JP5595115B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、トナーによる作像を行う画像形成装置において、トナーの残量を検知する技術に関する。

従来、電子写真方式の画像形成プロセスを用いた画像形成装置において、トナーを有するプロセス手段を一体化して構成したカートリッジを画像形成装置に着脱可能とするプロセスカートリッジ方式が採用されている。このようなプロセスカートリッジ方式の画像形成装置ではユーザがカートリッジの交換を行うため、その交換時期としてトナーが無くなったことをユーザに正確に報知する必要があった。そのため、カートリッジ内の現像ローラ（現像スリーブともいう）近傍にアンテナを配置し、現像スリーブとアンテナ間の静電容量を検知することで、現像スリーブとアンテナ間に存在するトナー量をトナーの残量として検知する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、検知できるトナーの残量の範囲を変えたアンテナを複数配置することで、トナー残量検知の精度を上げる技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平２−１９７８７９号公報 特開２００１−０５１４８９号公報

しかし、上記の従来技術ではカートリッジの種類やアンテナ位置の精度、環境による影響及びカートリッジと本体との位置関係などにより、トナー満載状態からトナーが消費され尽くすまでの間に検知される静電容量の変化の範囲が変動するという問題があった。一方、変化の範囲の変動に対応するために、トナー残量検知の検知範囲をより大きくすると、トナー残量検知の分解能を高めることに限界があった。

本発明は、このような状況のもとで成されたもので、ダイナミックレンジを広くして分解能を高め、正確なトナーの残量検知を行うことを目的とする。

本発明の画像形成装置は、上記課題を解決するために下記の構成を有する。

（１）感光ドラムと、前記感光ドラム上に形成された潜像をトナーによって現像してトナー像を形成するための現像ローラと、前記現像ローラと前記トナーを介して対向する位置に配置されたアンテナと、前記アンテナに接続され、前記現像ローラと前記アンテナの間の静電容量を検知するための静電容量検知手段と、を有し着脱可能なプロセスカートリッジを備える画像形成装置であって、前記静電容量検知手段の検知結果に基づいて、前記静電容量検知手段の静電容量の検知範囲を変化させる検知範囲変化手段を備え、前記検知範囲変化手段は、前記検知結果に基づき出力の変更が可能なＤＣ電源を含むことを特徴とする画像形成装置。
（２）像担持体に形成された潜像をトナーによって現像する現像手段と、前記現像手段と前記トナーを介して対向する位置に配置されたアンテナと、前記現像手段と前記アンテナの間の静電容量を検知する検知手段と、を有する画像形成装置において、検知した静電容量に基づき出力を変化させて静電容量の検知範囲を変化させることが可能なＤＣ電源を有することを特徴とする画像形成装置。

本発明によれば、ダイナミックレンジを広くして分解能を高め、正確なトナーの残量検知を行うことができる。

実施例１、２の画像形成装置の構成を説明するための図 実施例１のカートリッジ部と静電容量検知部を説明するための図 実施例１の静電容量検知部を説明するための図 実施例１との比較のための従来の静電容量の変化の一例を示す図 実施例１の静電容量の変化の一例を示す図 実施例１の静電容量検知手順を示すフローチャート 実施例２の静電容量検知手順を示すフローチャート

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の形態を、実施例により詳しく説明する。

［レーザプリンタの構成］
図１に画像形成装置としてのレーザプリンタの構成図を示す。レーザプリンタ１００は記録紙Ｐを収納するデッキ１０１を有し、記録紙Ｐの有無を検知するデッキ紙有無センサ１０２、記録紙Ｐのサイズを検知する紙サイズ検知センサ１０３を有する。また、デッキ１０１から記録紙Ｐを繰り出すピックアップローラ１０４、繰り出された記録紙Ｐを搬送するデッキ給紙ローラ１０５を有する。更に、デッキ給紙ローラ１０５と対をなし、記録紙Ｐの重送を防止するためのリタードローラ１０６を有する。

