JP4597709B2 - 画像位置検出装置及びそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像位置検出装置及びそれを用いた画像形成装置に係り、特に、画像の位置を高精度に検出するための画像位置検出装置及びそれを用いた画像形成装置に関する。

従来、複数の画像形成ユニットにより異なる色のカラートナー像を順次転写した後、記録紙等に一括して転写する画像形成装置が知られている。なお、上述した画像形成装置においては、感光体や中間転写体の僅かな速度誤差や変動によって生じる各色の画像間の位置ずれ（レジストレーション）による色ずれが発生する恐れがある。そのため、例えば画像形成装置に光検出装置（例えば、特許文献１参照。）等を設けてトナー像等の画像の位置を検出して位置ずれを補正する方式等が用いられている。

ここで、画像位置検出装置の概略構成について図を用いて説明する。図１は、画像位置検出装置の概略構成の一例を示す図である。図１に示す画像位置検出装置１０は、画像位置検出基板１１と、画像位置検出基板１１に実装されている発光部としてのＬＥＤ１２と、受光ユニット１３とを有している。なお、ＬＥＤ１２等の発光源は、画像位置検出基板１１に実装されていなくてもよい。また、受光ユニット１３には、像担持体としての中間転写体１４の移動方向に所定の距離をおいて配置された２つの受光部を有している。

まず、画像位置検出装置１０は、画像位置検出基板１１に設置されたＬＥＤ１２から所定の位置及び方向に光を照射する。照射光は、移動中の中間転写体１４と中間転写体１４上のトナー像１５により反射され、受光ユニット１３により反射光が受光される。

ここで、画像位置検出装置１０の回路構成例について図を用いて説明する。図２は、画像位置検出装置の回路構成の一例を示す図である。なお、図２は、受光側の回路構成を示している。図２に示す回路は、中間転写体１４及びトナー像１５からの反射光を受光する２つの受光部（フォトダイオードＤ１、Ｄ２）を有する。フォトダイオードＤ１は、反射光の受光により得られる光電流をＲ１でＩ／Ｖ変換し、増幅部としてのオペアンプＺ１で増幅することで第１のアナログ信号であるトナー像検出信号ＳＩＧ１を出力する。

また、フォトダイオードＤ２は、中間転写体３３の移動方向に対して下流側（後方側）に、フォトダイオードＤ１に対して近接して設置され、反射光の受光により得られる光電流をＲ２でＩ／Ｖ変換し、増幅部としてのオペアンプＺ２で増幅することで第２のアナログ信号であるトナー像検出信号ＳＩＧ２を出力する。

ここで、トナー像検出信号ＳＩＧ１は、ダイオードＤ３と抵抗Ｒ３及びＲ４によりクランプされ、予め設定される最低の電圧が制限される。また、これら２つの信号ＳＩＧ１、ＳＩＧ２を比較出力部としてのコンパレータＺ３に入力し正負の状態を比較して２値の画像検出出力ＳＩＧ３を出力する。

ここで、図３は、フォトダイオードＤ１とＤ２の出力信号の一例を示す図である。図３に示すように、フォトダイオードＤ１及びＤ２により受光される信号のレベルについては、ＬＥＤ１２の光の強度や、中間転写体１４により転写されたトナーの像の色により異なり、例えば信号レベルが図３（Ａ）〜（Ｃ）のようになる。また、図３（ｄ）の位置のクロス点Ｘについては、各条件においても一定位置になるようにすることが好ましい。なぜなら、このクロス点タイミングの時間間隔を距離に置き換えることで、トナー像位置を判断するからである。

ここで、理想的な画像位置検出装置において理想的なトナー像を検出した場合におけるＳＩＧ１及びＳＩＧ２のクロス点を数式により求める。中間転写体の移動方向に対するＤ１とＤ２の大きさをＤｐ、中間転写体の移動方向に対するＤ１とＤ２との間隔をＤｇ、中間転写体の移動方向に対するトナー像の大きさをＤｔ、ＳＩＧ１のピーク時のレベルをＶ１、ＳＩＧ２のピーク時のレベルをＶ２、クリップ電圧をＶｃとし、Ｄｔの条件を以下に示す（２）式とした場合、中間転写体の移動方向に対してＤ１のトナー像検出開始からクロス点までの移動量Ｘは以下に示す（３）式で表される。

