JP7380178B2 - 画像形成装置、及びトナー残量検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、画像形成装置、及びトナー残量検出方法に関する。

従来、電子写真方式の画像形成装置におけるトナーボトル内のトナー残量を検出する技術として、記録媒体に形成した累積画像面積等の情報を用いる累積情報方式と、トナーボトルを挟んで配置した複数の電極間の静電容量を用いる静電容量方式が知られている。

また、上記の累積情報方式と静電容量方式を組み合わせて、高温高湿等の所定の環境になった場合に、検出方式を累積情報方式から静電容量方式に切り替えてトナー残量を検出する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１の技術では、トナーボトル周辺の温度変動により電極の保持部が膨張して電極間距離が変化することでトナー残量の検出精度が低下する場合がある。

本発明は、トナー残量の検出誤差を抑制することを課題とする。

本発明の一態様に係る画像形成装置は、トナー容器の周辺温度を検出する温度検出部と、前記トナー容器を挟んで配置された複数の電極と、前記トナー容器内のトナー残量情報を出力する出力部と、を備え、前記出力部は、前記周辺温度が所定範囲内の場合に、前記複数の電極間の静電容量値に基づき、前記所定範囲内における前記静電容量値とトナー残量との関係を示す所定の検量線を参照して検出される第１トナー残量情報を出力し、前記周辺温度が所定温度範囲内でない場合に画像形成の累積情報に基づき検出される第２トナー残量情報を出力する。

本発明によれば、トナー残量の検出誤差を抑制できる。

実施形態に係る画像形成装置の構成例を示す図である。 実施形態に係る作像部の構成例を示す図である。 実施形態に係るトナー補給部の構成例を示す図である。 図３のＡ－Ａ断面図である。 トナー容器収容部へのトナー容器の設置状態例を示す斜視図である。 実施形態に係る検量線の一例を説明する図である。 実施形態に係る制御部のハードウェア構成例を示すブロック図である。 温度による検量線の変化の一例を説明する図である。 トナー残量の検出誤差の一例を示す図である。 実施形態に係る制御部の機能構成例を示すブロック図である。 実施形態に係る制御部の処理例を示すフローチャートである。 第１実施形態に係るトナー残量の検出精度を説明する図である。 第２実施形態に係るトナー残量の検出精度を説明する図である。 第３実施形態に係る温度変動量と膨張収束時間の関係例の図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

実施形態に係る画像形成装置は、トナー容器内のトナー残量を検出するトナー残量検出装置を備える。このトナー残量検出装置では、トナー容器の周辺温度が所定範囲内の場合には、トナー容器を挟んで配置された複数の電極間の静電容量値に基づき検出される第１トナー残量情報を出力し、トナー容器の周辺温度が所定範囲内でない場合には、画像形成の累積情報に基づき検出される第２トナー残量情報を出力する。

この構成により、静電容量値とトナー残量との関係を示す所定の検量線が有効な温度範囲内でのみ静電容量に基づきトナー残量を検出することで、トナーボトルの周辺温度変動に起因する誤差を抑制し、高精度にトナー残量を検出する。

以下では、トナー残量検出装置２００を備える画像形成装置１００を例にして、実施形態を説明する。

＜画像形成装置１００の全体構成例＞
まず、画像形成装置１００の全体構成について説明する。

図１は、画像形成装置１００の全体構成の一例を説明する図である。図１に示すように、画像形成装置１００は、トナー容器収容部７０と、中間転写ユニット１５と、作像部６と、トナー補給部６０とを有する。トナー容器収容部７０には、各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）に対応した４つのトナー容器３２（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）が着脱可能（交換可能）に設置されている。

図１において、トナー容器収容部７０の下方には中間転写ユニット１５が設けられている。その中間転写ユニット１５の中間転写ベルト８に対向するように、各色に対応した作像部６（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）が並列して配置されている。

また、トナー容器３２（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）の下方には、それぞれ、トナー補給部６０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）が設けられている。そして、トナー容器３２（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）に収容されたトナーは、それぞれ、トナー補給部６０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）によって、作像部６（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）の現像部５内に供給（補給）される。

各色に対応した４つのトナー容器３２（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）、作像部（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）及びトナー補給部６０（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）は、使用するトナーの色が異なる点以外は同様の構成となっている。そのため、以下の説明及び図面では、使用するトナーの色を示す「Ｙ」、「Ｍ」、「Ｃ」、「Ｋ」という添字は適宜省略して説明する。

図２は、４つの作像部６のうちの１つの構成の一例を説明する図である。

作像部６は、感光体１と、感光体１の周囲に設けられた帯電部４と、現像部５と、クリーニング部２と、除電部とを有する。そして、感光体１上で、作像プロセス、すなわち帯電工程、露光工程、現像工程、転写工程、クリーニング工程が行われて、感光体１上に各色の画像が形成される。

感光体１は、駆動モータによって図２の感光体１に示した矢印の方向（時計周り方向）に回転駆動する。そして、帯電部４の位置で、感光体１の表面が一様に帯電される（帯電工程）。その後、感光体１の表面は、露光部７から発せられたレーザ光Ｌの照射位置に達して、この位置での露光走査によって各色に対応した静電潜像が形成される（露光工程）。

その後、感光体１の表面は、現像部５との対向位置に達して、この位置で静電潜像が現像されて、各色のトナー像が形成される（現像工程）。その後、感光体１の表面は、中間転写ベルト８を挟んで一次転写ローラ９と対向する一次転写部で、感光体１上のトナー像が中間転写ベルト８上に転写される（一次転写工程）。各色の感光体１上に形成した各色のトナー像を、中間転写ベルト８上に重ねて転写することで、中間転写ベルト８上にカラー画像が形成される。

