DE2148001B2 - Verfahren zur elektrographischen Aufzeichnung von Ladungsbildern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrographischen Aufzeichnung von Ladungsbildern auf isolierendem Aufzeichnungsmaterial.

F.s sind elektrographische Aufzeichnungsverfahren bekannt, bei denen die Aufzeichnung z. B. mittels einer Elektronenstrahlröhre erfolgt, wobei die Ladung des F.lektronenstrahls durch .Stiftelektroden, die reihenweise gleichmäßig verteilt in der Frontplatte der Röhre angeordnet sind, auf das Registriermaterial übertragen wird Das Registrierpapier wird dazu in sehr geringem Abstand von nur wenigen μπι an den Elektroden vorbeigezogen, so daß ein Ladungsflbergang stattfindet Durch ein Videosignal kann der Elektronenstrahl in der Röhre nach Lage und Intensität so gesteuert werden, daß auf dem Papier ein Ladungsbild entsteht

Nach einem anderen bekannten Verfahren werden bildmäßig vorgeformte Elektroden, z. B. Druckformen von Buchstaben oder Ziffern für den elektrostatischen Druck verwendet Dazu wird das Registrierpapier zwischen die Druckform und eine ebene Gegenelektrode gebracht und durch einen kurzzeitigen Spannungs-Etoß aufgeladen, wobei das Bild der Druckform auf das Papier übertragen wird. Der Ladungsübergang erfolgt durch kurzzeitige Zündung einer Gasentladung im Raum zwischen Elektrode und Papieroberfläche bei sehr kleinem gegenseitigen Abstand und Spannungen von z. B. 500 V bis 1500 V.

Alle derartigen Verfahren, die für die Aufzeichnung sehr kleine Abstände zwischen Elektrode und Papier erfordern, wobei ferner mit jedem neuen Signal Gasentladungen zwischen einzelnen Elektrodenpaaren gezündet und gelöscht werden müssen, haben den gemeinsamen Nachteil, daß die Zündspannung von den Unebenheiten des Aufzeichnungsmaterials, von Temperatur und Wasserdampfgehalt der Luft und von Verunreinigungen durch Staubteilchen stark abhängig ist.

Nach einem solchen Verfahren arbeitet auch der in der DE-OS 19 20 832 beschriebene Hochgeschwindigkeitsdrucker. Es handelt sich dabei um eine Druckeinrichtung mit einer Gasentladungsmatrize, die von einer perforierten Isolierplatte mit flächenhaft angeordneten Steuerelektroden gebildet wird. In den öffnungen der Matrize werden durch geeignete Steuerspannungen stoßartig Gasentladungen gezündet und gelöscht. Aus diesen Entiadungsstößen werden auf einem isolierenden Material elektrostatische Aufzeichnungen erzeugt, die aus Ladungspunkten oder kleinen geladenen Flächenteilen zusammengesetzt sind.

Diese Schwierigkeiten lassen sich durch andere bekannte Verfahren weitgehend beseitigen, nach denen mit größeren Elektrodenabständen und unter Vermeidung der für den Ladungsübergang notwendigen Zündung vieler einzelner Gasentladungen gearbeitet werden kann. Nach diesen Verfahren wird für die Erzeugung des Ladestroms eine Corona-Entladung verwendet, die ohne Unterbrechung betrieben wird und von der Teilströme über Spalt- oder Lochblenden entnommen werden. Die bildmäßige Steuerung dieser Teilströme erfolgt durch elektrische Signale, die über geeignete Steuerelektroden an die Offnungen der Blenden herangeführt werden. Anstelle der Steuerelektroden können auch photoleitfähige Materialien angewandt werden, die die Steuerfunktion bei direkter, bildmäßig wechselnder Belichtung übernehmen. Die DurchlaUöffnungen in den Blenden sind in diesem Falle mit Streifen oder Schichten aus dem photoleitfähigen Material präpariert, die sich durch den Coronastrom aufladen und ihre Ladung bei Belichtung abgeben.

