粉体水平传感器 压电式 LTS（3端子型自激振荡）系列 TSP（2端子型他激振荡）系列 Issue date: February 2012 ●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。 (1/8) 粉体水平传感器 LTS，TSP系列 TDK 压电式粉体水平传感器是以压电陶瓷为传感元件的 TDK 独有传 感器。 利用传感器内部振荡电路使之振动的传感器部分通过与粉体接触， 使振动条件发生变化，从而检测粉体的存在。 采用定制 IC 的他激振荡方式 TSP 系列进一步实现了稳定的动作。 特点 ●是以压电陶瓷为传感元件的TDK独有传感器。 ●外装以印模压铸成型，所以不易受到外部振动的影响，具有稳定 的检测特性。 ●对磁性粉和非磁性粉均可检测。 ●传感器安装位置的设置简单易行。 ●分为ON/OFF输出的数据输出型（D型）和连续变化输出的模拟输 出型 （A型）两种 （数据输出型为开路集电极输出）。 ●小型低成本。 用途 ●复印机， LBP 等的墨粉检测 ●饮料自动售货机的饮料等的粉体检测 ●其他各种粉体检测 产品名称的识别法 TSP 1 5 D 10 C - 01 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (1) 墨粉传感器的种类 LTS: 3 端子型自激振荡 TSP: 2 端子型他激振荡 (2) 传感器直径 1: ø11mm (3) 工作电压 5: DC.5V (4) 输出方式 D: 数字 A: 模拟 (5) 外壳形状 (6) 输出端子形状 C: 连接器直连 无 : 引线 (7) 个别管理号码 Sensor level 传感器水平的评价方法 按下图所示设置传感器，从上方供给粉体，传感器检测出 “ 有粉体 ” 时的水平即为传感器水平。 Mesh Sensor Powder · 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。 001-03 / 20120215 / cb461_ts.fm (2/8) 3 端子型自激振荡型，LTS 系列 工作原理 用印模压铸外壳支持在金属振动片上粘贴了压电元件的振动体，采 用通过自激振荡电路进行驱动的结构。 粉体接触到振动体时，振动体的振荡受到阻碍而停止振荡，从而检 测到粉体的存在。 传感器输出分为直接输出振荡波形的 “ 模拟输出型 ” 和通过 “ 整流 电路 ”，“ 积分电路 ”，“ 比较电路 ” 对振荡波形进行 HIGH-LOW 水平 双值输出的 “ 数字输出型 ”。 Self-oscillation circuit Rectifying circuit Integrating circuit Comparator circuit Digital output type Analog output type 电气特性 项目 工作输入电压 输入电流 工作温度范围 传感器水平 输出电压 HIGH 输出电压 LOW 规格 5V±0.5V 20mA max. 0 to 50°C 5mm±3mm 4.5V min. 0.5V max. 测定电路 数字输出型 2-ø3.3 2-ø6 IN 4.7kΩ 3.5 26±0.2 19 13 (16) (2) 17 11±0.2 3 8.5±0.2 形状 · 尺寸 Sensor OUT (18) V GND 0.5 2 7 11 4 0.5 ø11 2 5V 模拟输出型 Lot No. IN Dimensions in mm Sensor OUT 5V Oscilloscope GND · 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。 001-03 / 20120215 / cb461_ts.fm (3/8) 2 端子型他激振荡型，TSP 系列 工作原理 用印模压铸外壳支持在金属振动片上粘贴了压电元件的振动体，采 用通过他激振荡电路进行驱动的结构。 粉体接触到振动体时，振动体的振荡受到阻碍而检测到压电端子的 位相特性变化，从而检测到粉体的存在。 他激振荡电路，位相比较电路等全部通过 TDK 定制 IC 进行驱动。 本产品分为将传感器只作为振动体的结构，将电路部分全部在传感 器外部构成的 “IC 分离型 ” 和将所有信号处理全部在传感器内部进 行的 HIGH-LOW 水平 2 值的 “IC 内置型 ”。 Sweep oscllation Amplifier • Rectifying circuit Phase detection Cariculation process Comparator circuit IC inclusion type IC un-inclusion type 电气特性 项目 工作输入电压 输入电流 工作温度范围 传感器水平 输出电压 HIGH 输出电压 LOW 规格 5V±0.5V 20mA max. 0 to 50°C 5mm±3mm 4.5V min. 0.5V max. IC 内置型 形状 · 尺寸 测定电路 10 2 4 4 IN 8±0.2 2-ø6 0.5 4.7kΩ 6 14 4 3 2-ø3.3 Sensor OUT 5V 7.8 17 GND 4 12.5 25±0.2 V 2-C2 ø11 Lot No. 8.8 Pin No.3 Pin No.2 Pin No.1 Dimensions in mm · 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。 001-03 / 20120215 / cb461_ts.fm (4/8) IC 分宣型 形状 · 尺寸 传感器部分 测定电路 4 4 6 2-ø3.3 hole 2.5 Sensor control circuit Sensor 5V OUT ø11 ø16 4 6 V OUT GND 14 14 IN 17 12.5 8±0.2 3 IN ø11 4.7kΩ 25±0.2 2 4 1 + Side pattern 1 5 3 5 1 1.5 – Side pattern 15 Dimensions in mm 定制 IC 电路图 Cin Rin Sensor TSP15A10 Sweep oscillator IN 1 2 DRV VDD 3 MON Phase detection 4 GND Disposal VDD 8 Ri C0 RFA 7 FA Reversible 6 the polarity SL(to GND or VDD) 5 OUT C 0 : 10μF C in : 1000pF R in : 240kΩ R i : 10Ω RFA : 18kΩ IC 分离型使用注意事项 ●传感器部分和 IC 部分的连接距离要尽可能地短，请将其设置在 250mm以内。 ●传感器部分具有极性，请加以注意。 ●使用本类型产品时，请另行商洽。 · 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。 001-03 / 20120215 / cb461_ts.fm (5/8) 压电式粉体水平传感器 基本工作原理 压电振动型传感器的基本驱动原理和结构与压电发音体同样。 振动体采用了将在双面上形成电极的圆形压电陶瓷薄片贴在薄金属 片上的所谓 “ 单质 （unimorph） ” 的最普通结构 （Fig.1）。 Fig.1: Structure of 3-terminal piezoelectric unimorph vibrator Metal diaphragm (Vibrator) Piezoelectric disk 压电振动型传感器结构需要让作为检测面的振动片在最前面，且要 平整。这是因检测面需要与粉体直接接触和需要定期擦拭该接触面 而 产 生 的 必 然 性，是 当 前 的 必 要 条 件。为 满 足 该 条 件，单 质 (unimorph) 和外壳的接合不是在单质的分节部接合，而是采用将其 周边部接合在外壳上的 “ 周边支持 ” 结构 （Fig.4）。 Fig.4.Unimorph mounting/support methods (a) Unimorph edge support (c) Diaphragm perimeter mounting Electrode 压电陶瓷在厚度方向上被分级处理。对于分极方向，如 Fig.2 所示， 从外部施加外加电压时，在分极方向上伸缩的同时，在与分极方向 呈直角的方向上也伸缩。 单质 (unimorph) 如前所述，由于一面贴在不因电场而伸缩的金属片 上，所以随着压电陶瓷的伸缩，会发生如 Fig.3 所示的挠曲。 将外加电压转换为交流信号后，便会反复发生该挠曲，从而使单质 (unimorph) 发生振动。 Fig.2: Movement of the piezoelectric element (b) Diaphragm perimeter support 周边支持的偏差对传感器的检测特性具有较大影响，因此，在单质 和外壳的接合中，需要使用具有弹性的硅树脂，并设法使接合面积， 接合厚度保持一定等。 Fig.5: Structure of piezoelectric vibrator type sensor ø11mm ø9mm Diaphragm(Phospher bronze) Fig.3: Flexing vibration Piezoelectric element Case (Zn die cast) Silicon ( polarization direction) Board for control circuit Electronic component · 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。 001-03 / 20120215 / cb461_ts.fm (6/8) 3 端子型粉体水平传感器 Fig.8: Frequency characteristics of gain and phase change with a contact load to be applied to piezoelectric vibrator surface 25 120 15 Fig.6: Electrode structure of 3-terminal piezoelectric vibrator Gain (dB) Piezoelectric disk 70 Gain max. 5 Metal diaphragm 170 Fr Phase 20 Gain –30 Phase (deg) 工作原理 “3 端子型粉体水平传感器 ” 采用的是在压电陶瓷上设置主电极和反 馈电极，以周边支持的单质 (unimorph) 的固有频率进行振荡的 “ 自 激振荡方式”。单质结构如Fig.6所示，并通过如Fig.7所示的驱动电 路进行自激振荡。 –5 –15 –80 –25 –130 –35 –180 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 Frequency (Hz) 25 170 Electrode Phase 15 120 Fig.7: Self-oscillation formula drive circuit with 3-terminal piezoelectric vibrator Q1 20 Gain –5 –30 –15 –80 –25 R6 –35 –180 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 Frequency (Hz) C3 R5 D1 R3 R4 25 170 15 120 70 从传感面振动片上无粉体接触，无负荷的状态慢慢增加负荷时的振 动特性如Fig.8所示。 无负荷时，能够使从主电极到反馈电极的Gain （增益）较大，并持 续进行振荡。 随着传感面上施加的负荷的增大， Gain （增益）会逐渐减小，施加 超过阈值的负荷时，便无法确保振荡所需的Gain（增益），此时振荡 便会停止。 通过判断有无该振荡并输出信号，可以检测到有无粉体。 