(57)【要約】【課題】  接触型のセンサではセンサ表面清掃部材が必要であり、清掃部材の停止位置によってはトナー容器内に空隙ができる現象が発生する問題があった。【解決手段】  トナー量を検出する手段として超音波センサを使用し、発信部側から発信された超音波がトナー容器のトナー上面に反射して受信部側で受け取るまでの時間を計ることによりトナー量を測定するものであり、安定したトナー量検出手段を提供する。【選択図】        図１
2006350072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
像担持体に形成された静電像をトナーによって現像する現像器と、前記現像器へトナーを補給するトナー容器と、前記トナー容器内のトナー量を検知するトナー量検知手段を有する画像形成装置において、
前記トナー量検知手段は超音波センサ及び時間計測手段とからなり、
前記超音波センサは超音波発信部と超音波受信部を有し、前記超音波発信部は前記トナー容器内のトナーの上面に向けて発信し、前記超音波受信部は前記トナーの上面から反射してきた超音波を受信する構成とし、
前記時間計測手段は、前記超音波発信部より超音波が発信され前記超音波受信部で反射してきた超音波を受信するまでの時間を計測するものである、
ことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記トナー容器内に回転するトナー撹拌部材を有し、前記撹拌部材の回転停止位置がトナー上面より低くなるように前記撹拌部材を制御する制御手段を有す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】
前記超音波センサとトナー上面部の間に小口部と大口部を有するホーンを設け、前記ホーンの小口部が前記超音波センサ側になるように配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記ホーンの部材は吸音材で覆われてい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】
前記超音波発信部より超音波が発信されてから前記超音波受信部で反射してきた超音波を受信するまでの時間は、前記超音波センサの残響時間よりも長くするように制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトナー容器内のトナー量を検知するトナー量検知手段を有する画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来電子写真方式を利用した複写機、プリンタあるいはファクシミリ等の画像形成装置の感光体に形成される静電潜像を二成分系現像剤で現像する現像部にトナーを補給するトナー容器を有し、さらにトナー容器内にあるトナーの残量を検知する方法として、ピエゾ素子を用いたトナー量検知が広く知られている。これはトナー容器内に素子が組み込まれており、トナー容器内にトナーがあるときは素子の振動数が少なく、トナーがなくなると振動数が多くなることを利用したものである。しかしピエゾ素子方式はトナーの有無の判断しかできずリニアなトナー残量検知が困難であり、細かな検知を実施するには多くの素子を設けなければならないという問題があった。
【０００３】
またピエゾ素子を使用したトナー量検知方法は以下のような問題がある。すなわちピエゾ素子は接触型のセンサであるため、センサ表面のトナー付着により検知精度が不安定になるので表面清掃部材が必要である。清掃部材としてはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等を使用しセンサ表面を清掃する手段が一般的であるが、清掃部材の停止位置により所謂かまくらというトナー容器内に空隙ができる現象が発生することがある。これはトナーが有るにも係わらずトナー無しと判定してしまう誤検知である。この誤検知が発生するとトナーを過剰供給し最悪の場合トナーが外部に漏れ出し機内を汚すなどの問題となる。
【０００４】
以上のような問題を解決するために、トナーを非接触で検出する透過式光学センサ、反射式光学センサ又は透過式超音波センサを用いることが提案されている。（例えば特許文献１）
また回転するトナーボトル内のトナー量を検出するために、トナーボトルの質量を測定してトナー量を検出する手段、あるいは超音波透過率を測定する手段が提案されている。（例えば特許文献２）
