(57)【要約】  【課題】  トナーのかさ密度および流動性を測定装置等を増やすことなく精度良く取得して画像形成制御を行なう。  【解決手段】  シミュレーション計算部２００がトナー粒子の運動をシミュレーションしてそのかさ密度および流動性を算出する。シミュレーション計算部２００により算出された、かさ密度のデータおよび流動性のデータは感度補正量決定部２０および消費補正量決定部２１に供給される。感度補正量決定部２０は、かさ密度および流動性のデータに基づいてトナー濃度センサ１３ｂの感度を補正する感度補正量データを生成する。感度補正量データはトナー濃度センサ１３ｂの補正入力端子に供給されてトナー濃度センサ１３ｂの感度を補正する。消費補正量決定部２１は、かさ密度や流動性に基づいて、消費トナー量を補正するものであり、残量検出部２２は消費トナー量の補正量に基づいて累積消費量を算出してトナー残量を求める。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トナー粒子について粒子位置の時間的変化および平均速度を、粒子特性、領域特性および環境情報に基づいてシミュレーションを行なう計算手段と、
上記計算手段によるシミュレーションから得られた上記粒子位置の時間変化からかさ密度を算出するかさ密度算出手段と、
上記計算手段によるシミュレーションから得られた上記平均速度から現像用の粒子の流動性を算出する流動性算出手段と、
算出された上記かさ密度および上記流動性に基づいて画像形成の制御系を補正する制御系補正手段とを有することを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
上記制御系補正手段により補正される上記画像形成の制御系は、現像ユニットに配置された磁気方式のトナー濃度センサを含み、上記制御系補正手段は上記トナー濃度センサの感度を補正する請求項１記載の画像形成装置。
【請求項３】
上記制御系補正手段により補正される上記画像形成の制御系はトナーを補給する補給手段を含み、上記制御系補正手段は上記補給手段の補給量制御を補正する請求項１または２記載の画像形成装置。
【請求項４】
現像用の粒子の残量を推定する残量推定手段をさらに有し、上記制御系補正手段が上記残量推定手段の推定値を補正する請求項１、２または３記載の画像形成装置。
【請求項５】
上記粒子特性は、トナーの粒子系、形状、密度、電荷、ヤング率、ポアソン比および摩擦係数を含む請求項１〜４のいずれかに記載の画像形成装置。
【請求項６】
上記領域特性は現像機の各部材のヤング率、ポアソン比および摩擦係数を含む請求項１〜５のいずれかに記載の画像形成装置。
【請求項７】
上記環境情報は、温度湿度、時間、画像の像密度情報による上記粒子特性の経時変化情報を含む請求項１〜６のいずれかに記載の画像形成装置。
【請求項８】
計算手段により、トナー粒子について粒子位置の時間的変化および平均速度を、粒子特性、領域特性および環境情報に基づいてシミュレーションを行なうステップとと、
かさ密度算出手段により、上記計算手段によるシミュレーションから得られた上記粒子位置の時間変化からかさ密度を算出するステップと、
流動性算出手段により、上記計算手段によるシミュレーションから得られた上記平均速度から現像用の粒子の流動性を算出するステップと、
制御系補正手段により、算出された上記かさ密度および上記流動性に基づいて画像形成の制御系を補正するステップとを有することを特徴とする画像形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、トナーまたは現像剤を使用する画像形成技術に関し、とくに、トナーまたは現像剤のかさ密度や流動性の変動に低コストで確実に対処できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
トナーまたは現像剤を使用する画像形成装置において、トナー、現像剤のカサ密度や流動性により、トナー補給量が変化したり、トナー濃度センサ感度が変化する課題が知られている。そこで、トナー、現像剤のカサ密度や流動性を直接測定するのは困難であるため種々の代用特性による現像剤のカサ密度や流動性の測定方法や、直接カサ密度や流動性を測定するための測定手段が報告されている。なお、以下ではトナーまたは現像剤を単にトナーと呼ぶこともあうる。
