JP5661412B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、像担持体に潜像を形成し潜像を現像剤にて顕像化する画像形成装置であって、現像剤残量（プロセスカートリッジを用いる場合はプロセスカートリッジにおける現像剤残量）を高精度に検知することのできる画像形成装置に関する。特に、電子写真方式を採用し、記録媒体（例えば、紙、ＯＨＰシート）上に画像を形成する複写機やプリンタ（例えばレーザプリンタ、ＬＥＤプリンタ）等として好適なものである。

（プロセスカートリッジおよび像担持体の定義）
ここで、プロセスカートリッジとは、プロセス手段としての、帯電手段、現像手段、クリーニング手段の少なくとも一つと電子写真感光体ドラムとを一体的にカートリッジ化して、装置本体に取り外し可能に装着されるものである。

従って、プロセスカートリッジとは、プロセス手段としての現像手段と、前記電子写真感光体ドラム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の本体に取り外し可能に装着されるものも含まれる。

また、プロセスカートリッジとは、プロセス手段としての、帯電手段、現像手段またはクリーニング手段と、前記電子写真感光体ドラムとを一体的にカートリッジ化して、前記本体に取り外し可能に装着されるものも含まれる。

尚、電子写真感光体ドラムと現像手段とを一体的に有するプロセスカートリッジを所謂一体型と称する。

また、電子写真感光体ドラムと現像手段以外のプロセス手段とを一体的に有するプロセスカートリッジを所謂分離型と称する。即ち、現像手段はプロセスカートリッジとは別の現像ユニットに設けて、この現像ユニットと対になって画像を形成するプロセスカートリッジを所謂分離型と称する。尚、前記プロセス手段は、前記電子写真感光体ドラムに作用するものである。

ここで前記プロセスカートリッジは、使用者自身によって本体に対する着脱を行うことができる。そのため、装置本体のメンテナンスを容易に行うことができる。

また、像担持体とは、光を作用させて潜像を形成するという感光体ドラムに代表されるものに限らず、磁気あるいは電気を作用させて潜像を形成するものを含む。

電子写真装置等の画像形成装置において、動作中に現像剤であるトナーが不足すると画像濃度の低下や画像消失等の不良が生じる。このため、現像装置内のトナー量を常時検知し、トナー切れが生じたときにそれを表示して警告する手段が装備されており、画像濃度低下等の画像不良が発生する前に、カートリッジ交換あるいはトナー補充を行えるような機能が広く実用されている。

トナー残量を検知する手段として、例えば静電容量検知式のものが知られている。具体的には、現像装置内に現像剤担持体である現像スリーブと対向した位置に、導電性の検知部材を少なくとも一つ以上設け、現像スリーブと検知部材、もしくは検知部材同士もしくはその両方をコンデンサの電極として用いる。この方式は、電極間の静電容量が、絶縁性トナーの量に応じて変化することを利用したものである。即ち、現像スリーブや導電性の検知部材で構成されたコンデンサ間の空間がトナーで埋まっていれば静電容量は大きくなり、トナーが減るにつれて上記空間がより誘電率の低い空気に置き換わり静電容量は小さくなることを利用している。

また、図２の画像形成装置において、感光体ドラム２０１上に形成されたトナー像は、転写ローラ２０２にて記録材としての記録紙２０３に転写されて、トナー像が転写された記録材２０３は定着装置２０４に搬送される。そして、記録紙２０３は定着装置２０４により転写トナー像が表面に定着された後に排出される。

上記した従来の画像形成装置では、記録紙２０３が転写ローラ２０２に安定して確実に案内されるように、転写ガイド手段として記録紙２０３の上下面をそれぞれガイドする転写前ガイド部材２０５を、転写ローラ２０２の上流側に設けている。

そして、上述した画像形成装置では、ガイド部材２０５は転写ローラ２０２へ記録紙２０３を安定して確実にガイドするために、先端部はドラム２０１の表面から近接した位置に配設される。よって、ガイド部材２０５は転写バイアス１７０がかかる転写ローラ２０２の近傍に位置するために、転写電流と同極性、即ちトナーと逆極性に帯電しやすくなる。そのため、画像形成装置内に浮遊するトナー、特に転写直前の位置にあるドラム２０１表面のトナー等が、ガイド部材２０５（特にドラム２０１に最も近接した先端部分）に静電的に吸引されて付着してしまう。

