DE1772154C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufladen einer elektrisch isolierenden Fläche durch Korona-Entladung mit negativen Ladungsträgern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen einer elektrisch isolierenden Fläche durch Koronaentladung mit negativen Ladungsträgern, bei dem zwischen einer länglichen Koronaentladungselektrode und der aufzuladenden Fläche ein, eine Koronaentladung bewirkendes, elektrisches Gleichspannungsfeld erzeugt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Koronaentladungseinrichtungen, die mit Gleichspannung oder mit Wechselspannung betrieben werden, sind, beispielsweise aus der US-Patentschrift 28 85 556 bekannt.

Zum Aufbringen positiver oder negativer Ladungen auf ladungsspieichernden Flächen wird im allgemeinen ein Koronadraht verwendet. Das Koronaverfahren wird beispielsweise zur Aufladung photoleitfähiger Flächen elektrophotographischer Bildplatten vor deren Belichtung und Entwicklung angewendet. Wird bei dieser Aufladung ein positiv gepolter Koronadraht verwendet, so ist die Ladung der photoleitfähigen Fläche relativ gleichförmig. Wird jedoch ein negativ gepolter Koronadraht verwendet, so erhält die photoleitfähige Fläche insbesondere bei relativ kurzer Ladezeit eine Ladung, die ihre Dichte von Punkt zu Punkt ändert. Diese Dichteänderung ist deshalb unerwünscht, weil sie auf den reproduzierten Kopien sichtbar wird.

Es wurden bereits viele Versuche durchgeführt, eine Aufladung einer elektrophotographischen Bildplatte bei negativer Koronaentladung mit gleichmäßiger Ladungsdichte zu erzeugen. Einen derartigen Vorschlag enthält die US-Patentschrift 28 56 533. Als Entladungselektrode wird hier ein als endlose Schleife ausgebildeter Koronadraht verwendet, der auf zwei beweglichen Rollen geführt ist. Diese bewegen den Draht derart, daß jeder Punkt des Drahtes während der Ladung kontinuierlich die gesamte Schleife durchläuft. Ein bei einer Koronaentladung auf einem negativen Potential liegender Koronadraht emittiert normalerweise auf seiner gesamten Länge sporadisch Elektronen, wodurch

sich auf der zu ladenden Fläche eine nicht gleichförmige Aufladung ergibt. Die Wirkung des rotierenden Koronadrahtes besteht darin, daß durch Bewegung der Entladungspunkte an jeder Stelle ein mittlerer Entladungswert erreicht wird, wodurch die Gleichmäßigkeit

verbessert wird. Obwohl auf diese Weise eine gleichförmige Ladung möglich ist, werden jedoch nur Durchschnittswerte erreicht, so daß eine gewisse Ungleichmäßigkeit noch vorhanden ist. Ferner ist zur Bewegung des Koronadrahtes ein entsprechender

Mechanismus erforderlich, der in einer an sich kompakten Ladeeinrichtung einen ziemlich großen Raum in Anspruch nimmt.

Ein weiterer Vorschlag zur Behebung der genannten Nachteile besteht darin, daß bei der negativen Koronaentladung in Reihe mit der Hochspannungsquelle eine hochfrequente Wechselspannungsquelle geschaltet wird. Auch eine derartige Anordnung bewirkt eine gleichmäßigere Ladungsdichte auf der zu ladenden Fläche, sie arbeitet jedoch nicht wirtschaftlich, da zur Erzeugung der Hochfrequenz mit hinreichender Gleichmäßigkeit sowie zu deren Einkopplung in den Hochspannungskreis kostspielige Einrichtungen erforderlich sind.
Ohne die vorstehend genannten Einrichtungen kann eine photoleitfähige Fläche dann etwas gleichmäßiger geladen werden, wenn die Spannung des der negativen Koronaelektrode zugeführten Gleichstromes erhöht wird. Geschieht dies über den Punkt hinaus, an dem die Koronaentladung einsetzt, so rücken die Elektronenemissionspunkte auf dem Koronadraht näher zusammen. Im Bereich praktisch anwendbarer Spannungen wird die Koronaentladung jedoch nie ausreichend gleichmäßig. Höhere Spannungen sind unerwünscht, da die damit verbundene erhöhte Erzeugung von Ozon neben der Giftwirkung eine starke Oxydierung bewirkt. Eine gewisse Verbesserung der Gleichmäßigkeit einer negativen Koronaentladung wird ferner erreicht, wenn der Koronadraht extrem sauber, glatt und poliert ist oder seine Oberfläche beispielsweise durch Sandstrahlen eine gleichmäßige Struktur erhält.

