JP6518078B2 - 測定装置および測定方法、ならびに画像形成装置 - Google Patents
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Description
本実施形態では、像担持体上に形成された、トナーの堆積で階調を表現するスクリーンパッチが形成された像担持体における反射光量の特性から、単純なトナー積層状態を推定し、トナーの平均高さを補正算出する例を説明する。
図1は、本実施形態に係る電子写真方式の画像形成装置(以下、印刷機)の内部構成を示す図である。図1(a)に示す画像形成装置は、像担持体としての感光ドラム101、露光用レーザ102、ポリゴンミラー103、帯電ローラ104、現像器105、転写ベルト106、トナー付着量測定装置107、定着器110、で構成される。図1(a)に示す画像形成装置ではまず、帯電ローラ104で感光ドラム101表面を帯電し、露光用レーザ102とポリゴンミラー103で感光ドラム101表面に静電潜像を作成する。次に、現像器105で感光ドラム101上の静電潜像を現像してトナーパッチ108を形成し、現像後のトナーパッチ108に対向する位置に設置されたトナー付着量測定装置107で、トナーパッチ108のトナー付着量を測定する。なお、トナーパッチの測定位置は図1(a)の例に限らず、例えば図1(b)に示すように、感光ドラム101から転写ベルト106にトナーパッチ108を転写した後に、転写ベルト106上でトナー付着量測定を行っても良い。感光ドラム101上、もしくは、転写ベルト106上のどちらでもトナー付着量測定は可能であるが、その手順は同一であるため、以後の説明は図1(b)を例として記載する。
図2は、上述したトナー付着量測定装置107に対応するトナー付着量測定部207によって、画像形成条件を生成する画像形成プロセス201を制御する構成を示すブロック図である。現像部204による現像後、もしくは、転写部205による転写後の画像に対し、トナー付着量測定部207での測定を実施する。そして、測定したトナー付着量をもとに、転写制御部208、現像制御部209、露光制御部210における各プロセスをフィードバック制御する。これにより、印刷機における出力画像の色の変動を抑え、安定化させる。
図3は、トナー付着量測定装置107における、感光ドラム101または転写ベルト106(以降、像担持体と称する)に対する構成を示す図である。トナー付着量測定装置107は、像担持体上に光を照射するためのレーザ光源301、該レーザ光を小さいスポット状に集光する為の集光レンズ302を有する。さらに、集光レンズ302と像担持体の間にはシリンドリカルレンズ303が設置されている。シリンドリカルレンズ303は像担持体上に集光されるスポットを主走査軸308方向に広げるような向きに設置されており、像担持体上には主走査方向に長いスリット状の光が照射される。
図4を用いて、トナー付着量測定装置107によるトナーパッチの表面形状の測定方法について説明する。エリア型イメージセンサである撮像素子305(以降、エリアセンサと称する)は、設定されたサンプリング周波数に基づき一定時間反射光を蓄積し、撮像された反射波形を1フレームの画像として出力する動作を繰り返す。
patch2=D-(C+E)/2 …(2)
すなわち図4(b)は、像担持体のある主走査位置での断面形状を示すプロファイルデータである。
図5を用いて、ベタパッチを測定する際の撮像波形を説明する。511に示すようにスリット状の光が像担持体に照射されている場合は、512のようにエリアセンサ上のある位置にスリット状の光の反射像が結像される。エリアセンサによって撮像された反射波形の主走査方向のある一画素の画素列に着目して副走査方向の光量の分布を見ると、スリットの中心が一番明るく、スリットの中心から離れるに従って明るさが低くなるガウス型の波形をしている。この主走査方向の各画素に分離して着目した撮像波形を模式的に表示すると513のようになる。
ガウス波形の位置を算出する方法としては、例えば、ガウス関数を用いた最小二乗法によるカーブフィッティングを行う演算方法が挙げられる。ガウス関数は以下の式(3)で示すように、x=μを中心とする釣鐘型のピークを持つ関数であり、波形データ全体の分布とガウス関数の分布が最もマッチする状態のパラメータ値(A,μ,σ,C)を算出する。フィッティング後のパラメータμが、波形のピーク位置を示すことになる。
