JP7283326B2 - トナー濃度センサおよび画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば複写機やプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に用いられるトナー濃度センサおよび画像形成装置に関する。

トナー濃度センサは、画像形成装置において品質の良い画像を得るために重要な部品である。トナー濃度センサは、光を照射する発光素子と、該発光素子から照射され対象物で反射された光（反射光）を受光する受光素子とを有する。

例えば、中間転写ベルトを備えた中間転写式の画像形成装置の場合、中間転写ベルト上に濃度測定用のトナーパッチが形成される。トナー濃度センサは、該トナーパッチ形成部分に発光素子から光を照射し、その反射光を受光素子にて受光する。受光素子には受光量に応じた光電流が発生し、発生した光電流の電圧を検出することで、トナーパッチの濃度を検出することができる。

画像形成装置では、この検出結果に基づいて画像濃度制御を行う。例えば、潜像形成用の書込光強度、帯電バイアス、現像バイアス等を変更する調整を行う。また、２成分現像方式であれば、現像器内のトナー濃度の目標値を調節したりする。

このようなトナー濃度センサにおいて、発光素子および受光素子を基板（プリント基板）に表面実装し、発光素子および受光素子の光路が基板と平行になるように構成したものがある（例えば、特許文献１）。基板には、発光素子および受光素子を覆うようにケースが被せられる。ケースには発光素子および受光素子それぞれに対応した光路が形成されている。多くの場合、基板の素子実装面の反対面には遮光部材が配置される。

また、基板の縁側には、発光素子からの照射光、および対象物からの反射光を透過させるレンズ部が配置される。レンズ部は、外周部がケースに保持され、外周部をケースの上面に突き当てることで、基板に対する高さ方向の位置決めがなされている。

特許第４５３１３５７号明細書

従来のレンズ部の外周部をケースの上面に突き当て高さ方向の位置決めを行う構成では、ケースの上面が位置決めの基準面となる。このようなケースを介した位置決めでは、ケースの部品公差も累積されるため、レンズ部は、発光素子および受光素子よりも組み付けばらつきや組み付け公差の影響を受けやすくなる。その結果、レンズ部の高さ方向の位置（以降、高さ位置とも称する）が設計で狙った位置からずれてしまい、発光素子および受光素子とレンズ部との間で光軸ずれが発生する。なお、発光素子および受光素子は、基板の素子実装面を基準面としているため上記影響を受け難い。発光素子および受光素子とレンズ部との間で光軸ずれが発生すると、トナー濃度を高い精度で検出することができなくなり、ひいては画像形成装置における画質の低下を招来する。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、組み付けばらつきや組み付け公差の影響を受け難く、発光素子および受光素子とレンズ部との高さ方向の光軸ずれを抑制できるトナー濃度センサ等を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本開示の一態様に係るトナー濃度センサは、発光素子と、前記発光素子から照射され対象物で反射した光を受光する受光素子と、前記発光素子および前記受光素子を表面実装し、前記発光素子から出射される光の光路に平行に設けられた基板と、前記基板の素子実装面に配され、前記発光素子および前記受光素子を覆うケースと、前記基板の縁側に配され、前記発光素子から出射される光を透過させ、前記対象物で反射した光を透過させるレンズ部と、を備え、前記レンズ部は、前記基板の素子実装面又は前記ケースの前記素子実装面に突き当たる面より面一に延長された延長面を基準面として、前記基板に対する高さ方向の位置決めがなされている。

上記構成によれば、レンズ部は、基板の素子実装面、又はケースの素子実装面に突き当たる面と面一の延長面を基準面として、基板に対する高さ方向の位置決めがなされている。これにより、レンズ部と発光素子および受光素子とで、高さ方向の位置決めに用いる基準面を共有することとなり、ケースの上面を基準面としていた従来構成よりも、組み付けばらつきや組み付け公差の影響を抑えることが可能になる。よって、発光素子および受光素子とレンズ部との高さ方向の光軸ずれを抑制することができ、光学特性のばらつきによる検出精度の低下を防止して、トナー濃度を高い精度で検出することができる。

