JP5180270B2 - 現像装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電潜像担持体に形成された静電潜像をトナーによって現像する一成分系の現像装置及び該現像装置を備えた画像形成装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置においては、例えば、感光体などの静電潜像担持体の表面を帯電させ、その帯電域を画像情報に応じて露光することで静電潜像を形成し、静電潜像を現像して可視化（現像）する現像方法が採用されている。このような現像方法の中には、現像剤としてキャリアを用いずトナーだけを用いる一成分現像方式がある。

現像装置の主要な構成としては、トナーを感光体に現像するための現像ローラと、現像ローラに対するトナーの供給及び現像ローラからのトナーの剥ぎ取り（剥離）を行う供給ローラと、供給ローラから現像ローラに供給されたトナーを所定量に規制するトナー層規制ブレードとを備えている。

上記のような現像装置では安定性が最大の課題とされている。このため、トナーの変化による帯電量の変動や、供給ローラの表面硬化によるトナーの剥離不良等を検知することが重要である。

例えば、特許文献１には、現像ローラと、現像ローラに当接した導電性の供給ローラとの間に流れる電流を計測することにより、供給ローラの劣化を検知し、画像不良の発生前にユーザに警告を発する現像装置（プロセスカートリッジ）が記載されている。

特開平９−１９７９４３号公報

上記の特許文献１に記載の現像装置では、大量のプリントを行った場合に供給ローラ表面の摩耗や発泡セルのホツレが発生し、これによる供給ローラと現像ローラとの密着性の悪化と、供給ローラと現像ローラの間に流れる電流値との間に相関があることに着目している。すなわち、供給ローラと現像ローラとの密着性が悪くなるほど流れる電流が減少するため、供給ローラの劣化検出に利用できるとしている。

しかしながら、現像ローラと供給ローラの間に流れる電流値は、現像ローラのトナー帯電量及び供給ローラによるトナー剥離量の２つの値に影響される。現像ローラと供給ローラの間に流れる電流値のみを測定しても、その値の変動が、現像ローラのトナー帯電量の変化によるものか、供給ローラのトナー剥離量の変化によるものかを区別できない。従って、例えば、本当はトナー帯電量が変化しているのに、トナー剥離量が変化したと判断して、供給ローラの交換信号を出す等の誤動作を生じさせる可能性があり、プロセス制御や供給ローラ等の劣化検出を適切に行うことができないという問題がある。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、現像ローラ及び供給ローラそれぞれに流れる電流値を計測することにより、適切なプロセス制御や、供給ローラ等の劣化検出を行い、安定性に優れた現像装置及び該現像装置を備えた画像形成装置を提供すること、を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、静電潜像担持体にトナーを供給する現像ローラと、該現像ローラへのトナーの供給及び該現像ローラからのトナーの剥離を行う供給ローラとを備え、前記現像ローラにバイアス電圧を印加し、前記静電潜像担持体に形成された静電潜像をトナーによって現像する一成分系の現像装置であって、前記現像ローラに流れる電流値を計測する第１の電流計測部と、前記供給ローラに流れる電流値を計測する第２の電流計測部と、前記第１の電流計測部及び前記第２の電流計測部による計測結果に基づいて、前記現像ローラ上のトナー帯電量及び前記供給ローラによるトナー剥離量を算出する制御部と、前記現像ローラに供給されたトナーを所定量に規制し且つ前記現像ローラ側の表面が絶縁性であるトナー層規制ブレードとを備え、印字の際に前記現像ローラ及び前記供給ローラに同じバイアス電圧が印加される場合、印字時に、前記第１の電流計測部及び前記第２の電流計測部は、前記現像ローラに流れる電流値Ｉｄ[Ａ]及び前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ[Ａ]をそれぞれ計測し、前記制御部は、前記トナー規制ブレードに流れる電流を零とし、前記現像ローラに流れる電流値Ｉｄ[Ａ]と、前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ[Ａ]と、画像データのドット数から算出される印字率ｄ[％]と、前記現像ローラ上のトナー付着量[ｍｇ／ｃｍ ^２ ]、印字部の幅[ｍｍ]、現像効率[％]、前記静電潜像担持体の周速[ｍｍ／ｓｅｃ]、前記現像ローラの周速[ｍｍ／ｓｅｃ]により定められる定数Ａ[μｓｅｃ／ｇ]とに基づいて、トナー帯電量ｂ[μＣ／ｇ]を、
ｂ＝Ａ×（Ｉｄ＋Ｉｓ）÷ｄ
により算出し、前記トナー帯電量ｂ[μＣ／ｇ]及び前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ[Ａ]に基づいて、トナー剥離量ｆ[ｇ／μｓｅｃ]を、
ｆ＝Ｉｓ÷ｂ
により算出することを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記静電潜像担持体に現像される画像が所定の濃度になるように、前記現像ローラに印加するバイアス電圧を調整する画像濃度調整部を備え、前記第１の電流計測部及び前記第２の電流計測部は、前記画像濃度調整部により画像濃度の調整を行った後に、前記現像ローラ及び前記供給ローラそれぞれの電流値を計測することを特徴としたものである。

