JP4876603B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は電子写真方式の画像形成装置に関し、特に、現像に用いられる２成分現像剤の劣化による画質低下を抑制し、高画質を維持することが可能な画像形成装置に関する。

電子写真方式により画像を形成する画像形成装置においては、樹脂、外添剤等からなるトナーと磁性キャリアとを有する２成分現像剤により像担持体上の静電潜像を現像する現像装置が最も多く使用されている。そして、２成分現像剤を用いた現像装置においては、現像剤のトナー濃度を適正に制御することが一定の画質を維持する上で重要である。

このような現像装置においては、プリント枚数が進むと、現像装置内での現像剤の滞留時間が増えることによりトナーが現像装置内で物理的なストレスを受けトナー表面の外添剤が樹脂に埋没、離脱し、更に現像剤同士が接近し流動性が落ち摩擦帯電性が劣化する。その結果、画質低下、帯電量低下に伴う飛散、カブリの増加等の画質不良が発生する。この種の画質不良は、トナーが現像装置中に長時間滞留しその分ストレスを受ける時間が長い場合、トナーの消費の少ない低印字率のプリント時に顕著となる傾向がある。

近年、高度情報化技術の進展によりデジタル技術に基づく高画質の電子写真型の画像形成装置の必要性が高まっており、これらの要求に応えるために現像処理に関する高画質維持対策が提案されている。

一例として、現像剤担持体である現像ローラ（スリーブ）の回転数と画像ｄｏｔ数を記憶し、予め決められた現像ローラの回転数における画像ｄｏｔ数が所定の閾値より小さい場合に、現像剤を現像ローラから像担持体である感光体ドラム上へと現像（吐出し）動作を行わせる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４ー１２５８２９号公報

しかしながら、上記提案の方法は、現像剤の使用環境、寿命を考慮しておらず、キャリアの帯電能力が低くなる現像剤寿命後半や、帯電量が低くなる高温・高湿環境では十分な効果が得られない。また、現像剤寿命の後半で高温・高湿環境状態での効果を得ようとすると、スタート時に無駄なトナーを排出することになる。

本発明は、トナーの劣化状況を判断し、劣化したトナーを強制排出し、それに伴い新トナーの補給を実施することによって安定した、高画質の画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の構成によって達成される。

現像バイアスが印加される現像剤担持体を有する現像手段に貯留された２成分現像剤で、像担持体上に形成された静電潜像を可視像にし、当該像担持体上の可視像を転写材に転写、定着する画像形成装置において、基準階調の入力データによりハーフトーンパッチを出力し、その濃度を検知して、前記入力データと出力濃度との関係を求め、求めた関係に対応する排出トナー量の排出用パターンを形成しトナーを感光体上で消費した後、所定のトナー濃度に制御する手段を有することを特徴とする。

ハーフトーンパッチのγ勾配（カーブ）からトナーの劣化状況が判定できるので、効果的に劣化トナーの排出（吐出し）が可能となり、高画質を維持することができる。

以下、本発明の実施の形態の画像形成装置について説明する。

図１は画像形成装置の全体構成を示す模式図である。

図１において、画像形成装置は、両面原稿自動送り装置ＲＡＤＦおよび画像形成装置本体Ａからなっている。

両面原稿自動送り装置ＲＡＤＦは、画像形成装置本体Ａの上部にあり開閉可能となっている。原稿給紙台ａの原稿は、給紙ローラｂ、分離ローラｃ、レジストローラｄ、さらに搬送ドラムｅに搬送され、原稿が搬送される。

次に、画像形成装置本体Ａは、画像読み取り装置１、画像処理手段（含む制御部）２、画像書き込み装置３、画像形成手段４、カセット給紙手段５、搬送手段６、定着装置７、排紙手段８、再搬送手段９等で構成されている。

画像読み取り装置１の光学系は、光源と第１ミラーを備える露光ユニット１４、第２ミラーと第３ミラーから成るＶミラーユニット１５、レンズ１６、ＣＣＤイメージセンサ１７により構成されている。両面原稿自動送り装置ＲＡＤＦによる原稿読み取りは、露光ユニット１４がスリット露光用ガラス１３の下方の初期位置に停止した位置において行われる。原稿台ガラス１１上の原稿の読み取りは、露光ユニット１４及びＶミラーユニット１５を移動させながら行われる。

