JP2010169923A - ベルト基準位置検出用光学的センサ及びこれを用いた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パッチパターンの重心点演算による処理が複雑であった。
【解決手段】転写ベルト５上のパッチパターン７’を位置検出するための光学的センサ８’はパッチパターン７’の進行方向に直交するほぼ長円形状の照射パターンIR’を発光してその反射光を受光する。光学的センサ８’はパッチパターン７’の進行方向の上流側に所定の傾斜角θで傾いている。パッチパターン７’は照射パターンIR’の長円形状の長径方向長さより長い被検出開始端７’ａを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明はカラー電子写真装置、カラーレーザビームプリンタ、カラー印刷装置等の多色画像形成装置、特に、そのベルト基準位置検出用光学的センサに関する。

図１３は従来のベルト基準位置検出用光学的センサを含む多色画像形成装置を示す（参照：特許文献１）。図１３においては、4連ドラム式カラーレーザビームプリンタが示されている。

図１３においては、4つの色画像形成部、つまり、マゼンダ画像形成部１、シアン画像形成部２、イエロ画像形成部３及び黒画像形成部４が設けられている。

各色画像形成部１、２、３、４は、レーザ発振器、ポリゴンミラー、反射ミラー等を有するオン／オフ光信号発生部１１、２１、３１、４１、感光ドラム１２、２２、３２、４２、帯電器１３、２３、３３、４３、現像器１４、２４、３４、４４、転写器１５、２５、３５、４５、クリーナ１６、２６、３６、４６によって構成される。

他方、感光ドラム１２、２２、３２、４２と転写器１５、２５、３５、４５との間には、転写部材たとえば紙を搬送すると共にトナーを担持する転写ベルト５が設けられている。転写ベルト５は駆動ローラ６によって矢印方向に駆動される。尚、感光ドラム１２、２２、３２、４２は転写ベルト５上に等間隔に設けられている。

たとえば、マゼンダ画像転写は、次のごとく、マゼンダ画像形成部１によって行われる。まず、感光ドラム１２の表面が帯電器１３によって均一に帯電される。次に、オン／オフ光信号発生部１１のオン／オフ光信号で感光ドラム１２の表面上をその回転軸方向に沿って走査し、この結果、感光ドラム１２の表面にマゼンダ画像の静電潜像が形成される。次に、現像器１４によってマゼンダトナーが感光ドラム１２の表面上の静電潜像に付着し、マゼンダトナーパターンが形成される。シアントナーパターン、イエロトナーパターン及び黒トナーパターンも、同様に、シアン画像形成部２、イエロ画像形成部３及び黒画像形成部４によって形成される。

上述のマゼンダトナーパターン、シアントナーパターン、イエロトナーパターン及び黒トナーパターンは、順次、転写器１５、２５、３５及び４５によって転写部材たとえば紙に転写される。最後に、図示しない定着器によってマゼンダトナーパターン、シアントナーパターン、イエロトナーパターン及び黒トナーパターンは熱圧着される。

図１３の従来の多色画像形成装置においては、転写ベルト５の速度が異なるフルカラープリントモード、単色カラープリントモードあるいは白黒プリントモードの切替に応じて転写ベルト５の基準位置検出の必要があり、このため、転写ベルト５の所定位置にその基準位置検出用のパッチパターン７が予め印刷されている。

転写ベルト５は黒色であり、そのオプティカルデンシティ（OD）値はたとえば1.0〜1.2程度である。他方、パッチパターン７は白インクであり、そのOD値はたとえば0.05〜0.2程度である。このような光沢の差、つまり転写ベルト５の光反射量とパッチパターン７の光反射量との差は反射型の光学的センサ８によって検出され、CPUを含む制御回路９は光学的センサ８のセンサ出力V_Sに応じて色画像形成部１、２、３、４を制御する。

図１４は図１３のパッチパターン７及び光学的センサ８の位置関係を示す斜視図である。

図１４に示すように、光学的センサ８は転写ベルト５の進行方向つまりパッチパターン７の進行方向にほぼ円形状の照射パターンIRを直角に発光し、転写ベルト５及びパッチパターン７からの反射光を受光する。パッチパターン７は照射パターンIRの直径より長い直線状の被検出開始端７ａを有する。

