以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、トナー消費量の多い画像形成でトナー濃度(TD比)の下限値が低くなる限りにおいて、実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実施できる。
従って、二成分現像剤を用いる現像装置を備えていれば、タンデム型でも1ドラム型でも実施でき、中間転写方式、記録材搬送方式、枚葉式に記録材へ転写する直接転写方式の区別無く実施できる。補給用現像剤としてトナー100%のものを用いる現像装置でも、キャリアを含む補給用現像剤を補給して余剰の現像剤を排出する現像装置でも実施できる。
本実施形態では、トナー像の形成/転写に係る主要部のみを説明するが、本発明は、必要な機器、装備、筐体構造を加えて、プリンタ、各種印刷機、複写機、FAX、複合機等、種々の用途で実施できる。
なお、特許文献1〜4に示される現像装置及び画像形成装置の一般的な事項については、図示を省略して重複する説明を省略する。
<画像形成装置>
図1は画像形成装置の構成の説明図である。図2はイエローの画像形成部の構成の説明図である。
図1に示すように、画像形成装置100は、中間転写ベルト24に沿ってイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成部Pa、Pb、Pc、Pdを配列したタンデム型中間転写方式のフルカラープリンタである。
画像形成部Paでは、感光ドラム1aにイエロートナー像が形成されて中間転写ベルト24に一次転写される。画像形成部Pbでは、感光ドラム1bにマゼンタトナー像が形成されて中間転写ベルト24のイエロートナー像に重ねて一次転写される。画像形成部Pc、Pdでは、それぞれ感光ドラム1c、1dにシアントナー像、ブラックトナー像が形成されて同様に中間転写ベルト24に順次重ねて一次転写される。
中間転写ベルト24に一次転写された四色のトナー像は、二次転写部T2へ搬送されて記録材Pへ一括二次転写される。記録材カセット20から引き出された記録材Pは、分離ローラ21で1枚ずつに分離してレジストローラ22へ送り出される。レジストローラ22は、停止状態で記録材Pを受け入れて待機させ、中間転写ベルト24のトナー像にタイミングを合わせて記録材Pを二次転写部T2へ送り込む。
四色のトナー像を二次転写された記録材Pは、定着装置26で加熱加圧を受けて表面にトナー像を定着された後に、機体外部へ排出される。
画像形成部Pa、Pb、Pc、Pdは、現像装置4a、4b、4c、4dで用いるトナーの色がイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックと異なる以外は、実質的にほぼ同一に構成される。以下では、画像形成部Paについて説明し、画像形成部Pb、Pc、Pdについては、画像形成部Paの構成部材に付した符号末尾のaをb、c、dに読み替えて説明されるものとする。
中間転写ベルト24は、テンションローラ27、駆動ローラ28、及び対向ローラ25に掛け渡して支持され、駆動ローラ28に駆動されて300mm/secのプロセススピードで矢印R2方向に回転する。二次転写ローラ23は、対向ローラ25に内側面を支持された中間転写ベルト24に当接して二次転写部T2を形成する。二次転写ローラ23に電源D2から直流電圧が印加されることによって、中間転写ベルト24に担持されたトナー像が記録材Pへ二次転写される。ベルトクリーニング装置29は、中間転写ベルト24にクリーニングブレードを摺擦させて、記録材Pへの転写を逃れて二次転写部T2を通過して中間転写ベルト24に残った転写残トナーを回収する。
図2に示すように、被複写原稿は、原稿読取装置101で読み取られる。原稿読取装置101は、CCD等の原稿画像を電気信号に変換する光電変換素子を有しており、被複写原稿のイエロー画像情報、マゼンタ画像情報、シアン画像情報、ブラック画像情報に、それぞれ対応した画像信号を出力する。
画像形成部Paは、感光体の一例である感光ドラム1aの周囲に、帯電ローラ2a、露光装置3a、現像装置4a、一次転写ローラ5a、クリーニング装置6aを配置している。感光ドラム1aは、アルミニウムシリンダの外周面に負極性の帯電極性の感光層が形成され、300mm/secのプロセススピードで矢印R1方向に回転する。
帯電ローラ2aは、感光ドラム1aに当接して従動回転し、直流電圧に交流電圧を重畳した振動電圧を電源D3から印加されることにより、感光ドラム1aの表面を一様な負極性の暗部電位VDに帯電させる。露光装置3aは、イエローの分解色画像を展開した走査線画像データをON−OFF変調したレーザービームを回転ミラーで走査して、帯電した感光ドラム1aの表面に画像の静電像を書き込む。現像装置4aは、後述するように、二成分現像剤を用いて、感光ドラム1aの静電像(露光部)にトナーを付着させて、トナー像を反転現像する。
