JP6380850B2 - トナー量検出装置、画像形成装置及びトナー量検出装置の調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、画像形成装置に使用されるトナー量検出装置、特に磁性トナーを用いた画像形成装置に使用されるトナー量検出装置に関する。

磁性トナーを用いた画像形成装置（たとえばプリンター、多機能プリンター、又は複合機（Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ）は、現像器内の粉体トナー量を検出するトナー量検出装置を備えている。トナー量検出装置は、一般に一定の周波数のクロックを発振する発振回路とその周波数に共振する共振回路を有している。トナー量検出装置は、元の発振周波数と共振した周波数の２つの位相を比較してその位相差を利用してトナー量を検出する。共振回路では、発振する源周波数に合わせてコイルインダクタンスやコンデンサ容量が設定されている。ところが、コイルのインダクタンス値は、コイル部品自体のばらつきによって変動する。このような問題に対して、特許文献１は、掃引発振回路が確実に動作することを容易に検査する掃引発振回路を提案している。

特開２０１２−１２３２０２号公報

しかし、コイル部品自体のばらつきによってコイルのインダクタンス値が変動し、共振回路が予め設定される仕様の範囲内とならなかった場合に、共振回路を仕様の範囲内とするための方法については十分に検討されていなかった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、コイルのインダクタンス値の変動を補償する技術を提供することを目的とする。

本発明のトナー量検出装置は、画像形成装置が有する現像部に格納されている磁性トナーの量を検出する。トナー量検出装置は、一定の周波数の源電気信号を生成する発振回路と、前記磁性トナーの量に応じてインダクタンスが変動するように配置されているコイルと、静電容量を調整可能なコンデンサ回路とを有し、前記源電気信号に共振して共振信号を生成する共振回路と、前記源電気信号と前記共振信号の位相差を検出し、前記検出された位相差に応じて位相差信号を生成する位相比較部と、前記位相差信号を積分して前記検出に使用される出力信号を生成する積分回路部とを備え、前記コンデンサ回路は、バリキャップを有し、前記バリキャップに印加される電位に応じて前記静電容量を所定の範囲で調整可能に構成されている。

上記のトナー量検出装置において、さらに、前記バリキャップに印加される電位を制御して前記コンデンサ回路の静電容量を調整する制御部を備え、前記制御部は、前記所定の範囲における前記出力信号の最大値に対して予め設定されている係数を乗じて調整用の基準値を決定するようにしてもよい。

上記のトナー量検出装置において、さらに、前記出力信号に応じた電圧のアナログ電圧信号を生成する増幅部と、前記バリキャップに印加される電位を制御して前記コンデンサ回路の静電容量を調整する制御部と、を備え、前記制御部は、前記所定の範囲における前記アナログ電圧信号の最大値に対して予め設定されている係数を乗じて調整用の基準値を決定するようにしてもよい。

本発明の画像形成装置は、上記のトナー量検出装置を有する。

本発明の調整方法は、画像形成装置が有する現像部に格納されている磁性トナーの量を検出する。トナー量検出装置の調整方法は、前記トナー量検出装置は、一定の周波数の源電気信号を生成する発振回路と、前記磁性トナーの量に応じてインダクタンスが変動するように配置されているコイルと、静電容量を調整可能なコンデンサ回路とを有し、前記源電気信号に共振して共振信号を生成する共振回路と、前記源電気信号と前記共振信号の位相差を検出し、前記検出された位相差に応じて位相差信号を生成する位相比較部と、前記位相差信号を積分して前記検出に使用される出力信号を生成する積分回路部とを備え、前記コンデンサ回路は、バリキャップを有し、前記バリキャップに印加される電位に応じて前記静電容量を所定の範囲で調整可能に構成され、前記調整方法は、前記所定の範囲において前記出力信号が最大値になるように前記静電容量を設定する工程と、前記最大値に出力信号に対して予め設定されている係数を乗じた値を調整用の基準値に決定する工程と、を備える。

