JP4071585B2 - トナー濃度検知装置及びこれを用いた画像形成装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像形成装置のトナー濃度検知装置に関し、特に、現像剤に非接触で高感度特性を備え、小型化及び薄型化を実現するトナー濃度検知装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真複写装置においては、一般に、感光体ドラムの表面を帯電器によって一様に帯電させ、感光体を画像情報に基づいて露光することにより静電潜像を形成し、この静電潜像にトナーを選択的に付着させて現像し、得られたトナー像を普通紙に転写した後に定着して最終画像を得ている。
【０００３】
従来技術における画像形成装置内の現像装置に関する一般的な構成例を図１１に示す。この構成例は小径２段現像ローラ方式であり、感光体ドラムに隣接して上現像スリーブと下現像スリーブが配置され、着色剤を主体とする非磁性体トナーと磁性キャリアとからなる現像剤をパドルローラで感光体ドラム表面に送給する。現像が実施されるにつれて磁性キャリアは殆ど減少することはないがトナーは減少するので、減少したトナーを補充するためにトナーホッパが設けられ、このホッパに補充用トナーが収容されている。
【０００４】
磁性キャリアに対するトナーの混合比率が低下すると現像画像の濃度が薄くなり、混合比率が高くなるとその逆になる。適正品質の画像を得るために現像装置に収容されているトナーを常に適正な一定レベル範囲に保持する必要があり、そのために、現像剤中のトナー濃度を検知するトナー濃度検知装置（Ｔセンサ）が設置されている。また、現像装置には現像剤と補充用トナーとの混合状態を均一にするために撹拌ローラが設けられている。図１１に示すトナー濃度検知装置（Ｔセンサ）は、撹拌ローラに対向した位置に設置した例が示されている。
【０００５】
現像装置中におけるトナー濃度を検知する具体的な回路構成に関する従来例として、トナー濃度を検知するための磁気的検知装置は、現像剤に隣接した検知コイルと現像剤に離隔した基準コイルを直列接続して交流駆動源で駆動し、両コイル接続点の差動出力電圧と交流駆動源の電圧との位相差を求めて、現像剤中の磁気的変動を検知している。即ち、いわゆる差動トランス型の位相差検知を用いた回路構成である（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
ここで、トナー濃度検知装置は検知部と検知処理部とからなり、いわゆる差動トランス方式では２つ又は３つのコイルを用いて検知部を構成する。差動トランス方式は現像剤とこれら２つ又は３つのコイルとが空間的な距離を保つことで成立する方式である。したがって、差動トランス方式の性能を引き出すためには、一定以上の空間的距離、すなわち厚みが必要とされる（例えば、特許文献２参照）。また、差動トランス方式において、現像剤空間に平行な同一平面に２つ又は３つのコイルを配置した方式も従来例として提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６ー２８９７１７号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平１０−１０４９３４
【０００９】
【特許文献３】
特開平７−２４８６７６
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
複写機などの画像形成装置は年々、小型化が進んでおり、画像形成装置本体内部でも空きスペースが殆ど無くなってきている。トナー濃度検知装置が装着される現像装置も次々と小型化されており、トナー濃度検知装置のような小さな部品においても設置場所が制約されてしまうという状況である。トナー濃度検知装置は、図１１に示すように現像装置に装着されるが、画像形成装置の薄型化に伴って更に薄型化することが特に求められている。
【００１１】
差動トランス方式において、前記特許文献２に示すような現像剤との空間的距離を確保しているトナー濃度検知装置では、薄型化を図るとトナー濃度の検知能力が低くなってしまい、十分な感度を得ることができない。また、前記特許文献３に示すような平面状の複数コイル配置方式では、現像剤の濃度ムラやノイズ等によって検知特性が大きく影響されてしまうため実用的に課題が残る。
【００１２】
更に、トナー濃度検知装置を現像装置の内部に入れて現像剤に接触させた状態で使用して、高感度を得る方法が提案されているが、この方法では、どんなに小型化しても現像装置内に挿入することは、少なからず現像剤の流動性などに悪影響を及ぼすという課題を生じる。
【００１３】
このように、トナー濃度の検知において実用レベルの高感度を兼ね備え且つ薄型の構造を有したトナー濃度検知装置が要望されていた。
【００１４】
本発明の目的は、２重共振回路方式を採用することによって、現像剤の特性に影響を与えずにトナー濃度特性を高感度に検知でき且つ薄型構造を有するトナー濃度検知装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
トナー濃度を検知するためのコイルと検知回路を有する検知部と、前記検知部からの信号を処理して出力する処理出力部と、を備えたトナー濃度検知装置において、前記検知部は、第１コイルと第２コイルを有してそれぞれ第１共振回路と第２共振回路を形成する２重共振回路を備え、前記第１コイルと第２コイルはペアの平行導線を縦にして１段で巻回する渦巻き形状を形成し、前記渦巻きコイル形状の面はトナー濃度検知面に平行して配置され、前記第１コイルと第２コイルは現像剤空間からの離隔距離が略々等しくされ、前記第１共振回路と第２共振回路に用いられるコンデンサは共有された単一のコンデンサであり、前記トナー濃度検知面に対して垂直方向におけるトナー濃度検知装置の厚みが４ｍｍ以下であるトナー濃度検知装置。
【００１６】
