JP5836694B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、シート等の記録材上に画像を形成する機能を備えた、例えば、複写機、プリンタなどの画像形成装置に関するものである。

例えば、複写機やレーザビームプリンタなどの電子写真画像形成装置では、次のようにして画像形成が行われる。まず、画像データに対応した光を電子写真感光体（感光体）に照射して静電像（潜像）を形成する。そして、この静電像に対して、現像装置から記録材料である現像剤としてのトナーを供給して、トナー像として顕像化する。このトナー像は、転写装置によって感光体から記録紙などの記録材へ転写する。このトナー像を、定着装置で記録材上に定着することで記録画像が形成される。
ここで、現像装置には現像剤収容部が連結しており、現像剤収容部の現像剤は、現像剤搬送攪拌部材によって現像装置内に搬送され、トナー像を形成することで現像剤は消費されていく。

＜現像剤残量検出について＞
このような画像形成装置では、現像剤が無くなった場合、使用者により、カートリッジが交換される、またはトナーが補充されることで、再び画像形成が可能となる。そのため、このような画像形成装置は、現像剤が消費された場合にそれを検出し、使用者に報知する手段、即ち、現像剤量検出装置を備えていることがある。
この現像剤量検出装置として、少なくとも一対の入力側及び出力側電極を備え、両電極間の静電容量を測定することによって現像剤量を検出する静電容量測定方式がある。その一方式として、プレートアンテナ方式が知られている。
このプレートアンテナ方式において、例えば、現像手段が備える現像剤担持体に交流バイアスを印加する現像方式を採用する場合では、電極となる板金が、現像剤担持体に対向する箇所に設けられている。
そして、電極となる板金に流れる電流値から、この板金と現像剤担持体との間の静電容量が、絶縁性トナーなどの現像剤量に応じて変化することを利用したものである（例えば、特許文献１参照）。

即ち、この板金と現像剤担持体との間、若しくは板金と板金との間の空間が現像剤で埋まっていれば、その間の静電容量は大きくなり、現像剤が減るにつれて両者の間の空間を空気が占める率が増え、静電容量は小さくなっていく。従って、この板金と現像剤担持体との間の静電容量、或いは板金間の静電容量と現像剤量の関係を予め求めておけば、静電容量を測定することによって現像剤量レベルを検出することができる。

