JPH01200378A - 現像トナー量の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子写真におけるトナー量の制御装置に関す
る。

〔従来技術及びその問題点］ 乾式電子写真プロセスを採用している機器において、現
像プロセスはｌ成分系と２成分系に分けられるが、現在
は２成分系の現像が主流をなしており、その中でも磁気
ブラシ現像法が大きな割合を占めている。前記した２成
分現像法は、印刷と共に消費されるトナーとトナーの帯
電及び搬送を行うキャリアから成っており、トナー消費
に伴いトナーとキャリアの重量比（以下トナー濃度とい
う）が変化するため画像濃度も大きく変化するという欠
点があった。

そこで、通常は、トナー濃度を検知するためのセンサを
設けているが、このトナーセンサには現像器内の磁気抵
抗の変化を測定するものと紙に印刷された画像で判断す
るものが実用化されている。

前者の現像器内の磁気抵抗の変化を測定するものは、非
磁性体であるトナーと磁性体であるキャリアの混在して
いる状態の磁気抵抗の変化を測定するもので、トナー濃
度が濃い場合はキャリアが少なくなり磁気抵抗が大きく
なる。逆にトナー濃度が薄い場合は、キャリア分が多く
なるので磁気抵抗が小さくなるものであり、この磁気抵
抗の変化を測定することによりトナー濃度の変化を捉え
、トナー濃度を一定に保つ制御系を構成したものである
。

しかしながら、上記のトナー濃度センサは、マグネット
ローラの極数、現像剤規制板との距離、現像剤かき落し
板距離、更に、感光体ドラムと現像スリーブの回転数な
どの諸要素の影響を受けるため、考慮すべき事項が多岐
に亘り設計上複雑となることが免れないという問題点を
有するものである。

また、前記した紙に印刷して画像で判断するものは、紙
の端に小さな濃度インデイクス部（所謂黒ベタ）を印刷
し、この黒ベタに光を照射し、その反射光あるいは透過
光を測定するようになし、換言すれば画像濃度を直接検
知するもので、これを一定に保つように制御系が構成さ
れている。しかしながら、上記の方法では常に紙の端に
黒ベタが印刷されてしまい、利用者に対して不快感を与
えることとなり、また、紙の大きさを変更する場合に、
対応が煩雑となるという欠点がある。

上記の欠点を解決したものとして、感光体上の黒ベタの
濃度を光センサによって測定し、これによってトナー濃
度を一定に制御する方法（特開昭５４−１４３１４４号
公報）があるが、このものにおいても光センサの汚れな
どのため精度が悪くなったりメンテナンスに手間がか＼
るという問題点を有している。

〔発明が解決せんとする問題点〕

本発明は前記した従来装置の問題点である磁気的な濃度
センサの設計上の煩雑さをなくすとともに、光学式のよ
うに印刷物に跡を残したりメンテナンスに手間がか−ら
ない現像トナー量の制御装置の提供を目的とするもので
あり、前記の問題点の解決のために本発明者らは次の点
について研究し、本発明を完成した。すなわち、電子写
真プロセスの現像では、帯電したトナーは感光体と現像
スリーブ間の現像電界中に置かれ、帯電トナーは帯電量
と電界強度の積に比例した静電力を受けて感光体へ飛翔
するものであるが、このとき、現像スリーブ数百ｎＡの
電流が流れるが、この現像スリーブへ流れる電流量（Ｉ
、二基下バイアス電流と略称す）は帯電トナーが現像ス
リーブから感光体へ現像されることにより失われる帯電
量の時間変化を補う電流量（■１：以下トナー電流と略
称す）と、スリーブと感光体間の電位差によって流れる
リーク電流（■２）あるいはスリーブと接したハウジン
グ間の電圧差によって流れるリーク電流（■３）の和で
ある。すなわち、 １　＋　＝ｎ　ｄｑ／ｄｔ　　　・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）Ｉ　ｂ　＝
Ｌ　＋Ｉｚ＋ｈ＝　ｎ　ｄｑ／ｄｔ＋Ｉ２＋Ｉ３”’（
２）ここでｑはトナー粒子−個当りの帯電量、ｎは現像
されたトナーの個数、ｔは単位時間である。

