(57)【要約】【課題】部品点数を増加させず、ダイナミックレンジを狭めることなく、検出精度を向上させること。【解決手段】本実施形態のトナー濃度センサは、トナー付着領域に光を照射して反射光を受光し、該反射光に応じた電圧をＯＰ−ＡＭＰにより増幅して出力するセンサであって、ＯＰ−ＡＭＰの入力電圧と出力電圧の特性に基づいて算出されるノイズ成分を示す情報を有する。【選択図】図６
2015069159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象領域に光を照射して反射光を受光し、該反射光に応じた電圧を増幅回路により増幅して出力する光学センサであって、
前記増幅回路の入力電圧と出力電圧の特性に基づいて算出されるノイズ成分を示す情報を有することを特徴とする、光学センサ。
【請求項２】
前記情報は、２つ以上の異なる入力電圧を前記増幅回路に印加することにより得られる、前記増幅回路の入力電圧と出力電圧の特性に基づいて算出されるノイズ成分を示すことを特徴とする、請求項１に記載の光学センサ。
【請求項３】
前記情報を示すバーコードまたはＱＲコードが印字されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学センサ。
【請求項４】
前記情報は、マイナスのノイズ成分を示すことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学センサと、
前記光学センサの出力電圧に基づいて、前記対象領域におけるトナー濃度を検出するトナー濃度検出部とを備える画像形成装置であって、
前記トナー濃度検出部は、前記光学センサが有する前記情報で示されるノイズ成分に基づいてトナー濃度を補正することを特徴とする、画像形成装置。
【請求項６】
対象領域に光を照射して反射光を受光し、該反射光に応じた電圧を増幅回路により増幅して出力する光学センサを用いたトナー濃度補正方法であって、
前記増幅回路の入力電圧と出力電圧の特性に基づいてノイズ成分を算出するステップと、
前記算出されたノイズ成分に基づいて、トナー濃度を補正するステップとを含むことを特徴とする、トナー濃度補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学センサ、画像形成装置およびトナー濃度補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像形成装置は、例えば発光素子と受光素子とを有する反射型の光学センサから成るカラー濃度センサを定着装置の前段に備え、中間転写ベルト上に形成されるトナーの濃度を検出している。具体的には、発光素子が中間転写ベルトのトナーが付着される領域に光を照射し、その照射された光の反射光を受光素子が受光して、受光量に応じた検出電圧を受光素子が出力する。
【０００３】
しかしながら、カラー濃度センサの出力電圧は、光による光電変換以外に熱的に発生する電子・正孔による暗電流、増幅回路のオフセット電圧、増幅回路の入力端子に対して流入または流出する微小なバイアス電流等が起因してノイズが発生するため、カラー濃度センサが正確にトナー濃度を検知することができないといった問題がある。このため、正確なトナー濃度の検知のためには、ノイズ成分を補正する必要がある。ノイズ成分が＋電圧の場合には、カラー濃度センサを単電源で駆動したとしても、ノイズ成分を検知することができるので、補正が可能であるが、ノイズ成分が−電圧の場合には、カラー濃度センサを単電源で駆動すると、略０Ｖが出力されることによりノイズ成分を検知できないので、補正が不可能となる。この問題を解決するための技術が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、カラー濃度センサを両電源で駆動し、＋電圧および−電圧の両方のノイズ成分を検知可能とすることで、オフセット電圧の影響を小さくする方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−００３２８３号公報（２００９年１月８日公開）
【特許文献２】特開平１０−１８６８２７号公報（１９９８年７月１４日公開）
【発明の概要】
【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に記載の技術は、オフセット電圧を調整するための部品（両電源でオペアンプを駆動するための構成）を画像形成装置に設けなければならず、部品点数の増加となる。この問題を解決するための技術として、例えば特許文献２に開示されているカラー濃度センサの出力値に一定のバイアスをかける技術を適用することにより、オフセット電圧を＋電圧にする構成とすれば、両電源でなく単電源で増幅回路を駆動したとしても、オフセット電圧の影響を小さくすることができると考えられるが、ダイナミックレンジが小さくなるといった問題がある。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的の１つは、部品点数を増加させず、ダイナミックレンジを狭めることなく、検出精度を向上させることが可能な光学センサおよびトナー濃度補正方法を提供することである。
