JP2009288524A - トナー残量検出装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トナーコンテナに収容した非磁性トナーのトナー残量を精度よく且つ安価に検出することができるトナー残量検出装置を提供する。
【解決手段】現像装置４３に供給される非磁性トナー４４０が収容されたトナーコンテナ４４のトナー残量検出装置９で、前記トナーコンテナ４４のトナー収容領域に一対の電極板４４ａ、４４ｂを配置し、何れか一方の電極板４４ａに抵抗Ｒ７１を介して矩形波を印加するとともに、他方の電極４４ｂを接地したＣＲ積分経路７を形成し、トナー４４０の残量に応じて変動する前記電極板４４ａに現れる過渡応答特性に基づいてトナーの残量を検出する残量検出回路８を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、現像装置に供給される非磁性トナーが収容されたトナーコンテナのトナー残量検出装置及び画像形成装置に関する。

電子写真方式を採用した画像形成装置には、感光体表面に形成した静電潜像を現像し、トナー画像を形成する現像装置が備えられている。鮮明な画像を安定した状態で得るためには現像装置に蓄えた現像剤のトナー濃度を現像に適した濃度に維持する必要があるため、当該現像剤のトナー濃度を検出するトナー濃度検出装置が現像装置の現像槽に備えられている。

このようなトナー濃度検出装置の一例として、例えば、特許文献１には、コンデンサを兼用した第１の共振回路と第二の共振回路を備え、第１の共振回路の第１コイルと前記第１コイルに磁気的結合された第２の共振回路の第２コイルとからなるコイルの近接領域に磁性体（現像剤）を配置し、前記近接領域の磁性体の透磁率が変化することによって前記第１コイルと第２コイルのインダクタンス変化を取り出し、磁性体のトナー濃度を検知する磁性体検知装置が開示されている。

トナー濃度検出装置で検出されたトナー濃度はマイクロコンピュータでなる制御部に入力される。制御部は、当該トナー濃度が低下すると現像装置にトナーコンテナからトナーを供給し、現像剤のトナー濃度を適正に維持する。制御部は、トナー濃度が所定の濃度まで回復しないとき、供給すべきトナーがトナーコンテナに残っていないものと判断し、画像形成部に設置された操作パネルなどを介してトナーの補充（例えば、トナーが充填されたトナーコンテナの交換）が必要である旨を報知する。

しかし、上述の構成では、トナーコンテナのトナーが略全て消費された後、現像装置のトナー濃度が低下して制御部から当該報知が行なわれるまで、オペレータは、トナーコンテナにトナーが残っていないことを把握することはできない。そのため、補充用トナーの事前手配などの必要から、トナーコンテナに収容されたトナーの残量を直接把握したいという要望があった。

そこで、トナーコンテナのトナー収容領域にトナー濃度検出装置を備え、トナー濃度検出装置により検出されたトナー濃度に基づいてトナーコンテナに収容されたトナーの残量を把握し、トナー残量を報知するように制御部を構成することで、このような要望に応えることができる。
特開２００２−２９６２３６号公報

しかし、このようなトナー濃度検出装置として特許文献１に開示された磁性体検知装置を用いる場合、トナー濃度を精度よく検出するには高精度なコイルやコンデンサを用いる必要がありコストが嵩む。また、正の温度計数を有するコイルはインダクタンスが周囲温度で大幅に変動して検知電圧がドリフトするため、トナー濃度の検出精度が低下する。更に、当該磁性体検知装置は、磁性体の透磁率の変化に基づいてトナー濃度を検出するものであるため、トナーコンテナに収容したトナーが非磁性トナーであると、トナー濃度を検出することはできない。

そこで、非磁性トナーのトナー濃度を検出することができるトナー濃度検出装置としてトナーコンテナのトナー収容領域に圧電素子を設置し、当該圧電素子の出力電圧に基づいて非磁性トナーのトナー濃度を検出する構成を採用する場合、圧電素子の精度個差は大きいため、当該トナー濃度を精度よく検出することは困難であり、更に部品コストも高く、好ましくない。

