DE2007728C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Auswertung der Verteilung der elektrischen Ladung auf einer elektrostatisch geladenen Schicht - Google Patents

Description

Durch die US-PS 25 83 546 ist bereits eine Vorrichtung zur Auswertung der Ladungsverteilung einer elektrofotografischen Bildplatte bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird eine ein Potential führende Sonde nahe an die geladene Oberfläche einer Trommel herangebracht, ohne diese jedoch zu berühren. Mit einem geeigneten Antriebs- und Führungsmechanismus ist eine Abtastung der Trommeloberfläche mit der Sonde möglich. Liegt ein geladenes Flächenelement der Trommeloberfläche unter der Sondenspitze, so wird in dieser eine Spannung induziert Die Sonde ist direkt mit dem Gitter einer Elektronenröhre verbunden, und die induzierte Spannung bewirkt eine Vorspannungsänderung der Röhre, während die Sonde die elektrostatisch geladene Trommeloberfläche abtastet. Die Signaländerungen werden verstärkt und einer Auswertevorrichtung oder einen anderen Anordnung, beispielsweise einem Faksimileschreiber, zugeführt.

Bei der graphischen Aufzeichnung ist der Grenzwert der Auflösung und Schärfe, mit der eine Linie reproduziert werden kann, von primärer Wichtigkeit. Die Auflösung und die Schärfe werden durch verschieden Faktoren verringert. Dazu gehören das für die Belichtung der elektrostatischen fotoleitfähigen Bildfläche verwendete optische Bild, die Fähigkeit des Fotoleiters zur Bildung und Speicherung der bildmäßig verteilten Ladungen und die elektrostatischen Feldeigenschaften der Schärfe und Genauigkeit eines Ladungswechsels auf dem Fotoleiter.

Die Abtastung einer elektrofotografischen Bildplatte beruht bei der bekannten Anordnung also auf einer Induktionskopplung. Einer der Nachteile eines derart arbeitenden Systems besteht darin, daß die Beibehal tung der Schärfe eines Ladungsübergangs auf einer geladenen Bildfläche schwierig ist. Bei Anwendung der Induktionskopplung ist die Auflösung direkt abhängig vom Abstand zwischen der Sondenspitze und der geladenen Fläche. Ist also eine Randauflösung von 0,025 mm erwünscht, so ist ein Abstand von 0,025 mm zwischen der Sonde und der geladenen Fläche erforderlich. Ein geringerer Abstand verbessert zwar die Auflösung, ist jedoch im Hinblick auf mechanische Erfordernisse wie z. B. Maschinentoleranzen schwierig zu verwirklichen. Ist die geladene Fläche trommeiförmig ausgebildet, so treten Abstandsänderungen während der Abtastung durch die fest angeordnete Sonde auf, da es praktisch unmöglich ist, eine perfekt runde Trommel zu konstruieren. Außerdem tritt bei der Induktionskopplung der unerwünschte Effekt der Stromverschiebung bei der Sondenspannung auf, was auf einen endlichen Isolationswiderstand zurückzuführen ist. Diese Stromverschiebung wird bei der bekannten Anordnung nicht vermieden, man versucht sie jedoch durch periodisches Erden des Gitters der Elektronenröhre hinsichtlich ihrer Auswirkung zu verbessern.

Es ist ferner bekannt, daß bei Anstieg der Spannung zwischen zwei Elektroden, die einen elektrostatisch aufladbaren Stoff einschließen, die Reibungskraft zwischen den Elektroden und dem Stoff erhöht wird. Diese Erscheinung wird als Johnsen-Rahbek-Effekt bezeichnet.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile der vorstehend beschriebenen bekannten Anordnung durch Anwendung dieses Effektes. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Sonde mit der Schicht in Berührung gebracht und über sie hinweg s bewegt wird und daß die dabei zwischen der Sonde und der Schicht auftretenden Reibungskraftänderungen in elektrische Signale umgewandelt werden. Die dabei erzielbaren Vorteile bestehen in einer hohen Auflösung und in der Vermeidung der Stromverschiebung. Als Sonde kann beispielsweise eine Mikro-Elektrometersonde verwendet werden, mit der die Schicht abgetastet wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in weiterer Ausbildung der Erfindung derart ausgeführt, daß eine die Schicht berührende und relativ zur Schicht bewegbare Sonde vorgesehen ist, der eine Anordnung zur Wandlung der zwischen der Sonde und der Schicht auftretenden Reibungskraftänderungen in elektrische Signale zugeordnet ist

