JP3734934B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真式複写機、レーザプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真複写方法や画像記録方法等の画像形成方法を採用した画像形成装置では、感光体等の像担持体上に静電潜像を形成し、この静電潜像を現像装置で現像してトナー像化している。そして、この種の画像形成装置には、像担持体上のトナー像をそのまま像担持体上に固定するもの、像担持体上のトナー像を転写紙等の転写材に転写し、しかる後に当該転写材上に固定するもの、像担持体上のトナー像を中間転写ベルト等の中間転写体に転写し、更に当該中間転写体から転写材に転写した後に当該転写材上に固定するものなどがある。像担持体上の静電潜像を顕像化する現像装置としては、トナー及びキャリアからなる２成分現像剤を用いるとともに、像担持体と現像剤担持体とが対向する現像領域に交番電界を有する現像バイアス電界を形成して現像を行うものが知られている。
【０００３】
２成分現像剤を用いる２成分現像は、電子写真やその他の粉体トナーを用いた画像形成方法において、特に高速対応性に優れた現像方式として知られ、とりわけ複写機やレーザープリンタ等の商品分野において、主流の技術として使われている。この２成分現像方式では、現像剤担持体たる磁石内蔵非磁性スリーブの表面に、現像剤を保持・搬送し、現像剤をブラシ状にして（所謂磁気ブラシ）像担持体に接触乃至近接して、静電潜像が形成された像担持体と電気的バイアスが印加されたスリーブとの間の電界によってトナーが潜像面に選択的に付着することで、現像が行われる。発明者らの研究によれば、特に周期的な波形を有するバイアスをスリーブに印加した場合には、より忠実に潜像にトナーを付着させることができることが明らかになっている。
【０００４】
２成分現像剤を構成するキャリアは磁性体で、スリーブ内部の磁石によってスリーブ表面上に保持され、搬送される。一方、トナーはキャリアと接触することによって電荷をもち、キャリアとともに運動し、静電潜像に応じて像担持体に転移して消費される。通常その消費量に対応したトナーが現像装置へ新たに補給される。キャリアは現像装置内にとどまって、補給されたトナーと混合され、トナーの搬送と帯電に寄与する。キャリアの種類には、鉄粉、フェライト、マグネタイト等の磁性体の芯材を樹脂でコートしたものや、樹脂（バインダ）中にマグネタイト微粉等を分散させたもの等がある。これらコート材やバインダによってキャリアの抵抗が適当な値に制御され、キャリアの耐久性が向上する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、キャリアは現像装置の長時間の稼動によってストレスを受け、コート材が削れたり、トナーを構成する物質の一部が付着（スペント）したりする。コーティングキャリアのコート層が削れ或いは剥がれると、キャリア抵抗が下がり、スリーブに印加する現像バイアスが像担持体にリークするようになって、現像バイアスが維持できなくなり、現像ができなくなる。また像担持体上の静電潜像が破壊される。一方、キャリアがスペントすると、トナーの帯電量が下がり、地肌部にトナーが付着したり、トナー飛散が発生したりする一方、画像部にはトナーが十分に付着しにくくなる。これらの状態ではキャリアを使用し続けることが困難になり、そのようになるまでの時間を一般にキャリアの寿命と称する。現像剤の長時間使用によりキャリアのコート層削れ乃至剥がれが起こるか、スペントが起こるかは、トナー及びキャリアの材料的特性に依存し、両者が同時に進行する場合もありうる。いずれにせよ、現像剤の劣化は避けることができないものであるが、それによる画像品質の変動を放置しておくことはできない。
【０００６】
２成分現像剤を用いるとともに現像現像領域に交番電界を有した現像バイアス電界を形成して現像を行う現像装置を採用した画像形成装置において、キャリアの抵抗変化による画像品質の低下を防止するために、例えば特開平５−６６６５４号公報においては、像担持体上に基準トナー像を形成し、それを光学センサで読み取ってエッジ強調度合いを検出し、その結果に応じて周期的バイアスのピーク間電圧値を変更することが提案されている。また特開平６−２１４４５１号公報では、現像装置中のトナーの帯電量や、像担持体上のトナー付着量や、現像剤のトナー濃度や、現像装置中の現像剤の電気抵抗等を検出し、その結果に応じて交流成分を含む現像バイアスを制御することが提案されている。