本発明の目的は、上述の問題点に鑑み、トナーコンテナに収容した非磁性トナーのトナー残量を精度よく且つ安価に検出することができるトナー残量検出装置及び画像形成装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明によるトナー残量検出装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、現像装置に供給される非磁性トナーが収容されたトナーコンテナのトナー残量検出装置であって、前記トナーコンテナのトナー収容領域に一対の電極板を配置し、何れか一方の電極板に抵抗を介して矩形波を印加するとともに、他方の電極を接地したＣＲ積分経路を形成し、トナーの残量に応じて変動する前記電極板に現れる過渡応答特性に基づいてトナーの残量を検出する残量検出回路を備えている点にある。

トナーコンテナのトナー収容領域に配置された一対の電極板間の等価静電容量は、当該トナーコンテナに収容されたトナーの量に応じて変動し、当該等価静電容量の変動に応じて、当該電極板を備えたＣＲ積分経路の過渡応答特性が変動する。

そこで、当該過渡応答特性の変動に基づいて、当該電極板間に存在するトナー量、即ち、トナーコンテナに収容したトナー残量を、残量検出回路で精度よく検出することができる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記電極板の何れか一方が導電性樹脂で成形されたケーシングで構成され、前記電極板の他方が前記現像装置にトナーを搬送供給する導電性樹脂で成形された搬送部材で構成されている点にある。

ケーシング及び搬送部材というトナーコンテナに備えられた既存の部材で当該一対の電極板を構成するため、部材を追加する必要がなく、コスト増加を抑制することができる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または二の特徴構成に加えて、前記残量検出回路は、前記電極板に現れるトナーの残量に応じて変動する鋸波を所定の閾値で二値化する比較器と、前記比較器で二値化されたパルスを平滑化するフィルタ回路を備えている点にある。

上述の構成によれば、残量検出回路を極めてシンプルに構成することができ、且つ、当該残量検出回路でトナー濃度を精度よく検出することができる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から三の何れかの特徴構成に加えて、前記電極板に印加される矩形波が所定の直流電圧にパルス状の交流電圧が重畳された現像バイアス電圧である点にある。

既存の現像バイアス電圧は、直流電圧が重畳された矩形波で且つ高電圧であり、電極板に印加する矩形波として好適である。

本発明による画像形成装置の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から四の何れかの特徴構成を備えたトナー残量検出装置を備えている点にある。

本発明によれば、トナーコンテナに収容した非磁性トナーのトナー残量を精度よく且つ安価に検出することができるトナー残量検出装置及び画像形成装置を提供することができるようになった。

以下、本発明によるトナー残量検出装置及び画像形成装置について説明する。図１は、電子写真方式を採用したプリンタ１の概略図である。

プリンタ１は、ネットワークを介して接続されたコンピュータ端末から入力された画像データに基づいてトナー画像を形成する画像形成部４と、用紙収容部３に収容した用紙を搬送する用紙搬送部６と、画像形成部４により形成されたトナー画像が転写された用紙に当該トナー画像を定着する定着部５と、プリンタ１の画像形成動作を制御する制御部２を備えている。

画像形成部４は、感光体４０と、帯電チャージャ４１と、露光ヘッド４２と、現像装置４３と、転写ローラ４５と、クリーナ４６を備えている。

現像装置４３の上部にはトナーコンテナ４４が設置されている。図２に示すように、トナーコンテナ４４は収容した非磁性トナー４４０を現像装置４３へ供給するトナー供給口４４ｃを備えている。トナー供給口４４ｃから供給したトナー４４０は、現像装置４３の現像槽に現像剤として蓄えられ、当該現像槽で現像ローラ４３ａと不図示の撹拌部材との摩擦により帯電され、現像ローラ４３ａに担持される。

