JP2010266761A - トナー濃度センサおよびトナー濃度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化によるトナー濃度の検出誤差をより確実に回避できるトナー濃度センサを提供する。
【解決手段】このトナー濃度センサでは、２成分現像装置１内にあるトナーとキャリアとを含む２成分現像剤３のＴＣ比が変化して２成分現像剤３の透磁率が変化すると、検出コイル５を有する第１の発振回路２０の発振周波数が変化する。一方、２成分現像剤３の透磁率が変化しても、参照コイル６を有する第２の発振回路３０の発振周波数は変化しないが、温度条件が変化すると第２の発振回路３０の発振周波数は第１の発振回路２０の発振周波数と同様の変化をする。よって、第１の発振回路２０の発振周波数と第２の発振回路３０の発振周波数との差をとることで、温度条件の変化が相殺されて、２成分現像剤３の透磁率だけに対応した値を得ることができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、複写機やファクシミリ等の画像形成装置で用いる現像器のトナーの濃度を検出するトナー濃度センサおよびトナー濃度制御方法に関する。

現像器で使用される現像剤には、１成分現像剤と２成分現像剤とがあり、この２成分現像剤は、磁性のキャリア粒子と非磁性のトナー粒子とを混合して作製される。上記磁性のキャリア粒子に適正な混合比で混合されたトナー粒子が感光体ドラム上の潜像部に付着することで、トナー像が形成される。

このため、上記２成分現像剤を現像に使用したとき、磁性のキャリア粒子と非磁性のトナー粒子のうちの非磁性のトナー粒子だけが消費され、磁性のキャリア粒子は現像器内で循環して繰り返し使用される。

そこで、上記現像器に上記現像器内のトナー濃度を検出するトナー濃度センサを設け、このトナー濃度センサによるトナー濃度の検出結果に基づいてトナー補給装置から上記現像器にトナーを随時補給する。これと共に、現像器内でキャリアとトナーとの混合物である２成分現像剤を撹拌してキャリアとトナーとの混合比が現像器内で均一になるようにしている。

ところで、このトナー濃度センサとしては、キャリアとトナーとの混合物である２成分現像剤の透磁率の変化を、ＬＣ共振回路の共振周波数の変化でもって検出することで、トナー濃度を検出するものがある。

ところで、インダクタンスＬとキャパシタンスＣとのＬＣ共振回路の共振周波数ｆは、基本的に次式(１)で求められる。
ｆ＝(２π(Ｌ・Ｃ)^１／２)^−１ … (１)

そして、コイルのインダクタンスＬとコンデンサのキャパシタンスＣはそれぞれ温度特性を持っている。このため、トナー濃度センサが設置されている環境の温度が変化するとＬＣ共振回路での発振周波数が変動してしまう。

したがって、上記ＬＣ共振回路を用いたトナー濃度センサでは、環境温度によりＬＣ共振回路の出力が変動してしまうという課題があった。

そこで、特許文献１(特開２０００−３４７４９５号公報)で開示されるトナー濃度センサでは、差動トランスと温度補償コンデンサとを用いて温度変化によるトナー濃度の検出誤差を補償している。

また、特許文献２(特開平１０−０６２３９０号公報)で開示されるトナー濃度センサでは、ＬＣ共振回路を構成するコイルとコンデンサとを互いに逆の温度特性を有するものとして温度が共振周波数に与える影響を低減させている。

ところで、トナー濃度センサでは、トナー濃度の検出誤差のさらなる低減が求められている。

特開２０００−３４７４９５号公報 特開平１０−０６２３９０号公報

そこで、この発明の課題は、温度変化によるトナー濃度の検出誤差をより確実に回避できるトナー濃度センサおよびトナー濃度制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のトナー濃度センサは、２成分現像器内にあるトナーとキャリアとの混合物の透磁率の変化に対してインダクタンスが変化するように上記２成分現像器に対して配置されている検出コイルを有する第１の発振回路と、
上記２成分現像器内にあるトナーとキャリアとの混合物の透磁率の変化に対してインダクタンスが変化しないように上記２成分現像器に対して配置されていると共に上記検知コイルと同等のインダクタンス‐温度特性を示す参照コイルを有する第２の発振回路とを備えることを特徴としている。