一次転写ローラ5aは、中間転写ベルト24の内側面を押圧して、感光ドラム1aと中間転写ベルト24との間に一次転写部Taを形成する。電源D1から一次転写ローラ5aへ正極性の直流電圧が印加されることにより、感光ドラム1aに担持されたトナー像が、一次転写部Taを通過する中間転写ベルト24へ一次転写される。クリーニング装置6aは、感光ドラム1aにクリーニングブレードを摺擦させて、中間転写ベルト24への転写を逃れて感光ドラム1aに残った転写残トナーを回収する。
<現像装置>
図3は現像装置の構成の説明図である。図3に示すように、現像装置4aは、現像剤担持体の一例である現像スリーブ41に現像剤を担持して感光体(1a)の静電像を現像する。現像容器40は、一対の搬送スクリュー部材(44a、44b)によって現像剤を攪拌、帯電させて現像スリーブ41に担持させる。供給装置の一例である現像剤カートリッジ46は、トナーを含む補給用現像剤を現像容器40に供給する。検出手段の一例であるトナー濃度センサ10は、現像容器40内を循環する現像剤を検出して現像剤に占めるトナーの割合に応じた信号を出力する。
現像容器40には、トナーとキャリアを主成分とする現像剤が収容されており、初期状態の現像剤に占めるトナーの重量で示した割合(トナー濃度、TD比)は8%である。なお、TD比は、トナー帯電量、キャリア粒径、現像装置4aの構造等で適正に調整されるべきものであるから、8%に限定されるものではない。
現像装置4aは、感光ドラム1aに対向した現像領域が開口しており、この開口部から一部露出させて、非磁性材料で構成される現像スリーブ41が回転可能に配置されている。磁界発生手段であるマグネット42は、現像スリーブ41の円周に沿って、所定のパターンの複数の磁極を有する固定の円柱状マグネットで構成される。摩擦帯電によって表面にトナーを吸着したキャリアは、マグネット42が発生する磁界によって現像スリーブ41上に拘束される。
現像スリーブ41は、現像動作時には矢印A方向に回転し、現像容器40内の現像剤を層状に保持して担持搬送し、感光ドラム1aと対向する現像領域に現像剤を供給する。現像スリーブ41に担持する現像剤の層厚は、現像スリーブ41と近接対向して設けられた規制部材43によって規制される。
電源D4は、負極性の直流電圧Vdcに交流電圧を重畳した振動電圧を現像スリーブ41に印加する。負極性の直流電圧Vdcが印加された現像スリーブ41は、感光ドラム(1a)に形成されている静電像(露光部)よりも相対的に負極性になり、現像剤中の負極性に帯電したトナーが現像スリーブ41から感光ドラム(1a)へ移転する。現像スリーブ41上の静電像を現像した残りの現像剤は、現像スリーブ41の回転に従って現像容器40内に回収され、搬送攪拌スクリュー44aによって搬送される現像剤に混合される。
現像容器40内には、現像剤を攪拌しながら搬送する攪拌搬送部材の一例である搬送攪拌スクリュー44a、44bが現像スリーブ41と平行に配設される。現像スリーブ41及び搬送攪拌スクリュー44a、44bは、現像容器40の外側で、図示しないギア機構によって連結され、共通の駆動モータによって一体に回転駆動される。
現像容器40内の空間は、仕切壁40Fによって2つの空間に仕切られ、現像スリーブ41側の空間に搬送攪拌スクリュー44a、現像剤カートリッジ46側の空間に搬送攪拌スクリュー44bが配設されている。仕切壁40Fの長手方向の両端部には、2つの空間の間で現像剤を受け渡して現像容器40内で循環させるため、不図示の開口部が形成されている。
搬送攪拌スクリュー44aは、紙面の奥側から手前側に向かって現像剤を搬送しつつ、現像スリーブ41に現像剤を供給する。搬送攪拌スクリュー44bは、逆に、紙面の手前側から奥側に向かって現像剤を搬送しつつ、現像剤カートリッジ46から供給された補給用現像剤を循環する現像剤に混合する。このようにして、搬送攪拌スクリュー44a、44bは、現像剤を現像容器40内で循環させるとともに、トナーとキャリアとを攪拌して摩擦帯電させる。
<二成分現像剤>
二成分現像剤のトナーは、結着樹脂、着色剤、そして、必要に応じてその他の添加剤を含む着色樹脂粒子と、コロイダルシリカ微粉末のような外添剤が外添されている着色粒子とを有している。そして、トナーは、粉砕法により製造した負帯電性のポリエステル系樹脂であり、体積平均粒径は4μm以上、8μm以下が好ましい。本実施例では5.5μmであった。