ここで、Ｖ１＝Ｖ２とすれば、上述した（３）式は以下に示す（４）式に書き換えられる。

すなわち、Ｄｔが上述した（２）式の範囲であれば、像担持体の状態（上下動、ねじれ等）等によりピークレベルＶ１、Ｖ２が変動したとしても、Ｖ１＝Ｖ２となるようにＺ１とＺ２の増幅率を調整することで、像担持体の状態等に影響を受けにくい画像位置検出装置を構成できる。
特許第３０６８８６５号公報

ところで、上述した従来技術では、オペアンプＺ１とＺ２との増幅率を等しくすることでＶ１＝Ｖ２としている。その場合、例えば、図４に示す従来における課題を示す一例のタイミングチャートのように、予め設定された値より大きいトナー像（Ｄｔ＞２Ｄｐ＋Ｄｇ）を検出した場合等に、トナー像検出信号ＳＩＧ１、ＳＩＧ２が同時に最大値（図２に示すＳＩＧ１（ｍａｘ）＝ＳＩＧ２（ｍａｘ））となる。

そのため、コンパレータＺ３は、同等のレベルであるＳＩＧ１とＳＩＧ２の大小を判断できず、その間ＳＩＧ３は不定となってしまう。これにより、正確な画像位置の検出、及び色ずれの検出や補正ができない。なお、上述した特許文献１に示すように電圧をクランプすることで定常状態における出力が不定となることを避ける方法を提案した例においても、上述の問題点の対策にはならない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、像担持体上のトナー像の位置を高精度に検出するための画像位置検出装置及びそれを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本件発明は、以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。

請求項１に記載された発明は、発光源からの照射光に対する像担持体からの反射光に基づき画像の位置を検出する画像位置検出装置において、前記像担持体の移動方向に所定の距離をおいて配置された２つの受光部と、前記像担持体の移動により前記像担持体上に付着したトナー像が前記２つの受光部の検出位置を通過する際、先に前記トナー像を検出する受光部から得られる第１のアナログ信号と、後に前記トナー像を検出する受光部から得られる第２のアナログ信号との差分を求め、前記差分から正負の状態を比較して２値出力する比較出力部と、前記第１のアナログ信号を増幅する第１の増幅部と、前記第２のアナログ信号を増幅する第２の増幅部とを有し、前記比較出力部は、前記第１の増幅部と前記第２の増幅部とにおける増幅率の差により前記第１のアナログ信号と前記第２のアナログ信号とにレベル差を設けて入力することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、第１のアナログ信号と第２のアナログ信号にレベル差を設けることにより、出力が不定となることを回避することができる。また、レベル差を増幅率の差により設けることで、像担持体の状態等の影響を受けにくくすることができる。これにより、像担持体上の画像の位置を高精度に検出することができる。

請求項２に記載された発明は、前記第１のアナログ信号のピークレベルと、前記第２のアナログ信号のピークレベルとの前記レベル差は、ノイズレベルを吸収するレベル差とすることを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、電磁誘導的な外乱ノイズ等のノイズが発生した際のノイズレベルによる信号の誤検出を防止することができる。これにより、像担持体上の画像の位置を高精度に検出することができる。

