JP2020041935A - トナー付着量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ全体の大型化および構造の複雑化を抑制可能な偏光フィルタを用いないトナー付着量センサを提供する。【解決手段】偏光フィルタを用いないトナー付着量センサ１００であって、基板１１０と、レンズホルダ１２０と、照射光を照射する発光素子１３０と、正反射光および拡散反射光を受光する第１受光素子１４０と、拡散反射光のみを受光する第２受光素子１５０と、発光レンズ部１６２および受光レンズ部１６３とを下面側に有するレンズ１６０と、を備える。レンズホルダ１２０は、レンズ１６０内に突出する遮光壁１２６を有する。測定対象物１０に対する照射光の照射角度をθとし、基板１１０の上面から遮光壁１２６の上面までの高さをＴとしたときに、遮光壁１２６の上面を基板１１０の上面に垂直投影した投影領域からＴｔａｎθ以内の領域と当該領域の内部側の領域とを含む第１領域に第２受光素子１５０を配置することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、偏光フィルタを用いないトナー付着量センサに関する。

偏光フィルタを用いないトナー付着量センサとして、例えば、特許文献１または特許文献２に記載のものが知られている。図５に示すように、特許文献１に記載のトナー付着量センサ２００は、基板２１０と、基板２１０上に配置されたハウジング２２０と、ハウジング２２０内の基板２１０上に配置された発光素子２３０、第１受光素子２４０および第２受光素子２５０と、を備える。

第１受光素子２４０と第２受光素子２５０は、発光素子２３０を挟んで互いに離れて配置されている。第１受光素子２４０は発光素子２３０の右側に配置されており、第２受光素子２５０は発光素子２３０の左側に配置されている。第１受光素子２４０は主に正反射光を受光し、第２受光素子２５０は主に拡散反射光を受光する。

ハウジング２２０は、発光素子２３０の照射光が通る経路に第１絞り２２１を有し、正反射光が通る経路に第２絞り２２２を有し、拡散反射光が通る経路に第３絞り２２３を有する。さらに、ハウジングは、第１絞り２２１の上流側に、迷光の発生を抑制するための傾斜面２２４を有する。

図６に示すように、特許文献２に記載のトナー付着量センサ３００は、基板３１０と、基板３１０上に配置されたハウジング３２０と、ハウジング３２０内の基板３１０上に配置された発光素子３３０、第１受光素子３４０および第２受光素子３５０と、を備える。

第１受光素子３４０と第２受光素子３５０は、１つのパッケージ（モールド樹脂）内に並んで配置されている。第１受光素子３４０は発光素子３３０から遠い側に配置され、第２受光素子３５０は発光素子３３０に近い側に配置されている。第１受光素子３４０は正反射光および拡散反射光を受光し、第２受光素子３５０は拡散反射光のみを受光する。

ハウジング３２０は、第１遮光壁３２１と第２遮光壁３２２とを有する。

第１遮光壁３２１は、受光素子（第１受光素子３４０および第２受光素子３５０）と発光素子３３０との間に設けられている。第１遮光壁３２１は、発光素子３３０の照射光が第１受光素子３４０および第２受光素子３５０に直接入射してしまうのを防止する。

第２遮光壁３２２は、第２受光素子３５０の上方に設けられている。第２遮光壁３３２は、測定対象物の第１反射領域Ａ１から得られる正反射光および拡散反射光を第１受光素子３４０に導き、第１反射領域Ａ１とは異なる第２反射領域Ａ２から得られる拡散反射光のみを第２受光素子３５０に導くよう構成されている。すなわち、第２遮光壁３２２は、第１反射領域Ａ１で発生する拡散反射光が第２受光素子３５０に入射してしまうのを防止する。

特許第６２７２０５１号公報 特開２０１７−１０３４９７号公報

特許文献１に記載のトナー付着量センサ２００は、第１受光素子２４０と第２受光素子２５０とが発光素子２３０を挟んで互いに離れて配置されているため、センサ全体が大型化してしまうという問題がある。

