JP2018031891A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気センサを用いたトナー残量検出において、トナー容器側面に検出コイルを配置した場合、トナー残量を正確に判定できない。【解決手段】画像形成装置はトナー収容部の外周の周りに巻いた検出コイルと共振回路とから構成される磁気センサを備え、検出コイルに交流電流を入力し、検出コイルの出力信号を測定することで検出コイルのインピーダンスを求め、トナー残量を判定する。検出コイルの内径をトナー収容部の外周よりも大きくすることでトナー収容部の鉛直方向の磁束密度が均一になり、トナー収容部内のトナー残量の変化を線形的に検出することが出来る。【選択図】図３

Description

本発明は、現像剤によりシートに画像を形成する画像形成装置の現像剤の残量検出に関する。

複写機等の画像形成装置において、感光体ドラム上にトナー像を現像するための現像器と現像器に対してトナー（現像剤）を供給するためにトナー容器を有している。現像器及びトナー容器内のトナー残量を検出する手段として、コイルに駆動周波数に対応した電流を流し発生した磁束によりトナーに誘導電流が流れることによる影響を検出する磁気センサが利用されており、これを用いたトナーの残量を検出する方法が提案されている。検出コイルの構成として、1つの駆動コイル対になる２つの差動コイルを用いて差動コイルに誘起される電流から残量を検出する方式（特許文献１）と、１つのコイルに共振周波数の対応した電圧を印加し、検出対象との相互影響により共振周波数の変化を検出する方式が提案されている。これらの提案では、基板上に形成したコイルパターンにより誘導電流を発生させる構成となっており、検出対象となる現像器もしくはトナー容器に対し、コイル基板を側面の一方に配置し、対向する範囲のトナー残量を検出している（特許文献２）。

特開２０１４-０８１４３６号公報 特開平８−１２３１８８号公報

しかしながら、前述したように現像器又はトナー容器の側面に、基板に形成したコイルを配置した場合、基板上に形成したコイルの中央から外側に向かう磁束のループが形成される。このため、コイルの中心部分よりトナー残量が多い場合とトナー残量が少ない場合で、出力の変化が異なってしまう。すなわちセンサ出力とトナー残量とが線形の関係を有さない。例えば、図７には従来の構成におけるトナー容器内のトナー残量と磁気センサの出力の関係の一例を示す。磁気センサの検出コイルを基板上に形成し、検出対象となる現像器またはトナー容器側面にコイルを配置した場合、コイルパターンに対し電流がながれることで、磁力線で表すようにコイル内側と外側をループする磁界が発生するため、コイル中央付近の磁束密度が高くなる。このため中央部分での検出感度が高くなる。一方図７(A)〜(D)に示すように容器内のトナー残量が変化すると容器内でのトナーの上面（トナー面と呼ぶ）が徐々に低くなるような変化をしていく。このため、図７(A)から(B)区間と、(B)から(C)区間及び(C)から(D)の区間において、トナー容器内のトナー面の変化に対して、変化したトナー面の位置における磁気センサコイルから発生する磁界が一様でないことで磁気センサの出力値は非線形となる。具体的には、図７(B)から(C)区間においては、トナー面の位置における磁束密度が他の区間に比べて高いことから、他の区間に比べてトナー量の変化に対する磁気センサの出力変化の傾きが急峻となる。また図７(A)から(B)及び(C)から(D)の区間においても出力変化の傾きは一定にはならない。このため、磁気センサの検出値がトナー残量の急減を示したとしても、それが上述した磁気センサの特性によるものなのか、それとも実際のトナー残量の急減によるものなのか判定が困難である。このため、ユーザへのトナー残量が少ない旨の警告を通報するにあたって、トナー切れを避けるべくトナー残量が急減したなら通報するようにすれば、トナーを無駄に廃棄することになりかねないし、一方、センサの特性を考慮して通報を遅らせれば交換用のトナーの手配の遅れを招き、ひいてはトナー切れにより画像形成が正常に行えない状態が生じかねない。

