JP5359374B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、これらの複合機等の画像形成装置に関するものである。

従来、複写機やプリンタなどの電子写真方式を用いる画像形成装置において使用される記録紙には様々なものがあり、大まかに分類すればキャストコート紙、アート紙などの塗工紙、上質紙、中質紙、下級紙などの非塗工紙、ＯＡ用紙（普通紙）と呼ばれる用紙などが存在する。これら記録紙に対して広範囲の画像を出力する際に、画像のざらつき（ボソツキ）が発生することが問題となっている。画像のざらつきとは、トナーが画像領域で均一な濃度で存在せず、画像の粒状性が悪くなりざらついて見える現象のことである。この現象は文字や細線では目立たず、写真や絵等の出力が多いカラー画像形成時に特に目立ってしまう。

このような画像のざらつきに対し、特許文献１では、現像剤担持体となる現像ローラの表面の現像剤担持量、現像領域における現像ギャップ、現像剤の見かけ密度の３つの要素から計算できる値が、所定の範囲に収まるように各値を設定することで、現像領域における現像剤のつまり具合と現像ギャップとを適正な値にし、画像のざらつきを防止している。特許文献２では、中間転写体上に均一に潤滑剤を塗布することによりボソツキ等の異常画像を防止している。

しかしながら、特許文献１，２の手法では、記録紙表面の平滑状態、すなわち凹凸を考慮していないため、凹凸の大きい記録紙を用いると、凹部で十分な転写が行われず画像のざらつきが発生する可能性が高くなる。

このような記録紙の凹凸に関し、従来のプリンタ等の画像形成装置では、標準的に用いられる記録紙の表面凹凸を基準として、これに適合するようにトナーの付着量を定めているものもある。この場合、標準的な記録紙とは異なる凹凸を持った記録紙を使用した場合、画像のざらつきが発生する可能性は否めない。また、従来の画像形成装置の中には、凹凸の異なる複数種類の記録紙に対する作像条件を予めメモリなどの記憶手段に記憶しておき、画像形成に応じて使用者が作像条件を変更できるものも存在する。しかし、このような作像条件変更可能な画像形成装置では、使用者に作像条件を選択させる作業が発生するため、利便性が悪いといった問題がある。更に、この画像形成装置では、メモリ上に記憶していない用紙を用いて画像形成を行った場合、画像のざらつきが発生する可能性が高くなってしまう。

一方、従来の画像形成装置には、記録紙の表面凹凸を検知する検知手段を有し、その検知結果を利用して、記録紙に転写されたトナー像のトナー付着量を制御することで画像のざらつきを防止するものがある。例えば特許文献３では、転写材（記録紙）の種別情報を取得し、データベースより転写材の表面粗さのデータを取得し、表面粗さが大きいほどトナー付着量が増加するように制御を行い、特許文献４では、異なる２種以上の用紙判別手段から紙の凹凸を検知し、表面凹凸に応じた適切なトナー付着量になるように制御している。

特許文献３に記載の画像形成装置では、先に述べたものと同様、データベース内に存在しない記録紙を扱ったときに対応できないといった問題がある。また、特許文献３，４では、ともにトナーの付着量を制御しているが、画像のざらつきはトナーが画像領域で均一な濃度で存在していないため起こる現象であり、これは記録紙の凹凸によって場所ごとに転写率が異り、特に凹部で転写率が低いため発生すると考えられる。そのため、像担持体上のトナー付着量を高めただけでは画像のざらつきには対応できず、十分な品質の画像を得ることが難しい。
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、記録紙に安定してトナーを転写することでボソツキ等の異常画像を防止して良好な画像を得られる画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、少なくとも、表面に潜像を担持する像担持体と、現像剤を帯電させる現像剤帯電手段と現像剤を担持する現像剤担持体を備え、像担持体上の潜像に現像剤担持体の表面に担持する現像剤を供給して潜像を顕像化する現像手段と、担持体上に形成されたトナー像を記録紙上もしくは中間転写体上に転写する転写手段を有する画像形成装置において、記録紙の表面凹凸を判別する用紙判別手段と、トナー１個当りの平均帯電量Ｑを算出する帯電量算出手段と、用紙判別手段により判別された記録紙の表面凹凸情報を用いて、トナー帯電量範囲を演算し、帯電量算出手段によって算出されたトナー１個当たりの平均帯電量Ｑが、演算によって導出されたトナー帯電量範囲外にある場合には、現像剤中のトナーが規定のトナー帯電量範囲に収まるよう現像剤帯電手段を制御する制御手段を有し、帯電量算出手段は、顕像化されたトナー像の表面電位を検知する表面電位検知手段により、露光後の前記像担持体の表面電位Ｖ１及びトナー表面電位Ｖ２を検知し、露光後の表面電位Ｖ１とトナー表面電位Ｖ２との差をトナー付着量Ｍｔで除算しトナー１個の質量Ｍを乗じることでトナー１個当たりの平均帯電量Ｑを求め、制御手段は、用紙判別手段から検知される表面凹凸情報から、中間転写体上のトナー層と像担持体との間の空気層の厚みｄ２を求め、トナー付着量Ｍｔと検知したトナー面積Ａから得られる単位面積当たりのトナー質量Ｍ／Ａと、予め測定し判明しているトナー充填率、トナー真比重からトナー層の厚みｄ１を次式２により求め、ｄ１＝（Ｍ／Ａ）／（充填率×トナー真比重）・・・（式２）、求めた厚みｄ１、ｄ２、トナー層の誘電率ε１、空気層の誘電率ε２、トナー充填率、トナー真比重及びトナー付着量Ｍｔと次式６と式８とから、δを求め、δ＝−(ξｄ_１／ε_１ε_０Ｘ)×(ｄ_１／２ε_１＋ｄ_２／ε_２)・・・(式６)、転写手段の転写バイアスＶ、厚みｄ１、ｄ２、誘電率ε１、ε２と次式７と式８とから、ηを求め、
η＝−Ｖ/ε_１Ｘ・・・(式７)、Ｘ＝ｄ_１／ε_１＋ｄ_２／ε_２・・・(式８)、求めたδ、η、静電的付着力に関する比例係数α及び非静電的付着力で表されるトナー付着力関数Ｆｔと次式１０(η−(η^２＋４Ｆｔ(α−δ))^１／２)／２(α−δ)＜Ｑ＜(η＋(η^２＋４Ｆｔ(α−δ))^１／２)／２(α−δ)・・・(式１０)とからトナー１個当たりの平均帯電量Ｑが満たすべき範囲を求めることを特徴としている。