Aus der DE-OS 20 49 (H i ist ein elektrostatischer Zeilendrucker bekannt, der kein latentes elektrostatisches Bild, sondern ein Tonerbild auf einen Aufzeichnungsträger erzeugt. Dies geschieht mit einer Anordnung von Steuerelektroden auf plattenförmigen, isolierenden Elektroden — sogenannten Teilchenmodulato-

ren — mit denen es mögäich ist, Toner- oder Aerosolteilchen zur direkten Erzeugung einer Aufzeichnung auf einem Aufzeichnungsträger abzuscheiden.

Verfahren dieser Art ermöglichen elektrostatische Aufzeichnungen über größere Elektrodenabstände, _z. B. einige zehntel Millimeter bis zu 1 mm. Gegenüber den vorher beschriebenen Verfahren für Elektrodenabstände von wenigen μΐη sind die letzteren jedoch langsamer in der Aufzeichnung. Sie erlauben nur Aufzeichnungsgeschwindigkeiten von wenigen cm/s, da die Laduugsträgerdichte im Teilstrom der Corona-Entladung wesentlich geringer ist als im direkten Ladungsübergang von Elektrode zum Papier bei sehr kleinen Abständen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aufzeichnungsgeschwindigkeit der mit vergrößerten Elektrodenabständen arbeitenden Verfahren zu erhöhen.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur elektrographischen Aufzeichnung vcn Ladungsbildern auf isolierendem Aufzeichnungsmaterial mittels einer Gasentladung, die durch eine Spitzenelektrode, an der eine Coronaentladung stattfindet, erzeugt wird, wobei mit Hilfe von Steuerelektroden ein Teil aus dem Entladungsstrom durch elektrische Signale in der _"> intensität verändert und zur Aufladung des Aufzeichnungsmaterials verwendet wird, während da s Aufzeichnungsmaterial über eine Gegenelektrode vorbeigeführt wird, was dadurch gekennzeichnet ist, daß die Gasentladung durch eine negative Spitzenelektrode jo erzeugt wird und daß sowohl die Gasentladung als auch die Steuerung des Entladungsteilstroms in einer Atmosphäre aus Edelgasen oder Stickstoff, die eine Elektronenaffinität kleiner als 1 eV aufweisen, ausge führt wird. r>

Demnach besteht das erfindungsgemäße Verfahren im wesentlichen darin, die Coronaentladung und auch die Steuerung des Teilstromes dieser Entladung, der das Ladungsbild entstehen läßt, in einer Gasatmosphäre vorzunehmen, die aus Gasen kleiner Elektronenaffinität gebildet wird.

Die Elektronenaffinität wird mit der Energie gemessen, die bei der Aufnahme eines zusätzlichen Elektrons in die Elektronenfalle eines Atoms frei wird. Zahlenwerte werden üblicherweise in Elektronen-Volt (eV) angegeben.

Als Beispiele für Gase mit geringer Elcktronenaffinität, die für das Verfahren der Erfindung geeignet sind, seien genannt Stickstoff, die Edelgase Helium, Neon, Krypton, Argon und Xenon oder Wasserstoff. Von ■"><> diesen Gasen wird Stickstoff aus Gründen der Wirtschaftlichkeit bevorzugt, während die Edelgase durch überraschend hohe Entladestromstärken besonders hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeiten ermöglichen. «

Charakteristisch für geeignete Gase ist, daß sie eine Elektronenaffinität kleiner als I eV aufweisen. In »Taschenbuch für Chemiker und Physiker« von D'Ans-Lax, 2. Auflage 1949, Springer-Verlag, werden unter dem Stichwort »Elektronenaffinität« für Stickstoff «> 0,04 eV, für Helium -0,5JeV und für Neon -l,2eV angegeben. Vergleichsweise cla/u liegen die Elekironenaffinitäten von Gasen, die für das crfindungsgemäßc Verfahren ungeeignet sind, deutlich über dem Wert I, so beispielsweise die elektronegativen Gase Chlor mit ^h"' 3,6 eV und Fluor mit 3,56 eV oiler Sauerstoff mit 2,J4 eV (D'Ans-Lax, Taschenbuch für Chemiker und Physiker, 3. Band. J. Auflage, Springer Verlag. l^l)70).

