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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entwicklung eines Tonerbildes
auf einem Fotoleiter, bei dem Toner auf den ein Ladungsbild aufweisenden Fotoleiter
mittels eines zwischen dem Fotoleiter und einer Entwicklungselektrode
angelegten elektrischen Feldes unter Verwendung eines, vorzugsweise
pulverförmigen
Gemisches (Entwickler) aus Tonerpartikeln und Trägerpartikeln, übertragen
wird.
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Des
weiteren betrifft die Erfindung ein Gemisch bzw. einen Entwickler,
vorzugsweise ein pulverförmiges
Gemisch, aus Tonerpartikeln und Trägerpartikeln, vorzugsweise
zur Verwendung für
ein vorgenanntes Verfahren.
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Insbesondere
innerhalb von elektrofotografischen Druckmaschinen wird auf wenigstens
einem Fotoleiter ein latentes elektrostatisches Druckbild erzeugt,
das anschließend
mit Toner entwickelt wird, indem Toner, der zu dem Ladungsbild auf
dem Fotoleiter gegennamig geladen ist, auf diesen Fotoleiter übertragen
wird bzw. das Ladungsbild auf dem Fotoleiter quasi mit Toner mehr
oder weniger besetzt oder belegt wird. Auf diese Weise wird das
latente Druckbild auf dem Fotoleiter sichtbar und druckbar gemacht.
Wenn der Toner das Ladungsbild des Fotoleiters in einem solchen
Maße besetzt
oder belegt, dass die Ladung des geladenen Toners die Ladung des Ladungsbildes
auf dem Fotoleiter neutralisiert, spricht man von einer Toning-Effizienz
von 100%. Eine solche vollständige
Entwicklung des Ladungsbildes wird allerdings in der Praxis meist
nicht einmal annähernd
erreicht. Tatsächlich
wird die Toning-Effizienz normalerweise eher in der Größenordnung
von etwa 30% bis 40% liegen.
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Für die Übertragung
wird zwischen dem Fotoleiter und einer Entwicklungselektrode ein
elektrisches Gleichspannungsfeld angelegt, das so gerichtet ist,
dass der Fotoleiter die entgegengesetzte oder gegennamige Ladung
der Tonerpartikel hat. Dabei kann die Entwicklungselektrode das
für die
Entwicklung bereitzustellende Entwicklermaterial zunächst tragen,
und es werden dann für
die Entwick lung des Druckbildes aus diesem Entwicklermaterial Tonerpartikel
auf den Fotoleiter übergeben.
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Als
Trägermaterial
für die
Tonerpartikel im Entwicklermaterial werden üblicherweise Trägerpartikel
mit den Tonerpartikeln vermischt. Diese Trägerpartikel sind zumeist elektrisch
isolierend, aber magnetisiert und dienen dem Toner als Ladungspartner (tribocharging)
und als Transportmedium. Die Trägerpartikel
werden durch magnetische Felder bzw. Feldeinflüsse des elektrischen Feldes
geführt
und sollen nicht auf den Fotoleiter gelangen und dort verbleiben, sondern
im Entwicklungsbereich gehalten werden. Im Einzelfall können allerdings
auch Trägerpartikel auf
den Fotoleiter gelangen und sich an der Entwicklung des Ladungsbildes
beteiligen. Dann spricht man von einem unerwünschten Effekt, der englisch
developer pick-up oder auch carrier take-out genannt wird, im weiteren
hier kurz als DPU bezeichnet. Isolierende Trägerpartikel werden dabei auf „weiße" Flächen gezogen,
die also eigentlich unbedruckt bleiben sollen.
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Bei
der Durchmischung laden sich nämlich die
Tonerpartikel und die Trägerpartikel
gegennamig auf. Das angelegte elektrische Gleichspannungsfeld wirkt
auf die Tonerpartikel anziehend in Richtung auf den Fotoleiter und überwindet
dabei die relativ geringere Anziehungskraft der Trägerpartikel
auf die Tonerpartikel, welche die Tonerpartikel zunächst im Entwicklermaterialgemisch
hält. Die
Trägerpartikel werden
dagegen im Bereich der Entwicklungselektrode gehalten.
