JP2009042501A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直接記録方式で画像を形成する場合に、トナー制御手段表面及びトナー通過穴周辺にトナーが付着して、トナーの通過のオン／オフの制御を安定して行うことができなくなる。
【解決手段】トナーを飛翔させ、クラウド化して担持するトナー担持体１と、トナーが付着させられる記録媒体手段３と、トナー担持体１と記録媒体手段３との間に配置された複数のトナー通過穴４１を有するトナー制御手段４とを備え、トナー制御手段４は、トナー担持体側表面に制御電極４２、共通電極４３が設けられ、トナー制御手段４をトナー担持体１のトナーが記録媒体手段に向かって通過可能にするとき、記録媒体手段３側とトナー制御手段４の共通電極４３との間に制御電極４２を迂回してループ状に電気力線が形成され、トナー担持体１の電極間ピッチｐに対してトナー制御手段４までの距離ｄが大きく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は画像形成装置に関し、特に、トナー担持体から飛翔させたトナーを開閉制御されるトナー通過穴を介して記録媒体手段に飛翔付着させて画像を形成する画像形成装置に関する。

従来の画像形成装置として、トナージェット、ダイレクトトーニング、トナープロジェクションなどと称される、トナー（記録材）によって記録媒体（中間転写媒体を含む）上に画像を直接記録する方式のものが知られている。

例えば、特許文献１には、トナーホッパから供給されたトナーに、固定ブレード又は回転ローラとの摩擦帯電によって帯電電荷を与え、回転搬送した後、制御部材に印加する制御パルスと回転ローラとの間の電界でトナーの飛翔を制御するものが記載されている。
特開昭６３−１３６０５８号公報

ここでは、帯電電荷を有するトナーが回転ローラ表面に静電的に付着しており、そのトナーを制御パルスで剥離する必要がある。回転ローラと制御部材は数１００μｍ以上のギャップを有するため、剥離のために印加する制御パルスは必然的に５００Ｖ以上の高い電圧を必要とし、画素に対応した数が必要な制御用のドライバコストは非常に高価になってしまう問題、さらに、回転ローラに付着しているトナーを剥離して飛翔させるため応答性が悪く時間遅れの問題もある。

特許文献２、特許文献３には、回転する現像剤支持体と制御手段の間に交番バイアスを印加しながら現像剤通過の制御電極に制御パルスを印加するものが記載されている。
特許第２９３３９３０号公報 特公平２−５２２６０号公報

この構成は、上記特許文献１に記載の装置のような応答性の問題は軽減されるものの、トナーの飛翔領域全体に一様な交番電界を印加して、現像剤が現像剤支持体に付着している時間と飛翔状態を繰り返すようにしている。そのため、現像剤支持体に付着している現像剤を剥離するために強い交番バイアスを印加する必要があり、剥離したトナーは勢いよく制御手段側へ飛翔して多くの現像剤が制御手段の電極に付着すること避けられず、信頼性に大きい問題がある。さらに、現像剤支持体と制御手段は前記と同様のギャップを有するため両者の間に印加している電圧値は５００Ｖ以上と高く、この電界に対して現像剤を通過または阻止させる電界を形成する制御パルスは同様に高い電圧値を必要とするためドライバコストの問題は解決できていない。

一方、特許文献４には、現像剤担持体に複数の電極を有し、この電極間に時間的に変化する電界を形成してトナーを制御電極側へ飛翔させる構成が記載されている。
特開昭５９−１８１３７０号公報

ここでは、制御電極近傍に飛翔して浮遊するトナーの通過を制御するため、前記特許文献１ないし３の装置の制御電圧が高くなる欠点は解決されている。

特許文献５には、上記特許文献４と同様に、現像剤担持体に複数の電極を有し、この電極間に時間的に変化する電界を形成してトナー飛翔させる構成であり、トナーの通過を制御する制御電極が、それまで記録媒体側に設置されていたものをトナーの供給側面に設置することが記載されている。
特開平０２−２２６２６１号公報

この構成では、従前の装置では４００Ｖ必要であった制御電圧が１００Ｖにできること、および制御電極が設けてある印字ヘッドに付着するトナーを除去した場合、トナー供給源に戻すことが可能であることが記載されている。

特許文献６には、回転円筒スリーブでトナーを供給し、印写面電位とスリーブ間の均一電界でアパーチャーを通過させる静電力を与える構成であり、アパーチャーを囲む制御電極と印写面側に対になった偏向電極を設け、印刷の主走査方向のドット密度を上げることが記載されている。
特表２００１−５０５１４６号公報

ここでは、トナーの通過を制御する制御電極の間にガード電極を設け、制御電界間の相互作用を防止することが記載されている。

特許文献７には、トナー供給ローラでトナーを供給し、開口部保持部材のトナー供給ローラ側にトナーの飛翔を制御する制御電極とトナーの飛翔経路を偏向させる偏向電極とを配置したものが記載されている。
特開平１１−３０１０１４号公報

従来の直接記録方式によって画像を形成する基本構成は例えば図１６に示すように構成される。図１６において、剤担持体としてのトナー担持ローラ５０１は、その軸線を図中左右方向に延在させるように配設され、図示しない駆動手段によって回転駆動せしめられながら、帯電済みのトナーＴをその表面に担持する。このトナー担持ローラ５０１の下には、複数の穴５０２を形成する穴形成部材としてのフレキシブルプリント基板５０３が配設されている。ＦＰＣ５０３は、各穴５０２を囲むようにトナー担持ローラ５０１との対向面側に形成されたリング状の複数の飛翔電極５０４を備えている。

そして、上記ＦＰＣ５０３の下方には、これを介してトナー担持ローラ５０１に対向する対向電極５０６と、この対向電極５０６上で搬送手段によって搬送される記録紙５０７とが配設されている。なお、図１６においては、便宜上、穴５０２、飛翔電極５０４をそれぞれ１つずつしか示していないが、実際には、ＦＰＣ５０３にこれらの組み合わせが複数形成されている。具体的には、例えば６００dpi用のＦＰＣ５０３では、これらの組み合わせが４９６０個形成されている。

そこで、トナー担持ローラ５０１は、例えば接地された状態で、マイナス極性に帯電したトナーＴを表面に担持する。上記飛翔電極５０４にプラス極性の飛翔電圧が印加されると、トナー担持ローラ５０１上で飛翔電極５０４と対向する位置にあるトナーＴや、これの近傍にあるトナーＴに所定強度の電界が作用する。この電界の作用により、トナーＴに加わる静電力が、トナーＴとトナー担持ローラ５０１との付着力を上回り、トナーＴの集合体がドット状の形状でトナー担持ローラ５０１から選択的に飛翔して穴５０２内に進入する。

そして、飛翔電極５０４と、これよりも高い電位を帯びている上記対向電極５０６との間に形成される電界に引かれて飛翔を続け、穴５０２を通過して上記記録紙５０７の表面に付着する。この付着により、トナーＴの集合体はドット像となる。

この場合、各飛翔電極５０４に対する飛翔電圧のＯＮ／ＯＦＦについては、それぞれ専用のＩＣによって個別に制御する必要がある。即ち、直接記録方式の画像形成装置においては、電圧が高い場合、高価なＩＣが飛翔電極５０４と同じ数だけ必要になる。例えば６００dpi用のＦＰＣ３を用いる場合には、高価なスイッチング素子を４９６０個設ける必要がある。一般に、ＩＣは、その耐電圧が高くなるほどチップ面積を必要とするため高価になり、直接記録方式の画像形成装置では、いかに制御電圧を下げるかが、装置の低コスト化を図る上での重要な要素となる。

しかしながら、トナーＴとトナー担持ローラ５０１とには、鏡像力、ファンデルワールス力、液架橋力などによって互いに引き付け合うような付着力が作用しており、これが飛翔電圧の引き下げの妨げになっている。その結果、図１６に示す装置では少なくとも５００Ｖ以上の飛翔電圧を印加する必要がある。

これに対して、特許文献４に記載されているような現像剤担持体に複数の電極を有し、この電極間に時間的に変化する電界を形成してトナーをクラウド化し、トナーを制御電極側へ飛翔させる構成を採用することで、飛翔電極への印加電圧の低電圧化は可能となる。

しかしながら、現像剤担持体上に設けた複数の微細ピッチ電極間相互に電位差を与えて強い電界を発生してトナーを飛翔させているため、飛翔したトナーが制御電極の表面に付着し、トナーが堆積、またトナーが通過する穴の周辺にも付着が発生し、時間の経過とともにトナーの通過量に変動が起き、画像濃度の変動が発生し易いという課題がある。