トナーの体積平均粒径の測定には、コールターカウンターTA−II型(コールター社製)を用いた。そして、測定結果から個数平均分布、体積平均分布を出力するためのインターフェース(日科機製)及びCX−Iパーソナルコンピュータ(キヤノン製)を使用した。
測定試料の電解水溶液として、一級塩化ナトリウムを用いて調製した1%NaCl水溶液を使用した。電解水溶液100〜150ml中に分散剤として界面活性剤、好ましくはアルキルベンゼンスルホン酸塩を0.1ml加え、測定試料を0.5〜50mg加えた。測定試料を懸濁した電解水溶液は、超音波分散器で約1〜3分間分散処理を行なった後にコールターカウンターTA−II型にセットした。コールターカウンターTA−II型では、アパーチャーとして100μmアパーチャーを用いて2〜40μmの粒子の粒度分布を測定して体積平均分布を求めた。こうして求めた体積平均分布より、体積平均粒径を得た。
キャリアは、表面酸化又は未酸化の鉄、ニッケル、コバルト、マンガン、クロム、希土類などの金属、及びそれらの合金、或は酸化物フェライトなどの磁性粒子が使用可能であり、磁性粒子の製造法は特に制限されない。キャリアは、体積平均粒径が20〜50μm、好ましくは30〜40μmであり、抵抗率が1×107Ωcm以上、好ましくは1×108Ωcm以上である。本実施例では、キャリアの体積平均粒径はφ40μm、抵抗率が5×108Ωcmである。
キャリアの体積平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置HEROS(日本電子製)を用いて、体積基準で粒径0.5〜350μmの範囲を32対数分割して測定した。そして、それぞれのチャンネルにおける粒子数をカウントした結果から体積50%のメジアン径をもって体積平均粒径とした。
キャリアの抵抗率は、測定電極面積4cm、電極間隔0.4cmのサンドイッチタイプのセルを用いた。1kgの重量の加圧下で、セルの両電極間に印加電圧E(V/cm)を印加して、回路に流れた電流からキャリアの抵抗率を測定した。
更に、低比重のキャリアとして、フェノール系のバインダー樹脂に磁性金属酸化物及び非磁性金属酸化物と所定の比で混合し、重合法により製造した樹脂キャリアを使用することができる。このような樹脂キャリアの体積平均粒径は35μm、真密度は3.6〜3.7(g/cm3)、磁化量は53(A・m2/kg)である。磁性キャリアの磁化量(A・m2/kg)は、キャリアの磁気特性を理研電子(株)製の振動磁場型磁気特性自動記録装置を用いて測定した。円筒状にパッキングしたキャリアを79.6kA/m(1000エルステッド)の外部磁場中において、キャリアの磁化の強さを測定することにより求めた。
二成分現像方式は、他の現像方式と比較して、画質の安定性、装置の耐久性などの長所を備えている。一方、トナーが消費されることにより、現像容器内の非磁性トナーとキャリアの混合比(トナー濃度:TD比)が変化し、その結果、トナー帯電量(トリボ)が変化することで、現像特性が変化して出力画像濃度が変化する問題がある。
このため、画像形成された画像濃度を一定に維持するために、現像剤のTD比や画像濃度を正確に検出して、過不足の無いトナーを補給するトナー補給制御技術が実用化されている。
特許文献1では、TD比が高くなることで低下する現像剤の見かけの透磁率変化を検知(インダクタンス検知手段)することでTD比を判別して補給用現像剤の供給量を調整するトナー補給制御が示される。
特許文献2では、画像形成の非画像形成時にパッチ画像を作像して画像濃度検知センサにより画像濃度を測定する。そして、予め求めた初期パッチ画像と作像したパッチ画像の濃度を比較し、濃度低下を検知したら補給用現像剤を補給し、濃度上昇を検知したら補給停止を繰り返す。
特許文献3では、ビデオカウント検知手段が、画素ごとの画像情報信号の濃度信号のビデオカウント数をカウントし、ビデオカウント数に基づいて予測されたトナー消費量分の補給用現像剤が補給される。しかし、ビデオカウントを用いた補給制御では、消費トナーの補給に変動が生じた場合や、補給用現像剤の供給装置の供給能力にバラツキがある場合には、この変動分あるいはバラツキ分だけTD比がずれていくという不都合があった。
この点、特許文献4では、ビデオカウント+パッチ検ATR制御を採用して、特許文献2、3よりもトナー帯電量を安定させている。トナー消費量を予測してフィードフォアードで消費分のトナー補給を実施しつつ、補給量バラツキや現像剤変化による現像性変化をパッチ検ATRで検出して、フィードバックを掛けている。パッチ検ATR制御を行うことで、パッチ画像の濃度を一定に保つように補給用現像剤の供給制御が調整されるため、画像濃度を一定に保つことが可能である。
