JP6648533B2 - 画像形成装置、画像形成システムおよびトナー濃度調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、画像形成装置、画像形成システムおよびトナー濃度調整方法に関する。

一般に、電子写真プロセス技術を利用した画像形成装置（プリンター、複写機、ファクシミリ等）においては、画像データに基づくレーザー光が、一様に帯電した感光体（例えば感光体ドラム）に対して照射（露光）されることにより、感光体表面に静電潜像が形成される。そして、静電潜像が形成された感光体にトナーが供給されることにより、静電潜像が可視化されてトナー像が形成される。このトナー像が、直接又は中間転写体を介して間接的に用紙に転写された後、定着装置で加熱、加圧されることにより、用紙に画像が形成される。

感光体にトナー像を形成する現像方式には、現像剤の主成分としてトナーのみを用いる一成分現像方式と、現像剤の主成分としてトナーとキャリアーを用いる二成分現像方式がある。二成分現像方式では、トナーとキャリアーを混合して、撹拌することにより、トナーに摩擦帯電を生じさせる。

このような二成分現像方式の現像装置では、低カバレッジを連続して出力した場合に、現像装置内において外添剤がトナーから離脱したり、外添剤がトナーに埋没したりするトナーの劣化が発生する。これによって、画質の低下や劣化トナーがキャリアーから離脱するトナーこぼれの不具合が発生する。その対策として、低カバレッジが続いた場合に、現像剤装置内の劣化トナーを感光体ドラム（像担持体）に強制的に排出して新しいトナーを補給するトナー強制入替が一般的に行われている。

ところで、トナー強制入替において、新しいトナーを補給すると、補給したばかりの新トナーも同時に現像装置から排出されることとなり、トナーの入替効率が良くない。

トナーの入替効率を良くするためには、まず劣化トナーを排出してからトナー補給をするのが望ましい。劣化トナーを排出させると、現像剤の重量に対するトナーの重量の割合であるトナー濃度を低下させることとなる。トナー濃度を低下させ過ぎると、キャリアーがトナーと共に感光体ドラムに付着して現像されるキャリアー現像を発生させることが知られている。

そこで、トナー濃度の下限値を設け、下限値以下にトナー濃度が下がらないように制御する技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−９１８０１号公報

図１は、トナーＴの濃度が高い場合のトナーＴおよびキャリアーＣの状態を概略的に示す図である。図１に示すように、トナーＴの濃度が高い場合には、現像電位Ｅにより、現像ローラー２１４Ａから感光体ドラム２１３にトナーＴのみが移動し、キャリアーＣは移動せず、キャリアー現像は発生しない。

ところで、キャリアーとトナーから成る二成分現像剤では、現像装置の現像ローラーの回転時等の摩擦により、キャリアーが劣化する。

キャリアーの劣化について具体的に説明すると、鉄粉ベースのコアにコーティングしている樹脂コート層が徐々に摩擦で削れ、キャリアーの抵抗値が低下することにより、または、トナーの樹脂がキャリアー表面に付着するスペント現象によりトナー帯電性を損なうようになる。樹脂コート層の摩耗で抵抗値が低下すると、現像部で形成している電界によりキャリアーへの逆極性の電荷注入が起こりやすくなり、本来はトナーが現像されるべき現像電位の部分にキャリアーが飛ぶキャリアー現象が発生する。

図２は、トナーＴの濃度が低い場合のトナーＴおよびキャリアーＣの状態を概略的に示す図である。キャリアーが劣化して、キャリアーの抵抗値が低くなり、現像電界でキャリアーへの電荷注入がし易くなると、図２に示すように、トナーＴの濃度が低い場合に、現像電位Ｅにより、現像ローラー２１４Ａから感光体ドラム２１３にトナーＴと共にキャリアーＣが移動し、キャリアー現像が発生する。

上記特許文献１に開示された技術では、トナー濃度の下限値はキャリアーの劣化状態に拘わらず一定であるため、例えば、トナー濃度の下限値がキャリアーの劣化状態に対する適正な閾値より低いと、キャリアー現像を発生させるおそれがある。反対に、トナー濃度の下限値がキャリアーの劣化状態に対する適正な閾値より高いと、劣化トナーの排出とトナー補給とを繰り返す回数が増加し、繰り返しの度に、劣化トナーと共に新たに補給されたトナーも排出されるため、トナーの入替効率が悪くなるという問題点があった。

本発明の目的は、キャリアー現像の発生を防止しつつ、トナーの入替効率を向上させることが可能な画像形成装置、画像形成システムおよびトナー濃度調整方法を提供することである。

本発明に係る画像形成装置は、
トナー像を担持する像担持体と、
キャリアーおよびトナーを含む現像剤を用いて前記像担持体に前記トナーを供給する現像部と、
前記トナーを前記現像部から前記像担持体に供給するための電界を形成する電界形成部と、
前記現像部内の前記トナーを入れ替える場合に前記トナーを前記像担持体に強制的に排出させる際、前記現像部内の前記トナーの濃度が、前記現像部内の前記キャリアーの劣化状態に応じた下限値より低下しないように制御する制御部と、
を備える。

