JP6424969B2

JP6424969B2 - トナーボトル

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Publication number: JP6424969B2
Application number: JP2017554971A
Authority: JP
Inventors: 正道安藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2036-10-27
Also published as: CN108369395A; US10466618B2; US20180188670A1; CN108369395B; WO2017098829A1; JPWO2017098829A1

Description

本発明は、トナーが収納されるトナーボトルに関する。

画像形成装置は、感光体に形成された静電潜像を、現像装置内のトナーを用いて現像することでトナー像を形成する。現像装置内のトナーが減少すると、トナーを感光体に供給できなくなる。したがって、画像形成装置は、装置本体に着脱可能なトナーボトルから現像装置へ適宜トナーを補給する構成となっている。

トナーボトルは、円筒形状の筐体と、筐体の内周面に突出する螺旋状のリブと、トナーを排出する排出口と、を備えている。トナーボトルは、筐体が回転すると、螺旋状のリブがトナーを排出口へ搬送するようになっている。

一般に、画像形成装置において、トナーボトルのトナー残量を直接検出する構成は搭載されていない。従来の画像形成装置では、印刷した用紙の枚数からトナーの消費量を推定し、推定した消費量をトナーボトルの容量から減算することで、トナーの残量を推定している。

画像形成装置は、トナーが完全に消費されてしまうことを防止するために、推定したトナーの残量が所定量以下となった場合に、利用者に対して例えば「トナーが無くなりました。」等と報知を行う。しかし、報知を行った時点では、実際にはトナーボトル内に相当量のトナーが残っている。にもかかわらず、利用者は、トナーを新品に交換する必要があるため、使用できるトナーが捨てられ、無駄になってしまう。

そこで、例えば、特許文献１には、トナーボトルの重量を測定することでトナーボトル内のトナーの残量を検出する方法が記載されている。特許文献１の構成では、トナーボトル５を支持部材５２で支持し、当該支持部材５２が支点５４を中心として回転方向に移動する移動量から重量を検出する構成としている。

特開２０１４−８５５４１号公報

しかし、特許文献１の構成では、重量を検出するために、トナーボトル５および支持部材５２が、支点５４を中心として、たわみ部材５５に対して回転方向に移動する必要がある。そのため、トナーボトル５および支持部材５２が移動するためのスペースを確保する必要があり、省スペース化という観点で課題が生じる。また、重量を正確に測定するためには、トナーボトル自体が移動可能となるように、周囲の部材に対して固定されていない状態にするか、あるいは支持点数を少なくする必要がある。しかし、トナーボトルは、例えば３ｋｇ程度の重量があり、支持点数を少なくすると、トナーボトルを確実に支持することが難しくなってしまう。

そこで、本発明は、上記課題を解決しながらもトナーの残量を検出することができるトナーボトルを提供することを目的とする。

この発明のトナーボトルは、トナーを現像装置に供給するトナーボトルであって、前記トナーを内部に収納し、駆動源の駆動力によって回転するボトル部と、前記ボトル部の側面に設けられ、前記ボトル部の前記側面のたわみ量を検出する変位センサと、を備えることを特徴とする。

トナーボトルは、両端部が支持されると、ボトル部の側面が自重またはトナー重量によってたわむことになる。トナーがボトル部内に多く残っている時にはたわみ量が大きくなり、トナーが少なくなるとたわみ量が小さくなる。したがって、トナーボトルのボトル部の側面に、当該側面のたわみ量を検出する変位センサを設けることで、現時点のトナー残量を直接検出することができる。

なお、ボトル部の側面のうち、鉛直下側の箇所は伸張され、鉛直上側の箇所は収縮する。すなわち、ボトル部が回転すると、ボトル部の側面は、伸張されたり、収縮されたりする。よって、トナーの残量は、変位センサによって検出される電気信号の最大値と最小値とに基づいて算出することができる。また、トナーの残量は、最大値と最小値との差分に基づいて算出してもよいし、最大値と最小値との比に基づいて算出してもよい。