しかし、現像剤の劣化や変質に伴ってトナー帯電量が低下した場合、際限なくTD比を下げ続けると後述するようにいくつかの不都合が発生する。また、画像間隔ごとにパッチ画像を形成すると、パッチ画像形成のためのトナー消費が無視できなくなって、画像形成装置のランニングコストが高まる。ベルトクリーニング装置29の負担増加、二次転写ローラ(23)へのトナー付着といった問題も大きくなる。パッチ画像の作像のためのダウンタイムによる生産性低下といったユーザへの負担も大きい。
<実施例1>
図4は実施例1の制御のフローチャートである。図5はTD比の差分と必要トナー補給量の換算テーブルの説明図である。図6はビデオカウント値とトナー消費量の換算テーブルの説明図である。
特許文献1〜4の構成における上記の問題を解決するために、図1に示す画像形成装置100では、ビデオカウント+パッチ検ATR制御+トナー濃度センサによるトリプル制御方式の補給制御を採用している。これにより、パッチ検ATRの実行間隔を長くとってパッチ画像の形成頻度を低くしている。
すなわち、パッチ検ATR制御で検出したパッチ画像濃度に応じて現像装置4a内のTD比目標値を変更する。そして、トナー濃度センサ10を用いて測定した現像装置4a内のTD比が、変更したTD比目標値になるように、補給用現像剤の補給量を算出する。そして、算出された補給量に対して、ビデオカウント値から予測されるトナー消費量分を加算することで、実補給量を算出する。
そして、TD比の上限値である上限TD比とTD比の下限値である下限TD比とが準備されていて、現像容器40内を循環する現像剤のTD比が上限TD比到達時には補給停止、下限TD比到達時には強制補給を実行する。
図3に示すように、現像剤カートリッジ46は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック用全てが略円筒形であり、画像形成装置100に対しては、装着部20を介して容易に脱着可能とされている。
現像装置4aの搬送攪拌スクリュー44bの近傍の現像容器40の上壁40Aには、現像剤補給口45が設けられている。現像剤補給口45には、補給用現像剤を搬送するための現像剤補給スクリュー47が設けられている。現像装置4aにおいては、画像形成によって消費されたトナー量に相当する量の補給用現像剤は、現像剤補給スクリュー47の回転力と重力によって、現像剤カートリッジ46から現像剤補給口45を通して現像容器40内に供給される。
図2に示すように、トナー供給制御は、以下の3つの制御手段を併用する方式を用いている。このように、第一、第二、そして第三制御手段を組み合わせることで、出力画像濃度を安定化させることが可能となる。
第一制御手段:トナー濃度センサ10を用いて検出されるTD比を一定に保つようにトナー補給量を設定するトナー濃度制御。トナー濃度センサ10として、TD比が高くなることで低下する現像剤中の見かけの透磁率変化を検知してTD比を算出するインダクタンス検知センサを採用した。トナー濃度センサ10は、TD比が高くなってキャリアが相対的に減ると出力が低下し、TD比が低くなってキャリアが相対的に増えると出力が上昇する。
第一制御手段では、現像容器40内の現像剤のTD比をトナー濃度センサ10で検出し、この濃度信号と予め記憶された初期基準信号とを比較し、その比較結果に基づいてTD比検知補給制御を行う。
第二制御手段:画像濃度センサ7aを用いて検出されるパッチ画像を一定に保つようにトナー補給量を設定するトナー帯電量制御。トナー載り量検出手段(7a)は、感光体(1a)に所定の画像形成条件で形成されたパッチ画像を検出してトナー載り量に応じた信号を出力する。画像濃度センサ7aは、感光ドラム1aに対向配置され、LED光を照射して感光ドラム1a表面からの正反射を検出する正反射型の光学センサである。感光ドラム1aの表面のトナー粒子が増えると、散乱反射光が増えて正反射光が減少するため、パッチ画像のトナー載り量に応じた出力信号が得られる。
第二制御手段では、感光ドラム1a上に所定の画像形成条件で中間階調のパッチ画像を形成した後、パッチ画像のトナー載り量に対応する濃度信号を画像濃度センサ7aで検出する。そして、濃度信号と予め記憶された初期基準信号とを比較し、その比較結果に基づいてパッチ検知補給制御を行う。 第二制御手段であるパッチ検知補給制御は、第一制御手段であるTD比検知補給制御で用いる初期基準信号を定期的に補正するために実行される。パッチ検知補給制御は、連続画像形成中の所定枚数間隔で感光ドラム1a上に作像したパッチ画像を画像濃度センサ7aで検出して現像特性を予測し、現像装置4a内の現像剤の目標TD比を変更していく。
