JP2006208266A - トナー付着量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投光素子と受光素子の距離を短縮して配置し、感光ドラム上に付着したトナーへの入射角を鋭角化して、死角（デッドアングル）を小さくし、トナー高付着領域でのセンサ検出性能を向上させるとともに、距離変動によるセンサ出力変動を低減できる、小形化されたトナー付着量測定装置を提供する。
【解決手段】投光素子と受光素子とを回路基板上に直接、実装し、両素子間の距離を短縮して配置することで、感光ドラム上に付着したトナーへの入射角が鋭角化（１９°以下）し、死角（デッドアングル）が小さくなり、偏光分離型トナー付着量測定装置での、トナー高付着領域におけるセンサ検出性能を向上させるとともに、距離変動によるセンサ出力変動を低減する。
また、投光素子および受光素子としての半導体チップを回路基板に直接、実装することで、投光素子の発光点および受光素子の受光点の位置精度を保ち、性能ばらつきを少なくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子写真式複写機、電子写真式プリンタなどで用いられるトナーの付着量測定装置に関するものである。

従来の正反射型トナー付着量測定装置は図１３の斜視図に示すように、投光素子５１からの光をトナーの付着した感光ドラム５２に照射し、その反射光を受光素子５４で受光することにより、トナー付着量を測定する。
感光ドラム５２の表面には、コピー用紙に文字や画像等を転写するのに必要なシアン、イエロー、マゼンダ、ブラックなどのカラー印刷用トナー５３が帯電により付着している。

上記の正反射型トナー付着量測定装置の平面図を示すと、図１４のようになる。図１４において、投光素子５１からトナーの付着した感光ドラム５２へ光を照射すると、感光ドラム５２で反射される。該反射光にはトナー５３による反射光成分Ｉｒ１と、感光ドラム５２による反射光成分Ｉｒ２が含まれ、受光素子５４で受光される。

トナー付着量が増加すると、投光素子５１からの照射光の多くはトナーで拡散されて反射するため、受光素子５４における受光量が減少する傾向にある。逆に、トナー付着量が減少すると、投光素子５１からの照射光の多くが感光ドラム５２の表面で鏡面反射して受光素子５４で受光されるため、受光量が増加する傾向にある。
このことから、受光素子５４の受光量に応じた信号出力を得ることにより、感光ドラム５２に付着するトナー量を測定することができる。

トナー付着量と受光素子５４における受光量との関係は、図１５に示すような特性曲線となり、トナー付着量が少ない領域では、感光体からの鏡面反射光が支配的となって高い受光量が得られるが、トナー付着量が増加すると受光量が低下する。
さらにトナー付着量が増加した場合、トナーによる拡散反射光が増加して受光素子５４における受光量が増加するため、一意的にトナー付着量が求められない領域が生じ、トナー付着量を正確に測定できないという問題があった。

これに対し、図１６に示す偏光分離型トナー付着量測定装置では、二つの受光素子において受光量を検出した後、信号処理回路を用いてトナーからの反射光成分を取り除くことで、トナー付着量が多い領域で受光量が増加するという問題を解決している。
上記の偏光分離型トナー付着量測定装置においては、投光素子５１からの光を、偏光フィルタ５６を通して単一偏光光として、トナーの付着した感光ドラム５２に照射する。その反射光を偏光分離プリズム５７により、トナーの付着した感光ドラム５２に照射される単一偏光光と平行方向の偏光光成分（Ｐ波）と単一偏光光と直交方向の偏光光成分（Ｓ波）に分離して、各々、受光素子５４、５５で受光したのち、受光素子５４と受光素子５５の受光信号の差に基づいてトナー付着量を測定する（例えば特許文献１、図５参照）。
特開平６−２５０４８０号公報

感光ドラム５２の表面は、光沢度の高いシリコンやセレンなどがコーティングされているので、該感光ドラム表面に光を照射したときの反射光は、物体表面に平行な方向に偏りやすいという性質をもっている。
従って、投光素子５１から偏光フィルタ５６を通して照射される単一偏光光は、感光ドラム表面で偏光を乱されることなく反射され、単一偏光光と同一の偏光光成分（Ｐ波）の状態で偏光分離プリズムを通過して受光素子５４で受光される。
一方、誘電体であるトナーに照射される単一偏光光は偏光が乱され、単一偏光光と平行方向の偏光光成分（Ｐ波）と単一偏光光と直交方向の偏光光成分（Ｓ波）を含む反射光となって偏光分離プリズムで分離され、受光素子５４、５５で各々受光される。

受光素子５４は、感光ドラム表面とトナーからの偏光光成分（いずれもＰ波）が受光され、受光素子５５はトナーからの偏光光成分（Ｓ波）が受光されることから、これらの受光信号の差をとることで、トナーからのＰ波、Ｓ波の偏光光成分が相殺され、感光ドラム表面からの偏光光成分（Ｐ波）に応じた受光信号を取り出すことができる。
感光ドラム表面からの偏光光成分（Ｐ波）による受光量は、感光ドラム表面のトナーが付着していない領域面積に比例することから、トナーからの反射光の影響を受けることなく、トナー付着量を測定することができる。
従って、図１５の特性曲線図のような、トナー高付着領域においてトナーからの反射光の影響を受けて受光素子５４の受光量が上昇するという現象を生ずることなく、トナー高付着領域における受光量を得ることができるようになった。
このことから、印刷画質が優先される高級機においては、正確なトナー付着量を検知するために偏光分離型トナー付着量測定装置を利用することが一般的となっている。