この発明によれば、トナーの残量を検出することができる。

画像形成装置の一部を示す模式図である。トナーボトルの外観図である。トナーボトルの一部透過図である。変位センサの一例を示す分解斜視図である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、トナーボトルのたわみを模式的に表した図である。ハードウェア構成を示すブロック図である。変形例に係る変位センサの斜視図である。トナーボトルの一部透過図である。図９（Ａ）、図９（Ｂ）、および図９（Ｃ）は、トナーボトルを底面から見た一部透過図である。

図１は、画像形成装置１における一部の構成を示す模式図である。画像形成装置１は、不図示の外部装置から入力される画像データに基づいて、用紙に電子写真方式による多色または単色の画像形成処理を行う。

画像形成装置１は、転写ベルト２１、駆動ローラ５０、従動ローラ５１、現像装置１００、現像装置１０１、現像装置１０２、現像装置１０３、感光体ドラム１２０、感光体ドラム１２１、感光体ドラム１２２、感光体ドラム１２３、トナーボトル６１、トナーボトル６２、トナーボトル６３、およびトナーボトル６４を備えている。

感光体ドラム１２０、感光体ドラム１２１、感光体ドラム１２２、および感光体ドラム１２３は、それぞれ画像データに基づく光が照射され、側面に静電潜像が形成される。現像装置１００、現像装置１０１、現像装置１０２、および現像装置１０３は、それぞれ対応する感光体ドラム１２０、感光体ドラム１２１、感光体ドラム１２２、および感光体ドラム１２３にトナーを供給する。これにより、感光体ドラム１２０、感光体ドラム１２１、感光体ドラム１２２、および感光体ドラム１２３の側面にトナー像が形成される。

転写ベルト２１は、駆動ローラ５０および従動ローラ５１によって張られ、感光体ドラム１２０、感光体ドラム１２１、感光体ドラム１２２、および感光体ドラム１２３の側面に沿って移動する。これにより、転写ベルト２１の表面には、感光体ドラム１２０、感光体ドラム１２１、感光体ドラム１２２、および感光体ドラム１２３の表面に形成されたトナー像が転写される。

転写ベルト２１に形成されたトナー像は、不図示の二次転写ユニットによって用紙に二次転写される。その後、トナー像が転写された用紙は、不図示の定着ユニットにて加熱および加圧される。これにより、トナー像は、用紙の表面に堅牢に定着される。

現像装置１００、現像装置１０１、現像装置１０２、および現像装置１０３は、それぞれトナーボトル６１、トナーボトル６２、トナーボトル６３、およびトナーボトル６４が着脱自在に接続されている。現像装置１００、現像装置１０１、現像装置１０２、および現像装置１０３は、内部のトナーが減少すると、それぞれトナーボトル６１、トナーボトル６２、トナーボトル６３、およびトナーボトル６４からトナーが補充される。

図２は、トナーボトル６１の外観図である。なお、トナーボトル６１、トナーボトル６２、トナーボトル６３、およびトナーボトル６４は、それぞれ内部に収納されるトナーの色が異なるだけであり、全て同じ構成を有する。そのため、以下の説明においては、代表してトナーボトル６１について示す。

トナーボトル６１は、円筒形のボトル部６０１からなる。ボトル部６０１は、トナーを内部に収納し、画像形成装置に設けられた駆動源（不図示）の駆動力によって回転する。

図３は、トナーボトル６１の一部透過図である。ボトル部６０１が回転すると内部のトナー６０７が左方向へ移動し、ボトル部６０１の先端の排出口６０３から現像装置１３１に当該トナーが供給される。

ボトル部６０１の内周面には、螺旋状のリブ６０５が設けられている。ボトル部６０１の回転に伴ってリブ６０５が回転すると、ボトル部６０１の内部に収納されたトナー６０７は、当該リブ６０５により、回転軸方向に沿って排出口６０３に向かって搬送される。

図２に示すように、ボトル部６０１の外周面には、変位センサ６１１が貼り付けられている。変位センサ６１１としては、例えば抵抗式の歪センサ、または圧電素子を用いた圧電フィルムセンサ、等を用いることができる。圧電フィルムセンサは歪センサに比べると消費電力が小さく、応答性もよいため、このような形態の変位センサとして用いるのに好適である。

