JP2004301896A - 現像剤残量検知装置及びこれを用いた現像装置並びにプロセスカートリッジ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光手段からの光をトナー収容部を通過させて受光手段で受光することで前記トナー収容部に収容されているトナーの残量を検出するトナー残量検出装置において、LED53からの検知光をトナー容器41へ導くための入射側光ガイド51を有し、該入射側光ガイド51はLED53からの検知光を受け入れる入射面51aが、該入射面51aから入射した検知光をトナー容器41へ導く導光部51dで略平行となるように、凸形状となっていることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真方式を採用する複写機やプリンタ等の画像形成装置等に用いられる現像剤残量検知装置及びこれを用いた現像装置並びにプロセスカートリッジに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
複写機、プリンタ、ファクシミリなどの画像形成装置においては、電子写真感光体などの像担持体上に形成した静電潜像を、現像装置により現像することで現像剤による像として可視化している。
【0003】
従来、電子写真画像形成プロセスを用いた画像形成装置においては、電子写真感光体及び電子写真感光体に作用するプロセス手段を一体的にカートリッジ化して、このカートリッジを画像形成装置に着脱可能とするプロセスカートリッジ方式が採用されている。同様に現像装置をカートリッジ化したものも実用化されている。このプロセスカートリッジ方式によれば、装置のメンテナンスをユーザ自身で行うことができるので、格段に操作性を向上させることができた。
【0004】
プロセスカートリッジのユーザビリティ向上の一つとして、プロセスカートリッジの現像剤(以下「トナー」と称す)の残量をユーザに告知するためのトナー残量検知技術が様々に提案されている。その中に、ある一定時間内にトナー容器内を通過する光の透過時間を測定する光透過式トナー残量検知がある(例えば特許文献1参照)。
【0005】
また、光透過式トナー残量検知の構成の中で、トナー容器の開口を塞ぐ塞ぎ部と光ガイド本体部を一体に形成する方法が提案されている(例えば特許文献2参照)。
【0006】
これらの例に示される光透過式のトナー残量検知は以下に示すような手順により行われる。図9に示すように、画像形成装置にはトナー残量検知用の発光手段としての発光素子253及び受光手段としての受光素子254を配置され、トナー容器241には光透過窓251b及び252bを設け、発光素子253、受光素子254と光透過窓251b,252bの間の検知光を光ガイド251及び252で導き、トナー容器241内に検知光を通過させるようにする。
【0007】
一方、トナー容器241内にはトナーを現像容器245へと搬送するためのトナー搬送手段242が図示Xの方向に回転している。トナー搬送手段242は回転経路の中で検知光の光路を遮る部分があるように配置されており、このため、発光素子253からの検知光は、トナー搬送手段242の位置により遮光と透過を周期的に繰り返すこととなる。
【0008】
ここで、トナー容器241内のトナーが多い場合には搬送手段242の位置に関わらず検知光はトナーにより遮光され、受光素子254へ到達できないが、トナー残量が少なくなるにつれ、搬送手段242の回転に応じた検知光の透過が起こるようになってくる。このように、搬送手段1回転におけるトナー容器241内を通過する検知光の時間はトナー残量に依存するため、その時間を計測することによりトナー容器241内のトナー残量を推測することが可能となる。さらに光ガイド252の出射面を凸形状とし、受光素子254への検知光を集光させる方法が提案されている(例えば特許文献3参照)。
【0009】
【特許文献1】
特開平10−171232号公報(第4頁及び第8頁、図2、図4及び図5)
【特許文献2】
特開2002−123079号公報(第8頁、図8乃至図11)
【特許文献3】
特開2002−123079号公報([0057]、図9乃至図11)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような構成においては、プロセスカートリッジを画像形成装置へ装着し易くするために、画像形成装置の発光素子253とプロセスカートリッジ207の入射側光ガイド251との間に空隙L1を設けるのが一般的である。この場合、発光素子253からの検知光が広がり角を持っているため、プロセスカートリッジ207の入射側光ガイド251に対しては平行光束ではなく、角度分布を持って入射することとなる。
【0011】
そのため、入射側光ガイド251を検知光が進行していく間に光ガイド251の壁面での反射が起こり、入射側光ガイド251から出射側光ガイド252へ向けて出射される検知光はさらに角度分布を持つものになっている。
