JP5843488B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式あるいは静電記録方式の複写機、プリンタ等とされる画像形成装置に関し、特に二成分現像剤のトナー補給制御を介して、現像剤のトナー濃度または画像濃度を制御する濃度制御装置を備えた画像形成装置に関するものである。

一般に、電子写真方式や静電記録方式の画像形成装置が具備する現像装置には、磁性トナーを主成分とした一成分現像剤、もしくは非磁性トナーと磁性キャリアを主成分とした二成分現像剤が用いられている。特に、電子写真方式によりフルカラーやマルチカラー画像を形成する画像形成装置では、画像の色味などの観点から、ほとんどの現像装置が二成分現像剤を使用している。

周知のように、この二成分現像剤のトナー濃度（キャリア及びトナーの合計重量に対するトナー重量の割合）は、画像品質を安定化させる上で極めて重要な要素になっている。トナー濃度が現像装置長手方向でばらつくと、トナー量が場所によって異なってしまうことや、トナー帯電量分布がばらつくこととなり、面内濃度がばらつくためである。現像剤のトナーは現像時に消費され、現像剤のトナー濃度が減少する。このため、現像濃度制御装置もしくは画像濃度制御装置を利用して適時、現像剤の濃度もしくは画像濃度を検出して、その変化に応じてトナー補給を行い、トナー濃度もしくは画像濃度を常に一定に制御し、画像の品位を保持する必要がある。

具体的には、特許文献１に示されるような現像器内に設置されたトナー濃度センサにより、現像器内現像剤の見かけの透磁率を検知し、検知結果に基づきトナー濃度制御する方式（インダクタンスＡＴＲ）がある。この現像器内の見かけの透磁率のみから消費量を予測して補給する構成の場合、スクリューピッチによって検知出力が変動する。このため、リアルタイムに現像器内のトナー濃度ムラを精度よく検知し、消費位置に消費した分のトナーを的確に補充することは困難である。そこで、特許文献２に示されるようなビデオカウンタからの画素ごとのデジタル画像信号の出力をレベルから必要なトナー量を演算して制御する方式（ビデオカウントＡＴＲ）などがある。

特開昭６３−０２９７７３号公報 特公平０４−０１９５５２号公報

しかしながら、従来のトナー濃度制御装置は、以下のような問題があった。
特許文献２のようなビデオカウントＡＴＲの場合、消費されたトナー量を検知し、対応した量を補給している。このため、現像装置全体でみれば、消費されたトナー分だけ補給されるため問題はない。しかしながら、現像器内のトナーが消費された領域は、補給位置まで搬送される過程で拡散する。このため、単に消費された領域に対応する位置にトナー補給してしまうと、搬送過程で消費領域が拡散した量に応じて現像器内の搬送方向でトナー濃度変動が生じてしまう。この結果、出力画像の面内濃度均一性が低下してしまう虞がある。

従って、本発明の目的は、現像装置内で現像剤が搬送されることでトナー消費分布が変化してしまうことに起因する補給後の現像剤搬送路のトナー濃度変動を少なくすることにある。

上記課題を解決するため、本発明の画像形成装置は、像担持体と、画像情報に基づいて前記増担持体に形成された潜像を現像する現像装置であって、前記現像装置は、トナーとキャリアを有する現像剤を担持する現像剤担持体と、前記現像剤担持体に供給する現像剤を搬送する搬送部材と、を備えた現像装置と、前記現像装置に現像剤を補給位置にて補給する補給装置と、前記現像装置内のトナー濃度を検知する濃度センサと、前記現像装置内の現像剤が前記搬送部材に搬送された際に、搬送距離が長くなるほど前記現像装置内のトナー濃度分布が拡散するように、経過時間に伴う前記現像装置内のトナー濃度分布を算出する算出手段と、画像情報から前記算出手段によって算出される前記補給位置におけるトナー濃度分布に関する情報に基づいて前記補給装置の動作を制御する制御手段と、を備えた画像形成装置において、
前記算出手段は、該現像装置内のトナー濃度を変動させたときの、前記濃度センサの検知結果に基づいて取得される、前記現像装置内の現像剤の流速分布と、前記現像装置内の現像剤質量密度分布と、前記現像装置内の拡散係数分布と、に基づいて、前記現像装置内のトナー濃度分布を算出することを特徴とする。

本発明によれば、現像装置内で現像剤が搬送されることでトナー消費分布が変化してしまうことに起因する補給後の現像剤搬送路のトナー濃度変動を少なくすることができる。

本発明の実施例１に係る画像形成装置の全体構成を示す説明図 本発明の実施例１に係る画像形成装置が具備する現像器の概略構成を示す概略断面図 本発明の実施例に係る基本動作を説明するためのフローチャート 本発明の実施例１に係るトナー濃度分布の計算方法を説明するためのフローチャート 本発明の実施例１に係る画像パターンの異なる画像を現像した際のトナー濃度変動の計算結果を示す説明図 本発明の実施例１に係る補給スケジュールとトナー濃度変動のシミュレーション結果を示す説明図 本発明の実施例１に係る補給スケジュールとトナー濃度変動のシミュレーション結果を示す説明図 本発明の実施例１に係る補給スケジュールとトナー濃度変動のシミュレーション結果を示す説明図 本発明の実施例１に係る補給スケジュールとトナー濃度変動のシミュレーション結果を示す説明図 本発明の実施例２に係るトナー濃度時間変動のシミュレーション結果とトナー補給スケジュールを示す説明図 本発明の実施例２に係る本実施例を用いた場合のトナー濃度時間空間変動と従来方式を用いた場合のトナー濃度時間空間変動のシミュレーション結果を示す説明図 本発明の実施例２に係る本実施例を用いた場合のトナー濃度時間空間変動幅と従来方式を用いた場合のトナー濃度時間空間変動幅のシミュレーション結果を示す説明図 本発明の実施例２に係る本実施例を用いた場合のトナー濃度時間空間変動と実施例１を用いた場合のトナー濃度時間空間変動のシミュレーション結果を示す説明図

