JP3890848B2

JP3890848B2 - トナー量測定装置および画像形成装置

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Publication number: JP3890848B2
Application number: JP2000097221A
Authority: JP
Inventors: 徹久野
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2020-03-31
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプリンタ、複写機やファクシミリ装置などといった画像形成装置の感光体上や転写ベルト上に付着するトナーの量を光学的に測定するトナー量測定装置、およびそのようなトナー量測定装置と同様なトナー量測定器が組み込まれた画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、複写機やファクシミリ装置などといった画像形成装置の感光体上や転写ベルト上のトナー量を測定することは、画像形成装置における画像形成プロセスのコントロールにおいて重要な役割を持つ。このため、従来より、トナーの量を光学的に測定するトナー量測定装置が知られており、そのようなトナー量測定装置と同様なトナー量測定器が組み込まれ、測定結果に応じて画像形成プロセスをコントロールする画像形成装置も知られている。なお、以下の説明では、感光体や転写ベルト等に代表される、トナーを担持するもののことを総称して「トナー担持体」と称する。また、以下の説明ではトナー量測定装置とトナー量測定器とを区別せずに用いる場合がある。
【０００３】
従来のトナー量測定装置の構成を、図１〜図４を用いて説明する。
【０００４】
トナーが付着する感光体や転写ベルトといったトナー担持体の表面は、一般に、平面度の高い鏡面構造を持っており、従来より、トナー量測定装置では、このような表面特性が利用されてトナー量が測定されている。
【０００５】
図１は、鏡面反射を利用したトナー量測定装置の測定原理図である。
【０００６】
鏡面反射を利用したトナー量測定装置では、トナー担持体１の表面に対し、発光ダイオードなどといった光源２から所定強度の光Ｌ１が照射され、その光Ｌ１がトナー担持体１の表面で鏡面反射された反射光Ｌ２がフォトダイオードなどといった光センサ３によって受光され、受光された反射光Ｌ２の強度に応じた電圧が光センサ３から出力される。
【０００７】
トナー担持体１の表面のうち、トナー４が付着している部分では反射光Ｌ２が遮られ、遮られた分だけ、光センサ３による受光量が低下して出力電圧が低下する。
【０００８】
図２は、鏡面反射を利用したトナー量測定装置における、トナーの付着量と、光センサの出力電圧との関係を示すグラフである。
【０００９】
このグラフの横軸は、トナー担持体の表面に付着したトナーの量を示しており、このグラフの縦軸は、光センサの出力電圧を示している。上述したように、光センサの出力電圧は、トナー担持体の表面における鏡面反射光の光量に相当している。
【００１０】
このグラフの右下がりの曲線５が示すように、光センサの出力電圧は、トナーの付着量が増えるにつれて低下している。このような曲線５が予め求められていることにより、この曲線５が示す関係と、光センサの出力電圧とに基づいて、トナー担持体の表面に付着したトナーの量が求められる。
【００１１】
ところで、カラートナーの場合には、カラートナーに光を照射すると、カラートナーの表面や内部における反射によって散乱光が発生する。このような散乱光を利用したトナー量測定装置も知られている。
【００１２】
図３は、散乱光を利用したトナー量測定装置の測定原理図である。
【００１３】
散乱光を利用したトナー量測定装置でも、図１同様に、トナー担持体１の表面に対し、光源２から所定強度の光Ｌ１が照射されるが、散乱光を利用したトナー量測定装置では、図１に示す反射光Ｌ２から離れた位置に光センサ６が設けられ、この光センサ６により、トナー担持体１の表面に付着したトナー４に起因する散乱光Ｌ３が受光され、受光された散乱光Ｌ３の強度に応じた電圧が光センサ６から出力される。
【００１４】
図４は、散乱光を利用したトナー量測定装置における、トナーの付着量と、光センサの出力電圧との関係を示すグラフである。
【００１５】
図２のグラフ同様に、この図４のグラフの横軸はトナーの量、縦軸は光センサの出力電圧を示している。ここでは、光センサの出力電圧は、トナーに起因する散乱光の光量に相当している。
【００１６】
この図４のグラフの曲線７が示すように、光センサの出力電圧は、トナーの付着量が増えるにつれて上昇している。このような曲線７が予め求められていることにより、この曲線７が示す関係と、光センサの出力電圧とに基づいて、トナー担持体の表面に付着したトナーの量が求められる。
【００１７】
従来のトナー量測定装置では、図１および図３に示す測定原理の一方を利用したもの、あるいはそれらの測定原理の双方を併用したものが多く、例えば、特開平６−６６７２２に開示されているトナー量測定装置が知られている。
