DE102009010624B4

DE102009010624B4 - Tonerwalze

Info

Publication number: DE102009010624B4
Application number: DE102009010624.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Breitenbach
Original assignee: Oce Printing Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Canon Production Printing Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2015-08-13
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: DE102009010624A1; US8295744B2; US20100215411A1

Abstract

Tonerwalze, die geeignet ist, auf ihrer Mantelfläche eine Schicht mit Tonerteilchen aufzunehmen, mit einem walzenförmigen elektrisch leitenden Innenkörper oder einem walzenförmigen Innenkörper mit einer elektrisch leitenden Haftschicht (44), mit einer auf der Mantelfläche des Innenkörpers oder der Haftschicht (44) angeordneten dielektrischen Schicht (46), wobei auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht (46) eine Deckschicht (48) aus Chromoxid zum Schutz der dielektrischen Schicht (46) angeordnet ist, und wobei die Deckschicht (48) eine höhere elektrische Leitfähigkeit als die dielektrische Schicht (46) hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tonerwalze, die geeignet ist, auf ihrer Mantelfläche eine Schicht von Tonerteilchen aufzunehmen und die einen walzenförmigen Innenkörper umfasst. Auf der Mantelfläche des Innenkörpers ist eine dielektrische Schicht angeordnet.
Die erfindungsgemäße Tonerwalze wird insbesondere in Entwicklerstationen von Druckern oder Kopierern eingesetzt. Die Tonerwalze wird beispielsweise als Entwicklerwalze verwendet, die einem Zwischenbildträger entgegensteht. Der Zwischenbildträger ist beispielsweise ein Fotoleiterband und trägt ein latentes Ladungsbild entsprechend einem zu druckenden Bild. Mit Hilfe der Entwicklerwalze wird das latente Ladungsbild des Zwischenbildträgers mit Toner eingefärbt. Hierzu muss die Entwicklerwalze im Betrieb eine homogene Schicht aus Tonerteilchen tragen. An die Entwicklerwalze ist ein Spannungspotential angelegt, mit dessen Hilfe die Übertragung der elektrisch geladenen Tonerteilchen von einer Einfärbewalze auf die Oberfläche der Entwicklerwalze und die Übertragung von dieser Entwicklerwalze auf den Zwischenbildträger unterstützt wird. Ferner kann die erfindungsgemäße Tonerwalze beispielsweise auch als Reinigungswalze verwendet werden, mit deren Hilfe von der Entwicklerwalze nicht auf den Zwischenbildträger übertragene Toner- und Trägerteilchen von der Entwicklerwalze abgereinigt werden.
Je nach Verwendung muss die Tonerwalze unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Bei einer Entwicklerwalze beispielsweise sollte die Entladung und Ladung der Entwicklerwalze in kurzer Zeit erfolgen. Bei einer Reinigungswalze dagegen sollte die Entladung möglichst langsam erfolgen, damit möglichst viele Tonerteilchen von der Entwicklerwalze abgereinigt werden können. Ferner muss die Entwicklerwalze derart beschaffen sein, dass die richtige Menge an Toner auf sie aufgetragen ist. Sind zu wenig oder zu viele Tonerteilchen auf der Entwicklerwalze aufgebracht, ist eine stabile homogene Entwicklung des latenten Ladungsbildes des Zwischenbildträgers nicht gewährleistet. Des Weiteren muss die Entwicklerwalze eine ausreichend hohe Durchschlagsfestigkeit haben.
In dem nicht vorveröffentlichten Dokument DE 10 2008 050 745 A1 wird eine Tonerwalze vorgeschlagen, die geeignet ist, auf ihrer Mantelfläche eine Schicht mit Tonerteilchen aufzunehmen. Die Tonerwalze hat einen Grundkörper aus einem Material, dessen spezifischer Widerstand > 10^–4 Ω/cm und dessen Elastizitätsmodul größer als 50 kN/mm² ist. Auf der Oberfläche des Grundkörpers ist eine elektrisch leitende Schicht angeordnet, die mit einem elektrischen Potential beaufschlagt ist.
Aus dem Dokument US 2007/223973 A1 ist ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche einer Toner transportierenden Walze bekannt. Die Oberfläche der Walze wird mit einer Keramikschicht überzogen, die anschließend mit einem Strahlgut, insbesondere mit Glaskugeln, bestrahlt wird. Durch dieses Verfahren werden Verzunderungen, Oxidationsschichten und Verschmutzungen von der Keramikschicht entfernt und zudem diese nachverdichtet.
