JP2013218024A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境変動によるトナーの比誘電率変化の影響を受け難く、トナー残量の検出誤差が小さい画像形成装置を提供する。
【解決手段】画像形成装置１は、トナーを収容するバッファ部３０１と、バッファ部３０１に配置され、同じトナー厚さに対して異なる静電容量を示す第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２を有するトナーセンサ３０４と、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量を検出する静電容量検出回路４０８とを有し、ＣＰＵ４０１が、静電容量検出回路４０８が検出した第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量の比を算出し、算出した比を、静電容量比とトナー厚さとの関係を示す変換テーブルに照らし合わせて、バッファ部３０１におけるトナー厚さを求める。
【選択図】図５

Description

本発明は、電子写真方式を用いた複写機やプリンタ等の画像形成装置におけるトナー残量の検出技術に関する。

電子写真方式を用いた画像形成装置として、トナーの残量又は有無を検出するトナー残量センサを備えるものが知られている。トナー残量の検出方式には様々な方式が存在するが、その１つとして、トナー残量を電極間の静電容量として検出する静電容量方式が知られている。

静電容量方式のトナー残量センサでは、電極間のトナー（誘電体）の量に応じて電極間の静電容量が変化することを利用して、トナー残量を検出する。そのため、トナーの比誘電率εｔが変化すると、同じトナー残量でも検出される静電容量は異なってしまう。例えば、トナーの比誘電率εｔは、湿度と温度によって変化する。よって、吸湿したトナーでは、乾燥したトナーよりも比誘電率εｔが大きくなるため、乾燥しているために残量が少ないと判定されたトナー量でも、吸湿した状態になることによって十分に残量があると判定される可能性がある。

このような問題が生じないように、トナー残量センサによるトナー残量の検出精度を高める方法として、トナーの比誘電率εｔのばらつき要因となる温度や湿度等の環境条件を測定し、検出されたトナー残量を補正する方法が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００２−１３２０３８号公報

しかしながら、測定された環境条件とトナーの状態とは必ずしも一致するわけではなく、そのために、測定された環境条件とトナーの状態とに差がある場合、静電容量方式のトナー残量センサの検出残量に誤差が発生するという問題がある。

本発明は、トナー残量の検出に際して、環境変動によるトナーの比誘電率変化の影響を受け難く、検出誤差の小さい画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明に係る画像形成装置は、電子写真方式により画像を形成する画像形成装置であって、トナーを収容する収容手段と、前記収容手段に配置され、同じトナー厚さに対して異なる静電容量を示す複数のセンサ部を有するトナー検出手段と、前記複数のセンサ部のそれぞれの静電容量を検出する静電容量検出手段と、前記静電容量検出手段が検出した前記複数のセンサ部のそれぞれの静電容量の比を算出し、該算出した比に基づいて前記収容手段におけるトナー残量を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、トナー残量を検出するときに、環境変動によってトナーの比誘電率が変化しても、その影響を受け難い。したがって、検出誤差の小さいトナー残量の検出が可能になる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置の概観斜視図である。 図１の画像形成装置が備える画像形成部の構成を示す断面図である。 図２の画像形成部が備える現像装置の詳細な構成を示す断面図である。 図２の画像形成部が備えるエンジン制御部の構成を示すブロック図である。 図３に示すトナーセンサの構成を示す図である。 図４に示す静電容量検出回路の回路構成の例と、トナーセンサと静電容量検出回路との接続形態を示す図である。 図５に示すトナーセンサについて、センサ表面のトナー層の厚さと検出される静電容量との関係を模式的に示す図である。 図５に示す第１センサ部〜第３センサ部の静電容量変化特性を示すグラフである。 図５に示す第２センサ部及び第３センサ部の静電容量変化特性と第１センサ部の静電容量変化特性との比を示す図である。 比誘電率εｔが異なるトナー層について、図５に示す第１センサ部の静電容量変化をトナー層の厚さに対して示すグラフである。 比誘電率εｔが異なるトナー層について、図５に示す第１センサ部と第２センサ部の静電容量の比をトナー層の厚さに対して示すグラフである。 図４のエンジン制御部によるトナー残量検出処理のフローチャートである。 本発明の実施形態に係る画像形成装置が備えるトナーセンサの別の構造を示す第１の例及び第２の例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

《第１実施形態》
＜画像形成装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る画像形成装置１の概観斜視図である。画像形成装置１は、大略的に、自動原稿搬送装置２、画像読取部３、画像形成部４及び操作部５によって構成されている。

