JPH09185191A

JPH09185191A - トナー濃度検出装置およびこれを具備する画像形成装置

Info

Publication number: JPH09185191A
Application number: JP7342647A
Authority: JP
Inventors: Noboru Sawayama; 昇沢山; Kouta Fujimori; 仰太藤森
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 1997-07-15

Abstract

(57)【要約】【課題】像担持体上に付着したカラートナーの量（面密
度）を光学的に高い精度で検出することができる、特
に、トナーが像担持体表面を完全被覆するような高付着
領域で高精度に検出できる簡単な構成のカラー濃度検出
装置を提供する。【解決手段】発光素子２と受光素子３は、共に指向性を
有し、且つ前記発光素子と前記受光素子の光軸が交わる
点Ｐが、前記像担持体４Ｃ表面上、または前記担持体表
面の近傍にあって、前記発光素子２と前記受光素子３の
両光軸を含む光軸平面Ｓ1が、前記交点Ｐを通過する前
記担持体表面からの法線ｈに対して所定角度傾いた角度
ψに、前記発光素子２と前記受光素子３とが配設されて
いることを特徴とする画像形成装置にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、発光素子と受光素子
によって像担持体上のカラートナー濃度を検出するトナ
ー濃度検出装置およびこのトナー濃度検出装置を具備す
るカラー複写機に代表される画像形成装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一般に、トナーを含む現像剤を用いて像
担持体たる感光体の表面に形成された静電潜像を現像す
る複写機やプリンタ等の画像形成装置においては、静電
潜像の現像に伴って現像器内に収容されている現像剤中
に含まれているトナーが消費されるため、複写画像の濃
度を常時一定に保つには、現像剤の消費量に応じて新た
なトナーが補給されなければならない。

【０００３】そのため、従来、現像剤中のトナー濃度と
現像濃度(感光体へのトナー付着量)とが一定の比例関係
にあることに着目して、複写すべき原稿を載せるための
原稿台ガラスの近傍に設けた一定の濃度を有する基準チ
ャートを、感光体上に露光、現像してトナー濃度検出用
の基準パターン像を形成し、その濃度を光学的に検出し
て、検出値に応じてトナーの補給量を制御するようにし
ている。具体的には、基準パターン像の所定の設定値の
濃度と、トナー補給制御のために検出された基準パター
ン像の濃度とを比較し、後者の方が高ければトナー補給
を止めるか、または補給量を減少させ、低ければトナー
補給の再開あるいは補給量を増加させる。

【０００４】一方、近年においては、赤、青等のモノカ
ラーの複写機の開発が進められ、この種の複写機では、
黒トナーの現像器とカラートナーの現像器とを任意に交
換する方式、両現像器を併設してその作動を任意に切り
替え制御する方式およびフルカラー現像器を使用して現
像を行う方式が採用されている。

【０００５】従来、黒トナーの複写機において使用され
ている基準パターン像の濃度を検出する光学手段は、発
光素子と受光素子とからなり、受光素子が発光素子から
の正反射光を検出するように構成され、受発光光束の各
光軸を含む光軸平面は像担持体の法線を含む平面と一致
している。

【０００６】しかし、カラートナーでの現像に際して
は、カラートナーは乱反射を生じるため、像担持体とし
ての感光体とカラートナーとの反射率にほとんど差がな
く、図１９に示すように、破線で示すカラートナー（実
線は黒トナー）は、トナー濃度と受光素子出力（正反射
光量）との間で相関関係を得ることができず、カラート
ナーによる基準パターン像の濃度を検出することはむず
かしい。

【０００７】その対策として、特開昭６１−２０９４７
０号公報には、発光素子又は受光素子の少なくとも一方
を、現像に黒トナーを使用している場合には受光素子が
正反射光を受光するように、そして現像にカラートナー
を使用している場合には、受光素子が乱反射光を受光す
るように上記光軸平面内で回転させて切り替え可能とし
たトナー濃度検出装置が開示されている。

【０００８】また、特開昭６２−１６４０６６号公報に
は、像担持体上でのトナー付着量に応じて２次曲線状の
赤外線フォトセンサの出力特性を有するモノカラートナ
ーについて、画像濃度が増す時に、センサ出力も増すよ
うなカラー特性領域で制御し、センサ出力が一定値を上
まわるときはトナーの補給を制限する方法が、また、特
開昭６２−２０９４７６号公報には、受光素子を２個用
い、一方を正反射光、他方を乱反射光を受光するように
配置し、両受光素子の出力信号の差に対応して現像装置
のトナー供給量を制御する方法がそれぞれ開示されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のカラー濃度検出方法または装置においては、像担持
体と発光素子および受光素子の受発光光束の各光軸を含
む光軸平面は、像担持体の法線を含む平面と一致してい
る構成となっており、その光軸平面の中で発光素子およ
び受光素子の角度を変えることで対応している。トナー
濃度検出装置としての発光素子および受光素子とを像担
持体の法線を含む平面と一致している位置に設けて、ト
ナー濃度の検出をさせようとすると、像担持体に形成さ
れているカラートナー像からの反射光が乱反射光である
ため、その光量は非常に弱くなるため、その反射光を検
出するには、発光素子および受光素子を像担持体（被検
出面）に近づけたり、また、発光素子および受光素子の
受光面／発光面の大きさを大きくして、反射光を十分に
検出できるようにする必要がある。しかし、発光素子お
よび受光素子を像担持体（被検出面）に近づけたり、ま
た、発光素子および受光素子の受光面／発光面の大きさ
を大きくしたりした場合、像担持体に形成されたトナー
像からの反射光のうち多くの正反射光がまざって入力さ
れて、正確にカラートナー像の濃度値を検出することが
できないという問題点がある。

