(57)【要約】【課題】トナー付着量の変動による予測トナー消費量と実際のトナー消費量の差異を低減し、トナー濃度を基準トナー濃度に収束させ、安定させる。【解決手段】現像器５内の現像剤のトナー濃度を検出するトナー濃度検出手段２７と、単位ページ毎のドット数をカウントするドットカウント手段と、ドットカウント手段によるドットカウント数に１ドットあたりのトナー消費量を乗じて単位ページ毎に消費されるトナー消費量を予測するトナー消費量予測手段３３と、トナー濃度検出手段２７により検出した検出トナー濃度と、トナー消費量予測手段３３により予測したトナー消費量とからトナー補給量を算出するトナー補給量算出手段３４とを有する。トナー消費量予測手段３３で使用する１ドットあたりのトナー消費量の値は、トナー濃度検出手段２７により検出した検出トナー濃度と基準トナー濃度との差に比例した補正を行なって更新する。【選択図】図３
2009276517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性トナーと磁性キャリアからなる二成分現像剤を用いて静電潜像の現像を行う現像器を備えた画像形成装置において、
前記現像器内の現像剤のトナー濃度を検出するトナー濃度検出手段と、
単位ページ毎のドット数をカウントするドットカウント手段と、
前記ドットカウント手段によるドットカウント数に１ドットあたりのトナー消費量を乗じて単位ページ毎に消費されるトナー消費量を予測するトナー消費量予測手段と、
前記トナー濃度検出手段により検出した検出トナー濃度と、前記トナー消費量予測手段により予測したトナー消費量とからトナー補給量を算出するトナー補給量算出手段とを有する画像形成装置において、
前記トナー消費量予測手段で使用する１ドットあたりのトナー消費量の値は、前記トナー濃度検出手段により検出した検出トナー濃度と基準トナー濃度との差に比例した補正を行なって更新することを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
前記１ドットあたりのトナー消費量の値は、最適化係数をαとすると、下記数式、
１ドットあたりのトナー消費量＝
更新前の１ドットあたりのトナー消費量−α（検出トナー濃度−基準トナー濃度）
により算出す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】
前記トナー補給量算出手段で使用する検出トナー濃度は、第１の単位時間の間に検出したトナー濃度の移動平均値とし、
前記１ドットあたりのトナー消費量を更新する際に使用する検出トナー濃度は、前記第１の単位時間と異なる第２の単位時間の間に検出したトナー濃度の移動平均値とし、
前記トナー消費量予測手段で予測する予測トナー消費量は、前記第２の単位時間の間に予測した単位ページ毎の予測トナー消費量の移動平均値とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
【請求項４】
前記第１の単位時間は、前記現像器内を現像剤が半周循環するのに要する時間とし、
前記第２の単位時間は、前記現像器内を現像剤が１周循環するのに要する時間とすることを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、これらの複合機等の電子写真方式の画像形成装置、詳しくは非磁性トナーと磁性キャリアとからなる二成分現像剤を用いた画像形成装置のトナー濃度制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
非磁性トナーと磁性キャリアとからなる二成分現像剤を用いる画像形成装置では、現像によってトナーが消費されるに従い、現像器内のトナーが減少する。そこで、トナー濃度センサにより現像剤の透磁率変化を検出して現像器内のトナー濃度を推定し、この推定したトナー濃度に応じてトナーを補給することで、トナー濃度を基準トナー濃度に保つトナー濃度制御が行われている。
【０００３】
近年、画像形成装置の小型化に伴い、現像器内の現像剤量が少なくなっているため、現像によりトナーが消費されて現実にトナー濃度が減少してから、トナー濃度センサがトナー濃度の減少を検出するまでにタイムラグが生じている。