（実施例１）
本実施例に係る画像形成装置は、感光体、誘電体等の像担持体上に電子写真方式、静電記録方式等で静電潜像を形成し、この静電潜像を現像剤の補給を伴う現像装置によって現像し、可視画像を形成する。従って、本実施例は、このような構成と同じ若しくは同等の構成を有している画像形成装置であれば適用することができる。図１は、本実施例に係る画像形成装置の一例としての電子写真方式のデジタル複写機について、その全体構成を示す図である。

まず、複写されるべき原稿１３１の画像はレンズ１３２によってＣＣＤ等の撮像素子１３３に投影される。この撮像素子１３３は原稿１３１の画像を多数の画素に分解し、各画素の濃度に対応した光電変換信号を発生する。撮像素子１３３から出力されるアナログ画像信号は画像信号処理回路１３４に送られ、ここで各画素毎にその画素の濃度に対応した出力レベルを有する画素画像信号に変換され、パルス幅変調回路１３５に送られる。また、画像信号処理回路１３４から各画素毎の画像信号である、位置情報と濃度情報がＣＰＵ１８１に送られ、ＣＰＵ１８１はこの情報をＲＡＭ１８２に一時保管する。

このパルス幅変調回路１３５は入力される画素画像信号毎に、そのレベルに対応した幅（時間長）のレーザ駆動パルスを形成して出力する。即ち、高濃度の画素画像信号に対しては、より幅の広い駆動パルスを、低濃度の画素画像信号に対しては、より幅の狭い駆動パルスを、中濃度の画素画像信号に対しては中間の幅の駆動パルスをそれぞれ形成する。

パルス幅変調回路１３５から出力されたレーザ駆動パルスは半導体レーザ１３６に供給され、半導体レーザ１３６をそのパルス幅に対応する時間だけ発光させる。従って、半導体レーザ１３６は高濃度画素に対してはより長い時間駆動され、低濃度画素に対してはより短い時間駆動されることになる。それ故、感光体ドラム１４０は、次述の光学系によって、高濃度画素に対しては主走査方向により短い範囲が露光される。つまり、画素の濃度に対応して静電潜像のドットサイズが異なる。従って、当然のことながら、高濃度画素に対するトナー消費量は低濃度画素に対するそれよりも大である。

半導体レーザ１３６から放射されたレーザ光１３６ａは回転多面鏡１３７によって掃引される。ｆ／θレンズ等のレンズ１３８及びレーザ光１３６ａを像担持体たる感光体ドラム１４０方向に指向させる固定ミラー１３９によって感光体ドラム１４０上にスポット結像される。かくして、レーザ光１３６ａは感光体ドラム１４０の回転軸とほぼ平行な方向（主走査方向）にこのドラム１４０を走査し、静電潜像を形成することになる。

感光体ドラム１４０はアモルファスシリコン、セレン、ＯＰＣ等を表面に有し、矢印方向に回転する電子写真感光体ドラムであり、露光器１４１で均一に除電された後、一次帯電器１４２により均一に帯電される。その後、上述した画像情報信号に対応して変調されたレーザ光で露光走査され、これによって画像情報信号に対応した静電潜像が形成される。この静電潜像はトナー粒子とキャリア粒子が混合された二成分現像剤１４３を使用する現像器１４４によって反転現像され、可視画像（トナー像）が形成される。ここで、反転現像とは、感光体の光で露光された領域に、潜像と同極性に帯電したトナーを付着させてこれを可視化する現像方法である。このトナー像は２個のローラ１４５、１４６間に架張され、図示矢印方向に無端駆動される転写材担持ベルト１４７上に保持された転写材１４８に転写帯電器１４９の作用により転写される。

なお、説明を簡単にするために１つの画像形成ステーション（感光体ドラム１４０、露光器１４１、一次帯電器１４２、現像器１４４等を含む）のみを図示する。カラー画像形成装置の場合には、例えばシアン、マゼンタ、イエロー、及びブラックの各色に対する４つの画像形成ステーションが転写材担持ベルト１４７上にその移動方向に沿って順次に配列される。各画像形成ステーションの感光体ドラム上に原稿の画像を色分解した各色の静電潜像が順次に形成され、転写材担持ベルト１４７によって保持、搬送される転写材担持１４８に順次転写されることになる。

このトナー像が転写された転写材１４８は転写材担持ベルト１４７から分離されて図示しない定着器に搬送され、定着されて永久像に変換される。また、転写後に感光体ドラム１４０上に残った残留トナーはその後クリーナ１５０によって除去される。

上記現像器１４４の一例を図２に示す。図示するように、現像器１４４は感光体ドラム１４０に対向して配置されており、その内部は垂直方向に延在する隔壁２５１によって第１室（現像室）２５２と第２室（撹拌室）２５３とに区画されている。第１室２５２には矢印方向に回転する非磁性の現像剤担持体としての現像スリーブ２５４が配置されている。この現像スリーブ２５４はブレード２５６によって層厚規制された二成分現像剤（磁性キャリアと非磁性トナーを含む）の層を担持搬送し、感光体ドラム１４０に供給して静電潜像を現像する。現像効率、即ち潜像へのトナーの付与率を向上させるために、現像スリーブ２５４には電源２５７から直流電圧を交流電圧に重畳した現像バイアス電圧が印加されている。