図４は、変位センサ６１１の一例である圧電フィルムセンサの構造を示す分解斜視図である。圧電フィルムセンサは、基板３０に形成された上側電極３３および下側電極３４を備えている。基板３０は、上側電極３３と下側電極３４の間で折り曲げられる。圧電フィルム３６は、両面テープ３５および両面テープ３７を介して、上側電極３３および下側電極３４に挟み込まれるようになっている。

上側電極３３および下側電極２４は、検出用回路３１に接続されている。検出用回路３１は、圧電フィルム３６で発生した電気信号（電荷）を検出する。

圧電フィルム３６は、伸縮によって電気信号を生じる圧電素子であればどのようなものを用いてもよいが、例えばキラル高分子を用いることが好ましい。圧電フィルム３６は、より好ましくは、一軸延伸されたポリ乳酸（ＰＬＡ）、さらにはＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）であることが好ましい。キラル高分子は、主鎖が螺旋構造を有し、一軸延伸されて分子が配向され、その一部が結晶化することにより、圧電性を有するようになる。そして、一軸延伸されたキラル高分子が発生する電荷量は、変位量（ボトル部６０１のたわみ量）によって一意的に決定される。

一軸延伸されたＰＬＬＡの圧電定数は、高分子中で非常に高い部類に属する。一方誘電率は低いため、圧電定数を誘電率で除して算出される電圧出力係数は非常に大きくなる。これにより、ＰＬＬＡからなる圧電フィルム３６は、ボトル部６０１のたわみ量を高感度に検出し、たわみ量に応じた信号を高精度に出力することができる。

また、キラル高分子は、延伸等による分子の配向処理で圧電性が生じるため、ＰＶＤＦ等の他のポリマーや圧電セラミックスのように、ポーリング処理を行う必要がない。このため、ＰＬＬＡの圧電定数は経時的に変動することがなく、極めて安定している。

さらに、ポリ乳酸は、焦電性がないため、画像形成装置内の熱源（例えば定着ユニット）に近い位置にセンサを配置し、当該熱源からの熱が伝わる場合であっても、検出される電荷量が変化することがない。

本実施形態では、圧電フィルム３６は、圧電フィルムセンサの長手方向（図４中に示すＹ方向）に対して、一軸延伸方向が略４５°の角度を成すように配置されている。圧電フィルムセンサは、このような構成により、Ｙ方向の伸縮を検出することができる。したがって、ボトル部６０１のたわみを高感度に検出することができる。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、トナーボトルのたわみを模式的に表した図である。トナーボトル６１は、両端部が支持されると、ボトル部６０１の側面（図中のＡ点およびＢ点）が自重によってたわむことになる。図５（Ａ）に示すように、トナー６０７がボトル部６０１内に多く残っている時にはボトル部６０１のたわみ量が大きくなる。特に、トナー６０７がボトル部６０１内に多く残っている時にはボトル部６０１の鉛直下側（図中のＢ点）のたわみ量が大きくなる。

また、図５（Ｂ）に示すように、ボトル部６０１内のトナー６０７が少なくなると、ボトル部６０１のたわみ量が小さくなる。特に、トナー６０７が少なくなると、ボトル部６０１の鉛直下側（図中のＢ点）のたわみ量が小さくなって、鉛直上側（図中のＡ点）のたわみ量との差が小さくなる。ボトル部６０１は、トナー６０７が完全に無くなった状態においても、自重による微小なたわみ量が発生している。

これらのたわみ量は、トナーボトル６１のボトル部６０１の側面に設けられた変位センサ６１１によって検出される。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、ボトル部６０１の側面のうち、鉛直下側の箇所（図中Ｂ点）は伸張され、鉛直上側の箇所（図中Ａ点）は収縮する。すなわち、ボトル部６０１が回転すると、ボトル部６０１の側面は、伸張されたり、収縮されたりする。変位センサ６１１が図４に示した圧電フィルムセンサである場合、変位センサ６１１からは、このようなボトル部６０１の伸張および収縮に応じた電気信号が出力される。当該電気信号は、ボトル部６０１の側面が最も収縮するＡ点で最小値（負の値）を示すとすると、最も伸張するＢ点では、最大値（正の値）を示す。

