JP5585792B2

JP5585792B2 - 粉体センサ

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Publication number: JP5585792B2
Application number: JP2011276438A
Authority: JP
Inventors: 信男古川
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: JP2013108969A; EP2587316A3; EP2587316A2; KR101372465B1; KR20130045829A; US20130106445A1; US8994384B2

Description

本発明は、複写機のトナー等の粉体を検出する粉体センサに関する。

例えば複写機に用いられているトナーは、複写枚数が増加するほどその量が消費されるので、常にその残量を検知して適当量に減った場合は新たに補給してやらねばならない。このような目的で粉体の有無を検知する粉体センサが知られている。

下記特許文献１の粉体センサは、粉体センサ素子（２端子の圧電素子）の入力側に抵抗を介して掃引発振回路を接続し、粉体センサ素子の端子電圧と掃引発振回路の駆動パルス信号との位相比較を位相比較部で行い、この比較結果を位相弁別部で弁別して粉体の有無を検知する。具体的には、検知した位相差を、予め設定した４５゜のしきい値を基に例えば８０゜乃至９０゜の場合はレベル０に、また０゜乃至１０゜の場合はレベル１にレジスタにラッチし、粉体の有無に応じて検知信号をデジタル信号として出力する。

特開平３−３７５９２号公報

通常の環境下では、従来の検出方法で問題は発生しない。しかし、特殊な環境下、例えば複写機の組み立て若しくは調整その他の要因で大きな振動や衝撃が印加されたとき、従来の検出方法では粉体センサ素子の端子電圧の位相に一時的なずれが生じ、ずれ具合次第では粉体が有るにも関わらず粉体無しと誤判定することがある。また、複写機などのＯＡ機器の小型化に伴い、紙送りの際にモーターより発せられる振動の影響を粉体センサ素子が受けやすくなっており、上記の誤判定の原因となっている。

本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、従来と比較して振動や衝撃が印加された際の誤判定を減らす又は無くすことの可能な粉体センサを提供することにある。

本発明のある態様は、粉体センサである。この粉体センサは、
圧電素子と、
少なくとも前記圧電素子の共振周波数又はその近傍の周波数の出力信号を前記圧電素子に印加する発振回路と、
前記発振回路の出力信号の位相に対する前記圧電素子の端子電圧の位相を判定する位相判定回路と、
前記位相判定回路での判定結果に基づいて粉体の有無を判定する粉体有無判定回路とを備え、
前記位相判定回路は、ｎ段（但し「ｎ」はｎ≧２を満たす任意の整数）のシフトレジスタを含み、
前記シフトレジスタは、前記発振回路の出力信号と同周期の位相判定用信号が所定のレベル遷移をしたタイミングで前記圧電素子の端子電圧のレベルを２値データとして１段目に記憶するとともに後段に順次シフトして、当該タイミングにおける前記圧電素子の端子電圧のレベルを２値データとして連続するｎ回分出力し、
前記粉体有無判定回路は、前記シフトレジスタの各段の出力信号がいずれも所定レベルであることを条件として粉体無しと判定する。

前記位相判定用信号は、前記発振回路の出力信号、又は当該出力信号よりも位相が所定角度だけ遅れた信号であってもよい。

前記圧電素子の端子電圧を２値信号に変換する変換手段を備え、２値信号に変換された前記端子電圧を前記シフトレジスタの１段目への入力としてもよい。

前記発振回路は、前記圧電素子の共振周波数を含む周波数範囲で出力信号の周波数を掃引する掃引発振回路であってもよい。

前記粉体有無判定回路は、前記シフトレジスタの各段の出力信号を入力とする論理ゲートを含んでもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、従来と比較して振動や衝撃が印加された際の誤判定を減らす又は無くすことが可能となる。

本発明の実施の形態に係るトナーセンサのブロック図。図１に示す圧電素子５の入力信号の周波数に対する位相遅れ特性図。ｎ＝３の場合における、図１の位相判定回路２０及び粉体有無判定回路３０の例示的な回路図。図１に示すトナーセンサのタイムチャート。ｎ＝８の場合における、図１の位相判定回路２０及び粉体有無判定回路３０の例示的な回路図。図１の実施の形態の変形例に係るトナーセンサのブロック図。図６における発振回路１０の出力信号Ｖdrvと位相判定用信号Ｖ_jdgの例示的な波形図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、本発明の実施の形態に係る粉体センサとしてのトナーセンサのブロック図である。このトナーセンサは、圧電素子５と、発振回路１０と、位相判定回路２０と、粉体有無判定回路３０とを備える。

