JP2006039036A - トナー濃度推定方法及び装置、並びにその装置を備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トナー濃度の変化によっても現像効率が殆ど変化しない２成分現像剤を使用する電子写真方式の現像方式において、トナー濃度を効率よく制御できるトナー濃度推定方法及び装置、並びにその装置を備えた画像形成装置を提供する。
【解決手段】 画像濃度の制御データを得るため像担持体の上にトナーパッチを作成、ＡＩＤＣセンサでトナー付着量を検出、環境の相対湿度を環境センサで検出、トナーの帯電量に影響する装置の累積使用期間に関する情報を取得する（Ｐ１〜Ｐ３）。検出した上記情報を所定の演算式により処理してトナー帯電量を算出（Ｐ４）、更にトナー帯電量を所定の演算式により処理してトナー濃度を算出する（Ｐ５）。前記トナー濃度と画像の画素数からトナー消費量予測値を算出、トナー消費量予測値に基づいてトナー補給装置を作動させ（Ｐ６〜Ｐ９）、現像器内のトナー濃度を所定範囲に維持するよう制御する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、電子写真方式、静電記録方式、イオノグラフィー、磁気記録方式等の画像形成方式を採用したカラー画像や白黒画像を形成する複写機、プリンタ、ファクシミリ等の画像形成技術に関するもので、特に、像担持体へのトナー付着量その他の情報からトナー濃度を推定するトナー濃度推定方法及び装置、並びにその装置を備えた画像形成装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置においては、キャリアとトナーとからなる２成分現像剤を使用して像担持体上に形成された静電潜像を現像して可視像化する画像形成装置が知られている。

このような２成分現像剤を使用する画像形成装置では、作像プロセスではトナーのみが消費されるから、作像プロセスが繰り返されると現像剤中のトナーが減少してトナー濃度が次第に低下してゆく。この対策として、２成分現像剤を使用する画像形成装置では、現像剤中のトナー濃度を所定の範囲内に維持するためトナー濃度検出器を備えて適時にトナー濃度を検出し、トナー濃度が所定の範囲以下に低下したことが検出されたとき、トナーを補給する構成が備えられている。

トナー濃度検出器としては、現像器の内部に装填されている現像剤に光を投射し、その反射光の強度に基づいてトナー濃度を検出する方式（光学式ＡＴＤＣ）と、現像器の内部に装填されている現像剤の透磁率を検出し、透磁率の大小に基づいてトナー濃度を検出する方式（磁気式ＡＴＤＣ）とが知られている。

トナー濃度検出器は、現像器毎に１個を設ける必要があるため、特にカラー画像形成装置のように複数の現像器を備える画像形成装置では、現像器の数に対応した複数のトナー濃度検出器を必要とし、製造コストを高める原因となっている。このような問題を解決するため、種々の方法が提案されている。

第１の方法は、像担持体上に同一色のトナーを使用して少なくとも２種類以上の異なる現像バイアス電圧でトナー濃度調整用トナーパッチを形成し、形成されたトナーパッチのトナー濃度をトナー濃度センサで検出し、２つのトナーパッチのトナー濃度の検出結果からトナー濃度が規定値以上に達したことを検出してトナーの補給を制御しようとするものである（特許文献１参照）。

第２の方法は、トナー濃度が既知のスタータ現像剤を使用してトナー濃度調整用トナーパッチを形成してトナー付着量を検出し、現像効率（現像バイアスに対するトナー付着量の変化量）を算出する。算出された現像効率をスタータ現像剤の標準現像効率と比較して補正データを決定、算出された現像効率を補正データで補正して現像剤中のトナー濃度を推定し、トナーの補給を制御しようとするものである（特許文献２参照）。

第３の方法は、トナー濃度を検出する方式として光学式トナー濃度検出器と、磁気式トナー濃度検出器とを備えたもので、カラー画像用現像器であるシアン現像器には光学式トナー濃度検出器を、ブラック現像器には磁気式トナー濃度検出器を設け、検出されたシアントナーのトナー濃度の標準現像効率とブラックトナーのトナー濃度の標準現像効率とを比較して、ブラックトナーの補給を制御しようとするものである（特許文献３参照）。
特開２００２−１６２７９５号公報。 特開平８−２４８７５０号公報。 特開平９−１０６１６８号公報。

前記した第１の方法では、トナー濃度の上限と下限の判定を行っているだけであるからトナー濃度の制御範囲（オペレーティングウインドウ）が十分に広い現像剤の場合には、有効な方法であるが、トナー濃度の制御範囲が狭い現像剤においては、トナー濃度を精度良く一定に保つことができないという不都合がある。

また、前記した第２の方法の場合を説明すると、図１５及び図１６は現像バイアス電圧と、トナー付着量検出値、及びトナー濃度の関係を示すもので、図１５はトナー濃度が低い場合は現像バイアス電圧の変化に対するトナー付着量が小さく、トナー濃度が高い場合は現像バイアス電圧の変化に対するトナー付着量が大きいことを示している。また、図１６はトナー濃度が低い場合もトナー濃度が高い場合も、現像バイアス電圧の変化に対するトナー付着量の変化が小さいことを示している。

図１５に示すように、トナー濃度の変化に対する現像効率（現像バイアスに対するトナー付着量）の変化量が大きい場合は、トナーパッチからトナー濃度を推定することができるが、図１６に示すように、トナー濃度の変化に対する現像効率（現像バイアスに対するトナー付着量）の変化量が小さいか殆どない場合は、トナーパッチからトナー濃度を推定することができないという不都合がある。

さらに、前記した第３の方法では、検出方法が異なる２つのトナー濃度検出器を使用するものであって、性質の異なる複数の検出器を必要とするなどの不都合がある。

この発明は、上記した種々の課題を解決し、現像効率の変化に対してトナー濃度の変化量が殆どない現像方式においても、精度よくトナー濃度を制御できるトナー濃度推定方法及び装置、並びにその装置を備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

この発明は上記課題を解決するもので、請求項１の発明は、電子写真方式の画像形成装置に適したトナーとキャリアから構成される２成分系現像剤のトナー濃度推定方法であって、以下のステップを含むことを特徴とするトナー濃度推定方法である。

