JP6456435B2 - 画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子写真方式或いは静電記録方式を用いた複写機、プリンタ、ファクシミリ装置などの画像形成装置、および画像形成装置に用いられる現像剤収納部に関するものである。

従来、電子写真方式を採用する画像形成装置には、像担持体を走査露光することにより形成された静電潜像に現像剤を供給することで、現像剤像を形成する現像装置が設けられている。また、近年では、現像剤を収納する現像剤収納部を含んだ現像装置、像担持体、及びその他のプロセス手段（帯電部材等）を、プロセスカートリッジとして一体に収容したものが多く見られる。このように複数の部材をプロセスカートリッジとして一体化し、さらにプロセスカートリッジを画像形成装置の装置本体に対して着脱可能とすることにより、現像剤の補給、その他メンテナンス作業を容易に行うことができる。

このようなプロセスカートリッジ方式では、現像剤が無くなった時点で、ユーザーがカートリッジを交換する、または現像剤を補充することで、再び画像を形成することができる。そのため、このような画像形成装置は、現像剤が消費された場合にそれを検知し、ユーザーに交換時期を報知する手段、すなわち現像剤検知部を備えているものが一般的である。

このような現像剤検知部の一つとして、特許文献１には、一対の入力側および出力側電極を備え、両電極間の静電容量を測定することによって現像剤量を検出する方式が提案されている。

また、特許文献２、３には、現像剤担持体に交流バイアスを印加することで、現像剤担持体を入力側電極と見なし、出力側電極となる静電容量検知部材を現像装置内の現像剤担持体に対向する箇所に設ける構成が提案されている。

特許文献１から３のいずれも、一対の電極の間における現像剤が占める量が変化したときに変化する静電容量の変化を用いて現像剤量を検知する方式である。

特開２００１−１１７３４６号公報 特開２００３−２４８３７１号公報 特開２００７−１２１６４６号公報

現像剤量の検知は、現像剤がなくなる間際でも現像剤量の変化を検知できることが望ましい。そのため、静電容量の変化を用いて現像剤量を検知する方式においては、現像剤が少なくなってきても現像剤の変化が検知しやすいように、電極の配置や電極の周囲の部材の形状や配置を最適化することが望ましい。しかしながら、現像剤が少なくなってきても現像剤量の変化が検知しやすいような構成においては、精度の良い現像剤量の検知との両立が難しい場合があった。

本出願に係る発明の構成の一つは以下のようなものである。

回転して現像剤を撹拌する撹拌部材と、
第１の電極と、
前記第１の電極との間に間隔をあけて配置され、前記第１の電極に対して傾斜して対向する第２の電極であって、前記間隔の最小部が前記撹拌部材の回転中心よりも下方に位置し、前記最小部よりも大きい前記間隔の遠隔部が前記最小部よりも上方に位置するように配置された第２の電極と、
前記撹拌部材と前記現像剤を収納する枠体であって、前記第１の電極が配置される第１の壁面と、前記第２の電極が配置される第２の壁面と、を含む枠体と、
を備える現像剤収納部と、
前記枠体に収容される現像剤量により変化する静電容量であって、前記第１の電極と前記第２の電極の間の静電容量に応じた出力値を検知する現像剤検知部と、
を備え、
第１の現像剤量における前記出力値を第１の基準値とし、前記第１の基準値に対して第１の差分を有し０％の現像剤量における前記現像剤検知部の出力値を第２の基準値とした場合に、前記第１の基準値の大きさに応じて変わる前記第２の基準値に対応した前記第１の差分をテーブルを用いて求め、
前記現像剤検知部は、前記第１の現像剤量よりも少なく、かつ前記０％の現像剤量よりも多い第３の現像剤量による静電容量の出力値に応じた現像剤の残量情報を、前記第１の現像剤量と、前記求められた前記第１の差分と、に基づき検知することを特徴とする画像形成装置。

本発明によれば、現像剤の検知精度を向上させられる画像形成装置を提供できる。

画像形成装置の断面図 プロセスカートリッジの断面図 現像装置（現像剤収納部）の断面図 現像剤量検知回路 現像装置（現像剤収納部）の断面図 現像剤量と静電容量の変化を表す図 静電容量と検出電圧の関係説明図 電極間の距離と静電容量の変化説明図 電極間補正値を示すテーブル 現像剤量検知シーケンス トナー残量テーブルの例

［実施例１］
（画像形成装置とプロセスカートリッジの構成と動作の概略）
図１は本実施例における画像形成装置の概略図である。この画像形成装置は、電子写真方式、プロセスカートリッジ着脱式のレーザビームプリンタである。この画像形成装置は、パソコン・画像読取装置等の外部ホスト装置を接続することで、画像情報を受け取りプリントすることができる。

１は画像形成装置におけるプリンタ本体（装置本体）、２は装置本体１に対して着脱可能なプロセスカートリッジである。図２は実施例１に係るプロセスカートリッジの断面図であり、プロセスカートリッジ２についてはこれを用いて説明する。

２０は像担持体としてのドラム型の電子写真感光体（感光ドラム）である。本実施例では、感光ドラム２０と、帯電部材（帯電ローラ）３０と、本実施例における現像剤収納部としての現像装置４０と、クリーニング部材（クリーニングブレード）５０と、の４種のプロセス部材を一体化し、プロセスカートリッジとした。そして、装置本体１に着脱可能としている。

感光ドラム２０はプリントスタート信号に基づいて矢印Ｒ１の時計方向に２００ｍｍ／ｓの周速度（プロセススピード）をもって回転駆動される。感光ドラム２０には帯電バイアスが印加される帯電ローラ３０を接触させてあり、帯電ローラ３０は感光ドラム２０に従動して回転駆動される。回転する感光ドラム２０の周面がこの帯電ローラ３０により所定の極性・電位に一様に帯電される。本実施例では負の所定電位に帯電される。

その帯電面に対して、露光装置（スキャナユニット）３により画像情報のレーザ走査露光がなされる。スキャナユニット３から出力されたレーザ光はカートリッジ内に入光して感光ドラム２０の面を露光する。感光ドラム２０は接地されており、レーザ光が照射された部分（露光明部）の電位が減衰して画像情報に対応した静電潜像が感光ドラムに形成される。なお、本実施例では画像情報部を露光するイメージ露光方式を用いている。

