JP2018077197A - 差動トランス式透磁率センサー - Google Patents

Abstract

【課題】センサーの出力を連続的に変化させて高精度で調整する。
【解決手段】本発明の差動トランス式透磁率センサー１０は、絶縁層及び配線層を積層してなる基板２１と、配線層に形成された平面状の検知側駆動コイル１、平面状の検知コイル３、平面状の基準側駆動コイル２、平面状の基準コイル４、及び平面状の調整用コイル５と、調整用コイル５に可変抵抗６を並列接続してなる閉回路と、発振回路７と、を備え、発振回路７の発振信号が各駆動コイル１、２に加えられて、検知コイル３、基準コイル４、及び調整用コイル５にそれぞれの誘導電流が流れ、検知コイル３と基準コイル４の誘導電流の差分が出力される回路構成を有し、調整用コイル５の誘導電流は、可変抵抗６の抵抗値に応じて調節されるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性体を検出する差動トランス式透磁率センサーに関し、特にセンサーを調整するための技術に関する。

例えば電子写真方式の画像形成装置においては、二成分現像剤のトナー濃度、磁性トナーの残量、あるいはトナーの有無を検出するために、差動トランス式透磁率センサーが用いられている。この差動トランス式透磁率センサーは、複数のコイルを備えており、各コイルを基板又は多層基板上に渦巻き状に形成して、薄型化したものがある（特許文献１を参照）。

このような基板又は多層基板上のコイルには、製造時の寸法誤差が原因となって、センサーの出力に誤差が生じるため、センサーの調整が必要となる。例えば、特許文献２には、渦巻き状のコイルの最外周の線材を複数の分岐線に分岐して、これらの分岐線を通るそれぞれの磁束量が異なるように設定し、これらの分岐線のいずれか１つを選択するという調整方法が開示されている。

特開２００１−１６５９１０号公報 特開２０１３−１０１１０３号公報

しかしながら、特許文献２では、センサーの出力が段階的に変化するため、センサーの出力を連続的に変化させて高精度で調整することができない。

本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、センサーの出力を連続的に変化させて高精度で調整することを目的とする。

本発明の一局面に係る差動トランス式透磁率センサーは、絶縁層及び配線層を積層してなる基板と、前記配線層に形成された平面状の第１駆動コイル、平面状の第１誘導コイル、平面状の第２駆動コイル、平面状の第２誘導コイル、及び平面状の調整用コイルと、前記調整用コイルの両端に電流調整用素子を並列接続してなる閉回路と、発振信号を出力する発振部と、を備え、前記第１駆動コイル、前記第１誘導コイル、及び前記調整用コイルを互いに同心状に配置すると共に、前記第２駆動コイル及び前記第２誘導コイルを互いに同心状に配置し、前記発振部の発振信号が前記第１駆動コイル及び前記第２駆動コイルに加えられて、前記第１誘導コイル、前記第２誘導コイル、及び前記調整用コイルにそれぞれの誘導電流が流れ、前記第１誘導コイルの誘導電流及び前記第２誘導コイルの誘導電流の差分が出力される回路構成を有し、前記調整用コイルの誘導電流は、前記電流調整用素子の抵抗値に応じて調節されるものである。

本発明によれば、センサーの出力を連続的に変化させて高精度で調整することができる。

本発明の差動トランス式透磁率センサーの一実施形態を示すブロック図である。 図１の差動トランス式透磁率センサーを構成する複数のコイル等が形成された多層基板を示す斜視図である。 差動トランス式透磁率センサーの変形例を示すブロック図である。 多層基板の変形例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の差動トランス式透磁率センサーの一実施形態を示すブロック図である。本実施形態の差動トランス式透磁率センサー１０は、例えば、電子写真方式の画像形成装置の現像部に設けられて、現像部内の二成分現像剤のトナー濃度、磁性トナーの残量、あるいはトナーの有無を検出するために用いられる。

図１に示すように差動トランス式透磁率センサー１０は、検知側駆動コイル（請求項１の第１駆動コイル）１、基準側駆動コイル（請求項１の第２駆動コイル）２、検知コイル（請求項１の第１誘導コイル）３、基準コイル（請求項１の第２誘導コイル）４、調整用コイル５、可変抵抗（請求項１の電流調整素子の一例）６、発振回路７、抵抗８、コンデンサー９、及び増幅回路１１を備えている。

