JP5395500B2 - 測定装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像形成装置の像担持体上に付着したトナーの付着量の測定に関する。

電子写真方式の画像形成装置においては、同一の設定条件で画像形成を行っても、形成される画像の濃度は一定しない。これは、トナーの帯電量、感光体の感度、転写効率の変動といった各種画像形成パラメータの変動、および、温湿度などの環境条件の変動などの影響による。

そこで、感光体や中間転写体上に現像されたトナー像の濃度または高さを検出し、検出結果に基づきトナーの補給や帯電電位、露光光量、現像バイアスなどの各種画像形成パラメータをフィードバック制御する。

例えば、特許文献1の発明は、感光体の露光により形成された静電潜像が形成する電位、または、静電潜像を現像したトナー像の画像濃度を検出し、検出値と基準値を比較して、比較結果に応じて画像濃度を制御する。また、特許文献2の発明は、感光体上の非画像領域の反射光量と基準トナー像の反射光量の差を基準値と比較し、比較結果に応じてトナー補給を行う。

図1は一般的な反射光量の測定方法を示す図である。パッチセンサ25は、発光素子として近赤外光を放射する発光ダイオード(LED)25aを、受光素子としてフォトダイオード(PD)25bを備え、基準トナー像26の反射光量を測定する。言い換えれば、主に正反射光量を用いてトナー付着量を測定する。

図2はX-Rite社製530分光濃度計のセンサ出力を示す図である。図2に示すように、濃度0.6〜0.8まではセンサ出力によりトナー付着量の測定が可能である。しかし、高濃度域におけるトナー濃度の変化に対する反射光量の変化は僅かである。つまり、全濃度域に亘り、反射光量の差からトナー付着量を正確に測定することは困難である。

特許文献3は、偏光光を取り入れて高濃度域のトナー付着量を測定する発明を開示する。図3は特許文献3のパッチセンサ25'の構成を示す図である。パッチセンサ25'は、近赤外光を放射するLED25aとPD25bのほかに、PD25c、25dおよびプリズム25e、25fを備える。

LED12aからの放射光は、プリズム25eにより、入射面に対して垂直方向に振動する成分（S波）と、入射面に対して平行方向に振動する成分（P波）に分離する。分離されたS波はPD25cに入射し、分離されたP波は基準トナー像26に照射される。基準トナー像26に照射されたP波は、乱反射されて、一部がS波になる。基準トナー像26からの反射光は、プリズム25fによりS波とP波に分離され、分離されたS波はPD25dに入射し、分離されたP波はPD25bに入射する。

図4はPD25bの出力（カーブB）とPD25dの出力（カーブD）を示す図である。カーブBが示す正反射光（P波）量を乱反射光（S波）量で補正して、乱反射の影響を除去した反射光量（カーブH）が得られる。この方法によれば、図4に示すように、濃度1.0程度まではトナー付着量を測定することが可能であるが、さらに高濃度の領域の測定は不可能である。

一方、レーザによる変位センサを用いる方法も提案されている（例えば、特許文献4、5）。図5はレーザ変位センサ24を示す図、図6はレーザ変位センサ24によってトナー付着量を測定した結果を示す図である。

レーザ変位センサ24によれば、積層したトナー層の高さ（厚さ）の変化を測定することができる（図5(a)参照）。しかし、図5(b)に示すハイライト領域のドットパターンやラインパターンなどは、トナー層が不連続になる。つまり、図6に示すように、トナー層が連続する濃度域のトナー付着量を正確に測定することができるが、トナー層が不連続になる低濃度域のトナー付着量を正確に測定することはできない。

このように、パッチセンサを用いてトナー付着量を測定すれば高濃度域の測定が難しく、レーザ変位センサを用いると、逆に、低濃度域の測定が難しい。従って、濃度域全体でトナー付着量を精度よく測定するには、パッチセンサとレーザ変位センサを用いて、高濃度域以外にはパッチセンサを、高濃度域にはレーザ変位センサを用いることになる。しかし、画像形成装置のコストアップ、大型化を招く。

米国特許第2,956,487号明細書 米国特許第4,082,445号明細書 特開2003-076129公報 特開平4-156479号公報 特開平8-327331号公報

本発明は、低濃度域から高濃度域までの広範囲に亘り良好なトナー付着量の測定結果を得ることを目的とする。

本発明は、前記の目的を達成する一手段として、以下の構成を備える。

本発明にかかる測定装置は、画像形成装置の像担持体に形成されたトナー像のトナー量を測定する測定装置であって、トナー像に対して光を照射する光照射手段と、互いに隣接して設けられた複数の受光素子を備え、前記トナー像を撮像する撮像手段と、前記トナー像から反射した光を前記複数の受光素子で受光して得られるデータから反射波形のピーク位置に関する情報と、前記反射波形のピーク高さに関する情報を取得し、形成されるトナー像の濃度に関する情報に基づき前記ピーク位置と前記ピーク高さの少なくとも一つを用いてトナー量を算出する算出手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、低濃度域から高濃度域までの広範囲に亘り良好なトナー付着量の測定結果を得ることができる。

