JP2011158784A - 測定装置及びその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 トナー付着量測定において、複数の測定ポイントの同時計測を可能とする。
【解決手段】 像担持体上に形成されたトナー像の複数の位置に光を照射し、トナー像の複数の位置で反射された複数の反射光を撮像する。そして、撮像された複数の反射光から前記複数の位置におけるトナー量を算出し、前記複数の位置でのトナー量の代表値を演算する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、電子写真方式を用いた画像形成装置において、像担持体上に付着したトナー付着量を測定する技術に関する。

電子写真方式を用いた画像形成装置によって形成された画像は様々なパラメータの変動により色が変化する。特に、現像及び転写プロセスは色変動に寄与する率が高く、温度や湿度などの環境変動や潜像の電位、トナー補給量、転写効率などの変動があるため、画像形成時の装置設定を一定としても感光ドラム及び転写ベルト上に付着するトナー付着量が安定しない。

そこで、現像及び転写プロセスを安定化させるために、感光ドラム上、もしくは、転写ベルト上のトナー付着量を計測し、その計測結果に基づいて露光量、現像電圧、転写電流などをフィードバック制御することで色変動を抑制している。

従来のトナー付着量計測としては、光をトナー像に照射し、その反射光の光量や位置を検出する方法がある。例えば特許文献１、２には、担持体（トナーパッチの下地）に光を照射した時の反射光量と、トナーパッチに光を照射した時の反射光量とを検出し、これらの反射光量の変化でトナー付着量を測定する。この測定値に基づいて画像濃度パラメータを制御するする方法が開示されている。

尚、反射光量によるトナー付着量測定の場合、測定するトナーの色によって受光素子の光学配置を変える手法が知られている。黒トナー（Ｋ）測定時には、光源から照射された光が担持体（下地）及びトナーパッチで反射され、正反射位置に設置された受光素子で正反射の光量変化を検出することでトナー付着量の測定を行う。一方、色トナー（ＣＭＹ）測定時には、担持体（下地）及びトナーパッチで乱反射（拡散反射）された光が受光素子で受光され、乱反射光量の変化を検出することでトナー付着量測定を行う。

また、特許文献３には、レーザ変位計によるトナーパッチの厚さ（層厚）を測定することでトナー付着量を検出する方法が開示されている。像担持体上にスポット光を照射し、担持体上に付着するトナーパッチの層厚に応じた位置に反射光が結像され、その結像位置の変化をＰＳＤ（Position Sensing Device）で検出してトナー付着量を測定する。この測定結果に基づいて作像系の画像濃度パラメータをフィードバック制御を行っている。

尚、反射位置によってトナー付着量を測定する場合は、トナーパッチの物理形状を測定するため、トナーの色に左右されずに付着量測定を行うことができる。

また、本発明者は、トナーパッチにレーザー光を照射し、反射してきた光の光量と位置の両方の情報からトナー付着量を計測し、互いに精度の良い測定領域の計測データに重みをおいてトナー付着量を算出する手法を提案している。

特開平8-327331号公報 特開平4-156479号公報 特開2007-199591号公報

従来のトナー付着量測定において、画像形成装置内の転写ベルト上のトナーパッチ層厚を計測すると、図１に示すようなランダムノイズを含むトナー層厚プロファイルになっていた。このランダムノイズは、トナー表面形状、転写ベルト表面形状の凹凸や、レーザースポット内における反射光ムラなどによるノイズで、トナー層厚の測定精度を悪化させる主な要因となっていた。

一方、このようなランダムノイズを減らし測定精度を上げるためには、平均化が有効である。平均化を行うには、画像形成装置で同一パッチを複数の内、なるべく多くのパッチを測定することが必要となる。図２に、転写ベルト上でのトナー付着量測定における平均距離とセンサ出力の標準誤差との関係を示す。即ち、平均化と測定精度との関係を示す。図２から分かるように、測定精度を上げるためには、できるだけ多く平均化を行う必要がある。

しかしながら、実用上必要な測定精度を得るためには、多くの同一パッチをうつ必要があり、トナー消費量が多い上、測定時間がかかるという問題があった。

また、ランダムノイズの他に、転写ベルト、感光ドラムのローラの偏芯や、ばたつきなどによる大きな周期でのうねりが、測定精度を悪化させる大きな要因になっていた。

本発明は、トナー付着量測定において、複数の測定ポイントの同時計測を可能とすることを目的とする。

本発明は、電子写真方式の画像形成装置の像担持体上に形成されたトナー像のトナー量を検出する測定装置であって、
前記像担持体上に形成されたトナー像の複数の位置に光を照射する光照射手段と、
前記トナー像の複数の位置で反射された複数の反射光を撮像する撮像手段と、
前記撮像された複数の反射光から前記複数の位置におけるトナー量を算出し、前記複数の位置でのトナー量の代表値を演算する演算手段と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、トナー付着量測定において、複数の測定ポイントの同時計測が可能となり、得られる複数の計測点からのデータを平均化することでランダムノイズを低減させることができる。これにより、測定精度の向上に大いに寄与することができる。

