JP6541370B2 - 画像形成装置およびこれに用いられるプロセスカートリッジ - Google Patents

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Description

本発明は、電子写真方式や静電記録方式を用いる画像形成装置に関し、例えば、複写機、プリンター、ファクシミリ装置などの画像形成装置およびこれに用いられるプロセスカートリッジに関する。
従来の複写機、プリンターなどの画像形成装置においては、トナーを用いた電子写真記録方式や静電記録方式等が多く用いられている。
そして、電子写真装置などの画像形成装置に装填された廃トナー回収容器の交換時期を判定する上では、廃トナー容器の廃トナーフル状態を検出(以下、廃トナー満タン検知と称する)することが必要である。このために、一般的には、廃トナー満タンを検知するセンサを用いられるものが知られている。
特許文献1には、廃トナー回収容器内の廃トナー満タン検知を行うセンサが設けられ、このセンサによる検出後、画像データのピクセルカウント値が所定値に達した時点で印字が禁止されるものが開示されている。
また、近年の小型化、低コスト化に伴って、レス化技術や共通化技術を積極的に採用している。一環として、高圧共通化やセンサレスなどが行われており、その中で、廃トナー満タン検知センサを設けず、画像データのピクセルカウント値から廃トナー量を算出するものが知られている。特許文献2には、廃トナーの蓄積量を、消費トナー量と転写効率、環境情報により補正し、廃トナー満タン検知センサを用いずにピクセルカウントを計算するものが開示されている。
特開平8−115014号公報 特開2003−316224号公報
しかし、上記従来技術では、動作環境温湿度やカートリッジ寿命によって、感光ドラムの表面電位がばらつくことで、感光ドラムに対するトナーの現像性が変化するため、特に、かぶりトナー(非画像部のトナー)のコントロールが困難であった。かぶりトナーには、感光ドラムから記録媒体に転写されるトナー(転写バイアスと逆極性)と、転写されないトナー(転写バイアスと同極性)が存在する。これまで、上記のようなかぶりトナーの量が正確に算出されないために、廃トナー満タン検知前に廃トナー容器から廃トナーが溢れたり、廃トナー満タンより少ない量で満タン検知を行ってしまう可能性があった。
その上、小型化や低コスト化に伴って、高圧(高電圧)が各ステーションに共通であるといった場合には、ステーション毎の電位調整を高圧のみで行うことができず、かぶりトナーのコントロールが更に困難を極めていた。
本発明の目的は、かぶりトナーを含め廃トナー量を正しく取得できる画像形成装置およびこれに用いられるプロセスカートリッジを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る画像形成装置は、像担持体と、前記像担持体の表面を帯電する帯電手段と、前記帯電手段によって帯電された前記像担持体の表面の画像部を外部から入力された画像データに基づくビデオ信号に応じて露光し、前記画像部に静電潜像を形成する露光手段と、前記静電潜像をトナーにより現像する現像剤担持体と、前記像担持体に形成されたトナー像を被転写体に転写する転写手段と、画像形成に伴い発生する廃トナーを回収する回収手段と、前記廃トナーの量を取得する取得部と、を有し、前記像担持体の帯電電位と前記現像剤担持体の現像電位との電位差を、前記像担持体の非画像部に付着するかぶりトナーが前記転写手段によって転写されることを抑制する電位差とし、前記取得部は、前記像担持体の画像部については前記像担持体に現像されたトナーのうち前記転写手段によって転写されないトナー量を前記露光手段による発光数のカウントに基づき廃トナー量として取得し、かつ、前記露光手段により発光されなかった非画像部については前記かぶりトナーのトナー量を前記廃トナーの量として取得し、前記かぶりトナーのトナー量は、前記非画像部の大きさに応じたものであり、前記非画像部の大きさは、前記露光手段による発光数が増えるほど小さくなることを特徴とする。
本発明によれば、かぶりトナーを含め廃トナー量を正しく取得できる。
本発明の第1の実施形態に係る画像形成装置の構成を示す概略断面図である。 第1の実施形態に係る画像形成装置の動作、構成を示すブロック図である。 第1の実施形態に係る画像形成装置におけるプロセスカートリッジの概略断面図である。 (a)、(b)は第1の実施形態に係る廃トナー量を取得するための1次転写効率係数、1次再転写効率係数を示す図である。 第1の実施形態における廃トナー量を取得するためのフローチャートである。 (a)、(b)は第1の実施形態に係る廃トナー量を取得するためのかぶり補正率、かぶり補正環境係数を示す図である。 (a)、(b)は使用初期、使用中における第1の実施形態に係る感光ドラム表面電位Vdと現像バイアスVdcとそれらの電位差Vbackを表した図である。 第1の実施形態におけるカートリッジの使用初期と使用末期のかぶりトナーのかぶり量に関するVback依存性を示した図である。 第1の実施形態におけるカートリッジの使用環境ごとのかぶりトナーのかぶり量に関するVback依存性を示した図である。 第1の実施形態においてVbackが小さい(狭い)場合のトナーの動きを表した図である。 第1の実施形態においてVbackが大きい(広い)場合のトナーの動きを表した図である。 第1の実施形態におけるVbackとかぶりトナー転写効率の関係を示した図である。 帯電高圧の構成を含む本発明の第2の実施形態に係る画像形成装置を示す概略図である。 (a)、(b)は使用初期、使用中における第2の実施形態に係る感光ドラム表面電位Vdと現像バイアスVdcとそれらの電位差Vbackを表した図である。 (a)、(b)は使用初期、使用中における本発明の第3の実施形態に係る感光ドラム表面電位Vdと現像バイアスVdcとそれらの電位差Vbackを表した図である。 本発明の第4の実施形態に係る画像形成装置の構成を示す概略断面図である。
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
《第1の実施形態》
(画像形成装置)
