| 【発明の名称】 |
トナー濃度センサ装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】川西 信也
【氏名】藤川 淳雄
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| 【要約】 |
【課題】トナー濃度センサの出力特性に影響を及ぼす回路上の問題点を解決したトナー濃度センサ装置を提供する。
【解決手段】赤外受光素子２の信号を処理するアンプを第１のアンプＯＰ１と第２のアンプＯＰ２とで構成し、第１のアンプＯＰ１は、プラス入力端子に基準電圧Ｖref1の入力端子と赤外受光素子２のカソード端子とを接続し、マイナス端子に赤外受光素子２のアノード端子を接続するとともに、感度調整用ボリュームＶＲ１を介してその出力側に接続し、第２のアンプＯＰ２は、プラス入力端子に基準電圧Ｖref1の入力端子を接続し、マイナス端子に第１のアンプＯＰ１の出力を第１の抵抗Ｒ２を介して接続するとともに、第２の抵抗Ｒ３を介してその出力側に接続し、かつ第１のアンプＯＰ１をＣＭＯＳのオペアンプによって形成するとともに、第２のアンプＯＰ２をバイポーラのオペアンプによって形成する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 赤外発光素子から感光体上の所定領域に赤外光を照射し、赤外受光素子にて受光される赤外光量に基づいて感光体に付着したトナー濃度を検出するトナー濃度センサ装置において、前記赤外受光素子の信号を処理するアンプが第１のアンプと第２のアンプとで構成され、前記第１のアンプは、プラス入力端子に基準電圧の入力端子と前記赤外受光素子であるフォトダイオードのカソード端子とが接続され、マイナス端子に前記フォトダイオードのアノード端子が接続されるとともに、感度調整用ボリュームを介してその出力側に接続され、前記第２のアンプは、プラス入力端子に基準電圧の入力端子が接続され、マイナス端子に前記第１のアンプの出力が第１の抵抗を介して接続されるとともに、第２の抵抗を介してその出力側に接続され、かつ前記第１のアンプがＣＭＯＳのオペアンプによって形成されるとともに、前記第２のアンプがバイポーラのオペアンプによって形成されていることを特徴とするトナー濃度センサ装置。
【請求項２】 前記第１のアンプの基準電圧及び前記第２のアンプの基準電圧が安定化されていることを特徴とする請求項１に記載のトナー濃度センサ装置。
【請求項３】 前記赤外発光素子をＬＥＤによって形成するとともに、このＬＥＤのカソードを電流制御部のコネクタに接続したことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のトナー濃度センサ装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、カラー複写機、カラープリンタ等のカラー画像形成装置において、カラー画像の形成に使用されるカラートナーおよびブラックトナーの濃度を検出するために使用されるトナー濃度センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】カラー複写機では、通常、感光体ドラム上に形成された静電潜像に、イエロー（Ｙｅ）、マゼンタ（Ｍｇ）、シアン（Ｃｙ）の３色のカラートナーを選択的に付着させてカラー画像を形成し、そのカラー画像を転写紙等に転写することにより、複写画像が形成される。このようなカラー複写機では、これら３色のカラートナーによって、ブラックを含む全てのカラーを再現することができるが、ブラックをより鮮明に表現するために、これら３色のカラートナーとともに、ブラックトナーを使用することも実施されている。
【０００３】カラートナーとともにブラックトナーを使用するカラー複写機では、良好な色再現性を得るために、感光体ドラムに付着したカラートナーおよびブラックトナーの濃度を検出するトナー濃度センサが使用されている。カラートナーおよびブラックトナーの濃度を検出するトナー濃度センサは、通常、モノクロ複写機においてブラックトナーの濃度を検出するために使用されるトナー濃度センサ装置と同様の構造になっている。
【０００４】図６（ａ）はカラートナーおよびブラックトナーの濃度検出に使用される従来のトナー濃度センサ装置の検出部の正面図、図６（ｂ）はその側面図である。このトナー濃度センサ５０は、感光体ドラム２０の所定領域２１に付着したトナーに対して赤外光を照射する赤外発光ダイオード５１と、その所定領域２１に付着したトナー２３によって反射された赤外光を受光する赤外受光素子５２とがケース５３内に配置された反射型になっている。赤外発光ダイオード５１は、感光体ドラム２０におけるトナー２３が付着される所定領域２１に対して、所定の傾斜角度で赤外光を照射するように配置されており、また、赤外受光素子５２は、感光体ドラム２０の所定領域２１にて鏡面反射（正反射）される赤外光を受光するように配置されている。