US 5 707 326 A beschreibt den Aufbau einer Tonerwalze mit einem Innenkörper und einer auf der Mantelfläche des Innenkörpers angeordneten dielektrischen Schicht. Auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht ist eine Deckschicht zum Schutz der dielektrischen Schicht angeordnet. In einer Ausführungsform ist diese Deckschicht als Antistatik-Schicht ausgebildet und hat damit einen geringeren elektrischen Widerstand als die Barunterliegende dielektrische Schicht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Tonerwalze anzugeben, die einfach herzustellen ist, vielseitig einsetzbar ist und deren elektrische Eigenschaften auf einfache Weise an die an die Tonerwalze je nach ihrer Verwendung gestellten Anforderungen angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Tonerwalze gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung umfasst die Tonerwalze einen walzenförmigen Innenkörper, auf dessen Mantelfläche eine dielektrische Schicht angeordnet ist. Auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht ist eine Deckschicht aus Chromoxid zum Schutz der dielektrischen Schicht angeordnet, wobei die Deckschicht eine höhere elektrische Leitfähigkeit als die dielektrische Schicht hat.
Die dielektrische Schicht besteht vorzugsweise aus einer Emaillierung, einem anorganischen Lack, anodisiertem Aluminium oder einer Keramik, insbesondere einer Oxidkeramik. Durch die Auswahl der verwendeten Werkstoffe und somit ihrer elektrischen Leitfähigkeiten und ihrer Permittivitäten und durch die Wahl der Schichtdicke der dielektrischen Schicht können die Kapazität der Tonerwalze, die Durchschlagsfestigkeit und/oder das Ladungs- und Entladungsverhalten an die in Abhängigkeit von der Verwendung der Tonerwalze an sie gestellten Anforderungen angepasst werden. Je dünner die verwendete dielektrische Schicht ist und je größer die Permittivität des Materials, aus dem die dielektrische Schicht besteht, ist, umso größer ist die Kapazität der Tonerwalze. Je größer die Kapazität der Tonerwalze ist, desto mehr elektrisch geladene Tonerteilchen haften bei einem elektrischen Feld gleicher Feldstärke an der Tonerwalze. Auf diese Weise kann insbesondere die auf eine Entwicklerwalze aufgetragene Tonermenge eingestellt werden. Über die Kapazität und den Widerstand der Tonerwalze kann ihr zeitliches Ladungs- und Entladungsverhalten voreingestellt werden. Je größer die Kapazität und je größer der elektrische Widerstand sind, umso langsamer entlädt sich die Tonerwalze. Das zeitliche Verhalten der Ladung und Entladung der Tonerwalze wird im Folgenden auch als Zeitverhalten bezeichnet.
Die Deckschicht schützt die dielektrische Schicht zum einen vor Abrasion, insbesondere vor Abrasion durch den Kontakt mit anderen Walzen oder mit dem Entwicklergemisch, in dem die Tonerteilchen sich befinden. Zum anderen schützt die Deckschicht die dielektrische Schicht vor dem Einbringen von Feuchtigkeit. Insbesondere bei der Verwendung eines Materials für die dielektrische Schicht, das Poren hat, wird durch die Deckschicht die Aufnahme von Feuchtigkeit verhindert.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Deckschicht zum einen einen möglichst hohen elektrischen Widerstand, zum anderen aber eine höhere Leitfähigkeit als die dielektrische Schicht hat. Der elektrische Widerstand der Deckschicht ist insbesondere mindestens 3 kΩ. Hierdurch wird erreicht, dass ein elektrostatisches Aufladen der Deckschicht minimiert wird. Durch die elektrische Leitfähigkeit der Deckschicht wird erreicht, dass sich die Ladung auf der Deckschicht gleichmäßig verteilt, so dass keine Ladungsspitzen auftreten. Hierdurch wiederum wird eine homogene Verteilung des Toners auf der Oberfläche der Deckschicht mit einer definierten Dicke der Tonerschicht erreicht. Ferner wird hierdurch sichergestellt, dass die elektrischen Eigenschaften der dielektrischen Schicht nicht oder nur geringfügig von der Deckschicht beeinflusst werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Deckschicht homogen ist und die Mantelfläche der dielektrischen Schicht vollständig von der Deckschicht bedeckt ist. Hierdurch wiederum wird eine homogene Verteilung des Toners auf der Oberfläche der Deckschicht erreicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Innenkörper einen rohrförmigen oder einen aus einem Vollmaterial bestehenden walzenförmigen Grundkörper. Der Grundkörper ist an seinen beiden axialen Enden jeweils mit Hilfe mindestens eines Lagerelements gelagert. Durch einen rohrförmigen Grundkörper wird das Gewicht der Tonerwalze reduziert, und somit zum einen die Handhabung erleichtert und zum anderen die Fertigungskosten reduziert. Ferner muss die Tonerwalze eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen und darf sich während des Betriebes im Drucker oder Kopierer nicht durchbiegen, da dies zu Fehlern im Druckbild führen kann. Durch die Verwendung eines Grundkörpers mit einem Vollprofil wird das Durchbiegen der Tonerwalze vermindert bzw. verhindert. Der Grundkörper besteht vorzugsweise aus Stahl, einer Aluminium-Messing-Legierung oder einem Verbundwerkstoff.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Innenkörper eine walzenförmigen Grundkörper und eine auf der Mantelfläche des Grundkörpers aufgebrachte Haftschicht. Die dielektrische Schicht wiederum ist auf der Oberfläche der Haftschicht aufgebracht. Die Haftschicht dient insbesondere zur mechanischen Haftung der dielektrischen Schicht, sofern aufgrund der für den Grundkörper verwendeten Materialien keine ausreichende mechanische Haftung der dielektrischen Schicht auf dem Grundkörper besteht.