Der für das Verfahren der Erfindung bevorzugt verwendete Stickstoff soll nicht mehr als 10% Verunreinigungen enthalten, wobei die oben erwähnten olektronegativen Gase einschließlich feuchter Luft oder Wasserdampf als Verunreinigungen besonders kritisch sind. Gleiches gilt für die Reinheit der übrigen als geeignet bezeichneten Gase.

Da sich die in der Gasentladung entstehenden Elektronen in den Gasen, deren Elektronenaffinität kleiner als 1 eV ist, nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit an die Gasmoleküle bzw. Atome anlagern, bleibt der größte Teil der erzeugten Elektronen frei beweglich und stellt damit einen bedeutend leichter steuerbaren Ladestrom dar als ein Gasionenstrom in Luft, der in der Mehrzahl von tragen Sauerstoff- und Wasserdampf-Ionen gebildet wird. Da mit der größeren Wanderungsgeschwindigkeit der freien Elektronen auch die Bildung abschirmender Raumladungen in der Umgebung der Corona-Elektrode stark vermindert wird, steigt der Entladungsstrom und die Ladungsträgerdichte im Gas beträchtlich an, womit eine bedeutend kürzere Aufladezeit für die Erzeugung des elektrostatischen Ladungsbildes und damit eine höhere Aufzeichnungsgeschwindigkeit verbunden ist.

Die aus der Praxis der Elektrophotographie bekannten Corona-Elektroden in der Form dünner, gespannter Drähte, lassen sich für die Entladung in einer Gasatmosphäre gemäß der Erfindung nicht anwenden, da sich hierbei keine genügend gleichmäßige, zusammenhängende Glimmhaut an den Drähten ausbildet, sondern nur wenige, sprunghaft -wandernde Entladungsstellen auftreten, die keinen gleichmäßigen Ladestrom liefern. Eine für das Verfahren nach der Erfindung brauchbare Corona-Entladung erhält man dagegen an einer freistehenden, einzelnen Spitzenelektrode in relativ großem Abstand von der Gegenelektrode. Infolge der hohen Entladungsstromstärke in den genannten Gasen genügt eine einzelne Spitzenelektrode, um große Flächen des Aufzeichnungsmaterials in kurzer Zeit aufzuladen.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Fig. la und 1 b stellen die Entladungscharakteristiken für die Spitzenentladung in Stickstoff und in Luft dar.

F i g. 2 und 3 zeigen Schnittbilder einer elektrographischen Aufzeichnungsvorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig.4 zeigt die Ausführung einer Spaltblende mit Steuerelektroden.

Fig.5 erläutert weitere Einzelheiten über Elektrodenanordnung und Schaltung.

F i g. 6 zeigt eine andere Ausführung der Spaltblende, bei der die Steuerelektroden durch ein photoleitfähiges Material an der Spaltlippe ersetzt sind.