一次転写部を通過した感光体１の表面上には、僅かながら未転写トナーが残存する。その後、感光体１の表面は、クリーニング部２との対向位置に達して、感光体１上に残存した未転写トナーがクリーニングブレード２ａによって機械的に回収される（クリーニング工程）。最後に、感光体１の表面は、除電部との対向位置に達して感光体１上の残留電位が除去される。

中間転写ユニット１５は、中間転写ベルト８と、４つの一次転写ローラ９（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）と、二次転写バックアップローラ１２と、複数のテンションローラと、中間転写クリーニング部とを有する。中間転写ベルト８は、複数の張架ローラによって張架され、支持されるとともに、ローラ部材のうちの二次転写バックアップローラ１２の回転駆動によって、図１の中間転写ベルト８に示した矢印の方向（反時計周り方向）に無端移動する。４つの一次転写ローラ９（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）は、それぞれ、中間転写ベルト８を感光体１（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）との間に挟み込んで一次転写ニップを形成している。

そして、一次転写ローラ９（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）に、トナーの極性とは逆の転写バイアスが印加される。中間転写ベルト８は、図１の中間転写ベルト８に示した矢印の方向に走行して、それぞれの一次転写ローラ９（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）の一次転写ニップを順次通過する。こうして、感光体１（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）上の各色のトナー像が、中間転写ベルト８上に重ねられ、一次転写される。

各色のトナー像が重ねられ、一次転写された中間転写ベルト８は、二次転写ローラ１９と対向する二次転写部に達する。二次転写部では、二次転写バックアップローラ１２と二次転写ローラ１９との間に中間転写ベルト８を挟み込んで二次転写ニップが形成されている。中間転写ベルト８上に形成された４色のトナー像は、二次転写ニップの位置に搬送された転写紙等の記録媒体Ｐ上に二次転写される。

このとき、中間転写ベルト８には、記録媒体Ｐに転写されなかった未転写トナーが残存する。その後、中間転写ベルト８は、中間転写クリーニング部の位置に達し、中間転写ベルト８上の未転写トナーが回収される。こうして、中間転写ベルト８上で行われる一連の転写プロセスが終了する。

二次転写ニップの位置に搬送される記録媒体Ｐは、画像形成装置１００の下方に設けられた給紙部２６から、給紙ローラ２７やレジストローラ対２８等を経由して搬送されたものである。詳しくは、給紙部２６には記録媒体Ｐが複数枚重ねて収納されている。そして、給紙ローラ２７が図１中の反時計周り方向に回転駆動されると、一番上の記録媒体Ｐがレジストローラ対２８のローラ間に向けて給送される。

レジストローラ対２８に搬送された記録媒体Ｐは、回転駆動を停止したレジストローラ対２８のローラニップで一旦停止する。そして、中間転写ベルト８上のカラー画像にタイミングを合わせて、レジストローラ対２８が回転駆動されて、記録媒体Ｐが二次転写ニップに向けて搬送される。こうして、記録媒体Ｐ上に、所望のカラー画像が転写される。

二次転写ニップでカラー画像が転写された記録媒体Ｐは、定着部２０に搬送される。そして、この位置で、定着ベルト及び加圧ローラによる熱と圧力とにより、表面に転写されたカラー画像が記録媒体Ｐ上に定着される。

その後、記録媒体Ｐは、排紙ローラ対２９のローラ間を経て、装置外へと排出される。排紙ローラ対２９によって装置外に排出された記録媒体Ｐは、出力画像として、スタック部３０上に順次スタックされる。こうして、画像形成装置１００における一連の画像形成プロセスが完了する。

次に、作像部における現像部の構成及び動作について、さらに詳しく説明する。

現像部５は、図２に示すように、ドラム状の感光体１に対向する現像ローラ５１と、現像ローラ５１に対向するドクターブレード５２と、第一現像剤収容部５３及び第二現像剤収容部５４内に設けられた二つの搬送スクリュー５５とを有する。また、第一現像剤収容部５３の現像剤中のトナー濃度を検知するトナー濃度検知センサ５６を有する。

現像ローラ５１は、内部に固定されたマグネットや、マグネットの周囲を回転するスリーブ等で構成されている。現像剤収容部（５３，５４）内には、キャリアとトナーとからなる二成分の現像剤Ｇが収容されている。第二現像剤収容部５４は、その上方に形成された開口を介してトナー落下搬送経路６４に連通している。

現像ローラ５１のスリーブは、図２で現像ローラ５１に示した矢印の方向（反時計周り方向）に回転駆動する。そして、マグネットにより形成された磁界によって現像ローラ５１上に担持された現像剤Ｇは、スリーブの回転に伴い現像ローラ５１上を移動する。

現像部５内の現像剤Ｇは、現像剤中のトナーの割合（トナー濃度）が所定の範囲内になるように調整される。現像部５内のトナー消費に応じて、トナー容器３２に収容されているトナーが、トナー補給部６０を介して第二現像剤収容部５４内に補給される。トナー補給部６０の構成、動作については、後で詳しく説明する。

第二現像剤収容部５４内に補給されたトナーは、搬送スクリュー５５によって、現像剤Ｇとともに混合、攪拌されながら、二つの現像剤収容部（５３，５４）を循環する。そして、現像剤Ｇ中のトナーは、キャリアとの摩擦帯電によりキャリアに吸着して、現像ローラ５１上に形成された磁力によりキャリアとともに現像ローラ５１上に担持される。現像ローラ５１上に担持された現像剤Ｇは、図２で現像ローラ５１に示した矢印の方向に搬送されて、ドクターブレード５２の位置に達する。

そして、現像ローラ５１上の現像剤Ｇは、この位置で現像剤量が適量化された後に、感光体１との対向位置（現像領域）まで搬送され、現像領域に形成された電界によって感光体１上に形成された潜像にトナーが吸着される。その後、現像ローラ５１上に残った現像剤Ｇはスリーブの回転に伴い第一現像剤収容部５３の上方に達して、この位置で現像ローラ５１から離脱される。

