(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トナーを収納する現像ホッパを電子写真式の画像形成装置の本体に対して着脱可能とし、その装着時にトナー量を光学的に検知する検知系を構成可能とした画像形成であって、現像ホッパには、現像ホッパ内部に設けられ、それぞれの端部をこの現像ホッパの壁によって回転可能に保持されたトナーの凝集を防止するトナー撹拌部材と、トナー撹拌部材が回転可能に保持された現像ホッパのそれぞれの壁に設けられ、収納したトナーを臨む位置で外部に開放する一軸の光路上に配置された内側及び外側とも平らな端面の断面形状を持つ一対のトナー残量検知用窓と、トナー撹拌部材に取り付けられトナー撹拌部材の回転に伴ってトナー残量検知用窓に付着したトナーを書き落とすトナー清掃部材とを配置し、画像形成装置の本体には現像ホッパを装着したときにトナー残量検知用窓にそれぞれ整合可能な発光素子及び受光素子を光学的検知系として設け、発光素子とトナー残量検出用窓との間及び受光素子ともう一つのトナー残量検出用窓との間の画像形成装置の本体に、トナー残量検出用窓側に臨む面を平面状にカットし且つ素子側に臨む面を凸面状とした断面形状の集光用のレンズをそれぞれ配置したことを特徴とする画像形成装置におけるトナー残量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば電子複写機やレーザビームプリンタ及びファクシミリ等の電子写真式の画像形成装置に係り、特に画像形成装置の本体に取り外し可能に設ける現像ユニット用の現像ホッパ内のトナーの残量を検出するトナー残量検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複写機やプリンタ等の電子写真装置では、現像剤であるトナーを収納した現像ユニットを電子写真装置本体に対して取り外しできるようにしておき、トナーの残量が少量であることを検知するとこれを表示パネルに表示してユーザーに知らせて交換するようにしたものが一般的である。そして、現像ユニットは交換部品で使い捨てかまたは再生したものを利用するため、トナー残量を検出する装置を現像ユニットに設けるのではコスト的に不利とされている。したがって、装置側に透過型の検出手段を設けることで、現像ユニット内のトナーの残量を判断するようにしたものが現在では広く採用されている。
【０００３】
このようなトナー残量検出装置として、たとえば特公昭６２−３１３４７号公報に記載されているように、発光素子と受光素子を互いに対向して配置してこれらの各素子の間にレンズを設けた一体型のトナー残量検知装置を現像ユニット内の現像ローラの近傍に配置する構成としたものがある。
【０００４】
しかしながら、このようなトナー残量検知装置の現像ユニット内への配置では、残トナーが偏る場合は誤動作を起こし、またカラー化する電子写真装置において現像ユニットを複数使用するとき等にはスペースを確保することに難点が残る。そして、このような問題を回避するための有効な残量検出装置として、図６及び図７に示す装置が既に開発されている。
【０００５】
図６は従来の現像ユニットの断面図、図７は図６のＦ−Ｆ線矢視における断面図である。
【０００６】
図６において、トナー２を収納した現像ホッパ１の内部には、それぞれの両端をこの現像ホッパ１の壁によって回転可能に保持された合成樹脂製の４連のトナー撹拌部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを配置している。これらのトナー撹拌部材３Ａ〜３Ｄは、トナー２の凝集を防止するとともに矢印方向に回転して下流側へトナー２を搬送する機能を持つ。
【０００７】
最下流のトナー撹拌部材３Ｄの近傍には、搬送されてきたトナー２を現像ローラ５へ補給するためのトナー補給ローラ４が配置されている。トナー補給ローラ４は、金属製の芯金に導電性（体積抵抗値１０６Ωｃｍ）の発泡ウレタンスポンジをロール状に接着したものであり、現像ローラ５は、金属製の芯金に導電性（体積抵抗値１０５Ωｃｍ）のシリコンゴムをロール状に形成したもので、トナー補給ローラ４によって補給されたトナー２を担持し、静電潜像が形成された感光体６をトナー２によって可視像化する。これらのトナー補給ローラ４及び現像ローラ５は、現像ホッパ１により両端が回転自在に保持されており、ともに矢印方向へ回転する。
【０００８】
