JP2014153609A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透磁率センサーを用いて二成分現像剤中のトナー濃度変化を簡便且つ低コストで精度良く検出可能な画像形成装置を提供する。
【解決手段】画像形成装置は、現像装置と、現像装置にトナーを補給するトナー補給手段と、透磁率センサーによるトナー濃度の検出結果に基づいてトナー補給手段から現像装置へのトナー補給を実行する制御手段と、を備える。現像装置は、二成分現像剤を収容する現像容器と、現像容器に回転可能に支持される現像剤担持体と、現像容器に収容された二成分現像剤中のトナー濃度を検出する透磁率センサーと、を備える。制御手段は、透磁率センサーの出力値のピーク値Ｖｐを目標値Ｖｔと比較してトナー補給の要否を判断するとともに、Ｖｐ＞Ｖｔであるときは直近の出力値の振幅値Ｖｐｐの変化量に基づいてトナー補給量を補正し、補正されたトナー補給量でトナー補給を行う。
【選択図】図７

Description

本発明は、電子写真プロセスを用いた複写機、プリンター、ファクシミリ等の画像形成装置に関し、特に二成分現像剤を用いる現像装置のトナー濃度制御に関するものである。

磁性キャリアとトナーとを含む二成分現像剤（以下、単に現像剤とも言う）を用いる現像装置においては、現像容器内にキャリアとトナーとからなる現像剤を収容し、像担持体に現像剤を供給する現像剤担持体を配設するとともに、現像容器内部の現像剤を搬送攪拌しながら現像剤担持体へと供給する攪拌部材を配設している。このような現像装置においては、現像剤中のトナーは現像動作によって消費されていく一方、キャリアは消費されずに現像装置内に残る。そこで、現像容器内にトナーを補給するとともに、現像容器内のトナー濃度を一定に維持する必要が生じる。

従来、二成分現像剤の透磁率を検出する透磁率センサーや現像剤の光学濃度を検出する光学センサー等を用いて二成分現像剤中のトナー濃度を検知し、検知結果に基づいてトナー濃度を制御する方法が知られている。このうち、光学センサーを用いる方法では現像剤によるセンサー部の汚れによって検出感度が変化するため、定期的なメンテナンスが必要となる。そのため、透磁率センサーを用いて磁性キャリアの存在量を測定する方法が広く用いられている。

しかし、トナー濃度制御に透磁率センサーを用いたとしても、温湿度の変化やキャリアの劣化等による荷電特性の変化によって、同一のトナー濃度であっても透磁率センサーの出力値が変化することがある。その結果、検出されたトナー濃度も実際の濃度からずれてしまい、トナー濃度の変化に応じた適切なトナー補給が行えないというという問題点があった。

そこで、透磁率センサーの出力値を補正して実際のトナー濃度とのずれを小さくする方法が種々提案されており、例えば特許文献１には、透磁率センサーの出力値をＦＦＴ処理することで透磁率と他の二つ以上の情報に分離し、この複数の情報により制御を行うトナー濃度制御方法が開示されている。また、特許文献２には、透磁率センサーと圧電体振動子を現像器内に配置し、圧電体振動子の共振振動の尖鋭度により流動性を検出して、透磁率センサーの値を補正する現像装置が開示されている。

さらに特許文献３には、透磁率センサーとパターン濃度センサーの２つのセンサーを備え、パターン濃度センサーの検出値が目標値に一致するようにトナー補給動作を制御する画像形成装置において、トナー補給をしたにも係わらずパターン濃度センサーで検出されたトナーパターンの濃度が低下したときは、パターン濃度センサーの検出値に基づく補正処理の実行間隔を通常時よりも短くする方法が開示されている。

特開平９−２２１８１号公報 特開２００６−２２０９０９号公報 特開２００５−１３４７９６号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、透磁率センサーの出力値をＦＦＴ処理して得られたパワースペクトル上の２点の差と予め記憶されたデータとからトナー濃度制御電圧の補正電圧を決定するため、制御が複雑なものとなり制御部の負荷が大きかった。

また、特許文献２、３の方法では、透磁率センサーに加えて圧電体振動子やパターン濃度センサーが必要となり、画像形成装置のコストアップに繋がるという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、透磁率センサーを用いて二成分現像剤中のトナー濃度変化を簡便且つ低コストで精度良く検出可能な画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の第１の構成は、現像装置と、トナー補給手段と、制御手段と、を備えた画像形成装置である。現像装置は、磁性キャリアとトナーとを含む二成分現像剤を収容する現像容器と、現像容器に回転可能に支持され表面に現像剤を担持する現像剤担持体と、現像容器に収容された二成分現像剤中のトナー濃度を検出する透磁率センサーと、を備える。トナー補給手段は、現像装置にトナーを補給する。制御手段は、透磁率センサーによるトナー濃度の検出結果に基づいてトナー補給手段から現像装置へのトナー補給を実行する。制御手段は、透磁率センサーの出力値のピーク値Ｖｐを目標値Ｖｔと比較してトナー補給の要否を判断するとともに、Ｖｐ＞Ｖｔであるときは直近の出力値の振幅値Ｖｐｐの変化量に基づいてトナー補給量を補正し、補正されたトナー補給量でトナー補給を行う。

本発明の第１の構成によれば、直近の透磁率センサーのＶｐｐの変化量に基づいてトナー濃度の推移を予測し、Ｖｐに基づいて算出されたトナー補給量を適切な量に補正することができる。従って、現像装置へのトナーの補給過剰や補給不足を回避することができ、精密なトナー濃度制御が可能な画像形成装置となる。