Besteht der Grundkörper aus einem Material, das bei Raumtemperatur eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 10⁶ S/m hat, so muss auf den Grundkörper eine Haftschicht aufgebracht sein, die aus einem Material besteht, das bei Raumtemperatur eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 10⁶ S/m hat. Alle im Folgenden gemachten Angaben zur elektrischen Leitfähigkeit beziehen sich auf die elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur. Besteht der Grundkörper aus einem Material mit einer Leitfähigkeit von weniger als 10⁶ S/m, so muss eine elektrisch leitfähige Haftschicht auch dann aufgebracht werden, wenn die mechanische Haftung der dielektrischen Schicht auf dem Grundkörper auch ohne Haftschicht ausreichend wäre. Ist der Grundkörper dagegen aus einem Material gefertigt, dessen elektrische Leitfähigkeit größer als 10⁶ S/m ist, so ist die Haftschicht nur dann dringend erforderlich, wenn die mechanische Haftung der dielektrischen Schicht auf dem Grundkörper direkt nicht ausreichend ist. Ferner kann die Haftschicht in diesem Fall sowohl aus einem Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit von größer als 10⁶ S/m als auch aus einem Material mit einer Leitfähigkeit von weniger als 10⁶ S/m bestehen. Als Materialien für die Haftschicht werden insbesondere Aluminium, Molybdän, Chromnickel oder Chemisch-Nickel verwendet. Dadurch, dass zumindest der Grundkörper oder die Haftschicht elektrisch leitend ist, wird erreicht, dass zumindest dieser elektrisch leitende Teil des Innenkörpers mit einem Potential beaufschlagbar ist.
Der Grundkörper besteht vorzugsweise aus Glas, Glasfaser, Kunststoff, einem Verbundwerkstoff, einer Keramik, Stahl oder einer Aluminium-Messing-Legierung. Die Wahl des Materialien des Grundkörpers, der Haftschicht, der dielektrischen Schicht und der Deckschicht erfolgt insbesondere derart, dass die Materialien aufeinander abgestimmt sind, insbesondere dass eine ausreichende mechanische Haftung der jeweils aufeinander aufgebrachten Schichten gewährleistet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Grundkörper aus Glas, die auf der Mantelfläche des Grundkörpers aufgebrachte Haftschicht aus Aluminium, die auf der Haftschicht aufgebracht dielektrische Schicht aus Aluminiumtitanat. Die dielektrische Schicht und die Deckschicht haben jeweils vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 50 bis 150 μm, insbesondere eine Dicke von 100 μm. Die Haftschicht hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 20 und 100 μm, insbesondere eine Dicke von 50 μm.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung besteht der Grundkörper aus Stahl, die auf der Mantelfläche des Grundkörpers aufgebrachte dielektrische Schicht aus Aluminiumtitanat und die Deckschicht aus Chromoxid. Der Grundkörper aus Stahl ist vorzugsweise rohrförmig ausgebildet.
Der Übergang zwischen dem Grundkörper und der Haftschicht, der Übergang zwischen der Haftschicht und der dielektrischen Schicht und/oder der Übergang zwischen der dielektrischen Schicht und der Deckschicht sind kontinuierlich. Alternativ kann einer der Übergänge bzw. mehrere der Übergänge graduiert sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Figuren die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Entwicklerstation;
2 einen Längsschnitt durch eine Tonerwalze gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 einen Querschnitt durch die Tonerwalze nach 2;
4 einen Längsschnitt durch eine Tonerwalze gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
5 einen Querschnitt durch die Tonerwalze nach 4.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Entwicklerstation 10 gezeigt. In der Entwicklerstation 10 befindet sich ein Entwicklergemisch 12, das Tonerteilchen und ferromagnetische Trägerteilchen umfasst. Das Entwicklergemisch 12 wird mit Hilfe eines Gemischbaggers 14 in Pfeilrichtung P1 umgerührt, wodurch sich die Tonerteilchen triboelektrisch aufladen. Der Gemischbagger 14 transportiert auf seiner Oberfläche das Entwicklergemisch 12 zu einer hohlen Einfärbewalze 16, die in ihrem Inneren eine feststehende Magnetanordnung 18 mit drei Magneten 20 enthält. Beim Drehen der Hülle der Einfärbewalze 16 in Richtung des Pfeils P2 werden die Trägerteilchen zusammen mit den an ihnen haftenden Tonerteilchen weiter in Richtung einer Entwicklerwalze 24 transportiert, wobei sich entlang der Feldlinien der Magnete 20 eine Magnetbürste ausbildet. In einem Kontaktbereich 22 der Einfärbewalze 16 und der Entwicklerwalze 24 werden nun die Tonerteilchen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes, das von unterschiedlichen Potentialen der Entwicklerwalze 24 und der Einfärbewalze 16 herrührt, auf die Oberfläche der Entwicklerwalze 24 übertragen.