したがって、変位センサ６１１で検出される電気信号の値は、トナー６０７の残量に対応する値となる。

変位センサ６１１は、検出用回路３１に接続されているコネクタ部３８を介して、図５に示す制御部２０に接続される。

制御部２０は、プログラム記憶部２３に記憶されているプログラムを読み出して、所定の処理を行う。例えば、制御部２０は、変位センサ６１１の検出結果に基づいて、ボトル部６０１のトナーの残量を算出する処理を行う。また、制御部２０は、算出したトナー残量を、表示部３に表示する処理を行う。表示部３は、報知部の一例である。変位センサ６１１はボトル部６０１の変形を検出するのと同時に、高周波成分であるボトル部６０１内で生じるトナー６０７の動く音声振動も高感度に検出する。制御部２０は、この音声振動も複合してトナー残量を判定するようにしてもよい。トナー残量が小さくなると、ボトル部６０１のたわみ量も小さくなるため少量のトナーは検知が難しくなるが、トナーの動く音声信号を残量検知の判断に加えることにより、より精度の高い検知が可能になる。

トナー残量の算出手法は、複数存在するが、例えば、制御部２０は、変位センサ６１１から出力される上記最大値と最小値との差を算出することで、トナー６０７の残量を算出する。上述したように、トナー６０７がボトル部６０１内に多く残っている時にはボトル部６０１のたわみ量が大きくなり、ボトル部６０１内のトナー６０７が少なくなると、ボトル部６０１のたわみ量が小さくなる。したがって、当該たわみ量に相当する変位センサ６１１が出力する電気信号の最大値と最小値の差は、トナー６０７の残量が多いほど大きくなり、トナー６０７が減るにつれて、小さくなる。

また、制御部２０は、変位センサ６１１から出力される上記最大値と最小値との比を算出することで、トナー６０７の残量を算出してもよい。上述したように、トナー６０７がボトル部６０１内に多く残っている時にはボトル部６０１の鉛直下側（図中のＢ点）のたわみ量が大きくなり、トナー６０７が少なくなると、ボトル部６０１の鉛直下側（図中のＢ点）のたわみ量が小さくなって、鉛直上側（図中のＡ点）のたわみ量との差が小さくなる。したがって、変位センサ６１１が出力する電気信号の最大値と最小値の比は、トナー６０７の残量が多いほど大きくなり、トナー６０７が減るにつれて、小さくなる。

特に、変位センサ６１１には、個体毎に特性差が存在するため、仮にボトル部６０１のたわみ量が同じであっても、変位センサ６１１の出力値は、固体毎に異なる値となる。しかし、当該個体差は、最大値と最小値の比を算出することでキャンセルされる。よって、制御部２０は、変位センサ６１１の個体差にかかわらず、トナー６０７の残量を算出することができる。

ただし、制御部２０は、最大値と最小値との差を算出することで、トナー６０７の残量を推定する場合には、変位センサ６１１毎に個体差をキャンセルする補正（キャリブレーション）を行う。例えば、出荷時点で算出される最大値と最小値との差の値を、全て「０」に補正する。

以上の構成により、制御部２０は、トナー残量を直接検出することができる。制御部２０は、変位センサ６１１が出力する電気信号の最大値と最小値の差を算出する場合には、当該差の値が所定値未満となった場合に、トナー残量が０、または０に近い状態になったものと判断することができる。または、制御部２０は、変位センサ６１１が出力する電気信号の最大値と最小値の比を算出する場合には、当該比が１になった場合（あるいは１に使い所定値を示した場合）に、トナーの残量が０である、または０に近い状態になったものと判断することができる。