また、トナー像の計測と同時に、トナー像に隣接する下地（転写ベルト、感光ドラム等）を計測することで、トナー像の下地が持つ大きな周期のうねりをキャンセルでき、測定精度を向上させることができる。また、従来の測定ポイント1点の測定と比較して、トナーパッチの数を大幅に減らすことができ、トナー消費量も減らすこともできる。更に、測定時間も短縮することができる。

ランダムノイズを含むトナー層厚プロファイルを示す図。 転写ベルト上でのトナー付着量測定における平均距離とセンサ出力の標準誤差との関係を示す図。 電子写真方式による画像形成装置のプリンタエンジンの構成の一例を示す図。 トナー付着量に基づくプリンタエンジンのプロセスを示す制御ブロック図。 転写ベルト上に形成されたトナーパッチを示す図。 本実施形態におけるトナー付着量測定装置の構成の一例を示す図。 転写ベルト上におけるトナー付着量の測定を説明するための図。 トナー付着量測定装置における光照射部の詳細を示す図。 演算部６０６におけるトナー付着量の算出処理を示すフローチャート。 波形データに対する領域分割を示す図。 トナー高さ、トナー反射光量の算出を説明するための図。 変形例における転写ベルト上でのトナー付着量測定を示す図。 変形例におけるトナー付着量の算出処理を示すフローチャート。 変形例における下地補正の例を示す図。

以下、図面を参照しながら発明を実施するための形態について詳細に説明する。本実施形態では、電子写真方式による画像形成装置の像担持体上に形成されたトナー像のトナー付着量を測定する測定装置を説明する。

［プリンタエンジン内でのトナーパッチ測定］
図３は、電子写真方式による画像形成装置のプリンタエンジンの構成の一例を示す図である。図３に示すように、プリンタエンジンは感光ドラム３０１、露光用レーザ３０２、ポリゴンミラー３０３、帯電ローラ３０４、現像器３０５、像担持体としての転写ベルト３０６、トナー付着量測定装置３１０で構成される。尚、図３に示す画像形成装置では、以下の説明で登場する構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については省略している。

まず、帯電ローラ３０４で感光ドラム３０１の表面を帯電し、感光ドラム３０１の表面上に露光用レーザ３０２とポリゴンミラー３０３とで露光し、静電潜像を作成する。次に、現像器３０５で感光ドラム３０１の表面上にトナーパッチ３２０を現像する。そして、感光ドラム３０１から転写ベルト３０６へトナーパッチを転写した後、設置されたトナー付着量測定装置３１０で転写ベルト３０６上のトナーパッチ３２０のトナー付着量を測定する。尚、トナー付着量の測定はこれに限らず、例えば現像器３０５で感光ドラム３０１にトナーパッチを現像した後に、感光ドラム３０１の表面上で行っても良い。

［トナー付着量測定装置を用いたフィードバック制御］
図４は、トナー付着量測定装置によって測定された付着量データに基づき、制御されるプリンタエンジンのプロセスを示す制御ブロック図である。尚、図４では、以下の説明で登場する構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素については省略している。

まず、転写後の転写ベルト３０６上に付着されたトナーパッチ３２０の付着量をトナー付着量測定装置３１０によって測定し（トナー量センシング）、測定されたトナー付着量データ４１０を各制御へフィードバックする。この例では、露光制御４０１、トナー補給制御４０２、転写制御４０３へそれぞれフィードバックする。尚、計測するトナーパッチは、例えば図５に示すようなシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）の各色について低濃度から高濃度まで揃えたトナー像とする。

次に、フィードバックされた付着量データ４１０に基づき、プロセスに対する露光制御４０１、トナー補給制御４０２、転写制御４０３が行われる。具体的には、露光制御４０１の場合、トナー濃度のγ特性を修正することで制御が実行される。

このように、トナー付着量を測定し、測定した結果に基づいてフィードバック制御することで、プロセスが持つ不安定性を抑制することができ、色の安定化に寄与することができる。