第３の技術手段は、静電潜像担持体にトナーを供給する現像ローラと、該現像ローラへのトナーの供給及び該現像ローラからのトナーの剥離を行う供給ローラとを備え、前記現像ローラにバイアス電圧を印加し、前記静電潜像担持体に形成された静電潜像をトナーによって現像する一成分系の現像装置であって、前記現像ローラに流れる電流値を計測する第１の電流計測部と、前記供給ローラに流れる電流値を計測する第２の電流計測部と、前記第１の電流計測部及び前記第２の電流計測部による計測結果に基づいて、前記現像ローラ上のトナー帯電量及び前記供給ローラによるトナー剥離量を算出する制御部と、前記現像ローラに供給されたトナーを所定量に規制し且つ前記現像ローラ側の表面が絶縁性であるトナー層規制ブレードとを備え、印字の際に前記現像ローラ及び前記供給ローラに異なるバイアス電圧が印加される場合、非印字時に、前記第２の電流計測部は、前記現像ローラ及び前記供給ローラに同じバイアス電圧を印加した状態で、前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ′[Ａ]を予め計測しておき、印字時に、前記第１の電流計測部及び前記第２の電流計測部は、前記現像ローラに流れる電流値Ｉｄ[Ａ]及び前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ[Ａ]をそれぞれ計測し、前記制御部は、前記トナー規制ブレードに流れる電流を零とし、印字時に前記現像ローラに流れる電流値Ｉｄ[Ａ]と、印字時に前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ[Ａ]と、画像データのドット数から算出される印字率ｄ[％]と、前記現像ローラ上のトナー付着量[ｍｇ／ｃｍ ^２ ]、印字部の幅[ｍｍ]、現像効率[％]、前記静電潜像担持体の周速[ｍｍ／ｓｅｃ]、前記現像ローラの周速[ｍｍ／ｓｅｃ]により定められる定数Ａ[μｓｅｃ／ｇ]とに基づいて、トナー帯電量ｂ[μＣ／ｇ]を、
ｂ＝Ａ×（Ｉｄ＋Ｉｓ）÷ｄ
により算出し、前記トナー帯電量ｂ[μＣ／ｇ]及び非印字時に予め計測した前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ′[Ａ]に基づいて、トナー剥離量ｆ[ｇ／μｓｅｃ]を、
ｆ＝Ｉｓ′÷ｂ
により算出することを特徴としたものである。

第４の技術手段は、第１〜第３のいずれか１の技術手段において、前記制御部により算出されたトナー帯電量が所定量以下に低下した場合、トナーの劣化を回復させることを特徴としたものである。

第５の技術手段は、第４の技術手段において、前記トナーの劣化の回復は、劣化したトナーを強制的に消費し、新しいトナーを補給する処理であることを特徴としたものである。

第６の技術手段は、第１〜第３のいずれか１の技術手段において、前記制御部により算出されたトナー剥離量が所定量以下に低下した場合、前記現像装置の交換を促す信号を発することを特徴としたものである。

第７の技術手段は、第１〜第６のいずれか１の技術手段において、前記現像ローラと前記静電潜像担持体とが非接触であることを特徴としたものである。

第８の技術手段は、第１〜第７のいずれか１の技術手段において、前記現像ローラに印加するバイアス電圧は、直流電圧であることを特徴としたものである。

第９の技術手段は、第１〜第８のいずれか１の技術手段における現像装置を備えた画像形成装置である。

本発明によれば、現像ローラ及び供給ローラそれぞれに流れる電流値を計測することにより、現像ローラ上のトナー帯電量と供給ローラによるトナー剥離量を算出できるため、適切なプロセス制御や、供給ローラ等の劣化検出を行い、安定性に優れた現像装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る画像形成装置の要部構成例を示す概略図である。 本発明の現像装置の構成例を示す概略図である。 図２に示す現像装置の構成をモデル化して示した図である。 トナーを消費していない場合の電流Ｉｄ及び電流Ｉｓの実際の測定結果を示す図である。 図３のモデルにおける電流の経路を説明するための図である。 印字率が途中で変化した場合の電流値変動の一例を示す図である。 一般的な現像バイアスと現像量との関係を示す図である。 印字枚数とトナー帯電量との関係を示す図である。 本発明の現像装置の他の構成例を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の参照符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る画像形成装置の要部構成例を示す概略図で、図中、１００は画像形成装置を示す。なお、本例では、画像形成装置１００の主な構成要素を中心に簡略化して記載している。

画像形成装置１００は、静電潜像担持体に相当する感光体５１を、イエロー画像用、マゼンタ画像用、シアン画像用、および黒色画像用の４つ分備え、これらによりカラー画像を形成可能なタンデム方式のカラー画像形成装置である。画像形成装置１００は、ネットワークを介して接続されたＰＣ（Personal Computer）等の各種端末装置から送信される画像データや、スキャナ等の原稿読み取り装置によって読み取られた画像データに基づいて、被転写材（記録媒体）となる用紙Ｐに対して、カラー画像またはモノクロ画像を形成するプリンタ機能を有するものである。

画像形成装置１００は、図１に示すように、用紙Ｐにトナー画像を形成する機能を有する画像形成ステーション部５０（５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂ）と、当該画像形成ステーション部５０で用紙Ｐに形成されたトナー像を定着させる機能を有する定着装置４０と、用紙Ｐを載置する供給トレイ６０から画像形成ステーション部５０および定着装置４０へと用紙Ｐを搬送する機能を有する搬送部３０とを備えている。

画像形成ステーション部５０は、イエロー画像用、マゼンタ画像用、シアン画像用、および黒色画像用のそれぞれ４つの画像形成ステーション５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂから構成されている。具体的には、供給トレイ６０と定着装置４０との間において、供給トレイ６０側から、イエロー画像形成ステーション５０Ｙ、マゼンタ画像形成ステーション５０Ｍ、シアン画像形成ステーション５０Ｃ、および黒色画像形成ステーション５０Ｂがこの順に配置されている。

