JP2009163221A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像形成装置内で用いられる直流高電圧の整流前交流高電圧から、静電容量検知用途に供することのできる交流バイアスを生成することにより、既存の電源を用いてトナー残量検知を行う。
【解決手段】直流電源が入力されるインバータ３０１は、スイッチングにより交流電圧を出力する。その出力電圧は変圧器３０２に入力されて変圧され、その出力は分岐して調圧整形手段３０８に入力され、おおむね正弦波の波形の信号が生成される。その信号は、画像形成時以外の時期にオンとなる切り替え手段３０６を介して、電極１０４に印加される。電極１０４は、他方の電極として利用される感光ドラム１０１とともに電極対を構成しており、その他方の電極からの出力はトナー残量検知回路３０５に接続されている。トナー残量検知回路３０５は、トナー残量に応じて変化する容量を検出し、トナー残量を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トナー残量検知の技術を搭載した画像形成装置に関する。

電子写真方式の画像形成装置におけるトナー残量検知機構として、特許文献１等に記載されるような静電容量検知方式や特許文献２等に記載されるような光透過方式が用いられている。静電容量検知方式によるトナー残量検知は、主にモノクロ画像形成装置など、非接触現像用に交流バイアス電源を備えた画像形成装置に好適な技術として用いられている。また、光透過方式によるトナー残量検知は、主にカラー画像形成装置など、非磁性トナーを直流バイアスにより接触現像を行い、現像用の交流バイアス電源を備えない画像形成装置に好適な技術として用いられている。

電子写真方式の画像形成装置の一例として、図１６に画像形成装置の概略構成を示す。図１６に示した画像形成装置において、帯電手段である帯電ローラ２が、像担持体である感光ドラム１の表面を一様に帯電し、その後、露光装置３が感光ドラム１の表面に対して、画像情報に基づいた露光走査を行い、静電潜像を形成する。次に、この静電潜像を現像装置４が収容するトナー（現像剤）により可視化して感光ドラム１上にトナー像すなわち現像剤像を形成する。そして、給紙カセット８に収容された記録紙１６が、給紙ローラ９により画像形成装置内に送出され、感光ドラム１上のトナー像が、転写手段である転写ローラ１１により記録紙１６上に転写される。その後、定着装置１２が、熱及び圧力により記録紙１６上の未定着トナー像が記録材１６に定着される。

次に、画像形成装置において用いられる現像装置４の一例として、図１７に現像装置の概略構成を示す。図１７に示した現像装置４は、トナー２０を、トナー収容部であるトナー容器１００内に収容しており、攪拌棒１０３を回転させることにより、トナー２０を現像装置４と感光ドラム１とが対向する現像位置であるトナー容器１００の開口部に向けて搬送する。このトナー容器１００の開口部には、トナー２０を感光ドラム１上に形成した静電潜像に供給するための現像剤担持体である現像ローラ１０１が、備えられている。また、この現像ローラ１０１上にトナー２０を供給し、さらに感光ドラム１上に形成した静電潜像の現像には寄与せずに再び現像装置４に戻ったトナー２０を、現像ローラ１０１から剥ぎ取るためのＲＳローラ１０２が、現像ローラ１０１に当接配置されている。この現像装置４は、画像形成装置本体に対して着脱可能なプロセスカートリッジとして構成されており、広く用いられている。ここで、上記画像形成は、トナー２０を用いて行われるため、トナー２０が少なくなった際には、ユーザに対してトナー２０の補給を促す必要が生じる。従って、画像形成装置は、プロセスカートリッジ内、すなわち、現像装置４内に残存するトナー２０の量を検知するためのトナー残量検知機構を備えている。以下、静電容量検知方式と光透過方式の２つの方式によるトナー残量検知機構、および方法について説明する。

図１８に静電容量検知方式によるトナー残量検知機構の概略構成を示す。図１８において、アンテナ１０４は、現像ローラ１０１と所定間隔を隔てて並行に配設されたトナー残量検知電極であり、現像ローラ１０１との間に静電容量を持つ。トナー容器１００内のトナー２０が消費されるにつれて、現像ローラ１０１とアンテナ１０４間のトナーが減少することにより、現像ローラ１０１とアンテナ１０４間の誘電率が減少し、その静電容量が小さくなる。この静電容量の変化を検知することにより、トナー容器１００内のトナー２０の残量を検知することができる。つまり、交流現像高圧電源１０５により所定の交流電圧が現像ローラ１０１に印加されると、現像ローラ１０１とアンテナ１０４間に形成される等価コンデンサ１０６の静電容量に応じた交流電流値Ｉ１が得られる。この交流電流値Ｉ１は、交流現像高圧電源１０５の周波数、およびその振幅値、等価コンデンサ１０６の静電容量の積に比例する。そして、この交流電流値Ｉ１を、ダイオード２０１、２０２、抵抗２０３、コンデンサ２０４で構成される整流回路により整流して、電圧値Ｖ１に変換してコンパレータ１０８の反転入力端子に入力する。同様に、交流現像高圧電源１０５により所定の交流電圧が基準コンデンサ１０７に印加されると、基準コンデンサ１０７の静電容量に応じた交流電流値Ｉ２が得られる。そして、この交流電流値Ｉ２を、ダイオード２０５、２０６、抵抗２０７、コンデンサ２０８で構成される整流回路により整流して、トナー残量を検知する上での基準電圧値Ｖ２に変換してコンパレータ１０８の非反転入力端子に入力する。このコンパレータ１０８の比較結果、すなわち、トナー残量に応じた検知結果１１０が、図示しない画像形成装置内のコントローラに送出される。この検知結果１１０により、トナー容器１００内のトナー２０の残量が、所定のトナー量より少なくなったか否かを検知することができる。

