DE102011057092A1

DE102011057092A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Flüssigentwicklers

Info

Publication number: DE102011057092A1
Application number: DE201110057092
Authority: DE
Inventors: Alfred Zollner; Attila Bogdan; Reinhold Scherm
Original assignee: Oce Printing Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-04

Abstract

Beschrieben ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Flüssigentwicklers (94). Die Vorrichtung hat einen Sensor (10) mit mindestens drei Elektroden (20 bis 26), von denen eine Elektrode eine Schirmelektrode (26) ist und die anderen Elektroden Messelektroden (20 bis 24) sind. Alle Elektroden (20 bis 26) sind von dem Flüssigentwickler (94) mittels eines Isoliermaterials (34, 36) elektrisch isoliert. An den Messelektroden (20 bis 24) ist eine Wechselspannung angelegt. Die Schirmelektrode (26) schirmt die Messelektroden (20 bis 24) elektrisch in mindestens einer Raumrichtung ab. Eine Auswerteschaltung (130) erzeugt die Wechselspannung und ermittelt aus dem den Messelektroden (20 bis 24) zugeführten Strom die Leitfähigkeit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit eines Flüssigentwicklers.
Drucksysteme mit Flüssigentwickler erzeugen ihr Druckbild im Flachdruckverfahren. Hierzu wird auf eine sogenannte Entwicklerwalze gleichmäßig Flüssigentwickler aufgebracht. Dieser Flüssigentwickler enthält Tonerpartikel, deren elektrische Ladung über zugegebene Ladungssteuerstoffe bewerkstelligt werden. Die elektrische Ladung der Tonerpartikel wird über zugegebene Ladungssteuerstoffe bewerkstelligt. Diese Tonerpartikel werden selektiv entsprechend dem zu erzeugenden Druckbild mittels elektrischer Felder in einem Entwicklernip zu einem Fotoleiter elektrophoretisch übertragen. Je mehr Tonerpartikel dabei auf einen Bildpunkt kommen, desto kräftiger wird die Farbe dieses Bildpunkts.
Versuche haben gezeigt, dass die erreichbare Einfärbung des latenten Druckbilds auf dem Fotoleiter, und damit die erreichbare Druckqualität, mit der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers korreliert. Durch die Messung der elektrischen Leitfähigkeit ist es also möglich, eine Aussage über die Veränderung der Druckqualität zu treffen. Umgekehrt kann die Leitfähigkeit durch die Zugabe eines Ladungssteuerstoffes erhöht werden, und dadurch auch die erreichbare Druckqualität verbessert werden. Aus diesem Grund wird die Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers während des Druckprozesses kontinuierlich oder diskontinuierlich erfasst und über die Zugabe eines Ladungssteuerstoffes auf einen vorgegebenen Sollwert oder Sollwertebereich geregelt.
Weiterhin können aus der Veränderung der Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers und/oder aus dem Korrekturaufwand zum Erreichen des voreingestellten Sollwerts der Leitfähigkeit weitere Informationen über den Druckprozess gewonnen werden. So kann beispielsweise ein Alterungsprozess des Flüssigentwicklers im Drucksystem erkannt werden, wenn die Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers über die Einsatzdauer im Drucksystem abnimmt.
Zur Bestimmung der Leitfähigkeit einer Flüssigkeit werden beim Stand der Technik zwei Elektroden in diese Flüssigkeit eingetaucht. An diese Elektroden wird eine Wechselspannung angelegt. Der durch die Flüssigkeit fließende elektrische Strom wird ermittelt und daraus die Leitfähigkeit der Flüssigkeit bestimmt. Üblicherweise sind die Elektroden in einer geschlossenen Messzelle angeordnet. Es ist dabei für die Genauigkeit des Leitfähigkeitssensors entscheidend, dass die Geometrie der Elektrodenanordnung und ihre Lage zueinander während des Bestimmungsvorgangs genau eingehalten werden. Außerdem müssen die Elektroden mit der Elektronik des Leitfähigkeitssensors leitend verbunden werden, ohne dass die Messzelle Undichtigkeiten aufweist. Aufgrund dieser Anforderungen ist eine Herstellung derartiger Messzellen aufwendig und teuer.
