画像形成装置
【課題】本発明は、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を備えた画像形成装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の画像形成装置は、トナー容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌する攪拌パドル７と、攪拌パドル７に押されて回転するフリーパドル１１と、フリーパドル１１の端部に設けられたマグネット９と、容器の下部に設けられマグネット９を検出するＡＭＲセンサと、ＡＭＲセンサによりトナーの量を検知する検知手段とを備え、ＡＭＲセンサを回転軸に対して回転自在であるフリーパドル１１が自重で垂下されたときの位置の真下よりフリーパドル１１の回転方向下流側に配置したことを主要な特徴とする。
【解決手段】本発明の画像形成装置は、トナー容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌する攪拌パドル７と、攪拌パドル７に押されて回転するフリーパドル１１と、フリーパドル１１の端部に設けられたマグネット９と、容器の下部に設けられマグネット９を検出するＡＭＲセンサと、ＡＭＲセンサによりトナーの量を検知する検知手段とを備え、ＡＭＲセンサを回転軸に対して回転自在であるフリーパドル１１が自重で垂下されたときの位置の真下よりフリーパドル１１の回転方向下流側に配置したことを主要な特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真プロセスを利用した画像形成装置であって、とくにトナーの残量検知を行えるトナー検知装置を備えた画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複写機、プリンタ、ファクシミリ装置などの電子写真プロセスを利用した画像形成装置においては、感光体を予め一様に帯電させ、この感光体上に露光して静電潜像を形成し、この静電潜像を現像装置から供給されるトナーによって現像して、この可視化されたトナー画像を転写ローラに電圧を印加することでトナーを移動させ、記録媒体に転写、定着している。
【０００３】
まずトナー検知装置について説明する前に、以下図１３、図１４を参照しながら、前提となる画像形成装置の主要構成について説明する。本発明の画像形成装置は、電子写真プロセスで画像を形成するものであればよく、モノクロ印刷の画像形成装置としてファクシミリを説明し、カラー印刷の画像形成装置として簡単にタンデム型のカラー画像形成装置を説明する。
【０００４】
ファクシミリ装置は、ファクシミリ受信時またはコピーの印刷時に記録紙が第１の記録紙パスを搬送されて像形成部と定着器で画像形成が行われる。また、ファクシミリ送信時または画像読み込み時に原稿が第２の記録紙パスを搬送されて画像の読み取りが行われる。
【０００５】
そこで、図１３の従来の画像形成装置の構造図に基づいて画像形成装置であるファクシミリ装置について説明する。図１３の記録紙パスに沿って、給紙ローラ１０２によって給紙トレイ１０１から記録紙が１枚ずつピックアップされて記録紙パスに給紙される。この記録紙は搬送ローラ１０３で像形成部１０４に送られる。
【０００６】
像形成部１０４には一定速度で回転する感光体ドラム１０５が設けられており、この表面をスコロトロン帯電器などの帯電器１０６によって順次一様に帯電する。この帯電された表面にＬＳＵ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０７からのレーザ光を照射して走査し、静電潜像を形成して、この静電潜像を現像する。ＬＳＵ１０７からのレーザ光は光の照射された部位の電荷を除電することにより静電潜像を形成する。このプロセスが回転に伴ってできるように感光体ドラム１０５の周囲に各部が配置されている。
【０００７】
さて、像形成部１０４には現像ローラ１０８が設けられており、感光体ドラム１０５の表面に一成分現像剤等のトナーを付着させる。トナーは現像ローラ１０８の近くに設けられたトナー容器１１４に収容され、攪拌パドル１１２によって攪拌されながら搬送され、供給ローラ１１３によって現像ローラ１０８に供給される。トナー量はドクターブレードで制御される。なお、攪拌パドル１１２は、図示しないギヤ機構で現像ローラ１０８と連動して回転するように形成されている。
【０００８】
レーザ光によって形成された感光体ドラム１０５の静電潜像は、現像ローラ１０８のトナーが付着することによって可視化され、さらに、感光体ドラム１０５と対応して設けられた転写ローラ１０９に直流電圧を印加することで、その間を搬送される記録紙にトナー像が転写される。トナー像が転写された記録紙は記録紙パスに沿って搬送される。
【０００９】
この記録紙に形成されたトナー像は定着ローラ１１０で定着される。トナー像が付着している記録紙を記録紙パスに沿って搬送させながら定着ローラ１１０で加熱定着する。定着ローラ１１０にはハロゲンランプ等の発熱体が設けられている。定着後、記録紙は排紙ローラ１１１によって排紙される。
【００１０】
続いて、図１４の従来の画像形成装置の構造図に基づいてタンデム型のカラー画像形成装置について説明する。イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のプロセスユニットがあるだけで、基本的構造はファクシミリと変わらない。帯電、露光、現像、転写、定着の各プロセスを経て記録紙に画像を形成する画像形成部が設けられ、この画像形成部には、給紙カセットに収容された記録紙が、給紙カセットから画像形成部に向かう記録紙パスを経て搬送される。画像形成部にて所要の画像が形成された記録紙は、画像形成部から次の記録紙パスを経て排紙部に排出される。
【００１１】
画像形成部は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各色成分の像を形成する４色の像形成部１２１と、この各像形成部１２１内の各感光体ドラム表面に露光のためのレーザ光を走査するＬＳＵ１２２と、各像形成部１２１内の各感光体ドラム上に形成された各色のトナー像が順次転写される中間転写ベルト１２３とを有しており、各色の感光体ドラムが中間転写ベルト１２３に沿って並んで配置されたタンデム構造となっている。
【００１２】
各像形成部１２１内では、各帯電器により均一に帯電された各感光体ドラム表面に対して、ＬＳＵ１２２からレーザ光が走査されて静電潜像が形成される。この各感光体ドラムの静電潜像が、各現像装置から供給される各色のトナーで現像されて色成分ごとのトナー像として各感光体ドラムに形成される。４色になり、中間転写ベルト１２３が設けられただけで、実質的には上記したファクシミリの像形成部１０４と変わらない。中間転写ベルト１２３は、駆動ローラ、従動ローラに巻き掛けられて張架されており、この中間転写ベルト１２３の内側には、各感光体ドラム上のトナー像を中間転写ベルト１２３に転写する各色の１次転写ローラ１２４が設けられている。また中間転写ベルトの一端には、中間転写ベルトに形成されたトナー像を記録紙に転写する２次転写ローラ１２５が配設されている。
【００１３】
２次転写ローラ１２５によりトナー像が転写された記録紙は、定着器に搬送されて熱及び圧力によりトナー像を記録紙に定着させる処理が行われる。その後、記録紙は記録紙パスを経て排紙ローラにより排紙部上に排出される。
【００１４】
さてここで、従来の画像形成装置に設けたトナー検知装置について説明する（例えば特許文献１参照）。図１５に従来のトナー検知装置の構成図として示すように、攪拌パドル１３０に検知体１３１を所定の力で吸着する永久磁石１３２を設ける。攪拌シャフトの回転に伴って、トナー容器内のトナー残量が少ない場合に、検知体１３１が永久磁石１３２により吸着されて一方の攪拌翼と一体となって回転する第１の動作状態と、トナー残量が多い場合に、検知体１３１がトナーの抵抗により永久磁石１３２から分離され、永久磁石１３２が設けられていない他方の攪拌翼によって最上点まで押し上げられ、自重により降下する第２の動作状態とをとり得るように構成するものである。これにより、検知体１３１の第１及び第２の動作状態において発生する磁界変化の回数を透磁率センサ１３３により検知するものである。
【００１５】
また、別のトナー検知装置として、図示はしないが、センサ攪拌パドルとフリーパドルを用い、ホール素子を使ったトナー残量検知も本出願人によって提案されている（特許文献２参照）。ホール素子はフリーパドルに設けた磁石の発生する磁界や電流の発生する磁界を電気信号に変換し出力する。フリーパドルの運動は特許文献１の検知体の第２の動作状態の運動に相当し、ホール素子で検出されたパルスの長さで残量を判断する。
【特許文献１】特開２００２−１０８０８６号公報
【特許文献２】特開２００７−１６４０３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、磁気センサにおいて、ホール素子は異方性磁気抵抗素子と比べて感度が低いといわれている。なお、異方性磁気抵抗素子はＡＭＲ（Ａｎｉｔｏｒｐｉｃ−Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）センサとも称されるので、以下ＡＭＲセンサという表現で説明する。このホール素子は、実際感度が低いだけでなく、ＡＭＲセンサよりもコストが高い。加えてＡＭＲセンサの方が感度の上下を問わずコストが安定的に安い。このためトナー検知装置にとってＡＭＲセンサはきわめて有利な点が多いセンサであるが、ＡＭＲセンサを利用するには以下説明する幾つかの課題があり、今まで実現できていない。
【００１７】
以下このＡＭＲセンサの課題の説明をする。ＡＭＲセンサは、トナー検知用（特別仕様）の素子ではない標準的な感度の素子でも、感度幅は０．８ｍＴ〜２．２ｍＴ程度であり、ホール素子と比較すると、高感度で、３倍を越える感度を有している。これに対し、トナー検知用（特別仕様）のホール素子の感度は１１．３ｍＴ程度であり、通常のホール素子では２０．０ｍＴ程度である。従って、ホール素子をＡＭＲセンサに交換しようとすると、ＡＭＲセンサが鋭敏に反応してしまい、トナー残量のばらつきが大きくなり、トナー検知装置には使用できなかった。
【００１８】
また、ホール素子は基体と垂直に交差する方向の磁束を検出するという特性を有しており、ホール素子と磁石を接近させるだけで垂直方向の磁束を検出し、検出信号（ＯＮ）を出力し、設計上利用し易い。これに対して、ＡＭＲセンサは基体と平行に交差する横方向の磁束を検出する特性を有している（後述する図６（ａ）（ｂ）参照）。このため、磁石がセンサの真上に位置したときは、ＡＭＲセンサでは磁力が垂直方向では磁気的につりあい状態となり、肝心の検出対象の近くで検出信号がＯＦＦとなる。
【００１９】
そして、ホール素子とＡＭＲセンサとで検出する磁束の方向がこのように相違するため、上記検出信号のＯＮ、ＯＦＦの違いのほかに、別の技術的特性の違いを生じる。すなわち、ホール素子は、磁石がセンサの真上に位置したときにだけＯＮ信号を１パルスだけ出力するという特性になるが、ＡＭＲセンサは磁石がセンサの真上に位置したときにＯＦＦとなり、しかもこの位置の前後でＯＮ信号を各１回ずつ２パルス出力するという特性をもつ。このような技術的特性をもつＡＭＲセンサでは、トナー残量がきわめて乏しくなった状態の検出はできない。
【００２０】
ホール素子は感度が低いという特性ため、残量が少ない位置での残量検知に適している。しかし、ＡＭＲセンサはホール素子と比べると高感度であり、２倍以上の時間早めに磁束を検出してしまう。検知開始のタイミングが早くなると、トナーの検知時間が長くなってしまう。どうしても検出のばらつきも大きくなり、検出信号がＯＦＦとなる課題を抜きにしても、トナーの残量が多くなってしまうという課題があった。
【００２１】
これを防止するには、低感度のＡＭＲセンサを使用すればよい。しかし、感度範囲が０．８ｍＴ〜２．２ｍＴ以上となる低感度品は市販されていない。低感度品が使用できる環境にない。だからと言って単純にセンサの位置を遠くに離せばよいかというと、画像形成装置は高さの制限を受け、構造上あまり距離をとることができない。ソフトウェア的に対応する方法も考えられるが、トナー検知は現像装置を交換したときの新品検知等のほかの処理も行っているため、これらすべての制御仕様見直しが必要となり、しかもこのときのソフト処理もきわめて複雑となる。従って、ソフトウェア的に対応する方法は実用的ではない。
