JPH11272060A - 電子写真式プリンタにおけるトナ―量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 現存するいずれの方式のトナーカートリッジ
にも、その改造を必要とせずに適用して、そのトナー残
量を経済的、かつ正確に検出する。 【解決手段】 プリンタ４０内のトナーカートリッジ４
２の一部に、送信電極５２および受信電極４６〜４８を
位置している。送信電極５２と受信電極４６〜４８との
間に信号を加える。トナーカートリッジ４２内部のトナ
ーが送信電極５２および少なくとも一つの受信電極４６
〜４８により確立された電界内部で誘電体の一部を形成
している状態で、送信電極５２により受信電極４６〜４
８の中に誘導された変位電流を検出する。この変位電流
の信号を、トナーカートリッジ４２内のトナー残量を示
す信号に変換して出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザプリンタお
よび複写機などの電子写真式プリンタにおけるトナー残
量を測定する、電子写真式プリンタにおけるトナー残量
の測定技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザプリンタおよび複写機など
の電子写真式プリンタでは、回転ドラムまたは用紙に静
電吸引によって乾燥した粒子（粉末）のトナーを転写す
る電子写真技法が採用されている。この電子写真技法で
は、トナー像を用紙に転写し、加熱してトナー像を熱溶
解し、これによって、トナー像が用紙に付着して転写さ
れるようになっている。このような電子写真技法にかか
る装置は、多数の方式が周知である。

【０００３】通常、トナーは、電子写真式プリンタにお
けるトナーカートリッジを交換することによって補充さ
れる。このトナーカートリッジは、通常、プラスチック
容器に乾燥したトナーを収納している。

【０００４】図１３は、従来技術における多種のトナー
カートリッジにおける一例を示す斜視図である。図１３
において、このトナーカートリッジは、レーザプリンタ
および複写機のような電子写真式プリンタでの交換可能
なユニットで構成されている。トナーカートリッジ１０
は、プラスチックハウジング１２を備えている。このプ
ラスチックハウジング１２は通常不透明であるが、ここ
では透明状態をもって図示した。また、プラスチックハ
ウジング１２に粉末のトナー１４が収納されている。

【０００５】単色電子写真式印刷装置では、トナー１４
が通常、細かい黒色の樹脂粉末である。このトナー１４
は、帯電した用紙上に直接転写するか、または、感光体
ドラム、感光体ベルトあるいはローラにおける帯電面か
ら用紙に転写し、次に、加熱して用紙に熱溶解して付着
される。なお、トナー１４は既知のどのような種類のも
のでも同様に処理される。

【０００６】この慣用的に使用されるトナーカートリッ
ジ１０は、撹拌棒１６を備えている。この撹拌棒１６
は、回転する棒を用い、または傾斜トラフ１８の底近く
でトナー１４を緩やかにかき回すパドルのような多種の
形態である。この撹拌棒１６によって、トナー１４の凝
固を防止するとともに、トナー１４を印刷プロセス中の
必要な要部に供給できるようになる。この撹拌棒１６の
回転速度は、通常、毎分２４ページの電子写真式プリン
タにおいて１０〜３０ｒｐｍ程度である。

【０００７】カートリッジ１０には、トナー１４の薄層
を、その表面に吸引して感光体ドラムに移転させるため
の現像ローラ２０を備えている。感光体ドラムは、トナ
ー１４が感光体ドラムの所定領域にのみ付着するよう
に、レーザまたは他の技法を用いて選択的に帯電され
る。感光体ドラム上のトナー１４（トナー像）が用紙に
転写される。次に用紙を加熱してトナー１４を用紙に熱
融着する。

【０００８】図１４は、他の従来技術のトナーカートリ
ッジの側面図である。図１４に示す現存する他のカート
リッジ２２では、撹拌棒２４とともに、一次帯電ローラ
２６、およびこの一次帯電ローラ２６に近接して設けら
れる感光体（ＯＰＣ）ローラ２８を有している。一次帯
電ローラ２６は、ＯＰＣローラ２８に対する帯電を行
う。また、レーザ光ビームが、ＯＰＣローラ２８に対
し、感光による記録画像（静電潜像）を形成する。現像
ローラ２０は、トナー１４の薄層をＯＰＣローラ２８の
所定領域に供給する。次に、ＯＰＣローラ２８に移転さ
れたトナー１４がさらに用紙に移転（転写）され、トナ
ー像が用紙上に形成される。この現存する一例のトナー
カートリッジ２２は、ヒューレットパッカード５ＳｉＭ
Ｘ／レーザジェットプリンタ用Ｃ３９０９Ａレーザジェ
ットカートリッジである。

【０００９】金属ワイヤ３２が現像ローラ２０の近くに
配置されている。ワイヤ３２と現像ローラ２０との間に
接続されたセンサ（図示せず）がワイヤ３２と現像ロー
ラ２０との間のキャパシタンスを検出する。トナー１４
が、ワイヤ３２を露出させる程度に減少すると、検出さ
れる静電容量（キャパシタンス）が変化する。この変化
による静電容量値が、ユーザにトナー残量が少ないこと
を通知するために用いられる。

【００１０】なお、このような現存する他のカートリッ
ジには、この他の構成要素がさらに設けられていること
がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このように上記従来例
では、トナー残量のユーザへの通知を、ローカル配置
（狭い領域に配置）またはネットワーク化（広域に配
置）されたプリンタに適用できることが重要である。ト
ナー残量を、ローカル配置またはネットワーク化による
プリンタが、そのアプリケーションプログラムで呼び出
してユーザ向けに表示し、またはメッセージを報知する
ことができる。ユーザおよび保守員によるトナー残量の
確認は、印刷業務上での不適当な作業である。すなわ
ち、その業務が負担となる。

