DE2362915B2

DE2362915B2 - Koronaentladungselektrode zur Erzeugung einer negativen Koronaentladung

Info

Publication number: DE2362915B2
Application number: DE2362915A
Authority: DE
Inventors: Ronald Eugene Bingham; Thomas Frederick Cecil Ii; Guido Saratoga Calif. Galli; Ky. Lexington; Gereon Elmer Versailles Ky. Poquette
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-12-20
Filing date: 1973-12-18
Publication date: 1975-11-13
Also published as: SE386988B; GB1417288A; JPS5326971B2; JPS507539A; CA1051505A; DE2362915A1; FR2211684A1; BE808897A; FR2211684B1; US3789278A; IT1001103B

Description

Die Erfindung betrifft eine Koronaentladungselektrode zur Erzeugung einer negativen Koronaentladung aus einem Kern mit zumindest elektrisch leitender Oberfläche und einer Beschichtung aus dielektrischem anorganischem Material.

Bei den bekannten elektrostatischen Druck- oder Kopiergeräten wird eine Koronaerzeugungsvorrichtung mit einer Koronaentladungselektrode benutzt, um positive oder negative Ladungen auf die photoleitfähige Schicht vor der Belichtung mit der zu kopierenden Vorlage aufzubringen. Bei der Belichtung wird dann die photoleitfähige Schicht entsprechend dem Lichtmuster entladen, so daß auf diese Weise ein elektrostatisches latentes Bild entsteht, das anschließend mit elektrostatischem Entwicklermaterial entwickelt und sichtbar gemacht wird.

Bei positiven Koronaentladungsvorrichtungen, die eine metallische Drahtelektrode zum Laden benutzen, ist die resultierende positive Ladung auf der photoleitfähigen Schicht relativ gleichmäßig auf Grund der gleichmäßigen positiven Koronaemission der Elektrode. Bei negativen Koronaentladungsvorrichtungen mit metallischen Drahtelektroden, die zur Aufbringung einer negativen Ladung auf der photoleitfähigen Schicht verwendet werden, ist die Ladung auf der photoleitfähigen Schicht nicht konstant und gleichmäßig, sondern sie variiert in der Dichte von Punkt zu Punkt. Dies liegt daran, daß die negative Koronaentladungselektrode keine gleichmäßige Emission abgibt. Die ungleichförmige Ladung kann leicht auf den entwickelten Bildern daran erkannt werden, daß Bereiche mit höherer Ladung mehr elektrostatisches

Entwicklernaterial anziehen und weniger geladene Bereiche dementsprechend weniger, so daß dadurch gestreifte Bilder entstehen.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Koronaentladungselektrode zu schaffen, mit deren Hilfe

ίο eine gleichmäßige negative Koronaemission ermöglicht wird.

Zur Erzeugung einer gleichförmigen negativen Ladung auf einer photoleitfähigen Schicht sind verschiedene Vorschläge gemacht worden. So ist es bekannt,

daß man die metallischen Koronadrähte rechtwinklig zu der sich bewegenden photoleitfähigen Schicht beim Ladevorgang verschiebt, um somit im Durchschnitt die ungleichförmigen Ladungen auszugleichen. Es ist klar, daß dieses System notwendigerweise sehr aufwendig i;nd teuer ist.

Die Verwendung von beschichteten Koronaentladungselektroden zur Unterdrückung von statischer Elektrizität auf thermoplatischen polymeren Schichten ist beispielsweise aus der USA.-Patentschrift

as 3 634 7"⁵O bekannt. Die dort beschriebene Koronaentladungselektrode besteht aus einem Draht, der mit dielektrischem organischem oder anorganischem Material in einer relativ starken Stärke von zwischen 0,01 bis 0,1 mm beschichtet ist. Diese Elektroden werden zur Unterdrückung und Entfernung der statischen Elektrizität mit einer hohen Wechselspannung beaufschlagt, wobei diese Wechselspannung mit hoher Frequenz zwischen 300 und 2000 Hz betrieben wird. Bei Beaufschlagung dieser beschichteten Elektrode mit

negativer Spannung wird die ungleichförmige Emission durch Anwendung der Hochfrequenz etwas ausgeglichen. Eis ist damit jedoch nicht möglich, bei reiner Beaufschlagung der Elektrode mit negativer Gleichspannung eine gleichförmige Koronaemission zu er-

zielen. Als weiteres Beispiel für eine beschichtete Elektrode sei auf die USA.-Patentschrift 3 612 864 verwiesen, aus der es bekannt ist, Elektrodendrähte mit hygroskopischem Material zu beschichten, das seinerseits leitend ist.