本発明において、制御手段は、用紙判別手段により判別された記録紙の表面凹凸情報から最大凹凸差を検出し、この最大凹凸差の値に基づき、現像剤帯電手段による現像剤中のトナー帯電量を制御することを特徴としている。

本発明において、用紙判別手段は、発光素子と受光素子を備え、発光素子から記録紙に光を照射し、記録紙で反射した光を受光素子で受光することで、記録紙の表面凹凸情報を検知することを特徴としている。

本発明において、現像剤は、トナーとキャリアからなる２成分現像剤であり、現像剤帯電手段は、２成分現像剤を攪拌させることでトナーを摩擦帯電させる撹拌部材を備え、制御手段は、撹拌部材の攪拌速度を変化させることでトナー帯電量を制御することを特徴としている。

本発明において、制御手段は、制御するトナー帯電量に応じて、トナー補給量を調整することを特徴としている。

本発明において、現像剤帯電手段は、非磁性トナーからなる１成分現像剤を現像剤担持体に押圧することで１成分現像剤を摩擦帯電させる帯電部材を備え、制御手段は、帯電部材と記現像剤担持体との押圧力を制御することで１成分現像剤に対する帯電量を制御することを特徴としている。

本発明によれば、用紙判別手段により判別された記録紙の表面凹凸情報を用いて、トナー帯電量範囲を演算し、帯電量算出手段によって算出されたトナー１個当たりの平均帯電量Ｑが演算によって導出されたトナー帯電量範囲外にある場合には現像剤中のトナーが規定のトナー帯電量範囲に収まるよう現像剤帯電手段を制御する制御手段を有し、帯電量算出手段は、顕像化されたトナー像の表面電位を検知する表面電位検知手段により、露光後の前記像担持体の表面電位Ｖ１及びトナー表面電位Ｖ２を検知し、露光後の表面電位Ｖ１とトナー表面電位Ｖ２との差をトナー付着量Ｍｔで除算しトナー１個の質量Ｍを乗じることでトナー１個当たりの平均帯電量Ｑを求め、制御手段は、用紙判別手段から検知される表面凹凸情報から、中間転写体上のトナー層と像担持体との間の空気層の厚みｄ２を求め、トナー付着量Ｍｔと検知したトナー面積Ａから得られる単位面積当たりのトナー質量Ｍ／Ａと、予め測定し判明しているトナー充填率、トナー真比重からトナー層の厚みｄ１を次式２により求め、ｄ１＝（Ｍ／Ａ）／（充填率×トナー真比重）・・・（式２）、求めた厚みｄ１、ｄ２、トナー層の誘電率ε１、空気層の誘電率ε２、トナー充填率、トナー真比重及びトナー付着量Ｍｔと次式６と式８とから、δを求め、δ＝−(ξｄ_１／ε_１ε_０Ｘ)×(ｄ_１／２ε_１＋ｄ_２／ε_２)・・・(式６)、転写手段の転写バイアスＶ、厚みｄ１、ｄ２、誘電率ε１、ε２と次式７と式８とから、ηを求め、η＝−Ｖ/ε_１Ｘ・・・(式７)、Ｘ＝ｄ_１／ε_１＋ｄ_２／ε_２・・・(式８)、求めたδ、η、静電的付着力に関する比例係数α及び非静電的付着力で表されるトナー付着力関数Ｆｔと次式１０(η−(η^２＋４Ｆｔ(α−δ))^１／２)／２(α−δ)＜Ｑ＜(η＋(η^２＋４Ｆｔ(α−δ))^１／２)／２(α−δ)・・・(式１０)とからトナー１個当たりの平均帯電量Ｑが満たすべき範囲を求めるので、記録紙の表面凹凸に影響されること無く良好な転写画像を得られる。また、記録紙の凹凸に応じてトナーに与える帯電特性（ストレス）を制御できることから、現像剤を効率良く消費することができる。

本発明によれば、記録紙の表面凹凸情報から検出された最大凹凸差の値によって、現像剤帯電手段による現像剤中のトナー帯電量が制御されるので、より記録紙の凹凸に対応したトナー帯電量となる。このため、記録紙に応じて適切なトナー帯電量範囲を演算する事ができ、記録紙の表面凹凸に影響されること無く良好な転写画像を得られる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置となるプリンタの概略構成を示す説明図である。 図１の画像形成装置が備える画像形成ユニットの概略構成を示す拡大図である。 現像剤攪拌装置の構成を示す拡大図である。 記録紙の表面特性を検知する検知手段の構成を示す拡大図である。 種類の異なる記録紙Ａ〜Ｄの表面凹凸の様子を示す拡大図である。 １次元電界計算の模式図である。 図１の画像形成装置に装着する画像形成ユニットの別な形態の概略構成を示す拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

画像形成装置において画像のざらつきが発生する主な要因は、記録紙の凹凸である。例えば、凹凸が大きい記録紙を使用した場合、像担持体若しくは中間転写体から記録紙へ転写を行う際に、凹部ではトナー像と記録紙の間に空隙が生じるため、トナーにかかる電界が凸部より弱くなる。そのため転写電界不足となり易く、トナーが十分に転写されず、画像のざらつきが発生する。一方、凹凸の小さい記録紙を使用した場合、凹部でのトナー像との間の空隙が小さいため、凹部と凸部にかかる電界があまり変わらないので、画像のざらつきは起こらない。

凹部で転写が起こりにくい別な理由としては、トナーと記録紙の間に発生する付着力が挙げられる。この付着力はトナーを転写する方向に働く。凸部ではトナーと記録紙が接触しているため、この付着力が発生するが、凹部ではトナー像と記録紙が接触しておらず、この付着力が発生しないため、凸部に比べて転写しにくくなっている。