Ein weiteres Verfahren zur Verbesserung der Gleichförmigkeit der Aufladung besteht darin, daß die zu ladende Fläche in einem derartigen Abstand vom Koronadraht angeordnet wird, daß die emittierten Elektronengruppen beim Durchlaufen dieses Abstandes über eine größere Fläche streuen und sich vor ihrer Ablagerung auf der zu ladenden Fläche überlappen. Die resultierende Aufladung ist zwar gleichmäßiger, jedoch

tritt eine Verringerung des Wirkungsgrades des Koronadrahtes auf. Es ist ferner mögich, eine gleichmäßige Aufladung einer Fläche durch thermionische Emission zu erreichen. Die Nachteile dicies Verfahrens bestehen jedoch darin, daß der Draht auf eine Temperatur erhitzt werden muß, die eine gute Emission gewährleistet. Die thermionische Emission wird deshalb am besten im Vakuum durchgeführt, da Stoffe, die gute thermionische Emittoren sind, auch leicht mit Verunreinigungen der Atmosphäre reagieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Aufladen einer elektrisch isolierenden Fläche durch Koronaentladung mit negativen Ladungsträgern anzugeben, mit dem eine möglichst gleichmäßige Aufladung der aufzuladenden Fläche erreicht wird.

Ausgehend von einem Verfahren de, eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein die Bewegungsbahn der negativen Ladungsträger von der Koronaelektrode zu der aufzuladenden Fläche durchsetzendes, senkrecht zur Richtung des elektrischen Gleichspannungsfeldes und parallel zur Längsrichtung der Koronaentladungselektrode gerichtetes elektrisches oder ein senkrecht zur Richtung des elektrischen Gleichspannungsfeldes ij und senkrecht zur Längsrichtung der Koronaentladungselektrode gerichtetes magnetisches Wechselfeld erzeugt wird.

Durch die angegebenen Maßnahmen wird in überraschender Weise erreicht, daß eine gleichmäßigere Aufladung einer aufzuladenden Fläche mit negativen Ladungsträgern erreicht werden kann.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand von in den Figuren gezeigten Ausführungsformen erläutert werden. 35-

F i g. 1 die elektrische Schaltung bei der ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird,

Fi g. 2 die schematische Darstellung der Wirkung des durch die in F i g. 1 gezeigte Schaltung erzeugten magnetischen Wechselfeldes auf emittierten Elektronen und negative Ionen,

Fi g. 3 eine andere elektrische Schaltung, bei der ein elektrisches Wechselfeld erzeugt wird,

Fig.4 eine Anordnung, bei der gleichzeitig ein magnetisches und ein elektrisches Wechselfeld erzeugt werden.

Die aufzuladende Fläche kann beliebig ausgeführt sein, sie muß die Eigenschaft haben, eine negative Ladung aufnehmen und sie für eine gewisse Zeit halten zu können. Für die folgende Beschreibung wird als Beispiel für die aufzuladende Fläche eine elektrophotographische Bildplatte 11 verwendet, die in Fig. 1 dargestellt ist und aus der photoleitfähigen zu ladenden Schicht 12 auf einer leitenden Unterlage 13 besteht. Die photoleitfähige Schicht kann aus jedem geeigneten photoleitfähigen Stoff, wie z. B. gasförmigem Selen, bestehen, während die leitende Unterlage eine solche elektrische Leitfähigkeit haben soll, daß die elektrische Ladung der Schicht 12 bei Belichtung abgeleitet wird.

Die einzige Bedingung für die Bildplatte besteht darin, daß nach der Durchführung der Aufladung ein Potentialunterschied zwischen ihrer negativ geladenen Seite und ihrer anderen Seite besteht. Besteht die Platte nicht aus zwei Schichten sondern aus einem einheitlichen Stoff, so würde die Seite, die der negativ aufzuladenden Seite gegenüberliegt, geerdet oder vorzugsweise auf einem positiven Potential gehalten, wenn die im folgenden beschriebene Aufladung durchgeführt wird.