Weiterhin ist es bekannt, daß man negativ beaufschlagte Elektrodendrähte in relativ großem Abstand von der aufzuladenden photoleitfähigen Schicht anbringt, um somit die ungleichförmige Ladung zu vermeiden. Bei diesen Anordnungen ist es jedoch offensichtlich, daß eine hohe Spannung notwendig ist mit entsprechend teurerer Spannungsquelle. Außerdem ergibt sich dabei eine unerwünscht hohe Ozonerzeugung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Korona-Entladungsvorrichtungen zu vermeiden. Insbesondere soll eine Elektrode angegeben werden, die bei Beaufschlagung mit negativer Gleichspannung eine gleichförmige Koronaemission vorsieht, durch welche insgesamt die Effektivität einer solchen Koronaladungsvorrichtung erhöht wird. Weiterhin soll die Elektrode eine möglichst große Lebensdauer besitzen.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Koronaentladungselektrode dadurch erreicht, daß die Beschichtung aus dielektrischem anorganischem Material eine Schichtstärke im Bereich von 100 bis 6000 A besitzt. Vorteilhafterweise hat das anorganische dielektrische Material einen spezifischen Wider-

stand von 10" Ohm cm oder mehr.

Mit Hilfe dieser erfindungsgemäß ausgeführten Elektrode wird auf vorteilhafte Weise ein Eniissionsmuster der Korona erreicht, das im wesentlichen mit dem Koronaemissionmuster übereinstimmt, welches bei Beaufschlagung von metallischen Koronaelektroden mit positiver Gleichspannung erzengt wird. Dadurch kann die negative Koronaentladungselektrode relativ nah an die photoleitfähige Schicht gebracht werden, so daß dadurch die notwendige Energie gesenkt und die Effektivität wesentlich erhöht wird. Weiterhin werden dadurch die bekannten Nachteile bei Benutzung in einem Kopiergerät vermieden, die in der Streifenförmigkeit der Kopien bestehen.

Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das anorganische dielektrische Material Metalloxid sein, welches nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Oxid des metallischen leitenden Kerns oder zumindest der leitenden Kernoberfläche ist. Als Metalloxide können vorteilhafterweise Aluminiumoxid, Zinkoxid oder Magnesiumoxid verwendet werden, wovon Zinkoxid recht gute Ergebnisse gezeigt hat.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das anorganische dielektrische Material keramisches Material sein, welches seinerseits Siliziumnitrid, Siliziumdioxid oder Phosphatsilikatglas enthält. Mit diesen keramischen Materialien wurden sehr gute Ergebnisse erzielt.

An Hand der Figuren und der in der nachfolgenden Beschreibung niedergelegten Beispiele ist die Erfir. dung näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 schematisch in perspektivischer Ansicht eine runde Drahtelektrode gemäß der Erfindung.

Fig. 2a bis 2e verschiedene Konfigurationen von Korona-Entladungsvorrichtungen, in denen die erfindungsgemäß gestaltete Entladungselektrode zur Aufladung einer photoleitfähigen Schicht verwendet werden kann.

Die in Fig. 1 dargestellte Entladungselektrode 11 enthält einen Kern 13 und eine dünne Außenschicht 15, die eng mit dem Kern verbunden ist. Als Kern kann jedes geeignete synthetische oder natürliche Fadenmaterial verwendet werden, es ist nur notwendig, daß die Oberfläche des Kernes oder eine Schicht des Kernes aus leitendem Material hergestellt ist. Typische leitende Drahtmaterialien sind beispielsweise Metalle, wie rostfreier Stahl, Molybdän, Wolfram, Aluminium, Gold, Kupfer u. dgl. Typische synthetische Fadenmaterialien sind beispielsweise Baumwollgarne, Seidengarne, Kunstseidengarne usw. Wenn solche synthetische Fäden benutzt werden, ist es, wie bereits gesagt, notwendig, daß sie mit einer leitenden äußeren Schicht versehen sind.

Erfindungsgemäß wird der Kern der Elektrode mit einem geeigneten, anorganischen dielektrischen Material oder einer Kombination solcher Materialien in dünner Weise beschichtet. Diese Außenschicht 15 hat einen spezifischen Widerstand von 10* Ohm cm oder mehr. Typische anorganische dielektrische Materialien sind beispielsweise Metalloxide, wie die Oxide von Aluminium, Zink, Magnesium, Titan, Barium, Beryllium, Kalzium, Zer, Strontium, Zirkon, Thor und Hafnium. Weiterhin kann gemäß der Erfindung das anorganische dielektrische Material aus keramischem Material sein, insbesondere solchem, welches Siliziumnitrid, Siliziumdioxid oder Phosphorsilikatglas (P_xSi₁O₂, wobei χ typischerweise zwischen 0 und 33%, ζ typischerweise zwischen 66% und 100% liegen kann) enthält, oder aus einem dieser Materialien allein bestehen.

Titanate wie solche aus Blei, Barium und Kalzium können als alternative Materialien zu den Oxidmaterialien Verwendung finden, Bornitrid und Zirkoniumsilikat können als alternative Zusätze zu Keramikmassen oder auch als Beschichtungsmassen allein Verwendung finden. Alternativ zum Phosphorsilikatglas sind Borsilikatgläser (B₁SiO₁) mit Metalloxidzugaben (M₁P₁Si₁O₂) dazu zu nennen. Schließlich können Ferrite wie solche von Zink und Magnesium als

is bewsondere Keramikmassen Verwendung finden.