発振回路７は、高周波の駆動電流を生成して、この駆動電流を検知側駆動コイル１及び基準側駆動コイル２に出力する。検知側駆動コイル１及び基準側駆動コイル２は、直列接続されており、高周波の駆動電流に応じたそれぞれの磁束を生成する。ここでは、それらの磁束が同じ向きになるように検知側駆動コイル１の極性及び基準側駆動コイル２の極性が設定されている。

検知コイル３は、検知側駆動コイル１と磁気的に結合されており、検知側駆動コイル１の磁束に応じた誘導電流が検知コイル３に生じる。同様に、基準コイル４は、基準側駆動コイル２と磁気的に結合されており、基準側駆動コイル２の磁束に応じた誘導電流が基準コイル４に生じる。ここでは、それらの誘導電流が打ち消し合うように、検知コイル３の極性及び基準コイル４の極性が設定されると共に検知コイル３及び基準コイル４の配線接続が設定されている。これにより、差動電圧Ｖ０（＝基準コイル４の起電圧Ｖ１−検知コイル３の起電圧Ｖ２）が生成される。

検知コイル３は、コンデンサー９を介して増幅回路１１に接続され、また基準コイル４は、抵抗８を介して増幅回路１１に接続されている。抵抗８は増幅回路１１内のバイポーラトランジスターのベースに接続されており、増幅回路１１の増幅率の設定に用いられる。

コンデンサー９は、差動電圧Ｖ０の直流成分をカットする。これにより、増幅回路１１には、差動電圧Ｖ０の交流成分だけが入力される。

また、調整用コイル５は、検知側駆動コイル１に対して検知コイル３と共に磁気的に結合されている。調整用コイル５には、検知側駆動コイル１の磁束に応じた誘導電流が生じる。この調整用コイル５の両端には、可変抵抗６が並列接続されて、調整用コイル５及び可変抵抗６からなる閉回路が形成されている。可変抵抗６により、調整用コイル５並びに可変抵抗６に流れる誘導電流の量を増減可能である。

ここで、検知側駆動コイル１に対して検知コイル３及び調整用コイル５が磁気的に結合されていることから、可変抵抗６の抵抗値の低減により調整用コイル５に流れる誘導電流の量が増大されると、検知コイル３に流れる誘導電流の量が減少する。逆に可変抵抗６の抵抗値の増大により調整用コイル５に流れる誘導電流の量が減少されると、検知コイル３に流れる誘導電流の量が増大する。これにより、可変抵抗６の抵抗値を増減させて、検知コイル３の起電圧Ｖ２を調節可能とされている。

このような構成の差動トランス式透磁率センサー１０においては、検知コイル３は、基準コイル４よりも現像部内のトナーの近くに配置される。そして、トナーの非検知のときに、可変抵抗６の抵抗値の増減により調整用コイル５に流れる誘導電流の量が調節されて、検知コイル３の起電圧Ｖ２が基準コイル４の起電圧Ｖ１に等しく設定され、差動電圧Ｖ０が「０」に予め設定される。従って、増幅回路１１の出力が「０」となる。

そして、差動電圧Ｖ０が「０」に予め設定された後に、検知コイル３によりトナーが検知されると、検知コイル３の誘導電流が増大して、検知コイル３の起電圧Ｖ２が高くなり、差動電圧Ｖ０が変動して、差動電圧Ｖ０の交流成分が増幅回路１１で増幅されて出力される。この増幅回路１１の出力に基づき、二成分現像剤のトナー濃度、磁性トナーの残量、あるいはトナーの有無を検出することが可能である。

ただし、調整用コイル５を設けた構成では、仮に検知コイル３及び基準コイル４として同一のものを適用すると、検知コイル３の誘導電流の量が基準コイル４の誘導電流の量よりも必ず少なくなる。従って、可変抵抗６の抵抗値の増減により調整用コイル５に流れる誘導電流の量を調節しても、検知コイル３の起電圧Ｖ２が基準コイル４の起電圧Ｖ１に等しくなることはなく、差動電圧Ｖ０を「０」に設定することができない。