また、図１９に、図１８におけるコンパレータ１０８による比較回路を、オペアンプ１０９、抵抗２０９、２１０、コンデンサ２１１で構成される積分回路で置き換えた機構の概略構成を示す。図１９において、オペアンプ１０９の反転入力端子、非反転入力端子に入力される電圧Ｖ１、Ｖ２が誤差増幅されて検知結果１１０として検知される。すなわち、トナー容器１００内のトナー２０の残量をアナログ量として逐次検知することができる（特許文献１等参照）。

次に、図２０に光透過方式によるトナー残量検知機構の概略構成を示す。図２０において、トナー容器１００には、光を透過する透明な窓４０１、４０２が設けられ、発光部材であるフォトダイオード４０３が配置されている。また、フォトダイオード４０３から発光される光が窓４０１、４０２をそれぞれ透過する位置において、受光部材であるフォトトランジスタ４０４が配置されている。すなわち、フォトダイオード４０３から発光される光が、トナー容器１００内部を経て、フォトダイオード４０３と対向配置されたフォトトランジスタ４０４に至って受光されるように光回路が形成される。トナー容器１００内のトナー２０が消費されるにつれて、攪拌棒１０３が回転してトナー容器１００内のトナー２０を攪拌する際に光回路が形成される時間、いわゆる、光透過時間が長くなる。この光透過時間の変化を検知することにより、トナー容器１００内のトナー２０の残量を検知することができる。つまり、フォトダイオード４０３から発光される光を検知した際に、フォトトランジスタ４０４から出力されるパルス状の電圧波形が、予め設定された値を上回って経過した時間を検知する。この検知時間を、不図示のコントローラに送出することにより、トナー容器１００内のトナー２０の残量が、所定量より少なくなったか否かを、あるいはトナー容器１００内のトナー２０の残量を、アナログ量として逐次検知することができる（例えば特許文献２等参照）。

以上のように、現像用の交流バイアス電源を備えたモノクロ画像形成装置に好適な技術として、静電容量検知方式によるトナー残量検知が用いられている。また、現像用の交流バイアスを用いないカラー画像形成装置に好適な技術として、光透過方式によるトナー残量検知が用いられている。
特開平８−４４１８４号公報 特開２０００−１３１９３６号公報

近年、図２１に示すように、現像装置４の小型軽量化、低コスト化を目的として、トナー容器１００内の攪拌棒１０３を省いた現像装置４が提案されている。しかしながら、この現像装置４においては、トナー容器１００内のトナー２０を攪拌する手段が無いために、トナー残量検知のために光透過方式を採用することが困難である。そこで、この現像装置４においては、現像ローラ１０１とＲＳローラ１０２間に形成される等価コンデンサ１０６の静電容量の変化を検知する静電容量検知方式によるトナー残量検知を選択することになる。なお、ＲＳローラ１０２は、現像ローラ１０１に対するトナーの剥ぎ取り（remove）および供給(supply)を行なう部材である。この場合、カラー画像形成装置においては、静電容量検知方式によるトナー残量検知を行うために、トナー残量検知時のみに現像ローラ１０１、あるいはＲＳローラ１０２のいずれか一方に交流電圧を印加する専用の交流電源１１１を新たに設ける必要がある。この交流電源１１１を設けることは、画像形成装置本体のコストアップとなり、現像装置４のコストダウン効果を妨げる要因となっていた。

本発明は、上記従来例に鑑みて成されたもので、トナー残量の検出用に専用の交流電源を設けること無く、なおかつ静電容量検知方式を用いてトナー残量を検出できる画像形成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は以下の構成を備える。

画像形成装置であって、
像担持体に形成された静電潜像を現像するための現像剤を収容する現像剤容器と、
前記現像剤容器内の現像剤を前記像担持体に供給して前記静電潜像を現像する現像剤担持体と、
前記現像剤容器内で、前記現像剤担持体に対向して配置される電極部材と、直流電圧をスイッチングして交流電圧を生成するインバータと、前記インバータからの交流電圧を変圧器を介して出力し、出力される交流電圧を整流して画像形成のための直流電圧を生成する整流手段と、前記変圧器から出力される交流電圧を、前記電極部材に印加する交流電圧印加部とを有する高圧電源と、
前記現像剤担持体と前記電極部材との間の静電容量に基づいて前記現像剤容器内の現像剤残量を検知する現像剤残量検知部と
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、トナー残量の検出用に専用の交流電源を設けること無く、なおかつ静電容量検知方式を用いてトナー残量を検出できる画像形成装置を提供できる。そのため、現像装置の小型軽量化、低コスト化を実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を画像形成装置の実施形態により詳細に説明する。

［実施形態１］
本発明の第１の実施形態の電子写真方式の画像形成装置を説明する。図１から図４は説明図である。なお、これらの図において、上記従来例説明図と同一構成機能を説明する部分については同一符号を付し説明を省略する。また、図１と図４では、直流バイアス電圧が印加される対象が、図４ではＲＳローラ１０２であるのに対して、図１ではアンテナ１０４であるという点で相違している。しかし、これは図１のアンテナ１０４として図４のＲＳローラ１０２を用いたということであって、本質的な差異ではない。また、直流バイアスを印加する電極を、ＲＳローラで１０２やアンテナ１０４はなく、現像ローラ１０１としてもよい。この場合にはトナー残量検知回路３０５がＲＳローラで１０２やアンテナ１０４に接続される。ＲＳローラ１０２や感光ドラム１、現像ローラ１０１は、金属等の導体のローラに誘電体シートを巻き付けて構成される。

