DE102012103336B4 - Verfahren zum Betreiben eines Digitaldruckers und Ermittlung der Tonerkonzentration sowie zugehöriger Digitaldrucker - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Digitaldruckers (10) zum Bedrucken eines Aufzeichnungsträgers (20) mit Tonerpartikeln, die mit Hilfe eines Flüssigentwicklers aufgetragen werden, bei dem die Tonerkonzentration (TC) des Flüssigentwicklers durch Messung mit Hilfe von Ultraschallimpulsen in einer Messzelle (130) ermittelt wird, durch Entladung eines mit einer Ladespannung (U0) geladenen Ultraschallsenders (144, 166) mindestens ein Ultraschallimpuls erzeugt wird, der den Flüssigentwickler durchsetzt und von einem Ultraschallempfänger (146, 168) empfangen wird, der ein Empfängersignal entsprechend dem empfangenen Ultraschallimpuls erzeugt, eine Regeleinrichtung die Ladespannung (U0) auf einen Wert regelt derart, dass eine repräsentative Größe des Empfangssignals einem vorgegebenen Sollwert (Uset) entspricht, und bei dem aus der geregelten Ladespannung (U0) die Tonerkonzentration (TC) ermittelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Digitaldruckers zum Bedrucken eines Aufzeichnungsträgers mit Tonerpartikeln, die mit Hilfe eines Flüssigentwicklers aufgetragen werden, insbesondere eines Hochgeschwindigkeitsdruckers zum Bedrucken von bahn- oder bogenförmigen Aufzeichnungsträgern. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Digitaldrucker und die Ermittlung der Tonerkonzentration.
• Bei solchen Digitaldruckern wird ein latentes Ladungsbild eines Ladungsbildträgers mit Hilfe eines Flüssigentwicklers mittels Elektrophorese eingefärbt. Das so entstandene Tonerbild wird mittelbar über ein Transferelement oder unmittelbar auf den Aufzeichnungsträger übertragen. Der Flüssigentwickler weist in einem gewünschten Verhältnis Tonerpartikel und Trägerflüssigkeit auf. Als Trägerflüssigkeit wird vorzugsweise Mineralöl verwendet. Um die Tonerpartikel mit einer elektrostatischen Ladung zu versehen, werden dem Flüssigentwickler Ladungssteuerstoffe hinzugefügt. Zusätzlich werden weitere Additive zugegeben, um beispielsweise die gewünschte Viskosität oder ein gewünschtes Trocknungsverhalten des Flüssigentwicklers zu erhalten.
• Solche Digitaldrucker sind schon lange bekannt, beispielsweise aus DE 10 2010 015 985 A1 , DE 10 2008 048 256 A1 oder DE 10 2009 060 334 A1 .
• Aus dem Dokument DE 10 2008 047 196 A1 derselben Anmelderin ist ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration von Tonerteilchen für ein Flüssigentwickler-System bekannt, bei der die Suspension aus Trägerflüssigkeit und Tonerteilchen mit Ultraschallimpulsen beaufschlagt wird. Zur Bestimmung der Tonerkonzentration wird die Laufzeit des Ultraschallimpulses in einer Messzelle gemessen, wobei aus dem digitalen Taktsignal eines Mikrocomputers zunächst eine Wartezeit ermittelt wird. Nach Ablauf der Wartezeit wird ein Kondensator mit einer Spannung aufgeladen, bis ein erster Nulldurchgang des von einem Ultraschallempfänger empfangenen Signals erfolgt. Es wird die Laufzeit des Ultraschallimpulses aus der Summe von Wartezeit und Ladezeit mit hoher Auflösung ermittelt und daraus auf die Tonerkonzentration geschlossen. Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren hat sich in der Praxis bewährt, jedoch ist die Bestimmung der Tonerkonzentration stark abhängig von der Temperatur der Suspension. Außerdem beeinflusst die bei Änderung der Tonerkonzentration sich ändernde akustische Dämpfung das Empfängersignal und die Erfassung des Nulldurchgangs des gedämpften Signals zur genauen Laufzeitbestimmung ist schwierig.
• Das Dokument US 7,570,893 B2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Entwicklerflüssigkeit, um damit die Temperatur und die Tonerkonzentration der Entwicklerflüssigkeit zu bestimmen. Mit Hilfe eines Ultraschallsensors wird die Schallgeschwindigkeit und die Dämpfung der Entwicklerflüssigkeit gemessen, wobei beide Größen unterschiedlich stark von der Temperatur abhängig sind, so dass die Temperatur aus beiden Messgrößen herausgerechnet werden kann. Die Dämpfung der Ultraschallwelle wird aus dem Verhältnis der Amplituden einer ersten sich frei ausbreitenden Ultraschallwelle und einer zweiten reflektierten Ultraschallwelle berechnet.
• Dokument JP 2001 142 306 A beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Tonerkonzentration mit Hilfe von Ultraschallwellen in einem mit Flüssigentwickler gefüllten Behälter. Zwei Piezoelemente stehen einander gegenüber, wobei eines eine Ultraschallwelle aussendet, die vom anderen Piezoelement empfangen wird. Die durch den Toner im Flüssigentwickler hervorgerufene Schwächung der Ultraschallwelle wird zur Bestimmung der Tonerkonzentration ausgewertet.
• RIEGEL, Ulrich; LÖFFLER, Friedrich: „The Fundamentals of Particle Size Analysis by Means of Ultrasonic Spectrometry” beschreibt die Messung von Partikelgrößen durch Ultraschallspektrometrie. Eine Suspension mit Partikeln durchströmt eine Messzelle, an der ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger befestigt sind. Durch Variation der Frequenz der Ultraschallwelle ist es möglich, die Partikelgrößen in einem relativ großen Bereich zu erfassen, wobei die Frequenz in einem großen Bereich variiert wird. Um einen hohen Dynamikbereich für das gesamte Messsystem zu erhalten, wird die Anregungsintensität für die Ultraschallwelle durch Nachjustieren (re-adjusted) angepasst, so dass die Ausgabe des Gleichspannungssignals innerhalb eines engen Bereichs gehalten und der Dynamikbereich verbessert wird.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und einen mit einem Flüssigentwickler arbeitenden Digitaldrucker anzugeben, bei dem die Tonerkonzentration mit hoher Genauigkeit in einem großen Variationsbereich ermittelt werden kann.
• Diese Aufgabe wird für ein Verfahren durch den Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Bei der Erfindung wird die Entwicklerflüssigkeit in einer Messzelle mit Ultraschallimpulsen beaufschlagt. Ein Ultraschallimpuls durchsetzt die Entwicklerflüssigkeit und wird dabei aufgrund der dämpfenden Wirkung der in ihr vorhandenen Tonerpartikel gedämpft. Der gedämpfte Ultraschallimpuls wird von einem Ultraschallempfänger empfangen, der ein Eingangssignal, im allgemeinen eine Spannung, entsprechend dem empfangenen Ultraschallimpuls erzeugt. Beispielsweise werden als Ultraschallsender und Ultraschallempfänger Piezokeramik-Elemente verwendet, die sich aufgrund des Piezoeffektes durch Anlegen einer elektrischen Spannung verformen, was zur Erzeugung einer Ultraschallwelle dient. Ebenso kann eine solche Piezokeramik als Ultraschallempfänger dienen, der bei Verformung durch die Ultraschallwelle eine Ladungsbildung und damit eine elektrische Spannung als Empfangssignal erzeugt.
• Die Impulshöhe des vom Ultraschallsender erzeugten Ultraschallimpulses hängt von einer Ladespannung ab. Je höher diese Ladespannung ist, umso höher ist die Impulshöhe. Beim Durchlaufen der Entwicklerflüssigkeit wird infolge der Dämpfung, beeinflusst durch die Tonerkonzentration, die Impulshöhe der Ultraschallwelle abgeschwächt und erzeugt im Ultraschallempfänger ein entsprechendes Empfangssignal. Dieses Empfangssignal, beispielsweise ein Spannungssignal, ist gegenüber dem Ultraschallimpuls aufgrund des Frequenzganges des Ultraschallempfängers verzerrt und liegt typischerweise in Form eines abklingenden Spannungs-Schwingungszuges vor. Bei der Erfindung wird eine Regeleinrichtung verwendet, die die am Ultraschallsender wirkende Ladespannung auf einen Wert regelt, derart, dass eine repräsentative Größe des Empfangssignals einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Als repräsentative Größe kann beispielsweise der Spitzenwert des abklingenden Schwingungszuges verwendet werden. Andere repräsentative Größen wären z. B. der Betragswert des Schwingungszuges, der Effektivwert oder die Höhe des ersten oder zweiten Maximums bzw. des Minimums etc.. Die Regeleinrichtung gleicht somit die Dämpfung aus, die der Ultraschallimpuls beim Durchqueren der Entwicklerflüssigkeit erfährt. Eine hohe Ladespannung deutet auf eine hohe Dämpfung und damit eine hohe Tonerkonzentration hin; eine niedrige Ladespannung deutet auf eine niedrige Dämpfung und eine niedrige Tonerkonzentration hin. Durch Einmessen kann aus der Ladespannung für einen bestimmten Flüssigentwickler die Tonerkonzentration in Vol% oder Gew% innerhalb eines relativ großen Messbereiches ermittelt werden.
• Aufgrund der Regelung ergibt sich der technische Vorteil, dass auf der Empfängerseite das Empfangssignal in einem Bereich um den Sollwert variiert, wodurch die Reproduzierbarkeit verbessert ist. Störende Verzerrungen auf Seiten des Empfangssignals, z. B. durch Übersteuerung, werden durch die Regelung vermindert. Ein wesentlicher Vorteil liegt auch darin, dass durch die Auswertung der Dämpfung, die der Flüssigentwickler hervorruft, eine relativ geringe Temperaturabhängigkeit gegeben ist, was die Genauigkeit der Tonerkonzentrationsermittlung verbessert.
• Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird zusätzlich zur beschriebenen Dämpfungsermittlung die Laufzeit des Ultraschallimpulses in der Messzelle ermittelt und bei der Ermittlung der Tonerkonzentration berücksichtigt. Auf diese Weise werden man zwei voneinander unabhängige Messverfahren zur Ermittlung der Tonerkonzentration ausgewertet, so dass ein Vergleich der beiden Ergebnisse zur Plausibilitätskontrolle und zur Störsicherheit beitragen kann.
• Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Tonerkonzentration aus der Summe eines ersten Summanden und eines zweiten Summanden gebildet wird, wobei der erste Summand die mit einem Gewichtungsfaktor multiplizierte Tonerkonzentration ist, die sich unter Berücksichtigung der geregelten Ladespannung ergibt, und der zweite Summand aus der Multiplikation eines Gewichtungsfaktors mit der Tonerkonzentration ist, die sich aus der Laufzeitmessung ergibt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden also beide Messprinzipien miteinander kombiniert, wobei die Aufteilung durch die Gewichtungsfaktoren vorgenommen wird. Vorzugsweise ist die Summe der Gewichtungsfaktoren gleich 1. Da beide Messverfahren unterschiedlich durch die Temperatur des Flüssigentwicklers beeinflusst werden, kann durch geeignete Wahl der Gewichtungsfaktoren eines gewisse Temperaturunabhängigkeit des Ergebnisses der Tonerkonzentration erreicht werden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Digitaldrucker zum Ausführen des Verfahrens angegeben. Die mit dem Digitaldrucker erreichbaren technischen Vorteile stimmen mit den beim Verfahren beschriebenen überein.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine Ansicht eines Digitaldruckers bei einer beispielhaften Konfiguration des Digitaldruckers,
• 2 einen schematischen Aufbau eines Druckwerks des Digitaldruckers nach 1,
• 3 eine Messzelle zum Bestimmen der Tonerkonzentration,
• 4 ein scheibenförmiges Piezokeramik-Element,
• 5 eine Blockdarstellung einer Anordnung zur Bestimmung der Dämpfung von Ultraschallimpulsen,
• 6 Spannungsverläufe auf Senderseite und Empfängerseite,
• 7 Verläufe der Ladespannung bei unterschiedlichen Dämpfungen,
• 8 eine Ausführungsform eines Spitzenwert-Gleichrichters,
• 9 ein Spitzenwert-Gleichrichter mit Störungsunterdrückung,
• 10 ein Schaltungsbeispiel für den Regler,
• 11 eine Kontrollschaltung mit Komparatoren,
• 12 eine Blockdarstellung einer Messeinrichtung zum Bestimmen der Dämpfung und der Laufzeit von Ultraschallimpulsen in der Messzelle,
• 13 die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur und der Tonerkonzentration, und
• 14 die Abhängigkeit der Dämpfung von der Temperatur und der Tonerkonzentration.
• Gemäß 1 weist ein Digitaldrucker 10 zum Bedrucken eines Aufzeichnungsträgers 20 ein oder mehrere Druckwerke 11a–11d und 12a–12d auf, die ein Tonerbild (Druckbild 20'; siehe 2) auf den Aufzeichnungsträger 20 drucken. Als Aufzeichnungsträger 20 ist – wie dargestellt – ein bahnförmiger Aufzeichnungsträger 20 von einer Rolle 21 mit Hilfe eines Abwicklers 22 abgewickelt und dem ersten Druckwerk 11a zugeführt. In einer Fixiereinheit 30 wird das Druckbild 20' auf den Aufzeichnungsträger 20 fixiert. Anschließend kann der Aufzeichnungsträger 20 auf eine Rolle 28 mit Hilfe eines Aufwicklers 27 aufgewickelt werden. Eine solche Konfiguration wird auch als Rolle-Rolle-Drucker bezeichnet.
• In der in 1 dargestellten, bevorzugten Konfiguration wird der bahnförmige Aufzeichnungsträger 20 mit vier Druckwerken 11a bis 11d auf der Vorderseite und mit vier Druckwerken 12a bis 12d auf der Rückseite vollfarbig bedruckt (eine sogenannte 4/4-Konfiguration). Hierzu wird der Aufzeichnungsträger 20 von dem Abwickler 22 von der Rolle 21 abgewickelt und über ein optionales Konditionierwerk 23 dem ersten Druckwerk 11a zugeführt. In dem Konditionierwerk 23 kann der Aufzeichnungsträger 20 mit einem geeigneten Stoff vorbehandelt oder beschichtet werden. Als Beschichtungsstoff (auch als Primer bezeichnet) können vorzugsweise Wachs oder chemisch gleichwertige Stoffe verwendet werden.
• Dieser Stoff kann vollflächig oder nur auf die später zu bedruckenden Stellen des Aufzeichnungsträgers 20 aufgetragen werden, um den Aufzeichnungsträger 20 für das Bedrucken vorzubereiten und/oder das Saugverhalten des Aufzeichnungsträgers 20 beim Aufbringen des Druckbildes 20' zu beeinflussen. Damit wird verhindert, dass die später aufgebrachten Tonerpartikel oder die Trägerflüssigkeit nicht zu sehr in den Aufzeichnungsträger 20 eindringen, sondern im Wesentlichen an der Oberfläche verbleiben (Farb- und Bildqualität wird dadurch verbessert).
• Anschließend wird der Aufzeichnungsträger 20 zunächst der Reihe nach den ersten Druckwerken 11a bis 11d zugeführt, in denen nur die Vorderseite bedruckt wird. Jedes Druckwerk 11a–11d bedruckt den Aufzeichnungsträger 20 üblicherweise in einer anderen Farbe oder auch mit anderem Tonermaterial, wie z. B. MICR-Toner, der elektromagnetisch gelesen werden kann.
• Nach dem Bedrucken der Vorderseite wird der Aufzeichnungsträger 20 in einer Wendeeinheit 24 gewendet und den restlichen Druckwerken 12a–12d zum Bedrucken der Rückseite zugeführt. Optional kann im Bereich der Wendeeinheit 24 ein weiteres Konditionierwerk (nicht dargestellt) angeordnet sein, durch das der Aufzeichnungsträger 20 für den Rückseitendruck vorbereitet wird, wie beispielsweise ein Anfixieren (teilweises Fixieren) oder sonstiges Konditionieren des zuvor bedruckten Vorderseitendruckbildes (bzw. der gesamten Vorderseite oder auch Rückseite). Somit wird verhindert, dass das Vorderseitendruckbild beim weiteren Transport durch die nachfolgenden Druckwerke mechanisch beschädigt wird.
• Um einen Vollfarbendruck zu erzielen, werden zumindest vier Farben (und damit zumindest vier Druckwerke 11, 12) benötigt, und zwar beispielsweise die Grundfarben YMCK (Gelb, Magenta, Cyan und Schwarz). Es können auch noch weitere Druckwerke 11, 12 mit speziellen Farben (z. B. kundenspezifische Farben oder zusätzliche Grundfarben, um den druckbaren Farbraum zu erweitern) verwendet werden.
• Nach dem Druckwerk 12d ist eine Registereinheit 25 angeordnet, durch die Passermarken, die auf den Aufzeichnungsträger 20 unabhängig vom Druckbild 20' (insbesondere außerhalb des Druckbildes 20') gedruckt werden, ausgewertet werden. Damit lässt sich der Quer- und Längspasser (die Grundfarbpunkte, die einen Farbpunkt bilden, sollten übereinander oder örtlich sehr nahe beieinander angeordnet sein; dies wird auch als Farbpasser oder Vierfarbpasser bezeichnet) sowie das Register (Vorderseite und Rückseite müssen örtlich genau übereinstimmen) einstellen, damit ein qualitativ gutes Druckbild 20' erzielt wird.
• Nach der Registereinheit 25 ist die Fixiereinheit 30 angeordnet, durch die das Druckbild 20' auf den Aufzeichnungsträger 20 fixiert wird. Bei elektrophoretischen Digitaldruckern wird als Fixiereinheit 30 vorzugsweise ein Thermotrockner verwendet, der die Trägerflüssigkeit weitgehend verdampft, damit nur noch die Tonerpartikel auf dem Aufzeichnungsträger 20 verbleiben. Dies geschieht unter Einwirkung von Wärme. Dabei können auch die Tonerpartikel auf den Aufzeichnungsträger 20 aufgeschmolzen werden, sofern sie ein infolge Hitzeeinwirkung schmelzbares Material, wie beispielsweise Harz, aufweisen.
• Nach der Fixiereinheit 30 ist ein Zugwerk 26 angeordnet, das den Aufzeichnungsträger 20 durch alle Druckwerke 11a–12d und die Fixiereinheit 30 zieht, ohne dass ein weiterer Antrieb in diesem Bereich angeordnet ist. Denn durch einen Friktionsantrieb für den Aufzeichnungsträger 20 bestünde die Gefahr, dass das noch nicht fixierte Druckbild 20' verwischt werden könnte.
• Das Zugwerk 26 führt den Aufzeichnungsträger 20 dem Aufwickler 27 zu, der den bedruckten Aufzeichnungsträger 20 aufrollt.
• Zentral bei den Druckwerken 11, 12 und der Fixiereinheit 30 sind sämtliche Versorgungseinrichtungen für den Digitaldrucker 10 angeordnet, wie Klimatisierungsmodule 40, Energieversorgung 50, Controller 60, Module des Flüssigkeitsmanagements 70, wie Flüssigkeitssteuereinheit 71 und Vorratsbehälter 72 der verschiedenen Flüssigkeiten. Als Flüssigkeiten werden insbesondere reine Trägerflüssigkeit, hochkonzentrierter Flüssigentwickler (hoher Anteil von Tonerpartikeln im Verhältnis zur Trägerflüssigkeit) und Serum (Flüssigentwickler plus Ladungssteuerstoffe) benötigt, um den Digitaldrucker 10 zu versorgen, sowie Abfallbehälter für zu entsorgende Flüssigkeiten oder Behältern für Reinigungsflüssigkeit.
• Der Digitaldrucker 10 ist mit seinen baugleichen Druckwerken 11, 12 modular aufgebaut. Die Druckwerke 11, 12 unterscheiden sich mechanisch nicht, sondern lediglich durch den darin verwendende Flüssigentwickler (Tonerfarbe oder Tonerart).
• Der prinzipielle Aufbau eines Druckwerks 11, 12 ist in der 2 dargestellt. Ein solches Druckwerk basiert auf dem elektrofotografischen Prinzip, bei dem ein photoelektrischer Bildträger mit Hilfe eines Flüssigentwicklers mit geladenen Tonerpartikeln eingefärbt wird und das so entstandene Bild auf den Aufzeichnungsträger 20 übertragen wird.
• Das Druckwerk 11, 12 besteht im Wesentlichen aus einer Elektrofotografiestation 100, einer Entwicklerstation 110 und einer Transferstation 120.
• Kern der Elektrofotografiestation 100 ist ein photoelektrischer Bildträger, der an seiner Oberfläche eine fotoelektrische Schicht aufweist (ein sogenannter Fotoleiter). Der Fotoleiter ist hier als Walze (Fotoleiterwalze 101) ausgebildet und weist eine harte Oberfläche auf. Die Fotoleiterwalze 101 dreht sich an den verschiedenen Elementen zum Erzeugen eines Druckbildes 20' vorbei (Drehung in Pfeilrichtung).
• Der Fotoleiter wird zunächst von allen Verunreinigungen gereinigt. Hierzu ist ein Löschlicht 102 vorhanden, das noch auf der Oberfläche des Fotoleiters verbliebenen Ladungen löscht. Das Löschlicht 102 ist abgleichbar (lokal einstellbar), um eine homogene Lichtverteilung zu erzielen. Damit kann die Oberfläche gleichmäßig vorbehandelt werden.
• Nach dem Löschlicht 102 reinigt eine Reinigungseinrichtung 103 den Fotoleiter mechanisch ab, um gegebenenfalls noch auf der Oberfläche des Fotoleiters vorhandene Tonerpartikel, gegebenenfalls Schmutzpartikel und verbliebene Trägerflüssigkeit zu entfernen. Die abgereinigte Trägerflüssigkeit wird einem Sammelbehälter 105 zugeführt. Die gesammelte Trägerflüssigkeit und Tonerpartikel werden aufbereitet (gegebenenfalls gefiltert) und je nach Farbe einem entsprechenden Flüssigkeitsfarbvorrat, d. h. einem der Vorratsbehälter 72 zugeführt (vgl. Pfeil 105').
• Die Reinigungseinrichtung 103 weist vorzugsweise eine Rakel 104 auf, die an der Mantelfläche der Fotoleiterwalze 101 in einem spitzen Winkel (etwa 10° bis 80° zur Auslaufoberfläche) anliegt, um die Oberfläche mechanisch abzureinigen. Die Rakel 104 kann sich quer zur Drehrichtung der Fotoleiterwalze 101 hin- und herbewegen, um die Mantelfläche möglichst verschleißarm auf der gesamten axialen Länge zu reinigen.