そして、レーザプリンタ１００はデッキ給紙ローラ１０５の下流には、デッキ１０１または後述する両面反転部から給紙される記録紙Ｐの搬送状態を検知する給紙センサ１０７、更に下流へと記録紙Ｐを搬送するための給紙搬送ローラ１０８を有する。また、記録紙Ｐを同期搬送するレジストローラ対１０９、レジストローラ対１０９への記録紙Ｐの搬送状態を検知するトップセンサ１１０を有する。更に、レジストローラ対１０９の下流には、後述するレーザスキャナ部１１１からのレーザ光に基づいて感光ドラム１上にトナー像を形成するプロセスカートリッジ１１２を有する。なお、図１ではこのプロセスカートリッジ１１２が１個装着された状態が示されているが、レーザプリンタ１００がカラープリンタである場合は、４色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）のプロセスカートリッジ１１２が装着される。そして、感光ドラム１上に形成されたトナー像を記録紙Ｐ上に転写するための転写ローラ１１３、記録紙Ｐ上の電荷を除去し感光ドラム１からの分離を促進するための放電部材である除電針１１４を有する。

更に、レーザプリンタ１００は除電針１１４の下流に搬送ガイド１１５、記録紙Ｐ上のトナー像を熱定着するための内部に加熱用のヒータ１１６を備えた定着ローラ１１７と加圧ローラ１１８からなる定着部を有する。更に、定着部からの搬送状態を検知する定着排紙センサ１１９を有する。そして、定着部から搬送されてきた記録紙Ｐの行き先を排紙部か両面反転部に切り替えるための両面フラッパ１２０を有する。排紙部側の下流には排紙部の紙搬送状態を検知する排紙センサ１２１、記録紙Ｐを排紙する排紙ローラ対１２２を有する。一方記録紙Ｐの両面に印字するために、片面印字終了後の記録紙Ｐを表裏反転させ、再度画像形成部へと給紙するための両面反転部には、正逆転によって記録紙Ｐをスイッチバックさせる反転ローラ対１２３を有する。レーザプリンタ１００は反転ローラ対１２３への紙搬送状態を検知する反転センサ１２４、記録紙Ｐの横方向位置を合わせるための横方向レジスト部（不図示）から記録紙Ｐを搬送するＤカットローラ１２５を有する。また、両面反転部の記録紙Ｐの搬送状態を検知する両面センサ１２６を有する。ここで、記録紙Ｐの横方向とは、記録紙Ｐの搬送方向と直交する方向（記録紙Ｐの幅方向）である。そして、レーザプリンタ１００は両面反転部から給紙部へと記録紙Ｐを搬送するための両面搬送ローラ対１２７を有する。

また、レーザスキャナ部１１１には、後述の外部装置１２８から送信される画像信号に基づいて変調されたレーザ光を発光するレーザユニット１２９を有する。また、レーザスキャナ部１１１は、レーザユニット１２９からのレーザ光を感光ドラム１上に走査するためのポリゴンミラー１３０とスキャナモータ１３１、結像レンズ群１３２及び折り返しミラー１３３を有する。プロセスカートリッジ１１２は、公知の電子写真プロセスに必要な感光ドラム１、帯電部材である帯電ローラ２と現像ローラ１３４、トナー格納容器１３５を具備し、画像形成装置本体に対して着脱可能に構成される。高圧電源部３は、帯電ローラ２、現像ローラ１３４、転写ローラ１１３、定着ローラ１１７、加圧ローラ１１８に任意のバイアスを供給する。メインモータ１３６は、各部に動力を供給する。