【００１２】この問題に対する現在の解決技法として
は、前記した図１４をもって説明した以外にも、ユーザ
が目視し、または光センサによってトナー残量を確認で
きる窓を備えたトナーカートリッジが周知である。ま
た、トナーカートリッジに電極を組み込んでトナー残量
を測定する技法、または当業者にとっては既知であるト
ナーカートリッジのトナーに接触して動作するフロー
ト、パドル、または他の物理的センサを用いた技法も周
知である。このそれぞれの技法を適用してトナー残量を
測定する場合、トナーカートリッジに対する改造（設計
上の改良や完成製品に対する機構的な改造）が必要とな
る。このようなトナー残量を測定する技法を備えるよう
に構成すると、それぞれのトナーカートリッジのコスト
が増大する。なお、現在実用化されている全ての技法で
は、トナー満量からトナー空までの全範囲にわたる正確
なトナー残量の確認動作できず、高精度の測定が出来な
い。

【００１３】本発明は、このような従来の技術における
課題を解決するものであり、いずれの方式のトナーカー
トリッジにもその改造を必要とせずに、現存するトナー
カートリッジにそのまま適用できるようになり、トナー
カートリッジ内のトナー残量を経済的かつ正確に測定で
きる、子写真式プリンタにおけるトナー残量の測定技術
の提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するため
に、本発明の電子写真式プリンタにおけるトナー残量の
測定技術は、トナーカートリッジ内のトナー残量を測定
する際に、トナーカートリッジに対する改造を必要とせ
ずに、現存するトナーカートリッジにそのまま適用でき
る。トナーカートリッジに少なくとも送信電極および受
信電極を設けて電子写真式プリンタに配置する。送信電
極および受信電極はコンデンサの二つの極板として動作
し、トナーカートリッジ内のトナーが二つのコンデンサ
極板間の誘電体の一部となる。発振電圧信号を送信電極
に加えて、誘電体のキャパシタンスで変化する受信信号
を受信電極を通じて検出する。この場合の受信信号はト
ナー残量によって変化する。この受信信号の値（レベ
ル）は、対向する送信電極および受信電極間のトナー残
量に対応している。

【００１５】この一実施形態では、受信信号をフィルタ
リング（濾波）して雑音を除去し、整流または復調し、
再びフィルタリングしてデジタル信号に変換する。この
処理（プロセス）では、アナログ／デジタル変換器での
ダイナミックレンジを活用するために、信号を再び調整
してＤＣオフセットを設定することができる。信号の最
小値および最大値の特性を抽出し、この結果（測定値）
をルックアップテーブルを参照し、または解析式を用い
てトナー残量に対応するように変換する。ルックアップ
テーブルの変換内容、解析式の係数および解析形態は、
通常、経験則を用いて決定される。

【００１６】ルックアップテーブルまたは解析式による
測定値をさらに処理して、画面表示装置に送出する。こ
の画面表示装置で、ユーザに対するトナー残量を通知す
る画面表示を行う。また、今後の印刷可能なページ数の
推定値を画面表示装置に送出して、その画面表示を行
う。本発明の電子写真式プリンタにおけるトナー量測定
装置を、プリンタに設けることができる。また、ユーザ
が使用する離れた画面表示装置上で、そのポップアップ
ウィンドウ、メニュー項目、印刷命令対話ボックス、ま
たは他の指示の形態で画面表示することも可能である。

【００１７】送信電極および受信電極の構成をプリンタ
内に設けて、そのトナー残量とともにトナーカートリッ
内のトナーの分布状態を検出することもできる。このト
ナーの分布状態は、一様な分布状態でない場合、その印
刷品質が劣化する可能性がある。すなわち、トナーの分
布状態は、全てのトナーが完全になくなる前にトナーカ
ートリッジを交換し、または対処操作を行うための有効
な情報となる。

【００１８】このように、本発明の電子写真式プリンタ
におけるトナー残量の測定技術では、トナーカートリッ
ジに設けた送信電極および受信電極間のトナーが二つの
コンデンサ極板間の誘電体となり、この誘電体のキャパ
シタンスで変化する受信信号を受信電極を通じて検出す
る。この変化は、トナー残量によってその受信信号が変
化する。この変化する受信信号の値（レベル）は、対向
する送信電極および受信電極間のトナー残量に対応して
いる。

【００１９】この結果、いずれの方式のトナーカートリ
ッジにも、その改造を必要とせずに、現存するトナーカ
ートリッジに適用できるようになり、トナーカートリッ
ジ内のトナー残量を経済的かつ正確に測定できることに
なる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の電子写真式プリン
タにおけるトナー残量の測定方法およびその装置の実施
の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本
発明の電子写真式プリンタにおけるトナー残量の測定方
法およびその装置の実施形態における構成を示す斜視図
であり、本発明の一実施形態を適用した（組込んだ）プ
リンタ４０を示している。このプリンタ４０は、レーザ
プリンタや複写機などのプリンタのように、トナーカー
トリッジを備えたいずれのプリンタでも良い。

【００２１】図１は、従来のトナーカートリッジ４２を
プリンタ４０の開口４４に装着して示している。このト
ナーカートリッジ４２は、前記したトナーカートリッ
ジ、または既知の他のトナーカートリッジのどのような
ものでも良い。トナーカートリッジ４２の形状は、トナ
ー残量の正確な測定に必要な電極数およびその設置がで
きることが必要であり、この点が本発明と関係する。

【００２２】本発明の好適な実施形態では、トナーカー
トリッジ４２の内部のトナー残量を、トナーカートリッ
ジ４２の構造に対して、その改造を必要としないで測定
できる。

【００２３】また、他の実施形態では、導電フィルムま
たはワイヤがトナーカートリッジ４２の製造中に組込ま
れて、本発明で用いる電極として使用される。この電極
として、例えば、トナーカートリッジ４２の外面に接着
剤を塗布した金属テープを貼り付けて廉価に構成するこ
とができる。この金属テープに、ユーザへの指示、製品
部品番号および製造業者の情報を格納する。この情報に
よって、本発明の機能をより良く実施できることにな
る。

【００２４】これによって、現存するプリンタに対し、
本発明を妥当なコストをもって適用できる。すなわち、
現存するプリンタの構造に対して、特別な機構の変更
（改造）を伴うことなく、その適用が可能になる。

