JP5506352B2

JP5506352B2 - 画像形成装置

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Publication number: JP5506352B2
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Authority: JP
Inventors: 勇爾別所
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Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2014-05-28
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Description

本発明は、現像装置から劣化したトナーを除去するために、非画像形成時の感光体に排出トナー像を形成する画像形成装置、詳しくは、排出トナー像に消費するトナー量を節約する制御に関する。

トナー（非磁性）とキャリア（磁性）を含む現像剤（二成分現像剤）を用いて感光体に形成された静電像を現像する電子写真方式の画像形成装置が広く用いられている（特許文献１、２）。

図２に示すように、二成分現像剤を用いる現像装置（４Ｋ）は、二成分現像剤を攪拌してトナーとキャリアを相互に摩擦帯電させて現像剤担持体（４１）に担持させ、感光体（１Ｋ）との対向部へ搬送して、トナーのみを静電像に付着させる。そして、画像形成でトナーが消費されると、二成分現像剤に占めるトナーの割合が低下するため、画像形成で消費したトナー量を補うように、現像剤補給装置（８Ｋ）から現像装置（４Ｋ）へ速やかにトナーが補給される。

また、二成分現像剤を用いる現像装置（４Ｋ）では、現像剤担持体（４１）に担持されたトナーの帯電量が減少すると、同じ静電像に付着するトナーの数が増えて画像濃度が高まる。一方、トナーの帯電量が増加すると、同じ静電像に付着するトナーの数が減って画像濃度が低くなる。このため、二成分現像剤を用いる現像装置（４Ｋ）では、トナーの補給を制御して二成分現像剤に占めるトナーの割合を維持すると同時に、トナーの帯電量を所定範囲に維持することが必要である。

特許文献１には、画像比率が低くてトナー消費量が少ない画像形成が連続すると、現像装置（４Ｋ）内でトナーが攪拌を受け続ける時間が長くなり、トナーが劣化して所定範囲の帯電量を維持できなくなることが記載されている。この課題を解決するために、非画像形成時に、画像形成におけるトナー消費の不足を補うように、静電像形成手段（３Ｋ）を制御して排出トナー像を感光体（１Ｋ）に形成させている。これにより、排出トナー像として現像装置（４Ｋ）から感光体（１Ｋ）へ劣化したトナーを排出して、現像剤補給装置（８Ｋ）の新品トナーへ置き換えている。

ところで、多くのユーザーは、フルカラー画像形成装置においてもモノクロ画像を出力させる機会が多いため、フルカラー画像形成装置には、ブラック単色モードが設けられている。

特許文献２には、ブラック単色画像を出力するブラック単色モード（第１モード）と黒色のトナーを含む複数色のトナーを用いたフルカラー画像を出力するフルカラーモード（第２モード）とを有する画像形成装置が提案されている。ブラック単色モードでは、ブラック以外の画像を形成する感光体を中間転写ベルトから離間させ、ブラック以外の現像装置を停止させることで、感光体の摩耗や現像剤の劣化を防止し、消費電力を節約している。

特開平９−３４２４３号公報特開２００８−２６８４５２号公報

特許文献１の画像形成装置では、上述したように、非画像形成時に、排出トナー像を感光体に形成しているが、排出トナー像を形成するトナーは劣化しているとは言え、画像形成には関与できずに捨てられてしまう。このため、廃棄トナーの処理コストの削減、資源節約、画像形成装置のランニングコストの軽減の観点から見て、排出トナー像として感光体に排出されるトナーは少ないことが望ましい。

ここで、従来は、どのような画像形成モードでも一律の基準で排出トナー像を形成して、現像装置内のトナーの劣化状態を一定に制限していた。後述するように、スクリーンパターンを用いたハーフトーン画像では、現像装置内のトナーの劣化状態が出力画像の品質に大きな影響を与えるからである。しかし、検討の結果、フルカラーモードの場合には、現像装置内のトナーの劣化状態が、ブラック単色モードほどには出力画像の品質に影響を及ばさないで済むことが判明した。

本発明は、ハーフトーン画像の品質に影響が及ばない範囲で感光体に形成する排出トナー像のトナー量を減らして、運転中のトータルのトナー消費量を節約できる画像形成装置を提供することを目的としている。

本発明の画像形成装置は、像担持体に形成された潜像をブラック用のトナーにて現像する第１の現像装置と、像担持体に形成された潜像を、前記ブラック用のトナーよりも高抵抗であるカラー用のトナーにて現像する第２の現像装置と、前記第１の現像装置において、画像比率が低いほど非画像形成時に前記像担持体にトナーを強制的に排出させる排出動作の実行頻度が高くなるように前記排出動作を制御する制御手段と、を備えたものである。そして、ハーフトーン画像のブラック画像を含む画像を形成するにあたって、前記第１の現像装置のみを用いて画像形成を行う第１モードと、前記第１及び前記第２の現像装置を用いて画像形成する第２モードと、をそれぞれ実行可能であって、前記制御手段は、前記第１モードの方が前記第２モードよりも、同一画像比率に対する前記排出動作の実行頻度が高くなるように前記排出動作を制御する。

本発明の画像形成装置では、現像装置内のトナーの劣化が進んでも、ドットを分散させたハーフトーン画像の画像品質に影響が出にくい第２モードでは、第１モードよりもトナー消費が少なくなるように像担持体にトナーを強制的に排出させる排出動作の実行頻度を低くする。このため、第１モードと同じ基準を用いて第２モードで像担持体にトナーを強制的に排出させる場合に比較して、排出トナー像として廃棄される総トナー量が少なくなる。

