DE10151703B4

DE10151703B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen der Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht in einem Drucker oder Kopierer

Info

Publication number: DE10151703B4
Application number: DE10151703A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Jeschonek; Peter Dipl.-Ing. Möstl; Wolfgang Dipl.-Ing. Schullerus; Alfred Dipl.-Ing. Zollner
Original assignee: Oce Printing Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Canon Production Printing Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2001-10-19
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2021-10-20
Also published as: DE10151703A1; US20030091355A1; US6771913B2

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen der Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht in einem Drucker oder Kopierer,
bei der eine erste Kondensatorplatte (12) und eine zweite Kondensatorplatte (14) nebeneinander sowie mindestens eine Gegenelektrode (16) gegenüberliegend angeordnet sind, die einen ersten Kondensator (13) und einen zweiten Kondensator (15) bilden,
im Bereich zwischen den beiden Kondensatorplatten (12, 14) und der Gegenelektrode (16) eine Schicht (38) angeordnet ist, die Tonerteilchen enthält,
in einem ersten Schaltzustand die beiden Kondensatoren (13, 15) mit zueinander entgegengesetzten Spannungen geladen werden,
und bei der in einem zweiten Schaltzustand die erste und die zweite Kondensatorplatte (12, 14) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei nach einem Ladungsausgleich die verbleibende Ladung bestimmt wird und daraus auf die Beschaffenheit der Tonerschicht (38) geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen der Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht in einem Drucker oder Kopierer. Im Dielektrikum eines Kondensators ist zumindest zeitweise die Tonerteilchenschicht enthalten. Aus elektrischen Eigenschaften des Kondensators kann auf die Beschaffenheit des Dielektrikums und somit auf die Beschaffenheit der Tonerteilchenschicht geschlossen werden.
Bei elektrografischen Druck- oder Kopiergeräten wird zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes Toner auf einem Trägermedium aufgebracht und auf diesem fixiert. Auf einem Bilderzeugungsmedium, z.B. auf einem Fotoleiter, wird ein latentes Ladungsbild erzeugt, das anschließend mit Toner eingefärbt wird. Das Tonerbild wird nachfolgend auf ein Trägermaterial übertragen und auf diesem fixiert. Die erzielbare Druckqualität hängt insbesondere vom Einfärbungsgrad des Druck- bzw. Tonerbildes und somit von der Menge des auf einem Aufzeichnungsträger übertragenen Farbstoffes, d.h. von dem übertragenen Toner, ab. Ferner muss beispielsweise bei der Darstellung von Vollflächen, gerasterten Halbtonflächen, Linien, Zeichen und ähnlichem der Einfärbungsgrad des Druckbildes in bestimmten Grenzen gehalten werden. Daher muss der erste Einfärbungsgrad eines Druck- bzw. Tonerbildes gemessen und anschließend mit Hilfe eines Regelsystems entsprechend dem Messergebnis die aufzubringende Farbstoff- bzw. Tonermenge eingestellt werden. Entsprechend den Anforderungen an die Druckqualität kann der Regelvorgang auch in bestimmten zeitlichen Abständen wiederholt werden.
Zum Ermitteln des Einfärbungsgrades von Druck- bzw. Tonerbildern werden beispielsweise Flächenbereiche gezielt eingefärbt, die als Druck- bzw. Tonermarken bezeichnet werden.
Das Ermitteln des Einfärbungsgrades von Druck- oder Tonermarken kann direkt auf einem Aufzeichnungsträger und/oder einem Bilderzeugungsmedium, wie beispielsweise einer Fotoleitertrommel oder einem Applikatorelement vorgenommen werden.
Zur Erzielung einer geforderten Druckqualität muss die beim Einfärben des latenten Ladungsbildes aufgebrachte Tonermenge genau in vorgegebenen Grenzen gehalten werden, da beispielsweise eine schwarz einzufärbende Fläche nur tiefschwarz erscheint, wenn ausreichend Toner aufgebracht wird. Andererseits darf beispielsweise bei dünnen, dicht nebeneinanderliegenden Linien nicht zu viel Toner aufgetragen werden, da sonst die Linien ineinander verlaufen.
Ferner ist es aus ökonomischen sowie ökologischen Gründen auch bei einer einzufärbenden Fläche nicht sinnvoll bzw. vertretbar, mehr Toner auf dem Fotoleiter als unbedingt notwendig aufzutragen, oder anders ausgedrückt, es soll möglichst nur immer so viel Toner aufgebracht werden, wie für den jeweils gewünschten Einfärbungsgrad benötigt wird. Zum Messen des Einfärbungsgrades von Druck- oder Tonerbildern in Form von Tonermarken sind optoelektrisch arbeitende Sensorsysteme bekannt. Beim Verwenden solcher Systeme wird eine Tonermarke mit Testlicht, beispielsweise mit sichtbarem oder infrarotem Licht, bestrahlt. Aufgrund unterschiedlicher Reflektions- und Absorptionseigenschaften von Tonermarken, welche von der in der Tonermarke enthaltenen Tonermenge abhängen, wird mittels eines optoelektrischen Sensorsystems die Intensität des reflektierten bzw. transmittierten Lichtes gemessen und darauf der Einfärbungsgrad bestimmt. Das Messergebnis optoelektrisch arbeitender Sensorsysteme zum Bestimmen des Einfärbungsgrades von Tonermarken ist jedoch auch von den optischen Eigenschaften des Mediums abhängig, auf dem die Tonermarke aufgebracht ist. So können bereits beim Verwenden verschiedener Papierarten Druckbild-Fehlanpassungen auftreten. Ähnliche Druckbild-Fehlanpassungen können beispielsweise durch Schwankungen in den Fotoleiter-Chargen auftreten.
Ferner nimmt die reflektierte bzw. transmittierte Lichtmenge nur so lange ab, bis die Flächenelemente der Tonermarke einmal lückenlos mit Toner bedeckt sind. Eine danach weiter zunehmende, mehrlagige Betonerung der Tonermarke führt bei vollständig absorbierendem Tonermaterial nicht mehr zu Veränderungen der reflektierten/absorbierten Lichtmenge und damit des elektrischen Signals. Optoelektrische Sensoren können somit eine weitere Zunahme der Schichtdicke nicht erfassen. Auch bei unterschiedlichen Tonerfabrikaten und bei verschiedenfarbigen Tonern sind unterschiedliche Reflektions- und Absorptionseigenschaften vorhanden. Ein optoelektrischer Sensor ist daher an den jeweils verwendeten Toner bzw. an jeden farbigen Toner speziell anzupassen. Diese Anpassungen sind sehr zeit- und kostenintensiv. Bei bestimmten Farbtonern liefern optoelektrische Sensorsysteme nur unzureichende Messergebnisse.

Aus dem Dokument DE 196 43 611 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bestimmen eines Einfärbungsgrades von betonerten Bereichen in einer Druck- oder Kopiereinrichtung beschrieben. Zum Bestimmen des Einfärbungsgrades wird mittels zwei quer zur Förderrichtung eines Trägermaterials angeordneter kapazitiver Sensoren gegen ein unbetonertes Trägermedium sowie gegen eine Tonermarke gemessen. Aus den zwei Messwerten wird die Schichtdicke der Tonerschicht bestimmt. Jedoch werden schon bei geringen Justageungenauigkeiten der Sensoren und bei einer örtlichen Änderung der physikalischen Eigenschaften des Trägermediums ungenaue Messergebnisse erzielt, wodurch eine hohe Druckqualität nicht mehr gewährleistet ist. Weitere Einrichtungen und Verfahren zum Bestimmen des Einfärbungsgrades von Tonermarken sind aus den Dokumenten US 6,021,294 A; US 5,987,269 A ; US 5,918,085 A ; US 5,694,223 A ; US 5,657,114 A ; US 5,500,716 A ; US 4,935,776 ; US 4,860,924 ; US 4,706,032 und US 4,245,022 bekannt.