Die Platte U ist mit einer Gleichspannungsquelle 14 und einem Koronaentladungsdraht 17 in Reihe geschaltet. Der positive Pol der Spannungsquelle liegt an der Platte, der negative am Koronaentladungsdraht. Eine Wechselspannungsquelle 16 ist zu dem Koronaentladungsdraht 17 direkt parallel geschaltet. Der Koronaentladungsdraht 17 verläuft über die gesamte Länge der Platte 11, so daß deren gesamte Länge durch die Koronaentladung beeinflußt wird. Es kann ferner eine (nicht dargestellte) Einrichtung zur Bewegung des Koronaentladungsdrahtes über die Platte hinweg vorgesehen sein, um eine Aufladung der gesamten Plattenoberfläche zu erreichen.

Der in F i g. 1 dargestellte Stromkreis wird zwischen dem Koronaentladungsdraht und der Platte durch die Wanderung von Elektronen und negativer Ionen geschlossen. Durch die natürliche Ionisierung der Atmosphäre sind normalerweise in der Luft einige freie Elektronen und Ionen vorhanden. Durch Anschaltung einer negativen Spannung an den Koronaentladungsdraht bewegen sich die freien, den Draht umgebenden positiven Ionen in Richtung des Koronaentladungsdrahtes und bewirken eine Ionisierung einiger der von ihnen „etroffenen neutralen Gasmoleküle. Auf diese Weise werden weitere Ionen und freie Elektronen erzeugt. Die neu erzeugten positiven Ionen werden zum Koronaentladungsdraht hin beschleunigt und stoßen mit weiteren neutralen Gasmolekülen zusammen, so daß wiederum Ionen und Elektronen erzeugt werden. Dieser Vorgang vervielfacht sich, und der Koronaentladungsdraht ist schnell mit einer Schicht aus Ionen und Elektronen umgeben. Die freien Elektronen und negativen Ionen werden durch die negative Spannung des Koronaentladungsdrahtes von diesem abgestoßen und wandern zur nichtleitenden Oberfläche der Platte U, wodurch diese eine negative elektrostatische Ladung erhält.

Während des Ablaufes dieser Vorgänge wurde beobachtet, daß bei Erhöhung der negativen Spannung des Koronasntladungsdrahtes die Entladung fortgesetzt wird und längs des Drahtes nicht zusammenhängende und fast periodische Elektronenemissionspunkte auftreten, die als rötliche Flecken glimmenden Gases zu erkennen sind. Würde die Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 14 ohne den durch die Wechselspannungsquelle 16 erzeugten Wechselstrom weiter erhöht, so würden die Glimmpunkte unter Erhöhung ihrer Anzahl näher zusammenrücken, jedoch wird dadurch im Bereich praktisch anwendbarer Spannungen die Koronaentladung nie ausreichend gleichmäßig. Durch Anschaltung der Wechselspannungsquelle 16 an den Koronaentladungsdraht 17 wird es nun möglich, eine viel gleichmäßigere Ladungsdichte auf der Oberfläche der Platte 11 durch Koronaentladung zu erhalten. Die Wechselspannung bewirkt eine Erhöhung der durch die roten Glimmflecken erkennbaren Emissionspunkte pro Längeneinheit des Koronaentladungsdrahtes um einen erheblichen Wert, verglichen mit den bekannten Korona-Entladungseinrichtungen. Der Grund für diesen Anstieg ist noch nicht geklärt, es ist jedoch sicher, daß die Beeinflussung der Koronaentladung mit Wechselstrom keine thermionische Emission bewirkt, d. h. keine Emission von Elektronen durch Erhitzung des Koronadrahtes. Die thermionische Emission wäre aus zumindest zwei Gründen eine unzureichende Erklärung der mit der Erfindung bewirkten Erscheinungen. Bei ihr verbreitern oder verwischen sich nämlich die Emissionspunkte bei Erhitzung des Koronadrahtes, so daß eine

kontinuierliche Koronaentladung begünstigt wird. Im Gegensatz zu einer derartigen Verwischung wird durch die Erfindung in einfacher Weise die Zahl der Emissionspunkte erhöht, während diese gleichzeitig scharf ausgeprägt bleiben. Der zweite Grund, daß die thermionische Emission bei der beschriebenen Anordnung nicht auftritt, besteht darin, daß die Temperatur des Koronaentladungsdrahtes unter der dazu erforderlichen Temperatur bleibt. Die erhöhte Anzahl von Emissionspunkten verursacht eine gleichmäßigere Ladungsdichte auf der aufzuladenden Fläche, da die emittierten Elektronen gleichmäßiger verteilt sind. Der Wechselstrom kann jede Frequenz haben, beispielsweise 5 Hz oder mehr, die Anordnung arbeitet jedoch wirksamer, wenn die Frequenz erhöht wird. Die Zahl der Emissionspunkte steigt jedoch derart an, daß eine gleichmäßige Ladung auch bei relativ niedrigen Frequenzen, beispielsweise bei 60 Hz, erreicht wird, obwohl mit steigender Frequenz die Gleichmäßigkeit der Ladung weiter ansteigt.

