JP2006259597A - トナーカートリッジ及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トナーカートリッジの温度、湿度およびトナー残量等のトナー状態を検知し、トナー状態に異常があればユーザに異常を報知する画像形成装置を提供する
【解決手段】 トナーカートリッジ７Ｋ、７Ｃ、７Ｍおよび７Ｙ内のそれぞれにワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙを設け、発信機１１１からそれぞれのワイヤレスセンサに電波を発信する。ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙは電波を受信すると、弾性表面波を発生する。発生した弾性表面波は温度、湿度などによって変化する。この弾性表面波は電気信号としてそれぞれにワイヤレスセンサから受信機１１２に送信される。受信機１１２が受信した電気信号はコントローラ３２で解析され、異常があればＵＩ３６によってユーザに報知される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子写真プロセスに基づいて画像形成が行われる際に用いられるトナーカートリッジ、及び電子写真プロセスに基づいて画像形成が行われる画像形成装置に関するものである。

電子写真を用いた複写機、レーザプリンタ等の画像形成装置には、トナーを収容する容器が装置本体に対して着脱可能なトナーカートリッジとして構成されたものがある。このような画像形成装置においては、帯電した感光体ドラムにレーザー露光を照射することにより静電潜像を形成し、その静電潜像をトナーによって現像し、現像したトナー像を記録用紙に転写し加熱定着することで画像を記録用紙に転写する方式のものが広く使われている。その際、トナーカートリッジのトナーの温度、湿度等のトナー状態が画質に影響を及ぼすことが知られている。つまり、例えばトナーが高温、高湿になると、トナーの特性が変化し、画質低下が起こる。そこで、装置本体のトナーカートリッジに近接した箇所に温度センサー、又は湿度センサーを設け、記録用紙上に画像形成を行う際、それぞれのセンサーが検知した情報を元に、画像形成プロセスにおける画像形成条件の制御を行うものがある。

また、上記のような画像形成装置においては、トナーの残量を検知し、ユーザに知らせるものがある。つまり、画像形成を繰り返して行うことにより、トナーカートリッジ内のトナーの残量が減少し、不足すると、画像濃度の低下や、画像欠落が起こり、正常な画像形成が行えなくなる。また、一度に多量の画像形成を行う際に、十分なトナーがトナーカートリッジ内に充填されていないと、ユーザはトナーカートリッジを交換するために印刷を中断しなくてはならず、作業の効率が低下する。そこで、例えば、特許文献１にはトナーの残量を検知する技術として、トナーカートリッジに電極を備え、電圧を加えることにより発生する静電容量を検知し、その静電容量からトナーの残量を算出する技術が開示されている。このような技術により、ユーザはトナーの残量を逐次知ることができ、トナー不足のために画像形成を中断しなくてはならない等の不便を生じることなく、また、トナー残量に合わせてカートリッジを用意することができる等、ユーザにとって好便である。
特開２００１−７５３５２号公報

しかしながら、従来の温度、湿度センサにおいては、センサ部までハーネスを引き回す必要があり、コストがアップするという問題があった。また、温度センサ、湿度センサを複数の箇所に設置しようとする場合、ハーネスも複数になるため、複数になったハーネスの収納箇所を設けなくてはならず、センサの自由な配置が難しいという問題があった。また、特許文献１の技術においては、カートリッジ内のトナー残量検知を行うために、カートリッジに設けたコネクタを介した接続が必要となる。そのため、このような方法においては、画像形成装置の使用を続けることによって、コネクタ部の腐食や摩耗による接触不良が起こり得るため、トナーの残量を正確に把握できないという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電気接続が不要なワイヤレスセンサをカートリッジ内に配置することで、低コストでトナーの温度、湿度、残量を検知することができる画像形成装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、画像形成装置の装置本体に装着され、現像用トナーを装置本体に設けられた現像器に供給するためのトナーカートリッジであって、トナーカートリッジ内部に設けられ、前記トナーカートリッジ内のトナーの温度、湿度およびトナー残量の少なくとも１種類以上からなるトナー状態を電波に変えて送信するワイヤレスのトナー状態測定手段とを具備するトナーカートリッジを提供する。

このトナーカートリッジによれば、ワイヤレスのトナー状態測定手段がトナーカートリッジ内に充填されたトナーの温度、湿度およびトナー残量を電波に変えて送信する。そのため、閉鎖状態にあるトナー内のトナー状態をワイヤレスのトナー状態測定手段によって検知することができる。

本発明の好ましい態様においては、前記トナー状態測定手段は、電波信号が供給されると、それをエネルギー源として少なくとも前記トナー状態を反映した属性を持った電波信号を生成して出力するものが好ましい。また、前記トナー状態測定手段は、電波を受信して機械振動を発生させる励振部と、前記励振部が発生した機械振動が伝達されて弾性表面波を発生するとともに、前記弾性表面波の属性がトナー状態によって変化する振動媒体部と、前記弾性表面波を電気信号に変換して電波として送信する送信部とを具備するようにしてもよい。

また、本発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のトナーカートリッジから供給されたトナーを用いて感光体に形成された静電潜像を現像する画像形成装置であって、前記トナー状態測定手段から出力される電波を受信し、この受信した電波に基づいてトナーカートリッジのトナー状態を算出する受信手段と、前記受信手段で算出された結果を表示する表示手段とを具備する画像形成装置を提供する。

