JP2021140051A - 三次元磁気センサを用いたトナー濃度の検出 - Google Patents

Abstract

【課題】現像剤のトナー濃度を低コストで安定して検知する手段の提供。【解決手段】本開示は、現像剤のトナー濃度を検出する画像形成装置を提供する。画像形成装置は、トナー及びキャリアを含む現像剤を格納する容器と、容器内に配置された磁石と、磁石により生成された磁束のｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を検知する三次元磁気センサと、検知されたｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分の合成値に基づいて、容器内の現像剤のトナー濃度を判定するプロセッサとを含む。【選択図】図２

Description

画像形成装置では、良好な画像を安定して形成するために、現像剤のトナー濃度を一定に維持することが求められる。そのため、画像形成装置によっては、透磁率センサや光学センサのようなセンサを用いて、現像剤のトナー濃度を検知するものがある。

本開示の一例による、画像形成装置を示す図である。 本開示の一例による、三次元磁気センサを有する現像装置を示す図である。 本開示の一例による、三次元磁気センサを有する現像装置を示す図である。 本開示の一例による、現像装置の撹拌搬送装置に取り付けられた磁石を示す図である。 本開示の一例による、トナー濃度と磁束密度のピーク値との相関関係を示すグラフである。 本開示の一例による、撹拌搬送装置の一回転の間に検知された磁束密度を示すグラフである。 本開示の一例による、撹拌搬送装置に取り付けられた磁石を示す図である。 本開示の一例による、トナー濃度と磁束密度のピーク値との相関関係を示すグラフである。 本開示の一例による、撹拌搬送装置の一回転の間に検知された磁束密度を示すグラフである。 本開示の一例による、撹拌搬送装置に取り付けられた磁石を示す図である。 本開示の一例による、トナー濃度と磁束密度のピーク値との相関関係を示すグラフである。 本開示の一例による、撹拌搬送装置の一回転の間に検知された磁束密度を示すグラフである。 本開示の一例による、三次元磁気センサを有する現像装置を示す図である。 本開示の一例による、三次元磁気センサを有する現像装置を示す図である。 本開示の一例による、トナー濃度と磁束密度との相関関係を示すグラフである。 本開示の一例による、現像剤のトナー濃度を検出する画像形成装置の製造方法を示すフロー図である

本開示は、現像剤のトナー濃度を検出する画像形成装置を提供する。画像形成装置は、トナー及びキャリアを含む現像剤を格納する容器と、前記容器内に配置された磁石と、前記磁石により生成された磁束のｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を検知する三次元磁気センサと、前記検知されたｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分の合成値に基づいて、前記容器内の前記現像剤のトナー濃度を判定するプロセッサとを含む。

一態様において、前記画像形成装置は、前記容器内に配置された攪拌搬送装置をさらに含み、前記磁石は、前記撹拌搬送装置に結合され、前記三次元磁気センサは、前記撹拌搬送装置に対向して配置されている場合がある。前記三次元磁気センサは、前記容器内に検知面を有する場合がある。あるいは、前記三次元磁気センサは、前記容器の外部に配置され、前記磁石により生成された前記磁束の前記ｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を前記容器の壁を通して検知する場合がある。前記プロセッサは、前記撹拌搬送装置の１以上の回転の間に検知された前記磁束の前記ｘ、ｙ及びｚ方向の前記磁束密度成分の合成値のピーク値又はピーク値の平均値に基づいて、前記容器内の前記現像剤のトナー濃度を判定する場合がある。

前記磁石は、前記撹拌搬送装置の回転方向の両端に磁極を有する両面単極着磁型の磁石である場合がある。前記磁石は、前記撹拌搬送装置の回転軸の半径方向の両端に磁極を有する両面単極着磁型の磁石である場合がある。前記磁石は、前記撹拌搬送装置の回転方向の前縁部又は後縁部に複数の磁極を有する片面多極着磁型の磁石である場合がある。

前記撹拌搬送装置は、第１の撹拌搬送装置と、前記第１の撹拌搬送装置よりも低い位置に配置された第２の撹拌搬送装置とを含み、前記三次元磁気センサは、前記第２の撹拌搬送装置に対向して配置されている場合がある。

他の態様において、前記画像形成装置は、前記容器内に配置された攪拌搬送装置と、前記容器内に配置され、前記容器の開口部を通して前記現像剤を感光体に供給する現像ローラとをさらに含み、前記現像ローラは、前記磁石を含み、前記三次元磁気センサは、前記現像ローラに対向して配置されている場合がある。

前記三次元磁気センサは、前記現像ローラの回転方向において、層規制部材の下流側に配置されている場合がある。前記三次元磁気センサは、前記容器内に検知面を有する場合がある。あるいは、前記三次元磁気センサは、前記容器の外部に配置され、前記磁石により生成された前記磁束の前記ｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を前記容器の壁を通して検知する場合がある。前記プロセッサは、前記現像ローラの１以上の回転の間に検知された前記磁束の前記ｘ、ｙ及びｚ方向の前記磁束密度成分の合成値の平均値に基づいて、前記容器内の前記現像剤のトナー濃度を判定する場合がある。