Aus den Druckschriften US 6,058,275 A ; Xerox Disclosure Journal, Vol. 13, No. 4 (1988); DE 196 43 611 A1 und JP 11-133 721 A mit Abstract sind jeweils Vorrichtungen und Verfahren bekannt, bei denen die Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht in einem Drucker oder Kopierer mittels kapazitiver Sensoren bestimmt wird, wobei die Beschaffenheit der Tonerschicht lediglich durch den Vergleich einer Kapazitätsmessung eines unbetonerten Bereichs mit einer Kapazitätsmessung eines betonerten Bereichs bestimmt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute, kostengünstige Vorrichtung und ein einfach durchzuführendes Verfahren anzugeben, durch die bzw. durch das die Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht relativ genau ermittelt wird.

Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung zum Erfassen der Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht in einem Drucker oder Kopierer durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und für ein Verfahren zum Erfassen der Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht in einem Drucker oder Kopierer durch die Merkmale des Patentanspruchs 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Die Vorrichtung zum Erfassen der Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht in einem Drucker oder Kopierer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 enthält zwei Kondensatoren. In einem ersten Schaltzustand werden diese Kondensatoren mit zueinander entgegengesetzten Spannungen geladen. In einem zweiten Schaltzustand sind die erste und die zweite Kondensatorplatte elektrisch miteinander verbunden, wobei die verbleibende Ladung bestimmt wird. Die Vorrichtung hat einen einfachen Aufbau und ist kostengünstig herzustellen. Ein unterschiedliches Dielektrikum der beiden Kondensatoren bewirkt infolge der im Dielektrikum enthaltenen Tonerteilchen schicht eine verbleibende Ladung. Aus der verbleibenden Ladung wird auf die Beschaffenheit und/oder auf eine Änderung der Beschaffenheit der Tonerschicht geschlossen. Die Beschaffenheit der Tonerschicht kann dabei die Schichtdicke, die Dichte oder der Feuchtigkeitsgehalt der Tonerteilchenschicht sein. Die Schichtdicke der Tonerschicht ist maßgebend für den Einfärbungsgrad des Druckbildes. Mit Hilfe der Dichte der Tonerteilchenschicht kann die Tonerart, z.B. die Tonerfarbe, bestimmt werden. Der Feuchtigkeitsgehalt gibt z.B. Aufschluss über die Konsistenz des Tonermaterials. Dadurch wird erreicht, dass für die Qualität des Druckergebnisses entscheidende Beschaffenheitsparameter der Tonerteilchenschicht erfasst und für Steuer- und/oder Regelungsprozesse im Drucker genutzt werden, wodurch eine hohe Druckqualität gewährleistet ist.

Das Betreiben der Kondensatoren in zwei Schaltzuständen ermöglicht weiterhin auch geringe Änderungen des Dielektrikums zu ermitteln und als Ladungsdifferenz auszuwerten. Im zweiten Schaltzustand erfolgt bereits durch den Kurzschluss der Kondensatorplatten ein Ladungsträgeraustausch der beiden Kondensatoren. Eine Auswerteschaltung muss nur die verbleibende Ladung auswerten. Die Differenzbildung der Ladungen der Kondensatoren erfolgt im zweiten Schaltzustand durch den Ladungsträgeraustausch auf einfache Art und Weise. Durch den ersten und zweiten Schaltzustand erfolgt das Aufladen und das Entladen der Kondensatoren nacheinander, wodurch hochgenaue Messergebnisse mit geringem Messaufwand erzielt werden. Die Beschaffenheit der Tonerteilchenschicht ist mit Hilfe dieser Messergebnisse exakt bestimmbar.

Mit Hilfe dieser Messergebnisse kann z.B. das Aufbringen von Toner so gesteuert oder geregelt werden, dass der Einfärbungsgrad eines Tonerbildes in einem vorgegebenen engen Toleranzbereich gehalten wird. Dadurch wird eine hohe Bildqualität des Druckerzeugnisses gewährleistet und gleichzeitig der Tonerverbrauch optimiert.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Tonerschicht zwischen den Kondensatorplattenlatten und der Gegenelektrode vorwärts transportiert, d.h. hindurchgefördert. Sind die Kondensatorplatten z.B. in Bewegungsrichtung nacheinander angeordnet, so erfolgt die Kapazitätsänderung der beiden Kondensatoren nacheinander. Dadurch wird das Messergebnis bei dieser Ausführungsform durch Schwankungen in den Fotoleiter-Chargen nur unwesentlich verfälscht. Auch kann die Schichtdicke der Tonerteilchenschicht bei verschiedenfarbigen Toner noch exakt bestimmt werden, da der Einfluss der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften verschiedenfarbiger Tonerschichten das zum Ermitteln der Schichtdicke der Tonerteilchenschicht nur gering beeinflusst. Die Änderung der verbleibenden Ladungsträger wird ausgewertet.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erzeugt die verbleibende Ladung einen Stromwert, der als Signalwert dient. Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform werden die Stromsignalwerte in Spannungssignalwerte umgewandelt. Aus der verbleibenden Ladung kann einfach ein Strom entsprechend der verbleibenden Ladung erzeugt werden. Dieser Strom ist direkt proportional zur verbleibenden Ladung der beiden Kondensatoren. Nach dem Umwandeln der Stromsignalwerte und Spannungssignalwerte ist eine Weiterverarbeitung der Spannungssignalwerte, z.B. mit Hilfe von Operationsverstärkern oder digitalen Signalprozessoren einfach möglich. Auch können Spannungssignalwerte einfach verteilt und somit. mehreren Signaleingängen von Auswerteschaltungen unkompliziert zugeführt werden.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung verstärkt eine Signalverarbeitungseinheit die aus der verbleibenden Ladung erzeugten Signalwerte und filtert diese mit Hilfe eines Bandpassfilters. Dadurch wird erreicht, dass Signalstörungen, die z.B. durch das Umschalten des ersten und zweiten Schaltzustandes verursacht sind, mit Hilfe eines Bandpassfilters oder mit Hilfe anderer bekannter Filter einfach herausgefiltert werden. Die Beschaffenheit der Tonerschicht kann mit Hilfe der gefilterten Signalwerte genau bestimmt werden. Zur Weiterverarbeitung wird nach dem Filtern das Signal verstärkt. Das Filtern, Verstärken und Auswerten erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors, wodurch keine weiteren Baugruppen zur Signalaufbereitung vorgesehen werden müssen.

Bei einer anderen Ausführungsform wird die Tonerdichte und/oder die Dicke der Tonerschicht mit Hilfe voreingestellter Vergleichswerte bestimmt. Dadurch ist eine einfache Auswertung möglich, die nur eine einfache Auswerteschaltung erfordert. Eine solche Auswerteschaltung kann z.B. einen Vergleicher enthalten.