転写の際、トナーが記録紙に転写するには、電界によってトナーに働く力ＱＥが、トナーと像担持体の間に働く付着力Ｆ(Ｑ)よりも大きくなる必要がある。このトナーに働く力ＱＥと付着力Ｆ(Ｑ)はトナー帯電量に依存しており、それぞれ依存の仕方が異なっている。従って、単純にトナー帯電量を大きくしただけでは転写率が向上せず、適切なトナー帯電量の範囲といったものが存在する。このため、本発明では、記録紙の凹凸に応じてトナー帯電量を変化させるため、記録紙の表面凹凸が大きい場合、凹部でも十分な転写が行われるように、表面凹凸に応じて帯電量を増減させることで、通常転写率が低くなる記録紙の凹部への転写も十分に行われるため、表面凹凸が大きい記録紙でも画像のざらつきを防ぐことができる。

以下、このような効果を得るための構成について図面を参照しながら説明する。図１は、カラー印刷が可能なカラー画像形成装置(以下単に「プリンタ」と称す)の概略図である。このプリンタは、イエロー(Ｙ)、マゼンダ(Ｍ)、シアン(Ｃ)、ブラック(Ｋ)の４色の色成分画像を記録紙Ｐ上で重ね合わせて画像を形成する画像形成装置である。本形態では、イエロー(Ｙ)、マゼンダ(Ｍ)、シアン(Ｃ)、ブラック(Ｋ)の各色にそれぞれ対応する画像形成ユニット１Ｙ,１Ｍ,１Ｃ,１Ｋが、互いに並んで配置されている。画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋには、それぞれ像担持体となる感光体ドラム１１Ｙ，１１Ｍ，１１Ｃ，１１Ｋが設けられている。感光体ドラム１１Ｙ，１１Ｍ，１１Ｃ，１１Ｋ上には各色のトナー像が形成される。形成された各色のトナー像は、これらの感光体ドラムに当接して配置されているベルト状の像担持体となり、転写部材となる中間転写ベルト５０へ順次転写される。中間転写ベルト５０へ転写されたトナー像は、用紙カセット１０１に収納され、給紙手段となる給紙ローラ１００を経て給紙された記録紙Ｐ上に転写される。具体的には、用紙カセット１０１から給紙された記録紙Ｐは、中間転写ベルト５０と二次転写用の転写手段となる二次転写ローラ８０の間に、矢印Ｆで示す搬送方向上流側から所定のタイミングで搬送される。この時、中間転写ベルト５０上に形成されたフルカラーのトナー像は、二次転写ローラ８０とこのローラと中間転写ベルト５０を介して接触する二次転写対向ローラ７３との間に形成された二次転写ニップ部Ｎ２で記録紙Ｐ上に一括転写される。フルカラーのトナー像が転写された記録紙Ｐは、周知の定着装置９１へ搬送され、定着装置９１において加熱・加圧されて、フルカラーのトナー像が定着された後、装置外へと排出される。

本形態において、画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋは、使用するトナーの色以外は全て同じ構成であるため、そのうちの１つであるイエロー(Ｙ)の画像形成ユニット１Ｙを代表して説明する。他の色の画像形成ユニットについては、画像形成ユニット１Ｙの説明で使用した符号の末尾に、各色に対応するＭ，Ｃ，Ｋの符号を付し、その説明は省略する。

図２は、本実施形態で用いる画像形成ユニット１Ｙの概略構成図を示す。画像形成ユニット１Ｙは、像担持体としての感光体ドラム１１Ｙと、感光体ドラム１１Ｙの表面を帯電する帯電部材となる帯電ローラ２１Ｙによって帯電する帯電手段２０Ｙと、感光体ドラム１１Ｙ上に形成された潜像をトナー像化する画像形成手段としての現像手段３１Ｙと、中間転写ベルト５０上にトナー像を転写するための一次転写部材となる一次転写ローラ６１Ｙと、感光体ドラム１Ｙの表面に残存したトナーをクリーニングする感光体クリーニング手段４１Ｙとを備えている。

帯電手段２０Ｙは、ローラ形状の導電性弾性体から構成される帯電ローラ２１Ｙに対して直流電圧に交流電圧を重畳した電圧を電源２２Ｙから印加する構成となっている。この帯電ローラ２０Ｙと感光体ドラム１１Ｙとの間で直接放電を起こす事で感光体ドラム１１Ｙを所定の極性、例えば、マイナス極性に帯電させる。

感光体ドラム１１Ｙの帯電面には、図示しない画像書き込み手段から出射する光変調されたレーザ光ＬＹが照射され、これによって、感光体ドラム１１Ｙの表面に静電潜像が形成される。即ち、レーザ光ＬＹが照射され感光体表面部分の電位の絶対値が低下した部分が静電潜像（画像部）となり、レーザ光ＬＹが照射されず電位の絶対値が高く保たれた部分が地肌部となる。

一次転写ローラ６１Ｙは、導電性弾性ローラであり、中間転写ベルト５０の裏面から感光体ドラム１１Ｙの表面に対して押し当てられるように配置されている。この一次転写ローラ６１Ｙには図示しない電源から一次転写バイアスとして定電流制御された１次転写バイアスが印加される。

感光体クリーニング手段４１Ｙは、クリーニングブレード４１Ｙａと、クリーニングブラシ４１Ｙｂを備えている。クリーニングブレード４１Ｙａは、感光体ドラム１１Ｙの回転方向に対してカウンタ方向から感光体ドラム１１Ｙと当接し、クリーニングブラシ４１Ｙｂは感光体ドラム１１Ｙと逆方向に回転しながら接触するように配置されて、感光体ドラム１１Ｙの表面をクリーニングする。

現像手段３１Ｙは、Ｙトナーとキャリアを有する２成分現像剤が収容された収容容器３１Ｙｃと、収容容器３１Ｙｃ内に配置され同容器３１Ｙｃの開口部を介して感光体ドラム１１Ｙと対向するように配置された現像剤担持体としての現像スリーブ３２Ｙと、収容容器３１Ｙｃ内に配置され、二成分現像剤ＧＹを攪拌しながら搬送することでトナーを帯電させる攪拌部材としての一対のスクリュー部材３３Ｙ，３４Ｙとを備えている。