リーク電流１２は感光体の表面電位により変化する。そ
して、前記の感光体の表面電位は、露光された場所（感
光体露光表面電位：■、）と露光されない場所（感光体
非露光表面電位：■。）の２種類あるので、表面電位が
全て■。（通称白ベタ）のときのリーク電流を１２ｗ、
表面電位が全て■。

（黒ベタ）のときのリーク電流をｒｚｂ　とすれば、白
と黒の面積比がＸのときのリーク電流Ｆｘは、１２Ｘ＝
　Ｎ−Ｘ）　　・１．、　＋　Ｘ　−ｈｂ・・・・・・
・・・（３）更に、リーク電流Ｉ２はバイアス電圧によ
っても変化する。バイアス電圧を■、とし、単位面積当
りの白ベタと黒ベタのリーク電流をそれぞれ１４ｗ、ｉ
ｚｂとすれば、 １２ｗ　　−ａＸ　　（ＶＨＶｂ　　）ｉｚｂ　＝　ａ
　Ｘ　（Ｖｏ　　Ｖｂ　）・・・・旧・・・・・・・・
・・・（４）となる。ここでａは温度や湿度で変化する
比例定数であり、前記したバイアス電流ｌ、は、現像量
と大きな相関関係を持つものである。このことを実際に
測定した結果を第６図、第７図に示す。第６図は、バイ
アス電流と現像量（転写、定着後の紙にのったトナー量
）の関係を示したもので、現像位置における感光体ドラ
ムの露光されていない部分の表面電位■。は−８００ボ
ルトで、バイアス電圧■、は一４００ボルトである。ま
た、感光体ドラム周速は１５０ｍｍ／ｓ、紙と紙の間で
の帯電器をＯＦＦにしている時間を２００ｍ５ｅｃ、印
字幅を３００ｍｍとしてあり、使用したトナーとキャリ
アは２成分用非磁性絶縁トナーと絶縁キャリアである。

測定値は、トナーを供給せずに連続運転を行った場合の
黒ベタ現像時におけるバイアス電流とその黒ベタの現像
量をプロットしたものである。第７図は前記の黒ベタの
現像量と光学的濃度値（ＯＤ値）をプロットしたもので
ある。ただし、前記のＯＤ値の測定はマクベス社のＯＤ
メータＲＤ９１８を用いた。

この結果からも電流値と現像量が大きな相関を示すこと
が理解できるものである。更に、本発明者は、先に現像
剤のトナー混合比の変化に応じて変わるバイアス電流を
計測してトナー濃度を検出することを提案したが、温度
や湿度、その他の環境の変化によって同じ混合比の現像
剤であってもバイアス電流が変わってしまい高精度な制
御を行なうのに影響があることがわかった。そして、そ
の状態を第８図に示すと、第８図は、それぞれ温度、湿
度等の環境条件の異なる別々の日にバイアス電流と現像
量の関係を測定したもので、測定条件は第６図と同様で
ある。この測定結果からバイアス電流は、環境条件が変
化するとその値も変化してしまうことが解る。、また、
第８図における傾きは変化せずリーク電流の変化の大き
いことも理解でき、リーク電流を含むバイアス電流によ
ってトナー量を制御すると温度や湿度等環境が変化した
ときに影響があることがわかった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る現像トナー量の制御装置は、前記した問題
点を解決するためにリーク電流を打ち消すようなバイア
ス電圧と現像面積の組合わせにより感光体の非画像部に
現像を行い、そのとき流れるバイアス電流値によってト
ナー供給を制御することをその特徴とするものである。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１図は、
乾式電子写真の概略的な構成を示し、感光体ドラムｌの
周囲に帯電器２、露光器３、現像器４、転写器７、クリ
ーナ８、除電器９の順にそれぞれ配設され、前記した現
像器４内には現像スリーブ５が設けられ、また６はトナ
ー溜めであり、祇１３は紙送りローラ１１及び１２によ
って移送され、紙移送方向の下流側には定着器１０が配
装されている。そして、これらは通常の乾式電子写真を
構成するものであり特に説明はしない。

本実施例においては、感光体ドラム１への現像量を測定
するために抵抗１４、アンプ１５が設けられ、前記抵抗
１４の両端の電位差を測定し、アンプ１５で増幅し、こ
こで得た結果をＡＤ変換器２１を通してコントローラ１
６に入力する。上記のコントローラ１６は■０インター
フェイスとメモリーを持つそれ自体公知のマイクロコン
ピュータであり、該コントローラ１６の制御によってト
ナー供給器１７を駆動して現像器４内へトナーを供給す
るようにされる。

