JP2010271573A - 画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 中間転写体(ITB)や感光体ドラムの下地の汚れや傷によっても高い濃度検知性能を保ち、安定した濃度制御を行うことのできる画像形成装置を提供することにある。
【解決手段】 トナー画像を形成する画像形成手段と、該画像形成手段により形成されたトナー画像を搬送する画像搬送体となる中間転写体54と、該中間転写体54に形成されたトナー画像に向けて周波数が0.1THz以上30THz以下の電磁波を照射する電磁波照射手段となる電磁波発生器551と、該電磁波発生器551による電磁波照射に伴い中間転写体54を透過した電磁波を検出する電磁波検出手段となる電磁波検出器552と、該電磁波検出器552の出力に応じて画像形成手段の画像形成条件を調整する調整手段となる画像形成制御部90とを有して構成したことを特徴とする。
【選択図】 図5
【解決手段】 トナー画像を形成する画像形成手段と、該画像形成手段により形成されたトナー画像を搬送する画像搬送体となる中間転写体54と、該中間転写体54に形成されたトナー画像に向けて周波数が0.1THz以上30THz以下の電磁波を照射する電磁波照射手段となる電磁波発生器551と、該電磁波発生器551による電磁波照射に伴い中間転写体54を透過した電磁波を検出する電磁波検出手段となる電磁波検出器552と、該電磁波検出器552の出力に応じて画像形成手段の画像形成条件を調整する調整手段となる画像形成制御部90とを有して構成したことを特徴とする。
【選択図】 図5
Description
本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリ、もしくはこれらの機能を複数備えた複合機等の画像形成装置に関する。
従来より、電子写真プロセスを用いて画像を形成する画像形成装置において、出力画像の濃度を安定化させるため、濃度センサにより出力画像の濃度を検出し、この濃度検出結果に応じて画像形成条件を調整することが行なわれている。具体的には、画像濃度の制御に関しては、感光体上若しくは中間転写ベルト等の中間転写体(以下、「ITB」という)上に濃度パッチを形成する。これを濃度検知センサで読み取って、高電圧印加条件やレーザパワーといったプロセス形成条件にフィードバックすることによって各色の最大濃度、ハーフトーン階調特性を合わせる手段が用いられている。
従来、一般的には濃度検知センサは、濃度パッチを可視光源で照射し、反射光の強度を受光センサで検知する。その反射光強度の信号はA/D変換された後、その値に応じて、プロセス条件(帯電条件や現像条件)にフィードバックされる。
画像濃度制御は、各色の最大濃度を一定に保つこと(以下、「Dmax制御」と称す)と、ハーフトーンの階調特性を画像信号に対してリニアに保つこと(以下、「Dhalf制御」と称す)を目的とする。Dmax制御は、各色のカラーバランスを一定に保つことと同時に、トナーの載りすぎによる色重ねした文字の飛び散りや、定着不良を防止する意味合いも大きい。
Dmax制御は、プロセス条件を変えて形成した複数の濃度パッチを、濃度検知センサで検知する。濃度検知センサは一般に光学センサにより構成される。すなわち、濃度パッチを可視光源で照射し、反射光強度を受光センサで検知することで、濃度を検知する。複数パッチの測定結果から所望の最大濃度を得られる条件を計算し、プロセス条件(ここでは特に現像バイアス)を変更する。
ここで、濃度パッチはハーフトーンで形成するのが、結果として好ましい場合が多い。その理由は、いわゆるベタ画像を検知した場合、トナー量の変化に対するセンサ出力の変化の幅が小さくなってしまい、十分な検知精度が得られないからである。
一方、Dhalf制御は、電子写真特有の非線形的な入力特性(γ特性)によって、入力画像信号に対して出力濃度がずれて自然な画像が形成できないことを防止するため、γ特性を打ち消して入出力特性をリニアに保つような画像処理を行う。具体的には、入力画像信号が異なる複数の濃度パッチを光学センサで検知して、入力画像信号と濃度の関係を得る。その関係からホストコンピュータからの入力画像信号に対して所望の濃度が出るよう、画像形成装置に入力する画像信号を、画像形成装置のコントローラにより変換する。このDhalf制御はDmax制御により画像形成条件を決定した後に行うのが一般的である。
濃度検知センサは、濃度パッチを光源で照射し、反射光強度を受光センサで検知するのが一般的であると前述したが、その方式は次の2つの方式に大別される。(1)反射光の乱反射光成分を検知する方式と、(2)反射光の正反射光成分を検知する方式である。
まず、(1)の乱反射光成分を検知する方式について詳述する。乱反射光成分とは、色として感じる反射の成分であり、その乱反射光量は、図1(a)に示すように、濃度パッチの色材の量、すなわちトナー量の増加に応じて増大する特徴がある。また、乱反射光は図1(b)に示すように濃度パッチから全方向にまんべんなく拡散することもその特徴である。乱反射光成分を検知するタイプのセンサは、後述する正反射光成分の影響を除くために、図1(c)に示すように照射角αと受光角βが異なるよう構成される。
ところで、前述したような複数の感光体を持つ画像形成方式を用いる場合、濃度センサの数の低減を図るため、感光体上での濃度パッチの検知を行わず、ITB上で濃度パッチを検知し、1つの濃度センサで全色の濃度を検知することが考えられる。
ところがITBは紙搬送力や画像安定性を確保するために抵抗値の調整を行う必要があり、そのため、ポリイミドなどの樹脂中にカーボンブラックが分散され、ITBは黒色や濃い灰色となることが多い。従ってITB上の黒トナーの濃度を検知する場合、濃度パッチからも下地からも光が反射されず、乱反射光を検知するタイプの濃度センサでは黒トナーの検知ができない。
この問題を解決するために、特許文献1(米国特許第5103260号明細書)に開示されているような、有彩色画像の上に黒トナーの濃度パッチを形成し、乱反射光成分の減少量を検知することで黒トナーの濃度を検知する手法も提案されている。しかしながら、人間の視覚特性に対して敏感なハイライト領域の検知能力、及び、最大の反射光強度の差による検知精度の観点から、後述する正反射光を検知するタイプの濃度センサを用いる方が望ましい。
次に、光の正反射光成分を検知する方式について詳述する。正反射光を検知するタイプのセンサでは、図2(a)に示すように下地面の法線に対して照射角αと対称となる方向に反射される光を検知する。この反射光量は、下地の材質固有の屈折率と表面状態により決まる反射率に依存し、光沢として感じる。この光は、下地上にトナーが存在しない場合に最大となる。下地の上に濃度パッチが形成された場合、図2(b)に示すようにトナーのある部分では下地が隠され反射光が無くなる。したがって、濃度パッチのトナー量と反射光量の関係は図3(a)に示すように、トナー量の増加につれて反射光量は小さくなり、特に高濃度の領域では検出感度は飽和してしまっている。図3(b)には正反射光を検知するタイプの濃度センサの構成を示す。
正反射光を検知するタイプの濃度センサは、トナーからの反射光ではなく、下地からの反射光を主として検知するため、トナーの色によらず濃度検知を行うことができ、乱反射光を検知するタイプの濃度センサよりも有利である。また、一般的に正反射光成分の反射光量は乱反射光成分の反射光量よりも大きく、濃度センサの受光感度の面でも正反射光を検知するタイプの濃度センサの方が有利である。このため、照射光を小さくしなくてはならない感光体上で濃度検知を行う場合にも正反射光を検知するタイプの濃度センサを用いるのが望ましい。
ところで、正反射光を検知するタイプの濃度センサでは、使用に伴う下地(ITBや感光体)の汚れや傷により、反射光量も低下してしまう。その場合、そのままではパッチ濃度の誤検知になってしまう。それに対しては、あらかじめ測定した下地の反射光量で濃度パッチの反射光量を規格化した後、濃度情報に変換するなどの補正を行うことが有効となる。しかしながら、このような補正は、反射光量−濃度特性に直接影響を与えてしまい、使用による経時変化に伴いトナー量の検出感度は低下してしまう。にもかかわらず、下地の反射光量の変化が少ない場合には有効な手段であり、低コストであることから、実際に用いられることが多い。
また、正反射光を検知するタイプの濃度センサで、有彩色のトナーを検知した場合には問題が生じる。有彩色トナーの濃度パッチに光を照射した場合、トナー量の増加に応じて乱反射光が増加し、その反射光は全方向にまんべんなく拡散されることは前述した。したがって、濃度センサで検知される光は、図4(a)に示すように正反射光成分と乱反射光成分の和になる。このときのトナー量と反射光量の関係は、図4(b)に示す通り、正反射光の特性である細実線と乱反射の特性である破線の和になり、太実線のような負性特性(トナー量がある程度以上増加すると再び反射光量が増加し始める特性)を示す。このため、濃度検知に必要なリニアリティが得られず、高濃度側での濃度検知は不可能であった。