【００２２】
従って、従来のホール素子をＡＭＲセンサに代えられるかというと、単純なアプローチでは困難であった。こうした課題が障害となってトナー検知装置にＡＭＲセンサを採用することは困難であった。しかし、ＡＭＲセンサはホール素子よりも低コストで、感度も高いという魅力、利点があり、実用性ではホール素子を凌ぐ有利な特性を有している。
【００２３】
そこで、本発明は、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を備えた画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の画像形成装置は、トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、回転軸対して回転自在に設けられると共にトナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、回転部材の回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、容器の下部に設けられ磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、異方性磁気抵抗素子により磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、異方性磁気抵抗素子を回転軸に対して回転自在である回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より回転部材の回転方向下流側に配置したことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の画像形成装置は、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、製造と組み立てが容易になるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の実施の形態１は、トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、回転軸対して回転自在に設けられると共にトナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、回転部材の回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、容器の下部に設けられ磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、異方性磁気抵抗素子により磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、異方性磁気抵抗素子を回転軸に対して回転自在である回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より回転部材の回転方向下流側に配置したことを特徴とする画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、設計と製造、組み立てが容易になる。
【００２７】
本発明の実施の形態２は、トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、回転軸対して回転自在に設けられると共にトナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、回転部材の回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、容器の下部に設けられ磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、異方性磁気抵抗素子により磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、異方性磁気抵抗素子を回転軸に対して回転自在である回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より回転軸の軸方向へずらして配置したことを特徴とする画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、設計と製造、組み立てが容易になる。
【００２８】
本発明の実施の形態３は、トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、回転軸対して回転自在に設けられると共にトナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、回転部材の回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、容器の下部に設けられ磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、異方性磁気抵抗素子により磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、異方性磁気抵抗素子を回転軸に対して回転自在である回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より回転部材の回転方向下流側であって回転軸の軸方向へずらして配置したことを特徴とする画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、設計と製造、組み立てが容易になる。画像形成装置の高さに影響されることなく容易に取り付け位置の調整が行える。
【００２９】
本発明の実施の形態４は、トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、回転軸対して回転自在に設けられると共にトナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、回転部材の回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、容器の下部に設けられ磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、異方性磁気抵抗素子により磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、異方性磁気抵抗素子を回転軸に対して回転自在である回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より回転部材の回転方向下流側であって磁性部材の磁束のうち回転方向側の磁束のみを周期の第１及び第２のタイミングの間に限って検出できる距離に磁性体の軌道から離して配置したことを特徴とする画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、設計と製造、組み立てが容易になる。軌道を基準にして立体的に設計するので異方性磁気抵抗素子を正確な位置に取り付けることができる。
【００３０】
本発明の実施の形態５は、実施の形態１、２、３または４に従属する形態であって、異方性磁気抵抗素子が一対の電極と、この一対の電極間に設けられた薄膜強磁性金属から構成され、薄膜強磁性金属が、磁性部材が有する磁束方向に対して所定の角度で配設されることを特徴とする画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、製造と組み立てが容易になる。
【００３１】
本発明の実施の形態６は、実施の形態１、２、３、４または５に従属する形態であって、検知手段は磁性部材を検出する時間が所定の時間より短いことによりトナーの残量が多いことを検知し、所定の時間より長いことによりトナーの残量が少ないこと検知することを特徴とする記載の画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、製造と組み立てが容易になる。
【００３２】
（実施の形態１）
以下本発明の実施の形態１における画像形成装置について図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態１における画像形成装置の像形成部を拡大した構成図、図２はＡＭＲセンサをパドル角基準の下方に配設したときの動作説明図、図３は本発明の実施の形態１における画像形成装置の要部制御ブロック図である。複写機、プリンタ、ファクシミリ装置などの電子写真プロセスを利用した画像形成装置の本体部分の構成については図１３、図１４を基に背景技術の説明において説明したとおりであり、ここでは省略する。しかし、画像形成装置の全体的な構成の説明のために図１３、図１４は実施の形態１でも図１と同時に参照する。
【００３３】
図１に示すように画像形成装置は像形成部１を備えている。像形成部１は、表面に静電潜像が形成される感光体ドラム２を備えている。感光体ドラム２が回転することで、順次、帯電部がその表面を帯電させ、露光部がここに静電潜像を形成し、現像部がこの静電潜像を現像し、転写部が記録紙に転写する。帯電から転写までが感光体ドラム２の周囲で行えるように各部が周囲に配置されている。
【００３４】
各部の第１の構成は帯電器である。実施の形態１においては、帯電器は感光体ドラム２を帯電させる非接触帯電式のスコロトロン帯電器等の帯電器３である。また、第２の構成として露光部が設けられている。図１には図示しないが、図１３、図１４に示すようなＬＳＵが設けられている。このＬＳＵは感光体ドラム２の周面にレーザ光を照射することで帯電が除電し、静電潜像を形成する。
【００３５】
そして、静電潜像が形成された状態の感光体ドラム２を現像するために、第３の構成として現像部が設けられている。現像部は、帯電した感光体ドラム２の表面に一成分現像剤のトナー５を付着させる現像ローラ６を備えている。トナー容器４内のトナー５は、攪拌パドル７によって攪拌されながら搬送され、供給ローラ８によって現像ローラ６に供給される。この攪拌パドル７は先端に掻き混ぜ用の攪拌体を有し、図示しないギヤ機構で現像ローラ６と連動して回転するように形成されている（例えば図１１（ａ）参照）。なお、トナー５は一成分現像剤に限られず、二成分現像剤等でもかまわない。
【００３６】
攪拌パドル７を回転させる回転軸７ａには、図１、図２に示すように攪拌パドル７と連れ回りによって共に回転するフリーパドル１１が設けられている。フリーパドル１１は攪拌パドル７の回転軸７ａに回転自在に軸支されており、攪拌パドル７の当接により頂点（最上点）まで押し上げられ、その位置からは自重により降下する。フリーパドル１１は落下点で残留しているトナー５の抵抗を受け、一時的に回転速度が低下してこの付近で動きが鈍る。しかし、直ぐこれを追って攪拌パドル７が背後から当接して再び回転力を与え、最下点を経由して最上点まで押し上げる。
【００３７】
このフリーパドル１１の先端にマグネット９が設けられている。図２に示すようにフリーパドル１１と攪拌パドル７の円軌道の側面に磁気センサＳが設けられる。実施の形態１の磁気センサＳは画像形成装置の底面に取り付け部材１５を介して固定されるＡＭＲセンサ１０であるが、図２ではホール素子と同様の位置に置かれており、実施の形態１の特有なセンサの配置とは異なるため（またホール素子とこの場合の位置が共通であることを示す意味合いもあり）、ＡＭＲセンサ１０ではなく上位概念の磁気センサＳとして記載されている。この磁気センサＳは所定の検知範囲で回転するマグネット９を検出する。しかし、磁気センサＳがＡＭＲセンサ１０の場合、図２の配置ではトナー５の検知は残留量が少ないほど困難である。
【００３８】
