JP7441136B2 - 画像形成装置 - Google Patents
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Description
静電潜像が形成される像担持体と、
前記像担持体に対して空隙を介して対向して配置された現像部材と、
前記現像部材に担持されている現像剤を前記静電潜像に付着させる現像電圧を前記現像部材に印加する電源回路と、
前記電源回路にPWM信号を含む制御信号を供給することで前記電源回路を制御する制御手段と、
前記空隙に起因して前記像担持体と前記現像部材との間に生じる静電容量に相関がある電気的特性を検知する検知回路と、を有し、
前記制御手段は、前記検知回路により検知された電気的特性に基づいて前記PWM信号のデューティ比の変化パターンを決定し、決定された前記変化パターンにしたがって前記PWM信号のデューティ比を変化させながら前記制御信号を前記電源回路に出力することを特徴とする画像形成装置を提供する。
図1が示すように、画像形成装置100は電子写真方式でシートPに画像を形成する。画像形成装置100はプリンタ、複写機、複合機またはファクシミリ装置のいずれであってもよい。画像形成装置100はフルカラー画像を形成できるが、本発明の技術思想は、モノクロ画像を形成する画像形成装置にも適用可能である。
図2が示すように、現像回路200は、現像器4aに現像電圧Voutを供給する電源回路である。現像回路200は、現像器4a~4dに対して一つずつ設けられている。四つの現像回路200の構成と動作を同じであるため、ここでは、現像器4aのための現像回路200だけが説明される。
ここで、eは誘電率である。Sは現像に寄与する現像スリーブ41aと感光体ドラム1aの各対向面積である。式(1)から分かる通り、距離dの変化は、静電容量CLの変化に相当する。したがって、距離dは、交流電圧Vacの波形に影響を及ぼす。距離dの変化によって生じる静電容量CLのばらつきは、たとえば、150pF以上かつ220pF以下である。
ここでCsは直列に接続されたコンデンサC1、C2、CLの合成容量である。合成容量Csは、以下の式で表される。1000Vは現像電圧Voutのピークツーピーク値である。
たとえば、静電容量CLが200pFと仮定されると、合成容量Csは(3)式より、約191pFと算出される。また、Vpp電圧は、(2)式から、1000V×191pF/0.68uF=2.81Vと算出される。Vpp電圧は、ピークホールド回路231に入力される。ピークホールド回路231は、入力電圧(Vpp電圧)をGND基準に持ちあげるためのダイオードD1と、入力電圧をピークホールドするためのダイオードD2とを有している。入力電圧は、2つのダイオードD1、D2の順方向電圧VFだけ降下して、ローパスフィルタ232へ出力される。順方向電圧VFが、たとえば、0.6Vと仮定されると、ピークホールド回路231から出力される電圧は、2.81V-0.6V×2=1.61Vとなる。
図3は現像電圧Voutと、クロック信号Aclk1、Aclk2との関係を示している。直流電圧Vdcは、-500Vと仮定されている。したがって、現像電圧Voutは、交流電圧Vacを-500Vだけオフセットした電圧となる。図3が示すように、交流電圧Vacの正側振幅Vp(+)は500Vと仮定されている。負側振幅Vp(-)は500Vと仮定されている。よって、交流電圧Vacの振幅Vampは1000Vと仮定されている。
図5は静電容量CLと検知信号Vcl_snsとの関係を示している。式(2)、および、式(3)より、静電容量CLと検知信号Vcl_snsは比例関係を有する。よって、CPU251は、検知信号Vcl_snsに基づき静電容量CLを取得することができる。比例関係を示す数式は、メモリ252に予め保存されており、CPU251により使用可能である。つまり、CPU251は、検知信号Vcl_snsに基づき静電容量CLを推定できる。
図7はCPU251が制御プログラムを実行することで実現される機能を示している。これらの機能のうち一つまたは複数がASICまたはFPGAなどのハードウエア回路により実現されてもよい。ASICは特定用途集積回路の略称である。FPGAはフィールドプログラマブルゲートアレイの略称である。
図8はCPU251により実行される交流電圧Vacの波形制御を示すフローチャートである。CPU251は、印刷要求を受信すると、波形制御を開始する。
[観点1]
感光体ドラム1は静電潜像が形成される像担持体の一例である。現像スリーブ41aは像担持体に対して空隙を介して対向して配置された現像部材の一例である。現像回路200は、現像部材に担持されている現像剤を静電潜像に付着させる現像電圧Voutを現像部材に印加する電源回路の一例である。コントローラ基板250およびCPU251は、電源回路に制御信号(例:クロック信号Aclk1、Aclk2)を供給することで電源回路を制御する制御手段として機能する。検知回路230は電気的特性を検知する。電気的特性とは、空隙に起因して像担持体と現像部材との間に生じる静電容量、または、現像電圧を現像部材に印加することで流れる電流(交流の現像電流)である。CPU251および決定部702は、検知回路により検知された電気的特性を制御信号のデューティ比の変化パターンに変換してもよい。つまり、CPU251および決定部702は、検知された電気的特性に基づいて制御信号のデューティ比の変化パターンを決定する。CPU251は、決定された変化パターンにしたがって時間の経過とともにデューティ比を変化させながら制御信号を電源回路に出力する。このように、静電容量CLなどの電気的特性を変化パターン(駆動パターン)に変換することで、現像電圧の調整処理に要する時間が従来よりも短縮される。
