JP2012093249A - 透磁率センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】低電圧で安定動作し、十分な感度でトナーの透磁率変化を検出することができるトナーセンサを提供する。
【解決手段】発振回路1と、発振回路1から出力された交流の信号の位相を、トナー7の透磁率に応じて変化させて出力する検出回路2と、検出回路2から出力された信号を増幅する増幅回路3と、増幅回路3により増幅された信号及び発振回路1から出力された信号の位相を比較し、位相差に応じた矩形波信号を出力する位相比較回路4と、位相比較回路4から出力された矩形波信号を平滑化する平滑回路5とを備える。増幅回路3は、EX−ORゲート31を備え、その第1入力端は検出回路2の第1出力端に接続され、第2入力端は直流電源電位に接続されている。第2EX−ORゲート31の出力端は、抵抗器rfdを介して検出回路2の第2出力端に接続されている。また、検出回路2の第2出力端はコンデンサC4を介して接地されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、被検出物の透磁率を検出する磁気ブリッジ方式の透磁率センサに関する。
電子写真方式の複写機又はプリンタは、感光体上に形成された静電荷像を現像するために使用されるトナーの濃度又は残量を検出するトナーセンサを備える。特許文献1には、トナーの濃度又は残量により変動する見かけの透磁率を検出する磁気ブリッジ方式のトナーセンサが開示されている。
磁気ブリッジ方式のトナーセンサは、交流の信号を発振する発振回路を有し、発振回路には、差動トランスが接続されている。差動トランスは、発振回路から出力された交流の信号が印加される駆動コイル、並びに駆動コイルに結合した基準コイル及び検知コイルから構成されている。基準コイル及び検知コイルは、出力電圧が互いに打ち消し合う方向に接続されているため、基準コイル及び検知コイルの相互インダクタンスが等しい場合、差動トランスから出力される電圧は0になる。ここで、検知コイルがトナー近くに位置するようにトナーセンサを複写機等の現像器に取り付けた場合、検知コイルの相互インダクタンスは、トナーの濃度又は残量による見かけの透磁率の変化に応じて変動する。その結果、トナーの濃度又は残量に応じて振幅及び位相が変化した交流の信号が差動トランスから出力される。差動トランスの後段には増幅回路、位相比較回路、平滑回路が順に接続されている。増幅回路は、例えば一方の入力端子が直流電源電位に接続された排他的論理和ゲートで構成されており、差動トランスから出力された信号を増幅する。位相比較回路は、増幅回路で増幅された信号と、発振回路から出力された信号との位相を比較し、位相差に応じたデューティ比を有する矩形波信号を出力する。平滑回路は、位相比較回路から出力された矩形波信号を平滑化して出力する。平滑回路から出力される信号の電圧は、トナーの濃度又は残量に対応している。
特開2005−337975号公報
ところで、近年の複写機又はプリンタ等に使用されるロジックICの駆動電圧は3.3Vが一般的であり、機器の消費電力を低減させるべく2.2Vで駆動するロジックICも設計されている。
一方、従来のトナーセンサに使用されるロジックICの電源電圧は5Vであるため、トナーセンサを駆動させるためだけに、5Vの駆動電圧を作成する電源回路が必要であった。また、トナーセンサを5Vの駆動電圧で駆動すると、例えばトナーセンサの故障のため出力が5Vまで達する可能性もあり、故障発生時にはトナーセンサに接続されているマイコン、ロジックICを破損させるおそれがあった。
他方、約2〜3Vの低電圧で駆動するロジックICをトナーセンサに使用した場合、トナーの濃度又は残量の変化に伴う十分な出力の変化を得ることができなかった。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低電圧で安定動作し、十分な感度で被検出物の透磁率変化を検出することができる透磁率センサを提供することにある。
本発明に係る透磁率センサは、誘導性素子を有し、被検出物の透磁率に応じた信号を出力する検出回路と、該検出回路から出力された信号を増幅する増幅回路とを備える透磁率センサにおいて、前記増幅回路は、前記検出回路から出力された信号を増幅する増幅器と、一端が前記増幅器の出力側に接続され、他端が前記誘導性素子を介して前記増幅回路の入力側に接続された抵抗器とを備え、更に、前記抵抗器の他端に一端が接続され、他端が電源電位より低電圧の固定電位に接続されるコンデンサを備えることを特徴とする。