【０００７】
この発明の他の目的は、性能の悪化およびコストの増加なく、トナー濃度検出精度の高い画像形成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の光学センサは、対象領域に光を照射して反射光を受光し、該反射光に応じた電圧を増幅回路により増幅して出力する光学センサであって、前記増幅回路の入力電圧と出力電圧の特性に基づいて算出されるノイズ成分を示す情報を有する。
【０００９】
上記の構成によれば、増幅回路の入力電圧と出力電圧の特性に基づいて算出されるノイズ成分を示す情報を用いれば、単電源でセンサを駆動したとしてもセンサ出力値を正確に補正することができるので、ノイズ成分を調整するための部品を画像形成装置に設ける必要がない。
【００１０】
また、センサを両電源で駆動しなくてもセンサ出力値を正確に補正することができるので、ダイナミックレンジを狭めることなく補正することができる。したがって、部品点数を増加させず、ダイナミックレンジを狭めることなく、検出精度を向上させることが可能な光学センサを提供することができる。
【００１１】
また、本発明の光学センサにおいて、前記情報は、複数回の異なる入力電圧を前記増幅回路に印加することにより得られる、前記増幅回路の入力電圧と出力電圧の特性に基づいて算出されるノイズ成分を示す。
【００１２】
上記の構成によれば、ノイズ成分の算出の精度を高くすることができる。
【００１３】
また、例えば光学センサは、前記情報を示すバーコードまたはＱＲコード（登録商標）が印字されていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の光学センサにおいて、前記情報は、マイナスのノイズ成分を示す。
【００１５】
上記の構成によれば、マイナスのノイズ成分をセンサの出力値に加算することで、センサ出力値を正確に補正することが可能となる。
【００１６】
また、上記の課題を解決するために、本発明の画像形成装置は、前記光学センサと、前記光学センサの出力電圧に基づいて、前記対象領域におけるトナー濃度を検出するトナー濃度検出部とを備える画像形成装置であって、前記トナー濃度検出部は、前記光学センサが有する前記情報で示されるノイズ成分に基づいてトナー濃度を補正する。
【００１７】
上記の構成によれば、性能の悪化およびコストの増加なく、トナー濃度検出精度の高い画像形成装置を提供することができる。
【００１８】
また、上記の課題を解決するために、本発明のトナー濃度補正方法は、対象領域に光を照射して反射光を受光し、該反射光に応じた電圧を増幅回路により増幅して出力する光学センサを用いたトナー濃度補正方法であって、前記増幅回路の入力電圧と出力電圧の特性に基づいてノイズ成分を算出するステップと、前記算出されたオフセット電圧に基づいて、トナー濃度を補正するステップとを含む。
【００１９】
上記の構成によれば、部品点数を増加させず、ダイナミックレンジを狭めることなく、検出精度を向上させることが可能なトナー濃度補正方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、部品点数を増加させず、ダイナミックレンジを狭めることなく、検出精度を向上させることができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】光学センサの一例としてのトナー濃度センサの基本原理を示す図である。
【図２】トナー濃度センサの調整方法の一例を示す第１の図である。
【図３】トナー濃度センサの調整方法の一例を示す第２の図である。
【図４】第１，２受光素子の出力結果の一例を示す第１の図である。
【図５】第１，２受光素子の出力結果の一例を示す第２の図である。
【図６】図５の場合において、ノイズ成分を取り除く補正を行う前後を示す図である。
【図７】本実施の形態におけるトナー濃度センサの一例を示すブロック図である。
【図８】図７のＯＰ−ＡＭＰの入力端子に電圧を印加したときにおける入力電圧−出力電圧の特性を示す図である。
【図９】非反転増幅回路の構成を示す図である。
【図１０】図７のＯＰ−ＡＭＰの入力端子に１〜１０ｍＶまでの電圧を１ｍＶ刻みで印加したときのセンサ出力の測定結果を示す図である。