本実施形態は、本発明の基本的特長を具現化した構成例である。そのために、所定の直流電圧をスイッチングして交流電圧を変圧器に供給するインバータ（交流電圧生成回路部として機能する）と、前記変圧器の出力交流電圧を整流する整流手段（整流回路部として機能する）とを有し、画像形成における帯電工程のための直流バイアスを生成する直流高圧電源とを備えている。そして、その変圧器の出力を所定の印加タイミングに合わせてオンにした交流バイアスを生成し、トナー容器内の電極対の一方の電極部材に印加する構成（交流電圧印加部）を有する。電極対は、所定間隔を隔てて並行に配設されている。それによって電極対の他方の電極部材で検出した電位と、交流バイアスを印加した基準容量の電極で検出した電位と差分に基づいて電極対間の静電容量を検知することで前記現像剤容器内の現像剤残量を検知する。なお直流高圧電源は、画像形成における感光ドラムを帯電する帯電工程、感光ドラムにトナ像を形成する現像工程、感光ドラム上のトナー像を転写する転写工程、感光ドラム上の残留トナーを除去するクリーニング工程等で用いられる。以下にその詳細構成を図１から図４を用いて説明する。

図１は、本実施形態の特徴を表現する、静電容量検知方式によるトナー残量検知機構のブロック図である。図１において、交流電圧を生成する回路部としてのインバータ回路部３０１および変圧器３０２により、所定の直流電圧が交流電圧に変換される。この交流電圧を整流手段３０３により整流して、画像形成の各工程で用いられる直流バイアス３０４が生成される。一方、インバータ動作により生成された交流電圧はトナー残量検知用交流電圧９４として分岐され、調圧整形手段３０８により電圧調整及び整形される。この電圧調整及び整形については後述する。トナー容器１００内には、トナーを収容する空間を経て対向する位置にアンテナ１０４が設けられ、このアンテナ１０４に、切り換えスイッチ３０６を介して所定のタイミング（印加タイミング）においてトナー残量検知用交流電圧９４が印加される。すなわち本実施形態では切り換えスイッチ３０６が交流バイアス生成手段に相当する。印加タイミングは、たとえば感光ドラム上への画像形成やトナー像すなわち現像剤像の記録媒体等への転写など、高圧直流電源が画像形成のために使用されている期間以外の期間であることが望ましい。

現像ローラ１０１には、トナー残量検知回路３０５（現像剤残量検知部として機能する）が接続されている。そのためこのトナー残量検知用交流電圧９４を用いることにより、静電容量検知方式によるトナー残量検知を行うことができる。ここで、アンテナ１０４と現像ローラ１０１とが、現像剤容器内で電極対を形成する電極部材に相当する。トナー残量検知回路３０５は、等価コンデンサ１０６の静電容量の変化に応じた電圧レベルと所定の基準電圧レベルとを比較して、トナー容器１００内のトナー２０の残量を検知する機能を有している。

なお、トナー残量検知用交流電圧９４が印加される電極は現像ローラ１０１でもアンテナ１０４でもよく、トナー残量検知回路３０５は、トナー残量検知用交流電圧９４が印加されない電極に接続される。すなわち、トナー残量検知回路３０５は、電極対の一方に交流バイアスが印加されている場合に、他方の電極部材で電位を検出し、電出された電位と前記交流バイアスから得た電位との差分に基づいて前記電極対間の静電容量を検知する。さらに、この静電容量から、前記現像剤容器内の現像剤残量を検知する。トナー残量検知回路３０５は現像剤残量検知手段に相当する。以下、実施形態を詳細に説明する。

図２に本実施形態の電子写真方式の画像形成装置の概略構成を示す。画像形成装置は、その概略中心部に像担持体である感光ドラム１を備えている。画像形成動作が開始すると、帯電高圧電源４１が、帯電手段としての帯電ローラ２に直流負バイアスを与えることにより、感光ドラム１の表面を一様に帯電させる。次に、中間転写体である中間転写ベルト５上に、感光ドラム１上のトナー像を転写する際の転写位置を考慮して決定される画像書き出し位置を、ＴＯＰセンサ６が検知する。このＴＯＰセンサ６からの基準信号であるＴＯＰ信号に同期して、露光装置３が、感光ドラム１の表面に対して、画像信号に基づいて変調されたレーザ光により露光走査を行い、第１色目の画像信号に対応する静電潜像を感光ドラム１上に形成する。

一方、現像装置４には、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックそれぞれのトナーを有する現像装置４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４ＢＫが備えられており、所定のタイミングにて現像装置４が回転する。これにより、それぞれの現像装置４Ｙ、４Ｍ、４Ｃ、４ＢＫが感光ドラム１と対向する現像位置に配置される。このようにして、まず第１色目の静電潜像を現像するために、イエロー現像装置４Ｙが感光ドラム１と対向する現像位置に配置され、現像高圧電源４２が、現像ローラ１０１に直流負バイアスを印加する。ここで、現像ローラ１０１は、像担持体である感光ドラム１に対向するように配設され、トナー容器すなわち現像剤容器内に収容された現像剤を担持搬送する現像剤担持体に相当する。こうすることにより、第１色目のイエロートナー像を可視化して感光ドラム１上に形成する。その後、一次転写高圧電源４３が、中間転写ベルト５と対向する位置に設けられたベルト転写部材７に、トナーと逆極性の直流正バイアスを印加することにより、感光ドラム１上のイエロートナー像を、中間転写ベルト５上に一次転写する。上記同様の工程を、第２色目、第３色目、第４色目であるそれぞれマゼンタ現像装置４Ｍ、シアン現像装置４Ｃ、ブラック現像装置４ＢＫについて繰り返すことにより、中間転写ベルト５上に例えばフルカラートナー像が形成される。これが一次転写であり、現像装置４により感光ドラム１上に形成されたトナー像を中間転写ベルト５に転写する機構を一次転写部と呼ぶ。ベルト転写部材７を特に一次転写部という場合もある。