自動原稿搬送装置２は、原稿を自動的に原稿台ガラス上に搬送する。画像読取部３は、自動原稿搬送装置２が搬送する原稿を読み取って画像データを出力する。画像形成部４は、自動原稿搬送装置２から出力された画像データやネットワークを介して接続された外部装置から入力された画像データに従って、用紙等の記録材に画像を形成する。操作部５は、ユーザが各種操作を行うためのＧＵＩ（グラフィカル・ユーザ・インタフェース）と、操作の受け付けやシステムの異常状態を通報するためのスピーカ等を有する。

＜画像形成部４の構成＞
図２は、画像形成部４の構成を示す断面図である。画像形成部４には電子写真方式が採用されている。図２に示す符号（参照番号）において、符号の末尾に記されたアルファベットＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋはそれぞれ、イエロー，マゼンタ，シアン，ブラックのトナーに対応した構成であることを示している。以下の説明では、全てのトナーに対応する構成を示す場合には末尾のアルファベットＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋを省略した符号を記載し、個別の構成を示す場合には末尾にアルファベットＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋを付した符号を記載することとする。

コントローラ２１６は、画像形成装置１に備えられたＵＳＢやＬＡＮ等の通信ポート（不図示）の制御、画像読取部３の制御、画像形成部４へ送信するデータ生成を行う。また、コントローラ２１６は、プリンタ制御Ｉ／Ｆ２１５を介して、エンジン制御部２１７との間で画像データの送信や制御情報の通信を行う。エンジン制御部２１７は、コントローラ２１６から受信した画像データや制御情報に従って、画像形成部４の全体的なシーケンス制御を行う。

像担持体としてフルカラー静電画像を形成するための感光体である感光ドラム２２５は、モータ（不図示）により矢印Ａの方向に回転する。感光ドラム２２５の周囲には、一次帯電装置２２１、露光装置２１８、現像装置２２３、転写装置２２０、クリーナ装置２２２、除電装置２７１が配置されている。

現像装置２２３Ｋは、モノクロ現像のための現像装置であり、感光ドラム２２５Ｋ上の潜像をトナーボトル２２４Ｋから供給されるＫトナーで現像する。現像装置２２３Ｙ，２２３Ｍ，２２３Ｃは、フルカラー現像のための現像装置であり、それぞれ、感光ドラム２２５Ｙ，２２５Ｍ，２２５Ｃ上の潜像をそれぞれトナーボトル２２４Ｙ，２２４Ｍ，２２４Ｃから供給されるＹ，Ｍ，Ｃトナーで現像する。感光ドラム２２５の表面において現像された各色のトナー像は、転写装置２２０によって４色のトナー像が重ね合わされるように転写ベルト２２６に多重転写される。

転写ベルト２２６は、ローラ２２７，２２８，２２９に張架されている。ローラ２２７は、駆動源（不図示）に結合されており、転写ベルト２２６を駆動する駆動ローラとして機能する。ローラ２２８は、転写ベルト２２６の張力を調節するテンションローラとして機能する。ローラ２２９は、２次転写装置２３１としての転写ローラのバックアップローラとして機能する。転写ローラ脱着ユニット２５０は、２次転写装置２３１を転写ベルト２２６に当接させ又は離脱させるための駆動ユニットである。２次転写装置２３１を通過した後の転写ベルト２２６の下流側にはクリーナブレード２３２が設けられており、クリーナブレード２３２は、転写ベルト２２６上の残留トナーを掻き落とす。

記録材（記録用紙）は、カセット２４０，２４１に格納され、或いは、手差し給紙部２５３に載置される。カセット２４０，２４１及び手差し給紙部２５３にはそれぞれ、記録材の有無を検知するためのシート検知センサ２４３，２４４，２４５が設けられている。また、カセット２４０，２４１及び手差し給紙部２５３にはそれぞれ、記録材のピックアップ不良を検知するための給紙センサ２４７，２４８，２４９が設けられている。

画像形成が開始されると、カセット２４０，２４１に格納された記録材は、ピックアップローラ２３８，２３９により１枚ずつ、縦パスローラ対２３７，２３６、給紙パス２６６を通して、給紙ローラ対２３５に搬送される。また、手差し給紙部２５３に載置された記録材は、ピックアップローラ２５４により１枚毎に給紙ローラ対２３５に搬送される。給紙ローラ対２３５は、記録材をレジストローラ２５５へ搬送し、このとき、レジストローラ２５５の上流側においてレジストローラ２５５に近接させて配置されたレジストセンサ２５６により、記録材の通過が検知される。