特許文献２に記載のトナー付着量センサ３００は、第１受光素子３４０と第２受光素子３５０とが１つのパッケージ内に並んで配置されているため、特許文献１に記載のトナー付着量センサ２００と比べて、センサ全体を小型化することができる。しかしながら、特許文献２に記載のトナー付着量センサ３００は、ハウジング３２０が第１遮光壁３２１と第２遮光壁３２２とを有するため、ハウジング３２０の構造が複雑になり、コストアップにつながるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、センサ全体の大型化および構造の複雑化を抑制可能な偏光フィルタを用いないトナー付着量センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るトナー付着量センサは、
トナーの付着した測定対象物に照射光を偏光せずに照射し、前記照射光に対する前記測定対象物からの反射光を偏光せずに受光する偏光フィルタを用いないトナー付着量センサであって、
基板と、
前記基板上に配置され、前記基板上に互いに分離された第１収容空間および第２収容空間を形成するレンズホルダと、
前記第１収容空間における前記基板上に配置され、前記照射光を照射する発光素子と、
前記第２収容空間における前記基板上に配置され、前記反射光に含まれる正反射光および拡散反射光を受光する第１受光素子と、
前記第２収容空間における前記基板上に配置され、前記拡散反射光を受光する第２受光素子と、
前記レンズホルダ上に配置され、前記発光素子の上方に位置する発光レンズ部と前記第１受光素子および前記第２受光素子の上方に位置する受光レンズ部とを下面側に有するレンズと、を備え、
前記レンズホルダは、前記第１収容空間と前記第２収容空間との間に、前記レンズ内に突出する遮光壁を有し、
前記測定対象物に対する前記照射光の照射角度をθとし、前記基板の上面から前記遮光壁の上面までの高さをＴとしたときに、前記遮光壁の上面を前記基板の上面に垂直投影した投影領域からＴｔａｎθ以内の領域と当該領域の内部側の領域とを含む第１領域に前記第２受光素子を配置する一方、前記第１領域の外に前記第１受光素子を配置することを特徴とする。

この構成では、第２収容空間における基板上に第１受光素子および第２受光素子が配置されるので、第１受光素子と第２受光素子とを互いに近づけて配置することが可能になり、センサ全体の小型化が容易になる。

また、この構成では、測定対象物に対する照射光の照射角度をθとし、基板の上面から遮光壁の上面までの高さをＴとしたときに、遮光壁の上面を基板の上面に垂直投影した投影領域からＴｔａｎθ以内の領域を含む第１領域に第２受光素子を配置している。したがって、この構成では、レンズホルダの構造を複雑化することなく（例えば、複数の遮光壁を設けることなく）、第２受光素子に正反射光が入射するのを防ぐことができる。

上記トナー付着量センサにおいて、
前記レンズは、前記正反射光および前記拡散反射光を前記測定対象物の同一の反射領域から得るとともに、前記拡散反射光を前記第２受光素子に垂直入射または前記第１受光素子側から斜入射させることが好ましい。

上記トナー付着量センサにおいて、
前記遮光壁は、前記レンズの上面に達しているよう構成できる。

上記トナー付着量センサにおいて、
前記レンズホルダは、前記第１収容空間の上方に絞り部を有し、
前記絞り部は、前記照射光の照射範囲を制限するよう構成できる。

本発明によれば、センサ全体の大型化および構造の複雑化を抑制可能な偏光フィルタを用いないトナー付着量センサを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るトナー付着量センサを示す断面図である。 本発明の一実施形態に係るトナー付着量センサを示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る第１受光素子および第２受光素子の配置を説明するための図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 本発明の他の実施形態に係るトナー付着量センサの要部を示す断面図である。 従来のトナー付着量センサを示す断面図である。 従来の別のトナー付着量センサを示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るトナー付着量センサの実施形態について説明する。

図１および図２に、本発明の一実施形態に係るトナー付着量センサ１００を示す。トナー付着量センサ１００は、トナーの付着した測定対象物１０に照射光を偏光せずに照射し、照射光に対する測定対象物１０からの反射光を偏光せずに受光する偏光フィルタを用いないセンサである。測定対象物１０は、例えば、転写ベルトまたは感光体である。

