(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２成分現像剤のトナー濃度を検出するトナー濃度検出装置であって、
前記２成分現像剤の透磁率に応じた周波数で発振する発振回路と、
前記発振回路の発振周波数を検出する周波数検出部と、
前記発振回路の発振開始電圧を検出する電圧検出部と、
前記発振回路の動作環境温度を検出する温度検出部と、
前記発振回路における発振開始電圧と発振周波数の温度特性との関係を示す情報を用いて、前記温度検出部によって検出された動作環境温度および前記電圧検出部によって検出された発振開始電圧に基づいて、前記周波数検出部によって検出された発振周波数を補正する補正部と、を備え、
前記補正部によって補正された発振周波数をトナー濃度情報として出力する
ことを特徴とするトナー濃度検出装置。
【請求項２】
前記補正部による補正に適用される前記情報は、前記発振回路に備わるコイルの抵抗値と発振開始電圧との関係を示す第１関係情報、および前記コイルの抵抗値と発振周波数の温度特性との関係を示す第２関係情報である
請求項１記載のトナー濃度検出装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のトナー濃度検出装置によって出力されるトナー濃度情報に基づいてトナー濃度が制御される２成分現像剤を用いて静電潜像を現像する、
ことを特徴とする電子写真式の画像形成装置。
【請求項４】
２成分現像剤のトナー濃度検出方法であって、
前記２成分現像剤の透磁率に応じた周波数で発振する発振回路の発振周波数および発振開始電圧を測定し、
前記発振回路における発振開始電圧と発振周波数の温度特性との関係を示す情報を用いて、前記発振回路の発振開始電圧と動作環境温度とに応じて、前記発振周波数の測定結果を補正する
ことを特徴とするトナー濃度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２成分現像剤のトナー濃度を検出する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真式の画像形成装置において、トナーと磁性キャリアとを混合した２成分現像剤が用いられている。静電潜像の現像に際して、２成分現像剤のうちのトナーのみが像担持体（感光体）に付着し、磁性キャリアは現像ユニット内に残る。現像ユニット内でのトナーと磁性キャリアとの混合比を一定に保つため、現像によって消費された分のトナーが現像ユニットに補給される。磁性キャリアは繰り返し使用される。トナーの補給は、現像ユニット内の２成分現像剤におけるトナー濃度の検出値に基づいて制御される。
【０００３】
一般に、２成分現像剤のトナー濃度はＬＣ発振回路によって検出される。トナー濃度センサーとしてのＬＣ発振回路は、２成分現像剤の混合比に応じた周波数の発振信号を出力する。ＬＣ発振回路におけるコイルのインダクタンスが２成分現像剤の混合比で決まる透磁率に依存するので、混合比に応じて発振周波数が変化する。したがって、発振周波数を検出すれば、トナー濃度を算定することができる。
【０００４】
従来、ＬＣ発振回路のコイルをプリント配線技術によって形成したトナー濃度センサーが知られている。平板状のコイルを有するこのトナー濃度センサーは、磁性体のコアに導線を巻き付けた立体型のコイルを有するセンサーと比べて、感度に優れかつ小型であるという利点をもつ。
【０００５】
