DE3877147T2 - Geraet zum steuern der tonernachfuellung in einem elektrostatographischen drucker. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung behandelt das Gebiet der Elektrostatographie und insbesondere Verbesserungen bei Einrichtungen zur Steuerung des Nachfüllens von Toner.
• Bei der Elektrostatographie werden auf einem dielektrischen Aufzeichnungselement geformte elektrostatographische Bilder über die Aufbringung von pigmentierten thermoplastischen Partikeln, die als Toner bezeichnet werden, sichtbar gemacht. Üblicherweise ist dieser Toner Teil einer Zwei-Komponenten-Entwicklermischung, die aus den Tonerpartikeln und Trägerpartikeln mit magnetischem Anziehungsvermögen besteht, wobei die Tonerpartikel über triboelektrische Kräfte an den Trägerpartikeln haften. Beim Entwicklungsprozeß wirken die mit dem latenten Bild assoziierten elektrostatischen Kräfte so, daß die Tonerpartikel von ihren dazugehörigen Trägerpartikeln abgestreift werden, und die teilweise bloßgelegten Trägerpartikel werden zu einem Vorratsbehälter zurückgeleitet.
• Nach dem Stand der Technik ist bereits bekannt, daß die Tonerkonzentration in einer elektrostatischen Entwicklermischung ständig überwacht wird und daß in der Mischung Toner nachgefüllt wird, wenn seine Konzentration unter einen vorbestimmten Wert fällt. Eine derartige Toner-Konzentrationsüberwachung kann leicht kalibriert werden, um unabhängig von der Ursache einen Tonermangel im Entwicklungssystem zu kompensieren. Der entscheidende Nachteil besteht darin, daß die Überwachung verhältnismäßig langsam ist, um auf abrupte Änderungen der Tonerentnahmemenge zu reagieren, wie sie beispielsweise durch eine Änderung des Bildanteils der gedruckten Dokumente verursacht werden, wenn von Dokumenten mit geringen Bildinformationen zu anderen mit umfangreichen Raumbildflächen oder Halbton-Bildbereichen übergegangen wird. Typischerweise verstreichen mehrere Minuten, bis die Tonerkonzentration mit einem Pegel wiederhergestellt ist, mit dem sich Kopien in der gewünschten Bilddichte erzielen lassen.
• Ferner ist nach dem Stand der Technik bereits bekannt, daß der Tonermangel über eine elektrostatographische Entwicklerstation ständig überwacht wird, indem die Tonermenge überwacht wird, die bei der Entwicklung auf den Bildaufzeichnungsträger aufgebracht wird. Gemäß dem auf Trachtenberg ausgestellten US-Patent 3,674,353 der Anmelderin bewirken zum Beispiel in der Entwicklungsstation vor- und nachgeschaltete paarweise angeordnete Induktionsplatten die Erfassung der Gesamtladung auf dem Bildaufzeichnungsträger vor und nach der Entwicklung. Die Ladungsdifferenz, die durch den Übergang von nicht entwickelten und entwickelten Ladungsmustern auf den Platten induziert wird, hat sich als genaues Maß der Tonermenge erwiesen, die aus der Entwicklungsstation entzogen wird. Ein Tonermangelsignal, das zur auf den Induktionsplatten induzierten Ladungsdifferenz proportional ist, wird zur Nachfüllsteuerung des Toners verwendet.
• Ein weiteres Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung der Tonerentnahme aus einer Entwicklungsstation ist bei elektronischen Druckern sinnvoll. Die Nachfüllmenge wird in Abhängigkeit von der Anzahl der Zeichendrucksignale eingestellt, mit denen der Druckkopf beaufschlagt wird. Die Drucksignale können in Zeichencode vorliegen, wobei das statistische Mittel der Entnahmemenge zur Schätzung des Tonermangels verwendet wird; oder die Signale können Bildelement(Pixel)-Signale sein. Man vergleiche beispielsweise die US-Patente 3,529,546 und 4,413,264.
• Derartige Tonermangelüberwachungen haben ein schnelleres Ansprechverhalten als eine Tonerkonzentrationsüberwachung; doch bringt ihr Einsatz zur Steuerung des Tonernachfüllens gewisse Nachteile mit sich. Beispielsweise wird außer der durch die Bildentwicklung verursachten Tonerentnahme kein anderer Tonermangel (z.B. durch Verstäuben und andere Verluste) durch eine derartige Überwachung festgestellt und kann somit für das Nachfüllen auch nicht berücksichtigt werden. Eine derartige Überwachung kann auch Ungenauigkeiten oder Mängel beim Tonernachfüllprozeß nicht feststellen und beheben. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß Tonermangelüberwachungen auf jeden Fall schwierig für die genaue Steuerung des Tonernachfüllens zu kalibrieren sind.