【００１８】
ここで、トナー量測定の対象物について説明する。
【００１９】
図５は、トナー量測定の対象物を示す図である。
【００２０】
ここでは、電子写真式の画像形成装置における測定対象物について説明する。
【００２１】
電子写真式の画像形成装置においては、以下説明する手順でトナー画像が形成される。
【００２２】
先ず、図５の矢印Ｆが示す方向に回転する感光ロール８の表面が、帯電器９によって一様に帯電され、レーザ露光器１０によって感光ロール８の表面にレーザ光が照射されることにより静電潜像が形成される。次に、現像器１１によって静電潜像にトナーが付着されてトナー画像１２が形成され、転写器１３によってトナー画像１２が転写ベルト１４に転写されて転写画像１５が形成される。この転写画像１５は、その後、用紙上に再度転写され、最終的に用紙上にトナー画像が形成される。
【００２３】
感光ロール８上のトナー画像１２や、転写ベルト１４上の転写画像１５は、従来よりトナー量測定の対象物であり、これらのトナー画像１２や転写画像１５を構成しているトナーの量は０．１〜０．７ｍｇ/ｃｍ²程度であって、従来のトナー量測定装置は、このレンジにおけるトナーを精度よく測ることができる。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、感光ロール８上などにおけるトナー量測定の対象物としては、これらのトナー画像１２や転写画像１５を構成しているトナー以外に、以下で説明する「かぶり」や「転写残」などといった微少な量のトナーも重要である。
【００２５】
「かぶり」とは、上述したように現像器１１によって静電潜像にトナーが付着される際に、本来、トナーの付着が回避されるべき背景部分にトナーが付着したものであり、「かぶり」のトナー量が多いと、最終的に用紙上に形成される画像の背景が一面に黒っぽくなったり、色がついてしまったりする。
【００２６】
次に「転写残」１６について説明する。上述したように、感光ロール８上のトナー画像１２は転写ベルト１４上に転写されて転写画像１５が形成されるが、感光ロール８から転写ベルト１４への転写効率は１００％ではなく、転写効率の良いものでも９９％程度である。従って、感光ロール８上のトナー画像１２を構成しているトナーの一部が感光ロール８上に残ることとなる。このように感光ロール８上に残ったトナーが「転写残」１６である。この「転写残」１６は、通常はクリーナ１７によって除去されるものであるが、この「転写残」１６のトナー量が増えるとクリーニング不良が起きて画質劣化の原因となる。
【００２７】
このような「かぶり」や「転写残」におけるトナー量は０．０１ｍｇ/ｃｍ²以下であり、このような微少なトナー量を測定するトナー量測定装置の仕様としては、測定可能レンジとして０．０００４ｍｇ/ｃｍ²から０．０１ｍｇ/ｃｍ²までの微少なトナー量の領域を含み、このようなトナー量領域での測定精度が０．０００４ｍｇ/ｃｍ²程度であるような仕様が要求される。
【００２８】
以下、従来のトナー量測定装置の、微少なトナー量の領域における測定能力について説明する。
【００２９】
図６は、鏡面反射を利用した従来のトナー量測定装置におけるトナー量と出力電圧との関係を、微少なトナー量の領域について示すグラフである。
【００３０】
この図６のグラフの縦軸は、「転写残」を構成するトナー量を示しており、例えばトナーを顕微鏡等で拡大して粒子数をカウントするなどという方法で得られた値である。また、グラフの横軸は、トナー量測定装置の、トナー量「０」における出力電圧を基準とした相対的な出力電圧を示している。
【００３１】
トナー量測定装置が具備する光センサの全ダイナミックレンジについて見ると、出力電圧は、０．１ｍｇ/ｃｍ²程度でほぼ飽和するが、上述した相対的な出力電圧に着目すると、この図６のグラフの直線１８が示すように、微少なトナー量の領域ではトナー量にほぼ比例する。しかし、出力電圧とトナー量とのこのような関係は、多数回の測定を繰り返して得られたものであって、各測定結果を表すマーク１９の分布が示すように、微少量トナーの測定においては出力電圧のばらつきが大きい。このため、測定精度が０．００２〜０．００４ｍｇ/ｃｍ²程度となって、上述したように要求されている測定精度には約一桁及ばない。
【００３２】
次に、微少量トナーの測定におけるノイズについて説明する。
【００３３】
図７〜図９は、従来のトナー量測定装置が用いられて得られた測定データの一例を示すグラフである。
【００３４】
これらのデータは、所定回転数で回転している感光ロールの表面が測定されたものであり、図７は、トナーが完全に除去された状態のデータ、図８は、トナーが付着した状態のデータを示している。また、図９は、図７に示すデータと図８に示すデータとの差を示している。また、これらのグラフの横軸は時間、縦軸は出力電圧を示している。
【００３５】