【特許文献１】特開２０００−２２１７６４号公報
【特許文献２】特開２００４−２８６７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら特許文献１及び２において、トナー量を検出する手段として超音波の透過率を使用する手段が提案されているが、透過型の場合超音波センサの超音波発信側と受信側をトナー容器あるいはトナーボトルの対辺側に設けなければならず位置調整や、センサー表面のトナー付着清掃手段などが必要になる。また特にトナーボトルの場合はボトル自信を回転させるので、トナー量検出精度に問題が生じる。
【０００６】
本発明の目的は上記トナー量検出する手段として超音波センサを使用し、発信部側から発信された超音波が、トナー容器のトナー上面に反射して受信部側で受け取るまでの時間を計ることによりトナー量を測定するものであり、安定したトナー量検出手段を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は下記構成により達成することができる。
（請求項１）
像担持体に形成された静電像をトナーによって現像する現像器と、前記現像器へトナーを補給するトナー容器と、前記トナー容器内のトナー量を検知するトナー量検知手段を有する画像形成装置において、
前記トナー量検知手段は超音波センサ及び時間計測手段とからなり、
前記超音波センサは超音波発信部と超音波受信部を有し、前記超音波発信部は前記トナー容器内のトナーの上面に向けて発信し、前記超音波受信部は前記トナーの上面から反射してきた超音波を受信する構成とし、
前記時間計測手段は、前記超音波発信部より超音波が発信され前記超音波受信部で反射してきた超音波を受信するまでの時間を計測するものである、
ことを特徴とする画像形成装置。
（請求項２）
前記トナー容器内に回転するトナー撹拌部材を有し、前記撹拌部材の回転停止位置がトナー上面より低くなるように前記撹拌部材を制御する制御手段を有す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）
前記超音波センサとトナー上面部の間に小口部と大口部を有するホーンを設け、前記ホーンの小口部が前記超音波センサ側になるように配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
（請求項４）
前記ホーンの部材は吸音材で覆われてい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）
前記超音波発信部より超音波が発信されてから前記超音波受信部で反射してきた超音波を受信するまでの時間は、前記超音波センサの残響時間よりも長くするように制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像形成装置。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、超音波センサは超音波発信部と受信部を有し、超音波発信部はトナー容器内のトナーの上面に向けて発信し、受信部は前記トナーの上面から反射してきた超音波を受信する時間からトナー量を検出するのでトナー残量がリニアなトナー残量検知ができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、撹拌部材の回転停止位置がトナー上面より低くなるように制御されているので誤ってセンサ面と撹拌部材間の距離を計測することはない。
【００１０】
請求項３、４に記載の発明によれば、吸音材で覆われたホーンを設け、ホーンの小口部に超音波センサを設けた構成であるので超音波の指向性が向上する。
【００１１】
請求項５に記載の発明によれば、超音波が発信されてから受信部で反射してきた超音波を受信するまでの時間を、超音波センサの残響時間より長くする制御手段を有するので発信側のセンサ残響時間と受信側のセンサ残響時間が重なることがないので検知誤差がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
＜画像形成装置＞
図１は本発明の画像形成方法の一例としての画像形成装置の断面図である。
【００１３】
図１に於いて５０は像担持体である感光体ドラム（感光体）であり、時計方向に駆動回転される。５２はスコロトロンの帯電器（帯電手段）で、感光体ドラム５０周面に対し一様な帯電をコロナ放電によって与えられる。この帯電器５２による帯電に先だって、前画像形成での感光体の履歴をなくすために発光ダイオード等を用いた帯電前露光部５１による露光を行って感光体周面の除電をしてもよい。