Die Einfärbewalze 16 ist vorzugsweise mit einem Gleichspannungspotential einer nicht dargestellten Gleichspannungsquelle beaufschlagt. Die Entwicklerwalze 24 oder zumindest ein elektrisch leitender Teil der Entwicklerwalze 24 ist mit einer Gleichspannung, der eine Wechselspannung überlagert sein kann, aus einer ebenfalls nicht dargestellten Spannungsquelle beaufschlagt.
Aufgrund der elektrischen Feldkräfte werden die Tonerteilchen von der Einfärbewalze 16 auf die Oberfläche der Entwicklerwalze 24 übertragen und dort gehalten. Die auf der Entwicklerwalze 24 gehaltenen Tonerteilchen werden in Drehrichtung P3 bei Drehung der Entwicklerwalze 24 weitertransportiert, während die ferromagnetischen Trägerteilchen in Richtung des Pfeils P4 von der Einfärbewalze 16 zurück zum Entwicklergemisch 12 gefördert werden. Die auf der Oberfläche der Entwicklerwalze 24 anhaftenden Tonerteilchen werden an eine fotoempfindliche Schicht eines Zwischenbildträgers 34 herangeführt und springen infolge der Feldkräfte, die aufgrund eines latenten Ladungsbildes zwischen der fotoempfindlichen Schicht des Zwischenbildträgers 34 und der Entwicklerwalze 24 vorhanden sind, auf diese fotoempfindliche Schicht über. Somit wird das latente Ladungsbild auf dem Zwischenbildträger 34 eingefärbt. Der Zwischenbildträger 34 ist insbesondere ein bandförmiger Fotoleiter. Aufgrund des Springens der Tonerteilchen von der Entwicklerwalze 24 zum Zwischenbildträger 34 wird die Entwicklerwalze 24 auch als Jumpwalze bezeichnet. Der Luftspalt zwischen dem Zwischenbildträger 34 und der Oberfläche der Entwicklerwalze 24 liegt im Bereich zwischen 40 und 500 μm, mit einem Mittelwert von ca. 200 μm.
Die Tonerteilchen, die von der Entwicklerwalze 24 nicht auf den Zwischenbildträger 34 gesprungen sind, werden mit Hilfe der Reinigungswalze 32 von der Entwicklerwalze 24 abgereinigt. Die Reinigungswalze 32 dreht sich in Richtung des Pfeils P5. Die abgereinigten Tonerteilchen werden, wie durch den Pfeil P6 angedeutet, wieder dem Entwicklergemisch 12 zugeführt. Die Reinigungswalze 32 ist mit einem Gleichspannungspotential beaufschlagt, das dem Potential der Einfärbewalze 16 entgegengesetzt ist. Das an die Reinigungswalze 32 angelegte Potential unterstützt das Abreinigen der Tonerteilchen von der Oberfläche der Entwicklerwalze 24.
Die Potentiale der Einfärbewalze 16, der Entwicklerwalze 24 und der Reinigungswalze 32 sind derart gewählt, dass die Tonerteilchen einerseits vom Entwicklergemisch 22 zum Zwischenbildträger 34 gefördert werden und sich andererseits von der Oberfläche der Entwicklerwalze 24 loslösen können, um auf die mit Ladungen beaufschlagten fotoempfindlichen Schicht des Zwischenbildträgers 34 überzuspringen.
Hierbei ist es wichtig, dass auf der Entwicklerwalze 24 eine homogene Schicht aus Tonerteilchen mit einer voreingestellten Schichtdicke aufgetragen wird, um somit eine stabile homogene Entwicklung des latenten Ladungsbildes auf dem Zwischenbildträger 34 sicherzustellen. Hierdurch wiederum wird eine hohe Druckqualität gewährleistet.
In 2 ist ein Längsschnitt durch eine Tonerwalze 40 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Elemente mit gleichem Aufbau oder gleicher Funktion haben dieselben Bezugszeichen. Die Tonerwalze 40 wird insbesondere als Entwicklerwalze 24 in einer Entwicklerstation 10 verwendet. Die Tonerwalze 40 kann auch in anderen Entwicklerstationen als der Entwicklerstation 10 nach 1 verwendet werden, insbesondere in Entwicklerstationen, in denen flüssiger Toner verwendet wird. Ferner kann die Tonerwalze 40 auch als Reinigungswalze 32 in der Entwicklerstation 10 verwendet werden. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Tonerwalze 40 auch in weiteren Bauteilen eines Druckers oder Kopierers eingesetzt werden. Je nach dem Verwendungszweck der Tonerwalze 40 müssen die elektrischen Eigenschaften der Tonerwalze 40, insbesondere die Kapazität und der elektrische Widerstand, an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Dies erfolgt auf einfache Weise durch eine entsprechende Anpassung des im Folgenden näher erläuterten Aufbaus der Tonerwalze 40, insbesondere durch die Auswahl der verwendeten Materialien und die Abmessungen einzelner Schichten der Tonerwalze 40.
