JPH089653Y2 - トナー検知用センサ回路 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、トナー検知用センサ回路に関し、更に詳し
くいえば、複写機、レーザプリンタ等において、トナー
の有無を検知するエンプティセンサとして利用されるも
のであり、特に、感度を高めて作動距離を長くできるよ
うにしたトナー検知用センサ回路に関する。

〔従来の技術〕

従来、複写機やレーザプリンタ等において、各種のト
ナー検知用のセンサを用いたものが知られていた（例え
ば、特開昭62-14038号公報、特開昭61-196257号公報、
特開昭61-109080号公報、特開昭61-112175号公報、特開
昭60-176070号公報参照）。

上記トナー検知用のセンサとしては、トナー濃度を検
知するセンサと、トナーの有無を検知するセンサ（エン
プティセンサ）とがある。

また、トナー（現像剤）には、鉄粉のよな磁性体の周
囲にトナーを付着させた一成分系トナー（又は1.5成分
系トナー）と、磁性体とトナーとが混在した二成分系ト
ナーとがある。

上記トナーの有無を検知するセンサ（エンプティセン
サ）は、通常の場合、一成分系トナーの検知に用い、ト
ナーの濃度を検知するセンサは、二成分系トナーの検知
に用いる。

本考案の対象とするのは、一成分系トナーを用いたも
のであり、トナーの有無を非接触で検知するためのセン
サ（エンプティセンサ）である。

このようなトナー検知用センサとしては、従来次のよ
うなものが知られていた。

第５図は、従来例におけるトナー検知用センサ回路の
説明図であり、（Ａ）はセンサ回路の原理説明図、
（Ｂ）はコイルの配置説明図である。

図において、L₁は第１のコイル、L₂は第２のコイル、
L₃は第３のコイル、eiは交流電源を示す。

第１のコイルL₁と第２のコイルL₂とは、差動トランス
を構成するようになっており、前記コイルに発生する電
圧V₁、V₂は図示のように逆向きとなっている。

第３のコイルL₃は出力コイルであり、前記電圧V₁とV₂
との差に（V₁−V₂）が出力される。

この出力電圧（V₁−V₂）を検出することにより、トナ
ーの検知を行うものである（実際には、基準値との位相
差を検出）。

また、上記のコイルL₁、L₂、L₃は、例えば（Ｂ）のよ
うに配置されている。

即ち、第２のコイルL₂を外側に配置し、その上に第３
のコイル（出力コイル）を置き、更にその上に第１のコ
イルL₁を積層配置する。

そして、第２のコイルを配置した面を、一成分系トナ
ーの磁性体（磁性粉）に近接させて配置する。

このようにすると、上記磁性体の有無により、透磁率
μが変化する。透磁率μが変化すると、第３のコイルL₃
から出力される電圧V₁−V₂が変化するから、この変化に
よりトナーの有無が検知可能となる。

上記のようなトナー検知用センサを用いて、一成分系
トナーの有無を検知する場合、トナー等を入れたカート
リッジに取り付けて使用するのが一般的である。

ところで、最近、トナーだけでなく、各種の現像用装
置等の一式を１つのカートリッジ内に収納し、トナーが
無くなったらカートリッジを使い捨てにするものが開発
されている。

このような使い捨て型のカートリッジは、なるべく低
コストにする要請がある。したがって、再利用可能な部
品は、なるべく再利用することによりカートリッジのコ
ストを低減する必要がある。

そこで、上記トナー検知用センサをカートリッジの内
部ではなく、外側部に取りはずし自在に設け、カートリ
ッジを捨てる時に上記センサのみを取りはずして再利用
することが考えられる。

しかし、カートリッジは樹脂で作られており、機械的
強度を保つ必要があるため、所定の厚さを確保しなけれ
ばならない。

このため、カートリッジに外付けしたトナー検知用セ
ンサは、一成分系トナーを構成する磁性体との距離が大
きくなり、非接触で遠距離からのトナー検知をしなけれ
ばならない。

そして、従来のセンサでは、センサと磁性体との距離
が大きくなると、感度が低くなり、実質的にトナーの検
知ができなかった。

第６図は、従来例におけるトナー検知用センサの出力
特性を示した図である。

図の横軸はセンサと一成分系トナーを構成する磁性体
との距離（μｍ）を示し、縦軸はセンサの出力電圧
（Ｖ）を示す。

この曲線における傾斜は感度を示し、傾斜が急な程、
感度が高いことを示す。

曲線ア〜オは、センサと磁性体との距離が約1000（μ
ｍ）までの間で実験したものであり、曲線アが最も感度
が高く、オが最も悪い曲線である。

即ち、従来のトナー検知用センサの実験例では、ほぼ
600（μｍ）前後で感度が非常に悪くなり、それ以上離
れた状態では、トナーの検知ができないことが明らかで
ある。

