JP2019028270A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】像担持体の最表層の表面での干渉波形と、内側の層での干渉波形が重畳して膜厚測定誤差が大きくなることを抑制できる画像形成装置を提供する。【解決手段】多層構成の像担持体と、該像担持体に所定の波長領域の光を照射する光源と、前記像担持体の表面で反射した光を分光する分光手段と、該分光手段によって分光された光を検出する光センサを備え、照射された光が最表層と内側の層で反射し前記光センサまで到達する場合に、反射光の分光スペクトル強度に対して周波数解析を行うことで、前記像担持体の最表層の表面での干渉波形と、内側の層での干渉波形を分離することで前記像担持体の最表層の膜厚を演算する膜厚検知手段と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、複写機、レーザビームプリンタなどの画像形成装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置において用いられる感光体ドラムは、画像形成を重ねるにつれ、表面が削れることにより、膜厚が減少することとなる。ここで、感光体ドラムの膜厚が所定以下になったときに帯電不良、現像不良、転写不良などを引き起こしてしまうため、所定の使用期間を経過した感光体ドラムは新しい感光体ドラムと交換する必要がある。

従来、画像形成装置内で、感光体ドラム表層の膜厚を検知する手段として、帯電手段に一定の電圧を印加し、この際に帯電手段に流れる電流値を検出し、その電流値を感光体ドラムの膜厚と対応させることで、膜厚の減少量を検出する方法が提案されている（特許文献１、２）。また、さらに高精度に膜厚を測定する手段として、ファイバーを用いた光干渉膜厚計測を用いる方法が提案されている（特許文献３）。

特許文献１、２のような電流検知方式の膜厚検知では、測定精度は約１μｍであった。このためＡ４横送り換算で１００００枚出力時に約０．１μｍ以下の摩耗量しかない高寿命感光体ドラムに対しては、短期間で摩耗量を検知することが難しいという課題があった。一方、特許文献３のような光干渉膜厚計測では、感光体ドラムの膜厚を約１ｎｍ程度の変化であっても高精度に測定できるが、大がかりな測定機構が必要となり、サイズとコストの観点から、本体に備えることが困難であり、本体の外で測定することが多かった。

これに対して、近年、組み込み式分光センサが開発され、これを用いることで、画像形成層位置の本体内で光干渉膜厚計測を行うことが可能となった。

特開平５−２２３５１３号公報 特開２０１１−２８１０２号公報 特開２００３−２８７４０９号公報

近年では感光体ドラムの高耐久化のために、主に有機感光体（ＯＰＣ）において、感光体の電荷輸送層（ＣＴＬ）を覆うように硬度を高める等により耐摩耗性を向上した層（ＯＣＬ）を設ける方法で、画像形成に十分な膜厚を長期間にわたって確保する技術が用いられている。

このようなＯＣＬを持つ長寿命感光体ドラムに対して光干渉膜厚計測の膜厚検知を行う際、特にＣＴＬの膜厚が１０〜２５ｕｍ程度の場合、例えば図１に示すように、ＯＣＬとＣＴＬの干渉波形にＣＴＬと下地層（ＵＣＬ）の干渉波形が重畳してしまい波形が乱れ、結果として膜厚測定誤差が大きくなることが検討により判明した。

本発明の目的は、像担持体の最表層の表面での干渉波形と、内側の層での干渉波形が重畳して膜厚測定誤差が大きくなることを抑制できる画像形成装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る画像形成装置は、多層構成の像担持体と、該像担持体に所定の波長領域の光を照射する光源と、前記像担持体の表面で反射した光を分光する分光手段と、該分光手段によって分光された光を検出する光センサを備え、照射された光が最表層と内側の層で反射し前記光センサまで到達する場合に、反射光の分光スペクトル強度に対して周波数解析を行うことで、前記像担持体の最表層の表面での干渉波形と、内側の層での干渉波形を分離することで前記像担持体の最表層の膜厚を演算する膜厚検知手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、像担持体の最表層の表面での干渉波形と、内側の層での干渉波形が重畳して膜厚測定誤差が大きくなることを抑制できる画像形成装置を提供することができる。

感光体ドラム最表層での光の反射の様子を示す概略図 本発明の実施形態に係る分光センサの測定データの例 分離する波数を示すグラフ 分離された干渉波形を示すグラフ 本発明の実施形態に記載の構成で感光体ドラムの膜厚計測を行ったときの反射スペクトル波形を示すグラフ 本発明の実施形態に係る４連タンデムドラム方式のカラー電子写真複写装置の概略図 本発明の実施形態に係るブロック図 本発明の実施形態に係る画像形成部の感光体ドラム周りの構成を示す断面概略図 本発明の実施形態に係る感光体ドラムの構成を示す断面概略図 本発明の実施形態に係る分光センサの構成を示す断面概略図 白色ＬＥＤの波長スペクトルを示すグラフ 本実施形態における膜厚検知および濃度補正の手順を示すフローチャート 本実施形態における感光体ドラムフランジ部ホームポジションの検知方法を示す概略図