これが記録紙２０３に付着して画質の低下を招く恐れがあった。このため、ガイド部材に２０５に付着したトナーが記録材２０３に付着するのを防止するために、ガイド部材２０５を導電性部材で構成し、転写電流とは逆極性（トナーと同極性）のバイアス電圧を印加する方法が提案されている（特許文献１）。

特開２００２−１３９９２２号公報

しかしながら、上記のような記録紙２０３が通過するガイド部材２０５にバイアス電圧を印加した構成において、トナー残量を検知するための検知部材２０６がガイド部材２０５に近接して配置された場合、残量検出値が安定しないことがあった。これは、トナー残量検知のため現像スリーブ２１３にバイアスが印加されたとき（特に、高温高湿環境下において記録紙１０３が吸湿して低抵抗化した際）に、記録紙２０３を介してガイド部材２０５に漏れ電流が発生することに起因する。このため、トナー残量検出手段３０２に流れる電流値が減少して、検出される誘起電圧は大きくなり、トナー残量が多いにもかかわらずトナー無しの信号を出力してしまうことがあった。

本発明は、転写ガイド手段への現像剤の飛散を防止しつつ、ガイド部材２０５に代表される転写ガイド手段への通紙による影響を受けずに、現像剤残量の検出を高精度に行うことができる画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る画像形成装置の代表的な構成は、像担持体と、前記像担持体に現像剤を供給して現像剤像を形成する現像部材および現像剤収納部を備える現像手段と、前記像担持体の前記現像剤像を記録材に転写させる転写手段と、前記転写手段よりも前記記録材の搬送方向で上流側に設けられる転写ガイド手段と、前記転写ガイド手段に電圧を印加して前記現像剤の前記記録材への付着を抑える電圧印加手段と、前記現像部材に現像バイアスとして電圧を印加して前記現像剤収納部に設けられる導電性部材を介して現像剤残量を検出する現像剤残量検出手段と、を備える画像形成装置において、前記記録材が前記転写ガイド手段を通過していない時に前記現像バイアスを印加した状態で予備検出される前記現像剤残量検出手段の第１の検出値と、前記記録材が前記転写ガイド手段を通過している時に前記現像バイアスを印加した状態で予備検出される前記現像剤残量検出手段の第２の検出値と、に基づいて、画像形成中で、前記記録材が前記転写ガイド手段を通過している時に前記現像バイアスを印加した状態で前記現像剤残量検出手段により本検出される検出値に対し、前記第１の検出値と前記第２の検出値との差分を補正値として補正する補正手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、転写ガイド手段への現像剤の飛散を防止しつつ、転写ガイド手段への通紙による影響を受けずに、現像剤残量の検出を高精度に行うことができる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置における現像剤残量検出系に関し、（ａ）は断面図、（ｂ）は等価回路図である。 本発明の実施形態に係るプロセスカートリッジを含む画像形成装置の概略構成図である。 現像剤残量検出系に関し、トナー残量と検出値の関係を示す図である。 現像剤残量検出系に関し、検出タイミングを示す図である。 現像剤残量補正に関するフローチャートである。 （ａ）〜（ｃ）は夫々転写前ガイド部材へ記録紙が通過している状態を説明する図である。 本体電源投入後、もしくは印字休止モードから復帰した後の画像形成装置におけるフローを示す図である。

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、同一又は対応する部分には同一の符号を付す。

《第１の実施形態》
（画像形成装置）
本実施形態の構成について、図２を用いて説明する。本実施形態の画像形成装置は、ホストコンピューターからの画像情報を受け取り、画像出力するレーザビームプリンタである。そして、感光体ドラム２０１、現像装置２２０などをプロセスカートリッジＣとして本体から着脱し交換可能にした画像形成装置である。