Eine Koronaentladungselektrode 11 mit einem Durchmesser von etwa 0,0625 mm wird wegen maximaler Stärke und optimaler Koronaentladungseigenschaften bevorzugt. Es können jedoch Elektroden mit

ao kleinerem Durchmesser bei niedrigerer Spannung und in gleicher Weise Elektroden mit größerem Durchmesser bei höherer Spannung verwendet werden. Das notwendige Koronapotential zur Erzeugung des erforderlichen Koronastroms wächst mit dem Durchmesser des Koronadrahtes.

Die dünne Außenschicht 15 kann auf den Kern 13 durch Verwendung verschiedener Techniken aufgebracht werden. Zu diesen Techniken können chemisches Verdampfen, Zerstäuben, Belegen, Strahlbeschichten, Eintauchen und andere bekannte Auftragstechniken gehören, jeweils in Abhängigkeit von den gewählten Materialien. Weiterhin ist es möglich, daß der Kern 13 und die dünne Außenschicht 15 aus demselben Material bestehen, der Kern aus dem Metall und die Schicht aus dem oxydierten Metall.

Es sei ferner bemerkt, daß die dargestellte Elektrode 11 eine draht- oder fadenförmige Elektrode ist. Es können jedoch andere bekannte Elektrodenformen, wie Messerschneide, Keilform oder Streifenelektroden mit der jeweils gewünschten Konfiguration verwendet werden. Bei Verwendung solcher Elektroden ist es notwendig, daß der leitende Teil einer solchen Elektrode mit der dünnen anorganischen dielektrischen Schicht versehen ist. Diese Schicht muß den emittierenden Radius bedecken. Wie bei einer Drahtelektrode steigt das notwendige Potential zur erforderlichen Koronastromerzeugung mit dem Elektrodenradius an.

Die erfindungsgemäß gestaltete Elektrode 11 kann

nach der Herstellung in verschieden gestaltete Koronaentladungssysteme eingebaut werden. Beispielsweise kann das System, welches in Fig. 2a dargestellt ist, verwendet werden. In Fig. 2b ist ein System dargestellt, welches ein geerdetes Abschirmgehäuse um

die Elektroden 11 aufweist. Fig. 2c zeigt ein System, bei dem ein Steuergitter 25 zwischen nichtabgeschirmten Elektroden 11 und der photoleitfähigen Anordnung 18 angebracht ist. Fig. 2d zeigt ein System, bei dem die Elektroden 11 von einer Abschirmung umgeben sind, die geerdet ist und weiterhin, wie in Fig. 2c zwischen den Elektroden 11 und der photoleitfähigen Anordnung 18 ein Steuergitter 25 angeordnet ist. Die erfindungsgemäß gestaltete Elektrode kann auch in einer Anordnung verwendet werden, die in Fig. 2e dargestellt ist. Dies ist ein System, bei dem die Elektroden 11 von einem Gitter 25 vollständig umgeben sind. Sämtliche Elektroden 11 in den dargestellten Systemen sind mit einer negativen Span-

nungsquelle 17 verbunden, die nur in Fig. 2a dargestellt ist. Die Koronaentladungselektroden, gemäß der Erfindung, emittieren gleichförmig, wenn sie mit einer geeigneten negativen Spannung beaufschlagt sind und in der Nähe eines leitenden Elementes angeordnet sind.

Gemäß Fig. 2 a ist eine Koronaentlade vorrichtung mit drei Drähten vorgesehen, die sehr dicht über einer elektrophotographischen Platte angeordnet sind. Die elektrophotographische Platte 18 enthält ein leitendes Substrat 19 und eine Isolationsschicht 21. Das leitende Substrat 19 kann eine Aluminiumschicht sein, die auf einen Isolator aufgesprüht ist. Die gleichförmige Emission der mit negativem Potential beaufschlagten Koronaentladungselektroden 11 ermöglicht es, daß die Elektroden wesentlich näher an der Platte 18 angeordnet sind, als dies bisher bei negativen Koronaentladungsvorrichtungen möglich war. Dadurch wird das notwendige Potential der Spannungsquelle 17 erniedrigt, ebenso wie der emittierte Strom.

Diese Verminderung des Potentialaufwandes und der Stromzuführung wird ebenfalls in den Anordnungen gemäß den Fig. 2b bis 2e erzielt. Dabei ist weiterhin auch eine Verminderung der Ströme verbunden, die in den eventuell verwendeten Steuergittern 25 Hießen.

Warum bei den Koronaentladungselektroden, die gemäß der Erfindung beschichtet sind, eine gleichförmige Emission erhalten wird, wenn diese Elektroden mit negativer Spannung beaufschlagt werden, konnte bis jetzt nicht vollständig aufgehellt werden. Es werden jedoch mehrere Ursachen vermutet.