［トナー付着量測定装置の構成］
図６は、本実施形態におけるトナー付着量測定装置の構成の一例を示す図である。このトナー付着量測定装置３１０は、レーザ光源６０１、集光レンズ６０２、回折格子６０３で構成される光照射部と、受光レンズ６０４、CMOSラインセンサ６０５で構成される撮像部と、演算部６０６とで構成される。この演算部６０６には、Ａ／Ｄ変換部６０７、記憶部６０８、トナー量演算部６０９が含まれる。

ここで、レーザ光源６０１は、担持体（下地）、トナーパッチ３２０に対して光を照射する。集光レンズ６０２は、レーザ光を小さくスポット状に集光する。回折格子６０３は、集光レンズ６０２を通過したレーザ光を複数のビームに分岐する。受光レンズ６０４は、トナーパッチ３２０からの複数の反射光をCMOSラインセンサ６０５上に結像する。CMOSラインセンサ６０５は、受光レンズ６０４によって結像された光の反射波形を撮像する。演算部６０６は、CMOSラインセンサ６０５から出力されるラインセンサ信号波形に基づきトナー付着量を算出する。尚、レーザ光を複数のビームに分岐するには、回折格子６０３の他にビームスプリッタ等を用いても良い。

［トナー付着量測定手順］
ここで、トナー付着量を測定する際の手順について説明する。トナー付着量を測定する際は、まずトナーパッチ３２０が形成されていない担持体（下地）表面部に複数のレーザ光を照射し、担持体からの乱反射光をCMOSラインセンサ６０５で検出し、乱反射波形を得る。次いで、レーザ照射位置がトナーパッチ３２０の位置に移動し、トナーパッチ３２０からの乱反射波形をCMOSラインセンサ６０５で検出する。ここで、複数のレーザ照射位置は、全てトナーパッチ３２０上の位置であるものとする。

トナー付着量の演算は、こうして得られた担持体（基準）とトナーパッチ（変化分）とから得られたの反射波形データに対して後述する信号処理を施し、検出したデータの変化量を算出することでトナー付着量を演算する。尚、データ変化量は、反射波形ピーク位置変化量と反射波形面積変化量である。

［トナー付着量測定 〜光照射部〜］
続いて、トナー付着量測定での各部の動作について詳細に説明する。図７は、プリンタエンジン内の転写ベルト上におけるトナー付着量の測定を説明するための図である。まず、レーザ光源６０１からの光は集光レンズ６０２を通って回折格子６０３に入射される。回折格子６０３に入射された光は回折現象を起こし、相互干渉により複数本に分岐する。分岐した複数本の光は、ある間隔をもって、測定試料に照射される。

以下の説明では、レーザ光を３本に分岐させることとする。図８は、トナー付着量測定装置における光照射部の詳細を示す図である。回折格子６０３を通過した光は、０次光、+1次光、-1次光の３つに分けられ、測定試料に３本の光として照射される。ここで、０次光の入射角を45°とした場合、測定試料上でのレーザースポット間隔Ｄ１，Ｄ２は、回折角θと回折格子位置ｄWDの関係から、以下の式で得ることができる。

Ｄ１＝√2ｄWD tanθ/（1＋tanθ） …（１）
Ｄ２＝√2ｄWD tanθ/（1−tanθ） …（２）
また、θが小さく、tanθ＜＜１と見なせる場合は、以下の式でも求めることができる。

Ｄ１≒Ｄ２≒√2ｄWD tanθ …（３）
尚、所望の各レーザースポット間隔を得たい場合は、上記式を用いて回折角、回折格子位置を決定し、回折格子６０３の形状、ピッチ等を決めれば良い。

また、分岐したレーザ光が測定試料に照射される位置は、図７に示すように転写ベルトの回転方向（即ち、副走査方向）と垂直方向（長手方向、即ち主走査方向）に並ぶとし、本実施形態では３本の光の全てがトナーパッチ３２０に照射されるものとする。尚、照射位置は、転写ベルト３０６の回転方向に対して斜めに配置しても良い。

本実施形態においては、転写ベルト３０６が回転することで、全ての計測位置の３点において、トナーパッチ３２０、転写ベルト３０６を交互にスキャンすることになる。

［トナー付着量測定 〜受光部〜］
次に、測定試料で乱反射された３本の光は、受光レンズ６０４を通過して１つのラインセンサ６０５上に結像される。ここで、受光レンズ６０４、ラインセンサ６０５は乱反射光のみを受光する立体角内位置、即ち、正反射光を含まない位置に配置されているものとする。結像した光はラインセンサ６０５で電気信号へと変換された後、電気信号は演算部６０６へ渡される。

