(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電潜像を保持する静電潜像保持体と、当該静電潜像保持体に静電潜像を形成する静電潜像形成手段と、当該静電潜像保持体の帯電電位を検出する帯電電位検出手段と、トナーと磁性キャリアを含む現像剤を磁力により担持して当該静電潜像保持体と対向する現像領域に搬送する現像剤担持体と、現像バイアスを前記現像剤担持体に印加するバイアス印加手段とを備え、前記現像剤担持体によって現像領域に搬送された現像剤によって、前記静電潜像保持体に形成された静電潜像を現像する画像形成装置にして、前記現像バイアスが、直流電圧に交流電圧を重畳して生成されたものであり、且つ、前記現像剤担持体から前記静電潜像保持体へトナーを移動させる向きに働く力を発生させる第１電位部と、前記静電潜像保持体から前記現像剤担持体へトナーを移動させる向きに働く力を発生させる第２電位部とを有する矩形波バイアスである画像形成装置において、
前記帯電電位検出手段により検出した帯電電位に応じて、前記現像バイアスを構成する交流電圧成分のデューティ比と直流電圧成分の電圧値を、静電潜像保持体の帯電電位と前記第２電位部の電位との電位差が常に一定になるように、かつ、現像バイアスの時間平均電圧値を一定に保つように制御する制御手段を有することを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリなどの画像形成装置に関するものであり、詳しくは、トナーと磁性キャリアとを含む現像剤を用いて現像を行う画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、トナーとキャリアとを含む、いわゆる二成分現像剤を用いた現像方式として、絶縁性トナーと磁性体からなるキャリアとを撹拌・混合部材によって混合した現像剤を、現像剤担持体表面に供給する方式が用いられている。現像剤担持体内にはＳ極・Ｎ極が交互にいくつか配置された磁気ロールが位置を固定して内蔵され、その磁力によって、現像剤担持体表面に現像剤を汲み上げ、そして、現像剤を穂立ちした状態（磁気ブラシ）を形成する。一方、静電潜像保持体の表面は、帯電部材によりある電位に一様に帯電させられる。帯電させられた静電潜像保持体が、ある画像データに基づくパターンで露光されると、露光された部分の帯電電位が低下し（画像部電位）、露光されなかった部分との電位差により静電潜像が形成される。このようにして静電潜像が形成された静電潜像保持体表面に、現像剤担持体表面上に担持されている現像剤磁気ブラシを接触させ、または近接させて、現像剤担持体と静電潜像保持体との間に現像バイアス電圧を印加することにより、トナーを静電潜像に付着させて現像が行われる。上記現像バイアス電圧として、直流電圧に交流電圧を重畳した現像バイアスを用い、現像剤担持体と静電潜像保持体との現像領域に振動電界を形成し、帯電したトナーを静電潜像に付着させる方法が良く知られている。この方法では、交流電圧の周波数や交流電圧の最大値−最小値の絶対値であるピーク・トゥ・ピーク(peak-to-peak)値を最適化することにより、トナーが活性化され、画像濃度を高めるだけでなく、ドットの均一性を向上させることが可能である。
【０００３】
最近では交流電圧の波形を矩形波にし、さらにそのデューティ比を変化させるなどトナーが静電潜像保持体の画像部にいかに効率良く付着するか、あるいは非画像部にトナーを付着させないか、などの高画質化のための開発が行われている。
【０００４】
図２は、上記交流電圧の波形の例を示したものである。図２は帯電部材により静電潜像保持体をマイナスに帯電させ、トナーをマイナスに帯電させた、反転現像を行う場合である。VDは静電潜像保持体の帯電電位、つまり非画像部の電位である。また、VLは静電潜像保持体の露光後電位、つまり画像部の電位である。また、上記交流電圧は、マイナスに帯電したトナーを現像剤担持体から静電潜像保持体上の画像部、非画像部に移動させる向きに働く静電力を発生させる第１電位V1と、静電潜像保持体上の画像部、非画像部から現像剤担持体に移動させる向きに働く静電力を発生させる第２電位V2とが交互に繰り返される波形となっている。上記交流電圧はV1が印加される時間をt1、V2が印加される時間をt2とすると、t1+t2=Tの周期で交互に印加される。