また、前記トナー濃度検知装置において、トナー濃度の変化に対する検知出力電圧の変動を表すトナー濃度検知装置の感度が略０．５Ｖ／ｗｔ％であること。
【００１７】
また、前記トナー濃度検知装置において、前記トナー濃度検知装置が現像剤と非接触で設置されること。
【００１８】
このような構成を採用することにより、スペースが無くて設置できない狭い場所にトナー濃度検知装置を設置することができる。また、薄型であっても実用上十分な機能を果たす高感度特性を得ることができる。更に、現像剤と非接触であるので、現像剤の流れを妨げることがないという効果を奏する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るトナー濃度検知装置について、図面を参照しながら以下説明する。まず、本発明のトナー濃度検知装置において採用する二重共振回路方式の概要を図１を参照しながら説明する。
【００２０】
図１に示すトナー濃度検知装置の回路構成は、発振回路１、共振回路（検知回路）２、位相比較回路３、積分回路４、インピーダンス変換回路５を、その基本的な構成としている。この回路構成を大きく分ければ、主として、コイル及び検知回路からなる検知部（図１の共振回路に相当するもの）と、検知部で検知した信号を処理して出力する処理出力部（図１の共振回路以外の回路に相当するもの）と、を備えていると云える。
【００２１】
図１において、発振回路１は、水晶やセラミックなどの固体の発振子を用いて発振するものであり、水晶やセラミックなどの固体の発振子の持つ固有の振動数に基づいて発振周波数が決定するので、装置の使用環境や電源電圧の影響を受け難く、トナー濃度検知の一構成要素として安定した且つ精度の良い検知が可能となるものである。
【００２２】
また、共振回路（検知回路：磁性キャリアの有無又はその量を実質的に検知する回路である）２は、発振回路１からの出力を抵抗Ｒ３を通して第１コイルＬ１に入力される。共振回路２は、第１コイルＬ１とコンデンサを共有する共有コンデンサＣ３とからなる第１共振回路と、第１コイルＬ１と磁気的結合定数ｋで結合された第２コイルＬ２と前記共有コンデンサＣ３とからなる第２共振回路と、を備えている。図１で第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の近傍に非接触で現像装置内の磁性キャリアと非磁性トナーの混合した現像剤６が配置され、現像剤における磁性体の有無、その量又は具体的にはトナーの濃度などによってコイルＬ１及びＬ２の実質的インダクタンスに影響を与える。
【００２３】
このように、現像剤６の近傍に配置された２つのコイルＬ１，Ｌ２を用いて第１と第２の共振回路を構成する方式が二重共振回路方式である。この二重共振回路方式では、従来の差動トランス方式のようにＬ１とＬ２のいずれかのコイルを現像剤空間から離隔しておく必要性はないものである。そして、２つのコイルＬ１，Ｌ２の巻線の具体的構造を図２に示す。
【００２４】
図２は２本の導線を絶縁皮膜で被覆して一体化したリボン形状の平行線とこの平行線を巻き上げたコイル構造を示す図であり、図２の（１）に示すように、第１のコイルはＬ１−１とＬ１−２の端子を有し、第２のコイルはＬ２−１とＬ２−２の端子を有する。（２）は側面図であり、（３）はコイルの平面図であり、（４）は２本導線を絶縁皮膜で被覆して一体化したリボン形状平行線の断面図である。図２の（２）（３）に示すように、平行導線を縦にして１段で外側へと巻回するコイル構造である。図２の（３）で示すコイルの平面部（紙面と平行な面）が図１１に示す現像剤空間面に対面するように配置され、２つのコイルＬ１とＬ２が現像剤空間からの離隔距離を略々等しくできてトナー濃度検知装置の薄型化を可能とするのである。
【００２５】
翻って、図１に示すトナー濃度検知回路構成の検知部においては、第１と第２の共振回路のコンデンサを共有させて単一のコンデンサＣ３とすることによって、共振回路の構成要素の中でその値のバラツキの大きな傾向のコンデンサを共有にすることで、容易に一次と二次の共振周波数の差を最小限に抑えているものである。また、コンデンサを共有とすることで、それぞれの共振回路にそれぞれコンデンサを設けるものと同等の共振特性を保持することができるとともに、コンデンサの数を減少させることによるコストダウンも図れる。
【００２６】
更に、トナー濃度検知回路構成の検知部における他の例を図３に示す。図３において、図１に示す単一の共有コンデンサＣ３に代えて、コンデンサ容量を変化させるために、バリキャップダイオードＤと直流カットコンデンサＣ２を直列接続し且つその接続点に抵抗を介して制御電圧を印加する構成を用いて、制御電圧を変えることで可変容量を得る。図３の構成例ではコンデンサＣ３に並列に前記可変容量を接続しているが、前記Ｃ３を用いないで前記Ｄ及びＣ２からなる回路構成としても良い。このように、第１及び第２コイルＬ１，Ｌ２に接続する共有（兼用、共通）のコンデンサの容量を可変にすることができて、共振回路（検知回路）の共振周波数を発振回路の発振周波数に合わせるように調整することができる。
【００２７】
図１と図３に示す共振回路には、発振回路の出力端と第１共振回路との間に抵抗Ｒ３が挿入されている。この抵抗Ｒ３によって共振回路の共振点での入力インピーダンスを大きくすることができ、発振回路がそれ自体の回路構成要素で安定して発振することができる。Ｒ３を挿入しないと発振回路が共振回路の回路構成要素の影響を受けて、発振が安定しない現象が生じ得る。
【００２８】
また、図３に示す共振回路の変形例を図４に示す。図４の例では、第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２に接続される容量回路は、バリアブルコンデンサＣ４とコンデンサＣ３とコンデンサＣ２・バリキャップダイオードＤとを並列接続したものである。図４において、ＣＯＮＴはバリキャップダイオードＤを制御する制御電圧であり、ＯＳＣは発振回路である。
【００２９】