これら各色の画像形成ステーション５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂは、それぞれ、トナーの種類以外は、実質的に同一の構成を有しており、各色に対応する画像データに基づいて、イエロー、マゼンタ、シアン、および黒色のトナー画像を形成して、最終的に記録媒体となる用紙Ｐ上に転写するものである。

本実施形態の画像形成ステーション部５０では、イエロー、マゼンタ、シアン、および黒色の４色の画像を形成する構成であるが、特にこれら４色に限定せず、例えばシアンおよびマゼンタと同一の色相で濃度がより低いライトシアン（ＬＣ）およびライトマゼンタ（Ｌｍ）を加えた６色のトナー画像を形成する構成であっても良い。

なお、図１における各画像形成ステーションの構成部品の符号については、イエロー画像用の画像形成ステーション５０Ｙを代表として記載し、他の各画像形成ステーション５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂの構成部品の参照符号は、省略している。

各画像形成ステーション５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂは、それぞれ静電潜像が形成される静電潜像担持体となる感光体５１を備え、これらの感光体５１の周囲には、周方向に帯電装置５２、露光装置５３、現像装置１、転写ローラ５５、およびクリーニング装置５６がそれぞれ配置されている。

感光体５１は、ＯＰＣ（Organic Photoconductor；有機光導電体）等の感光性材料を表面に有する略円筒のドラム形状を呈し、露光装置５３の下方に配設され、図示しない駆動手段と制御手段によって、所定方向（図中矢印Ｆ方向）に回転駆動されるように制御されている。

帯電装置５２は、感光体５１の表面を所定の電位に均一に帯電するための帯電手段であって、感光体５１の上方でその外周面に近接して配置されている。本実施形態では、接触型のローラ方式の帯電ローラが使用されているが、チャージャー型やブラシ方式、イオン放出帯電方式等の帯電装置を用いてもよい。

露光装置５３は、画像処理部（図示せず）から出力された画像データに基づいて、帯電装置５２にて帯電された感光体５１の表面に、レーザ光を照射して露光することにより、感光体５１の表面に画像データに応じた静電潜像を書き込む機能を有する。露光装置５３は、各画像形成ステーション５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂに応じて、イエロー、マゼンタ、シアン、または黒色にそれぞれ対応する画像データが入力されることにより、対応する色に応じた静電潜像をそれぞれ形成する。露光装置５３としては、レーザ照射部および反射ミラーを備えたレーザスキャニングユニット（ＬＳＵ）や、ＥＬやＬＥＤ等の発光素子をアレイ状に並べた書込み装置（例えば、書込みヘッド）を使用することができる。

現像装置１は、現像剤を担持する現像剤担持体に相当する現像ローラを有している。現像ローラは、現像ローラと感光体５１とが近接し、トナーが感光体５１へと移動する現像領域へと現像剤を搬送するように構成される。この現像装置１は、本実施形態では、現像剤としてトナーを使用する、いわゆる一成分系の現像装置であり、露光装置５３によって感光体５１表面に形成された静電潜像を現像してトナー像（可視像）を形成する。

現像装置１には、各画像形成ステーション５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂの画像形成に応じて、イエロー、マゼンタ、シアン、または黒色の現像剤が収容されている。これらの現像剤は、帯電された感光体５１の表面電位と同極性に帯電されたトナーを含んでいる。なお、感光体５１の表面電位の極性および使用するトナーの帯電極性は、正負を問わないが、本実施形態では負（マイナス）とした。

転写ローラ５５は、感光体５１上に形成されたトナー像を搬送ベルト３３にて搬送される用紙Ｐ表面に転写するものであり、トナーの帯電極性とは、逆極性（本実施形態では、正（プラス）極性）のバイアス電圧が印加される転写ローラを有している。

クリーニング装置５６は、用紙Ｐへのトナー画像転写後に、感光体５１の外周面上に残存しているトナーを除去および回収する。本実施形態では、感光体５１を挟んで現像装置１と略対向する位置で、かつ感光体５１の側方に配置されている。

搬送部３０は、駆動ローラ３１、従動ローラ３２、および搬送ベルト３３を備え、各画像形成ステーション５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂにおいて、各色のトナー像が転写される用紙Ｐを搬送する。搬送部３０は、無端状の搬送ベルト３３が駆動ローラ３１と従動ローラ３２との間に張架された構成となっており、供給トレイ６０から給紙された用紙Ｐを各画像形成ステーション５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂへと順に搬送する。

定着装置４０は、加熱ローラ４１および加圧ローラ４２を備え、これらが当接する定着ニップ部に用紙Ｐを搬送することで、用紙Ｐ上に転写されたトナー像を熱圧着して用紙Ｐに定着させる。

このように構成された画像形成装置１００では、搬送部３０によって搬送される用紙Ｐは、各画像形成ステーション５０Ｙ、５０Ｍ、５０Ｃ、５０Ｂの感光体５１との対向位置を通過する際に、それら対向位置において、搬送ベルト３３を介して下方に配置された転写ローラ５５による転写電界の作用にて、各感光体５１上のトナー像が順次用紙Ｐ上に転写される。これによって、各色のトナー像が用紙Ｐ上に重なり合うように転写され、用紙Ｐ上に所望のフルカラートナー像が形成される。こうしてトナー像が転写された用紙Ｐは、定着装置４０によってトナー像の定着処理が行われた後に、排紙トレイに送出される。