【００１０】さらに、発光素子および受光素子とを、乱
反射光を検出するために像担持体（被検出面）に近づけ
たり、また、発光素子および受光素子の受光面／発光面
の大きさを大きくした場合は、狭いスペース内に機構を
組み込まなければならない点や、構成が複雑になる等の
問題点があり、さらなる簡単な構成が望まれるところで
あった。

【００１１】そこで、この発明の目的は、上述した従来
の問題点を解消して、像担持体上に付着したカラートナ
ーの量（面密度）を光学的に高い精度で検出することが
できる、特に、トナーが像担持体表面を完全被覆するよ
うな高付着領域で高精度に検出できる簡単な構成のカラ
ー濃度検出装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、像担
持体上に形成されたトナーパターン像に発光素子の光を
照射し、その反射光を受光素子で検出した結果によって
作像条件を制御するトナー濃度検出装置を具備する画像
形成装置において、前記発光素子と前記受光素子は、共
に指向性を有し、且つ前記発光素子と前記受光素子の光
軸が交わる点が、前記像担持体表面上、または前記担持
体表面の近傍にあって、前記発光素子と前記受光素子の
両光軸を含む光軸平面が、前記交点を通過する前記担持
体表面からの法線に対して所定角度傾いた角度に、前記
発光素子と前記受光素子とが配設されていることを特徴
とする画像形成装置にある。

【００１３】請求項２の発明は、被測定体上に形成され
たトナーパターン像に発光素子の光を照射し、その反射
光を受光素子で検出するトナー濃度検出装置において、
前記発光素子と前記受光素子は、共に指向性を有し、且
つ前記発光素子と前記受光素子の光軸が交わる点が、前
記被測定体表面上、または前記担持体表面の近傍にあっ
て、前記発光素子と前記受光素子の両光軸を含む光軸平
面が、前記交点を通過する前記被測定体表面からの法線
に対して所定角度傾いた角度に、前記発光素子と前記受
光素子とが配設されていることを特徴とするトナー濃度
検出装置にある。

【００１４】請求項３の発明は、前記発光素子の発光光
束の広がりである指向性をφ1とし、上記受光素子の受
光光束の広がりである指向性をφ2とし、前記法線と前
記光軸平面とのなす角度をψとし、上記受光素子の発光
面の直径をＤ1とし、上記前記受光素子の受光面の直径
をＤ2とし、前記発光面の中心と前記受光面の中心とを
結ぶ光路長をρとしたとき、ψ＞φ1＋ｔａｎ~¹（Ｄ2／
２ρ）または、ψ＞φ2＋ｔａｎ~¹（Ｄ1／２ρ）のいず
れか一方を満足するように、前記発光素子と前記受光素
子を配設してなることを特徴とする請求項１記載の画像
形成装置にある。

【００１５】請求項４の発明は、前記発光素子の発光光
束の広がりである指向性をφ1とし、上記受光素子の受
光光束の広がりである指向性をφ2とし、前記法線と前
記光軸平面とのなす角度をψとし、上記受光素子の発光
面の直径をＤ1とし、上記前記受光素子の受光面の直径
をＤ2とし、前記発光面の中心と前記受光面の中心とを
結ぶ光路長をρとしたとき、ψ＞１／２・φ1＋ｔａｎ~
¹（Ｄ2／２ρ）または、ψ＞１／２・φ2＋ｔａｎ~
¹（Ｄ1／２ρ）のいずれか一方を満足するように、前記
発光素子と前記受光素子を配設してなることを特徴とす
る請求項２記載の画像形成装置にある。

【００１６】請求項５の発明は、前記発光素子と前記受
光素子の両光軸が同一平面内に含まれるように前記発光
素子と前記受光素子を支持部材でユニット化し、前記発
光素子または受光素子の少なくとも一方の前方に集光光
学素子を設けたことを特徴とする請求項１、２、３また
は４記載の画像形成装置にある。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の第１実施例を図面を参照し
て説明する。図１は、この発明が適用されるカラー画像
形成装置を示しており、同図において、図示しないスキ
ャナ部において、デジタル信号に変換された画像情報
は、顕像パターンを形成する書込みユニット２２に送ら
れる。この書込みユニット２２は、各色の画像情報を含
むレーザ光２２Ｙ、２２Ｍ、２２Ｃ、２２ＢＫを記録ユ
ニット２３Ｙ、２３Ｍ、２３Ｃ、２３ＢＫに射出するも
のであり、記録ユニット２３Ｙ、２３Ｍ、２３Ｃ、２３
ＢＫは同一平面上に一定の間隔で配置されている。各記
録ユニット２３Ｙ、２３Ｍ、２３Ｃ、２３ＢＫは、それ
ぞれ現像色が異なるものの電子写真方式の同一構成を有
しており、例えば、記録ユニット２３Ｃは、感光体ドラ
ム２４Ｃを帯電チャージャ２５Ｃによって何れかの階調
に対応する電位で一様帯電し、書込みユニット２２から
のレーザ光２２Ｃにより画像情報に応じた変調光を照射
して感光体ドラム４Ｃを露光し、これによって感光体ド
ラム４Ｃに形成したシアン光像の静電潜像に対して、現
像ユニット２６Ｃにより現像を行って顕像化する。

【００１８】図示しない給紙部より送られた転写紙は、
レジストローラ３０によりタイミングを合わせて駆動ロ
ーラ３４と従動ローラ３５に支張された転写ベルト１に
送り出され、図中左方向に搬送されながら、感光体ドラ
ム４ＢＫ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｙによって順にトナー像が転
写された後、定着ローラ３２によって定着されて排紙さ
れる。

