JP5254833B2

JP5254833B2 - 光学的センサ

Info

Publication number: JP5254833B2
Application number: JP2009025573A
Authority: JP
Inventors: 知之村田
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: JP2010181664A

Description

本発明はフルカラープリンタ、カラーファクシミリ装置等のカラートナー付着量検出センサ、紙の種別選別を行う媒体センサ、光沢センサ等として作用する光学的センサに関する。

フルカラープリンタ等においては、印字品質の管理として初期設定時等に、マゼンタトナー担持体、シアントナー担持体、イエロトナー担持体及び黒トナー担持体に付着されたマゼンタトナー、シアントナー、イエロトナー及び黒トナーの各トナーの付着量を検出する必要がある。このようなトナー付着量検出センサとしての従来の光学的センサを図９を参照して説明する（参照：特許文献１）。

図９において、光学的センサ１はトナー担持体２１上に予め付着されているトナー２２を検出するものとする。この光学的センサ１は制御回路３たとえばマイクロコンピュータによって制御される。

光学的センサ１は樹脂製のフレーム１１及び樹脂製のカバー１２を含んだパッケージで構成され、フレーム１１、カバー１２によって４つの空間領域１３１、１３２、１３３、１３４が区分されている。尚、空間領域１３１、１３４は連結されている。

空間領域１３１にはチップ状の発光素子としてのLED１４１が実装つまりダイボンディングされ、空間領域１３２にはチップ状の受光素子としてフォトダイオード１４２が実装つまりダイボンディングされ、空間領域１３３にはチップ状の受光素子としてフォトダイオード１４３が実装つまりダイボンディングされ、空間領域１３４にはチップ状の受光素子としてフォトダイオード１４４が実装つまりダイボンディングされている。これにより、フォトダイオード１４４、LED１４１、フォトダイオード１４２及びフォトダイオード１４３が一列に配列されている。

空間領域１３１、１３２、１３３の各窓を閉塞するように、円形凸レンズ１５１及び偏光フィルム１６１、円形凸レンズ１５２及び偏光フィルム１６２、円形凸レンズ１５３及び偏光フィルム１６３が設けられている。

図１０は図９の光学的センサ１の矢印Ａから見た正面図である。すなわち、偏光フィルム１６１はLED１４１（図９）からの出射光を単一偏光光として通過させ、反射光のうち単一偏光光と同一偏光光成分をP偏光として偏光フィルム１６３を通過させ、反射光のうち単一偏光光と直交する偏光光成分をS偏光として偏光フィルム１６２を通過させるよう構成されている。図１０はこれを明示的に図示している。つまり、偏光フィルム１６１、１６２、１６３の配列の基準軸Rに対して、偏光フィルム１６１、１６３のP波吸収軸は45°であり、また、偏光フィルム１６２のS波吸収軸は135°である。さらに、円形凸レンズ１５１、１５２、１５３は同一の径を有する。

図１１は図９の光学的センサ１のカバーを取除いた状態を示す斜視図である。

図１１に示すように、LED１４１は一対の導電部１７１ａ、１７１ｂに金線等によってワイヤボンディングされ、フォトダイオード１４２は一対の導電部１７２ａ、１７２ｂに金線等によってワイヤボンディングされ、フォトダイオード１４３は一対の導電部１７３ａ、１７３ｂに金線等によってワイヤボンディングされ、フォトダイオード１４４は一対の導電部１７４ａ、１７４ｂに金線等によってワイヤボンディングされている。導電部１７１ａ、１７１ｂ；１７２ａ、１７２ｂ；１７３ａ、１７３ｂ；１７４ａ、１７４ｂはたとえばインサート成形によってフレーム１１に一体成形されており、フレーム１１の側面から突出してリード端子１８１ａ、１８１ｂ；１８２ａ、１８２ｂ；１８３ａ、１８３ｂ；１８４ａ、１８４ｂを形成するようになっている。これらのリード端子１８１ａ、１８１ｂ；１８２ａ、１８２ｂ；１８３ａ、１８３ｂ；１８４ａ、１８４ｂは図９の制御回路３に接続される。

次に、図９の制御回路３の動作を説明する。

始めに、制御回路３はLED１４１に駆動電流I_dを供給する。この結果、LED１４１から側方に発光されるモニタ光L_mがフォトダイオード１４４に入射されてLED１４１の発光量がモニタされる。すなわち、フォトダイオード１４４のモニタ電流I_mが一定値I_m0となるようにLED１４１の駆動電流I_dが制御され、駆動に伴う温度変化によりフォトダイオード１４４の発光効率が変動してもLED１４１の発光量は一定に保持される。

