JP6399762B2

JP6399762B2 - 制御装置および制御方法

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Publication number: JP6399762B2
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Inventors: 陽一滝川
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Also published as: JP2015152870A

Description

本発明は電子写真方式による画像形成を行う画像形成装置を制御する制御装置及び制御方法に関する。

従来、感光体上に光ビームを照射して静電潜像を形成するレーザビームプリンタや複写機等、いわゆる電子写真方式の画像形成装置が知られている。このような画像形成装置においては、構成する部品や支持体などの製造誤差及び組み立て誤差に起因する、装置の構造上の歪みの発生が避けられない。このような構造上の歪みにより、光学系のピントが、感光体表面に合った理想的な状態(合焦状態)からずれ、感光体表面に到達する光強度分布(スポット形状)が変化して、ドラム上に形成される電位画像にボケが生じることがある。このピントのずれの度合い、すなわちボケ量は、作像における熱や振動などによって生じる各部材の取り付け位置や姿勢の誤差によって経時変化する。そのため、出力画像の濃度・色味・鮮鋭性・粒状性などが、時間と共に変化してしまうという問題がある。このような、スポット形状の経時変化に起因する出力画像の画質劣化に対応するために、以下のような技術ある。

まず特許文献1には、、ピントずれによるスポット形状変化を補正する技術として、中間転写ベルト上に形成したテスト用画像を検出し、該検出結果に基づいてコリメータレンズ位置を調整してピント調整を行う技術が提案されている。また特許文献2には、露光手段としてLEDアレイを用いる画像形成装置において、各光源を単独で発光させてスポット径を測定し、該測定結果に基づいて当該光源およびその周辺光源の発光を制御する方法が提案されている。

特開2012-158147号公報特開2002-264387号公報

しかしながら、上記特許文献1に記載の方法では、検出結果(線幅)が所定範囲内であるかどうかを検出するものであって、調整量は算出できない。また特許文献2に記載の方法では、スポット径が所定範囲内にあるかどうかを検出するものであって、どのような補正データを生成すべきかを算出するものではない。以上のように上記特許文献に記載の方法では、補正に必要な調整量または補正データを算出できないため、出力結果が所定範囲内になるまで繰り返し検出、補正を行う必要がある。また、線幅検出やスポット径測定のためのセンサを備える必要があった。

本発明は上記問題を解決するために、電子写真方式による画像形成を行う画像形成装置における感光体上での光ビームのスポット形状変化を簡易な方法により取得することを目的とする。

上記目的を達成するための一手段として、本発明の制御装置は以下の構成を備える。すなわち、
電子写真方式により画像形成を行う画像形成装置を制御する制御装置であって、前記画像形成装置において所定のテストパターンを複数の画像形成条件で形成した複数の画像パターンについて、それぞれの濃度を取得する取得手段と、前記複数の画像パターン間における濃度の変化量に基づき、前記画像形成装置における光ビームの集光状態を推定する推定手段と、前記複数の画像パターン間における濃度の変化量と前記集光状態との対応関係を予め保持する保持手段とを有し、前記推定手段は、前記保持手段に保持された対応関係に基づき、前記集光状態を推定することを特徴とする。

本発明によれば、電子写真方式による画像形成を行う画像形成装置における感光体上での光ビームのスポット形状変化を簡易な方法により取得することが可能となる。

第1実施形態における画像形成機構を示す図露光装置の光学系を示す図、静電潜像の電位とトナーの付着面積との関係を示す図第1実施形態におけるボケ量推定を行う機能構成を示すブロック図第1実施形態におけるボケ量推定処理を示すフローチャート画像パターンと濃度センサの位置関係を示す図第1実施形態で用いられるボケ量推定テーブルの一例を示す図光強度分布とスポット形状の関係を示す図現像閾値とトナー付着面積との関係を示す図第2実施形態におけるスポット径補正処理を行う機能構成を示すブロック図第2実施形態における補正パラメータ決定処理を示すフローチャート第2実施形態で用いられる補正フィルタ係数決定テーブルの一例を示す図

以下、添付の図面を参照して、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において示す構成は一例に過ぎず、本発明は図示された構成に限定されるものではない。