【０００５】
しかしながら、交流電圧のV2印加時に、プラスに帯電しているキャリアを静電潜像保持体の画像部（電位VL）および非画像部（電位VD）へ移動させる向きに働く電界が発生する。磁性体からなるキャリアは、現像剤担持体内の磁気ロールの磁力により、通常は画像部および非画像部へ（すなわち、静電潜像保持体へ）の移動を妨げられるが、V2とVDとの間の電位差が大きいと、現像剤担持体内の磁気ロールがキャリアを束縛する磁力よりも大きな静電的な力が働き、キャリアが現像剤担持体から離れて、静電潜像保持体上の非画像部に付着することがある。
【０００６】
これらの問題を解決するために、特開平４−３５６０７６号では、像担持体とトナー粒子及びキャリア粒子を含む現像剤層を担持した現像剤担持部材とを対向させ、現像剤担持部材に振動バイアス電圧を印加して、像担持体に形成された静電潜像を現像する方法に於いて、静電潜像の画像部に関しては、付勢位相での静電潜像画像部電位と現像剤担持部材電位間の電位差の最大値が逆付勢位相での両者間の電位差の最大値よりも大であり、かつ振動バイアス電圧の一周期に於ける上記付勢位相での電位差時間積分値が上記逆付勢位相での電位差の時間積分値より大であり、静電潜像の非画像部に関しては、付勢位相での静電潜像非画像部電位と現像剤担持部材間の電位差の最大値が逆付勢位相での両者間の電位差の最大値以上であり、かつ振動バイアス電圧の一周期に於ける上記付勢位相での電位差の時間積分値が上記逆付勢位相での電位差の時間積分値以下であることを特徴とする現像方法が提案され、また、トナーと磁性キャリア粒子を含む現像剤層を担持搬送して像担持体に付与する現像剤担持部材と、現像剤層厚を規制する層厚規制部材と、現像剤の磁気ブラシを形成して像担持体に接触させる磁石と、上記現像剤担持体に振動バイアス電圧を印加するバイアス印加手段と、を備え、上記バイアス印加手段は、静電潜像画像部電位と非画像部電位とがそれらの間に位置する第１と第２のピーク値を持った振動バイアス電圧であって、静電潜像非画像部電位側の第１ピーク値と静電潜像非画像部電位との差が、静電潜像画像部電位側の第２ピーク値と静電潜像非画像部電位との差以上であり、かつデューティ比が０．５未満である振動バイアス電圧を現像剤担持部材に印加することを特徴とする現像装置が提案されている。そのような方法及び装置により、トナーと逆極性に帯電したキャリアが静電潜像保持体に付着することを防止している。
【０００７】
しかしながら、静電潜像保持体の帯電電位VDは経時あるいは環境の変動により、シフトすることがある。そのため、｜VD−V2｜の値が大きくなり、キャリアが地肌部に付着するという問題が発生する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、現像バイアスとして直流電圧に交流電圧を重畳させた矩形波を用いる方法で、静電潜像保持体の帯電電位が経時変化あるいは環境により変化したとき、静電潜像保持体上の非画像部にキャリアが付着することを防ぎ、且つ、高品質な画像を得ることができる現像装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、静電潜像を保持する静電潜像保持体と、当該静電潜像保持体に静電潜像を形成する静電潜像形成手段と、当該静電潜像保持体の帯電電位を検出する帯電電位検出手段と、トナーと磁性キャリアを含む現像剤を磁力により担持して当該静電潜像保持体と対向する現像領域に搬送する現像剤担持体と、現像バイアスを前記現像剤担持体に印加するバイアス印加手段とを備え、前記現像剤担持体によって現像領域に搬送された現像剤によって、前記静電潜像保持体に形成された静電潜像を現像する画像形成装置にして、前記現像バイアスが、直流電圧に交流電圧を重畳して生成されたものであり、且つ、前記現像剤担持体から前記静電潜像保持体へトナーを移動させる向きに働く静電的な力を発生させる第１電位部と、前記静電潜像保持体から前記現像剤担持体へトナーを移動させる向きに働く静電的な力を発生させる第２電位部とを有する矩形波バイアスである画像形成装置において、前記帯電電位検出手段により検出した帯電電位に応じて、前記現像バイアスを構成する交流電圧成分のデューティ比と直流電圧成分の電圧値を、静電潜像保持体の帯電電位と前記第２電位部の電位との電位差が常に一定になるように、かつ、現像バイアスの時間平均電圧値を一定に保つように制御する制御手段を有することを特徴とする画像形成装置により、解決される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面をもとにして詳細に説明する。