さて、図１に戻って現像部の説明を続けると、現像ローラ６は、帯電した感光体ドラム２の表面にトナー５を付着させるために電源から電圧が印加されている。この電源は約２００Ｖの直流電圧に交流重畳バイアスを現像ローラ６に印加している。そして、重畳して印加する交流電圧を調整するため、電源部コントローラ１３を制御できる制御部１２（図３参照）が設けられている。制御部１２はプロセッサとプログラムを記憶したメモリから構成される機能実現手段である。この制御部１２にはＡＭＲセンサ１０が接続され、制御部１２には、ＡＭＲセンサ１０からの出力を基に磁束を検出する時間の変化でトナー５の残量を検知する検知手段１２ａが設けられている。検知手段１２ａも制御部１２に搭載される機能実現手段である。なお、制御部１２は図３に示すように検知手段１２ａの検知結果を基にして表示部１４に、トナー無や、トナーＬＯＷ表示、ＥＮＰＴＹなどのトナー５の残量表示を行う。
【００３９】
続いて、第４の構成として転写部が設けられている。転写部は、現像された感光体ドラム２のトナー５を記録紙へ転写するため、転写ローラを備えている。転写ローラは、感光体ドラム２の上方に位置し（図１３参照）、感光体ドラム２に接した状態で回転する。転写ローラと感光体ドラム２との間を記録紙が搬送されることで転写される。
【００４０】
そして、転写された記録紙のトナー５を定着させるために、画像形成装置には、図１には図示はしないが、定着ローラが設けられる。定着ローラで転写された記録紙を加熱しながら、記録紙に圧力を印加することで、トナー５を定着させて排紙する（図１３参照）。
【００４１】
さて、以上説明した画像形成装置において行われるトナー５の残量検知の詳細について説明する。磁気センサＳによってトナー５の残留検知が可能になる原理を図４（ａ）の磁気センサＳによってトナー５があるときの残留検知の原理説明図、図４（ｂ）の磁気センサＳによってトナーがないときの残留検知の原理説明図に基づいて説明する。実施の形態１のＡＭＲセンサ１０とは配置が異なるため、ここではホール素子などの一般の磁気センサＳとして説明する。ただ、実施の形態１のＡＭＲセンサ１０においても基本動作の原理自体は同様となる。図４（ａ）はトナー５がトナー容器内に多くある状態のときの攪拌パドル７、フリーパドル１１、マグネット９、磁気センサＳの様子を示し、図４（ｂ）はトナー５がトナー容器内に少ない状態の攪拌パドル７、フリーパドル１１、マグネット９、磁気センサＳの様子を示す。以下、磁気センサＳはホール素子であるとして説明する。
【００４２】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、攪拌パドル７は所定回転速度で回転軸７ａの周りに回転しトナー５を攪拌する。フリーパドル１１はこの回転軸７ａに回転自在に軸支されており、攪拌パドル７と連れ回りをする。すなわち、フリーパドル１１背後から追従して回転する攪拌パドル７に当接されて最上点まで押し上げられ、その位置からは攪拌パドル７の回転速度より自重により降下する。フリーパドル１１はトナー５上の落下点でトナー５の抵抗を受け、一時的に速度が鈍る。しかし、追従する攪拌パドル７が背後から押し、再び回転力を与え、トナー５内を通過して最上点まで押し上げ、この動作を繰り返す。このフリーパドル１１の先端にマグネット９が設けられており、このマグネット９はフリーパドル１１の先端の円軌道に沿って移動し、マグネット９の磁界も移動する。
【００４３】
従って、磁気センサＳの検知範囲を、トナー５が検知したいごく少量の設定範囲に合わせるか、それ以上の幅の範囲になるように配置すれば、高精度にトナーなし状態を検出できる。すなわち、トナー５がほとんどない状態では図４（ｂ）に示すようにトナー５の抵抗はなく、フリーパドル１１の動きがトナー５の存在によって止められることはない。従って、トナー５のない状態でフリーパドル１１が自重によって降下するとき最下端となる位置（自重で垂下される位置）にフリーパドル１１が位置する時間が長くなる。そして、これは、トナー量が少ない状態では、フリーパドル１１が最上点から落下し攪拌パドル７に押し上げられるまでの時間の中でフリーパドル１１が検知範囲に存在する時間が長くなることを意味する。
【００４４】
しかし、図４（ａ）に示すように、トナー５が十分に存在する場合には、フリーパドル１１は自重で落下するとき、トナー５上に落下して抵抗を受ける。これによりマグネット９は磁気センサＳの検知範囲に到達できない。従って、トナー５のない状態でフリーパドル１１が自重によって降下するとき最下端となる位置にフリーパドル１１が位置する時間はフリーパドル１１が攪拌パドル７に押されて通過する時間のみであるためフリーパドル１１が最下端となる位置に位置する時間が短くなる。これは、フリーパドル１１が最上点から落下し攪拌パドル７に押し上げられるまでの時間は、トナー５が多い状態では、検知範囲に存在する時間が短くなって短時間になることを意味する。以上説明した原理により、フリーパドル１１と磁気センサＳ、マグネット９を使ってトナー５の残量を検知することができる。
【００４５】
ただ、ここで磁気センサＳとマグネット９を利用した一般のトナー５の残留量検知は次のような仮定で成り立っていることに注意しなければならない。すなわち、マグネット９が近づいてくると磁界強度が強くなり、磁気センサＳがこれに反応して検出信号を出力するということである。従って、磁気センサＳがホール素子であって、かつ、トナー５のない状態でフリーパドル１１が自重によって降下するとき最下端となる位置（自重で垂下される位置）の下方に磁気センサＳが配置されているのであれば、上記した原理に基づいてトナー５の残量を検出できる。
【００４６】
しかし、磁気センサＳがマグネット９との距離に関して非線形的な応答をするＡＭＲセンサ１０の場合には、ＡＭＲセンサ１０上をマグネット９が回転すると、ホール素子とは異なった非線形的な応答特性を示すため、上記原理における基本的な考え方は利用することはできるが、そのままでは実際には検知できない。ＡＭＲセンサ１０では、フリーパドル１１が最下端を通過するときにマグネット９の検出信号がＯＦＦになるからである。
【００４７】
図５はＡＭＲセンサの外観と異方性磁気抵抗の効果の説明図を示し、図６（ａ）はホール素子の磁界検出方向を示す説明図、図６（ｂ）はＡＭＲセンサの磁界検出方向を示す説明図であり、図７（ａ）はホール素子の応答特性の説明図、図７（ｂ）はＡＭＲセンサの応答特性の説明図、図８はホール素子とＡＭＲセンサの出力信号の波形図で、ホール素子とＡＭＲセンサの傍をマグネットが１回通過するときの出力信号の波形を示す。図９は本発明の実施の形態１における画像形成装置のトナー検知装置の配置説明図、図１０（ａ）は図９の画像形成装置のトナー検知装置のマグネットの軌道とＡＭＲセンサの斜視図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のトナー検知装置の正面図である。図１１（ａ）は本発明の実施の形態１における画像形成装置の像形成部を取り出した状態の斜視図、図１１（ｂ）はＡＭＲセンサのずれ量を示す説明図である。
【００４８】
ここで、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲセンサ）の構造と異方性磁気抵抗の効果の説明をする。図５に示すＡＭＲセンサ１０は、Ｓｉもしくはガラス基板などの基板２１とその上に形成されたＮｉ，Ｆｅなどの強磁性金属を主成分とした合金の薄膜２２、また、この細長いベルト状の薄膜２２の両端に設けられた電極２３，２４から構成される。基板２１に沿って図５に示すｘ軸方向の磁界が加わると、電流の流れるｙ軸方向に向いた薄膜２２の抵抗値が変化する。従って出力される電流値も変化する。この異方性磁気抵抗の効果を利用したのがＡＭＲセンサ１０である。なお、ホール効果を利用するのがホール素子である。
【００４９】
このＡＭＲセンサ１０とホール素子の特性を比較すると、図６（ａ）（ｂ）、図７（ａ）（ｂ）のような大きな相違がある。図６（ａ）に示すようにホール素子は素子と垂直方向（ｚ軸方向）の磁束を検出し、ＡＭＲセンサ１０は図５、図６（ｂ）に示すように基板２１の表面上で薄膜２２の膜の形成された長手方向（ｙ軸方向）に関して横方向（ｘ軸方向）の磁束を検出する。従って、磁気センサＳがホール素子であってかつ図２の位置に配置された場合、図６（ａ）のようにマグネット９のＮ極、Ｓ極の何れかの磁極（例えばＮ極）が接近すると、距離の二乗に反比例して徐々に磁界強度が強くなり、離れるに従って磁界強度が弱くなる。そして、図７（ａ）に示すようなヒステリシスをもった応答を出力する。
【００５０】
しかし、磁気センサＳがＡＭＲセンサ１０であって、かつ図２の位置に配置された場合、マグネット９のＮ極、Ｓ極の何れかの磁極（例えばＮ極）がＡＭＲセンサ１０に接近すると、マグネット９の磁力線はドーナツ状の磁束フローを描いてマグネット９から流入流出するから（図６、図１０（ａ）参照）、マグネット９が近づいてくると、まず接近する側（回転方向の側）の半分の磁束に対してＡＭＲセンサ１０が反応し、ＯＮ信号を出力する。そして、マグネット９がＡＭＲセンサ１０の上方に差し掛かると検出信号はＯＦＦ信号となり、次いで遠ざかる側の残り半分の磁束が近づくと、再びＡＭＲセンサ１０が反応してＯＮ信号を出力する。ＡＭＲセンサ１０の応答は図７（ｂ）に示すようなヒステリシスをもった応答になる。従って、ＡＭＲセンサ１０は、トナー検知に最も必要な図２の位置においては、図６（ｂ）のように磁力がマグネット９の両側でつりあって、検出信号はＯＦＦとなる。
【００５１】
また、このときのホール素子とＡＭＲセンサ１０の検出信号の波形は図８のようになる。図８の波線はホール素子による検出信号であり、実線がＡＭＲセンサ１０の検出信号である。これによれば、マグネット９の円軌道の最下端を含む相当幅の区間でな検知時間があり、この区間でＡＭＲセンサ１０はマグネット９を検出できていない。そしてこの無検知区間を挟んで、前半区間Ｉと後半区間ＩＩの２区間でそれぞれパルス（全体で２パルス）を生成している（図２参照）。検知時間の具体的な値を説明すると、最低感度３．０ｍＴのＡＭＲセンサ（村田製作所製）を使ってトナー有の状態を検知したとき、一例としてセンサ検知時間は１１８０ｍｓｅｃ、無検知区間が２８０ｍｓｅｃ、前半区間Ｉが４５０ｍｓｅｃ、同様に後半区間ＩＩも４５０ｍｓｅｃであった。結果として２パルスが出力されている。通常はこの程度の値となる。なお、図８で比較のために測定した最低感度１１．７ｍＴのホール素子の検知時間を示すと、４８０ｍｓｅｃ（１パルス）である。図８には両磁気センサＳの特徴が表れている。
【００５２】
図２についてさらに詳しく説明を加えると、攪拌パドル７は回転軸７ａ周りに回転し、これと連れ回りするフリーパドル１１も回転軸７ａの周りで回転する。フリーパドル１１の先端に設けられたマグネット９もこれと共に回転し、磁界も回転する。そして、ＡＭＲセンサ１０を図２のようにフリーパドル１１の最下端に位置するθ０の下方位置に配置したときには、ＡＭＲセンサ１０は検知開始角度の位置θ１でマグネット９の磁束を検知し始め、θ２を示す位置まで磁束を検知して検出信号を出力する。この範囲がセンサ検知前半区間Ｉである。
【００５３】
しかし、センサ検知前半区間Ｉを通過し、マグネット９が位置θ２から位置θ０を経て位置θ３の間に存在する間は磁束を検出しない。検出信号はＯＦＦとなる。この範囲がＡＭＲセンサ１０の第１の無検知区間となる。さらに、マグネット９が位置θ３を通過して位置θ４に至るまでの検知終了角度で再び磁束を検出する。これがセンサ検知後半区間ＩＩである。位置θ４を通過するとθ１まで再び第２の無検知区間となる。
【００５４】
従って、このようにマグネット９との距離に関して非線形的な応答（２パルス出力）をする特性のＡＭＲセンサ１０では、図２のような配置ではトナー５の残量検知に使用することはできない。
【００５５】
そこで、本発明の実施の形態１においては、図１０（ａ）（ｂ）に示すようにＡＭＲセンサ１０の配置と設置する向きを工夫することにより、ＡＭＲセンサ１０によるトナー５の残量検知を実現した。
【００５６】
