JP4031818B2 - 材料シートの物理的特性を測定するセンサシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタや複写機などにおいて、用紙などの材料シートの特性を測定するセンサシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
A.複写装置
紙などの記録可能な媒体から、レーザプリンタ、ゼログラフィプリンタ、スキャナあるいはインクジェットプリンタ等によって読み出しまたは書き込みが行われるテキストまたは画像の品質は、媒体の物理的特性によって大きく左右される。記録される媒体の厚み、カール、質量、および剛性は、どれもプリンタが記録可能媒体シートを搬送する速度および正確さ、ならびにテキストまたは画像の媒体転写時の精度に影響する。一般に、プリンタまたはコピー機がうまく動作できる用紙の種類は限られており、その特定の種類について用紙搬送機構および画像転写機構が最適化されなければならない。極端な場合は、適当な印刷品質を得るためには、製造業者から供給される特別に開発された用紙で、かつ製造直後の本来の状態が保たれ、曲がっておらず一定の湿度レベルに保たれて紙の曲がりが抑制されている用紙だけしか使用できない。用紙が分厚すぎたり、薄すぎたり、またはほんのわずかに曲がっていても、紙詰まりや用紙搬送機構の妨げとなる危険性を増大させるかもしれない。
【0003】
この問題に対する一つの解決策は、プリンタ、コピー機、およびスキャナ用に多種類の用紙を設定可能とすることである。これにより用紙の搬送エラーを防ぎ、かつ製造業者が供給する特定の用紙を必ずしも用いなくても画像品質を向上できる。例えば分厚い用紙または薄いボール紙を用紙搬送機構に送る場合は、ユーザは用紙の厚さを手動で「厚い」に設定する。するとピンチローラ間の間隔と搬送速度とが自動的に調整されて、分厚くなった用紙の厚みを補償する。残念ながら、この解決方法ではプリンタに供給される記録可能媒体の正確なグレードまたは種類をユーザが特定するという余分な労力が必要になる。さらに、このシステムは多種類の用紙が混じっている場合は幾分操作が複雑である。なぜなら、多種類の用紙が用紙搬送機構に送られるので、用紙の厚さの「厚い」という設定を常にオン/オフしなければならないからである。
【0004】
従って、用紙特性を自動的に検出し、かつ検出した用紙特性に基づいて用紙搬送機構の設定を自動的に調整して、用紙の取り扱い速度、間隔、またはその他の用紙搬送上の特徴を最適化する、費用の安い用紙処理システムが必要とされている。このようなシステムではユーザ入力は最小限ですみ、用紙処理特徴を自動的に最適化して、広範な種類の記録可能媒体を使用できる。このためかかる用紙処理装置は、品質や粘稠度(コンシステンシー)の異なるリサイクル可能用紙の利用を促進し、かつ品質の低いまたは少し損傷のある用紙の使用により用紙の無駄を抑えながら、新たに製造された無傷の用紙を使用した場合に匹敵する用紙搬送結果を示すことが可能である。
【0005】
また、用紙特性に関する情報を提供して画像転写機構中の調整を最適化できる用紙処理システムも必要とされている。かかるシステムでは、熱容量、熱伝導率、誘電定数、または抵抗といった用紙特性が画像転写の前に決定されれば、テキストまたは画像を可能な限り最良に転写するように画像転写機構を最適化できる。
【0006】
B.シリコン圧電トランスデューサ
素子の微細化に対する要求からシリコン圧電トランスデューサが開発された。図1は先行技術の典型的なシリコン圧電トランスデューサ100を示す。トランスデューサ100は正方形のシリコン(100)からなるダイヤフラム102で、結晶の〈110〉方向に整列しており、面積は1mm2 である。ダイヤフラム102は4つのピエゾ抵抗器124,126,128および130を含む。ピエゾ抵抗器124および128は関連する辺104および106にそれぞれ直交し、かつ圧縮応力が最大となる領域内に入るようにこれら辺に非常に近接して配置される。ピエゾ抵抗器124および128はダイヤフラム102に力が加えられると長手方向に応力を受ける。これに対してピエゾ抵抗器126および130は関連した辺108および110にそれぞれ平行に、かつ圧縮応力が最大となる領域内に入るようにこれら辺に非常に近接して配置される。ピエゾ抵抗器126および130はダイヤフラム102に力が加えられると横方向に応力を受ける。これらのピエゾ抵抗器はホイートストンブリッジ型に接続されるため、ピエゾ抵抗器124および128の長手方向の応力(+ΔR)はピエゾ抵抗器126および130の横方向の応力(−ΔR)と釣り合う。ホイートストンブリッジの出力電圧はダイヤフラム102にかけられる圧力に比例する。
