JP5605694B2 - トナー補給方法、現像装置、プロセスユニットおよび画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式の複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置におけるトナー補給方法と、このトナー補給方法でトナーを補給するようにした現像装置、プロセスユニットおよび画像形成装置に関するものである。

ここで、プロセスユニットは、例えば、
１）帯電手段、現像剤担持体又はクリーニング手段と像担持体とを一体ユニット化し、このユニット体を画像形成装置本体に対して着脱可能にしたもの。
２）帯電手段、現像剤担持体、クリーニング手段の少なくとも一つと像担持体とを一体ユニット化して画像形成装置本体に着脱可能としたもの。
３）現像剤担持体と像担持体とを一体ユニット化して画像形成装置本体に着脱可能としたもの。
以上１）〜３）のいずれであってもよい。

従来の電子写真方式の画像形成装置は、一様に帯電させた像担持体の表面を露光手段としてのレーザによって画像情報に応じて露光することで像担持体の表面に画像情報に対応した静電潜像を形成する。そしてこの像担持体の表面に現像剤としてのトナーを現像手段の現像ローラによって供給して静電潜像の可視化すなわち現像を行うようにしている。現像手段の内部には安定した現像性を実現するために所定量のトナーが貯留され、このトナーは帯電量を均一化するために撹拌部材で撹拌されるようになっている。現像手段の内部のトナーは現像の進行と共に減少するので、トナーの量が所定量まで低下すると、これをトナー量検知手段が検知してトナー容器から新しいトナーが現像手段に補給されるようになっている。

ところで、現像手段の内部のトナー（以下、残留トナーという）は撹拌部材で撹拌されているために次第にその帯電性が劣化することが知られている。帯電性が劣化すると、本来印字しない白部（未露光部）にトナーが現像される地汚れや濃度変動など現像性の不安定化の原因になる。これに対してトナー容器から補給されるトナー(以下、補給トナーという)は帯電性がほとんど劣化していないので、少量の残留トナーに対して大量に新しいトナーが補給されると帯電性が大きく変動する。このように補給直後に帯電性が大きく変動すると現像性にも影響が出る。このため、従来の画像形成装置では帯電性が大きく変動しないように残留トナーの量をできるだけ一定に維持するようにトナーの補給量を工夫したものがある（特許文献１参照）。

特許文献１の発明は、現像手段による現像剤の消費量と、現像手段の内部にある残留トナーの量に基づいて、現像手段に対するトナーの補給量を増減調節することで現像手段の内部の残存トナーの量をできるだけ一定に制御している。特許文献１の発明は通常の補給動作では問題ないが、トナーの補給が遅れた場合は一度に大量のトナーが補給されるためトナーの帯電性が大きく変動するという問題がある。

すなわち、現像手段の内部の残留トナーの量が所定量を下回ると通常はトナー容器から新しいトナーが補給されるのであるが、このときトナー容器が空になっていると直ちには新たなトナーが補給されない。トナー容器が空になった瞬間に現像手段が停止するとユーザーが作業を中断しなければならなくなるので、通常、トナー容器が空になっても現像手段の内部の残留トナーだけで現像手段が所定量の現像作動を継続できるように設定されている。またトナー容器が空になるとトナー容器の交換時期が到来したことを告げる表示が出るように設定されている。しかし、そのまま現像作業をある程度継続した後にトナー容器を交換すると、その時に現像手段の内部に残っているトナーの量が通常よりも少なくなっているので、新たなトナーが補給されると現像手段の内部の補給トナーの比率が急に高くなる。これにより、地汚れが悪化することによる画質低下など、現像性が不安定化するという問題がある。

前記課題を解決するための手段は以下の通りである。
（１）像担持体上に形成された潜像を現像剤で現像する現像手段に現像用のトナーを収容したトナー容器からトナーを補給するトナー補給方法であって、
前記トナー容器が前記現像手段に対して着脱自在なトナーカートリッジで構成され、
前記現像手段の内部に残存するトナー量が所定の第１残量まで低下した時、前記トナー容器から第１補給量でトナーを定量補給する第１補給モードと、
前記現像手段の内部に残存するトナー量が前記第１残量よりも少ない所定の第２残量まで低下した時、前記トナー容器から前記第１補給量よりも少ない第２補給量でトナーを定量補給する第２補給モードを有し、
前記トナーカートリッジが空になることによって前記現像手段の内部に残存するトナー量が前記第１残量から前記第２残量まで低下した後であって、当該空のトナーカートリッジを新しいトナーカートリッジに交換した後に、前記第２補給モードを実行するようにし
前記第２補給モードにおいて、前記第２補給量による最初のトナーの定量補給の後、前記現像手段が前記第２補給量未満の所定のトナー量を消費した時に、前記第２補給量による第２回目以降のトナーの定量補給を行うようにしたトナー補給方法。
（２）前記第１補給モードにおける前記第１残量に対する前記第１補給量の割合と、前記第２補給モードにおける前記第２残量に対する前記第２補給量の割合を同じにした前記（１）のトナー補給方法。
（３）前記現像手段が消費するトナー量を現像時の画像印字比率に応じて算出する前記（１）のトナー補給方法。
（４）前記トナーカートリッジが空になって新しいトナーカートリッジに交換した時に前記現像手段の内部に残存しているトナー量を前記第２残量とする前記（１）のトナー補給方法。
（５）前記現像手段の内部に残存するトナー量が前記第１残量まで低下したことを検知手段で検知するようにした前記（１）のトナー補給方法。
（６）前記検知手段が発光素子と受光素子からなるトナー量検知手段である前記（５）のトナー補給方法。
（７）前記検知手段が圧電素子からなるトナー量検知手段である前記（５）のトナー補給方法。
（８）前記像担持体上に形成された潜像を現像剤で現像する現像ローラが組み付けられた現像ハウジングにトナー容器が装着され、前記現像ハウジングと前記トナー容器とを連通する補給穴にトナー補給ローラが配設され、前記トナー補給ローラの回転により現像用のトナーが前記トナー容器から前記現像ハウジング内に前記（１）〜（７）のトナー補給方法で補給される現像装置。
（９）前記トナー容器が空になった後、前記現像装置の内部のトナーが前記第１残量から前記第２残量に低下するまで所定の印字量で現像作動が可能な現像モードを有する前記（８）の現像装置。
（１０）前記像担持体と現像手段が一体化されて画像形成装置本体に対して着脱自在にされたプロセスユニットであって、現像用のトナーが前記（１）〜（７）のトナー補給方法で補給されるプロセスユニット。
（１１）前記（８）の現像装置または（１０）のプロセスユニットを有し、現像用のトナーが（１）〜（７）のトナー補給方法で補給される画像形成装置。