特開２００３−２５５６８８号公報

しかしながら、上記のような従来技術の場合、下記のような問題が生じることが懸念される。
画像形成装置においては、安定した画像を得るために、現像バイアスのピーク間電圧や周波数を変更することがある。トナー残量は、現像交流電圧印加時のトナー残量検出部材に流れる電流値から静電容量を求め、その値を基に算出される。よって、電流値のパラメ
ータであるピーク間電圧や周波数を変更することで、電流値が変化し、トナー残量レベルの検出の出力値も変化してしまう可能性がある。
従来、画像形成工程以外の工程でのみ、一定の現像バイアスを印加し、トナー残量を検出する構成や、制御で出力値を補正する構成などがあるが、より正確なトナー残量検出の為に、精度の向上が望まれていた。
本発明は上記したような事情に鑑みてなされたものであり、画像形成時に現像バイアスが変更された場合であっても、より正確な現像剤量の検出を安定して行うことを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の画像形成装置は、
静電潜像を担持する像担持体と、
前記静電潜像を現像すべく前記現像剤を担持する現像剤担持体を有する現像装置であって、現像剤を収容する現像容器と、前記現像容器内に設けられる電極と、を有する現像装置と、
交流電圧を前記現像剤担持体に印加する電圧印加手段と、
画像形成の際に前記電圧印加手段が前記交流電圧を前記現像剤担持体に印加したときに、前記現像剤担持体と前記電極との間の静電容量に関する情報を検出する検出手段と、を有し、
前記電圧印加手段は、第１ピーク間電圧と第１周波数とを有する第１交流電圧と、前記第１ピーク間電圧よりも高い電圧である第２ピーク間電圧と前記第１周波数よりも低い周波数である第２周波数とを有する第２交流電圧とを前記交流電圧として印加できることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために本発明の画像形成装置は、
静電潜像を担持する像担持体と、
前記静電潜像を現像すべく前記現像剤を担持する現像剤担持体を有する現像装置であって、現像剤を収容する現像容器と、前記現像容器内に設けられる電極と、を有する現像装置と、
交流電圧を前記現像剤担持体に印加する電圧印加手段と、
画像形成の際に前記電圧印加手段が前記交流電圧を前記現像剤担持体に印加したときに、前記現像剤担持体と前記電極との間の静電容量に関する情報を検出する検出手段と、を有し、
前記電圧印加手段は、第１ピーク間電圧と第１周波数とを有する第１交流電圧と、前記第１ピーク間電圧よりも高い電圧である第２ピーク間電圧と前記第１周波数よりも低い周波数である第２周波数とを有する第２交流電圧とを前記交流電圧として印加でき、
前記第１交流電圧は供給された記録材の枚数が所定枚数未満である場合に前記情報を検出するために用いられ、前記第２交流電圧は前記記録材の枚数が所定枚数以上である場合に前記情報を検出するために用いられることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために本発明の画像形成装置は、
静電潜像を担持する像担持体と、
前記静電潜像を現像すべく前記現像剤を担持する現像剤担持体を有する現像装置であって、現像剤を収容する現像容器と、前記現像容器内に設けられる電極と、を有する現像装置と、
交流電圧を前記現像剤担持体に印加する電圧印加手段と、
画像形成の際に前記電圧印加手段が前記交流電圧を前記現像剤担持体に印加したときに、前記現像剤担持体と前記電極との間の静電容量に関する情報を検出する検出手段と、を有し、
前記電圧印加手段は、第１ピーク間電圧と第１周波数とを有する第１交流電圧と、前記第１ピーク間電圧よりも高い電圧である第２ピーク間電圧と前記第１周波数よりも低い周波数である第２周波数とを有する第２交流電圧とを前記交流電圧として印加でき、
前記第１交流電圧は絶対水分量が所定の量以下である場合に前記情報を検出するために用いられ、前記第２交流電圧は前記絶対水分量が所定の量よりも多い場合に前記情報を検出するために用いられることを特徴とする。

本発明によれば、画像形成時に現像バイアスが変更された場合であっても、より正確な現像剤量の検出を安定して行うことが可能となる。

実施例における現像交流電圧制御のフローチャートを示す図 実施例の画像形成装置の概略構成を示す断面図 実施例におけるトナーを収容したプロセスカートリッジを示す概略断面図 実施例における現像剤量検出システムを示すブロック図 実施例において演算制御手段で平均値を算出した出力値を表す図

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣旨のものではない。
本発明は、電子写真方式或いは静電記録方式を用いて記録材上に画像を形成する、レーザビームプリンタや複写機などの画像形成装置に関するものである。

（実施例）
以下に、本発明の実施例について説明する。
＜画像形成装置の全体構成及び動作＞
図２は、本実施例の画像形成装置１００の概略構成を示す断面図である。
本実施例の画像形成装置１００は、ホストコンピュータ、ネットワーク等から画像情報を受け取り、それを記録材上に画像出力するレーザビームプリンタである。画像形成装置１００は、像担持体としての感光体１を有するプロセスカートリッジＡを画像形成装置１
００本体に対して着脱可能（交換可能）に備えている。

プロセスカートリッジＡが装着された画像形成装置１００には、プロセスカートリッジＡの上方に、画像情報に対応してレーザ光Ｌを照射するレーザスキャナ１１が配設され、下方には感光体１に対向するように転写手段１２が配設されている。