画像読み取り装置１において読み取られた原稿画像の画像情報は画像処理手段２により画像処理が行われ、画像データとして信号化され、一旦メモリに格納される。画像書き込み手段３に含まれる図示しない半導体レーザからの出力光が、像担持体である感光体ドラム２１に照射され静電潜像を形成する。

画像形成手段４においては、感光体ドラム２１面上に、帯電器２２により電荷（本実施の形態ではトナーと同極性の負極性）が付加され、画像書き込み手段３からのレーザ光照射により静電潜像が形成され、現像手段である現像装置２３により静電潜像が顕像化されてトナー像となる。当該トナー像がカセット給紙手段５から搬送された転写材である用紙Ｐ上に転写器２９Ａにより転写され、分離器２９Ｂにより用紙Ｐが剥離され、クリーニング装置２６により転写後の残留トナーが除去される。トナー像が転写された用紙Ｐは、ベルトから構成される搬送手段６により搬送され、定着手段７により定着され、排紙手段８により装置外の排紙トレイ８１に排出される。

なお、両面コピーの場合は、第１面に画像形成された用紙Ｐは、搬送路切り替え板８２により再搬送手段９に送り込まれ、反転して、再び画像形成手段４において第２面に画像形成後、排紙手段８により装置外の排紙トレイ８１に排出される。反転排紙の場合は、搬送路切り替え板８２により通常の排紙通路から分岐した用紙Ｐは、反転排紙部８３においてスイッチバックして表裏反転された後、排紙手段８により装置外の排紙トレイ８１に排出される。

次に、画像を形成する感光体ドラム２１の周辺および現像装置２３について説明する。

図２は図１における感光体ドラム周辺部を拡大した断面図である。

図２において、２３１は感光体ドラム２１上に潜像をトナー像化する現像ローラである。現像処理後、感光体ドラム２１上の残留トナー（リサイクルトナー）は、感光体ドラム２１の回転方向の下流側に設けられたクリーニングブレード２６Ｂで掻き落とされる。

ガイドローラ２６Ａでリサイクルトナー補給槽２７１に導かれ、スクリュー２７２で回収搬送され、リサイクルトナー補給槽２７１内に一旦貯留され、逐次、スクリュー２７３を介して現像装置２３に戻され再利用される。なお、スクリュー２７２、２７３は不図示の駆動機構によって回転する。

一方、前記現像装置２３に供給されるトナーはトナー補給容器２４１に貯留され、トナー補給装置２４に収納されている。当該トナー補給容器２４１は不図示の動力源からの動力を得て回転しながら、撹拌手段２４２で容器内でトナーを撹拌し、トナー中間補給槽２５１を経由して現像装置２３へ搬送、補給する。

また、搬送解除停止手段２４３はトナー補給容器２４１から現像装置２３の方向へのトナーの搬送を解除したり停止したりする手段であり、本実施の形態では画像処理手段２に含まれる制御部からの指令でトナー供給駆動部１０Ａからの動力でシャッタ２４４の開閉により行っているが、これに限定されるものではない。

さらに、トナー補給装置２４から現像装置２３の方向へトナーを搬送するモード以外で、搬送解除停止手段２４３によりトナーの搬送を停止状態にして、トナー補給容器２４１内のトナーを撹拌するように制御している。

トナー中間補給手段２５は、トナー補給容器２４１より現像装置２３へ補給するトナーを一時貯蔵するトナー中間補給槽２５１を有し、トナーを現像装置２３に補給する。

また、撹拌手段２５２はトナー中間補給槽２５１内のトナーを撹拌する手段であって、内部の２つのスクリュー２５２ａを有し、その回転によってトナーを撹拌、搬送する。

現像装置２３内での現像剤は搬送・攪拌部材２３２で搬送され、そのトナー濃度は図３に示すようなトナー濃度検知手段である濃度センサＬＳで現像剤の透磁率を測定する方法がとられ、その測定値（検知値）は前記制御部に伝達される。