第三制御手段:ビデオカウント数計測回路11を用いて検出した画像ごとのトナー消費量に見合うようにトナー補給量を設定する消費量補充制御。第三制御手段では、画像形成中の画像の露光信号(又は画像情報信号の濃度信号)をビデオカウント処理回路11が処理して画像ごとのトナー消費量を求めるビデオカウント検知補給制御を行う。
図2を参照して図4に示すように、制御手段(15)は、パッチ画像をトナー載り量検出手段(7a)により検出して現像剤に占めるトナーの目標割合を設定する目標割合設定モードを所定の非画像形成時に実行する。そして、目標割合設定モードの実行後は、現像剤に占めるトナーの割合が目標割合に収束するように、検出手段(10)の出力に基づいて供給装置(46)を制御する。
制御部15は、画像形成が開始すると(S1)、現像装置4a内に備えたトナー濃度センサ10を用いて現像剤のTD比の濃度信号VsigTDを検知する(S2)。
次に、既に求められてメモリに記録されている目標TD比Vtarと濃度信号VsigTDとが比較されて差分(ΔTD)が求められる(S3)。
そして、ΔTD=Vtar−VsigTD<0の場合(S3のYES)、目標TD比に対して実際のTD比が低いと判断し、図5の換算テーブルをΔTDで参照して、必要トナー補給量(Ttd)を算出する(S4a)。
一方、ΔTD=Vtar−VsigTD≧0の場合(S2のNO)、目標TD比に対して実際のTD比が高いと判断し、図5の換算テーブルをΔTDで参照して、過剰トナー量(Ttd)を算出する(S4b)。図5の換算テーブルは、横軸が実信号値の差分ΔTDにTD比感度等調整係数αを掛け合わせた値であり、縦軸の正方向が必要トナー補給量、負方向が過剰トナー量である。
また、同時に、ビデオカウント処理回路11が画像形成中のビデオカウント値を算出する(S5)。ビデオカウント値は、画像信号処理回路12の出力をパルス幅変調回路13がパルス幅変調した出力信号のHレベルを画素毎にカウントしたカウント数である。このカウント数を原稿紙サイズ全体で積算することにより、原稿1枚当たりの現像ドット数に対応するビデオカウント数Nが算出される。
その後、算出されたビデオカウント数Nで図6の換算テーブルを参照して、トナー消費量、つまり必要トナー補給量(Tv)を算出する(S6)。図6の換算テーブルは、ビデオカウント―補給量変換テーブルであって、横軸が原稿1枚当たりのビデオカウント数Nであり、縦軸が必要トナー補給量Tvである。
次に、実際に補給する実トナー補給量(T)を次式により決定する(S7)。
T = Ttd + Tv
そして、T>0の場合(S8のYES)、現像装置4aに補給用現像剤を補給する必要があるため、実トナー補給量(T)を補給時間(Ts)に変換する(S9)。そして、現像剤補給スクリュー47を算出された補給時間Tsだけ回転して、補給用現像剤を現像装置4aに補給する(S10a)。
一方、T≦0の場合(S7のNO)、現像装置4aに対する補給停止と判断し、補給動作は行わない(S10b)。
ところで、本実施例では、連続画像形成中の所定枚数間隔で感光ドラム1a上の画像間隔にパッチ画像を作像してパッチ検知補給制御を実行し、パッチ画像の測定結果に応じてTD比検知補給制御の目標TD比Vtarを変更していく。具体的には、A4横送りの画像形成200枚ごとに定めたタイミングに該当する場合(S11のYES)、パッチ検補給制御を実行する(S12〜S19)。しかし、そのタイミングでない場合は、画像形成を続ける(S19→S1)。
パッチ検補給制御では、感光ドラム1a上に一定面積を有する基準トナー像(パッチ画像)の静電潜像を形成し、これを所定の現像コントラスト電圧によって現像する。そして、画像濃度センサ7aでパッチ画像を検出して、濃度信号Vsigを取得し(S12)、濃度信号Vsigと予めメモリに記録されている初期基準信号Vrefとを比較する(S13)。
ここで、差分ΔOD=Vsig−Vref≧0の場合(S13のNO)、パッチ画像の濃度が低い、すなわち現像性が低いと判断されるため、目標TD比を高める方向に修正して(S14b)、画像濃度を高める必要がある。
差分ΔODから初期現像特性に戻すために必要な目標TD比(Vtar)は、次式により算出される。次式では、実信号値(Vsig−Vref)にTD比感度等調整係数βを掛け合わせて補正を行っている。
Vtar = Vtar + β*ΔOD
そして、算出された新しい目標TD比が上限TD比以下の場合(S16bのYES)、求めた新しい目標TD比(Vtar)を用いて(S17b)、画像形成を続ける(S19→S1)。
しかし、算出された新しい目標TD比が上限TD比を超えている場合(S16bのNO)、上限TD比(VHlmt)を用いて(S18b)、画像形成を続ける(S19→S1)。