なお、この例では、１つの変位センサ６１１を用いてボトル部６０１のたわみ量を検出する態様を示したが、複数の変位センサ６１１をボトル部６０１の側面に設けることで、ボトル部６０１のたわみ量を検出する態様としてもよい。この場合、上記最大値と最小値とを、複数の変位センサ６１１のそれぞれにおいて検出することができる。

なお、制御部２０は、画像形成装置１に設けられている制御部（マイコン）により実現される態様であってもよいが、変位センサ６１１またはトナーボトル６１に設けられている態様であってもよい。制御部２０が変位センサ６１１またはトナーボトル６１に設けられている態様である場合、変位センサ６１１またはトナーボトル６１から、トナー残量を示す情報が出力される。

また、報知部（この例では表示部３）も、変位センサ６１１またはトナーボトル６１に設けられていてもよいし、画像形成装置１に設けられた報知部（表示部）を兼ねていてもよい。

次に、図７は、別の実施形態に係るトナーボトル６９の一部透過図である。図８は、この実施形態で用いられる変位センサ９０の斜視図である。この実施形態では、トナーボトル６９は、撹拌される流体（トナー６０７）を収納する容器（ボトル部６０１）と、基板９１を有し、基板９１の捻れを検出する捻れセンサ６１２と、を備え、基板９１は、容器の中に挿入されている第１端部９１１と、固定されている第２端部９１５と、を有する。

図７に示すように、この実施形態においては、トナーボトル６９のボトル部６０１の内部に、変位センサ９０が設けられている。また、この実施形態においては、トナーボトル６１のリブ６０５に代えて、ボトル部６０１の内部に、螺旋状の回転子９０５が設けられている。回転子９０５は、この例では太い金属ワイヤからなる。回転子９０５は、不図示の外部の駆動源により、ボトル部６０１の内部で回転する。当該回転子９０５が回転すると、ボトル部６０１の内部に収納されたトナー６０７は、当該回転子９０５により、回転軸方向に沿って排出口６０３に向かって搬送される。

変位センサ９０は、図８に示すように、基板９１と、基板９１に貼り付けられた捻れセンサ６１２からなる。基板９１は、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚みを有する板状の部材である。基板９１は、平面視した形状がＴ字型となっている。基板９１のＸ方向の長さ（幅）のうち、最も長い箇所は、ボトル部６０１の内径よりもわずかに短くなっている。ただし、基板９１の平面視した形状は、例えばＬ字型の他の形状であってもよい。基板９１の一部である第１端部９１１がトナー（検出対象の流体）に接触した場合に、基板９１に捻れが生じる形状であれば、どのような形状であってもよい。

また、基板９１の厚みは、トナーボトル（容器）の大きさや、トナー（検出対象の流体）の種類に応じて適宜変更する。基板９１は、弾性体であり、例えばＳＵＳ、リン青銅、洋白、ガラスエポキシ、アクリル、ＰＥＴ、またはＡＢＳ等からなる。

捻れセンサ６１２は、例えば圧電フィルムセンサにより構成され、図４に示した構造と同じ構造を有する。この例では、圧電フィルムとして、キラル高分子を用いることが好ましい。特に、圧電フィルムは、一軸延伸されたポリ乳酸（ＰＬＡ）、さらにはＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）であることが好ましい。上述したように、ポリ乳酸は、焦電性がないため、画像形成装置内の熱源（例えば定着ユニット）に近い位置にセンサを配置し、当該熱源からの熱が伝わる場合であっても、検出される電荷量が変化することがない。

また、この実施形態における圧電フィルムは、捻れセンサ６１２の長手方向（図８中に示すＹ方向）に、一軸延伸方向が一致する。このような配置を行うことで、捻れセンサ６１２は、基板９１に捻れ変位が生じた場合に、当該捻れ変位を高感度に検出することができる。

図７に示したように、変位センサ９０の一部（第２端部９１５）は、回転子９０５に接続され、固定される。これにより、変位センサ９０は、回転子９０５とともにボトル部６０１の内部で回転する。

