(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に移動する検出対象物に対して発光部より光を照射し、その正反射光を受光部で読み取る反射型センサであって、
前記発光部から発せられ前記検出対象物上に照射された光が、該検出対象物に反射されて前記受光部に至る光路上に、少なくとも１枚のレンズからなるレンズ部を有する光学系が配され、
前記発光部からの光が検出対象物によって正反射されて、前記受光部に受光される光が存在する検出対象物上の範囲を正反射受光範囲とし、前記発光部からの光が検出対象物によって拡散反射されて、前記受光部に受光される光が存在する検出対象物上の範囲を拡散反射受光範囲とするとき、
前記光学系は、前記検出対象物の移動方向においては、前記正反射受光範囲と前記拡散反射受光範囲とのズレが所定範囲内になるように集光し、前記移動方向と直交する直交方向においては、前記正反射受光範囲と前記拡散反射受光範囲とを含む受光範囲が前記移動方向よりも前記直交方向に広くなるように光を屈折し、
前記光学系は、前記光路の往路あるいは復路あるいはその両方に配されたレンズ部を有し、前記レンズ部の前記移動方向の焦点距離をｆ、レンズ部中心と前記検出対象物との距離をｄ、レンズ部中心と前記発光部あるいは受光部との距離をａとすると、
０≦ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄ
を満足し、
前記レンズ部の前記直交方向の焦点距離をｆ’として、
０＜ａ・ｆ’/ （ａ−ｆ’）−ｄ、又はａ・ｆ’/ （ａ−ｆ’）−ｄ＝∞
を満足し、かつ、
ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄ＜ａ・ｆ’/（ａ−ｆ’）−ｄ
を満足することを特徴とする反射型センサ。
【請求項２】
前記レンズ部は、前記移動方向と前記直交方向との曲率が異なることを特徴とする請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項３】
前記レンズ部は、前記光路の往路と復路の両方に配されていることを特徴とする請求項１に記載の反射型センサ。
【請求項４】
色材の像を搬送するベルトを有する画像形成装置であって、
請求項１〜３の何れか１項に記載の反射型センサを、色材の濃度と色材の像の位置ずれとの両方を検出するセンサとして搭載し、
前記反射型センサは、前記ベルトを前記検出対象物として取り付けられていることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動する検査対象物からの反射光を読み取る反射型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
複写機やプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置には、トナー濃度を読み取るトナー濃度センサや、画像の位置を読み取って位置ずれを検出する位置ずれセンサが搭載されている。トナー濃度センサや位置ずれセンサとしては、発光素子と受光素子とを備えた反射型センサが一般的に用いられる。
【０００３】
反射型センサでは、発光素子より検出対象物に光を照射し、その反射光を受光素子が読み取る。受光素子には読み取った光の強度に応じた光電流が生じ、これを電圧値として検出する。検出対象物を、記録媒体や中間転写体上に形成されたトナー像とすることで、生じた光電流（検出電圧）に基づいて、トナー濃度を検出したり、トナー像の位置を検出して位置ずれを検出したりすることができる。
【０００４】
従来、色による光の吸収・拡散の特性の違いから、トナー濃度は、ブラックトナーについては、正反射光を読み取った検出電圧に基づいて検出し、シアン、マゼンタ、イエローなどのカラートナーについては、拡散反射光を読み取った検出電圧に基づいて検出している。位置ずれ検出については、正反射光の受光量低下や拡散反射光の受光量増加のいずれかの方式に基づいて検出している。
【０００５】
例えば、特許文献１には、画像の位置情報を高精度に検出できる画像検知装置を搭載した画像形成装置が記載されている。これにおいては、光源からの光を、搬送される記録部材上の画像に照射させる照明レンズと、該画像を受光素子上に結像させる結像レンズとを用いて、受光素子に結像されるスポットを絞り込み、球面収差を極限まで小さくして、画像の位置情報を高精度に検出する。
【０００６】
また、特許文献２には、正反射光を受光する反射型センサを用いて画像の位置ずれ量を検出する技術が記載されている。これにおいては、搬送される保持体上のトナー像に向けた光源部の光を絞る第１アパーチャと、該トナー画像から正反射し、受光部にて受光される反射光を絞る第２アパーチャとを備えた構成において、ロバスト性能と拡散光の影響のバランスをとる最適なアパーチャ径を設定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４７１７１８９号公報
