JP7077786B2 - 画像形成装置 - Google Patents
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Description
図2は、本実施形態に係る現像装置23の断面図および制御部980の電気的構成を示したブロック図である。現像装置23は、現像ハウジング230と、現像ローラー231と、第1スクリューフィーダー232と、第2スクリューフィーダー233と、規制ブレード234とを備える。現像装置23には、二成分現像方式が適用されている。
本発明者は、上記の様な状況に鑑み鋭意検討し続けた結果、現像バイアスの交流電圧の周波数を変化させた場合、トナーの現像量の変化がトナーの帯電量によって異なることを新たに知見した。具体的に、トナーの帯電量が低い場合は、交流電圧の周波数を増大させるとトナーの現像量が増加する。一方、トナーの帯電量が高い場合は、交流電圧の周波数を増大させるとトナーの現像量が減少することを新たに知見した。この特性を利用することで、交流電圧の周波数を変化させた際の画像濃度の変化を測定することによって、トナーの帯電量を精度よく予測することが可能となった。
本実施形態では、トナーの帯電量を予測するために、感光体ドラム20上の表面電位を測定する表面電位センサを備える必要がない。また、トナーの帯電量を予測するために、現像バイアスに応じて現像ローラー231に流入する電流を測定する必要がない。このため、表面電位センサの汚れや、キャリアの抵抗変化によって現像ローラー231に流入する電流の変化の影響を受けることなく、安定してトナーの帯電量を予測することが可能になる。このため、画像形成装置10において印字される画像濃度が低下した場合、現像装置23のトナー濃度を上昇させることでトナーの帯電量を低下させることで画像濃度を増大させることが望ましいか、現像ニップ部NPにおける現像電位差(Vdc-VL)を増大させることで画像濃度を増大させることが望ましいかの選択が容易となる。
本発明の発明者は、現像バイアスの交流電圧の周波数を変化させた場合の画像濃度の変化について、トナー帯電量が下記のように寄与するものと推定する。
(1)トナー帯電量が低い場合
トナーの帯電量が低い場合、トナーとキャリアとの間に働く静電付着力が小さいため、トナーはキャリアからは離れやすい。しかしながら、現像バイアスの交流電圧の周波数が小さくなると、現像ニップ部NPにおけるトナーの往復移動回数が低下する。このため、画像濃度が低下する。なお、周波数が小さくなると、交流電圧の1周期あたりのトナーの往復移動距離が増大するが、トナーの帯電量が低い場合、トナーの元々の移動距離が少ないため、画像濃度の低下への影響は少ない。このように、トナーの帯電量が低い場合には、現像バイアスの交流電圧の周波数が小さくなると、画像濃度は低下する。
(2)トナー帯電量が高い場合
上記のように現像バイアスの交流電圧の周波数が小さくなると、現像ニップ部NPにおけるトナーの往復移動回数が低下するが、トナーの帯電量が高い場合、もともとトナーがキャリアから外れにくいため、当該往復移動回数の低下の影響は少ない。一方、周波数が低下すると、交流電圧の1周期あたりのトナーの往復距離が増大するため、高いトナーの帯電量に応じて画像濃度が増大する。このように、トナーの帯電量が高い場合には、現像バイアスの交流電圧の周波数が小さくなると、画像濃度は増大する。
図6は、本実施形態に係る画像形成装置10において実行される帯電量測定モードのフローチャートである。図7は、帯電量測定モード時に感光体ドラム20上に形成される測定用トナー像の模式図である。
傾きa=(ID1-ID2)/(f1-f2)) ・・・(式1)
傾きaはトナー帯電量によって異なり、トナー帯電量が低いと「正(+)」となり、トナー帯電量が低いと「負(-)」となる。なお、3≦Nの条件で測定する場合には、最小自乗法で求めた1次式の近似直線の傾きを用いればよい。また、図5に示される参照情報は、式2で示される。
Q/M=A×直線の傾き+B ・・・(式2)
ここで、AおよびBは、現像剤固有の値であり、予め実験によって決定されている。Q/Mは、単位質量あたりのトナー帯電量を意味する。ステップS10において式1から算出された近似直線の傾きaを式2に代入すれば、トナー帯電量Q/Mが算出される。なお、図6に示される帯電量測定モードは、図1の各色の現像装置23に対してそれぞれ実行されてもよく、またモード実行中に設定される周波数は現像装置23毎に固有の値に設定してもよい。特に、画像形成装置10の周辺の温湿度や耐久枚数に応じて望ましい周波数が既知の場合には、モード実行中に設定される周波数は当該既知の周波数の近傍で設定されてもよい。また、前回のトナー帯電量測定モードの結果を参照して、新たな測定モードに用いられる周波数が選定されても良い。この場合、測定されるトナー帯電量の精度を高めることができる。