本発明のトナー補給方法は、現像手段の内部に残存するトナー量が所定の第１残量まで低下した時、トナー容器から第１補給量でトナーを定量補給する第１補給モードと、現像手段の内部に残存するトナー量が第１残量よりも少ない所定の第２残量まで低下した時、トナー容器から第１補給量よりも少ない第２補給量でトナーを定量補給する第２補給モードを有するから、第１補給モードと第２補給モードでトナー補給比率の差を縮小することができ、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明によるプロセスユニットを備えた現像装置を用いる画像形成装置の構成を説明するための模式図である。 図１に示したプロセスユニットの一つを抽出してその構成を説明するための模式図である。 現像装置に用いられるトナー撹拌部材の一例を示す図である。 現像装置に用いられるトナー撹拌部材の他の例を示す図である。 トナー混合と地汚れの関係を示す図である。 補給制御による現像ユニット内部の残留トナー量を示す図である。 トナー補給の制御を示すフローチャートである。 本発明の効果を地汚れのレベルで示す図である。

以下、図面に示す実施例により本発明を実施するための形態について説明する。

（画像形成装置）
図１は本発明の画像形成装置の概略を示す断面図で、この画像形成装置は複数色の画像形成が可能なカラープリンタを示している。ここでは「画像形成装置」としてプリンタを例示するが、画像形成装置はプリンタに限らず、複写機、ファクシミリ装置、印刷機、およびこれらの機能を複合させた複合機を含むものである。

図１において、カラープリンタ１は、潜像担持体として用いられる感光体およびこれに対する帯電工程、現像工程、クリーニング工程を実行する装置が色毎に纏めてプロセスユニットに収納された作像部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを備えている。

本実施形例に挙げたカラープリンタ１は、作像部毎に形成された異なる色の画像を順次転写するために用いられる中間転写体としての中間転写ベルト５の展張方向に沿って各作像部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを並列させて配置したタンデム方式が用いられている。

カラープリンタ１は、画像形成部７を収納可能な筐体本体１Ａを備え、筐体本体１Ａの高さ方向ほぼ中央に画像形成部７が配置されている。画像形成部７の上方には光走査装置９が配設され、また画像形成部７の下方には廃トナー収容器１０と、記録紙などのシート状記録媒体（以下、記録紙という）を積載収容可能な積載手段をなす給紙カセットが装備されている給紙部１１がそれぞれ配置されている。

（作像部）
画像形成部７に用いられる作像部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、その一つの作像部３ａを代表して模式的に示す図２を用いて説明すると次の通りである。なお、他の作像部３ｂ，３ｃ，３ｄにおいても同様な構成である。

図２において、作像部３ａは、回転可能な像担持体に相当するドラム状の感光体（以下、感光体ドラムという）１３と、これの周囲に配置されて感光体ドラム１３に当接している帯電ローラ１５と、感光体ドラム１３に形成された静電潜像の可視像処理を行う現像剤担持体に相当する現像ローラ１７ａおよびこの現像ローラ１７ａにトナーを供給する供給ローラ１７ｂを有する現像装置１７と、感光体ドラム１３に当接して残留トナーを掻き取るブレード１９ａおよび回収されたトナーの搬送スクリュー１９ｂを備えたクリーニング装置１９が纏めて収納されたプロセスユニット２１ａにより構成されている。

プロセスユニット２１ａにおいては、暗中にて帯電ローラ１５により一様に高電位で初期化帯電された感光体ドラム１３が光走査装置９からのレーザービームＬ１〜Ｌ４（図２では、便宜上、符号Ｌで示してある）を用いて画像データに基づき選択的に露光走査され、この露光により電位の減衰した低電位部と上記初期化による高電位部とからなる静電潜像が形成される。現像装置１７は、感光体ドラム１３の表面上の前記静電潜像の低電位部（又は高電位部）にトナーを転移させて可視像処理することによりトナー像を形成（現像）する。現像されたトナー像は感光体ドラム１３と転写ローラ１４との間で中間転写ベルト５に転写される。

プロセスユニット２１ａは、そのハウジング内に現像装置１７を内蔵できる構成であり、感光体ドラム１３が時計方向に回転することでトナー像を周方向に沿って移動させて１次転写位置に向けて搬送するようになっている。

（１次転写）
これらの潜像形成、現像によるトナー像の形成は、図１に示すように、各プロセスユニット２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄにおいて順次タイミングを設定して行われるようになっており、プロセスユニット２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄの右から順番に、例えばブラック、シアン、マゼンタ、イエローなど異なる色の画像が、図１においてプロセスユニット２１ａ〜２１ｄと対向する上側展張面が矢印Ｓで示す方向に移動する中間転写ベルト５上に像担持体から順次１次転写されてフルカラーの重ね画像が担持される。

（２次転写）
中間転写ベルト５に転写された画像は、給紙部１１から搬送されてくる記録紙に一括転写される。つまり、図１に示すように、給紙部１１に装備されている給紙カセット１１ａから繰り出しローラ２３を介して繰り出された記録紙は、その途中で摩擦パッド２５により一枚分離を経て２次転写ローラ２７が配置されている２次転写位置２９に向け搬送されるとその位置で一括転写される。一括転写された記録紙は、定着ローラ３１ａと加熱ローラ３１ｂからなる定着装置３１により定着を受けた後、排紙ローラ３３を介して排紙台３５に排出される。転写後の中間転写ベルト５は、各作像部を通過した後、クリーニング装置により残留トナーを除去されて次の画像転写に備えられる。

