¿Cómo funcionan los sensores de densidad de toner (sensor TD)?

Este artículo es la adaptación a un lenguaje sencillo de una monografía desarrollada para la asignatura Control de Procesos de la Facultad de Ingeniería Electrónica (U.N.L.P.) titulado: “Estudio de las Características de los Sensores de Concentración de Toner para Aplicación en Sistemas de Impresión por Transferencia Electrostática Seca”.

En primer lugar se presentan los fundamentos teóricos y de los principios físicos en los que se basan estos sensores. A continuación se proporciona información de referencia dada en las hojas de datos de los fabricantes de estos sensores, y finalmente se exponen los detalles de su aplicación en las fotocopiadoras RICOH como dispositivos fundamentales del lazo de control de suministro de toner.
 

Introducción

En lo subsiguiente, se procederá a estudiar un tipo particular de sensores de la serie TS-L, TS-M y TS-H, manufacturados por la firma TDK, que se emplean para la medición de la concentración del toner que se halla mezclado con carrier en dentro de unidades de revelado de fotocopiadoras RICOH. Todas las fotocopiadoras, la mayoría de las impresoras laser y algunas máquinas de fax emplean revelador como elemento esencial de formación de la imagen impresa sobre papel. El mismo se compone de toner (resina granulada en polvo recubierta de un pigmento negro) y carrier (partículas de hierro recubiertas por una película polimérica). Para poder asegurar una impresión con niveles satisfactorios de toda la escala de grises y de negro pleno plano es necesario que dicha mezcla de toner y carrier se mantenga en las proporciones adecuada. En la imagen siguiente puede verse una partícula de carrier rodeada partículas menores de toner.

La compañía RICOH emplea estos sensores desde hace más de 2 décadas en todas sus fotocopiadoras bi-componente (tanto blanco y negro como color) como mecanismo de detección y control de la adecuada concentración de toner con carrier dentro de la unidad de revelado.

En cualquier máquina de formación de imágenes por medios electro-fotográficos (o también llamado método xerográfico) como pueden ser las fotocopiadoras, impresoras laser y algunas máquinas de fax, el toner debe ser suministrado desde una tolva de almacenamiento hacia una unidad donde se encuentra alojado el revelador. Allí el toner y el revelador adquieren carga triboeléctrica por agitación y son transportados hacia un cilindro fotoconductor donde se forma la imagen que finalmente se transferirá y fijará al papel. Es evidente que se hace necesario poder tener algún elemento de medición de la cantidad de toner que se encuentra en el revelador en todo momento de manera de poder determinar qué cantidad se va consumiendo y a con qué velocidad. Esto hace posible actuar convenientemente sobre el mecanismo de suministro de toner y además mantener una densidad constante de toner con el revelador. De esa manera es posible garantizar el revelado de las imágenes con una densidad uniforme a lo largo de tiempo y poder determinar de forma sencilla, económica y efectiva, en qué momento debe sustituirse el cartucho de toner por uno nuevo en función de los sensados realizadas a lo largo del tiempo.

En resumen, existe un sensor capaz de medir cuanto toner se encuentra dentro de la unidad de revelado proporcionando al microprocesador una señal eléctrica que guarda una determinada proporción con la magnitud que se está midiendo. A tal sensor RICOH en su literatura técnica lo denomina: sensor de densidad de toner (toner density sensor) o sensor TD.

Características constitutivas internas del sensor de densidad de toner

Los sensores TS-L, TS-M y TS-H manufacturados por TDK, y empleados masivamente por RICOH, constan de un transformador diferencial con núcleo de ferrite como elemento de sensado y vienen, a su vez, provistos de un par de terminales de control para ajustar el punto de funcionamiento deseado del sensor (ajuste que se realiza en fábrica solamente). Todos los sensores de esta serie funcionan con 24V de corriente continua.

La posibilidad de ajustar a voluntad el punto de funcionamiento brinda las siguientes posibilidades:

1- El fabricante de las máquinas tiene la libertad de colocar el sensor en la ubicación que más le resulte conveniente.

2- Dado el amplio rango de control que permite el sensor, es posible resetear fácilmente el punto de trabajo cada vez que se reemplaza el revelador o bien cada vez que sea necesario.