Für eine derartige Vorrichtung sind verschiedene Anwendungsbereiche denkbar. Beispielsweise kann die Vorrichtung gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens an einem beweglichen trommel- oder bandförmigen Träger einer elektrofotografischen Reproduktionsmaschine angeordnet sein. Damit ist die Möglichkeit gegeben, ein auf einer solchen Bildplatte vorhandenes elektrostatisches latentes Bild mit der Sonde abzutasten. Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens ist jedoch auch eine Ausführung der Auswertevorrichtung möglich, bei der mit Abstand zur Sonde an der fotoleitfähigen Schicht zwei Beleuchtungsvorrichtungen derart angeordnet sind, daß sie bei Bewegung der Schicht nacheinander auf ein und dasselbe Flächenelement der Schicht einwirken, bevor dieses Flächenelement in den Bereich der Sonde gelangt Diese Auswertevorrichtung kann als Koinzidenzdetektor vet wendet werden, wobei den Beleuchtungsvorrichtungcn jeweils ein Signal zugeführt wird, das zusammen mit dem Signal der anderen Beleuchtungsvorrichtung auf ein Flächenelement der geladenen Schicht einwirkt und dieses entlädt. Der Grad der Entladung kann dann mit der Sonde festgestellt werden, so daß eine Feststellung der Koinzidenz beider Signale auch bei deren gegenseitiger zeitlicher Verscniebung möglich ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 das Prinzip der Messung einer Reibungskraft nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 2 den Zusammenhang zwischen der Reibungskraft und der Spannung der in F i g. 1 gezeigten Elemente,

Fig.3 einen Wandler zur Wandlung der Reibungskraftänderungen in elektrische Signale mit zugeordnetem Oszillator,

Fig.4 einen Wandler mit einem zugeordneten vereinfachten Übertragungssystem und

F i g. 5 einen Wandler innerhalb einer Anordnung zur Koinzidenzfeststellung.

Gemäß 1er Erfindung wird der Johnsen-Rahbek-Effekt zur Messung bzw. Auswertung des Potentials von Ladungsmustern auf einem Fotoleiter, einem Halbleiter, einer dielektrischen Fläche o. ä. angewendet. Johnsen und Rahbek führten ihre Versuche mit Halbleitern durch, beispielsweise mit Lithographenstein, Achat, Marmor, Flintstein und Elfenbein. Bei der weiteren Erforschung dieses Effekts wurden elektronische Halbleiter verwendet, die im Gegensatz zu den vorstehend genannten Stoffen nicht das Vorhandensein von Feuchtigkeit voraussetzen. Einige elektronische Halbleiter, mit denen Erfolge erzielt wurden, hatten die Form gepreßter Scheiben, die aus einer pulverisierter» Mischung von Magnesium- und Titanoxiden bestanden, die in Wasserstoff und Selen reduziert wurde und als Überzug auf eine Grundplatte aufgebracht war. Diese elektrisch aufladbaren Stoffe zeigen Ergebnisse, die im wesentlichen mit den von Johnsen und Rahbek erzielten übereinstimmen. Andere verwendbare Halbleiter sind flexible Stoffe mit hohem spezifischen Widerstand wie z. B. Mylar oder Teflon, die in der US-PS 30 23 731 beschrieben sind

In den F i g. 1 und 2 sind die Anziehungskräfte zwischen den Elektroden und einem geladenen Halbleiter allgemein dargestellt Der geerdete Draht 11 ist mit einem Block 12 verbunden, dessen Kontaktfläche 1 cm² beträgt. Es wurden Aluminium- und Messingblöcke verwendet. Der geladene Selenhalbleiter 13, der im dargestellten Fall eine Stärke von etwa 50 Mikron hat, liegt auf einer leitfähigen Platte 14 oder ist an dieser befestigt. Die Kontaktflächen des Messing- oder Aluminiumblocks 12 und des Halbleiters 13 sind glatt poliert, so daß zwischen ihnen viele Berührungspunkte existieren. Die Platte 14, auf die das Selen als Überzug aufgebracht sein kann, führt Erdpotential und kann aus jedem geeigneten Metall bestehen, das mit dem Fotoleiter oder dem aufladbaren Stoff wie z. B. Zink, Aluminium oder Messing, nicht in schädlicher Weise reagiert. Ein Draht 16 ist mit einem Ende am Block 12, mit dem anderen Ende am Behälter 18 befestigt, der das Gewicht 19 enthält. Der Draht 16 ist über die Rolle 17 geführt, so daß eine Kraft F durch den Behälter 16 mit dem Gewicht in Abwärtsrichtung ausgeübt wird.