【０００３】
例えば、特許文献１は、トナー製造時に求めた流動性条件で、トナー補給量を制御することを提案している。また特許文献２は、磁気センサでかさ密度を測定することを提案している。また特許文献３は、湿度とトナー残量で嵩検知しトナー補給制御することを提案している。また特許文献４は、流動性を測定する手段（滞留トナー重量によるスイッチ）を設けトナー補給制御することを提案している。また、特許文献５は、圧電振動子でトナー流動性測定することを提案している。また、特許文献６は、横波超音波を発する厚みずり振動子でトナー流動性測定することを提案している。また特許文献７は、トナー補給積算時間・残量から流動性算出し、トナー補給を制御することを提案している。
【０００４】
しかし、いずれも、
（１）環境、トナー残量、現像材滞留状態等の代用特性からの予測のため精度低い、
（２）特別な測定装置が必要で、サイズ、コスト上の問題がある、
（３）トナー現像材製造時の情報で、画像形成装置使用条件による経時的変化に対応できない、
等の課題がある。
【０００５】
これまでに、使用環境、使用画像密度、使用枚数、またトナー、現像剤の入れられている容器との関係等、いろいろな外要因によって経時的に変化するトナーのカサ密度や流動性を精度高く測定する方法はなく、その結果、トナーのカサ密度や流動性変化によるトナー補給やトナー濃度センサの誤差を精度よく補正する方法はなかった。
【特許文献１】特開２００１−２０１９２９公報
【特許文献２】特開２００３−１６２１４０公報
【特許文献３】特開平０４−１７０５６３号公報
【特許文献４】特開平０６−０５９５７１号公報
【特許文献５】特開平０６−１６７４３７号公報
【特許文献６】特開平０６−１６７８８６号公報
【特許文献７】特開平１０−０７８６９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、以上の事情を考慮してなされたものであり、トナーのカサ密度や流動性変化によるトナー補給やトナー濃度センサの誤差を特別な測定装置を用いることなく精度よく補正する技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の構成例によれば、上述の目的を達成するために、粒子運動シミュレーションにより、トナーの粒子単位の経時的な物理特性を精度よく計算することで、従来は代用特性で予測制御していた、トナーのかさ密度および流動性に基づく、磁気トナー濃度センサ補正、トナー補給量補正、またはトナー残量予測補正等の補正精度を向上できる。また、トナーのかさ密度、流動性を測定する測定装置が不要であるため、サイズ、コスト上の問題も発生しない。
【０００８】
本発明を、現像機に磁気方式のトナー濃度センサを設けるタイプの２成分現像方式の画像形成装置に適用した構成例においては、粒子運動シミュレーション実行部を用いて環境情報入力（環境センサ出力、現像機駆動時間、画像像密度、等）に応じた現像材のかさ密度、流動性を算出し、算出したかさ密度、流動性に基づいて、つぎの処理の少なくとも１つを行なう。
【０００９】
（１）トナー濃度センサの感度を補正する
（２）トナー濃度センサの出力に応じたトナー補給制御によるトナー補給量を補正する。
（３）トナー強制消費用のトナーバンド作成する。
（４）強制トナー補給を行う。
【００１０】
また、本発明を、画像濃度や、印刷原稿の画像データから予測したトナー消費量に基づいてトナー補給量を制御するタイプの２成分現像方式の画像形成装置に適用した構成例おいては、粒子運動シミュレーション実行部を用いて環境情報入力（環境センサ出力、現像機駆動時間、画像像密度、等）に応じた現像材のかさ密度、流動性を算出し、算出したかさ密度、流動性に基づいて、つぎの処理の少なくとも１つを行なう。
【００１１】
（１）トナー補給制御手段によるトナー補給量を補正する
（２）トナー強制消費用のトナーバンド作成する
（３）強制トナー補給を行う
【００１２】