トナー付着量センサ１００は、基板１１０と、レンズホルダ１２０と、発光素子１３０と、第１受光素子１４０と、第２受光素子１５０と、レンズ１６０とを備える。トナー付着量センサ１００は、偏光フィルタを備えていない分、偏光分離方式のセンサよりもコスト面で有利である。

基板１１０は、例えば、矩形状のプリント配線板である。基板１１０の上面（実装面）には、レンズホルダ１２０と、発光素子１３０と、第１受光素子１４０と、第２受光素子１５０とが配置される。図２に示すように、発光素子１３０、第１受光素子１４０および第２受光素子１５０は、基板１１０の中央部分において、基板１１０の長手方向に一列に並んで配置される。

レンズホルダ１２０は、発光素子１３０の照射光に対して不透明な材料で構成される。レンズホルダ１２０は、中央部分の上面側にレンズ固定部１２１（凹部）を有し、中央部分の下面側に第１凹部１２２および第２凹部１２３を有する。

レンズ固定部１２１は、レンズ１６０を固定できるような形状に構成されている。第１凹部１２２は、平面視において矩形状になるように構成され、基板１１０上に配置された発光素子１３０を囲む第１収容空間を形成する。第２凹部１２３は、平面視において矩形状になるように構成され、基板１１０上に配置された第１受光素子１４０および第２受光素子１５０を囲む第２収容空間を形成する。第１収容空間と第２収容空間とは、互いに分離している。

また、レンズホルダ１２０は、第１凹部１２２の上方に第１開口部１２４を有し、第２凹部１２３の上方に第２開口部１２５を有し、第１開口部１２４と第２開口部１２５との間に遮光壁１２６を有する。

第１開口部１２４は、断面が楕円形状になり、かつ第１収容空間につながるよう構成されている。第１開口部１２４は、発光素子１３０の上方に位置し、発光素子１３０の照射光の照射範囲を制限する絞り部として機能する。これにより、第１開口部１２４は、測定対象物１０への照射領域を狭くすることができる。

第２開口部１２５は、断面が第２凹部１２３とほぼ同じ大きさの矩形状になり、かつ第２収容空間につながるよう構成されている。第２開口部１２５は、絞り部として機能していない。第２開口部１２５と第２凹部１２３とは、１つの貫通孔で構成されていてもよい。

遮光壁１２６は、第１収容空間と第２収容空間との間において、レンズ１６０内に突出するよう構成されている。遮光壁１２６は、第２受光素子１５０に正反射光が入射するのを防ぐために設けられている。

遮光壁１２６は基板１１０の上面に対して垂直に延びており、遮光壁１２６の上面はレンズ１６０の上面に達している。これにより、遮光壁１２６は、レンズ１６０の上面で反射した発光素子１３０の照射光（迷光）が第１受光素子１４０および／または第２受光素子１５０に入射するのを防ぐことができる。

遮光壁１２６の第２収容空間側の側面は、第２開口部１２５の側面と面一になっている。また、図２に示すように、遮光壁１２６は平面視において矩形状になるよう構成されており、遮光壁１２６の幅方向（基板１１０の短手方向）の長さは、第１凹部１２２および第２凹部１２３の幅方向の長さと同じになっている。

発光素子１３０は、第１収容空間における基板１１０上に配置され、照射光を照射する。発光素子１３０として、例えば、赤外線を照射する赤外発光ダイオード（赤外ＬＥＤ）または赤色光を照射する赤色発光ダイオード（赤色ＬＥＤ）を用いることができる。

第１受光素子１４０は、第２収容空間における基板１１０上に配置され、反射光に含まれる正反射光および拡散反射光を受光する。正反射光は、発光素子１３０の照射光が主に測定対象物１０のトナーの付着していない領域で鏡面反射した反射光である。拡散反射光は、発光素子１３０の照射光が主に測定対象物１０に付着しているトナーで乱反射した反射光である。

第２受光素子１５０は、第２収容空間における基板１１０上であって、第１受光素子１４０よりも遮光壁１２６に近い側に配置される。第２受光素子１５０は、正反射光を受光することなく、拡散反射光のみを受光する。拡散反射光は、第２受光素子１５０に対して、垂直入射または第１受光素子１４０側から斜入射する。