Bei dem dargestellten Experiment wurde der Selenhalbleiter geladen und seine Ladespannung mit einem Vakuumvoltmeter gemessen. Das für eine konstante Bewegung des Blocks 12 über die Oberfläche der geladenen Platte erforderliche Gewicht stellte sich als eine Funktion der zwischen dem Block und der Platte herrschenden Spannung heraus, wobei beide Elemente wie Elektroden wirken. Die Reibung des Drahtes auf der Rolle wurde nicht bestimmt, sie kann jedoch als konstanter Fehler eingerechnet werden.

Die Beschreibung dieses Experimentes erfolgte lediglich zur Erläuterung des Johnsen-Rahbsk-Effektes, ohne diesen jedoch hinsichtlich seiner Wirkung festzulegen. Es finden sich in der Literatur Forschungsberichte über eingehende weitere Experimente mii dem Johnsen-Rahbek-Effekt, beispielsweise in dem Aufsatz »Johnsen-Rahbek Effect With An Electronic Semiconductor« von C. Balakrishnan, British Journal of Applied Physics, Seiten 211-213 (1950). Dieser Aufsatz enthält auch Herstellungsbeispiele für die obengenannten Halbleiterstoffe.

F i g. 2 zeigt graphische Darstellungen von Versuchen mit Messing- und Aluminiumblöcken. Die Ordinate zeigt die auf den jeweiligen Block einwirkende Kraft in Gramm, die Abszisse die Spannung am Halbleiter in Volt. Aus den Kurven geht klar hervor, daß die Reibungskraft von der Spannung abhängig ist. Für den Messingblock ist gezeigt, daß ein Anstieg der Spannung um i>0 Volt einen Anstieg der Reibungskraft um etwa 2 Gramm zur Folge hat. Für den Aluminiumblock ergibt sich eine Kurve, die nicht so steil verläuft wie die des Messingblocks. Beide Kurven bestätigen jedoch die mit

den Johnsen-Rahbek-Effekt nachgewiesene Lehre.

In F i g. 3 ist eine Auswertevorrichtung dargestellt, die mit einer geerdeten Mikrosonde 22 arbeitet. Es ist eine halbstarre und nichtleitfähige Befestigung 21 aus Gummi o. ä. vorgesehen, die die Mikrosonde 22 nachgebend hält. Auf einer Trommel 26 ist eine fotoleitfähige Selenschicht 24 vorgesehen, die Erdpotential führt. Bei der dargestellten Anordnung liegt sowohl an der Sonde 22 als auch an der Trommel 26 Erdpotential, es können jedoch auch günstige Ergebnisse erzielt werden, wenn diese beiden Elemente eine gegenüber Erdpotential unterschiedliches Potential führen. Ferner kann außer Selen auch jeder andere elektrostatisch aufladbare Stoff als Beschichtung für die Trommel verwendet werden. Die Trommel 26 kann aus Zink, Aluminium oder Messing öder jedem anderen geeigneten Metall bestehen, das die auf der Halbleiterschicht vorhandene Ladung nicht ableitet. Eine Platte 23 steht in kapazitiver Wechselwirkung mit der Mikrosonde 22. Die Platte 23 bildet mit der Mikrosonde 22 eine variable Kapazität C", deren Dielektrikum Luft ist. Die Platte 23 ist mit einem Schwingkreis verbunden, der aus der Induktivität 28 und dem Kondensator 29 gebildet ist. Dieser Schwingkreis ist an einen Schwingungserzeuger angeschaltet. Die gesamte Oszillatoranordnung 31 kann ein bekannter Frequenzmodulator o. ä. sein, der Verstärker- und Steuerschaltelemente enthält.

Beim Betrieb der in F i g. 3 gezeigten Vorrichtung wird die Trommel 26 mit der auf ihr enthaltenen fotoleitfähigen Selenschicht 24 mit geeigneter Geschwindigkeit in der dargestellten Pfeilrichtung gedreht. Die mit der Mikrosonde 22 in Berührung stehende Selenschicht ist in der dargestellten Weise mit einer Oberflächenladung versehen, die mit jeder geeigneten Ladevorrichtung aufgebracht sein kann. Eine Kraft F wird auf die Mikrosonde 22 als Funktion der Oberflächenladung der fototleitfähigen Selenschicht 24 ausgeübt. Die Kraftänderung ändeit die Kapazität zwischen der Mikrosonde und der /Matte 23. Diese Änderungen wirken auf den Oszillator 31 derart, daß dessen Frequenz moduliert wird. Der Oszillator liefert an seinem Ausgang ein Signal, das sich also entsprechend dem Johnsen-Rahbek-Effekt ändert. Es ist also ein Maß für die zwischen den Elektroden auftretenden Potentialänderungen bzw. für die zwischen der Mikrosonde und der fotoleitfähigen Selenschicht erzeugten Reibungskraftänderungen.

