(57)【要約】【課題】劣化したトナーに起因するカブリの発生と，劣化したトナーの蓄積とを，ともに抑えた画像形成装置を提供すること。【解決手段】本発明の画像形成装置は，非磁性１成分のトナーを用いるものであり，現像電圧と回収電圧とを交互に繰り返して印加するものであるとともに，現像電圧として，像担持体の静電潜像の背景部における電界強度が，トナーが現像ローラから像担持体へ飛翔するに至らないカブリ防止モードと，像担持体の静電潜像の背景部における電界強度も，トナーが現像ローラから像担持体へ飛翔するのに十分である通常モードとを使い分けるものであり，現像電圧がカブリ防止モードにあるときのトナーの強制排出量を，現像電圧が通常モードにあるときのトナーの強制排出量より多くするものである。【選択図】図１
2010072168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
像担持体と，前記像担持体に非磁性１成分のトナーを付与する現像ローラと，前記像担持体と前記現像ローラとの間に現像バイアスを印加する電圧印加部とを有する非接触現像方式の画像形成装置において，
非画像形成時に前記現像ローラから前記像担持体へのトナーの強制排出を行う強制排出制御部を有し，
前記電圧印加部は，
前記現像ローラから前記像担持体へトナーを飛翔させる方向の電界を形成する現像電圧と，
前記像担持体から前記現像ローラへトナーを飛翔させる方向の電界を形成する回収電圧とを交互に繰り返して印加するものであるとともに，
前記現像電圧として，
前記像担持体の静電潜像の画像部における電界強度が，トナーが前記現像ローラから前記像担持体へ飛翔するのに十分であり，かつ，
前記像担持体の静電潜像の背景部における電界強度が，トナーが前記現像ローラから前記像担持体へ飛翔するに至らない値を用いるカブリ防止モードと，
前記像担持体の静電潜像の画像部および背景部における電界強度がいずれも，トナーが前記現像ローラから前記像担持体へ飛翔するのに十分である値を用いる通常モードとを使い分けるものであり，
前記強制排出制御部は，
前記現像電圧がカブリ防止モードにあるときのトナーの強制排出量を，前記現像電圧が通常モードにあるときのトナーの強制排出量より多くするものであることを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像形成装置において，前記強制排出制御部は，
画像形成により発生するトナーの必要排出量を１枚の画像形成ごとに算出し，その算出値に基づいてトナーの強制排出を行うとともに，
前記現像電圧がカブリ防止モードにあるときに，前記現像電圧が通常モードにあるときよりも，算出されるトナーの必要排出量を多くするものであることを特徴とする画像形成装置。
【請求項３】
請求項２に記載の画像形成装置において，前記強制排出制御部は，
トナーの必要排出量の算出を，１枚の画像形成による基準必要排出量から，印字率に応じて画像形成により排出されるトナー量を差し引くことで行うとともに，
前記現像電圧がカブリ防止モードにあるときに，前記現像電圧が通常モードにあるときよりも，前記基準必要排出量として大きい値を用いるものであることを特徴とする画像形成装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の画像形成装置において，前記強制排出制御部は，
トナーの必要排出量の算出値を積算するとともに，
トナーの強制排出を，その積算値があらかじめ定めた値以上となったときに一連の画像形成を一旦中断して行うものであることを特徴とする画像形成装置。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載の画像形成装置において，前記強制排出制御部は，
トナーの必要排出量の算出値を積算するとともに，
その積算値があらかじめ定めた値に満たない場合には，一連の画像形成を中断しないで排出可能な範囲内でのトナーの強制排出を紙間で行い，
その積算値があらかじめ定めた値以上となったときに，一連の画像形成を一旦中断して，その積算値と同量のトナーを排出するようにトナーの強制排出を行うものであることを特徴とする画像形成装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の画像形成装置において，前記強制排出制御部は，
一連の画像形成の終了後に，その時点での積算値と同量のトナーを排出するようにトナーの強制排出を行うものであることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，非磁性１成分トナーを用いる非接触式現像方式の画像形成装置に関する。さらに詳細には，現像バイアスの調整によりカブリを抑制するカブリ防止モードを有する画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非接触式現像方式の画像形成装置では，現像ローラと像担持体との間に一定の間隔がある。このためトナーは，現像バイアスによりこの間隔を飛翔して現像ローラから像担持体に移動する。ここで，現像バイアスが交流成分を持つ場合には，トナーは現像ローラと像担持体との間を往復することになる。この往復過程を経て，トナーは最終的に像担持体の静電潜像の画像部上に付着するのである。
【０００３】
ところで，トナーの帯電性は摩擦等により変化する。新品時のトナーの帯電性はよい。このため新しいトナーは帯電しやすく，また帯電量のばらつきも小さい。現像装置内のトナーが新しければ，現像ローラ上のトナーの大部分は，適切な帯電量のトナー（以下，「正規帯電トナー」という）で占められることになる。しかしトナーが劣化してくると，帯電量の小さいトナー（以下，「低帯電トナー」という）が増えてくる。この低帯電トナーは，静電潜像の背景部の箇所に付着してしまうことがある。これがカブリとなって印刷物の品質を落とす原因となる。
【０００４】