また、現像器及びトナー容器内には、トナーを攪拌、搬送するための攪拌羽が具備されており、内部のトナーを攪拌しているものがある。このためトナー面は常に変動することとなり、磁気センサの出力もトナー面の変動に応じて変動する。特にトナー面が磁気センサコイルの中央付近にあるとトナー面の変動に対して出力信号の変動が大きい。このため、例えば平均化処理等を行って残量を検出するが、変動が大きい場合は、平均化を行っても、トナー残量の検出値と実際のトナー残量とのあいだで誤差が生じる可能性があり、検出精度が低下してしまう。検出精度の低下は上述したようにトナー残量の警告を適切なタイミングで通報することを困難にし、それがトナー切れや或いはトナーの無駄な廃棄を招きかねない。

本発明は上記従来例に鑑みてなされたもので、検出コイルによる現像剤量の検出精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は以下の構成を有する。

すなわち本発明の一側面によれば、現像剤によって画像を形成する画像形成装置であって、
現像剤を収容する現像剤収容部の水平方向に伸びる外周の周りに巻き回される検出コイルと、
前記検出コイルからの出力信号に基づいて前記現像剤収容部内の現像剤の量を判定する判定手段とを有する。

本発明によれば、検出コイルによる現像剤量の検出精度を向上させることができる。

本発明の画像形成装置の構成図である。 本発明の画像形成装置のブロック図である。 本発明の実施例における磁気センサとトナー容器の配置構成を示す図である。 本発明の実施例におけるトナー容器残量検出時のトナー状態と磁気センサ出力を示す図である。 本発明のトナー容器位置検出の制御フローチャートである。 本発明の実施例における磁気センサをトナー容器および現像器の端部に配置した例を示す図である。 従来の構成におけるトナー容器残量検出時のトナー状態と磁気センサ出力を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳しく説明する。
＜画像形成装置の構成＞
図１は本実施例の画像形成装置の一例であるマルチファインクションプリンタ１００（以下ＭＦＰ）の構成図である。この図により基本的なＭＦＰの動作を説明する。ＭＦＰ１００は画像形成を行うプリンタユニット１０１と画像読み取りを行うリーダユニット１０２と読み取り原稿の搬送を行うＡＤＦユニット１０３とで構成される。プリンタユニット１０１では記録紙Ｐを収納する給紙カセット１１０を有し、記録紙Ｐをカセットから給紙するためのピックアップローラ１１１と給紙ローラ１１２および、１枚に分離するためのリタードローラ１１３により分離給送され、搬送ローラ１１４により搬送される。その後、停止しているレジストローラ対１１５により、記録紙Ｐの斜行補正が行われると、レジストクラッチＣＬ１を駆動連結してレジストローラ対１１５を回転させて、画像形成部へと搬送される。

画像形成部では、像担持体である感光体ドラム１３１の外周面は、帯電手段としての帯電ローラ１３２によって所定の極性の電位に一様に帯電処理される。レーザスキャナユニット１２０により、画像情報の時系列デジタル画素信号に応じて変調されたレーザ光Ｌを走査することで、感光体ドラム１３１上に静電潜像が形成される。ポリゴンモータで偏光されたレーザ光ＬがＢＤセンサによってその後現像器１４０の現像ローラ１４１によって、感光体ドラム１３１上の静電潜像が色剤（トナー）を用いたトナー像として現像される。現像機１４０には交換可能に取り付けられたトナー容器Ｂ０１からトナーが補給される。転写ローラ１３３には感光体ドラム１３１とは逆極性の転写バイアスが印加されることで、感光体ドラム１３１上のトナー像が記録紙Ｐ上に静電転写される。定着器１５０では定着フィルムと定着フィルムの内側に配置された定着ヒータと加圧ローラによってニップが形成されており、そのニップ部に記録紙Ｐが到達すると定着ヒータの発熱と圧力により記録紙上のトナー像を加熱溶融して記録紙Ｐ上に定着させる。その後排紙ローラ１６０により機外に記録紙Ｐは排出される。

また、両面印字の際には定着器１５０を通過した記録紙Ｐは排紙部にて停止・反転しスイッチバックされ、反転搬送経路１７０に搬送される。その際に定着器に再度記録紙Ｐが戻らないように反転フラッパー１７１によって自重で搬送パスの切り替えが行われる。反転搬送路１７０では記録紙Ｐは反転ローラ１７２によりレジストローラ対１１５に搬送され、再度斜行補正を行った後に、２面目の画像形成が行われる。