Es sei zunächst darauf hingewiesen, daß ein negativ vorgespannter Metalldraht Koronaentladungen von Knotenpunkten abgibt, was leicht beobachtet werden kann. Die ungleichförmige Emission wird auf Veränderung der Arbeitsweise in der Oberflächenschicht des Metalls zurückgeführt, die in ungleichförmigen Oxidformationen. Veränderungen von Korn- oder Kristallgrenzen und/oder absorbierten Gasen liegen können sowie weiterhin in ungleichförmigen Veränderungen des elektrischen Feldes, die durch Oberflächenrauigkeit verursacht werden. Wenn einmal Elektronen von einem lokalen Bereich der metallischen Oberfläche emittiert werden, dann wird dieser Bereich mit positiven Ionen bombardiert, wodurch Sekundäremission an diesen Stellen generiert wird. Die Erscheinung der knotenförmigen Emission kann auch bei Gold beobachtet werden. Wenn solche Metalldrähte mit einer dielektrischen anorganischen Materialschicht, wie beispielsweise Metalloxid oder keramischem Material in sehr dünner Schicht versehen sind, wie dies bei der Erfindung der Fall ist, dann sind ausgeprägte Emissionsstellen auf einfache Weise bzw. überhaupt nicht mehr zu beobachten.

Die Hinzufügung des dielektrischen anorganischen Materials kann zur Erzielung einer gleichförmigeren Arbeitsfunktion an der Oberfläche der Koronaentladungselektroden führen. Die gleichförmige Emission kann der sehr hohen Emissionsausbeute an Sekundärelektronen des dielektrischen Materials zugeschoben werden.

Andererseits könnte die gleichförmige Koronaentladung einem Widerstands-Ableiteffekt zugeschrieben werden, der durch die dielektrische Schicht hervorgerufen wird. Es ist ein Spannungsabfall bekannt zwischen dem dielektrischen Material als auch zwischen der Koronaelektrode und der erforderlichen.

benachbarten leitenden Fläche, wie der Fläche 19 in Fig. 2a. Unter der Annahme, daß das dielektrische Material im wesentlichen einen gleichförmigen spezifischen Widerstand hat, verursachen solche Oberflächenstellen, die Elektronen emittieren, einen höheren Spannungsabfall über die dielektrische Schicht auf Grund des relativen hohen örtlichen Stromes. Der höhere Spannungsabfall über dem Material an diesen lokalen Punkten begrenzt den von diesem Punkt emitto tierten Strom. Deswegen sind viele derartige Emissionsstellen notwendig, um das Gesamtstromäquivalent zu erhalten, das bei sehr weit auseinanderliegenden hochemittierenden Knoten metallischer Drähte vorhanden ist. Dieser Effekt kann als ein Strombegrenzungseffekt angesprochen oder als ein Widerstands-Ableiteffekt bezeichnet werden.

Die Erscheinung gleichförmiger Emission könnte auch mit Hilfe einer verstärkten Feldeffekttheorie erklärt werden. Das heißt, ein hohes, relativ gleichför-

ao miges elektrisches Feld wird vor der dielektrischen Schicht erzeugt durch den Aufbau positiver Ionen an der Außenfläche des dielektrischen Materials. Elektronen werden dann vom Metall des Kernmaterials in die dielektrische Schicht injiziert. Die injizierten

as Elektroden tunneln dann durch die dielektrische Schicht und/oder Lawinen werden in der dielektrischen Schicht ausgefällt (Maltereffekt). Diese Elektronen emittieren dann von der Oberfläche der dielektrischen Schicht.

Obwohl der Mechanismus, durch den die dielektrische Schicht gleichförmige Emission von einer negativ vorgespannten Metallelektrode erzielt, nicht völlig geklärt ist, sei darauf verwiesen, daß verschiedene organische dielektrische Materialien allein oder in Kombination mit anorganischen dielektrischen Materialien als Schichtmaterial für Metallelektroden verwendet wurden. Keine der mit solchen organischen Materialien beschichteten Elektroden erzielte mehr als eine minimale Verbesserung der Emissionsgleichförmigkeit, und die meisten der organischen Schichten brachen sehr schnell auf Grund von Materialfehlern ab. Es wird vermutet, daß diese organischen Materialien chemisch instabil in einer negativen Koronaanwendung sind und oder das notwendige hohe elektrisehe Feld nicht genügend aushalten und deshalb ihre Verwendung zur Erzielung einer gleichförmigen negativen Koronaemission nicht möglich ist.

Im folgenden sind zum weiteren Verständnis experimentelle Beispiele dargestellt. Beispiel 1 beschreibt dabei zum einen eine erfindungsgemäß gestaltete Elektrode und zum anderen eine bekannte metallische Vergleichselektrode sowie weiterhin eine Versuchsanordnung zum Betrieb der Elektroden. Die Beispiele 2 bis 9 beinhalten andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Elektrodengestaltung.

Beispiel 1

Eine Beschichtung aus Siliziumnitrid wurde durch chemische Verdampfung auf der Oberfläche eines 0,0625 mm starken Wolframdrahtes angebracht. Die Beschichtung wurde durch elektronenmikroskopische Untersuchung geprüft und als gleichförmig in der Aufbringung mit einer Dicke von etwa 500 A festgestellt. Der mit Siliziumnitrid beschichtete Draht wurde dann in einer Koronaladeanordnung (gemäß Fig. 2c) zusammen mit einer Vergleichselektrode aus einem 0,0625 mm starken Wolframdraht, der mit einer etwa 2,54 μτη dicken Goldschiebt belegt war, verbracht.