トナー濃度センサーの温度特性の影響を低減する次の先行技術がある。特許文献１では、プリントコイルをその抵抗値が所定範囲内に収まるように形成し、それによって環境温度の変化に因る発振周波数の変動量が許容値を超えないようにすることが提案されている。特許文献２では、２成分現像剤の混合比に応じてインダクタンスが変化する位置にコイルを配置した第１の発振回路と、インダクタンスが変化しない位置にコイルを配置した第２の発振回路とを用いてトナー濃度を検出することが開示されている。二つの発振回路の発振周波数の差を求めれば、各発振回路の温度特性が打ち消されたトナー濃度検出値が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２２３６２０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６６７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載の技術によれば、トナー濃度検出における環境温度の変化の影響を低減することができる。しかし、コイルの抵抗値が所望の範囲内の値であるトナー濃度センサーを量産するには、コイルパターンのサイズ、厚さ、およびパターン幅を均一にする生産技術が必要である。パターンサイズが小さいほど、厚さや幅の均一化が難しい。このため、ある程度以上の大きさのプリント基板を用いかつ製造条件を厳しく管理しなければならないので、トナー濃度センサーの製造コストが高くなってしまう。
【０００８】
また、上記特許文献２の開示のように二つのコイルを形成する場合は、相応のサイズのプリント基板が必要である。加えて、温度特性を打ち消すために二つのコイルのサイズ、厚さ、およびパターン幅を揃える必要がある。したがって、この場合にも、トナー濃度センサーの製造コストが高くなってしまう。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑み、トナー濃度センサーとしての発振回路のコイルの構造上の制約を緩和することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する装置は、２成分現像剤のトナー濃度を検出するトナー濃度検出装置であって、前記２成分現像剤の透磁率に応じた周波数で発振する発振回路と、前記発振回路の発振周波数を検出する周波数検出部と、前記発振回路の発振開始電圧を検出する電圧検出部と、前記発振回路の動作環境温度を検出する温度検出部と、前記発振回路における発振開始電圧と発振周波数の温度特性との関係を示す情報を用いて、前記温度検出部によって検出された動作環境温度および前記電圧検出部によって検出された発振開始電圧に基づいて、前記周波数検出部によって検出された発振周波数を補正する補正部と、を備え、前記補正部によって補正された発振周波数をトナー濃度情報として出力する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、トナー濃度センサーとしての発振回路のコイルの構造上の制約を緩和して発振回路の製造コストを低減することができ、かつ環境温度の変化に応じたトナー濃度検出を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る画像形成装置の構成を示す図である。
【図２】トナー濃度センサーの配置例を示す図である。
【図３】トナー濃度センサーの構成を示す図である。
【図４】トナー濃度センサーを含むトナー濃度検出装置の構成を示す図である。
【図５】トナー濃度センサーの電源電圧と出力信号との関係を模式的に示す波形図である。
【図６】トナー濃度センサーのコイルの抵抗値と発振開始電圧との関係を示すグラフである。
【図７】トナー濃度センサーのコイルの抵抗値と発振開始電圧との関係を示すグラフである。
【図８】トナー濃度センサーのコイルの抵抗値と環境温度変化に伴う発振周波数の変化との関係を示すグラフである。
【図９】トナー濃度センサーの発振周波数の温度特性を示すグラフである。