その静電潜像は、現像装置４０の現像剤担持体としての現像スリーブ（現像ローラ）４１上の現像剤（トナー）Ｔによって現像される。

一方、所定の制御タイミングにて、シートトレイ部４のピックアップローラ５が駆動されて、シートトレイ部４に積載収納されている記録媒体である記録材（紙等）が１枚送られる。記録材は転写ガイド６を経由して、転写ローラ７を通過する。この間に、感光ドラム２０面のトナー像が記録材の面に順次に静電転写される。その後、トナー像が転写された記録材は、定着装置９に到達する。トナー像が定着装置９によって定着させられた後、記録材は排紙トレイ１１に排紙される。記録材分離後の感光ドラムはクリーニングブレード５０により転写残トナー等の除去を受けて清掃され、再び、帯電から始まる画像形成に繰り返し用いられる。

記憶部としてのメモリ１２０は、プロセスカートリッジ２に設置され、画像形成に必要な現像及び帯電制御に用いるテーブル等を格納する。なお、本実施例ではメモリ１２０は装置本体１側に設けられても良い。また、プロセスカートリッジ２と装置本体１の両方に設けることもできる。メモリ１２０は、後述する現像剤検知の際の補正に用いる補正値を記憶している。詳しくは後述する。

（現像装置）
実施例１に係る現像装置について、図３を用いて説明する。図３は実施例１に係る現像装置の断面図である。

本実施例における現像装置４０は、トナーＴを収納する枠体４０ａを有する。枠体４０ａの内部には、仕切り壁４０ｂが備えられている。仕切り壁４０ｂは枠体４０ａの内部を、現像ローラ４１が回転可能に収納される現像室４６と、トナーＴおよび撹拌部材６０を収納した現像剤収納室（以下、現像剤室と称す）４７とに仕切っている。仕切り壁４０ｂには、現像室４６と、現像剤室４７とを連通する開口４０ｃが設けられている。本実施例の現像装置４０は、感光ドラム２０およびクリーニングブレード５０を備えるクリーニングユニットとは別の現像装置（現像ユニット）として構成されている。

トナーＴは、磁性一成分の粉砕トナーを用いる。母体と外添剤から成り、母体の中心粒径は７μｍ、円形度は０．９５、比重は、１．８である。外添剤は、流動性と帯電性の観点から小粒径のシリカを０．５重量％使用している。

現像剤室４７のトナーＴは、撹拌部材６０によって、現像剤室４７から現像室４６へ、開口４０ｃを通じて搬送される。現像室４６のトナーＴは、現像ローラ４１に内包されたマグネットによって現像ローラ４１に引き寄せられる。一方、現像ローラ４１には、弾性部材からなる層厚規制部材としての現像ブレード４２が当接している。トナーＴは、現像ローラ４１のＲ２方向への回転に伴って現像ブレード４２方向に搬送され、現像ブレード４２によってトリボが付与され、層厚が規制される。

ここで、現像ローラ４１には、画像形成装置本体の現像バイアス電源４５から直流電圧（Ｖｄｃ＝−４００Ｖ）に交流電圧（ピーク間電圧＝１５００Ｖｐｐ、周波数ｆ＝２４００Ｈｚ）を重畳した現像バイアスが印加される。一方、感光ドラム２０の表面には、上述したような静電潜像が形成されている。感光ドラム２０の現像ローラ４１との対向領域では電界が発生するため、前述のトリボを有したトナーＴが感光ドラム２０の静電潜像が形成された部分に供給される。こうすることで、感光ドラム２０表面の静電潜像が現像される。

（現像装置と現像剤検知部）
次に、実施例１における現像装置について図３を用いてさらに詳しく説明する。

本実施例では、現像剤室４７を形成する枠体４０ａの中（現像剤室４７の内部）に撹拌部材６０、面状の第１の電極４３、第２の電極４４が備えられている。第２の電極４４と、現像ローラ４１とには、現像バイアス電源４５が接続されている。また、第１の電極４３には、後述する現像剤検知部７０が接続されている。現像剤検知部７０は、第２の電極４４と現像ローラ４１に電圧が印加された時に、第１の電極４３と第２の電極４４との間の静電容量と、第１の電極４３と現像ローラ４１との間の静電容量との合成静電容量の変化を元に現像剤量を検知する事ができる。

枠体４０ａの壁面（内壁面４０ａ１（第１の壁面に相当する）、内壁面４０ａ２（第２の壁面に相当する））には、本実施例における電極対を形成する第１の電極４３と、第２の電極４４が配置されている。第２の電極４４は、第１の電極４３との間に間隔をあけ、かつ第１の電極４３に対して傾斜して対向するように配置されている。第１の電極４３と第２の電極４４は、お互いの間隔の最小部Ｘ１（壁面上の最小部）が、撹拌部材６０の回転中心６０ａよりも下方（重力方向下側）に形成されるように配置されている。ここで最小部Ｘ１は、重力方向における第１の電極４３の下部４３ａ１と、第２の電極４４の下部４４ａ１の間の間隔である。また、お互いの間隔のうち、最小部Ｘ１よりも間隔が大きい遠隔部Ｘ２が、最小部Ｘ１よりも上方（重力方向上側）に形成されるように配置されている。ここで遠隔部Ｘ２は、重力方向における第１の電極４３の上部４３ａ２と、第２の電極４４の上部４４ａ２の間の間隔である。なお、本実施例において、最小部Ｘ１の距離（最小部Ｘ１の間隔の幅）は７ｍｍとした。さらに、以下の説明において、第１の電極４３と第２の電極４４に挟まれた領域であって、間隔の最小部Ｘ１と、遠隔部Ｘ２を結んだ領域を、領域Ａと呼ぶ。すなわち、領域Ａは、第１の電極４３と第２の電極４４が対向する領域であって、下部４３ａ１と下部４４ａ１を結んだ線と、上部４３ａ２と上部４４ａ２とを結んだ線で区画される領域である。

