JP6666020B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真技術を用いた画像形成装置に関する。

電子写真画像形成プロセスを用いた画像形成装置において、感光ドラムに作用するプロセス手段と感光ドラムとを一体的にカートリッジ化するプロセスカートリッジ方式が広く採用されている。プロセスカートリッジは画像形成装置の装置本体に着脱可能となっているため、画像形成装置のメンテナンスをサービスマンによらずにユーザー自身で行うことができる。また、プロセスカートリッジ方式が採用されている画像形成装置には、プロセスカートリッジ内のトナー残量が少なくなった場合に、そのことをユーザーに報知するためのトナー残量取得手段が設けられていることが多い。

特許文献１に開示されている発明では、画像を構成する画素数（ピクセル数）に基づいてトナー消費量を取得している。このトナー消費量の取得方法は、一般的にピクセルカウント方式と呼ばれている。ピクセルカウント方式では、レーザーが露光されるピクセル数に、１ピクセル当たりのトナー消費量(以下、単位トナー消費量とする)を掛けることで、１つの画像において消費されるトナー量を取得する。そして、プロセスカートリッジ内に充填されたトナー量から消費されたトナー量を引くことでトナー残量を取得している。

ここで、負帯電された感光ドラム上に形成される集中電界によって、単位トナー消費量が変化してしまう場合がある。集中電界は、露光された明部電位と露光されない暗部電位との境界で発生し、負帯電されたトナーを引き寄せる電界である。この集中電界によって、現像ローラ上の領域であって感光ドラムの暗部電位領域に対向する領域に担持されるトナーが、感光ドラムの明部電位領域に引き寄せられてしまう。このため、感光ドラムの明部電位領域において、明部電位領域と暗部電位領域との境界近傍に余分にトナーが供給されてしまっていた。

そこで、特許文献２に開示される発明では、明部電位領域と暗部電位領域との境界近傍に余分に供給されるトナーの量を考慮して単位トナー消費量を補正している。補正された単位トナー消費量に、レーザーが露光されるピクセル数を掛けることによりトナー消費量を取得している。これにより、トナー残量を精度よく取得している。

しかしながら、特許文献２に開示される発明において、所定の印字率で印字し続けることなどでトナー残量が減少していくと、かぶりという現象が生じてしまう。かぶりとは、本来画像が形成されないはずの領域にトナーが付着してしまう現象である。かぶりが生じることによってトナー消費量が変化するため、単位トナー消費量からトナー消費量を求める場合には単位トナー消費量を変化させる必要がある。トナー残量の減少によるトナー消費量の変化は微小であるため、従来市販されている画像形成装置ではあまり問題にならない。しかし、プロセスカートリッジの寿命を延ばそうとした場合には、かぶりによるトナー消費量の変化が大きくなる。この場合、単位トナー消費量を変化させないと、トナー残量が画像形成を十分に行うことができない量であると報知される前に白抜け画像が発生してしまうおそれがある。

特開昭５８−２２４３６３号公報 特開２００６−２７６４２２号公報

そこで、本発明は、単位トナー消費量から現像剤の残量を取得する場合に、現像剤の残量の減少によって現像剤がより消費される場合であっても、消費される現像剤量を精度よく取得する技術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、本発明の画像形成装置は、
現像剤によって記録媒体に画像を形成する画像形成動作を実行可能な画像形成装置であって、
像担持体と、
前記像担持体の表面を帯電する帯電手段と、
前記像担持体の表面に静電像を形成するために前記帯電手段によって帯電された前記像担持体の表面を露光する露光ユニットと、
前記像担持体の表面に形成された前記静電像に正規極性の現像剤を供給して現像剤像を形成するための前記現像剤を担持する現像剤担持体と、
前記現像剤と前記現像剤担持体と、を備える現像容器と、
前記画像形成動作において、前記像担持体の表面に前記静電像が形成された領域である明部電位部におけるピクセル連続度を取得する取得部であって、前記露光ユニットによって前記像担持体の表面を露光する場合に一度に連続して前記像担持体の表面を露光する露光時間から前記ピクセル連続度を取得する取得部と、
前記ピクセル連続度に応じた、前記明部電位部における１ピクセル当たりの前記現像剤の第１の消費量と、前記現像容器内の前記現像剤の残量に応じた、前記現像剤担持体に担持された前記正規極性とは逆極性を有する前記現像剤が前記正規極性に帯電された前記像担持体の表面に付着することで前記現像容器内から消費される前記現像剤の第２の消費量と、に基づいて算出された前記ピクセル連続度と前記残量とに応じた１ピクセル当たりの前記現像剤の第３の消費量を格納する格納部と、
前記画像形成動作における前記ピクセル連続度ごとの前記第３の消費量を積算することによって、前記画像形成動作において消費される現像剤量を算出する算出部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、単位トナー消費量から現像剤の残量を取得する場合おいて、現像剤の残量の減少によって現像剤がより消費される場合であっても、現像剤の残量を精度よく取得するために、消費される現像剤量を精度よく取得することができる。

実施例１に係る画像形成装置の概略断面図 実施例１に係る画像形成装置の模式図 単位面積当たりの現像剤量と露光時間との関係を示す図 感光ドラムの明部電位領域に供給された現像剤を示す図 実施例１と比較例１との現像剤残量の取得結果を比較する図 感光ドラムの暗部電位と耐久時間との関係を示す図 ピクセル連続度ごとの単位現像剤消費量と耐久時間との関係を示す図 実施例２と比較例２との現像剤残量の取得結果を比較する図

以下に図面を参照して、本発明の実施形態を例示する。ただし、実施形態に記載されている構成部品の寸法や材質や形状や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など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形態に限定する趣旨ではない。

（実施例１）
＜画像形成装置の説明＞
図１は、実施例１に係る画像形成装置の概略断面図である。実施例１の電子写真技術を利用した画像形成装置１２は、像担持体としてのドラム形状の電子写真感光体（以下、感光ドラムという。）１を備えている。

