(57)【要約】【課題】感光ドラム上の静電潜像の現像に供されるトナーのトリボ量を精度よく検出する。【解決手段】現像器の現像シリンダ上のトナーを、電荷量／質量検出手段５０１の本体５０２のトナー受け部５０２ａで受けて、その帯電量と質量とを測定し、測定結果からトナーのトリボ量（単位質量当たりの電荷量）を算出する。この際、トナー受け部５０２ａ内のトナーが偏っていると帯電量を精度よく測定できないので、測定に先立ち、電極５０５，５０７と圧電材料５０６によって構成された圧電素子５０４によって本体５０２を所定時間、振動させ、トナーを均一化させてから測定を行う。この測定結果から算出された高精度のトリボ量に基づいて、トナー像の濃度制御を高精度で行うことができる。【選択図】　　　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷を有するトナーを像担持体上に静電的に付着させる現像手段を備えた画像形成装置において、
トナーの帯電量を測定する帯電量測定手段と、
帯電量が測定されたトナーの質量を測定する質量測定手段と、
前記帯電量測定手段から得られた帯電量と前記質量測定手段から得られた質量とからトナーの単位質量当たりの電荷量であるトリボ量を算出するトリボ量算出手段と、を備え、
さらに、前記帯電量測定手段及び質量測定手段を振動させる振動手段を備え、
トナーの帯電量及び質量の測定は、前記振動手段で前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段を振動させた後に行う、
ことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記振動手段は、圧電素子によって構成されている、
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】
前記圧電素子は、超音波領域の駆動信号に対しても応答可能である、
ことを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記圧電素子の駆動信号は、超音波領域の信号を含んでいる、
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】
前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段と、前記振動手段との間には、高耐電界絶縁膜が介装されている、
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の画像形成装置。
【請求項６】
トナーの帯電量及び質量の測定は、画像形成装置本体の電源投入時に、前記振動手段によって前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段を振動された直後に行われる、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
【請求項７】
トナーの帯電量及び質量の測定は、所定時間毎に、前記振動手段によって前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段を振動された直後に行われる、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
【請求項８】
トナーの帯電量及び質量の測定は、前記像担持体表面電位の制御及び濃度補正制御が行われるときに、前記振動手段によって前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段を振動された直後に行われる、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
【請求項９】
画像形成装置本体近傍の雰囲気中の水分量を検出する水分量検出手段を備え、
前記水分量検出手段の出力に応じて、前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段を振動させ、トナーの帯電量及び質量の測定に制御が行われる、
ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の画像形成装置。
【請求項１０】
前記水分量検出手段の出力に応じて、トナーの帯電量及び質量を測定する前に前記振動手段の振動駆動条件を変更して制御する、
ことを特徴とする請求項９に記載の画像形成装置。
【請求項１１】
前記帯電量測定手段と前記質量測定手段と前記振動手段とは、一体的に構成されるとともに外部電界に対してシールド可能に構成される、
ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の画像形成装置。
【請求項１２】
前記帯電量測定手段と前記質量測定手段と前記振動手段とは、一体的に構成されるとともに外部電界に影響されない場所に移動可能に構成される、
ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタ，複写機，ファクシミリ等の画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子写真法としては、特許文献１、特許文献２、特許文献３等に記載されているように、多数の方法が知られている。
【０００３】
一般には、光電物質を利用した記録体である感光体上に種々の手段により電気的に潜像（静電潜像）を形成し、次いで静電潜像をトナーにより現像し、得られたトナー像を必要に応じて紙等の転写材上に転写し、爪状部材及び分離バイアスの作用により転写材を感光体から分離し、このトナー像を加熱又は溶剤蒸気等により転写材に定着して、画像を得るものである。
【０００４】
また、現像剤を用いて静電潜像を可視化する現像方法にも種々のものが知られている。例えば、磁気ブラシ現像方法（例えば、特許文献４参照）、パウダークラウド方法（例えば、特許文献５参照）、さらにはファーブラシ現像法、液体現像法など多数の方法がある。これらの現像方法において、特にトナー及びキャリヤを主体とする二成分現像剤を用いる磁気ブラシ現像法が広く実用化されている。この方法は、比較的安定に良好な画像が得られる反面、キャリヤの劣化、トナーとキャリヤとの混合比の変動という二成分現像剤であることに起因する欠点がある。