レジストセンサ２５６により記録材の通過が検知されると、所定時間が経過後、搬送動作は中断され。これにより、記録材は停止しているレジストローラ２５５に突き当たって、停止する。その際、記録材の進行方向端部が搬送経路に対して垂直になるように記録材の先端が固定され、記録材の搬送経路に対する斜行が補正される。続いて、記録材は、レジストローラ２５５によって、２次転写装置２３１と転写ベルト２２６との当接部に給送される。なお、レジストローラ２５５は駆動源（不図示）に結合されており、クラッチ（不図示）により駆動が伝えられて、回転駆動を行う。

このような記録材の搬送と同期して、トナー画像の形成動作が行われる。すなわち、一次帯電装置２２１に電圧を印加して感光ドラム２２５の表面を所定の帯電部電位で一様にマイナス帯電させる。続いて、帯電された感光ドラム２２５上の画像部分が所定の露光部電位になるようにレーザスキャナ部からなる露光装置２１８で露光を行い、潜像が形成される。露光装置２１８は、プリンタ制御Ｉ／Ｆ２１５を介してコントローラ２１６より送られてくる画像データに基づいてレーザ光をオン／オフすることにより、画像に対応した潜像を感光ドラム２２５上に形成する。

現像装置２２３が有する現像ローラには色毎に予め設定された現像バイアスが印加されており、感光ドラム２２５上の潜像は現像ローラの位置を通過する際にトナーで現像され、トナー像として可視化される。トナー像は、転写装置２２０により転写ベルト２２６に転写される。このとき、感光ドラム２２５上に残留したトナーは、クリーナ装置２２２により除去、回収される。また、感光ドラム２２５は、除電装置２７１で一様に０Ｖ（ゼロボルト）付近まで除電されて、次の画像形成サイクルに備える。

転写ベルト２２６に転写されたトナー像を記録紙に転写する際には、２次転写装置２３１は転写ローラ脱着ユニット２５０によって転写ベルト２２６に当接した状態となる。この状態で、トナー像は、２次転写装置２３１により、２次転写装置２３１と転写ベルト２２６との当接部で、搬送されてきた記録材上に転写される。トナー像が転写された記録材は、レジスト後搬送パス２６８を通過し、定着搬送ベルト２３０を介して定着装置２３４へ搬送される。

定着装置２３４では、トナーの吸着力を補って画像乱れを防止するために、トナー画像は定着前帯電器２５１，２５２により帯電され、その後、トナー画像は定着ローラ２３３によって記録材に熱定着される。トナー像の熱定着処理が終了した記録材は、印刷を終了する場合には、排紙フラッパ２５７により排紙パス２５８側に搬送パスが切り替えられ、排紙ローラ２７０によって排紙トレー２４２に排出される。

なお、画像形成部４は、連続的にカセット２４０，２４１及び手差し給紙部２５３から記録材を給送させることが可能である。この場合、先行する記録材のシート長を考慮し、記録材が重なり合わないような間隔でカセット２４０，２４１及び手差し給紙部２５３からの給紙が行われる。上述したように、レジストローラ２５５を起動させることにより、記録材は２次転写装置２３１へ供給されるが、記録材が通過するとレジストローラ２５５は一時停止される。これは、後続の記録材に対して先行する記録材と同様に位置補正を行うためである。

また、画像形成部４では、上述の通りに記録材の一面に画像形成を行った後に、他方の面に画像形成を行うために、記録材を２次転写装置２３１へ戻す機構を備えている。この機構は、センサ２６９、排紙フラッパ２５７、裏面パス２５９、反転ローラ２６０、両面反転パス２６１、再給紙ローラ２６４、再給紙センサ２６５等を備え、これらによって、記録材は、表裏が逆転した状態で、再度、給紙パス２６６へと搬送される。

＜現像装置２２３の構成＞
図３は、現像装置２２３の詳細な構成を示す断面図であり、基本的な構成はＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋの各色で共通するため、図３ではアルファベットＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋを省略した符号を記している。現像装置２２３は、バッファ部３０１と現像部３０５とに大別することができる。

トナーボトル２２４に充填されたトナーは、トナーを収容するバッファ部３０１に入った後、攪拌スクリュー３０２の回転によって現像部３０５へ搬送される。バッファ部３０１には、バッファ部３０１に滞留するトナー量を検出するためのトナーセンサ３０４が配置されている。現像部３０５に搬送されたトナーは、現像シリンダ３０３を介して感光ドラム２２５へ供給され、感光ドラム２２５上の潜像が可視化される。

＜エンジン制御部２１７の構成＞
図４は、エンジン制御部２１７の構成を示すブロック図である。ＣＰＵ４０１は、バス４０５を介して外部デバイス（不図示）と接続されている。また、ＣＰＵ４０１は、バス４０５を介して、不揮発性メモリ４０２、ＲＯＭ４０３、ＲＡＭ４０４、露光制御ＩＣ４０６及びＩ／Ｏ制御ＩＣ４０７と接続されている。