更に、本実施例においては黒ベタを印字するための装置
として、非画像領域すなわち通常紙１３に印刷しない場
所を検知する紙の移送経路に設けた紙送りセンサ１８の
信号を前述したコントローラ１６に入力し、露光位置に
感光体の非画像領域が有る期間の一定時間露光器が一定
面積に黒ベタ露光するように周期をとり、これにより感
光体上の非画像部に一定面積の黒ベタが現像される。

本実施例は以上のように構成されるが、２成分磁気ブラ
シ現像法はトナーとキャリアを含んでおり、トナーはキ
ャリアとの摩擦で帯電している。

そして、感光体ドラムｌの表面電位■２ｃ、バイアス電
圧Ｖ、による現像電界により、帯電したトナーは感光体
ドラム１へ飛翔し印刷されるものである。したがって、
キャリアの量は不変であるが、トナーは時々刻々消費さ
れ、その結果、トナーの供給なしでは現像量は少な（な
り印刷出力は薄くなってしまうことになる。

そして、感光体ドラム１への現像量、表面電位Ｖ　ｐｃ
とバイアス電圧■５との間には次の関係がある。

Ｍ／Ａ　＝（Ｖｂ　　Ｖｐｃ）／（２π（ｑ／ｍ）（ａ
ｖｐｃ／εｃｖｃ＋２ｔ／εｐｃ）　）ここでＭ／Ａは
単位面積当りの現像量、ｑ／ｍは単位質量当りの電荷量
、ａはキャリア層の厚み、ｖｐｃ。

νＣは感光体ドラムとキャリアの速度、εｐｃ、　　ε
Ｃは感光体ドラムとキャリアの誘電率、Ｌは感光体ドラ
ムの厚みである。そして、前記のａ、シｐｃ、ｖｃ。

εｐｃ、　　εＣ及びｔは一定である。そこで、バイア
ス電圧Ｖｂ＋感光体ドラムの表面電位Ｖ　ｐｃを固定し
、更にｑ／ｍも一定にすれば現像量は不変的なものとな
るが、前記のｑ／ｍはトナー濃度と深く関係しているも
ので、前述したようにトナー濃度は、トナーの補給なし
では現像されるにしたがいトナーは消費され減少するの
で、ｑ／ｍも変化することになる。更に、通常印刷時に
は、印字密度が軸方向及び周方向（時間）に対し常に変
化しており、また、現像バイアス電圧■ゎ、感光体ドラ
ムの表面電位ｖ９ｃが人為的あるいは環境条件により一
定ではないので、通常の印刷時にバイアス電流を測定し
、トナー現像量を推定することは実用上困難である。そ
こで、本実施例においては、感光体ドラム１の非画像部
、すなわち通常印刷しない時間を利用して現像バイアス
電圧■１を固定し、感光体ドラム１の表面電位■ｐｃを
一定となし、この条件のもとにおいでのバイアス電流１
ｂは式（２）に示したようにトナー電流Ｉ、とリーク電
流（Ｉｔ、。

Ｉｚｂ　、　１３）の和であり、このうち出力画像濃度
に関係するのは■１のみであり、更に、リーク電流は環
境によって変化するのでその影響を排除する必要がある
。そこで、前述した式（３）、　（４）に着目してバイ
アス電圧■、と現像面積を白ベタのときのリーク電流Ｉ
Ｚｗと黒ベタのときのリーク電流１２ｂを相殺するよう
な値に固定してバイアス電流１ｂを測定し、該測定値に
よりトナーの現像スリーブ５への供給制御することによ
りリーク電流による影響を少なくし、通常印刷時におけ
る画像濃度を環境条件にか−わらず一定とするものであ
る。例えば、バイアス電圧■、を、Ｖ、＝　（Ｖ、＋Ｖ
、）／２として前記式（３）に代入すれば、 ｔｚｗ　＝ａ／２Ｘ　（ｖ＝　　ｖｏ　）ｉｚｂ　＝ａ
／２Ｘ　（ｖｏ　　ｖｉ　）更に、第２図に示すように
、感光体ドラム１の軸方向に対して白ベタの幅２２と黒
ベタの幅２３を同一（面積比１：１）とすれば前記の式
（３）よりＩｚ　＝　ｈｗ＋　Ｉｚｂ　＝　０ となり、このとき測定される電流は、Ｉ＋＋Ｉｉとなる
。しかしながら、前記の１．は極めて小さいので無視す
ることができる。このため、この電流値によってトナー
供給を制御すれば殆んどリーク電流の影響は受けないこ
ととなり、環境条件が変化してもバイアス電流値はその
影響を受けない。また、リーク電流■２を打ち消すのに
白ベタと黒ベタの面積比を１：２にしてバイアス電圧■
、をＶｂ＝（■。＋Ｖｉ）／３としても同様であるし、
その他種々なバイアス電圧と前記の面積比の組合せが存
在することは言うまでもない。