像担持体の上に形成したテスト用トナーパッチのトナー付着量情報、トナー層充填率情報、現像バイアス電位情報、電位充填情報、感光体静電容量情報、及び転写効率情報に基づいてトナー帯電量を算出する第１ステップ、
算出されたトナー帯電量を、環境の相対湿度情報、及び画像形成装置の累積使用期間情報に基づいて決定される補正情報により補正してトナー濃度を推定する第２ステップ。

請求項２の発明は、電子写真方式の画像形成装置に適したトナーとキャリアから構成される２成分系現像剤のトナー濃度推定方法であって、以下のステップを含むことを特徴とするトナー濃度推定方法である。

以下の式（１）に基づいてトナー帯電量を算出する第１ステップ：

但し、Ｑ：トナー帯電量
ｐ：係数
ｑ：係数
β：トナー層充填率（像担持体上に形成されたテスト用トナーパッチ
のトナー付着量を表す）
Δｖ：単位の現像バイアス電位
α：電位充填率（単位現像バイアス電位に対するトナー層電位の比率）
Ｍ：トナー付着量（テスト用トナーパッチのトナー付着量）
Ｔ：転写効率（画像記録媒体に付与した転写電荷量と像担持体上のトナ
ー層が有する電荷量との比率）
Ｃｍ：像担持体の静電容量
以下の式（２）に基づいてトナー帯電量を算出する第２ステップ：

但し、Ｔｃ：トナー濃度
ｋ：トナー濃度算出値補正係数
Ｑ：トナー帯電量
ｊ1 ：係数（トナー及びキャリアの粒径並びにそれらの密度により定まる）
ｊ2 ：係数（トナー粒径及びトナー密度により定まる）。

そして、前記トナー濃度算出値補正係数ｋは、環境の相対湿度、画像形成装置の累積使用期間を示す情報、トナーの消費量を示す情報のいずれか又は全ての情報に基づいて決定される。

前記トナー濃度算出値補正係数ｋは、検出された環境の相対湿度が低いときは係数ｋを大きく設定し、環境の相対湿度が高いときは係数ｋを小さく設定するとよい。

前記トナー濃度算出値補正係数ｋは、現像に使用されたトナーの使用期間が長いときは係数ｋを大きく設定し、使用期間が短いときは係数ｋを小さく設定するとよい。

前記単位の現像バイアス電位Δｖは、検出された環境の相対湿度が低いときは電位を高く設定し、環境の相対湿度が高いときは電位を低く設定するとよい。

前記トナー層充填率βは、単位の現像バイアス電位Δｖ当たりのトナー付着量が大きい場合は充填率βを大きく設定し、トナー付着量が少ない場合は充填率βを小さく設定するとよい。

前記電位充填率αは、検出された環境の相対湿度が低いときは充填率αを大きく設定し、環境の相対湿度が高いときは充填率αを小さく設定するとよい。

前記像担持体の静電容量Ｃｍは、像担持体の使用期間が長いときは静電容量Ｃｍを大きく設定し、使用期間が短いときは静電容量Ｃｍを小さく設定するとよい。

請求項１０の発明は、電子写真方式の画像形成装置に適したトナーとキャリアから構成される２成分系現像剤のトナー濃度推定装置であって、像担持体上に形成したテスト用トナーパッチのトナー付着量を検出するトナー付着量センサと、画像形成装置の環境の相対湿度を検出する環境湿度検出センサと、画像形成装置の累積使用期間を示す情報を計数する計数部と、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記トナー付着量センサにより検出されたトナー付着量、前記環境湿度検出センサにより検出された環境湿度、及び前記計数部から得られた累積使用期間情報からトナー付着量情報、トナー層充填率情報、現像バイアス電位情報、電位充填情報、感光体静電容量情報、及び転写効率情報を得、それらの情報に基づいて請求項１又は請求項２に記載のトナー濃度推定方法によりトナー濃度を推定することを特徴とするトナー濃度推定装置である。

そして、前記トナー濃度推定装置は、さらに前記像担持体上に形成されたトナー像の画素数に基づいてトナー消費量を予測するトナー消費量予測部を備え、前記制御装置は、請求項１又は請求項２に記載のトナー濃度推定方法によりトナー濃度を推定すると共に、前記トナー消費量予測部によりトナー消費量を予測するようにしてもよい。

また、画像形成装置の累積使用期間を示す情報を計数する計数部は、像担持体の累積回転数を計数するカウンタ、画像形成した記録媒体の累積枚数を計数するカウンタ、トナーの消費量を示す数値を計数する計数部のいずれか又は全てである。

請求項１３の発明は、トナーとキャリアから構成される２成分系現像剤を使用する電子写真方式の画像形成装置であって、像担持体上に形成された画像潜像を現像器に装填されている現像剤で現像し、像担持体上にトナー像を形成する作像装置と、前記像担持体上に形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、像担持体上に形成されたテスト用トナーパッチのトナー付着量を検出するトナー付着量センサと、画像形成装置の設置環境の相対湿度を検出する環境湿度検出センサと、画像形成装置の累積使用期間を示す情報を計数する計数部と、前記作像装置の現像器にトナーを補給するトナー補給装置と、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記トナー付着量センサにより検出されたトナー付着量、前記環境湿度検出センサにより検出された環境湿度、及び前記計数部から得られた累積使用期間情報から、トナー付着量情報、トナー層充填率情報、現像バイアス電位情報、電位充填情報、感光体静電容量情報、及び転写効率情報を得、それらの情報に基づいて請求項１又は請求項２に記載のトナー濃度推定方法によりトナー濃度を推定し、推定したトナー濃度に基づいてトナー補給量を決定して前記現像器にトナーを補給するようトナー補給装置を作動させることを特徴とする画像形成装置である。

そして、前記画像形成装置の累積使用期間を示す情報を計数する計数部は、像担持体の累積回転数を計数するカウンタ、画像形成した記録媒体の累積枚数を計数するカウンタ、トナーの消費量を示す数値を計数する計数部のいずれか又は全てである。