ラインセンサ６０５上での波形は、図７に示すような分布パターンとなる。ここで取得される分布パターンは３つに分岐された光の乱反射波形が合成されたものであり、３つのピークを持ったものになる。後述する演算部６０６では、各ピークのデータから各計測ポイントでのトナー高さ情報とトナー反射光量情報をそれぞれ算出し、得られたデータを平均化した後、トナー量を算出する。

また、本実施形態では、各計測ポイントにおいてトナー高さ情報とトナー反射光量情報をそれぞれ算出しているが、各計測ポイントでのトナー高さ情報をトナー量とする構成であっても良い。

［トナー付着量測定 〜演算部〜］
図９は、演算部６０６におけるトナー付着量の算出処理を示すフローチャートである。演算部６０６は、Ａ／Ｄ変換部６０７、記憶部６０８、トナー量演算部６０９から構成される。ここでＡ／Ｄ変換部６０７は、ラインセンサ６０５から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。トナー量演算部６０９は、Ａ／Ｄ変換部６０７でデジタル信号に変換された波形データに演算を施してトナー量を算出する。記憶部６０８は、デジタル信号に変換された後の波形データやトナー量演算部６０９での演算結果を格納する。

また、トナー量演算部６０９は、マイクロコンピュータなどによるソフトウェア処理やユーザ・ロジックによるハードウェア処理で実現されるものとする。尚、演算部６０６の処理は、プリンタエンジンに接続されたコントローラやプリンタコントローラで行う構成であっても良い。

ここで、トナー量演算部６０９で実行されるトナー付着量の算出処理を説明する。まず、ステップＳ９０１では、Ａ／Ｄ変換部６０７でデジタル信号に変換された波形データに対して領域分割を行い、各ピークの領域を設定する。

図１０に示す例では、+1次光からの反射光の領域を領域ａ、０次光からの反射光の領域を領域ｂ、-1次光からの反射光の領域を領域ｃとし、３つの領域に分割する。各領域は、各ピークとその周辺領域からなり、隣り合う光が干渉し合わないよう領域を設定する必要がある。尚、光学設計上、隣り合う光の影響が無いような領域が予め決まっている場合は、その領域を演算部に格納しておけば良い。

次に、ステップＳ９０２では、設定した各領域内における反射光波形データから各計測点でのトナー高さ情報とトナー反射光量情報とを算出する。この処理は、各領域内で行うものとし、領域毎に同様の処理を行う。

図１１は、トナー高さ、トナー反射光量の算出を説明するための図である。トナー高さ計算では、各画素領域内における乱反射波形データの最も高い強度を示すピークの位置を検出することで、その反射位置を計算し、担持体とトナーパッチにおける反射位置変化量１１０１を算出する。ここで得られた反射位置の変化量をトナー高さとする。

トナー反射光量計算では、各画素領域内における乱反射波形データのピーク部分の面積を計算し、担持体（下地）とトナーパッチにおける面積変化量１１０２を算出する。ここで得られた乱反射光量の変化量をトナー反射光量とする。

尚、反射波形データからピーク位置を検出する方法としては、例えばガウス関数を用いた最小二乗法によりカーブフィッティング（曲線近似）を行うことで、近似後に、ガウス関数のパラメータから予測演算する方法が挙げられる。ガウス関数は（式１）に示すように、ｘ＝μを中心とする釣鐘型のピークを持つ関数であり、μはピーク位置を示し、Ａはピークの高さや幅の増減を示す。

上記式１を各画素領域内における反射波形データに近似させることで、反射波形の形状を表す特徴量を数式のパラメータの値として演算する。この得られたパラメータのピーク位置μを試料から反射した光の反射位置（分布パターンの特徴点）として使用することができる。

尚、ガウス関数以外の式として、例えばローレンツ関数（式２）や二次関数（式３）で近似しても良い。また、近似を行わず、最大値検出や、波形重心を反射位置としても良い。

このように、３本の分岐した光の照射位置におけるトナー高さ情報と、トナー反射光量情報とが得られる。

次に、ステップＳ９０３では、３つの計測点でのトナー高さ情報、トナー反射光量情報について、平均化を行い、トナー高さの代表値と、トナー反射光量の代表値を算出する。尚、平均化処理は、ランダムノイズを拾いやすい高さデータのみで行っても良い。

次に、ステップＳ９０４では、得られたトナー高さ代表値と、トナー反射光量代表値とからトナー付着量を算出する。具体的には、高さ代表値と光量代表値の互いに精度の良い測定濃度領域の計測データに重みをおいてトナー付着量を算出する。尚、トナー高さ代表値をそのままトナー付着量としても良い。