3- La CPU de la máquina puede ajustar el punto de funcionamiento cambiando la tensión en los terminales de control del sensor para realizar autocalibraciones programadas.

4- En fotocopiadoras a color, no es necesarios disponer de un sensor diferente para cada color de toner empleado sino que un mismo sensor va colocado en cada unidad de revelado, cada uno con un punto de funcionamiento ajustado para las características del toner de ese color.

Principio de Funcionamiento

En todo sistema bi-componente, esto es en todo sistema que utilice revelador (compuesto por toner y carrier), a medida que el toner va siendo consumiendo, la concentración de toner en el revelador disminuye. Por ello, para mantener la concentración de toner lo más constante posible dentro de la unidad de revelado, es necesario reponer la misma cantidad de está siendo consumida. Esto hace que sea necesario poder medir de alguna manera las variaciones que va sufriendo la concentración de toner de modo de producir un reabastecimiento del mismo al mismo ritmo en el que éste se está consumiendo.

spermeabilidad magnética.

Para poder realizar un sensado eficiente de la permeabilidad magnética del medio que se encuentra en contacto con el sensor, los fabricantes hacen uso de un transformador diferencial como elemento constitutivo de medición como se muestra en la figura siguiente, y cuyo principio de funcionamiento se describe a continuación. Dentro del mismo sensor se encuentra un dispositivo de conversión de la señal de alimentación, ya que estos deben operar con corriente alterna, y otro acondicionador de la señal de salida para producir una tensión proporcional al nivel de toner medido y dentro de valores estándar.

El transformador diferencial

Este sensor emplea un transformador diferencial de constitución muy similar al trasformador diferencial de variación lineal LVDT (Linear Variable Diferencial Transformer) que es un transductor electromecánico capaz de convertir el movimiento rectilíneo del núcleo en una señal eléctrica proporcional. Se diferencian en el hecho que el núcleo que se halla dentro del sensor está fijo y no tiene posibilidad de moverse.

Un transformador diferencial consta de tres bobinas arrolladas sobre un mismo núcleo fabricado a base de níquel (material de muy alta permeabilidad magnética), un primario que ocupa la parte central y dos secundarios idénticos a ambos lados cuyos punto homólogos se conectan en oposición-serie. Generalmente uno de estos bobinados secundarios va conectado a masa y se denomina bobinado de referencia y el otro bobinado que es el que se conecta al circuito acondicionador de señal se lo denomina bobinado de detección.

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Como todo transformador, éste debe recibir una alimentación de corriente alterna. El sensor que aquí se está estudiando, se alimenta con corriente continua, pero la misma no se conecta directamente al bobinado primario sino que previamente pasa por un oscilador que genera una señal alterna de una frecuencia de aproximadamente 5KHz. En la siguiente figura puede apreciarse el esquema en bloques de un LVDT alimentado con continua cuya idea conceptual puede trasladarse perfectamente al caso de este sensor.

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Sensores Inductivos

Dentro de la amplia variedad de sensores que aprovechan la variación de algún parámetro de naturaleza magnética para proporcionar una medida de alguna magnitud física, la mayor parte de estos sensores (denominados sensores inductivos) son los que se basan en la variación de la reluctancia como parámetro de transducción. Según se detalla a continuación, la reluctancia de un circuito magnético puede modificarse por cuatro motivos: (1) cuando varía la longitud del entrehierro, en caso que este exista, (2) por variación del número de vueltas del circuito, (3) por variación en la permeabilidad magnética del medio que atraviesa el campo o bien, (4) cuando varía la sección transversal del bobinado.

Físicamente, los bobinados del sensor se construyen sobre un núcleo hueco de elevada permeabilidad, generalmente, de alguna aleación de Fe-Ni. Todo el bobinado se encuentra recubierto de un aislamiento térmicamente estable de polímero reforzado de cristales que lo protege de las condiciones ambientales externas al sensor. Todo ello se envuelve en un encapsulado que funciona como escudo magnético de alta permeabilidad que minimiza los efectos de campos externos y finalmente se envuelve en un cilindro de acero inoxidable para hacerlo resistente a la corrosión.