ここで、上限TD比(VHlmt)は、高TD比時に発生する画像不良(本実施例では白地かぶり画像)限界から算出し、具体的には初期TD比8%に対して上限TD比(VHlmt)は12%に設定した。
一方、差分ΔOD=Vsig−Vref<0の場合(S13のYES)、パッチ画像の濃度が高い、すなわち現像性が高いと判断されるため、目標TD比を下げる方向に修正して(S14a)、画像濃度を下げる必要がある。
差分ΔODから初期現像特性に戻すために必要な目標TD比(Vtar)は、次式により算出される。
Vtar = Vtar − β*ΔOD
そして、算出された新しい目標TD比が下限TD比以上の場合(S16aのYES)、求めた新しい目標TD比(Vtar)を用いて(S17a)画像形成を続ける(S19→S1)。
しかし、算出された新しい目標TD比が下限TD比を割り込んでいる場合(S16aのNO)、下限TD比(VLlmt)を用いて(S18a)画像形成を続ける(S19→S1)。
すなわち、補正後の目標TD比(Vtar)が、予めメモリに記録されている「システムとして許容できる下限TD比(VLlmt)」を割り込んでいるかを判断する(S16a)。ここで、下限TD比(VLlmt)は、低TD比時に発生する画像不良(本実施例ではキャリア付着による白抜け画像)限界から算出し、具体的には初期TD比8%に対して、下限TD比は4〜6%に設定した(S15)。
実施例1では、下限値設定手段を兼ねる制御部15は、表1に示すように、下限TD比(VLlmt)を画像比率(%)に応じて複数設定する(S15)。下限値設定に用いる画像比率(%)は、ビデオカウント処理回路11が求めたビデオカウント値から求められ、イエローの全面最大濃度画像のビデオカウント値を100(%)として、直前の1枚の出力画像のビデオカウント値の比率を求めた値である。
画像形成装置100は、現像剤を攪拌してキャリアとトナーとを摩擦帯電させて、トナーに電荷を付与し、電荷が付与されたトナーを感光ドラム1aの静電像に対して静電的に付着させる。このため、トナーのトナー帯電量が画像特性に影響を与えることになるが、トナーのトナー帯電量は、上述したように、現像剤中のキャリアの帯電付与能力によって大きな影響を受ける。
実施例1では、ビデオカウント+パッチ検ATR制御+トナー濃度センサによるトリプル制御方式の補給制御を行うことで、バランス良く出力画像濃度を安定化することが可能になった。しかし、下限TD比(VLlmt)を固定値で設定した場合には、画像比率が変化、特に高画像比率画像が連続して形成された際に、飛散や白地かぶり画像といったトナー帯電量が低い場合に生じる画像不良が発生することがあった。
すなわち、現像剤を使い続けることで、キャリアの帯電付与能力が低下して、トナー帯電量Q/M(トリボ)が低下する。そして、画像比率の高い画像形成が行われて大量の補給用現像剤が補給された場合、キャリアの帯電付与能力が低下していると、トナー帯電量の立ち上がりが遅く、所望のトナー帯電量まで立ち上がるまでに多くの時間が必要となる。キャリアの帯電付与能力が低下していると、大量の補給用現像剤が補給された場合に急激なトナー帯電量の低下が一時的に発生して、突発的な飛散や白地かぶり画像といったトナー帯電量Q/Mの低下に起因する画像不良が発生し易くなる。
ここで、トナー帯電量Q/Mの低下に起因する画像不良を抑制するためには、下限TD比(VLlmt)を低く設定して、現像剤の摩擦帯電機会を増すことにより、トナー帯電量Q/Mを高める必要がある。
しかし、下限TD比(VLlmt)を単純に下げただけでは、感光ドラム1a上へキャリアが付着して白斑点と呼ばれる画像不良が発生し易くなる。白斑点画像は、感光ドラム1aに付着したキャリアが一次転写部Taを通過する際に周囲のトナーの一次転写を妨げることにより発生する転写不良画像である。現像工程で感光ドラム1aに付着したキャリアが一次転写部Taを通過する際にキャリアを中心とする円錐状の隙間を形成して周囲のトナーに十分な転写電界が与えられなくなって発生する転写不良画像である。
白斑点画像は、キャリアの付着部分を中心にした丸う白地部が形成されて顕在化するため、最大濃度画像(ベタ黒部)で顕著になる。ベタ黒部でキャリアが付着する原因としては、振動電圧の印加に伴って、現像スリーブ41に担持されたキャリアの先端部に電荷が注入されて、キャリアの帯電極性が反転したためと考えられている。電荷注入によって負極性に帯電極性が反転したキャリアが、トナーと一緒に感光ドラム1aへ現像されてしまうと考えられている。
そこで、白斑点画像の発生状況を詳細に調べたところ、現像剤の抵抗値が低くなる場合、つまりTD比が低い時や高温高湿環境下で顕著になることが確認された。現像コントラストVcont(=Vdc−VL)が高い場合や二成分現像法で採用されている振動電圧のAC振幅が高い場合に顕著になることが確認された。
