JP2014167506A - 補正制御方法及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物理的に意味を持った状態のまま、つまり上記の計測データのままオフセット処理を行わない補正制御方法及び 該補正制御方法をトナー補給制御に用いた画像形成装置を提供する。
【解決手段】一定の目標値あるいは変化量に対して追従するための補正制御を行う補正制御手段と、該補正制御手段は、予め決められた補正量とタイミングを事前に印加する予測制御方式を含んでおり、該予測制御方式は、予め決められた補正量とタイミングを導出するための基礎データのオフセットを含んでいることを特徴とする補正制御方法を提案することにより、オフセット処理をすることが当たり前だったＦＦ制御システムを、オフセット処理をしないで制御システムを構築することによってタイミング等に誤差のない良好な制御方法を得ることができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、補正制御方法及び該補正制御方法を用いた画像形成装置に関するものである。

複写機、プリンタ、ファクシミリ及びこれらの少なくとも２つの機能を有する複合機等の画像形成装置において、画像品質を良好に保持するため、トナーの消費と補給のバランスを上手く取ることで望ましいトナー濃度となるようにトナー濃度制御を実施している。例えば、特許文献１では現像器内のトナー濃度を一定にする目的で、現像剤のトナー濃度の時間変化を示す予測データを算出し、その予測データに基づいてトナー補給動作をする構成が知られている。

ところで、現像器内のトナー濃度を一定にする際、補給あるいは消費の個別の動作を考えた場合、例えば補給で考えると、一度、補給動作を行ったらそれは現像器内にずっとトナーが残る。同様に消費で考えると、一度、現像器からトナーが消費されると現像器からトナーが出て行き、それは戻ってこない。つまり、現像器内のトナー濃度は過去の状態を保持するため、積分に相当する機能を持っていると考えることができる。

このトナー濃度制御を計測してからの偏差を補正するＦＢ制御系で構築した場合、偏差が発生するまで補正制御ができないため、その偏差が生じている間の画像品質が低下してしまうことから、ＦＦ制御系で構築することが望ましい。通常のＦＦ制御系を構築する際、図１６に示す計測データから変動成分を取り出すために図１７のように計測データに対してオフセット処理をして変動成分を、より分かりやすい状態としてＦＦ制御系を構築することが一般的に行われる。

また、このようなオフセット処理はトナー付着量及び転写率のデータにおいても行われている。すなわち、トナー付着量及び転写率はそれぞれ図１９、図２１に示す計測データから変動成分を取り出すために図２０、図２２のように計測データに対してオフセット処理をして変動成分を、より分かりやすい状態としてＦＦ制御系を構築している。

トナー濃度センサ出力は値が大きくなるほどトナー濃度は低下するという逆の傾向を持つ。これは現像剤内のトナーとキャリアで構成される現像剤に対して、直接にトナーの濃度を検出しているのではなく、磁性体であるキャリアの透磁率を利用して間接的にトナーの濃度を計測する手法が広く用いられているためである。検出原理の詳細は省略するが、トナー濃度センサ出力とトナー濃度の関係は図１８のようになる。

ここでオフセットした計測データのグラフに対して、そもそもトナーの補給あるいは消費の個別の動作を考える。例えば補給動作においてプラス側の値は、例えば補給を行う必要があると判断することは可能であっても、マイナス側の値は、マイナス補給を行う必要があるという判断となる。これは物理的に意味がない動作である。例えばここで、マイナス側の値であれば消費動作を行うことが可能であれば問題がないのだが、消費についてはユーザが行うものであり、基本的には設計者が行って良い動作ではない。

オフセットした計測データであっても、近年の発達した計算処理能力を用いると、ＦＦ制御システムを構築することが出来てしまう。これはコンピュータを用いた計算アルゴリズム内では物理法則などは全く関係なく、それらを無視してしまったり、自動で補間・補正などの処理を行って答えを吐き出すためである。設計者が意識せずとも多少の間違いは自動で修正してくれる能力としてはありがたいが、トナー濃度制御ではそのような動作は望ましくなく、様々な状況を考慮すると、場合によっては行って欲しくない動作をしてしまうという問題点がある。

現状の商品でのトナー濃度制御においては、意図しない動作に相当する誤差は積分的に累積していくため、この誤差をＦＦ制御系の誤差として捉え、ＦＢ制御系を併用することでこの誤差を取り除いている。

しかし、ＦＦ制御系の精度が上がれば、ＦＢ制御系には他の機能、例えば目標値が変化した時の追従能力など、に強く能力を発揮することができるため、トナー濃度制御全体としては望ましい構成となる。

そこで、本発明者は次のように考えた。適切なサンプリング周期を用いて収集されたシステムの入出力データにシステム同定アルゴリズムを適用する前には、同定アルゴリズムの能力が最大限に発揮できるようにそれらの信号を処理あるいは調整する必要がある。特に、ドリフト、オフセット、トレンドなどのように低周波数帯域に存在する外乱はシステム同定にとって望ましくないため、それらの影響を入出力データから除去する必要がある。

しかし、処理内容によって物理的な意味を消してしまったり、物理的な意味のない特性を作り出してしまったりしてしまう場合がある。
ここでは、特にオフセットの除去に着目する。オフセットを除去する方法としては物理的平衡点から偏差を利用する方法やサンプル平均値のデータから減じる方法などがある。

システム同定の前処理として、得られた生の入出力データからオフセットを除去したデータを用いてモデルを構築した結果と、オフセットを除去しないデータを用いてモデルを構築した結果を比較する。

