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Beschreibung:
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Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Druckimpulse für einen Elektropulskopierer
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Druckimpulse
für einen Elektropulskopierer, in dem eine mit Druckpartikeln beladene Abgabeschicht
neben einer zu bedruckenden Fläche liegt, mit einer Druckelektrode, die im Bereich
der Abgabeschicht und der zu bedruckenden Fläche ein pulsförmiges elektrisches Feld
erzeugt, aurch welches Druckpartikel von der Abgabeschicht auf die zu bedruckende
Fläche uebertragen werden.
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Bei mechanischen Berührungsdruckverfahren wird der Farbstoff durch
eine mechanische Bewegung einer Vorratswalze, einer Abgabeschicht oder eines Streifens
auf das zu bedruckende Blatt übertragen.
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Elektrostatische Druckverfahren sind üblicherweise mehrstufig ausgeführt
und umfassen im wesentlichen selektive Aufladungsvorgange von Flächen und aie Übertragung
von Tönerteilchen durch elektrostatische Kräfte. Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf i;lcktropulsdruckverfanren mit Vorrichtungen zu deren Durchführung, wie
sie in dem US-Patent Nr. 3,550,153 (R.W.liaeberle et al) beschrieben sind. Der darin
beschriebene Druckvorgang geht von einem elektrisch leitenden Farbstoff aus, der
in Form von Druckpartikeln vorliegt. Um diese Druckpartikel auf ein zu beruckences
Blatt auf zubringen, ist eine Vorrichtung vorgesehen, die ein gepulstes elektrisches
Feld geeigneter Form zwischen den
Druckpartikeln und dem zu bedruckenden
Bogen anlegt. In der Praxis werden beispielsweise Felder in der Grössenordnung von
1000 V verwendet, die an einen Spalt mit einer Breite zwischen 12, und 254 µm angelegt
werden, wobei die Spalthreite von den Druckpartikel bis zu einer Feldformelektrode
gemessen wird. Das zu bedruckende Blatt befindet sich in diese Spalt. Wie bereits
erwähnt, liegt die Druckfarbe oder der Farbstoff in Form von beweglichen Druckpartikeln
vor. Während der kurzen Dauer des elektrischen Feldes werden die Druckpartikel an
erhobenen Stellen zuerst in einem Ladungsstrom von den anderen näher an der unteren
Schicht liegenden Partikeln aufgeladen, vom elektrischen Feld abgelöst, und dann
durch die durch das elektrische Feld induzierte Kraft auf das zu bedruckende Papier
transportiert. Wie in dem genannten US-Patent Nr. 3,550,153 angegeben, werden die
elektrisch leitfähigen Druckpartikel zunachst auf eine Fläche aufgebracht, die im
folgenden als Abgabeschicht bezeichnet ist. Die Amplitude und die Dauer cer Elektroimpulse
müssen so gewahlt werden, daß eine für eine gute Druckqualität ausreichende Anzahl
von Druckpartikeln auf das Papier transportiert wird, ohne daß ein elektrischer
Durchbruch oder eine Gasentladung zwischen den Elektroden auftritt.
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Bei der in dem genannten Patent beschriebenen Vorrichtung weist die
am dichtesten an dem zu bedruckenden Blatt liegende Oberfläche der Abgabeschicht
elektrisch leitende Druckpartikel auf, die in einem Medium mit hohem elektrischen
widerstand dispergiert sind. Das gepulste elektrische Feld wird angelegt, um die
di r:ruc,;-partikel selektiv aufzuladen Die gel@@@nen Partikel werten zaraufhin
unter dem Einfluß des angelegten clektrischen Feldes au' die daneben liegende Fläche
des zu bedruckenden blattes übcrtragen. ts handelt sich dabei um eine wirksame Aufladungstechnik,
bei welcher den Druckpartikeln in einer sehr kurzen eit eine
Ladung
zugeführt wird. Da die leitenden Druckpartikel in einem Medium mit hchem elektrischem
Widerstand dispergiert sind, werden die Feldlinien des angelegten Feldes auf diese
leitenden Partikel konzentriert. Dadurch lneiaen die Feldlinien das Medium mit dem
hohen elektrischen Widerstand, welches die leitenden Teilchen voneinander trennt.