【0007】
図2はダイヤフラム102に均一に圧力をかけた時のダイヤフラム102の4分の1に対するひずみ一定の輪郭を示すグラフである。図3は同様にダイヤフラム102に均一に圧力をかけた時のダイヤフラム102の4分の1についての応力のy成分が一定となる輪郭を示すグラフである。図4はやはり同様にダイヤフラム102に均一に圧力をかけた時のダイヤフラム102の暗視野光学顕微鏡写真である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、複写機やプリンタなどの装置において、シートの物理的特性を検出するのに好適なセンサシステムを提供し、シートの取扱上での諸特性の自動的な調整を可能とすることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
簡潔に説明すると、本発明は、互いに対向しかつ記録可能媒体からなるシートに接するように配置される表面とダイヤフラムとを含む用紙特性センサシステムである。矩形の小さいダイヤフラムは第一および第二のピエゾ抵抗器対を備える。第一のピエゾ抵抗器対の各抵抗器はダイヤフラムの一方の長辺に直交しかつ隣接して配置される。第二のピエゾ抵抗器対の各抵抗器は第一のピエゾ抵抗器対の間にこれら抵抗器と平行に、かつダイヤフラムの短辺から離れて配置される。ホイートストンブリッジ中で第一と第二のピエゾ抵抗器対同士を平衡させることによって、用紙の厚さに依存する電圧が発生する。第一の抵抗器対の抵抗器同士および第二の抵抗器対の抵抗器同士を、それぞれ互いに平衡させることによって、用紙の摩擦係数に依存する電圧が発生する。
【0010】
【発明の実施の形態】
図5は本発明に係る用紙特性センサシステム200を適用する複写機9を示す。用紙特性センサシステム200は複写機9中に現在給紙されている用紙の厚さおよび摩擦係数に応じて、複写機9にその用紙の取り扱い方法を変更させる。簡潔に説明すると、用紙特性センサシステム200の実施形態では、互いに対向しかつ用紙と接する表面と、ダイヤフラムとを含む。矩形の小さいダイヤフラムは第一および第二のピエゾ抵抗器対を備える。第一のピエゾ抵抗器対の各抵抗器はダイヤフラムの長辺の一方に直交しかつ非常に近接して配置される。第二のピエゾ抵抗器対の各抵抗器は第一のピエゾ抵抗器対の間に該抵抗器対と平行に、かつダイヤフラムの短辺から離れて配置される。ホイートストンブリッジ中で第一のエピゾ抵抗器対と第二のピエゾ抵抗器対とを平衡させると、用紙の厚さに依存する電圧が発生する。第一および第二のピエゾ抵抗器対の抵抗器同士をそれぞれ平衡させると、用紙の摩擦係数に依存する電圧が発生する。
【0011】
用紙特性システム200は複写機9だけでなく、用紙搬送機構を備えた装置であればどのような装置にもその一部として適用可能である。
【0012】
A.複写機
本発明の用紙特性センサシステム200をより詳細に説明する前に、図5に示す複写機9について考察する。複写機9は光導電表面を有するベルト10を備える。ベルト10は図中の矢印12の方向に移動して、光導電表面の各部を、帯電ステーションから順に各処理ステーションを通過させる。帯電ステーションは、光導電表面を比較的高いほぼ均一な電位に帯電させるコロナ発生装置14を含む。
【0013】
光導電表面は帯電ステーションから作像ステーションへと進行する。作像ステーションでは、文書取扱ユニット15が原稿16をその表側を露光系17に向けた状態に配置する。露光系17は透明プラテン18上で文書16を照射するランプ20を備える。文書16から反射した光線はレンズ22を通ってベルト10の帯電部分上に光を集め、電荷を選択的に放散させる。これによりベルト10の光導電表面上に原稿16の静電潜像を記録する。