本発明によれば、コイルのインダクタンス値の変動を補償することができる。

本発明の第１実施形態に係るトナー量検出装置の機能構成を示すブロックダイアグラムである。 第１実施形態に係るトナー量検出装置の回路図である。 比較例と第１実施形態に係るトナー量検出装置の出力特性を示すグラフである。 第１実施形態に係るトナー量検出装置の調整手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態に係るトナー量検出装置の機能構成を示すブロックダイアグラムである。 第２実施形態に係るトナー量検出装置の回路図である。 第２実施形態に係るトナー量検出装置の処理内容を示すフローチャート。

以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）を、図面を参照して以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ｂ．第２実施形態：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態に係るトナー量検出装置１の機能構成を示すブロックダイアグラムである。トナー量検出装置１は、画像形成装置が有する現像部に格納されている磁性トナーの量を検出する。トナー量検出装置１は、源発振回路部１０と、共振回路部２０と、位相比較部３０と、積分回路部４０と、増幅部５０と、周波数調整回路６０と、制御部９０とを備えている。源発振回路部１０は、予め設定されている周波数と振幅の源矩形波Ｐｓを発振する。共振回路部２０は、源矩形波Ｐｓに対して位相差Ｐｄを有する共振矩形波Ｐｒを生成する。位相差Ｐｄは、磁性トナーＭＴの量に応じて変化するが、その詳細については後述する。

位相比較部３０は、源矩形波Ｐｓと共振矩形波Ｐｒの真偽値（ここでは、高電位を真、低電位を偽とする値）の論理的排他和としての位相差パルスＰｃを出力する。具体的には、位相差パルスＰｃは、源矩形波Ｐｓと共振矩形波Ｐｒのいずれか一方のみが真の場合（相互に真偽が相違する場合）に真（高電位）となり、源矩形波Ｐｓと共振矩形波Ｐｒの双方が真あるいは偽の場合（相互に真偽が一致する場合）に偽（低電位）となる。源矩形波Ｐｓは、源電気信号とも呼ばれる。位相差パルスＰｃは、位相差信号とも呼ばれる。共振矩形波Ｐｒは、共振信号のとも呼ばれる。

積分回路部４０は、位相差パルスＰｃの高電位の時間を積算（積分）して検出可能な信号にする。増幅部５０は、トナー量の検出における後段の処理に適した電圧レベルに変換する。周波数調整回路６０は、共振回路部２０の特性を調整する。

制御部９０は、ＲＡＭやＲＯＭ等の主記憶手段、及びＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の制御手段を備えている。また、制御部９０は、各種Ｉ／Ｏ、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）、バス、その他バードウェア等のインターフェイスに関連するコントローラ機能を備え、トナー量検出装置１全体を制御する。制御部９０は、非一時的な記録媒体であるハードディスクドライブやフラッシュメモリー等からなる記憶装置で、制御部９０が実行する処理の制御プログラムやデータを記憶する記憶部（図示せず）を備えている。

図２は、第１実施形態に係るトナー量検出装置１の回路図である。図２は、特に共振回路部２０と周波数調整回路６０の回路構成を詳細に図示している。共振回路部２０は、インバータＶと、２個のコンデンサＣ１，Ｃ２と、磁気的に結合された２個のコイルＬ１，Ｌ２とを備えている。２個のコイルＬ１，Ｌ２は、磁性トナーＭＴの量に応じて、その近傍の透磁率が変化してインダクタンスが変動するように配置されている。

インバータＶは、源矩形波Ｐｓの位相を反転（１８０度シフト）する。２個のコンデンサＣ１，Ｃ２は、それぞれ電圧の位相を９０度進めて逆位相とする。インバータＶは、源矩形波Ｐｓの位相を反転（１８０度シフト）するので、２個のコンデンサＣ１，Ｃ２による位相の変化を相殺することができる。