以下では、特に電子写真複写機の画像形成装置に適応した一つの実施形態に関連して本発明を説明する。図１は、本実施形態に係る画像形成装置の概略構成を示す断面図である。なお、本実施形態に係る画像形成装置では、静電潜像の現像方式として、帯電電位が除去された領域にトナーを付着させる、いわゆる反転現像方式を採用している。
【００１１】
この画像形成装置の現像剤担持体１は中空円筒状の非磁性体から構成されており、静電潜像保持体２の回転軸と平行に静電潜像保持体２と対向する位置に配置されている。現像剤担持体１内の中空部には、円周方向にＳ極及びＮ極を交互に配置した磁気ロール３（本実施形態ではN1、N2、N3、S1、S2極）が固定して備えられてあり、現像剤担持体１が図１の矢印Ａ方向に回転することにより、磁気ロール３の磁力によって現像剤担持体１表面に現像剤を磁気ブラシ上に穂立ちさせる。現像剤としては非磁性体からなるトナーと磁性体からなるキャリアが、所定の割合で混合されたものを用いることができる。磁気ロールの磁力によって汲み上げられて現像剤担持体１に担持された現像剤は、現像剤担持体１の矢印Ａ方向の回転により、矢印Ｂ方向に回転する静電潜像保持体２の表面と当該現像剤担持体１の表面とが最も近接する現像領域へ搬送される。このとき、現像剤担持体１上に担持されて搬送される現像剤の量（現像剤の層厚）を規制するために現像剤規制部材としてのドクタ４が配設されており、磁気ブラシ状に穂立ちした現像剤を所定の厚さに規制するようになっている。また、現像剤担持体１の下側には、現像剤を撹拌・搬送するための第１撹拌部材５および第２撹拌部材６が現像剤担持体１の回転軸と平行になるように長手方向に沿って形成されている。第１撹拌部材５による撹拌領域と第２撹拌部材６による撹拌領域とは仕切り板７によって仕切られており、第１撹拌部材５は現像剤担持体１近傍に、第２撹拌部材６はこの現像装置の上側に設けられたトナー補給装置８のトナー補給口近傍に位置している。仕切り板７の現像剤担持体１長手方向の前後端面と、現像装置の前後側壁内面との間には、現像剤をやり取りするための隙間が設けられている。第１撹拌部材５および第２撹拌部材６はそれぞれ駆動部により矢印方向Ｃに回転駆動され、現像剤担持体１長手方向では互いに逆方向に現像剤を撹拌する。そして、現像剤は上記隙間を介し、仕切り板７の周りをループ状に循環するようになっている。
【００１２】
現像剤は、第１撹拌部材５により現像剤担持体１長手方向に搬送される間に現像剤担持体１内部の磁気ロール３の磁力により、現像剤担持体１表面に供給される。そして、現像剤担持体１は現像剤を磁力により吸引して回転にともなって搬送する。現像剤はドクタ４により層厚が規制されて現像剤担持体１と静電潜像保持体２との対向部（すなわち現像領域）に搬送される。そして、静電潜像保持体２上の静電潜像に供給される。
【００１３】
静電潜像保持体２上の静電潜像は以下のようにして形成される。まず、静電潜像保持体２と現像剤担持体１とが対向する現像領域よりも静電潜像保持体２の回転方向上流側において、静電潜像保持体２が帯電部材９により帯電バイアスを印加され、それによって、静電潜像保持体２の表面が均一な電位に帯電する。その後、当該表面に画像情報に基づいてレーザを照射することによって、画像部が所定の電位に変えられて静電潜像が形成される。
【００１４】
現像領域では、現像剤保持体１上に担持されている磁気ブラシ状の現像剤が、静電潜像が形成された静電潜像保持体２表面に接触する。その際、現像剤担持体１と静電潜像保持体２との間に現像バイアス電圧を印加することにより、帯電しているトナーが静電潜像（画像部）に付着し、現像が行われる。
【００１５】
現像剤担持体１には電源１０が接続しており当該電源１０が、直流電圧に交流電圧を重畳した現像バイアスを現像剤担持体１と静電潜像保持体２との間に与える。本実施形態に係る画像形成装置においては、この現像バイアスとして矩形波バイアスを用いる。本実施形態に係る画像形成装置では、用いる矩形波バイアスの交流電圧成分のデューティ比を任意に変化させることができる。また、重畳される直流電圧値も任意に変化させることができる。