LED１４１が一定の発光量で駆動されると、次に、LED１４１から上方へ出射した光Lが円形凸レンズ１５１及び偏光フィルム１６１を通ってP偏光成分P1のみがトナー２２に照射される。この結果、マゼンタトナー２２からの反射光が偏光フィルム１６２、１６３に入射する。この場合、乱反射成分としてS偏光成分Sが偏光フィルム１６２を通過してフォトダイオード１４２に入射し、正反射成分としてのP偏光成分P2が偏光フィルム１６３を通過してフォトダイオード１４３に入射する。従って、S偏光成分Sに応じた信号電流I_S及びP偏光成分P2に応じた信号電流I_pが制御回路３に供給される。

そして、制御回路３は信号電流I_pと信号電流I_Sとの差によりトナー２２のトナー担持体２１への付着量を演算する。たとえば、図１２の（Ａ）に示すごとく、P偏光成分P2の信号電流I_pは正反射成分の大部分に依存するので、トナー濃度の増大に応じて大きく減少し、他方、S偏光成分Sの信号電流I_Sは乱反射成分の一部で微小なので、トナー濃度の増大に応じて小さく増大する。この結果、図１２の（Ｂ）に示すごとく、差I_p-I_Sはトナー濃度の増大に応じて減少する。尚、図１２の（Ｂ）の差I_p-I_Sはトナー濃度が0％のときを基準値100.0％とする。

特開２００６−２６７１３９号公報

しかしながら、上述の従来の光学的センサにおいては、トナー濃度に対する検出レンジが小さいという課題がある。つまり、図１２の（Ｂ）において、トナー量が100％のときの差I_p-I_Sは5％であり、検出レンジは100％〜5％（=95％）と小さい。尚、トナー付着量を信号電流I_pと信号電流I_Sとの比によって演算しても検出レンジは小さい。また、S偏光成分Sの信号電流I_Sを大きくするために、フォトダイオード１４２の増幅回路のゲインを大きくすることができるが、この場合は、電気的ノイズの影響が大きくなる。

さらに、上述の従来の光学的センサにおいては、トナー担持体２１、トナー２２に対してLED１４１、フォトダイオード１４２、フォトダイオード１４３の順に横方向に配置されており、フォトダイオード１４３によるP偏光成分P2の信号電流I_pとフォトダイオード１４２によるS偏光成分Sの信号電流I_Sとのバランス調整した上で、実際の製品に取付けられる。しかし、実際の製品への取り付けの位置誤差が発生する。たとえば、図１３に示すごとく、トナー２２（２２’あるいは２２”）と光学的センサ１との距離が変動すると、S偏光成分Sの受光用のフォトダイオード１４２への受光量はそれ程変動しないが、P偏光成分P2の受光用のフォトダイオード１４３への受光量が大きく変動し、この結果、上述の信号電流I_p、I_Sのバランス調整を、S偏光成分Sの信号電流I_Sのフォトダイオード１４２の増幅回路のゲインの調整によって行うことができるが、その調整は容易でなかった。

上述の課題を解決するために、本発明に係る光学的センサは、１列に配列された第１、第２及び第３の空間領域に区分されたパッケージと、パッケージの第１、第２及び第３の空間領域に実装された発光素子、第１の受光素子及び第２の受光素子と、パッケージの第１の空間領域の窓に前記発光素子に対応して設けられた第１のレンズ及び第１の偏光フィルムと、パッケージの第２の空間領域の窓に第１の受光素子に対応して設けられた第２のレンズ及び第２の偏光フィルムと、パッケージの第３の空間領域の窓に第２の受光素子に対応して設けられた第３のレンズ及び第３の偏光フィルムとを具備し、第１、第３の偏光フィルムの吸収軸方向と第２の偏光フィルムの吸収軸方向とが垂直である光学的センサにおいて、第２のレンズの径を前記第３のレンズの径より実質的に大きくし、または、第１の受光素子を第２の受光素子より大きくし、第２の受光素子の形状が第１、第２及び第３の空間領域の配列方向の長辺を有する矩形としたものである。これにより、第１の受光素子の受光量を第２の受光素子の受光量を基により大きくする。

さらにまた、本発明は、１列に配列された第１、第２及び第３の空間領域に区分されたパッケージと、パッケージの第１、第２及び第３の空間領域に実装された発光素子、第１の受光素子及び第２の受光素子と、パッケージの第１の空間領域の窓に前記発光素子に対応して設けられた第１のレンズ及び第１の偏光フィルムと、パッケージの第２の空間領域の窓に第１の受光素子に対応して設けられた第２のレンズ及び第２の偏光フィルムと、パッケージの第３の空間領域の窓に第２の受光素子に対応して設けられた第３のレンズ及び第３の偏光フィルムとを具備し、第１、第３の偏光フィルムの吸収軸方向と第２の偏光フィルムの吸収軸方向とが垂直である光学的センサにおいて、第２の受光素子の形状が第１、第２及び第３の空間領域の配列方向の長辺を有する矩形である。これにより、第２の受光素子の受光量の変動は小さくなる。