Die Tonerwalze 40 umfasst einen Grundkörper 42, eine Haftschicht 44, eine dielektrische Schicht 46 und eine Deckschicht 48. Der Grundkörper 42 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Der Grundkörper 42 kann sowohl innen hohl und somit hohlzylindrisch ausgebildet sein, als auch ein Vollprofil haben. Die Wahl des Profils des Grundkörpers 42 erfolgt insbesondere in Abhängigkeit von dem Elastizitätsmodul des Materials, aus dem der Grundkörper 42 gebildet ist. Die Elastizität der Tonerwalze 40 hängt im Wesentlichen von der Elastizität des Grundkörpers 42 ab. Ist dieser Grundkörper 42 und somit die Tonerwalze 40 zu elastisch, so kann sie sich bei der Fertigung und/oder beim späteren Einsatz im Drucker oder Kopierer durchbiegen, wodurch ein homogener Aufbau der Tonerwalze 40 und/oder eine homogene Entwicklung des latenten Ladungsbilds auf dem Zwischenbildträger 34 beeinträchtigt werden kann. Durch die Verwendung eines Vollprofils für den Grundkörper 42 wird die Biegesteifigkeit der Tonerwalze 40 erhöht. Umgekehrt wird durch die Verwendung eines Hohlprofils das Gewicht der Tonerwalze 40 reduziert und somit zum einen die Handhabung und zum anderen die Herstellungskosten reduziert.
Der Grundkörper 42 kann sowohl aus einem elektrisch leitenden Material als auch aus einem elektrisch nicht bzw. nur gering leitenden Material bestehen. Als elektrisch nicht oder nur gering leitend werden im Folgenden Materialien bezeichnet, deren elektrische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur kleiner als 10⁶ S/m ist. Als elektrisch nicht leitende oder nur gering leitende Materialien werden insbesondere Glas, Glasfasern, Kunststoffe, Keramiken und Verbundwerkstoffe, insbesondere Chlorfluorkohlenstoffe oder glasfaserverstärkte Kunststoffe, verwendet. Als elektrisch leitende Materialien werden insbesondere Aluminium-Messing-Legierungen, Verbundwerkstoffe oder Stahl, insbesondere Baustahl oder Chromnickelstahl, verwendet.
Die Haftschicht 44 ist auf der Mantelfläche des Grundkörpers 42 angeordnet. Durch die Haftschicht 44 wird eine Haftung der dielektrischen Schicht 46 erreicht, insbesondere dann, wenn eine mechanische Haftung der dielektrischen Schicht 46 direkt auf der Mantelfläche des Grundkörpers 42 nicht möglich ist oder die Haftung zu gering ist. Wenn der Grundkörper 42 aus einem elektrisch nicht oder nur gering leitendem Material besteht, so muss die Haftschicht aus einem Material bestehen, das elektrisch leitend ist, d. h. eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 10⁶ S/m hat. Besteht der Grundkörper dagegen aus einem elektrisch leitenden Material, so muss die Haftschicht nicht zwangsläufig ebenfalls aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Besteht der Grundkörper 42 aus einem elektrisch leitenden Material, so kann, wie in Verbindung mit den 4 und 5 noch näher erläutert wird, auf eine Haftschicht 44 verzichtet werden, sofern die mechanische Haftung der dielektrischen Schicht 46 auf dem Grundkörper 42 auch ohne dazwischen angeordnete Haftschicht 44 ausreichend ist.
Die Haftschicht 44 besteht beispielsweise aus Aluminium, Molybdän, Chromnickel oder Chemisch-Nickel. Die Wahl des Materials hängt beispielsweise von dem verwendeten Beschichtungsverfahren und/oder den Materialien des Grundkörpers 42 und der dielektrischen Schicht 46 ab. Der Grundkörper 42 und die Haftschicht 44 werden zusammen auch als Innenkörper der Tonerwalze 40 bezeichnet. Der Grundkörper 42 ist an seinen beiden axialen Enden jeweils fest mit einem Lagerelement 50, 52, insbesondere jeweils mit einem Flansch 50, 52, verbunden, mit dessen Hilfe die Tonerwalze 40 beispielsweise in der Entwicklerstation 10 gelagert ist. Ferner ist der Grundkörper 42 und/oder die Haftschicht 44 über vier Verbindungselemente 54 bis 60 mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle elektrisch leitend verbunden, durch die die Tonerwalze 40 mit einem Potential beaufschlagt wird. Ist der Grundkörper 42 elektrisch nicht oder nur gering leitend und die Haftschicht 44 elektrisch leitend, so muss zumindest die Haftschicht 44 mit den elektrischen Verbindungselementen 54 bis 60 elektrisch leitend verbunden sein. Ist umgekehrt der Grundkörper 42 aus einem elektrisch leitenden Material und die Haftschicht 44 nicht elektrisch leitend, so muss zumindest der Grundkörper 42 mit den elektrischen Verbindungselementen 54 bis 60 elektrisch leitend verbunden sein.
