JP2005077968A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 環境の変化に左右されない画像形成装置を提供することである。
【解決手段】 静電潜像担持体に担持された静電潜像を現像剤担持体から供給される現像剤により現像する画像形成装置において、静電潜像担持体と現像剤担持体との間に交流電圧が印加されている。この交流電圧の波形は、現像剤担持体から静電潜像担持体に向かって現像剤を付勢する第１の波形部分と静電潜像担持体から現像剤担持体に向かって現像剤を付勢する第２の波形部分とを交互に備えている。そして、第１の波形部分の先端にある電圧上昇部は、矩形波形の先端電圧上昇部に近似している。また、第２の波形部分の先端にある電圧上昇部は指数波形の先端電圧上昇部に近似している。
【選択図】図２

Description

本発明は、複写機やプリンタなどの画像形成装置に関する。

従来、静電潜像を担持する静電潜像担持体と現像剤を担持する現像剤担持体との間に交流電圧を印加し、現像剤担持体に担持されている現像剤を交流電圧に基づいて静電潜像担持体に供給することで静電潜像を可視像化（現像）する画像形成装置が提供されている。しかし、そのような画像形成装置では、交流電圧を大きくすると、現像剤の供給性は良くなるが、静電潜像担持体と現像剤担持体との間に放電が発生し、それにより画像上に放電跡（画像上に黒点跡として現れる。）が発生するという問題がある。逆に、交流電圧を小さくすると、現像剤の供給性が低下して所望の画像濃度が得られないという問題がある。そこで、静電潜像担持体と現像剤担持体との間に交流電圧を印加する画像形成装置では、その交流電圧の大きさ（一般には、ピーク・ツー・ピーク値が表される。）を、放電現象が発生せず、所望の画像濃度が得られる電圧範囲（以下、この範囲を「適正現像範囲」という。）で調整している（例えば、特許文献１参照。）。
特開平４−１３６９５９号公報

しかしながら、静電潜像担持体や現像剤担持体を構成する部材（例えば、感光体、現像ローラ、現像剤の搬送量を規制する部材、およびそれらを支持する部材）は環境の変化（例えば、温度の変化）によって変形し、その変形によって適正現像範囲が狭くなることがある。したがって、画像形成装置はその適正現像範囲を出来るだけ広く設定できるものであることが望ましい。

そこで、本発明は、適正現像範囲を出来るだけ大きく設定できる画像形成装置を提供することを目的とする。

この目的を達成する画像形成装置は、静電潜像担持体に担持された静電潜像を現像剤担持体から供給される現像剤により現像するもので、静電潜像担持体と現像剤担持体との間には交流電圧が印加されている。この交流電圧の波形は、現像剤担持体から静電潜像担持体に向かって現像剤を付勢する第１の波形部分と静電潜像担持体から現像剤担持体に向かって現像剤を付勢する第２の波形部分とを交互に備えている。そして、第１の波形部分の先端にある電圧上昇部は、矩形波形の先端電圧上昇部に近似している。また、第２の波形部分の先端にある電圧上昇部は指数波形の先端電圧上昇部に近似している。

本発明の他の形態にかかる画像形成装置は、静電潜像担持体に担持された静電潜像を現像剤担持体から供給される現像剤により現像するものであり、静電潜像担持体と現像剤担持体との間には交流電圧が印加されている。そして、交流電圧の波形は、現像剤担持体から静電潜像担持体に向かって現像剤を付勢する第１の波形部分と静電潜像担持体から現像剤担持体に向かって現像剤を付勢する第２の波形部分とを交互に備えている。そして、第１の波形部分の先端にある電圧上昇部は、矩形波形の先端電圧上昇部に近似している。また、交流電圧の周波数をｆ〔Ｈｚ〕、第２の波形部分のデューティ比をＤ〔％〕、第２の波形部分の最大電圧をＶｍａｘ〔ボルト〕、第２の波形部分における電圧上昇部の電圧をＶ〔ボルト〕としたとき、周波数ｆ〔Ｈｚ〕が１５００≦ｆ≦３０００の範囲にあり、デューティ比Ｄ〔％〕が４０≦Ｄ≦８０の範囲にあり、電圧上昇部の電圧Ｖ〔ボルト〕が下記の数１で表される。