Durch Anschaltung der Wechselspannungsquelle 16 an den Koronaentladungsdraht wird um diesen herum ein Magnetfeld erzeugt, dessen Richtung von der Richtung des Wechselstromes im Draht für einen vorgegebenen Zeitpunkt abhängt. Ein Wechselstrom bewirkt eine periodische Umkehrung der Polarität eines von ihm durchflossenen Leiters, so daß die in ihm vorhandenen Elektronen erst in der einen, dann in der entgegengesetzten Richtung fließen. In Fig.2A ist die Stromrichtung im Draht nach links und die Richtung des den Draht umgebenden Magnetfeldes in Richtung des gekrümmten Pfeiles dargestellt. Da vom Koronadraht freie Elektronen emittiert werden und der lonisicrungsprozcß weitere freie Elektronen und negative Ionen erzeugt, sind diese zwei bestimmten Kraftwirkungen ausgesetzt. Die erste ergibt sich aus der Abstoßung des freien, negativ geladenen Elektrons oder Ions von dem negativ geladenen Koronaentladungsdraht. Diese Kraft Cy bewirkt ein Abwandern des Elektrons oder Ions vom Korunadraht. Die zweite Kraflwirkung ergibt sich durch das den Koronacntladungsdraht umgebende Magnetfeld und ist mit Cx bezeichnet. In Fig.2A wird das Elektron 19 emittiert, während das den Korona· drah! umgebende Magnetfeld die dargestellte Richtung hat. Unter diesen Bedingungen wirkt die Kraft Qt mich rechts, und zwar entgegengesetzt zu der zu diesem Zeilpunkt im Koronadraht vorherrschenden Stromriclv Hing. Die Kombination der beiden Kräfte bewirkt eine Ablenkung des emittierten Elektrons bei seinem Weg nur die uuf/.uladcndc Fläche. Eine ähnliche Wirkung wird auf ein nahe dem Koronadrahl befindliches, neu erzeugtes negatives lon durch dus den Draht umgebende Feld ausgeübt, wodurch es bei Einwirkung einer Kraft Or über einen relativ indirekten Weg auf die zu ladende Flüche gelangt.

In Fig.2B ist ein Zeitpunkt dargestellt, bei dem der Koronacntladungsdraht 18 von einem Strom nach rechts durchflossen wird und die Richtung des Magnetfeldes dem gekrümmten Pfeil entspricht.

Die Kraft Cy verläuft gleichfalls senkrecht zur emittierenden Fläche, jedoch ist die Kraft Cx jetzt noch links gerichtet, d. h. wiederum dem Stromfluß im Draht entgegengesetzt. Die Bahn des Elektrons oder Ions 19 (gestrichelte Linie) ist von der in FI g. 2A dargestellten verschieden, da die Richtung der Kraft Cx umgekehrt ist. In jedem Fülle durchläuft das Elektron jedoch einen indirekten abgelenkten Weg auf die aufzulndcndc Fläche. Diese beiden Darstellungen stellen nur zwei Extremfälle kontinuierlich sich ändernder Zustände dar. In der zwischen diesen beiden Extremzuständen liegenden Zeit verringert sich das den Koronaentladungsdraht umgebende Magnetfeld auf den Wert Null, kehrt seine Richtung um und verstärkt sich, da der Elektronenstrom durch den Koronadraht seine Richtung periodisch ändert. Damit ändert sich entsprechend die Kraft Cx kontinuierlich in Stärke und Richtung. Der Wechselstrom zeigt folglich die Tendenz, die Elektronen und negativen Ionen in einer Ebene längs des Koronadrahtes willkürlich zu verteilen, wodurch sich eine gleichmäßigere Aufladung der zu ladenden Fläche ergibt.

