(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電潜像が形成される像担持体と、
前記静電潜像を現像するための現像ローラとを備え、
前記像担持体上の静電潜像を充分な大きさにとり、前記像担持体と前記現像ローラの間の現像部に搬送するトナーの供給量により、前記像担持体上に形成するトナー量を決定する非磁性一成分現像方式の画像形成装置の現像バイアス決定方法において、
（現像バイアス電圧−露光部電位）である潜像強度及び（非露光部電位ＶS −現像バイアス電圧ＶB ）である逆バイアス電圧を決定する現像バイアス電圧ＶB を、
逆バイアスの増大に伴う現像部でのトナーへの逆極性の電荷注入によるかぶりの発生しない値を下限とし、
逆バイアスの低下に伴う帯電トナーの前記像担持体への反発力の低下によるかぶりの発生しない値を上限とするように設定する際に、
上記現像バイアス電圧ＶB の上限を、次式
｜Ｖs −ＶB ｜＞〔｛Ｆb −（Ａｒ／６Ｄ2 ）（１＋Ａ／６πＤ3 Ｈ）｝／  
｛（４／３）πｒ3 δ（ｑ／ｍ）｝〕〔（ｄ／εd ）＋（Ｘ／εt ）〕
＋｛βδ（ｑ／ｍ）Ｘ2 ／２ε0 εt ｝
但し、Ｆb ：機械的付着力，    ε0 ：真空の誘電率，
εt ：トナーの比誘電率，εd ：像担持体比誘電率，
Ｘ：トナー層の層厚，    ｄ：像担持体の感光層の厚さ，
ｒ：トナー半径，        δ：トナーの粒子密度，
β：トナー層の充填率  ，ｑ／ｍ：トナー比電荷，
Ａ：ＨＡＭＡＫＥＲ常数  Ｄ：トナーと現像ローラの最近接距離，
Ｈ：現像ローラの硬度
で決定することを特徴とする画像形成装置の現像バイアスの決定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電子写真技術を用いた非磁性一成分現像方式の画像形成装置の現像バイアス決定方法に関するものである。
【０００２】
近年情報産業の急速な発展に伴い、各種の情報システムが開発されていて、それに適した出力機（プリンタ）の要望が高まっており、各種のプリンタの製品化が行われている。
【０００３】
【従来の技術】
一般的に記録方式はインパクト方式とノンインパクト方式に分けられる。インパクト方式は、小型で低価格，メンテナンスフリー等の利点がある半面、騒音の点で問題がある。一方、ノンインパクト方式ではシリアル方式とページ方式がある。シリアル方式では、小型で低価格等の利点があるが、熱転写方式では記録速度が遅いという問題を、インクジェットでは目詰まりを生じる等の問題を、それぞれ抱えている。
【０００４】
ページ方式については、電子写真方式が代表として挙げられ、高速印字，高印字品質等の利点はあるが、プロセスが複雑であるため低価格化，装置の小型化には問題があると見なされていた。しかし、最近の電子写真式のプリンタについては、小型化，低価格化が進み、インパクトプリンタの領域にまで入り込んできつつあるのが現状である。次に、この電子写真プロセスの概要を説明する。
【０００５】
このプロセスでは、感光体を回転させ、その表面に、放電ワイヤに高圧を印字することにより均一な電荷層を形成する。次に、露光工程により、該表面に、画像信号に対応した静電潜像を形成する。そして、該静電潜像を、トナーと呼ばれる帯電着色粒子より成る現像剤で可視化する（トナー像形成）。該トナー像は、通常は転写材（記録紙）に転写後、熱，圧力により定着される。
【０００６】
この静電潜像の現像方式は、大別すると、一成分現像と二成分現像に分けられる。二成分現像の場合は、使用現像剤がトナーとキャリアから成り、機械的な撹拌によりトナーとキャリアに摩擦帯電を生じさせてトナーに電荷を付与する。しかし、二成分現像方式の場合、トナー濃度を常に一定に保つ必要があり、その安定した制御が難しいという問題点もある。