従って、出力画像の品質に影響が及ばない範囲で感光体に形成する排出トナー像のトナー量を減らして、運転中のトータルのトナー消費量を節約できる。

画像形成装置の構成の説明図である。ブラックの画像形成部の構成の説明図である。現像装置の構成の説明図である。一定条件で強制消費モードを行った場合の現像装置内のトナーの平均滞在時間の説明図である。画素の面積階調の説明図である。出力画像の画像比率の説明図である。実施例１のブラック強制消費制御のフローチャートである。他色の強制消費制御のフローチャートである。排出トナー像の形成タイミングの説明図である。実施例３のブラック強制消費制御のフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、フルカラーハーフトーン画像を出力する場合にブラックハーフトーン画像を出力する場合によりもトナー消費が節約される限りにおいて、実施形態の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実施できる。

従って、二成分現像剤を用いて画像形成を行う画像形成装置であれば、タンデム型／１ドラム型、中間転写型／記録材搬送型／直接転写型の区別無く実施できる。本実施形態では、トナー像の形成／転写に係る主要部のみを説明するが、本発明は、必要な機器、装備、筐体構造を加えて、プリンタ、各種印刷機、複写機、ＦＡＸ、複合機等、種々の用途で実施できる。

なお、特許文献１、２に示される画像形成装置の一般的な事項については、図示を省略して重複する説明を省略する。

＜画像形成装置＞
図１は画像形成装置の構成の説明図である。図２はブラックの画像形成部の構成の説明図である。図３は現像装置の構成の説明図である。

図１に示すように、画像形成装置１００は、記録材搬送ベルト７に沿ってイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＫを配列した記録材搬送ベルト方式のフルカラープリンタである。

画像形成部ＰＹでは、感光ドラム１Ｙにイエロートナー像が形成されて記録材搬送ベルト７上の記録材Ｐに転写される。画像形成部ＰＭでは、感光ドラム１Ｍにマゼンタトナー像が形成されて記録材搬送ベルト７上の記録材Ｐのイエロートナー像に重ねて転写される。画像形成部ＰＣ、ＰＫでは、それぞれ感光ドラム１Ｃ、１Ｋにシアントナー像、ブラックトナー像が形成されて同様に記録材搬送ベルト７上の記録材Ｐに順次重ねて転写される。

記録材搬送ベルト７に担持された状態で四色のトナー像を転写された記録材Ｐは、駆動ローラ７１で曲率分離して定着装置８へ送り込まれる。定着装置８は、記録材Ｐを加熱加圧して表面にトナー像を定着させる。その後、記録材Ｐが機体外部へ排出される。

記録材搬送ベルト７は、テンションローラ７２と駆動ローラ７１に掛け渡して支持され、駆動ローラ７１に駆動されて所定のプロセススピードで矢印Ｒ２方向に回転する。

記録材カセット７０から引き出された記録材Ｐは、分離ローラ７６で１枚ずつに分離して、レジストローラ７５へ送り出される。レジストローラ７５は、停止状態で記録材Ｐを受け入れて待機させ、感光ドラム１Ｙのトナー像にタイミングを合わせて記録材搬送ベルト７に記録材Ｐを供給する。

画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＫは、現像装置４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４Ｋで用いるトナーの色がイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックと異なる以外は、実質的に同一に構成される。以下では、ブラックの画像形成部ＰＫについて説明し、他の画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣについては、説明中の構成部材に付した符号の末尾のＫをＹ、Ｍ、Ｃに読み替えて説明されるものとする。

図２に示すように、画像形成部ＰＫは、感光ドラム１Ｋの周囲に、コロナ帯電器２Ｋ、露光装置３Ｋ、現像装置４Ｋ、転写ブレード５Ｋ、ドラムクリーニング装置６Ｋを配置している。露光装置（静電像形成手段）３Ｋは、感光ドラム（感光体）１Ｋに静電像を形成する。現像装置４Ｋは、トナーとキャリアを含む現像剤（二成分現像剤）の攪拌を伴って感光ドラム１Ｋの静電像を現像する。現像剤補給装置（補給手段）２５は、現像装置４Ｋで消費されたトナーを現像装置４Ｋに補給する。制御部（制御手段）３０は、画像形成におけるトナー消費の不足を補うように、非画像形成時に露光装置３Ｋを制御して排出トナー像を感光ドラム１Ｋに形成させる。

感光ドラム１Ｋは、帯電極性が負極性の感光層をアルミニウムシリンダの基体上に形成して構成される。コロナ帯電器２Ｋは、コロナ放電に伴う荷電粒子を照射して感光ドラム１Ｋの表面を負極性の暗部電位ＶＤに一様に帯電処理する。

露光装置３Ｋは、ブラックの分解色画像を展開した走査線画像データをＯＮ−ＯＦＦ変調したレーザービームを回転ミラーで走査して、感光ドラム１Ｋの表面に画像の静電像を書き込む。暗部電位ＶＤに帯電した感光ドラム１Ｋの表面電位が露光を受けて明部電位ＶＬに低下することで、トナー像を担持する露光部が形成される。なお、露光装置３Ｋは、レーザービームスキャナに代えて、発光ダイオード素子アレイ等他の画素列発光体を用いることもできる。

現像装置４Ｋは、感光ドラム１Ｋに形成された静電像を反転現像してトナー像を形成する。転写ブレード５Ｋは、記録材搬送ベルト７の内側面を押圧して感光ドラム１Ｙと記録材搬送ベルト７の間に転写部ＴＫを形成する。電源Ｄ１は、転写ブレード５Ｋに正極性の電圧を印加して、感光ドラム１Ｋに担持されたトナー像を記録材搬送ベルト７に担持された記録材Ｐへ転写させる。

