JP6588703B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像形成装置に関し、特に現像器内のトナー濃度を目標濃度に維持するための補給制御に関する。

トナーとキャリアとを含む２成分現像剤を使用する現像器はトナー濃度を目標濃度に維持するためにトナー濃度をセンサにより検出する（特許文献１）。画像の形成にトナーが使用されると、トナータンクからトナーが現像器に補給され、攪拌機によりトナーとキャリアとが攪拌される。

特開平８−１１０６９６号公報

近年、現像器の小型化や低容量化が求められている。現像器を小型化すると、現像器の容量に対して一回あたりに補給されるトナーの量が増加するため、トナーとキャリアとが十分に攪拌されないことがある。とりわけ、トナーを補給した直後ではセンサが出力するトナー濃度が変動しやすい。これは特に小型の現像器で顕著である。センサの出力値は増減を繰り返しながら、やがて実際のトナー濃度に収束する。したがって、トナーとキャリアとが十分に攪拌されていないときにセンサにより取得されたトナー濃度を用いてトナーを補給すると、トナー濃度を目標濃度に制御できなくなってしまう。そこで、本発明は、現像器へのトナーの補給を高精度に制御することを目的とする。

本発明は、たとえば、
像担持体に画像信号に対応した静電潜像を形成する潜像形成手段と、
トナーとキャリアとを含む現像剤を用いて前記静電潜像を現像する現像手段と、
前記現像手段の内部で回転することで現像剤を攪拌しながら循環させる回転部材と、
前記現像手段の内部に存在する現像剤のトナー濃度を検知する検知手段と、
前記現像手段へ前記トナーを補給する補給手段と、
前記回転部材の回転周期に対応する第１周期のリップルを低減する演算処理を実行する低減手段と、
前記補給手段により前記トナーが補給された前記現像手段の前記現像剤が前記回転部材の回転によって前記現像手段の内部を複数回循環することで前記検知手段の検知結果に繰り返し表れるリップルであり、前記第１周期より長周期の、前記現像手段の前記現像剤の循環周期に対応する第２周期のリップルを低減するバンドストップフィルタを用いて、フィルタ演算を実行するフィルタ手段と、
前記トナー濃度が目標濃度に近づくような前記現像手段への前記トナーの補給量を、前記検知手段の検知結果に前記低減手段による前記演算処理と前記フィルタ手段による前記フィルタ演算とが実行された演算結果に基づいて決定する決定手段と、
前記決定手段により決定された前記補給量に基づいて前記補給手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする画像形成装置を提供する。

本発明によれば現像器へのトナーの補給を高精度に制御することが可能となる。

画像形成装置の一例を示す図 現像器の一例を示す概略断面図 補給コントローラの一例を示すブロック図 補給制御の一例を示すフローチャート バンドストップフィルタの特性の一例を示す図 トナー消費量に基づき補給量の決定方法の一例を示すフローチャート 平均化部の効果を説明する図 平均化及びマスク処理の一例を示すフローチャート 比較例１の補給コントローラを示すブロック図 実施例の効果を説明する図 実施例の効果を説明する図

＜画像形成装置について＞
本実施例は、たとえば感光体や誘電体等を用いた像担持体上に電子写真方式や静電記録方式等により画像を形成する画像形成装置に適用できる。画像形成装置は、画像信号に対応した潜像を像担持体上に形成し、二成分現像剤を用いた現像装置によって潜像を現像して可視画像（トナー像）を形成する。二成分現像剤は、トナー粒子とキャリア粒子を主成分としている。画像形成装置は、可視画像を紙等の転写材に転写し、定着装置にて転写材に定着させる。また、画像形成装置は、プリンタや複写機、複合機、ファクシミリなどのいずれの製品でもよい。

図１において、複写されるべき原稿３１の画像はレンズ３２によってＣＣＤ等の撮像素子３３に投影される。撮像素子３３は原稿３１の画像を多数の画素に分解し、各画素の濃度に対応した光電変換信号を発生する。撮像素子３３から出力されるアナログ画像信号は画像処理回路３４に送られる。画像処理回路３４は画素毎にその画素の濃度に対応した出力レベルを有する画素画像信号にアナログ画像信号を変換し、パルス幅変調回路３５に送る。パルス幅変調回路３５は入力される画素画像信号毎に、そのレベルに対応した幅（時間長）のレーザ駆動パルスを形成して出力する。高濃度の画素画像信号に対してはより幅の広い駆動パルスが生成され、低濃度の画素画像信号に対してはより幅の狭い駆動パルスが生成される。パルス幅変調回路３５から出力されたレーザ駆動パルスは潜像形成手段である半導体レーザ３６に供給される。半導体レーザ３６はパルス幅に対応する時間だけ発光する。従って、半導体レーザ３６は高濃度画素に対してはより長い時間駆動され、低濃度画素に対してはより短い時間駆動される。

回転多面鏡３７は半導体レーザ３６から放射されたレーザ光８１を偏向および走査する。ｆ／θレンズ等のレンズ３８および固定ミラー３９は感光ドラム４０上にレーザ光８１をスポット結像させる。かくして、レーザ光８１は感光ドラム４０の回転軸とほぼ平行な方向（主走査方向）に感光ドラム４０上を走査し、静電潜像を形成する。なお、潜像形成手段としては本実施例のような半導体レーザ３６以外にもＬＥＤアレイ等の光源を用いるものもあり、それらについても本発明は好適に適用される。

感光ドラム４０は像担持体の一例である。感光ドラム４０は、たとえば、アモルファスシリコン、セレン、ＯＰＣ等の感光層を表面に有し、矢印方向に回転する。感光ドラム４０は除電器４１で均一に除電された後で一次帯電器４２により均一に帯電する。その後、画像信号に対応して変調されたレーザ光８１で露光走査される。これによって画像信号に対応した静電潜像が形成される。現像手段である現像器４４はトナー粒子とキャリア粒子が混合された二成分現像剤（現像剤４３）を使用して静電潜像を反転現像し、可視画像（トナー像）を形成する。反転現像とは、感光ドラム４０の表面のうちレーザ光８１で露光された領域に、潜像と同極性に帯電したトナーを付着させてこれを可視化する現像方法である。転写帯電器４９は担持ベルト４７上に保持された転写材４８に対してトナー像を転写する。無端状の担持ベルト４７はローラ４５およびローラ４６に架張され、矢印方向に駆動される。