【００１６】
ここで、上記矩形波バイアスを図２を用いて説明する。第１電位V1は交流電圧の最小値で、現像剤担持体１から静電潜像保持体２にトナーを移動させる向きに働く静電力を発生させる電位である。第２電位V2は交流電圧の最大値で、静電潜像保持体２から現像剤担持体１にトナーを移動させる向き（換言すれば、トナーと逆極性に帯電させられたキャリアを現像剤担持体１から静電潜像保持体２へ移動させる向き）に働く静電力を発生させる電位である。この２つの電位が交互に繰り返されるような矩形波バイアスを現像バイアスとして現像剤担持体１に印加する。この現像バイアスは、ピーク・トゥ・ピーク値Vppが第１電位部の電位V1と第２電位部の電位V2との差の絶対値｜V1−V2｜である矩形波の交流電圧を所定の直流電圧V0に重畳することにより生成されている。前述のデューティー比は、現像剤担持体１から静電潜像保持体２側へトナーを移動させる向きに働く静電力を発生させる電位V1の印加時間をt1、静電潜像保持体２側から現像剤担持体１へトナーを移動させる向きに働く静電力を発生させる電位V2の印加時間をt2としたとき（すなわち、印加される交流電圧の１周期T=t1+t2）、１周期に対する電位V1の印加時間t1の割合t1/(t1+t2)×100 (%)のことをいう。
【００１７】
VDCは時間平均電圧値で、現像バイアスの時間平均値である。この時間平均電圧値は、現像バイアスの交流電圧のデューティ比及びピーク・トゥ・ピーク値Vpp、並びに直流電圧値V0を決めることによって設定することができる。
【００１８】
例として、前述した形態の画像形成装置を使用し、静電潜像保持体２の帯電電位を監視するために画像形成装置内に配設された帯電電位検出手段１１（この場合に用いられた帯電電位検出手段は、高圧プローブを２mmの距離に接近させて、表面電位計で静電潜像保持体２の表面電位を検出するというものである。）により静電潜像保持体２の帯電電位を測定しながら、デューティ比＝５０％の図３に示すような波形の現像バイアス（V1=−１６００V、V2＝４００V、ピーク・トゥ・ピーク値Vpp＝２kV、時間平均電圧VDC＝直流電圧V0＝−６００V、周波数(f)＝５kHz）を用いて現像を連続で行い、その現像結果を観察した。その際、静電潜像保持体２をVD＝−９００Vに一様に帯電させる帯電部材９を用いた。したがって、｜VD−V2｜＝１３００Vである。現像開始後、この現像バイアス条件において、当初は異常画像は見られなかった。しかし、経時により静電潜像保持体２の帯電電位の絶対値が上昇し、｜VD｜＝１０００V以上となったときに、キャリアが非画像部に付着した画像が出力された。この原因は、非画像部と現像剤担持体１との間での電位差｜VD−V2｜が大きくなることによって、キャリアと磁気ロールとの間にキャリアを現像剤担持体の方へ引きつける方向に働く磁力よりも、キャリアを静電潜像保持体２、特に非画像部の方へ引きつける方向に働く静電的な力のほうが大きくなり、キャリアが移動して非画像部に付着したことにある。静電潜像保持体２の表面電位の絶対値が上昇した原因は、現像剤担持体１上に磁気ブラシ状に担持された現像剤が静電潜像保持体２と接触して現像が行われるため、静電潜像保持体２の膜が削られ、その膜厚が薄くなり、そのため帯電部材９の放電においてマイナス電荷が過剰になったためである。
【００１９】
そこで、VDC＝−６００V、ピーク・トゥ・ピーク値Vpp＝２kV、周波数(f)＝５kHzは上記の場合と同一に固定したままで、交流電圧波形のデューティ比と直流電圧値を図４に示すように、デューティ比４５％、直流電圧値V0＝−７００Vに変えてさらに現像を行った。このとき、第１電位部及び第２電位部の電位はそれぞれ、V1＝−１７００V、V2＝３００Vに変化し、それに伴って非画像部と現像剤担持体１との間の電位差は当初の値｜VD−V２｜＝１３００Vにもどったことになる。この結果、非画像部のキャリア付着がなくなり、また、画像濃度が適度な鮮明な画像を得ることができた。
【００２０】