図７や図８のグラフ上に存在する大きな周期のうねり２０は、感光ロールの表面形状や反射率のばらつきなどに起因する定常的な変動である。また、図７や図８のグラフには、細かなピーク２１が多数発生している。これは画像形成装置内で発生する電磁ノイズの影響であり、この電磁ノイズの発生源としては装置内の高圧電源や帯電器などが考えられる。
【００３６】
図９の２本の細い線２２，２３のうち上の線２２は、図７に示すデータに２５回の移動平均処理が施されて電磁ノイズによるピーク２１が除去されたことによって得られたデータを示している。同様に、２本の細い線２２，２３のうち下の線２３は、図８に示すデータに基づいて得られたデータを示している。
【００３７】
図９の太い線２４は、２本の細い線２２，２３それぞれが示すデータの位相が揃えられて減算処理が施されたことによって得られたデータを示しており、トナーが付着している部分にはピーク２５が現れている。
【００３８】
このピーク２５の高さは、１つの測定対象物については十分な再現性を示すが、測定対象物が変わると、トナー量が同一であってもピーク高が変わり、データ間でのばらつきが大きい。このため、上述したように要求されている仕様における測定精度を達成することは困難である。
【００３９】
このように、従来のトナー量測定装置では、微少なトナー量の領域での測定精度が低いため、従来のトナー量測定装置を用いて「かぶり」や「転写残」などを画像形成装置内で測定して画像形成条件を制御するということは困難である。
【００４０】
また、画像形成装置の開発過程などにおいて「かぶり」や「転写残」のトナー量を測定する場合には、例えば、画像形成装置を停止して「かぶり」や「転写残」のトナーが付着した感光ロールを画像形成装置から外した上で、そのトナーを顕微鏡等で拡大して粒子数をカウントするなどという方法が用いられている。しかし、このような方法によるトナー量の測定は、測定だけで多大な行程数が必要であり、画像形成装置の開発時間や開発コストがかかる。
【００４１】
本発明は、上記事情に鑑み、「転写残」や「かぶり」といった微少量のトナーを精度良く測定することができるトナー量測定装置、およびそのようなトナー量測定装置と同様なトナー量測定器が組み込まれた、高品質の画像を形成することができる画像形成装置を提供することを目的とする。
【００４２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のトナー量測定装置は、トナーを担持するトナー担持体上で反射された反射光を受光して該トナー担持体上に担持されたトナーの量を測定するトナー量測定装置において、
トナー担持体に光を照射してトナー担持体上に光の縞を形成する照射部と、
照射部によってトナー担持体に照射されて上記縞を構成している光がトナー担持体上で反射された反射光を受光する受光部とを備えたことを特徴とする。
【００４３】
また、上記目的を達成する本発明の画像形成装置は、制御可能な画像形成条件の下で最終的に用紙上にトナー画像を形成する画像形成装置において、
上記トナー画像を形成するためのトナーを担持するトナー担持体、
トナー担持体に光を照射してトナー担持体上に光の縞を形成する照射部と、照射部によってトナー担持体に照射されて上記縞を構成している光がトナー担持体上で反射された反射光を受光する受光部とを具備し、トナー担持体上に担持されたトナーの量を測定するトナー量測定器、および
トナー量測定器によって測定されたトナーの量に基づいて上記画像形成条件を制御する条件制御器を備えたことを特徴とする。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明するに当たって、先ず、本発明の原理について説明し、その後、具体的な実施形態について説明する。
【００４５】
本発明のトナー量測定装置は、トナー担持体に光を照射してトナー担持体上に光の縞を形成する照射部と、トナー担持体の表面で反射された反射光を受光する受光部とを備えている。また、本発明のトナー量測定装置は、典型的には、トナーを担持して所定方向に移動するトナー担持体に担持されたトナーの量を測定するものであり、このような典型的なトナー量測定装置は、上記照射部が、トナー担持体上に、光の、上記所定方向と交わる縞を形成するものであり、上記受光部が、受光量に応じた受光信号を出力するものであって、上記受光部から出力された受光信号から所定周波数の信号成分を抽出する抽出部を備えている。
【００４６】
図１０は、トナー担持体の表面に形成される光の縞を表すグラフである。
【００４７】
ここでは、上述した感光ロール上に光の縞が形成されるものとして説明する。
【００４８】
この図１０には、照射部によって感光ロール上に形成された光の縞の光量分布（プロファイル）が３次元グラフで示されており、感光ロールの長手方向には光量は変化せず、感光ロールの周面の移動方向にはサイン波状に光量が変化している。つまり、感光ロール上に形成された光の縞は、感光ロールの周面の移動方向に対して直交している。
【００４９】
このような光の縞は、上記照射部が、光の縞として干渉縞を形成するものであると、容易かつ正確に形成される。また、当然ながら、このような光の縞は、感光ロールの表面のうち、トナー量を測定する部分のみに形成されればよい。