Die dielektrische Schicht 46 ist auf der Oberfläche der Haftschicht 44 angeordnet und besteht aus einem dielektrischen Material. Die dielektrische Schicht 46 besteht insbesondere aus einem anorganischen Lack, einer Emaillierung, anodisiertem Aluminium oder einer Keramik. Als Keramik werden insbesondere Oxidkeramiken, beispielsweise Chromoxid, Aluminiumoxid, Titanoxid oder Mischungen aus diesen Oxiden verwendet. Die Keramiken werden insbesondere thermisch auf die Haftschicht 44 gespritzt. Eine weitere Möglichkeit der Herstellung der dielektrischen Schicht 46 ist das galvanische und/oder chemische Erzeugen der Schicht. Auf diese Weise wird beispielsweise eine dielektrische Schicht 46 aus hartanodisiertem Aluminium hergestellt.
Die Deckschicht 48 ist auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht 46 angeordnet. Die Deckschicht 48 dient dem Schutz der dielektrischen Schicht 46 vor Abrasion, insbesondere vor Abrasion durch das Entwicklergemisch oder durch den Kontakt mit einer anderen Walze und dem Schutz vor Feuchtigkeit. Insbesondere bei offenporigen Stoffen, wie beispielsweise Keramiken, kann ohne die Deckschicht 48 Feuchtigkeit in die dielektrische Schicht 46 eindringen. Durch das Eindringen der Feuchtigkeit werden die elektrischen Eigenschaften der dielektrischen Schicht 46 verändert, so dass die Anforderungen, die an die Tonerwalze 40 gestellt werden, nicht mit Sicherheit erfüllt werden. Wird die Tonerwalze 40 als Entwicklerwalze 24 verwendet, kann es durch das Eindringen der Feuchtigkeit in die dielektrische Schicht 46 dazu kommen, dass eine stabile homogene Entwicklung des latenten Ladungsbildes auf dem Zwischenträger 34 nicht mehr gewährleistet ist. Auch die Abrasion der Tonerwalze 40 führt dazu, dass eine stabile homogene Entwicklung des latenten Ladungsbildes auf dem Zwischenträger 34 nicht mehr sichergestellt werden kann. Des Weiteren kann die Deckschicht 48 auch zum Schutz der dielektrischen Schicht 46 vor anderen Umwelteinflüssen dienen.
Die Deckschicht 48 hat einen hohen elektrischen Widerstand. Der elektrische Widerstand der Deckschicht 48 ist insbesondere der Widerstand eines Ersatzwiderstandes, der sich durch die Abwicklung der Deckschicht 48 ergibt. Der elektrische Widerstand der Deckschicht 48 beträgt vorzugsweise mindestens 3000 Ω und ist maximal so groß, dass die Deckschicht 48 bei Raumtemperatur eine höhere Leitfähigkeit als die dielektrische Schicht 46 hat. Hierdurch wird ein elektrostatisches Aufladen der Tonerwalze 40 bzw. der Deckschicht 48 verhindert oder zumindest reduziert. Durch die Leitfähigkeit der Deckschicht 48 wird insbesondere das Auftreten von punktuellen hohen Ladungen der Deckschicht 48 verhindert, da sich die Ladungen gleichmäßig auf der Oberfläche der Deckschicht 48 verteilen. Durch das Verhindern von punktuellen hohen Ladungen, die auch als Ladungsspitzen bezeichnet werden, wird einer inhomogenen Entwicklung des latenten Ladungsbildes auf dem Zwischenträger 34 vorgebeugt. Die Deckschicht 48 ist ferner derart ausgebildet, dass die elektrischen Eigenschaften der dielektrischen Schicht 46 durch sie nicht beeinflusst oder zumindestens nicht dominiert werden.
Die Deckschicht wird vorzugsweise thermisch aufgespritzt. Des Weiteren kann die Deckschicht 48 durch eine aufgedampfte Schicht, insbesondere mittels physikalischer Dampfabscheidung (PVD) oder chemischer Dampfabscheidung (CVD), gebildet werden.
Die Deckschicht 48 muss zum einen homogen sein und zum anderen vollständig geschlossen sein, d. h. sie muss die dielektrische Schicht 46 vollständig bedecken. Wird die Deckschicht 48 nicht vollständig geschlossen und/oder weist die Deckschicht 48 Inhomogenitäten auf, so kann es dazu kommen, dass die Tonerteilchen nicht gleichmäßig auf der Entwicklerwalze 24 verteilt sind und die Dicke der durch die Tonerteilchen gebildeten Schicht nicht der voreingestellten Schichtdicke entspricht und somit eine stabile homogene Entwicklung des latenten Ladungsbildes des Zwischenträgers 34 nicht gewährleistet ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Deckschicht 48 mit Hilfe einer Aufladeeinheit elektrisch aufgeladen werden, um somit das Auftragen der Tonerteilchen auf die Oberfläche der Deckschicht 48 der Tonerwalze 40 und das Springen der Tonerteilchen von der Tonerwalze 40 auf den Zwischenbildträger 34 zu verbessern. Als Aufladeeinheit kann insbesondere eine Walze, eine Gemischbürste oder ein Blade verwendet werden.