粒子運動シミュレーションの概要は以下のようなものである。
【００１３】
［インプット情報］
（１）粒子特性、例えばトナー、現像材の粒子系、形状、密度、電荷、ヤング率、ポアソン比、摩擦係数、等
（２）領域特性、例えば現像機等のヤング率、ポアソン比、摩擦係数、等
（３）環境情報、例えば、温度湿度、時間、画像の像密度情報等による上記粒子特性の経時変化情報
【００１４】
［アウトプット情報］
（１）粒子位置の時間変化、すなわちある時間における所定領域内の粒子個数。
これから粒子のかさ密度を決定できる。
（２）粒子の平均速度
これから粒子の流動性を決定できる。
【００１５】
さらに本発明を説明する。
【００１６】
本発明のよれば、上述の目的を達成するために、画像形成装置に：トナー粒子について粒子位置の時間的変化および平均速度を、粒子特性、領域特性および環境情報に基づいてシミュレーションを行なう計算手段と；上記計算手段によるシミュレーションから得られた上記粒子位置の時間変化からかさ密度を算出するかさ密度算出手段と；上記計算手段によるシミュレーションから得られた上記平均速度から現像用の粒子の流動性を算出する流動性算出手段と；算出された上記かさ密度および上記流動性に基づいて画像形成の制御系を補正する制御系補正手段とを設けている。
【００１７】
この構成においては、トナーのかさ密度および流動性を正確に把握して画像形成の制御を精度良く行なうことができる。しかも、トナーのかさ密度、流動性を測定する測定装置が不要であるため、サイズ、コスト上の問題も発生しない。
【００１８】
この構成において、上記制御系補正手段により補正される上記画像形成の制御系は、例えば、現像ユニットに配置された磁気方式のトナー濃度センサを含み、この場合、上記制御系補正手段は上記トナー濃度センサの感度を補正する。
【００１９】
トナー濃度センサの感度を補正せずに、あるいはトナー濃度センサの補正と合わせて、トナー補給手段の補給量制御自体を補正しても良い。
【００２０】
また、例えば、画像濃度や、印刷原稿の画像データから予測したトナー消費量に基づいてトナーを補給する補給手段を含む場合には、上記制御系補正手段が上記補給手段の補給量制御を補正してもよい。
【００２１】
また、現像用の粒子の残量を推定する残量推定手段をさらに設け、上記制御系補正手段が上記残量推定手段の推定値を補正するようにしてもよい。
【００２２】
上記粒子特性は、例えば、トナーの粒子系、形状、密度、電荷、ヤング率、ポアソン比および摩擦係数を含む。
【００２３】
上記領域特性は、例えば、現像機の各部材のヤング率、ポアソン比および摩擦係数を含む。
【００２４】
上記環境情報は、例えば温度湿度、時間、画像の像密度情報による上記粒子特性の経時変化情報を含む。
【００２５】
なお、この発明は装置またはシステムとして実現できるのみでなく、方法としても実現可能である。また、そのような発明の一部をソフトウェアとして構成することができることはもちろんである。またそのようなソフトウェアをコンピュータに実行させるために用いるソフトウェア製品もこの発明の技術的な範囲に含まれることも当然である。
【００２６】
この発明の上述の側面および他の側面は特許請求の範囲に記載され以下実施例を用いて詳述される。
【発明の効果】
【００２７】
この発明によれば、トナーのかさ密度および流動性を正確に把握して画像形成の制御を精度良く行なうことができる。しかも、トナーのかさ密度、流動性を測定する測定装置が不要であるため、サイズ、コスト上の問題も発生しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本件発明の実施例について説明する。
【００２９】
図１は、本発明を、トナー濃度センサを具備する画像形成装置に適用した実施例を示している。この例では一系統の画像形成部分しか示していないが、カラー画像に合わせて複数系統の画像形成部分を設けても良い。また、図では本発明と関連のある部分を中心に示しており、定着ユニット等は示していないが、適宜に設けることができることはもちろんである。
【００３０】