また，トナーの劣化がさらに進むと，正規帯電トナーとは逆向きに帯電したトナー（以下，「逆帯電トナー」という）も発生する。逆帯電トナーは，一旦現像ローラから離脱すると，正規帯電トナーとは逆向きの力を受ける。このため，現像バイアスが交流成分を持つ場合には，逆帯電トナーの一部も像担持体に到達する。逆帯電トナーは，像担持体に付着する際には，画像部よりも背景部に付着しやすい。このため逆帯電トナーもカブリの原因となる。特に，一旦像担持体に付着した逆帯電トナーは，現像バイアスの現像側位相を持ってしても，もはや像担持体から離脱することはない。逆帯電トナーの帯電量は一般に小さいものでしかないからである。
【０００５】
これに対して，現像バイアスの調整によりカブリを抑制することが考えられる。すなわち，現像バイアスを，劣化して正規帯電トナーでなくなったトナーが現像に寄与しないような値に調整するのである。そのような画像形成装置として例えば，特許文献１を挙げることができる。
【特許文献１】特開２００６−３０１４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら前記した従来の技術には，以下に説明する問題点があった。すなわち，現像バイアスの調整によりカブリを抑制するということは，劣化したトナーの現像装置からの排出をも抑制してしまうという一面を持つのである。このため，現像装置内に劣化トナーが蓄積されてしまう。このためやがて，カブリを抑えきれなくなったり，トナーが現像装置からこぼれ出るなどの事態となる。
【０００７】
本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，劣化したトナーに起因するカブリの発生と，劣化したトナーの蓄積とを，ともに抑えた画像形成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の画像形成装置は，像担持体と，像担持体に非磁性１成分のトナーを付与する現像ローラと，像担持体と現像ローラとの間に現像バイアスを印加する電圧印加部とを有する非接触現像方式の画像形成装置であって，非画像形成時に現像ローラから像担持体へのトナーの強制排出を行う強制排出制御部を有し，電圧印加部は，現像ローラから像担持体へトナーを飛翔させる方向の電界を形成する現像電圧と，像担持体から現像ローラへトナーを飛翔させる方向の電界を形成する回収電圧とを交互に繰り返して印加するものであるとともに，現像電圧として，像担持体の静電潜像の画像部における電界強度が，トナーが現像ローラから像担持体へ飛翔するのに十分であり，かつ，像担持体の静電潜像の背景部における電界強度が，トナーが現像ローラから像担持体へ飛翔するに至らない値を用いるカブリ防止モードと，像担持体の静電潜像の画像部および背景部における電界強度がいずれも，トナーが現像ローラから像担持体へ飛翔するのに十分である値を用いる通常モードとを使い分けるものであり，強制排出制御部は，現像電圧がカブリ防止モードにあるときのトナーの強制排出量を，現像電圧が通常モードにあるときのトナーの強制排出量より多くするものである。
【０００９】
この画像形成装置では，現像電圧として，カブリ防止モードと通常モードとが使い分けられる。カブリ防止モードは，画質では優れるが，トナー中に劣化トナーが蓄積していく傾向があることは否めない。そこでこの画像形成装置では，トナーの強制排出量に，カブリ防止モードと通常モードとで差を付けている。すなわち，カブリ防止モードでは通常モードよりも多い強制排出量となるようにしている。これにより，カブリ防止モードでもれっかとなーが蓄積しないようにしている。また，通常モードでは強制排出量を少なめとすることで，トナーをむやみに多量に強制排出することがないようにしている。
【００１０】
本発明では，画像形成により発生するトナーの必要排出量を１枚の画像形成ごとに算出し，その算出値に基づいてトナーの強制排出を行うとともに，現像電圧がカブリ防止モードにあるときに，現像電圧が通常モードにあるときよりも，算出されるトナーの必要排出量を多くすることが望ましい。このようにすることで，カブリ防止モードでの強制排出量を多くすることができる。
【００１１】
本発明ではさらに，トナーの必要排出量の算出を，１枚の画像形成による基準必要排出量から，印字率に応じて画像形成により排出されるトナー量を差し引くことで行うとともに，現像電圧がカブリ防止モードにあるときに，現像電圧が通常モードにあるときよりも，基準必要排出量として大きい値を用いることが望ましい。画像形成自体により排出されるトナー量は印字率に比例するので，このようにすることで，トナーの必要排出量を適切に算出できるのである。
【００１２】
さらに，トナーの必要排出量の算出値を積算するとともに，トナーの強制排出を，その積算値があらかじめ定めた値以上となったときに一連の画像形成を一旦中断して行うことが望ましい。これにより，劣化トナーの過度の蓄積が防止される。
【００１３】
あるいは，積算値があらかじめ定めた値に満たない場合には，一連の画像形成を中断しないで排出可能な範囲内でのトナーの強制排出を紙間で行い，積算値があらかじめ定めた値以上となったときに，一連の画像形成を一旦中断して，積算値と同量のトナーを排出するようにトナーの強制排出を行うこととしてもよい。これにより，一連の画像形成が中断される頻度が低く抑えられる。
【００１４】
さらに，一連の画像形成の終了後に，その時点での積算値と同量のトナーを排出するようにトナーの強制排出を行うことも望ましい。これにより，劣化トナーの蓄積をクリアした状態で，新たな一連の画像形成を待機することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば，劣化したトナーに起因するカブリの発生と，劣化したトナーの現像装置内での蓄積とが，ともに抑えられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下，本発明を具体化した最良の形態に係る画像形成装置について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態の画像形成装置は，図１に示すように構成されている。画像形成装置１００は，感光体１１０と，帯電装置１２０と，露光装置１３０と，現像ローラ１４０と，供給ローラ１４１と，規制ブレード１４２と，除電シート１４３と，転写器１５０と，定着器１６０と，クリーナ１７０と，トナー回収容器１７１と，バッファ１８０と，上流スクリュー１８１と，下流スクリュー１８２と，電圧印加部１９０と，総合制御部２００とを有している。