安定なシステムの場合はオフセットを除去しても、しなくても高精度なモデルを得ることができている。しかし、積分器を有するシステムの場合はオフセットを除去したことによりうまくモデリングできていないことがわかるというものである。

本発明は、物理的に意味を持った状態のまま、つまり上記の計測データのままオフセット処理を行わない補正制御方法及び該補正制御方法をトナー補給制御に用いた画像形成装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、一定の目標値あるいは変化量に対して追従するための補正制御を行う補正制御手段と、該補正制御手段は、予め決められた補正量とタイミングを事前に印加する予測制御方式を含んでおり、該予測制御方式は、予め決められた補正量とタイミングを導出するための基礎データのオフセットを含んでいることを特徴とする補正制御方法を提案する。

本発明によれば、オフセット処理をすることが当たり前だったＦＦ制御システムを、オフセット処理をしないで制御システムを構築することによってタイミング等に誤差のない良好な制御方法を得ることができた。

本発明の実施形態による画像形成装置の概要構成について説明する図である。 図１の画像形成装置に本発明を実施する制御の流れを示すフローチャートである。 現像ユニット内を二成分現像剤が循環する現像剤循環搬送路周辺の現像ユニット構成を示す説明図である。 トナー補給装置の補給基礎パターンを示すグラフである。 画像出力によって発生する単位消費波形に対して補給基礎波形を用いてどのようにトナー濃度ムラを打ち消すかを説明する図である。 トナー濃度変動を検出したときのトナー濃度センサ出力の挙動をグラフである。 トナー濃度変動を検出したときのトナー濃度センサ出力の挙動をグラフである。 同じトナー濃度であったとしても、トナーを補給する場合と補給しない場合を示すグラフである。 ＬＤパワーあるいは現像バイアスの値に対するトナー付着量の相関関係を示すグラフである。 トナー付着量とＬＤパワーあるいは現像バイアスとの相関関係を示すグラフである。 ある付着量における付着量とＬＤパワー、現像バイアスの関係を示すグラフである。 実際の機械で印加電流の値の決定に用いている区間を示すグラフである。 転写率と印加電流との相関関係を示すグラフである。 ある転写率における、転写率と印加電流の関係を示すグラフである。 ある転写率における、転写率と印加電流の関係を示すグラフである。 トナー濃度センサ出力に対する計測データの推移を示すグラフである。 トナー濃度センサ出力に対する計測データをオフセット処理して示したグラフである。 トナー濃度センサ出力とトナー濃度の関係を示すグラフである。 トナー付着量に対する計測データの推移を示すグラフである。 トナー付着量に対する計測データをオフセット処理して示したグラフである。 転写率に対する計測データの推移を示すグラフである。 転写率に対する計測データをオフセット処理して示したグラフである。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態による画像形成装置の概要構成について説明する図である。
本発明を画像形成装置としてのタンデム型の画像形成部によってカラー画像を形成するカラープリンタ（以下、単にプリンタという）Ａに適用した実施の形態について説明する。まず、実施の形態に係るプリンタの基本的な構成について説明する。この実施の形態のプリンタＡは、図示しない光書き込みユニット、タンデム画像形成部１０、転写ユニット２０、定着装置４０、再送装置５０などを備えている。タンデム画像形成部１０は、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｋ（ブラック）の各色トナー像を形成するための４つの画像形成ユニット１Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋを有している。転写ユニット２０は、無端状の中間転写ベルト６、駆動ローラ２２、従動ローラ２３、２次転写対向ローラ２４、４つの１次転写ローラ５Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋ、２次転写ローラ２６などを有している。像担持体としての無端状の中間転写ベルト６は、側方からの眺めが逆三角形状の形状になる姿勢で、駆動ローラ２２、従動ローラ２３及び２次転写対向ローラ２４に掛け回されている。

中間転写ベルト６は、駆動ローラ２２の回転駆動によって図中時計回り方向に無端移動させられる。中間転写ベルト６のループ内側には、駆動ローラ２２、従動ローラ２３、２次転写対向ローラ２４の他に、４つの１次転写ローラ５Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋも配設されている。なお、１次転写ローラ５Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋや２次転写ローラ２６の役割については後述する。また、Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋの記号は各色の総称で説明する場合は省略し、色ごとに個別に説明する場合のみ記すものとする。

タンデム画像形成部１０は、４つの画像形成ユニット１を中間転写ベルト６の上張架面に沿って水平方向に並べる姿勢で、転写ユニット２０の上方に配設されている。画像形成ユニット１は、図中反時計回りの方向に回転駆動されるドラム状の感光体２と、現像ユニット４と、帯電手段３とを有している。また、図示してないがＹ、Ｍ、Ｃ、Ｋ用のドラムクリーニング装置も有している。感光体２は、それぞれ中間転写ベルト６の上張架面に当接して１次転写ニップを形成しながら、図示してない駆動手段によって図中反時計回りの方向に回転駆動させられる。現像ユニット４は、感光体２に形成された静電潜像をそれぞれ各色のトナーによって現像するものである。また、帯電手段３は、感光体２の表面をトナーの帯電極性と同じ極性に一様帯電させるものである。

１次転写ニップの下方では、中間転写ベルト６のループ内で、１次転写ローラ５が中間転写ベルト６を感光体２に向けて押圧している。これら１次転写ローラ５には、１次転写電源１１によって１次転写バイアスが印加される。タンデム画像形成部１０の上方には、図示しない光書き込みユニットが配設されている。この光書き込みユニットは、帯電手段３によって一様帯電させられ感光体２の表面に対し、走査光Ｌによる光書き込み処理を施して静電潜像を形成するものである。