第１受光素子１４０および第２受光素子１５０としては、フォトダイオードまたはフォトトランジスタを用いることができる。本実施形態では、第１受光素子１４０および第２受光素子１５０をパッケージ（樹脂封止）されていないベアチップのまま基板１１０に実装しているので、第１受光素子１４０−第２受光素子１５０間の距離を短くすることができる。これにより、センサ全体の小型化が容易になる。さらに、第１受光素子１４０と第２受光素子１５０とにほぼ同量の拡散反射光を受光させることができ、両者の出力誤差を小さくすることができる。

第１受光素子１４０および第２受光素子１５０は、光電変換を行い、受光量に応じた電気信号を基板１１０に実装された演算回路（図示略）に出力する。演算回路は、第１受光素子１４０の出力と第２受光素子１５０の出力との差分を演算することで、正反射光の光量すなわちトナーの付着していない領域に比例した出力を得ることができる。トナーの付着量が少ない（トナーの付着していない領域が大きい）と出力値が大きくなる一方、トナーの付着量が多い（トナーの付着していない領域が小さい）と出力値が小さくなる。なお、演算回路は、トナー付着量センサ１００の外部に設けられていてもよい。

レンズ１６０は、発光素子１３０の照射光に対して透明な材料で構成され、レンズホルダ１２０の上面のレンズ固定部１２１に配置される。レンズ１６０は、上面側に凸レンズ部１６１を有し、下面側に発光レンズ部１６２および受光レンズ部１６３を有する。

凸レンズ部１６１は、下面側の発光レンズ部１６２および受光レンズ部１６３に対向している。凸レンズ部１６１の上面は平坦になっており、凸レンズ部１６１の幅方向の長さは遮光壁１２６の幅方向の長さよりも大きくなっている。

発光レンズ部１６２は、発光素子１３０の上方に位置して発光素子１３０の照射光を集光する一方、受光レンズ部１６３は、第１受光素子１４０および第２受光素子１５０の上方に位置して正反射光および拡散反射光を集光する。発光レンズ部１６２は、受光レンズ部１６３よりも高い位置に形成されている。

発光レンズ部１６２および受光レンズ部１６３は、正反射光および拡散反射光を測定対象物１０の同一の反射領域から得るとともに、第１受光素子１４０に対して正反射光および拡散反射光を入射させ、第２受光素子１５０に対して拡散反射光のみを垂直入射または第１受光素子１４０側から斜入射させるよう構成されている。

この構成により、第１受光素子１４０および第２受光素子１５０は、同一の反射領域から拡散反射光を受光することが可能になるため、両者の出力誤差が小さくなる。その結果、トナー付着量の検出精度が向上する。

また、この構成によれば、拡散反射光を第２受光素子１５０に垂直入射または第１受光素子１４０側から斜入射させることで、第２受光素子１５０を遮光壁１２６の近傍に配置してセンサ全体の高さを低くする（後述の第１領域Ｌ１を小さくする）ことができるとともに、第２受光素子１５０に正反射光が入射するのを確実に防ぐことができる。

次に、図３を参照して、第１受光素子１４０および第２受光素子１５０の好ましい配置を説明する。

発光素子１３０の照射光の照射角度をθとすると、正反射光の入射角度もθになる。ここで、基板１１０の上面から遮光壁１２６の上面までの高さをＴとすると、遮光壁１２６の上面を基板１１０の上面に垂直投影した投影領域からＴｔａｎθ以内の第１領域Ｌ１は、正反射光が入射しない領域となる。

本実施形態では、第１領域Ｌ１（図３（Ｂ）のハッチング領域）に第２受光素子１５０を配置する一方、第１領域Ｌ１の外の第２領域Ｌ２に第１受光素子１４０を配置する。なお、第２受光素子１５０および第１受光素子１４０の高さは、高さＴよりもはるかに小さいので無視できる。

この構成により、本実施形態に係るトナー付着量センサ１００は、レンズホルダ１２０の構造を複雑化することなく（例えば、複数の遮光壁を設けることなく）、第２受光素子１５０に正反射光が入射するのを防ぐことができる。