先ずドラム２０１が帯電手段２０７によって均一に帯電され、その表面をレーザスキャナー２０８から照射されるレーザ光２０９によってドラム２０１の画像部に走査露光がなされ、目的の画像情報の静電潜像が形成される。現像剤収納部であるトナー容器２１０内のトナーＴは攪拌部材２１６によって現像スリーブ２１３へ供給される。

ドラム２０１に現像剤を供給して現像剤像を形成する現像スリーブ２１３および現像剤収納部であるトナー容器２１０を備える現像手段２２０の作用によって、静電潜像はトナー像として可視化される。

記録紙２０３は給紙部２１５から搬送され、記録紙２０３の先端が通過したことを検知するためのセンサ部２１４を通過する。その後、転写手段である転写ローラ２０２に安定して確実に案内されるように転写ローラ２０２よりも記録紙２０３の搬送方向で上流側に転写ガイド手段である転写前上下ガイド部材２０５が設けられる。このガイド部材２０５によって、記録紙２０３の上下面がそれぞれガイドされて転写ローラ２０２へ搬送される。

ドラム２０１上の画像は、転写手段である転写ローラ２０２で記録紙２０３へ転写され、定着手段２０４を通って画像が定着された記録紙２０３は本体外部へ排出される。

記録紙２０３の上面をガイドするガイド部材２０５aにトナーと同極性の電圧を印加することで、ドラム２０１から転写ローラ２０２の上流側に設けられたガイド部材２０５aへのトナー付着を防止している。また、記録紙２０３の下面をガイドするガイド部材２０５ｂをアースに接地する構成とした。

ここで、転写されずにドラム２０１上に残留したトナーは、クリーニング手段２１１によりドラム２０１から除去され、廃トナー容器２１２に収容される。

図１（ａ）において、像担持体であるドラム２０１に現像剤像を形成する現像部材である現像スリーブ２１３は、中空の非磁性金属スリーブで構成され、その内部にマグネットローラを有する。そして、画像形成時にはこの現像スリーブ２１３には現像バイアス電源７０によって交流電圧として電圧印加され、これにより現像域において、トナーを振動運動させてドラム２０１の画像部に付着残留させる。トナー容器２１０内には導電性部材である検知部材２０６が設けられ、現像バイアス電圧が印加されたとき、現像スリーブ２１３と検知部材２０６の間には、静電容量Ｃ５に応じた誘起電圧が発生する。

トナー残量を検出する現像剤検出手段３０２により検知された誘起電圧から、本体ＣＰＵ１１３により所定の演算を行い、トナー残量を検出する。本体ＣＰＵ１１３では、検出された電圧値を予め記憶された任意の電圧値と比較し、その値よりも検知電圧が大きければ、トナー無し信号を出力する。

図１（ａ）における検知部材２０６と記録紙２０３、ガイド部材２０５の関係を示す等価回路図を、図１（ｂ）に示す。プロセスカートリッジＣ（図２）のトナー容器２１０内に配置されている検知部材２０６と、画像形成装置本体内に配置されるガイド部材２０５との距離は非常に近い。

そしてガイド部材２０５aには、現像剤がガイド部材２０５aに付着することによる画像への弊害を防止するため転写前ガイドバイアス４０２を抵抗４０１を介して印加している。本実施形態においては、ガイド部材２０５aと検知部材２０６との最近接距離を９ｍｍとした。この場合、検知部材２０６とガイド部材２０５aの間にＣ３が誘起され、記録紙２０３によって流れる電流値にバラツキが発生する。

Ｃ３が誘起され流れる電流のバラツキについて、図１（ｂ）で説明する。現像バイアス７０により現像スリーブ２１３と検知部材３０１との間にＣ５が誘起されることで電流Ｉ１が流れる。電流Ｉ１はトナー残量を検出する現像剤検出手段３０２に流れる電流Ｉ２と、検知部材２０６とガイド部材２０５間にＣ３が誘起され流れる電流Ｉ３に分流される。