感光体２に形成された静電潜像は、現像ユニット４によって現像されてそれぞれの色のトナー像になる。これらトナー像は、上述した１次転写ニップにて、中間転写ベルト６の表の面に重ね合わせて１次転写される。これにより、中間転写ベルト６の表の面には、４色重ね合わせのトナー像が形成される。

なお、本プリンタＡにおいては、帯電手段として、帯電バイアス電源３Ａによって帯電バイアスが印加される帯電部材である非接触帯電ローラ３を採用している。この非接触帯電ローラ３は、感光体２に近接させた状態で、非接触帯電ローラ３と感光体２との間に放電を生じさせて、感光体２を一様帯電させる。このような帯電手段（非接触帯電ローラ）３に代えて、スコロトロン帯電器などを採用してもよい。

転写ユニット２０は、中間転写ベルト６の下方に２次転写ローラ２６を有している。ニップ形成部材としての２次転写ローラ２６は、接地された状態で、中間転写ベルト６における２次転写対向ローラ２４に対する掛け回し箇所にベルトの表の面側から当接して２次転写ニップを形成している。これに対し、２次転写ニップの上方にて、中間転写ベルト６を掛け回している２次転写対向ローラ２４には、２次転写バイアス電源１４により、トナーの帯電極性と同極性の２次転写バイアスが印加される。

これにより、２次転写対向ローラ２４と２次転写ローラ２６との間の２次転写ニップには、トナーを２次転写対向ローラ２４側から２次転写ローラ２６側に静電移動させる２次転写電界が形成される。２次転写ニップには、記録シート（図示せず）が所定のタイミングで送り込まれる。そして、中間転写ベルト６上の４色重ね合わせのトナー像が、ニップ圧や２次転写電界の作用によって記録シートに一括して２次転写される。２次転写ニップで４色重ね合わせのトナー像が２次転写された記録シートは、２次転写ニップを出た後、図中反時計回り方向に無端移動せしめられる用紙搬送ベルト８を介して定着装置４０内に送り込まれる。そして、定着装置４０内において、ハロゲンランプ等の発熱源を内包する加熱定着ローラ４１と、これに向けて押圧される加圧ローラ４２との当接による定着ニップに挟み込まれ、加圧や加熱処理によるトナー像の定着処理が施される。

この定着装置４０は、上述したようにトナー像を記録シートに固定する、通常の定着装置としての役割とは別に、後述するように、記録シートにトナー像が２次転写される前に、予め記録シートを乾燥する役割を担っている。

片面に定着装置４０で定着された画像を有する記録シートの反対面に作像が行われる。すなわち、両面印字動画が行われる場合、再送装置５０は、定着装置４０から送られてくる記録シートを、搬送ガイド１２によって搬送経路１７に導入し、記録シートを反転するためのスイッチバック機構（記録媒体反転装置）５１である。スイッチバック搬送することで、その上下を反転させる。その後、記録シートは２次転写ニップに再送される。

一方、トナー像を有さない記録シートが定着装置４０で乾燥された場合は、再送装置５０は、定着装置４０から送られてくる記録シートを、搬送ガイド１２によって搬送経路１６に導入し、紙の上下を反転させることなく、２次転写ニップに再送する。タイミング搬送ローラ１３は、２つのローラの回転を停止させた状態で、記録シートの先端が突き当てられることで、記録シートのスキューを矯正する。その後、２つのローラを回転させて記録シートの先端部をローラニップ内にくわえ込むが、その後すぐにローラの回転を停止させる。そして、記録シートを２次転写ニップで中間転写ベルト６上のトナー像に同期させ得るタイミングで、ローラの回転を再開する。

図２は、図１のプリンタに本発明を実施する制御の流れを示すフローチャートである。図１及び図２を参照して作像動作について説明する。本プリンタＡにおいて、スキャナ等でカラー画像データが発生すると、まず、紙、ＯＨＰシートなどの記録媒体である記録シートが給紙される。記録媒体の給紙は図示してない記録媒体給紙装置である給紙カセットから、抵抗測定ローラ対３１、タイミング搬送ローラ１３を通して搬送される（Ｓ１）。このとき、記録シートが紙である場合に、紙の抵抗が高いかどうかを判断する（Ｓ２）。

紙の抵抗は、例えば、湿度が５０％を超えて高いと、紙種によっては、抵抗が低い（例えば、体積抵抗率で１Ｅ９［Ω・ＣＭ］以下）状態にあると判断する。紙の抵抗が低いと判断されると、図１に示す中間転写ベルト６、２次転写対向ローラ２４、２次転写ローラ２６、用紙搬送ベルト８、定着装置４０等を駆動させ（Ｓ３）、この定着装置４０に紙を通して熱で紙を乾燥し、紙の抵抗を上昇させる（Ｓ４）。定着装置４０を通過した紙は、搬送ガイド１２で搬送経路１６に誘導され（Ｓ５）、再び、タイミング搬送ローラ１３に送られる（Ｓ６）。この場合、２次転写前にこと前に紙の抵抗を上げる記録媒体抵抗上昇手段として定着装置４０を利用することにより、紙の抵抗を上げるための余分な機構や装置を設けることなく、確実な紙の抵抗上昇を実現できる。

一方、紙が定着装置４０で乾燥されるのと並行して、タンデム画像形成部１０の画像形成ユニット１Ｙでは、まず、電源によってマイナスにバイアスされた非接触帯電ローラ３Ｙが感光体ドラム２Ｙを均一にマイナス帯電される。次いで、図示してない露光装置が感光体ドラム２Ｙ表面に静電潜像を形成する（Ｓ７）。