【０００４】
そこで、従来、種々のトナー消費量情報からトナー消費量を予測し、この予測トナー消費量情報とトナー濃度検出情報の２つの情報からトナー補給量を決定する制御が行われている。
【０００５】
例えば特許文献１では、画像形成領域のサイズ、温度・湿度、像担持体の駆動回数等の現像剤の減少条件に関する情報を基にして、補給するトナー量の補正を行う画像形成装置が提案されている。
特許文献２では、ドットカウント値からトナー消費量を予測し、テストトナー像の濃度を検出して現像剤中のトナー濃度を推定し、推定トナー濃度と所定の基準トナー濃度との濃度差で予測トナー消費量を補正し、トナー補給量を計算する画像形成装置が提案されている。
特許文献３では、画像密度とトナー消費量を予測し、予測された画像密度に応じて、予測されたトナー消費量に基づいて、あるいはこの予測されたトナー消費量と基準トナー像濃度との双方に基づいて、現像装置へのトナー供給を制御する画像形成装置が記載されている。
【特許文献１】特開平８−１４６７５１号公報
【特許文献２】特開平８−２４８７６０号公報
【特許文献３】特開２００２−１９６５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、予測トナー消費量は温度、湿度などの環境の外部要因やプリント属性（エッジ部、非エッジ部）により変動するため、予測トナー消費量と実際のトナー消費量に差異が生じ、制御されるトナー濃度が基準トナー濃度からずれるという問題があった。
【０００７】
そこで、予測トナー消費量情報とトナー濃度検出情報の２つの情報からトナー補給量を決定する場合、トナー濃度検出情報に応じて予測トナー消費量情報を補正することが行われている。
【０００８】
しかし、このような補正を行っても、補正前の予測トナー消費量と実際のトナー消費量に差異が生じていることには変わりがない。このため、検出トナー濃度が基準トナー濃度に近づくと補正がかからなくなり、基準トナー濃度から外れると再び予測トナー消費量情報に補正がかかることが繰り返され、現像器内のトナー濃度偏差が大きくなるという問題があった。
【０００９】
本発明は、トナー付着量の変動による予測トナー消費量と実際のトナー消費量の差異を低減し、トナー濃度を基準トナー濃度に収束させ、安定させることができる画像形成装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、第１の手段は、
非磁性トナーと磁性キャリアからなる二成分現像剤を用いて静電潜像の現像を行う現像器を備えた画像形成装置において、
前記現像器内の現像剤のトナー濃度を検出するトナー濃度検出手段と、
単位ページ毎のドット数をカウントするドットカウント手段と、
前記ドットカウント手段によるドットカウント数に１ドットあたりのトナー消費量を乗じて単位ページ毎に消費されるトナー消費量を予測するトナー消費量予測手段と、
前記トナー濃度検出手段により検出した検出トナー濃度と、前記トナー消費量予測手段により予測したトナー消費量とからトナー補給量を算出するトナー補給量算出手段とを有する画像形成装置において、
前記トナー消費量予測手段で使用する１ドットあたりのトナー消費量の値は、前記トナー濃度検出手段により検出した検出トナー濃度と基準トナー濃度との差に比例した補正を行なって更新することとした。
【００１１】
第２の手段では、
前記１ドットあたりのトナー消費量の値は、最適化係数をαとすると、下記数式、
１ドットあたりのトナー消費量＝
更新前の１ドットあたりのトナー消費量−α（検出トナー濃度−基準トナー濃度）
により算出する。
【００１２】
第３の手段では、
前記トナー補給量算出手段で使用する検出トナー濃度は、第１の単位時間の間に検出したトナー濃度の移動平均値とし、
前記１ドットあたりのトナー消費量を更新する際に使用する検出トナー濃度は、前記第１の単位時間と異なる第２の単位時間の間に検出したトナー濃度の移動平均値とし、
前記トナー消費量予測手段で予測する予測トナー消費量は、前記第２の単位時間の間に予測した単位ページ毎の予測トナー消費量の移動平均値とする。
