トナー濃度/残量センサ 透磁率検出型 TS シリーズ Type: TS-L（両面基板タイプ） TS-A（片面基板タイプ） TS-K（片面基板タイプ） Issue date: February 2007 ●製品をより正しく、安全にご使用いただくために、さらに詳細な特性・仕様をご確認いただける納入仕様書をぜひご請求ください。 ●記載内容は、改良その他により予告なく変更する場合がありますので、あらかじめご了承ください。 ●RoHS指令対応：EU Directive 2002/95/ECにもとづき、免除された用途を除いて、鉛、カドミウム、水銀、六価クロム、および特定臭素系難燃剤の PBB、PBDEを使用していないことを表します。 (1/6) トナー濃度／残量センサ TS-L、 -A、-Kシリーズ PPC 複写機やレーザビームプリンタなどにおいて、鮮明な画像を 安定した状態で得るためには、トナー（色素粉末）とキャリア （磁性粉末）の配合比を常に最良な状態に保つことが大切です。 TDK のプログラマブルトナーセンサは、両者の配合比を常に適正 に保つことを目的に開発された製品で、配合比に対応した直流出 力電圧を利用することにより、最適な状態を維持することができ ます。 特長 ●高性能フェライトコアを用いた差動トランス方式によるプログ ラマブルトナーセンサで、電圧制御調整機能が内蔵されていま すので、制御ラインに直流電圧を印加するだけで、センサの動 作点を広範囲に変化させることができます。 ●制御入力ラインを任意の長さに引き回すことができるので、装 置の最も操作しやすい場所に、センサの調整ポイントを設置す ることができます。 ●制御範囲がワイドですから、現像剤の変更などによる動作点の 再設定も容易に行えます。 ●制御電圧をCPUで制御することにより、自動調整化ができます。 ●多色刷り装置の場合でも、制御電圧を変えることで各色に対応 した動作点の変動を容易に補正できますので、色ごとに動作点 の異なるセンサを用意する必要もなく、ひとつのセンサで全色 をカバーできます。 ●超小型形状ですから、センサ設置ポイントの設定が容易です。 電気的特性 電源電圧入力 定格入力電圧 Edc(V) 電源入力消費電流 (mA) 制御電圧入力 定格制御電圧入力 Edc(V) 制御入力消費電流 (mA) 制御電圧入力範囲 Edc(V) 制御入力インピーダンス (MΩ) アナログ出力特性 出力電圧 B(V) 出力電圧 A(V) 出力可変幅 ∆B(V) 出力インピーダンス (kΩ) 出力フィルタ時定数 (s) 出力リプル EP-P(mV) 温度変動 (V) デジタル出力特性 デジタル出力電圧 :H(V) デジタル出力電圧 :L(V) デジタル出力電流 :H(mA) デジタル出力電流 :L(mA) レベルコンパレータ スレッシュホールド電圧 (V) 24±5% 20max. RoHS指令対応製品 品名の呼称法 A、K シリーズ（片面基板タイプ） TS (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (1)シリーズ名 (2)内部動作電圧 標準 05: 5V (3)供給電圧 標準 24: 24V (4)アナログ出力 A: アナログ出力 有 N: アナログ出力 無 (5)デジタル出力 D: デジタル出力 有 N: デジタル出力 無 (6)形状 A: Lタイプ（センス径ø10mm） K: 小形（センス径ø8mm） (7) 仕様連番 (8)製造元密番 C: コネクタタイプ E: エンプティセンサ 等 ∗ (7)、(8)は、当社指定使用連番 L シリーズ（両面基板タイプ） TS (1) (2) (3) (4) (5) (1)シリーズ名 (2)内部動作電圧 標準 05: 5V (3)供給電圧 標準 24: 24V (4)センサ部構造 L: THコア式 (6) (7) (5)センサ部突出長さ（L） A: 3.0mm B: 4.5mm (6) 仕様連番 (7)製造元密番 C: コネクタタイプ E: エンプティセンサ 等 ∗ (6)、(7)は、当社指定使用連番 7 10max. 2 to 24 1±10% 2±0.2 [ 常温常湿にて ] 3.3±0.3 [ 常温常湿にて ] 1min.