【図１０】画像形成装置におけるトナー濃度制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に例示される画像形成装置１はイメージスキャナー５を備えている。この種の装置としては、複写機、ＭＦＰ（Multi-functional Peripheral）、ファクシミリ装置などがある。画像形成装置１には、電子写真法によってモノクロ画像を形成するプリンターエンジン１０が組み付けられている。プリンターエンジン１０は、筒状の感光体１１、帯電チャージャー１２、レーザー走査ユニット１３、現像ユニット１４、転写チャージャー１５、分離レーザージャー１６、クリーナー１７、イレーサーランプ１８、および定着器１９を有している。これら作像エレメントを用いる電子写真プロセスは広く知られているので、各作像エレメントの機能およびプロセスの詳しい説明を省略する。コントローラー３０によって制御される画像形成動作の概略は次のとおりである。
【００１４】
画像形成装置１の操作パネル４０において例えば複写の開始を指示する操作が行なわれると、イメージスキャナー５によって原稿画像が読み取られ、レーザー走査ユニット１３によって原稿画像に応じた露光走査（印字とも呼ばれる）が行なわれる。露光走査によって感光体１１上に静電潜像が形成され、現像ユニット１４によって静電潜像がトナー像に現像される。露光走査は、用紙面上の画像形成範囲の先端が転写位置ｐ１に到着するときに、回転する感光体１１上のトナー像がちょうど転写位置ｐ１に到着するように開始される。露光走査と並行して用紙スタッカー２１からピックアップローラー２２によって用紙Ｐが取り出され、転写位置ｐ１に到着した用紙Ｐにトナー像が転写される。その後、定着器１９による加熱および加圧を経た用紙Ｐが排紙トレイ２８に送り出される。
【００１５】
例示の画像形成装置１において、現像ユニット１４には図１では図示しない２成分現像剤が収容されており、２成分現像剤のうちのトナーが磁性粒子であるキャリアから離れて感光体１１に静電吸着することによって静電潜像が現像される。２成分現像剤のトナー濃度を一定に保つように、トナー濃度センサー５０の出力に基づいてトナーボトル４２から現像ユニット１４へ適時にトナーが補給される。
【００１６】
図２では現像ユニット１４の一部が模式的に描かれている。図２のように、現像ユニット１４は、感光体１１と平行に配置される搬送スクリュー１４２を有している。現像ユニット１４の内部の２成分現像剤６０は、搬送スクリュー１４２の回転によって攪拌されながら図中の矢印Ｍ１の方向へ送られる。このとき、送り方向上流側の端部の上面に設けられたトナー補給口１４Ｅから現像ユニット１４の内部にトナーが補給される。そして、送り方向下流側の端部において、攪拌によってトナーとキャリアとが一様に混ざり合った状態の２成分現像剤６０の混合比（すなわちトナー濃度）がトナー濃度センサー５０によって検出される。トナー濃度センサー５０は、多層プリント配線基板上に形成された平板状のコイル５６を有しており、このコイル５６が現像ユニット１４の内側の下部に滞留する２成分現像剤と近接するように、現像ユニット１４の外側に配置されている。
【００１７】
図３（Ａ）はトナー濃度センサー５０の回路構成の例を示し、図３（Ｂ）はコイル５６の平面視形状（コイルパターン）の例を示している。図３（Ａ）のようにトナー濃度センサー５０はコイル５６を含むＬＣ発振回路であり、電源回路から動作電力の供給を受けて例えば９００ｋＨｚ前後の周波数の発振信号を出力する。現像ユニットのハウジングを介してコイル５６と近接する２成分現像剤の透磁率の変化に伴ってコイル５６のインダクタンスが変化し、それによって発振周波数が変化する。このようなトナー濃度センサー５０の発振周波数が、トナー濃度の適正値に対応する周波数となるように、トナーの補給量が制御される。
【００１８】
ところで、トナー濃度センサー５０の発振周波数はトナー濃度センサー５０の動作環境温度に依存する。そして、発振周波数の温度特性にはコイル５６の抵抗値が大きく影響する。導体の成膜およびエッチングを含むプリント配線プロセスによって作製されるコイル５６にはパターン幅や厚さのばらつきがあるので、コイル５６の抵抗値にも所定範囲のばらつきがある。したがって、トナー濃度を適正値に保つには、トナー濃度センサー５０による検出値（発振周波数）を動作環境温度およびコイル５６の抵抗値に応じて補正し、補正後の検出値に基づいてトナー補給を制御する必要がある。