図1を用い、本発明の第1の実施形態に係る画像形成装置の構成及び動作を説明する。本実施形態の画像形成装置は、それぞれイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の各色のトナー像を形成するための第1、第2、第3、第4ステーション(画像形成ステーション、画像形成部)a、b、c、dを有する。
各ステーションの構成及び動作は、用いるトナーの色が異なることを除いて実質的に同じであるため、以下の説明では、第1ステーションaについて説明することとする。なお、以下の説明において特に区別を要しない場合は、いずれかの色用に設けられた要素であることを表すために符号に与えた添字a、b、c、dを省略して、総括的に説明する場合もある。
(プロセスカートリッジ)
本実施形態では、各ステーションの構成として、図3に示すように画像形成装置の装置本体に対して取り外し可能に装着されるプロセスカートリッジを備えている。ここで、プロセスカートリッジとは、電子写真方式の感光体ドラムなどの像担持体を少なくとも備える、更には像担持体と、像担持体に作用するプロセス手段とを一体的に備えるカートリッジである。
(画像形成装置の動作)
本実施形態の画像形成装置の第1ステーションaには、像担持体としてドラム状の電子写真感光体(以下、感光ドラム)1aが設けられ、この感光ドラム1aは図1に示す矢印方向に所定の周速度(プロセススピード)で回転駆動される。ここで、第1ステーションaは、最上流の画像形成部に相当する。
感光ドラム1aはこの回転過程で、帯電手段としての帯電ローラ2aにより所定の極性・電位に一様に帯電処理され、次いで露光手段3aにより像露光を受ける。これにより、目的のカラー画像のイエロー色成分像に対応した静電潜像(静電像)が感光ドラム1aの表面に形成される。次いで、その静電潜像は現像位置において第1現像器4aによりトナーを用いて現像され、トナー像(イエロートナー像)として可視化される。
被転写体としての中間転写体10は、感光ドラム1aと中間転写体10との当接部において感光ドラム1aの回転方向と同方向に移動する向きに、感光ドラム1aと略同一の周速度で回転駆動される。第1〜第4ステーションa〜dは、中間転写体10の回転方向に沿って並設されている。
感光ドラム1a上に形成されたイエロートナー像は、1次転写部を通過する過程で、1次転写高圧電源15より1次転写ローラ14aに印加された1次転写電圧によって、中間転写体10上に転写される(1次転写)。感光ドラム1a表面に残留したトナーは、クリーニング装置5aにより清掃、除去(回収)される。
以下、同様にして、第2色のマゼンタトナー像、第3色のシアントナー像、第4色のブラックトナー像が形成され、各1次転写部で順次、中間転写体10上に1次転写されて、目的のカラー画像に対応した合成カラー画像が得られる。
その後、中間転写体10上の4色のトナー像は、2次転写部を通過する過程で、2次転写高圧電源21により2次転写ローラ20に印加された2次転写電圧によって、記録材供給装置8により給送された記録材Pの表面に一括転写される(2次転写)。
その後、4色のトナー像が担持された記録材Pは定着装置7に導入され、そこで加熱及び加圧されることにより4色のトナーが溶融混色して記録材Pに固定される。以上の画像形成動作により、フルカラーのプリント画像が形成される。
2次転写後に中間転写体10表面に残留した2次転写残トナーは、中間転写体10上の転写クリーニング装置16にて回収を行う。尚、転写クリーニング装置16は、トナーの1次転写同時回収を行うために、導電性ローラや導電性ブラシを用いても良い。
(潜像・現像・1次転写動作の説明)
以下、潜像から1次転写までに行われる動作について、詳しく説明する。先ず、感光ドラム1表面を均一に帯電するため、画像形成装置内部に設けられた高圧電源により、帯電手段たる帯電ローラ2に所定の直流電圧を印加する。この時、感光ドラム1は帯電ローラ2によって約−1100V電圧を印加される。
続いて、感光ドラム1表面に静電潜像を形成するため、不図示の情報処理機器より送られてきた画像情報により変調された発光素子としてのLEDやレーザーを光学手段3よって感光ドラム1上に照射する。光学手段3は、LED光、レーザー光のいずれも使用することが出来る。
次に、静電潜像を可視像化するため、画像形成装置内部に設けられた高圧電源により、現像装置4に所定の直流電圧を印加する。これにより、現像装置4に内包された負帯電性の非磁性一成分現像剤T(以下、「トナー」と称す)を感光ドラム1表面に現像し、可視像(以下、「トナー像」と称す)を形成する。
この時、現像高圧30から現像剤担持体としての現像ローラ6に現像バイアス(Vdc)が印加されている。このような電位設定にすることで、帯電された感光ドラム1の表面電位(Vd)である未露光部に負極性のトナーは付着せず、静電気力によって露光部(Vl)へ付着することになる。Vlは約−150Vに設定している。Vdc、Vdに関しては後に詳述する。
次に、感光ドラム1表面のトナー像を中間転写体10に転写するため、高圧電源により転写手段たる転写材14に対し所定の電圧印加を行うことによって、感光ドラム1表面のトナー像を中間転写体10へ転写する。このとき、トナー像の大部分は中間転写体10へ転写されるが、一部は中間転写体10に転写しきれずに感光ドラム1上に残存する。
残存したトナーは廃トナーとして、感光ドラム1に当接した像担持体クリーニング手段たるクリーニングブレード9によって掻き落とされ(回収され)、クリーニング装置5内に蓄積し、これによって感光ドラム1表面はリフレッシュされる。以降は、同様のプロセスが繰り返されることによって画像形成が継続される。
(制御部)
図2は、本実施形態の画像形成装置の動作、構成を説明する為の制御部(画像形成システム)のブロック図である。ホストコンピュータ200は印刷指令を出し、印刷画像の画像データを画像形成装置内に設置されたインターフェースボード151に転送する役割を担う。インターフェースボード151は、ホストコンピュータ200からの画像データを露光データに変換し、制御手段としてのDCコントローラ150に印刷指令を出す。DCコントローラ150は、低圧電源152から電力供給されて動作し、印刷指令を受け取ると、各種センサ153の状態を監視しながら画像形成シーケンスをスタートさせる。