更に、トナー濃度検知回路構成の検知部における他の例を図５に示す。図５の構成例によると、発振安定機能のＲ１の後流側に、第１コイルＬ１と第１コンデンサＣ１からなる第１共振回路と、第２コイルＬ２と第２コンデンサＣ２からなる第２共振回路を設ける。ここで、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２は磁気的結合定数ｋで結合されていて、Ｌ１及びＬ２に近接し且つ非接触で現像剤に対面配置されている。位相差の取り出し接続点は、一方が発振回路と抵抗Ｒ１の接続点であり他方が第２共振回路の出力点である。図５の構成例においては、第１共振回路（Ｌ１，Ｃ１）の共振周波数と第２共振回路（Ｌ２，Ｃ２）の共振周波数を略同一になるように設定されていて、第１共振回路のＱ１と第２共振回路のＱ２を乗じた統合のＱに基づいた出力Ｖ２が得られるので、確実で十分な位相差出力を得ることができる。
【００３０】
次に、本実施形態に係るトナー濃度検知装置の具体的構造について説明すると、図１、図４等に示す第１コイル及び第２コイルは、具体例で示すと、０．０５ｍｍ径のペア線を平面状に渦巻き形状に巻いて２重共振回路を実現する（図２の構成例を参照）。上述したコイルを用いることにより、検知部及び処理出力部を含めたトナー濃度検知装置の総厚みを４ｍｍ以下に収めることができ、且つ、現像装置の外側からトナー濃度の検知が十分可能である、薄くて高感度なトナー濃度検知装置を実現することができる。
【００３１】
図６は本実施形態に関するトナー濃度検知装置の外観形状を示す図である。本実施形態に記述するトナー濃度検知装置の厚みとは、現像剤（検知面）に対向する垂直方向の長さ（図７に示す紙面上下方向の長さ）を云う。したがって、トナー濃度検知装置の厚みとは、図７に示す厚み２２が４ｍｍ以下に収まるということであり、この薄さが本実施形態の特徴の１つである。
【００３２】
本実施形態に関するトナー濃度検知装置は、図８及び図９に示すようにＰＣＢ基板１４と、コイル１２と、コイルサポート１３と、ケース１１と、ハーネス部材１５と、からなる。具体的な寸法を例示すると、厚さ１ｍｍのＰＣＢ基板を使用し、コイルとコイルサポートの厚みが２．５５ｍｍ以下、検知箇所２３のケース肉厚は０．０５ｍｍで構成される。そうすると、総厚み３．６ｍｍのトナー濃度検知装置を実現することができる。
【００３３】
従来技術における差動トランス方式では、図７に示す検知箇所２３に互いに離隔した２つのコイルを収容しているので、厚み寸法が大きい突起形状となっていたが、本実施形態では検知箇所２３の厚み２１は０．３ｍｍ以下とすることができる。と云うのも、トナー濃度検知装置の分解斜視図である図９を参照して、コイル１２とコイルサポート１３の厚みが２．５５ｍｍであり、ＰＣＢ基板１４におけるコイルサポート１３の両側には図１に示す発振回路、位相比較回路等の構成要素の電子部品を搭載しているので（図９では不図示）、これらの電子部品とコイルサポート１３・コイル１２との厚みの差が０．３ｍｍ以下となっているのである。
【００３４】
本実施形態におけるトナー濃度検知装置は現像装置に両面テープで装着することができる。そうすると、図７に示す凸形状の検知箇所２３の両側の厚み２１の段差部は両面テープを貼り付けるに適した段差となる。前述した固定方法以外の別の固定方法を用いるならば、前記厚み２１を有する段差部（凸形状の検知箇所）を設けずに、同一平面形状のケースとしても良い。このように、本実施形態のトナー濃度検知装置は現像装置に外付けし、現像剤と非接触で使用できるものである。
【００３５】
図９に示すトナー濃度検知装置の分解斜視図によると、ペア線を平面状渦巻形状に巻いたコイル１２は、図面上でその上下端部を下方に曲げてコイルサポート１３に設置して固定している。コイルの曲げはケース内にコイルを納め且つ必要な検知面積を得るためであり、曲げずに平面状の円形形状のままで使用することも当然に可能であり、そうすることで、更に検知面積を広げることができる。このように、本実施形態によると、検知コイルは現像剤に近接した平面形状であって、より広い現像剤範囲を検知することができる。よって、検知能力は従来技術の突起形状型の差動トランス方式と比較して向上し、更に、検知領域の広さから検知ばらつきも小さく抑えることが可能である。
【００３６】
図１０は本実施形態におけるトナー濃度検知装置の検知特性を示す図である。横軸にトナー濃度（ＴＣ）、縦軸に検知出力電圧（Ｖｏｕｔ）をとり、トナー濃度の変化に対して、得られる検知出力電圧の様子を表した。この検知特性からすると、略０．５Ｖ／ｗｔ％の感度があることがわかる。この感度の数値は実用上使用に値するレベルであり、この感度は回路構成を変更することで変えることも可能である。高感度が得られる理由については、例えば、図１の回路構成において発振回路の発振周波数と共振回路の共振周波数を略一致させることにより、トナー濃度の変化に対する大きな出力変動値、即ち十分な感度を確保することができるからである。更に云えば、発振周波数と略一致する共振周波数を適用することで大きな位相差出力が得られる定性的な説明として、第１共振回路のＱ１と第２共振回路のＱ２を乗じた統合のＱに基づいた出力が得られることに加えて、コンデンサＣ３を共有したことによる第１と第２の共振回路への互いのフィードバックによる相乗効果によるのである。
【００３７】
以上のように、本実施形態のトナー濃度検知装置は、現像剤に非接触で、現像装置の外側からの検知でも十分な検知能力が得られるものである。また、検知領域を効果的に広げることも可能である。具体的には、図２に示す真円形状のコイル形状に代えて、現像剤空間に沿った長円形状の巻き線コイル形状とすれば、長円の長手方法に沿った大きな検知領域を得ることができる。
【００３８】
図８及び図９ではコイルサポート１３を用いているが、これは無くても構わない。ＰＣＢ基板１４に直接にコイル１２を装着することも可能であり、これを実現すると更に薄型なトナー濃度検知装置が実現できる。また、ハーネス部１５についてであるが、ＰＣＢ基板との接合を図では半田付けで示しているが、薄いコネクタを用いることができればコネクタでも構わない。