本発明に係る画像形成システムは、
画像形成装置を含む複数のユニットで構成される画像形成システムであって、
トナー像を担持する像担持体と、
キャリアーおよびトナーを含む現像剤を用いて前記像担持体に前記トナーを供給する現像部と、
前記トナーを前記現像部から前記像担持体に供給するための電界を形成する電界形成部と、
前記現像部内の前記トナーを入れ替える場合に前記トナーを前記像担持体に強制的に排出させる際、前記現像部内の前記トナーの濃度が、前記現像部内の前記キャリアーの劣化状態に応じた下限値より低下しないように制御する制御部と、
を備える。

本発明に係るトナー濃度調整方法は、
現像部内のキャリアーおよびトナーを含む現像剤のうち前記トナーを前記現像部から像担持体に強制的に排出させる際、前記現像部内の前記トナーの濃度が、前記現像部内のキャリアーの劣化状態に応じた下限値より低下しないように制御する。

本発明によれば、キャリアー現像の発生を防止しつつ、トナーの入替効率を向上させることができる。

現像電界におけるトナーおよびキャリアーの状態を概略的に示す図である。 現像電界におけるトナーおよびキャリアーの状態を概略的に示す図である。 本実施の形態に係る画像形成装置の全体構成を概略的に示す図である。 本実施の形態に係る画像形成装置の制御系の主要部を示す図である。 トナー濃度検出部の出力とトナー濃度との関係を示す図である。 トナー強制入替の処理を示すフローチャートである。 変形例に係るトナー強制入替の処理を示すフローチャートである。

以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図３は、本実施の形態に係る画像形成装置１の全体構成を概略的に示す図である。図４は、本実施の形態に係る画像形成装置１の制御系の主要部を示す図である。なお、以下の説明で、トナー強制入替でない通常時のトナーの入替を「トナー通常入替」という場合がある。

図３および図４に示す画像形成装置１は、電子写真プロセス技術を利用した直接転写方式のモノクロ画像形成装置である。すなわち、画像形成装置１は、感光体ドラム２１３上に形成されたＫ成分（ブラック）のトナー像を用紙に直接転写することにより画像を形成する。

画像形成装置１は、画像読取部１１、操作表示部１２、画像処理部１３、画像形成部２０、給紙部１４、排紙部１５、用紙搬送部１６、及び制御部１７を備える。

制御部１７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１７１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１７２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１７３等を備える。ＣＰＵ１７１は、ＲＯＭ１７２又は記憶部１８２から処理内容に応じたプログラムを読み出してＲＡＭ１７３に展開し、展開したプログラムと協働して、画像形成装置１の各ブロックの動作を集中制御する。

通信部１８１は、例えばＮＩＣ（Network Interface Card）、ＭＯＤＥＭ（MOdulator-DEModulator）、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）等の各種インターフェースを有する。

記憶部１８２は、例えば不揮発性の半導体メモリ（いわゆるフラッシュメモリ）やハードディスクドライブで構成される。記憶部１８２には、例えば各ブロックの動作を制御する際に参照されるルックアップテーブルが格納される。

制御部１７は、通信部１８１を介して、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）等の通信ネットワークに接続された外部の装置（例えばパーソナルコンピューター）との間で各種データの送受信を行う。制御部１７は、例えば、外部の装置から送信されたページ記述言語（ＰＤＬ：Page Description Language）による画像データ（入力画像データ）を受信し、これに基づいて用紙に画像を形成させる。

画像読取部１１は、ＡＤＦ（Auto Document Feeder）と称される自動原稿給紙装置１１１及び原稿画像走査装置１１２（スキャナー）等を備える。自動原稿給紙装置１１１は、原稿トレイに載置された原稿を搬送機構により搬送して原稿画像走査装置１１２へ送り出す。自動原稿給紙装置１１１により、原稿トレイに載置された多数枚の原稿の画像（両面を含む）を連続して読み取ることが可能となる。原稿画像走査装置１１２は、自動原稿給紙装置１１１からコンタクトガラス上に搬送された原稿又はコンタクトガラス上に載置された原稿を光学的に走査し、原稿からの反射光をＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサーの受光面上に結像させ、原稿画像を読み取る。画像読取部１１は、原稿画像走査装置１１２による読取結果に基づいて入力画像データを生成する。この入力画像データには、画像処理部１３において所定の画像処理が施される。

操作表示部１２は、例えばタッチパネル付の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）で構成され、表示部１２１及び操作部１２２として機能する。表示部１２１は、制御部１７から入力される表示制御信号に従って、各種操作画面、画像の状態表示や各機能の動作状況の表示を行う。操作部１２２は、テンキー、スタートキー等の各種操作キーを備え、ユーザーによる各種入力操作を受け付けて、操作信号を制御部１７に出力する。

ユーザーは、操作表示部１２を操作して、原稿設定、画質設定、倍率設定、応用設定、出力設定、片面／両面設定、及び用紙設定（用紙の坪量、光沢の有無を含む）、印刷枚数などの画像形成に関する設定を行うことができる。設定された情報は、例えば記憶部１８２に記憶される。制御部１７は、現像剤を投入してからの累積印刷枚数を算出し、算出した累積印刷枚数を記憶部１８２に記憶させる。制御部１７は、トナー強制入替の場合、累積印刷枚数からキャリアーの劣化状態を決定する。