本開示は、現像剤のトナー濃度を検出する画像形成装置を製造する方法を提供する。この方法は、トナー及びキャリアを含む現像剤を格納する容器を設け、前記容器内に磁石を配置し、前記磁石により生成された磁束のｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を検知する三次元磁気センサを設け、前記検知された前記ｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分の合成値に基づいて、前記容器内の前記現像剤のトナー濃度を判定するプロセッサを設けることを含む。

以下、図面を参照して、本開示の種々の例について詳しく説明する。

図１は、本開示の一例による、画像形成装置１を示している。画像形成装置１は、４つのトナー色（マゼンタ、イエロー、シアン及びブラック）の各々について、トナーボトルＮ、現像装置２０、感光体ドラム４０、帯電ローラ４１、及びクリーニングユニット４３を含む。画像形成装置１は、記録媒体搬送ユニット７０と、転写装置３０と、露光ユニット４２と、定着装置５０と、排出装置６０とを含む。転写装置３０は、中間転写ベルト３１と、中間転写ベルト３１を循環運動可能に懸架する懸架ローラ３４、３５、３６、３７と、４つの感光体ドラム４０にそれぞれ対応する４つの一次転写ローラ３２と、用紙Ｐを中間転写ベルト３１に対して押圧しながら中間転写ベルト３１の動きに従動して回転する二次転写ローラ３３とを含む。懸架ローラ３７は、中間転写ベルト３１を矢印で示された方向に循環運動させる駆動ローラである。画像形成装置１は、画像形成装置１の種々の構成要素の動作を制御するプロセッサ８０と、プロセッサ８０により実行される種々の制御命令や関連データを記憶するメモリ８２とを含む。プロセッサ８０は、コントローラ８０であってもよい。

画像形成装置１は、各感光体ドラム４０を対応する帯電ローラ４１によって帯電させ、その上に、対応する色の画像データに従って露光ユニット４２により静電潜像を形成した後、その静電潜像を、対応する現像装置２０によって対応するトナーボトルＮからのトナーで現像し、トナー像を形成する。４つの感光体ドラム４０上にそれぞれ形成された４色のトナー画像は、次に、一次転写ローラ３２によって中間転写ベルト３１上に順番に積層され、一つのトナー画像に合成される。中間転写ベルト３１上に合成されたトナー画像は、その後、二次転写ローラ３３によって用紙Ｐ上に転写され、加熱ローラ５２と加圧ローラ５４からなる定着装置５０によって用紙Ｐ上に定着される。用紙Ｐは、記録媒体搬送ユニット７０によって、カセットＫから一枚ずつ搬送経路Ｐ１に沿って搬送され、二次転写ローラ３３による前記トナー画像の転写を受けた後、排出ローラ６２、６４からなる排出装置６０によって排出される。

図２及び図３は、画像形成装置１において実施可能な、一例による現像装置１００を示している。現像装置１００は、現像剤（図示せず）を格納する容器１０１と、容器１０１内に配置された第１の撹拌搬送装置１１０及び第２の撹拌搬送装置１２０とを含む。現像剤は、トナーと磁性キャリアとを含む。

第１の撹拌搬送装置１１０は、現像剤を攪拌しながら方向Ｄ１に搬送し、隔壁１０２の開口部１０３を通して現像剤を第２の撹拌搬送装置１２０に受け渡す。第２の撹拌搬送装置１２０は、現像剤を攪拌しながら方向Ｄ１とは反対の方向Ｄ２に搬送し、隔壁１０２の開口部１０４を通して現像剤を第１の撹拌搬送装置１１０に受け渡す。このようにして、現像剤は、容器１０１内で循環的に搬送される。

現像装置１００は、容器１０１内に、第１の撹拌搬送装置１１０に対向して配置された現像ローラ１３０を含む。現像ローラ１３０は、磁石を含むコア１２８と、コア１２８の周りに配置された回転可能なスリーブ１２９とを含む。現像ローラ１３０は、第１の撹拌搬送装置１１０から現像剤の一部を磁力で吸着し、吸着した現像剤を、容器１０１の開口部１０５を通して感光体ドラム４０に供給する。

第１の撹拌搬送装置１１０は、回転軸１１２と、回転軸１１２の周りに延びるオーガー１１４とを含む。オーガー１１４は、代わりに、スクリュー１１４であってもよい。第２の撹拌搬送装置１２０は、回転軸１２２と、回転軸１２２の周りに延びるオーガー１２４とを含む。オーガー１２４は、代わりに、スクリュー１２４であってもよい。