一般的な反射光量の測定方法を示す図。 X-Rite社製530分光濃度計のセンサ出力を示す図。 特許文献3のパッチセンサの構成を示す図。 フォトダイオードの出力を示す図。 レーザ変位センサを示す図。 レーザ変位センサによってトナー付着量を測定した結果を示す図。 実施例の画像形成装置の構成例を示すブロック図。 画像形成装置の制御部の構成例を示すブロック図。 トナー量測定部の構成例を示すブロック図。 面積階調法によって形成されたトナーパッチのトナー付着量の計測方法を説明する図。 信号処理部の構成例を示すブロック図。 ガウス関数によるカーブフィッティングを説明する図。 支持体上に形成されるパッチパターンの一例を示す図。 トナーの積層状態を模式的に示す図。 パッチパターンの断面プロファイルの一例を示す図。 パッチパターンの測定結果の一例を示す図。 トナー量測定部のA/Dコンバータが出力する反射波形を説明する図。 付着量演算部によるトナー付着量の演算を説明するフローチャート。 解像度（スクリーン線数および角度）で決定されるドット間の最大距離に対する切換レベルを示す図。 濃度信号値と位置差の関係例を示す位置差・トナー量換算テーブル。 濃度信号値と光量差の関係例を示す光量差・トナー量換算テーブル。 プリンタ部の記録特性と階調補正テーブルの一例を示す図。 実施例2の付着量演算部による切換レベルの決定処理を説明するフローチャート。 実施例3の付着量演算部によるトナー付着量の演算を説明するフローチャート。 特定の環境におけるトナー混合率とトナー帯電量の関係を示す図。 最大位置差ΔPmaxと最大光量変化ΔImaxを説明する図。 低濃度から高濃度にトナー濃度が変化した場合の反射波形の模式図。 反射波形の出力信号を説明する図。 ピーク位置を算出の仕方を説明する模式図。

以下、本発明にかかる実施例のトナー付着量の測定を図面を参照して詳細に説明する。

［装置の構成］
図7は実施例の画像形成装置の構成例を示すブロック図である。

露光用レーザ502は、パルス幅変調された入力信号Sに応じてレーザ光を発光する。また、像担持体としての感光ドラム501の表面は、一次帯電器504によって一様に帯電される。本実施例では、一次帯電器としてコロナ帯電器を設けている。この一次帯電器2には、直流電流-900μAの放電バイアスと、直流電圧-780Vのグリッドバイアスが印可され、感光ドラム501の外周面がほぼ-700Vに一様に帯電される。

露光用レーザ502から出力されたレーザ光は、ポリゴンミラー503によって主走査方向に走査され、感光ドラム501の表面に静電潜像を形成する。静電潜像は、現像器505によってトナー像に現像される。露光用レーザ502、現像器505は、トナー像を形成する画像形成手段である。トナー像は、中間転写体である転写ベルト506に転写され、図には示さないが、さらに記録紙に転写、定着される。なお、主走査方向とは、感光ドラム501の移動方向に対して垂直な方向を指す。また、副走査方向とは、感光ドラム501の移動方向と平行方向を指す。

トナー量測定部507は、現像器505の近傍に配置され、現像器505によって現像された感光ドラム501上のトナー像のトナー付着量を測定する。

なお、トナー付着量の測定は、トナー像が感光ドラム501から転写ベルト506に転写された後、転写ベルト506上で行ってもよい。また、転写ベルト506を使用せずに、感光ドラム501から記録紙にトナー像を直接転写する画像形成装置もある。さらに、トナー付着量の測定は、感光ドラム501上、転写ベルト506上に限らず、記録紙上で行うこともできる。そこで、以下では、転写前あるいは定着前のトナー像を保持する感光ドラム501、転写ベルト506、あるいは、記録紙を支持体と呼ぶことにする。

●制御部
図8は画像形成装置の制御部500の構成例を示すブロック図である。

制御部500のトナー量測定部507は、感光ドラム501（または転写ベルト506）上に形成したトナーパッチのトナー付着量を測定する。そして、濃度計算部606は、測定されたトナー付着量から濃度データを計算する。コントローラ607は、計算された濃度データ（実測値）と、トナーパッチの信号値Sに対する濃度データ（理論値）を比較し、比較結果に基づき、画像濃度の非線形性を補正するためのガンマテーブル（γLUT）609を補正する。

また、コントローラ607は、計算された濃度データに基づき、画像形成装置の各プロセスである帯電プロセス601、露光プロセス602、現像プロセス603、転写プロセス604を制御する。

また、転写ベルト506上のトナー付着量を測定し、トリボ計算部607を用いて測定したトナー付着量からトリボ量を計算し、現像プロセス603のフィードバック制御に用いてもよい。なお、トリボとは、現像剤を撹拌することでトナーとキャリアの摩擦によって発生するトナーが有する電荷Qと、そのトナーの質量Mの比Q/Mで定義される。

トナー付着量測定部507によって測定されたトナー付着量（トナーパッチの高さ）dtから、式(1)を用いて、単位面積当りの質量M/Sを算出する。次に、表面電位計（不図示）により測定された現像前後の潜像電位差ΔVから、式(2)を用いて単位面積当りの電荷Q/Sを算出する。そして、式(3)を用いてトリボ量Q/Mを算出し、このQ/Mを現像プロセスにフィードバックする。
M/S = √2×πρ_td_t/6 …(1)
Q/S = ΔV/{(d_t/2ε₀ε_t) + (d_d/ε₀ε_d) …(2)
Q/M = Q/S/M/S …(3)