そして、現像ローラ５の近傍であって画像形成装置の内部には、ドラム状に形成したアルミの基体に有機光導電体（ＯＰＣ）等の感光体受容層が薄膜に塗布された感光体６が組み込まれる。この感光体６は、レーザービーム（図示せず）等で静電潜像を形成し、現像ローラ５によってトナー像として可視像化する。
【０００９】
なお、７はステンレスあるいはリン青銅等の板バネ材の片端にウレタンゴムを一体成形したドクターブレードで、他端が剛性のある２枚の板金にて挟持され、現像ローラ５上に付着したトナーを均一に薄層化するとともに、トナー２へ電荷を付与している。また、８はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）シートからなるリカバリーシートで、現像ホッパ１から外部へトナー２が漏れることを防止している。
【００１０】
現像ホッパ１には図６の図面と直交する方向に互いに対峙している壁にトナー残量検出用窓１２，１３を、図６において符号９で示す位置に対応したものとしてそれぞれ設ける。そして、これらのトナー残量検出用窓１２，１３にはそれぞれトナー残量の検出手段を対峙して配置する。この検出手段は、赤外発光ダイオードを用いた発光素子１０とフォトダイオードを用いた受光素子１１との組み合わせであり、発光素子１０の光軸１５と受光素子１１の中心がほぼ一致するよう画像形成の装置側に設けられ、現像時のみ発光素子１０が光を出力する。
【００１１】
なお、トナー撹拌部材３Ｃの両端にはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等を素材としたトナー清掃部材１４が取り付けられ、現像時のトナー撹拌部材３Ｃの回転に伴ってトナー残量検出用窓１２，１３の内面に付着したトナー２を掻き落とす。
【００１２】
図６において、トナー撹拌部材３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄによって撹拌されたトナー２は、トナー補給ローラ４の上方へ搬送され、スポンジ質のトナー補給ローラ４部に進入するとともに、その回転動作によって現像ローラ５と接触回動するニップ部まで運ばれる。ニップ部まで運ばれたトナー２は、現像ローラ５とトナー補給ローラ４の摺動による摩擦力により帯電し（この場合、負極へ帯電）、現像ローラ５の表面に静電付着する。現像ローラ５の表面に付着したトナー２は、ドクターブレード７まで搬送され、均一に薄層化されるとともに、さらに摩擦力によって電荷を帯び、帯電量が増加する。帯電したトナー２は、現像ローラ５へ印加されたバイアスと接地された感光体６との電位差により、現像ローラ５から感光体６へ転移付着してトナー２による可視像が形成される。
【００１３】
このように、現像工程を繰返すことでトナー２が少しずつ消費され、トナー残量検出用窓位置９より下流部までトナー２の残量が減少すると、トナー清掃部材１４によってトナー残量検出用窓１２，１３の内面に付着したトナー２を掻き落とし、発光素子１０から出力される光を受光素子１１が検知（受光）することになる。
【００１４】
なお、受光した場合は論理レベル“１”を、受光しない場合は論理レベル“０”を接続されたシステム全体を監視する中央演算処理装置の入力ポートへ出力するように構成すると、この状態においては論理レベル“１”を出力し、トナーの補給を表示する。逆に、トナー残量検出用窓位置９も含め、この位置以上にトナー２が残留していると論理レベル“０”を出力するためトナー補給の表示は行なわれない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のトナー残量検出装置では、発光素子１０と受光素子１１の光軸１５に対しトナー残量検出用窓１２，１３の中心が一致している場合のみ、トナー２の残量の検出が可能である。
【００１６】
ところが、現像ユニットは画像形成装置の装置に対して取り外しできるようにしているので、装置側に固定的に配置されている発光素子１０と受光素子１１の光軸１５に対して、現像ユニット側のトナー残量検出用窓１２，１３の中心が必ずしも一致するとは限らない。
【００１７】
また、現像ホッパ１に対するトナー残量検出用窓１２，１３の取付け精度や装置本体に対する現像ユニット装着が傾いた場合は、集光した光の焦点が大きく受光素子１１からずれてしまうことになる。
【００１８】