【０００７】
これらの技術は、いずれも２成分現像剤の劣化状態を何らかの特性値で推定する方法である。しかしながら、これらの特性の測定値にばらつきが入り込むことは避けられず、劣化状態の推定の精度を低下させることがある。場合によっては制御系の暴走を引き起こすことがある。ばらつきの要因としては、（劣化を含む）検出手段の故障、環境条件による検出値の変動、検出手段の取り付け位置のずれ、電磁波による検出値へのノイズなど、様々なものが考えられ、これらが複合して影響する可能性もある。その結果、現像剤の状態に適合しない画像形成条件が設定され、画像濃度の過不足、地肌部へのトナー付着やキャリア付着、エッジ部の抜け、磁気ブラシによる掃き目の出現など、様々な画像劣化現象を引き起こす。更には装置の構成部品を摩耗させたり、飛散トナーで汚染させたりすることが重なると、画像形成装置を故障させ、寿命を短縮化することもある。
【０００８】
本発明は、以上の従来の不具合を解決するものであり、現像剤の種類が変わった場合でも、その劣化に拘わらず画像品質を一定に保持することができる画像形成装置を案出することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明によれば、光導電性を有する像担持体と、当該像担持体へ静電潜像を形成する潜像形成装置と、２成分現像剤を保持搬送する現像剤担持体を有し、上記像担持体に形成された静電潜像に対して当該現像剤担持体上のトナーを選択的に付着させて現像する現像装置と、上記現像剤担持体に周期的に変化する現像バイアスを印加する現像バイアス電源とを備えてなる画像形成装置において、更に、上記現像装置の積算動作時間を記憶する記憶手段と、現像剤の抵抗が積算動作時間に応じて変化することを示す現像剤情報を予め格納する手段と、これら記憶手段と現像剤情報格納手段の情報から現像バイアスのピーク間電圧値を含む現像パラメータを設定する現像バイアスパラメータ設定手段とを備え、上記現像バイアス電源は現像バイアスパラメータ設定手段の出力情報に基づいた現像バイアスを現像剤担持体に印加するように構成することによって、解決される。
【００１０】
着脱自在な上記現像装置に上記記憶手段と上記現像剤情報格納手段とが備えられ、当該現像装置が装着される際にこれら記憶手段と現像剤情報格納手段の情報を読み取るようになっていれば、一層効果的である。またこれとは選択的に、少なくとも上記像担持体と上記現像装置を有する着脱可能なユニットに、上記記憶手段と上記現像剤情報格納手段とが備えられ、当該ユニットが装着される際にこれら記憶手段と現像剤情報格納手段の情報を読み取るようになっていても、同じく効果的である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は画像形成装置の基本的な構成である。中央にドラム状の有機感光体（ＯＰＣ）１があり、矢印方向に回転する。当該感光体１の移動方向に沿って、帯電ローラ２による均一帯電、像露光装置３によるＬＤ光書き込み、現像装置４に収納されているトナーによる現像、転写装置５による転写材への転写、クリーニング装置６による感光体１上のクリーニング、と画像形成プロセスが進み、転写材は感光体１から分離された後、定着装置７にてトナー定着される。
【００１２】
発明者の研究の結果、２成分現像剤に対して適当な周期的バイアス（交流バイアス）を印加すると、ドットの集中度が高まり、画像の均一性、その他総合的な品質が向上することが明らかになった。その効果の一例として図２を示す。このグラフは現像装置の現像剤担持体（以下、スリーブという）に矩形波を増幅したバイアスを印加し、ドットの均一性を評価した結果を示すものであり、横軸に矩形波バイアスのピーク間電圧、縦軸にドット面積のばらつき（標準偏差を平均値で割ったもの）をとってある。なお、ドット面積は金属顕微鏡によって拡大した映像をＣＣＤカメラで読み取り、画像データに変換して、画像解析ソフトウェアによって検出した。用いた現像剤はＡ，Ｂの２種類で、これらはトナーが共通で、キャリアは共通の芯材（マグネタイト）に対してコート層（シリコーン樹脂）の厚さを０．４μｍ（Ａ）、０．８μｍ（Ｂ）としたものである。図２によれば、ピーク間電圧が大きいほど、ドット面積のばらつきが小さくなり、画像の均一感が向上していることが判る。
【００１３】