図９（Ａ）、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）は、トナーボトルを底面から見た一部透過図である。ただし、回転子９０５については、図示を省略している。回転子９０５とともに変位センサ９０が回転して、基板９１の一部（第１端部９１１）がトナー６０７に触れると、トナー６０７からの抵抗により第１端部９１１が回転方向に曲げられる。一方で、基板９１の第２端部９１５は固定されているため、基板９１は、第２端部９１５側で捻れ変位が生じる。

上述したように捻れセンサ６１２の圧電フィルムは、捻れセンサ６１２の長手方向（図８中に示すＹ方向）に、一軸延伸方向が一致するため、基板９１に生じた捻れ変位を検出する。一方で、捻れセンサ６１２の圧電フィルムは、Ｙ方向（またはＹ方向に直交するＸ方向）に対する曲げ変位を検出しない。

仮に、変位センサ９０に振動が伝達された場合、基板９１に曲げ変位が生じる可能性があるが、振動によって捻れ変位が生じる可能性は極めて低い。したがって、変位センサ９０は、トナー６０７に接触した場合にのみ、電気信号を出力し、他の振動発生時には電気信号を出力しない。そして、トナー６０７の残量が多い場合には、変位センサ９０がトナー６０７に接触したときの抵抗が大きくなり、捻れ変位が大きくなるため、出力される電気信号の出力値は大きくなる。トナー６０７の残量が少なくなると、変位センサ９０がトナー６０７に接触したときの抵抗が小さくなり、捻れ変位が小さくなるため、出力される電気信号の出力値は小さくなる。また、トナー６０７の残量が枯渇して、回転子９０５が回転しても変位センサ９０の基板９１に接触しなくなった場合、電気信号は全く検出されなくなる。

したがって、変位センサ９０に接続される制御部２０は、変位センサ９０から出力される電気信号の出力値の大きさに基づいて、トナー６０７の残量を直接検出することができる。

なお、図７においては、回転子９０５が回転して、トナーボトル６９のボトル部６０１が回転しない態様を示したが、図２に示したようにボトル部６０１自体が回転するトナーボトルにおいても、変位センサ９０を用いることができる。この場合、捻れセンサ６１２の第２端部９１５は、ボトル部６０１に固定される。

最後に、前記実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲は、特許請求の範囲と均等の範囲を含む。

１…画像形成装置
３…表示部
２０…制御部
２１…転写ベルト
２３…プログラム記憶部
２４…下側電極
３０，９１…基板
３１…検出用回路
３３…上側電極
３４…下側電極
３５，３７…両面テープ
３６…圧電フィルム
３８…コネクタ部
５０…駆動ローラ
５１…従動ローラ
６１，６２，６３，６４，６９…トナーボトル
９０…変位センサ
１００、１０１，１０２，１０３…現像装置
１２０，１２１，１２２，１２３…感光体ドラム
１３１…現像装置
６０１…ボトル部
６０３…排出口
６０５…リブ
６０７…トナー
６１１…変位センサ
９０５…回転子
９１１…第１端部
９１５…第２端部

Claims

トナーを現像装置に供給し、両端部が支持されることにより、自重によって撓むトナーボトルであって、
前記トナーを内部に収納し、駆動源の駆動力によって回転するボトル部と、
前記ボトル部の外周面の側面に設けられ、前記ボトル部の前記側面のたわみ量を検出する変位センサと、
前記変位センサによって検出される結果に基づいて、前記ボトル部に収納されている前記トナーの量を算出する制御部と、
を備えることを特徴とするトナーボトル。
前記変位センサは、前記ボトル部の前記側面に貼付された圧電素子を有し、前記たわみ量を前記圧電素子によって検出する、請求項１に記載のトナーボトル。
前記制御部によって算出された前記トナーの量を報知する報知部を備える、請求項１または請求項２に記載のトナーボトル。
前記制御部は、前記変位センサによって検出される電気信号の最大値と最小値とに基づいて前記トナーの量を算出する、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のトナーボトル。
前記制御部は、前記最大値と前記最小値との差に基づいて、前記トナーの量を算出する請求項４に記載のトナーボトル。
前記制御部は、前記最大値と前記最小値との比に基づいて、前記トナーの量を算出する請求項４に記載のトナーボトル。