【特許文献２】特許第５３２７３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述のような従来技術の反射型センサでは、検出対象物の位置検出精度を保持しつつ、検出対象物の距離・角度変動に対するロバスト性能を高め得るものではない。そのため、例えば、トナー濃度の検出（ロバスト性能要）と位置ずれの検出（位置検出精度要）とに１つのセンサを共用した場合、トナー濃度と位置ずれとの両方を精度よく検出することができないといった問題がある。これについて詳しく説明する。
【０００９】
特許文献１の技術は、画像の位置検出精度を上げるために、受光素子に結像されるスポットを絞り込んでいる。そのため、検出対象物の僅かな距離の変動によって受光量が著しく減少することから、検出対象物の距離変動に対するロバスト性能が低い。トナー濃度の検出には、濃度に階調が付された複数のトナー像（パッチ）を読み取る必要があるため、距離変動に弱い反射型センサは精度の悪化を招く。
【００１０】
ここで、ロバスト性能と位置検出精度の関係について説明する。図２１は、従来の反射型センサにおけるロバスト性能と位置検出精度の関係を示す説明図である。図２１の（ａ）に示すように、距離／角度の変動に対して出力（電圧）の変動が小さい（ロバスト性能が高い）反射型センサの場合、パッチ（トナー像）移動距離に対する出力波形に、オーバーシュート／アンダーシュートの波形が出る（位置検出精度が低い）。一方、図２１の（ｂ）に示すように、距離／角度の変動に対して出力の変動が大きい（ロバスト性能が低い）反射型センサの場合は、パッチ移動距離に対する出力波形に、オーバーシュート／アンダーシュートの波形が出ない（位置検出精度が高い）。オーバーシュート／アンダーシュートの波形が発生するのは、拡散光（拡散反射光）の影響によるものである。ロバスト性能を低下させることで位置検出精度は上がり、ロバスト性能を高めることで位置検出精度は下がる。このように、ロバスト性能と位置検出精度とは、同時には成立しない二律背反の関係にある。
【００１１】
なお、実際の使用上において求められるロバスト性能とは、検出対象物の変動がより大きい距離変動及び移動方向に対する角度変動があげられる。上述したように、トナー濃度の検出では、濃度に階調が付された複数のトナー像（パッチ）を読み取る必要があり、距離変動や移動方向に対する角度変動による出力変動が生じると、微妙な濃度の違いなどは検出できない。
【００１２】
特許文献２の技術は、二律背反の関係にあるロバスト性能と拡散光の影響とのバランスをとって、検出精度の低下を抑え得る折衷点を提示するものである。しかしながら、ロバスト性能を積極的に向上させる工夫を施したものではないため、ロバスト性能を確保するために犠牲にした分の拡散光の影響にて、位置検出精度の低下がある。そのため、トナー濃度の検出精度も位置ずれの検出精度も中程度となる。また、レンズを用いていないため、光源部からの光の利用効率が低いといった問題もある。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その目的は、検出対象物の位置検出精度を保持しつつ、少なくとも検出対象物の距離変動及び移動方向の角度変動に対するロバスト性能を高め得る反射型センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る反射型センサは、上記課題を解決するために、一方向に移動する検出対象物に対して発光部より光を照射し、その正反射光を受光部で読み取る反射型センサであって、前記発光部から発せられ前記検出対象物上に照射された光が、該検出対象物に反射されて前記受光部に至る光路上に、少なくとも１枚のレンズからなるレンズ部を有する光学系が配され、前記発光部からの光が検出対象物によって正反射されて、前記受光部に受光される光が存在する検出対象物上の範囲を正反射受光範囲とし、前記発光部からの光が検出対象物によって拡散反射されて、前記受光部に受光される光が存在する検出対象物上の範囲を拡散反射受光範囲とするとき、前記光学系は、前記正反射受光範囲と前記拡散反射受光範囲とのズレが所定範囲内になるように集光し、前記移動方向と直交する直交方向においては、前記正反射受光範囲と前記拡散反射受光範囲とを含む受光範囲が前記移動方向よりも前記直交方向に広くなるように光を屈折することを特徴としている。
【００１５】
上記構成によれば、光学系は、検出対象物の移動方向においては、受光部における発光部からの光の正反射受光範囲と拡散反射受光範囲とのズレが所定範囲内になるように集光する。ここで、所定範囲とは、検出対象物の位置検出精度が所望の程度になるように適宜設定される範囲である。つまり、理想的にはズレは０であるが、所望の位置検出精度が得られる程度のズレの許容範囲が所定範囲として設定される。
【００１６】
これにより、移動方向において正反射受光範囲と拡散反射受光範囲とがほぼ一致し、拡散反射光による影響を発生せず、位置検出精度を高くできる。また、光学系は、前記移動方向と直交する直交方向においては、反射受光範囲と拡散反射受光範囲とを含む受光範囲が、移動方向よりも直交方向に広くなるように光を屈折する。これにより、受光部における発光部からの光の反射光を受光する受光範囲が、直交方向において移動方向よりも広がることとなり、移動方向だけでなく直交方向にも正反射受光範囲と拡散反射受光範囲とのズレが小さくなるように集光する構成に比べて、検出対象物の距離変動に対するロバスト性能を高めることができる。
