JP2011002702A - トナー像高さ測定装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トナーの色に影響されることなく各色トナー像の高さを比較的簡易な構成により精度良く測定することができる画像形成装置を提供する。
【解決手段】像担持体１が移動すると、像担持体１に照射されていたレーザ光がトナー像５０に照射される（或いはトナー像５０に遮られる）タイミングと、トナー像５０に照射されていたレーザ光が再び像担持体１に照射されるタイミングで、フォトダイオード７０４によって検出される光量が変化する。トナー像５０の高さが異なると、フォトダイオード７０４で検出している光量が変化するタイミングが異なってくる。この原理を利用して、光量が変化する時間を利用してトナーの高さを検出するものである。
【選択図】図６

Description

本発明は、像担持体上に担持されたトナー像の高さを測定するトナー像高さ測定装置及び該トナー像高さ測定装置を搭載した、複写機やレーザプリンタ、ファクシミリ等の画像形成装置に関するものである。

従来、電子写真技術を用いたフルカラー画像形成装置としては、主に次の２つのタイプのものが知られている。その１つは、４サイクルタイプと呼ばれるものである。このタイプは、１つの感光体を備えた作像装置において、その感光体に電子写真プロセスにより画像情報に応じた複数色のトナー像を順次形成する。そして、その各色のトナー像を、感光体に接触し得る状態で周回する転写材上に順次重ね合わせるように転写する。もう１つは、タンデムタイプと呼ばれるものである。このタイプは、１つの感光体を備えた複数の作像装置において、その各作像装置における感光体に電子写真プロセスにより画像情報に応じた複数色のトナー像をそれぞれ形成する。そして、その各トナー像を感光体に接触し得る状態で転写材上に順次重ね合わせるように転写する。このような各々のタイプにおいて、トナー像を転写材に転写する際に中間転写体を用いるものが近年主流となりつつある。

上記のような画像形成装置では、同一の設定条件下で画像形成を行っても、形成される画像の濃度は一定しない。これは、トナーの帯電量、感光体の感度、或いは転写効率の変動といった各種の画像形成パラメータの変動や、温湿度等の環境条件の変動等が影響するためである。

そこで従来では、感光体や中間転写体上で現像されたトナー像の濃度または高さを検出し、この検出結果に基づき、トナーの補給や帯電電位、像露光光量、或いは現像バイアス等の各種画像形成パラメータを制御するようにしている。

トナー像の濃度或いは高さを検出する技術は、例えば特許文献１，２，３に記載されている。以下、この技術について図１４及び図１５を参照して簡単に説明する。

図１４は、上記文献に開示された、トナー厚さ検出方法を説明するための断面図である。

まず、感光体や中間転写体などの像担持体１０６上にトナーパッチ（トナー像）１０５を形成する。そして、レーザダイオードなどの光源１０１の光を、集光レンズ１０２によって、トナーパッチ１０５の表面に集光する。トナーパッチ１０５から反射された光は、受光レンズ１０３によって、ラインセンサ１０４に結像される。ラインセンサ１０４は、受光レンズ１０３によって結像された像の空間的な強度分布（光強度の分布）を撮像する。

その後、図には示さないが、ラインセンサ１０４によって撮像された像、つまりトナーパッチ１０５から得られた反射波形をデジタル信号に変換してメモリに記憶する。そして、信号処理部によって、メモリに記憶した反射波形のデータからトナーの付着量を求める。続いて、このトナーの付着量を求める方法について説明する。

図１５は、ラインセンサ１０４から得られる反射波形を示す波形図である。

この図から明らかなように、ラインセンサ１０４からは、各反射波形の中央でピークを示す波形が得られる。光源１０１からトナーパッチ１０５の表面までの光路長と、光源１０１から像担持体１０６の表面までの光路長とは異なる。そのため、トナーパッチ１０５の表面からの反射光と、像担持体１０６の表面からの反射光とが結像するラインセンサ１０４上の位置が異なる。言い換えれば、トナーパッチ１０５の厚さに応じて、両反射光の反射波形（図１５中のトナー反射波形２０１と像担持体反射波形２０２）のピーク点の位置が異なる。したがって、両反射波形のピーク点の位置の差（図１５中のＰｄ）からトナーの厚さ、つまりトナーの付着量を計測することができる。

特開平４−１５６４７９号公報 特開平８−３２７３３１号公報 特開２００７−１９９５９１号公報

上記特許文献の方法では、反射光強度が十分得られるカラートナー像（イエロー、マゼンタ、シアンなど）に対しては有効に用いることが可能である。しかし、ブラックトナー像、特に高濃度のブラックトナー像に用いられた際に、反射光の光量が十分得られないためにトナー像の高さを正確に測定することができなくなるという問題があった。この点について図１６を参照して説明する。