図１において、画像形成装置１００は、感光体１０、帯電ユニット１１、露光ユニット１２、現像ユニット１３、転写ユニット１４、クリーニングユニット１５、用紙搬送機構１６等を含んで構成されている。これら感光体１０、帯電ユニット１１、露光ユニット１２、現像ユニット１３、転写ユニット１４、クリーニングユニット１５、用紙搬送機構１６は、電子写真方式の通常のものである。感光体１０、帯電ユニット１１の帯電ロール、現像ユニット１３の現像ロール、転写ユニット１４の転写ロールがそれぞれ矢印で示すように回転している。周知のとおり、帯電ユニット１１を用いて感光体１０表面が所定の電位に帯電され、露光ユニット１２により感光体１０表面が露光されて潜像が形成され、現像ユニット１３においてトナー像が現像され、転写ユニット１４においてトナー像が記録媒体（図示しない）に転写される。トナー像を担持した記録媒体は図示しない定着ユニットにより定着される。
【００３１】
現像ユニット１３は、例えばその底部位置に磁気方式のトナー濃度センサ１３ｂを有している。トナー濃度センサ１３ｂは測定雰囲気における透磁率の変化すなわち磁性キャリアの分量に基づいてトナー濃度を検出するものである。トナー濃度センサ１３ｂの検出信号はトナー補給量制御部１３ｃに供給される。トナー補給量制御部１３ｃは、トナー補給ユニット１３ａに操作量を加減してトナー濃度が所定の目標値になるように制御を行なう。
【００３２】
この実施例では、シミュレーション計算部２００がトナー粒子の運動をシミュレーションしてそのかさ密度および流動性を算出する。これについては後に詳述する。シミュレーション計算部２００により算出された、かさ密度のデータおよび流動性のデータは感度補正量決定部２０および消費補正量決定部２１に供給される。感度補正量決定部２０は、かさ密度および流動性のデータに基づいてトナー濃度センサ１３ｂの感度を補正する感度補正量データを生成する。感度補正量データはトナー濃度センサ１３ｂの補正入力端子に供給されてトナー濃度センサ１３ｂの感度を補正する。例えば、トナー濃度センサ１３ｂの増幅回路のバイアスレベル等を変更する。消費補正量決定部２１は、かさ密度や流動性に基づいて、消費トナー量を補正するものであり、残量検出部２２は消費トナー量の補正量に基づいて累積消費量を算出してトナー残量を求める。
【００３３】
この実施例では、シミュレーション計算部２００により得た、かさ密度のデータや流動性のデータに基づいてトナー濃度センサ１３ｂの感度を補正することにより、トナー供給量制御を精度良く行なえる。また図に破線で示すように、かさ密度のデータや流動性のデータに基づいてトナー補給量制御部１３ｃのトナー補給制御自体を補正しても良い。また、トナー強制消費用のトナーバンド作成する際や、強制トナー補給を行う際に、かさ密度のデータや流動性のデータを用いて補正を行なっても良い。
【００３４】
図２は、シミュレーション計算部２００の構成例を示しており、図３はその動作例を示している。
【００３５】
シミュレーション計算部２００は、画像形成装置１００に設けられていても良いし、通信ネットワークを介して画像形成装置１００に接続されていても良い。シミュレーション計算部２００の各部は具体的には処理プログラムとして実装されるが、少なくともその一部を処理回路として構成しても良い。図１の感度補正量決定部２０および消費補正量決定部２１も同様に通信ネットワークを介して画像形成装置１００に接続されていてもよい。
【００３６】
図２において、シミュレーション計算部２００は、制御部２０１、データ入力部２１０、モデル作成部２２０、粒子運動計算部２３０、データ出力部２４０、特性評価部２５０等を含んで構成されている。データ入力部２１０は、粒子データ入力部２１１、領域データ入力部２１２、環境データ入力部２１３、計算パラメータ入力部２１４を含んで構成される。モデル作成部２２０は粒子データ生成部２２１および境界データ生成部２２２を含んで構成される。粒子運動計算部２３０は、外力計算部２３１および運動方程式解法部２３２を含んで構成される。データ出力部２４０は、粒子座標・速度出力部２４１および境界荷重出力部２４２を含んで構成される。特性評価部２５０は、かさ密度計算部２５１、流動性計算部２５２を含んで構成される。