すなわち、図８に示すように、発光素子１０と受光素子１１の光軸１５に対して、トナー残量検出用窓１２，１３の中心がずれた場合を想定してみる。このとき、発光素子１０から所定の範囲を有した放射光（領域Ａ）の一部（領域Ｂ）が、トナー残量検出用窓１２に形成したレンズの曲率面を放射すると、正規の入射角と異なって入射するため光軸１５からずれた形態の光域となり、トナー残量検出用窓１３側へ入射していく。このため、トナー残量検出用窓１３への入射量はこの段階で極端に減少するため受光素子１１も検知できず、トナー２の残量が少ないにもかかわらず、トナー補給の表示を実行できないということになる。したがって、トナー補給の表示がないためユーザーは現像ユニットの交換時期であることに気づかず、このままの状態で印字動作を繰返すことにより出力画像に“かすれ”が生じ、また現像ローラ５やドクターブレード７及び感光体６等がダメージを受けて破損する恐れがある。
【００１９】
また、光軸１５とトナー残量検出用窓１２，１３の中心が許容範囲内で一致したとしても、トナー清掃部材１４の掻き取り精度や、トナーの凝集や水分の含有率によっては検知できないことがある。更に、発光素子１０の出力（電流値）向上や受光素子１１の検知するしきい値を下げる方法もあるが、消費電力の増加や発光素子１１の寿命低下による検知精度の低下を招くことになる。
【００２０】
更に、用紙サイズつまり現像領域によって現像時間も変わるため、狭い現像領域を印字するパターン及び用紙サイズでは、検知精度も低下する。
【００２１】
本発明は、トナー不足による出力画像の“かすれ”発生や現像に起因する主要部品の破損がなく、装置本体への負荷を低減し、安定して高画質な画像が得られるように、確実にトナーの残量を検出できるトナー残量検出装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、トナーを収納する現像ホッパを電子写真式の画像形成装置の本体に対して着脱可能とし、その装着時にトナー量を光学的に検知する検知系を構成可能とした画像形成であって、現像ホッパには、現像ホッパ内部に設けられ、それぞれの端部をこの現像ホッパの壁によって回転可能に保持されたトナーの凝集を防止するトナー撹拌部材と、トナー撹拌部材が回転可能に保持された現像ホッパのそれぞれの壁に設けられ、収納したトナーを臨む位置で外部に開放する一軸の光路上に配置された内側及び外側とも平らな端面の断面形状を持つ一対のトナー残量検知用窓と、トナー撹拌部材に取り付けられトナー撹拌部材の回転に伴ってトナー残量検知用窓に付着したトナーを書き落とすトナー清掃部材とを配置し、画像形成装置の本体には現像ホッパを装着したときにトナー残量検知用窓にそれぞれ整合可能な発光素子及び受光素子を光学的検知系として設け、発光素子とトナー残量検出用窓との間及び受光素子ともう一つのトナー残量検出用窓との間の画像形成装置の本体に、トナー残量検出用窓側に臨む面を平面状にカットし且つ素子側に臨む面を凸面状とした断面形状の集光用のレンズをそれぞれ配置したことを特徴とする。
【００２３】
この構成により、トナーの残量を確実に検出でき、トナー不足による出力画像の“かすれ”発生や現像に起因する主要部品の破損がなく安定して高画質な画像が得られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、トナーを収納する現像ホッパを電子写真式の画像形成装置の本体に対して着脱可能とし、その装着時にトナー量を光学的に検知する検知系を構成可能とした画像形成であって、現像ホッパには、現像ホッパ内部に設けられ、それぞれの端部をこの現像ホッパの壁によって回転可能に保持されたトナーの凝集を防止するトナー撹拌部材と、トナー撹拌部材が回転可能に保持された現像ホッパのそれぞれの壁に設けられ、収納したトナーを臨む位置で外部に開放する一軸の光路上に配置された内側及び外側とも平らな端面の断面形状を持つ一対のトナー残量検知用窓と、トナー撹拌部材に取り付けられトナー撹拌部材の回転に伴ってトナー残量検知用窓に付着したトナーを書き落とすトナー清掃部材とを配置し、画像形成装置の本体には現像ホッパを装着したときにトナー残量検知用窓にそれぞれ整合可能な発光素子及び受光素子とを光学的検知系として設け、発光素子とトナー残量検出用窓との間及び受光素子ともう一つのトナー残量検出用窓との間の画像形成装置の本体に、トナー残量検出用窓側に臨む面を平面状にカットし且つ素子側に臨む面を凸面状とした断面形状の集光用のレンズそれぞれ配置したものであり、トナーの掻き取り不良やトナーの凝集が発生しても安定して検知でき、また発光素子と受光素子間の光軸に対しトナー残量検出用窓の中心がずれても、確実にトナー不足を検知できるという作用を有する。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５を用いて説明する。