Aus dem Vergleich der Strom-Spannungsdiagranime für die Spitzenentladung in Stickstoff nach Fig. la und in Luft nach Fig. Ib ist sofort ersicntlich, daß in Stickstoff Entladestromstärken von lOOfachem Wert gegenüber Luft bei 23°C in 50% r. F. erzielt werden können, womit die Voraussetzung für eine entsprechende Steigerung der Aufzeichnungsgeschwindigkeit gegeben ist. Eine erhebliche Steigerung der Entladungsstromstarke erhalt man, wenn Stickstoff durch ein Edelgas oder Wasserstoff ersetzt wird. Beide Diagramme beziehen sich auf dieselbe Elektrodenanordnung, wobei der Abstand der Spitze von der Gegenelektrode IO cm betragt. Unterschiedlich ist lediglich die Gasfül-

Nach F i g. 2 und 3 wird die Spitzenentladung in einer Gasatmosphäre gemäß der Erfindung an einer Metallspitze 1 erzeugt, die in ein Gehäuse 2, das aus durchsichtigem Isoliermaterial besteht, eingesetzt ist und die mit einer Spannungsquelle 3 in Verbindung steht. Durch eine Rohrleitung 4 wird ein schwacher Gasstrom in das Gehäuse 2 eingeführt, der den Entladungsraum mit dem Gas füllt. Der Gasstrom wird so eingestellt, daß ein Zuströmen von Luft durch den Spalt 7 in den von Gehäuse 2 umschlossenen Raum ι» verhindert wird. Die richtige Dosierung der Gaszugabe kann an der Stromaufnahme der Spitzenelektrode 1 leicht kontrolliert werden. Während der Füllung des Entladungsraumes mit dem Gas steigt die Stromaufnahme an und erreicht einen Maximalwert, sobald die ¹^ optimale Gasfüllung des Entiadungsraumes erreicht und die Vorrichtung betriebsbereit ist. Der Gasstrom braucht nun nur noch so nachreguliert zu werden, daß der Entladungsstrom konstant bleibt. Ganz allgemein gilt, daß der zur Aufrechterhaltung des stabilen Zustandes des Entladungsstromes notwendige Gasstrom umso stärker sein wird je größer die offene Fläche des Spaltes ist. Es ist leicht zu erkennen, daß der Abstand der Elektrodenspitze 1 von der Mitte des Spaltes 7 von der Größe der Spannung abhängt, mit der die Spitzen-Entladung betrieben wird. Größere Elektrodenabstände bedingen also höhere Spannungen, gestatten aber auch die Anwendung größerer Spaltlängen, woraus sich wiederum die Möglichkeit zu einer Vergrößerung der Aufzeichnungsbreite ergibt. Der untere Teil des Gehäuses 2 bildet eine Einspannvorrichtung 5 für flache Steuerelektrodeneinsätze 6 und 6', die so eingespannt sind, daß ein Spalt 7 offen bleibt, durch den das durch die Rohrleitung 4 zuströmende Gas entweichen kann. Der Spalt hat eine Weite von z. B. 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,2 mm. Unterhalb des Spaltes 7 befindet sich die Gegenelektrode 8, die eine Kante 9 besitzt, die parallel zum Spalt angeordnet ist. Der Abstand dieser Kante von der Spaltmitte kann z. B. 0,1 bis 2,0 mm betragen, vorzugsweise 0,5 mm. Über diese Kante wird das Aufzeichnungsmaterial 10 gelegt und während des Aufzeichnungsvorganges in Pfeilrichtung bewegt Eine Vergrößerung des Abstandes der Kante 9 von der Spaltmitte bewirkt verständlicherweise eine Verschlechterung des Auflösungsvermögens. Beim bevorzugten Abstand von 0,5 mm wird einerseits die Aufzeichnung nicht mehr durch die Unebenheiten in der Oberfläche des Aufzeichnungsmaterials beeinträchtigt, andererseits treten noch keine störenden Unscharfen in der Abbildung auf. Im übrigen läßt sich der Stromübergang von der Gegenelektrode 8 auf das Aufzeichnungsmaterial umso besser lokalisieren, je schärfer der Knick des Aufzeichnungsmaterials um die Kante 9 ist und je inniger also die Elektrode mit dem Aufzeichnungsmaterial in Kontakt kommt Geeignete Aufzeichnungsmaterialien sind z. B. dem Fachmann bekannte Folien aus isolierendem Material oder für die elektrostatische Aufzeichnung übliche Papiere, die entweder aus einer elektrisch leitfähigen Papierunterlage mit einer dielektrischen Aufzeichnungsschicht bestehen oder aus einer Papierunterlage mit einer Beschichtung von geringem elektrischen Widerstand auf der eine dielektrische Aufzeichnungsschicht angebracht ist. Die Gegenelektrode 8 steht mit einer weiteren Spannungsquelle 11 in Verbindung und erhält aus dieser ein Potential mit entgegengesetztem Vorzeichen zum Potential der Spitzenelektrode 1. Von der Einspannvorrichtung 5, die aus leitfähigem Material, z. B. einem Metall, bestehen kann, ist die Gegenelektrode 8 durch die Isolierstücke 12 elektrisch getrennt. Die Steuerelektrodeneinsätze ( und 6' sind mindestens zum Teil durch einer isolierenden Film 13 von den leitfähigen Teilen de Einspannvorrichtung isoliert.