画像処理部１３は、入力画像データに対して、初期設定又はユーザー設定に応じたデジタル画像処理を行う回路等を備える。例えば、画像処理部１３は、制御部１７の制御下で、階調補正データに基づいて階調補正を行う。また、画像処理部１３は、入力画像データに対して、色補正、シェーディング補正等の各種補正処理を施す。これらの処理が施された画像データに基づいて、画像形成部２０が制御される。

画像形成部２０は、入力画像データに基づいて、Ｋ成分のトナーによるトナー像を形成するためのトナー像形成部２１、トナー像形成部２１により形成されたトナー像を用紙に転写する転写部２２、及び用紙に転写されたトナー像を定着する定着部２３等を備える。

トナー像形成部２１は、露光装置２１１、帯電装置２１２、感光体ドラム２１３、現像装置２１４、ドラムクリーニング装置２１５、画像濃度検出部２１６、電位検出部２１７およびトナー濃度検出部２１８等を備える。現像装置２１４が本発明の「現像部」に対応する。

感光体ドラム２１３は、例えばアルミニウム製の導電性円筒体（アルミ素管）の周面に、アンダーコート層（ＵＣＬ：Under Coat Layer）、電荷発生層（ＣＧＬ：Charge Generation Layer）、電荷輸送層（ＣＴＬ：Charge Transport Layer）を順次積層した負帯電型の有機感光体（ＯＰＣ：Organic Photo-conductor）である。

帯電装置２１２は、例えばスコロトロン帯電装置やコロトロン帯電装置等のコロナ放電発生器で構成される。帯電装置２１２は、コロナ放電によって感光体ドラム２１３の表面を一様に負極性に帯電させる。

露光装置２１１は、感光体ドラム２１３に対してモノクロ画像に対応する光を照射する。光の照射を受けて感光体ドラム２１３の電荷発生層で発生した正電荷が電荷輸送層の表面まで輸送されることにより、感光体ドラム２１３の表面電荷（負電荷）が中和される。これにより、感光体ドラム２１３の表面には、周囲との電位差により静電潜像が形成される。

現像装置２１４は、Ｋ成分の現像剤（例えばトナーと磁性キャリアーとを主成分とする二成分現像剤）を収容する。現像装置２１４は、感光体ドラム２１３の表面にＫ成分のトナーを付着させることにより、静電潜像を可視化してトナー像を形成する。

具体的には、現像ローラー２１４Ａに現像バイアスが印加され、感光体ドラム２１３と現像ローラー２１４Ａとの間に現像電界が形成される。感光体ドラム２１３（負極性）と現像ローラー２１４Ａとの電位差によって、現像ローラー２１４Ａ上の帯電トナー（負極性）は、感光体ドラム２１３の表面の露光部に移動して付着する。すなわち、現像装置２１４は、反転現像方式によって静電潜像を現像する。現像ローラー２１４Ａが本発明の「現像剤担持体」に対応する。

現像装置２１４は、現像ローラー２１４Ａに付着した現像剤を層規制するためのブレード２１４Ｂと、新たなトナーを現像装置２１４内に補給するための補給部２１４Ｃと、回収された現像剤及び補給された新たなトナーを混合撹拌する撹拌部（図示略）と、混合撹拌された現像剤を現像ローラー２１４Ａに供給する供給部（図示略）とを有する。

ドラムクリーニング装置２１５は、感光体ドラム２１３の表面に摺接されるドラムクリーニングブレード等を有し、転写後に感光体ドラム２１３の表面に残存する転写残トナーを除去する。

画像濃度検出部２１６は、感光体ドラム２１３に形成された例えばパッチ画像に対して例えばＬＥＤから光を照射し、その反射光を受光素子例えば反射型のセンサーにて受光して光量検知することにより、濃度を算出してパッチ画像の濃度を検出する。

電位検出部２１７は、帯電装置２１２により帯電させた感光体ドラム２１３の表面電位を検出する。電位検出部２１７は、通紙中、最大露光量で露光された感光体ドラム２１３の表面電位（最高濃度部露光電位）を検出する。制御部１７は、検出された最高濃度部露光電位に現像電界の設定値を加えた電圧値をバイアス電源に印加するようにバイアス印加部９０を制御する。また、制御部１７は、未露光部の電位が、現像バイアス電位に白地へのかぶり画像発生を防止するためのかぶりマージン電位１００Ｖを加えた電位となるように帯電グリッド電圧値を制御する。

制御部１７は、トナー強制入替の場合、トナー濃度の切替閾値を参照して、予め定められた現像電界になるようにバイアス印加部９０を制御する。

表１は、トナーの強制排出時の現像電界設定値とトナー濃度との関係を示すテーブルの一例である。なお、現像電界設定値の１００％は、例えば現像電界５００Ｖに相当する。
表１に示すように、トナー濃度の切替閾値の一例として、３．４％、３．０％、２．４％、２．０％が挙げられる。
トナー濃度が４．０％から３．４％に低下すると、現像電界設定値は１００％から８０％に変更される。また、トナー濃度が３．４％から３．０％に低下すると、現像電界設定値は８０％から６０％に変更される。さらに、トナー濃度が３．０％から２．４％に低下すると、現像電界設定値は６０％から５０％に変更される。さらに、トナー濃度が２．４％から２．０％に低下するまで、現像電界設定値は５０％に保たれる。