【００２５】プリンタ４０には、トナーカートリッジ４
２の内部のトナーが送信電極および受信電極で形成され
る電界内に位置するように容器４４が設けられている。
この容器４４の内部に少なくとも一つの送信電極および
少なくとも一つの受信電極が設けられている。この送信
電極および受信電極は、その設置位置を逆転して配置し
ても良い。

【００２６】この送信電極および受信電極の大きさおよ
び配置は、特定の形式のプリンタおよびトナーカートリ
ッジに対して最適化される。図１に示す特定の実施形態
では、３つの受信電極４６，４７および４８が、容器４
４の下面に設置されている。プリンタ４０の蝶番式ドア
５０が、破線で輪郭を示した送信電極５２を支持してい
る。受信電極電極４６，４７および４８はそれぞれ、ヒ
ューレットパッカード５ＳｉＭＸ／レーザジェットプリ
ンタのような現存プリンタの表面に対して薄い導電テー
プ（接着剤を裏に塗布した銅テープなど）を接着して用
いれば良い。

【００２７】本発明では、一つの受信電極を用いている
が、後で説明するように、多重電極を用いるとトナーカ
ートリッジ４２の内部のトナーの分布状態を判別できる
ようになる。この場合、図１に示す受信電極の構成で
は、トナーカートリッジ４２の長手方向に対するトナー
分布状態を検出できるように配置する。

【００２８】図２は、受信電極５６を二次元配列した他
のプリンタ５４の構成を示す斜視図である。図２におい
て、他のプリンタ５４では、二次元配列した受信電極５
６をトナーカートリッジ４２の幅および長さの方向のト
ナー分布状態を検出するために使用することができる。

【００２９】なお、本発明では、その原理説明のため
に、図１に示す構成の受信電極の使用を仮定している
が、この発明は図２に示す受信電極の構成および他の構
成にも同様に適用されるものである。

【００３０】図３は、図２に示すプリンタ５４に蝶番ド
ア５０を閉じた状態のトナーカートリッジ４２を挿入し
た概略を示す側面図である。この図３は、送信電極５２
がトナーカートリッジ４２の上に位置するように図示し
ており、また、受信電極４６〜４８がトナーカートリッ
ジ４２の下に位置するように図示している。ここでの電
極は、トナーカートリッジ４２と接触している必要はな
い。トナー１４の移転機構の通常の位置を、破線輪郭５
９で示している。

【００３１】図４は、信号発生器、および送信電極５２
と受信電極４６〜４８との間に接続され、ノード（出力
端）６２でトナーカートリッジ４２の内部のトナー１４
の残量に応答する信号を発生する受信回路６０の、電気
的構成を示す回路図である。この図４に示す受信回路６
０において、発振器６４は、送信電極５２に印加されて
トナー１４を貫く電界を発生する発振電圧信号を発生す
る。演算増幅器６６は電流／電圧変換の動作を行い、そ
の非反転端子は接地され、かつ反転端子が受信電極４６
〜４８の一つ以上に接続されている。発生電界によって
受信電極４６〜４８で誘起した変位電流が、演算増幅器
６６でノード６２の出力電圧に変換される。演算増幅器
６６のフィードバック抵抗器Ｒは、ここでの電圧利得を
決定する。

【００３２】図４から分かるように、送信電極５２を構
成する表面、トナーパイルの上面および下面、および受
信電極４６〜４８が、直列接続の３つのコンデンサ
Ｃ₁，Ｃｘ，Ｃｏを形成しており、キャパシタンスＣ₁お
よびＣｘは、対向距離ｌ₁およびｌｘで変化する。キャ
パシタンスは次式（１）によって求めることができる。

【００３３】Ｃ＝ＡＫａ₀／１ …（１） 但し、Ｃ：キャパシタンス ａ₀：空き空間の誘電率（８.８５×１０^-12（coul²/new
ton²−m²) Ｋ：誘電率（トナー１４が約３、空気が１） Ａ：極板の面積 ｌ：誘電体の厚さ

【００３４】式（１）の全ての値は、誘電体の厚さｌ₁
およびｌｘを除いて直列接続の各キャパシタンスについ
て不変であり、ｌ₁およびｌｘは、送信電極５２と受信
電極４６〜４８との間のトナー１４の残量とともに変化
する。

【００３５】電子写真式プリンタが、ある時間にページ
印刷を行っていなかった場合、トナー１４は移動せずに
静止しており、その密度が増加する。この場合の誘電率
に注目する。印刷中のトナー１４は、電子写真の転写プ
ロセスが確実に行われるようにトナーカートリッジ４２
内で撹拌される。これはトナー１４を一時的に凝集さ
せ、トナー１４の誘電率および誘電体の厚さの両方が変
化する可能性がある。なお、この状態は、プリンタ５４
での最新の印刷履歴情報を使用して、すなわち、印刷枚
数などからトナー１４の静止および凝集の状態を推定し
て、その補正を行うことも可能である。

【００３６】演算増幅器６６で測定される誘電変位電流
は、図４における実際のキャパシタンスＣで決定され
る。このキャパシタンスをＣ＝（Ｃ₀Ｃ₁＋Ｃ₀Ｃｘ＋Ｃ₁
Ｃｘ)／（Ｃ₀Ｃ₁Ｃｘ）で表すことができる。電流はキ
ャパシタンスＣのインピーダンスによって変化するの
で、ｊ／２πｆＣによって、キャパシタンスＣｘの厚さ
ｌｘが低下するごとに、キャパシタンスが減少し、イン
ピーダンスが増加する。すなわち、電流が減少する。ト
ナーカートリッジ４２の中のトナー量が減少すると、送
信電極と受信電極との間の全体のキャパシタンスが減少
し、この結果、図４中のノード６２の出力電圧が低下す
る。