次に、現像装置１の構成例について具体的に説明する。図２は、図１に示す画像形成ステーション部５０が備える現像装置１の構成例を示す概略図である。現像装置１は、トナー層規制ブレード１１、現像ローラ１２、及び供給ローラ１３を備える。現像ローラ１２は感光体５１との現像ギャップを保持している。現像ギャップはギャップ保持部材（図示せず）で１５０〜５００μｍに保持される。供給ローラ１３は現像ローラ１２とニップ部で接触している。現像ローラ１２はアルミニウム等でできており、表面粗さはＲａ０．３〜０．６μｍで構成されている。供給ローラ１３は金属シャフトの周囲にポリウレタン発泡フォームを形成しており、現像ローラ１２とのニップ部の食い込み量は０．２〜１．０ｍｍである。感光体５１の回転方向に対して、現像ローラ１２と供給ローラ１３は回転方向が逆に設定されている。図示していないが、トナーを撹拌し供給ローラ１３までトナーを搬送するトナー撹拌ローラがある。

トナー層規制ブレード１１はプレートとゴム層で構成されている。トナー層規制ブレード１１のプレートはリン青銅製で厚さ０．１〜０．２ｍｍ、先端部のゴム層は厚さ１〜２ｍｍ程度のウレタン等からなる弾性ゴムから成っている。

トナーはコアがポリエステルで外添材であるシリカが１〜３ｗｔ％、酸化チタンが１〜２ｗｔ％それぞれ添加されている。供給ローラ１３に撹拌ローラにより搬送されたトナーはニップ部で現像ローラ１２と摺擦され、これによりトナーが現像ローラ１２へくみ上げられトナー層が形成される。次に、トナーはトナー層規制ブレード１１のゴム層を通過する際に、ブレードからの圧力で層規制されると同時に再度帯電される。ブレードを通過したトナーは、現像ローラ１２に印加された電圧と感光体５１上の潜像電位に応じて感光体５１に現像が行われ潜像を可視化する。

本発明の主たる特徴部分は、現像ローラ及び供給ローラそれぞれに流れる電流値を計測することにより、適切なプロセス制御や、供給ローラ等の劣化検出を行い、安定性に優れた現像装置を提供することにある。このための構成として、現像装置１は、感光体５１にトナーを供給する現像ローラ１２と、現像ローラ１２へのトナーの供給及び現像ローラ１２からのトナーの剥離を行う供給ローラ１３と、現像ローラ１２に流れる電流値を計測する第１の電流計測部１４と、供給ローラ１３に流れる電流値を計測する第２の電流計測部１５と、第１の電流計測部１４及び第２の電流計測部１５による計測結果に基づいて、現像ローラ１２上のトナー帯電量及び供給ローラ１３によるトナー剥離量を算出する制御部１６とを備える。第１の電流計測部１４及び第２の電流計測部１５は共に、電源を介してＧＮＤとの間に設けられている。

図２において、現像ローラ１２にはＤＣ電圧Ｖｄが印加されている。現像ローラ１２とトナー層規制ブレード１１は同じバイアス電圧が印加されることが多い。また、供給ローラ１３には現像ローラ１２と同じバイアス電圧が印加される場合と、供給ローラ１３から現像ローラ１２にトナーが移行しやすいように５０Ｖから２００Ｖ程度の直流電位差が設けられる場合とがある。以下では供給ローラ１３に印加される電圧Ｖｓと現像ローラ１２に印加される電圧Ｖｄが同じ場合について説明する。

図２に示す構成においてトナーを消費していない場合の電流の流れについて考える。トナー層規制ブレード１１は、金属プレートとウレタン等の弾性ゴムから成っており、弾性ゴムは絶縁性なので電流はほとんど流れない。また、現像ローラ１２と感光体５１とは非接触なので、印字によるトナー消費が無い場合は、感光体５１側に電流は流れない。したがって、この場合の電流を計測すると、現像ローラ１２に流れる電流をＩｄ、供給ローラ１３に流れる電流をＩｓとすると、Ｉｄ＋Ｉｓ＝０、つまり、現像ローラ１２と供給ローラ１３の間にだけ電流が流れる。この際の現像ローラ１２に流れる電流をＩ（０）とすると、
Ｉ（０）＝−Ｉｓ …式（１）
となる。この式（１）が成立する理由について以下に説明する。

図３は、図２に示す現像装置１の構成をモデル化して示した図である。図中、Ｉｄは現像ローラ１２に流れる電流、Ｉｓは供給ローラ１３に流れる電流、Ｉｂはトナー層規制ブレード１１に流れる電流を示す。このモデル（系）において実際に電流を測定すると、トナー層規制ブレード１１はウレタン等の絶縁物を介しているので、ほとんど電流が流れない。このため、Ｉｂ≒０とみなすことができる。図４に、トナーを消費していない場合の電流Ｉｄ及び電流Ｉｓの実際の測定結果を示す。