第２図において、２４は現像有効幅、２５は印字領域、
２６は測定部、２７は非画像部を示す。

第３図は上記した様な条件でバイアス電流とトナー濃度
の関係を測定したものである。この第３図からも明らか
なように、上記したような条件で測定したバイアス電流
には、リーク電流の影響が殆んど無いことが理解するこ
とができ、これを用いれば高精度な制御ができる。

上記した本実施例によるときは、従来の磁気式と比べ磁
気抵抗センサの代わりに抵抗とアンプを組み込み、制御
プログラムを変更するのみで現像量を調整することが可
能であり、また、適宜な大きさの黒ベタを印刷する手段
は、すでに配設されている紙送りセンサを用いて非画像
部で露光器３を発光させるプログラムを追加することに
より動作することができるものである。

前述した実施例によって詳細に説明したように、トナー
現像量を測定するときに感光体の非画像部、すなわち通
常紙に印刷していない時間を利用してリーク電流の無い
バイアス電流を測定し、トナー電流によりトナー供給量
を制御するものであるが、これを更に第４図に示す測定
手順の概要に基づいて具体的に説明すると、第４図にお
いて横軸は時間を示し、理解し易くするために紙の時間
は、現像器の時間を基準としてそれに合わせである。図
の時刻すとＣとの間は通常の印刷を行っている時間であ
り、前記の時刻すとＣの間の時刻ｇにおいて人為的に現
像バイアス電圧■５を２５０ボルトから３５０ボルトに
昇圧した場合の例である。また、時刻ａとｂ１時時刻と
ｄの間は紙のない時間である。この時刻ａ、ｂ、ｃ、ｄ
等は紙送りセンサ１８とタイマ（図示しない）により知
ることができ、時刻ｅにおいて露光器３を半分の幅〔バ
イアス電圧を■ゎ＝（Ｖ。＋Ｖｌ／２にしたとき、その
他の場合はバイアス電圧によって定まる面積比に見合う
幅〕だけｏｎにして一定時間後時刻ｆで再びｏｆｆにす
る。このとき、時刻ｅ−ｆ間では、常にバイアス電圧■
５は一定の値に維持され、また、感光体ドラム表面電位
Ｖ　ｐｃは露光された場所では■。

ボルト、露光されない場所では■。ボルトが一定となる
ので現像量はトナー濃度のみにより決定されることとな
る。従って、前記の時刻ｅ−ｆ間のバイアス電流を測定
することによりトナー現像量が判る。そして、前記の時
刻ｅ−ｆ間で感光体ドーラム１上に現像されたトナーは
クリーナ８によって除去され、排トナーボックス８′に
回収されるので通常の印刷に全く影響を与えない。

キャリアの充填量を１０００　ｇとし、画像濃度が大幅
に変化しない適正なトナー濃度が４乃至５％、更に、紙
１枚当りにトナー現像量を平均的に５０■とすると、キ
ャリアに帯電したトナーが５０ｇから４０ｇに減少する
１０ｇのトナーが消費するまで、すなわち２００枚印刷
する間はトナーの補給の必要はなく、また、黒ベタ印字
の現像量は急激に変化するものではないので１０枚に１
回あるいは１００枚乃至２００枚に１回程度バイアス電
流を測定すればよく、また、電流値の測定は、精度を上
げるために１回の測定で２乃至１０回の測定を行い、そ
の平均をとるのがよい。

次に、トナー供給器１７は、スポンジローラ（直径２０
ｍｍ）で構成され、１回当り平均１ｇ供給する能力を有
している。こ−で黒ベタ印字の光学的濃度値（ＯＤ値）
が１．０となるように設定した場合第７図より現像量は
０．５■／Ｃ艷となり、そのときのバイアス電流は第３
図より０．５５μＡとなる。そして、このときリーク電
流はほぼ零であるから０．５５μＡがトナーが移動した
ときの電流Ｉ、である。