このような構成により、プロセスカートリッジＡ内にて感光体１が帯電手段７によって均一に帯電され、感光体１の表面に、レーザスキャナ１１から照射されるレーザ光Ｌによって走査露光がなされ、目的の画像情報の静電潜像が形成される。
静電潜像は、現像装置Ｂに設けられた現像ローラ２等の作用によって、現像容器としてのトナー容器４内に収容されていた現像剤としてのトナーＴが付着することでトナー像（現像剤像）として可視化される。尚、本実施例においては、現像剤として絶縁性磁性一成分トナーを用いた。また、現像ローラ２は、トナー容器４に収容された現像剤を担持するための現像剤担持体に相当する。

感光体１上のトナー像は、カセット２６から給送された記録材に、転写手段１２によって転写される。その記録材は、定着手段としての定着ローラ対１３ａ，１３ｂにより加熱・加圧されることで、未定着のトナー像が記録材上に定着された後、本体排出トレイ２５へ排出される。記録材上にトナー像が転写された後は、感光体１上に残留したトナーＴがクリーニング手段８によって廃トナー容器（クリーニング容器）９に回収される。

図３は、トナーＴを収容したプロセスカートリッジＡを示す概略断面図である。
プロセスカートリッジＡは、図３に示すように、感光体１と、帯電手段７と、現像装置Ｂと、クリーニング手段８と、廃トナー容器９とが一体的に構成されている。ここで、帯電手段７は、感光体１を均一に帯電するためのものである。現像装置Ｂは、感光体１に対向配置されている。廃トナー容器９は、クリーニング手段８により感光体１から除去（回収）された廃トナーを収容するためのものである。

現像装置Ｂは、現像剤担持体としての現像ローラ２と、トナー規制部材５と、トナーＴの収容部であるトナー容器４とを有する。ここで、現像ローラ２及びトナー規制部材５は、現像手段を構成している。トナー容器４の底面は１つの凹部（凹形状）になっている。そして、画像形成装置１００に設けられたモータ（駆動源）によって駆動されるトナー搬送部材３が、トナー容器４の底面の凹部に対向するように設けられており、このトナー搬送部材３が回転することで、トナーＴはほぐされ、現像ローラ２へ搬送（供給）される。

トナー搬送部材３には、攪拌翼部材３ａが設けられており、攪拌翼部材３ａの回転半径はトナー容器４の底面の凹部の半径よりも大きく、攪拌翼部材３ａの先端はトナー容器４の底面を擦るように構成されている。それによって、トナー容器４の底面にトナーＴを残すことなく、トナーＴの横搬送を行っている。

＜現像剤量検出システム＞
本実施例においては、電極（現像剤量検出部材）としてのプレートアンテナ１０を用いたトナー残量検出システムを採用している。図３を用いてその構成について説明する。
プレートアンテナ１０は導電部材である金属板で板金によって形成され、図３に示すように、トナー容器４の内側に、トナー容器４の凹部形状に沿うように現像ローラ２に対向して設けられている。本実施例では、プレートアンテナ１０は、金属板の表面が現像ローラ２の回転軸に略平行となり、長手方向（現像ローラ２の回転軸方向）全域にわたって配置されるように構成されている。また、プレートアンテナ１０は、トナー搬送部材３の作用（動作）領域の一部を、現像ローラ２との間で挟み込むように、トナー容器４に沿って配設されている。

図４は、本実施例における、プレートアンテナ１０を用いたプロセスカートリッジＡの現像剤量検出システムを示すブロック図である。
図４に示すように、現像剤量検出システムは、プレートアンテナ１０、記憶手段２０、現像剤量検出手段３１、演算制御手段３２、記憶手段３５、及び外部表示装置（表示手段）５１で構成されている。
ここで、プレートアンテナ１０及び記憶手段（記憶部）２０は、プロセスカートリッジＡに配設されている。現像剤量検出手段（現像剤量検出部）３１、演算制御手段（演算制御部）３２、及び記憶手段（記憶部）３５は、プロセスカートリッジＡ外部となる画像形成装置１００本体に配設されている。外部表示装置５１は、画像形成装置１００に電気的に接続されている。また、演算制御手段３２は、現像剤量導出手段及び制御手段を構成している。
本実施例では、外部表示装置５１を用いているが、表示手段としては、これに限るものではなく、画像形成装置１００本体に設けられた表示手段であってもよい。

