JP4533908B2

JP4533908B2 - 画像形成装置

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Publication number: JP4533908B2
Application number: JP2007102984A
Authority: JP
Inventors: 泰浩西村; 利昭井野; 暁子辻
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2007-04-10
Publication date: 2010-09-01
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Also published as: CN101286024A; JP2008261935A; US7773892B2; CN101286024B; US20080253780A1

Description

この発明は、電子写真プロセスにおける感光体の帯電電圧と現像バイアス電圧とを制御し、形成された画像の濃度を安定化する機能を持つ画像形成装置に関する。

印字率の低い画像、即ち、印刷画像の全領域のうちトナーが付着する部分の少ない画像を連続して印刷すると、やがて粒状の「カブリ」（トナーが付着すべきでない白地の背景部にトナーが付着する現象）が発生することが知られている。この種のカブリの原因は明らかではないが、低印字率の印刷がある程度続いた後にカブリが発生することが経験的に分かっている。この事実から、現像ユニット内に同じトナーが滞留すると、トナーに一種の劣化が生じ、カブリにつながるものと推測される。

カブリの発生は画質的に好ましいものではない。そこで、トナー劣化による感光体上のカブリを光学センサで検知し、カブリが発生したら画像領域外の軸方向の両端部にトナー像を作像してトナーを強制排出させてトナーを入れ換えてカブリを防止する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２４３１５号公報

しかし、カブリは、非画像域にごく薄くトナーがのる現象であるから、これを安定して精度よく検出することは難しい。また、実際にカブリが発生してから対処するよりもかぶりの発生を予知して対処する方が好ましい。

発明者らは、低印字率の印刷後に発生するカブリの発生条件について鋭意検討を重ねた結果、感光体の帯電電位とカブリの発生に相関のあることを見出した。即ち、感光体の帯電電位の絶対値が大きいほどカブリが発生し易くなることを見出した。また、トナーが現像ユニット内に長期間滞留すると画像の濃度が出にくくなることを見出した。その結果、画像濃度を安定させるべく実行される画像濃度補正（プロセスコントロール）機能が感光体の帯電電位の絶対値を大きくし、これによってさらにカブリが発生し易い状況に至ることを見出した。
また、感光体の使用期間とカブリの発生に相関のあることを確認した。即ち、感光体が新しいうちはカブリが発生しにくく、使用期間を経るにつれてカブリが発生し易くなることを確認した。

画像濃度の低下もカブリも画質的に好ましいものではない。ユーザーが画質の劣化を認識できない程度に抑制しなければならない。しかし、前述のように低印字率の印刷が続いたときに画像濃度を安定化させようとして帯電電位を制御すると、カブリが発生し易くなる。従って、カブリが発生し易い状況に至ったことを的確に予知あるいは判断し、適切に対処できる手法が望まれている。

この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであって、低印字率の印刷が連続した後に発生するカブリを的確に予知できる手法を提供するものである。また、異なる視点から、余分なコストや時間を要することなく、カブリが発生し易い条件に至ったことを判断できる手法を提供するものである。

この発明は、
（１）無端状の感光体と帯電ユニットと現像ユニットと前記現像ユニットへトナーを供給するトナー供給ユニットとを含んでなり電子写真プロセスにより画像を形成する作像部と、作像部に画像を形成させ、かつ、前記感光体の帯電電圧を所定の目標値にすべく帯電ユニットを制御し、現像ユニットに印加する現像バイアス電圧を前記帯電電圧の目標値に応じて制御し、それらの制御を行うことにより前記画像の濃度の安定化を図る制御部とを備え、前記制御部は、帯電電圧の目標値が絶対値として所定値より大きくなったとき、現像ユニット内の所定量のトナーを入れ換えるように制御することを特徴とする画像形成装置を提供する。また、

（２）無端状の感光体と帯電ユニットと現像ユニットと前記現像ユニットへトナーを供給するトナー供給ユニットとを含んでなり電子写真プロセスにより画像を形成する作像部と、作像部に画像を形成させ、かつ、前記感光体の帯電電圧を所定の目標値にすべく帯電ユニットを制御し、現像ユニットに印加する現像バイアス電圧を前記帯電電圧の目標値に応じて制御し、それらの制御により前記画像の濃度の安定化を図る制御部とを備える画像形成装置であって、前記制御部は、前記帯電電圧に応じて現像バイアス電圧を決定し、前記現像バイアス電圧の絶対値が所定値より大きくなったとき、現像ユニット内の所定内のトナーを入れ換えるように制御することを特徴とする画像形成装置を提供する。

前記（１）の画像形成装置において、前記制御部は、帯電電圧の目標値が絶対値として所定値より大きくなったとき、現像ユニット内の所定量のトナーを入れ換えるように制御するので、作像条件的にカブリが発生し易くなったことを的確に判断し、現像ユニット内のトナーの少なくとも一部を入れ換えてカブリの発生を回避することができる。また、余分なコストや時間を要することなく、カブリが発生し易い条件に至ったことを判断することができる。

また、前記（２）の画像形成装置において、前記制御部は、前記帯電電圧に応じて現像バイアス電圧を決定し、前記現像バイアス電圧の絶対値が所定値より大きくなったとき、現像ユニット内の所定内のトナーを入れ換えるように制御するので、作像条件的にカブリが発生し易くなったことを的確に判断し、現像ユニット内のトナーの少なくとも一部を入れ換えてカブリの発生を回避することができる。また、余分なコストや時間を要することなく、カブリが発生し易い条件に至ったことを判断することができる。