【0012】
このように検知光はその光路で徐々に減衰し、受光素子254へ到達するのは発光部253での光量の一部に過ぎなかった。上記構成においてもトナーの残量検知は可能であったが、さらなる高精度化を目指す場合には、受光素子へ到達する検知光の光量を上げることが必要となってくる。
【0013】
本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、その目的は、検知光の減衰を少なくすることにより、トナー残量の検知精度を向上させることが可能なトナー残量検知装置及びこれを用いた現像装置並びにプロセスカートリッジを提供するものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る代表的な構成は、発光手段からの光をトナー収容部を通過させて受光手段で受光することで前記トナー収容部に収容されているトナーの残量を検出するトナー残量検出装置において、前記発光手段からの検知光を前記トナー収容部へ導くための入射側光ガイドを有し、該入射側光ガイドは前記発光手段からの検知光を受け入れる入射面が、該入射面から入射した検知光を前記トナー収容部へ導く導光部で略平行となるように、凸形状となっていることを特徴とする。
【0015】
上記構成にあっては、発光手段からの光を、入射側光ガイド入射面で平行光束に近い状態とするため、光の伝達効率が向上し、トナー残量検知精度の向上が図れる。
【0016】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態に係る現像剤残量検知装置を用いた現像装置、プロセスカートリッジ及びこれを用いる画像形成装置について説明する。
【0017】
[カラー画像形成装置の全体構成]
まずカラー画像形成装置の全体構成について、図2及び図3を参照して概略説明する。なお、図2はカラー画像形成装置の一形態であるフルカラーレーザプリンタの全体構成説明図で、図3はそれに用いられるプロセスカートリッジの全体構成説明図である。
【0018】
カラーレーザプリンタは図2に示すように、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(Bk)の各色ごとに電子写真感光体を有する画像形成部と、画像形成部で現像され多重転写されたカラー画像を保持し、給送部から給送された転写材Pにさらに転写する中間転写体5とからなる。電子写真感光体である感光体ドラム1(1a,1b,1c,1d)は、駆動手段によって、同図中反時計回り方向に回転駆動される。感光体ドラム1の周囲には、その回転方向にしたがって順に、感光体ドラム1表面を均一に帯電する帯電手段2(図3参照)、画像情報に基づいてレーザビームを照射し、感光体ドラム1上の静電潜像を形成するスキャナユニット3(3a,3b,3c,3d)、静電潜像にトナーを付着させてトナー像として現像する現像装置4(図3参照)、感光体ドラム1上のトナー像を第一転写部T1で中間転写体5に転写させ、転写後の感光体ドラム1表面に残った転写残トナーを除去するクリーニング手段を含む感光体ドラムユニット6(図3参照)が配設されている。
【0019】
前記画像形成と同期するように、カセット17から給送ローラ18、レジストローラ対21から主に構成される給送手段によって転写材Pが第二転写部T2へ搬送され、この第二転写部T2において中間転写体5に転写されたトナー像が二次転写ローラ13にて転写材Pへさらに転写し、カラー画像を転写された転写材Pを定着部8へ搬送してカラー画像を転写材Pに定着し、排出ローラ群25によって装置上面の排出トレイ26上へ排出するものである。
【0020】
ここで、感光体ドラム1と帯電手段2、現像ユニット(現像装置)4、クリーニング手段は一体的にカートリッジ化されプロセスカートリッジ7(7a,7b,7c,7d)を形成している。
【0021】
[プロセスカートリッジ及び現像装置の構成]
次に本実施形態を実施したプロセスカートリッジについて、図3により詳細に説明する。
【0022】
図3はトナーを収納したプロセスカートリッジ7の主断面を示している。なお、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各プロセスカートリッジ7a,7b,7c,7dは同一構成である。
【0023】
図3に示すように、プロセスカートリッジ7は、電子写真感光体であるドラム状の電子写真感光体、すなわち感光体ドラム1と、帯電手段2及びクリーニングブレード60を備えた感光体ドラムユニット6及び感光体ドラム1上の静電潜像を現像する現像ローラ40を有する現像装置である現像ユニット4に分かれている。
【0024】
感光体ドラムユニット6は、感光体ドラム1がクリーニング枠体61に回転自在に取り付けてられている。感光体ドラム1の周上には、感光体ドラム1の表面を一様に帯電させるための一次帯電手段2、及び感光体ドラム上に残ったトナーを除去するためのクリーニングブレード60が配置されている。