以下に、現像剤量検出システムによる検出動作について説明する。
現像ローラ２に、バイアス発生手段４６から所定（予め設定された）のＡＣバイアス（交流電圧）が印加されることで、プレートアンテナ１０と現像ローラ２との間の静電容量に対応した電流がプレートアンテナ１０に誘起される（発生する）。この電流値が、現像剤量検出手段（変換手段）３１で電圧値に変換される。

この電圧値は、演算制御手段３２を介して一時的に画像形成装置１００本体の記憶手段３５で記憶され、データ数がトナー搬送部材３の攪拌１周期（１回転）分のデータ数になったときに演算制御手段３２により平均値が算出され、記憶手段２０に記憶される。
記憶手段２０には、電圧値（出力値）の基準値（画像形成装置１００の使用初期に求めた出力値（本実施例では後述する図５に示す出力値の最小値））が記憶されており、この基準値と、算出された電圧値の平均値との差を基に、トナー量が算出（導出）される。
ここで、トナー容器４内（現像容器内）のトナー量と、基準値に対する電圧値の平均値の差との関係は実験等により予め求められ、記憶手段３５に予め記憶されている（予め設定されている）。
プレートアンテナ１０を用いて検出されたトナー量は、トナー量表示信号として、外部表示装置５１に表示され、使用者に通知される。

＜現像バイアスの制御＞
画像形成装置においては、安定した画像を提供する為に、トナーの状態や環境変動などで、現像バイアス（交流電圧）のピーク間電圧Ｖｐｐや周波数ｆを変更する場合がある。これらの現像設定（現像バイアスの設定、現像条件）を変更した場合には、プレートアンテナ１０に流れる電流値Ｉ（ｔ）が変化する可能性がある。
そこで、本発明者は、プレートアンテナ１０に流れる電流値が変化しないような現像設定について検討した。

ここで、交流電圧Ｖ（ｔ）は、式１のようにフーリエ展開することができる。よって、プレートアンテナ１０に流れる電流値Ｉ（ｔ）は、交流電圧Ｖ（ｔ）を微分することで求めることができ、式２のようになる。この式によれば、電流値は周波数とピーク間電圧に比例していることが分かる。

・・・（式１）

・・・（式２）

図５は、横軸が耐久枚数、縦軸が演算制御手段３２で平均値を算出した出力値（電圧値（Ｖ））を表しており、ピーク間電圧のみを上げた場合と、周波数との積を一定（一定値）にするようにピーク間電圧を上げた場合との出力値の差を表している。
図５において太線は現像設定変更前の推移を表しており、トナー量が耐久枚数で変化することで現像担持体とプレートアンテナ１０間の静電容量も変わり、出力値が耐久枚数に伴い連続的に推移している。

図５において点線は、ピーク間電圧のみを１．７ｋＶから１．８ｋＶに上げたものである。この場合、８０００枚の現像設定の切り替え前後で出力値が大きく変化していることが分かる。
また、図５において実線（細線）は、ピーク間電圧を１．７ｋＶから１．８ｋＶに上げると共に、ピーク間電圧と周波数の積を一定にする為に、周波数を２．７ｋＨｚから２．５５ｋＨｚに下げたものである。この場合には、現像設定の切り替え前後で出力値はほぼ変化しないことがわかる。