• Angesichts der hier wiedergegebenen Erläuterungen ist es Aufgabe der Erfindung, eine Toner-Nachfüllsteuereinrichtung bereitzustellen, welche die erwähnten Nachteile der nach dem bisherigen Stand der Technik bekannten Systeme überwindet.
• Ein elektrostatographisches Gerät beinhaltet Mittel, um einen elektrostatischen Bildträger mit einer Mischung aus Toner- und Trägerpartikeln für die Entwicklung in Verbindung zu bringen; sowie Mittel zum Nachfüllen von Toner in der Mischung. Gemäß den beigefügten Ansprüchen wird ein Tonermangelsignal mit einem Wert erzeugt, der die Menge des Tonerverbrauchs angibt. Ein Nachfüllregler bewirkt das Nachfüllen von Toner in proportionaler Abhängigkeit vom Wert des Tonermangelsignals. Ein zweites Signal wird erzeugt, das einen zum Tonungskontrast proportionalen Wert hat. Die Proportionalitätskonstante zwischen dem Tonermangelsignal und dem Nachfüllen wird in Abhängigkeit vom zweiten Signal eingestellt.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Tonermangelsignal proportional zur Anzahl der Zeichendrucksignale, mit denen ein Druckkopf beaufschlagt wird; hierbei sind die Zeichen vorzugsweise zu tonernde Pixel.
• Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Bildbereiche eines Bildaufzeichnungsträgers im wesentlichen gleichmäßig auf eine Primärspannung aufgeladen und bildmäßig belichtet, um getrennte latente Ladungsbilder für die Entwicklung zu erzeugen, wobei das Entwicklerpotential, die Belichtungsintensität und die Primärspannung Prozeßkontrollparameter sind. Hierbei werden Mittel bereitgestellt, um mindestens einen der Prozeßkontrollparameter für einen gegebenen Bildbereich zur Einstellung der Maximalbilddichte Dmax zu steuern. Ein Tonermangelsignal wird proportional in ein Tonernachfüllsteuersignal umgewandelt; die Proportionalitätskonstante der Umwandlungseinrichtung wird in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Wert von mindestens einem gesteuerten Prozeßkontrollparameter und einem vorbestimmten Zielwert eingestellt.
• Die Erfindung und ihre Vorteile werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen für Fachleute auf diesem Gebiet deutlicher erkennbar, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
• Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
• Fig. 1 eine Prinzipskizze mit der Wiedergabe eines Seitenrisses eines elektrostatographischen Geräts gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
• Fig. 2 ein Blockdiagramm der in Fig. 1 dargestellten Logik- und Steuereinheit (LCU).
• Fig. 3 ein Diagramm des Prozesses zur Ableitung eines Entwicklungsstation-Nachfüllsteuersignals für das elektrostatographische Gerät gemäß Fig. 1.
• Zum besseren Verständnis des geschilderten Sachverhalts werden folgende Begriffe definiert:
• VB = Elektrodenvorspannung der Entwicklungsstation
• V&sub0; = Primärspannung (bezogen auf Masse) am Photoleiter unmittelbar nach der Ladestation. Diese Spannung wird gelegentlich als "Anfangs"- Spannung bezeichnet.
• VF = Photoleiterspannung (bezogen auf Masse) unmittelbar nach der Belichtung.
• E&sub0; = Vom Druckkopf erzeugtes Licht.
• E = Tatsächliche Belichtung des Photoleiters. Das vom Druckkopf erzeugte Licht EO beleuchtet den Photoleiter und bewirkt einen bestimmten Belichtungspegel E des Photoleiters.
• Die Kontrolle von Kontrast und Dichte wird über die Wahl der Pegel von V&sub0;, E&sub0; und VB erreicht. Hinsichtlich einer ausführlichen Beschreibung der Theorie der Drucker-Kontrast- -und -Belichtungskontrolle über die Steuerung von Anfangsspannung, Belichtung und Vorspannung sei auf den folgenden Artikel verwiesen, erschienen in "Photographic Science and Engineering", Vol. 22, Nr. 3, Seiten 159 bis 164.
• Ein weiterer hier verwendeter Begriff ist der "Tonungskontrast", der das Verhältnis der Maximalbilddichte Dmax zum absoluten Wert der Differenz zwischen VB und VF, entsprechend einem Bereich maximaler Dichte, bezeichnet.