図１７は、偏光分離型トナー付着量測定装置他の従来例である。図１７においては、偏光分離プリズムの代わりに偏光フィルタを用いて反射光を透過させ、トナーの付着した感光ドラム５２に照射される単一偏光光と平行方向の偏光光成分（Ｐ波）と単一偏光光と直交方向の偏光光成分（Ｓ波）に分離して、各々、受光素子５４、５５で受光した後、受光素子５４と受光素子５５の受光信号の差に基づいてトナー付着量を測定する（例えば特許文献１、図２参照）。

［課題１］トナー付着量の検出能力
色彩工学の観点から、人間の目は、薄い色よりも濃い色の領域において、色情報を正確に検知する能力が高いことが確認されている。従って、高い画質の印刷を行うために、トナー付着量がより多い領域を正確に検知したいという技術的なニーズが高い。
しかしながら、現状において、上記の偏光分離型トナー付着量測定装置はその要求を充分に満足しているとはいえず、トナー付着量が多い領域でのさらなる測定性能向上が求められている。

上記の図１７の偏光分離型トナー付着量測定装置の平面図を図１８に示す。
図１８では、光学ユニットホルダ６１の中央に遮光壁６６を有する状態で、リード部がＬ字フォーミングされた投光素子５１、受光素子５４、５５が内蔵されて回路基板６０に実装されている。
投光素子５１は図１９に示すような樹脂モールド構造のＬＥＤを用いており、市販されているＬＥＤの最小径はφ３ｍｍである。
モールドと外部接続用のリードフレーム６３はモールド樹脂６４で一体成形され、リードフレーム中央のキャビティ部分にＬＥＤチップ６５を実装したのち、ワイヤボンディングで接続している。
受光素子５４、５５についても、図１９と同様の樹脂モールド中にリードフレームを一体成形し、キャビティ部分にフォトダイオードチップを実装したのち、ワイヤボンディングで接続する構造をとる。
これら投光素子５１および受光素子５４、５５は、直径φ３ｍｍで長さ１０ｍｍのものでも、幅２０ｍｍの光学ユニットホルダ６１には入反射角２０°までしか狭角となるよう配置することができなかった。

また、感光ドラムを約１ｋＶ／ｍの電界強度で帯電させていることから、偏光分離型トナー付着量測定装置に内蔵する信号処理回路への静電ノイズの影響をなくし、トナーの飛散によって該装置の検出面にトナーが付着しにくくするために、検出面から感光ドラムまでの距離を５ｍｍ以上離す必要がある。
その一方で印刷機器の大形化を避け、検出時のＳＮ比を低下させないために、検出面から感光ドラムまでの距離を７ｍｍ以下に抑える必要がある。
従って、センサ検出面から感光ドラムまでの距離を５〜７ｍｍの範囲とし、直径φ３、長さ１０ｍｍの投光素子と受光素子を、遮光壁を挟んで配置させるためには、入反射角θ≒２０°に設定するのが限界である。

従って、センサからトナーの付着した感光ドラムに対して、入射角θ＝２０°で照射することとなるが、球状のトナーに対して斜めから照射されるために、感光ドラム表面に投光光が照射されない死角（以下、デッドアングルという。）が生まれることとなる。
図２０は、入射角θ＝２０°とθ＝８°に設定した場合のデッドアングルの違いを示したものであり、トナー粒の半径＝Ｒとしたときのデッドアングルによる影の長さｗは、次の［数１］で表される。

よって、入射角θ１＝２０°の場合、ｗ１＝０．４２Ｒとなり、入射角θ２＝８°の場合、ｗ２＝０．１５Ｒとなるので、ｗ２／ｗ１≒０．３６となり、デッドアングルによる影の長さを１／２以下に設定できる。
本来、このデッドアングルによる影の部分は、トナーが付着しておらず、感光体への照射光が投光されるべき領域であり、入射角θを２０°よりもさらに鋭角に設定することができれば、この領域への照射が可能となり、測定精度の向上を図ることができる。

［課題２］トナー付着量検出の距離変動特性
上記の課題１において、トナー付着量がより多い領域を正確に検知したいという技術的なニーズに答えるためには、センサと感光ドラム間の距離変動に対して、常に安定した出力を得る必要がある。
図２１は、入反射角θを、θ＝２０°とθ＝８°に設定した場合、距離変動によって、感光ドラムからの反射光が受光素子で受光される際の位置ずれがどの程度発生するかを示したものである。
受光素子における受光位置ずれは、センサ受光面と感光ドラム間の距離変動ΔＬに対して、２×ΔＬ×ｓｉｎθのずれを生ずることになり、ΔＬ＝０．５ｍｍのずれが生じた場合に、θ＝２０°においては、０．３４ｍｍ、θ＝８°においては、０．１４ｍｍと、入反射角を鋭角にするほど距離変動に対する受光位置ずれの影響が小さくなる。
従って、距離変動時の検出特性をより高めるためには、入反射角θを鋭角化することが好ましい。