以下、この発明の好ましい実施形態について説明する。
形成された画像の濃度を測定する測定部をさらに備え、前記制御部は、所定の時機が到来したとき、作像部に所定パターンの画像を形成させ、測定部に前記画像の濃度を測定させ、測定結果に基づいて帯電電圧の目標値を算出し、算出結果に基づいて以降の画像形成を行うように制御すると共に、前記目標値を算出した後、次の画像を形成する前にトナーを入れ換えるか否かを決定してもよい。このようにすれば、画像濃度の安定化のために帯電電圧および／または現像バイアス電圧を更新した後、次の画像を形成する前にトナー入換プロセスを実行するか否かを判断するので、作像条件を更新するタイミングとトナー入換プロセスの要否を判断するタイミングが同期する。従って、不用意に作像条件が更新されてカブリが発生することがなく、かつ、無駄にトナー入換プロセスが実行されることもない。

また、トナーの入れ換えは、所定面積のパターンの画像を現像し、その後に新たなトナーを補給して行ってもよい。

さらに、前記所定パターンは、現像可能な最大幅に略等しい均一な中間階調のパターンもしくは網点状のパターンであってもよい。このようにすれば、現像ユニットの略全域に渡って均一にトナーを消費させることができる。また、パターンの平均階調を調整することで、トナーが消費される速度を適当な速さに設定することができる。

さらにまた、前記所定面積は、予め定められた面積であってもよい。このようにすれば、所定量のトナーを消費させることができる。

作像部で形成された画像を印刷シートに転写する転写部と、転写部に転写電圧を印加し得る転写用電源部とをさらに備え、前記制御部は、前記所定パターンが転写部を通過する間、転写部を電位的にフローティングさせるか、または、トナーの帯電極性と同じ極性の電圧を転写部に印加するように転写用電源部を制御してもよい。

さらに、前記転写部は、感光体の表面に接する転写部材を有してなり、前記制御部は、前記所定パターンが転写部を通過した後、トナーの帯電極性と同じ極性、かつ、感光体の帯電電位よりも絶対値の大きい電圧を転写部に印加するように転写用電源部を制御してもよい。このようにすれば、前記電圧を印加することによって転写部材を静電的にクリーニングすることができる。

さらにまた、前記制御部は、所定のパターンが転写部を通過した後感光体が２周以上周回する間、前記電圧を転写部に印加するよう制御してもよい。このようにすれば、転写部材を確実にクリーニングすることができる。

形成すべき画像の印字率を画像形成前に認識する印字率認識部をさらに備え、前記制御部は、算出された帯電電圧の目標値あるいはそれに応じた現像バイアスの絶対値がトナー入換プロセスを実行すべき値であり、かつ、以降に形成すべき画像の印字率が認識されている場合、その印字率が所定値以上であればトナー入換プロセスを実行せず、所定値未満であればトナー入換プロセスを実行するようにしてもよい。次に所定値以上の印字率の画像を印刷することがわかってれば、その画像の現像により現像ユニットのトナーが入れ替わる。その場合、トナー入換プロセスをあえて実行せず、トナーの消費を抑制することができる。

また、前記制御部はトナー入換プロセスにおいて、トナーを消費させた後に新たなトナーを補給してもよい。このようにすれば、現像ユニット内のトナーを効率よく入れ換えることができる。

さらに、前記制御部は、トナー入換プロセスの実行中に現像ユニット内のトナー濃度が所定の下限値まで低下した場合、トナーを消費させる処理を中断してもよい。このようにすれば、トナー濃度が下がり過ぎた場合に生ずる弊害、例えば、キャリアの落下や、感光体をクリーニングするブレードの損傷といった二次的弊害の発生を回避することができる。

さらに、前記制御部は、トナーを消費させる処理を中断した後に新たなトナーを現像ユニットへ供給し、その後再びトナーを消費させる処理を行ってもよい。

また、作像部で形成された画像を印刷シートに転写する転写部と、前記印刷シートを転写部へ供給するシート供給部とをさらに備え、前記シート供給部は、トナー入換プロセスの期間中、転写部へシートを供給しないようにしてもよい。このようにすれば、シートの無駄な消費を防止することができる。

ここで示した種々の好ましい実施形態は、それら複数を組み合わせることもできる。

以下、図面を用いてこの発明をさらに詳述する。なお、以下の説明は、すべての点で例示であって、この発明を限定するものと解されるべきではない。

低印字率の印刷後のカブリ発生条件
発明者らは、低印字率の印刷後に発生する粒状カブリの発生を再現すべく、種々のグリッド電圧で印刷を行い、カブリの発生状況を観察した。画像のサイズはA4サイズ、印字率は、4.0％である。結果を図１に示す。図１で、横軸は印刷枚数、縦軸はグリッド電圧である。グリッド電圧は、感光体ドラムの帯電電位にほぼ等しい。図１中、灰色の丸で囲んだ領域は、カブリの発生が見られた領域である。印字枚数が2,500枚近くに達すると、グリッド電圧Vg=-800〜-900Vの領域でカブリが発生する。ここで、感光体ドラム２０２および現像剤が新しい場合の標準的なグリッド電圧は約-600Vである。また、グリッド電圧の制御可能な範囲は、500V〜900Vである。なお、カブリの評価は、感光体上にトナー付着量が０．４ｍｇ／ｃｍ²となるように調節して印字したときの非画像部に付着したトナーを粘着テープで採取し、その画像濃度（ＩＤ）を測色色差計（商品名：Ｘ−Ｒｉｔｅ、Ｘ−Ｒｉｔｅ社製）によって測定した。ＩＤが０．２％以上の場合に不良と判断した。

図１からわかるように、低印字率の印刷がある程度継続した後に、対象とするカブリが発生する。ただし、グリッド電圧が-500〜-800Vの範囲では、2,500枚に達しても対象のカブリは発生しない。グリッド電圧の絶対値が高いとカブリが発生し易いことがわかる。

画像形成装置の全体構成
カブリを抑制する手法の説明に移る前に、その前提となる画像形成装置の構成と電子写真プロセスの制御について説明する。

図２は、この発明の画像形成装置の一態様である電子写真方式プリンタの機構的な構造を示す説明図である。図２において、画像形成装置１１は、図示しない画像読取装置にて読み込まれた画像データや、外部の機器（例えばパーソナルコンピュータなどの画像処理装置）から通信線を介して入力される印刷データの画像を形成し、形成した画像を印刷用のシート（印刷シート）上に転写して出力するものである。