また、現像剤担持体表面で飛翔してクラウド状態のトナーは高さ方向に分布しており、単に制御電極に制御パルスを印加するだけではトナー通過穴を通過するトナーの利用効率が悪く、印刷速度の確保が難しい。さらに、クラウド状態のトナーの付着は、静止した状態で連続して使用する制御電極への付着だけではなく、その周辺部材への付着堆積が進み、その結果、制御電極を形成した部材全体の電位がトナーの帯電極性に応じた方向の電位に上昇し、現像剤担持体表面からのトナーの飛翔に対して逆バイアスの電界として作用し、飛翔効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、トナー制御手段表面やトナー通過穴周辺にトナーが付着することを低減し、トナーの通過のオン／オフの制御を安定して行うことができるとともに、トナーの利用効率を向上することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る画像形成装置は、トナーを飛翔させ、クラウド化して担持するトナー担持体と、トナーが付着させられる記録媒体手段と、トナー担持体と記録媒体手段との間に配置された複数のトナー通過穴を有するトナー制御手段と、を備え、トナー制御手段は、トナー担持体側表面に、トナー通過穴の周囲及び穴内壁の少なくともいずれかにトナーの通過を制御する制御電極が設けられ、この制御電極の外側に複数のトナー通過穴に共通の共通電極が設けられ、トナー制御手段のトナー通過穴をトナー担持体のトナーが記録媒体手段に向かって通過可能な状態にするとき、記録媒体手段側とトナー制御手段の共通電極との間に制御電極を迂回してループ状に電気力線が形成され、トナー担持体は、表面側に所定の間隔で配設された複数の電極を有し、隣接電極相互の間で前記トナーを吸引する方向と反発する方向を交互に繰り返す関係のＡ相及びＢ相の２相の電圧が印加され、Ａ相用及びＢ相用の電極間ピッチに対して、トナー担持体表面と前記トナー制御手段のトナー担持体側面の間の距離が大きい構成とした。

ここで、トナー担持体のトナーをクラウド化する手段に対し時間的に変動する平均電位Ｖｓの電圧を印加し、トナー制御手段の制御電極に対しトナーがトナー通過穴を通過可能な状態にするときに電圧Ｖｃ-onを、トナーがトナー通過穴を通過不可能な状態にするときに電圧Ｖｃ-offを印加し、共通電極に電圧Ｖｇを印加し、トナー制御手段を通過したトナーを記録媒体手段に導いてトナーを付着させるために記録媒体手段側にバイアス電圧Ｖｐを印加するとき、
トナーを通過可能な状態にするときの各電位の関係は、
Ｖｐ＞Ｖｃ-on＞Ｖｓ＞Ｖｇ
であって、トナーが負帯電トナーの場合はバイアス電圧Ｖｐがプラス電位側に高くなる関係、正帯電トナーの場合はバイアス電圧Ｖｐがマイナス電位側に高くなる設定である構成とできる。

この場合、トナーがトナー通過穴を通過不可能な状態にするときの各電位の関係は、
Ｖｓ＞Ｖｇ であり、且つ、Ｖｓ＞Ｖｃ-off
であって、トナーが負帯電トナーの場合は平均電位Ｖｓがプラス電位側に高くなる関係、正帯電トナーの場合は平均電位Ｖｓがマイナス電位側に高くなる設定である構成とできる。

また、トナー担持体のトナーをクラウド化する手段に対し時間的に変動する平均電位Ｖｓの電圧を印加し、トナー制御手段の制御電極に対しトナーがトナー通過穴を通過可能な状態にするときに電圧Ｖｃ-onを、トナーがトナー通過穴を通過不可能な状態にするときに電圧Ｖｃ-offを印加し、共通電極に電圧Ｖｇを印加し、トナー制御手段を通過したトナーを記録媒体手段側に導いてトナーを付着させるために記録媒体手段側にバイアス電圧Ｖｐを印加するとき、
トナー担持体の表面にトナーが存在している状態で、トナー制御手段の制御電極側からトナー担持体側を見たときのトナーによる電位をＶｔとすると、
トナーがトナー通過穴を通過可能な状態にするときの各電位の関係は、
Ｖｐ＞Ｖｃ-on＞（Ｖｓ＋Ｖｔ）＞Ｖｇ
であって、トナーが負帯電トナーの場合は（Ｖｓ＋Ｖｔ）がプラス電位側に高くなる関係、正帯電トナーの場合は（Ｖｓ＋Ｖｔ）がマイナス電位側に高くなる設定である構成とできる。

また、トナー制御手段の共通電極は、制御電極の外側をリング状に囲む形状である構成とできる。あるいは、トナー制御手段の共通電極は、制御電極の外側に間隔を置いてベタ状に設けられている構成とできる。あるいは、トナー制御手段の共通電極は、制御電極と同一平面に絶縁領域を介して設けられている構成とできる。

また、記録媒体手段が記録紙であり、記録紙の背面に設けた電極手段にバイアス電圧が印加される構成とできる。あるいは、記録媒体手段が中間転写媒体であり、中間転写媒体自体又は中間転写媒体の背面に設けた電極手段にバイアス電圧が印加される構成とできる。

また、異なる色のトナーを重ねて記録媒体手段上にカラー画像を形成する構成とできる。

本発明に係る画像形成装置によれば、トナーをクラウド化する手段を備え、トナー制御手段をトナー担持体のトナーが記録媒体手段に向かって通過可能にするとき、記録媒体手段側とトナー制御手段の共通電極との間にトナーの通過を制御する制御電極を迂回してループ状に電気力線が形成される構成としたので、トナー制御手段表面やトナー通過穴周辺にトナーが付着することが低減され、トナーの通過のオン／オフの制御を安定に行うことができるとともに、トナーの利用効率を向上し、トナー担持体のトナーをクラウド化するためのＡ相用及びＢ相用の電極間ピッチに対してトナー担持体表面とトナー制御手段のトナー担持体側面の間の距離が大きい構成としたので、トナークラウド化の電界によってループ状電界の乱れが防止され、安定した画像形成を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明の一実施形態について図１の模式的構成図を参照して説明する。
この実施形態においては、トナーＴを飛翔させ、クラウド化した状態で担持して矢示方向に回転するローラ状のトナー担持体１と、トナーＴが付着させられる記録媒体手段３と、トナー担持体１と記録媒体手段３との間に配置された複数のトナー通過穴４１を有するトナー制御手段４とを備えている。

トナー担持体１は、表面側にトナーＴを搬送する方向（ここでは周方向）に所定の間隔でトナーＴを搬送する方向と直交する方向（ここでは軸方向）に沿って形成された所定ピッチで設けられた複数の電極１１を有し、このトナー担持体１の各電極１１には、電圧印加手段５から時間によって電位の異なる平均電位Ｖｓのパルス電圧（クラウドパルス）が印加される。これにより、トナーＴをクラウド化する手段を構成している。

例えば、０．５ＫＨｚ〜７ＫＨｚの周波数のパルス電圧が印加され、各電極１１、１１の間隔はファインピッチに設けられているため、電極１１、１１間で強い電界が形成される。そのため、トナーＴの帯電極性に対して反発する電位にある電極１１表面からトナーＴは勢いよく飛翔し、飛翔したトナーＴは吸引する極性の電位が印加されている電極１１に引き寄せられ、パルスが切り替わることでパルス周波数に応じた上下方向の飛翔を繰り返し、トナーＴがクラウド化された状態になる。なお、パルスの周波数が高い領域では、上方高くに飛翔したトナーＴは、飛翔している間にパルスが切り替わり、電極１１表面に戻る前に再び上方に飛翔する場合もある。

トナー制御手段４は、トナーＴが通過可能なトナー通過穴（開口）４１が複数設けられ、このトナー制御手段４のトナー供給側面（トナー担持体１側の面）のトナー通過穴４１周辺にはリング状に制御電極４２が設けられ、更にトナー通過穴４１に対し制御電極４２の外側に絶縁領域を介して複数のトナー通過穴４１に共通の共通電極４３が設けられている。

このトナー制御手段４の制御電極４２には制御パスル発生手段６から例えば図２に示すような制御パルスＶｃが印加される。この場合、トナー通過穴４１をトナーＴが通過可能な状態（ＯＮ状態）にするときには制御電極４２に電圧Ｖｃ-onが印加され、トナーＴが通過不可能な状態（ＯＦＦ状態）にするときには制御電極４２に電圧Ｖｃ-offが印加される。また、共通電極４３には常時電源手段７から電圧Ｖｇが印加される。トナー制御手段４の制御電極４２は、通過穴４１周囲だけでも動作が可能であるが、通過穴４１の内壁面又は通過穴４１の内壁面とトナー担持体１側の周囲の両方に設けたものであってもよい。

