JPH0786717B2

JPH0786717B2 - 電子写真記録装置及び記録システム

Info

Publication number: JPH0786717B2
Application number: JP63233428A
Authority: JP
Inventors: 康郎堀
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-09-20
Filing date: 1988-09-20
Publication date: 1995-09-20
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPH0282273A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はレーザビームプリンタ、複写機などの電子写真
記録装置及びそのシステムに係り、特に、高速、高濃
度、長寿命の電子写真装置及びそのシステムに関する。

〔従来の技術〕

従来の装置では、特開昭53−31136号公報に記載される
ように摩擦帯電，コロナチヤージヤによる帯電，静電誘
導による帯電などの方法があつた。また、電子写真記録
技術の現像剤の帯電に関する理論的解析については、ア
ール・エム・シヤフアート著「電子写真」（R.M.SCHAFF
ERT,“ELECTROPHOTOGRAPHY",THE FOCAL PRESS 出版）井
上英一監訳（1973年）：共立出版の中の第５章「ゼログ
ラフイー画像の現像理論」第329頁から第347頁に詳しく
述べられている。

また、第９図に、一般に用いられている電子写真の印写
プロセスを示す。構成は、帯電部２、露光部40、現像部
65、転写部70、定着部80、清掃部90の各工程からなる。
現像部50の内部にはキヤリヤ12、トナー13、トナー濃度
センサ55が納められており、ホッパー10に溜められたト
ナー13が現像部50に補給される。記録紙の径路75には転
写部70と定着部80が配置される。トナーとキヤリヤとの
混合割合は、トナー濃度センサ55により計測される。ト
ナー濃度はトナーの補給により一定濃度になるように制
御される。

この電子写真記録の処理工程において、帯電された現像
剤の一部は記録紙に定着されて失われるが、大部分の現
像剤は除電の後、回収され再度帯電されて繰返し使用さ
れる。このような帯電・除電を繰り返すうちに、現像剤
の帯電量が未使用時の初期の帯電量を維持できなくなつ
て、帯電量が減少してくる。これは、いわゆる現像剤の
疲労・劣化である。これらの公知例ではこの帯電量の減
少を予測し、一律に多目に帯電量を与えていた。これら
公知例では電子写真記録の処理工程において、実際に使
用中の現像剤を取り出してその電荷量を測定したり、そ
の結果をもとにして再び帯電させたりして帯電量を制御
するものは見当らない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、現像剤の使用頻度や使用循環に応じ
て帯電量が変化し、これを一定に保つ配慮がなされてい
なかつた。また、現像濃度が変化したり、トナーが飛散
したりして現像剤の寿命が短くなる等の問題があつた。

本発明の目的は現像剤の帯電量を一定に保ち、現像濃度
を安定にすること、現像剤の寿命を長くし、かつその寿
命を予測することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は現像剤を構成するトナー，キヤリヤの帯電量
を計測し、その計測結果に従つて帯電機構を動作させ、
トナー，キヤリヤの帯電量が一定なるように制御する構
成とし、かつ、外部に設けた計算機に帯電量の計測結果
を送信し、それ基づいて計算機は帯電量を制御信号を送
信したり、寿命を判定することによつて達成される。

〔作用〕

本電子写真記録装置では、トナー，キヤリヤを遠心力を
利用した運動の空間や磁界，電界の中に置き、それぞれ
により加わる力、あるいはそれらの力の差によりトナ
ー，キヤリヤの帯電量を計測する。次に摩擦帯電，コロ
ナチヤージヤ等により帯電量を後述の規定の値になるよ
うに制御する。さらに、２成分の現像剤の場合には遠心
力や静電力を用いてトナーとキヤリヤとに分離し、それ
ぞれの帯電量を計測する。次に同様に帯電させて規定値
の帯電量にした後、混合するのである。