画像形成装置１１には、感光体ドラム２０２を中心に、電子写真プロセス用の各ユニットが配置されており、これらの動作によって画像が形成される。感光体ドラム２０２は、導電性基材（例えば、アルミニウム）の周面に感光層が形成されたものである。基材は、電気的に接地される。感光体ドラム２０２の周囲には、帯電器２０３、現像ユニット２００、転写ローラ２０７、クリーニングユニット２０８および光走査ユニット２０４等がこの順に配置されている。感光体ドラム２０２は、後述するプロセス駆動モータ（図４参照）によって駆動され、一定速度で回転する。

帯電器２０３は、感光体ドラム２０２の表面を均一に帯電させるものである。この実施の形態の帯電器２０３は、コロナ放電部と制御グリッドを有するスコロトロン方式のものである。感光体ドラム２０２の表面はグリッド電圧にほぼ等しい電位に帯電される。なお、帯電器２０３には、帯電ローラなど他の方式を用いてもよい。光走査ユニット２０４は、均一に帯電された感光体ドラム２０２上に光ビームを走査させてその表面に静電潜像を形成するものである。現像ユニット２００は、その内部に現像剤を収容し、光走査ユニット２０４により書き込まれた静電潜像をトナーにより顕像化するものである。なお、前記現像剤は、トナーとキャリアとからなり、トナーは現像ユニット２００内で攪拌されることによって、キャリアとの摩擦によってプラス極性に帯電する。現像ユニット２００には、それに供給されるトナーを収容するトナー収容部１７１が取り付けられている。

転写ローラ２０７は、感光体ドラム２０２上に顕像化された画像を印刷シート上に転写してシート上に可視画像を形成するためのローラである。転写ローラ２０７は、金属性の軸部と、その周面に巻かれた導電性の弾性材（例えば、EPDM、発砲ウレタンなど）からなる。転写ローラ２０７は、前記プロセス駆動モータによって駆動され、後述する転写電源からの電圧がその軸部に印加される。転写ローラ２０７には、搬送方向の下流側へ延びる転写ベルト２０６が架けられている。転写ベルト２０６は、例えば、体積抵抗率が所定の値（例えば、１×１０⁹〜１×１０¹³Ω・ｃｍの範囲）を有するように導電性を持たせた樹脂あるいはゴムからなる。

クリーニングユニット２０８は、感光体ドラム２０２上に残留した現像剤を除去するものである。

画像形成装置１１の下部には、画像形成装置１１本体内に内装されたシート供給トレイ２０１が配置されている。シート供給トレイ２０１は、印刷シートを収容するトレイである。シート供給トレイ２０１に収容された印刷シートは、ピックアップローラ２０９等により１枚ずつ分離され、レジストローラ２１０まで搬送され、レジストローラ２１０により感光体ドラム２０２に形成された画像とのタイミング同期がはかられ、転写ローラ２０７と感光体ドラム２０２との間に順次供給される。転写ローラ２０７には、転写のための電圧（転写電圧）が印加されている。現像され、感光体ドラム２０２上に付着したトナーは、転写電圧によってシート上に転写される。

画像形成装置１１内には、定着ユニット２０５が配置されている。定着ユニット２０５は、加熱ローラ２１１と加圧ローラ２１２とが接するニップ部で、シート上に転写されたトナーを熱で溶融させ圧力によりシートに定着させるものである。

定着ユニット２０５を通過したシートは、さらに搬送されてシート排出トレイ２１３に排出される。
なお、図２では、モノクロの画像形成装置を例示しているが、この発明はそれに限定されず、フルカラーの画像形成装置にも適用可能である。

現像ユニットの構成
この実施の形態では、現像ユニット２００とトナー収容部１７１の詳細を説明する。図３は、図２に示す画像形成装置１１のうち現像ユニット２００とトナー収容部１７１の詳細を示す断面図である。図３に示すように、感光体ドラム２０２の表面に対向して現像ユニット２００の現像ローラ１８７が配置されている。現像ローラ１８７は、感光体ドラム２０２の表面にトナーを供給し、静電潜像にトナーを付着させて顕像化するためのものである。現像ローラは、前記プロセス駆動モータによって駆動される。また、現像ローラの表面は非磁性の導電部材（例えば、アルミニウム材）からなり、その導電部材には、後述する転写電源（図４参照）から電圧が印加される。現像ユニット２００内では現像ローラの周囲に絶えず所定濃度のトナーを供給すべく、トナー濃度センサ１８６がトナー濃度を検知する。図示しない制御部は、トナー濃度センサ１８６の出力を得てトナーの供給を制御する。トナーは、トナー収容部１７１から供給される。トナー収容部１７１は、トナーを攪拌するトナーホッパ１７８と、円筒状のトナーボトル１７４を装着するトナーボトル装着部１７２から構成される。トナーボトル１７４は、ユーザーによって装着される。トナーボトル１７４の内部にはトナーが収容されている。トナーボトル１７４内のトナーは図示しないトナー搬送機構によってトナー供給口１７３に搬送される。トナー搬送機構は、後述するトナー搬送モータ（図４参照）によって駆動され、トナーを搬送する。

トナー供給口１７３から供給されたトナーはトナーホッパ１７８内に導かれる。トナーホッパ１７８内には、後述するトナー供給モータ（図４参照）で駆動されて矢印Ｊ１方向に回動する攪拌ローラ１７５が設けられている。攪拌ローラ１７５は、トナーを攪拌して流動性を均一にするすると共にトナー供給ローラ１７６付近のトナー溜り部１７９へトナーを搬送する。また、トナー収容部１７１には、トナーホッパ１７８内のトナーが所定量に満たなくなったことを検知してトナーボトルからトナーを補給するための信号を発生するトナー搬送センサ１７７が設けられている。トナー搬送センサ１７７は光反射感知センサであり、検知対象に光を照射し、光の反射の具合で対象の状態を判断する原理を用いてトナーホッパ１７８内のトナーの有無を検知するセンサである。トナー搬送センサ１７７の出力に応じて、図示しない制御部がトナー搬送機構の動作を制御する。これによって、トナーホッパ１７８内のトナー量は所定範囲に保たれる。