• Ein beweglicher Bildaufzeichnungsträger wie das photoleitfähige Band 18 wird von einem Motor 20 an einer Reihe von Arbeitsstationen des Druckers entlanggeführt. Eine Logik- und Steuereinheit (LCU) 24, die über einen digitalen Computer verfügt, hat ein gespeichertes Programm zur sequentiellen Betätigung der Arbeitsstationen.
• Eine vollständige Beschreibung der Arbeitsstationen findet sich im US-Patent 3,914,046 der Anmelderin. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß eine Ladestation 28 ein Band 18 sensibilisiert, indem eine gleichförmige elektrostatische Ladung mit der vorbestimmten Primärspannung V&sub0; auf die Bandoberfläche aufgebracht wird. Der Ausgang der Ladestation ist über eine programmierbare Steuerung 30 geregelt, die wiederum von der LCU 24 zur Einstellung der Primärspannung V&sub0; gesteuert wird.
• An einer Belichtungsstation 34 beseitigt von einem Schreibkopf projiziertes Licht die elektrostatische Ladung auf dem photoleitfähigen Band, so daß ein latentes Bild eines zu kopierenden oder zu druckenden Dokuments gebildet wird. Der Schreibkopf hat vorzugsweise eine Anordnung von Leuchtdioden (LEDs) oder eine andere Lichtquelle zur bildpunktweisen (pixelweisen) Belichtung des photoleitfähigen Bandes mit einer Intensität, die von einer programmierbaren Steuerung 36 entsprechend der Vorgabe durch die LCU 24 geregelt wird.
• Die Bewegung des Bandes 18 bringt die Flächen mit den latenten Ladungsbildern in eine Entwicklungsstation 38. Die Entwicklungsstation hat eine zum Bewegungsweg des Bandes, aber im Abstand dazu ausgerichtete Magnetbürste (bei Farbstationen mehrere). Magnetbürsten-Entwicklungsstationen sind bereits bekannt. Man vergleiche beispielsweise die US-Patente 4,473,029 (Fritz et al) und 4,546,060 (Miskinis et al).
• Die LCU 24 aktiviert die Entwicklungsstation selektiv bezüglich der Vorbeibewegung der Bildflächen mit latenten Bildern, um die Magnetbürste selektiv mit dem Band in Berührung zu bringen. Die geladenen Tonerpartikel der in Eingriff befindlichen Magnetbürste werden vom entgegengesetzt geladenen latenten bildmäßigen Muster angezogen, um das Muster zu entwickeln.
• Wie nach dem Stand der Technik bereits bekannt, wirken leitfähige Teile der Entwicklungsstation, wie zum Beispiel leitfähige Auftragswalzen, als Elektroden. Die Elektroden sind mit einer variablen Gleichstromversorgung des Potentials VB verbunden, das von der programmierbaren Steuerung 40 geregelt wird.
• Eine Übertragungsstation 46 und eine Reinigungsstation 48 sind vollständig beschrieben in der anhängigen US-Patentanmeldung Serial No. 809,546, der Anmelderin vom 16. Dezember 1985. Nach Übertragung der nicht fixierten Tonerbilder auf ein Empfangsblatt wird dieses Blatt zu einer Fixierstation 50 transportiert, in der das Bild fixiert wird.
• Die Programmierung handelsüblicher Mikroprozessoren ist ein nach dem Stand der Technik bereits bekanntes konventionelles Verfahren. Die folgende Darstellung wurde abgefaßt, um einen Programmierer mit nach dem Stand der Technik üblicher Erfahrung in die Lage zu versetzen, ein geeignetes Steuerprogramm für einen derartigen Mikroprozessor zu erstellen. Die genauen Einzelheiten dieser Programme hängen von der Architektur des vorgesehenen Mikroprozessors ab.
• In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer typischen LCU 24 dargestellt. Die LCU besteht aus einem temporären Datenspeicher 52, einer Zentraleinheit 54, einer Takt- und Zyklussteuerung 56 und einer speicherprogrammierten Steuerung 58. Die Dateneingabe und -ausgabe erfolgt sequentiell programmgesteuert.
• Die Eingabedaten werden entweder über Eingabesignalpuffer 60 in einen Eingabedatenprozessor 62 oder über einen Unterbrechungssignalprozessor 64 eingespeist. Die Eingabesignale werden von mehreren Schaltern, Sensoren und Analog-Digital- Wandlern abgezweigt.
