JP4453766B2 - 画像形成装置および画像形成方法 - Google Patents

Description

この発明は、プリンタ、複写機、ファクシミリ装置などの、静電潜像担持体の表面に静電潜像を形成し、さらに現像手段に現像バイアスを与えてその静電潜像をトナーにより顕像化してトナー像を形成する画像形成装置および画像形成方法に関するものである。

この種の画像形成装置の一例として、負帯電トナーを用いるレーザービームプリンタの主要部を図８に示す。この画像形成装置では、静電潜像担持体２０たる感光体の表面が負の表面電位Ｖoに帯電されており、その表面に露光手段たる半導体レーザー６０からの光ＬＬが照射されると、照射された部分の電荷の一部が中和されてその表面電位がＶonに変化する。このように、光ＬＬを画像信号に対応させてオン・オフしながら感光体上を走査露光することにより、図８（ｂ）に示すように、画像信号に対応して画像部に対応する表面領域の電位がＶon（≠Ｖo）となる一方、非画像部に対応する表面領域の電位は帯電直後の表面電位Ｖoから暗減衰によりＶd（｜Ｖd｜≦｜Ｖo｜）まで減衰し、こうして画像信号に対応する静電潜像が静電潜像担持体２０上に形成される。

こうして形成された静電潜像は、静電潜像担持体２０の矢印方向への回転によって現像手段を構成する現像ローラ４０と対向する現像位置Ｐに搬送される。この現像ローラ４０には負に帯電したトナーが担持されるとともに、静電潜像担持体２０の画像部へのトナー付着を促進すべく現像バイアスＶbが与えられている。この現像バイアスＶbの電位は、図８（ｂ）に示すように、非画像部電位Ｖdと画像部電位Ｖonとの間の値に設定されており、したがって現像位置Ｐにおいて、非画像部では静電潜像担持体２０の表面が現像ローラ４０より低電位となっているのに対し、画像部では静電潜像担持体２０の表面が現像ローラ４０より高電位となっている。そのため、現像ローラ４０に担持された負帯電トナーのうち画像部に対向する位置にあるトナーは静電気力によって静電潜像担持体２０側に移行される一方、非画像部に対向する位置にあるトナーに対しては現像ローラ４０側に引き寄せる方向の力が作用することとなる。このように、画像部にのみトナーを付着させることによって、静電潜像担持体２０上の静電潜像がトナーにより顕像化される。

このようにしてトナー像を形成する画像形成プロセスにおいては、照射光ＬＬの露光エネルギー、非画像部電位Ｖd、画像部電位Ｖon、現像バイアス電位Ｖbのそれぞれが最終的なトナー像の画像濃度に大きく影響を及ぼすことが知られており、これらのパラメータのうちいくつかを画像濃度制御因子として適宜調節することによって画像濃度を最適化する技術が従来より数多く提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１００４７１号公報

ところで、実際の画像形成プロセスにおいてはこれらのパラメータが相互に関連しながらトナー像が形成されてゆくため、必ずしもこれらを独立にかつ任意に制御できるわけではない。なかでも、現像バイアス電位Ｖbと非画像部電位Ｖdとの相対的な電位関係は、単に画像の濃淡のみならず、以下に述べるように、得られるトナー像の画像品質や装置内部へのトナー飛散量に対しても大きな影響を及ぼすため、より画像品質の良好なトナー像を形成するためにはこれらの値を適切に設定することが重要となる。

なお、本明細書では、この現像バイアス電位Ｖbと非画像部電位Ｖdとの電位差の絶対値を逆コントラスト電位Ｖrと称する。すなわち、逆コントラスト電位Ｖr＝｜Ｖb−Ｖd｜である。

ここで、上記電位関係による影響について検討するために、まず最初に、現像バイアス電位Ｖbを非画像部電位Ｖdのレベルに近づけて逆コントラスト電位Ｖrを小さくした場合を考える。このとき、画像部電位Ｖonと現像バイアス電位Ｖbとの間の電位差、つまりコントラスト電位（＝｜Ｖb−Ｖon｜）が大きくなり、画像部においては現像ローラ４０から静電潜像担持体２０へのトナー移行が促進されるため、高い画像濃度を得ることができる。しかしながら、その一方で、静電潜像担持体２０の非画像部においては現像ローラ４０との電位差が小さくなっているため、余剰のトナーを現像ローラ４０側に引き戻す作用は弱くなっている。そのため、現像ローラ４０から遊離して装置内部に飛散するトナーの量が増加することとなる。

一方、現像バイアス電位Ｖbはそのままで非画像部電位Ｖdの絶対値を大きくし逆コントラスト電位Ｖrを大きくすると、装置内部へのトナー飛散量を少なくすることができるものの、静電潜像担持体２０の非画像部に保持された負電荷が負帯電トナーを斥ける力が強くなるため、図８に示すような、静電潜像のうち特に非画像部に挟まれた狭い領域の画像部にはトナーが付着しにくくなり、その結果、孤立ドットや細線がかすれたり、線幅の均一性が損なわれるなど、ドットの面積率が比較的低い低濃度画像での画像品質の劣化を招くこととなる。

このように、トナー飛散を抑制するためには逆コントラスト電位Ｖrを大きくするのが好ましいのに対し、細線の均一性などの画像品質を確保するためには逆コントラスト電位Ｖrを小さくしたいという相反する要求があり、装置内部へのトナー飛散を抑制しつつ画質の良好な画像形成を行うためには、逆コントラスト電位Ｖrが常に適正値となるように、現像バイアス電位Ｖb等のパラメータを設定する必要がある。