また、数１で示される式中の時定数τは、下記の数２の関係で表される。

さらに、数２で示される関係内のキャリブレーション値Ｃは２ｌｎ１０≦Ｃ≦３ｌｎ１０（ｌｎ：自然対数）の範囲にある。

本発明の他の形態にかかる画像形成装置は、特に、キャリブレーション値Ｃが３ｌｎ１０であるのが望ましい。

このような構成を採用した画像形成装置によれば、適正現像範囲を従来よりも広げることができる。そのため、静電潜像担持体や現像剤担持体の構成部材が環境変化によって変形しても、変形後の画像形成装置における設定は依然として適正現像範囲を維持できる状態にある。そのため、放電に起因する黒点や濃度の低い画像が形成されることはない。

図１は、画像形成装置１０の概略構成を示す図である。この図において、静電潜像を担持する静電潜像担持体として機能する感光体１２は、矢印１４方向に回転駆動可能に支持されている。感光体１２は、円筒体である必要はなく、無端ベルト型の感光体であってもよい。感光体１２の回りには、感光体１２の外周面を所定電位に帯電する帯電装置１６、帯電された感光体１２の外周面に画像（光）を露光して静電潜像を形成する露光装置１８、現像剤であるトナーを用いて静電潜像を現像してトナー像を形成する現像装置２０、一点鎖線に沿って搬送されるシート２２にトナー像を転写する転写装置２４、シートに転写されることなく感光体１２の外周に残存するトナーを回収するクリーニング装置２６が配置されている。このような電子写真式画像形成装置の構成は周知であるため、その詳細な説明は省略する。

現像装置２０は、ハウジング３０を有し、このハウジング３０の内部に形成されたトナー収容部３２に粉体現像剤であるトナー３４を収容している。トナー収容部３２のトナー３４を汲み上げる現像剤汲み上げ手段である汲み上げローラ３６は、トナー収容部３２に収容されているトナー３４と接し、矢印３８方向に回転駆動可能に支持されている。

汲み上げローラ３６で汲み上げられたトナー３４を感光体１２に供給して静電潜像を現像する現像剤担持体として機能する現像ローラ４０は、矢印４２方向に回転駆動可能に支持されており、トナー供給領域４４において汲み上げローラ３６と対向するようにハウジング３０に収容されている。現像ローラ４０は、現像装置２０を画像形成装置１０に組み入れた状態で、現像領域４６において感光体１２と所定の現像ギャップをあけて対向配置される。現像ローラ４０の外周面には、ハウジング３０に固定された荷電トナー層形成手段であるブレード４８が接触しており、トナー供給領域４４で現像ローラ４０に供給されたトナーを規制して現像領域４６に搬送されるトナーの量を一定にするとともに、現像領域４６に搬送されるトナーに接触してこれを所定の極性に荷電するようにしてある。

このような構成において、現像ローラ４０は、感光体１２と同様に、円筒体である必要はなく、無端ベルト型の現像体担持体であってもよい。また、現像剤汲み上げ手段はローラに限るものでないし、また必ずしも必要な構成ではなく、例えば現像ローラ４０の外周面がトナー収容部３２のトナー３４に接触して該トナーを保持するように構成することもできる。

現像ローラ４０から感光体１２に供給するトナー３４の量を適正に保つために、感光体１２と現像ローラ４０は電源装置５０に接続されており、この電源装置５０によって感光体１２と現像ローラ４０との間に、図２に示す波形の交流電圧Ｖａｃが印加されている。この交流電圧Ｖａｃは、感光体１２が接地されているとしたとき、感光体１２に対する現像ローラ４０の相対電位をもって表されている。

交流電圧Ｖａｃについて詳細に説明すると、まずこの交流電圧Ｖａｃは、現像ローラ４０から感光体１２に向けてトナー３４を電気的に付勢する、典型的な矩形波の第１の波形部分（以下、「現像波形部」という。）５２と、感光体１２から現像ローラ４０に向けてトナー３４を電気的に付勢する、矩形波の先端部分に指数波形部を有する第２の波形部分（以下、「回収波形部」という。）５４を周期的に交互に備えている。以下、現像波形部５２が矩形波で構成され、回収波形部５４がその先端部分に指数波形部を有する波形で構成された波形を、「指数矩形波」という。