一般的に市販されている印刷機が中間濃度を表現するために使用するスクリーンは数十(μm)の間隔であり、このパッチを搬送する像担持体の速度は100〜数百(mm/sec)程度である。このため、スクリーンパッチの像担持体露出部、もしくは、トナー被覆部のみに光が照射されている瞬間の撮像波形を取得するには、数(kHz)の周期で画像を取得できるイメージセンサが必要となる。しかし、このような高フレームレートで動作するイメージセンサは値段が高く、装置のコスト増を招く。
まず図7を用いて、スクリーンが1層ずつ成長する(単純積層モデル)場合のセンサ出力について説明する。図7(a)に示すように、スクリーンの線幅はパッチの設定濃度が上がるに従い徐々に太くなり、トナー被覆部と像担持体露出部の比率が変化するのに伴って、パッチの平均高さが高くなる。設定濃度がある程度高くなると、像担持体表面は1層目が全てトナーに覆われ、2層目のトナー層が形成されるようになる。
本実施形態では、以上示した各出力の特性を用いることで、適正なトナー平均高さを算出する。図7(b)に示したような平均高さ出力の歪曲部分は、以下の式(6),(7)のような高次の多項式や指数関数等の数式で表現することが可能なので、トナーの種類ごとに数式を用いてガンマ補正すれば、正確な平均高さを算出することができる。
y=aebx+c …(7)
ただし、像担持体の摩耗や経時変化等によって反射率比が変化すると、数式の各係数の値も変化するので、反射率が変化する範囲内で対応する複数の係数値を保持しておく必要がある。また、信号処理部の容量が十分であれば、数式の係数を記憶するのではなく、ルックアップテーブル(以下、LUT)を保持して使用しても良い。
図8に、本実施形態においてトナー付着量を計算する信号処理部306のブロック構成を示す。撮像素子305から出力された反射画像データは、信号処理部306の記憶部801に時系列で保存される。保存された各画像データは、位置取得部802および光量取得部803において、それぞれ必要に応じて波形の特徴量が算出される。位置取得部802では、副走査方向における反射波形の代表反射位置として、波形の特定位置(重心位置またはピーク位置)が算出される。光量取得部803では反射波形全体の光量として波形の高さ、もしくは面積が算出される。平均高さ算出部804では、位置取得部802と光量取得部803で算出された位置と光量を用いて、上述した反射率の違いにより生じる代表反射位置の誤差を補正し、パッチ本来の平均高さを算出する。すなわちトナー色ごとに、光量から算出される像担持体とトナーの反射率比Rに基づいて、図7(b)に示した1層目の平均高さ出力特性の歪曲部分を示す曲線の式を決定し、ガンマ補正を施す。算出された平均高さは、トナー付着量算出部805で制御に必要となるパッチ体積や質量、あるいは、画像濃度などの情報に変換された後、画像形成装置に出力される。
本実施形態におけるパッチ形成からトナー付着量算出までの処理を、図9のフローチャートを用いて説明する。
ここで、撮像素子の出力する波形について補足する。蓄積後にセンサから出力される撮像波形の形状は、像担持体とトナーの反射面の位置によって変形する。図17(a)に示すように、像担持体表面とトナー表面との高さの差Hが、図6(a)の611の場合と比べて小さい場合は、それぞれの表面で反射した反射光は近い位置に蓄積されるため、最終的な出力波形は細い1つのピークを持った形状になる。
ここで、撮像素子における蓄積動作について説明する。以上の説明では、スクリーン1周期分の反射光10個を1回の蓄積で撮像できるように、撮像素子の蓄積時間が設定されている例(図6)を示した。しかしながら本発明では、より長い蓄積時間を設定し、スクリーンを複数回繰り返し照射した時の平均的な反射波形を撮像しても良い。
以下、本発明にかかる第2実施形態について説明する。第2実施形態における印刷機の構成および基本動作は第1実施形態と同様であるため、上述した図1〜図8および図17,図18は第2実施形態と共通であり、同一符号を参照するがその詳細な説明を省略する。