感光ドラム１の周囲には、感光ドラム１の回転方向に、帯電手段としての帯電ローラ２と、露光手段としての露光装置６と、現像手段である現像装置３と、転写手段としての転写ローラ４とが順に配置されている。また、クリーニング手段としてのクリーニングブレード５ａを備えたクリーニング装置５も配置されている。また、感光ドラム１と転写ローラ４との間である転写ニップ部Ｎよりも記録媒体の搬送方向下流側には定着装置７が配置
されている。

実施例１において、感光ドラム１は、直径３０ｍｍのアルミシリンダ外周面に抵抗層と下引き層と感光層と電荷輸送層とがディッピング塗工法によって順次塗布されることで形成される剛体である。なお、電荷輸送層の膜厚は２０μｍとなっている。また、感光ドラム１は、画像形成装置１２の装置本体側に設けられた駆動手段（不図示）によって２４０ｍｍ／ｓｅｃの周速で回転駆動する。ここで、感光ドラム１の回転方向は、図１の矢印方向となる。

帯電手段としての帯電ローラ２は、ヒドリンゴムを基体とした基層とウレタンの表層とがΦ６の芯金の周囲に設けられることで構成される。アルミニウムのシリンダーに３０ｒｐｍで回転しながら５００ｇ重で押し当てられるとともに、シリンダーに−２００Ｖを印加した状態で、帯電ローラ２の体積抵抗は１０^５Ωである。また、帯電ローラ２の硬度は、ＭＤ１硬度が５７°であり、ＡｓｋｅｒＣ硬度が８６°である。実施例１では、後述する帯電電圧印加手段１５ａから帯電ローラ２に印加される帯電バイアスはＤＣ電圧が−１０５０Ｖであり、帯電バイアスは感光ドラム１上の暗部電位Ｖｄ（図４を参照）が−５００Ｖとなるように帯電ローラに印加される。

露光装置６は、パーソナルコンピュータ（不図示）などから入力される画像情報をビデオコントローラ（不図示）によって時系列電気デジタル画像信号に対応させて変調したレーザー（露光ビームＬ）をレーザー出力部（不図示）から出力する。露光ビームＬは、帯電された感光ドラム１の表面を走査露光することによって、画像情報に対応した静電像を形成する。実施例１では、露光装置６は、４本のレーザーで感光ドラム１を順次走査しており、感光ドラム１上の明部電位Ｖ１が−１００Ｖとなるように０.３７μＪ/ｃｍ^２の光量で露光ビームＬを照射している。ここで、実施例１において、画像形成装置１２によって形成される画像の解像度は６００ｄｐｉであり、ピクセル連続度と露光回数は、ピクセルカウンタ１７（情報取得部）（図２を参照）で閾値ごとにカウントされる。ピクセル連続度と露光回数の詳細については後述する。

現像装置３は、現像剤を収納する収納部としての現像容器３ａと、現像剤を撹拌する撹拌部材１０と、現像剤担持体としての現像ローラ８とを有する。ここで、現像ローラ８は、現像剤を担持するためのマグネットローラ８ａと現像スリーブ８ｂとを有する。また、現像装置３は、現像ローラ８上の現像剤の層厚を規制するとともに現像剤を摩擦帯電する現像ブレード１１を有する。現像容器３ａに収納される現像剤としては、平均粒径７μｍの磁性１成分トナーを用いる。本実施例では、現像剤として磁性１成分トナーを用いているが、これに限定されず、構成によっては非磁性や２成分でもよい。以下では、本実施形態のトナーを用いて説明する。なお、実施例１では、現像容器３ａに収納されるトナー充填量は１５００gとした。

撹拌部材１０は、支持棒１０ａと撹拌シート１０ｂとを有する。支持棒１０ａは、現像容器３ａに両端部が支持されており、画像形成動作時には図１の矢印方向に回転する。なお、実施例１では、支持棒１０ａは約１秒で一回転する。撹拌シート１０ｂは、厚さが１００μｍのＰＰＳシートが用いられ、短手方向の一端が支持棒１０ａに溶着されている。なお、撹拌シート１０ｂの長手方向の幅は２００ｍｍである。

現像スリーブ８ｂは、非磁性体であるアルミニウムのスリーブの表面に中抵抗の樹脂層が１０μｍコートされることで形成される。樹脂の体積抵抗は１〜１０Ω程度となっている。また、現像ローラ８は、感光ドラム１に対向して、現像装置３の開口近傍に回転可能に支持されている。なお、現像ローラ８は、画像形成動作時には図１の矢印方向に駆動される。また、現像スリーブ８ｂには、画像形成装置１２の装置本体に配置された現像電圧
印加手段１５ｂが電気的に接続されており、所定のタイミングでバイアスが印加される。実施例１では、ＤＣ電圧をＶｄｃ＝−４００Ｖとし、ＡＣ電圧をＶｐｐ＝１４００Ｖとして、周波数２０００Ｈｚの矩形波を現像スリーブ８ｂに印加した。

磁界発生手段であるマグネットローラ８ａは現像スリーブ８ｂの内部に設けられており、マグネットローラ８ａは、磁極Ｎと磁極Ｓとが交互に複数配置されることで形成されている。なお、実施例１では、マグネットローラ８ａには、磁極Ａと磁極Ｂと磁極Ｃと磁極Ｄの４つ磁極が設けられている。磁極Ａは、感光ドラム１に対向して配置され、静電像を現像する際に作用する。磁極Ｂは、現像ブレード１１に対向にして配置され、現像ローラ８上のトナー量を調整する。また、磁極Ｃは、現像容器３ａ内のトナーを現像スリーブ８ｂ上に供給するための磁極であり、磁極Ｄは、現像容器３ａからトナーが漏れることを抑制する。また、磁極Ａ〜Ｄは、回転動作を行わずに同じ位置に支持されている。

