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Beim elektrophotographischen Verfahren (vgl. z. B. USA-Patentschrift Nr. 2, 297, 691) wird eine aus einer leitfähigen Unterlage und einer darauf aufgebrachten photoleitfähigen Isolierstoffschicht bestehende Bildplatte gleichmässig aufgeladen und dann mit einem Lichtbild eines zu reproduzierenden Originalbildes belichtet. Die photoleitfähige Schicht wird durch die Belichtung örtlich leitfähig, so dass die elektrostatische Ladung selektiv abgeleitet wird und ein latentes elektrostatisches Bild entsteht. Die Entwicklung des latenten Bildes wird im allgemeinen durch elektrostatische Anziehung eines pigmentierten Kunstharzes erreicht.
Die jeweils vorhandene
Ladung bestimmt die abgelagerte Menge Kunstharz, weshalb Bildflächenteile mit geringer Ladungskonzentration eine geringe Tonerdichte erhalten, während Bildflächenteile grösserer Ladungskonzentration entsprechend dichter getönt werden. Eine permanente Kopie des Originalbildes wird durch übertragung des entwickelten elektrostatischen Bildes auf einen Bildträger und Fixierung auf diesem erhalten.
Die zum Entwickeln latenter elektrostatischer Bilder bestimmten pigmentierten Kunstharze werden "Toner" bezeichnet. Der Toner wird den Bildflächen unter Verwendung eines gröberkörnigen Trägerstoffes zugeführt, der auf der Teilchenoberfläche eine bestimmte Menge Toner trägt. Die beiden Komponenten Toner und Trägerstoff sind derart ausgewählt, dass sie bei Reibungsberührung durch reibungselektrische Anziehung aufeinander wirken. Dieser Zweikomponentenstoff wird in der elektrophotographischen Technik als
Entwicklerstoff bezeichnet.
Die meisten bekannten Entwicklungsgeräte arbeiten entweder zu langsam oder sind zu kompliziert, um für die Verwendung in automatischen elektrophotographischen Kopiermaschinen geeignet zu sein. Die
Kaskadierungsentwicklung, die in den USA-Patentschriften Nr. 2, 573, 881 und Nr. 2, 990, 278 beschrieben ist, wurde wegen ihrer vielen Vorteile eines der am meisten verwendeten Entwicklungsverfahrens für latente elektrostatische Bilder. Bei diesem Verfahren wird ein Zweikomponentenentwickler beispielsweise mit Förderbechern an eine Stelle oberhalb einer mit einem Bild versehenen elektrophotographischen Bildplatte gebracht und dann über die Plattenoberfläche geschüttet oder kaskadiert. Durch die kombinierte mechanische und elektrostatische Kraftwirkung wird der Toner von den Trägerteilchen abgetrennt und von den Bildflächenteilen auf der photoleitfähigen Platte angezogen.
Die Kaskadierungsvorrichtung benötigt jedoch viel Raum. Insbesondere das Erfordernis umfangreicher Fördervorrichtungen trägt wesentlich zur Grösse der damit ausgestatteten elektrophotographischen Reproduktionsmaschinen bei. Durch die relativ starke Kaskadierungswirkung entstehen unerwünschte Pulverwolken, wodurch unerwünschte Tonerablagerungen in den Bildhintergrundflächen bewirkt werden. Ferner verursacht das Aufprallen des Entwicklerstoffes auf der Plattenoberfläche Abnutzungen, wodurch sich relativ viele Plattenfehler ergeben. Eine grosse Zahl von Entwicklerfehlern kann auf das Brechen von Trägerteilchen bei der Kaskadierung zurückgeführt werden.
Um einige der bisher aufgetretenen Nachteile insbesondere der Kaskadierungsentwicklung zu vermeiden, wurde bereits ein Verfahren zum Entwickeln latenter elektrostatischer Bilder vorgeschlagen, bei dem eine sich bewegende photoleitfähige Platte mit einer Entwicklerstoffmenge, die sich in einem Gehäuse befindet, in Reibungsberührung gebracht wird. Grundsätzlich wird dabei durch die auftretende Reibung eine aufwärts gerichtete Entwicklerstoffströmung an der Grenzfläche zwischen Bildplatte und Entwicklerstoff erzeugt. Diese reicht aus, um den Entwicklerstoff ungefähr mit der Geschwindigkeit der Bildplatte in Berührung mit dieser mitzunehmen. Man nimmt an, dass der Entwicklungsvorgang während dieses Zeitraumes auf Grund von Vorgängen stattfindet, wie sie in den vorstehend genannten Patentschriften beschrieben sind.