この問題を解決するために、特許文献2(特開平5−249787号公報)に開示されているような、乱反射光を検知する濃度センサもしくは受光素子と正反射光を検知する濃度センサもしくは受光素子を併設する。そして、有彩色トナーは乱反射光成分、黒トナーは正反射光成分で検知する方式が提案されている。または、特許文献3(特開平6−250480号公報)に開示されているような発光素子と受光素子の前に偏光板を設け、乱反射光成分と正反射光成分の偏光特性の違いを利用して正反射光成分のみを取り出す方式が提案されている。しかしながら、いずれの方式においても根本的に高濃度におけるセンサ出力の飽和を解決するには至っていない。
ここで正反射光を検知するタイプの濃度センサにおける課題をまとめておく。上記の説明より、使用に伴う下地の光沢変化に対策して、あらかじめ下地反射光量測定を行うことで補正を実施した場合には、補正により濃度−センサ出力特性が変化してしまい、パッチ濃度計測の精度が低下してしまうという課題がある。
一方、トナー量が多い領域においては、センサの感度が低下してしまい、正確なトナー量を測定し難い課題がある。
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、トナー画像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段により形成されたトナー画像を搬送する画像搬送体と、前記画像搬送体に形成されたトナー画像に向けて周波数が0.1THz以上30THz以下の電磁波を照射する電磁波照射手段と、前記電磁波照射手段による電磁波照射に伴い前記画像搬送体を透過した電磁波を検出する電磁波検出手段と、前記電磁波検出手段の出力に応じて前記画像形成手段の画像形成条件を調整する調整手段とを有することを特徴とする画像形成装置である。
また、請求項2に記載の発明は、トナー画像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段により形成されたトナー画像を搬送する画像搬送体と、前記画像搬送体に形成されたトナー画像に向けて周波数が0.1THz以上30THz以下の電磁波を照射する電磁波照射手段と、前記電磁波照射手段による電磁波照射に伴い前記画像搬送体にて反射された電磁波を検出する電磁波検出手段と、前記電磁波検出手段の出力に応じて前記画像形成手段の画像形成条件を調整する調整手段とを有することを特徴とする画像形成装置である。
本発明では、画像搬送体上に形成したトナー画像の検知精度を向上させるため、画像搬送体に形成されたトナー画像に向けて周波数が0.1THz以上30THz以下の電磁波を照射する電磁波照射手段を備える。更に、該電磁波照射手段による電磁波照射に伴い前記画像搬送体を透過した電磁波或いは前記画像搬送体にて反射された電磁波を検出する電磁波検出手段とを備える。そして、前記電磁波検出手段の出力に応じて前記画像形成手段の画像形成条件を調整する調整手段とを有することで、トナー量を高精度に測定することができる。その結果、経時によっても画像濃度の変動が少なく、カラー画像においては色合いの相違を生じさせない高品質な画像形成装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態を示して、本発明を詳細に説明する。
図5(a)に本実施形態による画像形成装置を示し、電子写真方式の画像形成プロセスについて説明する。まず、プロセスステーション内の画像形成プロセスについて説明する。説明はイエローのプロセスステーションを用いて行うが、他の色のステーションも同様である。図5(b)にプロセスステーションの構成を示す。トナー画像を搬送する画像搬送体となる感光体ドラム1Yは該感光体ドラム1Yを帯電する帯電手段となる帯電器2Yによって一様に帯電される。該帯電器2Yにより帯電された感光体ドラム1Yに画像情報に応じて露光する露光手段となる露光光学系3による走査光3Yで静電像を形成される。この静電像は現像手段となる現像装置4Yによってトナーを付着させることによって現像され、感光体ドラム1Y上にはトナー像が形成される。後に述べる転写プロセスで転写されなかった転写残トナーはクリーニング装置7Yにより掻き落とされ、回収トナー容器内に収容される。感光体ドラム1Y、帯電器2Y、露光光学系3、現像装置4Yによりトナー画像を形成する画像形成手段が構成される。
次に転写プロセスについて説明する。一般的に用いられる反転現像方式において、感光体ドラム1Yが例えば負極性のOPC(オーガニックフォトコンダクタ:有機光電導性)感光体の場合、露光部を現像する際には負極性トナーが用いられる。従って、転写ローラ52Yには不図示のバイアス電源よりも正極性の転写バイアスが印加される。ここで、転写ローラ52Yとしては低抵抗ローラを用いるのが一般的である。
図6(a)に画像形成装置における、制御部の一例を示すブロック図を示す。画像処理部91は、PC(パーソナルコンピュータ)99から受信したジョブを処理するための制御部である。画像形成制御部90は、画像形成に関する動作を制御する制御部である。いずれも、CPU(中央演算装置)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、ROM(リードオンリメモリ)またはASIC(Application Specific Integrated Circuit;特定用途向け集積回路)などから構成される。
画像処理部91はPC99から受信したページ記述言語のデータをRGB形式のビットマップ画像に展開する。そして、そのビットマップ画像に対して、カラーマッチング処理や色分解処理等を施し、最終的にはCMYK形式のデータに変換する。
画像処理部91から出力される、画像データは画像形成制御部90を経て、露光制御回路92に入力される。露光制御回路92は、入力された画像信号に応じて図5(a)中の露光光学系3から出力される露光光量を制御する。このようにして、感光体ドラム1Yの表面に静電像を形成する。
画像形成制御部90は画像形成に関する動作を行う各ユニットを統括的に制御する。高圧電源回路93は、画像形成制御部90によって決定されたプロセス条件(帯電条件や現像条件)に基づき、帯電器2Yや現像装置4Yに数100Vの高電圧を印加する。搬送制御回路94は、感光体ドラム1Yや転写ローラ52Yを画像形成制御部90により指定されたプロセススピードおよびタイミングで駆動する。
実際のプリントプロセスにおいては、感光体ドラム1Yからトナー画像が1次転写される。これと共にこれを転写材となるシートPへ2次転写するための画像搬送体となる中間転写体(以下、「ITB」と記す)54の移動速度と各プロセスステーションの転写位置間の距離を考慮する。そして、ITB54上に形成される各色のトナー像の位置が一致するタイミングでプロセスステーションでの画像形成を行う。そして、転写プロセス、ITB54の駆動、転写材となるシートPの搬送を行い、感光体ドラム1Y,1M,1C,1Bkを通過する間にITB54上にトナー像が形成される。完成したトナー像は、二次転写部53で、一括して転写材となるシートP上に転写される。シートP上のトナー像が完成された後、定着装置6に通され、シートP上にトナー像が定着される。なお、2次転写プロセスでシートPに転写されなかった転写残トナーはITBクリーニング装置57により掻き落とされ、回収トナー容器内に収容される。
ここで、本実施形態で用いられる現像剤について説明する。本実施形態は、現像剤に磁性キャリアと非磁性キャリアを用いた2成分現像方式で説明しているが、本発明の効果は、必ずしも2成分現像方式に限定されるわけでなく、1成分現像方式など他の電子写真方式においても、同様の効果を得ることができる。
本実施形態の磁性キャリアとしては、フェライト粒子をシリコーン樹脂でコートしたものを用いている。この磁性キャリアは240kA/mの印加磁場に対する飽和磁化が24Am2/kg、3000V/cmの電界強度における比抵抗が1×107〜8Ω・cm、重量平均粒径50μmである。そのほか、磁性キャリアとしては、バインダ樹脂と磁性金属酸化物および非磁性金属酸化物とを出発原料として、重合法により製造した樹脂磁性キャリアでも構わない。
非磁性トナーとしては、少なくともバインダ、着色剤、荷電制御剤から構成される。本実施形態ではバインダ樹脂としてスチレンアクリル系樹脂を使用するが、スチレン系、ポリエステル系、ポリエチレンなどの樹脂を使用することもできる。着色剤としては本実施形態ではフタロシアニンブルーを使用する。カーボンブラック、クロムイエロー、ハンザイエロー、ベンジジンイエロー、スレンイエロー、キノリンイエロー、パーメネントオレンジGTR、ピラゾロンオレンジ、バルカンオレンジが使用できる。また、ウオッチヤングレッド、パーマネントレッド、ブリリアンカーミン3B、ブリリアンカーミン6B、デイポンオイルレッド、ピラゾロンレッド、リソールレッド、ローダミンBレーキ、レーキレッドC、ローズベンガルが使用できる。また、アニリンブルー、ウルトラマリンブルー、カルコオイルブルー、メチレンブルークロライド、フタロシアニングリーン、マラカイトグリーンオクサレレートなどの種々の顔料や各種染料など、着色剤を1種単独で使用しても良い。また、複数種類を併せて使用しても良い。また、着色剤は特定のテラヘルツ波長の吸収帯を有する物質を選ぶのが良い。