【００３９】
次に、トナー濃度検知装置をシート形状の構造とする構成例について説明する。図６〜図９に示したトナー濃度検知装置は、検知部と処理出力部が一体化したものである。しかしながら、コイルと検知回路からなる検知部と処理出力部（検知部で検知した信号を処理して出力する回路）を分離することも可能である。検知部（図４に示すような共振回路であり、発振回路３８を含めても良い）をトナー濃度検知装置から独立させると、コイルの厚み程度であるシート状の検知部が構成できる。この検知部を例えば、樹脂のカバーで覆い、現像装置に沿って張りつけると検知したい個所のトナー濃度検知が可能となる。そして、シート状の検知部は、別の箇所に設置してある処理出力部とディジタル信号で交信し、処理出力部からはトナー濃度の状態を示す検知特性を得ることができる。
【００４０】
また、このシート状の検知部はコイルサポート１３やＰＣＢ基板１４を使用しないで済ませることができるので、フレキシブルな検知部を構成することも可能となり、現像装置の曲面外形に沿って装着できる。
【００４１】
以上のように、本発明の実施形態は、差動トランス方式ではなく、２重共振回路方式を採用するトナー濃度検知装置であるので、ペア線を平面的な渦巻き状に巻いたコイルを用いることができ、薄型で小型であるにも関わらず、現像装置の外側から現像剤に非接触でも十分な感度を得る高感度性を持ち合わせることを可能とした。
【００４２】
また、上述の実施形態では、トナー濃度検知装置を構成例として説明したが、この構成例に限らず、本発明は、磁性体の透磁率を検知する磁性体検知装置や導体の透磁率を検知する導体検知装置等にも適用可能である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、スペース確保ができなくて今まで装着できなかった狭い個所やトナー濃度検知にとって適正な箇所にトナー濃度検知装置を設置できる。更に、今後、画像形成装置本体の小型化に伴って製作される小型化現像装置に対して、トナー濃度検知装置は寸法及び感度の点でも対応することができる。
【００４４】
また、感度ばらつきを低減し精度の良い検知特性を得ることができ、更に、高感度特性を得ることができるので、画像品質の向上を図ることができる
また、本発明を磁性体検知装置や導体検知装置などに適用でき、これらの装置を更に小型化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るトナー濃度検知装置において採用する二重共振回路方式の回路構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係るトナー濃度検知装置に採用される二重共振回路方式での検知コイルの構成例を示す図である。
【図３】本実施形態に関する検知部におけるコイルとコンデンサの回路接続例を示す図である。
【図４】本実施形態に関する検知部におけるコイルとコンデンサの他の回路接続例を示す図である。
【図５】本実施形態に関する検知部におけるコイルとコンデンサの更に他の回路接続例を示す図である。
【図６】本実施形態に関するトナー濃度検知装置の外観形状を示す斜視図である。
【図７】本実施形態に関するトナー濃度検知装置の外観形状を示す側面図である。
【図８】本実施形態に関するトナー濃度検知装置のケースを外したコイルの設置状況を示す図である。
【図９】本実施形態に関するトナー濃度検知装置における具体的構造の分解斜視図である。
【図１０】本実施形態におけるトナー濃度検知装置の検知特性を示す図である。
【図１１】従来技術における画像形成装置内の現像装置に関する一般的な構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ 発振回路
２ 共振回路（検知回路）
３ 位相比較回路
４ 積分回路
５ インピーダンス変換回路
６ 現像剤
１１ トナー濃度検知装置ケース
１２ コイル
１３ コイルサポート
１４ ＰＣＢ基板
１５ ハーネス部
２１ 検知箇所厚み
２２ トナー濃度検知装置の総厚み
２３ 検知箇所
Ｌ１ 第１コイル
Ｌ２ 第２コイル
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ
Ｃ４ バリアブルコンデンサ
Ｄ バリキャップダイオード
ＯＳＣ 発振回路
ＣＯＮＴ 制御電圧
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像形成装置のトナー濃度検知装置に関し、特に、現像剤に非接触で高感度特性を備え、小型化及び薄型化を実現するトナー濃度検知装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真複写装置においては、一般に、感光体ドラムの表面を帯電器によって一様に帯電させ、感光体を画像情報に基づいて露光することにより静電潜像を形成し、この静電潜像にトナーを選択的に付着させて現像し、得られたトナー像を普通紙に転写した後に定着して最終画像を得ている。
【０００３】
従来技術における画像形成装置内の現像装置に関する一般的な構成例を図１１に示す。この構成例は小径２段現像ローラ方式であり、感光体ドラムに隣接して上現像スリーブと下現像スリーブが配置され、着色剤を主体とする非磁性体トナーと磁性キャリアとからなる現像剤をパドルローラで感光体ドラム表面に送給する。現像が実施されるにつれて磁性キャリアは殆ど減少することはないがトナーは減少するので、減少したトナーを補充するためにトナーホッパが設けられ、このホッパに補充用トナーが収容されている。
【０００４】
磁性キャリアに対するトナーの混合比率が低下すると現像画像の濃度が薄くなり、混合比率が高くなるとその逆になる。適正品質の画像を得るために現像装置に収容されているトナーを常に適正な一定レベル範囲に保持する必要があり、そのために、現像剤中のトナー濃度を検知するトナー濃度検知装置（Ｔセンサ）が設置されている。また、現像装置には現像剤と補充用トナーとの混合状態を均一にするために撹拌ローラが設けられている。図１１に示すトナー濃度検知装置（Ｔセンサ）は、撹拌ローラに対向した位置に設置した例が示されている。
