JP5195625B2 - 画像形成装置及び画像形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、トナー担持体の表面にトナー層を形成して担持搬送し、像担持体表面に形成した潜像をトナー現像する画像形成装置、及びその画像形成方法に関する。特にトナー層形成時にトナー担持体上の付着トナー量を検出する画像形成装置、及び画像形成方法に関する。

感光体（像担持体）に静電潜像を形成し、それをトナーで現像し、トナー画像を紙などの記録媒体に転写して定着する電子写真方式の画像形成装置が、広く使用されている。

乾式の現像剤を用いて静電潜像を現像する現像方式として、トナーのみを用いる一成分現像法及びトナーとキャリヤを用いる二成分現像法が知られている。

一成分現像法では一般的に装置の簡略化、小型化、低コスト化の面で有利であるが、現像装置の寿命が短い。二成分現像法では長寿命に有利であるが、現像された像に磁気ブラシ痕が発生する等の課題を有している。

二成分現像剤を用いた二成分現像法の長寿命の特長を有しながら、画像欠陥の問題を解決し、一成分現像法なみの高画質を実現する現像方式として、現像剤担持体上に二成分現像剤を担持し二成分現像剤からトナーのみをトナー担持体に供給して現像に用いる、所謂ハイブリッド現像方式が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

ハイブリッド現像方式では、バイアス電圧を印加して現像剤担持体からトナー担持体上にトナーを供給し、形成されたトナー層で、対向した像担持体上の潜像を現像する。

一成分現像法、あるいはハイブリッド現像方式では、トナー担持体上に形成されたトナー層の付着トナー量もしくは比電荷が変化すると、画像形成状態が変化し、画像品質において濃度の変化となって現れる。

従って、トナー担持体上に形成されるトナー層の付着トナー量及び比電荷を一定に保つことは、安定した画像品質を得る上で重要な課題である。そのためにはまず、トナー担持体上へのトナー層形成に対して、使用環境や耐刷枚数により変動する付着トナー量を精度よく検出する必要がある。

トナー担持体上に形成されるトナー層の付着トナー量を検知する手段としては、光学的検知手段が一般に知られている（例えば、特許文献２参照）。これは、発光手段としてＬＥＤやＬＤを用い、これをトナー層へ照射し、反射光を光電変換素子などの受光素子で検出して、その強弱からトナー層の絶対量を求める方法である。

その他の方法としては、トナー担持体と現像剤担持体間とそれぞれに接続されるバイアス用電源装置で構成される閉ループ回路を流れる電流値を解析することで、現像剤担持体からトナー担持体へ供給されたトナーの帯電量を求める方法がある（例えば、特許文献３参照）。

これは実際の動作中においても、トナー担持体へ供給されたトナーの帯電量が分かるため、これに基づいてトナー担持体上の付着トナー量を一定に保つよう制御することが可能である。

特開平５−１５０６３６号公報 特開２００８−１７６２３６号公報 特開平６−２５８９４９号公報

上述したように、安定した画像品質が得られるようトナー担持体上へのトナー層形成を制御するためには、まず、使用環境や耐刷枚数により変動する付着トナー量を精度よく検出する必要がある。

特許文献２には、トナー担持体上に形成されるトナー層の付着トナー量を検知する光学的検知手段についての技術が開示されている。これは、トナー層へ光照射し、反射光を受光素子で検出して、その検出結果からトナー層の絶対量を求める技術である。

しかしながら、次のような問題がある。すなわち、反射光は、トナーからの散乱光を捉える場合とトナー担持体からの反射光を捉える場合の２つの方法があるが、どちらの方法においてもトナー担持体上の付着トナーの絶対量が多いと付着トナー量の変化が検出できなくなってしまう。

特許文献３には、トナー担持体と現像剤担持体間を含む閉ループ回路を流れる電流値を解析することで、現像剤担持体からトナー担持体へ供給されたトナーの帯電量を求める技術が開示されている。これは実際の動作中においても、トナー担持体へ供給されたトナーの帯電量が分かるため、これに基づきトナー担持体上の付着トナー量を一定に保つように制御することが可能である。

しかしながら、トナーの比電荷自体が、使用環境や耐刷枚数により変化するため、算出した付着量（付着トナーの帯電量）に従って制御しても確実に所望のトナー量になるとは言えない。例えば、トナーの比電荷が高くなった場合にはトナー担持体上の付着トナー量は少なくなり、十分な画像濃度を稼ぐことが難しくなる。

本発明は上記の技術的課題を鑑みてなされたものである。本発明の目的は、トナー担持体上に形成されたトナー層において、付着トナーの絶対量が多くても確実に付着トナー量を検知し、トナー比電荷の変動に対しても所望の付着トナー量に制御することが容易であり、従って常に安定した画像を提供することができる画像形成装置、及び画像形成方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。

１．像担持体に対向して配置され、表面にトナー層を担持搬送し、前記像担持体表面に形成された潜像を該トナーで現像するトナー担持体と、
前記トナー担持体の表面に前記トナー層を形成するために前記トナー担持体にトナーを供給するトナー供給部材と、を有する現像装置を備えた画像形成装置であって、
前記トナー供給部材からのトナー供給量を変え、前記トナー担持体の表面への付着トナー量を変更する付着トナー量変更手段と、
前記トナー供給部材からトナー供給され前記トナー担持体の表面に付着したトナー量を光学的に検知する光学的検知手段と、
前記トナー供給部材からのトナー移動により前記トナー担持体に流れ込む電流の積分値を算出する電流値積分手段と、
前記トナー供給部材からのトナー供給による前記トナー担持体の表面への前記トナー層の形成を制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、
トナー比電荷を取得するための第１のトナー層形成工程と、前記トナー比電荷に基づき付着トナー量を算出するための第２のトナー層形成工程の実行を制御するものであり、
前記第１のトナー層形成工程においては、
前記光学的検知手段により検知する第１の付着トナー量が所定の付着トナー量以下となるように前記付着トナー量変更手段を制御して、前記トナー担持体上に第１のトナー層を形成し、
前記光学的検知手段により検知された第１の付着トナー量と、前記電流値積分手段により算出された第１の電流積分値とに基づき、トナー比電荷を取得し、
前記第２のトナー層形成工程においては、
前記トナー担持体上に第２のトナー層を形成し、
前記第１のトナー層形成工程で取得した前記トナー比電荷に基づき、前記電流値積分手段により検出された第２の電流積分値から、前記トナー担持体の表面に付着した第２の付着トナー量を算出する、
ことを特徴とする画像形成装置。

