WO1998027468A1 - Entwicklereinheit für einen elektrografischen drucker oder kopierer - Google Patents

Entwicklereinheit für einen elektrografischen drucker oder kopierer Download PDF

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WO1998027468A1
WO1998027468A1 PCT/DE1997/002958 DE9702958W WO9827468A1 WO 1998027468 A1 WO1998027468 A1 WO 1998027468A1 DE 9702958 W DE9702958 W DE 9702958W WO 9827468 A1 WO9827468 A1 WO 9827468A1
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sensor
toner
output signal
developer unit
layer
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PCT/DE1997/002958
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Volkhard Maess
Martin Schleusener
Reinhard Apel
Original Assignee
Oce Printing Systems Gmbh
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Publication date
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Priority to DE59706457T priority patent/DE59706457D1/de
Priority to EP97953643A priority patent/EP0946905B1/de
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03G—ELECTROGRAPHY; ELECTROPHOTOGRAPHY; MAGNETOGRAPHY
    • G03G15/00—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern
    • G03G15/06—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for developing
    • G03G15/08—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for developing using a solid developer, e.g. powder developer
    • G03G15/0822—Arrangements for preparing, mixing, supplying or dispensing developer
    • G03G15/0848—Arrangements for testing or measuring developer properties or quality, e.g. charge, size, flowability
    • G03G15/0849—Detection or control means for the developer concentration
    • G03G15/0851—Detection or control means for the developer concentration the concentration being measured by electrical means
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03G—ELECTROGRAPHY; ELECTROPHOTOGRAPHY; MAGNETOGRAPHY
    • G03G15/00—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern
    • G03G15/06—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for developing
    • G03G15/08—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for developing using a solid developer, e.g. powder developer
    • G03G15/0822—Arrangements for preparing, mixing, supplying or dispensing developer
    • G03G15/0848—Arrangements for testing or measuring developer properties or quality, e.g. charge, size, flowability

Definitions

  • the invention relates to a developer unit for an electrographic printer or copier with a toner receiving surface for receiving a layer containing toner particles, or toner layer for short.
  • a developer unit with more than one toner receiving surface is explained in European patent EP 0 494 454 B1.
  • the second toner receiving surface is the lateral surface of a transfer roller, to which the toner particles are applied directly from the storage container.
  • the toner particles are only then deposited on the surface of the developer roller at a transfer nip between the transfer roller and the developer roller.
  • a disadvantage of the known developer units is that it is not possible to monitor the development process and in particular the amount of toner released by the developer unit. If the amount of toner per area on the toner receiving area or the amount of charge per area in the toner layer during development is below or above a predetermined target value, the error is only recognized on the finished printed image. A response is therefore relatively late. The disturbances in the printed image are particularly noticeable in the case of large-area printed image elements in the printed image.
  • Electrographic printers are especially electrophotographic, ionographic and magnetographic printers.
  • the invention is based on the knowledge that parameters which determine the quality of the development process and thus essentially also the quality of the printed image must already be recorded in the developer unit and not only after the development process has been completed in order to react quickly to deviations of these parameters from target values can. This is the only way to avoid printed images of poor quality and the associated increased paper and energy consumption.
  • the developer unit contains a radiation source for irradiating at least one surface section of the layer and a radiation sensor for detecting the amount of radiation remitted or transmitted by the surface section
  • the following characteristics of the development process can be determined, for example, via the optical properties of the toner layer: average thickness of the layer, toner mass per surface section or Toner mass on the entire toner receiving surface.
  • each surface section means that a relatively uniform layer is assumed and the detected toner mass is related to a defined surface section of the toner layer, for example 1 cm 2 .
  • the total area of the toner layer is also used as a reference.
  • the radiation sensor is arranged in such a way that radiation reflected or reflected by the surface section is detected. If, on the other hand, the toner receiving surface is made of a material that is transparent to the radiation from the radiation source, the toner receiving surface can alternatively be arranged between the radiation source and the radiation sensor, so that a transmitted amount of radiation is detected by the radiation sensor.
  • radiation e.g. visible light, ultraviolet radiation or infrared radiation
  • the wavelength of the radiation is expediently adapted to the absorption or remission properties of the toner layer.
  • the aim here is to select the wavelength so that, depending on the thickness of the toner layer, the greatest possible signal difference at the output of the radiation sensor results even with small changes in the layer thickness.
  • the detection of the layer thickness or the quantities that can be calculated therefrom with the radiation sensor provides a high measurement accuracy, especially with small layer thicknesses.
  • a capacitive sensor for detecting the capacitance between its measuring electrodes angeord ⁇ net the above parameters can of the layer can be detected if at least receiving surface, a surface portion of the toner forming the first measuring electrode and the second measuring electrode at a predetermined distance from the first measuring electrode is arranged so that the toner layer runs between the two measuring electrodes in the manner of a dielectric.
  • the thickness of the dielectric or of the toner layer influences the capacitance according to the known laws for the capacitor.
  • the detection of the properties of the toner layer with the capacitive sensor has the advantage that the measuring range is not limited at the top, since an increase in the layer thickness also leads to a detectable change in the capacitance even with relatively thick layers.
  • a potential sensor for detecting the electrical potential of at least one surface section of the toner layer is arranged in the developer unit near the toner receiving surface, the charge per surface section or the average toner charge per surface section on the toner receiving surface can be detected. This parameter can already be used to identify gross disruptions in the development process.
  • the evaluation units for the sensors mentioned can be implemented both in terms of circuitry and software. Simple evaluation units are used which compare the sensor output signal with a predefined setpoint and, in the event of an impermissible sensor output signal, emit a signal which, for example, leads to an interruption in the printing process or is perceptibly output by an operator, for example as an optical or acoustic signal. Control units are also used as the evaluation unit. Derive signals to influence the development process.
  • the developer unit contains a combination of the sensors mentioned. Sensors of one type are used on different surface sections of the layer in order to compensate for statistical fluctuations in the detected layer property. Sensors of different types are used to balance the disadvantages of one sensor type with the advantages of the other sensor type.