【００１７】
感光体１１０は，円筒形状をしており，表面に静電潜像が書き込まれる像担持体である。帯電装置１２０は，感光体１１０の表面を一様に帯電させるためのものである。露光装置１３０は，一様に帯電した感光体１１０の表面に光を当て，静電潜像を形成するためのものである。現像ローラ１４０は，感光体１１０の静電潜像にトナーを付与するためのものである。本形態で用いられるトナーは，負帯電性のものである。
【００１８】
本形態の画像形成装置１００は，感光体１１０と現像ローラ１４０とが接触していない非接触式現像方式で現像を行うものである。このため現像ローラ１４０は，感光体１１０に接触しないように，わずかにオフセットして設置されている。また，感光体１１０と現像ローラ１４０との間には，現像バイアスが印加されるようになっている。この現像バイアスの印加を行うのが電圧印加部１９０である。感光体１１０と現像ローラ１４０との隙間はほぼ１３０μｍ程度の決まった値である。現像ローラ１４０の表面のトナーは，現像バイアスによりこの隙間を飛翔し，最終的に感光体１１０の表面に付着するようになっている。
【００１９】
電圧印加部１９０により印加される現像バイアスは，後述するように交流成分を含んでいる。すなわち，現像電圧と回収電圧とを反復する電圧である。さらに，カブリ防止モードと通常モードとの２種類がある。この２種類の現像バイアスの使い分けを電圧印加部１９０に対して指示するのが総合制御部２００である。総合制御部２００はさらに，像間等にて行うパッチ処理の制御をも行う。その詳細は後述する。
【００２０】
供給ローラ１４１は，バッファ１８０の内部に収容されたトナーを現像ローラ１４０に供給するためのものである。供給ローラ１４１はまた，現像ローラ１４０へのトナーの供給とともに，現像ローラ１４０の表面から現像残トナーを回収する働きも担う。このため供給ローラ１４１は，現像ローラ１４０とカウンター方向に回転するようになっている。また，供給ローラ１４１は，発泡性弾性部材でできている。
【００２１】
規制ブレード１４２は，現像ローラ１４０に供給されたトナーを帯電させるとともに，現像ローラ１４０上でのトナーの搬送量を規制するためのものである。バッファ１８０は，トナーを内部に収容するための容器である。また，上流スクリュー１８１および下流スクリュー１８２により，バッファ１８０の内部のトナーが循環するようになっている。また，現像後のトナーの回収性を向上させるために除電シート１４３を設けている。
【００２２】
転写器１５０は，感光体１１０の表面上に形成されたトナー像を紙に転写するためのものである。クリーナ１７０は，紙への転写後の感光体１１０の表面に残ったトナーを回収して，トナー回収容器１７１へ入れるためのものである。また，定着器１６０は，トナーが紙から剥離しないようにトナーを紙に定着させるためのものである。
【００２３】
ここで，画像形成装置１００の基本的な動作について説明する。まず，帯電装置１２０により，感光体１１０の表面を一様に帯電させる。次に，露光装置１３０により，感光体１１０の表面に静電潜像を形成する。静電潜像が形成された感光体１１０の表面の電位は，画像部と背景部では異なっている。次に，現像ローラ１４０により，感光体１１０の静電潜像を現像する。この現像においては，トナーが静電潜像の画像部に付着する一方，静電潜像の背景部にはほとんど付着しない。
【００２４】
次に，転写器１５０により感光体１１０の表面のトナーが紙に転写される。次に，トナーを転写された紙上のトナー像が定着器１６０により定着される。これにより，紙への印刷がなされる。一方，感光体１１０の表面に転写されずに残ったトナーは，クリーナ１７０により回収される。
【００２５】
ここで，交流成分を有する現像バイアスについて説明する。現像バイアスの１周期分を図２に示す。図２において，横軸は時間であり，縦軸は電位である。さらに詳細には，縦軸の上方が現像側（マイナス）であり，下方が回収側（プラス）である。図２中の各記号の意味は，次の通りである。なお，本形態のＶｍｉｎは特許文献１のＶｍａｘに対応する。また，図２中の具体的な数値は，後述するカブリ防止モードにおける例である。
Ｖｍｉｎ  現像電圧
Ｖｍａｘ  回収電圧
Ｖｂ      背景部電位
Ｖｉ      画像部電位
Ｖｄｃ    現像バイアスの直流成分
Ｆｒｑ    現像バイアスの周波数
Ｖａｖｅ  現像バイアスの時間平均
Ｄｕｔｙ  現像電圧Ｖｍｉｎの時間占有率
【００２６】
続いて，図２中の現像電圧Ｖｍｉｎが掛かっているときに現像ローラ１４０上のトナーに作用する力について説明する。現像ローラ１４０上のトナーは，クーロン力Ｆｅと，付着力Ｆａとを受ける。クーロン力Ｆｅは，現像電圧Ｖｍｉｎによる電界，すなわち現像電界Ｅによりトナーの電荷に対して作用する力である。クーロン力Ｆｅの大きさは，トナーの帯電量をｑとして，
Ｆｅ ＝ ｑ・Ｅ    …………（１）
で表される。つまりクーロン力Ｆｅは，トナーの帯電量ｑに比例する。クーロン力Ｆｅの向きは，負に帯電しているトナーであれば，現像ローラ１４０から感光体１１０へ向かう向きである。
【００２７】
トナーの付着力Ｆａは，鏡像力Ｆｉと機械的付着力Ｆｖとの和である。これらはいずれも，トナーの現像ローラ１４０からの離脱を阻止する向きの力である。機械的付着力Ｆｖの主要な成分はファンデルワールス力であり，他に液架橋力等がある。以下，付着力Ｆａを全付着力Ｆａという。