以下、本発明の実施形態を図面に則して詳しく説明する。

（第１の実施形態）
（画像形成装置の基本的な構成及び動作）
図６は、本発明の実施形態に係る画像形成装置の模式的な断面図である。図７は、本発明の実施形態に係る画像形成装置のブロック図である。本実施形態の画像形成装置１００は、転写方式電子写真プロセス、接触帯電方式、２成分現像方式を用いた、最大通紙サイズがＡ３サイズ、解像度６００ｄｐｉのカラーレーザープリンタであり、画像形成装置本体（装置本体）と通信可能に接続された外部ホスト装置からの画像情報に応じて転写材、例えばカット用紙、ＯＨＴ（ｏｖｅｒｈｅａｄ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）シートなどにカラーの画像を形成し、出力することができる。

画像形成装置１００は、ＣＰＵ（制御手段）Ｖ３の指示で情報を表示する表示手段としてのパネル及び入力手段としての操作ボタンを備えた情報表示パネルＶ４を有する。情報表示パネルＶ４は、装置本体の状態や各種調整を実施する際のメニューを表示する。

ＣＰＵＶ３は、画像形成装置１００の動作を統括的に制御する。ＣＰＵＶ３は、内蔵する又は接続された記憶手段（電子的なメモリなど）に格納されたプログラムやデータに従って、各種の制御を実行する。例えば、ＣＰＵＶ３は、感光体ドラム１の駆動モーター１９や中間転写ベルト９１の駆動モーター２０に対して、駆動・停止の指示を行う。又、ＣＰＵＶ３は、帯電高圧電源Ｖ１、現像高圧電源Ｖ６、一次転写高圧電源９３、二次転写高圧電源９６ｆの出力値、出力・停止の指示を行う。

本実施形態の画像形成装置１００は、中間転写方式を採用した４連タンデムドラム方式の画像形成装置である。即ち、複数の像形成手段たるイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂｋ）の各色用の画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＢｋを有する。例えばフルカラー画像の形成時には、各画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＢｋにおいて、中間転写ベルト９１に連続的にトナー像が多重転写され、その後この多重トナー像が転写材Ｐに一括して転写される。各画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＢｋは、中間転写ベルト９１の画像転写面の移動方向において直列に、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの順に配置されている。

図８は、本実施形態の画像形成装置１００の一つの画像形成部Ｐの構成をより詳しく示す模式的な断面図である。本実施形態では、各画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＢｋの構成及び動作は、使用するトナーの色が異なる他は実質的に同一の構成とされる。従って、以下、特に区別を要しない場合は、各画像形成部の要素であることを示す符号の添え字Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｂｋは省略し、総括的に説明する。

画像形成部ＰＹ〜ＰＫには、図９に示す像担持体として導電性支持体上に有機物質感光層を持つ電子写真感光体（感光体ドラム）１が設けられている。本実施形態で用いたＯＰＣ系感光体ドラム１は、アルミニウムの素管１ａ（１ｍｍ）に、ＵＣＬ１ｂ（２０ｕｍ）、ＣＧＬ１ｃ（１ｕｍ）、ＣＴＬ１ｄ（２０ｕｍ）、ＯＣＬ１ｅ（初期５ｕｍ）を重ねて作成している。本実施形態では、感光体ドラム１の外径は３０ｍｍ、長手幅（搬送方向と略直交する方向の長さ）が３７０ｍｍである。感光体ドラム１は、駆動手段としての駆動モーター１９によって、中心支軸を中心に３００ｍｍ／ｓｅｃのプロセススピード（周速度）で図中矢印Ｒ１方向に回転駆動される。また、感光体ドラム１は、任意の速度でステップ回転することも可能になっている。

感光体ドラム１の表面は、帯電手段としてのローラ型の帯電部材である帯電ローラ２によって帯電させられる。一様に帯電した感光体ドラム１の表面は、像露光手段としての像露光装置（レーザービームスキャナ）３によって走査露光される。これにより、感光体ドラム１上に静電潜像が形成される。