以上から、現像設定でプレートアンテナ１０に流れる電流値が変化しないようにする為には、ピーク間電圧と周波数の積を一定にすればよいことがわかる。

ここで、現像設定で変化する画像弊害としては、画像かぶりやトナーの劣化に伴う濃度低下などが挙げられる。一般に、現像特性は現像バイアスのＡＣ（交流）成分によって変化し、ＡＣ成分の周波数を大きくすると、トナーの引き戻し回数が増えるので、よりかぶりのない画像が得られる。また、振幅を大きくすると明部での電位差が増加するので、現像能力が増加し、全体的に濃度の高い画像が得られる。

すなわち、画像かぶりは、現像周波数を増加させるか、ピーク間電圧を低下させることで良化する。逆に、トナーの劣化に伴う濃度低下は、現像性を上げることで良化するため、ピーク間電圧を増加させるか、現像周波数を低下させる必要がある。
よって、ピーク間電圧と周波数の積を一定に保った状態で、それぞれの画像弊害を良化させることが可能である。

以下に、本実施例において演算制御手段３２により実行される現像交流電圧制御について図１に示すフローチャートを用いて説明を行う。図１は、本実施例における現像交流電圧制御のフローチャートを示す図である。

画像形成装置１００本体の画像形成動作開始後（Ｓ１）、通紙枚数が８０００枚以上の場合（Ｓ２でＹＥＳ）、トナー劣化による濃度対策で、ピーク間電圧と周波数の積が一定となるように、ピーク間電圧を上げ、周波数を下げる（Ｓ４）。本実施例では、ピーク間電圧を１．７ｋＶから１．８ｋＶに上げ、周波数を２．７ｋＨｚから２．５５ｋＨｚに下げるように設定されている。図５を用いて説明したように、ピーク間電圧と周波数の積を
一定にすることで、現像剤量検出手段３１の出力値はほぼ変化しない。
その後、現像交流電圧印加時に、攪拌１周期における、プレートアンテナ１０に流れる電流の電流値を変換した電圧値の出力平均値を算出し（Ｓ６）、その出力平均値と基準値との差からトナー残量を算出する（Ｓ７）。

ここで、低温・低湿度環境では、トナーの帯電性が変化することで画像かぶりが悪化することが懸念される。この為、通紙枚数が８０００枚未満の場合（Ｓ２でＮＯ）であっても、雰囲気の絶対水分量が５ｇ／ｍ^３以下の場合（Ｓ３でＹＥＳ）、ピーク間電圧と周波数の積が一定となるように周波数を上げ、ピーク間電圧を下げることとしている（Ｓ５）。本実施例では、周波数を２．７ｋＨｚから２．９ｋＨに上げ、ピーク間電圧を１．７ｋＶから１．５８ｋＶに下げるように設定されている。このことで、現像剤量検出手段３１の出力値はほぼ変化しない。Ｓ３でＮＯの場合、また、Ｓ５の後は、Ｓ６に進む。
ここで、本実施例では、トナーの劣化の判断を、予め設定された条件として通紙枚数が８０００枚以上としたが、これに限るものではない。また、本実施例では、トナーの劣化を通紙枚数で判断したが、これに限らず、感光体１の寿命やトナー残量で判断しても良い。

以上説明したように、画像安定化の為に画像形成時の現像バイアスの設定を変更する場合、現像バイアスのピーク間電圧と周波数の積を一定にすることで、ピーク間電圧や周波数が変更された場合でもプレートアンテナ１０に流れる電流値は変化しない。
従って、安定した画像を得るために現像バイアスの設定が変更された場合でも、画像形成時に、より安定してトナー量の検出を行うことができる。これにより、トナー残量検出の精度をより向上させることができる。

１…感光体、２…現像ローラ、４…トナー容器、１０…プレートアンテナ、３２…演算制御手段、Ｔ…トナー

Claims (7)