トナーボックスに取り付けられた圧電素子５は、入力信号の周波数とトナー残量によって当該入力信号に対する位相の遅れが変化するものであり、入力信号の周波数に対する位相遅れ特性は図２に示すとおりである。

すなわち、圧電素子５は、共振周波数Ｆrの入力信号に対しては、共振周波数Ｆr付近ではＬ分とＣ分のエネルギーのやり取りが効率よく行われ共振状態になる為位相ずれが発生しない一方、入力信号の周波数が共振周波数Ｆrから離れるにつれて静電容量としての性質が大きくなって位相遅れが大きくなる。また、圧電素子５は、トナーボックス内のトナー残量が多いほど振動が阻害され、共振周波数Ｆr又はその近傍の周波数の入力信号に対しても静電容量としての性質が大きくなる。一方、圧電素子５は、トナーボックス内のトナー残量が無くなってくると、共振周波数Ｆr又はその近傍の周波数の入力信号に対して位相遅れが著しく減じてくる。

発振回路１０は、少なくとも圧電素子５の共振周波数Ｆr又はその近傍の周波数の出力信号Ｖdrv（電圧信号）を抵抗Ｒ１（制限抵抗）を介して圧電素子５に印加する。発振回路１０は、好ましくは、出力信号Ｖdrvの周波数を、圧電素子５の共振周波数Ｆrを含む周波数範囲で掃引する。掃引は、トナーボックスに取り付けた状態での圧電素子５の共振周波数が正確に特定できない場合に有効である。

位相判定回路２０は、発振回路１０の出力信号Ｖdrvの位相と、圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相とを比較し、発振回路１０の出力信号Ｖdrvの位相に対して圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相が遅れているか進んでいるか（位相が所定の条件を満たすか否か）を判定する。比較は、発振回路１０の出力信号Ｖdrvの周期ごとに（例えば出力信号Ｖdrvの立ち上がりを契機として）行われる。直近の連続するｎ回（但し「ｎ」はｎ≧２を満たす任意の整数）の比較結果が位相比較結果信号Ｖd1〜Ｖdnとして位相判定回路２０に保持され、位相比較結果信号Ｖd1〜Ｖdnが位相判定回路２０から粉体有無判定回路３０に入力される。位相比較結果信号Ｖd1〜Ｖdnは、圧電素子５の端子電圧Ｖpが発振回路１０の出力信号Ｖdrvに対して位相遅れであるか位相進みであるかによって異なるレベルとなる２値信号であり、比較が行われると順次更新される。

粉体有無判定回路３０は、入力された位相比較結果信号Ｖd1〜Ｖdnに基づいてトナーボックス内のトナーの有無を判定する。具体的には、位相比較結果信号Ｖd1〜Ｖdnの全てが圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相進みを示したことを条件としてトナー無しと判定する（条件が満たされないときと異なるレベルの判定結果信号Ｖoutを出力する）。換言すれば、粉体有無判定回路３０は、位相判定回路２０での発振回路１０の出力信号Ｖdrvに対する圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相進みの検出回数が連続してｎ回以上であることを条件としてトナー無しと判定する。