また、現像ブレード１１は、支持板金にウレタンゴムブレードが接着されることで形成されている。現像ブレード１１は、現像ローラ８に担持されたトナーの層厚を規制するとともにトナーを摩擦帯電するために、現像ローラ８に適切な当接圧で接触する。なお、実施例１では、現像ブレード１１を３０ｇ/ｃｍの線圧で現像ローラ８に当接させている。
また、支持板金に接着される部材は、必ずしもウレタンゴムブレードでなくてもよく、磁気カットや樹脂などのトナーを規制できる部材であればよい。

転写手段としての転写ローラ４は、感光ドラム１の表面に所定の押圧力で接触することで転写ニップ部Ｎを形成し、転写バイアス電源（不図示）から転写バイアスが印加される。この転写バイアスによって、転写ニップ部Ｎにおいて、感光ドラム１の表面に形成されたトナー像が用紙などの記録媒体Ｐに転写される。また、定着装置７は、内部にハロゲンヒータ（不図示）を備えた加熱ローラと加圧ローラとを有している。定着装置７は、定着ローラと加圧ローラ間のニップ部において、記録媒体Ｐを挟持搬送するとともに、記録媒体Ｐに転写されたトナー像を加熱・加圧することでトナー像を記録媒体Ｐに定着させる。そして、トナー像が定着された記録媒体Ｐは、その後、画像形成装置１２の外部に排出される。

そして、感光ドラム１上のトナー像が記録媒体Ｐに転写された後は、クリーニング手段としてのクリーニングブレード５ａが、感光ドラム１上に残留したトナーを除去する。また、帯電電圧印加手段１５ａは、帯電ローラ２に電気的に接続され、所望のタイミングで帯電ローラ２にバイアスを印加する。現像電圧印加手段１５ｂは、現像ローラ８に電気的に接続され、所望のタイミングで現像ローラ８にバイアスを印加する。

ここで、実施例１では、感光ドラム１と帯電ローラ２と現像装置３とクリーニングブレード５ａは、一体的にユニット化されることで、画像形成装置１２の装置本体に着脱可能なプロセスカートリッジ１３を構成している。しかし、必ずしもこれに限定されることはなく、感光ドラム１と帯電ローラ２とクリーニングブレード５ａはユニット化されていなくてもよい。例えば、感光ドラム１が装置本体側に固定されている形態もある。なお、画像形成動作によって消費されたトナー量を検知するトナー残量取得手段１６の詳細については後述する。

＜トナー残量取得手段＞
図２は、実施例１に係る画像形成装置の模式図である。実施例１では、トナー残量取得手段１６は、ピクセル残検方式によって現像装置３内のトナー残量を取得する。トナー残量取得手段１６は、ピクセルカウンタ１７と記憶手段１８と演算部１９とを有する。なお、現像装置３内のトナーが少なくなった状態でトナー残量をより精度よく取得するために、画像形成装置１２には、アンテナなどの静電容量方式や光学方式トナー残量取得手段を
さらに設けてもよい。

（ピクセルカウンタ）
ピクセルカウンタ１７は、画像形成装置１２に入力された画像データに基づいてピクセル数（画素数）とピクセル連続度ｔとピクセル連続度ｔの回数とを取得する。露光装置を用いる画像形成装置であれば、ピクセル連続度ｔの回数は露光回数となる。ピクセル（画素）とは、画像データに基づいて形成されるデジタル画像を構成する単位である。また、ピクセル数とは、画像データに基づいて形成される画像を構成するピクセルの数のことをいう。また、ピクセル連続度とは、画像形成するピクセル数が連続して配置される度合いである。露光装置６を用いる場合は、露光装置が一度に連続して感光ドラム１を露光する時間と同じである。例えば、画像形成するピクセルが５個連続すればピクセル連続度は５になり、画像形成するピクセルが３個連続すればピクセル連続度は３になる。ピクセル連続度は、初期から一定のピクセル数まで１ピクセル単位で消費されるトナー量が異なる。その後、さらにピクセル連続度が大きくなると、１ピクセル当たりに消費されるトナー量に変化がなくなるので、単位トナー消費量を一定の値とみなすことができる。

露光回数は、露光装置６が一度に連続して感光ドラム１を露光した回数である。本実施例では、ピクセルカウンタ１７は、露光回数を、表１にあるピクセル連続度ｔ１〜ｔ４ごとに取得する。ここで、ピクセルカウンタ１７が取得したピクセル数とピクセル連続度と露光回数は、記憶手段１８に記憶される。なお、本実施例において、画像形成装置１２によって形成される画像のドット密度が６００ｄｐｉである場合、１ピクセルの主走査方向幅は４２μｍとなる。

また、本実施例において、露光装置６は、１ピクセル内を分割して露光することができるＰＷＭ制御を行うことができる。そのため、本実施例では、ピクセル連続度ｔは、表１に示すように、ピクセル連続度ｔ１〜ｔ４の４つの領域に区別している。露光時間が２ピクセル分に対応する露光時間以下である場合のピクセル連続度をｔ１とし、露光時間が、２ピクセル分に対応する露光時間よりも大きく、３ピクセル分に対応する露光時間以下である場合のピクセル連続度をｔ２としている。

また、露光時間が、３ピクセル分に対応する露光時間よりも大きく、４ピクセル分に対応する露光時間以下である場合のピクセル連続度をｔ３とし、露光時間が４ピクセル分に対応する露光時間よりも大きい場合のピクセル連続度をｔ４としている。ここで、ピクセルカウンタ１７は、１つの画像が形成される場合におけるピクセル連続度ｔ１〜ｔ４ごとのピクセル数についてもそれぞれカウントしている。