続いて現像ユニット４Ｙがマイナスの電荷を有するトナーを反転現像することによって、感光体ドラム２Ｙ上にトナー像が形成される（Ｓ８）。１次転写ローラ５Ｙには、トナーの極性とは逆極性のプラスのバイアスが印加されており、感光体ドラム２Ｙ上のトナー像は１次転写ローラ５Ｙとの間で形成される転写電界によって中間転写ベルト６上に転写され（Ｓ９）、１次転写画像が形成される。これと同様に、１次転写画像形成ユニット１Ｍ、Ｃ、Ｋにおいても各タイミングに応じて画像形成が行われ、中間転写ベルト６上には４色のトナーからなる１次転写画像が形成される。

続いて、中間転写ベルト６上の１次転写画像が２次転写ニップ部に到達する（Ｓ１０）タイミングに合わせて、Ｓ４で抵抗を上昇された記録シートがタイミング搬送ローラ１３から中間転写ベルト６と２次転写ローラ２６とで形成される２次転写ニップに搬送される（Ｓ１１）。

２次転写対向ローラ２４にはトナーと同極性の電流（以下、「２次転写電流」と記す）が付与される（Ｓ１２）。２次転写電流の値は、２次転写ニップ出口部におけるトナー画像の主走査方向の印字率と、トナーの帯電量の推定値に基づき、以下の式（１）から算出される値で、副走査方向の画素毎に制御される。
Ｉ＝Ａ×Σ（ηｉ×Ｑｉ）＋Ｂ・・・式（１）
ただし、Ｉ：２次転写電流値［μＡ］
Ａ、Ｂ：定数
ηｉ：各色のトナーの印字率
Ｑｉ：各色のトナーの帯電量（μＣ／ｇ）

本制御は、導電部材である２次転写ローラ２６又は対向部材である２次転写対向ローラ２４に流す２次電流値を、中間転写体である中間転写ベルト６上のトナーの帯電量が大きくなるに従って高くなるように制御する。転写されるトナーの印字率とトナーの帯電量を考慮して最適な２次転写電流値を精度良く決定、制御することによって、安定した均一転写の実現が可能となった。なお、図１の実施の形態では、２次転写前に記録媒体である紙の抵抗を上げる記録媒体抵抗上昇手段として定着装置４０を採用し、これによる加熱を利用しているが、この記録媒体抵抗上昇手段はこれに限らない。

例えば、タイミング搬送ローラ１３から２次転写ニップに至る間に、紙に接触／非接触で紙を加熱する機構を設けても構わないし、あるいは、給紙トレイ内の紙の常時加熱や、除湿器等による除湿を実施することも可能である。

ここでは、最も簡単な構成、式（１）で２次転写電流の値を求める構成で説明を行ったが、この部分が前述のＦＦ制御システムの出力に相当する。この２次転写電流の値を導出する数式を求める際、例えばトナーの帯電量によるダイナミクスとトナーの印字率によるダイナミクスを、特別に重視した数式ではなく、温湿度センサなどによる環境変化によるダイナミクスを重視して構成する。このような方式で構成することで、様々なダイナミクスに対して有効な２次転写電流の値を決めるＦＦ制御システムを構築することができる。

図３は、現像ユニット内を二成分現像剤が循環する現像剤循環搬送路周辺の現像ユニット構成を示す説明図である。
現像手段である現像ユニット４Ｙは、示すように、現像剤搬送手段としての第１搬送スクリュー４８Ｙが配設された第１剤収容部４９Ｙを有している。また、トナー濃度検出手段としての透磁率センサからなるトナー濃度センサ５０Ｙ、現像剤搬送手段としての第２搬送スクリュー５１Ｙ、現像剤担持体としての現像ロール５２Ｙ、現像剤規制部材としてのドクターブレード（図示せず）などが配設された第２剤収容部５４Ｙも有している。これら２つの剤収容部内には、磁性キャリアとマイナス帯電性のＹトナーとからなる二成分現像剤である図示しないＹ現像剤が内包されている。第１搬送スクリュー４８Ｙは、図示しない駆動手段によって回転駆動することで、第１剤収容部４９Ｙ内のＹ現像剤を図３中矢印Ｂの方向へ搬送する。搬送途中のＹ現像剤は、第１搬送スクリュー４８Ｙ上に固定されたトナー濃度センサ５０Ｙによって、第１剤収容部４９Ｙにおけるトナー補給口５７Ｙに対向する箇所（以下「補給箇所」という）よりも現像剤循環方向上流側の位置を通過するＹ現像剤のトナー濃度が検知される。そして、第１搬送スクリュー４８Ｙにより第１剤収容部４９Ｙの端部まで搬送されたＹ現像剤は、連通口５８Ｙを経て第２剤収容部５４Ｙ内に進入する。なお、Ｃはトナー濃度の測定箇所である。