【０００５】
このような欠点を回避するために、トナーのみからなる一成分現像剤を用いる現像方法が各種提案されている。この現像方法によれば、キャリヤに対するトナーの混合比を制御する必要がなくなるため、装置が簡略化されるという利点がある。
【０００６】
この一成分現像法では、キャリヤを用いないために、トナーに適宜な帯電電荷を与えることが難しい。このためトナーの帯電方法が各種検討されている。
【０００７】
例えば特許文献６には、トナー担持体との摩擦帯電により帯電電荷を付与する方法が、また、特許文献７には、摩擦部材を設けて、これとの摩擦帯電により帯電電荷を付与する方法が述べられている。さらに、その摩擦部材に電圧を印加する方法、コロナ帯電などの帯電付与部材によりトナーを帯電させる方法などが工夫されている。
【０００８】
ただし、一成分現像剤を用いる現像方法においても、画像作成条件によっては現像剤の耐久が進み、また環境が変化することによるトナーの帯電状態の劣化は否めない。現像剤が劣化すると、画像濃度が低下したり、転写材の白地に現像剤が付着するいわゆる「かぶり」という現象が発生したりする。すなわち、出力画像の適性濃度が得られなくなる。
【０００９】
現在、このような現象に関しては、例えば、電位制御、環境制御、濃度制御等によって濃度補正制御を行うことで、画像濃度の低下を防止するようにしている。上述の電位制御は、電位測定手段によって感光体の表面電位を測定し、その測定出力に応じて感光体表面の電位を制御するものである。また、環境制御は、環境センサの出力に応じて現像電位を制御するものである。そして、濃度制御は、現像後の感光体上の画像濃度を検出して画像濃度を補正するものである。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第２，２９７，９６１号明細書
【特許文献２】
特公昭４２−２３９１０号公報
【特許文献３】
特公昭４３−２４７４８号公報
【特許文献４】
米国特許第２，８７４，０６３号明細書
【特許文献５】
米国特許第２２１，７７６号明細書
【特許文献６】
特開昭５０−４５３９号公報
【特許文献７】
特開昭５４−２１００号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした従来の技術に係る画像形成装置においては、ある程度画像濃度の補正は可能であったが、本質的に現像剤の劣化が原因である出力画像の濃度変化を完全に制御することは不可能であった。すなわち、感光体上の電位や感光体上に形成された画像の濃度、及び環境センサ出力に応じて画像の濃度補正制御を行っても、出力画像の品位が完全に保たれる制御はできないのが現状である。このような濃度の安定しない現象は、二成分現像剤を使用する現像方法及び一成分現像剤を用いた現像方法においても発生するものである。特に、カラーの画像形成装置においては、濃度のみならず色味の変化として敏感に現れる。
【００１２】
さらに、現像方式として、一成分磁性現像剤を使用する電界飛翔現像方法，ジャンピング現像方法では、特に、高湿度環境での画像形成装置の起動時には、現像剤が放置中に水分を吸着し現像剤粒子の表面抵抗が低下し、現像剤の保持すべきトリボ量（単位重量当たりの電荷量）が維持できずに現像効率が低下する。
【００１３】
そのため、特開２０００−１８１３２１号公報等において開示された技術のように、所定の湿度の環境下での画像形成装置の起動時の準備期間（主に定着装置の加熱を目的とする）において、現像剤担持部材近傍に滞留する劣化したトナーを、強制的に感光体を経由して、清掃装置へ転移させて、劣化トナーが画像出力に供されるのを防ぐようにしている。また劣化してはいないが、長時間の休止により一次的にトリボ量が低下したトナーのトリボ量を増加させるために、トナーを消費しない現像剤担持部材の回転を行うようにしている。
【００１４】
従来技術においては、前述の劣化トナーの強制排出は一定の環境下では必ず作動するようなシーケンスとなっており、実際には劣化していないのに強制排出されるなど、トナーを無駄に消費することからランニングコストの上昇を招いていた。
【００１５】
上述の現象は、実際に現像器内の現像剤のトリボ量を直接検知しているわけでなく、現在このような画像形成装置において測定可能な物理量から現像剤のトリボ量を推定して濃度補正制御を行っているためであり、直接、現像剤のトリボ量を測定する手段が無い限り解決困難な現象である。
【００１６】
トリボ量検出の重要性に関しては、以前から判明していたことであり、いくつか特許として開示されている。しかし、それらの特許には、トリボ量測定方法の原理的なものやトリボ量を測定してどのような制御に用いるかを述べた特許はあるものの、現在の画像形成装置をみてもわかるようにトリボ量検出手段（トリボセンサ）が実現されていないのと同様、具体的に画像形成装置に実現できる形で実装するに際しての様々な問題に関する解決策に関しては記載されていない。
【００１７】
実際にトリボ量検出手段を画像形成装置に実装するには、静電誘導を用いて現像剤の保有する電荷を測定する方法が最も適当であると思われる。したがって、現像剤を付着させる何らかの電極をなすもの及びその付着した現像剤の質量を測定する手段が必要となるが、画像形成装置内に実現するにあたっては以下の問題が考えられる。
【００１８】
▲１▼　配置／構成／形状／測定回路に関して
具体的には感光体に現像剤を現像する現像器の近傍に配置する必要があるが、微小電荷及び質量を検出する検出手段を実現するにあたって、検出手段の配置／構成／形状／測定回路を適正にする必要がある。また、現像剤のトリボ量のみを検出手段に反映させる必要があり、さらにトリボ量検出手段が画像形成に影響を与えない構成が必要となる。
【００１９】
▲２▼　被測定物（現像剤）の均一性
検出手段に現像剤が適当に付着すると、付着量／付着形状によって同じトリボ量を持つ現像剤であっても、検出値が安定しないことが予測される。よって、この検出手段に現像剤を均一に付着させる必要がある。また、一度検出した現像剤が検出手段に付着したままであると、次回検出時に正しい検出ができない。よって、一度検出した現像剤を速やかに検出手段から離脱させる必要がある。
【００２０】
▲３▼　測定タイミング