＜第1実施形態＞
●装置構成
図1は、本実施形態の画像形成装置における電子写真方式による画像形成機構を示す図である。図1に示すように本実施形態の画像形成装置は、電子写真方式による画像形成を行う。中間転写ベルト110に沿って、画像形成部150a、150b、150c、150d、濃度検知部160、二次転写装置120、中間転写ベルトクリーニング装置140を有する。また、二次転写装置120の下流側には、定着装置130が配置されている。画像形成部150aは、感光体ドラム151a、帯電装置152a、露光装置153a、現像装置154a、一次転写装置155a、クリーニング装置156aを有する。画像形成部150b、150c、150dについても、画像形成部150aと同様の構成からなる。

以下、本実施形態の画像形成装置における画像形成処理について説明する。画像形成部150a、150b、150c、150dは、各色トナーを使用してそれぞれの感光体ドラム上にトナー像を形成し、該トナー像を中間転写ベルト110に一次転写する。

一般に画像形成装置において用いられるトナーは、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)、ブラック(K)の4色である。本実施形態では、画像形成部150aはCトナー、画像形成部150bはMトナー、画像形成部150cはYトナー、画像形成部150dはKトナーを使用するとする。なお、画像形成部及び使用する色は4種類に限らず、淡インクやクリアインク等を含んでもよい。また、各色の画像形成部の構成順もこの例に限定されず、任意であってよい。

ここで、画像形成部150aにおけるC色画像の形成動作について説明する。画像形成部150aが有する感光体ドラム151aは、外周面に帯電極性が負極性である有機光導電体層を有し、図中矢印R3方向に回転する。画像形成動作は、以下に示す帯電、露光、現像、一次転写、クリーニング、二次転写、定着、ベルトクリーニング、の各工程をたどる。

まず帯電工程において、帯電装置152aが負極性の電圧を印加され、感光体ドラム151aの表面に帯電粒子を照射することにより、感光体ドラム151aの表面が一様な負極性の電位に帯電する。そして露光工程において、露光装置153aが画像データに応じて、感光体ドラム151a上に光照射する。これにより、帯電した感光体ドラム151aの表面に静電潜像を形成する。そして現像工程において、現像装置154aが、略等速度で回転する現像ローラーを用いて、負極性に帯電させたトナーを感光体ドラム151aへ供給する。これにより、感光体ドラム151a上の静電潜像にトナーが付着し、静電潜像が反転現像される。そして一次転写工程において、一次転写装置155aが、正極性の電荷を印加され、負極性に帯電している感光体ドラム151a上に担持されたトナー像を、図中矢印R1方向に移動する中間転写ベルト110へ一次転写する。そしてクリーニング工程において、クリーニング装置156aが、一次転写装置155aを通過した感光体ドラム151a上に残留している残トナーを除去する。

以上、画像形成部150aにおける帯電〜クリーニングの工程について説明したが、画像形成部150b、150c、150dについても同様の工程が行われる。カラー画像を形成する場合、各色の画像形成部150a、150b、150c、150dは、これら帯電〜クリーニングの各工程を、所定時間ずつタイミングをずらして実行する。その結果、中間転写ベルト110上には、4色のトナー像が重なった画像が形成される。なお、濃度検知部160が中間転写ベルト110上に形成された画像の濃度を検知し、該検知結果を画像形成条件にフィードバックすることによって、濃度制御を行うことが可能である。

その後、二次転写工程が行われる。すなわち、二次転写装置120が、中間転写ベルト110に担持され、搬送されてきたトナー像を、図中矢印R2方向に移動する記録媒体Pへ二次転写する。そして定着工程において、定着装置130が、トナー像が二次転写された記録媒体Pに加圧・加熱等の処理を施して画像を定着させる。そしてベルトクリーニング工程において、中間転写ベルトクリーニング装置140が、二次転写装置120を通過した中間転写ベルト110上に残留している残トナーを除去する。

以下、各画像形成部150a〜150dおよびそれぞれの各構成部に対し、各画像形成部において共通する説明を行う場合には、構成部に特にa、b、c、dの添え字を付さずに記載する。

