DE2148909A1

DE2148909A1 - Vorrichtung zur Bestimmung von Teilchenkonzentrationen

Info

Publication number: DE2148909A1
Application number: DE19712148909
Authority: DE
Inventors: Lehmann Ernest H; Scaletta Joseph L
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1970-09-30
Filing date: 1971-09-30
Publication date: 1972-04-06
Also published as: GB1360096A

Description

Vorrichtung zur Bestimmung von Teilchenkonzentrationen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Konzentration einer in einem Behälter vorhandenen Mischung unterschiedlicher Teilchenarten. Ein Anwendungsfall für eine solche Vorrichtung besteht beispielsweise bei der Entwicklung xerografischer latenter Bilder mittels eines Entwicklerstoffs, der aus einer Mischung von Tonerteilchen und Trägerteilchen besteht. Durch Bestimmung der Tonerkonzentration kann das Eingeben frischen Toners in die Entwicklerstoffmischung entsprechend dem Tonerverbrauch gesteuert werden.

In einer xerografischen Reproduktionsmaschine werden latente elektrostatische Bilder auf einer dielektrischen oder fotoleitfähigen Aufzeichnungsfläche erzeugt und durch Aufbringen eines Entwicklerstoffs sichtbar gemacht, der ein fein verteiltes schmelzbares Pulver, den sogenannten Toner, und Trägerteilchen enthält. Das entwickelte Bild kann dann auf einen anderen Bildträger übertragen und auf diesem dauerhaft fixiert werden. Die Trägerteilchen sind gegenüber den Tonerteilchen größer und dienen zur Erzeugung einer reibungselektrischen Ladung auf den

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Tonerteilchen sowie zur Verhinderung des Zusammenhaftens der Tonerteilchen. Wird die Reproduktionsmaschine laufend "betrieben, so wird Toner verbraucht und muß von Zeit zu Zeit erneut ±n die Entwicklerstoffmischung eingegeben werden, um die Erzeugung klarer Kopien mit gutem Kontrast sicherzustellen. Bisher erfolgte die Eingabe des Toners nach einer visuellen Überprüfung der hergestellten Kopien durch die Bedienungsperson. Man kann auch einen Indikatorstab in die Tonereingabevorrichtung eintauchen und die Menge des am Stab verbleibenden Toners überprüfen, wenn der Stab aus der Eingabevorrichtung herausgenommen wird. Diese Verfahren zur Überwachung der Tonerkonzenfc tration haben gewisse Wachteile, beispielsweise führen sie zu Verschmutzungen durch Tonerteilchen, die in der Luft herumfliegen, ferner bedeutet die Überprüfung der Tonerkonzentration immer eine manuelle Tätigkeit.

Automatische Verfahren zur Tonerkonzentrationssteuerung sind bekannt und arbeiten mit elektrischen und optischen Steuerelementen. Beispielsweise kann der elektrische Widerstand des Entwicklerstoffs zwischen zwei Elektroden gemessen werden. Wenn eine Änderung des Widerstandes mittels einer Überwachungsvorrichtung festgestellt wird, so ist dies ein Zeichen für einen erhöhten Tonerverbrauch, und es wird weiterer Toner in den Entwicklerstoffbehälter zur Kompensation des Verbrauchs W eingegeben. Diese Art der elektrischen Widerstandsmessung hat den Nachteil, daß eine häufige Eichung erforderlich ist. Wird ein optisches Auswertesystem zur Überprüfung der Tonerkonzentration verwendet, so muß gleichfalls eine häufige Neueinstellung vorgenommen werden. Ferner sind optische Auswerteelemente empfindlich gegenüber den Staubablagerungen der Tonerteilchen, so daß oft fehlerhafte Messungen eintreten, wenn das optische System nicht häufig gereinigt wird. Ferner werden beide Auswertesysteme durch Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen beeinträchtigt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit zur Überprüfung und Einstellung der Tonerkonzentration zu schaffen,

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bei der die Viskosität des auszuwertenden Materials innerhalb eines Behälters festgestellt wird. Eine solche Vorrichtung soll die automatische Änderung der ausgewerteten Konzentration entsprechend dem jeweiligen Auswerteergebnis ermöglichen.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß eine die Teilchen bewegende Rührvorrichtung vorgesehen ist und daß ein Wandler zur Auswertung der auf ein Auswerteelement oder auf die Rührvorrichtung durch die Teilchen ausgeübten Beanspruchung vorgesehen ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mit einer Vorrichtung nach der Erfindung ausgerüsteten automatischen elektrofotografischen Reproduktionsmaschine,