La mayoría de los sensores inductivos de reluctancia variable se basan en la modificación el la posición de algún elemento móvil para producir cambios en la reluctancia del circuito magnético que estos forman. Los sensores en los cuales las modificaciones en la reluctancia surgen a partir de variaciones de la longitud del entrehierro se denominan sensores de entrehierro variable. Por otro lado, aquellos en los cuales el desplazamiento afecta la permeabilidad magnética se denominan sensores de núcleo móvil. En el caso del sensor que aquí se está estudiando, no hay partes móviles pero justamente aprovechan el cambio en la permeabilidad del medio a través del cual se forma el circuito magnético para generar una medida de la composición de dicho medio.

Cuando el revelador, material con un grado determinado de ferromagnetismo según sea la concentración de toner que posea, fluye en las proximidades del sensor, el campo magnético que produce el transformador diferencial lo atraviesa. El revelador actuará como una extensión del núcleo del transformador. El grado de ferromagnetismo que posea el revelador generará cambios en la inductancia mutua entre el arrollamiento primario y el arrollamiento de detección. En virtud del hecho que los cambios producidos sobre esta inductancia se producen en función de la densidad de partículas ferromagnéticas que posea el revelador (carrier) es posible medir indirectamente la cantidad de toner que se encuentra mezclado entre dicho medio a través de la tensión alterna que entrega el arrollamiento de detección. La información relativa al contenido de carrier (e indirectamente de toner) contenido en el revelador se traduce en una determinada amplitud de la señal alterna de salida del arrollamiento de detección.

Un hecho para nada menor, es que, como ocurre con todos los sensores basados en las propiedades magnéticas de los materiales, estos deben trabajar siempre a una temperatura inferior a la temperatura de Curie. Esto limita fundamentalmente el campo de temperaturas donde se puede aplicar cada sensor.

Característica de Respuesta

Cada vez que en un equipo se instala revelador nuevo (el cual tiene una vida útil que oscila entre las 60.000 y las 180.000 copias según su tipo) el mismo sensor se encarga de realizar un procedimiento de medición de la concentración de toner inicial con la que viene provisto el revelador. A este procedimiento se lo denomina ajuste inicial del sensor TD y se ejecuta desde un determinado Programa de Servicio. Por lo general, el fabricante garantiza una dada concentración de toner con el revelador cuando este es nuevo, la cual suele ser de un valor preciso entre el 2 y el 6% según el equipo del que se trate. En ese procedimiento de inicialización se realizan varias tareas de manera automática y sin necesidad de intervención del técnico. En primer lugar, se produce la agitación y la consiguiente carga del toner y del revelador. Una vez finalizado el mismo, se procede a realizar detecciones sucesivas del nivel de toner y a almacenar los valores medidos en una memoria para el revelador recientemente instalado. El promedio de las últimas lecturas se utiliza como valor de referencia contra el cual se realizarán comparaciones a lo largo de toda la vida útil del revelador (es decir, se utilizará como referencia hasta tanto se coloque un nuevo revelador y se realice nuevamente la inicialización anteriormente descripta). Cada vez que el máquina realice una lectura del sensor de densidad de toner, la comparará con el valor promedio de referencia adquirido durante la inicialización del revelador con el objeto que un algoritmo de control, programado en la placa principal, comande el motor/embrague de suministro de toner de manera consecuente con la diferencia entre el valor de concentración leído y el de referencia.

En presencia de revelador con una concentración de toner superior a la requerida, es decir, una concentración mayor a la de referencia detectada en la inicialización, las líneas de campo magnético producidas por el arrollamiento primario atravesarán un medio de alta permeabilidad magnética lo cual producirá una tensión inducida menor en los arrollamientos secundarios; es posible evidenciar este hacho en la siguiente figura a través del punto To que produce una tensión de salida VTo.

En cambio, si el revelador se encuentra con una concentración más baja a la de inicialización, las líneas de campo producidas en el primario atravesarán un medio poco ferromagnético, baja permeabilidad, generando así una tensión mayor en los arrollamientos secundarios. El la figura siguiente, esta situación se refleja en el punto T1 que produce una tensión de salida VT1.

La anterior curva no es la curva real de un sensor si bien expone la característica inversamente proporcional de la tensión de salida respecto de la concentración de toner. A continuación se muestran un par de curvas características reales que proporciona TDK para la serie de sensores utilizados por RICOH.