●トナー量測定部
図9はトナー量測定部507の構成例を示すブロック図である。

レーザ光源701から放射されたレーザ光（測定光）は、レーザ光をスポットに集光する集光レンズ702を介して、トナーパッチ105および支持体106を照射する。トナーパッチ105または支持体106からの反射光は、受光レンズ703によってラインセンサ704に結像する。従って、ラインセンサ704は、トナーパッチ105の厚さに応じた反射光を撮像する。なお、一次元のラインセンサに限らず、二次元(2D)イメージセンサを用いてもよい。なお、レーザ光源701、または、レーザ光源701と集光レンズ702を合わせた構成が光照射部である。また、ラインセンサ704、または、ラインセンサ704と受光レンズ703（集光レンズ）を合わせた構成が撮像部である。

ラインセンサ704から出力される反射波形を示す信号は、A/Dコンバータ707によってディジタル信号に変換されて、記憶部705に格納される。信号処理部706は、記憶部705に格納された反射波形データからトナー付着量を計算する。

まず、トナーパッチ105が形成されていない支持体106表面に測定光を照射して、その反射波形（支持体反射波形）のデータを記憶部705に格納する。次に、支持体106を矢印の方向に移動して、トナーパッチ105の表面に測定光を照射して、その反射波形（トナー反射波形）のデータを記憶部705に格納する。

支持体反射波形とトナー反射波形のデータに対して、後述する信号処理部706の処理を施して、支持体反射波形とトナー反射波形のピーク位置の差（特徴点、以下、位置差）および反射光量の差（以下、光量差）を計算する。そして、位置差と光量差からトナー付着量を計算する。なお、光量差は、反射波形のピークの高さの差から計算する。これ以外にも、反射波形の面積の差を光量差としてもよい。

図28に示すように、反射波形は、互いに隣接して配置された複数の受光素子で受光するが、反射波形の出力信号は各受光素子からの受光量に応じた電気信号として出力される。位置差は複数の受光素子の中でどの受光素子が最も高い信号を出力するか（受光位置）によって検出する。そして、受光位置は対象物の高さに応じて変化するため、位置差はトナー層が連続する高濃度域のトナー付着量を正確に測定することができるが、トナー層が不連続になる低濃度域のトナー付着量を正確に測定することはできない。逆に、光量差は、対象物からの反射光量に影響を受けて変化する。そのため、支持体上のトナーの存在面積が徐々に増えていくような低濃度域では、トナー付着量の正確な測定が可能である。一方、トナー層が連続する高濃度域では対象物からの反射光量がほとんど変化しないため、トナー付着量を正確に測定することは困難である。

図27は低濃度から高濃度にトナー濃度が変化した場合の反射波形の模式図である。

低濃度では、図27(a)に示す感光ドラムからの反射波形801とトナー層からの反射波形802が、図27(d)に実線で示す合成波形として出力される。また、トナー層の増加とともに図27(a)の破線矢印で示した方向に出力波形のピークが移動する。図27(d)の破線で示すのは、後述するカーブフィッティング後の波形である。

中間濃度域では、図27(b)の感光ドラムからの反射波形801'と、トナー層からの反射波形802'から図27(e)に実線で示す合成波形と、図27(e)に破線で示すカーブフィッティング後の波形がそれぞれ出力される。また、中間濃度域では、トナー層からの反射波形は感光ドラムからの反射光量の減少と対照的にトナー層からの反射光量が増加するが、ピーク位置はほとんど変化せず、図27(b)の破線矢印で示すように光量が増大することになる。

同様に、高濃度では図27(c)の感光ドラムからの反射波形801"とトナー層からの反射波形802"から図27(f)に実線で示す合成波形が、図27(f)に破線で示すカーブフィッティング後の波形がそれぞれ出力される。

図29は基準値である感光ドラムと図27で説明したカーブフィッティング後の波形からピーク位置を算出する模式図である。

図29において、感光ドラムからの反射波形801と低濃度でのフィッティングカーブ803、中濃度におけるフィッティングカーブ803'、高濃度のフィッティングカーブ803"をそれぞれ(a)、(b)、(c)として示している。感光ドラムからの反射波形801におけるピーク位置の出力値を基準値(ゼロ点)とし、対象とするトナー像から得られたフィッティングカーブのピーク位置がどれだけ移動しているかを検出することによりトナー像の高さを算出する。

図10は面積階調法によって形成されたトナーパッチ107のトナー付着量の計測方法を説明する図である。

図10に示すように、面積階調法によって形成されるトナーパッチ107の各付着トナーは、高さhが一定で、濃度に応じて幅Wが変化する。図10は、左端ほど濃度が高く、右端ほど濃度が低いトナーパッチ107を表している。

●信号処理部
図11は信号処理部706の構成例を示すブロック図である。

反射位置検出部901は、記憶部705に記憶された支持体反射波形のデータからピーク位置を検出する。さらに、記憶部705に記憶されたトナーパッチ105に対応するトナー反射波形のデータからピーク位置を検出する。そして、支持体のピーク位置と、トナーパッチ105のピーク位置との差（ラインセンサ704の画素単位の差）を位置差として位置差記憶部902に格納する。なお、トナーパッチ105の前後における支持体106の二点のピーク位置から支持体106の偏心成分を算出し、トナーパッチのピーク位置に対して偏心成分を除去する補正を行うと、トナーパッチのピーク位置の算出精度が向上するので好ましい。

なお、位置差の算出と格納は、すべてのトナーパッチ105に対して行われる。また、位置差は、トナー量測定部507の幾何学的構成から決まる係数を掛けてトナー高さ（μm）に変換される。また、本実施例の支持体106が測定光であるレーザ光（波長780nm、スポット径50μm）を透過する場合、屈折率の違いにより生じる見かけ上の浮き上がり量を考慮した処理を施して、支持体106の膜厚分の厚さを排除する。