トナー供給ローラ１７６は、現像槽２００へ所定量のトナーを供給するためのローラである。トナー供給ローラ１７６は、例えば、ステンレス製の中実軸にエステル系ポリウレタンフォーム、いわゆるスポンジ等の多孔質弾性体を巻き付けてなるものである。トナー供給ローラ１７６の下方には、現像槽２００に通じるスリット状のトナー落下開口部１８３が設けられている。トナー供給ローラ１７６は、その弾性多孔質部材でトナー落下開口部１８３の全面を覆うように配置されている。また、トナー供給ローラ１７６は、前記トナー供給モータにより駆動され、矢印Ｊ２方向に回転する。

トナー供給ローラ１７６が回転すると、トナー溜り部１７９のトナーが弾性多孔質部材の表面の孔部に入る。そのトナーがトナー落下開口部１８３に達したところで、トナー供給ローラ１７６の表面がトナー落下開口部１８３のエッジに接触して変形する。その変形によってトナーは孔部と分離し、自重によってトナー落下開口部１８３から現像槽２００の内部へ落下する。

トナー供給ローラ１７６が停止すると、その状態ではトナー落下開口部１８３の全面がトナー供給ローラ１７６の弾性多孔質部材で覆われる。従って、トナー供給ローラ１７６が停止した状態では、トナーホッパ１７８内のトナーが現像ユニット２００へ移動することはない。

トナー落下開口部１８３から現像ユニット２００内に落下したトナーは、現像槽内の搬送スクリュー１８４で搬送され、攪拌スクリュー１８５でキャリアと攪拌される。また、攪拌スクリュー１８５の作用で現像ローラ１８７の表面部に供給される。

現像ユニット２００の底部には、トナー濃度センサ１８６が設けられている。トナー濃度センサ１８６は、現像ローラ１８７の表面部に供給されるトナーの濃度を検出する。ここで、トナーの濃度は、キャリアとトナーとを合わせてなる現像剤の重量に対してトナーの重量が占める割合をいう。感光体ドラム２０２上の静電潜像を現像すると、トナーが消費される。図示しない制御部は、トナー濃度センサ１８６からの信号によって現像ユニット２００内のトナーが減少したことを認識すると、前記トナー供給モータを回転させる。トナー供給モータが回転すると、攪拌ローラ１７５とトナー供給ローラ１７６とが回転し、トナーが現像ユニット２００内に供給される。また、制御部は、トナー濃度が所定値に達するとトナー供給モータを停止させる。このようにして、現像ユニット２００内のトナー濃度は、所定の範囲に制御される。

電子写真プロセスの制御
次に、図２の画像形成装置１１で、電子写真プロセスの画像形成条件を制御する機能的な構成について説明する。図４は、この実施形態に係る電子写真プロセスの制御に関する機能的なブロックの構成を示すブロック図である。図４で、画像形成指示部８０は制御部８１に画像形成の指示を送るブロックである。画像形成装置１１がコピー機能を有する場合、画像形成指示部８０は、画像形成装置１１の図示しない操作パネルに設けられたコピースタートキーが押下されたことを示す信号を制御部８１へ送るものであってもよい。制御部８１のハードウェアは、例えば、マイクロコンピュータであってもよい。前記マイクロコンピュータが制御プログラムを実行することによって、制御部８１の機能が実現される。制御部８１は、コピースタートキーが押されたことを、コピージョブの開始要求として認識する。画像形成指示部８０のハードウェアは、前記操作パネルのキーおよび回路であってもよい。また、画像形成装置１１がプリンタの機能を有する場合、画像形成指示部８０は、通信線を介してホストからのコマンドと印字データを受信する通信回路であってもよい。制御部８１は、受信したコマンドの内容を解析し、印字ジョブの開始要求を認識する。

画像形成指示部８０からジョブの開始要求、即ち画像形成の指示を受けた制御部８１は、電子写真プロセスに関する各ブロックを制御する。各ブロックの機能は以下のとおりである。
画像データ生成部８２は、コピージョブの場合、スキャナで読み取られた原稿の画像データを処理し、印刷すべき画像データを生成するブロックである。プリンタの場合は、ホストから受信した印字データを展開し、印字すべき画像データを生成するブロックである。そのハードウェアは、例えば、LSIとRAM、ROM、不揮発性メモリなどの記憶素子で構成される。

画像データ出力部８３は、画像データ生成部８２で生成された画像データを処理して光走査ユニット２０４への出力信号を生成する。なお、画像データ生成部８２もしくは画像データ出力部８３は、画像形成すべき各ページの印字率を印刷に先立って提供する機能を有していることが好ましい。前記機能は、ページ単位で画像データの印字ピクセル数をカウントする回路もしくはプログラムによって実現できる。

光走査ユニット２０４は、レーザ発光素子８５とその発光をPWM変調する走査制御回路８４とを含んでなる。走査制御回路８４は、画像データ出力部８３から入力された信号に応じてレーザ発光素子８５の発光のオン／オフをPWM制御する。レーザ発光素子８５は、走査制御回路８４によってPWM変調されたレーザビームを感光体ドラム２０２の周面に向けて照射する。前記レーザビームは、図示しないポリゴンミラーによって偏向される。偏向された前記レーザビームは、感光体ドラム２０２の周面を、その回転軸方向に沿って走査する。感光体ドラム２０２は、感光体駆動モータ５６の回転に伴って回動する。前記変調されたレーザビームの走査と感光体ドラム２０２の回転とが相まって、感光体ドラム２０２の周面が選択的に露光され、静電潜像が形成される。プロセス駆動モータ制御部３７は、プロセス駆動モータの回転、停止およびその回転速度を制御する。