In der US 2003/0231024 A1 wird ein kapazitiver Sensor beschrieben, der den spezifischen Widerstand, die Dielektrizitätskonstante und die Dicke eines Bedruckstoffes (z. B. Papier) in einem Drucker messen kann. Die Elektroden sind als Fingerstruktur dargestellt, die auf beiden Seiten isoliert und mit einer rückseitigen Massefläche zur Abschirmung versehen ist. Es wird keine Anwendung zur Messung von Eigenschaften von Flüssigkeiten erwähnt.
In der US 6,380,747 B1 wird ein Sensor zur Messung elektrometrischer Signale wie z. B. Permittivität, Leitfähigkeit und Materialdicke beschrieben, dessen Elektroden eine Fingerstruktur aufweisen. Die Abstände der Elektroden liegen bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm. Die Elektroden können je nach Anwendung mit unterschiedlichen elektrischen Komponenten, z. B. Generator, Verstärker, verbunden werden. Mit der Sensoranordnung sollen Materialeigenschaften von Flüssigkeiten oder Festkörper gemessen werden.
In der US 2010/0082271 A1 wird eine Sensorvorrichtung und eine Methode zur Ermittlung eines Füllstands und der Konzentration einer Flüssigkeit beschrieben. Der Sensor wird mit einem Continous-Inkjet-Drucker eingesetzt und misst in einem Reservoir den Widerstand zwischen verschiedenen Elektroden. In der Nähe der Elektroden werden isolierende Kunststoffteile als Schaumbarriere eingesetzt. Aus den gemessenen Widerstandswerten wird eine Konzentration der Tinte berechnet und nachgeregelt.
In der US 6,573,734 B2 wird ein in Dünnschichttechnik gefertigter Leitfähigkeitssensor für Flüssigkeiten beschrieben. Der Sensor enthält einen integrierten Temperatursensor zur Kompensation von Temperaturabhängigkeiten der Flüssigkeit. Die Elektroden sind z. B. aus Gold oder Platin und stellen einen ohmschen Kontakt zur Flüssigkeit her. Eine galvanische Trennung wird nicht beschrieben.
In der US 7,259,566 B2 wird ein Mikrosensor zur Messung der Leitfähigkeit und der Temperatur von Meerwasser beschrieben. Die Elektroden sind aus Nickel, Gold oder Platin und stellen einen ohmschen Kontakt zur Flüssigkeit ohne eine galvanische Trennung her.
Weiterhin sind aus den Dokumenten DE 30 06 877 C2 , DE 28 02 182 A1 , DE 197 46 075 A1 , und US 4,626,786 Sensoren zur Ermittlung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten bekannt, deren Elektroden in einem galvanischen Kontakt zur Flüssigkeit stehen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Flüssigentwicklers anzugeben, die eine hohe Messgenauigkeit erreicht und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Flüssigentwicklers weist einen Sensor mit mindestens drei Elektroden auf. Die Elektroden unterteilen sich in mindestens eine Schirmelektrode und mindestens zwei Messelektroden. Alle Elektroden sind von der Flüssigkeit mittels eines Isoliermaterials elektrisch isoliert. Zwischen jeweils zwei Messelektroden ist zum Bestimmen der Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers eine Wechselspannung angelegt. Die Schirmelektrode schirmt die Messelektroden elektrisch in mindestens einer Raumrichtung ab. Eine Auswerteschaltung erzeugt die Wechselspannung und ermittelt aus dem den Messelektroden zugeführten Strom die Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers.