第１室２５２及び第２室２５３にはそれぞれ搬送部材としての現像剤撹拌スクリュー２５８及び２５９が配置されている。スクリュー２５８は第１室２５２中の現像剤を現像スリーブの回転軸線方向に沿って撹拌搬送する。また、スクリュー２５９は、トナー補給槽１６０のトナー排出口１６１からトナー搬送スクリュー１６２の回転によって供給されたトナー１６３と既に現像器内にある現像剤１４３とを撹拌搬送し、トナー濃度を均一化する。隔壁２５１には図２における手前側と奥側の端部において第１室２５２と第２室２５３とを相互に連通させる現像剤通路（図示せず）が形成されている。上記スクリュー２５８、２５９の搬送力により、現像によってトナーが消費されてトナー濃度の低下した第１室２５２内の現像剤が一方の通路から第２室２５３内へ移動する。また、第２室２５３内でトナー濃度の回復した現像剤が他方の通路から第１室２５２内へ移動するように構成されている。

トナーの補給に関して、トナー濃度変動を低減するためにトナー濃度計算によって算出されたトナー補給スケジュールを実現するよう行う。トナー補給は、トナー補給実施時のトナー補給単位を所定単位時間の整数倍に限定して補給する。具体的には、トナー搬送スクリュー回転時間を予め定められた所定単位時間の整数倍の中から選択する方式を用いた（ブロック補給）。本実施例の場合、１ブロックあたりのトナー搬送スクリュー回転時間は０．３ｓｅｃに設定されており、約０．１ｇ補給されることとなる。一画像あたりでのトナー搬送スクリュー回転時間は０．３ｓｅｃもしくはその整数倍に限定される。

また、トナー消費の累積量をＲＡＭ１８２に保持している。一画像全体のトナー消費量を積算し、その量を累積量に加算して、それを１ブロックの補給量である０．１ｇで除すことで、画像に対する補給ブロック数を決定する。累積量から補給量は減じて新たに記憶しておく。

さて、物理量データの補正を目的にトナー濃度の実測を行うために、本実施例では現像器１４４の第１室（現像室）２５２の底壁に長手に距離を置いて２個、第２室２５３の底壁に同様に２個、トナー濃度センサ１２０が設置されている。スクリュー形状が異なる部分、即ちスクリューによる搬送特性が異なる部分の数だけトナー濃度センサを設けている。本実施例における現像器１４４は第１室（現像室）２５２と第２室（撹拌室）２５３のスクリュー形状が異なるものであるため、トナー濃度センサを２対取り付けている。トナー濃度センサには、光学反射光検知方式や透磁率検知方式のものがあるが、ここでは、透磁率検知方式を用いている。

また、コントローラ１８０は、デジタル複写機を構成する各部を制御する。コントローラ１８０は、ＣＰＵ１８１、プログラムや各種データを格納するＲＡＭ１８２、経過時間を測定するタイマ１８３等から構成される。各種データは計算に必要なデータであり、現像器構成データ、プロセス条件データ、計算条件データなどの運転中不変のデータがある。またこれ以外に、トナー濃度分布データ、現像剤質量密度分布データ、流速分布データ、拡散係数分布データ、流量分布データ、時刻データなどの運転中変動するデータがある。各分布データは現像器の流路を１次元とみなして、計算条件データ内の空間刻みデータで区切った現像室全領域の空間分布の各要素配列として格納されている。また、計算に使用する時間ステップも運転中変動するデータとしてＲＡＭ１８２に格納されている。

また、現像剤の耐久が進むとキャリアの帯電付与能力が低下する。このため、トナー濃度を初期トナー濃度である８ｗｔ％を維持するように制御すると、次第に現像剤の帯電量が低下してしまうことになり、かぶりやトナー飛散が悪化する課題が生じてしまう。そこで、本実施例では現像剤の帯電量を維持する手段として、基準トナー像の濃度が一定になるようにトナー濃度基準値（電圧値）を変化させるパッチ検知方式によるトナー濃度基準値補正を行う。パッチ検知方式によるトナー濃度基準値補正について以下で説明する。

耐久によってキャリアの帯電能力が低下し、現像剤の帯電量が徐々に低下すると、二成分現像方式の場合、所定のコントラストで現像された基準トナー像（基準パッチ）の濃度が次第に濃くなる。基準パッチの濃度をほぼ一定に保つためには、現像剤の帯電量をほぼ一定に維持する必要があるが、帯電能力の低下したキャリアで現像剤の帯電量を一定に保つにはトナー濃度を下げる必要がある。そこで、本実施例では、所定間隔で基準パッチを形成し、コントローラ１８０がその基準パッチ濃度が略一定になるように、トナー濃度基準値Ｖｒｅｆを補正し、トナー濃度を変化させて現像剤の帯電量が略一定になるような制御を行っている。

本実施例でのパッチ検知制御の実行間隔はプリント５０枚ごとに実行される。パッチ検知制御の実行タイミングになると、感光ドラム１４０上に所定のコントラストで基準パッチを現像する。本実施例においては、パッチ検知方式のＡＴＲのパッチ画像の光学式濃度センサ１７３が設けられており、これにより濃度信号（検知結果）Ｖｐｓを検知する。濃度信号Ｖｐｓを予めメモリに記録されている初期基準信号Ｖｐｒと比較する。