しかしながら、画像濃度の調節を目的としてこれらのパラメータを可変制御している従来の画像形成装置においては上記のような問題が考慮されておらず、したがって、画質の良好な画像を安定して形成する上で改善の余地が大きく残されていた。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、装置内へのトナー飛散を防止しながら画質の良好なトナー像を安定して形成することのできる画像形成装置および画像形成方法を提供することを目的とする。

この発明にかかる画像形成装置は、上記目的を達成するため、所定の表面電位に帯電された感光体と、前記感光体表面に向けて光ビームを照射して、前記感光体表面のうち画像部に対応する表面領域の画像部電位と、非画像部に対応する表面領域の非画像部電位とを互いに相違させることによって該表面に静電潜像を形成する露光手段と、与えられる現像バイアス電位に応じて、前記静電潜像をトナーにより顕像化してトナー像を形成する現像手段と、前記トナー像を形成するときに、前記現像バイアス電位と前記非画像部電位との電位差が一定となるように制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記現像バイアス電位と前記非画像部電位との電位差を前記トナー像を形成するときと同じ値に保ちながら前記現像バイアス電位を多段階に変更設定し、各設定値で形成したパッチ画像の濃度に基づいて画像濃度に影響を与える画像濃度制御因子としての前記現像バイアス電位を最適化し、前記現像バイアス電位を最適値に設定するとともに、該現像バイアス電位の最適値と前記非画像部電位との電位差が前記トナー像を形成するときと同じ値となるように前記非画像部電位を設定して、前記光ビームのエネルギー密度を多段階に変更設定し、各設定値で形成したパッチ画像としてのパッチ画像全体に対するドットの面積率が２０％以下である孤立ドットライン画像の濃度に基づいて画像濃度に影響を与える画像濃度制御因子としての前記光ビームのエネルギー密度を最適化することを特徴としている。

このように構成された発明では、現像バイアス電位と非画像部電位との間の電位差、すなわち逆コントラスト電位が一定に保たれた状態で画像形成が行われるので、逆コントラスト電位を常に適正値に保持することが可能となっており、そのため、装置内部へのトナー飛散を効果的に抑制しつつ、画像品質の良好なトナー像を形成することができる。また、前記現像バイアス電位と前記非画像部電位との電位差をトナー像形成時と同じ一定値に保ちながら現像バイアス電位を変化させて形成したパッチ画像の濃度に基づいて現像バイアス電位を最適化するとともに、こうして最適化された現像バイアス電位および非画像部電位の下で光ビームのエネルギー密度を最適化する。そのため、トナー飛散の抑制と良好な画像品質とを両立させながら、さらにトナー像の画像濃度の最適化を図ることができる。

ここで、光ビームのエネルギー密度を最適化する際に形成されるパッチ画像は、パッチ画像全体に対するドットの面積率が２０％以下の孤立ドットライン画像である。このようなパッチ画像では、静電潜像において隣接するライン間相互の干渉がないため露光エネルギーの大小による画像濃度の差が明確に現れるので、露光エネルギーの最適値を精度よく求めることができる。また、前記現像バイアス電位を最適化する際に形成されるパッチ画像が、パッチ画像全体に対するドットの面積率が８０％以上の画像であるとしてもよい。パッチ画像全体に対するドットの面積率が８０％以上であるような高濃度パッチ画像では、露光エネルギーの大小による濃度の違いが現れにくい。

所定の帯電バイアスを印加されて前記感光体表面を所定の初期表面電位に帯電させる帯電ユニットをさらに備え、前記制御手段は、暗減衰によって前記初期表面電位から減衰した後の前記感光体の表面電位を前記非画像部電位として、該非画像部電位と前記現像バイアスとの電位差が一定となるように、前記帯電バイアスを制御するようにしてもよい。帯電バイアスの大きさと感光体の初期表面電位および暗減衰による減衰量は既知であるため、帯電ユニットの帯電バイアスを制御することで所望の非画像部電位を得ることができ、これにより現像バイアス電位と非画像部電位との電位差を常に一定値に保つことができる。

また、前記現像手段によって前記感光体上に形成された所定のトナー像、あるいは当該トナー像が転写媒体に転写されてなるトナー像をパッチ画像としてその画像濃度を検出する濃度検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記濃度検出手段の検出結果に基づいて、前記画像濃度制御因子を最適化するようにしてもよい。このように、実際に形成したパッチ画像の画像濃度に基づいて画像濃度制御因子を調節することによって、通常の画像形成動作時に近い状態で画像濃度の調節を行うことができるので、その結果、得られるトナー像の画像濃度をより精度よく調節することができる。

前記制御手段は、前記濃度検出手段によって各パッチ画像の画像濃度を求め、その画像濃度が予め設定された目標画像濃度に最も近くなる現像バイアス電位をその最適値とすることで前記現像バイアス電位を最適化してもよい。このとき、現像バイアス電位を変更するのに伴って非画像部電位をも変更することによって、逆コントラスト電位を一定に保つことができる。

また、前記制御手段は、前記濃度検出手段によって各パッチ画像の画像濃度を求め、その画像濃度が予め設定された目標画像濃度に最も近くなる光ビームのエネルギー密度をその最適値とすることで前記光ビームのエネルギー密度を最適化してもよい。このとき、現像バイアス電位を先に求めた最適値に設定するとともに、逆コントラスト電位を一定に保つべく非画像電位を設定して形成したパッチ画像を用いることにより、低濃度画像を再現性よく作成することが可能となる。