図１６は、上述した特許文献の方法によって、ブラックトナーによるトナー像の高さ検知を行った場合の、ラインセンサ１０４により得られる光量分布を表すグラフである。

光源１０１により照射された光の大半は、ブラックトナーにより吸収される。したがって、ラインセンサ１０４で得られる信号の強度は、図１６に示すように極めて小さくなるため、正確にピーク位置を特定することが困難であり、したがって、トナー像の高さを高精度に検出することができない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、次のようなトナー像高さ測定装置及び画像形成装置を提供することである。即ち、トナーの色に影響されることなく各色トナー像の高さを比較的簡易な構成により精度良く測定すること、特に、反射光量の少ないブラックトナーのトナー像の高さの測定精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るトナー像高さ測定装置は、像担持体上に担持されたトナー像の高さを測定するトナー像高さ測定装置であって、前記像担持体上に担持された前記トナー像に対して光を照射する光照射手段と、前記光照射手段により照射され、前記トナー像又は前記像担持体で反射した光の強度を検知する反射光検知手段と、前記反射光検知手段で検知した光の強度が変化するタイミングに基づいて、前記トナー像の高さを算出する算出手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、トナーの色に関係なく、簡易な構成により、像担持体上に持体されたトナー像の高さを精度良く測定することが可能となる。特に、反射光量の少ないブラックトナーのトナー像の高さの測定精度を向上させることができる。

電子写真方式の画像形成装置の一例を示す概略断面図である。 露光装置の構成を示す断面模式図である。 プリンタ制御部及びプリンタエンジン部の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るトナー像高さ測定装置のセンサ部の構成例を示す断面模式図である。 トナー像高さセンサの測定原理を説明するための断面模式図である。 トナー像の高さの違いを検知する原理を説明する断面模式図である。 トナー高さ測定方法におけるフォトダイオードの角度依存性を説明するための断面模式図である。 トナー像先端部の高さを検知する際のフォトダイオードの角度依存性を説明するための断面模式図である。 トナー像後端部の高さを検知する際のフォトダイオードの角度依存性を説明するための断面模式図である。 フォトダイオードの位置の違いによる検出光量変化の違いを示す図である。 第１の実施の形態におけるトナー像高さセンサの構成を示す概略断面図である。 トナー像高さセンサの出力信号を処理する信号処理系の構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態におけるトナー像高さセンサの構成を示す概略断面図である。 従来のトナー厚さ検出方法を説明するための断面図である。 ラインセンサから得られる反射波形を示す波形図である。 従来の方法によってブラックトナーによるトナー像の高さ検知を行った場合の光量分布を表すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１の実施の形態］
＜画像形成装置の構成及び動作＞
（Ａ）装置の全体構成
図１は、本発明を適用できる電子写真方式の画像形成装置の一例を示す概略断面図である。

本実施の形態における画像形成装置は、図１に示すように、プリンタ部１００Ｂと、このプリンタ部１００Ｂの上に搭載したリーダ部（イメージスキャナ）１００Ａとを有する。

リーダ部１００Ａは、原稿台ガラス８１、画像走査ユニット８５、ＣＣＤ等のフルカラーセンサ８４、及び画像処理部１０８などを有する。画像走査ユニット８５は、原稿台ガラス８１に載置された原稿８０の画像を走査する。フルカラーセンサ８４は、原稿８０の光像を読み取り画像信号に変換し、画像処理部１０８は、センサ８４で得られた画像信号に対して所定の画像処理を施す。

プリンタ部１００Ｂは、感光体ドラム１、一次帯電器２、露光装置３、現像装置４、転写装置５、クリーニング装置６、除電装置１１、中間転写クリーニング装置５５、搬送ベルト５８、及び定着装置９などを有している。

感光体ドラム１は、静電潜像担持体としての電子写真感光体であり、矢印Ａ方向に回転駆動される。一次帯電器２は、感光体ドラム１の周面を均一に帯電し、露光装置３は、帯電した感光体ドラム１に画像情報に応じた露光光Ｅを照射して静電潜像を形成するための装置である。また、現像装置４は、感光体ドラム１に形成された静電潜像を現像剤（トナー）により現像することによって感光体ドラムの周面にトナーによる可視像（トナー像）を形成するための装置である。

転写装置５は、感光体ドラム１が担持するトナー像を中間転写ベルト５１に一次転写し、中間転写ベルト５１上つまり中間転写体上のトナー像を再度記録材に二次転写するための装置である。また、クリーニング装置６は、トナー像を転写した後の感光体ドラム１の表面の付着物を感光体ドラム１の表面から除去するための装置であり、除電装置１１は、付着物が除去された感光体ドラム１の表面に光を照射して静電履歴を消去するための装置である。

中間転写クリーニング装置５５は、トナー像を記録材Ｐに転写した後の中間転写ベルト５１の表面の付着物を中間転写ベルト５１の表面から除去するための装置である。また、搬送ベルト５８は、トナー像が転写された記録材Ｐを搬送し、定着装置９は、搬送ベルト５８で搬送された記録材Ｐのトナー像を記録材Ｐに定着させるための装置である。

より具体的に説明する。図２は、露光装置３の構成を示す断面模式図である。図２に示すように、露光装置３は、発光信号発生器３３、固体レーザ３４、コリメータレンズ系３５、回転多面鏡（ポリゴンミラー）３１、ｆ／θレンズ群３２、及び反射ミラー群３６を有している。

発光信号発生器３３は、リーダ部１００Ａで読み取られた画像信号に基づいて照射する光の発光信号を発生し、固体レーザ３４は、発光信号発生器３３からの発光信号に応じてレーザ光を発生するためのものである。コリメータレンズ系３５は、発生したレーザ光の光路幅を規定するためのレンズ系である。回転多面鏡（ポリゴンミラー）３１は、光路幅が規定されたレーザ光を反射するための装置であり、回転多面鏡３１で反射したレーザ光は、ｆ／θレンズ群３２及び反射ミラー群３６を介して感光体ドラム１に走査されるようになっている。