Die reldlinienkonzentration ergibt sich als Folge der in den Druckpartikeln induzierten
elektrischen Ladung. Die Konzentration der Feldlinien auf die geladenen Druckpartikel
führt natürlich auch zu einer Fokussierung der Kraftlinien auf die Partikel. Die
auf die Partikel ausgeübte raft hängt von der elektrischen Feldstärke am Ort des
Partikels und der Ladung auf dem Partikel ab und ist proportional den; Produkt aus
Ladung und Feldstärke. Beide Faktoren werden vergrössert, wenn Ladung auf dem leitenden
Partikel gesamr. elt wird, da die Ansammlung von Ladung eine Zunahn.e der Feldliniendichte
zur folge hat. Das wiederum bedeutet einen Anstieg der Felasturke, für deren Grösse
die Anzahl von Feldlinien pro Flächeneinheit ein Maß ist.
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Bei Druckern der in dem genannten Patent beschriebenen Art, bei welchen
die leitenden Druckpartikel inhomogen in einem elektrisch schlecht leitenden Medium
verteilt sind, insbesondere in Richtung der Tiefe der Schicht, wodurch sich Gruppen
von in Form von bügeln oder Würmchen angeoraneten Partikeln ergeben, lädt ein Druckimpuls
bevorzugt Partikel an herausragenden Stellen auf, also beispielsweise an den Spitzen
c.er Rügel und Türmchen . Auf diese Partikel werden dann große rafte ausgeübt, die
diese von iiiren @achbarn losreissen und von der tgabeschicht auf das zu bedruckende
Blatt übertragen. Bei der praktischen Durchführung des in dem genanrten Um patent
beschriebenen Druckverfahrens muss das Medium mit dem hohen elektrischen Widerstand
nicht unbedingt ein Festkörper sein, in manchen Fällen kann es Luft sein.
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Wenn also die Abgabeschicht geeignet geformt und geeignet mit Druckpartikeln
beschichtet ist, so daß die leitenden Drackpartikel in Form von Bügeln und Türmchen
angeordnet sind, dann kann die diese Hügel und Türmchen umgebende und trennende
Luft die Rolle des Mediums mit dem hohen elektrischen Widerstand übernehmen, indem
die leitenden Partikel dispergiert sind.
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Eine Abgabeschicht für berührungsloses Drucken, bei der das schlecht
leitende Medium ein dielektrisches Festkörpermaterial ist, ist in dem US-Patent
Nr. 3,833,409 (John Peshin) beschrieben.
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Diese Abgabeschicht hat einen hohen Oberflächenwiderstand, um den
Druckvorgang auf die unmittelbare Umgebung der aktiven Fläche der Druckelektrode
zu begrenzen. Eine weitere Verbesserung der im US-Patent Nr. 3,550,153 beschriebenen
Vorrichtung ist in dem US-Patent Nr. 3,898,674 (P.L.Koch) beschrieben. Es handelt
sich dabei um eine abgeschirmte Elektrode,die -eine schmalere Druckfeldverteilung
erzeugt, als dies mit einer nicht abgeschirmten Durckelektrode möglich ist. Mit
einer derart begrenzten Druckfeldverteilung kann man ein Druckbild mit ausreichender
Auflösung auch dann noch erzielen, wenn die Druckpartikel auf einer leitenden Unterlage
ruhen, wenn die Struktur dieser Unterlage und die Anordnung der Druckpartikel darauf
derart sind, daß sich eine zumindest teilweise Isolierung der leitenden Druckpartikel
in kleine hügel- oder turmförmige Gruppen ergibt, die durch ein schlecht leitendes
Medium voneinander getrennt sind, beispielsweise durch Luft oder ein geeignetes
Festkörpermaterial.
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Insbesondere, wenn das Trägermaterial der Druckpartikel elektrisch
leitend ist, wird die Gefahr eines elektrischen Druchbruchs während des Druckimpulses
vergrössert.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen
Art derart zu verbessern, daß elektrische Durchbrüche auch bei Druckimpulsen sehr
hoher Amplitude und entsprechend grossen elektrischen Feldern vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Druckelektrode einen Körper aus dielektrischem
Material mit einer Oberfläche sowie eine elektrisch leitende Feldelektrode mit einer
das elektrische Feld ausbildenden Endfläche aufweist, welche Endfläche auf die Oberfläche
des dielektrischen Körpers zugerichtet und von dieser im Abstand angeordnet ist,
wobei sie von dem dielektrischen Körper bedeckt ist, und daß die zwischen der Feldelektrode
und einer Gegenelektrode angelegte Spannung so groß ist, daß ein die Druckpartikel
aus der Abgabeschicht aufladender Strom fliesst und sich die Druckpartikel infolge
der Aufladung von der Abgabeschicht lösen und zu der zu bedruckenden Fläche wandern,
daß jedoch keine Durchbrüche zwischen der Oberfläche des dielektrischen Körpers
und der Endfläche auftreten.
