Evolución de los sistemas de suministro de toner

Este artículo expone el funcionamiento de los mecanismos de detección y suministro de toner empleados por el fabricante para controlar y mantener en el tiempo una cantidad suficiente de toner dentro de la unidad de revelado. El objetivo es transferir al cilindro primeramente y al papel luego la cantidad adecuada de toner no sólo para conseguir una fiel reproducción sino también para mantenerla invariante en el tiempo. Se comienza con una breve descripción de los sistemas empleados por las antiguas fotocopiadoras analógicas que utilizaban cilindros de selenio (Se), pasando luego por las analógicas con cilindro orgánico (Organic Photoconductor, OPC), para luego finalizar con las modernas fotocopiadoras digitales que también utilizan cilindros orgánicos. Si bien hoy en día se encuentran muy pocas las máquinas analógicas con cilindros de OPC y aun menos con cilindros de Se, la evolución de estos sistemas permite un entendimiento claro del cambio gradual que fueron sufriendo hasta llegar a los modernos sistemas de Control de Proceso que no sólo se encargan del suministro de toner sino que a su vez realizan compensaciones automáticas para lograr una calidad de imagen óptima y estable en el tiempo.




Sin dudas uno de los principales objetivos que persigue el fabricante cuando diseña el sistema de control automático que regula el suministro de toner es el de garantizar una buena densidad de imagen y que ésta además no varíe de una copia a otra a causa de un ineficiente suministro de toner desde el cartucho/botella y/o un inapropiado consumo de toner por parte del usuario. Para lograr esto, toda fotocopiadora utiliza sensores, estratégicamente ubicados, que proporcionan medidas relacionadas con variables de interés para tal propósito. Las medidas tomadas por estos sensores son enviadas a la placa principal (Main Board), se procesan y en ella se genera una acción de control (accionamiento del motor/embrague/solenoide de suministro de toner) que permite suministrar la cantidad requerida de toner desde el cartucho a la unidad de revelado. De esta manera la función del sistema de control de suministro de toner, realizado dentro de la placa principal, es la de determinar:
1ro) cuándo debe darse la orden de activación del motor, embrague o solenoide, y
2do) durante cuánto tiempo este mecanismo debe permanecer activado.
En la siguiente figura se muestra un lazo de control realimentado típico empleado como esquema de control en todo sistema donde deba mantenerse un error nulo o acotado entre la variable medida y una referencia especificada previamente. Según se irá comentando más adelante, la referencia, que en los modernos sistemas no está fija sino que puede ser modificada por la placa principal, tiene que ver con la cantidad de toner dentro de unidad de revelado y con la cantidad de toner efectivamente transferida al cilindro desde dicha unidad.

 

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A continuación se muestra como ese mismo esquema de control se aplicaba en la fotocopiadoras RICOH FT 3713 que resulta ser un sencillo e interesante ejemplo para comprender la cómo este lazo de control realimentado se empleaba para controlar la dosificación de toner.

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Lo que en el diagrama se sintetiza como SISTEMA comprende varios componentes, a saber: motor de suministro de toner, unidad de revelado, y cilindro fotoconductor como se muestra a continuación

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Cabe mencionar, si bien no es el objetivo que se persigue en este artículo, que históricamente, en muchos equipos RICOH, la determinación hecha por la placa principal acerca de cuanto toner debe ser suministrado, no sólo se empleó con ese propósito sino que en muchos modelos sirvió como parámetro para detectar la condición de fin de toner. En las siguientes líneas se hará mención de ello en los casos que sea relevante.
A medida que se vaya avanzando en la exposición de la evolución que han tenido estos sistemas en las últimas décadas se irá describiendo someramente la función que desempeña cada sensor si bien no se profundiza en su principio de funcionamiento para que no sea tan extenso el artículo.
En un principio, no podría decirse que existieran verdaderos sistemas de Control de Proceso (es decir, sistemas capaces de mantener todas las variables bajo niveles preestablecidos en tiempos mínimos) sino que se contaba con meros sistemas de control de suministro de toner. El problema de la obtención de una densidad de imagen uniforme con el tiempo se atacaba solamente actuando sobre la manera en la que era suministro de toner desde el cartucho hacia la unidad de revelado. Si bien un esquema de control tan sencillo como este producía una performance aceptable dentro de ciertos límites de funcionamiento no tenía en cuenta ciertos fenómenos y sus variables asociadas que sin duda tenían un efecto adverso que debía ir siendo tomado en consideración para lograr un sistema cada vez más robusto. Estas máquinas no ejercían ningún control sobre las variaciones de densidad de imagen causadas por el desgaste del cilindro a lo largo de su vida útil, no compensaban las variaciones en la capacidad de carga del toner ni la del cilindro en diferentes condiciones de temperatura y humedad, no compensaban el potencial residual del cilindro (sólo para cilindros de OPC), ni tampoco compensaban las variaciones de intensidad lumínica recibida desde la sección óptica a causa de desgaste de la lámpara de exposición y/o acumulación de polvo en espejos y lentes.
Veamos entonces como fueron evolucionando estos sistemas a lo largo de tiempo y cómo los diseñadores fueron modificando sus métodos de control para conseguir una densidad de imagen cada vez más estable hasta llegar a los modernos Controles de Proceso que, desde la década de los 90, RICOH utiliza en todas sus fotocopiadoras.