コイルＬ１は、インバータＶとコンデンサＣ１と第１共振回路（ＬＣ回路）を構成している。第１共振回路では、源発振回路部１０がインバータＶの入力に接続され、インバータＶの出力がコンデンサＣ１の一方の電極に接続され、コンデンサＣ１の他方の電極にコイルＬ１の一方の電極に接続され、コイルＬ１の他方の電極が接地されている。すなわち、インバータＶと、コンデンサＣ１と、コイルＬ１とで直列回路が構成されている。

コイルＬ２は、コイルＬ１と磁気的に結合され、コンデンサＣ２と周波数調整回路６０とで第２共振回路（ＬＣ回路）を構成している。コイルＬ２の一方の電極は接地され、コイルＬ２の他方の電極はコンデンサＣ２の一方の電極と周波数調整回路６０の一方の電極とに接続されている。コンデンサＣ２の他方の電極は、位相比較部３０の入力に接続されている。周波数調整回路６０の他方の電極は、接地されている。コイルＬ２は、周波数調整回路６０の静電容量とコンデンサＣ２の静電容量の和に相当する合成容量とＬＣ回路を構成していることになる。なお、周波数調整回路６０の静電容量とコンデンサＣ２の並列回路は、コンデンサ回路とも呼ばれる。

周波数調整回路６０は、バリキャップ６１と、第１コンデンサ６２と、第２コンデンサ６３とを備えている。バリキャップ６１の一方の電極と第１コンデンサ６２の一方の電極は、いずれも接地されている。バリキャップ６１の他方の電極と第１コンデンサ６２の他方の電極は、いずれも第２コンデンサ６３の一方の電極に接続されている。第２コンデンサ６３の他方の電極は、コンデンサＣ２とともにコイルＬ２に接続されている。すなわち、バリキャップ６１は、第１コンデンサ６２と並列に接続されている。バリキャップ６１と第１コンデンサ６２とで構成される並列回路は、第２コンデンサ６３と直列回路を構成している。

バリキャップ６１と第２コンデンサ６３との接続点Ｊには、制御部９０の出力端子が接続されている。バリキャップ６１は、制御部９０が接続点Ｊに印加する制御電圧によって静電容量が変化する。具体的には、バリキャップ６１の静電容量は、制御電圧の平方根に反比例する。このように、周波数調整回路６０は、制御部９０から制御電圧によって操作可能な可変の静電容量を有している。これにより、第２共振回路（ＬＣ回路）は、制御部９０によって特性を調整できることになる。

２個のコイルＬ１，Ｌ２は、近傍に配置されている磁性トナーＭＴの量に応じて源矩形波Ｐｓと共振矩形波Ｐｒとの間に位相差Ｐｄを生じさせる。位相差Ｐｄは、積分回路部４０で積算され、さらに、増幅部５０において、トナー量の検出における後段の処理に適した電圧レベルに増幅される。このようにして、トナー量検出装置１は、位相差Ｐｄに応じて変動する電圧を出力する（出力電圧）。出力電圧は、出力信号とも呼ばれる。

図３は、比較例と第１実施形態に係るトナー量検出装置１の出力特性を示すグラフである。図３（ａ）は、比較例は基準値電圧の調整を行わなかった場合の出力特性を示すグラフである。図３（ｂ）は、第１実施形態は基準値電圧の調整を行った場合の出力特性を示すグラフである。横軸は、バリキャップ６１の静電容量Ｃｖを示し、縦軸は、トナー量検出装置１の出力電圧を示している。本実施形態では、バリキャップ６１の静電容量を変化させることによって、曲線ＣＨ及び曲線ＣＬの特性カーブにおいて横軸の任意の点が利用できることになる。