• Anschließend wird der Fotoleiter durch eine Aufladevorrichtung 106 auf ein vorbestimmtes elektrostatisches Potenzial aufgeladen. Hierzu sind vorzugsweise mehrere Korotrone (insbesondere Glasmantelkorotrone) vorhanden. Die Korotrone bestehen aus zumindest einem Draht 106', an dem eine hohe elektrische Spannung anliegt. Durch die Spannung wird die Luft um den Draht 106' ionisiert. Als Gegenelektrode ist ein Schirm 106'' vorhanden. Die Korotrone werden zusätzlich mit Frischluft umspült, die durch spezielle Luftkanäle (Zuluftkanal 107 zur Belüftung und Abluftkanal 108 zur Entlüftung) zwischen den Schirmen zugeführt wird (siehe auch Luftströmungspfeile in 2). Die zugeführte Luft wird dann am Draht 106' gleichmäßig ionisiert. Dadurch wird eine homogene, gleichmäßige Aufladung der benachbarten Oberfläche des Fotoleiters erreicht. Mit trockener und erwärmter Luft ist die gleichmäßige Aufladung noch zu verbessern. Über die Abluftkanäle 108 wird Luft abgeführt. Gegebenenfalls entstandenes Ozon kann ebenfalls über die Abluftkanäle 108 abgesaugt werden.
• Die Korotrone sind kaskadierbar, d. h. es sind dann zwei oder mehr Drähte 106' pro Schirm 106'' bei gleicher Schirmspannung vorhanden. Der Strom, der über den Schirm 106'' fließt, ist einstellbar und dadurch ist die Aufladung des Fotoleiters steuerbar. Die Korotrone können unterschiedlich stark bestromt werden, um eine gleichmäßige und ausreichend hohe Aufladung auf dem Fotoleiter zu erreichen.
• Nach der Aufladevorrichtung 106 ist ein Zeichengenerator 109 angeordnet, der über optische Strahlung den Fotoleiter je nach gewünschtem Druckbild 20' pixelweise entlädt. Dadurch entsteht ein latentes Bild, das später mit Tonerpartikeln eingefärbt wird (das eingefärbte Bild entspricht dem Druckbild 20'). Vorzugsweise wird ein LED-Zeichengenerator 109 verwendet, bei dem eine LED-Zeile mit vielen einzelnen LEDs über die gesamte axiale Länge der Fotoleiterwalze 101 feststehend angeordnet ist. Die Anzahl der LEDs und die Größe der optischen Abbildungspunkte auf dem Fotoleiter bestimmen unter anderem die Auflösung des Druckbildes 20' (typische Auflösung liegt bei 600×600 dpi). Die LEDs können einzeln zeitlich und bezüglich ihrer Strahlungsleistung gesteuert werden. Somit können zum Erzeugen von Rasterpunkten (bestehend aus mehreren Bildpunkten oder Pixeln) Multilevelverfahren angewendet werden oder Bildpunkte zeitlich verzögert werden, um Korrekturen, beispielsweise bei nicht korrektem Farbpasser oder Register elektrooptisch durchzuführen.
• Der Zeichengenerator 109 weist eine Ansteuerlogik auf, die aufgrund der Vielzahl von LEDs und deren Strahlungsleistung gekühlt werden muss. Vorzugsweise wird der Zeichengenerator 109 flüssigkeitsgekühlt. Die LEDs können gruppenweise (mehrere LEDs zu einer Gruppe zusammengefasst) oder getrennt voneinander angesteuert werden.
• Das durch den Zeichengenerator 109 erzeugte latente Bild wird durch die Entwicklerstation 110 mit Tonerpartikeln eingefärbt. Die Entwicklerstation 110 weist hierzu eine sich drehende Entwicklerwalze 111 auf, die eine Schicht Flüssigentwickler an den Fotoleiter heranführt (die Funktionsweise der Entwicklerstation 110 wird weiter unten näher erläutert). Da die Oberfläche der Fotoleiterwalze 101 relativ hart ist, die Oberfläche der Entwicklerwalze 111 relativ weich ist und die beiden gegeneinander gedrückt werden, entsteht ein dünner, hoher Nip (ein Spalt zwischen den Walzen), in dem die geladenen Tonerpartikel elektrophoretisch von der Entwicklerwalze 111 auf den Fotoleiter in den Bildstellen aufgrund eines elektrischen Feldes wandern. In den Nichtbildstellen geht kein Toner auf den Fotoleiter über. Der mit Flüssigentwickler gefüllte Nip weist eine Höhe (Dicke des Spalts) auf, die abhängig vom gegenseitigen Druck der beiden Walzen 101, 111 und der Viskosität des Flüssigentwicklers ist. Typischerweise liegt die Dicke des Nips im Bereich größer als etwa 2 μm bis etwa 20 μm (je nach Viskosität des Flüssigentwicklers können sich die Werte auch ändern). Die Länge des Nips beträgt etwa einige wenige Millimeter.
• Das eingefärbte Bild dreht sich mit der Fotoleiterwalze 111 bis zu einer ersten Transferstelle, bei der das eingefärbte Bild auf eine Transferwalze 121 im Wesentlichen vollständig übertragen wird. Die Transferwalze 121 bewegt sich an der ersten Transferstelle (Nip zwischen Fotoleiterwalze 101 und Transferwalze 121) in dieselbe Richtung und vorzugsweise mit identischer Geschwindigkeit wie die Fotoleiterwalze 101. Nach dem Transfer des Druckbildes 20' auf die Transferwalze 121 kann das Druckbild 20' (Tonerpartikel) optional mittels einer Ladeeinheit 129, wie z. B. einem Korotron, nachgeladen oder aufgeladen werden, um die Tonerpartikel danach besser auf den Aufzeichnungsträger 20 übertragen zu können.
• Der Aufzeichnungsträger 20 läuft in Transportrichtung 20'' zwischen der Transferwalze 121 und einer Gegendruckwalze 126 hindurch. Der Berührungsbereich (Nip) stellt eine zweite Transferstelle dar, in der das Tonerbild auf den Aufzeichnungsträger 20 übertragen wird. Die Transferwalze 121 bewegt sich im zweiten Transferbereich in dieselbe Richtung wie der Aufzeichnungsträger 20. Auch die Gegendruckwalze 126 dreht sich in diese Richtung im Bereich des Nips. Die Geschwindigkeiten der Transferwalze 121, der Gegendruckwalze 126 und des Aufzeichnungsträgers 20 sind an der Transferstelle aufeinander abgestimmt und vorzugsweise identisch, damit das Druckbild 20' nicht verschmiert wird. An der zweiten Transferstelle wird das Druckbild 20' aufgrund eines elektrischen Feldes zwischen der Transferwalze 121 und der Gegendruckwalze 126 elektrophoretisch auf den Aufzeichnungsträger 20 übertragen. Außerdem drückt die Gegendruckwalze 126 mit hoher mechanischer Kraft gegen die relativ weiche Transferwalze 121, wodurch die Tonerpartikel auch aufgrund der Adhäsion an dem Aufzeichnungsträger 20 haften bleiben.
• Da die Oberfläche der Transferwalze 121 relativ weich und die Oberfläche der Gegendruckwalze 126 relativ hart ist, entsteht beim Abrollen ein Nip, in dem der Tonertransfer stattfindet. Unebenheiten des Aufzeichnungsträgers 20 können damit ausgeglichen werden, so dass der Aufzeichnungsträger 20 lückenlos bedruckt werden kann. Ein solcher Nip ist auch gut geeignet, um dickere oder unebenere Aufzeichnungsträger 20 zu bedrucken, wie es beispielsweise beim Verpackungsdruck der Fall ist.
• Das Druckbild 20' sollte zwar vollständig auf den Aufzeichnungsträger 20 übergehen; dennoch können unerwünschterweise wenige Tonerpartikel auf der Transferwalze 121 verbleiben. Ein Teil der Trägerflüssigkeit verbleibt immer auf der Transferwalze 121 infolge der Benetzung. Die eventuell noch vorhandenen Tonerpartikel sollten durch eine der zweiten Transferstelle nachfolgende Reinigungseinheit 122 nahezu vollständig entfernt werden. Die noch auf der Transferwalze 121 befindliche Trägerflüssigkeit kann auch vollständig oder bis zu einer vorbestimmten Schichtdicke von der Transferwalze 121 entfernt werden, damit nach der Reinigungseinheit 122 und vor der ersten Transferstelle von der Fotoleiterwalze 101 auf die Transferwalze 121 gleiche Bedingungen durch eine saubere Oberfläche oder eine definierte Schichtdicke mit Flüssigentwickler auf der Oberfläche der Transferwalze 121 vorherrschen.
• Vorzugsweise ist diese Reinigungseinheit 122 als Nasskammer mit einer Reinigungsbürste 123 und einer Reinigungswalze 124 ausgebildet. Im Bereich der Bürste 123 wird Reinigungsflüssigkeit (beispielsweise kann Trägerflüssigkeit oder eine eigene Reinigungsflüssigkeit verwendet werden) über eine Reinigungsflüssigkeitszufuhr 123' zugeführt. Die Reinigungsbürste 123 dreht sich in der Reinigungsflüssigkeit und ”bürstet” dabei die Oberfläche der Transferwalze 121. Dadurch wird der auf der Oberfläche haftende Toner gelockert.
• Die Reinigungswalze 124 liegt auf einem elektrischen Potenzial, das der Ladung der Tonerpartikel entgegengesetzt ist. Infolgedessen wird der elektrisch geladenen Toner durch die Reinigungswalze 124 von der Transferwalze 121 entfernt. Da die Reinigungswalze 124 die Transferwalze 121 berührt, nimmt sie auch auf der Transferwalze 121 verbliebene Trägerflüssigkeit zusammen mit der zugeführten Reinigungsflüssigkeit ab. Am Auslauf aus der Nasskammer ist ein Konditionierelement 125 angeordnet. Als Konditionierelement 125 kann – wie dargestellt – ein Rückhalteblech verwendet werden, das in einem stumpfen Winkel (etwa zwischen 100° und 170° zwischen Blech und Auslaufoberfläche) zur Transferwalze 121 angeordnet ist, wodurch Reste von Flüssigkeit auf der Oberfläche der Walze in der Nasskammer nahezu vollständig zurückgehalten werden und der Reinigungswalze 124 zum Entfernen über eine Reinigungsflüssigkeitsabfuhr 124' zu einem nicht dargestellten Reinigungsflüssigkeitsvorratsbehälter (bei den Vorratsbehältern 72) zuführt.
• Statt dem Rückhalteblech kann auch eine nicht dargestellte Dosiereinheit dort angeordnet sein, die beispielsweise eine oder mehrere Dosierwalzen aufweist. Die Dosierwalzen haben einen vorbestimmten Abstand zur Transferwalze 121 und nehmen soviel Trägerflüssigkeit ab, dass sich eine vorbestimmte Schichtdicke nach den Dosierwalzen infolge des Abquetschens einstellt. Die Oberfläche der Transferwalze 121 wird dann nicht vollständig abgereinigt; es verbleibt vollflächig Trägerflüssigkeit einer vorbestimmten Schichtdicke. Abgenommene Trägerflüssigkeit wird über die Reinigungswalze 124 zurück zum Reinigungsflüssigkeitsvorratsbehälter geführt.
• Die Reinigungswalze 124 selber wird durch eine nicht dargestellte Rakel mechanisch sauber gehalten. Abgereinigte Flüssigkeit inklusive Tonerpartikel werden für alle Farben durch einen zentralen Sammelbehälter aufgefangen, gereinigt und dem zentralen Reinigungsflüssigkeitsvorratsbehälter zur Wiederverwendung zugeführt.