また、前記制御装置は、さらに前記像担持体上に形成されたトナー像の画素数に基づいてトナー消費量を予測するトナー消費量予測部を備え、前記トナー消費量予測部により予測したトナー消費量と前記推定したトナー濃度とに基づいてトナー補給量を決定して前記現像器にトナーを補給するようトナー補給装置を作動させるようにしてもよい。

さらに、前記テスト用トナーパッチは、画像の最大濃度を調整する最大濃度調整用トナーパターンと兼用することができる。

以上詳細に説明したとおり、請求項１及び請求項２記載のトナー濃度推定方法によれば、像担持体に付着したトナー付着量情報に加えて、トナー層充填率情報、現像バイアス電位情報、電位充填情報、感光体静電容量情報、及び転写効率情報に基づいてトナー帯電量を算出し、算出されたトナー帯電量を、環境の相対湿度情報、及び画像形成装置の累積使用期間情報に基づいて決定される補正情報により補正してトナー濃度を推定するものであるから、トナー濃度の変化に対して現像効率の変化が殆どない現像システムであっても、精度よくトナー濃度を推定することができる。

また、従来のもののように、各現像器にトナー濃度を検出するセンサを配置することがないので、製造コストを低減することができる。

請求項１０記載のトナー濃度推定装置では、請求項１又は請求項２記載のトナー濃度推定方法によりトナー濃度を推定するトナー濃度推定装置であるから、請求項１及び請求項２記載のトナー濃度推定方法により得られる効果と同様の効果を奏するものである。

請求項１３に記載の画像形成装置は、請求項１又は請求項２記載のトナー濃度推定方法によりトナー濃度を推定し、推定トナー濃度からトナー消費量を予測するもので、また請求項１４に記載の画像形成装置は、さらにトナー消費量予測部を設け、トナー消費量予測値と推定トナー濃度とに基づいてトナー消費量を予測し、予測したトナー消費量に基づいて現像器にトナーを補給するようにしてたものである。

従って、前記請求項１及び請求項２記載のトナー濃度推定方法により得られる効果と同様の効果を奏するものであるほか、推定トナー濃度が所定の濃度範囲以下の場合は自動的に現像器にトナーを補給することができるから、常に画像濃度が所定の範囲に保たれ、高品質の画像プリントを得ることができる。

以下、この発明の実施の形態について説明する。図１は、この発明を実施するに適したタンデム方式のフルカラー画像形成装置の構成を説明する図、図２は、その作像ユニット付近を拡大した説明図である。

図１及び図２を参照して画像形成装置１０の構成の概略を説明する。画像形成装置１０の上面には、原稿ガラス４１の下側に走査光学系４０が配置されており、原稿ガラス４１の上に載置された原稿は走査光学系４０により読み取られ、出力された画像信号は画像処理部４５において所定の信号処理が行なわれ、後述する作像ユニット１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋの露光装置１４Ｙ、１４Ｍ、１４Ｃ、１４Ｋに出力される。

イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）の４色の作像ユニット１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋが中間転写ベルト２１に沿って直列に配置されており、各作像ユニット１１Ｙ〜１１Ｋには、それぞれ感光体１２Ｙ、１２Ｍ、１２Ｃ、１２Ｋと、その周辺に帯電装置１３Ｙ、１３Ｍ、１３Ｃ、１３Ｋ、露光装置１４Ｙ、１４Ｍ、１４Ｃ、１４Ｋ、現像装置１５Ｙ、１５Ｍ、１５Ｃ、１５Ｋ、及び第１クリーニング装置１６Ｙ、１６Ｍ、１６Ｃ、１６Ｋが配置されている。感光体１２Ｙ〜１２Ｋは矢印ａ方向に一定速度で回転するように構成されている。

感光体１２Ｙ、１２Ｍ、１２Ｃ、１２Ｋに対向する位置には、中間転写ベルト２１を挟んで第１転写装置１８Ｙ、１８Ｍ、１８Ｃ、１８Ｋが配置されている。中間転写ベルト２１は、第２転写ローラ２２、駆動ローラ２３、従動ローラ２４との間に架設され、図示しない駆動装置で駆動される駆動ローラ２３の回転により、中間転写ベルト２１は矢印ｂ方向に一定速度で移動するように構成されている。

さらに、第２転写ローラ２２と対向する位置には、中間転写ベルト２１を挟んで圧接ローラ２５が配置され、中間転写ベルト２１と圧接ローラ２５との間に形成されるニップ部に向けて、給紙装置３０から記録紙Ｐが搬送されるように構成されている。また、ニップ部の記録紙Ｐの搬送方向下流側には定着装置２８が配置され、その下流側には排紙部２９が配置されている。

なお、図１及び図２において、符号５０は後述する中間転写ベルト２１上のトナーパッチのトナーの付着量及び各色の色ずれ量を検出するＡＩＤＣセンサを示す。

以上の構成の動作を簡単に説明する。まず、感光体１２Ｙ〜１２Ｋが回転を開始し、中間転写ベルト２１が移動を開始する。帯電装置１３Ｙ〜１３Ｋにより感光体１２Ｙ〜１２Ｋの表面が均一に帯電される。また、給紙装置３０から記録紙Ｐが搬送され、タイミングローラ２７で一旦停止する。

原稿画像が走査光学系４０により読み取られると、その出力信号は画像処理部４５において所定の信号処理されて赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に色分解された画像信号として出力される。

上記した原稿画像に基づく３原色に色分解された画像信号、或いは図示しないパソコン等から出力された３原色に色分解された画像信号が、これに対応するイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、黒（Ｋ）の作像ユニット１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋに順次出力される。

まず、作像ユニット１１Ｙに出力された画像信号により露光装置１４Ｙが作動して感光体１２Ｙの上に画像潜像が形成され、現像装置１５Ｙにより現像されてイエローのトナー像が形成される。感光体１２Ｙの上のイエローのトナー像は、第１転写装置１８Ｙの作用により中間転写ベルト２１の上に転写される。