２．前記トナー供給部材として、前記トナー担持体に対向して配置され、表面にトナーとキャリヤを含む現像剤を担持搬送し、前記トナー担持体に該現像剤中のトナーを供給して前記トナー担持体の表面に前記トナー層を形成する現像剤担持体を有する、
ことを特徴とする前記１に記載の画像形成装置。

３．前記制御手段は、前記第２のトナー層形成工程において、前記付着トナー量変更手段を制御して前記トナー担持体上に付着トナー量の互いに異なる第２のトナー層を複数回形成し、第２の付着トナー量をそれぞれ算出することにより、前記トナー担持体に対して所望の付着トナー量が得られるように、前記付着トナー量変更手段を条件設定する、
ことを特徴とする前記２に記載の画像形成装置。

４．前記付着トナー量変更手段として、前記トナー担持体と前記現像剤担持体との間にトナー供給のためのバイアス電圧を変更可能に印加する供給バイアス変更手段を有する、
ことを特徴とする前記３に記載の画像形成装置。

５．前記付着トナー量変更手段として、前記トナー担持体へトナー供給する前記現像剤担持体を周速度変更可能に回転させる周速変更手段を有する、
ことを特徴とする前記３に記載の画像形成装置。

６．前記制御手段は、前記第１のトナー層形成工程及び前記第２のトナー層形成工程を開始するに際して、それぞれ前記トナー担持体の表面に付着している残トナーを回収するよう制御する、
ことを特徴とする前記１から５の何れか１項に記載の画像形成装置。

７．像担持体に対向して配置されたトナー担持体にトナーを供給して前記トナー担持体の表面にトナー層を形成するトナー層形成工程と、
前記トナー担持体の表面に形成された前記トナー層を担持搬送し、像担持体の表面に形成された潜像を前記トナーで現像する現像工程と、を備えた画像形成方法であって、
トナー比電荷を取得するための第１のトナー層形成工程と、
前記トナー比電荷に基づき付着トナー量を算出するための第２のトナー層形成工程と、を有し、
前記第１のトナー層形成工程では、
前記トナー担持体の表面に付着したトナー量を光学的に検知する第１の付着トナー量が所定の付着トナー量以下となるように制御して、前記トナー担持体上に第１のトナー層を形成し、
光学的に検知した前記第１の付着トナー量と、前記第１のトナー層形成に伴い前記トナー担持体に流れ込む電流の積分値を算出した第１の電流積分値とに基づき、トナー比電荷を取得し、
前記第２のトナー層形成工程では、
前記トナー担持体上に第２のトナー層を形成し、
前記第１のトナー層形成工程で取得した前記トナー比電荷に基づき、前記トナー担持体に流れ込む電流の積分値を算出した第２の電流積分値から、前記トナー担持体の表面に付着した第２の付着トナー量を算出する、
ことを特徴とする画像形成方法。

８．前記トナー層形成工程においては、現像剤担持体の表面にトナーとキャリヤを含む現像剤を担持搬送し、対向して配置された前記トナー担持体に該現像剤中のトナーを供給して前記トナー担持体の表面に前記トナー層を形成する、
ことを特徴とする前記７に記載の画像形成方法。

９．前記第２のトナー層形成工程では、前記トナー担持体上に付着トナー量の互いに異なる第２のトナー層を複数回形成し、第２の付着トナー量をそれぞれ算出することにより、前記トナー担持体に対して所望の付着トナー量が得られるように、前記付着トナー量を変更するための条件を設定する、
ことを特徴とする前記８に記載の画像形成方法。

１０．前記第１のトナー層形成工程及び前記第２のトナー層形成工程においては、前記トナー担持体と前記現像剤担持体との間にトナー供給のためのバイアス電圧を変更して印加することにより、前記付着トナー量を変更する、
ことを特徴とする前記９に記載の画像形成方法。

１１．前記第１のトナー層形成工程及び前記第２のトナー層形成工程においては、前記トナー担持体へトナー供給する前記現像剤担持体の周速度を変更して回転させることにより、前記付着トナー量を変更する、
ことを特徴とする前記９に記載の画像形成方法。

１２．前記第１のトナー層形成工程及び前記第２のトナー層形成工程は、それぞれの工程を開始するに際して、前記トナー担持体の表面に付着している残トナーを回収する、
ことを特徴とする前記７から１１の何れか１項に記載の画像形成方法。

本発明に係る画像形成装置、及び画像形成方法によれば、トナー担持体の表面に付着したトナー量を光学的に検知する光学的検知手段と、トナー担持体に流れ込む電流の積分値を算出する電流値積分手段とを設け、光学的検知手段により検知された第１の付着トナー量と、電流値積分手段により算出された第１の電流積分値とに基づき、トナー比電荷を取得し、それに基づき、電流値積分手段により検出された第２の電流積分値から、トナー担持体の表面に付着した第２の付着トナー量を算出する。

これにより、トナー担持体上に形成されたトナー層において、付着トナーの絶対量が多くても確実に付着トナー量を検知し、また併せてトナー比電荷を算出することもできることから、トナー比電荷の変動に対しても所望の付着トナー量に制御することが容易であり、従って常に安定した画像を提供することができる。