図１５は図１３の光学的センサ８を示す正面図、上面図及び側面図である。

図１５に示すように、光学的センサ８は、発光素子８１ａ及び円形レンズ８１ｂよりなる発光部８１と、集光レンズ８２ａ及び受光素子８２ｂよりなる受光部８２とによって構成され、発光部８１及び受光部８２は検出面Ｓに対して等角の傾きとなるように回路基板８３と共に支持体ケース８４に組込まれている。

発光部８１の光軸８１ｃ及び受光部８２の光軸８２ｃを含む面は転写ベルト５の進行方向つまりパッチパターン７の進行方向に対する直交軸８５を含み、かつパッチパターン７の進行方向に対して垂直となっている。

また、検出面Ｓの距離変動と発光部８１及び受光部８２の互いの光軸のずれに対する許容度を確保するために、発光部８１に対して受光部８２の配光が広くなるように設定されている。

受光部８２の分光感度及び製造コストの点から、発光部８１の発光素子８１ａはたとえば600nm〜1000nmの赤色あるいは赤外の発光ダイオード（LED）素子より構成されている。

他方、受光部８２の集光レンズ８２ａはLED素子の発光波長以下の短波長領域をカットするフィルタ機能を有して検出比を改善するように構成されている。また、受光部８２の受光素子８２ｂはレスポンスが良好かつ低製造コストのシリコンよりなるフォトトランジスタあるいはフォトダイオードによって構成され、LED素子の駆動波形と同期して検出する方式を採用してパルス性の外乱光に対してノイズマージンを確保するように構成することもできる。

図１６に示すごとく、光学的センサ８の発光部８１が転写ベルト５の検出面S1に入射光Iを照射パターンIRで照射すると、光学的センサ８の受光部８２は弱い反射光R1を受光する。他方、図１７に示すごとく、光学的センサ８の発光部８１がパッチパターン７の検出面S2に入射光Iを照射パターンIRで照射すると、光学的センサ８の受光部８２は強い反射光R2を受光する。図１８に示すごとく、紙粉、トナー等でパッチパターン７が汚染しても、光学的センサ８のセンサ出力V_Sの増感領域の重心点に変化ない。従って、初期状態あるいは汚染状態の検出位置P1、P2あるいはP1’、P2’を、一定のしきい値THを超えた間の重心点検出により行うことにより、パッチパターン７の汚染による検出比の低下を少なくできる。尚、上述の重心点検出は制御回路９たとえばソフトウェア（プログラム）により行うことができる。

特開平１−１６７７６９号公報

しかしながら、図１５に示す従来の光学的センサ８においては、重心点検出を必要とするので、処理が複雑となるという課題があった。

また、処理を単純化するために、パッチパターン７の検出をセンサ出力V_Sの立上りタイミングのみで行うと、パッチパターン７の汚染状態では、図１９に示すごとく、検出位置P1がP1’と大きくずれてしまい、この結果、パッチパターン７の位置検出精度が低下するという課題もあった。

さらに、図１５に示す従来の光学的センサ８においては、発光部８１の光軸８１ｃ及び受光部８２の光軸８２ｃを含む面がパッチパターン７の進行方向に対して垂直となっているので、検出比の変動が大きく、従って、安定性が低い。すなわち、検出比は、発光部８１の初期の放射出力、受光部８２の感度、紙粉、トナー等によるパッチパターン７の汚染等に伴うセンサ出力V_Sの低下に対してマージンの確保を見込んで設定されるが、光学的センサ８の場合、設置誤差による検出比の変動が大きく、従って、安定性が低い。この結果、検出比のマージンを確保するためには、センサの高い取付精度が要求される。また、上述の重心点検出のしきい値THに対してセンサ出力V_Sの合わせ込みも、検出比のマージンに充分に余裕がないと、発光部８１の出力及び受光部８２の感度のばらつきを小さくする必要があると共に、発光部８１及び受光部８２の支持体ケース８４への組込み精度も要求される。このような理由で、製造コストが高いという課題もあった。