【００１７】
なお、検出対象物の移動方向において正反射受光範囲と拡散反射受光範囲とのズレを小さくする手法としては、集光する手法以外に、光をコリメートする手法があるが、集光する手法の方がコリメートする手法に比べて、検出対象物の角度変動に対するロバスト性能を高くできるといったメリットがある。
【００１８】
本発明に係る反射型センサにおいては、さらに、前記光学系は、前記光路の往路あるいは復路あるいはその両方に配されたレンズ部を有し、前記レンズ部の前記移動方向の焦点距離をｆ、レンズ部中心と前記検出対象物との距離をｄ、レンズ部中心と前記発光部あるいは受光部との距離をａとすると、０≦ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄを満足する構成とすることができる。
【００１９】
上記式におけるａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄは、移動方向におけるレンズ部の結像位置と検出対象物とのずれ量に相当し、上記式は、このずれ量が０以上であることを示す。これはつまり、移動方向に対して集光する上記光学系は、検出対象物上に結像した完全な集光状態以外に、コリメートよりも絞っていて、検出対象物の奥側に結像した不完全な集光状態まで含んだ広い範囲となる。
【００２０】
本発明に係る反射型センサにおいては、さらに、前記レンズ部は、前記移動方向と前記直交方向との曲率が異なる構成とすることもできる。
【００２１】
移動方向と直交方向との曲率が異なるレンズ部を用いることで、上記光学系を容易に実現できる。
【００２２】
本発明に係る反射型センサにおいては、さらに、前記レンズ部の前記直交方向の焦点距離をｆ’として、０＜ａ・ｆ’/ （ａ−ｆ’）−ｄ、又はａ・ｆ’/ （ａ−ｆ’）−ｄ’＝∞を満足し、かつ、ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄ＜ａ・ｆ’/（ａ−ｆ’）−ｄを満足する構成とすることもできる。
【００２３】
上述したように、ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄは、移動方向におけるレンズ部の結像位置と検出対象物とのずれ量に相当し、ａ・ｆ’/（ａ−ｆ’）−ｄは、直交方向におけるレンズ部の結像位置と検出対象物とのずれ量に相当する。ここで、ａ・ｆ’/ （ａ−ｆ’）−ｄが∞は、レンズ部は直交方向においては集光することなくコリメートする構成である。そして、上記式を満足することで、受光部における受光範囲を、移動方向よりも直交方向に必ず広くできる。
【００２４】
本発明に係る反射型センサにおいては、さらに、前記レンズ部は、前記光路の往路と復路の両方に配されている構成とすることが好ましい。
【００２５】
往路と復路との両方にレンズ部を設けることで、受光部における発光部からの光の正反射受光範囲と拡散反射受光範囲とをより精度よく一致させることができ、位置検出精度を一層向上させることができる。
【００２６】
本発明に係る画像形成装置は、色材の像を搬送するベルトを有する画像形成装置であって、請求項１〜５の何れか１項に記載の反射型センサを、色材の濃度と色材の像の位置ずれとの両方を検出するセンサとして搭載し、前記反射型センサは、前記ベルトを前記検出対象物として取り付けられていることを特徴としている。
【００２７】
本発明に係る反射型センサは、上述したように、検出対象物の位置検出精度を保持しつつ、少なくとも検出対象物の距離変動及び移動方向の角度変動に対するロバスト性能を高め得るものである。したがって、このような反射型センサを搭載した画像形成装置は、色材の濃度と色材の像の位置ずれを、１つのセンサを用いて精度よく測定することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、検出対象物の位置検出精度を保持しつつ、検出対象物の距離変動及び移動方向の角度変動に対するロバスト性能を従来よりも高め得る反射型センサを提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施の形態にかかる反射型センサの外観を示す図面である。
【図２】上記反射型センサの概略構成を示す図面である。
【図３】上記反射型センサが搭載された画像形成装置の概略構成を示す図面である。
【図４】上記反射型センサにて転写ベルト上のトナーパッチを読み取る様子を示す図面である。
【図５】従来の反射型センサに備えられる光学系を説明する図面である。
【図６】従来の反射型センサにおけるロバスト性能を示す図であり、（ａ）は距離変動に対するロバスト性能、（ｂ）は角度変動に対するロバスト性能を示す。
【図７】上記反射型センサに備えられる光学系Ａを説明する図面である。
【図８】上記光学系Ａの変形例を説明する図面である。
【図９】上記光学系Ａにおいて、副走査方向に集光しつつ、主走査方向において副走査方向よりも弱く集光する場合に必要な条件を説明するための図であり、（ａ）は比較例１、（ｂ）は実施例１、（ｃ）は実施例２を示している。
【図１０】上記反射型センサに備えられる光学系のレンズとして用いることのできる、アナモフィックレンズのスポット形状を示す説明図である。