  • the radiation sensor is used in a lower to middle range of the layer thickness.
  • the capacitive sensor is then used in the middle to upper ranges. This combination enables the thickness of the toner layer to be measured with a high degree of measurement accuracy over the entire thickness range.
  • the evaluation unit combines the output signals of the radiation sensor and / or the capacitive sensor and the output signal of the potential sensor to form a signal which is a measure of the average mass-related toner charge, one of the most important parameters of the development process can be recorded and processed further provide.
  • the layer thickness can be regulated to a predetermined target value during the development process. Compared to known methods, this measure results in a uniform thickness of the layer, which leads to a high-quality printed image.
  • the charging of the toner particles is controlled on the basis of the output signal of the potential sensor. By simultaneously regulating the layer thickness and the charging of the toner particles, the mass-related toner charge can be kept approximately constant during the entire development process. This leads to an even accumulation of the to- particles on the latent charge image and ultimately back to a high quality print image.
  • a regulating device for regulating the charging of the toner particles is also used, which processes the output signal of the radiation sensor and / or the output signal of the capacitive sensor and the output signal of the potential sensor.
  • the parameters can be controlled, which leads to an optimal influencing of the development process due to a uniform control strategy in the control device.
  • a device for storing the course of the respective sensor characteristic curve is used when processing the sensor signals, said device indicating the relationship between the respectively detected characteristic variable and the sensor output signal.
  • This characteristic curve is determined in a calibration process by measuring the sensor output signals for layers in which the characteristic variable to be recorded in each case has a known value.
  • the characteristic curve is e.g. stored in a digital memory or in a functional network.
  • the digital memory is part of a processor unit for controlling the developer unit or for controlling the entire printer.
  • the senor In order to prevent the measuring accuracy of the sensors from being impaired by deposits of toner particles or dust, the sensor is surrounded, for example, by an air flow which effectively prevents deposits. Exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. In it show:
  • 1 is a schematic diagram of a developer unit with an optical sensor for detecting the toner mass per surface section on the developer roller
  • Fig. 2 shows an arrangement of a capacitive sensor for
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a developer unit 10 which is arranged close to a photoconductor drum 12, the photoconductor drum rotating in the direction of an arrow 14.
  • a latent charge image On the surface of the photoconductor drum 12 there is a latent charge image in the surface area facing the developer unit 10, which was applied by an exposure unit, not shown.
  • the charges are distributed in accordance with the image information of the image to be printed.
  • the drive device for the photoconductor drum 12 was not drawn in FIG. 1 to simplify the illustration.
  • the developer unit 10 contains a container 16 in which a toner-air mixture 18 is located.
  • a toner-air mixture 18 In the mixture 18, toner particles and air are mixed approximately in a ratio of 1:10, as a result of which the mixture 18 behaves like a liquid.
  • the Mixture 18 is produced from solid toner particles with an average size of approximately 10 ⁇ m by air flowing into the container 16 over a large area through an air-permeable plate 20 in the bottom of the container 16.
  • the corona device 22 In the toner-air mixture 18 there is a corona device 22, to which a voltage of approximately -8 kV is applied, so that toner particles of the mixture 18 in the vicinity of the corona device 22 are negatively charged.
  • the corona device 22 runs across the entire developer unit 10 in a length that corresponds approximately to the extent of the photoconductor drum 12 transverse to the direction of rotation 14.
  • a developer roller 24 is arranged above the corona device 22, the axis of which runs parallel to the corona device 22.
  • An electrically conductive surface layer of the developer roller 24 has a potential of approximately -0.6 kV, so that the negatively charged toner particles over the entire length of the corona device 22 due to the effect of the electric field between the corona device 22 and the developer roller 24 on the top - Area of the developer roller 24 are deposited.
  • the surface of the developer roller 24 is at a defined distance from the corona device 22, so that a uniform toner layer 26 is formed on the surface of the developer roller 24.
  • the developer roller 24 is rotated about its axis by a drive device, not shown, in the direction of an arrow 28.
  • the toner layer 26 is transported on the periphery of the developer roller 24 until it reaches a development nip 30 formed by the surface of the photoconductor drum 12 and the surface of the developer roller 24, both surfaces moving synchronously with each other, for example.
  • the development gap 30 has a constant width over the entire length in the direction of the axis of the developer roller 24.
  • the latent charge image of the photoconductor drum 12 is developed in the development gap 30 in that 12 toner particles form in discharged areas of the surface of the photoconductor drum Add toner layer 26.
  • the toner image applied to the photoconductor drum 12 is transferred to paper at a transfer printing station (not shown) and fixed in a fixing station.
  • a light source 32 is arranged in the developer unit 10 and irradiates a surface section of the toner layer 26; compare Arrow 34. Depending on the thickness of layer 26, more or less incident light is reflected by layer 26. Part of the reflected light (see arrow 35) is detected by an optical sensor 36, e.g. a photo diode or a photo resistor. Two output lines 38 of the optical sensor 36 are connected to an evaluation unit 40, which generates a signal on a line 42, the amount of which is proportional to the thickness of the toner layer 26. The further processing of the signal on line 42 is shown below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 2 shows the arrangement of a capacitive sensor 50 on the developer roller 24.
  • the capacitive sensor 50 can be used in place of or in addition to the optical sensor 36 (see FIG. 1) to determine the thickness of the toner layer 26.
  • the capacitive sensor 50 contains an electrode 52 which is surrounded by a shield 54.
  • the counter electrode of the sensor 50 will be formed by a surface section 56 of the surface of the developer roller 24 which is directly opposite the sensor 50.
  • the capacitance between the electrode 52 and the counter electrode 56 changes depending on the thickness of the layer 26.
  • the electrodes 52 and 56 are connected to an evaluation unit 58, output line at the off ⁇ 58, a signal is generated which is proportional to the thickness of the layer 26th
  • the processing of the signal on the output line 58 is also explained below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 3 shows the arrangement of a potential sensor 70 in the developer unit 10.