• Die Gegendruckwalze 126 wird ebenfalls durch eine Reinigungseinheit 127 gereinigt. Als Reinigungseinheit 127 können eine Rakel, eine Bürste und/oder eine Walze Verschmutzungen (Papierstaub, Tonerpartikelreste, Flüssigentwickler, etc.) von der Gegendruckwalze 126 entfernen. Die gereinigte Flüssigkeit wird in einem Sammelbehälter 128 gesammelt und dem Druckprozess gegebenenfalls gereinigt über eine Flüssigkeitsabfuhr 128' wieder zur Verfügung gestellt.
• Bei den Druckwerken 11, die die Vorderseite des Aufzeichnungsträgers 20 bedrucken, drückt die Gegendruckwalze 126 gegen die nicht bedruckte Seite (und somit noch trockene Seite) des Aufzeichnungsträgers 20.
• Dennoch können sich auf der trockenen Seite bereits Staub-/Papierpartikel oder andere Schmutzpartikel befinden, die dann von der Gegendruckwalze 126 entfernt werden. Hierzu sollte die Gegendruckwalze 126 breiter als der Aufzeichnungsträger 20 sein. Infolgedessen können auch Verschmutzungen außerhalb des Druckbereichs gut abgereinigt werden.
• Bei den Druckwerken 12, die die Rückseite des Aufzeichnungsträgers 20 bedrucken, drückt die Gegendruckwalze 126 direkt auf das noch nicht fixierte, feuchte Druckbild 20' der Vorderseite. Damit das Druckbild 20' nicht von der Gegendruckwalze 126 abgenommen wird, muss die Oberfläche der Gegendruckwalze 126 Antihaft-Eigenschaften bezüglich Tonerpartikel und auch bezüglich der Trägerflüssigkeit auf dem Aufzeichnungsträger 20 aufweisen.
• Die Entwicklerstation 110 färbt das latente Druckbild 20' mit einem vorbestimmten Toner ein. Hierzu führt die Entwicklerwalze 111 Tonerpartikel an den Fotoleiter heran. Um die Entwicklerwalze 111 selber mit einer vollflächigen Schicht einzufärben wird zunächst einer Vorratskammer 112 Flüssigentwickler von einem nicht dargestellten Mischbehälter (innerhalb der Flüssigkeitssteuereinheit 71) über eine Flüssigkeitszufuhr 112' mit einer vorbestimmten Konzentration zugeführt. Aus dieser Vorratskammer 112 wird der Flüssigentwickler einer Vorkammer 113 im Überfluss zugeführt (eine Art nach oben offener Wanne). Zur Entwicklerwalze 111 hin ist ein Elektrodensegment 114 angeordnet, das einen Spalt zwischen sich und der Entwicklerwalze 111 bildet.
• Die Entwicklerwalze 111 dreht sich durch die nach oben offene Vorkammer 113 und nimmt dabei Flüssigentwickler mit in den Spalt. Überschüssiger Flüssigentwickler läuft aus der Vorkammer 113 zurück zur Vorratskammer 112.
• Durch das durch die elektrischen Potenziale gebildete elektrische Feld zwischen dem Elektrodensegment 114 und der Entwicklerwalze 111 wird der Flüssigentwickler in dem Spalt in zwei Bereich aufgeteilt, und zwar ein Schichtbereich in der Nähe der Entwicklerwalze 111, in dem sich die Tonerpartikel konzentrieren (aufkonzentrierter Flüssigentwickler) und einen zweiten Bereich in der Nähe des Elektrodensegments 114, der an Tonerpartikeln verarmt ist (sehr niedrig konzentrierter Flüssigentwickler).
• Anschließend wird die Schicht des Flüssigentwicklers weiter zu einer Dosierwalze 115 transportiert. Die Dosierwalze 115 quetscht die obere Schicht des Flüssigentwicklers ab, so dass danach eine definierte Schichtdicke an Flüssigentwickler von etwa 5 μm Dicke auf der Entwicklerwalze 111 verbleibt. Da sich die Tonerpartikel im Wesentlichen nahe der Oberfläche der Entwicklerwalze 111 in der Trägerflüssigkeit befinden, wird im Wesentlichen die außen liegende Trägerflüssigkeit abgequetscht oder zurückgehalten und letztendlich zu einem Sammelbehälter 119 zurückgeführt, aber nicht der Vorratskammer 112 zugeführt.
• Infolgedessen wird überwiegend hochkonzentrierter Flüssigentwickler durch den Nip zwischen Dosierwalze 115 und Entwicklerwalze 111 gefördert. Es entsteht somit eine gleichförmig dicke Schicht an Flüssigentwickler mit etwa 40 Masseprozent Tonerpartikel und etwa 60 Masseprozent Trägerflüssigkeit nach der Dosierwalze 115 (je nach Druckprozessanforderungen können die Masseverhältnisse auch mehr oder weniger schwanken). Diese gleichförmige Schicht Flüssigentwickler wird in den Nip zwischen der Entwicklerwalze 111 und der Fotoleiterwalze 101 transportiert. Dort werden dann die Bildstellen des latenten Bildes mit Tonerpartikeln elektrophoretisch eingefärbt, während im Bereich von Nichtbildstellen kein Toner auf den Fotoleiter übergeht. Ausreichend Trägerflüssigkeit wird unbedingt zur Elektrophorese benötigt. Der Flüssigkeitsfilm spaltet sich nach dem Nip etwa mittig infolge Benetzung auf, so dass ein Teil der Schicht an der Oberfläche der Fotoleiterwalze 101 haften bleibt und der andere Teil (für Bildstellen im Wesentlichen Trägerflüssigkeit und für Nichtbildstellen Tonerpartikel und Trägerflüssigkeit) auf der Entwicklerwalze 111 verbleibt.
• Damit die Entwicklerwalze 111 wieder unter gleichen Bedingungen und gleichmäßig mit Flüssigentwickler beschichtet werden kann, werden verbliebene Tonerpartikel (diese stellen im Wesentlichen das negative, nicht übertragene Druckbild dar) und Flüssigentwickler durch eine Reinigungswalze 117 elektrostatisch und mechanisch entfernt. Die Reinigungswalze 117 selber wird durch eine Rakel 118 gereinigt. Der abgereinigte Flüssigentwickler wird dem Sammelbehälter 119 zur Wiederverwendung zugeführt, dem auch der von der Dosierwalze 115 beispielsweise mittels einer Rakel 116 abgereinigte und der von der Fotoleiterwalze 101 mittels der Rakel 104 abgereinigte Flüssigentwickler zugeführt werden.
• Der in dem Sammelbehälter 119 gesammelte Flüssigentwickler wird dem Mischbehälter über die Flüssigkeitsabfuhr 119' zugeführt. Dem Mischbehälter werden auch frischer Flüssigentwickler und reine Trägerflüssigkeit bei Bedarf zugeführt. In dem Mischbehälter muss immer genügend Flüssigkeit in gewünschter Konzentration (vorbestimmtes Verhältnis von Tonerpartikeln zu Trägerflüssigkeit) vorhanden sein. Die Konzentration wird in dem Mischbehälter ständig gemessen und abhängig vom Zufuhr von der Menge des abgereinigten Flüssigentwicklers und dessen Konzentration sowie von der Menge und Konzentration von frischem Flüssigentwickler bzw. Trägerflüssigkeit entsprechend geregelt.
• Hierzu können aus den entsprechenden Vorratsbehältern 72 höchstkonzentrierter Flüssigentwickler, reine Trägerflüssigkeit, Serum (Trägerflüssigkeit und Ladungssteuerstoffe, um die Ladung der Tonerpartikel zu steuern) sowie abgereinigte Flüssigentwickler diesem Mischbehälter getrennt zugeführt werden.
• Der Fotoleiter kann bevorzugt in Form einer Walze oder als Endlosband ausgebildet sein. Es kann dabei ein amorphes Silizium als Fotoleitermaterial oder ein organisches Fotoleitermaterial (auch als OPC bezeichnet) verwendet werden.
• Statt eines Fotoleiters können auch andere Bildträger, wie magnetische, ionisierbare, etc. Bildträger verwendet werden, die nicht nach dem fotoelektrischen Prinzip arbeiten, sondern denen nach anderen Prinzipien latente Bilder elektrisch, magnetisch oder auf sonstige Weise aufgeprägt werden, die dann eingefärbt und letztendlich auf den Aufzeichnungsträger 20 übertragen werden.
• Als Zeichengenerator 109 können LED-Zeilen oder auch Laser mit entsprechender Scann-Mechanik verwendet werden.
• Ebenso kann das Transferelement als Walze oder als Endlosband ausgebildet sein. Das Transferelement kann auch entfallen. Dann wird das Druckbild 20' unmittelbar von der Fotoleiterwalze 101 auf den Aufzeichnungsträger 20 übertragen.
• Unter dem Begriff „Elektrophorese” ist die Wanderung der geladenen Tonerpartikel in der Trägerflüssigkeit infolge der Einwirkung eines elektrischen Feldes zu verstehen. Bei jedem Transfer von Tonerpartikel gehen die entsprechenden Tonerpartikel im Wesentlichen vollständig auf ein anderes Element über. Der Flüssigkeitsfilm wird nach dem Berühren der beiden Elemente etwa hälftig infolge der Benetzung der beteiligten Elemente gespalten, so dass etwa eine Hälfte auf dem ersten Element haften bleibt und der restliche Teil an dem anderen Element haften bleibt. Das Druckbild 20' wird übertragen und in dem nächsten Teil dann weitertransportiert, um im nächsten Transferbereich wiederum eine elektrophoretische Wanderung der Tonerpartikel zuzulassen.
• Der Digitaldrucker 10 kann ein oder mehrere Druckwerke für den Vorderseitendruck und gegebenenfalls ein oder mehrere Druckwerke für den Rückseitendruck aufweisen. Die Druckwerke können in einer Linie, L-förmig oder U-förmig angeordnet werden.
• Statt dem Aufwickler 27 können auch nicht dargestellte Nachverarbeitungseinrichtungen nach dem Zugwerk 26 angeordnet sein, wie Schneider, Falzer, Stapler, etc., um den Aufzeichnungsträger 20 in die endgültige Form zu bringen. Beispielsweise könnte der Aufzeichnungsträger 20 so weit bearbeitet werden, dass am Ende ein fertiges Buch entsteht. Die Nachverarbeitungsgeräte können ebenfalls in Reihe oder abgewinkelt davon angeordnet sein.
• Der Digitaldrucker 10 kann – wie zuvor als bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben – als Rolle-Rolle-Drucker betrieben werden. Es ist auch möglich, den Aufzeichnungsträger 20 am Ende in Bögen zu schneiden und die Bögen anschließend zu stapeln oder in geeigneter Weise weiterzuverarbeiten (Rolle-Bogen-Drucker). Ebenso ist es möglich, einen bogenförmigen Aufzeichnungsträger 20 dem Digitaldrucker 10 zuzuführen und am Ende die Bögen zu stapeln oder weiter zu verarbeiten (Bogen-Bogen-Drucker).
• Wird nur die Vorderseite des Aufzeichnungsträgers 20 bedruckt, so wird zumindest ein Druckwerk 11 mit einer Farbe benötigt (Simplexdruck). Wird auch die Rückseite bedruckt, so wird noch zumindest ein Druckwerk 12 für die Rückseite benötigt (Duplexdruck). Abhängig vom gewünschten Druckbild 20' auf Vorder- und Rückseite enthält die Druckerkonfiguration entsprechende Anzahl von Druckwerken für Vorder- und Rückseite, wobei jedes Druckwerk 11, 12 immer nur für eine Farbe oder eine Art von Toner ausgelegt ist.