上記の０．５５μＡをしきい値として制御を行えば、黒
ベタ印字のＯＤ値を１．０とできるものである。

例えば１００枚毎に連続して１０回測定した場合その平
均電流値が０．５５μＡより大きいときはトナー供給器
１７は作動しないが、小さいときは一定値を供給する。

具体的には、第５図に示したように測定電流値社よって
予じめトナー供給量を定めておき、測定するたびにコン
トローラ１６によりトナー供給モータを必要なだけ回転
せしめてトナー溜め６から現像スリーブ５へとトナーを
補充するようにされる。

前記した第５図において、バイアス電流とトナー供給量
の関係が直線になっていないのは、本装置において現像
器内に一度に大量のトナーを収容するとトナーが帯電し
にくくなり出力が薄（なったり器内が汚れたりするため
であり、各々の装置の特性にあわせて適宜バイアス電流
値とトナー供給量との関係を定めればよい。今、測定電
流が０．３５μＡであったとすれば、適正電流値が０．
５５μＡであるので、その差は、０．５５μＡ−０，３
５μＡ＝０．２μＡとなる。この値より前記の第５図に
よりトナーを１３．７５ｇ　）ナー溜め６より現像器４
内に供給すればよいことが解り、コントローラ１６より
トナー供給モータを１３．７５回転させるよう信号を出
力する。などの方法が考えられ、これらの一連の動作は
すべて自動的に行うようプログラムされている。

なお、前述した説明はプリンターを例としたが複写器に
おいても原稿台の端部（感光体の非画像の対応する場所
）に黒ベタの像を書くなどして同様の方法が可能である
。

〔発明の効果〕

本発明に係る現像トナーの制御装置は、白ベタのときの
リーク電流と黒ベタのときのリーク電流の向きが逆であ
ることを利用してリーク電流を相殺するように現像面積
とバイアス電圧を適宜な値に固定してバイアス電流を測
定し、その値によりトナー供給量を制御するようにした
ので、温度や湿度等の環境条件に関わらず、現像量を一
定に保つことができるものであり、更に、本発明は、従
来の磁気抵抗センサを用いる代わりに抵抗とアンプを組
み込むだけでセンサ部を構成でき、しかも前記の抵抗と
アンプは現像器外に設置可能であるので、調整及びメン
テナンスが容易に行うことができるものであり、また、
本発明は、トナー濃度を一定に保つものでなく、実際に
感光体ドラムに飛翔するトナー量を直接測定しているの
でより高度な制御が可能であり、高品質な出力が維持で
きるものである。

本発明においては、制御系の設計においては、第６図か
らも明らかなようにバイアス電流と現像器の間に線形の
関係があるのでその設計が容易であり、更に、本発明で
は、黒ベタの印字の動作が必要であるが、紙と紙の間を
利用しているので紙にはその痕跡を残さないものである
。そして、本発明は、電流値を測定しているので応答が
早いという効果をも有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例である乾式電子写真の構成を
示す概略的説明図、第２図は感光体の印字領域説明用斜
視図、第３図はバイアス電流と現像量との関係を示す線
図、第４図は本発明の作動経過時における紙、露光器、
バイアス電圧の状態説明図、第５図は測定電流値とトナ
ー供給量との関係線図、第６図はバイアス電流と現像量
の関係を示す線図、第７図は現像量とＯＤ値との関係を
示す線図、第８図は環境条件が異なるときのバイアス電
流と現像量との関係を示す説明図である。 １：感光体ドラム　　　２：帯電器 ３：露光器　　　　　　４：現像器 ５ニスリーブ　　　　　６：トナー溜め１４：抵　抗　
　　　　１５：アンブ １６：コントローラ 特許出願人　　旭化成工業株式会社 第２図 第３図 バイ了ス電嵩　　〔矛Ａ〕 第５図 パイ了ス電へｔしＡ〕 第６図 バイア入電九ｔノＡ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　リーク電流を打ち消すようなバイアス電圧と現像面積
   の組合わせにより感光体の非画像部に現像を行い、その
   とき流れるバイアス電流値によってトナー供給を制御す
   ることを特徴とする電子写真装置等における現像トナー
   量の制御装置。