プリンタ制御部４は、レーザプリンタ１００を制御する。プリンタ制御部４は、ＣＰＵ５と各種入出力制御回路（不図示）で構成される。ＣＰＵ５は、ＲＡＭ５ａ、ＲＯＭ５ｂ、タイマ５ｃ、デジタル入出力ポート（以下「Ｉ／Ｏポート」）５ｄ、アナログ−デジタル変換入力ポート（以下「Ａ／Ｄポート」と記す）５ｅ、デジタル−アナログ出力ポート（以下「Ｄ／Ａポート」）５ｆを具備する。プリンタ制御部４は、インターフェイス１３８を介してパーソナルコンピュータ等の外部装置１２８に接続されている。外部装置１２８から送られてくる電気信号化された画像情報はプリンタ制御部４に入力され、この画像情報はレーザスキャナ部１１１を駆動するのに適した駆動信号に変換される。この駆動信号によりレーザスキャナ部１１１はオン／オフ駆動され、レーザユニット１２９から出射したレーザ光はポリゴンミラー１３０、結像レンズ群１３２及び折り返しミラー１３３により、像担持体としての感光ドラム上をその回転軸に平行な方向に走査される。

感光ドラム１は、所定の周速度（プロセススピード）で回転駆動される。感光ドラム１は、まずその表面が高圧電源部３からの帯電バイアスが付加された帯電ローラ２により所定の極性・電位に一様に帯電される。次に、感光ドラム１は露光装置であるレーザスキャナ部１１１から、画像情報に応じたレーザビームを受光する。これにより、感光ドラム１の表面に画像情報パターンに対応した静電潜像が形成される。感光ドラム１の表面に形成された静電潜像は、高圧電源部３からの現像バイアスが付加された現像ローラ１３４からトナーが供給されることで現像され可視化される。可視化された感光ドラム１上のトナー像は、感光ドラム１と感光ドラム１に一定の加圧力で接触された転写ローラ１１３とで形成される転写ニップ部において、レジストローラ対１０９を所定のタイミングで通過してくる記録紙Ｐに転写される。転写ローラ１１３には高圧電源部３から所定の転写バイアスが所定の制御タイミングにて印加され、感光ドラム１の表面のトナー像が、記録紙Ｐ上に転写される。また、トップセンサ１１０により給紙部から転写ニップ部に搬送される記録紙Ｐの先端が検知され、感光ドラム１上のトナー像と記録紙Ｐとの書き出し位置のタイミングが合わされる。トナー像が転写された記録紙Ｐは感光ドラム１から分離されて、定着ローラ１１７と加圧ローラ１１８で形成される定着ニップ部で加熱定着されトナー像が定着される。

［プロセスカートリッジの構成］
次にプロセスカートリッジ１１２の詳細について、図２により説明する。トナー容器２００内のトナーがトナー送り部材２０３の回転により送り出され、その後現像ブレード２０４によって摩擦帯電電荷を付与されたトナーによるトナー層が現像ローラ１３４上に形成され、そのトナーが感光ドラム１へ転移されてトナー像が形成される。ここで現像ブレード２０４は、現像ローラ１３４の表面上のトナー量を規定すると共にトナーの摩擦帯電を発生させるためのものである。また、プロセスカートリッジ１１２は、現像ローラ１３４とコンデンサを形成し、現像ローラ１３４との間に存在するトナー量の変化を静電容量として検知するためのアンテナ２０２を有する。このアンテナ２０２は現像ローラ１３４と対向する位置に配置される。アンテナ２０２の配置位置は検知するトナー残量の範囲に応じて適宜設定される。このアンテナ２０２は、静電容量検知部２０６と接続されている。また、プロセスカートリッジ１１２の上部壁には不揮発性記憶手段であるＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ Ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ）２０７が取り付けられており、トナー残量データの保持に使用される。なお、ＮＶＲＡＭ２０７にはプロセスカートリッジ１１２が新品であるか否かの情報も記録されている。

［静電容量検知部］
本実施例の静電容量検知部２０６は、現像ローラ１３４に印加されたＡＣバイアス（交流電圧とも呼ばれる）によって現像ローラ１３４とアンテナ２０２との間に生じる静電容量に応じて流れる電流を検知する。図３を用いて静電容量検知部２０６の詳細を説明する。接続点３０２の電位は、オペアンプ３０３によって検知範囲変化手段であるＤＣ電源３０１の出力に応じた一定の電位に保たれる。ＤＣ電源３０１はＣＰＵ５のＤ／Ａ出力ポート５ｆからの信号を受けて直流電圧を出力しており、出力の変更が可能な電圧源として機能している。現像ローラ１３４にＡＣバイアスが印加されると、アンテナ２０２に接続された入力端子３０４から上述した静電容量に応じて電流が流れ込む。そして、固定抵抗３００で電圧降下が発生し、出力端子３０５に入力電流に応じた電圧が出力される。つまり、この出力電圧は静電容量に相当する信号である。この出力電圧がＣＰＵ５のＡ／Ｄポート５ｅに入力されトナー残量を示す情報（トナー残量データ）として利用される。