現像装置４は、例えば複数の現像器とこれらを円周部に有するロータリー部とから構成されている。そして、各現像器はそれぞれ、シアントナーを有する現像剤、マゼンタトナーを有する現像剤、イエロートナーを有する現像剤、及びブラックトナーを有する現像剤を収容する。現像装置４は、これら各現像器を、ロータリー部を矢印Ｂ方向に回転させることにより現像位置に移動するように構成されている。また、消費されたトナーに見合った新規のトナーが、各現像器内に補給される仕組みとなっている。

転写装置５は、中間転写ベルト５１、一次転写ローラ５３及び二次転写ローラ５７を有している。中間転写ベルト５１は、矢印Ｃ方向に走行する無端状の中間像担持体である。一次転写ローラ５３は、中間転写ベルト５１と感光体ドラム１との一次転写ニップ部において中間転写ベルト５１の背面から電圧を印加するためのローラである。二次転写ローラ５７は、中間転写ベルト５１と記録材Ｐが当接する二次転写ニップ部において記録材Ｐの背面から電圧を印加するためのローラである。

また、感光体ドラム１の外周側で現像装置４の上流側には、感光体ドラム１の表面電位を検出するための表面電位センサ１２が配置されている。さらに、プリンタ部１００Ｂには、本実施の形態における特徴的な構成の一部分を成すトナー像高さセンサが設置されている。このトナー像高さセンサは、度重なる静電潜像の現像や現像剤交換に起因する、トナーの帯電量の変動、感光体の感度の変動、或いは転写効率の変動と、温湿度等の環境条件の変動により変化したトナー像の高さを検出するためのセンサ装置である。

具体的には、トナー像高さセンサ２１，２２，２３のいずれか少なくとも１つが設けられている。トナー像高さセンサ２１は、感光体ドラム１上に現像されたトナー像の高さを検出するためのセンサ装置であり、トナー像高さセンサ２２は、中間転写ベルト５１上に一次転写されたトナー像の高さを検出するためのセンサ装置である。また、トナー像高さセンサ２３は、記録材Ｐ上に二次転写されたトナー像の高さを検出するためのセンサ装置である。

これらセンサを用いて、感光体ドラム１や、中間転写ベルト５１、記録材Ｐ上で現像されたトナー像の濃度または高さを検出する。この検出結果に基づき、トナーの補給や帯電電位、像露光光量、或いは現像バイアス等の各種画像形成パラメータにフィードバック制御するようになっている。

また、プリンタ部１００Ｂは，これらのほかにも、プリンタ部１００Ｂ全体の動作を制御するプリンタ制御部１０９や、記録材Ｐを収容する給紙カセット７、給紙ローラ７１，７２、排紙ローラ７４、及び排紙トレイ７５等を有する。給紙ローラ７１，７２は、給紙カセット７から記録材Ｐを一枚ずつ搬送し、レジストローラ７３は、トナー像の転写のタイミングに合わせて記録材Ｐを二次転写部に向けて搬送するためのローラである。また、排紙ローラ７４は、定着装置９から排出された記録材Ｐを機外に排出するためのローラであり、機外に排出された記録材Ｐは、排紙トレイ７５に収容される。

（Ｂ）画像形成装置の全体的動作
次に、本実施の形態における画像形成装置の全体的な動作について説明する。

まず、リーダ部１００Ａの動作について説明する。

リーダ部１００Ａにおいて、原稿台ガラス８１の上面に、複写すべき面を下面にして原稿８０を置き、その上に原稿板（不図示）を被せてセットする。画像走査ユニット８５は、コピー・キー（不図示）が押されることで、原稿台ガラス８１の下側において、この原稿台ガラス８１の、図１における紙面に対して左辺側のホームポジションから右辺側にガラス下面に沿って往動駆動される。そして、所定の往復終点に達すると復動駆動されて始めのホームポジションに戻される。

画像走査ユニット８５の往動駆動過程において、原稿台ガラス８１上の載置された原稿８０の下向き画像面が、画像走査ユニット８５内の露光ランプにより左辺側から右辺側にかけて順次照明走査される。その照明走査光の原稿面の反射光が短焦点レンズアレイによってフルカラーセンサ８４に結像入射する。

フルカラーセンサ８４は、その受光部において光信号を電荷信号に変えて、出力部において電荷信号を電圧信号に変換して出力する。このようにして得られたアナログ信号を画像処理部１０８へ出力し、周知の画像処理によりデジタル信号に変換してプリンタ部１００Ｂのプリンタ制御部１０９に出力する。即ち、リーダ部１００Ａにより原稿８０の画像情報が時系列電気デジタル画素信号（画像信号）として光電読み取りされる。

次に、プリンタ部１００Ｂの動作について説明する。

露光装置３により感光体ドラム１の表面をレーザ走査露光する場合には、図２に示すように、まずフルカラーセンサ８４から入力された画像信号に基づき、発光信号発生器３３により固体レーザ３４を所定タイミングで明滅（ＯＮ／ＯＦＦ）させる。そして、固体レーザ３４から放射された光信号であるレーザ光を、コリメータレンズ系３５によりほぼ平行な光束に変換し、さらに矢印ａ方向に高速回転する回転多面鏡３１により感光体ドラム１を矢印ｂ方向（長手方向）に走査する。これによって、ｆ／θレンズ群３２及び反射ミラー群３６を通して感光体ドラム１表面にレーザスポットが結像される。