曲線ＣＨは、コイルＬ２のインダクタンスＬとコンデンサＣ２の静電容量Ｃの積が個体ばらつきで過大な場合の特性を示している。曲線ＣＬは、コイルＬ２のインダクタンスＬとコンデンサＣ２の静電容量Ｃの積が個体ばらつきで過小な場合の特性を示している。

図３（ａ）において、曲線ＣＨの領域Ｒ１に着目する。領域Ｒ１では、調整のための基準電圧Ｖｒｅｆの近傍において調整感度Ｓ１（接線Ｓ１の傾斜）が過度に大きいことが分かる。すなわち、バリキャップ６１の静電容量Ｃｖ１近傍における静電容量Ｃｖの微少な変化によって出力電圧が基準電圧Ｖｒｅｆの近傍において過度に大きく変化するため調整が困難である。

図３（ａ）において、曲線ＣＬの領域Ｒ２に着目する。領域Ｒ２では、バリキャップ６１の静電容量Ｃｖの調整によって出力電圧を基準電圧Ｖｒｅｆに到達させることができない。すなわち、曲線ＣＬは、基準電圧Ｖｒｅｆに調整できないことを意味している。

図３（ｂ）において、曲線ＣＨの領域Ｒ１Ａに着目する。領域Ｒ１Ａでは、調整のための基準電圧ＶｒｅｆＡが基準電圧Ｖｒｅｆよりも高く設定されているので、基準電圧ＶｒｅｆＡの近傍において調整感度Ｓ１Ａ（接線Ｓ１Ａの傾斜）が適切であることが分かる。すなわち、バリキャップ６１の静電容量Ｃｖの変化によって出力電圧が基準電圧ＶｒｅｆＡの近傍において適切に変化するので、調整が容易である。

図３（ｂ）において、曲線ＣＬの領域Ｒ２Ｂに着目する。領域Ｒ２Ｂでは、調整のための基準電圧ＶｒｅｆＢが基準電圧Ｖｒｅｆよりも低く設定されているので、バリキャップ６１の静電容量Ｃｖの調整によって出力電圧を基準電圧ＶｒｅｆＢに到達させることがでる。すなわち、曲線ＣＬは、基準電圧ＶｒｅｆＢに調整可能となっていることを意味している。さらに、基準電圧ＶｒｅｆＢの近傍において調整感度Ｓ１Ｂ（接線Ｓ１Ａの傾斜）が適切であることも分かる。すなわち、バリキャップ６１の静電容量Ｃｖの変化によって出力電圧が基準電圧ＶｒｅｆＢの近傍において適切に変化するので、調整が容易である。

図４は、第１実施形態に係るトナー量検出装置１の調整手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１では、トナー量検出装置１の出力電圧を最大とする。トナー量検出装置１の最大出力電圧は、バリキャップ６１の静電容量Ｃｖを最小（制御電圧＝０Ｖ）とすることによって、あるいは掃引で探索することによって得られる。ステップＳ１２では、最大出力電圧を取得する。ステップＳ１３では、最大出力電圧の所定の係数（たとえば８０％）を乗じる。所定の係数は、図３に示される出力特性のグラフの形状によって予め設定することができる。ステップＳ１４では、絶対値補正が行われる。絶対値補正は、所定の係数を乗じて得られた電圧に基づいて行われる。

このように、第１実施形態では、バリキャップ６１の静電容量Ｃｖを変化と、基準電圧の設定によってトナー量検出装置１の出力特性の任意の点を利用することができる。これにより、２個のコイルＬ１，Ｌ２のインダクタンスの個体ばらつきを吸収するとともに、調整作業を行いやすい傾斜を有する部分を有効利用して調整作業の負担を軽減し、２個のコイルＬ１，Ｌ２のインダクタンスの個体ばらつきに起因する不良を低減して歩留まりを向上させることもできる。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、本発明の第２実施形態に係るトナー量検出装置１ａの機能構成を示すブロックダイアグラムである。図６は、第２実施形態に係るトナー量検出装置１ａの回路図である。第２実施形態に係るトナー量検出装置１ａは、切替スイッチ７０を有する点で第１実施形態に係るトナー量検出装置１と相違し、他の構成で共通する。切替スイッチ７０は、共振矩形波Ｐｒの出力先を位相比較部３０と制御部９０とのいずれかに切り替えることができる。