［課題３］トナー付着量センサの性能ばらつき
図１８の偏光分離型センサにおいては、投光素子５１、および受光素子５４、５５は樹脂モールド構造の素子を用いている。
これらの投光素子および受光素子に位置ずれが生じると、トナー付着量検出の特性曲線にばらつきを生ずることとなるため、光学ユニットホルダ６１に組み込む際には、投光素子および受光素子のモールド樹脂を上記ホルダ６１に密着して嵌合させ、位置ずれを発生させないように工夫している。
しかし、投光素子５１の発光分布ばらつきは、投光素子の内部構造におけるばらつきに起因しており、これによるセンサ特性曲線のばらつきを改善することはできなかった。

図２２は、樹脂モールド構造のＬＥＤチップとリードフレームの正面図であり、（ａ）は正常位置、（ｂ）はチップ実装位置と樹脂モールド位置がずれた場合を示す図である。
樹脂モールド６４の内部には、リードフレーム６３が存在するが、リードフレーム６３にＬＥＤチップ６５を実装する際に±５０μｍ程度の実装位置ずれが生ずる。
さらに、リードフレーム６３を樹脂モールドする際にも、リードフレームとモールド樹脂金型の相対位置が±１５０μｍ程度の位置ずれを生ずることになり、ＬＥＤチップ６５とモールド樹脂外形６４との間に、最大２００μｍの大きな位置ずれを生ずることとなる。

図１８の偏光分離型トナー付着量測定装置を側面から見た構造図を図２３に示す。
図２２に示すＬＥＤチップのモールド樹脂との相対位置ずれによって、発光素子５１から感光ドラム５２への照射方向にばらつきを生ずることとなる。
例えば、発光素子５１の照射方向が左にずれたときには、感光ドラム５２からの反射光は、感光ドラムの曲面の影響を受けて受光素子５４の方にずれた形で受光される形となる（Ｐ波の受光量増加）。
逆に、発光素子５１の照射方向が右にずれたときには、感光ドラム５２からの反射光は受光素子５５の方にずれた形で受光される形となる（Ｓ波の受光量増加）。
従って、図２４の特性曲線に示すように正規の特性曲線に対して、照射位置が左にずれた場合の特性曲線ａ、照射位置が右にずれた場合の特性曲線ｂとなってばらつきを生じてしまうため、受光素子５５に対する、受光素子５４の受光量のゲインを個別に調整する必要が生じるという問題があった。

［課題４］トナー付着量センサの寸法上の制約
従来、カラーレーザービームプリンタ（ＬＢＰ）は、約３５０Ｌ程度の容積を有していたが、小形化が進み、その半分の体積のプリンタも開発されつつある。従って、インクジェット方式のプリンタと体積が変わらなくなり、個人ユーザーやＳＯＨＯという分野での利用が急速に拡がっている。当然、トナー付着量測定装置もセンサ厚さを含めて、体積の小形化が求められている。
一方、図１８のような従来のトナー濃度センサは、投光素子５１や受光素子５４、５５に直径φ３、長さ１０ｍｍ程度の光学部品を使い、感光ドラム表面に対して鉛直方向に配置する必要があるため、カラーＬＢＰの小形化を阻害していた。
さらに、図１６のような偏光分離プリズムを利用した偏光分離型トナー付着量測定装置においては、感光ドラム表面から受光素子への光路の間に偏光分離プリズムを配置する必要があり、センサの小形化をさらに阻害する要因となってしまう。
それに対して、図１７の偏光フィルタを利用した偏光分離型トナー付着量測定装置では、偏光フィルタ厚さに相当する部分だけがセンサの高さを高くする要因であるため、偏光分離プリズムを用いた測定装置と比較して小形化しやすい。
従って、トナー検出性能の高い偏光分離型トナー付着量測定装置の高さ寸法を低減するためには、図１７の偏光フィルタを用いた偏光分離型トナー付着量測定装置を用いて、投光素子および受光素子の小形化を図る必要があった。

上記のような問題があったため、投光素子と受光素子の距離を短縮して配置し、感光ドラム上に付着したトナーへの入射角を鋭角化して、死角（デッドアングル）を小さくし、トナー高付着領域でのセンサ検出性能を向上させるとともに、距離変動によるセンサ出力変動を低減でき、かつ、投光素子の発光点および受光素子の受光点の位置精度を保つことができ、性能ばらつきを低減できる、小形化されたトナー付着量測定装置が求められていた。

