JP2010191249A - 画像形成装置、トナー濃度算出方法、及びトナー濃度算出プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】現像剤の攪拌手段の攪拌速度にばらつきがあっても、現像剤収容部内のトナー濃度の変化を正確に把握する。
【解決手段】濃度センサ５０からの出力信号に応じて現像剤収容部４１中のトナー濃度を算出するトナー濃度算出手段５２を備え、トナー濃度算出手段５２では、濃度センサ５０の出力信号の経時変化データから、この経時変化データに含まれる変動の周期を１サイクル毎に決定し、前記各サイクル毎に前記トナー濃度を算出する。
【選択図】図９

Description

本発明はトナー濃度を検出する検出手段を備えた画像形成装置、そのトナー濃度算出方法、及びトナー濃度算出プログラムに関するものである。

複合機や複写機等の画像形成装置では、従来から、トナーと磁性のキャリアとで構成される二成分現像剤が広く用いられている。感光体の潜像をトナーで現像すると、二成分現像剤からトナーのみが消費されてキャリアは消費されないので、二成分現像剤におけるトナーの比率、換言すればトナー濃度が徐々に低下する。従って、このトナー濃度を検知するセンサを、二成分現像剤を収容している現像器に取り付けて、トナー濃度が低下した場合には、トナー補給手段（ホッパーやトナーカートリッジ等）から現像器へトナーを補給するように制御を行っている。そして、このような制御によって、画像形成装置でプリントした画像が、一定の濃度（品質）を維持できるようにしている。

現像器の内部には、トナー補給手段から補給されたトナーを感光体側へ搬送し、且つトナーとキャリアとを均一に混合させるための攪拌手段が備えられている。攪拌手段としては、スクリューやパドルなどの攪拌片をシャフトの回りに取り付けて、この攪拌片をシャフトとともに回転させるタイプのものが従来から広く用いられている。

この攪拌片の回転によってトナーが攪拌、搬送されると、攪拌片における回転（進行）方向側とその反対側とでは、トナーの嵩密度に差異が生じるから、トナー濃度センサが取り付けられた位置の近傍を攪拌片が通過するときに、トナー濃度センサの出力値が変動する。つまり、トナー消費もトナー補給も全く行わず、現像剤におけるトナーとキャリアの比率が変わらない場合でも、トナー濃度センサの近傍を攪拌片が通過すると、見掛け上、トナーの濃度が変化するので、攪拌手段の動作を考慮しなければ、正確なトナーの濃度を把握することができなかった。

そこで、特許文献１や特許文献２では、透磁率の変化によってトナー濃度を検知するセンサを用いて、センサの出力信号が、攪拌手段の攪拌周期（攪拌速度）に関連して変動することに着目し、簡単にトナー濃度を算出する方法を提案している。

特許文献１では、攪拌手段によってトナー濃度センサの出力の経時変化に現れる周期的な小さい変動（以下、この周期的な小さい変動をリップルと記載する）が正弦波になり、この正弦波の周期が攪拌手段の攪拌周期に一致していることから、攪拌手段の単位時間当たりの回転数（設定値）を用いてリップル周期を計算し、リップル周期の半分をセンサ出力の読み取り周期にしている。そして、読み取り周期内の３点以上の出力の平均値を求めて、この値からトナー濃度を算出している。

特許文献２では、トナー濃度センサの出力に現れるリップル波形の最大値と最小値を検出し、この最大値と最小値の平均値からトナーの濃度を算出している。

特開２００３−５７９３８号公報 特開２０００−６６５０２号公報

しかしながら、単位時間当たりの回転数を設定して攪拌手段を回転駆動させていても、実際には、その攪拌速度（攪拌周期）が攪拌毎に変動することがある。加えて、攪拌部材やその周辺部材の経時変化や劣化、現像器のユニット交換等によっても攪拌速度が変化する可能性がある。

従って、特許文献１のように、あらかじめ設定されている攪拌手段の回転数から、リップル周期を算出する方式では、算出されたリップル周期と実際のリップル周期とが一致しない場合がある。その結果、平均値を計算するための読み取り周期が実際のリップル波形からずれ、読み取り周期の出力から平均値を計算しても、各リップルのトナー濃度を正確に把握することができないという問題がある。

ところで本発明者の実験によると、トナー濃度を検出するセンサとして、トナー濃度に応じて発信周波数が変化する方式のセンサを採用すると、前記リップル波形が正弦波にならず、また、各リップル波形の最大値や最小値にもリップル毎のばらつき（トナー消費とは関係しないばらつき）が含まれることがわかった。従って、このような発信周波数の変化を利用するセンサの出力信号に対して、特許文献１や特許文献２のような平均値の算出方法でトナー濃度を求めても、各リップル周期の平均値を正確に得ることができず、また、平均値自体がリップル毎に大きくばらつくので、トナー濃度の変化を把握し難いという問題もある。