記録媒体手段３側には、記録媒体手段３の背面に、トナー制御手段４を通過したトナーＴを記録媒体手段３に付着させるためのバイアス電圧が印加されるバイアス電圧印加手段となる電極手段としての背面電極３１が配置され、トナー制御手段４を通過したトナーＴを記録媒体手段３に付着させるため、バイアス電源手段８からのバイアス電圧Ｖｐが印加される。この記録媒体手段３は、この上に一度画像を形成し、その後紙に転写する中間転写記録媒体、あるいは、記録紙であってもよい。この記録媒体手段３に対するバイアス電圧Ｖｐの印加は、例えば記録媒体手段３の背面側（トナー担持体１と反対側面）に背面電極３１を配置し、この背面電極３１上面に記録媒体手段３を通過させる構成、あるいは、中間転写記録媒体であれば内部に電極を埋め込んだ構成（記録媒体手段側の電極を内部電極とする構成）又は中間転写記録媒体の背面に背面電極３１を配置した構成とすることができる。

ここで、トナー担持体１表面のトナーをクラウド化する手段として、トナー担持体１表面に設けられた複数の電極１１を備え、各電極１１に平均電位Ｖｓのパルス電圧を印加する。このとき、隣接する電極１１相互の間でトナーＴを吸引する方向と反発する方向を交互に繰り返す関係の電圧を印加する２相の電極間ピッチｐ（又は、ｎ本毎の各電極１１にｎ相の位相電圧を印加するｎ相の電極間ピッチ）に対し、トナー担持体１表面とトナー制御手段４のトナー担持体１側面（トナー担持体１側の表面の意味）の間の距離ｄが大きくなる関係（ｐ＜ｄ）でトナー担持体１とトナー制御手段４とを配置している。

つまり、ｐ＞ｄの関係ではトナー担持体１の電極１１表面に形成される飛翔電界がトナー制御手段４のトナー担持体１側表面のＯＮ／ＯＦＦ電界と干渉を起こし、後述するトナー制御手段４のループ電界が乱れるためである。そのため、制御電極４２表面へのトナー付着の発生が起きやすくなる。ｐ＜ｄの条件においては、制御電極４２へトナーが付着することを確実に防止でき、連続したドットを印写しても濃度が変化することなく、良好な画像が得られる。

次に、トナー制御手段４の具体的構成の一例について図３を参照して説明する。なお、
図３（ａ）は同トナー制御手段の印写面側の説明図、（ｂ）は同じくトナー供給側面の説明図である。
この例は、絶縁基板（基材）４５のトナー供給側（トナー担持体１１側）面に、トナー通過穴４１を囲む形で１０〜１００μｍ幅のリング状の制御電極４２を設け、この制御電極４２から２０〜５０μｍの間隔を置いて、つまり、絶縁基材４５で形成される絶縁領域を介して、制御電極４２と同一面に、複数のトナー通過穴４１に共通のバイアス電圧Ｖｇを印加する共通電極４３を設けた構成である。

トナー通過穴４１は、形成するドット径のサイズで決定するが直径φ３０μｍ〜φ１５０μｍである。制御電極４２は個々にトナーＴの通過をＯＮ、ＯＦＦ制御するためのドライバ回路（駆動回路）に接続するためのリードパターン４２ａが接続され、また共通電極４３は共通のリードパターン４３ａに接続されている。また、絶縁基板４５の印写面側（記録媒体手段３側の面）はトナー通過穴４１が開口した状態である。

このように、トナー制御手段の共通電極は、制御電極の外側を絶縁領域を介してリング状に囲む形状である構成とすることで、記録媒体手段側のバイアス電位と制御電極外側の共通電極間に形成する電気力を各トナー通過穴独立の電気力線として形成できるため、マルチ駆動（複数のノズル通過穴からトナーを飛翔させる駆動）のときの相互干渉（他のトナー通過穴の状態を受けること）が発生しない。

また、トナー制御手段の制御電極と共通電極を同一面上形成することで、一回の製造プロセスで同時に形成でき、精度よく低コストに電極を作ることができる。

また、トナー制御手段４の具体的構成の他の例について図４を参照して説明する。なお、図４（ａ）は同トナー制御手段の印写面側の説明図、（ｂ）は同じくトナー供給側面の説明図である。
この例は、絶縁基板（基材）４５のトナー供給側（トナー担持体１１側）面に、トナー通過穴４１を囲む形で１０〜１００μｍ幅のリング状の制御電極４２を設け、この制御電極４２から２０〜５０μｍの絶縁領域の間隔を置いて複数のトナー通過穴４１に共通のバイアス電圧Ｖｇを印加する共通電極４３が空いたスペース全体を覆うようにベタ状に設けられた構成としている。

このように、トナー制御手段の共通電極は、制御電極の外側に絶縁領域を介してベタ状に設けられている構成、つまり、共通電極を制御電極の外側領域全体にわたり形成することで、記録媒体手段側のバイアス電位の電界をシールドすることができ、かつ制御電極へのトナー付着低減、およびトナーの利用効率向上を図れる。

このようなトナー制御手段４の具体的製造方法は、基材４５である絶縁性部材として、コスト、製造プロセスの観点から樹脂フィルム、例えば、ポリイミド、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＥＳ等で、厚さは３０μｍ〜１００μｍのものを使用し、まずフィルム面に０．２μｍ〜１μｍのＡｌ蒸着膜を形成する。次に、フォトリソ工程で、フォトレジストをスピンナで塗布後、プリベーク、マスク露光を行ない、現像した後、フォトレジストの加熱硬化を進めた後、Ａｌエッチング液によるＡｌのパタンニングを行う。フィルムの裏面にも電極パターンが必要な場合は上記と同様に可能であるが、穴加工用のマスクとして使用するパターンを裏面に形成してもよい。トナー通過穴４１となる貫通穴の形成は、パターン形成後プレスによる機械的な加工、または裏面に形成したパターンを利用したエキシマレーザー加工、またはスパッタエッチング加工等のドライエッチング加工によれば、位置ずれの無い高精度な穴加工が可能である。

このように構成した画像形成装置においては、トナー担持体１の電極１１に対して平均電位Ｖｓのパルス電圧を印加することによって、トナー担持体１上でトナーＴが飛翔してクラウド化され、トナー担持体１の回転又は進行波電界による搬送によってトナーＴが搬送される。一方、記録媒体手段３側の背面電極３１に印写バイアス電圧Ｖｐが印加される。

この状態で、トナー制御手段４の共通電極４３に対して電圧Ｖｇを印加し、制御電極４２に対してトナーＴがトナー通過穴４１を通過可能な状態（ＯＮ状態）にするときには図２に示すＯＮ時の電圧Ｖｃ-onを印加し、トナーＴがトナー通過穴４１を通過不可能な状態（ＯＦＦ状態）にするときには図２に示すＯＦＦ時の電圧Ｖｃ-offを印加する。

この場合、これらの各電極１１，３１，４２，４３に対する電圧を後述するように設定することで、トナー制御手段４をトナー担持体１のトナーＴが記録媒体手段３に向かって通過可能な状態にするときに、記録媒体手段３側とトナー制御手段４の共通電極５３との間にトナーの通過を制御する制御電極４２を迂回してループ状に電気力線１０が形成される。

これにより、トナー担持体１上でクラウド化しているトナーは電気力線１０による電界に乗ってトナー制御手段４のトナー通過穴４１を通過して記録媒体手段３上に着弾する。したがって、画像に応じてトナー制御手段４１の各トナー通過穴４１をＯＮ／ＯＦＦ制御（開閉制御）することで、記録媒体手段３上に直接トナー画像を形成することができる。そして、記録媒体手段３側とトナー制御手段４の共通電極４３との間にトナーの通過を制御する制御電極４２を迂回してループ状に電気力線１０が形成されることから、制御電極４２やトナー通過穴４１周辺へのトナーの付着が低減され、またトナーをクラウド化していることでトナーの利用効率が向上する。

そこで、トナー担持体１の電極１１に対する電圧の平均電位Ｖｓ、記録媒体手段３側のバイアス電圧Ｖｐ、トナー制御手段４の制御電極４２に対する制御パルス電圧Ｖｃ、共通電極４３に対する電圧Ｖｇについて、図５をも参照して説明する。なお、図５は、トナー担持体１、トナー制御手段４、記録媒体手段３の二次元断面電界強度分布のシミュレーション結果に基づくトナー通過穴を通過する電気力線を示す説明図である。