典型的な例を挙げると、現像波形部５２のピーク電圧Ｖｐ１は−１６５０Ｖ〔ボルト〕、指数波形部を有する回収波形部５４のピーク電圧Ｖｐ２は＋７５０Ｖに設定される。また、回収波形部５４から現像波形部５２に移行する、現像波形部５２の先端電圧上昇部５６は、図３に示す典型的な矩形波形の先端電圧上昇部に近似しており、現像波形部５２から回収波形部５４に移行する、回収波形部５４の先端電圧上昇部（以下、「指数波形部」という。）５８は、図４に示す一般的な指数波形の先端電圧上昇部に近似している。なお、帯電装置１６で帯電された感光体１２の表面はＶｐｃ＝−４５０Ｖの電位を有し、露光装置１８で画像が露光された部分（静電潜像画像部）はＶｉ＝−５０〜０Ｖ（以後、説明を簡単にするために、Ｖｉ＝０Ｖとする）の電位を有するものとする。

このような構成を有する現像装置２０によれば、現像装置２０のトナー収容部３２に収容されているトナー３４は、汲み上げローラ３６により汲み上げられ、トナー供給領域４４で現像ローラ４０に供給される。現像ローラ４０に保持されたトナー３４は、現像ローラ４０の回転に基づいて、現像ローラ４０とブレード４８との接触領域に搬送され、そこで余分なトナー３４が現像ローラ４０から掻き落とされる。また、現像ローラ４０とブレード４８との間を通過するトナー３４は、ブレード４８との接触により所定の極性（本実施の形態ではマイナス極性）に帯電される。したがって、ブレード接触領域を通過した現像ローラ４０の外周面には、荷電トナーの薄い層が形成される。

次に、荷電トナーは現像領域４６に搬送され、ここで感光体１２の静電潜像を現像する。現像領域４６で現像に消費されてトナー３４を担持していない現像ローラ部分は、現像ローラ４０の回転に基づいて再びトナー供給領域４４に搬送され、そこで現像で消費した量に相当する量のトナーが補充される。

現像領域４６における現像は、図２に示すように、交流電圧Ｖａｃと静電潜像との電位差に基づいて行われる。具体的に説明すると、現像波形部５２のピークはＶｐ１＝−１６５０Ｖを有する。したがって、現像領域４６を通過中の静電潜像画像部（Ｖｉ＝０Ｖ）は現像ローラ４０に対して＋１６５０Ｖだけ高電位である。これに対し、画像が露光されていない感光体表面部分（静電潜像非画像部）は帯電電位Ｖｐｃ＝−４５０Ｖを有し、現像ローラ４０に対して＋１２００Ｖだけ高電位である。したがって、マイナス極性に帯電したトナー３４は、このトナーに対してより高電位の静電潜像画像部に付着し、この付着したトナー３４によって静電潜像が現像される。

なお、上述のように、静電潜像非画像部と現像ローラ４０との間には、静電潜像画像部と現像ローラ４０との間の電位差よりも小さいとはいえ、荷電トナーを静電潜像非画像部に吸引する静電気力が作用している。したがって、この静電気力に基づいて荷電トナーが静電潜像非画像部に付着することがある。これらは通常、カブリ現象といわれている。このような不良トナー（図２に符号６０で示すトナー。）は、続く回収波形部５４の作用によって感光体１２から現像ローラ４０に回収される。