[Vc:2V の変化による ] 150±10% at DC 1max. 20max. ±0.5max. 0 to +50°C(25°C からの変動 ) 4.5min. 0.5max. 0.4max. 0.5max. 2.5±0.5 アナログ出力電圧 ●上記数値はプログラマブルトナーセンサ TS0524LB-X の値です。 ●RoHS指令対応：EU Directive 2002/95/ECにもとづき、免除された用途を除いて、鉛、カドミウム、水銀、六価クロム、および特定臭素系難燃剤の PBB、PBDEを使用していないことを表します。 製品をより正しく、安全にご使用いただくために、さらに詳細な特性・仕様をご確認いただける納入仕様書をぜひご請求ください。 記載内容は、改良その他により予告なく変更する場合がありますので、あらかじめご了承ください。 001-03 / 20070222 / jb372_ts.fm (2/6) 形状・寸法 片面基板タイプ A シリーズ 両面基板タイプ L シリーズ 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 シリーズ 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 製品をより正しく、安全にご使用いただくために、さらに詳細な特性・仕様をご確認いただける納入仕様書をぜひご請求ください。 記載内容は、改良その他により予告なく変更する場合がありますので、あらかじめご了承ください。 001-03 / 20070222 / jb372_ts.fm (3/6) 0.01µF +24V(+12V) 特性例 トナー濃度 - 出力特性 5 4 Vout (V) ← Z in =1MΩ Control input 5kΩ 50kΩ 10kΩ Power supply voltage 12V 動作点調整 3 2 Digital output 1 +24V (+12V) 0 50kΩ 0.01µF (Z out =150kΩ) 1MΩ 200kΩ デジタル出力スレッシュホールド電圧調整 コントロール電圧 - 出力特性 5 4 アナログ出力フィルタ時定数増加 2 Analog output 1 10kΩ + 3 Vout (V) Analog output 2 SC 2712 (GR)etc. (H f e >200) +24V(+12V) (Z out =150kΩ) 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 デジタル出力バッファ 5.1kΩ Toner density (Relative scale) 動作点切り替え 3 2 1 0 –10 +24V 0 10 20 30 Temperatue (˚C) Control input 40 50 60 高温高湿負荷試験 60˚C, 95 (%) RH Vout (V) 2.3 2.1 1.9 1.7 1.5 Initial value 72 240 Time (h) 500 1000 製品をより正しく、安全にご使用いただくために、さらに詳細な特性・仕様をご確認いただける納入仕様書をぜひご請求ください。 記載内容は、改良その他により予告なく変更する場合がありますので、あらかじめご了承ください。 001-03 / 20070222 / jb372_ts.fm (4/6) ご使用時の留意点 プログラマブルトナーセンサの安定した動作を得るために以下の 点にご留意ください。 なお数値は、一般的な設計上の目安です。センサの検知感度は、 センサが設置される現像剤容器の材質、形状および現像剤を搬出 する構造により微妙な影響を受けますので、特殊な設計仕様の場 合は、別途ご相談ください。 3. トナーセンサ近傍の導電体の影響について センサ本体近傍に導電体が存在する場合もセンサ動作点に変動が 引き起こされる危険がありますが、ある程度の距離が保たれてい れば、動作点を再設定していただくことで正常な動作に復帰でき ます。しかし、下図のように導電体がセンサに極端に近接した状 態では、センサ動作点の調整範囲を超えることがあります。 A 1. センサ面近傍の現像剤（トナー＋キャリア）の量について センサ面近傍の現像剤の量（下図のD）が少ない場合（5mm 以 下）、センサ面の検知感度は設定された感度より低下します。