Durch den von den Steuerelektrodeneinsätzen 6 unc 6' gebildeten Spalt 7 fließt ein Teil des Entladungsstro mes ab und erzeugt auf dem Abschnitt des Aufzeich nungsmaterials, der sich unterhalb der Spaltöffnung befindet, eine Aufladung. Die Höhe dieser Aufladung wird bestimmt durch die Spannungsverhältnisse zwi sehen den Steuerelektroden 6,6' und der Gegenelektro de 8 einerseits und durch die Stärke des Entladungsstro mes andererseits.

Zur Erklärung des Steuervorgangs für den Entla dungsstrom dienen die Zeichnungen in Fig.4 und Fig. 5.

F i g. 4 zeigt einen Teil der Einspannvorrichtung 5, die Steuerelektrodeneinsätze 6 und 6' und den Spalt 7. Die Steuerelektrodeneinsätze bestehen nach F i g. 5 bei spielsweise aus 3schichtigen Platten, einer mittleren Isolierschicht 14 und leitfähigen Belägen 15 auf beiden Seiten der Isolierschicht. Die gesamte Dicke der Platten kann im Bereich von 0,05 mm und 1 mm liegen bevorzugt werden Dicken um 0,2 mm. Als Steuerelek trodeneinsätze sind beispielsweise Polyesterfolien ge eignet, die beidseitig mit einer Kupferauflage kaschiert oder mit Aufdampfschichten aus Chrom oder Gold versehen sind, wobei die aufkaschierten Metallauflagen eine Dicke von etwa 35 μ und die Aufdampfschichten von etwa 1—2 μ haben können. Einer der leitfähigen Beläge ist in Streifen unterteilt, die senkrecht zum Spalt verlaufen und die z. B. in der bekannten Photoätztechnik leicht hergestellt werden können. Über diese voneinander isolierten Leiterstreifen 16 kann das Steuersignal an die Spaltlippe der Steuerelektrode geführt werden, während die übrigen Beläge elektrisch miteinander verbunden und an den Masseteil der Vorrichtung angeschlossen sind. Beim Anlegen einer Steuerspaltung U an die Streifen 16 werden im Spalt 7 elektrische Felder erzeugt, die den Durchtritt des Ladestroms abschwächen oder unterbinden. Auf diesem Wege erzielt man eine gesteuerte Aufladung des Aufzeichnungsmaterials, die sowohl flächenhafte, als auch streifenförmige oder punktförmige Aufladungsmuster zuläßt.

F i g. 6 zeigt schließlich die Steuerung des Entladungsstromes über einen Photoleiter. Mit einem dünnen Streifen 17 aus photoleitfähigem Material, z. B. ZnO oder Selen, an einer Spaltlippe kann man z. B. erreichen, daß durch die Aufladung des Streifens 17, die durch den Anteil des Koronastromes, der an dieser Stelle von der Elektrode aufgenommen wird, und durch den Dunkelwiderstand des Photoleiterstreifens zustande kommt der Stromdurchgang durch den Spalt gesperrt wird, solange der Vorgang im Dunkeln abläuft Wird das photoleitfähige Material zeitweise, ganz oder partiell belichtet so verliert er seine Aufladung und der Stromdurchgang durch den Spalt wird an der belichteten Stelle freigegeben.