なお、説明を簡単にするために１つの画像形成ステーション（感光ドラム４０、除電器４１、一次帯電器４２、現像器４４等を含む）のみを図示している。カラー画像形成装置では、たとえばシアン、マゼンタ、イエローおよびブラックの各色に対する４つの画像形成ステーションが担持ベルト４７上にその移動方向に沿って順次に配列される。各画像形成ステーションの感光ドラム上に原稿の画像を色分解した各色毎の静電潜像が順次に形成され、それぞれ対応する色のトナーを有する現像器で現像され、担持ベルト４７によって保持および搬送される転写材４８に順次に転写される。トナー像が転写された転写材４８は担持ベルト４７から分離されて図示しない定着器に搬送され、定着されて永久像に変換される。また、転写後に感光ドラム４０上に残った残留トナーはクリーナ５０によって除去される。

図１にはさらに画像形成に使用されたトナー量を推定するためのクロックパルスを発生する発振器６５、ＡＮＤゲート６４、カウンタ６６が示されている。また、現像器４４内のトナー濃度を検出する濃度センサ２０、増幅器２１なども示されている。補給コントローラ１１０はＣＰＵ６７や記憶部６８を備え、トナーの補給量を制御する。

図１および図２を参照し、現像器４４の一例を説明する。現像器４４は感光ドラム４０に対向して配置されており、その内部は垂直方向に延在する隔壁５１によって第１室（現像室）５２と第２室（撹拌室）５３とに区画されている。第１室５２には矢印方向に回転する非磁性の現像スリーブ５４が配置されている。現像スリーブ５４は像担持体へ現像剤を搬送する搬送手段として機能する。現像スリーブ５４内にはマグネット５５が固定されている。現像スリーブ５４は二成分現像剤を担持搬送し、感光ドラム４０と対向する現像領域で現像剤を感光ドラム４０に供給して静電潜像を現像する。現像スリーブ５４上のトナーの層はブレード５６によって層厚を規制される。現像効率、即ち潜像へのトナーの付与率を向上させるために、現像スリーブ５４には電源５７から直流電圧を交流電圧に重畳した現像電圧が印加される。

第１室５２にはスクリュー５８が設けられている。スクリュー５８は、第１室５２に存在する二成分現像剤を攪拌するともに、二成分現像剤を第１室５２と第２室５２との間で循環させる第１循環手段として機能する。第２室５３にはスクリュー５９が設けられている。スクリュー５９は、第２室５３に存在していた現像剤４３とトナー補給槽６０により供給されたトナー６３とを攪拌するともに、現像剤４３を第１室５２と第２室５３との間で循環させる第２循環手段として機能する。また、スクリュー５８、５９は、現像器４４の内部で二成分現像剤を撹拌する攪拌手段としても機能する。搬送スクリュー６２はトナー補給槽６０のトナーを回転しながら搬送し、トナー排出口６１から第２室５３へトナーを供給する。スクリュー５９がトナー補給槽６０から供給されたトナー６３と既に現像器４４に存在していた現像剤４３とを撹拌することで、現像剤４３におけるトナー粒子の濃度（トナー濃度）を均一になる。隔壁５１には図２における手前側と奥側の端部において第１室５２と第２室５３とを相互に連通させる通路（図示せず）が形成されている。第１室５２内の現像剤４３は現像によってトナーが消費されてトナー濃度が低下する。第１室５２内の現像剤４３はスクリュー５８により一方の通路から第２室５３内へ移動する。第２室５３内でトナー濃度の回復した現像剤４３がスクリュー５９により他方の通路から第１室５２内へ移動する。

現像器４４の第１室（現像室）５２の底壁にはトナー濃度検知手段である濃度センサ２０が設置されている。濃度センサ２０は現像器４４の第１現像室５２の内部に存在する現像剤４３のトナー濃度を検知する検知手段である。濃度センサ２０は現像剤４３の透磁率を検知するインダクタンスセンサなどである。濃度センサ２０はトナー濃度に対応した検出値を補給コントローラ１１０に出力する。補給コントローラ１１０は、濃度センサ２０により検知されたトナー濃度が目標濃度に近づくように現像器４４へのトナーの補給量を制御する制御手段として機能する。

カウンタ６６はビデオカウント方式による消費トナーの算出手段であり、画像処理回路３４の出力信号のレベルを画素毎にカウントする。パルス幅変調回路３５の出力信号がＡＮＤゲート６４の一方の入力に供給され、ＡＮＤゲート６４の他方の入力には発振器６５からのクロックパルスが供給される。従って、ＡＮＤゲート６４はレーザ駆動パルスのパルス幅に対応した数のクロックパルス、即ち、各画素の濃度に対応した数のクロックパルスを出力する。カウンタ６６は画像（原稿）毎にクロックパルス数を積算してビデオカウント値を求める（Ａ４原稿での最大ビデオカウント値は３７０７×１０６である）。しかして、カウンタ６６からの画像毎のパルス積算信号（ビデオカウント値）は、原稿３１のトナー像を１つ形成するために現像器４４で消費されるトナー量に対応している。カウンタ６６のようなビデオカウンタはレーザ駆動パルスに同期したもの以外にも、画像データから直接的にカウントするカウンタ等様々であり、どのカウンタであっても本発明には適用できる。

補給コントローラ１１０は濃度センサ２０の出力とビデオカウント値に基づいてトナー６３の補給量を決定し、補給ドライバ６９を通じてトナー補給手段であるモータ７０を制御する。モータ７０の駆動時間や駆動回数は基本的に補給量に比例する。モータ７０の駆動力はギア列７１を介して搬送スクリュー６２に伝達される。搬送スクリュー６２はトナー補給槽６０内のトナー６３を搬送して現像器４４に補給する。