【0025】
クリーニングブレード60によって感光体ドラム1表面から除去された残留トナーは、トナー送り機構62によってクリーニング枠体後方に設けられた廃トナー室63に順次送られる。そして図示後方の一方端に図示しない駆動モータの駆動力を伝達することにより、感光体ドラム1を画像形成動作に応じて図示反時計回り方向に回転駆動させるようにしている。
【0026】
現像ユニット4は、感光体ドラム1と接触して矢印Y方向に回転する現像ローラ40、及びトナーが収容されたトナー収容部としてのトナー容器41と現像容器45とから構成される。現像ローラ40は回転自在に現像容器45に支持され、また現像ローラ40の周上には、現像ローラ40と接触して矢印Z方向に回転するトナー供給ローラ43と現像ブレード44がそれぞれ配置されている。さらにトナー容器41内には収容されたトナーを撹拌するとともにトナー供給ローラ43に搬送するためのトナー搬送手段42が設けられている。
【0027】
現像時、トナー搬送手段42によって収納されたトナーがトナー供給ローラ43へ搬送されると、矢印Z方向に回転するトナー供給ローラ43が、そのトナーを矢印Y方向に回転する現像ローラ40との摺擦によって現像ローラ40に供給し、現像ローラ40上に担持させる。現像ローラ40上に担持されたトナーは、現像ローラ40の回転にともない現像ブレード44のところに至り、現像ブレード44がトナーに対して電荷を付与するとともに、所定のトナー薄層に形成する。そして、感光体ドラム1と現像ローラ40とが接触した現像部に搬送され、現像部において、図示しない電源から現像ローラ40に印加した直流現像バイアスにより、感光体ドラム1の表面に形成されている静電潜像に付着して、潜像を現像する。
【0028】
現像に寄与せずに現像ローラ40の表面に残留したトナーは、現像ローラ40の回転にともない現像容器45内に戻され、トナー供給ローラ43との摺擦部で現像ローラ40から剥離、回収される。回収されたトナーは、トナー搬送手段42により残りのトナーと撹拌混合される。
【0029】
なお、本実施形態の現像ユニット4にはトナー容器41内に光を透過させることにより該トナー容器41内のトナー残量を検知する光透過式トナー残量検知装置が設けられている。
【0030】
[トナー搬送手段の構成と光透過式トナー残量検知]
次にトナー搬送手段の構成と光透過式トナー残量検知について図4及び図5を用いて説明する。図4及び図5はプロセスカートリッジのトナー残量検知部の断面図である。
【0031】
図4に示すように、トナーを収納するトナー容器41内には、トナー搬送手段42が設けられており、矢印X方向に回転することで供給ローラ43にトナーを搬送している。トナー搬送手段42は主に樹脂成形品の軸部材42a、トナー搬送を行うための可撓性シート状部材(本実施形態ではPETシート)42bで構成される。
【0032】
トナー搬送手段42への駆動力の伝達はトナー容器41側面を貫通して挿入される駆動ギア(不図示)によって行われる。
【0033】
一方、トナー容器41は、トナー残量検知用光透過窓と光導入部を一体とした入射側光ガイド51及び出射側光ガイド52を下面と上面に有している。入射側光ガイド51は、画像形成装置本体100に設けられた発光手段であるLED53から発光されたトナー残量検知光Lをトナー容器41内部へ導くものであり、LED53からの検知光を受け入れる入射面51aと、入射した検知光を前記現像容器45内部へ導く導光部51d、及び検知光を前記出射側光ガイド52へと出射する出射面であるトナー容器内光透過面51bを有する。そして、トナー容器41内を通過した検知光Lは出射側光ガイド52を介して同じく画像形成装置本体100に設けられた受光素子であるフォトトランジスタ54へ導かれる。
【0034】
トナー搬送手段42のシート部材42bは、その回転にともない、検知光Lを遮光するとともに入射側光ガイド51のトナー容器内光透過面51bと出射側光ガイド52のトナー容器内光透過面52bの清掃を行う。
【0035】
尚、本実施形態では光ガイド51及び52の材質は、透明度が高い、熱溶着が可能である、清掃部材による摺擦跡がつきにくい等の理由によりポリスチレン(PS)を使用している。
【0036】
図4は、シート部材42bが入射側光ガイド51のトナー容器内光透過面51bを清掃した直後の状態であり、検知光Lはトナー残量が比較的少ない状態であるため、トナー容器41内部を透過し、出射側光ガイド52を介して画像形成装置本体100内の受光素子54で検知された状態である。
【0037】
一方、図5は、シート部材42bが入射側光ガイド51のトナー容器内光透過面51bを清掃する直前の状態であり、検知光Lはトナー及びシート部材42bの存在によりトナー容器41内部で遮られ、出射側光ガイド52に届かず、画像形成装置本体100内の受光素子54で検知されない状態である。
【0038】