メモリ252および制御テーブル751は、制御信号のデューティ比の変化パターンと、像担持体と現像部材との間の電気的特性とを関連付けて予め記憶するパターン記憶手段の一例である。決定部702は、検知回路により検知された電気的特性に対応した制御信号のデューティ比の変化パターンをパターン記憶手段から読み出す。これにより、検知回路により検知された電気的特性から変化パターンが決定されてもよい。なお、制御テーブル751は、実験またはシミュレーションによって作成され、画像形成装置100が工場から出荷される際にメモリ252のROM領域に格納される。
図6が示すように、制御テーブル751は、第一範囲(例:CL<170pF)の電気的特性に対して第一変化パターンを関連付けて記憶していてもよい。制御テーブル751は、第二範囲(例:170pF=<CL<200pF)の電気的特性に対して第二変化パターンを関連付けて記憶していてもよい。第三範囲(例:200pF=<CL<230pF)の電気的特性に対して第三変化パターンを関連付けて記憶していてもよい。決定部702は、検知回路により検知された電気的特性が第一範囲に属する場合に、第一変化パターンを出力する。決定部702により変化パターンが第一変化パターンに決定される。決定部702は、検知回路により検知された電気的特性が第二範囲に属する場合に、第二変化パターンを出力する。つまり、決定部702により変化パターンが第二変化パターンに決定される。決定部702は、検知回路により検知された電気的特性が第三範囲に属する場合に、第三変化パターンを出力する。つまり、決定部702により変化パターンが第三変化パターンに決定される。ここでは、3つの範囲が採用されているが、範囲の数は2以上であればよい。
決定部702は、検知回路により検知された電気的特性から変化パターンを演算することで、変化パターンを決定する演算手段として機能してもよい。決定部702の演算能力が高く、メモリ252の記憶容量に余裕がない場合、この変換手法は有効であろう。
CPU251および監視部704は、電気的特性の検知条件(例:イベントの発生)が満たされているかどうかを判定する判定手段として機能する。メモリ252は、検知条件が満たされたことにより検知回路により検知された電気的特性(例:測定結果752)を記憶する特性記憶手段として機能する。決定部702は、特性記憶手段に記憶されている電気的特性に基づいて変化パターンを決定する。画像形成を実行するたびに、電気的特性を検知すると、ユーザの待ち時間が増加する。よって、予め検知された電気的特性を利用することで、ユーザの待ち時間が削減される。
検知条件は、特性記憶手段に記憶されている電気的特性と、現像部材と像担持体との間の電気的特性との差を所定値以上とさせる可能性がある画像形成装置のイベントが発生したことであってもよい。図6に関連して説明されたように、所定値は、たとえば、30pFであってもよい。つまり、所定値は、制御テーブル751における各範囲の幅に一致していてもよい。イベントは、現像部材(現像器4a)が交換されたことであってもよい。イベントは、画像形成装置100が商用電源から電力を供給されて起動したことであってもよい。イベントは、過去に検知条件が満たされたとき以降に画像形成装置で形成された画像の枚数が所定枚数以上になったことであってもよい。所定枚数は、たとえば、1000枚であってもよい。
電源回路として機能する現像回路200は、直流電圧を生成する直流電源220と、交流電圧を生成し、直流電圧に当該交流電圧を重畳することで現像電圧を出力する交流電源210と、を有してもよい。交流電源210は、制御信号のデューティ比に応じた振幅の交流電圧を生成する。制御信号の周期Tpは、交流電圧の周期Tの1/30以上かつ1/10以下であってもよい。
統計部703は、検知回路により検知された複数の電気的特性の統計値を求める統計手段として機能する。決定部702は、統計値(例:平均値)に基づき変化パターンを決定するように構成されていてもよい。
CPU251およびサンプリング回路721は、所定のサンプリング周期ごとに検知回路から出力される電気的特性をサンプリングするように構成されていてもよい。所定のサンプリング周期は、たとえば、交流電圧Vacの周期Tよりも短く、かつ、制御信号の周期Tpよりも長くてもよい。