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Das
Toner tragende, entwickelte Ladungsbild wird nach der Entwicklung
weiter transportiert, und das Tonerbild wird schließlich auf
einen Bedruckstoff als Druckbild übertragen und auf dem Bedruckstoff
durch Hitzeeinwirkung fixiert. Elektrofotografisch arbeitende Farbdruckmaschinen
verfügen über mehrere
Druckwerke mit Bildentwicklungsstationen, die Farbauszüge des zu
erzielenden Druckbildes jeweils in einer der Druckfarben aus entsprechend
farbigem Toner entwickeln. Insbesondere sind Toner in den Druckfarben
Zyan, Magenta, Gelb und Schwarz üblich.
Dabei können
jeweils einzeln für
die jeweilige Druckfarbe Tonerbilder auf separaten Fotoleitern pro Druckwerk
entwickelt und auf den Bedruckstoff übertragen werden, es können aber
auch die Tonerbilder der jeweili gen Druckfarben nacheinander auf
denselben Fotoleiter übertragen
werden, der dann das gesamte Farbbild schließlich insgesamt auf den Bedruckstoff überträgt, nachdem
er alle Farbauszugsbilder aufgesammelt hat.
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Ein
Entwicklergemisch der eingangs genannten Gattung ist zum Beispiel
aus der
EP 0 519 396
A1 entnehmbar, wobei dort allerdings ein spezielles Augenmerk
auf eine besonders kleine Partikelgröße der Träger- und der Tonerpartikel
gerichtet wird, um eine hohe Auflösung des Tonerbildes zu erreichen.
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Der
Erfindung liegt demgegenüber
die Aufgabe zugrunde, die weiter oben angesprochene Toning-Effizienz
zu erhöhen,
insbesondere unter Beibehaltung anderer Steuergrößen des Entwicklungsprozesses
und vorzugsweise ohne das ebenfalls weiter oben angesprochene DPU
auf ein unakzeptables Maß zu
erhöhen.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung kann auch darin gesehen werden, die
anderen Steuergrößen des
Entwicklungsprozesses zu optimieren und dennoch die Toning-Effizienz
nicht zu beeinträchtigen, sondern
unverändert
(hoch) zu halten, ebenfalls vorzugsweise ohne das DPU auf ein unakzeptables
Maß zu
erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Menge der Trägerpartikel
ihrerseits als ein Gemisch aus elektrisch leitenden und elektrisch
nicht leitenden oder isolierenden Trägerpartikeln vorliegt.
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Es
wurde insbesondere festgestellt, dass bei stufenloser Erhöhung der
Leitfähigkeit
des Trägers durch
wachsende Beimischung leitfähiger
Trägerpartikel
die Toning-Effizienz im wesentlichen etwa linear mit der solcherart
vorgenommenen Veränderung
des Mischungsverhältnisses
zwischen leitfähigen
und nicht leitfähigen
Tonerpartikeln ansteigt. Andererseits steigt aber durch einen höheren Anteil
an leitfähigen Trägerpartikeln
auch die unerwünschte
DPU an und kann ein unakzeptables Maß übersteigen. Leitfähige Trägerpartikel,
die zum Beispiel durch Influenzladungen teilweise neutralisiert
worden sind oder umgeladen worden sind, können nämlich im Wege eines DPU mit
Toner auf die „schwarzen" zu bedruckenden Flächen gelangen.
Es muss somit wiederum die Leitfähigkeit
des Trägermaterials
so gering eingestellt werden, dass eventuelle Nachteile in einem
akzeptablen Rahmen bleiben. Durch den erfindungsgemäßen Ansatz
ist aber eine solche Optimierung mit Vorteil sehr genau möglich.
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Damit
ist es insbesondere möglich,
den Entwicklungsvorgang erheblich zu beschleunigen und somit vorzugsweise
schnellere elektrofotografisch arbeitende Druckmaschinen oder Kopierer
bereitzustellen.