本発明のカラープリンター１００の全体構成を示す概略断面図 本発明のカラープリンター１００に用いられる現像装置３ａの一構成例を示す側面断面図 現像装置３ａにおける攪拌部の一構成例を示す平面断面図 現像ローラー３３及び磁気ローラー３２に印加されるバイアス波形の一例を示す図 トナーコンテナ４ａを概略的に示す側面断面図 本発明のカラープリンター１００の制御経路の一例を示すブロック図 トナー濃度センサー４１の出力波形を示すグラフ トナー濃度センサー４１の出力値のピーク値、移動平均値、及び出力値の振幅値の推移を示すグラフ カラープリンター１００において実行されるトナー濃度制御例を示すフローチャート 実施例における、トナー濃度センサー４１の出力値のピーク値Ｖｐの直近５回の平均値Ｖｐ５、出力値の振幅値Ｖｐｐの直近５回の平均値Ｖｐｐ５、及びトナー補給状況（トナー補給量）の推移を示すグラフ

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の画像形成装置の概略断面図であり、ここではタンデム方式のカラープリンターについて示している。カラープリンター１００本体内には４つの画像形成部Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ及びＰｄが、搬送方向上流側（図１では右側）から順に配設されている。これらの画像形成部Ｐａ〜Ｐｄは、異なる４色（シアン、マゼンタ、イエロー及びブラック）の画像に対応して設けられており、それぞれ帯電、露光、現像及び転写の各工程によりシアン、マゼンタ、イエロー及びブラックの画像を順次形成する。

これらの画像形成部Ｐａ〜Ｐｄには、各色の可視像（トナー像）を担持する感光体ドラム１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄが配設されており、さらに駆動手段（図示せず）により図１において時計回り方向に回転する中間転写ベルト８が各画像形成部Ｐａ〜Ｐｄに隣接して設けられている。これらの感光体ドラム１ａ〜１ｄ上に形成されたトナー像が、各感光体ドラム１ａ〜１ｄに当接しながら移動する中間転写ベルト８上に順次転写された後、二次転写ローラー９において転写紙Ｐ上に一度に転写され、さらに、定着部７において転写紙Ｐ上に定着された後、装置本体より排出される。感光体ドラム１ａ〜１ｄを図１において反時計回り方向に回転させながら、各感光体ドラム１ａ〜１ｄに対する画像形成プロセスが実行される。

トナー像が転写される転写紙Ｐは、カラープリンター１００本体下部の用紙カセット１６内に収容されており、給紙ローラー１２ａ及びレジストローラー対１２ｂを介して二次転写ローラー９へと搬送される。中間転写ベルト８には誘電体樹脂製のシートが用いられ、継ぎ目を有しない（シームレス）ベルトが主に用いられる。また、二次転写ローラー９の下流側には中間転写ベルト８表面に残存するトナーを除去するためのブレード状のベルトクリーナー１９が配置されている。

次に、画像形成部Ｐａ〜Ｐｄについて説明する。回転自在に配設された感光体ドラム１ａ〜１ｄの周囲及び下方には、感光体ドラム１ａ〜１ｄを帯電させる帯電器２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄと、各感光体ドラム１ａ〜１ｄに画像情報を露光する露光装置５と、感光体ドラム１ａ〜１ｄ上にトナー像を形成する現像装置３ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄと、感光体ドラム１ａ〜１ｄ上に残留した現像剤（トナー）を除去するクリーニング部７ａ、７ｂ、７ｃ及び７ｄが設けられている。

パソコン等の上位装置から画像データが入力されると、先ず、帯電器２ａ〜２ｄによって感光体ドラム１ａ〜１ｄの表面を一様に帯電させ、次いで露光装置５によって光照射し、各感光体ドラム１ａ〜１ｄ上に画像信号に応じた静電潜像を形成する。現像装置３ａ〜３ｄには、それぞれシアン、マゼンタ、イエロー及びブラックの各色のトナーが所定量充填されている。なお、後述のトナー像の形成によって各現像装置３ａ〜３ｄ内に充填された二成分現像剤中のトナーの割合が規定値を下回った場合にはトナーコンテナ（トナー補給手段）４ａ〜４ｄから各現像装置３ａ〜３ｄにトナーが補給される。この現像剤中のトナーは、現像装置３ａ〜３ｄにより感光体ドラム１ａ〜１ｄ上に供給され、静電的に付着することにより、露光装置５からの露光により形成された静電潜像に応じたトナー像が形成される。

そして、中間転写ベルト８に所定の転写電圧で電界が付与された後、一次転写ローラー６ａ〜６ｄにより感光体ドラム１ａ〜１ｄ上のシアン、マゼンタ、イエロー、及びブラックのトナー像が中間転写ベルト８上に転写される。これらの４色の画像は、所定のフルカラー画像形成のために予め定められた所定の位置関係をもって形成される。その後、引き続き行われる新たな静電潜像の形成に備え、感光体ドラム１ａ〜１ｄの表面に残留したトナーがクリーニング部７ａ〜７ｄにより除去される。

中間転写ベルト８は、上流側の搬送ローラー１０と、下流側の駆動ローラー１１とを含む複数の張架ローラーに掛け渡されており、駆動モーター（図示せず）による駆動ローラー１１の回転に伴い中間転写ベルト８が時計回り方向に回転を開始すると、転写紙Ｐがレジストローラー対１２ｂから所定のタイミングで中間転写ベルト８に隣接して設けられた二次転写ローラー９へ搬送され、フルカラー画像が転写される。トナー像が転写された転写紙Ｐは定着部１３へと搬送される。

定着部１３に搬送された転写紙Ｐは、定着ローラー対１３ａにより加熱及び加圧されてトナー像が転写紙Ｐの表面に定着され、所定のフルカラー画像が形成される。フルカラー画像が形成された転写紙Ｐは、複数方向に分岐した分岐部１４によって搬送方向が振り分けられる。転写紙Ｐの片面のみに画像を形成する場合は、そのまま排出ローラー対１５によって排出トレイ１７に排出される。