スクリュー部材３３Ｙは現像スリーブ側となる現像剤の供給側に、スクリュー部材３４Ｙは図示しない補給トナー装置の供給を受ける側にそれぞれ配置され、収容容器３１ｃに図示しない軸受け部材によって回転自在に支持されている。

図３に示すように、スクリュー部材３３Ｙ，３４Ｙは互いに平行配置されており、駆動モータＭ１からの回転駆動力が伝達されることで互いに相反する方向に等速で回転駆動されるように構成さている。図中、現像スリーブ側のスクリュー部材３３Ｙは現像剤を右方から左方に向かって搬送する向きに回転し、補給側のスクリュー３４Ｙは現像剤を左方から右方に向かって搬送する向きに回転する。駆動モータＭ１は、制御手段１１０によって、その回転速度が制御されるように構成されている。本形態では、駆動モータＭ１の回転速度が制御されることで、スクリュー部材３３Ｙ，３４Ｙの攪拌速度が可変される。本形態において、駆動モータＭ１とスクリュー部材３３Ｙ，３４Ｙとで現像剤帯電手段３５Ｙを構成している。

このような構成の現像手段３１Ｙの動作と現像剤Ｇの搬送について説明する。収容容器３１ｃ内の２成分現像剤Ｇは、スクリュー部材３３Ｙ，３４Ｙが等速回転すると、攪拌されつつトナー補給側のスクリュー部３４Ｙでは、図３において右方から左方へと搬送され、左端部において現像スリーブ側のスクリュー３３Ｙへと送られ、再び攪拌されると同時に、図３において左方から右方へと搬送される。このように２成分現像剤Ｇを攪拌しながら搬送することで、この現像剤は現像手段３１内を循環しながらＹトナーとキャリアとが攪拌により摩擦帯電する。この時、スクリュー３３Ｙ，３４Ｙの攪拌速度を変更することで現像剤に与えるストレス量（帯電量）を変化させることができる。

２成分現像剤Ｇに与えるストレス量（帯電量）が大きい状態で摩擦帯電をさせると、飽和帯電時のトナー帯電量の値が大きくなり、与えるストレスを小さくすると逆に飽和帯電時のトナー帯電量の値は小さくなる事が、本発明者らの研究で判明している。また、これは攪拌搬送部材となるスクリュー３３Ｙ，３４Ｙに限らず、トナーにストレス（帯電量）を与える方法がどのようなものでも、上記現象が発生することを確認している。このように、スクリュー部材３３Ｙ，３４Ｙの攪拌速度を変化させることで、トナーＴの帯電量を制御することができる。

現像スリーブ側のスクリュー３３Ｙは、２成分現像剤Ｇの一部を現像スリーブ３２Ｙに供給し、現像スリーブ３２Ｙはその現像剤を磁気的に担持して搬送する。感光体ドラム１１Ｙ上の静電潜像は、現像スリーブ３２Ｙ上のＹトナーで現像されてＹトナー像となる。また感光体ドラム１１Ｍ，１１Ｃ，１１Ｋ上の静電潜像は、現像スリーブ３２Ｍ，３２Ｃ，３２Ｋ上の各色のトナーで現像されてそれぞれＭトナー像，Ｃトナー像，Ｋトナー像となる。

本実施形態では、感光体ドラム１１Ｙ上のトナー濃度を検知する反射型フォトセンサ（Ｐセンサ）１１３を備えている。この反射型フォトセンサ１１３は、顕像化されたトナー像の濃度を検知するトナー濃度検知手段であって、その感度が低下する領域外では、トナー濃度と付着量は比例関係にあることが知られている。これにより、画像濃度からトナー付着量Ｍｔを求めることができる。しかし、同一の画像濃度であっても、トナー付着量Ｍｔは、各々のトナー特性に依存するため、例えば、小粒径トナーを用いた場合は、大粒径トナーを用いた時と比較して少量のトナー付着量Ｍｔでも同じ画像濃度として検知される。このため、本形態にかかる画像形成装置では、使用する現像剤に対して予めテストを行い、トナー濃度検知センサ１１３の読み取り値とトナー付着量Ｍｔの関係を、制御手段１１０の記憶手段となるメモリ１２１にデータテーブルと記憶している。

また、画像形成ユニット１Ｙは、現像前後の感光体ドラム１１Ｙの表面電位を検知する、すなわち、顕像化されたトナー像の表面電位を検知する表面電位検知手段となる電位検知センサ１１１，１１２を備えており、露光後の表面電位Ｖ１及びトナー表面電位Ｖ２を検知している。露光後の表面電位Ｖ１とトナー表面電位Ｖ２の差は、トナーの帯電量と付着量Ｍｔによって決まる。

制御手段１１０は、これら電位検知センサ１１１，１１２の検知結果から、電位差|Ｖ２−Ｖ１|をトナー付着量Ｍｔで除算処理を行うことによって単位質量当りのトナー帯電量Ｑ／Ｍを演算する機能を備えている。そしてこのトナー帯電量Ｑ／Ｍにトナー１個の質量Ｍをかけることでトナー１個当りの平均帯電量Ｑがわかる。これら演算式は予め制御手段１１０に記憶されていて、帯電量算出手段１２０を構成している。

このよう、顕像化されたトナー像の濃度を検知するトナー濃度検知手段１１３や、顕像化されたトナー像の表面電位を検知する電位検知センサ１１１，１１２を備え、制御手段１１０で、トナー濃度検知手段１１３で検知された濃度情報からトナー粒子の付着量Ｍｔを演算し、電位検知センサ１１１，１１２で検知された表面電位及びトナー粒子の付着量Ｍｔから、トナー粒子のトナー帯電量Ｑ／Ｍを演算することができる。