(ο

j Jedem Draht wurde dann eine Spannung von etwa Zum Vergleich zu diesen Ergebnissen sei daraul - 7000 Volt bei einem Strompegel von etwa 20 μΑ/ hingewiesen, daß normalerweise das Versuchskopierj cm aufgedrückt. Jeder Draht emittiert eine Korona. gerät mit einem Ladesystem gemäß der Fig. 2e Visuell beobachtet weist der goldbeschichtete Wolf- betrieben wird, indem drei goldbeschichtete Wolframdraht ein Emissionsmuster mit sich bewegenden 5 ramdrähte benutzt werden, die 1,25 cm von den Git-Perlen auf, die etwa zwischen 0,16 und 0,32 cm von- terdrähten entfernt sind, die ihrerseits etwa 0,125 cm einander entfernt sind. Der mit Siliziumnitrid be- von der photoleitfähigen Schicht entfernt sind. Die schichtete Draht schien anfänglich ungleichförmige Spannungsquelle liefert bei etwa 14000 Volt etwa 32 Emission aufzuweisen, aber innerhalb von 10 Minuten μτη/cm Strom zu den Elektroden. Der typische Ar-Einchattzeit wird, vermutlich auf Grund der richtigen 10 beitspunkt liegt bei — 12,5 Kilovolt oder 31,25 Volt-Oxidformation der Beschichtung, die Emission ein ampere. Dabei wird keine ungleiche Ladung festgegleichförmiges Glimmen über die Gesamtlänge des stellt. Aus diesen Angaben ergibt sich als Vergleich, Drahtes ohne leicht zu beobachtende Emissionskno- daß der Leistungsverbrauch etwa um den Faktor 3 ten. durch Benutzung der dielektrisch beschichteten

Nachdem die gleichförmige Emission mit dem SiIi- 15 Drähte in einem Koronaladesystem (gemäß Fig. 2c) ziumnitrid beschichteten Wolframdraht einmal er- vermindert werden kann. Goldbeschichtete Wolframreicht wurde, konnte danach kein Abfall mehr festge- drähte können in einer Koronaanordnung nicht ohne stellt werden, wenn das angelegte Potential von der Knotenbiidung verwendet werden, außer es wird ih-Entladungselektrode entfernt und danach wieder an- nen ein sehr hohes Potential und ein sehr hoher Strom geschaltet wurde. *o bei entsprechend großem Abstand von der photoleit-

Die Prüfung auf Stromdichte der Emission der bei- fähigen Schicht aufgeprägt,
den Drähte ergab, daß der Silizium nitridbeschichtete

Draht eine wesentlich gleichförmigere Emission als Beispiel 2

der goldbeschichtete Draht aufweist, und zwar im Eine Beschichtung aus Silizium wurde durch che-

Verhältnis 7:1 im Spitzen-Spitzenwert. Weiterhin ist as mische Verdampfung von SiH₄ (Silan) auf den Ober-

der Spitzen-Spitzenwert der festgestellten Strom- flächen verschiedener 0,0625 mm dicken Wolfram -

dichte des siliziumnitridbeschichteten Drahtes unge- drähte angebracht. Die Dicke der Beschichtungen

fähr der gleiche, der bei goldbeschichteten Drähten variiert von Draht zu Draht zwischen 0,00254 mm

auftritt, wenn diese mit positiver Spannung beauf- bis 0,0075 mm. Die Drähte wurden dann in einer Ko-

schlagt sind, um in etwa dieselbe Stromdichte bei posi- 30 ronaentladungsanordnung (gemäß Fig. 2c), wie ge-

tiver Koronaentladung abzugeben. maß dem Beispiel 1, eingebaut und ein Potential von

Der siliziumnitridbeschichtete Draht und der gold- etwa —7000 Volt wurde den Drähten mit einem

beschichtete Draht wurden dann einer Dauerprüfung Strompegel von etwa 20 μΐηΑ/Inch zugeführt. Die

unterzogen, indem sie andauernd mit negativer Span- anfängliche Emission der Drähte war ungleichförmig,

nung beaufschlagt wurden. Die Emissionsmuster wur- 35 Nach einer Einbrennzeit zwischen etwa 5 Minuten und

den periodisch sowohl visuell, als auch durch Strom- 2 Stunden wurde, vermutlich auf Grund der richtigen

dichtenabtastung geprüft. Nach 1000 Arbeitsstunden Oxidformation der Beschichtung, eine gleichförmige

emittierte der siliziumnitridbeschichtete Draht immer Emission erreicht. Während der Einbrennzeit konnte

noch gleichförmig, während der goldbeschichtete eine gleichmäßige Verbesserung in der Gleichförmig-

Draht abgenutzt war und nur noch von weit auseinan- 40 keit der Emission beobachtet werden. Wenn einmal

derliegenden stationären Knoten emittierte. gleichförmige Emission erreicht war, gaben die

Der siliziumnitridbeschichtete Draht wurde dann Drähte ohne Berücksichtigung der Unterbrechung der

aus der Testanordnung entfernt und zusammen mit zugeführten Spannung gleichförmige Ladung ab. Die

zwei ähnlichen siliziumnitridbeschichteten Drähten gleichförmige Emission hielt für über 700 Stunden

in einer Dreidraht-Koronaladeanordnung (gemäß 45 Dauerbetrieb an.