【0014】
プラテン18は移動可能に設置され、図中の矢印24の方向に移動して複写中の原稿の倍率を調整する。レンズ22はプラテン18と同期して動き、原稿16の光像をベルト10の帯電部分上へ集める。
【0015】
文書取扱ユニット15は保持トレーから原稿を次々とプラテン18へ送り、該トレーに支持された原稿スタックへ用紙を再循環させて戻す。その後、ベルト10は静電潜像を現像ステーションへ進める。
【0016】
現像ステーションでは、一対の磁気ブラシ現像ローラ26および28が現像器とベルト10上の静電潜像とを接触させる。静電潜像は現像器のキャリア粒からトナー粒子を引きつけ、ベルト10上にトナー粉末像を形成する。
【0017】
静電潜像の現像後、ベルト10は転写ステーションへ進む。転写ステーションでは、コピー用紙とトナー粉末像とが接触させられる。転写ステーションはコピー用紙の裏側にイオンを噴射する発生器30を備える。こうしてベルト10の光導電表面上のトナー粉末像をコピー用紙へ引きつける。
【0018】
コピー用紙はトレー34または36のいずれかから転写ステーションへ給紙される。トナー像転写後、コンベヤー32は用紙を溶着ステーションへ進める。溶着ステーションは転写されたトナー粉末像をコピー用紙に永久定着させる溶着アセンブリを備える。好適には、溶着アセンブリは加熱されたローラ42とバックアップローラ44とを備える。
【0019】
用紙特性センサシステム200は、コピー用紙搬送経路中でコピー用紙トレー34および36とコンベヤー32との間の好都合な位置に設置される。用紙特性センサシステム200から与えられる情報によって、コントローラ38はコンベヤー32,37および46の速度調整、ニップ(nip)39、41間の間隔の調整、ならびにローラ42−44間の間隔の調整を行って紙詰まりを防止できる。
【0020】
コントローラ38はプロセッサおよびメモリを含む。プロセッサはメモリに電子的に記憶された用紙特性センサシステム200の制御命令等の命令を実行することによって、複写機9の動作を制御および調整する。本明細書で説明する方法を表す命令は任意の適当な機械言語で実現可能である。メモリ実現に使用可能な半導体論理素子は、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)、プログラマブル読み出し専用メモリ(PROM)、消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ(EPROM)、および電気的消去可能読み出し専用メモリ(EEPROM)(フラッシュメモリ等)などである。
【0021】
B.触覚センサ
用紙特性センサシステム200は少なくとも1つの触覚センサ202を含み、システム200に、該触覚センサ202と接触しかつそこを通過する任意の材料シートの厚さと摩擦係数とを測定させる。図6は触覚センサ202の平面図である。触覚センサ202は結晶方向〈110〉に整列した矩形のシリコン(100)ダイヤフラムであり、この中へ複数のピエゾ抵抗器対が拡散によって設けられる。ダイヤフラム202はn型シリコンからなり、ピエゾ抵抗器対はp型シリコンからなるのが好適である。対向する平行な辺204、206の長さは1〜2cmであり、同様の辺208、210の長さは1〜3mmである。これ以外の寸法でもよいが、アスペクト比は1より大きくなければならない。以上が要求される。つまりダイヤフラム202は性能上の理由から正方形であってはならない。シリコンダイヤフラム202の厚さは幅より小さく、好ましくは幅の10分の1未満である。ダイヤフラム202はキャビティ(図示せず)上方で辺204,206,208および210に沿って固定される。
【0022】