In Fig.3 ist eine andere Ausführungsform einer Anordnung zur Erzeugung einer gleichmäßigen Aufladung der Platte 23 dargestellt. Der Koronaentladungsdraht 27 ist an den negativen Pol der Gleichspannungsquelle 22 angeschlossen. Ihr positiver Pol ist an die leitende Unterlage der Platte 23 gelegt. Die Wechsel-Spannungsquelle 21 ist mit zwei Feldelektroden 26, jedoch nicht mit dem Koronaentladungsdraht verbunden. Die Elektroden sind im Abstand zueinander seitlich der Entladungsstrecke zwischen Koronacntladungsdraht und Platte angeordnet und sie erzeugen ein elektrisches Wcchselfcld in dem zwischen der zu ladenden Fläche und dem Koronaentladungsdraht liegenden Luftraum, welches auf die Elektronen und negativen Ionen einwirkt. Diese werden hierdurch auf ihrem Weg zu der aufzuladenden Fläche abgelenkt. Der Hauptunterschied zu der in F i g. 1 gezeigten" Ausführungsform besteht darin, daß das durch Wechselstrom um den Koronadraht erzeugte Magnetfeld zu dessen Querschnitt konzentrisch verläuft, während die Feldelektroden 26 ein parallel zum Draht verlaufendes elektrisches Feld erzeugen. Die Wirkung des elektrischen Feldes auf die Elektronen und negativen Ionen ist ähnlich. Obwohl die in F i g. 3 gezeigten Fcldclektroden eine gleichmäßigere Verteilung der Elektronen nach ihrer Emission bewirken, treten nicht mehr F.missionspunkte pro Längeneinheit am Koronaentladungsdraht auf, wie dies im Zusammenhang mit F i g. I beschrieben wurde, da der Wechselstrom bei diesem Ausführungsbeispiel nicht durch den Koronacntladungsdraht verläuft.

Zur Erzeugung einer größtmöglichen Anzahl von llmissionspunktcn auf dem Koronaenlladungsdraht sowie zur besten Verteilung von Elektronen und negativen Ionen zwischen ihrem Austritt aus dem Koronacntladungsdraht oder ihrer Ionisation und ihrer

jo Ablagerung auf der aufzuladenden Überfluche dient eine Anordnung der in Fig.4 dargestellten Art. Dei negative Pol der Glcichspnnnungsqucllc 33 ist mit den Koronacntladungsdraht 34 verbunden, während dci positive Pol an die leitende Untcrlugc der Platte 31 gelegt ist. Die Wcchsclspannungsqucllc 28 Ist parallel zi dem Koronacntladungsdraht 34 geschaltet, die cit elektrisches Feld Im Luftraum zwischen dem Korona cntladungsdrohi und der aufzuladenden Fläche crzcu gen. Mit dieser Anordnung ergibt sich eine nocl gleichmäßigere Aufladung, da auf dem Koronacntla dungsdraht mehr Eminsionspunktc vorhanden sind Ferner werden die emittierten Elektronen und gcbllde ten negativen Ionen zwei Feldern ausgesetzt, die bcld eine Kraflwirkung parallel zur Längsrichtung de

6s Koronucntladungsdrahtes erzeugen. Dadurch ergib sich eine sehr gute Verteilung oder Überlappung freie Elektronen und negativer Ionen, wodurch die Glcichmtl Digkcit der Aufladung der Platte weiter verbessert wird

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufladen einer elektrisch isolierenden Fläche durch Koronaentladung mit negativen Ladungsträgern, bei dem zwischen einer länglichen Koronaentladungselektrode und der aufzuladenden Fläche ein, eine Koronaentladung bewirkendes, elßktrisches Gleichspannungsfeld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Bewegungsbahn der negativen Ladungsträger von der Koronaelektrode zu der aufzuladenden Fläche durchsetzendes, senkrecht zur Richtung des elektrischen Gleichspannungsfeldes und parallel zur Längsrichtung der Koronaentladungselektrode gerichtetes elektrisches oder ein senkrecht zur Richtung des elektrischen Gleichspannungsfeldes und senkrecht zur Längsrichtung der Koronaentladungselektrode gerichtetes magnetisches Wechseifeld erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische oder magnetische Wechselfeld eine Frequenz von wenigstens 5 Hertz hat.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische oder magnetische Wechselfeld eine Frequenz zwischen 30 und 150 Hertz besitzt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Koronaentladungselektrode durch einen Koronaentladungsdraht gebildet ist, der mit dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes parallel zu dem Koronaentladungsdraht eine Wechselspannungsquelle geschaltet ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des elektrischen Wechselfeldes seitlich der Entladungsstrecke einander gegenüberstehende Feldelektroden angeordnet sind, zwischen die eine Wechselspannungsquelle geschaltet ist.