JPH0926393A

JPH0926393A - 濃度センサ

Info

Publication number: JPH0926393A
Application number: JP17746795A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Oka; 弘幸岡; Yoriyoshi Yokoyama; 頼美横山; Kazuchika Hibiya; 一親日比谷
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1995-07-13
Filing date: 1995-07-13
Publication date: 1997-01-28

Abstract

(57)【要約】【構成】カラー複写機の液体トナーなど液体の濃度を
測定する光学式の濃度センサにおいて、寿命を長くし、
また小型かつ安価な構成で長時間無調整で使用できるよ
うにする。【解決手段】光源としてＩＲ−ＬＥＤ（赤外発光ダイ
オード）５を使用し、このＬＥＤ５からの光を被測定物
（液体トナーなど）中で少なくとも２方向に分岐させる
分岐プリズム６と、分岐された各々の光を受光するフォ
トダイオード７ａ，７ｂを上ケース１と下ケース２の間
の基板４に設ける。そして、一方のフォトダイオード７
ａを測定用、もう一方のフォトダイオード７ｂを基準用
としてこれらのフォトダイオード７ａ，７ｂの出力差か
ら被測定物の濃度を演算出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に液体トナーな
ど液体の濃度測定に適した光学式の濃度センサに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は複写機で使用される液体トナーの
濃度を測定する従来の濃度センサの概略構成を示す断面
図である。同図において、２１は液体トナー２２が満た
されたトナータンク、２３は発光源である小型電球２４
を点灯させる電源、２５はその小型電球２４からの光を
受光するＣｄｓ受光素子、２６はこの受光素子２５と出
力端子との間に介装された増幅器（ＡＭＰ）で、入力側
は抵抗Ｒを介して直流電源と接続されている。

【０００３】上記構成の濃度センサにおいては、発光側
に小型電球２４、受光側にＣｄｓ受光素子２５が配置さ
れ、これらの間に適切なギャップ（ｌ）が与えられてい
る。そして、このユニットを直接液体トナー２２につけ
ると、その液体トナー２２の濃度の変化に応じて光の透
過率が変化し、Ｃｄｓ受光素子２５の抵抗値が変化す
る。この抵抗値を増幅器２６によって電圧値にＲ／Ｖ変
換することにより、液体トナー２２の濃度に応じたセン
サ出力（電圧）が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の濃度センサにあ
っては、光源として電球を使用しているため、寿命が短
いとともに、被測定物の濃度の変化以外に光源の光の強
弱によってもセンサ出力値が変化するので、光源の経年
変化、電源変動の影響を受け易く、正確な測定を行うこ
とができないという問題点があった。また、発光素子を
直接被測定物（液体トナー）につけるので、安全性にも
問題点があった。

【０００５】本発明は、上記のような問題点に着目して
なされたもので、寿命が長く、かつ常に正確な濃度測定
を行うことができる濃度センサを提供することを目的と
している。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る濃度センサ
は、光源として発光ダイオードを使用し、この発光ダイ
オードからの光を被測定物中で少なくとも２方向に分岐
させる分岐手段と、分岐された各々の光を受光する各受
光素子とを備え、一つの受光素子を基準用、もう一つの
受光素子を測定用としてこれらの受光素子の出力から被
測定物の濃度を演算出力する演算手段を具備したもので
ある。

【０００７】また、上記分岐手段は、発光ダイオードか
らの光を全反射させて２方向に分岐させ、それらの出力
側を球形にしたものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る濃度センサの
構成を一部を切欠して示す分解斜視図である。同図中、
１，２は上ケース，下ケースでこれらはネジ３により中
の基板４とともに一体化される。

【０００９】５は光源として使用されるＩＲ−ＬＥＤ
（赤外発光ダイオード）、６はこのＩＲ−ＬＥＤ５から
の光を被測定物中で少なくとも２方向に分岐させる分岐
プリズム（分岐手段）、７ａ，７ｂはその分岐された各
々の光を受光する受光素子であるフォトダイオード（Ｐ
Ｄ）で、これらの各フォトダイオード７ａ，７ｂはＩＲ
−ＬＥＤ５及びコネクタ８とともに基板４に固定されて
いる。

