JP4653549B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式を利用する複写機、プリンタ、プロッタ、ファクシミリ、複合機などの画像形成装置に関する。

従来、感光体と、感光体を帯電させる帯電手段と、帯電された感光体を露光する露光手段と、露光された感光体にトナーを供給する手段と、トナーが供給された感光体に現像バイアス電圧を印加してトナー像を形成する現像手段と、感光体上に形成されたトナー像を記録紙に転写する転写手段とを有する画像形成装置であって、現像バイアス電圧とトナー量との関係を検出するトナー量検出手段と、トナー量検出手段の検出結果に応じて帯電手段、露光手段、現像手段および転写手段を制御する濃度制御手段とをさらに有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記開示の画像形成装置は、さらに、トナー量検出手段は、現像バイアス電圧とトナー量との関係を一次関数として検出し、帯電手段、露光手段、現像手段および転写手段それぞれの制御条件の組み合わせパターンを格納する条件格納手段をさらに有し、濃度制御手段は、現像バイアス電圧に基づいて、条件格納に予め格納されている制御条件の組み合わせパターンを選択し、帯電手段、露光手段、現像手段および転写手段を制御する。

この種の画像形成装置では、現像装置（現像手段）において、２成分現像剤が使用され、シート状媒体である用紙に出力する画像面積が低下すると、用紙に付着して消費されるトナー量が減少することから、現像装置内（現像手段）でのトナー入れ替え頻度が低下し、現像装置内で常時回転する現像スクリューにより同じトナーが繰り返し攪拌されることからトナー帯電量（Ｑ／Ｍ）が上昇し、感光体（像担持体）上の潜像電位とバランスするトナー付着量が減少することから、現像能力が低下し、画像濃度が低下することから、現像能力が低下するのを補う形でトナーの補給が促進され、結果としてキャリアに対するトナー比率が増し、トナー濃度が上昇する現象がある。

システムの設計狙いを超えてトナー濃度が上昇すると、トナー飛散や地肌へのトナーカブリ等の不具合を発生させる原因となるので対策が必要である。この対策として、トナー濃度制御手段の変動幅を固定するという方式は有効である。

しかし、一般的にトナー濃度検出手段は検出バラツキが数％あり、設計狙いとして常に同じトナー濃度を上限として固定することが非常に難しいという問題がある。また、現像剤の状態が変動して、同じ濃度制御狙い値に固定していたとしても、剤の現像能力が大幅に低下した場合には画像が薄くなるという不具合もある。

従来行なわれてきた技術のままでは、低画像面積の画像を連続して出力する場合などに、画像濃度が低下したとき、画像濃度を優先に制御するとトナー濃度が狙い範囲を超えることがあり、トナー濃度を優先に制御すると、画像濃度が大幅に低下することがある、という二つの問題を同時に解決することが難しいという課題があった。

特開平2003-76078号公報

本発明は、画像濃度検知手段とトナー濃度検知手段とを有する画像形成装置において、多種多様な使われ方においてもトナー濃度の制御範囲と画像の安定性を両立させることのできる改善された画像形成装置を提供することを課題とする。

前記課題を達成するため請求項１にかかる発明は、画像パターン濃度を検知する画像濃度検知手段と、２成分現像剤中のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段と、これら画像濃度検知手段及びトナー濃度検知手段の出力に基づきトナー濃度制御手段によりトナー濃度を制御することにより画像パターン濃度が制御目標範囲になるように制御する画像形成装置において、
画像濃度の制御目標として、幅をもつ基準制御目標（Ａ目標）とこの基準制御目標（Ａ目標）を含みさらに大きい幅をもつ制御目標（Ｂ目標）が設定され、
前記トナー濃度検知手段はその出力範囲が入力電圧の変動に応じて規定される特性を有し、
トナー濃度制御手段は前記画像濃度検知手段の出力に基づいて画像濃度が制御目標の範囲に入るように、トナー濃度の制御目標（Ｖｒｅｆ）を変えることによりトナー濃度の制御を行うこととされている場合、
画像濃度検知手段の出力が基準制御目標（Ａ目標）の範囲にあるときは、トナー濃度の制御目標（Ｖｒｅｆ・Ａ）を変えることなくトナー濃度制御を行い、
画像濃度検知手段の出力が制御目標（Ｂ目標）の範囲にあるときは、トナー濃度の制御目標（Ｖｒｅｆ・Ｂ）を変更してトナー濃度制御を行い、
制御目標（Ｂ目標）の範囲から外れたときは、前記入力電圧を変更することにより前記トナー濃度の検知範囲を検知可能な範囲に変更し、Ｂ目標に対応するトナー濃度の制御目標（Ｖｒｅｆ・Ｂ）でトナー濃度制御を行うこととした。
前記トナー濃度検知手段の入力電圧変更後における出力レベルは、前記画像濃度検知手段が前記制御目標（B目標）よりも画像濃度に関しての品質レベルが高い傾向の値を検知した場合に、入力電圧の変更量がゼロへ近づくようにシフトすることができる。
前記構成の画像形成装置は、像担持体、帯電手段、現像装置の少なくとも２つを含む一体的なユニットであって、画像形成装置本体に対して着脱可能に構成されたプロセスカートリッジを備えた画像形成装置に適用することができる。