次に、トナー補給部６０及びトナー容器３２について詳述する。

図３は、４つのトナー補給部６０のうちの１つの構成の一例を説明する図である。また、図４は、図３のＡ－Ａ断面図であり、図５は、トナー容器収容部７０にトナー容器３２（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）が設置された状態の一例を説明する斜視図である。

画像形成装置１００のトナー容器収容部７０（図１参照）に設置されたトナー容器３２内のトナーは、各色の現像部５内のトナー消費に応じて、トナー色ごとに設けられたトナー補給部６０によって適宜に各色の現像部５内に補給される。

画像形成装置１００本体のトナー容器収容部７０に対して、トナー容器３２を図５中の矢印「Ｑ」の方向へ移動することで、トナー容器収容部７０にトナー容器３２を装着することができる。

トナー容器３２は、図４に示す２つのガイド部７２に支持されている。トナー容器３２は、略円筒状のトナーボトルであって、図３に示すように、トナー容器収容部７０に非回転で保持されるキャップ３４と、ギヤ３３ｃが一体的に形成された容器本体３３と、を有する。

容器本体３３は、キャップ３４に対して相対的に回転可能に保持され、ギヤ３３ｃがトナー補給部６０の駆動出力ギヤ８１とかみ合うことができるようになっている。駆動モータ９１が駆動出力ギヤ８１を回転させることにより、容器本体３３のギヤ３３ｃに駆動力が伝達され、ガイド部７２（図５参照）に外周面がガイドされながら、容器本体３３は回転駆動することができる。

容器本体３３が回転することで、容器本体３３の内周面に螺旋状に形成された螺旋状突起３３１によって、容器本体３３の内部に収容されたトナーが容器本体３３の長手方向に沿って、トナー容器３２の底部から駆動出力ギヤ８１の方向に向けて搬送される。

搬送されたトナーは、トナー容器３２から排出され、トナー補給部６０のホッパ部６１内に供給される。すなわち、駆動モータ９１によってトナー容器３２の容器本体３３が適宜に回転駆動されることで、ホッパ部６１にトナーが適宜に供給される。各色のトナー容器３２（Ｙ，Ｍ，Ｃ，Ｋ）のそれぞれは、寿命に達した時、例えば収容するトナーがほとんどすべて消費されて空になった時に、新品のものに交換される。

図３に示すように、トナー補給部６０は、ホッパ部６１と、トナー搬送スクリュー６２と、駆動モータ９１とを有する。ホッパ部６１には、トナー容器３２から供給されたトナーが貯留されており、トナー搬送スクリュー６２が設けられている。

トナー濃度検知センサ５６（図２参照）の検知結果に基づいて現像部５内のトナー濃度が低下したことを制御部が検知すると、トナー補給部６０は、トナー搬送スクリュー６２を所定時間回転させて現像部５Ｙへのトナー補給を行う。トナー搬送スクリュー６２を回転してトナーの補給を行うるため、トナー搬送スクリュー６２の回転数を検出することにより、現像部５へのトナー供給量を精度良く算出することもできる。

ホッパ部６１の壁面には、ホッパ部６１に貯留されたトナーが所定量以下になったことを検知するトナーエンドセンサが設置されている。トナーエンドセンサとしては、圧電センサ等を用いることができる。トナーエンドセンサによってホッパ部６１に貯留されたトナーが所定量以下になったことが検知（トナーエンド検知）されると、駆動モータ９１が駆動する。そして、トナー容器３２の容器本体３３を所定時間回転駆動してホッパ部６１へのトナー補給を行う。

実施形態では、ホッパ部６１を設けて、トナー容器３２から排出されたトナーを一時貯留しているが、トナー容器３２から排出されたトナーをダイレクトに現像部５へ供給してもよい。

また、平行平板電極６６の近傍における下壁面６８上には温度センサ１６０が設けられている。この温度センサ１６０は、トナー容器３２の周辺温度を検出して制御部２５０に出力するセンサである。温度センサ１６０の設置位置は、下壁面６８上に限定されるものではなく、トナー容器３２の周辺温度を検出できれば任意の位置であってもよい。また、平行平板電極６６の近傍の温度との関係が予め分かっている場所であれば、平行平板電極６６の近傍以外の場所に温度センサ１６０を設置し、温度センサ１６０による温度の検出値から予測される平行平板電極６６の近傍の温度の予測値が制御部２５０に入力されるようにしてもよい。

＜トナー残量検出装置２００の構成例＞
実施形態では、図３及び図４に示すように、トナー容器３２の外側から平行平板電極６５及び６６でトナー容器３２を挟む構成とし、平行平板電極６５及び６６でトナー容器３２のほぼ全体を覆うようにしている。具体的には、平行平板電極６５及び６６の短手方向長さは、トナー容器３２の直径の長さよりも長くなっており、平行平板電極６５及び６６の長手方向長さは、トナー容器３２の長さの半分以上の長さになっている。

平行平板電極６５は、トナー容器３２の上方からトナー容器３２と対向する画像形成装置１００の上壁面６７に両面テープ等で固定されている。また、平行平板電極６６は、トナー容器３２の下方からトナー容器３２と対向する画像形成装置１００の下壁面６８に両面テープ等で固定されている。平行平板電極６５及び６６は、任意の導電性部材でよく実施形態では鉄製の板材である。

平行平板電極６５及び６６の大きさは同一である。平行平板電極６５及び６６の大きさを同一にすることで、平行平板電極間の電気力線の密度がばらつくのを抑制することができ、トナー容器３２のトナーの偏在によって、同一のトナー量でも静電容量が異なるのを抑制することができる。

図３に示すように、実施形態に係るトナー残量検出装置２００は、平行平板電極６５及び６６と、静電容量検出回路１１１と、制御部２５０とを有する。

平行平板電極６５及び６６は、それぞれ静電容量検出回路１１１に電気的に接続されている。静電容量検出回路１１１から一対の平行平板電極６５及び６６に電力が印加されることで、平行平板電極間の静電容量が検出される。

