JP5402441B2 - 反射型光学センサおよび画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、トナー濃度またはトナー位置を検知する反射型光学センサおよびこの反射型光学センサを備えた画像形成装置に関するものである。

トナーによる画像を形成する画像形成装置は、アナログ方式やデジタル方式のモノクロあるいはカラーの複写機やプリンタ、プロッタ、ファクシミリ装置、近来はマルチファンクションプリンタ（ＭＦＰ）等として広く実施されている。このような画像形成装置により形成される画像は「トナー画像」であるが、よく知られているように、良好な画像を得るためには、静電潜像の現像に供されるトナー量が適正でなければならない。現像方式には、トナーとキャリアを含む２成分系の現像剤を用いる方式や、トナーのみで構成された現像剤を用いるモノトナー方式等、種々の方式が知られている。現像部において静電潜像の現像のために供給されるトナー量の多寡を「トナー濃度」と呼ぶことにする。

トナー濃度が低すぎるときは、静電潜像に十分な量のトナーが供給されず、得られるトナー画像は濃度不十分な画像となってしまう。また、トナー濃度が高すぎるときは、形成されるべき画像の濃度分布が高濃度側に偏り、やはり見栄えの良くないトナー画像となってしまう。このように、適正なトナー画像が形成されるためにはトナー濃度が適正な範囲にならなければならない。

トナー濃度を適正な範囲に制御するため、従来から、トナー濃度検出用のトナーパターンを形成し、これに検出光を照射し、トナーパターンからの反射光の変化を検出してトナー濃度を検出する方法が広く行われている。検出対象に検出光を照射し、検出対象からの反射光を受光する光学装置は「反射型光学センサ」と呼ばれている。反射型光学センサは古くから種々のものが提案され知られている。（特許文献１〜５参照）。

これら従来から知られた反射型光学センサは、１個または２個の発光部、あるいは波長特性の異なる３個の発光部（例えば、ＬＥＤからなる）と、反射光を受光するための１個または２個の例えばフォトダイオードもしくはフォトトランジスタからなる受光部で構成されている。発光部としては上記の如くＬＥＤが用いられるのが一般的であるが、ＬＥＤから放射される検出光は、トナー濃度検出用のトナーパターンに、トナーパターンよりも小さいサイズのスポットとして照射される。

トナーパターンは、例えば、転写ベルト上に形成され、転写ベルトの回転に伴い移動する。このトナーパターンの移動する方向を「副方向」と呼ぶ。転写ベルト上で副方向に直交する方向を「主方向」と呼ぶ。トナー画像として可視化される静電潜像を光走査により形成する場合であれば、上記主方向は光走査における主走査方向に対応し、副方向は副走査方向に対応する。

トナーパターンは光走査等による静電潜像形成部において書き込まれて静電潜像が形成され、静電潜像は現像工程により可視化されてトナーパターンとなる。上記の場合であれば、トナーパターンは転写ベルト上に転写され、転写ベルトの移動すなわち副方向への移動により反射型光学センサが備えられた検出部に移動し、スポット状の検出光が照射される。検出光のスポットの大きさは、通常、直径：２〜３ｍｍ程度である。

反射型光学センサによるスポット状の検出光が照射される主方向の位置は、トナーパターンの主方向中央部であることが理想である。しかしながら、静電潜像形成部における光走査領域の変動や、転写ベルトの蛇行、さらには反射型光学センサの取り付け位置の「主方向の位置ずれ」や、主方向における取り付け位置の経時的変化等が要因となって、トナーパターンと反射型光学センサの主方向における位置関係は必ずしも理想状態とはならない。

トナーパターンと反射型光学センサの主方向における位置関係のずれによって検出光のスポットがトナーパターンからはみ出して照射されると、受光手段により受光される反射光は適正なものではなく、トナー濃度の適正な検出はできない。例えば、１個のスポット光を照射して、その反射光を１個の受光部で受光し、正反射光と拡散反射光の差によりトナー濃度を検出する場合、スポット光がトナーパターンの外側にはみ出して照射されると、スポット光の一部はトナーパターンの無い部分で正反射され、トナーパターンの部分では拡散反射される。したがって、受光部が正反射光を受光するように配置されているとすれば、受光部が受光する正反射光の強度は、トナーパターンの無い部分での正反射光により増加する。しかし、このような正反射光強度の増加は、トナーパターンにおけるトナー量が少ない場合にも起こり得るものであり、正反射光強度の増加がトナー量の少なさに起因するものなのか、スポット光がトナーパターンからはみ出していることに起因するものなのかを区別できない。

このような問題を避けるため、従来は、トナーパターンと反射型光学センサの主方向における位置関係のずれの存在に拘わらず、検出光のスポットが主方向においてトナーパターン内に位置するように、トナーパターンの主方向幅および副方向幅を１５ｍｍ〜２５ｍｍ程度の大きさに設定し、上記位置関係のずれが生じても、検出光のスポットがトナーパターンの外側にはみ出さないようにしていた。

画像形成装置、特にカラー画像形成装置においては、画像形成プロセスが適正に行われて高画質の画像が形成されるようにするための調整と、反射型光学センサとトナーパターンによるトナー濃度を検出するための画像出力とは別個に行われる。そのため、トナー濃度検出が行われている間は本来の画像形成を行うことができない。また、トナーパターンの大きさによって、そのトナーパターンを形成するための時間（特に副走査方向のパターン形成にかかる時間）が決まってくるため、トナーパターンの大きさは、本来の画像形成を行うことができない時間を決める要因となり、作業効率を決める要因ともなる。