〔考案が解決しようとする課題〕

上記のような従来のものにおいては、次のような欠点
があった。

（１） 一成分系トナーを用い、現像装置等の一式を１
つのカートリッジに収納し、使い捨て型としたカートリ
ッジに、トナー検知用のセンサを外付けし、非接触でト
ナーの有無を検知する場合には、センサとトナーとの距
離が大きく、前記センサの感度が不足しているため、ト
ナーの検知をすることとは困難であった。

（２） トナー検知用のセンサを高感度にするため、コ
アを入れたり、コイル径を大きくすることも考えられる
が、このようにすると、周囲の磁界からの影響があり、
誤動作の原因ともなって実現不可能であった。

また、センサが大型化し、高価となる欠点があった。

本考案は、上記のような従来の欠点を解消し、トナー
検知用センサの感度を向上させて作動距離を長くし、ト
ナー検知用センサをカートリッジに外付けしても、非接
触で十分にトナーの有無が検知できるようにし、かつト
ナー検知用センサを小型で低コストにすることを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本考案は次のようにした
ものである。

第１図は、本考案のブロック図である。図において、
30は発振器、31はインピーダンス変換回路、32は増幅器
（アンプ）、33は位相比較器、34はフィルタ、OUTは出
力端子、C1はコンデンサ、L₁は第１のコイル、L₂は第２
のコイル、L₃は第３のコイルを示す。

第１のコイルL₁と第２のコイルL₂とは、図示のように
差動トランスを構成するように差動的に結合されてお
り、第３のコイルL₃を出力コイルとしたものである。

第３のコイルL₃には、第１及び第２のコイルL₁及びL₂
による誘電電圧が発生し、出力信号を出す。

第３のコイルL₃とコンデンサC1とは、並列共振回路を
構成し、前記並列共振回路の共振周波数ｆ₀は、励振回
路を構成する発振器30の発振周波数の近傍に設定してお
く。

そして、例えば第２のコイルL₂をトナーに最も近い位
置に設けると、この第２のコイルL₂の磁路の透磁率μが
変化するため、電圧V₂が変化する。

この電圧V₂の変化が第３のコイルL₃に影響し、上記並
列共振回路の出力（位相）が変化する。

なお、電圧V₂が変化すると、並列共振回路の出力（位
相）が変化する理由は次の通りである。以下の説明で
は、V₁、V₂、V₃、V_d、V_Rは全てベクトルで示してある。

図１において、電磁結合による損失を考慮しなけれ
ば、第３のコイルL₃には、第１のコイルL₁による誘起電
圧V₁と、第２のコイルL₂による誘起電圧V₂が発生する。
このため、第３のコイルL₃に誘起する電圧をV₁、V₂と図
示したが、実際には前記コイル間の電磁結合による損失
が存在するため、第３のコイルL₃に誘起する電圧は、第
１のコイルL₁による誘起電圧V₁と、第２のコイルL₂によ
る誘起電圧V₁と、前記損失による抵抗成分、すなわち、
等価的な損失抵抗成分（以下「抵抗Ｒ」と記す）に発生
する電圧（以下「V_R」と記す）とのベクトル和の電圧で
ある。

また、第３のコイルL₃とコンデンサC1で並列共振回路
を構成しており、その出力電圧をV₃とすると、前記出力
電圧V₃は前記ベクトル和（V₃＝V₁＋V₂＋V_R）の電圧とな
る。但し、この場合、V₁とV₂は180°の位相差（逆位
相）であるため、V₁＋V₂はV₁とV₂の差の電圧（以下
「V_d」と記す）に等しい。

先ず、前記並列共振回路が純粋なLC回路と考えると、
第３のコイルL₃には第１のコイルL₁により誘起した電圧
V₁と、第２のコイルL₂により誘起した電圧V₂とのベクト
ル和の電圧V_d（V_d＝V₁＋V₂）が誘起する（｜V_d｜＝｜V₁
｜−｜V₂｜）。この場合、V₁とV₂は180°の位相差があ
るので、その絶対値の間に｜V₁｜＞｜V₂｜の関係であれ
ば、電圧V_d＝V₁＋V₂は電圧V₁と同相の電圧となる。