図５は、図３のモデルにおける電流の経路を説明するための図である。まず、現像ローラ１２の回転に伴い、現像ローラ１２とトナーの摩擦帯電によって、トナーにマイナス、現像ローラ１２の表面にプラスの電荷が移動する（ｒ１）。トナーのマイナス電荷と現像ローラ１２のプラス電荷とが引き付けあい、現像ローラ１２の回転と共に下流側に進む。感光体に現像されない場合、そのまま供給ローラ１３によってトナーが剥ぎ取られ、現像ローラ１２にプラス電荷が残り、プラス電流として流れる。また、供給ローラ１３はトナーのマイナス電荷を受け取ってマイナス電流が流れる（ｒ２）。これら両方の電流は供給ローラ１３によるトナーの引き剥がしによるもので絶対値は同じである。

以上の理由と、図４の測定結果とに基づいて、Ｉｄ＝−Ｉｓとなり、上記の式（１）が成立すると考えられる。なお、供給ローラ１３と現像ローラ１２との間におけるトナーのやり取りは、上記以外にも、供給ローラ１３によるトナーの汲み上げ（ｒ３）、トナー層規制ブレード１１によってトナー量が規制されることによる現像ローラ１２からの剥ぎ取り（ｒ４）がある。しかし、これらは、トナー帯電量が小さいこと、両者が打ち消しあうことから、その影響は小さく、無視できるレベルと考えられる。

また、印字の際には、図５のｒ５に示す部分で、トナーが感光体側に移動するため、プラス電荷が現像ローラ１２に残り、プラス電流として、電流Ｉｄに加わることになる。以下、印字されている場合について説明する。

この場合、トナーの移動に伴い現像ローラ１２から感光体５１に電荷の移動が起こる分が電流として計測される。この際の電流値Ｉ（１）は次のように表される。
Ｉ（１）＝ａ×ｂ×ｃ×ｄ×ｅ×ｈ÷ｋ×１０^−１１ [Ａ] …式（２）
但し、ａ［ｍｇ／ｃｍ２］は現像ローラ上のトナー付着量、ｂ［μＣ／ｇ］は現像ローラ上のトナー平均帯電量、ｃ［ｍｍ］は印字部の幅、ｄは印字率、ｅは現像効率、ｈ［ｍｍ／ｓｅｃ］は感光体ドラムの周速、ｋは現像ローラ周速／感光体ドラム周速、である。

一例として、現像ローラ上のトナー付着量ａを０．６［ｍｇ／ｃｍ２］、現像ローラ上のトナー平均帯電量ｂを１０［μＣ／ｇ］、印字部の幅ｃを２１４［ｍｍ］、印字率ｄを２０％、現像効率ｅを８０％、感光体ドラムの周速ｈを１５０［ｍｍ／ｓｅｃ］、現像ローラ周速／感光体ドラム周速ｋを１．０とした場合、上記の電流Ｉ（１）は、約０．３１μＡと求めることができる。

ここで、供給ローラ１３が現像ローラ１２からトナーを剥離する際に流れる電流値は、印字率によって変化を受ける。トナー剥離によって現像ローラ１２に流れる電流値は、トナー剥離によって供給ローラ１３に流れる電流と絶対値が同じで符号が逆になる。したがって、印字している際に現像ローラ１２に流れる電流Ｉｄは、
Ｉｄ＝Ｉ（１）−Ｉｓ …式（３）
と表すことができる。これより、
Ｉ（１）＝Ｉｄ＋Ｉｓ …式（４）
となる。

なお、実際の印字中には印字率は一定ではなく、さまざまに変化する。したがって、ＩｄやＩｓの値も時間とともに変動する。このため、一定時間の平均値としてＩｄ、Ｉｓを計測することが有効である。つまり、Ｉｄ、Ｉｓを下記のＩｄａ、Ｉｓａで置き換えれば良い。
Ｉｄａ＝１／Δｔ×∫（Ｉｄ）ｄｔ …式（５）
Ｉｓａ＝１／Δｔ×∫（Ｉｓ）ｄｔ …式（６）
但し、Δｔは計測時間である。

図６に印字率が途中で変化した場合の電流値変動を示す。現像ローラ１２に流れる電流変動から若干遅れて供給ローラ１３の電流値が変動する。これはトナーが感光体５１に移動した現像ローラ１２上の部分が供給ローラ１３と接触するまでに一定時間を要するために生じる時間差である。

図６において、時間０から１８までの平均電流は、Ｉｄ＝１４．７、Ｉｓ＝−８．４となっている。なお、縦軸の電流値及び横軸の時間の単位は共に（a.u.）であり、任意単位であることを示す。

ここで、平均の印字率ｄは、データのドット情報から得ることができるので、先のパラメータと上述の式（２）及び式（４）から、トナー平均帯電量ｂは、
ｂ＝（Ｉｄ＋Ｉｓ）÷（ａ×ｃ×ｄ×ｅ×ｈ）×ｋ×１０^１１ ［μＣ／ｇ］…式（７）
と表すことができる。

本実施形態においては、現像ローラ１２に印加するバイアス電圧Ｖｄの値は現像量が飽和した値を用いている。これについて図７に基づいて説明する。一般に現像バイアス（単位：−ｖ）と現像量（単位：a.u.）は、図７のような関係になる。ただし、トナー帯電量等が変化すると飽和する電位はシフトする。しかしながら、飽和領域の網点で囲った領域Ｘの現像バイアスを指定しておけば、一定範囲の変動に対しては現像量をほぼ一定に保つことが出来る。これは網点で囲った範囲で現像を行う場合に有効な手法である。