  • the potential sensor 70 can be used as the only sensor or in combination with the optical sensor 36 (see FIG. 1) and / or the capacitive sensor 50 (see FIG. 2). be arranged in the developer unit 10.
  • the potential sensor 70 contains an electrode 72 and a shield 74 for shielding external electrical fields.
  • the electrode 72 is connected to an evaluation unit 78 via a line 76.
  • the shield 74 is also connected to the evaluation unit 78 via a line 80.
  • a potential is influenced at the electrode 72, which is determined by the potential of the developer roller 24 and by the totality of the toner charge which is located in the field region of the electrode 72 on the surface of the developer roller 24.
  • the evaluation unit 78 detects this potential, which is converted into a signal on an output line 82 with the aid of a characteristic curve.
  • An air flow flows around the potential sensor 70 from a blower, not shown, so that a deposit of dust and toner particles does not form on the potential sensor 70 and the measuring accuracy of the potential sensor 70 remains unchanged. The further processing of the control signal is explained below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the line 42 at the output of the evaluation unit 40 of the optical sensor 36 (see FIG. 1) is connected on the input side to a control device 100.
  • the control device 100 is given a setpoint DSOLL for the thickness of the toner layer.
  • the control device compares the setpoint DSOLL with the actual value DIST of the thickness of the toner layer signaled on line 42. An error signal is generated.
  • the control device 100 Depending on the error signal, the control device 100 generates an actuating voltage USTELL, which is fed to a controllable power supply unit 102 via a line 104.
  • the power supply unit 102 generates a voltage UK for the corona device 22 (see FIG. 1) depending on the size of the control voltage USTELL.
  • the control voltage USTELL is predetermined by the control device 100 so that the error signal is reduced and finally assumes the numerical value "0". In this case, the actual thickness of the toner layer matches the target thickness. New control processes occur when disturbance variables change the thickness of the toner layer.
  • a PI controller is used in the control device 100.
  • the signal on the output line 42 or on the output line 48 can optionally be used to control the layer thickness.
  • the signals of the optical sensor 36 With layer thicknesses below a predetermined value, the signals of the optical sensor 36 (see FIG. 1) are evaluated. Above the layer thickness specified by the value, the signals of the capacitive sensor 50 on the output line 58 are evaluated.
  • FIG. 5 shows a basic illustration of a regulation of the mass-related toner charge.
  • a second control circuit is shown in FIG. 5, which charges the toner particles to a predetermined one with the aid of a corotron or scorotron acting on the layer 26 (see FIG. 1) Charge setpoint regulates.
  • the second control loop contains a control device 110 which is connected to the output line 82.
  • the control device 110 generates a control voltage USTELL2 on a line 112 for controlling a controlled power supply unit 114.
  • the control voltage USTELL2 becomes as determined by the controller 110 that an error ⁇ signal between a predetermined desired value for the charge on a surface portion of the toner layer and the actual value detected by Po ⁇ tential sensor 70 is decreased until it reaches the numerical value "0".
  • the controlled power supply unit 114 generates a voltage U, which is applied to the corotron via a line 116.
  • control units 100 and 110 are combined to form a control unit 120 which contains a microprocessor and a working memory in which a control program is stored.
  • the power supply 102 is controlled via a line 104 'and the power supply 114 via a line 112' in such a way that the mass-related toner charge qT at the development gap 30 (see, for example, FIG. 1 ) has a constant predetermined value.
  • the mass-related Tonerla ⁇ dung qT is calculated according to the following formula:
  • QT is the toner charge per surface section detected by the potential sensor 70 according to FIG. 3 and MT is the toner mass per surface section, in short the surface mass.
  • a surface section of the toner layer with a predetermined size is used as a reference surface element for the toner charge and the toner mass.

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Abstract

Beschrieben wird eine Entwicklereinheit für einen elektrografischen Drucker oder Kopierer, mit einer Toneraufnahmefläche (24) zum Aufnehmen einer Schicht (26) aus Tonerteilchen. Eine Strahlungsquelle (32) bestrahlt mindestens einen Flächenabschnitt der Schicht (26), und ein Strahlungssensor (36) erfaßt die vom Flächenabschnitt reflektierte oder transmittierte Strahlungsmenge. In einer Auswerteeinheit (40) wird das Ausgangssignal des Strahlungssensors (36) dann ausgewertet.

Description

Beschreibung
Entwicklereinheit für einen elektrografischen Drucker oder Kopierer
Die Erfindung betrifft eine Entwicklereinheit für einen elektrografischen Drucker oder Kopierer mit einer Toneraufnahmefläche zum Aufnehmen einer Tonerteilchen enthaltenden Schicht, kurz Tonerschicht.
Der Aufbau einer derartigen Entwicklereinheit mit einer Entwicklerwalze als Toneraufnahmefläche ist in dem US-Patent US 4,777,106 erläutert. Bei dieser Entwicklereinheit werden die Tonerteilchen in einem Tonervorratsbehälter, in welchem sich ein Toner-Luft-Gemisch befindet, elektrisch aufgeladen und anschließend auf der geerdeten oder mit einem Potential versehenen Toneraufnahmefläche unter Wirkung eines elektrischen Kraftfeldes als Tonerschicht abgeschieden. Die abgeschiedenen Tonerteilchen werden durch die Drehung einer Entwicklerwalze, deren Mantelfläche gerade die Toneraufnahmefläche bildet, an einem Entwicklungs-Spalt zwischen der Entwicklerwalze und einem Tonerbildträger vorbeigeführt. Der Tonerbildträger trägt ein latentes Ladungsbild, auf das am Entwicklungs-Spalt selektiv Tonerteilchen aufgetragen werden, wobei ein Toner- bild entsteht. Das Tonerbild wird dann vom Tonerbildträger mit oder ohne Verwenden eines Zwischenbildträgers auf einen Endbildträger aufgetragen, z.B. auf Papier. Anstelle der Entwicklerwalze wird auch ein Entwickler-Band verwendet.