トナー担持体１の電極１１には平均電位Ｖｓのパルス電圧（電位が時間的に変動する電位）を印加する。この場合、バイアス電圧の波高値は電極ピッチ、使用するトナー等に応じて設定する。例えば、±６０〜±３００Ｖｐｐ（ｐｐはピーク−ピーク）の範囲内で設定することが好ましく、ここでは、±１５０Ｖｐｐ、ＤＣ電圧成分０Ｖの電圧を印加している。したがって、トナー制御手段４に対するトナー担持体側１側のＤＣバイアスとしては０Ｖであり、平均電位Ｖｓ＝０Ｖとなる。なお、トナー担持体１とトナー制御手段４の間隔ｄは０．３ｍｍとしている。

また、この例では、トナー制御手段４のトナー通過穴４１の直径φ１００μｍ、リング状の制御電極４２の穴中心方向の幅は３０μｍ、制御電極４２は共通電極４３の間隔は５０μｍである。

このトナー制御手段４の共通電極４３へのバイアスＶｇはＤＣ−１２５Ｖであり、トナー担持体１への平均電位Ｖｓのパルス電圧との関係はトナーＴを常にトナー担持体１側へ向ける方向のバイアスであるため、この共通電極４３面へのトナー付着はない。

そして、トナー制御手段４の制御電極４２には、トナーＴがトナー通過穴４１を通過可能な状態（ＯＮ状態）にする場合、制御パルス電圧Ｖｃ-onは＋５０Ｖ、トナーＴを通過させる時以外の阻止状態の（通過不可能な状態にする）場合の電圧Ｖｃ-offは−１２５Ｖとしている。記録媒体手段３の背面電極３１へのバイアス電圧Ｖｐはトナー制御手段４と記録媒体手段３との間隔にもよるが、例えば＋２００〜＋１５００ＶのＤＣ電圧を印加すればよい。ここでは、トナー制御手段４と記録媒体手段３との間隔０．３ｍｍとしてＤＣ＋３００Ｖを印加し、マイナス帯電トナーを記録媒体手段３の表面にを引き寄せる電位勾配としている。

各電極１１、４２，４３、３１に印加する電位の関係を以上のように設定することで、マイナスに帯電したトナーをトナー通過穴３１を通過可能な状態にする場合においては、最もプラス側に電位が高い記録媒体手段３側の電極３１から出る電気力線のうち、トナー制御手段４のトナー通過穴４１を通る電気力線の多くが、トナー通過穴４１を通過した後、一番電位の低い共通電極４３に入ることになる。このとき、近接した距離にあるトナー制御手段４の制御電極４２と共通電極４３にも１７５Ｖの電位があるため、その間にも強い電気力線が生じる。

そのため、図５（ａ）に示すように、トナーＴがトナー通過穴４１を通過可能な状態（ＯＮ状態）にしたときには、先の記録媒体手段３側の電極３１からトナー通過穴４１を通る電気力線１０は、制御電極４２に入ること無く（制御電極４２を迂回して）、−１２５Ｖと最も電位の低い共通電極４３に多くが入るため、ループ状に拡がった形状となる。つまり、記録媒体手段３側とトナー制御手段４の共通電極４３との間に制御電極４２を迂回してループ状に電気力線１０が形成される。

したがって、トナー担持体１上でクラウド状態にあるマイナス帯電トナーＴがこの電気力線１０に沿ってトナー通過穴４１を通過し、記録媒体手段３の表面に多くのトナーＴが移動することができる。

このとき制御電極４２には＋５０Ｖが印加され、トナー担持体１の０Ｖとの関係は、トナーＴを制御電極４２へ吸着する関係にあるため、本来であればこの＋５０Ｖが印加されている間に制御電極４２表面にトナーが付着するはずであるが、図５（ａ）のシミュレーションの結果から分かる様に、＋５０Ｖが印加されている制御電極４２上方を記録媒体手段３側電極からトナー通過穴４１を通って共通電極４３に入る電気力線１０が覆っているため、制御電極４１へトナーＴが付着することが防止される。

一方、トナーＴがトナー通過穴４１を通過不可能な阻止状態（ＯＦＦ状態）にした場合、制御電極４２には−１２５Ｖが印加され、共通電極４３に対する電位と同じ電位であり、トナー担持体１の電位０Ｖとの関係は、トナーＴをトナー担持体１側に反発する関係であり、トナー制御手段４へのトナーＴの付着はないし、図５（ｂ）に示すように記録媒体手段３側電極からの電気力がトナー通過穴４１を通り抜ける電気力線もないため、トナーＴがトナー通過穴４１を通過することもなく、地汚れ画像は発生しない。なお、阻止状態（ＯＦＦ状態）の制御電極４２への印加電圧は共通電極４３の電位と同じ電位である必要はなく、よりマイナス側の電位であってもトナーＴの通過を阻止する（ＯＦＦ状態にする）ことはできる。

このように、トナーを飛翔させ、クラウド化して担持するトナー担持体と、トナーが付着させられる記録媒体手段と、トナー担持体と記録媒体手段との間に配置された複数のトナー通過穴を有するトナー制御手段と、を備え、トナー制御手段は、トナー担持体側表面に、トナー通過穴の周囲及び穴内壁の少なくともいずれかにトナーの通過を制御する制御電極が設けられ、この制御電極の外側に複数のトナー通過穴に共通の共通電極が設けられ、トナー制御手段のトナー通過穴をトナー担持体のトナーが記録媒体手段に向かって通過可能な状態にするとき、記録媒体手段側とトナー制御手段の共通電極との間に制御電極を迂回してループ状に電気力線が形成されることにより、トナーを吸引する電位が印加される制御電極表面やその周囲へのトナー付着を大幅に低減でき、トナーの通過のオン／オフの制御を安定して行うことができるとともに、記録媒体手段側のバイアス電位と制御電極外側の共通電極間に形成される電気力線はトナー担持体側ではトナー通過穴の径より大きく広がり、クラウド化されたトナーを広範囲に捕獲して印写面側に向けて飛翔させることが可能となってトナーの利用効率が上がり、印刷濃度の確保、印刷速度の向上を図れる。

また、各電極に印加する電位の関係として、トナー担持体１の電極１１のＤＣバイアスとして−５０Ｖ、パルスの波高値を＋１５０Ｖ〜−１５０Ｖとして、±１５０Ｖpp−５０ＶＤＣを印加すると、平均電位Ｖｓは−５０Ｖとなる。そして、トナー制御手段４の制御電極４２のトナー通過ＯＮ時の電位Ｖｃ-onが０Ｖ、トナー通過ＯＦＦ時の電位Ｖｃ-offが−１７５Ｖであっても、上述した例と等価である。この場合、制御電極４２に印加する電圧Ｖｃが０〜−１７５Ｖの一極性電圧のＯＮ、ＯＦＦであるため、ドライバ回路の構成が簡単になりコスト的にも有利である。

このように、上述したトナー通過ＯＮ時に各電極に対して印加する電位の関係を、次のように設定することで、記録媒体手段側とトナー制御手段の共通電極との間に制御電極を迂回してループ状に電気力線を形成することができる。

つまり、トナー担持体１の電極１１に対し時間的に変動する平均電位Ｖｓの電位を印加し、トナー制御手段４の制御電極４２に対しトナーがトナー通過穴４１を通過可能な状態にするときに電圧Ｖｃ-onを、トナーがトナー通過穴４１を通過不可能な状態にするときに電圧Ｖｃ-offを印加し、共通電極４３に電圧Ｖｇを印加し、トナー制御手段４を通過したトナーを記録媒体手段３に導いてトナーを付着させるために記録媒体手段３側にバイアス電圧Ｖｐを印加するとき、
トナーがトナー通過穴４１を通過可能な状態にするときの各電位の関係は、
Ｖｐ＞Ｖｃ-on＞Ｖｓ＞Ｖｇ
とし、トナーが負帯電トナーの場合はバイアス電圧Ｖｐがプラス電位側に高くなる関係、正帯電トナーの場合はバイアス電圧Ｖｐがマイナス電位側に高くなる設定とする。

また、この場合、トナーがトナー通過穴４１を通過不可能な状態にするときの各電位の関係は、
Ｖｓ＞Ｖｇ であり、且つ、Ｖｓ＞Ｖｃ-off
であって、トナーが負帯電トナーの場合は平均電位Ｖｓがプラス電位側に高くなる関係、正帯電トナーの場合は平均電位Ｖｓがマイナス電位側に高くなる設定とすることが好ましい。