本発明は上記課題を解決するためのものであり、トナーが付着する像担持体に光を照射する投光素子を含む投光光学系と、該投光光学系から照射された光の像担持体からの反射光を受光する受光素子を含む受光光学系とを有し、
上記投光光学系は、投光素子からの光を、投光用偏光フィルタを通した単一偏光光として像担持体に照射し、
上記受光光学系は、像担持体からの反射光成分のうち、第１の受光用偏光フィルタにて投光光学系から照射された単一偏光光と平行方向の偏光光を受光する第１の受光素子と、第２の受光用偏光フィルタにて投光光学系から照射された単一偏光光と直交方向の偏光光を、受光する第２の受光素子とを有し、第１の受光素子における受光信号と第２の受光素子における受光信号の差に基づいて、トナー付着量を測定するトナー付着量測定装置であって、
上記投光素子と、第１および第２の受光素子は、同一の回路基板上に実装されて、光学ユニットホルダで覆われ、
上記投光素子と、第１および第２の受光素子との間に遮光壁が設けられ、該遮光壁は光学ユニットホルダ側から回路基板側に伸延し、
投光素子から像担持体への照射光の光路を制限するスリットを光学ユニットホルダに設け、像担持体に対する光の投光角度および受光角度を１９°以下にすることを特徴とするトナー付着量測定装置である。

また、上記の投光素子および受光素子に使用する半導体チップが金属フレームを介さず、回路基板に直接実装されたことを特徴とするトナー付着量測定装置である。

さらに、上記の光学ユニットホルダに、凹部を設け、該凹部に投光用偏光フィルタ、第１および第２の受光用偏光フィルタを嵌合させたことを特徴とするトナー付着量測定装置である。

そして、上記の光学ユニットホルダの外表面に投光用偏光フィルタ、第１および第２の受光用偏光フィルタを固着させ、該フィルタと光学ユニットホルダの外表面に凸面光学レンズを形成したプラスチック片を固着させて、偏光フィルタと凸面光学レンズ部分とを位置決め固定することを特徴とするトナー付着量測定装置である。

また、上記の投光素子と第１および第２の受光素子を略同一直線上に配置したことを特徴とするトナー付着量測定装置である。

さらに、上記の投光用偏光フィルタと第１の受光用偏光フィルタとを１枚の偏光フィルタで構成したことを特徴とするトナー付着量測定装置である。

そして、上記の投光素子から像担持体へ光を照射する光路を制限するスリットが楕円状または長方形状であり、該スリットの長軸方向が、第１および第２の受光素子配置方向と平行であることを特徴とするトナー付着量測定装置である。

また、上記の回路基板上に発光素子の光量を検知する第３の受光素子を配置し、第１の投光素子から照射された光を光学ユニットホルダに設けたリフレクタに反射させ、該反射光を第３の受光素子で受光し、第１の投光素子にフィードバックすることにより、投光素子の光量を一定値に維持する機能を備えたことを特徴とするトナー付着量測定装置である。

投光素子と受光素子とを回路基板上に直接、実装し、両素子間の距離を短縮して配置することで、感光ドラム上に付着したトナーへの入射角が鋭角化（１９°以下）し、死角（デッドアングル）が小さくなり、偏光分離型センサでのトナー高付着領域におけるセンサ検出性能を向上させるとともに、距離変動によるセンサ出力変動を低減することができる。

また、投光素子および受光素子としての半導体チップを回路基板に直接、実装することで、投光素子の発光点および受光素子の受光点の位置精度を保つことができ、性能ばらつきの少ない偏光分離型トナー付着量測定装置を提供することができる。

さらに、光学ユニットホルダの投光面および受光面側に、凹部を設け、該凹部が、投光光学系から照射された単一偏光光と平行方向の偏光光を通す偏光フィルタ（Ｐ波）と、投光光学系から照射された単一偏光光と垂直方向の偏光光を通す偏光フィルタ（Ｓ波）とが嵌合する寸法を有することで、光学ユニットホルダに上記の偏光フィルタを挿入する際の位置間違いを防止することができる。
そして、上記の凹部の深さを偏光フィルタ厚さに設定することで、偏光フィルタを高い位置精度で配置することができる。

そして、投光素子と二つの受光素子を回路基板における同一直線上に実装し、感光ドラム円筒面上に平行に配置することで、円筒状の感光ドラムの曲率半径Ｒの影響を受けることがなくなり、センサを水平または垂直方向にあおり（角度変化）を持たせた場合においても出力変動の影響を受けにくいセンサとすることができる。

さらに、投光素子から照射される光のうち、単一偏光光を通す偏光フィルタと、像担持体からの反射光成分のうち投光光学系から照射された単一偏光光と同一の偏光光成分を通す偏光フィルタとを１枚の偏光フィルタで構成することで、従来３枚必要であった偏光フィルタを２枚でまかなうことができ、偏光分離型トナー付着量測定装置の組み立てを簡素化することができる。

また、投光素子から感光ドラムへの投光経路に、投光光を制約する楕円または長方形状のスリットを有するとともに、スリットの長辺側を２つの受光素子の配置方向に設定することで、センサを感光ドラム円筒方向に対してあおり（角度変化）を持たせた場合においても、センサ出力の変動が小さくなり、安定した受光出力を得ることができる。