制御部８１は、トナー搬送センサ１７７からの信号を得てトナー搬送モータ制御回路２１への制御信号を出力する。トナー搬送モータ制御回路２１は、その制御信号を受けてトナー搬送モータ２３の回転および停止を制御する。また、制御部８１は、トナー濃度センサ１８６からの信号を得てトナー供給モータ制御回路２５への制御信号を出力する。トナー供給モータ制御回路２５は、その制御信号を受けてトナー供給モータ２７の回転および停止を制御する。

さらに、制御部８１は、帯電電源６１、現像バイアス電源６２、転写電源６３を所定の電圧、所定のタイミングでオン／オフさせるように制御する。帯電電源６１は、スコトロトロン型の帯電器２０３のコロナ放電部へ放電電圧を印加すると共に、制御グリッドにグリッド電圧を印加する。前記グリッド電圧、現像バイアス電源６２の出力電圧（現像バイアス電圧）および転写電源６３の出力電圧（転写電圧）は、可変であって、制御部８１により制御される。なお、前記グリッド電圧、現像バイアス電圧および転写電圧の基準は、接地電位である。次に、これらの電圧制御について説明する。

プロセスの電位的制御
図５は、この実施の形態における電子写真プロセスの静電潜像の電位および現像電位の関係の一例を模式的に示す説明図である。図５（ａ）は、0Ｖ即ち接地電位に対して、帯電器２０３による感光体ドラム２０２の周面の帯電電位Vsが-600Ｖであることを示している。帯電電位Vsはグリッド電圧Vgとほぼ等しい値を有する。以下、簡単のためVs=Vgとする。

図５（ｂ）は、帯電した感光体ドラム２０２の周面の各領域を、画像の濃淡に応じてPWM変調されたレーザビームで露光したとき、各階調に対する電位の一例を示している。感光体ドラム２０２の各領域は、対応する画像の濃淡に応じた電位になる。これが静電潜像である。以下、各階調に対応する感光体ドラム２０２周面の電位を潜像電位と呼ぶ。図５（ｂ）で、横方向の矢印は、潜像電位と画像の明暗との対応関係を示している。画像の最も明るい部分（通常は、背景の白地部）は、露光されない。従って、白地部の潜像電位は、帯電電位の-600Ｖを維持する。これに対し、画像の暗部は、最も強く露光される。これによって、感光体ドラム２０２の周面の電位は、接地電位に向けて電位が下がる。図５（ｂ）の例では、暗部の潜像電位は-50Ｖである。明部と暗部との間の潜像電位の変化、即ち、階調特性あるいはいわゆるγ特性は、右肩上がりの特性を示す。なお、グラフが階段状であるのは、PWM変調の分解能が有限な離散値であることを示しているが、実質的に連続値と考えて差し支えない。

現像ローラ１８７には、現像バイアス電源６２からの現像バイアス電圧Vdvが印加されている。このため、現像ローラ１８７の表面は、現像バイアス電圧に等しい電位（現像電位）にある。現像電位は、白地部の潜像電位-600Vに対してやや暗部寄りの-500Vに制御される。白地部の潜像電位との電位差は、白地部へのトナー付着、（これが、広義の「カブリ」である）を確実に防止するためである。トナーはキャリアとの摩擦によりマイナス極性に帯電している。静電潜像のうち、現像バイアス電圧を基準としてプラスの潜像電位を有する領域に、現像電位と潜像電位との差に応じた量のトナーが付着する。

転写ローラ２０７および転写ベルト２０６は導電性を有する。感光体ドラム２０２と転写ベルト２０６とに挟まれた領域（転写領域）を印刷シートが通過するとき、制御部８１は、転写ローラ２０７に-2kVの転写電圧Vtが印加されるよう転写電源６３を制御する。印刷シートは絶縁性である。このとき転写領域において、感光体ドラム２０２の基材を一方の電極とし、転写ローラ２０７および転写ベルト２０６を他方の電極とするコンデンサが形成される。転写領域にあるトナーは、転写電圧により生じる電界の作用で感光体ドラム２０２の表面から印刷シートへ転写する。

以上の説明における各電位、電圧の値は一例である。近年の画像形成装置は、画像の濃度を安定化するため、画像濃度補正機能、いわゆるプロセスコントロールの機能を有するのが通例である。画像濃度補正において、制御部８１は、濃度測定用のテストパターンを形成して現像させる。そして、図示しない濃度測定部を用いて、現像されたテストパターンの濃度を感光体ドラム２０２の表面または転写ベルト２０６上で測定させる。そして、測定結果に基づいて制御部８１がグリッド電圧、現像バイアス電圧、転写電圧の値を決定する。決定された各電圧を用いて以降の画像形成を行う。

たとえば、テストパターンの濃度を測定した結果濃度が低いと判断した場合、制御部８１は、測定結果に応じて適正な帯電電圧を決定する。さらに、更新された帯電電圧に応じた現像電位を決定する。図６は、この実施の形態において、更新された帯電電圧および現像電位の一例を示す説明図である。図６の例では、更新された帯電電位は-800Vであり、更新された現像電位は-700Vである。即ち、帯電電位と現像電位との電位差（100V）を維持するように現像電位が更新される。更新された帯電電位、現像電位に基づいて、制御部８１は、以降の画像形成におけるグリッド電圧Vg、現像バイアス電圧Vdvの値を制御する。

一般に、現像剤の使用に伴い、また、感光体ドラム２０２の使用に伴って画像の濃度が低下する。従って、プロセスコントロールの機能は、時間の経過と共にグリッド電圧の絶対値を大きくする傾向にある。それに伴い、現像バイアス電圧の絶対値も大きくする。現像剤および／または感光体ドラム２０２が新しいものに交換されたら、それらの電圧の絶対値は小さくなる。ただし、前述の傾向は一般的なものであり、常にグリッド電圧、現像バイアス電圧の絶対値が大きくなる方向へ更新されるとは限らない。新たなグリッド電圧、現像バイアス電圧の値は、濃度の測定結果に依存する。