また、前記現像手段は、ジャンピング現像により前記静電潜像を顕像化してトナー像を形成してもよい。ここで、「ジャンピング現像」とは、非接触状態に保持した現像手段と感光体との間でトナーを飛翔させて感光体上の静電潜像にトナーを付着させる現像方式である。このジャンピング現像方式の画像形成装置では、上記したように現像手段と感光体との間でトナーを飛翔させているため、画像形成時には両者の間でトナーが浮遊した状態となっており、このトナーが周囲に飛散しやすくなっている。したがって、このような装置において逆コントラスト電位を一定に保つことは、画像品質を保持しつつトナー飛散を抑制する上で効果的である。また、トナーの飛翔性を向上させるべく、現像バイアスに交流成分を加えている場合には、その電位の平均値と非画像部電位との電位差を一定に保つようにすればよい。

また、前記現像手段は、互いに異なるトナー色に対応した複数の現像器を備えており、前記複数の現像器を順番に所定の現像位置に位置させて当該トナー色でのトナー像を形成することでカラー画像を形成してもよい。このようなカラー画像形成装置では、トナー色の切替に際して現像器の機械的移動を伴うためトナー飛散が起こりやすく、しかも色再現性のよいカラー画像を得るためには各トナー色による微細なドットをも精度よく安定して形成する必要があるため、このような画像形成装置において逆コントラスト電位を一定に保つことは、画質の良好なトナー像を安定して形成するためにきわめて有効である。

また、前記現像バイアス電位および前記画像部電位の組合せを変更可能となっている場合には、その可変範囲内での前記現像バイアス電位と前記画像部電位との電位差の最大値と最小値との差が３０Ｖ以下、より好ましくは２０Ｖ以下であることが望ましい。というのは、これらの電位差は前述したコントラスト電位であり、このコントラスト電位を可変とすることで画像濃度を調整することが可能であるが、コントラスト電位の変化が画像濃度に与える影響は形成すべき画像の内容、つまりある面積内における画像部と非画像部との比率やその配置によって異なるため、コントラスト電位をあまり大きな範囲で変化させると細線画像での画像濃度の変動が大きくなったり階調再現性が低下するなどの弊害を招くおそれがあるからである。

そこで、上記のように、コントラスト電位の可変幅を３０Ｖ以下、より好ましくは２０Ｖ以下に限定することにより、画像濃度の変動や階調再現性の低下を抑えることが可能となる。

このような画像形成装置としては、感光体表面のうち画像部に相当する領域に光ビームを照射して静電潜像（ネガ潜像）を形成するタイプと、非画像部に相当する領域に光ビームを照射して静電潜像（ポジ潜像）を形成するタイプとがあるが、いずれの装置においても照射する光ビームのエネルギー密度を画像濃度制御因子の１つとして用いることが可能であり、しかも逆コントラスト電位を一定に保つことによって、細線の再現性とトナー飛散の抑制とを両立させつつ画質の良好なトナー像形成を行うことが可能である。なお、上記した前者のタイプでは照射域電位が画像部電位に対応し、光ビームのエネルギー密度を変化させることにより画像部電位を制御するが、後者のタイプでは逆に照射域電位が非画像部電位に対応するので、光ビームのエネルギー密度を変化させることにより非画像部電位を制御することとなる。

また、この発明にかかる画像形成方法は、感光体表面を光ビームにより露光して前記感光体表面のうち画像部に対応する表面領域の画像部電位と、非画像部に対応する表面領域の非画像部電位とを互いに相違させることにより該表面に静電潜像を形成するとともに、前記非画像部電位との電位差が一定となるように現像手段に与える現像バイアス電位を制御しながら、該現像手段によって前記静電潜像をトナーにより顕像化して画像信号に応じたトナー像を形成する画像形成方法であって、上記目的を達成するため、前記現像バイアス電位と前記非画像部電位との電位差を前記トナー像を形成するときと同じ一定値に保持しながら、これらを多段階に変更設定してその都度所定のパッチ画像を形成し、その画像濃度の測定結果に基づいて前記現像バイアス電位を最適化する工程と、前記現像バイアス電位を最適値に設定するとともに、該現像バイアス電位の最適値と前記非画像部電位との電位差が前記トナー像を形成するときと同じ一定値となるように前記非画像部電位を設定して、前記光ビームのエネルギー密度を多段階に変更設定してその都度所定のパッチ画像としてのパッチ画像全体に対するドットの面積率が２０％以下である孤立ドットライン画像を形成し、その画像濃度の測定結果に基づいて前記光ビームのエネルギー密度を最適化する工程とを備え、前記現像バイアス電位および前記光ビームのエネルギー密度を最適化された値に設定して前記トナー像を形成することを特徴としている。

このように構成された画像形成方法では、現像バイアス電位と非画像部電位との電位差、すなわち逆コントラスト電位を一定に保っているので、上記した画像形成装置と同様に、装置内部へのトナーの飛散を抑制しつつ、画像品質の良好なトナー像を安定して形成することが可能である。

さらに、逆コントラスト電位をトナー像形成時と同じ一定値に保持しながら、現像バイアス電位を多段階に変更設定してパッチ画像を形成し、その画像濃度の測定結果に基づいて現像バイアス電位を最適化し、現像バイアス電位をこうして得た最適値に設定するとともに逆コントラスト電位をトナー像形成時と同じ一定値としながら光ビームのエネルギー密度を多段階に変更設定してパッチ画像を形成し、その画像濃度の測定結果に基づいて光ビームのエネルギー密度を最適化する。こうすることで、実際に形成されるパッチ画像の画像濃度に基づいて現像バイアス電位および光ビームのエネルギー密度を最適値に設定することができるので、所望の画像濃度を安定して得ることが可能となる。