【０００７】
これに対し、一成分現像方式は、キャリアと混合することなくトナー単体で現像するもので、現像ローラ上のトナー搬送，現像部へのトナー補給のためにトナーの中に磁性粉を含有するものと、非磁性のトナーを用いるものがある。最近は、カラー化を考えて、非磁性トナーを用いたカラープリンタの開発が注目されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の現像方式では、現像部ではトナー供給量が飽和した状態で現像を行なう。この方式の電子写真プロセスの概要を図６に示す。この場合、感光ドラム（像担持体）１上のトナー付着量Ｍは、感光体１上に形成される潜像強度（現像バイアス電圧ＶB −光照射部電位ＶL ），トナー比電荷ＴP の大小により決まる。つまり、現像バイアス電圧はトナー付着量（印字濃度）を決める要因となっている。なお、図６において、２は現像ローラ、３はキャリア、４はトナー、ＶS は非露光部の電位で、Ｖs −ＶB は逆バイアス電圧となる。
【０００９】
ところが、この潜像強度，トナー比電荷は、環境変化により変わるため、トナー付着量も変わり、印字としては、濃淡，解像性の劣化が生じるという問題があった。そこで、我々は、環境の変動に対してトナー付着が常に一定になる現像方式を提案した（特願平３−１５６６４４号，平成３年６月２７日出願）。この方式について図７を用いて説明すると次の通りである。なお、５はトナー層厚規制用のブレードである。
【００１０】
この方式では、トナー付着量は、現像ローラ２上に非常に薄く均一なトナー層を形成できるので、現像部に搬送するトナー量で一意に決めることができる。なお、トナー付着量Ｍは次式で表わされる。
Ｍ＝２ｒt δρｎ（ｖd ／ｖp ）
ｒt ：トナー半径
δ  ：トナー充填率
ρ  ：トナー密度
ｎ  ：現像ローラ上のトナー層数
ｖp ：感光ドラム周速度
ｖd ：現像ローラ周速度
【００１１】
このため、環境変動に対し、変化しやすい潜像強度，トナー比電荷に依存しないので、安定なトナー付着量を得ることができる。さらに、当現像方式での現像バイアス電圧は、環境変化による感光体の表面電位の変動，トナー帯電量の変動に対するマージンをとるために充分大きな値に設定してある。
【００１２】
ところが、この現像バイアスの大，小によっては、かぶり要因となる。この点について詳細に説明すると、かぶりは、図６に関連して前述した逆バイアス電圧の影響が大きい。逆バイアス電圧が大きいと、トナーへ逆極性の電荷が注入され、逆極性に帯電したトナーが印字の背景部に付着してかぶりとなる。
【００１３】
また、逆バイアス電圧が小さいと、正常に帯電したトナーの印字の背景部での感光体との反発力が小さくなり、トナーが印字の背景部に付着しかぶりが発生する。
【００１４】
本発明は、現像バイアス電圧を最適な値に設定することによりかぶりのない印字を実現するようにした画像形成装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、画像光が露光されていない非露光部と画像光が露光された露光部との間に生じる静電的な電位差による静電潜像が形成される像担持体と、前記静電潜像を現像するためのトナーが表面に付着されるとともに前記像担持体との間に現像バイアス電圧が印加された現像ローラとを備え、前記像担持体上の静電潜像を充分な大きさにとり、前記像担持体と前記現像ローラの間の現像部に搬送するトナーの供給量により、前記像担持体上に形成するトナー量を決定する非磁性一成分現像方式の画像形成装置において、（現像バイアス電圧−露光部電位）である潜像強度及び（非露光部電位ＶS −現像バイアス電圧ＶB ）である逆バイアス電圧を決定する現像バイアス電圧ＶB を、  逆バイアスの増大に伴う現像部でのトナーへの逆極性の電荷注入によるかぶりの発生しない値を下限とし、逆バイアスの低下に伴う帯電トナーの前記像担持体への反発力の低下によるかぶりの発生しない値を上限とするように設定する際に、上記現像バイアス電圧ＶB の上限を、次式