制御部２は、マイクロコンピュータと周辺回路とを備えた基板でなる。制御部２は、帯電チャージャ４１に給電して感光体４０表面を所定の電位に一様に帯電する。そして、コンピュータ端末から入力された画像データを画像処理して出力用画像データを生成し、当該出力用画像データに基づいて露光ヘッド４２により感光体４０表面を走査露光して静電潜像を形成する。

制御部２は、所定の直流電圧（例えば２００Ｖ）にパルス状（例えばピーク間電圧が１６００Ｖで周波数が２．７ＫＨｚ）の交流電圧が重畳した現像バイアス電圧を現像ローラ４３ａに印加して、現像ローラ４３ａに担持したトナー４４０を感光体４０表面に飛翔させ、当該静電潜像を顕像化してトナー画像を感光体４０表面に形成する。

制御部２は、感光体４０表面に形成したトナー画像先端と用紙収容部３から給紙した用紙先端が一致するように用紙搬送部６により用紙を搬送し、転写ローラ４５によりトナー画像を当該用紙に転写し、定着部５により当該トナー画像を当該用紙に溶融定着した後、当該用紙を排紙部６０に排紙する。

制御部２は、現像装置４３の現像槽に設置されたトナー濃度検出装置である不図示の圧電素子により検出されたトナー濃度に基づいて、当該現像槽に蓄えたトナー４４０の量を所定量に維持するように構成され、トナー４４０の減少量に応じてトナーコンテナ４４から現像装置４３へトナー４４０を供給する。

プリンタ１には、トナーコンテナ４４のトナー残量を検出するトナー残量検出装置９が備えられている。制御部２は、トナー残量検出装置９により検出されたトナーコンテナ４４のトナー残量を、例えばプリンタ１に設置された操作パネル（不図示）に報知するように構成されている。

図３に示すように、トナー残量検出装置９は、トナーコンテナ４４のトナー収容領域に一対の電極板４４ａ、４４ｂを配置し、一方の電極板４４ａに抵抗Ｒ７１（例えば１００ＭΩ）を介して現像バイアス電源７０から現像バイアス電圧を印加するとともに、他方の電極板４４ｂを接地したＣＲ積分経路７を形成し、トナー４４０の残量に応じて変動する電極板４４ａに現れる過渡応答特性に基づいてトナー４４０の残量を検出する残量検出回路８を備えている。

図２に示すように、電極板４４ｂは導電性樹脂で成形されたトナーコンテナ４４のケーシング（以下、単に「ケーシング」と記載する。）で構成され、電極板４４ａは現像装置４３にトナーを搬送供給する導電性樹脂で成形されたスクリューコンベアの軸部で構成されている。ケーシング４４ｂ及びスクリューコンベア４４ａの軸部を構成する導電性樹脂には、例えば導電性プラスチックを用いることができる。

スクリューコンベア４４ａは、絶縁部材で構成されたベアリング保持部４４ｄを介してケーシング４４ｂに取り付けられている。スクリューコンベア４４ａとケーシング４４ｂ間のトナー４４０の量によらず抵抗Ｒ７１の抵抗値は一定であるが、トナー４４０の誘電率が「４」程度であるため、当該トナー４４０の量が変動するとスクリューコンベア４４ａとケーシング４４ｂ間の等価静電容量は変動する。

従って、スクリューコンベア４４ａ及びケーシング４４ｂと抵抗Ｒ７１により形成されるＣＲ積分経路７の時定数は、トナーコンテナ４４のトナー残量によって変動するため、ＣＲ積分経路７の過渡応答特性もトナーコンテナ４４のトナー残量によって変動する。

図４（Ａ）は、スクリューコンベア４４ａに抵抗Ｒ７１を介して印加される現像バイアス電圧の電圧波形（図３の（Ａ）の電圧波形）を示す。図４（Ａ）に示すように、現像バイアス電圧は矩形波である。