そして、回路基板上に発光素子の光量を検知する第３の受光素子を配置し、第３の受光素子から投光素子に、リフレクタを用いてフィードバックさせることにより、投光素子の光量を一定値に維持する機能を持たせることができ、投光素子の温度変化による光量の変化を補正することができる。

以下、本発明による実施例について、図面を参照して説明する。

［実施例１］
図１は、本発明によるトナー付着量測定装置の第１の実施例を示す図であり、回路基板１０に投光素子となるＬＥＤチップ１と受光素子となるフォトダイオードチップ４、５とを実装し、光学ユニットホルダ１１で、センサ投受光経路を制限して構成したものである。
図１において、（ａ）は組立時の斜視図、（ｂ）は組立後の斜視図、（ｃ）は（ｂ）の横方向からの部分断面図である。
ＬＥＤチップ１、およびフォトダイオードチップ４、５は、いずれも半導体ベアチップを用い、各々、チップ実装の形態で、回路基板１０の長手方向に一直線に配置されている。

回路基板１０へのＬＥＤチップ１、およびフォトダイオードチップ４、５のチップ実装形態は、図２（ａ）に示すように、回路基板１０上にチップをダイボンディングしたのち、チップ表面側から回路基板上の配線パターンに、金線またはアルミ線１５でボンディング接続する形態をとるか、または図２（ｂ）に示すように、チップ表面に接合用バンプ１６を構成して、回路基板１０上にフリップチップ実装を行う形態をとる。
これらの半導体ベアチップを回路基板に直接実装する場合、チップ実装位置精度は、±２０μｍの精度が可能となる。

回路基板１０に実装したＬＥＤチップ１とフォトダイオードチップ４、５間には、遮光壁１３を構成するための距離を確保した間隔をあけて配置される。
そして、ＬＥＤチップ１とフォトダイオードチップ４、５には、透明樹脂モールドにより防湿樹脂１４を塗布したのち、回路基板上に光学ユニットホルダ１１を嵌合させて接着する。

光学ユニットホルダ１１の上面には、投光および受光の光路となるスリット（窓）が設けられ、このスリットを通じてＬＥＤチップ１から感光ドラム２へ光が照射され、また、感光ドラム２からの反射光が、スリットを通じてフォトダイオード４、５にて受光される。
また、光学ユニットホルダ１１の外表面には、偏光フィルタの縦・横・厚さ寸法に相当する凹部が設けてあり、該凹部に偏光フィルタ６、８、９を嵌合して配置することができる。

図３（ａ）は、図１（ｃ）のＬＥＤチップ１から感光ドラム２へ光が照射され、感光ドラム２からフォトダイオードチップ４、５へと反射される経路を示した図である。
ＬＥＤチップは図３（ｂ）に示す照射光曲線１８のように比較的広い半値角（例：４５°）をもつ。従って、図３（ａ）に示すとおり、スリット１７を感光ドラム２への入射角θと同一の角度を持たせて配置することで、スリット１７で光路を通る光が制限され、入射角θで感光ドラム２に光を照射することができる。

入射角θで投光された光は、投光用偏光フィルタ６で単一偏光光とした状態で感光ドラム２に照射される。
感光ドラム２からの反射光は、第１および第２の受光用偏光フィルタ８、９を通して、投光側の単一偏光光と平行方向の偏光光（Ｐ波）が第１の受光用偏光フィルタ８を通してフォトダイオード４で受光され、投光側の単一偏光光と直交方向の偏光光（Ｓ波）が、第２の受光用偏光フィルタ９を通してフォトダイオード５で受光されて、フォトダイオード４の受光信号とフォトダイオード５の受光信号の差を信号処理回路（図示せず）で演算し、トナー付着量を測定している。

［実施例２］
図４は、本発明によるトナー付着量測定装置の第２の実施例を示す図であり、図１のトナー付着量装置の光学ユニットホルダ１１の前面に凸面光学レンズを形成したプラスチック片１９（透明）を配置したものである。該プラスチック片１９を配置する以外は、図１のセンサ構造とほぼ同様であるため、図１と異なる部分を以下に説明する。

図４（ａ）は、トナー付着量測定装置の第２の実施例を示す斜視図であり、光学ユニットホルダ１１に嵌合された投光用偏光フィルタ６、第１および第２の受光用偏光フィルタ８、９の外表面に凸面光学レンズを形成したプラスチック片１９を当接させ、該プラスチック片１９と光学ユニットホルダ１１とを、凸面光学レンズ部分が偏光フィルタ部分の位置に合うように固着させている。
図４（ｂ）は、上記トナー付着量測定装置の横方向からの部分断面図であり、図４（ｃ）は凸面光学レンズを形成したプラスチック片１９の模式断面図である。図４（ｂ）、（ｃ）より明らかなように、投光素子１からの照射光が分散しないように、凸面光学レンズ部分（表面１９ｂ、裏面１９ａ）で集光し、照射している。
また、感光ドラム２から反射される光は、凸面光学レンズ部分の受光側レンズ（表面１９ｃ、裏面１９ｄ）により、光路を制限するとともに、光が分散しないように凸面光学レンズで集光し、フォトダイオード４、５にて受光される。センサ受光側のフォトダイオード４、５は、基板の長手方向に並んで配置されていることから、受光側レンズを、フォトダイオード４、５の配置方向を長軸側にした楕円型レンズとすることで、センサと感光ドラム２との間の距離変動によっても、受光側のフォトダイオード４、５への受光位置ずれの影響を小さくすることが可能である。
また、光学ユニットホルダの凹部に偏光フィルタを嵌合させ、その外表面に凸面光学レンズを形成したプラスチック片を固着させることにより、該偏光フィルタを光学ユニットホルダとプラスチック片間に長期間、精度よく位置決め固定しておくことが可能となる。
なお、上記実施例では、凸面光学レンズ表面１９ｂ、１９ｃを凸面としたが、平面であってもよい。