この発明によれば、低画像面積画像の出力時において、トナー濃度の過剰な上昇と、画像濃度の大きさ低下を同時に防止することができる。

以下に、この発明の実施の形態を説明する。以下では、本発明の理解を容易にするため、参考例として前記した特許文献１の技術の概要を説明し、しかる後、本願発明の内容を説明する。
１［参考例］
特許文献１に基づき参考例について説明する。図１に、従来の画像形成装置であるプリンタを示す。像担持体としての感光体１、帯電ローラ２、ＬＤユニット３、現像ローラ４、転写部５、搬送ベルト６、定着ユニット７、画像濃度検知手段である濃度センサ８および制御部１０を有する。

感光体１は、静電潜像を利用したトナー像が表面に形成される。帯電ローラ２は、感光体１の表面を帯電させる。ＬＤユニット３は、帯電した感光体１の表面に光を照射して、静電潜像を形成させる。現像ローラ４は、静電潜像が形成された感光体１の表面にトナーを付着させてトナー像として現像する。

すなわち、現像バイアス電圧と露光された部分との電位差に基づいて静電潜像を現像する。転写部５は、感光体１に形成されたトナー像を転写位置（ニップ形成位置）に配置された記録紙に転写する。搬送ベルト６は、シート状媒体である記録紙を搬送して、転写位置や定着位置等に配置する。

定着ユニット７は、転写されたトナー像を記録紙に定着させる。トナー像が定着した記録紙は定着ユニット７から排紙位置に搬送され、排紙される。濃度センサ８は、検知面に配置された顕像パターンを読みとってトナー濃度を検知する。制御部１０は、プリンタ各部を制御する。制御部１０は不図示のＲＯＭやＮＶＲＡＭを備えており、このＲＯＭには、現像バイアス電圧、帯電バイアス電圧、転写バイアス電圧、およびＬＤパワー等の制御条件の組み合わせが格納されている。

ここでは、プリンタはタンデム型のプリンタであるため、各感光体１が搬送ベルト６の矢印で示す回転方向の上流側から下流側に向けて、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｙ（イエロー）、Ｋ（ブラック）の順に平行に配置されている。各感光体１では、帯電ローラ２による帯電→ＬＤユニット３による露光→現像ローラ４による静電潜像の現像→転写部５による記録紙への転写、が繰り返される。

この従来例のプリンタは、所定枚数の記録紙を印刷した後や起動時のウォーミングアップ時間中に画像濃度の調整（以下、プロセスコントロールという）を実行して、現像γ検知を行う。

図２に、従来技術を利用したプリンタにおけるプロセスコントロールの手順を示す。帯電ローラ２、現像ローラ４、転写部５等の各部が起動され、各バイアス電圧の印加やモータがプロセスコントロールのために駆動されると（ステップＳ１０１）、所定のタイミングより、濃度センサ校正が実行される（ステップＳ１０２）。図３に示すように、濃度センサ８は赤外光ＬＥＤとフォトトランジスタ（フォトＴｒ）とが検知面に対し正反射光が検知できるように配置される。

ＬＥＤは、最初にＰＷＭ＝１２８（＝２／２５５）の電流にて発光され、その時のフォトトランジスタの出力電圧を読み取る。その値が４．０＋０．１Ｖ＝４．１Ｖより大きい場合は、ＰＷＭ（２）＝ＰＷＭ（１）−（ＰＷＭ（１）／２）、として再度発光させ、フォトトランジスタの出力電圧を読み取る。

ここで、ＰＷＭ（ｎ）は、ｎ回目の発光の際にＬＥＤに供給する電流を表すものとする。一方、フォトトランジスタの出力電圧が、４．０−０．１Ｖ＝３．９Ｖより小さい場合は、ＰＷＭ（２）＝ＰＷＭ（１）＋（ＰＷＭ（１）／２）、として再度発光させ、出力電圧を読み取る。

２回目の読み取りの際に、フォトトランジスタの出力電圧が４．０＋０．１Ｖ＝４．１Ｖより大きい場合は、ＰＷＭ（３）＝ＰＷＭ（２）−（ＰＷＭ（１）／４）、としてＬＥＤを再度発光させる。同様に、２回目の読み取りの際に、フォトトランジスタの出力電圧が４．０−０．１Ｖ＝３．９Ｖよりも小さい場合は、ＰＷＭ（３）＝ＰＷＭ（２）＋（ＰＷＭ（１）／４）、として再度発光させる。

このような調整をフォトトランジスタの出力電圧が４．０Ｖ±０．１Ｖになるまで繰り返し実行し、最後に読み取った値を次回の校正が行われるまで濃度センサ電流値として設定する。

濃度センサ校正が終了した後、濃度検知用の検出パターンを作像する。ここでは、濃度検知用パターンを主走査２０ｍｍ、副走査１５ｍｍの長方形パターンとして作像する。まず、濃度検知用パターンＰＮ１の帯電バイアス電圧が−３００Ｖにセットされる（ステップＳ１０３）。帯電バイアス電圧がセットされた後、ＬＤユニット３は、帯電された感光体１の露光させる部分が通過する際に、ＬＤパワー値２５５（最大値）で主走査２０ｍｍ、副走査１５ｍｍの大きさとして副走査方向の中央位置を走査する（ステップＳ１０４）。