【００１３】
第４の手段では、
前記第１の単位時間は、前記現像器内を現像剤が半周循環するのに要する時間とし、
前記第２の単位時間は、前記現像器内を現像剤が１周循環するのに要する時間とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ドットカウント数に１ドットあたりのトナー消費量を乗じて単位ページ毎に消費されるトナー消費量を予測するに際して、１ドットあたりのトナー消費量の値を検出トナー濃度と基準トナー濃度との差に比例した補正を行なって更新するため、人為的要因（最大濃度調整）、環境依存、パターン依存等のトナー付着量変動に対して、予測トナー消費量と実際のトナー消費量の差異が低減され、制御するトナー濃度を基準トナー濃度に収束し、安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る画像形成装置１の概略構成図である。この装置１の内部中央には、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｋ（ブラック）のトナー像をそれぞれ形成する４つのイメージングユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｋが配設されている。各イメージングユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｋは、感光体ドラム３の周囲に帯電器４、現像器５、１次転写ローラ６、クリーナ７等が配置された公知の構成である。イメージングユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｋの下方には露光装置８が配置されている。イメージングユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｋの上方には、中間転写ベルト９が配置され、駆動ローラ１０と従動ローラ１１に支持されて、感光体ドラム３と１次転写ローラ６の間を矢印方向に走行可能になっている。中間転写ベルト９の駆動ローラ１０に対向するように２次転写ローラ１２が配置されている。中間転写ベルト９の上方には、現像器５に各色の現像剤を補給する４つの現像剤容器１３が配置されている。
【００１７】
プリント又は複写の要求があると、露光装置８は、各イメージングユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｋにおいて、帯電器４により一様に帯電された感光体ドラム３を画像信号に基づいて露光して静電潜像を形成する。感光体ドラム３上の静電潜像は現像器５により現像されてトナー像となる。トナー像は１次転写ローラ６により他のイメージングユニット２Ｙ，２Ｍ，２Ｃ，２Ｋで形成されたトナー像に重ねて中間転写ベルト９上に転写されてカラー像となる。カラー像は２次転写ローラ１２により、給紙カセット１４又は手差し給紙トレイ１５から給紙されて搬送ガイド１６に沿って供給される記録紙に一括転写される。カラー像が転写された記録紙は定着装置１７で定着された後、排紙トレイ１８上に排紙される。現像器５のトナーが消費されると、現像剤容器１３から現像器５に現像剤が補給される。
【００１８】
図２は、現像器５の概略構成図とトナー濃度制御のブロック図を示す。現像器５は、攪拌スクリュ１９が外周面に形成された撹拌軸２０と、供給スクリュ２１が外周面に形成された供給軸２２と、供給軸２２と対向して配置された現像ローラ２３を有している。撹拌軸２０は撹拌槽２４内に収容され、供給軸２２は供給槽２５内に収容されている。撹拌槽２４の上流側（図において左側）には、現像剤容器１３に連通するトナー補給口２６が形成されている。撹拌槽２４の下流側近傍には撹拌槽２４内を搬送される現像剤のトナー濃度を検出する透磁率センサ２７が設置されている。この透磁率センサ２７に代えて、光学式センサを用いることもできるが、光学式センサはカーボンブラックを色剤としたブラックトナーとキャリアからなる現像剤にはトナー濃度に対する光学濃度特性が変化しにくいため、利用することができない。撹拌槽２４の下流側には供給槽２５に連通する開口部２８が形成されている。供給槽２５の下流側には撹拌槽２４に連通する開口部２９が形成されている。