Sensado óptico (fotocopiadoras analógicas con cilindro de Se y algunas con cilindro de OPC)
Variables medidas: cantidad de toner adherida sobre el cilindro.
Sensores empleados: La máquina utilizaba sólo sensor ID (image density) como elemento de medición.
Acción de control: El mecanismo de suministro de toner era accionado por un solenoide o un embrague que liberaba la rotación de un eje.
Desventajas:
1) Durante las siguientes 10 copias la cantidad de toner suministrado era la misma, y por consiguiente, esa cantidad podría no ser la requerida en cada copia.
2) La determinación de la cantidad de toner a añadir se hacía solamente sobre el cilindro, con lo cual, cualquier variación en la capacidad de carga del toner por efectos de la temperatura y la humedad podía ocasionar una estimación incorrecta.
3) Las mediciones tomadas sobre el cilindro se ven fuertemente influenciadas por las condiciones ambientales que afectan la capacidad de carga del cilindro además del desgaste y la eventual deficiente en la limpieza del mismo.
Ventajas: si bien las desventajas mencionadas lucen desalentadoras, este sistema funcionaba aceptablemente en la mayoría de los casos ya que las desviaciones de los valores ideales se mantenían acotados.
El mismo sensor ID era utilizado para la detección de la condición de fin de toner.

Sensado magnético (sólo fue utilizado en algunas fotocopiadoras analógicas Mita)
Variables medidas: concentración de toner dentro de la unidad de revelado.
Sensores empleados: La máquina utilizaba sólo sensor TD (toner density) como elemento de medición.
Acción de control: El mecanismo de suministro de toner era accionado por un solenoide o un embrague que liberaba la rotación de un eje.
Desventajas:
1) Durante las siguientes 10 copias la cantidad de toner suministrado era la misma, y por consiguiente, esa cantidad podría no ser la requerida en cada copia.
2) Se desconoce cuanto toner es efectivamente transferido al cilindro (esto puede variar según la capacidad de carga del cilindro) y por consiguiente cuanto toner se termina transfiriendo al papel, aun cuando la cantidad de toner dentro de la unidad de revelado sea la necesaria.
3) Las mediciones tomadas dentro de la unidad de revelado se ver fuertemente influenciadas por el deterioro que vaya sufriendo el revelador y por evetuales pérdidas de revelador.
Ventajas: si bien las desventajas mencionadas lucen desalentadoras, este sistema funcionaba aceptablemente en la mayoría de los casos ya que las desviaciones de los valores ideales se mantenían acotados.
El mismo sensor TD era utilizado para la detección de la condición de fin de toner.