Zur Sichtbarmachung der nach dem Verfahren der Erfindung erzeugten Ladungsbilder können die in der Praxis der Elektrophotographie gebräuchlichen beschriebenen Methoden verwendet werden.

Die in F i g. 2 bis 6 gezeigten Vorrichtungen dienen zur Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele für das Verfahren gemäß der Erfindung. Unter Anwendung der genannten Gase geringer Elektronenaffinität lassen sich

die Aufzeichnungsgeschwindigkeiten mindestens verzehnfachen. Überraschenderweise sind trotz der höheren Ladestromdichte und Aufzeichnungsgeschwindigkeit nur relativ niedrige Steuerspannungen von z. B. 0 bis 100 V erforderlich, um die in den Fig. I bis 6 gezeigten Vorrichtungen voll auszusteuern und die auf

elektrographischen Aufzeichnungsmaterialien allgemein erzielbaren Ladungs- und Schwärzungsunterschiede zu erhalten. Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich demnach überall dort anwenden, wo es auf schnelle und sichere Aufzeichnung von Ladungsbildern ankommt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektrographischen Aufzeichnung von Ladungsbildern auf isolierendem Aufzeichnungsmaterial mittels einer Gasentladung, die durch eine Spitzenelektrode, an der eine Coronaentladung stattfindet, erzeugt wird, wobei mit Hilfe von Steuerelektroden ein Teil aus dem Entladungsstrom durch elektrische Signale in der Intensität verändert und zur Aufladung des Aufzeichnungsmaterials ι ο verwendet wird, während das Aufzeichnungsmaterial über eine Gegenelektrode vorbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung durch eine negative Spitzenelektrode erzeugt wird und daß sowohl die Gasentladung als auch die Steuerung des Entladungsteilstromes in einer Atmosphäre aus Edelgasen oder Stickstoff, die eine Elektronenaffinität kleiner als 1 eV aufweisen, ausgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung an einer in einem Gehäuse aus isolierendem Material freistehenden Spitzenelektrode erzeugt wird und durch das Gehäuse, das den Raum zwischen Spitzenelektrode und Steuerelektroden nach außen abschließt, ein aus Edelgasen oder Stickstoff bestehender Gasstrom geschickt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Gas durch eine öffnung in der Nähe der Spitzenelektrode in jo das Gehäuse einströmen und durch einen für den Durchtritt des Entladungsteilstromes vorgesehenen Spalt zwischen den Stellerelektroden wieder ausströmen läßt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch J5 gekennzeichnet, daß das Aufzeichnungsmaterial während der Aufladung so über die Gegenelektrode geführt wird, daß es einen Knick bildet, der in einem Abstand von 0,1—2,0 mm parallel zur Mitte eines von den Steuerelektroden gebildeten Spaltes liegt. ·»<>

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Steuerung des Entwicklungsteilstroms zwei einen Spalt bildende, beidseitig mit elektrisch leitfähigen Beschichtungen versehenen Folien verwendet werden, von denen eine, auf der der Spitzenelektrode zugewandten Seite, als Beschichtung von einander isolierte und am Spalt endende elektrisch leitfähige Streifen trägt, und daß der Entwicklungsstrom durch elektrische Signale gesteuert wird, die durch die Streifen an den Spalt ^r>» herangeführt werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsstrom über einen Streifen aus photoleitfähigem Material gesteuert wird, der entlang der Spaltlippe der einen der ^r>r> beiden Steuerelektroden auf der der Spitzenelektrode zugewandten Seite angeordnet ist.