Bei einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Dauer des ersten und des zweiten Schaltzustandes in etwa gleich groß und die Schaltzustände werden mit einer Frequenz im Bereich zwischen 300 kHz und 1 MHz umgeschaltet. Das Laden und Entladen der Kondensatoren erfolgt dadurch derart, dass einfach auszuwertende Signale erzeugt werden. Die Vorrichtung wird dadurch nach einem sogenannten Switched-Capacitor-Verfahren betrieben. Anordnungen mit einer Umschaltfrequenz im Bereich von 300 kHz bis 1 MHz lassen sich aus kostengünstigen Bauteilen herstellen, wobei hochgenaue Messergebnisse erzielbar sind

Werden bei anderen Ausführungsformen z.B. elektronische Schaltelemente eingesetzt, können die Schaltzustände mit einer Frequenz von bis zu 3 MHz umgeschaltet werden. Die Umschaltfrequenz wird nur durch die mögliche Schaltfrequenz verfügbarer Schaltelemente begrenzt. Das Switched-Capacitor-Verfahren lässt sich auch mit höheren Schaltfrequenzen durchführen. Auch kann die Dauer der Schaltzustände, d.h. die sogenannte Tastbreite, variiert werden, um Störeinflüsse weiter zu verringern. Die Dauer der Schaltzustände kann zwi schen 10 und 90% der Gesamtdauer der beiden Schaltzustände voreingestellt werden, wodurch je nach Anwendung weitere Störeinflüsse vermieden werden.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält das Trägerelement, auf dem die Tonermarke aufgebracht ist, leitfähige Elemente, wobei das Trägerelement die Gegenelektrode bildet. Dadurch wird erreicht, dass keine separate Gegenelektrode benötigt wird, sondern dass z.B. ein Fotoleiterband, ein Transferband, ein Applikatorband, eine Applikatorwalze, eine Fotoleiterwalze oder eine Transferwalze als Gegenelektrode genutzt werden kann. Das Trägerelement kann dabei auch auf ein elektrisches Potential, z.B. auf ein Bezugspotential voreingestellt werden, indem das Trägerelement mit diesem Potential elektrisch leitend verbunden ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung erfasst eine Signalverarbeitungseinheit die Signalwerte der verbleibenden Ladung eines gesamten Banddurchlaufs bzw. eines gesamten Walzenumlaufs des von Tonerteilchen gereinigten Bandes bzw. der von Tonerteilchen gereinigten Walze und speichert diese Signalwerte mit der Zuordnung zu der jeweiligen Walzen- bzw. Bandposition in einem Speicherbereich der Signalverarbeitungseinheit. Während einer zweiten Betriebsphase des Druckers oder Kopierers wird für jede gespeicherte Walzen- bzw. Bandposition die Differenz aus aktuellem und gespeichertem Signalwert gebildet, wobei die Signalverarbeitungseinheit mit Hilfe der Differenz die Beschaffenheit der Tonerschicht ermittelt. Die erste Betriebsphase wird vorzugsweise nach dem Einschalten oder bei der Inbetriebnahme sowie bei Wartungsarbeiten des Druckers oder Kopierers aktiviert.

Nach dem Ermitteln der Signalwerte mindestens eines Walzen- bzw. Bandumlaufs wird automatisch die zweite Betriebsphase aktiviert. Während der ersten Betriebsphase werden keine Tonermarken erzeugt. Dadurch wird erreicht, dass auch Signalwertänderungen infolge einer unterschiedlichen Beschaffenheit des Trägermaterials kompensiert werden können, indem sie bei der Auswertung der Signalwerte berücksichtigt werden. So kann z.B. der Differenzwert aus gemessenem Signalwert und gespeichertem Signalwert zur Weiterverarbeitung genutzt werden. Auch können so bleibende Verunreinigungen und Unregelmäßigkeiten im Trägermaterial bei der Bestimmung der Schichtdicke der Tonermarke berücksichtigt werden, wodurch die Schichtdicke noch exakter bestimmbar ist.