静電容量の検出方法は一般的な方法でよく、実施形態では充電法（定電圧または定電流を電極間に印加し、充電到達ポイントの時間と電圧または電流の関係から静電容量を検出する）により静電容量が検出される。静電容量検出回路１１１は、検出した静電容量値を示す信号を制御部２５０に出力する。

検出される静電容量は平行平板電極６５及び６６間の誘電率により変化する。トナーは、空気よりも誘電率が高いため、平行平板電極間の電界の範囲のトナー量によって誘電率が変化する。そのため、外側から平行平板電極６５及び６６により挟まれたトナー容器３２内のトナー残量によって静電容量が変化する。

従って、制御部２５０は、静電容量検出回路１１１で検出された静電容量に基づき、静電容量とトナー残量との関係を示す所定の検量線を参照してトナー容器内３２のトナー残量を検出できる。なお、制御部２５０の機能構成の詳細は後述する。

ここで、図６は、検量線の一例を説明する図である。図６の横軸はトナー残量を示し、縦軸は静電容量を示している。トナー残量検出装置２００は、検量線２０１を生成する際、トナー容器３２が空の時、すなわちトナー容器３２内のトナー残量がゼロの時の静電容量Ｃ１と、トナー容器３２が満杯の時の静電容量Ｃ２を、それぞれ検出する。そして、静電容量Ｃ１及びＣ２を含む一次式を求め、一次式に従って静電容量とトナー残量とを対応付けることで、検量線２０１を予め生成し、メモリ等に記憶しておくことができる。

但し、検量線２０１を生成する際のトナー残量の状態は、トナー容器３２が空の時と満杯の時に限られるものではない。トナー容器３２内のトナー残量が２以上の既知の状態での静電容量から検量線２０１を生成してもよい。

＜制御部２５０のハードウェア構成例＞
次に、画像形成装置１００の備える制御部２５０のハードウェア構成について説明する。図７は、制御部２５０のハードウェア構成の一例を説明するブロック図である。

制御部２５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２５１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２５２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２５３とを有する。それぞれは図示を省略するシステムバスを介して相互に電気的に接続されている。

ＣＰＵ２５１はプロセッサであり、トナー残量検出装置２００の全体を制御し、ＲＯＭ２５２に記憶された制御プログラム等に基づいて、システムバスに接続される各種デバイスに対するアクセスを統括的に制御する。ＣＰＵ２５１は、ＲＡＭ２５３を作業領域としてＲＯＭ２５２に記憶されている制御プログラムを実行することで、後述する各種機能を実現できる。

ＲＯＭ２５２は、読み出し専用の不揮発性メモリであり、ＣＰＵ２５１によって使用される制御プログラムや制御用データ等が格納される。また、ＲＯＭ２５２は、制御プログラムが利用するトナー残量検出装置２００に関する情報を格納している。

ＲＡＭ２５３は、情報の高速な読み書きが可能な揮発性のメモリであり、記録データの展開や環境データの格納に用いられるワークフレームメモリとして利用される。

ＣＰＵ２５１は、画像形成装置１００に備えられた操作パネル２７１との間でデータ交換を行うことができる。操作パネル２７１は、情報を表示する表示部及び操作を受け付ける入力部等を備え、ユーザインタフェースとして機能する。ＣＰＵ２５１は、静電容量検出回路１１１で検出した結果を操作パネル２７１に表示させ、また、所定の条件下でトナーの発注指示や交換指示を表示させる。

電源２７２は交流商用電源であり、電源回路２７３は電源２７２から供給される交流電圧を直流電圧に変換して画像形成装置１００の各部に電力を供給する。ＣＰＵ２５１は電源回路２７３から画像形成装置１００の各部への電力供給を制御可能である。

また、ＣＰＵ２５１は、静電容量検出回路１１１との間で信号やデータを交換し、作像部６の動作を制御できる。

温度検出部の一例としての温度センサ１６０は、画像形成装置１００内のトナー容器３２の周辺に設置され、トナー容器３２の周辺の温度を検出する。ＣＰＵ２５１は、温度センサ１６０による温度の検出値を示す信号を入力し、トナー残量検出のために用いることができる。

なお、ＣＰＵ２５１により実現される後述の各種機能は、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の電子回路又は電気回路により実現されてもよい。

＜トナー容器３２の周辺温度とトナー残量の検出誤差の関係＞
ここで、図３等を用いて説明した静電容量に基づきトナー残量を検出する静電容量方式では、トナー容器３２の周辺温度の影響を受ける場合がある。

例えば、トナー容器３２の周辺温度の変化により、平行平板電極６５を固定した上壁面６７と、平行平板電極６６を固定した下壁面６８を含む部材が膨張又は収縮して平行平板電極６５及び６６間の距離が変化する。この距離の変化により、静電容量とトナー残量との関係が、予め生成した検量線の示す関係に対してずれ、正確なトナー残量を検出できなくなる場合がある。

また、トナー自体の温度依存性に応じて静電容量が変化することで、静電容量とトナー残量との関係が検量線の示す関係に対してずれ、正確なトナー残量を検出できなくなる場合がある。

図８は、このような温度による検量線の変化の一例を説明する図である。図８に一点鎖線で示した検量線２０２は、トナー容器３２の周辺温度が高温の時のものであり、二点鎖線で示した検量線２０３は、トナー容器３２の周辺温度が低温の時のものである。

図８に示すように、検量線２０２と検量線２０３とで傾きが異なるため、トナー残量に比例してトナー残量に応じた静電容量値の差が大きくなる。図８における静電容量差２１０は、トナー残量が満タンの時の静電容量値の差を示している。

また静電容量値の差は、静電容量方式によるトナー残量の検出ばらつきに対応する。温度の変動が増大し、検量線に対する実際の静電容量とトナー残量との関係のずれが大きくなるほど、静電容量方式によるトナー残量の検出誤差が大きくなる。