Eine Entwicklereinheit mit mehr als einer Toneraufnahmefläche ist im europäischen Patent EP 0 494 454 Bl erläutert. Die zweite Toneraufnahmefläche ist die Mantelfläche einer Übertragungswalze, auf welche die Tonerteilchen direkt aus dem Vorratsbehälter aufgebracht werden. An einem Übertragungs- Spalt zwischen der Übertragungswalze und der Entwicklerwalze werden die Tonerteilchen dann erst auf die Oberfläche der Entwicklerwalze abgeschieden. Nachteilig an den bekannten Entwicklereinheiten ist, daß ein Überwachen des Entwicklungsprozesses und insbesondere der von der Entwicklereinheit abgegebenen Tonermenge nicht möglich ist. Liegt die Tonermenge je Fläche auf der Toneraufnahmefläche oder auch die Ladungsmenge je Fläche in der Tonerschicht beim Entwickeln unter oder über einem vorgegebenen Sollwert, so wird der Fehler erst am fertigen Druckbild erkannt. Ein Reagieren erfolgt somit relativ spät. Die Störungen im Druck- bild fallen insbesondere bei großflächig bedruckten Bildelementen im Druckbild auf.
Als Toner werden sowohl trockene Toner als auch flüssige Toner verwendet. Die verwendeten Toner lassen sich weiterhin in Ein- und Mehrkomponententoner unterteilen. Elektrografische Drucker sind insbesondere elektrofotografische, ionografische und magnetografische Drucker.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfach ausgebaute Ent- wicklereinheit anzugeben, die ein Entwickeln mit hoher Qualität ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Entwicklereinheit mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil- düngen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß Kenngrößen, welche die Qualität des Entwicklungsprozesses und damit auch wesentlich die Qualität des Druckbildes bestimmen, schon in der Entwicklereinheit und nicht erst nach abgeschlossenem Entwicklungsvorgang erfaßt werden müssen, um bei Abweichungen dieser Kenngrößen von Sollwerten schnell reagieren zu können. Nur so lassen sich Druckbilder schlechter Qualität und der damit verbundene erhöhte Papier- und Energieverbrauch vermei- den. Enthält die Entwicklereinheit eine Strahlungsquelle zum Bestrahlen zumindest eines Flächenabschnitts der Schicht und einen Strahlungssensor zum Erfassen der vom Flächenabschnitt remittierten oder transmittierten Strahlungsmenge, so können über die optischen Eigenschaften der Tonerschicht z.B. folgende Kenngrößen des Entwicklungsprozesses bestimmt werden: mittlere Dicke der Schicht, Tonermasse je Flächenabschnitt oder Tonermasse auf der gesamten Toneraufnahmefläche. Je Flächenabschnitt bedeutet dabei, daß von einer relativ gleichmä- ßigen Schicht ausgegangen wird und die erfaßte Tonermasse auf einen definierten Flächenabschnitt der Tonerschicht bezogen wird, von z.B. 1 cm2. Als Bezugsgröße wird auch die Gesamtfläche der Tonerschicht verwendet.
Ist die Toneraufnahmefläche aus einem für die Strahlung der Strahlungsquelle nicht durchlässigen Material, so wird der Strahlungssensor so angeordnet, daß vom Flächenabschnitt remittierte bzw. reflektierte Strahlung erfaßt wird. Ist dagegen die Toneraufnahmefläche aus einem für die Strahlung der Strahlungsquelle durchlässigen Material, so kann alternativ die Toneraufnahmefläche zwischen Strahlungsquelle und Strahlungssensor angeordnet werden, so daß vom Strahlungssensor eine transmittierte Strahlungsmenge erfaßt wird.
Als Strahlung kann z.B. sichtbares Licht, Ultraviolett-Strah- lung oder Infrarot-Strahlung verwendet werden. Die Wellenlänge der Strahlung wird zweckmäßigerweise an die Absorpti- ons- bzw. Remissionseigenschaften der Tonerschicht angepaßt. Ziel ist dabei, die Wellenlänge so auszuwählen, daß sich ab- hängig von der Dicke der Tonerschicht ein möglichst großer Signalunterschied am Ausgang des Strahlungssensors auch bei kleinen Änderungen der Schichtdicke ergibt.
Das Erfassen der Schichtdicke bzw. der daraus berechenbaren Größen mit dem Strahlungssensor liefert besonders bei geringen Schichtdicken eine hohe Meßgenauigkeit. Ist in der Entwicklereinheit ein kapazitiver Sensor zum Erfassen der Kapazität zwischen seinen Meßelektroden angeord¬ net, so können die oben genannten Kenngrößen der Schicht erfaßt werden, wenn zumindest ein Flächenabschnitt der Toner- aufnahmefläche die erste Meßelektrode bildet, und die zweite Meßelektrode in vorgegebenem Abstand gegenüber der ersten Meßelektrode angeordnet ist, so daß die Tonerschicht zwischen den beiden Meßelektroden nach Art eines Dielektrikums verläuft. Die Dicke des Dielektrikums bzw. der Tonerschicht be- einflußt nach den bekannten Gesetzen für den Kondensator die Kapazität. Das Erfassen der Eigenschaften der Tonerschicht mit dem kapazitiven Sensor hat den Vorteil, daß der Meßbereich nicht nach oben begrenzt ist, da auch bei relativ dik- ken Schichten eine Erhöhung der Schichtdicke noch zu einer erfaßbaren Änderung der Kapazität führt.
Wenn in der Entwicklereinheit nahe der Toneraufnahmefläche ein Potentialsensor zum Erfassen des elektrischen Potentials zumindest eines Flächenabschnitts der Tonerschicht angeordnet ist, kann die Ladung je Flächenabschnitt bzw. die mittlere Tonerladung je Flächenabschnitt auf der Toneraufnahmefläche erfaßt werden. Aus dieser Kenngröße lassen sich bereits grobe Störungen des Entwicklungsprozesses erkennen.