ダイヤフラム202は複数のタクセル(taxel)220を含む。各タクセルは2対のピエゾ抵抗器を含む。ピエゾ抵抗器222および224(参照番号A2およびA1)が一方の対となり、ピエゾ抵抗器226および228(参照番号B1およびB2)が他方の対となる。ピエゾ抵抗器222および224はどちらも関連した辺204および206にそれぞれ直交して配置される。ピエゾ抵抗器222および224は圧縮応力(−ΔR)が最大となるように関連した辺に非常に近接して配置される。ダイヤフラム202に圧力がかけられると、ピエゾ抵抗器222および224にはその長手方向の軸に沿って主に力が作用する。ピエゾ抵抗器226および228はピエゾ抵抗器222と224との間に平行に配置され、また抵抗器226と228とは、互いに間隔をあけて平行に配置される。またピエゾ抵抗器226および228は、辺208および210のどちらからも少なくとも辺208の半分の長さだけ離して配置される。このためダイヤフラム202に圧力がかけられると、ピエゾ抵抗器226および228にはその長手方向の軸に沿って主に力が作用する。ピエゾ抵抗器226および228は引張り応力(+ΔR)が最大となる領域中に位置する。
【0023】
図7はダイヤフラム202のz方向のひずみ一定の輪郭を示し、図8は同じく応力のy成分が一定の輪郭を示す。図8の中央の黒い部分250はダイヤフラム202中で引張り応力がもっとも高い部分を示す。ここにピエゾ抵抗器B1およびB2が位置する。図8の外側の黒い部分252はダイヤフラム202中で圧縮応力がもっとも高い部分を示す。ここにピエゾ抵抗器A1およびA2が位置する。
【0024】
図9はタクセルに対してかけられる垂直力を表す出力電圧を発生するホイートストンブリッジ260aを示す。この垂直力はダイヤフラム202の上を通過する用紙の厚さに比例する。図10はタクセルに対してかけられるせん断力を表す電圧を発生するホイートストンブリッジ260bを示す。回路260aおよび260b中のピエゾ抵抗器間の接続点は接合パッド214に接続される。
【0025】
図11〜図13はダイヤフラム202を図6の線216に沿って切り取った断面図である。これらの断面図ではダイヤフラム202の下にキャビティ(cavity)203が示されている。加圧されない場合はダイヤフラム202は水平である。図12はダイヤフラム202が垂直力Nを受けた場合のダイヤフラムの変形の様子を示す。垂直力Nはダイヤフラム202をz軸に対称に曲げ、ピエゾ抵抗器A1およびA2に均等に応力を誘起する。ホイートストンブリッジ260aからの出力を用いると、垂直力Nは次式に従って求められる。
【0026】
【数1】
N∝[(A1−B1)]+(A2−B2)]/2
つまり垂直力Nはダイヤフラム202の上を通過する材料シートの厚さを表す。
【0027】
図13はダイヤフラム202に垂直力Nとせん断力Sとがかけられた場合のダイヤフラムの変形の様子を示す。せん断力Sは非対称な変形を生じ、ピエゾ抵抗器A1およびA2に不均一な応力を誘起する。ホイートストンブリッジ260bの出力を用いると、せん断力は次式に従って求められる。
【0028】
【数2】
S∝[A1−A2]
つまり垂直力Nに対するせん断力Sの比はダイヤフラム202の上を通過する材料シートの摩擦係数を表す。
【0029】
触覚センサ202は他の多くのマイクロマシンデバイスと同様、標準的な半導体バッチ製造方法およびウェハ処理方法を用いて作製可能である。
【0030】
C.用紙特性センサシステム
図14は用紙特性センサ200の平面図である。用紙特性センサ200はニップ(nip:くわえ部)であり、図にはその一方の表面270だけを示す。ニップ200の両方の表面は記録可能媒体シート272がニップ間を図中の矢印274方向に移動するときにシート272と接触する。シート272が給紙されない間は、表面270の触覚アレイ202は対向する表面と接触しているのが好ましい。このようにすれば、用紙特性センサシステム200の実施形態のうち表面270とその対向する表面との間に隙間を有する実施形態のように厳密なトレランスが必要なくなる。触覚アレイ202とその対向する表面とを常時接触させるにはダイヤフラム202に過剰圧力ΔPをかける。過剰圧力ΔPはキャビティ203をダイヤフラム202の下に封じこめることによって得られる。この代わりに、ヒータ抵抗を用いて、反作用の力(reaction force)を一定に保つのに必要な圧力変化を測定して、過剰圧力ΔPを調整してもよい。