【００２８】
トナーが現像ローラ１４０に付着しているときの鏡像力Ｆｉは，
Ｆｉ ＝ （ε−１）・ｑ2／｛４π・（ε＋１）・ε０・Ｄ2｝  ……（２）
ε    現像ローラの比誘電率
ε０  空気の誘電率
Ｄ    トナーの平均粒径
で表される。ここでε，ε０，Ｄは既知の定数である。よって，（２）式の右辺のうちｑ2の係数の部分
（ε−１）／｛４π・（ε＋１）・ε０・Ｄ2｝
も定数である。これを「ａ」で表すと（２）式は，
Ｆｉ＝ａ・ｑ2      …………（３）
となる。つまり鏡像力Ｆｉは，トナーの帯電量ｑの２乗に比例する。鏡像力Ｆｉは，トナーと現像ローラ１４０との間の距離の２乗にほぼ比例して弱まる。つまり，トナーが現像ローラ１４０から一度離れてしまえば，この力は極めて弱い。
【００２９】
機械的付着力Ｆｖは実験的に測定することができる。本発明者らはこの測定に，ＫＯＮＩＣＡ  ＭＩＮＯＬＴＡ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＲＥＰＯＲＴ  ＶＯＬ．１（２００４）ｐ１５「トナー付着力と電界飛翔性の粒径依存性」に記載の測定装置を用いた。これは，振動子を振動させ，静電力で付着しているトナーに振動加速度を与えることによりＦｖを測定するものである。その際，振動加速度を徐々に大きく与えることにより，付着しているトナーが離脱するときの振動加速度を求める。この値から，Ｆｖを求めることができる。
【００３０】
測定の結果Ｆｖは，トナーや現像ローラ１４０の種類，環境等に左右されるが，５〜数十［ｎＮ］程度の範囲内であり，トナーの帯電量ｑに依存しないことが分かった。むろんＦｖは，現像電界Ｅにも依存しない。よって定数とみなせる。機械的付着力Ｆｖは，実質的にトナーが現像ローラ１４０に付着している場合にのみ働く。つまり，トナーが現像ローラ１４０から一度離れてしまえば，この力は事実上働かない。
【００３１】
以上より，現像ローラ１４０に付着しているトナーが現像電界Ｅを受けているときに受ける力の合力Ｆは，クーロン力Ｆｅから鏡像力Ｆｉおよび機械的付着力Ｆｖを差し引いたものであるから，
Ｆ ＝ −ａ・ｑ2＋Ｅ・ｑ−Ｆｖ    …………（４）
と，トナーの帯電量ｑの２次関数で表される。（４）式において，第１項が鏡像力Ｆｉ，第２項がクーロン力Ｆｅ，第３項が機械的付着力Ｆｖ，である。（４）式では，トナーが現像ローラ１４０から感光体１１０へ向かう向きを正としている。
【００３２】
ここで，（２）式のところで登場したパラメータについて，
ε ＞ １
ε０ ＞ ０
Ｄ2 ＞ ０
なので，ａは正である。ゆえに，Ｆは上に凸の２次関数であり，ある帯電量ｑの値で最大値をとる。この，Ｆが最大となる帯電量ｑが，トナーが現像ローラ１４０から最も離脱しやすい帯電量である。
【００３３】
ここで，図３にトナーの帯電量ｑとトナーに働く各々の力の関係を示す。まず，図３の上段に，合力Ｆと，クーロン力Ｆｅと，鏡像力Ｆｉと，機械的付着力Ｆｖと，全付着力Ｆａとのグラフを示す。横軸はトナーの帯電量であり，縦軸はトナーに働く力である。縦軸において，上方が離脱側であり下方が付着側である。
【００３４】
図３を見ると，現像電界Ｅに依存しない力について，次のことが理解できる。
・機械的付着力Ｆｖ（破線）が負の一定値であること。
・鏡像力Ｆｉ（一点鎖線）が，帯電量と力とがともにゼロである原点を頂点として下に開く放物線状であること。
・このためこれらの合計である全付着力Ｆａ（細実線）が，鏡像力Ｆｉの放物線を下向きに平行移動した放物線であること。その移動量は機械的付着力Ｆｖの値に等しい。
【００３５】
現像電界Ｅに依存する力については，次のことが分かる。
・クーロン力Ｆｅ（二点鎖線）が，原点を通る左上がりの直線状であること。
・このため，すべての力の合計である合力Ｆ（太実線）が，下に開く放物線状であること。その頂点Ｔの位置は，全付着力Ｆａの頂点に比して左上に移動した位置である。また，合力Ｆの放物線は，全付着力Ｆａの頂点を通過している。
【００３６】
図３の上段におけるクーロン力Ｆｅおよび合力Ｆは，現像電界Ｅをある適当な値に設定したときのものである。ここにおける合力Ｆは，帯電量が負の側の一定の範囲で正の値となり，その両外側で負の値となっている。合力Ｆが正である範囲が，トナーが現像ローラ１４０から離脱して飛翔する帯電量の範囲である。合力Ｆが負である範囲が，トナーが現像ローラ１４０から離脱できない帯電量の範囲である。
【００３７】
図３の下段に，トナーの帯電分布を示す。その縦軸はバッファ１８０内のトナーの粒子数である。横軸はトナーの帯電量であり，上段の横軸と同じである。上段より導かれた，トナーが飛翔する帯電量の範囲（ハッチングの範囲）のトナーが，現像電界Ｅにより現像ローラ１４０から離脱して飛翔するのである。この範囲は，トナーの大多数が分布している帯電量の範囲とほぼ一致する。正規帯電トナーとされるトナーの帯電量の範囲も，ほぼこれと一致する。この範囲の両外側の帯電量のトナーは，現像電界Ｅを受けても現像ローラ１４０から離脱できずにそのまま付着し続けることになる。
【００３８】
ところで前述のように，クーロン力Ｆｅは現像電界Ｅに依存し，そのために合力Ｆも現像電界Ｅに影響される。図４は，現像電界Ｅを図３における現像電界より強くした場合のグラフである。図４を図３と比較すると，次の点が異なっており，それ以外は同じである。
・クーロン力Ｆｅ（二点鎖線）の傾斜が，より急峻になっていること。
・合力Ｆ（太実線）の放物線の頂点Ｔが，図３中の頂点Ｔよりさらに左上に移動した位置であること。
・これにより，合力Ｆが正である範囲，すなわち飛翔する範囲が，図３と比較して広くなっていること。主として左向きに広がっている。
【００３９】
図５は逆に，現像電界Ｅを図３における現像電界よりも弱くした場合のグラフである。図５を図３と比較すると，次の点が異なっており，それ以外は同じである。なお図５では，図３や図４における下段のグラフを省略している。