【００１９】
この現像装器５では、トナー補給口２６から補給された非磁性トナーと磁性キャリアからなる二成分現像剤は、撹拌スクリュ１９により撹拌槽２４内を図２において左から右方向に搬送され、開口部２８を通って供給槽２５に入り、この供給槽２５内を図２において右から左方向に搬送され、搬送中にトナーが現像ローラ２３に供給され、感光体ドラム３の静電潜像の現像に供される。供給槽２５の下流側に至った現像剤は開口部２９を通って撹拌槽２４に戻り、循環する。
【００２０】
トナーが現像に供されることで、現像器５内のトナー濃度が変動するため、トナー濃度を基準トナー濃度に収束させ、安定させるためのトナー濃度制御装置３０が設けられている。このトナー濃度制御装置３０は、図３に示すように、前述のトナー濃度検出手段である透磁率センサ２７からのセンサ出力から平均トナー濃度を算出するトナー濃度平均処理手段３１と、１ドットあたりのトナー消費量更新手段３２と、プリント又は複写のコントローラからのドットカウント値と１ドットあたりのトナー消費量更新手段３２からの１ドットあたりのトナー消費量とから単位ページあたりのトナー消費量を予測するトナー消費量予測手段３３と、トナー濃度検出手段により検出した検出トナー濃度とトナー消費量予測手段３３により予測したトナー消費量とからトナー補給量を算出するトナー補給量算出手段３４とからなっている。
【００２１】
次に、前記トナー濃度制御装置３０の動作について説明する。
【００２２】
＜単位ページ毎のトナー消費量の予測＞
図４は、単位ページあたりのトナー消費量予測手段３３における単位ページ毎のトナー消費量の予測処理の概略フローチャートである。まず、ステップＳ１０１で、ドットカウント情報を取得する。すなわち、プリント又は複写動作を制御するコントローラ３５に組み込まれたドットカウント機能を利用して、プリント又は複写動作中の画像データにおける単位ページ毎のドットカウント値を取得する。ドットカウント機能は、全ラインを走査して間引き無しの単位ページ内の全画素をカウントする形態が好ましいが、１又は複数ライン毎に走査して間引き有りの単位ページ内の全画素をカウントする形態でもよい。カウントする対象の画像データは、画像処理（スクリーン処理や誤差拡散処理）後の二値化データである。次に、ステップＳ１０２で、単位ページ毎のドットカウント値と１ドットあたりの予測消費量を用いて、下記数１により、単位ページ毎のトナー予測消費量を算出し、バッファに蓄積する。
【００２３】
[数１]
単位ページ毎のトナー予測消費量
＝単位ページ毎のドットカウント値×１ドットあたりの予測消費量
【００２４】
ここで、１ドットあたりの予測消費量は、後述する１ドットあたりのトナー消費量の更新手段により得られる。
また、単位ページよりも大きな用紙サイズの場合、例えば単位ページがＡ４サイズであってＡ３サイズの場合は、トナー予測消費量の算出は２回行う。
【００２５】
＜単位ページあたりの平均トナー消費量の予測＞
図５は、前述のフローで算出された単位ページ毎のトナー予測消費量をバッファに蓄積し、単位ページあたりの平均トナー消費量を予測する処理の概略フローチャートを示す。ステップＳ２０１の単位ページ毎のトナー消費量予測処理で算出された単位ページ毎のトナー予測消費量は、ステップＳ２０２で先頭バッファに格納する。そして、ステップＳ２０３で全バッファの平均値を取得し、ステップＳ２０４で順次バッファを右シフトする。
【００２６】
ここで、バッファ数は、現像剤が現像器５のトナー補給口２６から撹拌槽２４及び供給槽２５を経てトナー補給口２６まで循環（又は半循環）するのに必要な時間から決定する。例えば、現像剤の循環時間が３０秒、Ａ４横サイズの用紙が１分間に出力される枚数が３０ｐｐｍの画像形成装置の場合、１枚あたりの出力に必要な時間は２秒であり、現像剤が現像器５を循環する３０秒の間に、１５枚出力される。したがって、この例では、バッファ数を１５として全バッファに格納した単位ページ毎のトナー予測消費量の移動平均値を取得することで、現像剤が現像器５を循環する時間における平均的なトナー消費量が予測できる。