本発明は、上記問題を解消するものであり、現像剤の攪拌手段の攪拌速度にばらつきがあっても、現像剤収容部内のトナー濃度の変化を正確に把握することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明における画像形成装置は、トナーとキャリアとが混合された現像剤を収容する現像剤収容部と、前記現像剤収容部中の前記現像剤を攪拌する攪拌手段と、前記現像剤収容部に設けた濃度検出手段と、前記濃度検出手段からの出力信号に応じて前記現像剤収容部中のトナー濃度を算出するトナー濃度算出手段とを備えた画像形成装置において、前記トナー濃度算出手段では、前記濃度検出手段の出力信号の変動の周期を１サイクル毎に決定し、前記各サイクル毎に前記トナー濃度を算出することを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の画像形成装置において、前記トナー濃度算出手段では、前記変動の周期の各サイクル毎に位相を決定し、各サイクル毎に位相の開始位置から所定の範囲を経過した位置の前記出力信号を代表値として取り出し、各サイクル毎に取り出された前記代表値に基づいてトナー濃度を算出することを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の画像形成装置において、前記トナー濃度算出手段では、前記変動の周期の各サイクルの所定の位相角のデータを前記代表値として取り出し、前記代表値から前記サイクル毎に前記トナー濃度を算出することを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の画像形成装置において、前記トナー濃度算出手段では、前記変動における減少から増大に向かう立上がり位置、または増大から減少に向かう立下り位置を検出することによって、前記変動の周期を１サイクル毎に決定していることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の画像形成装置において、前記濃度検出手段は、前記現像剤における前記トナーの比率に応じて発信周波数が変化する方式のセンサであり、前記センサは発信周波数に対応したパルス信号を出力することを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項２から５のいずれかに記載の画像形成装置において、前記トナー濃度算出手段は、前記変動から決定された１サイクルの周期または画像形成のシステム速度に応じて、前記各サイクルから前記代表値を取り出すべき位置を変更可能に構成されていることを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明は、請求項２から６のいずれかに記載の画像形成装置において、前記トナー濃度算出手段では、複数のサイクルの前記代表値の平均から前記トナー濃度を算出することを特徴とするものである。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の画像形成装置において、前記トナー濃度算出手段では、新たな１サイクルの周期が決定すると、この新しく決定されたサイクルの前記代表値を加え且つ先に平均を計算した複数のサイクルのうちの最も古いサイクルの前記代表値を外して平均を再計算し、前記トナー濃度を更新することを特徴とするものである。

請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の画像形成装置において、前記トナー濃度算出手段では、前記変動の周期よりも短い周期のノイズを除去するように平滑化処理した後に、１サイクル毎の周期を決定するように構成したことを特徴とするものである。

請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれかに記載の画像形成装置において、前記トナー濃度算出手段では、前記トナー濃度の算出を、メインスイッチが入れられた後の初期動作時、画像安定化処理動作時、印刷動作時のうちの、少なくともいずれか１つの動作のタイミングで実行することを特徴とするものである。

請求項１１に記載の発明におけるトナー濃度算出方法は、トナーとキャリアとが混合された現像剤を収容する現像剤収容部と、前記現像剤収容部中の前記現像剤を攪拌する攪拌手段と、前記現像剤収容部に設けた濃度検出手段と、前記濃度検出手段からの出力信号に応じて前記現像剤収容部中のトナー濃度を算出するトナー濃度算出手段とを備えた画像形成装置のトナー濃度算出方法であって、前記濃度検出手段の出力信号の変動の周期を１サイクル毎に決定するステップと、前記各サイクル毎に前記トナー濃度を算出するステップとを備えていることを特徴とするものである。

請求項１２に記載の発明におけるトナー濃度算出プログラムは、トナーとキャリアとが混合された現像剤を収容する現像剤収容部と、前記現像剤収容部中の前記現像剤を攪拌する攪拌手段と、前記現像剤収容部に設けた濃度検出手段と、前記濃度検出手段からの出力信号に応じて前記現像剤収容部中のトナー濃度を算出するトナー濃度算出手段とを備えた画像形成装置に、前記濃度検出手段の出力信号の変動の周期を１サイクル毎に決定するステップと、前記各サイクル毎に前記トナー濃度を算出するステップとを実行させることを特徴とするものである。

請求項１、１１、及び１２に記載の発明によれば、トナー濃度算出手段で、濃度検出手段の出力信号の変動の周期を１サイクル毎に決定し、前記各サイクル毎に前記トナー濃度を算出しているから、攪拌手段の攪拌速度のばらつき等に起因して、前記変動の周期が一定になっていなくても、変動の１つのサイクルの周期を正確に把握できる。そして、各サイクル毎にトナー濃度を算出しているから、トナー濃度の変化を確実に検出することができる。

請求項２に記載の発明によれば、サイクルの位相の開始位置から所定の範囲を経過した位置の出力信号を代表値とし、この代表値に基づいて各サイクル毎にトナー濃度を算出しているから、各サイクルの周期が変動しても、各サイクルのトナー濃度を確実に把握することができる。

請求項３に記載の発明によれば、前記変動の各サイクルの所定の位相角のデータを代表値として取り出す、つまり、各サイクルの周期が変化しても、各変動の波形の同じ位相角から代表値を取り出すから、各サイクルの周期の変化をキャンセルしてトナー濃度を検出し、その変化を把握することができる。