Ein Verfahren zum Erfassen der Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht in einem Drucker oder Kopierer bei dem zwei Kondensatoren vorgesehen sind, deren elektrischen Eigenschaften als Maß für die Beschaffenheit der Tonerteilchenschicht genutzt werden. In einem ersten Schaltzustand werden die Kondensatoren mit entgegengesetzten Spannungen geladen. In einem zweiten Schaltzustand werden die beiden Kondensatoren kurzgeschlossen, wodurch ein Ladungsträgerausgleich stattfindet. Die verbleibende Ladung wird als Messsignal ausgewertet. Mit diesem Verfahren ist es einfach und kostengünstig möglich, die Beschaffenheit der Tonerschicht, z.B. einer Tonermarke, exakt zu bestimmen. Eine Steuerung und/oder Regelung kann z.B. mit Hilfe der ermittelten Beschaffenheit der Tonerschicht die Einfärbung, d.h. die Schichtdicke, eines latenten Ladungsbildes mit Toner steuern bzw. regeln. Aufwendige Einstell- und Anpassungsarbeiten zum Anpassen einer Messanordnung zum Durchführen des Verfahrens z.B. auf unterschiedliche Trägermaterialien und unterschiedliche Tonerparameter sind bei diesem Verfahren nicht notwendig.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zum Bestimmen der Schichtdicke einer Tonermarke auf einem Trägermaterial;
2 eine Messanordnung der Vorrichtung nach 1 in einem ersten Schaltzustand;
3 die Messanordnung in einem zweiten Schaltzustand;
4 eine Anordnung zur Ansteuerung von Kondensatoren zum Erfassen der Schichtdicke einer Tonermarke;
5 eine Anordnung zum Erfassen der Schichtdicke der Tonermarke;
6 eine Anordnung mit zwei Kondensatorplatten, an denen die Tonermarke vorbeigeführt wird;
7 ein Spannungs-Zeit-Diagramm mit dem Signalverlauf des Messergebnisses bei der in 6 gezeigten Anordnung;
8 einen Plattenkondensator mit dem Feldlinienverlauf des elektrischen Feldes;
9 einen Plattenkondensator mit Schutzelektrode mit dem Feldlinienverlauf des elektrischen Feldes;
10 ein Blockschaltbild, in dem die Weiterverarbeitung des Sensorsignals in einem Drucker oder Kopierer dargestellt ist;
11 eine Anordnung mit paarweise angeordneten Kondensatorplatten ihre Lage zur Bewegungsrichtung der Tonermarke;
12 eine Anordnung zur Frequenzanalyse der Schwingung einer metallischen Oberfläche;
13 eine erste Sensorflächenanordnung;
14 eine zweite Sensorflächenanordnung;
15 eine dritte Sensorflächenanordnung;
16 eine vierte Sensorflächenanordnung;
17 eine fünfte Sensorflächenanordnung;
18 eine sechste Sensorflächenanordnung;
19 eine siebte Sensorflächenanordnung;
20 eine Anordnung der Sensorfläche mit Gegenelektrode;
21 eine Positionierung eines Sensors zum Messobjekt;
22 eine gekrümmte Gegenelektrode, wobei die Kondensatorplatten entsprechend dem Verlauf der Gegenelektrode gekrümmt sind; und
23 einen Stromlaufplan zum Ansteuern und Auswerten einer Vorrichtung mit einem kapazitiven Sensor, der zwei Kondensatorplatten enthält.
In 1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht Tonerschicht 38 in einem elektrografischen Drucker oder Kopierer dargestellt. Mit Hilfe der Vorrichtung 10 wird die Schichtdicke der Tonerschicht 38 ermittelt. Die Tonerschicht 38 ist mit Hilfe einer nicht dargestellten Belichtungs- und Entwicklungseinheit auf einem Fotoleiterband bzw. einer Fotoleiterband 16 erzeugt worden. Die Tonerschicht 38 bildet eine Tonermarke 39. Das Fotoleiterband 16 ist als umlaufendes Band ausgeführt, das mit Hilfe der Umlenkwalzen 20, 22 umgelenkt wird. Das Fotoleiterband 16 enthält elektrisch leitende Bestandteile, die mit einem Bezugspotential 18 elektrisch leitend verbunden sind. Das Fotoleiterband 16 hat eine obere Fläche 40, auf der sich die Tonerschicht 38 befindet. Parallel zu der Fläche 40 sind eine erste Kondensatorplatte 12 und eine zweite Kondensatorplatte 14 angeordnet. Die Flächen der Kondensatorplatten 12, 14, und die der Fläche 40 des Fotoleiterbandes 16 sind einander zugewandt. Vorzugsweise haben die Kondensatorplatten 12, 14 dieselbe wirksame Plattenfläche. Das Fotoleiterband 16 ist Gegenelektrode der Kondensatorplatten 12, 14.
Die erste Kondensatorplatte 12 und die Gegenelektrode 16 bilden einen ersten Kondensator 13 und die zweite Kondensatorplatte 14 und die Gegenelektrode 16 bilden einen zweiten Kondensator 15. Bei gleicher wirksamer Fläche der Kondensatorplatten 12, 14 und gleichem Abstand der Kondensatorplatten 12, 14 zur Gegenelektrode 16 haben der erste Kondensator 13 und der zweite Kondensator 15 dieselbe Kapazität, wenn zwischen dem Fotoleiterband 16 und den Kondensatorplatten 12 keine Tonerschicht 38 und keine Tonerreste vorhanden sind. Der Abstand zwischen Fotoleiterband 16 und den Kondensatorplatten 12, 14 wird auf einen Wert im Bereich zwischen 0,2 und 10 mm voreingestellt. Vorzugsweise beträgt dieser Abstand etwa 1 mm. Eine Schalteinheit 26 ist vorgesehen, um in einem ersten Schaltzustand die Kondensatorplatte 12 mit einer zum Bezugspotential 18 positiven Spannungsquelle (nicht dargestellt) zu verbinden und die Kondensatorplatte 14 mit einer zum Bezugspotential 18 negativen Spannungsquelle (nicht dargestellt) zu verbinden. Die Beträge der Spannungen sind gleich.
In einem zweiten Schaltzustand trennt die Schalteinheit 26 die Verbindungen zu den Spannungsquellen und schließt die beiden Kondensatorplatten 12, 14 kurz. Die Restladung wird einem Filter 28 zugeführt. Das gefilterte Signal wird einem Verstärker 30 zugeführt, der das verstärkte Signal an eine Auswerteeinheit 32 übergibt. Je nach Umgebungsbedingung und Schaltfrequenz der Schalteinheit 26, die vorzugsweise im Bereich zwischen 300 kHz und 1 MHz liegt, wird der Filtertyp sowie die dazugehörigen Filterparameter des Filters 28 voreingestellt. Vorzugsweise wird ein Bandpassfilter eingesetzt.
Der Filter 28, der Verstärker 30 und die Auswerteeinheit 32 bilden eine Auswerteanordnung 24 zum Bestimmen der Schichtdicke der Tonerschicht 38. Die Auswerteeinheit 32 übergibt das Messergebnis 36 einer übergeordneten Steuerung (nicht dargestellt), die mit Hilfe des Messergebnisses 36 die Schichtdicke der Tonerschicht 38 auf einen voreingestellten Wert regelt. Die Auswerteeinheit 32 erzeugt auch ein Rechtecksignal 34, das der Schalteinheit 26 die Schaltfrequenz vorgibt, mit der die Umschaltung vom ersten in den zweiten Schaltzustand und vom zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand durchgeführt wird. Die Kapazitätsänderungen der Kondensatoren 13, 15 beim Hindurchfördern der Tonerschicht 38 zwischen der Gegenelektrode 16 und den Kondensatorplatten 12, 14 wird weiter unten im Zusammenhang mit den 6 und 7 noch näher erläutert.
In 2 sind die Kondensatorplatten 12, 14 und das als Gegenelektrode ausgebildete Fotoleiterband 16 im ersten Schaltzustand dargestellt. Gleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. In dem ersten Schaltzustand ist die erste Kondensatorplatte 12 mit einer Spannungsversorgungseinheit 42 verbunden, die eine Spannung von +10 V in Bezug auf das Bezugspotential 18 bereitstellt. Die zweite Kondensatorplatte 14 ist elektrisch leitend mit einer zweiten Spannungsversorgungseinheit 44 verbunden, die eine Spannung von –10 V in Bezug auf das Bezugspotential bereitstellt. Mit Hilfe der Spannungsversorgungseinheit 42, 44 werden dem ersten und dem zweiten Kondensator 13, 15 jeweils elektrische Ladungen zugeführt. Die zugeführte Ladung ist abhängig von der jeweiligen Kapazität der Kondensatoren 13, 15.
In 3 sind die Kondensatorplatten 12, 14 und das als Gegenelektrode ausgebildete Fotoleiterband 16 in einem zweiten Schaltzustand dargestellt. In dem zweiten Schaltzustand sind die Kondensatorplatten 12, 14 elektrisch miteinander verbunden. Dadurch findet ein Ladungsträgeraustausch zwischen den beiden Kondensatoren 13; 15 statt. Dadurch, dass dem ersten Kondensator 13 mit Hilfe der Spannungsversorgungseinheit 42 positive Ladungsträger zugeführt wurden und dem zweiten Kondensator 15 mit Hilfe der Spannungsversorgungseinheit 44 negative Ladungsträger, ist die resultierende Ladung nach einer elektrischen Verbindung der beiden Kondensatorplatten 12, 14 die Ladungsdifferenz infolge einer unterschiedlichen Kapazität der beiden Kondensatoren 13, 15. Die Ladungsdifferenz bewirkt einen Strom I, der der Auswerteanordnung 24 zugeführt wird. Die Auswerteanordnung 24 erzeugt aus dem Stromsignal ein Spannungssignal. Die Auswerteeinheit 32 ermittelt aus diesem Spannungssignal, wie in 1 bereits erläutert, entsprechend der Kapazitätsdifferenz der beiden Kondensatoren 13, 15 die Schichtdicke der Tonerschicht 38.
Bei gleicher wirksamer Fläche der Kondensatorplatten 12, 14 und gleichem Abstand dieser Kondensatorplatten 12, 14 zur Gegenelektrode 16 ist die Ladungsdifferenz ohne dass sich eine Tonerschicht 38 zwischen einer der Platten 12, 14 der Gegenelektrode 16 befindet, 0. Befindet sich eine Tonerschicht 38 zwischen einer Kondensatorplatte 12, 14 und der Gegenelektrode 16, so verändert sich die Kapazität des Kondensators 13, 15. Zu dem Zeitpunkt, zu dem sich die Tonerschicht 38 noch nicht unter dem anderen Kondensator 15 befindet, bzw. nicht mehr unter dem anderen Kondensator 13 befindet, ist aufgrund der unterschiedlichen Kapazitäten der Kondensatoren 13, 15 eine Ladungsdifferenz vorhanden, aus der auf die Schichtdicke der Tonerschicht 38 geschlossen wird.
Die Kapazitätsänderung der Kondensatoren 13, 15 infolge der Tonerschicht 38 resultiert aus der Änderung des Dielektrikums , d.h. aus der Änderung des geschichteten Dielektrikums, des jeweiligen Kondensators 13, 15 beim Hindurchfördern der Tonerschicht, 38 zwischen der Kondensatorplatte und der Gegenelektrode 16. Mit der Vorrichtung 10 lassen sich somit vor allem Änderungen der Schichtdicke der Tonerschicht 38 sowie die Schichtdicke der Tonerschicht 38 selbst bestimmen. Die Ladungsdifferenz infolge unterschiedlicher Kapazitäten der Kondensatoren 13, 15 wird mit Hilfe der Auswerteanordnung 24 verstärkt und in ein Spannungssignal gewandelt. Es ist darauf zu achten, dass beim Verstärken und Wandeln keine oder nur wenige Fremdladungen des Messergebnis verfälschen. Das Spannungssignal wird dann mit Hilfe der Auswerteanordnung 24 verstärkt und gefiltert. Die Auswerteeinheit 32 ermittelt aus diesem resultierenden Signal die Schichtdicke bzw. die Änderung der Schichtdicke der Tonerschicht 38.