＜補給制御について＞
図３は実施例の補給コントローラ１１０のブロック図である。補給コントローラ１１０は、とりわけ、バンドストップフィルタ１１３と第１決定部１１４を有している。バンドストップフィルタ１１３は、濃度センサ２０により検知されるトナー濃度においてスクリュー５８、５９による現像剤の循環周期に応じて発生する長周期のリップルを低減するフィルタ手段の一例である。第１決定部１１４は、バンドストップフィルタ１１３により長周期のリップルを低減されたトナー濃度に基づき補給量のうち第１補給量を決定する第１決定手段の一例である。図３が示すその他の機能については図４を参照しながら説明する。現像剤の循環周期に応じて発生するリップルの周期は、たとえば、３０ｓｅｃや６０ｓｅｃなどである。一方で、スクリュー５８、５９の回転周期（攪拌周期）に応じてトナー濃度には短周期のリップルが生じする。このリップルの周期は、たとえば、０．１ｓｅｃや０．２ｓｅｃ程度である。短周期のリップルについては平均化部１２１によって低減される。

図４はＣＰＵ６７の動作を示すフローチャートである。画像形成装置に外部電源から電力が供給されて起動すると、ＣＰＵ６７は記憶部６８のＲＯＭから制御プログラムを読み出して実行することで図３に示したような様々な機能を実現する。なお、各機能は論理回路によってハードウエア化されてもよい。

Ｓ２０１でＣＰＵ６７は待機状態に入り、操作部や外部のコンピュータから画像形成の要求を受信したかどうかを判定する。画像形成の要求がなければＳ２１５に進む。Ｓ２１５でＣＰＵ６７は操作部から電源ＯＦＦを指示されたかどうかを判定する。電源ＯＦＦを指示されていなければＳ２０１に戻る。電源ＯＦＦを指示されれば、ＣＰＵ６７は画像形成装置のシャットダウンを実行する。Ｓ２０１で画像形成の要求があればＳ２０２に進む。

Ｓ２０２でＣＰＵ６７は記憶部６８のＲＡＭに記憶されている前回の遅延演算変数を読み出し、現像器コントローラ１２０にスクリュー５８、５９の回転を指示する。現像器コントローラ１２０はスクリュードライバ１２２にモータ７２を駆動させる。モータ７２はスクリュー５８、５９を回転させる。

Ｓ２０３でＣＰＵ６７（差分部１１１）は、平均化部１２１の出力値と目標値決定部１１２により設定された目標値との差分を演算して求める。平均化部１２１は濃度センサ２０の出力を平滑化する機能である。平均化部１２１は、攪拌周期に応じてトナー濃度に発生する短周期のリップルを低減する低減手段として機能する。

Ｓ２０４でＣＰＵ６７（バンドストップフィルタ１１３）は差分部１１１から出力される差分Ｘｎに対して次式を用いてフィルタ演算を実行し、Ｙｎを求める。
Ｙｎ＝ｂ０×Ｘｎ＋Ｐ_ｎ−１ ・・・（１）
Ｐｎ＝ｂ１×Ｘｎ−ａ１×Ｙｎ＋Ｑ_ｎ−１ ・・・（２）
Ｑｎ＝ｂ２×Ｘｎ−ａ２×Ｙｎ ・・・（３）
ここで、Ｘｎは差分部１１１の現在の出力値である。Ｙｎはバンドストップフィルタ１１３の今回の出力値である。Ｐｎ、Ｑｎは今回の遅延演算変数である。Ｐ_ｎ−１、Ｑ_ｎ−１は前回の遅延演算変数であり、記憶部６８から読み出されたものである。ＣＰＵ６７は今回の演算で求めた遅延演算変数Ｐｎ、Ｑｎを記憶部６８に記憶し、次回の演算時に利用する。係数ａ１、ａ２、ｂ０、ｂ１、ｂ２は画像形成装置の設計時や工場出荷時に予め決定されるフィルタ係数である。本実施例では、Ｙｎが０．１ｓｅｃごとに演算される。

図５（Ａ）はバンドストップフィルタ１１３について周波数とゲインとの関係を示すボード線図である。図５（Ｂ）はバンドストップフィルタ１１３について周波数と位相との関係を示すボード線図である。図５（Ａ）や図５（Ｂ）は３０ｓｅｃ周期の入力リップルを低減することを示している。このような特性のバンドストップフィルタ１１３を構成するための係数は以下のとおりである。
ａ１＝−１．９７７２３・・・（４）
ａ２＝０．９７７６６８・・・（５）
ｂ０＝０．９９００２５・・・（６）
ｂ１＝−１．９７７２３・・・（７）
ｂ２＝０．９８７６４３・・・（８）
このようにこれらの係数は低減すべきリップルの周期に応じて予め決定される。

Ｓ２０５でＣＰＵ６７（第１決定部１１４）はバンドストップフィルタ１１３の出力値Ｙｎに基づき第１補給量を決定する。第１決定部１１４は、ＰＩコントローラ（比例・積分コントローラ）であり、現在の出力値Ｙｎと前回までの出力値の累積値Ｔｎとを加算して第１補給量Ｒ１ｎを決定する。

Ｒ１ｎ＝ｇ１×Ｙｎ ＋ ｇ２×Ｔｎ・・・（９）
Ｔｎ＝Ｔ_ｎ−１＋Ｙｎ・・・（１０）
ｇ１、ｇ２はゲインであり、予め設定される係数である。

Ｓ２０６でＣＰＵ６７（第２決定部１１６）はカウンタ６６からビデオカウント値を入力する。Ｓ２０７でＣＰＵ６７（第２決定部１１６）はビデオカウント値に後述する演算を適用して第２補給量Ｒ２ｎを決定する。Ｓ２０８でＣＰＵ６７（合算部１１７）は第１補給量Ｒ１ｎと第２補給量Ｒ２ｎを合算して合算値Ｒｎを求める（Ｒｎ＝Ｒ１ｎ＋Ｒ２ｎ）。Ｓ２０９でＣＰＵ６７（演算部１１８）は補給量のバッファ値Ｂｎに合算値Ｒｎを加算する（Ｂｎ＝Ｂ_ｎ−１＋Ｒｎ）。なお、バッファ値Ｂｎの初期値は、たとえば、ゼロである。