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Die Gefahr von elektrischen Durchbrüchen wird also gemäß derErfindung
dadurch herabgesetzt, daß die das Feld ausbildende und formende Endfläche der Druckelektrode
mit dielektrischem Material bedeckt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Feldelektrode gegenüber einer Abschirmelektrode zurückgesetzt ist und daß
der Raum zwischen den beiden Elektroden im wesentlichen vollständig mit dielektrischem
Material ausgefüllt ist, welches einen Durchbruch auch bei hohen elektrischen Feldern
verhindert, wie sie während des Druckimpulses entstehen.
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Durch das Bedecken der Druckelektrode mit dielektrischem Material
konnte die Arbeitsweise der Elektrokopierer wesentlich verbessert werden, insbesondere
dann, wenn die Druckimpulse in Form von Impulsfolgen mit rechteckigen oder abgerundeten
Impulsen entgegengesetzter Polarität erzeugt wurden. Bei der Verwendung oszillierender
Druckimpulse, die groß genug sind, eine gewisse Luftionisation zu erzeugen, können
sich auf den äusseren Oberflächen des die Elektrode beueckenden didektrischen Materials
Ladungsansammlungen ergeben. Da jedoch diese Ladungen verOehiedene Polarität aufweisen,
werden sie sich gegenseitig aufheben, so daß insgesamt die Ladungsansammlung auf
der Oberfläche des dielektrischen Materials verringert wird.
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Die Abdeckung der Feldelektrode mit einem dielektrischen Material
kann bei Kopierern eingesetzt werden, bei denen die Druckelektrode nicht abgeschirmt
ist, wie dies in dem US-Patent Nr. 3,550,153 beschrieben ist. Bei solchen Kopierern
verhindert das dielektrische Material einen Durchbruch an der Oberfläche der Druckelektrode
während des Druckimpulses. Das elektrische Feld ist in der unmittelbaren Umgebung
der scharfen Kanten der das Feld ausbildenden Flächen der Druckelektrode besonders
groß. Das dielektrische Material bedeckt daher vorzugsweise die scharfen Kanten
und verhindert, daß Luft an diese scharfen Kanten gelangen kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.
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Abgeschirmte Druckelektroden gemäß der Erfindung arbeiten besonders
wirksam mit Druckpartikeln, wie sie in der Patentanmeldung P (US-Serial No. 710,282
- eingereicht am 30.Juli 1976) desselben Anmelders beschrieben sind.
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Es ist auch günstig, derart abgeschirmte Elektroden mit einer magnetischen
Druckpartikelumorientierung zu kombinieren, wie sie in der Patentanmeldung P (US-Serial
No.710,281 - eingereicht am 30.Juli 1976) desselben Anmelders beschrieben ist.
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Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient zusammen mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt Fig. 1 - einen
Querschnitt durch die Druckstation eines Elektroimpulskopierers und Fig.2 - eine
Ansicht ähnlich Fig. 1 mit einer zusätzlichen Abschirmelektrode.
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In den Figuren 1 und 2 sind schematisch die wichtigsten Teile einer
Drucksation eines Elektroimpulskopierers dargestellt. Der Kopierer kann eine ausziehbare
Abgabeschicht für die Druckpartikel verwenden oder eine Abgabeschicht mit einer
fortlaufenden Oberfläche, die zwischen einer Färbestation und der Druckstation vorbewegt
wird, wie dies in der Patentanmeldung P (US-Serial No. 710,280 - eingereicht am
30.Juli 1976)desselben Anmelders beschrieben ist. Der Kopierer umfasst eine Abgabeschicht
12, einen Antrieb 14, mit dem die Abgabeschicht in Richtung des Pfeiles 16 vorgeschoben
wird, ein zu bedruckendes Blatt, das im folgenden als Druckpapier 18 bezeichnet
wird, einen Antrieb 20, der das Druckpapier in Richtung des Pfeiles 22 vorschiebt,
und zwar vorzugsweise mit derselben Geschwindigkeit wie die Abgabeschicht 12, eine
allgemein mit 24 gekennzeichnete Druckelektrode und eine Spannungsquelle 26 zur
Erzeugung der Druckimpulse. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Abgabeschicht
ein
metallisches Band auf, wie es in der genannten Anmeldung P beschrieben ist. Die
Oberfläche dieses Bandes ist aufgerauht oder mikrostrukturiert, und auf ihr sind
Druckpartikel 27 in Form von voneinander getrennten Bügeln und Würmchen aufgebracht.
