JP5800619B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、現像剤担持体と前記現像剤供給部材との間に検知機構を備えた画像形成装置に関するものである。

電子写真装置などの画像形成装置に用いられる現像装置に収容されるトナーの残量を検出する方法として、現像装置内に設けられた２つの電極間の静電容量を検知するものがある。これにより、トナー量に関する情報を得る。

特に、現像ローラと、発泡層を有する供給ローラとを有する現像装置がある構成の場合、現像ローラの芯金と供給ローラの芯金との間の静電容量を検知することでトナー量に関する情報を得る方法がある（例えば、特許文献１参照）。この方法では、現像装置のトナー量と、上記芯金間の静電容量との間に相関関係があるため、静電容量を検知することでトナー量を測定することが可能である。

特許文献１には、供給ローラの発泡層の表面通気量を適切な範囲に設定し、トナーを発泡層に出入りし易くすることで検知精度を向上させることが記載されている。

特開２００９−００９０３５公報

従来のトナー担持体とトナー供給部材との間の静電容量を検知する構成を持つ画像形成装置においては、トナー供給部材の発泡の偏在によって、表面通気量にばらつきが生じる。すると、回転方向の静電容量にばらつきが生じることがある。この場合、トナー量の測定精度が落ち、現像装置の交換時期を精度良く検知することができない場合があった。

本発明の目的は、現像容器内のトナー量を精度良く検知することである。

上記目的を達成するための本発明の代表的な構成は、
像担持体と、現像容器内のトナーをトナー供給部材からトナー担持体に供給し前記トナー担持体により前記像担持体に対してトナーを供給する現像手段と、を有する画像形成装置において、
前記トナー担持体に設けられた第一電極部材又は前記トナー供給部材に設けられた第二電極部材の一方に交流電圧を印加する電圧印加手段と、
前記第一電極部材又は前記第二電極部材の他方に誘起される交流電圧を整流して検知する電圧検知回路と、
前記電圧印加手段によって複数種類の交流電圧を印加して前記電圧検知回路で検知された複数の出力電圧の差分により前記現像容器内のトナー量を測定するトナー量測定手段と、
を有することを特徴とする。

上記構成としたことで、現像容器内のトナー量を精度良く検知することができる。

第１実施形態の画像形成装置の一例を示す概略構成図。 第１実施形態の画像形成時における現像装置の概略構成図。 供給ローラのスポンジ内トナー量と静電容量の関係を示すグラフ。 静電容量の差分とトナー量の関係を示すグラフ。 第１実施形態におけるトナー量測定装置のブロック図。 第１実施形態におけるトナー量検知回路図。 第１実施形態の検出電圧とトナー量の関係を示すグラフ。 供給ローラ回転中の静電容量の時間変化を示すグラフ。 検出電圧のばらつきを示すグラフ。 現像容器内トナー量と供給ローラのスポンジ内トナー量の関係を示すグラフ。 Ｖｐｐを変えた時の検出電圧とトナー量の関係を示すグラフ。 Ｖｐｐを変えた時とその差分を取った時のばらつきを比較したグラフ。 第１実施形態におけるばらつき低減メカニズムを示したグラフ。 第１実施形態におけるＶｐｐ変化から得られた差分ΔＶＤ１を取った時のトナー量との関係を示したグラフ。 周波数を変えた時の検出電圧とトナー量の関係を示すグラフ。 第２実施形態における周波数を変えた時とその差分を取った時のばらつきを比較したグラフ。 第２実施形態における周波数変化から得られた差分ΔＶＤ２を取った時のトナー量との関係を示したグラフ。

〔第１実施形態〕
以下に図面を参照して、本発明の実施形態を例示する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。即ち、本発明の範囲を以下の実施形態に限定する趣旨のものではない。

（画像形成装置）
第１実施形態にかかる画像形成装置について図１を用いて説明する。図１は第１実施形態の画像形成装置の一例を示す概略構成図である。

まず、画像形成装置１００における画像形成動作について説明する。

図１において、感光体ドラム２（像担持体）は矢印の方向に回転する。感光体ドラム２は回転しながら、帯電ローラ３（帯電装置）によって一様に帯電される。その後、レーザー光学装置４（露光手段）からのレーザー光により露光され、その表面に静電潜像が形成される。

この静電潜像に対して、後述する非磁性一成分接触方式の現像装置２０（現像手段）によって現像剤（トナー）を供給する。すると、静電潜像は現像され、現像剤像（トナー像）として可視化する。そして、可視化された感光体ドラム２上の現像剤像は、転写ローラ５によって記録媒体６（転写材）に転写される。

転写されずに感光体ドラム２上に残存した転写残現像剤は、クリーニングブレード７１（クリーニング部材）により掻き取られ、廃現像剤容器７０に収納される。クリーニングされた感光体ドラム２は上述の動作を繰り返し、画像形成を行う。