被検出物は電荷量及び質量が微小なものである。よって、可能な限り装置内の影響を受けない状況での検出が望ましい。また、検出タイミングも装置の状況に応じて制御することで、より安定したトリボ量が得られ、効果的なタイミングで検出することで、より安定した画質が得られると考えられる。
【００２１】
▲４▼　微小信号の安定な測定方法
前述したように、被検出物は電荷量及び質量が微小なものである。よって、微小信号を正確に検出できる検出方法が必要である。
【００２２】
本発明は、トナーのトリボ量を精度よく検出することのできる画像形成装置、さらにはその精度のよい出力値に基づいて良好な濃度制御を可能とした画像形成装置を提供することを目的とするものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、電荷を有するトナーを像担持体上に静電的に付着させる現像手段を備えた画像形成装置において、トナーの帯電量を測定する帯電量測定手段と、帯電量が測定されたトナーの質量を測定する質量測定手段と、前記帯電量測定手段から得られた帯電量と前記質量測定手段から得られた質量とからトナーの単位質量当たりの電荷量であるトリボ量を算出するトリボ量算出手段と、を備え、さらに、前記帯電量測定手段及び質量測定手段を振動させる振動手段を備え、トナーの帯電量及び質量の測定は、前記振動手段で前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段を振動させた後に行う、ことを特徴とする。
【００２４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の画像形成装置において、前記振動手段は、圧電素子によって構成されている、ことを特徴とする。
【００２５】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の画像形成装置において、前記圧電素子は、超音波領域の駆動信号に対しても応答可能である、ことを特徴とする。
【００２６】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の画像形成装置において、前記圧電素子の駆動信号は、超音波領域の信号を含んでいる、ことを特徴とする。
【００２７】
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の画像形成装置において、前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段と、前記振動手段との間には、高耐電界絶縁膜が介装されている、ことを特徴とする。
【００２８】
請求項６に係る発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像形成装置において、トナーの帯電量及び質量の測定は、画像形成装置本体の電源投入時に、前記振動手段によって前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段を振動された直後に行われる、ことを特徴とする。
【００２９】
請求項７に係る発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像形成装置において、トナーの帯電量及び質量の測定は、所定時間毎に、前記振動手段によって前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段を振動された直後に行われる、ことを特徴とする。
【００３０】
請求項８に係る発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像形成装置において、トナーの帯電量及び質量の測定は、前記像担持体表面電位の制御及び濃度補正制御が行われるときに、前記振動手段によって前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段を振動された直後に行われる、ことを特徴とする。
【００３１】
請求項９に係る発明は、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の画像形成装置において、画像形成装置本体近傍の雰囲気中の水分量を検出する水分量検出手段を備え、前記水分量検出手段の出力に応じて、前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段を振動させ、トナーの帯電量及び質量の測定に制御が行われる、ことを特徴とする。
【００３２】
請求項１０に係る発明は、請求項９に記載の画像形成装置において、前記水分量検出手段の出力に応じて、トナーの帯電量及び質量を測定する前に前記振動手段の振動駆動条件を変更して制御する、ことを特徴とする。
【００３３】
請求項１１に係る発明は、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の画像形成装置において、前記帯電量測定手段と前記質量測定手段と前記振動手段とは、一体的に構成されるとともに外部電界に対してシールド可能に構成される、ことを特徴とする。
【００３４】
請求項１２に係る発明は、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の画像形成装置において、前記帯電量測定手段と前記質量測定手段と前記振動手段とは、一体的に構成されるとともに外部電界に影響されない場所に移動可能に構成される、ことを特徴とする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図面において同一の符号を付したものは、同一の構成又は作用をなすものであり、これらについての重複説明は適宜省略した。
【００３６】
＜実施の形態１＞
図１に、本発明に係る画像形成装置の一例をして、実施の形態１に係る画像形成装置を示す。同図に示す画像形成装置は、電子写真方式のデジタル複写機であり、同図はその概略構成を示す縦断面図である。
【００３７】