In 4 ist eine Anordnung zur Ansteuerung der Kondensatoren 13, 15 zum Erfassen der Schichtdicke der Tonerschicht 38 dargestellt. Der Schalteinheit 26 wird ein Rechtecksignal 34 zugeführt, das von der Auswerteeinheit 32 erzeugt wird. Die Schalteinheit 26 enthält einen ersten Umschalter 46, der je nach Schaltzustand die erste Kondensatorplatte 12 mit der ersten Spannungsversorgungseinheit 42 in den ersten Schaltzustand und mit der Auswerteanordnung 24 in dem zweiten Schaltzustand verbindet. Die Schalteinheit 26 enthält weiterhin einen zweiten Umschalter 48, der im ersten Schaltzustand die zweite Kondensatorplatte 14 mit der zweiten Spannungsversorgungseinheit 44 verbindet und im zweiten Schaltzustand die zweite Kondensatorplatte 14 mit der Auswerteanordnung 24 verbindet. Im zweiten Schaltzustand sind die Kondensatorplatten 12, 14 kurzgeschlossen, so dass ein Ladungsträgeraus gleich stattfindet und nur die Ladungsträgerdifferenz der Kondensatoren 13, 15 der Auswerteanordnung 24 zugeführt wird.
Die Schalteinheit 26 schaltet zwischen dem ersten und zweiten Schaltzustand entsprechend dem von der weiteren Auswerteeinheit 32 zugeführten Rechtecksignal 34 um. Das Rechtecksignal 34 hat vorzugsweise eine Frequenz im Bereich zwischen 300 kHz und 1 MHz. Die Tonerschicht 38 der Tonermarke 39 wird in Pfeilrichtung P1 durch die Förderbewegung des Fotoleiterbandes 16 zwischen dem Fotoleiterband 16 und den Kondensatorplatten 12, 14 vorwärts gefördert. Das Umschalten der beiden Schaltzustände wird auch als Switched Capacitor-Technik bezeichnet.
In 5 ist der Aufbau des Fotoleiterbandes 16 dargestellt, auf dem sich die Tonerschicht 38 der Tonermarke 39 befindet. Das Fotoleiterband 16 enthält ein Trägermaterial 56, auf dem sich eine Metallschicht 54 befindet. Die Metallschicht 54 kann z.B. auf dem Trägermaterial 56 aufgedampft sein. Die Metallschicht 54 ist elektrisch leitend mit dem Bezugspotential 18 verbunden und bildet die Gegenelektrode der Kondensatorplatten 12, 14. Auf der Metallschicht 54 befindet sich eine Fotoleiterschicht 50. Die Dicke der Fotoleiterschicht 50 ist bei der Darstellung in 5 mit 52 bezeichnet. Die Fotoleiterschicht 50 bildet die Oberfläche des Fotoleiterbandes 16. Mit Hilfe einer nicht dargestellten Belichtungs- und Entwicklungseinheit ist auf die Fotoleiterschicht 50 die Tonerschicht 38 der Tonermarke 39 aufgetragen. Die Schichtdicke der Tonerschicht 38 ist in 5 mit 58 bezeichnet.
Die Metallschicht 54 und die erste Kondensatorplatte 12 bilden den ersten Kondensator 13 und die Metallschicht 54 und die zweite Kondensatorplatte 14 bilden den zweiten Kondensator 15. Die Gesamtkapazität des ersten und des zweiten Kondensators 13, 15 setzt sich jeweils aus den in Reihe geschalteten Teilkapazitäten zusammen, die durch die Dicke 52 der Fotoleiterschicht 50 und dem Abstand d' zwischen der jeweiligen Kondensatorplatte 12, 14 und der Fotoleiterschicht 50 bestimmt ist. Befindet sich die Tonerschicht 38 der Tonermarke 39 zwischen Fotoleiter 16 und einer Kondensatorplatte 12, 14, so setzt sich die Kapazität des Kondensators 13, 15 dann aus den Teilkapazitäten zusammen, die durch die Dicke 52 der Fotoleiterschicht 50, die Dicke 58 der Tonerschicht 38 und dem Abstand d'' der Luftschicht zwischen Tonermarke 39 und Kondensatorplatte 12, 14 vorhanden ist. Die Gesamtkapazität des jeweiligen Kondensators 13, 15 verändert sich somit entsprechend der Dicke der Tonerschicht 38.
In 6 ist die Messanordnung zum Bestimmen der Schichtdicke der Tonerschicht 38 gezeigt. Das Fotoleiterband 16 wird in Pfeilrichtung P1 bewegt, so dass die Tonerschicht 38 zwischen den Kondensatorplatten 12, 14 und dem Fotoleiterband 16 vorwärts transportiert wird.
In 7 ein Spannungs-Zeit-Diagramm mit dem prinzipiellen Signalverlauf des Messergebnisses gezeigt, der mit Hilfe der Auswerteanordnung 24 beim Hindurchfördern der Tonermarke 39 bei der in 6 gezeigten Messanordnung erzeugt wird. Das Fotoleiterband 16 wird in der Anordnung nach 6 mit einer konstanten Geschwindigkeit im Bereich von 1 bis 1,5 m/s zwischen den Kondensatorplatten 12, 14 und dem Fotoleiterband 16 hindurchgefördert. Die relative Permeabilität von Toner ist größer als die relative Permeabilität von Luft. Die Tonerschicht 38 wird mit Hilfe des Fotoleiterbandes 16 wie bereits erwähnt in den Luftspalt d' zwischen erster Kondensatorplatte 12 und Fotoleiterband 16 hineingefördert. Dadurch wird die Kapazität des ersten Kondensators 13 erhöht. Die Kapazität des ersten Kondensators 13 nimmt so lange zu, bis die Tonerschicht 38 die größtmögliche wirksame Fläche des ersten Kondensators 13 bedeckt.
Das von der Auswerteanordnung 24 erzeugte Spannungssignal, das in dem in 7 dargestellten Diagramm gezeigt ist, steigt mit zunehmender Kapazität des ersten Kondensators 13 von 0 Volt bis zum Maximum U+ an. Durch die kontinuierliche Förderbewegung des Fotoleiterbandes 16 wird die Tonerschicht 38 in den Luftspalt zwischen der zweiten Kondensatorplatte 14 und dem Fotoleiterband 16 hineingefördert und gleichzeitig aus dem Luftspalt zwischen erster Kondensatorplatte 12 und Fotoleiterband herausgefördert. Somit nimmt die Kapazität des zweiten Kondensators 15 bei der Vorrichtung nach 6 in gleichem Maße zu, wie die Kapazität des ersten Kondensators 13 abnimmt. Somit ist der negative Anstieg des Ausgangssignals der Auswerteanordnung 24 etwa doppelt so groß, wie beim bloßen Herausfördern der Tonerschicht 38 aus dem ersten Kondensator 13 oder beim bloßen Hineinfördern der Tonerschicht 38 in den zweiten Kondensator 15.
Ist dann die Tonerschicht 38 vollständig aus dem ersten Kondensator 13 herausgefördert worden und bedeckt diese Tonerschicht 38 die größtmögliche wirksame Fläche des zweiten Kondensators 15, so gibt die Auswerteanordnung 24 ein Spannungssignal U– aus. Anschließend wird die Tonerschicht 38 aus dem zweiten Kondensator 15 herausgefördert, wodurch das von der Auswerteanordnung 24 ausgegebene Spannungssignal vom Wert U– auf 0 kontinuierlich ansteigt, bis die Tonerschicht 38 aus dem zweiten Kondensator 15 herausgefördert worden ist. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann aber auch eine Änderung der Dicke 52 der Fotoleiterschicht 50 ermittelt werden, eine Änderung des Abstandes zwischen Metallschicht 54 und Kondensatorplatten 12, 14 sowie eine Änderung des Dielektrikums zwischen den Kondensatorplatten 12, 14 und dem Fotoleiterband 16. Dadurch kann z.B. auch die Fotoleiterschicht 50 des Fotoleiterbandes 16 oder die Justage der Kondensatorplatten 12, 14 überprüft werden.
Beim Hindurchfördern der Tonerschicht 38 zwischen den Kondensatorplatten 12, 14 und dem Fotoleiterband 16 wird ein Teil der in dem Luftspalt d' befindlichen Luft durch die Tonerschicht 38 ersetzt. Die Kondensatoren 13, 15 enthalten somit ein geschichtetes Dielektrikum. Das Ersatzschaltbild des ersten und des zweiten Kondensators 13, 15 ergibt sich aus einer Reihenschaltung von jeweils drei Einzelkapazitäten. Die wirksame Fläche dieser Einzelkapazitäten ist die Fläche der Kondensatorplatte 12 bzw. 14. Die erste Teilkapazität ergibt sich aus dem Abstand d'' zwischen der Tonerschicht 38 und der Kondensatorplatte 12, die mit Luft gefüllt ist. Die zweite Teilkapazität ergibt sich aus der Dicke 58 der Tonerschicht 38 und der Dielektrizitätskonstante der Tonerschicht 38 und die dritte Teilkapazität ergibt sich aus der Dicke 52 der Fotoleiterschicht 50 sowie der Dielektrizitätskonstante dieser Fotoleiterschicht 50. Die Gesamtkapazität des ersten bzw. zweiten Kondensators 12, 14 ergibt sich somit aus folgender Gleichung: 1/CGesamt = 1/CLuft + 1/CFotoleiter + 1/CToner wobei C_Gesamt die Gesamtkapazität des ersten bzw. zweiten Kondensators ist;
C_Luft die Kapazität der Luftschicht zwischen Tonerschicht 38 und Kondensatorplatte 12 bzw. 14;
C_Fotoleiter die Kapazität der Fotoleiterschicht; und
C_Toner die Kapazität der Tonerschicht 38.
Die jeweilige Gesamtkapazität des ersten bzw. zweiten Kondensators 13, 15 ist somit abhängig vom absoluten Abstand der Kondensatorplatten 12, 14 zur Metallschicht 54, die die Gegenelektrode bildet, von der Schichtdicke 52 des Fotoleiters und von der Schichtdicke 58 der Tonerschicht 38. Auch örtliche Änderungen der Schichtdicke des Trägermaterials des Fotoleiterbandes 16, die sich auf den Abstand d zwischen Metallschicht 54 und Kondensatorplatten 12, 14 auswirken, haben Einfluss auf die Gesamtkapazität des ersten und des zweiten Kondensators 13, 15. Die Vorrichtung kann somit auch zur Qualitätskontrolle der Oberfläche von Fotoleitern und Transferbändern genutzt werden.
In 8 ist der Feldlinienverlauf zwischen Fotoleiterband 16 und der Kondensatorplatte 12 dargestellt. Zwischen dem Fotoleiterband 16 und der Kondensatorplatte 12 bildet sich vor allem in den Randbereichen der Kondensatorplatte 12 ein inhomogenes elektrisch Feld 60 aus. Durch ein solches inhomogenes elektrisches Feld 60 treten Messfehler beim Bestimmen der Schichtdicke der Tonerschicht 38 auf.
In 9 ist die Kondensatorplatte 12 und das als Gegenelektrode genutzte Fotoleiterband 16 dargestellt. Neben der Kondensatorplatte 12 sind Schutzelektroden 62, 64 angeordnet. Zwischen den Schutzelektroden 62, 64 und der Gegenelektrode 16 bilden sich inhomogene Felder 66, 68 aus. Die Schutzelektroden bewirken, dass zwischen der Kondensatorplatte 12 und dem Fotoleiterband 16 ein homogenes elektrisches Feld 68 ausgebildet werden kann. Dadurch werden Messfehler infolge inhomogener elektrischer Felder ausgeschlossen. In gleicher Art und Weise wie bei der Kondensatorplatte 12 können Schutzelektroden 62, 64 auch neben der Kondensatorplatte 14 angeordnet werden.
In 10 ist ein Blockschaltbild zum Erfassen und Auswerten der Schichtdicke 58 (vgl. 5) einer Tonerschicht 38 in einem Drucker oder Kopierer dargestellt. Eine Sensoranordnung 70 enthält die Kondensatorplatten 12, 14, die Gegenelektrode 16 und eine Schalteinheit 26 (vgl. 15). Eine Umwandlungseinheit 72 erzeugt aus einer Ladungsdifferenz der beiden Kondensatoren 13, 15 der Sensoreinheit 70 ein Spannungssignal. Dieses Spannungssignal wird mit Hilfe der Auswerteanordnung 24 gefiltert und verstärkt. Das gefilterte und verstärkte Signal wird einem digitalen Signalprozessor 74 zugeführt. Dieser digitale Signalprozessor 74 führt eine Analog/Digital-Wandlung 76 durch. Nach der Analog/Digital-Wandlung führt der digitale Signalprozessor 74 mit Hilfe einer Verarbeitungsstufe 78 eine Bewertung der gewandelten Daten durch und ermittelt ein Messergebnis 36, das er einer externen Steuerung 80 zur Weiterverarbeitung übergibt.