Die Oberfläche der Deckschicht 48 hat eine voreingestellte Mindestrauigkeit, durch die die Haftung der Tonerteilchen an der Tonerwalze 40 verbessert wird. Die Mindestrauigkeit kann entweder durch die Verwendung eines Materials für die Deckschicht 48, das eine entsprechende Rauhigkeit aufweist, oder durch ein entsprechendes Anrauhen der Deckschicht 48 beim Fertigungsprozess der Tonerwalze 40 erreicht werden.
Durch die Auswahl der Materialien für die dielektrische Schicht 46 und die Deckschicht 48 und somit ihre elektrischen Eigenschaften, insbesondere den spezifischen Widerständen und den Permittivitäten, sowie durch die Auswahl der Schichtdicken der dielektrischen Schicht 46 und der Deckschicht 48 bzw. dem Verhältnis der Schichtdicken dieser Schichten zueinander werden die elektrischen Eigenschaften der Tonerwalze 40, insbesondere die Kapazität und der Widerstand an die an die Tonerwalze 40 je nach Verwendungszweck gestellten Anforderungen angepasst. Die Deckschicht 48 hat vorteilhafterweise eine Dicke zwischen 50 und 150 μm, insbesondere eine Dicke von etwa 100 μm, während die dielektrische Schicht eine Dicke zwischen 1 μm und 10 mm, insbesondere eine Dicke von etwa 100 μm hat. Je geringer die Dicke der dielektrischen Schicht 46 ist und je größer die Permittivität des Materials ist, aus dem die dielektrische Schicht 46 besteht, desto größer ist die Kapazität der Tonerwalze 40. Ebenso ist die Kapazität der Tonerwalze 40 umso größer, je geringer die Dicke der Deckschicht 48 ist und je größer die Permittivität des Materials ist, aus dem die Deckschicht 48 besteht. Je größer die Kapazität der Tonerwalze 40 ist, desto größer ist die Anzahl der Tonerteilchen, die bei gleicher elektrischer Feldstärke an der Tonerwalze 40 haften. Durch die Kapazität der Tonerwalze 40 kann somit auf einfache Art und Weise die Tonermenge auf der Oberfläche der Tonerwalze 40 eingestellt werden. Des Weiteren kann die Tonermenge auf der Oberfläche der Tonerwalze durch die Feldstärke des angelegten elektrischen Feldes eingestellt werden.
Ferner wird durch die Kapazität und den Widerstand der Tonerwalze 40 das zeitliche Entladungs- und Ladungsverhalten der Tonerwalze 40 und somit die Aufnahme und die Abgabe von geladenen Tonerteilchen beeinflusst. Das zeitliche Verhalten der Entladung und Ladung der Tonerwalze 40 wird auch als Zeitverhalten bezeichnet. Je niedriger die Kapazität und je niedriger der Widerstand der Tonerwalze 40 sind, desto schneller entlädt bzw. lädt die Tonerwalze 40. Ein solches geringes Zeitverhalten der Tonerwalze 40 ist insbesondere bei der Verwendung der Tonerwalze 40 als Entwicklerwalze 24 vorteilhaft, da sich somit das Wechselfeld, mit dem die Entwicklerwalze 34 beaufschlagt ist, in kurzer Zeit aufbauen kann, Tonerteilchen schnell und zuverlässig von der Einfärbewalze 16 aufgenommen und an den Zwischenbildträger 34 abgegeben werden. Bei der Verwendung der Tonerwalze 40 als Reinigungswalze 32 dagegen ist es vorteilhaft, wenn sich die Reinigungswalze 32 nur langsam entlädt, damit möglichst viele Tonerteilchen von der Einfärbewalze 24 abgereinigt werden können.
Des Weiteren müssen die Materialien für die Deckschicht 48 und die dielektrische Schicht 46, sowie die jeweilige Schichtdicke der Deckschicht 48 und der dielektrischen Schicht 46 derart gewählt werden, dass die Durchschlagsfestigkeit ausreichend hoch ist, damit auch bei hohen elektrischen Feldstärken kein Spannungsdurchschlag erfolgt.
In 3 ist ein Querschnitt durch die Tonerwalze 40 nach 2 gezeigt. Der Grundkörper 42 hat in dem in 2 gezeigtem Ausführungsbeispiel ein Vollprofil.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Grundkörper 42 aus Glas, die Haftschicht 44 aus Aluminium, die dielektrische Schicht 46 aus Aluminiumtitanat und die Deckschicht 48 aus Chromoxid. Die Haftschicht 44 hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 50 μm. Die Aluminiumtitanatschicht und die Chromoxidschicht haben jeweils vorzugsweise eine Dicke von ungefähr 100 μm.