この画像形成装置によれば、トナーカートリッジ内に装着されたトナー状態測定手段から出力される電波を元にトナーカートリッジ内のトナー状態を算出するため、例えば、装置本体のトナー近くにトナー状態を検知するセンサを設けた場合に比べ、より正確にまたトナー状態に異常が発生したタイミングからの時間差なくトナー状態の異常を検知することができる。また、その検知結果を表示手段によってユーザに知らせることで、ユーザはトナー状態の異常に対して素早く対処することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（１）全体の構成
図１は、本発明の実施形態における画像形成装置３００の構成を示す図である。この画像形成装置３００は、中間転写ベルトを用いるタンデム構成の画像形成装置であり、Ｙ（イエロー），Ｍ（マゼンタ），Ｃ（シアン），Ｋ（ブラック）の各色に対応した４系統の処理系を備えている。中間転写ベルト２０は、一方向に回転する駆動ロール（図示略）と、従動ロール２２と、中間転写ベルト２０に張力を加えるテンションロール２３とに張架され、駆動ロールにより循環走行される。この場合、中間ベルト２０の下側の走行面は上流から下流へ駆動される。また、トナー像が一次転写される位置よりも上流側には、中間転写ベルト２０をクリーニングするベルトクリーニング装置（図示略）が設けられている。

画像形成装置３００は、上流から下流へ順に配設された、各色のトナー像を形成するユニット１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ及び１０Ｋと、中間転写ベルト２０をユニット１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ及び１０Ｋに押し付けることにより、ユニット１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃ及び１０Ｋに形成された４色分のトナー像を重ね合わせて中間転写ベルト２０に一次転写する１次転写ロール５Ｙ，５Ｍ，５Ｃ及び５Ｋとを備えている。また、画像形成装置３００は４色分のトナー像が重ね合わせて一次転写された中間転写ベルト２０に図示しない搬送ロールにより搬送された用紙を押し付ける２次転写ロール１５と、２次転写ロール１５によりトナー像が２次転写された用紙を過熱および加圧することにより当該トナー像を用紙に定着させる定着器（図示略）とを備えている。

ユニット１０Ｋは、黒色（Ｋ）のトナー像が形成される感光体ドラム１Ｋと、感光体ドラム１Ｋを帯電させる帯電器２Ｋと、黒色の画像信号の供給を受けると当該画像信号を用いて変調した露光光を感光体ドラム１Ｋに照射し、静電潜像を形成する露光部３とを備えている。また、ユニット１０Ｋは静電潜像が形成された感光体ドラム１Ｋに、黒色のトナーを付着させてトナー像を形成する２成分現像方式の現像装置４Ｋと、形成されたトナー像が中間転写ベルト２０に１次転写された後に感光体ドラム１Ｋをクリーニングして残留トナーを取り除くクリーニング装置（図示略）とを備えている。なお、露光部３は、ユニット１０Ｋに加えて、ユニット１０Ｙ，１０Ｍ，１０Ｃに共通する部品であり、それぞれに対応する色の画像信号の供給を受けると当該画像信号を用いて変調した露光光を各ユニットの感光体ドラムに照射するものである。

現像装置４Ｋは、現像剤を収容するための現像容器４１Ｋと、現像剤に含まれているトナーを用いて現像を行う現像ロール４２Ｋとを備えている。トナーカートリッジ７Ｋの拡大図を図２に示す。図２に示すようにトナーカートリッジ７Ｋの底部にはトナーの温度を検知するワイヤレスセンサ１１０Ｋが備えられている。なお、図２（ａ）は画像形成装置３００に装着したトナーカートリッジ７Ｋを紙面手前側から見た図であり、図２（ｂ）はトナーカートリッジ７Ｋを横から見た図である。（センサについては詳細する）。なお、現像容器４１Ｋや現像ロール４２Ｋの長手方向は図中奥行き方向と一致している。現像容器４１Ｋにはトナーカートリッジ７Ｋが装着されており、このトナーカートリッジ７Ｋから適量の黒色トナーが現像容器４１Ｋに補給される。現像容器４１Ｋへ補給されるトナーの量は、ディスペンスモータ９Ｋの回転時間により調整される。

以上がユニット１０Ｋの構成であるが、ユニット１０Ｃ、１０Ｍおよび１０Ｙもそれぞれ、ユニット１０Ｋと同様の構成を備えている。なお、トナーカートリッジ７Ｃ、７Ｍおよび７Ｙの底部にはそれぞれワイヤレスセンサ１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙが備えられている。また、露光部３は、ユニット１０Ｙ、１０Ｍ、１０Ｃおよび１０Ｋに共通に用いられる。ここで、ユニット１０Ｍに対して用いられるときは、ユニット１０Ｍに対応する色（Ｍ）の露光を当該色に対応したタイミングで感光体ドラム１Ｍに照射する。他の色について用いられる場合も同様である。

また、画像形成装置３００は、ＩＩＴ（画像読取部）３０と、画像処理部３１と、コントローラ３２を備えている。ＩＩＴ３０は、複写する原稿画像を読み取って画像信号を出力する。画像処理部３１は、ＩＩＴ３０から出力された画像信号（図中点線で示す）を入力し、この画像信号にスクリーン処理等の画像処理を行い、画像処理後の画像信号をコントローラ３２に出力する。また、画像形成装置３００はユーザに対して各種の情報を提供したり、ユーザが各種設定を行うためのＵＩ（ユーザインタフェース）３６を備えている。また、コントローラ３２は、画像処理部３１から出力された画像信号を入力し、この画像信号に色変換を行ってＹＭＣＫ各色の画像信号を生成し、生成した画像信号を露光部３へ供給する。また、コントローラ３２は、画像形成装置３００の外部の機器（例えばパーソナルコンピュータ）からの画像信号（図中点線で示す矢印）をインタフェース（Ｉ／Ｆ）３８を介して入力し、この画像信号に色変換を行ってＹＭＣＫ各色の画像信号を生成し、生成した画像信号を露光部３へ供給する。また、コントローラ３２には、発信機１１１と受信機１１２とが接続されており、コントローラ３２は発信機１１１、受信機１１２を介してワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙのそれぞれと電波の送受信を行い、受信した電波を元にトナー内の温度を検知する。その際にコントローラ３２が動作する各部の構成、動作については、以下のワイヤレスセンサの構成の説明の中で詳細に説明する。