〔実施例〕

以下、実施例を用いて構成，動作及び効果を説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図であり、電
子写真記録装置内の現像剤の流れを示したものである。
従来は現像剤の帯電状態を、感光体に供給する寸前で検
出して、次ぎの現像を行なうために帯電量を制御する構
成となっていた。本発明は、トナーとキャリアの帯電状
態を現像用に供給する前に計測し、必要な帯電量に制御
した後感光体に供給する構成としたものである。すなわ
ち、電子写真記録装置50の内部に、トナー及びキャリア
の帯電量を計測する計測機構１と、この計測結果に基づ
いて帯電量を制御する制御機構30と、制御機構から与え
られる指令によって摩擦帯電機構、又はコロナ帯電機構
などの規定の帯電量を与える帯電機構とを設けてある。
ここで規定の帯電量とは、現像剤に与えるべき一定の電
荷量であって、本発明になる電子写真の初期の段階で保
持されるべき濃度又は高濃度の記録を維持するために必
要な電荷量を云う。この規定の帯電量となった現像剤を
現像ブラシ３に送り、感光体上に形成された静電潜像に
トナーを付着させて現像する。この現像で使用されなか
ったトナーとキャリアは、先の計測機構１に戻され再度
帯電量を計測され、帯電される構成となっている。ま
た、計測機構１には現像に使用され減少した分の現像剤
が補給される。

本実施例によれば、現像剤の疲労、トナー濃度の変化、
温度、湿度の変化による現像剤の帯電量の変化を防止で
きる。また、安定な記録濃度を実現で切るという効果も
有る。

さらに、現像剤の帯電量を複数の段階に変えることによ
り、複数の記録濃度が得られる。また、計測機構１の計
測結果を電子写真装置50のコントローラで制御するので
はなく、電子写真装置50とは別に設けた計算機40に送信
し、計算機40で制御条件を決定し、帯電量を変化させ記
録濃度を変えることもできる。

以上、述べたような現像剤の帯電を繰り返して行くうち
に、現像剤の帯電量が規定の値になるように制御できな
くなることがある。すなわち、現像剤が、疲労、劣化
し、帯電されにくくなるのである。このような場合に
は、この時点を現像剤の寿命が尽きたと判定し、現像剤
の一部又は全部を交換するのである。この判定と交換の
表示は第１図に示したように、電子写真記録装置50自身
あるいはその装置を制御するコントローラ又は計算機40
によって行なっても良い。第２図は本発明の電子写真記
録装置の計測機構と帯電機構の構成を示したものであ
る。これは現像剤として２成分、すなわちキヤリヤとト
ナーから成る場合である。トナーとキヤリヤは互いに反
対の符号の電荷を持ち、静電吸引力により互いに付着し
ている。トナーとキヤリヤが付着した状態で両者の帯電
量を測定することは容易にできることではない。なぜな
ら、ほぼ電気的に中和状態にある極く微量の電荷量を測
ることになるからである。そこで、第２図では処理工程
の最初にトナーとキヤリヤの分離機構４を設ける。分離
したトナーとキヤリヤの帯電量をトナー帯電量計測機構
5,キヤリヤ帯電量計測機構６により、それぞれ計測す
る。そして帯電機構２により帯電させた後、両者を混合
機構７で混ぜ合わせて現像ブラシ３に送る。この場合、
全トナーの電荷量と全キヤリヤの電荷量の絶対値は大き
さが等しく、符号が反対になるように制御する必要があ
る。こうすると、２成分から成る現像剤の場合でも第１
図の説明にて述べた効果と同様の効果が得られる。

第３図，第４図は第２図におけるトナーとキヤリヤとの
分離機構４の実施例を示す。

第３図はホツパー10内に収められた多極の磁気ロール８
の外側に、回転する非磁性のスリーブ９を置き、更に交
流コロナ帯電器11を配置したものである。スリーブ９を
高速で回転させてトナー13とキヤリヤ12との質量の違い
による遠心力の差を利用することにより、トナーをキヤ
リヤから分離する。交流コロナ帯電器11がなくても分離
動作に問題はないが、これを用いることによりトナー，
キヤリヤの電荷は帯電器から発生した正負の電荷により
中和される。よつて両者間に働く吸引力が減少し、分離
が容易になる効果がある。