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Die
leitfähigen
und die nicht leitfähigen
Trägerpartikel
sollten sich in ihrem spezifischen elektrischen Widerstand deutlich
voneinander unterscheiden. Bevorzugt ist nach einer Weiterentwicklung
der Erfindung vorgesehen, dass die elektrisch nicht leitenden Trägerpartikel
einen spezifischen elektrischen Widerstand in der Größenordnung
von etwa 109 Ω cm (Ohm Zentimeter) bis etwa
102 Ω cm
aufweisen und/oder dass die elektrisch leitenden Trägerpartikel
einen spezifischen elektrischen Widerstand in der Größenordnung
von etwa 104 Ω cm bis etwa 106 Ω cm, vorzugsweise
von etwa 105 Ω cm, aufweisen.
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Beide
Trägerpartikel
können
dabei jeweils wenigstens ein Ferrit enthalten oder aus wenigstens einem
Ferrit bestehen, wobei allgemeine Hinweise auf die grundsätzliche
Zusammensetzung und Herstellung von Trägerpartikeln auch aus der bereits weiter
oben zitierten
EP 0
519 396 A1 entnehmbar sind.
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Leitfähige Trägerpartikel
haben unter anderem den Effekt, dass im elektrischen Feld Ladung über eine
Ansammlung (Cluster) von leitfähigen
Trägerpartikeln
verschoben werden kann. In der Umgebung eines „schwarzen", zu druckenden Bereichs des latenten
Ladungsbildes auf dem Fotoleiter wirkt die Kraft des elektrischen
Feldes auf ein Tonerteilchen in Richtung zum Fotoleiter hin. Sei
der Toner zum Beispiel positiv geladen, so fließen die negativen Ladungen
aus den dem Fotoleiter zugewandten Trägerteilchen ab, so dass diese
Trägerteilchen
sogar ebenfalls positiv werden könnten.
Damit sinkt die Anziehungskraft zwischen diesen Trägerteilchen
und den dann gleichnamigen Tonerteilchen ab und es kann sich sogar
eine Abstoßungskraft
ergeben, welche die Toning-Effizienz zusätzlich erhöht, jedoch werden diese umgepolten
Trägerteilchen
möglicherweise genauso
in Richtung Fotoleiter gezogen wie die Tonerteilchen, so dass sich
dadurch auch der DPU in den entwickelten Bereichen erhöht, wenn
die magnetische Rückhaltekraft
der Trägerteilchen
dadurch überwunden
wird. Durch die erfindungsgemäße Mischung
aus leitenden und nicht leitenden Trägerteilchen wird allerdings
mit Vorteil die Clusterbildung lokal sehr eingeschränkt und
begrenzt und es ist nach einer Weiterbildung vorgesehen, dass der Anteil
der elektrisch leitenden Trägerpartikel
im Gemisch im Hinblick auf eine Clusterbildung dieser elektrisch
leitenden Trägerpartikel
minimiert wird.
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Es
hat sich nämlich
gezeigt, dass die Extremwerte der Trägerladung, die sich an den
Enden derartiger Cluster ausbilden von dessen räumlicher Ausdehnung abhängen und
weniger vom feldfreien Zustand abweichen. Die statistische Verteilung
der Länge
der zusammenhängenden,
leitfähigen
Bereiche von leitfähigen
Trägerpartikeln
hängt dabei
von der Konzentration der leitfähigen
Trägerpartikel
im Trägerpartikelgemisch
ganz entscheidend ab.
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Insbesondere
kann erfindungsgemäß die Leitfähigkeit
auf ein so geringes Maß eingestellt
werden, dass eine Ladungsverschiebung in der Zeit, in der sich der
Entwickler im elektrischen Feld in der Entwicklungszone befindet,
nur unvollständig
stattfindet.