（２）ワイヤレスセンサの構成
次に、本実施形態に用いるワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙについて説明する。まず、図３および図４のそれぞれに示したワイヤレスセンサ１００および１００’を用いてワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙの基本構成を示す。

図３に示すワイヤレスセンサ１００は、基台となる基板１と、該基板１上に形成され、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）が伝播する誘電体薄膜２と、一対の櫛型電極（ＩＤＴ：Inter-digital Transducer）３Ａ，３Ｂと、この一対の櫛型電極３Ａ，３Ｂの一方にインピーダンスマッチング部５Ａ，５Ｂを介して接続され、外部の送受信機との間で電波の授受を行う送受信部としてのアンテナ４Ａ，４Ｂと、一対の櫛型電極３Ａ，３Ｂの他方に接続されたグランド６Ａ，６Ｂと、基板１の裏面に形成され、グランド６Ａ，６Ｂにスルーホール（図示しない）を介して接続されたグランド電極７とを具備して構成されている。

このワイヤレスセンサ１００における弾性表面波の周波数は、櫛型電極３Ａ，３Ｂおよびインピーダンスマッチング部５Ａ，５Ｂの形状で設定される。
基板1の材料としては、Ｓｉ，Ｇｅ，ダイヤモンド等の単体半導体、ガラス、ＡｌＡｓ，ＡｌＳｂ，ＡＩＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＧａＰ，ＡｌＬｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＡｓＳｂ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＳｂ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｓＳｂ等のIII-V系の化合物半導体、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣａＳｅ，ＣｄＴｅ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅ，ＣｄＳ等のII−VI系の化合物半導体、導電性或いは半導電性の単結晶基板としてはＮｂ，Ｌａ等をドープしたＳｒＴｉＯ_３，ＡｌをドープしたＺｎＯ，Ｉｎ_２Ｏ_３，ＲｕＯ_２，ＢａＰｂＯ_３，ＳｒＲｕＯ_３，ＹＢａ_２Ｃｕ_２Ｏ_７−Ｘ，ＳｒＶＯ_３，ＬａＮｉＯ_３，Ｌａ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３，ＺｎＧａ_２Ｏ_４，ＣｄＧａ_２Ｏ_４，ＭｇＴｉＯ_４．ＭｇＴｉ_２Ｏ_４等の酸化物、またはＰｂ，Ｐｔ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ等の金属等が挙げられるが、既存の半導体プロセスとの適合性やコスト面から、Ｓｉ，ＧａＡｓ、ガラス等の材料を用いることが好ましい。

誘電体薄膜２の材料としては、ＳｉＯ_２，ＳｒＴｉＯ_３，ＢａＴｉＯ_３，ＢａＺｒＯ_２，ＬａＡｌＯ_３，ＺｒＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３８％−ＺｒＯ_２，ＭＧＯ，ＭｇＡｌ_２Ｏ_４，ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３，ＡｌＶＯ_３，ＺｎＯ等の酸化物、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型としてＢａＴｉＯ_３，ＰｂＴｉＯ_３，Ｐｂ_１−ＸＬａ_Ｘ（Ｚｒ_ｙＴｉ_１−ｙ）_{１−Ｘ／４}Ｏ_３（ｘ，ｙの値によりＰＺＴ，ＰＬＴ，ＰＬＺＴ），Ｐｂ（Ｍｇ_０-3Ｎｂ_２／３）Ｏ_３，ＫＮｂＯ_３等の正方系、斜方系或いは疑立方晶系材料、疑イルメナイト構造体としてＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３等に代表される強誘電体等、またはタングステンブロンズ型として、Ｓｒ_ＸＢａ_１−ＸＮｂ_２Ｏ_６，Ｐｂ_ＸＢａ_ＸＮｂ_２Ｏ_６等が挙げられる。この他に、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２，Ｐｂ_２ＫＮｂ_５Ｏ_１５，Ｋ_３Ｌｉ_２Ｎｂ_５Ｏ_１５、さらに以上列挙した強誘電体の置換誘電体等から選択される。さらに、鉛を含むＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物が好適に用いられる。特に、これらの材料のうちＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３，ＺｎＯ等の材料は、弾性表面波の表面速度、圧電定数等の変化が顕著でより好ましい。誘電体薄膜２の膜厚は、目的に応じて適宜選択されるが、通常は０．１μｍから１０μｍの間に設定される。

また、この誘電体薄膜２は、櫛型電極３における電気機械結合係数／圧電係数、或いはアンテナ４の誘電損失等の観点から、エピタキシャルまたは単一配向性を有することが好ましい。また、誘電体薄膜２上にＧａＡＳ等のIII−V族半導体或いはダイヤモンド等の炭素を含有する薄膜を形成してもよい。これにより、弾性表面波の表面速度、結合係数、圧電定数等が向上できる。

櫛型電極３Ａ，３Ｂ、アンテナ４Ａ，４Ｂ、インピーダンスマッチング部５Ａ，５Ｂおよびグランド６Ａ，６Ｂは、導電パターンにより一体的に形成される。この導電パターンの材料としては、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｗ，Ｎｉ，Ｔａ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ，Ｐｂ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ等の金属、またはＴｉ−Ａｌ，Ａｌ−Ｃｕ，Ｔｉ−Ｎ，Ｎｉ−Ｃｒ等の合金を、単層もしくは２層以上の多層構造に積層することが好ましく、特に金属としてはＡｕ，Ｔｉ，Ｗ，Ａｌ，Ｃｕが好ましい。また、この金属層の膜厚は、１ｎｍ以上１０μｍ未満とすることが好ましい。