請求項４に記載の発明によれば、出力信号の変動における立上がり位置または立下り位置を検出することで、各サイクルの実際の周期を確実に決定することができる。

請求項５に記載の発明のように、トナーの比率に応じて発振周波数が変化する方式のセンサを採用すると、出力信号に含まれる変動の波形が正弦波にならなかいことがわかっているが、請求項１に記載した発明では、前記変動の周期を１サイクル毎に決定するようにしてトナー濃度を算出しているから、変動の波形の乱れによる影響をキャンセルすることができる。

請求項６に記載の発明によれば、出力信号の変動から決定された１サイクルの周期または画像形成のシステム速度に応じて、前記各サイクルから前記代表値を取り出すべき位置を変更可能に構成しているから、攪拌速度がばらついて変動の形状や周期が変化しても、代表値として最適な出力信号を取り出すことが可能となる。

請求項７に記載の発明によれば、複数のサイクルの代表値の平均に基づいて前記トナー濃度を算出するから、１サイクル毎の攪拌性の誤差によるトナー濃度のばらつきを防止することができる。

請求項８に記載の発明によれば、新しく決定されたサイクルの前記代表値を加え且つ先に平均を計算した複数のサイクルのうちの最も古いサイクルの前記代表値を外して平均を再計算し、先に算出されたトナー濃度の値を更新するようにしているから、１サイクル毎の攪拌性の誤差によるトナー濃度のばらつきを防止しながら、最新のトナー濃度を検出することができる。

請求項９に記載の発明によれば、前記変動を平滑化処理し、変動の周期よりも小さい周期の波形（ノイズ）を除去しているから、出力信号の変動から精度よく各サイクルの周期を算出することができる。

請求項１０に記載の発明によれば、トナー濃度の算出を、メインスイッチが入れられた後の初期動作時、画像安定化処理動作時、印刷動作時のうちの、少なくともいずれか１つの動作のタイミングでトナー濃度算出手段が実行されるから、トナーを消費する可能性があるときに確実にトナー濃度を把握することができる。

実施形態の画像形成装置の概略側面図である。 現像器の外観斜視図である。 図２のIII-III線矢視断面図である。 図２のIV−IV線矢視断面図である。 ＴＣＲセンサの出力信号から得られた発振周波数値とトナー濃度との関係を示すグラフである。 コントローラの構成を示すブロック図である。 ＴＣＲセンサの出力信号の経時変化データである。 ＴＣＲセンサの出力信号の他の経時変化データである。 トナー濃度算出方法を示すフローチャートである。 トナー補給制御を示すフローチャートである。 トナー濃度算出方法の変形例のフローチャートである。 トナー濃度算出方法の他の変形例のフローチャートである。 トナー濃度算出方法の他の変形例を説明するＴＣＲセンサの出力信号の経時変化データである。 トナー濃度算出方法の他の変形例を説明するＴＣＲセンサの出力信号の経時変化データである。 トナー補給制御を実行するタイミングを示すフローチャートである。

以下に、本願発明を画像形成装置の一例であるタンデム型カラーデジタルプリンタ（以下、画像形成装置１と称する）に適用した実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、本願発明は、カラープリンタに限定するものではなく、モノクロプリンタに適用してもよい。

まず、図１を参照しながら、画像形成装置１の概要を説明する。図１に示すように、実施形態の画像形成装置１は、その筺体２内に、大別して画像プロセス装置３、給紙装置４、及び定着装置５等を備えている。詳細は図示していないが、画像形成装置１は、例えばＬＡＮといったネットワークに接続されていて、外部端末（図示省略）からの印刷指令を受け付けると、当該指令に基づいて印刷を実行するように構成されている。

筺体２内の中央部に位置する画像プロセス装置３は、像担持体の一例である感光体１３上に形成されたトナー像を記録材Ｐに転写する役割を担うものであり、中間転写ベルト６、及びイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）及びブラック（Ｋ）の各色に対応する計４つの作像部７等を備えている。なお、図１では説明の便宜上、各作像部７に、再現色に応じて符号Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋを添えている。

中間転写ベルト６のうち駆動ローラ８に巻き掛けられた部分の外周側には、二次転写ローラ１０が配置されている。二次転写ローラ１０は、中間転写ベルト６に当接していて、中間転写ベルト６と二次転写ローラ１０との間（当接部分）が二次転写領域である二次転写ニップ部１１になっている。二次転写ローラ１０は、中間転写ベルト６の回転に伴って、又は二次転写ニップ部１１に挟持搬送される記録材Ｐの移動に伴って図１の時計方向に回転する。

中間転写ベルト６のうち従動ローラ９に巻き掛けられた部分の外周側には、転写ベルトクリーナ１２が配置されている。転写ベルトクリーナ１２は、中間転写ベルト６上に残留する未転写トナーを除去するためのものであり、中間転写ベルト６に当接している。

４つの作像部７は、中間転写ベルト６の下方において、図１の左からイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の順に、中間転写ベルト６に沿って並べて配置されている。各作像部７は、図１の時計方向に回転駆動する像担持体の一例としての感光体１３を備えている。感光体１３の周囲には、図１における時計回りの回転方向に沿って順に、帯電器１４、現像部１５、一次転写ローラ１６、及び感光体クリーナ１７が配置されている。