ここで、枠体４０ａの第１の電極４３が配置される内壁面４０ａ１と、第２の電極４４が配置される内壁面４０ａ２は、最小部Ｘ１に対して水平方向に離れる方向、かつ重力方向上側に向かう方向に傾斜している傾斜面である。本実施例において、内壁面４０ａ１、内壁面４０ａ２は曲面である。また、第１の電極４３と第２の電極４４は、内壁面４０ａ１、内壁面４０ａ２に沿うように配置され、かつ内壁面４０ａ１、内壁面４０ａ２と接触している。すなわち、最小部Ｘ１は現像剤室４７における最も下方に配置されており、現像剤室４７の底部（重力方向における最下部）を、最小部Ｘ１から現像剤室４７の内側に向けて露出させている。さらに、本実施例においては、最小部Ｘ１は、開口４０ｃおよび現像室４６の最下部４６ａよりも下方（重力方向下側）に設けられている。

第１の電極４３、第２の電極４４、および枠体４０ａの壁面を、上述のようにすることで、トナーＴが残りわずかになった時でも、最小部Ｘ１にトナーＴが集まりやすい。また、領域Ａを広くとることができ、現像剤量が多い時から現像剤量検知ができる。

また、撹拌部材６０は、可撓性を有するシート状の撹拌部６０ｂと、回転中心６０ａを中心に図中矢印Ｒ３方向に回転する軸からなる。水平方向において、回転中心６０ａと、最小部Ｘ１の位置は、重なるように配置されている。言い換えると、水平方向において、回転中心６０ａは、回転中心６０ａは最小部Ｘ１に含まれるように配置されている。また、回転中心６０ａは、開口４０ｃよりも重力方向下側に設けられている。撹拌部６０ｂは、前述の最小部Ｘ１を通過するように回転し、最小部Ｘ１から露出する壁面４０ｄと摺擦する。そして、最小部Ｘ１にあるトナーＴを開口４０ｃに向けてくみ上げ、現像室４６に供給する。さらに撹拌部材６０が回転すると、撹拌部６０ｂ上のトナーＴは、重力によって撹拌部６０ｂから内壁面４０ａ１、内壁面４０ａ２に落下し、最小部Ｘ１に戻される。このような構成により、トナーＴが残りわずかになった時でも、最小部Ｘ１にトナーＴが集まりやすい。また、撹拌部材６０によって、最小部Ｘ１を含む領域Ａにあるトナーを積極的に搬送することができる。

一方、第１の電極４３と第２の電極４４は導電性を有していれば良く、金属板を用いることもできるが、本実施例では導電性樹脂から成るシート部材を用いている。さらに、本実施例では第１の電極４３と第２の電極４４は、枠体４０ａに対して一体的に成型（いわゆるインサート成型）されている。すなわち、第１の電極４３と枠体４０ａ（内壁面４０ａ１）、第２の電極４４と枠体４０ａ（内壁面４０ａ２）は密着し、間にトナーＴが入らない構成である。

なお、本実施例においては、第１の電極４３と、第２の電極４４は、枠体４０ａの内壁面に配置したが、枠体４０ａの外側に配置することもできる。

次に、図４を用いて、実施例１に係る現像装置と、現像剤検知部について説明する。図４は実施例１に係る現像装置と、現像剤検知部の回路構成図である。

現像バイアス電源４５から所定のＡＣバイアスが出力されると、リファレンス用コンデンサ５４、現像ローラ４１、第２の電極４４の其々に印加される。これによって、リファレンス用コンデンサ５４には電圧Ｖ１が発生し、第１の電極４３には合成の静電容量に応じた電流に伴って電圧Ｖ２が発生する。検出回路５５はＶ１とＶ２の電圧差から検出電圧Ｖ３を生成し、ＡＤ変換部５６に出力する。すなわち、Ｖ３は第１の電極４３と第２の電極４４の間の静電容量に応じて出力される出力値である。ＡＤ変換部５６はアナログ電圧をデジタル変換した結果を制御部５７に出力する。制御部５７はこの結果から現像剤量を算出し、その結果をメモリ１２０に格納し、表示部１３で残量表示する。なお、表示部１３はメモリ１２０から上記結果を読み取って表示するように構成しても良い。

すなわち、現像剤検知部７０は、第１の電極４３と第２の電極４４の間の静電容量を検知し、この静電容量を元に現像装置４０内（現像剤収納部内）の現像剤量を算出する現像剤検知部である。また、本実施例における現像剤検知部７０は、トナーが十分多い時の現像剤量を第１の現像剤量とし、トナーがなくなる時の現像剤量を第２の現像剤量として検知可能である。また、第１の現像剤量よりも少なく、第２の現像剤量よりも多い、第３の現像剤量を検知可能である。すなわち、現像装置４０を使用することによって減っていく現像剤量を、遂次算出することができる。静電容量に基づく現像剤量の算出については、後述する。

また、本実施例では、現像剤量検知の為のＡＣバイアスを印加する部材を現像ローラ４１と、第２の電極４４としている。しかしながら、例えば、現像ローラ４１にＡＣバイアスを印加しない場合であっても本実施例の効果は得られる。また、第１の電極４３にＡＣバイアスを印加し、第２の電極４４に電圧を発生させても良い。本実施例では、第１の電極４３を、ＡＣバイアスが印加される現像ローラ４１と第２の電極４４の間に配置している。そうすることで、現像ローラ４１と第１の電極４３の間の静電容量の変化、第２の電極４４と第１の電極４３の間の静電容量の変化を、合成静電容量の変化として検知できる。

また、例えば図５のように撹拌部材と、電極対が複数ある構成であっても良い。この場合、撹拌部材６０の下方に最小部Ｘ１と領域Ａができるように第１の電極４３と第２の電極４４を配置する。第２の電極４４は、内壁面４０ａ２を超えて、内壁面４０ａ３まで延長される。更に撹拌部材８５の下方の内壁面４０ａ４に第３の電極８４を配置する。このとき、第１の電極４３の上部４３ａ２から見た第２の電極４４の上部４４ａ２との間隔が、遠隔部Ｘ２となる。同様に、第３の電極８４の上部８４ａ２から見た第２の電極４４の上部４４ａ４との間隔が、遠隔部Ｙ２となる。第３の電極８４の下部８４ａ１と、第２の電極４４の下部４４ａ３との間隔が、最小部Ｙ１となる。ここで、図５中の領域Ｂは、領域Ａと同様に定義される領域である。また、内壁面４０ａ３は内壁面４０ａ１に相当する。内壁面４０ａ４は内壁面４０ａ２に相当する。