第４図は多極の磁気ロール８の外側に回転する非磁性の
スリーブ９を置き、スリーブ９からの間隔をおいて電極
14を配置する。現像剤はスリーブ９上に磁気力で吸い付
けられている。これは現像剤の成分であるトナーは非磁
性体、キヤリヤは磁性体であることによる。すなわち、
トナーは静電力でキヤリヤに付着しており、キヤリヤは
磁気力でスリーブに吸い着けられている。この状態で電
極14とスリーブ９との間に電圧源15を用いて高電界を印
加する。すると、キヤリヤに付着しているトナーとの静
電力とは反対方向に、より大きな静電力が与えられるの
で、両者が分離される。電界を印加する方向としては、
トナーが正の電荷を帯びている場合には電極14には負の
電圧を、負の電荷を帯びている場合には正の電圧を印加
する。このようにしてトナー13を電極14に付着させる。
トナーが分離される条件はここでｑ：トナーの電荷量 q0 ：キヤリヤの電荷量ｄ：トナーとキヤリヤの電荷間の距離 ε０：誘電率Ｅ：電極14とスリーブ９による電界となり、（１）式を満足する電界Ｅを与えることにより
トナーを分離出来る。この場合、電極14に電圧を与えた
ままではトナーが電極14に付着し続けるため、適当な時
間間隔で電圧を0V又は反対符号の0V附近の電圧にし、付
着しているトナー13を電極14から離すのである。トナー
が分離されたあと、キヤリヤは従来行なわれている磁気
的な方法（図示していない）でスリーブ９から搬出でき
る。

第５図，第６図は第２図において示した現像剤の帯電量
の計測機構の各実施例を示すものである。第５図はトナ
ーの帯電量計測機構である。軸19の回りを回転出来るバ
ケツト16を備えた測定アーム17と補強アーム18を備え、
測定アーム17,補強アーム18が矢印の方向に回転してホ
ツパー20内のトナー13をすくい取るようになつている。
アームが水平の位置になつたところで、絶縁ロツド21に
支持された電極対14が絶縁ロツド21の回転によりバケツ
ト16を上下にはさみ込むのである。この状態で電極対14
に矩形波の電圧を電圧源15により加えるのである。この
ようにすると測定アーム17には下方にバケツト16内のト
ナーの重力が働く。一方、電極対14による電界により、
トナーの持つ電荷に上，下方向の力が矩形波的に交互に
働く。これらの力は測定アーム17を上下方向に変形させ
る。測定アーム17の根元にはストレインゲージ23が貼付
けられ、導線22を通つてストレインメータ24に接続され
ており、バケツト16にかかる力を間接的に測定するので
ある。測定例を同図の中に示したが、時間に対して矩形
波状に変化する。このときの平均値F₀，最大値F₁，最小
値F₂から、重力と静電力の比が、電界をE,トナーの電荷
量をq,質量をｍとしてで求められ、これより単位重量当りのトナーの電荷量q/
mを求めることが出来る。測定アーム17は測定感度を上
げるために変形しやすくしている。補強アーム18はトナ
ーのすくい取り時に測定アーム17が損傷されないよう、
規定の変形量以上になつた場合に測定アーム17を支える
目的で設けられている。トナーの重量は僅かであるた
め、測定の精度が心配されるが、F₁，F₂の測定を多数回
繰返し、平均化することにより精度を上げることができ
る。バケツト16内のトナーは第５図に示す状態から180
°回転した方向になつた時、重力により落下し、次の回
転ではまた新しいトナーがバケツト16にすくい取られる
ことになる。このようにして刻々、新しいトナーの帯電
量が計測されることになる。

第６図はキヤリヤの帯電量の計測機構の例で、キヤリヤ
12は移動する多極磁石25により搬送板26上を搬送され
る。搬送板26の一部に圧電素子27が埋め込まれ、キヤリ
ヤによる上下方向の力を計測するようになつている。搬
送板26の上方に間隔を置いて電極14を配置し、電圧源15
により電極14と搬送板26間に矩形波状の電圧をかけるの
である。このように構成すると圧電素子27で検出される
力は図示のように時間に対して矩形波状になる。これよ
り平均値F₃，最大値F₄，最小値F₅を求め、以下の式によ
り電荷量を求めるのである。

ここにq :キヤリヤの電荷量 Fm:キヤリヤに働く磁気力 M :キヤリヤの質量 Fmはキヤリヤの体積さらに質量に比例することから
（３）式よりキヤリヤの単位重量当りの帯電量q/Mを求
めることが出来る。

