JP2007025251A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流電圧発生回路の負荷容量増大を抑え、現像剤残量検知の精度向上との両立を図る。
【解決手段】 現像剤残量検知の為のアンテナ電極に流れる電流を検知する為の電流検知手段の部分に分流回路を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は静電潜像を形成し、現像する複写機及びプリンタ等に関するもので、特に現像剤の残量を電気的容量変化により検出する手段を備えた画像形成装置およびプロセスカートリッジに関するものである。ここで、プロセスカートリッジとは、電子写真感光体ドラムと共に帯電手段、現像手段、転写手段、クリーニング手段の少なくとも1つを一体的にカートリッジ化し、このカートリッジを複写機及びプリンタに代表される画像形成装置本体に対して着脱可能とするものである。

従来、プリンタ等の画像形成装置は、一様に帯電させた感光体ドラム（像担持体）に選択的な露光をして潜像を形成し、この潜像をトナーで顕像化すると共に、該トナー像を記録媒体に転写して画像記録を行う。このような装置にあっては、トナーがなくなった場合に補給する必要があり、そのようなトナーの補給や寿命に達した感光体ドラム等の部品の交換をユーザーが容易に行う為に、前記感光体ドラム、帯電器、現像器、クリーニング部等を一体構造にまとめて装置本体に着脱可能とするプロセスカートリッジ方式が広く採用されている。

このプロセスカートリッジ方式においては、装置内に現像剤残量検出装置を設けることで、現像剤容器であるトナー容器のトナーの残量を検出し、その残量を表示パネルなどによりユーザーに報知している。（特許文献1参照）
従来の画像形成装置における現像剤残量検出装置について図６により説明する。

尚、本例の画像形成装置にはプロセスカートリッジ１が着脱自在に装着され、プロセスカートリッジ１は、電子写真感光体である感光ドラム２、帯電手段である帯電器６、電圧印加部材である現像ローラ５、現像剤収納部としてのトナー収容部３、現像剤（トナー）を攪拌する攪拌棒９、クリーニング手段８を備えている。

現像ローラ５から離れた、トナー容器３内の壁面に検出電極としてのアンテナ電極４が配置され、このアンテナ電極４、及び電極として作用する現像ローラ５は静電容量検出手段２５にそれぞれ接続されている。静電容量検出手段２５は、現像ローラ５とアンテナ電極４間の静電容量を検出することにより、検出した静電容量に応じてトナー残量を検出する構成となっている。

又、現像ローラ５には高圧電源２４の電圧発生手段としての現像バイアス発生装置２３が接続されている。

静電容量検出手段２５は、現像ローラ５に接続された基準コンデンサ１０、ダイオード１１、１２、定電圧源１３、基準電圧検出抵抗１４、基準電圧検出コンデンサ１５、又、アンテナ電極４に接続されたダイオード１６、1７、アンテナ電極電流検出抵抗１８、アンテナ電極電流検出コンデンサ１９、そして、オペアンプ２０を備えている。

そして、静電容量検出手段２５はＣＰＵ２２内のアナログディジタル変換ポート（以降Ａ/Ｄポートと記載）に接続されている。

上記構成の現像剤残量検出装置におけるトナー残量検出動作としては、まず、現像バイアス発生装置２３において、直流電圧に交流電圧を重畳させた現像バイアスを生成する。現像バイアスは、静電容量検出手段２５内の基準コンデンサ１０と現像ローラ５に印加される。基準コンデンサ１０には、基準コンデンサ静電容量Ｃｒに応じた交流電流が発生する。

一方、アンテナ電極４には現像ローラ５−アンテナ電極４間の静電容量Ｃｔに応じた交流電流が発生する。

基準コンデンサ１０に流れる交流電流は、ダイオード１１を介して基準電圧検出抵抗１４及び基準電圧検出コンデンサ１５で整流されて直流電圧Ｖｒ１に変換される。ここで、オペアンプ２０の正入力には、定電圧源１３の直流電圧Ｖｒ２（＝４．５Ｖ）と直流電圧Ｖｒ１を重畳した電圧Ｖｒが入力される。