２種類の現像剤Ａ，Ｂの違いを明らかにするため、それら抵抗の測定を行った。測定方法としては、円柱状の容器に現像剤サンプルを入れ、所定条件でパッキングした後、底面間に電圧を印加して、流れる電流値から抵抗を求めた。結果を図３に示す。他のサンプルのデータから、印加電圧に対して抵抗が低下していく傾向は一般的なものであることが明らかになっている。
【００１４】
図２と図３の実験結果から、現像剤の抵抗が大きくなった場合には交流バイアスのピーク間電圧値Ｖppを大きく、現像剤の抵抗が小さくなった場合にはピーク間電圧Ｖppを小さくするように制御すれば、常に一定のドット均一性が得られることが推測される。別の見方をすれば、抵抗が一定になるように印加電圧を変えることで画質の安定をもたらすことができる。
【００１５】
図４は現像剤を強制的に攪拌し、その時間と特定の印加電圧での抵抗値の関係を表したものである。曲線Ｉは攪拌時間とともに抵抗が下がる傾向を示し、曲線IIはその逆である。キャリアを分析すると、曲線Ｉのものは次第にコート層の厚さが攪拌とともに削れていくもので、曲線IIのものはスペントが起こるタイプのものであることが判った。
【００１６】
以上のように、現像剤の種類によって抵抗の変化の仕方が異なる。本発明では、現像装置に使用可能なそれぞれの現像剤について、その抵抗が変化する傾向を予めプログラム化しておき、それに応じて現像バイアスの振動成分のピーク間電圧値を変更するようにする。現像剤を交換する場合、新しい現像剤の劣化（抵抗の変化）のパターンも同時に切り替えることにより、あらゆる種類の現像剤に対して常に最適な現像バイアスを印加して、画像品質を一定に保持することができる。
【００１７】
以下に具体的な構成例について説明する。図５は現像装置の断面図である。現像装置４は公知のように、現像スリーブ（現像剤担持体）、ドクターブレード、内部磁石、攪拌部材などからなる。現像スリーブ１１は非磁性の導電性部材で構成され、表面はサンドブラストなどで適度な凹凸が設けられている。現像スリーブ１１は矢印方向に回転し、内部には複数の固定磁石１３が設けられている。現像スリーブ１１には後述のようにバイアス電源１６から現像バイアスが印加されるようになっている。現像剤溜りには現像剤を互いに逆方向に（紙面に垂直な双方向）移動させる２本の攪拌部材１４が配設されている。また現像スリーブ近傍には現像領域への現像剤搬送量を規制するためのドクターブレード１２が設けられている。
【００１８】
トナーが消費されると、これに相当する量のトナーが不図示のトナーボトルから補給される。補給されたトナーは上記攪拌部材１４によって現像装置内の現像剤と混合される。２本の攪拌部材１４によって搬送された現像剤は、現像スリーブ近傍に達したとき、内部磁石１３の作用で現像スリーブ１１に汲み上げられる。ドクターブレード１２の下流側で現像剤の対流現象が起こり、トナーとキャリアとが均一に混合され、トナーが十分且つ均一に帯電される。またドクターブレード１２と現像スリーブ１１の間のギャップにより、現像領域に搬送される現像剤の量が一定になる。
【００１９】
現像領域、言い換えれば、現像スリーブ１１からトナーが静電潜像形成された像担持体１へ移動しうる領域では、磁石１３によって形成された磁気ブラシが像担持体１に接触し、現像スリーブ１１の電圧と像担持体１の静電潜像との間で形成された電界によってトナーが像担持体側へ移動する。
【００２０】
図６は現像スリーブに印加する現像バイアスの波形を示したものである。横軸は時間、縦軸はトナーが像担持体に向かう力を受ける方向を上側にとった電圧値である。トナーが像担持体に向かう最大の力を受けるときの電圧値をＶ1、トナーが現像スリーブ１１に向かう最大の力を受けるときの電圧値をＶ0とし、Ｖ1が持続する時間をｔ1、周期をｔ2とする。電圧値の積分平均Ｖaは通常のＤＣバイアスと同じく−５００Ｖ〜−７００Ｖ程度に設定される。ただし、Ｖa＝Ｖ0＋（Ｖ1−Ｖ0）ｔ1／ｔ2である。
【００２１】
現像剤としては、例えば、粒径５０μｍのフェライト粒子を芯材とし、その表面をシリコーン樹脂でコートしたキャリアと、質量平均粒径が７．５μｍでカーボンブラックで着色されている熱可塑性樹脂を主成分とするトナーとを、トナー濃度５wt％（質量比でキャリア：トナーが９５：５）で混合したものを用いる。
【００２２】
現像剤を現像装置に最初にセットするとき、あるいは現像剤を全て交換するときは、サービスマンやユーザたる作業者が現像剤情報を入力する手続きをして始めて装置の動作が可能になるように、制御システムが組まれている。