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Zum
anderen sind jedoch gewisse zusammenhängende Bereiche von leitfähigen Trägerpartikel
durchaus erwünscht,
zum Beispiel könnten
im wesentlichen etwa kettenförmige
Leitfähigkeitspfade aus
leitfähigen
Trägerpartikeln
wünschenswert
sein. Berühren
nämlich
derartige durchgängige
Pfade die Entwicklungselektrode, kann über diese Pfade das Potential
der Entwicklungselektrode bis an die Entwickleroberfläche gebracht
werden, wodurch das elektrische Feld zwischen der Entwickleroberfläche, also
der Oberfläche
aus der Tonerpartikel austreten sollen, und dem Fotoleiter besonders
groß wird. Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass der
Anteil der elektrisch leitenden Trägerpartikel im Gemisch das
Perkolationsminimum bzw. das Perkolationslimit oder die Perkolationsschwelle
für diese
elektrisch leitenden Trägerpartikel übersteigend
gewählt wird,
so dass zumindest eine Ausbildung der genannten durchgängigen Pfade
im Rahmen einer gewissen (Perkolations-) Wahrscheinlichkeit liegt.
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Bevorzugt
sieht das erfindungsgemäße Verfahren
zur Optimierung der genannten und einander zum Teil widerstreitenden
Aspekte vor, dass der Anteil der elektrisch leitenden Trägerpartikel
im Trägerpartikel-Gemisch
etwa 30% beträgt,
wobei es nicht so sehr darauf ankommt, ob es sich um Gewichtsprozent,
Volumenprozent oder Prozentanzahl handelt.
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Eine
andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass einer elektrischen
Grundspannung zur Erzeugung des elektrischen Feldes eine Wechselspannung überlagert
wird.
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Durch
das zusätzliche
Anlegen eines, vorzugsweise vergleichsweise starken Wechselfeldes findet
eine zusätzliche
periodische Ladungsverschiebung in dem Anteil der leitfähigen Trägerpartikel
statt. Dadurch gibt es wechselnde Orte mit einer abstoßenden Kraft
auf Tonerpartikel, insbesondere an unterschiedlichen Enden von Clustern
aus leitfähigen
Trägerpartikeln.
Somit entstehen in dem Trägerpartikelgemisch
vielerorts Stellen, an denen Tonerpartikel immer wieder kurzfristig
freigegeben werden. Findet derartiges aber mehr im Inneren des Entwicklers statt,
führt dies
mit Vorteil nicht dazu, dass die beteiligten Trägerpartikel ebenfalls in Richtung
des Fotoleiters freikommen und sich ungünstig an einer Verstärkung der
DPU beteiligen könnten.
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Die
Entwicklungselektrode kann rotieren und einen magnetischen Kern
enthalten. Die Leitfähigkeit von
zum Beispiel dotiertem Ferrit liegt um Größenordnungen unter der von
Metallen. Die daraus resultierende Relaxationszeit der elektrischen
Ladungsverteilung ist kürzer
als die Zeit für
einen magnetischen Poldurchgang der Entwicklungselektrode. Diese
Leitfähigkeit
und die Frequenz des Wechselfeldes sollten aufeinander abgestimmt
werden, um eine maximale Toning-Effizienz bei akzeptablem DPU zu
erreichen.
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Das
elektrische Wechselfeld wird angelegt, indem der konstanten elektrischen
Spannung der Entwicklungselektrode eine Wechselspannung überlagert
wird. Deren Amplitude darf (sogar) größer sein als die Amplitude
der konstanten Grundspannung und ist nur durch Funkenentladung begrenzt.
Insbesondere kann die elektrische Wechselspannung eine Amplitude
von etwa 1000 Volt haben. Die Frequenz der Wechselspannung kann
zum Beispiel etwa 1 Kilohertz bis etwa 3 Kilohertz betragen, wobei
sich bei diesen unterschiedlichen Frequenzen keine signifikanten
Unterschiede im Entwicklungsverhalten ergeben.
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Die
größte verbessernde
Wirkung auf die Toning-Effizienz ergibt sich dann, wenn, wie bei
einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die elektrische Wechselspannung
eine etwa rechteckige Wellenform erhält.