【００５０】
感光ロール上に付着したトナー粒子は、感光ロールの周面の移動に伴って光の縞を通過し、光の縞のうちの明るい部分に周期的に当たる。その結果、光の縞を構成している光が周期的に遮られるので、その光が感光ロール上で反射された反射光には、周期性を持って光量が増減する光成分が重畳される。トナーが増えるに従って、このような周期性を持った光成分も増加する。本発明のトナー量測定装置は、このような周期性を持った光成分を利用してトナー量を測定するものである。
【００５１】
干渉縞のピッチは、トナー粒子の直径よりも十分に広いことが望ましい。例えば直径が５μｍのトナー粒子の場合には、干渉縞のピッチはその直径の４倍以上、すなわち２０μｍ以上のものが好適である。逆に干渉縞のピッチがトナー粒子の直径の４倍未満である場合には、光の縞の明暗差がトナー直径内に埋もれてしまい、光量の増減が不十分となって測定精度が落ちる。
【００５２】
ここで、図１０のグラフに示す光量分布（プロファイル）を有する光の縞を１個のトナーが通過した場合における反射光の光量の増減について説明する。
【００５３】
図１１は、光の縞を１個のトナー粒子が通過した場合における反射光の光量の増減を示すグラフであり、縦軸は光量、横軸は時間を示している。
【００５４】
トナーは、感光ロールの周面の移動に伴って所定の速度で光の縞を通過する。
【００５５】
ここでは、
（１）光の縞が各辺１ｍｍの正方形の領域に２０μｍピッチの干渉縞として形成されており、
（２）感光ロール上にトナーが存在しない場合に受光部が受光する反射光の光量は１ｍＷであり、
（３）トナーは直径５μｍの球形であり、
（４）感光ロール周面の移動速度は１ｍｍ/ｓｅｃである。
という条件下で光量の増減を求める。
【００５６】
直径５μｍのトナーは、１．９６＊１０^-11ｍ²の投影面積を持ち、１ｍｍ²の領域においては、１．９６＊１０^-3％の面積率を占めることとなる。また、総光量１ｍＷの一様な光が垂直方向から当たっている１ｍｍ²の領域にトナーが存在している場合には、単純に面積率に従って光量低下が発生するので、受光部では、１−１．９６＊１０^-3＝０．９９８０４ｍＷの反射光が受光されることになる。
【００５７】
更に、干渉縞が形成されている領域をトナーが通過する場合には、トナーによって周期的に遮光されて、受光光量に増減が発生する。光量増減の周波数は、干渉縞の波長とトナーの移動速度（即ち感光ロール周面の移動速度）によって決まり、上述した条件下では５０ｋＨｚとなる。また、縞を通過する場合に生じる光量増減の振幅は、上述した一様な光に対する光量低下の２倍であるので、１．９６＊１０^-3＊２＝３．９２＊１０^-3ｍＷとなり、このように光量が増減する光成分が平均０．９９８０４ｍＷの反射光に重畳されることとなる。
【００５８】
結局、１個のトナー粒子が光の縞を通過することにより、図１１のグラフに示すように、周期Ｔが２０ｍｓｅｃであり、振幅Ｗが約０．００４ｍＷである波状に受光光量が増減することとなる。そして、複数のトナー粒子が光の縞を通過する場合に受光部で受光される光は、このグラフに示すように光量が増減する光成分が複数重畳されたものとなる。例えば、０．０００４ｍｇ/ｃｍ²のトナー量は、上述した直径のトナー粒子の５０個分にほぼ等しく、この５０個のトナー粒子がランダムに光の縞を通過した場合には、図１１のグラフに示すように光量が増減する光成分が、位相が０〜２０μｍの範囲でランダムにずれて５０個重ね合わさった光が受光されることとなる。
【００５９】
このように周期的に光量が増減する光を受光した受光部から出力された受光信号から、上述した周期に相当する周波数の信号成分が抽出部によって抽出されることにより、トナー量に応じた信号成分と、ノイズとが分離されて精度よくトナー量が測定されることとなる。抽出部による信号成分の抽出方法としては、高速フーリエ変換などといった周波数解析による方法や、単純にフィルターにかける方法などが考えられる。
【００６０】
図１２は、本発明のトナー量測定装置および従来のトナー量測定装置についての測定能力比較の結果を示す図である。
【００６１】
ここでは、本発明のトナー量測定装置および従来のトナー量測定装置それぞれの測定能力を示す指標としてＳＮ比が用いられており、この図１２の横軸はトナー粒子の個数、縦軸はＳＮ比を示している。なお、縦軸の単位は任意である。
【００６２】
この図１２に示すなだらかな直線２６は、従来のトナー量測定装置におけるＳＮ比を示しており、上述したようなノイズのために、このなだらかな直線２６が示すＳＮ比は、トナー量測定に求められる許容レベル２７を遙かに下回っている。これに対して、図１２に示す急な直線２８は、本発明のトナー量測定装置におけるＳＮ比を示しており、上述したように、トナー量に応じた信号成分と、ノイズとが分離されるため、トナー粒子が５０個程度でＳＮ比が許容レベル２７を越えている。
【００６３】