具体的に説明すると、交流電圧Ｖａｃの回収波形部５４のピークＶｐ２は＋７５０Ｖである。したがって、回収波形部５４が印加されているときの現像ローラ４０は、現像領域４６にある静電潜像非画像部（Ｖｐｃ＝−４５０Ｖ）に対して＋１２００Ｖだけ高電位にあり、その電位差は静電潜像画像部（Ｖｐｃ＝０Ｖ）に対する電位＋７５０Ｖよりも大きい。したがって、静電潜像非画像部に付着している不良トナー６０には、静電潜像画像部に付着している正常トナーよりも大きな静電気力が現像ローラ４０に向かって作用し、その静電気力によって現像ローラ４０に回収される。このとき、静電潜像画像部に付着している正常トナーにも弱い静電気力が現像ローラ４０に向かって作用するが、その静電気力は正常トナーと感光体１２との物理的付着力と電気的付着力よりも小さいため、正常トナーは現像ローラ４０に回収されることがなく、静電潜像画像部に保持される。

なお、以上の説明では、発明の理解を容易にするために、交流波形における各部の電圧や感光体電位（静電潜像画像部と非画像部の電位）の具体的数値を挙げたが、それらの数値は単なる一例であって、具体的な数値によって発明の範囲が限定的に解釈されるべきものでない。

実験１

感光体１２と現像ローラ４０との間に放電が発生せず、かつ、適正濃度の画像が得られるために必要な、交流電圧Ｖａｃの波形の条件を実験により求めた。以下、実験の内容を具体的に説明する。

（１）使用設備：
実験に使用した画像形成装置は、ミノルタ株式会社製のmagicolor２３００DLである。画像形成装置において、感光体は直径３０ｍｍの筒状感光体を使用し、現像ローラは直径１６ｍｍの筒状ローラを使用した。感光体の移動速度（システム速度）は１００ｍｍ/ｓｅｃ、現像ローラの移動速度は感光体の１．５倍に設定した。これらの条件は後述するすべての実験について共通している。

（２）設定条件：
感光体と現像ローラとの間の現像ギャップは２２０μｍに設定した。感光体と現像ローラとの間に印加した交流電圧の波形は、図２に示すように、回収波形部の先端電圧上昇部に指数波形部を有する指数矩形波である。この交流電圧のピーク・ツー・ピーク電圧Ｖｐｐを約１５００〜３０００Ｖの範囲で変化させた。このとき、現像波形部のピーク電圧Ｖｐ１と回収波形部のピーク電圧Ｖｐ２を、ピーク・ツー・ピーク電圧Ｖｐｐが変化しても、この２つの電圧の平均が略一定になるように設定した。周波数ｆは、１０００〜３５００Ｈｚの範囲で、５００Ｈｚごとに段階的に切り換えた。回収波形部のデューティ比Ｄ〔％〕は、４０〜８０％の範囲で、１０％ごとに段階的に切り換えた。回収波形部の指数波形は数３、数４で表すことができ、数３の時定数τを定義する数４の係数Ｍを１／６、１／５、１／４、１／３、１／２、１の６段階に切り換えた。また、キャリブレーション値Ｃを３ｌｎ１０(ｌｎ：自然対数）とした。

比較のために、図３に示す典型的な矩形波の交流電圧を感光体と現像ローラの間に印加し、指数矩形波と同様の実験を行った。この矩形波は、波形の点で上述した指数矩形波と異なるだけで、ピーク・ツー・ピーク電圧、ピーク電圧の関係、周波数、デューティ比は上述した条件と同じである。

（３）測定及び評価：
以上の条件で画像を作成し、画像上に放電跡が発生しない最大限界ピーク・ツー・ピーク電圧Ｖｐｐ（ｍａｘ）と適正な画像濃度を確保できる最小限界ピーク・ツー・ピーク電圧Ｖｐｐ（ｍｉｎ）との差（適正現像範囲に対応する電圧範囲）を計測した。また、画像に発生したカブリの程度についても調べた。

実験結果を図５の表に示す。表中、適正現像範囲について、「○」は、指数矩形波を印加したときに得られた適正現像範囲が、矩形波を印加したときに得られた適正現像範囲よりも大きかったことを意味し、「×」は前者の適正現像範囲が後者の適正現像範囲よりも小さかったことを意味する。また、カブリについて、「○」は、指数矩形波を印加したときに発生したカブリの程度が、矩形波を印加したときに発生したカブリの程度より小さかったことを意味し、「×」は前者のカブリの程度が後者のカブリの程度より大きかったことを意味する。カブリの程度が小さい程、良好な画像であるのは言うまでもない。