本発明の一実施形態による画像形成装置の主要部の構成例を示す断面図である。 図１における現像装置２の一部を拡大した構成図である。 付着トナー量の検知及び制御に関わる第１の制御例を実行するための装置構成例を示す図である。 受光素子の信号処理回路の一例を示す図である。 トナー担持体上のトナー量と光学的検知手段の出力値の関係を示す図である。 電流積分装置の回路の一例を示す図である。 第１の制御例における第１のトナー層形成工程、すなわちトナーの比電荷を測定する工程の手順を示すフローチャートである。 第１の制御例における第２のトナー層形成工程、すなわち所望の付着トナー量が得られる条件を求める工程の手順を示すフローチャートである。 付着トナー量の検知及び制御に関わる第２の制御例を実行するための装置構成例を示す図である。 第２の制御例における第２のトナー層形成工程、すなわち所望の付着トナー量が得られる条件を求める工程の手順を示すフローチャートである。

本発明の実施の一形態について図面を用いて説明する。

以下の説明においては、ハイブリッド現像方式の現像装置を備えた画像形成装置を例として採り上げる。すなわちトナー担持体へトナー供給するトナー供給部材として、現像剤担持体を用いている。もちろん、現像方式はこれに限定するものではない。一成分現像方式など、他の現像方式であってもかまわない。

（画像形成装置の構成と動作）
図１は、本発明の一実施形態による画像形成装置の主要部の構成例を示す断面図である。図１を用いて本実施形態に係る画像形成装置の概略構成と動作を説明する。

本画像形成装置は、電子写真方式により像担持体（感光体）１に形成されたトナー像を用紙等の転写媒体Ｐに転写して画像形成を行うプリンタである。

本画像形成装置は、画像を担持するための像担持体１を有しており、像担持体１の周囲には、像担持体１を帯電するための帯電部材３、像担持体１上の静電潜像をトナーで現像する現像装置２、像担持体１上のトナー像を転写するための転写ローラ４、及び像担持体１上の残留トナー除去用のクリーニングブレード５が、像担持体１の回転方向Ａに沿って順に配置されている。

像担持体１は、帯電部材３で帯電された後に、レーザ発光器などを備えた露光装置６により露光されて、その表面上に静電潜像が形成される。現像装置２は、この静電潜像を現像し、トナー像を形成する。転写ローラ４は、この像担持体１上のトナー像を転写媒体Ｐに転写した後、図中の矢印Ｃ方向に搬送する。

転写媒体Ｐ上のトナー像は定着装置（不図示）によって定着された後に排出される。クリーニングブレード５は、転写後の像担持体１上の残留トナーを、その機械的な力で除去する。

画像形成装置に用いられる像担持体１、帯電部材３、露光装置６、転写ローラ４、クリーニングブレード５等は、周知の電子写真方式の技術を任意に使用してよい。例えば、帯電部材３として図中、帯電ローラが示されているが、像担持体１と非接触の帯電装置であってもよい。また例えば、クリーニングブレード５はなくてもよい。

現像装置２の詳細な構成例については後述する。

（現像剤の構成）
本実施形態では、ハイブリッド現像方式を採用している。これに従い、現像剤は適当な二成分現像剤を選定すればよい。すなわち、本実施形態において使用する現像剤２３はトナーと該トナーを帯電するためのキャリヤを含んでなるものである。

＜トナー＞
トナーとしては、特に限定されず、一般に使用されている公知のトナーを使用することができ、バインダー樹脂中に着色剤や、必要に応じて荷電制御剤や離型剤等を含有させ、外添剤を処理させたものを使用できる。トナー粒径としてはこれに限定されるものではないが、一般的に３〜１５μｍ程度が好ましい。

このようなトナーを製造するにあたっては、一般に使用されている公知の方法で製造することができる。例えば、粉砕法、乳化重合法、懸濁重合法等を用いて製造することができる。

トナーに使用するバインダー樹脂、着色剤、荷電制御剤、離型剤としては、一般に使用されている公知のものを用いることができる。

また、上記の外添剤としても、一般に使用されている公知のものを用いることができる。上記外添剤として、トナーと逆極性の荷電性を有する逆極性粒子を使用してもよい。

＜キャリヤ＞
キャリヤとしては、特に限定されず、一般に使用されている公知のキャリヤを使用することができ、バインダー型キャリヤやコート型キャリヤなどが使用できる。キャリヤ粒径としてはこれに限定されるものではないが、一般的に１５〜１００μｍが好ましい。

バインダー型キャリヤは、磁性体微粒子をバインダー樹脂中に分散させたものであり、キャリヤ表面に正または負帯電性の帯電性微粒子を固着させたり、表面コーティング層を設けたりすることもできる。

バインダー型キャリヤに用いられるバインダー樹脂、磁性体微粒子は、一般に使用されている公知のものを用いることができる。

一方、コート型キャリヤは磁性体からなるキャリヤコア粒子に樹脂コートがなされてなるキャリヤであり、コート型キャリヤにおいてもバインダー型キャリヤ同様、キャリヤ表面に正または負帯電性の帯電性微粒子を固着させることができる。

トナーとキャリヤの混合比は所望のトナー帯電量が得られるよう調整されれば良く、トナー混合比は一般的に、トナーとキャリヤとの合計量に対して３〜５０質量％、好ましくは６〜３０質量％が適している。

（現像装置２の構成と動作）
図２は、図１における現像装置２の一部を拡大した構成図である。図１及び図２を参照して本実施形態に係る現像装置２の詳細な構成例と動作例を説明する。

＜現像装置の構成＞
既述したように、本発明を実施する現像装置構成としては、トナー担持体とトナー担持体にトナーを供給する現像剤担持体を有し、トナー担持体上に形成されたトナー層を像担持体に対向させて現像する構成の現像装置が好ましい。また、トナー担持体は複数であってもよいし、現像剤担持体が複数ある構成でもよい。