図１０（ａ）（ｂ）において、Ａ，Ｂ，Ｃはマグネット９の描く円軌道の３点である。図中ドーナツ状のリングは磁力線を示す。この軌道上の位置θ１からθ４の範囲が磁界検知範囲である。θ０はフリーパドル１１の最下端となる位置であり、パドル角度基準となる。トナー５のない状態で自重によって降下したとき最下端となる位置（重力的に安定した位置であり、自重で垂下されたときの位置）である。図１０（ｂ）、図１１（ａ）（ｂ）からも分かるように、ＡＭＲセンサ１０はマグネット９の描く円軌道の中で初期的にずれた位置に配設される。この配置はＡＭＲセンサ１０に上記した第１の無検知区間を出現させないような位置である。すなわち、マグネット９の磁束のうち回転方向側の磁束のみをθ１からθ４の範囲に限って、周期で言えばそれぞれθ１とθ４に相当する第１、第２のタイミング（時間）の間に限って検出できる距離にマグネット９の軌道から離して配置する。
【００５７】
従って、実施の形態１においては、ＡＭＲセンサ１０を回転自在に置かれたフリーパドル１１が位置するパドル角基準のθ０の位置と回転軸７ａを含む平面Ｍより、フリーパドル１１の回転方向下流側に配置するという手段を講じている。あわせて実施の形態１においては、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）に示すように、回転軸７ａから回転方向下流側のずれ量Ｌ１だけでなく、回転軸７ａ方向のずれ量Ｌ２も設けて配置している。このような配置にすることによって、マグネット９の接近する側の半分の磁束だけに反応させることが可能になり、パドル角基準のθ０近傍でＡＭＲセンサ１０はＯＮ信号を出力し、検知終了角度となるθ４を通過して遠ざかると、再び距離が増してＡＭＲセンサ１０が無反応となりＯＦＦする。安価で高感度のＡＭＲセンサ１０を使って１パルスの出力が可能になる
ＡＭＲセンサ１０を配設する向きは、マグネット９が図１０（ｂ）のθ０の位置にあるとき、薄膜２２の長手方向の向きが電流の流れる方向（ｙ軸方向）で、磁力線の向きがこれと直交するｘ軸方向の方向にすればよい。ｚ軸はマグネット９の磁力により傾斜させた方がよい場合もあるが、ＡＭＲセンサ１０の位置は図１０（ａ）のｘ−ｙ平面が平面Ｍとほぼ直交するような２次元的に広がった位置関係に置けるため、位置θ０に対する取り付け部材表面の仰角の設定をあまり考慮せずとも通常は十分である。すなわち、ＡＭＲセンサ１０の感度は高く（パドル角基準のθ０からのずれ量Ｌ１，Ｌ２が大きくても十分に検知できる）、むしろ大きくて適度なずれにすることで磁束検知時間を小さくでき、検知開始角度の位置θ１と検知終了角度となるθ４を適度の角度に設定することができる。離れれば離れるほど仰角の大きさはあまり問題がなくなる。場合によっては予め所定の仰角に定めておいてずれ量Ｌ１，Ｌ２を調整するのもよい。
【００５８】
このようにＡＭＲセンサ１０の感度とマグネット９の磁力の強さとによって、パドル角基準のθ０からの３次元的な距離（ずれ量Ｌ１、Ｌ２のほかに、ｚ軸方向の軌道までの高さまで考慮した距離）とＡＭＲセンサ１０の設置方向を決定することができる。なお、画像形成装置の高さは薄型が望まれることが多く、ｚ軸方向の高さを増加するのが制限を受けることが多い。従って、構造上、図１０（ｂ）のような所定のｘ−ｙ平面内でずれ量を増減してθ１とθ４を調整するのが好適となる。
【００５９】
ＡＭＲセンサ１０は、３．０ｍＴ程度の低感度品であってもホール素子と比べると、検知時間が２倍以上となる。そして、θ１が大きくなると検知時間が長くなり、トナー残量が多くなるので、ＡＭＲセンサ１０のθ１、θ４をホール素子のθ１、θ４と同じ位置になるようにずれ量を調整するのが、従来の画像形成装置の構造を基本的に設計変更せずに済み、好適である。そして、θ０とＡＭＲセンサ１０のなす角度αは２５°±５°が好適である。この角度で距離を調整するのがよい。しかし、０°＜α＜３０°であれば十分に磁束を検知することができる。
【００６０】
図１１（ａ）は像形成部１を画像形成装置から取り出した状態で、このとき像形成部１を装着する底面となるケース１６が露出した状態になる。そして、ＡＭＲセンサ１０はケース１６の下方に隠れた状態で設けられるが、図１１（ａ）ではその位置を分かり易くするために実線で図示されている。これをケース１６の一部破砕により示した斜視図が、図１２の画像形成装置の像形成部を取り出した状態の一部破砕斜視図である。図１２において、ＡＭＲセンサ１０は画像形成装置の底面に取り付け部材１５を介して固定される。取り付け部材１５は、回転軸７ａとθ０からの位置から決まる所定の角度α、ずれ量Ｌ１、Ｌ２をもつように配置され、表面には仰角も設けられる。この面の上にＡＭＲセンサ１０が載置固定される。取り付け部材１５は底面にＡＭＲセンサ１０と共にネジ止めされる。ＡＭＲセンサ１０からの出力端子は図１２、図３のように制御部１２に接続される。
【００６１】
このように実施の形態１の画像形成装置は、ＡＭＲセンサを使った安価で高感度のトナー検知装置を実現することができる。従来のような高価なホール素子を使用することなく、ＡＭＲセンサ特有の無検知時間の問題を解決することができ、制御仕様の見直しをしなくとも従来の制御方式で制御できる。構造上、画像形成装置の高さを増す必要もない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、トナー検知装置を備えた画像形成装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１における画像形成装置の像形成部を拡大した構成図
【図２】ＡＭＲセンサをパドル角基準の下方に配設したときの動作説明図
【図３】本発明の実施の形態１における画像形成装置の要部制御ブロック図
【図４】（ａ）磁気センサＳによってトナーがあるときの残留検知の原理説明図、（ｂ）磁気センサＳによってトナーがないときの残留検知の原理説明図
【図５】ＡＭＲセンサの外観と異方性磁気抵抗の効果の説明図
【図６】（ａ）ホール素子の磁界検出方向を示す説明図、（ｂ）ＡＭＲセンサの磁界検出方向を示す説明図
【図７】（ａ）ホール素子の応答特性の説明図、（ｂ）ＡＭＲセンサの応答特性の説明図
【図８】ホール素子とＡＭＲセンサの出力信号の波形図
【図９】本発明の実施の形態１における画像形成装置のトナー検知装置の配置説明図
【図１０】（ａ）図９の画像形成装置のトナー検知装置のマグネットの軌道とＡＭＲセンサの斜視図、（ｂ）図１０（ａ）のトナー検知装置の正面図
【図１１】（ａ）本発明の実施の形態１における画像形成装置の像形成部を取り出した状態の斜視図、（ｂ）ＡＭＲセンサのずれ量を示す説明図
【図１２】本発明の実施の形態１における画像形成装置の像形成部を取り出した状態の一部破砕斜視図
【図１３】従来の画像形成装置の構造図
【図１４】従来の画像形成装置の構造図
【図１５】従来のトナー検知装置の構成図
【符号の説明】
【００６４】
１ 像形成部
２ 感光体ドラム
３ 帯電器
４ トナー容器
５ トナー
６ 現像ローラ
７ 攪拌パドル
７ａ 回転軸
８ 供給ローラ
９ マグネット
１０ ＡＭＲセンサ
１１ フリーパドル
１２ 制御部
１２ａ 検知手段
１３ 電源部コントローラ
１４ 表示部
１５ 取り付け部材
１６ ケース
２１ 基板
２２ 薄膜
２３，２４ 電極
１０１ 給紙トレイ
１０２ 給紙ローラ
１０３ 搬送ローラ
１０４ 像形成部
１０５ 感光体ドラム
１０６ 帯電器
１０７ ＬＳＵ
１０８ 現像ローラ
１０９ 転写ローラ
１１０ 定着ローラ
１１１ 排紙ローラ
１１２ 攪拌パドル
１１３ 供給ローラ
１１４ トナー容器
１２１ 像形成部
１２２ ＬＳＵ
１２３ 中間転写ベルト
１２４ １次転写ローラ
１２５ ２次転写ローラ
１３０ 攪拌パドル
１３１ 検知体
１３２ 永久磁石
１３３ 透磁率センサ
θ０，θ１，θ２，θ３，θ４ 位置
Ｉ センサ検知前半区間
ＩＩ センサ検知後半区間
α 最下点とＡＭＲセンサのなす角度
Ｌ１，Ｌ２ ずれ量
ｘ，ｙ，ｚ 座標軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子写真プロセスを利用した画像形成装置であって、とくにトナーの残量検知を行えるトナー検知装置を備えた画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複写機、プリンタ、ファクシミリ装置などの電子写真プロセスを利用した画像形成装置においては、感光体を予め一様に帯電させ、この感光体上に露光して静電潜像を形成し、この静電潜像を現像装置から供給されるトナーによって現像して、この可視化されたトナー画像を転写ローラに電圧を印加することでトナーを移動させ、記録媒体に転写、定着している。
【０００３】
まずトナー検知装置について説明する前に、以下図１３、図１４を参照しながら、前提となる画像形成装置の主要構成について説明する。本発明の画像形成装置は、電子写真プロセスで画像を形成するものであればよく、モノクロ印刷の画像形成装置としてファクシミリを説明し、カラー印刷の画像形成装置として簡単にタンデム型のカラー画像形成装置を説明する。
【０００４】
ファクシミリ装置は、ファクシミリ受信時またはコピーの印刷時に記録紙が第１の記録紙パスを搬送されて像形成部と定着器で画像形成が行われる。また、ファクシミリ送信時または画像読み込み時に原稿が第２の記録紙パスを搬送されて画像の読み取りが行われる。
【０００５】
そこで、図１３の従来の画像形成装置の構造図に基づいて画像形成装置であるファクシミリ装置について説明する。図１３の記録紙パスに沿って、給紙ローラ１０２によって給紙トレイ１０１から記録紙が１枚ずつピックアップされて記録紙パスに給紙される。この記録紙は搬送ローラ１０３で像形成部１０４に送られる。
【０００６】
像形成部１０４には一定速度で回転する感光体ドラム１０５が設けられており、この表面をスコロトロン帯電器などの帯電器１０６によって順次一様に帯電する。この帯電された表面にＬＳＵ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０７からのレーザ光を照射して走査し、静電潜像を形成して、この静電潜像を現像する。ＬＳＵ１０７からのレーザ光は光の照射された部位の電荷を除電することにより静電潜像を形成する。このプロセスが回転に伴ってできるように感光体ドラム１０５の周囲に各部が配置されている。
【０００７】
さて、像形成部１０４には現像ローラ１０８が設けられており、感光体ドラム１０５の表面に一成分現像剤等のトナーを付着させる。トナーは現像ローラ１０８の近くに設けられたトナー容器１１４に収容され、攪拌パドル１１２によって攪拌されながら搬送され、供給ローラ１１３によって現像ローラ１０８に供給される。トナー量はドクターブレードで制御される。なお、攪拌パドル１１２は、図示しないギヤ機構で現像ローラ１０８と連動して回転するように形成されている。
【０００８】
レーザ光によって形成された感光体ドラム１０５の静電潜像は、現像ローラ１０８のトナーが付着することによって可視化され、さらに、感光体ドラム１０５と対応して設けられた転写ローラ１０９に直流電圧を印加することで、その間を搬送される記録紙にトナー像が転写される。トナー像が転写された記録紙は記録紙パスに沿って搬送される。
【０００９】
この記録紙に形成されたトナー像は定着ローラ１１０で定着される。トナー像が付着している記録紙を記録紙パスに沿って搬送させながら定着ローラ１１０で加熱定着する。定着ローラ１１０にはハロゲンランプ等の発熱体が設けられている。定着後、記録紙は排紙ローラ１１１によって排紙される。
【００１０】
続いて、図１４の従来の画像形成装置の構造図に基づいてタンデム型のカラー画像形成装置について説明する。イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のプロセスユニットがあるだけで、基本的構造はファクシミリと変わらない。帯電、露光、現像、転写、定着の各プロセスを経て記録紙に画像を形成する画像形成部が設けられ、この画像形成部には、給紙カセットに収容された記録紙が、給紙カセットから画像形成部に向かう記録紙パスを経て搬送される。画像形成部にて所要の画像が形成された記録紙は、画像形成部から次の記録紙パスを経て排紙部に排出される。
【００１１】
画像形成部は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の各色成分の像を形成する４色の像形成部１２１と、この各像形成部１２１内の各感光体ドラム表面に露光のためのレーザ光を走査するＬＳＵ１２２と、各像形成部１２１内の各感光体ドラム上に形成された各色のトナー像が順次転写される中間転写ベルト１２３とを有しており、各色の感光体ドラムが中間転写ベルト１２３に沿って並んで配置されたタンデム構造となっている。