ドラムクリーニング装置６Ｋは、感光ドラム１Ｋにクリーニングブレード６１を摺擦させて、記録材Ｐへの転写を逃れて感光ドラム１Ｋに残った転写残トナーを回収する。

＜現像装置＞
図３に示すように、現像装置４Ｋは、感光ドラム１Ｋ表面に対して３００μｍの間隔を隔てて現像スリーブ１１が対向するように配置されている。現像装置４Ｋは、帯電させた現像剤を現像スリーブ１１に担持させて磁気ブラシ状態で感光ドラム１Ｋとの対向部に搬送して静電像を反転現像する。

現像容器１０の内部は、垂直方向に延在する隔壁１５によって現像室１６と撹拌室１７とに区画され、隔壁１５の上方は開放され、長手方向の両端部には現像室１６と撹拌室１７との間で現像剤を移動させるための開口（不図示）が形成されている。現像室１６及び撹拌室１７には、トナー（非磁性）とキャリア（磁性）を含む現像剤（二成分現像剤）が収容されている。現像剤は、第１撹拌スクリュー１８及び第２撹拌スクリュー１９によって撹拌されながら長手方向の反対方向に搬送され、上記の開口を通じて現像室１６と撹拌室１７を循環する。

現像室１６は、感光ドラム１Ｋに対面した現像域に相当する位置が開口しており、この開口部から一部露出するようにして、現像スリーブ１１が回転可能に配置されている。現像スリーブ１１は、非磁性材料であるアルミニウム円筒で構成され、現像動作時には、矢印Ｒ４方向に回転する。現像スリーブ１１の内部には、磁界発生手段であるマグネットローラ（ローラ状の磁石）２０が非回転に配置されている。現像スリーブ１１は、規制ブレード１４によって層厚規制された現像剤の層を担持して回転し、感光ドラム１Ｋと対向する現像域で現像剤中のトナーのみを感光ドラム１へ移転させて静電像を現像する。負極性に帯電したトナーを現像スリーブ１１から感光ドラム１Ｋへ移動させるために、電源Ｄ４は、負極性の直流電圧Ｖｄｃに交流電圧を重畳した振動電圧を現像スリーブ１１に印加する。

現像装置４のマグネットローラ２０は、５極構成からなり、第１撹拌スクリュー１８で撹拌された現像剤は、汲み上げのための磁極（汲み上げ極）Ｎ３の磁力で拘束されて現像スリーブ１１の回転により現像剤溜まり部１２へ搬送される。現像剤返し部材１３は、現像剤溜まり部１２を規制する。搬送される現像剤の量が現像剤返し部材１３で規制されるため、ある一定以上の磁束密度を有する磁極（カット極）Ｓ２で安定した現像剤を十分に拘束できる。

規制ブレード１４は、現像剤の穂高を規制する穂高規制部材である。現像剤は、磁束に応答して磁気ブラシを形成しつつ搬送され、規制ブレード１４で磁気ブラシが穂切りされることにより、その量が適正化され、磁極Ｎ１でさらに搬送されて現像極Ｓ１で現像に供される。

＜二成分現像剤＞
現像剤は、ポリエステル樹脂に顔料を分散させたトナー（非磁性）と、フェライトをシリコン樹脂でコーティングしたキャリア（磁性）とを主成分として構成される。現像室１６及び撹拌室１７での撹拌と現像剤溜まり部１２での摺擦によって、トナーとキャリアが摩擦帯電し、トナーにマイナスの電荷が付与されて負極性に帯電する一方、キャリアは正極性に帯電する。

トナー（非磁性）としては、体積平均粒径が３〜９μｍの重合トナーが好ましい。重合トナーを用いることにより、高解像力であり、濃度が安定し。かぶりの発生が極めて少ない画像形成が可能となる。キャリア（磁性）としては、体積平均粒径が３０〜６５μｍで磁化量が２０〜７０ｅｍｕ／ｇの磁性粒子からなるフェライトコアのキャリアが好ましい。

＜現像剤補給装置＞
電子写真方式のフルカラー画像形成装置において、トナー（非磁性）とキャリア（磁性）とを混合して現像剤として使用する二成分現像方式が広く利用されている。二成分現像方式は現在提案されている他の現像方式と比較して、画質の安定性、装置の耐久性などの長所を備えている。一方、画像形成に伴い、トナーのみが消費されていくため、それに応じてトナーを適宜補給し、現像剤全体の重量に対するトナーの重量比であるトナー濃度を適切な範囲内に制御する必要がある。

トナー濃度を制御する方法として、光検知方式、インダクタンス検知方式、パッチ検知方式、ビデオカウント方式等が従来から提案され、実施されている。

光検知方式は、現像装置の内部に反射光検出センサを設け、現像剤の反射光からトナー濃度を直接検知する。インダクタンス検知方式は、現像装置の近傍に磁気センサを設け、現像剤の透磁率からトナー濃度を直接検知する。また、パッチ検知方式は、感光ドラム上に形成したパッチ画像の濃度を光学式センサにより検出し、検出結果に基づいてトナー補給量を制御する。さらに、ビデオカウント方式は、１枚の画像形成に用いる画像情報信号を検出して１枚の画像形成に消費されるトナー量を推定し、その推定値に基づいてトナー補給を行う。

画像形成装置１００では、ビデオカウントＡＴＲ（ＡｕｔｏＴｏｎｅｒＲｅｐｌｅｎｉｓｈｍｅｎｔ）とインダクタンス検知方式とを組み合わせて現像剤補給装置２５からトナーを補給する。ビデオカウントＡＴＲで１枚の画像形成に消費したトナー量を求めて、消費したトナー量だけのトナーを次の１枚の画像形成時に現像剤補給装置２５から補給する。ビデオカウントＡＴＲでは、原稿画像の画素ごとのデジタル画像信号の出力レベルから１枚の画像形成に必要なトナー量を求め、現像装置４Ｋへ求めたトナー量だけのトナー補給を行う。