Ｓ２１０でＣＰＵ６７は補給ドライバ６９に対して前回補給を指示してからの経過時間が所定時間を超えたかどうかを判定する。ＣＰＵ６７はタイマーやカウンタを用いて補給を指示してからの経過時間を計時しているものとする。ＣＰＵ６７は補給を指示するとタイマーをゼロにリセットする。補給が指示されると、補給ドライバ６９はモータ７０を駆動し、スクリュー５８、５９を回転させ、トナー６３を現像器４４に補給する。経過時間が所定時間を超えていなければＳ２１１に進む。経過時間が所定時間を超えていればＳ２１３に進む。所定時間は、現像器４４におけるトナー濃度の均一化を図るための時間であり、実験やシミュレーションによって予め決定される。現像器４４において現像剤４３とトナー６３の撹拌が不十分な状態で次の補給を実行してしまうと、現像器４４には局所的にトナー濃度の濃い部分ができてしまう。そこで、補給開始から所定時間にわたって攪拌を継続し、その後に補給を許可することで、トナー濃度の均一化が達成される。

Ｓ２１１でＣＰＵ６７（演算部１１８）はバッファ値Ｂｎが所定の単位補給量ｒ以上に達したかどうかを判定する。バッファ値Ｂｎが単位補給量ｒ以上であれば、Ｓ２１２に進む。バッファ値Ｂｎが単位補給量ｒ以上でなければ、Ｓ２１３に進む。

Ｓ２１２でＣＰＵ６７（演算部１１８）は補給ドライバ６９に補給を指示するとともに、バッファ値Ｂｎから単位補給量ｒを減算する。補給ドライバ６９は指示にしたがってモータ７０を駆動して現像器にトナー６３を補給する。

Ｓ２１３でＣＰＵ６７はスクリュー５８、５９による攪拌を継続するかどうかを判定する。たとえば、ＣＰＵ６７は、Ｓ２０１で検知された画像形成要求による画像形成が継続していれば、攪拌を継続すべきと判定する。また、ＣＰＵ６７は画像形成が終了すれば、攪拌も停止すべきと判定する。攪拌を継続すべき場合はＳ２０３に戻り、ＣＰＵ６７は次の差分を算出する。攪拌を停止すべき場合はＳ２１４に進む。Ｓ２１４でＣＰＵ６７は各種の演算値（例：遅延演算変数Ｐｎ、Ｑｎ、Ｂｎなど）を記憶部６８に記憶させる。なお、バッファ値Ｂｎや第１補給量Ｒ１ｎ、第２補給量Ｒ２ｎなどはゼロにリセットされる。その後、Ｓ２０１に戻る。このようにＳ２０３ないしＳ２１３までの一連の処理は、たとえば、０．１ｓｅｃごとに行われるものとする。そのため、単位補給量ｒは０．１ｓｅｃごとに補給されるトナー量に対応している。

＜第２補給量の決定方法＞
本実施例では濃度センサ２０の出力値をフィードバックする補給量の決定処理はスクリュー５８、５９の動作中に０．１ｓｅｃ間隔で実行される。ただし、ビデオカウント値は１枚の画像あたりの積算値である。積算値をそのまま補給量に換算してしまうと、０．１ｓｅｃごとの補給量が過剰になってしまう。これは第１補給量Ｒ１ｎが０．１ｓｅｃごとに出力される濃度センサ２０の出力値に基づいて決定されるからである。よって、ビデオカウント値に基づいて決定される第２補給量Ｒ２ｎも０．１ｓｅｃごとに分散された補給量とされる。そこで、第２決定部１１６はビデオカウント値に基づく補給量を所定回数に分割して出力する。

図７はＣＰＵ６７（第２決定部１１６）の動作を示すフローチャートである。第２決定部１１６はスクリュー５８、５９が回転を開始すると同時に補給量決定の演算を開始する。

Ｓ３０１で第２決定部１１６は記憶部６８から前回の演算値を読み出す。Ｓ３０２で第２決定部１１６はカウンタ６６からビデオカウント値（積算値）を入力する。Ｓ３０２はスクリュー５８、５９が回転している間にわたり、０．１ｓｅｃごとに行われるが、画像１枚あたりのビデオカウント値の積算が終了するまでは、ビデオカウント値として０が入力される。積算が終了した時点で積算値が１回で入力される。

Ｓ３０３で第２決定部１１６は入力されたビデオカウント値が０かどうかを判定する。ビデオカウント値が０の場合、第２決定部１１６は現在の第２補給量を変更せずにＳ３０７に進む。ビデオカウント値が０でなければＳ３０５に進む。

Ｓ３０５で第２決定部１１６は第２補給量Ｕ２ｋを決定する。第２補給量Ｕ２ｋは、たとえば、以下の式で決定される。
Ｕ２ｋ＝ｇ２×（Ｕ２_ｋ−１×Ｃ＋Ｖ）÷Ｄ・・・（１１）
ここでＵ２ｋは今回決定された第２補給量である。Ｕ２_ｋ−１は前回決定された第２補給量である。Ｖは入力されたビデオカウント値（積算値）である。Ｄは分割数である。Ｃは分割カウンタの現在値である。分割カウンタＣは０以上の整数であり、初期値は分割数Ｄである。分割カウンタＣは０になるまでＳ３０８において０．１ｓｅｃごとに１ずつ減算される。

なお、Ｕ２ｋはＳ３０５を実行する度に更新される。つまり、Ｕ２ｋはＳ３０５を実行するか、または、カウント値Ｃがゼロになるまで更新されず、Ｒ２ｎとして使用される。ところで、１つ目のビデオカウント値が入力されてそれに対応する補給量のトナーを補給し終わる前に、次のビデオカウント値が入力されてしまうことがある。つまり、１つ目のビデオカウント値についての総補給量のうちの残量を次のビデオカウント値についての補給量に対して繰り越す必要がある。Ｕ２_ｋ−１×Ｃは、この繰り越される補給量を意味している。たとえば、１つ目のビデオカウント値に対して次のビデオカウント値がすぐに入力されると、Ｃはまだ大きな値であり、１つ目のビデオカウント値に対応する補給量の大部分が繰り越される。Ｃがゼロであれば、１つ目のビデオカウント値に対応する補給量が繰り越されることはない。