図2に、画像形成部150における露光装置153の光学系の構成を示す。半導体レーザ素子群201は、一つまたは複数の半導体レーザ素子で構成される。半導体レーザ素子群201の出力光は、コリメータレンズ202、開口絞り203、シリンドリカルレンズ204を通過し、ポリゴンミラー205の反射面で反射する。その後、トーリックレンズ206a、回折光学素子206bを通過し感光体ドラム151上に集光される。コリメータレンズ202は、半導体レーザ素子群201から出射された発散光束(光ビーム)を略平行光束に変換している。開口絞り203は、通過光束を制限している。シリンドリカルレンズ204は、副走査方向にのみ所定の屈折力を有しており、開口絞り203を通過した光束を副走査断面内で後述するポリゴンミラー205の反射面にほぼ線像として結像させている。ポリゴンミラー205は、モータ等の駆動手段(不図示)により一定速度で回転しており、反射面上に結像したレーザ光を偏向走査する。206はｆ-θ特性を有する光学素子であり、屈折部と回折部とを有している。屈折部は主走査方向と副走査方向とで互いに異なるパワーを有するトーリックレンズ206aより成り、該トーリックレンズ206aの主走査方向の両レンズ面は非球面形状より成っている。回折部は主走査方向と副走査方向とで互いに異なるパワーを有する長尺の回折光学素子206bより成る。

●ボケ量推定の原理
以下、本実施形態において感光体上での光ビームの集光状態(ボケ量)を推定する原理について説明する。

本実施形態の画像形成装置においては、構成する部品や支持体などの製造誤差や組み立て誤差による歪みの発生が避けられない。これらの歪みにより、感光体ドラム151上に集光する光ビームのピントがずれてスポットがボケることがあり、光ビームのスポットがボケると、感光体ドラム151上の光強度分布が変化する。

ここで図8に、光強度分布とスポット径の関係を示す。同図に示すように本実施形態では、感光体ドラム151上に形成されるレーザ光の光強度分布について、ピーク強度の1/e^2で切った断面の外接円の径をスポット径として定義する。なおスポット径としては、上記外接円の面積や適当な直線への射影の長さなど、他の定義も可能である。一般にピントずれが小さいほど、このスポット径は小さくなる。

さらに、光ビームのスポット径の最小値からのずれ量（以下、スポットのボケ量)が変化すると、形成画像における種々の画質が変化する。例えば、スポットのボケ量に応じて出力画像の粒状性が変化し、ボケ量が大きくなるほど粒状性が悪化する。これは、スポット径が大きい場合には、感光体ドラム151の表面に形成される静電潜像がボケることで、現像時のトナー付着がドット境界で不安定になってバラつきが生じるためである。

また、スポットのボケ量に応じて出力画像の濃度も変化する。上述したように静電潜像を現像する際には、潜像の電位がある閾値(現像閾値)を超えると、現像ローラーを用いて供給されたトナーが感光体ドラム151の表面に付着する。ここで図3に、静電潜像の電位とトナーの付着面積との関係を示す。図3(a)は、スポットのボケ量が小さい場合におけるトナー付着面積301を示している。また図3(b)は、図3(a)よりもスポットのボケ量が大きい場合におけるトナー付着面積302を示している。図3(a),(b)からも分かるように、スポットのボケ量の変化に応じてトナーが付着する面積(301,302)が変化し、その結果出力画像の濃度が変化する。

このように、スポットのボケ量が変化すると形成画像における画質の安定性が損なわれ、画質劣化が発生する。本実施形態では、感光体ドラム151に集光するレーザ光のボケ量を、画像形成装置が通常備えているセンサ(濃度検知部160)のみを用いて、簡易な方法により取得することを特徴とする。

静電潜像に対する現像閾値は、感光体ドラム151と現像装置154との間に加える電圧(現像バイアス)を調整することで変化させることができ、現像閾値の変化に応じて出力画像の濃度が変わる。さらに、この現像閾値を変えた場合の濃度変化量はスポットのボケ量と相関がある。ここで図9に、現像閾値とトナー付着面積との関係を示す。図9(a)は、スポットのボケ量が小さい場合における、現像閾値の変化(閾値1/閾値2)によって生じるトナー付着面積の変化量901を示している。また図9(b)はスポットのボケ量が図9(a)よりも大きい場合における、同トナー付着面積の変化量902を示している。図9(a),(b)からも分かるように、現像閾値を同じように変化させたとしても、スポットのボケ量が小さい場合にはトナー付着面積の変化量901が小さく、すなわち出力画像の濃度変化が小さい。対して、スポットのボケ量が大きい場合にはトナー付着面積の変化量902が大きく、濃度変化量が大きい。このことから、現像条件の異なる2条件で画像パターンを形成し、その濃度差からスポットのボケ量の推定が可能であることが分かる。