【００１４】
感光体への一様帯電の後、像露光手段としての像露光器５３により画像信号に基づいた像露光が行われる。この図の像露光器５３は図示しないレーザダイオードを露光光源とする。回転するポリゴンミラー５３１、ｆθレンズ等を経て反射ミラー５３２により光路を曲げられた光により感光体ドラム上の走査がなされ、静電潜像が形成される。
【００１５】
デジタルの画像形成方法では一般に反転現像プロセスが用いられるが、反転現像プロセスとは帯電器５２により、感光体表面を一様に帯電し、像露光が行われた領域、即ち感光体の露光部電位（露光部領域）を現像工程（手段）により、顕像化する画像形成方法である。一方未露光部電位は現像スリーブ５４１に印加される現像バイアス電位により現像されない。
【００１６】
その静電潜像は次いで現像手段としての現像器５４で現像される。感光体ドラム５０周縁には磁性体のキャリアと非磁性体のトナーとからなる二成分現像剤を内蔵した現像器５４が設けられていて、回転する現像スリーブ５４１と感光体の接触によって現像が行われる。通常、現像は感光体ドラム５０と現像スリーブ５４１の間に直流バイアス、必要に応じて交流バイアス電圧をかけて現像が行われる。また、現像剤は感光体に対して非接触の状態で現像される。感光体の電位測定は電位センサー５４７を図１のように現像位置上部に設けて行う。
【００１７】
記録紙Ｐは画像形成後、転写のタイミングの整った時点で給紙ローラー５７の回転作動により転写域へと給紙される。
【００１８】
転写域においては転写のタイミングに同期して感光体ドラム５０の周面に転写電極（転写手段：転写器）５８が作動し、給紙された記録紙Ｐにトナーと反対極性の帯電を与えてトナーを転写する。
【００１９】
次いで記録紙Ｐは分離電極（分離器）５９によって除電がなされ、感光体ドラム５０の周面により分離して定着装置６０に搬送され、熱ローラー６０１と圧着ローラー６０２の加熱、加圧によってトナーを溶着したのち排紙ローラー６１を介して装置外部に排出される。なお前記の転写電極５８及び分離電極５９は記録紙Ｐの通過後、一次作動を中止し、次なるトナー像の形成に備える。図１では転写電極５８にコロトロンの転写帯電極を用いている。転写電極の設定条件としては、感光体のプロセススピード（周速）等により異なり一概に規定することはできないが、例えば、転写電流としては＋１００〜＋４００μＡ、転写電圧としては＋５００〜＋２０００Ｖを設定値とすることができる。
【００２０】
一方記録紙Ｐを分離した後の感光体ドラム５０は、クリーニング器（クリーニング手段）６２のブレード６２１の圧接により残留トナーを除去・清掃し、再び帯電前露光部５１による除電と帯電器５２による帯電を受けて次なる画像形成のプロセスに入る。
【００２１】
＜現像手段＞
次に図２（ａ）の模式図を用いて現像手段５４とトナー補給手段４０についてさらに説明する。図２（ｂ）はトナー容器部の斜視図である。
【００２２】
図２（ａ）において、現像器５４は、電子写真の公知技術を利用した現像手段であり、感光体５０に対向し回転可能な円筒状に形成された非磁性材料からなる現像スリーブ５４１と、現像剤を現像スリーブ５４１に供給する現像剤搬送部材５４２と、現像剤とトナーを撹拌する現像剤撹拌部材５４３とからなり、現像スリーブ５４１は現像剤を吸着させる複数の磁石を設けている。
【００２３】
現像器５４には、トナー濃度検知手段Ｔ１が設けられている。このトナー濃度検知手段Ｔ１は、トナーとキャリアの混合比率であるトナー濃度の変化を透磁率の変化として捉えるもので、広く使用されている公知の手段である。トナーの濃度が予め設定した濃度値以下になった時には、トナー補給手段４０からのトナー補給が実行される。
【００２４】
＜トナー補給手段＞
トナー補給手段４０は、トナー容器４１０、トナー排出手段４２０、ホーン４３０、トナー撹拌部材４４０、トナー量検知手段Ｔ２等から構成されている。
【００２５】
トナー量検知手段Ｔ２はホーン４３０の小口部側に取り付けられている。（図２（ｂ）参照）
トナー量検知手段Ｔ２は同一面上に超音波発信部４５０と超音波受信部４６０を備えた反射型タイプの超音波センサ４７０を有している。超音波発信部４５０から発信された超音波が、物体に反射して超音波受信部４６０で受け取るまでの時間を計ることにより、もっとも近距離にある物体までの距離を計測することができる。