次に、記録紙Ｐの搬送と記録紙Ｐの表面凹凸の検知について説明する。
図１に示す用紙カセット１０１から中間転写ベルト５０へと至る用紙搬送路１４０の途中には、記録紙Ｐの表面特性（凹凸）を検知する用紙判別手段となる表面特性検知手段９０が配設されている。表面特性検知手段９０は、図４に示すように、給紙ローラ１００によって用紙カセット１０１から給紙された記録紙Ｐの表面Ｐ１の状態を読み取るものであり、その読み取られた表面の映像に基づいて記録紙Ｐの表面特性が検出される。表面特検知手段９０によって検出された記録紙Ｐの表面特性は制御手段１１０に入力される。制御手段１１０では、入力された表面特性から記録紙Ｐの表面特性(凹凸の高さ、ピッチ、平均粗さ等)が検出され、その検出された表面特性から、各画像形成ユニット１Ｙ，１Ｍ，１Ｃ，１Ｋの各現像手段が備える各スクリュー部材の回転数を決定し、その回転数となるように駆動モータＭ１を駆動する機能を備えている。このような構成により、各現像手段内にある各スクリュー部材の回転数の制御を行う事でトナー帯電量を制御することができる。

図４に示す表面特性検知手段９０は、レーザ変位計で構成されている。この表面特性検知手段９０は、光源を構成する発光素子となる半導体レーザ８３と、半導体レーザ８３が発光したコヒーレント光を集光する投光レンズ８４と、記録紙Ｐで拡散反射された光線の一部を集光する受光レンズ８５と、受光レンズ８５で集光された反射光を受光する受光素子となる光位置検出素子８６を備えている。

このような構成の表面特性検知手段９０によると、半導体レーザ８３が発光したコヒーレント光が、投光レンズ８４を通し集光し、記録紙Ｐ上の所定エリアに照射される。そして記録紙Ｐから拡散反射された光線の一部は、受光レンズ８５を通して光位置検出素子８６上にスポットを結ぶ。このスポットの位置を光位置検出素子８６が検出することで、記録紙Ｐ上の表面凹凸を検出することができる。このようなに、表面特性検知手段９０により、記録紙Ｐの表面凹凸情報を検知することができる。

次に、表面特性検知手段９０から出力される表面凹凸値（表面凹凸情報）と記録紙Ｐの種類との関係について説明する。
図５は、図４に示す表面特性検知手段９０によって、種類の異なる記録紙Ａ〜記録紙Ｄを検知したときに、表面特性検知手段９０から出力される表面凹凸値を模式的に示したものである。

図５において、記録紙Ａ，Ｂは平滑性の良い用紙であり、記録紙Ｃ，Ｄは平滑性の悪い用紙である。記録紙Ａ，Ｂを検知したときの表面特性検知手段９０から出力は０から２０程度の間の範囲で変化しており、その変化量は少なく記録紙表面の凹凸が少ないことがわかる。これに対し、記録紙Ｃ，Ｄを検知したときの表面特性検知手段９０から出力は０から３０を超える間の範囲で変化しており、記録紙Ａ，Ｂに比べて、記録紙表面の凹凸が大きいことがわかる。この検知結果から、記録紙Ａ〜Ｄの最大凹凸差を求めることができる。表１は、図５の記録紙Ａ〜Ｄの最大凹凸差を示す。

また、トナー付着力Ｆ（Ｑ）については、特許３６７０１３４号公報と同様、遠心分離法を用いて測定した。特許３６７０１３４号公報に記載されているように、トナー付着力Ｆ（Ｑ）は、非静電的付着力と静電的付着力の２種からなり、静電的付着力は帯電量の２乗に比例することがわかっている。このことからトナー付着力Ｆ（Ｑ）は式１によって表される。

Ｆ（Ｑ）=α×Ｑ^２+Ｆｔ・・（式１）
α：静電的付着力に関する比例係数、
Ｆｔ：非静電的付着力で表されるトナー付着力関数
次に電界の演算について説明をする。
表面特性検知手段９０で検知された記録紙Ｐの表面凹凸値（表面凹凸情報）、及びトナー付着量Ｍｔから以下のようにして電界を計算する。電界計算には、図６に電界計算モデルを用いる。この電界計算モデルは、転写ニップ部を平行平板で近似した１次元層構造である。本形態において、このモデルでは、図６中の中間転写ベルト５０に低抵抗のものを用いているため、中間転写ベルト５０による電圧降下の影響は非常に小さいと考え、計算中では考慮せず、中間転写ベルト５０のトナー層（ε１）と、このトナー層（ε１）と記録紙Ｐとの間に形成される空隙（ε２）による電圧降下のみを考えて電界を求める。また、記録紙Ｐに関しても同様に低抵抗と考え、計算中では考慮しない。

制御手段１１０は、表面特性検知手段９０で検知された表面凹凸情報から最大凹凸差を求め、これに基づき図６中の空気層厚みｄ２を設定する機能を備えている。上記のように検知したトナー付着量Ｍｔと検知した面積Ａから得られる単位面積当たりのトナー質量Ｍ／Ａと、予め測定し判明しているトナーの充填率、トナー真比重から図６に示すトナー層（ε１）の厚みｄ１を以下の式２で示すように演算する。

ｄ１＝（Ｍ／Ａ）／（充填率×トナー真比重）・・・（式２）
また検知したトナー帯電量からトナー層（ε１）の体積電荷密度ρを以下の式３、式４で求めることができる。

ρ=ξＱ・・・（式３）
ξ=（充填率）×（トナー真比重）／Ｍ・・・（式４）
図６に示す構成におけるトナー層（ε１）内の電界Ｅ（ｚ）は、１次元のＰｏｉｓｓｏｎ方程式を解くことにより得られる。このトナー層内電界Ｅ（ｚ）は、図６中では、トナー層（ε１）と空隙（ε２）の境界面において最も高い値を取り、中間転写ベルト５０とトナー層（ε１）の接触面において最も低い値を取る。この時、各感光体ドラムとトナー層（ε１）の接触面における電界Ｅは、以下の式５で表される。

Ｅ＝δＱ+η・・・(式５)
式５中のδ、ηは既知のパラメータ定数から導かれる値であり、それぞれ式６から式８によって算出される。

δ＝−(ξｄ_１／ε_１ε_０Ｘ)×(ｄ_１／２ε_１＋ｄ_２／ε_２)・・・(式６)
η＝−Ｖ/ε_１Ｘ・・・(式７)
Ｘ＝ｄ_１／ε_１＋ｄ_２／ε_２・・・(式８)
式５,７より、電界Ｅは転写バイアスＶ、及びトナー帯電量Ｑに比例する。