表１ ピクセル連続度と露光時間との対応関係を示す表

なお、本実施例では、４本のレーザーで感光ドラム１を露光しているが、現像装置３内のトナー残量を取得するために用いられるレーザーの数は任意の数でよい。用いられるレーザーの数が多いほど、トナー残量の取得精度が上がるが、記憶手段１８に記憶されるデータ容量が大きくなってしまう。そのため、本実施例では、４本のレーザーのうちの２本
のレーザーを用いてトナー残量の取得を行うことで、精度をあまり落とすことなくデータ容量を半減させている。また、本実施例のピクセル連続度は、露光装置６の主走査方向と副走査方向とに関わらず、露光装置６が一度に連続して感光ドラム１を露光する時間である。つまり、ピクセル連続度は、主走査方向のピクセルの連続数だけでなく、設定によっては３ピクセル×３ピクセルの正方形の中で画像形成されるピクセル数を用いてもよい。

（記憶手段）
記憶手段１８は、プロセスカートリッジ１３（図１を参照）に搭載され、メモリ２０に、一画素（１ピクセル）におけるトナー消費量の推定量である単位トナー消費量とトナー残量Ｗとピクセル連続度との対応関係が示されたデータテーブルを格納する。ここで、単位トナー消費量は、ピクセル連続度とトナー残量とに応じて変化する。また、記憶手段１８には、演算部１９によって取得されたトナー残量Ｗが、次回のトナー残量取得に用いられるＷ０（前回のトナー残量の取得結果）として格納される。前回のトナー残量の取得結果Ｗ０とトナー残量の取得結果Ｗについての詳細は後述する。

（ピクセル連続度に応じて単位トナー消費量が変化する理由）
まず、ピクセル連続度に応じて単位トナー消費量が変化する理由を図３を用いて説明する。図３は、１ピクセル当たりの現像剤量と露光時間との関係を示す図である。図３において、横軸は、一度に連続して感光ドラム１を露光する時間（ピクセル連続度）であり、縦軸は、単位トナー消費量である。

図３における領域１〜３は、後述する図４における領域１〜３に対応する。図３に示すように、ピクセル連続度が異なると単位トナー消費量が異なっている。これは、上述したように集中電界が原因となっている。また、図４は、感光ドラムの明部電位領域に供給された現像剤を示す図である。図４では、感光ドラム１上の明部領域におけるトナー消費量をピクセル連続度ごとに模式的に示している。

図４における領域１〜３は、図３の領域１〜３におけるトナー消費量を示している。ここで、感光ドラム１の明部電位における適正なトナー消費量は、明部電位部の電位と現像ローラ８に印加される電位との差（以下、現像コントラストとする。）と、トナーが保持する電荷量とによって決定される。明部電位における適正なトナー消費量は、図４の領域３における［１］の範囲における量となる。

一方、明部電位部と暗部電位部との境界において、暗部電位部から明部電位部に向かって集中電界が形成される。このため、現像ローラ８における暗部電位部に対向する部分に担持されるトナーが、集中電界の作用によって感光ドラム１上の明部電位部に付着してしまう。これにより、図４の［２］に示した範囲において消費されるトナー量が増加してしまう。ただし、［１］の範囲が十分に大きければ、単位トナー消費量に対する［２］の範囲の影響は小さくなる。つまり、［１］の範囲が十分に大きい場合は［１］の範囲におけるトナー消費が支配的となるため、領域３における単位トナー消費量は、領域１と領域２における単位トナー消費量に対して少なくなる。

これに対して、領域２では、領域３に比べてピクセル連続度が小さく、集中電界の影響によってトナーが多く付着する領域が隣り合うため［１］の範囲が形成されなくなる。したがって、領域２において単位トナー消費量は最大となる。一方、領域１では、ピクセル連続度が短すぎるため［２］の範囲が重なってしまう。このため、領域１における単位トナー消費量は、領域２における他にトナー消費量よりも少なくなる。以上のように、ピクセル連続度に応じて単位トナー消費量は変化する。

（トナー残量に応じてトナー消費量が変わる理由）
次に、現像装置３内のトナー残量に応じてトナー消費量が変わる理由について説明する。現像装置３内のトナー残量が少なくなると、ピクセル連続度によらないで一定の割合でトナー消費量が増加する。これは、トナー残量が少なくなって正帯電トナーが増えることで、負帯電した感光ドラム１上の暗部電位やトナー像などに正帯電トナーが付着してしまうことによって生じる。この現像は一般的に「かぶり」と呼ばれている。この場合、現像時のトナーの正規帯電は負帯電であり、正帯電は正規帯電の極性と異なることが前提になる。現像時のトナーの正規帯電が正帯電であれば、逆の状態になったときにかぶりが生じる。

かぶりは、現像ローラ８に担持されたトナーが現像ブレード１１によって圧力を受けながら摺擦されることで、現像ローラ８の表面にトナーの外添剤が埋め込まれてしまい、外添剤による帯電がされづらくなることで生じる。現像ブレード１１を通過する前における現像ローラ８上のトナーの電荷密度分布は電荷０近傍に分布しており、現像ローラ８の表面には一定量の正帯電トナーが存在する。トナーが劣化していない状態では、正帯電トナーを含むほとんどのトナーを負帯電することができるためかぶりはあまり生じない。

しかし、上述したように、トナーが劣化することで帯電がされにくくなると、負帯電されない正帯電トナーが増加してしまうことでかぶりが生じてしまう。現像装置３内のトナーが現像ブレード１１によって圧力を受けながら摺擦される機会は、トナー残量が減るに従い増えていく。そのため、トナー残量が減ってトナーが帯電されにくくなることでかぶりが悪化していき、その結果トナー消費量が多くなってしまう。

したがって、精度よくトナー消費量を取得するためには、トナー残量が減っていくに従って１ピクセル当たりのトナー消費量（単位トナー消費量）を大きく設定する必要がある。本実施例では、トナー残量の範囲をＫとして、トナー残量の範囲Ｋにおけるピクセル連続度ごとの単位トナー消費量のデータテーブルは表２のように設定し、トナー残量の範囲Ｋは表３のように設定した。ここで、実施例１では、単位トナー消費量は、現像装置３内のトナー残量の減少に応じて徐々に大きくなるように設定されている。

