JP2006171175A - トナー濃度センサー - Google Patents

Abstract

【課題】 調整が不要で、安価であり、然も、ダイナミックレンジが広く、ノイズに強く、温度変動による影響を受けることがないトナー濃度センサーを提供する。
【解決手段】 濃度センサーユニット７及び８は発振器を含んでいる。濃度センサーユニット７のコイルの周辺は、現像剤２が充満されている。濃度センサーユニット７の発振周波数は、トナーの濃度に応じて透磁率が変化することによりコイルのインダクタンスが変化するため、トナーの濃度に応じた周波数となる。濃度センサーユニット８は、現像剤の影響を受けない場所に配置されており、濃度センサーユニット８の発振周波数は、固有の周波数となる。したがって、濃度センサーユニット７の発振周波数と濃度センサーユニット８の発振周波数との周波数比又は周波数差を検出することで、トナー濃度が検出できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、キャリアと呼ばれる磁性粉と、着色剤であるトナーにより構成されるを２成分現像方式を使用した電子写真方式による記録装置に使用されるトナー濃度センサーに関する。

電子写真方式の画像記録装置（プリンタ）において、現像剤が、キャリアと呼ばれる磁性粉と、着色剤であるトナーにより構成された２成分現像方式が多用される。２成分現像方式では、キャリアとトナーの混合比を最適値に保つために、例えば特許文献１に示すように、その混合比検出用の透磁率センサーが使用されている。

図１１は、従来のトナー濃度センサー回路の一例を示すものである。図１１に示すように、従来のトナー濃度センサー回路は、差動トランス１０１と、コンデンサ１０２、１０３と、抵抗１０４と、ＸＯＲゲート１０５とからなる発振回路と、差動トランス１０１の他巻線からの出力を波形整形するコンデンサ１０６、１０７と、抵抗１０８、ＡＮＤゲート１０９とからなるバッファ回路と、この位相差を比較するＸＯＲゲート１１０と、抵抗１１１、コンデンサ１１２とからなる積分回路により構成されている。

差動トランス近傍に現像剤であるトナーとキャリアの混合物があると、その透磁率の変化により、差動トランス１０１の各巻線間のインダクタンスのアンバランスが生じる。その波形の位相差を整形された矩形波の重なりを検出し、積分することで、位相差に比例したアナログ電圧を得ている。

現像剤のトナーの濃度が低下すると、磁性体であるキャリアの濃度は相対的に増加し、透磁率は増加する。反対にトナー濃度が上昇すると、磁性体であるキャリアの濃度は相対的に現象し、透磁率は現象する。従って、透磁率を観測することにより、現像剤のトナー濃度を検出することができる。
特開２００２−２９６８９３号公報

上述の従来のセンサー回路は、透磁率の変化を差動トランス１０１による位相差で検出しているため、検出可能なダイナミックレンジが狭いという欠点がある。透磁率の感度を高く取ると、その観測範囲を越えた場合、位相検出回路が飽和し、アナログ出力が零、あるいは最大値となってしまう。そのため、差動トランス１０１のコア位置を一つ一つ調整し、所望の透磁率で出力の変化が最大となる動作点に調整しなければならなかった。また、製造時にコアの調整が必要な為、濃度センサーの価格が高価になるという問題があった。また、出力がアナログ電圧で、出カインピーダンスも高いことから、ノイズに弱く、接続方法も、信頼性の高いコネクタを使用する必要があった。

本発明は、上述の課題を鑑み、調整が不要で、安価であり、然も、ダイナミックレンジが広く、ノイズに強く、温度変動による影響を受けることがないトナー濃度センサーを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、請求項１の発明に係るトナー濃度センサーは、２成分現像方式を使用した電子写真方式による記録装置に使用されるトナー濃度センサーにおいて、トナーとキャリアとからなる現像剤が収納された収納手段と、コイルとコンデンサから成る第１の共振回路を有し、第１の共振回路を形成するコイルを、そのインダクタンスが収納手段に収納された現像剤の透磁率により変化する部位に配置した第１の発振器と、コイルとコンデンサから成る第２の共振回路を有し、第２の共振回路を形成するコイルを、そのインダクタンスが固有となる部位に配置した第２の発振器と、第１の発振器の発振周波数と第２の発振器の発振周波数とを検知することにより現像剤の透磁率を計測する手段とを備え、現像剤の透磁率から現像剤のトナー濃度を検出するようにしたことを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、発振器の発振出力は、現像剤の収納手段を支持する記録装置本体側の構造体上のコイルの近傍に相対する位置に設置された検出コイルにより電磁誘導により伝達されることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１の発明において、第２の発振器を構成するコイルは、比較標準となる透磁率を有する試料近傍に配置されることを特徴とする。