容器１０１内の現像剤のトナー濃度を検出するために、現像装置１００は、磁石１４０と、三次元（３Ｄ）磁気センサ１６０とを有する。本明細書において、「トナー濃度」とは、現像剤中のトナーの重量パーセント濃度を意味する。特定方向の磁束密度成分のみを検知する一次元の磁気センサを使用した場合であっても、原理的には、検知された特定方向の磁束密度成分からトナー濃度を判定することは可能である。しかしながら、その場合、センサや磁石の取付けの位置や角度が僅かでもずれると、検知される磁束密度成分は大きく低下することになり、トナー濃度を正確に検知することが難しくなる。本開示によれば、三次元磁気センサにより検知されたｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分の合成値に基づいてトナー濃度を判定することで、磁石１４０及び／又は三次元磁気センサ１６０の取付けの位置や角度の誤差による影響を大幅に低減することが可能となる。

図４（ａ）〜図４（ｃ）は、磁石１４０の詳細を示している。図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＡ−Ａ線端面図である。図４（ｃ）は、図４（ｂ）における磁石１４０付近の拡大図である。オーガー１２４は、回転軸１２２に沿って真っ直ぐに延びる攪拌板１２４ａを含み、磁石１４０は、撹拌板１２４ａの一方の面に両面粘着テープで接着されている。磁石１４０は、両面粘着テープの代わりに、接着剤や他の接着手段で接着されてもよい。磁石１４０を例えばこのような形で第２の撹拌搬送装置１２０に結合することにより、現像剤の撹拌や搬送に大きな影響を及ぼすことなく、磁束を生成することができる。

磁石１４０は、オーガー１２４の回転方向の両端に磁極を有する両面単極着磁型の磁石である。ＮとＳの磁極は、図４（ｃ）に示したものとは逆であってもよい。両面単極着磁型の磁石１４０は、磁石１４０や三次元磁気センサ１６０の取付けの位置や角度の誤差の影響を受けにくい点で、片面単極着磁型の磁石よりも有利である。中でも、オーガー１２４の回転方向の両端に磁極を有する磁石１４０は、磁石からの距離による磁束密度の減衰が少ない点で有利である。

三次元磁気センサ１６０は、図２に示されるように、容器１０１内に検知面１６４を有する形で、第２の撹拌搬送装置１２０に対向して配置されている。図示の例では、三次元磁気センサ１６０は、ベース部材１６２に接着され、容器１０１の壁に形成された開口部に嵌め込まれている。検知面１６４を容器１０１内に配置することにより、磁石１４０から検知面１６４までの距離が短縮され、トナー濃度を高精度で検知することが可能となる。また、検知面１６４を容器１０１内に配置することにより、オーガー１２４の回転時に、磁石１４０に吸着された現像剤で検知面１６４を掃除することができ、安定した磁束密度の検知が可能となる。さらに、第１の撹拌搬送装置１１０よりも低い位置に配置された第２の撹拌搬送装置１２０はその周りに現像剤が滞留しやすいため、三次元磁気センサ１６０を第２の撹拌搬送装置１２０に対向して配置することで、トナー濃度を高精度で検知することが可能となる。ただし、図１３を参照して後述するように、三次元磁気センサは、容器２０１の外部に配置されてもよい。

三次元磁気センサ１６０は、磁石１４０により当該センサの位置に生成された磁束のｘ、ｙ及びｚ方向（すなわち、互いに直交する三軸に沿った方向）の磁束密度成分を検知し、検知されたｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を示す信号（例えば、電圧信号）をプロセッサ８０に出力する。ｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を検知するそのような三次元磁気センサの一例は、ＡＫＭ（旭化成マイクロデバイス）社から市販されているＡＫ０９９７０Ｎである。ただし、他の三次元磁気センサを使用してもよい。

プロセッサ８０は、三次元磁気センサ１０６によって検知されたｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分の合成値（すなわち、合成ベクトルの大きさ）を計算し、合成値に基づいて、容器１０１内の現像剤のトナー濃度を判定する。ｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分をＢｘ、Ｂｙ、Ｂｚ［ｍＴ］とした場合、ｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分の合成値Ｂ［ｍＴ］（以下単に、「磁束密度」と呼ぶ）は、Ｂ＝（Ｂｘ^２＋Ｂｙ^２＋Ｂｚ^２）^１／２で計算することができる。

磁石１４０から三次元磁気センサ１６０までの距離が一定であると仮定した場合、三次元磁気センサ１６０で検知された磁束の磁束密度が大きくなるほど、容器１０１内の現像剤のトナー濃度は、高くなる。磁束密度とトナー濃度との間のこの相関関係が分かっていれば、三次元磁気センサ１６０で検知された磁束の磁束密度から、容器１０１内の現像剤のトナー濃度を判定することができる。しかしながら、磁石１４０をオーガー１２４に結合した場合、三次元磁気センサ１６０から磁石１４０までの距離は、オーガー１２４の回転に伴って周期的に変化する。そのため、容器１０１内のトナー濃度を、三次元磁気センサ１６０で検知された磁束密度から単純に判定することはできない。そこで、本開示では、プロセッサ８０は、この距離の変動を実質的に無効化するために、オーガー１２４の回転中に検知された磁束密度の「ピーク値」に着目して、容器１０１内の現像剤のトナー濃度を判定する。磁束密度のピーク値は、回転する磁石１４０が三次元磁気センサ１６０に最も近い位置にあるときの磁束密度に相当する。