【００３７】ノード６２における出力電圧を、トナー残
量に対応させる信号処理回路に入力する。このトナー残
量を示す信号を、次にネットワークによってシステムア
ドミニストレータ通じて、プリンタまたはユーザが離れ
てアクセスするための画面表示装置に送出し、ここで画
面表示してユーザに通知することができる。また、この
トナー残量の信号を、トナー残量によって印刷ジョブ
（印刷枚数）を完了させることが出来ないと予想できる
際に、印刷制御装置での制御によって印刷停止とするた
めにも使用できる。

【００３８】図４で説明したもの以外の他の回路を当業
者が開発して、変位電流またはキャパシタンス値の変化
を検出する信号を発生することができる。言い換えれ
ば、本発明は図４の実施形態に限定されない。例えば、
受信電極を接地し、この場合の送信電極に電流を供給す
る際の、供給電流を受信電極での検出電流に代えて検知
するようにしても良い。

【００３９】トナーカートリッジ４２には通常、型式に
もよるが、最大（満量時）約２５０〜１０００グラムの
トナー１４が収納されている。電子写真式プリンタに用
いられるトナー１４は、通常、重量で５０％から９５％
の、ポリスチレン、ポリエチレン、またはポリエステル
のような、熱可塑性樹脂を有している。これに磁鉄鉱、
着色剤、および（それぞれ通常は１０％未満の量で）蝋
および帯電制御剤のような種々の添加剤を含めることが
できる。トナー１４の誘電率は３に近く、これは空気
（１. ０）とは大きく異なっており、トナーカートリッ
ジ４２に入っている満量のトナーは、その保存容器の誘
電率と近いものである。したがって、誘電体となるトナ
ーの残量を、送信電極と受信電極との間の交番電界内の
容量を計測することによって測定できることになる。

【００４０】図５は、トナーカートリッジ４２の内部の
トナーの分布状態を検出する際の複数の受信電極の使用
状態を示す側面図である。図５は、受信電極４６が図４
に示す演算増幅器６６によって仮想的に接地され、かつ
受信電極４７，４８が浮き状態での送信電極５２と受信
電極４６〜４８との間の電界線７０を示している。

【００４１】この電気的構成において、トナー残量の測
定は、主としてトナーカートリッジ４２の上部最左部の
トナー量を識別して行う。

【００４２】図６は、受信電極の別々の電気的構成に対
する電界線を説明するための図である。図６は受信電極
４６および４８が浮いた状態であり、受信電極４７が仮
想接地されている別の電気的構成を示している。この構
成は主としてトナーカートリッジ４２の中間部分にある
トナー残量を識別するものである。

【００４３】送信電極および受信電極に関する他の構造
的および電気的構成を使用しても、トナーカートリッジ
４２の中のトナーの分布の別の特性を識別することがで
きる。すなわち、本発明は前記した構成に限定されな
い。前記した一実施形態では、受信電極４６〜４８の電
気的構成による多様な検出によって、トナーカートリッ
ジ４２の中のトナーの分布状態を識別する。トナーカー
トリッジ４２の中のトナーの分布状態の測定は、実用的
に重要なものである。

【００４４】例えば、トナーカートリッジ４２の中のト
ナー残量を単独受信電極を使用して判定できるが、この
トナー残量は転写ローラに移転できないトナーカートリ
ッジ４２の内部のかたまりとして蓄積された場合があ
る。したがって、トナーカートリッジ４２の内部のトナ
ーの分布状態の検出は、カートリッジを取り外し、人の
手で振って（例えば、左右移動）、トナーを適切な状態
に再分布させることができる。すなわち、トナーをトナ
ーカートリッジ４２の底に流動させることが可能にな
る。このトナーの分布状態の検出情報は、トナー残量が
無い状態と望ましくないトナーの分布状態とを区別でき
ない従来の「トナー低レベル」を示す信号に対して、そ
の有効性が高いものである。

【００４５】図５に示す受信電極の構成を用いて、トナ
ーカートリッジ４２の長手方向のトナーの分布状態を検
出することができる。この場合の受信電極の配列を、カ
ートリッジの長さを横断する配列に代えてその幅を横断
して分割し、または受信電極および／または送信電極を
二次元配列とする構成でも良い（図２参照）。この受信
電極の配列の構成を適用（組込んで）したトナーカート
リッジ４２では、内部のどの位置でもトナーの分布状態
を検出することができるようになる。

【００４６】図７は、本発明の一実施形態の機能を示す
説明するためのブロック図であり、図８は、図７に示す
装置の動作における処理ステップを示すフローチャート
である。本発明は、この処理ステップのシーケンスに限
定されない。すなわち、同様の他のプロセスシーケンス
を、当業者は容易に実施できるものである。

【００４７】図７に示したように、トナーカートリッジ
４２が、プリンタ４０に挿入して配置される。送信電極
５２と受信電極４６，４７および４８との間が誘電体を
形成している。発振器６４の出力信号は、必要なら緩衝
増幅器（バッファ）７２を通じて送信電極５２に供給す
る。発振器６４での発生信号は、一実施形態では、周波
数１８.２５ｋＨｚである。トナーカートリッジ４２の
中のトナーは、１８.２５ｋＨｚの搬送周波数に対する
振幅変調を行うように動作する。なお、他の周波数を使
用して同等の効果、またはより優れた効果を得ることも
できる。

【００４８】受信電極４６，４７および４８のそれぞれ
が、電流電圧変換器７４，７５および７６のそれぞれに
接続されている。この構成は当業者にとっては周知であ
る。

【００４９】基準用または校正負荷用のコンデンサ７８
が、発振器６４の出力側および電流電圧変換器８０の入
力側に接続されている。電流電圧変換器８０からの基準
信号ＲＥＦは、発振器６４の出力信号（基準信号）を監
視することによって、受信電極の出力信号を可変増幅す
るために使用される。電流電圧変換器７４〜７６および
８０の出力側が、それぞれマルチプレクサ８２の入力端
子に接続されている。このマルチプレクサ８２はセレク
タ信号８４で制御されて、４入力信号の一つを出力信号
８６として送出する。マルチプレクサ８２を使用して電
流電圧変換器７４〜７６の出力信号を混合し、電極の大
きさおよび測定感度をより効果的に処理できる。