｜Ｖs −ＶB ｜＞〔｛Ｆb −（Ａｒ／６Ｄ2 ）（１＋Ａ／６πＤ3 Ｈ）｝／  
｛（４／３）πｒ3 δ（ｑ／ｍ）｝〕〔（ｄ／εd ）＋（Ｘ／εt ）〕
＋｛βδ（ｑ／ｍ）Ｘ2 ／２ε0 εt ｝
但し、Ｆb ：機械的付着力，    ε0 ：真空の誘電率，
εt ：トナーの比誘電率，εd ：像担持体比誘電率，
Ｘ：トナー層の層厚，    ｄ：像担持体の感光層の厚さ，
ｒ：トナー半径，        δ：トナーの粒子密度，
β：トナー層の充填率  ，ｑ／ｍ：トナー比電荷，
Ａ：ＨＡＭＡＫＥＲ常数  Ｄ：トナーと現像ローラの最近接距離，
Ｈ：現像ローラの硬度
で決定することを特徴とする構成とする。
【００１６】
【作用】
上記のように、現像バイアス電圧は、上限，下限値の設定により最適化されているため、かぶりの発生は抑えられ、印字濃度を安定化することができる。すなわち、良好な印字が得られる。
【００１７】
【実施例】
以下、図１乃至図５に関連して本発明の実施例を説明する。
【００１８】
本発明では、静電潜像が形成される像担持体と、静電潜像を現像するためのトナーが表面に付着されるとともに像担持体との間に現像バイアス電圧が印加された現像ローラとを備え、像担持体へのトナー付着量が現像ローラから像担持体へのトナーの供給量により一意的に決定される電子写真装置に適用されるもので、かぶりのない印字を実現することを目的としている。
【００１９】
そして、この目的を達成するため（現像バイアス電圧−露光部電位），及び（非露光部電位−現像バイアス電圧）である逆バイアス電圧を決定する現像バイアス電圧が、逆バイアスの増大に伴う現像部でのトナーへの逆極性の電荷注入によるかぶりの発生しない値を下限とし、逆バイアスの低下に伴う帯電トナーの像担持体への反発力の低下によるかぶりの発生しない値を上限とするように設定する。次に、図１のモデル図により逆バイアス電圧を算出し、かぶりの発生しない最適条件を検討する。
【００２０】
図１において、感光ドラム（像担持体）１０１とトナー１００を誘電体、現像ローラ１０７を抵抗体と考えたとき、次式が成立する。
−∫0 d （σo ／εo εd ）ｄｙ−∫d d+x 〔｛σ0 ＋σm ＋ρ(y−d)｝／／εo εt 〕ｄｙ＝ＶB                   …………（１）
但し、εo ：常数
εd ：感光ドラム比誘電率
ｙ  ：距離
ｄ  ：感光層の厚さ
ｘ  ：感光ドラムと現像ローラの間隙
∫0 d ：０〜ｄの積分
∫d d+x ：０〜（ｄ＋ｘ）の積分
【００２１】
式（１）より、感光ドラムの誘電電荷σo は、
σo ＝｛−（Ｘεd ／ｄεt ）ＶS −ＶB −（ρＸ2 ／２εo εt ）｝／｛（ｄ／εo εd ）＋（Ｘ／εo εt ）｝      …………（２）
但し、ＶS は感光ドラム表面電位で次式で表される。
ＶS ＝（σm ｄ／εo εd ）……………………………（３）
【００２２】
感光ドラム表面に働く電界Ｅ1 は次式で表される。
Ｅ1 ＝（σo ＋σm ）／εo ……………………………（４）
式（２）を式（４）に代入し、ρをｑ／ｍで置き換えて変形すると、次式が得られる。
Ｅ1 ＝［ＶS −ＶB −｛βδ（ｑ／ｍ）Ｘ2 ｝／２εo εt ］／｛（ｄ／εd ）＋（Ｘ／εt ）｝………………（５）