・クーロン力Ｆｅ（二点鎖線）の傾斜が，より緩やかになっていること。
・合力Ｆ（太実線）の放物線の頂点Ｔが，図３中の頂点Ｔより右下に移動した位置であること。この位置は，力がゼロである横線上にある。すなわち，この頂点位置においてすら，合力Ｆは正にならない。
・これにより，合力Ｆが正である範囲，すなわち飛翔する範囲の幅がゼロになっていること。すなわち，現像電界Ｅを弱めたことにより，飛翔できるトナーがほとんど存在しなくなっているのである。
【００４０】
図６は，現像電界Ｅを図５における現像電界よりもさらに弱くした場合のグラフである。図６を図５と比較すると，次の点が異なっており，それ以外は同じである。図６でも，図３や図４における下段のグラフを省略している。
・クーロン力Ｆｅ（二点鎖線）の傾斜が，さらに緩やかになっていること。
・合力Ｆ（太実線）の放物線の頂点Ｔが，図５中の頂点Ｔよりさらに右下に移動した位置であること。すなわち，この頂点位置においてすら，合力Ｆは負である。よって，飛翔できるトナーが全く存在しないのである。
【００４１】
図３から図６までを振り返ってみると，現像電界Ｅに関して，図３と図４が，トナーが飛翔する条件であり，図５と図６が，トナーが飛翔しない条件である。特に，図５の状態になるときの現像電界Ｅは，トナーが飛翔する条件と飛翔しない条件との境目の臨界的な現像電界である。以下，このときの現像電界をＥｐｕｍｐといい，このときの感光体１１０と現像ローラ１４０との間の電圧をＶｐｕｍｐという。感光体１１０と現像ローラ１４０との間隔をｄとすると，電圧Ｖｐｕｍｐは，
Ｖｐｕｍｐ ＝ Ｅｐｕｍｐ・ｄ    …………（５）
で表される。
【００４２】
ここで，ＥｐｕｍｐおよびＶｐｕｍｐを具体的に計算する。図５の状態では，現像電界ＥがＥｐｕｍｐなのであるから，（４）式より，
Ｆ ＝ −ａ・ｑ2＋Ｅｐｕｍｐ・ｑ−Ｆｖ    …………（６）
となる。そして，図５中の頂点Ｔの帯電量（ｑｔとする）を持つトナーが受ける合力Ｆは，ゼロである。よって（６）式より，
０ ＝ −ａ・ｑｔ2＋Ｅｐｕｍｐ・ｑｔ−Ｆｖ
Ｅｐｕｍｐ ＝ ａ・ｑｔ＋Ｆｖ／ｑｔ      …………（７）
となる。
【００４３】
一方，（６）式の右辺をｑで微分すると，図５中の頂点Ｔ（ｑ＝ｑｔ）においてはゼロであるから，
２ａ・ｑｔ ＝ Ｅｐｕｍｐ                …………（８）
となる。（７）式および（８）式から，
ｑｔ2 ＝ Ｆｖ／ａ                      …………（９）
となる。
【００４４】
ここで，（２）式のところで登場したパラメータのうちε０については，
ε０ ＝ ８．８５×１０-12［Ｆ／ｍ］
である。残る２つについて，本形態の画像形成装置１００では，
ε ＝ ３
Ｄ ＝ ６［μｍ］
であった。これにより，（９）式中の「ａ」が決まる。さらに，［００２９］で説明した機械的付着力Ｆｖは１５［ｎＮ］であった。これによりｑｔを，
ｑｔ ＝ １．１×１０-14［Ｃ］
と計算できる。
【００４５】
これにより，（８）式を用いて，
Ｅｐｕｍｐ ＝ ２．８［ＭＶ／ｍ］
と求められる。ここで間隔ｄを１３０［μｍ］とすれば，（５）式より，
Ｖｐｕｍｐ ＝ ３６４［Ｖ］
となる。
【００４６】
ここで，本形態の画像形成装置１００について，上記のＶｐｕｍｐを跨いで現像電圧Ｖｍｉｎの値をふって，カブリの測定をした。本試験では，３６０［Ｖ］（ほぼ図５の条件に近い）と６５０［Ｖ］（図４の条件といえる）との２水準の現像電圧Ｖｍｉｎによる現像後の感光体１１０上のカブリを測定した。画像は全面背景部とした。カブリは，トナーをブッカーテープで剥離し，コニカミノルタＪペーパーに貼り付け，コニカミノルタ製色彩色差計ＣＲ２４１によりＣ＊を測定することで評価した。トナーとしては，５％の印字率で２，５００枚印刷してある程度劣化が進んだシアントナーを用いた。印字率とは，１枚の画像中に画像部が占める面積の割合のことである。
【００４７】
その結果，感光体１１０上のカブリの代用値である色味ΔＣ＊は，以下のとおりであった。
３６０［Ｖ］        ０．５２
６５０［Ｖ］        ２．３６
感光体１１０上のカブリの代用値である色味ΔＣ＊は，Ｖｐｕｍｐを超えない現像電圧Ｖｍｉｎにより，Ｖｐｕｍｐを超える現像電圧Ｖｍｉｎ，すなわち従来から多用されている条件より４〜５倍程度改善することが確認された。
【００４８】
現像電圧ＶｍｉｎがＶｐｕｍｐを超えているとカブリが発生する理由を説明する。カブリが問題となるのは背景部であるから，そもそも，感光体１１０の表面電位は，正規帯電トナーが付着しにくい電位となっている。しかしながら，現像電圧ＶｍｉｎがＶｐｕｍｐを超えていると現像ローラ１４０上の正規帯電トナーが現像電圧Ｖｍｉｎにより現像ローラ１４０から離脱する。離脱した正規帯電トナーは，感光体１１０にはほとんど付着しないものの，現像バイアスの交流成分により現像ローラ１４０と感光体１１０との間を往復する。このため，往復しているトナーの一部が現像ローラ１４０に衝突して，現像ローラ１４０上に付着している弱帯電トナーや逆帯電トナーといった劣化トナーをたたき出してしまう。
【００４９】
一旦たたき出された劣化トナーには，前述の通り付着力Ｆａがほとんど働かないので，現像バイアスのクーロン力Ｆｅにより往復することになる。こうした劣化トナーは，感光体１１０の背景部電位による斥力をほとんど受けないので，その一部が感光体１１０に付着してしまう。劣化トナーが一旦感光体１１０に付着すると，今度は劣化トナーと感光体１１０との間に付着力Ｆａが働く。そしてその後，正規帯電トナーによる感光体１１０上からのたたき出しはほとんど期待できない。こうしてカブリとなるのである。
【００５０】
逆に現像電圧ＶｍｉｎがＶｐｕｍｐを超えていない場合には，正規帯電トナーの離脱がないことにより，劣化トナーのたたき出しも起こらない。このため，カブリが生じないのである。
【００５１】