一方、現像剤像を転写された記録媒体６は、定着装置８０によって永久画像を定着された後、装置外に排出される。

（現像装置）
現像装置２０を図２を用いて更に説明する。図２は第１実施形態の画像形成時における現像装置の概略構成図である。

図２において、現像装置２０は現像容器２１を有する。現像容器２１は非磁性一成分現像剤が充填される。現像容器２１内には、現像剤収容室２２が設けられる。

現像剤収容室２２内には、現像ローラ２３（トナー担持体）、供給ローラ２４（トナー供給部材）、規制ブレード２５、漏れ防止シール２７が配設される。ここで、現像ローラ２３は、感光体ドラム２に当接し、矢印αのように一定方向に回転して、その外周部に塗布された現像剤を感光体ドラム２に供給する。供給ローラ２４は、現像ローラ２３に当接して回転し、現像ローラ２３に現像剤を供給する。規制ブレード２５は、リン青銅、ウレタンゴム等で構成され、一端部が現像ローラ２３に摺擦し、現像ローラ２３の周りに塗布された現像剤を薄層にコーティングする。漏れ防止シール２７は、現像ローラ２３の下方の現像室２６の隙間を覆う。

本実施形態においては、一成分現像剤として、負帯電性の非磁性現像剤を用いている。現像ローラ２３は矢印のβ方向に回転駆動される。

規制ブレード２５には、ＳＵＳ材の薄板（厚み８０μｍ）を用い、規制ブレード２５が現像ローラ２３の回転方向に対してカウンター方向（対向する方向）になるように設置した。このように、規制ブレード２５を設けることにより、現像ローラ２３の回転に伴って、現像ローラ２３上の現像剤の塗布量（コート量）を規制することができる。

また、供給ローラ２４には、芯金の外周にウレタンスポンジを形成したものが用いられている。この構成により、一旦、供給ローラ２４内に含まれた現像剤は、供給ローラ２４と現像ローラ２３との当接部にて現像ローラ２３の表面に供給される。

現像ローラ２３と供給ローラ２４は同方向に回転している。このため、両者の当接部（接触部）では、それぞれのローラの表面が逆方向に移動している。

また、現像装置２０の各部材には、電圧が印加されるように構成される。例えば、本実施形態では、現像を行う際は、感光体ドラム２の電位が未露光部で−５００Ｖ、露光部で−１５０Ｖである。また、現像ローラ２３、供給ローラ２４に約−３５０Ｖ、規制ブレード２５に約−５５０Ｖが印加される。このような電位設定とすることで、負極性の現像剤は未露光部に付着せず、静電気力によって露光部へ付着することになる。

次に各部の構成を詳細に説明する。

現像ローラ２３は、φ６(ｍｍ)の導電性の芯金２８（第一電極部材）と、その周囲に形成したシリコンゴムを基層とした導電性弾性層からなる。表層にはアクリル・ウレタン系ゴム層がコートされる。現像ローラ２３の外径はφ１２(ｍｍ)、体積抵抗は約１０^５Ω・ｃｍである。画像形成中において、現像ローラ２３の回転速度（周速）は１６０ｍｍ／ｓｅｃである。

尚、現像ローラ２３は、後述する静電容量を検知するために第一電極部材を有していれば良い。例えば現像ローラ２３の表面に導電性のスリーブを有し、スリーブを第一電極部材として用いてもよい。

供給ローラ２４は、φ６(ｍｍ)の導電性の芯金２９（第二電極部材）と、その周囲に形成した柔らかい連続気泡体からなるウレタンスポンジ層（発泡表層）から構成される。供給ローラ２４の外径はφ１３(ｍｍ)、体積抵抗は約１０^８Ω・ｃｍである。ウレタンスポンジ層の表面通気量は、３.２リットル／ｍｉｎである。表面通気量については後に詳述する。画像形成中において、供給ローラの回転速度（周速）は、１４０ｍｍ／ｓｅｃである。

本実施形態では、現像ローラ２３の芯金２８の中心と供給ローラ２４の芯金２９の中心との距離（以下、中心間距離）を１３ｍｍとする。また、現像ローラ２３の表面が供給ローラ２４のウレタンスポンジ層を、１.０ｍｍほどの侵入量で押し込むように設置する。

ここで侵入量とは、芯金２８の中心と芯金２９の中心間を結ぶ線分上で、供給ローラ２４と現像ローラ２３の外径の和から上記中心間距離を差し引いて２で割った長さである。

規制ブレード２５は、可撓性を持ったリン青銅板金から成り、一端を現像容器２１に固定し、他端を自由端として現像ローラ２３に当接させる。現像ローラ２３の回転方向に対してカウンタ方向となる向きで、自由端近傍の平滑面が現像ローラ２３の表面と摺擦するように配設される。

（現像装置内のトナーの挙動）
ここで、供給ローラ２４と現像ローラ２３がそれぞれ所定の速度で回転している際の、供給ローラ２４のウレタンスポンジ層とその周りの空気中に分散されたトナーの挙動を解説する。