あ らかじめ回路的にセンサ出力を増幅しておくことで検知感度の低 下を補償することは可能ですが、耐環境特性や温度特性が劣化す るなど、動作の安定性が得られなくなります。従って、現像剤容 器および搬出構造の設計時に、現像剤の最少量（下図の D 値）を 6mm 以上に設計してください。 Developer D Sensor face D < 5mm D < 5mm A A: Conductors such as aluminum plates また、下図のようにセンサ本体をアルミニウムのような導電体に 直接取り付けますと、センサコイルの駆動電力がアルミニウム板 でショートし、まったく動作しないことがあります。カスタムタ イプは動作可能ですが、取り付け状態と動作点の変動幅が密接に 関係しますので、装置ごとに動作点がバラつく結果となり、調整 が煩雑になります。 Toner sensor 2. トナーセンサ近傍の外部磁界の影響について センサ本体に直流磁界が印加されるような環境（センサ近傍に直 流磁界発生源がある場合など）に設置しますと、直流磁界強度に 応じてあらかじめ設定したセンサ動作点が変動してしまいます。 External DC magnetic field H A A A: Conductors such as aluminum plates アルミニウム板などの導電体にセンサ本体を取り付ける場合に は、下図のようにセンサヘッドの周囲を最低 ø30mm 以上くりぬ き、プラスチック板などを装填してからセンサ本体を取り付けて ください。ただし、このような対応策を施したのちでも、取り付 け状態のバラツキが大きい場合、センサ動作点が変動することが あります。 øD > 30mm A また、個々の装置によって発生する直流磁界の強度が異なる場合 は、それぞれの直流磁界強度に応じたセンサ動作点の再設定が必 要となります。基本的には直流磁界の影響のない設置環境が求め られますが、設計上の制約がある場合はご相談ください。 External DC magnetic field H なお、センサ本体に印加される直流磁界が一般レベルを上回る場 合、センサ部に磁気シールドコアを設けたカスタムタイプでは、 前図に示すように現像剤中に含まれる磁性粉体（キャリア）がコ ア位置にトラップされ、正常な動作が妨げられることがあります （体積の小さなコアを採用している標準TS-Lシリーズは、このよ うな現象はほとんど発生しません）。 B B A A: Conductors such as aluminum plates B: Non-conductive material such as plastic 4. 検知出力のリプル発生要因について 検知出力のリプルは、センサ近傍での現像剤の流れが不安定な場 合に発生します。リプルの大きさによっては、制御精度が著しく 低下することもありますので、常に安定した検知を行うために、 センサ取り付け位置の設計にあたっては、現像剤の流れ（流量の 安定性）にご配慮ください。センサ内部にはリプルを吸収する フィルタが内蔵されていますので、通常のリプルレベルならほと んど問題になりません。しかし、発生するリプルが一般レベルを しのぐ大きなものになりますと、次のような不都合が生じる場合 があります。 製品をより正しく、安全にご使用いただくために、さらに詳細な特性・仕様をご確認いただける納入仕様書をぜひご請求ください。 記載内容は、改良その他により予告なく変更する場合がありますので、あらかじめご了承ください。 001-03 / 20070222 / jb372_ts.fm 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 上図は、現像剤の不安定な流れが、検知出力のリプルとなって現 れる様子をモデル化したものです。いま、動作点 C0 を中心とし て、現像剤の流れにC0⇒C1⇒C0⇒C2⇒C0といった比較的小幅のゆ らぎが発生しているとします。その不安定な流れは、出力リプル E1 ∼E2 のゆらぎに反映されます。この場合、出力リプルのゆらぎ 幅がセンサの動作領域にあれば、出力信号をフィルタすることに より安定したセンサ特性が得られます。