• Die Ausgabedaten und -steuersignale werden direkt oder über Signalspeicher 66 zu geeigneten Ausgabetreibern geleitet. Die Ausgabetreiber sind mit gesonderten Subsystemen verbunden.
• Prozeßsteuerstrategien verwenden im allgemeinen verschiedene Sensoren, um eine Echtzeit-Kontrolle des elektrostatographischen Prozesses und eine für den Benutzer "konstante" Ausgabe-Bildqualität zu erreichen.
• Einer dieser Sensoren kann ein Densitometer 76 zur Überwachung von Teststellen in Nicht-Bildbereichen des photoleitfähigen Bandes 18 sein, wie nach dem Stand der Technik bereits bekannt. Das Densitometer soll sicherstellen, daß der Transmissionsfaktor oder Reflexionsgrad einer getonerten Stelle auf dem Band erhalten bleibt. Das Densitometer kann aus einer Infrarot-LED bestehen, die durch das Band hindurchscheint oder vom Band auf eine Photodiode reflektiert wird. Die Photodiode erzeugt eine zur empfangenen Lichtmenge proportionale Spannung. Diese Spannung wird mit der durch den Transmissionsfaktor oder Reflexionsgrad einer freien Stelle erzeugten Spannung verglichen, um ein Signal zu erhalten, das einen Schätzwert der getonerten Dichte darstellt. Dieses Signal kann verwendet werden, um V&sub0;, E&sub0; oder VB einzustellen und, wie weiter unten erläutert, um die Beibehaltung der korrekten Konzentration von Tonerpartikeln in der Entwicklermischung zu unterstützen.
• In der in Fig. 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird das Dichtesignal zur Steuerung der Primärspannung V&sub0; verwendet. Die Ausgabe des Densitometers 76 wird nach geeigneter Verstärkung bei 78 mit einem Referenzsignalwert "Dmax- Ziel" verglichen, der einen gewünschten Maximalbilddichte- Pegel darstellt.
• Die Ausgabe des Komparators 78 kann in einen üblichen PI- Regler 79 eingespeist werden, der ein Ausgabesignal erzeugt, dessen erste Komponente zu seiner Eingabe proportional ist und dessen zweite Komponente proportional zum Integral seiner Ausgabe ist. Der Integralwert stellt sicher, daß die bleibende Regelabweichung bei einer beliebigen konstanten Tonerentnahmemenge gleich Null ist.
• Die Ausgabe des PI-Reglers 79 wird hier als "V&sub0;-Sollwert" bezeichnet.
• Die tatsächliche Primärspannung V&sub0; nach Ladung wird über ein Elektrometer 80 gemessen und bei 82 mit dem V&sub0;-Sollwert verglichen, um ein Signal zur Einstellung des V&sub0;-Reglers 30 zu erzeugen, so daß eine korrekte Dichte für das folgende Feld erzielt wird. Der V&sub0;-Regler 30 ist ebenfalls ein Proportional-Integralregler.
• In Fig. 3 empfängt ein Proportional-Nachfüllregler 84 ein Tonermangelsignal, das die Menge des verbrauchten Toners angibt. Das Verbrauchssignal kann eine Angabe der Anzahl der gedruckten Blätter oder der Zeichenzahl sein; vorzugsweise ist es aber ein Zählwert der Anzahl der zu tonernden Pixel.
• Im kurzfristigen Betrieb reagiert der Nachfüllregler 84 proportional auf den Pixel-Zählwert oder ein anderes Verbrauchssignal, um ein Nachfüllsteuersignal zu erzeugen. Die Proportionalitätskonstante kann allerdings eine gelegentliche Anpassung erfordern, um zu verhindern, daß ein im langfristigen Betrieb akkumulierter Fehler Änderungen der akzeptablen Tonerkonzentration in der Entwicklermischung verursacht. Dieser Fehler kann auf Ungenauigkeiten, Materialverschleiß oder Umgebungseinflüsse zurückgehen.
• Fehler in der Nachfüllmenge werden über den Tonungskontrast bestimmt, wie auch eine Meßwertverschiebung zwischen dem V&sub0;- Sollwertsignal vom Dmax-Regler 79 und einem durch einen Komparator 86 ermittelten V&sub0;-Zielsignal. Eine Änderung im V&sub0;- Sollwert drückt eine Änderung im Tonungskontrast aus (d.h. Änderung von Dmax bei Dout). Da sich der V&sub0;-Sollwert vom V&sub0;- Zielwert weg bewegt, stellt ein Normierungsfaktorregler 88 den Wert der Proportionalitätskonstante des Reglers 84 ein, wobei das Tonerverbrauchssignal zur Tonermenge in Bezug gebracht wird, die zum Verbrauch weitergeleitet wird.