中間転写ベルト２１の上に転写されたイエローのトナー像が第１転写装置１８Ｍの下に移動するタイミングに合わせて、作像ユニット１１Ｍの感光体１２Ｍの上に画像潜像が形成され、現像装置１５Ｍによりマゼンタのトナー像が形成される。感光体１２Ｍの上のマゼンタのトナー像は第１転写装置１８Ｍの作用により、中間転写ベルト２１の上のイエローのトナー像に重畳して転写される。

同様にして、作像ユニット１１Ｃの感光体１２Ｃの上に形成されたシアンのトナー像が、中間転写ベルト２１の上に重畳して転写されたイエロー及びマゼンタのトナー像の上に重畳して転写され、さらに、作像ユニット１１Ｋの感光体１２Ｋの上に形成された黒のトナー像が、中間転写ベルト２１の上に重畳して転写されたイエロー、マゼンタ、シアンのトナー像の上に重畳して転写され、中間転写ベルト２１の上には、イエロー、マゼンタ、シアン及び黒の４色のトナー像が重畳したフルカラーのトナー像が形成される。

中間転写ベルト２１の上に形成されたフルカラーのトナー像が第２転写ローラ２２の位置に移動するタイミングに合わせてタイミングローラ２７が回転を開始し、中間転写ベルト２１と圧接ローラ２５との間に形成されるニップ部に向けて記録紙Ｐが搬送される。第２転写ローラ２２の作用によりフルカラーのトナー像は記録紙Ｐに転写され、さらに定着装置２８で定着処理され、排紙部２９に排出される。

感光体１２Ｙ〜１２Ｋの表面に形成された各色のトナー像の中間転写ベルト２１への転写が終了すると、感光体１２Ｙ〜１２Ｋの表面はそれぞれ対応する第１クリーニング装置１６Ｙ〜１６Ｋにより残留した廃トナーの清掃が行われる。

また、中間転写ベルト２１の表面に形成されたフルカラーのトナー像の記録紙Ｐへの転写が終了すると、中間転写ベルト２１の表面は第２クリーニング装置２６により残留した廃トナーの清掃が行われる。

以上、フルカラー画像形成装置の構成と動作の概略を説明したが、高品質の画像を形成するため、画像濃度の制御を行う。画像濃度は、感光体の帯電電位、現像バイアス電位、露光量などの要因によって変動するが、２成分現像剤を使用する画像形成装置では画像形成によりトナーのみが消費され、キャリヤは消費されないから、現像剤中のトナーの比率、即ちトナー濃度が次第に低下して画像濃度が低下する。ここで言う画像濃度の制御とは、トナー濃度が許容範囲を越えて低下したとき、現像器にトナーを補給して画像濃度を所定範囲内に維持するように制御することを指す。

画像濃度の制御処理は、（１）トナー帯電量の算出、（２）トナー濃度の算出、（３）トナー消費量の予測、（４）トナーの補給、の順序で実行される。図３は、この画像濃度の制御処理の概略を説明するフローチャートで、画像形成装置を制御する図示しない制御装置のＣＰＵ内部のソフトウエアで実行される。以下、制御処理の概略を説明する。

なお、上記したトナー消費量の予測はトナー補給のために必須のものではなく、トナー濃度が算出されたとき、そのトナー濃度が所定範囲以下の場合、トナー補給を実行するようにしてもよい。

また、ここでは、画像濃度の制御処理は制御装置のＣＰＵ内部のソフトウエアで実行されるものとして説明するが、ソフトウエアで実行される機能を備えたハードウエアで構成することも可能で、そのような構成も本願発明に含まれることは言うまでもない。

まず、準備段階として、画像濃度の制御データを得るために使用するテスト用トナーパッチを像担持体上に作成する。これについては後で詳細に説明する。

準備が終了したならば、画像濃度の制御データを得るためにトナーパッチに付着したトナー付着量をＡＩＤＣセンサで検出する（ステップＰ１）。次に、トナーの帯電量に影響する画像形成装置の動作環境の相対湿度を環境センサで検出し（ステップＰ２）、トナーの帯電量に影響する累積使用期間に関する情報を取得する（ステップＰ３）。

ＡＩＤＣセンサで検出されたトナー付着量情報、環境センサで検出された相対湿度情報、累積使用期間に関する情報を所定の演算式により演算処理してトナーの帯電量を算出し（ステップＰ４）、トナー濃度を算出する（ステップＰ５）。

さらに、後述する算出方法に基づいてトナー消費量の予測値の算出に必要な画像の画素数を計数し（ステップＰ６）、トナー消費量の予測値を算出する（ステップＰ７）。トナー消費量予測値に基づいてトナー補給量を決定し（ステップＰ８）、トナー補給装置を作動させてトナーの補給を実行する（ステップＰ９）。

以下、上記した画像濃度の制御処理の詳細について説明する。

［（１）トナー帯電量Ｑ算出］
まず、フルカラー画像形成装置のシステム速度、露光量、現像バイアス電圧、帯電電圧等の作像条件を最適値に設定し、中間転写ベルト２１上にトナーパッチを作成する。

ここで言うトナーパッチとは、トナーの付着量を検出するために中間転写ベルト上に形成するトナーパターンのことで、現像バイアス電圧を変えながら、作像ユニット１１Ｙ〜１１Ｋを作動させて感光体１２Ｙ〜１２Ｋの上に形成したイエロー、マゼンタ、シアンの各色のトナーパッチを中間転写ベルト２１上に転写して、トナー付着量検出用トナーパッチを作成する。

図４は中間転写ベルト２１上に作成されたトナーパッチの例を説明する図で、イエロー、マゼンタ、シアンの各色毎に現像バイアス電圧が異なる、即ちトナー付着量（画像濃度）が異なる複数のトナーパッチＰＣ１、ＰＫ１、ＰＹ１、ＰＭ１、ＰＣ２、ＰＫ２、ＰＹ２、ＰＭ２、・・・ＰＣｎ、ＰＫｎ、ＰＹｎ、ＰＭｎが中間転写ベルト２１上に作成される。