【００２３】
ここで、現像時にトナー粒子に働く力について検討してみる。図２に示すように、トナー粒子には、電界Ｅo から受ける静電力Ｆe 、現像ローラがトナーをくわえ込む力Ｆr の他に、機械的付着力Ｆb が働く。この各々の力に対し、かぶりが発生しない条件は、静電力Ｆｅとくわえ込む力Ｆr の和が機械的付着力Ｆb より大きくなるときであり、次式となる。
Ｆe ＋Ｆr ＞  Ｆb ………………………………………（６）
【００２４】
さらに、各々の力がどのような要因であるかを明らかにするため、各々の力を定式化した。
Ｆe ＝（ｑ／ｍ）Ｅ1 ・δ・（４／３）πｒ3 ………（７）
Ｆr ＝（Ａｒ／６Ｄ2 ）（１＋Ａ／６πＤ3 Ｈ）……（８）
但し、ｒ：トナー半径，  δ：トナーの粒子密度
ｑ／ｍ：トナー比電荷，  Ａ：ＨＡＭＡＫＥＲ常数（１×１０-19 ）
Ｄ：トナーと現像ローラの最近接距離，  Ｈ：現像ローラの硬度
【００２５】
また、機械的付着力Ｆb は現像ローラを感光体に押し当てる力できまる一定値と仮定すると、次式となる。
Ｆb ＝ｃｏｎｓｔ………………………………………（９）
式（５），式（７），式（８），式（９）を式（６）に代入すると次式となる。
0003758195.tif 000002
但し、εt ：トナーの比誘電率，  ρ：トナーの体積電荷密度
σm ：感光ドラム上の表面電荷，  σ0 ：感光ドラムの誘導電荷
【００２６】
まず、式（１０）に着目すると、電界ＥO は感光ドラムの一様帯電電位（非露光部の電位）ＶS と現像バイアス電圧Ｖb の差である逆バイアス電圧に比例するため、逆バイアス電圧が小さくなると、電界Ｅo も弱くなり、トナーが電界から受ける静電力Ｆe が小さくなってかぶりが発生し易くなる。また式（１０）において、現像ローラ硬度Ｈが大きくなると、くわえ込み力Ｆr は小さくなり、かぶりが起こり易くなる。
【００２７】
さらに、トナー比電荷ｑ／ｍについては、ｑ／ｍが小さくなると右辺第１項が大きくなり、逆にｑ／ｍが大きくなっても右辺第２項が大きくなる。つまり、かぶりを除去するための逆バイアス電圧（ＶS −ＶB ）を最小にするｑ／ｍが存在することになる。そこで、かぶりに大きな影響を及ぼすトナー比電荷と逆バイアス電圧の関係について検討する。
【００２８】
ここで、かぶりのマージン拡大として取り扱っている現像ローラ硬度の影響を除外して考えると、式（１０）は次式のように書き換えることができる。
0003758195.tif 000003
式（１１）は、かぶり発生の逆バイアス電圧があるトナー比電荷で最小値を取ることを示している。さらに、式（１１）より、かぶりが発生するトナー比電荷Ｔp を求めると次式となる。
【００２９】
0003758195.tif 000004
そこで、各種感光体を用いた場合のトナー比電荷Ｔp と逆バイアス電圧（ＶS −ＶB ）との関係について検討する。
【００３０】
結果を図３に示す。本図のデータはＯＰＣ感光体の静電容量の値を用いて式（１２）より求めた計算値である。本図より、有機感光体の場合には、トナー比電荷７〜３５μｃ／ｇにおいて、逆バイアス電圧を７０Ｖとするとかぶりが発生しないことが分かる。これが逆バイアス電圧の下限値となる。なお、計算に使用した各パラメータの値は次の通りである。
【００３１】
トナー粒子径  ｒt ＝６μｍ        トナー層の比誘電率  εt ＝２．２
トナー密度  δ＝１１１０kg／ｍ3   トナー層厚    ｄt ＝２４μｍ
トナー層の充填率  β＝０．６      トナー供給能  θ＝２．０
感光体膜厚  ｄP ＝２５μｍ        感光体の比誘電率  εp ＝３．０
トナーと感光体間の機械的付着力  Ｆa ＝４．２×１０-8Ｎ