本開示の一態様に係るトナー濃度センサにおいては、さらに、前記レンズ部は、前記発光素子から出射される光を透過させ、前記対象物で反射した光を透過させるレンズ部本体と、前記レンズ部本体より突き出るように形成された耳部と、を有し、前記耳部が前記素子実装面又は前記延長面に突き当てられている構成とすることもできる。上記構成によれば、レンズ部を基板の素子実装面又はケースの延長面を基準面として高さ方向の位置決めする構成を容易に実現できる。

本開示の一態様に係るトナー濃度センサにおいては、さらに、前記レンズ部は、前記延長面を基準面として位置決めされ、前記基板の素子実装面の反対面に配される遮光部材を備え、前記遮光部材は、前記耳部を受ける耳受部を有し、前記耳部が前記ケースの前記延長面と前記遮光部材の前記耳受部との間に挟持されている構成とすることもできる。上記構成によれば、レンズ部をケースと遮光部材との間で保持する構成を容易に実現できる。

本開示の一態様に係るトナー濃度センサにおいては、さらに、前記耳部および前記耳受部に連通する連通孔が設けられ、前記延長面の前記連通孔に対応する部分に前記連通孔に嵌合する凸部が設けられ、前記レンズ部は、前記凸部が前記連通孔に嵌合されることで前記ケースおよび前記遮光部材にて保持されている構成とすることもできる。上記構成によれば、レンズ部をケースと遮光部材との間で保持しつつ、容易に組み付けることができる。

本開示の一態様に係る画像形成装置は、トナー濃度を高い精度で検出可能な上述した本開示の一態様に係るトナー濃度センサを搭載しているので、品質の良い画像を得ることができる。

本発明の一態様によれば、組み付けばらつきや組み付け公差の影響を受け難く、発光素子および受光素子とレンズ部との高さ方向の光軸ずれを抑制できるトナー濃度センサ等を提供することができる。

実施形態に係るトナー濃度センサを上方より見た斜視図である。 上記トナー濃度センサを下方より見た斜視図である。 上記トナー濃度センサの分解斜視図である。 上記トナー濃度センサのケースを下方より見た斜視図である。 上記トナー濃度センサに搭載されている発光素子、受光素子の位置関係を示す説明図である。 上記トナー濃度センサの平面図である。 図６のＡ－Ｄ線矢視断面図である。 図６のＥ－Ｆ線矢視断面図である。 上記トナー濃度センサに設けられた差し込み構造の効果を説明するイメージ図である。 差し込み構造が設けられていない場合の外乱光の侵入を示すイメージ図である。 上記トナー濃度センサ１が搭載される画像形成装置の概略構成図である。

以下、本開示の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。本実施形態では、本開示のトナー濃度センサの一態様として、画像形成装置に搭載されたトナー濃度センサを例示する。

§１ 適用例
まず、図１、図４、図７、図１１を用いて、トナー濃度センサ１が適用される場面の一例について説明する。トナー濃度センサ１は、例えば、図１１に示すような画像形成装置５１に搭載される。画像形成装置５１は、例えばカラーレーザープリンタ等である。まずは、画像形成装置５１の概略構造について説明する。

画像形成装置５１は、上部に原稿読み取り部５２を有し、この原稿読み取り部５２で読み取った原稿データに基づいて作像部５３で画像を形成し、下部に設けた給紙部５４から供給された紙５４ａに画像を転写して、上部の排紙部５５から排紙する。作像部５３には転写ベルト５６が張設されており、光書き込み装置５７からの光が露光された感光体ドラム５８にトナーを付着させ、このトナーを前記転写ベルト５６に一次転写して前記画像を形成する。ここに紙５４ａが供給されると、転写ベルト５６から紙に対して前記画像が二次転写される。このあと紙５４ａは定着部５９に搬送されて、熱と圧力によりトナーが紙５４ａに定着される。

図中、６０は帯電ロール、６１は現像スリーブ、６２はトナーケースである。これらと前記感光体ドラム５８を備える作像ユニット６３は、イエロー６３Ｙ、マゼンダ６３Ｍ、シアン６３Ｃ、ブラック６４Ｂの４個が配設されている。