反射光量検出部（光量算出部）903は、反射位置検出部901が抽出した支持体反射波形と、各トナー反射波形のピークの高さを計算する。そして、支持体のピーク高さと、トナーパッチ105のピーク高さとの差を位置差として光量差記憶部904に格納する。なお、トナーパッチ105の前後における支持体106の二点のピーク位置から支持体106の偏心成分を算出し、トナーパッチのピーク高さに対して偏心成分を除去する補正を行うと、トナーパッチのピーク高さの算出精度が向上するので好ましい。なお、光量差の算出と格納は、すべてのトナーパッチ105に対して行われる。

反射波形からピークの位置と高さを検出する方法として、次の方法がある。ガウス関数を用いた最小二乗法により、反射波形に対してカーブフィッティングを行う。そして、カーブフィッティング後のガウス関数のパラメータから、ピークの位置と高さを求める。ガウス関数は式(4)に示すように、x=μを中心とする釣鐘型の関数である。
f(x) = {A/√(2πσ²)}・exp{-(x-μ)²/2σ²} + C …(4)
ここで、μはピーク位置、
σはピークの幅に関するパラメータ、
Aは振幅。

図12はガウス関数によるカーブフィッティングを説明する図である。図12に示すように、記憶部705に記憶された反射波形データにガウス関数をカーブフィッティングすることで、反射波形の形状を表す特徴量（ガウス関数のパラメータ）が得られる。つまり、パラメータμをピーク位置とし、パラメータAをピークの高さとする。

ガウス関数以外にも式(5)に示すローレンツ関数や、式(6)に示す二次関数によりカーブフィッティングを行ってもよい。また、カーブフィッティングを行わずに、反射波形データが最大値を示す画素位置をピーク位置とし、その最大値をピークの高さとしてもよい。
f(x) = (2A/π)・w/{4(x-x_c)² + w²} + C …(5)
f(x) = A(x - B)² + C …(6)

付着量演算部（算出部）905は、位置差記憶部902に格納された位置差の平均値、および/または、光量差記憶部904に格納されたピーク高さの差の平均値、そして形成されるトナー像の濃度情報908からトナー量を算出する。このとき、形成されるトナー像の濃度に関する情報とは、形成されるトナー像が高濃度画像か低濃度画像かに関する情報である。付着量演算部905は、図示しないメモリが保持するトナー量換算テーブルに基づき、位置差記憶部902に格納された位置差の平均値、および/または、光量差記憶部904に格納されたピーク高さの差の平均値からトナー量算出を行う。そして、トナー付着量を演算する。詳細は後述する。

［トナーパッチ］
図13は支持体106上に形成されるパッチパターンの一例を示す図である。

支持体106の転写領域（以下、画像域）には記録紙に転写すべき画像に対応するトナー像が形成される。さらに、図示しないパターンジェネレータの信号に応じて、支持体106の非転写領域（以下、非画像域）には副走査方向に断続したパッチパターン710が形成される。また、図13に示されるように、画像域よりも主走査方向の外側の非画像域にパッチパターンは形成される。

パッチパターン710は、10×10mmの16階調のトナーパッチ105を含む。各トナーパッチ105の数は、25六階調を均等分割した16階調分（階調値16、32、…、240、255）である。以下では、各トナーパッチ105をp1、p2、…、p16と記す場合がある。なお、トナーパッチ105の数は、任意数に設定することができる。

支持体106の非画像域に形成された各トナーパッチ105のトナー付着量は、支持体106の回転や移動とともに、トナー量測定部507により順次測定される。

トナー量測定部507のラインセンサ704における受光素子のピッチは、受光素子のピッチはトナーの積層状態を考慮して受光レンズ703の光学倍率とトナーの平均粒径の積以下とすることが好ましい。

図14はトナーの積層状態を模式的に示す図である。図14(a)は、トナーが付着していない状態で支持体106の表面が検出される。図14(b)はトナーが一層の付着した状態、図14(c)はトナーが二層に重なった状態である。さらに、図14(d)に示すように、トナー粒子間にトナー粒子が重なる状態があり、受光素子のピッチは図14(d)も検出可能に構成する必要がある。

本発明における光学系は以下の関係にある。
h = N・p/M …(7)
L = N・p = M・h …(8)
ここで、hは対象物の高さ(μm)、
Lはラインセンサ上での基準位置からの移動量(μm)、
pはラインセンサ画素のピッチ間距離(μm/画素)、
Mはレンズの光学倍率、
Nはラインセンサ上での基準位置からの移動画素数。

ここで、トナー粒子一個を確実に判別するためにはN≧1が望ましい。従ってp≦M・hの関係を満たすことが求められる。なお、トナーの平均粒径は、測定対象がトナーの物理的な外形サイズであるため、個数平均粒径としている。

また、図14において(a)〜(c)は光の着弾している画素を一つ検出するだけでよい。しかし、(d)の場合は「隣り同士またがって光が着弾している二つ画素の画素電圧（∝光強度）を比較する」位置検出アルゴリズム（前述したフィッティング）によりピーク位置を検出している。

図15はパッチパターン710の断面プロファイルの一例を示す図である。

図15(a)はパターンジェネレータが出力するマゼンタの画像情報に相当する。図15(b)は、支持体106の移動方向に対して例えば-45度で212lpi（ライン/インチ）のスクリーン処理が施され、支持体106に形成されるトナーパッチ710に相当する。トナー量測定部507は、図に示す矢印Vに沿って各トナーパッチ105のトナー付着量を測定する。