一方、転写紙Ｐの両面に画像を形成する場合は、定着部７を通過した転写紙Ｐの一部を一旦排出ローラー対１５から装置外部にまで突出させる。その後、転写紙Ｐは排出ローラー対１５を逆回転させることにより分岐部１４で用紙搬送路１８に振り分けられ、画像面を反転させた状態でレジストローラー対１２ｂに再搬送される。そして、中間転写ベルト８上に形成された次の画像が二次転写ローラー９により転写紙Ｐの画像が形成されていない面に転写され、定着部７に搬送されてトナー像が定着された後、排出ローラー対１５を介して排出トレイ１７に排出される。

図２は、カラープリンター１００に搭載される現像装置３ａの側面断面図であり、図３は、現像装置３ａの平面断面図（図２におけるＸＸ′矢視断面図）である。なお、ここでは図１の画像形成部Ｐａに配置される現像装置３ａについて説明するが、画像形成部Ｐｂ〜Ｐｄに配置される現像装置３ｂ〜３ｄの構成についても基本的に同様であるため説明を省略する。

図２及び図３に示すように、現像装置３ａは、トナーと磁性キャリア（以下、単にキャリアとも言う）とを含む二成分現像剤が収納される現像容器３０を備えており、現像容器３０は仕切壁３０ａによって第１及び第２攪拌室３０ｂ、３０ｃに区画されている。第１及び第２攪拌室３０ｂ、３０ｃにはトナーコンテナ４ａ（図１参照）から供給されるトナー（正帯電トナー）をキャリアと混合して攪拌し、帯電させるための第１攪拌スクリュー３１ａ及び第２攪拌スクリュー３１ｂが回転可能に配設されている。

そして、第１攪拌スクリュー３１ａ及び第２攪拌スクリュー３１ｂによって現像剤が攪拌されつつ軸方向（図３の矢印Ｂ、Ｃ方向）に搬送され、仕切壁３０ａの両端部に形成された現像剤通過路４０ａ、４０ｂを介して第１及び第２攪拌室３０ｂ、３０ｃ間を循環する。即ち、第１及び第２攪拌室３０ｂ、３０ｃ、現像剤通過路４０ａ、４０ｂによって現像容器３０内に現像剤の循環経路が形成されている。

現像容器３０は図２の左斜め上方に延在しており、現像容器３０内において第１攪拌スクリュー３１ａの上方には磁気ローラー３２（現像剤担持体）が配置され、磁気ローラー３２の左斜め上方には現像ローラー３３（トナー担持体）が対向配置されている。そして、現像ローラー３３は現像容器３０の開口側（図２の左側）において感光体ドラム１ａに対向しており、磁気ローラー３２及び現像ローラー３３はそれぞれの回転軸を中心として図２の時計回り方向に回転する。

第２攪拌室３０ｃには第２攪拌スクリュー３１ｂと対面してトナー濃度センサー４１が配置されており、トナー補給口３０ｄにはトナーコンテナ４ａ〜４ｄの供給口６１ａ（図５参照）が連結されている。図３に示すように、トナー補給口３０ｄは平面的に見て第２攪拌室３０ｃの端部に配置されている。

トナー濃度センサー４１としては、現像容器３０内における二成分現像剤の透磁率を検出する透磁率センサーが用いられる。ここで、トナー濃度とは現像剤中の磁性キャリアに対するトナーの比率（Ｔ／Ｃ）のことであり、本実施形態においては、トナー濃度センサー４１により現像剤の透磁率を検出し、その検出結果に相当する電圧値を後述する制御部９０（図６参照）に出力するよう構成されており、制御部９０によってトナー濃度センサー４１の出力値からトナー濃度が決定されるようになっている。制御部９０は、決定されたトナー濃度に応じてトナー補給モーター２７（図５参照）に制御信号を送信し、トナー補給口３０ｄから現像容器３０内に所定量のトナーを補給する。

センサー出力値はトナー濃度に応じて変化し、トナー濃度が高くなるほど磁性キャリアに対するトナーの比率が高くなり、磁気を通さないトナーの割合が増加するため出力値が低くなる。一方、トナー濃度が低くなるほど磁性キャリアに対するトナーの比率が低くなり、磁気を通す磁性キャリアの割合が増加するため出力値が高くなる。

また、第２攪拌スクリュー３１ｂには、トナー濃度センサー４１に対向する部分にスクレーパー４２が設けられている。スクレーパー４２は、例えば基材となる可撓性のフィルムに不織布を積層したものが用いられ、第２攪拌スクリュー３１ｂの回転軸に形成されたスクレーパー支持部（図示せず）に回転軸に対し平行に貼り付けられている。第２攪拌スクリュー３１ｂの回転に伴いスクレーパー４２が回転することで、トナー濃度検知センサー４１の検知面が摺擦されて清掃されるとともに、トナー濃度検知センサー４１周辺における現像剤の入れ替えが促進される。

磁気ローラー３２は、非磁性の回転スリーブ３２ａと、回転スリーブに内包される複数の磁極（ここでは５極）を有する固定マグネット体３２ｂで構成されている。本実施形態では、固定マグネット体３２ｂの磁極は、主極４５、規制極（穂切り用磁極）４６、搬送極４７、剥離極４８、及び汲上極４９の５極構成である。

現像ローラー３３は、円筒状の現像スリーブ３３ａと、現像スリーブ３３ａ内に固定された現像ローラー側磁極３３ｂで構成されており、磁気ローラー３２と現像ローラー３３とはその対面位置（対向位置）において所定のギャップをもって対向している。現像ローラー側磁極３３ｂは、固定マグネット体３２ｂの対向する磁極（主極）４５と異極性である。