＜ＭＦＰの制御ブロック＞
図２は本実施例のマルチファンクションプリンタの制御ブロック図である。ＭＦＰ１００のプリンタユニット１０１のプリンタ制御部２００はＣＰＵ２０１によって行われる。ＣＰＵ２０１は、それに接続されているセンサおよびＲＯＭ２０２に記憶された制御設定情報と外部からの通信に応じて各モータを駆動して画像形成を行う。駆動源としては給紙搬送の駆動源である給紙モータＭ１、画像形成部の駆動源となるメインモータＭ２と定着部の駆動源となる定着モータＭ３、レーザスキャナの走査をおこなうポリゴンモータＭ４があり、それ以外に、給紙のピックアップのタイミングを制御する給紙ソレノイドＳＬ１とレジストローラ対の回転を制御しているレジストクラッチＣＬ１がある。

また、センサ類としては、以下のようなものがＣＰＵ２０１に接続され、それぞれの信号が検知される。紙有無センサＳ１は、給紙カセット１１０内の記録紙Ｐの有無を検出する。レジストセンサＳ２は、レジストローラ対１１５に記録紙Ｐが到達したことを検出する定着入口センサＳ３は、記録紙Ｐが感光体ドラム１３１と転写ローラニップを通過して定着器１５０に到達したことを検出する。定着出口センサＳ４は、記録紙Ｐが定着器１５０から出たことを検出する。排紙センサＳ５は、排紙口から記録紙Ｐが排出されたことを検出する。用紙満載センサＳ６は、排紙トレイ上の用紙が満載であることを検出する。反転センサＳ７は、反転搬送路１７０に用紙が搬送されたことを検出する。磁気センサ１４５は、現像器１４０に配置されるトナー容器Ｂ０１のトナー残量を検出する。新品検知センサ１４６は、新品のトナー容器Ｂ０１がセットされたことを検知する。

このほか、定着部１５０で定着ヒータ１５３へのＡＣ電源供給を制御しているＡＣ制御部を含む電源ユニット２２０と、画像形成で使用する高電圧を生成する高圧ユニット２１０と、レーザ発光制御を行うレーザ制御部１２１とがプリンタ制御部２００に含まれ、ＣＰＵ２０１によって制御されている。プリンタ制御部２００の外部には、リーダユニット１０２から、もしくはネットワークを介してまたは直接ＰＣからイメージ画像を受信して、プリンタユニット１０１での画像形成に即して画像データの変換を行うシステム制御ユニット３００が接続される。プリンタ制御部２００は、各センサ等の入力結果とシステムコントローラ３０１からの指令によって、前述した画像形成動作を実行する。また、システム制御ユニット３００には、ユーザへの情報を通知するＵＩ（ユーザインターフェース）パネル３０２が備えられている。

＜トナー残量センサの構成＞
図３は本実施例のトナー容器Ｂ０１とそれに設けられた磁気センサの配置図である。現像器１４０には、現像ローラ１４１と、現像器１４０内のトナーを現像ローラへ搬送する現像攪拌羽１４２が設けられている。現像器１４０には例えば樹脂製のトナー容器Ｂ０１が挿入され、図示しない容器攪拌羽が回転しトナーを搬送することで、トナー容器Ｂ０１のトナー補給口から現像器１４０へとトナーが補給される。図３では、現像器１４０の左側にトナー容器Ｂ０１の外径よりも一回り大きな収納部分が設けられ、そこにトナー容器Ｂ０１が収納された状態を示している。

トナー容器Ｂ０１内部のトナー残量を検出するための磁気センサ１４５は、現像器１４０外周部でかつトナー容器Ｂ０１が収納される位置に巻かれた検出コイル１４５ａと、検出コイル１４５ａに接続された共振回路１４５ｂと、共振回路１４５ｂからの出力される信号の周波数を測定する周波数検波回路１４５ｃと、残量判定部（演算部とも呼ぶ）１４５ｄとから構成される。共振回路１４５ｂから検出コイル１４５ａに共振周波数に応じた交流信号（あるいは高周波信号）を入力し、検出コイル１４５ａを介して戻った信号すなわち検出コイル１４５ａの出力信号の周波数を周波数検波回路１４５ｃで検出する。その後検波した周波数と元の共振周波数との差分から検出対象の影響による検出コイルのインダクタンス値の変化からトナー残量を検出する。ここで検出されるのは、磁気センサを用いて検出されたトナー残量を示す値であり、推定値ということもできる。例えば導電性トナーを用いる場合、検出コイル１４５ａに交流信号を入力することで交番磁界が発生することで検出対象のトナーに渦電流が発生し、その二次コイルのインダクタンスに応じて検出コイル１４５ａのインダクタンス（あるいはインピーダンス）は変化する。そこで、たとえば共振回路１４５ｂの出力電圧から検出コイル１４５ａのインダクタンスの変化を検出すれば、二次側のインダクタンスはトナー残量に応じて変化することから、トナー残量を推定できる。一方絶縁性トナーを用いる場合には、たとえばトナーを検出コイル１４５ａの芯材と考えれば、インダクタンスは芯材の透磁率に比例することから、トナー残量に応じて芯材の透磁率が変化してそのインダクタンスの変化を検出することでトナー残量を検出できる。