トナー濃度検出部２１８は、例えば透磁率センサーであり、現像装置２１４の供給部の下流近傍に設置され、現像剤の透磁率を測定することにより、トナー濃度を検出する。
図５は、トナー濃度検出部２１８の出力とトナー濃度との関係を示す図である。図５において縦軸はトナー濃度検出部２１８の出力を示し、横軸はトナー濃度を示す。

制御部１７は、トナー通常入替の場合、トナー濃度検出部２１８の検出結果に基づいて、図５に示すトナー濃度検出部２１８の出力とトナー濃度との関係を参照して、トナー濃度が常に４％になるように補給部２１４Ｃにトナーを補給させる。また、制御部１７は、トナー補給量を記憶部１８２に記憶させる。

転写部２２は、転写ベルト２２１、転写ローラー２２２、複数の支持ローラー２２３、及び転写用電源（図示略）等を備える。

転写ベルト２２１は無端状ベルトで構成され、複数の支持ローラー２２３にループ状に張架される。複数の支持ローラー２２３のうちの少なくとも一つは駆動ローラーで構成され、その他は従動ローラーで構成される。駆動ローラーが回転することにより、転写ベルト２２１が走行し、一定速度で用紙が搬送される。

転写ローラー２２２は、感光体ドラム２１３に対向して、転写ベルト２２１の内周面側に配置される。転写ベルト２２１を挟んで、転写ローラー２２２が感光体ドラム２１３に圧接されることにより、感光体ドラム２１３から用紙へトナー像を転写するための転写ニップが形成される。

転写用電源は、転写ローラー２２２に接続される。制御部１７によって転写用電源の出力（転写出力）が制御されることにより、転写ローラー２２２から感光体ドラム２１３に所定の転写電流が流れるようになっている。

用紙が転写ニップを通過する際、感光体ドラム２１３上のトナー像が用紙に転写される。具体的には、転写ローラー２２２に転写出力（転写バイアス）を印加し、用紙の裏面側（転写ベルト２２１と当接する側）にトナーと逆極性の電荷（正電荷）を付与することにより、トナー像は用紙に静電的に転写される。トナー像が転写された用紙は定着部２３に向けて搬送される。

定着部２３は、用紙の定着面（トナー像が形成されている面）側に配置される定着ローラーで構成された上側定着部２３１、用紙の裏面（定着面の反対の面）側に配置される加圧ローラーで構成された下側定着部２３２、上側定着部２３１を加熱する加熱源２３３、及び下側定着部２３２を上側定着部２３１に対して圧接する圧接離間部（図示略）等を備える。

トナー像が転写され、通紙経路に沿って搬送されてきた用紙は、定着部２３を通過する際に加熱、加圧される。これにより、用紙にトナー像が定着する。

給紙部１４は、給紙トレイ部１４１を有する。給紙トレイ部１４１には、坪量やサイズ等に基づいて識別された枚葉紙（規格用紙、特殊用紙）が予め設定された紙種ごとに収容される。給紙トレイ部１４１には、複数の給紙ローラー部が配置される。給紙部１４は、給紙トレイ部１４１から給紙された用紙を用紙搬送部１６に送り込む。

排紙部１５は、排紙ローラー部１５１等を有し、用紙搬送部１６から送出された用紙を機外に排紙する。

用紙搬送部１６は、主搬送部１６１等を備える。用紙搬送部１６の一部は、例えば定着部２３とともに１つのユニット（用紙搬送ユニットＡＤＵ）に組み込まれ、画像形成装置１に着脱可能に装着される。

主搬送部１６１は、用紙を挟持して搬送する用紙搬送要素として、ループローラー部及びレジストローラー部を含む複数の搬送ローラー部を有する。主搬送部１６１は、給紙トレイ部１４１から給紙された用紙を搬送して画像形成部２０（転写部２２、定着部２３）に通紙するとともに、画像形成部２０（定着部２３）から送出された用紙を排紙部１５に向けて搬送する。

給紙部１４から給紙された用紙は、主搬送部１６１によって画像形成部２０に搬送される。そして、用紙が転写ニップを通過する際、感光ドラム２１３上のトナー像が用紙の第１面（表面）に一括して転写され、定着部２３において定着処理が施される。画像が形成された用紙は、排紙部１５により機外に排紙される。

ところで、キャリアーとトナーとを主成分とする二成分現像剤では、現像ローラー２１４Ａの回転等の負荷やブレード２１４Ｂとの摩擦により、キャリアーが劣化する。キャリアーの劣化度合いに応じてキャリアー現像が発生しやすくなる。キャリアー現像の発生を防止するためには、キャリアーが感光体ドラムに移動するよりも先にトナーが感光体ドラムにおける現像電位の部分を埋めればキャリアーが感光体ドラムに付着することを抑制することができる。キャリアーの劣化度合いが高く、キャリアー現像が発生しやすい場合には、キャリアーより先にトナーで現像電位の部分を埋めるために、トナー濃度をある程度高くしておく必要がある。これに対し、キャリアーの劣化度合いが低く、キャリアー現像が発生し難い場合には、トナー濃度を低くすることが可能である。トナーの入替効率を向上させるためには、キャリアーの劣化状態に応じてトナー濃度の下限値を変更していく必要がある。