請求項４の発明では、請求項１の発明において、第１の発振器を構成するコイルの近傍に、周期的に接近と離脱を行う比較標準となる透磁率を有する試料、現像剤の空乏部位、又は現像剤の空乏部位作成手段が設けられるようにしたことを特徴とする。

請求項５では、請求項１の発明において、第１及び第２の発振器の発振出力を検出し、第１及び第２の発振器の発振周波数の比又は発振周波数の差を求めることにより、現像剤の透磁率を検出することを特徴とする。

請求項６の発明では、請求項５の発明において、第１及び第２の発振器の発振周波数の比又は発振周波数の差を求める演算回路は、第１及び第２の発振器の発振出力を計数するカウンタ回路から構成されることを特徴とする。

本発明では、第１の濃度センサーユニット及び第２の濃度センサーユニットは発振器を含んでいる。第１の濃度センサーユニットのコイルの周辺は、現像剤が充満されている。第１の濃度センサーユニットの発振周波数は、トナーの濃度に応じて透磁率が変化することによりコイルのインダクタンスが変化するため、トナーの濃度に応じた周波数となる。これに対して、第２の濃度センサーユニットは、現像剤の影響を受けない場所に配置されており、第２の濃度センサーユニットの発振周波数は、固有の周波数となる。したがって、第１の濃度センサーユニットの発振周波数と第２の濃度センサーユニットの発振周波数との周波数比又は周波数差を検出することで、トナー濃度が検出される。

かかる本発明では、検出可能なダイナミックレンジは、透磁率の検出範囲が、空気程度から、所望の標準透磁率の数倍にまで及ぶため、無調整で、高精度なトー濃度センサーが実現可能なだけでなく、回路規模の非常に大きい高精度な除算器、あるいは減算器を用いること無く、回路構成の小型化が図れる。また、各センサーの温度による周波数偏差がキャンセルされ、温度補償や、キャリブレーションが不要である。更に、本発明では、全てロジック回路で構成されており、のカスタムＬＳＩに回路を内蔵してしまうことが可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態を示すものである。

図１において、ハウジング１は、現像ユニットの構造体を兼ね備えており、ハウジング１内には、図示せぬトナー補給装置によって、現像剤２が必要量だけ蓄えられる。現像剤２は、キャリアと呼ばれる磁性粉と、着色剤であるトナーとを混合したものである。ハウジング１は、ロアーシャーシ３により支持される。

ミキサー４は、ハウジング１内の現像剤２の濃度を一定に保ち、かつ、トナーとキャリアを均一に混合させるものである。ミキサー４の回転軸４ａには、ギア５が取り付けられ、このギア５がギア６に歯合される。ギア６は、図示せぬモータにより回転され、この回転がギア６、ギア５を介して、ミキサー４に伝えられる。これにより、ミキサー４がハウジング１内で回転され、ハウジング１内の現像剤２が攪拌され、現像剤２を構成するトナーとキャリアが均一に混合される。

現像剤２の格納手段を構成する構造体上に、濃度センサーユニット７が設けられる。また、現像剤２の影響を受けない部位、例えば駆動ギア５及び６の下部に、比較標準となる透磁率を有する標準試料１０が置かれ、この標準試料１０の近傍に、濃度センサーユニット８が設けられる。濃度センサーユニット７と濃度センサーユニット８は、同様に構成されている。

濃度センサーユニット７及び８は発振器を含んでおり、図２に示すように、ＰＣＢ(Printed Circuit Board)２１上に構成されている。濃度センサーユニット７及び８を構成するＰＣＢ２１には、発振周波数を決めるコイル２２が実装されている。