【０００５】このようなトナー濃度センサ５０では、赤外発光ダイオード５１から照射されて感光体ドラム２０の所定領域２１に付着したトナー２３にて反射された赤外光が赤外受光素子５２にて受光されるようになっており、赤外受光素子５２は、受光した赤外光の光量に対応した電圧を出力する。そして、赤外受光素子５２の出力電圧に基づいて、感光体ドラム２０の所定領域２１に付着したトナー２３の濃度が検出される。
【０００６】図７は、このようなトナー濃度センサ装置の電気的構成を示している。すなわち、赤外受光素子５２のカソード端子は、電流−電圧（Ｉ／Ｖ）変換回路を構成するオペアンプＯＰ１のプラス入力端子と基準電圧Ｖref1とに接続されており、赤外受光素子５２のアノード端子は、オペアンプＯＰ１のマイナス入力端子に接続されているとともに、抵抗Ｒ１を介してオペアンプＯＰ１の出力側に接続されている。また、オペアンプＯＰ１の出力は、抵抗Ｒ２を介してオペアンプＯＰ２のマイナス端子に接続されているとともに、出力端子とマイナス端子とが抵抗Ｒ３によって接続されており、オペアンプＯＰ１のプラス端子には、基準電圧Ｖref1が与えられている。また、アノード端子に駆動電圧ＶCC（５Ｖ）が与えられた赤外発光ダイオード５１のカソード端子は、固定抵抗を介してアース電位に接続されている。なお、図７中の符号２０は感光体ドラム、符号２２はトナーである。
【０００７】図８は、ブラックトナーの分光反射率を示すグラフ、図９は、感光体ドラム２０表面の分光反射率を示すグラフである。ブラックトナーは、図８に示すように、400 〜900nm の波長の光に対して低い反射率になっているが、感光体ドラム２０の表面は、図９に示すように、光の波長が大きくなるにつれて反射率が順次大きくなり、赤外領域の光に対しては、５０％以上の反射率になっている。
【０００８】感光体ドラム２０の所定領域２１にトナーが付着していない場合には、赤外発光ダイオード５１から照射された赤外光は、感光体ドラム２０の表面によって鏡面反射されるとともに、感光体ドラム２０の表面にて拡散反射される。トナー濃度センサ５０の赤外受光素子５２には、感光体ドラム２０の表面にて鏡面反射した光と、感光体ドラム２０の表面の反射率によって決まる拡散反射光とが受光される。
【０００９】これに対して、感光体ドラム２０の所定領域２１にブラックトナーが付着すると、ブラックトナーの付着量に応じて、感光体ドラム２０の表面によって鏡面反射する赤外光の量が減少するとともに、感光体ドラム２０の表面およびブラックトナーの双方にて拡散反射する赤外光の量も減少する。そして、ブラックトナーの付着量（ブラックトナーの濃度）が増加すると、最終的には、ブラックトナーによる拡散反射光のみが赤外受光素子５２によって受光されることになり、赤外受光素子５２の出力は一定となる。
【００１０】図１０（ａ）はイエロートナーの分光反射率を示すグラフ、図１０（ｂ）はマゼンタトナーの分光反射率を示すグラフ、図１０（ｃ）はシアントナーの分光反射率を示すグラフである。イエロートナーは、500nm 程度以下の波長の光に対しては反射率が低く、マゼンタトナーは500 〜600nm 程度の波長の光に対しては反射率が低く、シアントナーは600 〜800nm 程度の波長の光に対して反射率が低くなっている。従って、全てのカラートナーは、赤外領域の光に対しては反射率が大きく、また、図９に示した感光体ドラム２０の表面の赤外領域の光に対する反射率よりも大きくなっている。
【００１１】このようなカラートナーでは、感光体ドラム２０の表面に対する付着量（カラートナー濃度）が増加する（大きくなる）と、感光体ドラム２０表面による鏡面反射光量は減少する。しかし、感光体ドラム２０の表面による赤外光の反射率よりも各カラートナーによる赤外光の反射率が大きいために、感光体ドラム２０に付着する各カラートナー量が増加すると、拡散反射される赤外光の光量が増加することになる。そして、感光体ドラム２０表面に付着するカラートナー量が一定値以上になると、赤外受光素子５２には、感光体ドラム２０表面からの鏡面反射光は受光されず、カラートナーによる拡散反射光のみが受光される状態になり、赤外受光素子５２の出力は一定になる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ブラックトナーについてみると、トナー濃度が大きくなるにつれて、赤外受光素子５２の出力電圧Ｖ02が低下することになるが、この赤外受光素子５２の出力電圧Ｖ02が低下すればするほど、図７中のオペアンプＯＰ１の入力バイアス電流Ｉ0 が出力に影響を及ぼす（すなわち、Ｉ0 により出力に誤差が生じる）といった問題があった。