トナー濃度センサ１は、このような画像形成装置５１における転写ベルト５６に対向して設けられ、転写ベルト５６上に形成された濃度検知用のトナーパッチのトナー濃度を検出する。なお、転写ベルト５６が設けられていない構成では、トナー濃度センサ１は前記作像ユニット６３に設けられ、感光体ドラム５８上に形成された濃度検知用のトナーパッチのトナー濃度を検出する。

図１に示すように、トナー濃度センサ１は、矩形状の基板１０に、ケース３０、レンズ部２０およびホルダ４０が組み付けられた構成である。図３に示すように、基板１０の素子実装面１０ａに、発光素子１１および受光素子１２，１３が表面実装されている。基板１０は、発光素子１１および受光素子１２，１３の光路と平行に配置されている。ケース３０は、これら発光素子１１および受光素子１２，１３を覆うように素子実装面１０ａに配されている。レンズ部２０は、基板１０の縁１０ｆ側に配され、ケース３０とホルダ４０とで保持されている。

図７に示すように、レンズ部２０は、ケース３０の素子実装面１０ａに突き当たるボス形成面３０ａより面一に延長された延長面３０ａａを基準面として、基板１０に対する高さ方向の位置決めがなされている。延長面３０ａａは、基板１０の素子実装面１０ａと同じ高さ位置にある。レンズ部２０の高さ方向の位置決めを行う基準面を、基板１０の素子実装面１０ａと同じ高さ位置にある延長面３０ａａとすることで、レンズ部２０、発光素子１１、受光素子１２、受光素子１３の間で基準面（太線Ｘ）が共有される。

これにより、従来のケースの上面にレンズ部を突き当てて、ケースの上面を基準面とする構成に比べて、組み付けばらつきや組み付け公差の影響を受け難くなる。よって、発光素子１１、受光素子１２，１３と、レンズ部２０との間の光軸ずれ（一点鎖線Ｙ）を抑制することができる。その結果、トナー濃度を精度良く検出することができ、画像形成装置５１における画質調整制御が正確に実施され、画質が向上する。

なお、本実施形態では、ケース３０の延長面３０ａａをレンズ部２０の基準面として用いているが、基板１０の素子実装面１０ａを基準面とすることもできる。

§２ 構成例
（トナー濃度センサ１の概略構成）
トナー濃度センサ１について説明する。図１は、トナー濃度センサ１を上方より見た斜視図である。図２は、トナー濃度センサ１を下方より見た斜視図である。図３は、トナー濃度センサ１の分解斜視図である。図４は、トナー濃度センサ１のケース３０を下方より見た斜視図である。

図１、図２に示すように、トナー濃度センサ１は、矩形形状をなす基板１０を有し、該基板１０にケース３０とホルダ４０とが組み付けられ、該基板１０の縁側にレンズ部２０が、ケース３０とホルダ４０とに保持された状態で配設されている。以下、説明の便宜上、基板１０の長手方向を左右方向、基板１０の厚み方向を上下方向又は高さ方向、基板１０のレンズ部２０が配設されている側を前方とし、その反対を後方として説明する。

図３に示すように、基板１０の上面１０ａには、光を照射する発光素子１１と、この発光素子１１から照射されて対象物で反射された光が入射する受光素子１２，１３とが表面実装されている。以下、発光素子１１および受光素子１２，１３が表面実装されている基板１０の上面１０ａを素子実装面１０ａと称する。発光素子１１には発光ダイオードが用いられ、受光素子１２，１３にはフォトトランジスタやフォトダイオードなどが用いられる。

ケース３０は、基板１０の素子実装面１０ａに配され、発光素子１１および受光素子１２，１３を覆っている。ホルダ４０は、基板１０の素子実装面１０ａの反対面１０ｂに配されている。ホルダ４０は、レンズ部２０に基板１０の反対面１０ｂ側からの外乱光の侵入を防止する遮光部材である。

図４に示すように、ケース３０には、発光素子１１から出射される出射光の光路、および受光素子１２，１３にそれぞれ入射する入射光の光路を形成する通路３１，３２，３３が形成されている。また、ケース３０における通路３１と通路３２の間、および通路３１と通路３３の間には、基板１０に形成された切込み１０ｃ，１０ｃを貫通して反対面１０ｂから突き出る遮蔽壁３４，３４が形成されている。さらに、ケース３０における通路３１,３２，３３の開口部には、開口部を区画する複数の区画壁３６が形成されている。レンズ部２０は、これら区画壁３６の前方に配される。