荷電制御剤としては、必要に応じて補強のための帯電制御剤を含有しても良い。補強のための帯電制御剤としては公知のものが全て使用できる。例えばニグロシン系染料、トリフェニルメタン系染料、クロム含有金属錯体染料、モリブデン酸キレート顔料、ローダミン系染料、アルコキシ系アミンが使用できる。また、4級アンモニウム塩(フッ素変性4級アンモニウム塩を含む)、アルキルアミド、燐の単体または化合物、タングステンの単体または化合物、フッ素系活性剤、サリチル酸金属塩及び、サリチル酸誘導体の金属塩等である。これらの中から荷電制御剤の特定のテラヘルツ波長の吸収帯を有する物質を選んでも良い。
また、非磁性トナーはワックスや外添剤を含むものであっても良い。ワックスは定着時の定着部材からの離型性、定着性の向上のために含有される。ワックスとしては、パラフィンワックス、カルナバワックス、ポリオレフィンなどが使用でき、バインダ樹脂中に混錬分散させて使用する。あるいは、特定のテラヘルツ波長の吸収帯を有する物質をワックスに含有させても良い。
本実施形態においては、バインダ、着色剤、荷電制御剤、ワックスを混錬分散させた樹脂を、機械式粉砕機により粉砕したものを用いた。
外添剤粒子としては、アモルファスシリカに疎水性処理を施したものや、あるいは、酸化チタンや、チタン化合物等の無機酸化物微粒子が挙げられる。これらの微粒子をトナー母体に外添することで、トナーの紛体流動性や帯電量を制御するのが好適である。また、シリカやチタン化合物等の無機酸化物微粒子の中には特定のテラヘルツ波長の吸収帯を有するものもあり、これらをトナーに外添させても良い。外添剤粒子の粒径としては1nmから100nm程度のものが望ましい。本実施形態においては、平均粒径50nmの酸化チタンを重量比で0.5wt%、平均粒径2nmと100nmのアモルファスシリカをそれぞれ0.5wt%、1.0wt%づつ外添させたものを用いた。
以上のような構成のトナーの粒径を、シスメックス社製、粉体粒度画像解析装置FPIA―3000で測定したところ、重量平均粒径は5.7μmであった。磁性キャリアと非磁性トナーを重量比93:7(トナー濃度:7%)になるように混合したものを現像剤として用いた。
画像形成装置は、使用する温湿度条件やプロセスステーションの使用度合いにより、画像濃度が変動する。この変動を補正するために、画像濃度の制御が行われる。ここで、この画像濃度制御について説明する。画像濃度制御に関しては、感光体ドラム1Y,1M,1C,1Bk上若しくはITB54上に濃度パッチを形成する。これをテラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55で読み取って、高電圧印加条件やレーザパワーといったプロセス形成条件にフィードバックすることによって各色の最大濃度、ハーフトーン階調特性を合わせる手段が用いられている。
テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55は、濃度パッチを可視光源で照射し、反射光の強度を受光センサで検知する。その反射光強度の信号はA/D変換された後、画像形成制御部90で処理され、プロセス条件(帯電条件や現像条件)にフィードバックされる。
画像濃度制御は、各色の最大濃度を一定に保つこと(以下、「Dmax制御」と称す)と、ハーフトーンの階調特性を画像信号に対してリニアに保つこと(以下、「Dhalf制御」と称す)を目的とする。また、Dmax制御は、各色のカラーバランスを一定に保つことと同時に、トナーの載りすぎによる色重ねした文字の飛び散りや、定着不良を防止する意味合いも大きい。
Dmax制御は、プロセス条件を変えて形成した複数の濃度パッチを光学センサで検知し、その結果から所望の最大濃度を得られる条件を計算し、プロセス条件(ここでは特に現像バイアス)を変更する。
ここで、濃度パッチはハーフトーンで形成するのが、結果として好ましい場合が多い。その理由は、いわゆるベタ画像を検知した場合、トナー量の変化に対するセンサ出力の変化の幅が小さくなってしまい、十分な検知精度が得られないからである。
具体的にDmax制御の内容を図6(b)にフローチャートで示す。まず、クリーニングシーケンスが実行される。クリーニングシーケンスでは、ITBクリーニング装置57によりITB54上の不要なトナーを除去することにより、測定対象であるITB54上の測定に備える(ステップS101)。続いてテラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55の初期化動作が行われる(ステップS102)。濃度検知センサ55の初期化動作とは、電磁波発生器551と電磁波検出器552の動作チェック、ならびに濃度パッチが無い状態での電磁波スペクトルのベースライン測定である。動作チェックは電磁波発生器551への指示を行い、電磁波検出器552がテラヘルツ波を検出するかどうかチェックを行う。ベースライン測定とは、ITB54のみを透過したテラヘルツ電磁波のスペクトルを計測しておき、後の測定値と差分をとるためのデータを取得することである。ベースラインの測定結果はデータベース555に格納され、後の測定を行うごとに参照される。ここでは、テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55自体の調整と、濃度パッチが無い状態での反射光量の測定を行う。
続いて、現像バイアスを変化させながらDmax用の濃度パッチをITB54表面に形成する(ステップS103)。図7(a)はITB54上に形成されるDmax制御用濃度パッチの一例を示す図である。ITB54には各色ごとに8mm角の3つの濃度パッチがテスト画像として、12mm間隔で形成される。よって、合計で12個の濃度パッチが形成されることになる。なお、各色の3つのテスト画像は、それぞれ現像バイアスが異なっている。
なお、テスト画像と現像バイアスとの対応関係は次の通りである。Ym1,Mm1,Cm1,Km1=−210Vである。Ym2,Mm2,Cm2,Km2=−260Vである。Ym3,Mm3,Cm3,Km3=−310Vである。画像形成制御部90から、これらの現像バイアスを高圧電源回路93に設定している。
ステップS104において、画像形成制御部90は、テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55を用いて、濃度パッチからの反射光量を検出し、パッチの濃度を算出する。調整手段となる画像形成制御部90は、濃度検知センサ55を用いて濃度パッチの透過電磁波を検出し、濃度を算出するよう指示する。ステップS105において、画像形成制御部90は、取得された濃度データに基づいて、現像バイアスを算出する。そして、ステップS106において画像形成制御部90中不図示の記憶部に算出した現像バイアス適正値を記憶することで、新たな設定値として更新する。
図7(b)は濃度と現像バイアスとの対応関係を示す図である。なお、ここでは、シアン色の濃度調整にのみ説明するが、マゼンタ、イエロー、ブラックに関しても、同様の方法で調整が行われる。横軸は、現像バイアスを表している。縦軸は、テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55で検知した画像濃度である。図中プロットは、Cm1、Cm2、Cm3、各濃度パッチに対する濃度データを表している。また、本実施形態においては、一例として、Dmax制御の濃度目標値を0.6に設定されている。
ここで、画像形成制御部90は、各濃度パッチの濃度データと目標濃度値を比較し、目標濃度値を得るための現像バイアスを算出する。図7(b)によれば、目標濃度値0.6は、Cm1とCm2の間にある。そのため、画像形成制御部90は、Cm1とCm2の間を線形補間し、線形補間により得られた直線の方程式から現像バイアスを求める。図7(b)の例では、現像バイアスが−240Vとなる。
一方、Dhalf制御は、電子写真特有の非線形的な入力特性(γ特性)によって、入力画像信号に対して出力濃度がずれて自然な画像が形成できないことを防止するため、γ特性を打ち消して入出力特性をリニアに保つような画像処理を行う。具体的には、入力画像信号が異なる複数の濃度パッチを光学センサで検知して、入力画像信号と濃度の関係を得る。その関係からホストコンピュータからの入力画像信号に対して所望の濃度が出るよう、画像形成装置に入力する画像信号を、画像形成装置のコントローラにより変換する。このDhalf制御はDmax制御により画像形成条件を決定した後に行うのが一般的である。
次に、本実施形態の特徴である、テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55の構成を説明する。テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55は、図8(a)に示すように、周波数が0.1THz以上30THz以下の電磁波を画像搬送体となるITB54に形成されたトナー画像に向けて照射する電磁波照射手段となる電磁波発生器551を有する。更に、該電磁波発生器551による電磁波照射に伴い画像搬送体となるITB54を透過した電磁波、或いは該ITB54にて反射された電磁波を検出する電磁波検出手段となる電磁波検出器552を有する。電磁波発生器551は、ITB54とITB54上の濃度パッチにテラヘルツ波を照射するよう設けられる。また、電磁波検出器552は、ITB54とITB54上の濃度パッチを透過したテラヘルツ波を検出できるよう設けられる。すなわち、電磁波発生器551と電磁波検出器552およびITB54と濃度パッチの位置関係は図8(a)の通りとなる。