このような構成の場合、トナーＴは撹拌部材６０と撹拌部材８５の回転により、最終的には最小部Ｘ１に集められる。また、このように最小部が複数ある構成（Ｘ１、Ｙ１）においては、現像室４６や開口４０ｃに対して、最も現像室４６に近い最小部Ｘ１が重力方向下側に位置していれば、最小部Ｘ１にトナーが集まる効果を得られやすい。

こうすることで、更に大容量な枠体であっても高精度な現像剤量検知が可能となる。また、ここでは第１の電極４３と、第３の電極８４の合成静電容量を元に現像剤量検知を行う例を示したが、複数の現像剤検知部７０を用意し、第１の電極４３と第３の電極８４の検出値を其々別に処理することで更に詳細な現像剤量検知を行うこともできる。

以降の説明においては、撹拌部材と電極対が単数の構成を用いて説明する。

（現像剤量検知）
次に本実施例の現像剤量検知について詳細に説明する。

上述した通り、本実施例において現像装置４０は、撹拌部材６０を備えている。撹拌部材６０は、第１の電極４３と第２の電極４４の間に挟まれた領域Ａ内を通過するように配置されている。また本実施例は、現像剤量が変化した際に、第１の電極４３と第２の電極４４の間の静電容量と、第１の電極４３と現像ローラ４１の間の静電容量の合成静電容量が変化することを利用して、現像剤量を検知する構成である。従って、撹拌部材６０の回転駆動よってトナーＴが動くと、現像装置４０の中の現像剤量が変化していないにも関わらず、現像剤量が変化しているかのような出力が得られる。

そこで本実施例では、一定の時間間隔（サンプリング間隔）ごとに静電容量の出力を取得し、それを撹拌部材６０の回転周期の整数倍もしくは、十分大きい時間にわたって続け、その間の静電容量の平均値を出力値として取得する。一方で、出力値と現像剤量との関係を予め求めておき、テーブルや換算式としてメモリ１２０に記憶させておく。そして、画像形成時に取得された出力値を元に、上記テーブルや換算式を用いて現像剤量を算出する。つまり、本実施例の現像剤量検知方式は、領域Ａ内のトナーが撹拌部材６０により撹拌されている状態を元に現像収納容器内全体の現像剤量を算出する方式である。

現像剤量検知は、現像装置４０内のトナーＴが多い時から、少なくなった時まで、広範囲にわたって検知することが好ましい。一方で、一般に現像剤量検知は、ユーザーがカートリッジや現像装置を交換する目安とすることが主要な目的の一つである為、特に現像剤量が少ない状態での精度が高いことが好ましい。その為、本実施例では、特に現像剤量が少ない時に、トナーの単位変化量あたりの静電容量の変化を大きくすることで、現像剤量が少ない時の現像剤量検知の高精度化を図ったものである。

現像剤量の単位変化量当たりの出力値の変化量、即ち静電容量の変化量が大きい程、高精度に現像剤量検知を行うことができる。また逆に、例えば現像剤量が変化しても静電容量が僅かしか変化しないような場合は、現像剤量検知の精度は低いということができる。ここで、静電容量Ｃと２つの電極の面積Ｓと距離ｄ、誘電率εの関係は次のように記述されることが知られている。

Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ・・・式（１）
このうち、誘電率εは電極間に存在する現像剤量によって変動し、現像剤量が多いと誘電率εが大きくなる。

ここで式（１）によれば、同じ誘電率であっても、距離ｄが小さい方が、静電容量は大きくなる。すなわち、距離ｄが小さい領域において生じる誘電率の変化は、全体の静電容量の変化に対する寄与度が大きい。距離ｄが大きい領域において生じる誘電率の変化は、全体の静電容量の変化に対する寄与度が小さい。

したがって、図３中に記載の最小部Ｘ１の近傍は、電極間のトナーＴの量の変化によって、誘電率εが変化した際に、静電容量の変化に対する寄与度が大きい。すなわちトナーＴの量の変化に敏感な部分である。また、領域Ａのうち上方は、電極間のトナーＴの量の変化によって、誘電率εが変化した際に、静電容量の変化に対する寄与度が比較的小さい部分である。

上述したように、本実施例では現像剤量が残りわずかになったときに、最小部Ｘ１にトナーＴが集まりやすい構成としている。また、静電容量の変化が大きい最小部Ｘ１を撹拌軸よりも下方に配置することで、撹拌部材６０が動作していても、トナーが自重で最小部Ｘ１近傍に落下する。このため、現像剤量の変化に対して大きく静電容量が変化することになる。

その為、広範囲の現像剤量の変化を検知しながら、特に現像剤量が少ない状態において、現像剤量検知の高精度化を図ることができる。

本実施例の構成は、最小部Ｘ１を現像剤室４７における最も下方の壁面となるように配置し、撹拌部材６０から落下したトナーがごく僅かであっても静電容量が大きく変化する為、より好ましい構成である。しかしながら、最も下方ではなくても回転中心６０ａよりも下方であれば、同様に本発明の効果は得られる。

図６は本実施例における現像剤量と、静電容量の平均値の関係を表した図である。前述したように、本実施例では現像剤量が少ない場合であっても、撹拌動作中に静電容量の寄与度が高い最小部Ｘ１にトナーを集め、撹拌する。トナーの残量が領域Ａに対して十分多いと、画像形成に従いトナーが減っても、領域Ａの現像剤量はほぼ変化しない為、静電容量の変化が少ない。現像剤量が少なくなってくると、静電容量の変化が大きくなってくる。これは撹拌部材６０が持ち上げた現像剤量だけ領域Ａのトナーが減るためである。しかし、検知感度の高い最小部Ｘ１近傍にトナーが残っている状態では、静電容量の変化量はまだ緩やかである。さらに現像剤量が減ると、静電容量が大きく変化する。検知精度の高い最小部Ｘ１近傍にあるトナーが減っていくためである。