このように分割カウンタＣが０でない場合、前回のビデオカウント値に対する分割補給量の出力が終了してない。そのため、（１１）式が示すように、第２決定部１１６は残補給数（Ｕ２_ｋ−１×Ｃ）と新規に入力されたビデオカウント値Ｖとを合算することで、再度、第２補給量Ｕ２ｋを求める。分割カウンタＣが０の場合、第２決定部１１６は今回のビデオカウント値Ｖから第２補給量Ｕ２ｋを決定する。ここで決定された第２補給量がそれ以降、第２補給量Ｒ２ｎとして用いられる（Ｒ２ｎ＝Ｕ２ｋ）。

Ｓ３０６で第２決定部１１６は分割カウンタＣに分割数Ｄを設定する。
Ｃ＝Ｄ ・・・（１２）
Ｓ３０７で第２決定部１１６は分割カウンタＣが０かどうかを判定する。分割カウンタＣが０でなければビデオカウント値Ｖに基づく分割補給が完了していないため、Ｓ３０８に進む。Ｓ３０８で第２決定部１１６は分割カウンタＣから１を減算する。一方で、分割カウンタＣが０であれば分割補給が完了しているため、Ｓ３０９に進む。Ｓ３０９で第２決定部１１６は第２補給量Ｒ２ｎに０を設定する。

Ｓ３１０で第２決定部１１６は第２補給量Ｒ２ｎを合算部１１７に出力する。Ｓ３１１で第２決定部１１６は攪拌を継続すべきかどうかを判定する。Ｓ３１１の判断手法はＳ２１３と同様である。攪拌を継続すべき場合、Ｓ３０２に戻る。攪拌を停止すべき場合、Ｓ３１２に進む。Ｓ３１２で第２決定部１１６は記憶部６８に分割カウンタＣと第２補給量Ｒ２ｎを記憶させる。

＜バンドストップフィルタの導入に伴う処理＞
スクリュー５８が回転している間、濃度センサ２０の検出値には特定の周波数のリップルが生じる。長周期のリップルの周波数は現像剤の循環周期の逆数である。バンドストップフィルタ１１３は、この長周期のリップルを濃度センサ２０の検出値から低減するために設けられている。さらに、スクリュー５８の攪拌周期（回転周期）に応じた短周期のリップルも発生する。現像剤の循環に伴うリップルの周期は３０ｓｅｃ程度であるのに対して、回転周期に伴うリップルの周期は０．１ｓｅｃ程度である。これらの周期の数値は例示にすぎない。よって、短周期のリップルを低減するための手段も必要となる。なお、スクリュー５８が回転している間、濃度センサ２０の検出値は所定間隔で取得される。

図７（Ａ）は濃度センサ２０の検出値Ｄ１と、検出値の移動平均Ｄ２と、初期マスクを伴う平均値Ｄ３とを例示している。図７（Ｂ）は図７（Ａ）のうち初期マスクが適用される期間の部分を拡大した図である。図７（Ａ）および図７（Ｂ）において実線は濃度センサ２０の検出値Ｄ１を示している。破線は検出値の移動平均Ｄ２を示している。一点鎖線は初期マスクを伴う平均値Ｄ３を示している。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）の実線が示すように、スクリュー５８の回転に伴い、濃度センサ２０の検出値Ｄ１は脈動する。これは、濃度センサ２０によって検出される現像剤４３のトナー濃度がスクリュー５８の回転周期に応じて変動するからである。そこで、平均化部１２１はスクリュー５８の回転周期に応じて検出値Ｄ１を平均化し、平均値を差分部１１１に出力している。

ページごとに補給量を演算する場合、スクリュー５８が回転し始めてから十分に余裕をもって平均化が実行されれば、短周期のリップルは小さくなる。しかし、バンドストップフィルタ１１３は、スクリュー５８が回転している間は所定間隔で濃度センサ２０の検出値を必要とする。つまり、スクリュー５８が回転し始めてすぐに平均値が必要になる。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）の破線が示すように、単純に濃度センサ２０の検出値Ｄ１に対して移動平均Ｄ２を求めると、スクリュー５８の回転し始めのところでは移動平均Ｄ２が収束しない。そこで、平均化部１２１は図８に示すフローによって平均化処理を行っている。とりわけ、平均化部１２１は、スクリュー５８の回転を開始した直後の所定期間にわたって発生する不安定領域をマスクして平均化を実行する。これは、演算に必要となるメモリ容量を削減できる効果ももたらす。このように、平均化部１２１は、スクリュー５８、５９が作動を開始してから所定期間にわたって濃度センサ２０から出力されるトナー濃度についてはマスクして第１補給量Ｒ１ｎに反映させないマスク手段の一例である。

図８を用いて平均化部１２１が実行する平均化演算について説明する。平均化部１２１はスクリュー５８、５９が回転を開始すると平均化の演算を開始する。

Ｓ４０１で平均化部１２１は、前回、スクリュー５８、５９が停止したときに保存した最後の平均化出力値（平均値）を記憶部６８から読み出す。Ｓ４０２で平均化部１２１はマスクカウンタＣｍと累積カウンタＣａに０を設定する。マスクカウンタＣｍは、濃度センサ２０の検出値Ｄ１のうちマスク対象となるものを管理するためのカウンタである。累積カウンタＣａは、検出値Ｄ１を何回累積したかをカウントするためのカウンタである。Ｓ４０３で平均化部１２１は累積カウンタＣａに１を加算する。Ｓ４０４で平均化部１２１はマスクカウンタＣｍが所定値Ｃｍｘに達しているかどうかを判定する。所定値Ｃｍｘは、マスクされる平均値の総数を示している。マスクカウンタＣｍが所定値ＣｍｘであればＳ４０６に進む。マスクカウンタＣｍが所定値でなければ、Ｓ４０５に進む。Ｓ４０５で平均化部１２１はマスクカウンタＣｍに１を加算する。

Ｓ４０６で平均化部１２１は検出値Ｄ１の累積値Ｄａに現在の濃度センサ２０の検出値Ｄ１を加算（累積演算）する。Ｓ４０７で平均化部１２１は累積カウンタＣａが所定値Ｃａｘに達したかどうかを判定する。累積カウンタＣａが所定値Ｃａｘに達していなければＳ４０８およびＳ４０９をスキップしてＳ４１０に進む。所定値Ｃａｘは検出値Ｄ１の累積総数であり、予め定められている。累積カウンタＣａが所定値Ｃａｘに達していればＳ４０８に進む。