トナー濃度の判定に先立って、メモリ８２には、現像装置１００に取り付けられた磁石１４０及び三次元磁気センサ１６０を使用して測定された磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係（例えば、後述する図５、図８又は図１１に示されるような相関関係）を示すデータが、予め記憶される。この相関関係は、例えば、工場で測定され、メモリ８２に記憶される場合がある。ただし、三次元磁気センサ１６０は、地磁気や周囲温度、及びトナーボトル内の現像剤の量等の影響を受けることがある。そのため、これらの影響を排除するために、画像形成装置１は、画像形成装置１の設置場所が変更されたり、トナーボトルが交換されたときは、メモリ８２に記憶された相関関係を、キャリブレーションすることができる。キャリブレーションは、例えば、容器１０１に現像剤が入っていない状態、及び容器１０１に所定のトナー濃度の現像剤が入っている状態の各々において、三次元磁気センサ１６０の出力をプロセッサ８０で取得することにより実施される。ただし、キャリブレーションの方法は、この方法に限られない。

図５は、磁石１４０を含む現像装置１００において測定された磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係の一例を示している。図示のように、トナー濃度が約０〜１５％の範囲では、磁束密度（ピーク値）を、概ね一次関数で近似することができる。この相関関係は、一次関数ｆ＝ａｘ＋ｂの形でメモリ８２に予め記憶されてもよいし、ルックアップテーブルの形でメモリ８２に予め記憶されてもよい。三次元磁気センサ１６０によれば、磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係が直線的であるため、対数特性を有する透磁率センサに比べて広範囲で正確にトナー濃度を検出することができる。

磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係がメモリ８２に記憶された後、プロセッサ８０は、画像形成装置１の動作中に、例えば、オーガー１２４が１回転する間に三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束密度の「ピーク値」から、メモリ８２から読み出した磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係に基づいて、容器１０１内の現像剤のトナー濃度を判定することができる。例えば、プロセッサ８０は、オーガー１２４が１回転する間に、三次元磁気センサ１６０からの出力を一定の時間間隔でサンプリングし、サンプリングされたｘ、ｙ、及びｚ方向の磁束密度成分から磁束密度の合成値を計算し、合成値のピーク値を判定することができる。また、相関関係がルックアップテーブルの形で記憶されている場合、プロセッサ８０は、ルックアップテーブルに補間を適用して、トナー濃度を判定することができる。

図６は、磁石１４０を含む現像装置１００において、オーガー１２４が１回転する間に三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束の磁束密度の一例を示している。横軸は、回転軸１２２を中心とする磁石１４０の相対角度位置［deg］である。縦軸は、三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束の磁束密度［ｍＴ］である。この例では、検知された磁束密度の「ピーク値」は、約８．５［ｍＴ］である。したがって、プロセッサ８０は、例えば図５に一次関数で示したような相関関係から、トナー濃度は、約６．５［重量％］であるものと判定することができる。もし判定されたトナー濃度が所定の適正動作範囲（例えば、約６％〜１２％）外であった場合、プロセッサ８０は、トナー濃度を調節すべきことをトナー補給機構（図示せず）に命じることができる。

トナー濃度の検知精度を向上させるために、プロセッサ８０は、オーガー１２４が複数回回転する間に三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束密度のピーク値の平均値に基づいて、容器１０１内の現像剤のトナー濃度を判定してもよい。例えば、プロセッサ８０は、各回転につき１つのピーク値を判定する場合がある。

図７（ａ）〜図７（ｃ）は、現像装置１００において実施可能な、他の例による磁石１４０Ａを示している。図７（ｂ）は、図７（ａ）におけるＢ−Ｂ線端面図である。図７（ｃ）は、図７（ｂ）における磁石１４０Ａ付近の拡大図である。オーガー１２４は、回転軸１２２に沿って真っ直ぐに延びる攪拌板１２４ａを含み、磁石１４０Ａは、撹拌板１２４ａの一方の面に両面粘着テープで接着されている。磁石１４０Ａは、両面粘着テープの代わりに、接着剤や他の接着手段で接着されてもよい。磁石１４０Ａを例えばこのような形で第２の撹拌搬送装置１２０に結合することにより、現像剤の撹拌や搬送に大きな影響を及ぼすことなく、磁束を生成することができる。

