JP5001059B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は複数個並設し、二成分系現像剤を使用して現像を行う電子写真方式の現像装置を使用した複写機、プリンタ、ファクシミリ、及びデジタル複合機等の画像形成装置に関する。

電子写真方式を利用した画像形成装置において使用されている現像装置では、一般的にトナーとキャリアを混合した二成分現像剤を用いて、像担持体である感光体上に形成された静電潜像を現像することによりトナー像を得ている。この場合、感光体に残っていたトナーは現像装置に回収し、再度、感光体に形成された静電潜像への現像剤として使用するクリーナレスプロセスが広く普及している。

例えば特許文献１には、クリーナレスプロセスを利用する画像形成装置において、現像装置に排出口を設け、混色トナーを排出し、このとき排出量を逆転写量に比例するよう制御を行うことが記載されている。また、特許文献２には、現像ローラ表面の逆転写現像剤量を、画像形成装置の作動時間、画像面積、現像剤の帯電量で推定し、推定した現像剤量が一定量に達したら、感光体ドラムにベタ画像を形成し、そのベタ画像を記録用紙、搬送ベルト、または中間転写ベルトに転写することにより、逆転写現像剤を除去することが記載されている。
特開２００５−１０７１９０号公報 特開２００５−３１６３７１号公報

上記従来技術に記載されているように、クリーナレスプロセスでは、感光体の転写残トナーを現像装置にて回収するという構成をとっている。タンデム方式のクリーナレス機の場合、上流側で中間転写ベルト上に作像された画像が感光体ドラムに逆転写されることから、その逆転写した他の色のトナーが現像装置内に混入し混色することがある。そのため、画像品質を考慮すると、他の色のトナーを回収する必要がある。

このようなことから、特許文献１記載の発明では、現像装置に排出口を設け、逆転写量に比例するように混色トナーを排出しているが、現像時に感光体ドラムに排出される混色トナーの排出量を考慮していないため、効率のよい制御は行われていない。また、キャリア補給量でなく、現像剤排出量を直接制御しているため、現像装置内の剤重量、剤面の高さ、トナー濃度等の安定性を確保することができない。なお、剤面の高さを確保するために、現像装置に現像剤だまり部分を設ける特殊な構成も記載されているが、このような構成にすることは排出も補給も制御することとなるため高コストであり、また排出量が補給量に依存してしまうこととなり、狙いどおりの排出を行うことができない。

また上記特許文献２の排出方法は、転写紙間やジョブエンドで感光体にベタ画像を作像するというものであり、この方法では高速プリントに対応できない。更に、現像時に感光体ドラムに排出される混色トナーの排出量を考慮していないため、効率のよい制御は難しい。

本発明はこのような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、混色トナーを十分かつ効率的に排出することにより鮮明な画像を形成し続けることのできる画像形成装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、像担持体、前記像担持体を帯電させる帯電手段、前記帯電手段によって帯電された前記像担持体に露光して当該像担持体上に静電潜像を形成する露光手段、トナーとキャリアを含む現像剤を保持し、前記静電潜像をトナー現像する現像手段、及び前記現像手段によって現像されたトナー像を前記像担持体から被転写媒体に転写させる転写手段を有する作像要素が複数段設けられ、各段で異色のトナーによってトナー画像を形成する画像形成装置において、前記現像手段内で保持される現像剤を排出することにより現像剤の剤面の高さを規定する現像剤排出口を有すると共に、前段の現像手段と後段の現像手段によって現像されるトナー像の前記被転写媒体上における重複部分の面積を算出し、前記前段の現像手段によって現像される画像の画像面積から前記重複分の画像面積を減算した第１の面積に基づいて後段の現像手段に前記キャリア補給を行わせる制御手段を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、鮮明な画像を継続して形成することができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明が適用されるカラー画像形成装置の主要構成を示すブロック図である。なお、本実施形態における画像形成装置自体は公知の構成なので、本実施形態では前記特許文献１記載の画像形成装置を例にとって説明する。

