JP2015082080A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トナーの残量検出の精度を向上させる手段を提供する。
【解決手段】現像剤を収容し、前記現像剤を担持する現像剤担持体から前記現像剤を供給して像担持体の表面に現像剤像を形成する現像装置と、前記現像装置内の現像剤残量を検出する現像剤残量検出部と、前記現像剤像を転写して保持する転写部材と、前記転写部材に現像剤残量検出用画像を形成する検出用画像形成部と、前記現像剤残量検出用画像の濃度を検出し、前記濃度に基づいて前記現像装置の交換時期を判定する判定部とを備え、前記現像剤残量検出用画像は、基準濃度検出画像と、前記基準濃度検出画像に対して前記現像剤担持体の１周分の長さに相当する間隔を保持した少なくとも１つの比較用濃度検出画像とからなり、前記判定部は、前記基準濃度検出画像と前記比較用濃度検出画像との検出濃度差に基づいて前記現像装置の交換時期を判定し、その判定結果を報知する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子写真方式のプリンタや複写機等の画像形成装置に関する。

従来の画像形成装置は、トナー収容器が一体化された画像形成ユニットを備え、トナー収容器に収容されたトナーは供給ローラを介して現像ローラに供給されて画像形成とともに消費され、画像形成ユニット内のトナー残量が少なくなり過ぎると印刷品位を維持することができなくなるため、トナーの消費量が所定の消費量を超えるとトナー残量検出部がトナーエンプティを検出して表示部にアラームを表示してユーザに画像形成ユニットの交換を促すようにしている。

また、トナー残量が十分にある場合であっても、トナーが著しく劣化した状態では画像品質が低下するため、トナー残量と現像動作の回数との関係からトナーの劣化度を算出し、算出したトナーの劣化度に基づいて寿命に達しているか否かを判断し、寿命に達していると判断した場合に印刷動作を禁止して画像形成ユニットの交換を促すようにしているものある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１５６７９２号公報

しかしながら、従来の技術においては、画像形成ユニット内のトナーの残量に応じて現像動作の回数に伴ってトナーの劣化度が積算されるため、現像動作１回あたりのトナー消費量が少ない低画像面積率の印刷が繰り返して行われた場合、画像面積率が高い印刷が連続して行われた場合と比較してトナー残量に対するトナー劣化度が大きくなり、トナーの残量がまだ十分にある状態にもかかわらず画像形成ユニットが寿命に達したと判断されて印刷動作が禁止されてしまうという問題がある。
本発明は、このような問題を解決することを課題とし、トナーの残量検出の精度を向上させることを目的とする。

そのため、本発明は、現像剤を収容し、前記現像剤を担持する現像剤担持体から前記現像剤を供給して像担持体の表面に現像剤像を形成する現像装置と、前記現像装置内の現像剤残量を検出する現像剤残量検出部と、前記現像剤像を転写して保持する転写部材と、前記転写部材に現像剤残量検出用画像を形成する検出用画像形成部と、前記現像剤残量検出用画像の濃度を検出し、前記濃度に基づいて前記現像装置の交換時期を判定する判定部とを備え、前記現像剤残量検出用画像は、基準濃度検出画像と、前記基準濃度検出画像に対して前記現像剤担持体の１周分の長さに相当する間隔を保持した少なくとも１つの比較用濃度検出画像とからなり、前記判定部は、前記基準濃度検出画像と前記比較用濃度検出画像との検出濃度差に基づいて前記現像装置の交換時期を判定し、その判定結果を報知することを特徴とする。

このようにした本発明は、トナーの残量検出の精度を向上させることができるという効果が得られる。

実施例における画像形成装置の制御系の構成を示すブロック図 実施例における画像形成装置の構成を示す概略側断面図 実施例におけるトナー残量検出用テストパターンの説明図 実施例におけるトナーの残量と濃度検出値の関係を示したグラフ 実施例における現像ローラと供給ローラの接触状態の説明図 実施例における供給ローラ押し込み量に対するトナー帯電量の変動を示すグラフ 実施例における寿命判定処理の流れを示すフローチャート 実施例におけるトナー残量決定テーブルの説明図 実施例におけるトナー残量検出用テストパターンの変形例の説明図 実施例におけるプロセスカートリッジに印加される電圧のタイミングチャート 変形例におけるトナー残量に対する濃度検出値の変動を示すグラフ

以下、図面を参照して本発明による画像形成装置の実施例を説明する。

図２は実施例における画像形成装置の構成を示す概略側断面図である。
図２において、画像形成装置１０は、例えばカラープリンタであり、ブラック、イエロー、マゼンタ、およびシアンの各色の画像をそれぞれ形成する４つの現像装置としてのプロセスカートリッジ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを有し、これらが記録媒体Ｐの搬送経路３０の図中矢印Ａが示す媒体搬送方向における上流側からプロセスカートリッジ（ブラック）１１ａ、プロセスカートリッジ（イエロー）１１ｂ、プロセスカートリッジ（マゼンタ）１１ｃ、プロセスカートリッジ（シアン）１１ｄの順に画像形成装置１０に対して着脱可能に配設されている。

プロセスカートリッジ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄのそれぞれに対向する位置には、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）プリントヘッド１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが配設されている。
プロセスカートリッジ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの内部構成は共通であり、像担持体としての感光体ドラム１５の周囲に、帯電部材としての帯電ローラ１６、現像剤担持体としての現像ローラ１７、クリーニング部材としてのクリーニング部１４が配設され、現像剤としてのトナーを収容するトナー収容部２０とともに一体化されている。
感光体ドラム１５は、表面に現像剤像としてのトナー像が形成されるものであり、アルミニウム等の導体に感光層が塗布され、軸端部には駆動カップリングを備え回転自在に配設されている。