【００１９】
本実施形態の画像形成装置１００では、「コイル５６の抵抗値とトナー濃度センサー５０の“発振開始電圧”との間に一定の相関関係がある」との知見が応用されている。すなわち、コイル５６の抵抗値を測定する代わりに発振開始電圧が検出され、発振開始電圧の検出値と動作環境温度の検出値とに基づいて発振周波数の補正が行なわれる。このような補正を行うトナー濃度検出装置の構成が図４に示されている。
【００２０】
図４のように、トナー濃度検出装置１は、トナー濃度センサー５０、温度センサー７０、ＣＰＵ（central processing unit）３１によって実現される複数の要素（３０１〜３０４）、および発振開始電圧と発振周波数の温度特性との関係を示す情報４００を備えている。トナー濃度検出装置１は、トナー濃度センサー５０の発振周波数Ｆを情報４００に基づいて補正し、補正後の発振周波数Ｆｒｅｖを補給制御部３０５に伝える。この補正後の発振周波数Ｆｒｅｖに応じて、図示しないトナー補給機構および搬送スクリュー１４２を回転駆動するモーター８５が補給制御部３０５によって制御される。
【００２１】
温度センサー７０は画像形成装置１００の内部に配置されている。温度センサー７０の出力はトナー濃度センサー５０の動作環境温度を示す信号としてＣＰＵ３１に取り込まれる。トナー濃度センサー５０の近傍に温度センサー７０を配置することにより、トナー濃度センサー５０に対する温度補正をより正確に行うことができる。
【００２２】
ＣＰＵ３１は、制御プログラムを実行することによって、発振開始電圧検出部３０１、温度検出部３０２、周波数検出部３０３、補正部３０４、および上述の補給制御部３０５として動作する。ＣＰＵ３１によって実現されるこれら五つの機能要素のうち、補給制御部３０５を除く四つの機能要素がトナー濃度検出装置１を構成する要素である。ＣＰＵ３１は、画像形成装置１００の全体制御を担うコントローラー３０（図１参照）に含まれてもよいし、コントローラー３０と連携するサブコントローラーに含まれてもよい。
【００２３】
情報４００は、第１関係情報４１０と第２関係情報４２０とで構成される。第１関係情報４１０は、コイル５６の抵抗値と発振開始電圧との関係を示す。第２関係情報４２０は、コイル５６の抵抗値と発振周波数の温度特性との関係を示す。情報４００は図示しない不揮発性メモリによって記憶されている。
【００２４】
ＣＰＵ３１の動作は次のとおりである。
【００２５】
トナー補給処理を受け持つ補給制御部３０５は、適時に電源回路８０を制御してモーター８５に駆動電力を供給する。モーター８５を回転させるのは、長時間の放置によって滞留中の２成分現像剤に混合の偏りが生じている場合があるので、混合を一様化するために攪拌を行う必要があるからである。モーター８５が回転すると、駆動ギアを介して連結された搬送スクリュー１４２が回転して２成分現像剤が攪拌される。
【００２６】
２成分現像剤を攪拌した後、電源回路８０内の低圧電源８２がオン状態とされ、トナー濃度センサー５０に電源電圧Ｖｉｎが印加される。トナー濃度センサー５０において、図５に示されるように、電源電圧Ｖｉｎが０ボルトから定常電圧（例えば３．３ボルト）へ遷移する立ち上がりの途中で発振が始まる。発振開始後、トナー濃度センサー５０の出力信号Ｓ５０の振幅は次第に大きくなって一定になる。より詳しくは、図５に模式的に示されるように、電源電圧Ｖｉｎが上昇するにつれてトナー濃度センサー５０の出力信号Ｓ５０の振幅が次第に大きくなり、電源電圧Ｖｉｎが定常電圧となる頃に出力信号Ｓ５０が振幅のほぼ一定した発振信号となる。低圧電源８２およびトナー濃度センサー５０は電源電圧Ｖｉｎの立ち上がりの途中で発振が始まるように構成されている。
【００２７】
