DE19637613A1

DE19637613A1 - Selektierung von Toner-Partikeln bei auf Toner basierenden Druckverfahren

Info

Publication number: DE19637613A1
Application number: DE19637613A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Bartscher
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 1996-09-16
Filing date: 1996-09-16
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2016-09-17
Also published as: JPH10104933A; DE19637613C2; US5845181A

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der auf Toner basierenden Druckverfahren und hierbei insbesondere die elektrostatischen Entwicklungseinheiten, welche vorzugsweise mit Trockentoner arbeiten, wobei die Sichtbarmachung eines latenten elektrostatischen Ladungsmusters im Vordergrund steht. Eine Vielfalt von solchen Stationen ist in Fotokopierern (schwarz/weiß und Farbe) sowie in Laserdruckern bekannt.

Die Funktionsweise eines Laserdruckers ist nachfolgend zur Erläuterung der Erfindung dargestellt. Mit Hilfe einer Koronaeinheit wird eine Oberflächenladung auf eine Trommel mit einem Fotoleiter gebracht. Der Fotoleiter hat die Eigenschaft, daß er bei Belichtung eine elektrische Leitfähigkeit entwickelt. Durch Belichtung mit einem modulierten Laserstrahl wird so die Ladung an den gewünschten Stellen abgeführt. Danach wird das so geschaffene elektrische Ladungsmuster mit Hilfe einer Entwicklungsstation sichtbar gemacht. Grundsätzlich wird bei einer solchen Station eine Vielzahl von elektrostatisch geladenen Farbteilchen, Tonerpartikel genannt, welche typischerweise einen Durchmesser von 10 µm aufweisen, der Oberfläche mit dem Ladungsmuster angeboten. Üblicherweise haben die Tonerpartikel eine Polarität entgegengesetzt zu der der Oberflächenladung auf dem Fotoleiter, so daß die Tonerpartikel an den geladenen Bereichen angezogen werden und haften, während sie an den ungeladenen Bereichen nicht haften, so daß diese Bereiche weiß bleiben. Anschließend wird das so entwickelte Tonerbild mit elektrostatischer Unterstützung auf Papier übertragen. Daran schließt sich eine Reinigung und eine Entladung des Fotoleiters an, so daß der Druckvorgang wieder von vorne beginnen kann.

Ein wesentliches Problem bei den beschriebenen Entwicklungsstationen ist die definierte elektrostatische Aufladung der Tonerpartikel, wobei die Betonung auf "definiert" liegt. Typisch sind Ladungen im Bereich von 10 bis 20 µC/g wobei dieser Wert nur einen Mittelwert darstellt. Es gibt eine Verteilung dieser Ladung, d. h. ein großer Teil der Tonerpartikel besitzt eine deutlich höhere oder geringere Ladung als der Mittelwert. Es ist ein Ziel der Erfindung, diese Verteilung möglichst eng zu halten, um möglichst definierte Bedingungen zu haben. Nachteilig bei einer zu weiten Ladungsverteilung ist die wenig genau kontrollierbare Entwicklung. Dabei kann es vorkommen, daß bei dem einen Teil der eigentlich positiv geladenen Tonerpartikel eine unerwünschte negative Ladung entsteht, man spricht hier von "Wrong Sign Toner". Dabei handelt es sich um Tonerpartikel, deren elektrische Ladung von umgekehrter Polarität im Vergleich zu der Mehrzahl der Partikel ist. Wegen der beschriebenen breiten Ladungsverteilung ist bei den Ausführungen gemäß des Standes der Technik ein solcher unerwünschter "Wrong Sign Toner" immer vorhanden.