【００１２】
各像形成部１２１内では、各帯電器により均一に帯電された各感光体ドラム表面に対して、ＬＳＵ１２２からレーザ光が走査されて静電潜像が形成される。この各感光体ドラムの静電潜像が、各現像装置から供給される各色のトナーで現像されて色成分ごとのトナー像として各感光体ドラムに形成される。４色になり、中間転写ベルト１２３が設けられただけで、実質的には上記したファクシミリの像形成部１０４と変わらない。中間転写ベルト１２３は、駆動ローラ、従動ローラに巻き掛けられて張架されており、この中間転写ベルト１２３の内側には、各感光体ドラム上のトナー像を中間転写ベルト１２３に転写する各色の１次転写ローラ１２４が設けられている。また中間転写ベルトの一端には、中間転写ベルトに形成されたトナー像を記録紙に転写する２次転写ローラ１２５が配設されている。
【００１３】
２次転写ローラ１２５によりトナー像が転写された記録紙は、定着器に搬送されて熱及び圧力によりトナー像を記録紙に定着させる処理が行われる。その後、記録紙は記録紙パスを経て排紙ローラにより排紙部上に排出される。
【００１４】
さてここで、従来の画像形成装置に設けたトナー検知装置について説明する（例えば特許文献１参照）。図１５に従来のトナー検知装置の構成図として示すように、攪拌パドル１３０に検知体１３１を所定の力で吸着する永久磁石１３２を設ける。攪拌シャフトの回転に伴って、トナー容器内のトナー残量が少ない場合に、検知体１３１が永久磁石１３２により吸着されて一方の攪拌翼と一体となって回転する第１の動作状態と、トナー残量が多い場合に、検知体１３１がトナーの抵抗により永久磁石１３２から分離され、永久磁石１３２が設けられていない他方の攪拌翼によって最上点まで押し上げられ、自重により降下する第２の動作状態とをとり得るように構成するものである。これにより、検知体１３１の第１及び第２の動作状態において発生する磁界変化の回数を透磁率センサ１３３により検知するものである。
【００１５】
また、別のトナー検知装置として、図示はしないが、センサ攪拌パドルとフリーパドルを用い、ホール素子を使ったトナー残量検知も本出願人によって提案されている（特許文献２参照）。ホール素子はフリーパドルに設けた磁石の発生する磁界や電流の発生する磁界を電気信号に変換し出力する。フリーパドルの運動は特許文献１の検知体の第２の動作状態の運動に相当し、ホール素子で検出されたパルスの長さで残量を判断する。
【特許文献１】特開２００２−１０８０８６号公報
【特許文献２】特開２００７−１６４０３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、磁気センサにおいて、ホール素子は異方性磁気抵抗素子と比べて感度が低いといわれている。なお、異方性磁気抵抗素子はＡＭＲ（Ａｎｉｔｏｒｐｉｃ−Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）センサとも称されるので、以下ＡＭＲセンサという表現で説明する。このホール素子は、実際感度が低いだけでなく、ＡＭＲセンサよりもコストが高い。加えてＡＭＲセンサの方が感度の上下を問わずコストが安定的に安い。このためトナー検知装置にとってＡＭＲセンサはきわめて有利な点が多いセンサであるが、ＡＭＲセンサを利用するには以下説明する幾つかの課題があり、今まで実現できていない。
【００１７】
以下このＡＭＲセンサの課題の説明をする。ＡＭＲセンサは、トナー検知用（特別仕様）の素子ではない標準的な感度の素子でも、感度幅は０．８ｍＴ〜２．２ｍＴ程度であり、ホール素子と比較すると、高感度で、３倍を越える感度を有している。これに対し、トナー検知用（特別仕様）のホール素子の感度は１１．３ｍＴ程度であり、通常のホール素子では２０．０ｍＴ程度である。従って、ホール素子をＡＭＲセンサに交換しようとすると、ＡＭＲセンサが鋭敏に反応してしまい、トナー残量のばらつきが大きくなり、トナー検知装置には使用できなかった。
【００１８】
また、ホール素子は基体と垂直に交差する方向の磁束を検出するという特性を有しており、ホール素子と磁石を接近させるだけで垂直方向の磁束を検出し、検出信号（ＯＮ）を出力し、設計上利用し易い。これに対して、ＡＭＲセンサは基体と平行に交差する横方向の磁束を検出する特性を有している（後述する図６（ａ）（ｂ）参照）。このため、磁石がセンサの真上に位置したときは、ＡＭＲセンサでは磁力が垂直方向では磁気的につりあい状態となり、肝心の検出対象の近くで検出信号がＯＦＦとなる。
【００１９】
そして、ホール素子とＡＭＲセンサとで検出する磁束の方向がこのように相違するため、上記検出信号のＯＮ、ＯＦＦの違いのほかに、別の技術的特性の違いを生じる。すなわち、ホール素子は、磁石がセンサの真上に位置したときにだけＯＮ信号を１パルスだけ出力するという特性になるが、ＡＭＲセンサは磁石がセンサの真上に位置したときにＯＦＦとなり、しかもこの位置の前後でＯＮ信号を各１回ずつ２パルス出力するという特性をもつ。このような技術的特性をもつＡＭＲセンサでは、トナー残量がきわめて乏しくなった状態の検出はできない。
【００２０】
ホール素子は感度が低いという特性ため、残量が少ない位置での残量検知に適している。しかし、ＡＭＲセンサはホール素子と比べると高感度であり、２倍以上の時間早めに磁束を検出してしまう。検知開始のタイミングが早くなると、トナーの検知時間が長くなってしまう。どうしても検出のばらつきも大きくなり、検出信号がＯＦＦとなる課題を抜きにしても、トナーの残量が多くなってしまうという課題があった。
【００２１】
これを防止するには、低感度のＡＭＲセンサを使用すればよい。しかし、感度範囲が０．８ｍＴ〜２．２ｍＴ以上となる低感度品は市販されていない。低感度品が使用できる環境にない。だからと言って単純にセンサの位置を遠くに離せばよいかというと、画像形成装置は高さの制限を受け、構造上あまり距離をとることができない。ソフトウェア的に対応する方法も考えられるが、トナー検知は現像装置を交換したときの新品検知等のほかの処理も行っているため、これらすべての制御仕様見直しが必要となり、しかもこのときのソフト処理もきわめて複雑となる。従って、ソフトウェア的に対応する方法は実用的ではない。
【００２２】
従って、従来のホール素子をＡＭＲセンサに代えられるかというと、単純なアプローチでは困難であった。こうした課題が障害となってトナー検知装置にＡＭＲセンサを採用することは困難であった。しかし、ＡＭＲセンサはホール素子よりも低コストで、感度も高いという魅力、利点があり、実用性ではホール素子を凌ぐ有利な特性を有している。
【００２３】
そこで、本発明は、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を備えた画像形成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の画像形成装置は、トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、回転軸対して回転自在に設けられると共にトナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、回転部材の回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、容器の下部に設けられ磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、異方性磁気抵抗素子により磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、異方性磁気抵抗素子を回転軸に対して回転自在である回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より回転部材の回転方向下流側に配置したことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の画像形成装置は、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、製造と組み立てが容易になるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の実施の形態１は、トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、回転軸対して回転自在に設けられると共にトナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、回転部材の回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、容器の下部に設けられ磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、異方性磁気抵抗素子により磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、異方性磁気抵抗素子を回転軸に対して回転自在である回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より回転部材の回転方向下流側に配置したことを特徴とする画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、設計と製造、組み立てが容易になる。
【００２７】
本発明の実施の形態２は、トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、回転軸対して回転自在に設けられると共にトナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、回転部材の回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、容器の下部に設けられ磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、異方性磁気抵抗素子により磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、異方性磁気抵抗素子を回転軸に対して回転自在である回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より回転軸の軸方向へずらして配置したことを特徴とする画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、設計と製造、組み立てが容易になる。
【００２８】
本発明の実施の形態３は、トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、回転軸対して回転自在に設けられると共にトナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、回転部材の回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、容器の下部に設けられ磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、異方性磁気抵抗素子により磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、異方性磁気抵抗素子を回転軸に対して回転自在である回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より回転部材の回転方向下流側であって回転軸の軸方向へずらして配置したことを特徴とする画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、設計と製造、組み立てが容易になる。画像形成装置の高さに影響されることなく容易に取り付け位置の調整が行える。
【００２９】