一方、アンテナ電極４に流れる交流電流は、ダイオード１６を介してアンテナ電極出力電圧抵抗１８及びアンテナ電極出力電圧検出コンデンサ１９で整流されて直流電圧に変換され、オペアンプ２０の負入力に入力される。

上記回路構成とすることで、オペアンプ２０は、基準コンデンサ１０の静電容量Ｃｒと、現像ローラ５−アンテナ電極４間の静電容量Ｃｔの差に応じた電圧を出力する。ここで、オペアンプ２０の出力電圧Ｖｓは下記の式１で表せる特性となる。

Ｖｓ＝４．５−Ａ×（Ｃｔ−Ｃｒ）×ｆ×Ｖｐｐ …式１
但し、Ａは所定の定数、Ｃｔは現像ローラ５−アンテナ電極４間の静電容量、Ｃｒは基準コンデンサ１０の静電容量、ｆは現像バイアスの交流周波数、Ｖｐｐは現像バイアスのピークツーピーク電圧である。

又、オペアンプ２０の出力端子に接続されているダイオード２１で、出力電圧Ｖｓ（以下、静電容量検出電圧Ｖｓと記載）をＣＰＵ２２の入力定格電圧以下に抑制している。

ＣＰＵ２２においては、静電容量検出電圧ＶｓのＡ/Ｄポートでアナログ／デジタル変換され、ＣＰＵ２２が検出電圧Ｖｓを検出する。ＣＰＵ２２にはＲＯＭが格納されており、検出されたＶｓはＲＯＭに記憶されている変換テーブルに基づき、トナー残量に変換する。このトナー残量を不図示の表示手段に表示することで一連のトナー残量検出を行っている。

上記トナー残量検出の目的の一つは、プロセスカートリッジ内の現像剤が非常に少なくなった際の例えば白すじの入った不良画像等が出力されること防止し、且つユーザーにプロセスカートリッジの交換を促すことにある。

その為にはトナーが非常に少ない状態での検出精度をあげる必要がある。上記従来例で示したプロセスカートリッジ構成の場合、少量のトナーの検出精度を上げるためにはアンテナ電極をできる限り現像ローラに近づけることにより、少量トナーに対して精度のよい現像剤残量検出が可能となる。
特開２００２−１０８０８５号公報

しかしながら、アンテナ電極を現像ローラに近づけることは、現像ローラ−アンテナ電極間の静電容量Ｃｔを増大させることになり、それに伴って基準となるコンデンサの容量Ｃｒも大きくする必要がある。

一方、画像形成装置のプロセス条件の観点から考えると、現像バイアス発生回路側からみた容量が大きいと現像バイアスの電流波形がなまってしまい、最良な画像を得ることが難しくなる。

従って、単純にアンテナ電極を現像ローラに近づけることは現像バイアス発生回路の負荷容量を増大させることになり、出力画像の印字精度に悪影響を及ぼすといった課題を生じることとなってしまう。

上記従来の問題点に鑑み、本発明は、現像バイアス回路の負荷容量の増大を抑え、且つ現像剤残量検出精度を向上させることを目的とする。

上記目的は本発明に係る画像形成装置にて達成される。本発明では上記目的を達するために、本発明の第１の請求項によれば、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、前記プロセスカートリッジ内に設けられた現像剤を収納する現像剤収納部と、少なくとも交流電圧成分を含んだ電圧を発生する電圧発生手段と、前記電圧発生手段が発生した電圧が印加される前記プロセスカートリッジ内に設けられた少なくとも一つの電圧印加部材と、少なくとも一つの検出電極と、前記検出電極に流れる電流を検出する第１の電流検出手段と、前記電圧発生手段に接続された基準コンデンサに流れる電流を検出する第２の電流検出手段と、を有し、第１の電流検出手段には前記検出電極に流れる電流を分流する分流手段が設けられ、該分流手段で分流された電流値と前記第２の電流検出手段で検出された電流値により前記電圧印加部材と前記検出電極間の静電容量を検出する静電容量検出手段を備えたことを特徴とする画像形成装置である。