【００１９】この転写ベルト１において、図２に示すよ
うに、発光素子２と受光素子３が、同ベルト１上の所定
の点Ｐにおける垂線ｓとその光軸２ａと光軸３ａとがな
す角がそれぞれθ₁とθ₂となるように配置されている。
この実施例で用いている発光素子２と受光素子３は、共
に比較的広い指向性を有している。すなわち、本実施例
においては、発光素子２の射出光の光量、又は受光素子
３の受光域の感度が１／２になる角度が、発光素子の場
合は、φ１＝３０°、受光素子３の場合は、φ２＝２０
°となっている（φ１，φ２はそれぞれ、各素子の広が
り角度を表している。）。

【００２０】ここにおいて、両素子の指向性とは、素子
の出射光または受光光における放射強度、感度強度が１
／２になる光の分布領域をいう。そして、図２の矢印Ａ
方向から見た図３に示すように、点Ｐにおける法線ｈと
光軸２ａ、光軸３ａの両軸を含む平面Ｓ１とが角度ψを
なすように発光素子２と受光素子３とが配置され、この
実施例ではψ＝３０°に設定されている。この構成にお
いて、点Ｐにおける法線ｈと平面Ｓ１とのなす角度ψを
変化させていったときの受光素子３の出力電圧の変化を
図４に示す。図４において、転写ベルト１をカラートナ
ーが完全被覆している場合の特性を特性線４０とトナー
付着がない場合の特性の特性線４１で示す。この図４で
示すように、カラートナーは乱反射を生ずるため、発光
素子２と受光素子３の両光軸の含む平面の法線ｈに対す
る傾き角度ψが−１０度〜１０度の範囲では、カラート
ナーが完全被覆している場合とトナー付着がない場合と
で、受光素子３の出力電圧の変化の差は小さく、トナー
濃度の検出は、低感度となってしまっている。これに対
して、上記の範囲の外側では、その変化は２つの特性線
の値の差として最も顕著に表れている。すなわち、本実
施例では、角度ψを１０度より大きくまたは−１０度よ
り小さい角度になるように発光素子２と受光素子３の両
光軸の含む平面を傾けて配設することにより、カラート
ナーが完全被覆している場合とトナー付着がない場合と
で、受光素子３の出力電圧の差を大きくすることがで
き、トナー濃度の検出を高感度で検出することができ
る。ここで、発光素子２と受光素子３との指向性には、
各発光素子２と受光素子３毎に誤差がある。すなわち上
記発光素子２と受光素子３の指向性上の広がり角には、
微妙な誤差があるため、上記角度ψは実設計上では｜ψ
｜≧２５°とすることが望ましい。

【００２１】

【数１】

【００２２】を意味する。

【００２３】本実施例では、角度ψ＝３０°としている
から、前記発光素子２と受光素子３毎の誤差の影響を受
けることなく、高感度のトナー濃度検出装置を提供する
ことができる。

【００２４】以下、第２実施例を説明する。

【００２５】上記実施例では、像担持体として転写ベル
ト１を発光素子２と受光素子３として比較的広い指向性
を有する素子を用いた場合を説明したが、次に別の実施
例として、像担持体として感光体ドラムと、発光素子と
受光素子として中位の指向性を有する素子と用いた場合
について説明する。

【００２６】図５に示すように、発光素子２と受光素子
３が、感光体ドラム４Ｃ（図１に示す感光体ドラムＢ
Ｋ、４Ｃ、４Ｍ、４Ｙのうちの一例として用いる）上の
所定の点Ｐにおける感光体ドラム４Ｃに対する垂線ｓと
その光軸２ａと３ａとが成す角がそれぞれθ₁とθ₂とな
るように配置されている。この実施例で用いている発光
素子２と受光素子３は、共に比較的受発光光束の広がり
の中位に狭い指向性を有している。すなわち、発光素子
２の射出光の光量、又は受光素子３の受光域の感度が１
／２になる角度、発光素子の場合はφ１＝８°、φ２＝
１２°となっている。（φ１，φはそれぞれ、広がり角
を示す。）そして、図５の矢印Ａ方向から見た図６に示すように、
点Ｐにおける法線ｈと光軸２ａと光軸３ａの両光軸を含
む光軸平面Ｓ１とが角度ψをなすように発光素子２と受
光素子３とが配置されている。上記角度ψを変化させて
いったときの発光素子２の出力電圧の変化を図７に示
し、図８は、角度ψ＝０°のときの像担持体のトナー付
着量に対する受光素子の出力電圧の変化を示している。
図７において、感光体ドラム４Ｃをカラートナーが完全
被覆している場合の出力特性を特性曲線４２で、いくら
かトナー付着がある場合の出力特性を特性曲線４３で、
トナー付着がない場合の特性を特性曲線４４で示す。こ
の場合に角度ψ＝０°近傍では、トナーの付着度合いに
かかわらずその出力電圧の差が顕著に現れる。しかしな
がら、図８に示すように角度ψ＝０°の場合は、像担持
体上のトナーが０．５ｍｇ／cm²を越えて付着するころ
からは、像担持体上のトナー付着量が変化したとしても
受光素子の出力電圧の差は少なくなってしまう。

【００２７】これに対して、発光素子２と受光素子３の
両光軸を含む平面Ｓ１を像担持体の法線に対して角度ψ
＝１０°傾けて配置した場合、像担持体上のトナーの付
着量の変化に対する受光素子３の出力電圧の変化は図９
に示すように、顕著に現れる。したがって、角度ψを１
０度より大きくまたは−１０度より小さい角度になるよ
うに発光素子２と受光素子３とを傾けて配設することに
より、上記の出力特性間で受光素子の出力電圧の差が顕
著に現れて、カラートナー付着量を高感度で検出するこ
とができる。本実施例の場合は、角度ψ＝３０°に設定
している。