【００１３】また、図７中の基準電圧Ｖref1が、電源電圧の変動に伴って変化すれば、出力電圧Ｖ0 （Ｖ01，Ｖ02）も電源電圧の変動に伴って変化してしまうといった問題があった。
【００１４】また、赤外発光ダイオード５１の光量が低下すると、赤外受光素子５２の出力およびトナー濃度変化に対する出力変化量が小さくなる。そのため、この赤外受光素子５２の出力をそのままマイコンのＡ／Ｄポートに入力すると、Ａ／Ｄの分解能といった観点からみると悪い方向になってしまい、検出精度の低下につながる。逆に、周囲温度の変動等により赤外発光ダイオード５１の光量が増加すると、特にカラートナー濃度が高い濃度の場合には、出力電圧が飽和してしまうといった問題があった。
【００１５】本発明は係る問題点を解決すべく創案されたもので、その目的は、トナー濃度センサの出力特性に影響を及ぼす上記した回路上の問題点を解決したトナー濃度センサ装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、本発明の請求項１に記載のトナー濃度センサ装置は、赤外発光素子から感光体上の所定領域に赤外光を照射し、赤外受光素子にて受光される赤外光量に基づいて感光体に付着したトナー濃度を検出するトナー濃度センサ装置であって、前記赤外受光素子の信号を処理するアンプが第１のアンプと第２のアンプとで構成され、前記第１のアンプは、プラス入力端子に基準電圧の入力端子と前記赤外受光素子であるフォトダイオードのカソード端子とが接続され、マイナス端子に前記フォトダイオードのアノード端子が接続されるとともに、感度調整用ボリュームを介してその出力側に接続され、前記第２のアンプは、プラス入力端子に基準電圧の入力端子が接続され、マイナス端子に前記第１のアンプの出力が第１の抵抗を介して接続されるとともに、第２の抵抗を介してその出力側に接続され、かつ前記第１のアンプがＣＭＯＳのオペアンプによって形成されるとともに、前記第２のアンプがバイポーラのオペアンプによって形成されているものである。これにより、赤外受光素子の出力電流を正確に増幅し、出力することが可能となる。
【００１７】また、本発明の請求項２に記載のトナー濃度センサ装置は、請求項１に記載のものにおいて、前記第１のアンプの基準電圧及び前記第２のアンプの基準電圧が安定化されているものである。これにより、電源電圧が変動しても、センサの出力特性に影響を及ぼさない出力を得ることができる。
【００１８】また、本発明の請求項３に記載のトナー濃度センサ装置は、請求項１又は２のいずれかに記載のものにおいて、前記赤外発光素子をＬＥＤによって形成するとともに、このＬＥＤのカソードを電流制御部のコネクタに接続したものである。すなわち、赤外発光素子の光量変化に対して、外部より電流を可変し制御できるので、光量変化の影響を受けない特性を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】図１は、本発明のトナー濃度センサ装置の電気的構成を示すブロック図である。
【００２１】すなわち、赤外受光素子（以下、フォトダイオードという）２のカソード端子は、オペアンプ（第１のアンプ）ＯＰ１のプラス入力端子に接続されているとともに、このプラス入力端子には、定電圧回路８によって安定化された基準電圧Ｖref1が与えられている。また、赤外受光素子２のアノード端子は、オペアンプＯＰ１のマイナス入力端子に接続されているとともに、感度調整用ボリュームＶＲ１を介してオペアンプＯＰ１の出力側に接続されている。また、オペアンプＯＰ１の出力は、抵抗（第１の抵抗）Ｒ２を介してオペアンプ（第２のアンプ）ＯＰ２のマイナス端子に接続されているとともに、出力端子とマイナス端子とが抵抗（第２の抵抗）Ｒ３によって接続されており、オペアンプＯＰ１のプラス端子には、定電圧回路８によって安定化された基準電圧Ｖref1が与えられている。また、オペアンプＯＰ２の出力は、マイクロコンピュータを搭載した制御部６のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換入力端子に接続されている。
