(57)【要約】【課題】装置本体のコンパクト化を妨げることなく，検知能力の向上が図られたトナー濃度検出装置を提供すること。【解決手段】トナー濃度センサ２０を構成する配線基板は，６層構造をなし，各層に螺旋状のプリントコイル２１〜２６が形成されている。プリントコイル２１〜２６は，巻回数，巻回方向，電極の配置が等しく，基板の厚さ方向からみてパターン中心の位置が略同一になるように構成されている。また，隣り合う層間のプリントコイルはスルーホール２７ａ，２７Ｂ，２７ｂ，２７Ｃ，２７ｃによって電気的に接続され，すべてのコイルが直列接続されて１つのコイルをなしている。また，プリントコイル２１〜２６は，基板の厚さ方向から見て，電流を流したときの電流の方向が同一となるように構成されている。【選択図】            図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋状のプリントパターンにてインダクタンスを構成するコイルが形成されたＬＣ発振回路を備え，前記ＬＣ発振回路の発振周波数から現像剤のトナー濃度を検出するトナー濃度検出装置において，
コイルが形成された層を少なくとも２層有し，
層間で隣り合うコイルは，スルーホールを介して直列に接続され，基板の厚さ方向から見て，発振動作する際の電流の方向が同一となるようにパターニングされていることを特徴とするトナー濃度検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載するトナー濃度検出装置において，
前記コイルを形成する基材の線膨張係数が１４．４×１０-6［／℃］以下であることを特徴とするトナー濃度検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載するトナー濃度検出装置において，
前記コイルのパターン幅は，５０μｍ〜１５０μｍの範囲内であることを特徴とするトナー濃度検出装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載するトナー濃度検出装置において，
前記コイルのパターン間隔は，５０μｍ〜１５０μｍの範囲内であることを特徴とするトナー濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，ＬＣ発振回路の発振周波数から現像剤のトナー濃度を検出するトナー濃度検出装置に関するものである。さらに詳細には，ＬＣ発振回路のインダクタンス（コイル）がプリントパターンで形成されたトナー濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子写真方式の画像形成装置に利用される現像装置の現像方式として，１成分現像方式と２成分現像方式とが知られている。後者の２成分現像方式は，磁性のキャリア粒子と非磁性のトナー粒子とを適度な混合比で混合させ，キャリア粒子にて搬送されるトナー粒子を感光体の表面に移動させて現像を行う現像方式である。
【０００３】
前記した２成分現像方式の場合，現像装置内ではトナーのみが消費され，キャリアは現像装置内を循環する。このような２成分現像方式の現像装置では，現像装置内の現像剤のトナー濃度を検出するトナー濃度検出装置が備えられている。トナー濃度（すなわちトナーの残量）を検知することで，トナー補給装置から安定してトナーが供給され，良好な画像品質が確保される。
【０００４】
トナー濃度検出装置としては，一般的にＬＣ発振回路を検出部材とする磁気センサが利用される。すなわち，磁性キャリアと非磁性トナーとの混合物である２成分現像剤の透磁率は，トナー濃度によって変化する。そこで，コイルを現像剤の搬送路中に設置すると，コイルのインダクタンスが雰囲気の透磁率により変化する。ＬＣ発振回路の発振周波数は，次の式（１）で与えられることから，発振周波数ｆを測定することで現像剤のトナー濃度が検出できるのである。
ｆ＝１／２π（ＬＣ）1/2          （１）
【０００５】