このように、現像剤量が少量である時に僅かな現像剤量の変化に対して、静電容量が大きく変化する事で、高精度に現像剤量を検知する事が出来る。

（現像剤検知におけるばらつきの影響）
ここで、第１の電極４３と、第２の電極４４との間の静電容量は、各部材の配置のばらつきや製造ばらつき等の影響を受ける。そのため、第１の電極４３と第２の電極４４の間の静電容量の絶対値から直接現像剤量を算出するようにすると、精度のよい現像剤量検知ができない場合がある。そこで、本実施例の現像剤検知部７０は、現像装置４０が装置本体１に装着された後、トナーが十分に残っている状態（第１の現像剤量）で検知された静電容量を第１の基準値とする。そして、第１の基準値からの静電容量の変化量に基づいて、現像剤量を算出するようにしている。詳しくは後述する。

実施例では第１の電極４３と第２の電極４４は、現像装置４０の枠体４０ａに一体的に成型されているため、第１の電極４３と第２の電極４４の形状は枠体４０ａに沿う。そのため、第１の電極４３と第２の電極４４の形状に起因する、両電極間の距離のばらつきは少ない。これは、第１の電極４３と第２の電極４４を枠体４０ａに貼付する場合も同様である。

しかしながら、第１の電極４３と第２の電極４４の互いの位置のばらつき（成型する位置や貼りつける位置によるばらつき）は発生することがあるため、これを考慮する必要がある。

第１の電極４３と第２の電極４４の位置がばらつくと、例えば最小部Ｘ１の距離が変動することがある。最小部Ｘ１の距離ばらつきが起こった場合、式（１）により、静電容量の違いが起こる為、静電容量にもばらつきが発生することになる。 本実施例は現像剤収容容器の形状と第１の電極４３と第２の電極４４の配置を、図３のようにすることで、トナー残量検知を広範囲且つ高精度にする事を実現している。しかし、このようなばらつきの影響を現像剤量検知に反映させることで最小部Ｘ１の距離ばらつきの影響を低減し、更なる高精度化を実現することが期待できる。

また、本実施例では、第１の電極４３と第２の電極４４は導電性樹脂から成るシート部材を用いている。さらに、第１の電極４３と第２の電極４４は、枠体４０ａに対して一体的に成型（いわゆるインサート成型）されている。この場合、成型時の条件次第では樹脂の熱によりシート部材が伸びることも考えられる。したがって、この場合も本実施例の特徴であるばらつきの影響を反映させる効果が期待できる。

上述したように、式（１）より最小部Ｘ１の距離が近くなるほど、現像剤量の変化に対する検知感度が高まる。すなわち、本実施例の現像装置４０においては、第１の電極４３と第２の電極４４の上部と下部では、下部の検知感度が高い。同様に最小部Ｘ１が小さい場合と大きい場合では、小さい場合の検知感度が高い。また、トナーが存在する場合、トナーは重力方向下側に向けて沈降していくため、枠体４０ａの下部において、上部よりトナー密度（単位空間あたりに存在する現像剤の重さ）が高い。上述したように、トナー密度は式（１）の誘電率εに関係し、トナー密度が高いと誘電率εが大きくなり静電容量は高くなる。

すなわち、本実施例の構成においては検知感度が高い領域と、トナー密度が高い領域とが一致する構成となっている。本実施例では、現像剤量が少ない時の検知感度を高めることを実現しているが、最小部Ｘ１の距離が変化したとき、検知される静電容量への影響も大きくなりやすい構成である。

ここで、第１の電極４３と、第２の電極４４の間にトナーが存在しない場合は、両電極間の間隔の距離に応じて静電容量が決まる。すなわち、両電極間の間隔が小さい時は、大きい時よりも静電容量が大きくなる。特に最小部Ｘ１が近い場合に静電容量の差が大きい。

次にトナーが存在する場合では、両電極間の距離が変動したときの静電容量への影響が大きくなる。すなわち、両電極間の距離が変動した際の、検知される静電容量の差はトナーが存在しない場合より大きくなる。さらに、本実施例では検知感度の高い最小部Ｘ１と、トナー密度が高くなりやすい部分が一致しているため、この影響を受けやすい。

すなわち、同じトナーの量の変化が生じ、それに伴う誘電率の変化が同じであっても、静電容量の変化は、両電極間の間隔が小さい方が、間隔が大きい場合よりも大きくなる。

つまり両電極間の間隔、特に最小部Ｘ１の距離によって、第１の基準値となる静電容量（例えばトナー残量１００％の時の静電容量）から残量０％までの静電容量の変化量に差が生じる。

したがって、トナー残量検知の精度をさらに向上させるためには、最小部Ｘ１の距離に応じて、静電容量の変化量と現像剤量の関係に反映させることが好ましい。

（現像剤検知におけるばらつきの影響の反映）
以下、現像剤検知の方法と併せて、電極間のばらつき（電極間の間隔のばらつき）の影響を反映させる方法（電極間の間隔の大きさに基づく補正を行う方法）を説明する。上述のように、本実施例の現像剤検知部７０は、トナーが十分に残っている状態（第１の現像剤量）で検知された静電容量を第１の基準値として、第１の基準値からの静電容量の変化量に基づいて、現像剤量を算出するようにしている。

なお、本実施例中、静電容量は検出電圧Ｖ３を測定することで求める。本構成では、変換回路の関係から、静電容量と検出電圧との減少増加関係は逆の関係にあり、検出される静電容量が大きい時は検出電圧が小さくなり、静電容量が小さい時は検出電圧が大きくなるように設定されている。図７はこの関係を示す概略図である。なお、図７より明らかなように、現像剤量を検知するための出力値として、検出電圧Ｖ３を測定することで得られた静電容量を用いることもでき、検出電圧Ｖ３をそのまま用いることもできる。

