DE1801356C3 - Verfahren zur Herstellung einer bildmäfiigen Aufzeichnung auf einem Aufzeichnungsträger mittels geladener Tonerteilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer bildmäßigen Aufzeichnung auf einem Aufzeichnungsträger mittels eines, durch ein elektrostatisches Stcuergitter bildmäßig differenzierten Teilcheristroms aus geladenen Tonerteilchen, wobei der Tonerteilchenstrom durch ein äußeres, von zwei Feldelektroden gebildetes Beschleunigungsfeld in Richtung auf den Aufzeichnungsträger geführt wird und das Steucrgitter aus einem elektrisch leitenden Träger mit einseitiger dielektrischer Beschichtung und einem auf der Beschichtung gebildetem Ladungsbild besteht.

Es ist aus der DE-AS 11 56 508 bekannt, daß die Polarität der Sperrladungen, die auf der isolierenden Oberfläche des Gitters aufgebracht sind, welche der Tonerquelle zugewandt ist, dieselbe ist wie die der Tonerpartikel. Damit ergibt sich, daß die Sperrwirkung durch die Abstoßung gleicher Ladungen im der Umgebung des Gitters hervorgerufen wird und bei einem hohen Potential auf der Oberfläche der Isolatorschicht ein Feld zwischen dieser Oberfläche und äußeren Gegenständen aufgebaut wird, das als Sperrfeld dient. Ein derartiges gleichpolarisiertes Sperrfeld hat jedoch den Nachteil, daß es sich erheblich in den Raum um den Ladungsträger herum auswirkt und enge Begrenzungen auf kleine Zonen oder gar die Gilteröffnungen des Gitters nicht zuläßt, so daß eine exakte Steuerung des Tonerpartikelstroms damit nicht möglich ist. Die Folge ist Randi'nschärfe und ein wenig differenziertes Bild.

Auch aus der US-PS 32 20 324 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, mit denen auf einem einen Teilchenstruin steuernden Gilter ein Ladungsbild erzeugt wird, das in gleicher Weise wie bei dem vorbeschriebenen Fall von gleicher Polarität wie: die Ladung der Tonerteilchen ist damit als verhältnismäßig weit in den umgebenden Raum hineingreifendes, abstoßendes Steuerfeld wirkt, wobei überdies das Steuergitter während des Tonerteilchenstroms ständig mit dem zu reproduzierenden Licht bestrahlt werden muß, um das Ladungsbild auf dem Gitter aufrechtzuerhalten. Die gewünschte scharfe Begrenzung des Feldes kann auch hiermit nicht erreicht werden.

Schließlich befaßt sich auch ein älterer Vorschlag gemäß DE-OS 15 22 582 mit dem Problem der bildmäßigen Steuerung eines Ladungsträgerstroms.