一方、トナー残量の他の検出方式として、トナー搬送スクリュー６２の累積駆動時間や記録媒体に形成した累積画像面積等情報に基づき、トナー残量を予測して検出する累積情報方式が考えられる。

より具体的には、累積情報方式として、記録媒体に形成した画像面積を、画素数をカウントした結果である画素カウント数で表し、累積画素カウント数に基づきトナー残量を予測して検出する方法等が挙げられる。この方法では、記録媒体に画像形成する画像に対して使用するトナー量（画像面積当たりの感光体に付着するトナーはほぼ一定）は算出可能であるため、累積の画像面積が分かればトナー消費量（使用量）が分かる。初期充填時のトナー量等のトナー残量の基準値からトナー消費量を差し引くことで、トナー残量を予測して検出できる。

しかし、このような累積情報方式は、トナーが消費されて累積画像面積等の累積情報が大きくなるに従って、トナー残量の予測誤差が累積して大きくなる。そのため、トナーが消費されてトナー残量が少なくなった場合に、トナー残量の検出誤差が増大する場合がある。

図９は、静電容量方式と累積情報方式のそれぞれによるトナー残量の検出誤差の一例を説明する図である。

図９に一点鎖線で示した２つのグラフ９３は、実際のトナー残量（トナー実残量）に対する静電容量方式によるトナー残量検出値のばらつき幅を表している。矢印で示すばらつき幅９３１のように、２つのグラフ９３で挟まれる幅がばらつき幅に該当する。図９に示すように、静電容量方式では、トナー残量が多いほどトナー残量検出値のばらつき（検出誤差）が大きくなる。

一方、図９に二点鎖線で示した２つのグラフ９４は、トナー実残量に対する累積情報方式によるトナー残量検出値のばらつき幅を表している。矢印で示すばらつき幅９４１のように、２つのグラフ９４で挟まれる幅がばらつき幅に該当する。図９に示すように、累積情報方式では、トナー残量が少ないほどトナー残量の検出誤差が大きくなる。

そのため、実施形態では、累積情報方式と静電容量方式を組み合わせ、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内の場合には静電容量方式でトナー残量を検出し、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内でない場合には累積情報方式でトナー残量を検出する。この所定範囲は、静電容量方式によるトナー残量の検出誤差が小さい温度範囲として実験又はシミュレーションで予め定めた温度範囲である。換言すると、この所定範囲は、所定の検量線が有効な温度範囲である。

なお、以下では、静電容量方式により検出したトナー残量情報を第１トナー残量情報といい、累積情報方式により検出したトナー残量情報を第２トナー残量情報という。

＜制御部２５０の機能構成例＞
図１０は、第１実施形態に係る制御部２５０の機能構成の一例を示すブロック図である。図１０に示すように、制御部２５０は、判定部２６１と、切替部２６２と、出力部２６３と、検量線記憶部２６４と、第１トナー残量検出部２６５と、画素カウント部２６６と、第２トナー残量検出部２６７とを備える。

これらのうち、判定部２６１、切替部２６２、出力部２６３、第１トナー残量検出部２６５、画素カウント部２６６及び第２トナー残量検出部２６７の機能は、ＣＰＵ２５１が所定のプログラムを実行すること等により実現され、検量線記憶部２６４の機能はＲＯＭ２５２等により実現される。

判定部２６１は、温度センサ１６０から入力したトナー容器３２の周辺温度が所定範囲内であるか否かを判定し、判定結果を切替部２６２に出力する。

切替部２６２は、判定部２６１による判定結果に基づき、出力部２６３を介して出力するトナー残量情報を切り替える。具体的には、切替部２６２は、第１トナー残量検出部２６５が検出した第１トナー残量情報を所定のサンプリング周期で入力し、また第２トナー残量検出部２６７が検出した第２トナー残量情報を画像形成が行われるたびに入力する。そして、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内である場合には第１トナー残量情報を、出力部２６３を介して操作パネル２７１の通知部２７０に出力する。一方、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内でない場合には第２トナー残量情報を、出力部２６３を介して操作パネル２７１の通知部２７０に出力する。

また、切替部２６２は、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内である状態から所定範囲内でない状態に切り替わる切替り時期に、画素カウント部２６６をリセットする機能も有する。このリセットにより画素カウント部２６６による累積画素カウント数は０に初期化される。

検量線記憶部２６４は、予め生成された、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内である場合における所定の検量線を記憶する。

第１トナー残量検出部２６５は、静電容量検出回路１１１から所定のサンプリング周期で入力した平行平板電極６５及び６６間の静電容量の検出値に基づき、検量線記憶部２６４に記憶された検量線を参照してトナー残量を検出する。そして、トナー残量の検出値を示す第１トナー残量情報を、切替部２６２及び第２トナー残量検出部２６７に出力する。

画素カウント部２６６は、画像形成装置１００が画像形成を実行した時に、記録媒体Ｐに形成された画像を構成する画素数をカウントする。この画素数のカウントは記録媒体Ｐに画像形成するたびに行われ、累積画素カウント数が取得される。この累積画素カウント数は「画素数の累積値」に対応するものであり、また「累積情報」の一例である。

ここで、上述したように、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内である状態から所定範囲内でない状態に切り替わる切替り時期には、画素カウント部２６６による累積画素カウント数は、切替部２６２によってリセットされる。リセットされると、画素カウント部２６６は初期状態の０からカウントを開始する。画素カウント部２６６は、画像形成が行われるたびに累積画素カウント数を第２トナー残量検出部２６７に出力する。

第２トナー残量検出部２６７は、画素カウント部２６６から入力した累積画素カウント数に基づきトナーの消費量を予測する。そして、トナー容器３２内におけるトナー残量の基準値からトナー消費量を差し引くことでトナー残量を検出する。