（現像装置の詳細）
以下に図２を参照して現像装置の詳細を説明する。なお、以下の説明で「補給トナー」とは、トナー容器から現像装置へ補給されるトナーのことをいい、「残留トナー」とは現像装置の内部に残っているトナーのことをいう。
「残留トナー」は現像装置の駆動に伴い物理的なストレスを受けているため、全くの未使用状態のトナーに比べて特性が劣化しており、以下の説明上「劣化トナー」と呼ぶことがある。これに対して「補給トナー」は、トナー容器から補給される際に補給ローラと接するだけであるためトナーにストレスが作用せず、全くの未使用状態のトナーと比較してもほとんど特性が変化していない。このため、以下の説明上補給トナーを「未劣化トナー」と呼ぶことがある。
また、「補給トナー比率」とは、次の式で示すように、１回の補給動作で現像装置に補給される補給トナー量と、補給後の残留トナー量の比率をいう。
補給トナー比率＝（１回の補給動作で補給される補給トナーの量）／（補給後の残留トナーの量）

図２の現像装置１７は、現像剤として用いられるトナーを貯留可能な空間である現像槽を有した現像ハウジング１７ｃに、現像ローラ１７ａなどで構成される現像手段が組み付けられたものである。現像装置１７の上部にトナー容器３７が着脱可能に装着されており、現像装置１７をトナー容器３７を含めた一つのユニット（現像ユニット）として取り扱うことが出来るようになっている。図１および図２で示した画像形成装置および現像装置は、非磁性１成分トナーを使用することが好適である。なお、本発明はトナーの補給方法に関するため、現像装置としての現像ユニットやトナー容器の構成は、図１および図２の構成に限定されるものではない。

現像ハウジング１７ｃの内部には、現像剤担持体としての現像ローラ１７ａが回転可能に設けられており、現像ローラ１７ａは作像時に矢印方向（図２で反時計方向）に回転するようになっている。現像ローラ１７ａは金属の芯金を有し、外周は体積抵抗値を約１０Ｅ５〜１０Ｅ７Ω程度に調整した導電性ゴム（例えば導電性ウレタンゴムやシリコーンゴムを使用することが可能）で構成されている。本発明の実施例では、ゴム硬度Ｈｓ７５、芯金径６ｍｍ、ゴム部外径１２ｍｍのものを使用した。

現像ローラ１７ａには、トナー供給部材としての供給ローラ１７ｂが回転可能に当接させてある。現像ローラ１７ａと供給ローラ１７ｂとの間の当接ニップは、通常約１〜３ｍｍ程度に設定する。供給ローラ１７ｂは、現像ローラ１７ａに対して矢印のカウンター方向（図２で時計方向）に回転させることで現像ハウジング１７ｃ内部のトナーを現像ローラ１７ａの表層まで効率よく搬送するように構成されている。

供給ローラ１７ｂの一般的な構成としては、金属製の芯金の外周にカーボンを混合させることで半導電化させた発泡ポリウレタンを付着させたスポンジローラなどが適当である。本発明の実施例では、芯金径６ｍｍ、スポンジ部外径１２ｍｍのものを使用し、現像ローラ１７ａとの間のニップを２ｍｍ、回転数比を１に設定した。

現像ローラ１７ａの周面には、供給ローラ１７ｂとの当接ニップの下流側に現像ブレード１７ｄが配設されている。そして供給ローラ１７ｂから現像ローラ１７ａの表面上に搬送されたトナーは、現像ブレード１７ｄにより層厚を制御されて所定量に規制されるようになっている。また、トナーの層厚が制御されると同時に、現像ブレード１７ｄと現像ローラ１７ａの間でトナーが摩擦荷電させられるようになっている。

現像ブレード１７ｄは、例えば板厚０．１ｍｍ程度のＳＵＳなどの金属板を現像ローラ１７ａに接触させることで現像ローラ１７ａ上のトナー量を調整する構成になっている。現像ローラ１７ａ上のトナー量の制御は、現像特性を安定させる上できわめて重要であり、現像ローラ１７ａに対する現像ブレード１７ｄの当接圧（通常線圧２０〜６０Ｎ／ｍ）、当接ニップ位置（通常ブレード先端から０．５±０．５ｍｍ程度）などが使用するトナー、現像ローラ１７ａ、供給ローラ１７ｂなどの特性に合わせて精密に設定される。

本発明の実施例では板厚０．１ｍｍのＳＵＳ材で現像ブレード１７ｄを構成し、線圧４５Ｎ／ｍ、ニップ位置を先端から０．２ｍｍ、現像ブレードの支持端部から自由端までの長さ(自由長)１４ｍｍに設定することで、現像ローラ１７ａ上に安定したトナー薄層を形成するようにしている。

現像ハウジング１７ｃ内には、現像ローラ１７ａと供給ローラ１７ｂとの当接ニップの近傍に、トナー撹拌部材としての回転撹拌部材３９が配設されている。この回転撹拌部材３９は矢印方向に回転し、現像ハウジング１７ｃ内のトナーの粉圧が供給ローラ１７ｂに集中して供給ローラ１７ｂの大きな負荷となるのを低減するようになっている。回転撹拌部材３９は、例えば、図３Ａに示すように、φ０．８〜２ｍｍ程度の金属の棒材の両端を曲げた形状のパドル３９ａや、図３Ｂに示すように、回転軸３９ｂ１と近傍のトナーを撹拌するハネ形状３９ｂ２とを一体に成型した樹脂製のパドル３９ｂ、あるいはトナーほぐし部材としてのアジテータ４１などを使用することができる。

（現像装置からのトナー消費量の算出方法）
現像装置から消費されるトナーの量は、画像の印字面積の情報から算出されるようになっている。感光体ドラム１３上の静電潜像は、光走査装置９からのレーザービームＬ１〜Ｌ４が照射されることによって形成されるが、静電潜像自体は印刷される画像に応じて決定されるドットの集合である。１ドットあたりのトナーの消費量は、現像システムの諸設定(例えば、バイアスや、レーザービームの出力パワー)と使用環境(温度、湿度)とドットの形成条件(ドットが連続している(ベタ画像)か、いないか)などの情報から推定できるため、印刷されるドット数を積算することでトナーの消費量を算出することが出来る。つまり、画素毎のディジタル画像信号の出力レベルを積算して出力画像の印字比率を求め、消費されるトナー量を計算するのである。このようなビデオカウントを利用したトナー補給方法は、特開平５−８８５５４号公報や特開平８−１４６７３６号公報などに記載されている。