図３は、ｎ＝３の場合における、図１の位相判定回路２０及び粉体有無判定回路３０の例示的な回路図である。位相判定回路２０は、コンパレータ２９と、３段シフトレジスタを成すＤ型フリップフロップ２１〜２３とを有する。粉体有無判定回路３０は、３入力のＡＮＤゲートである。コンパレータ２９は、電源電圧Ｖccを抵抗Ｒ_H,Ｒ_Lにより例えば分圧比１：１で分圧した基準電圧を反転入力端子への入力とし、圧電素子５の端子電圧Ｖpを非反転入力端子への入力とする。圧電素子５の端子電圧Ｖpは、コンパレータ２９で２値信号に変換され、コンパレータ２９の出力端子から１段目のＤ型フリップフロップ２１のＤ入力端子に入力される。１,２段目のＤ型フリップフロップ２１,２２のＱ出力端子（すなわち１〜（ｎ−１）段目のＤ型フリップフロップのＱ出力端子）は、２,３段目のＤ型フリップフロップ２２,２３のＤ入力端子（すなわち２〜ｎ段目のＤ型フリップフロップのＤ入力端子）に接続される。Ｄ型フリップフロップ２１〜２３のＣＬＫ端子には発振回路１０の出力信号Ｖdrvがそれぞれ入力され、Ｑ出力端子は粉体有無判定回路３０（３入力ＡＮＤゲート）の入力端子にそれぞれ接続される。

上記の回路構成によれば、Ｄ型フリップフロップ２１〜２３は、発振回路１０の出力信号Ｖdrvの立ち上がり（ローレベルからハイレベルへのレベル遷移）時の圧電素子５の端子電圧Ｖp（２値変換後）のレベルを発振回路１０の出力信号Ｖdrvの立ち上がり３回分だけ順次記憶し、Ｑ出力端子から出力する。すなわち、シフトレジスタの最上段のＤ型フリップフロップ２１が位相比較回路として機能し、発振回路１０の出力信号Ｖdrvの立ち上がりごとにＤ型フリップフロップ２１での比較結果を後段のＤ型フリップフロップ２２,２３に順次シフトして記憶、出力する。粉体有無判定回路３０は、Ｄ型フリップフロップ２１〜２３のＱ出力端子の電圧が全てハイレベルであるときに判定結果信号Ｖoutをハイレベルとし、Ｄ型フリップフロップ２１〜２３のＱ出力端子の電圧が１つでもローレベルであるときは判定結果信号Ｖoutをローレベルとする。

図４（Ａ）〜（Ｌ）は、図１に示すトナーセンサのタイムチャートである。図４（Ａ）は、掃引数１１ビット（発振周波数が2¹¹通り）の場合の発振回路１０の発振周波数の変化を示す。図４（Ｂ）は、発振回路１０の出力信号Ｖdrvの波形図である。図４（Ｃ）〜（Ｌ）では、図４（Ａ）,（Ｂ）の時間軸の一部を抽出し拡大して示している。

図４（Ｃ）は、トナーボックス内にトナーが有り、かつ外部からの振動や衝撃に起因する変動（以下「衝撃波」とも表記）が無い場合における、圧電素子５の端子電圧Ｖpの波形図である。図４（Ｄ）は、発振回路１０の出力信号Ｖdrvの波形図である。図４（Ｃ）,（Ｄ）の比較から明らかなように、トナーが有る場合は、衝撃波が無ければ、共振周波数付近においても発振回路１０の出力信号Ｖdrvに対して圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相遅れが発生する。

図４（Ｅ）は、発振回路１０の出力信号Ｖdrvを印加せずに外部からの振動や衝撃を加えた場合の圧電素子５の端子電圧Ｖpの波形図（衝撃波のみを抽出した波形図）である。このように、外部からの振動や衝撃があると圧電素子５はノイズ（衝撃波）を発生する。但し、ノイズは一時的であることが多く、長続きはしない。図４（Ｆ）は、トナーボックス内にトナーが有り、かつ衝撃波も存在する場合における圧電素子５の端子電圧Ｖpの波形図（図４（Ｃ）,（Ｅ）の合成に相当）である。本図に示すように、衝撃波の影響次第では、圧電素子５の端子電圧Ｖpが発振回路１０の出力信号Ｖdrvよりも先に立ち上がる。

図４（Ｇ）は、従来構成での判定結果信号Ｖout（センサ出力）の波形図である（但し圧電素子５の端子電圧Ｖpが図４（Ｆ）の場合）。なお、従来構成とは、発振回路１０の出力信号Ｖdrvに対する圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相進みが１回でも検出されればトナー無しと判定する構成である。図４（Ｈ）は、本実施の形態での判定結果信号Ｖout（センサ出力）の波形図である（但し圧電素子５の端子電圧Ｖpが図４（Ｆ）の場合）。図４（Ｇ）に示すように、従来構成では、衝撃波による圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相進み１回だけで、トナーが有るにも関わらずトナー無しと誤判定している（出力信号が立ち上がる）。これに対し、図４（Ｈ）に示すように、本実施の形態では、図３等で説明したとおりｎ回未満の位相進みではトナー無しと判定しないため、衝撃波による一時的な位相進みによる誤判定が生じていない。