なお、上記のスポットのボケ量と出力画像の濃度変化との相関について実験を行ったところ、出力画像として面積率が略50％の網点画像データを用いた際に該相関が最も強くなり、スポットのボケ量推定の精度も高くなることが分かった。そこで本実施形態では、上記スポットのボケ量を推定する処理において推定精度を高めるために、面積率略50％の網点画像データを、テストパターンとして用いる例を示す。なお、テストパターンは面積率略50％の網点画像データに限らないが、他の画像を用いた場合には推定精度が低くなる。

●ボケ量推定処理
以下、本実施形態における光ビームの感光体上での集光状態、すなわちスポットのボケ量を推定する処理について、図4,図5を用いて詳細に説明する。

図4は、本実施形態においてボケ量推定を行う機能構成を示すブロック図である。同図において、画像パターン形成制御部401は、露光装置153と現像装置154を制御して、同一のテストパターンのデータに基づき、現像条件の異なる2つの画像パターンを感光体ドラム151上に形成させる。濃度検知部160は、感光体ドラム151上に形成された後に中間転写ベルト110へ一次転写された2つの画像パターンの濃度を検知する。差分算出部402は、濃度検知部160が検知した2つの画像パターン間における濃度の差分を算出する。ボケ量推定部403は、差分算出部402で算出された濃度の差分に基づいて、スポットのボケ量を推定する。

図5は、本実施形態におけるスポットのボケ量推定処理を示すフローチャートである。このボケ量推定処理は、各色の画像形成部150に対して実施される。なお、半導体レーザ素子群201が複数の半導体レーザ素子で構成される場合には、全てまたは一部の半導体レーザ素子に対して該ボケ量推定処理を実施する。

まずS501で、第1の現像条件により第1の画像パターンを形成させる。すなわち、まず画像パターン形成制御部401が露光装置153を制御して、処理対象の半導体レーザ素子を用いて感光体ドラム151の表面に所定のテストパターンに対応する静電潜像を形成させる。次に、画像パターン形成制御部401が現像装置154を制御して、上記静電潜像を第1の現像条件で現像させることで、第1の画像パターンが形成される。

そしてS502で、第1の画像パターンの濃度(第1の濃度)を取得する。具体的には、濃度検知部160に第1の濃度を検知させ、その結果を取得する、濃度検知部160は、中間転写ベルト110の移動方向最下流の画像形成部(図1の例では150d)と二次転写装置120の間に位置する。濃度検知部160は図6に示すように、中間転写ベルト110の移動に伴って画像パターンが濃度検知部160の下を通過する様に構成されている。すなわち濃度検知部160は、その下を通過する画像パターンの濃度、すなわち中間転写ベルト110に転写され、二次転写装置120へ到達前の画像パターンの濃度を検知する。

次にS503で、第2の現像条件により第2の画像パターンを形成させる。すなわち、まず画像パターン形成制御部401が露光装置153を制御して、処理対象の半導体レーザ素子を用いて感光体ドラム151の表面に所定のテストパターンに対応する静電潜像を形成させる。ここで用いるテストパターンは、上記S501で用いたテストパターンと同一であるが、感光体ドラム151において上記S501とは異なる位置に、静電潜像を形成する必要がある。次に、画像パターン形成制御部401が現像装置154を制御して、上記静電潜像を第2の現像条件で現像させることで、第2の画像パターンが形成される。

そしてS504で、第2の画像パターンの濃度(第2の濃度)を取得する。この取得処理は上記S502と同様に、濃度検知部160に第2の濃度を検知させ、その結果を取得する。