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Oscilador de Entrada

El sistema de medición que emplean estos sensores requiere tener presente algunas cuestiones relativas a las señales que se utilizan, a saber. Se requiere que la tensión del oscilador que genera la tensión alterna con la que se alimenta el primario sea muy estable; de lo contrario, sus fluctuaciones pueden confundirse con variaciones en la variable a medir. Por otra parte, es necesario que el ancho de banda de la variable medida sea al menos 5 o 10 veces inferior a la frecuencia de oscilación; de no ser así, el/los filtro/s pasa bajo que se requerirían para rechazar eficientemente restos de la portadora y sus armónicos deberían ser de orden elevado. Como regla de diseño sería deseable que el ancho de banda del amplificador de alterna fuera de al menos un 20% de la frecuencia del oscilador. En sensores inductivos, es común que la portadora tenga una frecuencia que se halle entre los 5 y los 10KHz, y que el ancho de banda de la moduladora sea menor a los 500 o 1500Hz.

La demodulación luego del amplificador de portadora debe ser sincrónica o coherente. Si no fuera así y se recurriera a una mera detección de envolvente, es decir sólo rectificación y filtrado pasa bajos, se perdería la información sobre el signo de la variable a medir. La demodulación sincrónica o coherente, consiste simplemente en multiplicar en primer lugar la señal modulada por una tensión alterna de referencia que se encuentra en fase con la alimentación y luego filtrar la señal resultante con un pasa bajos para que elimine la componente de alta frecuencia que resulta de la multiplicación. De esa manera la fase de la variable a medir no se pierde al demodular. La detección coherente permite además tener un muy buen rechazo de modo serie, es decir de aquellas interferencias que se hallen superpuestas a la señal que se quiere medir.

Circuito Acondicionador de la Señal de Salida del Sensor

Es muy importante observar que, según suele ocurrir con todos los sensores cuyo elemento de medición está alimentado con corriente alterna, que la salida es “bipolar”, es decir, que en toda la excursión de la señal, existe un punto central con tensión nula. Es por ello que se hace necesario conectar un amplificador de portadora para detectar la fase de la señal de salida ya que no basta con medir sólo su amplitud.

Para poder obtener una señal útil a la salida de un sensor la cual sea una fiel representación de la variación de algún parámetro tal como la capacidad o la inductancia, es necesario disponer de una fuente de tensión alterna para alimentar el sensor y de un medio para detectar variaciones producidas en respuesta a la magnitud deseada. SI por algún motivo hubiera además que utilizar un convertidor A/D para procesar la señal de salida del sensor, la señal entregada por este último debe además ser continua y con un margen de valores normalizados en función del rango dinámico del conversor.

El transformador diferencial del que hace uso este tipo de sensor, entrega como señal de salida una forma de onda alterna modulada en amplitud que además incluye al cero dentro del rango de valores posibles que esta puede tomar. Es decir que contempla que pueda haber un cambio de signo en la magnitud medida. En ese caso se necesita conectar a la salida del sensor lo que se conoce como amplificador de portadora. En general, esto ocurre en todos los LVDTs, en puentes de alterna, o en todos aquellos sensores montados en un divisor de tensión como es el caso del sensor en estudio. La modulación de la amplitud surge del producto de la tensión a medir y la tensión de alimentación que es alterna.

Se denomina Amplificador de Portadora (Carrier Amplifier) al circuito encargado de realizar las siguientes funciones: amplificación de la señal alterna modulada en amplitud, demodulación, y finalmente, filtrado pasa bajo.

En el caso estudiado, la señal que proporciona el sensor se procesa digitalmente, y en ese caso la demodulación recibe el nombre de detección coherente y se realiza mediante muestreo sincrónico con la señal del oscilador como señal de referencia.

Otra posibilidad para extraer la información que contiene la amplitud de la señal alterna de salida del transformador diferencial es aprovechar el hecho que tanto el arrollamiento de detección como el de medición son idénticos (mismo número de vueltas). La tensión del primario junto con la de ambos bobinados secundarios en serie se pasa por un circuito denominado comparador de fase que simplemente realiza la función XOR entre las mismas. Seguidamente un circuito de suavizado de la forma de onda que produjo el bloque anterior permite obtener una señal de continua conteniendo la información deseada. Este método es el que se emplea en el primer esquema que se presentó y que se repite a continuación con mayor grado de detalle.