現像装置２において使用する現像剤２３は、既述したようにトナーとキャリヤからなり、現像剤槽１７に収容される。

現像剤槽１７は、ケーシング２０により形成されており、通常は内部に混合撹拌部材１８、１９を収納している。混合撹拌部材１８、１９は、現像剤２３を混合・撹拌し、現像剤担持体１１へ現像剤２３を供給する。ケーシング２０の混合撹拌部材１９に対向する位置には、好ましくは、トナー濃度検出用のＡＴＤＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｏｎｅｒ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）センサ２１が配設されている。

現像装置２は通常、現像領域７で消費される分のトナーを現像剤槽１７内に補給するための補給部２４を有している。補給部２４において、補給トナーを収納した図示しないホッパから送られた補給トナー２２が現像剤槽１７内へ補給される。

現像剤担持体１１は内部に固定配置された磁石体１３と、これを内包する回転自在なスリーブローラ１２とから構成される。現像剤担持体１１へ供給された現像剤２３は、現像剤担持体１１内部の磁石体１３の磁力によってスリーブローラ１２の表面に保持され、スリーブローラ１２の回転に伴い搬送され、現像剤担持体１１に対向して設けられた規制部材（規制ブレード）１４によって通過量が規制される。

磁石体１３は、スリーブローラ１２の回転方向に沿ってＮ１、Ｓ１、Ｎ３、Ｎ２、Ｓ２の５つの磁極を有する（図２参照）。

これらの磁極のうち、主磁極Ｎ１はトナー担持体１５と対向するトナー供給領域８に配されている。また、スリーブローラ１２上の現像剤２３を剥離するための反発磁界を発生させる同極部Ｎ２、Ｎ３が、現像剤槽１７内部に対向した位置に配置されている。

現像剤担持体１１には、トナー担持体１５にトナーを供給するためのトナー供給バイアス電圧Ｖｓが現像剤担持体用の供給バイアス電源３３により印加されている。

トナー担持体１５は、現像剤担持体１１及び像担持体１の両方に対向するように配され、像担持体１上の静電潜像を現像するための現像バイアス電圧Ｖｂがトナー担持体用の現像バイアス電源３１により印加されている。

＜現像装置の動作＞
同じく図１及び図２を参照して現像装置２の動作例について詳しく説明する。

現像剤槽１７内の現像剤２３は、混合撹拌部材１８、１９の回転により混合撹拌され、摩擦帯電すると同時に現像剤槽１７内で循環搬送され、現像剤担持体１１表面のスリーブローラ１２へと供給される。

この現像剤２３は、現像剤担持体１１内部の磁石体１３の磁力によってスリーブローラ１２の表面側に保持され、スリーブローラ１２とともに回転移動して、現像剤担持体１１に対向して設けられた規制部材１４で通過量を規制される。

規制部材１４によって通過量を規制された現像剤２３はトナー担持体１５と対向するトナー供給領域８へと搬送される。

トナー担持体１５と現像剤担持体１１との対向部であるトナー供給領域８では、磁石体１３の主磁極Ｎ１により現像剤２３の穂立ちが形成され、トナー担持体１５に印加された現像バイアスＶｂと現像剤担持体１１に印加されたトナー供給バイアスＶｓの電位差に基づき形成されたトナー供給電界がトナーに与える力により、現像剤２３中のトナーがトナー担持体１５へ供給される。

トナー担持体１５には直流電圧に交流電圧を重畳したバイアスＶｂが加えられ、現像剤担持体１１にも直流電圧に交流電圧を重畳したバイアスＶｓが加えられ、トナー供給領域８には直流電界に交番電界が重畳された電界が形成される。

トナー供給領域８でトナー担持体１５上に現像剤担持体１１から供給されたトナー層は、トナー担持体１５の回転に伴って現像領域７へと搬送され、トナー担持体１５に印加された現像バイアスＶｂと像担持体１上の潜像電位とによって形成される電界により現像に供される。

現像領域７では、トナー担持体１５と像担持体１の間に設けられた現像ギャップ中を電界によってトナーが移動することで現像が行われる。その後、現像領域７でトナーを消費したトナー層（現像残トナー層）は、トナー担持体１５の回転に伴ってトナー供給領域８へと搬送される。

トナー供給領域８では、穂立ちした現像剤担持体１１上の現像剤２３によってトナー担持体１５上の現像残トナーを機械的に掻き取り、現像残トナーが回収される。

トナー供給領域８を通過した現像剤２３は、スリーブ１２の回転とともにさらに現像剤槽１７に向けて搬送され、磁石体１３の磁極Ｎ２、Ｎ３によって形成される反発磁界によって現像剤担持体１１上から剥離され、現像剤槽１７内へと回収される。

図示しない補給制御部が、ＡＴＤＣセンサ２１の出力値から、現像剤２３中のトナー濃度が画像濃度確保のための最低トナー濃度以下になったことを検出すると、図示しないトナー補給手段によってホッパ内に貯蔵された補給トナー２２がトナー補給部２４を介して現像剤槽１７内へ供給される。

（トナー付着量の検知及び制御）
本実施形態におけるトナー担持体１５上へのトナー層形成におけるトナー付着量の検知及び制御の詳細について以下に述べる。

（第１の制御例）
本実施形態での付着トナー量の検知及び制御に関わる第１の制御例を説明する。付着トナー量の検出部、電源及び制御装置等の装置構成、トナー層形成工程における付着トナー量の制御手順について述べる。

＜装置構成＞
図３は、本実施形態での付着トナー量の検知及び制御に関わる第１の制御例を実行するための装置構成例を示す図である。図３を用いて、付着トナー量の検知及び制御に関わる第１の制御例における装置構成例を説明する。

図３において、供給バイアス電源３３は、現像剤担持体１１に印加するバイアス電圧Ｖｓを発生する装置で、トナーを現像剤担持体１１からトナー担持体１５へ供給させる。ＤＣ電圧のみでもよいが、ＡＣを重畳させてもよい。