同図に示すデジタル複写機（以下「画像形成装置」という。）において、原稿自動送り装置２０１の原稿載置部２０３に置かれた原稿（不図示）は、給紙ローラ２０４によって分離・給紙され、搬送ガイド２０６にガイドされて、読取り装置２０２に搬送される。さらに搬送ベルト２０８によって一定速度で搬送され、排紙ローラ２０５によって機外に排出される。この間、読取り装置２０２の読取り位置で照明系２０９で照明された画像は、反射ミラー２１０，２１１，２１２からなる光学系によって画像読取り部２１３で画像信号に変換される。
【００３８】
画像読取り部２１３は、レンズ、光電変換素子であるＣＣＤ、ＣＣＤの駆動回路等からなる。原稿の読取りは原稿を一定速度で搬送し読取り系は停止して読み取る流し読みモードと、原稿を読取り装置２０２の原稿ガラス台２１４上に載置して照明系２０９及びミラー２１０，２１１，２１２を一定速度で移動して読み取る固定モードがある。通常、シート状の原稿は流し読みモードで、また、綴じられた原稿は固定モードで読み取られる。
【００３９】
上述の読取り部２１３で変換された画像信号は、画像処理部１０２（図２，図３参照）で処理された後、ページ単位で画像再生装置３０１で転写材（例えば紙，透明フィルム）に再生される。画像信号は半導体レーザ（不図示）などによって光信号に変調される。変調されたレーザ光は、ポリゴンミラーによる光走査装置３１１、ミラー３１２，３１３を経由して、一次帯電器３１０によって表面を一様に帯電された感光ドラム（像担持体としてのドラム型の電子写真感光体）３０９上に露光され、静電潜像を形成する。静電潜像は現像器（現像手段）３１４のトナーによってトナー像として現像され、転写帯電器３１５によってトナー像が転写材に転写される。
【００４０】
転写材は給紙カセット３０２，３０４に収納されている。なお、本実施の形態においては、給紙カセット３０２には標準紙が、また、給紙カセット３０４にはタブ紙が収納されている。給紙カセット３０２からの転写材（標準紙）は給紙ローラ３０３によって給紙され、搬送ローラ３０６によって搬送され、レジストローラ３０８によって感光ドラム上のトナー像とのタイミングを調整して、感光ドラム３０９と転写帯電器３１５との間の転写位置に搬送される。
【００４１】
一方、給紙カセット３０４の転写材（タブ紙）は給紙ローラ３０５によって給紙され、搬送ローラ３０７，３０６によって搬送され、レジストローラ３０８によって感光ドラム上のトナー像とのタイミングを調整して、転写位置に搬送される。トナー像が転写された転写材は搬送ベルト３１７で定着器３１８に搬送され、定着ローラ３１８ａ及び加圧ローラ３１８ｂによって加熱・加圧されて表面にトナー像が定着される。
【００４２】
なお、トナー像転写後の感光ドラム３０９は、転写材に転写されないで表面に残ったトナー（残留トナー）がクリーニング装置３１６によって除去され、次の画像形成に供される。
【００４３】
画像形成装置において、ユーザによって片面モードが設定されている場合は、定着器３１８からの転写材は定着排紙ローラ３１９及び排紙ローラ３２４によって機外（画像形成装置本体外部）に排紙される。これに対して、両面モードが設定されている場合には、転写材は定着排紙ローラ３１９から搬送ローラ３２０を経由して反転ローラ３２１によって反転パス３２５へ搬送される。さらに、転写材の後端が両面パス３２６との合流ポイントを通過した直後に反転ローラ３２１の回転を反転することで転写材は表裏反転されて両面パス３２６へと搬送される。両面パス３２６に搬送された転写材は、ローラ３２２，３２３によって搬送され、再び搬送ローラ３０６を経由してレジストローラ３０８で裏面画像とのタイミング調整された後、トナー像が転写され、定着された後、機外に排出される。
【００４４】
なお、定着器３１８からの転写材の表裏を反転して機外に排出する場合には、転写材を一旦、搬送ローラ３２０へ搬送し、転写材の後端が搬送ローラ３２０を通過する直前に搬送ローラ３２０の回転を反転して、排紙ローラ３２４によって機外に排紙される。
【００４５】
図２に、上述の画像形成装置の画像制御部１０５のブロック図を示す。
【００４６】
画像形成装置は、すべてシステムコントローラ（制御手段）１５１によって統括的にコントロールされる。システムコントローラ１５１は、主に装置内の各負荷の駆動、センサ類１５９の情報収集解析、及び前述した画像処理部１０２に加えて、操作部１５２、すなわちユーザインターフェースとのデータの交換の役割を担っている。システムコントローラ１５１の内部構成は、上述した役割を担うために、ＣＰＵ１５１ａが搭載されており、ＣＰＵ１５１ａは、同様にシステムコントローラ１５１に搭載されたＲＯＭ１５１ｂに格納されたプログラムによって、あらかじめ決められた画像形成シーケンスに係る様々なシーケンスを実行する。また、その際、一次的又は恒久的に保存することが必要な書換え可能なデータを格納するために、ＲＡＭ１５１ｃも搭載されている。ＲＡＭ１５１ｃには、例えば後述する高圧制御部（高圧制御回路）１５５への高圧設定値、後述する各種データ、操作部１５２からの画像形成指令情報などが保存されることになる。
【００４７】
システムコントローラ１５１は、画像制御部１０５に対し、画像処理部１０２に必要な各部の仕様設定値データを送出することに加えて、各部からの信号、例えば原稿画像濃度信号などを受信して、後述する高圧制御部１５５や画像処理部１０２を制御して最適な画像形成を行うための設定を行う。
【００４８】
操作部１５２に対しては、ユーザにより設定された複写倍率、濃度設定値などの情報を得ることに加えて、画像形成装置の状態、例えば画像形成枚数や画像形成中か否かの情報、ジャムの発生やその箇所等をユーザに示すためのデータを送出している。また、後述する、タブ紙に対する各種設定や、タブ紙に対する警告表示を行うためのやり取りが行われる。
【００４９】
次に装置内の各負荷の駆動、センサ類の情報収集解析について説明する。本画像形成装置は、装置内部の各所にモータ、クラッチ／ソレノイド等のＤＣ負荷及び、フォトインタラプタやマイクロスイッチ等のセンサが配置されている。つまり、モータの駆動や各ＤＣ負荷を適宜駆動させることで、転写材の搬送や各ユニットの駆動を行っており、その動作を監視しているものが各種センサである。そこでシステムコントローラ１５１は、各種センサ類１５９からの信号をもとに、モータ制御部１５７により各モータをコントロールさせると同時に、ＤＣ負荷制御部１５８により、クラッチ／ソレノイドを動作させて画像形成動作を円滑に進めている。