（残留トナーのトナー量検知手段）
残留トナーの量を検知する検知手段は、発光素子４３ａ、受光素子４３ｂ、光が透過する透過窓４５ａ、４５ｂで構成される。発光素子４３ａから発生した光は透過窓４５ａを透過し、現像装置１７の内部を直進して透過窓４５ｂを透過し、受光素子４３ｂに到達するよう配置されている。したがって、現像装置１７内部に残留トナーが十分存在する場合は、発光素子４３ａから受光素子４３ｂに向かう光がトナーに遮られて受光素子４３ｂまで到達しないが、印刷動作が繰り返されて残留トナーの消費が進むと残留トナーの喫水面が低下するため光が受光素子４３ｂまで到達するようになる。すなわち、受光素子４３ｂによる光の検知の有無で、現像装置１７内の残留トナーの量が設定された所定量（第１残量）よりも多いか少ないかを検知する仕組みである。

残留トナーの量を検知する別の検知手段として、圧電振動素子を用いた粉体検知センサーがある。この粉体検知センサーは常に微小振動している検知面を有し、この検知面を現像装置１７内の所定高さ位置に設置しておくことで、当該検知面にトナーが接触して振動が抑えられたか否かで、現像装置１７内の残留トナーの量が設定された所定量（第１残量）よりも多いか少ないかを検知する仕組みである。

（トナーの補給構造）
次に、トナーの補給構造について説明する。
現像ハウジング１７ｃの上部には、図２を参照して前述したように、現像装置１７に補給されるトナーを収容するトナー容器３７が着脱可能に取り付けられている。トナー容器３７は、トナーほぐし部材であるアジテータ４１とトナー補給ローラ４７を有しており、アジテータ４１とトナー補給ローラ４７が同期して駆動されるようなっている。アジテータ４１は、例えば回転軸にシート状のハネを接着した部材などを用いることが出来る。

トナー容器３７の底部には現像ハウジング１７ｃ内に連通する補給穴３８が形成され、この補給穴３８に前記トナー補給ローラ４７が配設されている。このトナー補給ローラ４７はスポンジローラなどで構成され、駆動時間に応じて所定のトナー量が補給穴３８を通じて現像ハウジング１７ｃ内に供給されるようなっている。すなわち、１回の補給で補給トナーの量を増やしたい場合は駆動時間を長くし、逆に補給トナー量を減らしたい場合は駆動時間を短くすることで、補給トナー量を制御することが出来るようになっている。なお、補給トナー量の制御は、供給ローラの駆動速度を可変に設定することによっても可能である。この場合、同じ補給時間でも補給トナー量を減らしたい場合は駆動速度を遅くし、補給トナー量を増やしたい場合は駆動速度を速くする。

（トナーの補給制御方法）
次に、図４と図５に基づいて本発明の主たる特徴であるトナーの補給制御方法について説明する。

（トナー混合と地汚れの関係）
まず、トナー混合と地汚れの関係を図４を参照して説明する。図４は、残留トナー(劣化トナー)と補給トナー(未劣化トナー)を異なる割合で混合した複数種類のトナーを使用して試験的に印刷をし、その印刷用紙の非画像部の地汚れの程度をＸ−Ｒｉｔｅ社製分光濃度計を用いて測定した地汚れ試験の結果を示すものである。使用したトナーは非磁性１成分トナーであって、所定の印刷耐久後に現像装置内部に残っている残留トナー(劣化トナー)と補給トナー(未劣化トナー)を種々の割合で混合させて複数種類のトナーを用意した。これら複数種類のトナーを順番に現像装置としてのプリンタに充填して試験印刷した。劣化トナーとしては、通常の使用状態による劣化を想定した印刷耐久時間２５時間後のトナー（図４で「◆」で示す）と、より劣化レベルの悪化した状態を想定した印刷耐久時間５０時間後のトナー（図４で「■」で示す）の２種類を用意した。図４の横軸は混合トナー中に占める劣化トナーの割合、縦軸は未劣化トナー１００％の状態の地汚れ濃度を１(基準)とした場合の各混合割合での地汚れレベルを示している。なお、図１および図２で示した画像形成装置および現像装置は、前述したように非磁性１成分トナーを使用することが好適である。

図４から、地汚れは未劣化トナー使用時が最もレベルが良く、劣化トナーのみを使用した場合にレベルが悪化することが分かる。これは、通常、劣化トナーないし残留トナーは現像装置の駆動に伴い物理的なストレスを受けているため、その荷電性や流動性などの特性が劣化しているためである。すなわち、残留トナーは供給ローラ１７ｂによって現像ローラ１７ａに搬送され、現像ブレード１７ｄにより現像ローラ１７ａ上の付着量を適正化された後、感光体ドラム１３とのニップ部で現像され、現像されなかったトナーは再び供給ローラ１７ｂによって回収されるというプロセスが繰り返されている。このように、残留トナーは物理的なストレスを掛け続けられているため、トナーの外添剤が剥がれ落ちたり、トナー自体が割れたりすることで、未劣化の補給トナーに対し、特に荷電性や流動性などの残留トナーの特性が変化ないし劣化しているのである。

図４からさらに言えることは、劣化トナーと未劣化トナーを混合すると、劣化トナーを単独で使用した場合よりもいっそう地汚れレベルが悪化することである。この理由は、劣化トナーと未劣化トナーが混合されると、互いのトナーが相互作用し、トナーの荷電性や流動性がより不安定となるためである。

画像上の地汚れレベルで実使用上許容できるレベルは、図４において０.９７以上であるため、通常の使用状態による劣化を想定した場合（図４の「◆」で示す）、良好な画質を維持するためには混合トナー中に含まれる劣化トナーの比率が７８％以上、もしくは３５％以下に設定される必要がある。すなわち、補給トナー比率で換算すると、２２％以下もしくは６５％以上ということになる。

