Системы контроля тонера копиров, принтеров и МФУ

Со времён появления самых первых копировальных аппаратов перед конструкторами возникла очевидная и не совсем простая проблема. Ведь любой аппарат, использующий принцип "сухой ксерографии", расходует во время своей работы тонер - это аксиома. А раз тонер расходуется, то нужно вовремя восполнять этот расход.

Хорошо автомобилисту - на приборной панели автомобиля есть индикатор уровня горючего, который работает от самого обыкновенного поплавкового датчика. А вот как и чем лучше всего контролировать уровень тонера, конструкторы до сих пор так и не решили. Использовать магнитные свойства? Электрическую проводимость? Поглощение и отражение ультразвука? Оптическую непрозрачность?

В дело пошло всё, и поэтому на сегодняшний день существует весьма большое разнообразие конструкторских решений датчиков тонера.

Для начала небольшая классификация основных типов датчиков.

Во-первых, подобные датчики можно условно разделить по назначению на:

1. собственно датчики определения наличия (отсутствия) тонера;
2. датчики соотношения (концентрации) смеси тонер-девелопер; применяются, соответственно, только на аппаратах с отдельным девелопером (но не на всех подобных аппаратах).

Во-вторых, датчики разделяются по принципу действия на:

1. индуктивные - реагируют на магнитную проницаемость тонера (или смеси тонер-девелопер),
2. ультразвуковые - реагируют на поглощение ультразвука в тонере,
3. оптические - реагируют на прерывание светового потока тонером,
4. емкостные или "антенные" - реагируют на изменение ёмкости при попадании тонера между обкладок конденсатора.

Теперь более подробно о принципах действия и особенностях приведённых типов датчиков.

1. Индуктивные

Используют в своей работе эффект сдвига фаз между "опорной" волной переменного тока и волной, прошедшей через катушку индуктивности.

Дабы не влезать в "глубокую физику", можно сказать очень просто: волна переменного тока, проходя через катушку индуктивности, начинает отставать (буквально - по времени) от такой же волны, не прошедшей через катушку. Это и называется "сдвигом по фазе" между волнами.

Чем больше индуктивность катушки, тем больше это самое отставание. Далее применяется так называемый фазовый детектор, который сравнивает обе ("опорную" и "отставшую") волны и выдаёт на своём выходе напряжение, пропорциональное отставанию одной волны от другой.

Величина отставания зависит от величины индуктивности катушки: чем больше индуктивность, тем больше отставание. А индуктивность зависит не только от собственных параметров катушки, но ещё и от магнитной проницаемости окружающей среды.

Если вокруг катушки есть материал с высокой магнитной проницаемостью (девелопер или магнитный тонер), то индуктивность катушки возрастёт. А вот если в девелопер начать добавлять немагнитный тонер, то индуктивность будет уменьшаться. Соответственно будет изменяться сигнал на выходе фазового детектора.

На сегодняшний день такой датчик является, пожалуй, наиболее точным и надёжным из всех. И также одним из самых дорогих.

Конструктивное исполнение индуктивных датчиков может быть довольно разным, в зависимости от его назначения.

Если такой датчик применяется в качестве простого определителя "есть тонер или нет", то в его конструкцию иногда добавляют после фазового детектора триггер Шмитта для предотвращения ложных и хаотических срабатываний. Также такие датчики применялись ранее в дешёвых аппаратах с системой с отдельным девелопером. В системах с отдельным девелопером современных аппаратов, разумеется, сигнал с выхода фазового детектора поступает непосредственно на контроллер аппарата, где и оценивается по уровню. Генератор "синусоиды" может быть и внешним, но чаще всего делается в корпусе датчика.