本実施形態に係る帯電量測定モードの実行タイミングは、自動によって開始されるものと手動によって開始されるものとがある。自動による測定モードは、画像形成装置10のキャリブレーション動作(セットアップ、画質調整動作などとも言う)と同じタイミングで行われることが望ましい。キャリブレーション動作では、中間濃度領域(ハーフトーン画像)での画質を良好に確保するために充分な調整作業が行われる。このため、帯電量測定モードの実行時間が充分確保される。このため、現像バイアスの交流電圧において、2つ以上の異なった周波数で測定モードを実行することができる。キャリブレーション動作では、画質調整用の画像パターンとして、ソリッド(100%ベタ画像)に加えて、ハーフトーン画像も使用される。このため、トナー帯電量の予測の精度を向上することができる。高濃度領域のソリッドでは、ハーフトーン画像と比較して、現像ニップ部NPにおける現像性能が飽和しやすい。すなわち、現像バイアスを変化させた場合の画像濃度の変化量が小さい(感度が低い)。一方、ハーフトーン画像では、このような画像濃度の変化量が比較的大きいため、トナー帯電量の測定(予測)が精度良く実行される。なお、ハーフトーン画像の場合、ソリッド画像と比較して濃度が低いため、濃度センサ100による画像濃度の検出精度が相対的に低くなる可能性がある。このため、ソリッド画像およびハーフトーン画像の両方において帯電量測定モードを実行し、その平均値をとることで、更に精度の高い測定が実行可能とされる。なお、ソリッド画像とハーフトーン画像とでは、式2のAおよびBは異なった値となる。なぜなら、ソリッド画像とハーフ画像とでは、画像濃度とトナー現像量との関係が異なるからである。
更に、本実施形態では、モード制御部984が、前記帯電量測定モードよりも更に詳細なトナーの帯電状態を検出可能な帯電量分布測定モードを実行することができる。図8は、本実施形態に係る画像形成装置10において実行される帯電量分布測定モードのフローチャートである。図9は、本実施形態に係る画像形成装置10において、トナー帯電量とトナー現像量比率との関係を示したグラフである。
本実施形態では、モード制御部984が更に、Dsギャップ補正モードを実行する。Dsギャップとは、現像ニップ部NP(図3A)における感光体ドラム20と現像ローラー231との間隔である。Dsギャップは、トナー現像量に影響を与えうる。すなわち、Dsギャップが狭くなると、トナー現像量は増加する。一方、Dsギャップが所定の設計範囲(公差内)で変化しても、周波数を変化させた場合の傾きにはあまり影響しない。しかしながら、前述の帯電量測定モード、帯電量分布測定モードの精度を更に高めたい場合には、Dsギャップ補正モードを実行した上で、帯電量測定モード、帯電量分布測定モードを実行することができる。なお、DsギャップモードのON、OFFは画像形成装置10の不図示の操作部から、メンテナンス作業者によって入力することができる。
更に、本実施形態では、バイアス制御部982は現像バイアス制御モードを実行することができる。本モードでは、バイアス制御部982は、帯電量測定モードにおいて取得されたトナーの帯電量に応じて、画像形成時における現像バイアスの直流電圧の値を制御する。前述のように、図3Bの感光体ドラム20の表面電位V0と現像ローラー231に印加される現像バイアスの直流成分Vdcとの電位差が、感光体ドラム20の背景部へのトナーかぶりを抑制する電位差である。すなわち、|V0-Vdc|が大きいほどトナーかぶりが少なくなる。一方、|V0-Vdc|が大きくなると、(-)マイナスに帯電しているキャリアが現像ローラー231から感光体ドラム20側に移動する、いわゆるキャリア現像が発生しやすくなる。したがって、バイアス制御部982は、測定されたトナーの帯電量が所定の閾値よりも小さい場合(帯電量が低い場合)には、キャリア現像が発生しにくいため、トナーかぶりの抑制を優先させ、|V0-Vdc|が大きくなるように直流電圧Vdcを制御する。一方、測定されたトナーの帯電量が所定の閾値よりも大きい場合(帯電量が高い場合)には、トナーかぶりが発生しにくいため、バイアス制御部982はキャリア現像の抑制を優先させ、|V0-Vdc|が小さくなるように直流電圧Vdcを制御する。このように、トナーの帯電量に応じて、現像バイアスの直流成分を制御することで、トナーかぶりおよびキャリア現像のマージン(ラチチュード)を拡げ、安定した画像形成を行うことができる。
