碳粉浓度/余量传感器

碳粉浓度/余量传感器
磁导率检测型
TS 系列
Type:
TS-L （双面基板型）
TS-A （单面基板型）
TS-K （单面基板型）
Issue date:
December 2009
●记载内容，在没有予告的情况下有可能改进和变更，请予以谅解。
● RoHS 指令的对应：表示除了依据 EU Directive 2002/95/EC 免除的用途之外，未使用铅，镉，汞，六价铬及特定溴系难燃剂 PBB， PBDE 等。
(1/6)
碳粉浓度/余量传感器
TS-L，-A，-K系列
为了通过 PPC 复印机及激光打印机等稳定获得清晰的图像，始终将
碳粉（色素粉末）和载体（磁性粉末）配比保持在最佳状态是非常
重要的。
TDK 的可编程碳粉传感器就是以将两者的配合比始终保持在适当程
度为目的而开发的产品，可通过利用与配合比相对应的直流输出电
压维持最佳状态。
特点
●是一种通过采用高性能铁氧体磁心的差动变压器方式工作的可编
程碳粉浓度传感器，内置电压控制调整功能，因此只需对控制线
施加直流电压，即可让传感器的动作点在广泛为内进行变化。
●控制输入线可以布设任意长度，因此可以将传感器的调整点设置
在装置最容易操作的位置上。
●控制范围广泛，可以简单地进行因显影剂的变更等引起的动作点
的重新设定。
●通过利用CPU对控制电压进行控制，可实现自动调整。
●多色印刷装置也可通过改变控制电压简单地对各种颜色相对应的
动作点的变动进行补正，所以无需按照每种颜色准备动作点各不
相同的传感器，只需一个传感器即可应对所有颜色。
●因属于超小型形状，可简单地设定传感器的设置点。
电气特性
电源电压输入
额定输入电压 Edc(V)
电源输入消耗电流 (mA)
控制电压输入
额定控制电压输入 Edc(V)
控制输入消耗电流 (mA)
控制电压输入范围 Edc(V)
控制输入阻抗 (M)
模拟输出特性
输出电压 B(V)
输出电压 A(V)
输出可变幅度 B(V)
输出阻抗 (k)
输出滤波器时间常数 (s)
输出纹波 EP-P(mV)
温度变动 (V)
数字输出特性
数字输出电压 :H(V)
数字输出电压 :L(V)
数字输出电流 :H(mA)
数字输出电流 :L(mA)
电平比较仪
阈值电压 (V)
24±5%
最大20
7
最大10
2 to 24
1±10%
RoHS指令对应产品
产品名称的识别法
A， K 系列 （单面基板型）
TS
(1) (2)
(3) (4) (5) (6)
(7) (8)
(6) 形状
A: L型（传感器直径ø10mm）
K: 小型（传感器直径 ø8mm）
(7) 规格序号
(8) 制造商编号
C: 连接器型
E: 空载传感器等
(7)，(8)为本公司指定的使用序号
(1)系列名称
(2)内部工作温度
标准 05: 5V
(3)供给电压
标准 24: 24V
(4)模拟输出
A: 模拟输出　有
N: 模拟输出　无
(5)数字输出
D: 数字输出　有
N: 数字输出　无
L 系列 （双面基板型）
TS
(1) (2)
(3) (4) (5)
(1)系列名称
(2)内部工作温度
标准 05: 5V
(3)供给电压
标准 24: 24V
(4)传感器部分的结构
L: TH 磁心式
(6) (7)
(5) 传感器部分突出长度（L）
A: 3.0mm
B: 4.5mm
(6) 规格序号
(7) 制造商编号
C: 连接器型
E: 空载传感器等
(6)，(7) 为本公司指定的使用序号
2±0.2 [常温常湿]
3.3±0.3 [常温常湿]
最小1[根据Vc:2V的变化]
150±10% at DC
最大1
最大20
最大±0.5 0 to +50°C(从25°C起的变动)
最小4.5
最大0.5
最大0.4
最大0.5
2.5±0.5　模拟输出电压
●上述数值为可编程碳粉传感器 TS0524LB-X 的值。
● RoHS 指令的对应：表示除了依据 EU Directive 2002/95/EC 免除的用途之外，未使用铅，镉，汞，六价铬及特定溴系难燃剂 PBB， PBDE 等。
· 记载内容，在没有予告的情况下有可能改进和变更，请予以谅解。
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形状 · 尺寸
单面基板型
A 系列
双面基板型
L 系列
68.0±0.2
9.5±0.1
46.0±0.2
38.0±0.1
6.0±0.2 ø8.0±0.2
6.5±0.2
1.5
45.0±0.5
ø3.5±0.2
4.5±0.1
57.0±0.2
3.5 +0.1
–0
4.0±0.2
1.5±0.2
31.0±0.5
8.0±0.1
2-ø3.2×3.5
6.5±0.5
ø6.0±0.2
14.0±0.5
Label
(3)
12.0±0.2
14.0±0.2
4.0±0.2
ø3.5±0.2
Label
(1.5)
ø10.0±0.1
Dimensions in mm
ø10.0 +0
–0.1
Dimensions in mm
K 系列
63.5±0.5
55.3±0.5
Label
11.0±0.2
4.0±0.15
4.0±0.05
4.0±0.15
1.5±0.1
ø3.5±0.2
10.0±0.1
42.0±0.1
ø6.8±0.1
ø3.2±0.2
ø8 +0
–0.1
Dimensions in mm
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(3/6)
← Z in =1MΩ
0.01μF
Control
input
+24V(+12V)
特性例
碳粉浓度 - 输出特性
5
4
Vout (V)
5kΩ
50kΩ
10kΩ
Power supply
voltage 12V
动作点调整
Digital
output
0
5
4
Vout (V)
3
2
Analog output
1
10kΩ
+
2 SC 2712
(GR)etc.