【００５０】マルチプレクサ８２の出力信号は、発振器
６４の搬送周波数に等しい中心周波数の帯域フィルタ８
８に入力される。この帯域フィルタ８８で雑音を完全に
フィルタリングし、アナログ／デジタル変換して、その
エイリアシング防止を行なう。図７のトナーカートリッ
ジ４２の構造的配置を考慮すると、帯域フィルタ８８の
出力信号は、トナーカートリッジ４２の中のトナー残量
のみではなく、毎秒約１／６〜１／２回転で回転する導
電性撹拌棒１６（図３参照）の回転によって変調される
搬送周波数信号が重畳されている。

【００５１】図９（ａ）および（ｂ）は、トナーカート
リッ内の撹拌棒の構成を示す正面および側面図である。
通常のトナーカートリッジ４２では、導電性撹拌棒１６
が図９（ａ）に示すものと同様の単なる金属ワイヤであ
り、この場合、その端部９０がトナーカートリッジ４２
の内部または外部のモータに取り付けられて回転する。
図９（ｂ）は、導電性撹拌棒１６を示す側面図である。

【００５２】図１０は、導電性撹拌棒１６が回転する際
に検出搬送信号の振幅に対する変調の影響状態を説明す
るための図（グラフ）である。導電性撹拌棒が検出信号
を変調する処理は、以下の簡単な説明で理解できる。す
なわち、撹拌棒がワイヤの長方形導電ループであると仮
定すれば、金属撹拌棒の平面が送信電極と受信電極との
間の局部電界線と整列して平行になるとそのキャパシタ
ンスが最大値となり、帯域フィルタ８８から最大値信号
を出力する。これは、導電性撹拌棒１６が金属性であ
り、同一の電位のためである。この結果、導電性撹拌棒
の平面が局部電界に平行になると導電性撹拌棒の高さ方
向での電界が小さくなり、これによって信号が増大化す
る。逆に、導電性撹拌棒１６の平面が送信電極と受信電
極との間の電界線を交差して電界線と垂直になると、信
号に対する影響が最小になる。

【００５３】図１０は、導電性攪拌棒の回転による受信
信号の変調状態を説明するための図であり、図１１は、
受信信号に対するトナー残量を説明するための図（グラ
フ）である。一実施形態では、導電性撹拌棒の位置は、
復調後に、図１０に示すグラフの最大点と最小点との間
の電圧差が約１ボルトで、トナーカートリッジのトナー
が満量状態の場合には最大信号が約５ボルトとなり、か
つ、トナーが空である場合は最小信号が略０ボルトとな
るように搬送波信号を変調する。

【００５４】トナーカートリッジ４２では、その位置が
受信信号を変調する導電性撹拌棒の場合に、この構成要
素（導電性撹拌棒）が変調を検出するように連動してト
ナー残量の測定を行なう必要がある。連動していない場
合の構成要素（導電性撹拌棒）の任意の位置は、受信信
号の振幅に対する影響が無いものである。したがって、
受信電極４６〜４８での信号検出は、プリンタ４０の用
紙搬送用モータが回転を始めてから行なうべきである。
但し、この受信電極４６〜４８での信号検出は、電磁妨
害を発生して送信電極信号または受信電極信号に雑音が
重畳する電子写真式記録プロセスに使用される高電圧動
作前に行なうべきである。

【００５５】印刷動作の開始とトナー残量の測定に対し
て、電磁妨害を発生する構成要素の動作時間は、通常、
約３秒である。この時間中に、導電性撹拌棒１６および
トナーカートリッジ４２の他の構成の機構が回転する。
これは図８のステップ１，２，３に示されている。した
がって、受信電極４６〜４８からの信号処理を、この電
気的に影響がない時間内に行うべきである。この時間中
に受信した信号を図７中の変調信号９２として示してい
る（図８のステップ４参照）。実際には、マルチプレク
サ８２への４入力のそれぞれからのサンプルをこの時間
中に測定する。

【００５６】本発明によるトナー残量の測定を容易にす
るために、電子写真式印刷プロセスでの一部の処理とし
てトナーカートリッジ４２に通常印加される電圧による
動作を中断するばかりでなく、外部資源（装置）および
受信部に通常接続されているトナーカートリッジ４２内
部の構成を、電気的に接地に対して浮かすようにしても
良い。これは、電気的雑音の原因ばかりでなく、トナー
残量の測定のため本発明で使用される振動電界内の電気
的に接地された構成要素の影響をも排除できる。実験に
よれば、トナーカートリッジ４２内部の導電性構成要素
を電気的に絶縁し、接地に対して浮かせた際に検出され
る変位電流の直線性が向上し、および増大するように向
上することが判明している。

【００５７】次に、フィルタリング信号を通常構成のア
ナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）９４に入力する。

【００５８】次に、このデジタル信号は種々の信号処理
を行なうプロセス９６（これはマイクロプロセッサを備
えていることがある）に入力される。プロセス９６は、
デジタル信号を復調して搬送周波数を除去し、３組の信
号および基準信号をフィルタリングして妨害／雑音信号
を除去し、または抑制し、かつ利得およびＤＣオフセッ
トを調整する。復調プロセスは、直交検出（検波）、同
期（検波）検出、または他の業界での周知の検出方法を
用いることができる。プロセス９６では、当業者が既知
のアナログ、またはデジタルによる処理が可能であり、
また、アナログおよびデジタルが混在したデジアナ処理
で行うもできる。