現像バイアス電源３１は、トナー担持体１５に印加するバイアス電圧Ｖｂを発生する装置で、本実施形態においては、ＤＣバイアスにＡＣを重畳した波形を発生させている。

どちらのバイアス電源も制御装置３０からの信号を受けてＡＣの波高値やＤｕｔｙなどを制御することができる。

特に現像剤担持体用の供給バイアス電源３３は、本第１の制御例においては、供給バイアス変更手段として機能する。制御装置３０からの指示により所望のバイアス電圧になるよう供給バイアス値を変更することで、トナー担持体へのトナー供給量を変更する。

電流積分装置３５は、電流値積分手段であり、トナー担持体１５にトナーが供給された時に流れる電流を積分することで供給されたトナーの電荷量を検知することができる。電流積分装置３５の出力値は、ＡＤ変換装置３６を経てデジタル値に変換されて制御装置３０に取り込まれる。

光学的検知手段３７は、トナー担持体１５の周回部に設置されており、トナー担持体上のトナー層へ光を照射しその反射光からトナー量を検知できる。光学的検知手段３７からの出力値は、アンプ３８を経て電圧を増幅された後ＡＤ変換装置３９へ入力された後、制御装置３０に取り込まれる。

＜付着トナー量算出方法＞
図３に示した上記構成による付着トナー量算出方法の概要について説明する。以下に述べる工程は、制御手段としての制御装置３０によって実行を制御される。

トナー担持体１５の周回上に光学的検知手段３７を設けるとともに、トナー担持体１５と現像剤担持体１１の間とそれぞれに接続されるバイアス用電源装置３１、３３で構成される閉ループ回路を流れる電流値を積分する電流積分装置３５を設ける。

さらには、現像剤担持体１１からトナー担持体１５上へのトナー供給量が少なくなる条件で現像装置２を稼動させ、トナー担持体１５上にトナー層を形成する（第１のトナー層形成工程）。

光学的検知手段３７を使用してトナー担持体１５上のトナー層の絶対量（第１の付着トナー量）を算出する。第１のトナー層形成工程においてトナー供給量を少なくするのは、後述するが検知精度上の理由による。

第１のトナー層形成工程においては、トナー層の絶対量（第１の付着トナー量）を算出するとともにトナー担持体１５へ移動したトナーの電荷量を電流積分装置３５で第１の電流積分値として求めて、トナーの絶対量とトナー電荷量からトナーの比電荷量を求める。

第２のトナー層形成工程においては、電流積分装置３５で得られるトナー電荷量（第２の電流積分値）と先述の工程で求めた比電荷量からトナー担持体１５上のトナーの絶対量（第２の付着トナー量）を推測する。

このようにすることで、トナー担持体１５上のトナー層の付着トナー量と比電荷量を得ることができる。

しかしながら、比電荷量を求める工程（第１のトナー層形成工程）においては、上述したように、光学的検知手段３７が検知可能なトナー量になるように、現像剤担持体１１からのトナー供給量を下げる必要がある。

従って、この工程が遂行されているタイミングでは画像形成ができないため、画像形成装置の立ち上げ時やあるいは連続して印刷している場合の印刷間において行えばよい。

このようにして得られたトナー担持体１５上のトナー層の付着トナー量が所望の値から変動した場合には、付着トナー量変更手段、すなわち供給バイアス電源３３による現像剤担持体１１とトナー担持体１５の間の供給バイアス電圧、あるいは後述する現像剤担持体１１の周速制御にフィードバックさせればよい。

また、トナー帯電量が変動した場合には、現像剤に対するトナー比率を変化させ帯電量を所望の値に制御するか、現像バイアスにフィードバックして潜像コントラストを変化させてもよい。

＜装置構成の設定例＞
装置構成のそれぞれの設定例について述べる。

〔現像剤担持体〕
現像剤担持体１１の周速は７８０ｍｍ／ｓｅｃとし、トナー担持体１５との対向部では互いに逆方向に進む回転方向とした。現像剤担持体１１に印加するバイアスＶｓは、矩形波を用い、波高値は１５００Ｖ、Ｄｕｔｙは５０％、周波数は４ｋＨｚとした。なお、現像剤担持体１１に印加する矩形波は、トナー担持体１５に印加する矩形波と同期を取り、互いの位相を１８０度ずらした。また、ＤＣバイアスは、トナー担持体１５に供給するトナー量に応じて、設定を変化させるために制御装置３０により制御されるようにした。

〔トナー担持体〕
トナー担持体１５はアルミ材からなるローラであって、トナーを担持させる表面は陽極酸化処理を行い、酸化膜を形成している。像担持体１の周速度は５００ｍｍ／ｓｅｃであって、トナー担持体１５の周速度は６２５ｍｍ／ｓｅｃに設定した。像担持体１とのギャップは０．１５ｍｍとし、対向部分が同じ方向に進む回転方向とした。トナー担持体１５に印加するバイアスＶｂは、本制御例においては、矩形波を用い、波高値はＰｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋで１５００Ｖ、Ｄｕｔｙは５０％、周波数は４ｋＨｚ、ＤＣバイアスは−３５０Ｖとした。

〔光学的検知手段〕
ＬＥＤを光源とし、受光素子にはフォトダイオード４１を使用した反射型のセンサを使用した。図４には受光素子の信号処理回路の一例を示す。フォトダイオード４１の出力を演算増幅器４２（アンプ３８）で増幅し、出力している。

図５にはトナー担持体１５上のトナー量と光学的検知手段３７の出力値の関係を示した。トナー量が増えるにつれ、出力値の傾きは小さくなるが、これはトナー担持体１５表面の隠蔽が進み反射光量の変化が少なくなるためで、トナー量の検出が困難になることを示している。本例において使用した光学的検知手段３７、トナー担持体１５及びトナーでは、概ね３ｇ／ｍ^２以下で十分な検出感度が得られた。

〔電流積分装置〕
図６に電流積分装置３５の回路の一例を示した。４３は演算増幅器、４４はリセットスイッチである。

所定の積分時間から電荷量を算出させる。φ３０ｍｍのトナー担持体１５が１周するのが約１５０ｍｓｅｃであるため、積分時間はそれ以下の１００ｍｓｅｃとした。なお、電荷量をＡＤ変換装置３６にて変換して制御装置３０に取り込んだ後は、電流積分装置３５の積分値をリセットさせる（リセットスイッチ４４）構成としている。