画像形成装置１には、装置外の温度、湿度などの環境条件を検出する機外環境検出部及び装置内の温度などの環境条件を検出する機内環境検出部が設けられている。ここでは、装置内外の環境条件の一例として機内温度が用いられる。

制御部１７は、トナー強制入替の場合、累積印字枚数に基づいて、機内温度を参照して、トナー濃度の下限値を決定する。ここでは、キャリアーの劣化状態の一例として、累積印字枚数が用いられる。なお、トナー濃度の下限値を「下限トナー濃度」という場合がある。

制御部１７は、トナー濃度の下限値に基づいて、現像装置２１４内のトナーを感光体ドラム２１３に強制排出させる。これによって、感光体ドラム２１３に例えば多数のドットで構成される網点により１以上の階調が表されたスクリーン画像が形成される。なお、感光体ドラム２１３に形成される画像としては、スクリーン画像に限らず、ベタ画像やパッチ画像であってもよい。

表２は、強制排出時の下限トナー濃度と各累積印字枚数Ｎにおける機内温度との関係を示すテーブルの一例である。例えば、機内温度としての低温環境は１５℃未満、常温環境は、１５〜２８℃、高温環境は、２８℃を超える温度である。表２に示すように、低温環境、常温環境および高温環境における下限トナー濃度は、累積印刷枚数Ｎが０＜Ｎ≦４０００００頁の場合、２．０％、２．０％、２．２％、累積印刷枚数Ｎが４０００００＜Ｎ≦６０００００頁の場合、２．４％、２．４％、２．６％、累積印刷枚数Ｎが６０００００＜Ｎ≦８０００００頁の場合、２．８％、２．８％、３．０％、累積印刷枚数Ｎが８０００００＜Ｎ≦１００００００頁の場合、３．２％、３．２％、３．４％、累積印刷枚数ＮがＮ＞１００００００頁の場合、３．４％、３．４％、３．６％のように累積印刷枚数Ｎに応じて複数の段階に分けられる。

次に、トナー強制入替の処理について図６を参照して説明する。
図６は、トナー強制入替の処理を示すフローチャートである。

本フローチャートの処理は、画像形成装置１の起動後、ユーザーが操作表示部１２を操作して、トナー強制入替のＳＷが押されることによりに開始される。
まず、制御部１７は、累積印刷枚数Ｎからキャリアーの劣化情報を算出する（ステップＳ１０１）。

次に、制御部１７は、装置内外の環境条件を参照して、キャリアーの劣化状態に対応したトナー濃度の下限値を決定する（ステップＳ１０２）。例えば、制御部１７は、常温環境２３℃、累積印刷枚数Ｎが７０００００頁の場合、表２のテーブルを参照して下限トナー濃度を２．８％に決定する。

次に、制御部１７は、電位検出部２１７により検出された最高濃度部露光電位に基づいて、表１のテーブルを参照して、現像バイアスを決定する（ステップＳ１０３）。現像バイアスにより、例えば、現像電界は、現像電界設定値１００％相当する画像形成時に５００Ｖで制御される。

次に、制御部１７は、感光体ドラム２１３および現像装置２１４を駆動させる（ステップＳ１０４）。

次に、制御部１７は、現像装置２１４を制御し、感光体ドラム２１３にトナー像を形成させ、トナーを排出させる（ステップＳ１０５）。

次に、制御部１７は、トナーを排出させながら、トナー濃度検出部２１８の出力値に基づいてトナー濃度が切替閾値以下になったか否かを判断する（ステップＳ１０６）。判断結果、トナー濃度が切替閾値以下になったと判断した場合（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、制御部１７が現像バイアス値、帯電グリッド電圧を変更させて、次の切替閾値に対応する現像電界に制御する（ステップＳ１０７）。

ステップＳ１０７においては、トナー濃度が切替閾値３．４％以下になるまでは現像電界が５００Ｖで制御される。トナー濃度が切替閾値３．４％以下になった後は、現像電界が４００Ｖ（＝５００Ｖ＊８０％）に制御される。さらに、トナー濃度が切替閾値３．０％以下になるまでは現像電界４００Ｖで制御される。トナー濃度が切替閾値３．０％以下になった後は現像バイアス値を３００Ｖ（＝５００Ｖ＊６０％）に制御される。

次に、制御部１７は、下限トナー濃度がステップＳ１０２で決定された２．８％以下になったか否かを判断する（ステップＳ１０８）。

一方、トナー濃度が切替閾値以下になっていない場合（ステップＳ１０６：ＮＯ）、制御部１７は、下限トナー濃度が２．８％以下になったか否かを判断する（ステップＳ１０８）。