Fig. 2 einen Wandler und eine Rührvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Steuersystems für eine Anordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine grafische Darstellung des Drehmoments in Abhängigkeit von der Tonerkonzentration,

Fig. 5 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Systems zur Tonersteuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 den Schnitt 6-6 aus Fig. 5 und

Fig. 7 und 8 Blockdiagramme ähnlich Fig. 3 für ein System zur Tonerkonzentrationssteuerung.

In Fig. 1 ist eine automatisch arbeitende elektrofotgrafische Reproduktionsmaschine dargestellt, die mit einer Vorrichtung nach der Erfindung ausgerüstet ist. Die Erfindung kann jedoch auch in gleicher Weise in anderen Einrichtungen eingesetzt werden, in denen die Konzentration von Teilchemischlingen festzustellen ist,

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•Die in Fig. 1 gezeigte Reproduktionsmaschine enthält einen elektrofotografischen Aufzeichnungsträger in Form einer Trommel 1., die auf einer leitfähigen Unterlage mit einer fotoleitfähigen bzw. lichtempfindlichen Oberfläche versehen ist. Die Trommel ist in einem Rahmen in der dargestellten Pfeilrichtung drehbar gelagert. Durch ihre Drehung wird ihre Oberfläche nacheinander an mehreren elektrofotografischen Verfahrensstationen vorbeibewegt. An der Ladestation 2 wird eine gleichmäßige elektrostatische Ladung auf oder in der fotoleitfähigen Schicht erzeugt. Wenn die Trommeloberfläche die Belichtungsstation 3 erreicht, wird ein Licht- oder Strahlungsbild in der dem reproduzierenden Bild entsprechenden Verteilung auf die fotoleitfähige Fläche projiziert, wodurch die Ladungen in den bestrahlten Flächenteilen abgeleitet werden und ein latentes elektrostatisches Abbild des zu reproduzierenden Bildes entsteht.

An der Entwicklungsstation 4 wird Entwicklerstoff, der Tonerteilchen mit einer elektrostatischen Ladung entgegengesetzt derjenigen des elektrostatischen latenten Bildes enthält, über die Trommeloberfläche kaskadiert, und die Tonerteilchen haften in den geladenen Flächenteilen am latenten elektrostatischen Bild an. Dadurch wird ein Tonerbild in einer Konfiguration des Originalbildes erzeugt. Wenn die Trommel 1 mit ihrer Oberfläche an die Bildübertragungsstation 5 bewegt wird, kann das Tonerbild elektrostatisch von ihr auf einen anderen Bildträger übertragen werden. An der Reinigungsstation 6 wird die Trommel mittels einer Bürste gereinigt, um restliche Tonerteilchen zu entfernen, die nach der Bildübertragung noch an ihr anhaften. Die Trommel wird ferner mit einer relativ hellen Lichtquelle ausgeleuchtet, um praktisch alle elektrostatischen Restladungen abzuleiten. Die an der Entwicklungsstation 4 verwendete Kaskadierungsentwicklungsvorrichtung ist eingehend in der US-Patentschrift 3 498 500 beschrieben, so daß sie im folgenden nicht weiter erläutert werden muß. ·

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Durch kontinuierlichen Betrieb der Reproduktionsmaschine wird der Vorrat an Tonerteilchen verbraucht und muß von Zeit zu Zeit aufgefrischt werden, so daß die hergestellten Kopien einen vorgegebenen guten Kontrast behalten. Um weitere Tonerteilchen in die Entwicklerstoffmischung einzugeben, wird eine Tonereingabevorrichtung 50 betätigt, wozu sie entsprechend der jeweils in noch zu beschreibender Weise festgestellten Tonerkonzentration gesteuert wird.