【００２８】次に第３実施例を説明する。上記２つの実
施例では、発光素子２の光軸２ａと受光素子３の光軸３
ａとが交わる点Ｐが、像担持体表面上にある場合を説明
したが、別の実施例として、発光素子２の光軸２ａと受
光素子３の光軸３ａとが交わる点Ｐ′が、像担持体の表
面から内側にずれた位置、すなわち像担持体表面の近傍
に設定されている場合について説明する。

【００２９】図１０において、発光素子２の光軸２ａと
受光素子３の光軸３ａとが交わる点Ｐ′は、感光体ドラ
ム４Ｃ上の法線ｈ上であって、感光体ドラム４Ｃの内側
にずれた位置にあり、この点Ｐ′と通る法線ｈと発光素
子２の光軸２ａと、光受光素子３の光軸３ａとの角度を
それぞれθ１，θ２となるように配置されている。そし
て、この実施例で用いている発光素子２と受光素子３と
は、いずれも比較的狭い指向性を有している。すなわ
ち、発光素子２の出射光の光量、または受光素子３の受
光感度が、発光素子２の場合は、φ１＝８°、受光素子
３の場合はφ２＝１２°となっている（角θ１，θ２は
それぞれ広がり角を示す。）そして、図１０の矢印Ａ方向見た図１２に示すように、
点Ｐ′を含む感光体ドラム４Ｃの回転軸に直交する平面
（すなわち、点Ｐ′を通過する感光体ドラム４Ｃの表面
を通る法線を含む平面）Ｓｔと、発光素子２と受光素子
３の両光軸の含む平面Ｓとのなす角度ψが角度ψ＝３０
°をなすように発光素子２と受光素子３とが配置されて
いる。

【００３０】この場合でも、発光素子２と受光素子３と
からなるトナー濃度検出装置におけるカラートナーの乱
反射光の検出には、支障がない。その理由を以下に述べ
る。

【００３１】図１２は発光素子２と受光素子３とを像担
持体の法線に対して、両素子とも傾けて配置している状
態を像担持体の潜像形成面（被検知面）を基準に発光素
子２と受光素子３とを相対象の位置に仮想して配置した
図に基づいて説明する。

【００３２】図１２において、発光素子２と受光素子３
の指向性をそれぞれ２φ1，２φ2とした場合、両素子の
指向性の広がり２φ1，２φ2の内側では、発光素子２の
光量と受光素子３の感度が“１”で、その外側が“０”
とする。

【００３３】被検知面Ｌの反射面が図１２の第１の位置
Ｌ１から図１２の第２の位置Ｌ２の位置に変化した場合
に、被検知面から受光素子が受光する光の面積は、発光
素子２の第１の被検知面Ｌ１の発光領域ＳIから第２の
被検知面の発光領域Ｓ２に縮小変化する。その検知面の
発光領域Ｓ２内の照度は、ＳI／Ｓ２倍となる。それ
は、第１の被検知面Ｌ１から受光素子３の受光点ＰDiま
での距離ｒ１と第２の被検知面Ｌ２から受光素子３の受
光点ＰDiまでの距離ｒ２の関係に等しくなり、結局、被
検知面での照度の変化は、受光素子からの被検知面まで
の距離の２乗に反比例して変化することになる。すなわ
ち、次の式が成り立つ。

【００３４】

【数２】

【００３５】このことは、被検知面が第１の被検知面Ｌ
１から第２の被検知面Ｌ２に変化しても受光素子への受
光感度は低下するが、発光素子２と受光素子３とによる
トナー濃度検出装置は、発光素子からの発光光を被検出
面で反射させその反射光を受光素子で受光してその受光
度の変化を読み取って、トナー濃度を行うものであるの
で、その反射光に変化があっても測定に支障はない。

【００３６】上記の第１の被検出面Ｌ１から、第３の被
検出面Ｌ３に被検出面が変化しても今度は、被検知面か
ら受光素子が受光する光の面積は、発光素子２の第１の
被検知面Ｌ１の発光領域ＳI′から第３の被検知面の発
光領域Ｓ３に縮小変化する。その検知面の発光領域Ｓ３
内の照度は、ＳI′／Ｓ３倍となる。それは、第１の被
検知面Ｌ１から受光素子３の受光点ＰDiまでの距離ｒ１
と第３の被検知面Ｌ３から受光素子３の受光点ＰDiまで
の距離ｒ３の関係に等しくなり、結局、被検知面での照
度の変化は、受光素子からの被検知面までの距離の２乗
に反比例して変化することになる。すなわち、次の式が
成り立つ。

【００３７】

【数３】

【００３８】このことは、受光素子３の受光感度は逆に
増大するが、被検知面が第３の被検出面Ｌ３に変化する
ことは、反射光が受光素子の受光範囲外にも拡散するこ
とになり、受光領域内の反射光の受光光は逆に総合的に
低下することになる。しかしながら、上記第２の被検知
面Ｌ２に検知面がずれたときと同様に、受光素子３での
受光能力の変化には影響がない。

【００３９】次に第４実施例を説明する。発光素子２と
受光素子３は、図１３に示すように、受発光素子ユニッ
ト６０の支持部材６１に固定支持されている。発光素子
２の前方には集光光学系としてのフレネルレンズ６２
が、そして受光素子３の前方には防塵ガラス６３がそれ
ぞれ配置されている。フレネルレンズ６２は、像担持体
１の表面に細く絞った光束をＰ点に照射し、Ｐ点におけ
る光スポットを受光素子３が防塵ガラス６３を介して受
光するように配置されている。この受発光素子ユニット
６０はフレネルレンズ６２を発光素子２側に設けた例を
示したが、受光素子３側に設けてもよい。

【００４０】図１４は発光素子２と受光素子３とを像担
持体の法線に対して、両素子とも傾けて配置している状
態を像担持体の潜像形成面（被検知面）を基準に発光素
子２と受光素子３とを相対象の位置に仮想して配置した
図である。