次に、給紙カセット８に収容された記録紙１６が、ＴＯＰ信号に基づいた所定のタイミングで、給紙ローラ９によりレジストレーションローラ対１０まで送出され、そこで一旦停止される。そして、記録紙１６は、所定の転写タイミングに同期してレジストレーションローラ対１０から再給紙される。次に、二次転写高圧電源４４が、転写手段である転写ローラ１１に直流正バイアスを印加することにより、中間転写ベルト５上のフルカラートナー像が、記録紙１６上に一括転写（二次転写とも呼ぶ）される。二次転写を行う機構を二次転写部と呼ぶが、そのうち特に転写ローラ１１を二次転写部と呼ぶこともある。その後、定着装置１２が、熱および圧力により記録紙１６上の未定着フルカラートナー像が記録材に定着される。そして、記録紙１６は、搬送ローラ対１３により、画像形成装置外に排紙される。ここで、中間転写ベルト５上への各色毎の一次転写が終了した後に感光ドラム１に残留する一次転写残トナーなどは、ブレード状のクリーニング部材から成る残トナー回収装置１４へ回収除去される。同様に、中間転写ベルト５上には、二次転写が終了した後に記録紙１６上に転写されないで残留する二次転写残トナーがある。この二次転写残トナーは、感光ドラム１に到達する前に、ベルトクリーニング高圧電源４５が、ベルトクリーニング装置１５に直流正バイアス（クリーニングバイアスとも呼ぶ）を印加することにより、正極性に帯電される。この際、二次転写残トナーのうち、負極性に帯電しているトナーは、ベルトクリーニング装置１５により回収される。一方、正極性に帯電された二次転写残トナーは、一次転写高圧電源４３が、二次転写残トナーと同極性の正バイアスを印加することにより、感光ドラム１上に静電的に転写され、残トナー回収装置１４へ回収除去される。このようなベルトクリーニングが、二次転写後、直ちに行われることにより、画像形成を繰り返し行うことができる。上記一連の画像形成動作を、以後、画像形成シーケンスと表記する。

また、電源起動時、所定枚数プリント後、ジャム検知後などの所定のタイミングにおいて、二次転写逆高圧電源４７、ベルトクリーニング逆高圧電源４８がそれぞれ、転写ローラ１１、ベルトクリーニング装置１５に直流負バイアスを印加する。そして、転写ローラ１１、あるいはベルトクリーニング装置１５に滞留していた二次転写残トナーなどが、負極性に帯電されて中間転写ベルト５へ一旦戻される。この負極性に帯電された二次転写残トナーは、一次転写逆高圧電源４６が、二次転写残トナーと同極性の負バイアスを印加することにより、感光ドラム１上に静電的に転写され、残トナー回収装置１４へ回収除去される。上記二次転写残トナーを中間転写ベルト５、および感光ドラム１を介して、残トナー回収装置１４へ回収除去する動作を、以後、クリーニングシーケンスと表記する。

以上のように、電子写真方式の画像形成装置では、直流バイアスを生成する高圧電源を設け、一連の電子写真プロセスの各工程で用いている。

図３に、画像形成装置の高圧電源の回路構成を示す。図３に示す高圧電源は、直流正バイアスを生成する直流正バイアス電源の例である。図３において、コンパレータ５１は、非反転入力端子に入力されるアナログ電圧Ｖ＋と、反転入力端子に入力されるアナログ電圧Ｖ−とを比較する。Ｖ＋＞Ｖ−であればコンパレータ出力端子をオープンコレクタとし、Ｖ＋＜Ｖ−であればコンパレータ出力端子を接地とする特性を持つ。ＦＥＴ５２のドレイン端子は、高圧トランス５３の一次巻線に接続され、ソース端子は接地されている。高圧トランス５３の一次巻線の他一方は、ダイオード５４を介して接地され、スナバ回路を形成している。高圧トランス５３のもう一方の一次巻線は、抵抗５５を介して直流電源電圧Ｖｄｄへ接続されている。電解コンデンサ５６は、高圧トランス５３の一次巻線印加電圧を一定とするためのデカップリングコンデンサである。ＦＥＴ５２のゲート端子は、コンパレータ５１のコンパレータ出力端子に接続されており、後述するゲート信号がゲート端子に入力され、高圧トランス５３の一次巻線をスイッチング駆動する。ＦＥＴ５２のゲート端子とＧＮＤ間に接続されている抵抗５７は、ＦＥＴ５２のゲート端子に対する静電気対策抵抗である。このように高圧トランス５３の一次巻線をスイッチング駆動することにより、高圧トランス５３の二次巻線には交流高電圧が発生する。

この交流高電圧をダイオード５８、５９、コンデンサ６０、６１で構成される整流回路により倍電圧整流して、直流高電圧、すなわち、直流正バイアス３１が生成される。この直流正バイアス３１は、出力抵抗６２を介して、信号ＨＶＯＵＴとして直流高電圧出力端子６３に出力される。直流正バイアス３１は、出力電圧検出抵抗６４、６５、コンデンサ６６により構成されるフィードバック回路を介してコンパレータ５１の非反転入力端子に入力される。非反転入力端子は、抵抗６７を介して直流電源電圧Ｖｃｃへプルアップ接続されており、直流正バイアス３１の絶対値の大きさに応じてアナログ信号Ｖ＋が可変される構成となっている。また、抵抗６８、コンデンサ６９で構成されるＲＣフィルタは、図示しない画像形成装置内のコントローラから送出される直流正バイアス出力調整信号（ＰＣＯＮＴ）７０に応じたアナログ電圧Ｖ−を生成する。そして、アナログ電圧Ｖ−は、コンパレータ５１の反転入力端子に入力される。コンパレータ５１は、各々の入力端子に入力されたアナログ電圧Ｖ＋とアナログ電圧Ｖ−の大小関係を比較し、コンパレータ出力端子の状態を制御する。