また、トナーパターンの形成に消費されるトナーは、本来の画像形成に寄与しない「不寄与トナー」であり、パターンの大きさ（面積）に比例して不寄与トナーの消費量も多くなる。すなわち、従来から知られているトナー濃度検出方式には、作業効率の向上を困難にするという問題と、不寄与トナーの消費量が多いという問題がある。

この問題を解決するために、図３に示すような反射型光学センサを用いるとよい。この反射型光学センサは、発光部と受光部をアレイ状に配列し、このアレイ状発光部と受光部に対応してそれぞれレンズをアレイ状に配列した照射用光学系と受光用光学系を備えている。適宜の媒体またはトナーパターン上にアレイ状のスポット列が形成されるようにするとともに、トナーパターンの主方向幅をＬｐ、発光部の配列間隔をＬ、検出光の主方向のスポット径をＤとしたとき、
Ｌ＜Ｌｐ−Ｄ
の関係を満足するようにする。これによって、検出光の照射領域がトナーパターンから主方向にはみ出したとしても、隣接する発光部から出射される検出光による照射領域がトナーパターンからはみ出さなくなり、隣接する発光部と受光部による検出に切り替えれば、トナーパターンの検出が可能となる。このようにトナーパターンと検出光スポットとの位置関係にずれが生じる問題を、パターンサイズを大きくすることにより解決するのではなく、反射型光学センサを主方向にアレイ状に配列することによって解決する手法を用いれば、作業効率が低下するという問題、不寄与トナーの消費量が大きいという問題を改善することができる。

複数色（例えばシアン、マゼンタ、イエロー、ブラック）のトナー画像を重ね合わせてカラー画像を形成する画像形成装置において、複数色の画像の位置を合わせる目的で、上記の手法と同様の手法を用いるとよい。上記の手法を、複数色の画像の位置を検出するために採用しても、トナーパターンサイズを小さくすることができ、同様の効果を得ることができる。

アレイ状に配列されたレンズ面を有する照射用光学系と、アレイ状に配列されたレンズ面を有する受光用光学系を一体に同一材料で構成するようにすれば、素子を個別に製作して組み立てるよりは、光学素子の製造コスト、組み立てコストを低減することができる。

ＬＥＤは大きな放射角度においても高い相対強度を有しているため、光源にＬＥＤを用いる場合、ＬＥＤから放射されて照射用光学系のレンズ面に入射される光のうち、対応するレンズ面の有効径から外れた光は受光素子（例えば、フォトダイオード：ＰＤ）には結像されず、検出には用いられない。

また、照射用光学系により適宜の媒体上にまたはトナーパターンに照射されて反射され、受光用光学系のレンズ面に入射される光のうち、受光用光学系のレンズ面の有効径から主方向にはみ出して入射される光は、隣接するレンズ面の有効径内に入り、隣接する受光面に入射されて検出光として用いることができる。しかし、レンズ面の有効径から副方向にはみ出した光は受光部には入射されず、検出光として用いることができない。そこで、反射型光学センサの光利用効率を向上させ、ＳＮ比を良くし、検出精度を向上させるためには、照射用光学系のレンズ面の有効径からはみ出す光、受光用光学系のレンズ面の有効径から副方向にはみ出す光を少なくする必要がある。

本発明は、サイズを縮小化したトナーパターンであっても、光利用効率を向上させ、ＳＮ比を良くし、トナー濃度またはトナー位置の検出精度を高めることができる反射型光学センサおよびこれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明は、少なくとも３つの発光部からなる照射手段及び少なくとも３つの受光部からなる受光手段を有し、媒体上にトナーで形成される検出用パターンのトナー濃度または位置を検出する反射型光学センサにおいて、前記照射手段からの光束を前記媒体上に照射する少なくとも３つのレンズ面を一方向に配列してなる照射用光学系と、前記媒体上に照射される光束の反射光を前記受光手段で受光できるように、前記反射光を前記受光手段に照射する少なくとも３つのレンズ面を一方向に配列してなる受光用光学系とを有し、前記照射用光学系と前記受光用光学系とは同一材料で一体に構成されており、前記照射用光学系の前記少なくとも３つのレンズ面の配列間隔ａと、前記受光用光学系の前記少なくとも３つのレンズ面の配列間隔ｂと、前記照射用光学系のうちの１つのレンズ面とそれに対応する前記受光用光学系の１つのレンズ面との間隔ｃは、
ｃ＞ａ＝ｂ （１）
の関係を満足し、前記照射用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向の有効径よりも、それに垂直な方向の有効径の方が広いことを最も主要な特徴とする。

本発明の第２の形態は、本発明の上記第１の形態において、前記受光用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向の有効径よりも、それに垂直な方向の有効径の方が広いことを特徴とするものである。