ところが、現像剤の流れ が C0⇒C3⇒C0⇒ C4⇒C0 と極めて不安定な場合は、出力リプルの ピークがE3、E4 に示すようにセンサの飽和領域を超えてしまう危 険性があります。このような場合、センサがセンシング動作を行 え るの は、P0⇒P1 間 と P2⇒P3⇒P4 間 お よ び P5⇒P6 間だ け で、 P1⇒P2 間と P4⇒P5 間ではセンサは飽和状態にあり本来発揮すべ きセンシング動作をしていません。つまり、このことはセンサ感 度の大幅な低下を意味します。 もちろん、フィルタリングによりリプル成分を低減することはで きます。しかし、飽和によりセンサ感度そのものが低下していま すので、フィルタリング後、飽和に達しない小さなリプル発生時 と同等なセンサ感度を維持するためには、あらかじめセンサ感度 を高めておく必要があります。ところが、センサ感度が高まるこ とは、現像剤の流量変化（不安定性）に対する感度が高まること を意味しますから、出力リプルも大きくなり良好な結果が得られ ません。しかも、センサ感度を高めても S/N 比は変わらないので 制御精度も向上せず、併せて耐環境特性が劣化するなどの問題も 生じ、結果的に安定動作が阻害される傾向が強まります。 つまり、飽和以前のセンサ動作領域ではまったく同じ特性を発揮 していたふたつのセンサが、大きなリプル要因の関与でそれぞれ 異なる出力を示し、さらにセンサ感度も微妙にズレてしまうとい う問題をこのモデルは示しています。大きなリプル発生時に個々 のセンサにおいて同一の出力レベル、センサ感度を維持するため には、センサ感度をあらかじめ個別に調整しておく必要がありま すが、これは極めて困難な作業であることは言うまでもありませ ん。 以上の考察から、出力リプル問題は、単にフィルタ特性上の問題 だけではなく、個々の装置をそれぞれ安定に動作させるために極 めて重要なテーマといえます。なお、TDK プログラマブルトナー センサはフィルタを内蔵していますので、センサ出力に現れるリ プルは、フィルタリング後の成分です。現像剤容器の設計時には センサのフィルタを一時的に取り除き、現像剤の不安定性を直接 反映した裸のリプル成分を観察されることをお薦めします。 5. センサの感度とセンサ出力電圧の関係について TDK プログラマブルトナーセンサは、現状他製品との互換性に配 慮し、センサ出力の中心値を2.5V 近傍に設定していますが、出力 中心値が2.5Vのものと5Vのものを比較してみますと、同じトナー 濃度変化に対して5V系は2.5V系のおよそ2倍の出力電圧変化を生 じます。このことはセンサ自体の感度について、同じ V/wt% に対 し、5V系は2.5V系の約半分になっていることを示しています。前 記したことがらの裏返しになりますが、これにより、5V系は2.5V 系より耐環境特性が大幅に改善されることになります。以上のよ うな経緯から、新しく装置を設計される際は、5V 系のご採用をお 薦めします。 Output E2 EA EB a b C0 C1 E1(a) E1(b) Toner density or equivalent developer magnetic resistance C2 さらに、大きなリプル発生を避ける必要性のひとつとして次のこ とを挙げることができます。 前図もまた、現像剤の流れがC0⇒C1⇒C0⇒C2⇒C0と極めて不安定 なケースを想定したモデルです。このモデルで、AとBふたつのセ ンサを設定します。ふたつのセンサは、飽和点に違いがあるだけ で他は全く同一のセンサであるとします。センサAの飽和点をa、 センサ B の飽和点を b とします。C0⇒C1⇒C0⇒C2⇒C0 の流量変化 に対応した出力リプルもE1(a)∼E2 とE1(b)∼E2 に分かれます。そ して、この出力をフィルタリングして得られた平均出力 EA とEB も当然ながら異なる結果となります。 製品をより正しく、安全にご使用いただくために、さらに詳細な特性・仕様をご確認いただける納入仕様書をぜひご請求ください。 記載内容は、改良その他により予告なく変更する場合がありますので、あらかじめご了承ください。 