Bei Ablösung von der Bildplatte kehrt der Entwicklerstoff seine Richtung zur Rückseite des Entwicklungsgehäuses um, wo er vor seinem erneuten Eintritt in die Entwicklungszone aufgefrischt wird. Dieses Strömungskontaktverfahren ist in der franz. Patentschrift Nr. 1. 511. 809 beschrieben, und hat noch den Mantel, dass nur ein relativ geringer Volumenanteil des Entwicklerstoffes während jedes Entwicklungszyklus durch das System bewegt wird. Die Eingabe neuen Toners in das Entwicklungsgehäuse stellt gleichfalls Probleme, die in erster Linie auf der geringen Strömungsgeschwindigkeit beruhen. Es zeigte sich, dass der grösste Teil des in das Entwicklungsgehäuse eingegebenen neuen Toners in Leerräumen stagniert und niemals in die Entwicklungsströmung gelangt. Dies wird auf die geringe Durchmischung des langsam sich bewegenden Entwicklerstoffes zurückgeführt.
Die Aufgab der Erfindung besteht deshalb darin, ein Entwicklungsgerät der zuletzt beschriebenen Art, bei dem also die das latente elektrostatische Bild tragende Bildfläche in einer aufwärts gerichteten Bewegung mit einem in einem Entwicklungsgehäuse befindlichen Entwicklerstoff derart in Reibungsberührung gebracht wird, dass dieser mit der Bildfläche durch eine aktive Entwicklungszone bewegt wird, derart zu verbessern, dass die Strömung des Entwicklerstoffes im Entwicklungsgehäuse verstärkt und gleichzeitig der Entwicklerstoff besser durchgemischt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass im Entwicklungsgehäuse eine an Erdpotential liegende Vorrichtung zum Durchmischen des Entwicklerstoffes im Entwicklungsgehäuse vor Berührung der Bildfläche angeordnet wird.
Die Vorrichtung zum Durchmischen ist vorzugsweise drehbar und in einem die Mitbewegung des Entwicklerstoffes mit der Bildfläche unterstützenden Drehsinn antreibbar. Ferner empfiehlt es sich, dem Entwicklungsgehäuse im Einzugsbereich der Vorrichtung zum Durchmischen des Entwicklerstoffes eine Eingabevorrichtung zur kontinuierlichen Zuführung neuen Entwicklerstoffes zuzuordnen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer erläutert.
Fig. l ist eine perspektivische Darstellung eines an einer elektrophotographischen Trommel angeordneten erfindungsgemässen Gerätes, Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer vorzugsweisen Ausführungsform eines
Gerätes zur erfindungsgemässen Entwicklung, das für eine automatische elektrophotographische Kopiermaschine geeignet ist, Fig. 3 ist der Schnitt 3-3 in Fig. 2 und Fig. 4 die Darstellung eines grundsätzlichen
Strömungskontaktverfahrens gemäss bisheriger Technik.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden eine kurze Erläuterung der
Strömungskontaktentwicklung gegeben. Bei der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung ist eine Bildtrommel-10-- um ihre Achse --11-- derart drehbar gelagert, dass sie sich in der dargestellten Pfeilrichtung durch ein gebogenes Entwicklungsgehäuse --12-- bewegt. Dieses Gehäuse enthält so viel Entwicklerstoff --15--, dass die Trommeloberfläche dauernd mit ihm in Berührung ist und eine geschlossene Strömung im Gehäuse erzeugt wird. Diese ist in ihrem Verlauf durch Pfeile dargestellt. Eine dünne Schicht des Entwicklerstoffes bewegt sich mit der Trommeloberfläche in Aufwärtsrichtung mit ungefährer Trommelumfangsgeschwindigkeit.