Ｖｐｓ−Ｖｐｒ＞０の場合は、基準パッチの濃度が初期濃度よりも濃くなっていると判断され、トナー濃度基準値Ｖｒｅｆを高くする、すなわちトナー濃度を下げる側に補正される。

基準パッチの濃度信号が初期基準信号よりも低い場合、すなわちＶｐｓ−Ｖｐｒ＜０の場合には、トナー濃度基準値Ｖｒｅｆを低くする。すなわちトナー濃度を上げる側に補正する。

トナー濃度基準値の補正量はＶｐｓ−Ｖｐｒから求まる基準パッチの濃度信号と初期基準信号の差分によって決まり、この差分が大きいほどトナー濃度基準値の補正量を大きくする。

このように基準パッチの濃度信号に基づいてトナー濃度を変化させることによって現像剤の帯電量を略一定に保つことが可能となり、帯電量の低下に伴って顕著になりやすいかぶりやトナー飛散の発生を抑制できる。

また、ＲＡＭ１８２には、これらの濃度信号の電圧値と、質量パーセント濃度で表されるトナー濃度値とのテーブルが格納してあり、これを用いてトナー濃度基準値（Ｖ）をトナー濃度目標値（ｗｔ％）に変換してＲＡＭ１８２に格納しておく。

次に、デジタル複写機が行う、トナー濃度計算、及びトナー補給処理について図３のフローチャートを用いて説明する。本実施例では、画像１枚を１つの単位としてトナー濃度を計算して、現像に伴うトナー濃度低下部に対してトナー濃度分布が均一化するようトナーを補給する処理を行う。よって、一連のシーケンスが完了する前に次の画像形成が始まる場合には、シーケンスが並行して行われることとなる。

まず、ステップＳ３０１では、トナー濃度計算に使用する各物理量の補正を行うタイミングかどうかを判定する。ここでの物理量補正のタイミングは、電源入力時、１０００枚印字毎、環境変化が生じた場合とする。

次にステップＳ３０２では、物理量測定のためにトナーを一回補給する。
次にステップＳ３０３では、流動性能を表わす物理量としての拡散係数分布、流速分布、現像剤質量密度分布、流量分布を測定する。いずれの測定もトナー濃度センサによって検知されたトナー濃度の時間変動を使用する。

拡散係数は、補給したトナーによってトナー濃度が高い部分がトナー濃度センサの対のうち、搬送方向上流のセンサ部へ来た時と下流のセンサ部へ来た時のピークの振幅の値とそれぞれのピーク時間により、式（１）を用いて、拡散係数を算出する。これを第１室２５２と第２室２５３の双方で行い、拡散係数の空間分布を算出し、拡散係数分布データとしてＲＡＭ１８２に格納する。

流速は、上流センサと下流センサの間の距離を上流、下流のトナー濃度のピークの時間差で除すことで算出できる。これを第１室２５２と第２室２５３の双方で行い、流速の空間分布を算出して流速分布データとし、ＲＡＭ１８２に格納する。

流量は閉じた循環流路ではいたるところで一定であるので、空間分布はない。この値は、１周にかかる周期を測定して、現像器１４４に投入している総重量をこの周期で除すことで、いたるところで一定値である質量流量を求めることができる。１周にかかる周期はＲＡＭ１８２に格納する。

質量密度分布は、流量が質量と流速の積で表されることを利用して、上で求めた流量を各位置の流速で除し、さらにＲＡＭ１８２から読み出した空間刻み幅で除すことにより求めることができ、質量密度分布データとし、ＲＡＭ１８２に格納する。

またここで、時間ステップを更新する。計算を発散させずに、安定した計算を行うためには、流速と拡散係数から決定される時間以下に時間ステップを設定する必要がある。流速分布データをＲＡＭ１８２から読み出して、分布の中の最大値を検索する。この流速の最大値とＲＡＭ１８２から読み出した空間刻み幅を式（２）に代入して、式（２）を満たす最大の時間ステップａを求める。次に拡散係数分布データをＲＡＭ１８２から読み出して、分布の中の最大値を検索する。この拡散係数の最大値とＲＡＭ１８２から読み出した空間刻み幅を式（３）に代入して、式（３）を満たす最大の時間ステップｂを求める。時間ステップａと時間ステップｂを比較して小さい時間ステップをＲＡＭ１８２に格納する。

ステップＳ３０４で、１分間空回転を行い、トナー濃度を現像器１４４内で空間的に均一にし、その際のトナー濃度を測定する。ＲＡＭ１８２に格納されているトナー濃度目標値をこのときのトナー濃度で除し、これをトナー補給量補正値として、ＲＡＭ１８２に格納する。トナー補給量補正値を乗じた補給量を補給することで、計算の誤差やトナー補給に関連して生じるトナー濃度の誤差の蓄積を解消することができる。

ステップＳ３０５で、これらの物理量分布を古い時間の値から更新して格納する。

次に、ステップＳ３０６では、トナー濃度を予測するタイミングであるかを判定する。本実施例では１枚の画像における画像形成開始タイミングをトナー濃度予測タイミングとする。

次に、ステップＳ３０７では、タイマ１８３によって、現時刻を取得し、計算上の現時刻と、計算開始時刻としてＲＡＭ１８２に格納する。

次に、ステップＳ３０８において、画像出力に伴うトナー消費を含めたトナー濃度分布を計算する。トナー濃度分布の計算は式（４）を用いて行う。

式（４）は１次元移流拡散方程式であり、現像剤質量密度分布と、流速分布と、拡散係数分布を用いて、トナー濃度分布を求める式となっている。ＣＰＵ１８１が行うトナー濃度分布計算に関するさらに詳細なフローチャートを図４に示した。図４を用いて、トナー濃度分布の計算を説明する。
ステップＳ４１０１において、現時刻を計算上の時刻としてセットする。