• Der Normierungsfaktorregler 88 ist ein PI-(Umkehr-)Regler, der eine Feineinstellung der Proportionalitätskonstante vornimmt, die zur Umsetzung der Pixel-Zählwerte in Tonerverbrauch verwendet wird, während der Nachfüllregler 84 ein reiner (direkter) Proportionalregler ist. Die Umkehrwirkung des Reglers 88 ergibt sich aus der Interpretation eines positiven Fehlersignals bei der Ausgabezusammenführung 86, das die Notwendigkeit der Reduzierung des Nachfüll-Normierungsfaktors angibt. Ist diese Reduzierung erfolgt, steigt der V&sub0;-Sollwert, und das Fehlersignal wird kleiner.
• Die Erfindung wurde ausführlich mit Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, wobei aber selbstverständlich im Rahmen der beigefügten Ansprüche Variationen und Änderungen vorgenommen werden können. Beispielsweise eignet sich der Algorithmus der bevorzugten Ausführungsform für die Berechnung eines Nachfüllsteuersignals auf der Grundlage der Messungen der Primärspannung V&sub0;. Man könnte aber statt der Messungen des Parameters der Primärspannung V&sub0; auch den Belichtungsparameter E&sub0; oder den Parameter des Entwicklerpotentials VB wählen.

Claims (6)

1. Elektrostatographisches Gerät mit einer Einrichtung (38), durch die ein elektrostatischer Bildträger (18) zur Entwicklung mit einer Mischung aus Toner- und Trägerteilchen in Berührung gebracht wird, einer Einrichtung zum Nachfüllen des Toners in der Mischung und einer Einrichtung (84), die nach Maßgabe eines Tonermangelsignals, dessen Wert eine Funktion des Toneraufbrauchgrades ist, die Tonernachfüllung proportional zu dem Wert des Tonermangelsignals bewirkt, gekennzeichnet durch Mittel (76, 78, 79) zum Erzeugen eines zweiten Signals, dessen Wert proportional zu dem Verhältnis von Maximalbilddichte zu dem absoluten Wert der Differenz zwischen dem Potential (VB) des Entwicklers und dem einem Bereich maximaler Dichte entsprechenden Potential (VF) des Photoleiters ist, und durch Mittel (80, 86, 88), die nach Maßgabe des zweiten Signalwertes die Proportionalitätskonstante zwischen dem Tonernachfüllsteuersignal und dem Tonermangelsignalwert einstellen.

2. Elektrostatographisches Gerät mit einer Einrichtung (28) zum im wesentlichen gleichmäßigen Aufladen eines Bildbereiche aufweisenden Bildaufzeichnungsträgers (18) auf eine Primärspannung (VO), einer Einrichtung (34) zur bildmäßigen Belichtung des aufgeladenen Bildaufzeichnungsträgers (18) zur Erzeugung getrennter latenter Ladungsbilder, einer Einrichtung (38), einschließlich einer vorgespannten Elektrode, zum Entwickeln der latenten Ladungsbilder, wobei die Vorspannung der Elektrode, die Belichtungsintensität und die Primärspannung Prozeßkontrollparameter sind, Mitteln (78, 79) zum Steuern mindestens eines der Prozeßkontrollparameter für einen gegebenen Bildbereich zur Einstellung der Maximalbilddichte Dmax sowie einer Einrichtung (84), die ein empfangenes Tonermangelsignal proportional in ein Tonernachfüllsteuerungssignal umwandelt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (86), die für den gegebenen Bildbereich den Wert mindestens des einen der gesteuerten Prozeßparameter so mit einem vorbestimmten Zielwert vergleicht, daß ein Differenzsignal erhalten wird, und durch eine Einrichtung (88), die die Proportionalitätskonstante der Umwandlungseinrichtung (84) nach Maßgabe des Differenzsignals einstellt.

3. Elektrostatographisches Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Einstellung von Dmax verwendete Prozeßkontrollparameter die Primärspannung ist.

4. Elektrostatographisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät einen Schreibkopf (34) sowie Mittel (24, 36) zum Zuführen von Zeichendrucksignalen zu dem Druckkopf enthält, und daß das Tonermangelsignal zu der Anzahl der dem Schreibkopf zugeführten Zeichendrucksignalen proportional ist.

5. Elektrostatographisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tonermangelsignal zu der Zahl der zu tonernden Pixel proportional ist.

6. Elektrostatographisches Gerät nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (88) aus einem PI-Regler besteht.