このようにＬＣ発振回路を利用したトナー濃度検出装置としては，例えば特許文献１に，プリント基板の一方の面上に螺旋状のプリントパターンによるコイル（インダクタンス）を形成し，ＬＣ発振回路を構成するトナー濃度検出装置が開示されている。コイルをプリントパターンによって形成することで，低コスト化，品質管理の容易化を図ることができる。また，例えば特許文献２に，プリントパターンによるコイルを形成するとともに，発振周波数が温度によってシフトする問題に着目し，Ｌ，Ｃおよびコイルの抵抗Ｒの関係を規定したトナー濃度検出装置が開示されている。
【特許文献１】実開平６−７６９６１号公報
【特許文献２】特開平１１−２２３６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら，前記した従来のトナー濃度検出装置には，次のような問題があった。すなわち，特許文献１ないし特許文献２に開示されたトナー濃度検出装置のように，プリントパターンによるコイル（以下，「プリントコイル」とする）は，基板面内の占有面積によってインダクタンスが決まってしまう。そのため，検知能力を向上させるためには，占有面積を広くする必要があり，コンパクト化に不利となる。一方，コンパクト化を優先して占有面積を狭くすると，インダクタンス成分が小さくなり，十分な検知能力が得られない。大きなインダクタンス値が得られないプリントコイルを利用してＬＣ発振回路を構成すると，発振周波数が高くなり，不要な電波輻射が発生する。
【０００７】
また，パターンを繊細に形成し，インダクタンス値を大きくすることが考えられる。しかし，パターン幅を狭くすると，抵抗成分が増加してしまう。そのため，センサとしての特性，特に温度特性が悪化してしまう。また，パターン間隔を狭くすると，パターン間の絶縁特性が悪化してしまう。すなわち，プリントコイルには，必要最小限のパターン幅およびパターン間隔があり，基板面内の占有面積によって最大インダクタンスが決まってしまうのである。
【０００８】
本発明は，前記した従来のトナー濃度検出装置が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，装置本体のコンパクト化を妨げることなく，検知能力の向上が図られたトナー濃度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題の解決を目的としてなされたトナー濃度検出装置は，螺旋状のプリントパターンにてインダクタンスを構成するコイルが形成されたＬＣ発振回路を備え，ＬＣ発振回路の発振周波数から現像剤のトナー濃度を検出するトナー濃度検出装置であって，コイルが形成された層を少なくとも２層有し，層間で隣り合うコイルは，スルーホールを介して直列に接続され，基板の厚さ方向から見て，発振動作する際の電流の方向が同一となるようにパターニングされていることを特徴としている。
【００１０】
本発明のトナー濃度検出装置は，螺旋状のプリントパターンによるコイル（プリントコイル）が基板厚さ方向に少なくとも２層設けられており，層間で隣り合うコイルが直列に接続されている。すなわち，層間で隣り合うコイルが１つのコイルを構成している。そのため，本発明のトナー濃度検出装置では，各層のプリントコイルはコンパクトで巻回数が少なくても，それらを直列に複数繋ぎ合わせることで所望のインダクタンスを得ることができる。また，各層のプリントコイルは，基板の厚さ方向から見て，発振動作する際の電流の方向が同一となるようにパターニングされているため，隣り合うプリントコイルの影響を回避できる。つまり，基板面内領域において，プリントコイルの占有領域を広げることなく，さらにはパターン幅およびパターン間隔を狭めることなく，所望のインダクタンスを得ることができる。そして，インダクタンスが大きいことから，高精度な濃度検知が可能になる。
【００１１】
また，本発明のトナー濃度検出装置は，層数の増減によりインダクタンスを調節可能であり，プリントコイルは抵抗成分を考慮したパターン幅と絶縁特性を考慮したパターン間隔とを確保できる。なお，プリントコイルのパターン幅は，５０μｍ〜１５０μｍの範囲内であることが望ましい。また，プリントコイルのパターン間隔は，５０μｍ〜１５０μｍの範囲内であることが望ましい。