第２剤収容部５４Ｙ内の第２搬送スクリュー５１Ｙは、図示しない駆動手段によって回転駆動することで、Ｙ現像剤を図３中矢印Ｂの方向へ搬送する。このようにしてＹ現像剤を搬送する第２搬送スクリュー５１Ｙには、現像ロール５２Ｙが第２搬送スクリュー５１Ｙと平行な姿勢で配設されている。この現像ロール５２Ｙは反時計回り方向に回転駆動する非磁性スリーブからなる現像スリーブ（図示せず）内に固定配置されたマグネットローラ（図示せず）を内包した構成となっている。第２搬送スクリュー５１Ｙによって搬送されるＹ現像剤の一部は、マグネットローラの発する磁力によって現像スリーブの表面に汲み上げられる。そして、現像スリーブの表面と所定の間隙を保持するように配設されたドクターブレードによってその層厚が規制された後、感光体３Ｙと対向する現像領域まで搬送され、感光体３Ｙ上のＹ用の静電潜像にＹトナーを付着させる。この付着により、感光体３Ｙ上にＹトナー像が形成される。現像によってＹトナーを消費したＹ現像剤は、現像スリーブの回転に伴って第２搬送スクリュー５１Ｙ上に戻される。そして、第２搬送スクリュー５１Ｙにより第２剤収容部５４Ｙの端部まで搬送されたＹ現像剤は、連通口５９Ｙを経て第１剤収容部４９Ｙ内に戻る。このようにして、Ｙ現像剤は現像ユニット内を循環搬送される。

図４は、トナー補給装置７０の補給基礎パターンを示すグラフである。各波形Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５は、トナー濃度ムラがない状態のＹ現像剤に対し、１回の駆動源７１Ｙの駆動動作（以下「補給動作」という。）により補給されるトナー量が互いに異なる５つの補給パターンでトナー補給を行ったときに、測定用センサにより測定箇所Ｂでのトナー濃度の時間変化を検出した結果を示す波形（以下「補給基礎波形」という。）である。なお、補給基礎波形Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５の順に、単位補給量が多くなる。また、１回に補給される補給量は、１回の補給動作における駆動源７１Ｙの駆動時間や駆動速度を変更することで変動させることができる。

本発明の図５は、何らかの画像出力によって発生する単位消費波形Ｓ２に対して、補給基礎波形を用いてどのようにトナー濃度ムラを打ち消すかを説明する図である。
上記測定箇所Ｂにおける単位消費波形Ｓ２と、各補給基礎波形Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５とから、単位消費波形Ｓ２を打ち消すような単位補給波形Ｈ’を、ここでは補給基礎波形Ｈ２とＨ３を複数、時間を異ならせることで作成している。単位消費波形S２と単位補給波形H’を組み合わせると、最終的には残留トナー濃度ムラがわずかに残る程度であり、トナー濃度を安定化させることができる。この考え方を印刷する全ての画像に対して適用することが可能であり、各補給基礎波形Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５を適宜組み合わせた組み合わせ補給波形を用いれば、少なくとも図３の測定箇所Ｃを通過した後のＹ現像剤のトナー濃度ムラを解消することができる。すなわち、現像機能に寄与する前に、そのトナー濃度ムラを解消することができる。

ここでは、概念を簡単に説明するため、各補給基礎波形Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４，Ｈ５という波形パターンで説明を行ったが、この部分が前述の予測制御するＦＦ制御システムの出力に相当する。この補給基礎波形を求める際、ここでは画像印刷によるトナー消費のダイナミクスをベースとして構成したが、トナーの帯電量による影響や、温湿度変化による影響をダイナミクスとして取り込む。これらを用いて構成することで様々なダイナミクスに対して有効なトナー補給量を決めるＦＦ制御システムを構築することができる。

次に、具体的なＦＦ制御システムの構築方法について説明する。
トナー濃度制御のＦＦ制御システムの入力は画素データであり、出力は必要なトナー補給量あるいはトナー補給時間となる。出力の違いは必要なトナー量を出すのみか、その後のトナー補給駆動機構に渡すことを考慮したトナー補給時間とするのかの違いである。

このＦＦ制御システムの目的はトナー濃度を一定とすることであるため、まず、トナーの補給を行わない状態の現像器に対して、画像面積率を変化させた全てのパターンにおいて、トナー濃度変動をトナー濃度センサにより検出する。このときのトナー濃度センサ出力の挙動を図６に示す。

このトナー消費によるトナー濃度変動を、ＦＦ制御システムが出力するトナー補給によるトナー濃度変動で相殺する必要がある。そのため、同様にトナーの消費を行わない状態の現像器に対して、トナー補給量あるいはトナー補給時間を変化させた全てのパターンにおいて、トナー濃度変動をトナー濃度センサにより検出する。このときのトナー濃度変動センサ出力の挙動を図７に示す。

トナー消費時のトナー濃度変動を、トナー補給時のトナー濃度変動を相殺することで、最終的なトナー濃度変動を一定とするＦＦ制御システムを構築する。この際、トナー消費とトナー補給とでは変動する山あるいは谷の大きさやうねりの形状などは異なる。トナー消費の山の高さやうねりは基本的に変えることは出来ないため、トナー補給で発生する谷の深さを変える。これはトナー補給量を増やす、あるいはトナー補給時間を長くする、またはトナー補給指示の量を増やす、あるいはトナー補給時間を長くしてトナー補給のタイミングを増やすトナー補給指示の量を増やすことで対応することができる。
このＦＦ制御システムでは、様々な画像面積率でのパターンを記憶してテーブル化して保有する方式や、基準となる画像面積率でのパターンのみを記憶し、入力される画像面積率の差異に応じたゲインを乗算する方式、さらには数式やフィルタなどに置き換えて記憶し、構成する方式など、様々なタイプが考えられる。また、ここでの説明において、トナー消費やトナー補給で量を変化させる量や分解能は設計者の判断で良く、計測した全てのパターンを用いずに構成しても良い。

これにより、トナー濃度を上げたい時は補給動作を実施し、トナー濃度を下げたい時はマイナス動作を行うのではなく、例えば、画像が出力されるまで待機、あるいは望ましくないが強制的に消費を行うなど、トナー濃度制御特有の条件に対して、物理的に意味のある補正制御を実施することができる。このように、データのオフセット処理を行わずにＦＦ制御システムを構築することにより、トナー濃度制御において誤差のない良好な制御が得られる。