各電極１１、４２、４３、３１に対する電位の関係を上述した関係に設定することにより、記録媒体手段側のバイアス電位とトナー担持体の電位間に直接形成される電気力線が低減され、記録媒体手段側のバイアス電位と制御電極外側の共通電極間に電気力を形成することができ、これにより、トナーを吸引する電位が印加される制御電極へのトナー付着を大幅に低減できて、制御電位が安定する。また、記録媒体手段側のバイアス電位と制御電極外側の共通電極間に形成される電気力線は、トナー供給側ではトナー通過穴の径より大きく広がるため、クラウド化されたトナーを広範囲に捕獲して印写面側に向けて飛翔させることが可能となり、トナーの利用効率が上がり、印刷濃度の確保、印刷速度の向上を図ることができる。さらに、トナー制御手段の共通電極はトナーを常に反発する関係の電位にあるため、トナーの付着が発生することがなく、共通電極の電位を一定に保つことが可能となり信頼性の高い画像形成装置を実現できる。

さらに、高速印刷のためにトナー担持体１表面のトナー量が多くなった場合、また帯電電荷量が大きいトナーを使用して印刷を行う場合は、トナーが有する電荷によるトナー電位を無視できなくなり、各電極に印加する電位決定に考慮が必要となる。

具体的に説明すると、トナー担持体１表面の供給トナー量ｍ/Ａｍｇ／ｃｍ^２に対するトナー電位の変化は図６に示すようになる。ここでは、トナーはマイナスに帯電したトナーの例であり、トナー担持体１表面の単位面積当たりのトナー量が増加するに従って、制御電極４２側からみた表面電位はマイナス電位に上昇する。そして、供給したトナーがトナー担持体１表面に単に付着したままの電位Ｖｏに対して、トナー担持体１表面の電極に電圧を印加してトナーが電極１１相互の電気力線に沿って上下の飛翔を繰り返すクラウド状態の電位Ｖｔは大きく上昇する。これは、トナーがトナー担持体１表面より上方の空間にある方が、個々のトナーの周囲に対する結合静電容量が小さくなり、その結果電位が上昇するためである。

このクラウド状態のトナー電位Ｖｔの測定は、トナー担持体１表面の各電極１１にパルス電圧を印加しながら、供給したトナーをクラウド状態にしてその上方に表面電位計を設定することで、容易に測定することができる。具体的には、クラウド化を起こすパルスを印加して、後述する一成分、または二成分ローラからトナーを供給しながらトナー担持体１を回転、又は進行波パルスでトナーを搬送し、トナー制御手段４が設定される位置にてトナー担持体１表面から２ｍｍ程度上方に表面電位計を設置して測定する。図６の結果は、帯電電荷量が−１５〜−２５μＣ／ｇのトナー供給した場合のＶｏ、そのトナーを飛翔高さが表面近傍から２００μｍの範囲でクラウド状態にした場合のトナー電位Ｖｔの場合の例である。

この図６に示す各供給トナー量においてトナー制御手段４によりトナーの通過のＯＮ／ＯＦＦ制御を行って印刷を行った結果、トナー制御手段４の電極４２、４３表面に付着したトナー量を評価した結果を図７に示している。この図７の結果において、供給トナー量が少ない領域は電極４２、４３へのトナー付着はないが、供給トナー量が増加して０．９ｍｇ／ｃｍ^２はトナー電位Ｖｔが−８０Ｖとなり、制御電極４２へのトナー付着が起き始める。

これは、等価的にトナー担持体１の電位がマイナス側に電位上昇してトナー制御手段４の共通電極４２との電位差が小さくなった結果、記録媒体手段３側電極から出てトナー通過穴４２を通る電気力線のうち、トナー担持体１に直接入る電気力線が増加し、共通電極４３へ入るループ状の電気力線が減ったためである。すなわち、ループ状の電気力線が少なくなると、飛翔エネルギーの高いトナーがループ状の電気力線に乗って印写面の方向に飛翔することなく、ＯＮ電圧が印加されている制御電極４２まで飛翔するためである。

さらに、供給トナー量が増加して１．２ｍｇ／ｃｍ^２超えると、トナー電位Ｖｔは−１２０Ｖ以上の値となる。この領域では、トナー制御手段４の共通電極４３のバイアス電位Ｖｇ（−１２５Ｖ）との電位差がなくなり、飛翔エネルギーを有するトナーが共通電極４３まで到達し始めてトナー付着が起きた結果である。また、制御電極４２へのトナー付着量も増えてくる。

これらのトナー付着は、定期的な電極クリーニングの頻度を上げることで、使用できないことはないが、画質低下が発生する。トナー付着が発生しない条件であれば、連続印刷においても画像濃度が低下することなく、信頼性の高い画像記録装置が可能となる。

そこで、トナー量が多い場合、また帯電電荷量が大きいトナーを使用して画像を形成する場合は、各電極に対する電位を、次の条件で設定することで、電極へのトナー付着回避、トナー利用効率の向上で画像濃度が低下することなく高速印刷が可能になる。

すなわち、電荷を有するトナーがトナー担持体１表面から飛翔してクラウド状態にある制御電極４２側からみたトナー電位をＶｔとしたとき（その他は上記の条件と同じ）、トナーの通過をＯＮさせる場合の各電位の関係は、
Ｖｐ＞Ｖｃ-on＞（Ｖｓ＋Ｖｔ）＞Ｖｇ
と、負帯電トナーの場合はＶｐがプラス電位側に高くなる関係、正帯電トナーの場合はＶｐがマイナス電位側に高くなる設定とする。

また、トナーの通過をＯＦＦさせる場合の各電位の関係は、
（Ｖｓ＋Ｖｔ）＞Ｖｇ であり、且つ、（Ｖｓ＋Ｖｔ）＞Ｖｃ-off
と、負帯電トナーの場合は（Ｖs＋Ｖt）がプラス電位側に高くなる関係、正帯電トナーの場合は（Ｖs＋Ｖt）がマイナス電位側に高くなる関係に設定する。

各電極１１、４２、４３、３１に対する電位を上記のように設定する、つまり、トナー供給側の電位として、トナー担持体表面のトナーが飛翔することによる電位も考慮して各電極電位を適正に設定することで、印刷速度が速い供給トナー量が多い場合、またトナーの帯電電荷量が大きい場合においても、制御電極などへのトナー付着の低減、トナー利用効率の向上を図れ、高濃度、高速印刷の画像形成装置を実現することができる。この場合、トナーをクラウド化していない（パルスを印加していない）状態でも、上述した電位の関係に設定することで、制御電極などにトナー付着が発生しないため、信頼性が向上する。

次に、トナー担持体１の電極間ピッチｐとトナー担持体１とトナー制御手段４のトナー供給側面との距離ｄとの関係について図８及び図９をも参照して説明する。
前述したように、トナー担持体１は、表面側に所定の間隔で配設された複数の電極１１を有し、隣接電極相互の間でトナーを吸引する方向の電位（これを「Ａ相」とする。）と反発する方向の電位（これを「Ｂ相」とする。）を交互に繰り返す関係の電圧が印加されることで飛翔電界が形成され、帯電トナーＴが反発力と吸引力を受けて上下方向（担持体表面から離れる方向及び近づく方向）への飛翔を繰り返し、トナー担持体１表面でクラウド化される。

このとき、トナーの飛翔に作用する電界としてトナーがトナー担持体１表面に吸着が起きない電界強度としては、通常使用するトナーで（２Ｅ＋６）Ｖ／ｍ以上、好ましい電界としては（４Ｅ＋６）Ｖ／ｍ以上あればよいことが実験的にも確認されている。

このように、トナー担持体１表面の複数の電極１１に対して１本おきを共通とした２組の電極群にクラウドパルス（トナーをクラウド化する平均電位Ｖｓのパルス電圧の意味）を印加するが、電極１１表面で同じ電界強度を得るためには、使用する電極の幅、間隔に応じた電圧値を印加することになる。この場合、電極幅、間隔が大きい程、高い位置まで電界が及ぶことになる。これは、電極表面の電界強度が同じでも、電極幅、間隔が大きい方が高い位置までトナーが飛翔することにもなる。

例えば、隣接電極１１、１１間における最短距離部の電界強度が（４Ｅ＋６）Ｖ／ｍとなる例として、
２相電極ピッチｐが１２０μm（幅、間隔が ３０μm）の場合、電極間電位差が１２０Ｖ
２相電極ピッチｐが２４０μm（幅、間隔が ６０μm）の場合、電極間電位差が２４０Ｖ
２相電極ピッチｐが４８０μm（幅、間隔が１２０μm）の場合、電極間電位差が４８０Ｖ
２相電極ピッチｐが７２０μm（幅、間隔が１８０μm）の場合、電極間電位差が７２０Ｖ
を印加する。ここで、電極ピッチｐとは、図９に示すように、Ａ相用電極とＢ相用電極の２相分の電極を１ピッチとしている。また、電極幅、間隔はトナー粒径の概略３〜３０倍、例えばトナー粒径が５μmの場合１５〜１５０μmが通常の使用範囲である。