【図１１】レンズの集光性と検出対象物の角度変動による検出波形との関係を調べた結果を示す図面である。
【図１２】図９に示した比較例１、実施例１、実施例２のロバスト性能を調べた結果を示す図面である。
【図１３】上記光学系Ａの構成例を示しており、（ａ）は実施例３、（ｂ）は実施例４を示している。
【図１４】図１３に示した実施例３、実施例４のロバスト性能を調べた結果を示す図面である。
【図１５】上記光学系Ａの構成例を示しており、（ａ）は実施例５、（ｂ）は実施例６を示している。
【図１６】図１５に示した実施例５、実施例６のロバスト性能を調べた結果を示す図面である。
【図１７】レンズを用いない従来の反射型センサにおける、照射範囲、正反射受光範囲、拡散反射受光範囲を示す説明図である。
【図１８】光路の往路と復路にレンズを備えた光学系Ａを配した実施形態の反射型センサにおける、照射範囲、正反射受光範囲、拡散反射受光範囲を示す説明図である。
【図１９】光路の復路にのみレンズを備えた光学系Ａを配した実施形態の反射型センサにおける、照射範囲、正反射受光範囲、拡散反射受光範囲を示す説明図である。
【図２０】光路の往路にのみレンズを備えた光学系Ａを配した実施形態の反射型センサにおける、照射範囲、正反射受光範囲、拡散反射受光範囲を示す説明図である。
【図２１】従来の反射型センサにおけるロバスト性能と位置検出精度の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる反射型センサ１の外観を示す図面であり、図２は、反射型センサ１の概略構成を示す図面、図３は、反射型センサ１が搭載された画像形成装置５１の概略構成を示す図面、図４は、反射型センサ１にて転写ベルト５６上のトナーパッチ（色材の像）８０を読み取る様子を示す図面である。
【００３１】
反射型センサ１は、図３に示すような画像形成装置５１に搭載される。画像形成装置５１は、例えばカラーレーザープリンタ等である。まず、画像形成装置５１の概略構造を説明する。
【００３２】
画像形成装置５１は、上部に原稿読み取り部５２を有し、この原稿読み取り部５２で読み取った原稿データに基づいて作像部５３で画像を形成し、下部に設けた給紙部５４から供給された紙５４ａに画像を転写して、上部の排紙部５５から排紙するというものである。作像部５３には転写ベルト５６が一対のローラ６７，６８に張設されており、光書き込み装置５７からの光が露光された感光体ドラム５８にトナー（色材）を付着させ、このトナーを前記転写ベルト５６に一次転写して前記画像を形成する。ここに紙５４ａが供給されると、転写ベルト５６から紙に対して前記画像が二次転写される。このあと紙５４ａは定着部５９に搬送されて、熱と圧力によりトナーが紙５４ａに定着される。
【００３３】
図中、６０は帯電ロール、６１は現像スリーブ、６２はトナーケースである。これらと前記感光体ドラム５８を備える作像ユニット６３は、イエロー６３Ｙ、マゼンダ６３Ｍ、
シアン６３Ｃ、ブラック６４Ｂの４個が配設されている。
【００３４】
反射型センサ１は、図４に示すように、前記のような画像形成装置５１における転写ベルト５６に対向して設けられ、転写ベルト５６上に形成されたトナーパッチ（色材の像）８０の濃度（トナー濃度、色材の濃度）および位置ずれを検出する。なお、図４では、転写ベルト５６の上下を逆転させて示している。以下において、転写ベルト５６の移動方向（搬送方向）を副走査方向、転写ベルト５６の移動方向と直交する方向を主走査方向と称する。主走査方向は、前記光書き込み装置５７が転写ベルト５６の表面に光で画像を書き込む方向である。
【００３５】
次に、反射型センサ１について説明する。図２に示すように、反射型センサ１は、光を照射する発光部としての発光素子２と、この発光素子２から照射されて転写ベルト５６（図３参照）で反射した反射光を受光する受光部としての受光素子３，４と、この受光素子３，４の検出電圧を増幅させる増幅回路（図示せず）を有する。発光素子２には、発光ダイオードを用い、受光素子３，４には、フォトトランジスタやフォトダイオードなどが用いられる。
【００３６】
これら発光素子２と受光素子３，４は、図１に示すように、プリント基板５上に実装されている。発光素子２と受光素子３，４を実装した部分は、ケース６で被覆され、ケース６におけるプリント基板５の縁側の部分が、光の入出射面９となっている。
【００３７】
図２に戻り、反射型センサ１において、発光素子２と２個の受光素子３，４とは、略一直線上に配設されている。２個の受光素子３，４のうちの一方（図２左側）は、発光素子２から照射されて反射する反射光のうちの正反射光を受光する第１受光素子３であり、主にブラックトナーのトナー濃度検出とトナー像の位置ずれ検出とを行う。２個の受光素子３，４のうちの他方（図２右側）は、発光素子２から照射されて反射する反射光のうちの拡散反射光を受光する第２受光素子４であり、主にイエロー、マゼンダ、シアンのカラートナーのトナー濃度検出を行う。
【００３８】