感光体１３は負帯電性のものであり、感光体モータ（図示省略）からの動力伝達にて、図１の時計方向に回転駆動するように構成されている。帯電器１４はローラ帯電式のものであり、当該帯電器１４には、帯電用電源（図示省略）から所定のタイミングにて感光体帯電のための電圧が印加される。現像部１５は、負の極性を呈するトナーを利用して、感光体１３上に形成された静電潜像を反転現像にて顕在化させるものである。

一次転写ローラ１６は中間転写ベルト６の内周側に位置していて、中間転写ベルト６を挟んで、対応する作像部７の感光体１３に対峙している。一次転写ローラ１６も、中間転写ベルト６の回転に伴って図１の反時計方向に回転する。感光体クリーナ１７は、感光体１３上に残留する未転写トナーを除去するためのものであり、感光体１３に当接している。

４つの作像部７の下方には露光部１９が配置されている。露光部１９は、外部端末等からの画像情報に基づき、レーザービームにて各感光体１３に静電潜像を形成するものである。

中間転写ベルト６の上方には、各現像部１５に供給されるトナーを収容するホッパー２０が配置されている。現像部１５については後述する。なお、図１では説明の便宜上、各ホッパー２０にも、再現色に応じて符号Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋを添えている。

画像プロセス装置３の下方に位置する給紙装置４は、記録材Ｐを収容する複数段（実施形態では２段）の給紙カセット２１，２２、給紙カセット２１，２２内の記録材Ｐを１枚ずつ繰り出す繰り出しローラ２３，２４、及び繰り出された記録材Ｐを所定のタイミングにて二次転写ニップ部１１（二次転写領域）に搬送する一対のレジストローラ２５等を備えている。

搬送経路３０は、給紙装置４の各給紙カセット２１（２２）から、両レジストローラ２５間のニップ部、及び画像プロセス装置３における二次転写ニップ部１１（二次転写領域）を経て、定着装置５における定着ニップ部３５に至る。そして、搬送経路３０は、定着ニップ部３５から一対の排出ローラ２６を介して筺体２上面の排紙トレイ２７にまで延びている。

画像プロセス装置３における二次転写ローラ１０の上方に位置する定着装置５は、記録材Ｐの搬送方向Ｙに直交する方向（以下、通紙幅方向という）に長い加熱ローラ３２、及び、加熱ローラ３２と平行状に延びる加圧ローラ３４を備えている。図１では左寄りに加熱ローラ３２が、右寄りに加圧ローラ３４が位置している。加圧ローラ３４は、加熱ローラ３２に当接していて、加熱ローラ３２と加圧ローラ３４との間（当接部分）が定着領域である定着ニップ部３５になっている。

前述した各現像部１５には、トナーとキャリアとが混合されたニ成分系の現像剤Ｗを収容する現像剤収容部として現像器４１が備えられている。現像器４１は、図１の紙面の奥行き方向に長く形成された略箱状で、図２に示すように、その長手方向の一方の端部の上面に、ホッパー２０からトナーが供給されるトナー補給口４２が設けられている。図２〜図４に現像器４１の概略構成を示すが、これは一例であってこの構成に限定するものではない。

現像剤Ｗは、磁性体からなるキャリアと粉体からなるトナーとが一定割合で混合されたものである。現像器４１には、現像剤Ｗの攪拌手段として、スクリュー状の攪拌片を有する回転式の第１攪拌部材４６と第２攪拌部材４７とが備えられている。各攪拌部材の軸は現像器４１の長手方向と平行状に設けられており、第１攪拌部材４６は第２攪拌部材４７の上方に配置されている。第１攪拌部材４６及び第２攪拌部材４７が図示していないモータによって回転駆動されると、スクリュー状の攪拌片によって、現像剤Ｗは攪拌、混合されながら、現像器４１を循環するように構成されている。なお、攪拌手段は、スクリュー状の攪拌部材に限定するものではなく、パドル状やブラシ状の攪拌部材等を適用してもよい。

このようにして均一に混合された現像剤Ｗは、内部にマグネットを備えた現像ローラ４３に供給され、現像ローラ４３に対向配置された規制板４４により流出時の厚みが規制されて、現像ローラ４３上に均一な薄い現像剤Ｗの層が形成される。この層状の現像剤Ｗは、微視的にみると、穂状になったキャリアにトナーが混合されている状態である。

現像ローラ４３には、図1に示すように、帯電した感光体１３が近接配置されており、感光体１３と現像ローラ４３に電位をかけると、現像ローラ４３側のトナーが感光体１３の帯電した部分に電気的に吸着され、これにより感光体１３の潜像が現像化される。このようにしてトナーのみが消費された現像剤Ｗは、再び現像器４１に回収され、前述した攪拌、混合のプロセスに戻されて、これが繰り返される。

ホッパー２０には、トナーを現像器４１に補給するための搬送スクリュー（図示せず）と、この搬送スクリューを外部から駆動するためのホッパーモータ５７（図６参照）が備えられている。後述するトナー濃度センサ５０の出力信号に基づいて算出されたトナー濃度によって、現像器４１内のトナーの比率が低下したことがコントローラ５１（図６参照）によって検出されると、ホッパーモータ５７の駆動が制御される。ホッパーモータ５７によって前記搬送スクリューを所定時間回転駆動することで、所定量のトナーが現像器４１に補給される。