ここでテラヘルツ波とは、1THz付近の周波数領域の電磁波(波長300μm、エネルギー4.1meV=33cm−1)をいう。ここでは、テラヘルツ波は少なくとも0.1THz〜30THz(波長10μm〜3000μm)の周波数の領域の電磁波を含むものとする。但し、一般的なテラヘルツ波の周波数領域の境界は厳密なものではない。
ここで、テラヘルツ電磁波の下限を0.1THzとしているのは、これ以下であると、トナーによるテラヘルツ電磁波の吸収が極小となってしまい、トナー量を正確に計測することができなくなってしまうからである。一方、テラヘルツ電磁波の上限を30THzとしているのは、トナーによるテラヘルツ電磁波の吸収が大きくなりすぎ、トナー量を正確に計測することができなくなってしまうからである。
テラヘルツ波の発生、検出を行う、電磁波発生器551、電磁波検出器552は、図8(b)に示すように構成される。すなわち、画像形成制御部90の制御に基づき、出力制御部553から信号が電磁波発生器551に送信され、テラヘルツ波が照射される。トナー層を透過し、電磁波検出器552によって検出されたテラヘルツ波の波形は演算処理部554にて処理される。ここで、予め測定したトナー量とテラヘルツ波の波形の関係を記憶するデータベース555を参照し、トナー量を算出する。算出されたトナー量は画像形成制御部90に転送される。
具体的に、テラヘルツ波の発生、検出方法に関して図9を基に説明する。テラヘルツ波の電磁波発生器551は、フェムト秒パルスレーザ装置550と、光スイッチ素子を用いた光伝導素子5511と、ミラー5512、ミラー5513、電圧源5514とを備えて構成される。
テラヘルツ波の発生は、まず、出力制御部553からの信号に基づき、フェムト秒パルスレーザ装置550から100フェムト秒から1ピコ秒程度のパルス幅を持つ光パルスが発生し、テラヘルツ波を発生する光伝導素子5511に照射される。光伝導素子5511には基板上に成膜した光伝導膜に、電極を兼ねたアンテナを備えた光伝導スイッチ素子が好適に用いられている。光伝導膜としては、放射線処理したシリコン膜がサファイア基板上に成膜されたものや、GaAs(ガリウム砒素)基板に低温で成長したLT−GaAs(低温成長ガリウム砒素)が用いられることが多い。
この光伝導素子5511に光パルスを照射することで、光電流が瞬間的に流れ、かつ光電流が時間変化するため、その周囲に数100フェムト秒から数ピコ秒のパルス幅を持つ電磁波パルスが発生する。発生するテラヘルツ波の周波数はこのパルス幅で決まる。パルス幅が小さければ小さいほど、周波数帯域の広いテラヘルツ波であり、本実施形態では800フェムト秒の電磁波パルスを入射することにより0.01THzから1.25THzまでの範囲のテラヘルツ波を発生、検出することができる。発生させたテラヘルツ電磁波はミラー5512で平行光化し、ミラー5513で集光させて、被測定物であるITB54上の濃度パッチに照射される。
次に、テラヘルツ波の検出に関して述べる。被測定物となるITB54を透過したテラヘルツ波は、電磁波検出器552のミラー5520,5521で集光され、同じ構造をもつテラヘルツ波を発生する光伝導素子5522で検出される。このときのアンテナの両端の電圧計5524の読みを出力として取り出すが、同時に光が照射されて光キャリアが発生しているタイミングでのみ、電磁波パルスの出力が得られる。従って、光遅延素子5523によりタイミングを変更しながら、テラヘルツ波を検出する。
なお、電磁波発生器551および電磁波検出器552の構成は、上述のものに限られず、テラヘルツ電磁波を発生させ、検出できるものであれば良い。また、上述したものはフェムト秒レーザー励起のテラヘルツ電磁波発生法のうち、光導電スイッチを用いてテラヘルツ電磁波を発生させるものである。他に、フェムト秒レーザー励起のテラヘルツ波発生法のうち、超電導体、半導体表面、半導体超格子などから発生させるものであっても良い。さらに、2つのレーザー周波数を用いた差周波によるテラヘルツ電磁波の発生法や非線形素子を用いたパラメトリック発振器による発生法であっても良い。
図10(a)は電磁波検出器552で検出したテラヘルツ波の波形を示す。ITB54のみを測定したリファレンスの波形と、ITB54上に濃度パッチが形成されたものを測定したサンプルの波形を示す。リファレンスの波形に対してサンプルの波形では、振幅が小さくなりかつ時間遅れΔτが発生していることがわかる。本実施形態では、特にこの時間遅れΔτが、トナー層の厚みと相関を有することに着目した。すなわち、時間遅れΔτと濃度(トナー量)が比例関係を持つ(図10(b))。本実施形態ではこの時間遅れΔτと濃度(トナー量)との関係を検量線としてデータベース555に記憶している。電磁波検出器552で検出したテラヘルツ波は演算処理部554にて、時間遅れΔτを求め、データベース555の情報を参照することで濃度(トナー量)を求め、画像形成制御部90に結果を送信する。
以上のようなテラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55を持つ本実施形態の画像形成装置と、従来の正反射光検知タイプの濃度検知センサを持つ画像形成装置においてパッチ濃度とセンサ出力特性を比較し、効果を確認した。
図11(a)は(1)新品のITB54および、画像を20万枚以上出力した(2)耐久後のITB54でトナーパッチの濃度を変えたときのA.テラヘルツ波検知タイプと、B.正反射光検知タイプの濃度検知センサの出力を示した図である。説明は、本実施形態であるA.テラヘルツ波検知タイプより先に、従来のB.正反射光検知タイプについて行う。
B.正反射光検知タイプでは、前述したように、下地(この場合はITB54表面)から正反射した光を検知している。トナーの無い状態では、センサ出力が一番大きくなる。この状態から、濃度(トナー量)を徐々に増やしていくと出力は徐々に減少していく。最終的には濃度が高い(トナー量が多い)状態では、センサ出力は飽和状態となり、検出感度はほとんど無くなった。
このセンサの(1)新品と(2)耐久後の結果を比較すると、(2)耐久後ではトナーの無い状態の反射型センサ出力(V)は(1)新品のものと比較するとセンサ出力は低めであった。そこから、濃度(トナー量)を徐々に増やしていくと出力は減少し、濃度が高い(トナーが多い)ときには、(1)新品と(2)耐久後はほぼ同じくらいの値で飽和した。
これは、トナーの無い時は、下地の平坦な部分が多く露出しているが、(2)耐久後は(1)新品に対し、下地が汚れや傷のために、光の反射量が少なくなっていたために起きた現象である。またその結果、全体的にセンサ出力のS/N比(Signal / Noise Ratio:信号/雑音比)は低下した。
また、トナー量が多くなると下地が完全に覆われてしまう。その結果、センサ出力は飽和し、例えば、トナーの積層がトナー2層分であるのか3層分であるのかは、反射光タイプのセンサの出力からはほとんど違いが検出できない。そのため、濃度1.0以上の領域では、センサ出力は完全に飽和してしまっている。
次に、本実施形態であるA.テラヘルツ波検知タイプの説明をする。図10(b)のグラフより、A.テラヘルツ波検知タイプでは、濃度(トナー量)に対して、ほぼ線形にセンサ出力が増加していく結果が得られた。濃度が1.0以上であってもセンサ出力は飽和しなかった。また、(1)新品のITB54上でも(2)耐久後のITB54上でも、ほとんど同じ特性を得ることができ、良好な濃度検知を行うことができた。
これは、A.テラヘルツ波検知タイプは、可視領域の電磁波ではないため、下地の可視光に対する反射率にほとんど左右されないためである。また、センサ出力が飽和しないのは、テラヘルツ波を透過させる方式のためである。トナー層の厚みに応じて時間遅れΔτが決まるためである。
次に、本実施形態によるA.テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55を持つ画像形成装置と、従来のB.正反射光検知タイプの濃度検知センサを持つ画像形成装置において画像を出力し、比較を行った。具体的には、毎日10000枚のベタ画像を出力させ、その中でも特に、画像形成装置起動時の朝一の最大濃度を測定した。なお、最大濃度Dmaxの目標値は濃度1.6に設定した。
結果を図11(b)に示す。従来の技術である正反射光検知タイプのセンサをもつ画像形成装置では、濃度は目標値の1.6に対して大きく変動した。毎日の気温や湿度の変動により、感光体1や、非磁性トナーの帯電量は変化する。温度や湿度が変動した場合は、Dmax制御が行われる。しかしながら、B.従来の正反射光検知タイプのセンサは、特に濃度1.0以上の高濃度域ではセンサ自体の精度が低いため、ばらつきが大きかった。