図４（Ｂ）は、ＣＲ積分経路７の出力電圧波形（図３の（Ｂ）の電圧波形）を示す。図４（Ｂ）の左側、中央、右側は夫々、トナーコンテナ４４のトナー残量が零であるとき、半分程度であるとき、満杯であるときの電圧波形を示している。

トナーコンテナ４４のトナー残量が零であるとき、スクリューコンベア４４ａとケーシング４４ｂ間の等価静電容量は最も小さく、ＣＲ積分経路７の時定数が最も小さいため、ＣＲ積分経路７からは矩形波に近い波形の電圧が出力される。一方、トナー残量が満杯であるとき、スクリューコンベア４４ａとケーシング４４ｂ間の等価静電容量は最も大きく、ＣＲ積分経路７の時定数が最も大きいため、ＣＲ積分経路７からは三角波に近い波形の電圧が出力される。

このように、トナーコンテナ４４のトナー残量によって、ＣＲ積分経路７の過渡応答特性は異なり、当該トナー残量が満杯から零に近づくにつれて、ＣＲ積分経路７の出力電圧波形は三角波に近い鋸波から入力電圧波形に近い鋸波へと変化する。

図３に示すように、残量検出回路８は、スクリューコンベア４４ａに現れるトナー４４０の残量に応じて変動する鋸波を所定の閾値で二値化するコンパレータＣＭＰ８０と、コンパレータＣＭＰ８０で二値化されたパルスを平滑化するフィルタ回路８１を備えている。

コンパレータＣＭＰ８０は、出力電圧が抵抗Ｒ８０７を介して正帰還されており、ヒステリシス特性を有している。コンパレータＣＭＰ８０の非反転入力端子と反転入力端子には、抵抗Ｒ８０３、Ｒ８０４、Ｒ８０５、Ｒ８０６で電源電圧ＶＣＣを分圧した同じ値の直流電圧が入力されている。更に、反転入力端子には当該直流電圧に重畳して、抵抗Ｒ８００、Ｒ８０１により適切な電圧レベルに降圧されたＣＲ積分経路７の出力電圧の交流成分のみがカップリングコンデンサＣ８０２を介して入力されている。

従って、コンパレータＣＭＰ８０の出力は、電源電圧ＶＣＣに変動があっても変化することはなく、反転入力端子に入力されるＣＲ積分経路７の出力電圧の電圧レベルに応じて変化するように構成されている。

カップリングコンデンサＣ８０２を介して入力されるＣＲ積分経路７の出力電圧と電源電圧ＶＣＣを分圧した直流電圧の重畳電圧が、コンパレータＣＭＰ８０がハイレベルの電圧を出力する際の上限閾値を超えると、コンパレータＣＭＰ８０からハイレベルの電圧が出力され、ローレベルの電圧を出力する際の下限閾値を下回るとローレベルの電圧が出力される。

図４（Ｃ）は、コンパレータＣＭＰ８０の出力電圧波形（図３の（Ｃ）の電圧波形）を示す。図４（Ｃ）の左側、中央、右側は夫々、トナーコンテナ４４のトナー４４０が零であるとき、半分程度であるとき、満杯であるときの電圧波形を示している。

トナーコンテナ４４のトナー残量が零であるとき、コンパレータＣＭＰ８０の出力電圧がハイレベルである時間は最も長い。一方、トナー残量が満杯であるとき、コンパレータＣＭＰ８０の出力電圧がハイレベルである時間は最も短い。

このように、トナーコンテナ４４のトナー残量が満杯から零に近づくにつれて、コンパレータＣＭＰ８０の出力電圧がハイレベルである時間が長くなる。

図３に示すように、フィルタ回路８１は、抵抗Ｒ８０８とコンデンサＣ８０９を備えた積分回路で構成されている。コンパレータＣＭＰ８０の出力電圧は、フィルタ回路８１により平滑化され、制御部２に入力される。