Ｉ３に流れる電流は、転写前ガイドバイアス４０２の内部インピーダンスＲ２と、記録紙２０３の抵抗Ｒ１で決定される。内部インピーダンスＲ２がＲ１より大きいため、記録紙２０３の抵抗Ｒ１のバラツキにより電流Ｉ３のバラツキが大きくなる（Ｉ４＞Ｉ５）。電流Ｉ３（電流Ｉ４、Ｉ５の加算値）のバラツキが大きくなることにより、トナー残量検出手段３０２に流れる電流Ｉ２もバラツキが大きくなるため、トナー残量検出値に影響を及ぼすこととなる。

図３に本実施形態のトナー残量検知推移図を示す。縦軸はトナー残量検出手段の検出電圧、横軸はトナー残量である。本実施形態では、現像バイアスとしてＶｐｐ＝１５００ｖ、周波数＝２０００Hzの矩形波を現像スリーブ２１３に印加して、トナーを２００ｇ充填したトナー容器２１０を用いて残量検出を行った。トナーがフル（全量充填）の状態からトナーが空（無し）の状態までの検出電圧として１．０Ｖ程度変化する。高温高湿環境（３２℃／８０％RH）において放置された記録紙を用いた場合、図３の実線に示すような推移となる。

このとき、任意のトナー量において記録紙２０３がガイド部材２０５を通過していない時に現像バイアスを印加したときの検出電圧を、×印で示す。また、同条件においてガイド部材２０５に電圧を印加しない場合のトナー残量検知推移は破線に示す推移となる。

本実施形態では、記録紙２０３がガイド部材２０５を通過している時においては記録紙の抵抗が低いために漏れ電流が発生し、検出電圧値としては非通紙時の値よりも高い値となる。これにより、トナーが少なくなったと認識される）。

ここで、トナーの逐次残量検出を行うためには現像バイアスが印加される画像形成中に残量検知を行うことが必要となる。また、トナー容器２１０内のトナーを攪拌する部材２１６による検知出力のばらつきを減らすため、画像形成動作を通して残量検知を行い、平均化処理等をする事が望ましい。

本実施形態においては、現像バイアスが印加される画像形成中において、記録紙２０３がガイド部材２０５を通過する前の現像剤残量の検出値と、ガイド部材２０５を通過する時の現像剤残量の検出値と、から補正値を算出する。

図４に検知タイミングを示す。ガイド部材２０５の上流側に配置された、記録紙の先端が通過したことを検知するためのセンサ部２１４により記録紙の先端が通過したことを検知した時、予備検出としての第１の残量検出を行う。このときの検出値を検出値１とする。

その後、記録紙２０３がガイド部材２０５を通過する時の予備検出としての第２の残量検出を行う。このときの検出値を検出値２とする。そして、検出値１と検出値２との差分を補正値１として算出する。現像バイアスがＯＦＦされるまでの間、残量検出を行い、この本検出における残量検出値を検出値３として、これに対して補正を行う。これにより、記録紙２０３の抵抗値が下がった場合においても、安定した残量検出出力を得ることができる。

以下、更に図５のフローチャートを用いて説明する。本体電源投入（Ｓ４０１）後、プリント開始信号が入力される（Ｓ４０２）と、画像形成動作を開始し現像バイアスが印加される（Ｓ４０３）。このとき、記録紙の搬送が開始され、転写前ガイドを通過する前のタイミングにおいてトナー残量検知が行われる。

記録紙２０３がガイド部材２０５を通過していない時に予備検出される現像剤残量の第１の検出値を検出値１とする（Ｓ４０４）。その後、記録紙２０３がガイド部材２０５を通過している時に予備検出される現像剤残量の第２の検出値を検出値２とする（Ｓ４０５）。そして、検出値１と検出値２との差分から、補正値１を算出する（Ｓ４０６）。

引き続き画像形成動作が行われ、現像バイアス印加を停止するまでの間に現像剤検出手段３０２により本検出される現像剤残量の検出値３が検知される（Ｓ４０７）。その後、現像バイアスが停止される（Ｓ４０８）。そして、検出値３に補正値１を加えた値を現像剤残量の最終的な検出値とする（Ｓ４０９）。