【００４１】図１４において、発光素子２の発光光束の
広がりである指向性をφ1とし、受光素子の受光光束の
広がりである指向性φ２とし、発光素子２と受光素子３
の両光軸の交わる交点Ｐを通る法線ｈと、発光素子２と
受光素子３の両光軸を含む光軸平面Ｓ1とのなす角度を
角度ψとし、発光素子２の発光面２ｂの直径をＤ1と
し、発光素子２の発光面２bの中心Ｐsと、受光素子３の
受光面３ｂの中心ＰDとを結ぶ光路長をρとしたとき
に、次の式が成立するように発光素子２と受光素子３の
両光軸の含む平面Ｓ1を法線ｈに対して、角度ψだけ傾
けて配置する。

【００４２】ψ＞φ1＋ｔａｎ~¹（Ｄ2／２ρ）この場合、発光素子２の発光光軸から指向性φ１の出射
光の発光強度は、光軸方向の１／２である。

【００４３】ここで、発光素子２の指向性φ１の出射光
の発光強度と、正反射光および乱反射光の強度との関係
について説明する。

【００４４】図１４において、発光素子２の発光の中心
点Ｐｓｉから反射面Ｌまでの線分ＬＡ0、ＬＡ1およびＬ
Ａ2は、発光素子２からの発光光を示し、この線分ＬＡ
1′、ＬＡ2およびＬＡ0′の延長線であって、反射面Ｌ
より受光素子３側にある線分ＬＡ1′、ＬＡ2およびＬＡ
0′は、発光光ＬＡ0、ＬＡ1およびＬＡ2がそれぞれ反射
面Ｌで正反射された光を示す。

【００４５】ここで、正反射光の強度は、発光素子の発
光強度分布に比例して変化することが知られている。一
方、乱反射光の強度は、点Ｐから見た受光素子３の受光
面の立体角に比例することが知られているから、発光素
子３の受光面の大きさが一定であれば乱反射光の強度
は、点Ｐから受光素子３までの距離が一定であれば、変
化しない。

【００４６】線分ＬＡ1′、ＬＡ2′上の領域は、指向性
φ１の領域と一致するから、この領域では、正反射光の
強度が発光素子２の光軸ＬＡ0′（最も正反射光の強度
が強い領域）上の強度の１／２の強さとなる。したがっ
て、受光素子３の受光面の線分ＬＡ1′とＬＡ2′で囲ま
れる領域より外側に配置すれば、この受光素子３は、１
／２以下の強度を持つ正反射光しか検出せず、かつ、乱
反射光について強度を弱めることなく検出できる。

【００４７】以上の関係は、発光素子２を基準に説明し
たが、図１５に基づいて後述する受光素子３を基準にし
た場合でも、受光素子２の指向性φ２の領域外に発光面
を配置するようにすれば、受光素子３が受ける正反射光
の強度は１／２以下となり、一方、乱反射光の強度は変
化しないことは、発光素子２を基準にして説明した場合
と同様である。

【００４８】発光素子２と受光素子３の光路長ρは、発
光素子２の光軸の発光素子面上の点Ｐｓから受光素子３
の光軸の受光素子面上の点Ｐ_Dまでの被検知面を通る光
の最短距離を表す。

【００４９】そして、この場合、一般に発光素子２の指
向性を規定するときの発光の中心点Ｐsiは、素子の表面
より少し発光素子２の表面より内側に位置した位置にな
る。

【００５０】したがって、発光素子の発光の中心点Ｐｓ
ｉから受光素子３の光軸の受光素子面上の点Ｐ_Dまでの
距離が発光素子２の光軸の発光素子面の点Ｐｓから受光
素子３の光軸の受光素子面上の点Ｐ_Dまでの距離より長
い。すなわち、

【００５１】

【数４】

【００５２】になる。

【００５３】発光素子２の発光の中心点から見た受光素
子３の中心と、受光素子３の端部３Ａとのなす角度ψ
は、次式を満たす。

【００５４】

【数５】

【００５５】

【数６】

【００５６】ただし、Ｄ₂：受光素子３の受光面の直径受光素子３は、受光面が発光素子２の発光光束φ１より
も外側に位置するように配置する。

【００５７】したがって、

【００５８】

【数７】

【００５９】が成立し、発光素子２および受光素子３の
両光軸の光軸平面Ｓ1の法線ｈ対する傾け角度ψが上記
式を満足するように発光素子２および受光素子３の両光
軸の光軸平面Ｓ1を法線ｈに対して傾けて配置すれば、
発光素子２から発せられる正反射光ＬＡの大部分は図１
４に示すように、受光素子３の受光面よりも外側に発光
されて、受光素子３に入光されることがない。

【００６０】以上は発光素子を基準して、発光素子２お
よび受光素子３の両光軸の光軸平面Ｓ1の法線ｈ対する
傾け角度ψを説明したが、受光素子３を基準にしても上
記発光素子と同様なことが言える。

【００６１】図１５において、受光素子３の受光光束の
広がりである指向性φ2とし、発光素子２の発光面２ｂ
の直径をＤ1とする。

【００６２】この場合、受光素子３の受光光軸から指向
性φ2の受光の受光強度は、光軸方向の１／２である。
発光素子２と受光素子３の光路長ρは、受光素子３の光
軸の受光素子面上の点ＰDから発光素子２の光軸の発光
素子の発光面上のＰｓまでの被検知面を通る光の最短距
離を表す。

【００６３】そして、この場合、一般に受光素子３の指
向性を規定するときの受光の中心点ＰDiは、素子の表面
より少し受光素子３の表面より内側に位置した位置にな
る。したがって、発光素子の発光の中心点Ｐｓから受光
素子３の光軸の受光素子面上の点ＰDまでの距離より受
光素子３の光軸の受光素子面の点ＰDiから発光素子２の
光軸の発光素子面上のＰSまでの距離が長い。すなわ
ち、