また、現像容器３０には穂切りブレード３５が磁気ローラー３２の長手方向（図２の紙面と垂直な方向）に沿って取り付けられており、穂切りブレード３５は、磁気ローラー３２の回転方向（図２の時計回り方向）において、現像ローラー３３と磁気ローラー３２との対向位置よりも上流側に位置付けられている。そして、穂切りブレード３５の先端部と磁気ローラー３２表面との間には僅かな隙間（ギャップ）が形成されている。

現像ローラー３３には、直流電圧（以下、Ｖｓｌｖ（ＤＣ）という）及び交流電圧（以下、Ｖｓｌｖ（ＡＣ）という）が印加され、磁気ローラー３２には、直流電圧（以下、Ｖｍａｇ（ＤＣ）という）及び交流電圧（以下、Ｖｍａｇ（ＡＣ）という）が印加されている。これらの直流電圧及び交流電圧は、現像バイアス電源５３からバイアス制御回路５１（いずれも図６参照）を経由して現像ローラー３３及び磁気ローラー３２に印加される。制御部９０は、バイアス制御回路５１に制御信号を送信して現像バイアス電源５３から印加されるＶｓｌｖ（ＤＣ）、Ｖｓｌｖ（ＡＣ）及びＶｍａｇ（ＤＣ）、Ｖｍａｇ（ＡＣ）を制御する。

前述のように、第１攪拌スクリュー３１ａ及び第２攪拌スクリュー３１ｂによって、現像剤が攪拌されつつ現像容器３０内を循環してトナーを帯電させ、第１攪拌スクリュー３１ａによって現像剤が磁気ローラー３２に搬送される。そして、磁気ローラー３２上に磁気ブラシ（図示せず）を形成し、磁気ローラー３２上の磁気ブラシは穂切りブレード３５によって層厚規制された後、磁気ローラー３２と現像ローラー３３との対向部分に搬送され、磁気ローラー３２に印加されるＶｍａｇ（ＤＣ）と現像ローラー３３に印加されるＶｓｌｖ（ＤＣ）との電位差ΔＶ、及び磁界によって現像ローラー３３上にトナー薄層を形成する。

現像装置３ａ内の第１及び第２攪拌スクリュー３１ａ、３１ｂは、ギヤ列を介して現像剤攪拌モーター（図示せず）に連結されており、制御部９０からの制御信号に基づいて第１及び第２攪拌スクリュー３１ａ、３１ｂを駆動させる。なお、ギヤ列を介して現像剤攪拌モーターを磁気ローラー３２及び現像ローラー３３にも連結しておくことで、磁気ローラー３２及び現像ローラー３３の駆動源と兼用することもできる。

現像ローラー３３上のトナー層厚は現像剤の抵抗や磁気ローラー３２と現像ローラー３３との回転速度差等によっても変化するが、ΔＶによって制御することができる。ΔＶを大きくすると現像ローラー３３上のトナー層は厚くなり、ΔＶを小さくすると薄くなる。現像時におけるΔＶの範囲は一般的に１００Ｖ〜３５０Ｖ程度が適切である。

図４は、現像ローラー３３及び磁気ローラー３２に印加されるバイアス波形の一例を示す図である。図４（ａ）に示すように、現像ローラー３３には、Ｖｓｌｖ（ＤＣ）にピークツーピーク値がＶｐｐ１である矩形波のＶｓｌｖ（ＡＣ）を重畳した合成波形Ｖｓｌｖ（実線）が印加される。また、磁気ローラー３２には、Ｖｍａｇ（ＤＣ）にピークツーピーク値がＶｐｐ２であり、且つＶｓｌｖ（ＡＣ）と位相の異なる矩形波のＶｍａｇ（ＡＣ）を重畳した合成波形Ｖｍａｇ（破線）が印加される。

従って、磁気ローラー３２及び現像ローラー３３間に印加される電圧は、図４（ｂ）に示すようなＶｐｐ（ｍａｘ）とＶｐｐ（ｍｉｎ）を有する合成波形Ｖｍａｇ−Ｖｓｌｖとなる。なお、Ｖｍａｇ（ＡＣ）はＶｓｌｖ（ＡＣ）よりもＤｕｔｙ比が大きくなるように設定される。実際には図４で示すような完全な矩形波ではなく、一部が歪んだ形状の交流電圧が印加される。

磁気ブラシによって現像ローラー３３上に形成されたトナー薄層は、現像ローラー３３の回転によって感光体ドラム１ａと現像ローラー３３との対向部分に搬送される。現像ローラー３３にはＶｓｌｖ（ＤＣ）及びＶｓｌｖ（ＡＣ）が印加されているため、感光体ドラム１ａとの電位差によって現像ローラー３３から感光体ドラム１ａへトナーが飛翔し、感光体ドラム１ａ上の静電潜像が現像される。

現像に用いられずに残ったトナーは、現像ローラー３３の回転によって再度現像ローラー３３と磁気ローラー３２との対向部分に搬送され、磁気ローラー３２上の磁気ブラシによって回収される。そして、磁気ブラシは固定マグネット体３２ｂの同極部分（剥離極４８、汲上極４９）で磁気ローラー３２から引き剥がされた後、第１及び第２攪拌室３０ｂ、３０ｃ間を循環する二成分現像剤中に戻される。そして、再び適正なトナー濃度で均一に帯電された二成分現像剤として磁気ローラー３２上に磁気ブラシを形成し、穂切りブレード３５へ搬送される。

図５は、トナーコンテナ４ａを概略的に示す側面断面図である。なお、ここでは現像装置３ａにトナーを補給するトナーコンテナ４ａについて説明するが、現像装置３ｂ〜３ｄにトナーを補給するトナーコンテナ４ｂ〜４ｄの構成についても基本的に同様であるため説明を省略する。トナーコンテナ４ａは、未使用のトナーを貯留するコンテナ容器６１、搬送スクリュー６２、攪拌パドル６３、トナー補給モーター２７、攪拌モーター２８を備える。

