JP5212661B2 - 画像形成装置及びトナー濃度検出装置 - Google Patents

Description

本願発明は、トナーを使用した画像形成装置及びこれに使用するトナー濃度検出装置（トナー濃度センサ）に関する。ここに、画像形成装置には、複写機やプリンタ、ファクシミリのような印刷機能を有する単機能機、或いは、プリント機能や読取機能や通信機能等の複数の機能を併有する複合機など、印刷機能を有する様々の装置・機器が含まれる。

トナーを使用した電子写真方式の画像形成装置では、例えばカラー印刷方式であると、画像プロセス部でトナー担持体にトナー像を一次転写し、次いで、所定方向に搬送されるシート体（記録媒体）にトナー担持体を接触させることで画像をシート体に二次転写し、次いで、シート体に転写された画像を定着部で定着させている。そして、電子写真方式の画像形成装置では、二次転写前にトナー濃度測定を行い、このトナー濃度をトナー像の形成条件に反映させるフィードバック制御が行っている。

トナー濃度の測定は反射型の濃度検出装置が使用されており、ＬＥＤ等の発光素子から光をトナーに照射して反射光をフォトダイオード等の受光素子で受光し、受光した光を電気エネルギーに変換し、その強さに基づいて濃度を演算している。すなわち、光の反射率がトナーの濃度によって変化する現象を利用している。

カラー対応の画像形成装置の場合、イエロー、マゼンタ、シアン、黒の４色のトナーが使用されるが、イエロー、マゼンタ、シアンのカラートナーは拡散反射成分が多いため、濃度測定には拡散反射光が用いられ、黒トナーは光を完全吸収するため正反射光を利用している。

そして、特許文献１には、複数カラーのトナー像の濃度を検知する手段として、複数の発光素子を、複数カラーのトナーの分光反射率に応じて予め設定された複数種類の波長を発光する構成として、検出するトナーの色に合わせて発光させる発光素子を変えることにより、個々の色ごとに高感度で濃度測定することが開示されている。

他方、特許文献２には、黒トナーの濃度を検出する正反射光用の発光素子と、カラートナーの濃度検出のための拡散反射（乱反射）用の発光素子との２つの発光素子を有する濃度検出装置において、発光素子で光を照射するに当たっては光量の安定にある程度の時間がかかるという点を考慮して、正反射光用の発光素子と拡散反射用の発光素子との発光タイミングを工夫することにより、トナー像の濃度を高精度かつ高速で測定することが開示されている。

特開平１０−３３３４１６号公報 特開２００２−１４８８８７号公報

さて、反射型の装置でトナー濃度を検出する場合、発光素子から照射されてトナー担持体に向けて入射する光の入射角度と、トナー像から受光素子に向けて反射する光の反射角とは、いずれも狭ければ狭いほど（小さければ小さいほど）検出感度が高くなる。

また、トナー担持体としての中間転写ベルトは弾性基材の表面に透光膜を蒸着した構成になっているものがあり、この場合は、光は透光膜の表面でいったん屈折し、それから基材の表面で反射するので、中間転写ベルトの分光反射率は透光膜の厚さや入射角によって相違する。

しかるに、上記の特許文献１，２を初めとして従来技術は、中間転写ベルトにおける透光膜の厚さ等によって分光反射率が異なることは考慮されておらず、正反射光も拡散反射光も同一の分光反射率となるように設定されていた。すなわち、トナーに対して正反射する光も拡散反射する光も、中間転写ベルトに対しては正反射するようになっていた。

しかし、トナーに対して拡散反射する光が中間転写ベルトに正反射して受光素子に入光すると、トナー濃度を正確に検知できない。そこで従来は、トナー濃度を拡散反射によって検出するための発光素子は、中間転写ベルトによる正反射光が受光素子に入らないように、その光軸を受光素子の光軸に対して離しており、このため一つの発光素子と受光素子とを離して配置する必要があった。その結果、一つの発光素子について中間転写ベルトへの光の入射角と反射角とが大きくなって、トナー濃度の検出感度（精度）が低くなる問題があった。