供給ローラ２４と現像ローラ２３の当接位置に対して、供給ローラ２４の回転方向上流側にある領域（図２中のＸの近傍）では、供給ローラ２４が圧縮される。一方、回転方向下流側にある領域（図２中のＹの近傍）では、供給ローラ２４は圧縮状態から開放される。

ここで、Ｘ近傍においては、供給ローラ２４が圧縮されるために、供給ローラ２４に吸い込まれていたトナーが空気と共に吐き出される。逆に、Ｙ近傍においては、供給ローラ２４が圧縮状態から開放され元の形状に戻る。この際に、空気中に分散されたトナーが供給ローラ内に吸い込まれていく。

このトナーの出入りがスムーズに行われる条件下では、供給ローラ２４の近傍に堆積している粉流体としてのトナーの圧力と供給ローラ２４内の粉流体としてのトナーの圧力が均衡する。この場合、供給ローラ２４内部に保持されるトナー量（現像剤量）と、現像容器２１内のトナー総量との間に一定の相関関係が現れる。よって、供給ローラ２４の芯金２９と現像ローラ２３間の静電容量は、単に供給ローラ２４内部に保持されるトナー量を示すだけでなく、現像容器２１内のトナー総量を推測することができる。

尚、トナーの出入りは供給ローラ２４の回転時のみ起こり、回転停止後の供給ローラ２４は回転中のトナー量を保持している。この状態で現像装置２０を移動したり姿勢を変えたりしても供給ローラ２４内部に保持されるトナー量は変化しない。

上記のトナーの出入りの「容易さ」を表すパラメータとして、連続気泡体からなるウレタンスポンジ層の表面通気量を測定した。本実施形態では前述の通り、表面通気量は３．２リットル/ｍｉｎである。表面通気量は、表面のセルが小さく内部セルの構造も細かく密になるほど通気量は低下し、逆に表面セルが大きい、もしくは内部セルを大きくすると通気量は増加する傾向にある。

このようにして、通気量の最適化が行なわれた供給ローラ２４を用いた場合の、供給ローラ２４のスポンジ層内部のトナー量と、現像容器２１内部のトナー量との推移を図３に示す。図３は供給ローラのスポンジ内トナー量と静電容量の関係を示すグラフである。

現像容器２１内のトナー量が減少すると静電容量も減少する。ここで、図３を参照すると、現像容器２１内のトナー量が減少するにつれて、供給ローラ２４のスポンジ層内部のトナー量も減少していく傾向がわかる。この結果より、供給ローラ２４のスポンジ層内部に保持されるトナー量と、現像容器２１内のトナー総量とに相関があることがわかる。

（静電容量測定方法）
本実施形態における現像装置２０の静電容量測定方法について説明する。

まず、現像ローラ２３の芯金２８（第一電極部材）に所定の交流電圧を印加して、供給ローラ２４の芯金２９（第二電極部材）に誘起される交流電圧から芯金間の静電容量を検知する。芯金２９に誘起される交流電圧は、芯金２８と芯金２９の間の静電容量を表し、この静電容量は芯金２８と芯金２９の間にあるトナーの量を反映する。

尚、芯金２８と芯金２９は、一方に交流電圧を印加して、他方から出力を検出すればよい。このため、芯金２９に交流電圧を印加して、芯金２８に誘起される交流電圧からトナー量測定を行っても構わない。

図４は静電容量の差分とトナー量の関係を示すグラフである。図４のグラフでは、供給ローラ２４内のトナー量と、芯金２８と芯金２９との間の静電容量差分の関係を示している。

トナーの誘電率は空気に対して３倍前後である。このため、芯金２８と芯金２９の間にあるトナーの量が増えるほど、芯金２８と芯金２９の間の静電容量も増加する。その関係は図４に示すように、ほぼ線形の関係にある。静電容量の検知を行う際は、現像ローラ２３が停止した状態で行う。

図５は第１実施形態におけるトナー量測定装置のブロック図である。

トナー量測定装置５０（トナー量測定手段）は、トナー量報知手段５１、トナー量判断手段５２、コンパレーター５３、検知回路５４（電圧検知回路）、電圧印加手段５５、電圧制御手段５６を有する。

図５に示すように、芯金２８には検知用の電圧印加手段５５が接続され、芯金２９には検知回路５４が接続される。したがって、停止した状態は必須条件ではなく、現像ローラ２３が回転していても測定することができる。

静電容量検知用の交流電圧の印加条件は、周波数ｆ＝５０ｋＨｚ、ピーク間電圧Ｖｐｐ＝１８０Ｖとしている。芯金２９に誘起される交流電圧は、検知回路で整流された直流電圧そのものか、前記直流電圧を数値化した信号情報が出力値として出力される。