本形態の画像形成装置１００で使用する具体的な現像バイアスについて説明する。本形態で使用する現像バイアスには，先に述べたようにカブリ防止モードと通常モードとの２種類がある。通常モードは，従来から一般的に用いられているモードである。カブリ防止モードは，通常モードと比較して，劣化トナーによるカブリを抑制したモードである。反面，カブリ防止モードでは，劣化トナーがバッファ１８０から排出されずに蓄積していく傾向がある。
【００５２】
カブリ防止モードでは，トナーが画像部で飛翔し，背景部では飛翔しないように，図２の現像電圧Ｖｍｉｎが設定される。画像部でトナーを飛翔させるのは，そうでなければ画像形成ができないからである。一方背景部では，カブリの原因を極力排除するため，トナーの飛翔自体をさせないのである。
【００５３】
すなわち，前述のＶｐｕｍｐに対して，画像部の有効現像電圧がＶｐｕｍｐを上回り，背景部の有効現像電圧がＶｐｕｍｐを超えないようになっていなければならない。すなわち，
｜Ｖｍｉｎ−Ｖｉ｜ ＞ Ｖｐｕｍｐ    …………（１０）
｜Ｖｍｉｎ−Ｖｂ｜ ≦ Ｖｐｕｍｐ    …………（１１）
の両式が満たされなければならない。（１０）式の左辺が画像部の有効現像電圧であり，（１１）式の左辺が背景部の有効現像電圧である。
【００５４】
言い替えると，画像部における各種の力の関係が図３または図４の状態となり，背景部における各種の力の関係が図５または図６の状態となるようになっていなければならない。これにより，トナーが画像部で飛翔し，背景部では飛翔しない状況が実現される。図２中の具体的な数値は，これを実現する具体例の一例として挙げたものである。
【００５５】
通常モードでは，トナーが画像部と背景部とのいずれでも飛翔するように，現像電圧Ｖｍｉｎが設定される。すなわち，前述のＶｐｕｍｐに対して，画像部と背景部とのいずれでも有効現像電圧がＶｐｕｍｐを上回るようにされる。つまり，
｜Ｖｍｉｎ−Ｖｉ｜ ＞ Ｖｐｕｍｐ    …………（１２）
｜Ｖｍｉｎ−Ｖｂ｜ ＞ Ｖｐｕｍｐ    …………（１３）
となるように設定される。（１２）式は（１０）式と同じである。ただし，（１３）式が成り立てば（１２）式も必ず成り立つ。（１２）式の左辺は，（１３）式の左辺より必ず大きいからである（図２参照）。このため実際には（１３）式だけ考えればよい。
【００５６】
すなわち通常モードは，画像部と背景部とのいずれでも，各種の力の関係が図３または図４の状態となるモードである。これにより背景部でも飛翔があるため，ある程度のカブリが発生する。図７に，通常モードの設定例を示す。ただし図７では，画像部電位Ｖｉ，その有効電圧｜Ｖｍｉｎ−Ｖｉ｜を省略している。画像部電位Ｖｉ自体は，図２中におけるものと違いはない。
【００５７】
これら２つのモードの使い分けは，印刷の内容等により，カブリを嫌う程度に応じてあらかじめ設定されている。一般的には，高画質印刷の場合や文字画像の場合，高級紙を使用する場合等に，カブリ防止モードが使用される。それ以外の場合に通常モードが使用される。この使い分けは，ジョブごとでもよいしページごとでもよい。また，文字画像の場合でも，手差しトレイ使用時には通常モードを使用するようにしてもよい。また，モードの使い分けに関して，ユーザによる手動選択を許容してもよい。
【００５８】
ところで印刷を実行すると，トナーの劣化が進行する。このため，バッファ１８０内に劣化トナーが発生する。この劣化トナーの蓄積は，通常モードよりもカブリ防止モードにおいて強く起こる。通常モードでは劣化トナーがカブリとなってある程度排出されるが，カブリ防止モードではほとんど排出されないからである。
【００５９】
そこで本形態の画像形成装置１００では，非画像形成時でパッチ画像を打つことにより劣化トナーの強制排出を行うとともに，カブリ防止モードの場合には通常モードの場合よりもその強制排出量を多くすることとしている。これがパッチ処理である。以下，パッチ処理の内容を説明する。
【００６０】
パッチ処理は基本的に，１ページの印刷ごとに必要なパッチ量を計算し，その結果に応じて像間でパッチ画像の現像を行うことである。パッチとして感光体１１０上に吐き出されたトナーは，紙に転写されることなく，クリーナ１７０に回収される。これにより，バッファ１８０内の劣化トナーを排出する。よって，パッチ処理をユーザが意識することはあまりない。
【００６１】
まず，通常モード時のプリント１枚当たりの必要なパッチ量は，次式のように求められる。
必要パッチ量 ＝ １．２−印字率×３．９  ［ｍｇ／頁］    …………（１４）
（１４）式の右辺の第１項の「１．２」とは，通常モードで全面背景部である白ベタ画像を１枚印刷することにより発生する必要パッチ量［ｍｇ］である。これは，１枚の印刷により発生する劣化トナーの量から，カブリにより排出されるトナー量を差し引いたものであり，通常モードの場合の基準必要パッチ量である。第２項中の「３．９」とは，全面画像部である黒ベタ画像を１枚印刷することにより排出されるトナーの量である。印刷により自然に排出されるトナー量は，印字率に比例するからである。
【００６２】
よって，通常モードでは，印字率が０．３程度以上あれば，実質的に劣化トナーの蓄積はない。このためパッチ打ちの必要はない。印字率が０．３に満たないときは，劣化トナーの発生が排出を上回る。その差が最も大きいのは，白ベタ画像（印字率＝０）の場合である。白ベタ画像１枚による必要パッチ量は，１．２［ｍｇ］となる。これは，ジョブを中断することなく紙間で最大限現像できる量である１．８６［ｍｇ］より少ない。このことから通常モードでは，パッチ打ちを紙間だけで済ませてしまうこともできる。
【００６３】
次に，カブリ防止モード時のプリント１枚当たりの必要なパッチ量は，次式のように求められる。
必要パッチ量 ＝ ４．２−印字率×３．９  ［ｍｇ／頁］    …………（１５）