【図１１】本実施の形態におけるトナー濃度センサを有する画像形成装置の構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００２３】
図１は、光学センサの一例としてのトナー濃度センサの基本原理を示す図である。図１の（ａ）は、ブラック（ＢＫ）トナーの検知時を示し、図１の（ｂ）は、シアン，マゼンタ，イエロー（ＣＭＹ）トナーの検知時を示す。図１の（ａ），（ｂ）に示されるように、発光素子１および第１，２受光素子３，５が、定着装置の前段において中間転写ベルト７に対向する位置に配置される。具体的に、発光素子１は、中間転写ベルト７のトナーが付着される付着領域に向けて所定の傾斜角度で光を照射するように配置される。また、第１受光素子３，５は、中間転写ベルト７において反射した光を受光するように配置され、その光に対応する電圧を出力する。
【００２４】
第１受光素子３は、正反射光を検出するための受光部であり、第２受光素子５は、拡散反射光を検出するための受光部である。ＢＫトナーは、光の反射率が低い特徴があるために、トナー付着領域における付着量が多くなるにつれて、正反射光の光量は減少し、拡散反射光の光量は緩やかに上昇する傾向がある。また、ＢＫトナーの付着量がある値以上となると、両者ともに光量の変化はほとんど発生しなくなる。このため、ＢＫトナーの付着量が増加するにつれて、第１受光素子３の出力は低下し、第２受光素子５の出力は緩やかに高くなり略一定となる。
【００２５】
一方、ＣＭＹトナーは、光の反射率が高い特徴があるために、トナー付着領域における付着量が多くなるにつれて、正反射光の光量は減少し、ある一定量に達すると増加する傾向があり、拡散反射光の光量は増加する傾向がある。また、ＣＭＹトナーの付着量がある値以上となると、両者ともに光量の変化はほとんど発生しなくなる。このため、ＣＭＹトナーの付着量が増加するにつれて、第２受光素子５の出力は高くなった後に略一定となり、第１受光素子３の出力は減少した後に増加傾向に変わり、その後に略一定となる。
【００２６】
このような原理に従って、トナー濃度センサ１０が正確なトナー濃度を検出するためには、次に示す補正方法に従って補正される必要がある。図２は、トナー濃度センサの補正方法の一例を示す図である。図の２（ａ）がＢＫトナーの検知時を示し、図２の（ｂ）がＣＭＹトナーの検知時を示す。図２の（ａ）に示されるように、中間転写ベルト７（トナーが付着していない状態）を用いて発光素子１の順電流が調整される。また、図２の（ｂ）に示されるように、中間転写ベルト７に代えて疑似トナー基準板９（トナーが付着していない状態）を用いて第２受光素子５の電圧が調整される。
【００２７】
具体的に、まず基準となる反射物体（中間転写ベルト７）を検知した際の第１受光素子３の出力電圧が規定範囲内になるように、発光素子１の順電流が調整される。そして、調整された電流値が固定された状態で、第２受光素子５の出力電圧が規定範囲内になるように回路の定数が変更される。例えば、第２受光素子５からの電流−電圧変換回路や増幅回路（ＯＰ−ＡＭＰ）のゲイン調整などが行われる。
【００２８】
また、発光素子１の光量劣化、発光素子１および第１，２受光素子３，５の取付のバラツキ、検知物体（中間転写ベルト７）などの劣化に合わせて、適宜第１，２受光素子３，５の出力電圧が規定範囲に入るように発光素子１の電流値が調整される（図３の（ａ），（ｂ）参照）。
【００２９】
さらに、上述した調整以外にも、検出精度を高めるために、回路に起因するノイズ成分を取り除く補正が行われる。図４の（ａ），（ｂ）は、第１，２受光素子の出力結果の一例を示す第１の図である。
【００３０】
図４における丸印は、発光素子１が非点灯時における第１，３受光素子３，５の出力を示す。このとき、第１，３受光素子３，５は、ノイズ成分となる＋電圧の出力値を出力しており、このノイズ成分は、光による光電変換以外に熱的に発生する電子・正孔による暗電流、増幅回路のオフセット電圧、増幅回路の入力端子に対して流入または流出する微小なバイアス電流等が影響している。したがって、ノイズ成分を取り除くために、トナー濃度検知時の出力値から、発光素子１が非点灯時のノイズ成分が減算される補正が行われる必要がある。このように、発光素子１が非点灯時における第１，３受光素子３，５の出力が＋電圧の場合には、その出力値をノイズ成分として用いて補正することが可能である。
【００３１】
一方、トナー濃度センサ１０が単電源で駆動されるために、発光素子１が非点灯時における第１，３受光素子３，５の出力が略０Ｖの場合には、その出力値からはノイズ成分を知ることができないため、補正することができない。このため、予め後述する演算方法に従って、−電圧のノイズ成分を算出し、記録媒体に記録しておき、記録媒体に記録されたノイズ成分を用いて補正する。なお、記録媒体には、−電圧のノイズ成分に限らず、＋電圧のノイズ成分であっても記録するようにしてもよい。