DCコントローラ150には、CPU、メモリ等が搭載されており、予めプログラムされた動作を行う。具体的には、メインモータ、現像装置4、感光ドラム1の駆動装置などの各種駆動装置154の動作を制御する。同時に、露光光量が安定するよう露光手段3の制御を行う。また、定着装置7に接続された電力制御装置155を制御して定着装置7の温度が所定の温度を維持するよう、電力制御を行う。
高圧電源160には、画像形成を司る各種の機能部品が接続される。例えば、各ステーションに設けられた帯電ローラ2a〜2dは、高圧電源160から、高圧電圧の給電を受けて、各ステーションの感光ドラム1a〜1dと当接して、感光ドラム1a〜1dの表面を均一な電位に帯電する役割を担う。この帯電電位の制御は、高圧電源160内で生成する高圧電圧を、DCコントローラ150が制御することにより行われる。
同様に、各ステーションに設けられた現像ローラ6a〜6d及び1次転写ローラ14a〜14d、2次転写ローラ20にも高圧電圧が高圧電源160から給電される。このときの印加電圧、印加電流は、DCコントローラ150で制御される。
(メモリ機構とピクセルカウント)
図3のように、プロセスカートリッジには、記憶手段としてのメモリ23を設けている。メモリ23としては、例えば、接触不揮発性メモリ、非接触不揮発性メモリ、電源を有する揮発性メモリなど、任意の形態を用いることができる。本実施形態では、メモリとして非接触不揮発性メモリ23がプロセスカートリッジに搭載されている。非接触不揮発性メモリ23は、メモリ側の情報伝達手段であるアンテナ(不図示)を有し、無線で画像形成装置本体が備えたCPU22と通信することで、情報の読み出し及び書き込みが可能である。
即ち、本実施形態では、CPU22は、制御部、演算部、記憶部(ROM)、時計などを備え、更に、装置本体側の情報伝達手段を介して、メモリ23への情報の読み書き機能を備えている。また、CPU22は、後述する廃トナー量を取得する取得部、ピクセルカウント(画像信号のカウント)を行うカウント手段としても機能する。
メモリ23には、少なくとも現像剤残量検知による現像剤消費量と、画像形成(印刷)枚数、及び、または画像形成の画像のドットを形成する個々の画像信号の積算カウント数(ピクセルカウント積算数)が記憶される。そして、記憶された画像枚数やピクセルカウント積算数から、消費(現像、使用)されたトナー量(現像剤量)を見積もることが可能となる。
ここで、ピクセルカウントとは、形成される画像の画像ドット(以下、ドット)を形成する個々の画像信号をカウントすることである。本実施形態に係る画像形成装置は、一例として600dpi(ドット/インチ)のレーザビームプリンタである。また、レターサイズ用紙(216mm×279mm)の画像形成可能領域は204mm×269mmで、ドットに換算すると4878ドット×6420ドットとなる。
本実施形態においては、ホストコンピュータ200(図2)からプリント出力する画像データが電気信号として、CPU22(図3)に送られてくる。画像データは、例えば画像形成装置本体に備えた画像読取手段等から送られるものであっても良い。
CPU22で、この画像データを1走査ラインごとのビデオ信号に変換し、ビデオ信号に応じてレーザー駆動信号を作成する。そして、レーザーユニット(不図示)の発光/消灯を制御して感光ドラム1を照射する。ビデオ信号がレーザー発光させる信号となってレーザーユニットへ送られる際には、水平同期信号(BD信号)が走査ラインの先頭にくる。BD信号から一定時間後にビデオ信号がくるので、ビデオ信号の開始位置はBD信号を検知することにより確認することができる。
各領域内のドットの計数(カウント)は、一定時間ごとにゼロから計数を開始するが、計数結果は不図示のドット数記憶メモリに送られて、計数した領域ごとに記憶される。このようにして、各領域でのレーザー走査方向のドット数を計数できる。また、BD信号を計数することで、走査ライン数を知ることができる。このようにして、領域ごとのドット数が計数されてドット数記憶メモリに記憶される。
(画像部に関する廃トナー量の取得(算出))
続いて、画像部に関する廃トナー量の取得(算出)方法に関して説明する。本実施形態の廃トナー量の算出には、露光手段3の発光するピクセル数をカウントすることの出来るピクセル計数手段(ピクセルカウンター)を用いる。
先ず、実際に画像形成に使用したトナー量(現像されたトナー量)を予測値として算出(取得)する。ある画像を現像するために要するトナー量は、露光手段3が発光するピクセル数から、1ピクセルカウントあたりのトナー使用量をCPU22に記憶しておく。そして、記憶されたその値とピクセルカウンターでカウントされた発光ピクセル数との積算値から、トナー使用量を推定(取得)する。
しかし、実際に使用したとして算出されたトナー使用量に対して、100%全てが記録媒体に転写・定着されるわけではなく、定着されるまでの過程で、トナーの損失が起きる。そのため、廃トナー量は、実際に使用(現像)されたトナー量にある割合を乗じた値となる。そのトナーの損失や、画像形成に使用されないケースでの発光ピクセル数分のトナー使用量を、様々な状況を想定して計算し、各ステーションの廃トナー容器に廃トナーが収容されるように順次積算している。
トナーの損失には1次転写残や1次再転写、ジャム発生時のトナー回収、ミスプリント発生時のトナー回収、かぶりがある。画像形成に使用されないケースでの発光ピクセル数分のトナー使用は、キャリブレーション、トナーパージが挙げられる。
1次転写残や1次再転写の影響を受けるトナーの算出は、転写効率の係数を予めCPU22に持たせることにより、行うことができる。実際のピクセルカウントに対応するトナー使用量に、感光ドラム1の使用環境や使用履歴など様々な条件で規定される転写効率の係数を掛ける。これによって、中間転写体10に転写される分と感光ドラム1上に残る分として、トナー使用量を分けて考えることが可能となる。