本発明の実施の形態４は、トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、回転軸対して回転自在に設けられると共にトナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、回転部材の回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、容器の下部に設けられ磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、異方性磁気抵抗素子により磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、異方性磁気抵抗素子を回転軸に対して回転自在である回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より回転部材の回転方向下流側であって磁性部材の磁束のうち回転方向側の磁束のみを周期の第１及び第２のタイミングの間に限って検出できる距離に磁性体の軌道から離して配置したことを特徴とする画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、設計と製造、組み立てが容易になる。軌道を基準にして立体的に設計するので異方性磁気抵抗素子を正確な位置に取り付けることができる。
【００３０】
本発明の実施の形態５は、実施の形態１、２、３または４に従属する形態であって、異方性磁気抵抗素子が一対の電極と、この一対の電極間に設けられた薄膜強磁性金属から構成され、薄膜強磁性金属が、磁性部材が有する磁束方向に対して所定の角度で配設されることを特徴とする画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、製造と組み立てが容易になる。
【００３１】
本発明の実施の形態６は、実施の形態１、２、３、４または５に従属する形態であって、検知手段は磁性部材を検出する時間が所定の時間より短いことによりトナーの残量が多いことを検知し、所定の時間より長いことによりトナーの残量が少ないこと検知することを特徴とする記載の画像形成装置であり、この構成により、異方性磁気抵抗素子を使った安価で高感度のトナー検知装置を実現できると共に、製造と組み立てが容易になる。
【００３２】
（実施の形態１）
以下本発明の実施の形態１における画像形成装置について図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態１における画像形成装置の像形成部を拡大した構成図、図２はＡＭＲセンサをパドル角基準の下方に配設したときの動作説明図、図３は本発明の実施の形態１における画像形成装置の要部制御ブロック図である。複写機、プリンタ、ファクシミリ装置などの電子写真プロセスを利用した画像形成装置の本体部分の構成については図１３、図１４を基に背景技術の説明において説明したとおりであり、ここでは省略する。しかし、画像形成装置の全体的な構成の説明のために図１３、図１４は実施の形態１でも図１と同時に参照する。
【００３３】
図１に示すように画像形成装置は像形成部１を備えている。像形成部１は、表面に静電潜像が形成される感光体ドラム２を備えている。感光体ドラム２が回転することで、順次、帯電部がその表面を帯電させ、露光部がここに静電潜像を形成し、現像部がこの静電潜像を現像し、転写部が記録紙に転写する。帯電から転写までが感光体ドラム２の周囲で行えるように各部が周囲に配置されている。
【００３４】
各部の第１の構成は帯電器である。実施の形態１においては、帯電器は感光体ドラム２を帯電させる非接触帯電式のスコロトロン帯電器等の帯電器３である。また、第２の構成として露光部が設けられている。図１には図示しないが、図１３、図１４に示すようなＬＳＵが設けられている。このＬＳＵは感光体ドラム２の周面にレーザ光を照射することで帯電が除電し、静電潜像を形成する。
【００３５】
そして、静電潜像が形成された状態の感光体ドラム２を現像するために、第３の構成として現像部が設けられている。現像部は、帯電した感光体ドラム２の表面に一成分現像剤のトナー５を付着させる現像ローラ６を備えている。トナー容器４内のトナー５は、攪拌パドル７によって攪拌されながら搬送され、供給ローラ８によって現像ローラ６に供給される。この攪拌パドル７は先端に掻き混ぜ用の攪拌体を有し、図示しないギヤ機構で現像ローラ６と連動して回転するように形成されている（例えば図１１（ａ）参照）。なお、トナー５は一成分現像剤に限られず、二成分現像剤等でもかまわない。
【００３６】
攪拌パドル７を回転させる回転軸７ａには、図１、図２に示すように攪拌パドル７と連れ回りによって共に回転するフリーパドル１１が設けられている。フリーパドル１１は攪拌パドル７の回転軸７ａに回転自在に軸支されており、攪拌パドル７の当接により頂点（最上点）まで押し上げられ、その位置からは自重により降下する。フリーパドル１１は落下点で残留しているトナー５の抵抗を受け、一時的に回転速度が低下してこの付近で動きが鈍る。しかし、直ぐこれを追って攪拌パドル７が背後から当接して再び回転力を与え、最下点を経由して最上点まで押し上げる。
【００３７】
このフリーパドル１１の先端にマグネット９が設けられている。図２に示すようにフリーパドル１１と攪拌パドル７の円軌道の側面に磁気センサＳが設けられる。実施の形態１の磁気センサＳは画像形成装置の底面に取り付け部材１５を介して固定されるＡＭＲセンサ１０であるが、図２ではホール素子と同様の位置に置かれており、実施の形態１の特有なセンサの配置とは異なるため（またホール素子とこの場合の位置が共通であることを示す意味合いもあり）、ＡＭＲセンサ１０ではなく上位概念の磁気センサＳとして記載されている。この磁気センサＳは所定の検知範囲で回転するマグネット９を検出する。しかし、磁気センサＳがＡＭＲセンサ１０の場合、図２の配置ではトナー５の検知は残留量が少ないほど困難である。
【００３８】
さて、図１に戻って現像部の説明を続けると、現像ローラ６は、帯電した感光体ドラム２の表面にトナー５を付着させるために電源から電圧が印加されている。この電源は約２００Ｖの直流電圧に交流重畳バイアスを現像ローラ６に印加している。そして、重畳して印加する交流電圧を調整するため、電源部コントローラ１３を制御できる制御部１２（図３参照）が設けられている。制御部１２はプロセッサとプログラムを記憶したメモリから構成される機能実現手段である。この制御部１２にはＡＭＲセンサ１０が接続され、制御部１２には、ＡＭＲセンサ１０からの出力を基に磁束を検出する時間の変化でトナー５の残量を検知する検知手段１２ａが設けられている。検知手段１２ａも制御部１２に搭載される機能実現手段である。なお、制御部１２は図３に示すように検知手段１２ａの検知結果を基にして表示部１４に、トナー無や、トナーＬＯＷ表示、ＥＮＰＴＹなどのトナー５の残量表示を行う。
【００３９】
続いて、第４の構成として転写部が設けられている。転写部は、現像された感光体ドラム２のトナー５を記録紙へ転写するため、転写ローラを備えている。転写ローラは、感光体ドラム２の上方に位置し（図１３参照）、感光体ドラム２に接した状態で回転する。転写ローラと感光体ドラム２との間を記録紙が搬送されることで転写される。
【００４０】
そして、転写された記録紙のトナー５を定着させるために、画像形成装置には、図１には図示はしないが、定着ローラが設けられる。定着ローラで転写された記録紙を加熱しながら、記録紙に圧力を印加することで、トナー５を定着させて排紙する（図１３参照）。
【００４１】
さて、以上説明した画像形成装置において行われるトナー５の残量検知の詳細について説明する。磁気センサＳによってトナー５の残留検知が可能になる原理を図４（ａ）の磁気センサＳによってトナー５があるときの残留検知の原理説明図、図４（ｂ）の磁気センサＳによってトナーがないときの残留検知の原理説明図に基づいて説明する。実施の形態１のＡＭＲセンサ１０とは配置が異なるため、ここではホール素子などの一般の磁気センサＳとして説明する。ただ、実施の形態１のＡＭＲセンサ１０においても基本動作の原理自体は同様となる。図４（ａ）はトナー５がトナー容器内に多くある状態のときの攪拌パドル７、フリーパドル１１、マグネット９、磁気センサＳの様子を示し、図４（ｂ）はトナー５がトナー容器内に少ない状態の攪拌パドル７、フリーパドル１１、マグネット９、磁気センサＳの様子を示す。以下、磁気センサＳはホール素子であるとして説明する。
【００４２】
図４（ａ）（ｂ）に示すように、攪拌パドル７は所定回転速度で回転軸７ａの周りに回転しトナー５を攪拌する。フリーパドル１１はこの回転軸７ａに回転自在に軸支されており、攪拌パドル７と連れ回りをする。すなわち、フリーパドル１１背後から追従して回転する攪拌パドル７に当接されて最上点まで押し上げられ、その位置からは攪拌パドル７の回転速度より自重により降下する。フリーパドル１１はトナー５上の落下点でトナー５の抵抗を受け、一時的に速度が鈍る。しかし、追従する攪拌パドル７が背後から押し、再び回転力を与え、トナー５内を通過して最上点まで押し上げ、この動作を繰り返す。このフリーパドル１１の先端にマグネット９が設けられており、このマグネット９はフリーパドル１１の先端の円軌道に沿って移動し、マグネット９の磁界も移動する。
【００４３】
従って、磁気センサＳの検知範囲を、トナー５が検知したいごく少量の設定範囲に合わせるか、それ以上の幅の範囲になるように配置すれば、高精度にトナーなし状態を検出できる。すなわち、トナー５がほとんどない状態では図４（ｂ）に示すようにトナー５の抵抗はなく、フリーパドル１１の動きがトナー５の存在によって止められることはない。従って、トナー５のない状態でフリーパドル１１が自重によって降下するとき最下端となる位置（自重で垂下される位置）にフリーパドル１１が位置する時間が長くなる。そして、これは、トナー量が少ない状態では、フリーパドル１１が最上点から落下し攪拌パドル７に押し上げられるまでの時間の中でフリーパドル１１が検知範囲に存在する時間が長くなることを意味する。
【００４４】
しかし、図４（ａ）に示すように、トナー５が十分に存在する場合には、フリーパドル１１は自重で落下するとき、トナー５上に落下して抵抗を受ける。これによりマグネット９は磁気センサＳの検知範囲に到達できない。従って、トナー５のない状態でフリーパドル１１が自重によって降下するとき最下端となる位置にフリーパドル１１が位置する時間はフリーパドル１１が攪拌パドル７に押されて通過する時間のみであるためフリーパドル１１が最下端となる位置に位置する時間が短くなる。これは、フリーパドル１１が最上点から落下し攪拌パドル７に押し上げられるまでの時間は、トナー５が多い状態では、検知範囲に存在する時間が短くなって短時間になることを意味する。以上説明した原理により、フリーパドル１１と磁気センサＳ、マグネット９を使ってトナー５の残量を検知することができる。
【００４５】
ただ、ここで磁気センサＳとマグネット９を利用した一般のトナー５の残留量検知は次のような仮定で成り立っていることに注意しなければならない。すなわち、マグネット９が近づいてくると磁界強度が強くなり、磁気センサＳがこれに反応して検出信号を出力するということである。従って、磁気センサＳがホール素子であって、かつ、トナー５のない状態でフリーパドル１１が自重によって降下するとき最下端となる位置（自重で垂下される位置）の下方に磁気センサＳが配置されているのであれば、上記した原理に基づいてトナー５の残量を検出できる。
【００４６】
しかし、磁気センサＳがマグネット９との距離に関して非線形的な応答をするＡＭＲセンサ１０の場合には、ＡＭＲセンサ１０上をマグネット９が回転すると、ホール素子とは異なった非線形的な応答特性を示すため、上記原理における基本的な考え方は利用することはできるが、そのままでは実際には検知できない。ＡＭＲセンサ１０では、フリーパドル１１が最下端を通過するときにマグネット９の検出信号がＯＦＦになるからである。
【００４７】