Die vollständige elektrische Isolierung der Elektroden vom Flüssigentwickler verhindert einen Stromfluss durch den Flüssigentwickler. Dies verhindert eine elektrolytische Umsetzung des Flüssigentwicklers an den Elektroden und vermeidet eine dadurch ausgelöste Veränderung der Elektroden. Daher wird eine hohe Standzeit der Vorrichtung erreicht. Weil durch die Isolierung eine kapazitive Kopplung zwischen den Elektroden und dem Flüssigentwickler erreicht wird, entstehen bei dieser Vorrichtung während der Bestimmung der Leitfähigkeit keine Gleichstrom und/oder Gleichspannungsanteile im Messsignal, wodurch dieses einfacher auswertbar ist.
Der Sensor kann auf einer starren Leiterplatte ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Sensor jedoch auf einer flexiblen Leiterplatte aufgebaut. Als Trägermaterial dient eine Polyimidfolie, die beidseitig metallisch beschichtet ist. Diese beiden metallischen Schichten werden mit bekannten Prozessen strukturiert. Diese Prozesse weisen eine für Leiterplatten übliche, hohe Genauigkeit auf, wodurch die Abweichungen von der Geometrie der Elektroden sehr gering sind. Dies ermöglicht eine kostengünstige Serienfertigung nahezu identischer Sensoren. Alternativ können auch zwei einseitig metallisch beschichtete Polyimidfolien verwendet werden, die jeweils entsprechend strukturiert werden. Bei einer anderen Ausführungsform werden drei Polyimidfolien verwendet, die miteinander verklebt werden, so dass die isolierenden Flächen nach außen weisen. Die strukturierten Metallschichten befinden sich innen, beispielsweise auf einer beidseitig metallisch beschichteten Polyimidfolie oder auf zwei einseitig beschichteten Polyimidfolien.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Sensors sind die Elektroden in zwei Schichten angeordnet. Durch eine derartige Anordnung wird erreicht, dass sich die Elektroden teilweise überlappen können. Dies ermöglicht größere Freiheiten beim Design der Elektroden. Durch das Vorsehen flacher Elektrodenstrukturen in den Schichten sind außerdem nur Geometrieabweichungen in zwei Raumrichtungen möglich. Eventuell auftretende Geometrieabweichungen sind dabei voneinander abhängig. Außerdem kompensiert sich der Effekt dieser Abweichungen auf das Messsignal teilweise.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Schirmelektrode in einer ersten Schicht angeordnet und alle Messelektroden in einer zweiten Schicht. In dieser Ausführungsform wird die Seite, die der ersten Schicht am nächsten liegt, als Rückseite und die gegenüberliegende Seite, die der zweiten Schicht am nächsten liegt, als Vorderseite bezeichnet. In dieser Ausführungsform wird die Leitfähigkeit der Flüssigkeit an der Vorderseite des Sensors bestimmt. Elektrische Effekte an der Rückseite des Sensors beeinflussen das Messergebnis nur in sehr geringem Maße. Daher kann ein Sensor in dieser Ausführungsform mit der Rückseite an einer elektrisch leitfähigen Behälterwand montiert werden, ohne dass das Messergebnis stark beeinflusst wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Auswerteschaltung einen Lock-In-Verstärker. Dabei unterdrückt der Lock-In-Verstärker alle Signale, deren Frequenz von der angelegten Wechselspannung abweicht. Somit werden Störsignale effizient herausgefiltert. Der Lock-In-Verstärker erzeugt ein von der Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers abhängiges Gleichspannungssignal.
Durch die kapazitive Kopplung wirkt der Sensor wie ein Hochpass, dessen Grenzfrequenz von der Elektrodengeometrie, der Dicke der Isolierschicht und der Leitfähigkeit der Flüssigkeit abhängt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Sensors ist die Frequenz der Wechselspannung erheblich größer als die Grenzfrequenz des Sensors. Die Frequenz der Wechselspannung liegt in einem Bereich von 3 bis 50 Hz, vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 10 Hz.