以上に示した構成において、トナー搬送手段42の1回転あたりにトナー容器41内部を透過して、画像形成装置100の受光素子54で受光される検知光Lの受光時間により、トナー容器41内のトナーについておよそ有効トナー残量の25〜0%の範囲でトナー残量を推測することができる。
【0039】
[プロセスカートリッジの配置]
次に本実施形態にかかる画像形成装置及びそれに用いられるプロセスカートリッジの配置について図6により説明する。
【0040】
本実施形態に係るプロセスカートリッジ7は感光体ドラム1を中間転写体5側にしてカラー画像形成装置本体100に対して、4個鉛直方向に並べて装着される。また図1に示すように、トナー容器41に設けられた入射側光ガイド51及び出射側光ガイド52は装着方向先頭側にその入射面51a及び出射面52aを有し、光路の途中で反射面51cを用い、進行方向を約90°変えている。そして、画像形成装置本体にはトナー残量検知を行うためのLED53と受光素子54を一つの基板57上に配置している。こうすることで、プロセスカートリッジの装着がしやすく、かつ、画像形成装置の基板構成も簡略化が可能となり、画像形成装置の小型化を可能としている。
【0041】
[発光〜受光間の光損失]
次に図1及び図7乃至図8を用いて、画像形成装置100に設けられたトナー残量を検知する手段としての発光手段であるLED53から受光素子であるフォトトランジスタ54までの間に検知光Lがどのように減衰していくかについて述べる。
【0042】
本実施形態では、LED53はピーク波長940nm、外径5mm、広指向性θ/2=15°のレンズ付き赤外光LEDを用いている。
【0043】
はじめに、従来例における検知光の減衰について図7を用いて説明する。
【0044】
図7において、LED53からの検知光は、LED53の先端から5〜10mmほど離れた入射側光ガイド51の入射面51aに達し、入射側光ガイド51へと導かれる。この入射側光ガイドは約5mm×5mmの角型断面を有しているが(本実施形態も同様)、LED53から入射側光ガイドへ検知光が到達するまでに、入射光は広がり角を持っているため、発光量の一部は入射側光ガイド51へ導かれることなく損失となる。また、入射後の検知光は反射面51cで図中上方へ進路を変え、出射面から出射側光ガイド52へと向かう。ここで、光軸に対して角度を持って入射してきた光は、入射側光ガイド51の壁面での反射などにより、出射面に至るときにはさらに広がり角度が大きくなっている。
【0045】
続いてトナー容器41内を通過した検知光は出射側光ガイド52の入射面へ至るが、入射側光ガイドから出射する時点で広がり角が大きくなっているため、出射側光ガイド52の入射面に入射する際にさらに損失が生じる。さらに出射側光ガイド52内の壁面で反射が起こり、最終的に出射側光ガイド52の出射面からは大きな広がり角を持った検知光が出射される。
【0046】
つまり、検知光は光路に沿って進むにつれ徐々に広がり、LED53や光ガイド51及び52や受光素子54への受け渡し部で減衰していく。
【0047】
[入射側光ガイド入射部]
次に本実施形態における検知光の減衰について説明する。
【0048】
図1は、入射側光ガイド51の入射面51aを凸の球面とした場合を示している。本実施形態では約R8の球面を採用した。こうすることにより、LED53から広がり角を持って照射された検知光を入射面で略平行光束に近い状態へ補正することが可能となる。
【0049】
先に述べた通り、入射側光ガイド51内を透過する検知光が平行光束であれば、導光部51dにおける光ガイド壁面での反射が少なくなり、出射面から出て行く検知光の広がり角度を抑えることができる。図1で示すように、入射側光ガイド51の出射面からの検知光は出射側光ガイド52の入射面にほぼ100%の効率で伝達されることが解る。これにより、LED53から受光素子54に至るまでの光の損失が抑えられ、検知光の伝達効率が向上する。
【0050】
一方、図7に示す従来の形態では、入射側光ガイド51の入射面が平面であるため、前述したように入射側光ガイド51に入った検知光は入射側光ガイド51の壁面で反射しながら、反射面へ到達し、入射側光ガイド51の出射面へと至る。ここで検知光は様々な方向へ拡散し、結果として出射側光ガイドの入射面へ到達できる光束が極めて減衰していることが解る。
【0051】
[入射面形状の違いによる損失の違い]
次に、入射側光ガイド51の入射面を従来のように平面とした場合と、本実施形態のように凸面(球面)とした場合のシミュレーション結果を示す。
【0052】
今回のシミュレーションでは、LED53に取り付けられているレンズの曲率を考慮した仮想発光点53aを想定し、ここでの発光量を100とした場合の、各経路での光量を計算した。
【0053】
ここで各部寸法及び、諸元は、仮想発光点53a〜入射面51b間距離L1=14.9mm、LED53の主波長940nm、入射側光ガイド51及び出射側光ガイド52の材質:ポリスチレン(PS)、屈折率1.574(波長940nmに対する屈折率)、入射側光ガイド51及び出射側光ガイド52の断面:5mm×5mm、入射面51bの曲率R=7.75、受光素子54を直径1.6mmのフォトトランジスタとした。