ＲＯＭ４０３は、ＣＰＵ４０１のプログラムを格納するプログラムメモリであり、ＲＡＭ４０４は、ＣＰＵ４０１のワークメモリとして機能する。ＣＰＵ４０１は、プリンタ制御Ｉ／Ｆ２１５を介してコントローラ２１６から送られる指示を受けると、ＲＯＭ４０３に格納された所定のプログラムをＲＡＭ４０４の作業エリアに展開して実行することにより、画像形成部４の全体的な制御を行う。

不揮発性メモリ４０２は、エンジン制御部２１７の制御情報のうち、画像形成装置１の電源が切れたときに保持する必要のあるデータを格納する。露光制御ＩＣ４０６は、ＣＰＵ４０１の命令に従って、露光装置２１８を制御する。

Ｉ／Ｏ制御ＩＣ４０７は、各種デバイスに接続する入出力ポートを多数備えたＩＣであり、ＣＰＵ４０１の命令に従って、モータ等のアクチュエータの制御や各種のセンサの情報入力を行う。Ｉ／Ｏ制御ＩＣ４０７に接続された静電容量検出回路４０８は、トナーセンサ３０４が備える第１センサ部５１０、第２センサ部５１１及び第３センサ部５１２（図５を参照して後述する）の静電容量を検出する。また、Ｉ／Ｏ制御ＩＣ４０７に接続された温度センサ４０９は、画像形成部４の内部温度を測定する。ＣＰＵ４０１は、Ｉ／Ｏ制御ＩＣ４０７を介して、トナーセンサ３０４、静電容量検出回路４０８及び温度センサ４０９を制御し、静電容量データと温度データを取得する。

＜トナーセンサ３０４の構成＞
図５は、トナーセンサ３０４の構成を示す図であり、図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す矢印Ａ方向から見た側面図であり、図５（ｃ）は図５（ａ）に示す矢印Ｂ方向から見た平面図（上面図）である。図６は、静電容量検出回路４０８の構成と、静電容量検出回路４０８とトナーセンサ３０４との接続形態を示す図である。

図５（ａ），（ｂ）に示すように、基板５０７には、導体である電極５０１〜５０６が、所定の線幅で、且つ、所定の間隔で、形成されている。一対の電極５０１，５０２が第１センサ部５１０を、一対の電極５０３，５０４が第２センサ部５１１を、一対の電極５０５，５０６が第３センサ部５１２をそれぞれ構成している。これらの第１センサ部５１０、第２センサ部５１１及び第３センサ部５１２（以下「第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２」と記す）はそれぞれ、対となっている電極間の静電容量を検出するセンサ部となっている。なお、基板５０７の表面は、電極５０１〜５０６を保護するための保護シート５０８によって覆われている。

第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量（第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２のそれぞれの電極間の静電容量）は、トナーセンサ３０４の表面にトナーが存在すると大きくなる。従って、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量の変化に基づいて、トナーセンサ３０４の表面に存在するトナー厚さを検出することが可能になる。

ここで、図５（ｃ）に示されるように、本実施形態では、第１センサ部５１０は、線幅Ｗ１の電極５０１，５０２が線間距離Ｄ１で形成された構造を有している。また、第２センサ部５１１は、線幅Ｗ２の電極５０３，５０４が線間距離Ｄ２で形成された構造を有している。更に、第３センサ部５１２は、線幅Ｗ３の電極５０５，５０６が線間距離Ｄ３で形成された構造を有している。

第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２を、このように、電極の線幅及び線間距離をセンサ部毎に変えた構成としたのは、同じトナー量（厚さ）に対してセンサ部毎に異なる静電容量変化特性を示すようにするためであり、その詳細については後述する。なお、本実施形態では、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３の関係が成立するように、電極の線幅と線間距離が定めている。但し、これに限られず、電極の線幅と線間距離のいずれか一方を変えることによって、センサ部毎に異なる検出特性が得られるようにしてもよい。

次に、トナーセンサ３０４の表面に存在するトナー量（厚さ）に起因する、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量の変化について、図７を参照して説明する。その後、図６の詳細について、改めて説明する。

＜第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量の検出＞
図７は、トナーセンサ３０４について、センサ表面のトナー層５０９の厚さ（以下「トナー厚さ」という）と検出される静電容量との関係を模式的に示す図である。図７（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、トナーセンサ３０４の表面に異なる量のトナーが載っている状態を示している。