次に、矢印ａ方向に移動する中間転写ベルト２１上の上記トナーパッチＰＣｎ、ＰＫｎ、ＰＹｎ、ＰＭｎのトナーの付着量を順次ＡＩＤＣセンサ５０により検出し、トナー帯電量Ｑを以下の式（１）を使用して算出する。

但し、Ｑ：トナー帯電量
ｐ：係数
ｑ：係数
β：トナー層充填率
Δｖ：現像バイアス電位の変動量
α：電位充填情報
Ｍ：トナー付着量
Ｔ：転写効率
Ｃｍ：感光体静電容量。

前記式（１）の各種パラメータについて説明する。

(a) トナー付着量Ｍ
前記したとおり、作像ユニットに形成されたバイアス電位が異なる複数のトナーパッチをＡＩＤＣセンサの下を通過させ、各現像バイアス電位に対するトナー付着量を検出する。ＡＩＤＣセンサによるトナー付着量の検出は、トナーパッチに光を投射し、その反射光をフォトダイオードで検出して行なうもので、トナー付着量検出値はフォトダイオードの出力をトナー付着量に換算した値である。トナーパッチからの反射光の光量は、トナー付着量の大小、即ち、トナーによりトナーパッチ表面を被覆する度合いの大小により変動する。また、トナー付着量の検出は上記した投射光とその反射光を使用するもののほか、超音波等を使用するセンサであってもよい。

図５は、現像バイアス値に対するトナー付着量の検出結果の一例を説明する図で、現像バイアス値ＶＢ（−Ｖ）が０〜１００の範囲では、トナー付着量検出値Ｍ（ｇ／ｍ2)は線（ａ−１）のように変化し、現像バイアス値ＶＢが１００〜２００の範囲ではトナー付着量検出値は線（ａ−２）のように変化し、現像バイアス値ＶＢが２００〜３００の範囲ではトナー付着量検出値は線（ａ−３）のように変化する。

従って、現像バイアス値に対するトナー付着量の平均検出値は線（Ａ）のように変化し、その勾配は０．０１０５となるから、所定の単位現像バイアス電位Δｖ当たりのトナー付着量ΔＭは、ΔＭ＝０．０１０５（ｇ／ｍ2)で表わすことができる。

従って、現像バイアス値ＶＢのときのトナー付着量Ｍは以下のとおりとなる。

Ｍ＝０．０１０５×ＶＢ（ｇ／ｍ2)
(b) トナー層充填率β
トナー層充填率βとは、形成されたトナーパターンの層厚を表す情報で、完全飽和現像を行なったときの層厚を１（１００％）とした比率で表す。

図６は、トナー付着量Ｍ（ｇ／ｍ2 ）とトナー層充填率βの関係を説明する図である。このように相関関係がある現像システムの場合は、検出されたトナー付着量からトナー層充填率を求めることができる。

具体的には、ＡＩＤＣセンサで検出されたトナー付着量Ｍから算出した、所定の単位現像バイアス電位Δｖ当たりのトナー付着量ΔＭが大きい場合には、図６に示すような相関関係に基づいてトナー層充填率βを大きく設定し、所定の単位現像バイアス電位Δｖ当たりのトナー付着量ΔＭが小さい場合には、同様にトナー層充填率βを小さく設定するように切替えるとよい。

なお、トナー層充填率βは、前記した図６に示すような相関関係を整理した演算式から求めても良く、また、図６に示すような相関関係データを纏めたテーブルから求めるようにしても良い。

(c) 電位充填率α
電位充填率αとは、所定の単位現像バイアス電位Δｖに対する現像後のトナー層電位を表す情報で、以下の定義による。

電位充填率α＝（現像後のトナー層電位）／（単位現像バイアス電位Δｖ）
図７は、相対湿度と電位充填率αとの関係を説明する図である。電位充填率αはトナー帯電量の変化に大きく依存し、トナー帯電量は、図７に例示するように、環境の相対湿度により大きく変化するから、環境の相対湿度に対応して電位充填率αを変更するようにする。

即ち、環境センサにより検出した相対湿度が小さい値の場合は電位充填率αを大きく設定し、相対湿度が大きい値の場合は電位充填率αを小さく設定するように切替えるものとする。

(d) 感光体静電容量Ｃｍ
感光体静電容量Ｃｍは、長期間の使用による感光体表面の感光層の摩耗、感光層を形成する材料の劣化、現像ローラと感光体表面とのギャップの経時変化など、主として長期間の使用により変化するので、感光体駆動カウンタ、印字枚数カウンタなど、画像形成装置の使用時間の累積値を示す情報である累積駆動期間情報に基づいて、所定の演算式、或いは所定の参照テーブルから感光体静電容量Ｃｍを求める。

具体的には、上記した累積駆動時間に関する情報の値が小さいときは感光体静電容量Ｃｍを大きく設定し、累積駆動時間に関する情報の値が大きいときは感光体静電容量Ｃｍを小さく設定するように切替えるものとする。

(e) 転写効率情報Ｔ
転写効率Ｔとは、記録媒体に与えた転写電荷量と、中間転写ベルト上のトナー層が有する電荷量との比である。記録媒体に与えた転写電荷量が増加するに伴い、中間転写ベルト上のトナー層の表面に作用する静電力が機械的な付着力を越えると転写が開始される。

転写効率Ｔは、環境の相対湿度や装置の累積使用時間により変化する場合があるので、環境センサにより検出した相対湿度や、装置の累積使用時間を示す情報である感光体駆動カウンタ、印字枚数カウンタ等の累積駆動時間に関する情報に基づいて、所定の演算式、或いは所定の参照テーブルから転写効率Ｔを求める。但し、画像調整制御により転写効率Ｔが一定に制御される場合には、転写効率Ｔは固定値としてもよい。