それに対して、本実施形態によるA.テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55を持つ画像形成装置では、目標濃度1.6に対して、0.1程度以内のばらつきにおさまった。
以上説明の通り、A.テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55においては、トナー量が多くても、センサ出力は飽和せず感度良くトナー量を測定することができた。また、耐久による下地の汚れや傷によらず安定した測定を行うことができた。
このように電磁波検出手段となるテラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55の出力に応じて画像形成手段の画像形成条件を調整する調整手段として画像形成制御部90が露光制御回路92、高圧電源回路93、搬送制御回路94を適宜制御する。そして、帯電手段となる帯電器2Yの帯電条件、露光手段となる露光光学系3による露光条件、現像手段となる現像装置4Yの現像条件等の画像形成条件を適宜調整する。その結果、経時によっても画像濃度の変動が少なく、カラー画像においては色合いの相違を生じさせない高品質な画像形成装置を提供することができた。
本実施形態の全体構成は、第1実施形態と同様である。同様の構成、作用の物には同一の番号を付し説明は省略する。本実施形態の特徴は図12(a)に示すように、画像搬送体となる感光体ドラム1上の濃度パッチに対して、電磁波発生器551からテラヘルツ波を照射し、感光体ドラム1の表面で反射したテラヘルツ波を、電磁波検出器552で検出する構成を持つことである。テラヘルツ波の発生、検出を行う、電磁波発生器551、電磁波検出器552、また、制御部の構成(図6(a))やDmax制御のフローチャート(図6(b))は、基本的に前記第1実施形態と同様の構成である。
本実施形態において、電磁波検出器552で得られたテラヘルツ波に対して、高速フーリエ変換(FFT;Fast Fourier Transform)を演算して得られた振幅スペクトルを図12(b)に示す。図12(b)において、縦軸は電磁波検出器552で得られたテラヘルツ波の振幅であり、リファレンス(感光体ドラム1のみ)と、サンプル(濃度パッチ有り)の波形を示す。図中、周波数0.85THz付近の周波数において、スペクトルの差が顕著であり、この付近にトナーによるテラヘルツ波の吸収帯があることがわかる。0.85THzにおける振幅のリファレンスからサンプルを差し引いた量を吸収量とすると、トナー量と相関が有ることが判明した。図13(a)にパッチ濃度と吸収量との関係を示す。
また、本実施形態においては、さらなる精度向上のために、被測定部のバラツキを低減する構成を持つ。すなわち、予め濃度パッチが作成される予定の場所を、パッチが作成される前にテラヘルツ波を照射し計測しておいた。取得したスペクトルと、同時に、感光体ドラム1に取り付けられたロータリーエンコーダにより計測した位置をデータベース555に格納しておく。パッチ作成時には、リファレンスを取得したときのロータリーエンコーダの位置をデータベース555より参照し、その位置にパッチを作成することで、ばらつきを少なくし、精度を高く保つことができる。
以上のような構成に対し、前記第1実施形態と同様に、(1)新品の感光ドラムおよび画像を20万枚以上出力した(2)耐久後の感光体ドラム1で、トナーパッチの濃度を変えたときの各方式の濃度検知センサ出力を比較し、効果を確認した。図13(b)には結果を示す。正反射光検知タイプの濃度検知センサにおいて、(1)新品と(2)耐久後の感光体ドラム1上での結果を比較すると、(2)耐久後ではトナーの無い状態の反射型センサ出力(V)は(1)新品のものと比較するとセンサ出力は低めであった。濃度(トナー量)を徐々に増やしていくと出力は減少し、濃度が高い(トナーが多い)ときには、(1)新品とほぼ同じくらいの値で飽和した。すなわち、(2)耐久後は(1)新品に対し、下地が汚れや傷のために、初期の光の反射量が少なくなっており、全体的にセンサ出力のS/N比が低下していた。また、トナー量が多い場合には、センサ出力は飽和してしまっている。
テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55では、濃度(トナー量)に対して、ほぼ線形にセンサ出力が増加しかつ、濃度が1.0以上であってもセンサ出力は飽和しなかった。また、(1)新品の感光体ドラム1上でも(2)耐久後の感光体ドラム1上でも、ほとんど同じ特性を得ることができ、良好な濃度検知を行うことができた。これは、テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55は、下地の可視光に対する反射率にほとんど左右されないということによるものである。また、テラヘルツ波は感光体ドラム1で反射する方式ではあるが、トナー層は透過しており、トナー固有の波長に対する吸収が十分に起き、吸収量とトナー濃度はほぼ線形の特性になった。
また、本実施形態によるテラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55を持つ画像形成装置において、前記第1実施形態と同様に、画像を出力し、画像形成装置起動時の朝一の最大濃度の測定を行った。その測定結果を図11(b)中に、テラヘルツ波検知タイプ(2)として示す。本実施形態によるテラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55を持つ画像形成装置においても、前記第1実施形態と同様に、目標濃度1.6に対して、0.1程度以内のばらつきにおさまった。すなわち、従来技術である正反射光タイプの濃度センサと比べて、テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55を持つ画像形成装置では濃度の変動の少ない高品質な画像を得ることができた。
前記各実施形態では、濃いパッチ(単色のパッチ)の濃度情報をテラヘルツ波を利用して検出する構成である。本実施形態では、2色重ねた濃いパッチ(例えば、イエローパッチにマゼンタパッチを重ねたパッチ)の濃度情報をテラヘルツ波を利用して検出する構成とした一例である。
図14(a)に本実施形態の画像形成装置における、制御部および画像処理部の一例を示すブロック図を示す。画像処理部91は、PC99から受信したジョブやリーダ95から読み込んだ画像を処理するための処理部である。PC99から受信したジョブやリーダ95から読み込んだ画像データは、最終的にCMYK形式のデータに変換し、調整手段となる画像形成制御部90に送信する。
一般に電子写真方式による画像形成装置全体の入出力特性(γ特性)は非線形的なものである。入力画像信号に対して出力濃度がずれて自然な画像が形成できないことを防止するため、γ特性を打ち消して入出力特性をリニアに保つような画像処理をLUT(Look Up Table;参照テーブル)により行う。画像形成パターン処理部9104中にはLUTを持ち、入力された画像信号によって表される原画像の濃度と出力画像の濃度が一致するように濃度特性が変換される。
図14(b)は、電子写真方式の画像形成装置において、階調が再現される様子を示す4限チャートを示す。第I象限は原稿濃度を入力画像信号に変換するリーダ部の読み取り特性を示し、第II象限は入力画像信号を露光光学系3から出力されるレーザ出力信号に変換するためのLUTの変換特性を示す。また、第III象限は露光手段となる露光光学系3から出力されるレーザ出力信号から出力画像濃度に変換するプリンタ部の記録特性を示し、第IV象限は原稿画像濃度から出力物の濃度の関係を示す当該画像形成装置のトータルの階調再現特性を示す。なお、階調数は8bitのデジタル信号で処理しているため、256階調である。
本装置では、第IV象限の階調特性をリニアにするために、第III象限のプリンタ特性がリニアでない分を第II象限のLUTによって補正している。LUTは後に述べる制御手順に基づき生成される。
画像形成パターン処理部9104中のLUTによって変換された入力画像信号は、調整手段となる画像形成制御部90を経て、露光制御回路92に入力される。露光制御回路92は、入力信号に応じて図5(a)中の露光光学系3から出力されるレーザ光量を制御する。このようにして、感光体ドラム1Yの表面に静電潜像を形成する。
本実施形態では、トナーを着色剤違いで、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(Bk)の4色分を作成した。
図15(a)には、本実施形態で用いたトナーを厚さ約0.5mmのペレット状にし、(株)先端赤外社製 テラヘルツ分光分析装置 pulse IRS 2000を用いて透過法にて測定した透過スペクトルを示す。グラフは横軸がテラヘルツ電磁波の周波数、縦軸は透過して検出した電磁波の振幅(強度)である。この結果より本実施形態におけるトナーは、マゼンタ(M)が0.35THz、シアン(C)が0.7THz、イエロー(Y)が0.85THz、ブラック(Bk)が1.2THzにそれぞれ特徴的な吸収ピークを持つ。