磁石１４０Ａは、オーガー１２４の回転軸１２２の半径方向の両端に磁極を有する両面単極着磁型の磁石である。ＮとＳの磁極は、図７（ｃ）に示したものとは逆であってもよい。両面単極着磁型の磁石１４０Ａは、磁石１４０Ａや三次元磁気センサ１６０の取付けの位置や角度の誤差の影響を受けにくい点で、片面単極着磁型の磁石よりも有利である。

図８は、磁石１４０Ａを含む現像装置１００において測定された磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係の一例を示している。図示のように、トナー濃度が約０〜１５％の範囲では、磁束密度（ピーク値）を、概ね一次関数で近似することができる。この相関関係は、一次関数ｆ＝ａｘ＋ｂの形でメモリ８２に予め記憶されてもよいし、ルックアップテーブルの形でメモリ８２に予め記憶されてもよい。三次元磁気センサ１６０によれば、磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係が直線的であるため、対数特性を有する透磁率センサに比べて広範囲で正確にトナー濃度を検出することができる。

磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係がメモリ８２に記憶された後、プロセッサ８０は、画像形成装置１の動作中に、例えば、オーガー１２４が１回転する間に三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束密度の「ピーク値」から、メモリ８２から読み出した磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係に基づいて、容器１０１内の現像剤のトナー濃度を判定することができる。例えば、プロセッサ８０は、オーガー１２４が１回転する間に、三次元磁気センサ１６０からの出力を一定の時間間隔でサンプリングし、サンプリングされたｘ、ｙ、及びｚ方向の磁束密度成分から磁束密度の合成値を計算し、合成値のピーク値を判定することができる。また、相関関係がルックアップテーブルの形で記憶されている場合、プロセッサ８０は、ルックアップテーブルに補間を使用して、トナー濃度を判定することができる。

図９は、磁石１４０Ａを含む現像装置１００において、オーガー１２４が１回転する間に三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束の磁束密度の一例を示している。横軸は、回転軸１２２を中心とする磁石１４０Ａの相対角度位置［deg］である。縦軸は、三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束の磁束密度［ｍＴ］である。この例では、検知された磁束密度の「ピーク値」は、約１０．４［ｍＴ］である。したがって、プロセッサ８０は、例えば図８に一次関数で示したような相関関係から、トナー濃度は、約８．０［重量％］であるものと判定することができる。もし判定されたトナー濃度が所定の適正動作範囲（例えば、約６％〜１２％）から外れていた場合、プロセッサ８０は、トナー濃度を調節すべきことをトナー補給機構（図示せず）に命じることができる。

トナー濃度の検知精度を向上させるために、プロセッサ８０は、オーガー１２４が複数回回転する間に三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束密度のピーク値の平均値に基づいて、容器１０１内の現像剤のトナー濃度を判定してもよい。例えば、プロセッサ８０は、各回転につき１つのピーク値を判定する場合がある。

図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、現像装置１００において実施可能な、他の例による磁石１４０Ｂを示している。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）におけるＣ−Ｃ線端面図である。図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）における磁石１４０Ｂ付近の拡大図である。オーガー１２４は、回転軸１２２に沿って真っ直ぐに延びる攪拌板１２４ａを含み、磁石１４０Ｂは、撹拌板１２４ａの一方の面に両面粘着テープで接着されている。磁石１４０Ｂは、両面粘着テープの代わりに、接着剤や他の接着手段で接着されてもよい。磁石１４０Ｂを例えばこのような形で第２の撹拌搬送装置１２０に結合することにより、現像剤の撹拌や搬送に大きな影響を及ぼすことなく、磁束を生成することができる。

磁石１４０Ｂは、オーガー１２４の回転方向の一端に磁極を有する片面多極着磁型の磁石である。磁石１４０Ｂは、オーガー１２４の回転方向の前縁部に沿ってＮとＳの磁極を交互に有している。あるいは、磁石３０４は、図１０（ｃ）に示したものとは反対に、オーガー１２４の回転方向の後縁部に沿ってＮとＳの磁極を交互に有していてもよい。片面多極着磁型の磁石１４０Ｂは、後述するピーク値の判定の際のピーク値のサンプリング誤差が比較的小さい点で有利である。

図１１は、磁石１４０Ｂを含む現像装置１００において測定された磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係の一例を示している。図示のように、トナー濃度が約０〜１５％の範囲では、磁束密度（ピーク値）を、概ね一次関数で近似することができる。この相関関係は、一次関数ｆ＝ａｘ＋ｂの形でメモリ８２に予め記憶されてもよいし、ルックアップテーブルの形でメモリ８２に予め記憶されてもよい。三次元磁気センサ１６０によれば、磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との相関関係が直線的であるため、対数特性を有する透磁率センサに比べて広範囲で正確にトナー濃度を検出することができる。

磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係がメモリ８２に記憶された後、プロセッサ８０は、画像形成装置１の動作中に、例えば、オーガー１２４が１回転する間に三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束密度の「ピーク値」から、メモリ８２から読み出した磁束密度（ピーク値）とトナー濃度との間の相関関係に基づいて、容器１０１内の現像剤のトナー濃度を判定することができる。例えば、プロセッサ８０は、オーガー１２４が１回転する間に、三次元磁気センサ１６０からの出力を一定の時間間隔でサンプリングし、サンプリングされたｘ、ｙ、及びｚ方向の磁束密度成分から磁束密度の合成値を計算し、合成値のピーク値を判定することができる。また、相関関係がルックアップテーブルの形で記憶されている場合、プロセッサ８０は、ルックアップテーブルに補間を使用して、トナー濃度を判定することができる。

図１２は、磁石１４０Ｂを有する現像装置１００において、オーガー１２４が１回転する間に三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束の磁束密度の一例を示している。横軸は、回転軸１２２を中心とする磁石１４０Ｂの相対角度位置［deg］である。縦軸は、三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束の磁束密度［ｍＴ］である。この例では、磁束密度の「ピーク値」は、約３．１［ｍＴ］である。したがって、プロセッサ８０は、例えば図１１に一次関数で示したような相関関係から、トナー濃度は、約８．０［重量％］であるものと判定することができる。もし判定されたトナー濃度が所定の適正動作範囲（例えば、約６％〜１２％）から外れていた場合、プロセッサ８０は、トナー濃度を調節すべきことをトナー補給機構（図示せず）に命じることができる。

トナー濃度の検知精度を向上させるために、プロセッサ８０は、オーガー１２４が複数回回転する間に三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束密度のピーク値の平均値に基づいて、容器１０１内の現像剤のトナー濃度を判定してもよい。例えば、プロセッサ８０は、各回転につき１つのピーク値を判定する場合がある。

図１３は、画像形成装置１において実施可能な、他の例による現像装置２００を示している。現像装置２００は、現像装置１００に類似しているが、三次元磁気センサ２６０が、容器２０１の外部に配置され、当該センサの位置に生成された磁束のｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を容器２０１の壁を通して検知する点で、現像装置１００とは相違する。三次元磁気センサ２６０は、容器２０１の外面に固定部材２６２によって固定されている。固定部材２６２は、容器２０１の外面に形成された窪みに嵌め込まれている。あるいは、三次元磁気センサ２６０は、例えば両面粘着テープや接着剤によって容器２０１の外面に直接接着されてもよい。現像装置２００は、三次元磁気センサ２６０の取付けが容易である点で有利である。現像装置２００は、磁石１４０と同様の磁石２４０を有している。ただし、現像装置２００は、磁石２４０の代わりに、図７に示した磁石１４０Ａと同様の磁石２４０Ａ（図示せず）、又は、図１０に示した磁石１４０Ｂと同様の磁石２４０Ｂ（図示せず）を有していてもよい。現像装置１００の構成要素に対応する現像装置２００の構成要素には、現像装置１００の構成要素の参照符号に「１００」を加えた参照符号を付すことによって、重複する説明を省略する。

図１４は、他の画像形成装置で実施される、他の例による現像装置３００を示している。現像装置３００は、現像装置１００に類似しているが、三次元磁気センサ３６０が、現像ローラ３３０に対向して配置され、磁石３４０が、現像ローラ３３０に含まれる点で、現像装置１００とは相違する。また、第１の撹拌搬送装置３１０、第２の撹拌搬送装置３２０、及び現像ローラ３３０の回転方向は、現像装置１００におけるものとは反対である。現像装置１００の構成要素に対応する現像装置３００の構成要素には、現像装置１００の構成要素の参照符号に「２００」を加えた参照符号を付すことによって、重複する説明を省略する。

現像装置３００は、容器３０１内に、第１の撹拌搬送装置３１０に対向して配置された現像ローラ３３０を含む。現像ローラ３３０は、円筒形のコア３２８と、コア３２８の周りに配置された回転可能なスリーブ３２９とを含む。現像ローラ３３０は、第１の撹拌搬送装置３１０から現像剤の一部を磁束で吸着し、吸着した現像剤を、容器３０１の開口部３０５を通して感光体ドラム３７０に供給する。この目的のために、コア３２８は、コア３２８の周りに、例えば図示のように５つの磁極（すなわち、第１搬送極、現像極、第２搬送極、剥離極、及び層規制極）を形成する複数の磁石３４０を含む。

現像装置３００において、三次元磁気センサ３６０は、コア３２８内の磁石３４０によって生成された磁束の磁束密度を検知する。そのため、現像装置３００は、トナー濃度を判定するために磁石を新設する必要がなく、製造コストを低減できる点で有利である。