【００６４】

【数８】

【００６５】になる。

【００６６】そして、受光素子の受光の中心点ＰDiから
見た場合、発光素子２の光軸の発光素子面上のＰDiと発
光素子２の法線ｈ側の先端部の端部２Ａとのなす角度δ
が、次の式を満たすように受光素子３は配置されてい
る。

【００６７】

【数９】

【００６８】

【数１０】

【００６９】発光素子２は、発光面が受光素子３の発光
光束φ２よりも外側に位置するように配置する。したが
って、

【００７０】

【数１１】

【００７１】が成立し、発光素子２および受光素子３の
両光軸の光軸平面Ｓ1の法線ｈ対する傾け角度ψが上記
式を満足するように発光素子２および受光素子３の両光
軸の光軸平面Ｓ1を法線ｈに対して傾けて配置すれば、
発光素子２からの正反射光ＬＡの大部分は図１５に示す
ように、受光素子３の受光面よりも外側に発光されて、
受光素子３に入光されることがない。

【００７２】以上の説明から明らかなように、受光素子
３の受光面の発光素子２の発光光束φ１よりも外側に位
置するように受光素子３を配置するか、または発光素子
２の発光面が受光素子３の受光光束φ２よりも外側に位
置するように発光素子２を配置するようにする。すなわ
ち、

【００７３】

【数１２】

【００７４】または、

【００７５】

【数１３】

【００７６】のどちらか一方を満足するように発光素子
２および受光素子３を配置するようにすれば、受光素子
３は正反射光の大部分を受光せずに乱反射光を受光する
から、正反射光のノイズに惑わされることなく、正確に
カラートナー付着量を検出することができる。

【００７７】上記の実施例におけるトナー濃度検出装置
の具体的例を以下に示す。図１６において、トナー濃度
検出装置は、直径４mmの受光面積を有する受光素子３
と、指向性φ1が２０°である発光素子２とを使用し、
発光素子の発光面の中心から受光素子３の受光面の中心
までの距離が被検知面を中心に等間隔の４mmであるもの
である。すなわち、発光素子のの発光面の中心から受光
素子３の受光面の中心までの距離ρは、ρ＝８mmとな
る。このトナー濃度検出装置において、発光素子２と受
光素子３の両光軸の含む平面Ｓ1の法線ｈに対する傾き
角ψを像担持体（被検出体）の反射面からの正反射光の
大部分が受光素子３に直接入力しない傾きは、

【００７８】

【数１４】

【００７９】でもとめられ、これに実際の数値を代入す
ると

【００８０】

【数１５】

【００８１】となり、この値を、φ1＋ｔａｎ~¹（Ｄ2／
２ρ）の式に代入すると

【００８２】

【数１６】

【００８３】ここでいま、発光素子２と受光素子３の両
光軸の含む平面Ｓ1の法線ｈに対する傾き角ψ´を、仮
に

【００８４】

【数１７】

【００８５】に設定したとすると、その値と
上記の像担持体（被検出体）の反射面からの正反射光が
受光素子３に直接の入力しない発光素子２と受光素子３
の両光軸の含む平面Ｓ1の法線ｈに対する傾き角ψとを
比較すると、 ψ′≒３７°＞ψ＝３４° になり、上記の像担持体（被検出体）の反射面からの正
反射光の大部分が受光素子３に直接の入力しない発光素
子２と受光素子３の両光軸の含む平面Ｓ1の法線ｈに対
する傾き角ψより実際の発光素子２と受光素子３の両光
軸の含む平面Ｓ1の法線ｈに対する傾き角ψ´を大きく
設定しているので、正反射光のノイズに惑わされること
なく、トナー濃度が検出することができる。

【００８６】図１７は、発光素子２の指向性が狭い場
合、具体的には、φ１＝２°の場合の図１３ないし１５
の像担持体１の交点Ｐにおける法線ｈと発光素子２と受
光素子３の両光軸の含む平面Ｓ１のなす角ψとセンサ出
力電圧（検出光量に対応する）の関係を示す。ここでφ
２＝３０°となっている。曲線７０は、トナーがないと
きの出力電圧の特性曲線であって、Ｂ'ＡＢは像担持体
１の正反射が主に検知できる領域であり、Ｃ'Ｂ'及びＢ
Ｃは像担持体１の乱反射のみが検知でできている領域で
ある。曲線７１は、トナーが全面に付着しているときの
特性を示す。出力電圧の特性曲線７１は、角ψにほとん
ど依存しない。トナーがないときの像担持体１の乱反射
光成分も同様である。

【００８７】図１７において、角度ψ＝０°近傍では、
トナーの付着度合いにかかわらず、その出力電圧の差が
顕著に現れる。しかしながら、図８に示すように、角度
ψ＝０°の場合は、像担持体上のトナー付着量が変化と
しても受光素子３の出力電圧の差は、少なくなってしま
う。

【００８８】これに対して、発光素子２および受光素子
３の両光軸を含む平面を像担持体の法線に対して角度ψ
＝±１°よりも大きく傾けて配置した場合、図１８に示
すように像担持体上のトナーの付着量が多い領域まで充
分な感度を有する。

【００８９】したがって、発光素子２および受光素子３
の角度ψを±１°より大きく、本実施例では、角度ψ＝
２°に傾けて配置することにより、正反射光のノイズに
惑わされることなくトナーカラーの付着量を高感度で検
出することができる。