次に、前記コイル間の電磁結合による損失を考慮する
と、前記抵抗Ｒによる電圧V_Rが存在する。この場合、前
記電圧V_Rは電圧V₁、V₂に対して90°の位相差があり、略
一定の電圧値（｜V_R｜）である。従って、実際の並列共
振回路では、出力電圧V₃は、電圧V_dと電圧V_Rとのベクト
ル和（V₃＝V_d＋V_R）となる。この場合、電圧V₁に対する
電圧V₃の位相角をθ１とすると、θ１はθ１＜π/2の関
係となる（V₁に対してθ１の位相差がある）。

例えば、電圧V₂が小さい状態（｜V₁｜＞｜V₂｜）か
ら、大きくなった（｜V₂｜＞｜V₁｜）とする。この場
合、電圧V_R、及びV₁が一定で電圧V₂のみが大きくなり、
その絶対値が｜V₂｜＞｜V₁｜の関係になったとする。こ
のような状態では、電圧V_d（｜V_d｜＝｜V₂｜−｜V₁｜）
は電圧V₂と同相になる。

そして、出力電圧V₃は、電圧V_dと、電圧V_Rとのベクト
ル和（V₃＝V_d＋V_R）となる。この場合、電圧V₁に対する
電圧V₃の位相角をθ２とすると、θ２は、θ２＞π/2の
関係となる（V₁に対してθ２の位相差がある）。従っ
て、位相角θ１、θ２の間にはθ１＜θ２の関係が成り
立つ。すなわち、電圧V2が変化すると、並列共振回路の
出力（位相）が変化する。

上記共振回路の出力は、インピーダンス変換回路31を
通り、増幅器32で増幅され、位相比較器33に入力する。

この位相比較器33では、前記増幅器32からの出力信号
を、発振器30からの信号と位相比較し、フィルタ34を通
して出力端子OUTに出力する。

この時の位相比較出力により、トナーの有無を判断で
きる。

本考案では、上記のように、出力コイルを構成する第
３のコイルL₃と、コンデンサC1との並列共振回路の出力
に、インピーダンス変換回路を接続することにより、前
記並列共振回路の選択度Ｑを大にし、位相変化を大きく
する。

なお、並列共振回路の選択度Ｑを大にすると、並列共
振回路の出力の位相変化が大きくなる理由は次の通りで
ある。先ず、インピーダンス変換回路を設けることによ
り、選択度Ｑが大きくなる理由を説明する。

本願考案のインピーダンス変換回路31がない場合の回
路では、第３のコイルL₃とコンデンサC1の並列共振回路
の出力側に後段回路（例えば、アンプ）が接続されてい
る。この場合、前記後段回路の入力インピーダンスの抵
抗成分を抵抗ｒとすると、前記抵抗が前記並列共振回路
に並列接続された回路となる。

また、本願考案の回路では並列共振回路の出力側にイ
ンピーダンス変換回路31が接続され、更にインピーダン
ス変換回路31の出力側に前記後段回路が接続された回路
構成である。この場合、インピーダンス変換回路31の入
力インピーダンスの抵抗成分を抵抗R_iとすれば、前記抵
抗R_i（R_i＞ｒの関係がある）が前記並列共振回路に並列
接続された回路となる。

ところで並列共振回路では、選択度Ｑは抵抗成分
（R_i、或いはｒを含む抵抗成分）に比例する。このた
め、前記抵抗R_i、ｒの間にR_i＞ｒの関係を持たせれば、
本願考案の回路のＱを大きくすることができる。すなわ
ち、本願考案ではインピーダンス変換回路31を設けるこ
とにより、前記抵抗R_iを大きくすることができるので、
前記インピーダンス変換回路無しの回路よりも選択度Ｑ
を大きくすることができる。

次に、並列共振回路の選択度Ｑを大にすると、並列共
振回路の出力の位相変化が大きくなる理由を説明する。
一般的に並列共振回路では、選択度Ｑに比例した電圧
（元の電圧のＱ倍の電圧）が発生することは周知のこと
である。前記のように電圧V_dは電圧V₁と電圧V₂のベクト
ル和の電圧（V_d＝V₁＋V₂）であり、出力電圧V₃は、前記
電圧V_dと、電圧V_Rとのベクトル和（V₃＝V_d＋V_R＝V₁＋V₂
＋V_R）となる。

この場合、電圧V_Rは一定であり、電圧V₁、V₂が選択度
Ｑに比例して変化する。選択度Ｑが小さい場合は電圧
V₁、V₂も小さい。この場合電圧V₃は前記の関係があるの
で、その変化範囲を求めると次のようになる。