そして、反射型センサ１では、ブラックトナーのトナーの濃度検出とトナー像の位置ずれ検出の両方を精度よく行うために、発光素子（発光部）２から発せられ、検出対象である転写ベルト５６上に照射され、反射されて第１受光素子（受光部）３に至る光の光路上に、少なくとも１枚のレンズからなるレンズ部を有する光学系Ａを配している。ここで、発光素子２からの光が検出対象物によって正反射されて、第１受光素子３に受光される光が存在する検出対象物上の範囲を正反射受光範囲（発光素子２からの光の正反射光を受光する範囲）とし、発光素子２からの光が検出対象物によって拡散反射されて、第１受光素子３に受光される光が存在する検出対象物上の範囲を拡散反射受光範囲（発光素子２からの光の拡散反射光を受光する範囲）とする。該光学系Ａは、転写ベルト５６の移動方向である副走査方向においては、第１受光素子（受光部）３における、正反射受光範囲と拡散反射受光範囲とのズレが小さくなるように集光し、転写ベルト５６の移動方向と直交する主走査向（直交方向）においては、前記正反射受光範囲と前記拡散反射受光範囲とを含む受光範囲が副走査方向よりも主走査方向に広くなるように光を屈折させるものである。
【００３９】
ここで、所定範囲とは、検出対象物の位置検出精度が所望の程度になるように適宜設定される範囲である。つまり、理想的にはズレは０であるが、所望の位置検出精度が得られる程度のズレの許容範囲が所定範囲として設定される。この所定範囲は、光学系Ａの各部材の光学特性等を考慮して当業者が設定可能であり、従来の反射型センサで用いられているレンズの光学特性（副走査方向の特性）を基に設定すればよい。
【００４０】
以下、光学系Ａについて詳細に説明する。図５は、従来の反射型センサに備えられる光学系を説明する図面である。まずは、図５を用いて、光路上に配されるレンズと、位置検出精度、距離変動および角度変動に対するロバスト性能との関係を説明する。
【００４１】
図５の（ａ）は、発光部２１から発せられた光が検出対象物２０に反射されて正反射用の受光部２２に至る光路上に、レンズを用いない構成である。この構成では、正反射受光範囲に対して、拡散反射受光範囲が著しく広いため、図２１を用いて説明したオーバーシュート／アンダーシュートの波形が出てしまい、位置検出精度は低くなる。ロバスト性能は、検出対象物２０上で光を絞っていないため、距離変動に対しても角度変動に対しても強いものとなる。
【００４２】
図５の（ｂ）は、前記光路の往路と復路に、検出対象物２０上に集光点を持つ集光レンズ２３をそれぞれ配した構成である。この構成では、副走査方向、主走査方向において光が十分に絞られるため、受光部２２における正反射受光範囲と拡散反射受光範囲とはほぼ一致する。そのため、拡散反射光の影響は受けにくく、位置検出精度は高いものとなる。
【００４３】
図５の（ｃ）は、前記光路の往路と復路に、コリメートレンズ２４をそれぞれ配した構成である。この構成では、副走査方向、主走査方向において光がコリメートされるため、受光部２２における正反射受光範囲と拡散反射受光範囲とはほぼ一致する。そのため、拡散反射光の影響は受けにくく、位置検出精度は高いものとなる。
【００４４】
図６の（ａ）は、距離変動に対するロバスト性能を示す図であり、図６の（ｂ）は、角度変動に対するロバスト性能を示す図である。図６の（ａ）（ｂ）のそれぞれにおいて、左側が図５の（ｂ）の構成、右側が図５の（ｃ）の構成に対応する。なお、図６の（ａ）では、検出対象物２０が発光部２１および受光部２２に近づくように距離変動したときの様子を示している。
【００４５】
図６の（ｂ）左側に示されるように、検出対象物２０上で光を絞っている構成では、角度が変動したとしても受光部２２における受光量をある程度確保できるので、角度変動に対して強い。しかし、図６の（ａ）左側に示されるように、距離が変動すると受光部２２における受光量が小さくなるため、距離変動に対しては弱いものとなる。
【００４６】
一方、図６の（ａ）右側に示されるように、検出対象物２０上でコリメートしている構成では、距離が変動したとしても受光部２２における受光量をある程度確保できるので、距離変動に対して強い。しかし、図６の（ｂ）右側に示されるように、角度が変動すると受光部２２における受光量が小さくなるため、角度変動に対しては弱いものとなる。
【００４７】
反射型センサ１に搭載される光学系Ａは、このような図５の（ｂ）（ｃ）に示した従来の光学系における、優れた面を組み合わせたものである。図７に、反射型センサ１に備えられる光学系Ａの一構成例２７−１を示す。図７の例では、副走査方向において集光し、主走査方向においては光をコリメートするレンズ２５が、前記光路の往路と復路にそれぞれ配されている。
【００４８】
この構成によれば、副走査方向において光が絞られ、主走査方向においてコリメートされているので、受光部２２における発光部２１からの光の正反射受光範囲と拡散反射受光範囲とはほぼ一致する。そのため、拡散反射光の影響は受けにくく、位置検出精度は高いものとなる。ロバスト性能については、主走査方向には光を絞っていないが、副走査方向には絞っているため、副走査方向では、図６の（ｂ）左側に示すように、受光部２２の受光量をある程度確保でき、両方向で絞らない図５の（ｃ）の構成と比べて、副走査方向に対する角度変動が強いものとなる。さらに、副走査方向には光を絞っていても、主走査方向には絞っていないことで、主走査方向では、図６の（ａ）右側に示すように、受光部２２の受光量をある程度確保できるため、両方向で絞る図５の（ｂ）の構成と比べて、距離変動に強いものとなる。
【００４９】