【００９０】ここで、発光素子２と受光素子３とにおけ
る指向性の違いに対する受光素子の出力特性の違いにつ
いて説明する。

【００９１】図４は受光素子３および発光素子２の指向
性が比較的広い場合、具体的には、φ１＝３０°，φ２
＝２０°の場合の発光素子２と受光素子３の両光軸の含
む平面Ｓ1の法線ｈの傾き角度ψの変化に対する受光素
子の出力特性を示す図であり、図７は受光素子３および
発光素子２の指向性が中位の広さの場合、具体的には、
φ１＝８°，φ２＝１２°の場合の発光素子２と受光素
子３の両光軸の含む平面Ｓ1の法線ｈの傾き角度ψの変
化に対する受光素子の出力特性を示す図である。また、
図１７は受光素子３または発光素子２の指向性が狭い場
合、具体的には、φ１＝２°の場合の発光素子２と受光
素子３の両光軸の含む平面Ｓ1の法線ｈの傾き角度ψの
変化に対する受光素子の出力特性を示す図である。

【００９２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、発光素子と受光素子は、共に指向性を有し、且
つ前記発光素子と前記受光素子の光軸が交わる点が、像
担持体表面上、または像担持体表面の近傍にあって、前
記発光素子と前記受光素子の両光軸を含む光軸平面が、
前記交点を通過する前記担持体表面からの法線に対して
所定角度傾いた角度に、前記発光素子と前記受光素子と
が配設したので、像担持体の被検知面上に形成された乱
反射するカラートナーの反射特性光を正反射光のノイズ
をカットさせて取り込むようにすることができ、正確な
カラートナー濃度検出ができる画像形成装置を提供する
ことができる。また、本発明では、発光素子と受光素子
の両光軸の含む平面光軸平面を法線に対して傾けて配置
するという簡単な構成で濃度が検出できるので、従来の
検出装置のように検出結果を電気処理するような面倒な
機構が必要ない。

【００９３】請求項２の発明によれば、発光素子と受光
素子は、共に指向性を有し、且つ前記発光素子と前記受
光素子の光軸が交わる点が、前記被測定体表面上、また
は前記被測定体表面の近傍にあって、前記発光素子と前
記受光素子の両光軸を含む光軸平面が、前記交点を通過
する前記被測定体表面からの法線に対して所定角度傾い
た角度に、前記発光素子と前記受光素子とが配設してト
ナー濃度を検出したので、被測定体の検知面上に形成さ
れた乱反射するカラートナーの反射特性光を正反射光の
ノイズをカットさせて取り込むようにすることができ、
正確なカラートナー濃度検出ができる。また、本発明で
は、発光素子と受光素子の両光軸の含む平面光軸平面を
法線に対して傾けて配置するという簡単な構成で濃度が
検出できるので、従来の検出装置のように検出結果を電
気処理するような面倒な機構が必要ない。

【００９４】請求項３の発明によれば、発光素子の発光
光束の広がりである指向性をφ1とし、受光素子の受光
光束の広がりである指向性をφ2とし、前記法線と前記
光軸平面とのなす角度をψとし、上記受光素子の発光面
の直径をＤ1とし、上記前記受光素子の受光面の直径を
Ｄ2とし、前記発光面の中心と前記受光面の中心とを結
ぶ光路長をρとしたとき、 ψ＞φ1＋ｔａｎ~¹（Ｄ2／２ρ）または、 ψ＞φ2＋ｔａｎ~¹（Ｄ1／２ρ）のいずれか一方を満足するように、前記発光素子と前記
受光素子を配設したので、像担持体の被検知面上に形成
された乱反射するカラートナーの反射特性光を正反射光
のノイズをカットさせて取り込むようにすることがで
き、正確なカラートナー濃度検出ができる。

【００９５】請求項４の発明によれば、前記発光素子の
発光光束の広がりである指向性をφ1とし、上記受光素
子の受光光束の広がりである指向性をφ2とし、前記法
線と前記光軸平面とのなす角度をψとし、上記受光素子
の発光面の直径をＤ1とし、上記前記受光素子の受光面
の直径をＤ2とし、前記発光面の中心と前記受光面の中
心とを結ぶ光路長をρとしたとき、 ψ＞φ1＋ｔａｎ~¹（Ｄ2／２ρ）または、 ψ＞φ2＋ｔａｎ~¹（Ｄ1／２ρ）のいずれか一方を満足するように、前記発光素子と前記
受光素子を配設し他ので、被測定体の被検知面上に形成
された乱反射するカラートナーの反射特性光を正反射光
のノイズをカットさせて取り込むようにすることがで
き、正確なカラートナー濃度検出ができる。

【００９６】請求項５の発明によれば、光素子と受光素
子の両光軸が同一平面内に含まれるように前記発光素子
と前記受光素子を支持部材でユニット化し、前記発光素
子または受光素子の少なくとも一方の前方に集光光学素
子を設けたので、発射光または反射光を集光させて検出
に使用させられので検出精度を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る実施例のカラー画像形成装置を
示す概略構成図である。

【図２】第１実施例のカラー濃度検出装置を構成する発
光素子と受光素子を像担持体の正面より見た構成図であ
る。

【図３】図２をＡ方向から発光素子２と受光素子３を見
た状態のカラー濃度検出装置の構成図である。

【図４】受光素子および発光素子の指向性が比較的広い
場合の発光素子と受光素子の両光軸の含む平面の法線の
傾き角度の変化に対する像担持体上のトナー付着量と受
光素子からの出力電圧の関係を示す特性線図である。

【図５】第２実施例に基づく実施例の発光素子と受光素
子を示す構成図である。

【図６】図５をＡ方向から見たカラー濃度検出装置を示
す構成図である。

【図７】受光素子および発光素子の指向性が中位の広さ
の場合の発光素子と受光素子の両光軸の含む平面の法線
の傾き角度の変化に対する像担持体上のトナー付着量と
受光素子からの出力電圧の関係を示す特性線図である。