この発明のトナー濃度センサによれば、２成分現像器内にあるトナーとキャリアとの混合物の混合比が変化して上記混合物の透磁率が変化すると、上記第１の発振回路の発振周波数が変化する。一方、上記混合物の透磁率が変化しても、上記第２の発振回路の発振周波数は変化しないが、環境温度が変化すると第２の発振回路の発振周波数は第１の発振回路の発振周波数と同様の変化をする。言い換えれば、上記第２の発振回路の発振周波数の変化は、上記混合物の透磁率の変化以外の環境温度の変化による第１の発振回路の発振周波数の変化に対応している。

よって、上記第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との差をとることで、環境温度の変化が相殺されて、上記混合物の透磁率だけに対応した値が得られる。したがって、この発明によれば、温度変化によるトナー濃度の検出誤差を回避することが可能になる。

また、この発明によれば、温度補償のための参照コイルをトナーとキャリアとの混合物の透磁率から混合比を検出するための検出コイルと同等のインダクタンス‐温度特性を示すコイルとしているので、温度補償用コンデンサを用いる場合に比べて、より精度の高い温度補償が可能になる。

また、一実施形態のトナー濃度センサでは、上記検知コイルと参照コイルは、同一基板上に配置されている。

この実施形態によれば、上記検知コイルと参照コイルとを同一の基板に一体的に形成でき、両コイル間の温度条件が均一化され易くなる。

また、一実施形態のトナー濃度センサでは、上記検知コイルと参照コイルは、巻き数が同じコイルパターンである。

この実施形態によれば、上記検知コイルと参照コイルとを同じ巻き数の構造としているので、温度条件の変化をより完全に相殺でき、温度変化によるトナー濃度の検出誤差をより確実に回避できる。

また、一実施形態のトナー濃度制御方法では、上記トナー濃度センサを用いて、上記２成分現像器内のトナーとキャリアとの混合比を調整するトナー濃度制御方法であり、
混合比を予め定められた値としたトナーとキャリアとの混合物を上記２成分現像器内に収容したときに、上記トナー濃度センサが備える上記第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との差を目標値として記憶部に記憶させ、
上記第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との差が上記目標値に近づくように上記２成分現像器にトナーを補給する。

この実施形態のトナー濃度制御方法によれば、上記トナー濃度センサを用いて、上記第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との差が目標値に近づくように２成分現像器にトナーを補給することで、上記２成分現像器内のトナーとキャリアとの混合比を正確に調整できる。

また、一実施形態のトナー濃度制御方法では、記載のトナー濃度センサを用いて、上記２成分現像器内のトナーとキャリアとの混合比を調整するトナー濃度制御方法であり、
上記２成分現像器内に混合比が既知であるトナーとキャリアとの混合物を収容して、上記トナー濃度センサが備える上記第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との周波数の差を求める操作を、混合比が互いに異なる複数の混合物について行って、上記混合比と上記周波数の差との関係式もしくは上記混合比に対する上記周波数の差のデータテーブルを作成し、
上記関係式もしくはデータテーブルから上記混合比の目標値に対応する周波数の差の目標値を求めて、
上記第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との差が上記周波数の差の目標値に近づくように上記２成分現像器にトナーを補給する。

この実施形態のトナー濃度制御方法によれば、上記トナー濃度センサを用いて、上記混合比と上記周波数の差との関係式もしくは上記混合比に対する上記周波数の差のデータテーブルを作成するので、この関係式もしくはデータテーブルから上記混合比の目標値に対応する周波数の差の目標値を容易に求めることができる。

この発明のトナー濃度センサによれば、第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との差をとることで、温度条件の変化が相殺されて、上記トナーとキャリアとの混合物の透磁率だけに対応した値を得ることができる。したがって、この発明によれば、温度変化によるトナー濃度の検出誤差を回避できる。