帯電ローラ１６は、例えばステンレス等の金属を軸としてエピクロロヒドリン等の導電性の弾性体を被覆したものであり、感光体ドラム１５の回転に従動して回転し、高電圧が印加されて感光体ドラム１５の表面を帯電させる。
現像ローラ１７は、トナーを担持する現像剤担持体である。この現像ローラ１７は、例えばステンレス等の金属を軸としてウレタン等の導電性の弾性体を被覆したものであり、軸の端部に駆動カップリングを備え、画像形成装置１０からの駆動伝達により回転し、高電圧が印加され感光体ドラム１５表面との間に電界を形成し、ＬＥＤヘッド１３の露光により帯電された感光体ドラム１５の表面に形成された静電潜像にトナーを供給してトナー像を現像させる。また、現像ローラ１７の周囲には、供給ローラ１８および規制ブレード１９が配設されている。

供給ローラ１８は、例えばステンレス等の金属を軸としてシリコン等の発泡性の弾性体を被覆したものであり、軸の端部にギアを備え、現像ローラ１７からの駆動伝達により回転し、現像ローラ１７との摩擦によりトナーを摩擦帯電させ現像ローラ１７へトナーを供給する。
規制ブレード１９は、例えばステンレスの薄板からなり、一端がホルダに固定された弾性体ブレードであり、他端が現像ローラ１７へ押し当てられて配設され、トナーを摩擦帯電させつつ現像ローラ１７上のトナー層厚を規制して帯電されたトナーの薄層を形成する。

クリーニングブレード１４は、転写後に感光体ドラム１５に残留したトナーを掻き落して回収する。
各プロセスカートリッジ１１ａ〜１１ｄのトナー収容部２０には各色のトナーが収容され、そのトナーが供給ローラ１８を介して現像ローラ１７に供給される。
ＬＥＤプリントヘッド１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの構成は共通であり、ＬＥＤアレイチップが複数個並べられたプリント配線基板と、ＬＥＤアレイから出射した光を感光体ドラム１５の表面に等倍に結像するロッドレンズアレイから構成され、それぞれのＬＥＤプリントヘッド１３ａ〜１３ｄがそれぞれのプロセスカートリッジ１１ａ〜１１ｄに対向するように配設されている。

画像形成装置１０の下部には、記録媒体Ｐを収納する給紙カセット３１、積層された記録媒体Ｐを１枚ずつ分離して給紙するためのホッピングローラ３２が配設されている。記録媒体Ｐはホッピングローラ３２により給紙された後、斜行（スキュー）取り等を行なうレジストローラ対３３、３４により搬送経路３０に沿って搬送され、さらに転写部（転写ベルトユニット）３５により各プロセスカートリッジ１１ａ〜１１ｄを順次経由して搬送される。

転写部（転写ベルトユニット）３５のプロセスカートリッジ１１ａ〜１１ｄに対向する位置には、トナー像を転写して保持する転写部材としての転写ベルト３６を介して感光体ドラム１５に対して電界を形成するための電圧が印加される転写ローラ３７がそれぞれ配設され、転写ベルト３６を介して搬送される記録媒体Ｐの背面から電界を形成し、感光体ドラム１５のトナー像を電気的に引き付けて記録媒体Ｐへ順次転写する。

濃度センサ２１は、発光部と受光部の対からなる反射型光センサであり、図中矢印Ａが示す転写ベルト３６の搬送方向における最下流に配設されているプロセスカートリッジ１１ｄよりもさらに下流の領域の転写ベルト３６に対向する位置に配設されている。
定着部（定着器）４１は、加熱ローラとバックアップローラとを接触させて配設し、記録媒体Ｐ上に転写されたトナーは加熱ローラとバックアップローラとの加圧、加熱により記録媒体Ｐに定着される。
定着部（定着器）４１から排出された記録媒体Ｐは、搬送経路３０に沿って排出ローラ４２によりスタッカ４３へ排出される。

図１は実施例における画像形成装置の制御系の構成を示すブロック図であり、図１に基づいて画像形成装置の制御系の構成を、図２を参照しながら説明する。
図１において、画像形成装置１０は、プロセスカートリッジ１１（１１ａ〜１１ｄ）と、ＬＥＤヘッド１３（１３ａ〜１３ｄ）と、転写部３５と、定着部４１と、給紙部５０と、表示部５１と、濃度センサ２１と、制御部６０と、画像形成電圧制御部６５と、ＬＥＤヘッド制御部６６と、転写制御部６７と、定着制御部６８と、給紙制御部６９と、表示制御部７０と、濃度測定制御部７１と、Ｉ／Ｆ（ＩｎｔｅｒＦａｃｅ）８１とにより構成されている。

制御部６０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）６１を有し、画像形成装置１０全体の動作を制御するものである。Ｉ／Ｆ８１に外部の上位装置から画像データが送信されるとＩ／Ｆ８１はその画像データを制御部６０に出力する。制御部６０は、画像データを受信するとＣＰＵ６１により生成される印刷タイミングに従って給紙部５０の動作を制御する給紙制御部６９の各種モータ等の駆動信号を出力する。これにより、ホッピングローラ３２等により記録媒体Ｐの給紙が開始される。
給紙の開始とともに、制御部６０は、ＬＥＤヘッド１３の発光動作を制御するＬＥＤヘッド制御部６６に画像データを送信し、記録媒体Ｐがプロセスカートリッジ１１に達するタイミングで画像形成電圧制御部６５に制御信号を出力する。