【0054】
結果は、図8に示すように、最終的に受光素子54での光量は、入射側光ガイドの入射面が平面の場合が0.593、凸面の場合が5.22であり、入射面が凸面であることの効果が表れている。特に入射側光ガイド51の出射面51bから出射側光ガイド52の入射面52bへの受け渡しでの効率が大幅に向上していることが解る。これは、入射側光ガイド51へ検知光を取り込むときに入射面を凸面(球面)とすることで、導光部51dでの検知光がより平行光束に近づき、効率良く検知光が伝達されていることを表している。
【0055】
なお入射側光ガイド51の入射面51bの凸面の寸法や光ガイド51及び52の断面寸法や、光ガイド51及び52の材質などは本実施の形態に限定されるものではなく、LED53の特性や、LED53から光ガイド51までの距離L1や光ガイド51及び52の材質などにより適宜変更されるものである。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように、トナー収容部に収容されているトナーの残量を光学的に検出するにあたり、トナー収容部へ検知光を導く入射側光ガイドの入射面を凸形状とすることで、発光手段からの入射光を略平行光束に近い状態へ補正し、検知光の損失を防ぐことにより、トナー残量の検知精度を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るプロセスカートリッジの実施形態を示す部分断面図である。
【図2】フルカラー画像形成装置の全体構成を示す断面図である。
【図3】プロセスカートリッジの全体構成を示す断面図である。
【図4】光透過式トナー残量検知構成を示すプロセスカートリッジの断面図である。
【図5】光透過式トナー残量検知構成を示すプロセスカートリッジの断面図である。
【図6】プロセスカートリッジと画像形成装置を示す部分断面図である。
【図7】従来例にかかるプロセスカートリッジの構成を示す部分断面図である。
【図8】発光素子から受光素子までの光量の伝達効率を説明する表である。
【図9】従来例にかかるプロセスカートリッジを示す断面図である。
【符号の説明】
L …トナー残量検知光
P …転写材
T2 …第二転写部
1 …感光体ドラム
2 …帯電手段
3 …スキャナユニット
4 …現像ユニット
5 …中間転写体
6 …感光体ドラムユニット
7 …プロセスカートリッジ
8 …定着部
13 …二次転写ローラ
17 …カセット
18 …給送ローラ
21 …レジストローラ対
25 …排出ローラ群
26 …排出トレイ
40 …現像ローラ
41 …トナー容器
42 …トナー搬送手段
42a …軸部材
42b …可撓性シート状部材
43 …トナー供給ローラ
44 …現像ブレード
45 …現像容器
51 …入射側光ガイド
51a …入射面
51b …トナー容器内光透過面
51c …反射面
51d …導光部
52 …出射側光ガイド
52a …出射面
52b …トナー容器内光透過面
53 …LED
53a …仮想発光点
54 …フォトトランジスタ
60 …クリーニングブレード
61 …クリーニング枠体
62 …機構
63 …廃トナー室
100 …画像形成装置本体
Claims (4)
- 発光手段からの光を現像剤収容部を通過させて受光手段で受光することで前記現像剤収容部に収容されている現像剤の残量を検出する現像剤残量検出装置において、
前記発光手段からの検知光を前記現像剤収容部へ導くための入射側光ガイドを有し、該入射側光ガイドは前記発光手段からの検知光を受け入れる入射面が、該入射面から入射した検知光を前記現像剤収容部へ導く導光部で略平行となるように、凸形状となっていることを特徴とする現像剤残量検知装置。 - 現像剤収容部に収容した現像剤を潜像を形成した電子写真感光体へ供給して前記潜像を現像する現像装置において、
請求項1記載の現像剤残量検知装置を有することを特徴とする現像装置。 - 画像形成装置本体に着脱可能なプロセスカートリッジにおいて、
電子写真感光体と、
前記電子写真感光体に形成した潜像を現像剤で現像する現像装置と、
請求項1記載の現像剤残量検知装置と、
を有することを特徴とするプロセスカートリッジ。 - 前記プロセスカートリッジは、
画像形成装置本体に設けられた発光手段からの検知光を現像剤収容部へ導くための前記入射側光ガイドと、
前記現像剤収容部を通過した検知光を画像形成装置本体に設けられた受光手段へ導くための出射側光ガイドと、
を有することを特徴とする請求項3記載のプロセスカートリッジ。
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Cited By (4)
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