図５はＡＭＲセンサの外観と異方性磁気抵抗の効果の説明図を示し、図６（ａ）はホール素子の磁界検出方向を示す説明図、図６（ｂ）はＡＭＲセンサの磁界検出方向を示す説明図であり、図７（ａ）はホール素子の応答特性の説明図、図７（ｂ）はＡＭＲセンサの応答特性の説明図、図８はホール素子とＡＭＲセンサの出力信号の波形図で、ホール素子とＡＭＲセンサの傍をマグネットが１回通過するときの出力信号の波形を示す。図９は本発明の実施の形態１における画像形成装置のトナー検知装置の配置説明図、図１０（ａ）は図９の画像形成装置のトナー検知装置のマグネットの軌道とＡＭＲセンサの斜視図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のトナー検知装置の正面図である。図１１（ａ）は本発明の実施の形態１における画像形成装置の像形成部を取り出した状態の斜視図、図１１（ｂ）はＡＭＲセンサのずれ量を示す説明図である。
【００４８】
ここで、異方性磁気抵抗素子（ＡＭＲセンサ）の構造と異方性磁気抵抗の効果の説明をする。図５に示すＡＭＲセンサ１０は、Ｓｉもしくはガラス基板などの基板２１とその上に形成されたＮｉ，Ｆｅなどの強磁性金属を主成分とした合金の薄膜２２、また、この細長いベルト状の薄膜２２の両端に設けられた電極２３，２４から構成される。基板２１に沿って図５に示すｘ軸方向の磁界が加わると、電流の流れるｙ軸方向に向いた薄膜２２の抵抗値が変化する。従って出力される電流値も変化する。この異方性磁気抵抗の効果を利用したのがＡＭＲセンサ１０である。なお、ホール効果を利用するのがホール素子である。
【００４９】
このＡＭＲセンサ１０とホール素子の特性を比較すると、図６（ａ）（ｂ）、図７（ａ）（ｂ）のような大きな相違がある。図６（ａ）に示すようにホール素子は素子と垂直方向（ｚ軸方向）の磁束を検出し、ＡＭＲセンサ１０は図５、図６（ｂ）に示すように基板２１の表面上で薄膜２２の膜の形成された長手方向（ｙ軸方向）に関して横方向（ｘ軸方向）の磁束を検出する。従って、磁気センサＳがホール素子であってかつ図２の位置に配置された場合、図６（ａ）のようにマグネット９のＮ極、Ｓ極の何れかの磁極（例えばＮ極）が接近すると、距離の二乗に反比例して徐々に磁界強度が強くなり、離れるに従って磁界強度が弱くなる。そして、図７（ａ）に示すようなヒステリシスをもった応答を出力する。
【００５０】
しかし、磁気センサＳがＡＭＲセンサ１０であって、かつ図２の位置に配置された場合、マグネット９のＮ極、Ｓ極の何れかの磁極（例えばＮ極）がＡＭＲセンサ１０に接近すると、マグネット９の磁力線はドーナツ状の磁束フローを描いてマグネット９から流入流出するから（図６、図１０（ａ）参照）、マグネット９が近づいてくると、まず接近する側（回転方向の側）の半分の磁束に対してＡＭＲセンサ１０が反応し、ＯＮ信号を出力する。そして、マグネット９がＡＭＲセンサ１０の上方に差し掛かると検出信号はＯＦＦ信号となり、次いで遠ざかる側の残り半分の磁束が近づくと、再びＡＭＲセンサ１０が反応してＯＮ信号を出力する。ＡＭＲセンサ１０の応答は図７（ｂ）に示すようなヒステリシスをもった応答になる。従って、ＡＭＲセンサ１０は、トナー検知に最も必要な図２の位置においては、図６（ｂ）のように磁力がマグネット９の両側でつりあって、検出信号はＯＦＦとなる。
【００５１】
また、このときのホール素子とＡＭＲセンサ１０の検出信号の波形は図８のようになる。図８の波線はホール素子による検出信号であり、実線がＡＭＲセンサ１０の検出信号である。これによれば、マグネット９の円軌道の最下端を含む相当幅の区間でな検知時間があり、この区間でＡＭＲセンサ１０はマグネット９を検出できていない。そしてこの無検知区間を挟んで、前半区間Ｉと後半区間ＩＩの２区間でそれぞれパルス（全体で２パルス）を生成している（図２参照）。検知時間の具体的な値を説明すると、最低感度３．０ｍＴのＡＭＲセンサ（村田製作所製）を使ってトナー有の状態を検知したとき、一例としてセンサ検知時間は１１８０ｍｓｅｃ、無検知区間が２８０ｍｓｅｃ、前半区間Ｉが４５０ｍｓｅｃ、同様に後半区間ＩＩも４５０ｍｓｅｃであった。結果として２パルスが出力されている。通常はこの程度の値となる。なお、図８で比較のために測定した最低感度１１．７ｍＴのホール素子の検知時間を示すと、４８０ｍｓｅｃ（１パルス）である。図８には両磁気センサＳの特徴が表れている。
【００５２】
図２についてさらに詳しく説明を加えると、攪拌パドル７は回転軸７ａ周りに回転し、これと連れ回りするフリーパドル１１も回転軸７ａの周りで回転する。フリーパドル１１の先端に設けられたマグネット９もこれと共に回転し、磁界も回転する。そして、ＡＭＲセンサ１０を図２のようにフリーパドル１１の最下端に位置するθ０の下方位置に配置したときには、ＡＭＲセンサ１０は検知開始角度の位置θ１でマグネット９の磁束を検知し始め、θ２を示す位置まで磁束を検知して検出信号を出力する。この範囲がセンサ検知前半区間Ｉである。
【００５３】
しかし、センサ検知前半区間Ｉを通過し、マグネット９が位置θ２から位置θ０を経て位置θ３の間に存在する間は磁束を検出しない。検出信号はＯＦＦとなる。この範囲がＡＭＲセンサ１０の第１の無検知区間となる。さらに、マグネット９が位置θ３を通過して位置θ４に至るまでの検知終了角度で再び磁束を検出する。これがセンサ検知後半区間ＩＩである。位置θ４を通過するとθ１まで再び第２の無検知区間となる。
【００５４】
従って、このようにマグネット９との距離に関して非線形的な応答（２パルス出力）をする特性のＡＭＲセンサ１０では、図２のような配置ではトナー５の残量検知に使用することはできない。
【００５５】
そこで、本発明の実施の形態１においては、図１０（ａ）（ｂ）に示すようにＡＭＲセンサ１０の配置と設置する向きを工夫することにより、ＡＭＲセンサ１０によるトナー５の残量検知を実現した。
【００５６】
図１０（ａ）（ｂ）において、Ａ，Ｂ，Ｃはマグネット９の描く円軌道の３点である。図中ドーナツ状のリングは磁力線を示す。この軌道上の位置θ１からθ４の範囲が磁界検知範囲である。θ０はフリーパドル１１の最下端となる位置であり、パドル角度基準となる。トナー５のない状態で自重によって降下したとき最下端となる位置（重力的に安定した位置であり、自重で垂下されたときの位置）である。図１０（ｂ）、図１１（ａ）（ｂ）からも分かるように、ＡＭＲセンサ１０はマグネット９の描く円軌道の中で初期的にずれた位置に配設される。この配置はＡＭＲセンサ１０に上記した第１の無検知区間を出現させないような位置である。すなわち、マグネット９の磁束のうち回転方向側の磁束のみをθ１からθ４の範囲に限って、周期で言えばそれぞれθ１とθ４に相当する第１、第２のタイミング（時間）の間に限って検出できる距離にマグネット９の軌道から離して配置する。
【００５７】
従って、実施の形態１においては、ＡＭＲセンサ１０を回転自在に置かれたフリーパドル１１が位置するパドル角基準のθ０の位置と回転軸７ａを含む平面Ｍより、フリーパドル１１の回転方向下流側に配置するという手段を講じている。あわせて実施の形態１においては、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）に示すように、回転軸７ａから回転方向下流側のずれ量Ｌ１だけでなく、回転軸７ａ方向のずれ量Ｌ２も設けて配置している。このような配置にすることによって、マグネット９の接近する側の半分の磁束だけに反応させることが可能になり、パドル角基準のθ０近傍でＡＭＲセンサ１０はＯＮ信号を出力し、検知終了角度となるθ４を通過して遠ざかると、再び距離が増してＡＭＲセンサ１０が無反応となりＯＦＦする。安価で高感度のＡＭＲセンサ１０を使って１パルスの出力が可能になる
ＡＭＲセンサ１０を配設する向きは、マグネット９が図１０（ｂ）のθ０の位置にあるとき、薄膜２２の長手方向の向きが電流の流れる方向（ｙ軸方向）で、磁力線の向きがこれと直交するｘ軸方向の方向にすればよい。ｚ軸はマグネット９の磁力により傾斜させた方がよい場合もあるが、ＡＭＲセンサ１０の位置は図１０（ａ）のｘ−ｙ平面が平面Ｍとほぼ直交するような２次元的に広がった位置関係に置けるため、位置θ０に対する取り付け部材表面の仰角の設定をあまり考慮せずとも通常は十分である。すなわち、ＡＭＲセンサ１０の感度は高く（パドル角基準のθ０からのずれ量Ｌ１，Ｌ２が大きくても十分に検知できる）、むしろ大きくて適度なずれにすることで磁束検知時間を小さくでき、検知開始角度の位置θ１と検知終了角度となるθ４を適度の角度に設定することができる。離れれば離れるほど仰角の大きさはあまり問題がなくなる。場合によっては予め所定の仰角に定めておいてずれ量Ｌ１，Ｌ２を調整するのもよい。
【００５８】
このようにＡＭＲセンサ１０の感度とマグネット９の磁力の強さとによって、パドル角基準のθ０からの３次元的な距離（ずれ量Ｌ１、Ｌ２のほかに、ｚ軸方向の軌道までの高さまで考慮した距離）とＡＭＲセンサ１０の設置方向を決定することができる。なお、画像形成装置の高さは薄型が望まれることが多く、ｚ軸方向の高さを増加するのが制限を受けることが多い。従って、構造上、図１０（ｂ）のような所定のｘ−ｙ平面内でずれ量を増減してθ１とθ４を調整するのが好適となる。
【００５９】
ＡＭＲセンサ１０は、３．０ｍＴ程度の低感度品であってもホール素子と比べると、検知時間が２倍以上となる。そして、θ１が大きくなると検知時間が長くなり、トナー残量が多くなるので、ＡＭＲセンサ１０のθ１、θ４をホール素子のθ１、θ４と同じ位置になるようにずれ量を調整するのが、従来の画像形成装置の構造を基本的に設計変更せずに済み、好適である。そして、θ０とＡＭＲセンサ１０のなす角度αは２５°±５°が好適である。この角度で距離を調整するのがよい。しかし、０°＜α＜３０°であれば十分に磁束を検知することができる。
【００６０】
図１１（ａ）は像形成部１を画像形成装置から取り出した状態で、このとき像形成部１を装着する底面となるケース１６が露出した状態になる。そして、ＡＭＲセンサ１０はケース１６の下方に隠れた状態で設けられるが、図１１（ａ）ではその位置を分かり易くするために実線で図示されている。これをケース１６の一部破砕により示した斜視図が、図１２の画像形成装置の像形成部を取り出した状態の一部破砕斜視図である。図１２において、ＡＭＲセンサ１０は画像形成装置の底面に取り付け部材１５を介して固定される。取り付け部材１５は、回転軸７ａとθ０からの位置から決まる所定の角度α、ずれ量Ｌ１、Ｌ２をもつように配置され、表面には仰角も設けられる。この面の上にＡＭＲセンサ１０が載置固定される。取り付け部材１５は底面にＡＭＲセンサ１０と共にネジ止めされる。ＡＭＲセンサ１０からの出力端子は図１２、図３のように制御部１２に接続される。
【００６１】
このように実施の形態１の画像形成装置は、ＡＭＲセンサを使った安価で高感度のトナー検知装置を実現することができる。従来のような高価なホール素子を使用することなく、ＡＭＲセンサ特有の無検知時間の問題を解決することができ、制御仕様の見直しをしなくとも従来の制御方式で制御できる。構造上、画像形成装置の高さを増す必要もない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、トナー検知装置を備えた画像形成装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１における画像形成装置の像形成部を拡大した構成図
【図２】ＡＭＲセンサをパドル角基準の下方に配設したときの動作説明図
【図３】本発明の実施の形態１における画像形成装置の要部制御ブロック図
【図４】（ａ）磁気センサＳによってトナーがあるときの残留検知の原理説明図、（ｂ）磁気センサＳによってトナーがないときの残留検知の原理説明図
【図５】ＡＭＲセンサの外観と異方性磁気抵抗の効果の説明図
【図６】（ａ）ホール素子の磁界検出方向を示す説明図、（ｂ）ＡＭＲセンサの磁界検出方向を示す説明図
【図７】（ａ）ホール素子の応答特性の説明図、（ｂ）ＡＭＲセンサの応答特性の説明図
【図８】ホール素子とＡＭＲセンサの出力信号の波形図
【図９】本発明の実施の形態１における画像形成装置のトナー検知装置の配置説明図
【図１０】（ａ）図９の画像形成装置のトナー検知装置のマグネットの軌道とＡＭＲセンサの斜視図、（ｂ）図１０（ａ）のトナー検知装置の正面図
【図１１】（ａ）本発明の実施の形態１における画像形成装置の像形成部を取り出した状態の斜視図、（ｂ）ＡＭＲセンサのずれ量を示す説明図
【図１２】本発明の実施の形態１における画像形成装置の像形成部を取り出した状態の一部破砕斜視図