以上の処理によって第1および第2の画像パターンについての濃度が取得される。次にS505で、これら第1および第2の画像パターン間における濃度の変化量として、例えば濃度差を算出する。すなわち差分算出部402が、S502で検知した第1の濃度と、S504で検知した第2の濃度との差分(濃度差)を算出する。

そしてS506では、S505で算出した濃度差からスポットのボケ量を推定する。すなわちボケ量推定部403において、濃度差とボケ量との対応関係を予め保持しているボケ量推定テーブルを用いて、濃度差からスポットのボケ量を推定する。ここで図7(a)にボケ量推定テーブルの一例を示し、図7(b)にこのボケ量推定テーブルをグラフ化した例を示す。例えば、S505で算出した濃度差が0.2であれば、図7(a)を用いてスポットのボケ量は65と推定される。なお、S505で算出した濃度差に対応するボケ量データがボケ量推定テーブルに保持されていない場合には、保持されている情報を補間(一般的な線形補間等)して、スポットのボケ量を取得すれば良い。例えば、S505で算出した濃度差が0.25であれば、図7(a)のボケ量推定テーブルにおける濃度差0.2,0.3に対応するボケ量が65,68であるから、スポットのボケ量が0.5×65＋0.5×68＝66.5として推定される。

なお、S503にて第2の画像パターンを形成するに先立ち、S501で感光体ドラム151上に形成された第1の画像パターンのトナーをクリーニング装置156にて除去する工程を追加しても良い。これにより、第1および第2の画像形成位置が重ならないように考慮する必要がなくなる。

以上の処理によって、現在の画像形成装置における光ビームのスポットのボケ量を推定できる。この現在のボケ量を適切に補正することで、該ボケ量に起因する画質劣化を抑制することが可能となる。補正方法としては上述したように、特許文献1に記載されたコリメータレンズを光軸方向に移動させて調整する方法があり、具体的にはコリメータレンズの移動量を、ボケ量に応じて決定する。また、特許文献2に記載された各画素への光照射量を補正して調整する方法であれば、各画素への発光補正データをボケ量に応じて決定する。

以上説明したように本実施形態によれば、通常の画像形成装置が備えている濃度センサを用いて、テストパターンの形成画像を2回測定するのみで、光ビームの集光状態を容易に推定することができる。したがって画像形成装置において、静電潜像形成時の光ビームのスポットにおけるボケの発生を抑制するための各種補正に必要となる、補正時のボケ量を容易に推定し、該補正を安価かつ高速に実行することが可能となる。

なお本実施形態では、第1の画像パターンと第2の画像パターンとの濃度差分を算出することによってボケ量を決定する例を示したが、本発明はこの例に限らない。例えば、二つの濃度比率とボケ量を対応付けていても良い。あるいは、第1の画像パターンの濃度と第2の画像パターンの濃度を入力として、ボケ量を出力できるような2次元テーブルを用いても良い。ただしこのボケ量を出力するための2次元テーブルでは、第1の画像パターンと第2の画像パターンの濃度変化量と、各ボケ量が対応づけられている。

また、本実施形態では画像形成装置においてスポットのボケ量推定および補正を行う構成を示したが、画像形成装置を制御する制御装置として本発明を実現することも可能である。

＜第2実施形態＞
以下、本発明にかかる第2実施形態について説明する。上述した第1実施形態では、現像条件の異なる画像パターンにおける濃度差から、スポットのボケ量を推定し、推定されたボケ量に応じて補正する方法を示した。第2実施形態では、スポット径補正処理を行う画像形成装置において、上記濃度差から直接、補正パラメータを決定する方法を示す。

まず、第2実施形態で行うスポット径補正処理について説明する。第2実施形態では、入力画像データに基づく画像形成時に、各画素への発光量を調整する事でスポット径を補正する。各画素への発光量調整は、入力画像データに基づいて作成された濃度データに対し、フィルタ処理を行うことで実現する。目標スポット形状の空間周波数特性をR、補正対象スポット形状の空間周波数特性をTとした場合に、R/Tで算出される空間周波数特性を有する補正フィルタ係数を算出し、この補正フィルタ係数を用いたフィルタ処理を行う。なお、補正対象スポットの形状が異なる場合、補正フィルタ係数は異なるものになる。