次に、検知回路５４について述べる。図６は第１実施形態におけるトナー量検知回路図である。

図６に示すように、トナー量測定装置５０の検知回路５４は、検出器３０、積分器３１、比較器３２を有する。図６は、コンデンサーＣ１で示される供給ローラ２４と現像ローラ２３、検出器３０、積分器３１、比較器３２、トナー量検知用バイアス電源３３、現像バイアス電源３４の等価回路を示したものである。

トナー量検知用バイアス電源３３より、交流バイアスであるトナー量検知用バイアスが供給される。検出器３０は抵抗ＲとダイオードＤから成り、コンデンサーＣ１の出力は、抵抗Ｒの電圧として取り出され、ダイオードＤで半波整流される。半波整流された電圧は、コンデンサーＣ２で示される積分器３１により積分され、直流電圧化される。この直流電圧は、コンパレーターＦと、基準電圧Ｅで示される比較器３２により比較される。

コンパレーターＦは、積分器３１の出力電圧と、基準電圧Ｅとの大小を比較し、出力電圧の方が大きければトナー有と判断し、出力電圧の方が小さければトナー切れと判断する。従って、基準電圧Ｅは、現像容器２１内のトナーが消費され、無くなった時の積分器３１の出力電圧に調整すれば良い。

図７は第１実施形態の検出電圧とトナー量の関係を示すグラフである。図７には、本実施形態における、現像容器２１内のトナー量と積分器３１の出力電圧の変化を示している。

図７に示すように、出力電圧はトナー量が多くなってくると、その電圧の増加量が低下することが分かる。さらにトナーが消費されると、図中トナー量がＰ点において、プリント画像上の一部に、画像欠けが生じる。そして、さらにプリントを続けると、全く画像が出ない状態となる。

以上のことから、本実施形態では、画像欠けが生じてしまうトナー量Ｐに対し、ベタ黒画像の１０枚相当量のマージンを見越したトナー量ＰａをＴ_ＯＵＴ（トナー切れ状態）と判断する。そして、出力電圧Ｑａを基準電圧Ｅとすることで、現像容器のトナー切れと判断するよう制御される。

制御部は、トナー量測定装置５０でトナー切れと判断された場合、操作部における表示部に、現像装置２０についての「トナー切れ」等の警告表示を行う。制御部は、画像形成を中止する制御をさせることとしてもよい。また、現像容器２１の交換時期を知らせるようにしても良い。

（静電容量のばらつきによる影響を抑制する構成）
上記の手段を用いて静電容量を検知する際には、画像形成などのために、その都度、現像ローラ２３および供給ローラ２４が回転してから測定を行う。このため、現像ローラ２３と供給ローラ２４、ならびに現像容器２１内トナー分布が毎回異なる状態で測定することとなる。これにより、測定を行うたびに、それらのばらつきに起因する、静電容量のばらつきを含んだ検出電圧を得ることとなる。ここで、一般には上述のようなばらつきがあると、精度良くトナー量検知を行うことが困難となる。

このため、本実施形態においては、静電容量のばらつきを低減させつつトナー量検知を行う。以下、順を追って説明する。

まず、静電容量がばらつく要因について考察する。画像形成を行いながら静電容量を測定する場合、供給ローラ２４及び現像ローラ２３はその都度回転させる必要がある。たとえ、画像形成によってトナーが消費されず、供給ローラ２４内のトナー充填量が変わっていなかったとしても、測定時には前回の位置と異なる当接位置で測定を行うこととなる。

ここで、供給ローラ２４及び現像ローラ２３の回転方向にばらつきがある場合、毎回検出値、すなわち静電容量Ｃがばらつくことがあると示唆される。実際に、供給ローラ２４及び現像ローラ２３を回転させながら、供給ローラ２４と現像ローラ２３間の静電容量を測定した結果を図８に示す。図８は供給ローラ回転中の静電容量の時間変化を示すグラフである。

図８の結果から、供給ローラ２４の回転に伴い、供給ローラ２４の１周ごとに同じ周期性を持って、静電容量がばらついていることが分かる。よって、供給ローラ２４のばらつきが支配的であり、現像ローラ２３のばらつきは、供給ローラ２４のばらつきに比べて小さいと考えられる。

図９は検出電圧のばらつきを示すグラフである。図９（ａ）は、供給ローラ２４を回転させた後、静止状態で静電容量を測定し、再度回転させて位相を変えた後、静止状態で測定という手順を繰り返したものである。図９（ａ）では、５回の静電容量測定を行った結果を示している。図９（ａ）の結果から、図８から得られた結果と同様に、供給ローラ２４の位相が異なる度に、得られる静電容量の値にばらつきが生じていることが分かる。

次に、現像容器２１内のトナー分布ならびに供給ローラ２４内のトナーのばらつきを調査した。これらの寄与度を切り分けるため、現像容器２１内にトナーを充填することなく、つまり供給ローラ２４にトナーを含ませずに同様の検討を行った。この結果が図９（ｂ）である。