表２ ピクセル連続度毎の単位トナー消費量

表３ トナー残量の区分

（トナー残量演算部）
演算部１９は、単位トナー消費量とトナー残量Ｗとピクセル連続度との対応関係が示された表２のデータテーブルに基づいて現像装置３内のトナー残量を導出する。ここで、演算部１９は、メモリ２０などに格納されたプログラムをＣＰＵ（不図示）が実行することでトナー残量を導出する。また、本実施例では、演算部１９は、画像形成装置１２に搭載された機器の動作を制御する制御部としての役割も果たしている。具体的には、演算部１９が、表２のデータテーブルとピクセル連続度とトナー残量とから、ピクセル連続度ごとの単位トナー消費量を取得している。

ここで、現像装置３内のトナー残量をＷ（画像形成動作後のトナー残量）とし、画像形成動作前のトナー残量をＷ０とする（現像装置が初期状態である場合にはＷ０は１００％とする）。また、１つの画像が形成される場合におけるピクセル連続度ごとのピクセル数をＬｔ１〜Ｌｔ４とする。例えば、画像形成可能領域が１００ピクセル分あるものに対して、画像情報がピクセル連続度がｔ１である露光によって形成された画像領域が５ピクセル分の領域である場合にはＬｔ１＝５となる。そして、トナー残量がＫ１〜Ｋ３である場合におけるピクセル連続度ごとの単位トナー消費量をｔ１（Ｋ）〜ｔ４（Ｋ）とする。本実施例では、例えば、トナー残量Ｋが１００％≧Ｋ＞５０％であって、ピクセル連続度がｔ１である場合の単位トナー消費量は２．０×１０^−７となる。この場合に、トナー残量Ｗは以下の式から求められる。なお、演算部１９は、メモリ２０に格納されたプログラムを実行することで、現像装置３内のトナー残量を取得することができる。

式（１）では、１つの画像におけるピクセル連続度ｔ１〜ｔ４ごとのトナー消費量を求めて、そのピクセル連続度ごとのトナー消費量を積算することで、１つの画像を形成するために消費されるトナー消費量を取得している。そして、前回取得されたトナー残量Ｗ０から、１つの画像を形成するために消費されるトナー消費量を引くことで、現像装置３内のトナー残量を取得している。

Ｗ＝Ｗ０−（ｔ１（Ｋ）＊Ｌｔ１＋ｔ２（Ｋ）＊Ｌｔ２＋ｔ３（Ｋ）＊Ｌｔ３＋ｔ４（Ｋ）＊Ｌｔ４）
…（１）

（比較例１）
比較例１は、記憶手段１８に格納されるデータテーブルが、ピクセル連続度と単位トナー消費量との対応関係のみを示している点で実施例１と異なる。つまり、比較例１では、トナー残量に応じて単位トナー消費量を変更させていない。比較例１におけるトナー残量は次の式（２）から求めることができる。Ｌｔ１〜Ｌｔ４の定義は実施例１と同様である。

Ｗ＝Ｗ０−（ｔ１＊Ｌｔ１＋ｔ２＊Ｌｔ２＋ｔ３＊Ｌｔ３＋ｔ４＊Ｌｔ４）…（２）

（評価方法１）
図５は、実施例１と比較例１との現像剤残量の取得結果を比較する図である。図５は、ＩＳＯパターンを印字してトナー残量を減らした場合における実施例１と比較例１とのトナー残量の取得結果を示している。図５において、横軸は、現像装置３内における実際のトナー残量であり、縦軸は、演算部１９が取得したトナー残量の取得結果である。実線が実施例１の取得結果を示しており、破線が比較例１の取得結果を示している。

図５に示しように、実施例１では、現像装置３内のトナー残量を精度よく取得できていることが分かる。実施例１では、画像不良が生じない量のトナーが現像装置３内にないと判断されるまで、白抜け画像などの画像不良は発生しなかった。一方、比較例１では、トナー残量が半分程度（約５０％）となるまでは画像形成の精度は良かったが、トナー残量が半分以下になるとトナー残量の取得結果は実際のトナー残量よりも多くなった。これは、上述したように、トナー残量が減少したことによってかぶりが発生してしまったためである。

比較例１では、実施例１と異なり、トナー残量の減少に応じて増加するかぶりによるトナー消費量が考慮されていないため、かぶりによるトナー消費量の増加によってトナー残量の取得結果が実際よりも多くなってしまう。そのため、比較例１では白抜け画像などの画像不良が発生してしまった。このように、実施例１では、白抜け画像などの画像不良の発生を抑制することで画像形成を良好に行うことができる。

以上のように、実施例１では、現像装置内の現像剤の残量とピクセル連続度とに応じて、一画素における現像剤消費量の推定量が設定されている。そして、この推定量に基づいて、画像を形成するために消費される現像剤量を取得している。これにより、一画素における現像剤消費量の推定量から画像形成によって消費される現像剤量を取得する場合において、現像装置内の現像剤の残量が減少した場合でも、精度よく現像剤の消費量を取得することができる。

また、実施例１では、現像装置内のおける現像剤の残量が所定の範囲ごとに大きく区分けされており、区分けされた範囲ごとに一画素における現像剤消費量の推定量が設定されている。仮に、一画素における現像剤消費量の推定量が所定の範囲ごとに細かく設定されている場合、記憶部に記憶される推定量の数が膨大になってしまう。この場合、記憶部の容量を多く確保しなければならないため画像形成装置のコストが上がってしまう。実施例１では、現像剤の残量が所定の範囲ごとに大きく区分けされていることで、画像形成装置のコストを下げることができる。