本発明によれば、光学的センサの検出レンジを大きくできる。また、光学的センサの取り付けの位置誤差を吸収できる。

本発明に係る光学的センサの第１の実施の形態を示す断面図である。図１の光学的センサの正面図である。図１の光学的センサのトナー濃度の検出レンジを説明するためのグラフである。図２の偏光フィルムの吸収軸を説明するためのグラフである。本発明に係る光学的センサの第２の実施の形態を示す断面図である。図５の光学的センサのカバーを取除いた状態を示す斜視図である。図５の光学的センサにおいてトナーの位置が変動した場合のフォトダイオードへの受光量を説明するための図である。図５の光学的センサの受光P偏光成分の変動特性を示すグラフである。従来の光学的センサを示す断面図である。図９の光学的センサの正面図である。図９の光学的センサのカバーを取除いた状態を示す斜視図である。図９の光学的センサのトナー濃度の検出レンジを説明するためのグラフである。図９の光学的センサにおいてトナーの位置が変動した場合のフォトダイオードへの受光量を説明するための図である。

図１は本発明に係る光学的センサの第１の実施の形態を示す断面図、図２は図１の光学的センサ１の正面図である。図１、図２においては、図１１、図１２の円形凸レンズ１５２をより大きな楕円形凸レンズ１５２’とすると共に、偏光フィルム１６２を偏光フィルム１６２’に置換する。この場合、偏光フィルム１６２’は楕円形凸レンズ１５２’に合わせて大きくしてある。また、図１１、図１２の偏光フィルム１６１、１６３は偏光フィルム１６１’、１６３’に置換する。

S偏光成分Sの受光用のレンズ１５２’を大きくすることによりS偏光成分Sの信号電流I_S’は増大する。たとえば、図３の（Ａ）に示すごとく、信号電流I_S’が従来の信号電流I_Sの２倍となると（I_S’=2・I_S）、図３の（Ｂ）に示すごとく、トナー濃度に対する差I_p-I_S’の検出レンジが大きくなる。つまり、図３の（Ｂ）において、トナー量が100％のときの差I_p-I_S’は-2％であり、検出レンジは100％〜-2％（=102％）と大きくなる。また、図３の（Ａ）に示すごとく、信号電流I_S’が従来の信号電流I_Sの３倍となると（I_S’=3・I_S）、図３の（Ｂ）に示すごとく、トナー濃度に対する差I_p-I_S’の検出レンジがさらに大きくなる。つまり、図３の（Ｂ）において、トナー量が100％のときの差I_p-I_S’は-10％であり、検出レンジは100％〜-10％（=110％）とさらに大きくなる。

偏光フィルム１６１’、１６２’、１６３’の配列の基準軸Rに対する偏光フィルム１６１’、１６３’のP波吸収軸角度θ1、θ3を0°とし、また、偏光フィルム１６３’のS波吸収軸角度θ2を90°とする。これにより、図４に示すごとく、トナー２２がある場合とトナー２２がない場合とのP偏光成分P2の信号電流I_pの差を大きくでき、この結果、差I_p-I_S’の検出レンジをさらに大きくできる。

上述の第１の実施の形態においては、凸レンズ１５２’を楕円形としてその径を実質的に大きくしているが、凸レンズ１５２’を円形として他の円形凸レンズ１５１、１５３の径よりも大きくしてもよい。

図５は本発明に係る光学的センサの第２の実施の形態を示す断面図、図６は図５の光学的センサのカバーを取除いた状態を示す斜視図である。

図５、図６においては、図９、図１１におけるP偏光成分P2の受光用の正方形のフォトダイオード１４３の代りに矩形のフォトダイオード１４３’を設けてある。ここで、フォトダイオード１４３’の長辺がLED１４１、フォトダイオード１４２’、１４３’の配列方向になっている。たとえば、図９、図１１のフォトダイオード１４３のサイズは1.2mm×1.2mmであるのに対し、図５、図６のフォトダイオード１４３’のサイズは2.0mm×1.2mmであり、LED１４１、フォトダイオード１４２’、１４３’の配列方向に延びている。従って、実際の製品に取り付け、図７に示すごとく、トナー２２（２２’あるいは２２”）と光学的センサ１との距離が変動しても、図８に示すごとく、P偏光成分P2の受光用のフォトダイオード１４３’の光量つまり信号電流I_Sはほとんど変動しない。