【００５０】
また、高圧制御部１５５に各種高圧制御信号を送出することで、高圧ユニット１５６を構成する各種帯電器である一次帯電器３１０、転写帯電器３１５、現像器３１４の現像シリンダ４１１（図１，図４参照）に適切な高圧を印加させている。さらに前述した定着器３１８内の定着ローラ３１８ａ及び加圧ローラ３１８ｂには、それぞれローラを加熱するためのヒータ１６１が内蔵されており、その各ヒータ１６１はＡＣドライバ１６０によってＯＮ／ＯＦＦ制御されている。またこの際、定着ローラ３１８ａ及び加圧ローラ３１８ｂにはその温度を測定するためのサーミスタ１５４が設けられ、Ａ／Ｄ変換機１５３によって、定着ローラ３１８ａ及び加圧ローラ３１８ｂの温度変化に応じたサーミスタ１５４の抵抗値変化を電圧値に変換した後、デジタル値としてシステムコントローラ１５１に入力される。この温度データをもとに前述のＡＣドライバ１６０を制御することになる。
【００５１】
図３に、画像処理部１０２のブロック図を示す。
【００５２】
画像読取り部２１３で読み取られた画像データは、画像処理部１０２に入力され、画像処理回路４０２で所定の画像処理が行われた後、メモリ制御回路４０３に入力される。メモリ制御回路４０３は、ＣＰＵ４０１の制御により、入力された画像データをメモリ４０４に格納するとともに、メモリ４０４から画像形成する画像データを読み出して画像書込み部１０３に出力する。
【００５３】
ＣＰＵ４０１はメモリ制御回路４０３を制御して、入力画像データのメモリ４０４への格納と、メモリ４０４に格納された画像データの画像書込み部１０３への出力とを行うとともに、メモリ４０４に格納された画像データを読み出して、１ページの画像データ内で、実際に画像形成される画像データが存在する画像領域を検出し、画像制御部１０５に通知する。なお、上述の画像処理回路４０２には、画像読取り部２１３からのほかに、外部Ｉ／Ｆ（インタフェイス）１０６からもデータが入力される。
【００５４】
以下に本実施の形態の特徴的な部分について詳述する。
【００５５】
図４は、図１の現像器３１４の詳細説明図である。トナーカートリッジ４０１は着脱式で、ここからユーザがトナー補給を行う。この現像器３１４においては、ホッパ４０４を備えているため、現像器３１４の稼動中でもトナー補給が可能である。トナーカートリッジ４０１内のトナーは、ホッパ内トナーセンサ４０５がトナー無しを検出すると、カートリッジ内トナー搬送モータ４０２が稼動し、トナー搬送スクリュー４０３を駆動させて、トナーをホッパ４０４へと供給する。また、現像器内トナーセンサ４１０がトナー無しを検出すると、ホッパ内トナー搬送モータ４０９が稼動し、マグネットローラ駆動クラッチ４０７と連動してマグネットローラ４０８を駆動し、ホッパ４０４内のトナーを現像器３１４内へと供給する。このように現像器３１４内に供給されたトナーは、メインモータ４１２の稼動によって、現像シリンダークラッチ４１３と連動して攪拌部材４１４により現像シリンダ４１１上に導かれる。そして、以上の動作はシステムコントローラ１５１によって制御されている。
【００５６】
図５は、現像器３１４と、感光ドラム３０９と、これらを制御するシステムコントローラ１５１と、現像に必要な高圧を発生させる高圧制御部１５５と、さらに本発明の特徴である、電荷量／質量検出手段５０１、及びこの電荷量／質量検出手段５０１を制御する電荷量／質量検出制御回路５０８とを加えた構成図である。前述のように現像シリンダ４１１に導かれたトナーは、システムコントローラ１５１の制御に従った電圧を発生する高圧制御部１５５により適性電圧が印加され、感光ドラム３０９へ現像される。電荷量／質量検出手段５０１は、現像直前のトナー状態を検出するために、現像位置Ｄの直前、すなわち現像シリンダ４１１の回転方向（反時計回り）に沿っての現像位置Ｄの直ぐ上流側に配置されている。
【００５７】
また、電荷量／質量検出手段５０１はトナーの電荷量を検出する電極とトナーの質量を検出する圧電素子（加圧センサ：後述）とを有していて、電荷量と質量とを同時に検出できる構成となっている。
【００５８】
図６，図７に電荷量／質量検出手段５０１の構成を示す。このうち図６は、電荷量／質量検出手段５０１の縦断面図、また図７は電荷量／質量検出手段５０１の上面図である。
【００５９】
電荷量／質量検出手段５０１は、電荷量／質量検出手段本体（以下単に「本体」という。）５０２が、絶縁層（高耐電界絶縁膜）５０３を介して圧電素子５０４によって支持されている。
【００６０】
圧電素子５０４は、一方の電極５０５と他方の電極５０７との間に圧電材料５０６を挟み込むことによって構成されている。このうち電極５０７は、本体５０２を支持する支持部材としても作用する。本体５０２は、トナーを平均化するために、内側のトナー受け部５０２ａが上方を向くように配置されるのがよく、実際、本実施の形態に係る画像形成装置ではそのような配置が可能である。
【００６１】
上述の電極５０５，５０７、圧電材料５０６からなる圧電素子５０４は、本体５０２を振動させて、本体５０２のトナー受け部５０２ａに収納されているトナーを均一化させるための振動手段であり、具体的には、圧電材料５０６が２つの電極５０５，５０７間に印加される信号に応じた振動を生じさせるように構成されている。なお、この電荷量／質量検出手段５０１が配設されている部分は、画像形成時のトリボ測定時に生じる高電界等の影響が生じないように保護されているものとする。図６，図７に示す構成では、絶縁層５０３で、本体５０２と圧電素子５０４とが空間的に分離するように構成されており、この絶縁層５０３によって、圧電素子５０４が本体５０１にかかる電界の影響を受けないような構成となっている。
【００６２】
上述の圧電素子５０４を構成する電極５０５，５０７には、それぞれ制御信号発生回路から制御信号線が接続されており、その信号線間に、圧電素子駆動信号が前述のＴ０にあわせて加えられ，圧電素子５０４の振動モードに応じた振動が本体５０２を振動させて、本体５０１のトナー受け部５０２ａ上のトナーを均一化させるように動作する。
【００６３】
この場合、駆動信号は、もちろんこのセンサデバイスとしての電荷量／質量検出手段５０１の物理的構造に依存するが、基本的には，超音波領域の振動周波数の駆動信号、又は，少なくとも超音波領域の周波数成分を含むような駆動信号、例えば通常の矩形波も利用可能である。