画像形成電圧制御部６５は各プロセスカートリッジ１１の帯電ローラ１６、現像ローラ１７、および供給ローラ１８に印加する高電圧を制御し、ＬＥＤヘッド制御部６６はＬＥＤヘッド１３を画像データに応じて点灯することで感光体ドラム１５の表面にトナー像を形成する。
また、制御部６０は転写制御部６７に制御信号を出力し、転写制御部６７は転写部３５に記録媒体Ｐの搬送に同期して高電圧を印加するように制御し、トナー像を記録媒体Ｐ上に転写する。
制御部６０は定着制御部６８に制御信号を出力し、定着制御部６８は定着部４１の定着速度および定着温度を制御し、定着部４１を通過する記録媒体Ｐにトナー像を定着させる。

表示制御部７０は、制御部６０から入力した制御信号に従って表示部５１を制御し、表示部５１に各種情報等を表示する。この表示部５１は、メニュー項目の選択や設定内容を変更する入力キーとともに、画像形成装置１０のフロント部に配設される。
また、制御部６０は、プロセスカートリッジ１１内のトナー残量を検出する現像剤残量検出部としてのトナー残量検出部６２と、転写ベルト３６上に現像剤残量検出用画像としての濃度検出用テストパターンを形成する検出用画像形成部６３と、濃度測定制御部７１および濃度センサ２１により測定され検出される濃度検出用パターンの濃度値に基づいてプロセスカートリッジ１１の寿命による交換時期を判定する判定部としての寿命判定部６４とを備えている。

トナー残量検出部６２は、画像形成処理時においてプロセスカートリッジ１１が形成するトナー像のドットカウントの積算値をトナー消費量に換算（計測）し、初期のトナー量からの差分からプロセスカートリッジ１１内のトナー残量を算出し、検出する。ドットカウントあたりのトナー消費量は実験的に決定され、ドットカウントの単位量をトナーの消費量に変換する変換係数が予め記憶部に保存され、またプロセスカートリッジ１１内に充填される初期のトナー量も記憶部に保存されている。

トナー残量検出部６２は、画像形成動作が実行されると動作毎にドットカウント値を計数した後、プロセスカートリッジ１１の使用開始から計測されているドットカウント積算値に加算する。トナー残量検出部６２は、ドットカウント積算値とトナー消費量変換係数とを用いてトナー消費量を算出し、算出したトナー消費量と初期トナー量との差分を求めることでトナー残量を算出する。

トナー残量検出部６２は、算出したトナー残量と、予め設定され記憶部に保存されているトナーロー閾値とを比較し、トナー残量がトナーロー閾値に達するとトナー残量が少ない状態であることを示すトナーロー状態と確定し、表示部５１にトナーロー状態であることを表示する。例えば、初期のトナー充填量に対してトナー残量が２０％となる時点をトナーロー状態と判定するようにトナーロー閾値を設定する。
このようなトナー残量検出方式は、光センサなどのトナー残量検知機構を設ける必要がなく、小型機や低価格機の画像形成装置１０には好適であるが、例えば印刷画像面積率など画像形成装置１０の使用状態の違いによりトナー残量の検出値に誤差が生じる場合がある。

画像形成装置１０においては、画像品質を維持した状態においてもカブリトナー等、画像形成時にドットカウントに計数されないトナー消費が若干量生じてしまう。従って、例えば画像面積率の低い、いわゆる低デューティー画像を継続して印刷する場合、ドットカウント値から算出したトナー消費量と、実際のトナー消費量との間に誤差が発生しやすくなる。また、画像形成装置１０の周辺の温度や湿度によってもカブリトナー量が変動し、トナー消費量の誤差は一定とは限らない。さらに、低デューティー画像を継続して印刷している場合は、トナー消費が少ないため、プロセスカートリッジ１１の印刷枚数が多くなり、例えば感光体ドラム１５や供給ローラ１８の磨耗、トナーの劣化等による経時変動が発生しやすくなり、トナー消費量の誤差が発生する要因となる。

本実施例では、トナー残量検出部６２は、トナーロー状態を検出した後、転写ベルト３６上に形成したテストパターンの濃度を測定してトナー残量の低下に起因する画像濃度の低下を検出することにより、プロセスカートリッジ１１内のトナー残量がエンプティ状態に達しているか、または未だ十分に残っているかを検出して当該プロセスカートリッジ１１の寿命を判定する。

図３は実施例におけるトナー残量検出用テストパターンの説明図であり、図３に基づいて本実施例におけるトナー残量検出用テストパターンを、図１および図２を参照しながら説明する。
図３において、トナー残量検出用テストパターン６３１は、検出用画像形成部６３により転写ベルト３６上に形成される一例である。なお、本実施例では、単色のみ、例えばブラック色のプロセスカートリッジ１１ａにより形成されるトナー残量検出用テストパターン６３１について説明する。

トナー残量検出用テストパターン６３１は、転写ベルト３６上に形成され、２つの矩形の基準濃度測定用パッチ６３１ａおよび比較濃度測定用パッチ６３１ｂからなる。
トナー残量検出用テストパターン６３１の形成位置は、濃度センサ２１が対向する位置であり、図中矢印Ｄが示す方向を転写ベルト３６の搬送方向（以下、「搬送方向Ｄ」という。）としたとき、搬送方向Ｄと直交する方向における基準濃度測定用パッチ６３１ａおよび比較濃度測定用パッチ６３１ｂの中心位置Ｍと、濃度センサ２１の配設位置とが一致するようにトナー残量検出用テストパターン６３１を形成する。