しかし、画像形成を累積して帯電付与能力が低下したキャリアの場合、直前に画像比率の高い画像形成が行われて大量の補給用現像剤が補給されていれば、白斑点画像が発生しにくいことが判明した。
このため、ビデオカウントに基づいて大量の補給用現像剤が供給されている場合、白斑点画像が発生しにくいため、下限TD比(VLlmt)を下げて、従来より低いTD比まで通常のトナー帯電量Q/Mの制御を継続できる。このため、トナー帯電量Q/Mが高まって、飛散や白地かぶり画像といったトナー帯電量Q/Mの低下に起因する画像不良が抑制される。
そこで、実施例1では、画像形成時の画像比率に応じて現像装置内目標TD比値(Vtar)を変更させながら補給制御を行うことを最大の特徴としている。ビデオカウント+パッチ検ATR+TD比検知補給を実施する際に、下限TD比(VLlmt)を画像比率に応じて設定して、従来の下限TD比(VLlmt)よりも低いTD比を利用可能にしている。これにより、キャリアが劣化した場合でも、キャリアの付着に起因する画像不良の発生を抑制しつつ、トナー帯電量Q/Mの低下に起因する画像不良を抑制できる。
<下限TD比の設定>
図7はファラデー・ゲージの構成の説明図である。ここでは、ファラデー・ゲージを用いて、キャリアの劣化に伴う、画像比率差によるトナー帯電量の変化について検討した。
最初に、画像比率10%のA4チャートにて画像形成装置100を用いて、TD比一定の条件で10万枚の連続画像形成を行って、意図的にキャリアの帯電付与能力を低下させた現像剤(耐久現像剤)を準備した。そして、キャリアの帯電付与能力が低下した耐久現像剤とキャリアの帯電付与能力が低下していない新品の現像剤(初期現像剤)とで、画像比率を複数段階に異ならせて連続画像形成を行い、その際のトナー帯電量Q/Mの変化を詳細に検討した。
具体的には、現像剤の充填量を300gとし、TD比8%、23℃50%の常温常湿環境で連続画像形成を行った。開始直後、初期現像剤のトナー帯電量Q/Mが−30C/Kgに対して、耐久現像剤のトナー帯電量Q/Mが−24C/Kgであった。そして、現像装置4aは、初期現像剤と耐久現像剤のトナー帯電量Q/M差(−30−24=−6C/Kg)をTD比で調整することで、耐久現像剤でも初期現像剤と同じ現像特性に制御させ、画像濃度を安定させることができる。
ここで、トナー帯電量Q/Mは、図7に示すように、ファラデー・ゲージ(Faraday−Cage)を用いて測定した。ファラデー・ゲージは、軸径の異なる金属筒を同軸になるように配置した二重筒を備え、二重筒の内筒内にさらにトナーを取り入れるためのトナー捕集ろ紙(フィルター)93を備えている。二重筒の内筒92と外筒91は絶縁部材94によって絶縁されていて、内筒92の中に電荷量qの帯電粒子を入れたとすると、静電誘導によりあたかも電気量qの金属円筒が存在するのと同様になる。二重筒に誘起された電荷量をKEITHLEY 616
DIGITAL ELECTROMETERで測定し、測定された電荷量を内筒中のトナー重量で割ったものをトナー帯電量Q/Mとした。
次に、初期現像剤と耐久現像剤とを用いて画像比率を10/30/50/100%に振ってTD比を一定に制御させて100枚連続で耐久した前後のトナー帯電量Q/Mと画像不良特性を確認した。画像不良特性は、白地かぶり画像とキャリアの付着による白抜け画像(以下白斑点)を確認した。トナー帯電量Q/Mの測定と白地かぶり画像は、100枚連続で耐久した後で確認した。
次に、その後、耐久現像剤の低下したトナー帯電量Q/Mを、下限TD比を設けずにパッチ検ATR制御のみで制御させ、安定した時点で、再度、白地かぶり画像と白斑点を確認した。実験結果を表2に示す。
表2における評価は、厳しい紙種、例えばコート紙において白地かぶり画像2.5%以下、白斑点個数としてA3面内に発生無しを○とした。また、白地かぶり画像では2.6〜3.0%、白斑点ではA3面内に1〜3個の場合を△とした。それ以上はいずれも×として評価した。
表2に示すように、画像比率に応じてトナー帯電量Q/Mが低下していることが判明した。更に、初期現像剤に比べて、耐久現像剤におけるトナー帯電量Q/Mの低下が大きいことが判明した。これは、画像比率の高い画像では、現像装置4aに大量の補給用現像剤が補給されるため、十分な攪拌時間がないと、トナー帯電量Q/Mが低下してしまうからである。そして、帯電付与能力が低下した耐久現像剤では、更に帯電特性が低下しているため、トナー帯電量Q/Mの低下量が大きくなったと考えられる。