転写が行われる条件として、トナー１個が電界から受ける力ＱＥが、トナー付着力Ｆ(Ｑ)より大きくなる必要があり、これは式９で表される。

ＱＥ−Ｆ(Ｑ)＞０・・・(式９)
式１〜９よりトナー１個当りの平均帯電量Ｑの範囲は以下のように演算できる。

(η−(η^２＋４Ｆｔ(α−δ))^１／２)／２(α−δ)＜Ｑ＜(η＋(η^２＋４Ｆｔ(α−δ))^１／２)／２(α−δ)・・・(式１０)
なお、これら式１〜式１０は、予め制御手段１１０に記憶されているものとする。実際はトナーの付着力や帯電量は、個々の粒子毎に異なるため分布が存在する。そのため、式１０の範囲にトナー１個当りの平均帯電量Ｑを制御してもトナーによっては式９の条件を満たさないものが存在するため、１００％転写されない。しかし、本発明者らの研究により、トナー１個当りの平均帯電量Ｑを上記式１０の範囲に収めることで、平滑性の悪い紙（例えば図５の記録紙Ｃ、Ｄ）でも９０％以上の転写が行われることが明らかになった。よって、転写率が９０％以上となるような帯電量制御を行うことが可能である。

本実施形態では、上記演算結果を基に、検知された記録紙Ｐの表面凹凸情報、及びトナー帯電量Ｑ、トナー付着量Ｍｔと予め測定したトナー付着力Ｆ（Ｑ）から、図１の制御手段１１０において、記録紙Ｐの凹部で十分転写可能なトナー帯電量の範囲を演算し、各現像手段内のスクリュー部材の回転数を決定し、各画像形成ユニットの現像手段内にあるスクリュー部材の回転させる駆動モータＭ１の駆動を制御することで、トナー帯電量を制御する。

このように本願請求項３で規定した内容であると、トナーに与えるストレスを変化させて適正なトナー帯電量にすることができ、記録紙Ｐの凹凸に影響されること無く記録紙Ｐに安定してトナーを転写することができ、ボソツキ等の異常画像を防止して良好な転写画像を得られる。
（比較実験）
次に本発明者らが行った比較実験について説明する。
比較実験における画像形成装置の概略構成は前述した図１と同様である。本比較実験は、表１にある表面凹凸の程度が互いに異なる４種類の記録紙Ａ〜Ｄに対し、前述の実験機を用いて画像形成を行い、その出力画像のざらつき具合を目視による評価で行い、更に定着前の転写率を測定することで行った。このざらつき具合の目視評価方法は、ベタパッチを記録紙Ａ〜Ｄに出力し、その出力画像について、良好である場合を○とし、わずかに不良である場合を△、明らかに不良である場合を×とする３段階評価を行った。

転写率の測定方法としては、記録紙Ａ〜Ｄ上にベタ画像を転写し、定着前に作像プロセスを止め、記録紙Ａ〜Ｄと中間転写ベルトユニットをプリンタから取り出し、記録紙Ａ〜Ｄ上に転写された単位面積当りのトナー質量(Ｍ／Ａ)Ｐと、中間転写ベルト５０上に残存している単位面積当りのトナー質量(Ｍ／Ａ)Ｔをサックイン法で測定し、以下の式１１から転写率を求めた。サックイン法では、中間転写ベルト等に付着したトナーを真空ポンプなどによって吸引し、吸引したトナーの質量Ｍを計測し、トナーの吸引面積Ａから単位面積当りのトナー質量を求める。

転写率＝１００×(Ｍ／Ａ)Ｐ／((Ｍ／Ａ)Ｐ＋(Ｍ／Ａ)Ｔ)・・・(式１１)
比較実験では、上述した実施形態で説明したように、記録紙の表面凹凸から、凹部で十分な転写が可能なトナー帯電量の範囲を演算し、演算結果に基づいて、各スクリューの攪拌速度を変化させ、トナー帯電量を制御した場合を実施例１とし、制御を行わず、攪拌速度を一定とし、帯電量を変化させない場合を比較例１としている。比較実験に使用した各種データを表２に示す。また、表面特性検知手段９０により検知される各記録紙における空気層厚みｄ２と、演算される各記録紙におけるトナー１個当りの平均帯電量Ｑ及びトナー帯電量Ｑ／Ｍの範囲を表３に示す。

実施例１では、トナー帯電量を表３にある平均帯電量Ｑの範囲の中心値になるように制御を行い、比較例１では、トナー帯電量Ｑ／Ｍ＝−２５[μＣ／ｇ]に固定して実験を行った。その結果を表４に示す。

上記表４に示した結果から明らかなように、実施例１の構成では４種類の記録紙Ａ〜Ｄ全てについて画像のざらつきが発生せず良好な画像を得ることができ、また記録紙Ａ〜Ｄにおいて９０％以上の転写率を得る事ができた。これに対し、比較例１の場合には、表面凹凸の小さい記録紙Ａ，Ｂでは、ざらつきが発生していないが、表面凹凸の大きい記録紙Ｃ，Ｄでは、若干ざらつきが発生しており、画像劣化が起こっていた。また、転写率も９０％を下回る結果となった。これらの結果から、本発明は効果があることが示されている。

すなわち、表面特性検知手段９０により判別された記録紙の表面凹凸情報から転写率が９０％以上となるトナーの帯電量範囲を演算し、帯電量算出手段１２０によって算出されたトナー帯電量（トナー１個当たりの平均帯電量Ｑ）が演算によって導出された帯電量範囲外にある場合には、現像剤中のトナーが規定の帯電量範囲に収まるよう各スクリュー部材を回転する駆動モータＭ１の回転速度を制御することで、記録紙Ｐの表面凹凸に影響されること無く良好な転写画像を得られる。また、記録紙Ｐの凹凸に応じてトナーに与える帯電特性（ストレス）を制御できることから、現像剤を効率良く消費することができる。

記録紙Ｐの表面凹凸情報から検出された最大凹凸差の値によって、スクリュー部材を回転する駆動モータＭ１の回転速度を変化することで、現像剤中のトナー帯電量が制御されるので、より記録紙Ｐの凹凸に対応したトナー帯電量となり、記録紙に応じて適切なトナー帯電量範囲を演算することができ、記録紙Ｐの表面凹凸に影響されること無く良好な転写画像を得られる。