＜第１のトナー層形成工程＞
図７は、第１のトナー層形成工程、すなわちトナー担持体１５に供給されるトナーの比電荷を測定する工程の手順を示すフローチャートである。図７を用いて第１のトナー層形成工程の手順を説明する。

このフローの実行は、画像形成装置が稼動中でもよいが、画像形成時には実行できないので、次の画像を形成するまでの間か、あるいは画像形成を開始する前に行うのがよい。

まず、ステップＳ１１で、比電荷測定の準備動作を行う。

比電荷測定の準備には、像担持体１の回転駆動、像担持体１の帯電と除電の駆動、トナー担持体１５の回転駆動、トナー担持体１５のバイアス電源稼動、現像剤担持体１１の回転駆動が含まれ、既に稼動状態にあるなら特にこの準備動作はなくてもよい。

続いて、ステップＳ１２では、現像剤担持体１１の供給バイアスをトナー回収側に作動させ、トナー担持体１５上のトナーを回収する。例えば、トナー担持体１５に対する平均電位差として２００Ｖとなるようなバイアスを現像剤担持体１１に印加する。

この動作は、トナー担持体１５に供給されるトナー量あるいは帯電量を測定するのに不可欠である。トナー担持体１５上のトナーは、トナー担持体１５全周に渡りすべて回収しなくてもよいが、全周に渡り回収を行うことが望ましい。

この後、ステップＳ１３では、制御装置３０の指定する供給バイアス値でトナーを供給する。その際、ステップＳ１４で、トナー担持体１５に流れた電流を電流積分装置３５で処理すると同時に、ステップＳ１５では、光学的検知手段３７によってトナー担持体１５からの反射光を測定する。

ステップＳ１６では、予め付着トナー量と光学的検知手段３７の出力値の関係が把握されており、トナー量が検知できる範囲にあるかどうかを制御装置３０に判定させる。判定は、例えば先に述べたように、３ｇ／ｍ^２以下を基準とする。

ステップＳ１６で付着トナー量が多いと判定された時（ステップＳ１６；Ｎｏ）には、トナー担持体１５と現像剤担持体１１の間の平均電位差の絶対値を下げればよい。そのため、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８では、トナー供給バイアス値を変更して、本フローの最初のトナー担持体１５上のトナーを回収する工程（ステップＳ１２）に戻り、ステップＳ１６までの処理を繰り返す。

ステップＳ１６で付着トナー量が少なく、光学的検知手段３７によりトナー量が検知できる範囲にあると判断された場合（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）は、ステップＳ１７を実行する。

ステップＳ１７では、制御装置３０が、その第１の付着トナー量と、電流積分装置３５から得られた第１の電流積分値、すなわちトナー電荷量とからトナー比電荷を計算する。得られたトナー比電荷の値は制御装置３０が記憶する。

以上で第１のトナー層形成工程、すなわちトナー担持体１５に供給されるトナーの比電荷を測定する工程の手順は終了する。

＜第２のトナー層形成工程＞
図８は、第２のトナー層形成工程、すなわちトナー担持体１５に所望のトナー量を供給するため、トナー供給条件を変更しながら、付着トナー量を算出し、適切な条件を求める工程の手順を示すフローチャートである。図８を用いて第２のトナー層形成工程の手順を説明する。

このフローの実行は、画像形成装置が稼動中でもよいが、画像形成時には実行できないので、次の画像を形成するまでの画像間か、あるいは画像形成を開始する前に行うとよい。

まず、ステップＳ２１で、トナー担持体１５上の付着トナー量測定の準備動作を行う。

トナー担持体１５上の付着トナー量測定準備には、像担持体１の回転駆動、像担持体１の帯電と除電の駆動、トナー担持体１５の回転駆動、トナー担持体１５のバイアス電源稼動、現像剤担持体１１の回転駆動が含まれ、既に稼動状態にあるなら特にこの準備動作はなくてもよい。

続いて、ステップＳ２２では、現像剤担持体１１の供給バイアスをトナー回収側に作動させ、トナー担持体１５上のトナーを回収する。

この動作は、トナー担持体１５に供給されるトナー量あるいは帯電量を測定するのに不可欠である。トナー担持体１５上のトナーは、トナー担持体１５全周に渡りすべて回収しなくてもよいが、全周に渡り回収を行うことが望ましい。

この後、ステップＳ２３では、制御装置３０の指定する供給バイアス値でトナーを供給する。

その後、ステップＳ２４で、トナー担持体１５に流れた電流を電流積分装置３５で処理する。トナー供給バイアス値と電流積分装置３５により求めた第２の電流積分値、すなわちトナー電荷量を制御装置３０に記憶させる。

ステップＳ２５では、上述してきたステップが所定の回数繰り返され、トナー供給バイアス値と第２の電流積分値、すなわちトナー電荷量の関係が十分に把握されており、所望の付着トナー量が設定できる範囲にあるかどうかを制御装置３０に判定させる。

ステップＳ２５で測定の回数が不足と判定された時（ステップＳ２５；Ｎｏ）には、ステップＳ２８に進む。

ステップＳ２８では、供給バイアス変更手段（供給バイアス電源３３）により前回と異なるトナー供給バイアス値に変更して設定し、トナー担持体１５上へのトナー供給量を変更する。そしてトナー担持体１５上のトナーを回収する工程（ステップＳ２２）へ戻る。

ステップＳ２２からは、ステップＳ２３でのトナー供給バイアス値が変更され、トナー供給量が変更される以外は同じ動作を、ステップＳ２５まで繰り返す。

ステップＳ２５で上述してきたステップが所定の回数繰り返され、測定の回数が十分と判定された場合（ステップＳ２５；Ｙｅｓ）は、ステップＳ２６を実行する。

ステップＳ２６では、制御装置３０が、繰り返し測定された互いに異なるトナー供給バイアス値と、それらに対応して電流積分装置３５から得られた第２の電流積分値、すなわちトナー電荷量との関係を演算し、求める。