【００１０】９は上述のケース内に組み込まれるフロー
セルで、バンド１０により固定されるようになってい
る。

【００１１】上記構成の濃度センサは、カラー複写機用
液体トナーの濃度を検出するのに適しており、発光部に
ＩＲ−ＬＥＤ５、受光部にフォトダイオード７ａ，７ｂ
を使用している。また、被測定物はイエロー（ＹＥＬＬ
ＯＷ）、マゼンタ（ＭＡＧＥＮＴＡ）、シアン（ＣＹＡ
Ｎ），ブラック（ＢＬＡＣＫ）の液体トナーとすると、
可視光領域の各波長領域では光の透過率が低いところが
あるので、センスする波長領域は赤外を使用している。

【００１２】ここで、本例では光源にＬＥＤ５を使用し
ているので、電球に比べて長期間使用でき、寿命が長い
が、経年変化が多少ある。このため、ＬＥＤ５の光源を
分岐プリズム６により二つに分け、受光部側に測定用と
基準用の二つのフォトダイオード７ａ，７ｂを設け、こ
れらのフォトダイオード７ａ，７ｂの出力差から被測定
物の濃度を測定している。

【００１３】従来の方法では、電球のバラツキ、経年変
化、取り付け誤差により出力の変化、個体別の違いがあ
ったが、上記のように光源を二つに分ける分岐プリズム
６を使用して、同じ光源で基準と測定物の二つの測定を
行い、二つの出力の商をとることにより、各種のバラツ
キをキャンセルすることができる。したがって、長期間
無調整で使用することができ、常に正確な測定を行うこ
とができる。

【００１４】このように、本例では一つ受光素子を基準
用、もう一つの受光素子を測定用としてこれらの受光素
子の出力差から被測定物の濃度を演算出力する演算手段
が備えられているが、次にその演算方法について具体的
に説明する。

【００１５】上記のように、基準、測定物、それぞれの
受光素子（フォトダイオード７ａ，７ｂ）の出力の商を
とることにより、光源であるＬＥＤ５のバラツキ、経年
変化、取り付け誤差をキャンセルできるが、更にＬｏｇ
アンプを利用することにより、濃度に対する出力電圧が
比例関係となる。このとき、センサ出力の電圧値Ｖは、
αを経年変化、バラツキ、取り付け誤差、Ｋを定数とし
て次式で表される。

【００１６】

【数１】

【００１７】また、分岐プリズム６を使用した場合、Ｌ
ＥＤ５の光軸のずれ、取り付け誤差により、分岐した光
は必ずしも１：１とはならない。そこで、出力を対数に
して、オフセット回路による調整で分岐の比率をキャン
セルすることができる。このとき、β１，β２を分岐し
た光の比率として、上記電圧値Ｖは次式で表される。

【００１８】

【数２】

【００１９】図２は上記分岐プリズム６の構造を示す図
である。この分岐プリズム６を使用することにより受光
部側に十分な光量が得られるが、この分岐プリズム６は
図に示すように、ＬＥＤ５からの光を全反射させて２方
向に分岐させるようにしており、またそれらの出力側を
球形にすることで、光をフォトダイオード７ａ，７ｂに
集中させている。

【００２０】図３は前述の演算手段を有するデータ処理
回路系の構成を示すブロック図である。図中、１１ａ，
１１ｂはフォトダイオード７ａ，７ｂの出力を増幅する
増幅器で、そのアナログ出力はＡ／Ｄ変換器１２により
デジタルデータに変換されて上記演算手段を構成するマ
イコン（マイクロコンピュータ）１３に入力される。１
４はＤ／Ａ変換器である。

【００２１】また、Ｌ１はデジタルテータ信号線、Ｌ２
はチャネル切換信号線、Ｌ３は光量調整信号線、Ｌ４は
演算データ信号線、Ｌ５は演算データ信号線である。

【００２２】ＬＥＤ５の明るさを変化させることができ
ると、被測定物の濃度が低く透過率の高いときは光量が
少なくても濃度を測定することができ、また透過率が低
いときは光量を増やしてフォトダイオード７ａ，７ｂが
飽和しないようにすることができる。これはセンサの省
電力化にもつながる。