次に、このパターン位置が現像ローラ４を通過する際に、現像バイアス電圧が−１００Ｖにセットされる。同様にパターンの副走査間隔が１０ｍｍとなるように濃度検知パターンＰＮ２から濃度検知パターンＰＮｎを作像する（ステップＳ１０５からＳ１０８）。ここでは、ｎ＝１０とし、１０個の濃度検知用パターンを作像する。１０個のパターンは転写位置において転写部５から１０μＡのバイアス電圧が与えられ、記録紙に転写される。パターンが転写された記録紙は、搬送ベルト６によって搬送され、濃度センサ８を通過する際にパターンの濃度が検知される（ステップＳ１０９）。

ここで、濃度センサ８として適用した光学的検知手段である正反射光センサは、トナーがない場合はフォトトランジスタの出力電流が大きく、トナー濃度に応じて出力電流が低下することにより濃度を検知する。

検知された出力電圧は、ＲＯＭに予め記憶されている出力電圧−濃度変換式によって濃度データに変換されたのち制御部１０のＮＶＲＡＭに格納される。このとき、濃度データを縦軸、パターン部のバイアス電圧を横軸にとり、最小二乗法によって直線近似する。この直線の傾きはγデータとしてＮＶＲＡＭに格納される。

制御部１０は、このγデータとＴＯＰ濃度設定用として予め設定されたトナー付着目標値とにより現像バイアス電圧を算出する。ここでは、トナー付着目標値を０．６ｍｇ／ｃｍ²とする。

例えばγ＝２．０（ｍｇ／ｃｍ²／ｋＶ）であれば、必要な現像バイアス電圧は、Ｖｂ＝（１／γ）×１０００＝５００Ｖとなる。制御部１０は、Ｖｂを算出した後、ＲＯＭに格納されている画像条件テーブルを参照する（ステップＳ１１０）。この画像条件テーブルから、Ｖｂ＝５００Ｖに最も近い値が示されているテーブル値を選択する。

図４に画像条件テーブルを示す。画像条件テーブルに基づいて、帯電バイアス電圧、現像バイアス電圧、転写バイアス電圧およびＬＤパワーを決定したら（ステップＳ１１１）、次回のプロセスコントロールが実施されるまでこれらの条件をＮＶＲＡＭに記憶する。その後、制御部１０は各部を停止して（ステップＳ１１２）、プロセスコントロールを終了する。

トナーによる検出パターン検知のための動作をＭ、Ｃ、Ｙ、Ｋの各色同時にスタートする。すなわち、上記のプロセスコントロールを各色について並列に処理する。画像形成装置においては、現像バイアス電圧（Ｖｂ）と帯電電位（Ｖｃ）との関係は一定に保つ必要があり、特に２成分現像の場合は、キャリアが感光体に付着しないようにする必要があるため、Ｖｂ−Ｖｃを一定に保つ必要がある。つまり、Ｖｃの変化は、感光体への付着力の変化、転写率の変化、転写バイアス電圧過多によるポジ現像等の原因となり、γの変化、Ｖｂ、Ｖｃの変化は、ハイライト部へのトナー付着量に変化を与える。

本技術を適用したプリンタは、トナー付着量と現像バイアス電圧との関係を検知できるため、シャドウ部の濃度を安定させられる。また、このプリンタは、転写率の変化、ポジ現像に対しては最適な転写バイアス電圧を与えることができ、ハイライト部に対しては、予め定められたＬＤパワーを用いることにより付着量を一定にできる。

このように、従来技術を利用した制御では、実際に潜像〜現像プロセスを経て、そのパターン濃度を光学的に検知する手段と、その検知手段によって現像剤のトナー濃度を調整する手段とを組み合わせることで経時に渡り安定して良好な画質を得ることが狙いである。

しかし、本発明者らは実験の結果、使用する現像剤の種類と使われ方によっては、光学的な画像パターン検知手段を狙い範囲に調整するのみではトナー濃度が設計狙いの範囲を超えて上昇することがあることを確認し、そのような状態においては画像パターン検知手段のレベルを下げる必要があることも確認した。

前記したように、用紙に出力する画像面積が低下すると、現像ユニット内でのトナー入れ替え頻度が低下し、現像能力が低下するのを補う形でトナー濃度が上昇し、システムの設計狙いを超えてトナー濃度が上昇すると、トナー飛散や地肌へのトナーカブリ等の不具合を発生させる原因となる。

２［実施の形態例］
２．１ 画像形成装置の概要
図５は、本発明の実施形態である２成分現像装置を複数備えた画像形成装置を示す概略断面図、図６は、図５に示した画像形成装置の感光体と現像装置付近を示す拡大断面図である。図示の画像形成装置は、４ドラムフルカラーの電子写真方式のものであり、画像形成装置本体１内に潜像担持体である円筒状の４個の感光体ドラム１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄを備え、転写ベルト１３の図５において上側の面に接触するようにそれぞれ配設してある。