図4(a)に1次転写効率の係数、(b)に1次再転写効率の係数を示した。1次転写効率は自色のトナーが1次転写される割合を示した値であり、1次再転写効率は中間転写体10上に転写された各色のトナーが、中間転写体10の回転方向に対して、自ステーションより下流に存在する感光ドラム1上に再度転写する割合を示した値となる。
一例として、第1ステーションのYで画像形成を行う場合を説明する。図4(a)(b)から、Yの1次転写効率が97.5%、1次再転写効率が5%となる。ここで、第1ステーションの感光ドラム1上に現像されたトナー量(画像部に対応)をXとすると、各ステーションの廃トナーの回収量(廃トナー量)は、画像部に関して以下のようになる。
先ず、第1ステーションでは、1次転写されないトナー(Xの2.5%)がクリーニング装置5に廃トナーとして回収されるので、(2.5/100)Xと表される。第2ステーションでは、第1ステーションで中間転写体10上に1次転写されたトナー(Xの97.5%)が、第2ステーションの感光ドラム1によって、5%再転写されるので、(97.5/100)X×(5/100)となる。
第3ステーションでは、第2ステーションを通過したトナーに対して再転写効率を考慮するので、(97.5/100)X×(95/100)×(5/100)となる。また、第4ステーションでは、同様に(97.5/100)X×(95/100)×(95/100)×(5/100)となる。
ジャム発生時、ミスプリント発生時、キャリブレーション、トナーパージに関しては、画像として外部出力されないので、実際にドットをカウントしたピクセルカウントに応じて、廃トナー量として加算すれば良い。
(画像部に関する廃トナー量算出のフローチャート)
図5は、画像部に関する廃トナー量の算出(取得)処理についてのフローチャートである。先ず、S1で本体動作開始を行った後、S2でDCコントローラ150から印字開始動作を開始する。S3において、BD信号で画像形成出力タイミングを判断するためのTOP出力信号を出す。S4にてピクセルカウント計測手段を用いて、DCコントローラ150から入力されるビデオ信号を計測する。
その後、S5で画像終了の情報を受け、ピクセルカウント手段が計測したカウント値から演算手段により廃トナー量を算出し、画像イメージ1枚毎に集計され、CPU22を介してメモリ23に記憶される。プロセスカートリッジに搭載されたメモリ23には、蓄積された廃トナー量の積算値と、予め定められた閾値が格納されている。閾値は、廃トナーがクリーニング装置5から溢れないような廃トナー量に設定されている。
これまでの積算値に、今回の画像形成で計算された廃トナー量を加算した積算値を、S6にて算出する。画像部に関しクリーニング装置5に回収される廃トナー量の計算は、具体的には1次転写部での転写効率と再転写効率を用いて行われる。非画像部に関しては、後に詳述する。
図5のS7において、閾値と積算値を比較して、積算値が閾値を越えていると判断したとき(S7−YES)、S8で画像形成装置に備えられた不図示の表示部に、廃トナー満タンであることを報知する。報知後もしくは閾値を越えていない場合、S9で動作を終了する。そして、この一連の動作を順次Y、M、C、Kで行う。
(非画像部におけるかぶりトナーに関する廃トナー量算出)
廃トナー量の取得に関しては、上述した画像部に関する廃トナー量だけでなく、非画像部におけるかぶりトナーに関する廃トナー量を加算する必要がある。そこで、非画像部におけるかぶりトナーに関する廃トナー量の算出(取得)について説明する。かぶりトナーとは、実際にはドットを打っていないが、感光ドラム1と現像バイアスの電位差とトナーの極性によって、意図せず現像ローラ6から感光ドラム1上に転写するトナーを指す。したがって、かぶりトナーはトナー消費および廃トナー量が変化しているにもかかわらず、そのままではピクセルカウントが積算されない。
即ち、ピクセルカウントを介した画像部に関する廃トナー量の算出を行ったとしても充分ではなく、正しい廃トナー量の算出のためには、更に非画像部に関する廃トナー量の算出を行いこれを加算する(かぶりトナーによるズレを補正する)必要がある。以下、これについて具体的に説明する。
先ず、非画像部のピクセル数としての白部ピクセルカウント数を算出する。ここで、白部のピクセルカウントとは、1枚当たりの総ピクセルカウントに対して、実際に画像形成が行われた際にカウントされたピクセルカウント検出数を除いたものとなる。具体的には、以下の数式1のように算出される。
(数式1)
白部ピクセルカウント数=1枚当たりの総ピクセルカウント数−ピクセルカウント検出数
続いて、感光ドラム1上の非画像部のトナー(かぶりトナー)のトナー量(かぶりトナー量)を以下の数式2のように算出する。
(数式2)
かぶりトナー量=白部ピクセルカウント数×(かぶり補正率(%)/100)×(かぶり環境係数(%)/100)
数式2のかぶり補正率とは、色ごとに異なるかぶり特性を補正したものであり、予め登録された図6(a)に示したかぶり補正率のテーブルに色が当てはめられることで求められる。また、かぶり環境係数は、環境ごとに異なるかぶり特性を補正したものであり、予め登録された図6(b)に示したかぶり環境係数のテーブルに、色と環境が当てはめられることで求められる。
本実施形態のかぶり環境係数はL/L(15℃/10%)、N/N(23℃/50%)、H/H(30℃/80%)の値が設定されており、環境間は水分量で線形補間する。なお、それぞれの値は非接触不揮発性のメモリ23(図3)に記憶されている。
(廃トナー満タン検知)
以下、本実施形態の特徴である廃トナー満タン検知における非画像部のかぶりトナーに関する廃トナーの考慮(かぶり補正)について説明する。本実施形態では、感光ドラム1の表面電位Vdと現像バイアス(現像電位)Vdcの電位差ΔV(=Vbackと称する)を所定値とし、これを一定に制御することにより、かぶりトナーの回収をコントロールしている。即ち、感光ドラム1の非画像部に付着するかぶりトナーの転写手段による転写が抑制される電位差を用い、これを一定に制御する。
そして、非画像部については、かぶりトナーのうち転写手段で転写されないトナー量(本実施形態ではかぶりトナー量と一致)を廃トナーの量とする。一方、画像部については感光ドラム1に現像されたトナーのうち転写手段で転写されないトナー量を廃トナーの量とする。以下、廃トナー満タン検知について具体的に説明する。