Dabei wird in zwei Stufen vorgegangen, um auf dem Aufzeichnungsträger ein Bild hervorzurufen. In der ersten Stufe wird auf einem geerdeten, mit einer photoleitfähigen Schicht versehenen, leitenden Gitter ein Ladungsbild erzeugt. In der zweiten Stufe wird dann dieses mit dem Ladungsbild versehene Gitter dazu verwendet, ein entsprechendes Ladungsbild auf einen Aufzeichnungsträger aufzubringen. Dazu wird in der ersten Stufe das zu reproduzierende Bild auf das geerdete, mit einer photoleitfähigen Schicht überzogene Gitter im gleichen Augenblick abgebildet, in welchem auch das Gitter einem lonenstrom ausgesetzt wird. Die von der Ionenquelle zuströmenden Ionen folgen einem Weg, der im wesentlichen den elektrischen Feldlinien entspricht, die prinzipiell von der Ionenquelle zum Gitter verlaufen, so daß die Ionen sich eher auf dem Gitter absetzen als durch die Löcher im Gitter hindurchtreten. In den belichteten Zonen ist die phololeitfahige Schicht des Gitters elektrisch leitend, und die in diesem Bereich auftreffenden Ionen werden durch die Photoleiterschicht hindurch zum leitenden Kern und von diesem zur Masse abgeleitet. In den nicht belichteten Zonen des Gitters bleibt die photoleitfähige Beschichtung im wesentlichen elektrisch isolierend, so daß die in diesen Bereichen auftreffenden Ionen sich auf der Oberfläche sammeln, bis eine Ionenschicht gebildet ist. Wenn eine derartige lonenschicht ausgebildet ist, tritt das Verfahren in seine zweite Stufe ein. In dieser zweiten Stufe werden die sich dem Gitter nähernden Ionen weiterhin von dem belichteten und noch leitenden Teil der Photoleiterschicht angezogen. Auf dem anderen Teil des Gitters jedoch enden wegen der auf dem Gitter nun vorhandenen Ladungsansammlung keine von der Ionenquelle ausgehenden Feldlinien mehr. Vielmehr meiden die Feldlinien das Gitter selbst und treten durch die Gitteröffnungen hindurch, so daß sie auf dem rückseitig geerdeten isolierenden Aufzeichnungsträger enden Auch Ionen, die dort den elektri sehen Feldlinien folgen, treten durch das Gitter hindurch und treffen auf den Aufzeichnungsträger mit der Folge, daß sie dort ein Ladungsbild entsprechend dem zu reproduzierenden Bild hervorrufen. Typisch ist, daß die Photoleiterschicht während dieser Verfahrensstufen, in denen das Gitter und der Aufzeichnungsträger mit der Abbildung versehen werden, in leitenden Zustand gehalten wird. Bei dem bekannten Verfahren wirken sich freiliegende Oberflächen des leitenden (Jitters, auch mikroskopisch kleine Risse oder Löcher in der Photoleiterbeschichtung auf dem Gitter, bereits in wesentlichen Störungen des Arbeitsablaufs aus, da diese Löcher oder Risse Endpunkte von Feldlinien bilden, so daß Ionen dort hineingezogen werden, ohne daß eine Ladungsschicht aufgebaut wird, die nötig ist, damit andere Ionen durch das Gitter hindurchtreten können. Ferner ist es nötig, entweder durch dauernde Projektion

b5 des Lichtbildes auf das Steuergitter während des bildcr/cugenden lonenstroms die Phooleiterschicht des Steuergitters leitend zu halten oder einen Photoleiter zu verwenden, der nach der bildmäßigen Belichtung noch

einige Zeit leitend bleibt, während der dann der Ionenstrom wirksam werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so abzuwandeln und zu verbessern, daß eine fein abstufbare Helligkeits-Schattierung der Kopie erzielbar ist nit hoher Randschärfe und daß während der Zeit, in der der Tonerteilchenstrom, vom geladenen Gitter gesteuert, auf den Aufzeichnungsträger gerichtet wird, eine fortwährende Belichtung des Steuergitters nicht nötig iu ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht dadurch, daß der elektrisch leitende Träger des Steuergitters in an sich bekannter Weise auf konstantem Potential gehalten wird, und daß dieses Potential und das Potential des Ladungsbildes in ihrer Polarität und Höhe so auf die Polarität der Tonerteilchen bzw. der das Beschleunigungsfeld erzeugenden Feldelektroden abgestimmt werden, daß in den Bereichen der geladenen Gitterteile in den Gitteröffnungen elektrostatische Felder mit zum Beschleunigungsfeld entgegengesetzt ve-laufenden Feldgradienten ausgebildet werden.