また、図示しない画像形成装置内のコントローラから送出されるクロック信号（ＰＣＬＫ）７１を出力する端子が、コンパレータ５１のコンパレータ出力端子およびＦＥＴ５２のゲート端子に、抵抗７２を介して接続されている。コンパレータ５１の比較結果に応じて、クロック信号７１が抵抗７２の下流側でマスクされ、ＦＥＴ５２をスイッチング動作するゲート信号となる。すなわち、コンパレータ出力端子がオープンコレクタとなっている場合は、クロック信号７１がＦＥＴ５２のゲート端子へ伝達されてＦＥＴ５２が駆動される。一方、コンパレータ出力端子が接地となっている場合は、クロック信号７１がＦＥＴ５２のゲート端子へ伝達されずＦＥＴ５２のオフ状態を維持する。以上のように、コンパレータ５１を用いて、高圧トランス５３を駆動するクロック信号７１の伝達を制御することにより、直流出力電圧を定電圧制御する回路が構成されている。

次に、本実施形態の画像形成装置における静電容量検知方式によるトナー残量検知方法について説明する。静電容量検知方式によるトナー残量検知方法は、交流バイアスが必要である。それに対し、本実施形態の画像形成装置は、直流バイアスを生成する高圧電源を備えてはいるものの、交流バイアスを生成する高圧電源を備えていない。しかしながら、この直流バイアスは、高圧トランス５３の二次巻線に発生した交流高電圧を整流回路により整流して生成するものである。そこで、この整流回路による整流前交流電圧成分から、トナー残量検知用の交流バイアスを生成して、現像装置４内の現像ローラ１０１、あるいはＲＳローラ１０２に印加することにより静電容量検知方式によるトナー残量検知を行う。なお本実施形態ではＲＳローラ１０２に交流バイアスは印加される。

このトナー残量検知用の交流バイアスを生成する高圧電源として、画像形成シーケンス時に用いられる高圧電源を利用することができる。すなわち、帯電高圧電源４１、現像高圧電源４２、一次転写高圧電源４３、二次転写高圧電源４４、ベルトクリーニング高圧電源４５が高圧電源として利用できる。これらの電源からトナー残量検知用の交流バイアスを生成した場合、画像形成の現像工程で現像ローラ１０１、あるいはＲＳローラ１０２に交流電圧が印加され、現像不良を起こすことが懸念される。従って、これらの電源における高圧トランスの二次巻線に発生した交流高電圧から、トナー残量検知用の交流バイアスを生成する場合、画像形成の現像工程で現像ローラ１０１、あるいはＲＳローラ１０２に交流電圧が印加されないような機構を設ければ良い。

図４に本実施形態の静電容量検知方式によるトナー残量検知機構を示す。図４において、高圧トランス５３の一次巻線をスイッチング駆動することにより、高圧トランス５３の二次巻線に発生する交流高電圧を、トナー残量検知用交流電圧９４として分岐する。ここで、切り換えスイッチ３０６は、画像形成シーケンス時にはＯＦＦ、画像形成シーケンス時以外（すなわち画像形成を実行していない期間）のトナー残量検知時はＯＮされる。従って、この切り換えスイッチ３０６がＯＮされた際に、トナー残量検知用交流電圧９４が、カップリングコンデンサ９５を介してＲＳローラ１０２に印加される。ここで、カップリングコンデンサ９５は、調圧整形手段（図１の符号３０８）としてトナー残量検知用交流電圧９４の直流電圧成分を除去するために用いられる。そして、ＲＳローラ１０２と現像ローラ１０１で構成される電極対間に形成される等価コンデンサ１０６の静電容量の変化を検知することにより、トナー容器１００内のトナー２０の残量を検知する。また、カップリングコンデンサ１１２は、現像高圧電源４２により現像ローラ１０１に印加される直流負バイアスが、トナー残量検知回路側へ印加されないように、直流電圧成分を除去するために用いられる。

図４における高圧電源は、直流正バイアスを生成する直流正バイアス電源であるけれども、この高圧電源の代わりに直流負バイアス電源を用いても良い。すなわち、帯電高圧電源４１、現像高圧電源４２、一次転写高圧電源４３、二次転写高圧電源４４、ベルトクリーニング高圧電源４５のうち、どの高圧電源を用いても良い。要するに、トナー残量検知用の交流バイアスを生成する高圧電源としては、画像形成シーケンス時に用いられる高圧電源を用いることができる。

以上のように、画像形成で用いる直流高圧電源をインバータと整流部により構成した。また、インバータの出力交流電圧すなわち整流前のスイッチング電圧を分岐し、かつ所定精度の略正弦波を形成する調圧整形手段と、前記出力を所定タイミングで現像部に印加する切り換え手段を画像形成装置に設けた。これにより、静電容量検知方式によるトナー残量検知用の交流バイアス手段を生成する。上記構成を用いることにより、新たに専用の交流電源を設けること無く、安価な構成にて静電容量検知方式によるトナー残量検知を行うことができる。

なお、本実施形態で説明した構成は、等価な構成であれば適宜変更が可能であり、発明の範囲は図示された構成のみに限定されるものではない。

［実施形態２］
本発明の第２の実施形態を説明する。図５から図７はその説明図である。なお、これらの図において、従来例および実施形態１と同一構成機能を説明する部分については同一符号を付し説明を省略する。本実施形態の特徴は、非画像形成時に用いられる直流高電圧の整流前スイッチング電圧を分岐し且つ所定精度の略正弦波を形成する調圧整形手段を設けることにより、静電容量検知方式によるトナー残量検知用の交流バイアス手段を生成したことにある。ここで、非画像形成時に用いられる高圧電源として、特にクリーニングシーケンス時に用いられる高圧電源を例に説明する。以下にその詳細構成を図５から図７を用いて説明する。