【００２６】
超音波は、空気中を約３４４ｍ／秒（２０℃）の速度で伝搬する。従って、Ｌ１ｍｍの距離を往復するのに必要な時間Ｔ（秒）は
Ｔ＝Ｌ１×２／３４４０００
である。よって、超音波を発信器から発信し、対象物に当って返ってきた反射波を受信器で受信し、その時間間隔ｔを測定すると、対象物までの距離Ｄ（ｍｍ）は、
Ｄ＝Ｌ１／Ｔ×ｔ＝１７２０００×ｔ
となり、超音波の発信方向にある対象物までの距離を知ることができる。トナーがトナー容器４１０内満杯に入っているときの嵩高さをＤｍａｘとすればトナーの残量はその差分とトナー容器４１０開口部面積とトナー密度の積で表される。すなわち
トナー残量＝（Ｄｍａｘ−Ｄ）×トナー容器開口部面積×トナー密度
となる。しかし上式では変数は（Ｄｍａｘ−Ｄ）なので、トナー残量は（Ｄｍａｘ−Ｄ）で代用することが可能である。
【００２７】
本発明では超音波センサ４７０の発信器から発信された超音波をトナー上面に当たって返ってきた反射波を受信する迄の反射時間を測定することによりトナー容器４１０内のトナー量を検出している。
【００２８】
図３は、超音波センサ４７０の発信器から発信された超音波がトナー上面に当たって返ってきた反射波を受信し、時間計測手段にて波形処理を行うまでを示すタイミングチャートである。
【００２９】
超音波センサ４７０の発信部４５０から発信された発信パルスは矩形波であり同一間隔で繰り返し発信されている（図３ａ）。トナー容器４１０のトナー上面から反射された受信波は図３ｂのような波形が受信部４６０に受信される。このとき図３ｅのように波形成形できない受信波が存在したとき、図４に示す波形処理制御手段５００の制御部は実験的に求めた所定の閾値（図３ｆ）を設け、閾値以下の場合は外乱（電気ノイズという）と判断し、波形成形を行わない。また図３ｇのように受信波が閾値以上であっても、基準受信波到達時間の１／２以下の場合、あるいは図３ｈのように基準受信波到達時間の２倍以上の場合電気ノイズと判断して同じく波形成形を行わない。図３ｃのような波形が受信されたとき波形処理を行う（図３ｊ）。
【００３０】
波形処理制御部５００は、発信パルスが発信されたときから図３ｃの波形成形された矩形波を受信したときまでの時間を繰り返し測定し、その時間間隔の平均値ｔ１を求め、センサとトナー上面までの距離Ｄ１を算出することによりトナー残量を決定する制御を行っている。
【００３１】
図４は超音波センサ４７０を用いたトナー量検知を模式的に表したブロック図である。波形処理制御部５００にはＣＰＵ１（中央処理装置）が組み込まれており、波形処理制御部５００内の超音波発信パルス発生部から発信された発信パルスは送信回路を経由して、超音波センサ４７０の超音波発信部４５０からトナー容器４１０内のトナー上面に向けて発信される。超音波受信部４６０はトナーの上面から反射してきた超音波を受信し、受信した信号は受信回路、受信波形成形回路を経由してＣＰＵ１の波形処理部で矩形波に変換される。ここで発信パルスを発信した時間と矩形波を受信した時間から距離を算出する。
【００３２】
またトナー容器４１０内のトナー量が規定の量より少ないと判定したとき、ＣＰＵ１は表示部（不図示）に「トナー残量が少ない」というメッセージを表示する。なおＣＰＵ１はトナー濃度制御機能を有し、トナー濃度検知手段Ｔ１からのトナー濃度情報により、トナー補給駆動装置（不図示）へ適正なトナー濃度になるように制御を行う。
【００３３】
＜トナー容器＞
次にトナー容器４１０について説明する。トナー撹拌部材４４０は回転する羽根状の撹拌部材によってトナーを撹拌しトナーの嵩密度を一定にしかつ、トナー排出手段４２０にトナーを移動させる働きをする。このとき羽根状の撹拌部材がトナー容器４１０内のトナー上面より上部にあると（図５（ａ））、超音波センサ４７０の超音波発信部４５０から発信されて超音波受信部４６０で反射してきた超音波を受信するまでの距離は、撹拌部材位置を測定してしまうことになる。そこでトナー容器４１０は撹拌部材４４０の回転軸の端部でトナー容器４１０の側面外側に位置検出用エンコーダ４８０とフォトセンサ４９０を設け（図５（ｂ））撹拌部材４４０の羽根位置を検知できるような機構を有している。この撹拌部材の位置出し検出機構は、超音波センサ４７０がトナー残量を測定するとき撹拌部材４４０の羽根位置がトナー上面より低い位置で停止するようにＣＰＵ１によって制御されている。