【００５９】プロセス９６では、通常、四つの信号のそ
れぞれについて処理した略３秒間で変調信号の最小値お
よび最大値を得る。

【００６０】また、プロセス９６は、四つの入力のそれ
ぞれがナイキスト割合またはそれ以上でサンプリングす
るようにマルチプレクサ８２を制御する。

【００６１】ルックアップテーブル（ＬＵＴ）９８の格
納内容は、プロセス９６からのトナー残量を示す信号に
関係付けられている。ＬＵＴ９８の格納内容は経験的デ
ータに基づいており、トナー残量が復調されて処理され
る信号に関係付けられている。例えば、この信号を図１
４の値Ｖ１およびＶ２で示すことができる。この処理信
号の最大値および最小値は、導電性撹拌棒の位置に反映
している。これを図８でのステップ５で示している。Ｌ
ＵＴ９８に保存されている値は、トナー残量をＶ１，Ｖ
２の関数、またはＶ１およびＶ２の組合せとして表して
いる。このＶ１，Ｖ２の値、またはトナー残量を示して
いる個別値に正確に対応していない独立変数について
は、当業者における周知の方法で補間すれば良い。

【００６２】他の実施形態では、処理信号とトナー残量
との間の関係に多項式または他の近似式を使用すること
ができる。ヒューレットパッカードのレーザジェット５
Ｓｉカートリッジに関する実験データは、３次の多項式
が入力変数としてＶ２を使用する有効な解析近似を与え
ることを示している。

【００６３】一実施形態では、プロセス９６が受信電極
４６，４７および４８からの信号のそれぞれに重み付け
を行って、３つの電極からの信号を正規化（規格化）し
ている。次に、３つの受信電極のそれぞれからの最小値
および最大値を指標としてＬＵＴ９８に入力し、トナー
カートリッジ４２における空と満量との間の範囲のトナ
ーの全量を計算する。各受信信号について、最小値がト
ナー残量を最も良く示しているが、最小値および最大値
を使用してトナーの誘電率を決定し、この後の測定中に
トナーを突き固めおよび凝集した誘電率に対する影響を
補償することができる。

【００６４】前記したように、トナーがトナーカートリ
ッジ４２中で特異な状態で分布することがある。すなわ
ち、トナーカートリッジ４２のトラフ１８（図１３）の
底でトナー残量が非常に少なく、しかも全体のトナー残
量を示す信号が、トナー量が空に近い状態でないことを
示すことがある。このような状態の検出を行うには、複
数の受信電極４６〜４８を使用してトナーの分布状態を
識別すれば良い。可能な障害および判断目的の他の情報
を検出するための処理ブロック１００には、プロセス９
６から各受信電極４６，４７および４８の出力信号に対
応するその信号が入力される。すなわち、処理ブロック
１００には、ページカウント、電力状態、トナー区画リ
ド開放センサ信号および他の信号のような情報が入力さ
れる。

【００６５】このようにして、処理ブロック１００は、
トナーがトナーカートリッジ４２の一定区域に有害的に
分布しているか否か、および処理済みトナー量の測定値
がトナーカートリッジ４２に挿入配置してからの印刷ペ
ージカウントと矛盾しないか否かの通知を行うことがで
きる。また、トナー量が単調に減少していないか否かの
通知を行うことができる。例えば、受信電極４８からの
処理信号が、トナー残量が少ない状態を示しており、か
つ受信電極４６および４７からの処理信号が、多少多い
トナー残量を示していれば、処理ブロック１００によっ
て、トナーカートリッジ４２を取り外して人の手で振る
ように、トナーを再分布させる必要があることを通知で
きることになる。

【００６６】トナー残量の測定を無視し、またはプリン
タのリドが開いていることが検出された際にカートリッ
ジの交換を想定できるように、その処理を処理ブロック
１００で行なうこともできる。処理ブロック１００の出
力信号は、トナー残量の測定値が一時的に不確実である
場合にも使用できる。すなわち、処理ブロック１００の
出力信号を、トナー残量の予測を一時的にページカウン
ト、印刷濃度、および他の通常の測定値に基づいて行う
ようにプリンタ内のプロセッサに通知して、このプロセ
ッサが状態フラグを設定する場合に使用可能である。

【００６７】受信電極４６〜４８からの測定値を、本発
明のある実施形態では、トナーカートリッジ４２の構成
に対する電気的処理がトナー残量の計算を不確実にする
高レベルの電気的雑音を発生する可能性があるため、こ
のトナーカートリッジ４２を使用停止するようにもでき
る。

【００６８】図１２は、他の実施形態における測定回路
の構成を示すブロック図である。図１２は、多数の上部
および下部の対組合せの間での異なるキャパシタンスを
測定し、またこれらの測定値をトナー残量を示す信号に
変換するための他の測定回路１０４のブロック構成を示
している。この測定回路１０４は、キャパシタンス電極
の上部下部対を示しているが、これを別々の上部電極間
または別々の下部電極間のキャパシタンスの測定を行う
拡張した構成とすることもできる。

【００６９】キャパシタンス電極１０６〜１０９は、セ
レクタまたはマルチプレクサ１１２によって一対として
選択される。このため、振動電圧源で駆動される慣用的
構成のブリッジ回路１１４に接続されている。既知の基
準インピーダンスを有したブリッジの一方側と所定電極
対を備えたブリッジの他方側との間のインピーダンスの
不平衡は、変換回路（整流およびフィルタリング１１
８）で測定されて、制御プロセッサ１２０に出力される
差動ブリッジ電流１１６を発生する。制御プロセッサ１
２０は、信号１２２を使用して電極マルチプレクサ１１
２を制御し、有効電極対の組合せによってキャパシタン
スの測定を行なう。次に、これら測定値を処理して出力
トナー残量信号１２４を生成する。

【００７０】種々のキャパシタンス測定を行うための簡
単なアルゴリズムは、測定値をともに加算している。さ
らに、特定のトナーカートリッジに対して複雑な変換を
行う。すなわち、重み付け係数を設定して、トナー残量
の最も正確な測定を個別測定値に対して行うことができ
る。

【００７１】前記の回路は可能な実施形態であり、当業
者は他の測定技法を容易に適用することができるもので
ある。他の２つの例では、ブリッジ電流をヌル値の近く
に維持するようインピーダンスを自動選択すること、ま
たは決定すべきキャパシタンスを電圧分割器または発振
器回路の内部に設置するような電極間キャパシタンスを
測定することがある。