【００３７】
制御部２０１は、各部（各プログラム）の処理全体を制御する。データ入力部２１０では、計算に必要な情報をほかの装置や別途設けた入力手段から受け取る（図３のＳ１０）。粒子データ入力部２１１では、計算対象となる、トナーやキャリアの物理特性（直径、堆積密度など）、機械特性（ヤング率、ポアソン比など）、電磁気特性（誘電率、導電率、電荷量など）などが入力される。領域データ入力部２１２では、粒子群が運動する領域の形状や物理特性、機械特性、電気特性などが入力される。環境データ入力部２１３では、温度湿度情報、経時情報、また画像形成装置の例では画像の像密度情報等のトナーやキャリアの粒子特性へ影響を与える環境情報が入力される。計算パラメータ入力部２１４では、このほかに計算の実行に必要な、計算ステップ数、時間増分、データ出力方法などに関する情報が与えられる。
【００３８】
モデル作成部２２０は、粒子運動計算のための数値データを生成するものであり、粒子データ入力部２１１および領域データ入力部２１２で与えられた諸情報をもとに、解析対象となる粒子や領域に設定される境界個々の特性を決定する（図３のＳ１１）。
【００３９】
粒子運動計算部２３０は、モデル作成部２２０で生成した数値データを用いて、個々の粒子運動を求める演算を行う（図３のＳ１２）。個別要素法による一般的な粒子運動計算方法は、例えば、「木山英郎・藤村尚、カンドルの離散剛要素法を用いた岩質粒状体の重力流動の解析、土木学会論文報告集、３３３（１９８３）、１３７−１４６」などに記載されている手法を用いることができる。また、特開平１０−２６０１５９号公報、特開平１０−２６０１６０号公報、特開平１１−２１４１３４号公報、特開２００１−１９５３８６公報、特開２００２−１０９４４５公報、特開２００３−２２３０４９公報、特開平１１−１２０１６５号公報、特開２０００４−１９９２７１公報など提案されている種々の応用途を想定した場合の計算手順を適宜用いても良い。
【００４０】
この手法では、個々の粒子に対する式（１）の運動方程式を解いて粒子群の挙動を決定する。そのためまず右辺の外力ｆを評価する。外力としては、主に粒子間の接触力や、重力、付着力、遠心力、空気抵抗力と、電磁界が作用している場合には電磁力が付加される。
ｍα＝ｆ          式（１）
【００４１】
外力が決定すれば、あらかじめ与えられている質量ｍから、加速度αが求められる。ついで、所定の時間増分に対して、加速度を数値積分することで速度、変位、座標が求められる。このような計算を全粒子について、所定の計算ステップ数分繰り返して行えば、粒子群の挙動が求められる。
【００４２】
データ出力部２４０は、必要に応じて得られた計算結果をほかの装置へ伝送する部分であり、粒子座標・速度出力部２４１では各粒子の座標、速度の時間変化情報を、境界荷重出力部２４２では粒子の接触によって各境界に作用する荷重を出力する（図３のＳ１３）。
【００４３】
特性評価部２５０は、計算で求められた粒子や境界の状態から、画像形成装置としての性能に関連する諸特性を演算によって求める（図３のＳ１４）。かさ密度計算部２５１は、所定の空間内にある粒子の個数からかさ密度を求め、流動性計算部２５２は、粒子の平均移動速度を求めて流動状態の指標として出力する。トナー、キャリアそれぞれの個数から場所ごとの混合比を求めることもできる。
【００４４】
この実施例においては、粒子運動シミュレーションで、トナー粒子単位の経時的な物理特性を精度よく計算することで、従来は代用特性で予測制御していた、トナーのかさ密度、流動性による、磁気トナー濃度センサ補正やトナー補給量の補正の補正精度を向上させることができる。すなわち、かさ密度、流動性変化によるトナー濃度センサ感度変動を精度よく補正できる。またはかさ、流動性が悪化した場合に強制的にトナー消費、供給を行うことで、かさ、流動性が悪化を改善できるためトナー濃度センサ感度変動を防止できる。この結果より安定したトナー濃度制御が可能になる。また、かさ密度、流動性変化によるトナー補給量変動を精度よく補正できる。または、かさ密度、流動性が悪化した場合に強制的にトナー消費、供給を行うことで、かさ密度、流動性が悪化を改善できるためトナー補給量変動を防止できる。この結果より安定したトナー濃度制御が可能になる。しかも、トナー、現像材のかさ、流動性を測定する測定装置が不要であるため、サイズ、コスト上の問題も発生しない。