三次元磁気センサ３６０は、現像ローラ３３０に対向して配置される。三次元磁気センサ３６０は、容器３０１の外部に配置され、磁石３４０により生成された磁束のｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を容器３０１の壁を通して検知する。三次元磁気センサ３６０は、容器３０１の外面に固定部材３６２によって固定されている。固定部材３６２は、容器３０１の外面に形成された窪みに嵌め込まれている。あるいは、三次元磁気センサ３６０は、例えば両面粘着テープや接着剤によって容器３０１の外面に直接接着されてもよい。

画像形成装置のプロセッサは、三次元磁気センサ３６０で検知された磁束のｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分の合成値（すなわち、合成ベクトルの大きさ）を計算し、合成値に基づいて、容器３０１内の現像剤のトナー濃度を判定する。上述のように、ｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分の合成値に基づいてトナー濃度を判定することにより、三次元磁気センサ３６０の取付けの位置や角度の誤差による影響を低減することが可能となる。トナー濃度の判定に先立って、画像形成装置のメモリには、現像装置３００に取り付けられた磁石３４０及び三次元磁気センサ３６０を使用して測定された磁束密度とトナー濃度との相関関係（例えば、後述する図１５に示されるような相関関係）を示すデータが、予め記憶される。

三次元磁気センサ３６０は、現像ローラ３３０の回転方向において、層規制部材３５０の下流側に配置されている。これによって、三次元磁気センサ３６０は、現像剤の搬送量が一定になった後の安定した状態で磁束密度を検知することができ、したがって、トナー濃度の検知精度を向上させることができる。例えば、三次元磁気センサ３６０は、現像ローラ３３０の回転方向において、層規制部材３５０の直後に配置される場合がある。

図１５は、現像装置３００を含む画像形成装置において測定された磁束密度とトナー濃度との間の相関関係の一例を示している。現像装置３００では、磁石３４０と三次元磁気センサ３６０との間の距離が一定であるため、図示のように、磁束密度は、トナー濃度に比例して増大している。この相関関係は、例えば、工場で測定され、一次関数ｆ＝ａｘ＋ｂの形で、画像形成装置のメモリに記憶される場合がある。ただし、三次元磁気センサ３６０は、地磁気や周囲温度、及びトナーボトル内の現像剤の量等の影響を受ける場合がある。そのため、これらの影響を排除するために、画像形成装置は、画像形成装置の設置場所が変更されたり、トナーボトルが交換されたときは、メモリに記憶された相関関係を、キャリブレーションすることができる。キャリブレーションは、例えば、容器３０１に現像剤が入っていない状態、及び容器３０１に所定のトナー濃度の現像剤が入っている状態の各々において、三次元磁気センサ３６０の出力をプロセッサで取得することにより実施される。ただし、キャリブレーションの方法は、この方法に限られない。

磁束密度とトナー濃度との間の相関関係が画像形成装置のメモリに記憶された後、画像形成装置のプロセッサは、画像形成装置の動作中に、例えば、現像ローラ３３０が１回転する間に三次元磁気センサ１６０によって検知された磁束密度の「平均値」から、メモリから読み出した磁束密度とトナー濃度との間の相関関係に基づいて、容器３０１内のトナー濃度を判定することができる。例えば、プロセッサ８０は、現像ローラ３３０が１回転する間に、三次元磁気センサ３６０からの出力をサンプリングし、サンプリングされたｘ、ｙ、及びｚ方向の磁束密度成分から磁束密度の合成値を計算し、合成値の平均値を計算することができる。平均値を計算することにより、現像ローラ３３０の回転による振動の影響を低減または排除することができる。例えば、検知された磁束密度の平均値が、１４．９［ｍＴ］であった場合、プロセッサは、例えば図１５に一次関数で示されたような相関関係から、トナー濃度は、約８．５［重量％］であるものと判定することができる。もし判定されたトナー濃度が所定の適正動作範囲（例えば、約６％〜１２％）から外れていた場合、プロセッサは、容器３０１内のトナー濃度を調節すべきことをトナー補給機構（図示せず）に命じることができる。

トナー濃度の検知精度を向上させるために、画像形成装置のプロセッサは、現像ローラ３３０が複数回回転する間に三次元磁気センサ３６０によって検知された磁束密度をサンプリングし、サンプリングされた磁束密度の平均値から、容器３０１内の現像剤のトナー濃度を判定してもよい。

また、他の例では、現像装置３００は、容器３０１の外部に配置された三次元磁気センサ３６０の代わりに、容器３０１内に検知面を有する形で、現像ローラ３３０に対向して配置された三次元磁気センサ（図示せず）を有していてもよい。三次元磁気センサの検知面を容器３０１内に配置することにより、磁石３４０から三次元磁気センサの検知面までの距離が短縮され、精度の高いトナー濃度の検知が可能となる。