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Métodos de Control de la Concentración de Toner con el Revelador

Tal como se mencionara anteriormente, la mayoría de las máquinas fotocopiadoras emplean revelador, el cual es una mezcla bi-componente de toner (resina pigmentada) y carrier (hierro en polvo). Para mantener una densidad uniforme de toner en la copia a lo largo del tiempo, es fundamental poder mantener una adecuada concentración de toner con el carrier en el revelador. Si la concentración de toner es baja, la imagen revelada sobre el cilindro, y más tarde sobre el papel, será más clara que la del original. Por el contrario una elevada concentración de toner producirá una imagen más oscura que la del original y además aparecerá un fondo gris donde debería ser blanco. La reproducción continua de copias de una calidad constante requiere de un adecuado método de medición de la densidad de toner en el revelador con el objeto mantenerla dentro de límites precisamente determinados.

A lo largo del tiempo, se han ido implementando diversos métodos de sensado y control de la densidad de toner con el objeto de conseguir una reproducción lo más fiel posible de los originales y la sustentación de esta característica a lo largo del tiempo. Entre ellos se destacan dos técnicas de medición que han demostrado ser los eficientes y hoy en día los fabricantes de fotocopiadoras se han volcado a utilizar ambos para conseguir un control más riguroso beneficiándose de las ventajas que cada uno aporta. Mayor detalle sobre este tema se presenta en el artículo "Evolución de los Sistemas de Suministro de Toner" del 19 de Julio de 2009 publicado en este mismo blog.

El primero de ellos, es un método óptico y consiste en revelar un patrón pleno sobre el cilindro y monitorear su reflectividad a través de un sensor infrarrojo (densitómetro). Si el patrón revelado es menos reflectivo que un valor prefijado en fábrica, esto indicará que la densidad de toner es alta. En cambió, si el patón es más reflectivo que el prefijado, la densidad de toner con el revelador es baja. En base a estas mediciones, el algoritmo de control tomará la decisión de si entra en un ciclo de suministro de toner.

Esta técnica presenta varias desventajas. El primer lugar, y quizás la más crítica, es que es un método lento. Esto es, una vez que el lazo de control detecta una baja concentración de toner, recién allí comienza a reabastecerse, es decir, se trata de un lazo no anticipativo. Por otro lado, el toner adicionado, debe mezclarse con el carrier y cargarse triboeléctricamente al nivel apropiado. Mezclar y cargar el toner requiere tiempo que se suma al que insume revelar el patrón. Todo ello conforma en un lazo de control con varios retardos lo cual resulta en un ancho de banda de control amplio.

Otra desventaja radica en que este método es poco exacto dada la escasa repetibilidad del patrón bajo las mismas condiciones. El potencial del cilindro varía ya que es imposible que se cargue de la misma manera siempre ni que tenga la misma capacidad de ser cargado, lo cual afecta la estabilidad del sensado.

Por último, dado que el sensor infrarrojo se ensucia con toner a lo largo del tiempo, es necesario proveer un mecanismo de autolimpieza o bien reducir los períodos de mantenimiento.

El segundo método que versa sobre el sensor estudiado aquí, se basa en las diferencias de una de las propiedades físicas del toner y del carrier como es la permeabilidad magnética. El sensor consiste en un arreglo de bobinas que conforman un transformador diferencial. El campo magnético generado por una de las bobinas cambia según la permeabilidad del material que se encuentra en las cercanías de dichas bobinas. Esto origina cambios en la corriente autoinducida en otro de los arrollamientos del transformador dando así una medida relativa de la permeabilidad de dicho medio y por consiguiente de la concentración de toner de la siguiente manera. Si el revelador se encuentra con exceso de toner, y en virtud de que el toner es una resina pigmentada y el carrier es un material ferroso, se inducirá una tensión menor ya que el campo magnético se ve debilitado frente al que tendría con una concentración adecuada. Por el contrario si el revelador contiene poco toner, el medio será más magnético y por lo tanto en campo de verá fortalecido dando una tensión autoinducida mayor por el arrollamiento. La CPU de la fotocopiadora monitorea esa tensión y el mecanismo de suministro de toner adiciona la cantidad apropiada de toner para hasta llevar la lectura del sensor al nivel deseado.

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