交流電源210は、一次側回路211と、一次側回路211に一次巻線が接続され、交流電圧を二次巻線に出力するトランスT1と、を有する。一次側回路211は、制御信号を供給されるフルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路またはプッシュプル回路を含む。交流電源210がフルブリッジ回路を有する場合、当該フルブリッジ回路は、次の回路要素を有してもよい。駆動回路212aは、制御信号のうち第一駆動信号を供給されて動作する第一駆動回路の一例である。駆動回路212bは、制御信号のうち第二駆動信号を供給されて動作する第二駆動回路の一例である。図2が示すように、スイッチング素子Q1、Q3は第一駆動回路により駆動される第一スイッチング素子および第三スイッチング素子の一例である。スイッチング素子Q2、Q4は、第二駆動回路により駆動される第二スイッチング素子および第四スイッチング素子の一例である。第一スイッチング素子のドレインは第一基準電圧(例:Vcc、Vcc1)を印加されてもよい。第一スイッチング素子のゲートは第一駆動回路に接続されてもよい。第一スイッチング素子のソースは第三スイッチング素子のドレインおよびトランスT1の一次巻線の一端に接続されてもよい。第三スイッチング素子のゲートは第一駆動回路に接続されていてもよい。第三スイッチング素子のソースは接地されていてもよい。第二スイッチング素子のドレインは第二基準電圧(例:Vcc、Vcc2)を印加されてもよい。第二スイッチング素子のゲートは第二駆動回路に接続されていてもよい。第二スイッチング素子のソースは、第四スイッチング素子のドレインおよびトランスT1の一次巻線の他端に接続されていてもよい。第四スイッチング素子のゲートは第二駆動回路に接続されていてもよい。第四スイッチング素子のソースは接地されていてもよい。第一スイッチング素子がオンになり、第三スイッチング素子がオフになり、第二スイッチング素子がオフになり、第四スイッチング素子がオンになることで、交流電圧Vacの極性が第一極性(例:正)となる。第一スイッチング素子がオフになり、第三スイッチング素子がオンになり、第二スイッチング素子がオンになり、第四スイッチング素子がオフになることで、交流電圧Vacの極性が第二極性(例:負)となる。
検知回路230は、現像電圧を分圧する分圧回路(例:コンデンサC1など)を有してもよい。検知回路230は、分圧回路の出力電圧のピークツーピーク値をホールドし、制御手段にピークツーピーク値を出力するホールド回路(ピークホールド回路231)を有してもよい。ホールド回路と制御手段(例:コントローラ基板250)との間に、ピークツーピーク値に含まれる高周波成分を除去するローパスフィルタ232が設けられてもよい。この高周波成分は、現像電圧Voutに生じるオーバーシュートに起因して発生する。つまり、ローパスフィルタ232を設けることで、より正確に、静電容量CLを測定することが可能となる。ローパスフィルタ232と制御手段との間で、インピーダンス変換を行うボルテージフォロワ回路234が接続されていてもよい。これにより、微小な検知信号Vcl_snsであっても精度よく検知することが可能となる。
Claims (16)
- 静電潜像が形成される像担持体と、
前記像担持体に対して空隙を介して対向して配置された現像部材と、
前記現像部材に担持されている現像剤を前記静電潜像に付着させる現像電圧を前記現像部材に印加する電源回路と、
前記電源回路にPWM信号を含む制御信号を供給することで前記電源回路を制御する制御手段と、
前記空隙に起因して前記像担持体と前記現像部材との間に生じる静電容量に相関がある電気的特性を検知する検知回路と、を有し、
前記制御手段は、前記検知回路により検知された電気的特性に基づいて前記PWM信号のデューティ比の変化パターンを決定し、決定された前記変化パターンにしたがって前記PWM信号のデューティ比を変化させながら前記制御信号を前記電源回路に出力することを特徴とする画像形成装置。 - 前記PWM信号のデューティ比の変化パターンと前記電気的特性とを関連付けて予め記憶するパターン記憶手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記検知回路により検知された電気的特性に対応した前記PWM信号のデューティ比の変化パターンを前記パターン記憶手段から読み出すことで、前記変化パターンを決定することを特徴とする請求項1に記載の画像形成装置。 - 前記パターン記憶手段は、
前記電気的特性が第一範囲にあるときの第一変化パターンを関連付けて記憶しており、
前記電気的特性が第二範囲にあるときの第二変化パターンを関連付けて記憶しており、
前記電気的特性が第三範囲にあるときの第三変化パターンを関連付けて記憶しており、
前記制御手段は、
前記検知回路により検知された電気的特性が前記第一範囲にある場合に、前記デューティ比の変化パターンを前記第一変化パターンに決定し、
前記検知回路により検知された電気的特性が前記第二範囲にある場合に、前記デューティ比の変化パターンを前記第二変化パターンに決定し、
前記検知回路により検知された電気的特性が前記第三範囲にある場合に、前記デューティ比の変化パターンを前記第三変化パターンに決定することを特徴とする請求項2に記載の画像形成装置。 - 前記制御手段は、前記検知回路により検知された前記電気的特性から前記変化パターンを演算することで、前記変化パターンを決定する演算手段を含むことを特徴とする請求項1に記載の画像形成装置。