上述の課題を解決するために、ベルト上のパッチパターンを位置検出するためのベルト基準位置検出用光学的センサにおいて、パッチパターンの進行方向に直交するほぼ長円形状の照射パターンを発光する発光部と、照射パターンのベルト及びパッチパターンからの反射光を受光する受光部とを具備するものである。これにより、パッチパターンの検出を光学的センサのセンサ出力の立上りタイミングのみで可能となり、また、この場合、パッチパターンの汚染状態でも、パッチパターンの位置検出精度はほとんど低下しない。

また、発光部の光軸及び受光部の光軸を含む面がパッチパターンの進行方向の上流側に所定の傾斜角で傾いている。これにより、検出比の変動は小さくなり、従って、検出比の安定性は高くなる。

本発明によれば、重心点演算を行わず、センサ出力の立上りタイミングのみで行うことができるので、演算を単純化できる。また、検出比の安定性が高くなるので、検出比のマージンが高くなり、従って、センサの高い取付け精度及び発光部及び受光部の支持体ケースへの高い組込み精度が不要となり、この結果、製造コストを低減できる。

本発明に係るベルト基準位置検出用光学的センサの実施の形態を含む多色画像形成装置を示す図である。 図１のパッチパターン及び光学的センサの位置関係を示す斜視図である。 図１の光学的センサを示す正面図、上面図及び側面図である。 図３の光学的センサの発光部の底面図、正面図及び側面図である。 図３の光学的センサの発光部の光線のメインビーム及びサイドローブを説明する図である。 図１の照射パターンの実験例を示す図である。 図４の変更例を示す底面図、正面図及び側面図である。 図３の光学的センサの転写ベルトからの反射光を説明する図である。 図３の光学的センサのパッチパターンからの反射光を説明する図である。 図１の光学的センサの傾斜角を説明する図である。 図１の傾斜角に対する検出比特性を示す図である。 図１の光学的センサのセンサ出力の立上りを示すグラフである。 従来のベルト基準位置検出用光学的センサを含む多色画像形成装置を示す図である。 図１３のパッチパターン及び光学的センサの位置関係を示す斜視図である。 図１３の光学的センサを示す正面図、上面図及び側面図である。 図１５の光学的センサの転写ベルトからの反射光を説明する図である。 図１５の光学的センサのパッチパターンからの反射光を説明する図である。 図１５の光学的センサのセンサ出力の例を示すグラフである。 図１５の光学的センサのセンサ出力の立上りを示すグラフである。

図１は本発明に係るベルト基準位置検出用光学的センサの実施の形態を含む多色画像形成装置の実施の形態を示す図である。図１においては、図１３のパッチパターン７及び光学的センサ８に代えてパッチパターン７’及び光学的センサ８’を設けてある。

図２は図１のパッチパターン７’及び光学的センサ８’の位置関係を示す斜視図である。

図２に示すように、パッチパターン７’の移動量に対するセンサ検知出力変化（検知出力感度という）を上げ、パッチパターン７’の濃度変化、光学的センサ８’の発光部の出力変化に対する検出位置の変動を抑えるために、光学的センサ８’の照射パターンIR’は転写ベルト５の進行方向に対する幅をパッチパターン７’の幅より小さくし、かつ転写ベルト５の進行方向つまりパッチパターン７’の進行方向に直交するほぼ長円形状をなしている。尚、照射パターンIR’は位置検出精度を考えた場合、十分細いビーム状が好ましいが、後述の安価な封止樹脂タイプのLED素子を用いた場合、LED素子自体のサイズと照射パターンを考えた場合、ビーム径をレンズ径以下に絞ることは実質的に不可能である。また、パッチパターン７’の印刷部の厚みによるエッジの散乱の影響によりパッチパターン７’の検出精度の低下を回避するために、光学的センサ８’はパッチパターン７’の進行方向の上流側に傾斜角θで傾いている。そして、光学的センサ８’は転写ベルト５及びパッチパターン７’からの反射光を受光する。

後述のごとく、発光素子８１’ａのLED素子の位置を偏心させることにより、照射パターンIR’は、実際には、長円形状の短径方向の片側に凸円弧形状の偏りを有する。従って、パッチパターン７’はこの凹円弧形状に対応する凸円弧形状の被検出開始端７’ａを有し、検出精度を高めている。