第７図，第８図は第２図におけるトナー，キヤリヤの分
離機構４とトナーの帯電量の計測機構５を同時に行なう
機構を示したものである。第７図は多極磁気ロール８の
外側に回転するスリーブ９を配置し、更に９から間隔を
置いて電極14を設け、電流計28により電極14とスリーブ
９間に流れる電流を求めるのである。このような構成で
スリーブ９の回転数を０から図に示すように加速する。
トナーに遠心力がかかり、帯電量の小さいトナーから順
にキヤリヤから離れ、電極14に到達する。トナー13は電
荷を持つているため電流計28により電流として計測され
る。その電流の測定例をf₁で示す。トナーの平均帯電量
は次式により求められる。即ち、トナーの帯電量が一様
に分布しているものと仮定すると f₂＝αｔ（α：定数,t:時間）となる。

しかし、実際のトナーの帯電量の分布は均一ではないた
め、分布に対応して、時間に対してはピークが現われ
る。この実際の帯電量の分布f₁と、平均帯電量の分布f₂
とは全電荷量が等しいと考えられる。よつて、と置ける。これにより、が求まる。したがつて、f₁とf₂の差が最大となる時間t₁を求め、その時の遠心力を求めるこ
とにより、帯電量が得られる。

すなわち、トナーに働く遠心力Ｆは時間t₁のときのスリ
ーブ９の回転数をn₁（rpm），トナーの質量をm,スリー
ブの回転半径をｒとすると、となる。この遠心力がトナーとキヤリヤの吸引力に等し
いという条件によりトナーの帯電量が求められる。すな
わち、ここで、キヤリヤの帯電量q₀もｑと同様に未知である
が、トナーとキヤリヤの重量比は既知であって、それぞ
れの電荷量の合計は大きさが等しく、符号が反対であ
る。すなわち、キヤリヤに対するトナーの重量比βは既
知であるから全トナーの個数をSt,全キヤリヤの個数をS
cとして、 St・ｍ＝β・Sc・Ｍ …（iii）となるので、キヤリヤ１個当りに含まれるトナーの個数
γは、このγを用いて、ｑとq₀の関係が求められる。電荷量が
等しいことから γ・ｑ＝q₀ …（ｖ）式（iv），（ｖ）を式（ii）に代入し、ｑについて整理
すると、として求めることができる。

第８図は電界を加えてトナーを分離，飛翔させ、飛翔時
間から帯電量を求めるものである。第７図の場合とは異
なる。第８図ではトナーがキヤリヤから離脱するのに充
分な電界を電圧源15を用いてステツプ状に電極14に与え
る。この状態で電流計28により、電極14とスリーブ９の
間の電流を測定すると、時間軸に対して山型の電流波形
が得られる。

トナーがキヤリヤから離れる条件は（１）式に示した通
りであるが、キヤリヤから離れると（１）式のｄは急速
に大きくなるから、キヤリヤの吸引力は小さくなる。一
方、トナーの運動は次式により与えられる。

ここにx:トナーの変位 c:トナーの受ける空気抵抗となる。近似的にはとqEにより決まるので電極への到達時間はここにx₀：電極14とスリーブ９との距離となる。図に示
すように電流が最大となる時間t₀を求め、これを（６）
式に代入することにより、トナーの単位質量当りの電荷
量q/mを求めることができるのである。

すなわち、ｔ＝t₀としてよりが求められる。

以上のように、第７図、第８図の実施例では分離と計測
を同時に行なうことができ、かつ現像剤の一部を用いる
ことのみでできる利点がある。

次に第３図から第６図までの方法を用いることにより、
図示していないがトナー，キヤリヤの帯電能力を求め、
能力の低い成分を除去したり、一定の帯電能力を現像剤
を選別する方法及び装置を提供することができる。