Sensado óptico + sensado magnético (algunas fotocopiadoras analógicas con cilindro de OPC y todas las fotocopiadoras digitales)
Variables medidas: cantidad de toner adherida sobre el cilindro (método óptico) y concentración de toner dentro de la unidad de revelado (método magnético).
Sensores empleados: sensor ID (óptico) y sensor TD (magnético).
Acción de control: El mecanismo de suministro de toner es accionado por un motor cuyo encendido se determinaba por un cálculo que combina las lectura de ambos sensores. Más aun, las lecturas del sensor ID se utilizan para corregir el valor de referencia del sensor TD de manera de poder hacer tener un control predictivo de la cantidad de toner a suministrar (control difuso)
Desventajas:
1) Es necesario hacer ajustes del modo de suministro de toner más adecuado para cada usuario.
2) El sistema se vuelve más vulnerable si la calidad del toner empleado no es buena o si no se respetan los períodos de cambios de partes (revelador, cilindro, etc) estipulados por el fabricante.
Ventajas: por un lado el sensor TD permite realizar una medición apropiada de la cantidad de toner que se encuentra dentro de la unidad de revelado independiente de los efectos ambientales sobre la capacidad de carga del toner. Por otra parte, el sensor ID permite determinar la cantidad efectiva de toner transferido al cilindro. Por otra parte el sensado se realiza en cada copia, con lo cual la cantidad de toner a suministrar se actualiza copia tras copia.
La condición de fin de toner, por lo genera, es medida por un sensor piezoeléctrico que se ubica en la tolva que funciona como un depósito intermedio del toner entre el cartucho y la unidad de revelado.
Para concluir, seguidamente se muestra la manera en la cual se implementa el control de suministro de toner desde la aparición de la línea Afico de fotocopiadoras digitales de RICOH.

Lo que en el diagrama se sintetiza como SISTEMA comprende varios componentes, a saber: motor de suministro de toner, unidad de revelado, y cilindro fotoconductor como se muestra a continuación

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Cabe mencionar, si bien no es el objetivo que se persigue en este artículo, que históricamente, en muchos equipos RICOH, la determinación hecha por la placa principal acerca de cuanto toner debe ser suministrado, no sólo se empleó con ese propósito sino que en muchos modelos sirvió como parámetro para detectar la condición de fin de toner. En las siguientes líneas se hará mención de ello en los casos que sea relevante.
A medida que se vaya avanzando en la exposición de la evolución que han tenido estos sistemas en las últimas décadas se irá describiendo someramente la función que desempeña cada sensor si bien no se profundiza en su principio de funcionamiento para que no sea tan extenso el artículo.
En un principio, no podría decirse que existieran verdaderos sistemas de Control de Proceso (es decir, sistemas capaces de mantener todas las variables bajo niveles preestablecidos en tiempos mínimos) sino que se contaba con meros sistemas de control de suministro de toner. El problema de la obtención de una densidad de imagen uniforme con el tiempo se atacaba solamente actuando sobre la manera en la que era suministro de toner desde el cartucho hacia la unidad de revelado. Si bien un esquema de control tan sencillo como este producía una performance aceptable dentro de ciertos límites de funcionamiento no tenía en cuenta ciertos fenómenos y sus variables asociadas que sin duda tenían un efecto adverso que debía ir siendo tomado en consideración para lograr un sistema cada vez más robusto. Estas máquinas no ejercían ningún control sobre las variaciones de densidad de imagen causadas por el desgaste del cilindro a lo largo de su vida útil, no compensaban las variaciones en la capacidad de carga del toner ni la del cilindro en diferentes condiciones de temperatura y humedad, no compensaban el potencial residual del cilindro (sólo para cilindros de OPC), ni tampoco compensaban las variaciones de intensidad lumínica recibida desde la sección óptica a causa de desgaste de la lámpara de exposición y/o acumulación de polvo en espejos y lentes.
Veamos entonces como fueron evolucionando estos sistemas a lo largo de tiempo y cómo los diseñadores fueron modificando sus métodos de control para conseguir una densidad de imagen cada vez más estable hasta llegar a los modernos Controles de Proceso que, desde la década de los 90, RICOH utiliza en todas sus fotocopiadoras.