図３は、濃度センサーユニット７及び８の一例を示すものである。図３において、インバータ２３は、単ゲートのＣＭＯＳ ＩＣ(Integrated Circuit)から構成されている。インバータ２３の出力端子と接地間に、抵抗２４と、コンデンサ２５とが接続される。インバータ２３の一方の入力端子と接地間に、コンデンサ２６が接続される。コンデンサ２５とコンデンサ２６との間に、コイル２２が接続される。

図３において、コンデンサ２５及び２６と、コイル２２から成る共振回路と、ゲインを決定する抵抗２４と、インバータ２３により発振器が構成され、この発振器により、コンデンサ２５及び２６のキャパシタンスと、コイル２２のインダクタンスで決まる発振周波数で方形波が発振される。

コイル２２は、図２に示したように、ＰＣＢ２１上に実装されている。濃度センサーユニット７は、現像剤２の格納手段を構成する構造体上に配置されているため、濃度センサーユニット７のコイル２２の周辺は、現像剤２が充満される。トナーの濃度が低下すると、磁性体であるキャリアの濃度は相対的に増加し、透磁率は増加する。トナーの濃度が上昇すると、磁性体であるキャリアの濃度は相対的に減少し、透磁率は減少する。したがって、濃度センサーユニット７は、トナーの濃度に応じて透磁率が変化することによりコイル２２のインダクタンスが変化し、トナーの濃度に応じた発振周波数の信号を出力する。

これに対して、濃度センサーユニット８は、標準試料１０の近傍にあり、現像剤２の影響を受けない場所に配置されている。したがって、濃度センサーユニット８の発振周波数は、固有の周波数となる。

このように、濃度センサーユニット７からの発振出力は、トナーの濃度に応じた周波数の発振出力となる。これに対して、濃度センサーユニット８の発振出力は、固有の周波数となる。したがって、濃度センサーユニット８の発振周波数と、濃度センサーユニット７の発振周波数とを検出すれば、現像剤２のトナーの濃度が検出できる。

濃度センサーユニット７及び濃度センサーユニット８の出力信号は、検出コイル１１及び１２（図１）により、電磁結合で非接触で取り出すことができる。

図４は、濃度センサーユニット７及び濃度センサーユニット８の出力信号を検出コイル１１及び１２により非接触で取り出す場合の構成を示すものである。図４において、検出コイル３１は、検出コイル１１及び１２に対応しており、この検出コイル３１は、図３に示した濃度センサーユニット７及び濃度センサーユニット８のコイル２２の近傍に配置される。

濃度センサーユニット７及び８の出力信号は、コイル２２と検出コイル３１との電磁結合により誘起されて入力される。この検出出力は、ＮＡＮＤゲート３２及び３３からなるバッファアンプ兼波形整形回路と、カップリングコンデンサ３４と、フィードバック抵抗３５及び３６からなるプリアンプにより増幅されて出力される。

検出コイル３１としては、数百ターン、数百μＨのコイルであり、そのインピーダンスは低く、検出コイル３１からプリアンプの入力までの配線長の影響（ノイズの影響）が少なく、プリアンプ以降の回路を、図示せぬ印字装置の制御回路を構成する印刷回路基板上に共通に実装可能である。

図５は、濃度センサーユニット７の発振出力と、濃度センサーユニット８の発振出力とを用いて、現像剤２の透磁率を検出して、トナー濃度を検出するための論理演算回路の一例を示すものである。

図５において、濃度センサーユニット７の発振出力は、図４に示した電磁結合により非接触でプリアンプ４１に供給される。同様に、濃度センサーユニット８の発振出力は、図４に示した電磁結合により非接触でプリアンプ４２に供給される。プリアンプ４１及び４２としては、図４に示した構成のものが用いられる。

プリアンプ４１の出力信号は、バッファアンプ４３を介して、カウンタ４７に供給される。

プリアンプ４２の出力信号は、バッファアンプ４４を介して、分周器４５に供給され、１／ｎに分周される。分周器４５の出力信号は、イネーブル信号として、カウンタ４７のイネーブル端子に供給されると共に、タイミング信号発生回路４６に供給される。タイミング信号発生回路４６により、リセット信号及びラッチ信号が形成される。カウンタ４７のカウント値がラッチ４８によりラッチされ、出力端子４９から出力される。