このように、記録紙２０３がガイド部材２０５を通過する前と、ガイド部材２０５を通過している時に、予備検出される検出値から補正値を算出し、現像バイアスが停止するまでの画像形成動作中に本検出される検出値に補正を加える。

これにより、1枚の記録紙がガイド部材２０５を通過中に現像剤残量の補正を行うことができ、記録紙の抵抗値が下がった場合においても安定した現像剤残量出力を得ることができる。また、記録紙の紙サイズが変わったとしても、1枚の記録紙がガイド部材２０５を通過する間に現像剤残量の補正を行うことができ、システムを停止せずに安定した現像剤残量補正を行うことができる。

なお、本実施形態においては、検出値１と検出値２の差分により補正値を算出したが、補正値の算出方法はこれに限ったものではなく、検出値１と検出値２の比率を算出し、補正係数とすることも可能である。

（「記録紙が転写前ガイドを通過する」の定義）
「記録紙が転写前ガイドを通過する」とは、記録紙２０３が転写前ガイド部材２０５の全域を通過している場合の他、転写前ガイド部材２０５の部分域を通過している場合を含む。図６（ａ）〜（ｃ）は夫々転写前ガイド部材へ記録紙が通過している状態を説明する図である。

図６（ａ）は、記録紙２０３の先端が転写前ガイド２０５を通過中である場合、図６（ｂ）は記録紙２０３がガイド部材２０５の全域を通過している場合を示す。また、図６（ｃ）は、記録紙２０３の後端が転写前ガイド２０５を通過中である場合である。これらの場合において、記録紙が転写前ガイドを通過する状態となり、記録材２０３の抵抗値は同じ値となる。これは、いわば記録紙２０３がガイド部材２０５の端部の電極を通過することで同じ抵抗値が得られるものと考えられる。

（電源投入後、もしくは印字休止モードから復帰した後の画像形成装置におけるフロー）
現像剤残量検出値の補正値は、画像形成装置の電源投入直後、もしくは印字休止モードから復帰した直後において、記録材が前記ガイド部材を通過する時の検出値と記録材が前記ガイド部材を通過していない時の検出値から算出されると良い。これは、電源投入直後、もしくは印字休止モードから復帰した直後においては、前回の使用時からそれなりの時間経過があるため、湿度変化などの環境変化で同じ記録紙であっても抵抗値が変わり、前回得た補正値が正しい補正値として使えないことがあるためである。

この電源投入直後、もしくは印字休止モードから復帰した直後に関連して、本体電源投入後の画像形成装置におけるフローを図７に示す。図７に関し、電源投入の時点は図中「メイン電源スイッチＳＷオン」の時点、印字休止モードから復帰した時点は図中「待機」の状態からプリントスタート信号Ｓがオンとなる時点である。

なお、図７で画像形成状態時は、記録材に転写して出力するための画像の形成動作を行っている時である。一方、非画像形成状態時は、記録材に転写して出力するための画像の形成動作を行っている画像形成時以外のタイミングである。

Ａ−１．前多回転工程
プリンターの始動動作期間（起動動作期間、ウォーミング期間）である。プリンターのメイン電源スイッチＳＷ−オンにより、プリンターのメインモータ（不図示）を駆動させて感光体ドラム２０１を回転させ、また所定のプロセス機器の準備動作を実行させる。ドラム２０１はメインモータのＯＮと同時的に回転を開始し、メインモータのＯＦＦと同時的に回転を停止する。メインモータは、ドラム２０１、給紙機構部、記録材搬送機構部、現像装置２１０、定着装置２０４などの駆動系を駆動する。

Ａ−２．待機工程
前多回転工程中にプリントスタート信号の入力がないときに、前多回転工程の終了後にメインモータの駆動が一旦停止されてドラム２０１の回転が停止され、プリンターはプリントスタート信号が入力されるまで待機（スタンバイ）の状態に入る。前多回転工程中にプリントスタート信号が入力したときには前多回転工程に引き続いて前回転工程が実行される。