現像器４１には、現像器４１内のトナーの濃度、換言すると、トナーとキャリアとが混合された現像剤におけるトナーの割合（比率）を検出する検出器として、トナー濃度センサ（以下、ＴＣＲ（Ｔｏｎｅｒ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｒａｔｉｏ）センサと記載する）５０が取り付けられている。

この実施形態では、ＴＣＲセンサ５０として、トナーの濃度（比率）に応じて発信周波数が変化する方式のセンサを採用している。なお、トナー濃度の検出手段としては、この方式のセンサに限定するものではなく、公知の方式を適宜採用できる。ＴＣＲセンサ５０はその出力信号として発振周波数に応じたパルス信号を出力し、制御部５２（図６参照）ではパルス信号をカウントすることにより、トナー濃度に対応した発振周波数値を検出値として得ている。図５に示すように、現像剤Ｗにおけるトナー濃度（ＴＣ比）は、制御部５２で検出した発振周波数値に略比例して変化するので、発振周波数値からトナー濃度を算出することができる。

ＴＣＲセンサ５０は、図３及び図４に示すように、現像器４１の容器の外側面に、１箇所配置されている。配置位置は、現像器４１の構成等に応じて最適な箇所が選定されるが、トナー補給口４２から適切な距離だけ離れた位置に配置することが望ましい。この実施形態では、現像器４１の長手方向の略中央部において、第２攪拌部材４７の下方となる位置に配置している。

このＴＣＲセンサ５０の出力信号が送られるコントローラ５１（図６参照）は、画像形成装置１の各種の動作を制御する。コントローラ５１には、画像形成装置１の各種演算処理を実行する制御部（ＣＰＵ）５２の他、各種処理プログラムを記憶させるためのＲＯＭ５３、制御プログラムやデータを一時的に記憶させるためのＲＡＭ５４、取得した画像データ等を記憶するデータ記憶部５５、ホッパーモータ５７を駆動するためのドライバＩＣ５６等が備えられている。なお、ＴＣＲセンサ５０は各色の現像器41にそれぞれ設けられているから、ＴＣＲセンサ５０の出力信号に基づくトナーの補給は、各色のトナー毎に独立して制御される。

図７に示すグラフは、ＴＣＲセンサ５０の出力信号を所定時間間隔でサンプリングして、発振周波数値に変換してプロットしたものであり、発信周波数値（検出値）の経時変化を示している（以下、このデータを経時変化データと記載する）。トナーが消費されるとＴＣＲセンサ５０からの検出値が低下していくため、検出値の経時変化データも徐々に右下がりの形状となるが、この経時変化データには周期的な小さい変動（以下、リップルと記載する）が含まれる。つまり、ＴＣＲセンサ５０が第２攪拌手段４７の近傍に配置されているので、回転式の第２攪拌手段４７の攪拌速度、つまり攪拌周期に起因するリップルが含まれるのである。リップル波形の最大値、最小値は、サンプリングのタイミング等の要因（トナーの消費に関係しない要因）で発生するばらつきを含み、また、図からわかるように、このリップル波形は正弦波にはなっていない。

ところで、画像形成装置１には、厚みや質の異なる記録材も使用されるので、このような多様な記録材のいずれに対しても最適な画像を形成するために、システム速度を変更するなどの措置がとられる。例えば、厚い記録紙を用いたときには、感光体１３や、感光体１３周辺の各種ローラ、現像器４１の攪拌手段４６、４７等の回転速度を半分にするなどによって、画像形成の速度を遅くし、さらには、記録材が定着装置５を通過する速度も半分にして、定着性や画像品質の向上を図る。

図７に示す経時変化データはシステム速度Ｖ１のときのデータで、図８に示す経時変化データはシステム速度がＶ１の約２倍のＶ２のときのデータである。システム速度が速くなって、第１及び第２攪拌部材４６、４７の攪拌周期が短くなると、当然ながらＴＣＲセンサ５０の経時変化データのリップル周期は短くなるが、図８の経時変化データは図７の経時変化データを、単に横軸に沿って縮小させた形状にはなっておらず、リップル波形の立下り時の傾斜形状等が相違している。この形状の違いは、攪拌速度によって、トナーとキャリアの流動性に差が生じるためである。つまり、第１及び第２攪拌部材４６、４７の攪拌周期が変わると、ＴＣＲセンサ５０の経時変化データのリップルは、周期だけでなく形状も変化している。

また、従来技術に記載したように、実際には、第１及び第２攪拌部材４６、４７の攪拌速度は、１回転毎にばらつきが発生したり経時的に変化したりすることがあるため、システム速度の設定が同じであっても、実際のリップル周期は必ずしも一定ではない。

そこで、この実施形態では、トナー濃度算出手段としての制御部５２において、実際のＴＣＲセンサ５０の経時変化データから１リップルを１つのサイクルとして１リップル毎にリップル周期を決定するようにした。また、１つのリップル周期を３６０度として、各リップルの位相開始位置から同じ位相差を有する位相角の検出値を代表値とし、この代表値からトナー濃度を算出することで、リップル周期のばらつきを吸収するようにした。なお、厳密には、経時変化データは所定時間間隔でサンプリングしたＴＣＲセンサ５０の出力信号から作成されているため、代表値を取り出す位相角は、所定のサンプリング時間から次のサンプリング時間までの所定の位相区間を意味することになる。