【００３２】
ここで、発光素子１が非点灯時において、第１，３受光素子３，５が略０Ｖを出力する場合における補正方法ついて図５を参照しながら説明する。図５の（ａ），（ｂ）は、第１，２受光素子の出力結果の一例を示す第２の図である。
【００３３】
図５における実線部分は、第１，２受光素子３，５の実際の出力結果である。また、図５における点線部分は、第１，２受光素子３，５の推定の出力結果であり、単電源で駆動される第１，２受光素子３，５が出力できない値である。このため、実際に発光素子１が非点灯時には、第１，第２受光素子３，５の出力値が略０Ｖと出力されている。すなわち、暗電流および増幅回路のオフセット電圧／バイアス電流等が影響して、ノイズ成分が−電圧となっている。したがって、ノイズ成分を取り除くために、図６の（ａ），（ｂ）に示されるように、トナー濃度検知時の出力値から、発光素子１が非点灯時のノイズ成分が加算される補正が行われる必要がある。
【００３４】
上述したように発光素子１が非点灯時の−電圧のノイズ成分は、予め後述の演算方法により算出され、予め記録媒体に記録されているので、記録媒体に記録されたノイズ成分の値を用いることにより、ノイズ成分を取り除く補正が行われる。
【００３５】
また、記録媒体は、例えばバーコードまたはＱＲコードであり、トナー濃度センサ１０に印字されることにより読取装置等が識別可能な状態とされる。
【００３６】
次に、ノイズ成分の演算方法について説明する。図７は、本実施の形態におけるトナー濃度センサの一例を示す回路図である。なお、図７に示す回路は、従来周知の構成であるため、詳細な説明は繰り返さない。また、本実施の形態においては、第１受光素子３と第２受光素子５とが切り換えられることにより、第１受光素子３および第２受光素子５それぞれの出力値に基づいてＢＫおよびＣＭＹそれぞれのトナー濃度が検知されるが、説明の便宜上ここでは発光素子１と第１受光素子３とを含む１系統の場合を示し、その場合について説明する。
【００３７】
図７に示されるように、発光素子１により出力された電圧は、第１受光素子３に入力され、ＯＰ−ＡＭＰ１１より増幅され、出力される。ノイズ成分の演算方法において、まず点Ｐにおいて、発光素子１に電圧が印加されていない状態においてＯＰ−ＡＭＰ１１の入力側の点Ｐに電圧が印加され、入力電圧と出力電圧との関係から出力リニアリティが算出される。具体的には、点Ｐに異なる入力電圧ｘ１〜ｘ６を印加して出力電圧ｙ１〜ｙ６が得られ、図８のような入力電圧−出力電圧の特性が得られる。なお、本実施形態においては、点Ｐに異なる６つの入力電圧ｘ１〜ｘ６を印加するようにしたが、異なる２以上の入力電圧を印加するようにしてもよいし、好ましくは異なる３以上の入力電圧を印加するようにして、入力電圧−出力電圧の特性を得てもよい。
【００３８】
次に、十分にリニアリティが確保できる入力電圧範囲において近似線が算出される。具体的には、図８で得られた特性に基づいて、ｙ＝ａｘ+ｂの近似式を想定し、ａ，ｂを算出する。ここでａは、Ｇａｉｎ値を示し、ｂは、ノイズ成分を示す。以下、数１，２は、ａ，ｂの算出式である。
【００３９】
【数１】
2015069159.tif 000003
【００４０】
【数２】
2015069159.tif 000004
【００４１】
そして、数２により算出されたｂの値をノイズ成分として示すバーコードまたはＱＲコード等が、読取装置等が識別可能にトナー濃度センサ１０に印字される。これにより、画像形成装置の使用時に正しくトナー濃度を補正するための演算を行うことが可能となる。
【００４２】
なお、ＯＰ−ＡＭＰ１１の入力電圧の範囲によっては、ＯＰ−ＡＭＰ１１の直線性が十分に得られないことがあるため、十分にリニアリティが得られる領域でサンプリングが実施されることが望ましい。リニアリティが得られる領域か否かは、下記の数３〜６のように２点間のＧａｉｎ値を算出し、その値が回路上に実装された抵抗値の公差から計算されるＧａｉｎ設計値下限とＧａｉｎ設計値上限との間に含まれるかを判定する（数７参照）。２点間のＧａｉｎ値がＧａｉｎ設計値下限とＧａｉｎ設計値上限との間であればリニアリティが得られる領域と判定するが、そうでなければリニアリティが得られない領域として除外する。
【００４３】
【数３】
2015069159.tif 000005
【００４４】
【数４】
2015069159.tif 000006
【００４５】
【数５】
2015069159.tif 000007
【００４６】
【数６】
2015069159.tif 000008
【００４７】
【数７】
2015069159.tif 000009
【００４８】