そして、画像不良特性を確認したところ、予想通り、画像比率が高くなるにつれて、耐久現像剤のトナー帯電量Q/Mの低下に基づき白地かぶり画像が増えることが確認され、TD比を調整することで白地かぶり画像が良化することが確認された。しかし、予想に反して、画像不良特性のうち白斑点画像については、画像比率が高くなるにつれて、白斑点画像が良化していく傾向があることが新たに判明した。
<画像比率が高くなると白斑点画像が良化する理由>
画像比率が高くなるにつれて白斑点画像が良化した原因は、トナー帯電量Q/Mの低下による現像性向上が、電荷注入されたキャリアの感光ドラム1aへの付着より勝ったためと考えられる。つまり、トナーの現像性向上によってトナーによる現像工程がキャリア付着のスピードより勝る。このため、感光ドラム1aの表面上に絶縁体であるトナーが先行して現像されて現像コントラストVcontが小さくなることで、キャリアへの電化注入が低減されたためと考えられる。
そこで、実施例1では、上記検討の結果を鑑み、画像比率が高いほど現像装置4a内の目標TD比の下限TD比(VLlmt)を低下させて、通常の制御が適用される範囲を拡大している。
具体的には、下限TD比の設定は、白地かぶり画像レベルと白斑点レベルを確認した結果、実施例1では、画像比率に応じて上記の表1に示したテーブルを用いて制御させている。即ち、画像比率(即ち、トナー消費量)に応じた下限値を、表1のテーブルで設定された複数の下限値から選択して、上述した制御の下限値として設定する。
この結果、画像形成の累積に伴って画像比率10%以上で連続耐久を行うと、白地かぶり画像の濃度がベタ画像の3.0%以上となっていた白地かぶり画像が、下限TD比を6.0%から4%に下げることで3.0%以下に収まることが確認された。もちろん、白斑点画像も未発生である。
一方、画像比率10%の画像形成では、表2に示すように、TD比を6.0%より低く設定すると白斑点が発生していたが、下限TD比を6.0%に設定することで、白地かぶり画像と白斑点発生レベルとを両立可能となる。
画像形成中に画像比率が高画像比率から低画像比率に変化した場合、例えば100%から10%に変更になった場合、表1のテーブルに基づいて下限TD比を4.0%から6.0%に変更する。しかし、その場合は、画像形成100枚ごとの間隔を置いて4.0→4.5→5.0→5.5→6.0と段階的に下限TD比を上昇させる。これにより、急激なトナー補給等も避けられるため、色味変動等の問題も発生しないで済む。更に、上記変更枚数間隔は、画像比率変化量に応じて変化させることが好ましい。これは、上述してきたように画像比率が低い場合には白斑点発生率が高まるため、速やかにTD比を戻す必要があるためである。具体的には、本実施例では、次式に従った間隔枚数変更を行うことで非常に良好な結果が得られた。
変更枚数間隔 = 画像比率変化/0.001
<実施例2>
実施例1においても説明したが、画像比率によるトナー帯電量Q/Mの変化量は、初期現像剤と耐久現像剤、つまりキャリアの劣化度合いにより違っていた。そこで、実施例2では、表3に示すように、画像比率に応じて変更する下限TD比の変更幅をキャリアの劣化度合いに応じて変更させる。
具体的には、表3に示すように、画像形成の累積量の一例である画像形成枚数の刻み毎に、下限TD比を変更させる変換テーブルをROM18に備えている。
表3の変換テーブルを用いて、画像形成の累積量と画像比率に応じた下限TD比を変更させて制御させている。画像形成の累積量の増加に伴って白斑点が発生しにくくなることを利用して、画像形成の累積量が増えるほど、下限TD比を低く設定して、より低いTD比の範囲までトナー帯電量Q/Mの制御を継続する。その結果、画像形成の累積を通して、白地かぶり画像や白斑点の発生を抑制することができた。
表3は、画像形成部Paの現像装置4aの制御に下限値設定手段として用いられる変換テーブルであるが、実際には、画像形成部Pa、Pb、Pc、Pd毎、すなわち現像色ごとに最適化して、4つの変換テーブルが準備されている。
また、制御変更タイミング以外(つまり例えば初期〜20K間)においては、下限TD比テーブル値を線形補間して下限TD比を設定している。例えば、画像比率30%:10Kでは、補間演算によって5.9%が設定される。これにより、急激なTD比の変化がなくなるため好ましい。
また、キャリアの劣化度合いを実施例2では画像形成の累積枚数で表現したが、現像スリーブ41の総回転時間で制御させても良い。
以上説明したように、実施例2の制御によると、ビデオカウント+パッチ+TD比検知を用いたトリプル補給制御を実施する画像形成装置100において、画像比率と画像形成の累積枚数とに応じて下限TD比を変更する。これにより、キャリアが劣化した場合でも、白地かぶり画像やキャリア付着といった不良画像の発生を抑制できる。