- 前記制御手段は、前記電気的特性を検知するべきイベントが発生すると、前記検知回路により前記電気的特性を検知させ、検知された前記電気的特性に基づいて前記変化パターンを決定することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の画像形成装置。
- 前記イベントは、前記検知回路により検知された電気的特性と、前記現像部材と前記像担持体との間の電気的特性との差が所定値以上になる前記画像形成装置におけるイベントであることを特徴とする請求項5に記載の画像形成装置。
- 前記イベントは、
前記現像部材が交換されたこと、
前記画像形成装置が商用電源から電力を供給されて起動したこと、または、
前記イベントが発生したとき以降に前記画像形成装置で形成された画像の枚数が所定枚数以上になったこと、のうちの少なくとも1つである、請求項6に記載の画像形成装置。 - 前記電源回路は、
直流電圧を生成する直流電源と、
交流電圧を生成し、前記直流電圧に当該交流電圧を重畳することで前記現像電圧を出力する交流電源と、を有し、
前記交流電源は、前記PWM信号のデューティ比に応じた振幅の交流電圧を生成することを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載の画像形成装置。 - 前記PWM信号の周期は前記交流電圧の周期の1/30以上かつ1/10以下であることを特徴とする請求項8に記載の画像形成装置。
- 前記制御手段は、前記検知回路により検知された複数の電気的特性の統計値を求め、前記統計値に基づいて前記変化パターンを決定することを特徴とする請求項9に記載の画像形成装置。
- 前記制御手段は、所定のサンプリング周期ごとに前記検知回路から出力される前記電気的特性をサンプリングするように構成されており、
前記所定のサンプリング周期は、前記交流電圧の周期よりも短く、かつ、前記制御信号の周期よりも長いことを特徴とする請求項10に記載の画像形成装置。 - 前記交流電源は、
前記制御信号を供給されるフルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路またはプッシュプル回路を含む一次側回路と、
前記一次側回路に一次巻線が接続され、前記交流電圧を二次巻線に出力するトランスと、
を有することを特徴とする請求項8ないし11のいずれか一項に記載の画像形成装置。 - 前記交流電源は前記フルブリッジ回路を有し、当該フルブリッジ回路は、
前記制御信号のうち第一駆動信号を供給されて動作する第一駆動回路と、
前記制御信号のうち第二駆動信号を供給されて動作する第二駆動回路と、
前記第一駆動回路により駆動される第一スイッチング素子および第三スイッチング素子と、
前記第二駆動回路により駆動される第二スイッチング素子および第四スイッチング素子と、を有し、
前記第一スイッチング素子のドレインは第一基準電圧を印加され、
前記第一スイッチング素子のゲートは前記第一駆動回路に接続され、
前記第一スイッチング素子のソースは前記第三スイッチング素子のドレインおよび前記トランスの前記一次巻線の一端に接続されており、
前記第三スイッチング素子のゲートは前記第一駆動回路に接続され、
前記第三スイッチング素子のソースは接地されており、
前記第二スイッチング素子のドレインは第二基準電圧を印加され、
前記第二スイッチング素子のゲートは前記第二駆動回路に接続され、
前記第二スイッチング素子のソースは、前記第四スイッチング素子のドレインおよび前記トランスの前記一次巻線の他端に接続されており、
前記第四スイッチング素子のゲートは前記第二駆動回路に接続され、
前記第四スイッチング素子のソースは接地されており、
前記第一スイッチング素子がオンになり、前記第三スイッチング素子がオフになり、前記第二スイッチング素子がオフになり、前記第四スイッチング素子がオンになることで、前記交流電圧の極性が第一極性となり、
前記第一スイッチング素子がオフになり、前記第三スイッチング素子がオンになり、前記第二スイッチング素子がオンになり、前記第四スイッチング素子がオフになることで、前記交流電圧の極性が第二極性となることを特徴とする請求項12に記載の画像形成装置。 - 前記検知回路は、
前記現像電圧を分圧する分圧回路と、
前記分圧回路の出力電圧のピークツーピーク値をホールドし、前記制御手段にピークツーピーク値を出力するホールド回路とを有することを特徴とする請求項1ないし13のいずれか一項に記載の画像形成装置。 - 前記ホールド回路から出力される前記ピークツーピーク値に含まれる高周波成分を除去するローパスフィルタをさらに有することを特徴とする請求項14に記載の画像形成装置。
- 前記ローパスフィルタと前記制御手段との間でインピーダンス変換を行うボルテージフォロワ回路をさらに有することを特徴とする請求項15に記載の画像形成装置。
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