まず、現像剤検知部７０は、トナーが十分に残っている状態（第１の現像剤量）に対応するものとして検知された静電容量を第１の基準値とする。この第１の基準値をＰＡＦと呼ぶ。すなわち、ＰＡＦは、第１の現像剤量における出力値の大きさを示す値に相当する。なお、本実施例において、ＰＡＦは現像剤量がおよそ１００％の時に設定される。ＰＡＦは、現像装置４０を使用した画像形成が行われた後のタイミングで、かつ現像装置４０内のトナーが安定している状態（偏り等が少ない状態）で設定することが望ましい。したがって、現像装置４０の使用初期の不安定な領域を除いた時などの所定のタイミングにおいて検知された静電容量を、第１の現像剤量に対応するＰＡＦとして設定する。以下、ＰＡＦを設定するタイミングを基準タイミングと呼ぶ。例えば、撹拌部材６０が予め定められた時間駆動されたか、もしくは予め定められた数だけ回転したタイミングで検知された静電容量を、ＰＡＦとすることができる。また、現像装置４０を用いて、予め定められた量の画像形成動作を行ったタイミングで検知された静電容量を、ＰＡＦとすることもできる。そのために、例えば画像形成動作を行った画素数（印字ピクセル）の積算が一定の値に到達した時に検知された静電容量を、ＰＡＦとすることもできる。ＰＡＦはメモリ１２０に記憶されるが、本実施例のカートリッジの出荷時には記憶されていない。

次に、ＰＡＦを設定した現像剤量よりも少ない第２の現像剤量（本実施例ではトナー残量０％）に対応する静電容量の大きさの基準となる第２の基準値を算出する。本実施例では、ＰＡＦを第１の基準値として、ＰＡＦに対して所定の差分（第１の差分）δを有する静電容量を設定する。これをＰＡＥ（第２の現像剤量に対応する静電容量の大きさの基準となる第２の基準値）と呼ぶ。すなわち、ＰＡＥは、第２の現像剤量における出力値の大きさを示す第２の基準値に相当する。

すなわち、ＰＡＥは、ＰＡＦから差分δだけ減じた静電容量の大きさに対応する値である。本実施例では、差分δはメモリ１２０に記憶された値である。δは最小部Ｘ１が基準の距離のとき、基準タイミングで設定したＰＡＦから、からトナー残量０％までの静電容量の変化量として予測される値である。

ここで、本実施例の現像剤検知部７０は、第１の現像剤量（ＰＡＦ設定時の現像剤量）よりも少なく、かつ第２の現像剤量（ＰＡＥが示す現像剤量）よりも多い第３の現像剤量を検知可能である。

具体的には、まず第３の現像剤量を検知する際の静電容量をＰＡ（画像形成動作中に検出される検出電圧Ｖ３から求めた静電容量）とする。すなわち、ＰＡは、第３の現像剤量における出力値に相当する。そして、ＰＡとＰＡＦの差分を第２の差分とする。そして、ＰＡＦとＰＡＥの差分δ（第１の差分）に対する、第２の差分の割合によって、第３の現像剤量を検知する。この第１の差分に対する第２の差分の割合を、ＰＡ率と呼ぶ。すなわち、ＰＡ率は下記の式（２）によって求められる。

ＰＡ率＝（ＰＡ−ＰＡＦ）／（ＰＡＥ−ＰＡＦ）・・・式（２）
トナー残量は、ＰＡ率を元に、後述するトナー残量テーブルを参照することで求めることができる。

しかし、前述したとおり、最小部Ｘ１が基準の距離からずれる（すなわち、最小部Ｘ１の幅が基準の距離からずれる）と、基準タイミングから残量０％までの静電容量の変化量が変化する。図８は最小部Ｘ１が近い場合と遠い場合における静電容量の変化量と現像剤量の関係を表したグラフである。ここでは最小部Ｘ１が遠い場合を基準の距離とした。

最小部Ｘ１が近い場合ではトナー残量が１００％の時の静電容量の平均値は１６．５ｐＦであり、トナー残量が０％（空）の時の静電容量の平均値は１２ｐＦで変化量は４．５ｐＦである。

また最小部Ｘ１が遠い場合ではトナー残量が１００％の時の静電容量の平均値は１３．７ｐＦであり、トナー残量が０％（空）の時の静電容量の平均値は１０ｐＦで変化量は３．７ｐＦである。

したがって、最小部Ｘ１が基準距離よりズレを生じると静電容量の変化量に差が生まれていることが分かる。

このため、最小部Ｘ１の距離に応じて、ＰＡＦからＰＡＥまでの差分δを変動させて、現像剤量を求めることが好ましい。そうすることで、現像剤検知の精度を向上させることができる。なお、この時に用いる値を、本実施例では電極間補正値Ｐ（第２の基準値の算出に用いる値）と呼び、電極間補正値Ｐはメモリ１２０に記憶されている。電極間補正値Ｐを用いて、ＰＡ率を変動させたものをＰＡ’率と呼ぶ。すなわち、電極間補正値Ｐで基準タイミングから残量０％までの出力値の変化量を補正したものである。

トナー残量１００％と残量０％との静電容量の出力値の差分δは、ＰＡＥからＰＡＦを減じたものである。この差分δの大きさを、電極間補正値Ｐによって変動させる。そして、上述したＰＡ率を、ＰＡ’率として求める。すなわち、下記式（３）のようにＰＡ’率を求める。

ＰＡ’率＝（ＰＡ―ＰＡＦ）／（（ＰＡＥ−ＰＡＦ）−Ｐ）・・・式（３）
ここで、本実施例ではＰＡＦと電極間補正値Ｐの関係を予め求めておき、ＰＡＦと電極間補正値Ｐのテーブルを参照して補正値を決定した。すなわち、図８のような結果が得られている場合の電極間補正値Ｐのテーブルは、例えば図９のようになる。