ここで、トナー補給比率６５％以上の領域は１回の補給量が過大になるため採用が困難である。すなわち、通常使用時の現像装置内部の残留トナー量を例えば９０ｇに設定すると(設定理由は後述する)、補給トナー比率を６５％に設定した場合（図４の左側許容レベル）、１回の補給量は１６７.１ｇ以上が必要となる。このため、現像装置のトナー容量は、少なくとも残留トナーと１回で補給されるトナー量の和である２５７ｇ以上が必要となり、現像ユニット自体が大型化してしまう。また、１回の補給量が大量であると、補給前後で適切に設定されるべき現像条件（例えば現像バイアス）などが大きく変わってしまうため、作像システムが不安定になるため好ましくない。

一方、上記と同じ残留トナー９０ｇに設定し、補給トナー比率を２２％以下とした場合（図４の右側許容レベル）、１回に補給されるトナー量は２５．４以下となり、必要な現像装置のトナー容量は約１１５ｇ程度であるため、現像ユニットを小型化することが出来る。さらに、１回の補給量が少量であると補給前後で現像ユニット内部のトナー特性の変動が少ないため、作像システムを安定に維持することが出来る。

したがって１回に補給されるトナー量は少量の方が好ましく、すなわち、補給トナー比率は小さい方が好ましい。図４より、劣化状態がさらに悪化すると（図４の「■」で示す）、地汚れレベルを許容することができる補給トナー比率はより狭い領域になることから、実際には、補給トナー比率は２２％以下ではなく、１５％未満に設定することが望ましい。

また、図４から明らかなように、混合トナーの比率が変化すると地汚れレベルも変化するため補給トナー比率は高精度に管理するのが望ましい。

（使用トナー）
前記地汚れ試験で使用したトナーは体積平均粒径８.５μｍ、ポリエステル系樹脂を主成分としワックス、顔料が混粘粉砕して作成されたトナー母体１００重量部に対し、シリカ１重量部を外添処理して製作したもので、一般に市販されているレーザービームプリンタなどで使用されている様々なトナーとほぼ同じ特性を有する。

なお前記地汚れ試験では上述のように非磁性１成分粉砕トナーを使用したが、図４で示されるトナーの特性は非磁性１成分トナーにおいては一般的な特性であり、重合トナーであってもほぼ同じ特性を示す。また、使用するトナーが磁性１成分トナーあるいは、２成分トナーであっても、トナー補給前後でのトナー特性の変化を抑えるために、少量のトナーを分割して補給するほうが好ましい。

本発明の適用においては、使用するトナーは非磁性１成分トナーに限定されず、上記の理由から他のトナー（重合トナー、磁性１成分トナー、磁性２成分トナーなど）であっても非磁性１成分トナーを用いた場合と同様な効果が得られる。

（具体的なトナーの補給量）
以下、トナーの補給量を具体的に説明するため、残留トナー量（第１残量）を９０ｇとし、補給トナー比率を１０％として説明を行う。残留トナー量を９０ｇにするため、現像装置内のトナー量の検知手段は９０ｇが閾値となるように構成する。すなわち、トナー量検知手段は現像装置内にトナーが９０ｇ以上存在するか否かを検知する。

ところで、これまで説明してきたトナー容器から現像装置へトナーを補給する構成の場合、トナーの補給モードは、通常の補給モード（第１補給モード）とトナー容器交換後の補給モード（第２補給モード）の少なくとも２種類以上設定することが好ましい（図５参照）。

以下の実施例では２種類の補給モードを設定するものとして、第１補給モードを「通常の補給モード」、第２補給モードを「トナー容器交換後の補給モード」と呼ぶことがある(作像システムのマッチングによっては、プロセス制御や環境補正によって、第３以降の補給モードを設定することも可能である)。

このうち、通常の補給モードは、図５の左右両側部分のように、トナー容器内にトナーが残っている状態で現像装置内部の残留トナーが消費され、前述の検知手段によって、残留トナーの量が予め設定されている所定量（第１残量としての９０ｇ）もしくは、それ以下になったことが検知されると、所定量（第１補給量としての補給量ａ）の補給トナーがトナー容器から補給され、補給時の補給トナーの残留トナーの比率を常に一定とすることが出来る（ 補給トナー比率１０％を満たすため、所定の補給トナー量は１０ｇとなる）。すなわち通常の補給モードでは、補給トナー量を常に一定に維持することが出来る。

さらに印刷動作が進むと、やがてトナー容器内のトナーも消費され空の状態となる。この状態では、図５の中央部分のように、残留トナーが所定量（第１残量としての９０ｇ）以下になったことが検知されても新たにトナーが補給されない。そして、所定回数の補給動作後にも検知手段が現像装置内の残留トナー量が回復しないと判断したところで、初めてトナー容器内のトナーが空になったと判断される。しかし、この間にも残留トナーは消費されていくため、トナー容器内のトナーが空になったと判断された時には、通常の補給動作前の残留トナー量に比べて、少ない量の残留トナーが現像装置内に残っている状態になっている。

また、トナー容器内のトナーが空になったと判断された途端に印刷ができなくなると、ユーザーがトナー容器を交換するまで全く印刷できなくなってしまうので、通常はトナー容器内のトナーが空の状態であっても、現像ユニットに残された残留トナー量のみで所定の印刷量を印刷できるように設定されている場合がある。すなわち、トナー容器が空になったと判断された時点でトナー容器の交換を促すような手段を画像形成装置に設けておくことで、ユーザーがトナー容器交換まで所定量の印刷をそのまま続行可能なことを保証することができる。

現像装置の構成によっても異なるが、図２で説明した一般的な現像装置では、ベタ画像などの画像印字比率の高い画像に対して良好な画質を維持するためには、現像装置内部に最低３０〜４０ｇ以上のトナーが残存している必要がある。先述の説明で通常使用時の残留トナー量を９０ｇに設定したのはこのためで、トナー容器が空と判断するまでの間の印字に使われるトナー量をＭ１とし、この空と判断してからユーザーが容器を交換するまでに使用されるトナー量をＭ２とし、現像装置が良好な画像を印刷できるのに必要なトナー量をＭ３(３０〜４０ｇ)とすると、Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３＝９０ｇが好適である。