ステップＳ１０８の判断の結果、トナー濃度が下限トナー濃度以下になっていない場合（ステップ１０８：ＮＯ）、処理はステップＳ１０６の前に戻る。

一方、トナー濃度が下限トナー濃度２．８％になったと判断した場合（ステップ１０８：ＹＥＳ）、制御部１７は、トナーの排出を終了させる（ステップＳ１０９）。

次に、制御部１７は、補給部２１４Ｃを制御してトナーの補給を開始させる（ステップＳ１１０）。

次に、制御部１７は、トナー濃度がトナー通常入替時のトナー濃度４．０％以上になったか否かを判断する（ステップＳ１１１）。判断の結果、トナー濃度が４．０％以上になっていない場合（ステップＳ１１１：ＮＯ）、制御部１７は、トナー補給動作を継続させる。一方、トナー濃度が４．０％以上になったと判断した場合（ステップＳ１１１：ＹＥＳ）、制御部１７は、トナー補給を停止させる。

次に、制御部１７は、現像剤と補給されたトナーとを２分間撹拌させ、トナーを帯電させる（ステップＳ１１２）。

次に、制御部１７は、感光体ドラム２１３および現像装置２１４の駆動を停止させる（ステップＳ１１３）。

上記実施の形態に係る画像形成装置１によれば、トナーの強制入替の場合、制御部１７が累積印刷枚数に基づいて現像装置２１４内のトナー濃度の下限値を制御するようにしたので、トナー濃度の下限値がキャリアーの劣化状態に対する適正な閾値より低下しないため、キャリアー現像の発生を防止しつつ、トナーの入替効率を向上させることができる。
また、トナー濃度に応じて現像電界を変更させたので、キャリアーへの電荷注入が抑えられ、この点からもキャリアー現像の発生を防止することができる。

次に、本実施の形態に係る画像形成装置１の変形例について説明する。

トナー補給動作では、キャリアーの劣化が進んでいる場合、下限トナー濃度が例えば３．４％や３．６％と高く、目標とするトナー濃度例えば４％との差が少ないので、強制排出できるトナー量が少ない。これにより、現像剤中に残存する劣化トナーの量が多く、仮に、キャリアーの劣化が進んでいない場合と同じ単位時間当たりトナー量を補給してしまうと、劣化トナーがキャリアーから離脱してトナーこぼれが発生しやすくなり、画像不良の発生要因となる。これは、新しいトナーの方が劣化トナーより荷電性が高くキャリアーに付着しやすいため、帯電量の低い劣化トナーが新しいトナーに押し出されて、劣化トナーがキャリアーから離脱すると考えられる。
この対応としては、キャリアーの劣化情報に従いトナーの補給速度を変更することで、画像不良の発生を防止しながらトナーの強制入替を行う。

表３は、下限トナー濃度Ｘと単位時間当たりのトナー補給量との関係を示すテーブルの一例である。
表３に示すように、トナー供給量は、下限トナー濃度Ｘが２．０％＜Ｘ≦２．４％の場合４００ｍｇ／ｓｅｃ、下限トナー濃度Ｘが２．４％＜Ｘ≦２．８％の場合３００ｍｇ／ｓｅｃ、下限トナー濃度Ｘが２．８％＜Ｘ≦３．４％の場合２００ｍｇ／ｓｅｃ、下限トナー濃度ＸがＸ＞３．４％の場合１００ｍｇ／ｓｅｃのように下限トナー濃度に応じて変更される。

制御部１７は、表３を参照して、下限トナー濃度に応じた単位時間当たりのトナー補給量を制御する。トナー補給量の制御に下限トナー濃度を用いるのは、制御部１７が累積印刷枚数からキャリアーの劣化情報を算出し、算出したキャリアーの劣化情報に対応した下限トナー濃度を決定するためである。

図７は、変形例に係るトナー強制入替の処理を示すフローチャートである。
本フローチャートの処理は、画像形成装置１の起動後に開始される。
なお、図７に示すステップＳ２０１のキャリアー劣化情報算出、ステップＳ２０２のトナー濃度下限値決定およびステップＳ２０３は、図６に示す実施の形態に係るステップＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０４と同じあるため、その説明を省略する。

ステップＳ２０４において、制御部１７はトナー像を作成させ、２頁分のトナーを排出させる。ここでの「２頁分」は、トナーを少量ずつ排出させる場合の一例である。トナーを少量ずつ排出させ、その後、ステップＳ２０６に示すように所定量ずつ補給することで、トナーこぼれの発生を防止することが可能となる。

次に、制御部１７は、トナーを排出させながら、トナー濃度検出部２１８の出力値に基づいてトナー濃度が下限トナー濃度以下になったか否かを判断する（ステップＳ２０５）。
トナー濃度が下限トナー濃度以下になったと判断しない場合（ステップＳ２０５：ＮＯ）、ステップＳ２０４に戻り、制御部１７は、２頁分のトナーの排出を継続させる。

トナー濃度が下限トナー濃度以下になったと判断した場合（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、制御部１７は、表３を参照して、下限トナー濃度に応じた単位時間当たりトナー補給量でトナーを補給させるように補給部２１４Ｃを制御する（ステップＳ２０６）。このようにして、トナーが所定量ずつ補強されるため、トナーこぼれの発生を防止することができる。