なお、ビデオカウントＡＴＲでは、画像情報信号のビデオカウント処理を行って、形成している画像の画像比率を算出してもよい。露光装置３Ｋに供給する二値の走査線露光信号を所定周波数のクロックでサンプリングして二値のカウントを行って積算することにより、現像に用いるトナー量に対応するビデオカウント値を得てもよい。

そして、インダクタンス検知方式で測定したトナー濃度に応じた補正を供給量に施すことで、ビデオカウント方式による演算誤差の累積でトナー濃度が許容範囲を逸脱しないようにしている。濃度センサ２２は、現像剤の透磁率を検出してトナー濃度（現像剤に占めるトナーの重量比）に応じた出力を制御部３０に入力する。制御部３０は、ビデオカウントＡＴＲによる供給誤差が累積してトナー濃度が正常範囲（５〜１２％）を逸脱すると、正常範囲に戻すように、ビデオカウントＡＴＲの補給量を調整する。

現像で消費された分のトナーは、現像剤補給装置２５のホッパー２７の底から取り出され、トナー補給スクリュー２６の回転に従って、現像装置４Ｋの撹拌室１７内に補給される。現像剤補給装置２５から補給されたばかりのトナーも現像剤の撹拌に伴うキャリアとの摺擦によって適正な電荷が付与される。撹拌室１７内へのトナーの補給量（トナー補給量）は、トナー補給スクリュー２６の回転時間によっておおよそ定められる。

＜ブラック単色モード＞
図１に示すように、画像形成装置１００は、その色処理モード（カラーモード）として、フルカラーモード（第２モード）とブラック単色モード（第２モード）モードとを有している。フルカラーモードでは、原稿をフルカラーで再現する。ブラック単色モードでは、原稿の色味の有無を問わずに黒一色による再現を行う。

フルカラーモードでは、上述したように、４つの画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＫを用いてフルカラー画像を形成する。フルカラーモードによる画像形成は、四色のトナーを相当量使用するため、１枚の画像形成あたりのコストが大きい。

ブラック単色モードでは、画像形成部ＰＫのみを用いてモノクロ画像を形成する。画像形成装置１００にブラック単色モードが設定されると、破線の位置へ記録材搬送ベルト７が移動して、ブラック以外の感光ドラム１Ｙ、１Ｍ、１Ｃから中間転写ベルト７が離間する。これにより、感光ドラム１Ｙ、１Ｍ、１Ｃの摩耗が防止され、感光ドラム１Ｙ、１Ｍ、１Ｃを停止させることで消費電力も節約される。また、他色の現像装置４Ｙ、４Ｍ、４Ｃを停止させることで、現像剤の攪拌に伴うトナーの劣化が防止される。

ユーザーは、操作パネル３５を通じて設定を行うことで、フルカラーモードとブラック単色モードとを切り換え可能である。ブラック単色モードは、フルカラーモードに比べて低コストで済むという利点があり、特にランニングコストを重視するユーザーに対して好まれる傾向がある。このため、画像スキャナ３１で読み取る原稿画像がフルカラー部分を含んでいても、ユーザーは、必ずしもフルカラーモードによる画像形成を行うとは限らない。原稿画像をフルカラーで再現する必要がなければ、より低コストなブラック単色モードによる複写処理を行う場合がある。また、フルカラー部分を含む原稿の複写を複数部作成する場合にも、複写物の用途に応じて、フルカラーモードとブラック単色モードとを使い分ける場合がある。

また、外部のコンピュータから送られてくる画像形成ジョブのデータには、フルカラーモードとブラック単色画像モードの区別を示すデータが付加されている。制御部３０は、画像形成ジョブに付加されたデータを読み込んで、指定されたモードを画像形成装置１００に設定して、画像形成ジョブを開始する。

＜強制消費モード＞
図４は一定条件で強制消費モードを行った場合の現像装置内のトナーの平均滞在時間の説明図である。

現像剤補給装置２５は、画像形成を重ねてトナーが消費されていくと、消費量に応じたトナーを現像装置４Ｋへ補給する。このため、画像形成を繰り返すことで、現像剤中のトナーは順次新しいものに入れ替わっていく。

ところが、消費されるトナー量が少ない画像（画像比率が低い画像）を連続して出力し続けた場合、トナーの入れ替わりがほとんどなく、結果としてトナーが現像装置４Ｋ内に滞在して攪拌を受ける時間が長くなる。そして、トナーの滞在時間が長くなると、トナーは現像装置４Ｋ内で長期的に摺擦、撹拌を繰り返され、形状が不規則になったり、粒径の分布に偏りを生じたりする。この結果、現像剤の流動性が低下する等の劣化が生じて、十分な現像性能を発揮できなくなると、出力画像の品質が低下し易くなる。

また、現像剤に流動性を向上させる目的で添加されている酸化チタン粒子等の外添剤がトナー表面に埋め込まれて帯電性能が損なわれると、現像ムラや白地かぶりが発生して、出力画像の品質が低下する可能性も出てくる。

また、トナーはキャリアと摺擦することで電荷が付与されるが、同一のトナーが繰り返し摺擦され続けると、徐々に電荷が加算されて設計上の電荷量を大きく上回ってしまうことがある。トナーの持つ電荷が上昇すると、反転現像では、感光ドラム１Ｋに形成された静電像に付着するトナー量が初期の状態に比べて減少し、画像出力した際に濃度の低下、低濃度部分の粒状性の悪化を引き起す。このため、出力画像の品質が低化する可能性がある。