Die Spannungsquelle 26 ist einerseits über eine Bürste 28 mit der Abgabeschicht
12 verbunden und andererseits mit einer metallischen Feldelektrode 30. Die Bürste
28 ist geerdet. Die Feldelektrode 30 ist in einem Körper 32 aus einem dielektrischen
Material eingebettet, beispielsweise in Glas, Plastik oder einem anderen geeigneten
Material. Als Plastikmaterial eignet sich ein Polyimid, das von der Firma E.I. duPont
de Nemours I Co. unter dem Namen Kapton vertrieben wird.
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Die Abgabeschicht kann auch aus einem dielektrischen Material bestehen
oder einem Material mit relativ schlechter elektrischer Leitfähigkeit, wie dies
in den US-Patenten Nr. 3,550,153 und 3,833,409 beschrieben ist. In diesem Fall ist
eine Basiselektrode an der der Druckelektrode 24 gegenüberliegenden Seite der Abgabeschicht
angeordnet, die dann ebenfalls geerdet ist. Die Abgabeschichten können auch anders
aufgebaut werden, beispielsweiso so, wie es in der Patentanmeldung P (US-Serial
No. 710,283 - eingereicht am 30.Juli 1976) desselben Anmelders beschrieben ist.
Das Druckpapier 18 ist normalerweise ebenes, unbeschichtetes Papier.
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Die Druckelektrode 24 hat eine Oberfläche 34, die vorzugsweise eben
und glatt ist, um die Ansammlung von Papierstückchen, Druckpartikeln oder anderen
Schmutzteilchen zu verhindern, durch welche die Qualität des Druckbildes beeinträchtigt
werden könnte.
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Die Feldelektrode hat eine zur Oberfläche 34 hin gerichtete Endfläche
36, welche im Abstand von der Oberfläche 34 liegt. Diese Endfläche 36 ist derart
geformt, daß sie der Form des elektrischer
Feldes beim Druckvorgang
und auch der Form des Druckbildes entspricht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Endfläche 36 kreisförmig ausgebildet und die Feldelektrode selbst zylindrisc
Selbstverständlich können auch andere Formen verwendet werden.
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Mit der dargestellten kreiszylindrischen Elektrode können runde Punkte
gedruckt werden. Solche Elektroden werden üblicherweise in Faksimiledruckern und
bei alphanumerischen Druckern verwendet, die die Zeichen mit einer Punktmatrix drucken.
Der dielektrische Körper 32 bedeckt die Endfläche 36 und die daran anschliessende
Seitenfläche der Feldelektrode 30.
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Vorzugsweise erzeugt die Spannungsquelle 26 bipolare Impulse 38; die
erfindungsgemäße Elektrodenausbildung kann aber vorteilhaft auch bei Kopierern verwendet
werden, die zum Drucken der Typen oder unterschiedlich geformten Punkte unipolare
Impulse verwenden.
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Das in Fig.2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich nur
wenig von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel; gleiche Teile tragen
daher gleiche Bezugszeichen.Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch eine Druckelektrode
40 mit einer Abschirmelektrode 42 vorgesehen, welch letztere aus einer flachen Metallplatte
mit einem kreisrunden Loch 44 besteht. Das Loch ist koaxial mit der Feldelektrode
30 angeordnet, und die Elektrode 42 ist in dielektrische Material 46 eingebettet.