図７は、第２実施形態に係るトナー量検出装置１ａの処理内容を示すフローチャートである。ステップＳ２１では、トナー量検出装置１ａを備える画像形成装置の電源が投入される。ステップＳ２２では、制御部９０は、切替スイッチ７０を操作して共振回路部２０を制御部９０に接続する。これにより、制御部９０は、共振回路部２０の共振矩形波Ｐｒと源矩形波Ｐｓとを入力可能な状態となる。

ステップＳ２３では、制御部９０は、共振矩形波Ｐｒの周波数である共振周波数（ｆ）を測定する。共振周波数（ｆ）の測定は、たとえば予め設定された時間内のパルス数をカウントすることによって行うことができる。源矩形波Ｐｓの周波数である源発振周波数（Ｆ）についても同様に計測される。

ステップＳ２４では、制御部９０は、源矩形波Ｐｓの周波数である源発振周波数（Ｆ）と共振矩形波Ｐｒの周波数である共振周波数（ｆ）とを比較する。源発振周波数（Ｆ）と共振周波数（ｆ）とが一致しない場合には、処理がステップＳ２５に進められる。ここで、「一致」とは、必ずしも厳密に一致することを意味せず、予め想定されている誤差（公差）の範囲内であることを意味する。

ステップＳ２５では、制御部９０は、バリキャップ６１の静電容量Ｃｖを調整し、処理をステップＳ２３に戻す。この処理を繰り返すことにより、共振周波数（ｆ）と源発振周波数（Ｆ）とを一致させることができる。共振周波数（ｆ）と源発振周波数（Ｆ）とが一致すると、処理がステップＳ２６に進められる。

ステップＳ２６では、制御部９０は、切替スイッチ７０を操作して共振回路部２０を位相比較部３０に接続する。これにより、トナー量検出装置１ａは、第１実施例と同様にトナー量に応じた出力電圧を出力して、トナー量の計測を可能とすることができる。ステップＳ２７では、制御部９０は、一定の環境変化（たとえば温度変化）を検出したとき、及び経時的な変化に基づいて処理をステップＳ２３に戻す。このように、ステップＳ２３は、予め設定されている条件に基づいて処理をステップＳ２３に戻す。

このように、第２実施形態では、共振矩形波Ｐｒの周波数である共振周波数（ｆ）を源矩形波Ｐｓの周波数である源発振周波数（Ｆ）に自動的に一致させることができるので、出力電圧を調整する場合よりも部品や回路の特性ばらつきを排除してトナー量検出の精度をさらに向上させることができる。さらに、ＣＰＵで構成可能な制御部９０によって、バリキャップ６１の静電容量Ｃｖを調整して共振周波数（ｆ）を制御することができるので、簡易な構成で実現可能である。

本発明は、上記各実施形態だけでなく、以下のような変形例でも実施することができる。

Ｃ．変形例：
変形例１：上記各実施形態では、第１実施例と第２実施例は、単独で構成されているが、組み合わせることも可能である。第１実施例及び第２実施例は、それぞれ単独でも組み合わせても構成可能である。

変形例２：上記各実施形態では、増幅部５０で増幅したアナログ電圧値を使用して磁性トナーの量を検出しているが、たとえば増幅部５０を使用することなく、デジタル処理のみで磁性トナーの量を検出するようにしてもよい。

変形例３：上記各実施形態では、電気信号として矩形波を使用しているが、他の波形、たとえば正弦波を使用してもよい。ただし、矩形波を使用すれば、位相差の検知等を簡易に実装することができるという利点がある。