また、本発明の第２の請求項によれば、前記電圧発生手段は直流電圧に交流電圧を重畳させた現像バイアスを発生する為の現像バイアス発生手段である。

また、本発明の第３の請求項によれば、電圧印加部材は現像剤を担持する為の現像ローラである。

また、本発明の第４の請求項によれば、検出電極はプロセスカートリッジ内に設けられたアンテナ電極である。

また、本発明の第５の請求項によれば、電圧印加部材及び前記検出電極が共にアンテナ電極であってもよい。

以上説明したように、本発明の第１の請求項によると、現像剤残量検知の為の容量検出電極に流れる電流の分流した値を基準コンデンサに流れる電流値と比較することにより、基準コンデンサの容量を小さくすることができる。

また、本発明の第２の請求項によると、現像剤残量検知の為の電圧発生回路が現像バイアス発生回路であり、基準コンデンサの容量が小さくなることにより現像バイアス発生回路の負荷容量を軽減でき、現像バイアスがなまることによる画像品質低下を抑制する効果がある。

また、本発明の第３の請求項によると、現像剤残量検知の為の電圧印加部材は現像ローラであり、現像剤残量検知の為の電圧印加を部材を専用に設けること無く行うことが可能となる。

また、本発明の第４の請求項によると、現像剤残量検知の為の検出電極はプロセスカートリッジ内に設けられたアンテナ電極であり、検出電極を任意の場所に設けることで所望の部分の現像剤残量を詳細に見ることが可能となる。特にアンテナ電極を現像ローラに近接させることにより、現像剤が非常に少ない時の状態変化を逐次検出できる効果がある。一方、アンテナ電極を現像ローラに近接させた際にはアンテナ電極を現像ローラ間の容量が増大してしまうが、本発明における分流回路の構成によって基準コンデンサの容量を小さくすることにより、現像バイアス発生回路の負荷容量を軽減でき、現像剤残量検知の精度向上と画像品質の両立を実現できる効果がある。

また、本発明の第５の請求項によると、現像剤残量検知の為の電圧印加部材と検出電極がアンテナ電極であり、電圧印加部材と検出電極を任意の場所に設けることができ、検出したい部分を詳細に検出できるだけでなく、現像剤残量検知の為の電圧発生回路が現像バイアス発生回路に限定されることがなくなる効果がある。さらに、本発明における分流回路の構成によって基準コンデンサの容量を小さくすることにより、前記電圧発生回路の負荷容量を軽減でき、現像剤残量検知の精度向上と画像品質の両立を実現できる効果がある。

（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例を図１〜図４に基づいて説明する。但し、本実施例はあくまで例示であり、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。

まず、画像形成装置の全体の構成について図１を用いて説明する。

図１において、レーザビームプリンタ１０１は記録紙Ｐを収納する紙カセット１０２を有し、記録紙Ｐはピックアップローラ１０３によって紙カセット１０１から繰り出され、給紙ローラ１０４により紙搬送経路に送られる。この時、記録紙Ｐの重送を防止するために給紙ローラ１０４と対をなして、リタードローラ１０５が設けられている。

搬送経路に送られた記録紙Ｐは給紙搬送ローラ１０６によってさらに下流レジ前センサ１０７を通過し、レジストローラ対１０８に向けて搬送される。そして、レジストローラ対１０８の駆動によって所定のタイミングでプロセスカートリッジ１に搬送される。

このプロセスカートリッジ１は公知の電子写真プロセスに必要な現像剤（トナー）を収容し、現像剤担持体である現像スリーブ５を備えた現像剤容器であるトナー容器３、帯電手段である帯電ローラ６、クリーニング手段８、及び電子写真感光体である感光ドラム２が一体的に構成されており、画像形成装置本体１０１に対して着脱可能に装着される。また、感光体ドラム１は本体のドラムモータ１１３からの伝達により所定の周速度（プロセススピード）で回転駆動される。

前記感光体ドラム２上には、後述するレーザスキャナ部１１４からのレーザ光により画像信号に基づいた像露光が行われ、静電潜像が形成される。この潜像は現像スリーブ１１０を含めた現像手段によりトナー像として感光体ドラム２上に現像され、トナー像は転写手段である転写ローラ１１５によって、感光体ドラム２と転写ローラ１１５のニップ部に搬送されてきた記録紙Ｐに転写される。