ケース３０の前部には、レンズ部２０が設置される設置用開口部３８が形成されている。設置用開口部３８の開口縁部がレンズ部２０の外周部が突き合わされる取り付け端面に相当する。ケース３０側の開口縁上端面３９には、レンズ部２０の外周部の上端面２４ａに形成された後述する凸部２４ａａが差し込まれる凹部３９ａが設けられている。凸部２４ａａと凹部３９ａとで差し込み構造６０を構成している。

図３に示すように、このようなケース３０は、ケース３０の左右の両端部に形成された複数の固定用ボス３５を、基板１０に形成された孔部１０ｅに嵌合させることで基板１０に固定される。ケース３０が基板１０に組み付けられ固定された状態で、固定用ボス３５が形成されているボス形成面３０ａが基板１０の素子実装面１０ａに突き当たる。つまり、このボス形成面３０ａが、後述する素子実装面１０ａに突き当たるケース３０側の面に相当する。

図３に示すように、レンズ部２０は、基板１０の前方の縁側であって、ここでは、前方の縁に形成された切欠き部１０ｄに、ケース３０とホルダ４０とに保持された状態で配されている。レンズ部２０は、発光素子１１および受光素子１２，１３それぞれの光路に対応したレンズ２１，２２，２３を備えている。以降、レンズ２１，２２，２３が設けられている部分をレンズ部本体２４と称する。レンズ部本体２４には、左右方向外側に突き出るように、後述する耳部２５，２５が形成されている。さらに、レンズ部２０に外周部における上端面２４ａには、ケース３０側の開口縁上端面３９に形成された凹部３９ａとで差し込み構造６０を構成する凸部２４ａａが形成されている。

ホルダ４０は、前部に基板１０の切欠き部１０ｄに入り込む厚肉部４２を有し、厚肉部４２の上面にてレンズ部２０の底面を支持する。厚肉部４２の上面における、前側の左右方向の両端部は、後述する耳受部４１，４１として機能する。また、ホルダ４０における基板１０の反対面１０ｂを覆う薄肉部分には、基板１０の反対面１０ｂから突き出たケース３０の遮蔽壁３４，３４が差し込まれる溝４４，４４が形成されている。

（発光素子１１、受光素子１２，１３の位置関係）
図５は、トナー濃度センサ１に搭載されている発光素子１１、受光素子１２，１３の位置関係を示す説明図である。図５に示すように、１個の発光素子１１と２個の受光素子１２，１３とが並んで配設されている。発光素子１１は２個の受光素子１２，１３の間に配置されている。受光素子１２は、発光素子１１から照射され、対象物Ｚで反射する反射光のうちの正反射光を受光する第１受光素子であり、主にブラックトナーの濃度検出を行う。受光素子１３は、発光素子１１から照射されて反射する反射光のうちの拡散反射光を受光する第２受光素子であり、主にイエロー、マゼンダ、シアンのカラートナーの濃度検出を行う。

ここで、発光素子１１から照射された照射光の光路と基板１０の縁１０ｆのなす角は直角ではない。対象物Ｚ上の照射光の光路の交点Ｑより垂下させた垂線Ｌ１とする。垂線Ｌ１と交点Ｑおよび受光素子１２を結ぶ直線Ｌ２とのなす角θ１は、垂線Ｌ１と交点Ｑおよび発光素子１１を結ぶ直線Ｌ３とのなす角θ２と等しい。さらに、垂線Ｌ１と直線Ｌ２のなす角θ１よりも、垂線Ｌ１と交点Ｑおよび受光素子１３を結ぶ直線Ｌ４とのなす角θ３のほうが大きいという関係を有している。

発光素子１１、受光素子１２，１３を、このように角度関係で配置することで、受光素子１３には正反射光が到達し難い構成となり、すなわち正反射光と拡散反射光が分離されてそれぞれの受光素子に到達するため、各トナーの濃度の検出精度が向上する。