【００６４】
上述の電荷量／質量検出手段５０１全体は、画像形成装置本体側に配置された駆動手段、例えばステッピングモータ５０７ａによって移動可能に構成されている。電荷量／質量検出手段５０１の支持部材としても作用する電極５０７の端部は、ステッピングモータ５０７ａの出力軸５０７ｂに固定されている。電荷量／質量検出手段５０１は、トリボ量の測定を行う場合には、出力軸５０７ｂの回転により、現像シリンダ４１１に対向する測定位置に配置される。そして、測定終了後には、出力軸５０７ｂの回転により、不要な電界の影響を受けにくいシールド構造の退避位置に退避される。つまり、電荷量／質量検出手段５０１は、ステッピングモータ５０７ａによって、測定に必要な場合にのみ退避位置から測定位置に配置されるようになっている。
【００６５】
以下に上述の電荷量／質量検出手段５０１を使用した、トナーのトリボ量の検出原理を説明する。
【００６６】
まず、感光ドラム３０９の表面電位を０とする（基本的には感光ドラム３０９は接地されているので、高圧制御部１５５から電圧が印加されずにしばらく放置されると電位はほぼ０となる）。また、電荷量／質量検出手段５０１を退避位置から測定位置に移動させる。この状態で、現像器３１４を画像形成時と同様に稼動させて、現像シリンダ４１１にトナーを導く。それと同時に、電荷量／質量検出手段５０１の電極５０７を画像形成時の感光ドラム３０９と同様の電圧となるように、電荷量／質量検出制御回路５０８によって制御する。このように電荷量／質量検出手段５０１の電極５０７を帯電させることで、現像シリンダ４１１に導かれたトナーがこの電極５０７に付着する。電極５０７に所定のトリボを持ったトナーが付着することで、この電極５０７に付着したトナー分の電流が流れることになり、電極５０７の容量分と電極５０７に印加している電圧とは一定であることに基づき、この電流量を検出することで、付着したトナーの電荷量を知ることができる。また、同時に圧電素子５０４により、付着したトナーの質量を検出することができ、先に検出した電荷量と合わせて、トリボ量算出手段によってトリボ量が算出できるわけである。なお、このトリボ量検出手段は、システムコントローラ１５１に内蔵されている。
【００６７】
しかしながら、現像器３１４内のトナーの帯電状況は、画像形成装置の稼動状況によって異なる。すなわち、トナーの状態が良好であってもしばらく画像形成が行われずに放置状態にある場合、トナーの帯電量は低下しており、また、ある程度の画像形成が行われた直後であるとトナーの帯電量は増加している。したがって、現像器３１４の稼動状況を考慮しないでトリボ量の検出を行うと、必ずしも正しいトリボ量を検出することはできない。
【００６８】
そこで、本実施の形態においては、トリボ量の検出を行う場合は、所定時間、現像器３１４を稼動させて現像器３１４内のトナーの帯電条件を整える動作を事前に行うこととする。また、画像形成装置の電源投入時は、画像形成装置がどの程度の時間放置されていたか不明であり、前回の画像形成装置の稼動条件から環境の変化も予想されるので、必ずトリボ量検出動作を行いプロセス諸パラメータ（主に現像器３１４の現像バイアス関係）の再設定を行う。さらに、画像形成装置の電源投入時から所定の時間が経過すると、画像形成装置周囲の環境変化及び画像形成装置自体の温度上昇が考えられ、現像器３１４付近の温度も変化すると考えられるので、所定時間毎にこのトリボ量検出動作を行い、プロセス諸パラメータの再設定を行うと、より安定した画像形成が可能となる。
【００６９】
図８に本画像形成装置における上述の動作のシーケンスを示す。
【００７０】
画像形成装置の電源が投入（ＯＮ）されると（ステップＳ１、以下「Ｓ１」のように略記する）、定着器３１８を暖めたりするウォームアップ動作が開始される（Ｓ２）。この間に画像形成装置は、各部位のイニシャライズが行われる。このウォームアップ動作が終了すると（Ｓ３）、画像形成が可能な状態になる。本画像形成装置においては、この状態になったところで現像器３１４を所定時間ｔ（＝Ｔ０）稼動させ、現像器３１４内の攪拌部材４１４を稼動することによって、現像器３１４内のトナーを帯電させる。そして、現像器３１４を稼動させているＴ０時間、振動手段としての圧電素子５０４で同時に電荷量／質量検出手段５０１を振動させ（Ｓ４）、本体５０２上のトナーが均一化されるように超音波領域の駆動信号（２〜１０ＭＨｚ程度）を印加し、直後に現像シリンダ４１１に導かれたトナーの電荷量Ｑ及び質量ｍを測定する。
【００７１】
具体的な測定方法としては、図７中に示す本体５０２の電位Ｖを高入力インピーダンスの電圧計（又はその等価な手段）で測定することことにより、電荷量Ｑを測定できる（Ｑ＝ＣＶであり、Ｃは、本体５０２の形状で決まる容量としてほぼ近似可能である）。
【００７２】
また、質量ｍの測定は、圧電素子５０４の両端を開放し、その条件下でトナーが本体５０２に乗った条件での圧電素子５０４の両端に生成する電位の変化を測定し、それをあらかじめ質量と電位とを測定したマップの電位と比較して、質量ｍを決定する。この場合、圧電効果の大きな圧電素子を用いたり、圧電素子５０４と本体５０２の実装距離を離してトルクを大きくするようにして精度を上げることも可能である。
【００７３】
実際の手順としては、電荷量Ｑを電位で測定後、一度、その電荷を本体５０２をグランド（ＧＮＤ）と接続して放電後、圧電素子５０４を容量とした発振回路を（ＣＲ発振回路のＣとして）構成して、発振周波数変化より質量ｍを決定することも可能である。
【００７４】
この電荷量Ｑと質量ｍとからトリボ量を算出し（Ｓ５）、算出したトリボ量に応じて現像バイアスＶｄｃ及び現像コントラストＶｃｏｎｔの設定を行う（Ｓ６）。ここで現像バイアスＶｄｃとは、図４における現像器３１４内の現像シリンダ４１１に画像形成時に印加される電圧であり、現像コントラストとは感光ドラム３０９上の画像形成部位の電位と現像バイアスとの差であり、システムコントローラ１５１に制御された値に基づいて、高圧制御部１５５から印加される電圧である。これらの電圧によって、感光ドラム３０９に現像されるトナー量は制御される。また、トリボ量は、一般的に高温高湿環境下では帯電した電荷が空気中に逃げやすいので小さな値となり、一方、低湿環境下においては大きな値となる。本画像形成装置においては、実機の測定データから、下記のような対応となっている。