この画像形成装置は、スキャナ部１０１、制御部１０３、画像形成部１０５、ネットワークインタフェース１０７、及び操作パネル１０９から構成されている。

スキャナ部１０１は、原稿画像を読み取り、読み取った原稿画像のレッド、グリーン、ブルーの色情報に基づいて生成した画像データを制御部１０３へ送る。制御部１０３は画像形成装置全体の動作を制御し、画像データの加工及び後述する各プロセスユニットにおいて形成される各色画像の面積計算を行う。制御部１０３は、また、ＬＡＮあるいはインターネット等の外部ネットワークと接続するネットワークインタフェース１０７に接続され、外部から画像データあるいは動作に関する命令を受け取り、また、外部に画像形成装置の状態情報を送出する。更に、制御部１０３には画像形成装置に取り付けられた操作パネル１０９が接続されており、制御部１０３は前記操作パネル１０９から画像形成装置の動作に関する命令を取得することができる。

画像形成部１０５は制御部１０３に接続されており、制御部１０３から受け取った画像データに基づいて後述の各作像要素を動作させ、転写紙上にトナー像を形成する。

図２は図１の画像形成部１０５の概略構成を示す図である。画像形成部１０５は、イエローのトナー像を形成する第１プロセスユニット１００ａ、マゼンタのトナー像を形成する第２プロセスユニット１００ｂ、シアンのトナー像を形成する第３プロセスユニット１００ｃ、ブラックのトナー像を形成する第４プロセスユニット１００ｄ、及び転写紙を搬送する搬送ベルト１３等を備えている。

搬送ベルト１３は従動ローラ１５及び駆動ローラ１７及び間に巻回され、前駆駆動ローラ１７によって回転駆動される。搬送ベルト１３はこの回転動作により転写紙を上流側から下流側へと搬送する。また、この搬送ベルト１３に対して上流側から第１プロセスユニット１００ａ、第２プロセスユニット１００ｂ、第３プロセスユニット１００ｃ、第４プロセスユニット１００ｄが配設されている。

第１ないし第４プロセスユニット１００ａ〜１００ｄはいずれも同様の構成であるので、代表して第１プロセスユニット１００ａを例にとる。なお、第２ないし第４プロセスユニット１００ｂ〜１００ｄの各構成要素は参照番号の後にｂ〜ｄを付すことにより区別している。なお、総括的に述べる場合には、添字ａ〜ｄは省略する。

第１プロセスユニット１００ａは、感光体ドラム１ａ、帯電装置３ａ、露光装置５ａ、現像装置７ａ、転写装置９ａによって構成されている。第１の像担持体である感光体ドラム１ａは円筒形の積層型有機感光体で構成され、この感光体ドラム１ａは図中矢印ａ方向に、搬送ベルト１３の周速度と同期して回転する。感光体ドラム１ａの周囲には、感光体ドラム１ａの回転方向に順に、前記帯電装置３ａ、露光装置５ａ、現像装置７ａ、及び転写装置９ａが配置されている。

帯電装置３ａは、感光体ドラム１ａに対向して、感光体ドラム１ａの表面をコロナ放電により負帯電させる。露光装置５ａは例えばＬＥＤなどのライン状の発光体を備え、帯電装置３ａによって帯電された感光体ドラム１ａの部分と感光体ドラム１ａの回転により対向し、露光して静電潜像を形成する。現像装置７ａは、露光装置５ａによって露光された感光体ドラム１ａの部分と感光体ドラム１ａの回転により対向し、静電潜像を現像してトナー像とする。転写装置９ａは、この現像装置７ａによって静電潜像が現像されたトナー像を、搬送ベルト１３によって搬送される転写紙と対向する位置で、搬送ベルト１３の裏側から電気的に吸引し、転写紙上にトナー像を転写させる。

搬送ベルト１３は感光体ドラム１ａの周速度と略等しい速度で回転する。搬送ベルト１３に付着したトナーを除去するためのベルトクリーナ１６は、搬送ベルト１３の回転方向において第４プロセスユニット１００ｄより下流側で、かつ第１プロセスユニット１００ａより上流側に設けられている。