トナー１個が電界から受ける力ＱＥが、（式１）で求められるトナー付着力Ｆ（Ｑ）より大きくなるトナー１個当りの平均帯電量Ｑの範囲を演算するので、転写可能なトナー帯電量Ｑ／Ｍの範囲を正確に演算することができ、記録紙Ｐの表面凹凸に影響されること無く良好な転写画像を得られる。

表面特性検知手段９０を、半導体レーザ８３と光位置検出素子８６を備え、半導体レーザ８３から照射されて記録紙Ｐで反射した光を光位置検出素子８６で受光することで、記録紙Ｐの表面凹凸情報を検知する光学センサで構成したので、記録紙Ｐの凹凸を簡易に検知することができる。

制御手段１１０は、顕像化されたトナー像の濃度を検知するトナー濃度検知センサ１１３で検知された濃度情報からトナー粒子の付着量Ｍｔを演算するので、トナー粒子の付着量Ｍｔを精度良く検知することができる。

制御手段１１０は、顕像化されたトナー像の表面電位を検知する表面電位検知センサ１１１，１１２で検知された表面電位及び上記トナー粒子の付着量Ｍｔから、トナー粒子の帯電量Ｑ／Ｍを演算するので、よりトナー帯電量を精度良く検知することができる。

トナーとキャリアからなる２成分現像剤を各スクリュー部材で攪拌してトナーを摩擦帯電させ、制御手段１１０が各スクリュー部材の攪拌速度を変化させることでトナーの帯電量Ｑ／Ｍを制御するので、トナー帯電量Ｑ／Ｍを容易に制御することができる。制御手段１１０は、制御する帯電量に応じてトナー補給量を調整するので、トナー補給と帯電量制御を同時に行う事ができる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、二成分現像剤を用いて説明したが、例えば、現像剤として非磁性トナーからなる１成分現像剤Ｇ１を用いてもよい。図7は、一成分現像剤Ｇ１を用いた場合の画像形成ユニット１３０である。

画像形成ユニット１３０は、像担持体となるドラム状の感光体ドラム１３１、感光体ドラム１３１のクリーニング装置１３２、図示しない除電装置、帯電ローラ１３３、現像手段１３４等を備えている。

現像手段１３４内に収納されている１成分現像剤Ｇ１は、ホッパ部１３５で図示しないアジテータによって撹拌されながら、供給ローラ１３６近傍にその自重で移動し、供給ローラ１３６上に堆積する。供給ローラ１３６は図示しない駆動手段によって回転駆動される。

供給ローラ１３６の近傍には、現像剤担持体となる現像ローラ１３７が配設されている。この現像ローラ１３７は、供給ローラ１３６と感光体ドラム１３１とに当接しながら、駆動手段となる駆動モータＭ２によって回転駆動せしめられる。現像ローラ１３７の近傍には、帯電部材となるブレード部材１３８が、その先端を現像ローラ１３７に接触させて配置されている。

供給ローラ１３６の表面に担持された１成分現像剤Ｇ１は、供給ローラ１３６と現像ローラ１３７の当接部まで搬送されて、当接部での圧力等の影響によって、現像ローラ１３７の表面に転位する。この転位によって現像ローラ１３７の表面に担持された１成分現像剤Ｇ１は、現像ローラ１３７の回転に伴って移動し、現像ローラ１３７とブレード部材１３８との当接部を通過する。この現像ローラ１３７とブレード部材１３８との当接位置において、１成分現像剤Ｇ１（非磁性トナー）は摩擦帯電すると共に層厚規制され、現像ローラ１３７の表面にトナー薄層を形成する。

すなわち、本形態では、現像スリーブに変えて現像ローラ１３７を用い、この現像ローラ１３７に押圧することで１成分現像剤Ｇ１を摩擦帯電させる帯電部材としてブレード部材１３８を設け、現像ローラ１３７とブレード部材１３８との押圧力となる、駆動モータＭ２の回転を制御手段１１０で制御することで、１成分現像剤Ｇ１に対する帯電量Ｑ／Ｍを制御してもよい。このような帯電制御を行うことで、１成分現像剤（非磁性トナー）の帯電量を容易に制御することができる。この場合、駆動モータＭとブレード部材１３８が現像剤帯電手段１３９となる。

このような構成の画像形成ユニット１３０を各色に対応させて、図１に示す画像形成ユニット１Ｙ,１Ｍ,１Ｃ,１Ｋと置き換えることで、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

すなわち、表面特性検知手段９０により判別された記録紙Ｐの表面凹凸情報から転写率が９０％以上となる１成分現像剤（非磁性トナー）の帯電量範囲を演算し、帯電量算出手段１２０によって算出されたトナー帯電量（トナー１個当たりの平均帯電量Ｑ）が演算によって導出された帯電量範囲外にある場合には現像剤中のトナーが規定の帯電量範囲に収まるよう現像剤帯電手段１３９を制御することで、記録紙Ｐの表面凹凸に影響されること無く良好な転写画像を得られる。また、記録紙Ｐの凹凸に応じて１成分現像剤（非磁性トナー）に与える帯電特性（ストレス）を制御できることから、１成分現像剤（非磁性トナー）を効率良く消費することができる。

記録紙Ｐの表面凹凸情報から検出された最大凹凸差の値によって、現像剤帯電手段１２０による１成分現像剤（非磁性トナー）の帯電量を制御されるため、より記録紙Ｐの凹凸に対応したトナー帯電量となり、記録紙Ｐに応じて適切なトナー帯電量範囲を演算する事ができ、記録紙Ｐの表面凹凸に影響されること無く良好な転写画像を得られる。

さらに、トナー１個が電界から受ける力ＱＥが、（式１）で求められるトナー付着力Ｆ（Ｑ）より大きくなるトナー１個当りの平均帯電量Ｑの範囲を制御手段１１０で演算するので、転写可能なトナー帯電量の範囲を正確に演算することができ、記録紙Ｐの表面凹凸に影響されること無く良好な転写画像を得られる。