図１は、この発明にかかる画像形成装置の一の実施形態を示す図である。また、図２は図１の画像形成装置の電気的構成を示すブロック図である。この画像形成装置は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のトナーを重ね合わせてフルカラー画像を形成したり、ブラック（Ｋ）のトナーのみを用いてモノクロ画像を形成する装置である。この画像形成装置では、ホストコンピュータなどの外部装置から画像信号が制御ユニット１のメインコントローラ１１に与えられると、このメインコントローラ１１からの指令に応じてエンジンコントローラ１２がエンジン部ＥＧの各部を制御してシートＳに画像信号に対応する画像を形成する。

このエンジン部ＥＧでは、感光体２が図１の矢印方向Ｄ1に回転自在に設けられている。また、この感光体２の周りにその回転方向Ｄ1に沿って、感光体２表面を所定の表面電位に帯電させるための帯電ユニット３、現像手段としてのロータリー現像ユニット４およびクリーニング部５がそれぞれ配置されている。帯電ユニット３は帯電バイアス発生部１２１から帯電バイアスが印加されており、感光体２の外周面を表面電位Ｖoに均一に帯電させる。このため、この装置では、帯電バイアスを調整することによって感光体２の表面電位Ｖoを制御可能となっている。

そして、この帯電ユニット３によって帯電された感光体２の外周面に向けて露光ユニット６から光ビームＬが照射される。この露光ユニット６は、図２に示すように、画像信号切換部１２２と電気的に接続されており、この画像信号切換部１２２を介して与えられる画像信号に応じて露光パワー制御部１２３が露光ユニット６を制御し、光ビームＬを感光体２上に露光して感光体２上に画像信号に対応する静電潜像を形成する。例えば、エンジンコントローラ１２のＣＰＵ１２４からの指令に基づき、画像信号切換部１２２がパッチ作成モジュール１２５と導通している際には、パッチ作成モジュール１２５から出力されるパッチ画像信号が露光パワー制御部１２３に与えられてパッチ潜像が形成される。一方、画像信号切換部１２２がメインコントローラ１１のＣＰＵ１１１と導通している際には、ホストコンピュータなどの外部装置よりインターフェース１１２を介して与えられた画像信号に応じて光ビームＬが感光体２上に露光されて画像信号に対応する静電潜像が感光体２上に形成される。このように、この実施形態では、感光体２が静電潜像担持体として機能している。

この画像形成装置では、均一の表面電位Ｖoに帯電した感光体２表面のうち画像部に対応する部分に露光ユニット６からの光ビームＬを照射してその部分の電荷の一部を中和させることによって静電潜像を形成している。したがって、光ビームＬの照射を受けて電位の変化した部分の電位、つまり照射域電位が画像部電位Ｖonに、また光ビームＬの照射を受けなかった部分の電位、すなわち帯電ユニット３によって付与された感光体２の初期表面電位Ｖoが暗減衰により減衰した後の電位が非画像部電位Ｖdに相当する。

こうして形成された静電潜像は現像ユニット４によってトナー現像される。すなわち、この実施形態では現像ユニット４として、ブラック用の現像器４Ｋ、シアン用の現像器４Ｃ、マゼンタ用の現像器４Ｍ、およびイエロー用の現像器４Ｙが軸中心に回転自在に設けられている。そして、これらの現像器４Ｋ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｙは回転位置決めされるとともに、感光体２に対して選択的に当接位置決めされ、現像バイアス発生部１２６によって現像バイアスが印加されて選択された色のトナーを感光体２の表面に付与する。これによって、感光体２上の静電潜像が選択トナー色で顕像化される。

上記のようにして現像ユニット４で現像されたトナー像は、一次転写領域ＴＲ1で転写ユニット７の中間転写ベルト７１上に一次転写される。また、この一次転写領域ＴＲ1の近傍位置では、中間転写ベルト７１の表面に対向してパッチセンサＰＳが本発明の「濃度検出手段」として配置されており、後述するようにして中間転写ベルト７１の外周面に形成されるパッチ画像の光学濃度を測定する。さらに、この一次転写領域ＴＲ1から周方向（図１の回転方向Ｄ1）に進んだ位置には、クリーニング部５が配置されており、一次転写後に感光体２の外周面に残留付着しているトナーを掻き落とす。また、必要に応じて不図示の除電部にて、感光体２の表面電位がリセットされる。

転写ユニット７は、複数のローラに掛け渡された中間転写ベルト７１と、中間転写ベルト７１を回転駆動する駆動部（図示省略）とを備えている。そして、カラー画像をシートＳに転写する場合には、感光体２上に形成される各色のトナー像を中間転写ベルト７１上に重ね合わせてカラー画像を形成するとともに、所定の二次転写領域ＴＲ2において、カセット８から取り出されたシートＳ上にカラー画像を二次転写する。また、こうしてカラー画像が形成されたシートＳは定着ユニット９を経由して装置本体の上面部に設けられた排出トレイ部に搬送される。

なお二次転写後、中間転写ベルト７１は不図示のクリーニング部にて中間転写ベルト７１に残留付着しているトナーが除去される。

なお、図２において、符号１１３はホストコンピュータなどの外部装置よりインターフェース１１２を介して与えられた画像を記憶するためにメインコントローラ１１に設けられた画像メモリであり、符号１２７はＣＰＵ１２４で行う演算プログラム、ＣＰＵ１２４における演算結果、ならびにエンジン部ＥＧを制御するための制御データなどを記憶するためのメモリ（記憶手段）である。