［（２）トナー濃度Ｔc の算出］
前記したトナー帯電量Ｑが算出されたときは、トナー濃度Ｔc を算出する。

トナー濃度Ｔc とトナー帯電量Ｑとの間には、以下の式（２）に示す関係があるので、これを使用してトナー濃度Ｔc を算出する。

但し、Ｔc ：トナー濃度
ｋ：トナー濃度算出係数
Ｑ：トナー帯電量
ｊ1 ：係数
ｊ2 ：係数。

ここで、係数ｊ1 はトナー及びキャリアの粒径及びトナー密度から得られる係数であり、係数ｊ2 はトナー粒径及びトナー密度から得られる係数で、予め計測して求めることができる値である。

トナー濃度算出係数ｋについて説明する。図８はトナー帯電量Ｑ（μＣ／ｇ）とトナー濃度Ｔc （％）との間の関係を説明する図、図９は、トナー帯電量Ｑ（μＣ／ｇ）とトナー濃度Ｔc （％）との間の相関関係が環境の相対湿度により影響を受けることを説明する図である。

トナー帯電量とトナー濃度との間には、図８の特性曲線（線（ａ）参照）に示すような相関関係があるが、環境の相対湿度の変化や現像剤の使用期間の長期化による劣化により、その相関関係特性が変化する。

これは、環境の相対湿度の変化や現像剤の使用期間により帯電量が変化するためで、環境湿度が変化すると、図８で線（ａ）で示す相関関係特性は、図９に示すようにシフトする。即ち、低湿度環境ではトナー帯電量が高くなり、トナー帯電量とトナー濃度との相関関係を示す特性曲線が上方向にシフトし（図９の線（ｂ）参照）、高湿度環境ではトナー帯電量が小さくなり、特性曲線が下方向にシフトする（図９の線（ｃ）参照）。

図１０は、トナー帯電量とトナー濃度との関係、及び現像剤の使用期間の長期化による劣化を説明する図で、トナー帯電量が高くなるとトナー濃度は低くなるが、現像剤の使用期間の長期化による劣化によってもトナー濃度は低くなる。即ち、図１０に示すように、トナー帯電量が同じでも現像剤が新品の場合はトナー濃度が高く良好な特性曲線（図１０の線（ａ）参照）を示すが、現像剤の使用期間が長くなる（現像剤長期使用後）と、トナー濃度が低くなり、特性曲線が下方向にシフトする（図１０の線（ｂ）参照）。

このように、トナー帯電量とトナー濃度との間の特性は、環境の相対湿度の変化や現像剤の使用期間の長期化による劣化で変動するから、このような変動要素を考慮しないで前記式（２）によりトナー濃度を算出すると、現像器内の実際のトナー濃度と一致せず、算出したトナー濃度と実際のトナー濃度との間にずれが生じてしまう。

このずれを補正するのがトナー濃度算出係数ｋであり、環境センサで検出された環境の相対湿度情報と、感光体駆動カウンタ、印字枚数カウンタ、トナー消費量情報（トナー補給回数を計数するカウンタから求めることができる）など装置の累積使用期間情報から、テーブル参照又は演算により求めることができる。

図１１は、新品の現像剤の使用を開始した場合の現像剤の使用期間を表す装置の累積使用時間カウンタの計数値とトナー濃度算出係数ｋとの関係を説明する図で、標準的な湿度環境においては図１１で線（ａ）で示すように変化する。また、低湿度環境では図１１で線（ｂ）で示すように変化し、高湿度環境では図１１で線（ｃ）で示すように変化する。従って、累積使用期間情報と環境センサで検出された環境の相対湿度情報（標準湿度、低湿度、高湿度）が得られると、図１１に示す特性図からトナー濃度算出係数ｋを求めることができる。

以上で、トナー帯電量Ｑが前記式（１）で算出され、また、トナー濃度算出係数ｋが求められたので、トナー濃度Ｔc を前記式（２）により算出することができる。

この実施の形態では、複数個のトナーパッチからその現像効率を求め、トナー濃度を算出する構成であるが、トナーパッチは最大濃度調整用のトナーパッチと兼用することができる。

図１２は、現像バイアス電位ＶＢからトナー付着量Ｍを求める図であって、具体的には現像バイアス電位ＶＢを変えながらトナー付着量Ｍを検出し、各検出値を通る関数式を作成する。この実施の形態では現像器の現像特性は直線近似できるため一次関数式を作成する。

得られた一次関数式から、目標とする最大トナー付着量が得られる現像バイアス電位ＶＢを求め（図１２に示す例では、最大トナー付着量Ｍmax ＝４．５ｇ／m2、現像バイアス電位ＶＢ＝−４２５Ｖ）、これを画像調整後の設定現像バイアス電位とする。

このように、トナー付着量を検出するためのトナーパッチを最大濃度調整用のトナーパッチと兼用することで、画像調整時間の短縮、画像調整時のトナー消費の低減を図ることも可能となる。

［（３）画像情報カウント及びトナー消費量］
画像情報カウント及びトナー消費量の予測について説明する。トナー消費量を予測するには、主走査方向１ラインの画像を構成する有効画素数（トナーの付着する画素数）をカウントし、これに１ページ分のライン数を乗算して１ページ分の有効画素数を算出し、これに１画素当たりのトナー付着量を乗算して、トナー消費量を予測する。

図１３は、主走査方向１ラインにおける各画素の画像情報をカウント判定用閾値とを比較し、トナーの付着する有効画素のみを計数することを説明する図である。この実施の形態では、各画素の画像情報（８ビット、０〜２５５）をカウント判定用閾値ＴＨと比較し、以下の判定結果に従い画像情報の各画素数を計数する。

判定結果 Ｄdot ≧ＴＨ の場合 Ｄc-dot ＝１
Ｄdot ＜ＴＨ の場合 Ｄc-dot ＝０
Ｄdot ：各画素の画像情報（８ビット、０〜２５５）
ＴＨ ：カウント判定用の閾値
Ｄc-dot ：画像情報の各画素のカウント情報
ここで、画像情報の各画素のカウント情報Ｄc-dot ＝１はトナーの付着する画素（有効画素）であり、カウント数１とし、カウント情報Ｄc-dot ＝０はトナーの付着しない画素である（無効画素）であり、カウント数０とする。