【００７５】
・Ｑ／ｍ≧９．０（ｍＣ／ｋｇ）の場合、
Ｖｄｃ＝２６０Ｖ、Ｖｃｏｎｔ＝２１０Ｖ
・９．０（ｍＣ／ｋｇ）＞Ｑ／ｍ≧８．０（ｍＣ／ｋｇ）の場合、
Ｖｄｃ＝２８０Ｖ、Ｖｃｏｎｔ＝２１０Ｖ
・８．０（ｍＣ／ｋｇ）＞Ｑ／ｍの場合、
Ｖｄｃ＝３００Ｖ、Ｖｃｏｎｔ＝２５０Ｖ
【００７６】
本画像形成装置の電源投入後、上述の動作に基づいて現像器３１４内のトリボ量を均一にしてから検出し、検出した値に応じて現像バイアスが制御されるが、本画像形成装置においてはその後、システムコントローラ１５１に設定されている所定時間Ｔａ毎に上述と同様の制御を行い（Ｓ７，Ｓ８）、その度に現像バイアスが適性状態に制御される。
【００７７】
また、本制御は感光ドラム３０９の電位制御等と同時に行うようにするとさらに効果的である。
【００７８】
以上説明した制御を行うことにより、トナーのトリボ量を正確に把握することが可能となり、安定した濃度の画像を形成することができる。
【００７９】
＜実施の形態２＞
つづいて実施の形態２について説明する。なお、上述の実施の形態１で説明した図１〜図８のうち、図８の動作シーケンスを除いて、本実施の形態２にも適用される。したがって、重複説明は適宜省略するものとする。
【００８０】
上述の実施の形態１においては、トナーのトリボ量を検出する前に所定時間だけ現像器３１４を稼動させ、画像形成装置の電源投入時及び所定時間毎に、トリボ量を検出する例を説明した。
【００８１】
ところが、長時間画像形成を連続して行うと、特に低画像比率の画像が多い場合、現像器３１４内のトナーが劣化する場合がある。特に、ダウンタイムの少ない高速機において、この傾向が顕著である。
【００８２】
従来は、このような現象が発生した場合、サービスマンがプリントジョブ終了後に黒帯びシーケンスを動作させるようなサービスモードを設定するのが一般的である。黒帯びシーケンスとは転写材の無い状態で、通常の画像形成と同様のプロセス条件で、主走査方向の最大画像形成幅で、ある副走査方向の長さにおいて感光ドラム３０９上にベタ黒の画像形成を行ってトナーを現像させ、クリーニング装置３１６で感光ドラム３０９上のトナーをクリーニングする動作のことをいう。これによって、現像器３１４内の劣化したトナーを排出し、濃度低下等の画像劣化を防ぐことが可能となる。
【００８３】
本実施の形態では、このように過酷な環境で画像形成装置が稼動した場合でも、サービスマンの手を煩わすことなく自動的に画像を補正するようにしたものである。
【００８４】
上述の実施の形態１では所定時間毎に現像器３１４内のトナーのトリボ状態を検出していたが、本実施の形態では所定プリント枚数Ｘａ毎に現像器３１４内のトリボ量を検出するようにした。所定時間毎にトリボ量を検出することで、画像形成装置周囲の環境に応じた現像バイアスの設定は可能になるが、短時間に大量のプリント（画像形成）が行われた場合、短時間で現像器３１４内のトナーの状態が変化し得ることが考えられる。このような場合は、プリント枚数を管理することにより、現像器３１４の稼動時間を把握し、この稼動時間によって現像バイアスの補正を行う方法が望ましい。
【００８５】
図９に、本実施の形態におけるトリボ検出動作のシーケンスを示す。
【００８６】
画像形成装置の電源が投入（ＯＮ）される（Ｓ１１）と、定着器３１８（図１参照）を暖めたりするウォームアップ動作が開始される（Ｓ１２）。この間に画像形成装置は、装置各部位のイニシャライズが行われる。このウォームＵＰ動作が終了すると（Ｓ１３）、画像形成が可能な状態になる。本画像形成装置においては、この状態になったところで現像器３１４を所定時間ｔ（＝Ｔ０）稼動させ、現像器３１４内の攪拌部材４１４を稼動することによって、現像器３１４内のトナーを帯電させる。そして、現像器３１４を稼動させているＴ０時間、振動手段としての圧電素子５０４で同時に電荷量／質量検出手段５０１を振動させ（Ｓ１４）、本体５０２上のトナーが均一化されるように超音波領域の駆動信号（２〜１０ＭＨｚ程度）を印加し、直後に現像シリンダ４１１に導かれたトナーの電荷量Ｑ及び質量ｍを測定する。この電荷量Ｑと質量ｍとからトリボ量を算出し（Ｓ１５）、算出したトリボ量に応じて現像バイアスＶｄｃ及び現像コントラストＶｃｏｎｔの設定を行う（Ｓ１６）。この設定に関しては、実施の形態１と同様である。
【００８７】
本画像形成装置の電源投入後、上述の動作に基づいて現像器３１４内のトリボ量を均一にしてから検出し、検出した値に応じて現像バイアスが制御されるが、本実施の形態においてはその後、所定画像形成（プリント）枚数Ｘａ毎に上述と同様の制御を行い（Ｓ１７，Ｓ１８）、その度に現像バイアスが適性状態に制御される。これにより、より安定な画像を長期にわたって提供することが可能となる。
【００８８】
なお、必要に応じて、前述のＴ０時間が終了後も超音波領域の駆動信号を圧電素子５０４に引き続き印加し、トリボ量の測定中まで引き伸ばすことも可能である。
【００８９】
＜実施の形態３＞
実施の形態１においては、所定時間毎にトリボ量の検出を行っているが、これは画像形成装置周囲の環境変動を予測してのシーケンスである。通常、このような画像形成装置においては温湿度を検知する環境センサを具備しているのが常である。
【００９０】
本実施の形態３では、この環境センサ出力を利用して、さらに精度よくトリボ量検出を行うようにした。
【００９１】
図１０は、図５における電荷量／質量検出手段５０１を備えた現像器３１４の構成説明図に、さらに環境センサ（水分量検出手段）５０９を加えたものである。この環境センサ５０９は、画像形成装置周囲の温度及び湿度を検出することが可能で、その出力はシステムコントローラ１５１に入力される。
【００９２】
図１１は、上述の図１０に示す環境センサ５０９の出力を利用してトリボ検出を行うシーケンスである。
【００９３】
画像形成装置の電源が投入（ＯＮ）されると（Ｓ３１）、定着器３１８（図１参照）を暖めたりするウォームアップ動作が開始される（Ｓ３２）。この間に画像形成装置は、各部位のイニシャライズが行われる。このウォームアップ動作が終了すると（Ｓ３３）、画像形成が可能な状態になる。本実施の形態においては、この状態になったところで、環境センサ５０９の出力をコントローラ１５１が取り込み、環境センサ５０９から得られる温度情報及び湿度情報に基づいて、画像形成装置周囲における空気中の水分量を算出する（Ｓ３４）。