カブリ発生を抑制するための制御手法
図１の実験結果に基づいて、次のような制御を行うように考えた。即ち、低印字率の印刷が連続し、画像濃度補正の結果、目標とするグリッド電圧の絶対値が所定値まで大きくなったときに現像槽内のトナーを入れ換える。あるいは、グリッド電圧に代えて、現像バイアス電圧の絶対値が所定値まで大きくなったときに現像槽内のトナーを入れ換えるように考えた。画像濃度補正においては、現像バイアス電圧の目標値はグリッド電圧の目標値に依存して決まるので、両者のいずれも同等の結果を与えると考えられる。

トナーの入れ換えは、画像濃度補正においてテストパターンの濃度測定が行われたときにすることが好ましい。トナーの入れ換えは、具体的にはトナー排出用パターンとして、ハーフトーンもしくは網点パターンの画像を形成し、それを現像することが好ましい。
なお、形成されたトナー排出用パターンが転写領域を通過する間、転写ベルト２０６の汚れを低減あるいは防ぐために転写ローラ２０７を電気的にフローティングするか、または、トナーの帯電極性と同極性の転写電圧を転写ローラ２０７に印加することが好ましい。

さらに、形成されたトナー排出用パターンが転写領域を通過した後は、トナーの帯電極性と同極性で感光体の帯電電位よりも絶対値の大きな電圧を転写電圧として印加することが好ましい。
トナー入換プロセスの詳細な手順を以下に説明する。図７および図８は、制御部８１が、前記トナー入換プロセスの実行を行う手順を示すフローチャートである。

まず、図７において、制御部８１は、電源投入後、画像濃度補正を実行させ、以降の画像形成におけるグリッド電圧、現像バイアス電圧の値を更新する（ステップS11）。そして、一連のページの画像形成、即ちジョブの開始指示を待つ（ステップS13）。前述したように、ジョブの種類としては、例えばコピージョブ、印字ジョブなどがある。ジョブの開始指示を受領したら、制御部８１は、まず、画像濃度補正を実行するタイミングが到来したか否かを判断する（ステップS15）。画像濃度補正は、例えば、予め定められた印刷ページ数や期間経過ごと、間欠的に実行されるからである。画像濃度補正をすべき時期が未だ到来していない場合、ルーチンはステップS19へ進む。一方、画像濃度補正のタイミングが到来した場合、制御部８１は画像濃度補正を実行させ、以降の画像形成におけるグリッド電圧、現像バイアス電圧の値を更新する（ステップS17）。

次に、制御部８１は、過去の所定期間内に印刷された画像の平均印字率の履歴データCRhが、予め定められた許容値L1未満か否かを判定する（ステップS19）。ここで、履歴データCRhは、RAMもしくは不揮発性メモリに格納されたデータである。判定結果がNoの場合、ルーチンはステップS29へ進み、各ページの印刷を開始する。前記判定結果がNoということは、許容値以上の印字率で過去の印刷がなされており、カブリが発生しにくい状況であることを意味する。一方、前記判定結果がYesの場合、制御部８１は、これから印刷するジョブの印字率CRjを画像データ生成部８２もしくは画像データ出力部８３から取得する（ステップS20）。そして、印字率CRjが予め定められた許容値L2以下か否かを判定する（ステップS21）。許容値L2は、印刷すべきページのサイズ、ページ数、各ページの印字率に応じて予め定められた値である。判定結果がNoの場合、ルーチンはステップS29へ進み、各ページの印刷を開始する。前記判定結果がNoであることは、次の印字で所定量以上のトナーが消費されることを意味する。なお、ステップS20,S21の処理時点で印刷すべきデータがまだ取得できていない場合、ルーチンは、ステップS21の判定結果がYesの方へ進む。画像データ生成部８２もしくは画像データ出力部８３が印字率CRjを提供する能力がない場合も同様である。

前記判定結果がYesの場合、制御部８１は、画像濃度補正に基づいて決定されたグリッド電圧の出力値Vgを取得し、その絶対値が予め定められた閾値Lgより大きいか否かを判断する（ステップS23）。判定結果がNoの場合、ルーチンはルーチンはステップS29へ進み、各ページの印刷を開始する。前記判定結果がNoであることは、グリッド電圧Vg（即ち、感光体の帯電電位Vs）の絶対値が許容値以下であって、カブリが発生しにくい状況であるを意味する。前記判定結果がYesの場合、制御部８１は、現像ユニット２００内のトナーを入れ換えるべくトナー入換プロセスを実行する（ステップS25）。トナー入換プロセスの詳細な手順は、別途後述する。

トナー入換プロセス終了後、制御部８１は、画像濃度補正を改めて実行させる。そして、新たなグリッド電圧、現像バイアス電圧を得る。トナー入換プロセスが実行された後は、劣化したトナーが排出されて画像の濃度が出やすくなり、グリッド電圧および現像バイアス電圧の絶対値は通例小さくなる。

その後、制御部８１は、各ページの印刷を開始する（ステップS29）。ジョブの最終ページまで印刷を終えたら（ステップS31）、制御部８１は、平均印字率の履歴データCRhを更新する（ステップS33）。即ち、ジョブを実行して印刷した各ページの印字率CRjを履歴データCRhに反映させる。ここで、履歴データCRhは、例えば、所定ページ数にわたる過去の平均印字率である。そのうち、今回印刷されたページ、即ち印字率CRjの対象となったページを履歴データに加え、加えられたページの分を相殺するように履歴データ中の古いページを履歴データの対象から削除する。そして、更新された履歴データの対象ページの平均印字率を算出し、更新されたCRhの値として保持する。