図４は、本実施例との比較のための従来のトナー残量と静電容量の変化を表した図である。従来は、静電容量検知範囲が固定されていたため、約３．５〜８ｐＦの静電容量の上下に、図中のＡやＢの矢印で示すようなカートリッジや画像形成装置のバラツキを考慮したマージンを設ける必要があった。このように静電容量の全範囲を網羅する単一の検知範囲を用いるとバラツキの考慮と高分解能化とはトレードオフの関係にあり、検知範囲の設定が難しい。例えば、図４に示すような設定をすると１００〜３０％の範囲の静電容量の変化が小さくなってしまう。また、プロセスカートリッジ１１２やレーザプリンタ１００のバラツキを考慮したダイナミックレンジを採る必要があり、分解能を高めるにも限界があった。しかし、本実施例では検知範囲変化手段としてのＤＣ電源３０１を有しているため、より高い分解能を実現することが可能である。図３中のＤＣ電源３０１の電圧を変化させることで図５のように検知範囲を切り替えられ、十分な分解能によりトナーの残量変化を検知できる。例えば、静電容量の検知結果が約７．８ｐＦであった場合、従来の図４ではトナー残量が１００％〜６０％の幅を持ってしまうが、本実施例の図５（ａ）では６５％〜６０％となり、トナー残量をより詳細に把握できる。

［静電容量検知処理］
図６のフローチャートを用いて現像ローラ１３４とアンテナ２０２との間に生じる静電容量の検知処理を説明する。トナーの残量検知シーケンスが始まると、ＣＰＵ５はＮＶＲＡＭ２０７に記憶されていた情報をもとに搭載されたプロセスカートリッジ１１２（図中では単に「カートリッジ」と記す）が新品であるかを判断する（ステップ（以下、単にＳと記す）７０１）。Ｓ７０１でＣＰＵ５がプロセスカートリッジ１１２が新品であると判断すると、あらかじめＮＶＲＡＭ２０７に記憶された検知範囲情報に従い、新品時の静電容量の検知を行う。Ｓ７０２でＣＰＵ５は静電容量検知部２０６により検知された静電容量の値をトナー満載時のデータ（以下「トナーＦＵＬＬ値」という）としてＮＶＲＡＭ２０７に記憶させる。ＣＰＵ５はこのトナーＦＵＬＬ値を検知した際の検知範囲が、あらかじめＮＶＲＡＭ２０７に記憶されていた検知範囲と違っていた場合は、その検知範囲信号を検知範囲情報としてＮＶＲＡＭ２０７に記憶させる（Ｓ７０３）。その後、静電容量検知部２０６は検知範囲信号を読み込む（Ｓ７０４）。すなわち、ＣＰＵ５がＮＶＲＡＭ２０７に記憶された検知範囲情報を読み込み、Ｄ／Ａ出力ポート５ｆから検知範囲信号として静電容量検知部２０６へ出力することで、静電容量検知部２０６は検知範囲信号を読み込む。Ｓ７０１において、ＣＰＵ５がカートリッジが新品でないと判断するとＳ７０４に続く。静電容量検知部２０６は、Ｓ７０４でＮＶＲＡＭ２０７から読み込んだ検知範囲に従いトナー残量検知を行い、出力端子３０５からＣＰＵ５のＡ／Ｄポート５ｅへ検知結果であるトナー残量データを出力する（Ｓ７０５）。Ｓ７０６でＣＰＵ５は静電容量検知の出力値がＳ７０４で読み込んだ検知範囲内であるかを判断し、範囲内であると判断すると終了する。Ｓ７０６で、ＣＰＵ５は静電容量検知の出力値がＳ７０４で読み込んだ検知範囲内でなかったと判断すると、その値が極端に大きいかもしくは小さい異常電圧であるかを判断する（Ｓ７０７）。Ｓ７０７でＣＰＵ５が異常電圧であると判断した場合、ＣＰＵ５はＤＣ電源３０１を用い検知範囲を連続的に変化（スイープ）させ静電容量検知の出力が検知範囲内に入るように検知範囲を適正化して設定する（Ｓ７０９）。Ｓ７１０においてＣＰＵ５はＳ７０９で決定された検知範囲信号をＮＶＲＡＭ２０７に書き込みＳ７０４へ戻る。また、Ｓ７０７でＣＰＵ５が異常電圧ではないと判断した場合は、ＤＣ電源３０１により予め決められただけ検知範囲をずらし（シフトし）Ｓ７０３へと戻る。