なお、本実施形態において、図３に示すワイヤレスセンサ１００は図３の平面図において、便宜上、信号が図面向かって左側から右側に移動するものとするが、実際には信号の流れには方向性がある訳ではない。

ワイヤレスセンサ１００は、外部の発信機（図１発信機１１１）との間、外部の受信機（図１受信機１１２）との間で電波信号の授受を行う。発信機１１１から送信される電波信号はアンテナ４Ａで受信され、この信号により櫛型電極３Ａが誘電体薄膜２を励振して機械振動を発生させる。この機械振動は、誘電体薄膜２表面に弾性表面波を発生させる。この弾性表面波は、櫛型電極３Ａから櫛型電極３Ｂに向けて移動し、櫛型電極３Ｂに到達した弾性表面波は、櫛型電極３Ｂで電気信号に変換されてアンテナ４Ｂを経由して送信される。受信機１１２は、ワイヤレスセンサ１００からの電波信号を受信する。

誘電体薄膜２の表面に発生する弾性表面波は、この誘電体薄膜２に加わった温度などの物理量の変化によって、振幅、位相差、周波数等（属性）が変化する。この弾性表面波を受信した受信機１１２は、この電波信号を電気信号に変換してコントローラ３２に伝送する。コントローラ３２では、この電気信号を解析することにより、ワイヤレスセンサ１００が受ける温度を計測することが可能となる。

以上は、１つの周波数に対応したワイヤレスセンサの説明である。以上の説明を元に複数の周波数に対応できるワイヤレスセンサについて説明する。
図４に示すように、形状の異なる櫛型電極３Ａ−１、３Ｂ−１…３Ａ−４，３Ｂ−４が形成されたワイヤレスセンサ１００’においては、外部から送信される電波信号の周波数により複数の周波数に対応した弾性表面波が誘電体薄膜２上に発生する。
例えば、櫛型電極３Ａ−１、３Ｂ−１およびインピーダンスマッチング部５Ａ，５Ｂで設定される弾性表面波の周波数をｆ１、櫛型電極３Ａ−２，３Ｂ―２およびインピーダンスマッチング部５Ａ，５Ｂで設定される弾性表面波の周波数をｆ２、櫛型電極３Ａ−３，３Ｂ―３およびインピーダンスマッチング部５Ａ，５Ｂで設定される弾性表面波の周波数をｆ３、櫛型電極３Ａ−４，３Ｂ−４およびインピーダンスマッチング部５Ａ，５Ｂで設定される弾性表面波の周波数をｆ４とする。
なお、図４では、グランドおよびグランド電極の図示は省略して描いている。

ここで、外部の発信機１１１から周波数ｆ１の電波信号が送信されると、櫛型電極３Ａでは、この周波数ｆ１に対応した櫛型電極３Ａ−１が機械振動を発生し、この機械振動によって誘電体薄膜２上に弾性表面波が発生する。この弾性表面波が櫛型電極３Ｂ−１に伝達される。電極３Ｂ−１に伝達される弾性表面波は、温度などの物理量の影響を受けてその属性が変化する。一方、他の櫛型電極３Ａ−２，３Ｂ−２〜３Ａ−４，３Ｂ−４においては、周波数ｆ１に同調していないので、弾性表面波の発生やこれに基づく電波信号の送信は行われない。即ち、これらの櫛型電極３Ａ−２，３Ｂ−２〜３Ａ−４，３Ｂ−４は、各々周波数ｆ２，ｆ３，ｆ４に同調するように設定されており、このため、周波数ｆ２の電波をワイヤレスセンサ１００’に送信した場合には、櫛型電極３Ａ−２→３Ｂ−２という経路で弾性表面波が伝達され、この弾性表面波に対応した電波信号がアンテナ４Ｂを経由して出力される。
同様に、周波数ｆ３の電波信号をワイヤレスセンサ１００’に送信した場合には、櫛型電極３Ａ−３→３Ｂ−３という経路で弾性表面波が伝達されてアンテナ４Ｂを経由して出力され、周波数ｆ４の電波信号をワイヤレスセンサ１００’に送信した場合には、櫛型電極３Ａ−４→３Ｂ−４という経路で弾性表面波が伝達されてアンテナ４Ｂを経由して出力される。

従って、周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４の順でワイヤレスセンサ１００’に電波を送信すれば、これらに対応する応答信号を得ることができる。またこの場合、櫛型電極３Ｂ−１，３Ｂ−２，３Ｂ−３，３Ｂ−４（出力側）から出力される信号の変化帯域（温度などの物理量による変化の幅）を重複しないように設定しておけば、周波数ｆ１〜ｆ４を同時にワイヤレスセンサ１００’に出力しても、その応答信号として出力される４つの信号を分離して解析することができる。

図４に示したワイヤレスセンサ１００’を、４カ所の測定位置ａ〜ｄに個々に配置し、それぞれのワイヤレスセンサを１００’−１，１００’−２，１００’−３，１００’−４とする。この場合には、外部から送信される電波信号の周波数を個々の周波数ｆ１〜ｆ４に設定して発信することにより、対象となるワイヤレスセンサ１００’により必要な物理量を測定することが可能となる。