図５に本実施形態の静電容量検知方式によるトナー残量検知機構のブロック図を示す。図５において、トナー残量検知用交流電圧９４を生成する高圧電源として、クリーニングシーケンス時に用いられる高圧電源を用いれば、図１における切り換えスイッチ３０６を設けること無く、静電容量検知方式によるトナー残量を行うことができる。以下、実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は実施形態１におけるトナー残量検知用交流電圧９４を生成する高圧電源として、画像形成シーケンス時に用いられる高圧電源の代わりに、クリーニングシーケンス時に用いられる高圧電源を用いる。すなわち、一次転写逆高圧電源４６、二次転写逆高圧電源４７、ベルトクリーニング逆高圧電源４８を用いる。これらの電源は、クリーニングシーケンス時に動作する高圧電源であるために、画像形成シーケンス時に現像ローラ１０１、あるいはＲＳローラ１０２にトナー残量検知用交流電圧が印加されることが無い。従って、これらの電源における高圧トランスの二次巻線に発生した交流高電圧を、実施形態１における切り換えスイッチ３０６を設けること無く、トナー残量検知用交流電圧９４として用いることができる。すなわち、切り換えスイッチ３０６は交流バイアス生成手段に該当せず、交流電圧の発生自体を制御する不図示のコントローラが交流バイアス生成手段に相当する。

図６に、ベルトクリーニング高圧電源４５、およびベルトクリーニング逆高圧電源４８を例とした、画像形成装置の高圧電源の回路構成を示す。図６において、ベルトクリーニング高圧電源４５、およびベルトクリーニング逆高圧電源４８は、直流正バイアス電源３０、および直流負バイアス電源３２が、ブリーダ抵抗５０、９３を介して直列接続された回路から構成されている。直流正バイアス電源３０は実施形態１で説明した回路動作と同様である。一方、直流負バイアス電源３２について直流正バイアス電源３０と相違する点は、直流負バイアス調整信号（ＮＣＯＮＴ）９０、クロック信号（ＮＣＬＫ）９１、およびダイオード８０、８１、コンデンサ８２、８３で構成される整流回路の極性のみである。

次に、図７に本実施形態の静電容量検知方式によるトナー残量検知機構を示す。図７において、高圧トランス７５の一次巻線をスイッチング駆動することにより、高圧トランス７５の二次巻線に発生する交流高電圧を、トナー残量検知用交流電圧（図中、信号ＴＯＮＥＲで示す）９４として検出する。そして、トナー残量検知用交流電圧９４が、カップリングコンデンサ９５を介してＲＳローラ１０２に印加され、ＲＳローラ１０２と現像ローラ１０１間に形成される等価コンデンサ１０６の静電容量の変化が検知される。なお、実施形態１と同様、カップリングコンデンサ９５は、調圧整形手段（図５の３０８）としてトナー残量検知用交流電圧９４の直流電圧成分を除去するために用いられる。こうすることにより、トナー容器１００内のトナー２０の残量を検知する。すなわち、図６のトナー残量検知用交流電圧９４は、図４のトナー残量検知用交流電圧９４に相当する。ただし、図４においては切り替えスイッチ３０６を介してＲＳローラ１０２に接続されているが、本実施形態では切り替えスイッチ３０６は省かれている。

ここで、図７における高圧電源は、ベルトクリーニング逆高圧電源４８を例に挙げたけれども、このベルトクリーニング逆高圧電源４８の代わりに一次転写逆高圧電源４６、二次転写逆高圧電源４７を用いても良い。要するに、トナー残量検知用の交流バイアスを生成する高圧電源としては、クリーニングシーケンス時に用いられる高圧電源であれば良い。

以上のように、非画像形成時に用いられる直流高電圧の整流前スイッチング電圧を分岐し且つ所定精度の略正弦波を形成する調圧整形手段を設けることにより、静電容量検知方式によるトナー残量検知用の交流バイアスを生成する。ここで、非画像形成時に用いられる高圧電源としては、特にクリーニングシーケンス時に用いられる高圧電源とする。上記構成を用いることにより、実施形態１に比べて、切り換えスイッチ３０６を設ける必要が無いために、さらに安価な構成にて静電容量検知方式によるトナー残量検知を行うことができる。

なお、本実施形態で説明した構成は、等価な構成であれば適宜変更が可能であり、発明の範囲は図示された構成のみに限定されるものではない。

［実施形態３］
本発明の第３の実施形態を説明する。なお、上記従来例および実施形態と同一構成機能を説明する部分については説明を省略する。本実施形態の特徴は、トナー残量検知用の交流バイアスを印加する対象をＲＳローラ１０２だけでなく、現像ローラ１０１あるいは、アンテナ１０４に拡張することであり、この点においてのみ上記実施形態と異なる。

図８に本実施形態の現像装置の概略構成を示す。トナー残量検知用交流電圧９４を印加する対象は、トナー容器１００内で電極対を構成し、トナー容器１００内のトナー２０の残量変化に応じて、その等価コンデンサ１０６の静電容量１０６が減少するものであれば良い。すなわち、トナー残量検知用交流電圧９４を印加する対象は、現像ローラ１０１、ＲＳローラ１０２、アンテナ１０４のいずれかでも良い。そして、現像ローラ１０１とＲＳローラ１０２間の等価コンデンサ１２１、ＲＳローラ１０２とアンテナ１０４間の等価コンデンサ１２２、現像ローラ１０１とアンテナ１０４間の等価コンデンサ１２３、いずれかの静電容量の変化を検知すれば良い。特に、トナー残量検知用交流電圧９４を印加する対象をＲＳローラ１０２或いはアンテナ１０４とし、それと現像ローラ１０１間の等価コンデンサ１２１或いは等価コンデンサ１２３の静電容量の変化を検知すれば、トナー残量を精度良く検知できる。また、トナー容器１００内の攪拌棒１０３を削除した現像装置のみならず、攪拌棒１０３を備えた現像装置についても本実施形態を適用することができる。