図３は現像装置７ａの横断面図、図４は縦断面図であり、それぞれ現像装置の概略構成を示す。なお、図３は断面を上から見た状態である。これらの図において、現像装置７ａは、トナーとキャリアからなる二成分現像剤を収容する現像槽３３ａを有し、この現像槽３３ａの内部にはトナーを撹拌する撹拌ローラ３５ａが設けられている。また、現像槽３３ａの長手方向に沿って前記撹拌ローラ３５ａを略平行に現像ローラ３７ａが設けられている。現像ローラ３７ａはマグネットローラからなり、現像槽３３ａからトナーを汲み上げて感光体ドラム１ａ上の静電潜像に接触させ、当該静電潜像をトナー現像する。現像槽３３ａ内の現像剤中のトナー濃度は、磁気センサや光学センサなどで構成されるトナー濃度検出装置４９ａによって検出され、監視されている。

そこで、現像によって現像剤中のトナーが消費され、現像剤中のトナー濃度が所定の濃度を下回るようになると、これをトナー濃度検出装置４９ａが検出し、この検出出力に基づいてトナー補給口４７ａから現像剤が補給される。

図５ないし図１３は、第１プロセスユニット１００ａと感光体ドラム１ａ、現像ローラ３７ａ、転写装置９ａのそれぞれの電位に対して、トナーがどのように移動するかを示したものである。

第１プロセスユニット１００ａにおいて感光体ドラム１ａが回転を始めると、帯電装置３ａによって感光体ドラム１ａの表面が一様に帯電される。図５に示すように、この帯電電圧Ａはこの例では約−６００Ｖである。

感光体ドラム１ａが回転して、感光体ドラム１ａ表面の帯電された部分が露光装置５ａと対向すると、イエローの画像データをもとに、感光体ドラム１ａの表面を露光装置５ａが露光して静電潜像を描く。描かれた静電潜像部分の電位は図６に示すように、この例では約−５０Ｖである。

感光体ドラム１ａが回転して、感光体ドラム１ａの表面の露光された部分Ｂが現像装置７ａと対向すると、感光体ドラム１ａの表面に描かれた静電潜像は、現像装置７ａ内で予め十分に負に帯電されたイエロー系のトナーで現像される。この例では、現像ローラ３７ａに図７に示すようにバイアス電圧Ｄが加えられ、イエロートナーの電位Ｃは約−４００Ｖとなっている。これにより図７に示す状態から図８に示す状態に移行し、感光体ドラム１ａの露光装置５ａに露光された部分へ現像装置７ａからトナーが移行し、静電潜像部分にトナー残ることになる。

感光体ドラム１ａが回転し、搬送ベルト１３が回転することによって転写紙は搬送され、所定の位置に到達すると、転写装置９ａに転写電流が流される。この転写電流により転写装置９ａと感光体ドラム１ａの間に電界が形成され、この電界によって感光体ドラム１ａの表面に形成されたトナー像が、転写装置９ａと感光体ドラム１ａの間を通る転写紙に転写される。このときの状態を図９に示す。図９において符号Ｅは転写装置９ａの電位を示す。

感光体ドラム１ａが回転して、転写紙に転写されなかったトナーが付着したままの部分は、図１０に示すように再び帯電装置３ａで帯電され、露光装置５ａで露光されて図１１に示すように静電潜像が形成される。図１０において符号Ｆは再び帯電された感光体ドラム１ａの電位を、符号Ｇは転写残りイエロートナーをそれぞれ示す。

現像装置７ａがこの静電潜像を現像する際、感光体ドラム１ａは静電潜像の形成部Ｈが約−５０Ｖ、非形成部が約−６００Ｖに帯電しているため、約−４００Ｖに帯電された現像ローラ３７ａから感光体ドラム１ａの静電潜像の形成部へとトナーが移り、逆に図１２に示すように、感光体ドラム１ａの静電潜像の非形成部から現像ローラ３７ａへとトナーが移る。この結果、感光体ドラム１ａに残っていたトナーは現像装置７ａへと回収され、感光体ドラム１ａに形成された静電潜像へトナーが付与されるクリーナレスプロセスとなる（図１３）。