また、前述したように、システム速度の変更によって、第１及び第２攪拌部材４６、４７の攪拌速度が変わると、ＴＣＲセンサ５０のリップル波形の形状も大きく変化することがわかっているので、あらかじめ、ＲＯＭ５３には、第１及び第２攪拌部材４６、４７の攪拌速度と代表値を取り出すべき位相角とを関連づけたテーブルを記憶させている。つまり、攪拌速度（リップル波形の形状）に応じて、代表値を取り出すべき位相角を変更するようにしている。

このテーブルは、例えば、攪拌速度Ｖ１のときには位相角をθ１とし、攪拌速度Ｖ２のときには位相角をθ２とし、攪拌速度Ｖ３のときには位相角とθ３とするように設定している。攪拌速度Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３はシステム速度に対応させて設定された値であるが、攪拌速度Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の上記設定数は一例にすぎない。

この制御部５２（トナー濃度算出手段）によるトナー濃度算出の方法を、図９のフローチャートを用いて詳細に説明する。なお、図９のフローチャートにて示されるアルゴリズムは、コントローラ５１のＲＯＭ５３等にプログラムとして記憶されており、ＲＡＭ５４に読み出されてから制御部５２にて実行される。

まず、記録材（用紙等）に対する記録指令やその他の処理動作に伴って、第１及び第２攪拌部材４６、４７による攪拌動作が開始すると（Ｓ０１でＹｅｓ）、制御部５２では、ＴＣＲセンサ５０の出力信号から検出した発信周波数値の取り込みを開始し（Ｓ０２）、取り込んだ発信周波数値を記憶する。

そして、発信周波数の経時変化データに含まれているリップルの立上がりエッジ（立下りエッジでもよい）を取り出してデータ処理する（Ｓ０３）ことで、ＴＣＲセンサ５０の経時変化データにおける１つのリップル周期Ｔ１を決定する（Ｓ０４）。これにより、制御部５２に順次取り込んだ発信周波数値の経時変化データにおける１リップルの区間Ｔ１が決定される（図７参照）。

決定されたリップル周期Ｔ１に基づいて、第１及び第２攪拌部材４６、４７の攪拌速度を算出する（Ｓ０５）。算出された攪拌速度がＶ１（リップル周期から算出された攪拌速度であるからＶ１±ΔＶ１のばらつきを含んでいる）の場合には、あらかじめＲＯＭ５３に記憶されているテーブルに基づいて、位相角θ１が決定される。そして、Ｓ０４で決定された１リップルの周期（区間）Ｔ１の中から、位相角θ１の検出値（発信周波数値）をこのリップル周期の代表値とし、この代表値からトナー濃度を算出する（Ｓ０７）。これにより、このリップル周期Ｔ１のトナー濃度が決定される。

攪拌動作が終了する（Ｓ０８でＹｅｓ）まで、Ｓ０２〜Ｓ０７のステップが繰り返され、経時変化データにおける１リップル毎の周期が順次決定されると、そのリップル周期の位相角θ１から代表値が取り出され、リップル毎にトナー濃度が算出される。

システム速度が途中で変更されて、Ｓ０５で算出された攪拌速度が例えばＶ２（Ｖ２±ΔＶ２）に変わると、記憶されているテーブルに基づいて位相角がθ２に変更され、各リップルの位相角θ２の検出値が代表値として読み出され、トナー濃度が算出される。

上記ステップによって、各リップル毎にトナー濃度が決定されると、図１０のフローチャートに示すトナー補給制御が行われる。図９に示すトナー濃度算出方法によるトナー濃度の算出が開始されると（Ｓ１０１でＹｅｓ）、トナーの補給のためにあらかじめ設定されている補給基準値の濃度と比較される（Ｓ１０２）。トナー濃度が補給基準値を下回っている場合（Ｓ１０２でＮｏ）には、制御部５２がドライバＩＣ５６を介してホッパーモータ５７を駆動し、ホッパー２０から現像器４１にトナーの補給が行われる（Ｓ１０３）。このトナー濃度補給制御は、トナー濃度の算出が終了する（Ｓ１０４でＹｅｓ）まで行われる。

このように、上述したトナー濃度算出方法では、ＴＣＲセンサ５０の出力信号から得られる検出値の経時変化データから、１リップル周期（区間）をその都度決定しているから、攪拌速度のばらつきでリップル周期（区間）が変化しても、確実に実際の１リップル周期（区間）を把握することができる。そして、各リップル周期（区間）の同じ位相角から検出値（発信周波数値）を取り出してリップル毎にトナー濃度を算出しているから、トナー濃度の低下を正確に検出することができる。

また、攪拌速度が大きく変化した場合には、リップルから代表値を取り出すべき位相角を変更できるように構成しているから、攪拌速度が変わることでリップル波形の形状が変化しても、攪拌速度の違いが測定精度に与える影響を極めて小さくすることができる。

このように、本実施形態では、ＴＣＲセンサ５０からの出力信号に第１及び第２攪拌部材４６、４７の攪拌が影響しても、トナー濃度の低下を正確に検出できるから、現像器４１へのトナーの補給を適切なタイミングで行うことができ、記録される画質の濃度を安定して維持することができる。