図５、図６においては、S偏光成分Sの受光用のフォトダイオード１４２’も矩形にし、LED１４１、フォトダイオード１４２’、１４３’の配列方向に直交に延びている。この場合においても、フォトダイオード１４２’をフォトダイオード１４３’よりも大きくしてS偏光成分の受光量をより大きくする。これにより、S偏光成分Sの信号電流I_Sも増大し、第１の実施の形態と同様に、検出レンジを大きくできる。

尚、上述の第２の実施の形態においては、矩形のフォトダイオード１４２’を用いずに、第１の実施の形態と同様に、円形凸レンズ１５２を楕円形凸レンズにして凸レンズの径を実質的に大きくしてもよい。

また、上述の図５、図６の第２の実施の形態におけるフォトダイオード１４３’を第１の実施の形態に適用することもできる。

さらに、上述の第１、第２の実施の形態において、P偏光成分P1、P2及びS偏光成分SをS偏光成分S1、S2及びP偏光成分Pに置換し得る。

さらにまた、上述の第１、第２の実施の形態においては、光学的センサをフルカラートナー付着量センサとして用いたが、本発明に係る光学的センサは紙の種別選別を行う媒体センサ、光択センサ等としても用いることができる。

１：光学的センサ
１１：フレーム
１２：カバー
１３１、１３２、１３３、１３４：空間領域
１４１：LED
１４２、１４２’、１４３、１４３’、１４４：フォトダイオード
１５１、１５２、１５３：円形凸レンズ
１５２’：楕円レンズ
１６１、１６２、１６２’、１６３：偏光フィルム
P1、P2：P偏光成分
S：S偏光成分

Claims

１列に配列された第１、第２及び第３の空間領域に区分されたパッケージと、
該パッケージの第１、第２及び第３の空間領域に実装された発光素子、第１の受光素子及び第２の受光素子と、
前記パッケージの第１の空間領域の窓に前記発光素子に対応して設けられた第１のレンズ及び第１の偏光フィルムと、
前記パッケージの第２の空間領域の窓に前記第１の受光素子に対応して設けられた第２のレンズ及び第２の偏光フィルムと、
前記パッケージの第３の空間領域の窓に前記第２の受光素子に対応して設けられた第３のレンズ及び第３の偏光フィルムと
を具備し、
前記第１、第３の偏光フィルムの吸収軸方向と前記第２の偏光フィルムの吸収軸方向とが垂直である光学的センサにおいて、
前記第２のレンズの径を前記第３のレンズの径より実質的に大きくし、前記第２の受光素子が前記第１、第２及び第３の空間領域の配列方向の長辺を有する矩形であることを特徴とする光学的センサ。
前記第２のレンズを楕円形とした請求項１に記載の光学的センサ。
１列に配列された第１、第２及び第３の空間領域に区分されたパッケージと、
該パッケージの第１、第２及び第３の空間領域に実装された発光素子、第１の受光素子及び第２の受光素子と、
前記パッケージの第１の空間領域の窓に前記発光素子に対応して設けられた第１のレンズ及び第１の偏光フィルムと、
前記パッケージの第２の空間領域の窓に前記第１の受光素子に対応して設けられた第２のレンズ及び第２の偏光フィルムと、
前記パッケージの第３の空間領域の窓に前記第２の受光素子に対応して設けられた第３のレンズ及び第３の偏光フィルムと
を具備し、
前記第１、第３の偏光フィルムの吸収軸方向と前記第２の偏光フィルムの吸収軸方向とが垂直である光学的センサにおいて、
前記第１の受光素子を前記第２の受光素子より大きくし、
前記第２の受光素子が前記第１、第２及び第３の空間領域の配列方向の長辺を有する矩形であることを特徴とする光学的センサ。
１列に配列された第１、第２及び第３の空間領域に区分されたパッケージと、
該パッケージの第１、第２及び第３の空間領域に実装された発光素子、第１の受光素子及び第２の受光素子と、
前記パッケージの第１の空間領域の窓に前記発光素子に対応して設けられた第１のレンズ及び第１の偏光フィルムと、
前記パッケージの第２の空間領域の窓に前記第１の受光素子に対応して設けられた第２のレンズ及び第２の偏光フィルムと、
前記パッケージの第３の空間領域の窓に前記第２の受光素子に対応して設けられた第３のレンズ及び第３の偏光フィルムと
を具備し、
前記第１、第３の偏光フィルムの吸収軸方向と前記第２の偏光フィルムの吸収軸方向とが垂直である光学的センサにおいて、
前記第２の受光素子の形状が前記第１、第２及び第３の空間領域の配列方向の長辺を有する矩形であることを特徴とする光学的センサ。