コンテナ容器６１の底部の長手方向（図５の紙面と垂直な方向）の一端部には、現像容器３０のトナー補給口３０ｄ（図２参照）に連結される供給口６１ａが形成されている。攪拌パドル６３は、その軸部から径方向の片側に延び、且つコンテナ容器６１の長手方向に展開されるフィルム状の攪拌羽根６３ａを有する。攪拌羽根６３ａの回転によって、コンテナ容器６１内のトナーが攪拌され、攪拌されたトナーが搬送スクリュー６２側に移送される。

搬送スクリュー６２は、その軸部の周りに長手方向に一定の位相（ピッチ）で螺旋状に形成される螺旋羽６２ａを有し、コンテナ容器６１内の底部に供給口６１ａに対向して配置されている。搬送スクリュー６２が回転すると、攪拌パドル６３によって攪拌されたトナーが螺旋羽６２ａの位相の進行により供給口６１ａに向かって搬送され、供給口６１ａを介して現像容器３０に補給される。

トナー補給モーター２７、攪拌モーター２８は、それぞれ搬送スクリュー６２、攪拌パドル６３を回転させるＤＣモーターからなり、例えば、ブリッジ回路にパルス電圧を印加してパルス電圧のオンとオフを繰り返すことによって回転駆動させられる。攪拌パドル６３の攪拌羽根６３ａは、その軸部から半径方向に搬送スクリュー６２の外縁まで延び、螺旋羽６２ａに接触可能である。

コンテナ容器６１内にトナーが十分に貯留されている場合には、攪拌パドル６３はトナーを攪拌して搬送スクリュー６２に供給する。そして、トナー補給モーター２７が定速で回転駆動すると、搬送スクリュー６２はその回転数に応じた一定量のトナーを供給口６１ａから現像容器３０内に補給する。これにより、現像容器３０内の現像剤のトナー濃度は一定に保持される。また、トナーが補給されたにも係わらず、トナー濃度センサー４１により検知された現像容器３０内の現像剤中のトナー濃度が上昇しない場合は、制御部９０はトナーコンテナ４ａ内のトナーが空であると判断して液晶表示部７１（図６参照）にトナーコンテナ４ａ内のトナー残量が空（以下、トナーエンドという）である表示を行い、ユーザーにトナーコンテナ４ａの交換を促す。

次に、本発明の画像形成装置の制御経路について説明する。図６は、カラープリンター１００に用いられる制御経路の一例を示すブロック図である。なお、カラープリンター１００を使用する上で装置各部の様々な制御がなされるため、カラープリンター１００全体の制御経路は複雑なものとなる。そこで、ここでは制御経路のうち、本発明の実施に必要となる部分を重点的に説明する。

バイアス制御回路５１は、帯電バイアス電源５２、現像バイアス電源５３、及び転写バイアス電源５４と接続され、制御部９０からの出力信号によりこれらの各電源５２〜５４を作動させるものであり、各電源５２〜５４はバイアス制御回路５１からの制御信号によって、帯電バイアス電源５２は帯電器２ａ〜２ｄに、現像バイアス電源５３は現像装置３ａ〜３ｄ内の磁気ローラー３２、現像ローラー３３に、転写バイアス電源５４は一次転写ローラー６ａ〜６ｄ、二次転写ローラー９に、それぞれ所定のバイアスを印加する。

操作部７０には、液晶表示部７１、ＬＥＤ７２が設けられており、ユーザーは操作部７０を操作して指示を入力することで、カラープリンター１００の各種の設定をし、画像形成等の各種機能を実行させる。液晶表示部７１は、カラープリンター１００の状態を示したり、画像形成状況や印字部数を表示したり、タッチパネルとして、両面印字や白黒反転等の機能や倍率設定、濃度設定など各種設定を行えるようになっている。ＬＥＤ７２は、カラープリンター１００の状態を示したり、画像形成状況や印字部数を表示したりするようになっている。

その他、操作部７０には、画像形成を中止する際等に使用するストップ／クリアボタン、カラープリンター１００の各種設定をデフォルト状態にする際に使用するリセットボタン等が設けられている。

制御部９０は、中央演算処理装置としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）９１、読み出し専用の記憶部であるＲＯＭ（Read Only Memory）９２、読み書き自在の記憶部であるＲＡＭ（Random Access Memory）９３、一時的に画像データ等を記憶する一時記憶部９４、カウンター９５、カラープリンター１００内の各装置に制御信号を送信したり操作部５０からの入力信号を受信したりする複数（ここでは２つ）のＩ／Ｆ（インターフェイス）９６、制御に必要な数値の演算処理を行う演算部９７を少なくとも備えている。また、制御部９０は、装置本体内部の任意の場所に配置可能である。

また、制御部９０は、カラープリンター１００における各部分、装置に対し、ＣＰＵ９１からＩ／Ｆ９６を通じて制御信号を送信する。また、各部分、装置からその状態を示す信号や入力信号がＩ／Ｆ９６を通じてＣＰＵ９１に送信される。制御部９０が制御する各部分、装置としては、例えば、露光装置５、定着部１３、画像形成部８、転写ローラー９、画像入力部２０、トナー補給モーター２７、攪拌モーター２８、バイアス制御回路５１、操作部７０等が挙げられる。

ＲＯＭ９２には、カラープリンター１００の制御用プログラムや、制御上の必要な数値等、カラープリンター１００の使用中に変更されることがないようなデータ等が収められている。ＲＡＭ９３には、カラープリンター１００の制御途中で発生した必要なデータや、カラープリンター１００の制御に一時的に必要となるデータ等が記憶される。カウンター９５は、印字枚数を積算してカウントする。なお、カウンター９５を別途設けなくても、例えばＲＡＭ９３で印字枚数を記憶するようにしてもよい。