通常、感光ドラム1の表面電位Vdは、使用状況や転写バイアスの影響から、逐次変化してしまうため、帯電バイアスおよび現像バイアスを適宜変更する。各バイアスの値は環境(温度/湿度)毎に持っており、CPU22に格納されている。具体的には、L/L(15℃/10%)、N/N(23℃/50%)、H/H(30℃/80%)の値が設定されており、環境間は水分量で線形補完する。環境情報と使用状況を非接触不揮発性メモリ23から読み出し、変更を行う。
本実施形態における使用初期の電位関係を、図7(a)に示す。図のように、実際に使用した電位は使用初期でVd=−510V、Vdc=−380V、Vback=130Vとした。ユーザーが使用していくと、感光ドラム1の膜厚が削れて薄くなることで放電開始電圧が変わり、同じ帯電バイアスを選択した場合、感光ドラム1の膜厚が薄い方が感光ドラム1の表面電位Vdが絶対値で大きくなる。そのため、それに応じて現像バイアスを絶対値で大きくし、Vbackを上記の値(130V)で一定としている。
帯電バイアス、現像バイアスは感光ドラム1の膜厚に応じてテーブルを持っており、値を非接触不揮発性メモリ23から読み出し、適宜変更を行う。プロセスカートリッジの使用により感光ドラム1の膜厚が変わった時の電位の関係を図7(b)に示す。図7(a)、(b)の比較から、Vbackが常に一定になることが分かる。
本実施形態中に使用した非画像部におけるトナーのかぶり量を、Vbackを変化させながら確認した(図8、図9)。カートリッジ使用初期と末期の比較を図8に、環境ごとに比較した結果を図9に示す。これらの図から、どのような状況でもかぶりトナーは、Vback=100V近傍でボトム、すなわち最もかぶりトナーが発生しなくなることが分かる。逆に、Vback=100Vに対して小さくても大きくてもかぶりトナーの量は多くなる傾向がある。従来は、かぶりトナー量はトナー消費の観点からなるべく少なくしたいので、Vbackをボトム(100V)に設定している。
続いて、非画像部におけるかぶりトナーの極性のVback依存性に関して説明する。Vbackが100Vより小さい場合、図8、9に示したように、かぶりトナーは増加傾向を示す。ここで、図10に示すように、Vbackが小さい時には、感光ドラム1の表面電位Vd上に弱ネガに帯電した、現像ローラ6と付着力が弱いトナーが移動する割合が増えて、かぶりトナーとなる。図10では、Vback=50Vとした時のトナー移動の状態を示す。
Vback=100Vより小さいとき、感光ドラム1上にかぶりトナーが存在した場合、現像されたトナーを転写するために正バイアスが印加されている転写手段を用いた1次転写によって、かぶりトナーは中間転写体10にほとんど転写される。このとき、廃トナーとしてクリーニング装置5での回収が行われないため、積算する必要が無くなる。しかし、このようにかぶりトナーをほとんど転写させる場合は、記録媒体上にかぶりトナーが転写された状態となり、ユーザーに不利益な画像を出力することとなる。つまり、廃トナー満タン検知の算出精度は向上するが、画像に影響がでてしまう。
一方、Vbackが100Vより大きい、本実施形態のような構成では、前述のような弱ネガに帯電したトナーが感光ドラム1上に現像されることは無い。しかし、現像ローラ6表面上に担持されているトナーの中で反転している(正極性を帯びている)トナーが、選択的に感光ドラム1上に現像されることとなる。以上の現象を説明した図として、図11に一例として、Vback=200Vとした時のトナー移動の状態を示す。
この正極性を帯びたかぶりトナーは、1次転写バイアスの極性と同極性を持っているため、1次転写を受けても、ほとんど感光ドラム1表面上に担持したまま、クリーニング装置5に回収される。そのため、中間転写体10上にトナーはほとんど転写されない。
ここで、Vbackに対する非画像部におけるかぶりトナーの1次転写割合(かぶり転写効率)を図12に示す。概略的にはVback=100Vを境界として、かぶりトナーが1次転写する場合としない場合で分かれていることが分かる。Vback=100V近傍では、転写するトナーの割合が不明確なのに対して、Vback=100Vより大きい以下に示す範囲では、ほとんど(ほぼ100%)1次転写しないことが確認されている。
すなわち、Vbackとして120V以上であれば転写効率が5%以下と考えられる(更には、Vbackとして130V以上であれば転写効率が3%以下と考えられる)。かぶり転写効率が近似的に0%であると考える場合、かぶり量(図8、図9)に関係なく、上記Vbackとすれば良い。
そして、かぶり転写効率が近似的にも0%ではないと考える場合、かぶり転写効率(図12)と、かぶり量(図8、図9)の積が小さいという条件に鑑み、Vbackとして120V以上250V以下(更には130V以上200V以下)とすれば良い。更には、130V以上150V以下とすれば良い。
以上の結果から、Vbackとして上述した100Vより大きい領域を採用すれば、画像弊害が無い(かぶりトナーの転写がほとんど無い)上に、かぶりトナーの量をそのまま廃トナーの量(廃トナー量)として計算を行うことが出来る。このため、廃トナー満タン検知精度の向上に寄与する。
これに対し、従来のように、Vback=100Vで廃トナー検知を行うと、かぶりトナーの廃トナー計算に際して、Vdに対してのトナーの極性が定まらないため、転写効率を正確に見積もることが出来ず、最適な廃トナー満タン検知を行うことが出来ない。
ここで、かぶりトナーが発生する割合は、図9に示したように環境によって異なる。したがって、かぶりトナー量としてクリーニング装置5に回収される廃トナー量も、環境によって異なる。このため、図6(a)のかぶり補正率と、図6(b)のかぶり環境補正係数(不図示の環境センサにより温度、水分量(g/cm^3)が得られる前提)を取得する。
上述したように、非画像部に関して白部ピクセルカウント数とかぶり補正率とかぶり環境補正係数からかぶりトナー量が求められる(数式2)が、かぶりトナーの転写が存在する場合には、かぶりトナーに関する廃トナーの予測量の取得に以下の考慮が必要となる。即ち、廃トナーの予測量を取得するのに、更に1次転写効率、1次再転写効率が考慮される必要がある。以下に、1次再転写を考慮しない第1ステーションと、第1ステーションから中間転写体10に転写されたトナーの1次再転写を考慮する第2ステーションにおける廃トナーの予測量の取得についての式を示す。