具体的には、ワイヤレスセンサ１００は、弾性表面波の周波数が、櫛型電極３Ａ，３Ｂの形状で設定されるため、ワイヤレスセンサ１００’−１には、図３に示したワイヤレスセンサ１００’の櫛型電極３Ａ−１，３Ｂ−１が形成され、ワイヤレスセンサ１００’−２にはワイヤレスセンサ１００’の櫛型電極３Ａ−２，３Ｂ−２が形成され、ワイヤレスセンサ１００’−３にはワイヤレスセンサ１００’の櫛型電極３Ａ−３，３Ｂ−３が形成され、ワイヤレスセンサ１００’−４にはワイヤレスセンサ１００’の櫛型電極３Ａ−４，３Ｂ−４が形成される。これにより、ワイヤレスセンサ１００’の誘電体薄膜に発生する弾性表面波の周波数が、ワイヤレスセンサ１００’−１がｆ１、ワイヤレスセンサ１００’−２がｆ２、ワイヤレスセンサ１００’−３がｆ３、ワイヤレスセンサ１００’−４がｆ４となる。即ち、受信する電波信号の周波数ｆ１〜ｆ４によってワイヤレスセンサ１００’−１〜１００’−４が特定されることになる。

このため、周波数ｆ１の電波信号では測定位置ａに配置されたワイヤレスセンサ１００’−１による測定が、周波数ｆ２の電波信号では測定位置ｂに配置されたワイヤレスセンサ１００’−２による測定が、周波数ｆ３の電波信号では測定位置ｃに配置されたワイヤレスセンサ１００’−３による測定が、周波数ｆ４の電波信号では測定位置ｄに配置されたワイヤレスセンサ１００’−４による測定が可能となる。

次に、前述したワイヤレスセンサ１００’を本実施形態で用いる温度センサとして利用する場合について説明する。
温度センサとして使用するためには、図３に示した誘電体薄膜２の材料にＬｉＮｂＯ_３を使用する。このＬｉＮｂＯ_３の結晶は、弾性表面波の伝搬速度が温度変化に対して敏感に変化する材質でその温度係数は約７５×１０^−６／℃となる。この温度における伝搬速度の変化は、弾性表面波の周波数を変化させることになる。例えば、実験においては、温度が約１００℃変化することにより、弾性表面波の中心周波数ｆ０に対して約０．２〜０．３％程度周波数が変化する結果を得ている。

ここで、アンテナ４Ａ，４Ｂ、インピーダンスマッチング部５Ａ，５Ｂおよび櫛型電極３Ａ，３Ｂは、外部の発信機１１１から送信される電波の中心周波数ｆ０に合わしたＢＰＦとして機能させるため、受信機１１２により受信した電波の強度は、周波数の変化によりシフトされることになる。このワイヤレスセンサ１００’は、温度変化に応じて受信機１１２における受信信号の強度が線形に変化するワイヤレスの温度センサとなる。

本実施形態に用いられるワイヤレスセンサ１１０Ｋは前述した１００’−１の構成を、１１０Ｃは１００’−２の構成を、１１０Ｍは１００’−３の構成を、１１０Ｙは１００’−４の構成を有している。これらのワイヤレスセンサの信号処理動作について図５を参照しつつ説明する。
前述のようにそれぞれのワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙは発信機１１１との間、受信機１１２との間で電波信号の授受を行う。発信機１１１から送信される電波信号はアンテナ４Ａで受信され、この信号により櫛型電極３Ａが誘電体薄膜２を励振して機械振動を発生させる。この機械振動は、誘電体薄膜２表面に弾性表面波を発生させる。この弾性表面波は、櫛型電極３Ａから櫛型電極３Ｂに向けて移動し、櫛型電極３Ｂに到達した弾性表面波は、櫛型電極３Ｂで電気信号に変換されてアンテナ４Ｂを経由して送信される。受信機１１２は、ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙからの電波信号を受信する。

誘電体薄膜２の表面に発生する弾性表面波は、この誘電体薄膜２に加わった温度の変化によって、振幅、位相差、周波数等（属性）が変化する。この弾性表面波を受信した受信機１１２は、この電波信号を電気信号に変換してコントローラ３２に伝送する。コントローラ３２では、この電気信号を解析することにより、ワイヤレスセンサが受ける温度を計測することが可能となる。

次に、コントローラ３２について説明する。
コントローラ３２には発信機１１１と受信機１１２とが接続されている。コントローラ３２は発信機１１１に電波発信信号を送信する。ここで発信機１１１はコントローラ３２から電波発信信号を受信すると、ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙに周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３およびｆ４の矩形状波を混合した電波を発信する。そしてワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙから送信された電波を受信機１１２が受信すると、受信機１１２はコントローラ３２に電波受信信号を送信する。コントローラ３２は受信機１１２から受信した信号をデジタル化するＲＦ部およびデジタル化を行う信号変換部とそれらに基づき、解析・演算を行う機能を有している。また、コントローラ３２はマイクロコンピュータからなり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１４Ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１４Ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１４Ｃを具備している。ＲＯＭ１１４Ｂには、ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙの設定周波数ｆ１〜ｆ４近傍を抽出するＢＰＦ機能、周波数変化から温度に換算する演算機能等のプログラムが格納されている。ＲＡＭ１１４Ｃは、前記プログラムを実行する際のワークエリアとして利用される。また、コントローラ３２は記憶エリア１１４Ｄを具備している。記憶エリア１１４Ｄには周波数の変化分から温度を算出するためのテーブル（または換算式）が記憶されている。

なお、ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙは本発明のトナー状態測定手段に相当する。また、アンテナ４Ａ及び櫛型電極３Ａは励振部に相当し、誘電体薄膜２は振動媒体部に相当し、櫛型電極３Ｂ及びアンテナ４Ｂは送信部に相当する。