図10は、第2実施形態においてスポット径補正処理を行う機能構成を示すブロック図である。同図において、第1実施形態における図4と共通の構成には同一符号を付して説明を省略する。

補正フィルタ係数格納部1001は、スポット径補正処理で用いられる複数の補正フィルタ係数を予め格納している。ここに格納される補正フィルタ係数の詳細については後述する。補正フィルタ係数選択部1002は、差分算出部402が算出する濃度差に応じて、補正フィルタ係数格納部1001が格納している複数の補正フィルタ係数のうち最適な補正フィルタ係数を選択する。発光量設定部1003は、補正フィルタ係数選択部1002が選択した補正フィルタ係数を用いて、スポット径補正処理を行う。

上述したように、補正対象スポットの形状が異なる場合には、補正フィルタ係数は異なるものになる。第2実施形態では、予め複数のボケ量を有するスポットを想定し、それぞれのスポットを補正するための補正フィルタ係数を算出しておく。そしてさらに、それぞれのスポット状態のときに差分算出部402で算出される濃度差を算出しておく。この濃度差は、図7に示したボケ量推定テーブルを逆に適用して算出すれば良い。以上のように算出した補正フィルタ係数と濃度差との対応関係を、補正フィルタ係数決定テーブルとして補正フィルタ係数格納部1001に予め保持しておく。図12に、補正フィルタ係数決定テーブルの具体例を示す。

以下、第2実施形態における補正パラメータ決定処理について、図11のフローチャートを用いて説明する。なお、図11において第1実施形態の図5と共通する処理には同一符号を付し、説明を簡略化する。

第1実施形態と同様にS501〜S505において、現像条件の異なる2つの画像パターンの濃度差を算出する。そしてS1101で補正パラメータ(補正フィルタ係数)を決定する。具体的には補正フィルタ係数選択部1002が、S505で算出された濃度差に基づいて、補正フィルタ係数格納部1001に保持された補正フィルタ係数決定テーブルから最適な補正フィルタ係数を選択する。

以上説明したように第2実施形態によれば、通常の画像形成装置が備えている濃度センサを用いて、テストパターンの形成画像を2回測定するのみで、スポット径の補正パラメータを容易に決定することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又はコンピュータ可読な各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給する。そして、そのシステム或いは装置のプロセッサ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する。

Claims

電子写真方式により画像形成を行う画像形成装置を制御する制御装置であって、
前記画像形成装置において所定のテストパターンを複数の画像形成条件で形成した複数の画像パターンについて、それぞれの濃度を取得する取得手段と、
前記複数の画像パターン間における濃度の変化量に基づき、前記画像形成装置における光ビームの集光状態を推定する推定手段と、
前記複数の画像パターン間における濃度の変化量と前記集光状態との対応関係を予め保持する保持手段とを有し、
前記推定手段は、前記保持手段に保持された対応関係に基づき、前記集光状態を推定することを特徴とする制御装置。
前記推定手段は、前記集光状態として、前記画像形成装置における感光体上での光ビームのスポット径を推定することを特徴とする請求項1に記載の制御装置。
さらに、前記推定手段で推定された前記集光状態に応じて、光ビームのピントを補正する補正手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の制御装置。
さらに、前記推定手段で推定された前記集光状態に応じて、光ビームの照射量を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の制御装置。
電子写真方式により画像形成を行う画像形成装置の制御方法であって、
取得手段が、前記画像形成装置において所定のテストパターンを複数の画像形成条件で形成した複数の画像パターンについて、それぞれの濃度を取得し、
推定手段が、前記複数の画像パターン間における濃度の変化量に基づき、前記画像形成装置における光ビームの集光状態を推定し、
保持手段が、前記複数の画像パターン間における濃度の変化量と前記集光状態との対応関係を予め保持し、
前記推定手段は、前記保持手段で保持された対応関係に基づき、前記集光状態を推定する
ことを特徴とする制御方法。
コンピュータで実行されることにより、該コンピュータを請求項1乃至4のいずれか1項に記載の制御装置の各手段として機能させるためのプログラム。
請求項6に記載のプログラムを記憶したことを特徴とするコンピュータ可読な記憶媒体。