このように、本発明のトナー量測定装置によれば、「転写残」や「かぶり」といった微少量のトナーを精度良く測定することができる。なお、本発明のトナー量測定装置を用いて、多量のトナーで形成されたトナー画像のトナー量を測定することも可能であり、そのようなトナー画像のトナー量を測定する場合には、抽出部による信号成分の抽出は不要である。
【００６４】
以上で本発明の原理の説明を終了し、以下では、本発明の具体的な実施形態について説明する。ここでは、画像形成装置の一例として、レーザ露光を用いたプリンタについて説明する。
【００６５】
図１３は、本発明の画像形成装置の一実施形態であるプリンタの構成図である。
【００６６】
このプリンタ１００は、制御可能な画像形成条件の下で最終的に用紙上にトナー画像を形成するものであって、このプリンタ１００には、本発明にいうトナー担持体の一例である感光ロール１１０と、感光ロール１１０上のトナー量を測定するトナー量測定器１２０ａ，１２０ｂと、トナー量測定器１２０ａ，１２０ｂによって測定されたトナーの量に基づいて画像形成条件を制御する制御器１３０が備えられている。これらのトナー量測定器１２０ａ，１２０ｂは、本発明のトナー量測定装置の一実施形態であると共に、本発明にいうトナー量測定器の一例でもある。また、制御器１３０は、本発明にいう条件制御器の一例である。
【００６７】
感光ロール１１０は、表面が感光物質で覆われたものであり、矢印Ｆ１方向に所定の回転数で回転する。
【００６８】
制御器１３０は、コンピュータなどから送られてきた画像信号と、トナー量測定器１２０ａ，１２０ｂによる測定結果に基づいてレーザ点灯信号を生成してレーザ露光器１４０に出力する。
【００６９】
レーザ露光器１４０は、帯電器１５０によって一様に帯電された感光ロール１１０表面をレーザ点灯信号に従ってレーザ光１４１で露光することにより表面電位を変化させて、感光ロール１１０表面に不可視な静電潜像を形成する。
【００７０】
現像器１６０は、静電潜像に対して選択的にトナーを付着させることで静電潜像を可視可した現像トナー画像１６１を形成する。
【００７１】
トナー量測定器１２０ａは、現像トナー画像１６１を構成しているトナーの量、および現像トナー画像１６１の背景に生じる「かぶり」のトナー量を測定する。
【００７２】
転写器１７０は、感光ロール１１０上の現像トナー画像１６１を、搬送ベルト１８０によって矢印Ｆ２方向に搬送されてきた用紙１８１に転写して、用紙１８１上に転写トナー画像を形成する。このように用紙上に形成された転写トナー画像は、図示を省略した定着器によって定着され、転写トナー画像が形成された用紙がプリンタ１００外へと搬送される。
【００７３】
トナー量測定器１２０ｂは、転写器１７０が用紙上に転写しきれなかったトナーからなる「転写残」のトナー量を測定する。クリーナ１９０は、「転写残」を除去する。
【００７４】
上述したように、トナー量測定器１２０ａ，１２０ｂは、トナー画像を形成するプロセスの中で、現像トナー画像１６１、「かぶり」、「転写残」それぞれのトナー量を測定する。そして、制御器１３０は、トナー量の測定値に基づき、必要に応じて、帯電器１５０、レーザ露光器１４０、現像器１６０、転写器１７０などを制御する。
【００７５】
以下、２つのトナー量測定器１２０ａ，１２０ｂのうちトナー量測定器１２０ａを代表させて、より詳細に説明する。
【００７６】
図１４は、トナー量測定器１２０ａの構成図である。
【００７７】
トナー量測定器１２０ａには、本発明にいうレーザ光源の一例である、レーザ光を発するレーザダイオード１２１と、レーザダイオード１２１から発せられたレーザ光の光束を平行光束化するコリメートレンズ１２２と、コリメートレンズ１２２によって平行光束化されたレーザ光を用いて干渉縞を、後述するように感光ロール１１０上に形成する鈍角プリズム１２３と、感光ロール１１０上に形成された干渉縞を構成している光が感光ロール１１０表面で鏡面反射された反射光を受光する第１光センサ１２４が備えられている。レーザダイオード１２１、コリメートレンズ１２２、および鈍角プリズム１２３は本発明にいう照射部の一例を構成しており、この照射部は、稜線を挟んで凸形に隣接する２つの屈折面を有する鈍角プリズムと、レーザ光を発するレーザ光源とを具備するものであって、そのレーザ光源によって発せられたレーザ光の光束を、鈍角プリズムの稜線で分割し、分割した光束それぞれを、稜線を挟む２つの屈折面それぞれによって屈折させて互いに干渉させるものである。鈍角プリズム１２３による光束の干渉については後述する。また、第１光センサ１２４は、本発明にいう受光部の一例を構成している。
【００７８】
トナー量測定器１２０ａの照射部は、上述した光の縞として干渉縞を感光ロール上に形成するものである。干渉縞を形成するためには、干渉性の高い光を発生する光源と、干渉状態を作る光学素子とを組み合わせたシステムが必要であり、ここでは、光源としてレーザダイオード１２１が選択されており、光学素子として鈍角プリズム１２３が選択されている。レーザダイオード１２１は、安価であるという点、および、光量モニタ用のフォトダイオードが内蔵されているものが多くて、レーザ光の光量を安定化させる回路を容易に付加することができるという点で光源として適している。なお、感光ロール１１０表面の感光物質の光疲労が問題となる場合があるので、レーザダイオード１２１の波長や光量は、感光ロール１１０の仕様に合わせて選択する必要がある。