次に、ステップＳ４１０２において、ＲＡＭ１８２から１つの時間ステップ前の現像器全領域のトナー濃度分布データと、現像剤質量密度分布データと、流速分布データと、拡散係数分布データと、時間ステップを読み出す。

次に、ステップＳ４１０３において、ＣＩＰ法によって離散化された式（４）に各データを代入して、１つの時間ステップ後の現像器全領域のトナー濃度分布を計算する。

次に、ステップＳ４１０４において、計算されたトナー濃度分布データのうち、トナー補給位置のトナー濃度を補給位置トナー濃度時間変動のデータに追加する。

次に、ステップＳ４１０５において、１枚目の画像出力タイミングであるか判定する。
１枚目の画像出力タイミングであれば、ステップＳ４１０６において、画像データのビデオカウント値を読み出す。

次に、ステップＳ４１０７において、ＲＡＭ１８２から、時間ステップ、空間刻み幅、ドラム回転速度を読み出す。

次にステップＳ４１０８において、ビデオカウント値とトナー消費量のテーブルを読み出す。

次に、ステップＳ４１０９において、時間ステップとドラム回転速度の積で表わされる画像送り方向の距離と空間刻み幅によって画像をメッシュに区切る。区切られた各メッシュの中のビデオカウント値の積算値を計算する。

次に、ステップＳ４１１０において、ＲＡＭ１８２から読み出したビデオカウント値とトナー消費量のテーブルによって、ビデオカウント値の空間分布をトナー消費量の空間分布に変換する。

次に、ステップＳ４１１１において、計算上の時刻に対応した画像送り方向位置のトナー消費量空間分布と、トナー濃度分布を用いて、両者が対応する空間位置ごとに、トナー消費量に応じてトナー濃度を減少させる。

次に、ステップＳ４１１２において、２枚目の画像出力タイミングかを判定する。
２枚目の画像出力タイミングであれば、ステップＳ４１１３において、このときのトナー濃度分布を別途ＲＡＭ１８２に格納する。これは、実際に２枚目の画像出力タイミングが始まると、その画像に対するトナー濃度分布の計算が開始するが、その計算においてこのトナー濃度分布を初期値として用いるためである。

次に、ステップＳ４１１４において、トナー濃度分布をＲＡＭ１８２に格納する。この際、１つの時間ステップ前のトナー濃度分布は必要なくなるため、上書きする形で更新する。

次に、ステップＳ４１１５において、計算上の時刻に時間ステップを加算してＲＡＭ１８２に格納する。

次に、ステップＳ４１１６において、計算開始時刻から計算上の時刻までがＲＡＭ１８２から読み出した現像剤が現像器を一周する１周期分の時間となったか判定する。１周期分の時間となっていれば計算を終了し、なっていなければステップＳ４１０１に戻り、ここまでの計算を繰り返す。こうすることで経過時間に伴って変動する現像装置内のトナー濃度分布を求めることができる。１周期分計算を行うのは、補給スケジュール作成に必要な補給位置トナー濃度時間変動を、１枚の画像出力から現像器１周にかかる時間分、取得するためである。本実施例において、１周期分としたのは、当該画像の現像によってトナー濃度が低下した部分の最後端が補給位置に到達するまでの時間、トナー濃度分布を計算する必要があり、１周分計算すれば十分であると考えられるためである。

ステップＳ３０９では、この画像に対する補給スケジュールを決定する。図５に画像パターンの異なる２種類の画像を現像した際の補給位置でのトナー濃度変動を計算した結果を示している。両者は現像室の搬送方向の上流５０％と下流５０％の領域で黒ベタとした画像パターンである。上流５０％と下流５０％とでは、現像されてから補給位置まで搬送される距離が異なるため、消費領域の下限ピークの位置が異なるのはもちろんのこと、波形の拡がりも上流で消費したものがより拡がるようになっている。一般に、移流拡散方程式によって現像装置内のトナー濃度分布を計算すると、拡散係数が同様であれば、補給位置から遠く、撹拌される時間が長い（搬送距離が長い）ほど、より拡がったトナー濃度分布となる。ここでいう搬送距離とは、実際に現像剤が拡散しながら搬送される距離のことを指すのではなく、搬送経路の搬送方向に沿って現像剤が滞留することなく搬送されたときのトナー消費位置から補給位置までの距離のことを指す。そのため、画像形成される位置のみが現像剤搬送方向に関して異なる同一画像を出力する場合は、搬送方向上流側に形成される画像を出力する場合の方が、搬送方向下流側に形成される画像を出力する場合よりも、補給位置ではより拡がったトナー濃度分布となる。従って、上記算出された濃度分布に基づいて目標濃度となるようにトナー補給することで搬送によって拡散されるトナー濃度分布の変動による現像装置内の濃度変動を抑制することができる。本実施例によれば、トナー搬送方向上流側で形成された画像の方が、搬送方向下流側で形成された場合よりも、搬送によって濃度分布が拡散する。このため、画像位置が現像剤搬送方向上流側となるほど単位枚数あたりに補給装置が補給する補給間隔が広がるように制御される。