図１は本発明の現像ユニットの要部であって図６のＦ−Ｆ線矢視に相当する断面図、図２は本発明の実施の形態によるトナー残量検出装置のタイミングチャート、図３は本発明の実施の形態による発光および受光回数の関係を示すグラフ、図４は本発明の実施の形態によるセンサ光路を示す概略図、図５は本発明の実施の形態による発光回数別にみた現像時間と受光回数の関係を示すグラフである。
【００２７】
なお、トナー残量検出装置及びこれに関連する装置構成を除いて、現像ユニットの内部構成は図６に示したものと同一であり、同じ部材については共通の符号で指示し、その詳細な説明は省略する。
【００２８】
図１において、現像ホッパ１には、図６に示したトナー残量検出窓位置９に対応させてトナー残量検出用窓１８，１９を取り付けている。これらのトナー残量検出用窓１８，１９は、両者とも光透過性に優れる透明樹脂（ポリカーボネイトやポリメチルメタクリエート等）を素材としたものであり、内側及び外側とも平らな端面の断面形状を持つ。
【００２９】
一方、現像ホッパ１を取り外し自在とした画像形成装置の装置側には、トナー残量検出窓位置９に対応してトナー残量検出用レンズ１６，１７が素子規制部材２０，２１を介して画像形成装置の所定の位置に固定されている。これらのトナー残量検出用レンズ１６，１７は、両者とも光透過性に優れる透明樹脂（ポリカーボネイトやポリメチルメタクリエート等）で内側を平面形状及び外側を凸型形状に形成することによって光の集光性を高めたものとしている。また、素子規制部材２０，２１は合成樹脂製であり、一方の素子規制部材２０は発光素子１０とトナー残量検出用レンズ１６を、他方の素子規制部材２１は受光素子１１とトナー残量検出用レンズ１７をそれぞれ光軸１５に対してトナー残量検出用レンズ１６，１７の中心を一致させるよう規制保持する。
【００３０】
以上のように構成したトナー残量検出装置の作動は次のとおりである。
従来例と同様に、感光体６へトナー２が付着して消費すると、現像ホッパ１内に残留するトナー２も徐々に減少し、発光素子１０と受光素子１１との間でセンサ光が透過し始める。
【００３１】
このセンサ光は図２に示すように、残留するトナー２の多少に関わらず、現像ユニットが感光体６上の静電潜像を可視像化している間（現像時間：Ｘ秒）、発光素子１０の一回の発光時間をＲ秒、非発光時間をＳ秒、発光及び非発光の繰り返す一周期をＴ秒（＝Ｒ＋Ｓ）とするパルス電流によって、断続的に駆動するよう制御されている。つまり、トナー２がトナー残量検出用窓位置９を覆って残留している場合は０回、トナー残量検出用窓位置９以下に減少した場合はＸ／Ｔ回、それぞれ検知することになる。
【００３２】
ここで、検知回数とトナー補給表示の関係について図３を用いて説明する。
発光回数を横軸に、受光回数を縦軸に定義した場合、特別に障害も無くセンサ光が透過すると発光回数と受光回数は、１：１の比例関係（図中Ｖ）になる。しかしながら、トナー撹拌部材３Ｃに具備されたトナー清掃部材１４の位相とセンサ光が一致した場合は検知できず、発光回数＞受光回数という関係（図中Ｗ）になる。また、トナー撹拌部材３Ｃによって撹拌されるトナー２の挙動も流動的（トナーの舞い等）なので、より検知精度を高めるためには受光回数を、ある所定のしきい値（Ｙ）以上カウントした時点で論理レベル“１”を、しきい値以下のカウントでは論理レベル“０”を中央演算処理装置の入力ポートへ出力する構成とした。よって、論理レベル“１”の状態、つまりしきい値以上検知した状態で、トナー補給を表示することにした。
【００３３】
このような本発明の実施の形態によるトナー残量検知装置において、検証結果を以下に示す。
【００３４】
従来例では、図８に示したように光軸１５に対してトナー残量検出用窓１２，１３のずれ量の許容範囲が、光軸１５を中心に半径０．３ｍｍ以内にトナー残量検出用窓１２，１３の両方が位置していないと検知不可能であった。
【００３５】
これに対し、本発明では、図４に示すように、発光素子１０から放出される放射光（領域Ａ）がそのままトナー残量検出用レンズ１６へ入射し、平行光となる構成としたため、トナー残量検出用窓１８への照射効率も向上し、光軸１５に対するずれの許容範囲も半径２．４ｍｍ以内まで広がり、現像ユニットの装着精度も大幅に緩和することが可能となった。
【００３６】
また、発光素子１０の電流値も従来例では常時発光する構成だったため最大定格電流値の１００ｍＡまでしか流せず、照射量不足から本発明の実施の形態における機構の場合でも、現像ホッパ１内でトナー撹拌部材３Ｃによるトナー２の舞いが原因で検知不良となっていた。