Prinzipiell wird eine Aufladung der Tonerpartikel mit Hilfe von triboelektrischen Effekten erreicht. Die Tonerpartikel laden sich dabei durch Reibung an einem anderen Material elektrostatisch auf. Konkret erreicht man dies heute durch Wahl geeigneter Materialpaarungen sowie durch Hinzuziehung von speziellen Ladungserzeugern. Sowohl die Fach- als auch die Patentliteratur bietet eine Vielzahl von Variationen dieses Grundprinzipes, was sich aus der Veröffentlichung von "L.B. Schein-Elektrophotographie and Devdopment Physics - Springer Verlag 1992", sowie aus der Veröffentlichung "J. A. Thompson - A Review of the Development Process Technology, Utilized in the IBM Laser Printer Family, 6th International Congress on Advances in Non-Impact Printing Technologies 1992 p.p. 72-84", ergibt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Verteilung der Ladung möglichst eng zu halten und nur eine vorbestimmte Ladung der zu entwickelnden Oberfläche anzubieten. Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist es, den unerwünschten sogenannten "Wrong Sign-Toner" zu beseitigen. Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus dem Merkmalen des Anspruchs 1.

Eine Verbesserung durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist darin zu sehen, daß nur vorbestimmte Ladungen zur zu entwickelnden Oberfläche gelangen und daß der sogenannte "Wrong-Sign-Toner" beseitigt werden kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der vorliegenden Erfindung gibt es die Möglichkeit, diese Separierung der Tonerpartikel nach deren Ladung durchzuführen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, diese Separierung der Tonerpartikel nach deren Größe bzw. Masse durchzuführen. Bei der Durchführung der Selektion nach Größe bzw. Masse werden die Zentrifugalkräfte ausgenutzt, die auf die Partikel wirken. Ferner wird durch die Ausgestaltung eines geringen Krummungsradius Einfluß auf die Zentrifugalkräfte bzw. die Haltekräfte der Partikel ausgeübt.

Diese Separierung der Tonerpartikel auf der Grundlage von Größe und Masse erfolgt vorzugsweise in einer Anordnung, bei der ein Transportband, mit dem Partikel transportiert werden, Verwendung findet. Mindestens eine Umlenkwalze, über die das Transportband läuft, kann einen sehr geringen Krummungsradius aufweisen. Auch führt in einer besonderen Ausführungsform die Variierung der Geschwindigkeit des Transportbandes zu einer entsprechenden Auswahl der Partikel. In einer weiteren besonderen Ausführungsform werden die Tonerpartikel von einer Walze auf weitere Walzen übertragen. Die Auswahl erfolgt dort anhand der gewünschten Ladungen. Unerwünschte Ladungen werden vom Weitertransport auf eine weitere Walze abgehalten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Rakel in der Oberfläche des Transportbandes beabstandet. Durch Variierung des Abstandes besteht die Möglichkeit, Partikel, welche größer als der eingestellte Abstand sind, vom Band abzustreifen. Die Möglichkeit mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten zu arbeiten wirkt sich vorteilhaft auf die Einstellung der gewünschten Haltekraft der Tonerpartikel aus. Ferner ist es möglich, unterschiedliche Dicken beim Transportband zu verwenden, was sich eben als vorteilhaft auf die Haltekraft bzw. die Einstellung der höchsten Haltekraft auswirken kann.

Im nachfolgenden werden zwei Ausführungsformen beschrieben, die den Erfindungsgegenstand erläutern. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform, bei der jeder der vier eingezeichneten Walzen (1, 2, 3, 4) unabhängig von den anderen Walzen (1, 2, 3, 4) auf ein definiertes elektrisches Potential gebracht werden kann (hier nicht dargestellt). Mehr oder weniger dünne Beschichtungen auf den Walzenoberflächen können zur Unterstützung von verschiedenen Funktionen vorgesehen werden. Ungeladene Tonerpartikel 10 werden aus einem Reservoir 13 mit Hilfe einer Walze 1 zu einer zweiten Walze 2 transportiert, gegen diese gepreßt und durch die dabei entstehende Reibung schon schwach aufgeladen. Dabei sind die Materialien des Toners 10, 11, 12 und der (typischerweise gummiartigen) Beschichtung so gewählt, daß eine möglichst definierte Ladung erzeugt wird. Die Walze 2 arbeitet mit einer Rakel 6 in der Art zusammen, daß das Rakel 6 die Tonerpartikel 10 erneut und intensiver auf die Walzenoberfläche der Walze 2 anpreßt. Durch dieses Anpressen erfolgt eine verstärkte Aufladung der Tonerpartikel 10. Dieser Vorgang kann noch durch Anlegen einer Spannung (was hier nicht gezeigt ist) zwischen der Walze 2 und dem Rakel 6 (welche vorzugsweise metallisch ausgeführt ist) unterstützt werden. Eine weitere Aufgabe des Rakels 6 ist die auf der Walze 2 vorhandene Durchmesser der Tonerpartikel zu regulieren. Der Durchmesser der zu entwickelnden Tonerpartikel kann zum Beispiel durch das an die Walze 2 angestellte Rakel 6 nach oben begrenzt werden, indem das Rakel 6 entsprechend angestellt wird.