(H f e >200)
+24V(+12V)
Analog
output
6V
7V
8V
9V
Toner density (Relative scale)
温度特性
2 SC 2712 etc.
Digital output
5
4
Vout (V)
Digital
output
CNT
5V
0
数字输出缓冲器
5.1kΩ
Toner density (Relative scale)
控制电压 - 输出特性
模拟输出滤波器时间常数增加
(Z out =150kΩ)
2
1
+24V (+12V)
50kΩ
0.01μF
(Z out =150kΩ)
1MΩ
200kΩ
数字输出阈值电压调整
3
动作点切换
3
2
1
0
–10
+24V
0
10
20
30
Temperatue (˚C)
Control
input
40
50
60
高温高湿负荷试验
60˚C, 95 (%) RH
Vout (V)
2.3
2.1
1.9
1.7
1.5
Initial value
72
240
Time (h)
500
1000
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(4/6)
使用注意事项
为了获得可编程碳粉传感器的稳定工作，请注意以下各项。
此外，数值为一般设计上的参考标准。
传感器的检测灵敏度根据设置传感器的显影剂容器的材质，形状及
输出显影剂的结构会受到为妙的影响，所以采用特殊的设计规格时
请另行商洽。
1. 关于传感器面附近的显影剂 （碳粉＋载体）量
传感器面附近的显影剂量（下图的 D）较少时（5mm 以下），传感
器面的检测灵敏度比所设定的灵敏度要低。
通过预先在电路上将传感器输出增幅，可以对检测感度的下降进行
补偿，但耐环境性及温度特性会出现劣化等，无法获得工作的稳定
性。
因此，进行显影剂容器及输出结构的设计时，请将显影剂的最少量
（下图的 D 值）设计为6mm 以上。
Developer
D
Sensor face
3. 关于碳粉传感器附近的导电体的影响
传感器附近存在导电体时，也会有引起传感器动作点变动的危险，
但只要保持一定程度的距离，通过重新设定动作点便可恢复正常工
作。
但是，如下图所示，在导电体极端接近传感器的状态下，有时会出
现超出传感器动作点调整范围的情况。
A
D < 5mm
D < 5mm
A
A: Conductors such as aluminum plates
此外，如下图所示，如果将传感器本体直接安装到铝等导电体上，
传感器线圈的驱动电力有时会在铝片上短路，导致完全不工作的情
况。
定制型虽然可以工作，但与安装状态和动作点的变动幅度有着密切
关系，所以会导致各个装置的动作点有所偏差，使调整变得复杂。
Toner sensor
2. 关于碳粉传感器附近的外部磁场的影响
如果将传感器设置在会对传感器本体施加直流磁场的环境（传感器
附近有直流磁场发生源时等）下，根据直流磁场强度，预先设定的
传感器动作点会发生变动。
External DC magnetic field H
A
A
A: Conductors such as aluminum plates
将传感器本体安装到铝片等导电体体上时，如下图所示，要将传感
头周围挖开最低 ø30mm 以上，并填入所料片等之后，再安装传感
器本体。
但是，即使采取此类对应措施后，安装状态的偏差较大时，传感器
动作点仍可能发生变动。
øD > 30mm
A
此外，各个装置所发生的直流磁场的强度各不相同时，需要根据各
自的直流磁场强度重新设置传感器动作点。基本上，要求设置在没
有直流磁场影响的设置环境，但设计上有所制约时请另行商洽。
External DC magnetic field H
还有，施加在传感器本体上的直流磁场高出一般水平时，在传感器
部分设置有磁力屏蔽磁心的定制型会如前图所示，显影剂中所含的
磁性粉末（载体）会积存在磁心位置，有时会导致无法正常工作
（采用体积较小的磁心的标准TS-L系列几乎不会发生此类现象）。
B
B
A
A: Conductors such as aluminum plates