ここで、トナー容器３２が満タン状態の場合には、トナー残量の基準値として、初期充填時の満タンのトナー残量が設定される。また、第１トナー残量検出部２６５がトナー残量を検出した場合には、トナー残量の基準値として、第１トナー残量情報が示すトナー残量が設定される。

第２トナー残量検出部２６７は、累積情報方式によりトナー残量を検出後、トナー残量の検出値を示す第２トナー残量情報を切替部２６２に出力する。

＜制御部２５０による処理例＞
次に、制御部２５０による処理について説明する。図１１は、制御部２５０による処理の一例を示すフローチャートである。なお、図１１は、トナー容器３２にトナーが満タンに充填された初期状態からの処理を示すものである。

まず、ステップＳ１１１において、切替部２６２は、画素カウント部２６６の累積画素カウント数をリセットする。

続いて、ステップＳ１１２において、第２トナー残量検出部２６７は、トナー残量の基準値をトナー容器３２の満タン状態の時のトナー残量に設定する。

続いて、ステップＳ１１３において、判定部２６１は、温度センサ１６０からトナー容器３２の周辺温度の検出値を入力する。

続いて、ステップＳ１１４において、判定部２６１は、トナー容器３２の周辺温度は所定範囲内であるか否かを判定する。

ステップＳ１１４で所定範囲内でないと判定された場合（ステップＳ１１４、Ｎｏ）は、ステップＳ１１５において、切替部２６２は、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内である状態から所定範囲内でない状態への切り替わりがあったか否かを判定する。

ステップＳ１１５で、切り替わりがなかったと判定された場合（ステップＳ１１５、Ｎｏ）は、処理はステップＳ１１７に移行する。一方、ステップＳ１１５で、切り替わりがあったと判定された場合（ステップＳ１１５、Ｙｅｓ）は、ステップＳ１１６において、切替部２６２は画素カウント部２６６の累積画素カウント数をリセットする。

続いて、ステップＳ１１７において、第２トナー残量検出部２６７は、画素カウント部２６６から入力した累積画素カウント数に基づきトナーの消費量を予測する。そして、トナー残量を示す基準値からトナー消費量を差し引くことで、トナー残量を検出し、検出値を示す第２トナー残量情報を切替部２６２に出力する。切替部２６２は出力部２６３を介して第２トナー残量情報を通知部２７０に出力する。

ここで、ステップＳ１１４に戻り、トナー容器３２の周辺温度は所定範囲内であると判定された場合（ステップＳ１１４、Ｙｅｓ）は、ステップＳ１１８において、第１トナー残量検出部２６５は、静電容量検出回路１１１から所定のサンプリング周期で入力した平行平板電極６５及び６６間の静電容量の検出値に基づき、検量線記憶部２６４に記憶された検量線を参照してトナー残量を検出する。そして、検出値を示す第１トナー残量情報を切替部２６２及び第２トナー残量検出部２６７に出力する。切替部２６２は出力部２６３を介して第１トナー残量情報を通知部２７０に出力する。

続いて、ステップＳ１１９において、第２トナー残量検出部２６７は、第１トナー残量検出部２６５から入力した第１トナー残量情報が示すトナー残量を、トナー残量の基準値に設定する。

続いて、ステップＳ１２０において、通知部２７０は、第１トナー残量情報又は第２トナー残量情報の示すトナー残量が、トナー容器３２の交換が必要な量以下であるか否かを判定する。なお、このようなトナー容器３２の交換が必要な量は、予め定められ、図７のＲＯＭ２５２等のメモリに記憶されている。

ステップＳ１２０で、トナー容器３２の交換が必要な量以下であると判定された場合（ステップＳ１２０、Ｙｅｓ）は、通知部２７０は、操作パネル２７１にメッセージを表示して、トナー容器３２の交換が必要であることを画像形成装置１００のユーザに通知する。

一方、ステップＳ１２０で、トナー容器３２の交換が必要な量以下でないと判定された場合（ステップＳ１２０、Ｎｏ）は、ステップＳ１１３以降の処理が再度実行される。

このようにして、トナー残量を検出し、トナー残量がトナー容器３２の交換が必要な量以下になった場合には、その旨を画像形成装置１００のユーザに通知することができる。

なお、図１１におけるステップＳ１１１とＳ１１２の処理は適宜順番を入れ替えてもよく、両方が並行に実行されてもよい。同様にステップＳ１１８とＳ１１９の処理は適宜順番を入れ替えてもよく、両方が並行に実行されてもよい。

［第１実施形態］
＜第１実施形態に係るトナー残量情報の検出精度について＞
次に、図１２は、第１実施形態に係るトナー残量の検出精度を説明する図である。図１２の横軸は、実際のトナー残量（トナー実残量）を示し、縦軸はトナー残量検出値を示している。

ここで、静電容量方式では、トナー容器３２の周辺温度の変動に起因する検出誤差だけでなく、静電容量検出回路１１１の電圧変動誤差等の温度変動以外の要因に起因する検出誤差も生じる。

図１２に示す温度外誤差１２１は、トナー容器３２の周辺温度の変動以外の要因に起因する静電容量方式によるトナー残量の検出誤差（ばらつき幅）を示し、温度誤差１２２はトナー容器３２の周辺温度の変動に起因する静電容量方式によるトナー残量の検出誤差を示している。また、全体誤差１２３は、温度外誤差１２１と温度誤差１２２の総和を示している。このような温度外誤差１２１、温度誤差１２２及び全体誤差１２３は、図１２に示すように、トナー実残量が少なくなるにつれて小さくなる。

これらのうちの温度誤差１２２は、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内でのみ、静電容量方式によりトナー残量を検出して第１トナー残量情報を出力するようにすることで、許容範囲以下に低減される。その結果、全体誤差１２３は抑制され、ほぼ温度外誤差１２１のみとなる。