このようにすることにより、濃度が安定で飛散の少ない
現像剤を提供出来る。

本発明が適用できる電子写真記録装置としては、トナー
を用いて帯電電荷により静電潜像を顕像化（現像化）で
きる記録装置であればどのようなものでもよく、複写
機、レーザービームプリンタ、発光ダイオードプリン
タ、液晶プリンタ、静電プリンタも対象となり得る。ま
た、記録の最終結果物であるプリントされた印写像に基
づいて、現像剤の帯電量、現像装置での現像剤に印加す
るバイアス電圧、現像装置の現像ロールと感光体との現
像ギヤツプ、トナー濃度等を、これらを計測するセンサ
により自動計測して前記現像剤の帯電量の制御にフイー
ドバツクすることにより、前記プリントされた印写像を
得るための印写プロセスのコントロールも可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、現像剤の帯電量を測定し、その結果、
帯電量を制御して規定の値にすることができる。よつて
高濃度まで安定に記録が可能となる。また、トナーの飛
散も防止できる。更に、劣化により現像剤の帯電能力が
低下しても帯電量を規定の値まで回復維持できる。この
ため、結果的に現像剤の長寿命化が達成できる。さら
に、現像剤の帯電量を制御しても規定の帯電量に達しな
い場合には、その旨をコントローラまたは計算機に計測
指令として与えることができる。ということは本発明に
なる電子写真記録装置の現像剤の状態を人間に代わつて
管理することができる、という効果がある。すなわち、
これらの計測信号を計算機等に取込ませ、総合判断させ
ることにより、人間の手を煩わせずに現像剤の状態の管
理をすることができるようになる。したがつて、さらに
現像剤の寿命判定の結果である現像剤の交換要求、交換
時期不具合の内容等を外部に表示したり知らせしめるこ
ともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、第２図は
本発明の他の実施例を示すブロツク図、第３図は第１図
の分離機構の一実施例の機構図、第４図は第１図の分離
機構の他の実施例の機構図、第５図は第２図の計測機構
の一実施例の機構図、第６図は第２図の計測機構の他の
実施例の機構図、第７図は第２図の分離・計測を同時に
行なう一実施例の機構図、第８図は第２図の分離・計測
を同時に行なう他の実施例の機構図、第９図は一般に用
いられている電子写真記録装置の印刷工程を説明する図
である。１…帯電量計測機構、２…帯電機構、３…現像ブラシ、
４…トナー，キヤリヤ分離機構、８…磁気ロール、９…
スリーブ、14…電極、15…電圧源、23…ストレインゲー
ジ、27…圧電素子、28…電流計。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トナーとキャリアから構成される現像剤を
帯電させる機構を備えた電子写真記録装置において、現像ブラシで使用されなかったトナーの付着したキャリ
アを磁気ロールの外側に設けた非磁性スリーブに付着さ
せ、前記スリーブを高速回転することにより、キャリア
とトナーの質量の違いにより分離する分離手段と、支持軸と、前記支持軸に一端側を垂直方向に回転可能に
取り付けられた測定用アームを有し、前記測定用アーム
の他端側に前記分離されたトナーまたはキャリアを収納
する収納バケットと、前記測定用アームの一端側の支持
軸の近傍にアームに加わる力を測定するセンサを設け、
前記測定用アームを水平に保持した状態で前記収納バケ
ットの上下に電圧を印加する電圧印加手段を有する電荷
計測機構と、前記トナーまたはキャリアを帯電する帯電手段と、帯電
された前記トナーとキャリアを混合する混合手段を有す
る帯電機構と、を設けたことを特徴とする電子写真装
置。
【請求項２】トナーとキャリアから構成される現像剤を
帯電させる機構を備えた電子写真記録装置と前記電子写
真装置を制御する計算機からなる記録システムにおい
て、現像ブラシで使用されなかったトナーの付着したキャリ
アを磁気ロールの外側に設けた非磁性スリーブに付着さ
せ、前記スリーブを高速回転することにより、キャリア
とトナーの質量の違いにより分離する分離手段と、支持軸と、前記支持軸に一端側を垂直方向に回転可能に
取り付けられた測定用アームを有し、前記測定用アーム
の他端側に前記分離されたトナーまたはキャリアを収納
する収納バケットと、前記測定用アームの一端側の支持
軸の近傍にアームに加わる力を測定するセンサを設け、
前記測定用アームを水平に保持した状態で前記収納バケ
ットの上下に電圧を印加する電圧印加手段を有する電荷
計測機構と、前記トナーまたはキャリアを帯電する帯電手段と、帯電
された前記トナーとキャリアを混合する混合手段を有す
る帯電機構とを設けた電子写真装置と、前記計算機が前
記電荷計測機構からの信号に基づいて、前記帯電機構に
帯電量の制御指令を出力する構成であることを特徴する
記録システム。
【請求項３】請求項２において、前記計算機は前記電荷
計測機構から前記トナー又はキャリアの帯電量の信号か
ら寿命を判定し、その判定結果を表示することを特徴と
する記録システム。