【００７２】一実施形態では、図１０および図１１の受
信信号の変調を使用し、最小値と最大値との差を測定し
て、トナーの誘電率を識別することができる。このよう
な最小値および最大値と誘電率との間の対応は、経験的
に得られるものである。図７のプロセス９６は、誘電率
を確認してトナー残量の測定精度を確認するものであ
る。

【００７３】これまで、本発明の基本原理を電子写真式
プリンタにおける誘電体としての乾燥したトナーをもっ
て説明した。本発明の範囲は、この乾燥電子写真法のト
ナー残量の測定に限定されない。当業者は、ここに説明
した原理を応用して液体電子写真式プリンタのトナー残
量を測定することができる。すなわち、インクジェット
プリンタのインクカートリッジ内の液体インク量の測定
もできるものである。

【００７４】受信電極にまたは受信電極からの、最大の
誘導電荷移動を得るのが望ましい。したがって、防護電
圧電極を組込んでトナーカートリッジ区画内の他の接地
面を遮蔽することができる。これは、縞電界を減らすの
に役立つものである。防護電極の使用および実施は当業
者において周知である。

【００７５】本発明の特定の実施形態を図示し説明して
きたが、当業者では、本発明から逸脱することなくさら
に広範囲な変更および修正を加えることは明らかであ
る。したがって、記載した特許請求の範囲は、その範囲
内として、このような変更および修正を含むものであ
る。

【００７６】以下に本発明の実施の形態を要約する。 １．トナーカートリッジ（４２）用の容器（４４）と、
少なくとも一つの送信電極（５２）と、少なくとも一つ
の受信電極（４６〜４８）と、を備え、前記少なくとも
一つの送信電極および前記少なくとも一つの受信電極
は、前記トナーカートリッ内のトナー（１４）が、前記
トナーカートリッジを前記容器内に設置した際に、前記
少なくとも一つの送信電極および前記少なくとも一つの
受信電極の近くに配置されるように前記容器の内部また
は近くに設置されており、さらに、前記送信電極に電気
的に接続されている信号発生器（６４）と、少なくとも
一つの送信電極によって誘導された変位電流を検出する
ために前記少なくとも一つの受信電極に電気的に接続さ
れる検出回路（７４〜７６，８２，８８，９４，９６）
と、前記変位電流に対応する信号を前記トナーカートリ
ッジ内のトナー残量に対応する指示信号に変換する変換
器（９８，１００）と、を備える電子写真式プリンタに
おけるトナー量測定装置。

【００７７】２．前記トナーカートリッジ（４２）およ
び前記容器（４４）は、プリンタ（４０）に設置される
上記１記載の電子写真式プリンタにおけるトナー量測定
装置。

【００７８】３．前記プリンタ（４０）を電子写真式複
写機とする上記２記載の電子写真式プリンタにおけるト
ナー量測定装置。

【００７９】４．前記少なくとも一つの受信電極（４６
〜４８）は複数の受信電極を備え、前記受信電極を流れ
る電流が、前記トナーカートリッジ（４２）内のトナー
（１４）の分布状態を判定するよう選択的に検知される
上記１、２または３記載の電子写真式プリンタにおける
トナー量測定装置。

【００８０】５．前記トナーカートリッジ（４２）を備
えており、前記トナーカートリッジは前記トナーカート
リッジが前記容器（４４）の内部にある際に回転できる
ミキサ（１６）を備え、前記ミキサは前記変位電流に対
応する前記信号を、前記ミキサの回転周波数で変調させ
る上記１、２、３または４記載の電子写真式プリンタに
おけるトナー量測定装置。

【００８１】６．前記ミキサ（１６）の前記回転による
前記信号の変調に、前記変位電流に対応する前記信号に
最小値および最大値を有す上記５記載の電子写真式プリ
ンタにおけるトナー量測定装置。

【００８２】７．前記最小値と前記最大値との差は、前
記変換器（９８）で処理されて前記トナーカートリッジ
（４２）内の前記トナーの誘電率を決定する上記６記載
の電子写真式プリンタにおけるトナー量測定装置。

【００８３】８．前記変換器（９８，１００）は、前記
変位電流に対応する前記信号を受信し、他の信号を受信
し、かつ前記変位電流に対応する前記信号が前記他の信
号と矛盾していないか決定して、異常状態が発生してい
ないか否かを識別するための障害検出器（１００）を備
える１、２、３、４、５、６または７記載の電子写真式
プリンタにおけるトナー量測定装置。

【００８４】９．前記少なくとも一つの受信電極（４６
〜４８）は複数の受信電極を備え、当該装置は、さら
に、前記受信電極のそれぞれに接続された入力を有する
マルチプレクサ（８２）と、個別にまたは連動して、前
記入力の一つを選択し、さらに処理を行うマルチプレク
サ制御器（９２）と、を備える１、２、３、４、５、
６、７または８記載の電子写真式プリンタにおけるトナ
ー量測定装置。

【００８５】１０．内部にトナーカートリッジ（４２）
が設置された容器（４４）を備えたプリンタ（４０）で
の電子写真式プリンタにおけるトナー残量の測定方法で
あって、前記トナーカートリッジの少なくとも一部が少
なくとも一つの送信電極および少なくとも一つの受信電
極の近くにあり、前記少なくとも一つの送信電極（５
２）と前記少なくとも一つの受信電極（４６〜４８）と
の間に信号（６４）を加えるステップと、前記トナーカ
ートリッ内のトナーが前記少なくとも一つの送信電極お
よび前記少なくとも一つの受信電極によって確立された
電界内部で誘電体の一部を形成している状態で、前記少
なくとも一つの送信電極により前記少なくとも一つの受
信電極の中に誘導された変位電流を検出するステップ
と、前記変位電流に対応する信号を前記トナーカートリ
ッジ内のトナー残量の指示信号に変換するステップと、
を有する電子写真式プリンタにおけるトナー残量の測定
方法。