Как уже говорилось, индуктивные датчики весьма надёжны. И неприятности в работе систем контроля тонера на этих датчиках чаще связаны не с датчиками, а с "внешними причинами" (хотя, к примеру, на аппаратах Kyocera зачастую всё совсем наоборот). Иногда неприятности связаны с тем фактором, что индуктивный датчик контролирует очень малое пространство бункера. Поэтому во многих аппаратах предусмотрены специальные "чистилки", которые постоянно чистят сам датчик и пространство вокруг него, дабы на датчик не примагничивался тонер или девелопер и, тем самым, не сбивалась работа системы.

Плюсы и минусы.
В плюсах очень высокая точность и весьма хорошая надёжность.
В минусах - дороговизна и контроль очень малого пространства бункера.

Как проверить.
Тестером, разумеется. Взять что-нибудь металлическое (лучше парамагнетик) и приблизить его к датчику - выходной уровень должен измениться.

Как эмулировать.
Если нужно проверить работоспособность цепи определения концентрации тонера в аппаратах с отдельным девелопером, то в качестве эмулятора берём самый банальный потенциометр килоом на десять (с линейной характеристикой для удобства). Отключить сам датчик от контроллера и подключить к контроллеру потенциометр (крайние выводы потенциометра на "плюс" и на "корпус", средний вывод на сигнальную шину). Теперь, регулируя потенциометр, можно проверить, как реагирует контроллер на сигнал датчика. Иногда этот способ очень помогает, если надо "выгнать" из девелопера тонер, не допуская попадания в бункер нового тонера.

Как отключить с сохранением работоспособности аппарата.
Если речь идёт об аппаратах с раздельным девелопером, то никак. Вообще никак. Только замена.

Если же нужно смоделировать датчик, который просто определяет, есть тонер или нет, то сначала нужно выяснить, какой выходной уровень сигнала с датчика аппарат считает "разрешающим" (ведь существуют не только датчики наличия тонера, есть ещё и датчики наличия отработки). Если это "единица", то отключаем датчик и соединяем "плюс" и сигнальную шину разъёма контроллера резистором килоом эдак в пять. Вообще, лучше сначала посмотреть на напряжение питания датчика, и в зависимости от него уже подбирать сопротивление. Если же разрешающий уровень "ноль", то (опять же отключив датчик) соединяем "корпус" и сигнальную шину разъёма контроллера резистором сопротивлением примерно в килоом.

Если же датчик наличия тонера исправен, а вы или кто-то другой засыпали вместо тонера измельчённое окаменевшее дерьмо мамонта и не хотите себе в этом признаваться, то наклейте на рабочую поверхность датчика что-нибудь металлическое (лучше из парамагнетиков).

О желательности и нежелательности применения методов отключения датчиков в самом конце статьи.

2. Ультразвуковые

Всё очень просто: ультразвук эффективно поглощается сыпучими телами, вот и весь принцип действия. Объяснять что-то сверх этого, на мой взгляд, просто не нужно. Благо, что применяются такие датчики только кэноновцами, и то не в очень большом количестве аппаратов.

Такие датчики достаточно надёжные и точные.

Плюсы и минусы.
В плюсах надёжность и увеличенный по сравнению с индуктивными объём контролируемого пространства.
В минусах - ценник и всё-таки не совсем полный контроль пространства бункера.

Как проверить.
Сначала тестером, не вынимая датчик из бункера (высыпать для проверки тонер из бункера и засыпать потом тонер в бункер, как я думаю, не слишком большой труд). Далее - заменой. Если есть время и желание, можно сделать коробку из пластмассы, поместить туда датчик и экспериментировать сколько угодно, посыпая датчик тонером.

Что касается эмуляции и отключения, то делаем по аналогии с индуктивным датчиком, лишь с поправками на реальную схемотехнику, конечно, и постоянно вспоминая, что этот датчик на металл не реагирует.

3. Оптические

В современных аппаратах для контроля наличия тонера оптические датчики применяются только в "пороговом режиме" - они определяют лишь сам факт: есть тонер в бункере или его нет. Датчики, анализирующие отражение светового потока от пятна тонера на фотобарабане или промежуточном носителе, теперь используются только для контроля насыщенности изображения и оказывают влияние только на напряжение на вале проявления. А когда-то "датчики отражения" использовались и для контроля смеси тонер-девелопер. Но не будем сейчас вспоминать душераздирающие истории с "перетонитом" на аналоговых рикохах - это совсем отдельная грустная историческая тема.