Ｓ４０８で平均化部１２１は累積カウンタＣａを０に設定する。Ｓ４０９でマスクカウンタＣｍが所定値Ｃｍｘ達しているかどうかを判定する。所定値Ｃｍｘの値は、図７（Ｂ）が示すようにスクリュー５８の回転を開始したタイミングから、移動平均Ｄ２が最終的な平均値Ｄ３に収束するタイミングまでの時間に対応している。マスクカウンタＣｍが所定値Ｃｍｘに達していなければ、検出値Ｄ１には初期の変動成分が残存しているため、マスクされるべきである。よって、Ｓ４１０に進む。なお、マスクカウンタＣｍが所定値Ｃｍｘに達していれば、検出値Ｄ１には初期の変動成分が残存していないため、マスクは不要である。よって、Ｓ４１１に進む。

Ｓ４１０で平均化部１２１は差分部１１１へ出力する平均値Ｄ３として記憶部６８に記憶しておいた前回の平均値Ｄ３’を設定する。Ｓ４１１で平均化部１２１は累積値Ｄａを累積数である所定値Ｃａｘで除算して平均値Ｄ３を求める。Ｓ４１２で平均化部１２１は平均値Ｄ３を差分部１１１に出力する。Ｓ４１３で平均化部１２１は撹拌を継続すべきかどうかを判定する。これはＳ２１３やＳ３１１と同様の判定処理である。撹拌を継続すべきであればＳ４０３に戻る。撹拌を停止すべきであればＳ４１４に進む。Ｓ４１４で平均化部１２１は記憶部６８に最後の平均値Ｄ３を記憶させる。

このように本実施例によればバンドストップフィルタ１１３を採用することで、現像剤の循環周期に依存してトナー濃度に生じる長周期のリップルを低減できるようになる。さらに平均化部１２１を採用することでスクリュー５８、５９の攪拌周期に依存してトナー濃度に生じる短周期のリップルを低減できるようになる。さらに、トナー濃度の検出値のうち、スクリュー５８、５９の回転を開始してからの所定期間において取得されたトナー濃度をマスクすることで、回転初期の変動成分の影響を削減できる。なお、所定期間においては過去の検出値の平均値Ｄ３’を用いることで、バンドストップフィルタ１１３にとって必要なデータを用意することが可能となる。

＜比較例１について＞
実施例の効果を説明するために比較例１について説明する。比較例１は実施例から平均化部１２１とバンドストップフィルタ１１３を省略したものである。

図９は比較例１の補給コントローラのブロック図である。平均化部１２１が省略されるため、差分部１１１は、濃度センサ２０からの検出値Ｄ１ｎと目標値決定部１１２により決定された目標値Ｄｔとの差分Ｘｎを算出する。またバンドストップフィルタ１１３が省略されるため、第１決定部１１４は今回の差分Ｘｎに所定のゲインｇ１を乗じたものと、前回までの差分の累積値Ｔｎに所定のゲインｇ２を乗じたものとの和を第１補給量Ｒ１ｎとして決定する。
Ｒ１ｎ＝ｇ１×Ｘｎ ＋ ｇ２×Ｔｎ・・・（１３）
Ｔｎ＝Ｔ_ｎ−１ ＋ Ｘｎ・・・（１４）
なお、比較例１の第２補給量Ｒ２ｎは実施例のものと同じである。比較例１のフローチャートは実施例のフローチャートから平均化部１２１とバンドストップフィルタ１１３に関連したステップを省略したものとなる。つまり、省略されるステップは、Ｓ２０２の変数の読み出しやＳ２０４のフィルタ演算などである。

＜比較例２について＞
比較例２は、実施例１のＳ２０７で、図６に示すビデオカウント値に基づく補給量を所定回数に分割して出力する処理を省略したものである。つまり、ビデオカウント値（１枚の画像あたりの積算値）から換算される補給量が一度に合算値に反映されることになる。比較例２において実施例のＳ２０７および図６に示した処理を除くその他の処理は実施例と同じである。つまり、比較例２のブロック図は図３と同じものとなる。また、図８に示したマスク処理も使用される。第２の補給量Ｒ２ｎはゼロでないＶが入力されたときは（１５）式で算出される。Ｖがゼロのときは、第２の補給量Ｒ２ｎもゼロとなる
Ｒ２ｎ＝ｇ２×Ｖ・・・（１５）
＜実施例の補給制御の効果の説明＞
実施例を比較例１と比較例２と比較することで実施例の効果を説明する。図１０（Ａ）は実施例における濃度センサ２０の出力値を示している。図１０（Ｂ）は比較例１の濃度センサ２０の出力値を示している。なお、実施例の出力値と比較例１の出力値にはそれぞれ等価なフィードバックゲインが設定されている。図１０（Ｃ）は比較例１のゲインを実施例よりも低下させたときの出力値を示している。

図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）を比較すると、実施例は平均化処理とフィルタによって周期の異なる複数のリップルを十分に低減できていることがわかる。つまり実施例では出力値が目標値に素早く収束している。比較例１では実施例と等価なフィードバックゲインが設定されているため、出力値に大きなリップルが生じてしまう。これは、現像器４４の小型化によりトナーが十分に撹拌できていないからである。つまり、比較例１では濃度センサ２０の検知部分にはトナー濃度が均一でない現像剤が押し寄せる。その影響がトナーの補給量にフィードバックされてしまい、制御発振が発生する。この発振を防ぐために、フィードバックゲインを下げることが考えられる。しかし、フィードバックゲインを下げると図１０（Ｃ）が示すように、出力値が目標値に戻る能力が低下してしまう。よって、外乱によって出力値が一旦目標値から乖離すると、乖離した状態が長く続くようになってしまう。

これに対し、実施例では、現像剤の循環周期に依存した濃度センサ２０の出力値の変動をバンドストップフィルタ１１３により低減できている。また、攪拌周期に応じた濃度センサ２０の出力値の変動を平均化部１２１により低減できている。よって、実施例は、フィードバック制御への変動の影響も小さくなり、目標値への良好な追従性と良好な収束性を実現できる。