強制的にオフセットを除去してしまうと、どこから補給でどこから消費となるのか、の境界が一定値で区切られてしまう。しかし、現実のトナー濃度制御では動作時間や印刷される画像面積率などで補給や消費のタイミングやスレッシュは変わる複雑な構成となっている。例えば、同じトナー濃度であったとしても、図８（ａ）に示すように、任意の時間、連続して上昇した際には補給を実施する。しかし、図８（ｂ）及び（ｃ）に示すように、瞬間的であったり断続的に上昇と下降を繰り返している場合には補給動作を実施しない。このような複雑さに対してもオフセットを残すことで情報が保持されるため、最適な設計を行うことが可能となる。

これらの変化については、例えば過去の任意の時間、トナー濃度センサ出力が単調増加、つまりトナー濃度が低下し続けたら補給動作を追加し、短時間や断続的な場合には平均的にトナー濃度は補給と消費のスレッシュ、つまり狙いのトナー濃度値となっていると判断できる。

この補正制御は通常のＦＢ制御でも実現可能である。スレッシュを目標値とし、トナー濃度センサ出力をフィードバックして目標値と比較することで構成できる。しかし、ＦＢ制御を構築してしまうと、少しでもスレッシュを超えたら補給、超えなかったら補給しない、という２つの判断しか行えないためにスレッシュ近傍で行ったり来たりの振動を繰り返してしまう。さらに、トナー濃度センサ出力が検出するトナー濃度と、実際にトナー補給を行い、それをトナー濃度センサが検知するまでには、「むだ時間」と呼ばれるタイムラグが存在する。このタイムラグによってはスレッシュ近傍の振動を増幅させてしまうこともある。

一方、ここでのＦＦ制御システムに追加補正制御を行うシステムの場合、基本的なトナー濃度変動はＦＦ制御システムが低減する。そこで、完全に取り切れない部分についてはトナー濃度センサ出力の傾向により、微調整するため、狙いのトナー濃度近傍に補正制御することが可能となる。このように変化量に対して追従する補正制御を追加することで、さらにＦＦ制御システムの性能が向上される。

また、これまでの説明では、消費とマイナス補給は同様として説明したが、現実には補給は現像器内のある一点で行われ、消費は印刷により発生する線あるいは面で行われる。数学的に消費とマイナス補給は同じ扱いとなるが、物理的に点と線あるいは面の挙動は異なる、という課題に対しても解決することができる。

トナー付着量制御について説明する。
トナー付着量制御では、感光体上あるいは中間転写ベルト上に付着するトナー量を望ましい値となるように、ＬＤパワーと現像バイアスの値を調整している。

基本的に、トナー付着量に対するＬＤパワーと現像バイアスの値は線形特性の区間を利用している。しかし、高品質画像を狙うためには、わずかに存在する非線形特性の部分が影響してくる。簡単にこの特性について説明する。広い範囲で考えると、ＬＤパワーあるいは現像バイアスの値に対してトナー付着量は図９に示すような相関関係を持っている。

実際の商品では、ほぼ線形特性と思われる区間Ｄの部分のみを用いて、ＬＤパワーまたは現像バイアスとトナー付着量の関係を導出し、補正制御を実施している。しかし、区間Ｄであっても厳密に見ると直線の線形関係ではなく、全体的な形と似たＳ字に近い非線形特性を持っている。つまり、上下限に近づいてくると相関関係が崩れてくる。実際の商品では、上下限に近づいてくると、強制的にリミットをかけたり、別動作となる調整モードに入ることで、相関関係の中央部分に移動させてしまう。すると、このときに連続出力を行うと何となく同じ印刷物なのに色合いなどが異なってきてしまう問題がある。

このトナー付着量制御も、トナー濃度制御と同様に、偏差が発生してから補正を行うＦＢ制御系を主体にすると、偏差が発生するまで補正制御を実施しないため、その間の画像品質が悪くなってしまう問題があり、ＦＦ制御系で構成されることが望ましい。

ここで、図１９のようなトナー付着量の計測データに対して、図２０のようにオフセット処理した計測データを用いてＦＦ制御系を構築してしまうと、最初に示した相関関係の望ましい区間Ｄで構築されてしまう。もちろん、これでも最低限の動作は行うが、上記のような高品質の画像を目標とした場合、上下限に近い部分では異なる特性を示してしまうため、十分な品質の画像を得ることができない。

オフセットしない計測データそのままでＦＦ制御系を構築すると、上下限に近い部分では線形関係ではないため、その部分を含めて補正制御を構築してくるため、ＬＤパワーまたは現像バイアスとトナー付着量の関係を明確に考慮して補正制御系を構築することができる。

例えば、以下のような状況を考える。
図１０はトナー付着量とＬＤパワーあるいは現像バイアスとの相関関係を示す。このとき、Ｉの区間は誤差が小さく、ほぼ線形の区間と考えて良いが、実際の商品で取りうる値の範囲がＩＩの区間であったとする。図１０において右図は縦軸については左図と同じであるが、横軸に実際の計測された計測データが示してある。

例えばＥの時には、線形関係と考えた場合に必要な補正量に対して、ΔＩの値だけズレが発生している。これに対してＩの区間を上限側に飛び出ていることを値から認識すれば、ΔＩに相当する不足分だけ、ＬＤパワーあるいは現像バイアスを追加で印加することで望ましいトナー付着量とすることが可能となる。ここでは一点鎖線で示した補正を行い、正しい補正値を入力すれば望ましいトナー付着量を得ることができる。これを指令値と出来るＦＦ制御システムを構築すれば良い。