このため、本実施形態では、基準コイル４の巻き数を検知コイル３の巻き数よりも減らしている。あるいは、基準側駆動コイル２に対する基準コイル４の離間距離を検知側駆動コイル１に対する検知コイル３の離間距離よりも長くして、つまり基準側駆動コイル２と基準コイル４の磁気結合係数を検知側駆動コイル１と検知コイル３の磁気結合係数よりも小さくしている。これにより、トナーの非検知のときに、可変抵抗６の抵抗値の増減により調整用コイル５に流れる誘導電流の量を調節して、検知コイル３の誘導電流の量を基準コイル４の誘導電流の量の上下で増減させることが可能となり、検知コイル３の起電圧Ｖ２を基準コイル４の起電圧Ｖ１に等しくして、差動電圧Ｖ０を「０」に設定することができる。

また、可変抵抗６の抵抗値が連続的に滑らかに変化するので、検知コイル３の起電圧Ｖ２を基準コイル４の起電圧Ｖ１に正確に等しくして、差動電圧Ｖ０を「０」に高精度で設定することができる。

次に、差動トランス式透磁率センサー１０における検知側駆動コイル１、基準側駆動コイル２、検知コイル３、基準コイル４、及び調整用コイル５などの具体的な構造について説明する。

図２は、検知側駆動コイル１、基準側駆動コイル２、検知コイル３、基準コイル４、及び調整用コイル５が形成された多層基板２１を示す斜視図である。図２に示すように多層基板２１は、第１配線層２２ａ、第２配線層２２ｂ、第３配線層２２ｃ、第４配線層２２ｄ、第１絶縁層２３ａ、第２絶縁層２３ｂ、及び第３絶縁層２３ｃを積層して構成され、第１乃至第３絶縁層２２ａ〜２３ｃが第１乃至第４配線層２２ａ〜２２ｄの間に介在して、第１乃至第４配線層２２ａ〜２２ｄが絶縁されている。

第１配線層２２ａには、平面状の検知側駆動コイル１、平面状の検知コイル３、及び平面状の調整用コイル５が同心状に形成されており、該各コイル１、３、５が磁気結合している。検知側駆動コイル１の巻き方向は、図２の上方から見ると、該コイル１の内側から外側の向きで反時計周り方向となっている。また、検知コイル３及び調整用コイル５の巻き方向は、図２の上方から見ると、該各コイル３、５の内側から外側の向きで時計周り方向となっている。

第４配線層２２ｄには、平面状の基準側駆動コイル２及び平面状の基準コイル４が同心状に形成されており、該各コイル２、４が磁気結合している。基準側駆動コイル２及び基準コイル４の巻き方向は、図２の上方から見ると、該各コイル２、４の内側から外側の向きで時計周り方向となっている。

検知側駆動コイル１の内側端１ａは、第１絶縁層２３ａを貫通するビア２４ａを通じて第２配線層２２ｂの導電パターン２５ａに接続されている。更に、導電パターン２５ａは、第１絶縁層２３ａのビア２４ｂを通じて第１配線層２２ａの導電パターン２５ｂに接続されており、この導電パターン２５ｂが発振回路７に接続されている。従って、検知側駆動コイル１の内側端１ａは、ビア２４ａ、導電パターン２５ａ、ビア２４ｂ、及び導電パターン２５ｂを通じて発振回路７に接続されている。

また、検知側駆動コイル１の外側端１ｂは、第１乃至第３絶縁層２３ａ〜２３ｃ及び第２、第３配線層２２ｂ、２２ｃを貫通するビア２４ｃを通じて基準側駆動コイル２の外側端２ｂに接続されている。これにより、検知側駆動コイル１と基準側駆動コイル２が直列接続されている。

基準側駆動コイル２の内側端２ａは、第３絶縁層２３ｃを貫通するビア２４ｄを通じて第３配線層２２ｃの導電パターン２５ｃに接続されている。更に、導電パターン２５ｃは、第３絶縁層２３ｃのビア２４ｅを通じて第４配線層２２ｄの導電パターン２５ｄに接続されており、この導電パターン２５ｄが発振回路７に接続されている。従って、基準側駆動コイル２の内側端２ａは、ビア２４ｄ、導電パターン２５ｃ、ビア２４ｅ、及び導電パターン２５ｄを通じて発振回路７に接続されている。