図15(c)は各トナーパッチ105の断面を示す図である。例えば階調値0〜48のハイライト域（低濃度域）においては、主走査方向へのパルス幅変調(PWM)により、トナーパッチ105を構成するドットの断面は高さが増加し幅も拡がる（図15(d)参照）。

次に、例えば階調値48〜192の中間濃度域において、トナーパッチ105を構成するドットは隣接するドットと重なり、ドットの断面が拡大する（図15(e)参照）。中間濃度域までは、トナーパッチ105の断面は、ドットと支持体106表面の露出部分によって構成される。

さらに、濃度が高い例えば階調値192〜255の高濃度域においては、支持体106表面の露出部分がなくなり、トナーパッチ105の断面は重なり合うドットで構成される（図15(f)参照）。

なお、他の色成分におけるトナーパッチ105の断面も階調値に応じてマゼンタと同様に拡大する。ただし、スクリーン処理は、例えば、イエローが168lpi、63度、シアンが212lpi、45度、ブラックが200lpi、0度のように異なる。

図16はパッチパターン710の測定結果の一例を示す図で、図16(a)は位置差を、図16(b)は光量差を示している。

図15(c)に示すように、ハイライト域はトナーパッチ105を構成するドットの面積が、支持体106表面の露出部分の面積（以下、露出面積）よりも小さい。そのため、ハイライト域のトナーパッチ105の測定により得られる位置差の変化は微小であり、その結果、図16(a)に示すように、位置差の直線性はハイライト域で低下する。

他方、高濃度域においては、トナーパッチ105の測定により位置差の変化が高精度で得られるが、トナーパッチ105からの反射光量の変化が低下する。そのため、高濃度域のトナーパッチ105の測定により得られる光量差の変化は微小であり、その結果、図16(b)に示すように、光量差の直線性は高濃度域で低下する。

図17はトナー量測定部507のA/Dコンバータ707が出力する反射波形を説明する図である。

トナー量測定部507は、図17(a)に示すように、トナーパッチ105を構成するドットからの反射波形（以下、トナー反射波形）801と、ドット間の支持体106表面の露出部からの反射波形（以下、支持体反射波形）802を測定する。従って、A/Dコンバータ707が出力する反射波形は、図17(b)に示すように、トナー反射波形801と支持体反射波形802の合成波形803になる。

つまり、トナードットが形成される密度（記録密度）が高くなるほど濃度が高くなるので、支持体反射波形802が占める割合が減る。結果として、ハイライト域での光量差の測定精度が向上する一方、中間濃度域から高濃度域における光量差の測定精度が低下する。従って、記録密度が低い場合は光量差を、記録密度が高いと位置差を主とした検出方法を用いることが好ましい。

［付着量演算部］
図18は付着量演算部905によるトナー付着量の演算を説明するフローチャートである。

付着量演算部905は、画像域のトナー像と同じ画像形成処理が施されたトナーパッチ105のスクリーン線数と角度から、測定対象のトナーパッチ105を構成するドット間の最大距離（または周波数）を各色成分ごとに設定する(S101)。

図19は解像度（スクリーン線数および角度）で決定されるドット間の最大距離に対して画像信号のどのレベルで切り換えるのかを示す図である。図19において実線906や破線907よりも切換レベルの高い領域では位置差を、低い領域では光量差を検出することが好ましい。なお、このドット間の最大距離は、副走査方向のスクリーン線間のドット間距離に相当する。

付着量演算部905は、図19に示す切換テーブルに従い、ステップS101で設定した最大距離に対する切換レベルDthを各色ごとに設定する(S102)。なお、切換レベルは、例えば0.3＜X≦0.5mmに対してDth=128のように段階的に変化するように設定してもよい（実線906参照）が、連続的に変化するように設定してもよい（破線907参照）。なお、-45度、212lpiのスクリーン処理を施すマゼンタの場合、X=0.17mmでDth=128である。

このように、ドット間の最大距離と濃度信号値Sは、形成されるトナーパッチによって既知となっている。したがって、図19に示す切り替えテーブルを用いて、位置差を用いるか、光量差を用いるかを切り替えることが可能である。

図20は濃度信号値Sと位置差の関係例を示す位置差・トナー量換算テーブルで、第一象限は濃度信号値Sと位置差の関係を示し、第二象限は位置差とトナー量の関係を示す。図21は濃度信号値Sと光量差の関係例を示す光量差・トナー量換算テーブルで、第一象限は濃度信号値Sと光量差の関係を示し、第二象限は光量差とトナー量の関係を示す。

次に、付着量演算部905は、測定対象のトナーパッチ105の濃度信号値Sと切換レベルDthを比較する(S103)。そして、S≧Dthの場合は、図20に示す削除第二象限に示される位置差とトナー量の関係を用いて、単位面積当りのトナー量M/Sを算出する(S104)。また、S＜Dthの場合、付着量演算部905は、図21に示す削除第二象限に示される光量差とトナー量の関係を用いて、単位面積当りのトナー量M/Sを算出する(S105)。

次に、付着量演算部905は、図20に示す位置差・トナー量換算テーブルの第三象限に示されるトナー量と画像濃度の関係を用いてトナー濃度を算出する(S106)。なお、図20と図21の第三象限に示されるトナー量と画像濃度の関係は同一である。

付着量演算部905は、ステップS107の判定により、パッチパターン710に含まれるすべてのトナーパッチ105の測定結果に対してステップS103からS106の処理を繰り返し行う。その結果、図20の第四象限に示される濃度信号値に対する画像濃度の関係と同様の、画像形成装置のプリンタ部の記録特性を取得することができる。