このようなレーザ走査により、感光体ドラム１表面には走査分の露光分布が形成され、さらに、各走査毎に、感光体ドラム１の表面に対して垂直に所定量だけスクロールさせれば、感光体ドラム１の表面に画像信号に応じた露光分布が得られる。

感光体ドラム１は、中心支軸を中心に所定の周速度（プロセススピード）、例えば３００ｍｍ／ｓｅｃで矢印Ａ方向（反時計方向）に回転駆動される。その回転過程において除電装置１１により均一に除電を受けた後、一次帯電器２により負極性の一様なコロナ帯電処理を受ける。この一次帯電器２の処理によって感光体ドラム１の外周面がほぼ−７００Ｖに一様に帯電される。

そして、感光体ドラム１の一様帯電面に対して、露光装置３から出力される画像信号に応じてＯＮ／ＯＦＦ発光される固体レーザ３４の光を高速で回転する回転多面鏡３１によって走査する。その結果、感光体ドラム１表面には走査露光パターンに対応した各色の静電潜像が順次形成されていく。

感光体ドラム１上に形成された静電潜像は、現像装置４を回転させて感光体ドラム１に対向した現像位置へ所定の現像器を移動させ、二成分磁気ブラシ法によって、現像器により反転現像されて第一色目のトナー像として可視像化される。

感光体ドラム１上に形成されたトナー像が、感光体ドラム１の回転に伴って、感光体ドラム１と中間転写ベルト５１とが当接する一次転写部に到来すると、一次転写ローラ５３によって、前記トナー像が中間転写ベルト５１上へ転写される。中間転写ベルト５１は矢印Ｃ方向に回転駆動される。トナー像を担持した中間転写ベルト５１は、次のトナー像の一次転写を行うために移動していく。一次転写終了後、感光体ドラム１は、表面の残留トナーをクリーニング装置６で除去され、この後、感光体ドラム１の表面は除電装置１１で除電され、再度画像形成工程に供される。

こうして、中間転写ベルト５１上に所望数の色のトナー像を重畳転写し終えると、この時までに、給紙カセット７から取り出された記録材Ｐは、一度レジストローラ７３にその先端を停止させる。そして、中間転写ベルト５１上に形成された画像が記録材の所定の位置に転写されるようにタイミングを合わせる。レジストローラ７３から所定のタイミングで給紙された記録材Ｐは、二次転写部に達し、二次転写ローラ５７に印加される二次転写バイアスによって上述のトナー像が記録材Ｐ上に転写される。

二次転写を終了した記録材Ｐは搬送ベルト５８を介して定着装置９に搬送される。定着装置９に搬送された記録材Ｐは、加熱、加圧され、記録材Ｐの表面にフルカラー画像が定着される。その後、記録材Ｐは排紙ローラ７４により排紙トレイ７５上に排紙される。

一方、二次転写終了後、中間転写ベルト５１は、中間転写クリーニング装置５５で清掃され、再度画像形成工程に供される。

（Ｃ）プリンタ制御部及びプリンタエンジン部の構成
図３は、プリンタ部１００Ｂのプリンタ制御部１０９及びプリンタエンジン部１２０の構成を示すブロック図である。

図３に示すように、プリンタ制御部１０９は、ＣＰＵ１２８、ＲＯＭ１３０、ＲＡＭ１３２、及びＬＵＴ（Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ）１２５を有している。さらに、ＰＷＭ（パルス幅変調）回路１２６、発光信号発生器３３、パターンジェネレータ１２９、テストパターン記憶部１３１、及びトナー量換算回路１４２を備えている。また、トナー像高さセンサ２１の出力信号を処理する信号処理系として、Ａ／Ｄコンバータ７０７、光量変化時間検出部９０１、トナー像高さ演算部９０３、及びトナー量演算部９０５を備えている（これらについては図１２で詳述する）。そして、プリンタ制御部１０９は、プリンタ部１００Ｂのプリンタエンジン部１２０、リーダ部１００Ａの画像処理部１０８とそれぞれ通信を行うことができる。

ＣＰＵ１２８は、プリンタ制御部１０９の各部の制御を司るものである。ＲＯＭ１３０は、ＣＰＵ１２８で実行するプログラムを格納する。ＲＡＭ１３２は、ＣＰＵ１２８の作業領域や、データの一次記憶領域を提供する。ＬＵＴ１２５は、プリンタの出力特性が格納される。ＰＷＭ回路１２６は、濃度信号をドット幅に対応した信号に変換する回路である。パターンジェネレータ１２９は、所定の発振周波数を生成する回路である。テストパターン記憶部１３１は、テストパッチ用のパターンを記憶し、トナー量換算回路１４２は、原稿読み取りに基づく画像信号を画像濃度に変換する回路である。

プリンタエンジン部１２０は、上述した一次帯電器２、現像装置４、表面電位センサ１２、及び露光装置３のほか、固体レーザ及びフォトダイオードからなるトナー像高さセンサ２１、及び環境センサ１３を備えている。プリンタエンジン部１２０はプリンタ制御部１０９によって制御される。なお、プリンタ部１００Ｂには、トナー像高さセンサ２１，２２，２３のいずれか少なくとも１つが設けることができるが、以下では、このうちのトナー像高さセンサ２１を例にとって説明することにする。

一次帯電器２のグリッドバイアスと現像装置４の現像バイアスは、表面電位センサ１２によって検出された感光体ドラム１の表面電位に基づき、ＣＰＵ１２８により制御される。環境センサ１３は、画像形成装置内部の空気中の水分量を測定する。