• Die maximale Anzahl der Druckwerke 11, 12 ist nur technisch bedingt durch die maximale mechanische Zugbelastung des Aufzeichnungsträgers 20 und die freie Zuglänge. Typischerweise sind beliebige Konfigurationen von einer 1/0-Konfiguration (nur ein Druckwerk für die zu bedruckende Vorderseite) bis zu einer 6/6-Konfiguration möglich, bei der je sechs Druckwerke für Vorder- und Rückseite des Aufzeichnungsträgers 20 vorhanden sein können. Die bevorzugte Ausführungsform (Konfiguration) ist in der 1 dargestellt (eine 4/4-Konfiguration), mit der der Vollfarbendruck für Vorder- und Rückseite mit den vier Grundfarben bewerkstelligt wird. Die Reihenfolge der Druckwerke 11, 12 bei einem Vier-Farben-Druck geht vorzugsweise von einem Druckwerk 11, 12, das hell (Gelb) druckt zu einem Druckwerk 11, 12, das dunkel druckt, also beispielsweise wird der Aufzeichnungsträger 20 in der Farbreihenfolge Y-C-M-K von hell nach dunkel bedruckt.
• Der Aufzeichnungsträger 20 kann aus Papier, Metall, Kunststoff oder sonstigen geeigneten und bedruckbaren Materialien hergestellt sein.
• Wie weiter vorne erläutert, ist es wichtig, dass die Tonerkonzentration im Flüssigentwickler fortlaufend überwacht wird und auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden muss, denn diese Tonerkonzentration hat einen starken Einfluss auf die erreichbare Einfärbung des latenten Bildes auf dem Fotoleiter und damit auch auf die Druckqualität. Ein wichtiges Bauteil einer Anordnung zum Ermitteln der Tonerkonzentration im Flüssigentwickler ist eine Messzelle 130, von der eine Prinzipdarstellung als Querschnitt in 3 gezeigt ist. Die Messzelle 130 umfasst eine Eintrittskappe 132, deren rotationssymmetrischer Innenraum strömungsoptimiert ist. Die Außenfläche der Eintrittskappe 132 hat Rippen 134 zum Befestigen eines Schlauches (nicht dargestellt). Der Flüssigentwickler fließt in vertikaler Richtung von unten nach oben entsprechend Pfeil P1. Die Messzelle 130 ist im Betrieb so angeordnet, dass ihre Längsachse 136 vertikal steht, so dass das Innere der Messzelle 130 im Betrieb in Richtung des Pfeils P1 von der Trägerflüssigkeit mit den Tonerteilchen aktiv gespült wird. Bei dieser Durchflussrichtung wird vermieden, dass eventuell vorhandene Luftbläschen innerhalb der Messzelle 130 verbleiben können, da sie durch die gemeinsame Richtung von Auftrieb der Luftbläschen und Strömung aus dem Innenraum der Messzelle 130 herausgespült werden.
• Den Mittelteil der Messzelle 130 bildet ein Sensorkörper 138, der aus schalldämpfendem Kunststoff gefertigt ist. Dieser Sensorkörper 138 hat einen rechteckigen Innenquerschnitt und auf einander gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Ausnehmung 140, 142, in denen Piezokeramik-Elemente 144, 146 befestigt sind. Vorzugsweise werden scheibenförmige Piezokeramik-Elemente verwendet, die mit einem Zwei-Komponenten-Kleber eingeklebt werden (z. B. Epoxy-Kleber Locktite 9497 der Firma Henkel). Der Kleber dient zur Herstellung einer günstigen Schallkopplung. Das Piezokeramik-Element 144 dient als Sender; das Piezokeramik-Element 146 als Empfänger. Andruckplatten 148 aus schalldämpfendem Kunststoff drücken die Piezokeramik-Elemente 144, 146 in die Ausnehmungen 140 bzw. 142 und werden außenseitig durch Federplatten 150 gehalten. Das unterhalb der Ausnehmung 140 bzw. 142 und zum Inneren der Messzelle 130 hin verbleibende Material dient als Schallmembrane und ist relativ dünn ausgebildet. Quer zu der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallimpulse zwischen den Piezokeramik-Elementen 144, 146 ist in einer Bohrung 152 ein Temperatursensor angeordnet, der die Temperatur des Flüssigentwicklers misst. In Strömungsrichtung P1 gesehen ist der Sensorkörper 138 mit einer Austrittskappe 154 verbunden, deren Innenraum strömungsoptimiert ist und die auf der Außenseite Rippen 156 zum Befestigen eines Schlauches (nicht dargestellt) aufweist. Die Eintrittskappe 132 wie auch die Austrittskappe 154 sind durch Dichtungselemente 156 (z. B. O-Ringe) gegenüber dem Sensorkörper 138 flüssigkeitsdicht abgedichtet. Die Eintrittskappe 132 und die Austrittskappe 154 bilden einen strömungsoptimierten Übergang zum Rechteckquerschnitt des Sensorkörpers 138 und dem jeweiligen angeschlossenen Kreisquerschnitt der Flüssigkeitsleitung bzw. des Flüssigkeitsschlauches.
• 4 zeigt eine Draufsicht auf das Piezokeramik-Element 144, das baugleich mit dem Piezokeramik-Element 146 ist. Das Piezokeramik-Element 144 ist scheibenförmig und ist beidseitig metallisch beschichtet, so dass zwischen den Metallschichten eine Spannung angelegt bzw. abgegriffen werden kann. Die Metallschicht 157 der Vorderseite hat einen ausgenommenen Abschnitt 158, in welchem elektrisch isoliert davon ein Metallkontakt 160 angeordnet ist. Dieser Metallkontakt ist mit der Rückseiten-Metallschicht (nicht dargestellt) verbunden, so dass von der Vorderseite aus gesehen, beide voneinander durch die Piezokeramik isolierte Metallschichten kontaktiert werden können. Das Piezokeramik-Element 144 hat typischerweise einen Durchmesser von 10 mm und ist etwa 2 mm dick. Als Metallbeschichtung kann eine Silberbeschichtung vorgesehen sein. Von der vorderen Seite aus gesehen können beide Metallschichten durch Anlöten kontaktiert werden.
• 5 zeigt in einer Blockdarstellung den Aufbau einer Anordnung zur Bestimmung der Dämpfung von Ultraschallimpulsen in der Messzelle 130. Ein Pulsgenerator 162 erzeugt periodisch Impulse zur Ansteuerung eines Impulsformers 164, der einen Ultraschallsender 166, vorzugsweise das Piezokeramik-Element 144 nach 3, so ansteuert, dass periodisch Ultraschallimpulse den Flüssigentwickler in der Messzelle 130 durchsetzen. Der Pulsgenerator 162 erzeugt idealerweise kurze Nadelimpulse, die beispielsweise einen schnellen Halbleiterschalter im Impulsformer 164 schalten und so zu einer Entladung des zuvor auf eine Aufladespannung U0 aufgeladenen Piezokeramik-Elements 144 führen. Die Höhe des ausgesendeten Ultraschallimpulses ist abhängig von der Ladespannung U0.
• Beim Durchqueren der Messzelle 130 wird der Ultraschallimpuls von der Flüssigkeit, je nach Konzentration der vorhandenen Feststoffpartikel in Form von Tonerpartikeln, abgeschwächt und erreicht dann den Ultraschallempfänger 168, der in der Messzelle 130 als Piezokeramik-Element 146 ausgeführt ist. Der Ultraschallempfänger 168 wandelt die empfangenen Druckschwankungen in eine Spannung um, die infolge des Frequenzverhaltens des Ultraschallempfängers 168 einem abklingenden Schwingungszug in Form einer Wechselspannung entspricht. Diese Wechselspannung wird vom nachfolgenden Verstärker 170 verstärkt. Nachfolgend wird das verstärkte Signal durch einen Spitzenwertgleichrichter 172 gleichgerichtet und in einem Tiefpassfilter 174 gefiltert. Am Ausgang des Tiefpassfilters 174 liegt dann der Spitzenwert Us als Istwert an. Dieser Istwert wird auf ein Summierglied 176 gegeben, das die Differenz aus einem Sollwert Uset und dem Istwert als Regelabweichung RA bildet. Die Regelabweichung RA wird einem Regler 178, beispielsweise einem PI-Regler, zugeführt, der nach einem Regelalgorithmus den Stellwert in Form der Ladespannung U0 erzeugt.
• Ist z. B. der Wert Us kleiner als der Sollwert Uset, so wird die Ladespannung U0 erhöht. Damit erhöht sich auch die Impulshöhe des Ultraschallimpulses und folglich auch der Spitzenwert des Empfangssignals. Wenn der Wert Us größer als der Sollwert Uset ist, so wird umgekehrt die Ladespannung U0 erniedrigt, wodurch die Impulshöhe des ausgesendeten Ultraschallimpulses niedriger und somit auch der Spitzenwert des Empfangssignals kleiner wird. Wenn die Regelung eingeschwungen ist, sind die Werte Us und Uset gleich groß und es liegt ein stabiler Wert der Ladespannung U0 an. Im eingeschwungenen Zustand ist die Ladespannung U0 groß, wenn die Dämpfung und damit die Tonerkonzentration groß ist, und umgekehrt ist die Tonerkonzentration klein, wenn die Dämpfung klein ist. Die Ladespannung U0 wird vorzugsweise einem Analog-Digital-Umsetzer (nicht dargestellt) zugeführt und in einen Digitalwert gewandelt. Aus diesem Digitalwert kann durch Einmessen die Dämpfung des Flüssigkeitsentwicklers und aufgrund der engen Korrelation zum Feststoffanteil die Tonerkonzentration bestimmt werden.
• 6 zeigt im linken Bildteil den Signalverlauf der Ladespannung U0 über die Zeit t. Zum Zeitpunkt t = 0 beginnt der Entladungsvorgang und aufgrund der schnellen Entladung ergibt sich eine Verformung des Piezokeramik-Elements 144, die über die verbleibende Materialwand im Sensorkörper 138 als Ultraschallimpuls in die Flüssigkeit im Inneren des Sensorkörpers 138 eingeleitet wird. Der Ultraschallimpuls durchquert die Flüssigkeit und trifft auf das Piezokeramik-Element 146, welches als Ultraschallempfänger 168 dient. Die Druckwelle des Ultraschallimpulses verformt das Piezokeramik-Element 146, so dass durch Ladungsverschiebung eine elektrische Spannung entsteht. Der rechte Bildteil der 6 zeigt die am Piezokeramik-Element 146 entstehende Spannung U über die Zeit t. Infolge des Frequenzganges des Piezokeramik-Elements 146 wird es zu Eigenschwingungen angeregt, so dass die durch Ladungsverschiebung entstehende Spannung U einem gedämpften Wechselspannungs-Schwingungszug entspricht. Der Spitzenwert-Gleichrichter 172 in Verbindung mit dem nachfolgenden Tiefpassfilter 174 erzeugt die Spitzenspannung Us, im vorliegenden Fall als Spitze-Spitze-Messwert gemäß 6. Als Maß für die Laufzeit des Ultraschallimpulses dient die Zeit t_L bis zum Erreichen des ersten Null-Durchgangs des Minimums bzw. des Maximums des Schwingungszuges in Bezug zur Null-Linie (ohne Empfangssignal). Ein typischer Wert für t_L ist ca. 16 μs. Abhängig vom verwendeten Piezomaterial haben die Piezokeramik-Elemente 144, 146 eine Eigenresonanz zwischen 1 MHz und 10 MHz.
• 7 zeigt Zeitverläufe für die Ladespannung U0 bei zwei unterschiedlich starken Dämpfungen. Die Höhe des Empfangssignals R wird mit dem Spitzenwert-Gleichrichter 172 gemessen und vom Regler 178 auf einen konstanten vorgegebenen Sollwert Uset geregelt. Innerhalb des gezeigten Fensters F ist das Empfangssignal eingezeichnet. Das obere Diagramm A zeigt den Fall einer Flüssigkeit mit geringer Dämpfung. Der Regler 178 stellt in diesem Fall die Ladespannung U0 auf einen Wert von 3 V ein. Das auf diese Spannung U0 aufgeladene Piezokeramik-Element 144 wird zu Beginn (t = 0) kurzzeitig auf annähernd 0 Volt entladen und erzeugt dadurch den Ultraschallimpuls. Anschließend lädt sich das Piezokeramik-Element 144 wieder auf die Ladespannung U0 von 3 V auf, was anhand des Signals S zu erkennen ist. Der Ultraschallimpuls durchquert die Flüssigkeit und erreicht nach ca. 16 μs das Piezokeramik-Element 146, also den Ultraschallempfänger, wo die erzeugte Spannung verstärkt und als Empfangssignal R gemessen wird.