本発明の第３の形態は、少なくとも３つの発光部からなる照射手段及び少なくとも３つの受光部からなる受光手段を有し、媒体上にトナーで形成される検出用パターンのトナー濃度または位置を検出する反射型光学センサにおいて、前記照射手段からの光束を前記媒体上に照射する少なくとも３つのレンズ面を一方向に配列してなる照射用光学系と、前記媒体上に照射される光束の反射光を前記受光手段で受光できるように、前記反射光を前記受光手段に照射する少なくとも３つのレンズ面を一方向に配列してなる受光用光学系とを有し、前記照射用光学系と前記受光用光学系とは同一材料で一体に構成されており、前記照射用光学系の前記少なくとも３つのレンズ面の配列間隔ａと、前記受光用光学系の前記少なくとも３つのレンズ面の配列間隔ｂと、前記照射用光学系のうちの１つのレンズ面とそれに対応する前記受光用光学系の１つのレンズ面との間隔ｃは、
ｃ＞ａ＝ｂ （１）
の関係を満足し、前記受光用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向の有効径よりも、それに垂直な方向の有効径の方が広いことを特徴とするものである。

本発明の第４の形態は、本発明の第１、第２または第３の形態において、前記照射用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向に垂直な方向の有効径の方が、前記受光用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向に垂直な方向の有効径よりも広いことを特徴とするものである。

本発明の第５の形態は、本発明の第１、第２または第３の形態において、前記照射用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向に垂直な方向の有効径よりも、前記受光用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向に垂直な方向の有効径の方が広いことを特徴とするものである。

本発明の第６の形態は、本発明の第１乃至第５のいずれかの形態において、前記照射手段の少なくとも３つの発光部の配列方向の放射角の半値全幅よりも、それに垂直な方向の放射角の半値全幅の方が広いことを特徴とするものである。

本発明の第７の形態は、本発明の第１乃至６のいずれかの形態において、前記受光手段の少なくとも３つの受光部の配列方向の口径よりも、それに垂直な方向の口径の方が広いことを特徴とするものである。

本発明の第８の形態は、トナーによる画像を形成する画像形成装置において、トナー濃度または位置を検出するための反射型光学センサとして、請求項１乃至７のいずれかに記載の反射型光学センサを有することを特徴とするものである。

本発明の第９の形態は、第８の形態の画像形成装置において、形成される画像が、色の異なる複数種のトナーによる多色画像もしくはカラー画像であり、色ごとのトナー濃度または位置が検出されることを特徴とするものである。

本発明に係る反射型光学センサによれば、前述の最も主要な特徴ある構成を備えることにより、光利用効率を向上させることができるとともに、検出信号のＳＮ比を良くし、検出精度を向上させることができる。よって、サイズが縮小化されたトナーパターンであっても、トナー濃度またはトナー位置を高い精度で検出することが可能になった。

本発明に係る画像形成装置によれば、上記反射型光学センサを用いて媒体上にトナーで形成される検出用パターンのトナー濃度または位置を検出し、適正なトナー濃度または位置になるように制御することにより、高い品質の画像を形成することができる。

上記画像形成装置がカラー対応の画像形成装置であれば、色ごとのトナー濃度または位置を検出してそれぞれ適正なトナー濃度または位置になるように制御することにより、高い品質のカラー画像を形成することができる。

本発明を適用可能な画像形成装置の一形態を模式的に示す正面図である。 反射型光学センサによるトナーパターンの検出の一例を示す模式図である。 反射型光学センサによるトナーパターンの検出の別の例を示す模式図である。 反射型光学センサによるトナーパターンの検出のさらに別の例を示す模式図である。 反射型光学センサによるトナーパターンの検出の例を示す光学配置図である。 反射型光学センサによるトナーパターンの検出の別の例を示す光学配置図である。 反射型光学センサの光学系の例を示す光学配置図である。 反射型光学センサの光学系の別の例を示す光学配置図である。 反射型光学センサの光学系のさらに別の例を示す光学配置図である。 反射型光学センサの光学系のさらに別の例を示す光学配置図である。 反射型光学センサのレンズ面の有効径を説明するための一例を示す模式図である。 反射型光学センサのレンズ面の有効径を説明するための別の例を示す模式図である。 反射型光学センサの光学系の中のレンズ面の有効径を説明するための一例を示す模式図である。 反射型光学センサの光学系の中のレンズ面の有効径を説明するための別の例を示す模式図である。 本発明に係る反射型光学センサにおけるトナー位置検出処理の例を示す模式図である。

以下、本発明に係る反射型光学センサおよび画像形成装置の実施例を、図面を参照しながら説明する。

先ず、図１を参照しながら、画像形成装置の実施の形態を説明する。図１に示す画像形成装置はカラー画像を形成することができる画像形成装置である。カラー画像はイエロー：Ｙ、マゼンタ：Ｍ、シアン：Ｃ、黒：Ｋの４色のトナーにより形成される。図１において符号２０で示す部分は「光走査装置」である。光走査装置は、従来から知られている公知の種々のものを用いることができる。

符号１１Ｙ〜１１Ｋは、光導電性の潜像担持体であるドラム状の感光体である。感光体１１Ｙはイエローによるトナー画像の形成に用いられ、感光体１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋはそれぞれ、マゼンタトナー、シアントナー、黒トナーによるトナー画像の形成に用いられる。すなわち、光走査装置２０は、４個の感光体１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋに対して光走査による画像書き込みを行う。感光体１１Ｙ〜１１Ｋは何れも時計回りに等速回転駆動され、感光体１１Ｙ〜１１Ｋはそれぞれ帯電手段をなす帯電ローラＴＹ、ＴＭ、ＴＣ、ＴＫにより均一帯電され、光走査装置２０によりそれぞれ対応する光走査が行われて、イエロー、マゼンタ、シアン、黒の各色に対応した画像が書き込まれ、対応する静電潜像（この例ではネガ潜像）が形成される。