また、複数の発光素子のうち他の発光素子はその光が中間転写ベルトに正反射するように設定する必要があるが、すると、複数の発光素子を互いに離して配置せねばならず、そのため濃度検出装置が大型化してしまうという問題もある。

本願発明は、このような現状を改善することを課題とする。

本願発明の画像形成装置は、基材の表面に透光膜を設けたトナー担持体と、前記トナー担持体にトナー像を形成するトナー像形成部と、前記トナー担持体上のトナー濃度を検出するトナー濃度検出装置とを備えている。

前記トナー濃度検出装置は、前記トナー担持体に光を照射可能な複数の発光素子と、前記発光素子から照射された光の反射光を受光する受光素子とを有し、前記発光素子からトナー担持体に照射した光の前記受光素子で受光した光の反射強度に基づいてトナー濃度を検出し、前記複数の発光素子のうちの第１発光素子が照射する光の波長が、前記トナー担持体に直接に照射したときの前記受光素子で受光した光の反射率が所定値以上となる波長であって、前記受光素子で受光される光が、前記透光膜における干渉によって強められた光となるように設定された波長であり、前記第１発光素子とは異なる第２発光素子が照射する光の波長が、前記透光膜における干渉によって弱められる、前記第１発光素子とは異なる波長であって、トナーに照射したときの反射率より前記トナー担持体に直接に照射したときの反射率の方が小さくなる波長である。ここでいう「所定値以上」とは、例えば、最大分光反射率の２分の１以上を選択できる。

本願発明は画像形成装置のトナー濃度検出装置も含んでいる。このトナー濃度検出装置は、基材の表面に透光膜を設けたトナー担持体に光を照射して反射光に基づいてトナー濃度を検出するものであり、前記トナー担持体に光を照射可能な複数の発光素子と、前記発光素子から照射された光の反射光を受光する受光素子とを有しており、前記複数の発光素子のうち第１発光素子が照射する光は、前記トナー担持体に直接に照射したときの前記受光素子で受光した光の反射率が所定値以上となる波長であって、前記受光素子で受光される光が、前記透光膜における干渉によって強められた光となるように設定された波長になっており、前記第１発光素子とは異なる第２発光素子が照射する光は、前記透光膜における干渉によって弱められる、前記第１発光素子における波長とは異なる波長であって、トナーに照射したときの反射率より前記トナー担持体に直接に照射したときの反射率の方が小さくなる波長になっている。

本願発明によると、複数の発光素子は、照射光がトナー担持体に対して大きく正反射するものと、照射光がトナー担持体に対してあまり又は全く正反射しないものとに区分されるため、複数の発光素子を近接させることができると共に、受光素子と複数の発光素子との間隔も従来より狭めることができる。その結果、トナー濃度検出装置の全体をコンパクト化できると共に、各発光素子と受光素子との入射角・反射角を小さくしてトナー濃度検出装置の検知感度（精度）を向上できる。

本願発明において、前記第２発光素子による光の波長は、前記受光素子で受光される光が、前記透光膜における干渉によって弱められた光となるように設定された波長であってもよく、また、前記第１発光素子による光の波長は、前記受光素子で受光される光が、前記透光膜における干渉によって強められた光となるように設定された波長であってもよい。

また、前記第１発光素子による光は、トナー担持体に直接に照射したときトナー担持体の分光反射率の最大値の９５％以上の値で正反射する波長に設定されており、前記第２発光素子による光は、トナーに照射した場合は拡散反射するがトナー担持体に照射しても殆ど又は全く反射しない波長に設定されていてもよい。このように設定することにより、トナー濃度を高精度で検出することができる。

本願発明において、複数の発光素子はそれぞれ発光チップを有しており、前記複数の発光チップが共通の基板に配置されている構成にしてもよく、このように構成すると、複数の発光チップをより一層近付けることができるため、コンパクト化と検出感度向上とにより一層貢献できる。

実施形態に係るプリンタの概略断面図である。 第１実施形態に係るトナー濃度検出装置のおおまかな図で、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は分離斜視図である。 図２（Ａ）のIII-III 視方向から見た使用状態断面図（中間転写ベルトの周回方向と直交した方向から見た断面図）である（ハッチングは省略している。）。 中間転写ベルトの部分拡大断面図である。 透光膜の厚さと分光反射率と波長との関係を示すグラフである。 レジストパターンの検知結果を示すグラフである。 トナー濃度と受光素子の出力値との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係るトナー濃度検出装置の部分断面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本願発明はプリンタに適用している。まず図１に示す全体の概要から説明する。