B: Non-conductive material such as plastic
4. 关于检测输出的纹波发生原因
检测输出的纹波发生于传感器附近的显影剂流动不稳定时。
根据纹波的大小，控制精度有时会出现显著降低，因此，为了能够
总是进行稳定的检测，在进行传感器安装位置的设计时，请对显影
剂的流动（流量的稳定性）加以充分考虑。传感器内部内置有吸收
纹波的滤波器，因此只要是通常的纹波水平几乎不会有问题。
但是，所发生的纹波超过一般水平变得较大时，有时会出现以下不
良状况。
· 记载内容，在没有予告的情况下有可能改进和变更，请予以谅解。
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Output
(5/6)
E4
P1 P2
E2
P3
E0
P6
P0
E1
E3
C2
C1
C0
P4 P5
Toner density or equivalent
developer magnetic resistance
C3
C4
上图是显影剂不稳定的流动形成检测输出纹波时的表现样态的模
型。现在，以动作点 C0 为重心，假设显影剂的流动中发生
C0 C1 C0 C2 C0 的较小幅度的波动。
这种不稳定的流动反映为输出纹波 E1 ～ E2 的波动。
这种情况下，如果输出纹波的波动幅度在传感器的动作范围内，通
过对输出信号进行滤波，可获得稳定的传感器特性。
但是，显影剂的流动为极端不稳定的C0C3C0C4C0 时，如
输出纹波的峰值显示为E3，E4 一般，有超过传感器饱和范围的危险
性。
在这种情况下，传感器只在 P0 P1 之间和 P2 P3 P4 之间以及
P5 P6 之间进行传感动作，而在P1 P2 之间和P4 P5 之间，传感
器处于饱和状态，无法进行原本可以发挥的传感动作。
也就是说，这意味着传感器灵敏度将大幅度降低。
当然，通过滤波可以减少纹波成分。
然而，由于传感器灵敏度本身因饱和而有所降低，所以滤波后，为
了维持与发生未达到饱和的较小纹波时同等的传感器灵敏度，需要
事先提高传感器的灵敏度。
不过，传感器灵敏度的提高意味着相对于显影剂流量变化 （不稳定
性）的灵敏度的提高，因此输出纹波也会变大，无法得到良好的效
果。
而且，即使提高传感器灵敏度， S/N 比也不会发生变化，因此控制
精度也不回提高，还会伴随着发生耐环境性劣化等问题，结果造成
阻碍稳定工作的倾向会有所增强。
此外，作为避免发生较大纹波的必要性之一，有如下所述的事项。
并且，对该输出进行滤波所获得的平均输出 EA 和 EB 也自然会出现
不同结果。
也就是说，该模型显示，在饱和以前的传感器动作领域中完全发挥
相同特性的两个传感器，因较大纹波因素的干预而显示各自不同的
输出，进一步出现传感器灵敏度也发生微妙偏差的问题。
发生较大纹波时，为了让各个传感器保持同一输出水平和传感器灵
敏度，需要事先分别调整传感器灵敏度，这并不是非常困难的作
业。
通过以上的考察可知，输出纹波问题并不单纯是滤波器特性上的问
题，为了让各个装置分别进行稳定工作，可以说是一个极其重要的
课题。
此外， TDK 可编程碳粉传感器因内置滤波器，所以传感器输出中所
表现的纹波是滤波后的成分。
进行显影剂容器的设计时，建议暂时去掉传感器的滤波器 , 首先观
察直接反映显影剂不稳定性的原纹波成分。
5. 关于传感器灵敏度和传感器输出电压的关系
TDK 可编程碳粉传感器考虑了与现有其他产品的兼容性，用输出中
心值为 2.5V 和 5V 的产品进行比较，对于相同的碳粉浓度变化，5V
产品产生的输出电压变化约是 2.5V 产品的 2 倍。
这表示，关于传感器本身的灵敏度，对于相同的 V/wt%，5V 产品约
是 2.5V 产品的一半。
上述内容反过来说，5V 产品比 2.5V 产品更能够大幅度改善耐环境特
性。
鉴于以上原由，在进行新装置的设计时，建议采用 5V 产品。
Output
E2
EA
EB
a
b
C0
C1
E1(a)
E1(b)
Toner density or equivalent
developer magnetic resistance
C2
前途还是假设显影剂的流动为极其不稳定的C0C1C0C2C0 时
的模型。