Ｂ．前回転工程
プリントスタート信号Ｓが入力したときにプリント前動作を実行させる期間であり、諸プロセス機器の画像形成準備動作が行われる。主として、ドラム２０１の予備帯電、レーザー走査部２０９の立上げ、転写バイアスの決定、定着装置２０４の温度調整などが行われる。

Ｃ．画像形成工程
所定の前回転工程が終了すると、引き続いて画像形成工程（プリントジョブ）が開始される。画像形成工程では、所定タイミングで記録紙２０３の給紙、帯電手段２０７によるドラム表面の一様な帯電、ドラム２０１上に静電潜像を形成する為の画像露光、トナー現像等が行われる。すなわち、ドラム２０１に対する画像形成プロセスが実行され、ドラム２０１面に形成されたトナー画像の記録紙への転写、定着手段によるトナー画像の定着処理がなされて画像形成物がプリントアウトされる。

連続プリントモードの場合は、上記のプリント動作が所定の設定プリント枚数分繰り返して実行される。

Ｄ．紙間工程
連続プリントモードにおいて、先行プリントの記録材の後端部が転写ニップ部を通過した後、次のプリントの記録紙の先端部が転写ニップ部に到達するまでの間の、転写ニップ部における記録紙の非通紙状態期間である。

Ｅ．後回転工程
最後のプリントが終了した後もしばらくの間メインモータの駆動を継続させてドラム２０１を回転させ、所定の後動作を実行させる期間である。後回転工程では、転写ローラのクリーニング等の工程が行われている。

Ｆ．待機工程
所定の後回転工程が終了すると、メインモータの駆動が停止されてドラム２０１の回転が停止され、プリンターは次のプリントスタート信号が入力するまで待機の状態に入る。

１枚だけのプリントの場合は、そのプリントの終了後、プリンターは後回転工程を経て待機の状態になる。その後、プリントスタート信号が入力すると、プリンターは前回転工程に移行する。

以上、電子写真画像形成装置について説明したが、本発明はこれに限らず、光を用いずに磁気あるいは電気を作用させて潜像を形成するものであっても良い。

７０・・現像バイアス、１１３・・本体ＣＰＵ、１７０・・転写バイアス、３０２・・トナー残量検知手段、４０１・・転写前ガイドバイアス（内部インピーダンス）、４０２・・転写前ガイドバイアス

Claims (3)

1. 像担持体と、
   前記像担持体に現像剤を供給して現像剤像を形成する現像部材および現像剤収納部を備える現像手段と、
   前記像担持体の前記現像剤像を記録材に転写させる転写手段と、
   前記転写手段よりも前記記録材の搬送方向で上流側に設けられる転写ガイド手段と、
   前記転写ガイド手段に電圧を印加して前記現像剤の前記記録材への付着を抑える電圧印加手段と、
   前記現像部材に現像バイアスとして電圧を印加して前記現像剤収納部に設けられる導電性部材を介して現像剤残量を検出する現像剤残量検出手段と、
   を備える画像形成装置において、
   前記記録材が前記転写ガイド手段を通過していない時に前記現像バイアスを印加した状態で予備検出される前記現像剤残量検出手段の第１の検出値と、
   前記記録材が前記転写ガイド手段を通過している時に前記現像バイアスを印加した状態で予備検出される前記現像剤残量検出手段の第２の検出値と、に基づいて、画像形成中で、前記記録材が前記転写ガイド手段を通過している時に前記現像バイアスを印加した状態で前記現像剤残量検出手段により本検出される検出値に対し、前記第１の検出値と前記第２の検出値との差分を補正値として補正する補正手段を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記補正手段は、前記本検出される検出値に前記補正値を加えた補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 画像形成装置の電源投入直後、もしくは印字休止モードから復帰した直後において、
   前記記録材が前記転写ガイド手段を通過していない時に予備検出される前記現像剤残量検出手段の前記第１の検出値と、前記記録材が前記転写ガイド手段を通過している時に予備検出される前記現像剤残量検出手段の前記第２の検出値と、に基づいて、前記現像剤残量検出手段により本検出される検出値を補正することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像形成装置。