図３は、現像剤の透磁率によりトナー濃度を検知する濃度センサを示す断面図である。

現像剤をフェライトコアで構成される共振回路のコイル内に誘導通過させ、この磁界中に流れる磁性粒子であるキャリアの量はトナーが多いと少なくなり、トナーが少ないと多くなり、インダクタンスが変化する。この変化を共振回路の周波数変化としてとらえ、制御部でその変化量に対応したトナー濃度の変化量を算出する方式がとられている。

また、現像剤の帯電性や寿命安定性は、装置の稼働環境に依存する傾向があり、本実施の形態では図４に示すように、湿度、プリント枚数によりトナー濃度の最適条件が維持されるように制御されている。すなわち、画像形成装置本体Ａには不図示の湿度計が設置されており、この湿度データが制御部に伝達され、図４において湿度ＲＨ＜３０％ではａ、３０％≦湿度ＲＨ＜５５％ではｂ、５５％≦湿度ＲＨではｃに沿った条件でプリント枚数とトナー濃度との関係が制御される。

なお、本実施の形態では、インダクタンスの変化によりトナー濃度を検知しているが、現像材（デベロッパ）の色を光学的に判断して、トナー濃度を制御する方法でもよい。 図４は、環境条件によるプリント枚数とトナー濃度の推移を示す図である。

現像装置２３は感光体ドラム２１に対向して回転可能に支持された現像ローラ２３１を有し、当該現像ローラ２３１に現像バイアスが印加され、ローラ周面に担持したトナーを感光体ドラム２１上の潜像に付着させ、トナー像として顕像化する。

また、図１に示すように、転写器２９Ａとクリーニング装置２６との間に画像濃度検知手段である反射型センサＤＳが設けられ、非画像部に対応する感光体ドラム２１上に形成された基準階調の入力データ（書込みパターン）により多段のハーフトーンパッチＲの濃度が測定され、その検知値は制御部に伝達される。ただし、測定は所定のプリント枚数に１回の割に行われる。

図５は、感光体ドラム上の非画像領域に形成された多段のハーフトーンパッチとその濃度を測定する反射型センサを示す。

図６は、基準階調の入力データに対する多段のハーフトーンパッチの反射濃度の出力変換値を示す図である。

以下、本発明について説明する。

本発明は、基準階調（ベタ黒を１００、白地０とした１０段階の濃度比率）の規定入力データ（Ｘ）により多段のハーフトーンパッチＲ（図５参照）を出力し、その濃度を検知して、前記規定入力データと出力濃度との関係から現像剤（トナー）の疲労程度を察知し、疲労の程度によって帯電効率の悪いトナーを現像装置外（感光体ドラム）に強制排出させ、新トナーと入れ替えることで安定した画像形成が可能となる。

すなわち、図５、６において、非画像領域に、規定入力データＸに対する多段のハーフトーンパッチを形成し、反射型センサＤＳで反射濃度を読み取りその出力変換値Ｙとすると、現像剤投入時（現像剤交換後）の疲労のない新現像剤でのＸ・Ｙの関係はＬｉｎｅ＿１のような比例直線となる。その後プリント枚数が進むに従って、トナーが劣化が進み、Ｌｉｎｅ＿２、３、４のようにγ勾配（カーブ）が大きくなる。これは帯電効率の悪いトナーが現像装置内に増加したことを意味する。

そこで帯電効率の悪いトナーを現像装置から強制排出する必要があり、本実施の形態では、感光体ドラム２１上の非画像部（例えば、紙間）に所定の濃度の排出用パターンを形成しクリーニング装置２６に廃棄する。すなわち、使用している用紙の印字率に相当するトナー量の排出用パターンを感光体上に形成し、用紙に転写させることなくクリーニングして廃棄する。このように不効率トナーを排出し、新トナーを補給することによってγ勾配がＬｉｎｅ＿１に近づくようにする。なお、制御部にはγ勾配に対応した排出用パターンのトナー量がテーブルとして記憶されているので、γ勾配の検知結果によって、それに相当した排出トナー量の排出用パターンが形成される。