以上の構成により、静電容量検知方式によるトナー残量検知機構を確立する方法の自由度を高めることができる。

なお、本実施形態で説明した構成は、等価な構成であれば適宜変更が可能であり、発明の範囲は図示された構成のみに限定されるものではない。

［実施形態４］
本発明の第４の実施形態を説明する。図９から図１０は説明図である。なお、前図において、上記従来例および実施形態と同一構成機能を説明する部分については同一符号を付し説明を省略する。本実施形態の特徴は、実施形態２と同様に、クリーニングシーケンス時にトナー残量検知用の交流バイアスを印加することにより、トナー残量検知を行う時間を短縮することである。トナー残量検知用の交流バイアスを生成する高圧電源として、クリーニングシーケンス時に動作する高圧電源を用いた場合、本構成が可能となる。以下、実施形態を詳細に説明する。

図９に従来の画像形成装置の動作シーケンスを示す。図９に示すように、所定回数の画像形成を行った後、クリーニングが行われ、さらにこの画像形成およびクリーニングから成るシーケンスを所定回数行った後、トナー残量検知が行われる。このようにトナー残量検知を行うシーケンスを独立に設けた場合、その時間を浪費することになる。

次に、図１０に本実施形態の画像形成装置の動作シーケンスを示す。図１０に示すように、トナー残量検知用交流電圧９４を生成する高圧電源として、クリーニングシーケンス時に動作する高圧電源を用いた場合、クリーニングとトナー残量検知を同時に行うことができる。従って、トナー残量検知を行うシーケンスを独立に設けること無く、その時間を短縮することができる。

以上のように、クリーニングシーケンスのタイミングでトナー残量検知用の交流バイアスを印加することにより、トナー残量検知を行う時間を短縮することができる。

なお、本実施形態で説明した構成は、等価な構成であれば適宜変更が可能であり、発明の範囲は図示された構成のみに限定されるものではない。

［実施形態５］
本発明の第５の実施形態を説明する。図１１から図１５は説明図である。なお、前図において、従来例および上述したいずれかの実施形態と同一構成機能を説明する部分については同一符号を付し説明を省略する。本実施形態の特徴は、実施形態２の構成を前提とするが、クリーニングシーケンスと異なるタイミングでトナー残量検知用の交流バイアスを印加して、インバータの駆動周波数あるいはデューティ比を所定の駆動周波数あるいはデューティ比に切り換えること（或いは異なるように設定する）ことである。さらに、前記調圧整形手段（調整回路部とも呼ぶ）を分圧器、あるいはローパスフィルタの機能を有する手段として構成することにより、トナー残量検知用の交流バイアスを略正弦波として、トナー残量検知精度向上を図ることである。以下にその詳細構成を図１１から図１５を用いて説明する。

図１１に本実施形態の静電容量検知方式によるトナー残量検知機構のブロック図を示す。図１１において、インバータ手段３０１の駆動周波数あるいはデューティ比を、トナー残量検知時において、所定の条件に切り換える。また、ローパスフィルタ３０７が、トナー残量検知用交流電圧９４の高調波成分を低減して単一周波数成分を有する略正弦波とする。この構成を用いてトナー残量検知精度向上を図る。以下、実施形態を詳細に説明する。

図７において、ＲＳローラ１０２と現像ローラ１０１間に形成される等価コンデンサ１０６の静電容量に応じた交流電流値Ｉ１は、トナー残量検知用交流電圧９４の周波数をｆ、振幅値をＶｐｐ、等価コンデンサの静電容量をＣｔとすると、次式１で表現される。
Ｉ１＝２πｆ・Ｖｐｐ・Ｃｔ...（式１）
同様に、基準コンデンサ１０７の静電容量に応じた交流電流値Ｉ２は、基準コンデンサの静電容量をＣｒｅｆとすると、次式２で表現される。
Ｉ２＝２πｆ・Ｖｐｐ・Ｃｒｅｆ...（式２）
一般に、等価コンデンサの静電容量Ｃｔと、基準コンデンサの静電容量Ｃｒｅｆは、異なる周波数特性を有している。従って、Ｉ１、Ｉ２を比較することにより、静電容量の比較を良好に行うためには、式１、式２におけるトナー残量検知用交流電圧９４の周波数ｆ、振幅値Ｖｐｐを一定値に保つ必要がある。

次に、トナー残量検知用交流電圧９４の波形について考える。図７において、例えば、高圧トランス７５の一次巻線が、周波数５０ｋＨｚ、デューティ比１０％のクロック信号９１によりスイッチング駆動され、直流負バイアス３３を得る回路構成になっているものとする。デューティ比を１０％に選定している根拠は、高圧トランス７５を高効率に駆動させ、所望の高圧バイアス３３の出力特性を得るためである。この場合のトナー残量検知用交流電圧９４の概略波形を図１２に示す。図１２に示したトナー残量検知用交流電圧９４は、高次の高調波成分を多数含む非対称な矩形波である。このトナー残量検知用交流電圧９４をトナー残量検知に用いた場合、上記式１、式２における周波数ｆの値が多数存在することになり、検知される電流値の比較精度が悪化することが懸念される。

そこで、本実施形態では、トナー残量検知用交流電圧９４を生成する高圧電源として、クリーニングシーケンス時に動作する高圧電源を用い、クリーニングシーケンスと異なるタイミングでトナー残量検知を行う。つまり、トナー残量検知時には、高圧トランス７５の一次巻線を駆動するクロック信号９１の周波数やデューティ比を適宜変更することにより、トナー残量検知用交流電圧９４の高調波成分を低減させる。

例えば、クリーニングシーケンス時におけるクロック信号９１が、周波数５０ｋＨｚ、デューティ比１０％である場合、トナー残量検知時においては、クロック信号９１のデューティ比を５０％に切り換える。この場合のトナー残量検知用交流電圧９４の概略波形を図１３に示す。図１３に示したトナー残量検知用交流電圧９４は、対称な矩形波であり、図１２に示した交流電圧波形に比べて高調波成分が低減されており、トナー残量検知用途として好適である。また、図１５に示すように、例えば、トナー残量検知用交流電圧９４を、分圧抵抗９６、９７、および抵抗９８、コンデンサ９９で構成されるローパスフィルタを介してＲＳローラ１０２に印加する。この場合の、ローパスフィルタを介した後のトナー残量検知用交流電圧９４の概略波形を図１４に示す。図１４に示した交流電圧は、単一周波数成分を有する略正弦波であり、図１３に示した交流電圧波形に比べて、さらに高調波成分が低減されており、トナー残量検知用として好適である。また、本実施形態の構成は、上記実施形態１における静電容量検知方式によるトナー残量検知においてもインバータ手段の駆動周波数あるいはデューティ比を所定の条件に切り換えることによりトナー残量検知用の交流バイアスを略正弦波とすることができる。このように、ローパスフィルタは、変圧器の出力を分岐した交流電圧を調圧整形して略正弦波電圧を生成する調圧整形手段に相当する。