Da die Mikrosonde 22 geerdet ist und mit der fotoleitfähigen Schicht 24 in Kontakt steht, könnte eine Ableitung der Oberflächenladung über die geerdete Sonde befürchtet werden. Der tatsächliche Wert dieser Ableitung ist jedoch vernachlässigbar. Die Kontaktfläche zwischen der Mikrosonde und der fotoleitfähigen Schicht ist sehr klein und da die Mikrosonde und der Fotoleiter aus Feststoffen bestehen, existieren nur wenige Punkte inniger Berührung zwischen ihnen, die eine Ladungsableitung erlauben. Eine Ladungsableitung kann also nur über solche Punkte erfolgen. Diejenigen geladenen Flächen, die mit der Mikrosonde nicht in Berührung sind, bleiben unbeeinflußt. Ferner ist der Fotoleiter ein extrem guter Isolator und hat gegenüber Stromfluß einen hohen Widerstand.

In Fig.4 ist eine Möglichkeit zur Ausnutzung des Johnsen-Rahbek-Effekts innerhalb eines Übertragungssystems dargestellt. Eine Anzahl Stationen 32,33,34,35 und 36 enthalten Auswertevorrichtungen der in F i g. 3 gezeigten Art zur Auswertung des Ladungsmusters auf einem fotoleitfähigen Band 40. Die Ausgänge dieser Stationen sind auf eine zentrale Ausgabeeinrichtung geführt, die eine überwachende, verarbeitende, auf zeichnende oder anderweitig nutzende Funktion hat Die in F i g. 4 gezeigte Anordnung kann also al Grundprinzip für ein vereinfachtes Faksimilesysten angesehen werden.

Beim Betrieb einer der Stationen wird das fotoleitfä hige Band 40 bei Bewegung in der dargestelltei Pfeilrichtung durch ein Korotron 30 oder eine anden

ίο geeignete elektrostatische Ladevorrichtung gleichmä ßig elektrostatisch aufgeladen. Zu einem vorbestimmtei Zeitpunkt werden die Blitzlampen 38 und 39 eingeschal tet und bewirken die Belichtung des Bandes 40 mi einem zu reproduzierenden Schriftstück 50. Anden Belichtungsvorrichtungen, wie z. B. ein Verschlußme chanisrnus, können anstelle der Blitzlampen 3S und 3' verwendet werden, ohne die Verwendbarkeit diese Ausführungsform der Erfindung einzuschränken. Da Lichtbild des Schriftstückes wird auf das fotoleitfähigi Band mit der Optik 41 fokussiert, so daß auf dem Bam nach den bekannten elektrofotografischen Vorgängei ein latentes elektrostatisches Bild erzeugt wird. Danacl wird das Band mit der Mikrosonde abgetastet und ein< Auswertung des latenten Bildes in beschriebener Weis* mit dem Johnsen-Rahbek-Effekt bewirkt. Ein entspre chendes Ausgangssignal wird nach Verstärkung de zentralen Einrichtung 42 zugeführt, die eine Aufzeich nung, Verarbeitung, Aussendung oder anderweitigi Nutzung vornimmt.

In F i g. 5 ist eine andere Anwendungsart de erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Es handel sich dabei um eine Vorrichtung zur Koinzidenzfestnel lung zweier Signale, die zeitlich gegeneinander verscho ben auftreten. Eine erste Lichtquelle 43 ist innerhali einer optischen Abschirmung 46 angeordnet. Diesi endet an einem optischen Gitter 51, das die mit de Optik 48 gebildeten parallelen Lichtstrahlen durchläßt Die Optik 48 hat von der Lichtquelle 43 einei vorbestimmten Abstand, der zur Konzentration de Lichtes in parallele Strahlen erforderlich ist, sie ist naht dem optischen Gitter 51 angeordnet. Eine zweit« Lichtquelle 44 ist innerhalb einer Abschirmung 4' angeordnet und gegenüber der Abschirmung 46 un einen bestimmten Abstand d versetzt. Die Optik 4!