また、作成したトナーの粒径は、シスメックス社製、粉体粒度画像解析装置FPIA―3000で測定したところ、重量平均粒径は5.7μmであった。また、磁性キャリアと非磁性トナーを重量比93:7(トナー濃度:7%)になるように混合したものを現像剤として用いた。
図16(a),(b)に本実施形態のテラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55の構成を示す。テラヘルツ波の発生、検出を行う電磁波照射手段となる電磁波発生器551、電磁波検出手段となる電磁波検出器552は、図16(b)に示すように構成される。すなわち、画像形成制御部90の制御に基づき、出力制御部553から信号が電磁波発生器551に送信され、テラヘルツ波が照射される。トナー層を透過し、電磁波検出器552によって検出されたテラヘルツ波の波形は演算処理部554にてFFT(高速フーリエ変換)等の演算が施される。ここで、予め測定したトナー量とテラヘルツ波の波形の関係を記憶するデータベース555を参照し、トナー量を算出する。算出されたトナー量は調整手段となる画像形成制御部90またはLUT生成部9105に転送される。
図15(b)には光遅延素子5523の位置を変化させることにより、遅延量τを変えたときの検出される電磁波の範囲を示す。遅延量τを少しづつ増加させながら電磁波を検出することによりテラヘルツ波形を検出する。本実施形態においてはテラヘルツ時間領域分光法を用いている。すなわち、検出したテラヘルツ波の波形をフーリエ変換することにより、周波数ごとの振幅(分光スペクトル)を得ることができる。
電磁波検出手段となる電磁波検出器552で得られたテラヘルツ波に対して、演算処理部554にて高速フーリエ変換を演算して得られた振幅スペクトルの例を図15(a)に示す。図15(a)において、縦軸は電磁波検出器552で得られたテラヘルツ波の振幅であり、トナー(Y,M,C、Bk)の波形を示す。マゼンタ(M)は周波数0.35THz、シアン(C)は0.7THz、イエロー(Y)は0.85THz、ブラック(Bk)は1.2THzにそれぞれ特徴的な吸収ピークを持つ。
図17(a),(b)には各色のパッチ濃度とテラヘルツ波の吸収量との関係を示す。ここで、吸収量とは、トナー色ごとに特有の周波数における振幅の減衰量である。具体的には、ITB54上にある色のトナー層が存在する時の特定の周波数のテラヘルツ電磁波の振幅からトナー層が存在しない時の振幅を差し引いた値である。図17(a),(b)は周波数0.85THzと0.35THzにおける吸収量と濃度でプロットした相関を有する。すなわち、特定の周波数における信号を観測することで、各色トナー量を求めることができる。
次に本実施形態で採用する画像濃度制御の方法について述べる。まず、画像の最大濃度を決定するDmax制御について説明する。Dmax制御ではITB54上に形成した各色ごとのパッチのトナー量を濃度検知センサ55で計測することで、各色ごとの最大濃度を決定する。
図17(c)は測定したパッチ濃度と現像バイアスとの対応関係を示す図である。なお、ここでは、シアン色の濃度調整にのみ説明するが、マゼンタ、イエロー、ブラックに関しても、同様の方法で調整が行われる。横軸は、現像バイアスを表している。縦軸はパッチ濃度である。図中プロットは、Cm1、Cm2、Cm3の各濃度パッチに対応する。また、本実施形態においては、一例として、Dmax制御の濃度目標値を1.5に設定されている。図17(c)によれば、目標濃度値1.5は、Cm2とCm3の間にある。そのため、調整手段となる画像形成制御部90は、Cm2とCm3の間を線形補間し、線形補間により得られた直線の方程式から現像バイアスを求める。図17(c)の例では、現像バイアスが−290Vとなる。
次に本実施形態で採用する階調補正の方法について述べる。図14(a)に示す画像形成パターン処理部9104中のLUTをオフ態で画像形成信号を出力する。すなわち入力信号に対して階調補正を行っていない素のエンジン状態でイエロー、マゼンタの2次色マトリクス階調パッチ64階調×64階調の画像形成信号を出力する。この2次色マトリクス・パッチは64×64の全てのマトリクス(2次色画像)を網羅しているわけではなく、図18に示すような間引いたマトリクス・パッチである。すなわち、64×64=4096パッチ必要なところを2047パッチにしているのである。2047パッチはA3サイズに7mm四方に収まるように、41×50パッチのパターンが2つに分割され、41×25パッチが2つ整列している。
図18(a)は、左上のコーナー部を原点とし、例えば、横軸にイエロー、縦軸にマゼンタの64段階の階調としたときの、上述したマトリクス・パッチの間引き型を示している。この図において2つの弧にはさまれた領域のパッチのみを出力している。図18(b)は、図18(a)で点線の四角で囲った部分の詳細を示した図であり、太い四角枠のパッチは出力されるパッチ(2047パッチに含まれる)である。ただし、図18(b)は、一部を省略して示している。
このような、マトリクスのパッチにした背景として、今回のマトリクス出力は、2次色であるレッドの色相を一定に保つための出力である。例えばY(イエロー)100%、M(マゼンタ)10%の信号の組み合わせが、いわゆるレッドといわれる色相の階調になる可能性はきわめて低いので、省略しても影響がないからである。もちろん精度やエンジン特性などを考慮し、より多くのパッチを出力しても構わない。
ITB54上に出力された2次色マトリクス・パッチを、濃度検知センサ55にて読み取り、それぞれのパッチのトナー量をLUT生成部9105へ転送する。LUT生成部9105ではそれぞれのトナー量から色度を算出する。LUT生成部9105は、パッチのトナー量から予測されるL*a*b*への変換テーブルを備えている。
LUT生成部9105ではL*a*b*を算出した2次色マトリクス・パッチの測定データより、レッドの階調特性を決定するため、各パッチの色相角と彩度を算出する。色相角と彩度の算出方法を以下に示す。
色相角hは、色度座標a*、b*のなす角θで表すことができる。(a*、b*)=(+X、0)のとき0°、(a*、b*)=(−X、0)の時180°、(a*、b*)=(0、+X)のとき90°、(a*、b*)=(0、−X)のとき270°で、以下の数1式で表すことが出来る。
[数1]
(a*、b*)=(+X、0)→h(色相角)=0、
0<a*、0<b* →h(色相角)=arctan(b*/a*)、
(a*、b*)=(0、+X)→h(色相角)=90、
a*<0、0<b* →h(色相角)=180+arctan(b*/a*)、
(a*、b*)=(−X、0)→h(色相角)=180、
a*<0、b*<0 →h(色相角)=180+arctan(b*/a*)、
(a*、b*)=(0、−X)→h(色相角)=270、
0<a*、b*<0 →h(色相角)=360+arctan(b*/a*)、
(a*、b*)=(0、0)→h(色相角)=0
(a*、b*)=(+X、0)→h(色相角)=0、
0<a*、0<b* →h(色相角)=arctan(b*/a*)、
(a*、b*)=(0、+X)→h(色相角)=90、
a*<0、0<b* →h(色相角)=180+arctan(b*/a*)、
(a*、b*)=(−X、0)→h(色相角)=180、
a*<0、b*<0 →h(色相角)=180+arctan(b*/a*)、
(a*、b*)=(0、−X)→h(色相角)=270、
0<a*、b*<0 →h(色相角)=360+arctan(b*/a*)、
(a*、b*)=(0、0)→h(色相角)=0
彩度は中心(a*、b*)=(0、0)からの二点間距離が彩度となる。すなわち、以下の数2式となる。
[数2]
彩度(C)=(a*^2+b*^2)^0.5
彩度(C)=(a*^2+b*^2)^0.5
このようにして求められた各パッチの色相角情報と彩度情報、ならびに各パッチの入力画像信号との対応関係を参照し、2次色階調特性を決定することになる。この決定にあたり、まずこのマトリクスの中での最大彩度となるY(イエロー)100%、M(マゼンタ)100%のレベルのパッチ画像の測定結果を取り出し、そのパッチを検出する。この色相角±2°以内のパッチの組み合わせ(Y(イエロー)とM(マゼンタ))がレッド(YM等量信号)のグラデーションを再現することになる。
図19(a)は、上記のようにして検出した各パッチを形成した画像信号におけるマゼンタとイエローとのレベル比を示した図である。図19(a)は、横軸に画像信号レベル、縦軸にマゼンタ信号レベルを基準とした時のイエローのレベルを示し、イエローのレベルがマゼンタのレベルから変化する様子を示している。当然、マゼンタは変化量「0」であり、イエローの画像信号は、マゼンタの画像信号に比べ、全ての領域で「0」以上であることが特徴である。ただし、この結果はトナーの種類、定着装置6、画像処理パターン等によって大きく変わるものである。
上記において、レッドの色相を再現するためのイエローとマゼンタの組み合わせ(それぞれのレベルの組み合わせ)が決定した。つぎにこれらの組み合わせをどのような階調特性で出力するかを決定する。