次に、制御部１７は、１０秒間だけ現像装置２１４に撹拌動作をさせる（ステップＳ２０７）。ここでの撹拌動作の主目的は、補給されたトナーと劣化トナーとを混合させて、現像装置２１４内のトナー濃度を均一にさせるためである。

次に、制御部１７は、トナー濃度が４．０％以上になったか否かを判断する（ステップＳ２０８）。トナー濃度が４．０％以上になったと判断しない場合（ステップＳ２０８：ＮＯ）、ステップＳ２０６に戻り、制御部１７は、補給部２１４Ｃにトナーの補給を継続させる。つまり、トナー濃度が４．０％になるまでトナーが補給される。

トナー濃度が４．０％以上になったと判断した場合（ステップＳ２０８：ＹＥＳ）、制御部１７は、トナー総排出量が目標値以上になったか否かを判断する（ステップＳ２０９）。ここで、目標値とは、キャリアーの劣化が進んでいない状態の下限トナー濃度まで排出するとした場合の量から決められる。例えば、通常時のトナー濃度４％から下限トナー濃度２％まで排出するとした場合、目標量は２％（＝４％−２％）分の量である。

トナー総排出量が目標値以上になったと判断しない場合（ステップＳ２０９：ＮＯ）、ステップＳ２０４に戻り、制御部１７は、２頁分のトナーの排出を開始させる。

トナー総排出量が目標値以上になったと判断した場合（ステップＳ２０９：ＹＥＳ）、制御部１７は、現像装置２１４に２分間の撹拌動作をさせる（ステップＳ２１０）。ここでの撹拌動作の主目的は、トナーとキャリアーとを撹拌することにより、トナーに摩擦帯電を生じさせるためである。

次に、制御部１７は、感光体ドラム２１３および現像装置２１４の駆動を停止させる（ステップＳ２１１）。

上記の変形例に係る画像形成装置１によれば、キャリアーの劣化状態、主に耐久によって下限トナー濃度が決まるため、下限トナー濃度の値によって自動的にトナー入替を実施する判断基準を、下限トナー濃度が高いほど多くトナーの入替を実施するように制御することで、トナーこぼれの発生を抑えて、画像品質の低下を抑制することが可能である。キャリアーの劣化が進んだ状況では下限トナー濃度が高いため、排出できるトナー量が減少するため、１回のトナー強制入替の中で、トナー排出、トナー補給、撹拌の動作を繰り返し実施することで、劣化の少ない場合に比べ時間はかかるものの、キャリアー現像を抑制しつつトナー強制入替が可能となる。

なお、上記の変形例において、トナー強制入替時の撹拌動作は補給トナーを荷電するためのものであるため、画像出力を行う前に所望のトナー帯電量が確保できていれば良く、繰り返し実施する最後の撹拌動作を他よりも長くすることにより、最初の方の撹拌時間は短くすることも可能である。

この場合、トナー排出動作はＡ３サイズの最高濃度出力２頁分を一度のトナー排出量とし、トナー排出量の目標値を現在のトナー濃度から決定し、排出量の合計が目標量となるまでトナー排出、トナー補給、短時間撹拌を繰り返す。なお、このときの目標のトナー排出量は、キャリアーの劣化が進んでいない状態のトナー濃度下限値まで排出するとした場合の量から決められるが、少量のトナーの入替の繰り返しになるために、補給したばかりのトナーも排出される可能性があるため、入替の効果が低下することを考慮し、目標のトナー排出力を１０％〜５０％程度通常より多めの量に設定しても良い。

なお、トナーの入替の繰り返しが多くなると、補給された新たなトナーと劣化トナーとの撹拌による分散が進むため、一度に補給されたトナーと劣化トナーとを撹拌する場合と比較して、劣化トナーの帯電性を低下させにくくなるという利点がある。

なお、上記実施の形態では操作表示部１２上のＳＷ押下で実行したが、画像形成装置は、記憶部１８２に設定された情報として印字率データ情報を有しているため、トナーの劣化（外添剤の埋没、離脱）が発生しやすい低印字率の出力が続いた時に、自動的にトナーの強制入替を実行させるように制御しても良い。

また、上記実施の形態では、また、キャリアーの劣化状態を累積印刷枚数から決定したが、本発明はこれに限らず、現像剤の使用時間、現像ローラー２１４Ａの累積走行距離や累積走行時間からキャリアーの劣化状態を決定してもよい。また、現像ローラー２１４Ａから感光体ドラム２１３へのトナーの総供給量（トナー消費量orトナー通過量）によってキャリアーのコート層の減耗が変わるため、トナー消費量orトナー通過量や画像印字率を補正データとしてキャリアーの劣化状態を決定するようにしてもよい。さらに、現像剤の抵抗値を測定するための電極を現像装置２１４内に設け、キャリアーの劣化状態を直接測定してもよい。

その他、上記実施の形態は、何れも本発明の実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１ 画像形成装置
１７ 制御部
２０ 画像形成部
２１ トナー像形成部
２２ 転写部
２３ 定着部
９０ バイアス印加部
２１１ 露光装置
２１２ 帯電装置
２１３ 感光体ドラム
２１４ 現像装置
２１５ ドラムクリーニング装置
２１６ 画像濃度検出部
２１７ 電位検出部
２１８ トナー濃度検出部