fokussiert wie die Optik 48 das Licht, welches durch da optische Gitter 52 auf den Fotoleiter 54 fällt. Eil Korotron 53 oder eine andere geeignete Ladevorrich tung bewirkt eine gleichmäßige elektrostatische Aufla dung des Fotoleiters 54, während sich dieser an dei Lichtquellen und der Auswertevorrichtung vorbeibe wegt. Diese besteht aus der Mikrosonde 22, der Platl· 23 und dem Oszillator 31. Sie wertet nach den Johnsen-Rahbek-Effekt die Oberfläche des belichtetei Fotoleiters 54 auf das Auftreten der Koinzidenz de beiden Lichtbestrahlungen hin aus. Beide Lichtquelle!

43 und 44 belichten nacheinander eine vorgegeben! Fläche des Fotoleiters durch die optischen Gitte hindurch. Die koinzidente Belichtung ein und derselbe! Fläche des Fotoleiters durch die Lichtquellen 43 und + ist bestimmt durch die Oberflächengeschwindigkeit de Fotoleiters und/oder die Einstellung des Abstandes
zwischen den Abschirmungen 46 und 47. Ein Nullzu stand, der durch totale Entladung einer vorgegebenei Fläche des Fotoleiters durch die Lichtquellen 43 und ♦ hervorgerufen wird, kann gleichfalls mit der Auswerte vorrichtung festgestellt werden. Die Lichtquellen 43 um

44 können auch durch Empfangs- oder Sendesignali einer Überwachungsvorrichtung betätigt werden. Ii

einem derartigen Falle kann die Auswertevorrichtung den Zeitraum zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal überwachen. Eine anderer Koinzidenz-Detektor kann eine Entladevorrichtung enthalten, beispielsweise einen Infrarotgenerator, der eine War-

mewirkung zur Entladung der Schicht anstelle einer Lichteinwirkung erzeugt. Bei einem derartigen System kann anstelle eines Fotoleiters auch ein anderer geeigneter elektrostatisch aufladbarer Stoff verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Auswertung der Verteilung der elektrischen Ladung auf einer elektrostatisch geladenen halbieitenden, dielektrischen oder fotoleitenden Schicht, die auf eine leitende Unterlage aufgebracht ist, insbesondere zur Auswertung elektrostatischer latenter Bilder, wobei die Schicht mit einer Sonde abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (22) mit der Schicht (24) in Berührung gebracht und über sie hinweg bewegt wird und daß die dabei zwischen der Sonde (22) und der Schicht (24) auftretenden Reibungskraftänderungen in elektrische Signale umgewandelt werden.

2. Verrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Schicht (24) berührende und >elativ zur Schicht (24) bewegbare Sonde (22) vorgesehen ist, der eine Anordnung (23,31) zur Wandlung der zwischen der Sonde (22) und der Schicht (24) auftretenden Reibungskraftänderungen in elektrische Signale zugeordnet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnung (23, 31) eine nahe der Sonde (22) vorgesehene Platte (23) umfaßt, die mit der Sonde (22) einen Kondensator bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (22) leitfähig und an einer Halterung (21) nachgebend befestigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Sonde (22) und die Platte

(23) gebildete Kondensator mit einem Schwingungserzeuger (31) verbunden ist, der durch die während der Sondenbewegung auftretenden Kapazitätsänderungen moduliert wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnung (23, 31) mit einer Vorrichtung (42) zur Aufzeichnung oder Aussendung der elektrischen Signale verbunden ist

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch die Anordnung der Schicht an einem beweglichen trommel- oder bandförmigen Träger einer elektrofotografischen Reproduktionsmaschine (F ig. 4).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit Abstand zur Sonde (22) an der fotoleitenden Schicht (54) zwei Beleuchtungsvorrichtungen derart angeordnet sind, daß sie bei Bewegung der Schicht (54) nacheinander auf ein und dasselbe Flächenelement der Schicht (54) einwirken, bevor dieses Flächenelement in den Bereich der Sonde (22) gelangt (F i g. 5).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsvorrichtungen auf einen vorbestimmten Abstand zueinander verstellbar sind und jeweils aus einer optischen Abschirmung (46,47) einer Lichtquelle (43,44), einer Optik (48,49) und einem optischen Gitter (51,52) bestehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Beleuchtungsvorrichtung durch ein erstes Signal und die zweite Beleuchtungsvorrichtung durch ein zweites Signal steuerbar ist.