• Das Diagramm B unten in 7 zeigt den Fall einer Flüssigkeit mit hoher Dämpfung. Die Ladespannung U0 wird in diesem Fall vom Regler 178 beispielsweise auf ca. 9 Volt eingestellt. Der anfängliche Spannungsimpuls am Piezokeramik-Element 144 (Ultraschallsender) und damit die Impulshöhe für den erzeugten Ultraschallimpuls ist dementsprechend höher, um die höhere Dämpfung der Flüssigkeit auszugleichen. Wie im Diagramm B ersichtlich ist, ist das Empfangssignal R annähernd genau so groß wie im Fall A, weil der Regler 178 aufgrund seines Regelverhaltens eine Abweichung des Empfangssignals R ausregelt. Die beschriebene Regelung liefert also durch die Ladespannung U0 ein Maß für die Dämpfung im Flüssigentwickler und damit ein Maß für die Tonerkonzentration.
• 8 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Spitzenwert-Gleichrichters 172. Zwei schnelle Schaltdioden und zwei Kondensatoren C1, C2 bilden eine Spannungsverdopplerschaltung. Die am Ausgang Rect gleichgerichtete Spannung ist bei dieser Anordnung in etwa doppelt so groß wie bei einer Einweggleichrichtung. Die Tiefpassfilterung ergibt sich durch die Dimensionierung der Bauteile C1 und C2 in Verbindung mit der Wiederholfrequenz der Pulserzeugung im Pulsgenerator 162. Bei jedem eintreffenden Ultraschallimpuls wird der Kondensator C1 aufgeladen und dieser übergibt danach einen Teil seiner Ladung an den Kondensator C2, dessen Spannung sich mit jedem neu eintreffenden Ultraschallimpuls erhöht. Der Anstieg erfolgt umso schneller, je häufiger die Ultraschallimpulse eintreffen. Je größer das Verhältnis der Kapazitäten C1 zu C2 ist, desto langsamer ist der Anstieg. Ein Verhältnis von 1:20 hat sich als vorteilhaft erwiesen; insgesamt sind Verhältnisse im Bereich zwischen 1:10 und 1:100 in der Praxis vorteilhaft. Der Kondensator C2 sollte so groß gewählt werden, dass die Entladung nur sehr langsam stattfindet, wobei die Entladezeitkonstante wesentlich größer sein sollte als die Periodendauer der Pulserzeugung. Vorzugsweise wird die Spannung Rect nur durch einen hochohmigen Verstärkereingang belastet.
• 9 zeigt eine weitere Ausführung des Spitzenwert-Gleichrichters, bei dem zusätzliche Maßnahmen zur Störungsunterdrückung einbezogen sind. Der zusätzliche Widerstand R1 bildet mit dem Kondensator C1 einen Hochpaßfilter, der verhindert, dass niederfrequente Störsignale den Spitzenwert Rect verfälschen. Über den Transistorschalter Q1 kann die Funktion der Gleichrichtung beeinflusst werden. Eine übergeordnete Steuerung, wie z. B. ein Mikrocontroller kann durch das Anlegen einer positiven Spannung an dem Eingang „Inhibit” das Signal R kurzschließen und damit verhindern, dass das Signal zur Gleichrichtung beiträgt. Dadurch ist es möglich, die Gleichrichtung nur in bestimmten Zeitfenstern freizugeben, z. B. erst kurz vor dem Eintreffen des Ultraschallimpulses am Ultraschallempfänger. Störungen und Signale außerhalb dieses Zeitfensters haben dann kaum Auswirkungen auf den zu ermittelnden Spitzenwert Rect.
• 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Regler 178. Zur Optimierung des Regelverhaltens kann ein PI-Regler oder ein PID-Regler verwendet werden. Die Einbeziehung einer Integralkomponente (I-Komponente) hat den Vorteil, dass die Regelabweichung RA exakt auf Null ausgeregelt werden kann. Der Regler nach 10 ist als Operationsverstärkerschaltung aufgebaut. Er vergleicht den Spitzenwert Rect mit einem konstanten Sollwert Uset. Ist der Wert Rect größer als Uset, dann steigt die Ausgangsspannung des Operationssverstärkers OP an. Der nachfolgende Transistor wird leitend und sein Kollektorstrom steigt an. Dadurch verringert sich die Spannung am Kollektor, welches der Ladespannung U0 entspricht. Durch die Verringerung von U0 wird die Impulshöhe des ausgesendeten Ultraschallimpulses und damit das Empfangssignal R auf der Empfängerseite abgesenkt, bis der gemessene Spitzenwert Rect mit dem konstanten Wert Uset übereinstimmt. Der Wertebereich der Ladespannung U0 ist durch die Versorgungsspannung und die Dimensionierung der Widerstände an Emitter und Kollektor des Transistors limitiert. Die genannte Regelung funktioniert nur so lang einwandfrei, solange die Ladespannung U0 nicht an eine der Grenzen stößt. Der Wert der Ladespannung U0 sollte deshalb von einer Kontrollschaltung überprüft werden.
• 11 zeigt in einer schematischen Darstellung eine solche Kontrollschaltung mit Komparatoren K1 und K2. Der Komparator K1 überwacht das Unterschreiten eines eingestellten Minimalwerts Umin. Ist die Ladespannung U0 z. B. kleiner als Umin, dann wird der Pegel am Ausgang des Komparators K1 ansteigen, was den Zustand „U0 zu klein” definiert. Das Überschreiten des eingestellten Maximalwerts Umax für die Ladespannung U0 wird vom Komparator K2 überwacht. Ist die Ladespannung U0 z. B. größer Umax, dann wird der Pegel am Ausgang des Komparators K2 ansteigen, was den Zustand „U0 zu groß” definiert. Während des Einmessvorgangs ist die Anzeige der Zustände „U0 zu klein” und „U0 zu groß” sehr hilfreich. Beim Einmessen kann es unter Umständen nötig sein, die Verstärkung des Verstärkers 170 anzupassen. Wird dabei der Zustand „U0 zu klein” angezeigt, so bedeutet das, dass die eingestellte Verstärkung für den verwendeten Flüssigentwickler zu groß ist, weil der Regler 178 die Ladespannung nicht weiter herunterregeln kann. Der Verstärkungsfaktor für den Verstärker 178 muss in diesem Fall kleiner gemacht werden. Wird dagegen der Zustand „U0 zu groß” angezeigt, so bedeutet dies, dass die eingestellte Verstärkung für den verwendeten Flüssigentwickler mit ihrer vorhanden Dämpfung zu klein ist, weil der Regler 178 die Ladespannung U0 nicht höher regeln kann. Der Verstärkungsfaktor muss in diesem Fall höher eingestellt werden.
• Die Kontrollschaltung nach 11 kann auch zum Aufdecken von Fehlerzuständen verwendet werden. Trotz korrekt eingestellter Messzelle 130 und korrekt eingestelltem Regelkreis nach 5 kann es im Betrieb vorkommen, dass der Zustand „U0 zu groß” angezeigt wird. Dies kann als Warnung verwendet werden, dass eine gegebenenfalls durchgeführte Laufzeitmessung (eine Beschreibung hierzu erfolgt weiter unten) keine ausreichende Genauigkeit hat, weil das empfängerseitige Signal kleiner als erwartet ist. Zum anderen kann der Zustand „U0 zu groß” darauf hindeuten, dass sich in der Messzelle 130 Gasblasen befinden, die eine genaue Messung beeinträchtigen. Unter Umständen kann die Kontrollschaltung auch noch andere Fehlerquellen aufdecken. Die Grenzen für die Ladespannung U0 können dann überschritten werden, wenn die Piezokeramik-Elemente 144, 146 oder die Messzelle 130 Fehlerzustände aufweisen. Beispielsweise könnte sich die Klebung des Piezokeramik-Elements 144, 146 aufgrund von Materialalterung ändern, es könnte ein Bruch eines Piezokeramik-Elementes 144, 146 oder die Ablösung der Kontaktierung davon vorliegen. Weiterhin könnte eine Anlagerung von Sedimenten in der Messzelle 130 eine Fehlerquelle darstellen und durch die Kontrollschaltung erkannt werden.
• Das beschriebene Verfahren, bei dem die Tonerkonzentration aus der Dämpfung von Ultraschallimpulsen ermittelt wird, lässt sich in vorteilhafter Weise mit einem Verfahren kombinieren, bei dem die Tonerkonzentration aus der Laufzeit von Ultraschallimpulsen ermittelt wird, wie dies im Dokument DE 10 2008 047 196 A1 (Patentanmeldung derselben Anmelderin) beschrieben ist. Das dort beschriebene Verfahren wird als Offenbarungsgehalt in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen.
• 12 zeigt eine Blockdarstellung, die im Hinblick auf die Regelung der Ladespannung U0 mit der Darstellung in 5 übereinstimmt. Zusätzlich wurde eine Laufzeitmesseinrichtung 180, wie sie in dem genannten Dokument beschrieben ist, mit hinzugenommen. Die Laufzeit t_L wird vom Zeitpunkt t = 0 bis zum ersten Null-Durchgang eines Empfangssignals nach Durchlaufen eines ersten Maximums oder Minimums berechnet. Nähere Angaben sind dem genannten Dokument zu entnehmen.
• 13 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit v von der Temperatur T mit der Tonerkonzentration TC als Parameter. Es ist zu erkennen, dass die gezeigten Kennlinien sehr stark von der Temperatur T abhängig sind und dass zum anderen die TC-Kennlinien im interessierenden Messbereich nahe beieinanderliegen, so dass eine geringe Trennschärfe vorhanden ist. Dies macht die Ermittlung der Tonerkonzentration TC aus den gewonnenen Messgrößen Schallgeschwindigkeit (ermittelt aus der Laufzeit t_L) und Temperatur T relativ ungenau, zumal die Temperatur T meist nur stark zeitverzögert gemessen werden kann. Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass bei einer konstanten Schallgeschwindigkeit v eine Änderung der Temperatur um z. B. 1°C sich die Tonerkonzentration bereits um absolut 10% ändert. Dies bedeutet, dass eine sehr genaue Temperaturmessung erforderlich ist, was weitere Schwierigkeiten aufwirft.
• 14 zeigt in einem Diagramm Kennlinien mit dem Paramter Tonerkonzentration TC. Aufgetragen ist die Dämpfung D als Relativwert über die Temperatur T bei verschiedenen TC-Werten. Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass eine Änderung der Temperatur um z. B. 1°C sich der TC-Wert nur um absolut 0,15% ändert, was bedeutet, dass die Ermittlung der Tonerkonzentration aus der Dämpfung weniger temperaturanfällig ist.
• Den Diagrammen nach den 13 und 14 können Näherungsformeln für die Tonerkonzentration entnommen werden. Eine einfache Näherungsformel, um die Tonerkonzentration TC aus der Schallgeschwindigkeit bzw. aus der Laufzeit t_L zu berechnen, lautet: TC1(v, T) = 1,52·v + 5,94·T + TC_V0, worin