Mit Hilfe einer Speichereinheit 82 speichert der digitale Signalprozessor 74 aktuelle Messwerte sowie Vergleichswerte. Die Vergleichswerte nutzt der digitale Signalprozessor 74 bei der Verarbeitung der aktuellen Messwerte in der Verarbeitungsstufe 78. Diese Vergleichswerte werden beim Ermitteln des Messergebnisses 36 berücksichtigt. Weiterhin werden dem digitalen Signalprozessor 74 von der externen Steuerung 80 Vorgabewerte 83 übergeben, die z.B. Geräteparameter und Parameter des Toners sowie des Trägermaterials beinhalten. Von der externen Steuerung 80 werden dem digitalen Signalprozessor 74 weiterhin verschiedene Betriebsphasen angezeigt und eine Initialisierung des digitalen Signalprozessors 74 durchgeführt.
In 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zum Erfassen der Schichtdicke 58 der Tonerschicht 38 dargestellt. Die Tonerschicht 38 befindet sich auf dem Fotoleiterband 16, das als Gegenelektrode für Kondensatorplatten dient und mit Hilfe einer nicht dargestellten Antriebseinheit angetrieben wird. Vorzugsweise wird das Fotoleiterband 16 kontinuierlich angetrieben. Mit Hilfe des Fotoleiterbandes 16 wird die Tonerschicht 38 in Pfeilrichtung des Pfeils P2 transportiert. In einem Abstand zum Fotoleiterband 16 sind Kondensatorplatten 84 bis 94 quer zur Bewegungsrichtung der Tonermarke 39 (vgl. 6) angeordnet und Kondensatorplatten 96 bis 106 längs zur Bewegungsrichtung der Tonermarke 39. Die Kondensatorplatten 84 bis 106 bilden jeweils mit der Gegenelektrode einen Kondensator. Die Kondensatorplatten 84, 86; 88, 90; 92, 94; 96, 98; 100, 102; 104, 106 bilden jeweils ein Plattenpaar, das jeweils, wie bereits im Zusammenhang mit den 1 bis 10 am Beispiel der Kondensatorplatten 12, 14 beschrieben, ausgewertet wird. Die Kondensatorplattenpaare 12, 14 bilden jeweils eine Sensorfläche. Die Kombination mehrerer Sensorflächen in Bewegungsrichtung der Tonermarke 39 dienen zur genaueren Bestimmung der Position der Tonermarke 39 auf dem Fotoleiterband 16. Werden mehrere Sensorflächen quer zur Bewegungsrichtung der Tonermarke 39 angeordnet, kann auch die Transportgeschwindigkeit der Tonermarke 39 einfach bestimmt werden.
In 12 ist eine Anordnung zur Frequenzanalyse der Schwingung einer metallischen Oberfläche 114 eines Gegenstandes 108 dargestellt. Mit Hilfe einer Sensoranordnung 110, die zwei Kondensatorplatten 111a, 111b enthält, wird mit Hilfe des schon in Zusammenhang mit den 2, 3 beschriebenen Messprinzips der Abstand zwischen einer Sensorfläche 112 der Sensoranordnung 110 und der Oberfläche 114 des Gegenstandes 108 ermittelt. Die Sensorfläche 112 ist parallel zur Oberfläche 114 des Gegenstandes 108 ausgerichtet. Eine Auswerteschaltung 116 wandelt das Sensorsignal in ein Spannungssignal um. Das Spannungssignal ist Maß für die Kapazitätsänderung der in der Sensoranordnung 110 enthaltenen Kondensatoren. Das Spannungssignal wird einer Verstärkungs- und Filtereinheit 117 zugeführt, die aus diesem zugeführten Signal ein gefiltertes und verstärktes Signal erzeugt und einer Auswerteeinheit 118, vorzugsweise einem digitalen Signalprozessor, zuführt. Die Auswerteeinheit 118 dient zum Erfassen, Speichern und Auswerten der zugeführten Messwerte. Die Kapazitäten der beiden in der Sensoranordnung 110 enthaltenen Kondensatoren ändert sich bei einer Schwingung der Oberfläche in gleicher Art und Weise. Die Auswerteeinheit 118 vergleicht zur Frequenzanalyse der Schwingung der metallischen Oberfläche 114 nacheinander ermittelte Messwerte der Sensoranordnung 110.
In den 13 bis 19 sind mögliche Anordnungsvarianten von Kondensatorplatten dargestellt, die als Sensorflächen für eine in den 1 bis 12 beschriebenen Anordnungen einsetzbar sind. 13 zeigt dabei eine Grundausführung einer Sensorfläche, die zwei Kondensatorplatten enthält. In 14 ist eine Sensorfläche dargestellt, die vier quadratische Sensorflächen enthält. In 15 ist eine Sensorfläche dargestellt, die ebenfalls vier Sensorflächen enthält, wobei ein Plattenpaar geteilt ist.
In 16 ist eine Sensorfläche ähnlich der Sensorfläche nach 13 dargestellt. Im Unterschied zu der Sensorfläche nach 13 hat die in 16 dargestellte Sensorfläche eine Schutzelektrode 136, die die Kondensatorplatten 132, 134 umgibt. Durch die Schutzelektrode 136 ist, wie bereits in den Ausführungen zu 9 beschrieben, eine homogene Ausbildung des elektrischen Feldes der Kondensatoren der Kondensatorplatten 132, 134 gewährleistet.
In 17 ist eine Sensorfläche mit Kondensatorplatten 138, 140 dargestellt, die miteinander verzahnt sind. Beim Erfassen einer Tonermarke mit Hilfe einer Sensorfläche mit verzahnten Kondensatorplatten wird infolge der Verzahnung ein Sensorsignal mit lokalen Maxima und Minima erzeugt, die Aufschluss über die Beschaffenheit der Tonerteilchenschicht der Tonermarke geben. Durch diese Anordnung können auch Messfehler erkannt und ausgewertet werden.
In 18 sind zwei halbkreisförmige Kondensatorplatten 142, 144 dargestellt, die so angeordnet sind, dass die Sensorfläche eine Kreisfläche ergibt.
In 19 sind vier Kondensatorplatten dargestellt, die jeweils einen Viertelkreis bilden und zusammen eine kreisförmige Sensorfläche bilden. Die Sensorflächen der 20 und 21 eignen sich besonders zum Erfassen von kreisförmigen Tonermarken 39.
In 20 ist die Sensorfläche nach 15 als Schnittdarstellung durch drei dieser Kondensatorplatten in einer Anordnung über dem Fotoleiterband 16 dargestellt. Das Verwenden von vier Kondensatorplatten ermöglicht eine Referenzmessung neben der eigentlichen Messung, um Einflüsse des Trägermaterials 16 auf das Messergebnis zu erfassen und korrigieren zu können. Bei der in 15 gezeigten Sensorfläche erfolgt eine Aufteilung des Kondensatorplattenpaares zur Referenzmessung auf zwei Plattenpaare, von denen jeweils ein Kondensatorplattenpaar 146 links und ein Kondensatorplattenpaares 148 rechts des Hauptplattenpaares 150 angeordnet ist. Diese Anordnung ermöglicht auch eine Korrektur eines Messfehlers, der bei einer nicht genau parallelen Ausrichtung der Kondensatorplatten zur Gegenelektrode auftritt, wie sie in der Anordnung nach 20 dargestellt ist. Bei allen Sensorformen nach den 13 bis 15 und 17 bis 19 kann zusätzlich eine Schutzelektrode, ähnlich der in 16 dargestellten Schutzelektrode 136 vorgesehen werden.
In 21 ist eine Anordnung zum Positionieren eines Sensors 152 dargestellt. Der Sensor 152 ist über einem Messobjekt 154 angeordnet. Die x- und die y-Position des Sensors 152 wird einer Steuerung (nicht dargestellt) zugeführt. Ist eine Änderung dieser Position notwendig, gibt die Steuerung Steuersignale an eine Positioniereinrichtung aus, die die Position des Sensors 152 gegenüber dem Messobjekt 154 insbesondere in x- und y-Richtung ändert. Eine solche Positioniereinrichtung kann z.B. Schrittmotoren und einen Spindelantrieb enthalten. Mit Hilfe dieser Anordnung können z.B. Unebenheiten der Oberfläche des Messobjekts 154 erfasst werden.
In 22 ist eine Seitenansicht einer gekrümmten Sensorfläche zur Messung gekrümmter Sensorflächen dargestellt. Bei unebenen Gegenelektroden, die z.B. zylindrische Oberflächen 156 haben, ist es vorteilhaft, die Kondensatorplatten 158, 160 der Sensorfläche derart gekrümmt auszubilden, dass sie dem Verlauf der Oberfläche 156 der Gegenelektrode folgen.
Dadurch lassen sich Messfehler vermeiden. Insbesondere bei walzenförmigen Gegenelektroden, die eine zylindrische Oberfläche 156 haben, ist eine Krümmung der Kondensatorplatten 158, 160 der Sensorfläche entsprechend der Kreisbahn um die Längsachse der Gegenelektrode vorteilhaft, auf der die Kondensatorplatten 158, 160 angeordnet werden sollen.
In 23 ist ein Stromlaufplan zum Ansteuern einer Sensoranordnung dargestellt, die zwei Kondensatorplatten enthält. Eine Ansteuereinheit 170 ist zum Ansteuern der beiden Kondensatoren vorgesehen. Die Ansteuereinheit 170 schaltet zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand um, wie bereits in der Beschreibung zu den 2 und 3 erläutert. Die Ansteuereinheit 170 führt einer ersten Verstärkerstufe 172 ein Sensorsignal 176 zu. Das Sensorsignal 176 wird aus der Ladungsdifferenz der beiden Kondensatoren (vgl. 1 und die zugehörige Beschreibung) gebildet. Die erste Verstärkerstufe 172 verstärkt dieses Signal und wandelt es in ein Spannungssignal um. Dieses Spannungssignal wird der zweiten Verstärkerstufe 174 zugeführt, die ein zweites verstärktes Spannungssignal 178 erzeugt, das einer weiteren Auswerteeinheit, z.B. einem digitalen Signalprozessor zugeführt wird. Die Kondensatorplatten (vgl. 1 und die zugehörige Beschreibung) sind mit den Anschlüssen 180, 182 der Ansteuereinheit 170 verbunden.
Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Umschalter können bei anderen Ausführungsbeispielen auch durch jeweils zwei Schalterpaare ersetzt werden, die derart miteinander verriegelt sind, so dass jeweils nur ein Schalterpaar geschlossen ist.
Bei anderen Ausführungsbeispielen sind auch Sensorflächen denkbar, die andere Geometrien und andere Abmessungen im Verhältnis zur zu erfassenden Tonerschicht oder Trägermaterial haben. So kann z.B. bei einer Variation der Abmessungen der in 6 dargestellten Kondensatorplatten 12, 14 ein anderer Kurvenverlauf erzeugt werden, als in dem in 7 dargestellten Diagramm. Runde oder elliptische Sensorflächen sind z.B. bei runden Tonermarken sinnvoll und möglich. Bei ineinandergreifenden Verzahnungen der Kondensatorplatten der Sensorflächen werden Schwankungen über den Messbereich ausgleichen.
Zum Führen des Fotoleiterbandes 16 kann eine Führungsvorrichtung vorgesehen werden, die eine ruhige Bandführung im Bereich der Kondensatorplatten 12, 14 und somit einen konstanten Abstand zwischen Band und Kondensatorplatten 12, 14 gewährleistet. Eine solche Führungsvorrichtung kann z.B. als Führungsklotz ausgeführt sein, der aus Richtung der Kondensatorplatten 12, 14 gesehen hinter dem Fotoleiterband 16 angeordnet ist und über den das Fotoleiterband 16 geführt ist.