請求項３に記載された発明は、前記比較出力部は、前記第１のアナログ信号と前記第２のアナログ信号との２つのクロス点に対応した前記２値出力によるパルス幅が、予め設定されたパルス幅の最大値より大きい場合、前記２値出力を無効とし、前記２つのクロス点に対応したパルス幅Ｐｗは、前記像担持体の移動方向に対する第１受光素子Ｄ１及び第２受光素子Ｄ２の大きさをＤｐ、前記像担持体の移動方向に対する第１受光素子Ｄ１と第２受光素子Ｄ２との間隔をＤｇ、前記像担持体の移動方向に対するトナー像の大きさをＤｔ、前記第１のアナログ信号のピークレベルをＶ１、前記第２のアナログ信号のピークレベルをＶ２、前記第１のアナログ信号の最低レベルを規定するクランプ電圧をＶｃ、及び前記中間転写体の移動速度をＶｔとしたとき、（１）式を満たすパルス幅であることを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、出力信号のパルス幅が予め設定された値より大きい場合に出力を無効とすることにより、誤検出を防止することができる。また、（１）式により正確なパルス幅を算出することができる。これにより、像担持体上の画像の位置を高精度に検出することができる。

請求項４に記載された発明は、前記請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載された画像位置検出装置を用いた画像形成装置である。

請求項４記載の発明によれば、像担持体上の画像の位置を高精度に検出することができる。これにより、色ずれの検出や補正を行うことができ、高精度な画像を形成することができる。

本発明によれば、画像の位置を高精度に検出することができる。

以下に、本発明における画像位置検出装置及びそれを用いた画像形成装置を好適に実施した形態について、図面を用いて説明する。

図５は，本実施形態における画像位置検出装置の回路構成の一例を示す図である。なお、本実施形態における画像位置検出装置の概略構成は、例えば図１に示した構成を用いることとし、また図５は受光側の回路構成を示すものとする。図５に示すように、画像位置検出装置は、中間転写体及びトナー像からの反射光を受光するための２つの受光部（フォトダイオードＤ１、Ｄ２）を有する。また、フォトダイオードＤ１、Ｄ２は、像担持体としての中間転写体の移動方向に所定の距離をおいて配置されており、発光源からの照射光に対する中間転写体及び中間転写体に付着したトナー像からの反射光を受光する。

フォトダイオードＤ１は、反射光の受光により得られる光電流をＲ１でＩ／Ｖ変換し、増幅部としてのオペアンプＺ１１で増幅することで第１のアナログ信号であるトナー像検出信号ＳＩＧ１を出力する。

また、フォトダイオードＤ２は、中間転写体３３の移動方向に対して下流側（後方側）に、フォトダイオードＤ１に対して近接して設置され、反射光の受光により得られる光電流をＲ２でＩ／Ｖ変換し、増幅部としてのオペアンプＺ１２で増幅することで第２のアナログ信号であるトナー像検出信号ＳＩＧ２を出力する。

ここで、トナー像検出信号ＳＩＧ１はダイオードＤ３と抵抗Ｒ３及びＲ４により基準点が所定の電位に固定されるようにクランプにより最低の電圧が制限される。また、これら２つのアナログ信号ＳＩＧ１及びＳＩＧ２を比較出力部としてのコンパレータＺ３に入力し、２つの信号から正負の状態を比較して２値の画像検出出力ＳＩＧ３を出力する。

なお、本実施形態におけるオペアンプＺ１１及びＺ１２は、増幅率を異ならせることにより、ＳＩＧ１（ｍａｘ）＞ＳＩＧ２（ｍａｘ）を実現させる。具体的には、Ｚ１１の増幅率よりもＺ１２の増幅率を小さくする。

つまり、先にトナー像を検出する受光部（フォトダイオード）から得られる信号のレベルを、後にトナー像を検出する受光部（フォトダイオード）から得られる信号のレベルよりも大きくなるようにする。

ここで、理想的な検出器において理想的なトナー像を検出した場合におけるＳＩＧ１とＳＩＧ２とのクロス点を数式により求める。中間転写体の移動方向に対するＤ１とＤ２の大きさをＤｐ、中間転写体の移動方向に対するＤ１とＤ２の間隔をＤｇ、中間転写体の移動方向に対するトナー像の大きさをＤｔ、ＳＩＧ１のピーク時のレベルをＶ１、ＳＩＧ２のピーク時のレベルをＶ２、クリップ電圧をＶｃとし、Ｄｔを上述した（２）式で表した場合、中間転写体の移動方向に対してＤ１のトナー像検出開始からクロス点までの移動量Ｘは上述した（３）式で表される。