これらの静電潜像はそれぞれ現像装置ＧＹ、ＧＭ、ＧＣ、ＧＫにより反転現像され、感光体１１Ｙ、１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋ上にそれぞれイエロートナー画像、マゼンタトナー画像、シアントナー画像、黒トナー画像が形成される。これら各色トナー画像は、図示されない記録シートに転写される。転写には転写ベルト１７が用いられる。

記録シートは、例えば転写ベルト１７の下方に設けられている図示されないシート載置部から給送され、図１において転写ベルト１７の右側の上周面に供給され、転写ベルト１７に静電吸着され、転写ベルト１７が反時計回りに回転することにより図の左方へ搬送される。このようにして搬送される記録シートには、転写器１５Ｙにより感光体１１Ｙ上からイエロートナー画像が転写され、転写器１５Ｍ、１５Ｃ、１５Ｋによりそれぞれ、感光体１１Ｍ、１１Ｃ、１１Ｋからマゼンタトナー画像、シアントナー画像、黒トナー画像が順次に転写される。

このようにして、記録シート上において、イエロー、マゼンタ、シアン、黒（以下、それぞれＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋと表す）の各トナー画像が重ね合わせられてカラー画像が形成される。記録シートは、カラー画像を担持して定着装置１９に搬送され、定着装置１９で定着されて装置外へ排出される。なお、上記のようにすることに代えて、中間転写ベルトを用い、上記４色のトナー画像を中間転写ベルト上に重ね合わせて転写してカラー画像を得、このカラー画像を記録シートに転写し、定着してもよい。

図１において、符号ＯＳ１〜ＯＳ４は、本発明の特徴的な構成部分である「反射型光学センサ」を示す。図１に示す画像形成装置では、上記の如く画像の書き込みは光走査により行われ、光走査における主走査方向は図１の図面に直交する方向であり、この方向を「主方向」という。トナー濃度検出は、反射型光学センサＯＳ１〜ＯＳ４を用いて以下の如くに行われる。すなわち、トナー濃度検出用のトナーパターンは、主走査装置２０により感光体１１Ｙ〜１１Ｋに個別に書き込まれて形成された「トナーパターンとなるべき静電潜像」が、各現像装置ＧＹ、ＧＭ、ＧＣ、ＧＫにより反転現像されてトナー画像となり、さらに転写ベルト１７の表面に直接的に転写されてトナーパターンとなる。この説明から明らかなように、説明中の実施の形態において、転写ベルト１７が「媒体」である。したがって、以下、転写ベルト１７を「媒体１７」とも言う。

トナーパターンは、媒体たる転写ベルト１７に形成され、転写ベルト１７の回転（図１において反時計回り）により移動し、反射型光学センサＯＳ１〜ＯＳ４により上記トナーパターンが検出され、上記センサの出力信号によってトナー濃度検出が行われる。なお、転写ベルト１７上に形成されたトナーパターンは、図１において反射型光学センサＯＳ１〜ＯＳ４よりも右側、すなわち、転写ベルト１７の移動方向において上記センサよりも下流側で、図示されないクリーニング装置により転写ベルト１７の表面から除去される。

図２は、媒体である転写ベルト１７上に形成されたトナーパターンと、反射型光学センサＯＳ１〜ＯＳ４との関係を模式図的に示している。図２において上下方向が主方向であって、図１における「図面に直交する方向」に対応する。また、図２の左右方向が副方向であり、転写ベルト１７の表面の移動方向である（図２中の矢印Ａで示す。）。

図２において、符号ＰＰ１〜ＰＰ４は転写ベルト１７上におけるＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋトナー画像の位置を検出するための「位置検出パターン」を示し、符号ＤＰ１〜ＤＰ４は、トナー濃度検出用のトナーパターンを示す。トナーパターンＤＰ１はイエロートナーの濃度を検出するためのパターンであり、トナーパターンＤＰ２、ＤＰ３、ＤＰ４はそれぞれマゼンタトナー、シアントナー、黒トナーの濃度を検出するためのパターンである。したがって、反射型光学センサＯＳ１〜ＯＳ４は、主査方向における４箇所で各色トナー画像の位置を検出するとともに、反射型光学センサＯＳ１はイエロートナーの濃度を検出し、反射型光学センサＯＳ２〜ＯＳ４はマゼンタトナー〜黒トナーの濃度を検出する。

なお、変形例として、トナーパターンＤＰ１〜ＤＰ４を、例えば、図２のトナーパターンＤＰ１に連続させて、副方向の上流側に４パターン形成し、これらを反射型光学センサＯＳ１により順次検出してこれをトナー濃度検出に供することもできる。その場合には、例えば、反射型光学センサＯＳ４を省略して、３個の反射型光学センサＯＳ１〜ＯＳ３で、主走査方向の３箇所において位置検出パターンＰＰ１〜ＰＰ３を検出するようにしてもよい。

位置検出パターンＰＰ１〜ＰＰ４は、図２に示すように、転写ベルト１７上における反射型光学センサＯＳ１〜ＯＳ４に対応する位置に形成され、主方向に平行なライン状パターンと、主方向に対して斜めに傾斜したライン状パターンとにより構成されている。これらのライン状パターンは、主方向に平行なものと主方向に対して傾いたものが１本ずつペアをなし、各ペアはＹ，Ｍ，Ｃ，Ｋの各トナーで形成される。