上記の場合、感光体５１上に現像されるトナー量は一定となるので、上述の式（７）において、トナー付着量ａ×現像効率ｅの値が一定となる。また、式（７）における印字部幅ｃ、感光体ドラム周速ｈ、現像ローラ周速／感光体ドラム周速ｋは、現像槽設計時に決まるパラメータである。したがって、１÷（ａ×ｃ×ｅ×ｈ）×ｋ×１０^１１は、定数Ａ[μｓｅｃ／ｇ]と置き換えることができる。つまり、式（７）は、
ｂ＝Ａ×（Ｉｄ＋Ｉｓ）÷ｄ …式（８）
と書き換えることができる。そして、印字している際の印字率ｄをデータのドット数から算出することで、式（８）を用いてトナー平均帯電量ｂを算出することができる。

次に、供給ローラ１３に流れる電流について考える。本構成において、供給ローラ１３に流れる電流Ｉｓは、供給ローラ１３で現像ローラ１２から剥離したトナーの移動に伴うものである。したがって、トナー平均帯電量をｂ、単位時間に供給ローラで剥離したトナー量をｆ[ｇ／μｓｅｃ]とすると、供給ローラ１３に流れる電流Ｉｓは、
Ｉｓ＝ｂ×ｆ …式（９）
となる。また、供給ローラ１３の劣化等による剥離不良が関係する数値は、式（９）中の単位時間に供給ローラで剥離したトナー量ｆであるので、上記式（９）より、
ｆ＝Ｉｓ÷ｂ …式（１０）
となる。なお、トナー平均帯電量ｂは式（８）で求めたものを利用できるので、結果的に、電流Ｉｄと電流Ｉｓの測定値からトナー剥離量（トナー剥ぎ取り量）ｆが求まる。

以上のようにして、制御部１６は、印字時に第１の電流計測部１４及び第２の電流計測部１５により計測した２つの電流値に基づいて、トナー平均帯電量ｂ及びトナー剥離量ｆを算出するが、上記の演算式及び演算に必要なパラメータを図示しないメモリに格納しておくことで、一連の演算処理を実行することができる。

なお、上記では供給ローラ１３に印加される電圧Ｖｓと現像ローラ１２に印加される電圧Ｖｄが同じ場合について説明している。しかしながら、電圧Ｖｓと電圧Ｖｄに差を設ける場合は、供給ローラ１３と現像ローラ１２間に定常的な電流が流れるため、式（１０）によってトナー剥離量を正確に求めることができない。従って、印字の際に現像ローラ１２及び供給ローラ１３に異なるバイアス電圧が印加される場合には、非印字時に、第２の電流計測部１５により、現像ローラ１２及び供給ローラ１３に同じバイアス電圧を印加した状態で、供給ローラ１３に流れる電流値を予め計測しておく。そして、印字時に、第１の電流計測部１４及び第２の電流計測部１５が、現像ローラ１２に流れる電流値及び供給ローラ１３に流れる電流値をそれぞれ計測し、制御部１６が、これら計測された２つの電流値に基づいてトナー帯電量を算出すると共に、このトナー帯電量及び非印字時に予め計測した供給ローラ１３の電流値に基づいてトナー剥離量を算出する。

つまり、印字時以外、例えば、印字直前や印字直後、紙間などの非印字時において、供給ローラ１３の電圧を現像ローラ１２の電圧に一致させて供給ローラ１３に流れる電流値Ｉｓを予め計測しておき、印字中に求めたトナー平均帯電量ｂを利用して、トナー剥離量ｆを算出すればよい。このように、トナー剥離量ｆを求める際の電流Ｉｓの値は、トナー平均帯電量ｂを求める際に測定した電流値Ｉｓを用いる必要は必ずしもなく、若干の時期のずれがあってもよい。

ここで、前述の式（８）を用いて、ある条件下で印字枚数とトナー平均帯電量との関係を求めた結果を図８に示す。なお、縦軸のトナー平均帯電量及び横軸の印字枚数の単位は共に(a.u.）とする。図８によれば、印字枚数が増えるとトナー平均帯電量が低下する傾向が見られる。トナー平均帯電量の使用可能範囲は現像装置１および画像形成装置１００によって決定される。ここでは、トナー平均帯電量が初期の半分まで使用可能と考えると、Ｙ点が使用限界となる。

このＹ点に至った場合、つまり、制御部１６により算出されたトナー平均帯電量ｂが所定量（ここでは初期の半分）以下に低下した場合、トナーの劣化を回復させる必要がある。例えば、制御部１６による制御に基づいて、劣化したトナーを強制的に消費し、新しいトナーを補給する処理を行う。前述の図７に示した飽和領域の網点で囲った領域Ｘ内の現像バイアスを加えると、感光体５１側にトナーは移行する。移行したトナーは紙に転写されること無く、感光体５１のクリーニング装置５６（図１）を通して排出される。この後、新しいトナーを補給してやればトナー帯電量を回復させることができる。なお、トナー排出は現像槽内のトナー全部に対して行わなくても良い。多くの場合は現像ローラ１２や供給ローラ１３周辺のトナーが劣化しているので、現像ローラ１２と供給ローラ１３周辺のトナーが消費される分だけ強制消費してやればトナー帯電量が回復することが多い。

このように、トナーが劣化してトナー帯電量が低下してくると、かぶり等の問題が生じるが、上記のようにトナーの劣化を回復させることで、画質劣化を事前に防止することができる。