演算部９７は、トナー濃度センサー４１の出力値から現像装置３ａ〜３ｄへのトナー補給量（トナー補給モータ２７の駆動時間）を決定する補給指標Ｓ、先行指標値Ｆ（いずれも後述）を算出する。補給指標Ｓ、先行指標値Ｆに基づいて決定されたトナー補給量はＣＰＵ９１に送信され、ＣＰＵ９１はトナー補給モーター２７に制御信号を送信して所定時間（或いは所定回転数）だけ駆動させる。

次に、本発明のカラープリンター１００の現像装置３ａ〜３ｄにおけるトナー濃度制御について詳細に説明する。透磁率センサーであるトナー濃度センサー４１の出力値でトナー濃度を制御する方法においては、トナーの大量消費、大量補給による現像器内のトナー濃度ムラなど、トナー濃度制御の不安定さを補正する必要がある。

特に、図１に示したようなカラープリンター１００では、全面ベタ画像等の、モノクロプリンターでは想定されないようなトナーの大量消費、大量補給があり得る。また、現像装置３ａ〜３ｄ内に充填する現像剤は、資源節約上、できるだけ少量であることが望ましい。その結果、どうしても現像容器３０内のトナー濃度（Ｔ／Ｃ）の変動が大きくなってしまう。

従来、トナー濃度の変動を抑え、トナー濃度をできるだけ正確に且つ一定に制御するために、透磁率センサーの出力値でトナー濃度を制御する場合、現像剤の撹拌部材の近傍に透磁率センサーを設置していた。そして、その出力値を一定の規則に基づいて選択、平均化し、その値に基づいて、トナー補給量を決定していた。しかし、キャリアの存在量は、Ｔ／Ｃ（キャリア：トナー比率）で変動するだけではなく、現像剤のＡＤ値（嵩密度）でも変動してしまう。そして、現像剤のＡＤ値は、トナー帯電量に左右される。トナー帯電量は、雰囲気の温湿度や現像容器３０内での撹拌時間によっても変動するものが多い。

図７は、トナー濃度センサー４１の出力波形を示すグラフである。トナー濃度センサー４１は、１０ｍｓｅｃ毎にトナー濃度の検出を行っており、図７では２秒間の検出値の変化を拡大して示している。図７において、センサー出力値のピーク（波形の山部）出現時は、現像剤が最も密にトナー濃度センサー４１付近に集められた状態である。具体的には、第２攪拌スクリュー３１ｂに取り付けられたスクレーパー４２（図３参照）が、センサー検知面の掻き取りを開始する直前になる。スクレーパー４２がセンサー検知面の掻き取りを開始すると、現像剤は密の状態から急激に疎の状態に移行する。そして、センサー出力値のボトム（波形の谷部）に到達すると、次のピークへ向かって出力は再上昇を開始する。この例では約２７０ｍｓｅｃ毎にピークが出現している。

このセンサー出力値が再上昇する際の応答速度が、現像剤の流動性を示している。即ち、センサー出力値がピークに達した後、スクレーパー４２によりセンサー検知面の現像剤が掻き取られるが、流動性の良好な現像剤は現像剤自体が動きやすいため、ボトムの値は大きく低下しやすく、また、ボトムからの復帰も迅速に行われる。逆に、流動性の低下した現像剤は現像剤自体が動きにくいため、ボトムの値はそれほど低下しない。また、ボトムからの復帰も遅くなる。

図８は、トナー濃度センサー４１の出力値のピーク値、移動平均値、及び出力値の振幅値（ピーク値とボトム値との差：ピークピーク値）の推移を示すグラフである。なお、図８の左側の縦軸は出力値のピーク値及び移動平均値の目盛りを表示しており、右側の縦軸は出力値の振幅値の目盛りを表示している。図８において、グラフの左端はトナー補給時を示している。また、近似曲線Ａは出力値のピーク値の推移を示しており、近似曲線Ｂは出力値の移動平均値の推移を示している。どちらもトナー濃度の変動を表現しており、従来、トナー補給制御に使用されている値である。

これに対し、近似曲線Ｃで示される出力値の振幅値は、図中の矢印で示すように、出力値のピーク値、移動平均値よりも時間的に早く（図８では５〜７秒程度）トナー濃度の変動を捉えている。

そこで、本発明では、トナー濃度センサー４１の出力値の振幅値（ピークピーク値）を「先行指標値」としてセンサー出力値によるトナー濃度制御を補正し、トナー濃度制御の精密化を図ることにより、実際のトナー濃度変化に対して遅延の少ないトナー濃度制御を可能とした。

図９は、カラープリンター１００において実行されるトナー濃度制御例を示すフローチャートである。必要に応じて図１〜図８を参照しながら、図９のステップに沿ってトナー濃度制御の実行手順について説明する。以下、トナー濃度センサー４１の出力値のピーク値をＶｐ［Ｖ］、ボトム値をＶｂ［Ｖ］、振幅値（ピークピーク値）をＶｐｐ［Ｖ］（＝Ｖｐ−Ｖｔ）、Ｖｐｐの直近５回の平均値をＶｐｐ５［Ｖ］とする。また、Ｖｐの目標値をＶｔ［Ｖ］とする。Ｖｐｐは、出力値の周期Ｔ［ｍｓｅｃ］毎にＶｐ［Ｖ］及びＶｂ［Ｖ］を読み取ることで算出可能である。

現像装置３ａ〜３ｄ内のトナー濃度（Ｔ／Ｃ）は、トナー濃度センサー４１により継続的に検出されている。（ステップＳ１）。画像形成が行われると、現像装置３ａ〜３ｄ内のトナーが消費され、トナー濃度が減少する。その結果、現像剤中のキャリアの割合が増加するため、トナー濃度センサー４１の出力値も徐々に上昇する。