Принцип действия прост как огуречный пупырышек: излучение от светодиода поглощается тонером и, как следствие, не попадает на фотоприёмник. И всё.

Плюсы и минусы.
В плюсах исключительная простота и возможность контроля практически всего пространства бункера (хотя бы по одной оси).
В минусах - имеют свойство запыляться и прекращать из-за этого нормально работать. А ещё могут блокировать чипы на аппаратах Canon (HP).

Как проверить.
И опять же тестером. Фотоприёмник можно проверить обычным фонариком (но только не светодиодным), контролируя выходной уровень. Излучатель проверяется косвенно - если фотоприёмник срабатывает от фонарика, а от излучателя не срабатывает то вывод очевиден: либо излучатель накрылся медным тазом, либо свет в самом деле не доходит от излучателя к приёмнику. А ещё на излучатель можно посмотреть через фотоаппарат.

Как эмулировать.
Опять же очень просто: если нужно смоделировать неосвещенный фотоприёмник, то просто прерываем световой поток между излучателем и приёмником. Если же нужно смоделировать освещенный приёмник, то подключаем любой диод между "корпусом" и сигнальной шиной разъёма (в правильной полярности, разумеется).

Как отключать с сохранением работоспособности аппарата.
Не надо такого делать. Просто не надо. Незачем лезть с паяльником (в большинстве случаев) к работающему датчику. Методы эмуляции, описанные чуть выше, гораздо проще и лучше.

Не могу не вспомнить ещё один "оптический" вариант конструкции датчика тонера. "Механооптическая" система от фирмы OKI - собственная эксклюзивная попытка этой фирмы сделать систему, контролирующую все пространство бункера. Эта система очень хорошо и очень подробно описана на сайте уважаемого KudesNIK'а, и всем, кому выпало неимоверное счастье нарваться на неисправности этой системы (или просто есть желание удивиться изыскам конструкторского разума) очень рекомендую туда заглянуть.

А теперь скажем большое спасибо фирме Canon за последнюю рассматриваемую систему - емкостную. Я понимаю, что очень и очень многие сейчас сказали совсем другие слова вместо "спасибо", но всё-таки рассказать о ней надо.

4. Емкостная или "антенная"

Применяется сейчас только в системах проявления с магнитным тонером. Принцип действия основан на изменении параметров своеобразного конденсатора, образованного оболочкой вала проявления и "антенной", при попадании тонера между его обкладками. При этом переменная составляющая напряжения проявления начинает проходить на вход схемы контроля.

Конденсатор образуется из оболочки магнитного вала и "антенны" - металлического стержня, расположенного параллельно магнитному валу на небольшом расстоянии; это обкладки конденсатора. В отсутствие тонера между обкладками находится лишь воздух, поэтому ёмкость конденсатора мала. При попадании тонера между обкладками ёмкость возрастает на порядки, ведь тонер - это частицы проводника (магнитная компонента), окружённые слоем изолятора (пластификатор). Конечно, магнетит или феррит далеко не самые лучшие проводники, а пластификаторы не самый лучший изолятор, но такая смесь, да ещё и из частиц микронных размеров, очень сильно увеличивает ёмкость конденсатора.

В результате увеличения ёмкости переменная составляющая начинает проходить на вход компаратора системы контроля. На другой вход компаратора через делитель подаётся переменная составляющая напряжения проявления и используется в качестве опорного уровня. Но сигнал с "антенны" не имеет постоянного уровня - тонер постоянно перемешивается в бункере. Поэтому приходится применять ещё и программную обработку сигнала с компаратора, чтобы получить стабильное усреднённое значение. Также для этого устанавливается "круговая мешалка", которая перемешивает тонер вокруг антенны и хоть как-то помогает сохранять относительную стабильность плотности тонера в зазоре конденсатора.