この発明の実施形態のトナー濃度センサ４を備えた画像形成装置の現像装置の構成を示す概略図である。 上記実施形態のトナー濃度センサの検出コイルと参照コイルの配置を示す模式図である。 上記検出コイルと参照コイルが同一の基板に形成されている様子を示す平面図である。 上記検出コイルと参照コイルが同一の基板に形成されている様子を示す断面図である。 上記実施形態のトナー濃度センサが有する第１の発振回路の回路図である。 上記実施形態のトナー濃度センサが有する第２の発振回路の回路図である。 上記画像形成装置におけるトナー補給モータの制御系を示すブロック図である。 ＴＣ比を４％に調整した場合に環境温度２０℃と５０℃での第１の発振回路の出力値Ａと第２の発振回路の出力値Ｂの一覧表を示す図である。 ＴＣ比を３％,４％,５％に調整した場合における出力値Ａと出力値Ｂとの差(Ｂ−Ａ)＝ΔＹの一覧表を示す図である。 トナー補給モータを駆動制御して現像装置にトナーを補給する動作を説明するフローチャートである。 第１の発振回路２０の出力値Ａと第２の発振回路３０の出力値Ｂとの差(Ｂ−Ａ)＝ΔＹとＴＣ比とが正比例の関係にあることを示す特性図である。 環境温度が変化しても或るＴＣ比における出力値Ａと出力値Ｂとの差(Ｂ−Ａ)＝ΔＹは変わらないことを示す特性図である。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、画像形成装置の現像装置１の構成を示す概略図である。この現像装置１は、例えば複写機等の画像形成装置に内蔵され、露光光学系によって感光体ドラム(図示せず)上に形成された静電潜像をトナーで現像するものである。

上記現像装置１内には、撹拌部材としての搬送スクリュー２が配設されている。この搬送スクリュー２の回転によって、磁性粒子であるキャリアと非磁性粒子である合成樹脂製トナーとを含む２成分現像剤３が撹拌されつつ矢印Ｘの方向に搬送される。

この発明の実施形態のトナー濃度センサ４は上記現像装置１に取り付けられ、磁性のキャリアと非磁性のトナーとの混合物である２成分現像剤３の混合比を検出する。この混合比(ＴＣ比)は、２成分現像剤３に含まれるキャリアの重量をＣ(ｇ)としトナーの重量をＴ(ｇ)とすると、次式(２)で表される。
ＴＣ比 ＝ (Ｃ／Ｔ)×１００％ … (２)

この実施形態のトナー濃度センサ４は、図２に示すように、現像装置１内に収容される２成分現像剤３に近接するように配置された検出コイル５と、上記２成分現像剤３から離隔して配置された参照コイル６とを備える。すなわち、この検出コイル５は、現像装置１内の２成分現像剤３のＴＣ比の変化によって、インダクタンスが変化するように配置されている。一方、参照コイル６は現像装置１内の２成分現像剤３のＴＣ比の変化によって、インダクタンスが変化しないように配置されている。

また、上記検出コイル５と参照コイル６は、同一の基板７に形成されていると共に同一のコイルパターンを有している。すなわち、図３の平面図に示すように、検出コイル５は渦巻き状パターン５Ａを有し、さらに、図４の断面図に示すように、渦巻き状パターン５Ｂ,５Ｃ,５Ｄを有する。この渦巻き状パターン５Ｂの一端５Ｂ‐１は、スルーホールを貫通する接続部１１で渦巻き状パターン５Ａの一端５Ａ‐１に電気的に接続されている。また、渦巻き状パターン５Ｂの他端５Ｂ‐２は、スルーホールを貫通する接続部１２で渦巻き状パターン５Ｃの他端５Ｃ‐２に電気的に接続されている。また、渦巻き状パターン５Ｃの一端５Ｃ‐１は、スルーホールを貫通する接続部１３で渦巻き状パターン５Ｄの一端５Ｄ‐１に電気的に接続されている。そして、上記渦巻き状パターン５Ａの他端５Ａ‐２と渦巻き状パターン５Ｄの他端５Ｄ‐２とが検出コイル５の電極を構成している。