比較濃度測定用パッチ６３１ｂは、基準濃度測定用パッチ６３１ａに対して転写ベルト３６の搬送方向Ｄにおける下流側に現像ローラ１７の１周分（１回転周期）の長さである間隔Ｐ１を保持して少なくとも１つ形成される。
現像ローラ１７の１周分の長さである間隔Ｐ１は、転写ベルト３６と、感光体ドラム１５と、現像ローラ１７との表面速度が同一の場合は、現像ローラ１７の外周に相当する。また、転写ベルト３６と、感光体ドラム１５との表面速度が同一であり、現像ローラ１７は感光体ドラム１５に対して１．２倍の表面速度で回転している場合は、現像ローラ１７の１周分の長さである間隔Ｐ１は、現像ローラ１７の外周の１．２分の１の長さとなる。

なお、基準濃度測定用パッチ６３１ａに対して転写ベルト３６の搬送方向Ｄにおける上流側に現像ローラ１７の１周分の長さである間隔Ｐ１を隔てた位置（領域）には、濃度測定用パッチは形成されない。
基準濃度測定用パッチ６３１ａおよび比較濃度測定用パッチ６３１ｂの画像面積率は任意であるが、例えば画像面積率が１００％のいわゆるベタパターン（１００％デューティ画像）等の画像面積率が高い画像が望ましい。
基準濃度測定用パッチ６３１ａおよび比較濃度測定用パッチ６３１ｂの各辺の長さＷ１１、Ｗ１２、Ｗ２１、Ｗ２２は、濃度センサ２１の測定範囲が完全に覆われるような寸法であれば良い。

さらに、基準濃度測定用パッチ６３１ａおよび比較濃度測定用パッチ６３１ｂは、分離して形成した例で説明しているが、これはトナーの消費量をできる限り少なくするためであり、基準濃度測定用パッチ６３１ａと比較濃度測定用パッチ６３１ｂとを１つの画像パターンの中にそれぞれ形成するようにしても良い。少なくとも、現像ローラ１７の１周分の長さである間隔Ｐ１で形成された測定用パッチの画像濃度が濃度センサ２１により測定され、それぞれの濃度値が比較できる位置と画像面積率であれば良い。

以上の説明のように、基準濃度測定用パッチ６３１ａは少なくとも現像ローラ１７の１周分の前において画像形成が行われていない状態であり、例えばウォームアップ時などのように、現像ローラ１７上のトナー供給と帯電が安定している状態から画像パターンが形成された状態に相当する。
一方、比較濃度測定用パッチ６３１ｂは、現像ローラ１７の１周分の前において画像形成が行われた状態であり、供給ローラ１８からの現像ローラ１７へのトナー供給と帯電が１回のみであり、供給ローラ１８の周囲に収容されているトナーの量により現像ローラ１７へのトナー供給量が影響を受け易い状態から画像パターンが形成された状態に相当する。

通常、プロセスカートリッジ１１内のトナー残量が充分にある場合は、供給ローラ１８の周囲のトナー量も多く存在し、現像ローラ１７へのトナー供給量が多くなるため、現像ローラ１７の１周分以前に画像形成が行われていてもトナーの濃度低下は発生しない。これは、例えばベタパターンのような高デューティーの画像を印刷しても現像ローラ１７の２周目以降のトナー濃度の低下やトナー不足によるカスレ印刷がなく、良好なベタパターンの画像が形成できる状態であることを示しており、高い画像品質が維持できていると判断することができる。

ところが、プロセスカートリッジ１１内のトナー残量が少なくなり、供給ローラ１８の周囲のトナー量が少なくなると、現像ローラ１７へのトナー供給量が少なくなるため、現像ローラ１７の１周分以前に画像形成が行われていた場合は、現像ローラ１７上に形成されるトナー層の層厚が薄くなり、画像のトナー濃度が低下しやすい状態となる。
さらに、トナー残量が少なくなると、個々のトナーの供給ローラ１８等に対する接触回数が増加し、トナーの帯電量が高くなりやすくなり、現像ローラ１７から感光体ドラム１５の静電潜像へトナーが移動し難くなる。従って、画像のトナー濃度が低下し易い状態となる。このとき、例えばベタパターンのような高デューティーの画像を印刷した場合は、現像ローラ１７の２周目以降のトナー濃度の低下が発生し、いわゆるカスレやゴーストと呼ばれる印刷不良が発生し易く、良好な画像品質が維持できない状態であると判断することができる。

寿命判定部６４は、検出用画像形成部６３により形成されたトナー残量検出用テストパターン６３１の基準濃度測定用パッチ６３１ａの基準濃度と、比較濃度測定用パッチ６３１ｂの比較濃度とを濃度センサ２１により測定し、比較濃度と基準濃度との差分を濃度検出値として検出し、その濃度検出値と、記憶部に記憶されたトナーエンプティ閾値（交換時期判定閾値）とを比較してプロセスカートリッジ１１がトナー残量の低下により良好な画像品質を維持できない状態であり、寿命に達しているか否か、すなわちプロセスカートリッジ１１の交換時期であるか否かを判定する。
次に、寿命判定部６４が行うプロセスカートリッジ１１の寿命判定方法を図４の実施例におけるトナーの残量と濃度検出値の関係を示したグラフを用いて図１および図２を参照しながら説明する。