001-03 / 20070222 / jb372_ts.fm (6/6) 1-2. 位相弁別器によるアナログ出力変化 Phase discriminator output 基本動作原理（差動トランス形トナー濃度／残量センサ） 1. 動作原理 トナーセンサは磁性現像剤のトナー濃度／残量を検出します。現 像剤は磁性体ですので、磁性現像剤が少ない場合には磁気抵抗が 大きくなり、逆に磁性現像剤が多い場合には磁性抵抗が小さくな ります。 現像剤の磁気抵抗の大小を検出すればトナー濃度／残量がわかる わけですが、この磁気抵抗の変化は非常に小さいのでその検出に は工夫を要します。 V2 V0 (Low quantity of toner) V0 (Medium quantity of toner) V0 (Much quantity of toner) V3–∆V3 V3 Much quantity of toner V3+∆V3 Low quantity of toner 1-1.差動トランス形センサの検出原理 L2 V2 L3 V3 V0 L1 Toner 図 1-1 は差動トランスの原理図です。差動トランスは、駆動コイ ル L1、検出コイルL3、基準コイル L2 を同一コアに設けたもので、 L1 を高周波（500kHz）で駆動しますと差動出力V0 は、 V0=(V2–V3) 2. 回路および動作 図2-1 にしめした回路で、EX-OR ゲートを位相比較器、OSC、波 形整形にもちいています ・IC1はコルピッツOSCとして動作し、約500kHzで駆動コイルを 駆動します。 ・IC2 は波形整形インバータとして動作し、差動出力を矩形波に 整形します。 ・IC3 は位相比較器として動作します。 ・C１は共振用コンデンサで、センサ面に現像剤がないときのア ナログ出力オフセットを最小にする働きをします。 ・R1はアナログ出力感度を適度に保ちます。 となります。ここで標準濃度／残量における検出、基準両コイル の出力電圧を、V30、V20 とし、V30=V20 となるように設計すると 濃度／残量変化による検出コイル出力変化分∆V3 に対し、 V0=V20–(V30+∆V3)=–∆V3 2-1. トナー濃度センサ回路 となって微小変化∆V3 がそのまま差動出力となります。 しかし、通常の現像剤では、検知面近傍におけるトナー残量数 10g の変化に対し、∆V3 は 0.1V 程度で、電圧の変化として検出す るためには 10 倍程度の直流増幅器を必要とし、センサの安定度が 大幅に低下します。安定度をそこなわずに出力変化を大きくとる ための工夫としては、∆V3 を電圧として弁別するかわりに位相を 弁別する方式があります。 2 R1 Vcc 1/4 IC1 1 T 4 となるようにします。つまり V0=V20–V30>=0 濃度／残量小 または標準濃度／残量 V0=V20–V30–∆V3<0 濃度／残量大 であり、標準濃度／残量を境界として差動出力 V0 の位相が逆転し ます。この位相変化を位相弁別器で弁別すればトナー濃度／残量 変化に対し大きな電圧出力が得られます。ここで、出力変化をア ナログ的にするために、基準コイル出力電圧の位相を少しずらせ ておくと、図1-2 のように出力はアナログ的に変化するようにで きます。 R5 Analog output C4 5 3 R2 C6 R3 Digital output C2 C1 1-2.位相弁別方式による差動トランス形センサ 前項ではセンサ出力 ∆V3 を得るために標準濃度／残量時の基準コ イル出力 V20 および検出コイル出力 V30 を V30=V20 となるようにし ましたが、位相弁別方式では、 V20>V30 標準濃度／残量 V20<V30+∆V3 1/4 IC3 C3 1/4 IC2 Vcc 2-2. トナー濃度と出力信号の関係 Toner density High Middle Low 1 2 3 H 4 L Level signal 製品をより正しく、安全にご使用いただくために、さらに詳細な特性・仕様をご確認いただける納入仕様書をぜひご請求ください。 記載内容は、改良その他により予告なく変更する場合がありますので、あらかじめご了承ください。 001-03 / 20070222 / jb372_ts.fm