また、本実施形態においては、ＳＩＧ１とＳＩＧ２の増幅率を変えているため、Ｚ１１とＺ１２の増幅率の比をＡ（Ａ＜１）とし、Ｖ２＝Ａ×Ｖ１とすると、上述した（２）式は以下に示す（５）式に書き換えられる。

但し、このときのＤｔの範囲は、以下に示す（６）式となる。

すなわち、上述した（６）式に示すような範囲であれば、像担持体の状態等によりピークレベルＶ１、Ｖ２が変動したとしても、Ｚ１とＺ２の増幅率を特定の値で固定しておけば、像担持体の状態等に影響を受けにくい画像位置検出装置を構成できる。

図６は、本発明における出力信号を示す一例のタイミングチャートである。図６に示すように、予め設定された値より大きいトナー像（Ｄｔ＞（１＋Ａ）Ｄｐ＋Ｄｇ）を検出した場合でも、ＳＩＧ１と比較してＳＩＧ２の最大値が小さいため、同時に最大値に達してもＳＩＧ３が不定となることはない。

ここで、Ｚ１とＺ２の増幅率の比Ａは、以下の（１）〜（３）の条件を考慮して設定する（但し、Ｖ２＝Ａ×Ｖ１、Ａ＜１）。
（１）オペアンプ出力が最大出力電圧（Ｖｏｍａｘ）に飽和しないようにする。つまり、（１）の条件を数式で表すと、ＳＩＧ１における最大出力電圧をＶ１ｍａｘとして、Ｖ１ｍａｘ≦Ｖｏｍａｘとなる。
（２）クロス点の電圧レベルをクランプ電圧Ｖｃ以上とする。

（３）ノイズレベルを吸収できるレベル差をＶｃとする。つまり、（２）の条件を数式で表すと、ＳＩＧ１における最小出力電圧をＶ１ｍｉｎとして、（１−Ａ）×Ｖ１ｍｉｎ≧Ｖｃとなる。

また、（１）〜（３）に基づいて式をまとめると以下に示す（８）式のように表すことができる。

（但し、Ｖ１ｍａｘ≦Ｖｏｍａｘ）
ここで、Ｄ１がトナー像を検出しなくなるタイミングでＳＩＧ３の信号レベルが“Ｌ”となり、トナー像を誤検出してしまう可能性がある。そこで、このような状態を検出してその信号を無効とするために、ＳＩＧ３のパルス幅に注目する。

まず、クロス点電圧がＶ２以下であるとき、すなわちＤｔ≦（１＋Ａ）Ｄｐ＋ＤｇであるときのＳＩＧ３のパルス幅は、クランプ電圧をＶｃ、像担持体である中間転写体の移動速度をｖｔとすると、以下に示す（９）式で表される。

すなわち、上述した（９）式に示すように、Ｄｔに比例してＰｗは大きくなり、クロス点電圧がＶ２となるとき、すなわちＤｔ＝（１＋Ａ）Ｄｐ＋Ｄｇであるときにパルス幅は最大値となる。その値は（１）式で表される。

（但し、αは裕度を示す。）
この最大値は、Ｄｔ＞（１＋Ａ）Ｄｐ＋Ｄｇであれば変化しないため、上述した（１）式のパルス幅であるときのＳＩＧ３の出力を無効とすれば、画像位置検出装置の誤動作を防止できる。

例えば、Ｄｔの設計値をＤｔ≒Ｄｐとしたうえで、上述した（９）式のＶ１、Ｖ２を一定の値としてＰｗ（ｍａｘ）を算出し、算出したＰｗ（ｍａｘ）以上のときにエラー（無効）とする。なお、裕度αによりパルス幅Ｐｗ（ｍａｘ）には、多少の許容範囲を有する。

