表面电位传感器

表面电位传感器 EFS系列

表面电位传感器的结构

探头部位是检测感光鼓表面电位的"眼睛",其由带有电力线屏蔽翼的斩波器(音叉型振动板)及驱动其的压电器件、用于检测表面电位的检测电极、阻抗转换用前置放大器部位(检测电路)构成(图1)。该小型压电执行器控制机构是感应的重要部分,其放置在用于屏蔽外来噪音的小型金属屏蔽罩中,并安装在复印机内部,且开设于检测电极面上部的小窗与感光鼓表面对面相向。

图1 探头结构

图1 探头结构

表面电位检测的必要性

通常情况下,静电复印机按以下流程进行复印。

  • 1) 带电:带电器的电晕放电使感光鼓表面整体均匀带电。
  • 2) 曝光:曝光部分呈导电性,表面的电荷逃离并消失。
  • 3) 显影:带电的碳粉附着于潜像上,得到可视图像。
  • 4) 转印:附着于感光鼓上的碳粉转印至纸上。
  • 5) 定影:转印至纸上的碳粉通过热量溶融并固定。
  • 6) 清扫:转印后,除去感光体上残留的碳粉,返回初始状态。

为始终保持最佳状态的画质品位,其重点在于优化附着于感光鼓的碳粉量。
为此,在上述流程3)的显影时间点,需要始终将感光鼓的带电状态保持在事先设置的最佳值状态。因此,在6)清扫后需要立即准确检测鼓表面电位,并需要带有控制1)所述带电(电晕放置)强度的功能。其功能与控制的概要如图2所示。

图2 表面电位优化控制的概念
图2 表面电位优化控制的概念

表面电位传感器将检测到的表面电位水平作为电压信号,通过处理电路传递至CPU(a),CPU接收到之后对高电压发生器进行控制(b)。带电器对发生的电晕放电强度进行调整(c)。也就是说,即使感光鼓表面的带电特性中发生因环境导致的变化或老化,感光鼓的带电状态也可通过这一系列的检测及控制流程,保持在优化为高品质图像的水平。 当然,决定该控制系统的能力与可靠性的因素是表面电位传感器的检测精度以及输出稳定性,但由于需要推进提高复印速度,因此对其响应速度的要求也越来越高。

EFS系列的优势与应用优点

EFS系列通过独特的高稳定输出电路将检测输出(0〜4.5V)的变动范围控制在±0.05V以下,使检测响应速度达到符合高速机要求的11msec.(typ.)。此外,可设置检测距离也扩大至1.5〜3.5mm。在该范围内,输出电压的变化较小,即使在周围温度变化的情况下,也能发挥优秀的输出稳定性。

表面电位检测机制

构成探头的执行器部位与检测电路之间的关系将通过图3所示感光鼓表面带负电的模型进行说明。

图3 探头的检测电路模型图3 探头的检测电路模型

距离感光鼓表面数毫米距离位置,并且与其相向的探头内检测电极面中,通过以空气为媒介的静电耦合(图中以红色标识的电力线),使其产生于感光鼓表面所带负电荷(被小窗与电力线屏蔽翼切割出来的面积部分的电荷)等效的正电荷。
在此状态下,对连接于斩波器底部的压电器件附加驱动电压后,该图中,压电器件将沿纵向伸缩,而顶端部的电力线屏蔽翼将会因附加于斩波器上的弯曲应力而进行周期性开关。
通过该屏蔽翼的规则性开关运动,通过探头屏蔽罩上所开小窗的电力线量,即检测电极面上产生的电荷量也会发生周期性增减,因此从电路方面来看,可将其等效视为容量发生周期性增减的可变电容器。以下将对该变化情况进行更为详细的说明。

检测部的工作模型

电力线屏蔽翼工作的模型如图4所示。电力线屏蔽翼反复进行中点→开max.→中点→关min.→中点的周期性开关运动,连接感光鼓被测定面与检测电极间的电力线数量也会根据该周期进行增减。

图4 电力线屏蔽翼的开关运动与耦合容量的变化
图4 电力线屏蔽翼的开关运动与耦合容量的变化
斩波器驱动周期与耦合容量的变化 斩波器驱动周期与耦合容量的变化

通过前述(图3)"探头的检测电流模型"来观察该一系列的变化可见,通过电力线屏蔽翼开关而在检测电极面上产生的周期性电位变化将通过阻抗转换用前置放大器内部的输入容量Ci与输入电阻Ri的合成阻抗,在与电线层基准电位之间产生电荷出入。
最终可得知,前置放大器的交流输出Vo与感光鼓被测定面的对地电位Ve成正比。 同时,此时在斩波器振幅与前置放大器交流输出之间会形成以下关系,即:

  • 1) 当感光鼓的对地电位Ve一定时,前置放大器的交流输出与斩波器振幅呈正比;
  • 2) 当斩波器振幅一定时,前置放大器的交流输出与感光鼓的对地电位Ve呈正比。

而斩波器的振幅稳定性将左右感应精度。

反馈电路形成的稳定输出

为此,为解决这一基本课题,通过应用独有的反馈电路,使非检测电极的探头构成元件电位与检测电位保持相同,从而确保稳定的检测精度。该概念将通过如图5所示的电路方框图流程的进行说明。

图5 探头+基板部方框图图5 探头+基板部方框图

该方式是将探头电压从地线层上分离,从阻抗转换用前置放大器上作为交流电压提取的检测信号通过交流放大→同步检波→积分电路,并通过绝缘变压器进行高压放大,从而反馈至探头基准电位。
通过该负反馈,检测信号将被无限控制于零点,同时反馈电压将与被测定电压相等。即,通过应用该独有电路,即使在斩波器振幅或检测距离中发生变动时,也可以得到不受这些因素影响的高可靠性被测定电位(反馈电位)。
同时,通过该反馈操作被调整为与探头相同值的高压输出,会在最终段的分压电路中被处理为1/200的电压值(0-4.5V)后通过缓冲部位从传感器输出,但其变动幅度被抑制在±0.05V以下。
此外,通过应用该高稳定化电路,可以解决以往模拟输出型依赖输出电压检测距离以及依赖周围温度等无法避免的问题,并达到了世界顶级水平的高稳定检测性能,其中,感光鼓表面-探头检测电极间距离在1.5-3.5mm、周围温度变化在0~+50°C范围中的输出电压变化率仅为1%以下。并且还实现了11ms的超高相应性能。