上記の判定を各画素毎に行なってカウント情報Ｄc-dot を積算し、例えば１ページ毎のカウント情報Ｄc-dot の積算値Ｄc-pageを算出し、記憶装置に格納する。

次に、算出されたカウント情報の積算値Ｄc-pageから、例えば１ページ当りのトナー消費予測量ＣＯＮＳ-page を算出する。算出には以下の式（３）を使用する。

但し、ＣＯＮＳ-page ：１ページ当りのトナー消費予測量
Ｄc-page：１ページ当りの画像情報のカウント積算値
Ｍtg-dot：１画素当たりのトナー付着量の目標値
これにより得られたトナー予測消費量は１ページ当たりのトナー予測消費量であり、トナー補給量算出部に出力する。

以上説明した発明の実施の形態では、各画素の画像情報をカウント判定用の閾値ＴＨと比較して０、１の２値に変換してカウントする構成としたが、各画素の画像情報を２値に変換することなく、各画素の多値の画像情報を直接カウントする構成としてもよい。また、画素情報のみのカウントだけでなく、エッジ判定用カウンタ等と併用してカウントし、トナー消費予測量を算出する様にしてもよい。

次に、算出されたトナー消費予測量ＣＯＮＳ-page からトナー補給量を求める方法について説明する。図１４は、算出されたトナー濃度Ｔc とトナー消費予測量から、トナー補給量を求める数表の一例であって、予め実験により作成するものとする。

表に示された数値はトナーホッパーのモータ回転数を示すもので、例えば算出されたトナー濃度Ｔc が５．５（％）で、トナー消費予測量ＣＯＮＳ-page が２４０（ｍｇ）の場合は、トナーホッパーのモータ回転数を２６０回に設定することを示している。

以上説明したトナー補給制御は、画像形成装置の制御回路を構成する図示しない制御装置のＣＰＵで実行される。

２成分系の現像剤を使用する電子写真方式の画像形成装置におけるトナー濃度推定方法及び装置、並びにその装置を備えた画像形成装置である。トナー濃度の変化に対する現像効率の変化が小さい場合でも精度よくトナー濃度を推定し、適時にトナーを補給して高品質の画像を形成することができる。

画像形成装置の構成を説明する図。 図１に示す画像形成装置の作像ユニット付近を拡大した説明図。 画像濃度の制御の概略を説明するブロック図。 トナーパッチの例を説明する図。 現像バイアス値に対するトナー付着量の検出結果の一例を説明する図。 トナー層充填率βとトナー付着量との間の相関関係を説明する図。 相対湿度と電位充填率αの関係を説明する図。 トナー帯電量とトナー濃度との間の相関関係をを説明する図。 トナー帯電量とトナー濃度との間の相関関係が環境（相対湿度）により影響を受けることを説明する図。 トナー帯電量とトナー濃度との関係、及び現像剤の使用期間の長期化による劣化を説明する図。 新品の現像剤の使用を開始した場合の現像剤の使用期間を表す耐久カウンタの計数値とトナー濃度算出係数ｋとの関係を説明する図。 現像バイアス電位ＶＢからトナー付着量Ｍを求める図。 主走査方向１ラインにおける各画素の画像情報を閾値とを比較し、有効画素を計数することを説明する図。 トナー濃度算出値Ｔc とトナー消費予測量からトナー補給量を求める数表。 現像バイアス電圧、トナー付着量、及びトナー濃度の関係を説明する図（その１）。 現像バイアス電圧、トナー付着量、及びトナー濃度の関係を説明する図（その２）。

符号の説明

１０ 画像形成装置
１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋ 作像ユニット
１２Ｙ、１２Ｍ、１２Ｃ、１２Ｋ 感光体
１３Ｙ、１３Ｍ、１３Ｃ、１３Ｋ 帯電装置
１４Ｙ、１４Ｍ、１４Ｃ、１４Ｋ 露光装置
１５Ｙ、１５Ｍ、１５Ｃ、１５Ｋ 現像装置
１６Ｙ、１６Ｍ、１６Ｃ、１６Ｋ 第１クリーニング装置
１８Ｙ、１８Ｍ、１８Ｃ、１８Ｋ 第１転写装置
２１ 中間転写ベルト
２２ 第２転写ローラ
２３ 駆動ローラ
２４ 従動ローラ
２５ 圧接ローラ
２６ 第２クリーニング装置
２７ タイミングローラ
２８ 定着装置
２９ 排紙部
３０ 給紙装置
４０ 走査光学系
４１ 原稿ガラス
４５ 画像処理部
５０ ＡＩＤＣセンサ

Claims (16)

1. 電子写真方式の画像形成装置に適したトナーとキャリアから構成される２成分系現像剤のトナー濃度推定方法であって、以下のステップを含むことを特徴とするトナー濃度推定方法。
   像担持体の上に形成したテスト用トナーパッチのトナー付着量情報、トナー層充填率情報、現像バイアス電位情報、電位充填情報、感光体静電容量情報、及び転写効率情報に基づいてトナー帯電量を算出する第１ステップ、
   算出されたトナー帯電量を、環境の相対湿度情報、及び画像形成装置の累積使用期間情報に基づいて決定される補正情報により補正してトナー濃度を推定する第２ステップ。
2. 電子写真方式の画像形成装置に適したトナーとキャリアから構成される２成分系現像剤のトナー濃度推定方法であって、以下のステップを含むことを特徴とするトナー濃度推定方法。
   以下の式（１）に基づいてトナー帯電量を算出する第１ステップ：
   

   

   但し、Ｑ：トナー帯電量
   ｐ：係数
   ｑ：係数
   β：トナー層充填率（像担持体上に形成されたテスト用トナーパッチ
   のトナー付着量を表す）
   Δｖ：単位の現像バイアス電位
   α：電位充填率（単位現像バイアス電位に対するトナー層電位の比率）
   Ｍ：トナー付着量（テスト用トナーパッチのトナー付着量）
   Ｔ：転写効率（画像記録媒体に付与した転写電荷量と像担持体上のトナ
   ー層が有する電荷量との比率）
   Ｃｍ：像担持体の静電容量
   以下の式（２）に基づいてトナー帯電量を算出する第２ステップ：
   