次に、上記のように構成された画像形成装置において実行される画像濃度制御因子の最適化処理について説明する。この画像形成装置では、適当なタイミング、例えば装置電源の投入時などに図３に示す最適化処理を実行することによって、トナー像の画像濃度に影響を与える画像濃度制御因子として露光エネルギーおよび現像バイアスを最適化して各色のトナー像の画像濃度を調整している。

図３は、図１の画像形成装置における画像濃度制御因子の最適化処理を示すフローチャートである。この最適化処理では、各トナー色ごとに、画像濃度制御因子を多段階に変更設定しながらパッチ画像を形成し、そのパッチ画像の画像濃度に基づいて現像バイアス電位Ｖbおよび露光エネルギーＥを最適化している。まず、各トナー色のうち１つ、例えばブラック（Ｋ）を選択しパッチ作成色として設定し（ステップＳ１）、該現像ユニット４Ｋを感光体２に対向する現像位置に位置決めする。次に、後述する現像バイアス最適化処理（ステップＳ２）および露光エネルギー最適化処理（ステップＳ３）を順次行って、ブラック色における現像バイアス電位Ｖbおよび露光エネルギーＥの最適値を求める。こうして１つのトナー色について現像バイアス電位Ｖbおよび露光エネルギーＥの最適値が求まると、引き続き他の現像ユニット４Ｃ、４Ｍ、４Ｙを順次現像位置に位置させて、各トナー色について同様に現像バイアス電位Ｖbおよび露光エネルギーＥの最適値を求め、全トナー色について最適値が求まれば（ステップＳ４）、最適化処理を終了する。

なお、この画像形成装置における画像濃度制御因子の最適化処理においては、まず高濃度画像、すなわちパッチ画像全体に対するドットの面積率の高い画像、例えばベタ画像や面積率８０％以上の画像などをパッチ画像として形成し、その画像濃度に基づいて現像バイアス電位Ｖbの最適値を求めた後に、低濃度パッチ画像を形成してその画像濃度に基づいて露光エネルギーＥの最適値を求めている。その理由は以下の通りである。

すなわち、感光体２の画像部電位Ｖonは、露光エネルギーＥに依存する。まず、感光体２の全面、若しくは比較的広い範囲を光ビームＬで照射した場合、その露光エネルギーＥが感光体２の光減衰特性曲線、いわゆるＰＩＤＣ（Photo Induced Discharge Curve）の電位飽和領域（露光エネルギーＥの変化に対する感光体２の表面電位の変化率が十分小さい領域）に入るほどに大きければ、露光エネルギーＥを変化させても画像部電位Ｖonは概ね一定となる。したがって、同じ現像バイアス電位Ｖbで画像形成を行った場合、コントラスト電位が概ね一定であるため、画像濃度も概ね一定である。一方、低濃度パッチ画像のように、露光される領域が小さくスポット状である場合、露光エネルギーＥを変化させる範囲が上記したＰＩＤＣの電位飽和領域の範囲内であったとしても、露光エネルギーＥが大きくなると画像部に対応する潜像の幅が大きくなる。したがって、同じ現像バイアス条件で画像形成を行っても、露光エネルギーＥの大小により画像濃度は変化することとなる。

そこで、この画像形成装置では、露光エネルギーＥの大小による濃度の違いが比較的少ない高濃度パッチ画像を用いてまず現像バイアスＶbの最適値を求め、その後に低濃度パッチ画像を用いて露光エネルギーＥの最適値を求めている。しかも、後述するように、現像バイアス電位Ｖbと非画像部電位Ｖdとの電位差、すなわち逆コントラスト電位Ｖrを適正値に保持した状態で低濃度パッチ画像を形成しているので、このような低濃度画像を再現性よく作成することが可能となっており、そのためより高い精度で露光エネルギーＥの最適化を行うことができるのである。

なお、前述したように、この実施形態では露光エネルギーＥの大小により画像部電位Ｖonを変化させることができるが、その可変範囲としては、感光体２の表面の比較的広い範囲を照射したときの画像部電位Ｖonの変動が３０Ｖ以下、より好ましくは２０Ｖ以下となるように設定するのが望ましい。こうすることで、露光エネルギーＥの変更に伴うコントラスト電位の変動も３０Ｖ以下、あるいは２０Ｖ以下に抑えられ、画像濃度の変動を最小限とすることができる。

次に、図３のステップＳ２に示した現像バイアス最適化処理について、図４を参照しつつ詳述する。図４は、図１の画像形成装置における現像バイアス最適化処理を示すフローチャートである。この現像バイアス最適化処理では、露光エネルギーＥを例えば最大値に固定し、現像バイアス電位Ｖbと感光体２の表面電位すなわち非画像部電位Ｖdとを、これらの電位差を一定に保ちながら多段階に変更設定してパッチ画像を形成している。

まず、現像バイアス電位Ｖbをその可変範囲における最小値に設定する（ステップＳ２１）。このとき、現像バイアス発生部１２６による現像バイアス電位Ｖbの変更に伴って、常に逆コントラスト電位Ｖrを一定値に保つべく、帯電ユニット３が感光体２の表面電位を制御している。より具体的には、先に述べたように、感光体２の非画像部電位Ｖdは、帯電直後の初期表面電位Ｖoが感光体２の現像位置までの回転移動の間に暗減衰した値となるが、帯電バイアスの大きさと感光体２の表面電位Ｖoとの関係および暗減衰による減衰量は既知であるため、帯電ユニット３の帯電バイアスを制御することで所望の非画像部電位Ｖdを得ることができ、これにより逆コントラスト電位Ｖrを常に一定値に保つことができる。