図１６は、本開示の一例による、現像剤のトナー濃度を検出する画像形成装置の製造方法４００を示すフロー図である。製造方法４００は、ステップ４０２から開示され、ステップ４０４へ進み、そこで、トナー及びキャリアを含む現像剤を格納する容器を設ける。製造方法４００は、次にステップ４０６へ進み、そこで、容器内に磁石を配置する。製造方法４００は、次にステップ４０８へ進み、そこで、磁石により生成された磁束のｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を検知する三次元磁気センサを設ける。製造方法４００は、次にステップ４１０へ進み、そこで、検知されたｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分の合成値に基づいて容器内の現像剤のトナー濃度を判定するプロセッサを設ける。製造方法４００は、次にステップ４１２へ進み、そこで終了する。

上記の説明は、例示を目的とするものであり、本開示の範囲を制限するものではない。

１ 画像形成装置
１０１、２０１、３０１ 容器
１１０、２１０ 第１の撹拌搬送装置
１２０、２２０ 第２の撹拌搬送装置
１３０、２３０、３３０ 現像ローラ
１４０、１４０Ａ、１４０Ｂ、２４０、３４０ 磁石
１６０、２６０、３６０ 三次元磁気センサ

Claims (15)

1. 現像剤のトナー濃度を検出する画像形成装置であって、
   トナー及びキャリアを含む現像剤を格納する容器と、
   前記容器内に配置された磁石と、
   前記磁石により生成された磁束のｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を検知する三次元磁気センサと、
   前記検知されたｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分の合成値に基づいて、前記容器内の前記現像剤のトナー濃度を判定するプロセッサと
   を含む、画像形成装置。
2. 前記容器内に配置された攪拌搬送装置をさらに含み
   前記磁石は、前記撹拌搬送装置に結合され、
   前記三次元磁気センサは、前記撹拌搬送装置に対向して配置されている、請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記三次元磁気センサは、前記容器内に検知面を有する、請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記三次元磁気センサは、前記容器の外部に配置され、前記磁石により生成された前記磁束の前記ｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を前記容器の壁を通して検知する、請求項２に記載の画像形成装置。
5. 前記プロセッサは、前記撹拌搬送装置の１以上の回転の間に検知された前記磁束の前記ｘ、ｙ及びｚ方向の前記磁束密度成分の合成値のピーク値又はピーク値の平均値に基づいて、前記容器内の前記現像剤のトナー濃度を判定する、請求項２〜４の何れか一項に記載の画像形成装置。
6. 前記磁石は、前記撹拌搬送装置の回転方向の両端に磁極を有する両面単極着磁型の磁石である、請求項２〜５の何れか一項に記載の画像形成装置。
7. 前記磁石は、前記撹拌搬送装置の回転軸の半径方向の両端に磁極を有する両面単極着磁型の磁石である、請求項２〜５の何れか一項に記載の画像形成装置。
8. 前記磁石は、前記撹拌搬送装置の回転方向の前縁部又は後縁部に複数の磁極を有する片面多極着磁型の磁石である、請求項２〜５の何れか一項に記載の画像形成装置。
9. 前記撹拌搬送装置は、第１の撹拌搬送装置と、前記第１の撹拌搬送装置よりも低い位置に配置された第２の撹拌搬送装置とを含み、
   前記三次元磁気センサは、前記第２の撹拌搬送装置に対向して配置されている、請求項２〜８の何れか一項に記載の画像形成装置。
10. 前記容器内に配置された攪拌搬送装置と、
    前記容器内に配置され、前記容器の開口部を通して前記現像剤を感光体に供給する現像ローラと
    をさらに含み、
    前記現像ローラは、前記磁石を含み、
    前記三次元磁気センサは、前記現像ローラに対向して配置されている、請求項１に記載の画像形成装置。
11. 前記三次元磁気センサは、前記現像ローラの回転方向において、層規制部材の下流側に配置されている、請求項１０に記載の画像形成装置。
12. 前記三次元磁気センサは、前記容器内に検知面を有する、請求項１０または請求項１１に記載の画像形成装置。
13. 前記三次元磁気センサは、前記容器の外部に配置され、前記磁石により生成された前記磁束の前記ｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を前記容器の壁を通して検知する、請求項１０または請求項１１に記載の画像形成装置。
14. 前記プロセッサは、前記現像ローラの１以上の回転の間に検知された前記磁束の前記ｘ、ｙ及びｚ方向の前記磁束密度成分の合成値の平均値に基づいて、前記容器内の前記現像剤のトナー濃度を判定する、請求項１０〜１３の何れか一項に記載の画像形成装置。
15. 現像剤のトナー濃度を検出する画像形成装置を製造する方法であって、
    トナー及びキャリアを含む現像剤を格納する容器を設け、
    前記容器内に磁石を配置し、
    前記磁石により生成された磁束のｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分を検知する三次元磁気センサを設け、
    前記検知されたｘ、ｙ及びｚ方向の磁束密度成分の合成値に基づいて、前記容器内の前記現像剤のトナー濃度を判定するプロセッサを設けること
    を含む方法。
    
    

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