TS系列的检测方式与驱动原理

磁性碳粉浓度/余量传感器 TS系列

1成分类显影剂与2成分类显影剂

静电记录方式的复印机中使用的显影剂分为1成分类与2成分类。1成分类是将固定于纸张上的碳粉(着色粒子)作为显影剂的方式，而2成分类则是在碳粉中混合载体的类型。同时，1成分类、2成分类中均包括磁性与非磁性种类。

磁性2成分类中载体的作用

磁性2成分类中使用的载体拥有摩擦碳粉使其带电的作用，以及将碳粉搬运至感光体上的功能。载体的材料大多使用50～150μm左右的铁或铁氧体微粒子磁性粉，其表面会使用用于强化耐环境特性、耐磨损性的树脂进行涂层加工。
粒径比该载体更小，约为10μm左右的碳粉通过与载体相互摩擦而带电，通过静电吸附在感光体上后会转印至纸张上，并通过高热辊轮进行固定。通常情况下，碳粉由黏结料粘合剂树脂、着色剂、荷电控制剂以及外部添加剂形成。
同时，在磁性2成分类的复印机制中只会消耗普通碳粉，而载体会被回收后重新利用，因此，在反复进行复印时，碳粉与载体的混合比中载体会渐渐增大（碳粉浓度变低），但若需要维持良好的画质，则需要对碳粉浓度进行适当控制。

磁性2成分类碳粉浓度检测方式

当前采用的碳粉浓度检测、控制方式大致可分为以下2类，即：

1）通过化学方式检测碳粉浓度(图像浓度)，并对各参数进行反馈的方式

2）通过显影剂的导磁率、量、流动性等的变化检测碳粉浓度，并通过反馈使其稳定化的方式，而前者方式中又包含

1)-1.实际过程中在感光体上生成作为基准的批图像，并通过其反射光量检测浓度的方法

1)-2.在模拟感光体上对显影剂进行显影，并通过该图像的透射光量检测浓度的方式
的2种方式。而后者则可分类为

2)-1.利用磁性体导磁率的导磁率检测方式

2)-2.碳粉量(体积)、流动性检测方式
（图1）。

图1　磁性2成分类碳粉浓度检测方式

TS系列的检测方式与驱动原理

在当前主流的复印机以及激光打印机中，若从形状与成本优势来考虑，则上述2)-1.的导磁率检测方式使用较多，TDK的碳粉浓度传感器TS系列也采用了该检测方式。

高精度导磁率传感器的应用范围

根据载体(铁、铁氧体等磁性体)与碳粉(非磁性体)的混合比例变化而进行增减的显影剂导磁率。TS系列依靠其可高精度检测变化的优异灵敏度，可为检测有无磁性体或导电体(接触、接近度)或测定胶体浓度、分散度等复印机、激光打印机以外的用途提供前所未有的优势。以下所示为TS系列的模拟输出特性示例(图2)与应用模型(图3)。

图2 TS系列的模拟输出特性：使用了铁氧体试料的导磁率检测灵敏度测定示例

图3　TS系列的应用模型

磁性体/导电体接近开关
（计数器/选择开关）

磁性体/导电体微粒子浓度传感器、
分散度传感器

驱动原理

图4　差动变压器的原理

以下对实现TS系列优异稳定性的TDK技术性举措进行介绍。
检测导磁率的传感器一般会使用线圈的电感成分。 其中也分为频率型、磁桥型等多种方式，但TDK开发并提供使用了差动变压器的磁桥型传感器，并且得到了广泛使用。以下对其工作原理进行说明。
差动变压器的线圈结构如图4所示。差动变压器有驱动线圈L1、基准线圈L2、检测线圈L3以同心方式重叠而成，L1以高频驱动后，

可得到差动输出 V0 = (V2 - V3)

此处，显影剂基准浓度下基准线圈L2与检测线圈L3的输出电压分别设计为V20、V30，且卷数比设计为V30=V20后，对于显影剂浓度变化所对应的检测线圈L3的输出微小变化△V3，可成立以下关系，即：

V0= V20 - (V30+△V3)= - △V3

微小变化△V3即为差动输出V0。然而，使用普通显影剂时，检测面附近的碳粉浓度变化所对应的差动输出△V3极其微小，因此在检测电压变化时需要进行相当大的放大处理，从而会使传感器稳定性大大降低。

独特的相位辨别方式

为此，为了在确保稳定性不受损失的情况下扩大电压变化量，通过开发并应用辨别相位的电路取代了辨别△V3电压的方式。在电压辨别方式中，差动输出△V3即为差动电压V30 - V20，但在相位辨别方式中，则使差动输出△V3的相位根据差动电压V30 - V20大小进行变化。
也就是说，差动输出△V3的相位P为如下所示：

P(V20 - V30) >0 → 显影剂浓度较高时
P(V20 - V30) (图5)。

图5　差动输出的相位变化

例如，在基准浓度下，若

V20 - V30=0，
则差动输出△V3的相位会以基准浓度为界限发生反转。此时，在差动输出△V3中加上相位相差90°的参照信号Vr，并通过相位辨别器对该合成信号V0的相位变化进行辨别后将如下所示，显示为相对于碳粉浓度变化时的模拟变化情况(图6)。

图6　通过相位辨别器实现模拟输出化

TS系列的电路结构

使用上述方式形成的TS系列电路图及其输出信号示例如图7所示。
在该电路图中，IC均由异或门构成。IC1作为考毕兹振荡器进行工作，以约500kHz驱动线圈。IC2作为波形整形变频器进行工作，将差动输出整形为矩形波。IC3作为相位比较器进行工作。
此外C1为共振用电容器，将在传感器面没有显影剂时的输出偏置控制在最小，而R1通过在工作信号上加上参照信号，使传感器灵敏度保持在最佳状态。

图7　 TS系列电路图及其输出信号示例

TS系列的驱动电路

碳粉浓度与输出信号的关系

        审核编辑：彭菁