また、実施例ではバンドストップフィルタ１１３の演算周期をスクリューの動作に同期させてもよい。これはバンドストップフィルタ１１３の演算周期が画像サイズの影響を受けないことを意味する。

図１０（Ｄ）は比較例２の濃度センサの出力値を示している。図１０（Ｄ）を図１０（Ａ）と比較すると、図１０（Ｄ）では所々、波形のリップルが大きくなっているところがある。図１１（Ａ）は実施例の合算部１１７が出力する合算値を示している。図１１（Ｂ）は実施例の演算部１１８における補給バッファ値を示している。図１１（Ｃ）は比較例２の合算部１１７が出力する合算値を示している。図１１（Ｄ）は比較例２の演算部１１８の補給バッファ値を示している。

比較例２では実施例のようにスクリューの動作に同期して、細かいステップで補給量の演算が実行される。そのため、図１１（Ｃ）が示すように、離散的に入力されるビデオカウント値が相対的に大きな値になってしまうことがある。つまり比較例２では過剰な補給量となることがある。これが、図１０（Ｄ）に示したリップルの原因になっていた。

これに対して実施例では図１１（Ａ）が示すようにバランスよくビデオカウント値が分散されて補給量に反映される。そのため、実施例では図１０（Ａ）が示すように濃度センサ２０の出力値が良好に推移する。

＜まとめ＞
本実施例によれば、補給コントローラ１１０はバンドストップフィルタ１１３と第１決定部１１４を備えている。バンドストップフィルタ１１３は濃度センサ２０により検知されるトナー濃度においてスクリュー５８、５９による現像剤の循環周期に応じて発生する長周期のリップルを低減する。第１決定部１１４はバンドストップフィルタ１１３により長周期のリップルを低減されたトナー濃度に基づき第１補給量Ｒ１ｎを決定する。これにより現像器４４へのトナーの補給を高精度に制御することが可能となる。とりわけ、現像器４４の小型化や低容量化を図ろうとすると、長周期のリップルが目立つようになる。よって、この長周期のリップルを低減することで、現像器４４へのトナーの補給を高精度になる。つまり、これまでは両立の難しかった補給の高精度化と現像器４４の小型化や低容量化とを両立できるようになる。

図４を用いて説明したように、バンドストップフィルタ１１３は、たとえば、スクリュー５８、５９の作動中に所定間隔でフィルタ演算を実行するように構成されている。Ｓ２１４などに関して説明したように、補給コントローラ１１０は、スクリュー５８、５９が停止したときにバンドストップフィルタ１１３により使用されていた演算変数を記憶する記憶部６８を有している。Ｓ２０２やＳ２０４に関して説明したように、バンドストップフィルタ１１３は、スクリュー５８、５９が作動を開始すると、記憶部６８から読み出した演算変数Ｐｎ、Ｑｎなどを用いてフィルタ演算を実行するように構成されている。これにより、前回の演算変数Ｐｎ、Ｑｎを引き続き用いて精度よくリップルを低減できるようになる。

補給コントローラ１１０は、スクリュー５８、５９が作動を開始してから所定期間にわたって濃度センサ２０から出力されるトナー濃度についてはマスクして第１補給量Ｒ１ｎに反映させない平均化部１２１をさらに有していてもよい。図７に関して説明したように、濃度センサ２０の検出値Ｄ１について移動平均Ｄ２を求めたとしても、スクリュー５８、５９が作動を開始してから所定期間では、移動平均Ｄ２が実際の値に収束しない。そこで、スクリュー５８、５９が作動を開始してから所定期間について、検出値Ｄ１について移動平均Ｄ２をマスクすることで、さらに、現像器４４へのトナーの補給を高精度に制御することが可能となる。

また、平均化部１２１は、スクリュー５８、５９の攪拌周期に応じてトナー濃度に発生する短周期のリップルを低減する低減手段として機能してもよい。上述したように、スクリュー５８、５９はモータによって駆動されて回転し、トナーを攪拌しながら搬送する。よって、スクリュー５８、５９の回転周期に応じた短周期のリップルが発生する。よって、平均化部１２１が短周期のリップルを低減することで、現像器４４へのトナーの補給を高精度に制御することが可能となる。

図８に関して説明したように、平均化部１２１は、スクリュー５８、５９が停止したときのトナー濃度（例：検出値Ｄ１や平均値Ｄ３など）を記憶部６８に保持しておいてもよい。平均化部１２１は、スクリュー５８、５９が作動を再開すると所定期間においては、マスクされたトナー濃度に代えて記憶部６８に保持しておいたトナー濃度を第１補給量Ｒ１ｎに反映させてもよい。バンドストップフィルタ１１３は、スクリュー５８、５９が作動を再開するとすぐにトナー濃度のデータが必要となる。しかし、マスク期間においてはトナー濃度が提供されない。そこで、記憶部６８はスクリュー５８、５９が停止するときにトナー濃度を記憶し、スクリュー５８、５９の回転を再開するときに平均化部１２１がそれを読み出して使用する。これにより、スクリュー５８、５９が作動を再開するとすぐにトナー濃度（平均値）をバンドストップフィルタ１１３に供給できるようになる。スクリュー５８、５９が停止している間は、トナー６３が補給されることはないため、現像剤４３のトナー濃度も変化しない。よって、前回の補給時のトナー濃度を今回の補給時のトナー濃度として活用しても、補給量の演算精度はそれほど低下しないだろう。

平均化部１２１は、濃度センサ２０が出力するトナー濃度の平均値を求める平均化手段として機能してもよい。この場合、補給コントローラ１１０はトナー濃度の平均値を用いて補給量を制御する。平均化部１２１は、濃度センサ２０が出力するトナー濃度の移動平均値を求めてもよい。移動平均値を求めるにはそれほど多くのトナー濃度の検出値を必要としないため、トナー濃度の検出値を保持するための記憶容量を削減できるようになる。なお、移動平均値を算出するために使用されるサンプル数（トナー濃度の検出値の数）は、短周期のリップルを低減できる程度の数に設定される。