［トナー付着量測定 〜トナー量フィードバック〜］
トナー付着量測定装置１０１は、以上のステップで得られたトナー付着量を露光制御、トナー補給制御、転写制御へフィードバックする。

［変形例］
次に、図面を参照しながら本発明に係る実施形態の変形例を説明する。図１２は、変形例における転写ベルト上でのトナー付着量測定を示す図である。本実施形態では、３本の分岐光をトナーパッチに照射し、３点の計測ポイントを同時に計測していた。変形例では、３本の分岐光のうち、２本をトナーパッチ３３０に照射し、１本をトナーパッチに隣接する転写ベルトに照射し、トナーパッチ３３０と同時に転写ベルト（下地）を計測する。これにより、トナーパッチでの計測結果から転写ベルト（下地）での計測結果を差し引くことで、下地のうねりの影響をキャンセルすることができる。

図１３は、変形例におけるトナー付着量の算出処理を示すフローチャートである。尚、変形例のＳ１３０１〜Ｓ１３０５は、照射位置が異なるため、演算部６０６での下地補正処理（Ｓ１３０３）が追加されているのを除き、図９に示すＳ９０１〜Ｓ９０４と同じであり、説明は省略する。

Ｓ１３０３では、得られたパッチ３３０の計測点（２点）でのトナー高さ情報から転写ベルトの計測点（１点）での下地高さ情報を減算し、下地補正を行う。図１４は、変形例における下地補正の例を示す図である。図１４に示す（Ａ）のように、トナーパッチを計測した高さプロファイルは大きなうねりを持った上にトナーパッチ３２０が載った形状をしている。また図１４に示す（Ｂ）のように、転写ベルトを計測した高さプロファイルは大きなうねりのみの形状をしている。下地補正処理は、トナーパッチの高さプロファイルから転写ベルト（下地）の高さプロファイルを減算することにより、図１４に示す（Ｃ）のような、うねり成分が差し引かれたトナー高さプロファイルのみを算出する。

また、本実施形態では、１光源からの光を回折格子等の光学素子で分岐させることで、複数の位置での同時計測を可能にしていた。しかしながら、複数の位置に光を照射可能な光源を備えることで複数ポイントでの計測が可能であるため、複数個の光源を持つ構成やマルチビームレーザー光源を使用する構成であっても良い。

［他の実施形態］
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (10)

1. 電子写真方式の画像形成装置の像担持体上に形成されたトナー像のトナー量を検出する測定装置であって、
   前記像担持体上に形成されたトナー像の複数の位置に光を照射する光照射手段と、
   前記トナー像の複数の位置で反射された複数の反射光を撮像する撮像手段と、
   前記撮像された複数の反射光から前記複数の位置におけるトナー量を算出し、前記複数の位置でのトナー量の代表値を演算する演算手段と、
   を有することを特徴とする測定装置。
2. 前記撮像手段は、前記複数の反射光を１つのラインセンサによって撮像することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記光照射手段は、回折格子又はビームスプリッタを用いることにより前記複数の位置に光を照射することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記複数の位置は、前記像担持体の主走査方向の位置であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の測定装置。
5. 前記撮像手段は、前記反射光の光量の分布パターンを取得し、
   前記演算手段は、前記複数の位置におけるトナー量を前記光量の分布パターンを用いて算出することを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
6. 前記演算手段は、前記分布パターンを関数で近似すること、あるいは前記分布パターンの波形重心を計算することにより、分布パターンの特徴点を算出して前記トナー量を算出することを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
7. 前記光照射手段は、前記像担持体上に形成されたトナー像の複数の位置と前記像担持体上とに光を照射し、
   前記撮像手段は、前記トナー像の複数の位置で反射された複数の反射光と前記像担持体から反射された反射光とを撮像することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の測定装置。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の測定装置を備えることを特徴とする画像形成装置。
9. 電子写真方式の画像形成装置の像担持体上に形成されたトナー像のトナー量を検出する測定装置の測定方法であって、
   光照射手段が、前記像担持体上に形成されたトナー像の複数の位置に光を照射する光照射工程と、
   撮像手段が、前記トナー像の複数の位置で反射された複数の反射光を撮像する撮像工程と、
   演算手段が、前記撮像された複数の反射光から前記複数の位置におけるトナー量を算出し、前記複数の位置でのトナー量の代表値を演算する演算工程と、
   を有することを特徴とする測定装置の測定方法。
10. コンピュータを、請求項１乃至７の何れか１項に記載の測定装置における各手段として機能させるためのプログラム。