JP2005337975A

JP2005337975A - 透磁率センサ

Info

Publication number: JP2005337975A
Application number: JP2004159408A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Maruyama; 雄三丸山
Original assignee: Neomax Kiko Co Ltd; Neomax Co Ltd
Current assignee: Neomax Kiko Co Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【課題】比較的簡単な回路を付加することにより、出力電圧を所定値以下に規制することができる透磁率センサを提供する。
【解決手段】透磁率センサは、発振回路１に接続される駆動コイルＬ１とこの駆動コイルＬ１に結合される基準コイルＬ２及び検知コイルＬ３を含む差動トランス２０を含む検知回路２と、差動トランス２０から出力された差動出力と発振回路１からの出力の位相を比較する位相比較回路４と、位相比較回路４から出力された矩形波を平滑化する積分回路５と、積分回路５の出力電圧を基準となる電圧を越えない値にクリップするリミット回路６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電子写真装置に搭載され、磁性現像剤の見掛け透磁率の変化を検出する透磁率センサに関する。

電子写真を利用した画像形成プロセスにおいては、感光体上に形成された静電荷像を現像するために、磁性現像剤、例えば鉄粉やソフトフェライト粉末等の磁性体粒子からなるキャリアと、結着樹脂と着色剤を含む非磁性トナーからなる二成分現像剤あるいは一成分系の磁性トナーが使用されている。二成分現像剤は、印字（複写）枚数の増加により、トナーが消費されて、磁性キャリアに対するトナーの重量比率(以下トナー濃度という)が低下すると、画像濃度が低下し、一方トナー濃度が高すぎると、地カブリが増大して、鮮明な画像が得られなくなる。そこで通常の電子写真装置においては、現像装置の内部に透磁率センサを設けて、現像剤中のトナー濃度を検出し、そのトナー濃度に応じた直流電圧を駆動回路に入力して、トナーの補給手段を駆動することが行われている。トナーセンサとしては、例えばトナー濃度の変化により現像剤の見かけ透磁率が変化することを検出する方式が、信頼性の点から主流である。特に、検出ヘッドに差動トランスを備え、その駆動コイルを交流駆動源で駆動し、かつ駆動コイルに結合された検知コイル及び基準コイルの差動出力によりトナー濃度を検出する差動トランス型の透磁率センサは、検出能力が高くまた、温度特性が良好で環境変化に対し安定した検出が可能なため、多用されている。また一成分系の磁性トナーで静電荷像を現像する場合には、トナーの残量により見掛け透磁率が変化するので、差動トランス型の透磁率センサは、一成分系の磁性トナーの残量を検出するためにも使用することができる。

差動トランス型の透磁率センサは、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されている。特許文献１には、交流で励振される駆動コイルと、この駆動コイルに結合される検出コイル及び基準コイルを有する作動トランスと、検出コイル及び基準コイルのインダクタンス分と、差動出力端子間に接続されたコンデンサとによって構成されかつ駆動コイルの励振周波数付近に設定された共振周波数をもつＬＣ共振回路を有する磁気的検知装置が記載されている。

特許文献２には、発振源に接続された駆動コイルと、駆動コイルに結合した基準コイル及び検出コイルからなる差動トランスと、差動出力と駆動電圧の位相差に応じた直流電圧を出力する信号処理回路とを備え、基準コイルと検出コイルの中間端子と接地端子との間に可変容量素子を接続したトナー濃度センサが記載されている。

特許第２５０１４２９号公報（第２〜３頁、図１）特開平３−１８１９７５号公報（第３頁、図１）

差動トランスを有する透磁率センサは、検出能力が高くしかも温度特性が良好で環境変化に対し安定した検出が可能であるという利点を有するが、次の点で改善が望まれている。すなわち現行の出電子写真装置においては、消費電力を低減するために駆動回路の駆動電圧を３〜４Ｖに抑えることが行われている。しかし通常の透磁率センサにおいては、トナー濃度に対応した直流電圧がそのままトナー補給手段の駆動回路に出力されると共に、その出力電圧は変動することがある。この駆動回路には、ＣＰＵ等のディジタル素子が組み込まれているので、透磁率センサの出力電圧が駆動電圧を越えると、駆動回路が破損するという問題がある。そこで透磁率センサ自体の駆動電圧が、出力電圧の上限に略等しいことから、回路部品の増加を伴わずに出力電圧を下げる最も簡便な方法として、透磁率センサ自体の駆動電圧を下げることが考えられる。しかし駆動電圧が低下すると、センサの感度が低下する、あるいはセンサの内部に設けられたＩＣの動作電圧が駆動電圧と略同じ値になることによりセンサの検出動作が不安定になるという別の問題が発生する。