以上によりトナーの残量検知を行うとレーザプリンタ１００の電源のオン／オフやプロセスカートリッジ１１２の着脱、プリントジョブ中の残量の変化に対しても検知範囲をその都度探索することなく、切れ目なくトナー残量を正確に測定することが可能となる。

また、上述の検知信号をＣＰＵ５などに出力する場合、その出力はＡＤ変換され、ＣＰＵはＣＰＵの電源電圧に対する割合を認識する。つまり、ＣＰＵ５の電源電圧が変化してしまうと誤差が生まれる。本実施例では、このＣＰＵ５の電源がＤＣ電源３０１と同一であるため誤差を抑制できる。簡単のためＣＰＵ５の電源電圧値とＤＣ電源３０１の電圧値をＶ、および誤差の大きさをαとして説明する。ＤＣ電源３０１の電圧値をＶ、固定抵抗３００の抵抗値をＲ、トナー残量に応じて固定抵抗３００に流れる電流値をＩとした場合、出力端子３０５における出力電圧のＣＰＵ５の電源電圧に対する割合、またその誤差はそれぞれ下記のようになる。

（１）ＤＣ電源：Ｖ ＣＰＵ電源：Ｖ
割合：（Ｖ−ＩＲ）／Ｖ， 誤差：０
（２）ＤＣ電源誤差：（１＋α）Ｖ ＣＰＵ電源誤差：（１＋α）Ｖ
割合：｛（１＋α）Ｖ−ＩＲ｝／｛（１＋α）Ｖ｝， 誤差：αＩＲ／｛（１＋α）Ｖ｝
（３）ＤＣ電源誤差：（１−α）Ｖ ＣＰＵ電源誤差：（１−α）Ｖ
割合：｛（１−α）Ｖ−ＩＲ｝／｛（１−α）Ｖ｝， 誤差：−αＩＲ／｛（１−α）Ｖ｝
（４）ＤＣ電源誤差：（１−α）Ｖ ＣＰＵ電源誤差：（１＋α）Ｖ
割合：｛（１−α）Ｖ−ＩＲ｝／｛（１＋α）Ｖ｝， 誤差：｛−２αＶ＋αＩＲ｝／｛（１＋α）Ｖ｝
（５）ＤＣ電源誤差：（１＋α）Ｖ ＣＰＵ電源誤差：（１−α）Ｖ
割合：｛（１＋α）Ｖ−ＩＲ｝／｛（１−α）Ｖ｝， 誤差：｛２αＶ−αＩＲ｝／｛（１−α）Ｖ｝

このとき、αは誤差であるので０＜α＜１，検知回路の特性よりＶ＞ＩＲである。ＣＰＵの電源とＤＣ電源３０１を同一の電源とすると上述の（４）や（５）のようにＣＰＵの電源電圧値とＤＣ電源３０１の電圧値が異なることがないため、誤差としては（２）や（３）で表現されることになる。つまり、本実施例ではＣＰＵの電源とＤＣ電源３０１を同一でない場合にとりうる（４）や（５）の誤差をとることがなくなるため、誤差が抑えられ、より高精度にトナーの残量検知を行える。