一方で、実施形態ではトナー容器３２の周辺温度が所定範囲内でない場合は、累積情報方式によりトナー残量を検出する。累積情報方式では、トナー消費量が増大するにつれ、累積誤差が増大する。図１２に破線で示す累積誤差１２４は、所定タイミングでトナー容器３２の周辺温度が所定範囲内の状態から所定範囲内でない状態に切り替わった場合の累積誤差を示している。また累積誤差１２５は、上記の所定タイミングとは別のタイミングで、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内の状態から所定範囲内でない状態に切り替わった場合の累積誤差を示している。

この累積誤差１２４又は１２５が静電容量方式における全体誤差１２３より大きくなる前に、トナー残量の検出方式が累積情報方式から静電容量方式に切り替わるようにすると、累積誤差１２４又は１２５が全体誤差１２３より大きくなる前に、累積画素カウント数等の累積情報がリセットされることで、累積誤差をクリアできる。

そのため、累積誤差１２４又は１２５等の累積誤差が、全体誤差１２３より大きくなる前に、累積情報方式から静電容量方式に切り替わるように、累積情報方式から静電容量方式への切替条件としての上記所定範囲を決定しておくことが好ましい。

＜画像形成装置１００の作用効果＞
以上説明してきたように、本実施形態では、トナー容器３２内のトナー残量を検出するトナー残量検出装置２００を備える。このトナー残量検出装置２００では、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内の場合には、トナー容器３２を挟んで配置された平行平板電極６５及び６６間の静電容量値に基づき検出されるトナー残量を示す第１トナー残量情報を出力する。一方、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内でない場合には、累積画素カウント数に基づき検出されるトナー残量を示す第２トナー残量情報を出力する。

これにより、静電容量値とトナー残量との関係を示す所定の検量線が有効な温度範囲内でのみ、静電容量方式でトナー残量を検出することで、トナー容器３２の周辺温度変動に起因する誤差を抑制し、高精度にトナー残量を検出できる。

また、本実施形態では、第２トナー残量情報が示すトナー残量は、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内である状態から所定範囲内でない状態への切替り時期における第１トナー残量情報の示すトナー残量から、該切替り時期から起算した累積画素カウント数に基づき予測されるトナー消費量を差し引くことで検出される。

このようにすることで、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内である状態から所定範囲内でない状態に切り替わるたびに、第１トナー残量情報が示すトナー残量により第２トナー残量情報が示すトナー残量を校正する効果が得られる。その結果、累積情報方式における累積誤差を抑制できる。

また、本実施形態では、累積情報方式における累積誤差１２４が静電容量方式における全体誤差１２３より大きくなる前に、トナー残量の検出方式を累積情報方式から静電容量方式に切り替わるように、切替条件としてのトナー容器３２の周辺温度に対する所定範囲を定める。換言すると、累積情報方式による検出誤差が静電容量方式による検出誤差以上の場合に、出力部２６３が第１トナー残量情報を出力するように、切替条件としての上記の所定範囲を定めている。

このようにすることで、累積誤差１２４が全体誤差１２３より大きくなる前に累積画素カウント数等の累積情報がリセットされて累積誤差を除去でき、トナー残量の検出精度を向上させることができる。

［第２実施形態］
第１実施形態では、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内である状態から所定範囲内でない状態に切り替わるたびに、第１トナー残量情報が示すトナー残量により第２トナー残量情報が示すトナー残量を校正する効果が得られることを述べた。

しかし、長時間を経過してもトナー容器３２の周辺温度が所定範囲内に入らない場合がある。このようにトナー容器３２の周辺温度が所定範囲内に入らない期間には、第２トナー残量情報が示すトナー残量の校正効果が得られなくなる。

そのため、本実施形態では、第２トナー残量情報の示すトナー残量が予め定めた所定残量より少なくなった場合には、切替部２６２（図１０参照）は出力部２６３を介して出力するトナー残量情報を、累積情報方式による第２トナー残量情報から静電容量方式による第１トナー残量情報に切り替える。

図１３は、本実施形態に係るトナー残量の検出精度を説明する図である。図１２と重複する部分は、図１２と同様であるため説明を省略する。

図１３において、破線で示す累積誤差１３０は、累積情報方式における累積誤差を示している。また区間１３１は、累積情報方式による累積誤差１３０が静電容量方式による全体誤差１２３より小さいトナー実残量の区間であり、区間１３２は、累積誤差１３０が全体誤差１２３より大きいトナー実残量の区間である。

切替部２６２は、区間１３１から区間１３２に切り替わる時に、出力部２６３を介して出力するトナー残量情報を、累積情報方式による第２トナー残量情報から静電容量方式による第１トナー残量情報に切り替える。なお、区間１３１から区間１３２に切り替わる時のトナー実残量は、所定残量として、予め実験又はシミュレーション等により定められ、ＲＯＭ２５２等のメモリに記憶される。

以上説明したように、本実施形態では、第２トナー残量情報の示すトナー残量が予め定めた所定残量より少なくなった場合には、切替部２６２は出力部２６３を介して出力するトナー残量情報を、累積情報方式による第２トナー残量情報から静電容量方式による第１トナー残量情報に切り替える。換言すると、出力部２６３は、第２トナー残量情報が示すトナー残量が所定残量以下になった場合に、第１トナー残量情報を出力する。これにより、長時間を経過してもトナー容器３２の周辺温度が所定範囲内に入らない場合にも、トナー残量の検出精度を向上させることができる。

なお、静電容量方式で検出を行っている際に、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内に入った場合には、第２トナー残量情報が示すトナー残量が所定残量以下であるか否かによってトナー残量情報を切り替える方法は、行われなくなるようにしてもよい。

［第３実施形態］
画像形成装置１００の動作により、トナー容器３２の周辺温度が急激に変動する場合がある。画像形成装置１００において、平行平板電極６５を固定する上壁面６７（図３参照）と下壁面６８が樹脂等の温度変形しやすい材料で構成されていると、急激な温度変動により膨張又は収縮し、これらが収束（安定）するまでに時間を要する場合がある。これにより、トナー容器３２の周辺温度が所定範囲内であっても、静電容量とトナー残量との関係が、予め生成した検量線が示す関係に対してずれ、トナー残量の検出精度が低下する場合がある。