上には、記録シートを搬送して転写するための転写ベルト１７上に形成されるトナーパターンを検出する例を説明したが、画像形成装置の構成によっては、潜像担持体として感光体や中間転写ベルト（または中間転写体）上にトナーパターンを形成し、このトナーパターンを反射型光学センサによって検出するように構成することもできる。

以下、反射型光学センサとトナーパターンの検出に関して、実施形態とともに説明する。図３において、符号ＯＳ１は上に説明した反射型光学センサを示している。先に説明した４個の反射型光学センサＯＳ１〜ＯＳ４は構造的には同一のものであるので、反射型光学センサＯＳ１を例にとって説明する。図３において上下方向が「主方向」、左右方向の左向きが「副方向」である。反射型光学センサＯＳ１は、図３に示すように、検出光を放射する検出光用の発光部Ｅ１〜Ｅ６（Ｍ＝６個）と、前記発光部から出射される光束を媒体上に照射する照射レンズＬＥとを主方向に平行に所定ピッチで等間隔に配置して「照射手段」としている。一方、反射光を受光する受光部Ｄ１〜Ｄ６（Ｎ＝６個）と、前記受光部に反射光を結像する結像レンズＬＤとを主方向に平行に所定ピッチで等間隔にアレイ状に配置して「受光手段」としている。上記照射手段と受光手段とを対応させ、適宜のハウジングに一体的に組み付けた構成になっている。ハウジングは、図１に示した転写ベルト１７の下方に、所定の位置関係で配置される。

図４に示すように、主方向に配列された照射レンズＬＥと結像レンズＬＤがそれぞれ分離されている場合、各々のレンズの製造コスト、組み立てコストが高くなる。そこで、図３に示すように、主方向に平行に配列された照射レンズと受光レンズとを同一材料で一体に構成し、各々のレンズの製造コスト、組み立てコストを低減させている。

照射手段をなす発光部Ｅ１〜Ｅ６と照射レンズＬＥ、受光手段をなす受光部Ｄ１〜Ｄ６と結像レンズＬＤは、主方向において同じ位置にある。図３に示すように発光部Ｅ１〜Ｅ６から放射される光を媒体である転写ベルト１７の表面に照射したとき、転写ベルト１７による反射光が発光部の各々に対応する受光部Ｄ１〜Ｄ５に入射するように、発光部Ｅ１〜Ｅ６と照射レンズＬＥ、受光部Ｄ１〜Ｄ６と結像レンズＬＤの位置関係が定められている。すなわち、受光部Ｄ１〜Ｄ６と結像レンズＬＤとの配列ピッチは、発光部Ｅ１〜Ｅ６と照射レンズＬＥとの配列ピッチに等しい。

より具体的に説明すると、転写ベルト１７の表面は滑らかであって、個々の発光部から放射される検出光の転写ベルト表面での正反射光が、対応する受光部に入射するようになっているものとする。従って、図３において、受光部Ｄ１〜Ｄ６に入射している反射光は、転写ベルト１７の表面による正反射光である。発光部Ｅ１〜Ｅ６は具体的にはＬＥＤであり、受光部Ｄ１〜Ｄ６は具体的にはＰＤ（フォトダイオード）である。

各発光部Ｅ１〜Ｅ６から放射される検出光が、転写ベルト１７の表面に、主走査方向に並ぶ５箇所をスポットとして照射する。発光部Ｅ１〜Ｅ６の配列ピッチすなわち互いに隣接するスポットの間隔をＬ、スポット径をＤ、トナーパターンの主方向の幅をＬｐとすると、これらは、
Ｌｐ−Ｄ＞Ｌ
の条件を満たすように定められている。これにより、一つの検出光の照射領域がトナーパターンから主方向にはみ出したとしても、隣接する発光部から出射される検出光による照射領域がトナーパターンからはみ出さなくなり、隣接する発光部、受光部による検出に切り替えれば、トナーパターンの検出が可能となる。

図７〜１０は、本発明に係る反射型光学センサの各種実施例を示す。図７に示すように、発光部であるＬＥＤから放射される光は照射用光学系のレンズ面に入射される。照射用光学系の発光部に相対するレンズ面の有効径からはみ出した光は受光部には入射されないため、検出光としては用いられない。そのため、レンズ面の有効径を広くし、有効径からはみ出す光を少なくすればよい。しかし、トナーパターンの主方向幅Ｌｐは、発光部Ｅ１〜Ｅ６の配列ピッチをＬ、媒体上でのスポット径をＤとすると、
Ｌｐ＞Ｌ＋Ｄ
を満足する必要があるため、主方向のレンズ面の有効径を広げると発光部の配列ピッチＬも広がり、トナーパターンの主方向幅を広げなければならない。これはトナーパターンの縮小化に相反するため、本発明では図１０に示すように照射用光学系のレンズ面の副方向の有効径を広げて、有効径からはみ出す光を少なくしている。

また、照射用光学系から出射され、媒体上またはトナーパターン上に照射されて反射し、受光用光学系のレンズ面に入射される光のうち、レンズ面の有効径から主方向にはみ出す光は隣接するレンズ面の有効径内に入り、隣接する受光部に入射されて検出光として用いられる。しかし、有効径から副方向に外れた光は受光部には入射されず、検出光として用いられない。そこで、光利用効率を向上させるためには、図８に示すように、受光用光学系のレンズ面の副方向の有効径を広げればよい。