感光体ドラム１に形成された静電潜像は、現像手段としての現像装置４によって現像剤であるトナーが供給されることにより、トナー像として現像される。感光体ドラム１に形成されたトナー像は、一次転写手段としてのローラ型の一次転写部材である一次転写ローラ９２の作用により、移動する中間転写体としての中間転写ベルト９１上に転写（一次転写）される。一次転写は、一次転写ローラ９２が中間転写ベルト９１を介して感光体ドラム１に押圧されることで形成された、中間転写ベルト９１と感光体ドラム１との接触部（ニップ部）である一次転写部（一次転写ニップ）において行われる。

一次転写工程後に感光体ドラム１上に残留したトナーは、感光体クリーニング手段としてのクリーニングブレード７によって回収される。

中間転写ベルト９１上に転写されたトナー像は、二次転写手段としてのローラ型の二次転写部材である二次転写内ローラ９６の作用により、転写材Ｐ上に転写（二次転写）される。二次転写は、二次転写内ローラ９６が中間転写ベルト９１を介して二次転写対向ローラ１０に押圧されることで形成された、中間転写ベルト９１と二次転写内ローラ９６との接触部（二次転写ニップ部）において行われる。転写材Ｐは、中間転写ベルト９１上のトナー像が二次転写部に搬送されてくるタイミングに合わせて、二次転写部に搬送されてくる。

二次転写内ローラ９６は直径２１ｍｍの導電性ローラで、材質は、ＳＵＳ、Ａｌ等が好ましい。二次転写内ローラあるいは二次転写外ローラのいずれかに、二次転写高圧を印加する事で中間転写ベルト９１上のトナーを、二次転写部を通過する記録紙Ｐに転写するが、ここでは二次転写外ローラにトナーの帯電極性と逆極性の高圧を印加することで、トナーを中間転写ベルト９１上から記録紙Ｐ上へ転写する。トナー像が転写された転写材Ｐは、定着手段としての定着装置１３に搬送され、ここでトナー像の定着を受けた後に、装置本体の外部に排出される。

フルカラー画像を形成する場合には、画像形成装置１００と通信可能に接続された外部ホスト装置（不図示）からの信号に従って、色分解された画像信号が生成される。そして、この信号に応じて、各画像形成部ＰＹ、ＰＭ、ＰＣ、ＰＢｋにおいて、各色のトナー像が各感光体ドラム１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｂｋ上に形成される。そして、各感光体ドラム１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｂｋ上に形成された各色のトナー像は、中間転写ベルト９１上に順次に重ね合わせるようにして一次転写される。こうして中間転写ベルト９１上に形成された多重トナー像は、記録材Ｐに一括して二次転写される。二次転写工程後に中間転写ベルト９１上に残留したトナーは、中間転写体クリーニング手段としてのベルトクリーナ１１によって回収される。

（感光体ドラムの最表層での光の反射、および最表層の膜厚の決定）
ここで、感光体ドラム最表層での光の反射について説明する。図１は、感光体ドラムに入射された光の反射の様子を模式的に示した図である。感光体ドラム１に角度θ_１で入射した光は、感光体ドラムの最表層の表面と、最表層の裏面でそれぞれ反射する。それぞれの反射光をＲ_１、Ｒ_２とすると、Ｒ_１とＲ_２の位相差δ_１は式（１）のようになる。

ここで、λは光の波長、ｎ_１は最表層の屈折率であり、ｔ_１は最表層の膜厚を示している。同様に最表層を抜けた光は第２層の表面と、第２層の裏面でもそれぞれ反射する。ここで、それぞれの反射光をＲ_３、Ｒ_４とすると、Ｒ_３とＲ_４の位相差δ_２は式（２）のようになる。

ここで、ｎ_２は最表層の屈折率であり、ｔ_２は最表層の膜厚である。なお、空気の屈折率ｎ_０＝１であることから、θとφはスネルの法則から、式（３）および式（４）の関係がある。

分光センサで検知される光は、Ｒ_１とＲ_２とが干渉した光に、Ｒ_３とＲ_４が干渉した光を足し合わせたものになる。一例を図２に示す。図２のグラフは、ＯＣＬ＝５ｕｍ、ＣＴＬ＝２０ｕｍのＯＰＣドラム表層を光干渉膜厚計測した際の干渉波形である。

ＯＣＬによる干渉波形とＣＴＬによる干渉波形が重畳した波形に対して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いて、フィルタリング処理を行い、ＯＣＬによる干渉波形とＣＴＬによる干渉波形を分離する。具体的には、図３に示すように、波数を０．１ｎｍ^−１と設定することで、図４のようにＯＣＬによる干渉波形（ｉ）と、ＣＴＬによる干渉波形（ｉｉ）を分離することができる。