(1).プリンタの概要
図１に示すように、プリンタは、上下２段の給紙カセット１，２、給紙カセット１，２の上方に配置された画像プロセス部３、画像プロセス部３の上方に形成された排紙トレイ４、用紙Ｐを給紙カセット１，２から排紙トレイ４に向けて搬送する搬送路（給送部）５を有している。排紙トレイ４はプリンタの外面を構成する本体ケース６の上面に露出しており、本体ケース６の上面には操作部７も設けている。

プリンタはフルカラー対応であり、そこで、画像プロセス部３はイエローＹ，マゼンタＭ，シアンＣ，ブラックＫの４つの色に対応して、４つの作像ユニット８Ｙ，８Ｍ，８Ｃ，８Ｋと、４つのトナー貯蔵ユニット９Ｙ，９Ｍ，９Ｃ，９Ｋを備えている。４つの作像ユニット８Ｙ，８Ｍ，８Ｃ，８Ｋは、イエロー作像ユニット８Ｙが搬送路５から最も離れてブラック作像ユニット８Ｋが搬送路５に近づくように並んでおり、これら作像ユニット８Ｙ，８Ｍ，８Ｃ，８Ｋから中間転写ベルト１０にトナー画像が一次転写される。

中間転写ベルト１０は、搬送路５に近接して配置された駆動ローラ１１とイエロー作像部８Ｙの外側に配置した従動ローラ１２とに巻き掛けされており、中間転写ベルト１０に担持されたトナー像は用紙Ｐに二次転写される。用紙Ｐは二次転写ローラ１３で中間転写ベルト１０に押圧される。

各作像部８Ｙ，８Ｍ，８Ｃ，８Ｋは、感光体ドラム１５、帯電ローラ１６、現像器１７などを備えており、感光体ドラム１５からトナー像が中間転写ベルト１０に転写される。搬送路５は一対のガイド体２０で構成されており、給紙トレイ１，２に堆積した用紙Ｐはピックアップローラ２１で１枚ずつ搬送路５に繰り出される。搬送路５のうち両給紙カセット１，２よりも下流側でかつ二次転写ローラ１４よりも上流側の部位には、タイミングローラ２３の対が配置されている。トナー像を中間転写ベルト１０から二次転写された用紙Ｐは定着ローラ２５と加圧ローラ２６とで挟圧され、ここでトナー像が定着されてから排紙ローラ２７で排紙トレイ４に排出される。

(2).要部の構造
中間転写ベルト１０の周回路のうち、その周回方向に向かって駆動ローラ１１のやや手前側の部位にトナー濃度検出装置２９を配置している。この点を図２以下の図面も参照して説明する。なお、トナー濃度検出装置２９は中間転写ベルト１０の幅方向に沿って複数個（例えば２個）配置しているが、配置位置や個数は任意に設定できる。

図２，３に示すように、トナー濃度検出装置２９は、１枚のプリント基板３０を備えおり、このプリント基板３０に、第１及び第２の発光素子３１，３２と、これら発光素子３１，３２の反射光を受けて電気エネルギに変換するメイン受光素子３３とが装着されている。第１及び第２の発光素子３１，３２とメイン受光素子３３とは一列に並んでおり、かつ、両発光素子３１，３２は互いに近接して並んでいる。発光素子３１，３２は例えばＬＥＤであり、メイン受光素子３３は例えばフォトダイオードである。

素子３１〜３３の群は不透明素材から成るホルダー３４で覆われている。ホルダー３４には発光素子３１，３３が入り込む凹所３５と受光素子３３が入り込む凹所３６とが形成されており、両凹所３５，３６には上下に貫通した透光穴３７が連通している。ホルダー３４の上面にはレンズ３８を固着している。