感光体ドラム２Ａ〜２Ｄに対しては、それぞれ使用するトナーの色が異なる現像装置１４Ａ〜１４Ｄを対応させて配設してある。現像装置１４Ａ〜１４Ｄは、現像剤により色分解された画像データに対応する着色トナーを保持し、バイアスを印加することにより現像を行う２成分現像装置である。

感光体ドラム１２Ａ〜１２Ｄの上方には色分解された画像データを露光する書き込みユニット１５が、下方には転写紙の両面に画像を形成するべく転写紙を反転して再給送するための両面ユニット１６がそれぞれ配設してある。図中符号１７は感光体ドラム１２Ａ〜１２Ｄを帯電させる帯電ローラ、符号１８は画像が転写された転写紙の画像を定着する定着装置である。
各感光体ドラム１２Ａ〜１２Ｄは、転写残トナーを除去するクリーニングローラ２０を含むクリーニング装置等々同一の構成を有し、感光体ドラム１２Ａはマゼンタ色に対応する画像を形成し、感光体ドラム１２Ｂはシアン色に対応する画像を形成し、感光体ドラム１２Ｃはイエロー色に対応する画像を形成し、感光体ドラム１２Ｄはブラック色に対応する画像を形成するもので、それらを転写紙の搬送方向に間隔を置いて一列に配置してあり、搬送されてきた転写紙にそれぞれの転写位置にてトナー像を転写して永久的なフルカラー画像を形成する。

また現像装置１４Ａ〜１４Ｄも同一の構成を有し、感光体ドラム１２Ａ〜１２Ｄと近接または摺接する現像ローラ１９と２本の平行な撹拌搬送スクリュー２１Ａ、２１Ｂを備え、使用するトナーの色のみが異なる。

現像装置１４Ａはマゼンタ、現像装置１４Ｂはシアン、現像装置１４Ｃはイエロー、そして現像装置１４Ｄはブラックのようにそれぞれ異なる色のトナーを使用するようになっている。

詳細には、感光体ドラム１２Ａ〜１２Ｄに向けて開口部を形成した現像ケーシング２２の内部に、この開口部から一部が露出し、トナー及び磁性キャリアからなる現像剤を表面に担持する現像剤担持体としての非磁性材質からなり、その内部に磁界発生手段としてのマグネットローラを固定配置した現像ローラ１９、現像ローラ１９上に担持されて搬送されている現像剤の量を規制する現像剤規制部材としてのドクタブレード２３を備えている。

搬送スクリュー２１Ａに対向した現像ケーシング２２の表側には２成分現像剤中のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段としての透磁率センサ（以下Ｔセンサという）２４が配置されている。このＴセンサ２４の出力特性を後述する図９に示す。
トナーボトル２６には新しいトナーが貯留されていて、必要に応じて搬送スクリュー２１ｂに補給される。

この画像形成装置は、作像動作を開始させると、各感光体ドラム１２Ａ〜１２Ｄが図５中で時計回り方向にそれぞれ回転し、帯電ローラ１７との間に電圧が印加されることにより表面が一様に帯電される。そして、各感光体ドラム１２Ａ〜１２Ｄの帯電面には書き込みユニット１５により各色の画像に対応するレーザ光Ｌｂがそれぞれ照射され、そこに各色に対応した潜像がそれぞれ形成される。各潜像は、各感光体ドラム１２Ａ〜１２Ｄが回転することにより現像装置１４Ａ〜１４Ｄの位置に達し、そこでマゼンタ、シアン、イエロー、ブラックの各トナーにより現像されて各色のトナー像となる。

そして、転写紙Ｐを転写ベルト１３に吸着させて搬送しながら、５で上側の面にイエロー、マゼンタ、シアン及びブラック色の各トナー像を順次転写していき、最下流側の感光体ドラム１２Ｄを通過したときには４色を重ね合わせたフルカラーのトナー画像が形成される。画像が形成された転写紙Ｐには、定着装置１８で熱と圧力を加えることによりトナー像を溶融定着させ、その後に排紙ローラ対２５を経て、排紙台２６上に排紙される。

また、図７に示すように、転写ベルト１３の通紙方向（図に矢印で示す）と直交する方向の左側にベルト面と対向するようにしてフォトセンサ（以下Ｐセンサという）２７が配置されている。このＰセンサ２７は、感光体ドラム１２Ａ〜１２Ｄ上に形成された基準電位潜像パターンを現像装置１４Ａ〜１４Ｄにより現像して得られる顕像パターン（検出パターンともいう）の濃度を検知する画像濃度検知手段である。色ずれ補正及び画像濃度補正については適宜の調整手法を用いればよい。
現像装置１４Ａ〜１４Ｄ内のトナーは、画像データに基づき形成されるトナー画像の形成により消費され、画像面積及び現像装置内にあるＴセンサ２４の検知値に応じてトナーを補給することでほぼ一定に保つ。また１０枚（枚数は狙いにより異なり、約５〜２００枚でもよい）に一回のプロセスコントロール（感光体ドラム１２Ａ〜１２Ｄ上または転写ベルト１３上に形成された複数の顕像パターンＰｍ、Ｐｃ、Ｐｙ、ＰｋをＰセンサ２７により検知して付着量に換算し、狙いの付着量になるように設定するモード）によりＴセンサ２４の目標値、帯電電位、光量を設定する。