このような画像品質の低下の問題を解決するために、制御部３０は、算出された画像比率が所定値を下回っている場合には、画像と画像の間の非画像領域（紙間）に排出トナー像を形成して、強制的にトナーを消費させる。通常形成する画像の印字比率或いは画像比率を予め予測し、該印字比率が所定値を下回る場合に排出トナー像を形成してトナーを強制消費する。

そして、排出トナー像を形成することで消費された分の新しいトナーを現像剤補給装置２５から新たに現像装置４Ｋ内に補給することで、劣化したトナーを新しいトナーと入れ替えている。

このような強制消費モードを実行することで、画像比率の低い画像を連続して出力し続けた場合に、現像装置４Ｋ内のトナーの入れ替えが行われなくなることで生じる画質の低下や、画像濃度の低下が抑制される。強制消費モードを実行して強制的にトナーを消費することで、画像比率の低い画像を出力している場合においても、トナーの入れ替えが適宜行われ、出力画像のハーフトーン部のがさつきといった画質の低下を防止できる。そして、このようなトナーの入れ替えを多く行ってトナーを多く消費するほど、がさつきのような画像低下をより一層防止することが可能となる。

しかし、排出トナー像を用いた強制消費モードは、現像装置４Ｋ内のトナーの一部が入れ替わるに過ぎない。このため、連続的に低画像比率の画像形成が行われる場合には、現像装置４Ｋ内のトナーの滞在時間は、強制消費モードの効果によりいつか一定値となるものの、平均滞在時間は、低画像比率の画像形成を行う前よりは長時間となる。すると、滞在時間が長いだけ、トナーはキャリアとの摺擦等によりストレスを受けた状態となり、画像比率の低い画像を形成しつづけるほど、ストレスをより受けた状態で平均化される。

ところで、着色剤として低抵抗のカーボンブラックをはじめとする無機着色剤を用いたブラックトナー（第１のトナー）は、高抵抗の有機着色剤を用いたイエロー、マゼンタ、シアンのトナー（第２のトナー）と比較して、帯電量が低くなる傾向がある。低抵抗な着色剤によってトナー表面の電荷移動が容易になって静電気の保持能力が低下し、特に、劣化が進んでトナーに付着している外添剤が取れた場合、電荷移動がさらに容易になって、トナーの帯電量が一段と低くなる。

そして、トナーの帯電量が低くなると、ドットの現像性のばらつきが拡大するとともに転写効率が低下するため、ドットを分散させて構成されるハーフトーン画像に粒状性が現れていわゆる「がさつき」が大きくなる。また、二値のライン画像の転写中抜けも多くなる。このため、ブラックトナーは、イエロー、マゼンタ、シアンのトナーと比較して、トナーの劣化によるがさつきが現れ易く、視感的な画像品質の低下が著しい。

また、ハーフトーン画像に等しく粒状性が形成されている場合でも、トナーの色の違いによって視感的な「がさつき度」が大きく異なる。記録材に対する明度のコントラストが小さいイエローでは粒状性が見え難いが、明度のコントラストが大きいブラックは粒状性が見え易い。このため、ブラックのハーフトーン画像は、イエロー、マゼンタ、シアンのハーフトーン画像に比較してトナーの劣化によるがさつきが現れ易く、視感的な画像品質の低下が著しい。

そして、同じ濃度のブラックのハーフトーン画像であれば、ブラックトナーのみで形成した場合、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４色で形成した場合よりもブラックのドットが増える分、結果的に粒状性が目立つようになる。

また、フルカラーモードであれば、ブラックトナーのみで現像されたハーフトーン画像は、画面全体に占める割合が小さいため、がさついても目立たない。しかし、ブラック単色モードでは、画像全体がブラックトナーのみで現像されたハーフトーン画像であるため、わずかながさつきでも目立ってしまう。

また、画像品質以外にも、トナーの帯電量が低くなると、画像の白地部にトナーが現像される白地カブリや現像スリーブからのトナー飛散が発生し易くなるため、ブラックトナーは、劣化度合いを低く保っておく必要がある。

図４に示すように、一定条件で強制消費モードを行いつつ、低画像比率の画像を連続的に形成し続けた時、現像装置４Ｋ内トナーの平均滞在時間は、形成する画像の画像比率が低いほど長くなる。そして、上述したように、低画像比率の印字を続けると、トナーに対して外添剤が埋め込まれる等の弊害が生じ、低濃度部の粒状性を悪化させる等の画像不良が顕在化してくる。

図４には、低画像比率のブラックハーフトーン画像を印字し続けた場合、黒単色モードでの視感的な粒状性限界と、フルカラーモードでの視感的な粒状性限界とをそれぞれ示している。ブラックハーフトーン画像の粒状性は、ブラック黒単モードで形成した場合よりも、フルカラーモードで形成した場合のほうが粒状性が目立ちにくい。画像比率２％のブラックハーフトーン画像を連続して形成し続けると、ブラック単色モードの場合は粒状性限界を超えてしまう。しかし、フルカラーモードの場合は、同じ２％でも粒状性限界を超えることがない。

従って、ブラックハーフトーン画像の粒状性をブラック単色モードとフルカラーモードの両方で満足するためには、ブラック単色モードの粒状性限界に対応させて強制消費量を画像比率４〜５％相当のレベルまで増やす必要がある。しかし、排出トナー像として消費されるトナー量が増えると、画像形成装置１００のランニングコストを圧迫する可能性がある。一方、フルカラーモードの粒状性限界に対応させて強制消費量を画像比率２％にすると、ブラック単色モードでは粒状性が問題となる。