さらに、第１のトナー層形成工程で算出しておいたトナー比電荷に基づいて、トナー電荷量からそれぞれ第２の付着トナー量を計算する。すなわち、繰り返し測定された互いに異なるトナー供給バイアス値と、それらに対応する付着トナー量の関係を求める。

次いでステップＳ２７で、制御装置３０は、ステップＳ２６で求めた関係から、所望の付着トナー量を得るためのトナー供給バイアス値を算出し、記憶する。

以上で第２のトナー層形成工程、すなわち所望の付着トナー量を得るためのトナー担持体１５へのトナー供給条件を算出する工程の手順は終了する。

以上のようにして、トナー担持体上のトナー量を、所望のトナー量になるよう安定に制御することができる。

（第２の制御例）
本実施形態での付着トナー量の検知及び制御に関わる第２の制御例を説明する。第１の制御例と異なる部分についてのみ述べる。

＜装置構成＞
図９は、本実施形態での付着トナー量の検知及び制御に関わる第２の制御例を実行するための装置構成例を示す図である。図９を用いて、付着トナー量の検知及び制御に関わる第２の制御例における装置構成例について、第１の制御例と異なる部分を説明する。

第１の制御例と異なるのは、現像剤担持体の周速変更手段が設けられていることである。すなわち、現像剤担持体の周速を変更することで、トナー担持体上へのトナー供給量を変更することができる。

５２は回転数可変のモータであり、５１は、その回転数を制御する周速制御部である。これらは周速変更手段として機能する。

制御装置３０の指示信号により、周速制御部５１は所望の周速となるよう、モータ５２を制御する。

第２の制御例では、第１の制御例のようにトナー供給バイアス値を変更するのではなく、現像剤担持体の周速を変更することで、トナー担持体へのトナー供給量を変更する。

なお、付着トナー量算出方法は、第１の制御例と同様である。

また第１のトナー層形成工程、すなわちトナー担持体１５に供給されるトナーの比電荷を測定する工程の手順も、図７を用いて説明した第１の制御例における工程と同様であり、説明を省略する。

＜第２のトナー層形成工程＞
図１０は、第２のトナー層形成工程、すなわちトナー担持体１５に所望のトナー量を供給するため、トナー供給条件を変更しながら、付着トナー量を算出し、適切な条件を求める工程の手順を示すフローチャートである。図１０を用いて第２のトナー層形成工程の手順を説明する。但し、第１の制御例の場合と異なる点のみ説明する。

このフローの実行は、画像形成装置が稼動中でもよいが、画像形成時には実行できないので、次の画像を形成するまでの画像間か、あるいは画像形成を開始する前に行うとよい。

図１０のステップＳ３１からステップＳ３５は、第１の制御例における図８のステップＳ２１からステップＳ２５と同様であり、説明は省略する。但し、現像剤担持体１１の周速は所定の初期設定がなされているものとする。

ステップＳ３５で測定の回数が不足と判定された時（ステップＳ２５；Ｎｏ）には、ステップＳ３８に進む。

ステップＳ３８では、周速変更手段（周速制御部５１及びモータ５２）により前回と異なる現像剤担持体１１の周速に変更して設定し、トナー担持体１５上へのトナー供給量を変更する。そしてトナー担持体１５上のトナーを回収する工程（ステップＳ３２）へ戻る。

ステップＳ３２からは、現像剤担持体１１の周速が変更され、トナー供給量が変更された以外は同じ動作を、ステップＳ３５まで繰り返す。

ステップＳ３５で、それまでのステップが所定の回数繰り返され、測定の回数が十分と判定された場合（ステップＳ３５；Ｙｅｓ）は、ステップＳ３６を実行する。

ステップＳ３６では、制御装置３０が、繰り返し測定された互いに異なる現像剤担持体１１の周速と、それらに対応して電流積分装置３５から得られた第２の電流積分値、すなわちトナー電荷量との関係を演算し、求める。

さらに、第１のトナー層形成工程で算出しておいたトナー比電荷に基づいて、トナー電荷量からそれぞれ第２の付着トナー量を計算する。すなわち、繰り返し測定された互いに異なる現像剤担持体１１の周速と、それらに対応する付着トナー量の関係を求める。

次いでステップＳ３７で、制御装置３０は、ステップＳ３６で求めた関係から、所望の付着トナー量を得るための現像剤担持体１１の周速を算出し、記憶する。

以上で第２のトナー層形成工程、すなわち所望の付着トナー量を得るためのトナー担持体１５へのトナー供給条件を算出する工程の手順は終了する。

以上のようにして、トナー担持体上のトナー量を、所望のトナー量になるよう安定に制御することができる。

上述したように、本発明に係る画像形成装置、及び画像形成方法によれば、トナー担持体の表面に付着したトナー量を光学的に検知する光学的検知手段と、トナー担持体に流れ込む電流の積分値を算出する電流値積分手段とを設け、光学的検知手段により検知された第１の付着トナー量と、電流値積分手段により算出された第１の電流積分値とに基づき、トナー比電荷を取得し、それに基づき、電流値積分手段により検出された第２の電流積分値から、トナー担持体の表面に付着した第２の付着トナー量を算出する。

これにより、トナー担持体上に形成されたトナー層において、付着トナーの絶対量が多くても確実に付着トナー量を検知し、また併せてトナー比電荷を算出することもできることから、トナー比電荷の変動に対しても所望の付着トナー量に制御することが容易であり、従って常に安定した画像を提供することができる。