図１、４の実施例では、従来の樹脂モールド型ＬＥＤおよびフォトダイオードではなく、半導体ベアチップを回路基板に直接実装することにより、投光素子および受光素子の小形化を図るとともに、投光素子と受光素子間の距離をより接近して配置することで、従来構造ではθ＝２０°までが限界であった感光ドラムへの入反射角θを１９°以下に鋭角化している。
図５は、図４のトナー付着量測定装置による、入反射角θ＝２０°（従来例）とθ＝８°（実施例２）におけるトナー付着量と受光量との関係を示す図である。
入反射角θ＝８°に鋭角化したことによって、高付着量領域における検出性能を高める結果が得られており、図２０に示すようにトナーへの照射光における死角（デッドアングル）を小さくしたため、感光ドラムへの投光および受光能力を高めることが可能となった。

併せて、ＬＥＤやフォトダイオードの樹脂モールドおよびリードフレームを使用しないことで、従来比で約１／３に薄形化でき、感光ドラムにおける鉛直方向のセンサ高さを低減して、大幅に小形化している。

さらに、ＬＥＤやフォトダイオードなどの半導体チップを回路基板に直接実装することにより、樹脂モールド品で課題となっていたチップのリードフレームへの実装位置ずれ、およびリードフレームの樹脂モールド型との位置ずれ（併せて最大２００μｍ）が±２０μｍまで低減されている。
投光素子と受光素子の両方について位置精度を向上できるため、センサの検出特性ばらつきが大幅に低減されている。

［実施例３］
図６は、本発明によるトナー付着量測定装置の第３の実施例であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は正面図である。投光素子であるＬＥＤチップ１、受光素子であるフォトダイオードチップ４、５を、回路基板１０の長手方向に一直線に配置し、回路基板１０と感光ドラムの円筒面とを平行に配置している。
図６において、投光素子および受光素子が実装された回路基板に横方向のずれを生じさせた場合、図２３に示したような感光ドラムのＲ面による影響を受けることはない。
さらに、入反射角θを鋭角に設定したことによって、図２１に示すように感光ドラムとの距離変動の影響も大幅に小さくできる。
従って、距離特性、角度特性の優れたセンサを提供することができるようになる。

また、投光側スリットを楕円状とし、該スリットの長軸側を２つの受光素子の配置方向と一致する向きに設定する。
この場合、感光ドラムへの投光光は、楕円状のスポット光として投光されるために、反射光が受光素子の配置方向に広がる向きに反射されることとなる。従って、横方向のあおり（角度変化）を生じさせた場合において、反射光があおり（角度変化）の影響をさらに受けにくくなり、角度特性が安定したセンサ出力を得ることができる。
図７は、投光側のスリットをφ１ｍｍの円状とした場合と、１ｍｍ×２ｍｍの楕円状とした場合の角度特性を示した図である。図７に示すとおり、楕円状スリットにした場合には、角度特性においてほとんど出力変動を生じない結果となっている。

［実施例４］
図８は、本発明によるトナー付着量測定装置の第４の実施例であり、偏光フィルタを光学ユニットホルダに組み込む際の作業性を改善したものである。
図８（ａ）は上記装置の組立時の斜視図、図８（ｂ）は組立後の正面図である。
図８において、投光素子からの投光光を偏光するために配置する偏光フィルタ（Ｐ波）６、反射光のうち、感光ドラムに照射される単一偏光光と平行方向の偏光方向の光を透過する偏光フィルタ（Ｐ波）８、および感光ドラムに照射される単一偏光光と直交方向の偏光光を透過する偏光フィルタ（Ｓ波）９が、光学ユニットホルダ１１の嵌合部に配置されている。
偏光フィルタから見た光学ユニットホルダ１１の内部には、投光側のＬＥＤチップと受光側のフォトダイオードチップが配置されている。ここで、３つの偏光フィルタ６、８、９は、個別に光学ユニットホルダ１１の段差部に挿入される形を取るが、各フィルタの偏光方向が異なるため、縦、横寸法が同じ偏光フィルタを使用した場合には、組み込みの際に方向間違いを生じるおそれがある。
そこで、図９に示すように、縦、横の寸法が異なる偏光フィルタを用意し、必要な偏光方向によって配置を変えて組み込むことで、偏光フィルタの挿入間違いをなくすことができる。