図４は本発明の構成における容器内のトナー残量と磁気センサの出力を表している。前述の通り、磁気センサ１４５の検出コイル１４５ａは、現像器１４０のトナー容器Ｂ０１の収納部分の外周の、両方の外周が重なる部分に巻かれている。検出コイル１４５ａに電流が流れると矢線で表したように検出コイル１４５ａを軸としてループするような磁界が発生する。検出コイル１４５ａがトナー容器Ｂ０１の外周が内径となるように配置されているため、発生する磁界はコイル近傍で強く、コイルの軸付近では比較的弱くなる。そのため、磁気センサ１４５は、トナー容器Ｂ０１の外周部付近のトナーによる影響を受けたインダクタンスを検出することが出来る。

これにより、図７で示すように基板上に検出コイルを形成し、トナー容器側面に配置する従来の構成と比較して、容器断面に対するトナー面の変化ではなく、容器外周縁部でのトナー変化を観測できる。この構成により、トナー面の位置が変化しても、その位置に対応する磁束密度の変化が小さく、図４（Ａ）から（Ｄ）のようなトナー残量の変化に対して、検出されたインダクタンス値の傾きを一定に近く、すなわち概ねリニアにすることができる。この結果、トナー残量の変化を線形的に検出することが出来る。また、トナー容器内での攪拌によるトナー面が変動しても容器内径に接するトナー面の位置はほとんど変化しないため、攪拌による影響を受けずにトナー残量を検出することが可能である。

＜トナー残量検出制御＞
図５を用いてトナー残量検出制御のフローを説明する。ＭＦＰ１００本体のメインスイッチがＯＮまたは、トナー補給カバーが閉じられたことを検出した場合、または画像形成ＪＯＢ終了時にトナー残量検出制御が実施される。トナー残量検出制御では、まず磁気センサの出力値Ｈ（インダクタンス）の読み取りを行う（Ｓ１）。その後トナー容器が新品に交換されているかを新品センサ、またはトナー容器に配置されたメモリタグによって判断する（Ｓ２）。Ｓ２にてトナー容器が新品に交換されたことを検出した場合（Ｙｅｓの場合）、ＲＯＭ２０２内のトナー残量メモリ値Ｈｒの値をＳ１で読み取ったＨの値で更新する（Ｓ３）。その後、システムコントローラ３０１に読み取ったＨの値などの情報を送信し、ＵＩパネル３０２に表示されているトナー残量値を出力値Ｈに対応する値に更新し、制御は終了する（Ｓ７）。なお新品の場合には残量の比率を１００％であるとして表示してもよい。

Ｓ２にてトナー容器が新品でないと判断された場合（Ｎｏの場合）、Ｓ１にて読み取った残量値ＨとＲＯＭ２０２に格納されたメモリ値Ｈｒを比較する（Ｓ５）。メモリ値Ｈｒよりも読み値Ｈが小さい場合には、Ｓ３及びＳ４の処理を行い、メモリ値Ｈｒを読み値Ｈで更新し、ＵＩパネル３０２に表示している残量値をＨに対応する値に更新して制御は終了する。トナー容器が新品の場合に残量を１００％と表示した場合にはたとえば、磁気センサ１４５による新品時の検出値Ｈを記憶しておき（Ｈiniとする）、読み値Ｈを用いて、１００×Ｈ／Ｈiniを、未使用状態における残量に対する比率として表示してもよい。これは本実施形態の磁気センサ１４５の出力値が、トナー残量に対してほぼ線形な値を示すために可能となる。