検知コイル３の内側端３ａは、第１乃至第３絶縁層２３ａ〜２３ｃ及び第２、第３配線層２２ｂ、２２ｃを貫通するビア２４ｆを通じて基準コイル４の内側端４ａに接続されている。また、検知コイル３の外側端３ｂは、第１配線層２２ａの導電パターン２５ｅに接続され、更に該導電パターン２５ｅを通じてコンデンサー９に接続されている。また、基準コイル４の外側端４ｂは、第４配線層２２ｄの導電パターン２５ｆに接続され、更に該導電パターン２５ｆを通じて抵抗８に接続されている。

調整用コイル５は、第１絶縁層２３ａを貫通する２つのビア２４ｇ、２４ｈ及び第２配線層２２ｂの導電パターン２５ｇを通じて導通され、かつ第１絶縁層２３ａを貫通する他の２つのビア２４ｉ、２４ｊ及び第２配線層２２ｂの他の導電パターン２５ｈを通じて導通されている。これにより、第１配線層２２ａには、導電パターン２５ｅを調整用コイル５に接触させることなく導出するための空きスペースが形成されている。

また、調整用コイル５の両端は、第１配線層２２ａの２つの導電パターン２５ｇ、２５ｈに接続され、更に該各導電パターン２５ｇ、２５ｈを通じて可変抵抗６に接続されている。

このような構造の多層基板２１により、図１の回路が構成される。なお、図２において、検知側駆動コイル１、基準側駆動コイル２、検知コイル３、基準コイル４、及び調整用コイル５の巻き方向は、該各コイル１〜５に対する配線接続の構成に応じて適宜変更することができる。また、各ビア２４ａ〜２４ｊの内側にはメッキが施されて、該各ビア２４ａ〜２４ｊが導通しているものとする。

ここで、多層基板２１に形成された検知側駆動コイル１、基準側駆動コイル２、検知コイル３、及び基準コイル４には、製造時の寸法誤差等が生じて、これが差動トランス式透磁率センサー１０の出力の誤差の原因となる。

本実施形態では、上記のようにトナーの非検知のときに、可変抵抗６の抵抗値の増減により調整用コイル５に流れる誘導電流の量を連続的に滑らかに変化させて、検知コイル３の起電圧Ｖ２を基準コイル４の起電圧Ｖ１に正確に等しくし、差動電圧Ｖ０を「０」に高精度で設定することができる。このため、上記出力の誤差を修正することが可能である。

また、上記のように基準コイル４の巻き数を検知コイル３の巻き数よりも減らしたり、あるいは基準側駆動コイル２に対する基準コイル４の離間距離を検知側駆動コイル１に対する検知コイル３の離間距離よりも長くして、基準側駆動コイル２と基準コイル４の磁気結合係数を検知側駆動コイル１と検知コイル３の磁気結合係数よりも小さくしたりしているので、トナーの非検知のときに、可変抵抗６の抵抗値の増減により差動電圧Ｖ０を「０」に設定することができる。

なお、上記実施形態では、調整用コイル５を検知側駆動コイル１に磁気結合させているが、調整用コイル５を基準側駆動コイル２に磁気結合させて、この調整用コイル５に可変抵抗６を並列接続してもよい。この場合は、基準側駆動コイル２が請求項１の第１駆動コイルに対応し、検知側駆動コイル１が請求項１の第２駆動コイルに対応し、基準コイル４が請求項１の第１誘導コイルに対応し、検知コイル３が請求項１の第２誘導コイルに対応することとなる。また、調整用コイル５を多層基板２１の第４配線層２２ｄに配して、調整用コイル５を基準コイル４の外側に設ける。更に、検知コイル３の巻き数を基準コイル４の巻き数よりも減らしたり、あるいは検知側駆動コイル１と検知コイル３の磁気結合係数を基準側駆動コイル２と基準コイル４の磁気結合係数よりも小さくしたりする。そして、トナーの非検知のときに、可変抵抗６の抵抗値の増減により差動電圧Ｖ０を「０」に設定する。
［変形例１］