【０００５】
現像装置中におけるトナー濃度を検知する具体的な回路構成に関する従来例として、トナー濃度を検知するための磁気的検知装置は、現像剤に隣接した検知コイルと現像剤に離隔した基準コイルを直列接続して交流駆動源で駆動し、両コイル接続点の差動出力電圧と交流駆動源の電圧との位相差を求めて、現像剤中の磁気的変動を検知している。即ち、いわゆる差動トランス型の位相差検知を用いた回路構成である（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
ここで、トナー濃度検知装置は検知部と検知処理部とからなり、いわゆる差動トランス方式では２つ又は３つのコイルを用いて検知部を構成する。差動トランス方式は現像剤とこれら２つ又は３つのコイルとが空間的な距離を保つことで成立する方式である。したがって、差動トランス方式の性能を引き出すためには、一定以上の空間的距離、すなわち厚みが必要とされる（例えば、特許文献２参照）。また、差動トランス方式において、現像剤空間に平行な同一平面に２つ又は３つのコイルを配置した方式も従来例として提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６ー２８９７１７号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平１０−１０４９３４
【０００９】
【特許文献３】
特開平７−２４８６７６
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
複写機などの画像形成装置は年々、小型化が進んでおり、画像形成装置本体内部でも空きスペースが殆ど無くなってきている。トナー濃度検知装置が装着される現像装置も次々と小型化されており、トナー濃度検知装置のような小さな部品においても設置場所が制約されてしまうという状況である。トナー濃度検知装置は、図１１に示すように現像装置に装着されるが、画像形成装置の薄型化に伴って更に薄型化することが特に求められている。
【００１１】
差動トランス方式において、前記特許文献２に示すような現像剤との空間的距離を確保しているトナー濃度検知装置では、薄型化を図るとトナー濃度の検知能力が低くなってしまい、十分な感度を得ることができない。また、前記特許文献３に示すような平面状の複数コイル配置方式では、現像剤の濃度ムラやノイズ等によって検知特性が大きく影響されてしまうため実用的に課題が残る。
【００１２】
更に、トナー濃度検知装置を現像装置の内部に入れて現像剤に接触させた状態で使用して、高感度を得る方法が提案されているが、この方法では、どんなに小型化しても現像装置内に挿入することは、少なからず現像剤の流動性などに悪影響を及ぼすという課題を生じる。
【００１３】
このように、トナー濃度の検知において実用レベルの高感度を兼ね備え且つ薄型の構造を有したトナー濃度検知装置が要望されていた。
【００１４】
本発明の目的は、２重共振回路方式を採用することによって、現像剤の特性に影響を与えずにトナー濃度特性を高感度に検知でき且つ薄型構造を有するトナー濃度検知装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
トナー濃度を検知するためのコイルと検知回路を有する検知部と、前記検知部からの信号を処理して出力する処理出力部と、を備えたトナー濃度検知装置において、前記検知部は、第１コイルと第２コイルを有してそれぞれ第１共振回路と第２共振回路を形成する２重共振回路を備え、前記第１コイルと第２コイルはペアの平行導線を縦にして１段で巻回する渦巻き形状を形成し、前記渦巻きコイル形状の面はトナー濃度検知面に平行して配置され、前記第１コイルと第２コイルは現像剤空間からの離隔距離が略々等しくされ、前記第１共振回路と第２共振回路に用いられるコンデンサは共有された単一のコンデンサであり、前記トナー濃度検知面に対して垂直方向におけるトナー濃度検知装置の厚みが４ｍｍ以下であるトナー濃度検知装置。
【００１６】
また、前記トナー濃度検知装置において、トナー濃度の変化に対する検知出力電圧の変動を表すトナー濃度検知装置の感度が略０．５Ｖ／ｗｔ％であること。
【００１７】
また、前記トナー濃度検知装置において、前記トナー濃度検知装置が現像剤と非接触で設置されること。
【００１８】
このような構成を採用することにより、スペースが無くて設置できない狭い場所にトナー濃度検知装置を設置することができる。また、薄型であっても実用上十分な機能を果たす高感度特性を得ることができる。更に、現像剤と非接触であるので、現像剤の流れを妨げることがないという効果を奏する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るトナー濃度検知装置について、図面を参照しながら以下説明する。まず、本発明のトナー濃度検知装置において採用する二重共振回路方式の概要を図１を参照しながら説明する。
【００２０】
図１に示すトナー濃度検知装置の回路構成は、発振回路１、共振回路（検知回路）２、位相比較回路３、積分回路４、インピーダンス変換回路５を、その基本的な構成としている。この回路構成を大きく分ければ、主として、コイル及び検知回路からなる検知部（図１の共振回路に相当するもの）と、検知部で検知した信号を処理して出力する処理出力部（図１の共振回路以外の回路に相当するもの）と、を備えていると云える。
【００２１】
図１において、発振回路１は、水晶やセラミックなどの固体の発振子を用いて発振するものであり、水晶やセラミックなどの固体の発振子の持つ固有の振動数に基づいて発振周波数が決定するので、装置の使用環境や電源電圧の影響を受け難く、トナー濃度検知の一構成要素として安定した且つ精度の良い検知が可能となるものである。