そして、この条件で高濃度パッチ画像、例えばベタ画像に相当するトナー像を形成する（ステップＳ２２）。次に、現像バイアス電位Ｖbおよびこれに伴って非画像部電位Ｖdを１ステップ増加させて再びパッチ画像を形成し、現像バイアス電位Ｖbがその可変範囲における最大値となるまでこれを繰り返す（ステップＳ２３、Ｓ２４）。こうして形成され中間転写ベルト７１に転写された各現像バイアスでのパッチ画像について、パッチセンサＰＳにより各パッチ画像の画像濃度を測定する（ステップＳ２５）。そして、その画像濃度が予め設定された目標濃度、例えば光学濃度ＯＤ＝１．２に最も近くなる現像バイアスを求め、その値を最適現像バイアスとする（ステップＳ２６）。

このようにして最適現像バイアスを求めた後、引き続いて図５に示す露光エネルギー最適化処理（図３に示すステップＳ３）を行う。図５は、図１の画像形成装置における露光エネルギー最適化処理を示すフローチャートである。この露光エネルギー最適化処理においては、現像バイアス電位Ｖbとして先に求めた最適値を用いるとともに、これに伴い非画像部電位Ｖdを逆コントラスト電位Ｖrが一定となるように設定する（ステップＳ３１）。そして、露光エネルギーＥをその可変範囲の最小値から１ステップずつ増加させながら、各露光エネルギーでパッチ画像を形成する（ステップＳ３２〜Ｓ３５）。

このとき用いるパッチ画像としては、例えば図６に示す１オン５オフの１ドットライン画像ＬＩを用いることができる。というのは、前述したように、露光される領域が小さくスポット状である画像では露光エネルギーＥの大小が画質に与える影響が大きく、中でも図６のような隣接するライン間相互の干渉のない孤立ドットライン画像ＬＩではその差が明確に現れるため、このような画像をパッチ画像として用いることで露光エネルギーＥの最適値を精度よく求めることができるのである。このように好ましい低濃度パッチ画像は、画像全体に対するドットの面積率が２０％以下、さらに好ましくは１６．７％以下の画像である。

なお、先にも述べたように、このような細線画像の画質に対しては、逆コントラスト電位Ｖrの値も大きな影響を及ぼしている。そのため、逆コントラスト電位Ｖrを考慮していない従来の画像形成装置においては、低濃度画像における画像濃度の調整を露光エネルギーＥの制御によって精度よく行うことは困難であった。これに対して、この実施形態では、上記した逆コントラスト電位Ｖrを適正値に保ちながらライン画像ＬＩを形成しており、その画像濃度に基づいて露光エネルギーＥの最適値を求めることによって、より高い精度で露光エネルギーＥを最適化することが可能となっている。

こうして各露光エネルギーでのパッチ画像を形成した後、パッチセンサＰＳにより各パッチ画像の画像濃度を測定し（ステップＳ３６）、その画像濃度が予め設定された目標濃度、例えば光学濃度ＯＤ＝０．３５に最も近くなる露光エネルギーＥを求め、その値を最適露光エネルギーとする（ステップＳ３７）。

こうして求められた各トナー色における最適現像バイアス値および最適露光エネルギー値については、メモリ１２７に記憶しておき、以後の画像形成処理において各トナー色でのトナー像形成を行うときにはこれらの値を随時読み出し、現像バイアス電位Ｖbおよび露光エネルギーＥとして設定する。

なお、このようにして中間転写ベルト７１上に形成された各パッチ画像は、パッチセンサＰＳにより画像濃度が測定された後、図示しないクリーニング部にて中間転写ベルト７１表面から除去される。

以上のように、この実施形態の画像濃度制御因子の最適化処理では、逆コントラスト電位Ｖrを常に一定に保持しながらパッチ画像を形成しており、現像バイアス電位Ｖb等の画像濃度制御因子を種々に変化させた場合でもトナー飛散の抑制と画像品質の確保との両立が図られている。したがって、多量のトナー移行を伴う高濃度パッチ画像を形成するときにもトナーの飛散は少なくなっており、また微小ドットを良好に形成できる状態で低濃度パッチ画像を形成しているのでこのパッチ画像を使用して行う露光エネルギー最適化処理の精度を向上させることができる。

そして、このようにして最適化された現像バイアス電位Ｖbおよび露光エネルギーＥを用いるとともに、逆コントラスト電位Ｖrを一定に保った状態で画像形成を行っているので、この画像形成装置では、細線や微小ドットからなる画像においてもかすれや線幅の不均一などの問題が発生せず、画像品質の優れたトナー像を安定して形成することが可能であると同時に、装置内部へのトナー飛散も効果的に抑制されている。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記した実施形態では、高濃度パッチ画像を用いて現像バイアス電位Ｖbの最適化を行い、その後に低濃度パッチ画像を用いて露光エネルギーＥの最適化を行っているが、さらに画像品質を高めるために、露光エネルギー最適化処理の後に低濃度パッチ画像を形成して再度現像バイアス電位Ｖbの微調整を行うようにしてもよい。また、装置構成を簡略化してコスト低減を図るために、露光エネルギーＥを固定値として、現像バイアス電位Ｖbのみを画像濃度制御因子として用いるようにしてもよい。

これらの場合においても、逆コントラスト電位Ｖrを一定に保ちながら低濃度パッチ画像を形成し、その画像濃度に基づいて最適化処理を行うことによって、装置内部へのトナー飛散を効果的に抑制しながら画像品質の優れたトナー像を安定して形成することが可能となる。