【００８６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、電子写
真式プリンタにおけるトナー残量の測定技術によれば、
トナーカートリッジに設けた送信電極および受信電極間
のトナーを誘電体とし、この誘電体のキャパシタンスで
変化する受信信号を受信電極を通じて検出している。

【００８７】この変化はトナー残量によって、その受信
信号が変化する。この受信信号の値は、対向する送信電
極および受信電極間のトナー残量に対応しており、いず
れの方式のトナーカートリッジにも、その改造を必要と
せずに、現存するトナーカートリッジに適用できるとと
もに、そのトナーカートリッジ内のトナー残量を経済
的、かつ、正確に測定できる。

【００８８】また、個別的に次の効果を奏する。トナー
カートリッジの製造コストに影響しないとともに、トナ
ー残量の測定を行なうためにトナーカートリッジを改造
する必要がない。さらに、トナーとの物理的接触を必要
としないとともに、この電気的接触を行わないでトナー
カートリッジの近くで動作する。また、現在の方法によ
り達成できる、より良好の精度まで封止カートリッ内の
トナー残量の測定が可能になり、かつこの封止されたカ
ートリッ内のトナーの分布状態の検出ができる。

【００８９】また、磁性トナーおよび非磁性トナー（単
一および二重成分トナー）を用いた際にも、本発明にか
かるトナー残量の測定ができるとともに、単色およびカ
ラーレーザプリンタおよび複写機で使用するすべての色
（例えば、黒、シアン、マゼンタ、黄）のトナー残量の
測定が可能である。また、電子写真式プリンタおよびイ
ンクジェットプリンタに用いられるものを含む乾燥粉末
トナーおよび液体トナーでも本発明にかかる動作ができ
るとともに、印刷エンジンに組み込み可能なセンサおよ
び検出ハードウェアを廉価に構成できる。

【００９０】さらに、トナー残量の測定がプリンタの処
理量に影響しないように動作し、このトナー残量の測定
をプリンタがページを印刷している間に行なうことがで
きる。また、プリンタのプロセッサによって、トナーの
残量または分布が印刷出力の品質に影響する可能性のあ
る場合に、印刷ジョブを終わらせるかまたは中止するか
をトナーカートリッジのトナー残量および分布状態から
判断できる。

【００９１】また、ユーザによってトナー残量を監視で
きるようになり、ユーザが最も適切な時期にカートリッ
ジを交換できるようになるとともに、トナーカートリッ
ジをプリンタ／複写機から取り外して、トナーがカート
リッジの内部で適切に再分布するように操作すべき指示
をユーザに対して行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子写真式プリンタにおけるトナー残
量の測定方法およびその装置の実施形態における構成を
示し、本発明の一実施形態を組込んだプリンタを示す斜
視図である。

【図２】実施形態にあって受信電極を二次元配列した他
のプリンタの構成を示す斜視図である。

【図３】実施形態にあってプリンタに蝶番ドアを閉じた
状態のトナーカートリッジを挿入した概略を示す側面図
である。

【図４】実施形態にあって受信回路の電気的構成を示す
回路図である。

【図５】実施形態にあってカートリッジの内部のトナー
の分布を検出する際の複数の受信電極の使用状態を示す
側面図である。

【図６】実施形態にあって受信電極の別々の電気的構成
に対する電界線を説明するための図である。

【図７】実施形態にあって本発明の一実施形態の機能を
示す説明するためのブロック図である。

【図８】実施形態にあって動作における処理ステップを
示すフローチャートである。

【図９】実施形態にあってトナーカートリッ内の撹拌棒
の構成を示す正面図および側面図である。

【図１０】実施形態にあって攪拌棒の回転による受信信
号の変調状態を説明するための図である。

【図１１】実施形態にあって受信信号に対するトナー残
量を説明するための図である。

【図１２】他の実施形態における測定回路の構成を示す
ブロック図である。

【図１３】従来技術での多種のトナーカートリッジにお
ける一例を示す斜視図である。

【図１４】従来技術の他のトナーカートリッジを示す側
面図である。

【符号の説明】 １６ 導電性撹拌棒 ４０，５４ プリンタ ４２ トナーカートリッジ ４４ 容器 ４６〜４８，５６ 受信電極 ５０ 蝶番式ドア ５２ 送信電極 ５９ 破線輪郭 ６０ 受信回路 ６４ 発振器 ６６ 演算増幅器 ７４〜７６，８０ 電流電圧変換器 ７８ コンデンサ ８２ マルチプレクサ ８８ 帯域フィルタ ９６ プロセス ９８ ルックアップテーブル（ＬＵＴ） １００ 処理ブロック １０４ 測定回路 １０６〜１０９ キャパシタンス電極 １１２ マルチプレクサ １１４ ブリッジ回路 １２０ 制御プロセッサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジュン・ガオ アメリカ合衆国 カリフォルニア，キュー パーティーノ，ホームステッド・ロード アパートメント・ナンバー36ビー 20800

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トナーカートリッジ（４２）用の容器
   （４４）と、 少なくとも一つの送信電極（５２）と、 少なくとも一つの受信電極（４６〜４８）と、を備え、 前記少なくとも一つの送信電極および前記少なくとも一
   つの受信電極は、前記トナーカートリッジ内のトナー
   （１４）が、前記トナーカートリッジを前記容器内に設
   置した際に、前記少なくとも一つの送信電極および前記
   少なくとも一つの受信電極の近くに配置されるように前
   記容器の内部または近くに設置されており、さらに、 前記送信電極に電気的に接続されている信号発生器（６
   ４）と、 少なくとも一つの送信電極によって誘導された変位電流
   を検出するために前記少なくとも一つの受信電極に電気
   的に接続される検出回路（７４〜７６，８２，８８，９
   ４，９６）と、 前記変位電流に対応する信号を前記トナーカートリッジ
   内のトナー残量に対応する指示信号に変換する変換器
   （９８，１００）と、を備えることを特徴とする電子写
   真式プリンタにおけるトナー量測定装置。