このようなプロセスが第２〜第４プロセスユニット１００ｂ〜１００ｄでも行われ、第１プロセスユニット１００ａでイエロートナー像が形成された転写紙にマゼンタ、シアン、ブラックの各トナー像が重畳されてゆく。なお、図１２において、符号Ｉはイエロートナー現像工程の次工程（第２プロセスユニット１００ｂ）であるマゼンタトナー現像工程で現像されるマゼンタトナーを、符号Ｊはマゼンタの感光体ドラム１ｂの電位をそれぞれ示す。

第１プロセスユニット１００ａで画像が形成された転写紙にそれぞれトナー像を重畳する第２〜第４プロセスユニット１００ｂ〜１００ｄでは、転写紙へ先に形成されたトナー像から他色トナーが逆転写され、前記各プロセスユニット１００ｂ〜１００ｄの現像槽の現像剤中に混入することになる。そこで、その対策として、キャリアを補給し、現像剤排出口４３から現像剤を排出する。なお、前記キャリアの補給時には、キャリアの補給に応じてトナー濃度が下がるので同時にトナー補給も行う。

このように、各色の現像槽３３内に新たなキャリアを補給し、古い現像剤を排出することによって現像槽３３内の現像剤に混入した紙粉塵埃や他色トナーの濃度を下げることができ、鮮明な画像を形成し続けることができるようになる。

前記現像装置７ａ〜７ｄへのキャリア補給は以下のようにして行われる。
ここでは他色トナーの混入する第２プロセスユニット１００ｂを例にとる。先に第１プロセスユニット１００ａで形成されたトナー像の面積を求めるが、これはＣＣＤ等で直接撮像して求めてもよいし、各感光体ドラム１ｂ〜１ｄに形成する静電潜像から求めてもよい。第２プロセスユニット１００ｂでは、これから形成するトナー像の面積を、感光体ドラム１ｂに露光装置５ｂが描く静電潜像の面積から求める。

第１プロセスユニット１００ａの形成したトナー像の面積が広いほど第２プロセスユニット１００ｂの現像装置へ混入するトナーの量は多くなる。逆に、第２プロセスユニット１００ｂで形成するトナー像の面積が広いほど、第２プロセスユニット１００ｂの現像装置から出て行くトナーの量は多くなる。従って、第１プロセスユニット１００ａで形成したトナー像の面積から、第２プロセスユニット１００ｂで形成するトナー像の面積を差し引いた画像面積αから現像装置を出入りするトナーの量を見積もり、その量が所定の値以上であれば画像形成直後にキャリア補給を行う。

本実施形態では、図３及び図４に示すようにキャリアとトナー補給のために現像装置７の現像槽３３ａの上部にトナー補給口４７ａとキャリア補給口４８ａが設けられ、それぞれの補給口４７ａ，４８ａからトナー及びキャリアが現像槽３３ａへ補給可能となっている。加えて現像槽３３の側面に現像剤排出口４３ａが設けられ、現像剤排出口４３ａに達した現像剤が排出される。すなわち、この現像剤排出口４３ａは、図４に示すように、現像槽３３ａ内の現像剤の剤面Ｘの高さを規定する位置に開口し、トナー補給口４７ａあるいはキャリア補給口４８ａからトナーあるいはキャリアをそれぞれ補給するときに生じる現像剤面の上昇を規制するようになっている。このため、現像剤排出口４３ａの開口下端が前記現像剤の剤面Ｘの高さに合わせて設けられ、前記現像剤の剤面Ｘよりも上位に現像剤が上昇しないようになっており、現像剤量を確実に規定することができる。

これにより、本実施形態のようなクリーナレスの現像装置を使用したタンデム方式の画像形成装置における現像剤中への他の色のトナーの混入による影響を最小限に抑えることが可能となる。その結果、鮮明な画像を形成し続けることができる。