次に、制御部９０は、トナー濃度センサー４１の出力値のピーク値Ｖｐ［Ｖ］が目標値Ｖｔ［Ｖ］を超えているか否かを判断する（ステップＳ２）。Ｖｐ［Ｖ］が目標値Ｖｔ［Ｖ］以下であるときは現像剤中のトナー濃度が適正範囲以上であるため、ステップＳ１に戻ってトナー濃度の検出を継続する。

一方、ステップＳ２でＶｐ＞Ｖｔであるときは、現像剤中のトナー濃度が適正範囲を下回っているため、トナー補給動作を実行する。先ず、演算部９７において補給指標Ｓを算出する（ステップＳ３）。補給指標Ｓは、トナー濃度に応じたトナー補給モーター２７の駆動時間（トナー補給量）を決定するための指標値であり、Ｓ＝−（Ｖｔ−Ｖｐ）で定義される。

次に、演算部９７において先行指標値Ｆを算出する（ステップＳ４）。先行指標値Ｆは、補給指標Ｓに基づいて決定されたトナー補給モーター２７の駆動時間を、トナー補給直前のＶｐｐの変化量、即ち、トナー補給直前のトナー濃度の変動に基づいて補正するための値であり、Ｆ＝１＋（Ｖｐｐ−Ｖｐｐ５）／Ｖｐｐで定義される。

そして、算出された補給指標Ｓ及び先行指標値Ｆを用いてトナー補給モーター２７の駆動時間を算出する（ステップＳ５）。例えば、駆動時間をＴｍ［ｍｓｅｃ］とすると、Ｔｍ＝Ｓ×１０００×Ｆで表される。制御部９０は、トナー補給モーター２７を算出された駆動時間Ｔｍだけ駆動させることにより、トナーコンテナ４ａ〜４ｄから現像装置３ａ〜３ｄ内にトナーを補給する（ステップＳ６）。補給されたトナーは第１攪拌スクリュー３１ａ及び第２攪拌スクリュー３１ｂによって現像装置３ａ〜３ｄ内のキャリアと混合され、トナー濃度が所定範囲である二成分現像剤となる。以後、ステップＳ１に戻り、同様の手順でトナー濃度制御を繰り返す。

以上のような制御によれば、直近のトナー濃度センサー４１のＶｐｐの変化量に基づいてトナー濃度の推移を予測し、Ｖｐに基づいて算出されたトナー補給量を適切な量に補正することができる。例えば、Ｖｐは上昇傾向（トナー濃度が減少）であるが、Ｖｐｐは下降傾向（トナー濃度が増加）である場合や、Ｖｐは下降傾向（トナー濃度が増加）であるが、Ｖｐｐは上昇傾向（トナー濃度が減少）である場合に、補給指標Ｓに基づいて算出されたトナー補給量に、補正係数として先行指標値Ｆを乗じて補正することで、トナーの補給過剰や補給不足を回避することができる。

なお、図９で説明した制御例は、Ｖｐｐの変化量に基づく先行指標値Ｆの活用方法の一例を示すものであり、活用方法はこれに限定されない。例えば、他の補給指標Ｓを用いてトナー補給モーター２７の駆動時間を算出しても良いし、他の算出式で定義された先行指標値Ｆを用いてトナー補給モーター２７の駆動時間を補正しても良い。

その他本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、本発明は上記実施形態に示したような磁気ローラー３２と現像ローラー３３を備えた現像装置に限定されるものではなく、例えば磁気ローラー３２（現像剤担持体）上に形成された磁気ブラシを用いて感光体ドラム１ａ〜１ｄ上に直接トナーを供給する現像装置等、磁性キャリアとトナーとを含む二成分現像剤を用いた種々の現像装置のトナー濃度制御に適用可能である。

また、本発明は図１に示したカラープリンター１００に限らず、モノクロプリンターやモノクロ複写機、デジタル複合機、カラー複写機、ファクシミリ等、二成分現像式の現像装置を備えた種々の画像形成装置に適用できるのはもちろんである。以下、実施例により本発明の効果について更に具体的に説明する。

図１に示したようなカラープリンター１００の現像装置３ａ〜３ｄへのトナー補給において、補給指標Ｓ及び先行指標値Ｆを用いてトナー濃度制御を行った場合（本発明）と、先行指標値Ｆを用いずに補給指標Ｓのみでトナー濃度制御を行った場合（比較例）とで、トナー補給状況を調査した。なお、比較例の補給指標Ｓとして、ＶｔとＶｐの直近５回の平均値Ｖｐ５との差−（Ｖｔ−Ｖｐ５）を用いた。

試験方法としては、京セラドキュメントソリューションズ製カラー複合機（ＴＡＳＫａｌｆａ２５５０ｃｉ）を試験機として用い、トナー濃度センサー４１の出力値をモニターした。センサー出力値のモニターは１０ｍｓｅｃごとに行うこととし、現像装置３ａ〜３ｄ内の第１攪拌スクリュー３１ａ、第２攪拌スクリュー３１ｂは２７０ｍｓｅｃ周期で回転させる。その結果、センサー出力値には２７０ｍｓｅｃ間隔でピークＶｐとボトムＶｂが現れる。

また、この試験機では、現像剤が現像容器３０内を１周するのに約３０秒が必要であった。従って、トナーが補給された履歴は１周ごとに拡散して平均化されるが、３０秒周期でトナー濃度センサー４１に検知される。トナー濃度制御は、センサー出力値Ｖｐをモニターし、Ｖｐが初期出力値（目標値）Ｖｔ（＝１．８５Ｖ）を超えたらトナー補給モーター２７を駆動する、というものになっている。