図８、９を用いてさらに詳しく説明する。最小部Ｘ１が遠い場合を基準とすると、ＰＡＦに相当する値は１３．７ｐＦ（予め定められた値）である。そして、上述の差分δは３．７ｐＦとなる。電極間補正値Ｐを用いないとすれば、最小部Ｘ１が近い時にもδは同じであるため、最小部Ｘ１が近い時のＰＡＥは１６．５ｐＦから３．７ｐＦを減じた１２．８ｐＦとなる。しかし、実際のＰＡＥに相当する静電容量は、１２ｐＦである。よって、図９に示すテーブルを用いて、ＰＡＦが１６．５ｐＦと検出された際には、電極間補正値Ｐを−０．８ｐＦとして補正する。補正によってトナー残量１００％から０％（空）の時までの静電容量の変化量が３．７ｐＦから４．５ｐＦになり実際の静電容量の変化量とのズレが小さくなる。変化量のズレが小さくなることで残量検知精度が向上できる。

すなわち、現像剤検知部７０は、基準タイミングにおいて第１の現像剤量に対応するものとして検知された静電容量を、第１の基準値（ＰＡＦ）とする。そして、図９に例示したようなテーブルを用いて、ＰＡＦの大きさに基づいて電極間補正値Ｐを求める。そして、差分δの大きさを電極間補正値Ｐで変動して、第２の現像剤量に対応する静電容量の大きさの基準となる第２の基準値（ＰＡＥ）を算出する。そして、ＰＡＦ、ＰＡＥ、ＰＡに基づいて、第２の現像剤量（トナー残量０％）や、第２の現像剤量に至るまでの第３の現像剤量を検知する。

また、図９によれば、現像剤検知部７０は、差分δの変動は、ＰＡＦが大きい（静電容量が大きい）ほど、最小部Ｘ１等の距離が小さいと予想されるため、差分δの絶対値を大きくする。また、予め定められた値（図９の場合、１３．７ｐＦ）からのＰＡＦの差が大きいほど（ＰＡＦが１３．７ｐＦよりも小さい場合も含む）、基準とした差分δに対して、大きく差がつくように変動させる。

電極間補正値Ｐの決定方法はテーブルを用いる他にも、適宜変更可能である。例えば、基準となるＰＡＦ値を予め記憶しておき、測定したＰＡＦ値とのズレから計算式によって求めても良い。また、差分δを乗じたり、除したりするものでもよい。すなわち、差分δにＰを乗じたり、差分δをＰで除したりするものであってもよい。

以上の補正を踏まえて、現像剤検知シーケンスを図１０で説明する。本実施例では最小部Ｘ１が遠い場合を基準としている。

初めに検出電圧Ｖ３を測定する（Ｓ１０２）。ＰＡＦ値が記憶されていない場合や基準タイミングである場合はＶ３をＰＡＦ値として記憶する（Ｓ１０３〜Ｓ１０６）。すなわち、Ｓ１０３において、メモリ１２０にＰＡＦが記憶されているかを確認し、ＹＥＳの場合はＳ１０４へ進む。ＮＯの場合はＳ１０５へ進む。本実施例ではプロセスカートリッジの出荷時にはＰＡＦが記憶されていないが、出荷時に仮の値を格納しておいてもよい。Ｓ１０４において、基準タイミングであるかどうかを確認し、ＹＥＳの場合はＳ１０６にすすむ。ＮＯの場合はＳ１０７に進む。次にＰＡＦから残量０％までの出力値の差分δを、メモリ１２０から参照する。（Ｓ１０７）。

次に、ＰＡＦの値から、電極間補正値Ｐを予め求めておいたＰＡＦ値と電極間補正値Ｐのテーブルを参照し決定する（Ｓ１０８）。上述したように、電極間補正値ＰはＰＡＦからＰＡＥまでの差分を変動させる補正値であり、また最小部Ｘ１との距離の差が大きくなるほど、その値が大きくなる補正値である。

次に式（３）に従って、ＰＡ’率を算出する（Ｓ１０９）。算出したＰＡ’率を、現像剤残量テーブルと比較することで、現像剤残量を検知（算出）することができる。なお、トナー残量テーブルとしては、例えば図１１に示すものが用いられる（Ｓ１１１）。決定した現像剤量（Ｙ％）を表示してユーザーに残量を報知する（Ｓ１１２）。現像剤残量をメモリ１２０に格納し、残量が０％になるまで（第３の現像剤量が第２の現像剤量と一致し、それを検知するまで）検知を繰り返すことで逐次の残量検知を行うことができる（Ｓ１１３〜Ｓ１１４）。

ＰＡ’率は基準タイミングから残量０％までの出力値の変化量を、最小部Ｘ１の距離に応じて電極間補正値Ｐで補正した値である。補正を行うことによって、最小部Ｘ１の距離に応じた出力値の変化量で残量検知を行うことができ、残量検知精度の向上を図る事が出来る。

以上、説明してきたとおり、基準値に応じて電極間補正値を算出し、その補正値を用いて静電容量の変化量と現像剤量の関係を補正することによって、現像剤量の検知精度を向上させることができた。

本実施例では図４に示すような現像装置４０を用いたが、トナー密度と検知感度の偏りが一致する構成であれば本発明を適用することで検知精度を向上させることができる。例えば図５のような構成においても、本発明を適用することで同様の効果を得ることが可能である。

なお、ＰＡＦ、ＰＡＥは必ずしも現像剤量１００％、０％に一致させる必要はない。例えば、現像剤量８０％をＰＡＦとし、現像剤量２０％をＰＡＥとして、その他の区間は別の現像剤検知方法（例えば画像形成にともなって消費される現像剤量の予測値から残量を算出する方法）で現像剤を検知させることもできる。

なお、本実施例では電極間の距離のばらつきの影響に主に着目して説明した。しかし、本実施例に示した方法によって、現像装置４０が使用される画像形成装置側の部品の性能ばらつきにも対処できる。すなわち、本実施例で示した電極間のばらつきの影響を、現像剤検知に反映させることとで、現像装置４０が使用される画像形成装置の装置本体の部品の性能ばらつきも反映して、精度の良い現像剤検知ができる。