図４は、プロセスカートリッジ１１内のトナーの残量と濃度検出値の関係を示したグラフであり、横軸をトナー残量[ｇ]、縦軸を濃度検出値[ＯＤ]とし、実線Ｃ１はプロセスカートリッジ１１の印刷枚数が、例えば１０００枚程度のときの状態を示し、破線Ｃ２はプロセスカートリッジ１１の印刷動作が実線Ｃ１よりも多く繰り返された状態であり、例えば５０００枚程度の印刷を行った後の状態を示している。
濃度検出値は、濃度センサ２１で測定した比較濃度から基準濃度を減算した値であり、検知光の反射率の検出値を画像濃度としての指標であるＯＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）値に変換した値で表している。例えば、比較濃度が１．４[ＯＤ]、基準濃度１．５[ＯＤ]と測定された場合、濃度検出値は−０．１０[ＯＤ]となり、低下していることを示す。

図４に示すように、画像形成動作によるトナーの消費に伴いプロセスカートリッジ１１内のトナーの残量は少なくなるが、ある程度のトナーが残っていれば比較濃度は基準濃度と同等であり、濃度基準値は低下しない。図４においてはトナー残量が１５[ｇ]付近まで減少しても濃度検出値は低下しない。
ところが、トナー残量がさらに少なくなると、トナー残量の減少に従って濃度検出値の低下量は大きくなる。上述したように、濃度検出値が低下すると良好な画像品質が維持できない状態であることにより、濃度検出値の所定の値をトナー残量が無くなっていることを示すトナーエンプティ閾値として記憶部に設定し、濃度検出値がトナーエンプティ閾値に達した場合にはプロセスカートリッジ１１が寿命に達したと判定する。

交換時期判定閾値としてのトナーエンプティ閾値は、濃度検出値に対する画像品質の客観的な評価値に基づき、画像形成装置１０の仕様やユーザの要求等の様々な要因を鑑みて適宜決定すれば良い。決定されたトナーエンプティ閾値は予め記憶部に保持される。なお、図４では、濃度検出値の低下量が−０．１０をトナーエンプティ閾値として設定し、トナーエンプティ閾値を破線Ｔで表している。
また、トナー残量に対する濃度検出値の変動は一律でなく、印刷枚数や画像デューティー等のプロセスカートリッジ１１の動作条件、または温度、湿度等の画像形成装置１０の稼働環境条件等によって変動する場合がある。

図４においては、一例としてプロセスカートリッジ１１の印刷枚数が、例えば５０００枚前後の状態を破線Ｃ２に示している。破線Ｃ２においては実線Ｃ１と比較してトナー残量が多い状態から濃度検出値が低下し始め、トナーエンプティ閾値に達するときのトナー残量も多い。
これはプロセスカートリッジ１１の経時特性変動によるものであり、原因としては供給ローラ１８の磨耗によりトナーの搬送性が低下し、現像ローラ１７へのトナー供給量が減少することが主要因であると考えられる。

プロセスカートリッジ１１の経時特性変動の他の要因としてはトナーの劣化が考えられる。印刷枚数が増加する条件としては、１枚の記録媒体Ｐの印刷におけるトナー消費量が少ない、いわゆる低デューティー画像を継続して印刷している状態であり、このためプロセスカートリッジ１１内のトナーは内部で循環を繰返して摩擦回数が増加し、ダメージを受けることにより、流動性が低下し現像ローラ１７へのトナー供給量が減少する場合がある。また、トナーの劣化により帯電性も低下し、低帯電トナートナーによるカブリが発生して画像品質が低下する場合もあった。

このトナー劣化に対して、本実施例では、供給ローラ１８の現像ローラ１７に対する押込み量を規定することで、トナーが受けるダメージを最小限に抑える構成としている。
次に、現像ローラと供給ローラの接触状態を図５の実施例における現像ローラと供給ローラの接触状態の説明図を用いて図２を参照しながら説明する。
プロセスカートリッジ１１における現像ローラ１７は、感光体ドラム１５に接触するように配設されている。

また、供給ローラ１８は、金属軸１８ａの周囲に発泡性弾性部材としてのスポンジ層１８ｂが被覆された構成であり、現像ローラ１７に形成されているトナー層の掻き取り動作と、現像ローラ１７へのトナー供給動作と、トナーの摩擦帯電動作とを行うため、一定の押し込み量Ｎを得るように現像ローラ１７に押し当てて配設されている。
本実施例では、現像ローラ１７の外径を１６ｍｍとしている。また、供給ローラ１８の外径を１４．６ｍｍ、外径６ｍｍの金属軸１８ａの周りに４．３ｍｍ厚でスポンジ層１８ｂを形成し、現像ローラ１７への押し込み量Ｎが０．６ｍｍとなるように配置して構成している。

このとき、スポンジ層１８ｂへの押し込み量Ｎとスポンジ厚Ｓとの比、即ちスポンジ層１８ｂの厚みＳに対する現像ローラ１７への押込み量Ｎの割合であるスポンジ圧縮比（Ｎ／Ｓ）は、０．６／４．３≒０．１４である。
押し込み量Ｎとトナーのダメージには相関関係があり、押し込み量Ｎが大きい程、供給ローラ１８と現像ローラ１７との接触領域におけるトナーへの摩擦力が大きくなり、従ってトナーのダメージが大きくなる。
一方、供給ローラ１８への押し込み量Ｎが小さくなるとトナーに対する摩擦力が小さくなり、トナー帯電量が低下する傾向がある。

図６は実施例における供給ローラ押し込み量に対するトナー帯電量の変動を示すグラフであり、供給ローラ押し込み量Ｎが０．５ｍｍ未満になると、押し込み量の低下に伴いトナー帯電量が低下することがわかる。また、供給ローラ押し込み量Ｎは、トナーへのダメージを押さえるために１．０ｍｍ以下であることが好ましく、本実施例では、トナーへのダメージを抑えつつトナー帯電量を維持するため、供給ローラ押し込み量Ｎを０．６ｍｍに設定している。