製品に実装させる場合は、トナー量Ｍ２、すなわち「トナー容器を空と判断してからユーザーが容器を交換するまでに使用されるトナー量」を適宜設定することができるため、通常使用時の残留トナー量は実質４０ｇ以上に設定されれば問題なく、設定されたトナー残量に応じて補給トナーの量も設定される。

上述の構成では、トナー容器交換時の残留トナーは４０ｇ程度しか残っておらず、この状態でトナー容器が交換され通常の補給モードと同じ量の補給トナー１０ｇが補給された場合、補給トナー比率は２０％になってしまう。すなわち、通常の補給時の補給トナー比率１０％と比べ、トナー容器の交換直後の補給トナー比率が２０％と倍増してしまい、図４から明らかなように、地汚れレベルが悪化してしまい、トナー補給量の誤差や使用条件によって、最悪の場合画像の不具合を発生させてしまう。

そこで本発明では、トナー容器交換時は通常のトナー補給モードとは異なる補給モード「トナー容器交換後の補給モード」を設けることで、上記の不具合に対応している。

（本発明の要点）
以上のトナー混合と地汚れの関係についての考察から得られた本発明のトナー補給方法の要点は以下の通りである。
要点１：第１補給モードと第２補給モードの２種類のトナー補給モードを設けたこと。
要点２：第２補給モードのトナー補給のタイミングをトナー消費量に基づいて決定すること。
要点３：第２補給モードのトナー補給量よりも少ないトナー消費量を補給タイミングとしたこと。
以下、要点１〜３について説明する。

（要点１）
本発明では、地汚れの特性が補給トナー比率に依存することに注目し、トナー容器交換後のトナー補給時は、補給トナー量を通常のトナー補給時のトナー補給量よりも少なくすることで、通常のトナー補給時とトナー容器交換後のトナー補給時の補給トナー比率が同じになるよう、２種類のトナー補給モードを設けた。

上記の例では、容器交換後のトナー補給モードでは１回の補給トナー量を４.４ｇとすれば、容器交換後の補給トナー比率を１０％とすることが出来、トナー容器交換直後も通常のトナー補給時と同じ地汚れレベルを維持することが出来る。

また、副次的な効果として常に同じ補給トナー比率であるため、現像条件が安定する。

（要点２）
上記のように２種類のトナー補給モードを設け、適切に設定することでトナー容器交換後も補給トナー比率を一定にすることが出来るが、トナー容器交換前は現像装置内部のトナー量はおよそ９０〜１００ｇ（残留トナー９０ｇ＋補給トナー１０ｇ＝１００ｇ） で使用されるのに対し、容器交換後はおよそ４０〜４４ｇ（残留トナー４０ｇ＋補給トナー４.４ｇ＝４４ｇ）で使用される。先述のように残留トナー量の検知手段は設定されている閾値(上記の例では９０ｇ)より多いか少ないかを検知するため、トナー容器交換後は検知手段を用いてトナー容器からトナーを補給するタイミングを検知することが出来ないという問題がある。

そこで本発明では、トナー容器交換時のトナー補給モードでは、印刷などで消費されるトナー量を先述したトナー消費量の算出方法に基づき算出されたトナー消費量が所定の閾値に達したタイミングをトナー補給のタイミングとした。

これにより、トナー容器交換後では残留トナー量の検知手段を用いることなく補給のタイミングを検出することが出来る。

（要点３）
しかしながら、上記のように残留トナー量のみで所定の印刷量を印刷した場合は現像装置内部のトナー量が４０〜４４ｇとなるため、トナー容器交換前の９０〜１００ｇに比べてトナー量が大幅に少ない状態で使用されることになる。現像装置内部のトナー量が少ないと、トナー量が多い場合と比較してトナー１粒子が現像ブレードや供給ローラからストレスを受ける機会が相対的に増えるため、同じ印刷枚数でも劣化がより促進されやすくなるという問題点が発生する。

そこで本発明では、要点２で説明したトナー消費量の所定量をトナー容器交換後の補給モードで補給されるトナー量よりも少ない値に設定した。

具体的には、トナー容器交換後の補給モードでの１回の補給量は４.４ｇに設定されているので、例えばトナー消費量の所定の閾値を３ｇに設定した場合、４.４ｇのトナーが補給され、３ｇのトナーが消費されると再び４.４ｇのトナーが補給されるという動作を繰り返すことになる。すなわちトナー容器交換時の補給モードでは、トナー補給が成される度に現像装置内部の残留トナー量は１.４ｇずつ増加することになる。このように、消費量よりもやや多めのトナー補給を小刻みに繰り返すことにより、現像装置内のトナーの劣化進展を効果的に抑制することが可能となる。前述のようにトナー消費量３ｇで補給量を４．４ｇとした場合、トナー消費量の約１．４７倍のトナーが毎回補給されることになる。

印刷動作が進み、この補給モードが繰り返されることで、現像装置内部のトナー量が図５の右側部分のように残量検知手段の閾値９０ｇを回復すると、トナー量検知手段が残留トナーが９０ｇ以上になったことを検知し、通常のトナー補給モードに移行され、通常の印刷動作に復帰する。

（補給トナーの制御フロー）
図６は、図５と共に以上で説明したトナー補給に関する制御をより一般化した制御フローとして示したものである。ステップ１は印刷待機状態である。この状態からステップ２の印刷動作に移行すると、残留トナー量がトナー量検知手段によって検知される。この検知結果が所定量Ａ以上であればステップ１に戻って印刷待機状態となり、所定量Ａ未満であればステップ３に進んでトナー容器から補給量ａでトナーが１回だけ補給される。その後、ステップ４で再びステップ２と同様に残留トナー量がトナー量検知手段によって検知され、この検知結果が所定量Ａ以上であればステップ１に戻って印刷待機状態となり、所定量Ａ未満であればステップ５に進む。