図１１及び図１２のフローチャートは、図９に示したトナー濃度算出方法の変形例を示したものである。図１１及び図１２のフローチャートにて示されるアルゴリズムも、コントローラ５１のＲＯＭ５３等にプログラムとして記憶されており、ＲＡＭ５４に読み出されてから制御部５２にて実行される。

図１１に示すトナー濃度算出方法は、基本的には図９に示す方法と同じであるが、リップル周期から代表値を取り出すための位相角の決定を、システム速度に基づいて行っている点が異なっている。

第１及び攪拌部材４６、４７による攪拌動作が開始すると（Ｓ１１でＹｅｓ）、システム速度を確認して、システム速度から代表値を取り出すための位相角を決定する（Ｓ１２）。例えば、システム速度がＶ１のときには、位相角θ１を決定する。制御部５２では、ＴＣＲセンサ５０の出力信号から発信周波数値の取り込みを開始して（Ｓ１３）、これを記憶する。

発信周波数の経時変化データに含まれているリップルの立上がりエッジ（立下りエッジでもよい）を取り出してデータ処理（Ｓ１４）し、ＴＣＲセンサ５０の経時変化データにおける１つのリップル周期Ｔ１を決定し（Ｓ１５）、１リップルの区間を決定する。

リップル周期Ｔ１の出力値のうち、Ｓ１２で決定した位相角θ１に応じた検出値を、この１つのリップルの代表値とし（Ｓ１６）、その発信周波数値からこのリップル周期Ｔ１のトナー濃度を算出する（Ｓ１７）。算出されたトナー濃度によって、トナー補給制御（図１０参照）が行われ、トナー濃度の算出を、攪拌動作が終了するまで（Ｓ１８でＹｅｓ）繰り返す。

図１２に示す変形例も、基本的には図９に示す方法と同じであるが、各リップル毎に代表値となる出力値を決定した後に、複数のリップルの出力値を平均し、その平均値からトナー濃度を算出するようにしている点が異なっている。この変形例では、３つのリップル周期の発信周波数値から平均値を求めるようにしているが、この数に限定するものではない。

図１２のＳ２１〜Ｓ２６は、図９のＳ０１〜Ｓ０６と同じステップであるため、説明を省略する。Ｓ２６で、各リップル周期の例えば位相角θ３の検出値（発信周波数値）が代表値に決められ、連続する最新の３周期分のリップル周期で代表値が決まると（Ｓ２７でＹｅｓ）、３つの代表値の平均が計算され、この平均値からトナー濃度が算出される（Ｓ２８）（図１３参照）。そして、先に算出されていたトナー濃度の値が更新される（Ｓ２９）。

上記ステップは、攪拌動作が終了するまで（Ｓ３０でＹｅｓ）繰り返される。攪拌動作が継続している間は、制御部５２に次々に取り込まれている発信周波数値に基づいて、次々と新たな１リップルの周期が確定される。次のリップル周期が決まると、前回の後ろ２つ分のリップル周期と新たに確定した１つ分のリップル周期とによって新たな３つ分のリップル周期が決定されるので（Ｓ２７でＹｅｓ）、この３つ分のリップル周期の位相角θ３の代表値の平均からトナー濃度を算出する（図１４参照）。そして、先に決定されていたトナー濃度が新たなトナー濃度に更新される（Ｓ２９）。

このように、複数のリップル周期の代表値を平均してトナー濃度を算出し、かつ算出する複数のリップル周期を１つずつずらしながらトナー濃度を更新していくことによって、１リップル毎の攪拌性のばらつき誤差を防止しながら、最新のトナー濃度を把握することができる。

なお、ＴＣＲセンサ５０の出力信号から得られる検出値から経時変化データを形成する際に、リップル周期よりも小さい周波数のノイズをＣＲ回路等で平滑化処理を行ってから、リップル周期を決定するようにしてもよい。これにより、ノイズに起因するトナー濃度検出の誤差を抑制することができる。

図９、図１１、図１２に示したトナー濃度算出方法に基づくトナー補給制御（図１０参照）は、画像形成装置１のメインスイッチがＯＮ操作された後の初期動作時、画像安定化処理動作時、印刷動作時のうちの、少なくともいずれか１つの動作のタイミングで実行される。トナー補給制御が、初期動作時、画像安定化処理動作時、印刷動作時の全てのタイミングで実行される場合のフローチャートを図１５に示す。

なお、画像安定化処理動作は、一般に記録画像を高画質化させるために行われる動作であり、感光体上に検査用のトナー画像を形成し、その濃度を検出して期待値と比較し、その比較結果に基づいて、帯電器１４や、現像用の電圧の出力等の調整が行われる。つまり、画像安定化処理動作時にもトナー画像が形成されてトナーが消費されるから、トナー濃度の検出が必要となる。

まず、メインスイッチが押下されて（Ｓ２０１でＹｅｓ）電源が投入されると、定着装置５のヒータの加熱が行われるとともに、各メモリ内のプログラムの読み出し、各種パラメータの初期化等の初期動作が行われ、トナー濃度の算出によるトナー補給制御も実行される（Ｓ２０３）。初期動作が終了すると（Ｓ２０４）、印刷待機状態となる。