なお、図７では、主走査方向において光をコリメートしていたが、主走査方向においても集光する構成であってもよい。要は、主走査方向において集光しても、受光部２２における、発光部２１からの光の正反射受光範囲と拡散反射受光範囲とを含む受光範囲が、集光した副走査方向よりも主走査方向に広がっていれば、図５の（ｂ）の構成よりも距離変動に強くできる。
【００５０】
図８に、副走査方向にも主走査方向にも集光するレンズ３０，３１を用いた光学系Ａの一構成例２７−２，２７−３を示す。なお、図８では、主走査方向についてのみ記載しているが、副走査方向は、図７と同じである。図８の（ａ）は、主走査方向における焦点距離が、検出対象物２０上で結像する副走査方向の焦点距離（図７参照）よりも長く、検出対象物２０を超えて結像するレンズ３０を用いた例である。一方、図８の（ｂ）は、主走査方向における焦点距離が、検出対象物２０上で結像する副走査方向の焦点距離（図７参照）よりも短く、検出対象物２０の手前で結像するレンズ３１を用いた例である。
【００５１】
但し、図８の（ｂ）の検出対象物２０の手前で結像するレンズ３１は、図８の（ａ）の検出対象物２０を超えて結像するレンズ３０に比べて曲率が大きくコストが嵩む。そのため、主走査方向においても集光する場合は、副走査方向よりも弱く集光する構成が好ましい。
【００５２】
ここで、図９を用いて、光学系Ａにおいて、副走査方向を集光しつつ、主走査方向において副走査方向よりも弱く集光する場合に必要とされる条件を説明する。
【００５３】
図９の（ａ）は、比較例１を示しており、副走査方向の焦点距離ｆ１と主走査方向の焦点距離ｆ１’が共に３．０のレンズ部３５を、光路の往路と復路にそれぞれ配している。レンズ部中心と検出対象物２０との距離ｄ＝６．０、レンズ部中心と受光部２２あるいは発光部２１との距離ａ＝６．０である場合、レンズの公式に当てはめて、ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄ，ａ・ｆ’/（ａ−ｆ’）−ｄをそれぞれ計算すると、何れも０となる。ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄは、副走査方向におけるレンズ部の結像位置と検出対象物との光軸方向に対するずれ量に相当し、ａ・ｆ’/（ａ−ｆ’）−ｄは、主走査方向におけるレンズ部の結像位置と検出対象物との光軸方向に対するずれ量に相当する。
【００５４】
図９の（ｂ）は、実施例１を示しており、副走査方向の焦点距離ｆ１＝３．０に対し、主走査方向の焦点距離ｆ１’＝４．５のレンズ部３６を、往路と復路にそれぞれ配している。距離ｄと距離ａを比較例１と同じとした場合、ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄ＝０に対し、ａ・ｆ’/（ａ−ｆ’）−ｄは１２となり、発光部２１からの光のスポット径が、主走査方向において副走査方向よりも広くなる。
【００５５】
図９の（ｃ）は、実施例２を示しており、副走査方向の焦点距離ｆ１＝３．０に対し、主走査方向の焦点距離ｆ１’＝６．０のレンズ部３７を、往路と復路にそれぞれ配している。距離ｄと距離ａを比較例１と同じとした場合、ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄ＝０に対し、ａ・ｆ’/（ａ−ｆ’）−ｄは∞となり、発光部２１からの光のスポット径が、主走査方向において副走査方向よりも広くなる。
【００５６】
このように、レンズの公式に当てはめると、副走査方向に集光する光学系の条件は、０≦ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄを満足するもの、と定義できる。上記式におけるａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄは、副走査方向におけるレンズ部の結像位置と検出対象物とのずれ量に相当し、上記式は、このずれ量が０以上であることを示す。これはつまり、副走査方向に対して集光する上記光学系は、検出対象物上に結像した完全な集光状態以外に、コリメートよりも絞っていて、検出対象物の奥側に結像した不完全な集光状態まで含んだ広い範囲となる。
【００５７】
また、主走査方向においても副走査方向よりも弱く集光する光学系の条件は、０＜ａ・ｆ’/ （ａ−ｆ’）−ｄ、又はａ・ｆ’/ （ａ−ｆ’）−ｄ＝∞を満足し、かつ、ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄ＜ａ・ｆ’/（ａ−ｆ’）−ｄを満足するもの、と定義できる。
【００５８】
上述したように、ａ・ｆ/（ａ−ｆ）−ｄは、副走査方向におけるレンズ部の結像位置と検出対象物とのずれ量に相当し、ａ・ｆ’/（ａ−ｆ’）−ｄは、主走査方向におけるレンズ部の結像位置と検出対象物とのずれ量に相当する。ここで、ａ・ｆ’/ （ａ−ｆ’）−ｄ＝∞とは、レンズ部が主走査方向においては集光することなくコリメートする構成である。そして、上記式を満足することで、受光部２２における受光範囲を、副走査方向よりも主走査方向に必ず広くできる。
【００５９】