図７（ａ）は、トナーセンサ３０４のセンサ表面にトナーが存在しない状態を示している。この場合、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２のそれぞれの静電容量は、基板５０７の比誘電率εｂと保護シート５０８の比誘電率εｓに依存する。なお、隣り合うセンサ部の間の電極間距離は、各センサ部において対になっている電極の線間距離よりも長く設定されているため、個々のセンサ部の静電容量は他のセンサ部の電極の影響を受けないものとする。

基板５０７及び保護シート５０８は、吸湿性の小さい素材で構成されている。そのため、比誘電率εｂ，εｓはそれぞれ、一定とみなすことができる。図７（ａ）の状態での第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量は、画像形成装置１の初期状態で検出されており、基準静電容量として不揮発性メモリ４０２に格納されている。ここでは、第１センサ部５１０の基準静電容量を“Ｃ１０”、第２センサ部５１１の基準静電容量を“Ｃ２０”、第３センサ部５１２の基準静電容量を“Ｃ３０”とする。

図７（ｂ）は、トナーセンサ３０４のセンサ表面に、トナー層５０９が、概ね、厚さｔ１で堆積した状態が示されている。この場合、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の各電極の近傍に比誘電率が１．０より大きいトナー層５０９という誘電体が存在するため、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２のそれぞれの静電容量は、図７（ａ）の場合に比べて、大きくなる。図７（ｂ）の状態での、第１センサ部５１０、第２センサ部５１１、第３センサ部５１２のそれぞれの静電容量を、“Ｃ１１”、“Ｃ２１”、“Ｃ３１”とする。

図７（ｃ）は、トナーセンサ３０４のセンサ表面に、トナー層５０９が、概ね、厚さｔ２で堆積した状態が示されている。ここで、ｔ２＞ｔ１であるので、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２のそれぞれの静電容量は、図７（ｂ）の場合に比べて、大きくなる。図７（ｃ）の状態での、第１センサ部５１０、第２センサ部５１１、第３センサ部５１２のそれぞれの静電容量を、“Ｃ１２”、“Ｃ２２”、“Ｃ３２”とする。

図７（ａ）に示される基準静電容量Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０と、図７（ｂ）に示される静電容量Ｃ１１，Ｃ２１，Ｃ３１と、図７（ｃ）に示される静電容量Ｃ１２，Ｃ２２，Ｃ３２の間には、以下の［式１］、［式２］及び［式３］の関係が成り立つ。

Ｃ１０＜Ｃ１１＜Ｃ１２ ・・・［式１］
Ｃ２０＜Ｃ２１＜Ｃ２２ ・・・［式２］
Ｃ３０＜Ｃ３１＜Ｃ３２ ・・・［式３］
すなわち、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２のそれぞれの静電容量は、トナーセンサ３０４のセンサ表面に堆積するトナー層厚さが厚くなるにしたがって大きくなっていく。また、個々のセンサ部の構成が異なるために、トナー厚さが同じであっても、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２は、センサ部毎に異なる静電容量の検出特性を示す。

＜静電容量検出回路４０８の構成＞
トナーセンサ３０４と接続される静電容量検出回路４０８は、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２のそれぞれの静電容量の変化を検出することができる構成であればよく、静電容量検出回路４０８の回路構成は図６に示す構成に限定されるものではない。

静電容量検出回路４０８は、基準電圧生成部６０１と、アナログ信号をデジタル値に変換するＡＤＣ６０２と、基準電圧を生成する基準コンデンサ６０３と、スイッチ６０４とによって構成されている。基準電圧生成部６０１及びＡＤＣ６０２は、信号線対６１０，６１１によってスイッチ６０４に接続されている。

第１センサ部５１０の一対の電極５０１，５０２には、信号線対６１２，６１３が接続されており、第２センサ部５１１の一対の電極５０３，５０４には、信号線対６１４，６１５が接続されている。また、第３センサ部５１２の一対の電極５０５，５０６には、信号線対６１６，６１７が接続されている。これら３つの信号線対６１２，６１３／６１４，６１５／６１６，６１７は、スイッチ６０４に接続されている。

スイッチ６０４は、信号線対６１０，６１１を３つの信号線対６１２，６１３／６１４，６１５／６１６，６１７に対して選択的に切り替えて接続する。例えば、第１センサ部５１０の静電容量を検出するときには、スイッチ６０４は信号線対６１０，６１１を信号線対６１２，６１３に接続する。このとき、基準電圧生成部６０１−電極５０１間、電極５０２−基準コンデンサ６０３間、基準コンデンサ６０３−ＧＮＤ間をそれぞれ結線することにより、基準電圧生成部６０１−ＧＮＤ間に２個のコンデンサを直列に接続した分圧回路を構成する。そして、分圧中点の電位を測定することにより、基準コンデンサ６０３と第１センサ部５１０の静電容量の比を得ることができる。すなわち、基準電圧生成部６０１の生成電圧を“Ｖ１”、基準コンデンサ６０３の静電容量を“Ｃａ”、第１センサ部５１０の静電容量を“Ｃ１”、ＡＤＣ６０２への入力電圧を“Ｖ２”とすると、下記［式４］の関係が成立する。