リーダ部１００Ａは、前述のように原稿から読み取った画像の輝度信号（アナログ信号）がフルカラーセンサ８４により得られ、画像処理部１０８により面順次の画像信号に変換される。この画像信号は、初期設定時のプリンタ部１００Ｂのγ特性が入力された画像信号により表される、原画像の濃度と出力画像の濃度が一致するように、ＬＵＴ１２５によって濃度特性が変換される。

＜トナー像高さ測定原理＞
次に、本実施の形態で用いる、像担持体上に形成されたトナー像の高さを測定するトナー像高さ測定方法の原理について、図４〜図１０を参照して説明する。

図４は、本実施形態に係るトナー像高さ測定装置のセンサ部の構成例を示す断面模式図である。

本実施の形態に係るトナー高さ測定方法を実行するための装置であるトナー高さ測定装置は、図４に示すように、固体レーザ７０１、集光レンズ７０２、受光レンズ７０３、及びフォトダイオード７０４（反射光検知手段）を備えている。

固体レーザ７０１は、レーザ光を発光し、そのレーザ光が、像担持体１、及び像担持体１上に形成されたトナー像に照射される。フォトダイオード７０４は、その像担持体１及びトナー像で反射もしくは散乱された光を検知する。集光レンズ７０２は、固体レーザ７０１から発光されたレーザ光を集光するためのレンズである。受光レンズ７０３は、前記像担持体１及びトナー像から反射・散乱された光を集光するためのレンズである。

なお、図４の例では、説明を容易にするために、フォトダイオード７０４の位置は、固体レーザ７０１から像担持体１に照射されたレーザ光のうちの、正反射光を検知する位置に配置する場合を想定している。

図５は、本実施の形態のトナー像高さセンサの測定原理を説明するための断面模式図である。この図５（ａ），（ｂ），（ｃ）を用いて、像担持体１上に、ある高さのトナー像５０が形成されたとき、固体レーザ７０１から照射されたレーザ光の反射光量が像担持体１の移動とともにどのように変化するかを説明する。

当初固体レーザ７０１から発せられたレーザ光は、像担持体１上に照射されている（図５（ａ））。このとき、フォトダイオード７０４は像担持体１からの反射光を検出している。像担持体１が移動し、入射光がトナー像５０に照射されるところまで来ると、入射光はトナー像５０の表層で反射或いは散乱されるために、フォトダイオード７０４により検出される反射光量は減少する（図５（ｂ））。そして、像担持体１がさらに移動し、トナー像５０が反射光を遮らないところまで来ると、フォトダイオード７０４により検出される光量は再び増加する（図５（ｃ））。

図６（ａ），（ｂ）は、本実施の形態における、トナー像の高さの違いを検知する原理を説明する断面模式図である。

像担持体１上の決められた位置に、副走査方向に対して決められた長さのトナー像５０を形成し、フォトダイオード７０４による光量検出を行う。そのとき、入射光がトナー像５０に照射されて検出光量が減少するタイミング、或いはトナー像５０が反射光を遮らないところまで移動することにより検出光量が増加するタイミングについては、像担持体１上に作成されたトナー像５０の高さによって異なる。これは、図６（ａ），（ｂ）からも明らかである。つまり、トナー像５０の高さが高いほど、反射光量が減少するタイミングは早く、再び反射光量が増加するタイミングは遅くなる。

上述したように、本実施の形態のトナー高さ測定方法では、フォトダイオード７０４によって検出される反射光の強度が変化するタイミング（即ちある基準点からの時間）によって、トナー像５０の高さを検出する。

また実際、固体レーザ７０１とフォトダイオード７０４との位置関係により、フォトダイオード７０４で検出される反射光光量が変化するタイミングは異なる。図７は、本実施の形態のトナー高さ測定方法におけるフォトダイオードの角度依存性を説明するための断面模式図である。

図７に示すように、像担持体１上のレーザ光照射点を原点とし、像担持体１がその進行方向と逆向きの方向に成す角度を０°とし、固体レーザ７０１の位置の角度をα°（但しα＜９０）、フォトダイオード７０４の位置の角度をβ°とする。この場合、βの位置に応じてフォトダイオード７０４が検出する光量の変化するタイミングは異なる。具体的には、０＜β＜αのケース（以下、第１のケースと記す）、α＜β＜９０のケース（以下、第２のケースと記す）、９０≦β＜１８０のケース（以下、第３のケースと記す）、の３通りに区分される。

図８は、トナー像先端部の高さを検知する際のフォトダイオードの角度依存性を説明するための断面模式図である。

図８に示すように、まず，像担持体１上に固体レーザ７０１からレーザ光が照射された状態から，像担持体１の動きによりトナー像５０が照射位置へと近づいてくる場合について考える。

第１のケースの場合、固体レーザ７０１からの入射光がトナー像５０に照射される前に、トナー像５０が反射光とフォトダイオード７０４との間を遮り、フォトダイオード７０４の検出光量変化が起こる（図８（ａ））。一方、第２のケース、第３のケースの場合は、固体レーザ７０１からの入射光がトナー像５０に照射されるタイミングでフォトダイオード７０４の検出する反射光の変化が生じる（図８（ｂ））。