以上、本発明に係るトナー付着量センサの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、本発明のレンズホルダは、基板１１０上に互いに分離された第１収容空間および第２収容空間を形成するとともに、第１収容空間と第２収容空間との間に、レンズ１６０内に突出する遮光壁１２６を有するのであれば、適宜構成を変更できる。

また、第２受光素子１５０に対して拡散反射光を第１受光素子１４０側から斜入射させる場合には、第２受光素子１５０を遮光壁１２６の頂部に対して遮光壁１２６の内部側（発光素子１３０側）に配置してもよい。すなわち、本発明における第１領域Ｌ１は、上記実施形態のＴｔａｎθ以内の領域と、当該領域の内部側の領域とを含む。

図４に本発明の他の実施形態に係るトナー付着量センサの要部断面図を示す。遮光壁１２６の側面下部を傾斜面とすることにより、第２受光素子１５０を遮光壁１２６の内部側に配置することができる。これにより、第１受光素子１４０側から斜入射する拡散反射光のみを当該拡散反射光の入射を妨げることなく、第２受光素子１５０に受光させることができる。また、このように第２受光素子１５０を遮光壁１２６の内部側に配置して第１受光素子１４０と第２受光素子１５０とを離間させることで、トナー付着量センサ１００の小型化を図りながら、仮に測定対象物１０が光軸に対して傾いた場合でも、第２受光素子１５０に正反射光が入射するのを確実に防止することができる。

本発明の遮光壁は、上面がレンズ１６０の上面に達していなくてもよいし、上面がレンズ１６０の上面よりも上にあってもよい。

１０ 測定対象物
１００ トナー付着量センサ
１１０ 基板
１２０ レンズホルダ
１２１ レンズ固定部
１２２ 第１凹部
１２３ 第２凹部
１２４ 第１開口部
１２５ 第２開口部
１２６ 遮光壁
１３０ 発光素子
１４０ 第１受光素子
１５０ 第２受光素子
１６０ レンズ
１６１ 凸レンズ部
１６２ 発光レンズ部
１６３ 受光レンズ部

Claims (4)

1. トナーの付着した測定対象物に照射光を偏光せずに照射し、前記照射光に対する前記測定対象物からの反射光を偏光せずに受光する偏光フィルタを用いないトナー付着量センサであって、
   基板と、
   前記基板上に配置され、前記基板上に互いに分離された第１収容空間および第２収容空間を形成するレンズホルダと、
   前記第１収容空間における前記基板上に配置され、前記照射光を照射する発光素子と、
   前記第２収容空間における前記基板上に配置され、前記反射光に含まれる正反射光および拡散反射光を受光する第１受光素子と、
   前記第２収容空間における前記基板上に配置され、前記拡散反射光を受光する第２受光素子と、
   前記レンズホルダ上に配置され、前記発光素子の上方に位置する発光レンズ部と前記第１受光素子および前記第２受光素子の上方に位置する受光レンズ部とを下面側に有するレンズと、を備え、
   前記レンズホルダは、前記第１収容空間と前記第２収容空間との間に、前記レンズ内に突出する遮光壁を有し、
   前記測定対象物に対する前記照射光の照射角度をθとし、前記基板の上面から前記遮光壁の上面までの高さをＴとしたときに、前記遮光壁の上面を前記基板の上面に垂直投影した投影領域からＴｔａｎθ以内の領域と当該領域の内部側の領域とを含む第１領域に前記第２受光素子を配置する一方、前記第１領域の外に前記第１受光素子を配置する
   ことを特徴とするトナー付着量センサ。
2. 前記レンズは、前記正反射光および前記拡散反射光を前記測定対象物の同一の反射領域から得るとともに、前記拡散反射光を前記第２受光素子に垂直入射または前記第１受光素子側から斜入射させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のトナー付着量センサ。
3. 前記遮光壁は、前記レンズの上面に達している
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のトナー付着量センサ。
4. 前記レンズホルダは、前記第１収容空間の上方に絞り部を有し、
   前記絞り部は、前記照射光の照射範囲を制限する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のトナー付着量センサ。

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