Anhand der Fig. 2 und 3 wird im folgenden eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. In Fig. 2 ist ein Wandler 20 dargestellt, der an der unteren Innenwand 21 des Entwicklungs gehäuses freitragend befestigt ist, welches an der Entwicklungsstation 4 angeordnet ist. In dem Gehäuse ist ferner ein mit mehreren Blättern versehener Rotor 25 angeordnet. Der Wandler 20 enthält ein Widerstandselement 20', welches seinen Zustand bei Einwirkung einer Scherungsbeanspruchung ändert. Der Wandler 20 kann ein elektrischer Festkörperwandler sein, beispielsweise die Type 8100 Pixie, erhältlich von den Enderro Labs., Mountain View, Californien. Der Wandler 20 erfährt eine Belastung nach Art eines Balkens und liefert eine Anzeige eines Drehmoments, da er als eine feste Fläche gegen die Bewegung des Entwicklerstoffs wirkt, welcher durch den Rotor 25 bewegt wird. Die Strömung oder Bewegung des Entwicklerstoffs erzeugt eine Drehkraft an Wandler 20, die durch das Widerstandselement 20' ausgewertet wird und eine Änderung seines elektrischen Widerstandes bewirkt. Die Bewegung des Entwicklerstoffs am Wandler 20 kann auch als die Ursache einer Verlagerung des freien Endes des Wandlers 20 aus seiner Ruhelage angesehen werden. In diesem Falle bewegt sich das freie Ende des Wandlers 20 über einen Bogen, dessen Länge von der Viskosität des Toners im Entwicklerstoff abhängt. Wenn die Viskosität des Entwicklerstoffs gering ist, so ist die bogenförmige Bewegung des Wandlers 20 weniger stark als wenn die Tonerviskosität des Entwicklerstoffs hoch wäre. Dies kann dadurch erklärt werden, daß eine hohe Tonerkonzentration eine höhere Viskosität des Entwicklerstoffs zur Folge hat. Das freie Ende des Wandlers

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wird daher über einen größeren Bogenbereich bewegt, wenn durch den viskosen und dichten Entwicklerstoff eine höhere Antriebskraft erzeugt wird. Der Wandler 20 macht als fest angeordnete Komponente das System unabhängig von Lagerungen und möglichen Verschmutzungen. Der Wandler 20 erzeugt bei der auf ihn einwirkenden Kraft ein Wechselspannungssignal, welches bei entsprechender Eichung eine Anzeige der Tonerkonzentration oder der Viskosität des Entwicklerstoffs liefert.,Die Bezeichnung "Viskosität" bezieht sich bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung auf den Grad des Widerstandes, den der Wandler der Bewegung des Entwicklerstoffs entgegensetzt, Nimmt man einen Zustand an, in dem nur Trägerteilchen im Behälter vorhanden sind, so ergibt sich eine Anzeige des durch diesen Zustand am Wandler erzeugten Drehmoments. Wenn Tonerteilchen in dieses Trägermaterial eingegeben werden, so steigt das Drehmoment am Wandler entsprechend an. Der Wandler 20 ist zweckmäßig so geeicht, daß er bestimmte Signal spannung en bei vorbestimmten Tonerkonzentrationswerten des Entwickler Stoffs abgibt. Der Wandler 20 kann also so geeicht werden, daß Tonerkonzentrationen zwischen dem Wert 0 bis über solche Werte hinaus festgestellt werden, die in einem praktisch anwendbaren Entwicklerstoff verwendet werden.

Nachdem eine Anzeige der im Behälter vorhandenen Tonermenge erhalten wurde, kann eine Vorrichtung zur Eingabe von Toner in die Entwicklerstoffmischung angesteuert werden. Sine solche Anordnung ist in Fig. 3 dargestellt. Der mit mehreren Blättern versehene Rotor 37 wird durch einen Motor 35 angetrieben. Wenn der Rotor 37 den Entwicklerstoff 38 im Behälter 32 durchrührt, wirken auf den Wandler 30 infolge des bewegten Entwicklerstoffs ■38 Kräfte ein. Eine Auswertevorrichtung 31 ist mit dem Wandler 30 elektrisch verbunden und wertet die Signaländerungen am Wandler 30 aus. Sie kann eine Brückenschaltung, eine Filterschaltung und einen Verstärker enthalten, wie es für solche Anordnungen beispielsweise durch die US-Patentschrift 2 919 bekannt ist. Das mit der Auswertevorrichtung 31 erzeugte Signal geeigneter Amplitude wird dann einer Steuerung 33 zugeführt.