図８はは上記条件で、各２相電極ピッチをパラメータとして電極幅中央位置から上方（垂直方向）の電界強度を計算した結果である。縦軸の電界強度がマイナスの値であるのは、負帯電トナーを反発する方向の電位（隣接に対して低電位）が印加された電極上方の電界強度の結果を示している。ここで、電極表面の電界強度はいずれも同じ値、中央部電界強度が（−２.５Ｅ＋６）Ｖ／ｍであるが、電極表面から高さ方向の電界強度を比較した場合、電極ピッチが大きい程強くなる。

そして、電極の上方向において、２相電極ピッチｐが１２０μｍの場合、上方１００〜１２０μｍ以上ではほぼ電界強度がゼロになる。同様に、２相電極ピッチｐが２４０μｍの場合は上方２００〜２４０μｍ以上、２相電極ピッチが４８０μｍの場合は上方３５０〜４００μｍ以上、２相電極ピッチｐが７２０μｍの場合は上方５００〜６００μｍ以上で電界強度がほぼゼロになる。

このように、電極ピッチｐの大きさに応じて高さ方向の電界強度が０になる位置は高くなる。そこで、電極ピッチｐと、トナー担持体１とトナー制御手段４１のトナー供給側面との距離ｄとの関係を変化させて、実際のドット品質について評価した結果、ｐ≦ｄの関係に設定することで良好な画像品質が得られることが判明した。

つまり、ｐ＞ｄにおいては、印写初期はドットが形成されるが連続した印写ではドットのかすれ、ドット抜けが発生するが、これは、ｐ＞ｄでトナー担持体１の電極１１表面に形成される飛翔電界がトナー制御手段４の表面のＯＮ／ＯＦＦ電界と干渉を起こし、前述したトナー制御手段４のループ電界が乱れ、制御電極４２表面へのトナー付着の発生が生じると考えられる。これに対し、ｐ≦ｄの条件においては、制御電極４２へトナーが付着することなく、連続したドットを印写しても濃度が変化することなく、良好な画像が得られる。

したがって、電極に印加する２相の電極間ピッチｐに対してトナー担持体表面とトナー制御手段のトナー担持体側面の間の距離ｄが大きい構成とする。これにより、記録媒体手段側の印写バイアスからトナー制御手段の共通電極に向けて形成されるループ状電気力線を強いものとし、クラウド化されたトナーを印写面に向けてより多く飛翔させることができ、高速、高品質のドット形成が可能となる。

なお、上記の例では、トナー担持体表面の複数の電極にクラウドパルスを印加してトナーがクラウド状態にある場合の条件について説明したが、トナーを飛翔させていない状態の制御電極側からみたトナーによる電位をＶｔとしたとき前記と同条件に設定することで、電極へのトナー付着を回避する効果がある。つまり、クラウドパルスの印加をＯＦＦしてトナーのクラウドが無い状態においても、僅かなトナーが浮遊している。この僅かな浮遊トナーの電位は無視できるが、トナー担持体表面に着地して乗っているトナー電位があり、この電位Ｖｔを考慮した（Ｖｓ＋Ｖｔ）も前記と同条件の範囲に設定することで、同じ効果が得られる。

上述したように、本発明では、トナー担持体表面のトナーを飛翔させてクラウド化する手段に時間的に変動する電位を印加する。例えば、トナーの供給はトナーを搬送供給するトナー担持体の表面にトナーを搬送する方向と直交する方向に所定ピッチで設けられた複数の電極を有するトナー担持体から供給する。ここで、トナー制御手段の共通電極がない場合、各電極への電位の設定が上述した範囲に無い場合は、電極へのトナー付着が急速に発生する等、信頼性の低下は避けられない。また、クラウド化したトナーの利用効率が非常に低下するため、画像濃度の確保、高速印刷の画像形成装置を達成することはできなくなる。

次に、本発明に係る画像形成装置の一例について図１０を参照して説明する。なお、図１０は同画像形成装置の模式的構成図である。
この画像形成装置は、前述した実施形態のユニットを４個設けてイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色分のトナーのクラウド化とトナー制御手段によるＯＮ／ＯＦＦ制御を行ってカラー画像を形成する画像形成装置の例である。

つまり、この画像形成装置は、記録媒体手段である中間転写記録体１０３に沿って、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色分のトナーのクラウド化して供給する４個のトナー供給ユニット１００ｙ、１０１ｍ、１０１ｃ、１０１ｋ（色を区別しないときは「トナー供給ユニット１００」という。以下同様。）を配置し、各トナー供給ユニット１００と中間転写記録体１０３との間に、それぞれ前記実施形態のトナー制御手段４と同様な構成のトナー制御手段１０４を配置している。

ここで、中間転写記録体１０３は、２つのローラ１３２、１３３との間に掛け回されて矢示方向に周回移動する。この中間転写記録体１０３の背面（内側）には各トナー供給ユニット１００に対応して記録媒体手段側電極である背面電極１３１が配置されている。また、転写後の中間転写記録体１０３上の残トナーを除去するクリーニングユニット１３５が備えられる。

トナー供給ユニット１００は、トナーをクラウド化させるために電圧を印加する複数の電極１１１を並べて配置したトナー担持体１と同様な構成の円筒状のトナー担持体１０１と、このトナー担持体１０１にトナーを補給する回転するトナー補給ローラ１１３と、トナー担持体１０１上のトナー量を規制するブレード１１４を備えている。

ここでは、トナー補給ローラ１１３からトナー担持体１０１にトナーが補給されるとともに、トナー補給ローラ１１３上のトナーとトナー担持体１０１との摩擦によってトナーの摩擦帯電が行われる。また、トナー補給ローラ１１３の下流側のブレード１１４は、トナー担持体１０１表面のトナー量を薄層で一定量にするとともに、トナー帯電量の安定化も図っている。

そして、トナー供給ユニット１００で供給されるトナーがトナー制御手段１０４によって画像に応じてＯＮ／ＯＦＦ制御されることで中間転写記録体１０３上に飛翔され、中間転写記録体１０３上にカラーのトナー画像が形成される。

一方、下方に記録紙１５０を収容する給紙部１０５が配置され、給紙部１０５から記録紙１５０がピックアップローラ（給紙ローラ）１０６で給紙されて、中間転写記録体１０３を掛け回したローラ１３２に対向して配置した転写ローラ１０７で中間転写記録体１０３上のトナー画像が転写され、定着ユニット１０８でトナーが記録紙１５０上に溶融定着されて排紙される。

なお、ここでは図示していないが、記録紙１５０の裏面側の転写ローラ１０７に＋バイアスが印加されることで中間転写記録体１０３から記録紙１５０面へのトナー画像の転写が行われる。また、上述したように中間転写記録体１０３はクリーニングユニット１３５で残トナーがクリーニングされて、次の画像形成が行われる。

このように、この画像形成装置は、中間転写記録体に４色画像を形成した後、給紙部から供給される記録紙に転写を行う中間転写記録方式である。この中間転写記録方式の場合は、印写面（トナーが着弾する面、画像形成面ともいう。）とトナー制御手段との間隔を一定に保つ精度確保が容易であり、トナー飛翔速度が低い条件で高画質化を図ることができる。また、平滑で体積抵抗率の調整によって電荷が蓄積しない、電位変動のない印写面が得られ、クラウド化したトナーの通過のＯＮ／ＯＦＦで直接印刷する画像形成装置は電位に対する感度が高く、印写面バイアス電位の変動に対して画質変動が発生しやすいが、この構成であれば信頼性の高い、高画質のカラー画像を得ることができる。

次に、本発明に係る画像形成装置の他の例について図１１を参照して説明する。なお、図１１は同画像形成装置の模式的構成図である。
この画像形成装置は、記録媒体手段を記録紙として、記録紙上に直接画像を形成する例である。つまり、ここでは、給紙部１０５から供給される記録紙１５０を紙搬送ベルト１６１に静電的に吸着してトナー供給ユニット１００の領域を通過させ、トナー制御手段１０４の画像に応じたＯＮ／ＯＦＦ制御によって記録紙１５０上に直接カラー画像を形成する。