（１５）式の右辺の第１項の「４．２」とは，カブリ防止モードで白ベタ画像を１枚印刷することにより必要となる基準必要パッチ量［ｍｇ］である。これは，カブリによる排出がない分，通常モードの場合の値より大きくなっている。つまり，通常モードでは１枚あたり３［ｍｇ］程度の排出があったのである。第２項は通常モードの場合と同じである。
【００６４】
カブリ防止モードでは，トナーの排出が最も多いベタ画像（全面画像部，印字率＝１）の場合でも，０．３［ｍｇ／頁］の劣化トナーの蓄積がある。画像部における劣化トナーのたたき出し現象自体が，カブリ防止モードでは通常モードより弱いためである。よって，カブリ防止モードでは必ずパッチ打ちが必要である。さらに，印字率が０．６を下回っていると，１枚当たりの必要なパッチ量が，前述の１．８６［ｍｇ］を超えてしまう。この状態では，紙間でのパッチだけでは，劣化トナーを排出しきれないのである。このため，連続印刷により必要パッチ量が蓄積していくこととなる。
【００６５】
続いて，パッチ処理の具体的手順を説明する。パッチ処理の具体的手順には，紙間パッチを行うか否か，また，現像バイアスのモード設定をジョブごととするかページごととするか，等により，いくつかのバリエーションがある。
【００６６】
図８に示すのは，紙間パッチを行わず，現像バイアスのモード設定をジョブごととした場合の処理手順のフローチャートである。図８のフローではまず，現像バイアスとしてカブリ防止モードを使用するのか否かを判断する（＃１）。この判断は，ジョブの開始時に行われる。カブリ防止モードを使用する場合には（＃１：Ｙｅｓ），「Ａ」というパラメータに対して「４．２」という値を当てはめる（＃２）。この「４．２」とは，（１５）式の右辺に登場した「４．２」である。
【００６７】
＃１の判断がＮｏであった場合，すなわち通常モードの現像バイアスを用いる場合には，変数「Ａ」に対して「１．２」という値を当てはめる（＃３）。この「１．２」とは，（１４）式の右辺に登場した「１．２」である。つまり「Ａ」は，白ベタ画像を１枚印刷することにより必要となるパッチ量［ｍｇ］を意味する。
【００６８】
次に，１ページ分の印刷をすることにより必要となるパッチ量を算出する（＃４）。この算出は，＃２または＃３で決定した「Ａ」の値を用いて，（１４）式もしくは（１５）式による。ここでの印字率は，印刷される当該ページの画像における印字率である。これにより，当該ページの印刷による必要パッチ量の加算値が算出される。この算出は，１ページごとになされる。
【００６９】
そして，算出した加算値により，必要パッチ量の積算値を算出する（＃５）。つまり，当該ページが１ページ目であった場合には，当該加算値をそのまま積算値とする。２ページ目以降であった場合には，既存の積算値に当該加算値を加算する。
【００７０】
＃５の積算がなされると，残りページの有無を判断する（＃６）。残りページがある場合には（＃６：Ｙｅｓ），＃５で算出した積算値が６０［ｍｇ］に達しているか否かを判断する（＃７）。６０［ｍｇ］とは，パッチ現像を実行するための積算値のしきい値としてあらかじめ定めた値である。積算値が未だ６０［ｍｇ］に達していない場合には（＃７：Ｎｏ），＃４へ戻る。こうして，＃４および＃５の処理は，１ページ分の印刷をするたびにその都度行われる。これにより，積算値が次第に増加していく。
【００７１】
残りページがなくなる前に必要パッチ量の積算値が６０［ｍｇ］に達すると，＃６の判断がＹｅｓとなる。すると，ジョブを一旦中断する（＃８）。そして，パッチ現像を行う（＃９）。劣化トナーが蓄積してきているからである。ここでのパッチ現像によるトナーの排出量は，その時点での必要パッチ量の積算値と同じである。これにより，バッファ１８０内に劣化トナーが溜まった状態が解消される。そして，必要パッチ量の積算値をリセットして０［ｍｇ］に戻す（＃１０）。そしてジョブを再開し（＃１１），＃４へ戻る。これにより，再開後に印刷されるページについて，＃４以下の処理がなされる。
【００７２】
残りページがなくなると，＃６の判断がＮｏとなる。すると直ちに，＃９のパッチ現像と＃１０のリセットとを行い，処理を終了する。ここでのトナーの排出量は，その時点での必要パッチ量の積算値と同じである。これにより，劣化トナーの蓄積を解消した状態で次のジョブを待つことになる。以上が図８のフローの処理である。
【００７３】
図８の処理手順において，現像バイアスのモード設定を，ジョブごとでなくページごととすることもできる。その場合には，＃７：Ｎｏの後または＃１１の後の戻り先を，＃４ではなく＃１とする。これにより，現像バイアスのモードがページごとに判断され，「Ａ」の値がページごとに設定されることになる。
【００７４】
かかる図８のフローでは，１ページ分の印刷がなされるごとに必要パッチ量が積算されていく（＃５）。そして，その積算値が所定のしきい値に達したところでジョブを中断してパッチ現像を実行し，必要パッチ量をクリアするのである（＃９，＃１０）。ここで，１ページごとの必要パッチ量の加算値の算出（＃４）において，現像バイアスのモード設定により「Ａ」の値に差を付けている。これにより積算値が，カブリ防止モードの場合に通常モードの場合よりも速く増加するようにしている。こうして，カブリ防止モードの場合に通常モードの場合よりもトナーの強制排出量が多くなるようにしているのである。
【００７５】
続いて，紙間でもパッチ現像を行う場合の処理手順を，図９のフローチャートにより説明する。図９においても，現像バイアスのモード設定はジョブごととしている。
【００７６】
図９のフローでもまず，カブリ防止モードか否かの判断を行う（＃２１）。カブリ防止モードではなく通常モードである場合には（＃２１：Ｎｏ），そのジョブについては紙間パッチのみを行うことに決定する。（１４）式の説明のところで述べたように，通常モードでは紙間パッチだけで十分だからである。よってこの場合には，＃２２以下の処理は行わず，１ページの印刷ごとに紙間にて必要量のパッチ現像を行うことになる。そのパッチ現像の量は（１４）式の通りであり，印字率によってはパッチ現像をしなくてよいこともある。
