(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
識別すべき用紙に照射された光の反射特性に基づき、用紙の種類を識別するようにした用紙識別センサであって、
識別すべき用紙の法線に対して４５°〜６０°の角度位置に配置され、広がりを以って光を照射する発光素子と、
正反射成分の多い角度位置であって上記発光素子の対向側で該発光素子と同一角度位置に配置された第１の受光素子と、
混合反射成分の多い角度位置であって上記発光素子の対向側で上記第１の受光素子のほぼ１／２となる角度位置に配置された第２の受光素子と、
を備え、
上記発光素子から光を照射し、上記第１の受光素子の出力電圧Ｖ１と上記第２の受光素子の出力電圧Ｖ２とを大小比較して、Ｖ１−Ｖ２＜０であれば普通紙と識別し、Ｖ１−Ｖ２＞０であれば光沢紙またはＯＨＰシートと識別することを特徴とする、用紙識別センサ。
【請求項２】
識別すべき用紙の上に遮光板が配置され、用紙からの反射光の面積を一定範囲に限定することを特徴とする、請求項１に記載の用紙識別センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プリンタ、電子写真複写機などの印刷装置において、収納状態または給送状態にある各種用紙の光学的反射特性の違いにより、ＯＨＰシート、光沢紙等の特殊用紙と普通紙とを識別する用紙識別センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プリンタ、電子写真複写機などの印刷装置において、印刷物の利用目的の多様化等に対応してＯＨＰシート、光沢紙等の普通紙以外の用紙が提供されている。これらの用紙は表面処理などの加工が異なることから、各々に適した印字条件や用紙搬送条件の切換えが必要となる。
【０００３】
このため印刷装置等にセットされた用紙の種類を判別するための技術が種々開発されている。これらの技術は大半が光学式センサを用いたものであり、たとえば、特開平２−５６３７５号公報、特開平６−５６３１３号公報、特開平１０−１９８１７４号および特開平１０−１９８０９３号公報等に記載されたものが知られている。いづれの技術においても発光素子と受光素子を１個または２個組み合わせた用紙種類識別装置となっている。
【０００４】
これらの従来装置における用紙種類の識別方法では、発光素子から照射された光が用紙表面で反射されて受光素子で受光される過程において、用紙表面で反射される反射光を正反射光と乱反射光とに区分する。そして正反射光として得られた値と予め設定された基準値との比較または正反射光と乱反射光として得られたそれぞれの値と予め設定されたそれぞれの基準値と比較することによって行われる。
【０００５】
ところで、従来の用紙識別センサにおいては、その主な識別の対象がＯＨＰシートと普通紙との識別であった。両者では材質も異なることから表面の反射率においても極めて大きな差異があり、したがって比較的容易に識別可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の用紙種類識別センサにおいては、発光素子が照射した光が用紙表面で反射し、その反射光は受光素子によって受光される。そして反射光の強度によって変化する受光素子の出力値と、予め設定された基準値とを比較することにより識別が行われている。
【０００７】
このため、得られる出力値の変化量（ダイナミックレンジ）は必然的に小さくならざるを得ず、また実際に使用される発光素子および受光素子のレンズ部形状の光学的バラツキ、光半導体としての感度のバラツキ、さらにその素子を用紙種類識別センサとして組み立てた際の組付けのバラツキがある。これらを考慮すると、受光素子で得られる反射光の受光強度の変化にともなう出力値の変化量を適正に確保するのは極めて困難である。この出力値と絶対値である基準値を比較することはノイズマージンを十分に得られない結果となる。
【０００８】
このため、用紙識別センサを製造する場合においては、使用する素子の性能バラツキを抑えるための選別が必要となり、生産性の悪化、コストアップの要因となっていた。さらにプリンタ、電子写真複写機などの印刷装置におけるカラー化の普及に伴い、デジタル画像のカラー印刷の要求とともにＯＨＰシート以外に、高品質な印刷を得る目的で光沢紙が使用されるようになっている。光沢紙と普通紙との反射率の差は、ＯＨＰシートと普通紙との差ほど大きくなく、受光素子で得られる反射光強度の差による出力値の変動量はより小さくなる。従来技術における受光素子の出力値と設定値とを比較する手段では、用紙種類の正確な識別が実質的に困難となった。
【０００９】
また、すべての発光素子は一般に、使用時間の経過とともにその出力は減光する。従来技術のように発光素子が照射した光の用紙からの反射光を受光素子で受光し、その出力値の絶対値を比較判定するだけでは各種用紙の識別が正しく行われない可能性がある。
【００１０】