１、１ａ トナー量検出装置
１０ 源発振回路部
２０ 共振回路部
３０ 位相比較部
４０ 積分回路部
５０ 増幅部
６０ 周波数調整回路
６１ バリキャップ
６２ 第１コンデンサ
６３ 第２コンデンサ
７０ 切替スイッチ
９０ 制御部

Claims (4)

1. 画像形成装置が有する現像部に格納されている磁性トナーの量を検出するトナー量検出装置であって、
   一定の周波数の源電気信号を生成する発振回路と、
   前記磁性トナーの量に応じてインダクタンスが変動するように配置されているコイルと、静電容量を調整可能なコンデンサ回路とを有し、前記源電気信号に共振して共振信号を生成する共振回路と、
   前記源電気信号と前記共振信号の位相差を検出し、前記検出された位相差に応じて位相差信号を生成する位相比較部と、
   前記位相差信号を積分して前記検出に使用される出力信号を生成する積分回路部と、
   を備え、
   前記コンデンサ回路は、バリキャップを有し、前記バリキャップに印加される電位に応じて前記静電容量を所定の範囲で調整可能に構成され、
   前記トナー量検出装置は、さらに前記バリキャップに印加される電位を制御して前記コンデンサ回路の静電容量を調整する制御部を備え、
   前記制御部は、前記所定の範囲における前記出力信号の最大値に対して予め設定されている係数を乗じて調整用の基準値を決定するトナー量検出装置。
2. 画像形成装置が有する現像部に格納されている磁性トナーの量を検出するトナー量検出装置であって、
   一定の周波数の源電気信号を生成する発振回路と、
   前記磁性トナーの量に応じてインダクタンスが変動するように配置されているコイルと、静電容量を調整可能なコンデンサ回路とを有し、前記源電気信号に共振して共振信号を生成する共振回路と、
   前記源電気信号と前記共振信号の位相差を検出し、前記検出された位相差に応じて位相差信号を生成する位相比較部と、
   前記位相差信号を積分して前記検出に使用される出力信号を生成する積分回路部と、
   前記出力信号に応じた電圧のアナログ電圧信号を生成する増幅部と、
   を備え、
   前記コンデンサ回路は、バリキャップを有し、前記バリキャップに印加される電位に応じて前記静電容量を所定の範囲で調整可能に構成され、
   前記トナー量検出装置は、さらに前記バリキャップに印加される電位を制御して前記コンデンサ回路の静電容量を調整する制御部を備え、
   前記制御部は、前記所定の範囲における前記アナログ電圧信号の最大値に対して予め設定されている係数を乗じて調整用の基準値を決定するトナー量検出装置。
3. 画像形成装置であって、
   請求項１又は２に記載のトナー量検出装置を有する画像形成装置。
4. 画像形成装置が有する現像部に格納されている磁性トナーの量を検出するトナー量検出装置の調整方法であって、
   前記トナー量検出装置は、
   一定の周波数の源電気信号を生成する発振回路と、
   前記磁性トナーの量に応じてインダクタンスが変動するように配置されているコイルと、静電容量を調整可能なコンデンサ回路とを有し、前記源電気信号に共振して共振信号を生成する共振回路と、
   前記源電気信号と前記共振信号の位相差を検出し、前記検出された位相差に応じて位相差信号を生成する位相比較部と、
   前記位相差信号を積分して前記検出に使用される出力信号を生成する積分回路部と、を備え、
   前記コンデンサ回路は、バリキャップを有し、前記バリキャップに印加される電位に応じて前記静電容量を所定の範囲で調整可能に構成され、
   前記調整方法は、
   前記所定の範囲において前記出力信号が最大値になるように前記静電容量を設定する工程と、
   前記出力信号の最大値に対して予め設定されている係数を乗じた値を調整用の基準値に決定する工程と、を備えるトナー量検出装置の調整方法。