図７に示す形態では、現像ローラ１３７の回転を制御することで、１成分現像剤（非磁性トナー）の帯電量を制御したが、例えばブレード部材１３８を現像ローラ１３７に対して近接離間する方向に移動可能に設け、制御手段１１０によって、ブレード部材１３８の位置を制御することで、摩擦力を調整して１成分現像剤Ｇ１に対する帯電量Ｑ／Ｍを制御するようにしてもよい。

１１Ｙ〜１１Ｋ，１３１ 像担持体
３１Ｙ〜３１Ｋ，１３４ 現像手段
３２Ｙ〜３４Ｋ，１３７ 現像剤担持体
３３Ｙ〜３３Ｋ 撹拌部材
３４Ｙ〜３４Ｋ 撹拌部材
３５Ｙ〜３５Ｋ，１３９ 現像剤帯電手段
５０ 中間転写体
６１Ｙ〜６１Ｋ 転写手段
８０ 転写手段（二次転写手段）
８３ 発光素子
８６ 受光素子
９０ 用紙判別手段
１１０ 制御手段
１１１，１１２ 表面電位検知手段
１１３ トナー濃度検知手段
１２０ 帯電量検知手段
Ｅ 電界
Ｆ（Ｑ） トナー付着力
Ｐ 記録紙
Ｑ トナー１個当りの平均帯電量
ＱＥ トナー１個が電界から受ける力
Ｖ 転写バイアス

特開２００４−１０９３２５号公報 特開２００８−０１５４３５号公報 特開２００４−２５８３９７号公報 特開２００７−３０４４９２号公報

Claims (6)

1. 少なくとも、表面に潜像を担持する像担持体と、現像剤を帯電させる現像剤帯電手段と現像剤を担持する現像剤担持体を備え、前記像担持体上の潜像に前記現像剤担持体の表面に担持する現像剤を供給して潜像を顕像化する現像手段と、前記担持体上に形成されたトナー像を記録紙上もしくは中間転写体上に転写する転写手段を有する画像形成装置において、
   前記記録紙の表面凹凸を判別する用紙判別手段と、
   トナー１個当りの平均帯電量Ｑを算出する帯電量算出手段と、
   前記用紙判別手段により判別された記録紙の表面凹凸情報を用いて、トナー帯電量範囲を演算し、前記帯電量算出手段によって算出されたトナー１個当たりの平均帯電量Ｑが、前記演算によって導出されたトナー帯電量範囲外にある場合には、前記現像剤中のトナーが規定のトナー帯電量範囲に収まるよう前記現像剤帯電手段を制御する制御手段を有し、
   前記帯電量算出手段は、顕像化されたトナー像の表面電位を検知する表面電位検知手段により、露光後の前記像担持体の表面電位Ｖ１及びトナー表面電位Ｖ２を検知し、露光後の表面電位Ｖ１とトナー表面電位Ｖ２との差をトナー付着量Ｍｔで除算しトナー１個の質量Ｍを乗じることでトナー１個当たりの平均帯電量Ｑを求め、
   前記制御手段は、前記用紙判別手段から検知される表面凹凸情報から、前記中間転写体上のトナー層と前記像担持体との間の空気層の厚みｄ２を求め、
   前記トナー付着量Ｍｔと検知したトナー面積Ａから得られる単位面積当たりのトナー質量Ｍ／Ａと、予め測定し判明しているトナー充填率、トナー真比重から前記トナー層の厚みｄ１を次式２により求め、
   ｄ１＝（Ｍ／Ａ）／（充填率×トナー真比重）・・・（式２）
   前記求めた厚みｄ１、ｄ２、前記トナー層の誘電率ε１、前記空気層の誘電率ε２、前記トナー充填率、前記トナー真比重及びトナー付着量Ｍｔと次式６と式８とから、δを求め、
   δ＝−(ξｄ_１／ε_１ε_０Ｘ)×(ｄ_１／２ε_１＋ｄ_２／ε_２)・・・(式６)
   前記転写手段の転写バイアスＶ、前記厚みｄ１、ｄ２、前記誘電率ε１、ε２と次式７と式８とから、ηを求め、
   η＝−Ｖ/ε_１Ｘ・・・(式７)
   Ｘ＝ｄ_１／ε_１＋ｄ_２／ε_２・・・(式８)
   求めたδ、η、静電的付着力に関する比例係数α及び非静電的付着力で表されるトナー付着力関数Ｆｔと次式１０
   (η−(η^２＋４Ｆｔ(α−δ))^１／２)／２(α−δ)＜Ｑ＜(η＋(η^２＋４Ｆｔ(α−δ))^１／２)／２(α−δ)・・・(式１０)
   とからトナー１個当たりの平均帯電量Ｑが満たすべき範囲を求めることを特徴とする画像形成装置。
2. 前記制御手段は、前記用紙判別手段により判別された記録紙の表面凹凸情報から最大凹凸差を検出し、この最大凹凸差の値に基づき、前記現像剤帯電手段による現像剤中のトナー帯電量を制御することを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
3. 前記用紙判別手段は、発光素子と受光素子を備え、前記発光素子から前記記録紙に光を照射し、前記記録紙で反射した光を前記受光素子で受光することで、前記記録紙の表面凹凸情報を検知することを特徴とする請求項１または２記載の画像形成装置。
4. 前記現像剤は、トナーとキャリアからなる２成分現像剤であり、
   前記現像剤帯電手段は、前記２成分現像剤を攪拌させることで前記トナーを摩擦帯電させる撹拌部材を備え、
   前記制御手段は、前記撹拌部材の攪拌速度を変化させることで、前記トナー帯電量を制御することを特徴とする請求項１、２または３記載の画像形成装置。
5. 前記制御手段は、制御するトナー帯電量に応じて、トナー補給量を調整することを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の画像形成装置。
6. 前記現像剤帯電手段は、非磁性トナーからなる１成分現像剤を前記現像剤担持体に押圧することで前記１成分現像剤を摩擦帯電させる帯電部材を備え、
   前記制御手段は、前記帯電部材と前記現像剤担持体との押圧力を制御することで１成分現像剤に対する帯電量を制御することを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の画像形成装置。

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