【００２７】
なお、トナー予測消費量の算出と、トナー補給の周期は同期しない。そこで、トナー補給量を決定する要求があると、これに応じて移動平均値を単位ページあたりの予測トナー補給量として返す。
【００２８】
＜トナー濃度検出＞
現像剤中のトナー濃度を検出する透磁率センサ２７の出力電圧は、現像剤の透磁率の変化に応じて変化する。一般的には、図６に示すように、トナー濃度が高いと出力電圧が低く、トナー濃度が低いと出力電圧は高くなる。通常、制御電圧を調整することで、所定のトナー濃度において出力電圧が２．６Ｖ程度になるように、初期調整される。図６の例では、線形な感度を有する領域（トナー濃度にして約５〜９％）で、トナー濃度１％あたりの感度は約−０．５Ｖ/％である。
【００２９】
図７は、トナー濃度の平均処理手段３１における透磁率センサ２７を用いてトナー濃度を検出する処理の概略フローチャートである。ます、ステップＳ３０１で所定のサンプリング周期（例えば、３０Ｈｚ程度）でセンサ出力を取得する。センサ出力は、図２の撹拌スクリュ１９の回転数に応じて周期的な振幅を有する波形となる。このため、この波形の整数リップル分に相当するサンプリング点のセンサ出力を平均化する。例えば、サンプリング周期が３０Ｈｚで、撹拌スクリュ２９が１２０ｒｐｍで回転する場合、撹拌スクリュ２９の１回転（０．５秒）分のサンプリング数１５点、又は２回転（１秒）分のサンプリング数３０点におけるセンサ出力を平均してセンサ出力とする。
【００３０】
このように、リップルの影響を考慮したセンサ出力を取得した後、ステップＳ３０２で、このセンサ出力を図６に示すセンサ特性を利用してトナー濃度に換算する。この換算したトナー濃度の値は、ステップＳ３０３で先頭バッファに格納する。そして、ステップＳ３０４で全バッファの平均値を取得し、ステップＳ３０５で順次バッファを右シフトする。
【００３１】
ここで、バッファ数は、現像剤が循環（又は半循環）するのに必要な時間から決定する。例えば、現像剤の循環時間が３０秒、トナー濃度検出周期は２秒間隔の画像形成装置の場合、現像剤が現像器５を循環する３０秒の間に、１５回トナー濃度が換算されている。したがって、この例では、バッファ数を１５として全バッファに格納したトナー濃度の移動平均値を取得することで、現像剤が現像器５を循環する時間における平均的なトナー濃度が予測できる。
【００３２】
なお、バッファ数が異なる第１平均トナー濃度と第２平均トナー濃度をそれぞれ算出することもできる。第１平均トナー濃度は、現像器の１周分（例えば、バッファ数１５）の移動平均値として、１ドットあたりのトナー消費量の更新処理で使用する。第２平均トナー濃度は、現像器５の半周分（例えば、バッファ数８）の移動平均値として、トナー補給量を算出する処理で使用する。
【００３３】
なお、トナー予測消費量の算出と、トナー補給の周期は同期しない。そこで、トナー補給量を決定する要求があると、これに応じて第２平均トナー濃度を検出トナー濃度の値として返す。
【００３４】
＜１ドットあたりのトナー消費量の更新＞
図８は、１ドットあたりのトナー消費量更新手段３２における１ドットあたりのトナー消費量の更新処理の概略フローチャートである。ステップＳ４０１で、図７のフローに示す処理により平均トナー濃度を取得して検出トナー濃度とし、ステップＳ４０２で、下記数式により、１ドットあたりのトナー消費量を更新する。
【００３５】
[数２]
１ドットあたりのトナー消費量＝
更新前の１ドットあたりのトナー消費量−α（検出トナー濃度−基準トナー濃度）
【００３６】
ここで、最適化係数αは、画像形成装置１や現像器５のシステム構成に応じて最適化するための係数で、実験やシュミレーションにより決定するが、後述するように、実際の１ドットあたりのトナー消費量の値の約１／１０程度の値にすることが好ましい。
基準トナー濃度は、製品毎に予め決定された値である。
【００３７】
この１ドットあたりのトナー消費量の更新は、前述のトナー濃度検出処理のタイミングで行う。
【００３８】
＜トナー補給量の算出＞