続いて、トナー入換プロセスの詳細な手順を図８に沿って説明する。図８で、まず、制御部８１は、グリッド電圧Vgおよび現像バイアス電圧Vdvについて、画像濃度補正に基づく電圧を維持し、転写電圧Vtとして、現像バイアス電圧Vdvと等しい電圧を出力する（ステップS41）。転写電圧Vtは、画像形成中、印刷シートが転写領域を通過するタイミングで所定の電圧（図５および図６では-2kV）、それ以外は0Vであるが、トナー入換プロセス中は、現像バイアス電圧Vdvと等しい電圧にする。

そして、光走査ユニット２０４の露光を開始してトナー排出用パターンを感光体ドラム２０２上に形成し、それを現像して現像ユニット２００内のトナーを消費させる（ステップS43）。トナー排出用パターンのを形成する面積は予め定められている。その面積とトナー排出用パターンの濃度とで、トナー入換プロセスによって消費されるトナー量がほぼ決まるからである。

ドラム排出用パターンを現像している間、制御部８１は、トナー濃度をモニタし、トナー濃度の制御目標値Ldを、予め定められたマージンαだけ下回ることがないか否かを判断する（ステップS45）。ここで、目標値Ldは、現像ユニット２００内のトナー濃度をそれに維持すべく、制御部８１がトナーの供給を制御する値である。前述のように、トナー入換プロセスで消費されるトナー量はほぼ一定しており、トナー入換プロセス終了後のトナー濃度もほぼ一定している。しかし、気温や湿度などの周囲環境、トナー入換プロセスを開始したときのトナー濃度によってバラツキがある。トナー濃度が下がりすぎると、キャリアが現像ユニットから落下するなどの弊害が生じるため、ここで、マージンαを超えてトナー濃度が下がることのないようにチェックしている。

ステップS45の判定結果がYesの場合、トナーの消費を継続し、トナー排出パターンの形成終了を待つ（ステップS61）。前記判定結果がNoの場合、即ち、トナー濃度が下がりすぎた場合、ルーチンは、ステップS47へ進む。ここで、制御部８１は、トナー排出用パターンの露光を中断し（ステップS47）、後の再開時に形成すべきトナー排出パターンの面積を算出し、一時的に保持する（ステップS49）。前記面積は、中断時点におけるトナー排出用パターンの残り面積であってもよいが、さらに、この後に補給されるトナー量を考慮して算出して補正することが好ましい。その後、制御部８１は、トナーを現像ユニット２００内に補給してトナー濃度を上昇させる（ステップS51）。そして、トナー濃度が目標値Ldよりβ（β＜α）だけ小さい値まで回復するのを待つ（ステップS53）。ここで、βは、予め決められた値であってもよいが、ステップS49において、トナー排出パターンの残り面積に応じて制御部８１により算出されてもよい。

トナー濃度がLd−βまで回復したら、制御部８１は、トナー排出用パターンの露光を再開させる（ステップS55）。その後に形成するトナー排出用パターンは、前記ステップS49で算出した面積である。トナー排出パターンの露光を再開した後、ルーチンは、ステップS45へ進み、トナー濃度を監視しつつトナー排出パターンの終了を待つ。

トナー排出パターンの形成が終了したら、制御部は、光走査ユニット２０４が感光体ドラム２０２を露光しない状態で（ステップS63）、転写電圧Vtを所定のクリーニング用電圧Vcとし（ステップS65）、転写ベルト２０６が２周するのを待つ（ステップS67）。クリーニング用電圧Vcは、トナーの帯電極性と同極性の電圧である。一例では、Vc=+450Vである。これによって、転写ベルト２０６表面に付着したトナーを感光体ドラム２０２側へ転写させ、転写ベルト２０６をクリーニングする。なお、ここで感光体ドラム２０２へ転写したトナーは、クリーニングユニット２０８に回収される。転写ベルト２０６の１周以上（図８の実施形態では２周）する間、転写ベルト２０６がクリーニングされる。

また、制御部は、現像ユニット２００へ新たなトナーを補給してトナー濃度を上昇させる（ステップS69）。そして、トナー濃度が目標値Ldまで回復するのを待つ（ステップS71）。なお、トナーの補給は、転写ベルト２０６のクリーニングと並行して行ってもよい。トナー濃度が回復したら、転写電圧をオフする（ステップS73）。

実験例
図９は、この実施形態に係る制御手法の有効性を示す実験結果のグラフである。図９で、横軸は印刷枚数、縦軸はグリッド電圧Vgである。印字率0.4％の画像を印刷し、プロセスコントロールによって変化するグリッド電圧Vgをプロットしたものである。実線で結ばれた正方形は、従来の制御手法である。鎖線で結ばれた中空の正方形は、この実施形態に係る制御手法である。

実験に用いた画像形成装置は、プロセス速度350mm/秒、現像ユニット内の現像剤の容量は質量で900g、トナー濃度の目標値Ldは5.0％、トナー濃度の下限値4.5％（即ち、α＝0.5％）、一回のトナー入換プロセスで消費させるトナーの量は、質量で6g、印字率の許容値L1は、0.5％である。なお、グリッド電圧の絶対値は、850Vが制御可能な上限である。現像バイアス電圧の絶対値は、700Vが制御可能な上限である。

図９のように、従来の制御手法で低印字率の印刷を続けると、トナーが劣化して画像濃度が下がるため、プロセスコントロールが実施されるとグリッド電圧の絶対値が大きくなる。図９では、６００枚付近でグリッド電圧の絶対値が上限値850Vに達し、その後も上限値を維持する。

これに対し、この実施形態に係る制御手法では、グリッド電圧が上昇して、閾値Lg = 825Vを超えたら、トナー入換プロセスが実行され、グリッド電圧が下がる。図９においては、A,B,C,Dの４回にわたってグリッド電圧が許容値を超え、トナー入換プロセスが実行されている。トナー入換プロセスが実行された後は、画像の濃度が出やすくなる。そのため、グリッド電圧の絶対値が小さくなる。その結果、かぶりが発生し易い印刷枚数である2,500枚付近に至っても、グリッド電圧は上限値を下回ることが可能である。