この画像形成装置では画像濃度制御はＰセンサ方式が採用されており、書き込みユニット１５など前述の手段により感光体ドラム１上に基準電位の潜像パターンが形成され、現像装置１４Ａ〜１４Ｄにより顕像化され、図７に示す如く、転写ベルト１３上に顕像パターン（検出パターン）Ｐｍ、Ｐｃ、Ｐｙ、Ｐｋが形成され、発光素子１２と受光素子１３とより成るＰセンサ２７により該顕像パターンＰｍ、Ｐｃ、Ｐｙ、Ｐｋからの反射光に対応した検知信号電圧ＶSP及び感光体地肌部からの反射光に対応した検知信号電圧ＶSGが出力される。この出力特性を図９に示す。

図５〜図７に示した画像形成装置は、図８に着脱の途中の状態を示したように、感光体ドラム１２Ａ、帯電ローラ１７、現像装置１４Ａを一体的なユニットで構成したプロセスカートリッジ６０Ｍ、感光体ドラム１２Ｂ、帯電ローラ１７、現像装置１４Ｂを一体的なユニットで構成したプロセスカートリッジ６０Ｃ、感光体ドラム１２Ｙ、帯電ローラ１７、現像装置１４Ｙを一体的なユニットで構成したプロセスカートリッジ６０Ｙ、感光体ドラム１２Ｋ、帯電ローラ１７、現像装置１４Ｋを一体的なユニットで構成したプロセスカートリッジ６０Ｋというように、各色ごとに、画像形成装置本体１１に対して着脱可能に構成されたプロセスカートリッジを備えた構成とすることができる。プロセスカートリッジは、感光体ドラム、帯電手段、現像装置の少なくとも２つを含む一体的なユニットとして構成することで、メンテナンス上の利便性が向上できる。例えば、図6で示す現像ケーシング２２とつながる一連の断面表示のケースでユニット化されたプロセスカートリッジとして構成することもできる。
２．２ 制御の概要
本発明は、参考例のプリンタで生じ得る、低画像面積画像の出力時における、トナー濃度の過剰な上昇と、画像濃度の大きさ低下を同時に防止するために、
［ａ］Ｔセンサ（トナー濃度検知手段）２４の検知結果に基づいてトナー濃度を制御するトナー濃度制御手段の制御目標値（以下、Vrefという）の変動幅を一定の範囲（以下TC狙い範囲）に設定する。

ここで、Vrefについて説明する。VrefはＰセンサ出力とＴセンサ出力（Ｖｔ）をつなぐパラメータであり、Ｐセンサ出力がＡ目標外であると判断されたときに、このVrefの設定値に基づいてトナー濃度制御（トナー補給等）が行なわれ、それに応じてＴセンサ出力（Ｖｔ）が変化する。

Vrefは初期値と変動幅をもち、例えば、初期値３．０Ｖ、変動幅２Ｖとすると、検出パターンの検出（Ｐセンサ出力）毎にＰセンサ出力がＡ目標（又はＢ目標）内にあるかどうかが判定され、範囲外であるときに、Vrefの値が変更される。

例えば、
Vref 初期値 ３．０ｖ
Vref 次回補正時 ２．９ｖ
Vref ３回目補正時 ２．８ｖ
Vref ４回目補正時 ２．８ｖ
Vref ５回目補正時 ２．８ｖ
Vref ６回目補正時 ２．７ｖ
というようにVrefが変更され、これに応じてトナー濃度制御が行なわれる。
［ｂ］VrefがTC狙い範囲内にある間は、Ｐセンサ（画像濃度検知手段）２７による検出パターン検知により例えば通常の目標値レベルで設定した基準となる制御目標（A目標）となるようVrefをシフトさせる。
［ｃ］予め、制御目標（A目標）と異なる制御目標値、例えば、制御目標（A目標）よりも画像濃度に関して緩和された品質レベルの制御目標（B目標）を設けておき、VrefがA目標の下限（トナー濃度が高い側の上限）にある場合には、トナー濃度制御手段の目標値をB目標に変更し、Ｐセンサ２７の出力がB目標の範囲外になった場合にはＴセンサ２４の出力Vt(以下vtという)のレベルをシフトさせる手段（一般的にコントロール電圧と呼ばれる。以下Vcntという）を変化させる。
［ｄ］Vcntが元の値からシフトした状態で、ＰセンサがB目標に入っていると検知した場合には、段階的にシフトレベルを小さくする。
［ｅ］段階的にシフトレベルを小さくする判定基準として、VrefとVtの関係を確認し、Vref-Vtがある一定値以上大きくならないようにする。
上記制御によって解決できる。なお、本例では、Ａ目標、Ｂ目標とも、幅をもつ値として設定されている。