また、実施例１では、ピクセル連続度が所定の範囲ごとに大きく区分けされており、区分けされた範囲ごとに一画素における現像剤消費量の推定量が設定されている。仮に、一画素における現像剤消費量の推定量が所定の範囲ごとに細かく設定されている場合、記憶部に記憶される推定量の数が膨大になってしまう。この場合、記憶部の容量を多く確保しなければならないため画像形成装置のコストが上がってしまう。実施例１では、現像剤の残量が所定の範囲ごとに大きく区分けされていることで、画像形成装置のコストを下げることができる。

また、実施例１では、一画素における現像剤消費量の推定量は、同一の範囲におけるピクセル連続度において、現像装置内の現像剤の残量が減少するに従って増加するように設定されている。現像剤の残量が減少するに従ってかぶりによって現像剤が余分に消費されるため、推定量を増加させることで精度よく現像剤消費量を取得することができる。

（実施例２）
次に実施例２について説明する。実施例２は、プロセスカートリッジを長寿命化させた場合においても精度よくトナー残量を取得できる点で実施例１と異なる。ここで、実施例２において、実施例１と同一の機能を有する部分については同一の符号を付すことでその説明を省略する。

（プロセスカートリッジを長寿命化させる方法について）
プロセスカートリッジを長寿命化させる方法として、現像装置３内のトナー充填量を多
くする方法以外に、画像の品質を維持したままで単位トナー消費量を低くする方法がある。具体的には、実施例１において、ピクセル連続度がｔ１の場合における単位トナー消費量を、ピクセル連続度がｔ４の場合における単位トナー消費量に近づけることでプロセスカートリッジを長寿命化することができる。実施例２では、感光ドラム１における暗部電位の電位を下げることで明部電位と暗部電位との電位差を小さくし、集中電界による影響を小さくすることで図３の［２］の範囲に過剰にトナーが付着してしまうことを抑制している。これにより、トナー消費量を減少させ、プロセスカートリッジを高寿命化させている。

実施例２では、初期設定において、帯電電圧印加手段１５ａによって帯電ローラ２に印加される電圧を−９５０Ｖに設定し、感光ドラム１上の暗部電位を−４００Ｖに設定した。また、現像電圧印加手段１５ｂによって現像スリーブ８ｂに印加されるＤＣ電圧を−３００Ｖに設定した。実施例２では、トナー残量にかかわらず一定であった印加電圧（帯電ローラ２に印加される電圧）をトナー残量に応じて変化させた。これにより、感光ドラム１上の暗部電位が図６に示すように変化する。ここで、実施例２において、感光ドラム１上の暗部電位は、画像を形成するラインの幅や画像濃度などを適切に保つことができる電位となっている。図６において、横軸は、所定の印字率で画像形成動作を続けた時間（耐久時間）であり、縦軸は、感光ドラム１上における暗部電位である。

実施例２では、耐久時間が少ない場合は感光ドラム１における暗部電位を高く設定している。耐久時間が少ない場合は現像装置３内のトナー量が多いため、現像ローラ８に担持されるトナーを１回の摺擦で負帯電させても、負帯電したトナーがすぐに未帯電トナーと入れ替わってしまう。そのため、現像ローラ８に担持されるトナーの帯電量がすぐには大きくならない。耐久時間が少ない場合は、かぶりによるトナー消費量は少ないが、現像ローラ８上のトナーの負帯電量が低いため、電界によってトナーに作用する力が弱くなる。

ここで、電子写真技術が用いられる画像形成装置では、記録媒体Ｐに形成される画像は、複数の線状の画像（ライン画像）が集まることで形成される。耐久時間が少ない場合は、感光ドラム１における明部電位と現像ローラ８表面の電位との差（以下、現像コントラストとする。）が小さくなり、ライン画像の幅方向における端部近傍が現像されにくくなる。これにより、耐久時間が少ない場合はライン画像が細くなってしまう。このため、感光ドラム１における暗部電位を大きくすることで、暗部電位部が露光されることによって形成される明部電位部の電位も大きくなり、現像コントラストが大きくなる。これにより、現像ローラ８上のトナーに作用する電界が大きくなり、ライン画像が細くなることなく、感光ドラム１上の静電像が精度よく現像される。

また、実施例２では、耐久時間が少ない状態から、感光ドラム１における暗部電位を徐々に低くしている。耐久時間が増えることで現像装置３内のトナー残量が減ってくると、現像容器３ａ内における負帯電トナーの割合も徐々に増えてくる。そのため、現像ローラ８上のトナーの帯電量が大きくなり、その結果、ライン画像が現像されやすくなる。感光ドラム１上の暗部電位を低くして、現像コントラストが小さくなっても画像の品質を保つことができる。

さらに、実施例２では、耐久時間が十分に経過して、現像装置３内のトナー残量が少なくなった状態において、感光ドラム１の暗部電位を大きくしている。電子写真技術を用いた画像形成装置１２では、帯電量が高いトナーから順番に感光ドラム１に供給され、感光ドラム１に供給されたトナーの電荷量と現像コントラストとが同じになるまで感光ドラム１にトナーが供給され続ける。

現像ローラ８上に担持されたトナーの帯電量が一定であるとすると、表面積が小さくて
軽い小粒径のトナーほど電界によって受ける力が大きくなるため、小粒径のトナーの方が優先的に感光ドラム１に供給される。なお、実施例２では、現像コントラストを下げても画像濃度が低下しすぎないように、トナーＴに含有される磁性体の量を６０％とした。これにより、現像コントラストが小さくなっても、記録媒体Ｐに形成される画像の濃度が低下しすぎない。

ここで、現像装置３内のトナー残量が少なくなってくると、現像装置３内において、小粒径トナーが少なくなり、大粒径トナーが多くなる。大粒径のトナーが感光ドラム１に供給されるようになると、トナー像を形成するトナー間の隙間が大きくなるため、記録媒体Ｐ上にトナー像が転写された場合に、トナー間の隙間から記録媒体Ｐが見えてしまう。そのため、実施例２では、現像装置３内のトナー残量が少なくなった場合に、感光ドラム１における暗部電位を大きくしている。これにより、現像コントラストが大きくなり、現像ローラ８上のトナーに作用する電界が大きくなることで、多くのトナーが感光ドラム１に対して供給され、トナー間の隙間から記録媒体Ｐが見えてしまうことを抑制することができる。