（３）動作
次に本発明の動作について説明する。
コントローラ３２の動作を図６に示す。図６に示すように、コントローラ３２は発信機１１１から電波信号を送信する（ステップＳＡ２）。このとき発信機１１１は前述のように、ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙに周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３およびｆ４の矩形状波を混合した電波を発信する。そしてワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙから送信された電波を受信機１１２が受信し、受信機１１２からコントローラ３２に電波受信信号が送信されると（ステップＳＡ４；ＹＥＳ）、コントローラ３２は温度測定処理を行う（ステップＳＡ６）。この温度測定処理により、コントローラ３２はトナー内の温度を検知する。温度測定処理の結果トナー内の温度が異常である場合、つまり、用紙にトナー像を形成する際のトナーの適正な温度範囲を超えていることが検知された場合（ステップＳＡ８；ＹＥＳ）、コントローラ３２はＵＩ３６にその旨を表示する（ステップＳＡ１０）。トナー内の温度に異常がなかった場合（ステップＳＡ８；ＮＯ）ＵＩ３６への表示は行わず、例えば用紙への画像形成途中であれば、画像形成を続行する。

図７を用いて温度測定処理の動作を説明する。
図６に示したステップＳＡ４において、コントローラ３２が受信機１１２から受信する信号は、ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙから送信された電波の周波数が混合した信号である。まず、コントローラ３２は図示しないカウンタを「ｎ＝０」に設定する（ステップＳＢ２）。コントローラ３２は、周波数ｆ１近傍を抽出するＢＰＦ処理を行い（ステップＳＢ４）、予め記憶エリア１１４Ｄに記憶されたテーブルからワイヤレスセンサ１１０Ｋによって計測された温度を算出する（ステップＳＢ６）。さらに、この結果をＲＡＭ１１４Ｃに記憶する（ステップＳＢ８）。

コントローラ３２はカウンタを歩進して「ｎ＝ｎ＋１」とし（ステップＳＢ１０）、このｎが４以上になったか否かを判定する（ステップＳＢ１２）。この判定で、カウンタ値「４」未満の場合には各センサからの測定が終了していないために、ステップＳＢ４以降の処理を続行し、カウンタ値「４」に達した場合には、４個のセンサに対しての測定結果が算出されたものとして、本ルーチンを終了する。

（４）変形例
本発明は上述した実施形態以外に種々の形態で実施可能である。
なお、以下の説明において、上述の実施形態と同一部分はその詳細な説明を省略する。
（４−１）変形例１
上述した実施形態においては、ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙを温度センサとして用いて、それぞれのトナー内の温度を検知したが、ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙを湿度センサとして用いて、トナー内の湿度を検知するようにしてもよい。

ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙを湿度センサとして用いるには、ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙの基本構成として図３に示したワイヤレスセンサ１００の誘電体薄膜２の材料にＬｉＴａＯ_３を使用する。このＬｉＴａＯ_３の結晶は、弾性表面波の伝搬速度が温度変化に対して変化が少ない材質でその温度係数は約１８．０×１０^−６／℃となる。ＬｉＮｂＯ_３の結晶に対して温度係数は約１／４と小さく１０℃の温度変化に対してＳＡＷの変化率は０．００５％程度となる。

また、ＬｉＴａＯ_３の表面に酢酸セルロースの薄膜を約１０μｍでスピンコートにより形成する。この酢酸セルロースは吸水性を持ち、湿度１０％〜７０％ＲＨ（相対湿度パーセント）の間に比誘電率が約５０％変化する性質を有する。このように誘電率の変化する膜をＬｉＴａＯ_３上に形成することにより、例えば、実験においては、湿度が１０％〜７０％変化することにより、弾性表面波の速度に約０．０６％の変化が得られている。また、測定対象物の温度変化が著しい場合、温度センサとの併用で補正することも可能となる。
以上のように、湿度センサとしてワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙを用いた場合には、実験結果から中心周波数ｆ０に対して約０．０６％程度周波数が変化することが検知されている。

また、櫛型電極３Ａ，３Ｂの形状及び大きさは、外部の発信機１１１から送信される電波の中心周波数ｆ０に合わせたＢＰＦとして機能させるため、受信機１１２により受信した電波の強度は、周波数の減衰によりシフトされることになる。ワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙでは、湿度変化に応じて受信機１１２における受信信号の強度が線形的に変化する湿度センサを実現する。

以上のような構成を有したワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙは、発信機１１１からの電波を受けて個々の櫛型電極で設定された周波数の弾性表面波を誘電体薄膜２上に発生させ、湿度に応じて弾性表面波の周波数を変化させて受信機１１２に向けて湿度変化に対応した周波数の信号を送信する。

また、コントローラ３２のＲＯＭ１１４Ｂには、周波数変化から湿度に換算する演算機能等のプログラムが格納されている。また、記憶エリア１１４Ｄには周波数の変化分から湿度を算出するためのテーブル（または換算式）が記憶されている。

次に変形例１の動作について図６を用いて説明する。
変形例１においては、ステップＳＡ６でコントローラ３２が測定処理を行う物理量は湿度となる。つまり、コントローラ３２は電波受信信号を受信すると（ステップＳＡ４；ＹＥＳ）、湿度測定処理を行う（ステップＳＡ６）。この湿度測定処理により、コントローラ３２はトナー内の湿度を検知する。湿度測定処理の結果トナー内の湿度が異常である場合、つまり、用紙にトナー像を形成する際のトナーの適正な湿度範囲を超えていることが検知された場合（ステップＳＡ８；ＹＥＳ）、コントローラ３２はＵＩ３６にその旨を表示する。