また、スポンジ圧縮比が大きい程、スポンジの摩耗による劣化進行が早くなる傾向があるが、スポンジ圧縮比が０．２０以下であれば十分な耐久性を確保できることを実験的に確認している。
本実施例のプロセスカートリッジ１１は、このようにトナー劣化を最小限に抑えることができる構成としているため、カブリの発生を抑えることができ、カスレやゴースト等の印刷不良が発生しない状態のトナー残量まで使用することができる。

このように構成されたプロセスカートリッジ１１を用いた本実施例では、図１に示す、トナー残量検出部６２において、トナー残量２０ｇをトナーロー閾値と設定し、トナー消費量の算出によりトナーロー状態を確定した後、検出用画像形成部６３によりトナー残量検出用パターンを形成し、寿命判定部６４により濃度検出値を求め、トナーエンプティ閾値と比較する。従って、寿命判定部６４は、プロセスカートリッジ１１の印刷枚数が少ない図４に示す実線Ｃ１ではトナー残量が８ｇのときにトナーエンプティ状態であると判定し、プロセスカートリッジ１１の印刷枚数が多い図４に示す破線Ｃ２ではトナー残量が１０ｇのときにトナーエンプティ状態であると判定する。
このように寿命判定部６４は、プロセスカートリッジ１１の使用状況に係わらず、トナー残量が良好な印刷品質を維持できないトナーエンプティ状態まで低下していると判断した場合、プロセスカートリッジ１１が寿命に達したと判定し、表示部５１にプロセスカートリッジ１１の交換が必要である旨を表示する。

上述した構成の作用について説明する。
画像形成装置が行うプロセスカートリッジの寿命判定処理を図７の実施例における寿命判定処理の流れを示すフローチャートの図中Ｓで表すステップにしたがって図１および図２を参照しながら説明する。
Ｓ１：画像形成装置１０が画像形成動作を行い記録媒体Ｐへの画像形成が終了すると、制御部６０はプロセスカートリッジ１１の寿命判定処理を開始する。
Ｓ２：制御部６０のトナー残量検出部６２は、画像形成動作によるプロセスカートリッジ１１の初期からのドットカウントを積算した値に基づいてトナー消費量を算出する。

Ｓ３：トナー残量検出部６２は、算出したトナー消費量と、予め記憶部に保存されているトナーロー閾値とを比較し、トナー消費量がトナーロー閾値に達していないと判定すると本処理を終了して次の画像形成動作を待機し、トナー消費量がトナーロー閾値に達したと判定すると処理をＳ４へ移行する。
Ｓ４：トナー残量検出部６２によりトナー消費量がトナーロー閾値に達したと判定されると、検出用画像形成部６３および寿命判定部６４は現像ローラ周期の濃度低下量測定の処理を行う。

ここで、検出用画像形成部６３は転写ベルト３６上にトナー残量検出用のテストパターンを形成し、寿命判定部６４は濃度測定制御部７１による制御に基づいてトナー残量検出用のテストパターンの画像パッチの濃度を濃度センサ２１で測定し、現像ローラ周期の濃度低下量を濃度検出値として検出する。
Ｓ５：寿命判定部６４は、検出した濃度検出値と、予め記憶部に保存されているトナーエンプティ閾値とを比較し、濃度検出値がトナーエンプティ閾値に達していないと判定すると処理をＳ７へ移行し、濃度検出値がトナーエンプティ閾値に達したと判定すると処理をＳ６へ移行する。

Ｓ６：寿命判定部６４は、濃度検出値がトナーエンプティ閾値に達したと判定すると、トナー残量が良好な画像品質を維持できない状態まで低下しているトナーエンプティ状態であると判断し、表示部５１にトナーエンプティである旨を表示して報知し、ユーザにプロセスカートリッジ１１の交換を促して本処理を終了する。
Ｓ７：一方、濃度検出値がトナーエンプティ閾値に達していないと判定した寿命判定部６４は、トナー残量が少なくなっているが、良好な画像品質を維持できるトナー残量のトナーロー状態であると判断し、表示部５１にトナーローである旨を表示して報知し、ユーザにプロセスカートリッジ１１の交換を準備するように促して本処理を終了する。

このように、トナー残量検出部６２が、算出したトナー消費量に基づいてトナーロー状態を確定した後、検出用画像形成部６３によりトナー残量検出用パターンを転写ベルト３６に形成し、寿命判定部６４はトナー残量検出用パターンを濃度センサ２１で読み取って濃度検出値を求め、トナーエンプティ閾値と比較してトナーエンプティ状態であると判定された場合、プロセスカートリッジ１１が寿命に達したと判定し、表示部５１にプロセスカートリッジ１１の交換が必要である旨を表示する。
したがって、トナー残量センサを用いることなく、トナーの残量検出の精度を向上させることができる。

また、プロセスカートリッジ１１の使用状態にかかわらず、トナーエンプティによるプロセスカートリッジ１１の寿命に達するまで良好な印刷品質を維持しつつトナーを最大限消費することが可能になり、印刷コストを低減させることができる。
なお、プロセスカートリッジ１１の寿命判定処理の起動タイミングは任意であり、例えば印刷動作のジョブが終了したタイミングで実行すれば良い。ただし、上述したＳ４における現像ローラ周期の濃度低下測定の処理では、トナー残量検出用のテストパターンの形成によりトナーを消費してしまうため、当該処理の実行頻度が高くトナー消費量が多すぎる場合は、例えば所定の印刷枚数を超える毎に当該処理を実行するようにすれば良い。

