(57)【要約】【課題】劣化トナーを排出でき、安定した画像形成を可能とする現像装置を有する画像形成装置を提供すること。【解決手段】像担持体と、画像信号に基づき前記像担持体上に静電像を書込む露光手段と、前記像担持体上にトナーを供給しトナー像を形成する現像手段と、前記像担持体上のトナー像を記録媒体に転写する転写手段と、前記像担持体を清掃する清掃手段とを備える画像形成装置において、前記現像手段は、筒状の現像ローラと、当該現像ローラ内部に配置された複数の磁極と、前記現像ローラによって搬送される現像剤の搬送量を規制する規制部材とを有しており、前記像担持体上の通常画像領域前または後にトナー吐出し用のパターン画像を形成する際に、前記複数の磁極の少なくとも１つの磁極の磁角を、通常画像形成時の角度からパターン画像形成時の角度に切り替えることを特徴とする画像形成装置。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
像担持体と、画像信号に基づいて前記像担持体上に静電像を書き込む露光手段と、前記像担持体上にトナーを供給してトナー像を形成する現像手段と、前記像担持体上のトナー像を記録媒体に転写する転写手段と、前記像担持体を清掃する清掃手段とを備える画像形成装置において、前記現像手段は、筒状の現像ローラと、当該現像ローラの内部に配置された複数の磁極と、前記現像ローラによって搬送される現像剤の搬送量を規制する規制部材とを有しており、前記像担持体上の通常画像領域前または後にトナー吐出し用のパターン画像を形成するに当たって、前記複数の磁極の少なくとも１つの磁極の磁角を、通常画像形成時の角度からパターン画像形成時の角度に切り替えることを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記パターン画像形成時に、前記複数の磁極のうち最も像担持体に近い磁石を、前記像担持体に近づく方向に切り換えることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項３】
前記パターン画像形成時に、前記角度を切り換える方向は、現像剤の搬送量が増加する方向であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記パターン画像形成時に、前記現像ローラ上の現像剤の搬送量を、通常画像形成時の１．１〜２．０倍にすることを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
【請求項５】
前記パターン画像形成時に、前記複数の磁極のうち最も前記規制部材に近い磁極を、前記規制部材から遠ざかる方向に切り換えることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真複写機やレーザプリンタなどの静電転写プロセスを利用する画像形成装置に関し、特に、画質向上のため劣化（疲労）トナーを廃棄する処置が施された現像装置を有する画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現像剤が長時間現像装置に滞留すると、現像剤（トナー）が疲労して、トナーの帯電特性が不安定になり画質不良の原因となる。また、帯電特性の低いトナーは飛散しやすく、トナー汚れの原因ともなる。
【０００３】
正常なトナーは、樹脂製の粒体外面にフッ素系またはシリカ系の離型剤被膜がほどこされているが、現像装置内に長時間滞留し、攪拌されると被膜が磨耗したり、樹脂体に埋没孔（破壊孔）が発生し劣化トナーとなり、一部は消費されるが大方は現像装置内に滞留する。このような劣化トナーは物理的付着力が大きくなる。
【０００４】
この現象は、低印字率の画像形成を継続した場合に起こりやすい。
【０００５】
これを防止するために、図３に示すように、像担持体上で通常画像領域前後のＤ領域に吐出し用のパターン画像ＰＡ等を所定のプリント数毎に形成し、当該パターン画像ＰＡを清掃手段にて清掃し、吐出しトナーとして廃棄している。
【０００６】
図３は、通常画像領域前後に形成された吐出しトナーのパターン画像を示す図である。
【０００７】