前述のように、本実施形態では、モード制御部984がトナーの帯電量測定モードおよび帯電量分布測定モードを実行する。この際、測定時間の短縮および測定精度の向上を目的として、現像バイアスの交流電圧の周波数の変更順序に特徴を有する。図10は、本実施形態に係る画像形成装置10において、帯電量測定モードにおける周波数の変更順序を示すグラフである。
第3の周波数=fq+(fp-fq)×3/4
第4の周波数=fq+(fp-fq)×7/8
第5の周波数=fq+(fp-fq)×5/8
第6の周波数=fq+(fp-fq)×15/16
第7の周波数=fq+(fp-fq)×13/16
第8の周波数=fq+(fp-fq)×11/16
第9の周波数=fq+(fp-fq)×9/16
第3の周波数=fq+(fp-fq)×1/2
第4の周波数=fq+(fp-fq)×3/4
第5の周波数=fq+(fp-fq)×1/4
第6の周波数=fq+(fp-fq)×7/8
第7の周波数=fq+(fp-fq)×5/8
第8の周波数=fq+(fp-fq)×3/8
第9の周波数=fq+(fp-fq)×1/8
4変形実施形態を、使用される現像剤の特性(周波数‐画像濃度の傾き)に応じて選択してもよい。また、先の第1変形実施形態(図12、図13)において、まず第2変形実施形態または第3変形実施形態と同様の周波数選択順序を採用し、変数nが規定回数Nに達した場合に、第4変形実施形態と同様の周波数選択順序に切り替えてもよい。
・プリント速度:55枚/分
・感光体ドラム20:アモルファスシリコン感光体(α-Si)
・現像ローラー231:外径20mm、表面形状ローレット溝加工、周方向に沿って80列の凹部(溝)が形成されている。
・規制ブレード234:SUS430製、磁性、厚み1.5mm
・規制ブレード234後の現像剤搬送量:250g/m2
・現像ローラー231の感光体ドラム20に対する周速:1.8(対向位置でトレール方向)
・感光体ドラム20と現像ローラー231との間の距離:0.30mm
・感光体ドラム20の白地部(背景部)電位V0:+270V
・感光体ドラム20の画像部電位VL:+20V
・現像ローラー231の現像バイアス:周波数=6.0kHz、Duty=50%、Vpp=1000Vの交流電圧矩形波、Vdc(直流電圧)=200V
・トナー:正帯電極性トナー、体積平均粒子径6.8μm、トナー濃度8%
・キャリア:体積平均粒子径35μm、フェライト・樹脂コートキャリア
上記の条件で、トナーの外添剤の量を変更することでトナーの帯電量を調整し、印字動作を行った。前述の図4、図5に、実験1の結果が示されている。なお、図4では、中間転写ベルト141上のトナー像の画像濃度が濃度センサ100によって測定され、予め取得されたトナー像の画像濃度(センサ出力)と印字紙(用紙)上に形成されるトナー定着画像の画像濃度との相関曲線を用いて、トナー像濃度をトナー定着画像のI.Dとして表している。
トナー帯電量Q/M(μc/g)=-442.32×傾き+29.87 ・・・(式3)
なお、式3の傾き=Δ画像濃度/Δ周波数(図4のグラフの傾き参照)
次に、帯電量分布測定モードに関する実験を行った。ここでは、異なる帯電量分布を示す現像剤A、現像剤Bを作成するために、キャリアのコート剤の条件を変更している。なお、トナー濃度はいずれも同じ8%である。また、現像バイアスの条件は、Vpp、周波数以外は実験1と同じである。
トナーは粉砕型トナー、コアシェル構造のトナーのどちらであっても同様の効果が確認されている。また、トナー濃度についても、3%から12%までの範囲で同様の効果が奏されることが確認された。交流電界によるトナーの移動は、磁気ブラシが細かいほどより顕著に起こりやすいことから、キャリアの体積平均粒子径は45μm以下が好ましく、30μm以上40μm以下がより好ましい。また、フェライトキャリアよりも真比重の小さい、樹脂キャリアの方がより好ましい。
キャリアは、体積平均粒子径35μmのフェライトコアにシリコンやフッ素などをコーティングしたものであり、具体的には以下の手順で作成した。キャリアコアEF-35(パウダーテック社製)1000重量部に、シリコン樹脂KR-271(信越化学社製)20質量部をトルエン200質量部に溶解させて、塗布液を作製する。そして、流動層塗布装置により、塗布液を噴霧塗布した後、200℃で60分間熱処理して、キャリアを得た。この塗布液の中に、導電剤や荷電制御剤をそれぞれコート樹脂100部に対し、0~20部の範囲で混合し、分散させることで、抵抗調整・帯電調整を行なっている。