Mit Hilfe des Sensors kann eine Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers in einem Bereich von 0,05 nS/cm (10^–9 S/cm) bis 10 nS/cm, vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 nS/cm bis 1,5 nS/cm erfasst werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Sensors ist mindestens eine der Messelektroden in mindestens zwei elektrisch verbundene Teilelektroden aufgeteilt. In diesem Fall ist zwischen jeweils zwei Teilen der gleichen Messelektrode ein Teil der anderen Messelektrode angeordnet. Dadurch ragen die elektrischen Felder weniger weit über die Vorderseite des Sensors hinaus. Somit ist die genaue Bestimmung der Leitfähigkeit in kleinen Flüssigkeitsvolumina möglich.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine der Messelektroden als Kreisscheibe und die andere Messelektrode als ein zur Kreisscheibe konzentrischer, geöffneter Kreisring ausgebildet. Durch die Öffnung des Kreisrings ist die Kreisscheibe elektrisch kontaktiert. Diese Ausführungsform ist besonders zur Verwendung am Boden von zylinderförmigen Behältern geeignet.
In einer anderen Ausgestaltung des Sensors sind beide Messelektroden kammartig ausgebildet, wobei die Zinken der Kämme ineinandergreifen. Dadurch verlaufen die zur Bestimmung der Leitfähigkeit wirksamen elektrischen Felder besonders nahe an einer Oberfläche des Sensors. Somit ist die genaue Bestimmung der Leitfähigkeit in besonders kleinen Flüssigkeitsvolumina möglich.
Vorteilhaft ist es, wenn das Isoliermaterial des Sensors Polyimid (bekannt unter der Bezeichnung Kapton^® und von der Firma Dupont erhältlich) ist. Dieses Material zeichnet sich durch seine chemische Beständigkeit gegenüber vielen Flüssigkeiten aus und lässt sich wegen seiner glatten Oberfläche leicht reinigen. Somit ist der Sensor zum Einbau in ein transportables Messgerät zur Leitfähigkeitsbestimmung unterschiedlicher Flüssigkeiten geeignet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Sensor mittels eines für flexible Leiterplatten geeigneten Prozesses herstellbar ist. Die dadurch erzeugten flexiblen Sensoren sind zum Einbau in gekrümmte Behälter geeignet. Dies ermöglicht den Einbau eines derartigen Sensors auch in bereits bestehende Behältersysteme mit gekrümmten Behälterwänden.
Insbesondere ist ein derartiger Sensor zum Einbau in ein Drucksystem für Flüssigentwickler vorgesehen. Die elektrische Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers beeinflusst die Druckqualität des Drucksystems und ist daher für ein qualitativ hochwertiges Druckbild mittels eines Sensors zu überwachen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Darin zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Sensors zum Ermitteln der Leitfähigkeit eines Flüssigentwicklers,
2 eine Schnittdarstellung nach 1 durch die Schnittebene A-A,
3 eine erste Ausführungsform der Elektrodenstruktur eines Sensors nach 1,
4 eine zweite Ausführungsform der Elektrodenstruktur, bei der beide Elektroden geteilt sind,
5 eine dritte Ausführungsform der Elektrodenstruktur, bei der die Elektroden kammartig ausgeführt sind und ineinander greifen,
6 eine vierte Ausführungsform der Elektrodenstruktur mit Ringelektrode,
7a einen Ausschnitt einer Ausführungsform des Sensors als Tauchsensor in einer Draufsicht,
7b die Ausführungsform nach 7a in einer schematischen, geschnittenen Seitenansicht,
8 einen Behälter mit einer Elektrode mit der Elektrodenstruktur nach 3,
9 einen Feldlinienverlauf einer Elektrodenstruktur nach 3 in einer Flüssigkeit, und