従来例として、トナー像の濃度を検出し、トナー像の濃度に基づき内部パターン画像（吐き出し用のパターン画像）を形成して現像器内のトナーを強制的に吐き出し、劣化トナーを入替える方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−６２０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来は、劣化トナーの吐出し用のパターン画像作成時にも、通常画像形成時と同じ条件の現像剤搬送量で現像を行っていた。そのため、パターン画像形成時には劣化トナーと同時に、劣化度合が少ないトナーも通常画像形成時と同じ比率で廃棄されてしまう。従って、所望の劣化トナーを廃棄するために、廃棄（吐出し）量全体を多く設定しなければならない不都合があった。
【０００９】
本発明は、劣化トナーを効率よく排出し、安定した画像形成を可能とする現像装置を有する画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、下記も構成によって達成される。
【００１１】
像担持体と、画像信号に基づいて前記像担持体上に静電像を書き込む露光手段と、前記像担持体上にトナーを供給してトナー像を形成する現像手段と、前記像担持体上のトナー像を記録媒体に転写する転写手段と、前記像担持体を清掃する清掃手段とを備える画像形成装置において、前記現像手段は、筒状の現像ローラと、当該現像ローラの内部に配置された複数の磁極と、前記現像ローラによって搬送される現像剤の搬送量を規制する規制部材とを有しており、前記像担持体上の通常画像領域前または後にトナー吐出し用のパターン画像を形成するに当たって、前記複数の磁極の少なくとも１つの磁極の磁角を、通常画像形成時の角度からパターン画像形成時の角度に切り替えることを特徴とする画像形成装置。
【発明の効果】
【００１２】
トナー吐出し用のパターン画像現像時に現像ローラの磁極の像担持体に対する磁角（設定角度）を、搬送量が増加する方向に切り換えるので現像部における擦過力が高まり、現像部で消費（廃棄）されるトナー中の劣化トナーの比率が高くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態の一例を図面に基づいて説明する。
【００１４】
なお、本発明における記載は請求項の技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。
【００１５】
図１は、本実施の形態であるプリンタから成る画像形成装置の概略断面図である。
【００１６】
本実施の形態におけるプリンタは、転写紙Ｐを収納する給紙カセット２１、当該給紙カセット２１内の転写材Ｐを送り出す給紙ローラ２２、搬送経路２４、転写材Ｐと像担持体である感光体ドラム３１上のトナー像との同期をとるタイミングローラ２３、転写材Ｐを転写領域Ｓへ導く進入ガイド板２５、転写終了後感光体ドラム３１から分離した転写材Ｐを定着装置３７へ搬送する搬送ベルト３９等からなっている。
【００１７】
前記感光体ドラム３１は、制御手段である制御部Ｂ１の指令によって不図示の駆動部から回転力を得て矢示の方向に回転駆動される。この感光体ドラム３１の周囲には、上流側から順に、帯電手段３２、露光手段３３、後述する現像手段である現像装置３４、転写手段である転写器３５、分離手段３６および清掃手段であるクリーニング装置３８が配設されている。
【００１８】
前記感光体ドラム３１上に、帯電手段３２による帯電、露光手段３３による像露光が行われ（潜像形成）、現像手段３４による現像処理によってトナー像を形成する（顕像形成）。そして、転写領域Ｓでトナーと逆極性の電圧が印加された転写手段３５によって前記転写材Ｐ上にトナー像が転写される。
【００１９】
その後、分離手段３６によって転写材Ｐを感光体ドラム３１から分離する。分離された転写材Ｐは、空気吸引箱３９１を内側に設けた搬送ベルト３９にて搬送され定着装置３７へ向かう。その後、転写材Ｐは当該定着装置３７の一対のローラ（加圧ローラ３７Ａ、加熱ローラ３７Ｂ）によって加熱、加圧が付与され、これによりトナー像が転写材Ｐ上に定着される。一方、転写後の感光体ドラム３１は、クリーニング装置３８によってクリーニングされ、次の画像形成に備えられる。これら画像形成手段を構成する各手段３１〜３８の作動は、制御部Ｂ１によって制御される。
【００２０】
以下、本発明に関する現像装置の実施の形態について図２を基に説明する。
【００２１】
前述したが、現像剤が長時間現像装置に滞留すると、現像ローラ４０等によるストレスで現像剤（トナー）が疲労して、トナーの帯電特性が不安定になり画質不良の原因となる。特に、低印字率の画像形成が継続した場合には、トナーの吐出し量が少ないため、現像装置内に帯電効率の悪い不安定な劣化トナーが残留しやすくなる。従来は、単に通常画像領域前後に吐出し用のパターン画像を形成して対応していたが、劣化度合の低いトナーも通常画像形成時と同じ比率で廃棄されてしまう不都合が生じていた。