In 4 ist ein Längsschnitt durch eine Tonerwalze 62 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Gegensatz zu dem in den 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in dem Ausführungsbeispiel nach 4 die dielektrische Schicht 46 direkt auf der Mantelfläche des Grundkörpers 42 aufgebracht. Der Grundkörper 42 ist elektrisch leitend und hat insbesondere eine Leitfähigkeit von mindestens 10⁶ S/m bei Raumtemperatur. Die mechanische Haftung zwischen dem Grundkörper 42 und der dielektrischen Schicht 46 ist ausreichend hoch, so dass keine Haftschicht 44 erforderlich ist.
In 5 ist ein Querschnitt durch die Tonerwalze 62 nach 4 gezeigt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Grundkörper 42 aus Stahl, die dielektrische Schicht 46 aus Aluminiumtitanat und die Deckschicht 48 aus Chromoxid. Die Aluminiumtitanatschicht und die Chromoxidschicht haben vorzugsweise jeweils eine Dicke von etwa 100 μm. Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der aus Stahl gefertigte Grundkörper 42 hohl und somit rohrförmig. Die Dicke der Deckschicht 48 wird in Abhängigkeit der elektrischen Oberflächeneigenschaften, insbesondere der Oberflächenleitfähigkeit und der Bulk-Leitfähigkeit des verwendeten Materials festgelegt.
Der Übergang zwischen dem Grundkörper 42 und der Haftschicht 44, der Übergang zwischen der Haftschicht 44 und der dielektrischen Schicht 46, der Übergang zwischen der dielektrischen Schicht 46 und der Deckschicht 48 bzw. der Übergang zwischen dem Grundkörper 42 und der dielektrischen Schicht 46 sind vorzugsweise kontinuierlich, d. h. es gibt keine klaren Grenzen zwischen den Schichten. Alternativ können die Schichten auch stufenweise ineinander übergehen.
Die Auswahl der Materialien der einzelnen Schichten erfolgt zumindest in Abhängigkeit der elektrischen Eigenschaften der Materialien sowie in Abhängigkeit von dem Fertigungsprozess.

Claims

Tonerwalze, die geeignet ist, auf ihrer Mantelfläche eine Schicht mit Tonerteilchen aufzunehmen, mit einem walzenförmigen elektrisch leitenden Innenkörper oder einem walzenförmigen Innenkörper mit einer elektrisch leitenden Haftschicht (44), mit einer auf der Mantelfläche des Innenkörpers oder der Haftschicht (44) angeordneten dielektrischen Schicht (46), wobei auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht (46) eine Deckschicht (48) aus Chromoxid zum Schutz der dielektrischen Schicht (46) angeordnet ist, und wobei die Deckschicht (48) eine höhere elektrische Leitfähigkeit als die dielektrische Schicht (46) hat.
Tonerwalze (40, 62) nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Schicht (46) aus einer Keramik, einer Emaillierung, einem anorganischen Lack oder anodisiertem Aluminium besteht.
Tonerwalze (40, 62) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Deckschicht (48) einen elektrischen Widerstand von mindestens 3000 Ω hat.
Tonerwalze (40, 62) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Deckschicht (48) homogen ist und die Mantelfläche der dielektrischen Schicht (46) vollständig von der Deckschicht (48) bedeckt ist.
Tonerwalze (40, 62) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Innenkörper einen rohrförmigen oder einen aus einem Vollmaterial bestehenden walzenförmigen Grundkörper (42) umfasst, der beidseitig jeweils mit mindestens einem Lagerelement (50, 52) versehen ist.
Tonerwalze (40, 62) nach Anspruch 5, bei der der Grundkörper (42) aus Stahl, einer Aluminium-Messing-Legierung oder einem Verbundwerkstoff besteht.
Tonerwalze (40, 62) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Innenkörper einen walzenförmigen Grundkörper (42) und eine auf der Mantelfläche des Grundkörpers (42) aufgebrachte Haftschicht (44) zur mechanischen Haftung der dielektrischen Schicht (46) umfasst.
Tonerwalze (40, 62) nach Anspruch 7, bei der die Haftschicht (44) aus Aluminium, Molybdän, Chromnickel oder Chemisch-Nickel besteht.
Tonerwalze (40, 62) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der der Grundkörper (42) bei Raumtemperatur eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als 1000000 S/m und die Haftschicht (44) bei Raumtemperatur eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 1000000 S/m hat.
Tonerwalze (40, 62) nach Anspruch 9, bei der der Grundkörper (42) aus Glas, Glasfaser, Kunststoff, einem Verbundwerkstoff oder Keramik besteht.
Tonerwalze (40, 62) nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Schicht (46) aus Aluminiumtitanat besteht und die dielektrischen Schicht (46) und die Deckschicht (48) jeweils eine Dicke im Bereich von 50 bis 150 μm haben.
Tonerwalze (40, 62) nach Anspruch 11, bei der der Innenkörper aus Stahl besteht oder der Innenkörper einen Grundkörper (42) aus Glas und eine auf der Mantelfläche des Grundkörpers (42) aufgebrachte Haftschicht (44) aus Aluminium umfasst.