Fig. 2c) eingebaut. Diese Koronaladeanordnung Bei Versuchen unter bestimmten, extremen Bedin-

wurde in ein Kopiergerät eingebaut, das etwa 1500 düngen wurde eine knotenförmige Emission bei hö-

Kopien pro Stunde zu erzeugen in der Lage ist. Das heren Temperaturen und hoher relativer Luftfeuch-

zugeführte Potential betrug —7000 Volt bei einem tigkeit, etwa 28,3° C und 80% relative Luftfeuchte

Strompegel von etwa 20 μΑ/cm bei einer gesamten ₅₀ bzw. etwa 24° Cbei 60% Luftfeuchte festgestellt. Die

Stromzuführung zu der Entladevorrichtung von etwa Knotenemission bei diesen hohen Luftfeuchtigkeiten

1,5 Milliampere. Der typische Arbeitspunkt der Ko- wird der Anziehung von Wasser durch das Siliziumdi-

ronaelektroden lag damit bei 10,5 Voltampere. Die oxid zugeschrieben. Solche Wasseranziehung verur-

Drähte wurden ungefähr 0,75 cm vom Koronagitter sacht, daß der Widerstand der Siliziumdioxidoberflä-

entfernt angebracht, das seinerseits etwa 0,1 cm von ₅₅ ehe merkbar abnimmt, so daß Pfade mit niedrigerem

der Oberfläche einer bewegten photoleitfähigen Widerstand auftreten, die Stellen für Knotenemission

Trommel entfernt war. Kontinuierlich getönte Kopien bilden,

des Kopiergerätes zeigten kein Auftreten ungleich- .

förmiger Ladung. Diese Prüfung wurde bei einer Beispiel 3

Temperatur von etwa 29° C (83° F) und einer relati- öo Eine Beschichtung von Siliziumdioxid (SiO₂) wurde

ven Luftfeuchtigkeit von 80% ohne bemerkbare Ver- über eine Hälfte der Länge eines goldbeschichteten

minderung der Kopienqualität wiederholt. Wolfraradrahtes aufgedampft. Die Schichtdicke be-

Der Dauerversuch mit den siliziumnitridbeschich- trug etwa 100 A. Der Draht wurde in eine Koronala-

teten Drähten lief über mehr als 1000 Stunden, so deeinheit (gemäß Fig. 2c) eingebaut, die in dem Bei-

daß in der genannten Maschine eine Koronaentla- S5 spiel 1 beschrieben ist, einer Spannung von — 7000

dungsvorrichrungfürdie Erzeugung von über 1,5 Mil- Volt bei einem Strompegel von etwa 20 Mikroampere

honen Kopien verwendet werden kann, ohne ausge- pro cm ausgesetzt. Sehr gleichmäßige Emission wurde

wechselt werden zu müssen. über der beschichteten Hälfte des Drahtes beobachtet.

während die nichtbeschichtete Hälfte diskrete Emissionspunkte aufwies. Die gleichmäßige Emission des beschichteten Teiles dauerte für etwa eine Stunde an, danach war die Oberfläche auf Grund von Drahtvibrationen, die ein Abblättern und Abplatzen der Schicht verursachte, nicht mehr einwandfrei.

Beispiel 4

Eine Beschichtung aus Phosphorsilikatglas (P₀₀₃Si₀₉₂O₂) wurde auf mehrere Wolframdrähte mit 0,0625 cm Durchmesser aufgebracht. Die Beschichtung war gleichmäßig und in der Dicke unterschiedlich zwischen 2000 A bis 6000 A und sehr biegsam. Diese Drähte wurden dann in eine Koronaladeeinheit (gemäßFig. 2 b) eingebaut und einer Spannung von etwa - 7000 Volt bei einem Strompegel von etwa 20 Mikroampere pro cm ausgesetzt. Es wurde gleichförmige Emission ohne anfängliche Einbrennzeit beobachtet. Die Drähte wurden weiterhin verschiedenen Temperaturen und hohen Luftfeuchtigkeiten ausgesetzt, bei denen sie nach wie vor gleichmäßig emittierten.

Beispiel 5

Ein Draht aus 6061 Aluminium mit 0,075 mm Durchmesser wird in eine Koronaladeeinrichtung (gemäß Fig. 2b) eingebaut. Ein elektrisches Potential von etwa — 7000 Volt bei einem Strompegel von etwa 20 Mikroampere pro cm wird dem Draht zugeführt. Die beobachtete, anfängliche Koronaemission ist knotenförmig, jedoch nach etwa 30 Minuten Emission wird die Emission, vermutlich auf Grund der richtigen Oxidformation der Beschichtung, zu einem gleichförmigen Glimmen entlang der Länge des Drahtes. Dieser Draht wurde dann in die Koronaladeanordnung (gemäß Fig. 2c) und die Kopiervorrichtung, gemäß dem Beispiel 1, eingebaut. Kontinuierlich getönte Kopien wurden durch die Maschine hergestellt und es wurde dadurch klar, daß keine ungleichförmige Aufladung auftrat. Die Prüfung erfolgte bis zu einer Temperatur von etwa 28,3° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 80%. Ein ähnlicher Draht ist dann in eine Koronaladevorrichtung für kontinuierliche Emission eingebaut worden. Gleichförmige Emission wurde für eine Zeitdauer von 18 Stunden beobachtet, nach denen dann der Draht durch Bruch nicht mehr zu verwenden war.