像担持体１上のトナー像５０の先端部の高さがｈ１、像担持体１の移動速度がｖ、であるとすると、トナー高さｈ１は、α或いはβを用いて、第１のケースの場合は以下の式１で、第２のケース、第３のケースの場合は式２でそれぞれ表される。

ｈ１＝ｖ・Δｔ１・ｔａｎβ ・・・（式１）
ｈ１＝ｖ・Δｔ１・ｔａｎα ・・・（式２）
ここでΔｔ１は、次式３で表される時間差である。

Δｔ１＝ｔａ−ｔ１ ・・・（式３）
但し、ｔａは、ある基準時間から、トナー像書き出し位置、即ちｈ１＝０を仮定した場合にレーザ光照射位置にトナー像５０の先端部が来るまでの時間であり、ｔ１は、トナー像５０が入射光を遮るまでの時間である。

実際、トナー像５０の高さを測定する場合は、ｔａを既知の値とし、ｔ１を検出して差分（Δｔ１）を求め、フォトダイオード７０４の位置に応じて式１或いは式２を用いることにより、トナー像５０の高さを算出することができる。

次に、副走査方向に対して決められた長さのトナー像５０に照射されていた状態から、像担持体１上に再び照射されるときの、フォトダイオード７０４の検出光量変化について図９を参照して説明する。図９（ａ），（ｂ）は、トナー像後端部の高さを検知する際のフォトダイオードの角度依存性を説明するための断面模式図である。

まず第１のケース及び第２のケースの場合（図９（ａ））、固体レーザ７０１からのレーザ光が、トナー像５０を照射し終えて像担持体１を照射し始めたタイミングで、フォトダイオード７０４の検出光量は変化する。このとき、トナー像５０の上面に照射されていたレーザ光がその側面に照射され、像担持体１上に照射されるまでにかかる時間は、トナー像５０の高さに応じて異なるが、像担持体１にレーザ光が照射されるタイミングは、トナー像５０の高さによらず常に一定である。この場合、第１のケース或いは第２のケースのような場合には、トナー像５０の後端部は高さ検出には用いない。これは、本実施の形態のような、反射光の光量変化のみを検出する構成ではレーザ光がトナー像５０の側面に照射されている時間を検出することは容易ではないためである。

一方、第３のケースの場合（図９（ｂ））は、トナー像５０に照射されていたレーザ光が像担持体１上に照射されるようになってからも、トナー像５０が反射光を照射点とフォトダイオード７０４との間で遮る時間が生じる。この時間をΔｔ２とすると、トナー像５０の後端部の高さｈ２は、像担持体１の移動速度ｖ、フォトダイオードの位置の角度βを用いて、以下の式４で表される。

ｈ２＝ｖ・Δｔ２・ｔａｎ（１８０−β） ・・・（式４）
この場合も、Δｔ２がトナー像５０の後端部の高さｈ２に応じて異なるために、Δｔ２を検出して式４を用いることで、トナー像５０の高さを算出することが可能である。

図１０は、フォトダイオード７０４の位置の違いによる検出光量変化の違いを示す図である。

上述したように、第１のケース、第２のケース、及び第３のケースによって、トナー高さ測定方法に用いられるトナー像５０の位置や、計算方法が異なる。そのため、実際の画像形成装置においては、目的や用途に応じて、フォトダイオード７０４の適切な位置を選択し、実装する。

上述したように、像担持体１が移動すると、第１のタイミングと第２のタイミングで、フォトダイオード７０４によって検出される光量が変化する。第１のタイミングとは、像担持体１に照射されていたレーザ光がトナー像５０に照射される（或いはトナー像５０に遮られる）タイミングである。第２のタイミングとは、トナー像５０に照射されていたレーザ光が再び像担持体１に照射されるタイミングである。

トナー像５０の高さが異なると、フォトダイオード７０４で検出している光量が変化するタイミングが異なってくる。本実施の形態では、この原理を利用して、光量が変化する時間を利用してトナーの高さを検出するものである。

＜第１の実施の形態に係るトナー像高さ測定方法＞
上記の測定原理を踏まえて、前述した画像形成装置を用いて、像担持体１上に形成されたトナー像５０の高さを測定するトナー像高さ測定方法の実施の一例について、図１１及び図１２を参照して詳細に説明する。

図１１は、本実施の形態に用いたトナー像高さセンサ２１の構成を示す概略断面図である。

このトナー像高さセンサ２１は、固体レーザ７０１、集光レンズ７０２、受光レンズ７０３、及びフォトダイオード７０４を有する。本実施の形態では、像担持体１である感光体ドラム１のレーザ光照射点を原点とし、感光体ドラム１がその進行方向と逆向きに成す角度を０°としたとき、固体レーザ７０１の位置の角度α＝４５°、フォトダイオード７０４の位置の角度β＝４５°である。

図１１において、固体レーザ７０１から射出されたレーザ光（測定光）は、レーザ光を対象物に集光する集光レンズ７０２を介して、感光体ドラム１及びトナー像５０を照射する。感光体ドラム１またはトナー像５０からの反射光（散乱光）は、受光レンズ７０３によってフォトダイオード７０４上に結像する。フォトダイオード７０４から出力される反射光量を示す信号は、Ａ／Ｄコンバータ７０７（図１２参照）によってデジタル信号に変換され、後述する信号処理を経てトナー量が算出される。