そのため、本実施形態では、トナー容器３２の周辺温度の変動量と、膨張又は収縮の収束時間との関係を予め実験又はシミュレーションで調べておき、この関係を示すテーブルをＲＯＭ２５２（図７参照）等のメモリに記憶しておく。

切替部２６２（図１０参照）は、温度センサ１６０で検出したトナー容器３２の周辺温度の変動量に基づき、上記テーブルを参照して膨張又は収縮の収束時間を取得する。そして、この収束時間が経過した後で、第１トナー残量検出部２６５から入力した第１トナー残量情報を、出力部２６３を介して通知部２７０に出力する。

これにより、トナー容器３２の周辺温度が急激に変動する場合にも、膨張又は収縮が収束した後でトナー残量を検出できるため、トナー残量の検出精度の低下を抑制することができる。

ここで、図１４は、温度変動量と膨張収束時間との関係を示すテーブルの一例を示す図である。

「部品」列は、上壁面６７を構成する樹脂材料Ａと、下壁面６８を構成する樹脂部材Ｂを示している。「温度変動量」列と「膨張収束時間」列には、トナー容器３２の周辺温度の変動量と、上壁面６７及び下壁面６８の膨張が収束する時間とが対応付けて示されている。「膨張収束時間」列に示された数値は、上記の収束時間に対応する。

以上、実施形態に係る画像形成装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

ここで、実施形態では、累積情報方式として、累積画素数を用いる方式を示したが、これに限定されるものではない。トナー搬送スクリュー６２の累積駆動時間を累積情報とし、これを用いてトナー残量を予測して検出することもできる。

トナー搬送スクリュー６２のトナー搬送量はほぼ回転角度（回転時間）に比例するため、トナー搬送スクリュー６２の総回転時間を記録していけばトナーの消費量が分かり、トナー容器３２の初期充填量からトナー消費量を差し引くことでトナー残量を予測して検出できる。

また実施形態では、トナー容器３２の交換が必要であることのユーザへの通知方法として、操作パネル２７１にメッセージを表示する例を示したが、これに限定されるものではない。ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネット等を介してユーザが管理するＰＣ（Personal Computer）やサーバー等の外部装置に、トナー容器３２の交換が必要であることのメッセージを表示させたり、メッセージを含むメールを送信したりしてもよい。

また実施形態は、トナー残量検出方法も含む。例えば、トナー残量検出方法は、トナー容器の周辺の温度を検出する検出工程と、前記トナー容器内のトナー残量情報を出力する出力工程と、を行い、前記出力工程では、前記温度が所定範囲内の場合に、前記トナー容器を挟んで配置された複数の電極間の静電容量値に基づき検出される第１トナー残量情報を出力し、前記温度が所定温度範囲内でない場合に、画像形成の累積情報に基づき検出される第２トナー残量情報を出力する。このようなトナー残量検出方法により、上述のトナー残量検出装置と同様の効果を得ることができる。

３２ トナー容器
６５、６６ 平行平板電極（複数の電極の一例）
１００ 画像形成装置
１１１ 静電容量検出回路
１６０ 温度センサ（温度検出部の一例）
２００ トナー残量検出装置
２５０ 制御部
２６１ 判定部
２６２ 切替部
２６３ 出力部
２６４ 検量線記憶部
２６５ 第１トナー残量検出部
２６６ 画素カウント部
２６７ 第２トナー残量検出部
２７０ 通知部
２７１ 操作パネル
Ｐ 記録媒体

特開２００７－１２１６２０号公報

Claims (6)

1. トナー容器の周辺温度を検出する温度検出部と、
   前記トナー容器を挟んで配置された複数の電極と、
   前記トナー容器内のトナー残量情報を出力する出力部と、を備え、
   前記出力部は、前記周辺温度が所定範囲内の場合に、前記複数の電極間の静電容量値に基づき、前記所定範囲内における前記静電容量値とトナー残量との関係を示す所定の検量線を参照して検出される第１トナー残量情報を出力し、前記周辺温度が所定温度範囲内でない場合に画像形成の累積情報に基づき検出される第２トナー残量情報を出力する
   画像形成装置。
2. 前記累積情報は、記録媒体に形成された画像における画素数の累積値である
   請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記第２トナー残量情報は、前記周辺温度が前記所定範囲内である状態から前記所定範囲内でない状態への切替り時期において前記静電容量値に基づき検出されるトナー残量から、前記切替り時期から起算した前記累積情報に基づき検出されるトナーの消費量を差し引くことで取得される
   請求項１又は２に記載の画像形成装置。
4. 前記出力部は、前記第２トナー残量情報が示すトナー残量が所定残量以下になった場合に、前記第１トナー残量情報を出力する
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像形成装置。
5. 前記周辺温度の変動量と、前記複数の電極間の距離変動が収束する収束時間と、の関係を記憶する記憶部を備え、
   前記出力部は、前記周辺温度の変動量に基づき前記記憶部を参照して検出される前記収束時間が経過した後で前記トナー残量情報を出力する
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の画像形成装置。
6. トナー容器の周辺温度を検出する検出工程と、
   前記トナー容器内のトナー残量情報を出力する出力工程と、を行い、
   前記出力工程では、前記周辺温度が所定範囲内の場合に、前記トナー容器を挟んで配置された複数の電極間の静電容量値に基づき、前記所定範囲内における前記静電容量値とトナー残量との関係を示す所定の検量線を参照して検出される第１トナー残量情報を出力し、前記周辺温度が所定温度範囲内でない場合に、画像形成の累積情報に基づき検出される第２トナー残量情報を出力する
   トナー残量検出方法。

Images