Die Wirkung dieser verfahrensmäßigen Besonderheit ist, daß an den Rändern der Gitteröffnungen entsprechend den Ladungsansammlungen Randfelder ausgebildet werden, die mehr oder weniger stark und dem überlagerten Beschleunigungsfeld entgegengerichtet sind, so daß sie gem.i > ihrer Stärke eine Sperrwirkung auf die Tonerpartikeln ausüben. Die Randfeldi - sind jedoch eng auf die Gitteröffnungen begrenz; und wirken sich außerhalb dieser kaum noch aus, so daß das Steuergitter nach außen neutral erscheint. Damit ist nicht nur eine hohe Randschärfe sondern auch eine fein abgestufte Dosierung zwischen nebeneinanderliegenden Gitteröffnungen möglich, die zu einem sehr hohen Auflösungsvermögen der Kopiervorrichtung führt. Darüber hinaus genügt eine einmalige bildmäßige Belichtung des Steuergitters, die dann gespeichert ist, so daß mit dem einmal mit dem Bild versehenen Gitter zahlreiche Kopien angefertigt werden können, ohne daß erneut belichtet werden muß.

Als einfach und vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn der elektrisch leitende Träger des Gitters auf Massepotential gehalten wird.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung im einzelnen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch eine Ausführungsform des bei der Erfindung verwendeten Steuergitters;

Fig. 2 in abermals vergrößerter Darstellung eine Gitteröffnung aus dem Steuergitter der F i g. 1;

Fig. 3 Feldlinien- und Potentialverlauf in einer bildmäßig differenzierten Gitteröffnung;

Fig.4 Feldlinien- und Potentialverlauf an einer Steuergitteröffnung bei Überlagerung des Steuerfeldes und eines Antriebsfeldes;

F i g. 5 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte beim Herstellen einer Reproduktion in Negativform;

Fig. 6 das gleiche für eine Reproduktion des Lichtbildes in Positivform;

F i g. 7 Feld- und Potentiallinien in einer Steuergitteröffnung mit einer die Öffnung nur partiell sperrenden Steuerladung;

F i g. 8 schematisch eine Kopiervorrichtung, in der das *·> erfindungsgemäße Verfahren abläuft.

Das in F i g. 1 gezeigte Steuergitter besteht aus einem elektrisch leitenden Träger 23 mit kongruenter einseitiger dielektrischer Beschichtung 21, so daß durch die Gitteröffnungen 25 Teile eines Tonerteilchenstroms hindurchtreten können. An den leitenden Träger ist über einen Anschluß 31 eine Leitung 33 angeschlossen, die es ermöglicht, das Poiential des Gitters während des Aufladevorganges und des Kopiervorgangs selbst auf einem konstanten Wert zu halten.

Das Aufladen des Steuergitiers geschieht derart, daß entsprechend der Darstellung der Fig. 2 sich entlang den Oberflächen der dielektrischen Beschichtung 21 Ladungen ansammeln, wobei durch Anschließen des leitenden Trägergitters 23 an Masse während des Aufladevorgangs die von der Oberseite der leitenden Beschichtung zugeführte Ladung die entgegengesetzt polarisierte Ladung zugeführt erhält. Nach außen betrachtet ist das gesamte Steuergitter in geringer Entfernung von einigen Gitterdicken neutral, und es läßt sich wein in die Umgebung wirkendes Feld feststellen. Tonerteilche, die an ungeladenen Flächen das Gitter passiert haben, werden von den geladenen Bereichen des Gitters nicht beeinflußt.

Das Aufladen des Steuergitters in der in Fig. 3 gezeigten Form erfolgt beispielsweise mit einer Koronaeinrichtung, von der Ionen auf die Oberfläche der isolierenden Beschichtung 21 gesprüht werden. Dabei wird das leitende Trägergitter auf einem bestimmten Potential gehalten, so daß jede Ladung, die sich auf der dem Trägergitter abgewandten Oberfläche der isolierenden Gitterschicht absetzt, eine gleich große und entgegengesetzte Ladung an die Grenzfläche zwischen Trägerplatte und Isolatorbeschichtung transportiert. Die Sperrwirkung auf Teilchen eines Tonerteilchenstroms übt das Randfcld aus, das sich innerhalb der Gitteröffnungen ausbildet. Dabei wird dafür gesorgt. daß das Randfeld so orientiert ist, daß es dem Bestreben der Tonerteilchen, durch die öffnung hindurchzutreten, entgegenwirkt.