一般的な印刷機のベタパッチは数十μm程度の膜厚で形成されているため、粒径数μm程度のトナー粒の個数に換算すると2〜3個分に相当する。ここで、トナー粒径をH、ベタパッチの膜厚がトナー粒3個分と仮定して3H、スクリーン1周期の長さがトナー粒10個分であると仮定した場合、このスクリーンが成長していく様子を模式的に表現すると図10(a)のようになる。図10(a)に示すように、トナー無しの状態からベタの状態までを10階調とすると、理想的な面積階調の表現としては、1階調ごとにスクリーンの線幅がトナー粒1個分ずつ太くなるように変化する。
図11に、第2実施形態の積層モデルにおけるセンサの出力特性を示す。図11(a)は平均高さ出力を示しており、基本的な出力特性としては第1実施形態で示した図7(a)と同様である。ただし図11(a)では、積層崩れの発生によりトナーで被覆している面積が大きくなっている分、一層目がトナーで全て覆われ出力がリニアに切り替わるポイント(変曲点)は若干平均高さが低い領域になる。図11(a)では平均高さの移動量Lの分だけ、変曲点が移動している。
第2実施形態では、以上示した各出力の特性を用いることで、適正な平均高さを算出する。第1実施形態と同様に、平均高さ出力の歪曲部分は高次の多項式や指数関数等の数式で表現することが可能なので、トナーの種類ごとに数式を用いてガンマ補正すれば、正確な平均高さを算出することができる。ただし、積層崩れによって変曲点が平均高さの低い領域へ移動した移動量Lに応じて、数式の係数やLUTを選択しなければならない。
●トナー付着量算出処理
第2実施形態におけるパッチ形成からトナー付着量算出までの処理を、図12のフローチャートを用いて説明する。S1201〜S1207までの処理は、第1実施形態のS901〜S907と同様である。すなわち、像担持体の光量I_beltとトナーの光量I_tonerを測定し、全てのトナーに対する反射光量と反射率比を算出し、測定した光量の値が直線的に変化しているかを判定する。
以下、本発明にかかる第3実施形態について説明する。第3実施形態における印刷機の構成および基本動作は第1実施形態と同様であるため、上述した図1〜図8および図17,図18は第3実施形態と共通であり、同一符号を参照するがその詳細な説明を省略する。
一般的な手法によって製造される粉砕トナー、もしくは重合トナーの形状は、理想的な立方体にはならない。従って、実際のトナーを積層させた状態で光を照射すると、同じ層内においても、トナー粒が存在しトナー粒自体に光が照射される領域と、トナー粒とトナー粒の隙間に光が照射される領域と、が存在する。これらの領域は、トナー粒の直径とその重なり度合いによって、局所的にはランダムな面積で分布しているが、パッチ全体で平均的に見るとある一定の比率で分布しているとみなせる。したがって第3実施形態では、円形トナーモデルを定義してスクリーンパッチの平均高さを計算可能とする。
図14に、第3実施形態の積層モデルにおけるセンサの出力特性に示す。ここでは、図13(a)に示したように、スクリーンの1周期が円形トナー10個に相当し、第1実施形態と同様にパッチの設定濃度が上がるに従って1層目のスクリーンの線幅は徐々に太くなる場合を説明する。1層目のトナー層が形成された後に2層目以降のトナー層が順番に形成される。
以下、図15を用いて、第3実施形態におけるセンサの出力特性の補正方法について説明する。図15(a)に、像担持体に対するトナーの反射率比が変化した場合の平均高さ出力を示す。反射率比が高くなるに従って、1層目付近を積層している時の出力が高めになる。これらの出力曲線は、例えば6次の多項式で表現することが可能である。図15(b)に、ある代表的な反射率比における6次の多項式でフィッティングした際のパラメータ例を示し、反射率比に対するパラメータの変化を図15(c)に示す。これらのパラメータを保持しておき、像担持体の反射光量とトナーの反射光量を測定して反射率比を算出することで、平均高さ出力を補正することができる。
第3実施形態におけるパッチ形成からトナー付着量算出までの処理を、図16のフローチャートを用いて説明する。S1601〜S1606までの処理は、第1実施形態のS901〜S906と同様であり、像担持体の光量I_beltとトナーの光量I_tonerを測定し、全てのトナーに対する反射光量と反射率比を算出する。