［実施例５］
さらに、本発明によるトナー付着量測定装置の第５の実施例として、上記実施例では３枚使用していた偏光フィルタを２枚にして作業性を改善した例を図１０に示す。
図１０は、図９の偏光フィルタを挿入する場合に、投光素子からの投光光を偏光するために配置する偏光フィルタ（Ｐ波）６と、反射光のうち、感光ドラムに照射される単一偏光光と同一の偏光方向の光を透過する偏光フィルタ（Ｐ波）８とを一体化し、１つの偏光フィルタとしている。
これにより偏光フィルタを２枚でまかなうことができ、フィルタの組み込み作業の効率化を図ることができる。

［実施例６］
図１１は、本発明によるトナー付着量測定装置の第６の実施例を示す図であり、（ａ）は光学ユニットホルダを取り付ける前の斜視図、（ｂ）は取り付けた後の横方向からの部分断面図である。
図１１のトナー付着量測定装置は、図４の構成に加えて、発光素子１から照射される光の一部をリフレクタ２１で反射させ、投光素子１の側面側に配置した第３の受光素子であるフォトダイオードチップ２０で受光し、この受光量をもとに発光素子１から照射される光量を一定に制御するフィードバック機能を備えている。

図１２は、図１１のトナー付着量測定装置のフィードバック制御機能を示す図である。
図１２では、投光素子であるＬＥＤチップ１からトナー３の付着する感光体２へ照射される光の一部を、投光素子１の斜め前方に配置されたリフレクタ２１で反射させ、投光素子１の側面に配置した第３の受光素子２０で受光する。
投光素子１の照射光量に応じた受光素子２０の出力は、比較器６７で基準値Ｖrefと比較され、Ｖrefより小さい場合は発光素子１の光量を増加させ、Ｖrefより大きい場合は発光素子１の光量を減少して、受光素子１３の出力が常にＶrefに保たれるようにフィードバック制御される。
従って、周囲温度変化や経時変化によって投光素子１の照射光量が変化した場合においても、受光素子１３の出力をＶrefで一定に保つフィードバック制御を行うことで、投光素子１の照射光量を常に一定に保つことができる。

本発明の実施例によるトナー付着量測定装置を示す図であり、図１（ａ）はその組立時の斜視図、図１（ｂ）は組立後の斜視図、図１（ｃ）は（ｂ）の横方向からの部分断面図である。 図１の回路基板にＬＥＤチップおよびフォトダイオードチップを実装する形態を示した側面図である。 図３（ａ）は、図１のトナー付着量測定装置の投光および受光における光路を示した図であり、図３（ｂ）はＬＥＤチップの照射光分布を示した図である。 本発明の他の実施例によるトナー付着量測定装置を示す図であり、図４（ａ）は、図１のトナー付着量測定装置の光学ユニットホルダ前面に光学レンズを形成したプラスチック片を配置する時の斜視図であり、図４（ｂ）は横方向からの部分断面図であり、図４（ｃ）は光学レンズを形成したプラスチック片の模式断面図である。 図４のトナー付着量測定装置による、入射角θが８°と２０°におけるトナー付着量と受光量との関係を示す図である。 本発明の他の実施例によるトナー付着量測定装置を示す図であり、図６（ａ）は、その斜視図であり、図６（ｂ）は正面図である。 図６のトナー付着量測定装置において、投光スリットをφ１ｍｍの円状とした時と、短軸１ｍｍ×長軸２ｍｍの楕円状とした時のセンサ角度ずれと受光量の関係を示した図である。 本発明の他の実施例によるトナー付着量測定装置を示す図であり、図８（ａ）は、偏光フィルタを取り付ける時の斜視図であり、図８（ｂ）は取り付けた後の平面図である。 本発明の他の実施例によるトナー付着量測定装置を示す図であり、図９（ａ）は、３枚の偏光フィルタを取り付ける時の斜視図であり、図９（ｂ）は取り付けた後の正面図である。 本発明の他の実施例によるトナー付着量測定装置を示す図であり、図１０（ａ）は、２枚の偏光フィルタを取り付ける時の斜視図であり、図１０（ｂ）は取り付けた後の正面図である。 本発明の実施例によるトナー付着量測定装置を示す図であり、図１１（ａ）は光学ユニットホルダを取り付ける時の斜視図、図１１（ｂ）は取り付けた後の横方向からの部分断面図であり、図１１（ｃ）は光学レンズを形成したプラスチック片の模式断面図である。 図１１のトナー付着量測定装置のフィードバック制御機能を示した図である。 従来例による正反射型トナー付着量測定装置の斜視図である。 図１３のトナー付着量測定装置の平面図である。 図１３のトナー付着量測定装置による、トナー付着量と受光量との関係を示す図である。 他の従来例による、偏光分離プリズムを用いたトナー付着量測定装置の斜視図である。 他の従来例による、偏光フィルタを用いたトナー付着量測定装置の斜視図である。 図１７のトナー付着量測定装置の平面図である。 樹脂モールド構造ＬＥＤの斜視図である。 感光体への入射角によるデッドアングルを示した図である。 感光体とトナー付着量測定装置との距離変動による反射光の位置ずれを示した図である。 樹脂モールド構造ＬＥＤのチップとリードフレームの位置ずれを示した図である。 感光体への照射位置ずれによって生ずる受光位置ずれを示した図である。 図２３の感光体への照射位置がずれた時のトナー付着量と受光量との関係を示した図である。