【００７７】
カブリ防止モードである場合には（＃２１：Ｙｅｓ），印字率が０．６未満であるか否かを判断する（＃２２）。印字率が０．６以上である場合には（＃２２：Ｎｏ），通常モードの場合と同様に，そのジョブについて紙間パッチのみを行うことに決定する。（１５）式の説明のところで述べたように，カブリ防止モードの場合でも，印字率が０．６以上あれば紙間パッチだけでも劣化トナーの排出に十分だからである。よってこの場合には，＃２３以下の処理は行わず，１ページの印刷ごとに紙間にて必要量のパッチ現像を行うことになる。そのパッチ現像の量は（１５）式の通りである。
【００７８】
なお，この＃２２の判断のための印字率としては，ジョブの各ページの印字率の最低値を用いればよい。あるいは平均値でもよい。１ページ目の印字率しかその時点では分からない場合には，１ページ目の印字率を用いてもよい。平均値や１ページ目の印字率で判断する場合には，安全を見てしきい値の０．６を高めに変更してもよい。
【００７９】
カブリ防止モードであって印字率が０．６に満たない場合には（＃２２：Ｙｅｓ），＃２３以下の処理を行う。＃２３以下の処理は，基本的には図８における＃４以下とほぼ同様である。＃２３，＃２４は，図８における＃４，＃５に相当する。ただし＃２３では，「Ａ」の値は「４．２」に決まっている。＃２５，＃２６は，図８における＃６，＃７に相当する。＃２９〜＃３２は，図８における＃８〜＃１１に相当する。
【００８０】
ただし図９においては，積算値が６０［ｍｇ］に満たなかった場合でも（＃２６：Ｎｏ），パッチ現像を実行する（＃２７）。このパッチ現像は，ジョブを中断せずに紙間にてなされる。そのため，このパッチ現像によるトナーの排出量は，［００６２］で述べた１．８６［ｍｇ］が上限となる。すなわち，必要パッチ量の積算値がこの上限値を超えていた場合には，＃２７でのパッチ現像は，必要パッチ量のすべてをクリアするものではないのである。
【００８１】
そして，＃２７でしたパッチ現像による劣化トナー排出量を，積算値から減算する（＃２８）。上記の理由により，この減算によっても積算値はゼロにならない場合がある。そして＃２３へ戻り，次のページについての処理を行う。
【００８２】
なお，＃３０のパッチ現像は，＃２７と異なり，その時点での必要パッチ量の積算値すべてをクリアするように行われる。ジョブが中段されまたは終了しているので，上限値の制約を受けないからである。このため＃３１では，積算値をリセットできるのである。以上が図９のフローの処理である。
【００８３】
図９の処理手順でも，現像バイアスのモード設定を，ジョブごとでなくページごととすることができる。その場合には，＃２８または＃３２の後の戻り先を，＃２３でなく＃２１とする。さらに，＃２１〜＃２３の部分を，図８中の＃１〜＃４で置き換える。すなわち，すべてのページについて，図８の場合と同様に，「Ａ」の決定やそれに基づく加算値の算出，積算が行われる。そして，＃２１：Ｎｏや＃２２：Ｎｏに相当するページについては，＃２６で必ずＮｏと判断されるので，ジョブを中断することなく紙間パッチが行われることになる。
【００８４】
かかる図９のフローでは，積算値が所定のしきい値に達していない場合でも，上限値の範囲内のトナー排出量のパッチ現像を，ジョブを中断することなく紙間で行う（＃２７）。このため，積算値の増加が図８の場合よりも遅い。これにより，ジョブ中断の頻度を，図８の場合よりも低くしている。
【００８５】
以上詳細に説明したように本実施の形態では，画像形成に伴い発生する劣化トナーをバッファ１８０から強制的に排出するためのパッチ現像を，非画像形成時に行うようにしている。そしてそのために，パッチ現像の必要の程度を示す必要パッチ量を，ページごとに算出することとしている。そしてこの算出値もしくはその積算値に応じて，パッチ現像を実行することとしている。
【００８６】
ここで，現像バイアスがカブリ防止モードである場合には，通常モードの場合と比較して，より大きな必要パッチ量が算出されるようにしている。これにより，バッファ内の劣化トナーが自然には排出されにくいカブリ防止モードの場合に，より多くのパッチ現像がなされるようにしている。一方，通常モードの場合には，必要最小限のパッチ現像しかしないようにしている。これにより，むやみに多くのトナーを排出することなく，バッファ内の劣化トナーの蓄積を抑えている。
【００８７】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，実施の形態中に登場した種々の数値類は，ε０を除き，機種に応じて適宜設定されるものである。また，パッチ現像時の現像バイアスとしては，特に逆帯電トナーを優先排出するように特別に設定したバイアスを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本形態の画像形成装置の構成を示す図である。
【図２】カブリ防止モードにおける現像バイアスの１周期分を示すグラフである。
【図３】現像ローラに付着しているトナーの帯電量とトナーにかかる力の関係を示すグラフである。
【図４】現像電界を図３の場合よりも強めた場合のグラフである。
【図５】現像電界を図３の場合よりも弱めた場合のグラフである。
【図６】現像電界を図５の場合よりもさらに弱めた場合のグラフである。
【図７】現像電界を図６の場合よりもさらに弱めた場合のグラフである。
【図８】パッチ現像の処理手順を示すフローチャート（その１）である。
【図９】パッチ現像の処理手順を示すフローチャート（その２）である。
【符号の説明】
【００８９】
１００  画像形成装置
１１０  感光体（像担持体）
１４０  現像ローラ
１９０  電圧印加部
２００  総合制御部（強制排出制御部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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