（レンズ部２０の取り付け構造）
図３、図４、図６～図１０を用いて、レンズ部２０の取り付け構造を説明する。図６は、トナー濃度センサ１の平面図である。なお、図６においてケース３０は仮想線にて示す。図７は、図６のＡ－Ｄ線矢視断面図である。図８は、図６のＥ－Ｆ線矢視断面図である。
図９は、トナー濃度センサ１に設けられた差し込み構造６０の効果を説明するイメージ図である。図１０は、差し込み構造６０が設けられていない場合の外乱光の侵入を示すイメージ図である。

図７において、太線Ｘは、発光素子１１および受光素子１２，１３の基板１０に対する高さ方向（上下方向）の位置決め基準となる基準面である。基準面は、基板１０の素子実装面１０ａである。ケース３０の素子実装面１０ａに突き当たるボス形成面３０ａも太線Ｘに含まれ、素子実装面１０ａと同じ高さを有する。本実施形態では、この素子実装面１０ａに突き当たるボス形成面３０ａを面一に前方に延長させて延長面３０ａａを形成し、該延長面３０ａａをレンズ部２０の基板１０に対する高さ方向の位置決め基準として用いている。

具体的には、図３に示すように、レンズ部２０におけるレンズ部本体２４に、左右方向外側に突き出るように耳部２５，２５を形成し、該耳部２５，２５の上面２５ａをケース３０の延長面３０ａａに下から突き当てている。ケース３０の延長面３０ａａに下から突き当てるため、耳部２５，２５の位置は自ずとレンズ部本体２４の下部となる。

本実施形態では、耳部２５，２５は、基板１０の後方に向かって延設され、レンズ部本体２４の厚みで形成されるよりも広い面積を確保している。これにより、上面２５ａをしっかりと延長面３０ａａに突き当てることが可能となっている。

レンズ部２０の底面は、ホルダ４０の厚肉部４２の上面にて支持されている。耳部２５，２５の下面２５ｂは、該厚肉部４２の上面の左右方向の両端部に形成された耳受部４１，４１にて受けられている。つまり、耳部２５，２５は、ケース３０の延長面３０ａａとホルダ４０の耳受部４１，４１との間に挟持さている。ホルダ４０の厚肉部は、基板１０の後方に向かって延設された耳部２５，２５と同様の奥行を有し、耳部２５，２５の下面全体を受けるようになっている。

このような構成とすることで、レンズ部２０と、発光素子１１、受光素子１２，１３とが、基板１０に対する高さ方向の位置決めの基準面を共有することとなる。これにより、従来のケースの上面にレンズ部を突き当てる構成に比べて、組み付けばらつきや組み付け公差の影響を受け難くして、発光素子１１、受光素子１２，１３と、レンズ部２０との間の光軸ずれを抑制することができる。図７に、一点鎖線Ｙにて、発光素子１１とレンズ部２０のレンズ２１の一致させるべき光軸を示す。

さらに、本実施形態では、耳部２５，２５に貫通孔２７，２７が形成されると共に、耳受部４１，４１にも貫通孔２７，２７に連通するように貫通孔４３，４３が形成されている。そして、ケース３０の延長面３０ａａにおけるこれら連通する貫通孔２７，４３に対応する部分に、貫通孔２７，４３に嵌合する固定用ボス（固定用凸部）３７が形成されている。レンズ部２０は、凸部が固定用ボスが、連通する貫通孔２７，４３に嵌合されることで、ケース３０およびホルダ４０にて保持されている。このような構成とすることで、ケース３０およびホルダ４０とで、レンズ部２０を保持しつつ簡単に組み付けることができる。

ところで、従来のレンズ部２０の上端面２４ａをケース３０側の開口縁上端面３９に突き当てて位置決めする構成では上端面２４ａと開口縁上端面３９との間に隙間は発生し難い。しかしながら、上述したように、レンズ部２０をケース３０の延長面３０ａａを基準面としてレンズ部２０の位置決めを行った場合、組み付けばらつきや組み付け公差によって、上端面２４ａと開口縁上端面３９との間に隙間が発生する場合がある。隙間が発生すると、図１０に示すように、上端面２４ａと開口縁上端面３９との間に隙間から外乱光が侵入する恐れがある。なお、図１０中、参照符号２０’，３０’は、差し込み構造を有していないレンズ部、ケースである。