10: Vorrichtung
12, 14: Kondensatorplatte
13, 15: Kondensator
16: Fotoleiterbahn bzw. -band/Gegenelektrode/Trägerelement
18: Bezugspotential
20, 22: Umlenkwalze
24: Auswerteanordnung
26: Schalteinheit
28: Filter
30: Verstärker
32: Auswerteeinheit
34: Rechtecksignal
36: Messergebnis
38: Tonerschicht
39: Tonermarke
40: Oberfläche Fotoleiterband
42, 44: Spannungsversorgungseinheit
46, 48: Umschalter
50: Fotoleiterschicht
52: Dicke Fotoleiterschicht
54: Metallschicht
56: Trägermaterial
58: Dicke Tonerschicht
60: inhomogenes elektrisches Feld
62, 64: Schutzelektrode
66, 67: inhomogene Magnetfelder
68: homogenes Magnetfeld
70: Sensoreinheit
72: Umwandlungseinheit
74: Signalprozessor/Signalverarbeitungseinheit
76: Analog-Digital-Wandler
78: Verarbeitungsstufe
80: externe Steuerung
82: Speichereinheit/Speicherbereich
83: Vorgabewerte
84 bis 106: Kondensatorplatten
108: Gegenstand
110: Sensoranordnung
111a, 111b: Kondensatorplatten
112: Sensorfläche
114: Oberfläche
116: Auswerteschaltung
117: Verstärkungs- und Filtereinheit
118: Auswerteeinheit
128, 130: Kondensatorplatte
131, 131a: Einzelblatt
132, 134: Kondensatorplatten
136: Schutzelektrode
138 bis 144: Kondensatorplatten
146 bis 150: Plattenpaar
152: Sensor
154: Messobjekt
156: Oberfläche
158, 160: Kondensatorplatte
170: Ansteuereinheit
172, 174: Verstärkerstufe
176, 178: Ausgangssignale
180, 182: Anschlüsse
P1, bis P11: Richtungspfeil
d, d', d'': Abstände