このような構成の論理演算回路では、濃度センサーユニット８からの発振出力を基準周波数としており、この濃度センサーユニット８からの発振出力は、分周器４５で、１／ｎに分周される。この分周器４５の出力をイネーブル信号として、濃度センサーユニット７からの発振出力をカウンタ４７でカウントしている。このカウンタ４７のカウント値から、濃度センサーユニット８の発振周波数を基準とした濃度センサーユニット７の発振周波数が検出される。カウンタ４７のカウント値はラッチ１８でラッチされ、出力端子１９からトナー濃度に対応するデータが出力される。

図６は、上述の論理演算回路の動作を示すものである。濃度センサーユニット８の発振出力は、プリアンプ４２、バッファ１４を介して、図６（Ａ）に示すように入力される。この濃度センサーユニット７の発振出力は、分周器４５で１／ｎに分周される。分周器４５からは、図６（Ｂ）に示す信号が出力され、この分周器４５の出力信号は、イネーブル信号として、カウンタ４７に供給される。また、この分周器４５の出力信号から、図６（Ｃ）に示すようなリセット信号と、図６（Ｄ）に示すようなラッチ信号が形成される。

また、濃度センサーユニット７の発振出力は、プリアンプ４１、バッファ１３を介して、図６（Ｅ）に示すように入力される。カウンタ４７は、図６（Ｃ）に示すリセット信号によりリセットされた後、図６（Ｂ）に示すイネーブル信号がＨレベルの間、図６（Ｅ）に示す濃度センサーユニット７の発振出力がカウントする。このアップダウンカウント値は、図６（Ｄ）に示すラッチ信号により、図６（Ｆ）に示すように、ラッチ１８にラッチされる。

このように、濃度センサーユニット８の発振出力を分周してイネーブル信号を作り、このイネーブル信号の間、濃度センサーユニット７の発振出力をカウンタ４７でカウントしている。この場合、濃度センサーユニット７の発振周波数をｆａ、濃度センサーユニット８の発振周波数をｆｂとすると、カウント値ｍは、（ｍ＝ｎ＊（１＋ｆａ／ｆｂ）となる。このように、カウンタ４７のカウント値は、濃度センサーユニット８の発振周波数と濃度センサーユニット７の発振周波数との周波数比に対応するものとなる。

図７は、濃度センサーユニット７の発振出力と、濃度センサーユニット８の発振出力とを用いて、現像剤２の透磁率を検出して、トナー濃度を検出するための論理演算回路の他の例を示すものである。

図７において、濃度センサーユニット７の発振出力は、図４に示した電磁結合により非接触でプリアンプ４１に供給される。同様に、濃度センサーユニット８の発振出力は、図４に示した電磁結合により非接触でプリアンプ４２に供給される。プリアンプ４１及び４２としては、図４に示した構成のものが用いられる。

プリアンプ４１の出力信号は、バッファアンプ４３を介して、セレクタ５１に供給される。プリアンプ４２の出力信号は、バッファアンプ４４を介して、セレクタ５１に供給される。セレクタ５１は、シーケンサ５２により切り替えられる。

セレクタ５１により、プリアンプ４１、バッファアンプ４３を介された濃度センサーユニット７の発振出力と、プリアンプ４２、バッファアンプ４４を介された濃度センサーユニット８の発振出力とが、交互に出力される。このセレクタ５１の出力信号がアップダウンカウンタ５３に供給される。

アップダウンカウンタ５３は、シーケンサ５２からのリセット信号によりリセットされ、シーケンサ１５からのイネーブル信号により、アップカウントとダウンカウントを繰り返す。そして、シーケンサ５２からのラッチ信号により、アップダウンカウンタ５３のカウント値がラッチ５４にラッチされ、出力端子５５からトナー濃度に対応するデータが出力される。