分離されたＯＣＬによる干渉波形に対して、光干渉膜厚計測の処理を行う。干渉光の光量が極値になるのは、位相差がπの整数倍のときであるため、反射光量は図５のように膜厚ｔに応じた波長で極値を複数持つ波形になる。式（１）にδ_１＝ｋπ（ｋは整数）を代入して、式（５）のように変形することができ、各極値点において最表層の膜厚ｔ_ｉを求めることができる。

ここで、λ_ｉは反射光量が極値になるときの波長を示している。また、ｋは反射光量が極大のときは偶数であり、極小のときは奇数である。５６０〜６４０ｎｍの波長範囲での極値を複数検出し、波長λと屈折率ｎを代入し、複数の極値より得られる膜厚ｔ_ｉのばらつきが最小になるようにｋを定め、ばらつきが最小になったときのｔ_ｉの平均値を感光体ドラム１の最表層の膜厚ｔとして決定する。

よって、以下の構成を特徴とする、周波数によるフィルタ光干渉膜厚計測方法を備えた画像形成装置とすることで、上述した課題を解決することができる。

（膜厚検知手段）
図８に示すように、膜厚検知手段としての分光センサ６は、現像装置４と一次転写ニップの間に設けた。図１０は、本実施形態における分光センサ６の構造を示す図である。分光センサ６は、感光体ドラム１表層に光を照射する白色ＬＥＤ６ａ、反射した光を波長ごとに分光する分光手段６ｄ、分光手段６ｄにより波長ごとに分解された光を検出するｎ画素から成るラインセンサ６ｅ（６ｅ−１〜６ｅ−ｎ）、ラインセンサ６ｅにより検出された各画素の光強度値から各種演算を行う演算部６ｆ、各種データを保存するメモリ６ｇが内蔵されている。膜厚測定用光源制御手段Ｖ１３により白色ＬＥＤ６ａの電源は、ＯＮ・ＯＦＦを制御できるように構成する。

演算部６ｆは例えば、光強度値から分光演算する分光演算部を有する。また、分光センサ６の構成において白色ＬＥＤ６ａから照射された光を感光体ドラム１上に集光するレンズ６ｂ、またトナーパッチから反射した光を分光手段６ｄに集光するレンズ６ｃが内蔵されている構成をとっても良い。

図１１は、本実施形態において使用する白色ＬＥＤの波長スペクトルを示している。図１１に示すように、本実施形態において測定領域として使用する波長範囲で光量がブロードになっているので、正確な測定が可能となる。また、可視光域に広く波長スペクトルを持つその他の光源として、白熱電球やハロゲンランプなどを用いても良い。

分光手段６ｄは、可視光域に分光領域を持ち、分光分解能０．３ｎｍ／素子の回折格子を用いる。その他、回折格子の代わりに、プリズムなどを用いても良い。ラインセンサ６ｅは、可視光域に感度を持ち、受光素子数５１２のＣＣＤラインセンサを使用する。その他のラインセンサ６ｅとして、フォトダイオードなどを用いても良い。

ラインセンサ６ｅのデータは高速フーリエ変換演算回路Ｖ１０によりＦＦＴフィルタリング処理を行い、波数０．１ｎｍ^−１以下を抜き出したＯＣＬによる干渉波形に対して、感光体ドラム１の最表層の膜厚ｔとして決定する。本実施形態における感光体ドラム１のＯＣＬおよびＣＴＬの屈折率は、５００〜６５０ｎｍにおいて、ｎ_１＝１．６、ｎ_２＝１．６５、ｎ_３＝１．７でほぼ一定である。

（膜厚計測フローチャート）
本実施形態における膜厚計測手順について、図１２を用いて説明する。Ｓ１０１で画像形成を行い、画像形成が終了した後、感光体ドラム１駆動手段と中間転写ベルト９１の駆動を停止する（Ｓ１０２）。印刷枚数カウント手段Ｖ９によってカウントされた印刷枚数が所定枚数に達しているかＳ１０３で確認する。本実施形態では、１０００枚に１度、膜厚計測を行うものとし、印刷枚数が１０００の倍数を超えた場合にＳ１０４に進むものとする。

次に、感光体ドラム１の膜厚計測位置を決めるため、感光体ドラム１の位相を測定開始点に合わせる（Ｓ１０４）。本実施形態においては、図１３に示すように、測定開始点に合わせるために、感光体ドラム１のフランジ部に回転方向を規定するための感光体ドラムフランジ部ホームポジションＶ７を設けておき、感光体ドラムフランジ部ホームポジションＶ７を感光体ドラムホームポジション検知手段Ｖ８が検知したタイミングで感光体ドラムの駆動を停止することにする。本実施形態では、感光体ドラムホームポジション検知手段Ｖ８ではレーザ変位計を用いる。このとき、感光体ドラム１は、正確に位相を合わせるために低速（１０ｍｍ／ｓｅｃ）でステップ駆動するものとする。