言うまでも無く、ブラックハーフトーン画像はブラック単色モード時に存在する確率が極めて高く、この問題はブラック単色モード時にハーフトーン部の粒状性悪化という画像品質の問題となって顕在化する可能性がある。

そこで、以下の実施例では、フルカラーモード時のブラックトナー強制消費の閾値を、ブラック単色モード時の閾値よりも小さく設定することで、上記問題を解決した。フルカラーモードとブラック単色モードとで、それぞれに適した閾値をユーザーが任意に設定できるようにした。フルカラーモード時のハーフトーン画像のがさつきの発生を防止するために必要最低限のブラックトナーの強制消費量を設定することでランニングコストを最低限に抑えた。ブラック単色モードでも必要最低限のブラックトナーの強制消費量を設定することで、ブラック単色モード時のハーフトーン画像の粒状性も低減した。

＜実施例１＞
図５は画素の面積階調の説明図である。図６は出力画像の画像比率の説明図である。図７は実施例１のブラック強制消費制御のフローチャートである。図８は他色の強制消費制御のフローチャートである。図９は排出トナー像の形成タイミングの説明図である。

図２に示すように、制御部３０は、露光装置３Ｋの制御に加え、画像形成装置１００全体の動作を制御する。画像スキャナ３１から送られてくる画像情報信号、あるいはコンピュータ等の出力装置３３から画像情報処理装置３２を介して送られてくる画像情報信号は、制御部３０で受信される。制御部３０は、ブラック単色モード（第１モード）とフルカラーモード（第２モード）とを切り換えて実行する。ブラック単色モードでは、抵抗値が低くて粒状性が目立つ色のブラックのトナーのみで現像されたドットを分散させたハーフトーン画像を出力する。フルカラーモードでは、ブラックのトナーで現像されたドットとブラックのトナーよりも抵抗が低くて粒状性も目立ちにくい他色のトナーで現像されたドットとを分散させたハーフトーン画像を出力する。

制御部３０は、露光装置３Ｋを制御して静電像を形成するためのレーザービームを発光させる。静電像は、感光ドラム１の主走査（長手）方向及び副走査（回転）方向にそれぞれ６００ｄｐｉの解像度で形成される。

電子写真方式を用いたデジタル式の画像形成装置における画像処理の一つの代表的な方式は、光ビームを感光ドラム表面の感光層に照射するか否かによる二値記録方式である。原稿画像データに対して誤差拡散法、ディザ法、スクリーン処理等の画像処理を施すことによって、中間階調の画像をドットを分散させたハーフトーン画像データに再構成し、この再構成された画像データを分解して二値の走査線露光信号を形成している。レーザビームプリンタ等では、各種のスクリーン処理によりハーフトーン画像を再現している場合が多い。

図５の（ａ）に示すように、ハーフトーン画像は、多値のドットを所定のスクリーンパターンで配置して構成される。スクリーンパターンの角度をイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色で異ならせることで、モアレパターンがフルカラー画像に出ないようにしている。具体的には、４ドット×４ドットの単位面積内に所定のスクリーンパターンに基づいて多値のドットを配置した画素Ｇｉによって構成されている。ドットの露光に用いるレーザービームの強度は一定であるが、ドット位置での照射時間（走査長）が長くなるほど、静電像ドットが深く（明部電位ＶＬが低く）なり、深い静電像ドットには、現像装置４によってより多くのトナーが付着される。すなわち、ドットの位置におけるレーザビームの走査時間が長いほど出力されるドットの画像濃度が高くなり、静電像ドットの面積と深さとの組み合わせで現像ドットの階調が複数段階に設定される。

画素Ｇｉの階調は、スクリーンパターンの１６とおりの面積階調と各ドットの１６とおりの階調との組み合わせで２５６段階が設定され、これを００ＨからＦＦＨまでの１６進数２桁で表示している。００Ｈが画像上で最も濃度が低い白地部となり、図５の（ｂ）に示すＦＦＨが最も濃度が高いベタ部となる。そして、００ＨからＦＦＨまでの画素Ｇｉの数値を、出力画像１枚に存在する全画素分足し合わせた合計値を、その画像のビデオカウントデータと呼ぶ。

図６に示すように、画像１枚分のビデオカウントデータを、全面ＦＦＨ画素（全面ベタ）である画像のビデオカウントデータで割った数値を、１０進数のパーセントに換算した数値をその画像の画像比率と呼ぶ。これらの数値計算は、すべて制御部３０内の画像比率算出プログラムで処理され、全面白地画像の画像比率は０％、全面ベタ画像の画像比率は１００％、一般的文書の全面文字画像の画像比率は５％程度である。

図２を参照して図７に示すように、実施例１では、ブラックトナーの消費量が少ない画像形成が続いた場合に、フルカラーモード（第２モード）とブラック単色モード（第１モード）とで場合分けを行う（Ｓ１２）。ブラックトナーの強制消費の閾値となる画像比率を、フルカラーモード時（Ｓ１３）とブラック単色モード時（Ｓ１４）とで個別に設定し、フルカラーモード時のブラックトナーの強制消費量をブラック単色モード時よりも多くしている。

制御部３０は、画像形成がスタートすると、入力された画像データを読み込み、ビデオカウント処理を行う。制御部３０は、ブラックの１枚の画像におけるドットごとの濃度をメモリ３４に格納して積算し、積算値からブラック画像の画像比率Ｖｋ（％）を算出する（Ｓ１１）。