転写電荷量  σc ＝３２０μｃ／ｍ2 
付着トナー量Ｍ＝８ｇ／ｍ2 （現像濃度１．３）
かぶり濃度を求めるときの想定逆バイアス電圧ＶS −ＶB ＝１００Ｖ
【００３２】
次に、逆バイアス電圧の上限値について検討する。逆バイアス電圧の上限は、現像領域において、現像ローラ表面からトナーに電荷が注入され、トナーの正規の極性電荷に代わって逆極性の電荷量を持つトナーができ、これが感光体表面の背景部の電位に引かれて背景部に付着するかぶりが発生しない値となる。
【００３３】
そこで、現像バイアス電圧を変化させたときのかぶり濃度を図４に示す。本図より、逆バイアス電圧の上限値を３５０Ｖに設定すれば、電荷注入によるかぶりは発生しないことが分かる。さらに、上述した逆バイアス電圧の下限値もほぼ実験値と一致している。
【００３４】
本発明が適用される画像形成装置（モノクロ方式）の構造概要を図５に示す。図中、１０２はコロナ帯電器、１０３は１成分現像器、１０４はコロナ転写器、１０５はクリーナ、１０６は定着器である。現像器１０３は、現像ローラ１０７と、現像ローラ１０７上のトナー層厚を規制するブレード１０８と、現像ローラ１０７上のトナーを回収して新しいトナーを供給するリセットローラ１０９と、現像ローラ１０７に向けトナーを搬送するパドル１１０と、現像器内のトナーを均一にならずアジテータ１１１とを備えている。
【００３５】
記録に際しては、感光ドラム１０１を図５に矢印で示す時計方向に回転させ、その表面を、コロナ帯電器１０２により一様に帯電させた後、図示しない露光手段により所定のパターンで露光する。これにより、該表面には静電潜像が形成され、該静電潜像は現像ローラ１０７により現像されてトナー像となる。記録紙１２０は、上記トナー像形成とタイミングをとって転写部１１２に送られ、ここで、コロナ転写器１０４による記録紙１２０へのトナー像転写が行われる。
【００３６】
その後記録紙１２０は定着部に送られ、ここで、定着器１０６によるトナー像定着が行われる。定着完了後、記録紙１２０は図示しないスタッカに排出される。また、転写完了後の感光ドラム１０１の表面はクリーナ１０５により清掃され、除電器１１３により除電される。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、現像バイアス電圧の最適化により、かぶりの発生を抑えて印字濃度を安定化することができ、良好な印字を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の接触現像の原理説明図である。
【図２】本発明の実施例の現像時にトナーに働く力説明図である。
【図３】本発明の実施例のトナー比電荷と逆バイアスの関係説明図である。
【図４】本発明の実施例の逆バイアス電圧とかぶりの関係説明図である。
【図５】本発明が適用される画像形成装置の構造概要を示す側面図である。
【図６】従来方式の電子写真プロセスの概要図である。
【図７】非磁性一成分現像方式の概要説明図である。
【符号の説明】
１００    トナー
１０１    感光ドラム（像担持体）
１０７    現像ローラ
ＶS       非露光部の電位
ＶB       現像バイアス電圧
ＶL       露光部の電位
【図１】
0003758195.tif 000005
【図２】
0003758195.tif 000006
【図３】
0003758195.tif 000007
【図４】
0003758195.tif 000008
【図５】
0003758195.tif 000009
【図６】
0003758195.tif 000010
【図７】
0003758195.tif 000011