本発明はこのような問題を解消するためになされたものであり、安価にかつ正確に安定して用紙種類を識別し得る用紙識別センサを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、識別すべき用紙に照射された光の反射特性に基づき、用紙の種類を識別するようにした用紙識別センサであって、識別すべき用紙の法線に対して４５°〜６０°の角度位置で配置され、広がりを以って光を照射する発光素子と、正反射成分の多い角度位置であって上記発光素子の対向側で該発光素子と同一角度位置に配置された第１の受光素子と、混合反射成分の多い角度位置であって上記発光素子の対向側で上記第１の受光素子のほぼ１／２となる角度位置に配置された第２の受光素子と、を備え、上記発光素子から光を照射し、上記第１の受光素子の出力電圧Ｖ１と上記第２の受光素子の出力電圧Ｖ２とを大小比較して、Ｖ１−Ｖ２＜０であれば普通紙と識別し、Ｖ１−Ｖ２＞０であれば光沢紙またはＯＨＰシートと識別することを特徴とする。
【００１２】
上記構成において、識別すべき用紙の上に遮光板が配置され、用紙からの反射光の面積を一定範囲に限定することが好ましい。
【００１５】
この発明によれば、種類を識別しようとする用紙に光を照射する発光素子と用紙からの反射光を受光する２つの受光素子を備えている。そして、発光素子の法線に対する配置角度を４５°以上とし、第１の受光素子を用紙からの正反射成分の多い位置となる発光素子と対向する側に同一角度で配置し、第２の受光素子を混合反射成分の多い位置となる第１の受光素子の配置角度の半分となる角度の近傍に配置する。
【００１６】
上記構成において、第１の受光素子の出力値（Ｖ1 ）と第２の受光素子の出力値（Ｖ2 ）を各種用紙について測定すると、普通紙ではＶ1 ＜Ｖ2 である。一方ＯＨＰシートや光沢専用紙においてはＶ1 ＞Ｖ2 である。よってＶ1 とＶ2 を大小比較することにより、発光素子の発光強度のバラツキ、受光素子の感度のバラツキおよび用紙種類識別センサとして組み立てた際の組付けのバラツキに影響されないで用紙種別を正確に判定することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づきこの発明による用紙識別センサの好適な実施の形態を説明する。
図１はこの発明の実施形態における反射型の用紙種類識別センサを説明するための図である。図において、本実施形態ではセンサの素子構成は１個の発光素子１と２個の受光素子２，３とからなっている。なお図中、４は用紙Ｐ上に敷設された遮光板である。
【００１８】
発光素子１は、所定の入射角度で用紙Ｐに光を照射するように配置される。第１の受光素子２は、発光素子１の対向側でこの発光素子１と同一角度位置に配置され、また第２の受光素子３は、発光素子１の対向側で第１の受光素子２のほぼ１／２となる角度位置に配置される。この例では、図示のように発光素子１は記録媒体である用紙Ｐの表面の法線Ｎ上からの設置角度を５７°に設定している。また２個の受光素子２，３はそれぞれ、５７°の角度位置と３０°の角度位置に設定してある。
【００１９】
また、後述するように第１の受光素子２は、用紙Ｐからの正反射成分の多い角度位置に配置される。第２の受光素子３は、用紙Ｐからの混合反射成分の多い角度位置に配置される。
【００２０】
図示のように、発光素子１からある一定の広がりを持った光が照射され、用紙Ｐによって反射された反射光が２個の受光素子２，３に入り、それぞれ電気的信号に変換されて出力される。
【００２１】
図１では受発光素子以外に、遮光板４が図示されているが、これは用紙Ｐからの反射光の面積を一定範囲に限定するものである。反射率の小さな材質を使用しあるいはそのような加工を施すことで、遮光板４からの反射を実質上無視することができるレベル以下としている。したがって、遮光板４の影響は実質的に無くすることができる。図示例においては遮光板４が示されているが、光学的絞りあるいはレンズ構成により、反射面の範囲限定を行うこともできる。
【００２２】
図２は、発光素子１の設置位置を法線Ｎからの設置角度を５７°としたときの受光素子２，３の各設置角度に対する出力値の変化と用紙Ｐの種類による違いを示している。
一般に透明体においては、特別な結晶の場合を除き屈折率は１．５〜１．６程度である。その鏡面反射の特徴は法線から見た角度である入射角θが０〜６０°付近までは反射率が小さく、入射角θが７０°を越えると反射率が急に上昇することが知られている。
【００２３】
さらに、空気中から屈折率ｎの透明体に入射する場合において、つぎの（１）式を満足する入射角θp のとき、
ｔａｎθp ＝１／ｎ                                  （１）
入射光のうち入射面に平行な偏向成分は全く反射しないので、鏡面反射光は垂直振動成分だけの直線偏向となる。θp は偏向角と言われ、屈折率ｎ＝１．５において約５７°となる。したがって、この実施形態においては発光素子１の法線Ｎから見た設置位置角度が５７°に設定される。
【００２４】
図２において特徴的なことは、普通紙と各種光沢紙の出力に大きな差が見られない受光素子の設置角度３０°を基準として見ると、光沢紙サンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．５およびＯＨＰシートは設置角度が増加するに従って出力が増加する。普通紙においては設置角度が増加するのに従って出力が減少していることが分る。この結果に着目すると、本発明によれば、従来例において必須であった識別のための判定基準値設定を用いずに用紙種類の識別が可能となる。
【００２５】