【００２３】上記の動作をアナログ回路で行うと、部品
点数が多く、複雑化するので、コストや大きさの点で不
利となる。そこで、図３のマイコン１３を使用し、測定
物用のフォトダイオード７ａの出力をみて、ソフトウェ
アによる演算からＬＥＤ５の明るさをコントロールする
ことにより、回路の簡略化、コストダウンを図ることが
できる。

【００２４】またアナログ回路でＬｏｇ演算をする場
合、温度補償を行わなければならない。この温度補償用
の部品の精度が悪いと、センサ出力に悪影響を与える。
しかし、精度の高い部品は高価であり、コスト的に不利
となる。そこで、上述のダイオード７ａの測定物出力と
ダイオード７ｂの基準出力をＡ／Ｄ変換器１２に取り込
み、乗算、Ｌｏｇ演算をマイコン１３で行うことによ
り、Ｌｏｇアンプの温度補償による誤差を打ち消し、コ
ストダウンを図ることができる。

【００２５】また、被測定物の透過率が小さくなると、
測定用のフォトダイオード７ａに流れる光電流も小さく
なる。そして微少電流になると、フォトダイオード７ａ
の暗電流のバラツキが無視できなくなる。そこで、ＬＥ
Ｄ５を消したときのフォトダイオード７ａ，７ｂの暗電
流をマイコン１３で測定して、フォトダイオード７ａ，
７ｂのバラツキをソフトウェア演算時にキャンセルする
ようにしている。これは、被測定物の透過率が低いほど
有効になる。

【００２６】図４〜図７は、前述のイエロー、マゼン
タ、シアン、ブラックの液体トナーの濃度測定を行った
ときの発光波長（ｎｍ）と光の透過率（％）の関係を示
したものであり、８８０ｎｍの赤外波長で測定した場合
を示し、また濃度の単位〔ｇ／ｌ〕は１ｌ当たりのアイ
ソパーにまぜたトナーの量（ｇ）を示している。

【００２７】本例では、光量が変化してもセンサ出力値
は一定とすることができるので、ＬＥＤ５の経年変化に
強く、前述のように長時間無調整で使用することができ
るとともに、従来のように電球を直接液体トナーにつけ
ることもなく、安全性に問題はない。

【００２８】また、マイコン１３によるＬｏｇ演算、各
種補正により、小型で安価な濃度センサを実現すること
ができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、寿命が
長く、長時間無調整で使用でき、常に正確な濃度測定を
行うことができるという効果がある。また、簡単な構成
で、安価かつ安全なものにすることができるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る濃度センサの構成を示す分解斜
視図

【図２】分岐プリズムの構造を示す説明図

【図３】データ処理回路系の構成を示すブロック図

【図４】イエロー液体トナーの濃度測定時の発光波長
と透過率との関係を示す図

【図５】マゼンタ液体トナーの濃度測定時の発光波長
と透過率との関係を示す図

【図６】シアン液体トナーの濃度測定時の発光波長と
透過率との関係を示す図

【図７】ブラック液体トナーの濃度測定時の発光波長
と透過率との関係を示す図

【図８】従来例の構成を示す断面図

【符号の説明】

５ＩＲ−ＬＥＤ（赤外発光ダイオード）６分岐プリズム（分岐手段）７ａフォトダイオード（受光素子）７ｂフォトダイオード（受光素子）１３マイコン（演算手段）

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【手続補正書】

【提出日】平成８年４月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】

【数２】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】図４〜図７は、前述のイエロー、マゼン
タ、シアン、ブラックの液体トナーの濃度測定を行った
ときの発光波長（ｎｍ）と光の透過率（％）の関係を示
したものであり、ハロゲンランプで測定した場合を示
し、また濃度の単位〔ｇ／ｌ〕は１ｌ当たりのアイソパ
ーにまぜたトナーの量（ｇ）を示している。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源として発光ダイオードを使用し、こ
の発光ダイオードからの光を被測定物中で少なくとも２
方向に分岐させる分岐手段と、分岐された各々の光を受
光する各受光素子とを備え、一つの受光素子を基準用、
もう一つの受光素子を測定用としてこれらの受光素子の
出力から被測定物の濃度を演算出力する演算手段を具備
したことを特徴とする濃度センサ。
【請求項２】分岐手段は、発光ダイオードからの光を
全反射させて２方向に分岐させ、それらの出力側を球形
にしたことを特徴とする請求項１記載の濃度センサ。