【００１２】
また，プリントコイルを形成する基材の線膨張係数は，１４．４Ｅ−６［／℃］以下であることが望ましい。すなわち，プリントコイルにてＬＣ発振回路を構成するトナー濃度検査装置では，コイルの抵抗成分が発振周波数に与える影響が大きく，特に温度変化に対する発振周波数の変動が大きい。そこで，基材の線膨張係数が上記の規定を満たすことで，温度変動によるインダクタンス値の変動をトナー濃度の変化によるインダクタンス変動より十分に小さくすることができる。これにより，使用環境変動による検知精度の低下を許容範囲に抑えることができ，トナー濃度の検知精度が補償される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば，装置本体のコンパクト化を妨げることなく，検知能力の向上が図られたトナー濃度検出装置が実現している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下，本発明にかかる画像形成装置を具体化した実施の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，２成分現像方式の現像装置の磁気センサに本発明を適用したものである。
【００１５】
本形態の現像装置１００は，トナーとキャリアとの混合物を現像剤として利用する２成分現像方式の現像装置であり，図１乃至図３に示すように構成される。図１は現像装置１００の平面透視図，図２は図１中のＡ−Ａ断面図，図３は図１中のＢ−Ｂ断面図をそれぞれ示している。
【００１６】
現像装置１００は，２成分現像剤を収容し，当該現像剤の搬送経路を形成するハウジング１０と，ハウジング１０の上部開口を閉止する蓋体１１と，現像剤を現像領域Ｅに搬送する現像スリーブ１２と，複数の磁石で構成され，現像スリーブ１２上に磁界を形成するマグネットローラ１３と，現像スリーブ１２に現像剤を供給するパドルホイール１４と，現像スリーブ１２上に形成される現像剤層の層厚を規制する規制部材１５と，現像剤を攪拌搬送する第１攪拌スクリュウ１６および第２攪拌スクリュウ１７とを備えている。現像装置１００は，感光体ドラム１の移動方向の露光部より下流側に配置され，現像スリーブ１２が感光体ドラム１と非接触で対向している。
【００１７】
また，第１攪拌スクリュウ１６は，トナーの補給口１８に近接して配置され，第２攪拌スクリュウ１７は，パドルホイール１４に近接して配置される。第１攪拌スクリュウ１６および第２攪拌スクリュウ１７は，ハウジング１０の底部から直立配置された仕切り壁１０Ａを挟んで両側に設けられた第１攪拌室１０Ｂおよび第２攪拌室１０Ｃ内にそれぞれ平行配置され，図２中の矢印に示すように互いに逆方向に回転するように駆動される。これにより，第１攪拌室１０Ｂおよび第２攪拌室１０Ｃ内の現像剤は，図１中の矢印に示すように互いに逆方向に移動する。
【００１８】
また，図１に示すように，第１攪拌スクリュウ１６の現像剤搬送方向の最下流側にはパドル部１６Ａが，第２攪拌スクリュウ１７の現像剤搬送方向の最下流側にはパドル部１７Ａが，それぞれ一体的に形成されている。また，仕切り壁１０Ａの長手方向の両端部にはそれぞれ開口部１０Ｄ，１０Ｅが設けられている。これにより，最下流側に搬送された現像剤は，開口部１０Ｄ，１０Ｅを通過することになり，第１攪拌室１０Ｂおよび第２攪拌室１０Ｃ内を還流する。
【００１９】
また，トナーの補給口１８の現像剤搬送方向の上流側には，図３に示すように現像剤のトナー濃度を検出するトナー濃度センサ２０が設けられている。すなわち，トナー濃度センサ２０は，現像部Ｅから還流し，新しいトナーが補給される前のトナー濃度を検出することができる位置に配置されている。具体的に，トナー濃度センサ２０は，ＬＣ発振回路を備え，当該濃度センサ２０が形成する磁界中に存在する現像剤の透磁率によって変動する発振周波数を取得することによって現像剤中のトナー濃度を検出するものであり，第１攪拌スクリュウ１６の下方に配置される。トナー濃度センサ２０の詳細については後述する。