本発明に係る透磁率センサは、交流の信号を発振する発振回路と、該発振回路から出力された信号の位相を、被検出物の透磁率に応じて変化させて出力する検出回路と、該検出回路から出力された信号を増幅する増幅回路と、該増幅回路により増幅された信号及び前記発振回路から出力された信号の位相を比較し、位相差に応じたデューティ比を有する矩形波信号を出力する位相比較回路と、該位相比較回路から出力された矩形波信号を平滑化する平滑回路とを備える透磁率センサにおいて、前記検出回路は、前記発振回路に接続された駆動コイルと、該駆動コイルに磁気的に結合した基準コイルと、前記駆動コイルに磁気的に結合し、被検出物の透磁率に応じてインダクタンスが変化する検知コイルとを含み、被検出物の透磁率に応じた信号を出力する第1出力端及び第2出力端を有する差動トランスを備え、前記増幅回路は、入力端子が前記差動トランスの第1出力端に接続され、該第1出力端から出力された信号を増幅する増幅器と、一端が前記増幅器の出力端子に接続され、他端が前記差動トランスの第2出力端に接続された抵抗器と、更に、前記抵抗器の他端に一端が接続され、他端が電源電位より低電圧の固定電位に接続されるコンデンサを備えることを特徴とする。
本発明にあっては、増幅器に入力される信号の低周波成分に対しては、抵抗器が負帰還抵抗として作用し、高周波成分に対しては、抵抗器は接地抵抗として作用する。抵抗器が接地抵抗として作用する場合、増幅器の増幅率は負帰還抵抗として作用する場合に比べて格段に上昇する。従って、検出回路から出力された信号の増幅率を高め、該検出回路の動作点を線形動作領域の略中心に安定させることが可能となる。
本発明によれば、2〜3Vの低電圧で安定動作し、十分な感度で被検出物の透磁率変化を検出することができる。
本実施の形態に係るトナーセンサの一構成例を示した回路図である。 排他的論理和ゲートの真理値表である。 位相比較回路の演算動作を示すタイミングチャートである。 従来のトナーセンサの一構成例を示す回路図である。 本実施の形態及び従来技術に係る第2EX−ORゲートの周辺回路の等価回路を示す回路図である。 第2EX−ORゲートに入力する信号を示す波形図である。 直流ないし低周波成分に対する本実施の形態及び従来技術に係る第2EX−ORゲートの周辺回路の等価回路を示す回路図である。 高周波成分に対する本実施の形態及び従来技術に係る第2EX−ORゲートの周辺回路の等価回路を示す回路図である。 第2EX−ORゲートから出力された信号を示す波形図である。
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
<トナーセンサの構成>
図1は、本実施の形態に係るトナーセンサの一構成例を示した回路図、図2は、排他的論理和ゲートの真理値表である。本実施の形態に係るトナーセンサ(透磁率センサ)は、交流の信号を発振する発振回路1と、発振回路1から出力された信号の位相を、トナー(被検出物)7の透磁率に応じて変化させて出力する検出回路2と、検出回路2から出力された信号を増幅する増幅回路3と、増幅回路3により増幅された信号及び前記発振回路1から出力された信号の位相を比較し、位相差に応じたデューティ比を有する矩形波信号を出力する位相比較回路4と、位相比較回路4から出力された矩形波信号を平滑化する平滑回路5とを有する。
発振回路1は、排他的論理和ゲートIC(以下、第1EX−ORゲートという。)11と、2つのコンデンサC1,C2とを含む。第1EX−ORゲート11は、図2の真理値表に示すような排他的論理和演算を行う回路である。第1EX−ORゲート11の第1入力端子は、直流電源電位に接続されている。第1EX−ORゲート11の第2入力端子は、コンデンサC1の一方の端子と、後述する駆動コイルL1の一端とが接続され、コンデンサC1の他方の端子は接地されている。第1EX−ORゲート11の出力端子は、コンデンサC2の一方の端子と、駆動コイルL1の他端に接続され、コンデンサC2の他方の端子は接地されている。
検出回路2は、発振回路1に接続された駆動コイルL1と、駆動コイルL1に磁気的に結合した基準コイル(誘導性素子)L3と、トナー7の透磁率に応じてインダクタンスが変化する検知コイル(誘導性素子)L2とを含む差動トランス20を有する。上述したように、駆動コイルL1の一端は、第1EX−ORゲート11の出力端子に接続され、駆動コイルL1の他端は、コンデンサC1の一方の端子に接続されている。検知コイルL2の一端には、コンデンサC3の一方の端子が接続され、コンデンサC3の他方の端子は接地されている。検知コイルL2の他端には、検知コイルL2及び基準コイルL3の出力電圧が相互に打ち消し合う方向で、基準コイルL3の一端が接続されている。また、基準コイルL3の一端には抵抗器r10の一端が接続され、基準コイルL3の他端には抵抗器r10の他端が接続されている。