【００２２】
そこで、劣化度合の高いトナーを選択的に消費させる現像装置を採用すれば、この画像不良を防止することができる。
【００２３】
図２は、図１に示す現像装置を拡大した図である。
【００２４】
当該現像装置はトナーとキャリアを混合した現像剤を用いる２成分磁器ブラシ方式を採用している。現像ローラ４０は外周側に現像剤を付着して回転し、感光体ドラム３１との対向部である現像部Ｔへ現像剤を搬送する。前記現像ローラ４０と前記感光体ドラム３１の間に、図６に示すような現像電界を形成し、現像部Ｔにおけるトナーの感光体ドラム３１への移行量を制御している。
【００２５】
図６は、通常画像形成時およびパターン画像形成時に、像担持体と現像ローラに印加される現像バイアスを示す波形である。
【００２６】
図６において、現像バイアスはＤＣ成分（４００Ｖ）に矩形波のＡＣ成分（１０００Ｖ｛Ｐ−Ｐ｝、周波数５ｋＨｚ、Ｄｕｔｙ５０％）を重畳している。ＤＣ成分は、画像安定化制御によって決定されるが、標準的な値としては画像部電位との現像電位差が約３５０ＶとなるＤＣ電圧となる。
【００２７】
当該現像電界を形成するために、現像ローラ４０に高圧電源ＨＶ１から現像バイアスが印加される。
【００２８】
さらに、本実施の形態においては、現像ローラ４０の内周側に配列された固定磁石の磁角を切替えることによって、現像剤の搬送量を制御することができる。
【００２９】
図４は、通常画像形成時の磁極の磁角設定Ａを示している。
【００３０】
図５は、パターン画像形成時の磁極の磁角設定Ｂを示している。
【００３１】
図４、図５において、通常の画像形成時の磁極Ｓ１，Ｎ１、Ｎ２、Ｓ２、Ｎ３は、パターン画像形成時より上流側に角度θ（本実施の形態ではθ＝１０°に設定してある。）だけ位相がずれた状態となっている。
【００３２】
図７は、現像ローラの構成と磁極の磁角切替え機構を示す図である。
【００３３】
図７（ａ）において、現像ローラ４０は、アルミ、真鍮等の非磁性体金属性の回転スリーブ４０１、当該回転スリーブ４０１の両側部に嵌着したスリーブ支持部材４０２、４０３、前記回転スリーブ４０１の駆動歯車４０４、前記回転スリーブ４０１の内部に磁極としての磁石固定部材４０６等で構成で構成されている。前記スリーブ支持部材４０２、４０３は軸受４０５を介して現像装置３４の枠体Ａ１（図２参照）に支持され、前記スリーブ支持部材４０２と一体の前記駆動歯車４０４によって回転する。
【００３４】
一方、前記磁石固定部材４０６は軸受４０７を介して前記スリーブ支持部材４０２、４０３に支持され、前記磁石固定部材４０６の一方の端部側に磁角切替え機構５０が配置されている。当該磁角切替え機構５０は前記磁石固定部材４０６の角度θだけ位相をずらす機能を有している。
【００３５】
以下に前記磁角切替え機構５０の構成について説明する。
【００３６】
図７（ｂ）は図７（ａ）のＸ方向から視た図である。
【００３７】
図７（ｂ）において、作動板５０１は一体のハブ５０６を介して前記磁石固定部材４０６に取り付けられている。当該作動板５０１はバネ５０３によって引かれ、エッジ部ｅがストッパ５０５に抗して当接している。磁石固定部材４０６上の磁極Ｓ１は実線で示した位置にある。また、前記作動板５０１には作動ピン５０４が鋲着され、当該作動ピン５０４に係合する偏芯カム５０２が当接している。当該偏芯カム５０２は制御部Ｂ１中のＣＰＵからの指令により不図示の駆動部を介して所定の角度だけ回動し、前記作動板５０１を点線で示す状態にすると、磁石固定部材４０６上の磁極の位相が角度θだけずれ、通常画像形成時の磁角からパターン画像形成時の磁角に切り換わる。
【００３８】
なお、前記磁角の切替え判断処理は図４に示す指令ルートに基づいて行われる。
【００３９】
図８は、磁極の磁角を切換えるアルゴリズムである。
【００４０】
図８において、ステップＳ１で、制御部Ｂ１内のＣＰＵは画像形成の指示を出す。ステップＳ２で、印字対象が通常画像形成か、パターン画像形成かが判別される。ステップＳ３で、通常画像形成の場合は、磁角切替え機構を介して磁角設定Ａにする。ステップＳ２で、吐出し用のパターン画像の場合は、磁角切替え機構を介して磁角設定Ｂにする。ステップ５で、共通の現像バイアスで画像形成をする。
【００４１】
次に、前記アルゴリズムに従って磁角を切替えることによる現像剤搬送量の変化について図９を基に説明する。