コントローラ３２は図７に示した処理ルーチンにより湿度測定処理を行う。つまり、ステップＳＢ６において、コントローラ３２は予め記憶エリア１１４Ｄに記憶されたテーブルからそれぞれのワイヤレスセンサ１１０Ｋ、１１０Ｃ、１１０Ｍおよび１１０Ｙから送信された電波を元に湿度を算出する。

（４−２）変形例２
以上の実施形態においては、トナーカートリッジ内の温度、湿度を検知したが、図４に示したワイヤレスセンサ１００’に代えて、電波を超音波に変えるワイヤレスセンサと、超音波を電波に変えるワイヤレスセンサを組み合わせて、トナーカートリッジ内のトナーの残量を検知するようにしてもよい。
この場合には、図８（ａ）に示す超音波送信センサ２００Ｋと超音波受信センサ１２１Ｋ〜１２４Ｋを用いる。なお、超音波受信センサ１２１Ｋ〜１２４Ｋは同一構成であるので、図では超音波受信センサ１２１Ｋのみを示す。

超音波送信センサ２００Ｋは、受信部ＲＸと電気／音波変換部ＥＰＣとを有している。受信部ＲＸは、フェライト磁石の上に、所望の周波数範囲において同調するようにコイルを複数巻き付けた構成となっている。電気／音波変換部ＥＰＣは、特定の共振周波数を有する圧電素子によって構成され、受信部ＲＸから供給される電気信号を音波に変換する。図においては、一組の受信部ＲＸと電気／音波変換部ＥＰＣを示したが、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３およびｆ４に同調したものが全部で４組設けられている。また、周波数ｆ１〜ｆ４は、数１０〜数１００ＫＨｚ程度の長波が設定される。

次に、超音波受信センサ１２１Ｋは、音波／電気変換部ＰＥＣと送信部ＴＸを有している。音波／電気変換部ＰＥＣは、超音波送信センサ２００Ｋが送信した音波を受信し、これを電気信号に変換するものであり、特定の共振周波数を有する圧電素子によって構成され、共振周波数に対応する音波を受信すると、それを電気信号に変換する。送信部ＴＸは、フェライト磁石の上に、所望の周波数範囲において同調するようにコイルを複数巻き付けた構成となっており、音波／電気変換部ＰＥＣから供給された電気信号を電波に変換して出力する。また、超音波受信センサ１２１Ｋ〜１２４Ｋは、各々周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３およびｆ４に同調するように構成されている。なお、以下においては、超音波送信センサ２００Ｋおよび超音波受信センサ１２１Ｋ〜１２４Ｋについては、説明の簡略化のために、それぞれ単にワイヤレスセンサと称する。
ここで、トナーカートリッジ７Ｋにワイヤレスセンサを配置した状態を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）に示したようにトナーカートリッジ７Ｋ天井部にはワイヤレスセンサ２００Ｋが設けられている。また、トナーカートリッジ７Ｋの底部からトナーカートリッジ７Ｋ内部の周に沿ってワイヤレスセンサ１２１Ｋ、１２２Ｋ、１２３Ｋおよび１２４Ｋが配置されている。

この際のコントローラ３２、発信機１１１、受信機１１２、および各ワイヤレスセンサのブロック図を図９に示す。図９においては説明をわかりやすくするために、トナーカートリッジ７Ｋ内のトナーを障害物Ｘとして示している。 発信機１１１は、周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４の矩形状波を混合した電波を発信する。
ワイヤレスセンサ２００Ｋでは、発信機１１１から送信される電波を受けて周波数ｆ１〜ｆ４の音波をトナーカートリッジ内に放出する。
ワイヤレスセンサ１２１Ｋ、１２２Ｋ、１２３Ｋおよび１２４Ｋでは、それぞれ対応する周波数の音波を受信し、それを電波に変えて出力する。そして受信機１１２は受信した電気信号をコントローラ３２に送信する。

ここでコントローラ３２はＢＰＦ部１１５を具備し、ＢＰＦ部１１５はＢＰＦ１１５ａ、ＢＰＦ１１５ｂ、ＢＰＦ１１５ｃおよびＢＰＦ１１５ｄを具備している。ＢＰＦ１１５ａは周波数ｆ１近傍を、ＢＰＦ１１５ｂは周波数ｆ２近傍を、ＢＰＦ１１５は周波数ｆ３近傍を、ＢＰＦ１１５ｄは周波数ｆ４近傍をそれぞれ抽出する。このようにコントローラ３２では、ＢＰＦ部１１５でワイヤレスセンサ１２１Ｋ、１２２Ｋ、１２３Ｋおよび１２４Ｋから送信された電気信号を周波数毎に抽出し、対応する周波数毎に信号の変化を得る。そしてＣＰＵ１１４Ａではワイヤレスセンサ１２１Ｋ、１２２Ｋ、１２３Ｋおよび１２４Ｋから受信した電気信号の状況により、トナーの残量を検出する。

すなわち、音波の伝搬においては障害物となるトナーによって音波の伝搬が完全に遮断されている状態では、ワイヤレスセンサ１２１Ｋ、１２２Ｋ、１２３Ｋおよび１２４Ｋは音波／電気変換部ＰＥＣが励振されないから電波を出力することができない。そこで、電波の受信のなかったセンサの位置には障害物Ｘ（トナー）があり、電波の受信のあったワイヤレスセンサの位置には障害物Ｘ（トナー）がないことがわかる。なお、トナーによる音波の遅延の影響もでるため、遅延量を見ることでより詳細にトナー残量を検出することもできるが、この実施形態においては、障害物があるか否かの２値レベルで検出を行っている。