Система крайне ненадёжна и чувствительна ко многим параметрам. Проводящие свойства магнитной составляющей тонера, изоляционные качества пластификатора тонера, плотность частицы тонера и плотность частиц тонера в зазоре конденсатора, надёжность электрического контакта между антенной и ответным контактом аппарата - всё это влияет на работу системы, и зачастую очень сильно.

Поэтому такая система очень привередлива к тонеру: чаще всего именно из-за не совсем подходящего тонера и случаются неприятности. Вторым основным фактором появления неприятностей служит контакт между "антенной" и аппаратом - конечно, входное сопротивление компаратора довольно велико, но плохой контакт между "антенной" и аппаратом запросто может прервать или ослабить сигнал. Эти контакты вообще всегда желательно делать из материалов с хорошей токопроводностью, неокисляемых и не составляющих гальванических пар. Но копроэкономика как всегда побеждает, поэтому применяется в лучшем случае сталь. Поэтому очень рекомендую как можно тщательнее очищать (даже иногда "нулёвой" наждачной бумагой) эти контакты - это одно из самых ненадёжных мест в такой системе. Также могут быть утечки с "антенны", обламывание "круговой мешалки" и т.д., но это уже редкость и экзотика.

Плюсы и минусы.
В плюсах контроль большого объёма бункера.
В минусах - всё остальное.

Как проверить.
А никак. То есть, конечно, можно подключить осциллограф и посмотреть амплитуду и форму сигнала на входе компаратора. Но практического смысла в этом деянии нет никакого - амплитуда и форма меняются быстро и хаотично. Поэтому лучше всего проверять устанавливая заведомо рабочий картридж (или блок проявления), а проще всего проверять, подключая эмулятор.

Как эмулировать.
Ну, раз система конденсаторная, то и эмулировать нужно конденсатором, подключая его между оболочкой магнитного вала и "антенной".

Входные сопротивления компараторов в разных аппаратах разные, поэтому сказать точно, какую ёмкость нужно применить, нереально. Обычно достаточно единиц нанофарад, иногда десятков. И ещё очень рекомендую не забывать, на какое напряжение нужно применять конденсатор, а для этого рекомендую вспомнить максимальный размах переменной составляющей на магнитном вале: около двух киловольт. При меньшем рабочем напряжении эмулирующий конденсатор может запросто пробиться, хотя это и не приведёт к каким-либо страшным последствиям: всё-таки ограничитель уровня на входе компаратора присутствует, а уровень на выходе компаратора будет в допустимом диапазоне. Большинство способов эмуляции, о которых я читал, как раз и приводят к такой ситуации. Вместо конденсатора можно использовать и резистор - получается дешевле, и размеры "эмулятора" уменьшатся.

Как отключать с сохранением работоспособности аппарата.
Проще всего - эмулятором. Но сначала надо разобраться, в каких случаях можно отключать систему контроля, а в каких не рекомендуется. Если мы имеем дело с картриджем "всё в одном", то можно смело отключать - ничего неприятного не будет. Но если мы говорим о блоках проявления с отдельными тубами с тонером и с отдельной системой подпитки тонером, то... Отключение системы контроля приведёт и к отключению системы подпитки, а это приведёт к тому, что очень скоро аппарат начнёт выводить белый лист. Так что если вы или клиент не очень хотите периодически "напитывать" тонер вручную, то в таких аппаратах отключать контроль тонера ни в коем случае не нужно. Проще и спокойнее будет отремонтировать. Или всё-таки набраться мужества, задушить земноводное и заменить тонер, если "вдруг" попался неподходящий.

Думаю, что на этом можно и закончить этот краткий обзор.

Вопросы, пожелания и дополнения, как всегда, буду рад прочитать на .

С уважением ко всем прочитавшим сей опус до конца,
Александр aka ASSP