【００２０】
また，トナー濃度センサ２０が配置されている箇所では，ハウジング１０の内側壁面と第１攪拌スクリュウ１６のスクリュウ羽の外周との間隙を埋めるスペーサ３０が配設されている。このスペーサ３０により，ハウジング１０と第１攪拌スクリュウ１６のスクリュウ羽との間に現像剤が滞留するような間隙ができないようになっている。つまり，滞留現像剤によるノイズが回避され，正確な濃度検知が可能になる。
【００２１】
続いて，現像装置１００による現像動作について簡単に説明する。現像装置１００では，トナーカートリッジ（不図示）に貯蓄されたトナーが蓋体１１に設けられた補給口１８を経て第１攪拌室１０Ｂに投入される。補給口１８を介して投入されたトナーは，第１攪拌室１０Ｂ内で回転する第１攪拌スクリュウ１６により，現像剤と攪拌混合されつつ図１の矢印方向に搬送される。さらに，その現像剤は，開口部１０Ｄを介して第２攪拌室１０Ｃ内に送り込まれる。第２攪拌室１０Ｃ内に送り込まれた現像剤は，第２攪拌スクリュウ１７によりさらに攪拌されつつ図１の矢印方向に搬送される。このとき，現像剤の一部は，パドルホイール１４に供給され，さらにパドルホイール１４を介して現像スリーブ１２上に供給される。
【００２２】
現像スリーブ１２上に供給された現像剤は，現像スリーブ１２上に現像剤層を形成し，感光体ドラム１との対向箇所（現像領域Ｅ）まで搬送される。そして，現像領域Ｅにおいて感光体ドラム１上の静電潜像を現像する。その後，現像されたトナー像は，用紙等の記録媒体に転写され，画像が出力される。
【００２３】
一方，現像よってトナーが消費された現像剤は，マグネットローラ１３が形成する反発磁界によって現像スリーブ１２面から剥離され，パドルホイール１４により第２攪拌スクリュウ１７に戻される。さらに，その現像剤は，開口部１０Ｅを介して第１攪拌室１０Ｂ内に送り込まれ，図１の矢印方向に還流される。
【００２４】
続いて，トナー濃度センサ２０について説明する。トナー濃度センサ２０は，プリントパターンが形成されたプリント配線基板であり，ＬＣ発振回路を備えている。さらに，当該ＬＣ発振回路のインダクタンスＬをプリントコイルにより構成している。
【００２５】
トナー濃度センサ２０には，図４に示すように，ガラスエポキシ樹脂からなる基板２の表面上に，螺旋状のプリントコイル２１が形成されている。トナー濃度センサ２０は，プリントコイル２１が形成されている面が検出面であり，当該検出面が第１攪拌室１０Ｂ側を向くように配置されている。また，プリントコイル２１の中心部には電極２１ａ，２１ｂ，２１ｃが，プリントコイル２１の外周部には電極２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄがそれぞれ形成されており，プリントコイル２１によって電極２１ａと電極２１Ａとが繋がれている。また，トナー濃度センサ２０では，裏面上にも螺旋状のプリントコイルが形成されており，さらに発振回路を構成する他の部品（コンデンサ，トランジスタ等）が実装されている。
【００２６】
トナー濃度センサ２０のＬＣ発振回路は，例えば図５に示すように，所定のインダクタンスを有するコイルＬ，コンデンサＣ１，Ｃ２，トランジスタＱ，および抵抗Ｒで構成されるコルピッツ発振回路が適用可能であり，このコイルＬがプリントコイルで構成される。なお，図５中のＲＬはコイル部の抵抗である。この回路に電圧Ｖが印加された時，発振信号がトランジスタＱから出力される。なお，ＬＣ発振回路はコルピッツ発振回路に限るものではない。
【００２７】
また，トナー濃度センサ２０を構成する配線基板は，図６に示すように６層構造をなし，各層に螺旋状のプリントコイル２１〜２６が形成されている。プリントコイル２１〜２６は，巻回数，電極の配置，パターン幅，パターン間隔が等しく，基板の厚さ方向からみてパターン中心の位置が略同一になるように構成されている。ただし，隣り合う層間においてプリントコイルの巻回方向が異なる。また，各層によってプリントコイルと電極との接続が異なる。コイルの結線は次の表１の通りである。