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Innerhalb der Steuerung 33 können (nicht dargestellte) Relaisschalter vorgesehen sein, durch die eine Tonereingabevorrichtung 34 in Form einer Klappe oder eines Trichters betätigt wird und eine abgemessene Menge von Toner 36 in die Entwicklerstoffmenge eingibt. Wenn der Entwicklerstoff einen Wert erreicht, auf den der Wandler 30 geeicht ist, kann jedes danach erzeugte Signal zur Lieferung eines Ausgangssignals der Auswertung 31 nicht mehr zur Wirkung kommen, so daß die Steuerung 33 die Eingabevorrichtung 34 nicht mehr betätigt, und abschaltet.

Der Entwicklerstoff kann beispielsweise die durch die US-Patentschrift 2 940 934 bekannte Form haben. Die Tonerteilchen sind dabei fein verteilte, pigmentierte Kunstharzteilchen mit einer Teilchengröße von unter 20 Mikron und einer mittleren Größe zwischen 5 und 10 Mikron. Die Trägerteilchen können gemahlene Eisenfeilspäne sein.

Im folgenden wird eine zweite AusfUhrungsform der Erfindung anhand der Fig. 4 bis 8 beschrieben.

Wenn ein Entwicklerstoffbehälter mit einer Menge Trägerteilchen gefüllt ist, kann das Drehmoment an der Achse eines Rührwerkes, welches die Trägerteilchen bewegt, gemessen werden. Wenn vorbestimmte Mengen von Tonerteilchen in das Trägermaterial eingegeben werden, steigt das Drehaoment am Rührwerk entsprechend an. Der Zusammenhang des Anstieges des Drehmomentes an der Achse des Rührwerkes mit der Tonereingabe ist in Fig. 4 dargestellt. Diese zeigt eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Drehmomentes von der Tonerkonzentration in Gewichtsprozent. Eine Überprüfung dieser Darstellung zeigt, daß eine Tonerkonzentration mit dem Wert 0 in einem Behälter, der Trägerteilchen enthält, ein Drehmoment von 1,22 cm kg erzeugt. Wenn jedoch gewisse Tonermengen in das Trägermaterial eingefüllt werden, so ergibt sich ein vorgegebener Anstieg des Drehmoments. Wernden beispielsweise 15,6 g Toner den Trägerteilchen zur Erhöhung der Tonerkonzentration auf 0,35 % beigegeben, so ergibt sich ein

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Anstieg des Drehmomentes auf 2,88 cm kg. Wenn 50,4 g Toner in die Entwicklerstoffmischung eingegeben werden, um die Tonerkonzentration auf 1,5 % zu erhöhen, so ergibt sich ein Anstieg des Drehmomentes auf 5,03 cm kg. Die in Fig. 4 dargestellte Kurve zeigt also, daß die effektive Viskosität des Entwicklerstoffs eine Funktion der Tonerkonzentration ist. Die Bezeichnung "Viskosität" bezieht sich bei diesem zweiten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung auf die Höhe des Widerstandes, den der Entwicklerstoff der Antriebskraft des Rührwerks entgegensieLlt.

Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Tonersteue- * rung, die im Zusammenhang mit der in Fig. 4 gezeigten Kurve anwendbar ist. Ein Motor 26 ist über einen Drehmomentwandler

27 mit den Achsen der Rührschnecken 28 und 29 und einem mit mehreren Blättern versehenen Rotor 46 gekoppelt. Die Schnecken

28 und 29 und der Rotor 46 sind innerhalb des in Fig. 6 gezeigten Gehäuses 47 angeordnet und an geeigneten Lagerungen befestigt, so daß sie auf ihren Achsen gedreht werden können. Der Drehmomentwandler 27 ist auch mit einem Schreiber 48 gekoppelt, der das Ausgangssignal des Wandlers 27 auswertet und aufschreibt.