Der Feld- und Potentiallinienaufbau an einer Git'.eröffnung im mit Ladung versehenen Zustand des Gitters ist in der Fig. 3 aufgezeichnet. Darin haben die Feldlinien das Bezugszeichen 35, die Äquipotentiallinien das Bezugszeichen 37. Es wird deutlich, daß ein positiv geladenes Teilchen 19 durch das in der Gitteröffnung sich ausbildende Randfeld zu einer Seite der öffnung abgelenkt wird und seine Ladung dann im Trägergitter abfließt. Bei positiver Ladung der Tonerteilchen wird das Steuergitter so angeordnet, daß sich die Teilchen zunächst seiner negativ geladenen Seite nähern, während umgekehrt aber d. h. negativ geladene Tonerpartikel gegen die positiv geladene Gitteroberfläche gerichtet werden. Die geringste Stärke des Randfeldes befindet sich in der Öffnungsmitte, und die Größe des Feldes hängt sowohl von der Stärke der Ladung als auch dem Verhältnis von Dicke zu Durchmesser Τι/Ό von Gitter und öffnung ab. Da die Stärke des Randfeldes zunimmt, wenn die Dicke der Isolierbeschichtung größer wird, versteht es sich, daß für eine wirksame Blockierung ein hohes Verhältnis TiID sowie eine starke Aufladung erwünscht sind. Die zum Sperren geladener Teilchen erforderliche Stärke des Randfeldes hängt von der Feldstärke ab, die verwendet wird, um die Teilchen von ihrer Quelle zum Kopierträger hin zu treiben. Hätten diese Teilchen keine Massenträgheit, dann wären die Gi'teröffnungen völlig gesp°rrt, wenn die Überlagerung von Randfeld und Beschleunigungsfeld, welches in Gegenrichtung wirkt, längs der Mittellinie des Loches an jedem Punkt ein resultierendes Feld von Null ergibt. Trägheitseffekte

befördern jedoch Teilchen auch noch durch die Öffnung, wenn das überlagerte l'eld innerhalb der Öffnung bereits eine zurücktreibende Kraft ausübt.

Versuche haben gezeigt, daß das in der isolierenden Beschichtung vorhandene l'eld mindestens die H- bis lOfachc Stärke des Antriebsfeldes haben soll, wenn das Verhältnis TiID 0,25 ist. So soll für ein Stcuergitter mit Öffnungen von 0.2 mm Durchmesser, einer Isolierschichtdicke von 0.05 mm Stärke und einer Beschleunigungsfeldstärke von etwa 2000 V/cm das Gitter mit κι einer Spannung von 100 V aufgeladen sein. Die Gestaltung eines Sperrfcldes (überlagertes Beschlcunigungsfeld und Randfeld) ist in der F i g. 4 dargestellt. Es zeigt sich in dieser Figur auch die zweite Hauptfunktion des elektrisch leitenden Trägergitters, auf dem sich durch die Sperrwirkung abgelenkte geladene Teilchen ablagern. Wäre der leitende Träger nicht vorhanden, dann würden diese geladenen Teilchen das Steuergitter bald so stark aufgeladen haben, daß seine ursprüngliche Ladung neutralisiert wäre und damit seine Sperrwirkung beseitigt wäre. Das leitende Trägergitter dagegen schirmt, da es während des Kopiervorgangs auf konstantem Potential gehalten wird, die isolierende Beschichtung gegenüber der Ladung der Tonerteilchen ab, so daß am l-'eldaufbau selbst keine Veränderungen eintreten.