次に、これらの波形に応じて補給スケジュールを決定する方法について説明する。まず、トナー補給量を決定するために、一画像中のトナー総量を求める。パルス幅変調回路１３５の出力信号がＡＮＤゲート１６４の一方の入力に供給され、このＡＮＤゲートの他方の入力にはクロックパルス発振器１６５からのクロックパルスが供給される。従って、ＡＮＤゲート１６４からはレーザ駆動パルスの各々のパルス幅に対応した数のクロックパルスが出力される。このクロックパルス数は各画像毎にカウンタ１６６によって積算され、ビデオカウント数が算出される。このカウンタ１６６からの各画像毎のパルス積算信号Ｃ１（ビデオカウント数）は、原稿１３１のトナー像を１つ形成するために現像器１４４から消費されるトナー量に対応している。このようにして、一画像中のトナー総量を求める。

一画像中のトナー総量に、ＲＡＭ１８２に格納されているトナー補給量補正値を乗ずる。
一画像中のトナー総量をトナー消費累積量に加算する。加算された累積量を１ブロックの補給量０．１ｇで除し、補給ブロック数ｎを決定する（本実施例ではｎ＝３）。トナー消費累積量を１ブロック補給量で除した際の剰余は新たなトナー消費累積量となり、ＲＡＭ１８２に格納され、次の画像でのトナー補給量計算に持ち越される。次に図５のように計算されたＲＡＭ１８２に格納されているトナー補給位置での各時刻のトナー濃度と、ＲＡＭ１８２に格納されているトナー濃度目標値を比較して、トナー濃度目標値を下回っているトナー濃度を積分し、そのトナー濃度の総和を算出する。このトナー濃度の総和を（ｎ＋１）等分する時間をｎ個計算する。このｎ個の時間を現時刻に足して、各補給開始時間とする。このような計算を行うことで、トナー消費が大きい部分では補給間隔が短くなり、トナー濃度変動低減効果が得られることとなる。図６（ａ）に上流５０％消費したパターンに対する補給タイミングを示し、図７（ａ）に下流５０％消費したパターンに対する補給タイミングを示した。比較を行うために、一画像に対し、定時間に補給を行う従来のビデオカウントＡＴＲで制御した補給スケジュールを図６（ｂ）、図７（ｂ）に示した。

ステップＳ３１０で、補給スケジュールに従ってトナー補給を行う。補給ブロック数ｎと補給スケジュールに基づいたｎ個の補給開始時間をＣＰＵ１８１に供給するとともに、ＲＡＭ１８２に記憶する。ＣＰＵ１８１は、タイマ１８３が補給開始時間になったときに、モータ駆動回路１６９を制御して、あらかじめ設定されている補給時間の間、モータ１７０を駆動する。

モータ１７０の駆動力はギア列１７１を介して、搬送スクリュー１６２に伝達され、搬送スクリュー１６２は、トナー補給槽１６０内のトナー１６３を搬送して現像器１４４に所定量のトナーを補給する。これを補給ブロック数ｎだけ繰り返す。この一連のトナー補給は１つの画像の現像が終了する都度行われる。

次にステップＳ３１１で、パッチ検知タイミングか否かを判定する。
パッチ検知を行う場合には、ステップＳ３１２でパッチ検知を実行する。

次にステップＳ３１３でＶｐｓ−Ｖｐｒ＞０かＶｐｓ−Ｖｐｒ＜０かを判定する。
Ｖｐｓ−Ｖｐｒ＞０の場合は、ステップＳ３１４で、Ｖｐｓ−Ｖｐｒの差分からＶｒｅｆの補正量を決定し、トナー濃度を下げる側に補正する。
Ｖｐｓ−Ｖｐｒ＜０の場合は、ステップＳ３１５でＶｐｒ−Ｖｐｓの差分からＶｒｅｆの補正量を決定し、トナー濃度を上げる側に補正する。

図６（ｃ）、図７（ｃ）に本実施例の補給制御方式を用いた場合と、従来のビデオカウントＡＴＲを用いた場合のスリーブ上長手中心点のトナー濃度の時間変動をシミュレーションした結果を示した。シミュレーション方法は、本実施例と同様の移流拡散方程式を用いて計算したものである。併せて、従来技術のビデオカウントＡＴＲ方式の制御もシミュレーションを行い、結果を示している。従来技術と本実施例の方式を比較すると、本実施例の方式ではトナー濃度の時間変動幅が非常に小さくなっていることがわかる。図６（ｃ）の上流消費では、開始後上流で消費したトナー濃度の低い剤が流れてくるがこの部分を除いて、その後の変動幅を調べると、上流消費における本実施例のトナー濃度変動幅は０．０６％であり、従来技術のトナー濃度変動幅は０．２５％であった。下流消費では、本実施例のトナー濃度変動幅は０．０５％であり、従来技術のトナー濃度変動幅は０．０９％であった。

以上のように、従来と同様のトナー搬送スクリューによるブロック補給を行う装置において、本実施例の方式により、面内での出力位置や、搬送時のトナー濃度の拡がりまで考慮して、トナー濃度変動を低減させる画像形成装置を提供することが可能となった。

また、本実施例では補給ブロック数ｎを３とし、１ブロック補給量を０．１ｇとして補給制御を行った。補給スクリュー径を小さくするか、あるいは補給スクリュー回転速度を遅くすることなどによって、１ブロック補給量を小さくし補給ブロック数ｎを増やすことができる。こうすることによって、トナー濃度が低下した領域に対してより詳細な空間的／量的分解能で補給することができることから、トナー濃度変動をさらに低減させることができる。