また、上記した実施形態では低濃度パッチ画像として１オン５オフの１ドットライン画像ＬＩを用いているが、低濃度パッチ画像としてはこれに限定されるものではなく、これ以外にも種々のハーフトーン画像やライン画像を用いることができる。例えば、互いに離隔配置された複数の孤立ドットからなる画像を用いてもよく、また上記と異なるオフ本数を有するライン画像を用いてもよい。ただし、極端に低濃度の画像を用いるとパッチセンサＰＳの測定感度の面で問題がある場合があり、また必要以上に高濃度の画像を用いると低濃度での画像品質のチェックが適切に行えないこととなるので、装置の仕様やトナーの特性に応じて形成すべきパッチ画像を適切に設定する必要がある。

また、上記した実施形態における画像濃度制御因子の最適化処理では、画像濃度制御因子としての現像バイアス電位Ｖbまたは露光エネルギーＥを、その最小値から順に１ステップずつ増加させてパッチ画像を形成し、その画像濃度が目標濃度に最も近くなるときの値を最適値としているが、これに限定されるものではなく、例えば、これらの画像濃度制御因子を最大値から１ステップずつ減少させながらパッチ画像形成を行ってもよいし、また、例えば、各パッチ画像ごとの画像濃度の変化分に基づいて画像濃度制御因子の最適値を算出するようにしてもよい。さらに、この実施形態の現像バイアス最適化処理は露光エネルギーＥを最大値に固定して行っているが、これ以外にも例えば露光エネルギーＥの中央値を用いて行ってもよい。

また、上記した実施形態は、各現像器４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋが感光体２に当接した状態で現像を行う接触現像方式による画像形成装置であるが、これ以外に、現像器と感光体とが離間配置された、例えばジャンピング現像などの非接触現像方式による画像形成装置に対しても本発明を適用することが可能である。このような非接触現像方式では、トナーが現像位置にある現像器と感光体との間を飛翔することによって現像を行っているため、上記した接触現像方式の装置よりトナーがさらに飛散しやすくなっている。そのため、このような装置に本発明を適用することによるトナー飛散防止の効果はより顕著なものとなる。

ジャンピング現像方式の画像形成装置では、トナーの飛翔性を向上させて現像効率を高めるべく、各現像器に与える現像バイアスとしては、図７に示すように、直流成分に交流成分を重畳したもの（同図（ａ））や正負のデューティ比を変えた交流電圧（同図（ｂ））を用いるのが好ましい。このような現像バイアスを用いる場合には、その現像バイアスの平均値（各図に示す「Ｖmean」）を先に述べた「現像バイアス電位」と考えればよい。

また、上記した実施形態は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）の４色のトナーを用いてフルカラー画像を形成する画像形成装置であるが、単色（例えばブラック）のトナーのみを用いてモノクロ画像を形成する装置に対しても本発明を適用することができる。このようなモノクロ画像形成装置は主に文字等の細線で構成された画像の形成に多用されると考えられるから、このような装置に対して本発明を適用し、細線の画像品質を向上させることはきわめて有効である。

また、上記実施形態では、感光体２上に形成したトナー像を中間転写ベルト７１に転写しているが、中間転写ベルト以外の転写媒体（転写ドラム、転写ベルト、転写シート、中間転写ドラム、中間転写シート、反射型または透過型記録シートなど）にトナー像を転写して画像を形成する画像形成装置にも本発明を適用することができる。また、パッチセンサを感光体上に形成したトナー像の画像濃度を検出できる位置に設け、このパッチセンサによって感光体上のパッチ画像の画像濃度を測定するようにしてもよい。

また、上記した実施形態は、各トナー色に対応した現像器４Ｙ、４Ｍ、４Ｃおよび４Ｋが軸中心に配置されたロータリー現像ユニット４を備える画像形成装置であるが、これ以外にも、例えば、各トナー色の現像器を転写媒体の搬送方向に沿って一列に並ぶように設けた、いわゆるタンデム方式の画像形成装置に対しても本発明を適用することができる。

また、上記した実施形態は、負帯電トナーを用いており、また画像部に対応する位置に光ビームＬを照射することで感光体２上に静電潜像を形成する画像形成装置であるが、これに限定されるものではなく、正帯電トナーを用いる装置や、非画像部に光を照射して静電潜像を形成するタイプの装置に対しても、本発明を適用することができる。

以上のように、この発明では、現像バイアス電位と非画像部電位との間の電位差、すなわち逆コントラスト電位が一定に保たれた状態で画像形成が行われるので、逆コントラスト電位を常に適正値に保持することが可能となっており、そのため、装置内部へのトナー飛散を効果的に抑制しつつ、画像品質の良好なトナー像を形成することができる。また、現像バイアス電位または光ビームのエネルギー密度を変化させながらパッチ画像を形成する時にも、逆コントラスト電位が通常のトナー像形成時と同じ一定値に保持されているので、トナー飛散を抑制しながら現像バイアス電位および光ビームのエネルギー密度の最適化の精度を向上させることができる。

この発明にかかる画像形成装置の一の実施形態を示す図である。 図１の画像形成装置の電気的構成を示すブロック図である。 図１の画像形成装置における画像濃度制御因子の最適化処理を示すフローチャートである。 図１の画像形成装置における現像バイアス最適化処理を示すフローチャートである。 図１の画像形成装置における露光エネルギー最適化処理を示すフローチャートである。 ラインパッチ画像を示す図である。 ジャンピング現像方式における現像バイアス波形の例を示す図である。 レーザービームプリンタの原理図である。