転写位置で画像が転写された記録紙Ｐは熱定着するために内部に加熱用のハロゲンヒータ１１６を備えた定着ローラ１１７と加圧ローラ１１８対を備えた定着装置１１９に搬送され、定着ローラ１１７と加圧ローラ１１８対により形成される定着ニップ部を通過することにより、未定着トナー像が定着ローラの熱により加熱定着処理をうける。

加熱定着処理が終了した記録紙Ｐは排紙ローラ対１２０によってレーザビームプリンタ１０１の外部に排出される。これら一連の記録処理は不図示コントローラによって制御される。

また、前記スキャナ部１１４には、不図示の外部装置から送られる画像信号に基づいて変調されたレーザ光を発光するレーザユニット１１４ａ、レーザユニット１１４ａからのレーザ光を感光体ドラム１上に走査するためのポリゴンミラー１１４ｂとスキャナモータ１１４ｃ、結像レンズ群１１４ｄ、及び折り返しミラー１１４ｅにより構成されている。

また、１２１は高圧電源部であり、前記帯電ローラ２、前記現像スリーブ１１０、前記転写ローラ１１５に所望の電圧を給電する為の各高圧回路とを有している。

１２３は表示装置であり後述するＣＰＵ２２からの信号によりＬＢＰ１０１の状態を外部に表示する機能をもっている。

さらに、１２２はレーザプリンタ１０１を制御するプリンタ制御部であり、不図示のＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマ、Ｉ／Ｏポート、Ａ/Ｄポート、Ｄ/Ａポートを具備したＣＰＵ２２と各種入出力制御回路（不図示）等で構成されている。

次に、現像剤残量検知に関して、図２を用いて説明する。

本実施例において特徴的な部分はアンテナ電極４側に接続された電流検出回路部に分流回路３８を設けた点である。

本実施例におけるトナー残量検出動作としては、まず直流電圧に交流電圧を重畳させた現像バイアスを生成する為の現像バイアス発生装置２３は基準コンデンサ１０と現像ローラ５に接続されており、基準コンデンサ１０には、基準コンデンサ静電容量Ｃｒに応じた交流電流Iｒが以下の式に従って流れる。

Iｒ＝Ｃｒ×ｆ×Ｖｐｐ …式２
但し、Ｃｒは基準コンデンサ１０の静電容量、ｆは現像バイアスの交流周波数、Ｖｐｐは現像バイアスのピークツーピーク電圧である。

さらにダイオード１１，１２で整流された電流Irと基準電流検出抵抗１４、基準電流検出コンデンサ１５、定電圧源１３（＝４．５Ｖ）によりオペアンプ２０の正入力は端子には以下の式で表されるＶｒが印加される。

Ｖｒ＝４．５＋Ｒｒ×Ｃｒ×ｆ×Ｖｐｐ …式３
但し、Ｒｒは基準電流検出抵抗１４の抵抗値である。

一方、アンテナ電極４には現像ローラ５−アンテナ電極４間の静電容量Ｃｔに応じた交流電流が発生し、ダイオード１６には以下の式で表される電流Ｉｔが流れる。

Iｔ＝Ｃｔ×ｆ×Ｖｐｐ …式４
電流Ｉｔは抵抗３０、３１、３２、３３、トランジスタ３４、３５、コンデンサ３６によって構成される分流回路３８によりＩｔ１とＩｔ２に分流される。本実施例では一例としてＩｔ１＝1/10×Iｔとなるように抵抗３０、３１を設定されている。

そして、アンテナ電流検出抵抗１８を流れる電流は1/10×Ｃｔ×ｆ×Ｖｐｐとなり、結果としてオペアンプ２０の出力電圧Ｖｓは下記の式５で表せる特性となる。

Ｖｓ＝４．５−Ｒｒ×（1/10×Ｃｔ−Ｃｒ）×ｆ×Ｖｐｐ …式５
但し、Ｒｒは基準電流検出抵抗１４とアンテナ電流検出抵抗１８の抵抗値である。

図３にＶｓの特性を示す。図は横軸に現像ローラとアンテナ電極間静電容量Ｃｔ縦軸に静電容量検出電圧Ｖｓとなっている。

未使用カートリッジが画像形成装置本体に挿入された場合には現像ローラ/アンテナ電極間静電容量Ｃｔは大きくなり、Ｖｓは小さくなる。一方、プロセスカートリッジを使用することにより現像剤量が減少した後の現像ローラ/アンテナ電極間静電容量Ｃｔは小さくなり、Ｖｓは４．５Ｖに近づく。本特性を考慮に入れて、基準コンデンサ容量Ｃｒとゲインとなる抵抗Ｒｒは決定される。