同様に、参照コイル６は、渦巻き状パターン６Ａ〜６Ｄを有し、この渦巻き状パターン６Ｂの一端６Ｂ‐１は、スルーホールを貫通する接続部１４で渦巻き状パターン６Ａの一端６Ａ‐１に電気的に接続されている。また、渦巻き状パターン６Ｂの他端６Ｂ‐２は、スルーホールを貫通する接続部１５で渦巻き状パターン６Ｃの他端６Ｃ‐２に電気的に接続されている。また、渦巻き状パターン６Ｃの一端６Ｃ‐１は、スルーホールを貫通する接続部１６で渦巻き状パターン６Ｄの一端６Ｄ‐１に電気的に接続されている。そして、上記渦巻き状パターン６Ａの他端６Ａ‐２と渦巻き状パターン６Ｄの他端６Ｄ‐２とが参照コイル６の電極を構成している。よって、この参照コイル６は、上記検出コイル５と巻き数が同じコイルパターンである。

また、この実施形態のトナー濃度センサ４は、図５Ａに示される第１の発振回路２０を備える。この第１の発振回路２０は、上記検出コイル５がインバータ２１の両端に接続され、上記検出コイル５の両端とグランドとの間にコンデンサＣ２１,Ｃ２２が接続されている。また、インバータ２１の出力側と検出コイル５の一端との間には抵抗Ｒ２１が接続されている。なお、上記インバータ２１は、電圧Ｖｃｃの電源と電位Ｖｓｓの基板とに接続されている。

また、この実施形態のトナー濃度センサ４は、図５Ｂに示される第２の発振回路３０を備える。この第２の発振回路３０は、上記参照コイル６がインバータ３１の両端に接続され、上記参照コイル６の両端とグランドとの間にコンデンサＣ３１,Ｃ３２が接続されている。また、インバータ３１の出力側と参照コイル６の一端との間には抵抗Ｒ３１が接続されている。なお、上記インバータ３１は、電圧Ｖｃｃの電源と電位Ｖｓｓの基板とに接続されている。

ここで、上記第１の発振回路２０のインバータ２１と第２発振回路３０のインバータ３１とは同等の構成であり、第１の発振回路２０の抵抗Ｒ２１,コンデンサＣ２１,Ｃ２２は第２の発振回路３０の抵抗Ｒ３１,コンデンサＣ３１,Ｃ３２と同等の構成である。

また、図６に示すように、上記画像形成装置は、上記現像装置１にトナーを補給するためのトナー補給モータ６１と、このトナー補給モータ６１にモータ駆動信号を出力して上記トナー補給モータ６１を駆動するモータ駆動回路６２を備える。そして、このモータ駆動回路６２は、ＣＰＵで構成された制御部５１によって制御される。また、この実施形態のトナー濃度センサ４は、ＣＰＵで構成された制御部５１と記憶部５２とに接続されている。

そして、上記２成分現像剤３の混合比(ＴＣ比)が既知の初期調整時の値である場合の上記トナー濃度センサ４の第１の発振回路２０の出力値Ａと第２の発振回路３０の出力値Ｂとの差ΔＹが記憶部５２に記憶される。一例として、図７に示すように、初期調整時のＴＣ比が４％である場合には、環境温度が２０℃では、第１の発振回路２０の出力値Ａは９５００００であり、第２の発振回路３０の出力値Ｂは１００００００である。ここで、上記出力値Ａ,Ｂは各発振回路２０,３０の出力パルスのカウント値であり発振周波数に対応する値である。そして、図７に示すように、初期調整時のＴＣ比が４％である場合において、環境温度が５０℃では、第１の発振回路２０の出力値Ａは９５１０００であり、第２の発振回路３０の出力値Ｂは１００１０００である。このように、環境温度が上昇することで、各発振回路２０,３０の出力値Ａ,Ｂはそれぞれ１０００だけ増加しているが。第１の発振回路２０の出力値Ａと第２の発振回路３０の出力値Ｂとの差(Ｂ−Ａ)＝ΔＹは５００００であり変化していない。つまり、第１の発振回路２０の出力値Ａと第２の発振回路３０の出力値Ｂとの差ΔＹを取ることで、環境温度の変化が出力値ＡとＢとの差ΔＹに与える影響を無くすることができる。これは、検出コイル５と参照コイル６とは同等のコイルパターンであり、環境温度の変化によって検出コイル５のインダクタンスと参照コイル６のインダクタンスとが同様に変化することによる。