図９によりＰセンサ２７の特性を説明する。図中の右上がりの直線はＰセンサ２７の特性を示す。縦軸はＰセンサ２７の出力換算値で上に進むほど画像濃度が濃くなり、下に進むほど画像濃度が薄くなる傾向を示す。最も濃いベタのレベルをＱ１とし、これよりも適度に薄い通常の濃さを標準レベルのＱ２とする。

横軸は検知対象である顕像パターンＰｍ、Ｐｃ、Ｐｙ、Ｐｋの面積当りのトナー質量（Ｍ／Ａ）を示す。Ａ目標は標準レベルＱ２付近で設定されたある幅をもつ範囲の値である。Ｂ目標は、Ａ目標よりも画像濃度に関して緩和された範囲の値をもつ品質レベルの制御目標値である。

図１０によりＴセンサ２４の特性を説明する。縦軸はＴセンサ２４の出力電圧であり、横軸は現像装置内のトナー濃度（％）である。Ｔセンサ２４は前記したようにVcntを変えると特性が変化する。例えば、ある値Ｖ１のVcntのもとで線２８で示す右下がり特性を呈するとき、VcntをＶ２シフトさせると、線２９で示すように、線２８とほぼ平行に上にスライドした特性となる。

ここで、制御系について説明すると、図１１に示すように本例の画像形成装置は参考例で説明したような制御部１００を備えている。制御部１００は当該画像形成装置出力する画像の面積率を検知・記憶する手段をもつとともに、Ｐセンサ２７およびＴセンサ２４の各出力は制御部１００に入力され、制御部１００はこれらＰセンサ２７およびＴセンサ２４の出力に基づいて、トナー濃度制御手段３０を制御してトナー濃度を制御する。また、Ｔセンサ２４の出力電圧レベルを入力電圧によって調整する出力調整機能を有する出力調整手段３２を制御して、例えば、VcntをＶ１からＶ２にシフトするなどして、Ｔセンサ２４の特性を変える。

Ｔセンサ２４の検知結果に基づいてトナー濃度を制御するトナー濃度制御手段３０の制御目標であるVrefの変動幅をいま、Ａ目標に対応させて、図１０でトナー濃度Ｒ１〜Ｒ２の一定の範囲に設定する。このとき、Ｔセンサ２４はVcntがＶ１のもとで線２８に従う特性を示すとすると、この範囲に対応するＴセンサ２４の出力はＶｔ（ｕ）〜Ｖｔ（ｄ）の範囲であり、VcntがＶ１のもとではこの範囲でしかセンサとして実用上の働きをしない。

この条件だけでは、次の不具合を生じる。
ケース１（Ａ目標しか設定されていない）：画像形成装置で低画像面積の画像が連続して出力されているとき、前記したように、現像装置内でのトナー入れ替え頻度が低下し、トナー帯電量（Ｑ／Ｍ）が上昇して現像能力が低下し、画像濃度が低下することから、Ａ目標から外れる。このことはＰセンサ２７の出力から検知できる。こうしてＡ目標から外れたときに、トナー濃度が上がるようにVrefを変更する制御を採用したとする。これにより、トナー濃度制御手段３０によりトナー濃度を上げることでＡ目標の範囲に収まればそれで問題はない。

しかし、Vrefの初回の変更でＡ目標の範囲に収まらない場合、Ａ目標の範囲に収まるようにさらにVrefを変更する。このVrefを変更する方向はトナー濃度を上げる方向つまり、Ｔセンサの出力が下がる傾向であり、状況によってはこの傾向が継続することがある。その場合、Vrefを変更できたとしても、Ｔセンサ２４の特性上、下限の出力Ｖｔ（ｄ）以下はないので、Ｖｔ（ｄ）に対応するＲ２よりも高いトナー濃度にはできず、トナー濃度が上がらないので、出力される画像濃度が実用上問題になるほど非常に薄くなってしまうことがある。

ケース２（Ａ目標しか設定されておらず、Vcntシフト機能がある）：ケース１と同じ状況ももとで、Ａ目標から逸脱しVrefを下げる傾向に変更したが、Ｔセンサの特性上、下限の出力Ｖｔ（ｄ）以下にならないときに、例えば、VcntをＶ３にシフトすることで、特性の線３３に従うようにしたとする。すると、ＴＣ狙いの範囲の上限のトナー濃度Ｒ２に対応したＴセンサの出力Ｖｔ（ｎ）は下限の出力Ｖｔ（ｄ）より上にあるので、制御幅に余裕ができるが、この線３３に従う特性のもとで制御をつづけていくと、トナー飛散を生じる限界のトナー濃度Ｒ３を越えてしまい、トナー飛散が生じる可能性がある
そこで、本実施の形態では、A目標よりも画像濃度に関して緩和されたレベル品質レベル、例えば、A目標よりも画像濃度は薄いが実用上問題とならない範囲の画像濃度を満足する制御目標（B目標）を設け、VrefがA目標の下限（トナー濃度が高い側の上限）つまりＴセンサの下限の出力Ｖｔ（ｄ）にある場合には、トナー濃度制御手段の目標値をB目標に変更する。