【００４２】
図９は、現像部と規制部材の近傍における磁力線と磁気ブラシを示す図である。
【００４３】
図９（ａ）は通常画像形成時の現像部と規制部材の近傍における磁力線と磁気ブラシの状態で、図９（ｂ）はパターン画像形成時の現像部と規制部材の近傍における磁力線と磁気ブラシの状態を示す。
【００４４】
図９において、現像剤は回転スリーブ４０１上で磁界の磁力線に沿って磁気ブラシを形成し搬送される。
【００４５】
パターン画像形成時には、固定磁石全体を現像剤の搬送方向に対して同方向（反時計方向）に向けて回転させている。この磁角を切替えたことによって感光体ドラム３１と最も近い磁極Ｓ１は通常画像形成時に比べ、より感光体ドラム３１に近付くようになっている。このため現像部Ｔにおいて現像剤は感光体ドラム３１と摺擦されやすくなる。その結果、物理的付着力が高くなった劣化トナーは、キャリアと離脱しづらくなっているが、感光体ドラム３１との付着力もより増加しているため、感光体ドラム３１との接触時間を長く取ることで感光体ドラム３１に移動しやすく、つまり現像しやすくなる。すなわち、摺擦されやすくした結果、劣化トナーが現像されやすくなる。
【００４６】
一般にトナーは物理的付着力の小さいものから選別されて現像されてゆく、所謂、選別現象が起る。
【００４７】
周囲より劣化が進んでいるトナーは物理的付着力が高いので現像時において、キャリアと離脱しづらく現像されずに現像装置内に再度戻ってくる確率が高い。これらのトナーがさらに機械的なストレスを受けて、さらに劣化が進み現像されにくくなる。
【００４８】
本発明では、この物理的付着力の違いによる選別現象が、現像装置内における現像剤の（像担持体に対する）擦過状態を高めることで改善されることが後述する実験で判明された。
【００４９】
図９（ｂ）からもわかるように、パターン画像形成時は規制部材３４１と最も近い磁極Ｓ２は通常画像形成時に比べ、規制部材３４１から遠ざかるようになっている。磁気ブラシは現像ローラ３４０の回転によって上流側の現像剤が押されて来たときに反発力として働く。
【００５０】
従って、磁極Ｓ２が規制部材３４１から遠ざかり、磁力線が弱くなって磁気ブラシによる反発力も弱くなる。すなわち、規制部材３４１近傍の磁気ブラシは回転スリーブ４０１に接線方向に寝てくる。このため、現像剤は密集状態となって規制部材３４１を通過することになり、通常画像形成時に比べ、より多くの現像剤が現像部Ｔに搬送される（本実施の形態では搬送量は通常画像形成時は３００ｇ／ｍ2でパターン画像現像時は４５０ｇ／ｍ2であった。）。
【００５１】
搬送量が多くなると、感光体ドラム３１と回転スリーブ４０１とが対向する現像部Ｔにおける現像剤の密度が高くなり、前述したように、像担持体（感光体ドラム）との摺擦力も増大する。そこで物理的付着力が高くなった劣化トナーはキャリアと離脱しずらくなっているが、劣化度合の高いトナーの方が像担持体との付着力が増加しているため、像担持体との接触時間を長くとることで像担持体に移動しやすく、つまり現像しやすくなる。
【００５２】
すなわち、搬送量を多くして摺擦されやすくした結果、劣化度合の高いトナーを選択的に現像されやすくすることができる。
【００５３】
なお、現像剤の搬送量を同じにすると、現像部Ｔで、物理的付着力の小さなものから選別される選別現象が生じる。そこでパターン画像形成時には規制部材３４１近傍における磁極Ｓ２の磁力線を減少させるために磁極Ｓ２を規制部材３４１から遠ざけている。
【００５４】
具体的には、規制部材３４１近傍で、パターン画像ＰＡ形成時の磁力密度を通常画像形成時より低くして現像剤の搬送量を増加させることができる。その結果、現像部Ｔ近傍の磁力密度は高くなり、摺擦力が増大する。
【００５５】
パターン画像形成時には、搬送量は通常画像形成時の１．１〜２．０倍に増加させた場合に効果が大きい。２倍以上になると摺擦力が大きくなり過ぎるため、かぶりやキャリアの離脱等の不具合が生じやすくなる。
【００５６】
この結果、劣化度合の高いトナーが主体で消費されることとなる。
【００５７】
以下、本実施の形態の現像装置を用いて低印字率で、比較例（磁角切替え無し）と実施例（磁角切替え有り）の耐久テストを行った。
【００５８】
その結果を表１に示す。
【００５９】
【表１】
2008076947.tif 000003
【００６０】
比較例１
通常画像領域前または後（Ｄ領域）にパターン画像形成を行わないように設定して、１％印字率相当の通常画像形成の条件で耐久テストを行ったところ、１０Ｋ（１０，０００）枚の時点でハーフトーン部分の画像アレが許容範囲外のレベルとなった。