本実施形態では、彩度リニアを採用した。彩度リニアとは入力画像信号に対して彩度の変化がリニアに変化するような階調特性のことを指す。検出した(±2°以内)パッチ群で、入力信号(YM等量信号、すなわちYM同一レベル信号)に対し、この入力信号に基づいて形成される画像の記録シートPへの出力彩度がリニアになるように変換する関数の導出を行う。その結果得られた関数、すなわち関数の変数としての入力画像信号と、関数値、すなわち、形成されるべき出力画像を生じさせる出力画像信号の関係をグラフで表すと図19(b)のような関係になる。
図19(b)は、横軸に入力画像信号レベル、縦軸に形成されるべき出力画像を生じさせる画像信号レベル、とした変換特性、すなわち信号レベル変換をするLUTの変換特性を示す。例えばレッド(YM等量)が入力された時、出力されるY(イエロー),M(マゼンタ)の量を示したグラフである。該当パッチがない信号域については線形補間演算を行って算出している。この変換テーブルは、レッドの彩度リニアになるように設計されている。このため、R(レッド)50%(Y(イエロー)、M(マゼンタ)のレベルが50%)の信号を入力した時には、下地(紙)彩度からレッドの最大彩度のちょうど中間に位置する彩度の画像である。
一方、シアンの階調補正であるが、決定されたレッドの階調、すなわちY(イエロー)とM(マゼンタ)の等量で形成される複数パッチに対して、それぞれ異なる階調のシアンのパッチを重畳させる。その結果、形成されたパッチ画像、すなわち3色の色材からなる2次色のパッチ画像の測定値が示す彩度がグレイとなる。すなわち、3色分のトナーが等量となるようなシアンのレベルを検出して、Y(イエロー)およびM(マゼンタ)のレベルに等しいレベルをその検出レベルに変換するように補正を行う。以下に、詳細に説明する。
レッド階調特性を決定したときとほぼ同様な方法で、マトリクス・パッチを出力する。今回は、レッドの階調は、Y(イエロー)とM(マゼンタ)の等量からなる信号を前に求めた階調補正係数で階調補正した(Y(イエロー)とM(マゼンタ)のLUTオン)信号で形成する。さらにこのレッドの階調の複数パッチに、階調補正前のシアンの64階調を形成する複数パッチが重畳するフォーマットでマトリクス・パッチを出力する。
この場合のマトリクス・パッチとして、レッドのパッチ作成時と同様に、間引きパッチを採用するが、レッドの階調特性は階調補正を行ったものであり、それぞれのパッチ画像がどの程度の色度になるかというものも予測が容易である。また、レッドの階調に対してどの程度のシアンを混ぜれば無彩色になるかの検証である。レッドを変化させる必要は無いことから、レッド(イエローとマゼンタ)の階調特性を決定したときよりも少ない、1586パッチとした。このときのパッチ概念図を図20に示す。図20(a)は、基本のレッド階調が横方向に変化し、縦方向には同じレッド階調が並ぶように配置した。そして各レッド階調パッチに対して、そのレッドパッチのレベルに対して±30の範囲を2レベルずつシアンのレベルを変化させたパッチのマトリクスを示し、出力するパッチの範囲を斜線部で示した図である。この図の四角の点線部の詳細を図20(b)に示している。
図20(b)の数字は、パッチを生成するシアンの信号レベル(0〜255)を示している。ただし、横方向に一部省略している。また、図20(b)の左端の「0」が示す横列の数字は、レッドの、言い換えれば、Y(イエロー)とM(マゼンタ)の信号レベルを示している。一例を挙げれば、左端から7つ目の縦列の数字列(10、12、14、16、18、20、22、24)はレッドの24の信号レベルに対して、シアンの信号レベルを10〜24、そして不図示である。そして、24〜38の間の計15個のレベルとしたパッチの信号を生成することを示している。従って、図20に示す図において、各パッチの信号レベルは、横方向にレッドのレベルが変化し、例えば、右下がりの方向にシアンのレベルが変化していることになる。
ITB54上に出力されたこれらのマトリクス・パッチを構成する画像を濃度検知センサ55で読み込み、色度情報(L*a*b*)に変換し、彩度と色相に変換する。このとき、3色グレイ(無彩色)となるように、彩度5以内になるようなパッチ群を検出する。このとき、すなわちあるレッド信号(YM等量信号)に対してシアンの階調値が決定されることになる。よって、レッドの入力信号がシアンの入力信号と等価であり、そのときの無彩色になるシアンの値が信号出力値となる。これらの関係から、シアンのLUTを容易に決定することができる。
一方、Bk(ブラック)の階調補正手段であるが、Bk(ブラック)は明度リニアとしている。すなわち、単色64階調(マトリクスではない)を出力し、濃度検知センサ55にて色度情報を算出する。その色度情報のL*(明度)のみを抜き出し、明度がリニアに変化するようにLUTを作成する。上記のようにBk(ブラック)は単色で閉じた階調補正を行うため、補正順序としては最初でも後でもかまわない。
さらに、画像処理部91の詳細な構成と動作を説明する。図14(a)において、リーダ95は、原稿画像を読み取り、画像データをRGB信号として画像処理部91へ入力する。画像処理部91に入力されたRGB信号は、A/D変換器9100によりディジタルRGB信号に変換される。
シェーディング補正部9101は、照明光量やレンズ光学系で発生する光量むらおよびリーダ95の画素の感度むらを補正する。入力ダイレクト・マッピング部9102は、入力されたRGB信号をデバイスに依存しない色空間であるL*a*b*信号に変換する。出力ダイレクト・マッピング部9103は、L*a*b*信号を規定のCMYK信号に変換する。
画像形成パターン処理部9104は、ライン成長型ディザ法およびドット集中型ディザ法による多値化機能を有し、CPU(中央演算装置)9106の制御により画像形成パターンの選択がなされる。画像形成パターン処理部9104から出力されるCMYKの各信号は画像形成制御部90へ送られる。なお、画像形成パターン処理部9104において画像形成制御部90のガンマ特性を補正するためのLUTを用いた処理も行われる。LUT処理は、基本的にマトリクス演算等のパターン処理の前に行うのが普通である。また、画像形成パターン処理部9104に含まれるLUTは、CPU9106からの指示により書き換えが可能な構成になっている。
濃度検知センサ55で検知した画像信号はLUT生成部9105へ送られる。LUT生成部9105の働きは、上述した各マトリクス・パッチの信号生成を制御する。また入力されるトナー量、すなわち上述したマトリクス・パッチを読み取った情報を使用して、後述するフローにより各色の階調補正テーブル(LUT)を作成し、画像形成パターン処理部9104へアップロードすることができる。
すなわちLUT生成部9105は、入力されたトナー量から、L*a*b*情報を色相、彩度情報に変換し、予め分かっている上述した各マトリクス・パッチに関する信号情報とともに使用して、各色のLUTを作成する機能を備えている。
また、図14(a)に示す画像形成パターン処理部9104の構成を図21(a)に示す。図21(a)において、符号9116は、上述した各マトリクス・パッチの画像信号を出力するパルス・ジェネレータ(PG)であり、符号9117は、上述したLUTである。符号9114と9115は、信号経路を切り換えるためのSW回路で、制御入力を受けて出力をON/OFFすることが可能である。ここで、SW29115とLUT9117は、CMYKについて個別に出力をON/OFF可能である。また、パルス・ジェネレータ(PG)9116は、例えば、レッドの階調を出力するときはC(シアン)とK(ブラック)の出力はゼロである。また単色BK(ブラック)の階調を出力するときはその他のC(シアン)、M(マゼンタ)、Y(イエロー)の出力はゼロである。図示するように、SW19114、SW29115、PG9116、LUT9117は、LUT生成部9105からの制御を受けてその出力をON/OFFし、それぞれの動作状態において、図21(b)に示した信号経路を構成する。図21において、LUT9117にその設定値をアップロードする信号経路については簡単化のために省略している。
図14(a)において、CPU9106は、ROM(リードオンリメモリ)9110に保持された制御プログラムに基づき、RAM(ランダムアクセスメモリ)9111をワーク・メモリに使用して、画像処理部91の各構成を統括的に制御する。例えば、画像形成パターン処理部9104などへパラメータを設定する制御も行う。CPU9106は、操作・表示部9109や、外部装置と通信を行うためのネットワーク(Network)I/F9108を制御し、画像情報やデバイス情報について外部との間で入出力を行う。すなわち、CPU9106は、システム全体を制するプロセッサである。
HDD9112はハード・ディスク・ドライブで、システム・ソフトウェア、一般画像データならびに出力済み画像データを保管する(ユーザ設定可能)。また、操作・表示部9109から本システム使用者が入力した情報を、CPU9106に伝える役割をする。ラスタ・イメージ・プロセッサ(RIP)9107はPDLコードをビットマップ・イメージに展開し、L*a*b*またはCMYK信号を出力ダイレクト・マッピング部の入力ラインあるいはその出力ラインに信号を送る。