【００４５】
つぎに本発明の他の実施例について説明する。
【００４６】
図４は、本発明を画像濃度センサを用いてトナー補給制御を行なうタイプの画像形成装置に適用した実施例を示しており、この図において、図１と対応する箇所には対応する符号を付した。
【００４７】
この実施例では、感光体１０の周囲に画像濃度センサ１３ｄを設け感光体１０表面に設けられたトナー基準パッチの光学濃度を検出するようになっている。この画像濃度センサ１３ｄの濃度出力に基づいてトナー補給量制御部１３ｃが基準パッチの画像濃度が目標値になるようにトナー補給制御を行なう。そして濃度補正量決定部２０ａがかさ密度や流動性に基づいて画像濃度に基づく制御系の補正量を決定してトナー補給量制御部１３ｃに供給して正確ながかさ密度や流動性に適合した制御を行なうようにしている。
【００４８】
なお、画像濃度センサ１３ｄの濃度出力は帯電ユニット１１の帯電電位制御や露光ユニット１２の出力レベル制御に用いることができる。
【００４９】
この実施例でも、粒子運動シミュレーションによりトナーのかさ密度、流動性を算出し、算出したかさ密度、流動性に応じて、トナー補給量を補正したり、トナー強制消費用のトナーバンド作成したり、強制トナー補給を行うことができる。
【００５０】
なお、図４の例では、画像濃度センサ１３ｄを用いてトナー供給制御を行なう例を説明したが、印刷画像情報から消費トナー量を推定してトナー補給を行なう、いわゆるＩＣＤＣ（Ｉｍａｇｅ  Ｃｏｕｎｔ  Ｄｉｓｐｅｎｓｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）方式の画像形成装置においても同様に構成できる。この場合、例えば、図４に破線で示すようにトナー消費量予測部情報からトナー補給量制御部１３ｃが補給量を決定する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施例の構成を全体として示す図である。
【図２】上述実施例のシミュレーション計算部の構成例を説明する図である。
【図３】上述シミュレーション計算部の動作例を説明する図である。
【図４】本発明の他の実施例の構成を全体として示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０      感光体
１１      帯電ユニット
１２      露光ユニット
１３      現像ユニット
１３ａ      トナー補給ユニット
１３ｂ      トナー濃度センサ
１３ｃ      トナー補給量制御部
１３ｄ      画像濃度センサ
１４      転写ユニット
１５      クリーニングユニット
１６      用紙搬送機構
２０      感度補正量決定部
２０ａ      濃度補正量決定部
２１      消費補正量決定部
２２      残量検出部
１００      画像形成装置
２００      シミュレーション計算部
２０１      制御部
２１０      データ入力部
２１１      粒子データ入力部
２１２      領域データ入力部
２１３      環境データ入力部
２１４      計算パラメータ入力部
２２０      モデル作成部
２２１      粒子データ生成部
２２２      境界データ生成部
２３０      粒子運動計算部
２３１      外力計算部
２３２      運動方程式解法部
２４０      データ出力部
２４１      粒子座標・速度出力部
２４２      境界荷重出力部
２５０      特性評価部
２５１      かさ密度計算部
２５２      流動性計算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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