さらに、トナー残量検出用のテストパターンの形成回数を低減させる他の手段として、Ｓ５における濃度検出値とトナーエンプティ閾値とを比較する処理において、濃度検出値とトナーエンプティ閾値との差分を算出し、その差分の値に基づいてプロセスカートリッジ１１の寿命まで使用可能なトナー残量（使用可能現像剤残量）、例えば図８に示すトナー残量決定テーブルで決定されるプロセスカートリッジの寿命まで使用可能なトナー残量、を設定し、Ｓ７においてトナーローを表示して処理を終了した後、トナー残量検出部６２が算出したトナー消費量が、設定したトナー残量に達したとき、トナーエンプティ状態であると判断し、表示部５１にトナーエンプティである旨を表示するようにしても良い。

図８は実施例におけるトナー残量決定テーブルの説明図であり、濃度検出値とトナーエンプティ閾値との差分の範囲と、プロセスカートリッジ１１の寿命まで使用可能なトナー残量との関係をテーブルとしたものである。
例えば、図４に示したように、濃度検出値が−０．０５のとき、トナーエンプティ閾値は−０．１０に設定してあるため、濃度検出値とトナーエンプティ閾値との差分は０．０５として算出される。そして、図８に示すテーブルを参照し、プロセスカートリッジ１１の寿命まで使用可能なトナー残量３ｇを抽出して設定し、引き続き画像形成動作を実行する。このようにすることで、図７に示すＳ４におけるトナー残量検出用のテストパターンの形成回数を１回とし、トナーエンプティ状態を検出することができる。

また、図９は実施例におけるトナー残量検出用テストパターンの変形例の説明図である。
図９において、トナー残量検出用テストパターン６３２は、基準濃度測定用パッチ６３２ａの転写ベルト３６の搬送方向Ｄの下流側に現像ローラの周期の間隔Ｐ１を保持して画像パッチ６３２ｂを形成し、さらに画像パッチ６３２ｂの転写ベルト３６の搬送方向Ｄの下流側に現像ローラの周期の間隔Ｐ１を保持して比較濃度測定用パッチ６３２ｃを形成する。

図１に示す寿命判定部６４による濃度検出値の検出処理においては、比較濃度測定用パッチ６３２ｃの濃度と、基準濃度測定用パッチ６３２ａの濃度との差を濃度検出値として算出する。これにより、濃度検出値は、ベタパターンのような高デューティーの画像形成時の現像ローラ２周分の濃度低下を検出することとなり、濃度低下が生じやすい条件で濃度検出を行うため、トナー残量低下によるカスレ印刷や残像印刷等の印刷品質低下が発生する状態であることをより確実に検出することができる。
また、プロセスカートリッジに印加される電圧のタイミングを図１０の実施例におけるプロセスカートリッジに印加される電圧のタイミングチャートに基づき図１および図２を参照しながら説明する。

図１０は、検出用画像形成部６３によるトナー残量検出用テストパターン形成時に画像形成電圧制御部６５において制御されるプロセスカートリッジ１１の印加バイアス電圧のシーケンスを示したものであり、帯電ローラ１６へ印加する帯電バイアス電圧ＣＢ、現像ローラ１７へ印加する現像バイアス電圧ＤＢ、および供給ローラ１８へ印加する供給バイアス電圧ＳＢについて、それぞれ通常の画像形成時の印加バイアス電圧のシーケンスＴ１およびトナー残量検出用テストパターン形成時の印加バイアス電圧のシーケンスＴ２を示している。

上述した実施例では、トナー残量検出用テストパターン形成時の印加バイアス電圧のシーケンスは、通常の画像形成時の印加バイアス電圧のシーケンスと同じであるが、図１０は、変形例としてトナー残量検出用テストパターン形成時の印加バイアス電圧と、通常の画像形成時の印加バイアス電圧とを異なるように制御した例を示している。
図１０において、通常の画像形成時の印加バイアス電圧のシーケンスＴ１における供給バイアス電圧ＳＢをＶｓｂ１としているのに対してトナー残量検出用テストパターン形成時の印加バイアス電圧のシーケンスＴ２における供給バイアス電圧ＳＢのＶｓｂ２の絶対値を小さくしている。例えば、Ｖｓｂ１が−３５０Ｖに対してＶｓｂ２を−２５０Ｖに、絶対値を低下させている。

また、帯電バイアス電圧ＣＢはＶｃｈとし、現像バイアス電圧ＤＢはＶｄｂとし、通常の画像形成時の印加バイアス電圧のシーケンスＴ１とトナー残量検出用テストパターン形成時の印加バイアス電圧のシーケンスＴ２では同一であり、例えばＶｃｂを−１０００Ｖ、Ｖｄｂを−２００Ｖに設定する。
このとき、供給バイアス電圧ＳＢと現像バイアス電圧ＤＢとの差分の絶対値は、通常の画像形成時の１５０Ｖからトナー残量検出用テストパターン形成時には５０Ｖに低下している。供給バイアス電圧ＳＢと現像バイアス電圧ＤＢとの差分は、供給ローラ１８から現像ローラ１７へトナー供給するときの電界の大きであり、電界が小さいと帯電したトナーにかかる静電気力が小さくなり現像ローラ１７へのトナー供給量が低下する。従って、トナー残量検出用テストパターンの濃度が通常の画像の濃度より低下する。