この段階で画像濃度はＡ目標よりも薄い範囲で条件を満足するようになったので、トナー濃度は現状のままで問題ない。この状態でさらに低画像面積の出力が継続すると、やがて、Ｐセンサの出力がＢ目標の下限を越える事態が生じ得るが、このＰセンサ２７の出力がB目標の範囲外になった場合になって、はじめて、Vcntを変化させる。

このVcntのシフト量はＴセンサの下限の出力Ｖｔ（ｄ）のときにトナー濃度がＲ２とＲ４の間に位置するような、例えば、線２９の特性となるようにする。このようにすることで、下限の出力Ｖｔ（ｄ）になるまでに制御の余裕ができる。また、Ｒ３に達する前に下限の出力Ｖｔ（ｄ）になるのでトナー飛散が生じるトナー濃度になることもない。かかる制御により低画像面積画像の出力時において、トナー濃度の過剰な上昇と、画像濃度の大きな低下を同時に防止することができる。

Vcntをシフト後にＰセンサ２７がB目標に入っていると検知した場合には、段階的にシフトレベルを小さくする（ゼロへ近づける）制御をする。段階的にシフトレベルを小さくする判定基準として、VrefとVtの関係を確認し、Vref-Vtがある一定値以上大きくならないようにすることで制御の可能性を確保しつつ現状に復することができる。
２．４ 制御の手順
制御部１００における制御の手順を図１２のフローチャートにより説明する。
ステップＳＰ１では、Vcnt が一定時、例えば、VcntがＶ１で固定されているときに上限の出力Ｖｔ（ｕ）＝４．０Ｖ〜下限の出力Ｖｔ（ｄ）＝２．０ＶのようなVref可変範囲が設定されていて、Ｐセンサ出力から設定されるVrefがこのVref可変範囲にあるかどうかを判定している。上下限値でなければステップＳＰ２に進み、上下限値であればステップＳＰ４に進む。

ステップＳＰ２では、Ｐセンサ２７の出力がＡ目標範囲内なら制御不要であるので終了するし、Ａ目標範囲内になければステップＳＰ３に進む。ステップＳＰ３では、Ｐセンサ２７の出力がＡ目標範囲外で検出パターン濃度が高い場合にはTC狙い範囲を下げる方向へVrefをシフトし、検出パターン濃度が低い場合にはTC狙い範囲を下げる方向へVrefをシフトする。

ステップＳＰ４では、TC狙い範囲の上限が可変範囲のVref下限かを判定している。例えば、Vref可変範囲が２．０Ｖ〜４．０Ｖであれば２．０Ｖかを判定。２．０ＶになるとＰセンサ２７の濃度狙いをＢ目標に切り替える。ステップＳＰ５でＰセンサ２７の出力がＢ目標範囲内ならばステップＳＰ６へ進み、Vcntシフト量＞０のときは、さらにステップＳＰ７に進みVcntシフト量をVt-Vref>0.1にならない範囲で小さい側へシフトする。これはＢ目標値に入っているならば、なるべくVcntシフトを小さくするためであり、これによりTC狙い範囲の上昇を抑えトナー飛散の可能性を抑制した制御を実現できる。

ステップＳＰ５でＰセンサ２７の出力がＢ目標範囲外ならばステップＳＰ８へ進み、ステップＳＰ８では、Ｐセンサ２７の出力がＡ目標範囲外で検出パターン濃度が高い場合にはTC狙い範囲を下げる側へVrefをシフトし、検出パターン濃度が低い場合にはVtを上げる下げる側へVcntをシフトする。すなわち、VrefがTC狙い範囲（可変範囲の下限）で、Ｂ目標範囲を薄い側に外れた場合にのみ、Vcntシフトを許容している。

ステップＳＰ４でVrefがTC狙い範囲の上限でないときは、ステップＳＰ９でＰセンサ２７の出力はＢ目標の範囲内であるかが判定される。ここでは、前のステップＳＰ４で既にTC狙い範囲の上限でない場合を経ているので、TC狙い範囲の下限（図１０におけるＲ１）のケースである。この場合は通常のVcntシフトを許容する。すなわち、Ｂ目標範囲外で検出パターン濃度が高い場合にはVtを下げる側にVcntをシフトするし、Ｂ目標範囲外で検出パターン濃度が低い場合にはTC狙い範囲を下げる側にVrefをシフトする。

このように、本例の制御では、Vrefが狙いTC範囲にある間は、A目標になるようにVrefを調整する。しかしVrefが下限に張り付いた場合にはさらに下げることができない。A目標のまま自由にVrefを調整できるようにVcntをシフトすると、制御TCが上昇しすぎてしまうことがある。それらを考慮して設定されたB目標範囲があり、Vrefが下限に張り付いた場合にはB目標以下の時にのみVcntをシフトする。