図７は、γ勾配と、用紙の印字率に対応する排出トナー量との関係を示す図である。

図７において、Ｌｉｎｅ＿１では現像剤が疲労していないのでトナーを排出する必要はなく、使用している用紙の印字率は０％（トナー量は０）なので、排出用パターンのトナー量は０となり、パターン形成の必要がない。すなわち、標準のγ勾配（Ｌｉｎｅ＿１）を意味する。また、Ｌｉｎｅ＿３の場合では、感光体ドラム上に形成する排出用パターンのトナー量は使用している用紙の印字率２％に相当するトナー量となる。疲労トナーを排出後にトナー補給装置２４（図２参照）から現像装置２３（図２参照）へ新トナーを補給し所定のトナー濃度にして、再度、規定入力データに対しγ補正を行った後、通常の画像形成プロセスに入る。

以下、新現像剤交換時におけるγ補正についてフロー図を使い再度説明する。

図８は、新現像剤交換時におけるγ補正についてのフロー図である。

図８において、ステップＳ１で、現像装置に新現像剤を投入する。ステップＳ２で、ベタ黒濃度を確認しＤｍａｘ補正を行う。ステップＳ３で、規定の入力データ（Ｖｉｎ＿１）で多段のハーフトーンパッチ（本実施の形態では１０段階）を感光体ドラム上に形成する。ステップＳ４で、多段のハーフトーンパッチの濃度を検出し、勾配γ１としてデータ記憶する。ステップＳ５で、目標勾配γ２（＝Ｌｉｎｅ＿１）に出力値がなるように書込みパターンである入力パターンＶｉｎ＿２（図６におけるＶｉｎ＿２−１、Ｖｉｎ＿２−２、・・・、Ｖｉｎ＿２−１０）に変更し、補正を終え、ステップＳ６で、プリント動作が開始される。

次に、その後、所定のプリント枚数毎に行われるγ補正についてフロー図で説明する。

前述したが、現像剤の帯電性や寿命安定性は、装置の稼働環境に依存する傾向があり、本実施の形態では図４に示すように、湿度によりプリント枚数とトナー濃度の最適条件が維持されるように制御されている。

そこで、所定のプリント枚数（本実施の形態では２０００枚数毎）が終わった時点で、Ｄｍａｘ補正を行った後、基準階調（ベタ黒を１００、白地０とした１０段階）の入力データ（図６におけるＶｉｎ＿２−１、Ｖｉｎ＿２−２、・・・、Ｖｉｎ＿２−１０）により多段のハーフトーンパッチＲを出力し、その濃度を検知して、前記入力データと出力濃度との関係から現像剤（トナー）の疲労程度を察知し、低帯電効率トナーを現像装置から強制排出し、新トナーを補給することによって補正を行う。

図９は、低帯電効率のトナーの強制排出による補正についてのフロー図である。

図９において、ステップＵ１で稼働環境に応じたトナー濃度の最適条件が維持される。ステップＵ２で、メインスイッチＯＮ時または所定のプリント枚数毎（本実施の形態では２０００枚毎）にγ補正モードになる。ステップＵ３で、ベタ黒濃度を確認しＤｍａｘ補正を行う。ステップＵ４で、前記新現像剤交換時のＤｍａｘ補正およびγ補正後の装置に記憶されている書込みパターンある入力データＶｉｎ＿２（Ｖｉｎ＿２−１、Ｖｉｎ＿２−２、・・・、Ｖｉｎ＿２−１０）で多段のハーフトーンパッチを形成し、出力値としての勾配γ３を検出する。ステップＵ５で、γの照合を行い、勾配γ３が目標勾配γ２（≒Ｌｉｎｅ＿１）に近似しているか否かを判定する。もし、図６のＬｉｎｅ＿２、３、４のようなγの場合は、帯電効率の悪い疲労トナーが増加しているものとしてＮｏとなりステップＵ６へ進む。ステップ６で、予め記憶部に記憶・格納されている各パターンに対する排出トナー量（印字率、図７参照）に基づくトナー強制排出処理と、トナー補給装置から現像装置へ新トナーの補給が行われ所定の濃度に制御されてステップＵ７へ進む。ステップＵ５で、勾配γ３が目標勾配γ２に近似している場合はＹｅｓとなりトナーの強制排出の必要がなく、そのままステップＵ７に進む。以降、図８で説明したステップ７で、現像剤の帯電条件が変化している可能性があるので、前記規定の入力データ（＝Ｖｉｎ＿１）での多段のハーフトーンパッチを感光体ドラム上に形成する。ステップ８で、γ補正を行い、ステップ９でプリント動作が開始される。