また、上記した光学系の条件を満足させることにおいて、光路の往路と復路の一方にのみレンズ部を配する構成でも可能であるが、往路と復路の両方にレンズ部が配されている構成とすることが好ましい。往路と復路との両方にレンズ部を設けることで、受光部における発光部からの光の正反射受光範囲と拡散反射受光範囲とをより精度よく一致させることができ、位置検出精度を一層向上させることができる。
【００６０】
また、往路あるいは復路の何れか一方にのみ上記条件を満足するレンズ部を配し、他方にはコリメートレンズを配することも可能である。但し、副走査方向について言えば、一方にコリメートレンズを配した場合、使用環境を考慮した際の課題に挙げている移動方向の角度変動に弱くなる。したがって、副走査方向に関して言えば、往路と復路の両方において、上記条件を満足する集光レンズを用いることが、位置検出精度と副走査角度の両面で良い。
【００６１】
図１０は、光学系Ａのレンズ２５，３０，３１，レンズ部３６，３７として用いることのできる、アナモフィックレンズのスポット形状を示す説明図である。参考に示す対称球面レンズのスポット形状に比べて、アナモフィックレンズのスポット形状は、直交する２方向において、一方が他方に対して長くなる。スポットの長軸方向が主走査方向になり、短軸方向が副走査方向になるように配される。図１０にスポット径を示したアナモフィックレンズの曲面の式は、（１）である。なお、式（１）の原点はレンズの頂点である。
【００６２】
Ｚ＝（ＣｘＸ２+ＣｙＹ２）/（１√（１−Ｃｘ２Ｘ２−Ｃｙ２Ｙ２））  …（１）  
【００６３】
また、図１１は、レンズの集光性と検出対象物の角度変動による検出波形との関係を調べた結果を示す図面である。図１１の（ａ）は、副走査方向にも主走査方向にも集光する手法を用いていないセンサの特性であり、図１１の（ｂ）は、副走査方向のみ集光する手法を用いたセンサの特性である。図１１の（ａ）に示すように、副走査方向にも主走査方向にも集光する手法を用いていない場合は、検出対象物の角度が振れると、波形乱れが生じてしまう。これに対し、図１１の（ｂ）に示すように、副走査方向のみであっても集光する手法を用いたことで、検出対象物の角度が振れたとしても、波形乱れは発生しない。
【００６４】
図１２は、図９に示した比較例１、実施例１、実施例２のロバスト性能を調べた結果を示す図面である。図１２の（ａ）に示すように、主走査方向の焦点距離ｆ’と副走査方向の焦点距離ｆとが等しい比較例１に比べて、主走査方向の焦点距離ｆ’が副走査方向の焦点距離ｆよりも長い実施例１、２では、焦点距離ｆ’が長くなるほどカーブは滑らかになり距離特性は改善される。また、図１２の（ｂ）に示すように、副走査方向の角度特性は、主走査方向の焦点距離ｆ’を変えても変化しない。一方、主走査方向の角度特性は、主走査方向の焦点距離ｆ’を副走査方向の焦点距離ｆよりも長くすると若干低下する傾向にあった。しかしながら、この主走査方向の角度特性の若干の低下は、反射型センサ１を搭載する画像形成装置等においては、問題にならないことを確認している。
【００６５】
つまり、反射型センサ１が画像形成装置５１に搭載され、図４に示したように、転写ベルト５６上のトナー像を検出対象物２０とする場合、副走査方向の角度特性が良好であることが重要となる。それは、トナー像が形成される転写ベルト５６が一対のローラ６７，６８に張設されている構造に起因する。このように構成された転写ベルト５６においては、副走査方向における角度変動は、ベルトの撓みなどで生じやすいが、内側にローラ６７が配設されている主走査方向においては、角度変動は殆ど起こらない。また、たとえ起こったとしても、非常に僅かな変動である。したがって、副走査方向と違い、主走査方向の角度特性が若干低下したとしても問題になるものではない。
【００６６】
次に、図１３〜図１６を用いて、光学系Ａの他の構成例２７−４〜２７−９と、それらのロバスト性能を調べた結果について説明する。
【００６７】
図１３の（ａ）は、実施例３を示しており、比較例１の往路に、レンズ３５に替えて、副走査方向の焦点距離ｆ１と主走査方向の焦点距離ｆ１’が４．５のレンズ部３６を配した例である（２７−６）。図１３の（ｂ）は、実施例４を示しており、比較例１の往路に、レンズ部３５に替えて、副走査方向の焦点距離ｆ１と主走査方向の焦点距離ｆ１’が６．０のレンズ部３７を配した例である（２７−７）。図１４に、比較例１、実施例３、実施例４のロバスト性能を調べた結果を示す。比較例１に比べて、実施例３，４においてロバスト性能が向上していることがわかる。
【００６８】
図１５の（ａ）は、実施例５を示しており、比較例１の復路に、レンズ部３５に替えて、副走査方向の焦点距離ｆ１と主走査方向の焦点距離ｆ１’が４．５のレンズ部３６を配した例である（２７−８）。図１５の（ｂ）は、実施例６を示しており、比較例１の復路に、レンズ部３５に替えて、副走査方向の焦点距離ｆ１と主走査方向の焦点距離ｆ１’が６．０のレンズ部３７を配した例である（２７−９）。図１６に、比較例１、実施例５、実施例６のロバスト性能を調べた結果を示す。比較例１に比べて、実施例５，６においてロバスト性能が向上していることがわかる。
【００６９】
次に、図１７〜図２０を用いて、光学系２７を搭載した反射型センサ１の実施形態を説明する。転写ベルト５６、その上に形成されたトナーパッチＰを検出対象物２０とする。