【００２３】
図７は画像形成装置の制御のブロック図である。カウンタはプリント枚数あるいは装置の累積動作時間を出力し、全体制御部へ送る。全体制御部は現像剤情報格納部からのデータとカウンタの出力データに基づいてバイアスパラメータを算出し、バイアス電源に送る。バイアス電源では、そのデータに基づいて周期的バイアスのピーク間電圧値を設定し、波形を形成し、高電圧に増幅して所定のタイミングで現像装置の現像スリーブに印加する。
【００２４】
図８は上記全体制御部が行う制御内容のフローチャートである。現像装置に現像剤がセットされているかどうかを、例えば光学素子や圧電素子等を用いて検出し、セットされていなければセットされるまでは作動せず、セットされていれば現像剤情報が入力済みかどうか確認し、入力されていなければ入力を要求する。続いて現像剤情報とカウンタを読み取り、その関係からバイアスパラメータ（ピーク間電圧値）を決めて、バイアス電源へ出力する。次いで制御を画像形成シーケンス制御部へわたして画像形成シーケンスが行われる。
【００２５】
現像バイアス電源は、現像バイアスとして積分平均値Ｖaが−６００ｖ、振動成分が周波数５ｋＨｚ、デューティ比が２０％に固定され、ピーク間電圧が全体制御部から示された値に設定される。その範囲は１ｋｖから３ｋｖの範囲が好ましい。
【００２６】
以上のような構成の画像形成装置に２種類の現像剤Ｉ、IIをセットした場合の作用を説明する。現像剤Ｉは繰り返し使用することによってキャリアのコート層が削れていくことで劣化するものである（図４のＩに相当）。この現像剤を現像装置にセットした直後、オペレータはテンキーから現像剤の型名を入力する。その結果、テーブルが参照され、現像剤情報としてメモリに格納される。この現像剤情報は累積の動作時間と設定すべき現像バイアスのパラメータの関係となっている。この場合、現像剤が使用されるにつれて、次第に低いピーク間電圧となるようにバイアス値が設定されている。その結果、常にドット均一性が一定に維持される。現像剤IIは繰り返し使用することによってキャリアがスペントされていって劣化するものである（図４のIIに相当）。同様にこの現像剤を現像装置にセットした直後にテンキーを操作することにより、現像剤情報がメモリに入力される。現像剤情報は同様に累積の動作時間と設定すべき現像バイアスのパラメータの関係となっている。この場合、現像剤が使用されるにつれて次第に高いピーク間電圧となるようにバイアス値が設定される。その結果、常に一定のドット均一性となる。
【００２７】
以上で説明したように、この実施例によれば、現像剤の劣化のパターンと現在の劣化状態の推定から、適正なバイアスを形成して印加するので、ドット均一性等の画像品質を常に一定の状態に保持することができる。ここにおいて、現像剤の抵抗等、実際の物性値を検出せず、予め得られたデータから推定しているので、検出誤差等が入り込む余地がなく、安定した制御を実現することができる。
【００２８】
また上記構成の画像形成装置において、現像装置が単独で着脱可能に構成されていてもよい。図９に示すように、上記例で説明したプリント枚数又は現像装置４の累積動作時間を記憶するカウンタと、現像剤の劣化パターンを記憶する現像剤情報格納部は不揮発性の記憶手段１８で構成されていて、現像装置と一体で着脱される。現像装置４が装着されると、上記記憶手段１８がコネクタを介して画像形成装置本体側に接続され、図７に関して説明したと同様の回路が形成される。以下の動作は上記の例と同様である。この実施形態においては、上記の例と同様の作用・効果があるほか、現像装置の入れ替えで、途中別種の現像剤を用いた場合でも、それぞれの現像装置内の現像剤劣化パターンと劣化状態が、現像装置と一体の不揮発性記憶手段に記憶されているので、それらを誤差なく検出し、それに応じた現像バイアスを印加できるので、どの場合でも一定の画像品質を得ることができる。
【００２９】