図９（ｂ）において、供給ローラ２４がトナーを含んでいない場合にも、静電容量にばらつきが生じていることが分かる。この結果から、静電容量のばらつきは、トナー起因のばらつきは少なく、供給ローラ２４が持つばらつきが支配的であることが明らかとなった。

この一因として、供給ローラ２４の発泡具合に回転方向のムラがあると考えられる。供給ローラ２４は、連続気泡体からなるウレタンスポンジ材であるので、発泡密度は回転方向で均一とは言い難い。実際、トナーの出入りに寄与する表面通気量にもばらつきが存在する。

したがって、本トナー量検知において、このばらつきを低減させるためには、供給ローラ２４を回転させずに、状態を維持したまま測定を行うことが望ましい。そこで、上述のようなばらつきを低減させるため、本実施形態では、静止状態で異なる２状態を作り出し、その差分を取って演算する。

以下に、供給ローラ２４のばらつきを抑制させるための手段ならびに理論的解釈を説明する。

実際に搭載しているトナー量の検知回路５４を図６に示す。供給ローラ２４と現像ローラ２３間に交流バイアスを印加して、コントローラから出力される電圧ΔＶは、供給ローラ２４と現像ローラ２３間の静電容量Ｃに依存する。したがって、供給ローラ２４のばらつきが存在すると静電容量の変化として認識されるため、検出電圧ΔＶがばらついてしまう。そこで、ばらつきを低減させるために、静電容量Ｃは変化させずに、他のパラメータを変化させることによりトナー量検知を行う。

出力電圧ΔＶは、静電容量Ｃの他に、トナー量検知バイアスである交流バイアスのピーク間電圧Ｖｐｐに依存することを利用する。

図３を用いて上述したように、静電容量は供給ローラ２４内のトナー量と相関関係がある。ピーク間電圧Ｖｐｐ、静電容量が出力電圧ΔＶに比例することを考えると、供給ローラ２４内のトナー量がピーク間電圧にも比例する。

また、現像容器２１内のトナー量と、供給ローラ２４内のトナー量にも相関があることがわかっている。これについて図１０を用いて説明する。図１０は現像容器内トナー量と供給ローラのスポンジ内トナー量の関係を示すグラフである。図１０に示すように、同じ現像容器２１で比較した場合、現像容器２１内のトナー量が多い程、供給ローラ２４に含まれるトナー量は多くなることが知られている。

これを受けて、ピーク間電圧Ｖｐｐを変化させた場合を考える。Ｖｐｐ＝１８０Ｖを基準として、Ｖｐｐを変動させる。Ｖｐｐは１５０Ｖ、１３０Ｖを採用した。

あるトナー量検知タイミングで、あるピーク間電圧Ｖｐｐを印加して誘起された検出電圧ΔＶを検出する。この時の検出電圧をＶ_Ａ、現像容器２１内のトナー量をＴ_Ａとする。続いて、Ｔ_Ａ＞Ｔ_Ｂである現像容器２１内のトナー量Ｔ_Ｂの時、同様にして測定した検出電圧をＶ_Ｂとする。その結果を図１１に示す。図１１は、Ｖｐｐを変えた時の検出電圧とトナー量の関係を示すグラフである。

図１１に示すように、いずれも、検出電圧Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂとトナー量は同様の相関関係にあるが、Ｖｐｐによって、検出電圧ΔＶの増加量は異なることが分かる。Ｖｐｐが小さくなるにつれ、傾きは小さくなる一方、Ｖｐｐが大きくなると、傾きも大きくなる。

この時、検出電圧ΔＶは、供給ローラ２４と現像ローラ２３間の静電容量Ｃと、ピーク間電圧Ｖｐｐの積で表される。このため、この２値に応じて傾きが変わる。本実施形態においては、供給ローラ２４と現像ローラ２３の状態や配置関係は変わっていないので、静電容量の変化は無いと考えられる。したがって、Ｖｐｐを変化させることで、得られる検出電圧ΔＶが変わることが分かる。以上から、トナー充填量が多い時と少ない時では、Ｖｐｐの変化分に伴う、異なるＶｐｐ間の検出電圧ΔＶの差分に対する変化量が異なることになる。

以上の結果より本実施形態では、供給ローラ２４を回転させることなく、静止状態でＶｐｐを変化させ、異なるＶｐｐ間の検出電圧ΔＶの差分を算出する。この算出結果を基にトナー量を判断する。これにより、静電容量のばらつきを考慮する必要がなく、供給ローラ２４の持つばらつきを抑制することができるようになる。この結果、検出精度の向上に寄与する。

以下に、実際に本実施形態の方法を用いてトナー量検知を行った結果を示す。

現像容器２１内のトナー量が既知の現像容器を３種類（Ｔ_Ｆｕｌｌ、Ｔ_ＯＵＴ、Ｔ_０）用意する。そして、予め供給ローラ２４内にトナーを充分含ませた状態で、トナー量検知を行う。以下に、行った詳細な検討内容を説明する。