さらに図９に示すように、照射用光学系のレンズ面と受光用光学系のレンズ面の副方向の有効径をともに広げれば、それぞれの有効径からはみ出す光を同時に低減することができ、トナーパターンを拡大させることなく、反射型光学センサの光利用効率を向上させることができる。

図１１、図１２、図１３、図１４は、本発明に係る反射型光学センサの照射用光学系ＬＥと受光用光学系ＬＤのレンズ面の主方向と副方向の有効径を説明するための図である。図１１は、照射用光学系ＬＥと受光用光学系ＬＤの主方向、副方向の有効径がともにＷですべて等しい場合の例を示している。ここでいう「有効径」とは、光源または像がレンズの焦点位置にあって、これによってレンズを通過する光束が平行光束となるとき、この平行光束の径をいう。この例では、照射用光学系の１方向に配列されているレンズ面の配列間隔ａと、受光用光学系の１方向に配列されているレンズ面の配列間隔ｂと、前記照射用光学系のうちの１つのレンズ面とそれに対応する前記受光用光学系の１つのレンズ面との間隔ｃとの関係は、
ａ＝ｂ＝ｃ
である。
図１１において左右方向（横方向）の矢印で示されているＷは、「レンズの配列方向の有効径」を示しており、上下方向の矢印で示されているＷは、上記「レンズの配列方向」に直交する方向の有効径を示している。

図１２は、照射用光学系ＬＥと受光用光学系ＬＤのレンズ面の主方向の有効径をＷ、副方向の有効径をＷ＋εとした例である。これは照射用光学系ＬＥと受光用光学系ＬＤの副方向の有効径を広げた場合で、
ｃ＞ａ＝ｂ
の関係となる。

ここで、レンズ面の主方向の有効径、副方向の有効径について、以下のように定義する。レンズ面の主方向の有効径とは、光軸を含み主方向すなわちレンズ面の配列方向と平行な断面で見たとき、レンズ面に入射する光線のうち光軸から最も離れた両側の光線の高さの和（両側の光線の高さをｈ１，ｈ２とすると、ｈ１＋ｈ２）をいう。レンズ面の副方向の有効径とは、光軸を含み副方向と平行な断面で見たとき、レンズ面に入射する光線のうち光軸から最も離れた両側の光線の高さの和（両側の光線の高さをｈ１，ｈ２とすると、ｈ１＋ｈ２）をいう。

図１３は、照射用光学系ＬＥの副方向の有効径だけを広げた例で、
ｃ＞ａ＝ｂ
の関係となる。
図１４は、受光用光学系ＬＤの副方向の有効径だけを広げた例で、
ｃ＞ａ＝ｂ
の関係となる。

図１１〜図１４より、副方向に有効径を広げた場合はすべて
ｃ＞ａ＝ｂ
の関係となることがわかる。
また、図１２または図１３に示す例のように、照射用光学系の主方向のレンズ面の有効径よりも副方向のレンズ面の有効径の方を大きくすると、発光部であるＬＥＤの放射角の半値幅が主方向よりも副方向に広いものを使用すれば、出射光を検出光としてより高い効率で用いることができる。
また、図１２、図１４に示す例のように、受光用光学系の主方向のレンズ面の有効径よりも副方向の有効径の方を広くした場合、図３に示すように受光部の副方向の幅の方を、主方向の幅よりも長くした方が、受光部からはみ出す光が少なくなり、高い効率で光を受光することができる。

次に、図６、図１５を参照しながら、トナー位置検出処理について説明する。トナー位置検出は、通常はトナー濃度検出に先立って行われる。トナー位置検出に用いられる位置検出用パターンは、図１５に示すように、主方向（図１５中のＹ方向）に平行なライン状パターンＬＰＹ１、ＬＰＭ１、ＬＰＣ１、ＬＰＢ１と、主方向に対して斜めに傾斜したライン状パターンＬＰＹ２、ＬＰＭ２、ＬＰＣ２、ＬＰＢ２とにより構成されている。ライン状パターンＬＰＭ１とＬＰＭ２はペアをなしていてマゼンタトナーで形成されている。以下同様に、ライン状パターンＬＰＹ１とＬＰＹ２、ライン状パターンＬＰＣ１とＬＰＣ２、ライン状パターンＬＰＢ１、ＬＰＢ２がそれぞれペアをなし、それぞれイエロー、シアン、黒のトナーで形成される。

これらの各トナーによるライン状パターンのペアは、副方向（図中におけるＺ方向）に一定の間隔をなすように形成される。すなわち、これらのペアが副方向に一定間隔で形成されれば、上記イエローから黒の各トナー画像は「副方向に適正な位置関係」をなす。トナー画像の副方向の位置関係が適正であるか否かを検出するには、図６に示すように、位置検出パターンが反射型光学センサに近づくタイミングを計って適切なタイミングで、例えば、発光部Ｅ３を連続点灯させる。位置検出パターンが移動するのに従って、発光部からの検出用光は、媒体に対して副方向に変位し、検出用光のスポットは、図１５のライン状パターンＬＰＹ１〜ＬＰＢ１を順次に照射する。そして検出光がライン状パターンを照射するとき、受光部Ｄ１〜Ｄ６の出力を時間的に追跡することにより、検出光が４本のライン状パターンを照射する時間の間隔を検出することができる。この時間間隔が等間隔であれば、トナー画像相互の副方向の位置関係は適正であり、等間隔でなければ相互の位置関係にずれがあると判断できる。また、このずれ量を知ることもでき、このずれを補正するように光走査開始のタイミングを制御することができる。