図８に、補給ブロック数ｎを１０とし、１ブロック補給量を０．０３ｇとして補給を行った場合のトナー濃度の時間変動をシミュレーションした結果を示した。図８（ａ）は、図６（ａ）と同様であり、ｎ＝３の場合の補給スケジュールを示している。図８（ｂ）は、ｎ＝１０の場合の補給スケジュールを示している。

図８（ｃ）にｎ＝３の場合とｎ＝１０の場合のスリーブ上長手中心点のトナー濃度の時間変動をシミュレーションした結果を示した。ｎ＝３の場合のトナー濃度変動幅０．０６％に対して、ｎ＝１０の場合のトナー濃度変動幅は０．０４％となり、補給ブロック数を増やすことでトナー濃度変動幅をさらに低減させることができる。また、物理量の補正を行っていることから、環境変動や現像剤の状態変化があっても予測精度は低下しないので、より安定してトナー濃度を均一化することが可能となる。図９に、この例として、物理量補正を行う場合と行わない場合のトナー濃度の時間変動をシミュレーションした結果を示した。図９（ａ）は拡散係数の補正を行い、補給スケジュールを適正に設定している場合のトナー濃度波形とトナー補給スケジュールを示している。図９（ｂ）は、環境変動等によって拡散係数などの物理量が変化した場合のトナー濃度波形に対して、拡散係数の補正を行うことなく、補給スケジュールを設定した場合のトナー濃度波形とトナー補給スケジュールである。具体的には、環境変動によって拡散係数が１／３となった場合のトナー濃度波形としている。図９（ｃ）に物理量補正を行う本実施例の場合と、物理量補正を行わない場合のスリーブ上長手中心点のトナー濃度の時間変動をシミュレーションした結果を示した。本実施例のトナー濃度変動幅は０．０５％であり、物理量補正を行わない場合のトナー濃度変動幅は０．０７％であった。本例においては、補正した物理量は拡散係数のみである。実機においては、各物理量が相互に変動することから、物理量補正を行わない場合には、さらにトナー濃度変動幅が大きくなることも考えられる。

なお、本実施例では、トナー濃度センサを２対、合計４個現像器に取り付けていたが、物理量測定の精度が問題にならない場合には、１つのみ取り付け、２つのセンサの信号を用いるところを、１周期目と２周期目の信号を用いて同様に処理を行うこともできる。こうすれば、より簡単な構成を取ることができる。

また、本実施例では、補給スケジュール作成の際に、トナーが補給されてすぐに現像剤に取り込まれると考慮していた。しかしながら、補給トナーが現像剤にすぐには取り込まれずに、現像剤上に浮遊して少しずつ取り込まれる場合には、この現象をトナー濃度予測の際に考慮に入れて、補給スケジュールを作成すればよい。こうすれば、このような現象がある際にも、トナー濃度変動低減の精度を落とすことなく運転することができる。

また、本実施例では、一次元の移流拡散方程式でトナー濃度を計算したが、二次元や三次元の移流拡散方程式を計算してトナー濃度を求めても構わない。

また、本実施例では、トナー濃度計算のタイミングを画像形成開始時としたが、複写機運転上好ましいタイミングで、トナー補給が間に合うタイミングであれば、いつ計算しても構わない。

また、本実施例では、物理量の補正タイミングを電源入力時、１０００枚印字毎、環境変化が生じた場合としたが、印字毎数が他の枚数でも構わないし、一定時間毎など、他の条件を補正タイミングに設定しても構わない。

（実施例２）
実施例２における発明の構成、動作などについて、上記の実施例１と共通する説明を省略し、実施例１と異なる点について説明する。

実施例２における画像形成装置は、トナー補給装置と方法が実施例１とは異なり、トナー濃度変動をより低減するために、高精度なトナー補給を行う。

本実施例におけるトナー補給装置を説明する。トナー濃度変動を小さくするためには、トナー補給の時間分解能を良くし、高精度な補給を行う必要がある。そのため、本実施例においては、トナー搬送スクリュー１６２のフィン径を例えば５ｍｍと小さくし、トナー１６３が密に充填されている状況で運転し、決められた補給時間単位でスクリュー回転数を変化させて補給量を調節する。回転数と補給量の関係は、あらかじめ測定してテーブルとして複写機制御部に記憶しておく。高精度な補給を行うためには、上記のような方式の他、超音波搬送や電界搬送などがあるが、それらを用いても構わない。

次に、本実施例が行うトナー補給処理について説明する。全体の流れは実施例１とほぼ変わらないため、図３のフローチャートを用いて実施例１と異なる部分を説明する。

ステップＳ３０１〜Ｓ３０８までは実施例１と同様である。
ステップＳ３０９において、画像に対する補給スケジュールを決定する。図１０に１枚の画像を現像した際のトナー補給位置でのトナー濃度時間変動をシミュレーションした結果と、これに対する補給スケジュールを示した。横軸が時間であり、折れ線グラフがトナー濃度時間変動で左縦軸に対応する。棒グラフがトナー補給量であり、右縦軸に対応する。

画像を現像したことによってトナー濃度が低下した部分に対して、トナー濃度目標値とするようトナーを補給する。トナー補給スケジュールは、トナー補給位置を通過する時間１００ｍｓｅｃ毎に、トナー濃度目標値から減少しているトナー濃度の累積値を算出し、この累積値をトナー濃度目標値にするよう補給位置の現像剤質量からトナー補給量を算出する。これを１００ｍｓｅｃ毎の時刻帯で行えば図１０に示したような補給スケジュールとなる。