図１２は、トナー像高さセンサ２１の出力信号を処理する信号処理系の構成を示すブロック図である。

図１２において、フォトダイオード７０４から出力される反射光量を示す信号は、Ａ／Ｄコンバータ７０７によってデジタル信号に変換される。トナー像高さセンサ２１は、トナー像５０が形成されていない感光体ドラム１の表面上の基準位置に、測定光を照射して、感光体ドラム１の反射光量のデータ測定を開始する。

感光体ドラム１が移動すると、ある瞬間にトナー像５０に固体レーザ７０１から射出されたレーザ光が照射され、フォトダイオード７０４から出力される反射光量を示す信号が小さくなる。光量変化時間検出部９０１においては、固体レーザ７０１から射出されたレーザ光（測定光）が基準位置に照射されてから検出光量が一定量減少するまでの時間ｔ１を検出し、ＣＰＵ１２８を介してＲＡＭ１３２に格納する。

ＲＯＭ１３０には、感光体ドラム１の移動速度ｖ、固体レーザ７０１の角度位置情報α、及びレーザ光照射点が基準位置からトナー像５０の書き出し位置に移動するまでの時間ｔａが格納されている。トナー像高さ演算部９０３には、ＲＯＭ１３０に格納されたｖ、α、ｔａの情報、及びＲＡＭ１３２に格納された時間ｔ１（第１の時間）の情報が、それぞれＣＰＵ１２８を介して送付される。送付されたｖ、α、ｔａ、ｔ１を用いて、以下の式５，６とを用いて、トナー像５０の先端部の高さｈ１を算出する。

Δｔ１＝ｔａ−ｔ１ ・・・（式５）
ｈ１＝ｖ・Δｔ１・ｔａｎα＝ｖ・Δｔ１ ・・・（式６）
また、感光体ドラム１の移動が進むと、トナー像５０に照射されていた固体レーザ７０１から射出されたレーザ光が再び感光体ドラム１に照射される瞬間がある。さらに感光体ドラム１が移動すると、感光体ドラム１のレーザ光照射位置とフォトダイオード７０４との間をトナー像５０が再び遮らなくなる瞬間がある。図１２に示された光量変化時間検出部９０１では、固体レーザ７０１から射出されたレーザ光（測定光）が基準位置に照射されてから検出光量が一定量時間減少した後、再び検出光量が回復するまでの時間ｔ２（第２の時間）を検出する。ｔ２は、ＣＰＵ１２８を介してＲＡＭ１３２に格納される。

ＲＯＭ１３０には、レーザ光照射点が基準位置からトナー像５０の書き出し終わり位置に移動するまでの時間ｔｂが格納されている。トナー像高さ演算部９０３には、ＲＯＭ１３０に格納されたｖ、α、ｔｂの情報及び、ＲＡＭ１３２に格納された時間ｔ２の情報が、それぞれＣＰＵ１２８を介して送付される。送付されたｖ、α、ｔｂ、ｔ２を用いて、以下の式７，８により、トナー像５０の後端高さｈ２を算出する。

Δｔ２＝ｔｂ−ｔ２ ・・・（式７）
ｈ２＝ｖ・Δｔ２・ｔａｎ（１８０−β）＝ｖ・Δｔ２ ・・・（式８）
トナー像高さ演算部９０３では、上記の流れで得られたトナー像５０の先端部の高さｈ１、後端高さｈ２を式９により相加平均し、トナー像５０の高さｈをより正確に求める。

ｈ＝（ｈ１＋ｈ２）／２ ・・・（式９）
トナー像高さ演算部９０３で求められたトナー像５０の高さｈは、ＣＰＵ１２８を介してＲＡＭ１３２に格納される。

ＲＯＭ１３０には、トナー像５０の高さに対応したトナー量のテーブルと、トナー量に応じたトナー濃度のテーブルとが格納されている。トナー量演算部９０５では、ＲＡＭ１３２に格納されたトナー像高さｈとこれらのテーブルとから、感光体ドラム１上に形成されたトナー像の濃度を算出する。

＜第１の実施の形態に係る利点＞
第１の実施の形態のような、トナー像高さセンサ２１の構成及びトナー像の高さの算出方法は、特に次のような場合に有効に用いられる。即ち、像担持体１上に形成されたトナー像５０の高さを検出するに際し、光量変化を十分に稼いだ測定を行いたい場合（つまりトナー像の高さが比較的高い場合）に有効に用いることができる。

［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態は、前述した第１の実施の形態に対して、下記に示す点において相違する。本実施の形態のその他の要素は、上述した第１の実施の形態の対応するものと同一なので説明を省略する。

図１３は、第２の実施の形態におけるトナー像高さセンサ２１の構成を示す概略断面図である。

図１３に示すように、トナー像高さセンサ２１は、固体レーザ７０１、集光レンズ７０２、受光レンズ７０３、及びフォトダイオード７０４を有する。第２の実施の形態では、像担持体である感光体ドラム１のレーザ光照射点を原点とし、感光体ドラム１がその進行方向と逆向きに成す角度を０°としたとき、固体レーザ７０１の位置の角度α＝４５°、フォトダイオード７０４の位置の角度β＝２５°である。なお、信号のフローについては、第１の実施の形態と同様であるため、説明を省略する。

感光体ドラム１が移動すると、ある瞬間にトナー像５０が、感光体ドラム１表面に対するレーザ光の照射を遮る位置に来るため、フォトダイオード７０４から出力される反射光量を示す信号が小さくなる。