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
Claims (17)
- 像担持体上に形成された、トナーの堆積で階調を表現するパッチにおけるトナーの平均高さを測定する測定装置であって、
前記パッチが形成された前記像担持体に照射した照射光の反射光の光量を取得する光量取得手段と、
前記反射光における代表反射位置を取得する位置取得手段と、
前記光量と、前記像担持体における非パッチ形成部からの反射光に対応する第1の光量と最大階調を示すベタパッチからの反射光に対応する第2の光量とに基づいて補正した前記代表反射位置とに基づいて、前記平均高さを算出する高さ算出手段と、
を有し、
前記高さ算出手段は、前記パッチが示す階調に対する反射特性が指数関数的な増加を示す場合に、トナー粒間の隙間またはトナー層における光の透過がある積層状態と推定し、前記代表反射位置を補正することを特徴とする測定装置。 - 前記パッチが形成された前記像担持体に照射した照射光の反射光を撮像したデータを取得する取得手段、を有し、
前記光量取得手段は前記データに基づいて前記光量を算出し、
前記位置取得手段は前記データに基づいて前記代表反射位置を算出する
ことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 - 前記位置取得手段は、前記像担持体における非パッチ形成部からの反射光における基準反射位置を取得し、
前記高さ算出手段は、前記光量に基づいて、前記基準反射位置に対する前記代表反射位置の差分を補正することを特徴とする請求項1または2に記載の測定装置。 - 前記位置取得手段は、前記反射光の光量の分布におけるピーク位置または重心位置を前記代表反射位置として取得することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の測定装置。
- 前記高さ算出手段は、前記トナー粒間の隙間率および前記光の透過率に基づいて前記代表反射位置を補正することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の測定装置。
- 前記光量取得手段は、
前記第1の光量と、
前記第2の光量と、
階調が順次異なる複数の前記パッチのそれぞれからの反射光に対応する第3の光量と、を取得し、
前記反射特性は、前記第1の光量と前記第2の光量および第3の光量から取得されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の測定装置。 - 像担持体上に形成された、トナーの堆積で階調を表現するパッチにおけるトナーの平均高さを測定する測定装置であって、
前記パッチが形成された前記像担持体に照射した照射光の反射光の光量を取得する光量取得手段と、
前記反射光における代表反射位置を取得する位置取得手段と、
前記光量と、前記像担持体における非パッチ形成部からの反射光に対応する第1の光量と最大階調を示すベタパッチからの反射光に対応する第2の光量とに基づいて補正した前記代表反射位置とに基づいて、前記平均高さを算出する高さ算出手段と、
を有し、
前記高さ算出手段は、前記パッチが示す階調に対する反射特性が直線的な増加を示す場合に、前記パッチにおけるトナーの積層状態をトナー層が1層ずつ形成される積層状態と推定し、該推定した積層状態に応じて前記代表反射位置を補正することを特徴とする測定装置。 - 像担持体上に形成された、トナーの堆積で階調を表現するパッチにおけるトナーの平均高さを測定する測定装置であって、
前記パッチが形成された前記像担持体に照射した照射光の反射光の光量を取得する光量取得手段と、
前記反射光における代表反射位置を取得する位置取得手段と、
前記光量と、前記像担持体における非パッチ形成部からの反射光に対応する第1の光量と最大階調を示すベタパッチからの反射光に対応する第2の光量とに基づいて補正した前記代表反射位置とに基づいて、前記平均高さを算出する高さ算出手段と、
を有し、