Der gesamte
Rest des Entwicklerstoffes (die Rückseite des Systems) bewegt sich mehr oder weniger als eine Einheit abwärts und füllt den durch den aufwärts bewegten Entwicklerstoff erzeugten leeren Raum.
Der durch die aufwärts gerichtete Entwicklerströmung durchlaufene Weg des Entwicklers in Berührung mit der Trommeloberfläche bildet die aktive Entwicklungszone. Theoretisch wird richtig geladener und getönter
Entwicklerstoff am Anfang der Entwicklungszone aus dem Entwicklerstoffvorrat an der Rückseite der
Entwicklungsvorrichtung geliefert. Der in die aktive Entwicklungszone eintretende Entwicklerstoff wird mit der
Trommeloberfläche bewegt und bewirkt die Entwicklung eines auf ihr befindlichen latenten elektrostatischen
Bildes nach den klassischen elektrophotographischen Entwicklungsvorgängen. Der Entwicklerstoff bewegt sich weiter in Berührung mit der Trommeloberfläche, bis die ihn an der Trommel haltenden Reibungskräfte, beispielsweise durch die Bewegung der Trommel, aus dem Bereich der Entwicklerströmung überwunden werden.
Der die aktive Entwicklungszone verlassende Entwicklerstoff kehrt seine Richtung zur Rückseite der Entwicklungsvorrichtung um und füllt den durch den aufwärts bewegten Entwicklerstoff erzeugten leeren Raum.
Die die Entwicklungszone verlassenden Trägerteilchen haben ihren Toner bei der Entwicklung abgegeben und müssen daher an der Rückseite der Entwicklungsvorrichtung aufgefrischt werden, bevor sie wieder in die aktive Entwicklungszone eingeführt werden können.
Es zeigte sich, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Strömungskontaktentwicklung nicht durch die Bewegung der Grenzschicht zwischen Trommel und Entwicklerstoff, sondern durch die zur Rückführung des aufgefrischten Entwicklerstoffes in die aktive Entwicklungszone erforderliche Zeit begrenzt ist. Da es sich um eine geschlossene Strömung handelt, muss die Volumengeschwindigkeit der Strömung durch die aktive Entwicklungszone gleich der Geschwindigkeit auf der Rückseite des Systems sein. Tatsächlich wurde gefunden, dass durch einen praktisch unendlich grossen Entwicklerstoffvorrat am Anfang der aktiven Entwicklungszone eine Strömungsgeschwindigkeit erzeugt werden kann, die zirka achtmal grösser ist als die bei der grundlegenden Vorrichtung mit C-förmigem Gehäuse mögliche.
Aus den vorstehenden Erläuterungen geht hervor, dass die Rückseite des Entwicklungssystems einen möglichst steilen Rückflussweg ermöglichen soll, um eine schnellere Strömungsgeschwindigkeit zu erzeugen. Bei einem Strömungskontaktverfahren wird jedoch der Verlauf des Rückführungsweges für den Entwicklerstoff durch dessen Böschungswinkel für den ruhenden Stoff eingeschränkt. Hiebei handelt es sich um den maximalen Winkel mit der Horizontalen, bei dem eine Menge loser Stoffteilchen ihre natürliche Lage beibehält und gerade noch kein Gleiten auftritt. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, bewirkt dieser Böschungswinkel des Entwicklerstoffes in dem gebogenen Gehäuse --12-- eine Freihaltung der Trommeloberfläche vom Entwicklerstoff innerhalb eines beachtlichen Bereiches, wenn sich die Trommel durch das Gehäuse dreht.
Bei den meisten kommerziell erhältlichen teilchenförmigen Entwicklerstoffen geschieht die Berührung mit der Bildtrommel unter einem Winkel von zirka 450 gegenüber der Vertikalen. Der Böschungswinkel des Entwicklerstoffes schränkt daher die Länge der aktiven Entwicklungszone stark ein und begrenzt die Rückführungsgeometrie einer Entwicklungsvorrichtung.