本実施形態においては、発光素子１から照射されて用紙Ｐの表面にて反射された反射光を受光して出力される第１の受光素子２の出力電圧（Ｖ1 ）と第２の受光素子３の出力電圧（Ｖ2 ）を相対比較することで、つぎの表１に示すように用紙種類を識別している。相対比較するには第２の受光素子３の出力（Ｖ2 ）を基準電圧とし、第１の受光素子２の出力電圧（Ｖ1 ）とともに一般的な比較回路に接続することで容易に行うことができる。
【００２６】
【表１】
0004362745.tif 000002
【００２７】
本実施形態においては、発光素子１の設置角度位置を図１において５７°としたが、この角度に限定した場合にのみ効果が得られるものではない。すなわち基本的には法線Ｎから４５°以上に発光素子１を設置し、第１の受光素子２を発光素子１と対向する側に該発光素子１と同一の角度位置に設置し、第２の受光素子３を第１の受光素子２の設置角度のほぼ１／２の角度（発光素子１の設置角度が４５°の場合、２２．５°近傍）に設置することで同様な効果が得られる。
【００２８】
理論的には発光素子１の設置角度は、より広い範囲で設定することができる。実際には使用する受発光素子１，２，３の形状および記録紙識別センサとしての取付容易性等を考慮すると、前述した法線Ｎ上から４５°から６０°近傍の範囲にあることが望ましい。発光素子１の設置位置を４５°よりも小さくすると２つの受光素子２，３の出力差を十分に得られなくなることがある。一方、発光素子１の設置角度を６０°以上にすると、そのままでは識別センサとしての形状が大きくなってしまう。
【００２９】
さらに、光が用紙Ｐの表面とほとんど平行になるすれすれの角度で入射する場合（ｇｒａｚｉｎｇ  ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）には、反射率の低い物体や粗面であっても正反射光が増加することが知られている。正確な用紙種類の識別の妨げとなる要素が発生し得るかかる入射角度までの範囲での実施は避けるべきである。このことからも発光素子１の設定角度の上限は６０°近傍に設定することが望ましい。
【００３０】
本実施形態において、前述のように第２の受光素子３の設置角度を第１の受光素子２の設置角度の約半分の角度とする。これは、一般的な発光素子（ＬＥＤ）においては、内部のチップ表面積が約０．０６ｍｍ2 （０．２５ｍｍ角）から約０．１６ｍｍ2 （０．４ｍｍ角）程度の範囲にあり、完全な点光源ではないためである。さらに、発光素子１の表面は特定のレンズ形状を構成していることから、光源からある一定の広がりを以て用紙Ｐに光が照射され、反射光のこの角度（第２の受光素子３の設置角度）近傍に混合反射の光量の最大値が出現するためである。
【００３１】
なお、ここに混合反射（ｍｉｘｅｄ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）とは、正反射と拡散反射とが同時に起こる反射を意味し、塗装面、紙面のような拡散物体の反射光は混合反射で、入射角により正反射と拡散反射の比率は変化する。
【００３２】
このことは発光素子の内部の光源（実際はＧａＡｓの化合物半導体のチップ）を０．４ｍｍ角のサイズと仮定して、光源の光軸上から放射された光束と光源の最外縁部から放射された光束各１０１本に対する光線追跡法によるシミュレーションを以下の条件にて実施した結果からも確認された。
【００３３】
〔条件〕
発光素子と受光素子は一対として、
・発光素子と受光素子の各設置角度：６０°
・光源の広がり角：６０°
・光線数：光源の光軸上、光源の最外縁部からの放射各１０１本
・点光源設置位置：光軸上および光軸から０．２ｍｍの位置の２点
・散乱の仮定：ランバーシアン分布による散乱と仮定
（散乱分率＝０．５に設定）
【００３４】
つぎに、この発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態においては、普通紙、光沢紙、ＯＨＰシートの３種類の識別を行うようにしている。この場合には、ＯＨＰシートと光沢紙を含めた特殊用紙と普通紙の識別を第１の実施形態に従って行った後、光沢紙とＯＨＰシートの識別に比較基準値を設けることで３種類の識別を行うことができる。
【００３５】
従来の手段においては識別が困難であった普通紙と光沢紙の識別を第１の実施形態の方法で行ったうえで、ＯＨＰシートと光沢紙の識別に必要な比較基準値を設けることは、ＯＨＰシートと光沢紙の反射率の違いが大きいことから、容易に確実な識別が可能となる。
【００３６】
上記実施形態において、具体的な数値例をあげて本発明を説明したが、この発明はそのような数値にのみ限定されるものではなく、この発明の範囲内で適宜変更等が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、この種の用紙識別センサにおいて簡素な構成にして、つねに安定して正確な識別を行うことができ、低コストで優れたセンサを提供することができる等の利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態における反射型の用紙識別センサを説明するための図である。
【図２】この発明の実施形態における発光素子の設置位置と出力値の関係を示す図である。
【符号の説明】
１    発光素子
２    第１の受光素子
３    第２の受光素子
４    遮光板
Ｐ    用紙
Ｎ    法線
【図１】
0004362745.tif 000003
【図２】
0004362745.tif 000004