図３を用いて説明したように、差分部１１１はトナー濃度（平均値）と目標濃度との差分Ｘｎを算出してもよい。この場合、バンドストップフィルタ１１３はトナー濃度についての差分Ｘｎに対してフィルタ演算を施して差分に含まれている周波数成分のうちリップルの周波数成分を低減する。このようなバンドストップフィルタ１１３の周波数通過特性は図５（Ａ）に示したように、リップルの周波数成分を低減するような周波数通過特性となる。このように、フィルタ演算に必要となる係数はリップルの周波数に依存して決定される。

図３を用いて説明したように、トナー濃度だけでなく、画像信号から求められるトナー消費量も加味して補給量を決定することで、トナーの補給量を安定的に制御できるようになる。この場合、カウンタ６６は画像信号に基づき静電潜像を現像するために消費されるトナー量をカウントする。第２決定部１１６は、カウンタ６６のカウント値に基づき第２補給量Ｒ２ｎを決定する。合算部１１７は、第１決定部１１４が決定した第１補給量Ｒ１ｎと第２決定部１１６が決定した第２補給量Ｒ２ｎとを合算する。ＣＰＵ６７、現像器コントローラ１２０およびトナー補給槽６０は合算部１１７の合算値に基づきトナーを現像器４４に補給する。これにより、トナーの補給量を安定的に制御できるようになる。なお、第２決定部１１６は、カウント値を換算して得られる補給量を複数に分割して第２補給量Ｒ２ｎを決定してもよい。１つの画像あたりのトナー消費量はカウントが終了するまで判明しない。このトナー消費量を一度に補給量に反映すると、図１１（Ｃ）や図１１（Ｄ）を用いて説明したように補給量が安定しない。これはリップルの増加をもたらす。そこで、１つの画像あたりのトナー消費量を時間的に分散して補給量に反映させることで、図１１（Ａ）や図１１（Ｂ）を用いて説明したように補給量が安定する。つまり、トナー濃度のリップルも低減される。

現像室と攪拌室とに分かれているような現像器４４ではリップルが発生することがある。よって、本実施例を適用することで、現像器４４へのトナーの補給を高精度に制御することが可能となる。

２０…濃度センサ、４４…現像器、６０…トナー補給槽、６７…ＣＰＵ、６８…記憶部、１１０…補給コントローラ、１１３…バンドストップフィルタ、１１４…第１決定部、１１６…第２決定部、１１７…合算部、１２１…平均化部

Claims (8)

1. 像担持体に画像信号に対応した静電潜像を形成する潜像形成手段と、
   トナーとキャリアとを含む現像剤を用いて前記静電潜像を現像する現像手段と、
   前記現像手段の内部で回転することで現像剤を攪拌しながら循環させる回転部材と、
   前記現像手段の内部に存在する現像剤のトナー濃度を検知する検知手段と、
   前記現像手段へ前記トナーを補給する補給手段と、
   前記回転部材の回転周期に対応する第１周期のリップルを低減する演算処理を実行する低減手段と、
   前記補給手段により前記トナーが補給された前記現像手段の前記現像剤が前記回転部材の回転によって前記現像手段の内部を複数回循環することで前記検知手段の検知結果に繰り返し表れるリップルであり、前記第１周期より長周期の、前記現像手段の前記現像剤の循環周期に対応する第２周期のリップルを低減するバンドストップフィルタを用いて、フィルタ演算を実行するフィルタ手段と、
   前記トナー濃度が目標濃度に近づくような前記現像手段への前記トナーの補給量を、前記検知手段の検知結果に前記低減手段による前記演算処理と前記フィルタ手段による前記フィルタ演算とが実行された演算結果に基づいて決定する決定手段と、
   前記決定手段により決定された前記補給量に基づいて前記補給手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記フィルタ手段は、前記回転部材の回転中に所定間隔でフィルタ演算を実行するように構成されており、
   前記決定手段は、さらに、前記回転部材が回転停止したときに前記フィルタ手段により使用されていた演算変数を記憶する記憶手段を有し、
   前記フィルタ手段は、前記回転部材が回転を開始すると、前記記憶手段から読み出した演算変数を用いてフィルタ演算を実行するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記フィルタ手段は、
   前記回転部材が回転を開始してから所定期間にわたって前記検知手段から出力されるトナー濃度についてはマスクして前記補給量に反映させないマスク手段をさらに有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. 前記マスク手段は、前記回転部材が回転停止したときの前記トナー濃度を保持しておき、
   前記フィルタ手段は、前記回転部材が回転を再開すると前記所定期間においては、前記マスクされたトナー濃度に代えて前記保持しておいたトナー濃度を前記フィルタ演算に反映させることを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
5. 前記低減手段による前記演算処理が実行された前記トナー濃度と前記目標濃度との差分を算出する差分手段をさらに有し、
   前記フィルタ手段は前記トナー濃度と前記目標濃度との前記差分に対してフィルタ演算を施して前記差分に含まれている前記第２周期のリップルを低減することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の画像形成装置。
6. 前記画像信号に基づき前記静電潜像を現像するために消費されるトナー量をカウントするカウント手段と、
   前記カウント手段のカウント値に基づき他の補給量を決定する他の決定手段と、
   前記決定手段が決定した前記補給量と前記他の決定手段が決定した前記他の補給量とを合算する合算手段とをさらに有し、
   前記制御手段は、前記合算手段の合算値に基づき前記補給手段を制御することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像形成装置。
7. 前記他の決定手段は、前記カウント値を複数に分割して前記他の補給量を決定することを特徴とする請求項６に記載の画像形成装置。
8. 前記現像手段は、
   前記像担持体へ前記現像剤を搬送する搬送手段を有する第１室と、
   前記第１室と連通し、前記補給手段からトナーを供給される第２室とを有し、
   前記回転部材は、
   前記第１室に設けられ、前記第１室に存在する現像剤を攪拌するともに、前記現像剤を前記第１室と前記第２室との間で循環させるように回転する第１スクリューと、
   前記第２室に設けられ、前記第２室に存在していた現像剤と前記補給手段により供給されたトナーとを攪拌するともに、前記現像剤を前記第１室と前記第２室との間で循環させるように回転する第２スクリューとを有していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の画像形成装置。

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