Es sei jedoch bemerkt, dass das Strömungskontaktverfahren trotzdem einen sehr hohen Wirkungsgrad hat.
Bei einer volumetrischen Entwicklerströmungsgeschwindigkeit, die um den Faktor 200 bis 400 kleiner ist als die in vergleichbaren Kaskadierungsvorrichtungen angewendeten Werte, können mit dem Strömungskontaktverfahren unter wirksamer Ausnutzung des jeweils erhältlichen Entwicklerstoffes gute Kopien hergestellt werden. Der hohe Wirkungsgrad zeigt sich daran, dass die Trägerteilchen bei ihrem Austritt aus der aktiven Entwicklungszone fast ihren gesamten Toner abgegeben haben.
Das erfindungsgemässe Gerät zur Verbesserung der elektrophotographischen Bildentwicklung ist in den Fig. l, 2 und 3 dargestellt. Es ist für jede Art automatischer elektrophotographischer Reproduktionsmaschinen geeignet, im Ausführungsbeispiel jedoch in Verwendung bei einer elektrophotographischen Bildtrommel dargestellt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Trommel --10-- auf der Achse--11--in dem nicht dargestellten Rahmen einer elektrophotographischen Reproduktionsmaschine drehbar gelagert. Die wichtigsten elektrophotographischen Verfahrensstellen sind am Trommelumfang derart angeordnet, dass sie bei Trommeldrehung in geeigneter Reihenfolge auf die Trommeloberfläche einwirken können.
Die verschiedenen
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elektrophotographischen Verfahrensstationen werden im folgenden kurz beschrieben : An der Ladestelle-A-wird eine gleichmässige elektrostatische Ladung auf die photoleitfähige Trommeloberfläche aufgebracht. An der Belichtungsstelle-B-wird ein Licht- oder Strahlungsbild des zu reproduzierenden Bildes auf die elektrophotographische Trommel projiziert, um deren Ladung in den belichteten Flächenteilen abzuleiten und ein latentes elektrostatisches Abbild des zu reproduzierenden Bildes zu erzeugen.
An der Entwicklungsstelle --C-- wird ein elektrophotographischer Entwicklerstoff, der Tonerteilchen mit einer elektrostatischen Ladung entgegengesetzt derjenigen des latenten Bildes enthält, mit der sich bewegenden Trommeloberfläche in Berührung gebracht, wodurch die Tonerteilchen an dem elektrostatischen latenten Bild anhaften und dieses entwickeln. An der Bildübertragungsstelle--D--wird das entwickelte elektrostatische Bild von der Trommeloberfläche auf einen Bildträger übertragen und an der Trommelreinigungs-und Entladungsstelle-E-wird die Trommeloberfläche zur Entfernung restlicher Tonerteilchen nach der Bildübertragung abgebürstet und mit einer relativ starken Lichtquelle ausgeleuchtet, um eine praktisch vollständige Ableitung jeglicher elektrostatischer Restladungen zu bewirken.
Das erfindungsgemässe Entwicklungsgerät befindet sich in einem Gehäuse-20--, dessen Rückführungsteil zur Rückführung des aus der aktiven Entwicklungszone austretenden Entwicklerstoffes - extrem steil verläuft. Im unteren Teil des Entwicklungsgehäuses ist ein Schaufelmischer-21-- angeordnet. Es sei bemerkt, dass das Flügelrad -31- dieses Mischers nicht nur die Funktion einer den Entwicklerstoff bewegenden Pumpe hat, sondern auch eine Mischwirkung zur schnellen und wirksamen Vermischung und Elektrifizierung durch Reibung ausübt.
Der obere Teil des Gehäuses-20-ist mit einer Öffnung versehen, die zur Aufnahme eines Teiles der sich drehenden Trommeloberfläche --10-- dient. Das Gehäuse verläuft mit dieser öffnung zumindest über die
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von Entwicklerstoff zwischen beiden Teilen verhindern. Beim Betrieb befindet sich eine derartige Menge Entwicklerstoff im Gehäuse--20--, dass die rotierende Trommel in Bewegungsberührung mit dem Entwicklerstoff gerät. Der Bereich nahe der Trommeloberfläche, in dem der Entwicklerstoff diese berührt, bildet die aktive Entwicklungszone.