図３は図２の光学的センサ８’を示す正面図、上面図及び側面図である。

図３に示すように、光学的センサ８’は、発光素子８１’ａ及び楕円レンズ８１’ｂよりなる発光部８１’と、集光レンズ８２’ａ及び受光素子８２’ｂよりなる受光部８２’とによって構成され、発光部８１’及び受光部８２’は検出面Ｓに対して等角の傾きとなるように回路基板８３’と共に支持体ケース８４’に組込まれている。

発光部８１’の光軸８１’ｃ及び受光部８２’の光軸８２’ｃを含む面はつまりパッチパターン７’の進行方向の上流側で所定の傾斜角θで傾いている。

また、検出面Ｓの距離変動と発光部８１’及び受光部８２’の互いの光軸のずれに対する許容度を確保するために、発光部８１’に対して受光部８２’の配光が広くなるように設定されている。

図４は図３の発光部８１’を示す底面図、正面図及び側面図である。

図４に示すように、発光素子８１’ａ及び楕円レンズ８１’ｂを封止樹脂一体型長円レンズを形成した赤色もしくは赤外の発光ダイオード（LED）で構成する。このとき、転写ベルト５の進行方向に沿う照射パターンの短径方向の片側に偏りを発生させるために、LED素子を楕円レンズ８１’ｂの短径軸中心からオフセットさせる。これにより、図５に示す配光パターンでの放射強度の偏り側のサイドローブの発生を抑制でき、この結果、図６に示すごとく、照射パターンIR’は転写ベルト５の進行方向に沿う短径上の片側に偏りを有する分布をなす。このように、照射パターンIR’はサイドローブの影響を受けないので、検出精度を向上できる。

尚、図４に示すごとく、LED素子を楕円レンズ８１’ｂの短径軸中心からオフセットさせる代りに、図７に示すごとく、楕円レンズ８１’ｂ（樹脂）の周囲つまりサイドローブ発生方向にしゃへい枠８１ｃを設けてもサイドローブの発生を抑制できる。

また、図４においては、楕円レンズ８１’ｂの代りに、トーリック面形状レンズを用いてもよい。さらに、円形レンズに、しゃへい窓、印刷等による転写ベルト５の進行方向での光線広がりを抑制するマスク機能を付加してもよい。

図８に示すごとく、光学的センサ８’の発光部８１’が転写ベルト５の検出面S1に入射光Iを照射パターンIR’で照射すると、正反射光R1は光学的センサ８’の受光部８２’に受光されない。他方、図９に示すごとく、光学的センサ８’の発光部８１’がパッチパターン７の検出面S2に入射光Iを照射パターンIR’で照射すると、反射光R2の一部が光学的センサ８’の受光部８２に受光される。

光学的センサ８’の検出精度を向上させるには、光学的センサ８’の傾斜角θを適切に設定して図８の光学的センサ８’の受光部８２’の受光量と図９の光学的センサ８’の受光部８２’の受光量との比（以下、検出比）を大きくすればよい。

図１０は光学的センサ８’の傾斜角θの設定を説明する図である。すなわち、光学的センサ８’の光線の広がり角を2αとすれば、
β = π/2 - α + θ （１）
である。従って、図８において、正反射された反射光R1が光学的センサ８’の受光部８２’によって受光されないためには、
β - π/2 > 0 （２）
である。式（１）、（２）から、
θ > α （３）
となる。

尚、図１０における角度αは指向特性の鋭さを示す一般的な代表値である半値角（光軸上の最大放射エネルギーから-3dB低下する傾き角度）と同義ではない。半値角を超えた角度範囲においても、光学的センサ８’の上述の検出比を確保できるからである。従って、図１０の角度αは光軸上の最大放射エネルギー低下が少なくとも-5dB、好ましくは、-10dBである値に設定される。また、実際には、傾斜角θは、光学的センサ８’の発光部８１’の支持体ケース８４’への組込み時の光軸ずれ、光学的センサ８’の装置への設置時のずれ等に対するトレランスを見込んで設定される。さらに、光学的センサ８’の受光部８２’の検知角度は発光部８１’の光線の広がり角度2αより大きく設定され、発光部８１’の光線の広がり角度2αに対応できるようにする。