また、供給ローラ１３は、現像ローラ１２と接触し、移動方向が逆になるように回転しているので、大きな摩擦力を受けている。このため、供給ローラ１３の表面は徐々に磨耗する。また、供給ローラ１３の表面にはトナーが充填されているが、徐々にセル深くにトナーが押し込められて表面が硬化してくる場合がある。供給ローラ１３による剥離量が低下するのは、主に表面が磨耗すること、セル中にトナーが詰まることの２つの要因がある。トナー剥離量の低下は、現像ゴーストを引き起こしやすくする。また、トナー剥離量の低下の要因は同時に現像ローラ１２へのトナー供給量の低下を起こす要因にもなっている。トナー供給量が低下すると、高印字が続いた場合のトナー供給が追いつかず、濃度低下や画像かすれを引き起こす場合がある。このような場合は、つまり、制御部１６により算出されたトナー剥離量が所定量以下に低下した場合、現像装置１自体の交換を行う必要があるので、現像装置１の交換をユーザに通知する信号を発する機能を設けるようにしてもよい。

このように、供給ローラによるトナー剥離量が低下してくると、現像ゴーストが増えるなどの画質不良が生じやすくなるため、供給ローラを含む現像装置の適切な交換時期をユーザに知らせることで、画質不良の発生を防止することができる。

本実施形態によれば、現像ローラと供給ローラそれぞれに流れる電流値を計測することで、現像ローラ上のトナー帯電量及び供給ローラによるトナー剥離量をを精度良く算出できるため、トナーや供給ローラ等の劣化状態の検出などに利用することができる。

(第２の実施形態)
図９は、本発明の現像装置の他の構成例を示す概略図で、図中、１７はメモリ、１８は濃度センサを示す。前述の第１の実施形態では飽和領域の条件で現像バイアスを使用することで、濃度変動が起こりにくい状態を作り出していた。但し、この方法を取ると、階調を取りにくいという問題がある。そこで、一般的に採用されている濃度パッチによる画像濃度制御を行う。具体的には、濃度検出用の一定面積を持つ濃度パッチ画像をメモリ１７から読み出して、この濃度パッチ画像を感光体５１に現像し、濃度センサ１８で画像濃度を測定する。そして、濃度センサ１８で測定した画像濃度が所定の濃度になるように、現像ローラ１２に印加する現像バイアスを調整する。本発明の画像濃度調整部はメモリ１７及び濃度センサ１８により実現される。上記により現像バイアスを調整した後の状態では、感光体５１上に現像されるトナー量は一定となるので、第１の実施形態で述べたように、トナー平均帯電量ｂは、前述の式（８）によって求めることができる。また、トナー剥離量ｆについても、第１の実施形態と同様に求めることができる。

なお、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、トナー平均帯電量ｂとトナー剥離量ｆによってトナーの劣化と供給ローラ１３の劣化を検出することができる。

このように本実施形態によれば、濃度パッチなどを用いて画像濃度調整を施した後に、現像ローラと供給ローラそれぞれに流れる電流値を計測することで、トナー帯電量及びトナー剥離量をより正確に求めることができる。

以上説明した本方式は、現像ローラ１２と感光体５１とが一定距離離れた非接触現像に用いることが望ましい。接触現像の場合にも使用可能であるが、接触部において現像ローラ１２から感光体５１に流れる電流が存在するため、トナー平均帯電量を算出する際に誤差が生じやすい。非接触現像の場合は、感光体５１側に流れる電流がトナーの現像に伴うものだけなので正確にトナー平均帯電量を算出できることから、帯電量を用いた制御も正確に行うことができる。

また、本方式は、現像ローラ１２に印加するバイアス電圧として、ＤＣ電圧を印加するＤＣ現像に用いることが望ましい。ＡＣ電圧が印加された場合は、ＡＣ電界によってトナーが感光体５１と現像ローラ１２間を往復運動し、現像ローラ１２に流れる電流はＡＣ電流になる。ＤＣ成分を検出することによってトナー平均帯電量の算出は可能である。ただし、往復運動中のトナー電荷変化など複雑な現象を含んでいるので、正確にはそれらの現象を考慮する必要がある。ＤＣ現像の場合はＡＣ現像のような複雑な現象は含まないので、精度よくトナー平均帯電量を求めることができ、精度良い制御が可能になる。

また、トナー層規制ブレード１１は、現像ローラ１２側の表面を絶縁性として、直接電流が流れないブレードが望ましい。金属ブレードを使用した場合は、ブレードからの電荷の注入による電流値を考慮する必要が生じる。金属プレートに絶縁性のウレタンゴムを貼り付けたブレードであれば、ブレード部への電流はほとんど考慮する必要がないので、計測が容易になる。

１…現像装置、１１…トナー層規制ブレード、１２…現像ローラ、１３…供給ローラ、１４…第１の電流計測部、１５…第２の電流計測部、１６…制御部、１７…メモリ、１８…濃度センサ、３０…搬送部、３１…駆動ローラ、３２…従動ローラ、３３…搬送ベルト、４０…定着装置、４１…加熱ローラ、４２…加圧ローラ、５０…画像形成ステーション部、５１…感光体、５２…帯電装置、５３…露光装置、５５…転写ローラ、５６…クリーニング装置、６０…供給トレイ、１００…画像形成装置。

Claims (9)