Sämtliche genannte Sensoren arbeiten berührungslos, so daß die Tonerschicht in ihrer Gleichmäßigkeit beim Erfassen ihrer Eigenschaften nicht beeinträchtigt wird.
Die Auswerteeinheiten für die genannten Sensoren können so- wohl schaltungstechnisch als auch softwaretechnisch realisiert sein. Verwendet werden einfache Auswerteeinheiten, die das Sensorausgangssignal mit einem vorgegebenen Sollwert vergleichen und bei unzulässigem Sensorausgangssignal ein Signal abgeben, das z.B. zum Unterbrechen des Druckprozesses führt oder für eine Bedienperson wahrnehmbar ausgegeben wird, z.B. als optisches oder akustisches Signal. Als Auswerteeinheit werden auch Regeleinheiten eingesetzt, die aus den Ausgangs- Signalen Stellgrößen zur Beeinflussung des Entwicklungsprozesses ableiten.
Gemäß der Erfindung enthält die Entwicklereinheit eine Kombi- nation der genannten Sensoren. Sensoren eines Typs werden an verschiedenen Flächenabschnitten der Schicht eingesetzt, um statistische Schwankungen der erfaßten Schichteigenschaft auszugleichen. Sensoren unterschiedlichen Typs werden eingesetzt, um die Nachteile des einen Sensortyps mit den Vortei- len des anderen Sensortyps auszugleichen. So wird z.B. der Strahlungssensor in einem unteren bis mittleren Bereich der Schichtdicke verwendet. In mittleren bis oberen Bereichen wird dann der kapazitive Sensor verwendet. Durch diese Kombination läßt sich die Dicke der Tonerschicht über den gesamten Dickebereich mit einer hohen Meßgenauigkeit messen.
Werden durch die Auswerteeinheit die Ausgangssignale des Strahlungssensors und/oder des kapazitiven Sensors sowie das Ausgangssignal des Potentialsensors zu einem Signal ver- knüpft, das ein Maß für die mittlere massenbezogene Tonerladung ist, so läßt sich eine der wesentlichsten Kenngrößen des Entwicklungsprozesses erfassen und zur weiteren Bearbeitung bereitstellen.
Erfolgt die weitere Bearbeitung der erfaßten Schichtdicke in einer Regeleinrichtung, so läßt sich während des Entwicklungsprozesses die Schichtdicke auf einen vorgegebenen Sollwert regeln. Gegenüber bekannten Verfahren ergibt sich durch diese Maßnahme eine gleichmäßige Dicke der Schicht, die zu einem Druckbild hoher Qualität führt. In einer weiteren Regeleinrichtung wird die Aufladung der Tonerteilchen ausgehend vom Ausgangssignal des Potentialsensors geregelt. Durch gleichzeitiges Regeln der Schichtdicke und der Aufladung der Tonerteilchen kann die massenbezogene Tonerladung während des gesamten Entwicklungsprozesses annähernd konstant gehalten werden. Dies führt zu einer gleichmäßigen Anlagerung der To- nerteilchen auf das latente Ladungsbild und letztlich wieder zu einem Druckbild hoher Qualität.
Verwendet wird auch eine Regeleinrichtung zum Regeln der Auf- ladung der Tonerteilchen, welche das Ausgangssignal des Strahlungssensors und/oder das Ausgangssignal des kapazitiven Sensors sowie das Ausgangssignal des Potentialsensors verarbeitet. Im Gegensatz zur oben erwähnten Regelung der Kenngrößen des Entwicklungsprozesses in getrennten Regelkreisen - die z.B. nach Art einer Kaskadenregelung oder einer Verhältnisregelung miteinander gekoppelt sind - läßt sich mit einer einzigen Regeleinrichtung eine Regelung der Kenngrößen erzielen, die aufgrund einer einheitlichen Regelstrategie in der Regeleinrichtung zu einer optimalen Beeinflussung des Entwicklungsprozesses führt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird beim Verarbeiten der Sensorsignale eine Einrichtung zum Speichern des Verlaufs der jeweiligen Sensorkennlinie verwendet, welche die Beziehung zwischen der jeweils erfaßten Kenngröße und dem Sensorausgangssignal angibt. Diese Kennlinie wird in einem Einmeßvorgang ermittelt, indem die Sensorausgangssignale für Schichten gemessen werden, bei denen die jeweils zu erfassende Kenngröße einen bekannten Wert hat. Die Kennlinie wird z.B. in einem digitalen Speicher oder in einem Funktionsnetzwerk hinterlegt. Der digitale Speicher ist Bestandteil einer Prozessoreinheit zum Steuern der Entwicklereinheit oder zum Steuern des gesamten Druckers. Durch die Einbeziehung der Kennlinie wird erreicht, daß Nichtlinearitäten der Sensoren keinen Einfluß auf die weitere Verarbeitung haben. Somit können die bekannten Maßnahmen der linearen Regelungstechnik angewandt werden.
Um eine Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit der Sensoren durch Ablagerungen von Tonerteilchen oder Staub zu verhindern, wird z.B. der Sensor durch einen Luftstrom umgeben, der Ablagerungen wirksam verhindert. Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Entwicklereinheit mit einem optischen Sensor zum Erfassen der Tonermasse je Flächenabschnitt auf der Entwicklerwalze,
Fig. 2 eine Anordnung eines kapazitiven Sensors zum
Erfassen der Tonermasse je Flächenabschnitt an der Entwicklerwalze,
Fig. 3 eine Anordnung eines Potentialsensors zum Er- fassen der Ladungsmenge,
Fig. 4 eine Regelung der Tonermasse je Flächenabschnitt, und
Fig. 5 eine Regelung der massebezogenen Tonerladung.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Entwicklereinheit 10, die nahe an einer Fotoleitertrommel 12 angeordnet ist, wobei sich die Fotoleitertrommel in Richtung eines Pfeils 14 dreht. Auf der Oberfläche der Fotoleitertrommel 12 befindet sich im der Entwicklereinheit 10 zugewandten Oberflächenbereich ein latentes Ladungsbild, das durch eine nicht dargestellte Belichtungseinheit aufgebracht wurde. Im latenten Ladungsbild sind die Ladungen gemäß der Bildinformation des zu druckenden Bildes verteilt. Die Antriebsvorrichtung für die Fotoleitertrommel 12 wurde in Fig. 1 zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeichnet.