図１１は変形例におけるトナー残量に対する濃度検出値の変動を示すグラフであり、実線Ｃ１は図４と同一であり、破線Ｃ３は実線Ｃ１と同じ使用状態のプロセスカートリッジ１１において、図１０で示したトナー残量検出用テストパターン形成時の印加バイアス電圧のシーケンスＴ２により形成したトナー残量検出用テストパターンの濃度を測定して算出した濃度検出値のトナー残量に対する変動を示したものである。
図１１に示すように、破線Ｃ３は実線Ｃ１に対してトナー残量が多い状態から濃度検出値の低下が生じている。そして、トナーエンプティ閾値を破線Ｔ１で示した−０．１０から破線Ｔ２で示した−０．２５に変更することで、同じトナー残量のときの濃度検出値を大きい絶対値で比較することができるため、トナーエンプティ状態の判定をより正確に行うことができる。

以上説明したように、本実施例では、トナー残量検出部がトナー消費量に基づいてトナーロー状態を確定した後、検出用画像形成部によりトナー残量検出用パターンを転写ベルトに形成し、寿命判定部がトナー残量検出用パターンの濃度検出値を求め、トナーエンプティ閾値と比較してプロセスカートリッジのトナーエンプティ状態を検出するようにしたことにより、トナーの残量検出の精度を向上させることができるという効果が得られる。

また、低デューティー画像を連続して印刷した場合等のプロセスカートリッジの使用状態にかかわらず、トナーエンプティによるプロセスカートリッジの寿命に達するまで良好な印刷品質を維持しつつトナーを最大限消費することが可能になり、印刷コストを低減させることができるという効果が得られる。
なお、本実施例では、画像形成装置をカラープリンタとして説明したが、それに限られることなく、複合機、ファクシミリ装置、モノクロプリンタ等としても良い。

１０ 画像形成装置
１１（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ） プロセスカートリッジ
１３ ＬＥＤプリントヘッド
１４ クリーニング部
１５ 感光体ドラム
１６ 帯電ローラ
１７ 現像ローラ
１８ 供給ローラ
１９ 規制ブレード
２０ トナー収容部
２１ 濃度センサ
３５ 転写部（転写ベルトユニット）
３６ 転写ベルト
４１ 定着部
５０ 給紙部
５１ 表示部
６０ 制御部
６２ トナー残量検出部
６３ 検出用画像形成部
６４ 寿命判定部
６５ 画像形成電圧制御部
６６ ＬＥＤヘッド制御部
６７ 転写制御部
６８ 定着制御部
６９ 給紙制御部
７０ 表示制御部
７１ 濃度測定制御部

Claims (9)

1. 現像剤を収容し、前記現像剤を担持する現像剤担持体から前記現像剤を供給して像担持体の表面に現像剤像を形成する現像装置と、
   前記現像装置内の現像剤残量を検出する現像剤残量検出部と、
   前記現像剤像を転写して保持する転写部材と、
   前記転写部材に現像剤残量検出用画像を形成する検出用画像形成部と、
   前記現像剤残量検出用画像の濃度を検出し、前記濃度に基づいて前記現像装置の交換時期を判定する判定部とを備え、
   前記現像剤残量検出用画像は、基準濃度検出画像と、前記基準濃度検出画像に対して前記現像剤担持体の１周分の長さに相当する間隔を保持した少なくとも１つの比較用濃度検出画像とからなり、
   前記判定部は、前記基準濃度検出画像と前記比較用濃度検出画像との検出濃度差に基づいて前記現像装置の交換時期を判定し、その判定結果を報知することを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１に記載の画像形成装置において、
   前記比較用濃度検出画像は、前記基準濃度検出画像に対して前記転写部材の搬送方向における下流側に、前記現像剤担持体の回転周期に相当する間隔を保持して少なくとも１つ形成され、
   前記基準濃度検出画像に対して前記転写部材の搬送方向における上流側の前記現像剤担持体の１周分の長さに相当する間隔を隔てた領域には画像が形成されていないことを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の画像形成装置において、
   前記判定部は、前記検出濃度差が、記憶部に記憶された交換時期判定閾値に達したとき、前記現像装置の交換時期であると判定することを特徴とする画像形成装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の画像形成装置において、
   前記判定部は、前記検出濃度差と、記憶部に記憶した交換時期判定閾値との差に基づき使用可能現像剤残量を検出し、前記使用可能現像剤残量からの現像剤の消費量を計測し、前記使用可能現像剤残量がなくなったとき、前記現像装置の交換時期であると判定することを特徴とする画像形成装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の画像形成装置において、
   前記現像剤残量検出部は、前記現像剤像の画像形成処理におけるドットカウント値に基づいて現像剤消費量を計測し、前記現像剤残量を検出することを特徴とする画像形成装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の画像形成装置において、
   通常の画像形成時および前記現像剤残量検出用画像の画像形成時に前記現像装置に印加する電圧を制御する画像形成電圧制御部をさらに備え、
   前記画像形成電圧制御部は、前記現像剤残量検出用画像の画像形成時の電圧値を、前記通常の画像形成時の電圧値と異なるように制御することを特徴とする画像形成装置。
7. 請求項６に記載の画像形成装置において、
   前記画像形成電圧制御部は、前記現像剤残量検出用画像の画像形成時の電圧値を、前記通常の画像形成時の電圧値に対し、前記現像剤残量検出用画像の濃度が前記通常の画像の濃度より低下するように制御することを特徴とする画像形成装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の画像形成装置において、
   前記現像装置は、前記現像剤を前記現像剤担持体へ供給する現像剤供給部材をさらに備え、
   前記現像剤供給部材の前記現像剤担持体への押込み量が０．５ｍｍ以上、かつ１．０ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする画像形成装置。
9. 請求項８に記載の画像形成装置において、
   前記現像剤供給部材は、金属軸の周囲に発泡性弾性部材を被覆した構成であり、
   前記発泡性弾性部材の厚みに対する前記現像剤担持体への押込み量の割合が０．２０以下であることを特徴とする画像形成装置。

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