印刷が開始されると（Ｓ２０５でＹｅｓ）、印刷が終了する（Ｓ２０７でＹｅｓ）まで、トナー濃度の算出によるトナー補給制御が実行される（Ｓ２０６）。印刷が行われていない状態で（Ｓ２０５でＮｏ）、画像安定化処理動作が開始された場合には（Ｓ２０６でＹｅｓ）、画像安定化処理動作が終了するまで（Ｓ２１０でＹｅｓ）、トナー濃度の算出によるトナー補給制御が行われる（Ｓ２０９）。

上述してきたように、本実施形態では、ＴＣＲセンサ５０の出力信号から得られる経時変化データに基づいてリップル周期を１つずつ決定するようにし、リップル周期毎に同一位相区間の検出値を用いてトナー濃度を算出するようにしているので、攪拌速度の変動でリップル周期が変動しても、トナー濃度の変化を正確に把握することができる。その結果、適正なタイミングでトナーの補給を実行することができるので、記録画質の濃度を安定して維持することが可能となる。

１ 画像形成装置
１３ 感光体
１４ 帯電器
１５ 現像部
２０ ホッパー
４１ 現像器
４２ トナー補給口
４３ 現像ローラ
４６ 第１攪拌部材
４７ 第２攪拌部材
５０ ＴＣＲセンサ
５１ コントローラ
５２ 制御部（トナー濃度算出手段）

Claims (12)

1. トナーとキャリアとが混合された現像剤を収容する現像剤収容部と、前記現像剤収容部中の前記現像剤を攪拌する攪拌手段と、前記現像剤収容部に設けた濃度検出手段と、前記濃度検出手段からの出力信号に応じて前記現像剤収容部中のトナー濃度を算出するトナー濃度算出手段とを備えた画像形成装置において、
   前記トナー濃度算出手段では、前記濃度検出手段の出力信号の変動の周期を１サイクル毎に決定し、前記各サイクル毎に前記トナー濃度を算出することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記トナー濃度算出手段では、前記変動の周期の各サイクル毎に位相を決定し、各サイクル毎に位相の開始位置から所定の範囲を経過した位置の前記出力信号を代表値として取り出し、各サイクル毎に取り出された前記代表値に基づいてトナー濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記トナー濃度算出手段では、前記変動の周期の各サイクルの所定の位相角のデータを前記代表値として取り出し、前記代表値から前記サイクル毎に前記トナー濃度を算出することを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記トナー濃度算出手段では、前記変動における減少から増大に向かう立上がり位置、または増大から減少に向かう立下り位置を検出することによって、前記変動の周期を１サイクル毎に決定していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の画像形成装置。
5. 前記濃度検出手段は、前記現像剤における前記トナーの比率に応じて発信周波数が変化する方式のセンサであり、前記センサは発信周波数に対応したパルス信号を出力することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の画像形成装置。
6. 前記トナー濃度算出手段は、前記変動から決定された１サイクルの周期または画像形成のシステム速度に応じて、前記各サイクルから前記代表値を取り出すべき位置を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の画像形成装置。
7. 前記トナー濃度算出手段では、複数のサイクルの前記代表値の平均から前記トナー濃度を算出することを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載の画像形成装置。
8. 前記トナー濃度算出手段では、新たな１サイクルの周期が決定すると、この新しく決定されたサイクルの前記代表値を加え且つ先に平均を計算した複数のサイクルのうちの最も古いサイクルの前記代表値を外して平均を再計算し、前記トナー濃度を更新することを特徴とする請求項７に記載の画像形成装置。
9. 前記トナー濃度算出手段では、前記変動の周期よりも短い周期のノイズを除去するように平滑化処理した後に、１サイクル毎の周期を決定するように構成したことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の画像形成装置。
10. 前記トナー濃度算出手段では、前記トナー濃度の算出を、メインスイッチが入れられた後の初期動作時、画像安定化処理動作時、印刷動作時のうちの、少なくともいずれか１つの動作のタイミングで実行することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の画像形成装置。
11. トナーとキャリアとが混合された現像剤を収容する現像剤収容部と、前記現像剤収容部中の前記現像剤を攪拌する攪拌手段と、前記現像剤収容部に設けた濃度検出手段と、前記濃度検出手段からの出力信号に応じて前記現像剤収容部中のトナー濃度を算出するトナー濃度算出手段とを備えた画像形成装置のトナー濃度算出方法であって、
    前記濃度検出手段の出力信号の変動の周期を１サイクル毎に決定するステップと、
    前記各サイクル毎に前記トナー濃度を算出するステップとを備えていることを特徴とするトナー濃度算出方法。
12. トナーとキャリアとが混合された現像剤を収容する現像剤収容部と、前記現像剤収容部中の前記現像剤を攪拌する攪拌手段と、前記現像剤収容部に設けた濃度検出手段と、前記濃度検出手段からの出力信号に応じて前記現像剤収容部中のトナー濃度を算出するトナー濃度算出手段とを備えた画像形成装置に、
    前記濃度検出手段の出力信号の変動の周期を１サイクル毎に決定するステップと、
    前記各サイクル毎に前記トナー濃度を算出するステップとを実行させることを特徴とするトナー濃度算出プログラム。

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