(数式3:第1ステーション)
廃トナーの予測量(K1)=白部ピクセルカウント数×(かぶり補正率(%)/100)×(かぶり環境係数(%)/100)×((100−1次転写効率)(%)/100)
数式3で表わされる廃トナーの予測量(K1)は、感光ドラム1aの非画像部におけるかぶりトナー量のうち転写されないものに相当する。
(数式4:第2ステーション)
廃トナーの予測量(K2)={第2ステーション白部ピクセルカウント数×(第2ステーションかぶり補正率(%)/100)×(第2ステーションかぶり環境係数(%)/100)×((100−第2ステーションの1次転写効率)(%)/100)}+{第1ステーション白部ピクセルカウント数×(第1ステーションかぶり補正率(%)/100)×(第1ステーションかぶり環境係数(%)/100)×(第1ステーションの1次転写効率(%)/100)×(第2ステーションの1次再転写効率(%)/100)}
数式4で表わされる廃トナーの予測量(K2)は、感光ドラム1bの非画像部におけるかぶりトナー量のうち感光ドラム1bに存在するものに相当する。即ち、感光ドラム1bの非画像部におけるかぶりトナー量のうち転写されないものと、感光ドラム1aの非画像部におけるかぶりトナー量のうち転写された後に感光ドラム1bに再転写されるものの加算された量となる。
ここで、Vbackを調整することにより、かぶりトナーを1次転写させない構成とすると、非画像部のかぶりトナーに関する廃トナーの予測量の取得に際し、図4の(a)、(b)のような転写効率、再転写効率を考慮しなくて良い。即ち、(数式3)および(数式4)の1次転写効率、1次再転写効率を0%として、かぶりトナー分の廃トナー量を見積もって差し支えない(非画像部の廃トナー量はかぶりトナー量に一致)。そして、かぶりトナーが、全て自色のクリーニング装置5に回収されるとした場合、非画像部の廃トナーの予測量(K)は、各色共通で以下の数式5から算出される。
(数式5)
廃トナーの予測量(K)=白部ピクセルカウント数×(かぶり補正率(%)/100)×(かぶり環境係数(%)/100)
よって、数式5=数式2となり、数式上もかぶりトナーは全て廃トナーとして、クリーニング装置5に回収されるという関係式になる。従来は、廃トナー量に積算するためのかぶりトナーを計算するために、1次転写効率、1次再転写効率を用いて数式3、4で計算を行う必要があった。しかし、かぶりトナーをほとんど1次転写させることがない本実施形態の構成であれば、上記のような煩雑な計算が必要無くなり、廃トナー満タン検知精度がより増す。
なお、廃トナーの予測量を取得するのにかぶりトナーの転写を前提とする従来例においては、電位に対するかぶりトナーの極性がその都度異なると、転写効率などで補正しても誤差が大きくなる。これに対して、本実施形態の方法では、廃トナーの予測量を取得するのにかぶりトナーの転写を前提としないため、そのような誤差も少なくすることが出来る。
(本実施形態の作用)
以上のように、本実施形態によれば、かぶりトナーを電位でコントロールする(感光ドラム1に留まらせる)ことが可能となるので、かぶりトナーの転写効率を考慮する必要がない。そのため、廃トナー量の積算精度が上がる。その結果、正確に廃トナー満タン状態を検出することが出来る。
《第2の実施形態》
第1の実施形態では、かぶりトナーの回収をコントロールするために、Vbackを一定にした。各ステーションに印加される電圧が全て同一となる場合、ステーション毎のVbackがばらついてしまうという課題がある。本実施形態においては、帯電高圧53が各ステーションで共通化されている構成を前提に、後述するバックグラウンド露光を用いてVbackを一定にする。
(帯電高圧電源について)
図13を用いて、帯電高圧電源53について説明する。図13では、図1に示す構成に対して要部のみを示しており、転写クリーニング装置16等の部材は不図示としている。図13において、図1に示す構成と同様の構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
帯電高圧電源53は、トランス及びトランス駆動・制御系より構成されている。図13の例では、複数色の夫々に対応した帯電ローラ2a〜2dが帯電高圧電源53に接続されており、帯電高圧電源53は、負のトランスから出力された帯電電圧Vcdc(電源電圧)を帯電ローラ2a〜2dに供給している。すなわち、帯電ローラ2a〜2dに電圧を供給する電源としては、共通の1つの帯電高圧電源53が適用されている。
したがって、図13の電源回路においては、帯電高圧電源53から各ローラへ印加する電圧を所定の関係を維持させたまま一括して調整することはできる。しかしながら、色間で独立した個別調整を行うことができない。
帯電電圧Vcdcを略一定に制御する為、帯電電圧VcdcをR2/(R1+R2)で降圧させた負電圧を、基準電圧Vrgvにより正極性の電圧にオフセットさせモニタ電圧Vrefとし、それが一定値になるようフィードバック制御を行っている。具体的には、CPUで予め設定されたコントロール電圧Vcをオペアンプ55の正端子に入力し、他方、モニタ電圧Vrefを負端子に入力する。エンジン制御部は、その都度の状況により、適宜コントロール電圧Vcを変更する。
そして、モニタ電圧Vrefがコントロール電圧Vcと等しくなるようオペアンプ55の出力値がトランスの制御・駆動系をフィードバック制御する。これにより、トランスから出力される帯電電圧Vcdcが目標値になるように制御される。
ここで、抵抗素子R1、R2は、固定抵抗、半固定抵抗、可変抵抗の何れによって構成しても良い。また、図中では、帯電高圧電源53としてトランスからの電源電圧自体を帯電ローラ2a〜2dに直接入力しているが、これは一例であり、この電圧入力形態に限定されない。帯電手段や現像手段の個々のローラへの様々な電圧入力形態が想定される。例えば、トランスからの出力自体に替え、それをコンバータによりDC−DC変換した変換電圧や、電源電圧や変換電圧を固定の電圧降下特性を持った電子素子により分圧、又は降圧した電圧を帯電ローラ2a〜2dに入力しても良い。