Der Schaufelmischer--21--hat ein Flügelrad--31--, dessen Flügel zumindest über die gesamte Länge der Trommeloberfläche verlaufen. Die Mischerachse -30-- ist im unteren Teil des Gehäuses --20-- in Lagerungen --32-- der Endplatten --25 und 26-drehbar gelagert und wird mit einem Zahnrad-35angetrieben, welches auf dem herausgeführten Teil der Achse --30-- befestigt ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird der Mischer im Uhrzeigersinn beispielsweise mit einem Motor --36- angetrieben, der auf das Zahnrad --35-- einwirkt.
Beim Betrieb des Entwicklungsgerätes wird der mit Toner überzogene Trägerstoff in den Anfang der aktiven Entwicklungszone ungefähr an der Stelle--M--eingeführt und mit der photoleitfähigen Oberfläche der rotierenden Trommel in der dargestellten Richtung weiterbewegt. Der mit der Trommel in Berührung gebrachte Entwicklerstoff entwickelt das elektrostatische latente Bild nach den klassischen Entwicklungsvorgängen, wie sie in den schon genannten Patentschriften beschrieben sind. Dies bedeutet, dass das latente elektrostatische Bild mit seiner gegenüber dem Trägerstoff grösseren Anziehungskraft den Toner vom Trägerstoff abtrennt und auf die Trommeloberfläche in bildmässiger Verteilung anzieht.
Der Entwicklerstoff bewegt sich in Reibungsberührung mit der Trommeloberfläche, bis die Entwicklerstoffströmung in ihrer Richtung umgekehrt wird und die Rückführung des Entwicklerstoffes in den unteren Teil des Gehäuses erfolgt. Dieser Ablösungspunkt ist in Fig. 2 mit--N--bezeichnet. Der vom Toner entblösste Trägerstoff fällt in den auf der Rückseite des Gerätes durch die kontinuierliche Zuführung neuen Entwicklerstoffes in die Entwicklungszone gebildeten leeren Raum.
Die Hinterplatte-37-des Gehäuses-20--ist in einem sehr geringen Winkel gegenüber der Vertikalen montiert, so dass eine relativ steile Rückführungsbewegung für den Entwicklerstoff von der Stelle - aus erfolgt. Wie bereits bemerkt, hängt jedoch die Entwicklerstoffströmung durch ein C-förmiges Gehäuse nicht allein von der Abmessung des Gehäuses ab. Ein relativ flaches Strömungsbild, wie es in Fig. 4
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dem Bodenteil des Gehäuses-20-zum Eintritt der aktiven Entwicklungszone an der Stelle-M-. Die Pumpwirkung des Mischers entnimmt Entwicklerstoff auch im unteren Bereich der Hinterplatte--37--, so dass ein leerer Raum gebildet wird, der schnell wegen der steilen Strömungsführung der Vorrichtung wieder gefüllt wird.
Die die aktive Entwicklungszone verlassenden entblössten Trägerteilchen werden daher auf einen steilen Strömungsweg gezwungen, so dass das normalerweise flachere Strömungsbild des C-förmigen Gehäuses sich nicht mehr ausbilden kann. Dadurch ergibt sich auch eine grössere Strömungsgeschwindigkeit.
Die aktive Entwicklungszone eines Strömungskontaktverfahrens soll eine ausreichende Abgabe des Toners bei der Bildentwicklung ermöglichen und daher von ausreichender Länge sein. Bei einem Strömungskontaktverfahren der vorstehend beschriebenen Art bestimmt die Länge der aktiven Entwicklungszone
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die Berührungszeit zwischen Entwicklerstoff und latentem Bild. Wie bereits beschrieben, ist die
Strömungskontaktentwicklung ein sehr wirksames Verfahren, bei dem ein grosser Toneranteil vom Trägerstoff auf das latente elektrostatische Bild abgegeben wird, so dass die Trägerteilchen praktisch entblösst sind. Ein derartiges
Trägerteilchen zeigt innerhalb der aktiven Entwicklungszone eine "Reinigungswirkung", da es seine
Spenderwirkung aufgibt und nun durch seine Bewegung den Toner von den entwickelten elektrophotographischen Bildern wieder entfernt.