［制御部］
図22はプリンタ部の記録特性と階調補正テーブルの一例を示す図である。

上述したように、制御部500の濃度計算部606は、測定されたトナー付着量から図22(a)に示す濃度データ（プリンタ部の記録特性）を計算する。従って、制御部500のコントローラ607は、図22(a)に示されるプリンタ部の記録特性（画像形成装置の出力特性）をリニアにする図22(b)に示す階調補正テーブル（γLUT609）を作成する。なお、コントローラ607は、γLUT609にスムージング処理などを施して、画像信号値の増加に対してレーザ出力が減少する逆転が起こらないようにする。制御部500は、作成されたγLUT609が設定された後、画像形成処理を実行する。

このように、解像度に応じてトナー量の検出をトナー層の厚さ（位置差）で行うか、反射光量（光量差）で行うかを切り換えることにより、トナー量を高精度に検出することができる。また、リアルタイムにプリンタ部の変動を検出することができ、検出した変動を次の画像形成にフィードバックすることで、安定した階調画像を常に形成することができる。

なお、上記の説明においては、スクリーン処理した画像を例に説明したが、ドットパターン処理した画像においても同様の効果を得ることができる。

また、γLUT609全体を書き換える必要はなく、初期値として登録されたγLUTやキャリブレーション制御などによって登録されたγLUTに、トナー量の検出に伴う差分を書き換えるようにしてもよい。

以下、本発明にかかる実施例2の階調補正を説明する。なお、実施例2において、実施例1と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。

実施例1においては、トナー付着量を位置差から求めるか光量差から求めるかを、予め設定可能な図19に示す切換レベルに基づき切り換えた。実施例2では、支持体106とトナーパッチ105の反射光量の違い（光量差）に応じた動的な切換レベルを使用する例を説明する。

トナーパッチ105からの反射光量が小さい場合、カーブフィッティングの精度が低下し、トナーパッチからの反射波形のピーク位置を正確に検出することが難しい。言い換えれば、光量差Idが大きいトナーパッチ105の位置差の精度は低いと言える。従って、トナー付着量の演算に使用する切換レベルは、光量差を考慮して決定することが望ましい。

図23は実施例2の付着量演算部905による切換レベルの決定処理を説明するフローチャートである。

付着量演算部905は、光量差記憶部904のデータを調べて光量差Idの最大値Idmaxを取得する(S150)。最大光量変化ΔImaxは、 図26に示すように、異なる濃度で形成された複数のトナー像から得られる、複数の反射波形データの光量の最大差を指している。図26では濃度信号値が0〜255までの濃度の異なるトナー像から得られた複数の反射波形データの光量差（ピーク高さ）からΔImaxを求めている。そして、式(9)によって閾値の変化量ΔDthを計算する(S151)。
ΔDth = B×(Idmax - Idth) …(9)
ここで、Bは係数（所定値）、
Idthは光量差の閾値（所定値）。

式(9)は、光量差の最大値Idmaxと予め定められた光量差の閾値Idthを比較する。そして、Idmax＜Idthの場合はトナーパッチ105からの反射光量が少なく位置差の精度が低いと判断して、閾値Dthを減少方向に変化させる閾値の変化量ΔDth＜0を算出する。また、Idmax≧Idthの場合はトナーパッチ105からの反射光量に不足はなく位置差の精度は高いと判断して、閾値Dthを増加方向に変化させる閾値の変化量ΔDth≧0を算出する。

次に、付着量演算部905は、閾値の変化量ΔDthを用いて、閾値Dthを更新する(S152)。
Dth = Dth + ΔDth …(10)

以降、付着量演算部905は、式(10)で計算した閾値Dthを用いて、図18に示すトナー付着量の演算を実行する。

このように、光量差Idを考慮して、トナー付着量の演算における切換レベルを動的に設定することで、より精度がよいトナー付着量の測定結果を得ることができる。なお、ピーク差を測定してDthを切り替える制御でも光量差を測定する場合と同様に行うことができる。

以下、本発明にかかる実施例3の階調補正を説明する。なお、実施例3において、実施例1、2と略同様の構成については、同一符号を付して、その詳細説明を省略する。

実施例1、2などにおいては、切換レベルを使用して、トナー付着量の演算に使用するデータとして位置差と光量差を切り替える例を説明した。実施例3においては、データを切り替えずに、すべての位置差と光量差のデータを使用してトナー付着量の演算する例を説明する。

図24は実施例3の付着量演算部905によるトナー付着量の演算を説明するフローチャートである。

付着量演算部905は、濃度信号値Sに応じた重みWp(S)、Wi(S)を使用して、トナー付着量の演算に対する位置差Pdと光量差Idの寄与率を変化させる。そして、各トナーパッチ105に対応する重み付け後の位置差と光量差の平均値をトナー付着量の演算に使用する。

ただし、位置差Pdの単位と光量差Idの単位は異なるので、単に位置差Pdと光量差Idを並べただけでは、トナー付着量を表すデータにはならない。位置差Pdと光量差Idの単位を合わせるために、付着量演算部905は、位置差記憶部902に記憶された位置差Pdの最大値と最小値から最大位置変化ΔPmaxを計算する(S170)。最大位置差ΔPmaxは、図26に示すように、異なる濃度で形成された複数のトナー像から得られる、複数の反射波形データのピーク位置の最大差を指している。図26では濃度信号値が0〜255までの濃度の異なるトナー像から得られた複数の反射波形のピーク位置からΔPmaxを求めている。