Die Entwicklereinheit 10 enthält einen Behälter 16, in dem sich ein Toner-Luft-Gemisch 18 befindet. Im Gemisch 18 sind Tonerteilchen und Luft etwa im Verhältnis 1:10 gemischt, wodurch sich das Gemisch 18 wie eine Flüssigkeit verhält. Das Gemisch 18 wird aus festen Tonerteilchen mit einer durchschnittlichen Größe von etwa 10 μm erzeugt, indem durch eine luftdurchlässige Platte 20 im Boden des Behälters 16 Luft großflächig in den Behälter 16 einströmt.
Im Toner-Luft-Gemisch 18 befindet sich eine Koronaeinrichtung 22, an der eine Spannung von etwa -8 kV anliegt, so daß Tonerteilchen des Gemischs 18 in der Umgebung der Koronaeinrichtung 22 negativ aufgeladen werden. Die Koronaeinrichtung 22 verläuft quer durch die gesamte Entwicklereinheit 10 in einer Länge, die etwa der Ausdehnung der Fotoleitertrommel 12 quer zur Drehrichtung 14 entspricht. Oberhalb der Koronaeinrichtung 22 ist eine Entwicklerwalze 24 angeordnet, deren Achse parallel zur Koronaeinrichtung 22 verläuft. Eine elek- trisch leitende Oberflächenschicht der Entwicklerwalze 24 hat ein Potential von etwa -0, 6 kV, so daß über die gesamte Länge der Koronaeinrichtung 22 die negativ geladenen Tonerteilchen aufgrund der Wirkung des elektrischen Feldes zwischen der Koronaeinrichtung 22 und der Entwicklerwalze 24 auf der Ober- fläche der Entwicklerwalze 24 abgelagert werden.
Die Oberfläche der Entwicklerwalze 24 befindet sich in einem definierten Abstand zur Koronaeinrichtung 22, so daß auf der Oberfläche der Entwicklerwalze 24 eine gleichmäßige Toner- schicht 26 entsteht. Die Entwicklerwalze 24 wird durch eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung in Richtung eines Pfeils 28 um ihre Achse gedreht. Bei der Drehung wird die Tonerschicht 26 auf dem Umfang der Entwicklerwalze 24 transportiert, bis sie einen Entwicklungs-Spalt 30 erreicht, der durch die Oberfläche der Fotoleitertrommel 12 und die Oberfläche der Entwicklerwalze 24 gebildet wird, wobei sich beide Oberflächen z.B. synchron zueinander bewegen. Über die gesamten Länge in Richtung der Achse der Entwicklerwalze 24 hat der Entwicklungs-Spalt 30 eine konstante Breite. Das latente Ladungsbild der Fotoleitertrommel 12 wird im Entwicklungs- Spalt 30 dadurch entwickelt, daß sich in entladenen Bereichen der Oberfläche der Fotoleitertrommel 12 Tonerteilchen der Tonerschicht 26 anlagern. Auf der Entwicklerwalze 24 verblei¬ bende Tonerteilchen werden durch einen nicht dargestellten Abstreifer von der Oberflächenschicht der Entwicklerwalze 24 entfernt, bevor wieder neue Tonerteilchen im Bereich der Ko- ronaeinrichtung 22 aufgebracht werden.
Das auf die Fotoleitertrommel 12 aufgebrachte Tonerbild wird an einer nicht dargestellten Umdruckstation auf Papier übertragen und in einer Fixierstation fixiert.
In der Entwicklereinheit 10 ist eine Lichtquelle 32 angeordnet, die einen Oberflächenabschnitt der Tonerschicht 26 bestrahlt; vergl . Pfeil 34. Abhängig von der Dicke der Schicht 26 wird mehr oder weniger eingestrahltes Licht von der Schicht 26 reflektiert. Ein Teil des reflektierten Lichtes (vergl. Pfeil 35) wird durch einen optischen Sensor 36 erfaßt, z.B. eine Fotodiode oder ein Fotowiderstand. Zwei Ausgangsleitungen 38 des optischen Sensors 36 sind mit einer Auswerteeinheit 40 verbunden, die auf einer Leitung 42 ein Signal erzeugt, dessen Betrag proportional zur Dicke der Tonerschicht 26 ist. Die weitere Bearbeitung des Signals auf der Leitung 42 wird unten anhand der Fig. 4 und 5 dargestellt .
Fig. 2 zeigt die Anordnung eines kapazitiven Sensors 50 an der Entwicklerwalze 24. Der kapazitive Sensor 50 kann an Stelle oder zusätzlich zum optischen Sensor 36 (vergl. Fig. 1) zum Bestimmen der Dicke der Tonerschicht 26 verwendet werden.
Der kapazitive Sensor 50 enthält eine Elektrode 52, die von einer Abschirmung 54 umgeben ist. Die Gegenelektrode des Sensors 50 wird durch einen Flächenabschnitt 56 der Oberfläche der Entwicklerwalze 24 gebildet werden, welcher dem Sensor 50 unmittelbar gegenüberliegt. Abhängig von der Dicke der Schicht 26 verändert sich die Kapazität zwischen der Elektrode 52 und der Gegenelektrode 56. Die Elektroden 52 und 56 sind mit einer Auswerteeinheit 58 verbunden, an deren Aus¬ gangsleitung 58 ein Signal erzeugt wird, das proportional zur Dicke der Schicht 26 ist. Die Bearbeitung des Signals auf der Ausgangsleitung 58 wird ebenfalls unten anhand der Fig. 4 und 5 erläutert.