変形例１では、上記実施形態のように基準コイル４の巻き数を検知コイル３の巻き数よりも減らしたり、あるいは基準側駆動コイル２と基準コイル４の磁気結合係数を検知側駆動コイル１と検知コイル３の磁気結合係数よりも小さくしたりする代わりに、図３に示すように補正用コイル３１及び該補正用コイル３１の両端に並列接続された固定抵抗３２からなる閉回路を設け、補正用コイル３１を、基準コイル４と共に基準側駆動コイル２に磁気結合させている。

この補正用コイル３１には、基準側駆動コイル２の磁束に応じた誘導電流が生じるので、補正用コイル３１を設けていない場合と比較すると、基準コイル４に流れる誘導電流が減少する。従って、調整用コイル５により検知コイル３の誘導電流が減少すると共に、補正用コイル３１を設けたことから基準コイル４の誘導電流が減少することとなる。

例えば、検知側駆動コイル１、検知コイル３、調整用コイル５の磁気結合係数及び巻き数を、基準側駆動コイル２、基準コイル４、補正用コイル３１の磁気結合係数及び巻き数に一致させて、固定抵抗３２の抵抗値を可変抵抗６の抵抗値の範囲に含まれるように設定する。具体的には、可変抵抗６の抵抗値の範囲を１０Ω〜１ＫΩに設定すると共に、固定抵抗３２の抵抗値を１００Ωに設定する。これにより、可変抵抗６の抵抗値の増減により調整用コイル５に流れる誘導電流の量を調節して、検知コイル３の誘導電流の量を基準コイル４の誘導電流の量の上下で増減させることが可能となり、検知コイル３の起電圧Ｖ２を基準コイル４の起電圧Ｖ１に等しく設定し、差動電圧Ｖ０を「０」に設定することが可能となる。

なお、変形例１では、調整用コイル５を検知側駆動コイル１に磁気結合させると共に、補正用コイル３１を基準側駆動コイル２に磁気結合させているが、逆に調整用コイル５を基準側駆動コイル２に磁気結合させると共に、補正用コイル３１を検知側駆動コイル１に磁気結合させてもよい。そして、調整用コイル５に可変抵抗６を並列接続し、補正用コイル３１に固定抵抗３２を並列接続する。この場合も、トナーの非検知のときに、可変抵抗６の抵抗値の増減により差動電圧Ｖ０を「０」に設定することができる。
［変形例２］

変形例２では、図４に示すように検知コイル３及び調整用コイル５を第１配線層２２ａに設けると共に、検知側駆動コイル１を第２配線層２２ｂに設け、また基準コイル４を第４配線層２２ｄに設けると共に、基準側駆動コイル２を第３配線層２２ｃに設けている。また、各ビア２４ｃ、２４ｅ、２４ｆ及び各導電パターン２５ａ、２５ｃを設けて、検知側駆動コイル１、基準側駆動コイル２、基準コイル４、及び調整用コイル５を適宜結線し、図１の回路を構成している。

このような構造においても、検知側駆動コイル１に対して検知コイル３及び調整用コイル５を磁気結合させたり、基準側駆動コイル２に対して基準コイル４を磁気結合させたりすることができ、上記実施形態と同様の作用並びに効果が達成される。

なお、検知側駆動コイル１、基準側駆動コイル２、検知コイル３、基準コイル４、及び調整用コイル５の全てを同一の配線層に形成し、検知側駆動コイル１、検知コイル３、及び調整用コイル５と、基準側駆動コイル２及び基準コイル４とをその配線層上で互いに離間させて設けることによっても、図１の回路を構成し得る。

また、検知側駆動コイル１、基準側駆動コイル２、検知コイル３、基準コイル４、及び調整用コイル５として、渦巻状のコイルを例示しているが、１回巻きのループ状のコイルでも、またループ状のコイルが閉じていなくてもよく、更にコイルを平面視したときに該コイルの形状が円形であっても、多角形であっても構わない。