【００３４】
トナー容器４１０の内部には超音波の発信、受信を効率よく行うために小口部と大口部を有するホーン４３０が設けられており、ホーンの小口部が超音波センサ側になるように配置している。ホーン４３０の周面には発泡ゴムなどからなる吸音材５１０で覆われ、この吸音材は余分な反射波（外乱波）の侵入を低減し検知精度を安定させる役割をしている。（図５（ｃ）参照）
また超音波センサの取り付け位置は図６ａに示すようにトナー面が安定している箇所の上面に設置してある。図６ｂの位置に取り付けた場合反射波はセンサの超音波受信部４６０に入射しない。
【００３５】
超音波センサ４７０はトナーなどの粉体が入らないような密閉型センサであり、さらに発信部面と受信部面はセンサの自己振動によりトナーが付着しないようになっている。
【００３６】
さらに超音波センサ４７０の超音波発信部４５０は超音波発信を停止したとき図７に示すような振動子自信の振動が微弱ながら続く。この現象をセンサ残響時間と称するが、センサ残響時間の影響を低減するために波形処理制御部５００はセンサ表面とトナー表面の反射波到達時間がセンサ残響時間以上になるような制御手段を有している。
【実施例】
【００３７】
以下図２に示したトナー容器を図１に示した画像形成装置に装着して、トナー量検知精度を測定した。
本装置で使用した構成概要は
超音波センサ：村田製作所製
入力電圧：ＤＣ１２Ｖ
発信パルス発信周波数：２２０±２０ｋＨｚ
１．２ｍ秒毎に矩形波を１０パルス発信
閾値：２Ｖ
平均値：５回測定したときの平均値
トナー：体積平均粒径４．５μｍ  重合トナー（黒）
トナー容器容量：１４７５ｃｍ3
トナー量：１２００ｇ
センサ〜トナー上面までの距離：ＭＡＸ１００ｍｍ、ＭＩＮ２０ｍｍ
である。
【００３８】
図８は超音波反射波到達時間とセンサ−トナー上面間距離の関係を理論計算値と実測値で示している。図８において計算値と実測値はほぼ一致していることが解る。
【００３９】
以上のことから超音波センサを使用したトナー量検知手段は、従来のピエゾ素子を用いた検知手段に較べて少ないセンサ数でリニアにトナー量を検知できる。またピエゾ素子のようなセンサ表面のトナー付着を除去する表面清掃部材が不要であるので、かまくら現象が無く安定してトナー量を検知できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の画像形成方法の一例としての画像形成装置の断面図である。
【図２】図２（ａ）は現像手段とトナー補給手段の断面図である。図２（ｂ）はトナー容器部の斜視図である。
【図３】超音波がトナー上面に当たって返ってきた反射波を受信し、時間計測手段にて波形処理を行うまでを示すタイミングチャートである。
【図４】超音波センサを用いたトナー量検知を模式的に表したブロック図である。
【図５】図５（ａ）はトナー容器内の撹拌部材がトナー上面より上部にあるときの状態を示す図。図５（ｂ）は撹拌部材の回転停止を検出する位置検出用エンコーダとフォトセンサを設けた斜視図である。
【図６】超音波センサの取り付け位置はトナー面が安定している箇所の上面に設置してあることを示す図である。
【図７】超音波発信を停止したとき振動子自信の振動を示す図である。
【図８】超音波反射波到達時間とセンサ−トナー上面間距離の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
５０  感光体ドラム
５２  帯電器
４０  トナー補給手段
５３  像露光器
５４  現像手段
５９  分離電極
６０  定着装置
６２  クリーニング手段
４１０  トナー容器
４２０  トナー排出手段
４３０  ホーン
４４０  トナー撹拌部材
４５０  超音波発信部
４６０  超音波受信部
４７０  超音波センサ
４８０  位置検出用エンコーダ
４９０  フォトセンサ
５００  波形処理制御部
５１０  吸音材
Ｐ  記録紙
Ｔ１  トナー濃度検知手段
Ｔ２  トナー量検知手段
【図１】
2006350072.tif 000003
【図２】
2006350072.tif 000004
【図３】
2006350072.tif 000005
【図４】
2006350072.tif 000006
【図５】
2006350072.tif 000007
【図６】
2006350072.tif 000008
【図７】
2006350072.tif 000009
【図８】
2006350072.tif 000010