Ｃ１／Ｃａ＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ２ ・・・［式４］
“Ｃａ”と“Ｖ１”の値は既知であるので、“Ｖ２”の値を測定することができれば、“Ｃ１”を得ることができる。ＡＤＣ６０２の出力値はＩ／Ｏ制御ＩＣ４０７を介してＣＰＵ４０１に出力され、ＣＰＵ４０１は、ＡＤＣ６０２からの出力値に基づいて第１センサ部５１０の静電容量を算出する。同様に、ＣＰＵ４０１は、Ｉ／Ｏ制御ＩＣ４０７を制御してスイッチ６０４の接続を切り替え、第２センサ部５１１と第３センサ部５１２のそれぞれの静電容量を算出する。

＜第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量の変化特性＞
図８は、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量変化特性を示すグラフである。第１センサ部５１０は、線幅が０．１ｍｍ、線間距離が０．１ｍｍで構成されており、第２センサ部５１１は、線幅が０．５ｍｍ、線間距離が０．５ｍｍで構成されている。第３センサ部５１２は、線幅が１．０ｍｍ、線間距離が１．０ｍｍで構成されている。

図８に示す第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の各グラフは、トナー厚さの変化に起因する静電容量変化分（トナーがないときのＣ１０，Ｃ２０，Ｃ３０を差し引いた値）を、トナー厚さが無限大のとき静電容量で正規化した値である。つまり、図８の縦軸に示す静電容量は、トナー層厚さが無限大のときに対する相対値となっている。図８に示されるように、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２は、トナー厚さに対して異なる静電容量変化特性を示す。そこで、本実施形態では、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量の比を用いて、トナー厚さを推定する。

図９は、第２センサ部５１１及び第３センサ部５１２のそれぞれの静電容量変化特性と第１センサ部５１０の静電容量変化特性の比を示す図であり、トナー層厚さ推定の考え方を模式的に示している。第３センサ部５１２と第１センサ部５１０の静電容量（相対値）の比が０．８であった場合、図９から、トナー厚さは、概略、１ｍｍであると推定することができる。同様にして、第２センサ部５１１と第１センサ部５１０の静電容量（相対値）の比からも、トナー厚さを推定することができる。こうして得られる２つの推定値を比較することによって、トナー厚さをより正確に検出することができ、その詳細については、図１２を参照して後述する。

また、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量変化は、トナー層５０９の比誘電率εｔにも依存する。画像形成装置１が稼働状態にあるとき、機器周辺の温度、湿度環境が変動し、特に環境湿度の変動によりトナーの含水率（吸湿率）が変動すると、比誘電率εｔが大きく変動する。図１０は、比誘電率εｔが４と８のトナー層５０９について、図８と同様に、第１センサ部５１０の静電容量変化をトナー厚さに対して正規化したグラフを示している。トナー層５０９の比誘電率εｔが異なることによって、第１センサ部５１０の静電容量が大きく異なってくることが分かる。

図１１は、比誘電率εｔが４と８のトナー層５０９について、第１センサ部５１０と第２センサ部５１１の静電容量の比を示すグラフである。トナー層５０９の比誘電率εｔが変化しても、第１センサ部５１０と第２センサ部５１１の静電容量の比には変化がなく、比誘電率εｔが４の場合と８の場合の２つのプロットが重なっていることがわかる。

なお、１つのセンサ部のみを備えるトナーセンサであっても、検出された静電容量の変化からトナー層の厚さを推定することは可能であり、環境湿度の変化を測定した結果に基づいてトナー層の厚さを補正することにより、検出精度の向上を図ることは可能である。しかし、環境湿度の変化に対してトナーの吸湿率は緩やかに追従するため、環境湿度から推定したトナー層の吸湿率は、実際の吸湿率に対して誤差を有し、この誤差を少なくすることが困難である。これに対して、本実施形態のように、同じ厚さのトナー層に対して異なる静電容量となる複数のセンサ部を備えるトナーセンサを用いることで、環境変動によるトナーの比誘電率変化の影響を受け難く、検出誤差の小さいトナー残量の検出が可能になる。