また、上記実施形態では、電流調整用素子として可変抵抗を例示しているが、この可変抵抗の代わりに、トランジスタ（ＦＥＴを含む）などのデバイスを調整用コイル５の両端に並列接続し、このデバイスに対して外部から電流や電圧を加えて、調整用コイル５に流れる誘導電流を増減させても構わない。

また、図１乃至図４を用いて説明した構成及び構造は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明を当該構成及び処理に限定する趣旨ではない。

１ 検知側駆動コイル
２ 基準側駆動コイル
３ 検知コイル
４ 基準コイル
５ 調整用コイル
６ 可変抵抗
７ 発振回路
８ 抵抗
９ コンデンサー
１０ 差動トランス式透磁率センサー
１１ 増幅回路
２１ 多層基板

Claims (9)

1. 絶縁層及び配線層を積層してなる基板と、
   前記配線層に形成された平面状の第１駆動コイル、平面状の第１誘導コイル、平面状の第２駆動コイル、平面状の第２誘導コイル、及び平面状の調整用コイルと、
   前記調整用コイルの両端に電流調整用素子を並列接続してなる閉回路と、
   発振信号を出力する発振部と、を備え、
   前記第１駆動コイル、前記第１誘導コイル、及び前記調整用コイルを互いに同心状に配置すると共に、前記第２駆動コイル及び前記第２誘導コイルを互いに同心状に配置し、
   前記発振部の発振信号が前記第１駆動コイル及び前記第２駆動コイルに加えられて、前記第１誘導コイル、前記第２誘導コイル、及び前記調整用コイルにそれぞれの誘導電流が流れ、前記第１誘導コイルの誘導電流及び前記第２誘導コイルの誘導電流の差分が出力される回路構成を有し、
   前記調整用コイルには、前記調整用コイルに流れる誘導電流を調節する前記電流調整用素子が設けられている差動トランス式透磁率センサー。
2. 前記第２誘導コイルの巻き数が、前記調整用コイルに対して同心状に配置された前記第１誘導コイルの巻き数よりも少なく設定されている請求項１に記載の差動トランス式透磁率センサー。
3. 前記第２誘導コイルと前記第２駆動コイルの磁気結合係数が、前記調整用コイルに対して同心状に配置された前記第１誘導コイルと前記第１駆動コイルの磁気結合係数よりも低く設定されている請求項１に記載の差動トランス式透磁率センサー。
4. 前記第２駆動コイル及び前記第２誘導コイルに対して同心状に配置された補正用コイルと、
   前記補正用コイルの両端に固定抵抗を並列接続してなる別の閉回路と、を備え、
   前記発振部の発振信号が前記第２駆動コイルに加えられると、前記補正用コイルに誘導電流が流れる請求項１に記載の差動トランス式透磁率センサー。
5. 前記第１誘導コイルは、前記第２誘導コイルよりも検出対象となる磁性体の近くに配置される請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の差動トランス式透磁率センサー。
6. 前記第２誘導コイルは、前記第１誘導コイルよりも検出対象となる磁性体の近くに配置される請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の差動トランス式透磁率センサー。
7. 前記第１駆動コイル、前記第１誘導コイル、及び前記調整用コイルと、前記第２駆動コイル及び前記第２誘導コイルとが、前記基板の配線層において互いに離間して設けられた請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の差動トランス式透磁率センサー。
8. 前記基板は、絶縁層を介して積層された２つの配線層を有し、
   前記第１駆動コイル、前記第１誘導コイル、及び前記調整用コイルが前記各配線層の一方に設けられ、
   前記第２駆動コイル及び前記第２誘導コイルが前記各配線層の他方に設けられた請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の差動トランス式透磁率センサー。
9. 前記基板は、それぞれの絶縁層を介して順次積層された第１配線層、第２配線層、第３配線層、及び第４配線層を有し、
   前記第１誘導コイル及び前記調整用コイルが前記第１配線層に設けられ、
   前記第１駆動コイルが前記第２配線層に設けられ、
   前記第２駆動コイルが前記第３配線層に設けられ、
   前記第２誘導コイルが前記第４配線層に設けられた請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の差動トランス式透磁率センサー。