ステップ５ではトナー容器が空であることが検知され、ユーザーに容器交換を促す表示が出される。次に、ステップ６で所定の印字量を印刷後に印刷動作が停止され、トナー容器の交換完了までこの印刷停止状態で待機する。このとき、残留トナー量はＢになる。次に、ステップ７でトナー容器が交換され、ステップ８でトナー容器交換後の補給モードによりトナー容器から補給量ｂでトナーが補給される。次に、ステップ９で残留トナー量がトナー量検知手段によって検知される。この検知結果が所定量Ａ以上であればステップ１に戻って印刷待機状態となり、所定量Ａ未満であればステップ１０に進んでトナー消費量が算出され、トナー消費量が所定量Ｃ未満であればステップ９に戻り、トナー消費量が所定量Ｃ以上であればステップ８に戻って補給量ｂで第２回目のトナーが補給される。

トナー補給は以上の制御フローのステップ１〜１０に従って行われるが、先述の要点１に対応するのはステップ３とステップ８である。ステップ３で補給量ａを補給する場合の補給比率は、補給比率１＝補給量ａ/(残留トナー量Ａ＋補給量ａ)と表される。ステップ８で補給量ｂを補給する場合の補給比率２は、補給比率２＝補給量ｂ/(残留トナー量Ｂ＋補給量ｂ) と表される。そして、これら補給比率１と補給比率２を同じになるように設定することが要点１である。

また、先述の要点２、３に対応するのは、ステップ８とステップ１０である。ステップ８の補給比率２は補給比率２＝補給量ｂ/(残留トナー量Ｂ＋補給量ｂ)であるが、このステップ８の補給のタイミングはトナー消費量算出値が所定量Ｃ（Ｃ＜補給量ｂ）に達した時である。

ここで、トナー消費量の算出値は前述のビデオカウントにより算出されるもので、「トナー容器交換後の補給モード」によって補給量ｂのトナーが現像装置に補給される度に、当該補給時点以後に実行される印刷動作で消費されるトナー量の積算値である。なお、このトナー量の積算値はトナー容器交換によりリセットされるようにしておく。このリセットの仕組みは、トナー容器の着脱を検知する検知手段を現像装置に取り付け、この検知手段からの信号によりリセット動作を実行するものとする。
なお、図６のフロー以外であっても、実質的に同じフローであれば本発明の技術的思想に包含されるものである。

例えば、図６のステップ２に関与する検知手段は印刷動作中常に残留トナー量が残留トナー量Ａの閾値を超えるかいなかを検知しているが、印刷動作実行後(例えば１ジョブ終了後)の非印刷動作時に残留トナー量Ａの検知をするようにしても構わない。逆に、通常のトナー補給モード実行時も印刷動作を可能にするように設定しても構わない。

また、ステップ６は、制御フロー上ステップ５でトナー容器が空と判断されてからすぐに印刷動作を禁止する仕様であれば必ずしも設ける必要がない。この場合、ユーザーはトナー容器の交換時期が近づいたことを事前に知らされないことになるが、印刷動作上は問題ない。

さらに、トナー補給モードは、上記以外のモードを複数設けても構わない。

次に、本発明の効果を確認するために以下の３つの条件で印刷実験を実施した。以下に特別な記載がない限り、画像形成装置、現像装置、トナーなどの構成要件はこれまで説明したものと同一とする。

（共通条件）
通常のトナー補給モードに関する設定：残留トナー量Ａ＝９０ｇ、補給量ａ＝１０ｇ
トナー容器の交換時期の設定：残留トナー量Ｂ＝５０ｇ
トナー容器のトナー充填量２３０ｇ

（印刷耐久条件）
１ジョブ：３枚印刷、画像印字比率：５％、使用環境：温度２２°、湿度５０％

（個別条件）
（条件１：本発明を適用しない場合）
トナー容器交換後のトナー補給モードを設定せず、トナー容器交換直後に一気にトナーを補給する方法である。
交換直後の補給量は５０ｇとし、その後の補給は、通常のトナー補給モードとする。これにより、交換直後の補給量５０ｇによって残留トナー量は５０ｇから一気に１００ｇになる（補給比率５０％）。
（条件２：本発明を適用した場合）
トナー容器交換後のトナー補給モードを設定し、補給量ｂ＝５ｇ（補給比率１０％）、消費量閾値Ｃ＝３ｇとした(図６の制御フローに基づく制御)。

図７は、トナー容器交換直後からの印刷枚数と地汚れレベルの測定結果を示した図である。この図から本発明を適用しない条件１では、トナー容器交換直後は地汚れレベルが非常に悪化し、良好な画質を維持することが出来なかったのに対し、本発明を適用した条件２では、トナー容器交換直後も地汚れレベルが悪化せず、良好な画質を維持できることが分かった。