10 einen Aufbau einer Schaltung zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eines Flüssigentwicklers.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 10 zum Ermitteln der Leitfähigkeit eines Flüssigentwicklers. Der Sensor 10 hat eine Kontaktstelle 12 mit drei Kontakten 14, 16, 18. Der Kontakt 16 ist mit einer mittig auf dem Sensor 10 liegenden ersten Messelektrode 20 verbunden. Eine Breite 38 der ersten Messelektrode 20 beträgt vorzugsweise zwischen 5 mm und 30 mm, in diesem Ausführungsbeispiel 12 mm. Eine zweite Messelektrode ist in zwei Teilbereiche 22, 24 aufgeteilt, die elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Der Teilbereich 22 ist mit dem Kontakt 14 elektrisch leitend verbunden. Die beiden Teilbereiche 22, 24 der zweiten Messelektrode flankieren die erste Messelektrode 20 an zwei einander gegenüberliegenden Seiten. Ein erster Abstand 44 zwischen der ersten Messelektrode 20 und dem Teilbereich 22 der zweiten Messelektrode beträgt zwischen vorzugsweise 0,2 mm und 5 mm, in diesem Ausführungsbeispiel 1 mm. Ein zweiter Abstand 46 zwischen der ersten Messelektrode 20 und dem Teilbereich 24 der zweiten Messelektrode beträgt vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 5 mm, in diesem Ausführungsbeispiel 1 mm. Vorzugsweise sind die beiden Abstände 44, 46 gleich groß. In anderen Bauformen unterscheiden sich die Abstände 44, 46 voneinander. Eine Breite 40 des Teilbereichs 22 der zweiten Messelektrode ist vorzugsweise zwischen 2 mm und 20 mm, in diesem Ausführungsbeispiel 6 mm. Eine Breite 42 des Teilbereichs 24 beträgt vorzugsweise zwischen 2 mm und 20 mm, in diesem Ausführungsbeispiel 6 mm. Vorzugsweise sind die Breiten 40, 42 gleich und die Summe der Breiten 40 und 42 ergibt vorzugsweise die Breite 38.
Eine Schirmelektrode 26 ist unterhalb der Messelektroden 20 bis 24 angeordnet und mittels einer nicht dargestellten Isolierschicht gegen die Messelektroden 20 bis 24 elektrisch isoliert. Die Schirmelektrode 26 ist mit dem Kontakt 18 elektrisch leitend verbunden und ragt an allen vier Seiten über die Messelektroden 20 bis 24 hinaus. Eine Breite 48 der Schirmelektrode 26 beträgt mindestens die Summe der Breiten 38 bis 42 der Messelektroden 20 bis 24 und der Abstände 44, 46. In diesem Ausführungsbeispiel hat die Breite 48 den Betrag 28 mm.
2 zeigt eine Schnittdarstellung des Sensors 10 entlang der in 1 gezeigten Schnittebene A-A. Als Trägermaterial des Sensors 10 dient eine flexible Leiterplatte 27, beispielsweise eine beidseitig metallisch beschichtete flexible Leiterplatte 27 mit einer Kernfolie 28 aus Polyimid. In einer ersten Schicht 30 sind die beiden Messelektroden 20 bis 24 angeordnet. In einer zweiten Schicht 32, die auf der der Schicht 30 gegenüberliegenden Seite der Kernfolie 28 angeordnet ist, ist die Schirmelektrode 26 angeordnet. Auf den beiden Seiten der Schichten 30, 32, die jeweils der Kernfolie 28 gegenüberliegen, ist jeweils eine Isolierschicht 34, 36 angeordnet. Die Struktur der Elektroden 22 bis 26 ist in einem Standardleiterplattenprozess fertigbar. Die Isolierschichten 34, 36, die in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Polyimid-Folie bestehen, sind mit einem Chemikalienbeständigen Klebstoff flächig verklebt. Dabei füllt der elektrisch nicht leitende Klebstoff die Bereiche 118, 120, 122, 124, 126, 128 in den Schichten 30, 32 aus, die nicht von Elektroden 20 bis 26 belegt sind. In anderen Bauformen des Sensors 10 sind die Bereiche 118 bis 124 einstückig mit der Isolierschicht 34 und/oder die die Bereiche 126, 128 einstückig mit der Isolierschicht 36 ausgeführt, z.B. durch Aufbringen einer Isolierschicht 34, 36 im Siebdruck oder einem Tauchverfahren.