発振開始電圧検出部３０１は、トナー濃度センサー５０に印加される電源電圧Ｖｉｎと、トナー濃度センサー５０の出力信号Ｓ５０とを監視する。すなわち、電源の立ち上がり過渡期間よりも十分に短い周期で電源電圧Ｖｉｎと出力信号Ｓ５０とをサンプリングする。そして、発振開始電圧検出部３０１は、時系列のサンプリング値を比較し、例えば出力信号Ｓ５０の振幅が急激に変化したときの電源電圧Ｖｉｎを発振開始電圧Ｖｓとして検出する。検出された発振開始電圧Ｖｓは補正部３０４に伝えられる。
【００２８】
発振開始電圧Ｖｓの検出と並行して、温度センサー７０の出力信号Ｓ７０によって温度検出部３０２がトナー濃度センサー５０の動作環境温度Ｔｃを検出し、トナー濃度センサー５０の出力信号Ｓ５０によって周波数検出部３０３が発振周波数Ｆを検出する。動作環境温度Ｔｃおよび発振周波数Ｆも補正部３０４に伝えられる。
【００２９】
補正部３０４は、情報４００を用いて、動作環境温度Ｔｃおよび発振開始電圧Ｖｓに基づいて、発振周波数Ｆを補正する。補正後の発振周波数Ｆｒｅｖに基づいて、上述のとおり補給制御部３０５によってトナーの補給が制御される。
【００３０】
以下、図６〜図９のグラフを参照して、補正部３０４の動作についてさらに詳しく説明する。
【００３１】
図６は、トナー濃度センサー５０と同じ構成の複数のＬＣ発振回路におけるコイルの端子間の抵抗値と発振開始電圧との関係を示している。図６において、コイルの抵抗値が大きくなるにつれて発振開始電圧は大きくなっている。特に、抵抗値が約６．５Ωから約９Ωまでの範囲において抵抗値と発振開始電圧とがほぼ比例することが見て取れる。図７は、ＬＣ発振回路に近接する２成分現像剤の透磁率が異なる三つの場合のそれぞれにおける、コイルの抵抗値と発振開始電圧との関係を示している。図７のグラフが示すように、抵抗値と発振開始電圧との相関関係は、２成分現像剤の透磁率にほとんど影響されない。したがって、トナー濃度センサー５０における発振開始電圧Ｖｓを検出すれば、コイル５６の抵抗値を求めることができる。製造上のばらつきのある抵抗値が発振開始電圧とこの抵抗値とが比例する範囲内の値であれば、発振開始電圧Ｖｓは抵抗値をＲとして（１）式で表わされる。
Ｖｓ＝α×Ｒ＋β  …（１）
ただし、式中のα，βは発振回路固有の定数である。
（１）式を変形すると、抵抗値（Ｒ）を表わす（１Ｂ）式が得られる。
Ｒ＝（Ｖｓ−β）／α  …（１Ｂ）
上述の第１関係情報４１０は、この（１Ｂ）式を表すデータである。
【００３２】
図８は、トナー濃度センサー５０と同じ構成の複数のＬＣ発振回路を用いて測定された、
コイルの抵抗値と環境温度変化に伴う発振周波数の変化との関係を示している。図８のグラフの縦軸の値は、０℃における発振周波数Ｆ[0]と５０℃に発振周波数Ｆ[50]との差（Ｆ[50]−Ｆ[0]）である。発振周波数の温度特性は線形特性とみなすことができる。これを踏まえて図８を見ると、抵抗値が６．５Ω付近の値である場合は、環境温度が０℃から５０℃までの範囲内で変化するときに、発振周波数Ｆが２５０Ｈｚ程度の変動幅で変化することが分かる。また、抵抗値が７．５Ω付近の値である場合には、発振周波数Ｆがおおよそ６００Ｈｚの変動幅で変化することが分かる。
【００３３】
図９は、コイルの抵抗値をパラメータとした発振周波数の温度特性を示している。図９のグラフの縦軸の値は、標準環境温度（２５℃）での発振周波数を基準とした発振周波数の変動量ΔＦである。温度特性を線形特性とみなすと、ある温度での発振周波数の変動量（すなわち基準の発振周波数との差）ΔＦは、動作環境温度をＴｃとして（２）式で表わされる。
ΔＦ＝ａR×Ｔｃ＋ｂR  …（２）
ただし、式中のａR，ｂRはコイルの抵抗値に応じた定数である。
上述の第２関係情報４２０は、この（２）式およびコイルの抵抗値として取り得る複数の値のそれぞれに応じた定数ａR，ｂRの値である。
【００３４】
補正部３０４によって得られる補正後の発振周波数Ｆｒｅｖは、（３）式で表される。
Ｆｒｅｖ＝Ｆ−ΔＦ  …（３）