プリント基板３０には、両発光素子３１，３２に隣接したサブ受光素子４０が配置されている。このサブ受光素子４０は、両発光素子３１，３２から照射した光の光量を検知するためのものであり、サブ受光素子４０で受光した光量とメイン受光素子３３で受光した光量とを比較することにより、照射光のうちどれだけの割合が受光素子３３に入光したかを知ることができる。

図３，４に示すように、中間転写ベルト１０は、ＰＰＳ樹脂フィルムのような基材３９とその表面に一体に設けた透光膜３９ａとを有する複層構造になっている。透光膜３９ａは例えばＳｉＯ₂ からなっており、蒸着によって均一な厚さに設定されている。図４に示すように、光は透光膜３９ａに入射し、基材３９の表面で反射して出射する。この場合の分光反射率は透光膜３９ａの厚さＴと入射角θとによって変動する。

(3).まとめ
図５は透光膜３９ａの厚さと分光反射率との関係を示したものであり、干渉により反射光が強められ、或いは弱められる現象により、透光膜３９ａの厚さが２２０ｎｍのときには、波長が６５０ｎｍのときに分光反射率は最大になって波長が１２５０ｎｍのときに分光反射率は最低になっている。他方、透光膜３９ａの厚さが１８０ｎｍのときには、波長が５２５ｎｍのときに分光反射率は最大になって波長が１０５０ｎｍのときに分光反射率は最低になっている。この図５から、透光膜３９ａの厚さによって分光反射率が相違することを理解できる。逆に見ると、分光反射率と波長との関係は透光膜３９ａの厚さに大きく依存していることが判る。

さて、第１発光素子３１はトナー濃度の検出のみでなく、中間転写ベルト１０の表面状態の検出にも利用される。すなわち、第１発光素子３１を発光させて、トナーＴが載っていない中間転写ベルト１０を一周させ、受光素子３３で反射光を検知して出力変動を検知する。出力変動の許容値は一般に１０％以内である。

そして、透光膜３９ａの厚さＴのバラツキの許容値を±１０ｎｍとすると、透光膜３９ａの厚さにバラツキがあっても反射率は１０％以内であるため、第１発光素子３１の波長は、最大発光波長に対して分光反射率が５％以内である必要がある。従って、Ｔ＝２２０ｎｍの場合には、第１発光素子３１の発光波長は５９０〜６９０の間に設定することになる。ここで、各発光素子の発光波長はピーク波長を示している。

他方、第２発光素子３２の光は、中間転写ベルト１０にトナーＴが付着しているときの反射率よりもトナーＴが付着していないときの反射率が小さくなる波長であるため、透光膜３９ａの厚さが２２０ｎｍの場合は、トナーＴの最低分光反射率を０．０１５とすると、第２発光素子３２の発光波長はおおよそ１１７０〜１４００ｎｍの範囲内に納める必要がある。但し、この場合は、トナーＴの反射率によって範囲が変動するため、使用するトナーの反射率によって範囲を設定することになる。

図６は、第１発光素子３１を用いてレジストパターンを検出した場合の時間と出力値との関係を表示したものである。第１発光素子３１の照射光は中間転写ベルト１０での反射率が大きい波長であるため、透光膜３９ａの表面にトナーＴがあると、当該トナーＴに光が吸収されたりトナーＴによって乱反射したりすることにより、受光素子３３に入射する光量は著しく減少する。図６には出力が大きく低下した谷部があるが、レジストパターンの存在によってグラフに谷部が生じている。従って、中間転写ベルト１０のどの部位にトナーＴが付着しているかを検知できる。

黒トナーの濃度検出は第１発光素子３１で行う。黒トナーは光を吸収するため、図７に示すように、濃度が上がるに連れて反射率は低くなって受光素子３３の出力は弱くなる。かかる関係に基づき、黒トナーの濃度が検出される。

他方、カラートナーの濃度検出は第２発光素子３２で行う。カラートナーが付着していない中間転写ベルト１０に第２発光素子３２の光を照射しても、中間転写ベルト１０から反射して受光素子３３に入光する光量は非常に少ない。他方、カラートナーは拡散反射性が強いため、第２発光素子３２から光をカラートナーに照射すると、図７のグラフのとおり、反射光の光量は濃度に比例して多くなる。このような関係に基づいてカラートナーの濃度が検出される。