図９は、トナー補給量算出手段３４におけるトナー消費量の算出処理を示す概略フローチャートである。ステップＳ５０１で図４、図５のフローに示す処理により単位ページあたりのトナー消費量を取得し、ステップＳ５０２で図７のフローに示す処理により平均トナー濃度を取得し、ステップＳ５０３で、これらの取得したトナー消費量と平均トナー濃度を用いて図１０に示すテーブルからトナー補給量を算出する。図１０は、トナー消費量（ｍｇ）と平均トナー濃度（％）からトナー補給量を検索するテーブルの一例である。トナー補給量が「０（ゼロ）」のときは、補給を行わない。ここで算出されたトナー補給量に応じて、トナー補給装置３６は現像剤容器１３から現像器５のトナー補給口２６を介して撹拌槽２４に供給する。
【００３９】
図１１は、以下の画像形成条件で、本発明のアルゴリズムにより１ドットあたりのトナー消費量を更新してトナーを補給した場合において、トナー濃度センサで取得、換算される換算トナー濃度の推移をシュミレーションしたものである。
（画像形成条件）
負荷：Ａ４横全面ベタ（Ｂ／Ｗ比；１００％）連続出力
現像剤量：２３０ｇ
出力スピード：３５ｒｐｍ
線速：１６５ｍｍ／ｓｅｃ
基準（目標）トナー濃度：７％
この結果、概ね３分程度で基準（目標）トナー濃度に集束していることが分かった。
【００４０】
図１２は、１ドットあたりのトナー消費量を更新する際の数式２で使用する最適化係数αを種々変更して、前述の条件でトナーを補給した場合において、トナー濃度センサで取得、換算される換算トナー濃度の基準トナー濃度からの最大ずれ量をシュミレーションしたものである。これによると、最適化係数αが約９Ｅ−１０のときに換算トナー濃度の基準トナー濃度からの最大ずれ量が最小になっていることがわかる。
【００４１】
トナー付着量を５ｇ／ｍ２と想定すると、解像度６００ｄｐｉにおける１ドットあたりのトナー消費量の理想値は、１ドット＝４２．３３μであるから、５×（４２．３３×１０―６）２＝８．９６Ｅ−９（ｇ）となる。したがって、最適化係数αは、トナー消費量の理想値の１／１０程度が適当であることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る画像形成装置の概略構成図。
【図２】現像器の概略構成図とトナー濃度制御のブロック図。
【図３】トナー濃度制御装置の制御ブロック図。
【図４】単位ページ毎のトナー消費量の予測処理の概略フローチャート。
【図５】単位ページあたりの平均トナー消費量の予測処理の概略フローチャート。
【図６】トナー濃度とセンサ出力の関係を示すグラフ。
【図７】透磁率センサを用いてトナー濃度を検出する処理の概略フローチャート。
【図８】１ドットあたりのトナー消費量の更新処理の概略フローチャート。
【図９】トナー消費量の算出処理を示す概略フローチャート。
【図１０】トナー消費量と平均トナー濃度からトナー補給量を検索するテーブル。
【図１１】換算トナー濃度の時間的推移を示すグラフ。
【図１２】最適化係数αの変化に対する換算トナー濃度の基準トナー濃度からの最大ずれ量を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４３】
１  画像形成装置
５  現像器
２７  透磁率センサ（トナー濃度センサ）
３０  トナー濃度制御装置
３１  トナー濃度平均処理手段
３２  １ドットあたりのトナー消費量更新手段
３３  トナー消費量予測手段
３４  トナー補給量算出手段
【図１】
2009276517.tif 000003
【図２】
2009276517.tif 000004
【図３】
2009276517.tif 000005
【図４】
2009276517.tif 000006
【図５】
2009276517.tif 000007
【図６】
2009276517.tif 000008
【図７】
2009276517.tif 000009
【図８】
2009276517.tif 000010
【図９】
2009276517.tif 000011
【図１０】
2009276517.tif 000012
【図１１】
2009276517.tif 000013
【図１２】
2009276517.tif 000014