まず、実際に、本実施形態により供給ローラ２４の回転方向のばらつきをキャンセルすることができることを調査・確認した。

上述の各々の現像容器２１に対して、所定の交流バイアスを印加し、検出電圧ΔＶを得る。この時のピーク間電圧ＶｐｐをＶｐｐ_１、検出電圧をＶ_１とする。続いて、供給ローラ２４及び現像ローラ２３を回転させず、同じ位置、姿勢で、交流バイアスのＶｐｐをＶ_１の測定時と異なる条件に設定する。

設定後、Ｖ_１測定時と同様にして、検出電圧Ｖ_２を測定する。この時のＶｐｐをＶｐｐ_２とする。以上のように、静止状態で２値を取り、その差分を算出する。以上に示した実施形態は、上述のＶｐｐを変化させて行った検討と同じである。

続いて、供給ローラ２４及び現像ローラ２３の位相を変えた後、同様の操作を行う。これを５回繰り返す。この時のＶ_１、Ｖ_２、｜Ｖ_１−Ｖ_２｜のばらつきを比較した。この検討でのＶｐｐ_１＝１８０Ｖ、Ｖｐｐ_２＝１３０Ｖとした。

図１２はＶｐｐを変えた時とその差分を取った時のばらつきを比較したグラフである。

図１２においては、各々のトナー量に対して、５回測定したときのばらつき結果を示す。

この時のばらつきΔＶ_１、ΔＶ_２、Δ（｜Ｖ_１−Ｖ_２｜）は、５回測定内の最大出力と最小出力の差分である。この結果から、供給ローラ２４のみでの検出電圧Ｖ_１、Ｖ_２は、検出ごとのばらつきがあるのに対して、本実施形態では、Δ（｜Ｖ_１−Ｖ_２｜）を算出することにより、ばらつきを低減させることができた。

これは、トナー充填量にかかわらず成り立つ。よって、本実施形態は供給ローラ２４内のトナー量によらず、効果を発揮することができる。このように、供給ローラ２４を回転させず、同じ状態で検出電圧を測定することにより、供給ローラ２４の構成から導かれる検出結果のばらつきを抑えることができる。

本方法が成立する理論的解釈として、以下のことが推測される。供給ローラ２４は回転方向にばらつきを持っているが、供給ローラ２４を回転させないことにより、検出電圧Ｖ_１、Ｖ_２は同じばらつきを持った箇所で測定を行うことになる。

そして、位相を変えて同様に測定した場合、前回とは異なるばらつきを持った箇所で測定を行うことになるが、その時の検出電圧Ｖ_１、Ｖ_２は同位相で測定される。したがって、同じばらつきを持った状態で検出電圧Ｖ_１、Ｖ_２が測定されることになる。よって、検出電圧Ｖ_１、Ｖ_２の絶対値は毎回ばらつき分シフトするが、差分を算出することにより、そのばらつきを低減することができる。その詳細を図１３に示す。

図１３は第１実施形態におけるばらつき低減メカニズムを示したグラフである。図１３に示すように、検出電圧Ｖ_１、Ｖ_２の絶対値は異なっているものの、検出電圧の差分は略一定である。

次に、本実施形態における、トナー量検知を行うためのトナー量と検出電圧ΔＶの差分ΔＶＤ１との関係性を説明する。

図１４は第１実施形態におけるＶｐｐ変化から得られた差分ΔＶＤ１を取った時のトナー量との関係を示したグラフである。具体的には、上述の結果から得られた｜Ｖ_１−Ｖ_２｜の値をトナー量ごとに比較したものである。そして、現像容器２１内のトナー量Ｔ_ＡとＴ_Ｂにおける、検出電圧ΔＶの差分ΔＶＤ１＝｜Ｔ_Ａ（｜Ｖ_１−Ｖ_２｜）−Ｔ_Ｂ（｜Ｖ_１−Ｖ_２｜）｜の変化率を示した。ここで、「Ｔ_Ａ（｜Ｖ_１−Ｖ_２｜）」とは、トナー量がＴ_Ａのときの｜Ｖ_１−Ｖ_２｜の値を意味する。

図１４は、Ｖ_１はＶｐｐ＝１８０Ｖとした時の検出電圧ΔＶを示しており、Ｖ_２はＶｐｐ＝１５０Ｖ、１３０Ｖの時の検出電圧ΔＶを示す。ここで、この時の差分ΔＶＤ１を算出する。次の説明においては、トナー交換時を示すトナー切れ状態のトナー量Ｔ_ＯＵＴに対して、満杯状態のトナー量をＴ_Ｆｕｌｌ、空状態のトナー量をＴ_０とする。