【0031】
触覚アレイ202は好適には表面270の長手方向の軸に沿って配置され、用紙272がニップ202を通って進むとき、用紙272に接触するタクセルとしないタクセルとができる。定常的な接触と組み合わせれば、このように接触するタクセルと接触しないタクセルができることによって、空間および時間における差分測定ができるようになる。空間における差分測定は、用紙272と接触しているタクセルからの出力と接触していないタクセルからの出力とを測定して行う。図15はタクセル出力電圧とタクセル位置との関係を示すグラフである。用紙272と接触すると出力電圧がΔVだけ増加し、これを用いて用紙272の端を特定できる。時間における差分測定は、用紙272がニップ200を通過中のタクセルの出力と、ニップ200を通過していない間のタクセルの出力とを測定して行う。時間および空間における差分測定によって、触覚センサ202の圧力応答において、温度変化や表面270の磨耗から生じる短期および長期的ドリフトを相殺できる。
【0032】
図16は用紙特性センサシステム200の一形態の断面図である。ローラ280は表面270およびその表面の触覚アレイ202と向き合う。図中の矢印274は用紙272がニップ200を通過する方向を示す。皮膜290はダイヤフラム202の磨耗を防止し、触覚アレイ202に力を均等に配分する。図17は用紙特性センサシステム200の別の形態の断面図であり、2枚の表面270と300とが互いに向き合っている。一方の表面の触覚アレイは他方の表面の触覚アレイと対向するように設けられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のシリコン圧電トランスデューサを示す図である。
【図2】 従来の圧電トランスデューサのひずみ一定の輪郭を示すグラフである。
【図3】 従来の圧電トランスデューサの応力のy成分が一定の輪郭を示すグラフである。
【図4】 従来の圧電トランスデューサに均一な圧力をかけたときの様子の一例の顕微鏡写真である。
【図5】 本発明の用紙特性センサシステムが適用される複写機を示す図である。
【図6】 本発明に係る触覚センサを示す図である。
【図7】 触覚センサのひずみ一定の輪郭の一例の顕微鏡写真である。
【図8】 触覚センサの応力のy成分が一定の輪郭の一例の顕微鏡写真である。
【図9】 タクセルにかけられる垂直力を測定するためのホイートストンブリッジ構成を示す図である。
【図10】 タクセルにかけられるせん断力を測定するためのホイートストンブリッジ構成を示す図である。
【図11】 触覚センサの断面図である。
【図12】 触覚センサが垂直力を受けた場合の様子を示す断面図である。
【図13】 触覚センサが垂直力及びせん断力を受けた場合の様子を示す断面図である。
【図14】 本発明に係る用紙特性センサの平面図である。
【図15】 タクセルの出力電圧と触覚アレイ位置との関係を示すグラフである。
【図16】 本発明に係る用紙特性センサシステムの一形態を示す断面図である。
【図17】 本発明に係る用紙特性センサシステムの別の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
200 用紙特性センサシステム、202 ダイヤフラム、214 接合パッド、220 タクセル、222,224,226,228 ピエゾ抵抗器。
Claims (7)
- 材料シートの物理的特性を測定するセンサシステムであって、
a)前記材料シートに接する表面と、
b)前記表面に対向しかつ前記材料シートに接触して配置される第一のダイヤフラムと、
を含み、
前記ダイヤフラムは矩形で一対の短辺と一対の長辺とを有し、前記長辺の長さは2cm未満であり、前記短辺は第一の長さを有し、前記ダイヤフラムは第一のピエゾ抵抗器対および第二のピエゾ抵抗器対を備え、
前記第一のピエゾ抵抗器対の各ピエゾ抵抗器は、それぞれ前記長辺の一方に隣接かつ直交して配置され、