【００７９】
トナー量測定器１２０ａには、第１光センサ１２４の出力信号を周波数解析することにより、上述した所定周波数の信号成分を抽出する解析回路１２５も備えられており、この解析回路１２５は、本発明にいう抽出部の一例を構成している。
【００８０】
更に、このトナー量測定器１２０ａには、感光ロール１１０上に形成された干渉縞を構成している光がトナーで散乱された散乱光を受光する第２光センサ１２６も備えられている。この第２光センサ１２６は、本発明にいうトナー量測定器としては必須のものではないが、トナー量が多いときのトナー量測定に有用である。
【００８１】
解析回路１２５の出力信号と、第２光センサ１２６の出力信号が、図１３に示す制御器１３０に入力される。これらの出力信号が制御器１３０によって使い分けられることにより、図１４に示す現像トナー画像１６１と、この現像トナー画像１６１の転写時に生じた「転写残」と、この現像トナー画像１６１の背景に発生した「かぶり」とのそれぞれのトナー量が高精度に測定される。そして、制御器１３０が測定結果に応じて画像形成条件を制御することにより、高品質の画像が形成されることとなる。
【００８２】
図１５は、鈍角プリズムの側面図（Ａ）および斜視図（Ｂ）である。
【００８３】
鈍角プリズム１２３は、稜線１２３１を挟んで頂角αで凸形に隣接する２つの屈折面１２３２，１２３３を有している。この鈍角プリズム１２３にレーザ光Ｌ４が入射されると、レーザ光Ｌ４の光束は鈍角プリズムの稜線によって２分割され、２分割された各光束Ｌ５，Ｌ６が２つの屈折面１２３２，１２３３それぞれによって屈折されて所定の角度θで互いに交差する。このように２つの光束Ｌ５，Ｌ６が互いに交差した領域１２３４ではそれらの光束Ｌ５，Ｌ６が互いに干渉して干渉縞が生じる。干渉縞のピッチＰは、レーザ光Ｌ４の波長λと光束Ｌ５，Ｌ６の交差角度θに応じて、Ｐ＝λ／ｓｉｎ（θ／２）となる。
【００８４】
ここで、硝材としてＢＫ７が用いられた鈍角プリズム１２３が、上述した２０μｍピッチの干渉縞を形成するものとして、鈍角プリズム１２３の頂角αを求める。鈍角プリズム１２３の頂角αと、鈍角プリズムの屈折率ｎと、光束Ｌ５，Ｌ６の交差角度θは、次式で表される関係にある。
【００８５】
θ＝（ｎ−１）・（１８０°−α）／２
また、ＢＫ７は、波長が７８６ｎｍの光に対する屈折率がｎ＝１．５１１である。更に、レーザ光Ｌ４の波長が７８０ｎｍであるとすると、鈍角プリズム１２３の頂角αは、１７１．２°となる。このような仕様の鈍角プリズム１２３が用いられることによって、上述した２０μｍピッチの干渉縞が容易に形成され、上述した高精度なトナー量測定が実現される。なお、干渉縞のピッチを変更する必要が生じた場合には、頂角が異なる鈍角プリズムや硝材が異なる鈍角プリズムに付け替えることにより容易にピッチを変更することができる。
【００８６】
ここで、本発明にいう照射部の変形例について説明する。
【００８７】
図１４に示す実施形態の照射部では、鈍角プリズム１２３によって干渉縞が形成されるが、本発明にいう照射部は、干渉縞を形成するものには限定されず、光の明暗が等間隔に並んだ縞を形成するものであればよい。
【００８８】
図１６は、第１の変形例の説明図である。
【００８９】
照射部の第１の変形例は、干渉性の高い光Ｌ７を発する光源と、縞状開口２１１が高精度に複数本並べられたラダースリット２１０とを備えたものである。
【００９０】
光源から発せられた干渉性の高い光Ｌ７がラダースリット２１０を通過することにより、光量の大小が等間隔に並んだ縞Ｌ８が形成される。
【００９１】
この第１の変形例では、ラダースリット２１０によって光Ｌ７の大部分が遮られてしまうため、図１４に示す実施形態の照射部に較べると光の利用効率は低いが、十分な光量を発する光源を備えることによりトナー量測定が可能となる。
【００９２】
図１７は、第２の変形例の説明図である。
【００９３】
照射部の第２の変形例は、境界線２２１を挟んで凹形に隣接する２つの反射面２２２，２２３を有するミラー２２０と、レーザ光を発するレーザ光源Ｓとを具備するものであって、レーザ光源Ｓによって発せられたレーザ光Ｌ９の光束を、ミラー２２０の境界線２２１で分割し、分割した光束Ｌ１０，Ｌ１１それぞれを、境界線２２１を挟む２つの反射面２２２，２２３それぞれによって反射させて互いに干渉させるものである。
【００９４】
２つの反射面２２２，２２３によって反射された２つの光束Ｌ１０，Ｌ１１は、あたかも２つの光源Ｓ１，Ｓ２から発せられた光のように進む。そして、これらの光束Ｌ１０，Ｌ１１が互いに交差した領域２２４ではそれらの光束Ｌ１０，Ｌ１１が互いに干渉し、面Ｂ上に干渉縞が生じる。
【００９５】