ＲＯＭ１３０には、感光体ドラム１の移動速度ｖ、固体レーザ７０１の角度位置情報α、及びレーザ光照射点が基準位置からトナー像５０の書き出し位置に移動するまでの時間ｔａが格納されている。トナー像高さ演算部９０３には、ＲＯＭ１３０に格納されたｖ、β、ｔａの情報と、ＲＡＭ１３２に格納された時間ｔ１の情報とがそれぞれＣＰＵ１２８を介して送付される。時間ｔ１は、固体レーザ７０１から射出されたレーザ光（測定光）が基準位置に照射されてから検出光量が一定量減少するまでの時間である。そして、これらの情報を用いて以下の式１０，１１により、トナー像５０の先端部の高さｈ１を算出する。

Δｔ１＝ｔａ−ｔ１ ・・・（式１０）
ｈ１＝ｖ・Δｔ１・ｔａｎβ ・・・（式１１）
第２の実施の形態のトナー像高さセンサ２１の形態では、原理で説明したように、トナー像５０の後端部の高さを測定することはできない。そのため、トナー像５０の先端部の高さｈ１を、トナー像５０の高さとして、トナー像の濃度を求める。トナー像算出のプロセスは、第１の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。

＜第２の実施の形態に係る利点＞
第２の実施の形態のような、トナー像高さセンサ２１の構成及びトナー像の高さの算出方法は、特に次のような場合に有効に用いられる。即ち、像担持体１上に形成されたトナー像５０の高さを検出するに際し、高さ変化に敏感な場合（即ち高分解能での計測が必要な場合、トナー像の高さが比較的低い場合など）に、有効に用いることができる。

［他の実施の形態］
上記各実施の形態では、トナー像の高さを測定するに際し、測定対象物であるトナー像が担持された像担持体として、感光体ドラム１を例にとって説明した。そのほかに、感光体ドラム１が担持するトナー像が一次転写された中間転写ベルト５１や、中間転写ベルト５１上のトナー像が二次転写された記録材を本発明の像担持体としても良い。

また、画像形成装置として、上述の感光体や、現像手段、クリーニング手段等の構成要素のうち、複数のものを装置ユニットとして一体に結合して構成し、このユニットを装置本体に対して着脱自在のカートリッジに構成しても良い。例えば、感光体ドラム１とクリーニング装置６とを一体化して１つの装置ユニットとし、装置本体のレール等の案内部材を用いて着脱自在に構成しても良い。この時、上記の装置ユニットの方に帯電手段及び／または現像手段を伴って構成しても良い。

また、本発明における露光手段、現像手段、転写手段等の、通常の電子写真プロセスを行うために必要な手段は何ら限定されるものでなく、装置構成上クリーニング装置を除いたクリーナーレスシステムでの画像形成装置の構成要素を利用することなども可能である。

また、本発明は、上記感光体及び帯電手段等を備えた画像形成装置として構成され、電子写真複写機に利用するのみならず、レーザビームプリンタ、ＣＲＴプリンタ、ＬＥＤプリンタ、液晶プリンタ、レーザ製版等の電子写真応用分野にも広く用いることができる。さらに、本発明はリモート端末からの画像情報を受信する受信手段を有するファクシミリで構成することもできる。

１ 感光体ドラム
５１ 中間転写ベルト
２１ トナー像高さセンサ
１２８ ＣＰＵ
７０１ 固体レーザ
７０４ フォトダイオード
７０７ Ａ／Ｄコンバータ
９０１ 光量変化時間検出部
９０３ トナー像高さ演算部
９０５ トナー量演算部

Claims (4)

1. 像担持体上に担持されたトナー像の高さを測定するトナー像高さ測定装置であって、
   前記像担持体上に担持された前記トナー像に対して光を照射する光照射手段と、
   前記光照射手段により照射され、前記トナー像又は前記像担持体で反射した光の強度を検知する反射光検知手段と、
   前記反射光検知手段で検知した光の強度が変化するタイミングに基づいて、前記トナー像の高さを算出する算出手段とを有することを特徴とするトナー像高さ測定装置。
2. 前記光照射手段より照射された光が基準位置に照射されてから前記反射光検知手段での検出光量が一定量減少するまでの第１の時間を検出する手段と、
   前記光照射手段より照射された光が基準位置に照射されてから前記反射光検知手段での検出光量が一定量時間減少した後、再び検出光量が回復するまでの第２の時間を検出する手段とを有し、
   前記算出手段は、
   前記第１の時間に基づいて前記トナー像の先端部の高さを算出する手段と、
   前記第２の時間に基づいて前記トナー像の後端部の高さを算出する手段と、
   前記トナー像の先端部の高さと前記トナー像の後端部の高さを相加平均して前記トナー像の高さを算出する手段とを有することを特徴とする請求項１に記載のトナー像高さ測定装置。
3. 前記像担持体は、前記トナー像を担持する感光体、該感光体が担持するトナー像が一次転写された中間転写体、または前記中間転写体上のトナー像が二次転写された記録材であることを特徴とする請求項１または２に記載のトナー像高さ測定装置。
4. トナー像を担持する像担持体と、
   前記像担持体上に担持された前記トナー像に対して光を照射する光照射手段と、
   前記光照射手段により照射され、前記トナー像又は前記像担持体で反射した光の強度を検知する反射光検知手段と、
   前記反射光検知手段で検知した光の強度が変化するタイミングに基づいて、前記トナー像の高さを算出する算出手段とを有することを特徴とする画像形成装置。