なお、γ補正モード中には、通常のプリント動作は停止した状態にある。

以上のような標準のγ勾配に近づけるγ補正を行い、安定した画像形成が維持される。

次に、本発明の効果を確認するための実験について述べる。

・実験条件
ランニング時のＡＣ現像バイアス周波数： ５ｋＨｚ
ランニング時のＡＣバイアスＶｐ−ｐ電圧： １ｋＶ
θ（＝現像スリーブ線速度Ｖｓ／感光体ドラム線速度Ｖｐ）： ２
ＤＳ（感光体ドラムと現像スリーブとの間隔）： ０．３ｍｍ
カブリマージン（感光体帯電電圧Ｖｏー現像ＤＣバイアスＶｄｃ）： ２００Ｖ
現像剤搬送量： ２００〜２４０
（ｇ／ｍ²）
上記条件で装置稼働環境によるトナー濃度制御のみを適応したもの（比較例）と、本発明のγ補正を適応したもの（実施例）とで印字率０．０１％〜１０％の原稿で５０ｋｐ（５万プリント）のランニングテストを行い、ハーフトーンあれ、カブリ、飛散の程度についての比較を行った。

上記確認実験の結果を表１に示す。

表１において、表１（ａ）は比較例の結果を示し、表１（ｂ）は実施例の結果を示している。

表１からも明らかなように、比較例の場合は５万プリント迄にトナー消費の少ない低印字率０．０１％〜１．０％の場合に、ハーフーンあれ、カブリ、飛散の不具合が目立つが、実施例ではいずれの印字率の原稿でも問題がなく合格レベルにあることが判明した。

ただし、表において、×は不良、△はやや不良、○は合格レベルを示している。

画像形成装置の全体構成を示す模式図である。 図１における感光体ドラム周辺部を拡大した断面図である。 現像剤の透磁率によりトナー濃度を検知する濃度センサを示す断面図である。 環境条件によるプリント枚数とトナー濃度の推移を示す図である。 感光体ドラム上の非画像領域に形成された多段のハーフトーンパッチとそのの濃度を測定する反射型センサを示す。 基準階調の入力データに対する多段のハーフトーンパッチの反射濃度の出力変換値を示す図である。 γ勾配と、用紙の印字率に対応する排出トナー量との関係を示す図である。 新現像剤交換時におけるγ補正についてのフロー図である。 低帯電効率トナーの強制排出によるγ補正についてのフロー図である。

符号の説明

２ 画像処理手段
２１ 感光体ドラム
２３ 現像装置
２３１ 現像ローラ
２３２ 搬送・攪拌部材
２４ トナー補給装置
２６ クリーニング装置
３ 画像書き込み装置
ＤＳ 反射型センサ
Ｒ ハーフトーンパッチ

Claims (3)

1. 現像バイアスが印加される現像剤担持体を有する現像手段に貯留された２成分現像剤で、像担持体上に形成された静電潜像を可視像にし、当該像担持体上の可視像を転写材に転写、定着する画像形成装置において、
   基準階調の入力データによりハーフトーンパッチを出力し、その濃度を検知して、前記入力データと出力濃度との関係を求め、求めた関係に対応する排出トナー量の排出用パターンを形成しトナーを感光体上で消費した後、所定のトナー濃度に制御する手段を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記ハーフトーンパッチは、多段階に所定の階調で区分されていることを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
3. 前記トナー濃度は、現像剤の透磁率を測定するインダクタンスの変化に応じて所定の値に制御され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。

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