同様にＦの時にはΔＩＩの値だけズレが発生する。こちらもΔＩＩに相当する過剰分だけＬＤパワーあるいは現像バイアスを削減することで望ましいトナー付着量とすることが可能となる。こちらについては図示していない。

上記の検討について、機械的にオフセットを除去してしまうと「０」となる中央値が区間Ｉのどの部分に相当するかが全く分からなくなってしまい、上記のような補正を実施することが難しくなる。これを回避するためには、オフセットを除去せずにそのままの値で制御系を構築する必要がある。

ここでは、区間で線形関係とそうでない部分について切り分ける説明を行ったが、その他にも非線形制御理論であったり、曲線近似で多次元を用いるなど、その他にも構築手段は多数存在する。

具体的なＦＦ制御システムの構築方法について記載する。
トナー付着量制御のＦＦ制御システムの入力は画素データであり、出力はＬＤパワーと現像バイアスに必要な±（プラスマイナス）補正量となる。出力において、構成によりＬＤパワーだけであったり、現像バイアスだけであったりしても良く、組み合わせやいずれか一方を優先させる構成としても良い。

このＦＦ制御システムの目的はトナー付着量を狙いの値にすることであるため、まず基準値のＬＤパワーと現像バイアスでトナー付着量を変化させた全てのパターンを作成する。ある付着量における付着量とＬＤパワー、現像バイアスの関係を図１１に示す。

理想の状態では、基準値のＬＤパワーと現像バイアスの値の時には、黒丸で示すように基準のトナー付着量となる。これに対して現像バイアスを振ることで変化するトナー付着量と、ＬＤパワーを振ることで変化するトナー付着量の値を図１１のように取得する。ここでＬＤパワーと現像バイアスをどの程度振ることでトナー付着量がどのように変化するかの相関関係を得ることができる。ここから、付着量を上げる場合の＋（プラス）補正量と付着量を下げる場合の−（マイナス）補正量を得ることができ、これにより、課題で説明したズレに対して補正を実施するＦＦ制御システムを構築することができる。また、補正量を決定する際、ＬＤパワーと現像バイアスを組み合わせて構成しても良い。

この説明では相関関係を線形の関係で行ったが、線形以外の関係であっても同様の考え方となる。
付着量がどの程度となるかを決めるのは画素情報であり、付着量も様々な値を取るため、理想としては多くの付着量に対して、上記の内容を実施することが望ましいが、手間が非常にかかる。そのため、状況によっては、中間付着量では、課題の説明で使った図１０のＩ区間のように、ほぼ線形特性の関係であるため省略したり、さらには低付着量では人間の視覚で認識することが難しいことから省略しても良い。

さらに、ここで設計したＦＦ制御システムも定期的に更新できるとより望ましい。機械の個体差に加え、使用環境や各部品の劣化度合いにより付着量を決める因子が複雑にからみあっているためである。機械が自動で補正する方式や場合によってはユーザが手動で補正しても良い。これにより、ユーザが好みの色合いにすることなども自由にできるようになる。このように、データのオフセット処理を行わずにＦＦ制御システムを構築することにより、トナー付着量の制御において良好な制御を得ることができる。

転写電流制御について説明する。
転写電流制御では、画像面積率や転写紙サイズ、紙の種類（凹凸）により変化してしまう転写率に対して、その転写率が変わらないように印加電流を制御している。

画像面積率を用いて、印加電流を制御する必要性について説明する。
ほぼ白紙に近い低画像面積率の印刷物であっても、ベタ画像のような低画像面積率の印刷物であっても、同じ転写率としないと画像品質は低下してしまうため、転写率に影響する電界を一定の値とする必要がある。しかし、ベタ画像では感光体上にはトナーが大量に存在するためトナーの帯電電位の影響が大きく、数十［Ｖ］となる。一方、白紙に近い画像では、トナーがほとんど存在しないため、感光体表面電位の影響が大きく数百［Ｖ］となる。この電位差であっても同様の電界を作り出す必要があるため、転写電流に印加する電流を変化させることで同じ電界を作り出し、転写率をどのような画像であっても一定とする必要がある。

同様のことが紙の種類（凹凸）や転写紙サイズについても言える。
基本的に、１ジョブの間に同じ条件のものが連続して入力されれば特別に難しいことはないが、上記の異なる条件が混在すると個別に補正制御が必要となり、ＦＢ制御では間に合わないためＦＦ制御系で構築することが望ましい。

しかし、転写率と印加電流は以下のような相関関係を持っており、高品質画像を狙うためには、わずかに存在する非線形特性の部分が影響してきてしまう。
実際の商品では、ほぼ線形特性と思われる図１２に示す区間Ｇの部分のみを用いて、印加電流の値を決定し、補正制御を実施している。

しかし、区間Ｇであっても、厳密にみると、特に印加電流が大きくなると飽和するような特性を持っている。そのため、印加電流が大きくなると転写率が狙いの値ほどは得られず、画像品質に影響が出てきてしまう、などの問題がある。
ここで、図２１のような転写率の計測データに対して、図２２のようにオフセット処理した計測データを用いてＦＦ制御系を構築してしまうと、前述した相関関係の望ましい区間Ｇで構築されてしまう。もちろん、これでも最低限の動作は行うが、上記のような高品質の画像を満足することはできない。