以上のように本発明のトナー補給方法は、第１補給モードと第２補給モードの２つの補給モードによってトナーを現像装置に補給することとし、現像装置内の残存トナー量が第１残量よりも少ない第２残量まで低下した時、トナー容器から第１補給量よりも少ない第２補給量でトナーを定量補給するから、第１補給モードと第２補給モードでトナー補給比率の差を縮小することができ、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明のトナー補給方法は、第１補給モードにおける第１残量に対する第１補給量の割合と、第２補給モードにおける第２残量に対する第２補給量の割合を同じにすることにより、２つの補給モードでのトナー補給比率を揃えることができ、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明のトナー補給方法は、第２補給モードにおいて、第２補給量による最初のトナーの定量補給の後、現像手段が第２補給量未満の所定のトナー量を消費した時に、第２補給量による第２回目以降のトナーの定量補給を行うようにしたので、第２補給量を繰り返すことで残存トナー量を第２残量から第１残量までほぼ直線的に増加させることができ、これによって現像装置内のトナー混合状態が安定化し、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明のトナー補給方法は、現像手段が消費するトナー量を現像時の画像印字比率に応じて算出するようにしたので、第２補給量の補給タイミングを正確に制御することができ、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明のトナー補給方法は、トナー容器が現像手段に対して着脱自在なトナーカートリッジで構成され、トナーカートリッジが空になることによって現像手段の内部に残存するトナー量が第１残量から第２残量まで低下した後であって、当該空のトナーカートリッジを新しいトナーカートリッジに交換した後に、第２補給モードを実行するようにしたので、トナーカートリッジの交換に伴って地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明のトナー補給方法は、トナーカートリッジが空になって新しいトナーカートリッジに交換した時に現像手段の内部に残存しているトナー量を第２残量とするようにしたので、トナーカートリッジの交換に伴って地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明のトナー補給方法は、現像手段の内部に残存するトナー量が第１残量まで低下したことを検知手段で検知するようにしたので、第１補給量の補給タイミングを正確に制御することができ、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明のトナー補給方法は、発光素子と受光素子からなるトナー量検知手段で現像手段の内部に残存するトナー量が第１残量まで低下したことを検知するようにしたので、第１補給量の補給タイミングを正確に制御することができ、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明のトナー補給方法は、圧電素子からなるトナー量検知手段で現像手段の内部に残存するトナー量が第１残量まで低下したことを検知するようにしたので、第１補給量の補給タイミングを正確に制御することができ、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明に係る現像装置は、本発明のトナー補給方法でトナーを補給するようにしたので、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明に係る現像装置は、トナー容器が空になった後、現像装置の内部のトナーが第１残量から第２残量に低下するまで所定の印字量で現像作動が可能な現像モードを有するようにしたので、トナー容器が空になった後も印刷動作を続行することができると共に、所定の印字量の現像作動完了によって残留トナーが第２残量に低下したことが検知されるから、第２補給量の補給タイミングを正確に制御することができ、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明に係るプロセスユニットは、像担持体と現像手段が一体化されて画像形成装置本体に対して着脱自在にされたプロセスユニットであって、本発明のトナー補給方法でトナーを補給するようにしたので、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

本発明に係る画像形成装置は、以上の現像装置またはプロセスユニットを有し、本発明のトナー補給方法でトナーを補給するようにしたので、地汚れが悪化することによる画質低下などを抑制し、現像手段における現像性を安定させることができる。

１ カラープリンタ
３ａ−３ｄ 作像部
５ 中間転写ベルト
７ 画像形成部
９ 光走査装置
１３ 感光体ドラム
１４ 転写ローラ
１５ 帯電ローラ
１７ 現像装置
１７ａ 現像ローラ
１７ｂ 供給ローラ
１７ｃ 現像ハウジング
１７ｄ 現像ブレード
１９ クリーニング装置
１９ａ ブレード
１９ｂ 搬送スクリュー
２１ａ-２１ｄ プロセスユニット
２３ ローラ
２５ 摩擦パッド
２７ 二次転写ローラ
３１ 定着装置
３１ａ 定着ローラ
３１ｂ 加熱ローラ
３７ トナー容器
３９ 回転撹拌部材
３９ａ パドル
３９ｂ パドル
４１ アジテータ
４３ａ 発光素子
４３ｂ 受光素子
４７ トナー補給ローラ
Ｌ１-Ｌ４ レーザービーム

特開２００６−６５０７９号公報

Claims (11)

1. 像担持体上に形成された潜像を現像剤で現像する現像手段に現像用のトナーを収容したトナー容器からトナーを補給するトナー補給方法であって、
   前記トナー容器が前記現像手段に対して着脱自在なトナーカートリッジで構成され、
   前記現像手段の内部に残存するトナー量が所定の第１残量まで低下した時、前記トナー容器から第１補給量でトナーを定量補給する第１補給モードと、
   前記現像手段の内部に残存するトナー量が前記第１残量よりも少ない所定の第２残量まで低下した時、前記トナー容器から前記第１補給量よりも少ない第２補給量でトナーを定量補給する第２補給モードを有し、
   前記トナーカートリッジが空になることによって前記現像手段の内部に残存するトナー量が前記第１残量から前記第２残量まで低下した後であって、当該空のトナーカートリッジを新しいトナーカートリッジに交換した後に、前記第２補給モードを実行するようにし
   前記第２補給モードにおいて、前記第２補給量による最初のトナーの定量補給の後、前記現像手段が前記第２補給量未満の所定のトナー量を消費した時に、前記第２補給量による第２回目以降のトナーの定量補給を行うようにしたトナー補給方法。
2. 前記第１補給モードにおける前記第１残量に対する前記第１補給量の割合と、前記第２補給モードにおける前記第２残量に対する前記第２補給量の割合を同じにした請求項１のトナー補給方法。
3. 前記現像手段が消費するトナー量を現像時の画像印字比率に応じて算出する請求項１のトナー補給方法。
4. 前記トナーカートリッジが空になって新しいトナーカートリッジに交換した時に前記現像手段の内部に残存しているトナー量を前記第２残量とする請求項１のトナー補給方法。
5. 前記現像手段の内部に残存するトナー量が前記第１残量まで低下したことを検知手段で検知するようにした請求項１のトナー補給方法。
6. 前記検知手段が発光素子と受光素子からなるトナー量検知手段である請求項５のトナー補給方法。
7. 前記検知手段が圧電素子からなるトナー量検知手段である請求項５のトナー補給方法。
8. 前記像担持体上に形成された潜像を現像剤で現像する現像ローラが組み付けられた現像ハウジングにトナー容器が装着され、前記現像ハウジングと前記トナー容器とを連通する補給穴にトナー補給ローラが配設され、前記トナー補給ローラの回転により現像用のトナーが前記トナー容器から前記現像ハウジング内に請求項１〜７のトナー補給方法で補給される現像装置。
9. 前記トナー容器が空になった後、前記現像装置の内部のトナーが前記第１残量から前記第２残量に低下するまで所定の印字量で現像作動が可能な現像モードを有する請求項８の現像装置。
10. 前記像担持体と現像手段が一体化されて画像形成装置本体に対して着脱自在にされたプロセスユニットであって、現像用のトナーが請求項１〜７のトナー補給方法で補給されるプロセスユニット。
11. 請求項８の現像装置または請求項１０のプロセスユニットを有し、現像用のトナーが請求項１〜７のトナー補給方法で補給される画像形成装置。