具体的にはＣｔ＝Ｃｅ（トナーＥｍｐｔｙ時の現像ローラ/アンテナ電極間静電容量）となった時に４．５ＶとなるようにＣｒは決定される。また、Ｃｔ＝Ｃｆ（トナーＦｕｌｌ時の現像ローラ/アンテナ電極間静電容量）において１．０Ｖ程度となるようにＲを設定する。

本実施例の図２に示される構成によれば、Ｃｒ＝１／１０×Ｃｅとなり、トナーＥｍｐｔｙ時の現像ローラ/アンテナ電極間静電容量の１／１０の少容量コンデンサで十分である。

本実施例のように基準コンデンサを小さくすることは現像バイアス回路２３から見た負荷容量を小さくすることになり、画像形成装置の一プロセスとしての現像バイアス出力のなまりを防止することにつながる。

図４に本実施例のトナー残量検出におけるフローチャートを示す。なお、このフローチャートに示す制御処理は、予めＲＯＭに格納されたプログラムに従ってＣＰＵにより実行されるものである。

まず、画像形成（プリント）を開始すると（Ｓ１０１）、現像バイアス発生回路２３にて画像形成条件で現像バイアスを生成する（Ｓ１０２）。そのタイミングで静電容量検出手段２５より入力されたＶｓをＣＰＵのＡ/Ｄポートでアナログディジタル変換を行い、ＣＰＵが現像ローラ/アンテナ電極間静電容量に応じた検出電圧Ｖｓを検出する（Ｓ１０３）。ＣＰＵは予めＲＯＭに記憶されているトナー残量変換テーブルに従い、検出電圧をトナー残量に変換し（Ｓ１０４）、トナー残量を検出する（Ｓ１０５）。このトナー残量を不図示の表示手段に表示し、ユーザーに報知する（Ｓ１０６）。

以上説明したように、本実施例によれば、現像剤残量検知に関してアンテナ電極に接続されたアンテナ電極電流検出回路に分流回路を設けることとにより、現像バイアス発生回路に直接接続される基準コンデンサの容量を小さくすることができ、画像形成装置の一プロセスとしての現像バイアス出力のなまりを防止する効果がある。また、コンデンサ容量を小さくすることにより、コストを低減できる効果がある。さらには特に少量トナー時の現像剤残量検知の精度向上に対し、アンテナ電極を現像ローラに近づけた際の基準コンデンサ容量アップを防ぐことができ、現像バイアスのなまり増加を防ぐことできるため、現像剤残量検知の精度向上と画像品質低下の防止を両立させることが可能となる。

（実施例２）
以下、本発明の第２の実施例を図５に基づいて説明する。なお、本実施例における画像形成装置の基本的な構成は第１の実施例と同じであり、現像剤残量検知手段の構成が第１の実施例と異なっている。

第１の実施例では、現像ローラとトナー容器内に設けられたアンテナ電極間の静電容量を検出することにより、現像剤残量検知を行ったが、本実施例ではトナー容器内に対向する２つのアンテナ電極を設け、各アンテナ電極間の静電容量を検出することによって現像剤残量を検知する構成となっている。

さらに、本実施例の構成ではアンテナ電極に印加される交流電圧は現像バイアスに限られることなく、別の交流電圧を印加することも可能である。

本実施例における現像剤残量検知に関して、図５を用いて説明する。

図５で示されるプロセスカートリッジ１にはトナー収容部３内に第１のアンテナ電極４９と第２のアンテナ電極４８が対向して配設されている。第１のアンテナ電極には高圧電源２４内の交流電圧印加手段４７に接続されており、直流に交流電圧が重畳された高電圧が印加される。