Die in der Fig. 4 neben den Feldlinien 35' und den Äquipotcntiallinien 37' hoch eingezeichneten Wege der geladenen Tonerteilchen 39 veranschaulichen die Sperrwirkung des Gitters mit überlagerten Feldern in in der Öffnung.

Für den Kopiervorgang muß das Ladungsbild auf dem Gitter bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung das Negativ der gewünschten Kopie sein, da dort, wo keine Gitterladung vorhanden ist, Tonerteü- v, chen das Gitter durchdringen können. Das Ladungsbild auf dem Gitter kann auf verschiedene Arten hervorgerufen werden. Bevorzugt wird dazu ein Fotoleiter als isolierende Beschichtung verwendet. Wenn dieser Fotoleiter mit Hilfe einer Koronacinrichtung aufgela- jo den ist. kann er bildmäßig durch ein produziertes Lichtbild differenziert entladen werden, wodurch die Flächen, die Tonerteilchen mehr oder weniger durchlassen sollen, entladen werden (Fig. 5). Es ist auf diese Weise ein Negativlichtbild vorhanden, das reproduziert ιί wird. Die Aufladung des Gitters 43 erfolgt mit einer Koronaeinrichtung 43. Danach wird das Gitter mit Hilfe einer Lichtquelle 45 entsprechend der Originalvorlage 210 über ein Linsensystem 211 modifiziert. Eine Tonerquelle 47 gibt Tonerpartikel ab, die in üblicher κι Weise aufgeladen sind, und ein Kopierträger 49 befindet sich auf gegenüberliegender Seite des Gitters zur Tonerquelle. Das Beschleunigungsfeld hat die Spannung V|. das leitende Trägergitter des Steuergitters 43 wird auf dem Potential V₂ gehalten. Die Sperrwirkung eines v> Teils des Steuergitters, der bei der Belichtung nicht von Lichtstrahlen entladen wurde, wird durch die Tonerpartikeln 51 veranschaulicht, die nur in den belichteten Bereichen das Steuergitter durchdringen und sich auf dem Kopierträger ablagern können. wi

Es ist jedoch auch möglich, Positivreproduktionen der Originalvorlage zu enthalten, wie in Fig. 6 dargestellt Hierbei wird während der Belichtung durch eine transparente Elektrode 55 hindurch eine Ladungstrennung solcher Art vorgenommen, daß die Teile, die n-> während des Belichtungsvorgangs von Licht getroffen werden, aufgeladen werden und dann eine Sperrwirkung auf die Tonerteilchen während des Kopierens ausüben.

Sollten die elektrischen oder mechanischen Eigenschaften der einseitigen dielektrischen Beschichtung des Sieiiergitters den Anforderungen nicht entsprechen, die einen hohen Ladungsgrad und große Isolierschichtdieke erfordern, so kann das Steuergittcr gemäß Ausführungen in tier älteren Anmeldung P 19 10 392.5 der Anmelderin ausgebildet scm.

Grauflächcn oder Halbtonrcproduktion lassen sich durch partielle Ausbildung der Randfcldcr erzeugen, was durch geringere Lichtstärke oder Dauer während der Belichtung hervorgerufen wird. F.ine Darstellung einer Gitteröffnung mit Feld- und Äquipotcntiallinien 111 bzw. 11.3 sowie den Flugbahnen geladener Tonerteilchen zeigt die F i g. 7.