なお、上述の実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 像担持体
２ 現像装置
３ 帯電部材
４ 転写ローラ
５ クリーニングブレード
６ 露光装置
７ 現像領域
８ トナー供給領域
１１ 現像剤担持体
１５ トナー担持体
２３ 現像剤
３０ 制御装置
３１ 現像バイアス電源
３３ 供給バイアス電源
３５ 電流積分装置
３７ 光学的検知手段
５１ 周速制御部
５２ モータ

Claims (12)

1. 像担持体に対向して配置され、表面にトナー層を担持搬送し、前記像担持体表面に形成された潜像を該トナーで現像するトナー担持体と、
   前記トナー担持体の表面に前記トナー層を形成するために前記トナー担持体にトナーを供給するトナー供給部材と、を有する現像装置を備えた画像形成装置であって、
   前記トナー供給部材からのトナー供給量を変え、前記トナー担持体の表面への付着トナー量を変更する付着トナー量変更手段と、
   前記トナー供給部材からトナー供給され前記トナー担持体の表面に付着したトナー量を光学的に検知する光学的検知手段と、
   前記トナー供給部材からのトナー移動により前記トナー担持体に流れ込む電流の積分値を算出する電流値積分手段と、
   前記トナー供給部材からのトナー供給による前記トナー担持体の表面への前記トナー層の形成を制御する制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、
   トナー比電荷を取得するための第１のトナー層形成工程と、前記トナー比電荷に基づき付着トナー量を算出するための第２のトナー層形成工程の実行を制御するものであり、
   前記第１のトナー層形成工程においては、
   前記光学的検知手段により検知する第１の付着トナー量が所定の付着トナー量以下となるように前記付着トナー量変更手段を制御して、前記トナー担持体上に第１のトナー層を形成し、
   前記光学的検知手段により検知された第１の付着トナー量と、前記電流値積分手段により算出された第１の電流積分値とに基づき、トナー比電荷を取得し、
   前記第２のトナー層形成工程においては、
   前記トナー担持体上に第２のトナー層を形成し、
   前記第１のトナー層形成工程で取得した前記トナー比電荷に基づき、前記電流値積分手段により検出された第２の電流積分値から、前記トナー担持体の表面に付着した第２の付着トナー量を算出する、
   ことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記トナー供給部材として、前記トナー担持体に対向して配置され、表面にトナーとキャリヤを含む現像剤を担持搬送し、前記トナー担持体に該現像剤中のトナーを供給して前記トナー担持体の表面に前記トナー層を形成する現像剤担持体を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記制御手段は、前記第２のトナー層形成工程において、前記付着トナー量変更手段を制御して前記トナー担持体上に付着トナー量の互いに異なる第２のトナー層を複数回形成し、第２の付着トナー量をそれぞれ算出することにより、前記トナー担持体に対して所望の付着トナー量が得られるように、前記付着トナー量変更手段を条件設定する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記付着トナー量変更手段として、前記トナー担持体と前記現像剤担持体との間にトナー供給のためのバイアス電圧を変更可能に印加する供給バイアス変更手段を有する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
5. 前記付着トナー量変更手段として、前記トナー担持体へトナー供給する前記現像剤担持体を周速度変更可能に回転させる周速変更手段を有する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
6. 前記制御手段は、前記第１のトナー層形成工程及び前記第２のトナー層形成工程を開始するに際して、それぞれ前記トナー担持体の表面に付着している残トナーを回収するよう制御する、
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の画像形成装置。
7. 像担持体に対向して配置されたトナー担持体にトナーを供給して前記トナー担持体の表面にトナー層を形成するトナー層形成工程と、
   前記トナー担持体の表面に形成された前記トナー層を担持搬送し、像担持体の表面に形成された潜像を前記トナーで現像する現像工程と、を備えた画像形成方法であって、
   トナー比電荷を取得するための第１のトナー層形成工程と、
   前記トナー比電荷に基づき付着トナー量を算出するための第２のトナー層形成工程と、を有し、
   前記第１のトナー層形成工程では、
   前記トナー担持体の表面に付着したトナー量を光学的に検知する第１の付着トナー量が所定の付着トナー量以下となるように制御して、前記トナー担持体上に第１のトナー層を形成し、
   光学的に検知した前記第１の付着トナー量と、前記第１のトナー層形成に伴い前記トナー担持体に流れ込む電流の積分値を算出した第１の電流積分値とに基づき、トナー比電荷を取得し、
   前記第２のトナー層形成工程では、
   前記トナー担持体上に第２のトナー層を形成し、
   前記第１のトナー層形成工程で取得した前記トナー比電荷に基づき、前記トナー担持体に流れ込む電流の積分値を算出した第２の電流積分値から、前記トナー担持体の表面に付着した第２の付着トナー量を算出する、
   ことを特徴とする画像形成方法。
8. 前記トナー層形成工程においては、現像剤担持体の表面にトナーとキャリヤを含む現像剤を担持搬送し、対向して配置された前記トナー担持体に該現像剤中のトナーを供給して前記トナー担持体の表面に前記トナー層を形成する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の画像形成方法。
9. 前記第２のトナー層形成工程では、前記トナー担持体上に付着トナー量の互いに異なる第２のトナー層を複数回形成し、第２の付着トナー量をそれぞれ算出することにより、前記トナー担持体に対して所望の付着トナー量が得られるように、前記付着トナー量を変更するための条件を設定する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の画像形成方法。
10. 前記第１のトナー層形成工程及び前記第２のトナー層形成工程においては、前記トナー担持体と前記現像剤担持体との間にトナー供給のためのバイアス電圧を変更して印加することにより、前記付着トナー量を変更する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の画像形成方法。
11. 前記第１のトナー層形成工程及び前記第２のトナー層形成工程においては、前記トナー担持体へトナー供給する前記現像剤担持体の周速度を変更して回転させることにより、前記付着トナー量を変更する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の画像形成方法。
12. 前記第１のトナー層形成工程及び前記第２のトナー層形成工程は、それぞれの工程を開始するに際して、前記トナー担持体の表面に付着している残トナーを回収する、
    ことを特徴とする請求項７から１１の何れか１項に記載の画像形成方法。

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