Fig. 3 zeigt die Anordnung eines Potentialsensors 70 in der Entwicklereinheit 10. Der Potentialsensor 70 kann als einziger Sensor oder in Kombination mit dem optischen Sensor 36 (vergl. Fig. 1) und/oder dem kapazitiven Sensor 50 (vergl. Fig. 2) in der Entwicklereinheit 10 angeordnet sein.
Der Potentialsensor 70 enthält eine Elektrode 72 und eine Abschirmung 74 zum Abschirmen von elektrischen Fremdfeldern. Die Elektrode 72 ist über eine Leitung 76 mit einer Auswerteeinheit 78 verbunden. Auch die Abschirmung 74 ist über eine Leitung 80 mit der Auswerteeinheit 78 verbunden. An der Elektrode 72 wird ein Potential influenziert, das durch das Potential der Entwicklerwalze 24 und durch die Gesamtheit der Tonerladung bestimmt wird, die sich im Feldbereich der Elektrode 72 auf der Oberfläche der Entwicklerwalze 24 befindet. Die Auswerteeinheit 78 erfaßt dieses Potential, das mit Hilfe eine Kennkurve in ein Signal auf einer Ausgangsleitung 82 umgewandelt wird. Der Potentialsensor 70 wird durch einen Luftstrom von einem nicht dargestellten Gebläse umströmt, so daß eine Ablagerung aus Staub und Tonerteilchen am Potentialsensor 70 nicht entsteht und die Meßgenauigkeit des Potentialsensors 70 unverändert gut bleibt. Die weitere Verarbeitung des Stellsignals wird unten anhand der Fig. 4 und 5 erläu- tert.
Fig. 4 zeigt die Prinzipdarstellung einer Regelung der Tonerschichtdicke. Die Leitung 42 am Ausgang der Auswerteeinheit 40 des optischen Sensors 36 (vergl. Fig. 1) ist eingangssei- tig mit einer Regeleinrichtung 100 verbunden. Vor Beginn des Entwicklungsprozesses wird der Regeleinrichtung 100 ein Sollwert DSOLL für die Dicke der Tonerschicht vorgegeben. Die Regeleinrichtung vergleicht den Sollwert DSOLL mit dem auf der Leitung 42 signalisierten Istwert DIST der Dicke der Tonerschicht. Dabei wird ein Fehlersignal erzeugt.
Die Regeleinrichtung 100 erzeugt abhängig vom Fehlersignal eine Stellspannung USTELL, die einem steuerbaren Netzteil 102 über eine Leitung 104 zugeführt wird. Das Netzteil 102 erzeugt eine Spannung UK für die Koronaeinrichtung 22 (vergl. Fig. 1) abhängig von der Größe der Stellspannung USTELL. Die Stellspannung USTELL wird durch die Regeleinrichtung 100 so vorgegeben, daß sich das Fehlersignal verkleinert und schließlich den numerischen Wert "0" annimmt. In diesem Fall stimmt die Ist-Dicke der Tonerschicht mit der Soll-Dicke überein. Zu erneuten Regelvorgängen kommt es, wenn Störgrößen die Dicke der Tonerschicht verändern. In der Regeleinrichtung 100 wird im Beispiel der Fig. 4 ein PI-Regler eingesetzt.
Wird die Regeleinrichtung 100 mit der Ausgangsleitung 58 verbunden, so kann wahlweise das Signal auf der Ausgangsleitung 42 oder auf der Ausgangsleitung 48 zum Regeln der Schichtdicke verwendet werden. Bei Schichtdicken unter einem vorgegebenen Wert werden die Signale des optischen Sensors 36 (vergl. Fig. 1) ausgewertet. Oberhalb der durch den Wert vorgegebenen Schichtdicke werden die Signale des kapazitiven Sensors 50 auf der Ausgangsleitung 58 ausgewertet.
Fig. 5 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Regelung der massebezogenen Tonerladung. Zusätzlich zu dem anhand der Fig. 4 beschriebenen Regelkreis mit der Regeleinrichtung 100 ist in Fig. 5 ein zweiter Regelkreis dargestellt, der die Aufladung der Tonerteilchen mit Hilfe eines auf die Schicht 26 (vergl. Fig. 1) einwirkenden Korotrons oder Skorotrons auf einen vorgegebenen Ladungs-Sollwert regelt. Der zweite Regelkreis enthält eine Regeleinrichtung 110, die mit der Ausgangsleitung 82 verbunden ist. Die Regeleinrichtung 110 erzeugt auf einer Leitung 112 eine Stellspannung USTELL2 zum Ansteuern eines gesteuerten Netzteils 114. Die Stellspannung USTELL2 wird durch die Regeleinrichtung 110 so vorgegeben, daß ein Fehler¬ signal zwischen einem vorgegebenen Sollwert für die Ladung auf einem Flächenabschnitt der Tonerschicht und dem vom Po¬ tential-Sensor 70 erfaßten Ist-Wert verkleinert wird, bis es den numerischen Wert "0" erreicht. Das gesteuerte Netzteil 114 erzeugt eine Spannung U, die über eine Leitung 116 an das Korotron angelegt wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Regeleinheiten 100 und 110 zu einer Regeleinheit 120 zusammengefaßt, die einen Mikroprozessor und einen Arbeitsspeicher enthält, in dem ein Regelprogramm abgespeichert ist. Abhängig von den Signalen auf den Leitungen 42, 58 und 82 wird das Netzteil 102 über eine Leitung 104' und das Netzteil 114 über eine Leitung 112' so angesteuert, daß die massenbezogene Tonerladung qT am Entwicklungs-Spalt 30 (vergl. z.B. Fig. 1) einen konstanten vorgegebenen Wert hat. Die massenbezogene Tonerla¬ dung qT berechnet sich nach folgender Formel:
QT qT = — ,
MT
wobei QT die durch den Potentialsensor 70 gemäß Fig. 3 erfaßte Tonerladung je Flächenabschnitt und MT die Tonermasse je Flächenabschnitt, kurz die Flächenmasse, ist. Als Bezugsflä- chenelement für die Tonerladung und die Tonermasse wird ein Flächenabschnitt der Tonerschicht mit einer vorgegebenen Größe verwendet.