TC1

die Tonerkonzentration, ermittelt auf der Basis der Schallgeschwindigkeit,

v

die Schallgeschwindigkeit im Medium in m/s,

T

die Temperatur in °C und

TC_V0

eine Korrekturgröße ist.

• Dem Diagramm nach 14 kann eine Näherungsformel entnommen werden: TC2(D, T) = 0,476·D + 0,15·T + TC_D0, worin

TC2

die Tonerkonzentration, ermittelt aus der Dämpfungsmessung,

D

die Dämpfung und

TC_D0

ein Korrektur-Summand ist.

• Vorteilhaft ist es, beide genannten Messverfahren zur Ermittlung der Tonerkonzentration zu kombinieren. Hierzu ergibt sich die Tonerkonzentration aus der Summe eines ersten Summanden und eines zweiten Summanden, wobei der erste Summand die mit einem Gewichtungsfaktor multiplizierte Tonerkonzentration ist, wie sich aus 14 ergibt und der zweite Summand aus der Multiplikation eines Gewichtungsfaktors mit der Tonerkonzentration ist, die sich aus der Laufzeitmessung gemäß 13 ergibt, wobei die Nebenbedingung gilt, dass beide Gewichtungsfaktoren in der Summe 1 ergeben. Eine Näherungsformel hierfür lautet: TC(v, D, T) = 0,87·TC2(D, T) + 0,13·TC1(v, T)
• Die vorgenannte Näherungsformel lässt sich verallgemeinern zu TC(v, D, T) = w1·TC1(v, T) + w2·TC2(D, T), worin w1 und w2 Gewichtungsfaktoren sind, für die gilt w1 + w2 = 1.
• Die Gewichtungsfaktoren w1 und w2 können so gewählt werden, dass die Temperatureinflüsse für beide Messverfahren (Schallgeschwindigkeitsmessung über Laufzeit t_L bzw. Dämpfungsmessung gemäß Diagramm in 14) minimal werden oder sich gegenseitig aufheben. Die Messung der Schallgeschwindigkeit kann auch nach einem anderen Verfahren, abweichend von dem in der DE 10 2008 047 196 A1 beschriebenen, erfolgen.
• Es ist vorteilhaft, die Tonerkonzentration TC aus der Dämpfung D und der Temperatur T zu ermitteln TC = f(D, T) und hierfür ein geeignetes Polynom zu entwickeln nach der Vorschrift TC = K0 + K1·D + K2·D² + K3*T + K4·T² + K5·D·T + ...
• Die Polynomkoeffizienten K1 bis K5 und weitere müssen für jede Flüssigkeit eigens bestimmt werden.
• Die Dämpfung D ergibt sich zu D = ln(Io/Id)/d, worin Io die Intensität des ausgesendeten Ultraschallimpulses, Id die Intensität des empfangenen Ultraschallimpulses im Abstand d ist.
• Die Intensität des Ultraschallimpulses (bzw. seine Leistung) kann nicht ohne weiteres gemessen werden. Da jedoch die Intensität (bzw. die Leistung) proportional zum Quadrat der Spannungsamplitude ist, kann ein angenäherter Wert für die Dämpfung wie folgt ermittelt werden: D = ln(U0²/U1²)·K1/d + K0, worin

U0

die Aufladespannung, die proportional des der Höhe des ausgesendeten Ultraschallimpulses,

U1

der Spitzenwert der Empfängerspannung,

K1

ein Normierungsfaktor,

d

der Abstand der Piezokeramik-Elemente und

K0

ein Offset zum Abgleich der Dämpfungsmessung ist.