図７は、ピクセル連続度ごとの単位現像剤消費量と耐久時間との関係を示す図である。ここで、単位トナー消費量を求めるために、ピクセル連続度が同一である露光のみ（例えば、ピクセル連続度がｔ１である露光のみ）を用いて１つの画像を形成した。そして、１つの画像を形成するために実際に消費したトナー量を、画像が形成された領域を構成するピクセル数で割ることで図７の単位トナー消費量を求めた。ピクセル連続度がｔ１〜ｔ４である場合それぞれについて単位トナー消費量を求めることで図７の実験結果を得ることができた。

ここで、図６において、耐久時間が０である場合の現像装置３内のトナー残量は１００％であり、感光ドラム１の暗部電位が最小である場合のトナー残量は２５％である。実施例２では、図６に示すように、トナー残量が１００〜２５％である場合は感光ドラム１上の暗部電位を一定の割合で減少させ、トナー残量が２５％以下である場合は暗部電位を一定の割合で増加させている。その結果、ピクセル連続度ごとの単位トナー消費量は図７のようになった。

図７において、縦軸は単位トナー消費量であり、横軸は耐久時間である。また、図７では、実施例２におけるピクセル連続度ｔ１´を▲で示し、ピクセル連続度ｔ２´を●で示し、ピクセル連続度ｔ３´を×で示し、ピクセル連続度ｔ４´を■で示している。なお、実施例１と実施例２とにおいて、各ピクセル連続度の露光時間の範囲は同一である。つまり、ピクセル連続度について、ｔ１´はｔ１と、ｔ２´はｔ２と、ｔ３´はｔ３と、ｔ４´はｔ４と露光時間の範囲が同一である。

また、実施例１におけるピクセル連続度ｔ１を実線で示し、実施例１におけるピクセル連続度ｔ４を破線で示している。ここで、実施例２では、演算部１９が制御部としての役割を果たしている。演算部１９（制御部）が、メモリ２０に格納されたコンピュータプログラムを実行し、帯電電圧印加手段１５ａの動作を制御することで、帯電ローラ２から感光ドラム１に印加される電圧を変化させている。

図７に示すように、実施例２におけるピクセル連続度ｔ１´（▲）では、トナー残量が１００〜２５％である場合において、暗部電位を一定の割合で減少させることで、単位トナー消費量をほぼ一定の割合で減少させることができた。また、ピクセル連続度ｔ１´では、トナー残量が２５％以下である場合において、暗部電位を一定の割合で増加させたため、単位トナー消費量が一定の割合で増加している。しかしながら、実施例２におけるピクセル連続度ｔ１´の単位トナー消費量は、実施例１のピクセル連続度ｔ１（実線）より
も大幅に減少した。

ピクセル連続度ｔ４´（■）における単位トナー消費量は、ピクセル連続度ｔ４（破線）における単位トナー消費量よりも小さくなった。また、ピクセル連続度ｔ４´では、トナー消費量に対する集中電界の影響が小さいため、ピクセル連続度ｔ１´〜ｔ３´よりも単位トナー消費量が小さくなっている。トナー残量が２５％以下である場合においては、暗部電位を高くしたことで、ピクセル連続度ｔ４´（■）の単位トナー消費量が増加している。しかし、トナー消費量に対する集中電界の影響が小さいため、ピクセル連続度ｔ４´（■）の単位トナー消費量は、ピクセル連続度ｔ１´〜ｔ３´の単位トナー消費量よりも小さい。

また、図７に示すように、実施例２では、ピクセル連続度ｔ２´（●）の単位トナー消費量は、トナー残量によらず、ピクセル連続度ｔ１´とｔ３´とｔ４´の単位トナー消費量よりも大きくなっている。また、トナー残量によらず、ピクセル連続度ｔ３´（×）の単位トナー消費量はピクセル連続度ｔ１´とｔ４´の単位トナー消費量よりも大きく、ピクセル連続度ｔ１´の単位トナー消費量はピクセル連続度ｔ４´の単位トナー消費量よりも大きい。

以上のように、感光ドラム１の暗部電位を変化させることで、プロセスカートリッジを長寿命化した場合、ピクセル連続度ｔ１´〜ｔ４´ごとの単位トナー消費量はトナー残量に応じて変化する。実施例２では、精度よくトナー消費量を求めるために、ピクセル連続度ごとの単位トナー消費量を表４のように設定した。ここで、表４のように設定された単位トナー消費量は、ピクセル連続度（ｔ１´〜ｔ４´）と、トナー残量と、感光ドラム１の暗部電位とに基づいて設定される。

Ｚ１〜Ｚ５は、トナー残量の範囲であり、以下のように設定されている。また、式（３）において、トナー残量がＺ１〜Ｚ５である場合におけるピクセル連続度ごとの単位トナー消費量をｔ１´（Ｚ）〜ｔ５´（Ｚ）とする。ｔ１´（Ｚ）〜ｔ５´（Ｚ）は、表４に基づいて決定される。例えば、トナー残量Ｋが１００％≧Ｋ＞８０％であり、ピクセル連続度がｔ´１である場合において、単位トナー消費量ｔ１´（Ｚ）は２．０５×１０^−７となる。そして、実施例１と同様に、１つの画像が形成される場合におけるピクセル連続度（ｔ１´〜ｔ４´）ごとのピクセル数をＬｔ１〜Ｌｔ４とする。例えば、ピクセル連続度がｔ´１である露光によって形成された画像領域が３ピクセル分の領域である場合にはＬｔ´１＝３となる。また、式（３）において、現像装置３内のトナー残量をＷとし、前回までのトナー残量をＷ０とする。なお、Ｚの範囲（Ｚ１〜Ｚ５）は、前回のトナー残量Ｗ０の取得結果に応じて決定される。