従って本発明の目的は、比較的簡単な回路を付加することにより、出力電圧を基準の電圧以下に規制することができる透磁率センサを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の透磁率センサは、発振回路に接続される駆動コイルとこの駆動コイルに結合される基準コイル及び検知コイルを含む差動トランスを有する検知回路と、前記差動トランスから出力された差動出力と前記発振回路からの出力の位相を比較する位相比較回路と、前記位相比較回路から出力された矩形波を平滑化する積分回路と、前記積分回路の出力電圧を基準となる電圧を越えない値にクリップするリミット回路とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の透磁率センサにおいては、前記リミット回路は、ダイオードとそのカソードに接続された直流電圧源、ダイオードとそのカソードに接続された固定抵抗、あるいはダイオードとそのカソードに接続された可変抵抗で構成することができる。また前記リミット回路は、ダイオードと、直列に接続されたツェナーダイオード及び固定抵抗とを有し、かつ前記ダイオードのカソードは前記ツェナーダイオードと前記固定抵抗の中点に接続された構成とすることができる。さらに、前記リミット回路は、ダイオードとそのカソードを外部の直流電圧源に接続する接続端子を有する構成とすることもできる。

本発明の透磁率センサにおいては、前記リミット回路は、インピーダンス変換回路に接続されていることがより好ましい。

本発明によれば、位相検波出力を平滑化する積分回路の出力側に、積分回路の出力電圧が所定の電圧（例えばトナー補給手段の制御回路の駆動電圧）を越えない値にクリップするリミット回路を接続することにより、リミット回路にそのクリップ電圧よりも高い電圧が入力されてもクリップ電圧を超えた分はカットされ、もってセンサの出力電圧を所定値に収めることができる。このリミット回路は、例えば積分回路の後段にダイオードを接続することにより形成できるので、回路部品の増加を最小限に止めることができる。

以下本発明の詳細を添付図面により説明する。
図１は本発明の透磁率センサの構成を示す回路図、図２は、図１の主要部の構成を示す回路図、図３は位相比較回路を構成するＩＣの真理値表、図４は位相比較回路の演算動作を示すタイミング図である。図１に示すセンサ回路は、コンデンサＣ１、Ｃ２とディジタルＩＣ（ＩＣ１）を含む発振回路１と、発振回路１により駆動され、トナー濃度に応じた出力電圧が出力される検出回路２と、コンデンサＣ３とディジタルＩＣ（ＩＣ２）とそれに負帰還をかける抵抗Ｒ３からなる増幅回路３と、増幅された出力電圧（信号Ｂ）と発振回路１の高周波電圧（信号Ａ）の位相差に基づく電圧（信号Ｃ）を出力するディジタルＩＣ（ＩＣ３）を有する位相比較回路４と、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ６からなる積分回路５と、そこから出力された電圧を所定の電圧を越えない値にクリップするリミット回路６を備えている。

上記の検出回路２は、発振回路１に接続された駆動コイルＬ１と、駆動コイルＬ１に結合されトナー濃度に応じて出力電圧が変化する検知コイルＬ２と駆動コイルＬ１に結合されトナー濃度に応じて出力電圧が変化しない基準コイルＬ２を含み、検知コイルＬ２と基準コイルＬ３は出力電圧が相互に打消し合う方向に巻回された差動トランス２０が形成される。

図２に示すように、積分回路５の後段に設けられたリミット回路６は、ダイオードＤ１とそのカソードに接続された直流電圧源Ｅ１とで構成され、ダイオードＤ１のアノードは出力端子に接続されている。

上記の透磁率センサによれば、次のようにしてトナー濃度の検出が行われる。差動トランス２０の検知コイルＬ２の近傍に磁性キヤリアと非磁性トナーからなる２成分系の現像剤１０が存在している場合、発振回路１から出力された高周波電圧が駆動コイルＬ１に印加されると、基準コイルＬ３のインダクタンスは変化しないが、検知コイルＬ２のインダクタンスはトナー濃度の変化に基づく現像剤の見かけ透磁率の変化に応じて変化し、出力電圧の振幅と位相が変化する。この出力電圧（信号Ａ）が、位相比較回路４に入力されると、基準電圧の位相（信号Ｂ）と比較されて、位相差に応じた電圧（信号Ｂ）が出力される。この位相比較回路４では、論理ゲートとして図３に示すＥＸ−ＯＲ（排他的論理和）演算が行われて、図４に示すように基準となる発振出力（信号Ａ）と差動出力（信号Ｂ）の位相が同相の場合には０Ｖ、位相が丁度１８０°異なる場合には、５Ｖの直流となり、その中間の場合には位相差が大きいほど５Ｖの比率が高くなる。このようにして作成されたパルス状の出力信号（信号Ｃ）は積分回路５で平滑化されて、センサから所定の値（例えば３．３Ｖ）を示す直流電圧（信号Ｄ）が得られる。