次に、その画像形成が、フルカラーモードで行われたものか、ブラック単色モードで行われたものかを判断する（Ｓ１２）。フルカラーモードで行われた場合は、強制消費に至らせる閾値を２％と低く設定して（Ｓ１３）、差分値Ｖ（ｎ）＝２−Ｖｋの計算を行う。一方、ブラック単色モードで行われた場合は、閾値を４％と高く設定して（Ｓ１４）、差分値Ｖ（ｎ）＝４−Ｖｋと計算を行う。

このように、モードごとに設けられた閾値との差分値Ｖ（ｎ）を計算した後、差分値Ｖ（ｎ）が０以上、すなわち低消費だと判断した場合（Ｓ１５のＹＥＳ）、以下の様にトナーの強制消費制御を行う。

図６に示すように、差分値Ｖ（ｎ）相当のトナーを消費するように、連続画像形成時の先行する画像Ｇ１の後端と、これに後続する画像Ｇ２の先端との間である画像間隔（いわゆる紙間）に、排出トナー像Ｚ１を形成する。排出トナー像Ｚ１は、最高濃度の階調ＦＦＨの露光条件で、感光ドラム１Ｋの長手方向の全域に静電像を形成し、これを現像装置４Ｋで現像することにより形成される。

すなわち、１枚の画像に消費されるトナー量の不足量に応じて感光ドラム１Ｋの回転方向で排出トナー像Ｚ１の長さを設定する。これにより、１枚の画像に消費されるトナー量と排出トナー像Ｚ１の合計のトナー消費量を一定値に保っている。

感光ドラム１Ｋに形成された排出トナー像Ｚ１は、画像間隔で転写ブレード５Ｋに印加する電圧を反転して負極性とすることで、記録材搬送ベルト７への転写を回避する。転写部ＴＫを通過した排出トナー像Ｚ１は、ドラムクリーニング装置６Ｋへ送り込まれ、クリーニングブレード６１によりすべて感光ドラム１Ｋから除去される。

また、排出トナー像Ｚ１を現像している間、又はその後に、消費した量と同量のトナーが現像剤補給装置２５から現像装置４Ｋ内に補給される。したがって、現像装置４Ｋ内のトナーの入れ替えが行われ、トナーの流動性及び帯電量が適切な範囲に維持される。

また、光学式センサ２１は、感光ドラム１Ｋに所定の露光条件で形成したパッチ画像に赤外光を照射して反射光を検出することにより、パッチ画像のトナー載り量に応じた出力を行う。制御部３０は、トナー消費量が少ないにもかかわらず、パッチ画像のトナー載り量が増えてくると、トナーが劣化してトナー帯電量Ｑ／Ｍが低下したと判断して排出トナー像によるトナー強制消費制御を実行する。

図１を参照して図８に示すように、ブラックトナー以外の有彩色トナー（Ｙ、Ｍ、Ｃ）の低消費時には、低消費のＹ、Ｍ、Ｃについて、フルカラーモード時のみ画像比率を計算する（Ｓ２１）。基準値を２％として、画像ごとに基準値２％と各色の画像比率Ｖｙ、Ｖｍ、Ｖｃとの差分値Ｖｎを求めて（Ｓ２２）、積算する（Ｓ２３）。

図８に示すように、各回の差分量Ｖ（ｎ）の積算値Ｓｖ（ｎ）が１００％を超えた場合（Ｓ２４のＹＥＳ）に強制消費（Ｓ２５）と補給（Ｓ２６）を行う。なお、上述したように、ブラック単色モード時は、現像装置４Ｙ、４Ｍ、４Ｃは停止して使用されないため、強制消費は行われない。

実施例１の制御では、排出トナー像を形成するか否かを分けるための、画像の現像に消費されるトナー量に対応させた閾値が、ブラック単色モード（４％）では、フルカラーモード（２％）よりも高く制御される。このため、画像の現像に消費されるトナー量と前記排出トナー像として排出されるトナー量との１枚の画像あたりの和が、ブラック単色モードではフルカラーモードよりも少なく制御される。また、連続画像形成で画像の現像に消費される総トナー量をＭｇとし、当該連続画像形成に対応して形成される排出トナー像の総トナー量をＭｈとする。このとき、Ｍｈ／（Ｍｇ＋Ｍｈ）が、ブラック単色モードでは、フルカラーモードよりも多く制御される。

すなわち、フルカラーモード時のブラックトナー強制消費の閾値を、ブラック単色モード時の閾値よりも低く設定し、フルカラーモードとブラック単色モードとでそれぞれに適した強制消費の閾値を設定する。これにより、フルカラーモード時のランニングコストを低減し、かつブラック単色モード時のハーフトーン画像のがさつきの発生を防止できる。

実施例１の制御を行うことで、フルカラーモードを多用するユーザーの場合は、強制消費の閾値は２％となる。これにより、フルカラーモード時はブラックトナーの強制消費量が少なくなるため、ランニングコストを低く抑えることができる。

一方、ブラック単色モードを多用するユーザーは、強制消費の閾値は４％となる。これにより、ブラック単色モード時に低消費画像を連続して形成された場合であっても、ハーフトーン部のがさつきの低下を招くことなく良好に画像形成を行うことができる。

なお、実施例１では、排出トナー像Ｚ１の濃度階調を最高濃度ＦＦＨとしたが、必ずしも最高濃度ＦＦＨである必要はなく、ある程度効率良くトナーを現像させるような濃度階調であればよい。

また、実施例１では、ビデオカウントＡＴＲ方式によってトナー補給制御を行ったが、上述したパッチ検ＡＴＲ方式や光検知ＡＴＲ方式によるトナー補給制御を行ってもよい。

また、露光装置３Ｋの制御以外の制御を、他の制御装置（ＣＰＵ：不図示）によって行ってもよく、ビデオカウント処理は、他に専用の演算部を設けてそこで処理することも可能である。