1. 静電潜像担持体にトナーを供給する現像ローラと、該現像ローラへのトナーの供給及び該現像ローラからのトナーの剥離を行う供給ローラとを備え、前記現像ローラにバイアス電圧を印加し、前記静電潜像担持体に形成された静電潜像をトナーによって現像する一成分系の現像装置であって、
   前記現像ローラに流れる電流値を計測する第１の電流計測部と、前記供給ローラに流れる電流値を計測する第２の電流計測部と、前記第１の電流計測部及び前記第２の電流計測部による計測結果に基づいて、前記現像ローラ上のトナー帯電量及び前記供給ローラによるトナー剥離量を算出する制御部と、前記現像ローラに供給されたトナーを所定量に規制し且つ前記現像ローラ側の表面が絶縁性であるトナー層規制ブレードとを備え、
   印字の際に前記現像ローラ及び前記供給ローラに同じバイアス電圧が印加される場合、印字時に、前記第１の電流計測部及び前記第２の電流計測部は、前記現像ローラに流れる電流値Ｉｄ[Ａ]及び前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ[Ａ]をそれぞれ計測し、
   前記制御部は、前記トナー規制ブレードに流れる電流を零とし、前記現像ローラに流れる電流値Ｉｄ[Ａ]と、前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ[Ａ]と、画像データのドット数から算出される印字率ｄ[％]と、前記現像ローラ上のトナー付着量[ｍｇ／ｃｍ ^２ ]、印字部の幅[ｍｍ]、現像効率[％]、前記静電潜像担持体の周速[ｍｍ／ｓｅｃ]、前記現像ローラの周速[ｍｍ／ｓｅｃ]により定められる定数Ａ[μｓｅｃ／ｇ]とに基づいて、トナー帯電量ｂ[μＣ／ｇ]を、
   ｂ＝Ａ×（Ｉｄ＋Ｉｓ）÷ｄ
   により算出し、前記トナー帯電量ｂ[μＣ／ｇ]及び前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ[Ａ]に基づいて、トナー剥離量ｆ[ｇ／μｓｅｃ]を、
   ｆ＝Ｉｓ÷ｂ
   により算出することを特徴とする現像装置。
2. 前記静電潜像担持体に現像される画像が所定の濃度になるように、前記現像ローラに印加するバイアス電圧を調整する画像濃度調整部を備え、前記第１の電流計測部及び前記第２の電流計測部は、前記画像濃度調整部により画像濃度の調整を行った後に、前記現像ローラ及び前記供給ローラそれぞれの電流値を計測することを特徴とする請求項１に記載の現像装置。
3. 静電潜像担持体にトナーを供給する現像ローラと、該現像ローラへのトナーの供給及び該現像ローラからのトナーの剥離を行う供給ローラとを備え、前記現像ローラにバイアス電圧を印加し、前記静電潜像担持体に形成された静電潜像をトナーによって現像する一成分系の現像装置であって、
   前記現像ローラに流れる電流値を計測する第１の電流計測部と、前記供給ローラに流れる電流値を計測する第２の電流計測部と、前記第１の電流計測部及び前記第２の電流計測部による計測結果に基づいて、前記現像ローラ上のトナー帯電量及び前記供給ローラによるトナー剥離量を算出する制御部と、前記現像ローラに供給されたトナーを所定量に規制し且つ前記現像ローラ側の表面が絶縁性であるトナー層規制ブレードとを備え、
   印字の際に前記現像ローラ及び前記供給ローラに異なるバイアス電圧が印加される場合、非印字時に、前記第２の電流計測部は、前記現像ローラ及び前記供給ローラに同じバイアス電圧を印加した状態で、前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ′[Ａ]を予め計測しておき、印字時に、前記第１の電流計測部及び前記第２の電流計測部は、前記現像ローラに流れる電流値Ｉｄ[Ａ]及び前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ[Ａ]をそれぞれ計測し、
   前記制御部は、前記トナー規制ブレードに流れる電流を零とし、印字時に前記現像ローラに流れる電流値Ｉｄ[Ａ]と、印字時に前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ[Ａ]と、画像データのドット数から算出される印字率ｄ[％]と、前記現像ローラ上のトナー付着量[ｍｇ／ｃｍ ^２ ]、印字部の幅[ｍｍ]、現像効率[％]、前記静電潜像担持体の周速[ｍｍ／ｓｅｃ]、前記現像ローラの周速[ｍｍ／ｓｅｃ]により定められる定数Ａ[μｓｅｃ／ｇ]とに基づいて、トナー帯電量ｂ[μＣ／ｇ]を、
   ｂ＝Ａ×（Ｉｄ＋Ｉｓ）÷ｄ
   により算出し、前記トナー帯電量ｂ[μＣ／ｇ]及び非印字時に予め計測した前記供給ローラに流れる電流値Ｉｓ′[Ａ]に基づいて、トナー剥離量ｆ[ｇ／μｓｅｃ]を、
   ｆ＝Ｉｓ′÷ｂ
   により算出することを特徴とする現像装置。
4. 前記制御部により算出されたトナー帯電量が所定量以下に低下した場合、トナーの劣化を回復させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の現像装置。
5. 前記トナーの劣化の回復は、劣化したトナーを強制的に消費し、新しいトナーを補給する処理であることを特徴とする請求項４に記載の現像装置。
6. 前記制御部により算出されたトナー剥離量が所定量以下に低下した場合、前記現像装置の交換を促す信号を発することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の現像装置。
7. 前記現像ローラと前記静電潜像担持体とが非接触であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の現像装置。
8. 前記現像ローラに印加するバイアス電圧は、直流電圧であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の現像装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の現像装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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