【図８】像担持体上のトナー付着量と受光素子からの出
力電圧の関係を示す特性線図である。

【図９】発光素子と受光素子の両光軸の含む平面を法線
に対して角度ψ傾けて配置したときの像担持体上のトナ
ー付着量と受光素子からの出力電圧の関係を示す特性線
図であるである。

【図１０】第３実施例に基づく実施例の発光素子と受光
素子を示す構成図である。

【図１１】第３実施例に基づく実施例の発光素子と受光
素子の両光軸の含む平面を法線に対して角度傾けて配置
した状態のトナー濃度検出装置の構成図である。

【図１２】発光素子および受光素子を像担持体の法線に
対して、両素子とも傾けて配置している状態を像担持体
の潜像形成面を基準に発光素子と受光素子とを相対象の
位置に仮想して配置して、前記像担持体の位置をずらし
た状態を説明する発光素子および受光素子の構成図であ
る。

【図１３】第４実施例に基づく発光素子と受光素子とを
支持部材で一体化した受発光素子ユニットの一例を示す
側面図である。

【図１４】第４実施例に基づく実施例の発光素子および
受光素子を像担持体の法線に対して、両素子とも傾けて
配置している状態を像担持体の潜像形成面を基準に発光
素子と受光素子とを相対象の位置に仮想して配置し、発
光素子を基準に傾き具合を説明する説明構成図である。

【図１５】第４実施例に基づく実施例の発光素子および
受光素子を像担持体の法線に対して、両素子とも傾けて
配置している状態を像担持体の潜像形成面を基準に発光
素子と受光素子とを相対象の位置に仮想して配置し、受
光素子を基準に傾き具合を説明する説明構成図である。

【図１６】第４実施例に基づく実施例の発光素子および
受光素子を具体的な数値を当てはめて説明した説明構成
図である。

【図１７】指向性の狭い発光素子および受光素子を使用
した状態の濃度検知センサの像担持体表面に対する傾き
角とセンサ出力電圧の関係を示す特性曲線である。

【図１８】発光素子と受光素子の両光軸の含む平面を法
線に対して角度ψ傾けて配置したときの像担持体上のト
ナー付着量と受光素子からの出力電圧の関係を示す特性
線図であるである。

【図１９】従来の受光素子の出力電圧と像担持体上のト
ナー付着量との関係を示す特性線図である。

【符号の説明】

１感光体ドラム４Ｃ転写ベルト６２フレネルレンズ φ１発光素子の発光光束の広がりである指向性 φ2 受光素子の受光光束の広がりである指向
性ｄ受発光素子の受発光面の直径Ｄ1 受光素子の発光面の直径Ｄ2 前記受光素子の受光面の直径 ψ 法線と前記光軸平面とのなす角度 ρ 発光面の中心と前記受光面の中心とを結ぶ
光路長

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】像担持体上に形成されたトナーパターン像
に発光素子の光を照射し、その反射光を受光素子で検出
した結果によって作像条件を制御するトナー濃度検出装
置を具備する画像形成装置において、前記発光素子と前記受光素子は、共に指向性を有し、且
つ前記発光素子と前記受光素子の光軸が交わる点が、前
記像担持体表面上、または前記担持体表面の近傍にあっ
て、前記発光素子と前記受光素子の両光軸を含む光軸平
面が、前記交点を通過する前記担持体表面からの法線に
対して所定角度傾いた角度に、前記発光素子と前記受光
素子とが配設されていることを特徴とする画像形成装
置。
【請求項２】被測定体上に形成されたトナーパターン像
に発光素子の光を照射し、その反射光を受光素子で検出
するトナー濃度検出装置において、前記発光素子と前記受光素子は、共に指向性を有し、且
つ前記発光素子と前記受光素子の光軸が交わる点が、前
記被測定体表面上、または前記担持体表面の近傍にあっ
て、前記発光素子と前記受光素子の両光軸を含む光軸平
面が、前記交点を通過する前記被測定体表面からの法線
に対して所定角度傾いた角度に、前記発光素子と前記受
光素子とが配設されていることを特徴とするトナー濃度
検出装置。
【請求項３】前記発光素子の発光光束の広がりである指
向性をφ1とし、上記受光素子の受光光束の広がりであ
る指向性をφ2とし、前記法線と前記光軸平面とのなす
角度をψとし、上記受光素子の発光面の直径をＤ1と
し、上記前記受光素子の受光面の直径をＤ2とし、前記
発光面の中心と前記受光面の中心とを結ぶ光路長をρと
したとき、 ψ＞φ1＋ｔａｎ~¹（Ｄ2／２ρ）または、 ψ＞φ2＋ｔａｎ~¹（Ｄ1／２ρ）のいずれか一方を満足するように、前記発光素子と前記
受光素子を配設してなることを特徴とする請求項１記載
の画像形成装置。
【請求項４】前記発光素子の発光光束の広がりである指
向性をφ1とし、上記受光素子の受光光束の広がりであ
る指向性をφ2とし、前記法線と前記光軸平面とのなす
角度をψとし、上記受光素子の発光面の直径をＤ1と
し、上記前記受光素子の受光面の直径をＤ2とし、前記
発光面の中心と前記受光面の中心とを結ぶ光路長をρと
したとき、 ψ＞φ1＋ｔａｎ~¹（Ｄ2／２ρ）または、 ψ＞φ2＋ｔａｎ~¹（Ｄ1／２ρ）のいずれか一方を満足するように、前記発光素子と前記
受光素子を配設してなることを特徴とする請求項２記載
のトナー濃度検出装置。
【請求項５】前記発光素子と前記受光素子の両光軸が同
一平面内に含まれるように前記発光素子と前記受光素子
を支持部材でユニット化し、前記発光素子または受光素
子の少なくとも一方の前方に集光光学素子を設けたこと
を特徴とする請求項１、２、３または４記載の画像形成
装置。