Bezugszeichenliste
10 Entwicklereinheit
12 Fotoleitertrommel 14 Richtungspfeil
16 Behälter
18 Toner-Luft-Gemisch
20 luftdurchlässige Platte
22 Koronaeinrichtung 24 Entwicklerwalze
26 Tonerschicht
28 Drehrichtung
30 Entwicklungs-Spalt
32 Lichtquelle 34 Pfeil
36 optischer Sensor
38 Ausgangsleitung
40 Auswerteeinheit
42 Leitung 50 kapazitiver Sensor
52 Elektrode
54 Abschirmung
56 Gegenelektrode
58 Ausgangsleitung 70 Potentialsensor
72 Elektrode
74 Abschirmung
76 Leitung
78 Auswerteeinheit 80 Leitung
82 Ausgangsleitung
100 Regeleinrichtung
102 gesteuertes Netzteil
104 Leitung 110 Regeleinrichtung
112 Leitung
114 geregeltes Netzteil 116 Leitung
120 Regeleinrichtung
DSOLL Sollwert der Dicke
DIST Istwert der Dicke
USTELL Stellspannung
UK Koronaspannung
USTELL2 Stellspannung
U Spannung qT mittlere Tonerteilchenladung
QT Flächenladung
MT Flächenmasse

Claims

Ansprüche
1. Entwicklereinheit (10) für einen elektrografischen Druk- ker oder Kopierer,
mit einer Toneraufnahmefläche (24) zum Aufnehmen einer Tonerschicht (26) aus Tonerteilchen, die zum Einfärben von latenten Ladungsbildern auf einem Fotoleiter (12) ei- nen Entwicklungs-Spalt (30) überspringen und sich auf den Ladungsbildern anlagern,
mindestens einem ersten Sensor (36,50) mit zugehöriger Auswerteeinheit (40,58) zum Erfassen der Tonermasse (MT) auf der Toneraufnahmefläche (24),
mindestens einem zweiten Sensor (70) mit zugehöriger Auswerteeinheit (78) zum Erfassen des elektrischen Potentials (QT) über der Tonerschicht (26) auf der Toneraufnah- efläche (24) und
einer Auswerteeinheit (120), die aus der festgestellten Tonermasse (MT) und dem Potential (QT) die massenbezogene Tonerladung (qT) errechnet.
2. Entwicklereinheit (10) nach Anspruch 1 mit
einer Strahlungsquelle (32) zum Bestrahlen mindestens eines Flächenabschnitts der Schicht (26) ,
einem Strahlungssensor (36) zum Erfassen der vom Flächenabschnitt remittierten oder transmittierten Strahlungsmenge,
und mit einer Auswerteeinheit (40) zum Auswerten des Ausgangssignals des Strahlungssensors (36) .
3. Entwicklereinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit
einem kapazitiven Sensor (50) zum Erfassen der Kapazität zwischen seinen Meßelektroden (52, 56),
wobei zumindest ein Flächenabschnitt der Toneraufnahmefläche (24) die erste Meßelektrode (56) bildet,
und wobei die zweite Meßelektrode (52) in vorgegebenem Abstand gegenüber der ersten Meßelektrode (56) angeordnet ist,
und mit einer Auswerteeinheit (58) zum Auswerten des Aus- gangssignals des kapazitiven Sensors.
4. Entwicklereinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit
einem nahe der Toneraufnahmefläche (24) angeordneten Potentialsensor (70) zum Erfassen des elektrischen Potentials zumindest eines Flächenabschnitts der Schicht (26) ,
und mit einer Auswerteeinheit (78) zum Auswerten des Aus- gangssignals des Potentialsensors (70) .
5. Entwicklereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Auswerteeinheit (100) die ^abhängig von der Dicke der Schicht (26) entweder das Ausgangssignal des Strahlungssensors (36) oder das Ausgangssignal des kapazitiven Sensors (50) auswertet, wobei vorzugsweise das Ausgangssignal des Strahlungssensors (36) in einem unteren Bereich der Schichtdicke ausgewertet wird.
6. Entwicklereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Auswerteeinheit (120) die das Ausgangssignal des Strahlungssensors (36) und/oder das Aus- gangssignal des kapazitiven Sensors (50) sowie das Ausgangssignal des Potentialsensors (70) zu einem Signal verknüpft, das ein Maß für die massebezogene Tonerladungsmenge ist.
7. Entwicklereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer ersten Regeleinrichtung (100) zum Regeln der mittleren Tonermasse je Flächenabschnitt, wobei die erste Regeleinrichtung (100) das Ausgangssignal des Strahlungssensors (36) und/oder des kapazitiven Sensors (50) verarbeitet,
und/oder mit einer zweite Regeleinrichtung (110) zum Regeln der mittleren Tonerladung je Flächenabschnitt, wobei die zweite Regeleinrichtung (110) das Ausgangssignal des Potentialsensors (70) verarbeitet.
8. Entwicklereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Regeleinrichtung (120) zum Regeln der Aufladung der Tonerteilchen, wobei die Regeleinrichtung (120) das Ausgangssignal des Strahlungssensors (36) und/oder das Ausgangssignal des kapazitiven Sensors (50) sowie das Ausgangssignal des Potentialsensors (70) verarbeitet.
9. Entwicklereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einer Einrichtung zum Speichern des Verlaufs einer Kennlinie, welche die Beziehung zwischen einer den Entwicklungsprozeß beeinflussenden Kenn- große und einem der Sensorausgangssignale angibt.
10. Entwicklereinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Einrichtung zum Verhindern von Ablagerungen auf einem der Sensoren, wobei die Einrichtung vor- zugsweise einen Luftstrom am Sensor (36, 50, 70) erzeugt.
11. Vorrichtung zum Drucken oder Kopieren, mit einer Entwicklereinheit nach einem der vohergehenden Ansprüche.
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