前記第二のピエゾ抵抗器対の各ピエゾ抵抗器は、それぞれ前記第一のピエゾ抵抗器対の間に前記長辺と直交して配置され、かつ前記各短辺から前記第一の長さの少なくとも半分の長さだけ離して配置され、
前記第一のピエゾ抵抗器対と第二のピエゾ抵抗器対とは、電気的に結合されて、前記材料シートの摩擦係数を表す第一の電気信号を発生するセンサシステム。 - 材料シートの物理的特性を測定するセンサシステムであって、
a)前記材料シートに接する表面と、
b)前記表面に対向しかつ前記材料シートに接触して配置される第一のダイヤフラムと、
を含み、
前記ダイヤフラムは矩形で一対の短辺と一対の長辺とを有し、前記長辺の長さは2cm未満であり、前記短辺は第一の長さを有し、前記ダイヤフラムは第一のピエゾ抵抗器対および第二のピエゾ抵抗器対を備え、
前記第一のピエゾ抵抗器対の各ピエゾ抵抗器は、それぞれ前記長辺の一方に隣接かつ直交して配置され、
前記第二のピエゾ抵抗器対の各ピエゾ抵抗器は、それぞれ前記第一のピエゾ抵抗器対の間に前記長辺と直交して配置され、かつ前記各短辺から前記第一の長さの少なくとも半分の長さだけ離して配置され、
前記第一のピエゾ抵抗器対と第二のピエゾ抵抗器対とは、電気的に結合されて、前記材料シートの厚みを表す第二の電気信号を発生するセンサシステム。 - 請求項1又は2に記載のセンサシステムにおいて、前記ダイヤフラムは別の第一のピエゾ抵抗器対および別の第二のピエゾ抵抗器対を含むことを特徴とするセンサシステム。
- 請求項3に記載のセンサシステムにおいて、
前記第一のピエゾ抵抗器対の一方のピエゾ抵抗器と前記第二のピエゾ抵抗器対の一方のピエゾ抵抗器とは、前記材料シートから作用する力を受けるように配置され、前記第一のピエゾ抵抗器対の他方のピエゾ抵抗器と前記第二のピエゾ抵抗器対の他方のピエゾ抵抗器とは、前記材料シートから作用する力を受けないように配置されることを特徴とするセンサシステム。 - 請求項1又は2に記載のセンサシステムにおいて、前記第一および第二のピエゾ抵抗器対は互いに結合されてホイートストンブリッジを形成することを特徴とするセンサシステム。
- シートの厚さ及び摩擦係数を検出するニップであって、
互いに対向し、用紙から作用する力を受けるように配置された一対の半導体ダイヤフラムを有し、
この一対のうちの各半導体ダイヤフラムは、矩形で一対の短辺と一対の長辺と厚さとを有し、前記長辺の長さは2cm未満であり、前記短辺は第一の長さを有し、前記厚さは実質的に前記第一の長さ未満であり、前記各半導体ダイヤフラムは第一のピエゾ抵抗器対および第二のピエゾ抵抗器対を備え、
前記第一のピエゾ抵抗器対の各ピエゾ抵抗器は、それぞれ前記長辺の一方に隣接かつ直交して配置され、
前記第二のピエゾ抵抗器対の各ピエゾ抵抗器は、それぞれ前記第一のピエゾ抵抗器対の間に前記長辺の一方と直交して配置され、かつ前記各短辺から前記第一の長さの少なくとも半分の長さだけ離して配置され、
前記第一のピエゾ抵抗器対と第二のピエゾ抵抗器対とは、電気的に結合されてシートの厚さを表す第一の電気信号を生成する第一のホイートストンブリッジを形成するニップ。 - シートの厚さ及び摩擦係数を検出するニップであって、
互いに対向し、用紙から作用する力を受けるように配置された一対の半導体ダイヤフラムを有し、
この一対のうちの各半導体ダイヤフラムは、矩形で一対の短辺と一対の長辺と厚さとを有し、前記長辺の長さは2cm未満であり、前記短辺は第一の長さを有し、前記厚さは実質的に前記第一の長さ未満であり、前記各半導体ダイヤフラムは第一のピエゾ抵抗器対および第二のピエゾ抵抗器対を備え、
前記第一のピエゾ抵抗器対の各ピエゾ抵抗器は、それぞれ前記長辺の一方に隣接かつ直交して配置され、
前記第二のピエゾ抵抗器対の各ピエゾ抵抗器は、それぞれ前記第一のピエゾ抵抗器対の間に前記長辺の一方と直交して配置され、かつ前記各短辺から前記第一の長さの少なくとも半分の長さだけ離して配置され、
前記第一のピエゾ抵抗器対と第二のピエゾ抵抗器対とは、電気的に結合されてシートの摩擦係数を表す第二の電気信号を生成する第二のホイートストンブリッジを形成するニップ。
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