図４（Ｉ）は、トナーボックス内にトナーが無く、かつ衝撃波も存在しない場合における圧電素子５の端子電圧Ｖpの波形図である。図４（Ｊ）は、発振回路１０の出力信号Ｖdrvの波形図である（図４（Ｄ）の再掲）。図４（Ｉ）に示すように、トナーが無い場合、共振周波数付近では圧電素子５の端子電圧Ｖpがサイン波に近くなり、発振回路１０の出力信号Ｖdrvに対して位相進みが発生する。

図４（Ｋ）は、従来構成での判定結果信号Ｖout（センサ出力）の波形図である（但し圧電素子５の端子電圧Ｖpが図４（Ｉ）の場合）。図４（Ｌ）は、本実施の形態での判定結果信号Ｖout（センサ出力）の波形図である（但し圧電素子５の端子電圧Ｖpが図４（Ｉ）の場合）。図４（Ｋ）に示すように、従来構成では、発振回路１０の出力信号Ｖdrvに対する圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相進み１回目でトナー無しと判定する（出力信号が立ち上がる）。他方、本実施の形態では、発振回路１０の出力信号Ｖdrvに対する圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相進み３回目でトナー無しと判定する（出力信号が立ち上がる）。これは、３回未満の位相進みではトナー無しと判定しない上記構成によるものである。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 発振回路１０の出力信号Ｖdrvに対する圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相進みが連続してｎ回であることを条件としてトナー無しと判定する構成のため、トナー有りの場合に、振動や衝撃に起因する圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相進みがｎ回未満であれば、トナー無しと誤判定することを防止できる。したがって、圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相進み１回だけでトナー無しと判定する場合と比較して、振動や衝撃が印加された際の誤判定を減らす又は無くすことが可能となる。また、振動や衝撃による誤判定防止機能を付したことで、振動の影響を受けやすくなる小型化にも有利である。

(2) 位相判定回路２０及び粉体有無判定回路３０において位相比較とトナー有無判定をデジタル的に処理するので、ノイズ（衝撃波）の周波数成分について考察をする必要がなく、圧電素子５の形状の要因で外来ノイズの周波数成分と圧電素子５の共振周波数とが重なって分別が付かない条件下でも誤判定の防止が可能である。

(3) 大部分がデジタル回路で構成され、キャパシタや抵抗等の個別部品が少ないため、ＩＣ化に向いており低コスト化に有利である。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

「ｎ」の値は、要求される仕様に応じて適宜設定すればよい。図５は、ｎ＝８の場合における、図１の位相判定回路２０及び粉体有無判定回路３０の例示的な回路図である。本図に示す位相判定回路２０及び粉体有無判定回路３０は、図３に示したものと比較して、シフトレジスタの段数が３段から８段（Ｄ型フリップフロップ２１〜２８）に増え、粉体有無判定回路３０への入力信号が３本から８本（Ｖd1〜Ｖd8）に増え、かつ粉体有無判定回路３０が８入力ＮＡＮＤゲート３１とインバータ３２（両者で８入力ＡＮＤゲートと同等）で構成されている点で相違し、その他の点で一致する。本図に示す位相判定回路２０及び粉体有無判定回路３０では、発振回路１０の出力信号Ｖdrvに対する圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相進みが連続して８回であることを条件としてトナー無しと判定し、８回未満の位相進みではトナー無しと判定しない。

図６は、図１の実施の形態の変形例に係るトナーセンサのブロック図である。本変形例では、位相判定回路２０は、発振回路１０の出力信号Ｖdrvの位相に対する圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相遅れが所定角度（例えば11.25°）以下であるか否かを判定する。以下、図１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