以上のように、クリーニングシーケンスと異なるタイミングでトナー残量検知用の交流バイアスを印加して、インバータ手段の駆動周波数あるいはデューティ比を所定の条件に切り換える。さらに、前記調圧整形手段を分圧器、あるいはローパスフィルタの機能を有する手段として構成することにより、トナー残量検知用の交流バイアスを略正弦波として、トナー残量検知精度向上を図ることができる。また、上記実施形態１における静電容量検知方式によるトナー残量検知においても、トナー残量検知精度向上を図ることができる。それは、インバータ手段の駆動周波数あるいはデューティ比を所定の条件に切り換えることによりトナー残量検知用の交流バイアスを略正弦波するためである。

なお、本実施形態で説明した構成は、等価な構成であれば適宜変更が可能であり、発明の範囲は図示された構成のみに限定されるものではない。

本発明の実施形態１におけるトナー残量検知機構を示すブロック図である。 本発明の実施形態１における画像形成装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態１における画像形成装置の高圧電源の回路構成を示す図である。 本発明の実施形態１におけるトナー残量検知機構を示す図である。 本発明の実施形態２におけるトナー残量検知機構を示すブロック図である。 本発明の実施形態２における画像形成装置の高圧電源の回路構成を示す図である。 本発明の実施形態２におけるトナー残量検知機構を示す図である。 本発明の実施形態３における現像装置の概略構成を示す図である。 従来の画像形成装置の動作シーケンスを示す図である。 本発明の実施形態４における画像形成装置の動作シーケンスを示す図である。 本発明の実施形態５におけるトナー残量検知機構を示すブロック図である。 本発明の実施形態５におけるトナー残量検知用交流電圧の概略波形を示す図である。 本発明の実施形態５におけるトナー残量検知用交流電圧の概略波形を示す図である。 本発明の実施形態５におけるトナー残量検知用交流電圧の概略波形を示す図である。 本発明の実施形態５におけるトナー残量検知機構を示す図である。 従来の画像形成装置の概略構成を示す図である。 従来の画像形成装置において用いられる現像装置の概略構成を示す図である。 従来の静電容量検知方式によるトナー残量検知機構の概略構成を示す図である。 従来の静電容量検知方式によるトナー残量検知機構の概略構成を示す図である。 従来の光透過方式によるトナー残量検知機構の概略構成を示す図である。 従来の画像形成装置において用いられる現像装置の概略構成を示す図である。

Claims (7)

1. 像担持体に形成された静電潜像を現像するための現像剤を収容する現像剤容器と、
   前記現像剤容器内の現像剤を前記像担持体に供給して前記静電潜像を現像する現像剤担持体と、
   前記現像剤容器内で、前記現像剤担持体に対向して配置される電極部材と、直流電圧をスイッチングして交流電圧を生成する交流電圧生成回路部と、前記インバータからの交流電圧を変圧器を介して出力し、出力される交流電圧を整流して画像形成のための直流電圧を生成する整流回路部と、前記変圧器から出力される交流電圧を、前記電極部材に印加する交流電圧印加部とを有する高圧電源と、
   前記現像剤担持体と前記電極部材との間の静電容量に基づいて前記現像剤容器内の現像剤残量を検知する現像剤残量検知部と
   を備えることを特徴とする画像形成装置。
2. 前記電極部材は、前記現像剤担持体に接して現像剤を供給する誘電体を備えた導体または前記現像剤担持体と所定間隔を隔てて配設された導体であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記交流電圧印加部から前記電極部材に前記交流電圧を印加するか否かを切り換える切り替え部を更に有し、
   前記切り換え部は、画像形成を実行していない期間に、前記交流電圧印加部から前記電極部材に前記交流電圧が印加されるように動作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. 前記像担持体に形成した現像剤像を中間転写体に転写する一次転写部と、
   前記中間転写体に転写された現像剤像を記録媒体に転写する二次転写部とを更に備え、
   前記高圧電源の前記整流回路部によって生成される直流電圧は、前記現像剤担持体に印加される直流電圧、または、前記一次転写部に印加される直流電圧、または、前記二次転写部に印加される直流電圧である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. 更に、前記二次転写部によって前記記録媒体に現像剤像を転写した後、前記中間転写体に残留した現像剤を回収するクリーニング部を備え、
   前記高圧電源の前記整流回路部によって生成される直流電圧は、前記クリーニング部に印加される直流電圧であることを特徴とする請求項４に記載の画像形成装置。
6. 前記直流電圧の前記クリーニング部への印加タイミングは、前記クリーニング部が残留した現像剤を回収するタイミングであることを特徴とする請求項５に記載の画像形成装置。
7. 前記交流電圧印加部から前記電極部材に前記交流電圧が出力される前に、前記交流電圧を分圧器またはフィルタによって調整する調整回路部を更に備え、
   前記インバータは、前記電極部材に前記交流電圧が印加されるタイミングにおいて、スイッチングの周波数あるいはデューティ比を切り換える可能であって
   前記インバータは、前記クリーニング部に残留した現像剤を回収するタイミングと、前記電極部材に前記交流電圧を印加するタイミングとで前記スイッチングの周波数またはデューティ比を異なるように設定することを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。

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