制御部２は、トナーコンテナ４４のトナー残量に対応して、残量検出回路８から入力される電圧の電圧値をテーブルデータとして記憶している。制御部２は、残量検出回路８から入力された電圧値をＡ／Ｄ変換して取得し、当該テーブルデータを参照して取得した電圧値に基づき、トナーコンテナ４４のトナー残量を正確に把握することができる。

以下に、別実施形態について説明する。

上述の実施形態では、所定の直流電圧にパルス状の交流電圧が重畳された現像バイアス電圧が抵抗Ｒ７１を介してスクリューコンベア４４ａに印加されるものとして説明したが、トナーコンテナ４４のトナー残量検出用の専用の電源部を備え、当該電源部で生成した矩形波をスクリューコンベア４４ａに印加するように構成するものであってもよい。

上述の実施形態では、トナーコンテナ４４のトナー収容領域に配置された一対の電極板４４ａ、４４ｂの一方が導電性樹脂で成形されたケーシング４４ｂで構成され、電極板の他方が現像装置４３にトナーを搬送供給する導電性樹脂で成形されたスクリューコンベア４４ａの軸部で構成されているものとして説明したが、ケーシングやスクリューコンベアの軸部を電極板として利用せず、トナー残量検出用の電極板を別途トナーコンテナ４４に備えてもよい。

尚、本発明を採用するにあたり、電極板４４ａに印加する矩形波としての現像バイアス電圧の電圧値や周波数、非磁性トナー４４０の誘電率、抵抗Ｒ７１の抵抗値などは上述した値に限るものではなく、適宜設定されるものである。また、本発明による作用効果を奏する範囲でＣＲ積分経路７や残量検出回路８の具体的構成は適宜変更設計できることはいうまでもない。

プリンタの概略図 電極板の説明図 トナー残量検出装置の説明図 現像バイアス電圧の電圧波形、ＣＲ積分経路の出力電圧波形、及び、残量検出回路の出力電圧波形の説明図

符号の説明

７：ＣＲ積分経路
８：残量検出回路
９：トナー残量検出装置
４３：現像装置
４４：トナーコンテナ
４４ａ：電極板（トナーコンテナに備えられた導電性樹脂で成形された搬送部材であるスクリューコンベア）
４４ｂ：電極板（導電性樹脂で成形されたトナーコンテナのケーシング）
８１：フィルタ回路（積分回路でなる平滑回路）
４４０：非磁性トナー
ＣＭＰ８０：比較器（コンパレータ）
Ｒ７１：抵抗

Claims (5)

1. 現像装置に供給される非磁性トナーが収容されたトナーコンテナのトナー残量検出装置であって、
   前記トナーコンテナのトナー収容領域に一対の電極板を配置し、何れか一方の電極板に抵抗を介して矩形波を印加するとともに、他方の電極を接地したＣＲ積分経路を形成し、トナーの残量に応じて変動する前記電極板に現れる過渡応答特性に基づいてトナーの残量を検出する残量検出回路を備えているトナー残量検出装置。
2. 前記電極板の何れか一方が導電性樹脂で成形されたケーシングで構成され、前記電極板の他方が前記現像装置にトナーを搬送供給する導電性樹脂で成形された搬送部材で構成されている請求項１記載のトナー残量検出装置。
3. 前記残量検出回路は、前記電極板に現れるトナーの残量に応じて変動する鋸波を所定の閾値で二値化する比較器と、前記比較器で二値化されたパルスを平滑化するフィルタ回路を備えている請求項１または２記載のトナー残量検出装置。
4. 前記電極板に印加される矩形波が所定の直流電圧にパルス状の交流電圧が重畳された現像バイアス電圧である請求項１から３の何れかに記載のトナー残量検出装置。
5. 請求項１から４の何れかに記載のトナー残量検出装置を備えている画像形成装置。

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