本発明にいう照射部としては、これらの変形例も考えられるが、図１４に示す実施形態では、光の利用効率の高さや、トナー量測定器内におけるレイアウトの容易さなどが考慮された結果、鈍角プリズムを具備した照射部が採用されている。
【００９６】
以下、鈍角プリズムを具備した実施形態に戻って説明を続ける。
【００９７】
図１８は、鈍角プリズムを具備した照射部と光センサの詳細な配置を感光ロールの長手方向から見た様子を示す図であり、図１９は、その配置を感光ロールの表面移動の方向から見た様子示す図である。但し、これらの図では、説明の便宜上、感光ロール１１０で反射されるべき光が感光ロール１１０の表面を透過するかのように図示されている。
【００９８】
本実施形態における照射部は、レーザ光を発するレーザ光源と、そのレーザ光源によって発せられたレーザ光の光束Ｌ１２を絞る絞り１２７とを具備するものであって、その絞り１２７によって光束が絞られたレーザ光Ｌ１３を用いて干渉縞を形成するものである。この絞り１２７の効果については後述する。
【００９９】
上述したように、図１４に示すレーザダイオード１２１から発せられたレーザ光は、コリメートレンズ１２２によって平行光束化される。そして絞り１２７によって絞られた後鈍角プリズム１２３に入射され、上述したように、感光ロール１１０表面の移動方向に交わる干渉縞が形成される。ここでは、干渉縞への変換効率がもっとも高い光束部分が感光ロール１１０表面に当たるように配置されており、感光ロール１１０表面で反射された光は第１光センサ１２４によって受光される。
【０１００】
感光ロール１１０の表面移動の方向から見た場合には、鈍角プリズム１２３は光を直進させる。このため、干渉縞は、感光ロール１１０の長手方向に平行な縞となる。
【０１０１】
次に、絞り１２７の効果について説明する。
【０１０２】
図２０は、レーザダイオードから発せられた光の光束内における光量分布を示す図であり、図２１は、このような光量分布を有する光が用いられて形成された干渉縞の光量分布を示す図である。
【０１０３】
この図２０には、レーザダイオードから発せられた光の光束内における光量分布１２８が示されており、この光量分布１２８は、光束の中央部分に先が丸いピークを有した、いわゆるガウス分布である。このため、レーザダイオードから発せられた光がそのまま用いられて干渉縞が形成されると、図２１の曲線１２９が示すように、感光ロールの移動方向に並ぶ複数の光量ピーク１２９ａそれぞれの大きさが互いに相違し、トナー量測定の精度低下の原因となると考えられる。
【０１０４】
そこで、本実施形態では、図２０に示すように、絞り１２７によって光束が絞られることにより、光量分布１２８のうちの、丸い先端に相当する部分だけが透過され、干渉縞の光量の一様性が向上されている。この結果、トナー量の測定精度の向上が期待される。
【０１０５】
なお、上述した実施形態では、周波数解析を行うことにより光センサの出力信号から所定の周波数成分を抽出するが、本発明にいう抽出部は、フィルターなどによって周波数成分を抽出するものであってもよい。
【０１０６】
また、上述した実施形態では、光の、トナー担持体の移動方向に直交する縞が形成されるが、本発明にいう光の縞は、トナー担持体の移動方向と交わるものであればどの様な角度で交わるものであってもよい。但し、この光の縞は、当然ながら、トナーが通過することによりに光量の増減を生じるような十分な角度でトナー担持体の移動方向と交わるものであることは必要である。
【０１０７】
また、上述した実施形態では、トナー量測定器内に解析回路が内蔵されているが、光センサの出力信号の周波数解析は、図１３に示す制御部１３０で行われてもよい。制御部１３０が周波数解析を行う場合には、この制御部１３０は、本発明にいう制御部と抽出部とを兼用したものと観念される。
【０１０８】
また、図１４に示す実施形態では、微少量トナー用の第１光センサ１２４と多量トナー用の第２光センサ１２６が備えられているが、本発明のトナー量測定装置は、微少量トナー用の１つの光センサだけが備えられたものであってもよく、あるいは、微少量トナーおよび多量トナーの双方のトナー量を測定するための１つの光センサが備えられたものであってもよい。１つの光センサで微少量トナーおよび多量トナーの双方のトナー量を測定する場合には、上述したように光センサの出力信号を周波数解析することにより微少量トナーのトナー量を測定することができ、一方、光センサによるデータサンプリングのタイミングを、上述した干渉縞に起因する周期成分の周波数に一致させて周期成分をうち消すことにより多量トナーのトナー量を測定することができる。
【０１０９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のトナー量測定装置によれば、「転写残」や「かぶり」といった微少量のトナーが精度良く測定される。また、本発明の画像形成装置によれば、高品質の画像が形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】鏡面反射を利用したトナー量測定装置の測定原理図である。