Ｚ１:１００％≧Ｋ＞８０％
Ｚ２: ８０％≧Ｋ＞６０％
Ｚ３: ６０％≧Ｋ＞４０％
Ｚ４: ４０％≧Ｋ＞２０％
Ｚ５: ２０％≧Ｋ≧ ０％

表４ トナー残量に対応したピクセル連続度毎の単位トナー消費量

実施例２では、次に示す式（３）と表４とを用いてトナー残量を導出する。

Ｗ＝Ｗ０−（（ｔ１´（Ｚ）＊Ｌｔ１＋ｔ２´（Ｚ）＊Ｌｔ２＋ｔ３´（Ｚ）＊Ｌｔ３＋ｔ４´（Ｚ）＊Ｌｔ４）…（３）

（評価方法２）
図８は、実施例２と比較例１との現像剤残量の取得結果を比較する図である。図８には、ＩＳＯパターンを印字し続けることでトナー残量を減らした場合における実施例２と比較例１のトナー残量の取得結果が示されている。図８において、横軸は、現像装置３内における実際のトナー残量であり、縦軸は、トナー残量の取得結果である。また、実線が、実施例２におけるトナー残量の取得結果を示しており、破線が、比較例１におけるトナー残量の取得結果を示している。なお、比較例１は、実施例１における比較例と同様である。

図８に示すように、実施例２では、現像装置３内のトナー残量を精度よく取得できていることが分かる。実施例２では、ピクセル連続度とトナー残量と暗部電位とに応じて単位トナー消費量を変化させることで、トナー残量が画像形成を十分に行うことができない量であると報知されるまで白抜け画像は発生しなかった。一方、比較例１では、単位トナー消費量をトナー残量に応じて変化させていないため、トナー残量が少なくなった状態において、トナー残量の取得結果と実際のトナー残量とにズレが生じてしまっている。そして、現像装置３内のトナー残量が０％である場合において、トナー残量の取得結果と実際のトナー残量とのズレが大きくなっている。比較例１におけるトナー残量の取得結果は、かぶりによるトナー消費量が考慮されていないため、かぶりによるトナー消費量の分だけ実際のトナー消費量とズレてしまっている。

以上のように、実施例２では、実施例１と同様に、一画素における現像剤消費量の推定量から画像形成によって消費される現像剤量を取得する場合において、現像装置内の現像剤の残量が減少した場合でも、精度よく現像剤の消費量を取得することができる。
また、実施例２では、像担持体の電位を変化させ、像担持体における暗部電位の電位を下げることで、明部電位と暗部電位との電位差を小さくしている。これにより、集中電界による影響を小さくし、集中電界によって余分に消費されていた現像剤量を減少させることができる。

なお、各実施例では、１つの画像を形成するために消費されるトナー量を求めているが、必ずしもこれに限れることはない。例えば、複数の同一画像を形成する印刷ジョブが入力された場合には、１つの画像を形成するために消費されるトナー量に形成される画像の数を掛けることで、１つの印刷ジョブにおけるトナー消費量を求めてもよい。
また、各実施例では、像担持体が露光されることによって像担持体に静電像が形成されているが、必ずしもこれに限られることはない。例えば、像担持体内に設けられた電極によって像担持体表面の電位を変化させることで、像担持体に静電像を形成してもよい。

１…感光ドラム、３…現像装置、１２…画像形成装置、１７…ピクセルカウンタ、
１９…演算部、Ｐ…記録媒体

Claims (6)

1. 現像剤によって記録媒体に画像を形成する画像形成動作を実行可能な画像形成装置であって、
   像担持体と、
   前記像担持体の表面を帯電する帯電手段と、
   前記像担持体の表面に静電像を形成するために前記帯電手段によって帯電された前記像担持体の表面を露光する露光ユニットと、
   前記像担持体の表面に形成された前記静電像に正規極性の現像剤を供給して現像剤像を形成するための前記現像剤を担持する現像剤担持体と、
   前記現像剤と前記現像剤担持体と、を備える現像容器と、
   前記画像形成動作において、前記像担持体の表面に前記静電像が形成された領域である明部電位部におけるピクセル連続度を取得する取得部であって、前記露光ユニットによって前記像担持体の表面を露光する場合に一度に連続して前記像担持体の表面を露光する露光時間から前記ピクセル連続度を取得する取得部と、
   前記ピクセル連続度に応じた、前記明部電位部における１ピクセル当たりの前記現像剤の第１の消費量と、前記現像容器内の前記現像剤の残量に応じた、前記現像剤担持体に担持された前記正規極性とは逆極性を有する前記現像剤が前記正規極性に帯電された前記像担持体の表面に付着することで前記現像容器内から消費される前記現像剤の第２の消費量と、に基づいて算出された前記ピクセル連続度と前記残量とに応じた１ピクセル当たりの前記現像剤の第３の消費量を格納する格納部と、
   前記画像形成動作における前記ピクセル連続度ごとの前記第３の消費量を積算することによって、前記画像形成動作において消費される現像剤量を算出する算出部と、を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記第３の消費量は、前記現像容器内の前記現像剤の前記残量に基づいた複数の範囲ごとに設定されていることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記第３の消費量は、前記現像容器内の前記現像剤の前記残量が減少するに従って増加するように設定されることを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記現像容器内の前記現像剤の前記残量に応じて、露光されていない状態における前記像担持体の表面電位が変化するように前記帯電手段を制御する制御部を有し、
   前記第３の消費量は、前記表面電位に応じて設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の画像形成装置。
5. 前記算出部は、前記画像形成動作前の前記現像容器内の前記現像剤の前記残量から、前記画像形成動作における画像情報に応じた前記第３の消費量の総和を引くことで、前記画像形成動作後における前記現像容器内の前記現像剤の前記残量を算出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。
6. 前記現像剤は、磁性トナーであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
   

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