３ 転写ローラ
２１４ 除電針
２１４ 放電部材
２１５ 搬送ガイド
２１６ ハロゲンヒータ
２１７ 定着ローラ
２１８ 加圧ローラ
２１９ 定着排紙センサ
２２０ 両面フラッパ
２２２ 排紙ローラ対
２２５ カットローラ
２２５ ローラ
２２６ 両面センサ
２２７ 両面搬送ローラ対
２２８ 外部装置
２２８ 後述外部装置
２２９ レーザユニット
２３０ ポリゴンミラー
２３１ スキャナモータ
２３２ 結像レンズ群
２３３ ミラー
２３４ 現像ローラ
２３５ トナー格納容器
２３６ メインモータ
２３８ インターフェイス
３０２ 帯電ローラ
３０３ 出力保護抵抗
３０４ トランス
３０４ 高圧トランス
３０５ 高圧トランスドライブ回路
３３５ フィルタ回路

Claims (1)

1. 電子写真感光体に接触し回転可能な帯電部材に定電流制御される振動電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記帯電部材に印加された前記振動電圧の振幅値Ｖｐを検出する電圧振幅値検出手段と、
   前記振動電圧の微分波形の振幅値Ｖｄを検出する微分電圧振幅値検出手段と、を有し、
   ｜Ｖｐ−Ｖｄ｜が閾値Ｖｔｈ以上となった場合に、前記帯電部材表面に付着した汚染物を除去するためのクリーニングシーケンスを実行する
   ことを特徴とする画像形成装置。

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