An Walze 2 wird ein Potential derart angelegt, daß sich ein elektrisches Feld zwischen den Walzen 2 und 3 einstellt. Die Feldstärke wird so gewählt, daß stark geladene Partikel 12, welche in der Fig. 1 als dunkel dargestellte Partikel zu sehen sind, von Walze 2 auf Walze 3 gezogen werden. Hier wird der Effekt ausgenutzt, daß die Kraft auf die Partikel direkt proportional der Ladungsmenge auf einem Tonerpartikel ist. Somit kann definiert eine Obergrenze für die Ladung der Partikel eingestellt werden, die später der zu entwickelnden Oberfläche angeboten werden.

Im nächsten Schritt werden die zu niedrig geladenen Tonerpartikel 10 ausgesondert. Dies geschieht in der Art und Weise, daß auch zwischen Walze 2 und Walze 4 eine elektrische Spannung angelegt wird. Diese ist so zu wählen, daß Tonerpartikel 10 mit einer geringeren Ladung nicht auf Walze 4 übertragen werden. Das oben beschriebene Grundprinzip der Ladungserzeugung durch triboelektrische Wechselwirkungen ist im Hinblick auf die Aufladung der Tonerpartikel bei den Walzen 1 und 2 vorteilhaft, jedoch kann die Triboelektrizität im Hinblick auf die Übertragung von Walze 2 auf Walze 4 störend wirken. Partikel mit einer beim Verlassen von Walze 2 definierten Ladung wechselwirken beim Auftreffen mit der Oberfläche von Walze 4, wobei Ladungen ausgetauscht werden können. Dieser Effekt kann einen Teil der vorherigen Selektionswirkung wieder zunichte machen. Um den Einfluß der Ladungsänderung durch Triboelektrizität möglichst klein zu haken, wird in vorteilhafter Weise für die Oberfläche von Walze 4 ein Material verwendet, welches in nur geringem Maße mit den Tonerpartikeln triboelektrische Wechselwirkungen erzeugt. Dafür kommen vorzugsweise zwei Klassen von Materialien in Frage. Das sind Materialien, die sehr ähnlich oder identisch wie die Tonerpartikel zusammengesetzt sind und Materialien, die in der triboelektrischen Spannungsreihe (siehe zum Beispiel L.B. Schein) eng benachbart sind. Bei Verwendung derartiger Materialien wird in vorteilhafter Weise die Ladungsänderung der Tonerpartikel durch den Kontakt mit der Oberfläche von Walze 4 minimiert.

Durch diese vorteilhafte Maßnahme ist es möglich, für die Partikelladung eine Obergrenze und eine Untergrenze einzustellen. Auf Walze 4 befinden sich erfindungsgemäß somit nur Partikel 11 mit einer Ladung innerhalb des gewünschten Bereiches. Diese Tonerpartikel 11 werden dann der zu entwickelnden Oberfläche (z. B. einem Fotoleiter) angeboten, wo der Entwicklungsprozeß in der genannten Form ablaufen kann. Der Entwicklungsprozeß läuft durch die definierte Bereitstellung eines Ladungsbereiches in wesentlich verbesserter Form ab.

Durch die vorliegende Erfindung wird dieser "Wrong Sign Toner", der zu den großen Problemen bei derartigen Entwicklungsstationen zählt, in vorteilhafter Weise ausgefiltert. Die Ausfilterung geschieht in der oben beschriebenen Form derart, daß Partikel mit der falschen Polarität nicht der zu entwickelnden Oberfläche angeboten werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird anhand der Fig. 2 beschrieben. Neben dem bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Vorteil einer Vermeidung der Ladungsänderungen der bereits ladungsselektierten Tonerpartikel bietet die Ausführungsform nach Fig. 2 die Möglichkeit, die Tonerpartikel nicht nur nach Ladung, sondern auch nach Größe bzw. Masse zu selektieren. Das Aussortieren der zu schwach geladenen Partikel erfolgt hier durch Walze 17, die einen sehr kleinen Durchmesser hat.