したがって、この画像形成装置の現像条件では、電位差｜VD−V2｜が１３００Vを超えて上昇し、１４００V以上になるとキャリアが付着することがわかった。また、上記のようなデューティ比と直流電圧値を用いた制御をおこなうことにより、静電潜像保持体２の帯電電位が、帯電部材９の汚れ、あるいは静電潜像保持体２の膜削れ以外による劣化、環境変動により減少したとき、たとえば、図５に示すようにVD＝−８００Vとなったときでも、｜VD−V1｜の値を常に一定にすることができるので、トナーが非画像部に付着する、いわゆる地汚れの発生も防ぐことができる。
【００２１】
このように、本発明に係る画像形成装置を用いると、帯電電位の増減に応じて交流電圧のデューティ比と直流電圧V0を変化させることにより、現像バイアスの交流電圧のピーク・トゥ・ピーク値Vpp、周波数fを変化させずに、また、時間平均電圧VDCの値を固定したままで、帯電電位VDと現像バイアスの交流電圧の第２電位部の電位V2との差｜VD−V2｜が一定となるようにできるとともに、帯電電位VDと現像バイアスの交流電圧の第１電位部の電位V1との差｜VD−V1｜の値も常に一定にできるので、キャリア付着、地汚れが発生しない。
【００２２】
静電潜像保持体２の帯電電位を測定する帯電電位検出手段１１の測定値を用いて現像バイアスの交流電圧のデューティ比及び直流電圧値を決定する処理は、例えば図６に示すフローにしたがって行うことができる。まず、現像動作中に帯電電位検出手段１１により静電潜像保持体２の常に潜像を形成しない部分から帯電電位を検出する。測定結果の帯電電位VDと現在の現像バイアスの交流電圧の第２電位部の電位V2の値から｜VD−V2｜の値を計算する。あらかじめキャリア付着が発生しない｜VD−V2｜の基準値を決めておき、｜VD−V2｜が常にこの基準値になるように電源１０の出力を制御手段１２により制御して現像バイアスの交流電圧成分のデューティ比と直流電圧値を変化させる。
【００２３】
このようにして、現像バイアスの交流電圧矩形波の時間平均電圧値とピーク・トゥ・ピーク値を変化させることなく、デューティ比と直流電圧値を制御することによって、静電潜像保持体２の帯電電位の変化に影響されずに安定した画像を得ることが可能になる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明に係る画像形成装置によれば、環境、経時などによる静電潜像保持体の帯電電位の変化に応じて現像バイアスの交流電圧成分のデューティ比と直流電圧値を制御して、現像バイアスの時間平均電圧値及びピーク・トゥ・ピーク値を変えることなく、帯電電位と、静電潜像保持体から現像剤担持体にトナーを移動させる方向に働く静電力を発生させる電位との間の電位差を常に一定にすることにより、非画像部へのキャリア付着が防止されるとともに、地汚れも防止され、また安定した濃度の画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施形態に係る画像形成装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】現像バイアスの波形を示す説明図である。
【図３】現像試験の当初段階で用いられた現像バイアスの波形を示す図である。
【図４】現像試験において、図３に示す当初段階の現像バイアスから本発明により静電潜像保持体の帯電電位絶対値の上昇に応じてデューティ比及び直流電圧値が変えられた状態の現像バイアスの波形を示す図である。
【図５】静電潜像保持体の帯電電位の絶対値が低下した場合における、図３に示す当初段階の現像バイアスから本発明に従ってデューティ比及び直流電圧値が変えられた状態の現像バイアスの波形を示す図である。
【図６】静電潜像保持体の帯電電位の検出値を用いて現像バイアスのデューティ比及び直流電圧値を変化させて適切な現像バイアスを得るための処理のフロー図である。
【符号の説明】
１    現像剤担持体
２    静電潜像保持体
３    磁気ロール
４    ドクタ
５    第１撹拌部材
６    第２撹拌部材
７    仕切り板
８    トナー補給装置
９    帯電部材
１０    電源
１１    帯電電位検出手段
１２    制御手段
【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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