【００２２】また、アノード端子に駆動電圧ＶCC（５Ｖ）が与えられた赤外発光ダイオード（以下、ＬＥＤという）１のカソード端子は、制御部６によって制御される電流制御部７のコネクタ７ａに、制御端子１ａを介して接続されている。ＬＥＤ１は、制御部６による電流制御部７の制御によって駆動電流が制御されるようになっている。なお、図中の符号９は感光体ドラム、符号１０はトナーである。
【００２３】上記構成において、本発明のトナー濃度センサ装置は、オペアンプＯＰ１をＣＭＯＳのオペアンプによって形成し、オペアンプＯＰ２をバイポーラのオペアンプによって形成している。
【００２４】図２は、図１に示す定電圧回路８の構成例を示している。本例では、レギュレータ８１によって定電圧回路８を構成している。すなわち、レギュレータ８１の出力を抵抗Ｒ４とＲ５とで分圧した電圧を、オペアンプＯＰ３のプラス入力端子に導くとともに、基準電圧Ｖref1の出力端子をマイナス入力端子に帰還させた構成となっている。
【００２５】ここで、図１において、フォトダイオード２の出力電流ＩPD、感度調整用ボリュームＶＲ１の抵抗値Ｒ１、基準電圧Ｖref1より、【００２６】
【数１】
ＶX ＝Ｖref1−Ｒ１×ＩPD ・・・（１）
が成立する。
【００２７】また、上記（１）式のＶX 、基準電圧Ｖref1、抵抗Ｒ２、Ｒ３より、図１の出力電圧Ｖ0 は、【００２８】
【数２】
Ｖ0 ＝Ｖref1＋（Ｒ３／Ｒ２）×（Ｖref1−ＶX ） ・・・（２）
となり、（２）式に（１）式を代入すると、【００２９】
【数３】
Ｖ0 ＝Ｖref1＋（Ｒ３／Ｒ２）×Ｒ１×ＩPD ・・・（３）
となる。この（３）式は、トナー濃度により変化するＩPDを増幅した値がＶ0 となることを示している。
【００３０】この（３）式により得られるＶ0 のトナー濃度の特性例を図３に示す。以上の式は、理想的なＶ0 の式を示したが、実際には、オペアンプＯＰ１の入力バイアス電流Ｉ0 、オペアンプＯＰ２の入力オフセット電圧Ｖ0Sが出力に影響を及ぼし、出力の誤差となって表れる。そこで、上記（１）式においてＩ0 を考慮すると、【００３１】
【数４】
ＶX ＝Ｖref1−Ｒ１×（ＩPD−Ｉ0 ） ・・・（１′）
となる。また、上記（２）式においてＶ0Sを考慮すると、【００３２】
【数５】
Ｖ0 ＝（Ｖref1＋Ｖ0S）＋（Ｒ３／Ｒ２）×［（Ｖref1＋Ｖ0S）−ＶX ］
・・・（２′）
となり、（２′）式に（１′）式を代入すると、【００３３】
【数６】
Ｖ0 ＝（Ｖref1＋Ｖ0S）＋（Ｒ３／Ｒ２）×［（Ｖref1＋Ｖ0S）−ＶX ］
＝Ｖref1＋［（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ２］×Ｖ0S ＋（Ｒ３／Ｒ３）×Ｒ１×（Ｉ0P−Ｉ0 ） ・・・（３′）
となる。
【００３４】（３）式と（３′）式とを見比べると、［（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ２］×Ｖ0S、および（Ｒ３／Ｒ３）×Ｒ１×（−Ｉ0 ）の違いがある。これは、オペアンプＯＰ２のＶ0Sが（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ２倍されて出力誤差として表れること、およびオペアンプＯＰ２のＩ0 が（Ｒ３／Ｒ３）×Ｒ１倍されて出力誤差として表れることを示している。
【００３５】従って、これらオペアンプＯＰ１，ＯＰ２の特性に起因して生じる出力誤差を低減するためには、第１のアンプであるオペアンプＯＰ１に、Ｉ0 がバイポーラのオペアンプより小さいＣＭＯＳのオペアンプを使用し、第２のオペアンプであるオペアンプＯＰ２に、Ｖ0SがＣＭＯＳのオペアンプより小さいバイポーラのオペアンプを使用すればよいことがわかる。
【００３６】図１に示す回路において、出力電圧Ｖ0 は（３）式で表されるので、基準電圧Ｖref1が変動すると、Ｖ0 が変動してしまう。例えば、図５に示す回路により基準電圧Ｖref1を構成したとすると、【００３７】
【数７】
Ｖref1＝ＶCC×Ｒ５／（Ｒ４＋Ｒ５） ・・・（４）
としてＶref1を表すことができる。これは、ＶCCの変動によりＶref1が変動してしまうことを示している。
【００３８】そこで、本発明では、図２に示すように、定電圧回路（本例ではレギュレータ８１としている）より基準電圧を構成することにより、レギュレータ８１の出力Ｖr （例えば、３Ｖ）は、ＶCC（例えば、５Ｖ）が変動しても変化しない。従って、【００３９】
【数８】
Ｖref1＝Ｖr ×Ｒ５／（Ｒ４＋Ｒ５） ・・・（５）