例えば、Ｇａｉｎ設計値下限およびＧａｉｎ設計値上限は、図９に示す回路構成において、抵抗の公差が１％として、増幅率の算出式数８を用いて算出することができる。すなわち、Ｇａｉｎ設計値下限は、数９により算出でき、Ｇａｉｎ設計値上限値は、数１０により算出することができる。
【００４９】
【数８】
2015069159.tif 000010
【００５０】
【数９】
2015069159.tif 000011
【００５１】
【数１０】
2015069159.tif 000012
【００５２】
次に、上記数１，２によって算出されるノイズ成分の値の妥当性についての検証結果について説明する。表１は、図７の回路の点Ｐにおいて１〜１０ｍＶまでの電圧を１ｍＶ刻みで印加したときのセンサ出力の測定結果を示す。ここでは、ＮＯ１〜ＮＯ４の４台のＳａｍｐｌｅを用いて検証した。表１の測定結果をグラフにしたものが図１０である。また、表１の結果から数１，２を用いて算出したＳａｍｐｌｅ１〜４それぞれの線形近似式は、数１１〜１４となった。
【００５３】
【表１】
2015069159.tif 000013
【００５４】
【数１１】
2015069159.tif 000014
【００５５】
【数１２】
2015069159.tif 000015
【００５６】
【数１３】
2015069159.tif 000016
【００５７】
【数１４】
2015069159.tif 000017
【００５８】
したがって、Ｓａｍｐｌｅ１〜４それぞれのゲインとノイズ成分（ｍＶ）は、数１１〜１４に基づいて、表２のように推定される。
【００５９】
【表２】
2015069159.tif 000018
【００６０】
次に、センサの抵抗値を直接測定し、数１５に基づいて表２の推定値の妥当性について確認した。表３は、Ｓａｍｐｌｅ１〜４について計測値と表２に示す推定値とをまとめたものである。
【００６１】
【数１５】
2015069159.tif 000019
【００６２】
【表３】
2015069159.tif 000020
【００６３】
また、ＯＰ−ＡＭＰ１１の反転入力端子と出力端子とを接続したボルテージフォロワ回路とした後、点Ｐに１０ｍＶを印加したときの出力値を測定し、数１６に基づいてノイズ成分の推定値の妥当性を確認した。表４は、数１６に基づいて算出されたノイズ成分の計測値と表２に示す推定値とをまとめたものである。
【００６４】
【数１６】
2015069159.tif 000021
【００６５】
【表４】
2015069159.tif 000022
【００６６】
以上、表３，４に示されるように、ノイズ成分の推定値は計測値に対して５％程度の誤差率であり、推定値は妥当な値であることが確認できた。
【００６７】
次に、本実施の形態におけるトナー濃度センサ１０が画像形成装置に実装されている場合について説明する。図１１は、本実施の形態におけるトナー濃度センサを有する画像形成装置の構成の一例を示すブロック図である。
【００６８】
図１１に示されるように、画像形成装置１００は、バーコード／ＱＲコード２０を有するトナー濃度センサ１０以外に、トナー濃度検出部３０および読取部４０を含む。読取部４０は、バーコード／ＱＲコード２０に含まれるノイズ成分を示す補正情報を読み取り、トナー濃度検出部３０に出力する。
【００６９】
トナー濃度検出部３０は、読取部４０から補正情報が入力されると、トナー濃度センサ１０の出力電圧を補正情報を用いて補正した後の出力値に基づいて、トナー付着領域におけるトナー濃度を検出する。具体的には、補正情報がプラスのノイズ成分を示す場合、トナー濃度センサ１０の出力値から補正情報が示すノイズ成分を減算することによりトナー濃度を補正し、補正情報がマイナスのノイズ成分を示す場合、トナー濃度センサ１０の出力値に補正情報が示すノイズ成分を加算することによりトナー濃度を補正する。
【００７０】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７１】
１  発光素子
３  第１受光素子
５  ２受光素子
１０  トナー濃度センサ（光学センサ）
１１  ＯＰ−ＡＭＰ
２０  バーコード／ＱＲコード
３０  トナー濃度検出部
【図１】
2015069159.tif 000023
【図２】
2015069159.tif 000024
【図３】
2015069159.tif 000025
【図４】
2015069159.tif 000026
【図５】
2015069159.tif 000027
【図６】
2015069159.tif 000028
【図７】
2015069159.tif 000029
【図８】
2015069159.tif 000030
【図９】
2015069159.tif 000031
【図１０】
2015069159.tif 000032
【図１１】
2015069159.tif 000033