3 zeigt in einer weiteren Darstellung die Struktur der Messelektroden 20 bis 24 in der Schicht 30 nach 1. Anstelle der gezeigten rechteckförmigen Elektrodenstruktur können auch andere Elektrodenformen verwendet werden, wie sie noch weiter unten anhand der 4 bis 6 erläutert wird.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Elektrodenstruktur in der Schicht 30. Eine erste Messelektrode ist in zwei elektrisch leitend verbundene Teilbereiche 50, 52 aufgeteilt. Eine zweite Messelektrode ist in drei elektrisch leitend verbundene Teilbereiche 54, 56, 58 aufgeteilt. Ein Vorteil dieser Anordnung der Messelektroden ist, dass die bei der Messung entstehenden elektrischen Felder weniger weit über die Vorderseite des Sensors 10 hinaus wirken und somit eine genaue Messung in kleinen Flüssigkeitsvolumina möglich ist.
5 zeigt eine dritte Ausführung einer Messelektrodenstruktur in der ersten Schicht 30. Eine erste Messelektrode 78 und eine zweite Messelektrode 80 sind jeweils kammartig ausgeführt. Die Zinken der Messelektroden 78, 80, von denen einer beispielhaft mit 82 bezeichnet ist, greifen ineinander. Bei dieser Ausführung der Messelektroden 78, 80 verlaufen die zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers wirksamen elektrischen Feldlinien sehr nahe an der Vorderseite des Sensors 10, wodurch eine Leitfähigkeitsmessung in besonderes kleinen Flüssigkeitsvolumina mit hoher Genauigkeit möglich wird.
6 zeigt eine vierte Ausführung einer Messelektrodenstruktur in der Schicht 30. Eine erste Messelektrode 86 ist als Kreisfläche ausgebildet, die von einer zweiten Messelektrode 88, die als offener Kreisring ausgebildet ist, umgeben ist. Ein elektrischer Kontakt der ersten Messelektrode 86 verläuft durch eine Öffnung 90 der zweiten Messelektrode 88. Die zweite Messelektrode 88 ist konzentrisch zur ersten Messelektrode 86 ausgebildet. Eine derartige Messelektrodenstruktur ist zur Verwendung am Boden von zylinderförmigen Behältern besonders geeignet.
7a zeigt einen Ausschnitt einer Ausführungsform des Sensors 10 als Tauchsensor in einer Draufsicht. 7b zeigt in einem Querschnitt eine schematische Seitenansicht hierzu. In den Sensor 10 sind Löcher 54, 56, 58, 60 eingebracht. Eine Halterung 70 ist beispielsweise aus Kunststoff im Spritzgussverfahren gefertigt und weist vier Stifte 62, 64, 66, 68 auf. Die Stifte 62 bis 68 und die Löcher 54 bis 60 sind so aufeinander abgestimmt, dass jeder Stift 62 bis 68 in ein Loch 54 bis 60 ragt, wenn der Sensor 10 auf der Halterung 70 platziert ist. Nach beispielsweise einem Vernieten oder thermischen Umformen der Stifte 62 bis 68 ist der Sensor 10 dauerhaft auf der Halterung 70 fixiert. Diese Ausführungsform eignet sich besonders zur Verwendung in einem tragbaren Handgerät. In einer vorteilhaften Bauform des Sensors 10 kann insbesondere bei der Verwendung als Handgerät die Schaltung 130 oder zumindest Teile davon auf der flexiblen Leiterplatte 27 des Sensors 10 ausgeführt sein.
8 zeigt als Ausführungsbeispiel einen zylindrischen Behälter 92 mit einem Sensor 10. Der flexible Sensor 10 passt sich dem Verlauf der Behälterwand des Behälters 92 an. Die Schicht 32 mit der Schirmelektrode 26 ist zur Wand des Behälters 92 hin ausgerichtet. Dementsprechend befindet sich die Schicht 30 mit den Messelektroden 20 bis 24 auf der von der Behälterwand abgewandten Seite der Kernfolie 28. In dieser Anordnung des Sensors 10 schirmt die Schirmelektrode 26 die Messelektroden 20 bis 24 von den elektrischen Einflüssen der Behälterwand ab. In dieser Anordnung des Sensors kann der Sensor 10 beispielsweise als Füllstandsmesser oder zur Bestimmung der Leitfähigkeit einer in den Behälter 92 eingefüllten Flüssigkeit verwendet werden.