帯電量測定モードにおける帯電量予測方法について、以下の3つのパターンを比較した。
・帯電量予測パターンI(実施例):
周波数変更順序:図10に準じて、2kHz→10kHz→6kHz→4kHz→8kHz→・・・と変更する。
決定係数R2の閾値:決定係数R2≧0.9が満たされると周波数の変更を終了し、測定用直線を決定する。なお、測定点は少なくとも3点以上とする。
・帯電量予測パターンII(比較例1):
周波数変更順序:単調増加型、2kHz→4kHz→6kHz→8kHz→10kHzの5点で測定する。
決定係数R2の閾値:なし。
・帯電量予測パターンIII(比較例2):
周波数変更順序:単調増加型、2kHz→3kHz→4kHz→5kHz・・・10kHzと変更する。
決定係数R2の閾値:決定係数R2≧0.9が満たされると周波数の変更を終了し、測定用直線を決定する。なお、測定点は少なくとも3点以上とする。
上記の帯電量予測パターンIと帯電量予測パターンIIとの比較結果について説明する。図16は、パターンI、IIにおけるトナーの実測帯電量と予測帯電量との比較結果である。パターンIにおいて、決定係数R2の条件が満たされるまでに、周波数を変化させた回数は平均5.0回であった。すなわち、トナー帯電量が測定されるまでの測定時間について、パターンI、IIは互いに同等である。一方、図16に示すように、パターンIIよりもパターンIの方が、トナーの帯電量が安定的に精度よく測定されていることが分かる。この結果は、パターンIIにおいて閾値(所定の条件)を設けていないため、測定精度がR2<<0.9となるためである。すなわち、精度が悪い測定点があるため、測定全体としてのバラつきが大きくなっている。
次に、帯電量予測パターンIと帯電量予測パターンIIIとの比較結果を示す。表5は、パターンI、IIにおいて、各測定が終了するまでに異なる周波数にてトナー像の濃度を測定した平均測定回数を示している。
100 濃度センサ(濃度検出部)
14 中間転写ユニット(転写部)
145 二次転写ローラー(転写部)
20 感光体ドラム(像担持体)
23 現像装置
231 現像ローラー
971 現像バイアス印可部
972 駆動部
980 制御部
981 駆動制御部
982 バイアス制御部
983 記憶部
984 モード制御部(帯電量取得部)
Claims (4)
- 回転され、表面に静電潜像が形成されるとともに、前記静電潜像が顕在化されたトナー像を担持する像担持体と、
前記像担持体を所定の帯電電位に帯電する帯電装置と、
前記帯電装置よりも前記像担持体の回転方向下流側に配置され、前記帯電電位に帯電された前記像担持体の表面を所定の画像情報に応じて露光することで前記静電潜像を形成する露光装置と、
前記露光装置よりも前記回転方向下流側の所定の現像ニップ部において前記像担持体に対向して配置される現像装置であって、回転され周面にトナーおよびキャリアからなる現像剤を担持するとともに前記像担持体にトナーを供給することで前記トナー像を形成する現像ローラーを含む現像装置と、
前記像担持体上に担持された前記トナー像をシートに転写する転写部と、
直流電圧に交流電圧が重畳された現像バイアスを前記現像ローラーに印加可能な現像バイアス印加部と、
前記トナー像の濃度を検出する濃度検出部と、
前記現像ローラーと前記像担持体との間の直流電圧の電位差が一定に保持された状態で前記現像バイアスの交流電圧の周波数が変化された場合における当該周波数の変化量に対する前記トナー像の濃度変化量の関係を示す参照用直線の傾きに関する参照情報を、前記トナーの帯電量毎に予め格納する記憶部と、
前記現像ローラーと前記像担持体との間の直流電圧の電位差を一定に保持した状態で前記現像バイアスの交流電圧の周波数を変化させながら前記像担持体上に測定用トナー像を形成し、前記周波数の変化量に対する前記測定用トナー像の濃度変化量の関係を示す測定用直線の傾きを、前記周波数の変化量と前記濃度検出部による前記測定用トナー像の濃度検出結果とから取得するとともに、当該取得された測定用直線の傾きと前記記憶部の参照情報とから前記像担持体上に形成された測定用トナー像に含まれるトナーの帯電量を取得する帯電量取得動作を実行する、帯電量取得部と、
を備え、