補正部３０４は、検出された発振開始電圧Ｖｓに基づいて、第１関係情報４１０が示す（１Ｂ）式を適用してコイル５６の抵抗値（Ｒ）を算出する。続いて、補正部３０４は、第１関係情報４２０が示す（２）式の定数ａR，ｂRの値として、先に算出した抵抗値（Ｒ）に応じた値を選択し、検出された動作環境温度Ｔｃに基づいて、発振周波数の変動量ΔＦを算出する。そして、補正部３０４は、（３）式を適用して温度補正された発振周波数Ｆｒｅｖを算出する。
【００３５】
図１０は画像形成装置１００におけるトナー濃度制御のフローチャートである。発振開始電圧検出部３０１が、トナー濃度センサー５０に印加される電源電圧Ｖｉｎを監視して発振開始電圧Ｖｓを取得する（Ｓ１０，Ｓ２０，Ｓ３０）。補正部３０４が発振開始電圧Ｖｓに基づいてコイル５６の抵抗値（Ｒ）を求める（Ｓ４０）。温度検出部３０２によってトナー濃度センサー５０の動作に関わる環境温度（動作環境温度）Ｔｃが検出されると、補正部３０４は発振周波数の補正量（ΔＦ）を算出する（Ｓ６０）。周波数検出部３０３がトナー濃度センサー５０の発振周波数Ｆを検出し（Ｓ７０）、補正部３０４が発振周波数Ｆを補正した発振周波数Ｆｒｅｖを出力する（Ｓ８０）。そして、発振周波数Ｆｒｅｖを取得した補給制御部３０５が、発振周波数Ｆｒｅｖと標準環境温度での適正混合比に対応する発振周波数との差に応じて、２成分現像剤の混合比が適正値になるように現像ユニット１４にトナーを補給する（Ｓ９０）。
【００３６】
以上の実施形態において、（１Ｂ）式による演算および（２）式による演算に代えて、ルックアップテーブルを用いる手法によって、コイル５６の抵抗値（Ｒ）および発振周波数の変動量ΔＦを求めることができる。その場合、第１関係情報４１０を、発振開始電圧Ｖｓの取り得る複数の値とそれらに応じた抵抗値Ｒの値とを対応づけるルックアップテーブルとすればよい。そして、第２関係情報４２０を、環境温度として取り得る値とコイルの抵抗値として取り得る値との組合せ得る複数の組のそれぞれに応じた発振周波数の変動量ΔＦの値を示すルックアップテーブルとすればよい。さらに、これら二つのルックアップテーブルを統合し、発振開始電圧Ｖｓおよび動作環境温度Ｔｃの入力に対して補正後の発振周波数Ｆｒｅｖを出力するルックアップテーブルを情報４００として記憶しておいてもよい。
【００３７】
画像形成装置１００はモノクロ機に限らず、複数の現像器を有するカラー機であってもよい。カラー機では、複数の現像器のそれぞれに対してトナー濃度センサー５０を配置し、トナー色の異なる複数種の２成分現像剤のそれぞれのトナー濃度を検出すればよい。画像形成装置１００はイメージスキャナーを備えていない電子写真式のプリンターであってもよい。
【００３８】
上述の実施形態において、所定の立ち上がり時間で０ボルトから定常電圧まで変化するようにトナー濃度センサー５０に対して電源電圧Ｖｉｎを印加するために、低圧電源８２およびその負荷を含めた電源回路の充電に要する立ち上がり遅延を利用してもよく、また、そのような傾斜の立ち上がり電圧発生回路を用いてもよい。
【００３９】
上述の実施形態において、コイル５６のパターン、発振回路の形式および回路構成を含め、トナー濃度検出装置１の構成および動作などは本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１    トナー濃度検出装置
５０    トナー濃度センサー（発振回路）
６０    ２成分現像剤
３０１    発振開始電圧検出部（電圧検出部）
３０２    温度検出部
３０３    周波数検出部
３０４    補正部
Ｆ    発振周波数
Ｆｒｅｖ    補正された発振周波数
４００    情報
４１０    第１関係情報
４２０    第２関係情報
５６    コイル
１００    画像形成装置
【図１】
0005796505.tif 000002
【図２】
0005796505.tif 000003
【図３】
0005796505.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005796505.tif 000011