【００２２】
また、共振回路（検知回路：磁性キャリアの有無又はその量を実質的に検知する回路である）２は、発振回路１からの出力を抵抗Ｒ３を通して第１コイルＬ１に入力される。共振回路２は、第１コイルＬ１とコンデンサを共有する共有コンデンサＣ３とからなる第１共振回路と、第１コイルＬ１と磁気的結合定数ｋで結合された第２コイルＬ２と前記共有コンデンサＣ３とからなる第２共振回路と、を備えている。図１で第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２の近傍に非接触で現像装置内の磁性キャリアと非磁性トナーの混合した現像剤６が配置され、現像剤における磁性体の有無、その量又は具体的にはトナーの濃度などによってコイルＬ１及びＬ２の実質的インダクタンスに影響を与える。
【００２３】
このように、現像剤６の近傍に配置された２つのコイルＬ１，Ｌ２を用いて第１と第２の共振回路を構成する方式が二重共振回路方式である。この二重共振回路方式では、従来の差動トランス方式のようにＬ１とＬ２のいずれかのコイルを現像剤空間から離隔しておく必要性はないものである。そして、２つのコイルＬ１，Ｌ２の巻線の具体的構造を図２に示す。
【００２４】
図２は２本の導線を絶縁皮膜で被覆して一体化したリボン形状の平行線とこの平行線を巻き上げたコイル構造を示す図であり、図２の（１）に示すように、第１のコイルはＬ１−１とＬ１−２の端子を有し、第２のコイルはＬ２−１とＬ２−２の端子を有する。（２）は側面図であり、（３）はコイルの平面図であり、（４）は２本導線を絶縁皮膜で被覆して一体化したリボン形状平行線の断面図である。図２の（２）（３）に示すように、平行導線を縦にして１段で外側へと巻回するコイル構造である。図２の（３）で示すコイルの平面部（紙面と平行な面）が図１１に示す現像剤空間面に対面するように配置され、２つのコイルＬ１とＬ２が現像剤空間からの離隔距離を略々等しくできてトナー濃度検知装置の薄型化を可能とするのである。
【００２５】
翻って、図１に示すトナー濃度検知回路構成の検知部においては、第１と第２の共振回路のコンデンサを共有させて単一のコンデンサＣ３とすることによって、共振回路の構成要素の中でその値のバラツキの大きな傾向のコンデンサを共有にすることで、容易に一次と二次の共振周波数の差を最小限に抑えているものである。また、コンデンサを共有とすることで、それぞれの共振回路にそれぞれコンデンサを設けるものと同等の共振特性を保持することができるとともに、コンデンサの数を減少させることによるコストダウンも図れる。
【００２６】
更に、トナー濃度検知回路構成の検知部における他の例を図３に示す。図３において、図１に示す単一の共有コンデンサＣ３に代えて、コンデンサ容量を変化させるために、バリキャップダイオードＤと直流カットコンデンサＣ２を直列接続し且つその接続点に抵抗を介して制御電圧を印加する構成を用いて、制御電圧を変えることで可変容量を得る。図３の構成例ではコンデンサＣ３に並列に前記可変容量を接続しているが、前記Ｃ３を用いないで前記Ｄ及びＣ２からなる回路構成としても良い。このように、第１及び第２コイルＬ１，Ｌ２に接続する共有（兼用、共通）のコンデンサの容量を可変にすることができて、共振回路（検知回路）の共振周波数を発振回路の発振周波数に合わせるように調整することができる。
【００２７】
図１と図３に示す共振回路には、発振回路の出力端と第１共振回路との間に抵抗Ｒ３が挿入されている。この抵抗Ｒ３によって共振回路の共振点での入力インピーダンスを大きくすることができ、発振回路がそれ自体の回路構成要素で安定して発振することができる。Ｒ３を挿入しないと発振回路が共振回路の回路構成要素の影響を受けて、発振が安定しない現象が生じ得る。
【００２８】
また、図３に示す共振回路の変形例を図４に示す。図４の例では、第１コイルＬ１及び第２コイルＬ２に接続される容量回路は、バリアブルコンデンサＣ４とコンデンサＣ３とコンデンサＣ２・バリキャップダイオードＤとを並列接続したものである。図４において、ＣＯＮＴはバリキャップダイオードＤを制御する制御電圧であり、ＯＳＣは発振回路である。
【００２９】
更に、トナー濃度検知回路構成の検知部における他の例を図５に示す。図５の構成例によると、発振安定機能のＲ１の後流側に、第１コイルＬ１と第１コンデンサＣ１からなる第１共振回路と、第２コイルＬ２と第２コンデンサＣ２からなる第２共振回路を設ける。ここで、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２は磁気的結合定数ｋで結合されていて、Ｌ１及びＬ２に近接し且つ非接触で現像剤に対面配置されている。位相差の取り出し接続点は、一方が発振回路と抵抗Ｒ１の接続点であり他方が第２共振回路の出力点である。図５の構成例においては、第１共振回路（Ｌ１，Ｃ１）の共振周波数と第２共振回路（Ｌ２，Ｃ２）の共振周波数を略同一になるように設定されていて、第１共振回路のＱ１と第２共振回路のＱ２を乗じた統合のＱに基づいた出力Ｖ２が得られるので、確実で十分な位相差出力を得ることができる。
【００３０】
次に、本実施形態に係るトナー濃度検知装置の具体的構造について説明すると、図１、図４等に示す第１コイル及び第２コイルは、具体例で示すと、０．０５ｍｍ径のペア線を平面状に渦巻き形状に巻いて２重共振回路を実現する（図２の構成例を参照）。上述したコイルを用いることにより、検知部及び処理出力部を含めたトナー濃度検知装置の総厚みを４ｍｍ以下に収めることができ、且つ、現像装置の外側からトナー濃度の検知が十分可能である、薄くて高感度なトナー濃度検知装置を実現することができる。
【００３１】
図６は本実施形態に関するトナー濃度検知装置の外観形状を示す図である。本実施形態に記述するトナー濃度検知装置の厚みとは、現像剤（検知面）に対向する垂直方向の長さ（図７に示す紙面上下方向の長さ）を云う。したがって、トナー濃度検知装置の厚みとは、図７に示す厚み２２が４ｍｍ以下に収まるということであり、この薄さが本実施形態の特徴の１つである。