   

   但し、Ｔｃ：トナー濃度
   ｋ：トナー濃度算出値補正係数
   Ｑ：トナー帯電量
   ｊ1 ：係数（トナー及びキャリアの粒径並びにそれらの密度により定まる）
   ｊ2 ：係数（トナー粒径及びトナー密度により定まる）。
3. 前記トナー濃度算出値補正係数ｋは、環境の相対湿度、画像形成装置の累積使用期間を示す情報、トナーの消費量を示す情報のいずれか又は全ての情報に基づいて決定されることを特徴とする請求項２記載のトナー濃度推定方法。
4. 前記トナー濃度算出値補正係数ｋは、検出された環境の相対湿度が低いときは係数ｋを大きく設定し、環境の相対湿度が高いときは係数ｋを小さく設定することを特徴とする請求項２記載のトナー濃度推定方法。
5. 前記トナー濃度算出値補正係数ｋは、現像に使用されたトナーの使用期間が長いときは係数ｋを大きく設定し、使用期間が短いときは係数ｋを小さく設定することを特徴とする請求項２記載のトナー濃度推定方法。
6. 前記単位の現像バイアス電位Δｖは、検出された環境の相対湿度が低いときは電位を高く設定し、環境の相対湿度が高いときは電位を低く設定することを特徴とする請求項２記載のトナー濃度推定方法。
7. 前記トナー層充填率βは、単位の現像バイアス電位Δｖ当たりのトナー付着量が大きい場合は充填率βを大きく設定し、トナー付着量が少ない場合は充填率βを小さく設定することを特徴とする請求項２記載のトナー濃度推定方法。
8. 前記電位充填率αは、検出された環境の相対湿度が低いときは充填率αを大きく設定し、環境の相対湿度が高いときは充填率αを小さく設定することを特徴とする請求項２記載のトナー濃度推定方法。
9. 前記像担持体の静電容量Ｃｍは、像担持体の使用期間が長いときは静電容量Ｃｍを大きく設定し、使用期間が短いときは静電容量Ｃｍを小さく設定することを特徴とする請求項２記載のトナー濃度推定方法。
10. 電子写真方式の画像形成装置に適したトナーとキャリアから構成される２成分系現像剤のトナー濃度推定装置であって、
    像担持体上に形成したテスト用トナーパッチのトナー付着量を検出するトナー付着量センサと、
    画像形成装置の環境の相対湿度を検出する環境湿度検出センサと、
    画像形成装置の累積使用期間を示す情報を計数する計数部と、
    制御装置とを備え、
    前記制御装置は、前記トナー付着量センサにより検出されたトナー付着量、前記環境湿度検出センサにより検出された環境湿度、及び前記計数部から得られた累積使用期間情報からトナー付着量情報、トナー層充填率情報、現像バイアス電位情報、電位充填情報、感光体静電容量情報、及び転写効率情報を得、それらの情報に基づいて請求項１又は請求項２に記載のトナー濃度推定方法によりトナー濃度を推定することを特徴とするトナー濃度推定装置。
11. 前記トナー濃度推定装置は、さらに前記像担持体上に形成されたトナー像の画素数に基づいてトナー消費量を予測するトナー消費量予測部を備え、
    前記制御装置は、請求項１又は請求項２に記載のトナー濃度推定方法によりトナー濃度を推定すると共に、前記トナー消費量予測部によりトナー消費量を予測することを特徴とする請求項１０記載のトナー濃度推定装置。
12. 画像形成装置の累積使用期間を示す情報を計数する計数部は、像担持体の累積回転数を計数するカウンタ、画像形成した記録媒体の累積枚数を計数するカウンタ、トナーの消費量を示す数値を計数する計数部のいずれか又は全てであることを特徴とする請求項１０記載のトナー濃度推定装置。
13. トナーとキャリアから構成される２成分系現像剤を使用する電子写真方式の画像形成装置であって、
    像担持体上に形成された画像潜像を現像器に装填されている現像剤で現像し、像担持体上にトナー像を形成する作像装置と、
    前記像担持体上に形成されたトナー像を記録媒体に転写する転写装置と、
    像担持体上に形成されたテスト用トナーパッチのトナー付着量を検出するトナー付着量センサと、
    画像形成装置の設置環境の相対湿度を検出する環境湿度検出センサと、
    画像形成装置の累積使用期間を示す情報を計数する計数部と、
    前記作像装置の現像器にトナーを補給するトナー補給装置と、
    制御装置とを備え、
    前記制御装置は、前記トナー付着量センサにより検出されたトナー付着量、前記環境湿度検出センサにより検出された環境湿度、及び前記計数部から得られた累積使用期間情報から、トナー付着量情報、トナー層充填率情報、現像バイアス電位情報、電位充填情報、感光体静電容量情報、及び転写効率情報を得、それらの情報に基づいて請求項１又は請求項２に記載のトナー濃度推定方法によりトナー濃度を推定し、推定したトナー濃度に基づいてトナー補給量を決定して前記現像器にトナーを補給するようトナー補給装置を作動させることを特徴とする画像形成装置。
14. 前記画像形成装置の累積使用期間を示す情報を計数する計数部は、像担持体の累積回転数を計数するカウンタ、画像形成した記録媒体の累積枚数を計数するカウンタ、トナーの消費量を示す数値を計数する計数部のいずれか又は全てであることを特徴とする請求項１３記載の画像形成装置。
15. 前記制御装置は、さらに前記像担持体上に形成されたトナー像の画素数に基づいてトナー消費量を予測するトナー消費量予測部を備え、
    前記トナー消費量予測部により予測したトナー消費量と前記推定したトナー濃度とに基づいてトナー補給量を決定して前記現像器にトナーを補給するようトナー補給装置を作動させること
    を特徴とする請求項１３に記載の画像形成装置。
16. 前記テスト用トナーパッチは、画像の最大濃度を調整する最大濃度調整用トナーパターンと兼用すること
    を特徴とする請求項１３に記載の画像形成装置。

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