【００７０】
図１７は、レンズを用いない従来の反射型センサ１０１における、照射範囲、正反射受光範囲、拡散反射受光範囲を示すものである（図５の（ａ）に相当）。受光部２２の受光範囲全体に対して、正反射光（太矢印）を受光する正反射受光範囲Ｓ１が一部分だけである。そのため、拡散反射受光範囲Ｓ２を転写ベルト５６上に形成されたトナーパッチＰが通過する過程で余分な拡散反射光（破線矢印）が受光部２２に入ってしまい、位置検出精度は低い。参照符号Ｓ３は、発光部による照射範囲を示している。
【００７１】
図１８は、光路の往路と復路にレンズを備えた光学系Ａを配した実施形態の反射型センサ１における、照射範囲、正反射受光範囲、拡散反射受光範囲を示すものである。図１８においては、発光部２１側のレンズ２５の記載は省略している。この構成では、副走査方向において、正反射光（太矢印）を受光する正反射受光範囲Ｓ１と拡散反射受光範囲Ｓ２とがほぼ一致している（図では、記載の都合上、正反射受光範囲Ｓ１と拡散反射受光範囲Ｓ２との間に幅が存在するが、極めて狭いものであり、理想的には幅が存在しない構成である）。そのため、トナーパッチＰが通過する過程で余分な拡散反射光が受光部２２に殆ど入らず、位置検出精度は高い。また、副走査方向に光を絞っているので、角度変動に対するロバスト性能も高い。主走査方向においては、副走査方向ほどには光を絞り込まずスポット径を広げているので、距離変動に対するロバスト性能を、主走査方向および副走査方向を共に絞り込んだ構成よりも高めることができる。また、照射光を集光して照射範囲Ｓ３を受光部２２の受光範囲全体に近づけているので、光の利用効率も高い。
【００７２】
図１９は、光路の復路にのみレンズを備えた光学系Ａを配した実施形態の反射型センサ１における、照射範囲、正反射受光範囲、拡散反射受光範囲を示すものである。副走査方向において、正反射光（太矢印）を受光する正反射受光範囲Ｓ１と拡散反射受光範囲Ｓ２とがほぼ一致している（この場合も、記載の都合上、正反射受光範囲Ｓ１と拡散反射受光範囲Ｓ２との間に幅が存在するが、極めて狭いものであり、理想的には幅が存在しない構成である）。そのため、図１８の構成と同様に、位置検出精度は高い。また、副走査方向に光を絞っているので、角度変動に対するロバスト性能も高い。主走査方向においては、副走査方向ほどには光を絞り込まずスポット径を広げているので、図１８の構成と同様に距離変動に対するロバスト性能を、主走査方向および副走査方向を共に絞り込んだ構成よりも高めることができる。
【００７３】
図２０は、光路の往路にのみレンズを備えた光学系Ａを配した実施形態の反射型センサ１における、照射範囲、正反射受光範囲、拡散反射受光範囲を示すものである。図２０においては、発光部２１側のレンズ２５の記載は省略している。発光部側で照射光が絞られることで、照射範囲Ｓ３内に位置する正反射受光範囲Ｓ１と拡散反射受光範囲Ｓ２とがほぼ一致している（この場合も、記載の都合上、正反射受光範囲Ｓ１と照射範囲Ｓ３との間に幅が存在するが、極めて狭いものであり、理想的には幅が存在しない構成である）。そのため、図１８の構成と同様に、位置検出精度は高い。また、副走査方向に光を絞っているので、角度変動に対するロバスト性能も高い。主走査方向においては、副走査方向ほどには光を絞り込まずスポット径を広げているので、図１８の構成と同様に距離変動に対するロバスト性能を、主走査方向および副走査方向を共に絞り込んだ構成よりも高めることができる。照射光を集光しているので、図１９の構成よりも、光の利用効率も高い。
【００７４】
本発明は上述した実施の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る。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を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。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、例えば複写機やプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に搭載される、トナー濃度と位置ずれとの両方を検出するセンサとして利用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１  反射型センサ
２  発光素子（発光部）
３  受光素子、第１受光素子（受光部）
４  受光素子、第２受光素子
２０  検出対象物
２１  発光部
２２  受光部
２５，３０，３１，３５〜３７（レンズ）
２７−１〜２７−９  光学系
５１  画像形成装置
５６  転写ベルト（検出対象物）
５７  光書き込み装置
５８  感光体ドラム
５９  定着部
６３  作像ユニット
８０  トナーパッチ（検出対象物）
Ｐ  トナーパッチ（検出対象物）
Ｓ１  正反射受光範囲
Ｓ２  拡散反射受光範囲
Ｓ３  照射範囲
ｆ  焦点距離
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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