Durch den geringen Krümmungsradius entstehen bei entsprechender Bahngeschwindigkeit Zentrifugalkräfte, die schwach geladene Partikel - die nur schwach an dem Band 2 haften - vom Band 2 schleudern. Die Bandrückseite des Bandes 2 weist einen metallischen Charakter auf. Dadurch ist diese Bandrückseite leitfähig und damit wirkt eine anziehende Kraft auf ein geladenes Teilchen, wobei die Kraft proportional zum Quadrat der Partikel ist. Die schwach geladenen Teilchen werden durch die Zentrifugalkraft vom Band 2 geschleudert und somit separiert. Auf dem Band befinden sich danach nur Partikel mit der gewünschten Ladung. Eine Auswahl der Partikel, die noch auf dem Band 2 verbleiben sollen, kann derart eingestellt werden, daß eine entsprechende Dielektrizitätkonstante der Beschichtung des Bandes gewählt wird oder das eine entsprechende Dicke des Bandes gewählt wird. Die Geschwindigkeit des Bandes und der Radius von Walze 17 wirken sich ebenfalls auf den Separierungsvorgang aus. Im übrigen ist die Funktionsweise gemäß Fig. 2 wie folgt. Ungeladene Tonerpartikel 8 befinden sich in einem Tonerbehälter 13. Über die Walze 1 werden die ungeladenen Tonerpartikel dem Band 2 zugeführt. Ein Rakel 6 arbeitet in der Art und Weise mit dem Band 2 zusammen, daß die auf dem Band 2 befindlichen Tonerpartikel in gewünschter Anzahl und solche mit einem bestimmten Durchmesser durch das Rakel 6 vom Band 2 abgestreift werden können. Ferner wirkt das Rakel 6 unterstützend zur Ladungserzeugung. Die das Rakel 6 passierende Tonerpartikel werden vom Band zur Walze 3 befördert. Die Walze 3 nimmt die zu stark geladenen Partikel 12 vom Band ab. Die auf der Oberfläche der Walze 3 nun haftenden zu stark geladenen Tonerpartikel werden über ein mit der Walzenoberfläche der Walze 3 zusammenwirkendes Rakel 7 entfernt. Auf dem Band werden sodann nur noch die nicht zu stark geladenen aber auch die zu schwach geladenen Partikel weiter transportiert. Eine Aussortierung der zu schwach geladenen Partikel erfolgt wie oben bereits beschrieben an Walze 17. Die zu schwach geladenen Partikeln fallen zurück in den Behälter 13 für Tonerpartikel. Nur die Partikel 11, die den Separierungsprozeß unbeschadet überstanden haben, werden auf dem Transportband 2 über eine Umlenkwalze 14, der zu entwickelnden Oberfläche 9 des Fotoleiters 5 zugeführt. Dabei läuft das Band 2 dicht an der Oberfläche des Fotoleiters 5 vorbei. Die Ladungen werden dabei von der Oberfläche des Bandes 2 auf die zu entwickelnde Oberfläche 9 des Fotoleiters 5 übertragen. Das Band wird über die Umlenkwalze 15 erneut zur Walze 1 geführt und dort erfolgt erneut die Ladungsaufnahme der ungeladenen Tonerpartikel.

Bezugszeichenliste

1 Walze
2 Walze
3 Walze
4 Walze
5 Fotoleiter
6 Rakel
7 Rakel
8 Tonerpartikel
9 Oberfläche
10 Tonerpartikel
11 Partikel
12 Partikel
13 Behälter
14 Umlenkwalze
15 Umlenkwalze
16
17 Walze

Claims

1. Druckmaschine zum Erzeugen eines Bildes mittels Tonerpartikel, wobei die Druckmaschine eine Entwicklungseinrichtung zur Vorbereitung des Toners aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Entwicklungseinrichtung mindestens einen Filter zum Auswählen von Tonerpartikeln aufweist.

2. Druckmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl anhand der dem Tonerpartikel anhaftenden Ladung erfolgt.

3. Druckmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl anhand der Größe oder der Masse der Tonerpartikel erfolgt.

4. Druckmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger vorgesehen ist, welcher Tonerpartikel unterschiedlichster Ladung aufnimmt und daß eine Separiereinrichtung vorgesehen ist, die auf den Träger in der Art einwirkt, daß die Tonerpartikel mit einer gewünschten vorbestimmten Ladung vom Träger entfernt werden.

5. Druckmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger vorgesehen ist, welcher Tonerpartikel unterschiedlicher Ladung aufnimmt und daß eine Separiereinrichtung vorgesehen ist, die auf die Tonerpartikel in der Art einwirkt, daß nur die Tonerpartikel mit einer vorbestimmten ausgewählten Ladung vom Träger gelöst und auf eine das Bild zu entwickelnde Oberfläche eines Bildträgers übertragen wird.

6. Druckmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger, welcher die unterschiedlich geladenen Tonerpartikel transportiert, ein Band ist.

7. Druckmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger der Tonerpartikel Walzen sind.

8. Druckmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Band als Endlosband ausgebildet ist, welches über Umlenkwalzen transportiert wird, wobei mindestens eine Walze einen sehr geringen Durchmesser aufweist.

9. Druckmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Behälter (13) für Tonerpartikel vorgesehen ist, in dem ungeladene Tonerpartikel (10) enthalten sind, daß eine Walze (1) vorgesehen ist, die an ihrer Oberfläche die ungeladenen Tonerpartikel aufnimmt, daß eine Walze (2) vorgesehen ist, die die ungeladenen Tonerpartikel der Walze (1) übernimmt, daß ein Rakel (6) vorgesehen ist, welches auf die Oberfläche der Walze (2) wirkt und die auf die Oberfläche der Walze (2) befindlichen Tonerpartikel mit einer Ladung versieht, daß eine Walze (3) vorgesehen ist, die auf die Oberfläche der Walze (2) wirkt und daß diese Walze (3) stark geladene Tonerpartikel, die sich auf der Oberfläche der Walze (2) befinden, von dieser abzieht, daß ein Walze (4) vorgesehen ist, die mit der Walze (2) zusammenwirkt in der Art, daß Tonerpartikel, welche sich auf der Oberfläche der Walze (2) befinden, sofern sie eine vorbestimmte Ladung aufweisen, von der Walze (4) aufgenommen werden, und
daß die auf der Oberfläche der Walze (4) befindlichen ausgewählten Tonerpartikelchen auf die das Bild zu entwickelnde Oberfläche eines Bildträgers übertragen werden.

10. Druckmaschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rakel (6) vorgesehen ist, welches mit dem die Tonerpartikel tragenden Band (2) derart zusammenwirkt, daß der Abstand zwischen der Oberfläche des Bandes (2) zum Rakel (6) einstellbar ist und dadurch Tonerpartikel, welche größer sind als der eingestellte Abstand durch das Rakel (6) vom Band (2) gestreift werden.

11. Druckmaschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Band (2) führende und das Band (2) umlenkende Walze (17) vorgesehen ist, die so bemessen ist, daß das umlenkende Band (2) im Bereich der Walze (17) einen geringen Krümmungsradius bildet.

12. Druckmaschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandgeschwindigkeit des Bandes (2) veränderbar ist und das entsprechend der eingestellten Bandgeschwindigkeit des Bandes (2) Tonerpartikel mit geringerer Haltekraft im Verhältnis zur im Bereich der Walze (17) auf die Tonerpartikel wirkenden Zentrifugalkraft, durch diese vom Band (2) geschleudert werden.

13. Druckmaschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Band (2) mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten versehen werden kann und das proportional der Dielektrizitätskonstante die Haltekraft der Tonerpartikel einstellbar ist.

14. Druckmaschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Bänder (2) mit unterschiedlicher Dicke Verwendung finden und daß aufgrund der Wahl der Dicke des Bandes die Haltekraft der Tonerpartikel einstellbar ist.