上記のようにしてキャリア補給が行われるが、補給量は制御部１０３によって制御される。制御部１０３では、第２の現像装置７ｂに対し、その上流に位置する第１の現像装置７ａによって形成されたトナー像と第２の現像装置７ｂによって形成されたトナー像とが重なる部分の画像面積を差し引いた面積（αとする）に基づいてキャリアの補給を行うようにしている。このようなキャリア補給制御と並行して現像剤を排出することにより、常に現像装置７（現像槽３３）内の現像剤の剤面の高さは一定となり、現像剤汲み上げ、トナー補給制御も安定して行うことができ、画像濃度が均一になる。なお、第３、第４の現像装置７ｃ，７ｄにおいても上流側の現像装置によって作られたトナー像と下流側の現像装置によって作られたトナー像とが重なる部分の画像面積を差し引いた面積αに基づいてキャリアの補給を行うようにする。前記面積αより現像装置を出し入れするトナーの量を見積もり、その量が所定の値以上であれば、画像形成直後にキャリア補正を行う。例えば、前記面積αが、α＞０のときキャリア補正を行い、補給量はαに比例させる。この場合、αを積算しておき、所定の量以上になったときにキャリアを補給するようにしてもよい。

キャリア補給量は、このようにして見積もったトナー量に比例することが望ましい。補給量は、キャリア補給口４８ａのシャッターの開口時間で制御する。これにより、現像装置７ａ〜７ｄへ大量に他色トナーが混入するおそれがあっても、混入直後に現像剤の補給と排出が行われ、混色の影響が次の画像形成に現れにくいようにすることができる。

しかし、混色トナーの排出は、現像剤排出口４３ａ〜４３ｄからだけでなく、現像装置７ｂ〜７ｄの作像時にも排出される。従って、αだけでなく第２以降の現像装置７ｂ〜７ｄで現像される画像面積βに応じてキャリア補給を行うこともできる。この場合、ただ単に前記面積αに比例した量を補給するのではなく、面積βが大きいときは、キャリア補給量を少なめに、面積βが小さいときはキャリア補給量を多めに設定する。

また、前記面積βが０の画像出力時にキャリアの補給を行うようにしてもよい。これは、面積βがβ＞０のときは、キャリアを補給しなくても現像装置７内の混色トナーは感光体ドラム１へと吐き出されるので、感光体ドラム１への混色トナーが排出されないβ＝０のときにキャリアを補給することによって効果的にキャリアを補給することができる。これにより、第２以降の現像装置７ｂ〜７ｄ内のトナーが現像に使われずに現像装置７内で長いあいだ撹拌のストレスを受けることにより起こるトナーの劣化を抑えることができる。なお、前記面積βに基づくキャリア補給制御も制御部１０３によって実行される。

更に、第２以降の現像装置７ｂ〜７ｄによるトナー像の非画像部の面積（γとする）の値を積算し、所定の量以上になったときにキャリアの補給を行うようにしてもよい。すなわち、第２以降の現像装置７ｂ〜７ｄに入った混色トナーを安定して排出させる必要があり、このときの制御に前記面積γを使用する。前記面積βの積算値は第２以降の現像装置７ｂ〜７ｄから各感光体ドラム１ｂ〜１ｄ経由で、混色トナーの混ざったトナーが排出された量に比例する。前記面積γの積算値はその逆なので、排出されなかった量に比例する。従って、その面積γの積算値に基づいてキャリアを補給することにより、現像装置内の混色トナーを安定して排出することができる。この場合、面積αの積算値が所定の量以上になった時点での、面積γの積算値に比例した量のキャリアを補給するようにしてもよい。

上記では、出力画像一枚ごとにキャリア補給を制御する場合について述べたが、制御は一枚ごとに行う必要はない。面積αやβの値を積算し、それらの量が所定の量になったときに、キャリア補給を行えばよい。

以上の説明において、プロセスユニットを搬送ベルト１３によって搬送される転写紙の搬送方向に並べて設置した所謂直接転写方式のタンデム形画像形成装置を例にとって説明したがこれらに限るものではなく、例えばプロセスユニットで各色ごとの画像を中間転写体に一旦転写し、複数色の画像が重畳されたトナー像を一括して転写紙に転写する中間転写体方式のタンデム形画像形成装置においても本発明を適用できることはいうまでもない。