Beispiel 6

Ein Aluminiumband aus 99,84 Aluminium wurde in einer Koionaladeeinrichtung (gemäß Fig. 2c) eingebaut. Das Band war 0,16 cm breit und 0,0625 mm stark. Ein elektrisches Potential von etwa — 8000 Volt bei einem Strompegel von etwa 20 Mikroampere pro cm wird dem Band zugeführt. Die anfänglich beobachtete Koronaemission ist knotenförmig, jedoch nach etwa 20 Betriebsminuten wird die Emission, vermutlich auf Grund der richtigen Oxidformation, ein gleichförmiges Glimmen entlang der Spitze des Bandes. Die Oberfläche emittierte gleichförmig für eine Zeitdauer von 5 Stunden, wonach wiederum Knotenemission auftrat.

Beispiel 7

Ein 0,0625 mm Durchmesser starker goldbeschichteter Wolframdraht wurde durch Eintauchen mit Aluminium beschichtet, indem der Draht durch ein Schmelzbad von 1100 Aluminium gezogen wurde. Die resultierende Aluminiumbeschichtung war etwa 0,0125 mm stark mit gleicher Schicht über die Draht fläche. Der beschichtete Draht wurde in eine Korona ladevorrichtung (gemäß Fig. 2c) eingebaut und mi einem Potential von etwa -7000 Volt bei einen Strompegel von etwa 20 Mikroampere pro cm beauf schlagt. Der Draht emittierte anfänglich nicht gleich förniig, aber nach etwa 30 Minuten wurde gleichför mige Emission, vermutlich auf Grund der richtigei Oxidformation der Beschichtung, erreicht. Der Drah

ίο wurde kontinuierlich weiterbetrieben für eine Zei von etwa 8 Stunden, nach der dann Knotenemissioi wieder auftrat. Die Prüfung der Drahtoberflächi zeigte, daß die Aluminiumschicht vollständig oxidier war und daß Fehler an solchen Punkten auftraten, ai denen das Aluminiumoxid gesprungen oder abge platzt war.

Beispiel 8

ao Eine Beschichtung aus Zink wurde durch chemi sches Verdampfen auf einem 0,0625 mm starkei Wolframdraht aufgebracht. Die Beschichtung hat ein« Dicke im Bereich zwischen 500 A und 1000 A. Dei Draht wurde in eine Koronaentladungsvorrichtunj

as (gemäß Fig. 2c) eingebaut, wie in Beispiel 1 be schrieben, und mit einem Potential von - 7000 VoI bei einem Strompegel von etwa 20 Mikroampere pn cm beaufschlagt. Ungleichförmige Emission wurde fü etwa 10 Minuten beobachtet. Danach trat gleichför

mige Emission, vermutlich auf Grund der richtigei Oxidformation der Beschichtung während der Ein brennzeit, für etwa 140 Stunden auf. Fehler tratei nach etwa 142 Stunden auf, und zwar in der Form daß von stationären Knotenpunkten emittiert wurde

Beispiel 9

Eine Beschichtung aus Magnesium wurde durch Io nenplattierung auf der Oberfläche eines 0,0625 mn

Durchmesser starken Wolframdrahtes aufgebracht Die Beschichtung war etwa 500 A dick. Der Drah wurde in eine Koronaladevorrichtung (gemäi Fig. 2b) eingebaut und mit etwa -7000 Volt bei ei nem Strompegel von etwa 20 Mikroampere pro cn

beaufschlagt. Ungleichförmige Emission wurde fü etwa 5 Minuten beobachtet. Danach emittierte de Draht, vermutlich auf Grund der richtigen Oxidfor mation der Beschichtung, gleichförmig für über 1Oi Betriebsstunden.

Die nachfolgenden Beispiel dienen zum Vergleich In diesen Beispielen sind verschiedene organische di elektrische Materialien als Schicht auf Metalldraht« aufgebracht, um mit ihnen eine gleich, urmige negativ« Koronaemission zu erzielen.

Vergleichsbeispiel 10

Eine Beschichtung aus Silikongummi mit 47 Ge wichtsprozent Eisenoxidteilchen (Fe₂O₃) und Silizi umdioxid (SiO₂) wurde auf einem 0,0625 mm starkei

Wolframdraht aufgebracht. Die Beschichtung wa etwa 0,00254 mm stark und bedeckte gieichförmij die Drahtfläche. Dieser Draht wurde in eine Korona ladevorrichtung, gemäß dem Beispiel 1 eingebaut unc mit einer negativen Spannung von etwa 7000 Volt be

einem Strompegel von 20 μΑ/cm beaufschlagt. E: wurde ein knotenförmiges Emissionsmuster beobach tet und es trat keine Verbesserung der Emission nacl einer Stunde Betriebsdauer auf. Die Priifune dei

Drahtes anschließend ergab, daß die Beschichtung während der einstündigen Emissionsdauer teilweise nicht mehr vorhanden war.