本実施例によれば、ダイナミックレンジを広くして分解能を高め、正確なトナーの残量検知を行うことができる。

本実施例は、電磁ノイズの影響を受けにくく、より正確にトナー残量検知が可能な画像形成装置に関するものである。まず、ＣＰＵ５が入力電圧を異常と判断した場合の処理について図７を用いて説明する。本実施例におけるレーザプリンタ１００本体とプロセスカートリッジ１１２の構成、静電容量検知部２０６は実施例１で説明したものと同一である。また、その処理も実施例１とほぼ同様であり、図７のＳ７０１〜Ｓ７０９は、実施例１におけるＳ７０１〜Ｓ７０９と同一である。本実施例では、Ｓ７０７でＣＰＵ５は出力が異常電圧と判断した場合、実施例１と同様に図３のＤＣ電源３０１を用い検知範囲をスイープさせる。ＣＰＵ５は一定時間（回数ｔ）、例えば５回検知範囲をスイープしても出力が検知範囲に入らないと判断した場合は、電磁ノイズなどの影響により正しく検知できないと判断し（Ｓ１１１０）、トナーの残量検知を所定期間停止（一時停止）する（Ｓ１１１１）。そして再度Ｓ７０４よりトナー残量の検知を行う。その結果、電磁ノイズなどにより正常でない電流が静電容量検知部２０６に入力されたとしてもその部分を無視することが可能になり、電磁ノイズの影響を受けにくくより正確なトナー残量検知が可能となる。

本実施例によれば、ダイナミックレンジを広くして分解能を高め、正確なトナーの残量検知を行うことができる。

１１２ プロセスカートリッジ
１３４ 現像ローラ
２０２ アンテナ
２０４ 現像ブレード
２０６ 静電容量検知部

Claims (7)

1. 感光ドラムと、前記感光ドラム上に形成された潜像をトナーによって現像してトナー像を形成するための現像ローラと、前記現像ローラと前記トナーを介して対向する位置に配置されたアンテナと、前記アンテナに接続され、前記現像ローラと前記アンテナの間の静電容量を検知するための静電容量検知手段と、を有し着脱可能なプロセスカートリッジを備える画像形成装置であって、
   前記静電容量検知手段の検知結果に基づいて、前記静電容量検知手段の静電容量の検知範囲を変化させる検知範囲変化手段を備え、
   前記検知範囲変化手段は、前記検知結果に基づき出力の変更が可能なＤＣ電源を含むことを特徴とする画像形成装置。
2. 前記静電容量検知手段により、検知した前記静電容量が所定の検知範囲に入らないと判断した場合に、前記検知範囲変化手段により前記検知範囲を変化させ、該変化の後においても前記静電容量が前記所定の検知範囲に入らないと判断した場合は、前記静電容量検知手段による静電容量検知を所定の期間停止することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記静電容量検知手段は、前記現像ローラに交流電圧が印加された際における、前記現像ローラと前記アンテナの間の静電容量を検知することを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。
4. 像担持体に形成された潜像をトナーによって現像する現像手段と、前記現像手段と前記トナーを介して対向する位置に配置されたアンテナと、前記現像手段と前記アンテナの間の静電容量を検知する検知手段と、を有する画像形成装置において、
   検知した静電容量に基づき出力を変化させて静電容量の検知範囲を変化させることが可能なＤＣ電源を有することを特徴とする画像形成装置。
5. 前記ＤＣ電源は、出力する直流電圧を変化させることにより前記検知範囲を変化させることを特徴とする請求項４に記載の画像形成装置。
6. 前記検知手段は、前記現像手段に交流電圧が印加された際における、前記現像手段と前記アンテナの間の静電容量を検知することを特徴とする請求項４または５に記載の画像形成装置。
7. 前記ＤＣ電源からの出力と、前記検知手段で検知した静電容量を比較する比較手段を備え、
   前記比較手段は、トナー残量に関するデータを出力することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の画像形成装置。

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