なお、固定の電圧降下特性を持った電子素子としては、例えば抵抗素子、ツェナーダイオード等を例に挙げる事が出来る。また、コンバータには可変レギュレータ等も含まれる。また、電子素子により分圧、又は降圧するとは、分圧した電圧を更に降圧したり、また、その逆の場合なども含むものとする。また、トランスの出力制御について、オペアンプ55の出力をCPUへ入力し、CPUによる演算結果をトランスの制御・駆動系に反映するようにしても良い。
(バックグラウンド露光)
本実施形態において、各ステーションのVbackを終始一定にするために、共通の供給源から帯電バイアス印加後(電圧印加後)に弱露光(バックグラウンド露光)を行い、感光ドラムの表面電位Vdを一定にする。本制御により、使用状況に係らずVbackを一定に制御することが可能となる。以下、具体的に説明する。
バックグラウンド露光を行う前に、帯電ローラ2の印加電圧に応じて感光ドラム1の表面電位(=Vd1とする)を一意的に決める。本実施形態では、Vd1に帯電されている感光ドラム1表面上に、バックグラウンド露光を行うことによって、所望のVdまで除電する。この制御を、環境や使用状況を問わず常時行う。
バックグラウンド露光により除電する電位は一定とし、Vd1−Vd=50Vとした。帯電後にバックグラウンド露光することによって、感光ドラム1表面の1次転写後電位のばらつきを抑えることが出来、Vdが安定する。したがって、Vbackの精度も上がることとなる。
帯電バイアスは環境によって変更し、感光ドラム1の使用状況に応じて一定とする。すると、感光ドラム1の表面電位Vdが使用状況によって所望の値と変わってしまうため、バックグラウンド露光量を適宜調整している。バックグラウンド露光により除電する電位を一定としているので、使用が多い(使用期間が長い)ユーザーほど、バックグラウンド露光量は大きくなる。
それに伴い、現像バイアスも大きくする。バックグラウンド露光量の値は環境(温度/湿度)毎に持っており、CPU22に格納されている。L/L(15℃/10%)、N/N(23℃/50%)、H/H(30℃/80%)の値が設定されており、環境間は水分量で線形補間する。環境情報と使用状況を非接触不揮発性メモリ23から読み出し、変更を行う。
本実施形態の電位関係の一例を、図14(a)に示す。図のように、実際に使用した電位は、使用初期でVd1=−560V、Vd=−510V、Vdc=−380V、Vback=130Vとした。
ユーザーが使用していくと、感光ドラム1の膜厚が削れて薄くなることで感度が変わり、Vd1が絶対値で大きくなるので、それに応じて現像バイアスを大きくし、Vbackを上記の値で一定としている。プロセスカートリッジの使用により感光ドラム1の膜厚が変わった時の電位の関係を図14(b)に示す。図14(a)、(b)の比較から、Vbackが常に一定になることが分かる。そのためにVd1−Vdを一定に、かつ、Vdcを従させている。
以上の制御により、環境・プロセスカートリッジ使用状況に応じてバックグラウンド露光量を変え、いかなる使用時にもVbackが一定になるように制御することを可能とする。
《第3の実施形態》
第2の実施形態では、帯電高圧53が共通化されている場合の制御を説明したが、本実施形態では現像高圧30も共通である場合の制御を説明する。第2の実施形態と同様に、帯電ローラ2に帯電バイアスを印加した後、バックグラウンド露光を行うことによって、所望のVdまで除電する。
本実施形態では、バックグラウンド露光により除電する電位を一定とせず、Vdを一定化することによって、Vbackを一定に保つ。よって、本実施形態では第2の実施形態と異なり、Vd1−Vdが一定とならない。本実施形態では、Vdを一定化するために、使用が多いユーザーほど、第2の実施形態に比べてさらにバックグラウンド露光量が大きくなる。
本実施形態の電位の関係の一例を図15(a)に示す。図15(a)に示したように、実際に使用した電位は、使用初期でVd1=−600V、Vd=−480V、Vdc=−350V、Vback=130Vとした。使用により感光ドラムの膜厚が変わった時の電位の関係を、図15(b)に示す。図15(a)、(b)の比較から、Vd、Vbackが常に一定になることが分かる。本実施形態では、そのためにVd1−Vdを変化させている。
以上の制御により、帯電高圧と現像高圧が各々共通化されている場合であっても、環境・カートリッジ使用状況に応じてバックグラウンド露光量を変え、いかなる使用時にもVbackが一定になるように制御することを可能とする。
《第4の実施形態》
第1乃至第3の実施形態に示したように、非画像部のかぶりトナーをコントロールするためには、Vbackを一定にすることが出来れば良い。そこで、帯電高圧53と現像高圧30を共通化させても良く、本実施形態では、帯電高圧53と現像高圧30を共通化した場合を説明する。
図16に示すように、帯電高圧53から現像装置4に高圧を印加するために、現像ローラ6に対して、電圧安定素子18を接続する。帯電高圧53に必要な電圧より現像電圧に必要な電圧は小さいので、電圧安定素子18で十分賄える。本実施形態では、電圧安定素子18はツェナーダイオードを使用したものの、同様の効果を得られる素子であれば、別の電圧安定素子18でも良く、例えば、バリスタなどの素子であっても良い。
(変形例)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。上述した実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
(変形例1)
上述した実施形態ではVback=130Vとし、廃トナー満タン検知精度向上とトナー消費量減、かつ、画像弊害が生じないようにしたが、Vbackが100Vより大きければ良く、130Vに限られるものではない。
(変形例2)
上述した実施形態では、画像信号をカウントするカウント手段としてピクセルカウントを説明したが、本発明はこれに限られるものではない。
(変形例3)