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Für ein erfindungsgemäßes Entwicklergemisch,
vorzugsweise zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wird auch unabhängiger Schutz
beansprucht.
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Ergänzend sei
darauf hingewiesen, dass erfindungsgemäß der Effekt einer Erhöhung des
Anteils leitfähiger
Trägerpartikel
im Gemisch eventuell auch durch eine Verwendung von Trägerpartikeln
mit höherer
Leitfähigkeit
bei gleichem Anteil erzielt werden kann.
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Ein
Ausführungsbeispiel,
aus dem sich auch weitere erfinderische Merkmale ergeben können, auf das
die Erfindung in ihrem Umfange aber nicht beschränkt ist, ist in der Zeichnung
dargestellt. Es zeigen:
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1 einen
skizzenhaften Schnitt durch einen Teil einer einen Entwickler tragenden
Entwicklungselektrode im Bereich eines Fotoleiters,
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2 eine
schematische Ansicht von Bestandteilen eines erfindungsgemäßen Entwicklergemisches
ohne äußeres elektrisches
Feld,
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3 eine
schematische Ansicht der Bestandteile eines erfindungsgemäßen Entwicklergemisches
gemäß 2 mit äußerem elektrischem
Feld und
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4 in
Form eines Balkendiagramms einen experimentellen Vergleich mit verschiedenen
Entwicklergemischen, jeweils mit oder ohne einem zusätzlichen
elektrischen Wechselfeld.
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1 zeigt
einen skizzenhaften Schnitt durch einen Teil einer einen Entwickler 2 tragenden Entwicklungselektrode 3 im
Bereich eines Fotoleiters 1. Die Entwicklungselektrode 3,
die einen magnetischen Kern enthalten kann und in diesem Ausführungsbeispiel
zylindrisch angedeutet ist, dreht sich in Richtung eines gebogen
gezeichneten Pfeils in der Darstellung entgegen dem Uhrzeigersinn
und nimmt dabei den Entwickler 2 mit und führt ihn
dem hier flach und filmartig angedeuteten Fotoleiter 1 zu,
der sich mit der oder zur Entwicklungselektrode 3 gleichlaufend
in Richtung eines Pfeils in der Darstellung nach links bewegt. Dabei übernimmt
der Fotoleiter 1 zur Entwicklung des auf ihm befindlichen
Ladungsbildes Toner aus dem Entwickler. Das Ladungsbild besteht
aus einem der Entwicklungselektrode 3 zugewandten, latenten
Ladungsmuster. Zwischen der Entwicklungselektrode 3 und
dem Fotoleiter 1 ist ein elektrisches Feld angelegt. Dazu
erhält
die Entwicklungselektrode 3 ein elektrisches Potential
und der Fotoleiter 1 enthält einen metallischen, geerdeten Kern.
Das Potential der Entwicklungselektrode 3 ist so gepolt
und das elektrische Feld ist so gerichtet, dass auf die Tonerpartikel
im Entwickler 2, aufgrund ihrer entsprechenden Ladung,
die in manchen Ausführungen
positiv und in manchen Ausführungen
negativ sein kann, eine Kraft in Richtung auf den Fotoleiter 1 wirkt.
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2 zeigt
schematisch einige Bestandteile eines erfindungsgemäßen Entwicklergemisches. Das
Entwicklergemisch enthält
isolierende Trägerpartikel 4,
leitfähige
Trägerpartikel 5 und
Tonerpartikel 6. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Tonerpartikel 6 triboelektrisch
positiv aufgeladen. Demgegenüber
zeigen die Trägerpartikel 4, 5 negative
Ladungen. Entlang magnetischer Feldlinien können die Trägerpartikel 4, 5 kettenartige
Strukturen bilden. 2 zeigt einen sehr kurzen Abschnitt
einer solchen Kette, in diesem Falle aus vier Trägerpartikel 4, 5,
an die Tonerpartikel 6, in diesem Falle beispielhaft sechs,
aufgrund der Ladungsverhältnisse
angelagert sind. Durch eine rotierende Bewegung der Entwicklungselektrode 3 werden
Kettenstränge
der in 2 dargestellten Art in Drehung versetzt und der
Entwickler 2 wird dabei und dadurch heftig durchmischt.