【００９４】
前述のように、一般的には湿度の高い環境（絶対水分量の大きい環境）ではトナーは帯電しにくく、湿度の低い環境（絶対水分量の少ない環境）ではトナーは帯電しやすい。したがって、この水分量が大きい場合はトリボ量を検出する前に稼動させる現像器３１４の稼動時間を長くし、この水分量が小さい場合はトリボ量を検出する前に稼動させる現像器３１４の稼動時間を短くなるように稼動時間Ｔ１が設定される（Ｓ３５）。その後、現像器３１４を所定時間Ｔ１稼動させ、現像器３１４内の攪拌部材４１４を稼動することによって、現像器３１４内のトナーを帯電させる。そして、Ｔ１時間、現像器３１４を稼動させた直後に、電荷量／質量検出手段５０１によって現像シリンダ４１１に導かれたトナーの電荷量Ｑ及び質量ｍを測定する。そして、この電荷量Ｑと質量ｍとからトリボ量を算出する（Ｓ３７）。算出したトリボ量に応じて現像バイアスＶｄｃ及び現像コントラストＶｃｏｎｔの設定を行う（Ｓ３８）。この設定に関しては、実施の形態１と同様である。
【００９５】
ただし、本実施の形態では、実施の形態１とは異なり、画像形成装置立上げ直後に上述の制御が行われた後は、環境センサ５０９の出力をコントローラ１５１が常時観察し、この環境センサ５０９の出力から得られる水分量が所定量変化したときに、再びトリボ量検出が行われ、現像バイアスの再設定が行われる。実施の形態１では、再設定の必要が無い場合でも、所定時間経過すれば必ずトリボ量検出が行われてしまうのに対して、実施の形態３では必要に応じて制御が行われることになる。
【００９６】
上述のように本実施の形態の制御を行えば、不要な制御を行うことなく、つまりユーザビリティを損ねることなく、安定した画像の供給が可能となる。
【００９７】
ただしトリボ測定系は、現像器３１４の稼動時間の単純な増減で、振動時間を比例できない場合もあり、その場合は、図１２に示すような構成を採用するとよい。この構成によると、湿度に応じて圧電素子５０４への駆動信号の印加を変化させることが可能である。例えば、低湿度のときには，短時間低電力制御とし、高湿度のときには、長時間高電力制御（圧電素子５０４の大振幅制御）で、最適制御を実現できる。
【００９８】
図１２を参照しながらさらに詳述する。
【００９９】
同図中の符合６０１が、図６中の電極５０５、圧電部材５０６、電極５０７からなる圧電素子５０４の等価回路を示す。この等価回路６０１は、スイッチ６０５により、ＡＣ信号源６０２，６０３，６０４に切り替えることができるようになっている。これらＡＣ信号源６０２，６０３，６０４は、この順に、同図に示す駆動クロックＡＣ１，ＡＣ２，ＡＣ３となっている。
【０１００】
具体的な例としては、Ｔ１時間の初期には、スイッチ６０５で駆動クロックＡＣ２のＡＣ信号源６０３信号源を加え、十分な大振幅のＡＣ信号を圧電素子５０４に加える。次に、スイッチ６０５を駆動クロックＡＣ３のＡＣ信号源６０４に切り替えて、振幅を小さくして、微調整できるようにする。
【０１０１】
場合によっては，ＡＣ信号源６０２の駆動クロックＡＣ１のようにｄｕｔｙが５０％から漸減させて（徐々に減少させて）制御し、トリボを平均化する手法もある。さらに、上述のようにｄｕｔｙを漸減させるのと並行して、振幅をも調整しながら切り替えて変更する手法も考えられる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、トナーの帯電量及び質量の測定を、前記振動手段で前記帯電量測定手段及び前記質量測定手段を振動させた後に行うことにより、測定時のトナーを均一化させて測定値を安定させることができるので、トナーのトリボ量を高精度で検出することができる。さらに、トナーのトリボ量が高精度で検出できるので、トナー像（出力画像）の濃度制御を精度よく行うことができ、長期にわたって良好な画像を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像形成装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係る画像形成装置の画像制御部のブロック図である。
【図３】本発明に係る画像形成装置の画像処理部のブロック図である。
【図４】現像器の詳細な構成を説明する図である。
【図５】実施の形態１における、現像器、感光ドラム、システムコントローラ、高圧制御部、電荷量／質量検出手段、及び電荷量／質量検出制御回路を示す構成図である。
【図６】電荷量／質量検出手段の構成を示す縦断面図である。
【図７】電荷量／質量検出手段の構成を示す上面図である。
【図８】実施の形態１における、トリボ量検出の動作のシーケンスを示す図である。
【図９】実施の形態２における、トリボ量検出の動作のシーケンスを示す図である。
【図１０】実施の形態３における、現像器、感光ドラム、システムコントローラ、高圧制御部、電荷量／質量検出手段、及び電荷量／質量検出制御回路を示す構成図である。
【図１１】実施の形態３における、トリボ量検出の動作のシーケンスを示す図である。
【図１２】圧電素子の等価回路及び駆動信号の波形例を示す図である。
【符号の説明】
１５１　　　トリボ量検出手段（システムコントローラ）
３０９　　　像担持体（感光ドラム）
３１４　　　現像手段（現像器）
５０１　　　電荷量／質量検出手段（帯電量測定手段、質量測定手段）
５０３　　　高耐電界絶縁膜（絶縁層）
５０４　　　振動手段（圧電素子）
５０９　　　水分量検出手段（環境センサ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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】
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【図１１】
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【図１２】
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