図８に示す第２実施形態では、第１発光素子３１と第２発光素子３２とを一体化している。すなわち、第１発光素子３１として機能する第１発光チップ３１′と、第２発光素子３１として機能する第２発光チップ３１′とを１枚の基板４１に配置している（全体を樹脂等で封止してもよい。）。

この構成では第１発光チップ３１′と第２発光チップ３１′とを一層近づけることができるため、より一層コンパクト化できる。また、トナー担持体への入射角を小さくできるため、濃度の検出感度もより一層向上できる。なお、第１発光チップ３１′と第２発光チップ３２′とはプリント基板３０にマウントしてもよい。

本願発明は上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、トナー担持体は中間転写ベルトに限らないのであり、感光体ドラムであってもよい。また、３つ以上の発光素子を有することも可能である。

本願発明は、プリンタや複合機等のトナー方式画像形成装置に適用して有用性を発揮する。従って産業上利用できる。

３ 画像プロセス部
１０ 中間転写ベルト
１１ 駆動ローラ
１３ 二次転写ローラ
２９ トナー濃度検出装置
３１ 第１発光素子
３２ 第２発光素子
３１′，３２′ 発光チップ
３３ メイン受光素子
３４ ホルダー
３８ レンズ
３９ 基材
３９ａ 透光膜
Ｔ トナー

Claims (5)

1. 基材の表面に透光膜を設けたトナー担持体と、
   前記トナー担持体にトナー像を形成するトナー像形成部と、
   前記トナー担持体上のトナー濃度を検出するトナー濃度検出装置とを備えた画像形成装置であって、
   前記トナー濃度検出装置は、
   前記トナー担持体に光を照射可能な複数の発光素子と、前記発光素子から照射された光の反射光を受光する受光素子とを有し、
   前記発光素子からトナー担持体に照射した光の前記受光素子で受光した光の反射強度に基づいてトナー濃度を検出し、
   前記複数の発光素子のうちの第１発光素子が照射する光の波長が、前記トナー担持体に直接に照射したときの前記受光素子で受光した光の反射率が所定値以上となる波長であって、前記受光素子で受光される光が、前記透光膜における干渉によって強められた光となるように設定された波長であり、
   前記第１発光素子とは異なる第２発光素子が照射する光の波長が、前記透光膜における干渉によって弱められる、前記第１発光素子とは異なる波長であって、トナーに照射したときの反射率より前記トナー担持体に直接に照射したときの反射率の方が小さくなる波長である、
   画像形成装置。
2. 前記第１発光素子による光は、トナー担持体に直接に照射したときトナー担持体の分光反射率の最大値の９５％以上の値で正反射する波長に設定されており、前記第２発光素子による光は、トナーに照射した場合は拡散反射するがトナー担持体に照射しても殆ど又は全く反射しない波長に設定されている、
   請求項１に記載した画像形成装置。
3. 前記複数の発光素子はそれぞれ発光チップを有しており、前記複数の発光チップを共通の基板に配置している、
   請求項１又は２に記載した画像形成装置。
4. 基材の表面に透光膜を設けたトナー担持体に光を照射して反射光に基づいてトナー濃度を検出するトナー濃度検出装置であって、
   前記トナー担持体に光を照射可能な複数の発光素子と、前記発光素子から照射された光の反射光を受光する受光素子とを有しており、
   前記複数の発光素子のうち第１発光素子が照射する光は、前記トナー担持体に直接に照射したときの前記受光素子で受光した光の反射率が所定値以上となる波長であって、前記受光素子で受光される光が、前記透光膜における干渉によって強められた光となるように設定された波長になっており、
   前記第１発光素子とは異なる第２発光素子が照射する光は、前記透光膜における干渉によって弱められる、前記第１発光素子における波長とは異なる波長であって、トナーに照射したときの反射率より前記トナー担持体に直接に照射したときの反射率の方が小さくなる波長になっている、
   画像形成装置のトナー濃度検出装置。
5. 前記複数の発光素子はそれぞれ発光チップを有しており、前記複数の発光チップが共通の基板に配置されている、
   請求項４に記載した画像形成装置のトナー濃度検出装置。

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