図８は、図７に示す論理演算回路の動作を示すものである。シーケンサ５２からは、図８（Ｃ）に示すようなタイミングでリセット信号が出力された後、図８（Ａ）に示すようなタイミングでカウントアップイネーブル信号が出力される。カウントアップイネーブル信号がＨレベルの間、濃度センサーユニット７の発振出力によりアップダウンカウンタ５３がアップカウントされる。そして、図８（Ｂ）に示すようなタイミングで、ダウンイネーブル信号が出力される。ダウンカウントイネーブル信号がＨレベルの間、濃度センサーユニット８の発振出力によりアップダウンカウンタ５３がダウンカウントされる。これにより、アップダウンカウンタ５３のカウント値は、図８（Ｈ）に示すように変化する。

このアップダウンカウンタ５３のカウント値ｍは、濃度センサーユニット７の発振周波数をｆａ、濃度センサーユニット８の発振周波数をｆｂとすると、（ｍ＝ｆａ−ｆｂ）となる。このように、アップダウンカウンタ５３のカウント値は、濃度センサーユニット７の発振周波数と濃度センサーユニット８の発振周波数との差周波数に対応するものとなる。

アップダウンカウンタ５３のカウント値は、図８（Ｄ）に示すラッチ信号により、ラッチ５４にラッチされ、図８（Ｄ）に示すリセット信号により、アップダウンカウンタ５３がリセットされる。ラッチ５４のデータが出力端子５５から取り出される。

図４に示すような濃度センサーユニット７及び８の発振周波数は、コイル２２のインダクタンスを１００μＨ、コンデンサ２５、２６のキャパシタンスを２００ｐＦとした時、現像剤２が存在しない状態では約１．６ＭＨｚとなり、濃度センサーユニット７のコイル２２の周辺に現像剤２が充満された状態では、約１ＭＨｚが得られる。そしてトナー濃度の変化に対しては、実験値で、１％の濃度変化に対して、約１．２ＫＨｚの偏差が得られた。したがって、トナー濃度に対し、十分な検出精度を有することがわかる。

また、一般に用いられる、ミキサーによる周波数混合とフィルターによる周波数検出回路では、積分回路、あるいはフィルター等のアナログ回路が必要になるが、上述の構成では、全てロジック回路で構成されており、図示せぬ制御回路のカスタムＬＳＩ(Large Scale Integration )に回路を内蔵してしまうことが可能となる。

なお、図１に示した実施形態では、濃度センサーユニット８を、例えば駆動ギア５及び６の下部に設けているが、濃度センサーユニット８は、また、現像剤２の影響を受けない部位であればどこに設けても良く、図９に示すような位置に配置しても良い。

また、図９に示すように、現像剤２を攪拌するミキサー４の周上に、濃度センサーユニット７に相対向する部位に、スクレイパー６１を設けるようにしても良い。スクレイパー６１は、ミキサー４の回転に伴って回転し、スクレイパー６１が回転することにより、ハウジング１の下部に溜まった現像剤２が攪拌され、濃度センサーユニット７の周辺の現像剤２が一時的に除去される。

このようなスクレイパー６１を設けるようにした場合には、スクレイパー６１により、周期的に現像剤２を排除し、濃度センサーユニット７は、周期的に現像剤２の空乏した透磁率が略空気に等しい部位を作る。したがって、濃度センサーユニット７及び濃度センサーユニット８の周波数の比或いは差の変化を、ミキサー４の回転周期に対して十分速い時間分解能で観測することにより、現像剤２の透磁率の絶対値、すなわち、トナー濃度が得られる。

また、図１０に示すように、濃度センサーユニット７に対して、ミキサー４に固定された標準試料６２を設けるようにしても良い。

標準試料６２は、濃度センサーユニット７に周期的に標準の透磁率をもたらす。したがって、濃度センサーユニット７及び濃度センサーユニット８の周波数の比或いは差の変化を、ミキサー４の回転周期に対して十分速い時間分解能で観測することにより、現像剤２の透磁率の絶対値、すなわち、トナー濃度が得られる。

以上述べたように、本発明によれば、検出可能なダイナミックレンジは、透磁率の検出範囲が、空気程度から、所望の標準透磁率の数倍にまで及ぶ。そのため、無調整で、高精度なトー濃度センサーが実現可能なだけでなく、回路規模の非常に大きい高精度な除算器、あるいは減算器を用いること無く、回路が構成可能であり、図示せぬ制御回路内部に内蔵してしまうことも可能となる。