＜トナー厚さ検出処理（トナー残量判定処理）＞
図１２は、エンジン制御部２１７によるトナー残量検出処理のフローチャートであり、各処理は、ＣＰＵ４０１がＲＯＭ４０３から読み出した所定のプログラムをＲＡＭ４０４のワークエリアに展開し、実行することにより実行される。このトナー残量検出処理は、一定時間毎に、又は、所定のタイミング（例えば、画像形成装置１の電源をオンにしたときやメンテナンスを行ったとき等）で実施される。

先ず、トナーセンサ３０４が備える第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量が検出される（ステップＳ１２０１（静電容量検出ステップ））。そして、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の全ての静電容量が検出されたかが判定される（ステップＳ１２０２）。静電容量の検出が終了すると（Ｓ１２０２でＹＥＳ）、検出された静電容量は、温度センサ４０９による測定温度に基づいて、補正テーブルに従って補正される。なお、補正テーブル及び基準静電容量値は、予め不揮発性メモリ４０２（第１の記憶手段）に格納されている。こうして補正テーブルに従って補正された静電容量から更に基準静電容量（Ｃ１０，Ｃ２０，Ｃ３０）が減算される（ステップＳ１２０３（基準静電容量減算ステップ））。

ステップＳ１２０３で得られた３つの静電容量をＣ１，Ｃ２，Ｃ３とすると、下記［式５］にしたがって、比１、比２及び比３の３つの比が算出される（ステップＳ１２０４（静電容量比算出ステップ））。

比１＝Ｃ２／Ｃ１、比２＝Ｃ３／Ｃ１、比３＝Ｃ３／Ｃ２ ・・・［式５］
次に、比１〜比３を、予めＲＯＭ４０３（第２の記憶手段）に格納されている変換テーブルと照らし合わせることで、トナー厚さが検出される（ステップＳ１２０５（トナー厚さ検出ステップ））。なお、変換テーブルは、図９を参照して説明した通り、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２の静電容量変化特性の比を取ることで作成されている。本実施形態では、ステップＳ１２０５で検出されたトナー厚さは、確定したトナー厚さではない。そこで、以下、ステップＳ１２０５で得られるトナー厚さを「推定値」ということとする。

続いて、ステップＳ１２０５で得られた３つの推定値の差の最大値（以下「測定誤差」という）が、予め定められた第１の閾値以下か否かが判定される（ステップＳ１２０６）。測定誤差が第１の閾値以下である場合（Ｓ１２０６でＹＥＳ）、処理はステップＳ１２０７に進められる。測定誤差が第１の閾値よりも大きい場合（Ｓ１２０６でＮＯ）、３つの推定値の差の最大値が予め定められた第２の閾値に収まっているか否かが判定される（ステップＳ１２１０）。

測定誤差が第２の閾値以下の場合（Ｓ１２１０でＹＥＳ）、３つの推定値のうちでずれ量の最も大きい推定値を無効推定値として決定し、この無効推定値を除外して、処理をステップＳ１２０７に進める（ステップＳ１２１１）。測定誤差が第２の閾値より大きい場合（Ｓ１２１０でＮＯ）、３つの推定値のうちで最も小さい推定値がトナー厚さとして選択され（ステップＳ１２１２）、処理はステップＳ１２０８に進められる。

ステップＳ１２０７では、ステップＳ１２０６又はステップＳ１２１１で選択された推定値の平均値が算出され、その平均値がトナー厚さとして決定される（トナー厚さ決定ステップ）。続いて、ステップＳ１２０７又はステップＳ１２１２で決定されたトナー厚さが、所定値以下か否かが判定される（ステップＳ１２０８）。トナー厚さが所定値以下の場合（Ｓ１２０８でＹＥＳ）、トナー残量は少ないと判定され、トナー残量アラームがコントローラ２１６へ通知され（ステップＳ１２０９）、これによりトナー残量の検出処理は終了する。

なお、コントローラはステップＳ１２０９による通知を受けると、操作部５にトナー残量アラーム表示やスピーカからの警告音によりユーザへの報知を行い、トナーの補給を促し、必要に応じて画像形成装置１全体の動作の制約や禁止を行う。

《第２実施形態》
第１実施形態では、トナーセンサ３０４を基板５０７の同一面に線幅と線間距離の異なる複数の電極を備えた構成とすることで、第１センサ部５１０〜第３センサ部５１２がそれぞれ、トナー層５０９の厚みに対して異なる感度を持つようにした。これに対して、第２実施形態では、線幅と線間距離が同じ２対の電極を用いてなる２つのセンサ部を、トナー層５０９に対して異なる静電容量を示すように配置された構成とする。