したがって、表の結果より、指数矩形波の交流電圧を用いる場合、その条件を以下の範囲で設定することが好ましいことが理解できる。
周波数ｆ〔Ｈｚ〕：１５００≦ｆ≦３０００
デューティ比Ｄ〔％〕：４０≦Ｄ≦８０
Ｍ：１/５≦Ｍ≦１/２
キャリブレーション値Ｃ：３ｌｎ１０

実験２

感光体と現像ローラとの間の現像ギャップを１３５μｍ（実施例１）、１８０μｍ（実施例２）、２２０μｍ（実施例３）に設定し、それぞれの条件に対して同一の画像濃度が得られるように指数矩形波における回収波形部のデューティ比Ｄ〔％〕を６２％、６０％、５６％に調整した。なお、すべての条件に対して係数Ｍは１/３、交流電圧周波数ｆは２０００Ｈｚ、キャリブレーション値Ｃは３ｌｎ１０に設定した。そして、実験１と同様に、画像上に放電跡が発生しない最大限界ピーク・ツー・ピーク電圧Ｖｐｐ（ｍａｘ）と適正な画像濃度を確保できる最小限界ピーク・ツー・ピーク電圧Ｖｐｐ（ｍｉｎ）とを求めた。結果を図６に示す。比較のために、３つの矩形波についても同一の条件（同一の現像ギャップ、デューティ比、周波数）でピーク・ツー・ピーク電圧Ｖｐｐ（ｍａｘ）、Ｖｐｐ（ｍｉｎ）を求めた（比較例１、２、３）。この実験の結果も図６に示す。

この図６に示すように、各現像ギャップに対し、実施例と比較例の最小限界ピーク・ツー・ピーク電圧Ｖｐｐ（ｍｉｎ）は等しかった。一方、最大限界ピーク・ツー・ピーク電圧Ｖｐｐ（ｍａｘ）に関しては、実施例の方が比較例のそれを上回った。結果、実施例では比較例よりも大きな適正現像範囲〔Ｖｐｐ（ｍａｘ）―Ｖｐｐ（ｍｉｎ）〕が得られた。

実験３

指数矩形波（実施例４）及び矩形波（比較例４）の交流電圧と、図７に示すように、現像波形部と回収波形部が共にそれらの先端電圧上昇部に指数波形部を有する波形（以下、この波形を「擬似指数波」という。）（比較例５）の交流電圧を用いて、適正現像範囲を比較した。現像ギャップは２２０μｍ、交流電圧周波数ｆは２０００Ｈｚ、回収波形部のデューティ比Ｄは６２％とした。指数矩形波と擬似指数波については、係数Ｍを１/３、キャリブレーション値Ｃを３ｌｎ１０に設定した。

実験の結果を図８に示す。図に示すように、上述の実験２とほぼ同様に、実施例４については比較例４よりも大きな適正現像範囲が得られた。また、擬似指数波を用いた比較例５の場合、単純矩形波を用いた比較例４よりも大きく、指数矩形波を用いた実施例４と同等の最大ピーク・ツー・ピーク電圧Ｖｐｐ（ｍａｘ）が得られた。しかし、比較例５の最小ピーク・ツー・ピーク電圧Ｖｐｐ（ｍｉｎ）は比較例４や実施例４よりも大きく上昇した。そのため、比較例５の適正現像範囲は実施例４のそれよりも狭いだけでなく、比較例４の適正現像範囲よりも狭いという結果が得られた。