このような制御手段を搭載することにより、TCの過剰な上昇と、画像濃度の大きな低下を同時に防止することができる。なお、以上に述べた実施形態は本発明を好適に実施した一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明は上記実施形態において示した数値に限定されるものではなく、各条件は適宜変更してもよい。例えば、濃度検出パターンのサイズや数などの条件は本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更できる。また、上記実施形態では濃度センサとしてフォトトランジスタを適用しているが、例えば、フォトダイオードやＣＣＤ等を適用してもよい。あるいは、プロセスコントロールを、ユーザの要求に応じて適時実行できるようにしてもよい。このように、本発明は様々な変形が可能である。なお、本発明は参考例のプリンタに対しても適用できることはもちろんである。
２．５ 制御データ
図１３は、出力される画像面積の変化に伴い、TC狙い範囲が変化することを示している。縦軸はVrefやVtの電圧、横軸は出力枚数を示す。画像面積が５％の範囲ではVrefやVtは共にTC狙い範囲におさまっているが、画像面積が１％になると次第にTC狙い範囲の下限側に移行し、出力枚数７００以降、画像面積が0.1％でTC狙い範囲の下限のままである。現像剤の状態やラン枚数、環境等によって変動するので常にこのような制御レベルになるとは限らないが、この実験中では、画像面積を下げると制御狙いが低下し、下限値に張り付いている。

図１４は本発明実施時におけるＰセンサ出力を面積当りのトナー質量（Ｍ／Ａ）換算したデータである。縦軸は（Ｍ／Ａ）、横軸は図１３に対応させた出力枚数を示す。既に説明した制御を行なうことにより、VrefがTC狙い範囲内のときはＡ目標に入るように制御する結果、Ａ目標の範囲内にＰセンサ出力値のデータが集中している。VrefがTC狙い範囲下限にはりついた以降（図１３における出力枚数７００枚近傍以降）は、Ｂ目標に入るように制御されていることがわかる。なお、Ｂ目標の範囲のさらに下になったときは、Vcntをシフトする。

図１５はVcntの変化を示している。縦軸はVcnt電圧、横軸は図１４に対応させた出力枚数を示す。Tセンサがはりつく前後では変化しないが、はりついた後でB目標値を下回るような場合にVcntがシフトしている。このグラフではサンプリングの関係で1対１対応していないが、実際にはB目標範囲内の場合にはVcnt下げ、B目標下回った場合にはVcnt上げ、という制御を繰り返している。TC狙い範囲下限にはりついたのちの出力枚数１０００枚近傍で狙い通りにVcnt電圧が上下してシフト機能が働いているのが分かる。

画像形成装置の概略構成図である。 画像濃度調整手順を説明した図である。 濃度センサの図である。 画像条件テーブルを示した図である。 画像形成装置の要部構成を説明した図である。 現像装置近傍部の構成を説明した図である。 画像形成装置の転写ベルトおよびトナーパターンなどを示した図である。 プロセスカートリッジを説明した斜視図である。 Ｐセンサ特性図である。 Ｔセンサ特性図である。 制御ブロック図である。 濃度制御手順にかかるフローチャートである。 画像面積の変化に伴うセンサ出力の変動を示したグラフである。 Ｐセンサ出力の変化を示したグラフである。 Ｔセンサのコントロール電圧の変化を示したグラフである。

符号の説明

２４ トナー濃度検出手段としての透磁率センサ（Ｔセンサ）
２７ フォトセンサ（Ｐセンサ）
３０ トナー濃度制御手段

Claims (3)

1. 画像パターン濃度を検知する画像濃度検知手段と、２成分現像剤中のトナー濃度を検知するトナー濃度検知手段と、これら画像濃度検知手段及びトナー濃度検知手段の出力に基づきトナー濃度制御手段によりトナー濃度を制御することにより画像パターン濃度が制御目標範囲になるように制御する画像形成装置において、
   画像濃度の制御目標として、幅をもつ基準制御目標（以下、Ａ目標）とこのＡ目標を含みさらに大きい幅をもつ制御目標（以下、Ｂ目標）間の相互変更が可能であり、
   前記トナー濃度検知手段によるトナー濃度の検知範囲が入力電圧の変動に応じて規定される特性を有し、
   トナー濃度制御手段は前記画像濃度検知手段の出力がＡ目標の範囲内にあるときはＡ目標に対応するトナー濃度の制御目標（Ｖｒｅｆ・Ａ）でトナー濃度制御を行い、
   画像濃度検知手段の出力がＡ目標から外れたときは、Ｂ目標に対応するトナー濃度の制御目標（Ｖｒｅｆ・Ｂ）に変更してトナー濃度制御を行い、
   制御目標（Ｂ目標）の範囲から外れたときは、前記入力電圧を変更することにより前記トナー濃度の検知範囲を検知可能な範囲に変更し、Ｂ目標に対応するトナー濃度の制御目標（Ｖｒｅｆ・Ｂ）でトナー濃度制御を行うことを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１に記載の画像形成装置において、
   前記トナー濃度検知手段の入力電圧変更後における出力レベルは、前記画像濃度検知手段が前記制御目標（B目標）よりも画像濃度に関しての品質レベルが高い傾向の値を検知した場合に、入力電圧の変更量がゼロへ近づくようにシフトすることを特徴とする画像形成装置。
3. 像担持体、帯電手段、現像装置の少なくとも２つを含む一体的なユニットであって、画像形成装置本体に対して着脱可能に構成されたプロセスカートリッジを備えた画像形成装置において、請求項１又は２に記載の構成を具備したことを特徴とする画像形成装置。

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