まず、現像容器２１内のＴ_ＦｕｌｌとＴ_ＯＵＴで比較した時、その差分｜Ｖ_１−Ｖ_２｜の差ΔＶＤａ＝Ｔ_Ｆｕｌｌ−Ｔ_ＯＵＴ＝｜Ｔ_Ｆｕｌｌ（｜Ｖ_１−Ｖ_２｜）−Ｔ_ＯＵＴ（｜Ｖ_１−Ｖ_２｜）｜を求める。そして、Ｔ_Ｆｕｌｌと空状態のトナー量Ｔ_０とのΔＶＤｂ＝Ｔ_Ｆｕｌｌ−Ｔ_０＝｜Ｔ_Ｆｕｌｌ（｜Ｖ_１−Ｖ_２｜）−Ｔ_０（｜Ｖ_１−Ｖ_２｜）｜を求める。すると、この結果から、｜Ｖ_１−Ｖ_２｜はトナー量に依存し、且つΔＶＤａよりもΔＶＤｂの方が大きくなることが分かる。

したがって本実施形態では、ピーク間電圧Ｖｐｐを変化させ、トナー量によってΔＶＤ１が変化することを利用してトナー量検知を行う。尚、これは画像形成装置１００の動作環境を問わず成り立つ。

以上説明したように、本実施形態では、複数種類の電圧条件の交流電圧を印加し、交流電圧を印加したそれぞれのタイミングで検出電圧を測定する。そして、検出電圧の差分をもとにトナー量を判断する。このようにトナー量を算出すると、トナー供給部材が持つ回転方向の静電容量のばらつきを抑えることができる。したがって、トナー量を精度良く検知することができる。

〔第２実施形態〕
供給ローラ２４のばらつきを抑えるために、第１実施形態のようにピーク間電圧Ｖｐｐを変化させる方法と同様の理論で、交流バイアスの周波数ｆを変化させることも可能である。

第１実施形態から、検出電圧ΔＶと現像容器２１内のトナー量に相関があることを踏まえ、周波数ｆを変化させた場合を考える。ｆ＝５０ｋＨｚを基準として、周波数を変動させ、上記と同じ方法で測定した結果を図１５に示す。図１５は周波数を変えた時の検出電圧とトナー量の関係を示すグラフである。

図１５に示すように、検出電圧ΔＶに対してトナー量をプロットすると、周波数によって、検出電圧ΔＶとトナー量は相関関係があることが分かる。つまり、周波数が高くなれば、検出電圧ΔＶも高くなる。このように、検出電圧ΔＶは、周波数と相関関係があるため、周波数に応じて検出電圧ΔＶの増加量は異なることが分かる。したがって、周波数を変化させることで、得られる検出電圧ΔＶが変わる。以上から、トナー充填量が多い時と少ない時とで、周波数の変化分に伴う、異なる周波数間の検出電圧ΔＶの差分に対する変化量が異なる。

このため、本実施形態では、供給ローラ２４を回転させることなく、静止状態で周波数を変化させ、その検出電圧ΔＶの差分を算出する。この算出結果を基にトナー量を判断する。この検出手段を用いることにより、第１実施形態と同様に、供給ローラ２４の持つばらつきを抑制することができるようになり、検出精度の向上に寄与する。

以下に、実際に本実施形態の方法を用いてトナー量検知を行った結果を示す。

現像容器２１内のトナー量が既知の現像容器を３種類（Ｔ_Ｆｕｌｌ、Ｔ_ＯＵＴ、Ｔ_０）用意する。そして、予め供給ローラ２４内にトナーを充分含ませた状態で、トナー量検知を行う。以下に、詳細な手段を説明する。

まず、実際に、本実施形態に係る方法により供給ローラ２４の回転方向のばらつきをキャンセルすることができることを調査・確認した。

上述の各々の現像容器２１に対して、所定の交流バイアスを印加し、検出電圧ΔＶを得る。この時の周波数をｆ_１１、検出電圧をＶ_１１とする。続いて、供給ローラ２４及び現像ローラ２３を回転させず、同じ位置、姿勢で、交流バイアスの周波数ｆをＶ_１１の測定時と異なる条件（ｆ_１２）に設定する。

設定後、Ｖ_１１測定時と同様にして、検出電圧Ｖ_１２を測定する。この時の周波数をｆ_１２とする。以上のように、供給ローラ２４の静止状態で２値を取り、その差分Δを算出する。供給ローラ２４及び現像ローラ２３の位相を変えた後、同様の操作を行う。これを５回繰り返す。この時のＶ_１１、Ｖ_１２、｜Ｖ_１１−Ｖ_１２｜のばらつきを比較した。この検討でのｆ_１１＝５０ｋＨｚ、ｆ_１２＝４０ｋＨｚとした。

各々のトナー量に対して、５回測定のばらつき結果を図１６に示す。図１６は第２実施形態における周波数を変えた時とその差分を取った時のばらつきを比較したグラフである。

第２実施形態の方法でも、供給ローラ２４のみの検出電圧のばらつきΔＶ_１１、ΔＶ_１２よりも、Δ（｜Ｖ_１１−Ｖ_１２｜）を算出することにより、ばらつきを低減させることができた。また、本実施形態の方法は供給ローラ２４内のトナー量に関わらず、効果を発揮した。この理論的な解釈は第１実施形態に記載した記述と同様である。