なお、紙搬送ベルト１６１は、ポリイミド等から形成され、２つのローラ１６２、１６３に掛け回されて矢示方向に周回移動し、図示しない帯電ローラなどの帯電手段によって帯電されることで記録紙１５０を静電的に吸着保持して搬送する。なお、給紙部１０５から記録紙１５０を紙搬送ベルト１６１に導くためのガイド１６４、レジストローラ１６５なども配置されている。

この構成では、トナー通過を制御するトナー制御手段１０４と通過後のトナーを記録紙１５０に導くためのバイアスを印加する背面電極１３１の間にポリイミド等の紙搬送ベルト１６１及び記録紙１５０があるため、トナー制御手段１０４と背面電極１３１の間隔を非常に狭く設定することが難しいが、他方、記録紙１５０上に直接カラー画像を形成し、転写プロセスがないため、転写によるトナー散りで画質低下することがなくなる。

また、前記図１０で説明した構成のようなベルトクリーニング機構を必要としないこと等もあり、小型、低コストの画像形成装置の実現に有利である。トナーをクラウド化する本構成では、印写面バイアスを低い設定にしてトナーを導くことも可能であるため、紙面へのトナーの着弾スピードも低く設定でき、トナーの散りが起きない高画質の画像形成装置を得ることができる。

次に、上述した画像形成装置で用いるトナー担持体の一例について図１２を参照して説明する。なお、図１２（ａ）はトナー担持体を展開した状態で示す模式的平面説明図、図１２（ｂ）は同じく模式的断面説明図である。
この例は、トナー担持体表面に複数の電極を設け、１本おきの２組を共通にした２相用電極を備え、１８０°位相の異なる２相パルス（図１３参照）を印加して、隣接電極同士で吸引と反発を繰り返す２相電界を形成するトナー担持体の例である。

このトナー担持体１０１は、絶縁性基板１０１Ａの表面上に複数の電極１１１としてＡ相用電極１１１Ａと、Ｂ相用電極１１１Ｂとを設け、その上に表面保護層１０１Ｂを設けたものである。櫛歯状の電極１１１Ａ、１１１Ｂは、トナーの搬送方向と直交する方向に微細なピッチに並行に設け、両サイドには共通のバスライン１１１Ａａ、１１１Ｂａで外部の図示しない２相パルス発生回路にそれぞれ接続されている。

電極１１１Ａ、１１１Ｂに印加するパルス電圧は、周波数が０．５ＫＨｚ〜７ＫＨｚ、ＤＣ電圧をバイアスに含むパルス電圧であるが、その波高値は±６０〜±３００Ｖ等、電極幅、電極間隔に応じたパルス電圧を印加する。この２相電界の場合は、隣接同士の電界方向の切り替わりに応じてトナーの反発飛翔と吸引飛翔を繰り返し、トナーは相互の電極間を往復移動する。そして、トナー担持体１０１全体は、トナーを搬送する方向に回転移動するものである。

このように、トナー担持体表面のトナーを飛翔させてクラウド化する手段が、トナー担持体表面にトナーの搬送方向と直交する方向に長く延びて所定の間隔で配設された複数の電極を有し、各電極に印加する電圧は隣接電極相互の間でトナーを吸引する方向と反発する方向を交互に繰り返す関係の電圧を印加し、トナー担持体が回転移動することでトナーの搬送とクラウド化を行う構成とすることで、トナー担持体表面のトナーの搬送に関して、トナーの帯電品質に左右されない安定なトナーの搬送が可能となり、装置全体としても信頼性の高い画像形成装置を実現できる。

このトナー担持体１０１の具体的構成において、ベース基板である絶縁性基板１０１Ａは、例えば、樹脂或いはセラミックス等の絶縁性材料からなるもの、或いは、アルミなどの導電性材料からなる基材にＳｉＯ_２等の絶縁膜を成膜したもの、ポリイミドフィルムなどのフレキシブルに変形可能な材料からなるものなどを用いることができる。また、電極１１１は、ベース基板上にＡｌ、Ｎｉ−Ｃｒ等の導電性材料を０．１〜１μｍ厚さで成膜し、フォトリソ技術等を用いて所要の電極形状にパターン化して形成、または銅箔を積層、メッキ等で形成した後フォトリソでパターン化してもよい。

表面保護層１０１Ｂとしては、例えば、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＴｉＮ、Ｔａ_２Ｏ_５などを厚さ０．５〜２μｍで蒸着成膜して形成、またはポリカーボネート、ポリイミド、メチルメタアクリレート等の有機材料を２〜１０μｍ厚に薄膜印刷塗布して加熱硬化したものでもよい。

このように構成したトナー担持体においては、駆動回路から飛翔用のパルスを印加して飛翔電界を形成することで、トナー担持体上の帯電したトナーは反発力及び／又は吸引力を受けて上下方向への飛翔、進行波方向への搬送が行われる。

次に、上記画像形成装置におけるトナー供給ユニット１００の具体的な構成の一例について図１４を参照して説明する。
このトナー供給ユニット１００は、磁性キャリアと非磁性トナーから成る二成分記録剤を用いる例である。記録剤収容部２０１は２つの室２０１Ａ、２０１Ｂに分けられており、トナー供給ユニット１００内の両端部の記録剤通路（図示せず）によって繋がっている。記録剤収容部２０１には二成分記録剤が収容されており、各室２０１Ａ、２０１Ｂにある攪拌搬送スクリュー２０２Ａ、２０２Ｂによって攪拌されながら記録剤収容部２０１内を搬送されている。

記録剤収容部２０１の室２０１Ａにはトナー補給口２０３が配置されており、図示しないトナー収容部からトナー補給口２０３を通って、記録剤収容部２０１内に補給される。記録剤収容部２０１には記録剤の透磁率を検知する図示しないトナー濃度センサが設置されており、記録剤の濃度を検知している。記録剤収容部２０１のトナー濃度が減少すると、トナー補給口２０３から記録剤収容部２０１内にトナーが補給される。

そして、攪拌搬送スクリュー２０２Ｂと対向する位置には、トナー補給ローラとしてのマグブラシローラ２０４が配置されている。マグブラシローラ２０４の内部には固定された磁石が配置されおり、マグブラシローラ２０４の回転と磁力によって、記録剤収容部２０１内の記録剤はマグブラシローラ２０４表面に汲み上げられる。記録剤の汲み上げ位置よりマグブラシローラ２０４の回転方向上流において、マグブラシローラ２０４と対向する位置に記録剤層規制部材２０５が設けられている。

汲み上げ位置で汲み上げたれた記録剤は記録剤層規制部材２０５によって一定量の記録剤層厚に規制される。記録剤層規制部材２０５を通った記録剤はマグブラシローラ２０４の回転に伴って、トナー担持体１０１と対向する位置まで搬送される。マグブラシローラ２０４には、第一電圧印加手段２１１によって供給バイアスが印加されている。

トナー担持体１０１には、第二電圧印加手段２１２によって前述した図１１或いは図１３に示す電圧が電極１１１に印加されている。マグブラシローラ２０４と対向する位置においては、第一、第二電圧印加手段２１１、２１２によってトナー担持体１０１とマグブラシローラ２０４との間に電界が生じている。その電界からの静電気力を受け、トナーはキャリアから分離し、トナー担持体１０１表面に移動する。トナー担持体１０１表面に達したトナーは、第二電圧印加手段２１２から電極１１１に印加された電圧が形成する電界によってクラウド化し、トナー担持体１０１の回転によって搬送される。

そして、トナー制御手段１０４と対向する位置まで搬送されたトナーは、制御電極４２のトナー通過ＯＮ／ＯＦＦの制御電界により選択的に記録媒体手段側に飛翔されて、トナーのドット印写が制御される。

次に、上記画像形成装置におけるトナー供給ユニット１００の具体的な構成の一例について図１５を参照して説明する。
このトナー供給ユニット１００は、非磁性トナーから成る一成分記録剤を用いる例である。トナーは記録剤収容部２０１に収容されており、帯電ローラ２２０によってトナーはトナー補給ローラ１１３と摩擦帯電を行い、静電気力によってトナー補給ローラ１１３上に汲み上げられる。トナー補給ローラ１１３上のトナーは記録剤層規制部材１１４によって薄層とされ、トナー補給ローラ１１３の回転に伴ってトナー担持体１０１と対向する位置に搬送される。

このとき、トナー補給ローラ１１３には、第一電圧印加手段２２１によって供給バイアスが印加されている。トナー担持体１０１には、第二電圧印加手段２２２によって電極１１１に電圧が印加されている。したがって、トナー担持体１０１と対向する位置においては、第一、第二電圧印加手段２２１、２２２によってトナー担持体１０１とトナー補給ローラ１１３との間に電界が生じ、その電界からの静電気力を受け、トナーはトナー補給ローラ１１３から分離し、トナー担持体１０１表面に移動する。