用该模型设定 A 和 B 两个传感器。两个传感器只在饱和点上有所不
同，而在其他方面则是完全相同的传感器。
将传感器A的饱和点设为a，将传感器的饱和点设为b。
与C0C1C0C2C0 的流量变化相对应的输出纹波也分为E1(a)
～E2 とE1(B)～E2。
· 记载内容，在没有予告的情况下有可能改进和变更，请予以谅解。
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1-2. 位相识别器引起的模拟输出变化
Phase discriminator
output
基本工作原理 （差动变压器型碳粉浓度 / 余量传感器）
1. 工作原理
碳粉传感器检测磁性显影剂的碳粉浓度 / 余量。
因显影剂为磁性体，磁性显影剂较少时，磁阻便会变大，相反磁性
显影剂较多时，磁阻便会变小。
如果检测出显影剂磁阻的大小，便可得知碳粉浓度 / 余量，但由于磁
阻的变化非常小，所以其检测需要花费一些工夫。
V2
V0 (Low quantity of toner)
V0 (Medium quantity of toner)
V0 (Much quantity of toner)
V3–ΔV3
1-1.差动变压器型传感器的检测原理
V3
Much quantity
of toner
V3+ΔV3
L2
V2
V0
L1
L3
Low quantity
of toner
V3
Toner
图 1-1 是差动变压器的原理图。由于差动变压器是将驱动线圈 L1，
检测线圈 L3，基准线圈 L2 设于同一磁心的变压器，所以用高频
（500kHz）驱动 L1，差动输出 V0 为：
V0=(V2–V3)
在这里，假设关于标准浓度 / 余量的检测，两基准线圈的输出电压为
V30， V20，设计为 V30=V20 时，浓度 / 余量变化所引起的检测线圈输
出变化量相对于 V3 为：
V0=V20–(V30+V3)=–V3
2. 电路及工作
是如图 2-1 所示的电路，也将 EX-OR 门用于位相比较器，OSC，波
形整形。
· IC1作为 Colpitts OSC 工作，以约500kHz 对驱动线圈进行驱动。
· IC2作为波形整形反相器工作，将差动输出整形为矩形波。
· IC3作为位相比较器工作。
· C1为共振用电容器，起着在传感器面上没有显影剂时将模拟输出
偏置控制在最小程度的作用。
· R1用于将模拟输出灵敏度保持在适当的程度。
2-1. 碳粉浓度传感器电路
R1
微小变化 V3 即为差动输出。
然而，对于通常的显影剂，相对于检测面附近的碳粉余量的 10g 变
化量， V3 为了在0.1左右下检测电压的变化，需要10倍左右的直流
增幅器，传感器的稳定度会大幅度降低。
为了在不损害稳定度的情况下获得较大的输出变化，可以采用识别
位相的方式代替作为电压识别 V3 的方法。
1
1-2. 采用位相识别方式的差动变压器型传感器
在前一项中，为了获得传感器输出 V3，将标准浓度 / 余量时的基准
线圈输出 V20 及检测线圈输出 V30 设为 V30=V20，但在位相识别方式
中，则设为：
标准浓度 /余量
V20>V30
V20<V30+V3
C1
即，
浓度 /余量小 或者标准浓度 / 余量
V0=V20–V30>=0
V0=V20–V30–V3<0 浓度 /余量大
差动输出 V0 的位相以标准浓度 / 余量为界逆转。
如果通过位相识别器对这种位相变化进行识别，相对于碳粉浓度 / 余
量，可以获得较大的电压输出。
在这里，为了使输出变化为模拟性，如果将基准线圈输出电压的位
相稍稍偏移，如图 1-2 所示，可以使输出进行模拟性变化。
Vcc
1/4 IC1
T
2
4
1/4 IC3
C3
R5
Analog output
C4
5
3
R2
C6
R3
Digital output
C2
1/4 IC2
Vcc
2-2. 碳粉浓度和输出信号的关系
Toner density
High
Middle
Low
1
2
3
H
4
L
Level signal
· 记载内容，在没有予告的情况下有可能改进和变更，请予以谅解。
001-02 / 20091221 / cb372_ts.fm