以下、検知コイルL2の一端を、差動トランス20の第1出力端、基準コイルL3の他端を、差動トランス20の第2出力端という。
増幅回路3は、第2EX−ORゲート(増幅器)31と、抵抗器rfdとを有する。第2EX−ORゲート31の第1入力端子は、差動トランス20の第1出力端に接続され、第2EX−ORゲート31の第2入力端子は直流電源電位に接続されている。第2EX−ORゲート31の第2入力端子には直流電源電位が接続されているため、第2EX−ORゲート31は、実質的にインバータゲート、即ちリニアアンプとして動作する。第2EX−ORゲート31の出力端子は、抵抗器rfdを介して差動トランス20の第2出力端に接続されている。つまり、抵抗器rfdの一端は、第2EX−ORゲート31の出力端子に接続され、抵抗器rfdの他端は差動トランス20の第2出力端に接続されている。
また、トナーセンサは、コンデンサC4を有する。抵抗器rfdの他端及び差動トランス20の第2出力端にはコンデンサC4の一端が接続され、コンデンサC4の他端は接地されている。
なお、本実施の形態では、増幅器をEX−ORゲートで構成する場合を説明するが、EX−NORゲート、その他の公知の回路を用いて増幅器を構成することもできる。
位相比較回路4は、例えば、第3EX−ORゲート41で構成されている。第3EX−ORゲート41の第1入力端子は、第1EX−ORゲート11の出力端子に接続され、第3EX−ORゲート41の第2入力端子は、第2EX−ORゲート31の出力端子に接続されている。
平滑回路5は、抵抗器R5及びコンデンサC6を有する。抵抗器R5の一端は、第3EX−ORゲート41の出力端子に接続されている。抵抗器R5の他端は、コンデンサC6の一方の端子に接続され、コンデンサC6の他方の端子は接地されている。また、抵抗器R5の他端には、トナー7検出に係る信号、つまり、トナー7の見かけの透磁率に応じて電圧レベルが変動する信号を出力する検出信号出力端子6が設けられている。
<トナーセンサの動作:一般的動作>
以下、このように構成されたトナーセンサの動作について説明する。本実施の形態に係るトナーセンサは、検知コイルL2がトナー7の近くに位置するように複写機等の現像器に取り付けているものとする。発振回路1は交流の信号、例えば400〜500kHzの信号を出力し、該信号の電圧が駆動コイルL1に印加される。検知コイルL2はトナー7の近くに位置するため、トナー7に含まれる磁性体は、駆動コイルL1と、検知コイルL2との間に配された鉄心のような役割を果たす。従って、トナー7の濃度又は残量が変化してトナー7の見かけの透磁率が変化した場合、駆動コイルL1と検知コイルL2間の磁気的結合が変化し、差動トランス20から出力される信号の振幅及び位相が変化する。差動トランス20から出力された信号は、増幅回路3で増幅され、位相比較回路4に出力される。
図3は、位相比較回路4の演算動作を示すタイミングチャートである。図3A,B,Cは、位相比較回路4に入力される信号A,Bと、位相比較回路4から出力される矩形波信号Cの波形を示している。位相比較回路4には、第2EX−ORゲート31から出力された信号Bと、発振回路1から出力された信号Aとが入力され、位相比較回路4は、信号A及び信号Bの位相を比較し、位相差に応じた矩形波信号Cを出力する。この位相比較回路4では、論理ゲートとして図2に示す排他的論理和演算が行われる。具体的には、図3に示すように信号A及び信号Bの位相が同相である場合、矩形波信号Cは0V、位相が丁度180°異なる場合、矩形波信号Cは2.5Vの直流となり、位相差がその中間の場合には位相差が大きいほど2.5Vの比率が高くなる。つまり、デューティ比が大きくなる。このようにして作成された矩形波信号Cは平滑回路5で平滑化されて、矩形波信号のデューティ比に応じて電圧レベルが変動する直流の信号Dが得られる。
<トナーセンサの動作:本実施の形態に係る発明特有の作用効果>
本実施の形態に係るトナーセンサによれば、第2EX−ORゲート31の動作点(直流成分の電圧レベル)が線形動作領域の略中心、つまり直流電源電位と、接地電位(電源電位より低電位の固定電位)との中間値で安定し(図9参照)、差動トランス20から出力される微小な交流の信号の増幅率を従来技術に比べて向上させることが可能である。
以下、本実施の形態に係るトナーセンサの作用を従来技術のトナーセンサと比較しながら、説明する。