前記の例と同様に、トナー担持体１０１表面に達したトナーは、第二電圧印加手段２２２から電極１１に印加された電圧が形成する電界によってクラウド化し、トナー担持体１０１の回転によって搬送される。

そして、トナー制御手段１０４と対向する位置まで搬送されたトナーは、制御電極４２のトナー通過ＯＮ／ＯＦＦの制御電界により選択的に記録媒体手段側に飛翔されて、トナーのドット印写が制御される。

なお、これらの各トナー供給ユニット１００において、印写に寄与しなかったトナーはトナー担持体１０１によってさらに搬送され、図示しない回収手段によってトナー担持体１０１表面から回収される。回収されたトナーは再び記録剤収容部２０１に戻され、トナー供給ユニット１００内を循環する。

なお、上記の説明では主に負帯電トナーを例にしているが、正帯電トナーを用いることもできる。

本発明の一実施形態を示す模式的構成図である。 制御電極に印加する制御パルスの一例を示す説明図である。 （ａ）はトナー制御手段の一例を示す印写面側の説明図、（ｂ）は同じくトナー供給側面の説明図である。 （ａ）はトナー制御手段の他の例を示す印写面側の説明図、（ｂ）は同じくトナー供給側面の説明図である。 （ａ）はトナー制御手段がトナー通過可能状態時の二次元断面電界強度分布のシミュレーション結果に基づくトナー通過穴を通過する電気力線を示す説明図、（ｂ）は同じくトナー通過不可能状態時の電気力線を示す線図である。 供給トナー量とトナー電位の関係の一例を示す説明図である。 供給トナー量とトナー制御手段へのトナー付着の関係の説明に供する説明図である。 トナー担持体の電極幅中央から上方への距離に対する電界強度の変化の一例を示す説明図である。 電極間ピッチｐの説明に供する説明図である。 本発明に係る画像形成装置の一例を示す模式的説明図である。 本発明に係る画像形成装置の他の例を示す模式的説明図である。 （ａ）はトナー担持体の一例を展開した状態で示す模式的平面説明図、（ｂ）は同じく模式的断面説明図である。 同トナー担持体の電極に印加するパルス状電圧の一例を示す説明図である。 トナー供給ユニットの一例を示す模式的説明図である。 トナー供給ユニットの他の例を示す模式的説明図である。 従来の直接記録方式の装置の基本構成を示す模式的説明図である。

符号の説明

１…トナー担持体
３…記録媒体手段
４…トナー制御手段
１１…電極
４１…トナー通過穴
４２…制御電極
４３…共通電極
１００…トナー供給ユニット
１０１…トナー担持体
１０３…中間転写記録体
１０４…トナー制御手段
１５０…記録紙

Claims (11)

1. トナーを飛翔させ、クラウド化して担持するトナー担持体と、
   前記トナーが付着させられる記録媒体手段と、
   前記トナー担持体と前記記録媒体手段との間に配置された複数のトナー通過穴を有するトナー制御手段と、を備え、
   前記トナー制御手段は、前記トナー担持体側表面に、前記トナー通過穴の周囲及び穴内壁の少なくともいずれかに前記トナーの通過を制御する制御電極が設けられ、この制御電極の外側に複数の前記トナー通過穴に共通の共通電極が設けられ、
   前記トナー制御手段の前記トナー通過穴を前記トナー担持体の前記トナーが前記記録媒体手段に向かって通過可能な状態にするとき、前記記録媒体手段側と前記トナー制御手段の前記共通電極との間に前記制御電極を迂回してループ状に電気力線が形成され、
   前記トナー担持体は、表面側に所定の間隔で配設された複数の電極を有し、隣接電極相互の間で前記トナーを吸引する方向と反発する方向を交互に繰り返す関係のＡ相及びＢ相の２相の電圧が印加され、前記Ａ相用及びＢ相用の電極間ピッチに対して、前記トナー担持体表面と前記トナー制御手段のトナー担持体側面の間の距離が大きい
   ことを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１に記載の画像形成装置において、
   前記トナー担持体のトナーをクラウド化する手段に対し時間的に変動する平均電位Ｖｓの電圧を印加し、
   前記トナー制御手段の制御電極に対し前記トナーが前記トナー通過穴を通過可能な状態にするときに電圧Ｖｃ-onを、前記トナーが前記トナー通過穴を通過不可能な状態にするときに電圧Ｖｃ-offを印加し、前記共通電極に電圧Ｖｇを印加し、
   前記トナー制御手段を通過したトナーを前記記録媒体手段に導いてトナーを付着させるために前記記録媒体手段側にバイアス電圧Ｖｐを印加するとき、
   前記トナーを通過可能な状態にするときの各電位の関係は、
   Ｖｐ＞Ｖｃ-on＞Ｖｓ＞Ｖｇ
   であって、前記トナーが負帯電トナーの場合は前記バイアス電圧Ｖｐがプラス電位側に高くなる関係、正帯電トナーの場合は前記バイアス電圧Ｖｐがマイナス電位側に高くなる設定であることを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項２に記載の画像形成装置において、前記トナーが前記トナー通過穴を通過不可能な状態にするときの各電位の関係は、
   Ｖｓ＞Ｖｇ であり、且つ、Ｖｓ＞Ｖｃ-off
   であって、前記トナーが負帯電トナーの場合は前記平均電位Ｖｓがプラス電位側に高くなる関係、正帯電トナーの場合は前記平均電位Ｖｓがマイナス電位側に高くなる設定であることを特徴とする画像形成装置。
4. 請求項１に記載の画像形成装置において、
   前記トナー担持体のトナーをクラウド化する手段に対し時間的に変動する平均電位Ｖｓの電圧を印加し、
   前記トナー制御手段の制御電極に対し前記トナーが前記トナー通過穴を通過可能な状態にするときに電圧Ｖｃ-onを、前記トナーが前記トナー通過穴を通過不可能な状態にするときに電圧Ｖｃ-offを印加し、前記共通電極に電圧Ｖｇを印加し、
   前記トナー制御手段を通過したトナーを前記記録媒体手段側に導いてトナーを付着させるために前記記録媒体手段側にバイアス電圧Ｖｐを印加するとき、
   前記トナー担持体の表面に前記トナーが存在している状態で、前記トナー制御手段の制御電極側から前記トナー担持体側を見たときの前記トナーによる電位をＶｔとすると、
   前記トナーが前記トナー通過穴を通過可能な状態にするときの各電位の関係は、
   Ｖｐ＞Ｖｃ-on＞（Ｖｓ＋Ｖｔ）＞Ｖｇ
   であって、前記トナーが負帯電トナーの場合は前記（Ｖｓ＋Ｖｔ）がプラス電位側に高くなる関係、正帯電トナーの場合は前記（Ｖｓ＋Ｖｔ）がマイナス電位側に高くなる設定であることを特徴とする画像形成装置。
5. 請求項４に記載の画像形成装置において、前記トナーが前記トナー通過穴を通過不可能な状態にするときの各電位の関係は、
   （Ｖｓ＋Ｖｔ）＞Ｖｇ であり、且つ、（Ｖｓ＋Ｖｔ）＞Ｖｃ-off
   であって、前記トナーが負帯電トナーの場合は前記電位（Ｖｓ＋Ｖｔ）がプラス電位側に高くなる関係、正帯電トナーの場合は前記電位（Ｖｓ＋Ｖｔ）がマイナス電位側に高くなる設定であることを特徴とする画像形成装置。
6. 請求項１ない５のいずれかに記載の画像形成装置において、前記トナー制御手段の共通電極は、前記制御電極の外側を絶縁領域を介してリング状に囲む形状であることを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項１ない５のいずれかに記載の画像形成装置において、前記トナー制御手段の共通電極は、前記制御電極の外側に絶縁領域を介してベタ状に設けられていることを特徴とする画像形成装置。
8. 請求項１ないし５のいずれかに記載の画像形成装置において、前記トナー制御手段の共通電極は、前記制御電極と同一平面に絶縁領域を介して設けられていることを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項１ないし９のいずれかに記載の画像形成装置において、前記記録媒体手段が記録紙であり、前記記録紙の背面に設けた電極手段にバイアス電圧が印加されることを特徴とする画像形成装置。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の画像形成装置において、前記記録媒体手段が中間転写媒体であり、前記中間転写媒体自体又は中間転写媒体の背面に設けた電極手段にバイアス電圧が印加されることを特徴とする画像形成装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の画像形成装置において、異なる色の前記トナーを重ねて前記記録媒体手段上にカラー画像を形成することを特徴とする画像形成装置。

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