そして、図８に示すように、初期調整時のＴＣ比が４％である場合だけでなく、初期調整時のＴＣ比が３％や５％の場合さらには他のＴＣ比においても、上述の同様に、第１の発振回路２０の出力値Ａと第２の発振回路３０の出力値Ｂとの差(Ｂ−Ａ)＝ΔＹをＴＣ比に対応させて記憶部５２に記憶させておく。これにより、各ＴＣ比に対する上記出力値の差ΔＹのデータテーブルが記憶部５２に記憶される。また、上記データテーブルにより、図１０の特性図に例示するような、ＴＣ比(％)と出力値Ｂと出力値Ａとの差ΔＹ＝(Ｂ−Ａ)との関係が得られて、このＴＣ比(％)と差ΔＹとの関係式を得ることもできる。これにより、上記第１の発振回路２０の出力値Ａと第２の発振回路３０の出力値Ｂとの差(Ｂ−Ａ)＝ΔＹから、環境温度の変化の影響を受けることなく、２成分現像剤３の混合比(ＴＣ比)を正確に検出可能となる。

なお、上記差ΔＹは、上記第１の発振回路２０の出力値Ａと第２の発振回路３０の出力値Ｂとが入力される減算回路から得ることができる。この減算回路は、上記トナー濃度センサ４が備えてもよく、後述する制御部５１が備えてもよい。

次に、図６の制御部５１がトナー濃度センサ４から受けた出力値Ａ,Ｂに基づいて、モータ駆動回路６２でトナー補給モータ６１を駆動制御して現像装置１にトナーを補給する動作を、図９のフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップＳ１では、トナー濃度センサ４の第１の発振回路２０の出力値Ａを取り込み、ステップＳ２では、トナー濃度センサ４の第２の発振回路３０の出力値Ｂを取り込む。次に、ステップＳ３では、予め設定されたトナー濃度(ＴＣ比)に対応する出力値ＡとＢとの差ΔＹ＝(Ｂ−Ａ)をΔＹ(目標値)として記憶部５２から読み込む。この記憶部５２には上記ΔＹ(目標値)を予め記憶させている。

次に、ステップＳ４では、ステップＳ１,Ｓ２で取り込んだ出力値Ａ,ＢからΔＹ(検出値)を演算する。

次に、ステップＳ５に進み、上記演算したΔＹ(検出値)が上記ΔＹ(目標値)に対して、予め設定された乖離値β以内の値であるか否かを判断し、ΔＹ(検出値)−ΔＹ(目標値)が乖離値β以内の値であると判断すると、ステップＳ１に戻り、ΔＹ(検出値)−ΔＹ(目標値)が乖離値βを超えていると判断すると、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、モータ駆動回路６２からトナー補給モータ６１にモータ駆動信号を出力して上記トナー補給モータ６１を駆動する。これにより、現像装置１にトナーが補給される。

このように、上記制御部５１は、トナー濃度センサ４からの出力値Ａ,ＢによるΔＹ(検出値)が予め設定された乖離値βを超えてΔＹ(目標値)よりも大きくなったとき、トナー補給モータ６１によって、現像装置１にトナーを補給してＴＣ比を目標値に近づけることができる。例えば、目標とするＴＣ比(４％)よりも１％を超えてＴＣ比が大きなり、トナー不足になったときには、トナー補給モータ６１によって、現像装置１にトナーを補給してＴＣ比を目標値(４％)に近づけることができる。よって、上記画像形成装置の画像品質を向上できる。

ここで、前述の如く、上記トナー濃度センサ４は、環境温度の変化によって検出コイル５のインダクタンスと参照コイル６のインダクタンスとが同様に変化する。よって、上記第１の発振回路２０の出力値Ａと第２の発振回路３０の出力値Ｂとの差(Ｂ−Ａ)＝ΔＹにより、環境温度の変化の影響を受けることなく、２成分現像剤３の混合比(ＴＣ比)を正確に検出することができる。