また、トナー画像相互の主方向のずれは、以下のようにして検出することができる。ここでは、イエロートナー画像の場合につき、図１５に即して説明する。図１５（ｂ）は、イエロートナー画像が主方向（図中におけるＹ方向）に適正な位置にある場合を示している。図１５（ｂ）に示すように、発光部Ｅ１３からの検出光のスポットが、ライン状パターンＬＰＹ１を照射してからライン状パターンＬＰＹ２を照射するまでの時間をＴとする。図１５（ｃ）は、イエロートナー画像が「主方向においてΔSだけずれた場合」を示している。ライン状パターンＬＰＹ２はＬＰＹ１に対して傾いているので、このとき発光部Ｅ３からの検出光のスポットがライン状パターンＬＰＹ１を照射してからライン状パターンＬＰＹ２を照射するまでの時間は、
Ｔ＋ΔＴ
となり、適正な位置にあるときの時間：Ｔとの差：ΔＴにより主方向におけるずれ量を知ることができる。すなわち、ライン状パターンＬＰＹ２が主方向になす角を「θ」とし、媒体である転写ベルト１７の副方向への移動速度をＶとすれば、
ΔＳ・ｔａｎθ＝Ｖ・ΔＴ
であるから、主方向のずれ量：ΔＳは、
ΔＳ＝Ｖ・ΔＴ・ｃｏｔθ
として知ることができる。

また、複数の発光部を高速に順次点灯させることもできる。例えば発光部Ｅ１〜Ｅ６を順次点灯させる。すなわち、Ｅ１→Ｅ２→Ｅ３→Ｅ４→Ｅ５→Ｅ６・・・のように点灯させる。このとき、Ｅ３が点灯したときの受光部Ｄ１〜Ｄ６の出力を時間的に追跡し、Ｅ４が点灯したときの受光部Ｄ１〜Ｄ６の出力を時間的に追跡することで、発光部位置が若干ずれた場合の３つの出力信号が得られる。これらを平均することにより、計測精度の向上や、位置ずれの影響も知ることができる。

次に、反射型光学センサを用いて行われるトナー濃度検出処理について、図３、図５を用いて説明する。各反射型光学センサの発光部Ｅ１〜Ｅ６を順次に点灯して転写ベルト１７を照明する。各反射型光学センサの出力信号の処理装置は、各受光部の出力信号に基づいて、各受光部の受光量を個別に求め、それぞれ不図示のメモリに格納する。プリンタ制御装置は、各反射型光学センサの発光部Ｅ１〜Ｅ６を順次に点灯させる。図５に示すように、発光部Ｅ１〜Ｅ６から放射される検出用光は転写ベルトによって正反射し、対応する受光部Ｄ１〜Ｄ６に導光される。

例えば、発光部Ｅ３のみが点灯した場合、検出光がトナーパターンに照射された場合に拡散反射の影響で受光部Ｄ３が受光する正反射成分が減少する一方で、拡散反射光は受光部Ｄ３以外の受光部によっても受光される。そこで、受光部Ｄ１〜Ｄ６の出力を見ると、発光部Ｅ３が発光した状態では、受光部Ｄ３の受光量は低いものとなり、他の受光部での出力は０以外の値になる。発光部Ｅ４が発光した状態では、受光部Ｄ４の受光量は低いものとなり、他の受光部での出力は０以外の値になる。この結果から、トナーパターンは、発光部Ｅ３と発光部Ｅ４によって照射される位置にあることが分かる。このとき、発光部Ｅ３が発光した状態での受光部Ｄ３の出力の方が、発光部Ｅ４が発光した状態での受光部Ｄ４の出力よりも小さければ、トナーパターンは「発光部Ｅ３に寄った側」にあることがわかる。

このようにして、位置検出パターンを用いた位置検出よりも精度は劣るが、トナーパターンの主方向の位置を「発光部の配列ピッチ」の精度で検出することもできる。トナーパターンの主方向の位置がわかれば、発光部Ｅ１〜Ｅ６の全ての発光部を点灯させる必要は無く、主方向においてトナーパターンの周辺に存在する発光部だけを点灯させればよい。例えば、最初の１回の順次点灯のみＥ１〜Ｅ６の全ての発光部を点灯させ、２回目からはトナーパターンの存在がわかるのでその近傍部分のみ点灯させることができる。また別の方法としては、予備動作によりトナーパターンの位置を知るための予備検出用トナーパターンを用いる方法もある。

一般的に、トナーパターンの反射における「正反射光」はトナー濃度の増加に比例的に減少し、「拡散反射光」はトナー濃度の増加に比例的に増大する。例えば、トナー濃度の異なる複数のトナーパターンＤＰ１が「発光部Ｅ３およびＥ４からの検出用光のスポットで照射される位置」にある場合を考えてみる。この際に用いる反射型光学センサは、図３、図５に示す例のものとする。点灯させる発光部はＥ３のみとし、受光部Ｄ１〜Ｄ６の受光量に着目する。トナーパターンＤＰ１のうち、トナー濃度の低いパターンからＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６とする。図３、図５は、各発光部Ｅ１〜Ｅ６から射出される検出用光が転写ベルトまたはトナーパターンに入射し、転写ベルトによって正反射された検出光、トナーパターンによって正反射および拡散反射された検出用光が、各受光部Ｄ１〜Ｄ６で受光される様子を示している。この検出受光量の大小関係によって、トナー濃度の多寡を判別している。この検出受光量は不図示のメモリに格納される。