符号の説明

１ ＬＥＤチップ（投光素子）
２ 感光ドラム
３ トナー
４ Ｐ波受光用フォトダイオード（第１の受光素子）
５ Ｓ波受光用フォトダイオード（第２の受光素子）
６ 投光用偏光フィルタ（Ｐ波）
８ 第１の受光用偏光フィルタ（Ｐ波）
９ 第２の受光用偏光フィルタ（Ｐ波）
１０ 回路基板
１１ 光学ユニットホルダ
１２ コネクタ
１３ 遮光壁
１４ 透明モールド樹脂
１５ 金線またはアルミ線
１６ バンプ
１７ 投光側スリット
１８ ＬＥＤの投射光分布
１９ 凸面光学レンズを形成したプラスチック片
１９ａ 凸レンズ部分裏面
１９ｂ 凸レンズ部分表面
１９ｃ 凸レンズ部分表面
１９ｄ 凸レンズ部分裏面
１９ｅ 突起
１９ｆ 突起
２０ 第３の受光素子
２１ リフレクタ
５１ 投光素子
５２ 感光ドラム
５３ トナー
５４ 受光素子
５５ 受光素子
５６ 偏光フィルタ
５７ 偏光分離プリズム
５８ 偏光フィルタ
５９ 偏光フィルタ
６０ 回路基板
６１ 光学ユニットホルダ
６２ コネクタ
６３ リードフレーム
６４ 樹脂モールド
６５ ＬＥＤチップ
６６ 遮光壁
６７ 比較器

Claims (8)

1. トナーが付着する像担持体に光を照射する投光素子を含む投光光学系と、該投光光学系から照射された光の像担持体からの反射光を受光する受光素子を含む受光光学系とを有し、
   上記投光光学系は、投光素子からの光を、投光用偏光フィルタを通した単一偏光光として像担持体に照射し、
   上記受光光学系は、像担持体からの反射光成分のうち、第１の受光用偏光フィルタにて投光光学系から照射された単一偏光光と平行方向の偏光光を受光する第１の受光素子と、第２の受光用偏光フィルタにて投光光学系から照射された単一偏光光と直交方向の偏光光を、受光する第２の受光素子とを有し、第１の受光素子における受光信号と第２の受光素子における受光信号の差に基づいて、トナー付着量を測定するトナー付着量測定装置であって、
   上記投光素子と、第１および第２の受光素子は、同一の回路基板上に実装されて、光学ユニットホルダで覆われ、
   上記投光素子と、第１および第２の受光素子との間に遮光壁が設けられ、該遮光壁は光学ユニットホルダ側から回路基板側に伸延し、
   投光素子から像担持体への照射光の光路を制限するスリットを光学ユニットホルダに設け、像担持体に対する光の投光角度および受光角度を１９°以下にすることを特徴とするトナー付着量測定装置。
2. 請求項１記載の投光素子および受光素子に使用する半導体チップが金属フレームを介さず、回路基板に直接実装されたことを特徴とするトナー付着量測定装置。
3. 請求項１記載の光学ユニットホルダに凹部を設け、該凹部に投光用偏光フィルタ、第１および第２の受光用偏光フィルタを嵌合させたことを特徴とするトナー付着量測定装置。
4. 請求項３記載の光学ユニットホルダの外表面に投光用偏光フィルタ、第１および第２の受光用偏光フィルタを固着させ、該フィルタと光学ユニットホルダの外表面に凸面光学レンズを形成したプラスチック片を固着させて、偏光フィルタと凸面光学レンズ部分とを位置決め固定することを特徴とするトナー付着量測定装置。
5. 請求項１記載の投光素子と第１および第２の受光素子を略同一直線上に配置したことを特徴とするトナー付着量測定装置。
6. 請求項１記載の投光用偏光フィルタと第１の受光用偏光フィルタとを１枚の偏光フィルタで構成したことを特徴とするトナー付着量測定装置。
7. 請求項１記載の投光素子から像担持体へ光を照射する光路を制限するスリットが楕円状または長方形状であり、該スリットの長軸方向が、第１および第２の受光素子配置方向と平行であることを特徴とするトナー付着量測定装置。
8. 請求項1記載の回路基板上に発光素子の光量を検知する第３の受光素子を配置し、第１の投光素子から照射された光を光学ユニットホルダに設けたリフレクタに反射させ、該反射光を第３の受光素子で受光し、第１の投光素子にフィードバックすることにより、投光素子の光量を一定値に維持する機能を備えたことを特徴とするトナー付着量測定装置。

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