図１３（ａ）は、トナーセンサ３０４の別の構造を示す第１の例を示す断面図であり、図１３（ｂ）はトナーセンサ３０４の別の構造を示す第２の例を示す断面図である。

図１３（ａ）に示すトナーセンサ３０４Ａは、バッファ部３０１に取り付けられた基板５０７の表裏面のそれぞれに、線幅と線間距離が同じセンサ部を１組ずつ（電極１３０１，１３０２の組、電極１３０３，１３０４の組）配置した構成としている。２つのセンサ部は、基板５０７の厚さ分だけトナー層５０９までの距離（トナー検出面までの距離）が異なるため、トナー厚さに対して異なった静電容量を示す。よって、第１実施形態と同様にして、トナー厚さ（トナー残量）を判定することができる。

一方、図１３（ｂ）に示すトナーセンサ３０４Ｂは、バッファ部３０１のトナー検出面に対して基板５０７が傾けて取り付けられている。線幅と線間距離が同じ２つのセンサ部（電極１３０５，１３０６の組、電極１３０７，１３０８の組）は基板５０７の同一面に設けられているが、各センサ部からトナー層５０９までの距離が異なるため、各センサ部は異なった静電容量を示す。よって、第１実施形態と同様にして、トナー厚さ（トナー残量）を判定することができる。

なお、２組のセンサ部を備えるトナーセンサ３０４Ａ，３０４Ｂでは、各センサ部の静電容量の比として、１つの比だけが求められることになる。よって、この場合、算出された静電容量の比を変換テーブルと照らし合わせることで、トナー層５０９の厚さが決定されることになり、第１実施形態で必要であった第１の閾値及び第２の閾値との比較は必要ない。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。さらに、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

例えば、上記実施形態では、バッファ部３０１におけるトナー残量を検出する場合について説明したが、トナーボトルや回収トナー容器等の他の部位におけるトナー量の検出も、同様に行うことができる。また、上記実施形態では、粉体インクであるトナーの量を検出する構成について説明したが、同等の構成で、液体インク等の量を検出することも可能である。

１ 画像形成装置
２１６ コントローラ
２２３ 現像装置
３０１ バッファ部
３０４ トナーセンサ
４０１ ＣＰＵ
４０３ ＲＯＭ
４０８ 静電容量検出回路
５０１〜５０６ 電極
５１０ 第１センサ部
５１１ 第２センサ部
５１２ 第３センサ部

Claims (7)

1. 電子写真方式により画像を形成する画像形成装置であって、
   トナーを収容する収容手段と、
   前記収容手段に配置され、同じトナー厚さに対して異なる静電容量を示す複数のセンサ部を有するトナー検出手段と、
   前記複数のセンサ部のそれぞれの静電容量を検出する静電容量検出手段と、
   前記静電容量検出手段が検出した前記複数のセンサ部のそれぞれの静電容量に基づいて、前記収容手段におけるトナー残量を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする画像形成装置。
2. 前記判定手段は、前記静電容量検出手段が検出した前記複数のセンサ部のそれぞれの静電容量の比を算出し、該算出した比に基づいて前記収容手段におけるトナー残量を判定することを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
3. 前記複数のセンサ部のそれぞれの静電容量の比と前記トナー厚さとの関係を示す変換テーブルを記憶する第１の記憶手段を備え、
   前記判定手段は、前記静電容量の比を前記変換テーブルに照らし合わせることで前記トナー厚さを求め、該求められたトナー厚さから前記トナー残量を判定することを特徴とする請求項２記載の画像形成装置。
4. 前記複数のセンサ部のそれぞれの静電容量を個々に補正するための基準静電容量を記憶する第２の記憶手段を備え、
   前記判定手段は、前記静電容量検出手段が検出した前記複数のセンサ部のそれぞれの静電容量から対応する前記基準静電容量を減算して得られる静電容量を用いて、前記静電容量の比を算出することを特徴とする請求項２記載の画像形成装置。
5. 前記基準静電容量は、前記トナーが存在しないときの前記複数のセンサ部のそれぞれの静電容量であることを特徴とする請求項４記載の画像形成装置。
6. 前記複数のセンサ部はそれぞれ、所定の線幅の導体が所定の間隔で配置された一対の電極からなり、前記導体の線幅及び間隔の少なくとも一方が異なることによって同じトナー厚さに対して異なる静電容量を示すことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
7. 前記複数のセンサ部はそれぞれ、所定の線幅の導体が所定の間隔で配置された一対の電極からなり、前記一対の電極から前記収容手段におけるトナー検出面までの距離が異なるように配置されることによって同じトナー厚さに対して異なる静電容量を示すことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像形成装置。

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