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Bei dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugt ein Impuls
zwischen der Feldelektrode 30 und der Abgabeschicht 12 ein durch die elektrischen
Feldlinien 48 veranschaulichtes elektrisches Feld. Das durch einen Impuls in dem
in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugte elektrische Feld wird
in
ähnlicher Weise durch Feldlinien 50 veranschaulicht. In beiden Ausführungsbeispielen
ist eine Feldverteilung dargestellt, wie sie sich bei Verwendung einer zylindrischen
Feldelektrode 30 ergibt. Bei Kopierern, bei denen die Feldelektrode 30 durch eine
als Buchstabe, Ziffer oder andere Drucktype geformte Elektrode ersetzt ist, kann
sich für jeden Druckimpuls eine andere Feldlinienverteilung ergeben. Bei jeder dieser
Ausbildungen bedeckt jedoch ein Teil des dielektrischen Körpers 32 die der Endfläche
36 entsprechende Feldformfläche.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, befindet sich zwischen der Oberfläche
34 der Druckelektrode 24 und dem Druckpapier 18 ein Spalt 53. Ein weiterer Luftspalt
54 ist zwischen der Abgabeschicht 12 und dem Druckpapier 18 vorgesehen. Diese Luftspalte
können verschieden breit sein, in manchen Fällen ist einer oder sind beide Luftspalte
extrem schmal.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird die zylindrische Feldelektrode
30 durch die geerdete Abschirmelektrode 42 abgeschirmt, wie dies ausführlicher im
US-Patent Nr. 3,898,674 beschrieben ist. Der die Feldelektrode 30 umgebende und
teilweise von der Abschirmelektrode 42 begrenzte Raum ist mit dem dielektrischen
Material 46 ausgefüllt. Glas und Kapton werden vorzugsweise eingesetzt, jedoch können
auch andere Materialien mit vergleichbaren dielektrischen Eigenschaften verwendet
werden.
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In den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen schützt
die Einbettung der Feldelektroden 30 in dielektrisches Material gegen elektrische
Durchbrüche, die bei einem hohen elektrischen Feld, insbesondere an den scharfen
Ecken 56 der Endfläche 36 auftreten können. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2
werden weiterhin Durchbrüche an den scharfen Kanten des
Loches
44 der Abschirmelektrode 42 vermieden.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, führen bei diesem Ausführungsbeispiel
einige Feldlinien 58 von den Seitenflächen der Feldelektrode 30 auf eine Oberfläche
der Abschirmelektrode 42. Andere Feldlinien 60 führen von der Endfläche36 der Feldelektrode
30 auf die Innenkanten des Loches 44 in der Abschirmelektrode 42. Wieder andere
Feldlinien 62 führen von der Endfläche 36 auf eine äussere Oberfläche 64 der Abschirmelektrode
42. Andere Feldlinien 66 schließlich führen von der Endfläche 36 auf die Abgabeschicht
12. Nur diese Feldlinien 66 bilden das elektrische Feld, das das Druckbild erzeugt,
indem es Druckpartikel 27 von der Abgabeschicht 12 auf die benachbarte Oberfläche
des Druckpapiers 18 überträgt.
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Man erkennt damit aus der Darstellung der Fig. 2, daß die geerdete
Abschirmelektrode 42 die die Abgabeschicht erreichenden Feldlinien auf einen Bereich
konzentriert, der, vergl-ichen mit der Feldverteilung beim Ausführungsbeispiel der
Fig. 1, relativ klein ist. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die elektrische
Feldstärke an der Abgabeschicht wesentlich kleiner als die elektrische Feldstärke
an der Endfläche 36 und den Ecken 56 der Druckelektrode. Um an der Abgabeschicht
ausreichend hohe Feldstärken zur Erzeugung eines guten Druckbildes zu erhalten,
müssen die Druckimpulse 38 eine wesentlich grössere Amplitude aufweisen, vorzugsweise
zwischen 500 und 1.400 V. Die Spannung liegt dabei so hoch, daß das dielektrische
Material 46 einen Durchbruchswiderstand aufweist, der wesentlich höher ist als der
von Luft, damit elektrische Durchbrüche durch das dielektrische Material, die den
Betrieb des Kopierers stören würden, vermieden werden.
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Der dielektrische Körper 32 kann aus einer oder aus mehreren Komponenten
eines dielektrischen Material bestehen, wodurch
gegebenenfalls
die Herstellung erleichtert werden kann. Bei Ausführungsformen mit einer Abschirmelektrode
32 wird das dielektrische Material 46 üblicherweise fluchtend mit der äusseren Oberfläche
der Abschirmelektrode ausgebildet, wodurch sich kleine Ecken und Nischen bilden,
in denen sich Papierfasern, Druckpartikel oder andere Schmutzteilchen sammeln könnten,
durch die der Betrieb der Druckvorrichtung gestört wird.
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In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Abschlrmelektrode
42 als plattenförmige Elektrode mit einer fensterartigen Öffnung dargestellt. Es
können jedoch auch anders geformte Abschirmelektroden verwendet werden, wie sie
beispielsweise in dem US-Patent Nr. 3,898,674 beschrieben sind.
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L e e r s e i t e