また上記構成の画像形成装置において、現像装置と像担持体が一体型の作像ユニットを構成していて、本体に対して着脱可能に構成されていてもよい。図１０に示すように、上記最初の例で説明したプリント枚数又は現像装置の累積動作時間を記憶するカウンタと、現像剤の劣化パターンを記憶する現像剤情報格納部は不揮発性の記憶手段２０で構成されていて、作像ユニット２２と一体で着脱される。作像ユニット２２が装着されると、上記記憶手段２０がコネクタを介して画像形成装置本体側に接続され、図７に関して説明したと同様の回路が形成される。以下の動作は上記最初の例と同様である。この実施形態においては、上記最初の例と同様の作用・効果があるほか、作像ユニットの入れ替えにより、途中別種の現像剤を用いた場合でも、それぞれの現像ユニットの現像剤劣化パターンと劣化状態が、現像ユニットと一体の不揮発性記憶手段に記憶されているので、それらを誤差なく検出し、それに応じた現像バイアスを印加できるので、どの場合でも一定の画像品質を得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によって、現像剤の抵抗が積算動作時間に応じて変化することを示す現像剤情報を予め格納する手段と、現像装置の積算動作時間を記憶する記憶手段と、これら記憶手段と現像剤情報格納手段の情報から現像バイアスのピーク間電圧値を含む現像パラメータを設定する現像バイアスパラメータ設定手段とを備え、現像バイアス電源は現像バイアスパラメータ設定手段の出力情報に基づいた現像バイアスを現像剤担持体に印加するように構成されているので、現像剤の劣化パターンと現状の劣化状態を推定し、それらに応じたバイアスを印加することによって、現像剤の種類が変わった場合でも、画像品質を常に一定に維持することができる。
【００３１】
請求項２や３に係る発明では、異なる種類の現像剤が収納されている現像装置乃至作像ユニットが途中で使用されることになっても、現像装置乃至作像ユニットに記憶手段が一体化されているので、使用中の現像剤の劣化パターンと劣化度合いに応じたバイアスを印加することができ、画質を常に一定に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像形成装置の基本的な概略構成図である。
【図２】現像装置の現像剤担持体にバイアスを印加してドットの均一性を評価したグラフである。
【図３】２種類の現像剤での、図２に対応するピーク間電圧に対する抵抗変化を示すグラフである。
【図４】現像剤を強制撹拌しながら、その撹拌時間と特定の印加電圧での抵抗値の関係を示すグラフである。
【図５】現像装置の概略断面図である。
【図６】現像スリーブに印加される現像バイアスの波形を示すグラフである。
【図７】画像形成装置の制御ブロック図である。
【図８】全体制御部が行う制御内容のフローチャートである。
【図９】着脱可能な現像装置の概略斜視図である。
【図１０】像担持体と現像装置が一体の着脱可能ユニットの概略構成図である。
【符号の説明】
１ 像担持体
４ 現像装置
１１ 現像スリーブ
１２ ドクターブレード
１３ 磁石
１４ 撹拌部材
１６ バイアス電源

Claims (3)

1. 光導電性を有する像担持体と、
   当該像担持体へ静電潜像を形成する潜像形成装置と、
   ２成分現像剤を保持搬送する現像剤担持体を有し、上記像担持体に形成された静電潜像に対して当該現像剤担持体上のトナーを選択的に付着させて現像する現像装置と、
   上記現像剤担持体に周期的に変化する現像バイアスを印加する現像バイアス電源と
   を備えてなる画像形成装置において、更に
   上記現像装置の積算動作時間を記憶する記憶手段と、
   現像剤の抵抗が積算動作時間に応じて変化することを示す現像剤情報を予め格納する手段と、
   これら記憶手段と現像剤情報格納手段の情報から現像バイアスのピーク間電圧値を含む現像パラメータを設定する現像バイアスパラメータ設定手段と
   を備え、上記現像バイアス電源は現像バイアスパラメータ設定手段の出力情報に基づいた現像バイアスを現像剤担持体に印加すること
   を特徴とする画像形成装置。
2. 着脱自在な上記現像装置に上記記憶手段と上記現像剤情報格納手段とが備えられ、当該現像装置が装着される際にこれら記憶手段と現像剤情報格納手段の情報を読み取るようになっていることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 少なくとも上記像担持体と上記現像装置を有する着脱可能なユニットに、上記記憶手段と上記現像剤情報格納手段とが備えられ、当該ユニットが装着される際にこれら記憶手段と現像剤情報格納手段の情報を読み取るようになっていることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。

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