【００３７】
これに対し、本発明では、発光素子１０への供給電流をパルス制御させたため、同じ発光素子１０でありながら、消費電力を増加させることなく電流値を３００ｍＡ流すことが可能となり、検知不良を解消することができた。このようなパルス制御について、以下に説明する。
【００３８】
現像時間Ｘは用紙サイズによって異なり、この場合はＡ４サイズの縦送りを例に挙げたため、現像時間Ｘ＝３秒とした。発光時間Ｒは一回の発光で、受光素子１１が感知し電圧値の変動が飽和安定する条件から０．０２５〜０．０３秒とした。この時間は長いほど検知精度は向上するものの、発光素子１０自体の寿命に大きく寄与するため、極力短くする必要性もある。非発光時間Ｓつまり発光および非発光を繰り返す一周期Ｔは次の実験から設定した。用紙サイズにより現像時間Ｘが異なるため、装置本体として印字可能な用紙サイズを５種選択し、それぞれの大きさと現像時間Ｘの関係を（表１）に示す。
【００３９】
【表１】
0004019465.tif 000002
【００４０】
更に、各用紙サイズに対し、発光回数を約５，１０，２０，３０，４０，５０になるよう非発光時間を調整することにより（発光時間は０．０７５秒で固定）受光回数を調べた。その結果を図５に示す。
【００４１】
図５から明らかなように、発光回数５回（Ｔ＝Ｘ／５）では、Ａ６サイズの現像時間１．０６１秒では１〜２回しか検知できず、非常に不安定である。これは、トナー清掃部材１４の回転位相と発光のタイミングが一致したことと、トナー撹拌部材３Ｃの回転撹拌によりトナー２が舞ったためである。発光回数を１０回（Ｔ＝Ｘ／１０）以上に増加させると、全ての用紙サイズに対して安定しており、バラツキなく検知したと判断できる最低受光回数５回を上回っている。逆に、受光回数を４０回（Ｔ＝Ｘ／４０）以上まで増加させると、発光時間がＡ６サイズにおいて０．０２５秒となり、受光素子１１が検知する電圧値の飽和安定値０．０２５〜０．０３秒の下限条件に達するため、検知不良を誘発しはじめた（但し、最低受光回数５回以上は検知はできた）。したがって、発光回数の上限として４０回が限界値であった。
【００４２】
以上のように、本実施の形態によれば、現像ユニット装着時のバラツキを緩和でき、さらに安定してトナーの残量を正確に検知することできる。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１の発明では、現像ユニット装着時のバラツキを緩和でき、さらに安定してトナーの残量を正確に検知することできるため、トナー不足による出力画像の“かすれ”発生や現像に起因する主要部品の破損がなく安定して高画質な画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の現像ユニットの要部であって図６のＦ−Ｆ線矢視に相当する断面図
【図２】本発明の実施の形態によるトナー残量検出装置のタイミングチャート
【図３】本発明の実施の形態による発光および受光回数の関係を示すグラフ
【図４】本発明の実施の形態によるセンサ光路を示す概略図
【図５】本発明の実施の形態による発光回数別にみた現像時間と受光回数の関係を示すグラフ
【図６】従来の現像ユニットの断面図
【図７】図６のＦ−Ｆ線矢視における断面図
【図８】従来例におけるセンサ光路のずれを示す図
【符号の説明】
１  現像ホッパ
２  トナー
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ  トナー撹拌部材
４  トナー補給ローラ
５  現像ローラ
６  感光体
７  ドクターブレード
８  リカバリーシート
９  トナー残量検出窓位置
１０  発光素子
１１  受光素子
１２，１３  トナー残量検出用窓
１４  トナー清掃部材
１５  光軸
１６，１７  トナー残量検出用レンズ
１８，１９  トナー残量検出用窓
２０，２１  素子規制部材
【図１】
0004019465.tif 000003
【図２】
0004019465.tif 000004
【図３】
0004019465.tif 000005
【図４】
0004019465.tif 000006
【図５】
0004019465.tif 000007
【図６】
0004019465.tif 000008
【図７】
0004019465.tif 000009
【図８】
0004019465.tif 000010