図4は、従来のトナーセンサの一構成例を示す回路図である。従来のトナーセンサは、本実施の形態と同様、発振回路1、検出回路102、増幅回路103、位相比較回路4、平滑回路5及び検出信号出力端子6を有する。従来技術のトナーセンサは、本実施の形態に係る抵抗器rfd及びコンデンサC4を備えておらず、一般的な負帰還抵抗rfを備える。以下、これらの相違点について説明する。従来技術においては、増幅回路103は、第2EX−ORゲート31の不要発振を防止し、第1入力端の直流成分の電位を安定化するために設けられた負帰還抵抗rfを有する。負帰還抵抗rfの一端は、第2EX−ORゲート31の出力端子に接続され、負帰還抵抗rfの他端は第2EX−ORゲート31の第1入力端子に接続されている。なお、第2EX−ORゲート31の第1入力端子は、コンデンサC5を介して、差動トランス20の第1出力端に接続されている。また、コンデンサC4を備えていないため、差動トランス20の第2入力端は直接的に接地されている。
図5Aは、本実施の形態に係る第2EX−ORゲート31の周辺回路の等価回路、図5Bは、従来技術に係る第2EX−ORゲート31の周辺回路の等価回路を示す回路図である。図5においては、第2EX−ORゲート31は、−K倍の増幅率を有するアンプとして示されている。また、検出回路2の差動トランス20は、差動コイルLとして示されている。なおrpは差動コイルLの抵抗成分を等価的に表したものである。
図6は、第2EX−ORゲート31に入力する信号を示す波形図である。第2EX−ORゲート31に入力される信号は、図6Aに示すように、一定のバイアスがかかった交流信号である。この信号は、図6Bに示す直流成分と、図6Cに示す高周波成分とが合成されたものと考えることができる。なお、図6Cでは高周波成分の電圧が負の値を取っているが、負電圧で動作する訳では無く、高周波成分を概念的に表現する便宜上のものである。上述の通り、第2EX−ORゲート31のトナーセンサにおける役割は、差動トランス20から出力された微小な交流の信号を差動増幅することにある。そのためには、第2EX−ORゲート31に入力される信号の高周波成分に対しては大きな増幅率を得ることが必要であり、該信号の直流成分に対しては、その動作点を第2EX−ORゲート31の線形動作領域の略中心に持ってくるように安定化し、第2EX−ORゲート31の安定的な動作が実現されなければならない。
次に、直流ないし低周波成分に対する増幅回路3の動作と、高周波成分に対する増幅回路3の動作とを分けて説明する。
図7Aは、直流ないし低周波成分に対する本実施の形態に係る第2EX−ORゲート31の周辺回路の等価回路、図7Bは、直流ないし低周波成分に対する従来技術に係る第2EX−ORゲート31の周辺回路の等価回路を示す回路図である。直流ないし低周波成分に対しては、差動コイルLのインピーダンスは低く、コンデンサCのインピーダンスは高くなる。このため、図5A中、差動コイルLのインピーダンスは無視することが出来る。
これにより並列接続のC3とC4をCG1とすれば、図5Aに示した等価回路は、直流ないし低周波成分に関して、図7Aに示すような等価回路で表される。同様に、図5B中、差動コイルLのインピーダンスが低いためC3を無視することができることから、C5をCG2とする。その結果、図5Bに示した等価回路は、直流ないし低周波成分に関して、図7Bに示すような等価回路で表される。図7A及び図7Bを比較すると分かるように、本実施の形態に係る増幅回路3も、従来技術に係る増幅回路103も、同じ等価回路で表される。つまり、本実施の形態に係る増幅回路3が有する抵抗器rfdは、負帰還抵抗として作用する。従って、第2EX−ORゲート31は、負帰還抵抗の作用で直流的に動作点が安定化される。即ち、第2EX−ORゲート31の第1入力端子に入力される信号の直流成分は、接地電位と、直流電源電位との中間値で安定化する。
図8Aは、高周波成分に対する本実施の形態に係る第2EX−ORゲート31の周辺回路の等価回路、図8Bは、高周波成分に対する従来技術に係る第2EX−ORゲート31の周辺回路の等価回路を示す回路図である。高周波成分に対しては、コンデンサC4のインピーダンスは低くなる。このため、図5A中のコンデンサC4を無視することができ、その結果、図5Aに示した等価回路は、高周波成分に関して、図8Aに示すような等価回路で表される。同様に、図5B中のコンデンサC5を無視することができ、その結果、図5Bに示した等価回路は、高周波成分に関して、図8Bに示すような等価回路で表される。