オフセットしない計測データそのままでＦＦ制御系を構築すると、上限に近い部分では線形関係ではないため、その部分を含めて補正制御を構築してくるため、印加電流と転写率の関係を明確に考慮して補正制御系を構築することができる。

例えば、以下のような状況を考える。
図１３は、転写率と印加電流との相関関係を示すグラフである。このとき、ＩＶの区間は誤差が小さく、ほぼ線形の区間と考えて良いが、実際の商品で取りうる値の範囲がＩＩＩの区間であったとする。右図は縦軸については左図と同じであるが、横軸に実際の計測された計測データが示してある。

例えばＨの時には、線形関係と考えた場合に必要な補正量に対して、ΔＩＩＩの値だけズレが発生している。これに対してＩＩＩの区間を上限側に飛び出ていることを値から認識すれば、ΔＩＩＩに相当する不足分を補うように一点鎖線で示すように補正し、必要な印加電流を加えることで望ましい転写率を得ることが可能となる。

上記の検討について、機械的にオフセットを除去してしまうと「０」となる中央値が区間ＩＩＩのどの部分に相当するかが全く分からなくなってしまい、上記のような補正を実施することが難しくなる。これを回避するためには、オフセットを除去せずにそのままの値で制御系を構築する必要がある。

ここでは、区間で線形関係とそうでない部分について切り分ける説明を行ったが、その他にも非線形制御理論であったり、曲線近似で多次元を用いるなど、その他にも構築手段は多数存在する。

具体的なＦＦ制御システムの構築方法について記載する。
転写電流制御のＦＦ制御システムの入力は画素データ、紙の情報（紙の凹凸や紙サイズ）であり、出力は印加電流の±（プラスマイナス）補正値または、それを作り出すためのPWＭ出力補正値となる。入力に対しては、画素データから求めた印加電流の±（プラスマイナス）補正値と、紙の情報から求めた印加電流の±（プラスマイナス）補正値を個別にしても良く、組み合わせや一方を優先させる構成としても良い。

ここでのＦＦ制御システムの目的は転写率を狙いの一定値にすることであるため、まず基準値の印加電流値で転写率と画像面積率を変化させた全てのパターンを作成する。
ある転写率における、転写率と印加電流の関係を図１４に示す。

理想の状態では、基準値の印加電流の値の時には、黒丸で示すように基準の転写率となる。これに対して、印加電流を振ることで、画像面積率ごとに変化する転写率の値を図のように取得する。ここで印加電流をどの程度振ることで転写率がどのように変化するか、画像面積率ごとの相関関係を得ることができる。ここから、転写率を上げる場合の＋（プラス）補正量と転写率を下げる場合の−（マイナス）補正量を得ることができ、これにより、課題で説明したズレに対して補正を実施するＦＦ制御システムを構築することができる。

同様に、基準値の印加電流値で転写率と紙の粗さを変化させた全てのパターンを作成する。ある転写率における、転写率と印加電流の関係を図１５に示す。
理想の状態では、基準値の印加電流の値の時には、黒丸で示すように基準の転写率となる。これに対して、印加電流を振ることで、紙の粗さごとに変化する転写率の値を図１５のように取得する。ここで印加電流をどの程度振ることで転写率がどのように変化するか、紙の粗さごとの相関関係を得ることができる。ここから、転写率を上げる場合の＋（プラス）補正量と転写率を下げる場合の−（マイナス）補正量を得ることができ、これにより、先に説明したズレに対して補正を実施するＦＦ制御システムを構築することができる。このように、データのオフセット処理を行わずにＦＦ制御システムを構築することにより、転写率制御において誤差のない制御を得ることができる。

また、補正量を決定する際、画像面積率と紙の粗さを組み合わせて構成しても良い。
この説明では相関関係を線形の関係で行ったが、線形以外の関係であっても同様の考え方となる。

転写率がどの程度となるかを決めるのは画素情報と紙の粗さであり、転写率も様々な値を取るため、理想としては多くの転写率に対して、上記の内容を実施することが望ましいが、手間が非常にかかる。そのため、状況によっては、一定の転写率より低い領域では、課題の説明で使った図のＩＶ区間のように、ほぼ線形特性の関係であるため省略しても良い。

さらに、ここで設計したＦＦ制御システムも定期的に更新できるとより望ましい。機械の個体差に加え、使用環境や各部品の劣化度合いにより付着量を決める因子が複雑にからみあっているためである。機械が自動で補正する方式や場合によってはユーザが手動で補正しても良い。これにより、ユーザが好みの色合いにすることなども自由にできるようになる。

Ａ プリンタ
２ 感光体
４ 現像ユニット
６ 中間転写ベルト
５ １次転写ローラ
２６ ２次転写ローラ

特開２００８−２９９３１５号公報

Claims (5)

1. 一定の目標値あるいは変化量に対して追従するための補正制御を行う補正制御手段と、
   該補正制御手段は、予め決められた補正量とタイミングを事前に印加する予測制御方式を含んでおり、
   該予測制御方式は、予め決められた補正量とタイミングを導出するためのデータのオフセット処理を行わずに構築することを特徴とする補正制御方法。
2. 現像ユニットに現像剤を補給する画像形成装置におけるトナー濃度制御に用いることを特徴とする請求項１に記載の補正制御方法。
3. 像担持体上に付着するトナー量を制御するトナー付着量制御に用いることを特徴とする請求項１に記載の補正制御方法。
4. 記録媒体へのトナー像の転写率が一定になるように転写電流を制御する転写電流制御に用いることを特徴とする請求項１に記載の補正制御方法。
5. 請求項１ないし４の何れかに記載の補正制御方法を用いることを特徴とする画像形成装置。

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