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Bei
den isolierenden Trägerpartikeln 4 sind die
Ladungen, ebenso wie bei den Tonerpartikeln 6, ortsfest über die
Oberfläche
verteilt oder an der Oberfläche
wirksam. Die in den Partikeln 4, 6 angedeuteten
Ladungen sind in diesem Sinne nur Repräsentanten der entsprechenden
Ladungen und ihres Vorzeichen, aber nicht Ortsangaben zur genauen
Lokalisierung dieser Ladungen. Dagegen enthalten die leitfähigen Trägerpartikel 5 frei
bewegliche Ladungen, die sich in einem elektrischen Feld verschieben.
In 2 ist zunächst
eine Situation ohne äußeres elektrisches Feld
gezeigt. Auch in den leitfähigen
Trägerpartikeln 5 liegen
relativ gleichmäßig verteilte
Ladungen vor und die leitfähigen
Trägerpartikel 5 verhalten
sich nicht so sehr anders als die isolierenden Trägerpartikel 4.
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In 3 ist
derselbe Kettenstrang wie in 2 dargestellt,
jedoch diesmal mit einem zusätzlichen äußeren, elektrischen
Feld, das mit Pfeilen 7 angedeutet ist. Die isolierenden
Trägerpartikel 4 und die
Tonerteilchen 6 verändern
dadurch ihre Ladung und Ladungsverteilung nicht. In den leitfähigen Trägerpartikeln 5 verschieben
sich jedoch die Ladungen aufgrund des elektrischen Feldes 7.
Freie positive Ladungen sind in Richtung des Feldes 7 verschoben, negative
Ladungen sind entgegen des Feldes 7 verschoben. Zwischen
einander kontaktierenden leitfähigen
Trägerpartikeln 5 kann
es dabei zum Ladungsaustausch kommen. So können leitfähige Trägerpartikel 5 teilweise
oder sogar insgesamt ihr Ladungsvorzeichen wechseln und die dann
gleichnamigen Tonerpartikel 6 abstoßen.
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4 zeigt
in Form eines Balkendiagramms einen experimentellen Vergleich mit
verschiedenen Entwicklergemischen, jeweils mit oder ohne einem zusätzlichen
elektrischen Wechselfeld.
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Die
Entwicklergemische wurden in ihrem Verhalten in Bezug auf die Toning-Effizienz jeweils ohne
elektrisches Wechselfeld und mit einem Wechselfeld mit einer Amplitude
von 1000 Volt untersucht.
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Bei
dem herkömmlichen
Entwickler mit nur isolierenden Trägerpartikeln, dessen Verhalten
in den jeweils linken Balken veranschaulicht ist, beträgt die Toning-Effizienz ohne elektrisches
Wechselfeld 29%. Auch bei diesem Entwickler wird die Toning-Effizienz
durch das elektrische Wechselfeld beträchtlich auf 63% erhöht. Durch
die sich dabei immer wieder in ihrem Betrag und/oder in ihrer Richtung ändernde
Kraft auf die Tonerpartikel werden diese leichter und effektiver
aus dem Entwicklergemisch freigegeben.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Entwicklergemisch,
dessen Verhalten jeweils in den rechten Balken veranschaulicht ist
und bei dem das Verhältnis
von isolierenden Trägerpartikeln
und leitfähigen Trägerpartikeln
etwa 70:30 ist, beträgt
die Toning-Effizienz ohne elektrisches Wechselfeld 40% und liegt somit,
beispielsweise aufgrund der in 2 dargestellten
Kettenstränge,
etwas höher
als bei einem nur isolierenden Träger. Mit dem zusätzlichen
elektrischen Wechselfeld und dessen Influenzwirkung auf die leitfähigen Trägerpartikel
erhöht
sich die Toning-Effizienz
noch einmal beträchtlich
auf 89% Prozent.