Gain (dB) 5 Phase 20 –5 –30 –15 Phase (deg) D2 –130 Q2 C1 C2 Phase (deg) Gain (dB) R2 70 5 R1 –80 –25 Gain –130 –35 –180 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 ( ) Frequency Hz Fig.9: Input and output waveform of piezoelectric vibrator Input voltage Eout Eout Ein Ein Gain Output voltage Amplifier · 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。 001-03 / 20120215 / cb461_ts.fm (7/8) 2 端子型粉体水平传感器 Fig.12: Frequency characteristics of impedance and phase change with contact load to be applied to piezoelectric vibrator surface 50 Phase (deg) Piezoelectric disk 18000 70 Fig.10: Structure of 2-terminal piezoelectric unimorph vibrator Metal diaphragm 20000 90 max. 16000 14000 30 12000 10 10000 –10 Impedance –30 –50 6000 Fr 4000 Phase –70 8000 Impedance () 工作原理 “2 端子型粉体水平传感器 ” 采用的是在压电陶瓷的两面上全面设置 电极，对该两面的电极从外部施加交流信号并以此进行驱动的 “ 他 激振荡方式 ” （Fig.10）。 2000 由于是从外部输入交流信号使其振荡，所以即使象 “3 端子型 ” 那样 施加负荷，振荡也不会停止。 因此，在判断有无传感面负荷使利用的是单质的特性变化。 在 Fig.11 的等价电路中，Cd 为静电容量，L0 为等价质量，C0 为等 价刚性的逆数， R0 为等价机械电阻。 在Fig.12中，阻抗最小的频率为等价电路的L0，C0，R0的串联共振点。 Phase (deg) Electrode 90 20000 70 18000 50 16000 14000 30 12000 10 10000 –10 Impedance –30 6000 –50 Fig.11: Equivalent circuit of 2-terminal piezoelectric unimorph vibrator 8000 Impedance () R0 –90 0 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 Frequency (Hz) 4000 Phase –70 2000 Phase (deg) “2 端子方式 ” 传感器的单质在无负荷时在共振点附近显示诱导性， 此外则显示容量性。 然而，当施加在传感面上的负荷增加时，其位相特性会慢慢发生变 化，施加一定以上的负荷时，便会在整个频率领域内显示容量性 (Fig.12)。 因此，通过检测单质共振点附近的位相可以判断出：如果是诱导性， 则传感面无负荷，如果是容量性，则正在施加负荷，由此能够检测 出传感面上有无粉体。 TDK 备有该 “2 端子方式 ” 传感器内部的专用 IC，实现了稳定的驱动 和检测。专用 IC 由骚免振荡电路，波形增幅整形电路，位相检测电 路和数字处理电路等构成。 为了将墨粉传感器共振频率的 6kHz 附近作为中心，用 4 ～ 8kHz 的 频率进行扫描，判断其间来自传感器的输入信号为诱导性还是为容 量性，如果在 1 次扫描间检测到诱导性，则为 “ 无负荷 ”，如果未检 测到诱导性，则作为 “ 有负荷 ” 进行 1 次信号输出。 尽管以这样的信号输出仍可检测到有无墨粉，但为了缓和检测初期 的传感器输出颤动（传感面反复检测到墨粉的有无），提高检测精度 而配备了计数器。 通过该计数器，可作为 2 次输出进行传感器的最终信号输出，从而 进行稳定的墨粉检测。 90 20000 70 18000 50 16000 14000 30 12000 10 10000 –10 –30 –50 8000 Impedance 6000 Impedance () C0 R0 Cd L0 –90 0 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 Frequency (Hz) 4000 –70 2000 Phase –90 0 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 Frequency (Hz) · 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。 001-03 / 20120215 / cb461_ts.fm (8/8) 使用注意事项 【共同项目】 ●墨粉传感器的检测面使用了极薄的金属片及压电元件，因此在使 用时要注意不要对检测面施加机械性应力。 ●浪涌和静电可能引发传感器电路及压电元件的损伤，因此要考虑 采取接地等措施。 【3 端子型】 ●LTS型在外壳上施加有电位，因此工作室请勿连接地线（GND）。 【2 端子型】 ●为防止内部逻辑电路的误动作，传感器工作电源的 OFF 时间请确 保达到1ms以上。 ●将传感器部分和驱动IC分离使用时，请将连接距离设定在250mm 以内。 ●分离使用时，请另行商洽。 可靠性试验 高温保存试验 在 +60°C 的环境中放置 240 小时后，要能够正常工作。 低温保存试验 在 –20°C 的环境中放置 240 小时后，要能够正常工作。 耐湿稳定试验 在 +30°C/25(%)RH 的环境中放置 240 小时后，要能够正常工作。 耐湿稳定试验 在 +40°C/95(%)RH 的环境中放置 240 小时后，要能够正常工作。 振动试验 以 10 ～ 55Hz，振幅 0.7mm 的振动为 1 分周期，在 x，y，z 各方向 上分别施加 2 小时后，要能够正常工作。 · 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。 001-03 / 20120215 / cb461_ts.fm