前記高さ算出手段は、前記パッチが示す階調に対する反射特性が直線的な増加を示す場合に、前記パッチにおける最大のトナー高さから、積層崩れによる広がり量を算出し、該広がり量に応じて、前記パッチにおけるトナーの積層状態を前記最大のトナー高さに対応する膜厚で積層される積層状態と推定することを特徴とする測定装置。 - 前記高さ算出手段は、前記第1および第2の光量から、前記パッチにおける前記像担持体の露出部とトナー被覆部との反射率の比を取得し、前記反射率の比に応じて前記代表反射位置を補正することを特徴とする請求項7または8に記載の測定装置。
- 前記高さ算出手段は、前記反射率の比に応じて、前記代表反射位置の補正に用いる係数を決定することを特徴とする請求項9に記載の測定装置。
- 前記高さ算出手段は、前記広がり量に基づいて前記代表反射位置を補正することを特徴とする請求項8に記載の測定装置。
- 前記像担持体の移動方向における前記照射光の照射幅は、前記パッチにおける前記像担持体の露出部またはトナー被覆部の最小幅よりも小さいことを特徴とする請求項7乃至11のいずれか1項に記載の測定装置。
- 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の測定装置と、
該測定装置で測定された、前記パッチの平均高さに基づき画像形成条件を制御する制御手段と、を有することを特徴とする画像形成装置。 - 像担持体上に形成された、トナーの堆積で階調を表現するパッチにおけるトナーの平均高さを測定する測定方法であって、
前記パッチが形成された前記像担持体に照射した照射光の反射光の光量を取得する光量取得ステップと、
前記反射光における代表反射位置を取得する位置取得ステップと、
前記光量と、前記像担持体における非パッチ形成部からの反射光に対応する第1の光量と最大階調を示すベタパッチからの反射光に対応する第2の光量とに基づいて補正した前記代表反射位置とに基づいて、前記平均高さを算出する高さ算出ステップと、
を有し、
前記高さ算出ステップでは、前記パッチが示す階調に対する反射特性が指数関数的な増加を示す場合に、トナー粒間の隙間またはトナー層における光の透過がある積層状態と推定し、前記代表反射位置を補正することを特徴とする測定方法。 - 像担持体上に形成された、トナーの堆積で階調を表現するパッチにおけるトナーの平均高さを測定する測定方法であって、
前記パッチが形成された前記像担持体に照射した照射光の反射光の光量を取得する光量取得ステップと、
前記反射光における代表反射位置を取得する位置取得ステップと、
前記光量と、前記像担持体における非パッチ形成部からの反射光に対応する第1の光量と最大階調を示すベタパッチからの反射光に対応する第2の光量とに基づいて補正した前記代表反射位置とに基づいて、前記平均高さを算出する高さ算出ステップと、
を有し、
前記高さ算出ステップでは、前記パッチが示す階調に対する反射特性が直線的な増加を示す場合に、前記パッチにおけるトナーの積層状態をトナー層が1層ずつ形成される積層状態と推定し、該推定した積層状態に応じて前記代表反射位置を補正することを特徴とする測定方法。 - 像担持体上に形成された、トナーの堆積で階調を表現するパッチにおけるトナーの平均高さを測定する測定方法であって、
前記パッチが形成された前記像担持体に照射した照射光の反射光の光量を取得する光量取得ステップと、
前記反射光における代表反射位置を取得する位置取得ステップと、
前記光量と、前記像担持体における非パッチ形成部からの反射光に対応する第1の光量と最大階調を示すベタパッチからの反射光に対応する第2の光量とに基づいて補正した前記代表反射位置とに基づいて、前記平均高さを算出する高さ算出ステップと、
を有し、
前記高さ算出ステップでは、前記パッチが示す階調に対する反射特性が直線的な増加を示す場合に、前記パッチにおける最大のトナー高さから、積層崩れによる広がり量を算出し、該広がり量に応じて、前記パッチにおけるトナーの積層状態を前記最大のトナー高さに対応する膜厚で積層される積層状態と推定することを特徴とする測定方法。 - コンピュータ装置で実行されることにより、該コンピュータ装置を請求項1乃至12のいずれか1項に記載の測定装置の各手段として機能させるためのプログラム。
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