【００３２】
本実施形態に関するトナー濃度検知装置は、図８及び図９に示すようにＰＣＢ基板１４と、コイル１２と、コイルサポート１３と、ケース１１と、ハーネス部材１５と、からなる。具体的な寸法を例示すると、厚さ１ｍｍのＰＣＢ基板を使用し、コイルとコイルサポートの厚みが２．５５ｍｍ以下、検知箇所２３のケース肉厚は０．０５ｍｍで構成される。そうすると、総厚み３．６ｍｍのトナー濃度検知装置を実現することができる。
【００３３】
従来技術における差動トランス方式では、図７に示す検知箇所２３に互いに離隔した２つのコイルを収容しているので、厚み寸法が大きい突起形状となっていたが、本実施形態では検知箇所２３の厚み２１は０．３ｍｍ以下とすることができる。と云うのも、トナー濃度検知装置の分解斜視図である図９を参照して、コイル１２とコイルサポート１３の厚みが２．５５ｍｍであり、ＰＣＢ基板１４におけるコイルサポート１３の両側には図１に示す発振回路、位相比較回路等の構成要素の電子部品を搭載しているので（図９では不図示）、これらの電子部品とコイルサポート１３・コイル１２との厚みの差が０．３ｍｍ以下となっているのである。
【００３４】
本実施形態におけるトナー濃度検知装置は現像装置に両面テープで装着することができる。そうすると、図７に示す凸形状の検知箇所２３の両側の厚み２１の段差部は両面テープを貼り付けるに適した段差となる。前述した固定方法以外の別の固定方法を用いるならば、前記厚み２１を有する段差部（凸形状の検知箇所）を設けずに、同一平面形状のケースとしても良い。このように、本実施形態のトナー濃度検知装置は現像装置に外付けし、現像剤と非接触で使用できるものである。
【００３５】
図９に示すトナー濃度検知装置の分解斜視図によると、ペア線を平面状渦巻形状に巻いたコイル１２は、図面上でその上下端部を下方に曲げてコイルサポート１３に設置して固定している。コイルの曲げはケース内にコイルを納め且つ必要な検知面積を得るためであり、曲げずに平面状の円形形状のままで使用することも当然に可能であり、そうすることで、更に検知面積を広げることができる。このように、本実施形態によると、検知コイルは現像剤に近接した平面形状であって、より広い現像剤範囲を検知することができる。よって、検知能力は従来技術の突起形状型の差動トランス方式と比較して向上し、更に、検知領域の広さから検知ばらつきも小さく抑えることが可能である。
【００３６】
図１０は本実施形態におけるトナー濃度検知装置の検知特性を示す図である。横軸にトナー濃度（ＴＣ）、縦軸に検知出力電圧（Ｖｏｕｔ）をとり、トナー濃度の変化に対して、得られる検知出力電圧の様子を表した。この検知特性からすると、略０．５Ｖ／ｗｔ％の感度があることがわかる。この感度の数値は実用上使用に値するレベルであり、この感度は回路構成を変更することで変えることも可能である。高感度が得られる理由については、例えば、図１の回路構成において発振回路の発振周波数と共振回路の共振周波数を略一致させることにより、トナー濃度の変化に対する大きな出力変動値、即ち十分な感度を確保することができるからである。更に云えば、発振周波数と略一致する共振周波数を適用することで大きな位相差出力が得られる定性的な説明として、第１共振回路のＱ１と第２共振回路のＱ２を乗じた統合のＱに基づいた出力が得られることに加えて、コンデンサＣ３を共有したことによる第１と第２の共振回路への互いのフィードバックによる相乗効果によるのである。
【００３７】
以上のように、本実施形態のトナー濃度検知装置は、現像剤に非接触で、現像装置の外側からの検知でも十分な検知能力が得られるものである。また、検知領域を効果的に広げることも可能である。具体的には、図２に示す真円形状のコイル形状に代えて、現像剤空間に沿った長円形状の巻き線コイル形状とすれば、長円の長手方法に沿った大きな検知領域を得ることができる。
【００３８】
図８及び図９ではコイルサポート１３を用いているが、これは無くても構わない。ＰＣＢ基板１４に直接にコイル１２を装着することも可能であり、これを実現すると更に薄型なトナー濃度検知装置が実現できる。また、ハーネス部１５についてであるが、ＰＣＢ基板との接合を図では半田付けで示しているが、薄いコネクタを用いることができればコネクタでも構わない。
【００３９】
次に、トナー濃度検知装置をシート形状の構造とする構成例について説明する。図６〜図９に示したトナー濃度検知装置は、検知部と処理出力部が一体化したものである。しかしながら、コイルと検知回路からなる検知部と処理出力部（検知部で検知した信号を処理して出力する回路）を分離することも可能である。検知部（図４に示すような共振回路であり、発振回路３８を含めても良い）をトナー濃度検知装置から独立させると、コイルの厚み程度であるシート状の検知部が構成できる。この検知部を例えば、樹脂のカバーで覆い、現像装置に沿って張りつけると検知したい個所のトナー濃度検知が可能となる。そして、シート状の検知部は、別の箇所に設置してある処理出力部とディジタル信号で交信し、処理出力部からはトナー濃度の状態を示す検知特性を得ることができる。
【００４０】
また、このシート状の検知部はコイルサポート１３やＰＣＢ基板１４を使用しないで済ませることができるので、フレキシブルな検知部を構成することも可能となり、現像装置の曲面外形に沿って装着できる。
【００４１】
以上のように、本発明の実施形態は、差動トランス方式ではなく、２重共振回路方式を採用するトナー濃度検知装置であるので、ペア線を平面的な渦巻き状に巻いたコイルを用いることができ、薄型で小型であるにも関わらず、現像装置の外側から現像剤に非接触でも十分な感度を得る高感度性を持ち合わせることを可能とした。
【００４２】