本実施形態に係わる制御のフローチャートを図22に示す。ステップS201において自動階調補正を指示された画像形成装置は、Dmax制御によりコントラスト電位を決定し、最大濃度を決定(保証)する。すなわち、各色の最大濃度を指示するデータなどを使用して所定の条件でパッチを形成する。そして、パッチ形成時のコントラスト電位と形成したパッチの濃度の測定結果を求める。その結果から各色の最大濃度を指示するデータで形成した出力パッチが所定の濃度の測定結果を求める。その結果から各色の最大濃度を指示するデータで形成した出力パッチが所定の濃度を示すようなコントラスト電位を算出する。そして算出したコントラスト電位に設定する(ステップS202)。以後の画像形成はこの設定されたコントラスト電位を使用して実行される。
その後、LUTオフの状態でMY各均等64階調マトリクスの間引いたパッチ、1600パッチを潜像、現像、転写を行い、画像をITB54上に形成する(ステップS203)。ITB54上に出力された64階調マトリクス・パッチは、テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55により読み込まれ、マゼンタ、イエローの各トナー量が計測される(ステップS204)。
LUT生成部9105では、64階調マトリクス・パッチはマゼンタ、イエローの各トナー量から色度情報(L*a*b*)へと変換され、さらに彩度、色相情報に変換する。変換された情報をもとに、最大彩度となるレッドパッチの色相に着目し、その色相情報を得る(ステップS205)。次に、その最大彩度となるレッドパッチの色相の±2°以内となるイエローとマゼンタの組み合わせパッチを抽出する(ステップS206)。
ここで、組み合わせパッチの抽出とは、例えば、最大彩度となるレッドパッチの色相の±2以内の色相値を有するパッチを考慮する。そして、そのパッチは、例えば図7(a)に示すイエローとマゼンタの各階調から構成されるマトリクスのどの位置のパッチに相当するかである。そして、抽出された組み合わせのレッドパッチのそれぞれのパッチの階調レベルから、入力画像信号に対して彩度がリニアになるようにイエローとマゼンタのそれぞれの階調特性を決定する。そして、イエローとマゼンタのLUTを作成する(ステップS207)。作成したLUTを、画像形成パターン処理部9104へアップロードし(ステップS208)、次回以降の出力に備える。
作成されたイエローとマゼンタのLUTを介したレッド64階調と、まだ算出していないシアンのLUTオフ64階調とのマトリクス・パッチを出力する。ならびにBk(ブラック)のLUTオフの64パッチを出力する(ステップS209)。
再び、ITB54上に出力されたマトリクス・パッチは、テラヘルツ波検知タイプの濃度検知センサ55により読み込まれ、各トナー量が計測される(ステップS210)。LUT生成部9105では、C(シアン)とレッドの64階調マトリクス・パッチは、各トナー量から色度情報(L*a*b*)へと変換され、さらに彩度、色相情報に変換する。C(シアン)とレッドの64階調マトリクス・パッチの変換された情報をもとに、CMYトナーが等量となるパッチを抽出する(ステップS211)。3色等量信号(CMY等量入力信号)パッチからシアンの階調特性(LUT)を決定する(ステップS212)ことになる。
一方、Bk(ブラック)に関しては、入力画像信号に対して明度がリニアになるようにLUTを作成する(ステップS213)。すなわち多色との関係は無く、LUT作成順序も最後である必要もない。
このようにして求められた、シアンとBk(ブラック)のLUTを、画像形成パターン処理部9104へアップロードし、次回以降の出力に備える(ステップS214)。以上のように決定された各色のLUTを介して次のJOBからの画像を形成させる。
このような方法によって算出した階調性を、画像形成装置に持たせることにより、画像信号を出力した際の色相変動による色の変化が抑えられる。DTP(DeskTop Publishing;デスクトップ・パブリッシング)で頻繁に用いられるレッドのグラデーションや肌色の滑らかさを再現しやすい画像形成装置を提供することができる。
本実施形態では、レッドの階調特性を重視してY(イエロー)、M(マゼンタ)の2次色における階調特性を決定し、その後、3色Bk(異なる色の等量のパッチ画像)が無彩色になるようにC(シアン)の階調特性を決定するという方法をとった。
これらを検証した主観評価結果を以下にまとめる。図23(a)は、本実施形態で説明したレッドの色度階調特性を重視した階調特性で画像を出力したものと、従来の単色の色度階調特性のみの階調補正を実施したものの比較である。これらの色度階調特性を図23(b)に示す。単色のみの色度階調補正時には2次色の色相変動が起きている。
レッドグラデーション評価、肌色部の滑らかさ評価は、被験者20人の主観評価結果の平均を示しており、オフセット印刷の175線出力物を10としたときの結果である。レッドグラデーションは、入力信号がYMの等量信号を0%〜100%まで連続的に変化させたチャートで評価を行った。
一方、肌色部のグラデーションは、それぞれの階調補正制御を行い、印刷ターゲット(ここではJapan Color)を想定した出力を行ったものである。肌色部の評価は人物画像で、全体の中である程度の面積を持った画像で評価した。
色部カラー・マッチング精度は、肌色部に含まれる肌色パッチ10種類をピックアップして評価した。方法としては印刷ターゲットの色度値と、実際にカラー・マネージメント・システム(上記で作成した各ICCプロファイル)を介して出力された出力物との平均色差を表したものである。
これらの結果が示すように、レッドの階調を重視した階調特性が優れていることがわかる。なお、未定着の3次色以上のトナーパッチのトナー量を同時に測定し、階調補正を行うことでも良い。また、ITB54上での検知に限らない。一つの感光体ドラム1上に複数色のトナーを重ねる画像形成装置において、図24(a)に示すように、感光体ドラム1上の複数色トナーの濃度パッチに対して検知することが出来る。即ち、電磁波発生器551からテラヘルツ波を照射し、感光体ドラム1表面で反射したテラヘルツ波を電磁波検出器552で検出する構成であっても良い。画像形成装置におけるプロセス装置は図24(b)に示す構成とすることが出来る。
本発明の活用例として、複写機、プリンタ、ファクシミリ、もしくはこれらの機能を複数備えた複合機等の画像形成装置に適用できる。
54 …中間転写体(ITB;画像搬送体)
90 …画像形成制御部(調整手段)
551 …電磁波発生器(電磁波照射手段)
552 …電磁波検出器(電磁波検出手段)
90 …画像形成制御部(調整手段)
551 …電磁波発生器(電磁波照射手段)
552 …電磁波検出器(電磁波検出手段)
Claims (4)
- トナー画像を形成する画像形成手段と、
前記画像形成手段により形成されたトナー画像を搬送する画像搬送体と、
前記画像搬送体に形成されたトナー画像に向けて周波数が0.1THz以上30THz以下の電磁波を照射する電磁波照射手段と、
前記電磁波照射手段による電磁波照射に伴い前記画像搬送体を透過した電磁波を検出する電磁波検出手段と、
前記電磁波検出手段の出力に応じて前記画像形成手段の画像形成条件を調整する調整手段と、
を有することを特徴とする画像形成装置。 - トナー画像を形成する画像形成手段と、
前記画像形成手段により形成されたトナー画像を搬送する画像搬送体と、
前記画像搬送体に形成されたトナー画像に向けて周波数が0.1THz以上30THz以下の電磁波を照射する電磁波照射手段と、
前記電磁波照射手段による電磁波照射に伴い前記画像搬送体にて反射された電磁波を検出する電磁波検出手段と、
前記電磁波検出手段の出力に応じて前記画像形成手段の画像形成条件を調整する調整手段と、
を有することを特徴とする画像形成装置。 - 前記画像搬送体は感光体であり、
前記画像形成手段は、前記感光体を帯電する帯電手段と、前記帯電手段により帯電された前記感光体に画像情報に応じて露光する露光手段と、前記感光体に形成された静電像をトナーで現像する現像手段と、を有し、
前記画像形成条件は、前記帯電手段の帯電条件、前記露光手段の露光条件、前記現像手段の現像条件の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1又は2の画像形成装置。 - 前記画像形成手段は、感光体と、前記感光体を帯電する帯電手段と、前記帯電手段により帯電された前記感光体に画像情報に応じて露光する露光手段と、前記感光体に形成された静電像をトナーで現像する現像手段と、を有し、
前記画像搬送体は前記感光体からトナー画像が1次転写されると共にこれをシートへ2次転写するための中間転写体であり、
前記画像形成条件は、前記帯電手段の帯電条件、前記露光手段の露光条件、前記現像手段の現像条件の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1又は2の画像形成装置。
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