上述したように、本発明によれば、像担持体上の画像の位置を高精度に検出することができる。

次に、上述した画像位置検出装置を適用した画像形成装置について、図を用いて説明する。図７は、本発明における画像位置検出装置を適用した画像形成装置の概略構成の一例を示す図である。なお、図７では、画像形成装置の一例として、電子写真方式を用いたカラープリンタの構成について示しているが、他の構成でもよい。

図７に示す画像形成装置２０は、感光ベルト２１と、コロナ帯電器２２と、発光部としてのＬＥＤヘッド２３と、現像装置２４と、像担持体としての中間転写体２５と、第１転写手段２６と、現像機ユニット２７と、画像位置検出装置２８と、第２転写手段２９とを有するよう構成されている。

ここで、現像機ユニット２７は、画像形成装置２０においては、ブラック用現像機ユニット２７Ｋ、シアン用現像機ユニット２７Ｃ、マゼンダ用現像機ユニット２７Ｍ、イエロー用現像機ユニット２７Ｙとを有し、各現像機ユニットには、それぞれ感光ベルト２１と、コロナ帯電器２２と、ＬＥＤヘッド２３と、現像装置２４とを備えている。

図７において、感光ベルト２１は、プリンタの印刷速度に相当する速度で回転し、印刷動作を開始してから印刷動作が終了するまで回転を続ける。コロナ帯電器２２は、感光ベルト２１が回転を開始すると、コロナ帯電器２２に高電圧が印加され、感光ベルト２１表面に例えば負の電荷が均一になるように帯電される。

ここで、画像形成装置２０は、ドットイメージに変換された文字データや図形データ等の画像データを形成する際、ＬＥＤヘッド２３のオン／オフ信号を例えばコントローラ等の制御手段から取得する。また、画像形成装置２０は、ＬＥＤヘッド２３のオン／オフにより感光ベルト２１の表面にＬＥＤヘッド２３のＬＥＤ光が照射される部分と照射されない部分とを形成する。このため、感光ベルト２１には、いわゆる静電潜像が形成される。

また、画像形成装置２０は、静電潜像を保持した感光ベルト領域が現像装置２４と対向する位置に到達した際、静電潜像にトナーを供給する。また、ＬＥＤヘッド２３のＬＥＤ光の照射により感光ベルト２１上の電荷が消失した部分に、例えば負電荷に帯電したトナーが静電気により吸引されて感光ベルト２１上にトナー像が形成される。

感光ベルト２１上に形成されたトナー像は、中間転写体２５の背面側にトナー像と逆極性（例えば、正）の電荷を付与する第１転写手段２６の作用によって中間転写体２５上に吸引される。

ここで、図７に示すようなカラー用の画像形成装置２０においては、ブラック用現像機ユニット２７Ｋ、シアン用現像機ユニット２７Ｃ、マゼンダ用現像機ユニット２７Ｍ、イエロー用現像機ユニット２７Ｙにおいて同様の動作を行い、各現像機ユニット２７が感光ベルト２１上に形成した各色のトナー像を、中間転写体２５上に順次転写することで、組み合わせトナー像を中間転写体２５上に形成する。なお、中間転写体２５は、各現像機ユニット２７内の感光ベルト２１と同様に、印刷動作を開始してから印刷動作が終了するまでプリンタの印刷速度に相当する速度で回転する。その後、画像形成装置２０は、第２の転写手段２９により中間転写体２５上のトナー像を用紙等の記録媒体３０に転写し、記録媒体３０上に転写されたトナー画像を熱と圧力で定着することで一連の印刷過程が終了する。

また、上述したようにトナー像を重ね合わせることによりカラートナー像を形成する画像形成装置においては、各色の位置ずれ（レジストレーション）による色ずれが課題となる。

そこで、画像形成装置２０は、各現像機ユニットで形成した被検出像のトナー像を画像位置検出装置２８を用いて検出し、その時間差等を計測することにより各色の位置ずれを検出する。また、画像形成装置２０は、画像位置検出装置２８から得られる検出結果に基づいてＬＥＤヘッド２３の発光タイミングや感光ベルト２１の回転速度、中間転写体２５の移動速度にフィードバックすることで色ずれを解消することができる。これにより、高精度な画像を形成することができる。