また、光量差記憶部904に記憶された光量差Idの最大値と最小値から最大光量変化ΔImaxを計算する(S171)。最大光量変化ΔImaxは、図26に示すように、異なる濃度で形成された複数のトナー像から得られる、複数の反射波形データの光量の最大差を指している。図26では濃度信号値が0〜255までの濃度の異なるトナー像から得られた複数の反射波形データの光量差（ピーク高さ）からΔImaxを求めている。

そして、ΔPmax/ΔImaxを単位を合わせるための係数k'として計算し(S172)、光量差記憶部904が記憶する各光量差Idに係数k'を掛けて、光量差Pdを位置差Idに変換する(S173)。

次に、付着量演算部905は、光量差記憶部904に記憶された位置差Pd'（変換後の各光量差）には式(11)に示す濃度信号値Sに応じた重みWi(S)を掛ける。また、位置差記憶部902に記憶された各位置差Pdには式(12)に示す濃度信号値Sに応じた重みWp(S)を掛けて、各トナーパッチに対応するデータに重み付けを行う(S174)。
Wp(S) = S/255 …(11)
Wi(S) = (S - 255)/255 …(12)

式(11)に示すように、重みWp(S)は、濃度信号値Sが最大255の場合は1、最小0の場合は0になる0≦Wp(S)≦1の重みである。式(12)に示すように、重みWi(S)は、信号値Sが最大255の場合は0、最小0の場合は1になる0≦Wi(S)≦1の重みである。従って、トナー付着量の演算に対する寄与率は、高濃度域で位置差Pdが高くなり、低濃度域で光量差Idが高くなる。

なお、上記では、位置差Pdと光量差Idに均等に重み付けする例を説明したが、これに限らず、トナーパッチ105のパターンに応じた適切な重み付けを行うことが好ましい。

次に、付着量演算部905は、各トナーパッチごとに、重みを掛けた位置差と、位置差に変換して重みを掛けた光量差の平均値を計算し、平均値を濃度信号値Sに関連付ける(S175)。そして、各平均値にトナー量測定部507の幾何学的構成から決まる係数jを掛けて、トナー付着量（単位はμm）に変換する(S176)。

［変形例］
図25は特定の環境におけるトナー混合率とトナー帯電量の関係を示す図である。

従って、環境センサが検出した水分量に応じてトナーパッチを形成し、トナー量測定部507によるトナーパッチの測定結果からトナー帯電量を算出することができる。そして、図23を参照して、画像形成装置の環境条件に応じたトナー混合率（トナー量と、トナー量＋キャリア量の比率）を算出して、トナー補給量を制御する。つまり、トナー帯電量からその時点での適正なトナー混合比を算出することができる。

そして、適正なトナー混合率（例えば10%）に対し、トナー混合率が高ければトナー補給を停止、トナー混合率が低ければ、適正なトナー混合率に合わせるためにトナー補給を開始する。

上述した実施例によれば、一つのセンサでパッチセンサとレーザ変位センサの機能を実現する。そして、濃度域、ドットパターン、スクリーンパターンに応じて、トナー付着量の測定に、パッチセンサ機能による積算光量変化を主に用いるか、レーザ変位センサ機能によるトナー層厚変化を主に用いるかを切り換える。従って、精度よくトナー付着量を測定することが可能になる。また、パッチサイズを従来よりも大幅に小さくして、トナー消費量を低減することができる。さらに、従来、画像域と画像域の間にトナーパッチを形成したが、画像域に並んだ非画像域にトナーパッチを形成することで、画像形成装置における生産性の低下を防ぐことができる。また、トナーパッチの数を増やすことで、さらに濃度補正の高精度化を図ることも可能になる。

このように、トナーパッチやパッチパターンが低濃度域か低濃度域以外にあるかに応じて、一つのセンサで検出した反射光量とトナー高さを切り換えてトナー付着量を算出する。従って、画像形成装置の大型化、コストアップを招くことなく、色再現性と最大濃度を保証することができる。さらに、測定光原として半導体レーザを用いることにより、トナーパッチのサイズを小さくすることができる。従って、画像形成装置の生産性を落とすことなく、階調補正を実現し、トナー消費量の低減することができる。さらに、トナーパッチの数を増して、階調再現性の高精度化を図ることもできる。

［他の実施例］
従来はトナーパッチを記録材の移動方向、かつ、記録材と記録材の間で形成していた。上記実施例で説明したように本発明の光照射手段としてレーザを用いるとトナーパッチを小さくすることが可能になるため、記録材の長手方向で記録材と重ならない領域の記録材横に形成することができ、複数のパッチを形成することができる。

また、本発明は高濃度部での測定も可能であることを利用し、最大画像濃度を検出し、補正する手段にも適用可能である。

なお、像担持体からの反射光が黒トナーと同様に反射波形が測定されない場合でも、色トナーを下地に形成してから黒トナーを形成することにより測定することは可能である。さらに、本発明は、色版のずれを抑制する場合にも適用可能である。

本発明は、トナー量を算出することが可能であるため、M/Sとトナーが形成する電位（静電潜像電位と現像後電位の差分）からQ/Mを求めることもできる。

本発明は、上記実施例の機能を実現するプログラムを記録した記録媒体（または記憶媒体）を装置（またはシステム）に供給し、装置のコンピュータ（CPUやMPU）が記録媒体から読み出したプログラムを実行することでも実現される。この場合、記録媒体に格納されたプログラムが上記実施例の機能を実現し、そのプログラムと、そのプログラムを記憶するコンピュータが読み取り可能な記録媒体は本発明を構成する。