また本実施例ではＰＡ’率を求める際に電極間補正値を用いているが、これに限定されるものではない。例えば電極間補正値で現像剤残量テーブルを変動させるなど、現像剤量の検知に関わる箇所で有れば同様の効果が期待できる。また、ＰＡＦの大きさに基づいてＰＡＥを変動させ、ＰＡＥとＰＡの値を比較して、現像剤が０％である（第２の現像剤量に到達した）と検知（判断）するようにしてもよい。

また本明細書で示す値は、本願発明者らが実験等で用いた測定系に限った数値となるが、本発明の効果の検証においては、相対的な静電容量の変化を比較することができれば十分であり、本発明の効果を示す一例として用いている。

本発明によれば、高精度に現像剤量を検出可能な現像剤収納部、現像装置、プロセスカートリッジ、及び画像形成装置を提供することができる。

１ 装置本体
２ プロセスカートリッジ
２０ 感光ドラム
４０ 現像装置（現像剤収納部）
４０ａ 枠体
４０ａ１、４０ａ２、４０ａ３、４０ａ４ 内壁部（傾斜面）
４０ｂ 仕切り壁
４０ｃ 開口
４１ 現像剤担持体（現像ローラ）
４２ 層厚規制部材（現像ブレード）
４３ 第１の電極
４４ 第２の電極
４６ 現像室
４７ 現像剤室
６０ 撹拌部材
６０ａ 回転中心
７０ 現像剤検知部
１２０ 記憶部（メモリ）
Ｔ トナー
Ｐ 電極間補正値
Ｘ１ 最小部
Ｘ２ 遠隔部
Ｙ１ 最小部
Ｙ２ 遠隔部

Claims (19)

1. 回転して現像剤を撹拌する撹拌部材と、
   第１の電極と、
   前記第１の電極との間に間隔をあけて配置され、前記第１の電極に対して傾斜して対向する第２の電極であって、前記間隔の最小部が前記撹拌部材の回転中心よりも下方に位置し、前記最小部よりも大きい前記間隔の遠隔部が前記最小部よりも上方に位置するように配置された第２の電極と、
   前記撹拌部材と前記現像剤を収納する枠体であって、前記第１の電極が配置される第１の壁面と、前記第２の電極が配置される第２の壁面と、を含む枠体と、
   を備える現像剤収納部と、
   前記枠体に収容される現像剤量により変化する静電容量であって、前記第１の電極と前記第２の電極の間の静電容量に応じた出力値を検知する現像剤検知部と、
   を備え、
   第１の現像剤量における前記出力値を第１の基準値とし、前記第１の基準値に対して第１の差分を有し０％の現像剤量における前記現像剤検知部の出力値を第２の基準値とした場合に、前記第１の基準値の大きさに応じて変わる前記第２の基準値に対応した前記第１の差分をテーブルを用いて求め、
   前記現像剤検知部は、前記第１の現像剤量よりも少なく、かつ前記０％の現像剤量よりも多い第３の現像剤量による静電容量の出力値に応じた現像剤の残量情報を、前記第１の現像剤量と、前記求められた前記第１の差分と、に基づき検知することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記最小部に対応する枠体は、前記枠体における重力方向における最下部を含み、前記撹拌部材は、前記回転に応じて、前記最小部に対応した枠体を摺擦し、前記最小部を通過することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記第３の現像剤量における前記出力値と前記第１の基準値との差分を第２の差分とした場合に、前記現像剤検知部は、前記第１の差分に対する前記第２の差分の割合によって、前記第３の現像剤量を検知することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像形成装置。
4. 前記第１の基準値が大きい時の前記第１の差分は、前記第１の基準値が小さい時の前記第１の差分よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の画像形成装置。
5. 予め定められた値と前記第１の基準値との差が大きい時の前記第１の差分が変動する量は、前記予め定められた値と前記第１の基準値との差が小さい時の前記第１の差分が変動する量よりも大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の画像形成装置。
6. 前記撹拌部材が予め定められた時間駆動されたか、もしくは予め定められた数だけ回転したタイミングにおける前記出力値を、前記第１の基準値とすることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の画像形成装置。
7. 予め定められた量の画像形成を行ったタイミングにおける前記出力値を、前記第１の基準値とすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の画像形成装置。
8. 前記第１の電極と前記第２の電極の一方に交流電圧を印加する交流電源をさらに備え、前記出力値は、前記交流電圧によって前記第１の電極と前記第２の電極の他方に生じた電圧に応じた値であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の画像形成装置。
9. 前記第１の壁面と前記第２の壁面は、前記最小部に対して水平方向で離れる方向、かつ上方に傾斜している傾斜面であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の画像形成装置。
10. 前記傾斜面は曲面であり、前記第１の電極と前記第２の電極は、前記曲面に沿って前記曲面と接触するように配置されることを特徴とする請求項９に記載の画像形成装置。
11. 前記撹拌部材は、前記傾斜面に現像剤を落下させることを特徴とする請求項９または１０に記載の画像形成装置。
12. 前記現像剤収納部は、像担持体に形成される静電潜像を現像する現像剤担持体を有することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の画像形成装置。
13. 前記枠体は、前記現像剤担持体が収納される現像室と、前記撹拌部材が収納される現像剤室と、前記現像室と前記現像剤室とを連通する開口が設けられた仕切り壁と、を備え、前記第１の壁面と、前記第２の壁面は、前記現像剤室に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の画像形成装置。
14. 前記最小部は、前記現像室よりも下方に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の画像形成装置。
15. 前記現像剤検知部は、前記静電容量と、前記第１の電極と前記現像剤担持体との間の静電容量の合成静電容量に応じた前記出力値から、前記現像剤量を検知可能であることを特徴とする請求項１２に記載の画像形成装置。
16. 水平方向において、前記撹拌部材の回転中心の位置は、前記最小部の位置と重なっていることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の画像形成装置。
17. 前記第１の電極と前記第２の電極は、導電性樹脂であり、前記枠体に対して一体的に成形されたシート部材であることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の画像形成装置。
18. 前記第２の基準値の算出に用いる値を記憶した記憶部を有することを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の画像形成装置。
19. 前記現像剤収納部が着脱可能に構成された画像形成装置であって、
    前記記憶部が、前記現像剤収納部に備えられることを特徴とする請求項１８に記載の画像形成装置。

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