1. 静電潜像を担持する像担持体と、
   前記静電潜像を現像すべく現像剤を担持する現像剤担持体を有する現像装置であって、現像剤を収容する現像容器と、前記現像容器内に設けられる電極と、を有する現像装置と、
   交流電圧を前記現像剤担持体に印加する電圧印加手段と、
   画像形成の際に前記電圧印加手段が前記交流電圧を前記現像剤担持体に印加したときに、前記現像剤担持体と前記電極との間の静電容量に関する情報を検出する検出手段と、を有し、
   前記電圧印加手段は、第１ピーク間電圧と第１周波数とを有する第１交流電圧と、前記第１ピーク間電圧よりも高い電圧である第２ピーク間電圧と前記第１周波数よりも低い周波数である第２周波数とを有する第２交流電圧とを前記交流電圧として印加できることを特徴とする画像形成装置。
2. 前記第１ピーク間電圧と前記第１周波数との積と、前記第２ピーク間電圧と前記第２周波数との積とを調整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. 静電潜像を担持する像担持体と、
   前記静電潜像を現像すべく現像剤を担持する現像剤担持体を有する現像装置であって、現像剤を収容する現像容器と、前記現像容器内に設けられる電極と、を有する現像装置と、
   交流電圧を前記現像剤担持体に印加する電圧印加手段と、
   画像形成の際に前記電圧印加手段が前記交流電圧を前記現像剤担持体に印加したときに、前記現像剤担持体と前記電極との間の静電容量に関する情報を検出する検出手段と、を有し、
   前記電圧印加手段は、第１ピーク間電圧と第１周波数とを有する第１交流電圧と、前記第１ピーク間電圧よりも高い電圧である第２ピーク間電圧と前記第１周波数よりも低い周波数である第２周波数とを有する第２交流電圧とを前記交流電圧として印加でき、
   前記第１交流電圧は供給された記録材の枚数が所定枚数未満である場合に前記情報を検出するために用いられ、前記第２交流電圧は前記記録材の枚数が所定枚数以上である場合
   に前記情報を検出するために用いられることを特徴とする画像形成装置。
4. 静電潜像を担持する像担持体と、
   前記静電潜像を現像すべく現像剤を担持する現像剤担持体を有する現像装置であって、現像剤を収容する現像容器と、前記現像容器内に設けられる電極と、を有する現像装置と、
   交流電圧を前記現像剤担持体に印加する電圧印加手段と、
   画像形成の際に前記電圧印加手段が前記交流電圧を前記現像剤担持体に印加したときに、前記現像剤担持体と前記電極との間の静電容量に関する情報を検出する検出手段と、を有し、
   前記電圧印加手段は、第１ピーク間電圧と第１周波数とを有する第１交流電圧と、前記第１ピーク間電圧よりも高い電圧である第２ピーク間電圧と前記第１周波数よりも低い周波数である第２周波数とを有する第２交流電圧とを前記交流電圧として印加でき、
   前記第１交流電圧は絶対水分量が所定の量以下である場合に前記情報を検出するために用いられ、前記第２交流電圧は前記絶対水分量が所定の量よりも多い場合に前記情報を検出するために用いられることを特徴とする画像形成装置。
5. 前記第１交流電圧における前記第１ピーク間電圧と前記第１周波数との積は、前記第２交流電圧における前記第２ピーク間電圧と前記第２周波数との積と等しいことを特徴とする請求項１から４のいずれか1項に記載の画像形成装置。
6. 前記電圧印加手段は、画像が形成された記録材の累積枚数が第１の枚数のときに前記第１交流電圧を印加し、画像が形成された記録材の累積枚数が前記第１の枚数よりも多い第２の枚数のときに前記第２交流電圧を印加することを特徴とする請求項1から４のいずれ
   か1項に記載の画像形成装置。
7. 前記電圧印加手段は、前記現像剤が第１の状態のときに前記第１交流電圧を印加し、前記現像剤が前記第１の状態よりも劣化した状態である第２の状態のときに前記第２交流電圧を印加することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の画像形成装置。

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