交流電圧が第１のアンテナ電極４９に印加されると、アンテナ電極４８、４９間に形成された静電容量Ｃｔを介して、ダイオード４０，４１で整流された半波電流がダイオード４０に流れる。

この半波電流は第1の実施例で説明したと同様、静電容量Ｃｔに応じた値であり、分流回路３８で分流され、Ｉｔ３がオペアンプ２０、抵抗１８、コンデンサ１９で構成される積分回路に入力される。このＩｔ３は以下の式で表される値となる。

Iｔ３＝１／１０×Ｃｔ×ｆ'×Ｖｐｐ' …式６
但し、ｆ'は交流電圧印加手段４７の交流周波数、Ｖｐｐ'は交流電圧印加手段４７のピークツーピーク電圧である。また、本実施例ではIｔ３＝１／１０×Ｉｔとなるように抵抗３０、３１の定数を設定している。

一方、積分回路には基準コンデンサ１０を介して流れるＩｒも入力される。コンデンサ１０は交流電圧印加手段４７に接続されており、交流電圧印加手段４７から電圧が印加されるとダイオード４２，４３で整流された下記の式で表される半波電流が流れる。

Ｉｒ'＝−Ｃr×ｆ'×Ｖｐｐ' …式７
そして、積分回路を構成するオペアンプ２０の負入力にはIｔ３+Ｉｒ'が入力され、正入力には定電源４６（＝４．５Ｖ）が入力されている為、オペアンプ２０の出力電圧Ｖｓは
Ｖｓ＝４．５−Ｒｓ×（1/10×Ｃｔ−Ｃｒ）×ｆ'×Ｖｐｐ' …式８
となる。

本実施例の図２に示される構成によれば、アンテナ電極に流れる電流を検出する為の電流検出手段に分流回路を設け、分流した電流値と基準コンデンサに流れる電流値を比較することにより、基準コンデンサの容量を小さくすることができ、基準コンデンサに接続されている例えば現像バイアス発生回路や帯電バイアス発生回路の波形がなまってしまうことを防止することが可能となる。

本発明の実施例1における画像形成装置の概略断面図 本発明の実施例1における現像剤残量検知を説明する回路図 本発明の現像剤残量検知におけるＣｔＶｓ特性表 本発明の実施例1における現像剤残量検知を説明するフローチャート 本発明の実施例2における現像剤残量検知を説明する回路図 本発明の従来例における現像剤残量検知を説明する回路図

符号の説明

１ プロセスカートリッジ
２ 感光体ドラム
４ アンテナ電極
５ 現像ローラ
２２ ＣＰＵ
２３ 現像バイアス発生回路
２５ 静電容量検出手段
３８ 分流回路
１０１ 画像形成装置

Claims (5)

1. 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、
   前記プロセスカートリッジ内に設けられた現像剤を収納する現像剤収納部と、
   少なくとも交流電圧成分を含んだ電圧を発生する電圧発生手段と、
   前記電圧発生手段が発生した電圧が印加される前記プロセスカートリッジ内に設けられた少なくとも一つの電圧印加部材と、
   少なくとも一つの検出電極と、
   前記検出電極に流れる電流を検出する第１の電流検出手段と、
   前記電圧発生手段に接続された基準コンデンサに流れる電流を検出する第２の電流検出手段と、を有し、
   第１の電流検出手段には前記検出電極に流れる電流を分流する分流手段が設けられ、該分流手段で分流された電流値と前記第２の電流検出手段で検出された電流値により前記電圧印加部材と前記検出電極間の静電容量を検出する静電容量検出手段を備えたことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記電圧発生手段は直流電圧に交流電圧を重畳させた現像バイアスを発生する為の現像バイアス発生手段であることを特徴とする、特許請求項１記載の画像形成装置。
3. 前記電圧印加部材は現像剤を担持する為の現像ローラであることを特徴とする、特許請求項１または２記載の画像形成装置。
4. 前記検出電極はプロセスカートリッジ内に設けられたアンテナ電極であることを特徴とする、特許請求項１、２、または３記載の画像形成装置。
5. 前記電圧印加部材及び前記検出電極が共にアンテナ電極であることを特徴とする、特許請求項１または２記載の画像形成装置。

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