プリンタ制御装置は、反射型光学センサの処理装置からの検出受光量に基づいて、イエローのトナー濃度が適切であるか否かを判断し、反射型光学センサの処理装置からの検出受光量に基づいて、マゼンタのトナー濃度が適切であるか否かを判断し、反射型光学センサの処理装置からの検出受光量に基づいて、シアンのトナー濃度が適切であるか否かを判断し、反射型光学センサの処理装置からの検出受光量に基づいて、ブラックのトナー濃度が適切であるか否かを判断する。そして、プリンタ制御装置は、トナー濃度が適切でないと判断すると、適切となるように対応するステーションの現像処理系を制御する。

ＯＳ１〜ＯＳ４ 反射型光学センサ
ＰＰ１〜ＰＰ４ 位置検出用トナーパターン
ＤＰ１〜ＤＰ４ トナー濃度測定用トナーパターン
ＬＤ 受光用光学系
ＬＥ 照射用光学系
Ｅ１〜Ｅ６ 発光部
Ｄ１〜Ｄ６ 受光部
Ｌ 発光部の配列間隔
Ｐ 反射面（媒体上）
Ｉ 入射光
Ｒ 反射光

特開昭６４−３５４６６号公報 特開２００４−３０９２９２号公報 特開２００４−２１１６４号公報 特開２００４−７２６１２号公報 特開２００２−５５４９７号公報

Claims (9)

1. 少なくとも３つの発光部からなる照射手段及び少なくとも３つの受光部からなる受光手段を有し、媒体上にトナーで形成される検出用パターンのトナー濃度または位置を検出する反射型光学センサにおいて、
   前記照射手段からの光束を前記媒体上に照射する少なくとも３つのレンズ面を一方向に配列してなる照射用光学系と、
   前記媒体上に照射される光束の反射光を前記受光手段で受光できるように、前記反射光を前記受光手段に照射する少なくとも３つのレンズ面を一方向に配列してなる受光用光学系とを有し、
   前記照射用光学系と前記受光用光学系とは同一材料で一体に構成されており、
   前記照射用光学系の前記少なくとも３つのレンズ面の配列間隔ａと、前記受光用光学系の前記少なくとも３つのレンズ面の配列間隔ｂと、前記照射用光学系のうちの１つのレンズ面とそれに対応する前記受光用光学系の１つのレンズ面との間隔ｃは、
   ｃ＞ａ＝ｂ （１）
   の関係を満足し、
   前記照射用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向の有効径よりも、それに垂直な方向の有効径の方が広いことを特徴とする反射型光学センサ。
2. 前記受光用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向の有効径よりも、それに垂直な方向の有効径の方が広いことを特徴とする請求項１記載の反射型光学センサ。
3. 少なくとも３つの発光部からなる照射手段及び少なくとも３つの受光部からなる受光手段を有し、媒体上にトナーで形成される検出用パターンのトナー濃度または位置を検出する反射型光学センサにおいて、
   前記照射手段からの光束を前記媒体上に照射する少なくとも３つのレンズ面を一方向に配列してなる照射用光学系と、
   前記媒体上に照射される光束の反射光を前記受光手段で受光できるように、前記反射光を前記受光手段に照射する少なくとも３つのレンズ面を一方向に配列してなる受光用光学系とを有し、
   前記照射用光学系と前記受光用光学系とは同一材料で一体に構成されており、
   前記照射用光学系の前記少なくとも３つのレンズ面の配列間隔ａと、前記受光用光学系の前記少なくとも３つのレンズ面の配列間隔ｂと、前記照射用光学系のうちの１つのレンズ面とそれに対応する前記受光用光学系の１つのレンズ面との間隔ｃは、
   ｃ＞ａ＝ｂ （１）
   の関係を満足し、
   前記受光用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向の有効径よりも、それに垂直な方向の有効径の方が広いことを特徴とする反射型光学センサ。
4. 前記照射用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向に垂直な方向の有効径の方が、前記受光用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向に垂直な方向の有効径よりも広いことを特徴とする請求項１、２または３記載の反射型光学センサ。
5. 前記照射用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向に垂直な方向の有効径よりも、前記受光用光学系の少なくとも３つのレンズ面の配列方向に垂直な方向の有効径の方が広いことを特徴とする請求項１，２または３記載の反射型光学センサ。
6. 前記照射手段の少なくとも３つの発光部の配列方向の放射角の半値全幅よりも、それに垂直な方向の放射角の半値全幅の方が広いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の反射型光学センサ。
7. 前記受光手段の少なくとも３つの受光部の配列方向の口径よりも、それに垂直な方向の口径の方が広いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の反射型光学センサ。
8. トナーにより画像を形成する画像形成装置において、トナー濃度または位置を検出するための反射型光学センサとして、請求項１乃至７のいずれかに記載の反射型光学センサを有することを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項８記載の画像形成装置において、形成される画像が、色の異なる複数種のトナーによる多色画像もしくはカラー画像であり、色ごとのトナー濃度または位置が検出されることを特徴とする画像形成装置。

Images