また、プログラムの実行により上記機能が実現されるだけではない。つまり、プログラムの指示により、コンピュータ上で稼働するオペレーティングシステム(OS)および/または他のプログラムなどが実際の処理または制御の一部または全部を行い、それによって上記機能が実現される場合も含む。また、プログラムは、コンピュータに接続された機能拡張カードやユニットなどのデバイスのメモリに格納されていてもよい。つまり、プログラムの指示により、デバイスのCPUなどが実際の処理の一部または全部を行い、それによって上記機能が実現される場合も含む。本発明を記録媒体に適用する場合、その記録媒体には、先に説明したフローチャートに対応または関連するプログラムが格納される。

Claims (12)

1. 画像形成装置の像担持体に形成されたトナー像のトナー量を測定する測定装置であって、
   トナー像に対して光を照射する光照射手段と、
   互いに隣接して設けられた複数の受光素子を備え、前記トナー像を撮像する撮像手段と、
   前記トナー像から反射した光を前記複数の受光素子で受光して得られるデータから反射波形のピーク位置に関する情報と、前記反射波形のピーク高さに関する情報を取得し、形成されるトナー像の濃度に関する情報に基づき前記ピーク位置と前記ピーク高さの少なくとも一つを用いてトナー量を算出する算出手段とを備えることを特徴とする測定装置。
2. 前記形成されるトナー像の濃度が高い場合は前記ピーク位置を用いてトナー量を算出し、前記形成されるトナー像の濃度が低い場合は前記ピーク高さを用いてトナー量を算出することを特徴とする請求項1に記載された測定装置。
3. 異なる濃度の複数のトナー像のトナー量を測定する際に、高濃度のトナー像の反射波形データのピーク高さと、低濃度のトナー像の反射波形データのピーク高さとの差に応じて、前記異なる濃度の複数のトナー像の中で前記ピーク位置を用いてトナー量を算出するトナー像と、前記ピーク高さを用いてトナー量を算出するトナー像とが決定されることを特徴とする請求項1に記載された測定装置。
4. 異なる濃度の複数のトナー像のトナー量を測定する際に、高濃度のトナー像の反射波形データのピーク位置と、低濃度のトナー像の反射波形データのピーク位置との差に応じて、前記異なる濃度の複数のトナー像の中で前記ピーク位置を用いてトナー量を算出するトナー像と、前記ピーク高さを用いてトナー量を算出するトナー像とが決定されることを特徴とする請求項1に記載された測定装置。
5. 前記形成されるトナー像の濃度が低い場合は、前記ピーク位置よりも、前記ピーク高さに重みを付けて、前記ピーク位置と前記ピーク高さからトナー量を算出し、
   前記形成されるトナー像の濃度が高い場合は、前記ピーク高さよりも、前記ピーク位置に重みを付けて、前記ピーク位置と前記ピーク高さからトナー量を算出することを特徴とする請求項1に記載された測定装置。
6. 画像形成装置の像担持体に形成されたトナー像のトナー量を測定する測定装置であって、
   トナー像に対して光を照射する光照射手段と、
   互いに隣接して設けられた複数の受光素子を備え、前記トナー像を撮像する撮像手段と、
   前記トナー像から反射した光を前記複数の受光素子で受光して得られるデータから反射波形のピーク位置に関する情報と、前記反射波形の面積に関する情報を取得し、形成されるトナー像の濃度に関する情報に基づき前記ピーク位置と前記面積の少なくとも一つを用いてトナー量を算出する算出手段とを備えることを特徴とする測定装置。
7. 前記形成されるトナー像の濃度が高い場合は前記ピーク位置を用いてトナー量を算出し、前記形成されるトナー像の濃度が低い場合は前記面積を用いてトナー量を算出することを特徴とする請求項6に記載された測定装置。
8. 異なる濃度の複数のトナー像のトナー量を測定する際に、高濃度のトナー像の反射波形データの面積と、低濃度のトナー像の反射波形データの面積との差に応じて、前記異なる濃度の複数のトナー像の中で前記ピーク位置を用いてトナー量を算出するトナー像と、前記面積を用いてトナー量を算出するトナー像とが決定されることを特徴とする請求項6に記載された測定装置。
9. 異なる濃度の複数のトナー像のトナー量を測定する際に、高濃度のトナー像の反射波形データのピーク位置と、低濃度のトナー像の反射波形データのピーク位置との差に応じて、前記異なる濃度の複数のトナー像の中で前記ピーク位置を用いてトナー量を算出するトナー像と、前記面積を用いてトナー量を算出するトナー像とが決定されることを特徴とする請求項6に記載された測定装置。
10. 前記形成されるトナー像の濃度が低い場合は、前記ピーク位置よりも、前記面積に重みを付けて、前記ピーク位置と前記面積からトナー量を算出し、
    前記形成されるトナー像の濃度が高い場合は、前記面積よりも、前記ピーク位置に重みを付けて、前記ピーク位置と前記面積からトナー量を算出することを特徴とする請求項6に記載された測定装置。
11. 前記互いに隣接する受光素子のピッチは、前記撮像手段の集光レンズの光学倍率とトナーの平均粒径の積以下であることを特徴とする請求項1から請求項10の何れか一項に記載された測定装置。
12. 像担持体にトナー像を形成する画像形成手段と、
    請求項1から請求項11の何れか一項に記載された測定装置とを有することを特徴とする画像形成装置。