Sensado óptico (fotocopiadoras analógicas con cilindro de Se y algunas con cilindro de OPC)
Variables medidas: cantidad de toner adherida sobre el cilindro.
Sensores empleados: La máquina utilizaba sólo sensor ID (image density) como elemento de medición.
Acción de control: El mecanismo de suministro de toner era accionado por un solenoide o un embrague que liberaba la rotación de un eje.
Desventajas:
1) Durante las siguientes 10 copias la cantidad de toner suministrado era la misma, y por consiguiente, esa cantidad podría no ser la requerida en cada copia.
2) La determinación de la cantidad de toner a añadir se hacía solamente sobre el cilindro, con lo cual, cualquier variación en la capacidad de carga del toner por efectos de la temperatura y la humedad podía ocasionar una estimación incorrecta.
3) Las mediciones tomadas sobre el cilindro se ven fuertemente influenciadas por las condiciones ambientales que afectan la capacidad de carga del cilindro además del desgaste y la eventual deficiente en la limpieza del mismo.
Ventajas: si bien las desventajas mencionadas lucen desalentadoras, este sistema funcionaba aceptablemente en la mayoría de los casos ya que las desviaciones de los valores ideales se mantenían acotados.
El mismo sensor ID era utilizado para la detección de la condición de fin de toner.

Sensado magnético (sólo fue utilizado en algunas fotocopiadoras analógicas Mita)
Variables medidas: concentración de toner dentro de la unidad de revelado.
Sensores empleados: La máquina utilizaba sólo sensor TD (toner density) como elemento de medición.
Acción de control: El mecanismo de suministro de toner era accionado por un solenoide o un embrague que liberaba la rotación de un eje.
Desventajas:
1) Durante las siguientes 10 copias la cantidad de toner suministrado era la misma, y por consiguiente, esa cantidad podría no ser la requerida en cada copia.
2) Se desconoce cuanto toner es efectivamente transferido al cilindro (esto puede variar según la capacidad de carga del cilindro) y por consiguiente cuanto toner se termina transfiriendo al papel, aun cuando la cantidad de toner dentro de la unidad de revelado sea la necesaria.
3) Las mediciones tomadas dentro de la unidad de revelado se ver fuertemente influenciadas por el deterioro que vaya sufriendo el revelador y por evetuales pérdidas de revelador.
Ventajas: si bien las desventajas mencionadas lucen desalentadoras, este sistema funcionaba aceptablemente en la mayoría de los casos ya que las desviaciones de los valores ideales se mantenían acotados.
El mismo sensor TD era utilizado para la detección de la condición de fin de toner.

Sensado óptico + sensado magnético (algunas fotocopiadoras analógicas con cilindro de OPC y todas las fotocopiadoras digitales)
Variables medidas: cantidad de toner adherida sobre el cilindro (método óptico) y concentración de toner dentro de la unidad de revelado (método magnético).
Sensores empleados: sensor ID (óptico) y sensor TD (magnético).
Acción de control: El mecanismo de suministro de toner es accionado por un motor cuyo encendido se determinaba por un cálculo que combina las lectura de ambos sensores. Más aun, las lecturas del sensor ID se utilizan para corregir el valor de referencia del sensor TD de manera de poder hacer tener un control predictivo de la cantidad de toner a suministrar (control difuso)
Desventajas:
1) Es necesario hacer ajustes del modo de suministro de toner más adecuado para cada usuario.
2) El sistema se vuelve más vulnerable si la calidad del toner empleado no es buena o si no se respetan los períodos de cambios de partes (revelador, cilindro, etc) estipulados por el fabricante.
Ventajas: por un lado el sensor TD permite realizar una medición apropiada de la cantidad de toner que se encuentra dentro de la unidad de revelado independiente de los efectos ambientales sobre la capacidad de carga del toner. Por otra parte, el sensor ID permite determinar la cantidad efectiva de toner transferido al cilindro. Por otra parte el sensado se realiza en cada copia, con lo cual la cantidad de toner a suministrar se actualiza copia tras copia.
La condición de fin de toner, por lo genera, es medida por un sensor piezoeléctrico que se ubica en la tolva que funciona como un depósito intermedio del toner entre el cartucho y la unidad de revelado.
Para concluir, seguidamente se muestra la manera en la cual se implementa el control de suministro de toner desde la aparición de la línea Afico de fotocopiadoras digitales de RICOH.

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Si desea adquirir el documento completo [Versión Premium], contáctese a la dirección: edgardoboiero@gmail.com . Allí encontrará:
• Descripción detallada de los conceptos teóricos relacionados con el sensado,
•Principio de funcionamiento del sensor ID, sensor TD, sensor de potencial, y sensor piezoelectrico
• Análisis de casos,
• Comparativa entre diferentes modelos y extensión a otras marcas,
• Questionario de revisión,
• Prácticas de entrenamiento

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