図１１は光学的センサ８’の発光部８１’の光線の広がり角度αがほぼ15°の場合に、光学的センサ８’の傾斜角θに対する光学的センサ８’の検出比を測定した結果を示すグラフである。この場合、図１１に示すように、傾斜角θの最適値は20°〜30°であり、式（３）を満足していることが分る。

図１２は本発明に係るパッチパターン７’の位置検出精度を説明するためのグラフである。

図１２に示すように、パッチパターン７’の汚染状態でも、検出位置P1はP1’にずれるが、図１９の示した従来に比較してずれ量は小さく、従って、パッチパターン７’の位置検出精度の低下は小さい。

尚、上述の実施の形態においては、照射パターンIR’をほぼ長円形状にすると共に、光学的センサ８’をパッチパターン７’の進行方向の上流側に傾斜角θで傾けているが、照射パターンIR’をほぼ長円形状にするだけでも、上述の位置検出精度は劣るが期待できる。

１：マゼンダ画像形成部
２：シアン画像形成部
３：イエロ画像形成部
４：黒画像形成部
５：転写ベルト
６：駆動ローラ
７，７’：パッチパターン
７ａ，７’ａ：被検出開始端
８，８’：光学的センサ
９：制御回路
１０：転写ベルトクリーナブレード
１１：位置検出用色画像パターン後縁検出回路
８１、８１’：発光部
８１ａ、８１’ａ：発光素子
８１ｂ：円形レンズ
８１’ｂ：楕円レンズ
８２、８２’：受光部
８２ａ、８２’ａ：集光レンズ
８２ｂ、８２’ｂ：受光素子
IR、IR’：照射パターン
θ：傾斜角

Claims (10)

1. ベルト上のパッチパターンを位置検出するためのベルト基準位置検出用光学的センサにおいて、
   前記パッチパターンの進行方向に直交するほぼ長円形状の照射パターンを発光する発光部と、
   該照射パターンの前記ベルト及び前記パッチパターンからの反射光を受光する受光部と
   を具備することを特徴とするベルト基準位置検出用光学的センサ。
2. 前記発光部が、
   発光素子と、
   該発光素子の光を通過させる楕円レンズと
   を具備する請求項１に記載のベルト基準位置検出用光学的センサ。
3. 前記発光部の光軸及び前記受光部の光軸を含む面が前記パッチパターンの進行方向の上流側に所定の傾斜角で傾いている請求項１に記載のベルト基準位置検出用光学的センサ。
4. 前記所定の傾斜角が前記発光部より発光される照射パターンの短径方向における前記発光部からの照射エネルギー分布における最大放射エネルギー低下が-5dBとなる光線の広がり角度より大きく設定されている請求項３に記載のベルト基準位置検出用光学的センサ。
5. 前記照射パターンが前記パッチパターンの進行方向に沿う前記照射パターンの短径方向の片側に偏りを有する照射エネルギー分布をなしている請求項１に記載のベルト基準位置検出用光学的センサ。
6. 前記発光素子の発光中心が偏心している請求項２に記載のベルト基準位置検出用光学的センサ。
7. 前記発光部が、さらに、前記楕円レンズの周囲に設けられたしゃへい枠を具備する請求項２に記載のベルト基準位置検出用光学的センサ。
8. ほぼ長円形状の照射パターンを発光する発光部及び該照射パターンの反射光を受光する受光部を有する光学的センサと、
   前記照射パターンの長円形状の長円方向長さより長い被検出開始端を有するパッチパターンが形成されたベルトと
   を具備する装置。
9. 前記発光部の光軸及び前記受光部の光軸を含む面が前記パッチパターンの進行方向の上流側に所定の傾斜角で傾いて前記照射パターンの長円形状の短径方向の片側が凸円弧形状となり、前記パッチパターンの被検出開始端が前記凸円弧形状に対応する凹円弧形状を有する請求項８に記載の装置。
10. 多色画像形成装置である請求項８もしくは請求項９に記載の装置。

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