発振回路１０は、可変定電圧源１１と、電圧制御発振器１２（ＶＣＯ：Voltage-Controlled Oscillator）と、分周器１３とを有する。電圧制御発振器１２は、可変定電圧源１１からの制御電圧で動作する。分周器１３は、電圧制御発振器１２の出力信号を所定の分周比で分周する。分周比は例えば２^k（ｋは任意の自然数）で表され、ここではｋを４以上（分周比を１６以上）とする。なお、分周比は、２^kであると回路が簡素化できて効率がよいが、整数であれば任意の数値で構わない。分周器１３での分周後の出力信号Ｖdrvは、抵抗Ｒ１を介して圧電素子５に印加される。可変定電圧源１１の電圧を変化させることで、出力信号Ｖdrvの周波数を圧電素子５の共振周波数Ｆrを含む周波数範囲で掃引する。

位相判定回路２０には、発振回路１０の出力信号Ｖdrvに替えて、当該出力信号Ｖdrvと同周期で当該出力信号Ｖdrvよりも位相が所定角度（例えば11.25°）だけ遅れた位相判定用信号Ｖ_jdgを入力する。発振回路１０の出力信号Ｖdrvと位相判定用信号Ｖ_jdgの例示的な波形図を図７に示す。周辺回路による遅延の影響を受けることが予想される場合には位相判定用信号Ｖ_jdgの位相を適宜前後させることができる。位相判定用信号Ｖ_jdgは、周波数が発振回路１０の出力信号Ｖdrvの例えば２倍、４倍、８倍、１６倍の発振信号（例えば発振回路１０の有する分周器１３の上段からの出力信号）を用いた論理演算により位相判定用信号発生回路１７が生成してもよい。位相比較結果信号Ｖd1〜Ｖdnは、圧電素子５の端子電圧Ｖpが位相判定用信号Ｖ_jdgに対して位相遅れであるか位相進みであるかによって（すなわち発振回路１０の出力信号Ｖdrvに対する位相遅れが前記所定角度以下であるか否かによって）異なるレベルとなる２値信号となる。そして、粉体有無判定回路３０は、位相判定回路２０での、発振回路１０の出力信号Ｖdrvに対する圧電素子５の端子電圧Ｖpの位相遅れが前記所定角度以下であることの検出回数が、連続してｎ回以上であることを条件としてトナー無しと判定する。

検出対象の粉体は、実施の形態で例示のトナーに限定されず任意である。

５圧電素子
１０発振回路
２０位相判定回路
２１〜２８Ｄ型フリップフロップ
２９コンパレータ
３０粉体有無判定回路

Claims

圧電素子と、
少なくとも前記圧電素子の共振周波数又はその近傍の周波数の出力信号を前記圧電素子に印加する発振回路と、
前記発振回路の出力信号の位相に対する前記圧電素子の端子電圧の位相を判定する位相判定回路と、
前記位相判定回路での判定結果に基づいて粉体の有無を判定する粉体有無判定回路とを備え、
前記位相判定回路は、ｎ段（但し「ｎ」はｎ≧２を満たす任意の整数）のシフトレジスタを含み、
前記シフトレジスタは、前記発振回路の出力信号と同周期の位相判定用信号が所定のレベル遷移をしたタイミングで前記圧電素子の端子電圧のレベルを２値データとして１段目に記憶するとともに後段に順次シフトして、当該タイミングにおける前記圧電素子の端子電圧のレベルを２値データとして連続するｎ回分出力し、
前記粉体有無判定回路は、前記シフトレジスタの各段の出力信号がいずれも所定レベルであることを条件として粉体無しと判定する、粉体センサ。
前記位相判定用信号は、前記発振回路の出力信号、又は当該出力信号よりも位相が所定角度だけ遅れた信号である、請求項１に記載の粉体センサ。
前記圧電素子の端子電圧を２値信号に変換する変換手段を備え、２値信号に変換された前記端子電圧を前記シフトレジスタの１段目への入力とする、請求項１又は２に記載の粉体センサ。
前記発振回路は、前記圧電素子の共振周波数を含む周波数範囲で出力信号の周波数を掃引する掃引発振回路である、請求項１から３のいずれか一項に記載の粉体センサ。
前記粉体有無判定回路は、前記シフトレジスタの各段の出力信号を入力とする論理ゲートを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の粉体センサ。