Vergleichsbeispiel U

Submikroner Aluminiumpuder wurde mit einem Silikonharz (SR420 von der Fa. General Electric Company) gemischt. Diese Mischung wurde anschließend einem mit Gold beschichteten Wolframdraht durch Eintauchen zum Aufbau einer Beschichtungsdicke von etwa 0,00254 mm zugeführt. Der beschichtete Draht wurde in eine Koronaladevorrichtung, gemäß Beispiel 1, eingebaut und mit einer negativen Spannung von etwa 7000 Volt bei einem Strompegel von etwa 20 μΑ/cm beaufschlagt. Die Emission war beim Einschalten knotenförmig und blieb im wesentlichen für die Dauer einer Stunde so. Zu diesem Zeit punkt wurde der Draht entfernt und eine Prüfung ergab, daß die Beschichtung vollständig fehlte.

Vergleichsbeispiel 12

Eine Beschichtung aus 85 Volumprozentlösung besonders ausgesuchten Polyurethans (Estane 5740 von der Fa. B. F. Goodrich) gemischt mit 15 Volumprozent Graphitpigmenten wurde durch Eintauchen auf einen etwa 0,0625 mm Durchmesser starken goldbeschichteten Wolframdraht aufgebracht. Die Beschichtung war etwa 0,005 mm stark und bedeckte die Drahtfläche gleichförmig. Der Draht wurde in eine Koronaladevorrichtung, gemäß Beispiel 1, eingebaut und mit einem Potential von etwa —7000 Volt bei einem Strompegel von etwa 20 Mikroampere pro cm beaufschlagt. Knotenförmige Emission wurde während der ersten Betriebsstunde beobachte* Die Knoten lagen dichter beieinander als die, die bei den Drähten gemäß den Beispielen 10 und 11 zu beobachten waren, aber sie waren leicht zu beobachten. Während der zweiten Betriebsstunde trat extreme, ungleichförmige Emission auf.

Vergleichsbeispiel 13

Eine Zusammenstellung aus einem Acrylharz und einem flüchtigen Lösungsmittel (Krylon von der Fa. Borden, Inc.) wurde auf einen 0,0625 mm starken goldbeschichteten Wolframdraht aufgesprüht. Die

xo Beschichtung war etwa 0,00254 mm stark. Aluminiumoxid wurde auf die Oberfläche des beschichteten Materials gestäubt. Der Draht wurde danach in eiae Koronaladevorrichtung, gemäß Beispiel 1, eingebaut und mit einer Spannung von —7000 Volt bei einem Strompegel von 20 μΑ/cm beaufschlagt. Knotenemission wurde für etwa eine Stunde beobachtet. Der Draht wurde dann untersucht, und es wurde festgestellt, daß die Beschichtung nicht mehr vorhanden war.

jo Aus den vorstehend dargelegten Beispielen für die erfindungsgemäß gestalteten Entladungselektroden und den Vergleichsbeispielen ist leicht zu erkennen, daß Korona-Entladungselektroden mit einem leitenden Träger, beschichtet mit anorganischem dielektri-

ä₅ schem Material wie Keramik oder Metalloxid, eine gleichförmige Elektronenemission abgeben, wenn sie mit negativem Potential beaufschlagt werden. Weiterhin ist festzustellen, daß einige anorganische Materialien eine Einbrennzeit brauchen, die der Oxidforniation zugeschrieben wird, daß jedoch alle diese Materialien eine gleichförmige Emission für eine sehr beträchtliche Zeitspanne abgeben. Diese gleichförmige Emission wird über einen großen Bereich von unterschiedlichen Temperaturen und relativen Luftfeuchtigkeiten abgegeben, denen die Kopiergeräte normalerweise ausgesetzt sein können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Koronaentladungselektrode zur Erzeugung einer negativen Koronaentladung aus einem Kern mit zumindest elektrisch leitender Oberfläche und einer Beschichtung aus dielektrischem anorganischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung;eine Schichtstärke im Bereich von 100 bis 6000 Ä hat.

2. Koronaentladungselektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische dielektrische Material einen spezifischen Widerstand voh 10⁶ Ohm cm oder nuehr besitzt.

3. Koronaentladungselekirode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische dielektrische Material ein Metalloxid ist.

4. Koronaentladungselektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid das Oxid des metallischen, elektrisch leitenden Kerns (13) bzw. dessen elektrisch leitender Oberfläche ist.

5. Koronaentladungselektrode nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische dielektrische Material Aluminiumoxid, Zinkoxid oder Magnesiumoxid ist.

6. Koronaentladungselektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das anorganische dielektrische Material keramisches Material ist.

7. Koronaentladungselektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material Siliziumnitrid, Siliziumdioxid oder Phosphatsilikatglas enthält.