Ｓ５にてメモリ値Ｈｒよりも読み値Ｈが大きい場合には、メモリ値Ｈｒ及びＵＩパネル３０２に表示している残量値は更新しないまま、制御を終了する。

これによって多少の検出ばらつきがあった場合には、読み値Ｈがメモリ値Ｈｒ以下になるまでは、ユーザに通知されるトナー残量は頻繁に更新されない。なおＳ３において更新後の残量値が所定の閾値よりも小さくなったなら、表示や音声によりユーザに対するトナー交換の報知を行ってもよい。

以上が実施例の一例の説明であるが、本実施例にて説明した磁界又は磁力線の向きに関して、検出コイルに流す電流の向きにより変化するもので、今回の実施例において向きを制限しているものではない。また、磁界の影響範囲については、検出コイルの巻き数と材質により決定する、コイルパラメータによって変化するものであり、今回の実施例では一例を示しているにすぎない。

また、本発明の実施形態では、トナー容器の外周部の長手方向の一部を覆うように検出コイルを配置し、トナー容器内のトナーを検出する構成をとっているが、別の実施形態として、図６（Ａ）に示すようにトナー容器の長手方向の端部に接するように検出コイルを配置し、コイルの内径をトナー容器の外周部の外径よりも大きくすれば、鉛直方向の磁束密度が均一となるので、トナー容器内のトナー残量の変化を線形的に検出することも出来る。

また、本発明の別の実施形態として、図６（Ｂ）に示すように現像器の長手方向の端部に接するように検出コイルを配置し、コイルの内径を現像器の鉛直面よりも大きくすれば、現像器の鉛直方向の磁束密度が均一となるので、現像器内のトナー残量の変化を線形的に検出することも出来る。。

また、本発明の別の実施形態として、円筒形のトナー容器の長手方向全域が収まるように検出コイルを配置することで、長手方向におけるトナーの移動を検出することで、トナー残量を判断することも出来る。

また、本発明の別の実施形態として、トナー容器外周と同等の内径のコイルをトナー容器端部に接触させることで、トナー容器外周縁部のトナーを検出してもよい。

また本実施形態ではトナー容器は円筒形であり、トナー残量センサのコイルはその外周に沿って巻かれているが、トナー容器は円筒以外の形状であってもよい。その場合には、コイルはその外周に沿って巻かれていてもよいし、また例えば、トナー容器の最小径から最大径程度の内径で巻いたコイルを、トナー容器端部に接触するよう配置してもよい。

また本実施例では検出対象をトナーとしたが、トナー以外の色剤であっても、容器に納められたものであれば、その容器の外周に沿って検出コイルを巻くことで、残量を検出できる。

また、本実施形態ではコイルはトナー容器の収容部に巻くものとしたが、トナー容器の外周に巻いて形成してもよい。その場合には、コイルに電流を流すための画像形成装置との接点が設けられる。トナー容器を画像形成装置にセットすることで当該接点においてコイルと外部回路とが電気的に接続される。この構成では、コイル以外の回路たとえば共振回路１４５ｂ、周波数検波回路１４５ｃ、残量判定部１４５ｄについては画像形成装置側に設けてもよい。

１７０：現像容器、１７５：磁気センサ、１７５ａ：検出コイル、Ｂ０１：トナー容器

Claims (5)

1. 現像剤によって画像を形成する画像形成装置であって、
   現像剤を収容する現像剤収容部の水平方向に伸びる外周の周りに巻き回される検出コイルと、
   前記検出コイルからの出力信号に基づいて前記現像剤収容部内の現像剤の量を判定する判定手段と
   を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記検出コイルは、前記現像剤収容部の水平方向の端部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記現像剤収容部は、前記現像剤を用いて像担持体に形成される静電潜像を現像する現像手段を含み、
   前記検出コイルは、前記現像手段の水平方向の端部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
4. 前記検出コイルは、前記現像剤収容部の鉛直方向の磁束密度が均一になるように巻き回されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の画像形成装置。
5. 前記現像剤は、導電性トナーであり、
   前記判定手段は、前記検出コイルに交流信号を入力し、前記検出コイルで発生する磁界により検出対象の前記現像剤で発生する渦電流によって変化する前記検出コイルのインピーダンスに基づいて前記現像剤の量を判定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の画像形成装置。

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