上述したように、本発明によれば、像担持体上の画像の位置を高精度に検出することができる。具体的には、像担持体のみを検出した場合でもトナー像のみを検出した場合でも信号レベルが一致しないように第１のアナログ信号と第２のアナログ信号にレベル差を設けることにより、出力が不定となることを回避することができる。

また、レベル差を増幅率の差により設けることで、像担持体の状態等の影響を受けにくくすることができる。また、レベル差は、ノイズレベルを吸収するレベル差とすることでノイズレベルによる信号の誤検出を防止することができる。また、出力信号のパルス幅が予め設定された値より大きい場合に出力を無効とすることにより、誤検出を防止することができる。また、色ずれの検出や補正を行うことができ、高精度な画像を形成することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

画像位置検出装置の概略構成の一例を示す図である。 画像位置検出装置の回路構成の一例を示す図である。 出力信号の一例を示す図である。 従来における課題を示す一例のタイミングチャートである。 画像位置検出装置の回路構成の一例を示す図である。 本発明における出力信号を示す一例のタイミングチャートである。 本発明における画像位置検出装置を適用した画像形成装置の概略構成の一例を示す図である。

符号の説明

１０，２８ 画像位置検出装置
１１ 画像位置検出基板
１２ ＬＥＤ
１３ 受光ユニット
１４，２５ 中間転写体
１５ トナー像
２０ 画像形成装置
２１ 感光ベルト
２２ コロナ帯電器
２３ ＬＥＤヘッド
２４ 現像装置
２６ 第１転写手段
２７ 現像機ユニット
２９ 第２転写手段

Claims (4)

1. 発光源からの照射光に対する像担持体からの反射光に基づき画像の位置を検出する画像位置検出装置において、
   前記像担持体の移動方向に所定の距離をおいて配置された２つの受光部と、
   前記像担持体の移動により前記像担持体上に付着したトナー像が前記２つの受光部の検出位置を通過する際、先に前記トナー像を検出する受光部から得られる第１のアナログ信号と、後に前記トナー像を検出する受光部から得られる第２のアナログ信号との差分を求め、前記差分から正負の状態を比較して２値出力する比較出力部と、
   前記第１のアナログ信号を増幅する第１の増幅部と、
   前記第２のアナログ信号を増幅する第２の増幅部とを有し、
   前記比較出力部は、前記第１の増幅部と前記第２の増幅部とにおける増幅率の差により前記第１のアナログ信号と前記第２のアナログ信号とにレベル差を設けて入力することを特徴とする画像位置検出装置。
2. 前記第１のアナログ信号のピークレベルと、前記第２のアナログ信号のピークレベルとの前記レベル差は、ノイズレベルを吸収するレベル差とすることを特徴とする請求項１に記載の画像位置検出装置。
3. 前記比較出力部は、
   前記第１のアナログ信号と前記第２のアナログ信号との２つのクロス点に対応した前記２値出力によるパルス幅が、予め設定されたパルス幅の最大値より大きい場合、前記２値出力を無効とし、
   前記２つのクロス点に対応したパルス幅Ｐｗは、前記像担持体の移動方向に対する第１受光素子Ｄ１及び第２受光素子Ｄ２の大きさをＤｐ、前記像担持体の移動方向に対する第１受光素子Ｄ１と第２受光素子Ｄ２との間隔をＤｇ、前記像担持体の移動方向に対するトナー像の大きさをＤｔ、前記第１のアナログ信号のピークレベルをＶ１、前記第２のアナログ信号のピークレベルをＶ２、前記第１のアナログ信号の最低レベルを規定するクランプ電圧をＶｃ、及び前記中間転写体の移動速度をＶｔとしたとき、（１）式を満たすパルス幅であることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像位置検出装置。
   

   
4. 前記請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載された画像位置検出装置を用いた画像形成装置。
   

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