最後に、指数波形部の形状を示す時定数τについて図９を参照しながら説明する。図には、交流電圧の回収波形部６２について、その先端の電圧上昇部が矩形波形部６４（点線）であるものと、指数波形部６６、６８であるものが示されている。指数波形部６６、６８は、それぞれ異なる時定数を有しており、指数波形部６６の時定数が指数波形部６８のものより小さい。この時定数τには、下記の数５に示すように、無次元の係数Ｍとキャリブレーション値Ｃが含まれる。この２つの値Ｍ、Ｃを調整することにより、指数波形部の波形は調整される。具体的に説明すると、指数波形部が矩形波形部６４に近似しないような（時定数τが小さくなり過ぎないような）、また、最大電圧Ｖｐ２に到達する時間が長くならないような（時定数τが大きくなり過ぎないような）範囲に、Ｍ，Ｃを調整することによって指数波形部を設定する。これは、指数波形部が矩形波形部６４に近似すると、実験における比較例の矩形波と同じになるためであり、また、最大電圧Ｖｐ２に到達する時間が長くなると、最大電圧Ｖｐ２の作用時間が短くなり、図２に示した不良トナー６０を十分に回収できないためである。本発明のより望ましい実施形態においては、キャリブレーション値Ｃを３ｌｎ１０に固定した。これにより、時定数τの設定が簡易化される。

本発明に係る画像形成装置の概略図である。 本発明に係る指数矩形波を示す図である。 矩形波形を示す図である。 指数波形を示す図である。 実験１の結果を示す図表である。 実験２の結果を示す図である。 擬似指数波を示す図である。 実験３の結果を示す図である。 時定数を説明する回収波形部の図である。

符号の説明

１０ 画像形成装置、 １２ 感光体、 １４ 方向、 １６ 帯電装置、 １８ 露光装置、 ２０ 現像装置、 ２２ シート、 ２４ 転写装置、 ２６ クリーニング装置、 ３０ ハウジング、 ３２ トナー収容部、 ３４ トナー、 ３６ 汲み上げローラ、 ３８ 方向、 ４０ 現像ローラ、 ４２ 方向、 ４４ トナー供給領域、 ４６ 現像領域、 ４８ ブレード、 ５０ 電源装置、 ５２ 第１の波形部分、 ５４ 第２の波形部分、 ５６ 先端電圧上昇部、 ５８ 先端電圧上昇部、 ６０ 不良トナー、 ６２ 回収波形部、 ６４ 矩形波形部、 ６６ 指数波形部、 ６８ 指数波形部

Claims (3)

1. 静電潜像担持体に担持された静電潜像を現像剤担持体から供給される現像剤により現像する画像形成装置において、
   上記静電潜像担持体と現像剤担持体との間には交流電圧が印加されており、
   上記交流電圧の波形は、現像剤担持体から静電潜像担持体に向かって現像剤を付勢する第１の波形部分と静電潜像担持体から現像剤担持体に向かって現像剤を付勢する第２の波形部分とを交互に備えており、
   上記第１の波形部分の先端にある電圧上昇部は矩形波形の先端電圧上昇部に近似しており、
   上記第２の波形部分の先端にある電圧上昇部は指数波形の先端電圧上昇部に近似していることを特徴とする画像形成装置。
2. 静電潜像担持体に担持された静電潜像を現像剤担持体から供給される現像剤により現像する画像形成装置において、
   上記静電潜像担持体と現像剤担持体との間には交流電圧が印加されており、
   上記交流電圧の波形は、現像剤担持体から静電潜像担持体に向かって現像剤を付勢する第１の波形部分と静電潜像担持体から現像剤担持体に向かって現像剤を付勢する第２の波形部分とを交互に備えており、
   上記第１の波形部分の先端にある電圧上昇部は矩形波形の先端電圧上昇部に近似しており、
   上記交流電圧の周波数をｆ〔Ｈｚ〕、
   上記第２の波形部分のデューティ比をＤ〔％〕、
   上記第２の波形部分の最大電圧をＶｍａｘ〔ボルト〕、
   上記第２の波形部分における電圧上昇部の電圧をＶ〔ボルト〕としたとき、
   上記周波数ｆ〔Ｈｚ〕が１５００≦ｆ≦３０００の範囲にあり、
   上記デューティ比Ｄ〔％〕が４０≦Ｄ≦８０の範囲にあり、
   上記電圧上昇部の電圧Ｖ〔ボルト〕が次式で表され、
   

   

   上記式中の時定数τが次式の関係で表され、
   

   

   上記式中のキャリブレーション値Ｃが次式の範囲にあり、
   

   

   を満足することを特徴とする画像形成装置。
3. 上記キャリブレーション値Ｃが、３ｌｎ１０であることを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
   

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