本実施の形態では、積分回路５の後段に図２に示すリミット回路６が設けられているので、センサの出力電圧を所望の値にクリップすることが可能となる。すなわち、積分回路４から出力された直流電圧がリミット回路６に入力されると、ダイオードＤ１に印加される直流電圧よりも高い平滑後の電圧分はカットされて、その電位差分はダイオードＤ１を介して電源側に流れる。ここで、出力電圧Ｖ_Ｏは、ダイオードＤ１の動作電圧Ｖ_ＦとダイオードＤ１に印加される直流電圧Ｖ_Ｌとの和になり、Ｖ_Ｏ＝Ｖ_Ｆ＋Ｖ_Ｌで表される。従って出力電圧Ｖ_Ｏを所望の値にクリップするためには、ダイオードＤ１の動作電圧Ｖ_Ｆを考慮して直流電圧Ｖ_Ｌを設定すればよい。例えばダイオードＤ１の動作電圧Ｖ_Ｆが０．７Ｖの場合、ダイオードＤ１に印加される直流電圧Ｖ_Ｌを２．６Ｖに設定することにより、センサの出力電圧Ｖ_Ｏを３．３Ｖにクリップすることができる。

本発明においては、上記に限らず、図５及び図６に示す回路構成とすることができる。図５に示す回路は、リミット回路６の後段に、インピーダンス変換回路７を付加した以外は、図１と同様の回路構成を有する。このインピーダンス変換回路７は、ＮＰＮ型トランジスタ（以下単にトランジスタという）Ｔｒ_１のエミッタに負荷（抵抗Ｒ８）を接続し、エミッタと負荷の中点から出力を取り出すものである。リミット回路６は、図６に示すように（図２と同様）、ダイオードＤ１とそのカソードに接続された直流電源Ｅ１からなる。トランジスタＴｒ１は入力インピーダンスが高く、トランジスタＴｒ１にもダイオードＤ１と同様の動作電圧（０．７Ｖ）が存在するので、動作電圧以下では、ベースにほとんど電流が流れない。従ってこの回路では、上記と同様に３．３Ｖの出力電圧を得るためには、ダイオードＤ１に印加される直流電圧は、上記の直流電圧Ｖ_Ｌの値（２．６Ｖ）にトランジスタＴｒ１の動作電圧（０．７Ｖ）を加算した値とすることが必要となる。すなわちこの回路によれば、センサの出力電圧（３．３Ｖ）はダイオードに印加される直流電圧と等しくなるので、ダイオードに印加される直流電圧を調整すればそれが出力電圧になり、もってセンサの出力電圧の管理が容易になるという利点がある。

本発明においては、上記のリミット回路として、図７〜１０に示す回路構成を採用することができる。

図７に示すリミット回路６は、ダイオードＤ１のカソードを直列に接続された固定抵抗Ｒ１１と固定抵抗Ｒ１２の中点に接続したものである。このリミット回路６によれば、ダイオードＤ１に印加される直流電圧よりも高い平滑後の電圧分はカットされて、その電位差分はダイオードＤ１を介して電源側に流れる。

図８に示すリミット回路６は、直列に接続された固定抵抗Ｒ１１と固定抵抗Ｒ１２の間に可変抵抗ＶＲ１を接続し、ダイオードＤ１のカソードを固定抵抗Ｒ１２と可変抵抗ＶＲ１との中点に接続したものである。またダイオードＤ１のカソードを固定抵抗Ｒ１１と可変抵抗ＶＲ１との中点に接続してもよい。このリミット回路６によれば、ダイオードＤ１に印加される直流電圧よりも高い平滑後の電圧分はカットされて、その電位差分はダイオードＤ１を介して電源側に流れる。また可変抵抗ＶＲ１２を設けることにより、ダイオードＤ１に印加する直流電圧を容易に調整することができる。

図９に示すリミット回路６は、ダイオードＤ１のカソードを直列に接続された固定抵抗Ｒ１３とツェナーダイオードＺＤ１の中点に接続した定電圧回路である。このリミット回路６によれば、ツェナーダイオードＺＤ１は低い電圧でブレークダウンするので、ダイオードＤ１に印加される直流電圧よりも高い平滑後の電圧分はカットされて、その電位差分はダイオードＤ１を介して電源側に流れる。