また、トナーの強制消費モードの実行時に、排出トナー像を感光ドラムの非画像領域に転移させる例を説明したが、感光ドラムの画像領域に転移させるようにしてもよい。例えば、１サイズ大きな記録材を用いて画像と排出トナー像とを転写する画像形成を行った後に、排出トナー像が転写・定着された部分を切断分離してもよい。

＜実施例２＞
図１０は実施例２のブラック強制消費制御のフローチャートである。実施例２では、フルカラーモード時とブラック単色モード時とでブラックの画像比率の閾値を別々に設ける点は実施例１と同様である。しかし、画像比率の閾値との差分値Ｖ（ｎ）が生じた場合でもすぐには強制消費を行わず、図９に示すように、ベタ画像１枚分の強制消費量が積算された段階で、ベタ画像１枚分の排出トナー像を形成して強制消費制御を行う。

また、実施例２では、トナーの強制消費量の積算に際して、フルカラーモードでの閾値と実際の画像比率との差分値と、ブラック単色モードでの閾値と実際の画像比率との差分値とを合算してトナーの強制消費量の積算を行う。これにより、ブラック単色モードとフルカラーモードとを混在させて使用するユーザーに対しても、バランスの取れたトナーの強制消費量を設定できる。

図２を参照して図９に示すように、制御部３０は、実施例１と同様に、ブラックの１枚の画像の画像比率を算出し（Ｓ１１）、フルカラーモードかブラック単色モードかを判断する（Ｓ１２）。そして、画像比率の閾値（２％、４％）を設定して、１枚の画像における差分値Ｖ（ｎ）を求める（Ｓ１３、Ｓ１４）。

制御部３０は、差分値Ｖ（ｎ）の積算をＳｖ（ｎ）＝Ｓｖ（ｎ−１）＋Ｖ（ｎ）により行う（Ｓ３５）。そして、積算値Ｓｖ（ｎ）が１００％以上になると（Ｓ３６のＹｅｓ）、以下の様に強制消費制御を行う（Ｓ３８）。

図９に示すように、Ａ４サイズ横送りで画像比率１００％相当のトナー量の排出トナー像Ｚｎを形成する。画像形成動作を一次中断し、露光条件を最大濃度ＦＦＨ相当に設定して感光ドラム１Ｋの軸方向の全域に静電像を形成し、これを現像して排出トナー像Ｚｎが形成される。感光ドラム１Ｋの１回転でちょうどＡ４サイズで１００％相当の排出トナー像Ｚｎが形成されるように、主走査方向の露光長さが設定されている。

現像した排出トナー像Ｚｎは、転写ブレード５Ｋに印加する電圧を反転させることで、転写部ＴＫで記録材搬送ベルト７へ転写せず、ドラムクリーニング装置６Ｋへ送り込んですべて除去される。トナーの強制消費と並行して新しいトナーが現像剤補給装置２５から補給されることにより、現像装置４Ｋ内のトナーの流動性及び帯電量がより適切な範囲に回復する。

実施例２の制御によれば、フルカラーモードを多用するユーザーの場合は、強制消費の閾値は２％となる一方、ブラック単色モードを多用するユーザーは、強制消費の閾値は４％となる。これにより、フルカラーモード時はブラックトナーの強制消費量を抑えることで、ランニングコストを低く抑えることができる。一方、ブラック単色モード時にはブラックトナーの強制消費量が多くなるため、画像比率の小さい画像を連続形成した場合であっても、ハーフトーン部のがさつきの低下を招くことなく良好に画像形成を行うことができる。

実施例２の制御では、フルカラーモードでの差分値の積算値とブラック単色モードでの差分値の積算値とを合算してトナーの強制消費制御のトリガーをかける。このため、フルカラーモードとブラック単色モードとを交互に利用する場合でも、適正なタイミングで強制消費制御が実行されて、劣化したトナーでブラック単色モードを開始する事態が回避される。

１感光ドラム、２コロナ帯電器、３露光装置（静電像形成手段）
４現像装置、５転写ブレード（転写手段）、２１光学式センサ
２２濃度センサ、２５現像剤補給装置（補給手段）、３０制御部（制御手段）
３２画像情報処理装置（画像処理部）、３３外部入力装置、３４メモリ
３５操作パネル（設定手段）、Ｐ記録材

Claims

像担持体に形成された潜像をブラック用のトナーにて現像する第１の現像装置と、
像担持体に形成された潜像を、前記ブラック用のトナーよりも高抵抗であるカラー用のトナーにて現像する第２の現像装置と、
前記第１の現像装置において、画像比率が低いほど非画像形成時に前記像担持体にトナーを強制的に排出させる排出動作の実行頻度が高くなるように前記排出動作を制御する制御手段と、を備えた画像形成装置において、
ハーフトーン画像のブラック画像を含む画像を形成するにあたって、前記第１の現像装置のみを用いて画像形成を行う第１モードと、前記第１及び前記第２の現像装置を用いて画像形成する第２モードと、をそれぞれ実行可能であって、
前記制御手段は、前記第１モードの方が前記第２モードよりも、同一画像比率に対する前記排出動作の実行頻度が高くなるように前記排出動作を制御することを特徴とする画像形成装置。
前記制御手段は、画像比率と所定の閾値との差、もしくは前記差の積算情報に基づいて、前記排出動作を実行し、前記閾値は、前記第１モードの方が前記第２モードよりも低く設定され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。
前記ブラック用のトナーは、カーボンブラックを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。