磁性碳粉濃度/余量傳感器 TS系列

1成分類顯影劑與2成分類顯影劑

靜電記錄方式的復印機中使用的顯影劑分為1成分類與2成分類。1成分類是將固定于紙張上的碳粉(著色粒子)作為顯影劑的方式，而2成分類則是在碳粉中混合載體的類型。同時，1成分類、2成分類中均包括磁性與非磁性種類。

磁性2成分類中載體的作用

磁性2成分類中使用的載體擁有摩擦碳粉使其帶電的作用，以及將碳粉搬運至感光體上的功能。載體的材料大多使用50～150μm左右的鐵或鐵氧體微粒子磁性粉，其表面會使用用于強化耐環境特性、耐磨損性的樹脂進行涂層加工。
粒徑比該載體更小，約為10μm左右的碳粉通過與載體相互摩擦而帶電，通過靜電吸附在感光體上后會轉印至紙張上，并通過高熱輥輪進行固定。通常情況下，碳粉由黏結料粘合劑樹脂、著色劑、荷電控制劑以及外部添加劑形成。
同時，在磁性2成分類的復印機制中只會消耗普通碳粉，而載體會被回收后重新利用，因此，在反復進行復印時，碳粉與載體的混合比中載體會漸漸增大（碳粉濃度變低），但若需要維持良好的畫質，則需要對碳粉濃度進行適當控制。

磁性2成分類碳粉濃度檢測方式

當前采用的碳粉濃度檢測、控制方式大致可分為以下2類，即：

1）通過化學方式檢測碳粉濃度(圖像濃度)，并對各參數進行反饋的方式

2）通過顯影劑的導磁率、量、流動性等的變化檢測碳粉濃度，并通過反饋使其穩定化的方式，而前者方式中又包含

1)-1.實際過程中在感光體上生成作為基準的批圖像，并通過其反射光量檢測濃度的方法

1)-2.在模擬感光體上對顯影劑進行顯影，并通過該圖像的透射光量檢測濃度的方式
的2種方式。而后者則可分類為

2)-1.利用磁性體導磁率的導磁率檢測方式

2)-2.碳粉量(體積)、流動性檢測方式
（圖1）。

圖1磁性2成分類碳粉濃度檢測方式

TS系列的檢測方式與驅動原理

在當前主流的復印機以及激光打印機中，若從形狀與成本優勢來考慮，則上述2)-1.的導磁率檢測方式使用較多，TDK的碳粉濃度傳感器TS系列也采用了該檢測方式。

高精度導磁率傳感器的應用范圍

根據載體(鐵、鐵氧體等磁性體)與碳粉(非磁性體)的混合比例變化而進行增減的顯影劑導磁率。TS系列依靠其可高精度檢測變化的優異靈敏度，可為檢測有無磁性體或導電體(接觸、接近度)或測定膠體濃度、分散度等復印機、激光打印機以外的用途提供前所未有的優勢。以下所示為TS系列的模擬輸出特性示例(圖2)與應用模型(圖3)。

圖2 TS系列的模擬輸出特性：使用了鐵氧體試料的導磁率檢測靈敏度測定示例

圖3TS系列的應用模型

磁性體/導電體接近開關
（計數器/選擇開關）

磁性體/導電體微粒子濃度傳感器、
分散度傳感器

驅動原理

圖4差動變壓器的原理

以下對實現TS系列優異穩定性的TDK技術性舉措進行介紹。
檢測導磁率的傳感器一般會使用線圈的電感成分。 其中也分為頻率型、磁橋型等多種方式，但TDK開發并提供使用了差動變壓器的磁橋型傳感器，并且得到了廣泛使用。以下對其工作原理進行說明。
差動變壓器的線圈結構如圖4所示。差動變壓器有驅動線圈L1、基準線圈L2、檢測線圈L3以同心方式重疊而成，L1以高頻驅動后，

可得到差動輸出 V0 = (V2 - V3)

此處，顯影劑基準濃度下基準線圈L2與檢測線圈L3的輸出電壓分別設計為V20、V30，且卷數比設計為V30=V20后，對于顯影劑濃度變化所對應的檢測線圈L3的輸出微小變化△V3，可成立以下關系，即：

V0= V20 - (V30+△V3)= - △V3

微小變化△V3即為差動輸出V0。然而，使用普通顯影劑時，檢測面附近的碳粉濃度變化所對應的差動輸出△V3極其微小，因此在檢測電壓變化時需要進行相當大的放大處理，從而會使傳感器穩定性大大降低。

獨特的相位辨別方式

為此，為了在確保穩定性不受損失的情況下擴大電壓變化量，通過開發并應用辨別相位的電路取代了辨別△V3電壓的方式。在電壓辨別方式中，差動輸出△V3即為差動電壓V30 - V20，但在相位辨別方式中，則使差動輸出△V3的相位根據差動電壓V30 - V20大小進行變化。
也就是說，差動輸出△V3的相位P為如下所示：

P(V20 - V30) >0 → 顯影劑濃度較高時
P(V20 - V30) (圖5)。

圖5差動輸出的相位變化

例如，在基準濃度下，若

V20 - V30=0，
則差動輸出△V3的相位會以基準濃度為界限發生反轉。此時，在差動輸出△V3中加上相位相差90°的參照信號Vr，并通過相位辨別器對該合成信號V0的相位變化進行辨別后將如下所示，顯示為相對于碳粉濃度變化時的模擬變化情況(圖6)。

圖6通過相位辨別器實現模擬輸出化

TS系列的電路結構

使用上述方式形成的TS系列電路圖及其輸出信號示例如圖7所示。
在該電路圖中，IC均由異或門構成。IC1作為考畢茲振蕩器進行工作，以約500kHz驅動線圈。IC2作為波形整形變頻器進行工作，將差動輸出整形為矩形波。IC3作為相位比較器進行工作。
此外C1為共振用電容器，將在傳感器面沒有顯影劑時的輸出偏置控制在最小，而R1通過在工作信號上加上參照信號，使傳感器靈敏度保持在最佳狀態。

圖7 TS系列電路圖及其輸出信號示例

TS系列的驅動電路

碳粉濃度與輸出信號的關系

審核編輯：彭菁