図8A及び図8Bを比較すると分かるように、本実施の形態に係る増幅回路3と、従来技術に係る増幅回路103との相異点は、抵抗器rfd及び抵抗器rfが負帰還抵抗として作用しているか否かである。従来技術に係る増幅回路103では、抵抗器rfが負帰還抵抗として作用している。他方、本実施の形態に係る増幅回路3では、抵抗器rfdが接地抵抗として作用し、第2EX−ORゲート31の負帰還抵抗としては作用していない。
差動コイルLの抵抗成分rpの抵抗値をrp、負帰還抵抗rfの抵抗値をrf、第2EX−ORゲート31のオープンループゲインを−Kとした場合、第2EX−ORゲート31の増幅率は下記式で表される。
増幅率=−K/(1+K・β)…(1)
但し、β=rp/(rp+rf)…(2)
上記式(1)、(2)から分かるように、rfが小さくなるとβが大きくなり、増幅率が低くなる。増幅率を高くするためにはβを小さくすることが必要である。これはrfを大きくすることによって実現できる。
ここで、図8Aを見ると、第2EX−ORゲート31の入出力端子に接続されている負帰還抵抗が無いため、数式(2)上のrfは無限大と見なすことができ、βの値は極端に小さくなる。つまり、第2EX−ORゲート31の増幅率が約−Kになり、第2EX−ORゲート31の増幅率は極大になる。以上の説明から分かるように、負帰還抵抗がない本実施の形態に係る増幅回路3の方が、高周波成分に関しては、従来技術に比べて増幅率が高くなる。
図9は、第2EX−ORゲート31から出力された信号を示す波形図である。本実施の形態に係るトナーセンサの増幅回路3においては、図9に示すように、第2EX−ORゲート31の動作点(直流成分の電圧レベル)が線形動作領域の略中心、つまり直流電源電位(例えば、2.5V)と、接地電位(例えば、0V)との中間値で安定し、差動トランス20から出力される微小な交流の信号の増幅率を従来技術に比べて向上させることが可能である。その結果、従来技術に比べてより広い電源電圧又は動作温度において、また、より大きなICの特性ばらつきが生じた場合においても安定したトナーセンサの回路動作を得ることができる。
以上、本実施の形態に係るトナーセンサによれば、2〜3Vの低電圧で安定動作し、十分な感度でトナー7の透磁率変化を検出することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 発振回路
2 検出回路
3 増幅回路
4 位相比較回路
5 平滑回路
6 検出信号出力端子
7 トナー
11 第1EX−ORゲート
20 差動トランス
31 第2EX−ORゲート
41 第3EX−ORゲート
L 差動コイル
L1 駆動コイル
L2 検知コイル
L3 基準コイル
rp 差動コイルの抵抗成分
r10 抵抗器

Claims (2)

  1. 誘導性素子を有し、被検出物の透磁率に応じた信号を出力する検出回路と、該検出回路から出力された信号を増幅する増幅回路とを備える透磁率センサにおいて、
    前記増幅回路は、
    前記検出回路から出力された信号を増幅する増幅器と、
    一端が前記増幅器の出力側に接続され、他端が前記誘導性素子を介して前記増幅回路の入力側に接続された抵抗器と
    を備え、
    更に、前記抵抗器の他端に一端が接続され、他端が電源電位より低電圧の固定電位に接続されるコンデンサを備える
    ことを特徴とする透磁率センサ。
  2. 交流の信号を発振する発振回路と、該発振回路から出力された信号の位相を、被検出物の透磁率に応じて変化させて出力する検出回路と、該検出回路から出力された信号を増幅する増幅回路と、該増幅回路により増幅された信号及び前記発振回路から出力された信号の位相を比較し、位相差に応じたデューティ比を有する矩形波信号を出力する位相比較回路と、該位相比較回路から出力された矩形波信号を平滑化する平滑回路とを備える透磁率センサにおいて、
    前記検出回路は、
    前記発振回路に接続された駆動コイルと、該駆動コイルに磁気的に結合した基準コイルと、前記駆動コイルに磁気的に結合し、被検出物の透磁率に応じてインダクタンスが変化する検知コイルとを含み、被検出物の透磁率に応じた信号を出力する第1出力端及び第2出力端を有する差動トランスを備え、
    前記増幅回路は、
    入力端子が前記差動トランスの第1出力端に接続され、該第1出力端から出力された信号を増幅する増幅器と、
    一端が前記増幅器の出力端子に接続され、他端が前記差動トランスの第2出力端に接続された抵抗器と、
    更に、前記抵抗器の他端に一端が接続され、他端が電源電位より低電圧の固定電位に接続されるコンデンサを備える
    ことを特徴とする透磁率センサ。
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