Line schematische Darstellung einer Vorrichtung, mit der das erfindüngsgmäiic Verfahren ausgeführt werden kann, ist in der Fig. 8 wiedergegeben. Das Steuergitter 121 ist um vier Walzen 122 bis 125 herumgclegt, von denen wenigstens eine einen Motorantrieb besitzt. Die Belichtungsstation 130 enthält eine Lichtquelle 131, eine Originalvorlage 132 und eine Optik 133, durch die das Licht durch eine transparente Elektrode 134 hindurch auf das Sleurergittcr 121 gerichtet wird. Eine Auflade-Spannungsquelle £V ist über eine Leitung 136 mit der transparenten Elektrode 134 verbunden und steht andererseits in Verbindung mit Masse 137. Das leitfähige Trägergitter des Steuergitters 121 ist über die eine Walze 123 ebenfalls mit Masse verbunden, so daß es dadurch auf einem festen Potential gehalten wird. Das bildmäßig modulierte Steuergitter gelangt in die Entwicklerstalion 140, wo ein Strom von Tonerteilchen, die auf die Tonerspannung l'i aufgeladen sind, gegen das Stcuergitter gerichtet wird. Dies geschieht mit Hilfe einer Walzenbürste 143 und einem Beschleunigungsfeld, das von einer Spannungsquelle Ei zwischen Masse 137 und einer leitfähigen Trägereinrichtung des Kopierträgerpapiers 145 aufgebaut wird. Es sind dazu Verbindungsleitungen 147 bis 149. ein Schalter 148 und eine Kontaktwalze 150 vorgesehen.

Die geladenen Tonerteilchen, die durch das Steuergitter 121 hindurchtreten, treffen auf das Kopierträgerpapicr 145 und werden dort als positives oder negatives Abbild der Originalvorlage abgelagert. Die Fixierung dieses Bildes erfolgt dann mit Hilfe eines Widerstandsheizers 157, und die fertigen Kopien fallen nach dem Fixiervorgang auf einen Stapel 161. Der Vorschub des leitenden Trägers 151 des Kopierpapiers kann schrittweise erfolgen, um so eine Gesamtbildbelichtung des Steuergitters in der Belichtungsstation zu ermöglichen.

Schließlich ist noch ein Tonerabsauger 170 vorgesehen, der im Anschluß an die Entwicklerstation am Steuergitter 121 haftende Tonerpartikel absaugt und einem Reservoir, aus dem die Tonerquelle gespeist wird, zuführt. Die angelegten Potentiale sind im allgemeinen Gleichspannungspotentiale.

Eine gute Reproduktion erhält man mit Steuergittern, deren Zeilenzahl zwischen 30 und 400 pro cm liegt, wobei mit 80 Zeilen Reproduktionen von der Güte heutiger Bürokopiermaschinen erzielt werden, mit scharfer Randzeichnung und praktisch nicht erkennbarer Rasterung. Bevorzugt liegt die Spaltweite zwischen Steuergitter und Aufzeichnungspapier im Bereich von 1,6 bis 6,5 mm, was jedoch keine absoluten Grenzen darstellt, da sogar Kontaktkopieren möglich ist. Dabei werden gute Ergebnisse mit Tonerteilchen von einer Partikelgröße zwischen 4 und 8 μ erzielt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer bild^r-äßigen Aufzeichnung auf einem Aufzeichnungs- _oer mittels eines durch ein elektrostatisches Steuergitter bildmäßig differenzierten Teilchenstromes aus geladenen Tonerteilchen, wobei der Tonerteilcbenstrom durch ein äußeres, von zwei Feldelektroden gebildetes Beschleunigungsfeld in Richtung auf den Aufzeichnungsträger geführt wird und das Steuergitter aus einem elektrisch leitendem Träger mit einseitiger dielektrischer Beschichtung und einem auf der Beschichtung gebildeten Ladungsbild besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Träger des Steuergitters in an sich bekannter Weise auf konstantem Potential gehalten wird, und daß dieses Potential und das Potential des Ladungsbildes in inrer Polarität und Höhe so auf die Polarität der Tonerteilchen bzw. der das Beschleunigungsfeld erzeugenden Felclelelktroden abgestimmt werden, daß in den Bereichen der geladenen Gitterteile in den Gitteröffnungen elektrostatische Felder mit zum Beschleunigungsfeld entgegengesetzt verlaufende Feldgradienten ausgebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Träger des ."'^'lergitlers auf Massepotential gehalten wird.