ステップＳ３１０で、補給スケジュールに従って、トナー補給を行う。１００ｍｓｅｃ毎のトナー補給量と補給開始時間をＣＰＵ１８１に供給するとともに、ＲＡＭ１８２に記憶する。ＣＰＵ１８１は、トナー補給量とトナー１６３をトナー補給槽１６０から現像器１４４に供給するのに要する搬送スクリュー１６２の回転速度の対応関係を示す換算テーブルを有している。ＣＰＵ１８１は、タイマ１８３が補給開始時間になったときに、必要なトナー補給量を実現する回転速度となるようモータ駆動回路１６９を制御して、モータ１７０を駆動する。

モータ１７０の駆動力はギア列１７１を介して、搬送スクリュー１６２に伝達され、搬送スクリュー１６２は、トナー補給槽１６０内のトナー１６３を搬送して現像器１４４に所定量のトナーを補給する。これを補給スケジュールで設定された補給の回数だけ繰り返す。
ステップＳ３１１〜Ｓ３１５までは実施例１と同様である。

図１１に本実施例の補給制御方式を用いて、画像出力頻度を変えて現像、補給運転を行う様子をシミュレーションした結果を示す。シミュレーション方法は、本実施例と同様の移流拡散方程式を用いて計算したものである。併せて、従来技術のインダクタンスＡＴＲ方式の制御とビデオカウントＡＴＲ方式の制御もシミュレーションを行い、結果を示している。図１１のグラフは、スリーブ上長手中心点のトナー濃度の時間変動を示している。従来の２方式と本実施例の方式を比較すると、本実施例の方式ではトナー濃度の時間変動幅が非常に小さくなっていることがわかる。この変動幅の最大値をΔＴＣと定義し、図１２に各方式のΔＴＣの画像頻度依存性を示した。こちらで比較すると、ΔＴＣの最大値はインダクタンスＡＴＲ方式が約０．３％、ビデオカウントＡＴＲ方式が０．５７％であるのに対して、本実施例の方式は０．１％以下であった。

以上のように、本実施例の方式により、トナー濃度変動の少ない画像形成装置を提供することが可能となった。また、物理量の補正を行っていることから、環境変動や現像剤の状態変化があっても予測精度は低下しないので、より安定してトナー濃度を均一化することが可能となる。

また、実施例１の方式と本実施例の方式の比較を行った。実施例１における補給ブロック数ｎが３の場合のトナー濃度変動と、本実施例の補給方法を用いた場合のトナー濃度変動のシミュレーション結果を図１３に示した。図１３は実施例１と本実施例の補給制御を行った場合のスリーブ上長手中心位置でのトナー濃度変動である。

トナー濃度変動幅は実施例１の場合は０．０６％であり、本実施例の場合は０．０２％であり、本実施例の補給方式を用いることにより、本実施例１よりさらにトナー濃度変動を低減させることが可能となる。

また、本実施例では、トナー補給スケジュールを作成する際の単位時間を１００ｍｓｅｃとしたが、この時間より短くても、あるいは長く設定しても構わないし、補給時間の単位を固定せず可変としても構わない。

ステップＳ３０１〜ステップＳ３１５ 処理を表すブロック
ステップＳ４１０１〜ステップＳ４２０２ 処理を表すブロック
１２０ トナー濃度センサ
１２１ 比較器
１２２ 基準電圧信号源
１４０ 感光体ドラム
１４３ 二成分現像剤
１４４ 現像器
１６０ トナー補給槽
１６３ トナー
１６９ モータ駆動回路
１７０ モータ
１８１ ＣＰＵ
１８２ ＲＡＭ

Claims (3)

1. 像担持体と、画像情報に基づいて前記増担持体に形成された潜像を現像する現像装置であって、前記現像装置は、トナーとキャリアを有する現像剤を担持する現像剤担持体と、前記現像剤担持体に供給する現像剤を搬送する搬送部材と、を備えた現像装置と、前記現像装置に現像剤を補給位置にて補給する補給装置と、前記現像装置内のトナー濃度を検知する濃度センサと、前記現像装置内の現像剤が前記搬送部材に搬送された際に、搬送距離が長くなるほど前記現像装置内のトナー濃度分布が拡散するように、経過時間に伴う前記現像装置内のトナー濃度分布を算出する算出手段と、画像情報から前記算出手段によって算出される前記補給位置におけるトナー濃度分布に関する情報に基づいて前記補給装置の動作を制御する制御手段と、を備えた画像形成装置において、
   前記算出手段は、該現像装置内のトナー濃度を変動させたときの、前記濃度センサの検知結果に基づいて取得される、前記現像装置内の現像剤の流速分布と、前記現像装置内の現像剤質量密度分布と、前記現像装置内の拡散係数分布と、に基づいて、前記現像装置内のトナー濃度分布を算出することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記現像装置は、前記現像剤担持体に現像剤を供給する第１室と、前記第１室と循環経路を形成する第２室と、を備え、前記搬送部材は、前記第１室に回転可能に設けられた第１搬送部材と、前記第２室に回転可能に設けられ、前記第１搬送部材とは搬送特性が異なる第２搬送部材と、を備え、前記濃度センサは、前記第１室と前記第２室のそれぞれの内部に、長手方向に距離をおいて複数設けられており、前記算出手段は、各濃度センサに検知された検知結果に基づいて、前記流速分布と、前記現像剤質量密度分布及び前記拡散係数分布と、を算出することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記算出手段は、前記流速分布と、前記現像剤質量密度分布及び前記拡散係数分布の情報を以下の式に代入して、前記現像装置内のトナー濃度分布を算出す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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