本発明が適用されるカラー画像形成装置の一例における主要構成を示すブロック図である。 図１の画像形成装置の画像形成部の概略構成を示す図である。 図２のプロセスユニットの現像装置の概略構成を示す水平断面図である。 図３の現像装置の概略構成を示す縦断側面図である。 始動時の感光体ドラムの帯電電圧を示す図である。 感光体ドラムの表面に静電潜像が描かれたときの感光体ドラムの電位変化を示す図である。 現像時の感光体ドラム、現像ローラ、転写装置の電位変化とトナーの移動を示す図である。 感光体ドラムにトナーが移動する際の感光体ドラムの電位とトナーの移動を示す図である。 転写紙に転写する際の感光体ドラムの電位とトナーの移動を示す図である。 転写紙に転写されずに残ったトナーが付着したままの感光体ドラムが帯電されたときの感光体ドラムの電位とトナーの位置を示す図である。 図１０の状態から静電潜像が形成されたときの感光体ドラムの電位とトナーの位置を示す図である。 図１１の静電潜像を現像する際の感光体ドラムの電位とトナーの移動を示す図である。 クリーナレスプロセス時の感光体ドラムの電位とトナーの移動を示す図である。

符号の説明

１ａ〜１ｄ 感光体ドラム
３ａ〜３ｄ 帯電装置
７ａ〜７ｄ 現像装置
９ａ〜９ｄ 転写装置
３３ａ 現像槽
４９ａ トナー濃度検出装置
４３ａ 現像剤排出口
４７ａ トナー補給口
４８ａ キャリア補給口
１００ａ〜１００ｄ 第１〜第４プロセスユニット
１０３ 制御部
１０５ 画像形成部
Ｘ 現像剤の剤面

Claims (9)

1. 像担持体、前記像担持体を帯電させる帯電手段、前記帯電手段によって帯電された前記像担持体に露光して当該像担持体上に静電潜像を形成する露光手段、トナーとキャリアを含む現像剤を保持し、前記静電潜像をトナー現像する現像手段、及び前記現像手段によって現像されたトナー像を前記像担持体から被転写媒体に転写させる転写手段を有する作像要素が複数段設けられ、各段で異色のトナーによってトナー画像を形成する画像形成装置において、
   前記現像手段内で保持される現像剤を排出することにより現像剤の剤面の高さを規定する現像剤排出口を有すると共に、
   前段の現像手段と後段の現像手段によって現像されるトナー像の前記被転写媒体上における重複部分の面積を算出し、前記前段の現像手段によって現像される画像の画像面積から前記重複分の画像面積を減算した第１の面積に基づいて後段の現像手段に前記キャリア補給を行わせる制御手段を備えていることを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１記載の画像形成装置において、
   前記制御手段は、前記第１の面積が０より大きいときにキャリア補給を行わせることを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項１記載の画像形成装置において、
   前記制御手段は、現像動作ごとに前記第１の面積を積算し、積算面積が所定の値に達したときキャリア補給を行わせることを特徴とする記載の画像形成装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の画像形成装置において、
   前記キャリア補給が前記第１の面積に比例することを特徴とする画像形成装置。
5. 請求項３記載の画像形成装置において、
   ２段目以降のいずれかの現像手段で現像されたトナー像の前記被転写媒体上の画像面積である第２の面積を算出し、当該算出された第２の面積に基づいて前記キャリア補給量を制御する制御手段を備えていることを特徴とする画像形成装置。
6. 請求項５記載の画像形成装置において、
   前記制御手段は、前記トナー像の前記第２の面積が０のときにキャリア補給を行わせることを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項３記載の画像形成装置において、
   ２段目以降のいずれかの現像手段で現像された画像の被転写媒体上での非画像部の面積である第３の面積を算出し、当該算出された第３の面積の積算値が所定値以上になったときに該当する現像手段にキャリア補給を行わせる制御手段を備えていることを特徴とする画像形成装置。
8. 請求項３記載の画像形成装置において、
   前記制御手段は、前記第１の面積の積算値が所定値以上となった時点における非画像部の面積を算出し、当該算出された第３の面積の積算値に比例したキャリア補給を該当する現像装置に対して行わせることを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項３記載の画像形成装置において、
   前記制御手段は、２段目以降のいずれかの現像手段で現像された画像の被転写媒体上での非画像部の面積を算出し、当該算出された第１の面積の積算値が所定値以上になった時点における前記第３の面積の積算値に比例したキャリア補給を該当する現像装置に対して行わせることを特徴とする画像形成装置。

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