そこで、本実施形態においては、さらに、図８に示すように、レンズ部２０に外周部およびレンズ部２０の外周部と突き合わされるケース３０側の取り付け端面に、差し込み構造６０を持たせている。具体的には、レンズ部２０に外周部における上端面２４ａと、該上端面２４ａと突き合わされるケース３０側の開口縁上端面３９とに差し込み構造６０が設けられている。差し込み構造６０は、上端面２４ａに形成されたリブ状の凸部２４ａａと、開口縁上端面３９に形成された溝状の凹部３９ａとを含む。

このような構成とすることで、図９に示すように、上端面２４ａと開口縁上端面３９との間に、組み付けばらつきや組み付け公差によって隙間ができたとしても、隙間からの外乱光の侵入を抑制することができる。その結果、トナー濃度を精度良く検出することができ、画像形成装置５１における画質調整制御が正確に実施され、画質が向上する。

なお、本実施形態では、上端面２４ａに凸部２４ａａを形成し開口縁上端面３９に凹部３９ａを形成しているが、逆に、上端面２４ａに凹部を形成し開口縁上端面３９に凸部を形成してもよい。また、本実施形態では、隙間が生じる恐れのある上辺にのみ差し込み構造６０を持たせている。しかしながら、必要に応じて、レンズ部２０の外周部と、該外周部と突き合わされるケース３０又はケース３０およびホルダ４０とに、全体的に差し込み構造を持たせてもよい。

本発明は上述した上記実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、各変形例に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ トナー濃度センサ
１０ 基板
１０ａ 素子実装面
１０ｆ 縁
１１ 発光素子
１２，１３ 受光素子
２０ レンズ部
２１，２２，２３ レンズ
２４ レンズ部本体
２４ａ 上端面
２４ａａ 凸部（差し込み構造）
２５ 耳部
２５ｂ 下面
２７，４３ 貫通孔（連通孔）
３０ ケース
３０ａ ボス形成面（突き当たる面）
３０ａａ 延長面
３１，３２，３３ 通路
３４ 遮蔽壁
３８ 設置用開口部
３９ 開口縁上端面
３９ａ 凹部（差し込み構造）
４０ ホルダ（遮光部材）
４１ 耳受部
４２ 厚肉部
５１ 画像形成装置

Claims (5)

1. 発光素子と、
   前記発光素子から照射され対象物で反射した光を受光する受光素子と、
   前記発光素子および前記受光素子を表面実装し、前記発光素子から出射される光の光路に平行に設けられた基板と、
   前記基板の素子実装面に配され、前記発光素子および前記受光素子を覆うケースと、
   前記基板の縁側に配され、前記発光素子から出射される光を透過させ、前記対象物で反射した光を透過させるレンズ部と、を備え、
   前記レンズ部は、前記基板の素子実装面又は前記ケースの前記素子実装面に突き当たる面より面一に延長された延長面を基準面として、前記基板に対する高さ方向の位置決めがなされているトナー濃度センサ。
2. 前記レンズ部は、
   前記発光素子から出射される光を透過させ、前記対象物で反射した光を透過させるレンズ部本体と、
   前記レンズ部本体より突き出るように形成された耳部と、を有し、
   前記耳部が前記素子実装面又は前記延長面に突き当てられている請求項１に記載のトナー濃度センサ。
3. 前記レンズ部は、前記延長面を基準面として位置決めされ、
   前記基板の素子実装面の反対面に配される遮光部材を備え、
   前記遮光部材は、前記耳部を受ける耳受部を有し、
   前記耳部が前記ケースの前記延長面と前記遮光部材の前記耳受部との間に挟持されている請求項２に記載のトナー濃度センサ。
4. 前記耳部および前記耳受部に連通する連通孔が設けられ、
   前記延長面の前記連通孔に対応する部分に前記連通孔に嵌合する凸部が設けられ、
   前記レンズ部は、前記凸部が前記連通孔に嵌合されることで前記ケースおよび前記遮光部材にて保持されている請求項３に記載のトナー濃度センサ。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載のトナー濃度センサを搭載した画像形成装置。

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