上述した実施形態では、1次転写で中間転写体10上にトナー像を転写しているが、直接記録媒体P上に転写させる構成を用いても良い。ただし、記録媒体Pによって表面性や抵抗などが異なるため、かぶりトナーに対する転写性が安定しないのに対して、中間転写体10を用いると、常にかぶりトナーに対する転写状態が安定するため、廃トナー満タン検知精度はより高くなることが確認されている。
1・・感光ドラム、2・・帯電ローラ、3・・露光装置、5・・クリーニング装置、6・・現像ローラ、22・・CPU

Claims (19)

  1. 像担持体と、
    前記像担持体の表面を帯電する帯電手段と、
    前記帯電手段によって帯電された前記像担持体の表面の画像部を外部から入力された画像データに基づくビデオ信号に応じて露光し、前記画像部に静電潜像を形成する露光手段と、
    前記静電潜像をトナーにより現像する現像剤担持体と、
    前記像担持体に形成されたトナー像を被転写体に転写する転写手段と、
    画像形成に伴い発生する廃トナーを回収する回収手段と、
    前記廃トナーの量を取得する取得部と、
    を有し、
    前記像担持体の帯電電位と前記現像剤担持体の現像電位との電位差を、前記像担持体の非画像部に付着するかぶりトナーが前記転写手段によって写されることを抑制する電位差とし、
    前記取得部は、
    前記像担持体の画像部については前記像担持体に現像されたトナーのうち前記転写手段によって転写されないトナー量を前記露光手段による発光数のカウントに基づき廃トナー量として取得し、かつ、前記露光手段により発光されなかった非画像部については前記かぶりトナーのトナー量を前記廃トナーの量として取得し、
    前記かぶりトナーのトナー量は、前記非画像部の大きさに応じたものであり、
    前記非画像部の大きさは、前記露光手段による発光数が増えるほど小さくなることを特徴とする画像形成装置。
  2. 前記電位差は、前記かぶりトナーを前記転写手段の転写バイアスと同極性とする電位差であることを特徴とする請求項1に記載の画像形成装置。
  3. 前記電位差は、前記かぶりトナーが最も発生しなくなる電位差よりも、前記転写手段の転写バイアスと逆極性のトナーが前記像担持体により大きな力で静電気的に吸着される電位差であることを特徴とする請求項1または2に記載の画像形成装置。
  4. 前記像担持体の帯電電位と前記現像剤担持体の現像電位との電位差を一定にすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の画像形成装置。
  5. かぶりトナーの前記転写手段による転写効率は、5%以下であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の画像形成装置。
  6. 前記転写手段による転写が抑制される電位差は、120V以上250V以下であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の画像形成装置。
  7. 前記転写手段による転写が抑制される電位差は、130V以上200V以下であることを特徴とする請求項に記載の画像形成装置。
  8. 画像信号をカウントするカウント手段を有し、
    前記カウント手段の出力を用いて前記トナーの現像された量を予測値として取得することを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の画像形成装置。
  9. 前記カウント手段は、前記露光手段における発光素子の発光を制御する信号をカウントすることを特徴とする請求項に記載の画像形成装置。
  10. 前記取得部で取得される前記廃トナーの量は、
    前記像担持体の画像部については前記カウント手段の出力と転写効率とを用い、かつ、非画像部については前記カウント手段の出力とかぶり補正率とかぶり環境係数とを用いて取得されることを特徴とする請求項またはに記載の画像形成装置。
  11. 前記像担持体と、前記帯電手段と、前記露光手段と、前記現像剤担持体と、前記転写手段と、前記回収手段が、複数の色に応じて異なるステーション毎に設けられることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の画像形成装置。
  12. 前記帯電手段に共通の供給源から電圧を印加し、電圧印加後にバックグラウンド露光を行うことで、前記ステーション毎の前記像担持体の帯電電位と前記現像剤担持体の現像電位との電位差のばらつきを抑制することを特徴とする請求項1に記載の画像形成装置。
  13. 前記現像剤担持体に共通の供給源から電圧を印加し、前記バックグラウンド露光による前記像担持体の帯電電位を一定化することを特徴とする請求項1に記載の画像形成装置。
  14. 前記現像剤担持体に接続される電圧安定素子を有することを特徴とする請求項1または1に記載の画像形成装置。
  15. 前記バックグラウンド露光の露光量を、前記像担持体の使用履歴に応じて使用期間が長いほど大きくなるように変更することを特徴とする請求項1乃至1のいずれか1項に記載の画像形成装置。
  16. 前記現像剤担持体に印加される電圧を、前記像担持体の使用履歴に応じて使用期間が長いほど絶対値が大きくなるように変更することを特徴とする請求項1乃至1のいずれか1項に記載の画像形成装置。
  17. 前記像担持体に形成されたトナー像を被転写体に転写する転写効率は、前記像担持体の使用履歴に応じて規定されることを特徴とする請求項1乃至1のいずれか1項に記載の画像形成装置。
  18. 中間転写体を有し、前記像担持体における前記トナーによる像を前記中間転写体に1次転写させ、前記中間転写体から転写材に2次転写させることを特徴とする請求項1乃至1のいずれか1項に記載の画像形成装置。
  19. 前記取得部は、
    前記画像部について前記像担持体に現像されたトナーのうち前記転写手段で転写されないトナー量と、前記非画像部について前記かぶりトナーのうち前記転写手段で転写されないトナー量と、を加算することを特徴とする請求項1乃至1のいずれか1項に記載の画像形成装置。
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