次に、第２実施形態の方法を用いて、トナー量検知を行うために、トナー量と検出電圧ΔＶの差分ΔＶＤ２との関係性を説明する。

上述の結果から得られた｜Ｖ_１１−Ｖ_１２｜の値をトナー量ごとに比較した。現像容器２１内のトナー量による、検出電圧ΔＶの差分ΔＶＤ２＝Ｔ_Ａ（｜Ｖ_１１−Ｖ_１２｜）−Ｔ_Ｂ（｜Ｖ_１１−Ｖ_１２｜）の変化率を示した結果を図１７に示す。図１７は第２実施形態における周波数変化から得られた差分ΔＶＤ２を取った時のトナー量との関係を示したグラフである。

図１７では、Ｖ_１１としてｆ＝５０ｋＨｚの時の検出電圧ΔＶを示しており、Ｖ_１２はｆ＝４０ｋＨｚの時の検出電圧ΔＶを示している。この時の差分ΔＶＤ２を算出している。

つまり、まず、現像容器内のトナー量Ｔ_ＦｕｌｌとＴ_ＯＵＴで比較した時、その差分｜Ｖ_１１−Ｖ_１２｜の差ΔＶＤｃ＝ΔＴ_Ｆｕｌｌ−Ｔ_ＯＵＴ＝｜Ｔ_Ｆｕｌｌ（｜Ｖ_１１−Ｖ_１２｜）−Ｔ_ＯＵＴ（｜Ｖ_１１−Ｖ_１２｜）｜を求める。そして、Ｔ_ＦｕｌｌとＴ_０とのΔＶＤｄ＝Ｔ_Ｆｕｌｌ−Ｔ_０＝｜Ｔ_Ｆｕｌｌ（｜Ｖ_１１−Ｖ_１２｜）−Ｔ_０（｜Ｖ_１１−Ｖ_１２｜）｜を求める。すると、この結果から、｜Ｖ_１−Ｖ_２｜はトナー量に依存し、且つΔＶＤｃよりもΔＶＤｄの方が大きくなることが分かる。

したがって本実施形態では、周波数を変化させ、トナー量によってΔＶＤ２が変化することを利用してトナー量検知を行う。

以上説明したように、本実施形態では、複数の周波数条件の交流電圧を印加し、交流電圧を印加したそれぞれのタイミングで検出電圧を測定する。そして、検出電圧の差分をもとにトナー量を判断する。このようにトナー量を算出すると、トナー供給部材が持つ回転方向の静電容量のばらつきを抑えることができる。したがって、ユーザーにトナー量を精度良く検知することができる。

〔他の実施形態〕
第１実施形態、第２実施形態は必ずしも単独で行う必要はない。即ち、Ｖｐｐおよび周波数を同時に変えて２値を算出しても良い。

第１実施形態では、印加するピーク間電圧ＶｐｐのΔを大きくすると、より大きなΔＶＤを確保できることが分かっている。そして、第２実施形態の交流バイアスの周波数に関しても同様のことが成り立つ。このため、Ｖｐｐ、周波数ともにΔＶＤを大きく取るような条件を選択することにより、第１実施形態、第２実施形態に比べて、さらに得られる差分Δが大きくなる。すなわち、第１実施形態及び第２実施形態における算出方法を組み合わせることによって、トナー量検知をさらに精度良く行うことができる。

また、前述した実施形態における検出電圧ΔＶの差分ΔＶＤを算出する際に、異なる２値を採用しているが、これに限るものではない。例えば、異なるピーク間電圧Ｖｐｐ及び周波数ｆを選択すれば、２値に限らず３値以上でも良い。

２…感光体ドラム
２０…現像装置
２１…現像容器
２３…現像ローラ
２４…供給ローラ
２８…芯金
２９…芯金
５０…トナー量測定装置
５４…電圧検知回路
５５…電圧印加手段
１００…画像形成装置

Claims (4)

1. 像担持体と、現像容器内のトナーをトナー供給部材からトナー担持体に供給し前記トナー担持体により前記像担持体に対してトナーを供給する現像手段と、を有する画像形成装置において、
   前記トナー担持体に設けられた第一電極部材又は前記トナー供給部材に設けられた第二電極部材の一方に交流電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記第一電極部材又は前記第二電極部材の他方に誘起される交流電圧を整流して検知する電圧検知回路と、
   前記電圧印加手段によって複数種類の交流電圧を印加して前記電圧検知回路で検知された複数の出力電圧の差分により前記現像容器内のトナー量を測定するトナー量測定手段と、
   を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記トナー量測定手段は、前記トナー供給部材が静止した状態において、前記現像容器内のトナー量を測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。
3. 前記電圧印加手段により印加される複数種類の交流電圧は、複数のピーク間電圧であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像形成装置。
4. 前記電圧印加手段により印加される複数種類の交流電圧は、複数の周波数であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の画像形成装置。

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