【表１】
2008203064.tif 000003
【００２８】
また，隣り合う層間のプリントコイルはスルーホール２７ａ，２７Ｂ，２７ｂ，２７Ｃ，２７ｃによって電気的に接続されている。具体的には，本形態のトナー濃度センサ２０のプリントコイル２１〜２６は，図７に示すように，コイル中心同士を繋ぐスルーホールと，コイルの外周同士を繋ぐスルーホールとが交互に設けられ，すべてのコイルが直列接続されて１つのコイルをなしている。
【００２９】
また，プリントコイル２１〜２６は，図７中の矢印に示すように，基板の厚さ方向から見て，電流を流したときの電流の方向が同一となるように構成されている。すなわち，トナー濃度センサ２０では，すべてのプリントコイルで時計回りに電流が流れるように構成されている。各プリントコイルに流れる電流にて励起される磁力線が相互に打ち消す方向に配置されていると，所望のインダクタンス特性が得られない。そこで，電流方向を揃えることで，隣り合うプリントコイルの影響を回避し，所望のインダクタンス特性を確保する。
【００３０】
さらに，コイルをセンサとして使用するには，使用環境変動によるインダクタンス値の変動がセンシング対象物であるトナー濃度の変化によるインダクタンス変動より十分に小さいことが必要である。しかし，本形態のようにプリントコイルを使用する場合には，コイルの抵抗成分が発振周波数に与える影響が大きく，温度変化に対する発振周波数の変動が大きい。
【００３１】
通常，このような温度による周波数変動を補償するには，適当な温度特性を有する温度補償用コンデンサを選択し，所望の温度特性に押さえ込む方法が採用される。この温度補償用コンデンサが正しく動作するためには，補償対象であるプリントコイルと，補償を行うコンデンサとの温度差があってはならない。一方，本形態のトナー温度センサ２０は，２層以上のプリント基板であり，各層にプリントコイルが形成されている。つまり，プリントコイルと温度補償用コンデンサとが同一面内に実装されているとは限らない。すなわち，本形態のトナー温度センサ２０では，温度補償用コンデンサのみでの温度補償は困難である。
【００３２】
そこで，本形態のトナー温度センサ２０では，プリントコイル２１〜２６の基材の線膨張係数を規定し，温度による周波数変動を補償する。図８は，プリントコイルの温度係数（温度に対するインダクタンスの変化量）とプリント基板の線膨張係数との関係をシミュレートしたときの結果を示している。
【００３３】
本形態のトナー濃度センサ２０について，その動作温度の下限を１０℃，上限を５０℃とし，トナー濃度１％の変化に対応した発振周波数の変動量（制御目標）を５ｋＨｚとし，基本周波数を３ＭＨｚとする。そして，動作温度範囲で許容される周波数変動を，制御目標の１／２とする。この場合，目標とする周波数変動の温度係数は，４２［ｐｐｍ／℃］≒５［ｋＨｚ］／３０［ＭＨｚ］／（５０−１０）以下となる。
【００３４】
周波数の温度係数が４２［ｐｐｍ／℃］に相当する基材の線膨張係数は，図８に示したグラフから１４．４Ｅ−６［／℃］であることがわかる。そこで，本形態のトナー濃度センサ２０では，コイル２１〜２６を形成する基材の線膨張係数を１４．４Ｅ−６［／℃］以下とする。これにより，使用環境変動によるインダクタンス値の変動が所望範囲内に抑えられ，高精度なトナー濃度の検知が補償される。上記の線膨張係数を満たす基材としては，例えばガラスエポキシ基材やセラミックが適用可能である。
【００３５】
また，本形態の各プリントコイルは，そのパターン幅が１００μｍである。このパターン幅は，５０μｍ〜１５０μｍの範囲内であればよい。パターン幅が５０μｍよりも狭くなると，コイルの抵抗成分が大きくなり，周波数変動の温度係数が許容できなくなる。一方，パターン幅が１５０μｍよりも広くなると，コイルの巻回数が少なくなり，大きなインダクタンスが得られない。
【００３６】
また，本形態の各プリントコイルは，そのパターン間隔が１００μｍである。このパターン間隔は，５０μｍ〜１５０μｍの範囲内であればよい。パターン間隔が５０μｍよりも狭くなると，パターン間の絶縁が得られない。一方，パターン間隔が１５０μｍよりも広くなると，コイルの巻回数が少なくなり，大きなインダクタンスが得られない。