• U1 entspricht dem Wert Us, auf den die Regelung gemäß dem vorgegebenen Sollwert regelt. Beispielsweise liegt dieser Wert Us bei ca. 3 Volt. Der Abstand d beträgt bei einem Beispiel 0,018 m. Als Normierungsfaktor K1 wurde ein Wert von 1,1 gefunden. Mit Hilfe der genannten Näherungen kann über einen großen Messbereich ein enger Zusammenhang zur Tonerkonzentration TC hergestellt werden. Beispielsweise wurde bei praktischen Tests an einem schwarzen Tonermaterial eine Tonerkonzentration in einem Bereich von 0,2% bis 11,8% mit relativ hoher Genauigkeit gemessen.
• Da beide Verfahren zur Ermittlung der Tonerkonzentration temperaturabhängig sind, jedoch stark unterschiedliche Temperaturgänge haben, kann durch die Kombination in Verbindung mit den Gewichtungsfaktoren ein Optimum im Hinblick auf Messbereich, Messgenauigkeit und Temperaturgang erreicht werden.
• Die mit Hilfe der Erfindung erzielbaren technischen Vorteile liegen darin:
  Mit Hilfe der Regelung, wie sie beispielsweise im Zusammenhang mit 5 beschrieben ist, ist auf der Empfängerseite die Signalverarbeitung verbessert, denn die Regelung stellt sicher, dass das Empfangssignal in etwa immer die gleiche Impulshöhe hat. Demgemäß muss auf der Empfängerseite der kritische Verstärkungsfaktor für die Auswertungselektronik nur grob eingestellt werden und die zugehörige Elektronik ist nicht störempfindlich. Auch werden störende Verzerrungen des Signals auf der Empfangsseite, z. B. bei Übersteuerung, durch die Regelung verhindert. Nach Einstellung eines günstigen Arbeitspunktes muss der Verstärkungsfaktor auf Empfängerseite nicht weiter geändert werden, wodurch die Stabilität der Schaltung verbessert ist, denn eine Änderung der Verstärkung, ohne dass eine Phasenverschiebung erfolgt, ist nur sehr schwer einzustellen.
• Aufgrund der Regelung der Ladespannung kann ohne zusätzlichen Aufwand und mit relativ einfachen Mitteln die Ladespannung U0 als ein Maß für die Dämpfung bzw. ein Maß für die Tonerkonzentration nach einem Einmessvorgang verwendet werden.
• Wie gezeigt worden ist, ist das Verfahren zur Ermittlung der Tonerkonzentration durch Regelung und durch Auswertung der Dämpfung nur in einem geringen Maße von der Temperatur abhängig, was die Störsicherheit insgesamt verbessert.
• Durch die Überwachung der Grenzen der Ladespannung können Fehler im gesamten Tonerkonzentrations-Messsystem erkannt und Warnsignale ausgegeben werden.
• Bezugszeichenliste

10

Digitaldrucker

11, 11a–11d

Druckwerk (Vorderseite)

12, 12a–12d

Druckwerk (Rückseite)

20

Aufzeichnungsträger

20'

Druckbild (Toner)

20''

Transportrichtung des Aufzeichnungsträgers

21

Rolle (Eingabe)

22

Abwickler

23

Konditionierwerk

24

Wendeeinheit

25

Registereinheit

26

Zugwerk

27

Aufwickler

28

Rolle (Ausgabe)

30

Fixiereinheit

40

Klimatisierungsmodul

50

Energieversorgung

60

Controller

70

Flüssigkeitsmanagement

71

Flüssigkeitssteuereinheit

72

Vorratsbehälter

100

Elektrofotografiestation

101

Fotoleiterwalze

102

Löschlicht

103

Reinigungseinrichtung (Fotoleiter)

104

Rakel (Fotoleiter)

105

Sammelbehälter (Fotoleiter)

105'

Pfeil

106

Aufladevorrichtung (Korotron)

106'

Draht

106''

Schirm

107

Zuluftkanal (Belüftung)

108

Abluftkanal (Entlüftung)

109

Zeichengenerator

110

Entwicklerstation

111

Entwicklerwalze

112

Vorratskammer

112'

Flüssigkeitszufuhr

113

Vorkammer

114

Elektrodensegment

115

Dosierwalze (Entwicklerwalze)

116

Rakel (Dosierwalze)

117

Reinigungswalze (Entwicklerwalze)

118

Rakel (Reinigungswalze der Entwicklerwalze)

119

Sammelbehälter (Flüssigentwickler)

119'

Flüssigkeitsabfuhr

120

Transferstation

121

Transferwalze

122

Reinigungseinheit (Nasskammer)

123

Reinigungsbürste (Nasskammer)

123'

Reinigungsflüssigkeitszufuhr

124

Reinigungswalze (Nasskammer)

124'

Reinigungsflüssigkeitsabfuhr

125

Konditionierelement (Rückhalteblech)

126

Gegendruckwalze

127

Reinigungseinheit (Gegendruckwalze)

128

Sammelbehälter (Gegendruckwalze)

128'

Flüssigkeitsabfuhr

129

Ladeeinheit (Korotron an Transferwalze)

130

Messzelle

132

Eintrittskappe

134

Rippen

136

Längsachse

138

Sensorkörper

140, 142

Ausnehmung

144, 146

Piezokeramik-Elemente

148

Andruckplatten

150

Federplatten

P1

Strömungsrichtung

154

Austrittskappe

156

Dichtungselemente

157

Metallschicht

158

ausgenommener Abschnitt

160

Metallkontakt

162

Pulsgenerator

164

Impulsformer

U0

Ladespannung

166

Ultraschallsender

168

Ultraschallempfänger

170

Verstärker

172

Spitzenwert-Gleichrichter

174

Tiefpassfilter

176

Summierglied

RA

Regelabweichung

178

Regler

Us

Spitzenspannung

Uset

Sollwert

t_L

Laufzeit

K1, K2

Komparatoren

TC

Tonerkonzentration

T

Temperatur

D

Dämpfung

w1, w2

Gewichtungsfaktoren

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben eines Digitaldruckers (10) zum Bedrucken eines Aufzeichnungsträgers (20) mit Tonerpartikeln, die mit Hilfe eines Flüssigentwicklers aufgetragen werden, bei dem die Tonerkonzentration (TC) des Flüssigentwicklers durch Messung mit Hilfe von Ultraschallimpulsen in einer Messzelle (130) ermittelt wird, durch Entladung eines mit einer Ladespannung (U0) geladenen Ultraschallsenders (144, 166) mindestens ein Ultraschallimpuls erzeugt wird, der den Flüssigentwickler durchsetzt und von einem Ultraschallempfänger (146, 168) empfangen wird, der ein Empfängersignal entsprechend dem empfangenen Ultraschallimpuls erzeugt, eine Regeleinrichtung die Ladespannung (U0) auf einen Wert regelt derart, dass eine repräsentative Größe des Empfangssignals einem vorgegebenen Sollwert (Uset) entspricht, und bei dem aus der geregelten Ladespannung (U0) die Tonerkonzentration (TC) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als repräsentative Größe für das Empfangssignal der Spitzenwert (Us) verwendet wird, der durch einen Tiefpassfilter (174) gefiltert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Temperatur (T) des Flüssigentwicklers gemessen und bei der Ermittlung der Tonerkonzentration (TC) berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein Wert für die Dämpfung (D) der Entwicklerflüssigkeit aus Ladespannung (U0) und Empfangssignal (Us) ermittelt wird, und bei dem die Tonerkonzentration (TC) aus Dämpfung (D) und Temperatur (T) durch Annäherung durch ein Polynom ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich die Laufzeit (t_L) des Ultraschallimpulses ermittelt wird und diese Laufzeit (t_L) bei der Ermittlung der Tonerkonzentration (TC) berücksichtigt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem bei der Ermittlung der Laufzeit (t_L) die Temperatur (T) des Flüssigentwicklers berücksichtigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Tonerkonzentration aus der Summe eines ersten Summanden und eines zweiten Summanden gebildet wird, wobei der erste Summand die mit einem Gewichtungsfaktor (w1) multiplizierte Tonerkonzentration (TC) ist, die sich unter Berücksichtigung der geregelten Ladespannung (U0) ergibt, und der zweite Summand aus der Multiplikation eines Gewichtungsfaktors (w2) mit der Tonerkonzentration (TC) entsteht, die sich aus einer Laufzeitmessung ergibt.
8. Digitaldrucker (10) zum Bedrucken eines Aufzeichnungsträgers (20) mit Tonerpartikeln, die mit Hilfe eines Flüssigentwicklers aufgetragen werden, bei dem mittels einer Messzelle (130) die Tonerkonzentration (TC) des Flüssigentwicklers durch Messung mit Hilfe von Ultraschallimpulsen ermittelbar ist, durch Entladung eines mit einer Ladespannung (U0) geladenen Ultraschallsenders (144, 166) mindestens ein Ultraschallimpuls erzeugt wird, der die Entwicklerflüssigkeit durchsetzt und von einem Ultraschallempfänger (146, 168) empfangen wird, der ein Empfängersignal entsprechend dem empfangenen Ultraschallimpuls erzeugt, eine Regeleinrichtung vorhanden ist, die die Ladespannung (U0) auf einen Wert regelt derart, dass eine repräsentative Größe des Empfangssignals einem vorgegebenen Sollwert (Uset) entspricht, und bei dem aus der geregelten Ladespannung (U0) die Tonerkonzentration (TC) ermittelt wird.
9. Digitaldrucker nach Anspruch 8, wobei als repräsentative Größe für das Empfangssignal der Spitzenwert (Us) ermittelt wird, der durch einen Tiefpassfilter (174) gefiltert wird.
10. Digitaldrucker nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Messzelle (130) einen hohlen Sensorkörper (138) umfasst, auf dessen einander gegenüberliegenden Außenseiten jeweils ein Piezokeramik-Element (144, 146) in einer zugehörigen Ausnehmung (140, 142) angeordnet ist.

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