9 veranschaulicht das verwendete Messprinzip und zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Sensors 10 nach 2, der in einen Flüssigentwickler 94 eingebracht ist. Schematisch dargestellt sind wirksame Feldlinien 96, 98, 100, 102 eines elektrischen Feldes, wie es bei der Bestimmung der Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers 94 auftritt. Die Feldlinien 96 verlaufen vom Teilbereich 24 der zweiten Messelektrode zur ersten Messelektrode 20. Die Feldlinien 98 verlaufen vom Teilbereich 22 der zweiten Messelektrode zur ersten Messelektrode 20. Die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers 94 erfolgt über die durch Ladungsverschiebung entlang der Feldlinien 96, 98 induzierte Ladungsänderung der Messelektroden 20. Durch eine angelegte Wechselspannung wirken die beiden Elektrodenpaare 20/22 und 20/24 ähnlich zwei Kondensatoren in einem Wechselstromkreis. Vorzugsweise wird die Wechselspannungsquelle an den Elektroden 22, 24 angelegt und ein in der 10 gezeigter Strom-Spannungs-Umsetzer 110 an die Elektrode 20 angeschlossen. Durch diese Anordnung wird die Elektrode 20 zusätzlich durch die seitlichen Elektroden 22, 24 gegen seitlich einstreuende Störungen abgeschirmt, da diese fest mit der Wechselspannung verbunden sind. Die zur Schirmelektrode 26 führenden Feldlinien 100, 102 liefern keinen Beitrag zum Sensorsignal.
10 zeigt schematisch einen Aufbau einer Schaltung 130 zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eines Flüssigentwicklers 94. Diese Schaltung arbeitet auf dem Messprinzip eines Lock-In-Verstärkers. Ein Oszillator 104 erzeugt eine Wechselspannung. Diese Wechselspannung hat vorzugsweise eine Frequenz zwischen 5 Hz und 10 Hz und eine Signalhöhe von vorzugsweise 10 V_SS (10 Volt Spitze-Spitze gemessen) und wird an eine der Messelektroden, vorzugsweise an die geteilte Messelektrode 22, 24 des Sensors 10 angelegt. Weiterhin wird diese Wechselspannung an ein Schwellwertglied 106 angelegt, das aus dieser Wechselspannung eine frequenzgleiche Rechteckspannung 108 erzeugt. An die Schirmelektrode 26 ist vorzugsweise Massepotential angelegt.
An die nicht mit dem Oszillator 104 verbundene Messelektrode des Sensors 10, vorzugsweise die Messelektrode 20, ist ein Strom-Spannungs-Umsetzer 110 angeschlossen. Der Strom-Spannungsumsetzer 110 hält diese Messelektrode 20 auf Massepotential. Ein Ausgangssignal 114 des Strom-Spannungs-Umsetzers 110, das von der Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers 94 abhängig ist, und auf das äußere Störsignale Einfluss haben, und die Rechteckspannung 108 werden einem Synchrongleichrichter 112 zugeführt. Der Synchrongleichrichter 112 verstärkt die Anteile des Signals 114, die frequenzgleich zur Rechteckspannung 108 sind und unterdrückt alle anderen Anteile des Signals 114 mit von der Rechteckspannung 108 abweichenden Frequenzen. Ein Ausgangssignal des Synchrongleichrichters 112 ist eine pulsierende Gleichspannung, deren Amplitude der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers 94 abhängig ist, und wird zur Signalglättung einem Tiefpass 116 zugeführt. Ein vom Tiefpass 116 erzeugtes Ausgangssignal ist von der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers 94 abhängig.