また、各センサーの温度による周波数偏差がキャンセルされ、温度補償や、キャリブレーションといった複雑な手順を必要としない。

更に、本発明の回路では、全てロジック回路で構成されており、図示せぬ制御回路のカスタムＬＳＩに回路を内蔵してしまうことが可能となる。したがって、無調整、安価なトナー濃度センサーを実現することが可能となり、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４原色の現像器を有する、カラー印字装置においてはその効果は絶大である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

本発明は、プリンタやコピー機等、２成分現像方式を使用した電子写真方式による記録装置に使用されるトナー濃度センサーに用いることができる。

本発明が適用されたトナー濃度センサーの配置状態の一例を示す側面図である。 本発明が適用されたトナー濃度センサーの実装形態を示す説明図である。 本発明が適用されたトナー濃度センサーユニットの一例の構成を示す接続図である。 本発明が適用されたトナー濃度センサーユニットからの出力信号を非接触で取り出す構成の説明に用いる接続図である。 本発明が適用されたトナー濃度センサーにおける論理演算回路の一例の構成を示すブロック図である。 本発明が適用されたトナー濃度センサーにおける論理演算回路の一例の説明に用いるタイミングチャートである。 本発明が適用されたトナー濃度センサーにおける論理演算回路の他の例の構成を示すブロック図である。 本発明が適用されたトナー濃度センサーにおける論理演算回路の他の例の説明に用いるタイミングチャートである。 本発明が適用されたトナー濃度センサーの配置の他の例を示す側面図である。 本発明が適用されたトナー濃度センサーの配置の更に他の例を示す側面図である。 従来のトナー濃度センサーの説明に用いる接続図である。

符号の説明

２ 現像剤
３ ロアーシャーシ
４ ミキサー
７ 濃度センサーユニット
８ 濃度センサーユニット
１０ 標準試料
１１、１２ 検出コイル
２２ コイル
２３ インバータ
３１ 検出コイル
４７ カウンタ
５３ アップダウンカウンタ
６１ スクレイパー
６２ 標準試料

Claims (6)

1. ２成分現像方式を使用した電子写真方式による記録装置に使用されるトナー濃度センサーにおいて、
   トナーとキャリアとからなる現像剤が収納された収納手段と、
   コイルとコンデンサから成る第１の共振回路を有し、前記第１の共振回路を形成する前記コイルを、そのインダクタンスが前記収納手段に収納された現像剤の透磁率により変化する部位に配置した第１の発振器と、
   コイルとコンデンサから成る第２の共振回路を有し、前記第２の共振回路を形成する前記コイルを、そのインダクタンスが固有となる部位に配置した第２の発振器と、
   前記第１の発振器の発振周波数と前記第２の発振器の発振周波数とを検知することにより前記現像剤の透磁率を計測する手段とを備え、
   前記現像剤の透磁率から前記現像剤のトナー濃度を検出するようにしたことを特徴とするトナー濃度センサー。
2. 前記発振器の発振出力は、前記現像剤の収納手段を支持する記録装置本体側の構造体上の前記コイルの近傍に相対する位置に設置された検出コイルにより電磁誘導により伝達されることを特徴とする請求項１に記載のトナー濃度センサー。
3. 前記第２の発振器を構成するコイルは、比較標準となる透磁率を有する試料近傍に配置されることを特徴とする請求項１に記載のトナー濃度センサー。
4. 前記第１の発振器を構成するコイルの近傍に、周期的に接近と離脱を行う比較標準となる透磁率を有する試料、現像剤の空乏部位、又は現像剤の空乏部位作成手段が設けられるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のトナー濃度センサー。
5. 前記第１及び第２の発振器の発振出力を検出し、前記第１及び第２の発振器の発振周波数の比又は発振周波数の差を求めることにより、前記現像剤の透磁率を検出することを特徴とする請求項１に記載のトナー濃度センサー。
6. 前記第１及び第２の発振器の発振周波数の比又は発振周波数の差を求める演算回路は、前記第１及び第２の発振器の発振出力を計数するカウンタ回路から構成されることを特徴とする請求項５に記載のトナー濃度センサー。
   
   

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