で表せるＶref1は、電源電圧ＶCCが変動しても、Ｖr が一定の値であるため、一定の値が得られることになる。つまり、（３）式で表されるＶ0 は、ＶCCの変動の影響を受けない特性が得られるようになる。
【００４０】次に、ＬＥＤ１の光量が変化したときの出力電圧の変動特性を図４に示す。ＬＥＤ１の初期の良好な出力特性を図４中に実線で示す特性（符号１１により示す）とすると、例えば周囲温度の変動等によってＬＥＤ１の光量が増加したとき、図４中に一点鎖線で示す特性（符号１２により示す）となり、出力が飽和してしまう領域（符号１２ａにより示す）がある。逆に、周囲温度の変動等によってＬＥＤ１の光量が減少したとき、図４中に二点鎖線で示す特性（符号１３により示す）となる。
【００４１】この場合、ＬＥＤ１が初期の良好な出力特性が得られる状態において、感光体８にトナーが付着していないとき（トナー濃度０mg／cm2 ）の出力電圧値（図４中の符号１１で示す特性のトナー濃度０mg／cm2 時の出力）を初期の出力電圧値として記憶部に記憶しておき、以後の使用中において感光体８にトナーが付着していないときの出力電圧値と、記憶部に記憶されている初期の出力電圧値とを定期的に比較し、実際の出力電圧値が初期の初期の出力電圧値に一致するように、ＬＥＤ１の駆動電流を制御することが可能である。しかしながら、出力の変化量が初期の出力電圧特性（符号１１により示す）と比較して小さくなる方向のため、検出精度的には悪くなる方向となる。
【００４２】そこで、本発明では、ＬＥＤ１の電流をセンサ装置の外部に設けられた電流制御部７によって可変できるようにしている。これにより、トナー濃度０mg／cm2時の出力電圧Ｖ0 が初期値より変化した場合（すなわち、図４において符号１２，１３に示す特性となった場合）、符号１１により示す初期の出力特性となるように電流制御部７によりＬＥＤ１の電流値を可変する。これにより、ＬＥＤ１の発光光量が、周囲温度の変動や経時変化等により変化しても、ＬＥＤ１の電流を可変することにより、初期の特性と同じ特性を得ることができるものである。
【００４３】
【発明の効果】本発明の請求項１に記載のトナー濃度センサ装置は、赤外受光素子の信号を処理するアンプが第１のアンプと第２のアンプとで構成し、第１のアンプは、プラス入力端子に基準電圧の入力端子と赤外受光素子であるフォトダイオードのカソード端子とを接続し、マイナス端子にフォトダイオードのアノード端子を接続するとともに、感度調整用ボリュームを介してその出力側に帰還し、第２のアンプは、プラス入力端子に基準電圧の入力端子を接続し、マイナス端子に第１のアンプの出力を第１の抵抗を介して接続するとともに、第２の抵抗を介してその出力側に帰還し、かつ第１のアンプをＣＭＯＳのオペアンプによって形成するとともに、第２のアンプをバイポーラのオペアンプによって形成している。つまり、出力誤差の少ないオペアンプを使用した増幅回路の構成としたので、カラートナー濃度をより高精度に測定することができる。
【００４４】また、本発明の請求項２に記載のトナー濃度センサ装置は、第１のアンプの基準電圧及び第２のアンプの基準電圧を安定化しているので、電源電圧が変動しても、センサの出力特性に影響を及ぼさないため、カラートナー濃度をより高精度に測定することができる。
【００４５】また、本発明の請求項３に記載のトナー濃度センサ装置は、赤外発光素子をＬＥＤによって形成するとともに、このＬＥＤのカソードを電流制御部のコネクタに接続した構成としている。すなわち、赤外発光素子の光量変化に対して、外部より電流を可変し制御できるので、光量変化の影響を受けない特性を得ることができるため、カラートナー濃度をより高精度に測定することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５０４９
【氏名又は名称】シャープ株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）９月１２日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】倉内 義朗
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| 【公開番号】 |
特開平１１−８４７６８ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）３月３０日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２４８５６９ |
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