すなわち、V₃＝V_d＋V_R＝V₁＋V₂＋V_Rの関係があるの
で、この関係式において、V₂＝０とすればV₃＝V₁＋V_Rと
なる。この場合、電圧V₁に対する電圧V₃の位相角をΦ１
とすれば、Φ１＜π/2の関係となる。また、V₁＝０とす
ればV₃＝V₂＋V_Rとなる。この場合、前記電圧V₁に対する
電圧V₃の位相角をΦ２とすれば、Φ２＞π/2の関係とな
る。従って、電圧V₃は前記Φ１〜Φ２の範囲で変化する
ことになり、その変化する位相角の範囲はφ１となる
（φ１＝Φ２−Φ１）。

また、選択度Ｑが大きくなるとそれに比例して前記電
圧V₁、V₂も大きくなる（｜V₁｜、｜V₂｜が大になる）。
このため、電圧V₁、V₂は大きくなるが、電圧V_Rは一定の
ままである。

この場合にも、V₃＝V_d＋V_R＝V₁＋V₂＋V_Rの関係がある
ので、この関係式において、V₂＝０とすればV₃＝V₁＋V_R
となる。この場合、電圧V₁に対する電圧V₃の位相角をΦ
３とすれば、Φ３＜π/2の関係となる。また、V₁＝０と
すればV₃＝V₂＋V_Rとなる。この場合、前記電圧V₁に対す
る出V₃の位相角をΦ４とすれば、Φ４＞π/2の関係とな
る。従って、電圧V₃は前記Φ３〜Φ４の範囲で変化する
ことになり、その変化する位相角の範囲はφ２となる
（φ２＝Φ４−Φ３）。

なお、選択度Ｑが大きくなった場合、電圧V₁、V₂が大
きくなっているので、前記Φ１とΦ３との間には、Φ１
＞Φ３の関係があり、前記Φ２とΦ４との間には、Φ２
＜Φ４の関係がある。

従って、V_Rを一定として電圧V₁、V₂が大きくなれば、
位相角の変化範囲であるφ１、φ２の間にはφ１＜φ２
の関係が成り立つ。すなわち、並列共振回路の選択度Ｑ
を大にすると、前記選択度Ｑに比例して電圧V₁、V₂が大
きくなり、その結果、並列共振回路の出力の位相変化が
大きくなる（φ１＜φ２）。

これにより、トナー検知用センサの感度を高くするこ
とができるものである。

〔作用〕

上記のように構成したので、次のような作用がある。

今、例えば第２のコイルL₂をトナーに最も近い位置に
配置したとする。第１、第２、第３のコイルL₁、L₂、L₃
は３層に積層されて使用されるから、第２のコイルL₂の
みがトナーを構成する磁性体の影響を受ける。

したがって、トナーの量が変化すると、第２のコイル
L₂の近くにある磁性体が変化したことになり、透磁率μ
を変化させる。この変化により、第３のコイルL₃とコン
デンサC1から成る並列共振回路の出力位相はそれに応じ
て変化する。

この位相の変化は位相比較器33で検出され、これによ
り、トナーの有無が検知できる。

この場合、インピーダンス変換回路31により、上記共
振回路の選択度Ｑを大にできるから高感度となり、セン
サの作動距離を大にできる。

したがって、トナー検知用センサをカートリッジの外
側に取り付けても、十分にトナーの有無を検知できる。

〔実施例〕

以上本考案の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は、本考案の１実施例を示す回路図であり、第
１図と同符号は同一のものを示す。

図において、INは電源入力端子、Ｅは電源、GNDはグ
ランド端子、CNTは動作点変化用制御信号端子、AOUTは
アナログ出力端子、DOUTはデジタル出力端子、Ex-ORは
排他的論理和回路、ZDはゼナーダイオードを示す。

また、C1〜C9はコンデンサ、R1〜R9は抵抗、L₁は第１
のコイル、L₂は第２のコイル、L₃は第３のコイル、Ｄは
ダイオード、Tr₁〜Tr₂はトランジスタを示す。