【００６１】
現像装置内のトナーの表面を電子顕微鏡で観察したところ、表面の離型剤が離脱したり内部に埋没したトナーが多く存在しており、これによってトナーの流動性が低下していた。流動性が低下したトナーは物理的付着力が高くなり、キャリアと離脱しずらくなり現像性が悪化したものと考えられる。また、物理的付着力が高くなると転写材への転写性も悪化すると考えられる。低印字率の画像形成時には現像装置内でのトナーの滞留時間が長くなり、機械的なストレスを長時間受けるトナーが増えるために短期間でトナー劣化が進む。また、吐出しトナー量は転写残相当しか発生していないため、６０ｇでかなり少ない。
【００６２】
比較例２
現像装置内のトナーの入れ替わりを促進するため、Ｄ領域に印字率３％相当のパターン画像を作像する条件で耐久テストを行った。パターン画像を現像するときの現像ローラと規制部材間に形成される電位差は画像部と同じ値５０Ｖ（図６参照）とした。画質レベルは、５０Ｋ枚時点でも維持されており、帯電量分布の変化もほとんどなかったが、パターン画像によるトナー消費量が増大し、吐出しトナー量は１６２０ｇで極めて多く、この方法は実用に適さないことが判明した。
【００６３】
比較例３
Ｄ領域に作成するパターン画像のトナー量を印字率１％相当に設定した条件で耐久テストを行った結果、吐出しトナー量は６８０ｇで比較例２より１０００ｇ近く減少させることができ実用的なものになったが、画質レベルの低下は、比較例１に比較して、緩やかになったものの、寿命の５０Ｋに至らず３０Ｋで許容範囲外のレベルとなった。
【００６４】
また、トナーの流動性は画像形成数が進むに従って低下した。
【００６５】
次に、本発明に係わる現像ローラ内の固定磁石の磁角を切替えた実施例について説明する。
【００６６】
実施例１
比較例３の条件から、パターン画像を現像するとき、図８で示したアルゴリズムにより現像ローラ内部の固定磁石の磁角を切替えながら同様な耐久試験を行った。
【００６７】
その結果、表１に示すように、現像ローラ内部の固定磁石の磁角を切替えることによって、印字率１％相当のパターン画像でも１００Ｋまで画質レベルを維持することができた。すなわち、トナー消費量が抑えられ、劣化トナーも効率よく排出されていることがわかる。
【００６８】
なお、本実施例では、現像部Ｔ近傍の磁極を感光体ドラムに近づけること、規制部材近傍の磁極を規制部材から遠ざけることの２つの対策が同時に可能なように磁角の切替えを行って制御したが、２つの対策のどちらか一方でも同様な効果を得ることができる。ただし、擦過させすぎるとかぶりやキャリア離脱等の不具合が起こり易くなる。例えば、搬送量は通常画像形成時の１．１〜２．０倍に増加させた場合に効果が大きく、２．０倍以上は好ましくない。
【００６９】
また、本実施例に用いる画像形成装置としては、モノクロ／カラーのＰＰＣ、プリンタ、Ｆａｘ等のいずれにおいても同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本実施の形態であるプリンタから成る画像形成装置の概略断面図である。
【図２】図１に示す現像装置を拡大した図である。
【図３】通常画像領域前後に形成された吐出しトナーのパターン画像を示す図である。
【図４】通常画像形成時の磁極の磁角設定Ａの配列を示している。
【図５】パターン画像形成時の磁極の磁角設定Ｂの配列を示している。
【図６】通常画像形成時およびパターン画像形成時に、像担持体と現像ローラに印加される現像バイアスを示す波形である。
【図７】現像ローラの構成と磁極の磁角切替え機構を示す図である。
【図８】磁極の磁角を切換えるアルゴリズムである。
【図９】現像部と規制部材の近傍における磁力線と磁気ブラシを示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
３１  感光体ドラム
３４  現像装置
３８  クリーニング装置
３４１  規制部材
３４２  搬送撹拌スクリュー
４０  現像ローラ
４０６  磁石固定部材
５０  角度切替え機構
５０１  作動板
５０２  偏芯カム
５０３  バネ
ＨＶ１、ＨＶ２  高圧電源
ＰＡ  パターン画像
【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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