図１０に示すリミット回路６は、ダイオードＤ１のカソードに接続端子６０を設けこの接続端子を電子写真装置の制御回路１００の直流電圧源Ｅに接続した構成を有する。このリミット回路６によれば、ダイオードＤ１に印加される直流電圧よりも高い平滑後の電圧はカットされて、その電位差分はダイオードＤ１を介して電源側に流れる。しかもこのリミット回路６は、電子写真装置の制御回路１００に設けられた直流電圧源を利用してダイオードＤ１に直流電圧を印加するため、リミット回路を簡素化できるという利点がある。

図５及び図６に示す回路構成を有する透磁率センサを使用してＣｕ−Ｚｎ系フェライトキャリア（重量平均粒径７０μｍ）と非磁性トナー（重量平均粒径８μｍ）からなる二成分現像剤を収容した磁気ブラシ現像装置を備えた電子写真装置に搭載して、ダイオードＤ１に印加する直流電圧（Ｅ１）を変化させて、センサ出力とトナー濃度の関係を求めた。センサ出力とトナー濃度の関係を図１１に示す。比較のために、リミット回路を省略した以外は上記と同様の回路構成を有する透磁率センサを使用して、上記と同様の条件でセンサ出力とトナー濃度の関係を求めた。センサ出力とトナー濃度の関係を同じく図１１に示す。このセンサは図１０の曲線ａで示す感度特性を有する。

図１１から、ダイオードＤ１に印加する直流電圧Ｅ１を変化させることにより、センサの出力電圧が曲線ｂ〜ｄに示すように変化することがわかる。また基準のトナー濃度に対応する出力電圧を例えば３．３Ｖとした場合、曲線ｂで示すようにダイオードＤ１に３．３Ｖの直流電圧Ｅ１を印加することにより、３．３Ｖの出力電圧が得られることがわかる。

本発明の実施の形態に係わる透磁率センサの回路図である。本発明のリミット回路を示す回路図である。ＥＸ−ＯＲ回路の演算動作を示すタイミング図である。ＥＸ−ＯＲ回路の真理値表を示す図である。本発明の他の実施の形態に係わる透磁率センサの回路図である。本発明のリミット回路の他の例を示す回路図である。本発明のリミット回路の他の例を示す回路図である。本発明のリミット回路の他の例を示す回路図である。本発明のリミット回路の他の例を示す回路図である。本発明のリミット回路の他の例を示す回路図である。本発明の実施の形態に係わる透磁率センサの出力電圧とトナー濃度の関係を示す図である。

符号の説明

１：発振回路、２：検出回路、２０：差動トランス、３：増幅回路、４：位相比較回路、５：積分回路、６：リミット回路、６０：接続端子、７：インピーダンス変換回路、１０：現像剤、１００：制御回路
Ｌ１：駆動コイル、Ｌ２：基準コイル、Ｌ３：検知コイル、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ６：コンデンサ、ＩＣ１、ＩＣ２：ロジックＩＣ、ＩＣ３：ＥＸ−ＯＲ回路、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ８、Ｒ１１、Ｒ１２：抵抗、ＶＲ１：可変抵抗、Ｔｒ１：トランジスタ、Ｄ１：ダイオード、ＺＤ１：ツェナーダイオード、Ｅ１：直流電圧源

Claims

発振回路に接続される駆動コイルとこの駆動コイルに結合される基準コイル及び検知コイルを含む差動トランスを有する検知回路と、前記差動トランスから出力された差動出力と前記発振回路からの出力の位相を比較する位相比較回路と、前記位相比較回路から出力された矩形波を平滑化する積分回路と、前記積分回路の出力電圧を基準となる電圧を越えない値にクリップするリミット回路とを備えたことを特徴とする透磁率センサ。
前記リミット回路は、ダイオードとそのカソードに接続された直流電圧源を有することを特徴とする請求項１記載の透磁率センサ。
前記リミット回路は、ダイオードとそのカソードに接続された固定抵抗を有することを特徴とする請求項１記載の透磁率センサ。
前記リミット回路は、ダイオードとそのカソードに接続された可変抵抗を有することを特徴とする請求項１記載の透磁率センサ。
前記リミット回路は、ダイオードと、直列に接続されたツェナーダイオード及び固定抵抗とを有し、かつ前記ダイオードのカソードは前記ツェナーダイオードと前記固定抵抗の中点に接続されていることを特徴とする請求項１記載の透磁率センサ。
前記リミット回路は、ダイオードと、そのカソードを外部の直流電圧源に接続する接続端子を有することを特徴とする請求項１記載の透磁率センサ。
前記リミット回路は、インピーダンス変換回路に接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の透磁率センサ。