図８（ｂ）においては、トナー上面７Ｋ’はワイヤレスセンサ１２１Ｋ、１２２Ｋ、１２３Ｋおよび１２４Ｋよりも上方にある。つまり全てのワイヤレスセンサが覆われている状態にあるので、受信機１１２はワイヤレスセンサ１２１Ｋ、１２２Ｋ、１２３Ｋおよび１２４Ｋからの電波を受信することができない。従って、ＣＰＵ１１４Ａはトナーカートリッジ７Ｋ内にはトナーが半分以上あると判断する。図８（ｃ）においては、トナー上面７Ｋ’はワイヤレスセンサ１２４Ｋとワイヤレスセンサ１２３Ｋの間にあるので、受信機１１２はワイヤレスセンサ１２４Ｋからの電波のみを受信することにより、ＣＰＵ１１４Ａはトナーの残量がワイヤレスセンサ１２３Ｋと、１２４Ｋ間までであると判断する。ここで例えば、ユーザが設定した基準残量以下になったら、つまり、ユーザが設定した基準残量がワイヤレスセンサ１２４Ｋとワイヤレスセンサ１２３Ｋの間であったなら、ワイヤレスセンサ１２４Ｋからの電波を受信した際、ＣＰＵ１１４ＡはＵＩ３６にトナー残量が基準残量値以下になったことを表示するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、トナーカートリッジ内に設置するセンサはワイヤレスセンサであるため、従来のセンサのようにケーブルを配設する必要がない。そのため、センサを配置する際、配置する場所を特定の場所にとどめることなく、自由に配置することができる。従って、トナーカートリッジのような閉空間においても使用することができ、トナーカートリッジ内の温度、湿度およびトナー残量を正確に検知することができる。また、ケーブルの収納場所を設ける必要がないため、設計の自由度が上がると共に、ケーブルを不要とする分、コストを抑えることができる。

なお、本実施形態においては、各ワイヤレスセンサを識別する手段として、櫛型電極３Ａ、３Ｂの形状および大きさを異ならせて、誘電体薄膜に発生する表面弾性波の周波数を個々に設定し、この周波数で識別させるようにした。しかし、ワイヤレスセンサを識別する手段はこれに限らず櫛型電極の形状および大きさを同型状にして櫛型電極間の離間距離を異ならせることによっても実現することができる。

具体的には、櫛型電極間の離間距離を異ならせることで、誘電体薄膜２上に発生する表面弾性波の時間が異なる。この点に着目して発信機１１１の信号発信から受信機１１２での信号受信までの時間を計測することによりセンサの識別化をはかっても良い。但し、この手段では、物理量を計測する際にのみ有効であり、センサ間で信号の搬送時間を計測する場合の具体例に不適当であることは言うまでもない。

また、本実施形態においては、トナーを供給するトナーカートリッジ７Ｋ、７Ｃ、７Ｍおよび７Ｙにワイヤレスセンサを配置するようにしたが、クリーニングカートリッジ内にワイヤレスセンサを設けるようにしてもよい。このようにすれば、ユーザはクリーニングカートリッジ内の残留トナーを把握することができるため、クリーニングカートリッジを交換するタイミングを予測できる。そして残留トナーが充満してしまう前にクリーニングカートリッジを予め準備しておくことができるので、ユーザにとって好都合である。

本発明の実施形態に係る画像形成装置のブロック図である。 トナーカートリッジにワイヤレスセンサを設置した設置例である。 一対の櫛型電極を備えたワイヤレスセンサの構成図である。 複数の櫛型電極を備えたワイヤレスセンサの構成図である。 ワイヤレスセンサと制御部のブロック図である。 コントローラが行う処理を示したフローチャートである。 コントローラが行う物理量測定処理を示したフローチャートである。 ワイヤレスセンサの構成図とトナーカートリッジにワイヤレスセンサを設置した設置例である。 トナーカートリッジに配置されたワイヤレスセンサと制御部のブロック図である。

符号の説明

３Ａ，３Ｂ・・・櫛形電極、４Ａ，４Ｂ・・・アンテナ、５Ａ，５Ｂ・・・インピーダンスマッチング部、６Ａ，６Ｂ・・・グランド、１１１・・・発信機、１１２・・・受信機、１１０Ｋ，１１０Ｃ，１１０Ｍ，１１０Ｙ・・・ワイヤレスセンサ

Claims (4)

1. 画像形成装置の装置本体に装着され、現像用トナーを装置本体に設けられた現像器に供給するためのトナーカートリッジであって、
   トナーカートリッジ内部に設けられ、前記トナーカートリッジ内のトナーの温度、湿度およびトナー残量の少なくとも１種類以上からなるトナー状態を電波信号に変えて送信するワイヤレスのトナー状態測定手段と
   を具備することを特徴とするトナーカートリッジ。
2. 前記トナー状態測定手段は、電波信号が供給されると、それをエネルギー源として少なくとも前記トナー状態を反映した属性を持った電波信号を生成して出力することを特徴とする請求項１に記載のトナーカートリッジ。
3. 前記トナー状態測定手段は、電波を受信して機械振動を発生させる励振部と、
   前記励振部が発生した機械振動が伝達されて弾性表面波を発生するとともに、前記弾性表面波の属性がトナー状態によって変化する振動媒体部と、
   前記弾性表面波を電気信号に変換して電波信号として送信する送信部と
   を具備することを特徴とする請求項１または２に記載のトナーカートリッジ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のトナーカートリッジから供給されたトナーを用いて感光体に形成された静電潜像を現像する画像形成装置であって、
   前記トナー状態測定手段から出力される電波信号を受信し、この受信した電波信号に基づいてトナーカートリッジのトナー状態を算出する受信手段と、
   前記受信手段で算出された結果を表示する表示手段と
   を具備することを特徴とする画像形成装置。

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