Es ist daher günstig, bei einem Strömungskontaktverfahren die Länge der aktiven Entwicklungszone entsprechend einer Ausschaltung derartiger Wirkungen ausreichend gross zu machen.
Im Tonereingabekasten-40-ist eine Rolle-42-in Lagerungen-43-in den Endplatten-25 und 26-drehbar gelagert. Sie hat eine glatte Oberfläche und besteht aus korrosionsbeständigem Stahl. Sie wird im Tonereingabekasten so schnell gedreht, dass der fein verteilte Toner mechanisch in das Entwicklungsgehäuse --20-- bewegt wird. Die Rolle --42-- ist an der Öffnung --41-- derart angeordnet, dass der Toner durch die Öffnung hindurchtreten kann, der grössere Trägerstoff jedoch nicht in den Tonerkasten hinein gelangen kann.
Wahlweise kann ein feinmaschiges Gitter --44-- vorgesehen sein, das an der Öffnung --41-- auf der Seite des Entwicklungsgehäuses angeordnet ist und einen Durchtritt des Toners in die Hauptströmung des Entwicklerstoffes ermöglicht, jedoch ein Hindurchtreten des Trägerstoffes zur rotierenden Rolle-42verhindert.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ragt die Achse der Rolle --42-- aus dem Entwicklungsgehäuse heraus und ist mit einem Zahnrad--38--versehen. Dieses greift wieder in das Antriebszahnrad des Schaufelmischers ein. Das Übersetzungsverhältnis zwischen beiden ist derart, dass die Rolle-42-so schnell gedreht wird, dass die Tonereingabe der Strömungsgeschwindigkeit, die mit dem Mischer--21--erzeugt wird, entspricht. Eine Erhöhung der Drehzahl des Mischers bewirkt eine Eingabe von mehr Toner in die Strömung, so dass auf diese Weise eine Regulierung der Entwicklungsstärke möglich ist.
Die um die Trägerteilchen herum erzeugte Raumladung wird beim erfindungsgemässen Gerät völlig vermieden, indem der Mischer an Erdpotential liegt. Um den Entwicklerstoff in die aktive Entwicklungszone zu befördern, muss der Mischer--21--auf ihn einwirken. Es zeigte sich, dass der geerdete Mischer jegliche Raumladungen, die sich bei der Rückführung gebildet haben können, beseitigt, so dass nur richtig geladener Entwicklerstoffe den Anfang der aktiven Entwicklungszone erreicht.
Das erfindungsgemässe Entwicklungsgerät ist nicht nur wegen seines hohen Wirkungsgrades, sondern auch wegen seines schnellen Ansprechens bei Einschaltung zur Verwendung in automatischen elektrophotographischen Kopiermaschinen geeignet. Der beschriebene Mischer erreicht seinen optimalen Betriebszustand bei richtiger Beschickung mit Entwicklerstoff in wenigen Sekunden. Dadurch ist die Möglichkeit einer Verwendung des erfmdungsgemässen Gerätes in schnell arbeitenden automatischen elektrophotographischen Kopiermaschinen gegeben.
Die Erfindung wurde an Hand einer Ausführungsform beschrieben, ist jedoch auf diese nicht beschränkt.
Alle im Rahmen der folgenden Ansprüche möglichen Verbesserungen und andern Ausführungsformen werden durch den Grundgedanken der Erfindung gleichfalls umfass.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Gerät zum Entwickeln eines latenten elektrostatischen Bildes auf einer beweglichen Bildfläche, bei welcher die Bildfläche in einer aufwärts gerichteten Bewegung mit einem in einem Entwicklungsgehäuse befindlichen Entwicklerstoff derart in Reibungsberührung gebracht wird, dass dieser mit der Bildfläche durch eine
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eine an Erdpotential liegende Vorrichtung (21) zum Durchmischen des Entwicklerstoffes im Entwicklungsgehäuse (20) vor Berührung der Bildfläche (10) angeordnet ist.
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