図１０は、トナー濃度センサー４１の出力値のピーク値Ｖｐの直近５回の平均値Ｖｐ５、先行指標値Ｆの決定に用いる出力値の振幅値Ｖｐｐの直近５回の平均値Ｖｐｐ５、及びトナー補給状況（トナー補給量）の推移を示すグラフである。なお、図１０の左側の縦軸はＶｐ５の目盛りを表示しており、右側の縦軸はＶｐｐ５の目盛りを表示している。１１９．１７ｓｅｃ時点でのトナー濃度センサー４１の出力値をみると、Ｖｐ＝１．９３Ｖ、Ｖｐｐ＝０．５２Ｖとなっていた。このとき、Ｖｐ、Ｖｐｐの直近５回の平均値Ｖｐ５、Ｖｐｐ５を算出すると、図１０に示すように、Ｖｐ５＝１．９３Ｖ、Ｖｐｐ５＝０．５９Ｖであった。

即ち、１１９．１７ｓｅｃ時点では、Ｖｐ５（図１０の□のデータ系列で表示）は上昇傾向であり、トナー濃度が不足であることを示しているが、約５ｓｅｃ後を先取りしているＶｐｐ５（図１０の×のデータ系列で表示）は既に下降傾向となっており、トナー濃度は上昇に向かっていることがわかる。そのため、このままトナーを補給し続けると補給過剰（オーバーフロー）となる。

補給指標Ｓ及び先行指標値Ｆを用いてトナー濃度制御を行う本発明では、補給指標Ｓ＝−（１．８５−１．９３）＝０．０８、先行指標値Ｆ＝１＋（０．５２−０．５９）／０．５２＝０．８６５となる。従って、トナー補給モーター２７の駆動時間Ｔ［ｍｓｅｃ］＝（Ｓ×１０００×Ｆ）＝０．０８×１０００×０．８６５＝６９となり、トナー補給モーター２７を６９ｍｓｅｃ駆動、２００ｍｓｅｃ停止させることとなる。このように先行指標値Ｆを用いてトナー補給モーター２７の駆動時間を補正することにより、図１０の下部の実線で示すように、補給過剰を起こすことなく適正量のトナーを補給することができ、トナー濃度制御の精密化が実現できた。

一方、先行指標値Ｆを用いずに補給指標Ｓのみでトナー濃度制御を行う比較例では、トナー補給モーター２７の駆動時間Ｔ［ｍｓｅｃ］＝（Ｓ×１０００）＝−（１．８５−１．９３）×１０００＝０．０８×１０００＝８０となり、トナー補給モーター２７を８０ｍｓｅｃ駆動、２００ｍｓｅｃ停止させることとなる。この場合、図１０の下部の破線で示すように、Ｖｐｐが下降傾向を示す１１５〜１２５ｓｅｃにおいてトナーの補給過剰が生じた。

本発明は、磁性キャリアとトナーとを含む二成分現像剤を用いる現像装置を備えた画像形成装置に利用可能である。本発明の利用により、直近のトナー濃度センサーのＶｐｐの変化量に基づいてトナー濃度の推移を予測し、Ｖｐに基づいて算出されたトナー補給量を適切な量に補正することができるため、現像剤の流動性の変化や使用環境によらず、現像装置内のトナー濃度を常に一定に維持可能な画像形成装置となる。

Ｐａ〜Ｐｄ 画像形成部
１ａ〜１ｄ 感光体ドラム（像担持体）
２ａ〜２ｄ 帯電器
３ａ〜３ｄ 現像装置
４ａ〜４ｄ トナーコンテナ（トナー補給手段）
５ 露光装置
７ａ〜７ｄ クリーニング部
１３ 定着部
２７ トナー補給モーター（トナー補給手段）
３２ 磁気ローラー（現像剤担持体）
３３ 現像ローラー
４１ トナー濃度センサー（透磁率センサー）
９０ 制御部（制御手段）
９１ ＣＰＵ
９２ ＲＯＭ
９３ ＲＡＭ
９４ 一時記憶部
９５ カウンター
１００ 画像形成装置

Claims (4)

1. 磁性キャリアとトナーとを含む二成分現像剤を収容する現像容器と、
   該現像容器に回転可能に支持され表面に現像剤を担持する現像剤担持体と、
   前記現像容器に収容された二成分現像剤中のトナー濃度を検出する透磁率センサーと、
   を備えた現像装置と、
   該現像装置にトナーを補給するトナー補給手段と、
   前記透磁率センサーによるトナー濃度の検出結果に基づいて前記トナー補給手段から前記現像装置へのトナー補給を実行する制御手段と、
   を備えた画像形成装置において、
   前記制御手段は、前記透磁率センサーの出力値のピーク値Ｖｐを目標値Ｖｔと比較してトナー補給の要否を判断するとともに、Ｖｐ＞Ｖｔであるときは直近の出力値の振幅値Ｖｐｐの変化量に基づいてトナー補給量を補正し、補正されたトナー補給量でトナー補給を行うことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記制御手段は、前記ピーク値Ｖｐと前記目標値Ｖｔとの差−（Ｖｔ−Ｖｐ）で定義される補給指標Ｓにより算出されるトナー補給量を、前記振幅値Ｖｐｐの変化量を示す先行指標値Ｆを用いて補正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. 前記先行指標値Ｆは、以下の式（１）により決定されることを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
   Ｆ＝１＋（Ｖｐｐ−Ｖｐｐｎ）／Ｖｐｐ・・・（１）
   ただし、
   Ｖｐｐｎ＝Ｖｐｐの直近ｎ回の平均値
   である。
4. 前記トナー補給手段は、前記現像装置に補給するトナーを貯留するトナーコンテナと、該トナーコンテナ内のトナーを前記現像装置に補給するためのトナー補給モーターとで構成されており、
   前記制御手段は、前記補給指標Ｓ及び前記先行指標値Ｆを用いて前記トナー補給モーターの駆動時間を決定することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の画像形成装置。

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