例えば、図１１に示すように、環境温度が上昇して、第１の発振回路２０の出力値Ａが同じＴＣ比でも出力値Ａ’に低下した場合には、第２の発振回路３０の出力値Ｂも同様の低下幅で出力値Ｂ’に低下する。よって、次式(３)のように、温度変化によって検出値ΔＹは変化しない。
出力値Ｂ−出力値Ａ ＝ 出力値Ｂ’−出力値Ａ’ … (３)

よって、環境温度の変化の影響を受けることなく、２成分現像剤３の混合比であるＴＣ比を正確に検出できる。

尚、上記実施形態では、検出コイル５と参照コイル６とを同一の基板７に形成したが、第１の発振回路２０を構成するコンデンサＣ２１,Ｃ２２,インバータ２１,抵抗Ｒ２１と第２の発振回路３０を構成するコンデンサＣ３１,Ｃ３２,インバータ３１,抵抗Ｒ３１も同一の基板７に形成することが望ましい。これにより、第１の発振回路２０と第２の発振回路３０の発振条件をより揃えることができ、温度条件の変化をより完全に相殺でき、温度変化によるＴＣ比の検出誤差をより確実に回避できる。

１ 現像装置
２ 搬送スクリュー
３ ２成分現像剤
４ トナー濃度センサ
５ 検出コイル
５Ａ〜５Ｄ 渦巻き状パターン
６ 参照コイル
６Ａ〜６Ｄ 渦巻き状パターン
７ 基板
２０ 第１の発振回路
２１、３１ インバータ
３０ 第２の発振回路
５１ 制御部
５２ 記憶部
６１ トナー補給モータ
６２ モータ駆動回路

Claims (5)

1. ２成分現像器内にあるトナーとキャリアとの混合物の透磁率の変化に対してインダクタンスが変化するように上記２成分現像器に対して配置されている検出コイルを有する第１の発振回路と、
   上記２成分現像器内にあるトナーとキャリアとの混合物の透磁率の変化に対してインダクタンスが変化しないように上記２成分現像器に対して配置されていると共に上記検知コイルと同等のインダクタンス‐温度特性を示す参照コイルを有する第２の発振回路とを備えることを特徴とするトナー濃度センサ。
2. 請求項１に記載のトナー濃度センサにおいて、
   上記検知コイルと参照コイルは、同一基板上に配置されていることを特徴とするトナー濃度センサ。
3. 請求項１または２に記載のトナー濃度センサにおいて、
   上記検知コイルと参照コイルは、巻き数が同じコイルパターンであることを特徴とするトナー濃度センサ。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載のトナー濃度センサを用いて、上記２成分現像器内のトナーとキャリアとの混合比を調整するトナー濃度制御方法であり、
   混合比を予め定められた値としたトナーとキャリアとの混合物を上記２成分現像器内に収容したときに、上記トナー濃度センサが備える上記第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との差を目標値として記憶部に記憶させ、
   上記第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との差が上記目標値に近づくように上記２成分現像器にトナーを補給することを特徴とするトナー濃度制御方法。
5. 請求項１から３のいずれか１つに記載のトナー濃度センサを用いて、上記２成分現像器内のトナーとキャリアとの混合比を調整するトナー濃度制御方法であり、
   上記２成分現像器内に混合比が既知であるトナーとキャリアとの混合物を収容して、上記トナー濃度センサが備える上記第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との周波数の差を求める操作を、混合比が互いに異なる複数の混合物について行って、上記混合比と上記周波数の差との関係式もしくは上記混合比に対する上記周波数の差のデータテーブルを作成し、
   上記関係式もしくはデータテーブルから上記混合比の目標値に対応する周波数の差の目標値を求めて、
   上記第１の発振回路の発振周波数と第２の発振回路の発振周波数との差が上記周波数の差の目標値に近づくように上記２成分現像器にトナーを補給することを特徴とするトナー濃度制御方法。

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