前記記憶部は、前記帯電量取得動作において前記帯電量取得部によって参照される、前記現像バイアスの交流電圧における3つ以上の周波数を予め格納しており、
前記帯電量取得部は、前記3つ以上の周波数の最大周波数および最小周波数のうちの一方および他方において順に前記測定用トナー像を形成した後、前記最大周波数と前記最小周波数との間の周波数において前記測定用トナー像を形成し、当該形成された3つ以上の測定用トナー像における前記濃度検出結果に基づいて前記測定用直線の傾きを取得し、
前記記憶部に格納されている前記参照情報は、前記トナーの帯電量が第1の帯電量である場合に前記参照用直線の傾きが負であり、前記トナーの帯電量が前記第1の帯電量よりも小さな第2の帯電量である場合に前記参照用直線の傾きが正であり、更に、前記トナーの帯電量の低下とともに前記参照用直線の傾きが増大するように設定されている、画像形成装置。 - 前記帯電量取得部は、前記最大周波数と前記最小周波数との間の前記周波数において前記測定用トナー像が形成される毎に、各測定用トナー像における前記濃度検出結果から最小二乗法に基づいて前記測定用直線を取得し、前記最小二乗法における決定係数が所定の条件を満たした場合に、取得する前記測定用直線の傾きを決定するとともに、当該取得された測定用直線の傾きと前記記憶部の参照情報とから前記像担持体上に形成された測定用トナー像に含まれるトナーの帯電量を取得する、請求項1に記載の画像形成装置。
- 前記所定の条件は、前記決定係数をR2とした場合、R2≧0.9である、請求項2に記載の画像形成装置。
- 回転され、表面に静電潜像が形成されるとともに、前記静電潜像が顕在化されたトナー像を担持する像担持体と、
前記像担持体を所定の帯電電位に帯電する帯電装置と、
前記帯電装置よりも前記像担持体の回転方向下流側に配置され、前記帯電電位に帯電された前記像担持体の表面を所定の画像情報に応じて露光することで前記静電潜像を形成する露光装置と、
前記露光装置よりも前記回転方向下流側の所定の現像ニップ部において前記像担持体に対向して配置される現像装置であって、回転され周面にトナーおよびキャリアからなる現像剤を担持するとともに前記像担持体にトナーを供給することで前記トナー像を形成する現像ローラーを含む現像装置と、
前記像担持体上に担持された前記トナー像をシートに転写する転写部と、
直流電圧に交流電圧が重畳された現像バイアスを前記現像ローラーに印加可能な現像バイアス印加部と、
前記トナー像の濃度を検出する濃度検出部と、
前記現像ローラーと前記像担持体との間の直流電圧の電位差が一定に保持された状態で前記現像バイアスの交流電圧の周波数が変化された場合における当該周波数の変化量に対する前記トナー像の濃度変化量の関係を示す参照用直線の傾きに関する参照情報を、前記トナーの帯電量毎に予め格納する記憶部と、
前記現像ローラーと前記像担持体との間の直流電圧の電位差を一定に保持した状態で前記現像バイアスの交流電圧の周波数を変化させながら前記像担持体上に測定用トナー像を形成し、前記周波数の変化量に対する前記測定用トナー像の濃度変化量の関係を示す測定用直線の傾きを、前記周波数の変化量と前記濃度検出部による前記測定用トナー像の濃度検出結果とから取得するとともに、当該取得された測定用直線の傾きと前記記憶部の参照情報とから前記像担持体上に形成された測定用トナー像に含まれるトナーの帯電量を取得する帯電量取得動作を実行する、帯電量取得部と、
を備え、
前記記憶部は、前記帯電量取得動作において前記帯電量取得部によって参照される、前記現像バイアスの交流電圧における3つ以上の周波数を予め格納しており、
前記帯電量取得部は、前記3つ以上の周波数の最大周波数および最小周波数のうちの一方および他方において順に前記測定用トナー像を形成した後、前記最大周波数と前記最小周波数との間の周波数において前記測定用トナー像を形成し、当該形成された3つ以上の測定用トナー像における前記濃度検出結果に基づいて前記測定用直線の傾きを取得し、
前記帯電量取得部は、前記現像バイアスの交流電圧の第1のピーク間電圧において第1の前記帯電量取得動作を実行し、前記現像バイアスの交流電圧の前記第1のピーク間電圧よりも大きな第2のピーク間電圧において第2の前記帯電量取得動作を実行し、前記第1の帯電量取得動作および前記第2の帯電量取得動作の結果から、前記トナーの帯電量の分布を取得する帯電量分布取得動作を更に実行する、画像形成装置。
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