【図１３】従来の画像形成装置の構造図
【図１４】従来の画像形成装置の構造図
【図１５】従来のトナー検知装置の構成図
【符号の説明】
【００６４】
１ 像形成部
２ 感光体ドラム
３ 帯電器
４ トナー容器
５ トナー
６ 現像ローラ
７ 攪拌パドル
７ａ 回転軸
８ 供給ローラ
９ マグネット
１０ ＡＭＲセンサ
１１ フリーパドル
１２ 制御部
１２ａ 検知手段
１３ 電源部コントローラ
１４ 表示部
１５ 取り付け部材
１６ ケース
２１ 基板
２２ 薄膜
２３，２４ 電極
１０１ 給紙トレイ
１０２ 給紙ローラ
１０３ 搬送ローラ
１０４ 像形成部
１０５ 感光体ドラム
１０６ 帯電器
１０７ ＬＳＵ
１０８ 現像ローラ
１０９ 転写ローラ
１１０ 定着ローラ
１１１ 排紙ローラ
１１２ 攪拌パドル
１１３ 供給ローラ
１１４ トナー容器
１２１ 像形成部
１２２ ＬＳＵ
１２３ 中間転写ベルト
１２４ １次転写ローラ
１２５ ２次転写ローラ
１３０ 攪拌パドル
１３１ 検知体
１３２ 永久磁石
１３３ 透磁率センサ
θ０，θ１，θ２，θ３，θ４ 位置
Ｉ センサ検知前半区間
ＩＩ センサ検知後半区間
α 最下点とＡＭＲセンサのなす角度
Ｌ１，Ｌ２ ずれ量
ｘ，ｙ，ｚ 座標軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、前記回転軸対して回転自在に設けられると共に前記トナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、前記回転部材の前記回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、前記容器の下部に設けられ前記磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、前記異方性磁気抵抗素子により前記磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、前記異方性磁気抵抗素子を前記回転軸に対して回転自在である前記回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より前記回転部材の回転方向下流側に配置したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、前記回転軸対して回転自在に設けられると共に前記トナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、前記回転部材の前記回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、前記容器の下部に設けられ前記磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、前記異方性磁気抵抗素子により前記磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、前記異方性磁気抵抗素子を前記回転軸に対して回転自在である前記回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より前記回転軸の軸方向へずらして配置したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項３】
トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、前記回転軸対して回転自在に設けられると共に前記トナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、前記回転部材の前記回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、前記容器の下部に設けられ前記磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、前記異方性磁気抵抗素子により前記磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、前記異方性磁気抵抗素子を前記回転軸に対して回転自在である前記回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より前記回転部材の回転方向下流側であって前記回転軸の軸方向へずらして配置したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項４】
トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、前記回転軸対して回転自在に設けられると共に前記トナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、前記回転部材の前記回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、前記容器の下部に設けられ前記磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、前記異方性磁気抵抗素子により前記磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、前記異方性磁気抵抗素子を前記回転軸に対して回転自在である前記回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より前記回転部材の回転方向下流側であって前記磁性部材の磁束のうち回転方向側の磁束のみを周期の第１及び第２のタイミングの間に限って検出できる距離に前記磁性体の軌道から離して配置したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項５】
前記異方性磁気抵抗素子が一対の電極と、この一対の電極間に設けられた薄膜強磁性金属から構成され、前記薄膜強磁性金属が、前記磁性部材が有する磁束方向に対して所定の角度で配設されることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の画像形成装置。
【請求項６】
前記検知手段は前記磁性部材を検出する時間が所定の時間より短いことによりトナーの残量が多いことを検知し、所定の時間より長いことによりトナーの残量が少ないこと検知することを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記載の画像形成装置。
【請求項１】
トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、前記回転軸対して回転自在に設けられると共に前記トナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、前記回転部材の前記回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、前記容器の下部に設けられ前記磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、前記異方性磁気抵抗素子により前記磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、前記異方性磁気抵抗素子を前記回転軸に対して回転自在である前記回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より前記回転部材の回転方向下流側に配置したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、前記回転軸対して回転自在に設けられると共に前記トナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、前記回転部材の前記回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、前記容器の下部に設けられ前記磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、前記異方性磁気抵抗素子により前記磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、前記異方性磁気抵抗素子を前記回転軸に対して回転自在である前記回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より前記回転軸の軸方向へずらして配置したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項３】
トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、前記回転軸対して回転自在に設けられると共に前記トナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、前記回転部材の前記回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、前記容器の下部に設けられ前記磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、前記異方性磁気抵抗素子により前記磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、前記異方性磁気抵抗素子を前記回転軸に対して回転自在である前記回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より前記回転部材の回転方向下流側であって前記回転軸の軸方向へずらして配置したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項４】
トナーを収容する容器と、この容器の内部に設けられ回転軸を中心に回転しトナーを攪拌するトナー攪拌部材と、前記回転軸対して回転自在に設けられると共に前記トナー攪拌部材に押されて回転する回転部材と、前記回転部材の前記回転軸とは反対側の端部に設けられた磁性部材と、前記容器の下部に設けられ前記磁性部材を検出する異方性磁気抵抗素子と、前記異方性磁気抵抗素子により前記磁性部材を検出する時間の変化によりトナーの量を検知する検知手段とを備え、前記異方性磁気抵抗素子を前記回転軸に対して回転自在である前記回転部材が自重で垂下されたときの位置の真下より前記回転部材の回転方向下流側であって前記磁性部材の磁束のうち回転方向側の磁束のみを周期の第１及び第２のタイミングの間に限って検出できる距離に前記磁性体の軌道から離して配置したことを特徴とする画像形成装置。
【請求項５】
前記異方性磁気抵抗素子が一対の電極と、この一対の電極間に設けられた薄膜強磁性金属から構成され、前記薄膜強磁性金属が、前記磁性部材が有する磁束方向に対して所定の角度で配設されることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の画像形成装置。
【請求項６】
前記検知手段は前記磁性部材を検出する時間が所定の時間より短いことによりトナーの残量が多いことを検知し、所定の時間より長いことによりトナーの残量が少ないこと検知することを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記載の画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−１７５７６８（Ｐ２０１０−１７５７６８Ａ）
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１７５６５（Ｐ２００９−１７５６５）
【出願日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１２日（２０１０．８．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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