インピーダンス変換回路31は、トランジスタTr₂、抵
抗R8、R9、コンデンサC2で構成する。

第３のコイルL₃とコンデンサC1とは並列共振回路を構
成し、この並列共振回路の選択度Ｑをインピーダンス変
換回路31により大にする。

なお、発振器としては、コルピッツ型発振回路で構成
した例である。

第３図は、トナー検知用センサの出力特性の比較例を
示した図（実験データ）である。

図において、イは従来例、ロ〜ニは本考案の上記実施
例における特性曲線を示す。

本考案の上記実施例では、端子CNTより入力する動作
点変化用制御信号を変化させ、従来例と同じスケールで
実験した例である。

図の横軸はトナー検出用センサと磁性体（一成分系ト
ナーを構成する磁性体）との距離（μｍ）を示し、縦軸
はセンサの出力電圧を示す。

図示のように、曲線イでは傾斜がゆるやかな曲線とな
っており、ロ〜ニでは急傾斜である。

この曲線の傾斜はセンサの感度で表わすもので、傾斜
が急になる程、感度が高い。

したがって、イのような従来の曲線では、感度が低い
が、ロ、ハ、ニのような本考案の曲線は高感度となるこ
とが明らかである。

結局、従来例では、ほぼ動作距離が600（μｍ）程度
になると、感度が非常に悪くなり、トナーの検出が困難
となる。

しかし、本考案の場合には、十分高感度であることが
明らかである。

第４図は、上記実施例において、センサと磁性体との
距離を十分大きくした場合の出力特性を示す曲線（実験
データ）を示す。

図示曲線のように、センサと磁性体との距離を10000
〔μｍ〕まで延長した場合でも、十分な感度を有するこ
とが明らかである。

上記第３図では、動作距離は1000〔μｍ〕までの特性
であるが、本考案では、センサとトナーとの距離が1000
0〔μｍ〕、すなわち１〔cm〕になっても十分に使用で
きる感度を有することが実験によって証明された。

〔考案の効果〕

以上説明したように、本考案によれば次のような効果
がある。

（１） トナー検出用センサにおける並列共振回路の出
力に、インピーダンス変換回路を接続することにより、
前記並列共振回路のＱを高くすることができ、その結
果、前記センサの感度を高くでき（従来例と比較して約
10倍）、作動距離を大きくできる（従来例の約10倍）。

したがって、現像装置等の使い捨て型カートリッジの
外側面等にトナー検出用センサを設け、非接触によるト
ナーの検出をすることが可能となる。

即ち、前記カートリッジの厚みだけセンサと磁性体と
が離れていても、十分にトナーの有無を検知することが
可能である。

このため、前記使い捨て型カートリッジの外側面等
へ、本考案のトナー検出用センサを取りはずし自在に固
定し、カートリッジの交換時にセンサのみを取りはずし
て再利用することも可能となる。

（２） センサの感度を高めるために、コイルにコア
（鉄心）を挿入したり、コイル径を大きくしたりするこ
となく、センサ回路の改良だけで実現できるため、トナ
ー検出用センサが大型化せず、磁気回路が複雑とならな
い。

したがって、小型で低価格のトナー検出用センサが得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案に係るトナー検知用センサ回路のブロ
ック図、 第２図は本考案の１実施例の回路図、 第３図はトナー検知用センサの出力特性の比較例を示し
た図、 第４図は上記実施例におけるセンサの出力特性を示した
図、 第５図は従来例におけるトナー検知用センサ回路の説明
図、 第６図は従来例のセンサ出力特性を示した図である。 30……発振器 31……インピーダンス変換回路 32……増幅器 33……位相比較器 34……フィルタ L₁……第１のコイル L₂……第２のコイル L₃……第３のコイル（出力用コンデンサ） C1……コンデンサ（共振用コンデンサ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 土田 敦子 東京都中央区日本橋１丁目13番１号 ティ ーディーケイ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−215863（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−86647（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−152280（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】一成分系トナーの有無を検出するトナー検
   知用センサ回路において、 第１のコイル（L₁）と、 前記第１のコイル（L₁）と差動的に結合され、前記トナ
   ーに最も近い位置に配置される第２のコイル（L₂）と、 前記第１のコイル（L₁）と第２のコイル（L₂）の励振用
   の発振器（30）と、 前記第１のコイル（L₁）と第２のコイル（L₂）の出力用
   コイルを構成する第３のコイル（L₃）と、 前記第３のコイル（L₃）と並列共振回路を構成するコン
   デンサ（C1）と、 前記並列共振回路の出力に接続されたインピーダンス変
   換回路（31）と、 前記インピーダンス変換回路（31）の出力を、前記発振
   器（30）からの基準となる出力と位相比較する位相比較
   器（33）とを設け、 前記インピーダンス変換回路（31）により、前記並列共
   振回路の選択度Ｑを大きくし、感度を高めたことを特徴
   とするトナー検知用センサ回路。