Claims (14)

1. トナー像を担持する像担持体と、
   キャリアーおよびトナーを含む現像剤を用いて前記像担持体に前記トナーを供給する現像部と、
   前記トナーを前記現像部から前記像担持体に供給するための電界を形成する電界形成部と、
   装置内外の環境条件と前記現像部内のトナーの濃度の下限値との対応関係を記憶する記憶部と、
   前記現像部内の前記トナーを入れ替える場合に前記トナーを前記像担持体に強制的に排出させる際、前記装置内外の環境条件を参照して、前記対応関係に基づき、前記キャリアーの劣化状態に応じた下限値を決定し、前記現像部内の前記トナーの濃度が、前記決定した下限値より低下しないように制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記現像部内の前記トナーを入れ替える場合に前記トナーを前記像担持体に強制的に排出させる際、前記現像部内の前記トナーの濃度が低くなるに応じて現像電界を下げることで、前記キャリアーへの電荷注入が抑えられるように前記電界形成部を制御する、
   画像形成装置。
2. 前記制御部は、前記キャリアーの劣化状態が進むに応じて前記トナーの濃度の下限値を高くするように制御する、請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記制御部は、前記現像部における現像剤担持体の走行距離から前記キャリアーの劣化状態を決定する、
   請求項１または請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記制御部は、前記現像部における現像剤担持体の走行時間から前記キャリアーの劣化状態を決定する、
   請求項１〜３の何れか１項に記載の画像形成装置。
5. 前記制御部は、印刷枚数から前記キャリアーの劣化状態を決定する、
   請求項１〜４の何れか１項に記載の画像形成装置。
6. 前記制御部は、前記現像部から前記像担持体への前記トナーの供給量から前記キャリアーの劣化状態を決定する、
   請求項１〜５の何れか１項に記載の画像形成装置。
7. 前記制御部は、前記現像部内の前記現像剤の抵抗値から前記キャリアーの劣化状態を決定する、
   請求項１に記載の画像形成装置。
8. 前記制御部は、装置内の環境条件に応じて前記トナーの濃度の下限値を決定する、
   請求項３〜７の何れか１項に記載の画像形成装置。
9. 前記制御部は、装置外の環境条件に応じて前記トナーの濃度の下限値を決定する、
   請求項８に記載の画像形成装置。
10. 前記現像部に前記トナーを補給する補給部を備え、
    前記制御部は、前記トナーの濃度の下限値が高くなるに応じて前記現像部への前記トナーの補給量を減少させるように前記補給部を制御する、
    請求項１〜９の何れか１項に記載の画像形成装置。
11. 前記制御部は、前記トナーを強制的に排出させる時の前記現像部における現像剤担持体の回転速度を画像形成時よりも速くする、
    請求項１〜１０の何れか１項に記載の画像形成装置。
12. 前記現像部に前記トナーを補給する補給部を備え、
    前記制御部は、前記現像部内の前記トナーを入れ替える毎に、前記キャリアーの劣化状態に応じて前記現像部から前記像担持体への前記トナーの排出動作、前記補給部から前記現像部への前記トナーの補給動作および前記トナーの補給後の前記現像部内の前記トナーの撹拌の一連動作を行う、
    請求項１〜１０の何れか１項に記載の画像形成装置。
13. 画像形成装置を含む複数のユニットで構成される画像形成システムであって、
    トナー像を担持する像担持体と、
    キャリアーおよびトナーを含む現像剤を用いて前記像担持体に前記トナーを供給する現像部と、
    前記トナーを前記現像部から前記像担持体に供給するための電界を形成する電界形成部と、
    装置内外の環境条件と前記現像部内のトナーの濃度の下限値との対応関係を記憶する記憶部と、
    前記現像部内の前記トナーを入れ替える場合に前記トナーを前記像担持体に強制的に排出させる際、前記装置内外の環境条件を参照して、前記対応関係に基づき、前記キャリアーの劣化状態に応じた下限値を決定し、前記現像部内の前記トナーの濃度が、前記決定した下限値より低下しないように制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記現像部内の前記トナーを入れ替える場合に前記トナーを前記像担持体に強制的に排出させる際、前記現像部内の前記トナーの濃度が低くなるに応じて現像電界を下げることで、前記キャリアーへの電荷注入が抑えられるように前記電界形成部を制御する、
    画像形成システム。
14. 装置内外の環境条件と現像部内のトナーの濃度の下限値との対応関係を記憶しておき、
    現像部内のキャリアーおよびトナーを含む現像剤のうち前記トナーを前記現像部から像担持体に強制的に排出させる際、前記装置内外の環境条件を参照して、前記対応関係に基づき、前記キャリアーの劣化状態に応じた下限値を決定し、前記現像部内の前記トナーの濃度が、前記決定した下限値より低下しないように制御し、
    前記現像部内の前記キャリアーおよびトナーを含む現像剤のうち前記トナーを前記現像部から像担持体に強制的に排出させる際、前記現像部内の前記トナーの濃度が低くなるに応じて、前記キャリアーへの電荷注入が抑えられるように現像電界を下げる、
    トナー濃度調整方法。

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