また、上述の実施形態では、トナー濃度検知装置を構成例として説明したが、この構成例に限らず、本発明は、磁性体の透磁率を検知する磁性体検知装置や導体の透磁率を検知する導体検知装置等にも適用可能である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、スペース確保ができなくて今まで装着できなかった狭い個所やトナー濃度検知にとって適正な箇所にトナー濃度検知装置を設置できる。更に、今後、画像形成装置本体の小型化に伴って製作される小型化現像装置に対して、トナー濃度検知装置は寸法及び感度の点でも対応することができる。
【００４４】
また、感度ばらつきを低減し精度の良い検知特性を得ることができ、更に、高感度特性を得ることができるので、画像品質の向上を図ることができる
また、本発明を磁性体検知装置や導体検知装置などに適用でき、これらの装置を更に小型化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るトナー濃度検知装置において採用する二重共振回路方式の回路構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係るトナー濃度検知装置に採用される二重共振回路方式での検知コイルの構成例を示す図である。
【図３】本実施形態に関する検知部におけるコイルとコンデンサの回路接続例を示す図である。
【図４】本実施形態に関する検知部におけるコイルとコンデンサの他の回路接続例を示す図である。
【図５】本実施形態に関する検知部におけるコイルとコンデンサの更に他の回路接続例を示す図である。
【図６】本実施形態に関するトナー濃度検知装置の外観形状を示す斜視図である。
【図７】本実施形態に関するトナー濃度検知装置の外観形状を示す側面図である。
【図８】本実施形態に関するトナー濃度検知装置のケースを外したコイルの設置状況を示す図である。
【図９】本実施形態に関するトナー濃度検知装置における具体的構造の分解斜視図である。
【図１０】本実施形態におけるトナー濃度検知装置の検知特性を示す図である。
【図１１】従来技術における画像形成装置内の現像装置に関する一般的な構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ 発振回路
２ 共振回路（検知回路）
３ 位相比較回路
４ 積分回路
５ インピーダンス変換回路
６ 現像剤
１１ トナー濃度検知装置ケース
１２ コイル
１３ コイルサポート
１４ ＰＣＢ基板
１５ ハーネス部
２１ 検知箇所厚み
２２ トナー濃度検知装置の総厚み
２３ 検知箇所
Ｌ１ 第１コイル
Ｌ２ 第２コイル
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ
Ｃ４ バリアブルコンデンサ
Ｄ バリキャップダイオード
ＯＳＣ 発振回路
ＣＯＮＴ 制御電圧
Claims (10)
- トナー濃度を検知するためのコイルと検知回路を有する検知部と、前記検知部からの信号を処理して出力する処理出力部と、を備えたトナー濃度検知装置において、
前記検知部は、第１コイルと第２コイルを有してそれぞれ第１共振回路と第２共振回路を形成する２重共振回路を備え、
前記第１コイルと第２コイルはペアの平行導線を縦にして１段で巻回する渦巻き形状を形成し、前記渦巻きコイル形状の面はトナー濃度検知面に平行して配置され、前記第１コイルと第２コイルは現像剤空間からの離隔距離が略々等しくされ、
前記第１共振回路と第２共振回路に用いられるコンデンサは共有された単一のコンデンサであり、
前記トナー濃度検知面に対して垂直方向におけるトナー濃度検知装置の厚みが４ｍｍ以下である
ことを特徴とするトナー濃度検知装置。 - 請求項１において、
前記トナー濃度の変化に対する検知出力電圧の変動を表すトナー濃度検知装置の感度が略０．５Ｖ／ｗｔ％であることを特徴とするトナー濃度検知装置。 - 請求項１又は２において、
前記トナー濃度検知装置が現像剤と非接触で設置されることを特徴とするトナー濃度検知装置。 - トナー濃度を検知するためのコイル、前記コイルを支持するコイルサポート、前記コイルサポートを含めた電子部品を搭載するＰＣＢ基板、
前記ＰＣＢ基板につながるハーネス部、前記コイルを含めて全体を被うケース、
を備えたトナー濃度検知装置であって、
第１コイルと第２コイルを有してそれぞれ第１共振回路と第２共振回路を形成する２重共振回路を備え、
前記第１コイルと第２コイルはペアの平行導線を縦にして１段で巻回する渦巻き形状を形成し、前記渦巻きコイル形状の面はトナー濃度検知面に平行して配置され、前記第１コイルと第２コイルは現像剤空間からの離隔距離が略々等しくされ、
前記第１共振回路と第２共振回路に用いられるコンデンサは共有された単一のコンデンサであり、
前記トナー濃度検知面に対して垂直方向におけるトナー濃度検知装置の厚みが４ｍｍ以下であり、
前記トナー濃度検知面に対向する前記ケースは、前記コイル収容箇所で凸形状を形成し、前記凸形状の厚みが０．３ｍｍ以下である
ことを特徴とするトナー濃度検知装置。 - 請求項１において、
前記第１共振回路と第２共振回路を含む検知部と前記処理出力部とを分離した別体の構成体とし、前記検知部をシート状薄型構成体として前記トナー濃度検知面に設置することを特徴とするトナー濃度検知装置。 - 請求項５において、
前記検知部を収容したシート状薄型構成体が可撓性を有することを特徴とするトナー濃度検知装置。 - 請求項１ないし６のいずれか１つの請求項におけるトナー濃度検知装置を備えた現像装置。
- 請求項１ないし６のいずれか１つの請求項におけるトナー濃度検知装置を備えた画像形成装置。
- 請求項１ないし６のいずれか１つの請求項において、
前記トナー濃度検知装置における現像剤の代わりに、導体の透磁率を検知することを特徴とする導体検知装置。 - 請求項１ないし６のいずれか１つの請求項において、
前記トナー濃度検知装置における現像剤の代わりに、磁性体の透磁率を検知することを特徴とする磁性体検知装置。
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