なお、図９では、トナー入換プロセスを繰り返すにつれて、グリッド電圧の絶対値が小さくなる程度が少なくなっている。これは、トナー入換プロセスで消費させるトナーの量が少ないためと考えられる。従って、消費させるトナーの量を最適化することで、さらに効果を持続させることができると考えられる。

前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。

低印字率の印刷後に発生する粒状カブリが発生し易い条件を示すグラフである。この発明の画像形成装置の一態様である電子写真方式プリンタの機構的な構造を示す説明図である。図２に示す電子写真方式プリンタの現像部およびトナー収容部の構造を示す断面図である。この実施形態に係る電子写真プロセスの制御に関する機能的なブロックの構成を示すブロック図である。この実施の形態における電子写真プロセスの静電潜像の電位および現像電位の関係の一例を模式的に示す説明図である。この実施の形態において、更新された帯電電圧および現像電位の一例を示す説明図である。この発明に係るトナー入換プロセスの実行手順を示す第１のフローチャートである。この発明に係るトナー入換プロセスの実行手順を示す第２のフローチャートである。この実施形態に係る制御手法の有効性を示す実験結果のグラフである。

符号の説明

１１画像形成装置
２１トナー搬送モータ制御回路
２３トナー搬送モータ
２５トナー供給モータ制御回路
２７トナー供給モータ
２９プロセス駆動モータ制御回路
３１プロセス駆動モータ
６１帯電電源
６２現像バイアス電源
６３転写電源
８０画像形成指示部
８１制御部
８２画像データ生成部
８３画像データ出力部
８４走査制御回路
８５レーザ発光素子
１７１トナー収容部
１７２トナーボトル装着部
１７３トナー供給口
１７４トナーボトル
１７５攪拌ローラ
１７６トナー供給ローラ
１７７トナー搬送センサ
１７８トナーホッパ
１７９トナー溜り部
１８３トナー落下開口部
１８４搬送スクリュー
１８５攪拌スクリュー
１８６トナー濃度センサ
１８７現像ローラ
２００現像ユニット
２０１シート供給トレイ
２０２感光体ドラム
２０３帯電器
２０４光走査ユニット
２０５定着ユニット
２０６転写ベルト
２０７転写ローラ
２０８クリーニングユニット
２０９ピックアップローラ
２１０レジストローラ
２１１加熱ローラ
２１２加圧ローラ
２１３シート排出トレイ

Claims

無端状の感光体と帯電ユニットと二成分現像に係る現像ユニットと前記現像ユニットへトナーを供給するトナー供給ユニットとを含んでなり電子写真プロセスにより画像を形成する作像部と、
作像部に画像を形成させ、かつ、前記感光体の帯電電圧を所定の目標値にすべく帯電ユニットを制御し、現像ユニットに印加する現像バイアス電圧を前記帯電電圧の目標値に応じて制御し、それらの制御により前記画像の濃度の安定化を図る制御部と、
作像部で形成された画像を印刷シートに転写する転写部と、
転写部に転写電圧を印加し得る転写用電源部と、
形成すべき画像の印字率を画像形成前に認識する印字率認識部とを備え、
前記制御部は、前記帯電電圧に応じて現像バイアス電圧を決定し、前記現像バイアス電圧の絶対値が所定値より大きくなったとき、所定面積のパターンの画像を現像しその後に新たなトナーを補給して現像ユニット内のトナーを入れ換えるように制御しかつ前記パターンが転写部を通過する間、転写部を電位的にフローティングさせるか、または、トナーの帯電極性と同じ極性の電圧を転写部に印加するように転写用電源部を制御し、かつ、算出された帯電電圧の目標値に応じた現像バイアスの絶対値がトナー入換プロセスを実行すべき値であり、かつ、以降に形成すべき画像の印字率が認識されている場合、その印字率が所定値以上であればトナー入換プロセスを実行せず、所定値未満であればトナー入換プロセスを実行することを特徴とする画像形成装置。
形成された画像の濃度を測定する測定部をさらに備え、
前記制御部は、所定の時機が到来したとき、作像部に所定パターンの画像を形成させ、測定部に前記画像の濃度を測定させ、測定結果に基づいて帯電電圧の目標値を算出し、算出結果に基づいて以降の画像形成を行うように制御すると共に、前記目標値を算出した後、次の画像を形成する前にトナーを入れ換えるか否かを決定する請求項１に記載の画像形成装置。
前記転写部は、感光体の表面に接する転写部材を有してなり、
前記制御部は、前記所定パターンが転写部を通過した後、トナーの帯電極性と同じ極性、かつ、感光体の帯電電位よりも絶対値の大きい電圧を転写部に印加するように転写用電源部を制御する請求項１または２に記載の画像形成装置。
前記制御部は、所定のパターンが転写部を通過した後感光体が２周以上周回する間、前記電圧を転写部に印加するよう制御する請求項１〜３のいずれか一つに記載の画像形成装置。
前記制御部はトナー入換プロセスにおいて、トナーを消費させた後に新たなトナーを補給する請求項１〜４のいずれか一つに記載の画像形成装置。
前記制御部は、トナー入換プロセスの実行中に現像ユニット内のトナー濃度が所定の下限値まで低下した場合、トナーを消費させる処理を中断する請求項５に記載の画像形成装置。
前記制御部は、トナーを消費させる処理を中断した後に新たなトナーを現像ユニットへ供給し、その後再びトナーを消費させる処理を行う請求項６に記載の画像形成装置。
前記印刷シートを転写部へ供給するシート供給部をさらに備え、
前記シート供給部は、トナー入換プロセスの期間中、転写部へシートを供給しない請求項１〜７のいずれか一つに記載の画像形成装置。