測定開始点に感光体ドラム１が固定されたら、膜厚測定用光源制御手段Ｖ１３により白色ＬＥＤ６ａの電源をＯＮにする（Ｓ１０５）。次に、Ｓ１０６において測定が終了したら、感光体ドラム１を１ステップだけステップ駆動させる（Ｓ１０７）。本実施形態では、測定光のビーム径が２ｍｍであり、周方向に対して隙間なく測定を行うため、１ステップで感光体ドラム１が周方向に２ｍｍだけ回転駆動させる。

感光体ドラム１の駆動が終了したら、Ｓ１０６と同様の方法で反射光量を測定する（Ｓ１０８）。Ｓ１０７〜Ｓ１０８を感光体ドラム１が１周するまで繰り返す（Ｓ１０９）。本実施形態では、前述の感光体ドラムフランジ部ホームポジションＶ７を感光体ドラムホームポジション検知手段Ｖ８が検知したら、感光体ドラム１が１周したものとみなす。

Ｓ１０６〜Ｓ１０９で感光体ドラム１一周の分光センサ６による測定が終了したら、反射光量の波形より前述の方法で各測定点の最表層の膜厚ｔ１を算出する（Ｓ１１０）。

次に、Ｓ１１１において、最小の膜厚部分が、所定厚さ以上か否かを判定する。ここでの所定厚さは、感光体ドラム１の最表層に最低限必要な膜厚を示しており、帯電不良などの不良が生じない最低限の膜厚を設定する。本実施形態では所定厚さを３ｕｍと設定した。Ｓ１１１において、所定厚さ未満と判定した場合には、感光体ドラム１は寿命に達したと判断され、ユーザに感光体ドラムの交換を促すメッセージを情報表示パネルＶ４に表示させる（Ｓ１１２）。感光体ドラム１の膜厚が所定の厚さ以上である場合には、制御を終了する。

上述した実施形態では、像担持体の最表層の表面での干渉波形と、内側の層での干渉波形が重畳して膜厚測定誤差が大きくなることを抑制できる。そして、摩耗量が少ないＯＣＬを備える感光体ドラムにおける膜厚管理が可能となり、安定して動作可能な画像形成装置を提供することができる。

（その他の実施形態）
上述した実施形態では感光体ドラムについて記載したが、透明体が多層コートされたベルト体であっても問題なく使用できる。

１ 感光体ドラム
２ 帯電ローラ
３ 露光手段
４ 現像手段
５ トナー補給ユニット
６ 分光センサ
７ 感光体ドラムクリーニングブレード
８ プロセスカートリッジ
９ 中間転写ユニット
１０ 二次転写対向ローラ
１１ 中間転写体清掃手段
１２ 給紙ローラ
１３ 定着手段
１９ 感光体ドラム駆動手段
２０ 中間転写ベルト駆動手段
４０ 現像容器
４１ 現像スリーブ
４２ 現像剤規制ブレード
４３、４４ 現像剤攪拌部材
４５ トナー濃度検知センサ
４６ 現像剤
９１ 中間転写ベルト
９２ 一次転写ローラ
９３ １次転写電圧電源
９４ 駆動ローラ
９５ テンションローラ
９６ 二次転写内ローラ
Ｐ 転写材
Ｌ 画像露光
Ｖ１ 帯電高圧電源
Ｖ３ ＣＰＵ
Ｖ４ 情報表示パネル
Ｖ６ 現像高圧電源
Ｖ７ 感光体ドラムフランジ部ホームポジション
Ｖ８ 感光体ドラムホームポジション検知手段
Ｖ９ 印刷枚数カウント手段
Ｖ１０ 高速フーリエ変換演算回路
Ｖ１３ 膜厚測定用光源制御手段

Claims (3)

1. 多層構成の像担持体と、
   該像担持体に所定の波長領域の光を照射する光源と、前記像担持体の表面で反射した光を分光する分光手段と、該分光手段によって分光された光を検出する光センサを備え、照射された光が最表層と内側の層で反射し前記光センサまで到達する場合に、反射光の分光スペクトル強度に対して周波数解析を行うことで、前記像担持体の最表層の表面での干渉波形と、内側の層での干渉波形を分離することで前記像担持体の最表層の膜厚を演算する膜厚検知手段と、
   を備えることを特徴とする画像形成装置。
2. 演算された膜厚に応じてアラームを表示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. 前記像担持体として有機系感光体を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。