Claims

Vorrichtung zum Erfassen der Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht in einem Drucker oder Kopierer, bei der eine erste Kondensatorplatte (12) und eine zweite Kondensatorplatte (14) nebeneinander sowie mindestens eine Gegenelektrode (16) gegenüberliegend angeordnet sind, die einen ersten Kondensator (13) und einen zweiten Kondensator (15) bilden, im Bereich zwischen den beiden Kondensatorplatten (12, 14) und der Gegenelektrode (16) eine Schicht (38) angeordnet ist, die Tonerteilchen enthält, in einem ersten Schaltzustand die beiden Kondensatoren (13, 15) mit zueinander entgegengesetzten Spannungen geladen werden, und bei der in einem zweiten Schaltzustand die erste und die zweite Kondensatorplatte (12, 14) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei nach einem Ladungsausgleich die verbleibende Ladung bestimmt wird und daraus auf die Beschaffenheit der Tonerschicht (38) geschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verbleibende Ladung einen Strom erzeugt, der als Signalwert dient.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Umwandeln der Strom-Signalwerte in Spannungssignalwerte vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalverarbeitungseinheit (74) die aus der verbleibenden Ladung erzeugten Signalwerte verstärkt und mit Hilfe eines Bandpassfilters (28) filtert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalverarbeitungseinheit (74) die Tonerdichte und/oder die Dicke der Tonerschicht (38) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (74) die Tonerdichte und/oder die Dicke (58) der Tonerschicht (38) mit Hilfe voreingestellter Vergleichswerte bestimmt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des ersten und des zweiten Schaltzustandes im Bereich zwischen 10 und 90% der Gesamtdauer beider Schaltzustände beträgt, und dass die Schaltzustände mit einer Frequenz zwischen 300 kHz und 3 MHz umgeschaltet werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tonerschicht (38) , die Tonerteilchen enthält, auf einem Trägerelement (16; 56) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gkennzeichnet, dass die Tonerschicht auf dem Trägerelement (16) zwischen den Kondensatorplatten (12, 14) und der Gegenelektrode (16) vorwärts transportiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (16) leitfähiges Material enthält, und dass das Trägerelement (16) die Gegenelektrode (16) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (16) ein Band oder eine Walze ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Band ein Fotoleiterband oder ein Transferband ist, und dass die Walze eine Fotoleitertrommel oder eine Applikatorwalze ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber den Kondensatorplatten (12, 14) Führungselemente angeordnet sind, die einen konstanten Abstand zwischen den Kondensatorplatten (12, 14) und dem Band gewährleisten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Betriebsphase des Druckers oder Kopierers eine Signalverarbeitungseinheit (74) die Signalwerte der verbleibenden Ladung eines gesamten Bandumlaufs oder eines gesamten Walzenumlaufs des von Tonerteilchen gereinigten Bandes oder der von Tonerteilchen gereinigten Walze erfasst und mit Daten über die Zuordnung der Signalwerte zu der jeweiligen Walzen- oder Bandposition in einem Speicherbereich (82) der Signalverarbeitungseinheit (74) speichert.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Betriebsphase des Druckers oder Kopierers die Signalverarbeitungseinheit (74) für jede gespeicherte Walzen- oder Bandposition die Differenz aus aktuellem und gespeichertem Signalwert bildet, wobei die Signalverarbeitungseinheit (74) mit Hilfe der Differenz die Beschaffenheit der Tonerschicht (38) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Betriebsphase nach dem Einschalten des Druckers oder Kopierers aktiviert ist, und dass nach dem Ermitteln der Signalwerte mindestens eines Walzen- oder Bandumlaufs automatisch die zweite Betriebsphase aktiviert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Vorrichtung und/oder die Signalverarbeitung der ermittelten Signalwerte mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors (74) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (13, 15) unter Verwendung eines Switched-Capacitor-Verfahrens angesteuert sind.
Verfahren zum Erfassen der Beschaffenheit einer Tonerteilchenschicht in einem Drucker oder Kopierer, bei dem eine erste Kondensatorplatte (12) und eine zweite Kondensatorplatte (14) nebeneinander sowie mindestens eine Gegenelektrode (16) gegenüberliegend angeordnet werden, wodurch ein erster und ein zweiter Kondensator (13, 15) gebildet wird, im Bereich zwischen den beiden Kondensatorplatten (12, 14) und der Gegenelektrode (16) eine Tonerschicht (38) angeordnet wird, die Tonerteilchen enthält, in einem ersten Schaltzustand die beiden Kondensatoren (13, 15) mit zueinander entgegengesetzten Spannungen geladen werden, in einem zweiten Schaltzustand die erste und die zweite Kondensatorplatte (12, 14) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei nach einem Ladungsausgleich die verbleibende Ladung bestimmt wird und daraus auf die Beschaffenheit der Tonerschicht (38) geschlossen wird.