In Fig. 7 ist ein Mischer oder ein Rührwerk 43 in Form einer Schnecke oder eines Flügelrades dargestellt, diese Vorrichtung wird durch einen Motor 41 angetrieben. Wahlweise -kann der Motor ) 41 über ein Getriebe angekoppelt sein. Der Wandler 42 kann ein Dehnungsmeßstreifen, ein Torsionsstab, eine Feder oder eine Dielastizität oder den Motorstrom messende Drehmomentvorrichtung sein. Der Wandler 42 wertet die Änderung des Drehmomentes aus, die durch die Änderung der Tonerkonzentration oder~der Viskosität des Entwicklerstoffs verursacht wird. Über die Steuerung 40 wird die Tonereingabevorrichtung 50 betätigt, so daß sie eine vorgegebene Tonermenge 44 in die Entwicklungsvorrichtung 45 eingibt. Die Steuerung 40 kann eine Brückenschaltung, eine Filterschaltung und einen Verstärker enthalten, wie es durch die US-Patentschrift 2 919 672 bekannt ist. Ein Signal geeigneter Amplitude der Steuerung 40 kann dann den (nicht dar-

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gestellten) Relaißschaltern zugeführt werden, die eine Klappe oder einen Trichter in der Eingabevorrichtung 50 betätigen. Wenn die Schalter der Eingabevorrichtung 50 betätigt werden, wird eine vorbestimmte Tonermenge 44 in die Entwicklerstoffmenge eingegeben. Wenn der Drehmomentwert, auf den der Wandler 42 geeicht ist, erreicht wird, kann ein danach erzeugtes Signal kein Ausgangssignal an der Steuerung 40 mehr verursachen, so daß die Elektromagnete die Eingabevorrichtung freigeben bzw. abschalten.

Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm einer Tonerkonzentrationssteuerung ähnlich der in Fig. 7 gezeigten Anordnung. Der Drehmomentwandler 51 ist eine Anordnung mit einer Metallachse, der eine Brückenschaltung mit Dehnungsmeßstreifen (nicht dargestellt) zugeordnet ist. Die Achse des Wandlers 51 wird zwischen die · Antriebsquelle 53 und die Belastung bzw. das Rührwerk 5t· geschaltet. Die Brückenschaltung ist mit Schleifringen auf der Achse verbunden und erhält eine Spannung des Wandlers 51, während ihr AusgangaeLgnal der logischen Steuerschaltung 52 zugeführt wird. Wenn die Achse durch die Belastung beansprucht wird, ändert sich der Widerstand des Dehnungsmeßstreifens und ergibt eine entsprechende Änderung der Ausgangsspannung, die direkt proportional dem anliegenden Drehmoment ist. Der Motor 53, das Rührwerk 54, die Entwicklungsvorrichtung 56 und die Eingabevorrichtung 50 arbeiten ähnlich wie die in Fig. 7 gezeigte Anordnung.

Bei dem Betrieb der in Fig. 8 gezeigten Tonersteuerung ist die Ausgangsspannung des Wandlers 51 auf einen vorgegebenen Entwicklerstoff bekannter Tonerkonzentration geeicht. Ausgehend von diesen Daten wird eine Eichkurve (Ausgangsspannung abhängig von der Tonerkonzentration) aufgenommen. Die Eichkurve ergibt den oberen und den unteren Grenzwert der Ausgangsspannung des Drehmomentwandlers, diese Grenzwerte werden in der logischen Steuerschaltung 52 eingestellt. Die Eingabevorrichtung 50 wird dann so gesteuert, daß die Tonerkonzentration des Entwicklerstoffs in einem vorgegebenen Bereich bleibt.

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Claims

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Patentansprüche

Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Konzentration einer in einem Behälter vorhandenen Mischung unterschiedlicher Teilchenarten, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Teilchen bewegende Rührvorrichtung (25) vorgesehen ist und daß ein Wandler (20) zur Auswertung der auf ein Auswerteelement (20') oder auf die Rührvorrichtung (25) durch die Teilchen ausgeübten Beanspruchung vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, zur Bestimmung der Tonerkonzentration eines xerografisehen Entwicklerstoffs, der Tonerteilchen und Trägerteilchen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Auswerteelement (31) mit einer Steuervorrichtung (33) verbunden ist, die eine Eingabe von Tonerteilchen in die Entwicklerstoff mischung steuert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (20) freitragend an einer Innenwandung (21) des Behälters befestigt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (20) ein Drehmomentwandler ist, der der Achse der Rührvorrichtung (43) zugeordnet ist.
5» Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rührvorrichtung (25) ein mit mehreren Blättern versehener Rotor ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine logische Steuerschaltung (52) vorgesehen ist, die die Tonerkonzentration der Entwicklerstoff mischung innerhalb eines vorbestimmten Bereiches hält.

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