Die Frequenz der vom Oszillator 104 erzeugten Wechselspannung ist für die Größe und Ladung der Ladungsträger, z. B. Tonerpartikel im Flüssigentwickler 94 optimiert. Versuche haben ergeben, dass in dem Frequenzbereich vom 5 bis 10 Hertz für den zu bestimmenden Leitfähigkeitsbereich des Flüssigentwicklers 94 (0,2 nS/cm bis 1,5 nS/cm) eine optimale Signalhöhe bei niedrigem Rauschen erreicht wird.
Bezugszeichenliste

10: Sensor
12: Kontaktstelle
14, 16, 18: Kontakt
20: erste Messelektrode
22, 24: zweite Messelektrode
26: Schirmelektrode
27: Leiterplatte
28: Kernfolie
30: erste Schicht
32: zweite Schicht
34, 36: Isolierschicht
38, 40, 42: Breite
44, 46: Abstand
48: Breite
50, 52: Teilbereich
54, 56, 58, 60: Löcher
62, 64, 66, 68: Stifte
70: Halterung
78: erste Messelektrode
80: zweite Messelektrode
82: Zinken
84: Abstand
86: erste Messelektrode
88: zweite Messelektrode
90: Öffnung
92: Behälter
94: Flüssigentwickler
96, 98, 100, 102: Feldlinien
104: Oszillator
106: Schwellwertglied
108: Rechteckspannung
110: Stromspannungsumsetzer
112: Synchrongleichrichter
114: Signal
116: Tiefpass
118, 120, 122, 124, 126, 128: Klebstoff
130: Schaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2003/0231024 A1 [0006]
US 6380747 B1 [0007]
US 2010/0082271 A1 [0008]
US 6573734 B2 [0009]
US 7259566 B2 [0010]
DE 3006877 C2 [0011]
DE 2802182 A1 [0011]
DE 19746075 A1 [0011]
US 4626786 [0011]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Flüssigentwicklers (94), mit einem Sensor (10) mit mindestens drei Elektroden (20 bis 26), von denen eine Elektrode eine Schirmelektrode (26) ist und die anderen Elektroden Messelektroden (20 bis 24) sind, wobei alle Elektroden (20 bis 26) von dem Flüssigentwickler (94) mittels eines Isoliermaterials (34, 36) elektrisch isoliert sind, an jeweils zwei Messelektroden (20 bis 24) zum Bestimmen der Leitfähigkeit eine Wechselspannung angelegt ist, die Schirmelektrode (26) die Messelektroden (20 bis 24) elektrisch abschirmt, und wobei eine Auswerteschaltung (130) die Wechselspannung erzeugt und aus dem den Messelektroden (20 bis 24) zugeführten Wechselstrom die Leitfähigkeit ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor (10) auf einer flexiblen Leiterplatte (27) aufgebaut ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (20 bis 26) in zwei übereinander angeordneten Schichten (30, 32) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Schirmelektrode in einer zweiten Schicht (32) angeordnet ist und alle Messelektroden (20 bis 24) in einer ersten Schicht (30) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung einen Lock-in-Verstärkers umfasst.
Vorrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Frequenz der Wechselspannung in einem Bereich von 3 bis 50 Hz, vorzugsweise 5 bis 10 Hertz liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitfähigkeit des Flüssigentwicklers in einem Bereich von 0,05 nS/cm bis 10 nS/cm, vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 nS/cm bis 1,5 nS/cm liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Messelektroden (20 bis 24) in mindestens zwei elektrisch miteinander verbundene Teilbereiche (22, 24) aufgeteilt ist und zwischen jeweils zwei Teilbereichen (22, 24) einer Messelektrode ein Bereich der anderen Messelektrode angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die eine Messelektrode (88) als Kreisringsegment und die andere Messelektrode (86) als Kreisscheibe ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei beide Messelektroden (78, 80) kammartig ausgebildet sind und die Zinken (82) der Kämme ineinander eingreifen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Isoliermaterial (34, 36) Polyimid vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (10) in einem Drucksystem einsetzbar ist.