【図２】鏡面反射を利用したトナー量測定装置における、トナーの付着量と、光センサの出力電圧との関係を示すグラフである。
【図３】散乱光を利用したトナー量測定装置の測定原理図である。
【図４】散乱光を利用したトナー量測定装置における、トナーの付着量と、光センサの出力電圧との関係を示すグラフである。
【図５】トナー量測定の対象物を示す図である。
【図６】鏡面反射を利用した従来のトナー量測定装置におけるトナー量と出力電圧との関係を、微少なトナー量の領域について示すグラフである。
【図７】トナーが完全に除去された状態のデータを示すグラフである。
【図８】トナーが付着した状態のデータを示すグラフである。
【図９】図７に示すデータと図８に示すデータとの差を示すグラフである。
【図１０】トナー担持体の表面に形成される光の縞を表すグラフである。
【図１１】光の縞を１個のトナー粒子が通過した場合における反射光の光量の増減を示すグラフである。
【図１２】本発明のトナー量測定装置および従来のトナー量測定装置についての測定能力比較の結果を示す図である。
【図１３】本発明の画像形成装置の一実施形態であるプリンタの構成図である。
【図１４】トナー量測定器の構成図である。
【図１５】鈍角プリズムの側面図（Ａ）および斜視図（Ｂ）である。
【図１６】第１の変形例の説明図である。
【図１７】第２の変形例の説明図である。
【図１８】鈍角プリズムを具備した照射部と光センサの詳細な配置を感光ロールの長手方向から見た様子を示す図である。
【図１９】鈍角プリズムを具備した照射部と光センサの詳細な配置を感光ロールの表面移動の方向から見た様子示す図である。
【図２０】レーザダイオードから発せられた光の光束内における光量分布を示す図である。
【図２１】このような光量分布を有する光が用いられて形成された干渉縞の光量分布を示す図である。
【符号の説明】
１００プリンタ
１１０感光ロール
１２０ａ，１２０ｂトナー量測定器
１２１レーザダイオード
１２２コリメートレンズ
１２３鈍角プリズム
１２４第１光センサ
１２５解析回路
１２６第２光センサ
１２７絞り
１３０制御器
１４０レーザ露光器
１４１レーザ光
１５０帯電器
１６０現像器
１６１現像トナー画像
１７０転写器
１８０搬送ベルト
１８１用紙
１９０クリーナ
２１０ラダースリット
２１１縞状開口
２２０ミラー
２２１境界線
２２２，２２３反射面
１２３１稜線
１２３２，１２３３屈折面

Claims

トナーを担持するトナー担持体上で反射された反射光を受光して該トナー担持体上に担持されたトナーの量を測定するトナー量測定装置において、
前記トナー担持体に光を照射して該トナー担持体上に光の縞を形成する照射部と、
前記照射部によって前記トナー担持体に照射されて前記縞を構成している光が該トナー担持体上で反射された反射光を受光する受光部とを備えたことを特徴とするトナー量測定装置。
前記トナー担持体が、トナーを担持して所定方向に移動するものであり、
前記照射部が、前記トナー担持体上に、光の、前記所定方向と交わる縞を形成するものであり、
前記受光部が、受光量に応じた受光信号を出力するものであって、
前記受光部から出力された受光信号から所定周波数の信号成分を抽出する抽出部を備えたことを特徴とする請求項１記載のトナー量測定装置。
前記照射部が、前記縞として干渉縞を形成するものであることを特徴とする請求項１記載のトナー量測定装置。
前記照射部が、稜線を挟んで凸形に隣接する２つの屈折面を有するプリズムと、レーザ光を発するレーザ光源とを具備するものであって、該レーザ光源によって発せられたレーザ光の光束を、該プリズムの該稜線で分割し、分割した光束それぞれを、該稜線を挟む２つの屈折面それぞれによって屈折させて互いに干渉させるものであることを特徴とする請求項３記載のトナー量測定装置。
前記照射部が、境界線を挟んで凹形に隣接する２つの反射面を有するミラーと、レーザ光を発するレーザ光源とを具備するものであって、該レーザ光源によって発せられたレーザ光の光束を、該ミラーの該境界線で分割し、分割した光束それぞれを、該境界線を挟む２つの反射面それぞれによって反射させて互いに干渉させるものであることを特徴とする請求項３記載のトナー量測定装置。
前記照射部が、レーザ光を発するレーザ光源と、該レーザ光源によって発せられたレーザ光の光束を絞る絞りとを具備するものであって、該絞りによって光束が絞られたレーザ光を用いて前記干渉縞を形成するものであることを特徴とする請求項３記載のトナー量測定装置。
制御可能な画像形成条件の下で最終的に用紙上にトナー画像を形成する画像形成装置において、
前記トナー画像を形成するためのトナーを担持するトナー担持体、
前記トナー担持体に光を照射して該トナー担持体上に光の縞を形成する照射部と、該照射部によって前記トナー担持体に照射されて該縞を構成している光が該トナー担持体上で反射された反射光を受光する受光部とを具備し、前記トナー担持体上に担持されたトナーの量を測定するトナー量測定器、および
前記トナー量測定器によって測定されたトナーの量に基づいて前記画像形成条件を制御する条件制御器を備えたことを特徴とする画像形成装置。