【００３７】
なお，積層されるプリントコイルの層数は，６層に限るものではなく，必要とされるインダクタンスやコイルに印加される交流電圧によって異なる。そのため，少なくとも２層あればよい。また，設計通りのインダクタンスを得るには一定の絶縁距離を確保する必要がある。そこで，コストや基板の厚さ方向のサイズを考慮すると，６層以下であることが好ましい。
【００３８】
また，配線基板の基材の絶縁抵抗は，発振動作する際にコイルに印加される電圧によって異なるが，概ね１ＭΩ以上であることが好ましい。この条件を満たす基材であれば，層間の絶縁不良を回避することができる。
【００３９】
以上詳細に説明したように本形態のトナー濃度センサ２０は，６層のプリントコイル２１〜２６が設けられており，すべてのプリントコイルが直列に接続されている。すなわち，プリントコイル２１〜２６により１つのコイル（図５中のコイルＬ）を構成することとしてる。そのため，各層のプリントコイルはコンパクトで巻回数が少なくても，それらを直列に複数繋ぎ合わせることで所望のインダクタンスを得ることができる。つまり，基板の面内領域において，プリントコイルの占有領域を広げることなく，さらにはパターン幅およびパターン間隔を狭めることなく，所望のインダクタンスを得ることができる。そして，インダクタンスが大きいことから，高精度な濃度検知が可能になる。また，各層のプリントコイルは，基板の厚さ方向から見て，発振動作する際の電流の方向が同一となるようにパターニングされているため，隣り合うプリントコイルの影響を回避し，所望のインダクタンス特性を確保することができる。従って，装置本体のコンパクト化を妨げることなく，検知能力の向上が図られたトナー濃度検出装置が実現している。
【００４０】
また，プリントコイル２１〜２６を形成する基材の線膨張係数は，１４．４Ｅ−６［／℃］以下である。基材の線膨張係数が上記の規定を満たしていることで，使用環境変動によるインダクタンス値の変動をトナー濃度の変化によるインダクタンス変動より十分に小さくすることができる。これにより，使用環境変動による検知精度の低下を許容範囲に抑えることができ，トナー濃度の検知精度が補償される。
【００４１】
なお，本実施の形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，コイルの形状は，円形に限るものではない。すなわち，螺旋状に巻回された形状であればよく，その外形は例えば矩形であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施の形態にかかる現像装置の概略構成を示す平面透視図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ断面を示す図である。
【図４】実施の形態にかかるトナー濃度センサの最表層のパターンを示す図である。
【図５】実施の形態にかかるトナー濃度センサのＬＣ発振回路を示す回路図である。
【図６】図４中のＣ−Ｃ断面を示す図である。
【図７】各層のプリントパターンの接続イメージを示す図である。
【図８】プリントコイルインダクタンスの温度係数とプリント基板の線膨張係数との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
２０    トナー濃度センサ（トナー濃度検出装置）
２１〜２６  プリントコイル
２７ａ  スルーホール
１００  現像装置
【図１】
2008203064.tif 000004
【図２】
2008203064.tif 000005
【図３】
2008203064.tif 000006
【図４】
2008203064.tif 000007
【図５】
2008203064.tif 000008
【図６】
2008203064.tif 000009
【図７】
2008203064.tif 000010
【図８】
2008203064.tif 000011