符号の説明

１…制御ユニット（制御手段）、 ２…感光体、 ３…帯電ユニット、 ４…現像ユニット（現像手段）、 ６…露光ユニット（露光手段）、 ７１…中間転写ベルト（転写媒体）、 ＬＩ…ラインパッチ画像、 ＰＳ…パッチセンサ（濃度検出手段）、 Ｖb…現像バイアス電位、 Ｖd…非画像部電位、 Ｖon…画像部電位、 Ｖr…逆コントラスト電位

Claims (10)

1. 所定の表面電位に帯電された感光体と、
   前記感光体表面に向けて光ビームを照射して、前記感光体表面のうち画像部に対応する表面領域の画像部電位と、非画像部に対応する表面領域の非画像部電位とを互いに相違させることによって該表面に静電潜像を形成する露光手段と、
   与えられる現像バイアス電位に応じて、前記静電潜像をトナーにより顕像化してトナー像を形成する現像手段と、
   前記トナー像を形成するときに、前記現像バイアス電位と前記非画像部電位との電位差が一定となるように制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記現像バイアス電位と前記非画像部電位との電位差を前記トナー像を形成するときと同じ値に保ちながら前記現像バイアス電位を多段階に変更設定し、各設定値で形成したパッチ画像の濃度に基づいて画像濃度に影響を与える画像濃度制御因子としての前記現像バイアス電位を最適化し、
   前記現像バイアス電位を最適値に設定するとともに、該現像バイアス電位の最適値と前記非画像部電位との電位差が前記トナー像を形成するときと同じ値となるように前記非画像部電位を設定して、前記光ビームのエネルギー密度を多段階に変更設定し、各設定値で形成したパッチ画像としてのパッチ画像全体に対するドットの面積率が２０％以下である孤立ドットライン画像の濃度に基づいて画像濃度に影響を与える画像濃度制御因子としての前記光ビームのエネルギー密度を最適化する
   ことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記現像バイアス電位を最適化する際に形成されるパッチ画像が、パッチ画像全体に対するドットの面積率が８０％以上の画像である請求項１に記載の画像形成装置。
3. 所定の帯電バイアスを印加されて前記感光体表面を所定の初期表面電位に帯電させる帯電ユニットをさらに備え、
   前記制御手段は、暗減衰によって前記初期表面電位から減衰した後の前記感光体の表面電位を前記非画像部電位として、該非画像部電位と前記現像バイアスとの電位差が一定となるように、前記帯電バイアスを制御する請求項１または２に記載の画像形成装置。
4. 前記現像手段によって前記感光体上に形成された所定のトナー像、あるいは当該トナー像が転写媒体に転写されてなるトナー像を、パッチ画像としてその画像濃度を検出する濃度検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記濃度検出手段の検出結果に基づいて、前記画像濃度制御因子を最適化する請求項１ないし３のいずれかに記載の画像形成装置。
5. 前記制御手段は、前記濃度検出手段によって各パッチ画像の画像濃度を求め、その画像濃度が予め設定された目標画像濃度に最も近くなる現像バイアス電位をその最適値とすることで前記現像バイアス電位を最適化する請求項４に記載の画像形成装置。
6. 前記制御手段は、前記濃度検出手段によって各パッチ画像の画像濃度を求め、その画像濃度が予め設定された目標画像濃度に最も近くなる光ビームのエネルギー密度をその最適値とすることで前記光ビームのエネルギー密度を最適化する請求項４または５に記載の画像形成装置。
7. 前記現像手段は、互いに異なるトナー色に対応した複数の現像器を備えており、前記複数の現像器を順番に所定の現像位置に位置させて当該トナー色でのトナー像を形成することでカラー画像を形成する請求項１ないし６のいずれかに記載の画像形成装置。
8. 前記現像バイアス電位および前記画像部電位の組合せが所定の範囲内で変更可能となっており、かつ、該範囲内での前記現像バイアス電位と前記画像部電位との電位差の最大値と最小値との差が３０Ｖ以下である請求項１ないし７のいずれかに記載の画像形成装置。
9. 前記現像バイアス電位および前記画像部電位の組合せが所定の範囲内で変更可能となっており、かつ、該範囲内での前記現像バイアス電位と前記画像部電位との電位差の最大値と最小値との差が２０Ｖ以下である請求項１ないし７のいずれかに記載の画像形成装置。
10. 感光体表面を光ビームにより露光して前記感光体表面のうち画像部に対応する表面領域の画像部電位と、非画像部に対応する表面領域の非画像部電位とを互いに相違させることにより該表面に静電潜像を形成するとともに、前記非画像部電位との電位差が一定となるように現像手段に与える現像バイアス電位を制御しながら、該現像手段によって前記静電潜像をトナーにより顕像化して画像信号に応じたトナー像を形成する画像形成方法において、
    前記現像バイアス電位と前記非画像部電位との電位差を前記トナー像を形成するときと同じ一定値に保持しながら、これらを多段階に変更設定してその都度所定のパッチ画像を形成し、その画像濃度の測定結果に基づいて前記現像バイアス電位を最適化する工程と、
    前記現像バイアス電位を最適値に設定するとともに、該現像バイアス電位の最適値と前記非画像部電位との電位差が前記トナー像を形成するときと同じ一定値となるように前記非画像部電位を設定して、前記光ビームのエネルギー密度を多段階に変更設定してその都度所定のパッチ画像としてのパッチ画像全体に対するドットの面積率が２０％以下である孤立ドットライン画像を形成し、その画像濃度の測定結果に基づいて前記光ビームのエネルギー密度を最適化する工程と
    を備え、前記現像バイアス電位および前記光ビームのエネルギー密度を最適化された値に設定して前記トナー像を形成することを特徴とする画像形成方法。

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